JP6425747B2 - ノイズ低減用のｘコンデンサの劣化検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、外部から供給される三相交流電力を直流電力に変換し、この直流電力から所望の三相交流電力を生成してＡＣモータに供給するようになっている電力変換装置のうち、外部からの三相交流電力を直流電圧に変換するコンバータがＰＷＭコンバータからなる電力変換装置において、このＰＷＭコンバータの入力側に設けられているノイズ低減用のＸコンデンサについて、その劣化を検出する劣化検出装置に関するものである。

電動射出成形機のように各装置がサーボモータ等のＡＣモータで駆動されるようになっている機械には、所望の三相交流電力を生成してＡＣモータに供給する電力変換装置が設けられている。電力変換装置は、工場から供給される三相交流電力を直流電力に変換するコンバータと、この直流電力から所望の周波数、電流の三相交流電力を生成するインバータとから概略構成されている。コンバータには、ダイオードのみからなるダイオード整流回路もあるが、ダイオード整流回路はＡＣモータから回収される回生電力を工場側に戻すことはできない。また、変換する直流電力の電圧は、工場から供給される三相交流電力の電圧によって決定されてしまう。これに対してＰＷＭコンバータは、回生電力を工場側に戻すことができるし、入力側にリアクトルを備えたＰＷＭコンバータは、工場から供給される三相交流電力の電圧を昇圧して直流電力に変換することもでき、優れている。

特開２００２−８４７５７号公報 特開２００３−１６９４９５号公報

ところで三相交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータは、６個のＩＧＢＴと６個のダイオードとから構成されており、これらのＩＧＢＴをスイッチングするとノイズが発生し、三相交流電力の電力線にノイズが乗ってしまう。ノイズには、いわゆるノーマルモード、あるいはディファレンシャルモードと呼ばれるノイズと、いわゆるコモンモードのノイズとがある。三相交流電力の電力線は３本、つまりＲ相、Ｔ相、Ｓ相の３相からなるが、ノーマルモードのノイズはこれら３相のうち任意の２相において一方を往路、他方を復路として伝導するノイズであり、任意の２相において相対的に逆方向に伝導する。これに対してコモンモードのノイズは、グランドに対して相対的に伝導するノイズであり、３相の電力線において同方向に伝導する。ＰＷＭコンバータには入力側の三相交流電力の電力線に、ノーマルモードのノイズ低減用コンデンサすなわちＸコンデンサと、コモンモードのノイズ低減用コンデンサすなわちＹコンデンサとが設けられている。Ｘコンデンサは例えば特許文献１の図１に記載されているように、三相交流電力の３相の電力線において任意の２相間に１個のコンデンサが設けられた、計３個のコンデンサからなる。それぞれの２相間を接続するコンデンサによって、２相間において相対的に逆方向に伝導するノイズが低減されることになる。一方Ｙコンデンサは、例えば特許文献２において高周波フィルタとして示されているように、それぞれの相は１個のコンデンサを介して金属フレーム等のシャーシ、つまりグランドに接続されている。つまり各相とグラウンドの間にそれぞれ１個のコンデンサが設けられた、計３個のコンデンサからなる。グランドに対して３相の電力線上を共通して伝送されるノイズは、これらの３個のコンデンサによって低減されることになる。

このようにＰＷＭコンバータには入力側の三相交流電力の電力線に、ＸコンデンサとＹコンデンサとが設けられているので、電力線に乗るノーマルモードのノイズもコモンモードのノイズもいずれも低減できる。従ってＰＷＭコンバータを備えた電力変換装置は、ノイズの発生源になる虞がなく、安心して利用できる。しかしながら解決すべき問題も見受けられる。具体的にはコンデンサの劣化についてである。コンデンサは長期間の使用によって劣化するが、劣化すると適切にノイズが低減できなくなる。さらにはコンデンサは劣化すると絶縁破壊により発熱して発火の危険もある。このようなコンデンサの劣化について、適切に検出する手段がない。

本発明は、ＰＷＭコンバータを備えた電力変換装置のＰＷＭコンバータの入力側に設けられているノイズ低減用のコンデンサのうち、Ｘコンデンサにおいて、その劣化を検出する劣化検出装置を提供することを目的としている。

