WO2017159169A1 - 電解コンデンサ容量診断装置 - Google Patents

Abstract

電解コンデンサ容量診断装置は、電解コンデンサの充電時における電圧上昇挙動を検知する検知部と、検知部により検知された第１の電圧上昇挙動と第１の電圧上昇挙動の検知後において検知部により検知された第２の電圧上昇挙動との間の相違を電解コンデンサの容量の変化を表すものとして検出する診断部と、を有する。

Description

電解コンデンサ容量診断装置

　本発明は、電解コンデンサ容量診断装置に関する。

　例えば、充電器やインバータ等のＡＣとＤＣの相互変換を行う機器において、脈流を吸収するための平滑用コンデンサとして、大きな静電容量を有する電解コンデンサが用いられる。

　しかし、電解コンデンサは、電解液の蒸発により静電容量が減少する。例えば、電解コンデンサが、工場内、炎天下、熱帯地方などの高温下で使用されると、電解液の蒸発が早まり、静電容量が低下することで、寿命が短くなる。

　コンデンサの静電容量を使用時に検知するために、例えば、特許文献１に開示された電力用コンデンサの異常診断機能付充電装置は、検出回路および診断回路を有する。検出回路は、電力用コンデンサの充電電圧がその基準電圧に達したことを検出する検出回路と、基準コンデンサの充電電圧がその基準電圧に達したことを検出する検出回路と、を含む。診断回路は、電力用コンデンサの充電電圧がその基準電圧に達した時間と基準コンデンサの充電電圧がその基準電圧に達した時間とを比較し、コンデンサの静電容量を診断する。

特開２０１４－１１８７２号公報

　本発明は、新規のハードウェアを付加することなく、電解コンデンサの容量の変化を診断することが可能な電解コンデンサ容量診断装置を提供する。

　本発明に係る電解コンデンサ容量診断装置は、電解コンデンサの充電時における電圧上昇挙動を検知する検知部と、検知部により検知された第１の電圧上昇挙動と第１の電圧上昇挙動の検知後において検知部により検知された第２の電圧上昇挙動との間の相違を電解コンデンサの容量の変化を表すものとして検出する診断部と、を有する。

　本発明によれば、新規のハードウェアを付加することなく、電解コンデンサの容量の変化を診断することができる。

図１は、充電器の構成の一部を示す回路図である。 図２は、電解コンデンサが昇圧されるときの時間と電解コンデンサの端子間電圧との関係を示す図である。 図３は、電解コンデンサの静電容量を診断する処理を示すフローチャートである。

　本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来の技術における問題点を簡単に説明する。特許文献１に開示された技術では、コンデンサの静電容量を診断するために、上記の検出回路および診断回路の新規のハードウェアを付加する必要があるという問題点があった。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

　本実施の形態では、充電器に実装された電解コンデンサ容量診断装置を例に挙げて説明する。

　図１は、本発明の実施の形態に係る充電器１の一部構成を示す回路図である。

　図１に示すように、充電器１は、ＡＣ－ＤＣコンバータであるＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ　Ｆａｃｔｏｒ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）部１０と、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｃｅｓｓｏｒ）３０とを有する。なお、制御部の一例として、ＤＳＰ３０を例示するが、ＤＳＰ以外の制御回路で構成されても良い。制御部（例えばＤＳＰ３０）は、本発明の「電解コンデンサ容量診断装置」に対応する。

　ＰＦＣ部１０は、整流回路１２、電力用コンデンサ１４、コイル１６、ダイオード１８、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、および、電解コンデンサ２０を有し、整流回路１２で全波整流された脈流電圧を所望の直流電圧に変換することで力率を改善する。

　ＰＦＣ部１０は、高効率を実現するために、第１および第２のコイル１６、第１および第２のダイオード１８およびスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を有する２つの回路が並列に接続された二段構成のものである。なお、ＰＦＣ部１０は、一段構成のものであってもよい。なお、電解コンデンサ２０を昇圧させるＡＣ－ＤＣコンバータあれば、ＰＦＣ部１０に限らず、どのようなものであってもよい。

　整流回路１２は、ダイオードブリッジを有し、ＡＣ電源２から供給される交流電圧・交流電流を全波整流する。

　スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２には、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられる。

