JP2018004523A - Capacitor state determination device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子機器が備えるコンデンサの交換要否を判定するコンデンサ状態判定装置に関する。 The present invention relates to a capacitor state determination device that determines whether or not to replace a capacitor provided in an electronic device.
従来、鉄道車両等の装置に搭載される電子機器では、電気回路の電源電圧を安定させるために、コンデンサが使用されている。特に、コンデンサとして大きい静電容量が求められる場合にはアルミ電解コンデンサが使用されることが多い。 2. Description of the Related Art Conventionally, in an electronic device mounted on an apparatus such as a railway vehicle, a capacitor is used to stabilize the power supply voltage of an electric circuit. In particular, when a large capacitance is required as a capacitor, an aluminum electrolytic capacitor is often used.
また、装置に搭載される電子機器は、一般的に20〜30年程度使用される。しかし、容量の大きいアルミ電解コンデンサ等のコンデンサの寿命は十数年程度であって、電子機器を構成する他の素子の寿命と比較して短い。したがって、多くの電子機器において一定の期間が経過した際に、コンデンサの交換を行っている。 Moreover, the electronic device mounted in the apparatus is generally used for about 20 to 30 years. However, the lifetime of a capacitor such as an aluminum electrolytic capacitor having a large capacity is about ten years, which is shorter than the lifetime of other elements constituting the electronic device. Therefore, the capacitor is replaced when a certain period of time has passed in many electronic devices.
コンデンサは、使用されている電解液のドライアップによる静電容量の減少、損失角の正接の増大、漏れ電流の増大の程度により、寿命に到達したか、すなわち交換を要するか、判定されている。 Capacitors are judged to have reached the end of their life, i.e., need to be replaced, depending on the degree of decrease in capacitance, increase in loss angle tangent, and increase in leakage current due to dry-up of the electrolyte used. .
具体的には、寿命に到達することが予想される時期に、電子機器の特性を測定する方法がある。例えば、定期的に、電動機を駆動する電力変換部に組み込まれた平滑コンデンサの特性が測定し、測定された特性に基づいて交換の要否を判定する(特許文献1参照)。 Specifically, there is a method of measuring characteristics of an electronic device at a time when it is expected to reach the lifetime. For example, the characteristic of the smoothing capacitor incorporated in the power conversion unit that drives the electric motor is periodically measured, and the necessity of replacement is determined based on the measured characteristic (see Patent Document 1).
また、周囲の温度、湿度、気圧といった環境条件、印加電圧、リプル電流といった電気的条件等からコンデンサの寿命を算出し、交換の要否を判定するという方法がある(非特許文献1参照)。 Further, there is a method in which the life of a capacitor is calculated from environmental conditions such as ambient temperature, humidity, and atmospheric pressure, electrical conditions such as applied voltage and ripple current, and the necessity for replacement is determined (see Non-Patent Document 1).
しかしながら、上述のように電子機器の特性を測定することによってアルミ電解コンデンサが寿命に到達したかを判定する方法においては、電子機器を車両から取り外す手間が掛かるため、車両が搭載している全ての電子機器に対して判定を実施することによって電子機器の稼働率が低下する。また、上述の方法は、電子機器が動作するたびにではなく、所定の点検時期等に行われるため、適切な交換時期に判定がなされるとは限らないという問題があった。 However, in the method for determining whether the aluminum electrolytic capacitor has reached the end of its life by measuring the characteristics of the electronic device as described above, it takes time to remove the electronic device from the vehicle. By performing the determination on the electronic device, the operation rate of the electronic device decreases. In addition, since the above-described method is performed not at every operation of the electronic device but at a predetermined inspection time or the like, there is a problem that the determination is not always performed at an appropriate replacement time.
また、周囲温度や使用時間等の条件から寿命を計算し割り出す方法については、周囲温度や使用時間は個々の機器よって変化するため、実際の劣化進行と計算結果とが合わないという問題があった。 In addition, the method of calculating and calculating the life from conditions such as ambient temperature and usage time has a problem that the actual deterioration progress does not match the calculation result because the ambient temperature and usage time vary depending on the individual equipment. .
