WO2022239122A1 - コンデンサ劣化検出装置及びコンバータシステム - Google Patents

コンデンサ劣化検出装置及びコンバータシステム Download PDF

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WO2022239122A1
WO2022239122A1 PCT/JP2021/017920 JP2021017920W WO2022239122A1 WO 2022239122 A1 WO2022239122 A1 WO 2022239122A1 JP 2021017920 W JP2021017920 W JP 2021017920W WO 2022239122 A1 WO2022239122 A1 WO 2022239122A1
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capacitor
deterioration
filter
converter
filter capacitor
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PCT/JP2021/017920
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裕也 中川
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ファナック株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M5/4585—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/36—Means for starting or stopping converters

Definitions

  • the present invention relates to a capacitor deterioration detection device and a converter system.
  • AC power supplied from an AC power supply is converted to DC power by a converter (rectifier). After that, the DC power is further converted into AC power by an inverter, and this AC power is supplied to the motor as motor drive power.
  • a PWM converter As a converter in a motor drive device, in addition to a diode rectification type converter, a PWM converter with a power regeneration function that returns the regenerated power generated when the motor decelerates to the three-phase AC power supply side is widely used.
  • a PWM converter includes a bridge circuit composed of power elements including diodes and switching elements connected in anti-parallel to the diodes. The PWM converter can perform power conversion bidirectionally between AC power on the AC side and DC power on the DC side by controlling the ON/OFF operation of the switching element according to the PWM control method.
  • a high-frequency ripple current is generated on the AC side of the PWM converter by turning on and off the switching elements in the PWM converter.
  • a low-pass filter (hereinafter simply referred to as "filter") having a filtering reactor and a filtering capacitor is generally provided on the AC input side of the PWM converter. is.
  • a power source a capacitor that smoothes the DC voltage from the power source, an inverter that receives the smoothed DC voltage and generates an AC voltage, and an electrical device that receives the AC voltage and operates.
  • a capacitor capacity estimating device for estimating the capacity of the capacitor in an equipment system, wherein the filter design unit generates a filter that removes the influence of the fluctuation from the load fluctuation period, which is the period in which the load applied to the electric equipment fluctuates.
  • an interval signal acquisition for acquiring an interval signal of a predetermined period from an input signal containing, as a component, a carrier frequency synchronized with a PWM (Pulse Width Modulation) signal for controlling the inverter, which is included in the AC voltage.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • a frequency domain transforming unit for generating; extracting a frequency component value corresponding to the carrier frequency from the plurality of component values in each of the plurality of frequency domain data; a carrier frequency component extracting unit that generates time series data indicating the plurality of extracted component values in time series by using time values according to the extracted signal; and the filter for the time series data.
  • a capacitor capacity estimating unit for estimating the capacity of the capacitor from the processed time series data.
  • a capacity estimation device is known (see Patent Document 1, for example).
  • an inverter that converts an input DC voltage into an AC voltage for driving a motor by turning on and off an internal power element and outputs the AC voltage to the motor through a motor power line.
  • a high-frequency current detection unit for detecting a high-frequency current from the current flowing through the motor power line when applied; and a high-frequency current detected by the high-frequency current detection unit, generated in the motor power line and the motor.
  • a stray capacitance estimating unit for estimating the stray capacitance (see, for example, Patent Literature 2).
  • an electrode pair consisting of a pair of electrodes arranged inside a compressor that compresses a refrigerant, a capacitor connected in series with the electrode pair, and a measurement object in which the electrode pair and the capacitor are connected in series
  • a first power line which is one of the power lines for driving the compressor, is connected to one end of the unit, an inverter for driving the compressor, and a voltage detection unit for measuring the voltage between the electrodes of the electrode pair.
  • a circuit board to be inspected having a plurality of patterns provided on the surface thereof, an electrode common to all the surface patterns is arranged, and a probe is brought into contact with the surface pattern to be measured to obtain a high level or Circuit board pattern capacitance measurement in which a low voltage is applied, a low voltage or a high voltage is applied to the common electrode, the current flowing through the surface pattern is measured, and the capacitance between the surface pattern and the common electrode is calculated.
  • a method for measuring the pattern capacitance of a circuit board is known, which is characterized by interposing an insulating layer between the circuit board and the common electrode (see, for example, Patent Document 4).
  • a capacitor capacity determination device for a power converter is known, which is characterized by providing means for determining the capacitance (see, for example, Patent Document 5).
  • a non-polar film capacitor is used for the filter capacitor installed in the filter connected to the AC side of the converter because it is used in an AC circuit.
  • a film capacitor is a capacitor that uses a plastic film as a dielectric. As the film capacitor deteriorates, the amount of heat generated increases, and in the worst case, there is a danger of the plastic film igniting. However, even if the film capacitor deteriorates, there is no abnormality in the operation of the converter connected to the filter having the film capacitor, so there is a possibility that the filter will continue to be used without noticing the deterioration of the film capacitor. Deterioration of the film capacitor can be confirmed by a decrease in capacitance, but the capacitance of the film capacitor cannot be measured while the converter is in operation.
  • a capacitor deterioration detection device that detects deterioration of a filter capacitor provided in a filter connected to an AC side of a converter includes a current measurement unit that measures current flowing through the filter capacitor. , a calculation unit that calculates a deterioration determination parameter using the measured value of the current measured by the current measurement unit; and a determination unit that determines whether or not there is deterioration.
  • the converter system includes a converter that performs power conversion between AC power on the AC side and DC power on the DC side, and a filter that is connected to the AC side of the converter. and the capacitor deterioration detection device for detecting deterioration of the filtering capacitor.
  • a capacitor deterioration detection device and a converter system including the same that can easily detect deterioration of a filter capacitor provided in a filter connected to an AC side of a converter. can be done.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a capacitor deterioration detection device and a converter system including the same according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating a case where a voltage measuring unit is omitted in a capacitor deterioration detection device and a converter system including the same according to an embodiment of the present disclosure
  • 4 is a flowchart showing deterioration determination processing using the capacitance of a filter capacitor in the capacitor deterioration detection device and the converter system including the same according to an embodiment of the present disclosure
  • 7 is a flowchart showing a modification of deterioration determination processing using the capacitance of a filter capacitor in the capacitor deterioration detection device and the converter system including the same according to the embodiment of the present disclosure
  • It is a figure explaining the dielectric loss tangent of a capacitor.
  • 4 is a flowchart showing deterioration determination processing using a dielectric loss tangent of a filter capacitor in the capacitor deterioration detection device and the converter system including
  • FIG. 1 is a diagram showing a capacitor deterioration detection device and a converter system including the same according to one embodiment of the present disclosure.
  • the type of motor 6 is not particularly limited, and may be, for example, an induction motor or a synchronous motor.
  • the number of phases of the AC power supply 4 and the motor 6 is not particularly limited in this embodiment, and may be, for example, three-phase or single-phase. In the example shown in FIG. 1, each of the AC power supply 4 and the motor 6 has three phases.
  • the AC power supply 4 include a three-phase 400V AC power supply, a three-phase 200V AC power supply, a three-phase 600V AC power supply, and a single-phase 100V AC power supply.
  • Machines provided with the motor 6 include, for example, machine tools, robots, press machines, injection molding machines, and industrial machines.
  • the motor driving device 1000 includes a filter 3, a converter system 100 according to an embodiment of the present disclosure, an inverter 5, a DC link capacitor 7, a precharging circuit 8, and a control section 9. .
  • the converter system 100 includes a PWM converter 2 and a capacitor deterioration detection device 1 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the control unit 9 generates a PWM control signal for controlling switching operations of switching elements in the PWM converter 2 and outputs the PWM control signal to the PWM converter 2 .
  • the power line for supplying power to the control unit 9 is a separate system from the power line for supplying power from the AC power supply 4 to the PWM converter 2 . In other words, even before the PWM converter 2 is powered on, power is supplied to drive the controller 9 in preparation for the operation at the time when the PWM converter 2 is powered on.
