JP2008172910A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力電圧の変動、インバータ回路の出力変動があった場合でも、正確に電解コンデンサの寿命を検出できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】マイクロプロセッサは、インバータ出力電力の瞬時値の変動幅、インバータ回路の出力電力の平均値、電解コンデンサの端子間の電圧変動幅がそれぞれ予め定められた設定範囲内のときに、電解コンデンサの容量を、電解コンデンサの端子間の平均電圧、電解コンデンサの端子間の電圧変動幅、インバータ回路の出力電力の平均値から演算により求め、得られた電解コンデンサ容量Ｃが予め定められた設定値以下になった時をもって寿命と判断する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に、順変換回路の出力直流電圧を平滑する電解コンデンサの寿命検出装置を備えた電力変換装置に関するものである。

従来の電解コンデンサの寿命検出装置は、電解コンデンサの静電容量の変化に伴い変動する該電解コンデンサのリプル電圧あるいはリプル電流を検出する検出部と、前記検出部により検出されたリプル電圧あるいはリプル電流と所定の寿命判定レベルとを比較する比較部と、前記比較部の出力を判断する判断部とで構成するものである（例えば、特許文献１参照）。

図３は、従来技術を示す電力変換装置の構成図である。
図３において、１は電力変換装置であるインバータ装置、１１は順変換回路であるダイオードブリッジ、１２はインバータ回路、１３は電解コンデンサ、３１は電圧検出器、３２は比較器、３３は寿命判定レベル生成部、３４はＡＮＤ回路、３５は電源条件判定部である。
以下、図３を用いて、従来技術による電解コンデンサの寿命検出装置を備えた電力変換装置の動作を説明する。
電力変換装置１の主回路直流電圧である平滑用の電解コンデンサ１３の端子電圧はリプル電圧を含むものであって、電解コンデンサ１３の劣化、すなわち静電容量の減少に伴ってリプル電圧が増加し、変動が激しいものとなる。電解コンデンサ１３の端子電圧は、電圧検出器３１によって検出され、比較器３２において寿命判定レベル生成部３３で生成された判定レベルと比較される。電解コンデンサ１３の劣化のみ検出するため、比較器３２の出力信号である寿命検出信号は他の測定条件信号とＡＮＤ回路３４において論理積をとり、その出力をＣＰＵ等の処理装置に送出することにより、電解コンデンサ１３の寿命検出が行われる。

このように、従来の電力変換装置における電解コンデンサの寿命検出装置では、静電容量の減少に伴い増加する電解コンデンサ端子間のリプル電圧と寿命判定レベルを比較して、寿命検出を行っている。
特開平０７−２２２４３６号公報（第５−７頁、第１図）

しかしながら、電解コンデンサの端子電圧は、電解コンデンサの静電容量の他に、入力電圧とインバータ負荷にも依存する。したがって、従来の方法では、入力電圧やインバータ負荷が変動した場合は、正確に寿命を検出できないという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、入力電圧やインバータ負荷が変動した場合でも正確に電解コンデンサの寿命を検出できる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、交流電源を入力し直流電圧に変換する順変換回路と、前記順変換回路の出力直流電圧を平滑する電解コンデンサと、前記直流出力電圧を交流に変換するインバータ回路と、前記電解コンデンサの両端の電圧を検出する電圧検出部と、前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出部と、前記電圧検出部で検出した電圧または前記電流検出部で検出した電流に基づいて前記電解コンデンサの寿命を判定するマイクロプロセッサと、を備えた電力変換装置において、前記マイクロプロセッサは、前記交流電源の電源周期をｎ分割し、前記電源周期１周期分の前記電圧検出部の電圧検出値、前記電流検出部の電流検出値、前記インバータ回路の電圧指令値を記憶し、前記ｎ分割して得られたｎ個の前記電圧検出値から前記電解コンデンサの端子間の平均電圧と前記電解コンデンサの端子間の電圧変動幅を演算し、前記ｎ分割して得られた各々ｎ個の前記電流検出値、前記電圧指令値から前記インバータ回路の出力電力の瞬時値と前記インバータ回路の出力電力の平均値を演算し、前記電圧変動幅、前記出力電力の瞬時値、前記出力電力の平均値がそれぞれ予め定められた範囲以内の値である時に、前記平均電圧、前記電圧変動幅、前記出力電力の平均値から前記電解コンデンサの容量を求め、前記電解コンデンサの容量と予め定められた設定値とを比較し、前記電解コンデンサの容量が前記設定値より小さくなった時をもって前記電解コンデンサの寿命であると判断し寿命検出することを特徴とするものである。

