JP2004170361A - コンデンサ寿命診断装置およびコンデンサ寿命診断方法 - Google Patents
コンデンサ寿命診断装置およびコンデンサ寿命診断方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】特別な回路の変更または追加を必要とせずに、インバータ等に使用されている電解コンデンサの余寿命を推定する。
【解決手段】余寿命判定部２４は、波形測定器２１により測定された電圧波形から、各ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間Ｔｃを測定し、このトランジスタ切り替わり時間Ｔｃと余寿命曲線記憶部２２に記憶されている余寿命曲線とから各スイッチング素子のベースドライバ回路のコンデンサの余寿命を算出する。また、余寿命判定部２４は、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃと劣化度予測グラフ記憶部２３に記憶されている劣化度予測グラフから、ベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの劣化度の予測を行う。
【選択図】 図１
【解決手段】余寿命判定部２４は、波形測定器２１により測定された電圧波形から、各ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間Ｔｃを測定し、このトランジスタ切り替わり時間Ｔｃと余寿命曲線記憶部２２に記憶されている余寿命曲線とから各スイッチング素子のベースドライバ回路のコンデンサの余寿命を算出する。また、余寿命判定部２４は、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃと劣化度予測グラフ記憶部２３に記憶されている劣化度予測グラフから、ベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの劣化度の予測を行う。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解コンデンサ等のコンデンサの余寿命を予測するコンデンサ寿命診断装置および診断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電解コンデンサ等のコンデンサは電子回路上重要な役割を持ち、各種の電子回路に数多く使用されているが、抵抗等の他の構成部品と比較すると、比較的に短い寿命を有する消耗部品である。特に、直流電源を交流電源に変換して交流電動機の制御を行うインバータ等の電力変換装置においては、電解コンデンサの故障は周辺の構成部品を致命的な故障に巻き込む特色を有している。そのため、電力変換装置等の場合には、稼働時間が一定時間を超えると余寿命に関係なく一律に使用している電解コンデンサを新しいものに交換するようなオーバホールが行われていた。
【０００３】
しかし、オーバホールを行う間隔は、製品に使用されている電解コンデンサのうち最も過酷な条件で使用されているものに合わせて設定する必要があるため、短くならざるを得ない。また、製品に使用されている全ての電解コンデンサを一律に交換しなければならないので、オーバホールを行うために長時間を必要とする場合が多い。また、オーバホールを行うためには、装置を長時間停止させる必要があるとともに費用もかかる場合が多い。
【０００４】
そのため、製品に使用されている電解コンデンサの余寿命を測定することができれば、特性の劣化した電解コンデンサのみを交換することが可能となり、またオーバホールを行うための適切な時期を判定することが可能となる。そのため、電解コンデンサの余寿命を正確に予測することができるコンデンサ寿命診断装置が望まれている。
【０００５】
このようなコンデンサ寿命診断装置の一例として、例えば特許文献１に記載されている従来のコンデンサ寿命診断装置の構成を図９に示す。
【０００６】
この従来例では、モータ３を駆動するための電力変換装置２に供給される電圧を平滑するためのコンデンサ５の劣化を、診断装置７により判定するものである。
【０００７】
実際にコンデンサ５の劣化を判定する際には、ＳＷ２をオフさせることによりバッテリ１の電圧が抵抗４を介してコンデンサ５に充電されるようにした後に、ＳＷ１をオンとする。すると、診断装置７にＳＷ１投入信号が入力され、診断装置７は電圧検出部６を介して測定対象であるコンデンサ５の電圧の測定を開始する。そして、診断装置７は、バッテリ１の電圧が抵抗４を介してコンデンサ５に充電される充電時間ｔｃを測定する。そして、診断装置７では、この充電時間ｔｃと、コンデンサ５の容量が劣化していないと仮定した場合の充電時間を演算により求めた基準時間ｔｓとを比較することによりコンデンサ５の劣化を判定する。
【０００８】
この従来のコンデンサ寿命診断装置では、コンデンサ５に電圧を強制的に印加して対象コンデンサ５の良否を診断するという方法がとられている。そのため、ある製品に使用されているコンデンサの全ての良否診断を行うとした場合、製品に使用されているそれぞれのコンデンサに対して、測定対象のコンデンサ毎に寿命診断を行う必要がある。また、単に充電時間のみで判定を行っているため、静電容量の劣化しか判定することができない。また、本来の動作には必要でないＳＷ２、抵抗４が必要となり従来の回路がそのまま使用できず、そもそも直流電源と接続されていないコンデンサの劣化を判定しようとすると、測定対象のコンデンサに直流電源を接続しなければならず本来は不要な回路が必要となる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平５−２１５８００号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のコンデンサ寿命診断装置では、製品に使用されているコンデンサの余寿命を推定するためには特別な回路の変更または追加が必要になるとともに、各コンデンサ毎に余寿命の測定を行わなければならないため測定対象が多い場合には診断が実質的に不可能であるという問題点があった。
【００１１】
