JP2020079744A - コンデンサ温度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサの内部みなし温度を精度良く、かつ、簡単に求める。
【解決手段】交流電力を直流変換し、コンデンサで電流を平滑してモータを駆動するモータ駆動装置に搭載されるコンデンサ温度測定装置において、前記コンデンサ温度測定装置は、前記コンデンサの少なくとも１本の端子が接続された基板の導電パターン温度または導電パターンの周囲温度を温度センサにより検出温度として検出するパターン温度検出部と、前記検出温度とコンデンサ内部の内部温度上昇値との差分値或いは差分率を記憶しておく差分値データ記憶部と、前記差分値データ記憶部に記憶された差分値データにより前記検出温度を補正して、前記コンデンサ内部みなし温度を求めるコンデンサ内部温度算出部と、を有することを特徴とするコンデンサ温度測定装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、コンデンサの温度測定技術に関する。

例えば、サーボアンプ内の寿命部品に主回路電源の平滑用電解コンデンサがある。
例えば、コンデンサ寿命は、使用環境（周囲温度）とサーボモータの運転状態によるコンデンサ内部の温度上昇値に依存する。
従来、コンデンサのリップル電流をサーボモータ運転速度、サーボモータ供給電流、電圧から求める出力電力値と系統インピーダンスより推定し、その推定したリップル電流値からコンデンサ内部の温度上昇値を算出し、寿命推定する技術がある。

国際特許公開２０１３／１８３１１８号公報

しかしながら、特許文献１のような技術を用いると、電解コンデンサの内部温度上昇値を推定するために、電解コンデンサのリップル電流を正確に算出する必要がある。
リップル電流の算出には、複数の情報取得と複雑な計算が要求されるため、処理が複雑になる。従って、例えば、高速処理プロセッサや高精度のセンサが必要である。
本発明は、コンデンサの内部温度を精度良く、かつ、簡単に求めることを目的とする。

本発明の一観点によれば、交流電力を直流変換し、コンデンサで電流を平滑してモータを駆動するモータ駆動装置に搭載されるコンデンサ温度測定装置において、前記コンデンサ温度測定装置は、前記コンデンサの少なくとも１本の端子が接続された基板の導電パターン温度または導電パターンの周囲温度を温度センサにより検出温度として検出するパターン温度検出部と、前記検出温度とコンデンサ内部の内部温度上昇値との差分値或いは差分率を記憶しておく差分値データ記憶部と、前記差分値データ記憶部に記憶された差分値データにより前記検出温度を補正して、前記コンデンサ内部みなし温度を求めるコンデンサ内部温度算出部と、を有することを特徴とするコンデンサ温度測定装置が提供される。

前記コンデンサ温度測定装置は、前記モータの運転状態を判定するモータ状態判定部と、前記コンデンサ内部みなし温度を算出する際の基準となる基準温度を記憶する基準温度記憶部と、を有し、前記コンデンサ内部温度算出部の補正は、前記モータ状態判定部により、前記モータが運転を開始していると判定された場合、前記検出温度から前記基準温度を減算して前記コンデンサの温度上昇値を求め、前記基準温度、前記温度上昇値、前記検出温度、前記差分値データを基に、前記コンデンサ内部みなし温度を算出することが好ましい。

前記コンデンサ温度測定装置は、前記モータの運転を停止してから前記コンデンサ内部温度と前記検出温度とが一致するまでの時間を記憶する温度一致時間記憶部を有し、前記モータ状態判定部は、前記モータが運転していないと判定した場合、前記モータの運転停止からの経過時間を求め、前記経過時間が前記温度一致時間を経過している場合には、前記検出温度を前記基準温度および前記コンデンサ内部みなし温度とし、前記経過時間が前記温度一致時間を経過していない場合には、前記検出温度を前記コンデンサ内部温度算出部における前記補正を行うことで得られた温度を前記コンデンサ内部みなし温度とすることが好ましい。

