JP2011050120A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】余分な回路を必要とせずに、簡易な構成により平滑コンデンサの充電時定数を正確に算出することができる電力変換装置を提供することを目的とする。
【解決手段】充電時定数演算部２３は、初期充電完了後のピーク充電電圧の測定値Ｖ₁と、操作設定部２１により予め設定された定格交流電圧Ｖ_RATE(AC)および直流中間電圧が所定の値Ｖ₂まで充電される時間ｔ₁に基づいて採取した初期充電カーブＶとに基づいて、平滑コンデンサ１２の充電時定数τを算出し、寿命判断部２６は、算出した充電時定数τと記憶部２４に記憶した充電時定数初期値τ₀とを比較し、充電時定数τが充電時定数初期値τ₀より所定量以上短くなった場合に、平滑コンデンサ１２の寿命と判断する。
【選択図】図１

Description

この発明は、交流電圧を直流電圧に変換する順変換器と、この直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、この平滑された直流電圧を交流電圧に変換する逆変換器とを備え、平滑コンデンサの充電時定数を演算する機能を備えた電力変換装置に関する。

交流電圧を直流電圧に変換する順変換器と、この直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、この平滑された直流電圧を交流電圧に変換する逆変換器とを備えた電力変換装置において、大容量を必要とする主回路の平滑コンデンサには電解コンデンサを採用するのが一般的である。

この電解コンデンサは、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。このため、電解コンデンサには寿命が規定され、寿命が到来した電解コンデンサは交換する必要があるが、電解コンデンサの劣化を外観から判断するのは困難である。そこで、電解コンデンサの劣化を判断する方法として、例えば、特許文献１に記載された方法が提案されおり、この特許文献１には次の２つの方法が記載されている。
（１）電解コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段を備え、交流主電源の遮断時に電圧検出手段の出力に基づいて放電特性を測定し、この放電特性が予め定められた値の所定範囲外である場合に、電解コンデンサが劣化していると判断する。
（２）電解コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、電解コンデンサの電流を検出する電流検出手段とを備え、電圧検出手段の出力と電流検出手段の出力を入力して交流主電源投入時の充電特性を測定し、この充電特性が予め定められた値の所定範囲外である場合に、電解コンデンサが劣化していると判断する。

特開平３-２６９２６８号公報

しかしながら、特許文献１の上記（１）の方法は、交流主電源遮断時の放電特性を測定しているが、交流主電源を電力変換装置の制御を行う制御装置や電圧検出手段の電源として使用している電力変換装置では、交流主電源の遮断時に制御装置の電源電圧が低下して放電特性の測定途中でリセット電圧に至ることになる。この結果、測定途中で中断したり、演算途中のデータが消失したりするので、電解コンデンサの放電特性を計測することが困難になることがあった。これを防止するためには、例えば制御装置の電源に別系統の電源を用意してバックアップ等の対策が必要であり、コストアップになるという問題があった。

また、特許文献１の上記（２）の方法は、充電特性の測定のために電解コンデンサの電流を検出する電流検出手段が必要であるが、このコンデンサ電流の検出は、入力直流電流を絶縁して検出するために大型で高価な直流電流検出器が必要となる。このため、電力変換装置が大型化するとともに、コストアップになるという問題があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、平滑コンデンサの寿命を判断する際に、制御装置用のバックアップ電源や、大型で高価な直流電流検出器等の余分な回路を必要とせずに、簡易な構成により平滑コンデンサの充電時定数を正確に算出することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、交流電圧を直流電圧に変換する順変換器と、前記直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、該平滑コンデンサにより平滑された直流電圧を交流電圧に変換する逆変換器と、前記直流電圧を検出する電圧検出器とを備えた電力変換装置において、前記平滑コンデンサの初期充電時の初期充電カーブと初期充電完了後のピーク充電電圧測定値とから前記平滑コンデンサの充電時定数を算出する充電時定数演算部を備えるものとする。

また、上記において、前記初期充電カーブは、予め設定された定格交流電圧および前記直流電圧がピーク充電電圧よりも低い所定の値まで充電される時間とから算出するものとする。

また、上記において、当該電力変換装置の初期使用時に算出した前記充電時定数を充電時定数初期値として記憶する記憶部を備えるものとする。
また、上記において、算出した前記充電時定数が前記充電時定数初期値よりも所定量以上短くなった場合に前記平滑コンデンサの寿命と判断する寿命判断部を備えるものとする。

また、上記において、算出した前記充電時定数が前記充電時定数初期値よりも所定量以上短くなったことが複数回連続して発生した場合に前記平滑コンデンサの寿命と判断するものとする。

