專利名稱：電動機控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對電動機進行可變速控制的電力機控制裝置。
背景技術(shù)：
在逆變器裝置等采用功率半導體器件的電動機控制裝置中，在該裝置運行時，功率半導體器件將發(fā)熱，芯片的結(jié)溫上升，在該裝置停止時，發(fā)熱停止，結(jié)溫下降。另外，在電動機運行起動時、運行停止時及負載突變時，由于裝置的輸出電流有很大變化，因此功率半導體器件的結(jié)溫也發(fā)生很大變化。所以，由于反復地運轉(zhuǎn)及停止和速度或負載反復地急劇變化，將引起功率半導體器件的芯片部分反復地熱膨脹及熱收縮。
另外，功率半導體器件由于一般使用熱膨脹系數(shù)不同的各種材料組裝而成，因此特別是引線焊接部分或功率半導體器件與散熱器的接合部若溫度上升，則由于芯片的涂復劑的熱膨脹應力的作用，慢慢地引線焊接部分從芯片開始剝離，或者由于芯片與散熱器的熱膨脹系數(shù)的差異而引起的熱膨脹應力的作用，接合材料開始金屬疲勞。由于反復地運轉(zhuǎn)及停止和速度或負載反復地急劇變化，最終引線焊接部分完全剝離，處于開路狀態(tài)。即，導致功率半導體器件處于不良狀或損壞。導致該引線焊接部分因熱膨脹應力而完全剝離、處于不良狀態(tài)或損壞的熱膨脹與熱收縮的循環(huán)稱為功率循環(huán)。
因而，在將逆變器裝置用于AC伺服裝置或電梯的電動機等情況下的運行及停止的反復頻次高的裝置，或用于壓縮機等情況下的負載變動激烈的裝置時，特別是由于功率循環(huán)而使功率半導體器件的壽命縮短，因此必須采取某些措施。
專利文獻1(日本專利特開平8-51768號公報)所揭示的功率半導體器件的壽命監(jiān)視裝置，其目的在于提供能夠監(jiān)視因功率循環(huán)而影響的功率半導體器件的壽命、并在壽命結(jié)束前掌握功率半導體器件的維護以經(jīng)防止功率半導體器件損壞的裝置。
專利文獻1的目的是在因功率循環(huán)而導致壽命結(jié)束前保護逆變器裝置等所用的功率半導體器件，根據(jù)功率半導體器件的結(jié)溫差與功率循環(huán)的相關(guān)關(guān)系，將與逆變器裝置的功率半導體器件的結(jié)溫差相對應的功率循環(huán)來推斷壽命，用計數(shù)器對逆變器裝置的運行次數(shù)進行計數(shù)，在計數(shù)值超過第1基準值時，輸出報警信號，在計數(shù)值超過第2基準時時，輸出斷開信號，使逆變器強制停止。
在專利文獻1中，結(jié)溫度的值雖然通常是變化的，但結(jié)溫差的值是選擇裝置在運行及停止中的代表性的一點作為固定值，因此存在不能得到所希望的推斷壽命精度的問題。
另外，還有專利文獻2(日本專利特開平8-126337號公報)，其目的是得到能夠在達到功率半導體器件的壽命以前采用改善使用方法等延長壽命措施的逆變器裝置。
在專利文獻2中敘述的內(nèi)容有，根據(jù)功率半導體器件的推斷溫度變化的振幅而計算溫度變化幅度熱應力次數(shù)及根據(jù)功率半導體器件的推斷溫度變化的比例而計算溫度變化率熱應力次數(shù)，在求得的熱應力次數(shù)超過允許熱應力次數(shù)時，進行發(fā)出報警顯示指令等的報警處理；另外，根據(jù)熱應力次數(shù)與允許熱應力次數(shù)而求得剩余的壽命時間，發(fā)出顯示指令；另外，在根據(jù)每個設(shè)定時間的溫度變化率熱應力次數(shù)及每個設(shè)定時間的溫度變化率熱應力次數(shù)而求得的每個設(shè)定時間在熱應力次數(shù)超過每個設(shè)定時間的允許熱應力次數(shù)時，由于以設(shè)定時間的運行不能以期待壽命時間運行，因此進行發(fā)出報警顯示指令等的報警處理；另外，求得以設(shè)定時間運行的運行可能壽命，發(fā)出顯示指令。