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、電子機器が備えるコンデンサの状態を、手間をかけずに随時判定するコンデンサ状態判定装置を提供することにある。 The objective of this invention made | formed in view of this situation is to provide the capacitor | condenser state determination apparatus which determines the state of the capacitor | condenser with which an electronic device is equipped at any time, without taking time and effort.
上述した課題を解決すべく、本発明に係るコンデンサ状態判定装置は、直流電源に並列に接続された、1つ以上の監視対象コンデンサを含むコンデンサ群を等価的に表したコンデンサの両端の電圧であるコンデンサ電圧の、前記直流電源が起動してからの時間変化を取得する制御部と、前記制御部によって取得された、前記監視対象コンデンサの、新製時における時間変化を記憶する記憶部と、を備え、前記制御部は、前記直流電源が起動するたびに、前記コンデンサ電圧の時間変化を取得し、該時間変化と前記記憶部に記憶されている時間変化とに基づいて、前記監視対象コンデンサの交換の要否を判定することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a capacitor state determination device according to the present invention is a voltage across a capacitor equivalently representing a capacitor group including one or more monitored capacitors connected in parallel to a DC power source. A control unit that acquires a time change of the capacitor voltage after the DC power supply is activated, and a storage unit that stores the time change at the time of new production of the monitoring target capacitor acquired by the control unit, The control unit obtains a time change of the capacitor voltage every time the DC power supply is started, and based on the time change and the time change stored in the storage unit, the monitoring target capacitor It is characterized by determining whether or not replacement is required.
本発明によれば、電子機器が備えるコンデンサの状態を、手間をかけずに随時判定することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to determine the state of the capacitor | condenser with which an electronic device is provided at any time, without an effort.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態に係るコンデンサ状態判定装置1の構成例を示す概略図である。図1に示す例では、コンデンサ状態判定装置1は、電源回路2及び監視部3を備える。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a capacitor
電源回路2は、等価回路として、直流電源21、インダクタ22、回路抵抗23、コンデンサ24、及び負荷25を備える。
The power supply circuit 2 includes a
直流電源21は、電源回路2を構成する各種素子に直流の電力を出力する。
The
インダクタ22は、直流電源21に直列に接続される。
The
回路抵抗23は、直流電源21及びインダクタ22に直列に接続される。
The
