JP4912405B2 - 電源装置およびシーケンサシステム - Google Patents

Description

本発明は、電源装置に関するものであり、特に、交流電力の整流出力を平滑する平滑コンデンサの寿命診断を行う電源装置および当該電源装置を備えたシーケンサシステムに関するものである。

電源装置には、従来から、アルミ電解コンデンサに代表される寿命部品が数多く用いられ、電源装置自体が寿命部品と考えられていた。

一方、電源装置が寿命に達した場合や、電源装置が突然故障してシステムダウンに至った場合には、生産ラインが停止し、ダウンタイムが長期化するなど、ユーザに与える影響が大きかった。

また、近時、市場においては、電源装置に寿命診断機能を設け、稼働中の予防保全により、メンテナンスコストを低減させ、ダウンタイムを短縮させるようなユーザ要望が増加している。

なお、下記特許文献１には、平滑コンデンサの寿命による交換時期を検出することができ、平滑コンデンサの寿命を予測することのできる直流電源装置が開示されている。

特開平１１−３５６０３６号公報

しかしながら、上記特許文献１などに示される従来技術では、平滑コンデンサの出力電圧に含まれるリップル電圧や、コンデンサ温度の直接計測と経過時間の積算のみに基づいて電源装置の寿命診断を行うようにしているので、活線のコンデンサ特性を直接計測しているわけではなく、寿命診断の予測精度が不十分であった。このため、例えば１０年間の使用が可能である電源装置であっても、早めに電源装置を交換するなどの予防保全策をとる必要があり、メンテナンスコストの増加の一因になるなどの問題点があった。

また、上記特許文献１のような手法とは異なり、電源装置のオフ時に、平滑コンデンサの容量を実測し、初期容量値との比較で寿命推定を行うようにした電源装置も存在する。なお、この種の手法は、寿命診断の精度が高いという利点はあるものの、電源装置の稼働中（以下「オンライン」という）に寿命診断を行うことができないので、寿命診断を行う際には、生産ラインを一旦停止する必要があり、ダウンタイムの増加に繋がるという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電源装置の寿命診断に際し、寿命診断にかかる予測精度を確保しつつ、オンラインでの寿命診断を可能とする電源装置および当該電源装置を備えたシーケンサシステムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電源装置は、交流電力の整流出力を平滑する平滑部に具備される平滑コンデンサの劣化診断を行う電源装置であって、前記平滑部の平滑コンデンサとして、第１、第２の平滑コンデンサが具備されるとともに、該第１、第２の平滑コンデンサの各両端には並列に接続される第１、第２の放電用抵抗が具備され、通常時には、前記第１、第２の平滑コンデンサの双方が活線に電気的に接続され、劣化診断時には、前記第１、第２の平滑コンデンサの双方が所定のタイミングで交互に前記活線に電気的に接続され、かつ、該活線に電気的に接続されない側の平滑コンデンサの劣化診断が行われるように構成されたことを特徴とする。

本発明にかかる電源装置によれば、交流電力の整流出力を平滑する平滑部に具備される第１、第２の平滑コンデンサの双方が所定のタイミングで交互に活線に電気的に接続されるとき、活線に電気的に接続されない方の平滑コンデンサの劣化診断を行うようにしているので、寿命診断にかかる予測精度を確保しつつ、オンラインでの寿命診断を行うことができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる電源装置の構成を示す回路図である。 図２は、図１に示す電源装置の動作を説明するためのタイムチャートである。 図３は、コンデンサの状態区分をコンデンサ容量の劣化曲線上に示した図である。 図４は、電源装置の表示制御にかかる制御フローを示すフローチャートである。 図５は、本発明の実施の形態２にかかる電源装置の構成を示す回路図である。 図６は、本発明の実施の形態３にかかる電源装置の構成を示す回路図である。 図７は、本発明の実施の形態４にかかる電源装置の構成を示す回路図である。 図８は、本発明の実施の形態５にかかる電源装置の構成を示す回路図である。 図９は、本発明の実施の形態６にかかる電源装置の構成を示す回路図である。 図１０は、劣化診断を直接的に行うコンデンサと劣化診断を直接的に行わないコンデンサの寿命劣化特性を示す図である。 図１１は、本発明の実施の形態７にかかる電源装置の構成を示す回路図である 図１２は、温度をパラメータとした寿命劣化特性を示す図である。 図１３は、異なる寿命劣化特性を有する２つのコンデンサの温度特性を図１０の寿命劣化特性に対応させて示した図である。 図１４は、実施の形態１の電源装置において、劣化診断を直接的に行うコンデンサに温度検出手段を備えた構成を示す図である。 図１５は、実施の形態２の電源装置において、劣化診断を直接的に行うコンデンサに温度検出手段を備えた構成を示す図である。 図１６は、実施の形態３の電源装置において、劣化診断を直接的に行うコンデンサに温度検出手段を備えた構成を示す図である。 図１７は、実施の形態４の電源装置において、劣化診断を直接的に行うコンデンサに温度検出手段を備えた構成を示す図である。 図１８は、実施の形態５の電源装置において、劣化診断を直接的に行うコンデンサに温度検出手段を備えた構成を示す図である。 図１９は、本発明の実施の形態１〜７にかかる電源装置をシーケンサシステムに適用した場合の構成例を示す図である。

