JP2007288955A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一般に電力変換装置である汎用インバータに搭載されている平滑用電解コンデンサは、寿命部品であり、当然、電力変換装置の周囲温度が高ければ高い程、平滑用電解コンデンサの寿命は短くなることが知られている。しかし、電力変換装置の周囲温度は年間で一定ではなく、また、ユーザの設置環境でも周囲温度は大幅に異なる。このため、平滑用電解コンデンサの寿命を定量的に予告することは困難とされていた。
【解決手段】電力変換装置内の順変換器の出力直流電圧を平滑する平滑用電解コンデンサを有する直流中間回路直流からの直流電圧を消費する手段を設け、前記直流電圧の放電時定数を計測することにより、平滑用電解コンデンサの静電容量を計算し、平滑用電解コンデンサの余命寿命を表示すること出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置を提供する技術に関する。

平滑用電解コンデンサは、内部で化学反応が起きており、その寿命は一般的に１０℃半減則（アレニュースの法則）と言われ、温度が１０℃上がると寿命が半分になり、温度が１０℃下がると寿命が倍になると言う特性を持っている。

一般的に電力変換装置である汎用インバータの場合、平滑用電解コンデンサは寿命部品と定義されている。

この平滑用電解コンデンサの寿命を判別する技術について、特許文献１に開示がある。

特開平１１−９８８５４号公報(図１、第２頁段落番号0005〜0007)

平滑用電解コンデンサの寿命は、一般的に初期静電容量値に対し、例えば２０％低下した時点を寿命と定義している。

しかし、経時変化により、平滑用電解コンデンサは、稼働時間と共に容量低下していくと言う問題がある。

一般に電力変換装置である汎用インバータに搭載されている平滑用電解コンデンサは寿命部品であり、電力変換装置の周囲温度が高ければ高い程、平滑用電解コンデンサの寿命は短くなることが知られている。

しかし、電力変換装置の周囲温度は年間で一定ではなく、また、ユーザの設置環境でも周囲温度は大幅に異なる。このため、平滑用電解コンデンサの寿命を定量的に予告することは困難とされている。

このため、平滑用電解コンデンサの寿命が来た場合、突然電力変換装置が異常で停止したりすると、設備を停止し、要因を特定し保守するまでの時間が掛かることもあり、言う問題となる。

本発明は、これらの問題点を課題とする。

電力変換装置内の順変換器の出力直流電圧を平滑する平滑用電解コンデンサを有する直流中間回路直流からの直流電圧を制動用スイッチング素子を用いて制動抵抗器に消費する手段を設け、前記直流電圧の放電時定数を計測することにより、平滑用電解コンデンサの静電容量を計算することや、平滑用電解コンデンサの寿命を表示することが出来る。

これらの処理においては、冷却ファンを停止した状態にて、行うようにする。この停止した状態とは、冷却ファンが停止した状態の場合は、冷却ファンを起動させないようにすることであり、冷却ファンが駆動状態であれば、停止させるようにすることを示す。このように冷却ファンが停止状態であれば、冷却ファンの駆動によるノイズの影響を回避出来たり、冷却ファンを駆動する為に必要な電力を前述の平滑用電解コンデンサの放電時定数の測定や、計算等に使用可能となる。

さらに、前記平滑用電解コンデンサの放電時定数の測定を少なくとも２回以上することによって、平滑用電解コンデンサの両端電圧にノイズ等が進入した場合、放電時定数に誤りの生ずることを低減可能となるものである。

ところで、一般的に、電力変換装置の入力電源電圧がＡＣ４００Ｖの場合、前記平滑用電解コンデンサの両端電圧は、直流電圧で約５７０Ｖにもなる。この場合、制動抵抗器の損失を３０Ｗ程度の物を選定した場合、抵抗器のディレーティングを考慮し、１０Ｗ程度の損失として試算すると、設置出来る制動抵抗器の抵抗値は、（５７０X５７０）／１０≒３３ｋΩ程度となる。

この抵抗値の場合の放電時定数は、平滑用電解コンデンサの容量を１０００μＦとすると、１０００X３３０００／１００００００＝３３秒にもなる。つまり、放電時定数を計測しようとすれば、十数秒のオーダーで計測時間が掛かることになり、現実的ではない。

