JP2007244161A - 電源装置及びその寿命診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実際に稼働中における電解コンデンサの寿命を評価する技術を提供する。
【解決手段】予め、記憶手段に電解コンデンサが使用されている電源部の負荷電流対リップル電圧特性を表す第１のデータを記憶しておき、リップル電圧検出部が使用時に電解コンデンサの両端のリップル電圧を検出し、負荷電流検出手段が使用時に電源の負荷電流を検出して、寿命算出部が検出された負荷電流に対する初期相当のリップル電圧を前記第１のデータより求めるとともに、［検出したリップル電圧／初期相当のリップル電圧］を算出し、その値を電解コンデンサの初期相当の静電容量に対する使用時における静電容量の減衰（低下）を示す割合として出力する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣ電源を供給する電源装置及びその寿命診断装置に係り、特に電源装置の寿命に大きく影響する電解コンデンサの稼働中に、その寿命を予測（推定）する技術に関する。

発電所等のプラント施設では、多数の配電盤等に直流（ＤＣ）電源装置が搭載されている。それらの直流電源装置は、出力平滑用、或いは瞬時停電における出力電圧保持用等の目的で、多くの電解コンデンサが用いられている。

これらの電解コンデンサは、動作中におけるリップル電流や周囲温度等の影響により、封入されている電解液が減少し、その特性が劣化することから、安全性を重要視する施設等では長期的には「寿命部品」と扱われることがある。そのため、従来は、所定の期間経過すると、該当する全ての電解コンデンサを一律に交換していた、交換周期は、電源装置の使用状況（周囲温度、放熱環境、負荷電流等）を勘案して定められるべきであるが、電解コンデンサの特性の低下或いは故障による事故の発生を未然に防止し、充分な安全性を確保する必要があることから、一般的な使用条件より厳しい温度環境、負荷状況で連続運転することを前提に、決定され、設定されていた。

しかし、実際の寿命は、電源装置の使用状況等により、個々の電解コンデンサで異なる。実際には、まだ寿命がつきておらず、充分に使用可能な電解コンデンサが廃棄処分されたり、反対に、現実の設置場所や放熱構造から想定を超える高温での運転や定格を超える過負荷状態での長期運転等などにより、既に寿命に達している恐れもあった。

一般には、アルミ電解コンデンサは製造を完了した時点から、含浸された電解液が封口ゴムを透過し、時間と共に内部の電解液の蒸発が進み、静電容量又は損失角の正接が規格値から外れた段階で摩耗故障に至ったと定義される。摩耗故障に至るまでの期間が有効寿命となる。

アルミ電解コンデンサの寿命は使用条件により大きな影響を受けるが、使用条件としては、温度、湿度、気圧、振動等の環境条件、及び端子間の電圧、リップル電流、充放電条件等の電気的条件がある。中でも、環境条件では温度が、電気的条件ではリップル電流が寿命に大きな影響を与える。さらに、アルミ電解コンデンサは、他のコンデンサと比べ、損失が大きいためリップル電流による自己発熱を起こし、この自己発熱により温度上昇を伴い、寿命に大きな影響を与える。

プリント基板等に搭載可能な比較的小型の電解コンデンサにおいては、周囲温度、リップル電流による自己発熱等の影響を考慮した推定寿命を表す式（規定寿命の変化を表す式）は、一般に次のように表される（技術文献１を参照）。

式（１）ＤＣ定格電圧印加で規定している場合の実使用時の寿命Ｌｘ１
Ｌｘ１＝Ｌｏ×２^{（Ｔｏ−Ｔｓ）／１０}×２^{―ΔＴｓ／５}
式（２）定格リプル電流重畳で規定している場合の実使用時の寿命Ｌｘ２
Ｌｘ２＝Ｌｒ×２^{（Ｔｏ−Ｔｓ）／１０}×２^{（ΔＴｏ―ΔＴｓ）／５}
上記式（１）（２）において、
Ｔｏ：コンデンサの使用上限温度（℃）
Ｔｓ：実使用時の周囲温度（℃）
Ｌｏ：使用上限温度Ｔｏにおいて定格電圧印加時の規定寿命（時間）
Ｌｒ：使用上限温度Ｔｏにおいて定格リプル電流重畳時の規定寿命（時間）
２^{（Ｔｏ−Ｔｓ）／１０}：周囲温度依存係数
２^{―ΔＴｓ／５}、２^{（ΔＴｏ―ΔＴｓ）／５}：自己発熱依存係数
ΔＴｓ：リプル電流印加による自己発熱温度（℃）
ΔＴｏ：定格リプル電流印加による自己発熱温度（℃）
（例えば、Ｔｏ＝１０５℃のある種の電解コンデンサで、ΔＴｏ＝５℃）

上記式からすると、実使用時の周囲温度やリプル電流を測定できれば、コンデンサの寿命推定が可能である。
日本ケミコン株式会社ホームページ http://www.chＶmi-con.co.jp/catalog j/top caution.html