本発明は上記目的を達成するために、ＰＷＭコンバータのＸコンデンサの劣化を検出する劣化検出装置を零相変流器から構成する。ＰＷＭコンバータはＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３本の電力線から三相交流電力が供給されるようになっており、Ｘコンデンサは第１〜３のコンデンサから構成されている。第１のコンデンサはＲ相とＳ相とを接続している第１の相間電線に、第２のコンデンサはＳ相とＴ相とを接続している第２の相間電線に、そして第３のコンデンサはＴ相とＲ相の間とを接続している第３の相間電線に設けられている。劣化検出装置を構成している零相変流器に、第１〜３の相間電線を貫通させる。貫通においては第１の相間電線はＲ相からＳ相に向かう方向に、第２の相間電線はＳ相からＴ相に向かう方向に、第３の相間電線はＴ相からＲ相に向かう方向にそれぞれ揃えるようにする。第１〜３のコンデンサを流れる電流の合計は正常時には相殺されるので零相変流器で電流は検出されないが、１個のコンデンサが劣化すると第１〜３のコンデンサを流れる電流のバランスが崩れて零相変流器で電流が検出される。

すなわち上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の３本の電力線から入力される三相交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータにおいて、前記３本の電力線側に設けられているノイズ低減用のＸコンデンサの劣化検出装置であって、前記Ｘコンデンサは第１〜３のコンデンサからなり、前記第１のコンデンサは前記Ｒ相と前記Ｓ相とを接続している第１の相間電線に、前記第２のコンデンサは前記Ｓ相と前記Ｔ相とを接続している第２の相間電線に、そして前記第３のコンデンサは前記Ｔ相と前記Ｒ相とを接続している第３の相間電線にそれぞれ設けられ、前記劣化検出装置は零相変流器からなり、前記第１〜３の相間電線が前記零相変流器に貫通され、貫通においては前記第１の相間電線はＲ相からＳ相に向かう方向に、前記第２の相間電線はＳ相からＴ相に向かう方向に、前記第３の相間電線はＴ相からＲ相に向かう方向にそれぞれ揃えられていることを特徴とする、ＰＷＭコンバータのＸコンデンサの劣化検出装置として構成される。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の劣化検出装置において、前記ＰＷＭコンバータは電動射出成形機に設けられているＰＷＭコンバータであることを特徴とする、ＰＷＭコンバータのＸコンデンサの劣化検出装置として構成される。

本発明は、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の３本の電力線から入力される三相交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータにおいて、３本の電力線側に設けられているノイズ低減用のＸコンデンサの劣化検出装置として構成されている。Ｘコンデンサは第１〜３のコンデンサからなり、第１のコンデンサはＲ相とＳ相とを接続している第１の相間電線に、第２のコンデンサはＳ相とＴ相とを接続している第２の相間電線に、そして第３のコンデンサはＴ相とＲ相とを接続している第３の相間電線にそれぞれ設けられている。このようなＸコンデンサに対して、本発明の劣化検出装置は零相変流器からなり、第１〜３の相間電線が零相変流器に貫通されている。そして貫通においては第１の相間電線はＲ相からＳ相に向かう方向に、第２の相間電線はＳ相からＴ相に向かう方向に、第３の相間電線はＴ相からＲ相に向かう方向にそれぞれ揃えられている。従って、第１〜３のコンデンサが正常なときには、第１〜３のコンデンサを流れる電流はバランスして合計電流は相殺されるので、零相変流器では電流が検出されない。これに対して第１〜３のコンデンサのいずれか１個、または２個が劣化して静電容量が変化すると、第１〜３のコンデンサを流れる電流のバランスが崩れて合計電流は零にはならない。そうすると零相変流器において電流が検出されることになる。すなわち本発明の劣化検出装置は、ＰＷＭコンバータに設けられているＸコンデンサの劣化を確実に検出することができる。また劣化検出装置は零相変流器からなるので小コストで提供できるという効果もある。