本発明によると、電力変換装置のマイクロプロセッサは、電解コンデンサの端子間の電圧変動幅、インバータ回路の出力電力の瞬時値、インバータ回路の出力電力の平均値がいずれも設定範囲内のときに、インバータ回路平均電圧、インバータ回路電圧変動幅、インバータ回路の出力電力の平均値から電解コンデンサの容量を求め、得られた電解コンデンサの容量が予め定められた設定値以下になった時をもって寿命と判断して寿命検出するようにしているので、入力電圧やインバータ負荷が変動した場合でも正確に電解コンデンサの寿命を検出することができる。

以下、本発明の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は、本発明を示す電力変換装置の構成図である。
図１において、２１は電圧検出部、２２は電流検出部、２３はマイクロプロセッサである。なお、図３と同じ説明符号のものは、図３と同じ構成要素を示しているものとし、その説明は省略する。
本発明が従来技術である図３と異なる点は、本発明の電力変換装置は電圧検出部２１から得られる電解コンデンサ１３の端子間電圧と電流検出部２２から得られる各相の電流の情報をマイクロプロセッサ２３に取込むようにしている点である。

まず、電解コンデンサ１３の容量と電解コンデンサ１３の端子間の平均電圧、電解コンデンサ１３の端子間の電圧変動分、インバータ回路１２の出力電力（以降、インバータ出力電力と称す）の平均値の関係を説明する。
インバータ出力電力の平均値をＰａｖ、電解コンデンサ１３の端子間の平均電圧をＶａｖ、電解コンデンサ１３の端子間の電圧変動分をΔＶ、電解コンデンサ１３の容量をＣとすると次式が成立する。ここで、ａ、ｂ、ｃ、ｄは定数である。

したがって、電解コンデンサ１３の容量Ｃは次式で求めることができる。

つまり、Ｐａｖ、Ｖａｖ、ΔＶが分かれば、Ｃを推定できる。

次に、Ｖａｖ、ΔＶの求め方を説明する。Ｖａｖ、ΔＶは、電源１周期をｎ（ｎは整数）分割して得られる電解コンデンサ１３の端子間電圧ｖｉ（ｉ＝０、１、・・・、ｎ−１）から、次の計算で求めることができる。ここで、ｋは電源の相数で異なり、三相の場合は、ｋ＝６、単相の場合は、ｋ＝２である。

次に、Ｐａｖの求め方を説明する。各相の電圧指令の瞬時値をｖｕ、ｖｖ、ｖｗ、各相の電流の瞬時値をｉｕ、ｉｖ、ｉｗとすれば、インバータ出力電力の瞬時値ｐとインバータ出力電力の平均値Ｐａｖは次式で求めることができる。

図２は本発明の電力変換装置におけるマイクロプロセッサの電解コンデンサの寿命を検出する処理手順を示すフローチャートである。
以下、図２を用いて本発明の電力変換装置１におけるマイクロプロセッサ２３が、電解コンデンサ１３の寿命を検出する処理方法について、手順（ステップ）を追って説明する。
はじめに電源周期１周期をｎ分割して得られる電源周期１周期分の各データ、すなわち各相の電圧指令の瞬時値ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ、電圧検出部２１で検出した電解コンデンサ１３の端子間電圧ｖｉ、電流検出部２２で検出した各相の電流の瞬時値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを記憶する（ステップＳＴ１）。
次に、インバータ出力電力の瞬時値ｐを計算し、記憶する（ステップＳＴ２）。
次に、インバータ出力電力の瞬時値の変動幅が予め設定された値Ａより大きいか小さいかを判断し、インバータ出力電力の瞬時値の変動幅が大きいときは、再度、ステップＳＴ１に戻りデータを取り直す（ステップＳＴ３）。インバータ出力電力の瞬時値の変動幅が小さいときは、インバータ出力電力の平均値Ｐａｖ、電解コンデンサ１３の端子間の平均電圧Ｖａｖ、電解コンデンサ１３の端子間の電圧変動幅ΔＶを式（３）乃至（８）を用いて演算する（ステップＳＴ４）。
次に、インバータ出力電力の平均値Ｐａｖが予め定められた設定範囲（Ａ１〜Ａ２）の範囲外か判断し、設定範囲外の時は、ステップＳＴ１に戻ってデータを取り直す（ステップＳＴ５）。
次に、電解コンデンサ１３の端子間の電圧変動幅ΔＶが予め定められた設定範囲（Ｂ１〜Ｂ２）の範囲外か判断し、設定範囲外の時は、ステップＳＴ１に戻ってデータを取り直す（ステップＳＴ６）。インバータ出力電力の平均値と電解コンデンサ１３の端子間の電圧変動幅が設定範囲内の時は電解コンデンサ１３の容量Ｃを式（２）を用いて演算し、記憶する（ステップＳＴ７）。
最後に、ステップＳＴ７で求めた電解コンデンサ１３の容量Ｃが予め定められた設定値Ｃ１以下か判断し（ステップＳＴ８）、電解コンデンサ容量Ｃが設定値Ｃ１以下になった時をもって電解コンデンサ１３が寿命と判断し寿命検出する（ステップＳＴ９）。