さらに、上記において、前記寿命判断部が前記平滑コンデンサの寿命と判断した場合に表示または出力するものとする。

この発明によれば、平滑コンデンサの初期充電時の初期充電カーブと初期充電完了後のピーク充電電圧測定値とから前記平滑コンデンサの充電時定数を算出する充電時定数演算部を備えることにより、制御装置用のバックアップ電源や、直流電流検出器を設けることなく、簡易な構成により平滑コンデンサの充電時定数を算出することができ、この結果、電力変換装置に使用される平滑コンデンサの寿命を正確に判断することができる。

この発明の実施の形態を示すブロック図 図１の動作を説明する特性図

図１はこの発明の実施の形態を示す電力変換装置のブロック図であり、図２は直流中間電圧の特性を示す特性図である。
図１において、１１は交流電圧を三相全波整流する三相順変換器であり、ダイオードを三相ブリッジ接続したものである。１２は直流母線間に接続されて三相順変換器１１の出力を平滑する平滑コンデンサであり、通常、電解コンデンサが用いられている。１３は平滑コンデンサ１２の両端の平滑された直流電圧を入力として所望の周波数と電圧とをもつ交流電圧に変換する三相逆変換器であり、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子と還流用ダイオードとの逆並列回路を三相ブリッジ接続したものである。これら三相順変換器１１，平滑コンデンサ１２，三相逆変換器１３により電力変換装置１０の主回路が構成されている。１４は三相順変換器１１と平滑コンデンサ１２との間に接続されて初期充電電流を限流するための充電抵抗、１５は充電抵抗１４に並列に接続されて充電抵抗１４の両端を短絡する短絡用スイッチであり、この充電抵抗１４および短絡用スイッチ１５により初期充電回路を構成している。なお、１６は電源側端子、１７は負荷側端子であり、電源側端子１６には商用電源等の交流電源が接続され、負荷側端子１７には交流電動機等の負荷が接続される。

このような構成において、電力変換装置１０の起動時に不図示の電源投入スイッチがオンされて交流電源が投入されると、交流電源の交流電圧は三相順変換器１１により三相全波整流されて平滑コンデンサ１２を充電するが、交流電源の投入直後は平滑コンデンサ１２に電荷が充電されていないので大きな突入電流が流れる。これを防止するために充電抵抗１４および短絡用スイッチ１５からなる初期充電回路を設けている。電力変換装置１０を起動させるときは、まず短絡用スイッチ１５をオフにしておき、電源投入スイッチをオンすることにより平滑コンデンサ１２に充電抵抗１４を介して抑制された充電電流が流れる。その後、充電電流により平滑コンデンサ１２の両端電圧が所定の電圧に達すると、短絡用スイッチ１５をオンして充電抵抗１４を短絡することにより平滑コンデンサ１２に大きな突入電流が流れるのを抑制している。

また、２１は電力変換装置１０の制御動作に必要な各種のパラメータ等を設定・変更する操作設定部であり、平滑コンデンサ１２の寿命判断の結果を表示する表示部２１ａや不図示の操作部等を備えている。２２は平滑コンデンサ１２の両端電圧、すなわち電力変換装置１０の直流中間電圧を検出する電圧検出部、２３は平滑コンデンサ１２の充電時定数を算出する充電時定数演算部、２４は不揮発性メモリからなる記憶部、２５は充電時間の測定に必要な基準クロックを発生するタイマ、２６は平滑コンデンサ１２の寿命を判断する寿命判断部である。

充電時定数演算部２３は、初期充電完了後のピーク充電電圧の測定値Ｖ₁と、操作設定部２１により予め設定された定格交流電圧Ｖ_RATE(AC)および直流中間電圧がピーク充電電圧よりも低く設定された所定の値Ｖ₂まで充電される時間ｔ₁に基づいて採取した初期充電カーブＶとに基づいて、平滑コンデンサ１２の充電時定数τを算出する。

具体的に説明すると、まず、定格交流電圧Ｖ_RATE(AC)が操作設定部２１により設定されて記憶部２４に記憶される。例えば、定格交流電圧Ｖ_RATE(AC)が５００Ｖの場合、三相入力を三相順変換器１１で三相全波整流した際の直流側の定格直流電圧Ｖ_RATE(DC)は５００×１．３５＝６７５Ｖとなり、全波整流のピーク充電電圧Ｖ_PEAKは５００×√２≒７０７Ｖとなる。一方、図２に示すように、電圧検出器２２の出力に基づいて電源投入スイッチが時間ｔ₀にオンされてから直流中間電圧が所定の値Ｖ₂（例えば８０％）まで充電される時間ｔ₁をタイマ２５から発生される基準クロックに基づいて測定する。また、電圧検出器２２の出力に基づいて短絡用スイッチ１５をオンして充電抵抗１４を短絡した後に、初期充電が完了した時間ｔ₂以降における直流中間電圧のピーク充電電圧測定値Ｖ₁を測定する。