一方、制動用スイッチング素子を用いた制動抵抗器の場合には、数十Ω程度（仮に１００Ωとする）であるため前記放電時定数は１０００X１００／１００００００≒０．１秒程度で測定可能となるため、実使用面からも有効な方法である。

ここで、一般的にセメント抵抗器等は、印加時間が単発で０．１秒程度と短ければ、定格電力の１００倍程度の電力を印加しても問題ない。

上述のように電力変換装置内の順変換器の出力直流電圧を平滑する平滑用電解コンデンサを有する直流中間回路直流からの直流電圧を消費する手段を設け、前記直流電圧の放電時定数を計測することにより、平滑用電解コンデンサの静電容量を計算し、平滑用電解コンデンサの寿命を表示すること出来るため、保守の時間を従来よりも短縮出来、設備の不稼動時間を従来よりも短縮出来ることも予想される。

本発明によれば、従来よりも信頼性を向上させた電力変換装置を提供可能となる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明に基づく実施例の電力変換装置の主回路構成図を示す。

１は交流電力を直流電力に変換する順変換器、２は平滑用電解コンデンサ、３は直流電力を任意の周波数の交流電力に変換する逆変換器、４は交流電動機である。５は逆変換器のスイッチング素子を制御すると共に、電力変換装置全体の制御を司る働きをするもので、マイコンが搭載された制御回路であり、デジタル操作パネル８から入力される各種の制御データに応じて必要な制御処理が行なえる様に構成されている。

６は制動用スイッチング素子であり、７は制動抵抗器である。

前記交流電動機４が減速する場合、その運動エネルギーが前記平滑用電解コンデンサ２の静電エネルギーとして蓄積されるため、平滑用電解コンデンサ２の両端充電電圧が増加する。

その両端充電電圧を検出し、予め決定された任意の電圧以上になった際、前記制動用スイッチング素子６をオンし、前記交流電動機４の運動エネルギーを前記制動抵抗器７で熱エネルギー（オーミックロス）として消費する物である。

９は前記順変換器及び逆変換器内のパワーモジュールを冷却するための冷却ファンである。

電力変換装置であるインバータは公知の技術であるため、詳細な説明は割愛する。

図２は、平滑用電解コンデンサの一般的な放電回路図である。

前記平滑用電解コンデンサ２に接続された前記制動用スイッチング素子６と前記制動抵抗器７により、前記平滑用電解コンデンサの両端充電電圧Ｖdcを消費するものであり、一般的に良く知られた回路である。

図３は、平滑用電解コンデンサ両端充電電圧の過渡現象図であり、放電時間の経過を示している。前記図２の回路において、制動用スイッチング素子６がオンしてから、平滑用電解コンデンサの初期両端充電電圧の６３．２％低下した時点を時定数と呼び、前記平滑用電解コンデンサの静電容量値Ｃと前記制動抵抗器７の抵抗値Ｒの積ＣＲで表されることは、公知である。

すなわち、平滑用電解コンデンサの静電容量値Ｃが不変であれば、この容量値Ｃと前記制動抵抗器の抵抗値Ｒとの積である時定数ＣＲは、前記平滑用電解コンデンサ２の両端充電電圧の状態に関わらず一定である。

すなわち、平滑用電解コンデンサの放電回路において、平滑用電解コンデンサ両端充電電圧の過渡現象の時間的経過は、下式で表されることも周知である。

Ｖdc(t)＝Ｖdc0 * exp(-t/CR)‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（１）

（１）式から、時定数ＣＲを求めると（２）式となる。

ＣＲ＝−t/ln{Ｖdc(t)/Ｖdc0}‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（２）

（２）式から、平滑用電解コンデンサの静電容量値Ｃが不変であれば、時定数ＣＲは一定値であり、（２）式の右辺も時間的変化に無関係に一定値になることを意味する。

すなわち、平滑用電解コンデンサの静電容量値Ｃが変化すれば、（２）式の右辺を計算することによりその変化量を求めることが出来る。

初期の時定数ＣＲを１００％とし、稼働時間と共にこの（２）式の右辺を計算監視すれば、その計算結果がすなわち平滑用電解コンデンサの静電容量値Ｃの変化率であることは、自明である。

