JP2013206908A - 高圧フィルムコンデンサ異常検出装置とその検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】破損プロセスの早い時期に異常を検知して、外形変形や破裂に至る前に異常による危険を未然に防止する。
【解決手段】高圧フィルムコンデンサの出力電圧を高圧プローブ１６１で検出し、サンプルホールド回路１６２，１６３にて高圧パルスの立ち上がり時の第１のタイミングとそれから一定時間経過後の第２のタイミングで検出電圧のレベルをそれぞれで取得し、差動増幅器１６４により第１及び第２のタイミングそれぞれのホールド電圧の差分電圧を生成し、コンパレータ１６５により前記差分電圧を予め決められた閾値と比較して閾値を超えるとき異常と判定する。
【選択図】図１

Description

本実施形態は、クライストロン等を駆動するＰＦＮ（Pulse Forming Network）を有する高圧パルス電源において使用される高圧フィルムコンデンサの異常検出装置とその検出方法に関する。

一般に、高圧パルス電源にあっては、高圧パルス電力の生成にＰＦＮが用いられる。このＰＦＮでは、インダクタとキャパシタによるＬＣ回路が、π√ＬＣのパルスを比較的簡単に生成できることから多用されている。

ところで、ＰＦＮ用のコンデンサは、その周波数特性の良さからフィルムコンデンサが使われることが多いが、高圧大電流の高いストレスにさらされる。すなわち、高圧フィルムコンデンサは、印加電圧が高圧であるかゆえに、その故障モードとしてコロナ放電、絶縁抵抗の劣化、発熱を伴い、外形の変形、破裂に至ることもある。これら万一の故障を検出する方法は、外形の変形を目視によって見つけるしかないのが現状である。

特開２００４−３５０３３８号公報

以上のように、ＰＦＮ用のように高圧大電流の高いストレスにさらされる高圧フィルムコンデンサの故障を検出するためには、外形の変形を目視によって見つけるしかなく、検出に熟練を要している。

本実施形態の目的は、高圧フィルムコンデンサの故障を客観的な手法で容易に検出することができ、破損プロセスの早い時期に検知して、外形変形や破裂に至る前に異常による危険を未然に防止することのできる高圧フィルムコンデンサ異常検出装置とその検出方法を提供することにある。

本実施形態は、高圧パルス電源に用いられ、充放電により出力電圧を生成する高圧フィルムコンデンサの異常を検出する高圧フィルムコンデンサ異常検出装置において、前記出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記高圧フィルムコンデンサの充電電圧が設定電圧に到達した時に前記検出電圧のレベルをサンプルホールドする第１のサンプルホールド手段と、前記設定電圧の到達時から一定期間経過後に前記検出電圧のレベルをサンプルホールドする第２のサンプルホールド手段と、前記第１及び第２のサンプルホールド手段それぞれのホールド電圧の差分電圧を生成する差分電圧生成手段と、前記差分電圧を予め決められた閾値と比較して閾値を超えるとき異常と判定する異常判定手段とを具備することによって、問題の解決を図る。

また、本実施形態は、高圧パルス電源に用いられ、充放電により出力電圧を生成する高圧フィルムコンデンサの異常を検出する高圧フィルムコンデンサ異常検出方法において、前記出力電圧を検出し、前記高圧フィルムコンデンサの充電電圧が設定電圧に到達した時の第１のタイミングとそれから一定時間経過後の第２のタイミングで前記検出電圧のレベルをサンプルホールドし、前記第１及び第２のタイミングそれぞれのホールド電圧の差分電圧を生成し、前記差分電圧を予め決められた閾値と比較して閾値を超えるとき異常と判定する態様とする。

本実施形態の構成によれば、高圧フィルムコンデンサの絶縁抵抗の低下を故障の前兆として捉え、パルス毎に高圧フィルムコンデンサの絶縁抵抗を監視し、事前に設定した閾値を超えたとき高圧パルス電源をシャットダウンするようにしている。

したがって、上記構成によれば、高圧フィルムコンデンサの故障を客観的な手法で容易に検出することができ、破損プロセスの早い時期に異常を検知して、外形変形や破裂に至る前に異常による危険を未然に防止することのできる高圧フィルムコンデンサ異常検出装置とその検出方法を提供することができる。

実施形態に係る高圧フィルムコンデンサ異常検出装置の構成を示すブロック図。 図１に示す異常検出回路の異常検出時の等価回路を示す回路図。 図２に示すＰＦＮコンデンサ端子電圧について正常時と異常時を比較して示す波形図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は実施形態に係る高圧フィルムコンデンサ異常検出回路の構成を示すブロック図である。図１において、ＰＦＮ回路１１は、インダクタＬとキャパシタＣによるＬＣ回路で構成され、キャパシタＣには高圧フィルムコンデンサが用いられる。このＰＦＮ回路１１には、定電流出力の充電電源１２からスイッチ１３及びダイオード１４を介して充電電流が供給される。ＰＦＮ回路１１に蓄積された電力は高圧パルス生成回路１５に送られ、高圧パルス生成に供される。