本発明の目的は、診断を行うための特別な回路の変更または追加を必要とせずに、インバータ等に使用されているコンデンサの余寿命を推定することができるコンデンサ寿命診断装置および診断方法を提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、製品に使用されている全てのコンデンサの良否を短時間で診断することができるコンデンサ寿命診断装置および診断方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のコンデンサ寿命診断装置は、コンデンサの余寿命を予測するコンデンサ寿命診断装置であって、
インバータにおける各スイッチング素子のベース−エミッタ間電圧の波形をそれぞれ測定する波形測定器と、
スイッチング素子を駆動するためのベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間と、ベースドライバ回路を構成しているコンデンサの余寿命との関係を示す余寿命曲線を記憶している余寿命曲線記憶部と、
前記波形測定器により測定された電圧波形から、各ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間を測定し、このトランジスタ切り替わり時間と前記余寿命曲線記憶部に記憶されている余寿命曲線とから各スイッチング素子のベースドライバ回路のコンデンサの余寿命をそれぞれ算出する余寿命判定部とを備えている。
【００１４】
本発明によれば、ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間と、余寿命曲線とに基づいてベースドライバ回路のコンデンサの余寿命を推定するので、診断を行うための特別な回路の変更または追加を必要とせずに、インバータ等に使用されているコンデンサの余寿命を推定することができる。さらに、実際の稼働状態に使い状態でベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間を測定してコンデンサの寿命診断を行っているため、信頼度の高い寿命診断を行うことができる。
【００１５】
また、本発明の他のコンデンサ寿命診断装置は、前記トランジスタ切り替わり時間と劣化度との関係を、製品に使用されるコンデンサの特性および使用条件毎に示す劣化度予測グラフを記憶している劣化度予測グラフ記憶部をさらに備え、前記余寿命判定部は、前記トランジスタ切り替わり時間と、前記劣化度予測グラフ記憶部に記憶されている劣化度予測グラフとから、ベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの劣化度の予測を行い、この劣化度に基づきベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの交換時期をそれぞれ決定する。
【００１６】
本発明によれば、ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間と劣化度予測グラフとに基づいて、ベースドライバ回路以外のコンデンサの劣化度の予測を行うようにしているので、製品に使用されている全てのコンデンサの良否を短時間で診断することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は単相又は３相交流電源２０１を用いて交流電動機２１０の制御を行うための一般的なシステムに対して本発明の一実施形態のコンデンサ寿命診断装置２００を接続したシステム図である。
【００１９】
単相又は３相交流電源２０１から供給される交流電源は、コンバータ２０２により整流され直流電源となり平滑コンデンサ２０３により平滑化される。そして、平滑コンデンサ２０３により平滑化された直流電源はインバータ２０４によりスイッチング制御されることにより交流電源に変換され、交流電動機２１０に供給される。
【００２０】
コンデンサ寿命診断装置２００は、インバータ２０４を構成している６つのスイッチング素子のそれぞれのベース−エミッタ間の電圧を測定することにより各スイッチング素子のベースドライバ回路を構成するコンデンサの余寿命の予測を行い診断結果として出力している。
【００２１】
図２は、図１に示した本発明の一実施形態のコンデンサ寿命診断装置２００の構成を示すブロック図である。
【００２２】
本実施形態のコンデンサ寿命診断装置２００は、図２に示されるように、波形測定器２１と、余寿命曲線記憶部２２と、劣化度予測グラフ記憶部２３と、余寿命判定部２４とから構成されている。
【００２３】
波形測定器２１は、インバータ２０４における６つのスイッチング素子のベース−エミッタ間電圧の波形をそれぞれ測定している。
【００２４】
余寿命曲線記憶部２２は、ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間Ｔｃと、このベースドライバ回路を構成しているコンデンサの余寿命との関係を示す余寿命曲線を記憶している。ここで、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃとは、スイッチング素子のベースに入力されている制御信号がオフとなってからスイッチング素子のベース−エミッタ間電圧がローレベルとなりそのスイッチング素子がオフ状態となるまでの時間をいう。
【００２５】
余寿命曲線記憶部２２に記憶される余寿命曲線の一例を図３に示す。この余寿命曲線を見ると、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃが長くなると、コンデンサの余寿命が指数関数的に短くなっていることがわかる。トランジスタ切り替わり時間Ｔｃと、コンデンサの余寿命とがこのような関係となる理由については後述する。
【００２６】
劣化度予測グラフ記憶部２３は、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃと劣化度との関係を、製品に使用されるコンデンサの特性および使用条件毎に示す劣化度予測グラフを記憶している。ここで、劣化度の具体的な値としては誘電正接（ｔａｎδ）値があげられる。また、誘電正接値以外にも静電容量の規格値からの外れ量等を劣化度として用いることもできる。