上記式から寿命測定が可能であるが、実使用状態での電解コンデンサのリプル電流は、負荷回路、負荷電流等の外的条件で決まることが多い。したがって、リプル電流を直接的に測定して電解コンデンサの損失の変化、静電容量の変化を検出して電解コンデンサの寿命推定を行うことは困難である。

ここで図９により、電解コンデンサにおけるリップル電流及びリップル電圧について考察してみる。図９（Ａ）は、トランスＴで交流信号を受けてダイオードＤ１で整流し、チョークコイルＬと電解コンデンサＣ２で交流成分（リップル）を除去し、ＤＣを出力する回路である。図９（Ｂ）は、その等価回路である。リップル電圧Ｖｉｎは、リップル成分のみ発生する電圧源と見なしている。この等価回路では、次のように表すことができる。
負荷Ｒのリップル電圧Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ／（ｊｗＬ／Ｒ＋１−ｗ^２ＬＣ_２）
電解コンデンサＣ２のリップル電流Ｉｃ＝ｊｗＣ_２Ｖｏｕｔ
ここで、Ｌ：チョークコイルＬのインダクタンス
Ｃ_２：電解コンデンサＣ２の静電容量
ここで数値例として、Ｌ＝２００ｕＨ、Ｃ_２＝１００ｕＦ、Ｒ＝１Ω、交流（リップル）周波数ｆ＝２００ｋＨｚ（ｗ＝２πｆ≒１０^６）にすると、
ｗＬ＝１００，ｗＣ_２＝１００，ｗ^２ＬＣ_２＝１０^４ 程度となる。
つまり、概略次のようになる。
Ｖｏｕｔ≒−Ｖｉｎ／ｗ^２ＬＣ_２
Ｉｃ≒Ｖｉｎ／ｊｗＬ

この結果、負荷（電解コンデンサＣ２の両端）のリップル電圧は、インダクタンスＬと静電容量Ｃ_２の双方に関係してくる。概略、静電容量Ｃ_２に比例している。電解コンデンサＣ２のリップル電流Ｉｃは、静電容量Ｃ_２の影響が無視できる。

そこで、本発明の出願人は、（ア）リップル電圧は、負荷電流依存性があるものの、静電容量変化、損失変化に追随することからリップル電圧及び負荷電流等を解析すれば電気コンデンサの劣化状態を把握可能である。特にリップル電圧の変化によって、静電容量の変化を知ることができる。（イ）電解コンデンサの静電容量低下は、上記式（１）（２）からしても、周囲温度とリップル電流による影響が大きい。そのリップル電流は負荷電流と強い相関があることから、負荷電流を測定してリップル電流を推定し、かつ周囲温度を測定できる構成にすれば、電解コンデンサの稼働状態における残存寿命（余寿命）を推定可能であることに着眼した。

本発明の目的は、電源装置の寿命を診断するにあたり、実際に稼働中における電解コンデンサの寿命を評価する技術を提供することである。そして、個々の電解コンデンサにとって適切な交換時期を設定可能にすることである。

上記課題を解決するため、本発明は、上記着眼を基礎に、次のような構成とした。

請求項１に記載の発明は、電解コンデンサを有し、ＤＣを供給する電源部と、
予め、前記電解コンデンサが使用されている電源部の負荷電流対リップル電圧特性を表す第１のデータを記憶する記憶手段と、
前記使用時に前記電解コンデンサの両端のリップル電圧を検出するリップル電圧検出部と、
前記使用時に前記電源部の負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、
検出された負荷電流に対する初期相当のリップル電圧を前記第１のデータより求めるとともに、［前記検出したリップル電圧／前記初期相当のリップル電圧］を算出し、その値を前記電解コンデンサの初期相当の静電容量に対する使用時における静電容量の減衰（低下）を示す割合として出力する寿命算出部とを備えた。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記記憶手段は、予め、周囲温度対リップル電圧の変化特性を表す第２のデータを記憶し、さらに、使用中における周囲温度を測定する温度検出部を備え、
前記寿命算出部は、前記算出した割合に、前記周囲温度に対応した第２のデータを基に補正し、補正された前記割合を出力する構成とした。

請求項３に記載の発明は、電解コンデンサを有し、ＤＣを供給する電源部と、
予め、前記電解コンデンサの周囲温度対寿命消費率特性を示す第３のデータを記憶する記憶手段と、
前記使用時における周囲温度を所定時間間隔で測定する温度検出部と、
前記所定時間間隔で測定した周囲温度及び第３のデータより前記所定時間間隔毎に寿命消費率を求めて、所定時間間隔と寿命消費率の積を算出し、かつ現時点までの前記積の累積値を算出し、さらに次の第１の寿命予測値を算出する寿命算出部とを備えた。
第１の寿命予測値＝定格の寿命時間×全使用時間／前記累積値
ただし、定格の寿命時間：前記電解コンデンサの定格の寿命時間
全使用時間：前記所定時間間隔の時間累積値