上記構成によるＰＦＮ回路１１に対して、実施形態の異常検出回路１６は、ＰＦＮ回路１１の出力端間に高圧プローブ１６１を接続し、当該高圧プローブ１６１で得られたＰＦＮ分圧電圧Ｖpfn を第１及び第２のサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ）１６２，１６３に入力する。第１のサンプルホールド回路１６２は入力電圧をｔ＝０（設定電圧到達時）のときのタイミングでサンプリングし、第１のサンプルホールド回路１６３は入力電圧をｔ＝ｔ1 （設定電圧到達時からｔ1 経過後）のときのタイミングでサンプリングする。それぞれのサンプルホールド出力は差動増幅器１６４に入力されて両者の差分電圧が取り出される。この差分電圧はコンパレータ１６５に送られ、事前に設定された閾値と比較される。ここで、差分電圧が閾値を超える場合には、異常と判定して出力遮断の指示信号を送り、差分電圧が閾値に満たない場合には、異常なしと判定する。

図２に上記構成に異常検出時の等価回路を示す。ここで、Ｒd は高圧プローブ１６１の直流抵抗、Ｒt は高圧パルス生成回路１５のブリーダ抵抗、Ｒc はＰＦＮ用高圧フィルムコンデンサ（以下、ＰＦＮコンデンサ）Ｃpfn の絶縁抵抗、Ｒcx はＰＦＮコンデンサの異常時絶縁抵抗Ｃpfn を示す。

図２において、通常時、充電電源（定電流電源）１４より高圧フィルムコンデンサＣpfn に充電する。ここで、充電電圧が予め設定した電圧Ｖpfn に到達した時点をｔ＝０とし、この時点でスイッチ１３をオフするものとする。

図３にＰＦＮコンデンサ端子電圧を示す。ｔ＝０以降は、コンデンサＣpfn の充電電荷は、Ｒd //Ｒt //Ｒc //Ｒcx を介して放電される。そのときのＣpfn の端子電圧は、Ｖpfn ＝設定値を初期値として垂下する。

ΔＶpfn ＝Ｉd ・ｔ/Ｃpfn …(1)
ここで、Ｉd ≒Ｖpfn /(Ｒd //Ｒt //Ｒc //Ｒcx )
正常時は、Ｒcx ＝∞，Ｒc ＞Ｒd ＞Ｒt 、故にＩd ≒Ｖpfn /Ｒt
異常時は、Ｒc ＞Ｒd ＞Ｒcx となると仮定するとＩd ≒Ｖpfn /Ｒcx
上記(1)式より、ｔ＝ｔ1 後の垂下電圧ΔＶpfn＞任意設定値となるＲcx を異常検出用の閾値とする。

すなわち、図１に示した異常検出回路１６では、Ｖpfn 分圧電圧（高圧プローブ出力）は２つのサンプルホールド回路１６２，１６３に入力される。一方のサンプルホールド回路１６２は、ｔ＝０の時のＶpfn 分圧電圧を出力し、他方のサンプルホールド回路１６３は、ｔ＝ｔ1 のときのＶpfn 分圧電圧を出力する。後段の差動増幅器１６４により、そのときの差電圧すなわちΔＶpfn に比例した電圧を出力し、終段のコンパレータ１６５により事前設定閾値と比較し、出力する。閾値を超えたとき異常と判断し、高圧系出力をオフにする。

上記構成によれば、異常検出回路１６が機能することにより、高圧フィルムコンデンサの絶縁抵抗劣化状態をパルス毎に監視するようにしているので、破損プロセスの早い時期に異常を検知することができ、外形変形や破裂に至る前に異常による危険を未然に防止することができる。

尚、上記実施形態はそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせでもよい。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１…ＰＦＮ回路、１２…充電電源、１３…スイッチ、１４…ダイオード、１５…高圧パルス生成回路、１６…異常検出回路、１６１…高圧プローブ、１６２，１６３…第１及び第２のサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ）、１６４…差動増幅器、１６５…コンパレータ。

Claims (3)

1. 高圧パルス電源に用いられ、充放電により出力電圧を生成する高圧フィルムコンデンサの異常を検出する高圧フィルムコンデンサ異常検出装置において、
   前記出力電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記高圧フィルムコンデンサの充電電圧が設定電圧に到達した時に前記検出電圧のレベルをサンプルホールドする第１のサンプルホールド手段と、
   前記設定電圧の到達時から一定期間経過後に前記検出電圧のレベルをサンプルホールドする第２のサンプルホールド手段と、
   前記第１及び第２のサンプルホールド手段それぞれのホールド電圧の差分電圧を生成する差分電圧生成手段と、
   前記差分電圧を予め決められた閾値と比較して閾値を超えるとき異常と判定する異常判定手段と
   を具備することを特徴とする高圧フィルムコンデンサ異常検出装置。
2. 前記高圧パルス電源はインダクタ及びキャパシタによるＰＦＮ（Pulse Forming Network）を備え、
   前記高圧フィルムコンデンサは、前記ＰＦＮのキャパシタであることを特徴とする請求項１記載の高圧フィルムコンデンサ異常検出装置。
3. 高圧パルス電源に用いられ、充放電により出力電圧を生成する高圧フィルムコンデンサの異常を検出する高圧フィルムコンデンサ異常検出方法において、
   前記出力電圧を検出し、
   前記高圧フィルムコンデンサの充電電圧が設定電圧に到達した時の第１のタイミングとそれから一定時間経過後の第２のタイミングで前記検出電圧のレベルをサンプルホールドし、
   前記第１及び第２のタイミングそれぞれのホールド電圧の差分電圧を生成し、
   前記差分電圧を予め決められた閾値と比較して閾値を超えるとき異常と判定することを特徴とする高圧フィルムコンデンサ異常検出方法。

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