專利文獻2還存在的的問題是，不是盡可能顯示根據(jù)利用熱應力的壽命推斷而達到疲勞的元器件，使操作者能夠容易判斷并將故障防患于未然，而是推斷以設(shè)定的時間運行能否以期待壽命時間運行，使操作者進行改善逆變器裝置的使用方法或負載狀況及使用頻次，通過這樣能夠進行延長壽命的處理，但若操作者沒有檢查顯示部分及確認其顯示或報警，而沒有確認壽命判斷結(jié)果及壽命推斷結(jié)果，就不能實施延長壽命處理，在沒有注意顯示及報警的情況下，由于沒有實施延長壽命處理，逆變器裝置用壽命判斷而停止輸出，因此系統(tǒng)異常停止。
本發(fā)明正是為了解決上述的問題而提出的，第1目的在于得到能進行高精度壽命推斷的電動機控制裝置。
另外，第2目的在于得到通過自動減小半導體器件的溫度變化的振幅而能夠滿足設(shè)定的期待壽命的電動機控制裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的電動機控制裝置，包括具有功率晶體管及與該功率晶體管并聯(lián)連接的二極管等半導體器件的開關(guān)電路、根據(jù)運行頻率設(shè)定單元設(shè)定的運行頻率信號及載波頻率設(shè)定單元設(shè)定的載波頻率信號而生成驅(qū)動脈沖的控制單元、以及將由該控制單元輸出的驅(qū)動脈沖進行放大并對開關(guān)電路的功率晶體管進行ON/OFF控制的驅(qū)動電路，將直流功率變換為可變頻率及可變電壓的交流功率并對作為負載的電動機進行可變控制，在這種電動機控制裝置中，包括根據(jù)流過半導體器件的電流來計算輸出電流、同時在計算的輸出電流信號超過電流限制電平調(diào)節(jié)單元輸出的電流限制值信號時向控制單元輸出電流切斷信號的電流運算單元；根據(jù)該輸出電流信號及運行頻率信號及載波率信號來推斷半導體器件的溫度變化、并計算溫度變化振幅的溫度變化推斷單元；存儲表示溫度變化持幅與半導體器件功率循環(huán)壽命之關(guān)系的功率循環(huán)曲線數(shù)據(jù)的功率循環(huán)曲線數(shù)據(jù)存儲單元；將溫度變化推斷單元計算的溫度變化振幅根據(jù)所述功率循環(huán)曲線數(shù)據(jù)換算為作為半導體器件功率循環(huán)壽命的功率循環(huán)數(shù)、并計算熱應力信號的熱應力運算單元；以及根據(jù)該熱應力信號進行半導體器件的壽命推斷并作為壽命推斷結(jié)果信號輸出結(jié)果顯示單元、同時還計算每個設(shè)定時間的壽命時間并與期待壽命進行比較、在壽命時間小于期待壽命時作為壽命判斷信號向顯示單元輸出報警信號的壽命推斷單元，因此能夠進行高精度的壽命推斷。
另外，壽命推斷單元將壽命推斷結(jié)果信號及壽命判斷信號輸出結(jié)電流限制電平調(diào)節(jié)單元，同時電流限制電平調(diào)節(jié)單元在壽命推斷結(jié)果信號中包含報警信息時，或者壽命判斷信號輸入時，進行自動調(diào)整，使得減小輸出給電流運算單元的電流限制值信號，因此能夠自動減小半導體器件的溫度變化振幅，能夠滿足設(shè)定的期待壽命。
再有，壽命推斷單元將壽命推斷結(jié)果信號及壽命判斷信號輸出給載波頻率設(shè)定單元，同時載波頻率設(shè)定單元在壽命推斷結(jié)果信號中包含報警信息時，或者壽命判斷信號輸入時，進行自動調(diào)整，使得降低載波頻率的上限值，然后將載波頻率信號輸出給所述控制單元，因此能夠自動減小半導體器件的溫度變化振幅，能夠滿足設(shè)定的期待壽命。


