JP3263979B2 - コンデンサの劣化故障診断装置 - Google Patents

コンデンサの劣化故障診断装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はコンデンサの劣化故障診
断装置に係り、詳しくは、インバータやチョッパ等の電
力変換装置に設けられた入力コンデンサの劣化故障を診
断して電力変換装置を保護する装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】一般に、電力用の直流−交流変換装置で
あるインバータにおいては、スイッチング素子がターン
オフする際に発生するサージ電圧を吸収するために、入
力コンデンサが設けられている。インバータの出力電力
が大きい場合はサージ電圧も大きくなるため、入力コン
デンサを大容量にする必要があり、通常、電解コンデン
サが用いられている。尚、交流電源を一旦直流に変換し
て電源とする場合は、整流回路の平滑コンデンサに入力
コンデンサの役割をもたせている。
【0003】しかしながら、電解コンデンサは経時変化
が大きく、適性な使用状態においても数年から十数年で
電解液が消失して容量が低下し、開放故障が発生するこ
とがある。入力コンデンサに開放故障が発生すると、イ
ンバータの出力スイッチング素子のスイッチングサージ
や、配線中のインダクタンス分等に起因する外来サー
ジ、および、インバータの負荷としてモータを使用して
いるときはそのモータの回生エネルギー等により、出力
スイッチング素子や帰還ダイオードに過電圧が印加され
て破壊されることになる。
【0004】従って、入力コンデンサである電解コンデ
ンサの開放故障および劣化を的確に検知し、劣化故障を
検知したときには速やかに良品に交換する必要がある。
従来、交流電源を一旦直流に変換して電源とする電力変
換装置における電源用電解コンデンサの故障診断装置と
して、特開平3−22821号公報に示すものがある。
この装置では、電源とインバータの間の電源経路中に直
列に限流抵抗を設け、電源投入時には、限流抵抗と電源
用電解コンデンサで定まる時定数に従って電源電圧が上
昇する特性を利用している。
【0005】すなわち、1つの方法は、電源投入から設
定時間経過時における電源用電解コンデンサの端子電圧
を計測し、その計測した端子電圧が前記時定数で前記設
定時間経過時に充電されるべき電圧(設定電圧)を越え
ているとき、電源用電解コンデンサが劣化故障をおこし
ていると診断していた。もう1つの方法は、電源用電解
コンデンサの端子電圧が電源投入から設定電圧値になる
までの経過時間を計測し、その計測した経過時間が前記
時定数で前記設定電圧値に充電されるまでの時間(設定
時間)に満たないとき、電源用電解コンデンサが劣化故
障をおこしていると診断していた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、交流電源を
一旦直流に変換して電源とする場合は、交流電源が安定
でさえあれば、それを直流に変換した電源電圧が変動す
ることはない。しかしながら、バッテリを電源として使
用する場合は、バッテリの放電に伴って電源電圧が低下
することになる。
【0007】従って、バッテリを電源として使用する場
合、従来の装置を用いるには、電源投入時においてバッ
テリの端子電圧を計測し、その端子電圧すなわち電源電
圧の変化に応じて前記設定電圧または設定時間を変更し
なければならない。そのため、装置が複雑になるという
問題があった。
【0008】また、電源経路中に直列に限流抵抗を設け
た場合、その抵抗値をいかに小さく設定したとしても、
インバータの動作時における電力損失および発熱の問題
を免れることはできなかった。
【0009】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであって、その目的は、バッテリと並列に接続
されたコンデンサの劣化故障を診断するコンデンサの劣
化故障診断装置を簡単な構成によって提供することにあ
る。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決するため、バッテリ電源と並列に接続されたコンデン
