电动机控制装置.pdf

本发明的电动机控制装置，是在温度变化推断单元11根据由流过开关电路5的半导体器件的电流计算出的输出电流信号105、运行频率信号及载波频率信号，推断半导体器件的温度变化，计算温度变化振幅108，在热应力运算单元13根据存入功率循环曲线数据存储单元14的功率循环曲线数据，换算为与温度变化振幅108相对应的功率循环数110，计算热应力信号111，在寿命推断单元15a根据热应力信号111，进行半导体器件的寿命推断，作为寿命推断结果信号112输出给显示单元16。

1、  一种电动机控制装置，包括
具有功率晶体管及与该功率晶体管并联连接的二极管等半导体器件的开关电路、
根据逐行频率设定单元设定的运行频率信号及载波频率设定单元设定的载波频率信号而生成驱动脉冲的控制单元、以及
将由该控制单元输出的驱动脉冲进行放大并对所述开关电路的功率晶体管进行ON/OFF控制的驱动电路，
将直流功率变换为可变频率及可变电压的交流功率并对作为负载的电动机进行可变控制，其特征在于，包括
根据流过所述半导体器件的电流来计算输出电流、同时在计算的输出电流信号超过电流限制电平调节单元输出的电流限制信号时向所述控制单元输出电流切断信号的电流运算单元；
根据该输出电流信号及所述逐行频率信号及所述载波频率信号来推断所述半导体器件的温度变化、并计算温度变化振幅的温度变化推断单元；
存储表示温度变化振幅与半导体器件功率循环寿命之关系的功率循环曲线数据的功率循环曲线数据存储单元；
将所述温度变化推断单元计算的温度变化振幅根据所述功率循环曲线数据换算为作为半导体器件功率循环寿命的功率循环数、并计算热应力信号的热应力运算单元；以及
根据该热应力信号进行所述半导体器件的寿命推断并作为寿命推断结果信号输出给显示单元、同时还计算每个设定时间的寿命时间并与期待寿命进行比较、在寿命时间小于期待寿命时作为寿命判断信号向所述显示单元输出报警信号的寿命推断单元。

2、  如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述寿命推断单元将所述寿命推断结果信号及所述寿命判断信号输出给所述电流限制电平调节单元，同时
所述电流限制电平调节单元在所述寿命推断结果信号中包含报警信息时，或者所述寿命判断信号输入时，进行自动调整，使得减小输出给所述电流运算单元的电流限制值信号。

3、  如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述寿命推断单元将所述寿命推断结果信号及所述寿命判断信号输出给所述载波频率设定单元，同时
所述载波频率设定单元在所述寿命推断结果信号中包含报警信息时，或者所述寿命判断信号输入时，进行自动调整，使得降低所述载波频率的上限值，然后将载波频率信号输出给所述控制单元。

电动机控制装置
技术领域
本发明涉及对电动机进行可变速控制的电力机控制装置。
背景技术
在逆变器装置等采用功率半导体器件的电动机控制装置中，在该装置运行时，功率半导体器件将发热，芯片的结温上升，在该装置停止时，发热停止，结温下降。另外，在电动机运行起动时、运行停止时及负载突变时，由于装置的输出电流有很大变化，因此功率半导体器件的结温也发生很大变化。所以，由于反复地运转及停止和速度或负载反复地急剧变化，将引起功率半导体器件的芯片部分反复地热膨胀及热收缩。
另外，功率半导体器件由于一般使用热膨胀系数不同的各种材料组装而成，因此特别是引线焊接部分或功率半导体器件与散热器的接合部若温度上升，则由于芯片的涂复剂的热膨胀应力的作用，慢慢地引线焊接部分从芯片开始剥离，或者由于芯片与散热器的热膨胀系数的差异而引起的热膨胀应力的作用，接合材料开始金属疲劳。由于反复地运转及停止和速度或负载反复地急剧变化，最终引线焊接部分完全剥离，处于开路状态。即，导致功率半导体器件处于不良状或损坏。导致该引线焊接部分因热膨胀应力而完全剥离、处于不良状态或损坏的热膨胀与热收缩的循环称为功率循环。
因而，在将逆变器装置用于AC伺服装置或电梯的电动机等情况下的运行及停止的反复频次高的装置，或用于压缩机等情况下的负载变动激烈的装置时，特别是由于功率循环而使功率半导体器件的寿命缩短，因此必须采取某些措施。
专利文献1(日本专利特开平8-51768号公报)所揭示的功率半导体器件的寿命监视装置，其目的在于提供能够监视因功率循环而影响的功率半导体器件的寿命、并在寿命结束前掌握功率半导体器件的维护以经防止功率半导体器件损坏的装置。