圖1所示為本發(fā)明實施形態(tài)1有關(guān)的電動機控制裝置的構(gòu)成圖。
圖2所示為功率晶體管及二極管等半導體器件的常態(tài)損耗特性的一個例子。
圖3所示為功率晶體管及二極管等半導體器件的開關(guān)損耗特性的一個例子。
圖4所示為半導體器件溫度變化的一個例子。
圖5所示為實施形態(tài)1有關(guān)的電動機控制裝置中存入功率循環(huán)曲線數(shù)據(jù)存儲單元14的功率循環(huán)曲線特性的一個例子。
圖6所示為本發(fā)明實施形態(tài)2有關(guān)的電動機控制裝置的構(gòu)成圖。
具體實施例方式
實施形態(tài)1圖1所示為本發(fā)明實施形態(tài)1有關(guān)的電動機控制裝置的構(gòu)成圖。在圖中，控制單元1根據(jù)運行頻率設(shè)定單元2設(shè)定的運行頻率信號100及載波頻率設(shè)定單元3a設(shè)定的載波頻率信號101，生成驅(qū)動脈沖102，輸出給驅(qū)動電路4。驅(qū)動電路4生成利用驅(qū)動脈沖102而放大的驅(qū)動脈沖103，對構(gòu)成開關(guān)電路5的功率晶體管6進行ON/OFF控制，通過這樣將直流功經(jīng)變換為可變頻率及可變電壓的交流功率，對作為負載的電動機8進行可變控制。另外，7是與功率晶體管6并聯(lián)連接的二極管。
另外，電流運算單元9根據(jù)電流檢測器10檢測的電流檢測信號104，計算輸出電流，然后將輸出電流信號105輸出給溫度變化推斷單元11。另外，電流運算單元9將計算的輸出電流信號105與電流限制電平調(diào)節(jié)單元12a為了保護功率晶體管6及二極管7等半導體元件及電動機8以防止過電流而設(shè)定的電流限制值信號106進行比較，在輸出電流信號105超過電流限制值信號106時向控制單元1輸出電流切斷信號107。
另外，溫度變化推斷單元11根據(jù)運行頻率設(shè)定單元2設(shè)定的運行頻率信號100及載波頻率設(shè)定單元3a設(shè)定的載波頻率信號101及電流運算單元9計算的輸出電流信號105，推斷功率晶體管6及二極管7等半導體器件的溫度變化，計算溫度變化振幅。
下面說明溫度變化推斷單元11中的溫度變化推斷處理。
圖2所示為功率晶體管及二極管等半導體器件的常態(tài)損耗特性的一個例子。在圖2中，橫軸為輸出電流I(電流運算單元9計算的輸出電流信號105)，縱軸為常態(tài)損耗Ps。常態(tài)損耗Ps具有隨著輸出電流I的增加而增加的特性。
另外，圖3所示為功率晶體管及二極管等半導體器件的開關(guān)損耗特性的一個例子。在圖3中，橫軸為輸出電流I(電流運算單元9計算的輸出電流信號105)，縱軸為開關(guān)損耗Psw。開關(guān)損耗Psw具有隨著輸出電流I的增加而增加的特性。
首先，利用電流運算單元9計算的輸出電流信號105(圖2及圖3中作為輸出電流I表示的)，根據(jù)圖2所示的常態(tài)損耗特性求出常態(tài)損耗Ps，并根據(jù)圖3所示的開關(guān)損耗特性求出開關(guān)損耗Psw。然后，根據(jù)常態(tài)損耗Ps及開關(guān)損耗Psw、載波頻率設(shè)定單元3a設(shè)定的載波頻率信號101即載波頻率fc、以及運算周期Δτ，利用式(1)，求出構(gòu)成開關(guān)電路5的功率晶體管6及二極管7等半導體器件的發(fā)熱量Q。
Q＝Ps(I)+Psw(I)×fc×Δτ……(1)在運算時間Δτ之間的溫度變化量Δθ可以根據(jù)功率晶體管6及二極管7的發(fā)熱量Q、以及由功率晶體管6及二極管7的安裝狀態(tài)所決定的過渡熱阻Rth(t)來求出，將溫度變化量Δθ進行累計運算，求出溫度變化，抽取其極大點及極小點，計算溫度變化振幅ΔT1，作為溫度變化振幅信號108輸出給熱應力運算單元13。