以上述べたように、本発明の電力変換装置１におけるマイクロプロセッサ２３は、インバータ出力電力の瞬時値の変動幅、インバータ回路１２の出力電力の平均値、電解コンデンサの端子間１３の電圧変動幅がそれぞれ予め定められた設定範囲内のときに、電解コンデンサ１３の容量を、電解コンデンサ１３の端子間の平均電圧、電解コンデンサの端子間１３の電圧変動幅、インバータ回路１２の出力電力の平均値から式（２）の演算により求め、得られた電解コンデンサ容量Ｃが予め定められた設定値Ｃ１以下になった時をもって寿命と判断することにより電解コンデンサ寿命を検出するようにしているので、入力電源の電圧やインバータの負荷が変動した場合でも正確かつ確実に電解コンデンサ１３の寿命を検出することができるのである。また、Ｖａｖ、ΔＶは既設の電圧検出部から得られ、Ｐａｖは既設の電流検出部と電圧指令から計算できるため、ハードを追加することなくソフトによるマイクロプロセッサ２３の演算のみで電解コンデンサ１３の寿命をオンラインで検出できる。

本発明はインバータ装置に限らず、交流電源を入力し直流電圧に変換する順変換回路と、この順変換回路の出力直流電圧を平滑する電解コンデンサと、直流出力電圧を交流に変換するインバータ回路と、を備えたサーボ装置などの電力変換装置に広く適用が可能である。

本発明を示す電力変換装置の構成図 本発明の電力変換装置におけるマイクロプロセッサが電解コンデンサの寿命を検出する処理手順を示すフローチャート 従来技術を示す電力変換装置の構成図

符号の説明

１ 電力変換装置
１１ 順変換回路
１２ インバータ回路
１３ 電解コンデンサ
２１ 電圧検出部
２２ 電流検出部
２３ マイクロプロセッサ
３１ 電圧検出器
３２ 比較器
３３ 寿命判定レベル生成部
３４ ＡＮＤ回路
３５ 電源条件判定部

Claims (1)

1. 交流電源を入力し直流電圧に変換する順変換回路（１１）と、
   前記順変換回路（１１）の出力直流電圧を平滑する電解コンデンサ（１３）と、
   前記直流出力電圧を交流に変換するインバータ回路（１２）と、
   前記電解コンデンサ（１３）の両端の電圧を検出する電圧検出部（２１）と、
   前記インバータ回路（１２）の出力電流を検出する電流検出部（２２）と、
   前記電圧検出器（２１）で検出した電圧または前記電流検出器（２２）で検出した電流に基づいて前記電解コンデンサの寿命を判定するマイクロプロセッサ（２３）と、
   を備えた電力変換装置において、
   前記マイクロプロセッサ（２３）は、
   前記交流電源の電源周期をｎ分割（ｎは整数）し、
   前記電源周期１周期分の前記電圧検出部（２１）の電圧検出値、前記電流検出部（２２）の電流検出値、前記インバータ回路（１２）の電圧指令値を記憶し、
   前記ｎ分割して得られたｎ個の前記電圧検出値から前記電解コンデンサ（１３）の端子間の平均電圧（Ｖａｖ）と前記電解コンデンサ（１３）の端子間の電圧変動幅（ΔＶ）を演算し、
   前記ｎ分割して得られた各々ｎ個の前記電流検出値、前記電圧指令値から前記インバータ回路（１２）の出力電力の瞬時値（ｐ）と前記インバータ回路（１２）の出力電力の平均値（Ｐａｖ）を演算し、
   前記電圧変動幅（ΔＶ）、前記出力電力の瞬時値（ｐ）、前記出力電力の平均値（Ｐａｖ）がそれぞれ予め定められた範囲以内の値である時に、前記平均電圧（Ｖａｖ）、前記電圧変動幅（ΔＶ）、前記出力電力の平均値（Ｐａｖ）から前記電解コンデンサ（１３）の容量を求め、
   前記電解コンデンサ（１３）の容量と予め定められた設定値とを比較し、
   前記電解コンデンサ（１３）の容量が前記設定値より小さくなった時をもって前記電解コンデンサ（１３）の寿命であると判断し寿命検出することを特徴とする電力変換装置。