JP5184911B2 - 電源装置及び電解コンデンサ寿命警告方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンバータ回路、インバータ回路、チョッパ回路等の電力変換部を備えた電源装置に関し、特に電解コンデンサが寿命に達することによる電源装置の停止を防止するために電解コンデンサの寿命検出機能を具備した電源装置、及び電解コンデンサ寿命警告方法に関するものである。

電源装置、例えばスイッチング電源装置においては、交流電源電圧を整流素子により脈流電圧に整流し、この脈流電圧を大容量の電解コンデンサで平滑して直流入力電圧とし、この平滑された直流入力電圧をスイッチング部に供給して任意の電圧を出力するように構成されている。

このような電源装置において、電解コンデンサの寿命の問題により信頼性の向上が妨げられることがある。これは電解コンデンサの寿命が他の電気部品の寿命に比べて極めて短く、電解コンデンサの寿命が電源装置の寿命を決定するためである。

電解コンデンサの寿命の推定においては、電解コンデンサと並列の回路に流れる脈動電流の程度を検出したり、あるいは、寿命を推定しようとする電解コンデンサと実質的に同じコンデンサを設けておき、その容量減少を調べて間接的に推定したりするといったものが従来提案されている。また、下記特許文献１に提案には、電解コンデンサの２つの端子３，４（符号は同文献の図面の符号）に接続する導体を、それぞれ板状の導体板５，１０とし、それらを絶縁シート７および感圧センサ１を挟んで積層して、合成コンデンサを構成して、経年変化により電解コンデンサの容量が減少すると、蓄積される電荷が減少し、導体板５，１０間に働くクーロン力（吸引力）が減少するので、その吸引力の減少を、導体板５，１０に挟んである感圧センサ１で検出し、電解コンデンサの寿命を推定するといった提案もされている。

特開平１１−１９０７５４号公報

しかしながら、上記特許文献１をはじめとする上記従来技術の提案においては、装置のコストが高くなると共に、設置スペースが大となる等の問題点があった。

また、装置に対する負荷を考慮しておらず、電解コンデンサの寿命推定において正確性に欠けていた。ここで、負荷率とは電源装置の定格電流に対する出力電流の割合のことである。負荷率が大きい運転をする電源装置の電解コンデンサの寿命は、負荷率が小さい運転をするものよりも寿命が短くなる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コストが増大することなく、僅かの部品の追加とソフトウェアの追加で実現することができ、電解コンデンサの寿命検出を容易に且つ正確に行うことができる電源装置及び電解コンデンサ寿命警告方法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に、本発明の電源装置は、電解コンデンサと、電解コンデンサの温度又は電解コンデンサの周囲の温度を測定する温度測定手段と、負荷に向けて出力される出力電流を検出する出力電流検出手段と、出力電流検出手段により検出された出力電流に基づいて、定格電流に対する当該出力電流の割合である負荷率を算出する負荷率算出手段と、温度測定手段により測定された温度と負荷率算出手段により算出された負荷率とに基づいて、電解コンデンサの寿命残存時間を算出し、算出した当該寿命残存時間を記憶する寿命算出手段と、寿命算出手段に記憶されている寿命残存時間が警告時間に達しているときに、寿命警告の報知をする報知手段とを備え、寿命算出手段は、前記温度と前記負荷率に対する減算時間が記憶された減算時間データテーブルを備え、当該減算時間データテーブルに基づいて、所定の時間間隔で減算時間を取得するとともに、取得した当該減算時間を前記寿命残存時間から減算することにより得られる算出値を、前記寿命残存時間として新たに記憶することを特徴とする。

また、本発明の電解コンデンサ寿命警告方法は、電圧平滑用の電解コンデンサを有し入力した電力を電力変換する電力変換部を備えた電源装置の電解コンデンサの寿命警告方法であり、温度と負荷率に対する減算時間が記憶された減算時間データテーブルを記憶手段に記憶し、電解コンデンサ又は電解コンデンサの周囲の温度を測定するとともに電源装置の負荷率を算出し、測定した温度と算出した負荷率とから減算時間データテーブルに基づいて減算時間を求め、電解コンデンサに対応して予め決められた寿命時間から減算時間を減算することにより寿命残時間を算出し、算出された寿命残存時間が警告時間に達しているときに寿命警告の報知をすることを特徴とする。