【００２７】
劣化度予測グラフ記憶部２３に記憶される劣化度予測グラフの一例を図４に示す。この図４に示されるグラフでは、Ｃコンデンサが最も短い稼働時間で劣化度が基準以下となり交換が必要になることを示している。そして、このグラフを参照すれば、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃが分かれば各コンデンサの劣化度が基準に対してどれ位余裕があるのかを判定することができる。一般的なインバータにおいては、ベースドライバ回路の電解コンデンサの寿命が最も短いものとなっているため、この電解コンデンサが上記のＣコンデンサに該当し、Ａコンデンサ、Ｂコンデンサはベースドライバを構成する電解コンデンサ以外のコンデンサに該当する。
【００２８】
余寿命判定部２４は、波形測定器２１により測定された電圧波形から、各ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間Ｔｃを測定し、このトランジスタ切り替わり時間Ｔｃと余寿命曲線記憶部２２に記憶されている余寿命曲線とから各スイッチング素子のベースドライバ回路のコンデンサの余寿命を算出する。そして、この余寿命からスイッチング素子のベースドライバ回路のコンデンサの交換時期を決定する。また、余寿命判定部２４は、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃと劣化度予測グラフ記憶部２３に記憶されている劣化度予測グラフから、ベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの劣化度の予測を行い、この劣化度に基づきベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの交換時期を決定する。
【００２９】
次に、本実施形態のコンデンサ寿命診断装置２００の動作を図５のフローチャートを参照して説明する。
【００３０】
先ず、波形測定器２１では、インバータ２０４における６つのスイッチング素子のベース−エミッタ間電圧のそれぞれの波形の測定が行われ、余寿命判定部２４では、この電圧波形からトランジスタ切り替わり時間Ｔｃの測定が行われる（ステップ１０１）。
【００３１】
波形測定器２１で測定される波形の一例を図６に示す。図６は、Ｕ相プラス側のスイッチング素子のベース−エミッタ間電圧の波形Ｐｕを実線で示し、Ｕ相マイナス側のスイッチング素子のベース−エミッタ間電圧の波形Ｎｕを点線で示したものである。
【００３２】
次に、余寿命判定部２４は、このトランジスタ切り替わり時間Ｔｃと余寿命曲線記憶部２２に記憶されている余寿命曲線とから各スイッチング素子のベースドライバ回路のコンデンサの余寿命を算出する（ステップ１０２）。そして、この余寿命に基づいてベースドライバ回路のコンデンサの交換時期が決定される（ステップ１０３）。この交換時期の決定は、余寿命判定部２４で行うようにしてもよいし、余寿命判定部２４は余寿命時間を診断結果として出力するだけにし、外部の装置がこの余寿命時間を基にして交換時期を決定するようにしてもよい。
【００３３】
そして、余寿命判定部２４は、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃと劣化度予測グラフ記憶部２３に記憶されている劣化度予測グラフから、ベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの劣化度の予測を行う（ステップ１０４）。そして、最後に、この劣化度に基づきベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの交換時期が決定される（ステップ１０５）。
【００３４】
以下、図７および図８を参照して、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃと、ベースドライバ回路のコンデンサの余寿命との関係が図３のようになる理由について説明する。
【００３５】
ここでは説明を簡単にするため、インバータ２０４の６つのスイッチング素子のうちのＵ相のプラス側のスイッチング素子のみを参照して説明するが、他のスイッチング素子についても同様な回路構成となっているためその説明は省略する。
【００３６】
図７に示す回路図では、Ｕ相のプラス側のスイッチング素子３０と、このスイッチング素子３０を駆動するためのベースドライバ回路の構成が示されている。
スイッチング素子３０のオン／オフを制御するための制御信号が、スイッチング素子３０のベースに入力されていて、このベースとエミッタ間には抵抗２０およびコンデンサ１０が並列に接続されている。そして、コンデンサ寿命診断装置２００はインバータ２０４に設けられた端子を介してスイッチング素子３０のベース−エミッタ間電圧を測定している。
【００３７】
ここで、コンデンサは、一般的に、容量成分のみから構成されているわけではなく、容量成分の他に等価直列抵抗（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｓｅｒｉｅｓ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）が存在する。そのため、図７中のコンデンサ１０を、容量成分１１と等価直列抵抗１２とが直列接続された等価回路により置き換えたものを図８に示す。
【００３８】
ここで、容量成分１１の容量値をＣで表し、等価直列抵抗１２の抵抗値をＥＳＲで表すと、誘電正接ｔａｎδは下記の式（１）により表すことができる。式中ωは角周波数である。
【００３９】
【数１】
【００４０】
コンデンサの故障、劣化は静電容量の変化よりも、誘電正接の増加がより顕著に現れる。つまり、上記の式（１）を参照すると、コンデンサの劣化が誘電正接ｔａｎδの増加である場合、等価直列抵抗ＥＳＲが増加しているものと考えられる。
【００４１】