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記使用時に前記電源の負荷電流を検出する負荷電流検出手段を備え、
前記記憶手段は、さらに予め負荷電流対リップル電流特性を表す第４のデータを記憶し、
前記寿命算出部は、さらに、検出された負荷電流に対するリップル電流を前記第４データから求めるとともに、求めた負荷電流に対するリップル電流及び既知の定格リップル電流を基に、前記電解コンデンサの自己発熱依存係数を算出し、次に、
第２の寿命予測値＝前記第１の寿命予測値×前記自己発熱依存係数 を算出する構成とした。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記寿命算出部は、前記現時点における前記第１及び第２の寿命予測値から、
第１の余寿命予測時間＝第１の寿命予測値―全使用時間 又は／及び
第２の余寿命予測時間＝前記第２の寿命予測時間値−全使用時間係数 を算出する構成とした。

請求項６に記載の発明は、請求項４又は請求項５に記載の発明において、前記自己発熱依存係数として下記式を算出する構成とした。
自己発熱依存係数＝２^{（ΔＴｏ―ΔＴｓ）／５}
ただし、ΔＴｓ＝（ＩＬｏｓ／ＩＬｏ）^２×ΔＴｏ
ＩＬｏ：定格リップル電流
ＩＬｏｓ：負荷電流に対するリップル電流
ΔＴｏ：：定格リップル電流重畳時の発熱温度

請求項１に記載の発明によれば、稼働中のＤＣ電源の負荷電流及びリップル電圧を測定し、その測定した現時点の負荷電流値を基準に対応する使用初期のリップル電圧を求めて、［前記検出したリップル電圧／前記初期のリップル電圧］を算出する構成から、稼働中の電解コンデンサの静電容量が、使用初期の静電容量からどのくらい低下したか、その割合を推定できる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１で求めた静電容量の割合に周囲温度の影響を加味して推定できる。

請求項３〜６の発明によれば、稼働時において、寿命時間、残りの寿命を示す余寿命時間を推定できる。

本発明の実施形態を図を基に説明する。図１は、本発明に係る、稼働中の電解コンデンサの静電容量低下率を測定する第１の実施形態の機能構成図である。図２は、図１の動作フローを示す図である。図３は、本発明に係る、稼働中の電解コンデンサの寿命を推定する第２の実施形態の機能構成図である。図４は、第２の実施形態の動作フローを示す図である。図５は、負荷電流とリップル電圧との関係を示す図である。図６は、周囲温度対リップル特性のデータ例を示す図である。図７は、温度（使用上限温度―周囲温度）対寿命消費率特性のデータ例を示す図である。図８は、負荷電流対リップル電流特性のデータ例を示す図である。図９は、リップル電圧及びリップル電流の関係を説明するための図である。

［第１の実施形態］
第１の実施形態は、特に上記着眼点の（ア）を基に、リップル電圧の変化から静電容量の低下率を測定するための実施形態である。

図１は、ＤＣ電源と、それに使用され稼働中の電解コンデンサＣ２の静電容量低下率（以下、「容量低下率」と言う。）を測定する回路を示す図である。図１中、図９中の符号と同一のものは同一機能を示す。ＤＣ電源は、ＡＣ入力回路１、整流回路２、電解コンデンサＣ１、スイッチング回路３、トランスＴ、整流ダイオードＤ１、チョークコイルＬ、フィルタ用の電解コンデンサＣ２及び制御部４で構成されている。ＡＣ入力回路１は、内部トランスによりＡＣ商用電源を不平衡で受けて平衡（対アース）にして整流回路２に送って簡単に整流させる。整流回路２で整流され電解コンデンサＣ１でリップル電圧（電流）を落とされた電圧（電流）は、スイッチング回路３で高周波パルス電流（電圧）に変換されてトランスＴにより昇圧又は降圧されて整流ダイオードＤ１で整流され、ＤＣを出力する。チョークコイルＬ及び電解コンデンサＣ２は、整流ダイオードＤ１からリークしてきたリップル電流をフィルタリングする。制御部４は、出力電圧（ＤＣ電圧）を検出してその電圧が一定になるように、前記高周波パルス電流（電圧）のパルス幅を変化させて、調整する。

図１で、上記ＤＣ電源を構成する要素以外の他の要素は、容量低下率を測定するための構成である。図１では、電解コンデンサＣ２を測定対象としている例である。
図２は、図１の動作フローを示す図であり、下記説明の中で該当する動作の中に図２のステップ番号を示す。