本発明によれば、電解コンデンサの内部温度を精度良く、かつ、簡単に求めることができる。

本発明の一実施の形態による電解コンデンサの内部温度測定原理を示す原理図である。 本実施の形態による電解コンデンサの内部温度測定処理部の機能ブロック図である。 コンデンサ内部温度の算出処理のうち、事前準備における温度一致時間のデータ化の原理を示す図である。 本実施の形態による電解コンデンサの内部温度を求める処理の流れの一例を示すフローチャート図である。 温度算出シーケンス（手順）の一例を示すタイミングチャート図である。

本明細書において、真の（実際に測定した）電解コンデンサの内部温度と、演算により推測した電解コンデンサの内部みなし温度と、を区別して記載する。すなわち、直接測定していない、演算により推定値として求めた電解コンデンサ内部温度を「電解コンデンサ内部みなし温度」と称し、実際の電解コンデンサ内部温度と区別する。
また、周囲温度とは、コンデンサの周囲の環境温度である。
基準温度とは、電解コンデンサの内部みなし温度を算出する際の基準となる温度である。基準温度は、モータの運転状況などに依存して随時更新される。
以下に、本発明の一実施の形態による電解コンデンサの内部温度測定技術について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態による電解コンデンサの内部温度測定原理を示す原理図である。図１に示すように、電解コンデンサ１は、基板に実装されている。例えば、実装構造Ａにおける電解コンデンサ１は、プリント基板３の一面に取り付けられている。プリント基板３の他面には、第１の基板パターン５ａと、それとは電気的にも物理的にも分離された第２の基板パターン５ｂとが設けられている。

第１の基板パターン５ａと電解コンデンサ１から延びる電解コンデンサ端子１ａが電気的に接続されており，第２の基板パターン５ｂと電解コンデンサ１から延びる電解コンデンサ端子１ｂが電気的に接続されている。第１の基板パターン５ａと第２の基板パターン５ｂとのそれぞれには、例えば、第１の温度センサ７ａと第２の温度センサ７ｂとが設けられている。

上記の構成により、電解コンデンサ端子１ａ，１ｂ近傍の基板パターン５ａ，５ｂの周囲温度（以下、「検出温度」と称する。）を測定し、検出温度に基づいて、求めたい対象である電解コンデンサの内部温度を求める。電解コンデンサの内部温度は、理論的には素子の中心の温度である。

尚、本実施の形態では、温度センサを２本の端子にそれぞれ設けたが、温度センサを片方の端子のみに取り付けても良い。

電解コンデンサ１は、プリント基板３に実装されており、電解コンデンサ端子１ａ，１ｂと第１の基板パターン５ａと第２の基板パターン５ｂとが接触している。電解コンデンサ１内部から、温度センサ７ａ，７ｂにより温度測定する位置までの間には、熱伝導率が高い金属が使われているため、理論的には、電解コンデンサ端子の温度により、正確な電解コンデンサの内部温度を求めることができるはずである。

発明者は、電解コンデンサ１や基板パターン５ａ，５ｂなどからの放熱等により、求めたいコンデンサの内部温度と、実際に測定することができる検出温度との間に差分値が発生することに着目した。

表１は、モータの運転による電解コンデンサ内部温度の上昇値に対する差分値を示した一例を示す表である。表１に示すように、モータの運転により電解コンデンサ内部温度が上昇すると、その温度上昇値（℃）に対応して差分値（℃）が変化する。また、差分値の大きさはコンデンサ内部温度上昇値に依存する。また、コンデンサの内部温度上昇値は、モータの運転状況に依存して変化する。

本実施の形態においては、予め行う試験等により、表１に示すような、電解コンデンサ内部温度とパターン温度（検出温度）とを測定し、電解コンデンサの内部温度と実際に測定することができる検出温度との値の温度差（差分値）を確認しておく。そして、電解コンデンサ内部温度と検出温度との差分値（或いは差分率）をパラメータ化しておく。この差分値（差分率）を電解コンデンサ内部温度の算出に使用することで電解コンデンサの内部みなし温度を精度良く推定することができる。