コンデンサ24は、直流電源21に並列に接続される。また、コンデンサ24は、監視対象コンデンサ241及び非監視対象コンデンサ242から構成されるコンデンサ群である。監視対象コンデンサ241及び非監視対象コンデンサ242は互いに並列に接続される。監視対象コンデンサ241は、電源回路2を構成する他の素子より寿命が短く、そのため、交換時期を判定する対象となる、電子機器内に備えられている1つ以上のコンデンサを等価的にひとつのコンデンサとして表したものである。図1において、監視対象コンデンサ241は、1つのコンデンサとして表されているが、複数のコンデンサが並列又は直列に接続されたものであってもよい。監視対象コンデンサ241を構成する1つ以上のコンデンサは、例えば、アルミ電解コンデンサであるが、交換時期を判定する必要のある任意のコンデンサであってよい。
The
負荷25は、直流電源21から出力され、上述のインダクタ22、回路抵抗23、及びコンデンサ24を介して供給された電力を消費することによって動作する。
The
監視部3は、AD(Analog-to-Digital)変換部31、制御部32、及び記憶部33を備える。
The monitoring unit 3 includes an AD (Analog-to-Digital)
AD変換部31は、コンデンサ24の両端の電圧であるコンデンサ電圧Vcを表すアナログの電気信号を電源回路2から取得してデジタルの電気信号に変換する。
The
制御部32は、特定のプログラムを読出すことにより特定の機能を実行するCPU(Central Processing Unit)等のプロセッサである。本実施形態では、制御部32は、AD変換部31によって変換された電気信号が表すコンデンサ電圧Vcに基づいて、監視対象コンデンサ241について交換の要否を判定する。
The
制御部32は、直流電源21に並列に接続された、1つ以上の監視対象コンデンサ241を含むコンデンサ群を等価的に表したコンデンサ24の両端の電圧であるコンデンサ電圧Vcの、直流電源21が起動してからの時間変化を取得する。具体的には、図2に示すように、AD変換部31によって変換されたデジタルの電気信号に基づいて、コンデンサ電圧Vcが、時刻Tsで電源電圧Vsの定常状態となるまでの、コンデンサ電圧Vcの時間変化を取得する。
The
さらに具体的には、制御部32は、図2に示すような、コンデンサ電圧Vcの時間変化について、コンデンサ電圧Vcが第1の基準電圧Vαに到達した時刻Tαと、第1の基準電圧Vαより高い第2の基準電圧Vβに到達するまでの時刻Tβとの差Tβ―Tαを変化時間ΔTとして算出する。ここで、第1の基準電圧Vαは、直流電源21の電源電圧Vsの20%〜60%であることが好ましい。また、第2の基準電圧Vβは、直流電源21の電源電圧Vsの60%〜80%であることが好ましい。
More specifically, the
一般に、直流電源21が起動してから、コンデンサ電圧Vcが電源電圧Vsで定常状態になるまでの時間は、コンデンサ24の静電容量が大きいほど長いことが知られている。また、上述のとおり、コンデンサ電圧Vcは、監視対象コンデンサ241と非監視対象コンデンサ242との並列接続により構成されるコンデンサ24の電圧であるため、監視対象コンデンサ241と非監視対象コンデンサ242との両方の特性に影響される。しかし、監視対象コンデンサ241は、非監視対象コンデンサ242に比べて大きい静電容量を有するため、コンデンサ電圧Vcへの影響の大半、具体的には電気回路の構成にもよるが約8〜9割程度は、監視対象コンデンサ241の特性によるものである。したがって、本実施形態では、制御部32は、直流電源21が起動してからのコンデンサ電圧Vcの時間変化に基づいて監視対象コンデンサ241の交換の要否を判定する。
In general, it is known that the time from when the
そこで、制御部32は、直流電源21が起動するたびに、コンデンサ電圧Vcの時間変化を取得し、該時間変化と、記憶部33に記憶されている時間変化とに基づいて、監視対象コンデンサ241の交換の要否を判定する。
Therefore, the
具体的には、制御部32は、時間変化として上述のように算出した変化時間ΔTと、記憶部33に記憶されている新製時変化時間ΔT’とに基づいて、監視対象コンデンサ241について交換の要否を判定する。新製時変化時間ΔT’とは、新製時に制御部32によって上述のように算出されたコンデンサ電圧Vcの変化時間である。新製時とは、電源回路2が新たに製造された監視対象コンデンサ241を用いて製造されてから初めて電源回路2が動作したとき、電源回路2が備える監視対象コンデンサ241が新たに製造された監視対象コンデンサ241に交換されてから初めて電源回路2が動作したとき等を表す。
Specifically, the
具体的には、制御部32は、変化時間ΔTが、新製時変化時間ΔT’に0より大きく1より小さい所定の係数を乗じた値未満であるか否かを判定する。そして、制御部32は、変化時間ΔTが新製時変化時間ΔT’に所定の係数を乗じた値未満である場合に、監視対象コンデンサ241は交換の必要があると判定する。また、制御部32は、変化時間ΔTが新製時変化時間ΔT’に所定の係数を乗じた値以上である場合に、監視対象コンデンサ241は交換の必要がないと判定する。