  • the PWM converter 2 performs power regeneration by performing power conversion between AC power on the AC side and DC power on the DC side by PWM-controlling the switching operation of the switching element based on the PWM control signal received from the control unit 9. configured as a simple rectifier.
  • the PWM converter 2 is composed of a full bridge circuit composed of power elements composed of diodes and switching elements connected in anti-parallel to the diodes. Examples of switching elements include IGBTs, FETs, thyristors, GTOs, and transistors, but other semiconductor elements may also be used.
  • the AC power supply 4 is a three-phase AC power supply, so the PWM converter 2 is composed of a three-phase full-bridge circuit.
  • the PWM converter 2 When single-phase AC power is supplied from the AC power supply 4, the PWM converter 2 is configured with a single-phase bridge circuit.
  • the PWM converter 2 converts AC power input from the AC side into DC power and outputs it to the DC side by controlling the ON/OFF operation of the switching element according to the PWM control method by the control unit 9, and performs a rectification operation to output to the DC side. and a regenerative operation of converting the DC power into AC power by turning on/off the switching element and outputting the DC power to the AC input/output side.
  • a filter 3 is connected to the AC side of the PWM converter 2 .
  • the filter 3 has a function of absorbing high-frequency ripple current generated on the AC side of the PWM converter 2 by turning on and off the switching elements in the PWM converter 2 .
  • the filter 3 has a filtering capacitor 31 , two reactors 32 and a resistor 33 . Since the filter 3 is connected to the AC side of the PWM converter, the filter capacitor 31 is a nonpolar film capacitor because it is used in an AC circuit.
  • An example of the filtering capacitor 31 is a film capacitor, but it may be a ceramic capacitor.
  • FIG. 1 in order to simplify the drawing, only one phase of the connection relationship between the filter capacitor 31, the reactor 32, and the resistor 33 in the filter 3 is shown.
  • the AC power supply 4 is a three-phase AC power supply
  • the AC power supply 4 and the PWM converter 2 configured by a three-phase full bridge circuit are electrically connected by a three-phase power line.
  • a filter 3 having a filtering capacitor 31, a reactor 32, and a resistor 33 is provided for each of the three-phase power lines, that is, three filters 3 are provided.
  • the two reactors 32 connected in series with each other are provided on each of the three-phase power lines that connect the AC power supply 4 and the PWM converter 2 .
  • a set consisting of a filtering capacitor 31 and a resistor 33 connected in series with each other is connected to a connection point of the two reactors 32 .
  • the order of series connection of the set consisting of the filtering capacitor 31 and the resistor 33 is an example, and the series connection may be in any order other than this.
  • the three sets of filters 3 are star-connected (Y-connected). Note that the star connection (Y connection) has been described as an example of the connection between the filters 3, but one end of each filter 3 to which the power line is not connected is connected to the filter capacitor 31 and resistor 33 of another filter 3 and the filter connection. It may be connected to the capacitor 31 to form a delta connection ( ⁇ connection).
  • the single-phase power line that electrically connects the AC power supply 4 and the PWM converter 2 configured by a single-phase full-bridge circuit has the connection relationship described above.
  • a single filter 3 is provided, which includes a filter capacitor 31, a reactor 32, and a resistor 33.
  • a DC link capacitor 7 is provided on the DC side of the PWM converter 2 .
  • the DC link capacitor 7 has a function of suppressing the pulsation component of the DC output from the PWM converter 2 and a function of accumulating DC power.
  • the DC link capacitor 7 may also be called a smoothing capacitor. Examples of the DC link capacitor 7 include, for example, electrolytic capacitors and film capacitors.
  • a pre-charging circuit 8 for pre-charging the DC link capacitor 7 is provided between the PWM converter 2 and the DC link capacitor 7 .
  • precharging circuit 8 may be provided on the AC input/output side of PWM converter 2 .
  • the preliminary charging circuit 8 has a charging resistor 41 and a preliminary charging switch 42 connected in parallel to the charging resistor 41 .
  • the preliminary charging switch 42 is selectively switched between an open state in which an electric path is formed through the charging resistor 41 and a closed state in which a short circuit is formed without the charging resistor 41 .
  • a controller for controlling the opening/closing of the preliminary charging switch 42 is not shown, but the controller may be provided in the controller 9 for controlling the switching operation of the switching elements of the PWM converter 2, for example.
  • the pre-charging switch 42 is opened so that the direct current output from the PWM converter 2 is transferred to the DC link through the charging resistor 41.
  • the preliminary charging switch 42 is switched from the open state to the closed state to complete the preliminary charging.
  • a detection unit for detecting the voltage of the DC link capacitor 7 is omitted from the drawing.
  • An inverter 5 is connected to the DC side of the PWM converter 2 via a DC link capacitor 7 .
  • a circuit portion that electrically connects the DC side of the PWM converter 2 and the DC side of the inverter 5 is called a "DC link”.
  • a DC link may also be referred to as a "DC link section,” “DC link,” “DC link section,” “DC bus,” or "DC intermediate circuit.”
  • the inverter 5 consists of a switching element and a full bridge circuit of diodes connected in anti-parallel to this.
  • switching elements include IGBTs, FETs, thyristors, GTOs, and transistors, but other semiconductor elements may also be used.
  • the motor 6 is a three-phase AC motor, so the inverter 5 is configured with a three-phase full-bridge circuit. If the motor 6 is a single-phase AC motor, the inverter 5 is configured with a single-phase bridge circuit.
  • the inverter 5 converts the DC power in the DC link into AC power and supplies it to the AC side motor 6 by PWM-controlling the ON/OFF operation of the internal switching elements based on the command from the host controller (not shown). At the same time, the AC power regenerated by the deceleration of the motor 6 is converted into DC power and returned to the DC link.
  • the motor 6 has its speed, torque, or rotor position controlled based on the AC power supplied from the inverter 5 .
  • a host controller that controls the inverter 5 may be composed of a combination of an analog circuit and an arithmetic processing unit, or may be composed of only an arithmetic processing unit. Arithmetic processing devices that can constitute a host controller that controls the inverter 5 include, for example, ICs, LSIs, CPUs, MPUs, and DSPs.
  • the power of the PWM converter 2 is turned on to precharge the DC link capacitor 7.
  • “turning on the power of the PWM converter 2” means “starting power supply from the AC power supply 4 to the PWM converter 2". That is, power is not supplied from the AC power supply 4 to the PWM converter 2 before the power of the PWM converter 2 is turned on, and power is supplied from the AC power supply 4 to the PWM converter 2 after the power of the PWM converter 2 is turned on. .
  • the switching operation of the switching element in the PWM converter 2 is performed, and the DC link voltage, which is the DC voltage across the DC link capacitor 7, is increased from the peak value of the AC voltage on the AC power supply 4 side. to a higher voltage.
  • the step-up of the DC link voltage after completion of preliminary charging of the DC link capacitor 7 will be referred to as "initial step-up”.
  • PWM converter 2 transitions to normal operating mode. In the normal operation mode, the PWM converter 2 performs power conversion between AC power on the AC side and DC power on the DC side by PWM-controlling the switching operation of the switching element based on the PWM control signal received from the control unit 9. It operates as a rectifier capable of power regeneration.
  • the capacitor deterioration detection device 1 detects deterioration of the filter capacitor 31 provided in the filter 3 connected to the AC side of the PWM converter.
  • a filter 3 is provided in each of the three-phase power lines between the AC power supply 4 and the PWM converter 2 configured by a three-phase full bridge circuit. Deterioration of the filter capacitors 31 for each of the filters 3 can be individually detected.
  • a period defined from the time when the PWM converter 2 is powered on and pre-charging of the DC link capacitor 7 is started to the time when the initial boosting is started is set as the "test period”.
  • the capacitor deterioration detection device 1 detects deterioration of the filter capacitor 31 based on the measured value of the current flowing through the filter capacitor 31 during the inspection period. In this manner, the inspection period is set to the period from the start of precharging of the DC link capacitor 7 to the start of initial boosting. It may be set to a period up to the start time.