サの劣化故障を診断するコンデンサの劣化故障診断装置
において、電源切断時におけるコンデンサの端子電圧の
時間変移を検出する放電特性検出手段と、放電特性検出
手段の検出したコンデンサの端子電圧の時間変移が、
記バッテリ電源における電圧低下方向の所定間隔ごとに
選択された複数のバッテリ電圧に対して予め求めておい
前記コンデンサの正常時における端子電圧の時間変移
に比べて急峻であった場合、コンデンサの容量が低下し
て劣化故障をおこしていると診断する診断手段とを備え
たことをその要旨とする。
【0011】
【作用】放電特性検出手段は電源切断時におけるコンデ
ンサの端子電圧の時間変移を検出する。そして、診断手
段は、放電特性検出手段の検出したコンデンサの端子電
圧の時間変移が、前記バッテリ電源における電圧低下方
向の所定間隔ごとに選択された複数のバッテリ電圧に対
して予め求めておいた前記コンデンサの正常時における
端子電圧の時間変移に比べて急峻であった場合、コンデ
ンサの容量が低下して劣化故障をおこしていると診断す
る。すなわち、容量の大きなコンデンサでは放電特性が
緩やかであるのに対し、容量の小さなコンデンサでは放
電特性が急峻である。従って、診断手段が検出した実際
の放電特性が正常なコンデンサのそれより急峻である場
合、そのコンデンサの容量は正常なコンデンサのそれよ
り小さい、すなわち、低下しているといえる。
【0012】
【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図1,
図2に従って説明する。図1に、本実施例のブロック回
路を示す。
【0013】バッテリ1から供給される電力は、電源ス
イッチ2の投入に従い、入力コンデンサである電解コン
デンサ3を介して電力変換装置である電圧形インバータ
4に入力される。電圧形インバータ4は、スイッチング
素子である出力トランジスタ5と帰還ダイオード6をそ
れぞれ6個ずつ3相ブリッジ接続して構成され、バッテ
リ1から供給される直流を3相交流に変換して誘導電動
機等の交流負荷7を駆動している。すなわち、各出力ト
ランジスタ5は、駆動手段である駆動回路8によって1
周期中の180度分導通するように制御され、階段状の
対称3相電圧が出力側に誘導されて交流負荷7に供給さ
れる。ここで、交流負荷7の力率が1でないときに発生
する無効電力は、帰還ダイオード6を通じてバッテリ1
にフィードバックされる。
【0014】放電装置9は、放電スイッチ10と放電抵
抗11によって構成される。すなわち、放電スイッチ1
0と放電抵抗11は直列に接続され、電解コンデンサ3
に対して並列に接続されている。この放電スイッチ10
は電源オフ時(電源スイッチ2の切断時)に投入され、
電源オン時(電源スイッチ2の投入時)に電解コンデン
サ3に蓄積されて電源オフ後もそのまま残留している電
荷(残留電荷)を、放電抵抗11で消費させるようにな
っている。つまり、電解コンデンサ3に残留電荷が蓄積
されたままにしておくと、その残留電荷が何らかの原因
によって他の回路に流れ込んで破損させたり、保守点検
時に誤って手を触れた人が感電する等の事故を引き起こ
すことがある。放電装置9は、そうした事故を防止する
ために設けられている。
【0015】放電特性検出手段および診断手段としての
制御回路12は、常時、電解コンデンサ3の端子電圧を
計測している。そして、制御回路12は、電源スイッチ
2が投入されているときに電解コンデンサ3の端子電圧
が耐圧を越えた場合、何らかの事故が発生したとして、
全出力トランジスタ5を非導通にするように駆動回路8
を制御し、インバータ4の動作を停止させる。また、制
御回路12は、放電スイッチ10が投入されると、電解
コンデンサ3の端子電圧の時間変移すなわち放電特性に
基づいて、電解コンデンサ3の劣化故障を検知する。そ
して、制御回路12は、電解コンデンサ3の劣化故障を
検知すると、次に電源を投入したときに全出力トランジ
スタ5を非導通にするように駆動回路8を制御し、イン
バータ4が動作しないようにする。