図２は、本実施の形態による電解コンデンサ内部温度測定処理部の機能ブロック図である。図２には、電解コンデンサの基本回路の構成例も併せて示すことで、電解コンデンサ内部温度測定機能を備えたサーボアンプＢの構成例を示している。

図２の上方の図は、サーボモータ８を３相交流電源等のＡＣ電源１１により駆動する構成を示す回路図であり、図２の下方の図は、電解コンデンサ１の内部温度測定処理部２１の一構成例を示す機能ブロック図である。電解コンデンサ１の内部温度測定処理部２１は、例えば、コンピュータなどを用いたソフトウェア処理により実現することができる。

図２に示す回路においては、３相交流電源１１を、例えばダイオード１５ａを有するＡＣ／ＤＣコンバータ回路１５により全波整流することで直流変換する。この直流電圧を電解コンデンサ１により平滑化し、例えばトランジスタ１７ａを有するインバータ回路１７により交流電圧に変換してサーボモータ８を駆動する。

より詳細に例示的に説明すると、サーボアンプＢは、系統電源の交流電力を全波整流により直流電力へ変換し正極と負極の直流母線間に出力するＡＣ／ＤＣコンバータ回路１５と、基板上に実装され、正極と負極の直流母線間の母線電圧をそれに含まれるリップル成分を取り除いて平滑化する電解コンデンサ１と、電解コンデンサ１が安定化形成する母線電圧を制御信号に従ってスイッチングして交流電圧へ変換しサーボモータ８を駆動する交流電力を生成するインバータ回路１７と、を有する。

図１にも示したように、電解コンデンサ１の電解コンデンサ端子１ａ，１ｂの温度を測定する第１の温度センサ７ａと第２の温度センサ７ｂにより、端子の温度を測定する。

電解コンデンサの内部温度測定処理部２１は、パターン温度検出部２１−１と、差分値データ記憶部２１―２と、コンデンサ内部温度算出部２１−３と、モータ状態判定部２１−４と、基準温度記憶部２１−５と、温度一致時間記憶部２１−６と、を有している。

パターン温度検出部２１−１は、第１の温度センサ７ａと第２の温度センサ７ｂとから、第１の基板パターン５ａと第２の基板パターン５ｂの温度を検出する。以下では、第１の基板パターン５ａと第２の基板パターン５ｂの温度は同じとして、一括して基板パターン温度と称する。差分値データ記憶部２１―２は、予め、実際に測定した電解コンデンサの真の内部温度と、基板パターン５ａ，５ｂの測定温度、すなわち、検出温度との差分値（或いは差分率）をパラメータ化して記憶しておく例えばメモリである。

尚、以下において、検出温度（基板パターン温度）とコンデンサ内部温度とが一致する温度を「基準温度」と称する。

コンデンサ内部温度算出部２１−３は、モータ状態判定部２１−４が取得したサーボモータ８のオン／オフ状態を参照し、パターン温度検出部２１−１が求めた基板パターン温度と、差分値データ記憶部２１―２の差分値データとから、算出温度を求める。そして、その算出温度を電解コンデンサの内部みなし温度とする。

基準温度記憶部２１−５は、コンデンサ内部温度算出部２１−３を算出する時点での検出温度と等しい、温度として基準温度を随時更新しながら記憶する。尚、サーボモータ８の運転開始直前までは、電解コンデンサ内部温度と周囲温度とは一致し、基準温度として記憶する。温度一致時間記憶部２１−６は、後述するように、パターン温度とコンデンサ内部温度とが一致するまでに要する時間を温度一致時間として記憶する。

図３は、電解コンデンサの内部温度の算出処理のうち、事前準備における温度一致時間のデータ化の原理を示す図である。図３において、横軸は経過時間であり、縦軸は温度である。図３は、パターン温度（検出温度）と電解コンデンサの内部温度とを区別して示した図である。

