JP6901887B2 - パワーエレクトロニクス機器 - Google Patents

Description

本発明は、パワーエレクトロニクス機器に関する。

射出成形機やプレスなどの産業機械、ショベルやクレーンなどの建設機械、フォークリフトや無人搬送車などのパワーエレクトロニクスの分野では、コンバータやインバータなどの電力変換装置が使用されている。電力変換装置は、保護遮断のために、リレーや電磁接触器を備える。リレーや電磁接触器（以下、スイッチと総称する）は機械的な接点を有するため、酸化や摩耗により経時的に劣化する。

従来では、このようなスイッチを、使用状況や使用頻度とは無関係に、所定の使用サイクル（期間）で交換していた。この場合、スイッチが劣化しておらず使用可能であるにもかかわらず交換が発生する場合があり、不経済であった。

また従来では、スイッチの補助接点を利用して、故障検出、具体的には溶着や開放検出を行い、スイッチを交換する場合もあった。この場合、スイッチが故障した後に交換が発生するため、装置の使用不能期間が長くなる場合があった。

特開２０１５−２１１５３９号公報 特開平３−２６１８７７号公報

本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、スイッチを適切なタイミングで交換可能なパワーエレクトロニクス機器の提供にある。

本発明のある態様は、パワーエレクトロニクス機器に関する。パワーエレクトロニクス機器は、機械的に開閉するスイッチと、スイッチの使用履歴にもとづいてスイッチの劣化度を推定する劣化推定部と、を備える。
この態様によると、スイッチの使用履歴を監視することで、適切な交換時期を推定できる。

劣化推定部は、開極時（オフ、遮断）と閉極時（オン、導通）の少なくとも一方におけるスイッチの電気的状態を監視してもよい。定常状態ではなく、開閉時の過渡的な電気的状態を監視することで、劣化度を正確に検出できる。また常時、電気的特性を監視するとセンサの消費電力が大きくなるが、開極時と閉極時の電気的状態を測定することでセンサの消費電力を削減できる。

劣化推定部は、スイッチの開極時と閉極時の少なくとも一方における電気的状態にもとづいて消耗率を決定し、当該消耗率を積算してもよい。これにより、劣化度を正確に推定できる。

スイッチの電気的状態は、スイッチの両端間の電圧と、スイッチに流れる負荷電流と、の少なくとも一方を含んでもよい。好ましくは両端間の電圧と、電流の両方が監視されるが、一方を既知であるものとして、他方のみを監視してもよい。

パワーエレクトロニクス機器は、スイッチの劣化度が所定のしきい値を超えると報知する警報部をさらに備えてもよい。これによりユーザにスイッチ交換の時期を知らせることができる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、スイッチを適切なタイミングで交換できる。

実施の形態に係るエレクトロニクス機器のブロック図である。 一実施例に係るエレクトロニクス機器のブロック図である。 負荷電流と寿命の関係を、動作電圧をパラメータとして示す図である。 エレクトロニクス機器の動作波形図である。 エレクトロニクス機器の一例であるコンバータ装置を示す図である。 エレクトロニクス機器の一例であるインバータ装置を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。

図１は、実施の形態に係るエレクトロニクス機器のブロック図である。エレクトロニクス機器１００は、スイッチ１０２および劣化推定部１１０を備える。スイッチ１０２は機械的に開閉する接点を有し、たとえばリレー（継電器）や電磁接触器（Magnet Contactor）、電磁開閉器（Electromagnetic Switch）などである。スイッチ１０２には、開閉のための制御指令Ｓ_ＣＮＴが入力されている。

劣化推定部１１０は、スイッチ１０２の使用履歴にもとづいて、スイッチ１０２の劣化度（劣化率）を推定する。より具体的には劣化推定部１１０は、スイッチ１０２の開極時と閉極時の少なくとも一方における電気的状態を監視する。つまりスイッチ１０２が定常的にオンしている期間ではなく、開閉時の過渡的な電気的状態が監視される。開極、閉極のタイミングを知らせるために、劣化推定部１１０にも制御指令Ｓ_ＣＮＴが入力されている。以下の説明では、開極時と閉極時の両方の電気的状態を監視するものとする。

劣化推定部１１０が監視するスイッチ１０２の電気的状態は、スイッチ１０２の両端間の電圧Ｖ_ＳＷと、スイッチ１０２に流れる負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤと、の少なくとも一方を含みうる。以下の説明では、劣化推定部１１０は、両方を監視するものとする。