专利文献1的目的是在因功率循环而导致寿命结束前保护逆变器装置等所用的功率半导体器件，根据功率半导体器件的结温差与功率循环的相关关系，将与逆变器装置的功率半导体器件的结温差相对应的功率循环来推断寿命，用计数器对逆变器装置的运行次数进行计数，在计数值超过第1基准值时，输出报警信号，在计数值超过第2基准时时，输出断开信号，使逆变器强制停止。
在专利文献1中，结温度的值虽然通常是变化的，但结温差的值是选择装置在运行及停止中的代表性的一点作为固定值，因此存在不能得到所希望的推断寿命精度的问题。
另外，还有专利文献2(日本专利特开平8-126337号公报)，其目的是得到能够在达到功率半导体器件的寿命以前采用改善使用方法等延长寿命措施的逆变器装置。
在专利文献2中叙述的内容有，根据功率半导体器件的推断温度变化的振幅而计算温度变化幅度热应力次数及根据功率半导体器件的推断温度变化的比例而计算温度变化率热应力次数，在求得的热应力次数超过允许热应力次数时，进行发出报警显示指令等的报警处理；另外，根据热应力次数与允许热应力次数而求得剩余的寿命时间，发出显示指令；另外，在根据每个设定时间的温度变化率热应力次数及每个设定时间的温度变化率热应力次数而求得的每个设定时间在热应力次数超过每个设定时间的允许热应力次数时，由于以设定时间的运行不能以期待寿命时间运行，因此进行发出报警显示指令等的报警处理；另外，求得以设定时间运行的运行可能寿命，发出显示指令。
专利文献2还存在的的问题是，不是尽可能显示根据利用热应力的寿命推断而达到疲劳的元器件，使操作者能够容易判断并将故障防患于未然，而是推断以设定的时间运行能否以期待寿命时间运行，使操作者进行改善逆变器装置地使用方法或负载状况及使用频次，通过这样能够进行延长寿命的处理，但若操作者没有检查显示部分及确认其显示或报警，而没有确认寿命判断结果及寿命推断结果，就不能实施延长寿命处理，在没有注意显示及报警的情况下，由于没有实施延长寿命处理，逆变器装置用寿命判断而停止输出，因此系统异常停止。
本发明正是为了解决上述的问题而提出的，第1目的在于得到能进行高精度寿命推断的电动机控制装置。
另外，第2目的在于得到通过自动减小半导体器件的温度变化的振幅而能够满足设定的期待寿命的电动机控制装置。
发明内容
本发明的电动机控制装置，包括具有功率晶体管及与该功率晶体管并联连接的二极管等半导体器件的开关电路、根据运行频率设定单元设定的运行频率信号及载波频率设定单元设定的载波频率信号而生成驱动脉冲的控制单元、以及将由该控制单元输出的驱动脉冲进行放大并对开关电路的功率晶体管进行ON/OFF控制的驱动电路，将直流功率变换为可变频率及可变电压的交流功率并对作为负载的电动机进行可变控制，在这种电动机控制装置中，包括根据流过半导体器件的电流来计算输出电流、同时在计算的输出电流信号超过电流限制电平调节单元输出的电流限制值信号时向控制单元输出电流切断信号的电流运算单元；根据该输出电流信号及运行频率信号及载波率信号来推断半导体器件的温度变化、并计算温度变化振幅的温度变化推断单元；存储表示温度变化持幅与半导体器件功率循环寿命之关系的功率循环曲线数据的功率循环曲线数据存储单元；将温度变化推断单元计算的温度变化振幅根据所述功率循环曲线数据换算为作为半导体器件功率循环寿命的功率循环数、并计算热应力信号的热应力运算单元；以及根据该热应力信号进行半导体器件的寿命推断并作为寿命推断结果信号输出结果显示单元、同时还计算每个设定时间的寿命时间并与期待寿命进行比较、在寿命时间小于期待寿命时作为寿命判断信号向显示单元输出报警信号的寿命推断单元，因此能够进行高精度的寿命推断。
另外，寿命推断单元将寿命推断结果信号及寿命判断信号输出结电流限制电平调节单元，同时电流限制电平调节单元在寿命推断结果信号中包含报警信息时，或者寿命判断信号输入时，进行自动调整，使得减小输出给电流运算单元的电流限制值信号，因此能够自动减小半导体器件的温度变化振幅，能够满足设定的期待寿命。
再有，寿命推断单元将寿命推断结果信号及寿命判断信号输出给载波频率设定单元，同时载波频率设定单元在寿命推断结果信号中包含报警信息时，或者寿命判断信号输入时，进行自动调整，使得降低载波频率的上限值，然后将载波频率信号输出给所述控制单元，因此能够自动减小半导体器件的温度变化振幅，能够满足设定的期待寿命。
附图说明
图1所示为本发明实施形态1有关的电动机控制装置的构成图。
图2所示为功率晶体管及二极管等半导体器件的常态损耗特性的一个例子。
图3所示为功率晶体管及二极管等半导体器件的开关损耗特性的一个例子。