  • the reason why the detection of deterioration of the filter capacitor 31 is performed based on the measured value of the current flowing through the filter capacitor 31 during the inspection period defined from the start of preliminary charging to the start of initial boosting is as follows. according to. After the PWM converter 2 is powered on, an AC voltage is applied to each power line between the AC power supply 4 and the PWM converter 2. An AC voltage is also applied to the filter 3 connected to the filter 3 , and a current flows through the filter capacitor 31 . Since the switching operation of the switching elements of the PWM converter 2 is performed after the initial boosting start point, including the normal operation mode, the current flowing through the filter capacitor 31 includes a high-frequency ripple current caused by the switching operation of the switching elements. will be included.
  • the switching operation of the switching element of the PWM converter 2 is not performed during the period from the time when the power supply of the PWM converter 2 is turned on to the time when the initial boosting is started.
  • the resulting high-frequency ripple current does not occur and becomes sinusoidal. If the current flowing through filter capacitor 31 is sinusoidal and does not contain high-frequency ripple current, the capacitance of filter capacitor 31 can be accurately determined using the measured value of this current.
  • the capacitance of the filter capacitor 31 decreases and the dielectric loss tangent of the filter capacitor 31 increases.
  • a parameter for determining deterioration (capacitance or dielectric loss tangent), and determines whether or not the filter capacitor 31 has deteriorated based on the result of comparison between the deterioration determination parameter and a predetermined reference value.
  • the capacitor deterioration detection device 1 includes a current measurement unit 11, a calculation unit 12, a determination unit 13, a voltage measurement unit 14, and an alarm output unit 15.
  • the current measurement unit 11 measures the current flowing through the filtering capacitor 31 .
  • a current sensor is provided on a lead wire to which the filtering capacitor 31 is connected, and the current measurement unit 11 obtains a measured value of the current flowing through the filtering capacitor 31 via the current sensor.
  • the voltage measurement unit 14 measures the power supply voltage on the AC side of the PWM converter 2 .
  • the voltage measurement unit 14 acquires a measured value of the power supply voltage via a voltage detection circuit incorporated in the PWM converter 2, for example.
  • the "measured value of the power supply voltage” includes the "line voltage between the AC power supply 4 and the filter 3" and the "frequency of the AC power supply 4". Note that the voltage measurement unit 14 may be omitted as in a modified example described later.
  • the calculation unit 12 calculates the deterioration determination parameter using the current measured by the current measurement unit 11 during the inspection period defined from the start of preliminary charging to the start of initial boosting. Details of the deterioration determination parameter will be described later.
  • the determination unit 13 determines whether or not the filter capacitor 31 has deteriorated based on the result of comparison between the deterioration determination parameter calculated by the calculation unit 12 and the reference value.
  • the alarm output unit 15 outputs an alarm when the determination unit 13 determines that the filtering capacitor 31 has deteriorated.
  • the alarm output from the alarm output unit 15 is sent to, for example, a display unit (not shown), and the display unit displays, for example, "deterioration of filter capacitor" to notify the operator.
  • the display unit include a stand-alone display device, a display device attached to the PWM converter 2, a display device attached to the converter system 100, a display device attached to the motor drive device 1000, and an upper control device (not shown). and display devices attached to personal computers and mobile terminals.
  • the alarm output from the alarm output unit 15 is sent to a light-emitting device (not shown) such as an LED or a lamp, and the light-emitting device emits light when receiving the alarm, thereby telling the operator, "Replace the filter capacitor. "Deterioration" is notified.
  • the alarm output from the alarm output unit 15 is sent to, for example, an audio device (not shown), and the audio device emits a sound such as voice, speaker, buzzer, chime, etc. when receiving the alarm, Notify the operator of "deterioration of filter capacitor".
  • the operator can reliably and easily grasp the deterioration of the filter capacitor 31, and can easily take measures such as replacing the deteriorated filter capacitor 31 or the filter 3 including the filter capacitor 31.
  • the determination result by the determination unit 13 is sent to the control unit 9, and when the determination unit 13 determines that the filter capacitor 31 has deteriorated, the control unit 9 controls, for example, the power conversion of the PWM converter 2 to be stopped.
  • protective operation may be performed in motor drive device 1000 .
  • the protective operation includes retraction control, braking control, drop prevention control, and the like.
  • Retraction control is a control in which the workpiece and tool are synchronized and numerically controlled in a machine tool, and in the event of a power failure on the AC side, the workpiece and tool are retracted to a position where they do not interfere with each other while maintaining synchronization.
  • Braking control is a control that decelerates and stops the feed shaft so that collision does not occur due to coasting of the feed shaft in a machine tool where the inertia distance of the feed shaft during a power failure on the AC side is a problem.
  • Drop prevention control is a control that maintains the current position of a machine tool equipped with a gravity axis so that the gravity axis does not fall and damage the workpiece or tool during a power failure.
  • the filter 3 is provided on each of the three-phase power lines between the AC power supply 4 and the PWM converter 2 composed of a three-phase full-bridge circuit. detects deterioration of filter capacitors 31 for each of these three filters 3 individually. Therefore, three sets of the current measurement unit 11, the calculation unit 12, the determination unit 13, and the alarm output unit 15 are provided corresponding to the three filters 3, respectively.
  • the capacitor deterioration detection device 1 detects deterioration of the filtering capacitors 31 for each of these sets.
  • the filter 3 When the AC power supply 4 is a single-phase AC power supply, the filter 3 is placed on the single-phase power line that electrically connects the AC power supply 4 and the PWM converter 2 configured by a single-phase full-bridge circuit. Therefore, the capacitor deterioration detection device 1 has only one set consisting of the current measurement unit 11, the calculation unit 12, the determination unit 13, and the alarm output unit 15, and detects deterioration of the filter capacitor 31.
  • An arithmetic processing unit (processor) is provided in the capacitor deterioration detection device 1 .
  • Arithmetic processing devices include, for example, ICs, LSIs, CPUs, MPUs, and DSPs.
  • This arithmetic processing device has a current measurement section 11 , a calculation section 12 , a determination section 13 , a voltage measurement section 14 and an alarm output section 15 .
  • Each of these units of the arithmetic processing unit is, for example, a functional module realized by a computer program executed on the processor.
  • the current measurement unit 11, the calculation unit 12, the determination unit 13, the voltage measurement unit 14, and the alarm output unit 15 are constructed in a computer program format, by operating the arithmetic processing unit according to this computer program, each unit function can be realized.
  • a computer program for executing each process of the current measurement unit 11, the calculation unit 12, the determination unit 13, the voltage measurement unit 14, and the alarm output unit 15 can be stored in a computer-readable medium such as a semiconductor memory, a magnetic recording medium, or an optical recording medium. may be provided in a form recorded on a suitable recording medium.
  • the current measurement unit 11, the calculation unit 12, the determination unit 13, the voltage measurement unit 14, and the alarm output unit 15 may be implemented as a semiconductor integrated circuit in which a computer program that implements the functions of each unit is written.
  • the calculation unit 12 calculates the capacitance of the filter capacitor 31 as the deterioration determination parameter, and the determination unit 13 compares the capacitance of the filter capacitor 31 with a predetermined reference value. Deterioration of the filter capacitor 31 is determined based on the above.
  • I is the measured value of the current flowing through the filter capacitor 31 during the inspection period defined from the start of the preliminary charge to the start of the initial boost
  • V is the power supply voltage on the AC side of the PWM converter 2
  • f the capacitance C of the filter capacitor is expressed as in Equation 1.
  • a measured value I of the current flowing through the filter capacitor 31 during the inspection period is measured by the current measurement unit 11 .
  • the magnitude V of the power supply voltage and the frequency f of the power supply voltage for example, values measured by the voltage measurement unit 14 are used.
  • the current measurement value I obtained by the current measurement unit 11 and the power supply voltage magnitude V and the power supply voltage frequency measurement values obtained by the voltage measurement unit 14 are measured at the same timing. It is preferable to use effective values for both the measured value I of the current flowing through the filtering capacitor 31 and the magnitude V of the power supply voltage.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a case where a voltage measurement unit is omitted in a capacitor deterioration detection device and a converter system including the same according to an embodiment of the present disclosure.