図１で記憶部９には、ＤＣ電源を出荷する前の準備として、予め、負荷電流対リップル電圧特性を測定してデータ（第１のデータ：図５を参照）として記憶し、さらに周囲温度対リップル電圧特性を測定してデータ（第２のデータ：図６を参照）として記憶しておく（ステップＳ１）。さらに電解コンデンサＣ２の定格の静電容量を規定する温度Ｔ１を記憶しておく。ＤＣ電源に接続される負荷を可変すれば負荷電流が変化し、リップル電圧が変化するので、それを測定して負荷電流対リップル電圧特性を得る。周囲温度対リップル電圧特性は、さらに温度環境を変えて測定する。負荷電流対リップル電圧特性及び周囲温度対リップル電圧特性は、回路構成が全く同じであれば１台１台とる必要はなく、信頼性が確保されていれば、１台で取得したデータを他の同じ回路構成の台へ適用できる。これら、負荷電流対リップル電圧特性データ、及び周囲温度対リップル電圧特性データは、細かい目盛りで測定してそのデータを測定して記憶しておいても良いし、粗い目盛り、例えば、変曲点を主として測定してその近似データを記憶し、寿命算出部８がこれらのデータを適用するときに、粗い目盛りの間を利用するときは、目盛りの前後のデータから補間して用いても良い。なお、負荷電流対リップル電圧特性データ、及び周囲温度対リップル電圧特性データを外部の測定器で測定した場合は、その測定値に基づいて、操作部１１及び表示部１０で表示させながら入力し記憶部９へ記憶させる。下記に説明するように負荷電流検出部５、温度センサ７、及びリップル電圧検出部６を備えているので、それらから取得したデータをテーブル化して記憶部９へ記憶させる表作成プログラムを備えれば、負荷を変化させる環境及び温度を変化させる環境さえ準備すれば、必要なデータを取得できる。

図１で、負荷電流検出部５は、稼働中のＤＣ電源から負荷へ流れる電流を測定する（ステップＳ２）。図１では、内部のトランスで負荷電流に応じた電圧をピックアップしている。ピックアップされた電圧は、負荷電流に換算されＡＤ変換器（不図示）によりデジタルのデータＩｏｓに変換されて寿命算出部８へ送られる。負荷電流検出部５は、図１では負荷に対して帰路側に入れてあるが、整流ダイオードＤ１の前後のいずれかに入れても良い。また、ピックアップするトランスでなくても電流検出用の市販のＩＣを用いても良い。

リップル電圧検出部６は、電解コンデンサＣ２に係るリップル電圧を測定する（ステップＳ２）。リップル電圧は、スイッチングの高周波パルス電流の繰り返し周期（例：２００ｋＨｚ）と同じ高周波の周期である。リップル電圧検出部６は、ＤＣ成分を除去し、その高周波パルスと同じ周期のリップル電圧を通過させるバンドパスフィルター（例：２０Ｈｚ〜２００ｋＨｚをパス）と、そのバンドパスフィルターを通過したリップル電圧をデジタルデータＶｏｓに変換して寿命算出部８へ送るＡＤ変換器とを備えている。リップル電圧検出部６は、検波器で検波した上でＤＡ変換器に入力してもよいし、ＡＤ変換器がリップル電圧の周期に応答するものであれば、そのまま入力して、寿命算出部８で演算して実効値や平均値を求める構成にしても良い。

温度センサ７は、電解コンデンサＣ２の周辺の温度を検出してデジタルのデータＴｓに変換して寿命算出部８へ送る（ステップＳ２）。なお、ＡＤ変換器は、負荷電流検出部５，リップル電圧検出部６及び温度センサ７の各要素別に所有しないで、寿命算出部８の入力部に一つ備えられていて、負荷電流検出部５，リップル電圧検出部６及び温度センサ７からの入力を切り換えてデジタルデータに変換しても良い。

寿命算出部８は、測定された現時点のリップル電圧Ｖｏｓと稼働時の現時点の負荷電流Ｉｏｓを受けて、記憶部９に記憶されている図５の負荷電流対リップル電圧特性データから、負荷電流Ｉｏｓに対する出荷時の初期に相当するリップル電圧Ｖｏを求める（ステップＳ３）。そして、測定した現時点のリップル電圧Ｖｏｓと初期相当のリップル電圧Ｖｏとの比［Ｖｏｓ／Ｖｏ］を求める。この寿命算出部８は、この比の逆数［Ｖｏ／Ｖｏｓ］を電解コンデンサＣ２の低下率＝［現在稼働中における静電容量／使用初期の静電容量］を推定する値として出力する（ステップＳ４）。なお、寿命算出部８は、先に低下率＝［Ｖｏ／Ｖｏｓ］を求めても良い。

寿命算出部８は、測定された周囲温度Ｔｓと電解コンデンサＣ２の静電容量を規定する規定温度Ｔ１を基に、図６のような周囲温度対リップル電圧の変化特性を参照し、それぞれに対応するリップル電圧Ｖｓ及びＶ１を求め、これらの比であるｐ＝［Ｖ１／Ｖｓ］を算出し（ステップＳ４）、さらに周囲温度を考慮した低下率＝［Ｖｏ／（Ｖｏｓ×ｐ）］を算出する（ステップＳ５、６）。これは、いわば、静電容量が定格の温度Ｔ１で規定されているので、周囲温度Ｔｓにおけるリップル電圧Ｖｏｓを定格の温度Ｔ１に換算して表した値である。

