JP7489713B2

JP7489713B2 - キャパシタ寿命診断装置及びキャパシタ寿命診断方法

Info

Publication number: JP7489713B2
Application number: JP2020186497A
Authority: JP
Inventors: 一徳長谷川
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2020-11-09
Filing date: 2020-11-09
Publication date: 2024-05-24
Anticipated expiration: 2040-11-09
Also published as: JP2022076194A

Description

本発明は、主に産業用モータ駆動システム等におけるモータの駆動（制御）に用いられるインバータ内のキャパシタの寿命を、電流センサを用いることなく診断することができるキャパシタ寿命診断装置及びキャパシタ寿命診断方法に関する。

従来、工作機械、産業機械及び各種ロボット等におけるモータの駆動（制御）にはインバータが用いられている。このインバータは、交流電源から入力される交流電力を整流器（コンバータ回路、順変換器）により一旦、直流電力に変換（整流）した後、その直流電力をインバータ回路（逆変換器）により交流電力に変換して、モータの駆動電力として供給し、モータの速度、トルク又は回転子の位置を制御するものである。整流器とインバータ回路の間には、整流器で整流された電圧の変動を平滑化するためにキャパシタ（コンデンサ）が設けられるが、このキャパシタは充放電の繰り返しにより劣化し、キャパシタンス（静電容量）が減少して寿命に至る。従って、キャパシタの寿命を適宜、診断（モニタリング）し、交換する必要がある。そこで、従来、キャパシタ寿命診断のためのモニタリング手法として、等価直列抵抗（ＥＳＲ）のみを対象とした簡易な手法が用いられてきたが、現在では、ＥＳＲだけでなく、キャパシタンスのモニタリングも必要不可欠であることが解明されている。また、その他の従来技術として、キャパシタのモニタリングのために、電流センサを用いる手法（例えば、特許文献１、特許文献２）や、電流センサを用いずキャパシタ電流を推定する手法も提案されている。

特開２００８－１６４４５３号公報特開２００９－１２８１９４号公報

上記従来技術のうち、電流センサを用いる手法は広く用いられているが、電流センサの追加コストが必要となるだけでなく、回路構造の大きな変更が必要であり、大幅なコスト増加を招くという課題があった。また、電流センサを用いずキャパシタ電流を推定する手法では、キャパシタ寿命診断の指標であるＥＳＲとキャパシタンスの双方をモニタリングすることは不可能であり、信頼性に欠けるという課題があった。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、電流センサを用いることなく、ＥＳＲとキャパシタンスの双方をモニタリングすることができ、低コストで高精度なキャパシタ寿命診断を実現してインバータの信頼性を向上させ、モータ駆動用インバータの普及拡大を図り、省エネルギー化に貢献できるキャパシタ寿命診断装置及びキャパシタ寿命診断方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係るキャパシタ寿命診断装置は、単相又は三相の入力電源とモータとの間に接続されるインバータに用いられるキャパシタの寿命を診断するためのキャパシタ寿命診断装置であって、
前記入力電源の電源電圧と、前記インバータの出力電力とから、前記電源電圧の整流後の整流器電圧を演算する整流器電圧演算手段と、
前記整流器電圧と、前記インバータ内のフィルタインダクタンス値とから、前記キャパシタのリプル電流を演算するリプル電流演算手段と、
前記リプル電流と、前記キャパシタに印加されるキャパシタ電圧をそれぞれ高速フーリエ変換して周波数成分毎に分離する高速フーリエ変換手段と、
周波数成分毎に分離された前記キャパシタ電圧を周波数成分毎に分離された前記リプル電流で除して、前記キャパシタにおけるインピーダンスの周波数特性を演算する周波数特性演算手段と、
前記インピーダンスの周波数特性から、前記キャパシタにおける等価直列抵抗及びキャパシタンスを演算するＥＳＲ及びキャパシタンス演算手段と、
予め設定された寿命判定基準と、前記等価直列抵抗及び前記キャパシタンスを比較して、前記キャパシタの寿命を判定する寿命判定手段とを備える。