【0016】次に、上記のように構成した本実施例の動
作を、図2に示すタイムチャートに従って説明する。電
源スイッチ2を切断すると駆動回路8の動作は停止し、
全出力トランジスタ5は非導通になる。従って、電源ス
イッチ2を切断してから放電スイッチ10を投入するま
での間、電解コンデンサ3はオープン状態にあり、その
端子電圧VCはバッテリ1の電圧Eと同じ値に保たれ
る。
【0017】続いて、放電スイッチ10が投入される
と、電解コンデンサ3の残留電荷は放電抵抗11で消費
される。すなわち、電解コンデンサ3の端子電圧VC
は、数式(1)に示すように、放電抵抗11の抵抗値R
と電解コンデンサ3の容量Cによって定まる時定数CR
に従って時間変移する。
【0018】
【数1】 そこで、制御回路12は、電解コンデンサ3の端子電圧
VC が設定電圧VR になるまでの放電時間t1 を計測す
る。そして、制御回路12は、放電スイッチ10が投入
される直前の電解コンデンサ3の端子電圧VC (=バッ
テリ1の電圧E)に基づき、予め用意されているマップ
からバッテリ1の電圧Eに対応した放電時間t0 を参照
し、その放電時間t0 と計測した放電時間t1 とを比較
する。
【0019】尚、その放電時間t0 のマップは以下のよ
うにして作成されている。電解コンデンサ3の定格容量
は、定格電圧のバッテリ1を使用した場合において、出
力トランジスタ5および帰還ダイオード6にその耐圧を
越える過電圧が印加されて破壊されることがないような
値に設定されている。そして、電解コンデンサ3の容量
Cがある値(通常、定格容量の80%)以下になると、
電解コンデンサ3は入力コンデンサとして正常に動作し
なくなり、出力トランジスタ5および帰還ダイオード6
に過電圧が印加されて破壊されることが多くなる。
【0020】そこで、入力コンデンサとして正常に動作
し得る電解コンデンサ3の容量C0を実験または理論的
に求めておく。次に、数式(1)において、その容量C
0を容量Cに代入すると共に、適宜な設定電圧VRを端子
電圧VCに代入し、バッテリ1の電圧Eについて、電圧
低下方向の所定間隔ごとに複数の電圧値を選択し、当該
各電圧値ごとに放電時間t0を求めて、予めそれをマ
ップ化しておく。
【0021】すなわち、電解コンデンサ3が劣化故障し
ておらず、容量Cが低下していないならば、電解コンデ
ンサ3の端子電圧VC が設定電圧VR になるまでの実際
の放電時間t1 は、放電スイッチ10を投入した時点の
バッテリ1の電圧Eに対する放電時間t0 以上になるは
ずである。
【0022】従って、放電時間t1 が放電時間t0 より
小さいとき(t1 <t0 )、制御回路12は、電解コン
デンサ3が劣化故障していると判定する。そして、制御
回路12は、次に電源スイッチ2が投入されたときに、
全出力トランジスタ5を非導通にするように駆動回路8
を制御し、インバータ4が動作しないようにする。
【0023】このように本実施例では、電源オフ時にお
いて電解コンデンサ3を放電装置9によって放電させる
とき、電解コンデンサ3の端子電圧VC が設定電圧VR
になるまでの放電時間t1 を計測する。次に、計測した
放電時間t1 とマップ化されている正常な電解コンデン
サ3による放電時間t0 とを比較することにより、電解
コンデンサ3の容量Cが正常な容量C0 であるかどうか
を判定している。そして、電解コンデンサ3の容量Cが
正常でない場合(t1 <t0 )、電解コンデンサ3は劣
化故障していると判断し、次に電源をオンするときに
は、全出力トランジスタ5を非導通にすることにより、
出力トランジスタ5および帰還ダイオード6の故障を未
然に防ぐことができる。
【0024】尚、バッテリ1の放電に伴う電源電圧の低
下に対しては、電解コンデンサ3を放電させる時点(放
電スイッチ11を投入した時点)の電解コンデンサ3の
端子電圧VC (=バッテリ1の電圧E)に対応する放電
時間t0 を、前記したマップから参照することによって
対処している。
【0025】すなわち、従来例においては電源オン時に
おける電解コンデンサの端子電圧の立ち上がりからその
容量を検出したのに対し、本実施例においては電源オフ