図８を参照すると、このトランジスタ切り替わり時間Ｔｃは、容量成分１１に蓄えられた電荷が抵抗２０、スイッチング素子３０のベース−エミッタ間を介して放電される時間により決定されるものであることがわかる。ここで、抵抗２０の抵抗値をＲとすると、ＥＳＲ＞＞Ｒの関係となるため、この回路の時定数は容量成分１１の容量値Ｃと、等価直列抵抗１２の抵抗値ＥＳＲとによりほぼ決定されるものと考えられる。そのため、コンデンサ１０が劣化し等価直列抵抗１２が増加すると、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃも長くなってしまう。
【００４２】
上記で説明した理由により、コンデンサ１０、抵抗２０とから構成されるベースドライバ回路のトランジスタ切り替え時間Ｔｃは、コンデンサ１０の容量成分Ｃと等価直列抵抗ＥＳＲとによって決定されることがわかる。そのため、本実施形態のコンデンサ寿命診断装置２００では、ベースドライバ回路のトランジスタ切り替え時間Ｔｃを測定することにより、ベースドライバ回路を構成しているコンデンサの余寿命を測定することが可能となる。
【００４３】
本実施形態のコンデンサ寿命診断装置２００によれば、最もストレスのかかるベースドライバ回路の電解コンデンサの寿命診断をした後に、ベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの劣化度を判定するのでインバータ２０４、コンバータ２０２等を含む製品全体のコンデンサの劣化度を把握することができるので、製品自体の寿命診断を行うことが可能となる。
【００４４】
また、図１に示したインバータ２０４では、ある相におけるプラス側のスイッチング素子とマイナス側のスイッチング素子が同時にオンしてしまうと正母線電圧と負母線電圧間が短絡し重大な事故になってしまう。そのため、図６に示した波形において、Ｕ相プラス側の電圧ＰｕとＵ相マイナス側の電圧Ｎｕが同時にハイレベルとなることを防がなければならない。ベースドライバ回路の電解コンデンサが劣化してくると上述したようにトランジスタ時間切り替わり時間Ｔｃが長くなるため、２つのスイッチング素子が同時にオンする危険性が増加する。本実施形態では、ベースドライバ回路を構成する電解コンデンサの劣化をこのトランジスタ切り替わり時間Ｔｃを測定することにより行っているため、回路上の実際の動作を確認しながら電解コンデンサの寿命の予測を行うことができ信頼度の高い寿命診断を行うことができる。つまり、本実施形態によれば、通常の稼働状態に近い状態でインバータ２０４中の６つのスイッチング素子のベース−エミッタ間電圧を測定して余寿命の診断を行うようにしているため、信頼度の高い寿命診断を行うことができる。
【００４５】
さらに、６つのスイッチング素子のベース−エミッタ間電圧を測定するための端子をインバータ２０４の外部に設けるようにするだけで、インバータ２０４内には特に他の回路を追加したり、従来の回路を変更する必要なくコンデンサの寿命診断を行うことができる。
【００４６】
本実施形態では、電解コンデンサの余寿命を推定する場合を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電解コンデンサ以外の他のコンデンサの余寿命を推定する場合でも同様に本発明を適用することができるものである。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、下記のような効果を得ることができる。
（１）ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間と、余寿命曲線とに基づいてベースドライバ回路のコンデンサの余寿命を推定するので、診断を行うための特別な回路の変更または追加を必要とせずに、インバータ等に使用されているコンデンサの余寿命を推定することができる。
（２）ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間と劣化度予測グラフとに基づいて、ベースドライバ回路以外のコンデンサの劣化度の予測を行うので、製品に使用されている全てのコンデンサの良否を短時間で診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】単相又は３相交流電源２０１を用いて交流電動機２１０の制御を行うための一般的なシステムに対して本発明の一実施形態のコンデンサ寿命診断装置２００を接続したシステム図である。
【図２】図１中のコンデンサ寿命診断装置２００の構成を示すブロック図である。
【図３】余寿命曲線記憶部２２に記憶される余寿命曲線の一例を示す図である。
【図４】劣化度予測グラフ記憶部２３に記憶される劣化度予測グラフの一例を示す図である。
【図５】コンデンサ寿命診断装置２００の動作を示すフローチャートである。
【図６】波形測定器２１で測定される波形の一例を示す図である。
【図７】Ｕ相のプラス側のスイッチング素子３０と、このスイッチング素子３０を駆動するためのベースドライバ回路の構成を示す図である。
【図８】図７中のコンデンサ１０を、容量成分１１と等価直列抵抗１２とが直列接続された等価回路により置き換えた場合の回路図である。
【図９】従来のコンデンサ寿命診断装置の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１ バッテリ
２ 電力変換装置
３ モータ
４ 抵抗
５ コンデンサ
６ 電圧検出部
７ 診断装置
１０ コンデンサ
１１ 容量成分
１２ 等価直列抵抗
２０ 抵抗
３０ スイッチング素子
２１ 波形測定器
２２ 余寿命曲線記憶部
２３ 劣化度予測グラフ記憶部
２４ 余寿命判定部
１０１〜１０５ ステップ
２００ コンデンサ寿命診断装置
２０１ 単相又は３相交流電源
２０２ コンバータ
２０３ 平滑コンデンサ
２０４ コンバータ
２１０ 交流電動機
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解コンデンサ等のコンデンサの余寿命を予測するコンデンサ寿命診断装置および診断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電解コンデンサ等のコンデンサは電子回路上重要な役割を持ち、各種の電子回路に数多く使用されているが、抵抗等の他の構成部品と比較すると、比較的に短い寿命を有する消耗部品である。特に、直流電源を交流電源に変換して交流電動機の制御を行うインバータ等の電力変換装置においては、電解コンデンサの故障は周辺の構成部品を致命的な故障に巻き込む特色を有している。そのため、電力変換装置等の場合には、稼働時間が一定時間を超えると余寿命に関係なく一律に使用している電解コンデンサを新しいものに交換するようなオーバホールが行われていた。
