JP2008017613A - 電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成により電力用コンデンサの寿命を診断し寿命劣化要因を判定する。
【解決手段】電力用コンデンサ充電回路１は電力用コンデンサ１０を充電し、電力用コンデンサ充電制御回路１１は電力用コンデンサ充電回路１による充電を制御する制御パルス１０９を発生し、電力用コンデンサ寿命診断回路２１は、予め設定された電力用コンデンサ１０の充電時間及び充電電圧の特性並びに各特性に応じた寿命診断結果１１１を記憶し、電力用コンデンサ１０の充電開始からの充電時間及び充電電圧を測定し、測定した充電時間及び充電電圧と記憶されている充電時間及び充電電圧の特性を照合して寿命診断結果１１１を抽出すると共に、電力用コンデンサ充電制御回路１１により発生した制御パルス１０９をカウントして寿命劣化要因を判定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、機器に組み込まれる直流電源等に備えられる電力用コンデンサを目標電圧まで繰り返し充電する装置において、電力用コンデンサの寿命の到来を診断する電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置に関するものである。

従来、スイッチング電源装置やインバータ装置で、大容量を必要とする主回路の電力用コンデンサには、一般的に電解コンデンサが使用されている。電解コンデンサでは、内部で電気化学反応が行われるため、使用時間が長くなるに伴い容量が減少して損失が増大する特性がある。この電解コンデンサには寿命が規定され、この寿命は使用温度環境に影響され、高温環境で使用されるとさらに寿命は短くなる。

寿命が到来した電解コンデンサは、容量抜けや損失増大や漏れ電流増大等の現象が生じるが、これらの劣化は外観から判断することは困難である。このために電解コンデンサの容量抜け等を診断するする装置は、従来から様々なものが提案されている。

特許文献１では、電力用コンデンサに充電された電圧が所定の電圧に到達するまでの充電時間を測定し、この充電時間と正常な電力用コンデンサが所定の電圧に到達するまでの基準時間との比較に基づき、電力用コンデンサの劣化を判定する診断装置が記述されている。

また、特許文献２では、電力用コンデンサの運転当初の放電特性曲線と使用後の放電特性曲線とを比較し、運転当初電圧降下時間と使用後電圧降下時間との時間差が予め定められた許容値を超過した場合に、電力用コンデンサが寿命であると判断している。

さらに、特許文献３では、インバータ回路の電源遮断後、電解コンデンサの電圧が予め定めた第１の電圧まで低下した後に、予め設定された基準時間が経過した時点で、寿命検出電圧レベル以下である場合に寿命検出信号を出力する寿命検出手段を備えている。

さらに、特許文献４では、電力用コンデンサの電源電圧印加停止後における端子電圧をサンプリングし、各サンプリング電圧とサンプリング間隔とから時定数を求め、この時定数と既知の抵抗値とから電力用コンデンサの容量を演算し、この容量と所定の容量とを比較して容量抜けの判定を行い、この判定に基づき電力用コンデンサの寿命の到来を診断している。

さらに、特許文献５では、入力平滑用コンデンサの両端電圧が基準電圧に低下したことを検出し、入力平滑用コンデンサの両端電圧がスイッチのオフから基準電圧に低下するまでの時間が一定時間以上であるかを判断している。

特開平５−２１５８００号公報（段落０００６） 特開平７−９２２１２号公報（段落０００５） 特開平８−８００５５号公報（段落００１０） 特開平１１−２３１００８号公報（要約 解決手段） 特開２００２−２８１７３５号公報（段落０００５）

従来の電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置は以上のように構成され、上記特許文献２から上記特許文献５における装置は、電源印加停止後の電力用コンデンサの放電時の電圧をサンプリング等により測定し、所定の放電特性曲線や所定の容量と比較して、電力用コンデンサの寿命の到来を診断するものであり、いずれも電源停止後の電力用コンデンサの放電特性を測定しているため、電源印加停止後にＣＰＵの電源が降下し、ＣＰＵのリセット電圧に至るまで測定を続けると、ＣＰＵ自身ではリセット電圧の到来を予知できないため、リセット電圧まで電圧降下する直前にＣＰＵの内部レジスタやデータを退避させることができないまま、測定途中でリセット電圧に至り、測定を中断したり演算途中のデータが消失したりするので、ＣＰＵ等で構成された寿命診断機能の電源を、別系統の電源でバックアップするとか、ＣＰＵの電源電圧の降下を監視して、所定の電圧まで降下すると、演算途中のデータやレジスタのデータを停電補償付きメモリに退避させる処理が必要になる等の課題があった。

また、上記特許文献１の装置は、電力用コンデンサに電圧を強制的に印加して、電力用コンデンサの劣化を判定しているため、第２のスイッチ及び抵抗の並列接続等、余分な回路が必要となり、構成が煩雑になると共に、従来から存在する回路をそのまま利用することができないという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、電解コンデンサの放電特性の測定から寿命を診断する際に使用するバックアップ電源やデータの退避を必要とせず、また、電圧を強制的に印加して電力用コンデンサの劣化を判定する際に使用する余分な回路を必要とせずに、簡易な構成により電力用コンデンサの寿命を診断することができ、かつ寿命劣化要因を判定することができる電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置は、電力用コンデンサを充電する電力用コンデンサ充電回路と、該電力用コンデンサ充電回路による充電を制御する制御パルスを発生する電力用コンデンサ充電制御回路と、予め設定された上記電力用コンデンサの充電時間及び充電電圧の特性並びに各特性に応じた寿命診断結果を記憶し、上記電力用コンデンサの充電開始からの充電時間及び充電電圧を測定し、測定した充電時間及び充電電圧と記憶されている充電時間及び充電電圧の特性を照合して寿命診断結果を抽出すると共に、上記電力用コンデンサ充電制御回路により発生した制御パルスをカウントして寿命劣化要因を判定する電力用コンデンサ寿命診断回路とを備えたものである。