第１の発明に係るキャパシタ寿命診断装置において、前記周波数特性演算手段は、周波数成分毎に分離された前記キャパシタ電圧を周波数成分毎に分離された前記リプル電流で除して求められる周波数成分毎のインピーダンス値を最小二乗法により近似して前記インピーダンスの周波数特性曲線を作成し、前記ＥＳＲ及びキャパシタンス演算手段は、前記インピーダンスの周波数特性曲線に基づいて、前記等価直列抵抗及び前記キャパシタンスを算出することが好ましい。

第１の発明に係るキャパシタ寿命診断装置において、前記寿命判定手段は、前記等価直列抵抗及び前記キャパシタンスのいずれか一方又は双方が前記寿命判定基準を満たさない時に、前記キャパシタは寿命であると判定することが好ましい。

前記目的に沿う第２の発明に係るキャパシタ寿命診断方法は、単相又は三相の入力電源とモータとの間に接続されるインバータに用いられるキャパシタの寿命を診断するためのキャパシタ寿命診断方法であって、
前記入力電源の電源電圧と、前記インバータの出力電力とから、前記電源電圧の整流後の整流器電圧を演算する第１の工程と、
前記整流器電圧と、前記インバータ内のフィルタインダクタンス値とから、前記キャパシタのリプル電流を演算する第２の工程と、
前記リプル電流と、前記キャパシタに印加されるキャパシタ電圧をそれぞれ高速フーリエ変換して周波数成分毎に分離する第３の工程と、
周波数成分毎に分離された前記キャパシタ電圧を周波数成分毎に分離された前記リプル電流で除して、前記キャパシタにおけるインピーダンスの周波数特性を演算する第４の工程と、
前記インピーダンスの周波数特性から、前記キャパシタにおける等価直列抵抗及びキャパシタンスを演算する第５の工程と、
予め設定された寿命判定基準と、前記等価直列抵抗及び前記キャパシタンスを比較して、前記キャパシタの寿命を判定する第６の工程とを備える。

第２の発明に係るキャパシタ寿命診断方法において、前記第４の工程では、周波数成分毎に分離された前記キャパシタ電圧を周波数成分毎に分離された前記リプル電流で除して求められる周波数成分毎のインピーダンス値を最小二乗法により近似して前記インピーダンスの周波数特性曲線を作成し、前記第５の工程では、前記インピーダンスの周波数特性曲線に基づいて、前記等価直列抵抗及び前記キャパシタンスを算出することが好ましい。

第２の発明に係るキャパシタ寿命診断方法において、前記第６の工程では、前記等価直列抵抗及び前記キャパシタンスのいずれか一方又は双方が前記寿命判定基準を満たさない時に、前記キャパシタは寿命であると判定することが好ましい。

第１の発明に係るキャパシタ寿命診断装置及び第２の発明に係るキャパシタ寿命診断方法は、電流センサを用いることなく、電源電圧、フィルタインダクタンス値及び出力電力からキャパシタのリプル電流を算出し、そのリプル電流とキャパシタ電圧をそれぞれ高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して周波数成分を抽出し、キャパシタにおけるインピーダンスの周波数特性を求め、ＥＳＲとキャパシタンスの双方をモニタリングすることにより、低コストでありながら高精度な寿命診断を行うことができる。

本発明の一実施の形態に係るキャパシタ寿命診断装置の構成を示すブロック図である。同装置及び同装置で用いられるキャパシタ寿命診断方法が適用されるモータ駆動システムの構成図である。同方法の動作を示すフローチャートである。

続いて、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
図１に示す本発明の一実施の形態に係るキャパシタ寿命診断装置１０及びキャパシタ寿命診断方法は、図２に示すモータ駆動システム１１に適用されて、モータ１２の駆動（制御）に用いられるインバータ１３内のキャパシタ１４の寿命を、電流センサを用いることなく診断するものである。
モータ駆動システム１１は、図２に示すように、三相の入力電源（交流電源）１６から入力される交流電力をインバータ１３内の整流器１７により一旦、直流電力に変換（整流）した後、その直流電力をインバータ１３内のインバータ回路１８により交流電力に変換して、モータ１２の駆動電力として供給し、モータ１２の速度、トルク又は回転子の位置を制御している。ここで、整流器１７で整流された電圧の変動を平滑化するために、整流器１７とインバータ回路１８の間に、キャパシタ１４が設けられている。また、整流器１７とキャパシタ１４の間には、高調波（ノイズ）を抑制するために、フィルタインダクタ（直流リアクトル、Ｌ_ｄｃ）１９が設けられている。なお、図２は、モータ駆動システム１１の基本的な構成を示しているが、キャパシタ寿命診断装置１０及びキャパシタ寿命診断方法の適用対象は、これに限定されるものではなく、キャパシタを内蔵したインバータに広く適用することができる。