事前準備における温度一致時間のデータ化の手順は以下の通りである。
１）電解コンデンサの内部温度と検出温度との差分値データ取得処理を行い、差分値データとして差分値或いは差分率を差分値データ記憶部２１−２に記録し、データ化する。
尚、差分値データは、温度上昇状態、温度飽和状態、温度低下状態等の状態毎に区別して記録してもよい。電解コンデンサの急激な温度の変化は、検出温度に時間的な誤差を持つため、温度変化率による差分値データを区別することでより正確な電解コンデンサ内部みなし温度を算出することができる。
２）温度一致時間の取得
サーボモータ８の運転を停止してから電解コンデンサの内部温度と検出温度とが一致するまでの時間である温度一致時間を温度一致時間記憶部２１−６に記録し、データ化する。

図３に示すように、温度一致時間は、電解コンデンサの内部温度の温度上昇値に依存する。温度一致時間は、電解コンデンサの内部温度の温度上昇値に対して電解コンデンサの内部温度と検出温度とが一致する温度（基準温度）に達するまでに要する時間を記録し、データ化する。或いは、係数化して記録してもよい。または、２次関数などに数式化して記憶しても良い。

図３に、温度一致時間をデータ化して記録した場合を例示的に示すように、サーボモータ８の運転による電解コンデンサの内部温度の温度上昇値１）から７）に対して、それぞれの温度一致時間１）から７）をとることで、温度上昇値と温度一致時間との対応関係を得ることができる。

図３に示す基準温度は、サーボモータ８を運転する際の周囲温度に依存する。そして、後述するように、サーボモータの運転を開始する際に、基準温度がリセットされる。

図４は、本実施の形態によるコンデンサ内部みなし温度を求める処理の流れの一例を示すフローチャート図である。図５は、温度算出シーケンス（手順）の一例を示すタイミングチャート図である。

図４，図５に示すように、処理が開始されると（スタート）、ステップＳ１において、パターン温度（検出温度）を検出する。処理中には、モータ状態判定部２１−４から取得したサーボモータ８のオン／オフ状態を検出している。

ステップＳ２において、初期処理が終了したか否かを判定する。初期処理が終了していないと（Ｎｏ）、初期処理を実行する。初期処理においては、まず、ステップＳ３において、電源投入（図５のｔ_１）から初回のサーボモータ８の運転を開始（ｔ_２）したか否かを判定する。Ｙｅｓの場合には、ステップＳ４において、初期処理を終了し、後述するステップＳ７に進む。Ｎｏの場合には、ステップＳ５に進み、サーボモータ８を運転していないためサーボモータ８の運転による電解コンデンサ１の温度上昇が生じておらず、検出温度を基準温度とする（後述するステップＳ１０に進む）。

図５を参照すると、測定開始時間ｔ_０からスタートしタイミングｔ_１で装置の電源を投入（ＰＯＮ）し、タイミングｔ_２でサーボモータの運転を開始すると、ステップＳ３からステップＳ４を介してステップＳ７に進む。

ここで、基準温度は、サーボモータ８の運転に伴うコンデンサ内部温度の上昇値を算出するための基準となる温度である。例えば、図５を時系列的に見ていくと、基準温度１としては、サーボモータ８の運転開始の直前の検出温度を記憶し、上昇値の算出に使用する。この基準温度１（＝検出温度）を、基準温度記憶部２１−５に記憶する。

図４の初期処理は、図５における時間ｔ_０からｔ_２までの温度検出フロー処理の初期処理に対応する。通常処理は、図５における時間ｔ_２以降の通常処理に対応する。

電源投入から初回の運転開始まで（初期処理）は、パターン温度（検出温度）とコンデンサ内部温度とは一致しているものとして、検出温度をコンデンサ内部温度とする。すなわち、検出温度＝基準温度１になる。