【０００３】
しかし、オーバホールを行う間隔は、製品に使用されている電解コンデンサのうち最も過酷な条件で使用されているものに合わせて設定する必要があるため、短くならざるを得ない。また、製品に使用されている全ての電解コンデンサを一律に交換しなければならないので、オーバホールを行うために長時間を必要とする場合が多い。また、オーバホールを行うためには、装置を長時間停止させる必要があるとともに費用もかかる場合が多い。
【０００４】
そのため、製品に使用されている電解コンデンサの余寿命を測定することができれば、特性の劣化した電解コンデンサのみを交換することが可能となり、またオーバホールを行うための適切な時期を判定することが可能となる。そのため、電解コンデンサの余寿命を正確に予測することができるコンデンサ寿命診断装置が望まれている。
【０００５】
このようなコンデンサ寿命診断装置の一例として、例えば特許文献１に記載されている従来のコンデンサ寿命診断装置の構成を図９に示す。
【０００６】
この従来例では、モータ３を駆動するための電力変換装置２に供給される電圧を平滑するためのコンデンサ５の劣化を、診断装置７により判定するものである。
【０００７】
実際にコンデンサ５の劣化を判定する際には、ＳＷ２をオフさせることによりバッテリ１の電圧が抵抗４を介してコンデンサ５に充電されるようにした後に、ＳＷ１をオンとする。すると、診断装置７にＳＷ１投入信号が入力され、診断装置７は電圧検出部６を介して測定対象であるコンデンサ５の電圧の測定を開始する。そして、診断装置７は、バッテリ１の電圧が抵抗４を介してコンデンサ５に充電される充電時間ｔｃを測定する。そして、診断装置７では、この充電時間ｔｃと、コンデンサ５の容量が劣化していないと仮定した場合の充電時間を演算により求めた基準時間ｔｓとを比較することによりコンデンサ５の劣化を判定する。
【０００８】
この従来のコンデンサ寿命診断装置では、コンデンサ５に電圧を強制的に印加して対象コンデンサ５の良否を診断するという方法がとられている。そのため、ある製品に使用されているコンデンサの全ての良否診断を行うとした場合、製品に使用されているそれぞれのコンデンサに対して、測定対象のコンデンサ毎に寿命診断を行う必要がある。また、単に充電時間のみで判定を行っているため、静電容量の劣化しか判定することができない。また、本来の動作には必要でないＳＷ２、抵抗４が必要となり従来の回路がそのまま使用できず、そもそも直流電源と接続されていないコンデンサの劣化を判定しようとすると、測定対象のコンデンサに直流電源を接続しなければならず本来は不要な回路が必要となる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平５−２１５８００号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のコンデンサ寿命診断装置では、製品に使用されているコンデンサの余寿命を推定するためには特別な回路の変更または追加が必要になるとともに、各コンデンサ毎に余寿命の測定を行わなければならないため測定対象が多い場合には診断が実質的に不可能であるという問題点があった。
【００１１】
本発明の目的は、診断を行うための特別な回路の変更または追加を必要とせずに、インバータ等に使用されているコンデンサの余寿命を推定することができるコンデンサ寿命診断装置および診断方法を提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、製品に使用されている全てのコンデンサの良否を短時間で診断することができるコンデンサ寿命診断装置および診断方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のコンデンサ寿命診断装置は、コンデンサの余寿命を予測するコンデンサ寿命診断装置であって、
インバータにおける各スイッチング素子のベース−エミッタ間電圧の波形をそれぞれ測定する波形測定器と、
スイッチング素子を駆動するためのベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間と、ベースドライバ回路を構成しているコンデンサの余寿命との関係を示す余寿命曲線を記憶している余寿命曲線記憶部と、
前記波形測定器により測定された電圧波形から、各ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間を測定し、このトランジスタ切り替わり時間と前記余寿命曲線記憶部に記憶されている余寿命曲線とから各スイッチング素子のベースドライバ回路のコンデンサの余寿命をそれぞれ算出する余寿命判定部とを備えている。
【００１４】
本発明によれば、ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間と、余寿命曲線とに基づいてベースドライバ回路のコンデンサの余寿命を推定するので、診断を行うための特別な回路の変更または追加を必要とせずに、インバータ等に使用されているコンデンサの余寿命を推定することができる。さらに、実際の稼働状態に使い状態でベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間を測定してコンデンサの寿命診断を行っているため、信頼度の高い寿命診断を行うことができる。
【００１５】
また、本発明の他のコンデンサ寿命診断装置は、前記トランジスタ切り替わり時間と劣化度との関係を、製品に使用されるコンデンサの特性および使用条件毎に示す劣化度予測グラフを記憶している劣化度予測グラフ記憶部をさらに備え、前記余寿命判定部は、前記トランジスタ切り替わり時間と、前記劣化度予測グラフ記憶部に記憶されている劣化度予測グラフとから、ベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの劣化度の予測を行い、この劣化度に基づきベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの交換時期をそれぞれ決定する。