图4所示为半导体器件温度变化的一个例子。
图5所示为实施形态1有关的电动机控制装置中存入功率循环曲线数据存储单元14的功率循环曲线特性的一个例子。
图6所示为本发明实施形态2有关的电动机控制装置的构成图。
具体实施方式
实施形态1
图1所示为本发明实施形态1有关的电动机控制装置的构成图。在图中，控制单元1根据运行频率设定单元2设定的运行频率信号100及载波频率设定单元3a设定的载波频率信号101，生成驱动脉冲102，输出给驱动电路4。驱动电路4生成利用驱动脉冲102而放大的驱动脉冲103，对构成开关电路5的功率晶体管6进行ON/OFF控制，通过这样将直流功经变换为可变频率及可变电压的交流功率，对作为负载的电动机8进行可变控制。另外，7是与功率晶体管6并联连接的二极管。
另外，电流运算单元9根据电流检测器10检测的电流检测信号104，计算输出电流，然后将输出电流信号105输出给温度变化推断单元11。另外，电流运算单元9将计算的输出电流信号105与电流限制电平调节单元12a为了保护功率晶体管6及二极管7等半导体元件及电动机8以防止过电流而设定的电流限制值信号106进行比较，在输出电流信号105超过电流限制值信号106时向控制单元1输出电流切断信号107。
另外，温度变化推断单元11根据运行频率设定单元2设定的运行频率信号100及载波频率设定单元3a设定的载波频率信号101及电流运算单元9计算的输出电流信号105，推断功率晶体管6及二极管7等半导体器件的温度变化，计算温度变化振幅。
下面说明温度变化推断单元11中的温度变化推断处理。
图2所示为功率晶体管及二极管等半导体器件的常态损耗特性的一个例子。在图2中，横轴为输出电流I(电流运算单元9计算的输出电流信号105)，纵轴为常态损耗Ps。常态损耗Ps具有随着输出电流I的增加而增加的特性。
另外，图3所示为功率晶体管及二极管等半导体器件的开关损耗特性的一个例子。在图3中，横轴为输出电流I(电流运算单元9计算的输出电流信号105)，纵轴为开关损耗Psw。开关损耗Psw具有随着输出电流I的增加而增加的特性。
首先，利用电流运算单元9计算的输出电流信号105(图2及图3中作为输出电流I表示的)，根据图2所示的常态损耗特性求出常态损耗Ps，并根据图3所示的开关损耗特性求出开关损耗Psw。然后，根据常态损耗Ps及开关损耗Psw、载波频率设定单元3a设定的载波频率信号101即载波频率fc、以及运算周期Δτ，利用式(1)，求出构成开关电路5的功率晶体管6及二极管7等半导体器件的发热量Q。
Q＝Ps(I)+Psw(I)×fc×Δτ    ……(1)
在运算时间Δτ之间的温度变化量Δθ可以根据功率晶体管6及二极管7的发热量Q、以及由功率晶体管6及二极管7的安装状态所决定的过渡热阻Rth(t)来求出，将温度变化量Δθ进行累计运算，求出温度变化，抽取其极大点及极小点，计算温度变化振幅ΔT1，作为温度变化振幅信号108输出给热应力运算单元13。
图4所示为半导体器件温度变化的一个例子。在图4中，Δt为设定时间，ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4及ΔTn为温度变化振幅，ΔTmax为设定时间Δt中的最大温度变化振幅。将由于该半导体器件的温度上升循环而达到处于不良状态的热膨胀与热收缩的循环称为功率循环。
热应力运算单元13利用功率循环曲线数据存储单元14中存储的表示温度变化振幅与半导体器件功率循环寿命之关系的功率循环曲线数据，计算与温度变化振幅信号109相对应的功率循环寿命，作为功率循环数信号110。
图5所示为实施形态1有关的电动机控制装置中存入功率循环曲线数据存储单元的功率循环曲线特性的一个例子。在图5中，横轴为温度变化振幅信号109)，纵轴为半导体器件的作为功率循环寿命的功率循环数S(输出给热应力功率循环寿命的功率循环数信号110)。温度变化振幅与半导体器件的功率循环寿命有相关关系，温度变化振幅越大(ΔT1＞ΔT2)，则功率循环寿命截止短(S1＜S2)。
另外，热应力运算单元13接受与温度变化振幅ΔT1相对应求出的功率循环数S1，作为功率循环数信号110，利用式(2)计算热应力系数X1，
X1＝1/S1                          ……(2)
将该结果作为热应力信号111输出给寿命推断单元15a。
以后，同样从功率循环曲线数据存储单元14接受与温度变化振幅ΔT2、ΔT3、ΔT4、…相对应的功率循环数S2、S3、S4、…，计算热应力系数X2(＝1/S2)、X(＝1/S3)、X4(＝1/S4)、…作为热应力信号111输出给寿命推断单元15a。