Specifically, the
また、制御部32は、変化時間ΔTと新製時変化時間ΔT’との差が所定の閾値以上であるか否かを判定してもよい。このとき、制御部32は、変化時間ΔTと新製時変化時間ΔT’との差が所定の閾値以上である場合、監視対象コンデンサ241は交換の必要があると判定する。制御部32は、変化時間ΔTと新製時変化時間ΔT’との差が所定の閾値未満である場合、監視対象コンデンサ241は交換の必要がないと判定する。
Further, the
なお、制御部32は、変化時間ΔTと新製時変化時間ΔT’とに基づいて、監視対象コンデンサ241についての交換の要否を判定する方法はこれらの方法に限られず、任意の方法を用いて判定をしてもよい。
The
なお、電源回路2は、インダクタ22を備えるため、コンデンサ電圧Vcが電源電圧Vsに到達した後、アンダーシュートを発生することがある。このとき、いったん上昇したコンデンサ電圧Vcが下降し、第1の基準電圧Vαを下回り、ふたたび上昇して第2の基準電圧Vβに到達すると、制御部32は、直流電源21の起動からコンデンサ24が定常状態に至るまでに変化時間ΔTを複数回、測定することになる。この場合、いずれの変化時間ΔTを新製時変化時間ΔT’と比較するかによって、判定結果が異なり、コンデンサ24についての交換の要否を正確に判定することができないことが懸念される。しかし、本実施形態においては、インダクタ22のインダクタンスは、数十(nH)から数百(nH)とするため、アンダーシュートによって生じる、コンデンサ電圧Vcの降下は微小であり、第1の基準電圧Vαを下回ることはなく、このような問題は生じない。
The power supply circuit 2, since with the
また、監視部3は、AD変換部31及び制御部32を動作させるための、不図示の監視用電源を備える。監視用電源は、監視部3が、電源回路2の直流電源21が起動してからのコンデンサ24の電圧を測定することができるよう、直流電源21が起動する前に起動する。
The monitoring unit 3 includes a monitoring power supply (not shown) for operating the
記憶部33は、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリである。記憶部33は、直流電源21に並列に接続されたコンデンサ電圧Vcの、新製時における、直流電源21が起動してからの時間変化を記憶する。具体的には、制御部32は、監視対象コンデンサ241の新製時に、制御部32によって測定された変化時間ΔTを新製時変化時間ΔT’として記憶する。
The
以上のように、本実施形態によれば、所定の点検時期にではなく、直流電源21が起動するたびに、コンデンサ電圧Vcの時間変化を取得して、該時間変化と、記憶部33に記憶されている時間変化とに基づいて、コンデンサ24の交換の要否を判定するため、適切な時期にコンデンサ24の交換をすることができる。このため、劣化した状態のコンデンサ24を使用し続けたり、まだ劣化していない状態のコンデンサ24を早期に交換する無駄が発生したりするのを防ぐことができる。
As described above, according to this embodiment, rather than to a predetermined inspection time, each time the
なお、本実施形態によれば、制御部32が、AD変換部31によって変換されたデジタル電気信号が表すコンデンサ電圧Vcの時間変化に基づいて、変化時間ΔTを算出したが、例えば、監視部3はAD変換部31及び制御部32の代わりに、図3に示すような比較回路34を備えてもよい。
According to the present embodiment, the
この場合、比較回路34は、第1の比較器341、第2の比較器342、時間計測カウンタ343、及び第3の比較器344を備える。
In this case, the
第1の比較器341には、電源回路2から出力されたコンデンサ電圧Vcが入力される。また、第1の比較器341には、第1の基準電圧Vαが入力される。そして、第1の比較器341は、コンデンサ電圧Vcが第1の基準電圧Vα以上となると、時間計測カウンタ343に時間の計測を開始させるための開始信号を出力する。
The capacitor voltage V c output from the power supply circuit 2 is input to the
第2の比較器342には、電源回路2からの出力されたコンデンサ電圧Vcが入力される。また、第2の比較器342には、第2の基準電圧Vβが入力される。そして、第2の比較器342は、コンデンサ電圧Vcが第2の基準電圧Vβ以上となると、時間計測カウンタ343に時間の計測を停止させるための停止信号を出力する。
The capacitor voltage V c output from the power supply circuit 2 is input to the