　ＤＳＰ３０は、電解コンデンサ２０の端子間電圧Ｖｃに基づいて、スイッチング素子Ｓ１をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）駆動させるための第１ＰＷＭ信号を生成し、スイッチング素子Ｓ２をＰＷＭ駆動させるための第２ＰＷＭ信号を生成する。

　第１ＰＷＭ信号により、スイッチング素子Ｓ１を動作させた場合、電力用コンデンサ１４に蓄えられた電荷が第１のコイル１６に放電される。同様に、第２ＰＷＭ信号により、スイッチング素子Ｓ２を動作させた場合、電力用コンデンサ１４に蓄えられた電荷が第２のコイル１６に放電される。つまり、電解コンデンサ２０には第１および第２のコイル１６によって連続的に電流が流れる。これにより、電解コンデンサ２０の端子間電圧Ｖｃが昇圧される。

　ＤＳＰ３０は、電圧センサ（図示略）によって検出された電解コンデンサ２０の端子間電圧Ｖｃのデジタル信号処理を行う。

　ＤＳＰ３０は、本発明の検知部３２の機能を有する。ＤＳＰ３０の検知部３２は、電解コンデンサ２０の端子間電圧Ｖｃを検出するとともに、時間を計測する。

　具体的には、ＤＳＰ３０の検知部３２は、端子間電圧Ｖｃを検出し、端子間電圧Ｖｃが第１目標電圧Ｖｏ１に達した時から端子間電圧Ｖｃが第２目標電圧Ｖｏ２に達した時までの経過時間をカウントする。なお、第１および第２目標電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２は、ＡＣ電源２が投入された後に電解コンデンサ２０が昇圧されるときの互いに異なる電圧値であればよい。ここでは、例えば、第１目標電圧Ｖｏ１は入力ＡＣ電圧の√２倍の１４１Ｖである。また、第２目標電圧Ｖｏ２は４００Ｖである。したがって、第１目標電圧Ｖｏ１から第２目標電圧Ｖｏ２に上昇する電圧の上昇幅は、２５９Ｖ（＝４００Ｖ－１４１Ｖ）である。ここで、電圧が目標電圧に達したとは、電圧が目標電圧に１回でも達することでもよいし、電圧が目標電圧における所定幅の中に収まることであってもよい。

　ＤＳＰ３０は、本発明の診断部３４の機能を有する。ＤＳＰ３０の検知部３２は、経過時間あたりの電圧の上昇幅（電圧上昇傾き）を算出し、ＤＳＰ３０の診断部３４は、電圧上昇傾きと規定値（規定の傾き）とを比較し、比較結果を出力する。ここで、規定値は、充電器１の初期時（例えば、出荷時）における電圧上昇傾きに基づいて決定される。電解コンデンサ２０は、製造条件などにより、静電容量にばらつきを持つ。そのため、充電器１の初期時（例えば、出荷時）における電圧上昇傾きを求め、この傾きに基づいて規定値を決定することで、製造上の静電容量のばらつきの影響を抑えて電解コンデンサの容量変化を正確に検出することができる。なお、例えば、規定値は、初期時の電圧上昇傾きに所定値を加算した傾きをいう。

　次に、電解コンデンサ２０の静電容量を診断する方法について図２および図３を参照して説明する。

　図２は、電解コンデンサ２０が昇圧されるときの電解コンデンサ２０の端子間電圧と時間との関係を示す図である。図２に示す縦軸は端子間電圧Ｖｃを表し、横軸は時間ｔを表す。

　図２に、充電器１の初期時（例えば、出荷時）における電圧上昇を破線で示し、初期時後の使用時における電圧上昇を実線で示す。また、端子間電圧Ｖｃを第１目標電圧Ｖｏ１から第２目標電圧Ｖｏ２に昇圧させるときの経過時間は、充電器１の初期時（例えば、出荷時）よりその後の使用時の方が短くなる。図２では、初期時の経過時間ｔ２０と使用時の経過時間ｔ２１との時間差がΔｔで示されている。一般的に、電解コンデンサ２０の静電容量が低下するのに応じて、電圧上昇傾きは大きくなり、時間差Δｔは大きくなり、電圧を所定幅上昇させるときに必要とされる時間は短くなる。