  • the voltage measurement unit 14 may be omitted from the capacitor deterioration detection device 1 as shown in FIG.
  • the calculation unit 12 uses the measured value I of the current flowing through the filter capacitor 31 during the inspection period defined from the start of preliminary charging to the start of initial boosting according to Equation 1 to determine the filter current as a parameter for determining deterioration. Calculate the capacitance C of the capacitor 31 .
  • the capacitance C of the filter capacitor 31 calculated by the calculation unit 12 is sent to the determination unit 13 .
  • the determination unit 13 determines whether or not the filter capacitor 31 has deteriorated based on the comparison result between the capacitance of the filter capacitor 31 calculated by the calculation unit 12 and the reference value.
  • FIG. 3 is a flowchart showing deterioration determination processing using the capacitance of a filter capacitor in a capacitor deterioration detection device and a converter system including the same according to an embodiment of the present disclosure.
  • the inspection period is set to the period from the completion of preliminary charging of the DC link capacitor 7 to the start of initial boosting.
  • step S101 the PWM converter 2 is powered on.
  • step S102 the preliminary charging circuit 8 opens the preliminary charging switch 42, thereby starting preliminary charging of the DC link capacitor 7.
  • the switching elements of the PWM converter 2 are not switching (that is, the switching elements are always off), and the PWM converter 2 outputs DC current to the DC side by diode rectification.
  • a DC current output from the PWM converter 2 flows into the DC link capacitor 7 through the charging resistor 41, thereby precharging the DC link capacitor 7.
  • FIG. During the preliminary charging period the DC current output from the PWM converter 2 passes through the charging resistor 41, so generation of rush current can be prevented.
  • step S103 the control unit (not shown) that controls the preliminary charging circuit 8 determines whether or not the preliminary charging is completed. For example, a control unit that controls the pre-charging circuit 8 monitors the voltage value of the DC link capacitor 7, and determines whether pre-charging is completed based on whether the DC link capacitor 7 has been charged to a predetermined pre-charging voltage. determine whether or not When the DC link capacitor 7 is charged up to a predetermined pre-charging voltage, the controller controlling the pre-charging circuit 8 switches the pre-charging switch 42 from the open state to the closed state. Detecting device 1 is notified. After that, the process proceeds to step S104.
  • step S104 the current measurement unit 11 measures the current flowing through the filter capacitor 31.
  • the voltage measurement unit 14 measures the magnitude V of the supply voltage and the frequency f of the supply voltage.
  • step S105 the calculation unit 12 uses the measured value I of the current flowing through the filter capacitor 31, the magnitude V of the power supply voltage, and the frequency f of the power supply voltage to determine the value of the filter capacitor 31 as a deterioration determination parameter. Calculate the capacitance C of The value of the capacitance C of the filtering capacitor 31 calculated by the calculation unit 12 is sent to the determination unit 13 .
  • step S106 the determination unit 13 determines whether or not the filter capacitor 31 has deteriorated based on the comparison result between the capacitance C of the filter capacitor 31 calculated by the calculation unit 12 and the reference value.
  • the reference value used in the determination process by the determination unit 13 in step S106 is, for example, an arbitrary capacitance set by the operator, the minimum capacitance required for the operation of the filter 3, or the value at which the filter capacitor 31 is damaged. The last capacitance, the capacitance outside the capacitance tolerance range specified by the manufacturer of the filter capacitor 31, or the lower limit value of the safely usable capacitance recommended by the manufacturer of the filter capacitor 31. and so on.
  • the reference value may be stored in a rewritable storage unit (not shown) and rewritable by an external device. value can be changed.
  • the storage unit may be composed of an electrically erasable/recordable non-volatile memory such as EEPROM (registered trademark), or a random access memory such as DRAM or SRAM that can be read and written at high speed. .
  • step S106 If it is determined in step S106 that the capacitance C of the filter capacitor 31 has fallen below the reference value, the filter capacitor 31 has deteriorated, so the process proceeds to step S108, and the capacitance C of the filter capacitor 31 is used as the reference value. If it is not determined that the value is below the value, the process proceeds to step S107. A determination result by the determination unit 13 is sent to the alarm output unit 15 and the control unit 9 .
  • step S108 the alarm output unit 15 outputs an alarm. Further, in step S ⁇ b>108 , control unit 9 may perform control to stop power conversion of PWM converter 2 , or may perform protection operation in motor drive device 1000 .
  • step S107 the control unit 9 performs switching operation of the switching element in the PWM converter 2, and both ends of the DC link capacitor 7 is boosted to a voltage higher than the crest value of the AC voltage on the AC power supply 4 side (initial boost).
  • the PWM converter 2 shifts to the normal operation mode.
  • the PWM converter 2 performs power conversion between AC power on the AC side and DC power on the DC side by PWM-controlling the switching operation of the switching element based on the PWM control signal received from the control unit 9. It operates as a rectifier capable of power regeneration.
  • the static electricity of the filter capacitor 31 is measured using the measured value of the current flowing through the filter capacitor 31 measured by the current measuring unit 11 between the completion of the preliminary charging in step S103 and the start of the initial boosting in step S107.
  • the capacitance C is calculated, and the presence or absence of deterioration of the filter capacitor 31 is determined based on the result of comparison between the capacitance C of the filter capacitor 31 and a reference value.
  • the switching operation of the switching element of the PWM converter 2 is not performed. Since it does not occur, the capacitance of the filter capacitor 31 can be obtained accurately, and the presence or absence of deterioration of the filter capacitor 31 can be determined accurately.
  • deterioration of the filter capacitor 31 is automatically determined when the PWM converter 2 is started. It is not necessary to measure the capacitance of the filter capacitor 31 by using a tester and determine whether or not there is deterioration. Thus, according to the embodiment of the present disclosure, deterioration of the filter capacitor 31 can be easily detected.
  • the presence or absence of deterioration of the filter capacitor 31 is determined based on the comparison between the capacitance of the filter capacitor 31 and the reference value.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a modified example of deterioration determination processing using the capacitance of the filter capacitor in the capacitor deterioration detection device and the converter system including the same according to the embodiment of the present disclosure.
  • the inspection period is set to the period from the completion of preliminary charging of the DC link capacitor 7 to the start of initial boosting.
  • Steps S101 to S105 in FIG. 4 are the same as steps S101 to S105 described in FIG.
  • step S109 the determination unit 13 divides the capacitance of the filter capacitor 31 calculated by the calculation unit 12 by the initial value of the capacitance of the filter capacitor 31 (that is, the calculation unit Degradation of the filter capacitor 31 is determined based on the result of comparison between the ratio of the capacitance of the filter capacitor 31 calculated in step 12 to the initial value of the capacitance and the reference value.
  • the initial value of the capacitance of the filter capacitor 31 used in the determination process by the determination unit 13 in step S109 is, for example, the capacitance measured when the filter capacitor 31 was shipped or manufactured, or the capacitance measured when the PWM converter 2 was shipped or manufactured.
  • the reference values used in the determination process by the determination unit 13 in step S109 are the minimum capacitance required for the operation of the filter 3, the capacitance immediately before the filter capacitor 31 is damaged, and the manufacturer of the filter capacitor 31. Considering the capacitance that deviates from the specified capacitance tolerance range, or the lower limit value of the capacitance that can be used safely recommended by the manufacturer of the filter capacitor 31, the capacitance of the filter capacitor 31 It is set to a value that is, for example, several percent to ten and several percent lower than the ratio to the initial capacity value. Numerical examples shown here are merely examples, and other values may be used. Note that the reference value may be stored in a rewritable storage unit (not shown) and rewritable by an external device. value can be changed.
  • step S109 If it is determined in step S109 that the value obtained by dividing the capacitance C of the filter capacitor 31 by the initial value of the capacitance of the filter capacitor is lower than the reference value, the filter capacitor 31 is degraded. Therefore, the process proceeds to step S108. If it is determined in step S109 that the value obtained by dividing the capacitance C of the filter capacitor 31 by the initial value of the capacitance of the filter capacitor is not below the reference value, the process proceeds to step S107. A determination result by the determination unit 13 is sent to the alarm output unit 15 and the control unit 9 .