（２）式の右辺を計算し、その値が初期の時定数ＣＲに対し、９０％であれば、平滑用電解コンデンサの静電容量値Ｃが９０％に低下したことを意味する。すなわち、平滑用電解コンデンサの静電容量値Ｃが稼働時間と共に１０％寿命低下したことを意味する訳である。

一般的に平滑用電解コンデンサの静電容量は、記載容量に対しバラツキが±２０％仕様であるため、仮に１０００μＦの容量であったとしても、その静電容量値は８００μＦから１２００μＦにバラックことになる。つまり平滑用電解コンデンサの現品に記載されている静電容量値を見ても、実際の静電容量値は不明である。このため、電力変換装置に搭載した時点で、初期の静電容量値を測定及び記憶しておく必要がある。

図４は、平滑用電解コンデンサ２の初期の静電容量Ｃiを計算するフローチャート図であり、上記記載の理論に基づいて行う実施例である。

電力変換装置の製品出荷時に実施するフローチャートである。

電力変換装置に組み込んだ後の電力変換装置製品出荷時に平滑用電解コンデンサの初期静電容量を測定する必要があることは、前記に記載した通り、平滑用電解コンデンサの現品に記載されている静電容量値を見ても、実際の静電容量値が不明であるため、実際の初期値を測定記憶しなければならないためである。

前記平滑用電解コンデンサ２に並列接続された前記制動用スイッチング素子６と前記制動抵抗器７により、前記平滑用電解コンデンサの両端充電電圧Ｖdcを消費するものであることは既に説明したが、この回路を平滑用電解コンデンサの静電容量値測定時にも利用しようとするのが本実施例の意図である。

前記電力変換装置の入力電源をオンし、電力変換装置製品出荷時の第一のテストモードを前記デジタル操作パネル８で選択する。前記第一のテストモードは、例えば、製品出荷時に異常検出等の保護レベルが正常に動作するかを確認するための製品出荷テストモードであり、予めこのテストプログラムがソフト処理として格納されており、マイコンにより自動実行される構成となっている。

その後、電力変換装置の入力電源をオフする。電力変換装置の入力電源をオフする理由は、前記図１において入力電源をオン状態のままで、前記平滑用電解コンデンサ２の両端電圧を放電させるために前記制動用スイッチング素子６をオンすれば、平滑用電解コンデンサ２の両端電圧は、入力電源からの電圧が常に供給状態にあるため、前記図３のVdc(t)の様な放電過渡状態にはならないからである。

このため、電力変換装置の入力電源をオンした後、再び入力電源をオフしなければならない。

電力変換装置の入力電源オフ後に前記電力変換装置の出力を遮断する。出力を遮断しなければ、前記交流電動機４の巻線抵抗と前記制動抵抗器７の抵抗値が並列接続されるためである。特に、前記交流電動機４の巻線抵抗は既知ではないため、放電時定数を演算出来ないと言う問題が発生するためである。このため、電力変換装置の出力を確実に遮断する訳である。

電力変換装置の入力電源オフ後、予め設定された電圧（例えば電源不足電圧検出あるいは電源瞬時停電検出）時点で平滑用電解コンデンサの両端電圧Ｖdciを測定し、タイマを起動及び制動用スイッチング素子６をオンして制動抵抗器７に熱として消費させる。

ここで、前記予め設定された電圧は、電力変換装置の電源仕様外である電源不足電圧検出時点で実行する例であるが、この電圧に限定する必要はなく、予め設定した電源電圧のレベルで実行しても問題はない。

予め設定された電圧が必要なのは、電力変換装置の入力電源がオフされたことを検出する必要があるためであり、電源不足電圧検出あるいは電源瞬時停電検出を利用する方が新たな入力電源オフ検出回路を設ける必要がないためである。