　図３は、電解コンデンサ２０の静電容量を診断する処理を示すフローチャートである。

　なお、電圧上昇傾きの規定値（規定の傾き）は、充電器１の初期時における電圧上昇傾きに基づいて決定され、ＤＳＰ３０の記憶部に予め記憶されている。

　本処理は、ＡＣ電源２の入力によって開始される（ステップＳ１２）。

　次に、ＤＳＰ３０の検知部３２は、端子間電圧Ｖｃを検出し、端子間電圧Ｖｃが第１目標電圧Ｖｏ１に達したか否かを判断する（ステップＳ１４）。

　第１目標電圧Ｖｏ１に達していない場合（ステップＳ１４：Ｎ）、処理は、ステップＳ１４に戻る。

　第１目標電圧Ｖｏ１に達した場合（ステップＳ１４：Ｙ）、ＤＳＰ３０のタイマーは、ＰＦＣ部１０の起動（ステップＳ１６）がされてから（第１目標電圧Ｖｏ１に達してから）の経過時間をカウントする。

　次に、ＤＳＰ３０の検知部３２は、端子間電圧Ｖｃを検出し、端子間電圧Ｖｃが第２目標電圧Ｖｏ２に達しているか否かを判断する（ステップＳ１８）。

　第２目標電圧Ｖｏ２に達していない場合（ステップＳ１８：Ｎ）、処理は、ステップＳ１８に戻る。

　第２目標電圧Ｖｏ２に達した場合（ステップＳ１８：Ｙ）、タイマーは、経過時間のカウントを終了する。

　次に、ＤＳＰ３０の検知部３２は、タイマーによりカウントされた経過時間ｔ２１と電圧の上昇幅とに基づいて、電圧上昇傾きを算出し、ＤＳＰ３０の診断部３４は、電圧上昇傾きと規定値（規定の傾き）とを比較し、電圧上昇傾きが規定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ２０）。

　電圧上昇傾きが規定値以下の場合（ステップＳ２０：Ｙ）、充電器１が通常起動される（ステップＳ２２）。

　電圧上昇傾きが規定値を超えた場合（ステップＳ２０：Ｎ）、電解コンデンサ２０の容量劣化が生じていると判断し、電解コンデンサ２０の容量劣化が生じていることを示す出力を行う。例えば、表示部（図示略）に劣化フラグが提示される（ステップＳ２４）。

　上記実施の形態に係る電解コンデンサ容量診断装置（例えばＤＳＰ３０に対応）によれば、ＤＳＰ３０の検知部３２は、初期時および使用時における電解コンデンサ２０の電圧上昇挙動をそれぞれ検出する。ＤＳＰ３０の診断部３４は、初期時に検知された電圧上昇挙動に基づく規定値と使用時に検知された電圧上昇挙動とを比較する。言い換えると、初期時に検知された電圧上昇挙動（第１の電圧上昇挙動）と使用時に検知された電圧上昇挙動（第２の電圧上昇挙動）との間の相違（差分）は、電解コンデンサの容量の変化を表すものである。この変化が規定値（所定値）を超えた場合に、ＤＳＰ３０の診断部３４は、電解コンデンサ２０の容量劣化が生じていると判断し、外部にその旨を出力する。これにより、新規のハードウェアを付加することなく、電解コンデンサの静電容量の変化を診断することが可能となる。

　上記実施の形態では、第１目標電圧Ｖｏ１から第２目標電圧Ｖｏ２に上昇する電圧の上昇幅と、第１目標電圧Ｖｏ１から第２目標電圧Ｖｏ２に達するまでの経過時間とに基づいて、電圧上昇傾きを電圧上昇挙動として算出したが、本発明はこれに限らず、例えば、初期時（例えば、出荷時）の経過時間ｔ２０を第１の電圧上昇挙動とし、使用時の経過時間ｔ２１を、第２の電圧上昇挙動としてもよい。そして、経過時間ｔ２０と経過時間ｔ２１との時間差Δｔを算出し、ＤＳＰ３０が時間差Δｔが規定値（規定の時間差）以下であるか否かを判断し、時間差Δｔが規定値を超えた場合、電解コンデンサ２０の容量の減少（劣化）を表すものとして検出するようにしてもよい。