寿命算出部８は、算出した結果として、低下率＝［Ｖｏ／Ｖｏｓ］又は周囲温度を考慮した低下率＝［Ｖｏ／（Ｖｏｓ×ｐ）］を表示部１０に送り、測定した日時とともに表示させる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、特に上記着眼点の（ア）及び（イ）を基に、負荷電流及びリップル電流の変化から静電容量の寿命及び余寿命を測定するための実施形態である。なお、第２の実施形態は、図２の電解コンデンサＣ２の寿命及び余寿命を測定する場合の例であるが、電解コンデンサＣ２は、リップル電流の影響が大きいので、上記式（２）が適用される例である。図２の電解コンデンサＣ１は、リップル電流が少ないので上記式（１）が適用されることが好ましい。ここでは、上記式（１）は、式（２）より条件が少なく、式（２）で求めた条件がそのまま式（１）へ適用できるので、以下、式（２）を適用できる実施形態２で説明する。

第２の実施形態は、先ず、次の式に基づいて、寿命（第１の寿命時間）及び余寿命（第１の余寿命時間）を推定する技術を説明し、
周囲温度依存係数：２^{（Ｔｏ−Ｔｓ）／１０}
Ｔｏ：コンデンサの寿命時間を規定する定格温度であり、この例では上限使用温度（℃）
Ｔｓ：実使用時の周囲温度（℃）
その次に自己発熱依存係数：２^{（ΔＴｏ―ΔＴｓ）／５}に基づいて補正された寿命（第２の寿命時間）及び余寿命（第２の余寿命時間）を推定する構成を説明する。

図３は、第２の実施形態の機能構成を示す図であり、図１と同一符号のものは同一機能を示す。図３は、図１とは、寿命算出部８ａ及び記憶部９ａの点で異なる。以下の説明は、寿命算出部８ａ及び記憶部９ａを中心に電解コンデンサＣ２の寿命及び余寿命の推定方法について説明する。また、図４は、第２の実施形態の動作フローを示す図であり、下記説明中、該当する動作の説明が在れば、その箇所に図４のステップ番号を示す。

図３の記憶部９ａは、出荷する前の準備として、予め、図７に示すような温度対寿命消費率特性のデータ（第３のデータ）を記憶しておく（ステップＳ１０）。図７は、詳しくは［電解コンデンサＣ２の使用上限温度Ｔｏ―周囲温度Ｔｓ］と[寿命消費率λ]との関係を示すデータであり、これは一般的には電解コンデンサのメーカ等から出されている値で、これを必要な精度で必要な範囲を記憶しておく。このデータは、上記の周囲温度依存係数：２^{（Ｔｏ−Ｔｓ）／１０}に相当する。つまり、実使用温度Ｔｓ（以下、使用時の周囲温度を「使用温度」と言うことがある。）での寿命消費率λ＝１／２^{（Ｔｏ−Ｔｓ）／１０}である。図７は、［電解コンデンサＣ２の使用上限温度―周囲温度］を１℃単位で表し、０から５１℃の範囲で表したものである。なお使用温度は、周囲温度と同じであり、使用上限温度は、電解コンデンサＣ２の規格から定められている値で、これもメーカからだされているので記憶しておく。さらに、寿命消費率の意義を説明しておく。寿命消費率λは、実使用温度Ｔｓで使用した時間Δｔを寿命時間を規定している温度（ここでは上限使用温度）での使用時間に換算するためのものである。したがって実使用時間は、Δｔ×λで表される。

また、記憶部９ａは、出荷前に予め、負荷電流対リップル電流特性を測定してデータ（第４のデータ：図８を参照）として記憶しておく（ステップＳ１０）。ＤＣ電源に接続される負荷を可変すれば負荷電流が変化し、リップル電圧が変化するので、それを特性として測定し、記憶しておく（ステップＳ１０）。負荷電流対リップル電流特性がリップルの周波数に依存する場合は、実使用周波数における負荷電流対リップル電流特性を測定して記憶しておく。これらの特性は、回路構成が全く同じであれば１台１台とる必要はなく、信頼性が確保されていれば、１台で取得したデータを他の同じ回路構成の台へ適用できる。負荷電流対リップル電流特性を細かい目盛りで測定してそのデータを測定して記憶しておいても良いし、粗い目盛り、例えば、変曲点を主として測定してそのデータを記憶し、寿命算出部８ａがこれらのデータを適用するときに、粗い目盛りの間を利用するときは、目盛りの前後のデータから補間して用いても良い。なお、負荷電流対リップル電流特性を外部の測定器で測定した場合は、その測定値に基づいて、操作部１１及び表示部１０で表示させながら入力し記憶部９ａへ記憶させる。

また、記憶部９ａは、第１の実施形態同様に容量低下率を測定するのであれば、図１と同様に、予め、負荷電流対リップル電圧特性（第１のデータ）、周囲温度対リップル電圧特性（第２のデータ）及び電解コンデンサＣ２の定格の静電容量を規定する温度Ｔ１を記憶する。容量低下率を測定しない場合は、必要としない。

寿命測定部８ａは、記憶部９ａに第１の実施形態と同様の情報が含まれていれば、容量変化率を測定することができるが、その測定方法は、第１実施形態と同じなので、説明しない。以下、寿命及び余寿命の推定についての構成・動作を説明する。