符号の説明

１０ トランス
１１ ダイオード
１２ 負荷接続ライン（高電位側）
１３ 負荷接続ライン（低電位側）
１４ａ，１４ｂ，１４ｋ，１４ｐ，３４ａ，３４ｂ，４２ａ，４２ｂ スイッチング素子
１５ａ，１５ｂ，１５ｋ，１５ｐ，１５ｔ，１５ｚ，４３ａ，４３ｂ 平滑コンデンサ
１６ａ，１６ｂ，１６ｋ，１６ｐ 放電用抵抗
１７，４７，５３ マイコン
１９ 負荷
２１，５２ コンデンサ電圧情報
２２，５１ 診断制御信号
３１ａ，３１ｂ 遅延用コンデンサ
３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂ 抵抗
３６ａ，３６ｂ カップリングコンデンサ
４１ 全波整流回路
４５ スイッチング制御回路
５４ａ，５４ｂ 電圧検出回路
５６ａ，５６ｂ，５７ａ，５７ｂ，７０ａ，７０ｂ アイソレーション回路
６５ コンデンサ
６６ 温度検出手段
６７ 温度検出情報
１００ａ，１００ｂ，１００ｃ 制御システム
１０１ ベースユニット
１０２ 電源ユニット
１０３ ＣＰＵユニット
１０４ Ｉ／Ｏユニット
１０５ ネットワークユニット
１０６ その他のユニット
１０７ 外部出力用コネクタ
１０８ 外部入力用コネクタ
１０９ 表示器
１１０，１２０ 寿命検出信号

以下に、本発明にかかる電源装置およびシーケンサシステムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電源装置の構成を示す回路図である。本実施の形態の特徴は、電源装置の二次側（電源トランスから見て負荷側）において、交流電力の整流出力を平滑する平滑部に具備される平滑コンデンサを二重化するとともに、当該二重化された平滑コンデンサの劣化診断を行うことにより、電源装置自身のオンラインでの寿命診断を行うものである。

つぎに、図１に示した電源装置の回路構成について説明する。同図において、電源装置の二次側回路に所定の交流電力を供給するトランス１０が具備され、トランス１０の一端と負荷１９とを接続する高電位側の活線である負荷接続ライン１２上に整流手段であるダイオード１１が挿入される。また、ダイオード１１よりも負荷１９側において、高電位側の負荷接続ライン１２と、低電位側の活線である負荷接続ライン１３との間には、例えば電解コンデンサである平滑コンデンサ１５ａが、例えばＰチャネル型のＭＯＳスイッチであるスイッチング素子１４ａを介し、自己の負極端と低電位側の負荷接続ライン１３とが接続されるように挿入されるとともに、平滑コンデンサ１５ａの両端には、当該コンデンサの寿命診断を行うための放電用抵抗１６ａが接続される。同様な接続構成が、スイッチング素子１４ｂ、平滑コンデンサ１５ｂおよび放電用抵抗１６ｂの間でも採られ、高電位側の負荷接続ライン１２と低電位側の負荷接続ライン１３との間に挿入される。すなわち、この実施の形態の電源装置では、平滑コンデンサ１５ａ，１５ｂ、平滑コンデンサ１５ａ，１５ｂに直列にそれぞれ接続されるスイッチング素子１４ａ，１４ｂおよび平滑コンデンサ１５ａ，１５ｂに並列にそれぞれ接続される放電用抵抗１６ａ，１６ｂによって平滑部が構成されるとともに、平滑部に具備されるスイッチング素子１４ａ，１４ｂの双方が導通することで、平滑コンデンサ１５ａ，１５ｂによる平滑部の二重化構成が実現される。

また、上述の二次側回路を制御するための制御手段として、マイコン１７が具備される。より詳細には、マイコン１７は、平滑コンデンサ１５ａ，１５ｂの電圧に関する情報（以下「コンデンサ電圧情報」という）２１に基づいて平滑コンデンサ１５ａ，１５ｂにそれぞれ接続されるスイッチング素子１４ａ，１４ｂのオン／オフを制御する。また、マイコン１７は、コンデンサ電圧情報２１に基づいて平滑コンデンサ１５ａ，１５ｂの劣化診断を行うとともに、この劣化診断の結果を表示するため、例えばＬＥＤ等の表示器（図示省略）に当該劣化診断の結果を通知する。

なお、図１に示す構成は、その一例を示すものであり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲おいて、種々の変更が可能である。例えば、図１に示す構成では、高電位側に配置するスイッチング素子１４ａ，１４ｂをＰチャネルのスイッチング素子として説明したが、原理的にスイッチング素子のタイプは任意である。ただし、電源装置を簡易に構成する観点から、各スイッチング素子を配置する位置等に応じて好適なタイプのものを選定することが好ましいことは勿論である。

つぎに、図１に示す電源装置の動作について図１および図２を参照して説明する。なお、図２は、図１に示す電源装置の動作を説明するためのタイムチャートである。また、図２において、二重化コンデンサのうちの第１のコンデンサである平滑コンデンサ１５ａを診断するための診断フェーズについては末尾に「１」の数字を付し、第２のコンデンサである平滑コンデンサ１５ｂを診断するための診断フェーズについては末尾に「２」の数字を付している。例えば、「診断１」、「診断制御信号１」および「コンデンサ電圧情報１」は、それぞれ平滑コンデンサ１５ａを診断するための診断フェーズ、診断制御信号およびコンデンサ電圧情報である。

まず、負荷に所定の活線電圧（Ｖｃｃ）が供給されており、かつ、平滑コンデンサ１５ａ，１５ｂに対する劣化診断が行われていない状態下にあるものとする（以下、この状態を「通常時」という）。なお、この通常時では、スイッチング素子１４ａ，１４ｂともに「オン」の状態が維持され、高電位側の負荷接続ライン１２（Ｖｃｃ）と低電位側の負荷接続ライン１３（０Ｖ）との間に、平滑コンデンサ１５ａ，１５ｂが電気的に接続された状態となる。

