JP2020137220A

JP2020137220A - 故障検出装置

Info

Publication number: JP2020137220A
Application number: JP2019026365A
Authority: JP
Inventors: 浩太郎浅羽; Kotaro Asaba
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2019-02-18
Filing date: 2019-02-18
Publication date: 2020-08-31
Anticipated expiration: 2039-02-18
Also published as: JP6981437B2

Abstract

【課題】低電流時にもリレーの故障を検知できる、コンパクトな故障検出装置を提供する。【解決手段】突入電流制限対象装置の電源線に挿入された、電流制限抵抗器とリレーとを並列接続した突入電流制限回路のリレーの故障を検出する故障検出装置は、それぞれ、電流制限抵抗器の一端、他端の電圧を所定の分圧比で分圧する第１、第２分圧回路と、第１分圧回路の出力電圧と第２分圧回路の出力電圧とが入力される差動アンプと、差動アンプの出力電圧と閾値電圧とを比較し、比較結果を表す信号を出力する比較部と、両分圧回路の電源線とは接続されていない方の端と電源線との電圧差を所定電圧差に調整する標準電圧電源と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、突入電流制限回路内のリレーの故障を検出するための故障検出装置に関する。

図１を用いて、突入電流制限回路内のリレーの故障を検出する従来の故障検出装置について説明する。

この図１に示した装置（以下、交流機器と表記する）は、商用電源５０からの三相交流が整流器４０により整流されて一対の電源線４１ｐ及び４１ｎを介して直流負荷４２に供給される装置である。図示してあるように、交流機器の電源線４１ｐ及び４１ｎの間には、平滑コンデンサ４５が設けられている。また、電源線４１ｐには、電流制限抵抗器Ｒ０とリレー３１とを並列接続した突入電流制限回路３０が挿入されている。

リレー３１は、交流機器の電源投入後にオンされるリレー（メカニカルリレー、ソリッドステートリレー）である。なお、リレー３１のオンタイミングは、電源投入後の経過時間や平滑コンデンサ４５の充電の程度に基づき、決定される。

抵抗器Ｒｃ、フォトカプラ５１（発光ダイオード５１ａ及びフォトトランジスタ５１ｂ），コンパレータ５２等からなる回路が、リレー３１の故障を検出する従来の故障検出装置である。この故障検出装置は、各部が以下のように機能することにより、リレー３１の故障を検出する。なお、以下の説明では、各抵抗器の符号Ｒ０、Ｒｃを、各抵抗器の抵抗値を表す記号としても使用する。

電流制限抵抗器Ｒ０の両端間の電圧Ｖがフォトカプラ５１の発光ダイオード５１ａの順方向電圧ＶＦより大きくなると、発光ダイオード５１ａに電流Ｉｃ（＝（Ｖ−ＶＦ）／Ｒｃ）が流れ、電流Ｉｃに応じた強度で発光ダイオード５１ａが発光する。そして、発光ダイオード５１ａの、電流Ｉｃに応じた発光強度が、フォトトランジスタ５１ｂと抵抗器ＲＬとにより電圧（以下、Ｉｃ対応電圧と表記する）に変換される。その後、Ｉｃ対応電圧と閾値電圧Ｖｔｈとがコンパレータ５２により比較されて、コンパレータ５２の出力信号（図では、状態信号）のレベルで、リレー３１の故障の有無が判断される。

特開平７−２３５２３号公報

上記説明から明らかなように、従来の故障検出装置は、リレー３１の故障時に或る程度の電流値の電流Ｉｃが発光ダイオード５１ａに流れないと、リレー３１の故障を検出できないものとなっている。そして、リレー３１の故障直前のバス電流値が小さくなるにつれ、リレー３１の故障時における電流Ｉｃの電流値も小さくなるため、従来の故障検出装置には、リレー３１の故障を検知できるバス電流値に、各構成要素の仕様（抵抗器Ｒｃ、Ｒ０の抵抗値等）により定まる限界値（下限値）が存在している。抵抗器Ｒｃの抵抗値を下げれば、リレー３１の故障時における電流Ｉｃの電流値をより大きくすることが出来るが、低抵抗で突入電流への耐性が高い抵抗器Ｒｃは、サイズが大きなものとなってしまう。そのため、従来の故障検出装置を、低電流時にもリレーの故障を検知できるように、且つ
、コンパクトに構成することは極めて困難であった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、低電流時にもリレーの故障を検知できる、コンパクトな故障検出装置を提供することにある。