ステップＳ２において、初期処理が終了していると（Ｙｅｓ）、通常処理に進む。まず、ステップＳ２からステップＳ６に進み、サーボモータ８の運転が開始しているか否かを判定する。Ｙｅｓの場合には、ステップＳ４から遷移する場合と同様にステップＳ７に進む。

そして、ステップＳ７において、サーボモータ８の運転に伴う温度の上昇値を以下の式（１）で求める。
検出温度（パターン温度）−基準温度（例えば基準温度１）＝温度の上昇値 （１）
すなわち、ステップＳ６でサーボモータ８の運転が開始されていると判断されると（図５のｔ_２におけるＳＯＮ状態の開始以降）、ステップＳ７に進み、サーボモータ８の運転開始、運転中（通常処理）において、検出温度から基準温度１などを減算して、温度の上昇値を求め、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８において、温度の上昇値が正であるか否かを判定する（上昇値＞０）。
ステップＳ８の判定結果がＮｏの場合には、後述するステップＳ１３に進む。
一方、ステップＳ８の判定結果がＹｅｓの場合には、ステップＳ９に進み、差分値データ記憶部２１−２に記憶した差分値データ或いは差分率と基準温度記憶部２１−５に現在記憶させている基準温度１とを参照し、以下に式（２）或いは式（３）に基づいて、算出温度を求める。
基準温度１＋（温度上昇値＋差分値データ）＝算出温度 （２）
或いは、
基準温度１＋（温度上昇値×差分率データ）＝算出温度 （３）

そして、ステップＳ１０に進み、算出温度をコンデンサ内部みなし温度とする。また、ステップＳ５からの場合および後述するステップＳ１３からの場合は、検出温度をコンデンサ内部みなし温度とし、処理を終了する。

ステップＳ６において、Ｎｏの場合には、ステップＳ１１に進み、温度一致時間記憶部２１−６に記憶している図３に示すようなデータに基づいて、温度上昇値から温度一致時間を求める。ここで、運転停止からの経過時間を監視する。

次いで、ステップＳ１２において、運転停止からの経過時間が温度一致時間を経過しているか否かを判定する。経過していない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ７に戻り、ステップＳ７以下の処理を行う。経過している場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１３に進み、検出温度を基準温度とし、ステップＳ１０に進む。

以上のように、運転開始、運転中（通常処理）の場合には、ＳＯＮ（サーボモータＯＮ）直前の基準温度と検出温度とから温度上昇値を算出し、予めデータ化した差分値データ或いは差分率を用いて算出した上昇値を基準温度に加算或いは乗算してコンデンサ内部みなし温度を求める。

また、運転停止（通常処理）の場合には、運転開始、運転中と同様に、基準温度と予めデータ化した差分値データ或いは差分率を用いて算出した上昇値を加算或いは乗算してコンデンサ内部みなし温度を求める。ただし、検出温度が基準温度を下回った場合は、検出温度をコンデンサ内部温度とし、検出温度を基準温度にする。そして、運転停止直前の上昇値から温度一致時間を求め、運転停止からの時間を監視する。

そして、温度一致時間を経過しているかどうかに関しては、予めデータ化した温度一致時間が経過した場合、コンデンサ内部温度と検出温度が一致したものとし、検出温度を基準温度とし、電解コンデンサの内部みなし温度とする。

また、図５に示すように、基準温度記憶部２１−５に記憶されている基準温度は、それぞれのタイミングにおいてコンデンサ内部温度の上昇値を算出するための温度であり、モータの運転状況や時間経過に伴って、随時、その値が更新される。基準温度１は、通常、サーボモータ８の運転開始ｔ_２の直前の検出温度を記憶しておき、上昇値の算出に使用する（図５の基準温度１の場合など）。尚、ＳＯＦＦ（サーボモータＯＦＦ）後、一定時間経過後のパターン温度（例えば黒丸で示す）が「基準温度」であり、基準温度１、基準温度２、基準温度３としてそれぞれ示されている。