つぎに、マイコン１７からスイッチング素子１４ａに出力される診断制御信号１が「Ｌ」から「Ｈ」に変更される。このとき、スイッチング素子１４ａは「オン」から「オフ」の状態になり、平滑コンデンサ１５ａは負荷接続ラインから電気的に切り離される。スイッチング素子１４ａが「オフ」になると、平滑コンデンサ１５ａに蓄積されていた電荷が放電用抵抗１６ａを通じて放電される。なお、マイコン１７からスイッチング素子１４ａに対して「Ｈ」の信号が出力されるとき、マイコン１７からスイッチング素子１４ｂに対する診断制御信号２として「Ｈ」の信号が出力されることはない。すなわち、平滑コンデンサ１５ａと平滑コンデンサ１５ｂの双方が同時に負荷接続ラインから電気的に切り離されることはない。

いま、スイッチング素子１４ａの導通時の抵抗を“０Ω”と見なし、平滑コンデンサ１５ａの電圧がＶｃｃ（活線電圧）からＶｒｅｆ（例えば０〜Ｖｃｃまでの間の所定の規定電圧）まで低下する時間を放電基準時間Ｔ１とすると、この放電基準時間Ｔ１は次式で表すことができる。

Ｔ１＝Ｃ１・Ｒ１・ｌｎ(Ｖｃｃ／Ｖｒｅｆ） …（１）
Ｃ１：平滑コンデンサ１５ａの容量値
Ｒ１：放電用抵抗１６ａの抵抗値

マイコン１７は、放電が開始され平滑コンデンサ１５の電圧がＶｃｃからＶｒｅｆになるまでの時間Ｔｍ１を計測するとともに、この計測時間Ｔｍ１を保持する。また、マイコン１７は、計測時間Ｔｍ１に基づいて平滑コンデンサ１５ａの劣化状況を示す情報をＬＥＤ等の表示器に出力する。

図２のタイムチャートに戻り、平滑コンデンサ１５ａの放電がある程度進行した後、診断１を完了させるため、マイコン１７からスイッチング素子１４ａに出力される診断制御信号１が「Ｈ」から「Ｌ」に変更される。このとき、スイッチング素子１４ａは「オフ」から「オン」の状態になり、平滑コンデンサ１５ａは負荷接続ライン間に電気的に接続される。スイッチング素子１４ａが「オン」になると、平滑コンデンサ１５ａが充電され、所定時間の経過後に元の電圧（Ｖｃｃ）に復帰する。

引き続き、平滑コンデンサ１５ｂに対する劣化診断が行われる。なお、平滑コンデンサ１５ｂに対する劣化診断は、任意のタイミングで行うことができるが、スイッチング素子１４ａに対する診断制御信号１が「Ｌ」となって平滑コンデンサ１５ａに充分な電圧が蓄積され、負荷接続ラインの活線電圧が充分安定した後に行うことが好ましい。

以下、平滑コンデンサ１５ｂに対する劣化診断が行われるが、その劣化診断は、平滑コンデンサ１５ａの場合と同様であり、その詳細な説明を省略する。なお、平滑コンデンサ１５ｂの電圧がＶｃｃからＶｒｅｆまで低下する放電基準時間Ｔ２は、放電基準時間Ｔ１と同様に次式で表すことができる。

Ｔ２＝Ｃ２・Ｒ２・ｌｎ(Ｖｃｃ／Ｖｒｅｆ） …（２）
Ｃ２：平滑コンデンサ１５ｂの容量値
Ｒ２：放電用抵抗１６ｂの抵抗値

なお、上記の劣化診断では、マイコン１７が平滑コンデンサ１５ａの電圧がＶｃｃからＶｒｅｆになるまでの時間Ｔｍ１を計測するとともに、当該計測時間Ｔｍ１に基づいて平滑コンデンサ１５ａの劣化診断を行うようにしていたが、放電が開始されてから放電基準時間Ｔ１経過後の平滑コンデンサ１５ａの端子電圧Ｖｍ１を計測するとともに、当該計測電圧Ｖｍ１に基づいて平滑コンデンサ１５ａの劣化診断を行うようにしてもよい。

図３は、コンデンサの状態区分をコンデンサ容量の劣化曲線上に示した図である。同図において、実線Ｋ１は、コンデンサの使用期間に対する容量の劣化を示す劣化曲線であり、破線Ｍ１は電源装置を使用することが不可能となる容量の限界を示す容量限界線である。また、破線Ｍ１と劣化曲線Ｋ１との交点Ｑを通り、この破線Ｍ１に直交する破線Ｍ２は、コンデンサの使用可能期間の境界を示す使用限界線である。コンデンサは、寿命品であるため、劣化曲線Ｋ１のように、使用期間とともに容量の低下が進行し、蓄積電荷量が減少する。もし、使用期間が使用限界線Ｍ２で規定される使用限界を超えた場合には、コンデンサ容量が容量限界線Ｍ１で規定される限界値以下に達し、安定度の高い電力を負荷に供給することが不可能となる。

ところで、図３に示す劣化曲線Ｋ１は、コンデンサ容量の一般的（あるいは理想的）な劣化特性を示すものであり、実際に使用しているコンデンサが、この劣化曲線Ｋ１に一致する保証はない。そこで、この実施の形態では、容量限界線Ｍ１の上方部（原点の反対側）に、この容量限界線Ｍ１に平行な境界線Ｌ１，Ｌ２を設けるとともに、この境界線Ｌ１，Ｌ２，Ｍ１にて分割される以下の４つの区間Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを定義する（図３参照）。
（１）区間Ａ：正常範囲（初期変動期間：Ｌ１の上方部）
（２）区間Ｂ：正常範囲（容量安定期間：Ｌ１とＬ２に挟まれる部分）
（３）区間Ｃ：交換推奨範囲（Ｌ２とＭ１に挟まれる部分）
（４）区間Ｄ：劣化範囲（Ｍ１の下方部）