　また、本発明は、例えば、初期時（例えば、出荷時）の予め定められた第１時点における第１電圧と第２時点にける第２電圧との電圧差を第１の電圧上昇挙動とし、使用時の予め定められた第１時点における第１電圧と第２時点にける第２電圧との電圧差を第２の電圧上昇挙動としてもよい。そして、第１の電圧上昇挙動（初期時の所定期間における電圧差）と第２の電圧上昇挙動（使用時の所定期間における電圧差）との差分ΔＶを算出し、差分ΔＶが規定値（規定の電圧差）以下であるか否かを判断し、電圧差が規定値を超えた場合、電解コンデンサ２０の容量の減少（劣化）を表すものとして検出するようにしてもよい。

　また、上記実施の形態では、ＰＦＣ部１０の出力電圧が例えば４００Ｖである場合に、電解コンデンサ２０の電圧上昇挙動をＤＳＰ３０で検知し、初期時の電圧上昇挙動と使用時の電圧上昇挙動とを比較するものを示した。しかし、本発明はこれに限らない。例えば、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２をＰＷＭ駆動させる周期を変更することにより、ＰＦＣ部１０の出力電圧を、例えば４００Ｖ、３００Ｖのように２以上に可変させてもよい。そして、各出力電圧における電解コンデンサ２０の電圧上昇挙動をＤＳＰ３０で検知し、各出力電圧における初期時の電圧上昇挙動と使用時の電圧上昇挙動との相違から、両方の出力電圧のそれぞれで電解コンデンサ２０の容量の減少を表すものとして検出した場合、電解コンデンサ２０の容量の減少を表すものとして検出するようにしてもよい。これにより、電解コンデンサ２０の容量を診断する精度を高めることが可能となる。なお、両方の出力電圧の一方で電解コンデンサ２０の容量の減少を表すものとして検出した場合、電解コンデンサ２０の容量の減少を表すものとして検出するようにしてもよい。

　また、上記実施の形態では、ＰＦＣ部１０の出力電圧が例えば４００Ｖである場合に、電解コンデンサ２０の電圧上昇挙動をＤＳＰ３０で検知し、初期時の電圧上昇挙動と使用時の電圧上昇挙動とを比較するものを示した。しかし、本発明はこれに限らない。例えば、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２をＰＷＭ駆動させる周期を変更することにより、ＰＦＣ部１０の出力電圧を、例えば４００Ｖ、３００Ｖのように２以上に可変可能としても良い。

　この場合において、ＰＦＣ部１０の出力電圧を３００Ｖとする場合、第２目標電圧Ｖｏ２を４００Ｖではなく３００Ｖとする。

　そして、初期時（例えば、出荷時）に第１目標電圧Ｖｏ１から第２目標電圧Ｖｏ２（３００Ｖ）に達するまでの経過時間ｔ２０と、その後の使用時に第１目標電圧Ｖｏ１から第２目標電圧Ｖｏ２（３００Ｖ）に達するまでの経過時間ｔ２１との時間差Δｔを電解コンデンサの容量の変化を表すものとして算出し、時間差Δｔが規定値（規定の時間差）以下であるか否かを判断する。

　このとき、第２目標電圧Ｖｏ２が低くなることに伴い、初期時（例えば、出荷時）の経過時間ｔ２０と使用時の経過時間ｔ２１との時間差Δｔが小さくなる。

　そのため、時間差Δｔと比較する規定値（規定の時間差）は、単一の値ではなく、ＰＦＣ部１０の出力電圧毎に準備され、電解コンデンサ２０の診断時のＰＦＣ部１０の出力電圧に応じた、規定値（規定の時間差）を用いることが好ましい。また、上記電圧差ΔＶを用いる場合も同様の対応とすることが好ましい。