時間計測カウンタ343は、第1の比較器341から出力された開始信号が入力されると時間の計測を開始する。また、時間計測カウンタ343は、第2の比較器342から出力された停止信号が入力されると時間の計測を停止する。そして、時間計測カウンタ343は、時間の計測を開始してから停止するまでの時間を変化時間ΔTとして出力する。
The
第3の比較器344には、時間計測カウンタ343から出力された変化時間ΔTが入力される。また、第3の比較器344には、記憶部33から読み出された新製時変化時間ΔT’が入力される。そして、第3の比較器344は、変化時間ΔTと新製時変化時間ΔT’とを比較して、監視対象コンデンサ241の交換の要否を表す判定結果を出力する。ここで、第3の比較器344は、変化時間ΔTが新製時変化時間ΔT’に0より大きく1より小さい所定の係数を乗じた値未満である場合に、監視対象コンデンサ241は交換の必要があるという判定結果を出力する。また、第3の比較器344は、変化時間ΔTが新製時変化時間ΔT’に、0より大きく1より小さい所定の係数を乗じた値以上である場合に、監視対象コンデンサ241は交換の必要がないという判定結果を出力する。
The change time ΔT output from the
また、第3の比較器344は、変化時間ΔTと新製時変化時間ΔT’との差が所定の閾値以上である場合、監視対象コンデンサ241は交換の必要があるという判定結果を出力してもよい。この場合、第3の比較器344は、変化時間ΔTと新製時変化時間ΔT’との差が所定の閾値未満である場合、監視対象コンデンサ241は交換の必要がないという判定結果を出力する。
In addition, the
このように、制御部32の代わりに比較回路34が監視対象コンデンサ241の交換の要否を判定することによって、コンデンサ状態判定装置1は制御部32を構成するCPUを有する必要がなくなる。一般に、CPUの消費電力は大きいため、コンデンサ状態判定装置1がCPUを有さないことによって消費電力を節減することが可能となる。
As described above, the
また、本実施形態においては、制御部32は直流電源21が最後に停止した停止時刻を取得し、記憶部33が制御部32によって取得された停止時刻を記憶してもよい。そして、制御部32は、直流電源21が起動した時刻が、停止時刻から所定の時間以上経過した場合に、監視対象コンデンサ241の交換の要否を判定する。この場合、直流電源21が起動した時刻が、停止時刻から所定の時間以上経過していない場合に、監視対象コンデンサ241の交換の要否を判定しない。
In the present embodiment, the
直流電源21が停止してからコンデンサ24は放電を開始し、所定の時間が経過するとコンデンサ電圧Vcは十分に低くなる。しかし、コンデンサ電圧Vcが十分に低くなる前に、直流電源21が再び起動すると、監視対象コンデンサ241が劣化していなくても上述の変化時間ΔTは小さい値となる。そのため、監視対象コンデンサ241の状態、すなわち、交換の要否を正確に判定することができない。したがって、このような状態では、制御部32は、監視対象コンデンサ241の交換の要否を判定する処理を行わないとすることによって、誤判定を防ぐことが可能となる。
本発明を図面及び実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各ブロック、に含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数のブロックを1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。 Although the present invention has been described based on the drawings and embodiments, it should be noted that those skilled in the art can easily make various changes or modifications based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these variations or modifications are included in the scope of the present invention. For example, the functions included in each block can be rearranged so that there is no logical contradiction, and a plurality of blocks can be combined into one or divided.
コンデンサの劣化または充電状態を監視する用途に適用できる。 It can be used for monitoring the deterioration or charge state of capacitors.