寿命測定部８ａは、時間計測手段を有し、出荷後の使用時間を計測（カウント）する。また、予め、所定の使用時間間隔Δｔを決めておく。そして、例えば、最初のδｔ_１＝Δｔ経過後にその時点の温度センサ７からの周囲温度Ｔｓと予め既知の使用上限温度とＴｏとから、つまり（Ｔｏ―Ｔｓ）から、記憶部９ａの温度対寿命消費率特性データにアクセスしてその時点（δｔ_１＝Δｔ）の寿命消費率λ（δｔ_１）を求め、実質の寿命消費時間ｔ_１＝Δｔ×λ（δｔ_１）を算出する。また、次の時間δｔ_２＝２Δｔにおいて、同様に、Δｔから２Δｔ間の寿命消費率Δｔ×λ（δｔ_２）を求めて、さらにこれまでの累積の寿命消費時間ｔ_δｔ２＝［Δｔ×λ（δｔ_１）＋Δｔ×λ（δｔ_２）］を求める。これを時間δｔ_ｋ経過後における、実質の寿命消費時間の累積値ｔ_δｔｋを一般式で示すと次のように表すことができる（ステップＳ１１）。
寿命消費時間の累積値 ｔ_δｔｋ＝Δｔ・λ（δｔ_１）＋Δｔ・λ（δｔ_２）＋・・・＋Δｔ・λ（δｔ_ｋ）

また、寿命測定部８ａは、使用開始後、時間δｔ_ｋ経過後の寿命予測値Ｌｘを寿命消費時間の累積値を基に次の式から算出する（ステップＳ１２）。なお定格の寿命時間Ｌｏはメーカから発表されている既知の寿命時間であり、これも予め、記憶部９ａに記憶しておく。
寿命予測値Ｌｘ＝（定格の寿命時間Ｌｏ）×（ｋ×Δｔ）／ｔ_δｔｋ
ｋ×Δｔ：これまでの使用していた全使用時間を表す。
なお、定格の寿命時間Ｌｏは、定格温度Ｔｏ（この例では、上限使用温度）での寿命時間であり、この例では、使用上限温度での寿命時間。
さらに、この寿命予測値は、定格の寿命時間Ｌｏをこれまで使用してきた平均の実使用温度における寿命時間に換算するものである。
つまり、Ｌｘ＝Ｌｏ×（ｋ×Δｔ）／ｔ_δｔｋより、
Ｌｘ＝Ｌｏ／｛λ（δｔ_１）＋λ（δｔ_２）＋・・・＋λ（δｔ_ｋ）｝／ｋ
＝Ｌｏ／（使用してきた平均的な温度における平均の寿命消費率）
したがって、使用してきた時間の重みを付加した平均の実使用温度を求めて、図７から実質的な寿命時間を算出しても、同等の結果が得られる。これを式で表すと次のようになる。
平均的な実使用温度＝定格温度Ｔｏ―１０×ｌｏｇ_２（全使用時間／累積値）
Ｌｘ＝Ｌｏ／［図７で温度（定格温度Ｔｏ―平均的な実使用温度）における寿命消費率］
したがって、請求項においては、寿命予測値Ｌｘ＝（定格の寿命時間Ｌｏ）×（全使用時間／累積値）で表されているが、この式は、上記等価な範囲の全てを含むものとする。

また、寿命測定部８ａは、余寿命時間Ｌｅを次の式から求める（ステップＳ１２）。
余寿命時間Ｌｅ＝（寿命予測値Ｌｘ）―（使用全時間ｋ×Δｔ）
＝｛（定格の寿命時間Ｌｏ）×（ｋ×Δｔ）／ｔ_δｔｋ―ｋ×Δｔ

次に、自己発熱依存係数：２^{（ΔＴｏ―ΔＴｓ）／５}を求めるが、一般には、リップル電流による自己発熱ΔＴｓは、電解コンデンサの素子中心の温度と電解コンデンサの周辺近傍の温度との温度差を自己発熱による温度としている。しかし、稼働中の電解コンデンサの内部温度の測定は難しい。そこで本発明では、熱伝導が線形であることから、自己発熱温度ΔＴｓを、既知の定格リップル電流時（ＩＬｏ）の発熱から実際のリップル電流ＩＬｏｓから推定することとした。
なお、実際のリップル電流ＩＬｏｓは、実際の負荷電流Ｉｏｓから推定することとした。
ΔＴｓの計算方法は、次の通りである。
ΔＴｓ＝（ＩＬｏｓ／ＩＬｏ）^２×ΔＴｏ
ＩＬｏ：定格リップル電流
ＩＬｏｓ：負荷電流に対するリップル電流
ΔＴｏ：定格リップル電流重畳時の発熱温度（既知であり、この例では５℃）