この発明により、簡易な構成により電力用コンデンサの寿命を診断し寿命劣化要因を判定することができるという効果が得られる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置の構成を示す図である。この電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置は、電力用コンデンサ充電回路１、電力用コンデンサ充電制御回路１１及び電力用コンデンサ寿命診断回路２１を備えている。

ここで、電力用コンデンサ充電回路１は電力用コンデンサ１０を充電する回路で、電力用コンデンサ充電制御回路１１は電力用コンデンサ充電回路１を制御する回路であり、電力用コンデンサ寿命診断回路２１は電力用コンデンサ１０の寿命を診断し寿命劣化要因を判定してその結果を報知する回路である。

図１において、電力用コンデンサ充電回路１は、電源回路３、半導体スイッチ４、ダイオード５、抵抗６、リアクトル７、半導体スイッチ８及びダイオード９を備えている。

電力用コンデンサ充電回路１において、電源回路３は、交流電源線２に接続され、電源投入により供給される交流電源を整流及び平滑して直流電源を発生する。半導体スイッチ４は電源回路３の出力側の高電位線に接続され、ダイオード５及びそのダイオード５のアノードに直列に接続された抵抗６は、半導体スイッチ４の出力側の高電位線及び低電位線間に逆極性に接続され、抵抗６は半導体スイッチ４，８のオフ動作時に電力用コンデンサ１０に充電される充電電流を電圧１０２として検出するものである。

リアクトル７はダイオード５の出力側の高電位線に接続され、半導体スイッチ８はリアクトル７の出力側の高電位線及び低電位線間に接続され、ダイオード９は半導体スイッチ８の出力側の高電位線に順極性に接続され、電力用コンデンサ１０はダイオード９の出力側の高電位線及び低電位線間に接続されて繰り返し充電される。

図１において、電力用コンデンサ充電制御回路１１は、基準電流設定部１２、定電流制御用誤差増幅回路１３、三角波発生回路１４、比較回路１５、目標電圧設定部１６、充電電圧制御用誤差増幅回路１７及びオア回路１８を備えている。

電力用コンデンサ充電制御回路１１において、基準電流設定部１２は、半導体スイッチ４，８のオフ動作時に電力用コンデンサ１０を充電する基準充電電流を予め設定し、基準充電電流に応じた設定電圧１０１を出力する。定電流制御用誤差増幅回路１３は、後述の寿命診断判定部２５からの選択信号１１２により動作を開始し、基準電流設定部１２により設定された基準充電電流に応じた設定電圧１０１と抵抗６に生じた充電電流に応じた電圧１０２とを比較し、設定電圧１０１と電圧１０２との差が大きいほど小さな電圧の信号１０３を出力する。

目標電圧設定部１６は電力用コンデンサ１０を充電する目標充電電圧１０４を予め設定して出力する。充電電圧制御用誤差増幅回路１７は、後述の寿命診断判定部２５からの選択信号１１３により動作を開始し、目標電圧設定部１６により設定された目標充電電圧１０４と電力用コンデンサ１０の高電位線に接続された充電電圧検出線からの電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５とを比較し、充電電圧１０５が目標充電電圧１０４に到達している場合には、三角波発生回路１４からの三角波１０８のピーク値より大きな電圧の信号１０６を出力し、電力用コンデンサ１０のリーク電流等により充電電圧１０５が目標充電電圧１０４より低下した場合には、三角波発生回路１４からの三角波１０８のピーク値より小さな電圧で、低下した電圧が大きいほど小さな電圧の信号１０６を出力する。

オア回路１８は定電流制御用誤差増幅回路１３からの信号１０３又は充電電圧制御用誤差増幅回路１７からの信号１０６の何れかを信号１０７として出力する。三角波発生回路１４は一定のピーク値と幅を有する三角波１０８を発生して出力する。比較回路１５は、オア回路１８からの信号１０７をマイナス入力端子に入力し、三角波発生回路１４からの三角波１０８をプラス入力端子に入力して、オア回路１８からの信号１０７の電圧が小さい場合にはパルス幅の長い制御パルス１０９を出力し、オア回路１８からの信号１０７の電圧が大きい場合にはパルス幅の短い制御パルス１０９を出力する。

比較回路１５からの制御パルス１０９は、電力用コンデンサ充電回路１の半導体スイッチ４のベース及び半導体スイッチ８のベースに出力されると共に、後述の電力用コンデンサ寿命診断回路２１の制御パルスカウンタ２７に出力される。電力用コンデンサ充電回路１の半導体スイッチ４及び半導体スイッチ８は、比較回路１５からパルス幅の長い制御パルス１０９を各ベースに入力した場合にはオン期間が長くなり、電力用コンデンサ１０の充電電流を増加させ、比較回路１５からパルス幅の短い制御パルス１０９を各ベースに入力した場合にはオン期間が短くなり、電力用コンデンサ１０の充電電流を減少させる。

図１において、電力用コンデンサ寿命診断回路２１は、制御回路用電源回路２２、タイマ回路２３、充電時間充電電圧記憶部２４、寿命診断判定部２５、表示警報部２６及び制御パルスカウンタ２７を備えている。

電力用コンデンサ寿命診断回路２１において、制御回路用電源回路２２は、交流電源線２に接続され、電源投入により供給される交流電源を直流電源に変換し、電力用コンデンサ充電制御回路１１及び電力用コンデンサ寿命診断回路２１の各回路にその直流電源を供給する。