1 コンデンサ状態判定装置
2 電源回路
3 監視部
21 直流電源
22 インダクタ
23 回路抵抗
24 コンデンサ
25 負荷
31 AD変換部
32 制御部
33 記憶部
34 比較回路
241 監視対象コンデンサ
242 非監視対象コンデンサ
341 第1の比較器
342 第2の比較器
343 時間計測カウンタ
344 第3の比較器
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記制御部によって取得された、前記監視対象コンデンサの、新製時における時間変化を記憶する記憶部と、を備え、
前記制御部は、前記直流電源が起動するたびに、前記コンデンサ電圧の時間変化を取得し、該時間変化と前記記憶部に記憶されている時間変化とに基づいて、前記監視対象コンデンサの交換の要否を判定することを特徴とするコンデンサ状態判定装置。 Capacitor voltage, which is the voltage across the capacitors equivalently representing a group of capacitors including one or more capacitors to be monitored, connected in parallel with the DC power supply, and obtains the change over time since the DC power supply was started. A control unit,
A storage unit that stores a time change at the time of new production of the monitored capacitor acquired by the control unit;
The control unit acquires a time change of the capacitor voltage every time the DC power supply is started, and based on the time change and the time change stored in the storage unit, replacement of the monitored capacitor is performed. A capacitor state determination device characterized by determining necessity.
前記制御部は、前記直流電源の起動した後、前記コンデンサ電圧が第1の基準電圧に到達してから第2の基準電圧に到達するまでの変化時間と、前記新製時変化時間とに基づいて前記監視対象コンデンサの交換の要否を判定することを特徴とする請求項1に記載のコンデンサ状態判定装置。 The time change stored by the storage unit is a new product time change time which is a time from when the capacitor voltage reaches the first reference voltage to the second reference voltage in the new product. ,
The control unit is based on a change time until the capacitor voltage reaches the second reference voltage after the capacitor voltage reaches the first reference voltage after the DC power supply is started, and the new time change time. The capacitor state determination apparatus according to claim 1, wherein it is determined whether or not the monitoring target capacitor needs to be replaced.
開始信号が入力されてから停止信号が入力されるまでの時間を計測する時間計測カウンタと、
前記コンデンサ電圧が前記第1の基準電圧以上であると開始信号を前記時間計測カウンタに出力する第1の比較器と、
前記コンデンサ電圧が前記第2の基準電圧以上であると停止信号を前記時間計測カウンタに出力する第2の比較器と、
前記時間計測カウンタによって計測された時間と、前記新製時変化時間とに基づいて前記監視対象コンデンサの交換の要否を判定した判定結果を出力する第3の比較器と、
を備える請求項1又は2に記載のコンデンサ状態判定装置。 The controller is
A time measurement counter that measures the time from when the start signal is input to when the stop signal is input;
A first comparator that outputs a start signal to the time measurement counter when the capacitor voltage is greater than or equal to the first reference voltage;
A second comparator that outputs a stop signal to the time measurement counter when the capacitor voltage is greater than or equal to the second reference voltage;
A third comparator that outputs a determination result of determining whether or not the capacitor to be monitored needs to be replaced based on the time measured by the time measurement counter and the time of change at the time of new product;
The capacitor state determination apparatus according to claim 1 or 2, further comprising:
前記制御部は、前記直流電源が起動した時刻が、前記停止時刻から所定の時間以上経過した場合に、前記監視対象コンデンサの交換の要否を判定し、前記直流電源が起動した時刻が、前記停止時刻から所定の時間以上経過していない場合に、前記監視対象コンデンサの交換の要否を判定しないことを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載のコンデンサ状態判定装置。 The storage unit stores a stop time at which the DC power supply was last stopped,
The control unit determines whether the capacitor to be monitored needs to be replaced when the DC power source is activated when a predetermined time or more has elapsed from the stop time, and the DC power source is activated when the DC power source is activated. 4. The capacitor state determination device according to claim 1, wherein whether or not the monitoring target capacitor needs to be replaced is not determined when a predetermined time or more has not elapsed since the stop time. 5.
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