なお、図３に示す例では、境界線Ｌ１を決定するコンデンサ容量として、例えば上記（１）式で示される放電基準時間Ｔ１（図のＰ点）の９０％に設定し、境界線Ｌ２を決定する容量値として、例えば放電基準時間Ｔ１の８２．５％に設定し、境界線Ｍ１を決定する容量値として、例えば放電基準時間Ｔ１の８０％に設定しているが、無論、他の値に設定することも可能である。

つぎに、ＬＥＤ等の表示器における表示制御機能について図１〜図４の各図を参照して説明する。なお、図４は、電源装置の表示制御にかかる制御フローを示すフローチャートであり、以下の説明では、平滑コンデンサ１５ａの劣化診断を行う場合を一例として説明する。

図４において、まず、マイコン１７から診断制御信号が出力され、平滑コンデンサ１５ａの放電時間Ｔｍ１が計測されるとともに、コンデンサ容量の範囲が特定される（ステップＳ１０１）。例えば、平滑コンデンサ１５ａの放電時間Ｔｍ１が放電基準時間Ｔ１と放電基準時間Ｔ１の９０％設定値の範囲内にあれば、平滑コンデンサ１５ａのコンデンサ容量は区間Ａの範囲にあると特定される。また、例えば、平滑コンデンサ１５ａの放電時間Ｔｍ１が放電基準時間Ｔ１の８０％設定値以下であれば、平滑コンデンサ１５ａのコンデンサ容量は区間Ｄの範囲にあると特定される。

つぎに、ステップＳ１０１にて特定されたコンデンサ容量が区間Ａの範囲にあったか否かが判定される（ステップＳ１０２）。特定されたコンデンサ容量が区間Ａの範囲にあった場合（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）、ＬＥＤ等の表示器において、例えば緑色で表示させる（ステップＳ１０３）。一方、特定されたコンデンサ容量が区間Ａの範囲になかった場合（ステップＳ１０２，Ｎｏ）、さらに特定されたコンデンサ容量が区間Ｂの範囲にあったか否かが判定される（ステップＳ１０４）。特定されたコンデンサ容量が区間Ｂの範囲にあった場合（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）、ＬＥＤ等の表示器において、例えば橙色で表示させる（ステップＳ１０５）。一方、特定されたコンデンサ容量が区間Ｂの範囲になかった場合（ステップＳ１０４，Ｎｏ）、さらに特定されたコンデンサ容量が区間Ｃの範囲にあったか否かが判定される（ステップＳ１０６）。特定されたコンデンサ容量が区間Ｃの範囲にあった場合（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）、ＬＥＤ等の表示器において、例えば赤色で表示させる（ステップＳ１０７）。一方、特定されたコンデンサ容量が区間Ｃの範囲になかった場合（ステップＳ１０６，Ｎｏ）、ＬＥＤ等の表示器において、例えば赤色で点滅表示させる（ステップＳ１０８）。なお、表示方法については、７セグＬＥＤ表示器を利用したディジタル表示でもよい。

上記、ステップＳ１０１〜Ｓ１０８の表示制御の処理により、ユーザは電源装置に使用されている平滑コンデンサの交換時期、あるいは電源装置自身の交換時期を的確に把握することが可能となる。

実施の形態１にかかる説明の最後として、二重化された平滑コンデンサ（平滑コンデンサ１５ａ，１５ｂ）の各容量値について説明する。例えば平滑コンデンサ１５ａが活線（負荷接続ライン１２）から切り離された場合、一時的ではあるものの、負荷１９に供給する電力は平滑コンデンサ１５ｂのみで行われる。平滑コンデンサの数が２個から１個に減った場合、活線のリップルが増加し、電源電圧の品質が低下する。したがって、この実施の形態の電源装置では、平滑コンデンサ１５ａ，１５ｂの各容量値は、それぞれが単独で動作したときでも、負荷に対し、安定度の高い電力の供給を可能とするに足る充分な容量特性を有していることが好ましい。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２にかかる電源装置の構成を示す回路図である。図１に示した実施の形態１にかかる電源装置では、平滑コンデンサを二重化構成としていたが、図５に示す実施の形態２にかかる電源装置は、３個以上の平滑コンデンサに対応できる構成を示すものである。具体的に、図５に示す回路構成では、高電位側の負荷接続ライン１２と低電位側の負荷接続ライン１３との間に、各平滑コンデンサ（１５ａ，１５ｂ，…，１５ｋ，…，１５ｐ，…）がスイッチング素子（１４ａ，１４ｂ，…，１４ｋ，…，１４ｐ，…）を介して挿入されるとともに、各平滑コンデンサの両端に寿命診断を行うための放電用抵抗（１６ａ，１６ｂ，…，１６ｋ，…，１６ｐ，…）がそれぞれ接続されている。なお、並列に接続された平滑コンデンサの全てに対して劣化診断を行う必要はなく、図５に示す平滑コンデンサ（１５ｔ，…１５ｚ）のように、劣化診断を行わない平滑コンデンサが存在していても構わない。

この実施の形態の電源装置においても、実施の形態１と同様な手法を用いて、各平滑コンデンサの劣化診断を行うことができる。ただし、この実施の形態の電源装置では、上述のように、高電位側の負荷接続ライン１２と低電位側の負荷接続ライン１３との間に、３個以上の平滑コンデンサが挿入される構成としているので、実施の形態１とは異なる特徴を有しており、以下にその特徴について説明する。

（診断間隔の短縮化）
実施の形態１の電源装置では、一方の平滑コンデンサの劣化診断を行った後、他方の平滑コンデンサの劣化診断を行う際に、活線電圧が充分に安定した後に行うことが好ましい、というように説明した。一方、この実施の形態の電源装置では、一つの平滑コンデンサが活線から切り離されても、他の複数の平滑コンデンサによって活線電圧の変動をより低く抑えることができるので、平滑コンデンサの劣化診断を行う診断間隔を、実施の形態１に比して、より短縮化することができる。