図１に示すように、キャパシタ寿命診断装置１０は、入力電源１６の電源電圧Ｖ_Ｓと、インバータ１３の出力電力Ｐ_Ｏとから、電源電圧Ｖ_Ｓの整流後の整流器電圧Ｖ_Ｒを演算する整流器電圧演算手段２０を有する。ここで、整流器電圧Ｖ_Ｒは、三相の電源電圧Ｖ_Ｓを全波整流したものである。
次に、キャパシタ寿命診断装置１０は、整流器電圧Ｖ_Ｒと、インバータ１３内のフィルタインダクタンス値（フィルタインダクタ１９のインピーダンス）とから、キャパシタ１４のリプル電流Ｉ_Ｃ（ｔ）を演算するリプル電流演算手段２１を有する。
また、キャパシタ寿命診断装置１０は、リプル電流演算手段２１で求められたリプル電流Ｉ_Ｃ（ｔ）と、キャパシタ１４に印加されるキャパシタ電圧Ｖ_Ｃをそれぞれ高速フーリエ変換して周波数成分毎に分離する高速フーリエ変換手段２２を有する。

さらに、キャパシタ寿命診断装置１０は、周波数成分毎に分離されたキャパシタ電圧Ｖ_Ｃ（ｆ）を周波数成分毎に分離されたリプル電流Ｉ_Ｃ（ｆ）で除して、キャパシタ１４におけるインピーダンスＺ_Ｃ（ｆ）の周波数特性を演算する周波数特性演算手段２３と、周波数特性演算手段２３で求められたインピーダンスＺ_Ｃ（ｆ）の周波数特性から、キャパシタ１４における等価直列抵抗（ＥＳＲ）及びキャパシタンスを演算するＥＳＲ及びキャパシタンス演算手段２４を有する。ここで、周波数特性演算手段２３としては、周波数成分毎に分離されたキャパシタ電圧Ｖ_Ｃ（ｆ）を周波数成分毎に分離されたリプル電流Ｉ_Ｃ（ｆ）で除して求められる周波数成分毎のインピーダンス値を最小二乗法により近似してインピーダンスＺ_Ｃ（ｆ）の周波数特性曲線を作成するものが好適に用いられ、ＥＳＲ及びキャパシタンス演算手段２４は、作成されたインピーダンスＺ_Ｃ（ｆ）の周波数特性曲線に基づいて、等価直列抵抗及びキャパシタンスを算出することができる。

そして、キャパシタ寿命診断装置１０は、予め設定された寿命判定基準と、等価直列抵抗及びキャパシタンスを比較して、キャパシタ１４の寿命を判定する寿命判定手段２５を有する。寿命判定手段２５は、等価直列抵抗及びキャパシタンスのいずれか一方又は双方が寿命判定基準を満たさない時に、キャパシタ１４が寿命であると判定することができる。寿命判定手段２５は、例えば、健全な（初期の）等価直列抵抗の値の２倍及び健全な（初期の）キャパシタンスの値の０．８倍を、等価直列抵抗及びキャパシタンスの寿命判定基準として、求められた等価直列抵抗の値が、健全な（初期の）等価直列抵抗の値の２倍を超えた時、或いは、求められたキャパシタンスの値が、健全な（初期の）キャパシタンスの値の０．８倍未満（健全なキャパシタンスの値より２０％を超えて減少）になった時に、寿命であると判定することが好ましいが、寿命判定基準は、これに限定されるものではない。

キャパシタ寿命診断装置１０としては、ＲＡＭ、ＣＰＵ、ＲＯＭ等を備えた従来公知の演算器（即ち、コンピュータ又はマイコンボード）を用いることができる。そして、キャパシタ寿命診断方法を実行するプログラム（ソフトウェア）が、キャパシタ寿命診断装置１０にインストールされ、実行されることにより、キャパシタ寿命診断装置１０を上記の整流器電圧演算手段２０、リプル電流演算手段２１、高速フーリエ変換手段２２、インピーダンスの周波数特性演算手段２３、ＥＳＲ及びキャパシタンス演算手段２４及び寿命判定手段２５として機能させることができる。