タイマ回路２３は電力用コンデンサ１０の充電時間の測定に必要な基準クロック１１０を発生し、充電時間充電電圧記憶部２４は、予め設定された電力用コンデンサ１０の充電時間及び充電電圧の特性（関係）とそれらの特性に応じた寿命診断結果１１１とを記憶している。

寿命診断判定部２５は、電力用コンデンサ１０の高電位線に接続された充電電圧検出線からの電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５に基づき、充電の初期段階では、電力用コンデンサ１０にコンスタントに電荷を送り込むために、定電流制御用誤差増幅回路１３に選択信号１１２を出力して定電流制御を実施させ、充電の完了段階では、その充電電圧を一定の電圧に保持するために、充電電圧制御用誤差増幅回路１７に選択信号１１３を出力して定電圧制御を実施させる。

また、寿命診断判定部２５は、電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５の検出を充電開始（トリガ）として、タイマ回路２３から発生される基準クロック１１０により、充電開始からの充電時間を測定すると共に、充電電圧検出線からの電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５を測定し、充電時間充電電圧記憶部２４に記憶されている電力用コンデンサ１０の充電時間及び充電電圧の特性、それら特性に応じた寿命診断結果１１１と、測定した電力用コンデンサ１０の充電開始からの充電時間及び充電電圧との比較に基づき、該当する電力用コンデンサ１０の寿命診断結果１１１を充電時間充電電圧記憶部２４から抽出して表示警報部２６に出力する。

制御パルスカウンタ２７は、寿命診断判定部２５が選択信号１１３により定電圧制御を選択するとカウント可能になり、比較回路１５からの制御パルス１０９をカウントしてカウント値１１４を出力する。寿命診断判定部２５は所定の時間内におけるカウント値１１４により寿命劣化要因１１５を判定して表示警報部２６に出力する。表示警報部２６は寿命診断結果１１１と寿命劣化要因１１５をランプ表示や警報ブザーや警報接点出力により使用者に報知する。

次に動作について説明する。
図１において、交流電源が投入されると、電力用コンデンサ充電回路１の電源回路３は電源投入により供給される交流電源を整流及び平滑して直流電源を発生する。また、交流電源が投入されると、電力用コンデンサ寿命診断回路２１の制御回路用電源回路２２は、供給される交流電源を直流電源に変換し、電力用コンデンサ充電制御回路１１及び電力用コンデンサ寿命診断回路２１の各回路にその直流電源を供給する。

電力用コンデンサ充電制御回路１１において、基準電流設定部１２には半導体スイッチ４，８のオフ動作時に電力用コンデンサ１０を充電する基準充電電流が予め設定され、基準電流設定部１２は設定された基準充電電流に応じた設定電圧１０１を発生する。定電流制御用誤差増幅回路１３は、寿命診断判定部２５からの選択信号１１２により動作を開始し、基準電流設定部１２により設定された基準充電電流に応じた設定電圧１０１と抵抗６に生じた充電電流に応じた電圧１０２とを比較し、設定電圧１０１と電圧１０２との差が大きいほど小さな電圧の信号１０３を出力する。

比較回路１５は、三角波発生回路１４からの三角波１０８と定電流制御用誤差増幅回路１３からのオア回路１８を経由した信号１０７とを比較し、三角波１０８が信号１０７の電圧以上の期間に応じたパルス幅の制御パルス１０９を出力する。なお、この回路の電源が投入された直後では、比較回路１５には三角波発生回路１４からの三角波１０８のみが入力され、三角波１０８の周期で最大のパルス幅の制御パルス１０９を出力する。

図２は比較回路１５の入出力のタイミングを示す図であり、ここでは、定電流制御用誤差増幅回路１３からの信号１０３（信号１０７）と三角波発生回路１４からの三角波１０８と比較回路１５からの制御パルス１０９のタイミングを示している。
この制御パルス１０９は電源投入時にそのパルス幅が広く、時間と共に狭くなり、最後にはパルス幅は一定になる。この制御パルス１０９に基づき半導体スイッチ４，８の動作を制御し、すなわち、制御パルス１０９のハイレベルで半導体スイッチ４，８をオン動作させ、制御パルス１０９のローレベルで半導体スイッチ４，８をオフ動作させる。

電力用コンデンサ充電回路１において、半導体スイッチ４，８のオン動作により、電源回路３から電流が半導体スイッチ４、リアクトル７、半導体スイッチ８の経路で流れて、リアクトル７に電磁エネルギーが蓄積される。
また、半導体スイッチ４，８のオフ動作により、リアクトル７に蓄積された電磁エネルギーがリアクトル７、ダイオード９、電力用コンデンサ１０、抵抗６、ダイオード５の経路で循環して電力用コンデンサ１０が充電される。

電力用コンデンサ寿命診断回路２１において、寿命診断判定部２５は、電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５に基づき、充電の初期段階では定電流制御用誤差増幅回路１３に選択信号１１２を出力し、定電流制御用誤差増幅回路１３に電力用コンデンサ１０への充電電流が基準充電電流（設定電圧１０１）になるよう定電流制御を実施させる。

まず、定電流制御の場合は、電力用コンデンサ充電制御回路１１において、抵抗６、基準電流設定部１２及び定電流制御用誤差増幅回路１３からなる構成により、オア回路１８を経由して比較回路１５からは、電源投入時に半導体スイッチ４，８のオン時間幅が長く、時間経過と共に徐々にオン時間幅が短くなり、最後には一定となる制御パルス１０９を発生する。このオン時間幅が一定となるよう制御パルス１０９により電力用コンデンサ１０の充電電流が基準充電電流になるように制御することができる。