また、この際に前記冷却ファン９の起動を停止させる目的は、冷却ファン９の電源も電力変換装置内に搭載された図示されていないスイッチングレギュレーターから供給されるためである。冷却ファン９の電源容量は、電力変換装置内では大きな負荷であるため、このフローが実行されるモードでは負荷となる電源、電力を少なくし、前記平滑用電解コンデンサの測定静電容量値やその他のデータ諸変を前記不揮発性メモリ１０に保存したりする処理時間を確保する可能となる。

これらの処理においては、前記冷却ファン９の起動を停止させるだけではなく、冷却ファン９を停止した状態にて、行うようにする。この停止した状態について、詳述すると、冷却ファン９が停止した状態の場合は、冷却ファン９を起動させないようにすることであり、冷却ファン９が駆動状態であれば、停止させるようにすることを示す。

このように冷却ファン９が停止状態であれば、冷却ファン９の電源容量は、電力変換装置内では大きな負荷であるので、繰り返しの説明となるが、冷却ファン９を駆動する為に必要な電力を前述の平滑用電解コンデンサの放電時定数の測定や、計算等に使用可能となる。また、冷却ファン９の駆動によるノイズの影響が有る場合には、この影響を回避することが可能となることもある。

次に、平滑用電解コンデンサの両端電圧が予め決定された電圧Ｖdcid(tid)になるまでの時間tidをタイマで計測する。そしてこれらの諸変を用いて前記（２）式により、初期の時定数ＣiＲを求める。この値を不揮発性のメモリに保存すれば、静電容量の初期値として永久に保存可能である。この値を初期値として比較すれば、平滑用電解コンデンサの容量変化を計算出来ることは自明である。ここで、回生制動抵抗器７は、電力変換装置に標準搭載された物であるため、その抵抗値Ｒは既知である。このため、初期時定数ＣiＲとして保存しても、時定数ＣiＲを制動抵抗器７の抵抗値Ｒで割算した初期静電容量値Ｃiとして保存しても発明の意図することに全く問題はない。

図５は、電力変換装置の製品出荷設置後にユーザで実施するフローチャートである。

やはり、電力変換装置の入力電源オフ後に前記電力変換装置の出力を遮断する。

出力を遮断しなければ、前記交流電動機４の巻線抵抗と前記制動抵抗器７の抵抗値が並列接続されるためであり、前記交流電動機４の使用電動機容量もユーザーの設備により異なるため、巻線抵抗は既知ではなく、放電時定数を演算出来ないと言う問題が発生するためである。

平滑用電解コンデンサの静電容量Ｃは、平滑用電解コンデンサの内部温度により大きく異なる。このため、電力変換装置稼動停止の直後に行うと平滑用電解コンデンサの内部温度が高いため、この時点で静電容量を測定しても誤差が大きくなり、真値として使用することは出来ない。

一般的に電力変換装置稼動停止の数時間後、すなわち平滑用電解コンデンサの内部温度が周囲温度と同程度になった時に静電容量Ｃを測定するのが賢明である。この点を考慮すると、一般的には、電力変換装置の入力電源を遮断し、翌日の始業開始時に測定するのが更に懸命と考えられる。

以上に鑑み、本実施例では、ユーザに平滑用電解コンデンサの静電容量測定モードを実行するかどうかを前記デジタル操作パネル８で選択を行ってもらう。

電力変換装置の入力電源をオンし、平滑用電解コンデンサの静電容量測定モード選択を実施した後、ユーザが入力電源をオフする。その後の処理は、前記図４で説明した同様の内容で時定数ＣdＲを測定する。この実測時定数ＣdＲと初期時定数ＣiＲを比較（ＣdＲ／ＣiＲ）し、平滑用電解コンデンサの静電容量Ｃの変化率を計算する。この値を前記デジタル操作パネル８に表示し、平滑用電解コンデンサの余命寿命判断に使用する。

図６は、平滑用電解コンデンサ２の初期の静電容量Ｃiを計算するフローチャートの他の実施例である。

前記図４では、予め決定した平滑用電解コンデンサの両端電圧Ｖdciになる時間tidをタイマで計測するのに対し、図６では、予め決定した時間tidの間タイマを起動し、時間経過後に平滑用電解コンデンサの両端電圧Ｖdci測定する点が異なる。