以下、本発明の一実施の形態に係るキャパシタ寿命診断装置１０で用いられるキャパシタ寿命診断方法を各手段の動作に基づいて説明する。
図３に示すように、まず、入力電源１６の電源電圧Ｖ_Ｓと、インバータ１３の出力電力Ｐ_Ｏが、整流器電圧演算手段２０に入力され、電源電圧Ｖ_Ｓの整流後の整流器電圧Ｖ_Ｒが求められる（以上、第１の工程）。
次に、整流器電圧演算手段２０で求められた整流器電圧Ｖ_Ｒと、インバータ１３内のフィルタインダクタンス値（フィルタインダクタ１９のインピーダンス）が、リプル電流演算手段２１に入力され、キャパシタ１４のリプル電流Ｉ_Ｃ（ｔ）が求められる（以上、第２の工程）。
次に、リプル電流演算手段２１で求められたリプル電流Ｉ_Ｃ（ｔ）と、キャパシタ１４に印加されるキャパシタ電圧Ｖ_Ｃが、高速フーリエ変換手段２２でそれぞれ高速フーリエ変換され、周波数成分毎に分離される（以上、第３の工程）。
次に、周波数特性演算手段２３で、周波数成分毎に分離されたキャパシタ電圧Ｖ_Ｃ（ｆ）が、周波数成分毎に分離されたリプル電流Ｉ_Ｃ（ｆ）で除されて、キャパシタ１４におけるインピーダンスＺ_Ｃ（ｆ）の周波数特性が求められる。このとき、周波数特性演算手段２３は、周波数成分毎に分離されたキャパシタ電圧Ｖ_Ｃ（ｆ）を周波数成分毎に分離されたリプル電流Ｉ_Ｃ（ｆ）で除して求められる周波数成分毎のインピーダンス値を最小二乗法により近似してインピーダンスＺ_Ｃ（ｆ）の周波数特性曲線を作成することが好ましい。なお、周波数特性曲線を最小二乗法以外の方法で近似できる場合は、その他の近似方法を用いてもよい（以上、第４の工程）。
次に、ＥＳＲ及びキャパシタンス演算手段２４で、周波数特性演算手段２３で求められたインピーダンスＺ_Ｃ（ｆ）の周波数特性から、キャパシタ１４における等価直列抵抗及びキャパシタンスが求められる。このとき、インピーダンスＺ_Ｃ（ｆ）の周波数特性曲線が作成されていれば、それに基づいて、等価直列抵抗及びキャパシタンスを容易に算出することができる（以上、第５の工程）。
次に、寿命判定手段２５で、予め設定された寿命判定基準と、ＥＳＲ及びキャパシタンス演算手段２４で求められた等価直列抵抗及びキャパシタンスが比較され、キャパシタ１４の寿命が判定される。このとき、等価直列抵抗及びキャパシタンスのいずれか一方でも寿命判定基準を満たさない時に、キャパシタ１４が寿命であると判定することにより、キャパシタ１４の寿命を的確に判断することができる（以上、第６の工程）。

以上説明したように、キャパシタ寿命診断装置１０及びキャパシタ寿命診断方法を用いることにより、電流センサを用いることなく、対象となるモータ駆動システム１１のキャパシタ１４における等価直列抵抗及びキャパシタンスをモニタリングして、キャパシタ１４の寿命を的確に判定することができる。また、このように電流センサを用いないキャパシタ寿命診断装置１０及びキャパシタ寿命診断方法は、既存のモータ駆動システム（インバータ）に対して、回路の変更（改造）等を行うことなく容易に適用することができ、低コストで精度の高い寿命診断を実現してインバータの信頼性を向上させ、モータ駆動用インバータの普及拡大を図り、省エネルギー化にも貢献することができる。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
なお、上記実施の形態では、モータ駆動システムに対して、三相の入力電源から交流電力が入力される場合について説明したが、入力電源は単相でもよい。

１０：キャパシタ寿命診断装置、１１：モータ駆動システム、１２：モータ、１３：インバータ、１４：キャパシタ、１６：入力電源（交流電源）、１７：整流器、１８：インバータ回路、１９：フィルタインダクタ、２０：整流器電圧演算手段、２１：リプル電流演算手段、２２：高速フーリエ変換手段、２３：周波数特性演算手段、２４：ＥＳＲ及びキャパシタンス演算手段、２５：寿命判定手段