  • Steps S107 and S108 in FIG. 4 are the same as steps S107 and S108 described in FIG.
  • the calculation unit 12 calculates the dielectric loss tangent of the filter capacitor 31 as a parameter for determining deterioration
  • the determination unit 13 calculates the dielectric loss tangent of the filter capacitor 31 based on the comparison result between the dielectric loss tangent of the filter capacitor 31 and a predetermined reference value. Determining whether the filter capacitor 31 has deteriorated
  • FIG. 5 is a diagram explaining the dielectric loss tangent of a capacitor.
  • the filter capacitor 31 made of a film capacitor or the like can be represented by a capacitance C, an equivalent series resistance ESR, and an equivalent series inductance ESL.
  • dielectric loss and resistance loss due to resistance components of electrodes and conductors occur.
  • the phase difference between the voltage applied to the filtering capacitor 31 and the flowing current is 90 degrees.
  • This delay angle (loss angle) is called a dielectric loss tangent or tan delta (tangent delta).
  • the dielectric loss tangent tan ⁇ increases.
  • the calculation unit 12 uses the current measurement value I measured by the current measurement unit 11 and the voltage measurement value V measured by the voltage measurement unit 14 to calculate the dielectric loss tangent of the filter capacitor 31 as a parameter for determining deterioration. Calculate tan ⁇ .
  • the dielectric loss tangent tan ⁇ of the filtering capacitor 31 calculated by the calculation unit 12 is sent to the determination unit 13 .
  • the determination unit 13 determines whether or not the filter capacitor 31 has deteriorated based on the comparison result between the dielectric loss tangent tan ⁇ of the filter capacitor 31 calculated by the calculation unit 12 and a reference value.
  • FIG. 6 is a flowchart showing deterioration determination processing using the dielectric loss tangent of the filter capacitor in the capacitor deterioration detection device and the converter system including the same according to an embodiment of the present disclosure.
  • the inspection period is set to the period from the completion of preliminary charging of the DC link capacitor 7 to the start of initial boosting.
  • Steps S101 to S104 in FIG. 6 are the same as steps S101 to S104 described in FIG.
  • step S110 the calculation unit 12 uses the measured value I of the current flowing through the filter capacitor 31, the magnitude V of the power supply voltage, and the frequency f of the power supply voltage to determine the value of the filter capacitor 31 as a deterioration determination parameter. Calculate the dielectric loss tangent tan ⁇ of The value of the dielectric loss tangent tan ⁇ of the filter capacitor 31 calculated by the calculation unit 12 is sent to the determination unit 13 .
  • step S111 the determination unit 13 determines whether or not the filter capacitor 31 has deteriorated based on the comparison result between the dielectric loss tangent tan ⁇ of the filter capacitor 31 calculated by the calculation unit 12 and the reference value.
  • the reference value used in the determination process by the determination unit 13 in step S111 is, for example, an arbitrary dielectric loss tangent set by the operator, the minimum dielectric loss tangent required for the operation of the filter 3, and the value immediately before the filter capacitor 31 is damaged.
  • a dielectric loss tangent a dielectric loss tangent that deviates from the tolerance range of capacitance specified by the manufacturer of the filter capacitor 31, or an upper limit value of the dielectric loss tangent recommended by the manufacturer of the filter capacitor 31 that can be used safely.
  • the reference value may be stored in a rewritable storage unit (not shown) and rewritable by an external device. value can be changed.
  • step S111 If it is determined in step S111 that the dielectric loss tangent tan ⁇ of the filter capacitor 31 exceeds the reference value, the filter capacitor 31 is degraded, so the process proceeds to step S108, where the dielectric loss tangent tan ⁇ C of the filter capacitor 31 exceeds the reference value. If it is not determined that the value exceeds the value, the process proceeds to step S107. A determination result by the determination unit 13 is sent to the alarm output unit 15 and the control unit 9 .
  • Steps S107 and S108 in FIG. 6 are the same as steps S107 and S108 described in FIG.