次に、電力用コンデンサ寿命診断回路２１において、寿命診断判定部２５は、電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５に基づき、充電の完了段階、例えば、充電電圧１０５が後述の図４における充電電圧Ｖ４に到達して寿命診断結果１１１を得た場合には、定電流制御用誤差増幅回路１３への選択信号１１２の出力を停止し、充電電圧制御用誤差増幅回路１７に選択信号１１３を出力して、充電電圧制御用誤差増幅回路１７に電力用コンデンサ１０の充電電圧が目標充電電圧１０４に保持されるように定電圧制御を実施させる。

電力用コンデンサ充電制御回路１１において、目標電圧設定部１６には、電力用コンデンサ１０の目標充電電圧１０４が予め設定され、その目標電圧設定部１６からは設定された目標充電電圧１０４が出力される。

充電電圧制御用誤差増幅回路１７は、寿命診断判定部２５からの選択信号１１３により動作を開始し、目標電圧設定部１６により設定された目標充電電圧１０４と電力用コンデンサ１０の高電位線に接続された充電電圧検出線からの電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５とを比較し、充電電圧１０５が目標充電電圧１０４に到達している場合には、三角波発生回路１４からの三角波１０８のピーク値より大きな電圧の信号１０６を出力し、電力用コンデンサ１０のリーク電流等により充電電圧１０５が目標充電電圧１０４より低下した場合には、三角波発生回路１４からの三角波１０８のピーク値より小さな電圧で、低下した電圧が大きいほど小さな電圧の信号１０６を出力する。

比較回路１５は、三角波発生回路１４からの三角波１０８と充電電圧制御用誤差増幅回路１７からのオア回路１８を経由した信号１０７とを比較し、三角波１０８が信号１０７の電圧以上の期間に応じたパルス幅の制御パルス１０９を出力する。すなわち、比較回路１５は、電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５が目標充電電圧１０４に到達した場合には、充電電圧制御用誤差増幅回路１７からオア回路１８を経由した三角波１０８のピーク値より大きな信号１０７を入力することにより制御パルス１０９の発生を停止し、電力用コンデンサ１０のリーク電流等により電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５が目標充電電圧１０４より低下した場合には、充電電圧制御用誤差増幅回路１７からオア回路１８を経由した、三角波１０８のピーク値より小さな電圧で、低下した電圧が大きいほど小さな電圧の信号１０７を入力し、三角波１０８が信号１０７の電圧以上の期間に応じたパルス幅の制御パルス１０９を出力する。

この制御パルス１０９により、電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５が予め設定された目標充電電圧１０４に到達した場合には半導体スイッチ４，８の動作を停止させ、電力用コンデンサ１０のリーク電流等により電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５が目標充電電圧１０４より低下した場合には、制御パルス１０９の期間に応じて半導体スイッチ４，８を動作させることにより、電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５を目標充電電圧１０４に保持することができる。

図３は電力用コンデンサ１０の等価回路を示す回路図であり、図３に示すように、一般に電力用コンデンサ１０は容量成分１０ａのみから構成されているものではなく、容量成分１０ａの他に等価直列抵抗（ＥＳＲ：Equivalent Series Resistance）１０ｂが存在する。さらに電力用コンデンサ１０が劣化してくると、陽極、陰極箔の酸化皮膜の順方向絶縁が劣化し、内部抵抗１０ｃが低下して漏れ電流が増大する。したがって、電力用コンデンサ１０は等価的に図３に示すようになる。
なお、実際の等価回路では、等価直列抵抗１０ｂと直列に誘導性リアクタンスが存在するが、この発明には大きな影響がないので、便宜上図３では省略している。

電力用コンデンサ１０の故障及び劣化の過程において、まず、静電容量の変化よりも誘導正接ｔａｎδの増加がより顕著に現れる。すなわち、電力用コンデンサ１０の劣化が誘導正接ｔａｎδの増加である場合には等価直列抵抗１０ｂが増加していると考えられる。そして、電力用コンデンサ１０の等価直列抵抗１０ｂが増加すると、電力用コンデンサの充電に時間がかかる。同様に、電力用コンデンサ１０の陽極、陰極箔の酸化皮膜の内部抵抗１０ｃが小さくなり漏れ電流が大きくなった場合には電力用コンデンサ１０の充電に時間がかる。また、電力用コンデンサ１０の容量が減少し容量抜けの場合には、逆に電力用コンデンサ１０の充電が早く完了する。

図４は電力用コンデンサ１０の充電時間及び充電電圧の特性を示す特性図であり、充電時間充電電圧記憶部２４に予め設定され記憶されるデータをイメージしたものである。
図４において、横軸は電力用コンデンサ１０の充電時間、縦軸は電力用コンデンサ１０の充電電圧を示している。縦軸の充電電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４は、電力用コンデンサ１０の寿命診断に必要なチェックポイントの充電電圧であり、例えば、高圧用真空電磁接触器においては、Ｖ１は動作限界電圧、Ｖ２は遮断限界電圧、Ｖ３は充電閾値、Ｖ４は充電規定電圧等を定義するものである。横軸のＴ１，Ｔ２，Ｔ３は、縦軸の充電電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４に応じた充電時間の目標値である。

また、図４において、電力用コンデンサ１０は、領域Ａに至る場合は正常とし、領域Ｂに至る場合は容量抜けとし、領域Ｃに至る場合は等価直列抵抗１０ｂの増加又は漏れ電流の増加とし、領域Ｄに至る場合は等価直列抵抗１０ｂが極めて増加又は漏れ電流の増加とし、領域Ｅに至る場合は等価直列抵抗１０ｂ及び漏れ電流が極めて増加とし、領域Ｆに至る場合は劣化が顕著で使用できない状態とする。

なお、充電時間充電電圧記憶部２４に予め設定されるデータは、図４に示すような特性図ではなく、電力用コンデンサ１０の寿命診断に必要なチェックポイントの充電電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４、充電時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３及びその寿命診断結果１１１だけを記憶すれば良い。