劣化推定部１１０は、測定した電気的状態にもとづいて消耗率を決定し、当該消耗率を積算することにより、スイッチ１０２の劣化を推定する。

以上がエレクトロニクス機器１００の構成である。このエレクトロニクス機器１００によれば、スイッチ１０２の使用履歴を監視することでスイッチ１０２の適切な交換時期を推定できる。これにより故障前のスイッチを交換するような無駄を防止できる。あるいは故障発生後に交換作業を開始すると、エレクトロニクス機器１００が使用できない期間が発生するが、事前にスイッチ１０２の交換時期を予測できるため、エレクトロニクス機器１００を運用しつつ、交換に必要な作業を進めることができるため、使用できない期間を短くできる。

また劣化推定部１１０は、定常状態ではなく、開閉時の過渡的な電気的状態を監視することで、劣化度を正確に検出できる。また常時、電気的特性を監視するとセンサの消費電力が大きくなるが、開極時と閉極時の電気的状態を測定することでセンサの消費電力を削減できる。

また、スイッチ１０２の開閉ごとに消耗率を計算し、それを積算していくことにより、スイッチ１０２の劣化度を正確に推定できる。

本発明は、図１のブロック図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、回路に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な実施例や変形例を説明する。

劣化推定（寿命推定）の一実施例を説明する。劣化推定部１１０は、スイッチ１０２の開極時（ターンオフ）と閉極時（ターンオン）の電気的状態にもとづいて消耗率Ｓ_１を決定し、当該消耗率Ｓ_１をスイッチ１０２の開閉ごとに積算する。図２は、一実施例に係るエレクトロニクス機器１００Ａのブロック図である。劣化推定部１１０は、監視部１２０、消耗率決定部１３０、積算部１４０、警報部１５０を備える。

監視部１２０は、スイッチ１０２の電気的状態を監視する。監視部１２０は、スイッチ１０２の両端間電圧Ｖ_ＳＷを測定する電圧センサ１２２および負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤを測定する電流センサ１２４を含む。電圧センサ１２２および電流センサ１２４の測定タイミングは、制御指令Ｓ_ＣＮＴと同期している。

消耗率決定部１３０は、監視部１２０が測定した電圧Ｖ_ＳＷおよび負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤにもとづいて消耗率Ｓ_１を決定する。図３は、負荷電流と寿命の関係を、動作電圧をパラメータとして示す図である。このような関係は市販されるスイッチ１０２のデータシートに記載されている。多くの場合、動作電圧はスイッチに印加される直流電圧Ｖ_ＤＣであるがその限りではない。寿命は、ある動作点で繰り返し使用した場合に、正常動作が保証されるサイクル数として規定される。

たとえばこの特性を有するスイッチを、負荷電流１００Ａ，動作電圧６００Ｖの動作点（i）で繰り返し使用した場合、その寿命τは１０００回である。このスイッチを、負荷電流１００Ａ，動作電圧９００Ｖの動作点（ii）で繰り返し使用した場合、その寿命τは１００回であり、負荷電流１０００Ａ，動作電圧１００Ｖの動作点（iii）で繰り返し使用した場合、その寿命τは１００００回である。

本実施の形態において消耗率Ｓ_１は、寿命τの逆数に比例するものと定義される。
Ｓ_１＝ｋ／τ
ｋは定数であり、適切に規定すればよくｋ＝１としてもよい。動作点（i）での消耗率Ｓ_１は、１／１０００（＝０．１％）であり、動作点（ii）での消耗率Ｓ_１は１／１００（＝１％）であり、動作点（iii）での消耗率Ｓ_１は１／１００００（＝０．０１％）となる。

消耗率決定部１３０は、電圧および電流と、消耗率Ｓ_１を対応付けるルックアップテーブルを備え、テーブル参照によって消耗率Ｓ_１を決定してもよい。あるいは消耗率決定部１３０は、電圧および電流と消耗率を対応付ける関数（演算式）を保持しており、演算によって消耗率Ｓ_１を決定してもよい。

積算部１４０は、スイッチ１０２のスイッチングごとに発生する消耗率Ｓ_１を積算し、劣化度Ｓ_２を生成する。たとえば、動作点（i）で１００回動作させ、動作点（ii）で１０回動作させた時点での劣化度Ｓ_２は、
Ｓ_２＝１００×０．１＋１０×１＝２０％
となる。劣化推定部１１０は、劣化度Ｓ_２を表すデータＤ_ＯＵＴを外部に出力してもよい。