　また、上記実施の形態では、使用時における電解コンデンサ２０の電圧上昇挙動を検出するものを示したが、本発明はこれに限らず、例えば、複数回にわたり検出された電圧上昇挙動の推移をＤＳＰ３０に記憶させておき、電圧上昇挙動の推移に基づいて電解コンデンサ２０の容量の低下時期を予測するようにしてもよい。予測結果をユーザーに知らせることにより、電解コンデンサ２０の交換時期を予定することができる。

　さらに、上記実施の形態では、電圧上昇挙動を検出し、初期時の電圧上昇挙動と使用時の電圧上昇挙動とをＤＳＰ３０が比較する場合について示したが、本発明はこれに限らず、例えば、電圧上昇挙動を検出するための検出回路、および。電圧上昇挙動を比較するためのコンピュータを設けてもよい。

　また、上記実施の形態では、電解コンデンサ２０の容量減少（劣化）を検出した場合、外部出力（例えば、表示部（図示略）に劣化フラグを提示）することを示したが、本発明はこれに限らず、例えば、電解コンデンサ２０の容量減少（劣化）を検出した場合には、ＰＦＣ部１０の出力電力を低下させて継続動作させても良い。これは、ＰＦＣ部１０の出力電力を低下させることにより、リップル（脈動）自体が低下するため、電解コンデンサ２０の容量が減少した状態であっても、リップルを平滑することができるためである。

　その他、上記実施の形態は、何れも本発明の実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

　本発明は、新規のハードウェアを付加することなく、電解コンデンサの容量の変化を診断することが要求される電解コンデンサ容量診断装置に好適に利用される。

　１　充電器
　２　ＡＣ電源
　１０　ＰＦＣ部
　１２　整流回路
　１４　電力用コンデンサ
　１６　コイル
　１８　ダイオード
　２０　電解コンデンサ
　３０　ＤＳＰ（電解コンデンサ容量診断装置）
　３２　検知部
　３４　診断部
　Ｓ１，Ｓ２　スイッチング素子

Claims (8)

1. 　電解コンデンサの充電時における電圧上昇挙動を検知する検知部と、
   　前記検知部により検知された第１の電圧上昇挙動と前記第１の電圧上昇挙動の検知後において前記検知部により検知された第２の電圧上昇挙動との間の相違を前記電解コンデンサの容量の変化を表すものとして検出する診断部と、
   　を備える、電解コンデンサ容量診断装置。
2. 　前記検知部は、所定時間あたりの前記電圧の上昇幅に基づく電圧上昇傾きを、前記電圧上昇挙動として検知する、請求項１に記載の電解コンデンサ容量診断装置。
3. 　前記検知部は、前記電解コンデンサの電圧が第１目標電圧に達してから当該第１目標電圧より高い第２目標電圧に達するまでの経過時間を、前記電圧上昇挙動として検知する、請求項１に記載の電解コンデンサ容量診断装置。
4. 　前記検知部は、予め定められた第１時点における前記電解コンデンサの電圧である第１電圧と、前記第１時点後の第２時点における前記電解コンデンサの電圧である第２電圧との電圧の差を、前記電圧上昇挙動として検知する、請求項１に記載の電解コンデンサ容量診断装置。
5. 　前記診断部は、前記電解コンデンサの容量の変化が規定値を超えた場合、電解コンデンサの容量劣化が生じていることを示す出力を行う、請求項１から請求項４のいずれかに記載の電解コンデンサ容量診断装置。
6. 　前記規定値は、前記電解コンデンサに印加される電圧毎に準備され、
   　前記診断部は、前記電解コンデンサに印加される電圧に応じた規定値を用いる、請求項５に記載の電解コンデンサ容量診断装置。
7. 　前記検知部は、前記電解コンデンサの充電時に前記電解コンデンサに印加される電圧が第１電圧である場合の前記電圧上昇挙動と、前記印加される電圧が第１電圧とは異なる第２電圧である場合の前記電圧上昇挙動とをそれぞれ検知し、それぞれの電圧上昇挙動に対して前記相違を検出する、請求項１に記載の電解コンデンサ容量診断装置。
8. 　前記診断部は、前記検知部により複数回にわたり検出された前記電圧上昇挙動の推移に基づいて、前記電解コンデンサの将来の容量状態を予測する、請求項１から４のいずれかに記載の電解コンデンサ容量診断装置。

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