サーボモータ８の運転停止後（＞ｔ_３）、温度一致時間以内（例えばｔ_３からｔ_５まで）で上昇値が０以下（基準温度以下）の場合（例えば、ｔ_４からｔ_５まで）は、検出温度を基準温度２として基準温度記憶２１−５に記憶され、或いは、温度一致時間を経過した場合（例えば、ｔ_７以降ｔ_８まで）は検出温度を基準温度３として基準温度記憶２１−５に記憶される。

以上のように、本実施の形態によれば、正確なコンデンサ内部温度を求めることで、正確なコンデンサ寿命を推定することが可能になる。従来は、標準交換基準を設け、運転状態に無関係に定期的な交換をユーザに依頼しているが、本実施の形態によれば、適切なメンテナンスや予防保全を行なうことができる。また、急激なコンデンサ内部温度の変化からコンデンサの製造不良検出や通常時との温度変化の違いからモータや装置の劣化推定を行うことも可能になる。

上記の実施の形態において、図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。

本発明は、電解コンデンサの内部温度測定装置に利用可能である。

Ａ 実装構造
Ｂ サーボアンプ
１ 電解コンデンサ
１ａ，１ｂ 電解コンデンサ端子
３ プリント基板
５ａ 第１の基板パターン
５ｂ 第２の基板パターン
７ａ 第１の温度センサ
７ｂ 第２の温度センサ
８ サーボモータ
１１ ＡＣ（交流）電源（系統電源）
１５ ＡＣ／ＤＣコンバータ回路
１７ インバータ回路
２１ 電解コンデンサの内部温度測定処理部
２１−１ パターン温度検出部
２１―２ 差分値データ記憶部
２１−３ コンデンサ内部温度算出部
２１−４ モータ状態判定部
２１−５ 基準温度記憶部
２１−６ 温度一致時間記憶部

Claims (3)

1. 交流電力を直流変換し、コンデンサで電流を平滑してモータを駆動するモータ駆動装置に搭載されるコンデンサ温度測定装置において、
   前記コンデンサ温度測定装置は、前記コンデンサの少なくとも１本の端子が接続された基板の導電パターン温度または導電パターンの周囲温度を温度センサにより検出温度として検出するパターン温度検出部と、
   前記検出温度とコンデンサ内部の内部温度上昇値との差分値或いは差分率を記憶しておく差分値データ記憶部と、
   前記差分値データ記憶部に記憶された差分値データにより前記検出温度を補正して、コンデンサ内部みなし温度を求めるコンデンサ内部温度算出部と
   を有することを特徴とするコンデンサ温度測定装置。
2. 前記コンデンサ温度測定装置は、
   前記モータの運転状態を判定するモータ状態判定部と、前記コンデンサ内部みなし温度を算出する際の基準となる基準温度を記憶する基準温度記憶部と、を有し、
   前記コンデンサ内部温度算出部の補正は、
   前記モータ状態判定部により、前記モータが運転を開始していると判定された場合、
   前記検出温度から前記基準温度を減算して前記コンデンサの温度上昇値を求め、前記基準温度、前記温度上昇値、前記検出温度、前記差分値データを基に、前記コンデンサ内部みなし温度を算出することを特徴とする
   請求項１に記載のコンデンサ温度測定装置。
3. 前記コンデンサ温度測定装置は、
   前記モータの運転を停止してから前記コンデンサ内部温度と前記検出温度とが一致するまでの時間を記憶する温度一致時間記憶部を有し、
   前記モータ状態判定部は、前記モータが運転していないと判定した場合、前記モータの運転停止からの経過時間を求め、
   前記経過時間が前記温度一致時間を経過している場合には、前記検出温度を前記基準温度および前記コンデンサ内部みなし温度とし、
   前記経過時間が前記温度一致時間を経過していない場合には、前記検出温度を前記コンデンサ内部温度算出部における前記補正を行うことで得られた温度を前記コンデンサ内部みなし温度とすることを特徴とする
   請求項２に記載のコンデンサ温度測定装置。

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