ここで、初期充電中は、Ｖ₃＝６７５×Ｖ₁／７０７へ向けて充電していたと想定できるので、平滑コンデンサ１２の充電時定数をτとおくと測定時の初期充電カーブＶは、
Ｖ＝Ｖ₃（１−exp（−ｔ／τ）） ・・・式１
と表記できる。

また、直流中間電圧が所定の値Ｖ₂（８０％）まで充電する充電時間ｔ₁より式１は、
６７５×０．８＝Ｖ₃（１−exp（−ｔ₁／τ）） ・・・式２
となる。充電時定数演算部２３では、上記式２を変形して平滑コンデンサ１２の充電時定数τを算出することができる。

一方、電力変換装置の初期使用時（一番最初に交流電源を投入した時）に上述に基づいて充電時定数演算部２３で算出した充電時定数τを充電時定数初期値τ₀として記憶部２４に記憶しておく。寿命判断部２６では、充電時定数初期値τ₀を基準値として、次回以降に交流電源を投入するたびに算出した充電時定数τと比較することにより平滑コンデンサ１２の寿命を判断する。

すなわち、寿命判断部２６は、算出した充電時定数τと記憶部２４に記憶した充電時定数初期値τ₀とを比較し、充電時定数τが充電時定数初期値τ₀より所定量以上短くなった場合に、平滑コンデンサ１２の寿命と判断して平滑コンデンサ１２が寿命であることを出力する。このとき、充電時定数τが充電時定数初期値τ₀より所定量以上短くなったことが、複数回連続して発生した場合に平滑コンデンサ１２の寿命と判断するようにすれば、平滑コンデンサ１２の寿命をより正確に判定することができる。

そして、寿命判断部２６が平滑コンデンサ１２の寿命と判断した場合、そのアラーム信号を操作設定部２１の表示部２１ａに送り、平滑コンデンサ１２が寿命であることを使用者に報知する。

以上のように、本発明によれば、初期充電完了後のピーク充電電圧の測定値Ｖ₁と、予め設定された定格交流電圧Ｖ_RATE(AC)および直流中間電圧が所定の値Ｖ₂まで充電される時間ｔ₁に基づいて演算した初期充電カーブＶとに基づいて、平滑コンデンサ１２の充電時定数τを算出するため、コストアップを図ることなく平滑コンデンサ１２の充電時定数τを正確に算出することができる。また、算出した充電時定数τと電力変換装置１０の初期使用時に算出して記憶した充電時定数初期値τ₀とを比較することにより平滑コンデンサ１２の寿命を判断することができる。

１０…電力変換装置、１１…三相順変換器、１２…平滑コンデンサ、１３…三相逆変換器、１４…充電抵抗、１５…短絡用スイッチ、２１…操作設定部、２２…電圧検出部、２３…充電時定数演算部、２４…記憶部、２５…タイマ、２６…寿命判断部。

Claims (6)

1. 交流電圧を直流電圧に変換する順変換器と、前記直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、該平滑コンデンサにより平滑された直流電圧を交流電圧に変換する逆変換器と、前記直流電圧を検出する電圧検出器とを備えた電力変換装置において、
   前記平滑コンデンサの初期充電時の初期充電カーブと初期充電完了後のピーク充電電圧測定値とから前記平滑コンデンサの充電時定数を算出する充電時定数演算部を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記初期充電カーブは、予め設定された定格交流電圧と前記直流電圧がピーク充電電圧よりも低い所定の値まで充電される時間とから算出することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置において、当該電力変換装置の初期使用時に算出した前記充電時定数を充電時定数初期値として記憶する記憶部を備えることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置において、算出した前記充電時定数が前記充電時定数初期値よりも所定量以上短くなった場合に前記平滑コンデンサの寿命と判断する寿命判断部を備えることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、算出した前記充電時定数が前記充電時定数初期値よりも所定量以上短くなったことが複数回連続して発生した場合に前記平滑コンデンサの寿命と判断することを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項３または４に記載の電力変換装置において、前記寿命判断部が前記平滑コンデンサの寿命と判断した場合に表示または出力することを特徴とする電力変換装置。