本実施の形態に係るＸコンデンサの劣化検出装置を示す図で、その（ア）は本実施の形態に係るＰＷＭコンバータと、Ｘコンデンサと、劣化検出装置とを示す回路図で、その（イ）は劣化検出装置を構成している零相変流器を模式的に示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。本実施の形態に係る電力変換装置１は、電動射出成形機に設けられ、射出装置のスクリュ、型締装置の型締機構等を駆動するＡＣモータは、電力変換装置１が生成する三相交流電力によって駆動されるようになっている。本実施の形態に係る電力変換装置１は、図１の（ア）に示されているように、工場から電動射出成形機に供給される三相交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータ３と、ＡＣモータ５に供給する三相交流電力を生成するインバータ６とから概略構成されている。ＰＷＭコンバータ３には、その入力側において電磁開閉器４を介してＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３相の電力線Ｒ、Ｓ、Ｔが接続され、その出力側において直流電力線Ｐ、Ｎが接続されている。この直流電力線Ｐ、Ｎからの直流電力がインバータ６に供給されるようになっている。図においてインバータ６は簡略的に示されているが、従来周知のように６個のＩＧＢＴと６個のダイオードとから構成されている。６個のＩＧＢＴをスイッチングして、直流電力から任意の周波数、任意の電流の三相交流電力を生成し、ＡＣモータ５に供給するようになっている。このようなインバータ６とＡＣモータ５は、直流電力線Ｐ、Ｎに複数組が接続されているが、図には１組のみ示されている。なお直流電力線Ｐ、Ｎには直流電圧を平滑化する平滑化コンデンサ８が設けられている。

ＰＷＭコンバータ３は、従来周知の構造からなる。すなわち第１〜６のダイオード１１、１２、…と、第１〜６のＩＧＢＴ２１、２２、…とからなる。第１〜６のダイオード１１、１２、…の作用によって入力側の電力線Ｒ、Ｓ、Ｔから供給される三相交流電力は直流電力に変換されて出力側の直流電力線Ｐ、Ｎに供給されるが、ＡＣモータ５からインバータ６を介して回生される回生電力は、第１〜６のＩＧＢＴ２１、２２、…をスイッチングすることによって三相交流電力として電力線Ｒ、Ｓ、Ｔに回生することができる。ところで、本実施の形態においては、ＰＷＭコンバータ３の入力側の電力線Ｒ、Ｓ、Ｔには第１〜３のリアクトル３１、３２、３３が設けられている。従って、三相交流電力を直流電力に変換するときに、第１〜６のＩＧＢＴ２１、２２、…を適切にスイッチングするとチョッパ回路が構成され、直流電力を昇圧して直流電力線Ｐ、Ｎに供給できるようになっている。

本実施の形態に係る電力変換装置１は、ＰＷＭコンバータ３を備えているので第１〜６のＩＧＢＴ２１、２２、…のスイッチングによって高周波ノイズが発生する。高周波ノイズを低減するために、入力側の電力線Ｓ、Ｔ、Ｒには、いわゆるＸコンデンサ４０と、Ｙコンデンサ５０とが設けられている。

Ｘコンデンサ４０は、第１〜３のコンデンサ４１、４２、４３からなり、それぞれのコンデンサ４１、４２、４３は、Ｒ相とＳ相、Ｓ相とＴ相、Ｔ相とＳ相の間に介装されている。より詳しく説明すると、電力線Ｒと電力線Ｓとに接続されている第１の相間電線４６に第１のコンデンサ４１が設けられ、電力線Ｓと電力線Ｔとに接続されている第２の相間電線４７に第２のコンデンサ４２が設けられ、そして電力線Ｔと電力線Ｒとに接続されている第３の相間電線４８に第３のコンデンサ４３が設けられている。本実施の形態に係る劣化検出装置６０はこのようなＸコンデンサ４０に設けられており、後で説明する。