【００１６】
本発明によれば、ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間と劣化度予測グラフとに基づいて、ベースドライバ回路以外のコンデンサの劣化度の予測を行うようにしているので、製品に使用されている全てのコンデンサの良否を短時間で診断することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は単相又は３相交流電源２０１を用いて交流電動機２１０の制御を行うための一般的なシステムに対して本発明の一実施形態のコンデンサ寿命診断装置２００を接続したシステム図である。
【００１９】
単相又は３相交流電源２０１から供給される交流電源は、コンバータ２０２により整流され直流電源となり平滑コンデンサ２０３により平滑化される。そして、平滑コンデンサ２０３により平滑化された直流電源はインバータ２０４によりスイッチング制御されることにより交流電源に変換され、交流電動機２１０に供給される。
【００２０】
コンデンサ寿命診断装置２００は、インバータ２０４を構成している６つのスイッチング素子のそれぞれのベース−エミッタ間の電圧を測定することにより各スイッチング素子のベースドライバ回路を構成するコンデンサの余寿命の予測を行い診断結果として出力している。
【００２１】
図２は、図１に示した本発明の一実施形態のコンデンサ寿命診断装置２００の構成を示すブロック図である。
【００２２】
本実施形態のコンデンサ寿命診断装置２００は、図２に示されるように、波形測定器２１と、余寿命曲線記憶部２２と、劣化度予測グラフ記憶部２３と、余寿命判定部２４とから構成されている。
【００２３】
波形測定器２１は、インバータ２０４における６つのスイッチング素子のベース−エミッタ間電圧の波形をそれぞれ測定している。
【００２４】
余寿命曲線記憶部２２は、ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間Ｔｃと、このベースドライバ回路を構成しているコンデンサの余寿命との関係を示す余寿命曲線を記憶している。ここで、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃとは、スイッチング素子のベースに入力されている制御信号がオフとなってからスイッチング素子のベース−エミッタ間電圧がローレベルとなりそのスイッチング素子がオフ状態となるまでの時間をいう。
【００２５】
余寿命曲線記憶部２２に記憶される余寿命曲線の一例を図３に示す。この余寿命曲線を見ると、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃが長くなると、コンデンサの余寿命が指数関数的に短くなっていることがわかる。トランジスタ切り替わり時間Ｔｃと、コンデンサの余寿命とがこのような関係となる理由については後述する。
【００２６】
劣化度予測グラフ記憶部２３は、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃと劣化度との関係を、製品に使用されるコンデンサの特性および使用条件毎に示す劣化度予測グラフを記憶している。ここで、劣化度の具体的な値としては誘電正接（ｔａｎδ）値があげられる。また、誘電正接値以外にも静電容量の規格値からの外れ量等を劣化度として用いることもできる。
【００２７】
劣化度予測グラフ記憶部２３に記憶される劣化度予測グラフの一例を図４に示す。この図４に示されるグラフでは、Ｃコンデンサが最も短い稼働時間で劣化度が基準以下となり交換が必要になることを示している。そして、このグラフを参照すれば、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃが分かれば各コンデンサの劣化度が基準に対してどれ位余裕があるのかを判定することができる。一般的なインバータにおいては、ベースドライバ回路の電解コンデンサの寿命が最も短いものとなっているため、この電解コンデンサが上記のＣコンデンサに該当し、Ａコンデンサ、Ｂコンデンサはベースドライバを構成する電解コンデンサ以外のコンデンサに該当する。
【００２８】
余寿命判定部２４は、波形測定器２１により測定された電圧波形から、各ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間Ｔｃを測定し、このトランジスタ切り替わり時間Ｔｃと余寿命曲線記憶部２２に記憶されている余寿命曲線とから各スイッチング素子のベースドライバ回路のコンデンサの余寿命を算出する。そして、この余寿命からスイッチング素子のベースドライバ回路のコンデンサの交換時期を決定する。また、余寿命判定部２４は、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃと劣化度予測グラフ記憶部２３に記憶されている劣化度予測グラフから、ベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの劣化度の予測を行い、この劣化度に基づきベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの交換時期を決定する。
【００２９】
次に、本実施形態のコンデンサ寿命診断装置２００の動作を図５のフローチャートを参照して説明する。
【００３０】
先ず、波形測定器２１では、インバータ２０４における６つのスイッチング素子のベース−エミッタ間電圧のそれぞれの波形の測定が行われ、余寿命判定部２４では、この電圧波形からトランジスタ切り替わり時間Ｔｃの測定が行われる（ステップ１０１）。
【００３１】
波形測定器２１で測定される波形の一例を図６に示す。図６は、Ｕ相プラス側のスイッチング素子のベース−エミッタ間電圧の波形Ｐｕを実線で示し、Ｕ相マイナス側のスイッチング素子のベース−エミッタ間電圧の波形Ｎｕを点線で示したものである。
【００３２】