寿命診断判定部２５は、電力用コンデンサ１０の充電開始に応じて測定した充電時間及び充電電圧を、充電時間充電電圧記憶部２４に予め設定されたチェックポイントの充電電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４、充電時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３と比較し、電力用コンデンサ１０の寿命診断結果１１１を充電時間充電電圧記憶部２４から抽出して表示警報部２６に出力する。ここでは、寿命診断判定部２５は、電力用コンデンサ１０の充電開始から充電時間の推移に対応した電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５の推移が、図４におけるどの領域に該当するかを判定する。

具体的には、寿命診断判定部２５は下記のように判定する。
（領域Ａ）充電開始から充電時間Ｔ１〜Ｔ２内に充電電圧Ｖ４に到達した場合には、電力用コンデンサ１０は正常とする寿命診断結果１１１を得る。
（領域Ｂ）充電開始から充電時間Ｔ１内に充電電圧Ｖ４に到達した場合には、正常な領域よりも早く充電されたことになり、電力用コンデンサ１０には容量抜けが生じているとする寿命診断結果１１１を得る。
（領域Ｃ）充電開始から充電時間Ｔ２〜Ｔ３内に充電電圧Ｖ４に到達した場合には、所定の時間内に充電が終了しなかったことから、電力用コンデンサ１０には等価直列抵抗１０ｂが増加しているか、又は漏れ電流が増加しているとする寿命診断結果１１１を得る。
（領域Ｄ）充電開始から充電時間Ｔ３になっても充電電圧がＶ２〜Ｖ３である場合には、電力用コンデンサ１０には、等価直列抵抗１０ｂが極めて増加しているか、又は漏れ電流が増加しているとする寿命診断結果１１１を得る。
（領域Ｅ）充電開始から充電時間Ｔ３になっても充電電圧がＶ１〜Ｖ２である場合には、電力用コンデンサ１０には、等価直列抵抗１０ｂ及び漏れ電流が極めて増加しているとする寿命診断結果１１１を得る。
（領域Ｆ）充電開始から充電時間Ｔ３になっても充電電圧がＶ１に満たない場合には、電力用コンデンサ１０の劣化が顕著で使用できない状態にあるとする寿命診断結果１１１を得る。

領域Ｃないし領域Ｆを通過して電力用コンデンサ１０の充電電圧がＶ４に到達すると、寿命診断判定部２５は定電圧制御を選択する。充電電圧制御用誤差増幅回路１７は、上述のように、電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５が目標充電電圧１０４になるように定電圧制御を行うために、漏れ電流等により充電電圧１０５が目標充電電圧１０４より低下すると、比較回路１５が制御パルス１０９を出力する。制御パルスカウンタ２７は、寿命診断判定部２５が定電圧制御を選択するとカウント可能となり、比較回路１５からの制御パルス１０９をカウントする。

なお、制御パルスカウンタ２７は、制御パルス１０９にノイズが重畳した場合の誤カウント防止又は充電制御方式がいわゆるパルス幅変調の場合には、充電が完了した場合も幅の狭い制御パルス１０９が出力されることがあるので、所定のパルス幅以下の制御パルス１０９をカウントしないように入力フィルタ機能を有するものとする。

寿命診断判定部２５は所定の時間毎に制御パルスカウンタ２７のカウント値１１４を読み取り、このカウント値１１４が所定のカウント目標値を超えている場合は、半導体スイッチ４，８を多く駆動したことになり、電力用コンデンサ１０の漏れ電流が大であると判定する。また、所定のカウント目標値を超えていない場合は、漏れ電流は規定の範囲内であるので、電力用コンデンサ１０の等価直列抵抗１０ｂが大であると判定する。もちろん、この場合は、既に表示警報部２６で領域Ｃないし領域Ｆのいずれかに該当するとの寿命診断結果１１１が表示されており、この表示に加えて、漏れ電流が大又は等価直列抵抗１０ｂが大であるという寿命劣化要因１１５の表示を行う。

以上のように、この実施の形態１によれば、充電時間充電電圧記憶部２４が予め設定された電力用コンデンサ１０の充電時間及び充電電圧の特性並びに各特性に応じた寿命診断結果１１１を記憶し、寿命診断判定部２５が、電力用コンデンサ１０の充電開始からの充電時間及び充電電圧１０５を測定し、測定した充電時間及び充電電圧１０５と充電時間充電電圧記憶部２４に記憶されている充電時間及び充電電圧の特性とを照合して寿命診断結果１１１を抽出し、制御パルスカウンタ２７が電力用コンデンサ１０の充電を制御する制御パルス１０９をカウントし、寿命診断判定部２５が制御パルスカウンタ２７によりカウントされたカウント値１１４により寿命劣化要因１１５を判定することにより、電力用コンデンサ１０の放電特性の測定から寿命を診断する場合に必要となったバックアップ電源やデータの退避を必要とせず、また、電圧を強制的に印加するための余分な回路も必要とせず、簡易な構成により電力用コンデンサの寿命を診断し寿命劣化要因を判定することができるという効果が得られる。

また、この実施の形態１によれば、充電の初期段階では、寿命診断判定部２５が定電流制御用誤差増幅回路１３に電力用コンデンサ１０への充電電流が基準充電電流になるよう定電流制御を実施させることにより、電荷が電力用コンデンサ１０に直線的に蓄積され、電力用コンデンサ１０の充電開始からの測定した充電時間及び測定した充電電圧の関係の直線性をより高めると共に、電荷が電力用コンデンサ１０に直線的に蓄積されて図４に示すように寿命領域への到達の誤差が少なくなるために、電力用コンデンサ１０の寿命診断性能をより高めることができるという効果が得られる。