（複数の平滑コンデンサにおける同時劣化診断）
負荷接続ライン間に挿入される平滑コンデンサの数や、平滑コンデンサ自身の容量等にも依存するが、この実施の形態の電源装置では、複数の平滑コンデンサにおける同時劣化診断が可能となる。例えば、図５において、平滑コンデンサ１５ａの劣化診断と平滑コンデンサ１５ｂの劣化診断とを同時（同時期）に行うことが可能となる。このため、劣化診断を行う時間が、平滑コンデンサの数に比例して増加するとは限らず、平滑コンデンサの数や容量値に応じて、劣化診断の総時間を効果的に削減することが可能となる。

（平滑コンデンサの容量値の低減）
実施の形態１の電源装置では、平滑コンデンサの各容量値は、それぞれが単独で動作したときでも、負荷に対し、安定度の高い電力の供給を可能とするに足る充分な容量特性を有していることが好ましい、というように説明した。一方、この実施の形態の電源装置では、劣化診断を行うために、一つの平滑コンデンサが活線から切り離された場合でも、他の複数の平滑コンデンサとの協同作用によって活線電圧の変動をより低く抑えることができるので、平滑コンデンサの各容量値は、実施の形態１の場合に比べて、低く抑えることができる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３にかかる電源装置の構成を示す回路図である。図６に示す実施の形態３にかかる電源装置では、平滑コンデンサを負荷接続ライン間に電気的に接続するための各スイッチング素子の起動制御を行う起動回路の構成を示すものである。具体的に、図６に示す回路構成では、スイッチング素子１４ａ，１４ｂに対し、スイッチング素子、コンデンサおよび抵抗を組み合わせた起動回路が構成されている。なお、図５に示す実施の形態２の構成と同一または同等である構成部については同一符号を付してその説明を省略するとともに、ここでは、実施の形態１，２と異なる処理についてのみ説明する。

図６において、スイッチング素子１４ａの一端（例えば、ＭＯＳＦＥＴのソース端）と制御端（例えば、ＭＯＳＦＥＴのゲート端）に遅延用コンデンサ３１ａが接続され、遅延用コンデンサ３１ａの両端には抵抗３２ａが接続される。なお、この抵抗３２ａは、抵抗３３ａと直列に接続されて活線電圧を分圧する分圧回路を構成する。また、遅延用コンデンサ３１ａの両端には、スイッチング素子３４ａの各端（例えば、バイポーラトランジスタのコレクタ端、エミッタ端）が接続され、その制御端（ベース端）には、マイコン１７から出力される診断制御信号２２の入力を仲介するカップリングコンデンサ３６ａおよびスイッチング素子３４ａにバイアス電圧を付与する抵抗３５ａの各一端が接続される。なお、同様な起動回路が、スイッチング素子１４ｂに対しても構成される。

つぎに、上記の起動回路における２つの特徴的な作用（遅延用コンデンサの作用、カップリングコンデンサの作用）について説明する。

（遅延用コンデンサの作用）
遅延用コンデンサ３１ａは、スイッチング素子１４ａのターンオン時の動作を緩慢にする一方で、スイッチング素子１４ａのターンオフ時の動作を高速にする。すなわち、平滑コンデンサ１５ａを活線に接続する場合には、スイッチング素子１４ａの「オフ」から「オン」への動作を緩やかに行わせる。一方、平滑コンデンサ１５ａを活線から切り離す場合には、スイッチング素子１４ａの「オン」から「オフ」への動作を高速に行わせる。

平滑コンデンサを活線に接続する場合、活線電圧と平滑コンデンサの電圧とが異なるため、その接続時に電圧変動が生ずる。この電圧変動は、図１に示した電源装置のように、並列に接続される平滑コンデンサ数が少ない場合に顕著である。一方、遅延用コンデンサは、上記のように、平滑コンデンサの活線への接続を緩やかに行わせるので、接続時の電圧変動を抑制することができる。他方、遅延用コンデンサは、平滑コンデンサを活線から切り離す場合には、上記のように、平滑コンデンサの活線からの切り離しを高速に行わせるので、切り離し時の電圧を維持しつつ、引き続き行われる劣化診断の動作を迅速に行わせることができる。

（カップリングコンデンサの作用）
カップリングコンデンサ３６ａは、直流信号を遮断する機能を有しているので、診断制御信号２２が変化した場合にのみスイッチング素子１４ａを制御することができる。したがって、平滑コンデンサ１５ａを診断するための診断フェーズへの移行を確実に行うことができ、また、診断フェーズに誤って移行してしまう確率を低減することができる。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４にかかる電源装置の構成を示す回路図である。上述の各実施の形態では、平滑コンデンサの二重化構成を電源装置の二次側において実施する場合について示したが、この実施の形態では、平滑コンデンサの二重化構成を電源装置の一次側において実施する場合の構成を示すものである。なお、基本的な接続構成は、上述した各実施の形態と同様である。例えば、図７に示す電源装置では、交流電力を直流電力に変換する全波整流回路４１と、変換した直流電力を再び交流電力に変換するスイッチング制御回路４５の間に、図１に示したような平滑コンデンサの二重化回路を構成するとともに、マイコン４７がこれらの二重化回路を制御する構成としている。ただし、電源装置の一次側と二次側とでは、活線の電圧レベルが異なるので、スイッチング素子、平滑コンデンサ等の回路部品の選定に際し、電圧レベルの差異に対する考慮が必要となる。