本発明の一観点に係る故障検出装置は、突入電流制限対象装置の電源線に挿入された、電流制限抵抗器とリレーとを並列接続した突入電流制限回路の前記リレーの故障を検出する装置であって、前記電流制限抵抗器の一端の電圧を所定の分圧比で分圧する第１分圧回路と、前記電流制限抵抗器の他端の電圧を前記所定の分圧比で分圧する第２分圧回路と、前記第１分圧回路の出力電圧と前記第２分圧回路の出力電圧とが入力される差動アンプと、前記差動アンプの出力電圧と閾値電圧とを比較し、比較結果を表す信号を出力する比較部と、前記第１分圧回路及び前記第２分圧回路双方の前記電源線とは接続されていない方の端と前記電源線との電圧差を所定電圧差に調整する標準電圧電源と、を備える。

すなわち、故障検出装置の上記構成は、低抵抗、高耐性の抵抗器を必要としないもの（第１、第２分圧回路を高抵抗の２抵抗器の組み合わせで実現できるもの）となっている。従って、上記構成を採用しておけば、低電流時にもリレーの故障を検知可能、且つ、コンパクトな（実装面積が少ない）故障検出装置を実現することが出来る。

比較部は、入力電圧と１つの閾値電圧（基準電圧）とを比較するコンパレータであっても、前記差動アンプの出力電圧と２つの閾値電圧とを比較して、前記出力電圧が前記２つの閾値電圧を境界とした電圧範囲内に入っているか否かを表す信号を出力するウィンドウコンパレータであっても良い。

故障検出装置によりリレーの故障が検出される突入電流制限回路は、直流が流れる電源線に挿入された回路であっても、交流が流れる電源線に挿入された回路であっても良い。

本発明によれば、低電流時にもリレーの故障を検知できる、コンパクトな（実装面積が少ない）故障検出装置を提供することが出来る。

図１は、従来の故障検出装置の構成を説明するための交流機器の概略構成図である。図２は、実施形態に係る故障検出装置が用いられた交流機器の概略構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図２に、本発明の一実施形態に係る故障検出装置が用いられた交流機器１の概略構成を示す。

この交流機器１は、電源が投入されると、商用電源５０からの三相交流が整流器４０により整流されて一対の電源線４１ｐ及び４１ｎを介して直流負荷４２に供給される装置である。なお、本交流機器１の整流器４０は、ダイオードブリッジ整流器であり、直流負荷４２は、三相モータとインバータとで構成された負荷（システム）である。また、“交流機器１の電源が投入される”とは、“一対の電源線４１ｐ及び４１ｎに電流が流れる状態となる”ということである。従って、交流機器１は、商用電源５０、整流器４０間に設け
られたブレーカ等がオンされることで電源が投入されるものであっても、直流負荷４２が電力を消費する状態に制御されることで電源が投入されるものであっても良い。

図示してあるように、交流機器１は、電源線４１ｐ及び４１ｎの間に配置された平滑コンデンサ４５と、電源線４１ｐに挿入された突入電流制限回路３０とを備える。この突入電流制限回路３０は、電流制限抵抗器Ｒ０とリレー３１とを並列接続した回路となっており、交流機器１は、突入電流制限回路３０のリレー３１のオン／オフ制御や直流負荷４２の制御を行うマイクロコントローラ（ＭＣＵ）１８も備えている。

本実施形態に係る故障検出装置は、リレー３１の故障（オープン故障）を検出するための装置であり、分圧部１０と差動アンプ１１とウィンドウコンパレータ１２と標準電圧電源１３と信号伝送回路１５とにより構成されている。

標準電圧電源１３は、差動アンプ１１を同相入力電圧範囲内で使うため標準電圧を出力する電源である。この標準電圧電源１３としては、例えば、交流機器１の電源投入後にリレー３１がオンされて電源線４１ｐ、４１ｎ間の電圧が安定した状態における電源線４１ｐの電圧を出力するものが使用される。

図示してあるように、標準電圧電源１３は、電源線４１ｐと、両分圧回路１０ａ、１０ｂの電源線とは接続されていない方の端との間に配置されている。従って、この標準電圧電源１３により、電源線４１ｐと、両分圧回路１０ａ、１０ｂの電源線とは接続されていない方の端との電圧差が、標準電圧に調整される。