さらに、この実施の形態１によれば、充電の完了段階では、寿命診断判定部２５が充電電圧制御用誤差増幅回路１７に電力用コンデンサ１０の充電電圧が目標充電電圧１０４に保持されるように定電圧制御を実施させることにより、電力用コンデンサ１０の充電電圧を目標充電電圧に保持させることができるという効果が得られる。

なお、この実施の形態１では、寿命診断判定部２５が制御パルスカウンタ２７のカウント値１１４を読み取る所定の時間及び電力用コンデンサ１０の漏れ電流が大であると判定する所定のカウント目標値は固定値であっても良いが、設定手段を備えて任意の値に設定することにより、充電制御される電力用コンデンサ１０の容量や種類等に応じて最適な値を選択することができる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２による電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置の構成を示す図である。図５に示す構成は、上記実施の形態１の図１と比較して、電力用コンデンサ寿命診断回路２１において、制御パルスカウンタ２７を削除し、充電電流測定部２８を追加した点が異なっており、その他の構成は図１と同じである。

電力用コンデンサ１０の充電が領域Ｃないし領域Ｆを通過して充電電圧がＶ４に到達すると、寿命診断判定部２５は選択信号１１３を充電電圧制御用誤差増幅回路１７に出力して定電圧制御を選択する。充電電圧制御用誤差増幅回路１７は、上述のように、電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５が目標充電電圧１０４になるように定電圧制御を行うために、充電電圧１０５が低下すると比較回路１５が制御パルス１０９を出力する。制御パルス１０９により半導体スイッチ４，８がオンし、充電電流が流れ、抵抗６に生じた充電電流に応じた電圧１０２が発生する。充電電流測定部２８は抵抗６に生じた充電電流に応じた電圧１０２を測定して寿命診断判定部２５に出力する。

寿命診断判定部２５は、充電電流測定部２８により測定された充電電流に応じた電圧１０２を入力し、電圧１０２に対応する充電電流が所定の目標充電電流を超えている場合には、充電電流を多く必要としているために電力用コンデンサ１０の漏れ電流が大と判定する。また、所定の目標充電電流を超えていない場合には、漏れ電流は規定の範囲内であるので、電力用コンデンサ１０の等価直列抵抗１０ｂが大であると判定する。もちろん、この場合は、既に表示警報部２６で領域Ｃないし領域Ｆのいずれかに該当するとの寿命診断結果１１１が表示されているので、この表示に加えて、漏れ電流が大であるか又は等価直列抵抗が大であるかの寿命劣化要因１１５の表示を行う。

なお、電力用コンデンサ充電制御回路１１は、電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５が漏れ電流等により目標充電電圧１０４を下回ったときに、目標充電電圧１０４になるよう定電圧制御を行うために、電力用コンデンサ充電回路１による電力用コンデンサ１０の充電動作は間欠的である。間欠的に流れる充電電流の瞬時値による電圧１０２では、寿命診断判定部２５は判断が困難なため、充電電流測定部２８は充電電流の瞬時値による電圧１０２の積分値又は平均値を測定して寿命診断判定部２５に出力する。
図５におけるその他の各構成の処理は上記実施の形態１の処理と同じである。

以上のように、この実施の形態２によれば、充電時間充電電圧記憶部２４が予め設定された電力用コンデンサ１０の充電時間及び充電電圧の特性並びに各特性に応じた寿命診断結果１１１を記憶し、寿命診断判定部２５が、電力用コンデンサ１０の充電開始からの充電時間及び充電電圧１０５を測定し、測定した充電時間及び充電電圧１０５と充電時間充電電圧記憶部２４に記憶されている充電時間及び充電電圧の特性とを照合して寿命診断結果１１１を抽出し、充電電流測定部２８が電力用コンデンサ１０の充電電流に応じた電圧１０２を測定し、寿命診断判定部２５が充電電流測定部２８により測定された充電電流に応じた電圧１０２により寿命劣化要因１１５を判定することにより、電力用コンデンサ１０の放電特性の測定から寿命を診断する場合に必要となったバックアップ電源やデータの退避を必要とせず、また、電圧を強制的に印加するための余分な回路も必要とせず、簡易な構成により電力用コンデンサの寿命を診断し寿命劣化要因を判定することができるという効果が得られる。

また、この実施の形態２によれば、充電の初期段階では、寿命診断判定部２５が定電流制御用誤差増幅回路１３に電力用コンデンサ１０への充電電流が基準充電電流になるよう定電流制御を実施させることにより、電荷が電力用コンデンサ１０に直線的に蓄積され、電力用コンデンサ１０の充電開始からの測定した充電時間及び測定した充電電圧の関係の直線性をより高めると共に、電荷が電力用コンデンサ１０に直線的に蓄積されて図４に示すように寿命領域への到達の誤差が少なくなるために、電力用コンデンサ１０の寿命診断性能をより高めることができるという効果が得られる。

さらに、この実施の形態２によれば、充電の完了段階では、寿命診断判定部２５が充電電圧制御用誤差増幅回路１７に電力用コンデンサ１０の充電電圧が目標充電電圧１０４に保持されるように定電圧制御を実施させることにより、電力用コンデンサ１０の充電電圧を目標充電電圧に保持させることができるという効果が得られる。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３による電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置の構成を示す図である。図６に示す構成は、上記実施の形態１の図１と比較して、電力用コンデンサ寿命診断回路２１において、制御パルスカウンタ２７を削除し、制御パルス幅測定部２９を追加した点が異なっており、その他の構成は図１と同じである。

電力用コンデンサ１０の充電が領域Ｃないし領域Ｆを通過して充電電圧がＶ４に到達すると、寿命診断判定部２５は選択信号１１３を充電電圧制御用誤差増幅回路１７に出力して定電圧制御を実施させる。充電電圧制御用誤差増幅回路１７は、上述のように、電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５が目標充電電圧１０４に保持させるように定電圧制御を行うために、充電電圧１０５が低下すると比較回路１５が制御パルス１０９を出力する。制御パルス１０９により半導体スイッチ４，８がオンして電力用コンデンサ１０への充電電流が流れ、電力用コンデンサ１０の充電電圧１０５が増加する。