実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５にかかる電源装置の構成を示す回路図である。実施の形態４は、平滑コンデンサの二重化構成を電源装置の一次側において実施するとともに、平滑コンデンサの劣化診断を制御するマイコンも一次側に配置する場合の構成について示したが、この実施の形態では、平滑コンデンサの劣化診断を制御するマイコンを二次側に配置する場合の構成を示すものである。なお、図７に示す実施の形態４の構成と同一または同等である構成部については同一符号を付してその説明を省略するとともに、ここでは、実施の形態４と異なる処理についてのみ説明する。

図８において、電源装置の二次側にはマイコン５３が設けられる。また、電源装置の一次側には、平滑コンデンサ４３ａ，４３ｂの各電圧を検出する電圧検出回路５４ａ，５４ｂと、二次側回路側にあるマイコン５３との間で行われる情報の授受を仲介するアイソレーション回路５６ａ，５６ｂ，５７ａ，５７ｂとが具備されている。各アイソレーション回路は、一次側回路と二次側回路における動作電圧の違いや、信号形式（アナログ、ディジタル）の違いを吸収する機能を有する。例えば、図８に示す構成では、電圧検出回路５４ａ，５４ｂによって検出されたコンデンサ電圧情報５２は、それぞれアイソレーション回路５６ａ，５６ｂを介してマイコン５３に伝達され、また、平滑コンデンサ４３ａ，４３ｂの劣化診断を行うためにマイコン５３から出力される制御信号は、アイソレーション回路５７ａ，５７ｂによって診断制御信号５１に変換され、スイッチング素子４２ａ，４２ｂに対してそれぞれ出力される。

実施の形態６．
図９は、本発明の実施の形態６にかかる電源装置の構成を示す回路図である。本実施の形態にかかる電源装置は、図５に示した実施の形態２にかかる電源装置と比較すると、劣化診断を直接的に行うコンデンサと劣化診断を直接的には行わないコンデンサの双方共に活線に接続されている点は共通しているが、これとは逆に、以下に示すような相違点を有している。

（１）まず、実施の形態２では、活線（負荷接続ライン１２）にスイッチング素子を介して接続されるコンデンサと活線にスイッチング素子を介さずに接続されるコンデンサとでは、それぞれが寿命時間および寿命劣化特性のほぼ等しいコンデンサを用いることを前提としているが、本実施の形態では、活線にスイッチング素子を介して接続されるコンデンサ（図９の例ではコンデンサ６５ａ）と活線にスイッチング素子を介さずに接続されるコンデンサ（図９の例ではコンデンサ１５ｔ，…，１５ｚ）とでは、寿命劣化特性の異なる（寿命時間については任意）コンデンサを用いている。すなわち、本実施の形態の電源装置では、寿命劣化特性の異なる２種類のコンデンサを用いるようにしている。

（２）また、実施の形態２では、劣化診断を直接的に行うコンデンサを複数設ける必要があるが、本実施の形態では、劣化診断を直接的に行うコンデンサを複数設ける必要がなく、一つのコンデンサを設けることで充分となる。つまり、本実施の形態では、当該一つのコンデンサに対応する一つのスイッチング素子を設ければよい。その結果、本実施の形態の電源装置は、図２の電源装置と比較して、回路構成の簡素化が可能となる。

なお、図９では、劣化診断を直接的に行わないコンデンサであり、スイッチング素子を介さずに接続されているコンデンサ（１５ｔ，…，１５ｚ）を複数設ける構成を示しているが、一つのコンデンサを有していればよい。

（各コンデンサの寿命劣化特性）
図１０は、劣化診断を直接的に行うコンデンサと劣化診断を直接的に行わないコンデンサの寿命劣化特性を示す図である。図１０において、一点鎖線で示す劣化特性Ｒ１は劣化診断を直接的に行うコンデンサ（図９のコンデンサ６５ａ）に対応し、太実線で示す劣化特性Ｑ１は劣化診断を直接的に行わないコンデンサ（図９のコンデンサ１５ｔ）に対応する。また、図１０に示す劣化特性では、図３に示した劣化曲線に対応させ、コンデンサ６５ａの劣化特性を、
（１）初期〜初中期：容量低下率が０〜−１０％までの範囲
（２）中後期：容量低下率が−１０％〜−１７．５％までの範囲
（３）末期：容量低下率が−２０％以下の範囲
として示している。
なお、これらの区分は便宜上のものであり、どのように区分しても構わない。

また、図１０において、劣化特性Ｒ１はコンデンサの経過時間（使用時間に相当）に対応して緩やかに減少していく特性を示しているのに対し、劣化特性Ｑ１は、初期〜初中期〜中後期を通じてほぼ一定の容量値を有する一方で、経過時間の末期には容量値が急激に低下する特性を示している。

ここで、この劣化特性を電源装置における劣化診断の予測精度の面で考えると、劣化特性Ｑ１の特性を有するコンデンサは、初中期〜中後期の期間において、放電時間の変化量が小さいため、劣化状態の検出や、劣化状態の検出に必要な予測精度を得ることが困難である。一方、劣化特性Ｒ１の特性を有するコンデンサは、放電時間の変化量が大きく、放電時間の変化を容易に把握することができるので、劣化状態の検出が容易となり、劣化状態の検出に必要な予測精度を得ることが可能となる。

また、この劣化特性を電源装置の性能面で考えると、劣化特性Ｒ１の特性を有するコンデンサは、経過時間と共に容量値が低下していくので電源装置の能力が、この劣化特性に依存して低下することになる。一方、劣化特性Ｑ１の特性を有するコンデンサは、初中期〜中後期の期間において、略一定の容量値を維持しているので、安定した電源供給能力を維持することが可能となる。