  • the operator temporarily cuts off the power supply on the AC input side of the filter as in the past, and then uses a tester to measure the capacitance of the filter capacitor 31 himself. There is no need to measure to determine the presence or absence of deterioration.
  • deterioration of the filter capacitor 31 can be automatically detected when the PWM converter 2 is started. During the inspection period from the completion of preliminary charging to the start of initial boosting, the switching operation of the switching element of the PWM converter 2 is not performed. Based on the current flowing through the capacitor 31, the capacitance of the filter capacitor 31 can be accurately obtained, and thus the presence or absence of deterioration of the filter capacitor 31 can be accurately determined.
  • the embodiment of the present disclosure can also be applied when the converter is a diode rectifier to which a filter having a capacitor is connected on the AC side. in this case.
  • the determination unit 13 in the capacitor deterioration device 1 determines that the filter capacitor 31 has deteriorated, by opening a switching device such as an electromagnetic contactor provided on the AC side of the diode rectifier, for example, the diode rectifier
  • the power conversion of the diode rectifier is stopped by interrupting the supply of AC power to the diode rectifier.
  • Capacitor Deterioration Detection Device 1 Capacitor Deterioration Detection Device 2 PWM Converter 3 Filter 4 AC Power Supply 5 Inverter 6 Motor 7 DC Link Capacitor 8 Pre-charge Circuit 9 Control Part 11 Current Measurement Part 12 Calculation Part 13 Judgment Part 14 Voltage Measurement Part 15 Alarm Output Part 31 Filter Capacitor 32 reactor 33 resistor 41 charging resistor 42 switch for preliminary charging 100 converter system 1000 motor driving device

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Abstract

コンバータ２の交流側に接続されたフィルタ３内に設けられたフィルタ用コンデンサ３１の劣化を検出するコンデンサ劣化検出装置１は、フィルタ用コンデンサ３１に流れる電流を測定する電流測定部１１と、電流測定部１１により測定された電流の測定値を用いて、劣化判定用パラメータを算出する計算部１２と、計算部１２により算出された劣化判定用パラメータと基準値との比較結果に基づきフィルタ用コンデンサ３１の劣化の有無を判定する判定部１３とを備える。

Description

コンデンサ劣化検出装置及びコンバータシステム
　本発明は、コンデンサ劣化検出装置及びコンバータシステムに関する。
　工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、あるいは各種ロボット内のモータの駆動を制御するモータ駆動装置においては、交流電源から供給された交流電力をコンバータ（整流器）にて直流電力に一旦変換した後、さらにこの直流電力をインバータにて交流電力に変換して、この交流電力をモータ駆動電力としてモータに供給している。
　モータ駆動装置におけるコンバータとして、ダイオード整流方式のコンバータの他に、モータ減速時に生じる回生電力を三相交流電源側に戻す電源回生機能を有するＰＷＭコンバータが広く用いられている。ＰＷＭコンバータは、ダイオードとこれに逆並列に接続されたスイッチング素子とからなるパワー素子で構成されるブリッジ回路を備える。ＰＷＭコンバータは、ＰＷＭ制御方式に従ってスイッチング素子のオンオフ動作が制御されることにより、交流側の交流電力と直流側の直流電力との間で双方向に電力変換を行うことができる。
　ＰＷＭコンバータ内のスイッチング素子をオンオフ動作させることにより、ＰＷＭコンバータの交流側には高周波リプル電流が発生する。このような高周波リプル電流を吸収するために、ＰＷＭコンバータの交流入力側には、フィルタ用リアクトル及びフィルタ用コンデンサを有するローパスフィルタ（以下、単に「フィルタ」と称する。）が設けられるのが一般的である。
　例えば、電源、前記電源からの直流電圧を平滑化するコンデンサ、前記平滑化された直流電圧の供給を受けて交流電圧を生成するインバータ、及び、前記交流電圧の供給を受けて稼働する電気機器を備える機器システムにおける前記コンデンサの容量を推定するコンデンサ容量推定装置であって、前記電気機器にかかる負荷が変動する周期である負荷変動周期から、前記変動による影響を除去するフィルタを生成するフィルタ設計部と、前記交流電圧に含まれる、前記インバータを制御するためのＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号に同期したキャリア周波数を成分として含む入力信号から、予め定められた期間の区間信号を取得する区間信号取得部と、前記区間信号から予め定められた時間幅の複数の信号を分割し、前記分割された複数の信号の各々を周波数領域の複数の成分値に変換することで、複数の周波数領域データを生成する周波数領域変換部と、前記複数の周波数領域データの各々において、前記複数の成分値から前記キャリア周波数に対応する周波数の成分値を抽出して、前記抽出された成分値を、対応する前記抽出された信号に応じた時間の値とすることで、時系列で複数の前記抽出された成分値を示す時系列データを生成するキャリア周波数成分抽出部と、前記時系列データに対して前記フィルタを適用することで、処理後の時系列データを生成するフィルタ適用部と、前記処理後の時系列データから、前記コンデンサの容量を推定するコンデンサ容量推定部と、を備えることを特徴とするコンデンサ容量推定装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
　例えば、内部のパワー素子がオンオフ駆動されることで、入力された直流電圧をモータを駆動するための交流電圧に変換して出力するインバータと、前記交流電圧がモータ動力線を介して前記モータに印加されることによって前記モータ動力線を流れる電流から、高周波電流を検出する高周波電流検出部と、前記高周波電流検出部により検出された前記高周波電流に基づいて、前記モータ動力線及び前記モータで発生する浮遊容量を推定する浮遊容量推定部と、を備える、モータ駆動装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
　例えば、冷媒を圧縮する圧縮機の内部に配置された一対の電極からなる電極対と、前記電極対と直列接続されたコンデンサと、前記電極対と前記コンデンサが直列接続されたものである測定対象部の一方の端に前記圧縮機を駆動する動力線のひとつである第一動力線が接続され、前記圧縮機を駆動するインバータと、前記電極対の電極間の電圧を測定する電圧検出部と、を備えた静電容量検出装置が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
　例えば、表面に複数のパターンを設けた被検査回路基板の裏面側に、それ等の全ての表面パターンに共通な電極を配置し、その測定の対象とした表面パターンにプローブを接触して高位又は低位の電圧を加え、共通電極に低位又は高位の電圧を加えて、その表面パターンに流れる電流を測定し、その表面パターンと共通電極間の静電容量を算出する回路基板のパターン静電容量測定方法において、上記回路基板と共通電極間に絶縁層を介在することを特徴とする回路基板のパターン静電容量測定方法が知られている（例えば、特許文献４参照。）。
　例えば、単相交流を直流に変換する第１の電力変換器と、直流を交流に変換する第２の電力変換器と、第１と第２の電力変換器の直流側に並列接続したコンデンサからなる直流中間回路を備えた電力変換器において、前記コンデンサの交流電圧変動の大きさと、前記第１の電力変換器の交流入力電流と交流入力電圧またはそれらの指令値に基づいてコンデンサ容量値を推定する手段を設けることを特徴とする電力変換器のコンデンサ容量判定装置が知られている（例えば、特許文献５参照。）。
国際公開第２０１９／２３９５１１号 特開２０１９－１３５４７３号公報 国際公開第２０１８/０４２８０９号 特開平１０－１４２２７１号公報 特開平１０－０１４０９７号公報