寿命推断单元15a若将作为热应力信号111的热应力系数输入，则如式(3)所示进行加法运算，求出累计热应力系数X，
X＝X0(前一次的值)+x1+x2+x3+x4+……(3)
作为寿命推断结果信号112输出给显示单元16。
另外，由于累计热应力系数X＝1时相当于寿命，因此在累计热应力系数X接近于1时，作为寿命推断结果信号112将报警信息输出给显示单元16，将已接近寿命的情况通知操作者。
另外，寿命推断单元15a接受由运行时间设定单元176设定的设定时间Δt，作为设定时间信号113，利用仅在设定时间Δt之间由热应力运算单元13输出的热应力信号111，接受热应力系数x1、x2、x3、…、xn，进行累计运算，利用式(4)求出每个设定时间Δt的热应力系数Xt。
Xt＝x1+x2+…+xn               ……(4)
另外，利用式(5)计算寿命时间tL，
tL＝Δt×(1/Xt)               ……(5)
将期待寿命设定单元18设定的期待寿命te即期待寿命信号114与利用式(5)计算的寿命时间tL进行比较，在tL＜te时，作为寿命判断信号115将报警信息输出给显示单元16，促使操作者进行延长寿命处理。
如上所述，根据实施形态1，由于对于温度变化推断单元计算的每个温度变化振幅，参照半导体器件固有的功率循环曲线数据，计算出功率循环寿命，因此对于任何温度变化振幅，都能够根据其振幅计算带权重的热应力并进行累计运算，能够实现高精度的寿命推断及与期待寿命的判断。
实施形态2
图6所示为本发明实施形态2有关的电动机控制装置的构成图。在图中，1、2、4～11、13、14、16～18、100～115与图1相同，省略其说明。
寿命推断单元15b将寿命推断结果信号112及寿命判断信号115输出给载波频率设定单元3b及电流限制电平调节单元12b。
电流限制电平调节单元12b在输入的寿命推断结果信号112中所含的累计热应力系数X接近于1时，或者在输入寿命时间tL小于期待寿命te情况下而输出的寿命判断信号115时，进行自动调节，使得减小输出给电流运算单元9的电流限制信号106。
由于在功率晶体率6及二极管7等半导体器件的寿命缩短时，进行自动调节，使得减小电流限制值信号106，将输出电流I限制得较低，通过这样能够减小图2及图3所示的常态损耗Ps及开关损耗Psw，因此能够抑制半导体器件的发热量Q。所以，即使操作者不检查电动机控制装置，不进行延长寿命的处理，也能够进行自动调整，使其满足期待寿命设定单元18所设定的半导体器件的期待寿命。
另外，载波频率设定单元3b在输入的寿命推断结果信号112中所含的累计热应力系数X接近于1时，或者在输入寿命时间tL小于期待寿命te情况下而输出的寿命判断信号115时，进行自动调节，使得减小载波频率的上限值，并将载波频率信号101输出给控制单元1。
由于在功率晶体管6及二极管7等半导体器件的寿命缩短时，进行自动调节，使得减小载波频率的上限值，因此能够减小求得半导体器件发热量Q的式(1)的开关损耗Psw这一项，能够抑制半导体器件的发热量Q。所以，即使操作者不检查电动机控制装置，不进行延长寿命的处理，也能够进行自动调整，使其满足期待寿命设定单元18所设定的半导体器件的期待寿命。
另外，由于在判断为半导体器件的寿命缩短、而利用自动高速来降低载波频率时，电动机的噪声增加，因此能够提醒操作者，告知半导体器件的寿命已接近，在由于半导体器件的寿命引起的故障而导致系统异常停止之前，操作者能够进行更换电动机控制装置的处理。
在实施形态2中，由于在半导体器件的寿命缩短时，通过自动调节使得减小电流限制值信号106，另外通过自动调节使得减小载波频率的上限值，从而抑制半导体器件的发热量Q，因此即使在负载变动大的压缩机等情况下因产生的急剧的输出电流变动而引起的热应力使得半导体器件迅速到达其寿命时，也能够在操作者检查用显示单元16显示的报警之前，防止系统停止，另外，即使操作者不检查电动机控制装置，也能够进行自动调整，使其满足期待寿命设定单元18所设定的半导体器件的期待寿命。
如上所述，由于本发明的电动机控制装置能够实现高精度的寿命推断及与期待寿命的判断，因此适用于频繁进行起动停止控制的用途。另外，由于即使操作者不检查显示单元进行延长寿命的处理，也能够进行自动调整，使其满足期待寿命设定单元所设定的半导体器件的期待寿命，因此适用于相对于指令速度允许运行速度降低的用途。