警報部１５０は、劣化推定部１１０が生成した劣化度Ｓ_２が所定のしきい値を超えると、警報ＡＬＥＲＴを発する。警報ＡＬＥＲＴは、電気信号であってもよいし、音信号であってもよいし、光信号であってもよい。

続いて、監視部１２０が測定するスイッチ１０２の電気的状態と、消耗率の決定の具体例を説明する。図４は、エレクトロニクス機器１００の動作波形図である。

時刻ｔ_０は、閉極（ターンオン）を、時刻ｔ_１は開極（ターンオフ）を示す。時刻ｔ_０に制御指令Ｓ_ＣＮＴがハイレベルになると、スイッチ１０２がターンオンする。このときの電圧Ｖ_ＳＷ０および負荷電流Ｉ_{ＬＯＡＤ０}が測定される。たとえば測定される電圧Ｖ_ＳＷ０は、時刻ｔ_０の電圧値である。また測定される負荷電流Ｉ_{ＬＯＡＤ０}は、時刻ｔ_０の直後のピーク量である。

閉極時に測定する電圧Ｖ_ＳＷ０は、閉極から所定時間経過後の電圧値であってもよい。また測定する電流Ｉ_{ＬＯＡＤ０}は、閉極から所定時間経過後の電流量であってもよい。

時刻ｔ_１に制御指令Ｓ_ＣＮＴがローレベルになると、スイッチ１０２がターンオフする。このときの電圧Ｖ_ＳＷ１および負荷電流Ｉ_{ＬＯＡＤ１}が測定される。測定される電圧Ｖ_ＳＷ１は、時刻ｔ_１の電圧値であり、測定される負荷電流Ｉ_{ＬＯＡＤ１}は、開極から所定時間経過後の電流量である。

開極時に測定する電圧Ｖ_ＳＷ１は、開極から所定時間経過後の電圧値であってもよい。また測定する電流Ｉ_{ＬＯＡＤ１}は、時刻ｔ_１の電流であってもよい。

閉極時、開極時それぞれにおいて、いずれのタイミングで電圧、電流を測定すべきかは、スイッチ１０２が配置される箇所や、スイッチ１０２の種類や構造に応じて決めればよく、図３に示すような寿命特性と最も相関が強くなるタイミングを採用すればよい。

この例では、スイッチ１０２の１サイクルの動作で、閉極時、開極時の２つの電圧値Ｖ_ＳＷ０，Ｖ_ＳＷ１と、閉極時、開極時の２つの電流値Ｉ_{ＬＯＡＤ０}，Ｉ_{ＬＯＡＤ１}が取得される。消耗率決定部１３０は、２つの電圧値Ｖ_ＳＷ０，Ｖ_ＳＷ１のうち大きい方と、２つの電流値Ｉ_{ＬＯＡＤ０}，Ｉ_{ＬＯＡＤ１}のうち大きい方にもとづいて、消耗率Ｓ_１を決定してもよい。

監視部１２０における電気的状態の測定および消耗率決定部１３０の処理にはさまざまな変形例が存在しうる。

（変形例１）
消耗率決定部１３０は、閉極時と開極時の２つの電圧値Ｖ_ＳＷ０，Ｖ_ＳＷ１の平均を、消耗率Ｓ_１の決定に利用してもよい。同様に消耗率決定部１３０は、閉極時と開極時の２つの電流値Ｉ_{ＬＯＡＤ０}，Ｉ_{ＬＯＡＤ１}の平均にもとづいて、消耗率Ｓ_１を決定してもよい。

（変形例２）
消耗率決定部１３０は、２つの電圧値Ｖ_ＳＷ０，Ｖ_ＳＷ１を引数とする所定の関数Ｖ_ＳＷ＝ｆ（Ｖ_ＳＷ０，Ｖ_ＳＷ１）を保持しており、この関数で計算されるＶ_ＳＷを、消耗率の決定に利用してもよい。同様に消耗率決定部１３０は、２つの電流値Ｉ_{ＬＯＡＤ０}，Ｉ_{ＬＯＡＤ１}を引数とする所定の関数Ｉ_ＬＯＡＤ＝ｇ（Ｉ_{ＬＯＡＤ０}，Ｉ_{ＬＯＡＤ１}）を保持しており、この関数で計算される電流Ｉ_ＬＯＡＤを、消耗率の決定に利用してもよい。

（変形例３）
消耗率決定部１３０は、閉極時に得られる電圧Ｖ_ＳＷ０と電流Ｉ_{ＬＯＡＤ０}にもとづいて、閉極時の消耗率Ｓ_１０を決定し、開極時に得られる電圧Ｖ_ＳＷ１と電流Ｉ_{ＬＯＡＤ１}にもとづいて、開極時の消耗率Ｓ_１１を決定し、２つの消耗率Ｓ_１０，Ｓ_１１を積算してもよい。