これらの諸変を用いて前記（２）式により、初期の時定数ＣiＲを求める点については同様である。

図７は、電力変換装置の製品出荷設置後にユーザで実施するフローチャートの他の実施例である。

前記図５では、予め決定した平滑用電解コンデンサの両端電圧Ｖdcidになる時間tdをタイマで計測するのに対し、図７では、予め決定した時間tdの間タイマを起動し、時間経過後に平滑用電解コンデンサの両端電圧Ｖdcidを測定する点が異なる。

これらの諸変を用いて前記（２）式により、初期の時定数ＣiＲを求める点については同様である。

図８は、電力変換装置の製品出荷設置後にユーザで実施するフローチャートの更に他の実施例である。

前記図７の実施例に対し、平滑用電解コンデンサの静電容量変化値が初期静電容量値に対し−１５％低下した時点で、電力変換装置は停止することなく平滑用電解コンデンサの余命寿命が短いことを警告する。
前記課題で記載した如く、平滑用電解コンデンサの寿命は、一般的に初期静電容量値に対し、２０％低下した時点を寿命と定義しているため、２０％より低い１５％程度で警告する様にした例である。

しかし、静電容量を計算するための測定諸変がノイズ等の進入により、誤検出する可能性がある。

また、こうしたノイズ進入による誤検出は、一過性の場合が多い。このため、この種の誤検出を防止するため、静電容量Ｃの測定回数に制限判定を設けたものである。本実施例では、この測定回数Ｎdを３回とした場合の例である。３回測定しても、３回の測定値がある誤差範囲内
でなければ、測定不能として前記デジタル操作パネル８に測定不能あるいは測定不可と表示出来る様にしている。この様にすれば、操作者が再度静電容量を再測定するかどうかを判断出来る利点があるためである。

図９は、電力変換装置が設備で稼動後、前記平滑用電解コンデンサの静電容量測定モードにより余命寿命が短いため、平滑用電解コンデンサを純正部品と交換した場合の平滑用電解コンデンサ２の初期静電容量Ｃirを計算するフローチャート図の他の実施例である。

この場合には、平滑用電解コンデンサを交換したため、前記不揮発性メモリ１０に初期値として記憶されている電力変換装置製品出荷時の初期値Ｃiとは異なる値であり、この値Ｃiを用いて交換した平滑用電解コンデンサの静電容量低下率を演算することは出来ない。

このため、平滑用電解コンデンサを交換した際には、やはり交換した平滑用電解コンデンサの静電容量の初期値Ｃirを測定し、この値を新初期値として前記不揮発性メモリ１０に格納記憶する必要がある。

寿命が来た平滑用電解コンデンサを純正部品と交換する作業は、電力変換装置製造メーカのサービスマンに委託され行うのが一般的である。

この場合には、製造メーカのサービスマンが、交換した平滑用電解コンデンサの静電容量の初期値
Ｃirを測定する第二のテストモードを選択する。

前記電力変換装置の入力電源をオンし、電力変換装置製品出荷後の第二のテストモードを前記デジタル操作パネル８で選択する。この第二のテストモードは、交換した平滑用電解コンデンサの静電容量の初期値のみを測定するテストプログラムがソフト処理として格納されており、マイコンにより自動実行される構成となっている。

この第二のテストモードを実行することにより、交換した平滑用電解コンデンサの静電容量の初期値がＣirとして、前記不揮発性メモリ１０に格納される。この作業により、平滑用電解コンデンサ交換後においても、本実施例の有効性は継続可能である。

本発明の実施例のフローチャートによれば、電力変換装置内の順変換器の出力直流電圧を平滑する平滑用電解コンデンサを有する直流中間回路からの直流電圧を消費する手段を設け、前記直流電圧の放電時定数を計測することにより、平滑用電解コンデンサの静電容量を計算し、平滑用電解コンデンサの余命寿命を表示することが出来るため、平滑用電解コンデンサの寿命が来た場合、ある日突然電力変換装置が異常で停止したりすることがないため、設備を停止したり生産性に大きな障害をもたらすことがないと言う大きな効果が期待出来る。