　コンバータの交流側に接続されるフィルタ内に設けられるフィルタ用コンデンサは、交流回路で使用されることから無極性のフィルムコンデンサが用いられる。フィルムコンデンサは誘電体にプラスチックフィルムを用いたコンデンサである。フィルムコンデンサは劣化するにつれ発熱量が増加し、最悪の場合、プラスチックフィルムが発火する危険性がある。しかしながら、フィルムコンデンサが劣化しても、当該フィルムコンデンサを有するフィルタに接続されたコンバータの動作には異常は現れないので、フィルムコンデンサの劣化に気付かずにフィルタが使用し続けられる可能性がある。また、フィルムコンデンサの劣化は静電容量の低下で確認することができるが、フィルムコンデンサの静電容量の測定はコンバータの動作中は行うことができない。このため、作業者は、フィルタの交流入力側の電源を一旦遮断したうえで自らテスターを用いてフィルムコンデンサの静電容量を測定して劣化の有無を判断しなければならず、面倒であった。したがって、コンバータの交流側に接続されたフィルタ内に設けられたフィルタ用コンデンサの劣化を容易に検出することができるコンデンサ劣化検出装置及びこれを備えるコンバータシステムの開発が望まれている。
　本開示の一態様によれば、コンバータの交流側に接続されたフィルタ内に設けられたフィルタ用コンデンサの劣化を検出するコンデンサ劣化検出装置は、フィルタ用コンデンサに流れる電流を測定する電流測定部と、電流測定部により測定された電流の測定値を用いて、劣化判定用パラメータを算出する計算部と、計算部により算出された劣化判定用パラメータと基準値との比較結果に基づきフィルタ用コンデンサの劣化の有無を判定する判定部とを備える。
　また、本開示の一態様によれば、コンバータシステムは、交流側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行うコンバータと、コンバータの交流側に接続されたフィルタ内に設けられたフィルタ用コンデンサの劣化を検出する上記コンデンサ劣化検出装置と、を備える。
　本開示の一態様によれば、コンバータの交流側に接続されたフィルタ内に設けられたフィルタ用コンデンサの劣化を容易に検出することができるコンデンサ劣化検出装置及びこれを備えるコンバータシステムを実現することができる。
本開示の一実施形態によるコンデンサ劣化検出装置及びこれを備えるコンバータシステムを示す図である。 本開示の一実施形態によるコンデンサ劣化検出装置及びこれを備えるコンバータシステムにおいて電圧測定部が省略された場合を示す図である。 本開示の一実施形態によるコンデンサ劣化検出装置及びこれを備えるコンバータシステムにおける、フィルタ用コンデンサの静電容量を用いた劣化判定処理を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態によるコンデンサ劣化検出装置及びこれを備えるコンバータシステムにおける、フィルタ用コンデンサの静電容量を用いた劣化判定処理の変形例を示すフローチャートである。 コンデンサの誘電正接を説明する図である。 本開示の一実施形態によるコンデンサ劣化検出装置及びこれを備えるコンバータシステムにおける、フィルタ用コンデンサの誘電正接を用いた劣化判定処理を示すフローチャートである。
　以下図面を参照して、コンデンサ劣化検出装置及びコンバータシステムについて説明する。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。図面に示される形態は実施をするための一つの例であり、図示された実施形態に限定されるものではない。
　図１は、本開示の一実施形態によるコンデンサ劣化検出装置及びこれを備えるコンバータシステムを示す図である。
　一例として、交流電源４に接続されたモータ駆動装置１０００により、モータ６を制御する場合について示す。本実施形態においては、モータ６の種類は特に限定されず、例えば誘導モータであっても同期モータであってもよい。また、交流電源４及びモータ６の相数は本実施形態を特に限定するものではなく、例えば三相であっても単相であってもよい。図１に示す例は、交流電源４及びモータ６をそれぞれ三相としている。交流電源４の一例を挙げると、三相交流４００Ｖ電源、三相交流２００Ｖ電源、三相交流６００Ｖ電源、単相交流１００Ｖ電源などがある。モータ６が設けられる機械には、例えば工作機械、ロボット、鍛圧機械、射出成形機、及び産業機械などが含まれる。
　図１に示すように、モータ駆動装置１０００は、フィルタ３と、本開示の一実施形態によるコンバータシステム１００と、インバータ５と、ＤＣリンクコンデンサ７と、予備充電回路８、制御部９とを備える。また、コンバータシステム１００は、ＰＷＭコンバータ２と、本開示の一実施形態によるコンデンサ劣化検出装置１とを備える。
　制御部９は、ＰＷＭコンバータ２内のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するためのＰＷＭ制御信号を生成してＰＷＭコンバータ２へ出力する。なお、ここでは図示しないが制御部９への電力の供給のための電力線は、交流電源４からＰＷＭコンバータ２へ電力供給するための電力線とは別系統である。すなわち、ＰＷＭコンバータ２への電源投入前であっても、ＰＷＭコンバータ２への電源投入時点の動作に備えて制御部９を駆動するための電力は供給されている。
　ＰＷＭコンバータ２は、制御部９から受信したＰＷＭ制御信号に基づきスイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御されることで交流側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行う電源回生可能な整流器として構成される。ＰＷＭコンバータ２は、ダイオード及びこれに逆並列に接続されたスイッチング素子からなるパワー素子で構成されるフルブリッジ回路からなる。スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、サイリスタ、ＧＴＯ、トランジスタなどがあるが、その他の半導体素子であってもよい。図１に示す例では、交流電源４を三相交流電源としたので、ＰＷＭコンバータ２は三相フルブリッジ回路で構成される。交流電源４から単相交流電力が供給される場合は、ＰＷＭコンバータ２は単相ブリッジ回路で構成される。ＰＷＭコンバータ２は、制御部９がＰＷＭ制御方式に従ってスイッチング素子のオンオフ動作を制御することにより、交流側から入力された交流電力を直流電力に変換して直流側へ出力する整流動作と、直流側の直流電力をスイッチング素子のオンオフ動作により交流電力に変換して交流入出力側へ出力する回生動作と、を選択的に実行する。
　ＰＷＭコンバータ２の交流側には、フィルタ３が接続される。
　フィルタ３は、ＰＷＭコンバータ２内のスイッチング素子をオンオフ動作させることによりＰＷＭコンバータ２の交流側に発生する高周波リプル電流を吸収する機能を有する。フィルタ３は、フィルタ用コンデンサ３１と、２つのリアクトル３２と、抵抗３３とを有する。フィルタ３はＰＷＭコンバータの交流側に接続されるので、フィルタ用コンデンサ３１は、交流回路で使用されることから無極性のフィルムコンデンサが用いられる。フィルタ用コンデンサ３１の例としては、例えばフィルムコンデンサなどがあるが、セラミックコンデンサであってもよい。
　図１では図面を簡明なものとするために、フィルタ３内のフィルタ用コンデンサ３１、リアクトル３２、及び抵抗３３の接続関係については一相分についてのみ表記している。図１に示す例では、交流電源４を三相交流電源としたので、交流電源４と三相フルブリッジ回路で構成されるＰＷＭコンバータ２との間は、三相の電力線によって電気的に接続される。この場合、フィルタ用コンデンサ３１、リアクトル３２、及び抵抗３３を有するフィルタ３が三相の電力線のそれぞれに設けられ、すなわちフィルタ３は３つ設けられる。より詳しくは、互いに直列接続された２つのリアクトル３２は、交流電源４とＰＷＭコンバータ２とを結ぶ三相の電力線の各相の電力線のそれぞれに設けられる。三相分の電力線に設けられた２つのリアクトル３２それぞれについて、互いに直列接続されたフィルタ用コンデンサ３１及び抵抗３３からなる組の一端が、２つのリアクトル３２の接続点に接続される。なお、フィルタ用コンデンサ３１と抵抗３３とからなる組の直列接続の順番は一例であり、これ以外の順番で直列接続されてもよい。このような３組のフィルタ３についての上記電力線が接続されない一端が接続されることで、３組のフィルタ３がスター結線（Ｙ結線）されることになる。なお、フィルタ３同士の接続についてスター結線（Ｙ結線）の場合を一例として説明したが、各フィルタ３の上記電力線が接続されない一端を、別のフィルタ３のフィルタ用コンデンサ３１と抵抗３３とフィルタ用コンデンサ３１との間に接続してデルタ結線（Δ結線）を構成してもよい。
　なお、交流電源４が単相交流電源である場合は、交流電源４と単相フルブリッジ回路で構成されるＰＷＭコンバータ２との間を電気的に接続する単相の電力線に、上述した接続関係を有するフィルタ用コンデンサ３１、リアクトル３２、及び抵抗３３を備えるフィルタ３が１つ設けられる。
　ＰＷＭコンバータ２の直流側には、ＤＣリンクコンデンサ７が設けられる。ＤＣリンクコンデンサ７は、ＰＷＭコンバータ２からの直流出力の脈動分を抑える機能とともに直流電力を蓄積する機能を有する。ＤＣリンクコンデンサ７は平滑コンデンサとも称されることがある。ＤＣリンクコンデンサ７の例としては、例えば電解コンデンサやフィルムコンデンサなどがある。
　ＰＷＭコンバータ２とＤＣリンクコンデンサ７との間には、ＤＣリンクコンデンサ７を予備充電する予備充電回路８が設けられる。これに代えて、予備充電回路８を、ＰＷＭコンバータ２の交流入出力側に設けてもよい。
　予備充電回路８は、充電抵抗４１とこの充電抵抗４１に並列接続された予備充電用スイッチ４２とを有する。予備充電用スイッチ４２は、充電抵抗４１を介した電路が形成される開状態と充電抵抗４１を介さない短絡回路が形成される閉状態とが選択的に切り替えられる。予備充電用スイッチ４２の開閉を制御する制御部については図示を省略しているが、当該制御部については例えばＰＷＭコンバータ２のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御部９内に設けてもよい。ＰＷＭコンバータ２の電源投入後からモータ６の駆動開始前までの予備充電期間中は、予備充電用スイッチ４２を開状態にすることでＰＷＭコンバータ２から出力された直流電流が充電抵抗４１を通じてＤＣリンクコンデンサ７に流れ込み、これによりＤＣリンクコンデンサ７が充電される。予備充電期間中は、ＰＷＭコンバータ２から出力される直流電流は充電抵抗４１を通るので、突入電流の発生を防ぐことができる。ＤＣリンクコンデンサ７が所定の電圧まで充電されると、予備充電用スイッチ４２を開状態から閉状態に切り換えて予備充電を完了する。ＤＣリンクコンデンサ７の電圧を検出する検出部については図示を省略している。