時における電解コンデンサ3の端子電圧VC の立ち下が
りからその容量Cを検出している。但し、本実施例にお
いては、前記したようにマップを用いてバッテリ1の放
電に伴う電源電圧の低下分(すなわち、電源電圧の変動
分)を補正している。そのために、電解コンデンサ3を
放電させる時点の端子電圧VC を検出しなければならな
いが、本実施例では、端子電圧VC の検出を制御回路1
2によって常時行っており、それを利用しているため、
電解コンデンサ3を放電させる時点の端子電圧VC を検
出するために特別な装置を設ける必要はない。
【0026】また、従来例においては電源経路中に直列
に限流抵抗を設け、その限流抵抗と電解コンデンサによ
る時定数を利用したのに対し、本実施例では放電抵抗1
1と電解コンデンサ3による時定数CRを利用してい
る。
【0027】従って、本実施例では、限流抵抗に起因す
るインバータの動作時の電力損失および発熱の問題がな
い。尚、本発明は上記実施例に限定されるものではな
く、例えば、電源スイッチ2を切断後、放電スイッチ1
0を投入してから設定時間経過時における電解コンデン
サ3の端子電圧VC を計測してもよい。そして、計測し
た端子電圧VC が前記時定数CRで設定時間経過時に放
電されるべき電圧(設定電圧)を下回っているとき、電
解コンデンサ3が劣化故障をおこしていると診断する。
この場合も、バッテリ1の電圧Eに対する設定電圧のマ
ップを作成することにより、バッテリ1の放電に伴う電
源電圧の低下に対処することができる。
【0028】また、放電装置9を省略してもよい。その
場合は、電解コンデンサ3の自然放電を利用するか、ま
たは、制御回路12による電解コンデンサ3の端子電圧
の検出動作を利用し、制御回路12に放電抵抗11の機
能をもたせるようにしてもよい。
【0029】さらに、インバータ4はどのような機器に
置き換えてもよい。すなわち、本発明は、バッテリと並
列に接続されたコンデンサの劣化故障を診断する装置で
あれば、どのような装置に具体化してもよい。
【0030】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、バ
ッテリと並列に接続されたコンデンサの劣化故障を診断
するコンデンサの劣化故障診断装置を簡単な構成によっ
て提供することにある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を具体化した一実施例の回路図である。
【図2】一実施例の動作を説明するためのタイムチャー
トである。
【符号の説明】
1…バッテリ、3…電解コンデンサ、12…放電特性検
出手段および診断手段としての制御回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飛田 淳一 愛知県刈谷市豊田町2丁目1番地 株式 会社 豊田自動織機製作所 内 (72)発明者 須賀 健治 愛知県刈谷市豊田町2丁目1番地 株式 会社 豊田自動織機製作所 内 (56)参考文献 特開 昭54−133385(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02H 7/16

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 バッテリ電源と並列に接続されたコンデ
    ンサの劣化故障を診断するコンデンサの劣化故障診断装
    置において、 電源切断時における前記コンデンサの端子電圧の時間変
    移を検出する放電特性検出手段と、 放電特性検出手段の検出した前記コンデンサの端子電圧
    の時間変移が、前記バッテリ電源における電圧低下方向
    の所定間隔ごとに選択された複数のバッテリ電圧に対し
    予め求めておいた前記コンデンサの正常時における
    子電圧の時間変移に比べて急峻であった場合、前記コン
    デンサの容量が低下していると診断する診断手段とを備
    えたことを特徴とするコンデンサの劣化故障診断装置。
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