上述の本発明の実施例では、交流電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給出来る様にした電力変換装置内の順変換器の出力直流電圧を平滑する平滑用電解コンデンサを有する直流中間回路直流からの直流電圧を消費する手段を設け、前記直流電圧の放電時定数を計測することにより、平滑用電解コンデンサの静電容量を計算し、平滑用電解コンデンサの余命寿命を表示すること出来るため、保守の時間を従来よりも短縮出来たり、設備の不稼動時間を従来よりも短縮出来る電力変換装置を提供可能である。

電力変換装置の主回路構成図 平滑用電解コンデンサの放電回路図 平滑用電解コンデンサ両端充電電圧の過渡現象図 平滑用電解コンデンサ初期静電容量計算フローチャート図の一実施例 平滑用電解コンデンサ静電容量計算フローチャート図の一実施例 平滑用電解コンデンサ初期静電容量計算フローチャート図の他の実施例 平滑用電解コンデンサ静電容量計算フローチャート図の他の実施例 平滑用電解コンデンサ静電容量計算フローチャート図の更に他の実施例 平滑用電解コンデンサ初期静電容量計算フローチャート図の更に他の実施例

符号の説明

１：順変換器、２：平滑用電解コンデンサ、３：逆変換器、４：交流電動機、５：制御回路、６：制動用スイッチング素子、７：制動抵抗器、８：デジタル操作パネル、９：冷却ファン、１０：電気的書換え可能な不揮発性メモリ（例えば、EEPROM：Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）、ｔ：時間、Ｃ：平滑用電解コンデンサの静電容量値、Ｒ：制動抵抗器の抵抗値、Ｖdc：平滑用電解コンデンサの両端電圧、Ｖdc0：平滑用電解コンデンサの初期両端充電電圧、Ｖdc(t)：平滑用電解コンデンサの両端電圧の時間関数、Ｎd：平滑用電解コンデンサの静電容量Ｃ測定回数

Claims (8)

1. 交流電源を直流電源に変換する順変換器と
   前記順変換器の出力直流電圧を平滑する平滑用電解コンデンサを有する直流中間回路と
   前記直流中間回路の直流電源を任意の交流周波数及び任意の交流電圧に変換する逆変換器と
   前記順変換器、または、前記直流中間回路、または、前記逆変換器にて発生する熱を冷却する冷却ファンと
   を有する電力変換装置において、
   前記冷却ファンが停止した状態にて、前記平滑用電解コンデンサの両端電圧を放電させ、その放電時定数を測定計算することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記請求項１に記載の発明において、
   前記平滑用電解コンデンサに並列接続された制動用スイッチング素子と制動抵抗器に、前記平滑用電解コンデンサの充電電圧を放電させ、その放電時定数を測定計算することを特徴とする電力変換装置。
3. 前記請求項１に記載の発明において、
   前記平滑用電解コンデンサの寿命を計算し、この計算値を電気的に書き込み可能な不揮発性メモリに格納することを特徴とする電力変換装置。
4. 前記請求項１に記載の発明において、
   前記平滑用電解コンデンサの寿命計算を、前記電力変換装置の入力電源の不足電圧検出あるいは瞬時停電検出後に実施することを特徴とする電力変換装置。
5. 前記請求項１に記載の発明において、
   前記電力変換装置の出荷時に前記平滑用電解コンデンサの両端電圧を放電させ、その初期放電時定数を測定計算する製品出荷時の第一のテストモードを有することを特徴とする電力変換装置。
6. 前記請求項１に記載の発明において、
   前記平滑用電解コンデンサを交換した際、前記平滑用電解コンデンサの両端電圧を放電させ、その初期放電時定数を再測定計算する第二のテストモードを有することを特徴とする電力変換装置。
7. 前記請求項１に記載の発明において、
   前記平滑用電解コンデンサの両端電圧を放電させて、測定した放電時定数から前記平滑用電解コンデンサの寿命を計算し、その計算値を表示出来る様にしたことを特徴とする電力変換装置。
8. 前記請求項１に記載の発明において、
   前記平滑用電解コンデンサの両端電圧を放電させ、その初期放電時定数を測定する回数を２回以上行うことを特徴とする電力変換装置。

Images