次に、余寿命判定部２４は、このトランジスタ切り替わり時間Ｔｃと余寿命曲線記憶部２２に記憶されている余寿命曲線とから各スイッチング素子のベースドライバ回路のコンデンサの余寿命を算出する（ステップ１０２）。そして、この余寿命に基づいてベースドライバ回路のコンデンサの交換時期が決定される（ステップ１０３）。この交換時期の決定は、余寿命判定部２４で行うようにしてもよいし、余寿命判定部２４は余寿命時間を診断結果として出力するだけにし、外部の装置がこの余寿命時間を基にして交換時期を決定するようにしてもよい。
【００３３】
そして、余寿命判定部２４は、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃと劣化度予測グラフ記憶部２３に記憶されている劣化度予測グラフから、ベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの劣化度の予測を行う（ステップ１０４）。そして、最後に、この劣化度に基づきベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの交換時期が決定される（ステップ１０５）。
【００３４】
以下、図７および図８を参照して、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃと、ベースドライバ回路のコンデンサの余寿命との関係が図３のようになる理由について説明する。
【００３５】
ここでは説明を簡単にするため、インバータ２０４の６つのスイッチング素子のうちのＵ相のプラス側のスイッチング素子のみを参照して説明するが、他のスイッチング素子についても同様な回路構成となっているためその説明は省略する。
【００３６】
図７に示す回路図では、Ｕ相のプラス側のスイッチング素子３０と、このスイッチング素子３０を駆動するためのベースドライバ回路の構成が示されている。
スイッチング素子３０のオン／オフを制御するための制御信号が、スイッチング素子３０のベースに入力されていて、このベースとエミッタ間には抵抗２０およびコンデンサ１０が並列に接続されている。そして、コンデンサ寿命診断装置２００はインバータ２０４に設けられた端子を介してスイッチング素子３０のベース−エミッタ間電圧を測定している。
【００３７】
ここで、コンデンサは、一般的に、容量成分のみから構成されているわけではなく、容量成分の他に等価直列抵抗（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｓｅｒｉｅｓ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）が存在する。そのため、図７中のコンデンサ１０を、容量成分１１と等価直列抵抗１２とが直列接続された等価回路により置き換えたものを図８に示す。
【００３８】
ここで、容量成分１１の容量値をＣで表し、等価直列抵抗１２の抵抗値をＥＳＲで表すと、誘電正接ｔａｎδは下記の式（１）により表すことができる。式中ωは角周波数である。
【００３９】
【数１】
コンデンサの故障、劣化は静電容量の変化よりも、誘電正接の増加がより顕著に現れる。つまり、上記の式（１）を参照すると、コンデンサの劣化が誘電正接ｔａｎδの増加である場合、等価直列抵抗ＥＳＲが増加しているものと考えられる。
【００４１】
図８を参照すると、このトランジスタ切り替わり時間Ｔｃは、容量成分１１に蓄えられた電荷が抵抗２０、スイッチング素子３０のベース−エミッタ間を介して放電される時間により決定されるものであることがわかる。ここで、抵抗２０の抵抗値をＲとすると、ＥＳＲ＞＞Ｒの関係となるため、この回路の時定数は容量成分１１の容量値Ｃと、等価直列抵抗１２の抵抗値ＥＳＲとによりほぼ決定されるものと考えられる。そのため、コンデンサ１０が劣化し等価直列抵抗１２が増加すると、トランジスタ切り替わり時間Ｔｃも長くなってしまう。
【００４２】
上記で説明した理由により、コンデンサ１０、抵抗２０とから構成されるベースドライバ回路のトランジスタ切り替え時間Ｔｃは、コンデンサ１０の容量成分Ｃと等価直列抵抗ＥＳＲとによって決定されることがわかる。そのため、本実施形態のコンデンサ寿命診断装置２００では、ベースドライバ回路のトランジスタ切り替え時間Ｔｃを測定することにより、ベースドライバ回路を構成しているコンデンサの余寿命を測定することが可能となる。
【００４３】
本実施形態のコンデンサ寿命診断装置２００によれば、最もストレスのかかるベースドライバ回路の電解コンデンサの寿命診断をした後に、ベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの劣化度を判定するのでインバータ２０４、コンバータ２０２等を含む製品全体のコンデンサの劣化度を把握することができるので、製品自体の寿命診断を行うことが可能となる。
【００４４】
また、図１に示したインバータ２０４では、ある相におけるプラス側のスイッチング素子とマイナス側のスイッチング素子が同時にオンしてしまうと正母線電圧と負母線電圧間が短絡し重大な事故になってしまう。そのため、図６に示した波形において、Ｕ相プラス側の電圧ＰｕとＵ相マイナス側の電圧Ｎｕが同時にハイレベルとなることを防がなければならない。ベースドライバ回路の電解コンデンサが劣化してくると上述したようにトランジスタ時間切り替わり時間Ｔｃが長くなるため、２つのスイッチング素子が同時にオンする危険性が増加する。本実施形態では、ベースドライバ回路を構成する電解コンデンサの劣化をこのトランジスタ切り替わり時間Ｔｃを測定することにより行っているため、回路上の実際の動作を確認しながら電解コンデンサの寿命の予測を行うことができ信頼度の高い寿命診断を行うことができる。つまり、本実施形態によれば、通常の稼働状態に近い状態でインバータ２０４中の６つのスイッチング素子のベース−エミッタ間電圧を測定して余寿命の診断を行うようにしているため、信頼度の高い寿命診断を行うことができる。
【００４５】
さらに、６つのスイッチング素子のベース−エミッタ間電圧を測定するための端子をインバータ２０４の外部に設けるようにするだけで、インバータ２０４内には特に他の回路を追加したり、従来の回路を変更する必要なくコンデンサの寿命診断を行うことができる。