この発明によれば、測定した温度と算出した負荷率とから減算時間データテーブルに基づいて減算時間を求め、電解コンデンサに対応して予め決められた寿命時間から減算時間を減算することにより寿命残時間を算出する。つまり、温度測定手段と、温度と負荷率に対する減算時間が記憶された減算時間データテーブルと、この減算時間データテーブルから電解コンデンサの寿命残存時間を算出する寿命算出手段とを設け、温度に加えて負荷率を考慮して寿命検出を行うので、僅かの部品の追加とソフトウェアの追加で実現することができ、電解コンデンサの寿命検出を容易に且つ正確に行うことができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる電源装置及び電解コンデンサ寿命警告方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる電源装置の実施の形態１の概略の機能ブロック図である。図１において、本実施の形態の電源装置５０の入力は、商用交流電源３に接続されている。電源装置５０の出力は、負荷６０に接続されている。電源装置５０は、ＡＣ商用電源３から安定したＤＣ電源を生成して負荷６０に供給するスイッチング電源である。つまり、電源装置５０は、商用交流電源３を所定の直流電源に変換して出力端子に接続された負荷６０に印加する。

図１に示すように、トランス１１の１次側には、ＡＣ商用電源３側から、入力整流回路５、入力平滑用の電解コンデンサ７及びスイッチング回路９がこの順で設けられている。一方、トランス１１の２次側には、トランス１１から負荷６０側に向けて、出力整流回路１３、出力平滑用の電解コンデンサ１５、出力電圧検出回路（出力電圧検出手段）１７、出力電流検出回路（出力電流検出手段）１９がこの順で設けられている。このうち、入力整流回路５、入力平滑用コンデンサ７、スイッチング回路９、トランス１１、出力整流回路１３、及び出力平滑用コンデンサ１５は、商用交流電源３を所定の直流電源に変換する電力変換手段としてコンバータ部（電力変換部）４０を構成している。

電源装置５０は、さらにＣＰＵ装置２０と、ＰＷＭ制御部（電圧制御部）２１と、温度センサ（温度測定手段）２４と、メモリ（記憶手段）２６と、警報回路（報知手段）とを有している。ＣＰＵ装置２０は、ＰＷＭ制御部２１に目標電圧値を与える。ＰＷＭ制御部２１は、ＣＰＵ装置２０から目標電圧値を取り込み、また出力電圧検出回路１７の検出する出力電圧値を取り込み、電源装置５０の出力電圧が目標電圧値となるように、スイッチング回路９をフィードバック制御する。ＰＷＭ制御部２１が行うスイッチング回路９のフィードバック制御は、スイッチング回路９のスイッチング動作がＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）制御されて出力電圧が可変となる周知の技術である。スイッチング回路９の出力電圧は、出力電圧検出回路１９で検出され、その検出信号がＰＷＭ制御部２１に入力される。

温度センサ２４は、例えばＣＭＯＳ温度センサであり、制御基板上でファンの給気温度などを測定して周囲温度とする。なお、周囲温度は、電解コンデンサそのものの温度を測定してもよいし、本実施の形態の間接的に電解コンデンサの周囲の温度を測定してもよく、適宜都合のよい方に統一すればよい。

記憶手段を構成するメモリ２６には、ソフトウェアにて構成された負荷率算出手段と、寿命算出手段、および減算時間データテーブルが記憶されている。寿命算出手段は、測定された温度と算出された負荷率とから減算時間データテーブルに基づいて電解コンデンサの寿命残存時間を算出する。この寿命残存時間の算出に用いられる減算時間データテーブルは、以下の電解コンデンサ寿命年数データテーブルから予め求められてメモリ２６に記憶されている。

図２は、本実施の形態の電解コンデンサ寿命年数データテーブルを示す図である。電解コンデンサ寿命年数データテーブルは、所定の電解コンデンサにおいて、負荷率及び周囲温度に対する寿命年数を示す表である。本実施の形態の寿命年数データテーブルによれば、ある機種の電解コンデンサにおいて、例えば、負荷率が６０％で周囲温度が４０℃の場合、１０．６２年の寿命年数とされており、また、負荷率が８０％で周囲温度が５０℃の場合、３．９７年の寿命年数とされている。

次ぎに減算時間データテーブルの説明をする。寿命算出手段の行う寿命残存時間の算出は、所定の時間間隔で行われる。これに合わせて電解コンデンサの周囲の温度測定と負荷率の算出が所定の時間間隔で行われる。つまり、例えば、１時間毎に温度測定と負荷率算出が行われ、測定された温度と算出された負荷率とに基づいて、電解コンデンサの寿命残存時間が算出される。減算時間データテーブルには、このときの演算に用いられる温度と負荷率に対する減算時間が記憶されており、寿命算出手段は、電解コンデンサに対応して予め決められた寿命時間から減算時間を減算することにより寿命残存時間を算出する。