制御パルス幅測定部２９は、比較回路１５から出力される制御パルス１０９のパルス幅１１６を測定し、測定したパルス幅１１６を寿命診断判定部２５に出力する。

寿命診断判定部２５は、そのパルス幅１１６を入力し、パルス幅１１６が所定の目標のパルス幅を超えている場合に、電力用コンデンサ１０の漏れ電流が大であると判定し、パルス幅１１６が所定の目標のパルス幅を超えていない場合は、漏れ電流は規定の範囲内であるので、電力用コンデンサ１０の等価直列抵抗１０ｂが大であると判定する。もちろん、この場合は既に表示警報部２６が領域Ｃないし領域Ｆのいずれかに該当するとの寿命診断結果１１１を表示しており、この表示に加えて、漏れ電流が大であるか又は等価直列抵抗１０ｂが大であるかの寿命劣化要因１１５を表示する。
図６におけるその他の各構成の処理は上記実施の形態１の処理と同じである。

この実施の形態３による寿命診断方法は、比較回路１５から出力される制御パルス１０９が充電電流を増加させるときにパルス幅１１６が広がり、充電電流を減少させるときにパルス幅１１６が狭くなる、いわゆるパルス幅変調方式で制御する場合に有効である。

以上のように、この実施の形態３によれば、充電時間充電電圧記憶部２４が予め設定された電力用コンデンサ１０の充電時間及び充電電圧の特性並びに各特性に応じた寿命診断結果１１１を記憶し、寿命診断判定部２５が、電力用コンデンサ１０の充電開始からの充電時間及び充電電圧１０５を測定し、測定した充電時間及び充電電圧１０５と充電時間充電電圧記憶部２４に記憶されている充電時間及び充電電圧の特性とを照合して寿命診断結果１１１を抽出し、制御パルス幅測定部２９が電力用コンデンサ１０の充電を制御する制御パルス１０９のパルス幅１１６を測定し、寿命診断判定部２５が制御パルス幅測定部２９により測定されたパルス幅１１６により寿命劣化要因１１５を判定することにより、電力用コンデンサ１０の放電特性の測定から寿命を診断する場合に必要となったバックアップ電源やデータの退避を必要とせず、また、電圧を強制的に印加するための余分な回路も必要とせず、簡易な構成により電力用コンデンサの寿命を診断し寿命劣化要因を判定することができるという効果が得られる。

また、この実施の形態３によれば、充電の初期段階では、寿命診断判定部２５が定電流制御用誤差増幅回路１３に電力用コンデンサ１０への充電電流が基準充電電流になるよう定電流制御を実施させることにより、電荷が電力用コンデンサ１０に直線的に蓄積され、電力用コンデンサ１０の充電開始からの測定した充電時間及び測定した充電電圧の関係の直線性をより高めると共に、電荷が電力用コンデンサ１０に直線的に蓄積されて図４に示すように寿命領域への到達の誤差が少なくなるために、電力用コンデンサ１０の寿命診断性能をより高めることができるという効果が得られる。

さらに、この実施の形態３によれば、充電の完了段階では、寿命診断判定部２５が充電電圧制御用誤差増幅回路１７に電力用コンデンサ１０の充電電圧が目標充電電圧１０４に保持されるように定電圧制御を実施させることにより、電力用コンデンサ１０の充電電圧を目標充電電圧に保持させることができるという効果が得られる。

上記実施の形態１〜上記実施の形態３において、交流電源線２が直流電源線の場合は、電源回路３及び制御回路用電源回路２２は不要であるか、又はＤＣ／ＤＣコンバータにより構成すれば良い。

また、図４において、電力用コンデンサ１０の寿命診断結果１１１を領域Ａ〜領域Ｆの６領域に分けたが、この６領域に限定されるものでなく、必要に応じた領域に区分すれば良い。

さらに、寿命診断判定部２５は、充電電圧１０５が目標充電電圧１０４に到達する充電時間や、所定の充電時間で到達する充電電圧１０５の値で判定するようにしても良く、場合によっては、充電時間充電電圧記憶部２４に記憶されるデータや寿命診断判定部２５の構成を簡単にすることができる。

さらに、充電時間充電電圧記憶部２４に記憶される充電電圧Ｖ１〜Ｖ４や充電時間Ｔ１〜Ｔ３は固定値でも良いが、各種機器や各種定格に容易に設定できるような設定手段を備えて、任意の充電電圧や充電時間を設定できるようにしても良い。

さらに、上記実施の形態１〜上記実施の形態３において、半導体スイッチ４，８のオンオフ動作を同時に行うようにしたが、上記特許文献５に示すように、第１及び第２の半導体スイッチのオン期間にリアクトルに直流電源を印加してリアクトルに電磁エネルギーを蓄積し、第２の半導体スイッチのオフにより、リアクトルに蓄積された電磁エネルギーに加えて交流電源のエネルギーを、整流器、平滑用コンデンサ、リアクトル、ダイオード、電力用コンデンサの経路で循環させて、電力用コンデンサを充電するように構成すれば、交流電源のエネルギーをも含めて電力用コンデンサを充電することができる。

さらに、基準電流設定部１２及び目標電圧設定部１６は、可変抵抗器やデジタルスイッチ等を使用し、電力用コンデンサ１０を充電する基準充電電流や目標充電電圧１０４が操作者に見え、かつ操作の可能な形態にすることができる。さらに、予め充電装置により基準充電電流や目標充電電圧１０４が決められる場合には固定にしても良い。