分圧部１０は、電流制限抵抗器Ｒ０の各端の電圧を、差動アンプ１１への入力に適した大きさの電圧に変換するための回路である。分圧部１０は、電流制限抵抗器Ｒ０の一端（直流負荷４２側の端）に接続された、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とで構成された第１分圧回路１０ａと、電流制限抵抗器Ｒ０の一端に接続された、抵抗器Ｒ３と抵抗器Ｒ４とで構成された第２分圧回路１０ｂとにより構成されている。以下、抵抗器Ｒｎ（ｎ＝１〜４）の抵抗値のことも、Ｒｎと表記する。

分圧部１０の各抵抗器としては、各分圧回路１０ａ、１０ｂの分圧比ｒが同一値（例えば、０．０１）となるものが採用されている。すなわち、分圧部１０には、“Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）＝Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４）”が成立する抵抗器Ｒ１〜Ｒ４が採用されている。また、分圧部１０は、比較的に高抵抗の抵抗器Ｒ１〜Ｒ４（つまり、サイズの小さな抵抗器Ｒ１〜Ｒ４）によって構成したものとなっている。

図示してあるように、第１分圧回路１０ａから出力される電圧信号Ｖout1は、差動アンプ１１の＋入力端子 (非反転入力端子)に入力されている。また、第２分圧回路１０ｂか
ら出力される電圧信号Ｖout2は、差動アンプ１１の−入力端子 (反転入力端子)に入力さ
れている。以下、電圧信号Ｖｘ（ｘ＝out1、out2等）の電圧値のことも、Ｖｘと表記する。

差動アンプ１１は、２つの入力端子への入力電圧の差“Ｖout1−Ｖout2”を、所定の差動利得Ａｄで増幅するアンプである。分圧部１０の各分圧回路１０ａ、１０ｂの分圧比をｒと表記すると、Ｖout1＝Ｖ１×ｒ、Ｖout2＝Ｖ２×ｒと表せる。従って、差動アンプ１１の出力信号Ｖｏｕｔの電圧Ｖｏｕｔは、以下の（１）式で示される値、すなわち、電流制限抵抗器Ｒ０の両端の電圧差“Ｖ１−Ｖ２”と比例する値となる。

Ｖｏｕｔ＝Ａｄ×ｒ×（Ｖ１−Ｖ２） …（１）
差動アンプ１１が出力する電圧信号Ｖｏｕｔは、ウィンドウコンパレータ１２に入力さ
れている。このウィンドウコンパレータ１２には、正の基準電圧Ｖｐと負の基準電圧Ｖｍとが与えられている。基準電圧Ｖｐは、リレー３１が故障したと判定すべき検出電圧（Ｖｏｕｔの値）の正側の閾値として予め定められる電圧である。基準電圧Ｖｍは、リレー３１が故障したと判定すべき検出電圧の負側の閾値として予め定められる電圧である。基準電圧Ｖｐは、電源線４１ｐに、直流負荷４２側への所望量の電流が流れている状態で、リレー３１が故障した場合における検出電圧の推定値や実験値に基づき定められる。同様に、基準電圧Ｖｍは、電源線４１ｐに、整流器４０側への所望量の電流が流れている状態で、リレー３１が故障した場合における検出電圧の推定値や実験値に基づき定められる。なお、電源線４１ｐに整流器４０側への電流が流れるのは、直流負荷４２側で回生電力が発生している場合である。また、所望量の電流とは、リレー３１の故障を検知可能とする最少量の電流のことである。

既に説明したように、差動アンプ１１からは、電流制限抵抗器Ｒ０の両端の電圧差“Ｖ１−Ｖ２”と比例する電圧Ｖｏｕｔの電圧信号Ｖｏｕｔが出力される。そして、電圧信号Ｖｏｕｔが入力されているウィンドウコンパレータ１２には、上記基準電圧Ｖｐ、Ｖｍが与えられている。従って、交流機器１の動作中にリレー３１にオープン故障が発生すると、ウィンドウコンパレータ１２が出力する電圧信号Ｖｓのレベルが、それまでとは異なるレベル（図２の構成だと、ローレベル）に変化することになる。