なお、この実施の形態の電源装置では、劣化診断を直接的に行うコンデンサと劣化診断を直接的に行わないコンデンサの寿命劣化特性に関し、容量の低下率が−２０％となる値がほぼ等しくなるような寿命劣化特性を有するコンデンサを選定しているが、このような関係の寿命劣化特性を有するコンデンサに限定されるものではない。例えば、劣化診断を直接的に行うコンデンサの寿命の方が劣化診断を直接的に行わないコンデンサの寿命よりも短い場合には、容量低下率の閾値を−２０％よりも低下させた所定の閾値を用いて劣化診断を行えばよい。逆に、劣化診断を直接的に行うコンデンサの寿命の方が劣化診断を直接的に行わないコンデンサの寿命よりも長い場合には、容量低下率の閾値を−２０％よりも上昇させた所定の閾値を用いて劣化診断を行えばよい。

また、この実施の形態では、平滑部に具備されるコンデンサの劣化診断を行う構成を電源装置の二次側に適用する場合について示したが、実施の形態４と同様に、電源装置の一次側において実施するようにしてもよい。また、実施の形態５と同様に、コンデンサの劣化診断を制御するマイコンを二次側に配置するように構成してもよい。

実施の形態７．
図１１は、本発明の実施の形態７にかかる電源装置の構成を示す回路図である。本実施の形態にかかる電源装置は、図９に示した実施の形態６にかかる電源装置の構成において、さらにコンデンサ６５ａの温度もしくはコンデンサ６５ａ周辺の環境温度を測定することができる温度検出手段６６を備えるとともに、温度検出手段６６が検出した検出結果をマイコン１７に入力するように構成している。なお、図９に示す実施の形態６の構成と同一または同等である構成部については同一符号を付してその説明を省略するとともに、ここでは、実施の形態６と異なる特徴についてのみ説明する。

図１２は、温度をパラメータとした寿命劣化特性を示す図である。より詳細には、図１０に示した寿命劣化特性Ｒ１に対応するものを寿命劣化特性Ｓ１（低温側）として示すとともに、コンデンサ周辺の環境温度が増加によって変動する寿命劣化特性Ｓ２（中間温度側）および寿命劣化特性Ｓ３（高温側）を併せて示している。図１２に示すように、コンデンサの寿命劣化特性は環境温度に左右されることになり、例えば寿命劣化特性が異なれば、同一の容量低下率を与える経過時間も大きく変動することになる。したがって、コンデンサの劣化診断を精度よく行うためには、コンデンサ周辺の環境温度を継続的に測定することが、より好ましい実施態様となる。

図１３は、異なる寿命劣化特性を有する２つのコンデンサの温度特性を図１０の寿命劣化特性に対応させて示した図である。図１３において、寿命劣化特性Ｑ１，Ｒ１は、それぞれが図１０に示したものに対応している。一方、寿命劣化特性Ｑ１’，Ｒ１’は、例えば、寿命劣化特性Ｑ１，Ｒ１の特性が表れる温度環境よりも高い温度環境下で継続使用した場合の特性を示している。図１３に示すように、劣化診断を直接的には行わないコンデンサ（例えば、コンデンサ１５ｔ：ここでは「一方のコンデンサ」という）の特性が温度環境によって変化する場合には、劣化診断を直接的に行うコンデンサ（例えばコンデンサ６５ａ：ここでは「他方のコンデンサ」という）の特性も、一方のコンデンサの特性と同様な変動傾向を示す。したがって、他方のコンデンサの環境温度による寿命劣化特性の変化を把握するようにすれば、コンデンサの寿命劣化診断にかかる予測精度を高めることが可能となる。

このため、本実施の形態にかかる電源装置では、温度検出手段６６が、コンデンサ６５ａの温度もしくはコンデンサ６５ａ周辺の環境温度を定期的に測定するとともに、測定した温度検出情報６７をマイコン１７に出力している。マイコン１７は、入力された温度検出情報６７を用いてコンデンサ６５ａ、すなわち劣化診断を直接的に行うコンデンサの環境温度による寿命劣化特性の変化を把握することが可能となる。なお、寿命劣化特性の変化は、例えば、温度、経過時間、および放電時間の３つの要素間の関係が保持された参照テーブルを用いることにより、容易に把握することが可能となる。

なお、この実施の形態では、図９に示す実施の形態６にかかる電源装置に温度検出手段６６を備える構成について示したが、図３に示したコンデンサの劣化曲線も図１２と同様な温度特性を有している。このため、実施の形態１〜５にかかる電源装置においても、図１４〜図１８の各図に示すように劣化診断を直接的に行うコンデンサを対象として図１１と同様な温度検出手段を具備させた上で、劣化診断を直接的に行うコンデンサの環境温度による寿命劣化特性の変化を把握することにより、コンデンサの寿命診断にかかる予測精度を高めることが可能となる。

実施の形態８．
図１９は、本発明の実施の形態１〜７にかかる電源装置をシーケンサシステムに適用した場合の構成例を示す図である。同図に示すシーケンサシステムでは、ベースユニット１０１上に、電源ユニット１０２、ＣＰＵユニット１０３、Ｉ／Ｏユニット１０４、ネットワークユニット１０５、およびその他のユニット１０６が搭載されている第１の制御システム１００ａが構成されるとともに、ネットワークユニット１０５を通じて他の制御システムである第２の制御システム１００ｂおよび第３の制御システム１００ｃと接続されている。

電源ユニット１０２は、上述した寿命診断の機能を有しており、当該寿命診断の結果を表す寿命検出信号１１０を、例えば電源ユニット１０２に具備される外部出力用コネクタ１０７およびＩ／Ｏユニット１０４に具備される外部入力用コネクタ１０８を通じてＩ／Ｏユニット１０４に伝達する。ＣＰＵユニット１０３は、Ｉ／Ｏユニット１０４に伝達された診断結果の情報を読みとることにより、電源ユニット１０２が行った診断結果を表示器１０９に表示させることができる。なお、電源ユニット１０２が行った診断結果は、同図の破線矢印で示す寿命検出信号１２０として、ベースユニット１０１を介してＣＰＵユニット１０３に伝達してもよい。