さらに、充電時間充電電圧記憶部２４も、同様に、可変抵抗器やデジタルスイッチ等を使用し、設定される充電電圧や受電時間が操作者に見え、かつ操作の可能な形態にすることができる。さらに、予め充電装置により基準充電電流や目標充電電圧が決められる場合には固定にしても良い。

この発明の実施の形態１による電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１による電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置における比較回路の入出力のタイミングを示す図である。 電力用コンデンサの等価回路を示す回路図である。 電力用コンデンサの充電時間及び充電電圧の特性を示す特性図である。 この発明の実施の形態２による電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３による電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 電力用コンデンサ充電回路、２ 交流電源線、３ 電源回路、４ 半導体スイッチ、５ ダイオード、６ 抵抗、７ リアクトル、８ 半導体スイッチ、９ ダイオード、１０ 電力用コンデンサ、１０ａ 容量成分、１０ｂ 等価直列抵抗、１０ｃ 内部抵抗、１１ 電力用コンデンサ充電制御回路、１２ 基準電流設定部、１３ 定電流制御用誤差増幅回路、１４ 三角波発生回路、１５ 比較回路、１６ 目標電圧設定部、１７ 充電電圧制御用誤差増幅回路、１８ オア回路、２１ 電力用コンデンサ寿命診断回路、２２ 制御回路用電源回路、２３ タイマ回路、２４ 充電時間充電電圧記憶部、２５ 寿命診断判定部、２６ 表示警報部、２７ 制御パルスカウンタ、２８ 充電電流測定部、２９ 制御パルス幅測定部、１０１ 設定電圧、１０２ 電圧、１０３ 信号、１０４ 目標充電電圧、１０５ 充電電圧、１０６ 信号、１０７ 信号、１０８ 三角波、１０９ 制御パルス、１１０ 基準クロック、１１１ 寿命診断結果、１１２ 選択信号、１１３ 選択信号、１１４ カウント値、１１５ 寿命劣化要因、１１６ パルス幅。

Claims (7)

1. 電力用コンデンサを充電する電力用コンデンサ充電回路と、
   該電力用コンデンサ充電回路による充電を制御する制御パルスを発生する電力用コンデンサ充電制御回路と、
   予め設定された上記電力用コンデンサの充電時間及び充電電圧の特性並びに各特性に応じた寿命診断結果を記憶し、上記電力用コンデンサの充電開始からの充電時間及び充電電圧を測定し、測定した充電時間及び充電電圧と記憶されている充電時間及び充電電圧の特性を照合して寿命診断結果を抽出すると共に、上記電力用コンデンサ充電制御回路により発生した制御パルスをカウントして寿命劣化要因を判定する電力用コンデンサ寿命診断回路とを備えた電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置。
2. 電力用コンデンサ寿命診断回路は、所定の時間毎の制御パルスのカウント値が所定のカウント目標値を超えている場合に、電力用コンデンサの漏れ電流が大であると判定し、上記カウント値が上記所定のカウント目標値を超えていない場合に、上記電力用コンデンサの等価直列抵抗が大であると判定することを特徴とする請求項１記載の電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置。
3. 電力用コンデンサを充電する電力用コンデンサ充電回路と、
   該電力用コンデンサ充電回路による充電を制御する制御パルスを発生する電力用コンデンサ充電制御回路と、
   予め設定された上記電力用コンデンサの充電時間及び充電電圧の特性並びに各特性に応じた寿命診断結果を記憶し、上記電力用コンデンサの充電開始からの充電時間及び充電電圧を測定し、測定した充電時間及び充電電圧と記憶されている充電時間及び充電電圧の特性を照合して寿命診断結果を抽出すると共に、上記電力用コンデンサの充電電流を測定して寿命劣化要因を判定する電力用コンデンサ寿命診断回路とを備えた電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置。
4. 電力用コンデンサ寿命診断回路は、電力用コンデンサの充電電流が所定の目標充電電流を超えている場合に、電力用コンデンサの漏れ電流が大であると判定し、上記充電電流が上記所定の目標充電電流を超えていない場合に、上記電力用コンデンサの等価直列抵抗が大であると判定することを特徴とする請求項３記載の電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置。
5. 電力用コンデンサを充電する電力用コンデンサ充電回路と、
   該電力用コンデンサ充電回路による充電を制御する制御パルスを発生する電力用コンデンサ充電制御回路と、
   予め設定された上記電力用コンデンサの充電時間及び充電電圧の特性並びに各特性に応じた寿命診断結果を記憶し、上記電力用コンデンサの充電開始からの充電時間及び充電電圧を測定し、測定した充電時間及び充電電圧と記憶されている充電時間及び充電電圧の特性を照合して寿命診断結果を抽出すると共に、上記電力用コンデンサ充電制御回路により発生した制御パルスのパルス幅を測定して寿命劣化要因を判定する電力用コンデンサ寿命診断回路とを備えた電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置。
6. 電力用コンデンサ寿命診断回路は、パルス幅が所定の目標のパルス幅を超えている場合に、電力用コンデンサの漏れ電流が大であると判定し、上記パルス幅が上記所定の目標のパルス幅を超えていない場合に、上記電力用コンデンサの等価直列抵抗が大であると判定することを特徴とする請求項５記載の電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置。
7. 電力用コンデンサ充電制御回路は、充電の初期段階に電力用コンデンサへの充電電流が予め設定した基準充電電流になるよう定電流制御を実施し、充電の完了段階に上記電力用コンデンサの充電電圧が予め設定した目標充電電圧に保持されるように定電圧制御を実施することを特徴とする請求項１、請求項３、請求項５のうちのいずれか１項記載の電力用コンデンサ寿命診断機能付き充電装置。
   

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