圖4所示為半導體器件溫度變化的一個例子。在圖4中，Δt為設(shè)定時間，ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4及ΔTn為溫度變化振幅，ΔTmax為設(shè)定時間Δt中的最大溫度變化振幅。將由于該半導體器件的溫度上升循環(huán)而達到處于不良狀態(tài)的熱膨脹與熱收縮的循環(huán)稱為功率循環(huán)。
熱應力運算單元13利用功率循環(huán)曲線數(shù)據(jù)存儲單元14中存儲的表示溫度變化振幅與半導體器件功率循環(huán)壽命之關(guān)系的功率循環(huán)曲線數(shù)據(jù)，計算與溫度變化振幅信號109相對應的功率循環(huán)壽命，作為功率循環(huán)數(shù)信號110。
圖5所示為實施形態(tài)1有關(guān)的電動機控制裝置中存入功率循環(huán)曲線數(shù)據(jù)存儲單元的功率循環(huán)曲線特性的一個例子。在圖5中，橫軸為溫度變化振幅信號109)，縱軸為半導體器件的作為功率循環(huán)壽命的功率循環(huán)數(shù)S(輸出給熱應力功率循環(huán)壽命的功率循環(huán)數(shù)信號110)。溫度變化振幅與半導體器件的功率循環(huán)壽命有相關(guān)關(guān)系，溫度變化振幅越大(ΔT1＞ΔT2)，則功率循環(huán)壽命截止短(S1＜S2)。
另外，熱應力運算單元13接受與溫度變化振幅ΔT1相對應求出的功率循環(huán)數(shù)S1，作為功率循環(huán)數(shù)信號110，利用式(2)計算熱應力系數(shù)X1，X1＝1/S1 ……(2)將該結(jié)果作為熱應力信號111輸出給壽命推斷單元15a。
以后，同樣從功率循環(huán)曲線數(shù)據(jù)存儲單元14接受與溫度變化振幅ΔT2、ΔT3、ΔT4、…相對應的功率循環(huán)數(shù)S2、S3、S4、…，計算熱應力系數(shù)X2(＝1/S2)、X(＝1/S3)、X4(＝1/S4)、…作為熱應力信號111輸出給壽命推斷單元15a。
壽命推斷單元15a若將作為熱應力信號111的熱應力系數(shù)輸入，則如式(3)所示進行加法運算，求出累計熱應力系數(shù)X，X＝X0(前一次的值)+x1+x2+x3+x4+……(3)作為壽命推斷結(jié)果信號112輸出給顯示單元16。
另外，由于累計熱應力系數(shù)X＝1時相當于壽命，因此在累計熱應力系數(shù)X接近于1時，作為壽命推斷結(jié)果信號112將報警信息輸出給顯示單元16，將已接近壽命的情況通知操作者。
另外，壽命推斷單元15a接受由運行時間設(shè)定單元176設(shè)定的設(shè)定時間Δt，作為設(shè)定時間信號113，利用僅在設(shè)定時間Δt之間由熱應力運算單元13輸出的熱應力信號111，接受熱應力系數(shù)x1、x2、x3、…、xn，進行累計運算，利用式(4)求出每個設(shè)定時間Δt的熱應力系數(shù)Xt。
Xt＝x1+x2+…+xn ……(4)另外，利用式(5)計算壽命時間tL，tL＝Δt×(1/Xt) ……(5)將期待壽命設(shè)定單元18設(shè)定的期待壽命te即期待壽命信號114與利用式(5)計算的壽命時間tL進行比較，在tL＜te時，作為壽命判斷信號115將報警信息輸出給顯示單元16，促使操作者進行延長壽命處理。