（変形例４）
スイッチの構造や種類によっては、劣化に与える影響が、閉極時の電気的状態の方が支配的である場合がある。この場合、監視部１２０は、閉極時の電圧Ｖ_ＳＷ０と電流Ｉ_{ＬＯＡＤ０}のみを測定してもよい。反対に劣化に与える影響が、開極時の電気的状態の方が支配的である場合には、監視部１２０は、開極時の電圧Ｖ_ＳＷ１と電流Ｉ_{ＬＯＡＤ１}のみを測定してもよい。

（変形例５）
監視部１２０は、必ずしも電圧Ｖ_ＳＷと電流Ｉ_ＬＯＡＤの両方を測定する必要は無く、一方のみを測定してもよい。スイッチ１０２の設置箇所によっては、電圧Ｖ_ＳＷが予測可能であり、この場合、電圧センサ１２２を省略できる。反対に電流Ｉ_ＬＯＡＤが予測可能である場合には電流センサ１２４を省略できる。

続いてエレクトロニクス機器１００の用途を説明する。図５は、エレクトロニクス機器１００の一例であるコンバータ装置２００を示す図である。スイッチングコンバータ２１０は、蓄電デバイス２０２からの電圧Ｖ_ＢＡＴを受け、それを昇圧し、平滑コンデンサ２０６が接続されるＤＣリンク２０４に、定電圧（ＤＣリンク電圧）Ｖ_ＤＣを発生する。ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣは図示しない負荷に供給される。蓄電デバイス２０２は、充電可能な電池やキャパシタであってもよく、この場合、スイッチングコンバータ２１０は、双方向コンバータ（昇降圧コンバータ）として構成してもよい。ＤＣリンク２０４に接続される負荷が回生運転する場合に、余剰なエネルギーを蓄電デバイス２０２に回収してもよい。

スイッチングコンバータ２１０の入力と蓄電デバイス２０２の間には、電磁接触器ＭＣが設けられる。またシステムの起動時に平滑コンデンサ２０６に突入電流が流れるのを防止するために、電磁接触器ＭＣと並列な経路には、突入電流防止抵抗Ｒと、リレーＲＹが直列に設けられる。劣化推定部１１０＿１は、電磁接触器ＭＣの劣化を推定し、劣化推定部１１０＿２は、リレーＲＹの劣化を推定する。

図６は、エレクトロニクス機器１００の一例であるインバータ装置３００を示す図である。インバータ装置３００は、直流電圧Ｖ_ＤＣを交流電圧に変換して、負荷（たとえばモータ）に供給する。

スイッチング回路３０２の入力側には、平滑コンデンサ３０４が接続される。システムの起動時に平滑コンデンサ３０４に突入電流が流れるのを防止するため、電磁接触器ＭＣと並列に突入電流防止抵抗Ｒが設けられる。劣化推定部１１０は、電磁接触器ＭＣの劣化を推定する。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００…エレクトロニクス機器、１０２…スイッチ、１１０…劣化推定部、１２０…監視部、１２２…電圧センサ、１２４…電流センサ、１３０…消耗率決定部、１４０…積算部、１５０…警報部。

Claims (5)

1. 機械的に開閉するスイッチと、
   前記スイッチの使用履歴にもとづいてスイッチの劣化度を推定する劣化推定部と、
   を備え、
   前記劣化推定部は、開極時と閉極時の少なくとも一方における、前記スイッチの動作電圧と前記スイッチに流れる負荷電流とにもとづいて消耗率を決定し、当該消耗率を積算して前記劣化度を推定することを特徴とするパワーエレクトロニクス機器。
2. 前記劣化推定部は、開極時と閉極時の少なくとも一方における前記スイッチの電気的状態を監視することを特徴とする請求項１に記載のパワーエレクトロニクス機器。
3. 前記スイッチの劣化度が所定のしきい値を超えると報知する警報部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーエレクトロニクス機器。
4. 前記消耗率は、前記動作電圧と前記負荷電流の組み合わせである動作点における、前記スイッチの寿命の逆数に比例することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のパワーエレクトロニクス機器。
5. 前記消耗率は、前記スイッチの閉極時と開極時に得られる２つの動作電圧のうち大きい方と、前記スイッチの閉極時と開極時に得られる２つの負荷電流のうち大きい方にもとづいて決定されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のパワーエレクトロニクス機器。

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