図３は、本実施の形態の減算時間データテーブルを示す図である。図３の減算時間データテーブルは、測定間隔が１時間のときの減算時間を示している。図３に示す減算時間は、図２のデータに基づいて、周囲温度４０℃、負荷率８０％時の電解コンデンサの寿命時間が、７．９４年であることから、以下の式に基づいて作成されている。
７．９４年（＝７．９４年×２４時間×３６５日）＝６９，２０４時間

ＣＰＵ装置２０は、記憶されたプログラムにより複雑な処理判断ができるようにされている。図４はＣＰＵ装置２０の動作のうち電解コンデンサの寿命検出に関係する動作のフローチャートを示す図である。図４に沿ってＣＰＵ装置２０の動作を説明する。なお、ＣＰＵ装置２０は、ソフトウェアである負荷率算出手段および寿命算出手段を含んで構成されているが、特に図４のフローチャートのステップＳ１０３の動作は、負荷率算出手段を構成しており、また、ステップＳ１０５の動作は寿命算出手段を構成している。

図４において、ＣＰＵ装置２０は、システムの運転が始まると、まず、複数の電解コンデンサのうち、耐用年数の最も短い電解コンデンサを測定対象のコンデンサとして特定する（ステップＳ１０１）。なお、本実施の形態においては、電解コンデンサ５が測定対象の電解コンデンサであるとして説明する。フローチャートに戻り、次ぎに、測定対象の電解コンデンサ５の温度、もしくは測定対象の電解コンデンサ５の周囲温度が、温度センサ２４により測定される（ステップＳ１０２）。

そして、ＣＰＵ装置２０は、測定された負荷電流から負荷率を算出する（ステップＳ１０３）。さらに、ＣＰＵ装置２０は、測定された温度および算出された負荷率に基づき減算時間データテーブルの減算時間を参照する（ステップＳ１０４）。そして、ＣＰＵ装置２０は、以下の式により、寿命残存時間の値を更新する（ステップＳ１０５）。算出された寿命残存時間は、メモリ２６に記憶され次ぎのサイクルの寿命残存時間算出の際の現寿命残存時間となる。
(寿命残存時間＝現寿命残存時間―減算時間)

さらに、ＣＰＵ装置２０は、計算の結果求めた寿命残存時間が警告時間に到達しているか否かを判断して（ステップＳ１０６）。到達していない場合は、ステップＳ１０２に戻り、一方、到達している場合は、ステップＳ１０７に進み、警報回路２８により、寿命警告の表示を行う。

以上のように、本実施の形態の電源装置によれば、測定した温度と算出した負荷率とから減算時間データテーブルに基づいて減算時間を求め、電解コンデンサに対応して予め決められた寿命時間から減算時間を減算することにより寿命残時間を算出する。そのため、温度センサ２６を設けるとともに、温度と負荷率に対する減算時間が記憶された減算時間データテーブルと、この減算時間データテーブルから電解コンデンサの寿命残存時間を算出する寿命算出手段とを用意することで寿命検出を実現することができ、温度に加えて負荷率を考慮して寿命検出を行うので、電解コンデンサの寿命検出を容易に且つ正確に行うことができる。

なお、本実施の形態は、２４時間連続稼働する電源装置に適用されるものであるが、稼働時間を算出する手段を設けて、減算時間をこの稼働時間に比例するようなものとすれば、２４時間連続稼働しない電源装置にも適用することができる。

実施の形態２．
図５は、本発明に係る実施の形態２の電源装置の電解コンデンサ寿命年数データテーブルを示す図である。図６は、本発明に係る実施の形態２の電源装置の減算時間データテーブルを示す図である。周囲温度が低く且つ負荷率が低ければ、計算上寿命年数は非常に大きな値になる（図５中網がけの部分）。しかしながら、実際には、電解コンデンサの寿命は、他の種々の要因もあり最長１５年である。そのため、本実施の形態図６に示すように、周囲温度３０℃以下で負荷率９０％以下の範囲では減算時間を一律に０．５時間として設定して、最長でも実際の寿命より２年短い１３年で警告を発生するようにしている。

本実施の形態の電源装置によれば、減算時間データテーブルに記憶された減算時間を、所定の温度以下で且つ所定の負荷率以下の領域で一定の値となるように設定して、電解コンデンサの寿命が所定時間を超えないようにするので、実際の運用に則してより正確に、電解コンデンサの寿命検出を行うことができる。なお、本実施の形態に関連して、電源装置のオーバーホールする時期を、出荷後１５年経過時かもしくは、上記警告発生時の何れか短い方として運用すると良好である。