如上所述，根據(jù)實施形態(tài)1，由于對于溫度變化推斷單元計算的每個溫度變化振幅，參照半導體器件固有的功率循環(huán)曲線數(shù)據(jù)，計算出功率循環(huán)壽命，因此對于任何溫度變化振幅，都能夠根據(jù)其振幅計算帶權(quán)重的熱應力并進行累計運算，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的壽命推斷及與期待壽命的判斷。
實施形態(tài)2圖6所示為本發(fā)明實施形態(tài)2有關(guān)的電動機控制裝置的構(gòu)成圖。在圖中，1、2、4～11、13、14、16～18、100～115與圖1相同，省略其說明。
壽命推斷單元15b將壽命推斷結(jié)果信號112及壽命判斷信號115輸出給載波頻率設(shè)定單元3b及電流限制電平調(diào)節(jié)單元12b。
電流限制電平調(diào)節(jié)單元12b在輸入的壽命推斷結(jié)果信號112中所含的累計熱應力系數(shù)X接近于1時，或者在輸入壽命時間tL小于期待壽命te情況下而輸出的壽命判斷信號115時，進行自動調(diào)節(jié)，使得減小輸出給電流運算單元9的電流限制信號106。
由于在功率晶體率6及二極管7等半導體器件的壽命縮短時，進行自動調(diào)節(jié)，使得減小電流限制值信號106，將輸出電流I限制得較低，通過這樣能夠減小圖2及圖3所示的常態(tài)損耗Ps及開關(guān)損耗Psw，因此能夠抑制半導體器件的發(fā)熱量Q。所以，即使操作者不檢查電動機控制裝置，不進行延長壽命的處理，也能夠進行自動調(diào)整，使其滿足期待壽命設(shè)定單元18所設(shè)定的半導體器件的期待壽命。
另外，載波頻率設(shè)定單元3b在輸入的壽命推斷結(jié)果信號112中所含的累計熱應力系數(shù)X接近于1時，或者在輸入壽命時間tL小于期待壽命te情況下而輸出的壽命判斷信號115時，進行自動調(diào)節(jié)，使得減小載波頻率的上限值，并將載波頻率信號101輸出給控制單元1。
由于在功率晶體管6及二極管7等半導體器件的壽命縮短時，進行自動調(diào)節(jié)，使得減小載波頻率的上限值，因此能夠減小求得半導體器件發(fā)熱量Q的式(1)的開關(guān)損耗Psw這一項，能夠抑制半導體器件的發(fā)熱量Q。所以，即使操作者不檢查電動機控制裝置，不進行延長壽命的處理，也能夠進行自動調(diào)整，使其滿足期待壽命設(shè)定單元18所設(shè)定的半導體器件的期待壽命。
另外，由于在判斷為半導體器件的壽命縮短、而利用自動高速來降低載波頻率時，電動機的噪聲增加，因此能夠提醒操作者，告知半導體器件的壽命已接近，在由于半導體器件的壽命引起的故障而導致系統(tǒng)異常停止之前，操作者能夠進行更換電動機控制裝置的處理。
在實施形態(tài)2中，由于在半導體器件的壽命縮短時，通過自動調(diào)節(jié)使得減小電流限制值信號106，另外通過自動調(diào)節(jié)使得減小載波頻率的上限值，從而抑制半導體器件的發(fā)熱量Q，因此即使在負載變動大的壓縮機等情況下因產(chǎn)生的急劇的輸出電流變動而引起的熱應力使得半導體器件迅速到達其壽命時，也能夠在操作者檢查用顯示單元16顯示的報警之前，防止系統(tǒng)停止，另外，即使操作者不檢查電動機控制裝置，也能夠進行自動調(diào)整，使其滿足期待壽命設(shè)定單元18所設(shè)定的半導體器件的期待壽命。
如上所述，由于本發(fā)明的電動機控制裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的壽命推斷及與期待壽命的判斷，因此適用于頻繁進行起動停止控制的用途。另外，由于即使操作者不檢查顯示單元進行延長壽命的處理，也能夠進行自動調(diào)整，使其滿足期待壽命設(shè)定單元所設(shè)定的半導體器件的期待壽命，因此適用于相對于指令速度允許運行速度降低的用途。