【００４６】
本実施形態では、電解コンデンサの余寿命を推定する場合を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電解コンデンサ以外の他のコンデンサの余寿命を推定する場合でも同様に本発明を適用することができるものである。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、下記のような効果を得ることができる。
（１）ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間と、余寿命曲線とに基づいてベースドライバ回路のコンデンサの余寿命を推定するので、診断を行うための特別な回路の変更または追加を必要とせずに、インバータ等に使用されているコンデンサの余寿命を推定することができる。
（２）ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間と劣化度予測グラフとに基づいて、ベースドライバ回路以外のコンデンサの劣化度の予測を行うので、製品に使用されている全てのコンデンサの良否を短時間で診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】単相又は３相交流電源２０１を用いて交流電動機２１０の制御を行うための一般的なシステムに対して本発明の一実施形態のコンデンサ寿命診断装置２００を接続したシステム図である。
【図２】図１中のコンデンサ寿命診断装置２００の構成を示すブロック図である。
【図３】余寿命曲線記憶部２２に記憶される余寿命曲線の一例を示す図である。
【図４】劣化度予測グラフ記憶部２３に記憶される劣化度予測グラフの一例を示す図である。
【図５】コンデンサ寿命診断装置２００の動作を示すフローチャートである。
【図６】波形測定器２１で測定される波形の一例を示す図である。
【図７】Ｕ相のプラス側のスイッチング素子３０と、このスイッチング素子３０を駆動するためのベースドライバ回路の構成を示す図である。
【図８】図７中のコンデンサ１０を、容量成分１１と等価直列抵抗１２とが直列接続された等価回路により置き換えた場合の回路図である。
【図９】従来のコンデンサ寿命診断装置の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１ バッテリ
２ 電力変換装置
３ モータ
４ 抵抗
５ コンデンサ
６ 電圧検出部
７ 診断装置
１０ コンデンサ
１１ 容量成分
１２ 等価直列抵抗
２０ 抵抗
３０ スイッチング素子
２１ 波形測定器
２２ 余寿命曲線記憶部
２３ 劣化度予測グラフ記憶部
２４ 余寿命判定部
１０１〜１０５ ステップ
２００ コンデンサ寿命診断装置
２０１ 単相又は３相交流電源
２０２ コンバータ
２０３ 平滑コンデンサ
２０４ コンバータ
２１０ 交流電動機
Claims (6)
- コンデンサの余寿命を予測するコンデンサ寿命診断装置であって、
インバータにおける各スイッチング素子のベース−エミッタ間電圧の波形をそれぞれ測定する波形測定器と、
スイッチング素子を駆動するためのベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間と、ベースドライバ回路を構成しているコンデンサの余寿命との関係を示す余寿命曲線を記憶している余寿命曲線記憶部と、
前記波形測定器により測定された電圧波形から、各ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間を測定し、このトランジスタ切り替わり時間と前記余寿命曲線記憶部に記憶されている余寿命曲線とから各スイッチング素子のベースドライバ回路のコンデンサの余寿命をそれぞれ算出する余寿命判定部とを備えたコンデンサ寿命診断装置。 - 前記トランジスタ切り替わり時間と劣化度との関係を、製品に使用されるコンデンサの特性および使用条件毎に示す劣化度予測グラフを記憶している劣化度予測グラフ記憶部をさらに備え、
前記余寿命判定部は、前記トランジスタ切り替わり時間と、前記劣化度予測グラフ記憶部に記憶されている劣化度予測グラフとから、ベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの劣化度の予測を行い、この劣化度に基づきベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの交換時期をそれぞれ決定する請求項１記載のコンデンサ寿命診断装置。 - 前記劣化度がコンデンサの誘電正接値である請求項２記載のコンデンサ寿命診断装置。
- コンデンサの余寿命を予測するコンデンサ寿命診断方法であって、
インバータにおける各スイッチング素子のベース−エミッタ間電圧の波形をそれぞれ測定するステップと、
前記波形測定器により測定された電圧波形から、各ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間をそれぞれ測定するステップと、
ベースドライバ回路のトランジスタ切り替わり時間とスイッチング素子を駆動しているベースドライバ回路を構成しているコンデンサの余寿命との関係を示す余寿命曲線と、測定された前記トランジスタ切り替わり時間とから各スイッチング素子のベースドライバ回路のコンデンサの余寿命をそれぞれ算出するステップとを備えたコンデンサ寿命診断方法。 - 前記トランジスタ切り替わり時間と劣化度との関係を、製品に使用されるコンデンサの特性および使用条件毎に示す劣化度予測グラフと、測定された前記トランジスタ切り替わり時間とから、ベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの劣化度の予測を行い、この劣化度に基づきベースドライバ回路以外の回路のコンデンサの交換時期をそれぞれ決定するステップをさらに有する請求項４記載のコンデンサ寿命診断方法。
- 前記劣化度がコンデンサの誘電正接値である請求項５記載のコンデンサ寿命診断方法。
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