信号伝送回路１５は、ウィンドウコンパレータ１２からの電圧信号Ｖｓを、フォトカプラ１６により電気的に絶縁しながらＭＣＵ１８に伝送するための回路である。ＭＣＵ１８は、リレー３１がオンとなっている間（交流機器１の動作中）は、電圧信号Ｖｓに基づき、リレー３１の状態（故障の有無）を監視し、リレー３１が故障した場合には、交流機器１の動作を停止させるための処理や、リレー３１が故障した旨をユーザに知らせるための処理を行う。なお、回路構成上、交流機器１の電源が投入されてからリレー３１がオンとなるまでの期間中、ＭＣＵ１８には、リレー３１が故障したことを示すレベルの電圧信号Ｖｓが入力される。この電圧信号Ｖｓは、リレー３１が故障したことを示していないため、ＭＣＵ１８は、リレー３１がオンとなる前にリレー３１が故障したことを示すレベルの電圧信号Ｖｓが入力されても、特に処理を行わない。

以上、説明したように、本実施形態に係る故障検出装置に採用されている構成は、低抵抗、高耐性の抵抗器を使用せずにリレー３１の故障を検知するものであると共に、リレー３１の故障を検知可能な電流値にも特に制限がないものとなっている。従って、上記構成を採用しておけば、低電流時にもリレーの故障を検知可能、且つ、コンパクトな（実装面積が少ない）故障検出装置を実現することが出来る。

《変形形態》
上記した故障検出装置は、各種の変形を行えるものである。例えば、故障検出装置を、交流突入電流を制限するための突入電流制限回路内のリレーの故障を検出する装置として使用しても良い。また、故障検出装置による故障検出対象の突入電流制限回路は、どのような装置に設けられたものであっても良い。

故障検出装置を、ウィンドウコンパレータ１２の代わりにコンパレータが搭載された装置に変形しても良い。ただし、故障検出装置の故障検出対象が、回生電力が発生する装置の直流突入電流を制限する突入電流制限回路のリレーである場合には、ウィンドウコンパレータ１２を採用することで、回生中にもリレーの故障を検知できるようにしておくことが好ましい。

《付記》
突入電流制限対象装置（１）の電源線（４１ｐ）に挿入された、電流制限抵抗器（Ｒ０
）とリレー（３１）とを並列接続した突入電流制限回路（３０）の前記リレー（３１）の故障を検出する故障検出装置であって、
前記電流制限抵抗器（Ｒ０）の一端の電圧を所定の分圧比で分圧する第１分圧回路（１０ａ）と、
前記電流制限抵抗器（Ｒ０）の他端の電圧を前記所定の分圧比で分圧する第２分圧回路（１０ｂ）と、
前記第１分圧回路（１０ａ）の出力電圧と前記第２分圧回路（１０ｂ）の出力電圧とが入力される差動アンプ（１１）と、
前記差動アンプ（１１）の出力電圧と閾値電圧とを比較し、比較結果を表す信号を出力する比較部（１２）と、
前記第１分圧回路（１０ａ）及び前記第２分圧回路（１０ｂ）双方の前記電源線（４１ｐ）とは接続されていない方の端と前記電源線（４１ｐ）との電圧差を所定電圧差に調整する標準電圧電源（１３）と、
を備える故障検出装置。

１０分圧部
１１差動アンプ
１２ウィンドウコンパレータ
１３標準電圧電源
１５信号伝送回路
１６フォトカプラ
１８マイクロコントローラ
３０突入電流制限回路
３１リレー
４０整流器
４２直流負荷

Claims

突入電流制限対象装置の電源線に挿入された、電流制限抵抗器とリレーとを並列接続した突入電流制限回路の前記リレーの故障を検出する故障検出装置であって、
前記電流制限抵抗器の一端の電圧を所定の分圧比で分圧する第１分圧回路と、
前記電流制限抵抗器の他端の電圧を前記所定の分圧比で分圧する第２分圧回路と、
前記第１分圧回路の出力電圧と前記第２分圧回路の出力電圧とが入力される差動アンプと、
前記差動アンプの出力電圧と閾値電圧とを比較し、比較結果を表す信号を出力する比較部と、
前記第１分圧回路及び前記第２分圧回路双方の前記電源線とは接続されていない方の端と前記電源線との電圧差を所定電圧差に調整する標準電圧電源と、
を備える故障検出装置。
前記比較部が、前記差動アンプの出力電圧と２つの閾値電圧とを比較して、前記出力電圧が前記２つの閾値電圧を境界とした電圧範囲内に入っているか否かを表す信号を出力するウィンドウコンパレータである、
請求項１に記載の故障検出装置。