Claims

単相又は三相の入力電源とモータとの間に接続されるインバータに用いられるキャパシタの寿命を診断するためのキャパシタ寿命診断装置であって、
前記入力電源の電源電圧と、前記インバータの出力電力とから、前記電源電圧の整流後の整流器電圧を演算する整流器電圧演算手段と、
前記整流器電圧と、前記インバータ内のフィルタインダクタンス値とから、前記キャパシタのリプル電流を演算するリプル電流演算手段と、
前記リプル電流と、前記キャパシタに印加されるキャパシタ電圧をそれぞれ高速フーリエ変換して周波数成分毎に分離する高速フーリエ変換手段と、
周波数成分毎に分離された前記キャパシタ電圧を周波数成分毎に分離された前記リプル電流で除して、前記キャパシタにおけるインピーダンスの周波数特性を演算する周波数特性演算手段と、
前記インピーダンスの周波数特性から、前記キャパシタにおける等価直列抵抗及びキャパシタンスを演算するＥＳＲ及びキャパシタンス演算手段と、
予め設定された寿命判定基準と、前記等価直列抵抗及び前記キャパシタンスを比較して、前記キャパシタの寿命を判定する寿命判定手段とを備えたことを特徴とするキャパシタ寿命診断装置。
請求項１記載のキャパシタ寿命診断装置において、前記周波数特性演算手段は、周波数成分毎に分離された前記キャパシタ電圧を周波数成分毎に分離された前記リプル電流で除して求められる周波数成分毎のインピーダンス値を最小二乗法により近似して前記インピーダンスの周波数特性曲線を作成し、前記ＥＳＲ及びキャパシタンス演算手段は、前記インピーダンスの周波数特性曲線に基づいて、前記等価直列抵抗及び前記キャパシタンスを算出することを特徴とするキャパシタ寿命診断装置。
請求項１又は２記載のキャパシタ寿命診断装置において、前記寿命判定手段は、前記等価直列抵抗及び前記キャパシタンスのいずれか一方又は双方が前記寿命判定基準を満たさない時に、前記キャパシタは寿命であると判定することを特徴とするキャパシタ寿命診断装置。
単相又は三相の入力電源とモータとの間に接続されるインバータに用いられるキャパシタの寿命を診断するためのキャパシタ寿命診断方法であって、
前記入力電源の電源電圧と、前記インバータの出力電力とから、前記電源電圧の整流後の整流器電圧を演算する第１の工程と、
前記整流器電圧と、前記インバータ内のフィルタインダクタンス値とから、前記キャパシタのリプル電流を演算する第２の工程と、
前記リプル電流と、前記キャパシタに印加されるキャパシタ電圧をそれぞれ高速フーリエ変換して周波数成分毎に分離する第３の工程と、
周波数成分毎に分離された前記キャパシタ電圧を周波数成分毎に分離された前記リプル電流で除して、前記キャパシタにおけるインピーダンスの周波数特性を演算する第４の工程と、
前記インピーダンスの周波数特性から、前記キャパシタにおける等価直列抵抗及びキャパシタンスを演算する第５の工程と、
予め設定された寿命判定基準と、前記等価直列抵抗及び前記キャパシタンスを比較して、前記キャパシタの寿命を判定する第６の工程とを備えたことを特徴とするキャパシタ寿命診断方法。
請求項４記載のキャパシタ寿命診断方法において、前記第４の工程では、周波数成分毎に分離された前記キャパシタ電圧を周波数成分毎に分離された前記リプル電流で除して求められる周波数成分毎のインピーダンス値を最小二乗法により近似して前記インピーダンスの周波数特性曲線を作成し、前記第５の工程では、前記インピーダンスの周波数特性曲線に基づいて、前記等価直列抵抗及び前記キャパシタンスを算出することを特徴とするキャパシタ寿命診断方法。
請求項４又は５記載のキャパシタ寿命診断方法において、前記第６の工程では、前記等価直列抵抗及び前記キャパシタンスのいずれか一方又は双方が前記寿命判定基準を満たさない時に、前記キャパシタは寿命であると判定することを特徴とするキャパシタ寿命診断方法。