Ｙコンデンサ５０は、周知のように第４〜６のコンデンサ５１、５２、５３から構成されている。これらのコンデンサ５１、５２、５３は、電力線Ｒ、Ｓ、Ｔのそれぞれと電動射出成形機の筐体、つまりグランドとの間に介装されている。すなわち、第４のコンデンサ５１はＲ相の電力線Ｒから引き出された線に設けられ、第５のコンデンサ５２はＳ相の電力線Ｓから引き出された線に設けられ、そして第６のコンデンサ５３はＴ相の電力線Ｔから引き出された線に設けられている。そしてこれらの第４〜６のコンデンサ５１、５２、５３から延びる線は互いにＹ結合され、このＹ結合された端部が最終的にグランドＧに接続されている。

本実施の形態に係る劣化検出装置６０は、Ｘコンデンサ４０に設けられている貫通型の零相変流器６１からなる。そして零相変流器６１に、図１の（イ）に示されているように第１〜３の相間電線４６、４７、４８が貫通している。貫通している第１〜３の相間電線４６、４７、４８は、方向が揃えられている。すなわち第１の相間電線４６がＲ相からＳ相に向かう向きに零相変流器６１を貫通している場合、第２の相間電線４７はＳ相からＴ相に向かう向きに、第３の相間電線４８はＴ相からＲ相に向かう向きにそれぞれ貫通するようにしている。あるいは、第１の相間電線４６がＳ相からＲ相に向かう向きに零相変流器６１を貫通している場合、第２の相間電線４７はＴ相からＳ相に向かう向きに、第３の相間電線４８はＲ相からＴ相に向かう向きにそれぞれ貫通するようにしている。零相変流器６１で検出される電流は増幅されて電動射出成形機のコントローラ６２に入力されている。第１〜３のコンデンサ４１、４２、４３が正常なときは、第１〜３の相間電線４６、４７、４８を流れる電流はバランスしており、合計電流は零または零近傍になる。この場合、零相変流器６１において電流はほとんど検出されない。しかしながら、いずれかのコンデンサ４１、４２、４３が劣化して静電容量が変化したら、第１〜３の相間電線４６、４７、４８を流れる電流にアンバランスが生じて、これらの合計電流は所定の大きさになる。そうすると零相変流器６１において電流が検出され、コントローラ６２はＸコンデンサ４０が劣化したことを検出する。

１ 電力変換装置
３ ＰＷＭコンバータ
４ 電磁開閉器
５ ＡＣモータ
６ インバータ
８ 平滑化コンデンサ
１１、１２、… 第１〜６のダイオード
２１、２２、… 第１〜６のＩＧＢＴ
３１、３２、… 第１〜３のリアクトル
４０ Ｘコンデンサ
４１、４２、４３ 第１〜３のコンデンサ
４６、４７、４８ 第１〜３の相間電線
５０ Ｙコンデンサ
５１、５２、５３ 第４〜６のコンデンサ
６０ 劣化検出装置
６１ 零相変流器
Ｒ Ｒ相の電力線
Ｓ Ｓ相の電力線
Ｔ Ｔ相の電力線
Ｐ 正の直流電圧線
Ｎ 負の直流電圧線

Claims (2)

1. Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の３本の電力線から入力される三相交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータにおいて、前記３本の電力線側に設けられているノイズ低減用のＸコンデンサの劣化検出装置であって、
   前記Ｘコンデンサは第１〜３のコンデンサからなり、前記第１のコンデンサは前記Ｒ相と前記Ｓ相とを接続している第１の相間電線に、前記第２のコンデンサは前記Ｓ相と前記Ｔ相とを接続している第２の相間電線に、そして前記第３のコンデンサは前記Ｔ相と前記Ｒ相とを接続している第３の相間電線にそれぞれ設けられ、
   前記劣化検出装置は零相変流器からなり、前記第１〜３の相間電線が前記零相変流器に貫通され、貫通においては前記第１の相間電線はＲ相からＳ相に向かう方向に、前記第２の相間電線はＳ相からＴ相に向かう方向に、前記第３の相間電線はＴ相からＲ相に向かう方向にそれぞれ揃えられていることを特徴とする、ＰＷＭコンバータのＸコンデンサの劣化検出装置。
2. 請求項１に記載の劣化検出装置において、前記ＰＷＭコンバータは電動射出成形機に設けられているＰＷＭコンバータであることを特徴とする、ＰＷＭコンバータのＸコンデンサの劣化検出装置。