また、第２の制御システム１００ｂおよび第３の制御システム１００ｃのようにＣＰＵユニットや表示器を有さない制御システムの場合であっても、寿命診断の診断結果である寿命検出信号１１０をネットワークユニットを介して第１の制御システムに伝達すればよい。このようなシステム構成であっても、図１９に示す例のように、第２の制御システム１００ｂおよび第３の制御システム１００ｃからネットワークユニットを介して伝達された診断結果の情報を第１の制御システム１００ａのＣＰＵユニット１０３が読みとることにより、第１の制御システム１００ａの表示器１０９によって表示させることが可能となる。

以上のように、本発明にかかる電源装置およびシーケンサシステムは、オンラインでの寿命診断を可能とする装置として有用であり、特に、オンラインでの寿命診断を行いつつ、寿命診断にかかる予測精度を確保したい場合などに適している。

Claims (13)

1. 交流電力の整流出力を平滑する平滑部に具備されるコンデンサの劣化診断を行う電源装置であって、
   前記平滑部のコンデンサとして、劣化診断を直接的に行う第１のコンデンサと、劣化診断を直接的には行わない１または複数の第２のコンデンサとが具備されるとともに、該第１のコンデンサの各両端には並列に接続される第１の放電用抵抗が具備され、
   通常時には、全てのコンデンサが活線に電気的に接続されるように構成されるとともに、劣化診断時には、前記第１のコンデンサの前記活線との電気的接続が切り離されるように構成され、
   前記第１、第２のコンデンサは、該第２のコンデンサが寿命に達するまでの時間のうち、該第１のコンデンサの放電時間の変化量が該第２のコンデンサの放電時間の変化量よりも大きい期間が、該第２のコンデンサの放電時間の変化量が該第１のコンデンサの放電時間の変化量よりも大きい期間に比べて長くなるような寿命劣化特性を有している
   ことを特徴とする電源装置。
2. 交流電力の整流出力を平滑する平滑部に具備されるコンデンサの劣化診断を行う電源装置であって、
   前記平滑部のコンデンサとして、劣化診断を直接的に行う複数の第１のコンデンサと、劣化診断を直接的には行わない１または複数の第２のコンデンサとが具備されるとともに、該第１のコンデンサの各両端には並列に接続される第１の放電用抵抗が具備され、
   通常時には、全てのコンデンサが活線に電気的に接続されるように構成されるとともに、劣化診断時には、前記第１のコンデンサのうち、少なくとも１以上のコンデンサが活線に電気的に接続され、かつ、該活線に電気的に接続されていないコンデンサの劣化診断が行われるように構成されたことを特徴とする電源装置。
3. 前記第１のコンデンサは、前記活線にスイッチング素子を介して接続されることを特徴とする請求項１または３に記載の電源装置。
4. 前記第１のコンデンサを前記活線から電気的に切り離す場合には、前記スイッチング素子を高速に起動し、前記第１のコンデンサを前記活線に電気的に接続する場合には、前記スイッチング素子を緩やかに起動する起動手段を備えたことを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
5. 交流電力の整流出力を平滑する平滑部に具備されるコンデンサの劣化診断を行う電源装置であって、
   前記平滑部のコンデンサとして、第１、第２のコンデンサが具備されるとともに、該第１、第２のコンデンサの各両端には並列に接続される第１、第２の放電用抵抗が具備され、
   通常時には、前記第１、第２のコンデンサの双方が活線に電気的に接続され、
   劣化診断時には、前記第１、第２のコンデンサの双方が所定のタイミングで交互に前記活線に電気的に接続され、かつ、該活線に電気的に接続されない側のコンデンサの劣化診断が行われるように構成されたことを特徴とする電源装置。
6. 前記第１、第２のコンデンサは、該第１、第２のコンデンサが単独で動作する場合の容量値をそれぞれ有してなることを特徴とする請求項６に記載の電源装置。
7. 前記第１、第２のコンデンサは、前記活線にスイッチング素子を介して接続されることを特徴とする請求項６に記載の電源装置。
8. 前記第１、第２のコンデンサを前記活線から電気的に切り離す場合には、前記スイッチング素子を高速に起動し、前記第１、第２のコンデンサを前記活線に電気的に接続する場合には、前記スイッチング素子を緩やかに起動する起動手段を備えたことを特徴とする請求項８に記載の電源装置。
9. 前記第１のコンデンサの温度もしくは該第１のコンデンサ周辺の環境温度を測定する温度検出手段をさらに備え、
   前記温度検出手段が測定した温度検出情報に基づいて、前記第１のコンデンサの寿命劣化特性の変化を把握することを特徴とする請求項１または３に記載の電源装置。
10. 前記第１、第２のコンデンサの劣化状態を表示する表示手段を備えたことを特徴とする請求項１、３または６に記載の電源装置。
11. 前記表示手段は、前記コンデンサの状態を、少なくとも正常状態、交換推奨状態および劣化状態の３つの状態区分に弁別して表示することを特徴とする請求項１１に記載の電源装置。
12. 前記第１、第２のコンデンサの温度もしくは該第１、第２のコンデンサ周辺の環境温度を測定する温度検出手段をさらに備え、
    前記温度検出手段が測定した温度検出情報に基づいて、前記第１、第２のコンデンサの寿命劣化特性の変化を把握することを特徴とする請求項６に記載の電源装置。
13. 請求項１、３〜１３のいずれか一つに記載の電源装置と、
    該電源装置が行った寿命診断の結果を表す信号の授受を行うＣＰＵユニットと、
    を備えたことを特徴とするシーケンサシステム。

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