權(quán)利要求
1.一種電動機控制裝置，包括具有功率晶體管及與該功率晶體管并聯(lián)連接的二極管等半導體器件的開關(guān)電路、根據(jù)逐行頻率設(shè)定單元設(shè)定的運行頻率信號及載波頻率設(shè)定單元設(shè)定的載波頻率信號而生成驅(qū)動脈沖的控制單元、以及將由該控制單元輸出的驅(qū)動脈沖進行放大并對所述開關(guān)電路的功率晶體管進行ON/OFF控制的驅(qū)動電路，將直流功率變換為可變頻率及可變電壓的交流功率并對作為負載的電動機進行可變控制，其特征在于，包括根據(jù)流過所述半導體器件的電流來計算輸出電流、同時在計算的輸出電流信號超過電流限制電平調(diào)節(jié)單元輸出的電流限制信號時向所述控制單元輸出電流切斷信號的電流運算單元；根據(jù)該輸出電流信號及所述逐行頻率信號及所述載波頻率信號來推斷所述半導體器件的溫度變化、并計算溫度變化振幅的溫度變化推斷單元；存儲表示溫度變化振幅與半導體器件功率循環(huán)壽命之關(guān)系的功率循環(huán)曲線數(shù)據(jù)的功率循環(huán)曲線數(shù)據(jù)存儲單元；將所述溫度變化推斷單元計算的溫度變化振幅根據(jù)所述功率循環(huán)曲線數(shù)據(jù)換算為作為半導體器件功率循環(huán)壽命的功率循環(huán)數(shù)、并計算熱應力信號的熱應力運算單元；以及根據(jù)該熱應力信號進行所述半導體器件的壽命推斷并作為壽命推斷結(jié)果信號輸出給顯示單元、同時還計算每個設(shè)定時間的壽命時間并與期待壽命進行比較、在壽命時間小于期待壽命時作為壽命判斷信號向所述顯示單元輸出報警信號的壽命推斷單元。
2.如權(quán)利要求1所述的電動機控制裝置，其特征在于，所述壽命推斷單元將所述壽命推斷結(jié)果信號及所述壽命判斷信號輸出給所述電流限制電平調(diào)節(jié)單元，同時所述電流限制電平調(diào)節(jié)單元在所述壽命推斷結(jié)果信號中包含報警信息時，或者所述壽命判斷信號輸入時，進行自動調(diào)整，使得減小輸出給所述電流運算單元的電流限制值信號。
3.如權(quán)利要求1所述的電動機控制裝置，其特征在于，所述壽命推斷單元將所述壽命推斷結(jié)果信號及所述壽命判斷信號輸出給所述載波頻率設(shè)定單元，同時所述載波頻率設(shè)定單元在所述壽命推斷結(jié)果信號中包含報警信息時，或者所述壽命判斷信號輸入時，進行自動調(diào)整，使得降低所述載波頻率的上限值，然后將載波頻率信號輸出給所述控制單元。
全文摘要
本發(fā)明的電動機控制裝置，是在溫度變化推斷單元11根據(jù)由流過開關(guān)電路5的半導體器件的電流計算出的輸出電流信號105、運行頻率信號及載波頻率信號，推斷半導體器件的溫度變化，計算溫度變化振幅108，在熱應力運算單元13根據(jù)存入功率循環(huán)曲線數(shù)據(jù)存儲單元14的功率循環(huán)曲線數(shù)據(jù)，換算為與溫度變化振幅108相對應的功率循環(huán)數(shù)110，計算熱應力信號111，在壽命推斷單元15a根據(jù)熱應力信號111，進行半導體器件的壽命推斷，作為壽命推斷結(jié)果信號112輸出給顯示單元16。
文檔編號H03K17/082GK1618164SQ0380236
公開日2005年5月18日 申請日期2003年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月12日
發(fā)明者加藤昌則 申請人:三菱電機株式會社