そこで、寿命算出部８ａは、先ず、実際の負荷電流から実際のリップル電流を推定する。つまり、負荷電流検出部５によって検出された負荷電流Ｉｏｓに対するリップル電流ＩＬｏｓを記憶部９ａに記憶された図８に示す負荷電流対リップル電流特性をから求める。その特性がリップルの周波数に依存する場合は、実リップル周波数で測定された負荷電流対リップル電流特性を用いる。また、既知の使用上限温度における定格リプル電流リップルＩＬｏ（既知であり予め記憶しておく）と先に求めたリップル電流ＩＬｏｓとから、上記式により自己発熱温度ΔＴｓを算出する（ステップＳ１３）。
ΔＴｓ＝（ＩＬｏｓ／ＩＬｏ）^２×ΔＴｏ
そして、寿命算出部８ａは、自己発熱依存係数：２^{（ΔＴｏ―ΔＴｓ）／５}を算出する。

次に、寿命算出部８ａは、リップル電流による自己発熱依存を考慮した寿命予測値Ｌｘｔ及び余寿命時間Ｌｅｔを次のようにして算出する（ステップＳ１４）。
寿命予測値Ｌｘｔ＝寿命予測値Ｌｘ×２^{（ΔＴｏ―ΔＴｓ）／５}
余寿命時間Ｌｅｔ＝寿命予測値Ｌｘｔ−全使用時間
そして、寿命算出部８ａは、上記の寿命予測値Ｌｘ、余寿命予測値Ｌｅ、寿命予測値Ｌｘｔ、又は余寿命予測値Ｌｅｔのいずれかもしくはそれらの組み合わせを、測定した日時とともに表示部１０に表示させる。

なお、自己発熱依存性を考慮した寿命予測値Ｌｘｔ及び余寿命時間Ｌｅｔが、より良い推定値であるが、概略を見るためには、寿命予測値Ｌｘ及び余寿命時間Ｌｅも参考になる。

簡単に寿命予測値Ｌｘの数値例を示す。例えば上限温度１０５℃で寿命時間５０００Ｈ（Ｈ：時間）の電解コンデンサを、１年間で、４５℃で４３８３Ｈ（６ヶ月）、２５℃で２１９２Ｈ（３ヶ月）及び６５℃で２１９２Ｈ（３ヶ月）使用し、これを１０年間使用するとすれば１０５℃に換算した実質的な使用時間は、図７からそれぞれの寿命消費率１．６％、０，４％及び６．３％を読み出し、次の計算で求める。
実質的な使用時間（累積値）＝４３８３Ｈ×１．６％＋２１９２Ｈ×０．４＋２１９２Ｈ×６．３％＝２１７０Ｈ
平均的な実使用温度＝上限使用温度―１０×ｌｏｇ_２（全使用時間／累積値）
＝１０５℃―１０×ｌｏｇ_２{（４３８３＋２１９２＋２１９２）／２１７０}
＝５１．６℃
Ｌｏ＝５０００×{（４３８３＋２１９２＋２１９２）／２１７０}
＝５０００／｛図７の温度（１０５℃―５１．６℃）における寿命消費率｝
＝約２３年

上記第１の実施形態及び第２の実施形態は、図１及び図２のようなスイッチング電源（トランスＴで入出力を分離したタイプ）で説明したが、他のタイプのスイッチング電源でも良いし、スイッチングさせないで商用電源をレギュレートしてＤＣを出力する電源であっても、上記実施形態と同様に適用可能である。ただし、上記リップルの周波数がそれぞれの電源で異なる場合であって、上記説明した各特性に周波数依存性がある場合は、その周波数における特性を用いる必要がある。

上記第１の実施形態及び第２の実施形態における寿命算出部８及び８ａは、いずれも図２の動作フロー及び／又は図４の動作フローに沿ったプログラムを記憶したプログラムメモリとそれを実行するタイマー（時間計測手段）を備えたＣＰＵで構成することができる（コンピュータでも良い）。表示部１０は、７セグメントＬＥＤで構成しても良いし、他の装置、例えば、コンピュータの液晶表示等を利用しても良い。操作部１１は、出荷後は基本的に不要であるが、上記の寿命を推定する期間（Δｔ）等の条件を変更するのに用いることもできる。

、本発明に係り、稼働中の電解コンデンサの静電容量低下率の測定する第１の実施形態の機能構成図である。 図１の動作フローを示す図である。 本発明に係り、稼働中の電解コンデンサの寿命を推定する第２の実施形態の機能構成図である。 第２の実施形態の動作フローを示す図である。 負荷電流対リップル電圧特性を示す図である。 周囲温度対リップ電圧特性を示す図である。 温度（使用上限温度―周囲温度）対寿命消費率特性のデータ例を示す図である。 負荷電流対リップル電流特性のデータ例を示す図である。 リップル電圧及びリップル電流の関係を説明するための図である。

符号の説明

１ ＡＣ入力回路
２ 整流回路
３ スイッチング回路
４ 制御部
５ 負荷電流検出部
６ リップル電圧検出部
７ 温度センサ
８、８ａ 寿命算出部
９、９ａ 記憶部
１０ 表示部
１１ 操作部
Ｃ１、Ｃ２ 電解コンデンサ
Ｄ１ 整流ダイオード
Ｌ チョークコイル
Ｒ 負荷
Ｔ トランス