以上のように、本発明にかかる電源装置は、電解コンデンサを備えた電源装置に有用であり、特に、平滑用の電解コンデンサを含む、コンバータ回路、インバータ回路、チョッパ回路等の電力変換部を備えた電源装置に適用されて好適なものである。

本発明にかかる電源装置の実施の形態１の概略の機能ブロック図である。 実施の形態１の寿命年数データテーブルを示す図である。 実施の形態１の減算時間データテーブルを示す図である。 ＣＰＵ装置の電解コンデンサの寿命検出に関係する動作のフローチャートを示す図である。 実施の形態２の寿命年数データテーブルを示す図である。 実施の形態２の減算時間データテーブルを示す図である。

符号の説明

３ 商用交流電源
５ 入力整流回路
７ 入力平滑用コンデンサ（電解コンデンサ）
９ スイッチング回路
１１ トランス
１３ 出力整流回路
１５ 出力平滑用コンデンサ（電解コンデンサ）
１７ 出力電圧検出回路（出力電圧検出手段）
１９ 出力電流検出回路（出力電流検出手段）
２０ ＣＰＵ装置（負荷率算出手段、寿命算出手段）
２１ ＰＷＭ制御部（電圧制御部）
２４ 温度センサ（温度検出手段）
２６ メモリ（記憶手段）
２８ 警報回路（報知手段）
４０ コンバータ部（電力変換部）
５０ 電源装置
６０ 負荷
Ｓ１０３ 負荷率算出手段
Ｓ１０５ 寿命算出手段

Claims (6)

1. 電解コンデンサと、
   前記電解コンデンサの温度又は前記電解コンデンサの周囲の温度を測定する温度測定手段と、
   負荷に向けて出力される出力電流を検出する出力電流検出手段と、
   前記出力電流検出手段により検出された出力電流に基づいて、定格電流に対する当該出力電流の割合である負荷率を算出する負荷率算出手段と、
   前記温度測定手段により測定された温度と前記負荷率算出手段により算出された負荷率とに基づいて、前記電解コンデンサの寿命残存時間を算出し、算出した当該寿命残存時間を記憶する寿命算出手段と、
   前記寿命算出手段に記憶されている前記寿命残存時間が警告時間に達しているときに、寿命警告の報知をする報知手段とを備え、
   前記寿命算出手段は、
   前記温度と前記負荷率に対する減算時間が記憶された減算時間データテーブルを備え、
   当該減算時間データテーブルに基づいて、所定の時間間隔で減算時間を取得するとともに、取得した当該減算時間を前記寿命残存時間から減算することにより得られる算出値を、前記寿命残存時間として新たに記憶することを特徴とする電源装置。
2. 前記減算時間データテーブルに記憶された前記減算時間は、所定の温度且つ所定の負荷率における前記減算時間を基準値として算出された算出値であることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記減算時間データテーブルに記憶された前記減算時間は、所定の温度以下で且つ所定の負荷率以下の領域で一定の値となるように設定されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
4. 電圧平滑用の電解コンデンサを有し入力した電力を電力変換する電力変換部を備えた電源装置の前記電解コンデンサの寿命警告方法であり、
   温度と負荷率に対する減算時間が記憶された減算時間データテーブルと前記電解コンデンサの寿命残存時間を記憶手段に記憶し、
   前記電解コンデンサの温度又は前記電解コンデンサの周囲の温度を測定するとともに、前記電源装置の定格電流に対する出力電流の割合である負荷率を算出し、
   所定の時間間隔で、前記温度と前記負荷率とから前記減算時間データテーブルに基づいて減算時間を求めるともに、当該減算時間を前記記憶手段に記憶されている前記寿命残存時間から減算し、当該減算により得られた値を前記記憶手段に前記寿命残存時間として新たに記憶し、
   前記記憶手段に記憶されている前記寿命残存時間が警告時間に達しているときに寿命警告の報知をする
   ことを特徴とする電解コンデンサ寿命警告方法。
5. 前記減算時間データテーブルに記憶された前記減算時間は、所定の温度且つ所定の負荷率における前記減算時間を基準値として算出された算出値であることを特徴とする請求項４に記載の電解コンデンサ寿命警告方法。
6. 前記減算時間データテーブルに記憶された減算時間は、所定の温度以下で且つ所定の負荷率以下の領域で一定の値となるように設定されている
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の電解コンデンサ寿命警告方法。

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