Claims (8)

1. 電解コンデンサを有し、ＤＣを供給する電源部と、
   予め、前記電解コンデンサが使用されている電源部の負荷電流対リップル電圧特性を表す第１のデータを記憶する記憶手段と、
   前記使用時に前記電解コンデンサの両端のリップル電圧を検出するリップル電圧検出部と、
   前記使用時に前記電源部の負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、
   検出された負荷電流に対する初期相当のリップル電圧を前記第１のデータより求めるとともに、［前記検出したリップル電圧／前記初期相当のリップル電圧］を算出し、その値を前記電解コンデンサの初期相当の静電容量に対する使用時における静電容量の減衰を示す割合として出力する寿命算出部とを備えたことを特徴とする電源装置。
2. 前記記憶手段は、予め、周囲温度対リップル電圧の変化特性を表す第２のデータを記憶し、さらに、使用中における周囲温度を測定する温度検出部を備え、
   前記寿命算出部は、前記算出した割合に、前記周囲温度に対応した第２のデータを基に補正し、補正された前記割合を出力することを特徴とする電源装置。
3. 電解コンデンサを有し、ＤＣを供給する電源部と、
   予め、前記電解コンデンサの周囲温度対寿命消費率特性を示す第３のデータを記憶する記憶手段と、
   前記使用時における周囲温度を所定時間間隔で測定する温度検出部と、
   前記所定時間間隔で測定した周囲温度及び第３のデータより前記所定時間間隔毎に寿命消費率を求めて、所定時間間隔と寿命消費率の積を算出し、かつ現時点までの前記積の累積値を算出し、さらに次の第１の寿命予測値を算出する寿命算出部とを備えたことを特徴とする電源装置。
   第１の寿命予測値＝定格の寿命時間×全使用時間／前記累積値
   ただし、定格の寿命時間：前記電解コンデンサの定格の寿命時間
   全使用時間：前記所定時間間隔の時間累積値
4. 前記使用時に前記電源の負荷電流を検出する負荷電流検出手段を備え、
   前記記憶手段は、さらに予め負荷電流対リップル電流特性を表す第４のデータを記憶し、
   前記寿命算出部は、さらに、検出された負荷電流に対するリップル電流を前記第４データから求めるとともに、求めた負荷電流に対するリップル電流及び既知の定格リップル電流を基に、前記電解コンデンサの自己発熱依存係数を算出し、次に、
   第２の寿命予測値＝前記第１の寿命予測値×前記自己発熱依存係数
   を算出することを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
5. 前記寿命算出部は、前記現時点における前記第１及び第２の寿命予測値から、
   第１の余寿命予測時間＝第１の寿命予測値―全使用時間
   又は／及び
   第２の余寿命予測時間＝前記第２の寿命予測値−全使用時間
   を算出することを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
6. 前記寿命算出部は、前記自己発熱依存係数として下記式を算出することを特徴とする請求項４又は５に記載の電源装置。
   自己発熱依存係数＝２^{（ΔＴｏ―ΔＴｓ）／５}
   ただし、ΔＴｓ＝（ＩＬｏｓ／ＩＬｏ）^２×ΔＴｏ
   ＩＬｏ：定格リップル電流
   ＩＬｏｓ：負荷電流に対するリップル電流
   ΔＴｏ：：定格リップル電流重畳時の発熱温度
7. 電解コンデンサを使用してＤＣを供給する電源装置の寿命を診断する寿命診断装置であって、
   予め、前記電解コンデンサが使用されている電源装置の負荷電流対リップル電圧特性を表す第１のデータを記憶する記憶手段と、
   前記使用時に前記電解コンデンサの両端のリップル電圧を検出するリップル電圧検出部と、
   前記使用時に前記電源装置の負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、
   検出された負荷電流に対する初期相当のリップル電圧を前記第１のデータより求めるとともに、［前記検出したリップル電圧／前記初期相当のリップル電圧］を算出し、その値を前記電解コンデンサの初期相当の静電容量に対する使用時における静電容量の減衰を示す割合として出力する寿命算出部とを備えたことを特徴とする電源装置の寿命診断装置。
8. 電解コンデンサを使用してＤＣを供給する電源装置の寿命を診断する寿命診断装置であって、
   予め、前記電解コンデンサの周囲温度対寿命消費率特性を示す第３のデータを記憶する記憶手段と、
   前記使用時における周囲温度を所定時間間隔で測定する温度検出部と、
   前記所定時間間隔で測定した周囲温度及び第３のデータより前記所定時間間隔毎に寿命消費率を求めて、所定時間間隔と寿命消費率の積を算出し、かつ現時点までの前記積の累積値を算出し、さらに次の第１の寿命予測値を算出する寿命算出部とを備えたことを特徴とする電源装置の寿命診断装置。
   第１の寿命予測値＝定格の寿命時間×全使用時間／前記累積値
   ただし、定格の寿命時間：前記電解コンデンサの定格の寿命時間
   全使用時間：前記所定時間間隔の時間累積値
   
   
   

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