　ＰＷＭコンバータ２の直流側には、ＤＣリンクコンデンサ７を介してインバータ５が接続される。ＰＷＭコンバータ２の直流側とインバータ５の直流側とを電気的に接続する回路部分は「ＤＣリンク」と称される。ＤＣリンクは、「ＤＣリンク部」、「直流リンク」、「直流リンク部」、「直流母線」あるいは「直流中間回路」などとも称されることもある。
　インバータ５は、スイッチング素子及びこれに逆並列に接続されたダイオードのフルブリッジ回路からなる。スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、サイリスタ、ＧＴＯ、トランジスタなどがあるが、その他の半導体素子であってもよい。図１に示す例では、モータ６を三相交流モータとしたので、インバータ５は三相フルブリッジ回路で構成される。モータ６が単相交流モータである場合は、インバータ５は単相ブリッジ回路で構成される。
　インバータ５は、上位制御装置（図示せず）の指令に基づき内部のスイッチング素子のオンオフ動作がＰＷＭ制御されることで、ＤＣリンクにおける直流電力を交流電力に変換して交流側のモータ６へ供給するとともに、モータ６の減速により回生された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ戻す。モータ６は、インバータ５から供給される交流電力に基づいて、速度、トルクまたは回転子の位置が制御される。インバータ５を制御する上位制御装置は、アナログ回路と演算処理装置との組み合わせで構成されてもよく、あるいは演算処理装置のみで構成されてもよい。インバータ５を制御する上位制御装置を構成し得る演算処理装置には、例えばＩＣ、ＬＳＩ、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＤＳＰなどがある。
　ＰＷＭコンバータ２を正常に動作させるためには、交流電源４の交流電圧の波高値以上の値の直流電圧を出力させる必要がある。ＰＷＭコンバータ２の動作を開始するにあたっては、まず、ＰＷＭコンバータ２の電源を投入してＤＣリンクコンデンサ７を予備充電する。ここで、「ＰＷＭコンバータ２の電源投入」とは、「ＰＷＭコンバータ２への交流電源４からの電力供給の開始」を意味する。すなわち、ＰＷＭコンバータ２の電源投入前は、ＰＷＭコンバータ２への交流電源４からの電力供給は行われず、ＰＷＭコンバータ２の電源投入後に、ＰＷＭコンバータ２への交流電源４からの電力供給が行われる。ＤＣリンクコンデンサ７に対する予備充電完了後は、ＰＷＭコンバータ２内のスイッチング素子のスイッチング動作を行い、ＤＣリンクコンデンサ７の両端の直流電圧であるＤＣリンク電圧を交流電源４側の交流電圧の波高値よりも大きい電圧まで昇圧する。以下、ＤＣリンクコンデンサ７に対する予備充電完了後に行われるＤＣリンク電圧に対する昇圧を「初期昇圧」と称する。予備充電およびこれに続く初期昇圧の完了後、ＰＷＭコンバータ２は通常動作モードに移行する。通常動作モードでは、ＰＷＭコンバータ２は、制御部９から受信したＰＷＭ制御信号に基づきスイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御されることで交流側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行う電源回生可能な整流器として動作する。
　コンデンサ劣化検出装置１は、ＰＷＭコンバータの交流側に接続されたフィルタ３内に設けられたフィルタ用コンデンサ３１の劣化を検出するものである。図１に示す例では交流電源４と三相フルブリッジ回路で構成されるＰＷＭコンバータ２との間の三相の電力線のそれぞれにフィルタ３が設けられるが、コンデンサ劣化検出装置１は、これら３つのフィルタ３それぞれについてのフィルタ用コンデンサ３１の劣化を個別に検出することができる。
　本開示の一実施形態においては、ＰＷＭコンバータ２の電源を投入してＤＣリンクコンデンサ７の予備充電を開始した時点から初期昇圧開始時点までで画定される期間を「検査期間」として設定する。コンデンサ劣化検出装置１は、検査期間中にフィルタ用コンデンサ３１に流れる電流の測定値に基づいて、フィルタ用コンデンサ３１の劣化を検出する。このように検査期間は、ＤＣリンクコンデンサ７の予備充電開始時点から初期昇圧開始時点までの期間に設定されるが、この変形例として、検査期間をＤＣリンクコンデンサ７の予備充電完了時点から初期昇圧開始時点までの期間に設定してもよい。
　このようにフィルタ用コンデンサ３１の劣化検出を、予備充電開始時点から初期昇圧開始時点までで画定される検査期間中にフィルタ用コンデンサ３１に流れる電流の測定値に基づいて行うのは、次の理由による。ＰＷＭコンバータ２の電源投入以降は、交流電源４とＰＷＭコンバータ２との間の各電力線には交流電圧が印加されるので、交流電源４とＰＷＭコンバータ２との間の各電力線の線間に設けられるフィルタ３にも交流電圧が印加され、これによりフィルタ用コンデンサ３１には電流が流れる。初期昇圧開始時点以降は通常の通常動作モードを含めて、ＰＷＭコンバータ２のスイッチング素子のスイッチング動作が行われるので、フィルタ用コンデンサ３１に流れる電流には、スイッチング素子のスイッチング動作に起因する高周波リプル電流が含まれることになる。一方で、ＰＷＭコンバータ２の電源投入時点から初期昇圧開始時点までの期間中はＰＷＭコンバータ２のスイッチング素子のスイッチング動作は行われないので、フィルタ用コンデンサ３１に流れる電流は、スイッチング素子のスイッチング動作に起因する高周波リプル電流は発生せず、正弦波状となる。フィルタ用コンデンサ３１に流れる電流が高周波リプル電流を含まない正弦波状であれば、この電流の測定値を用いてフィルタ用コンデンサ３１の静電容量を正確に求めることができる。フィルタ用コンデンサ３１が劣化すると、フィルタ用コンデンサ３１の静電容量は低下し、フィルタ用コンデンサ３１の誘電正接は増加する。そこで、本開示の一実施形態においては、予備充電開始時点から初期昇圧開始時点までで画定される検査期間中にフィルタ用コンデンサ３１に流れる電流の測定値を用いて劣化判定用パラメータ（静電容量または誘電正接）を算出し、劣化判定用パラメータと所定の基準値との比較結果に基づきフィルタ用コンデンサ３１の劣化の有無を判定する。
　コンデンサ劣化検出装置１は、電流測定部１１と、計算部１２と、判定部１３と、電圧測定部１４と、アラーム出力部１５とを備える。
　電流測定部１１は、フィルタ用コンデンサ３１に流れる電流を測定する。例えば、フィルタ用コンデンサ３１が接続される導線上には電流センサが設けられ、電流測定部１１は、電流センサを介してフィルタ用コンデンサ３１に流れる電流の測定値を取得する。
　電圧測定部１４は、ＰＷＭコンバータ２の交流側の電源電圧を測定する。電圧測定部１４は、例えばＰＷＭコンバータ２に内蔵される電圧検出回路を介して電源電圧の測定値を取得する。ここで、「電源電圧の測定値」には、「交流電源４とフィルタ３との間における線間電圧」及び「交流電源４の周波数」が含まれる。なお、後述の変形例のように電圧測定部１４については省略してもよい。
　計算部１２は、予備充電開始時点から初期昇圧の開始時点までで画定される検査期間中に電流測定部１１により測定された電流の測定値を用いて、劣化判定用パラメータを算出する。劣化判定用パラメータの詳細については後述する。
　判定部１３は、計算部１２により算出された劣化判定用パラメータと基準値との比較結果に基づきフィルタ用コンデンサ３１の劣化の有無を判定する。
　アラーム出力部１５は、判定部１３によりフィルタ用コンデンサ３１が劣化したと判定された場合、アラームを出力する。
　アラーム出力部１５から出力されたアラームは、例えば表示部（図示せず）に送られ、表示部は、例えば「フィルタ用コンデンサの劣化」を作業者に通知する表示を行う。表示部の例としては、単体のディスプレイ装置、ＰＷＭコンバータ２に付属のディスプレイ装置、コンバータシステム１００に付属のディスプレイ装置、モータ駆動装置１０００に付属のディスプレイ装置、上位制御装置（図示せず）に付属のディスプレイ装置、並びに、パソコン及び携帯端末に付属のディスプレイ装置などがある。また例えば、アラーム出力部１５から出力されたアラームは、例えばＬＥＤやランプなどの発光機器（図示せず）に送られ、発光機器はアラーム受信時に発光することで、作業者に「フィルタ用コンデンサの劣化」を通知する。また例えば、アラーム出力部１５から出力されたアラームは、例えば音響機器（図示せず）に送られ、音響機器はアラーム受信時に例えば音声、スピーカ、ブザー、チャイムなどのような音を発することで、作業者に「フィルタ用コンデンサの劣化」を通知する。これにより、作業者は、フィルタ用コンデンサ３１の劣化を確実かつ容易に把握することができ、劣化したフィルタ用コンデンサ３１またはこれを含むフィルタ３を交換するといった対応も容易にとることができる。
　判定部１３による判定結果は制御部９に送られ、制御部９は、判定部１３によりフィルタ用コンデンサ３１が劣化したと判定された場合、例えば、ＰＷＭコンバータ２の電力変換を停止するよう制御してもよく、あるいは、モータ駆動装置１０００において保護動作を実行してもよい。例えば、モータ駆動装置１０００が駆動するモータ６が工作機械に設けられる場合、保護動作としては、リトラクト制御、制動制御、および落下防止制御などがある。リトラクト制御とは、ワークと工具が同期して数値制御される工作機械において、交流側の停電時に、ワークと工具の同期を保持したまま、互いに干渉しない位置まで待避を行う制御であり、これにより、ワークと工具の同期ずれによる破損の発生を防止する。制動制御とは、交流側の停電時における送り軸の惰性距離が問題となる工作機械において、送り軸の惰送によって衝突が発生しないように減速停止を行う制御である。落下防止制御とは、重力軸を備える工作機械において、停電時に重力軸が落下してワークや工具が破損しないように、現状の位置を保持する制御である。
　上述のように、図１に示す例では交流電源４と三相フルブリッジ回路で構成されるＰＷＭコンバータ２との間の三相の電力線のそれぞれにフィルタ３が設けられるが、コンデンサ劣化検出装置１は、これら３つのフィルタ３それぞれについてのフィルタ用コンデンサ３１の劣化を個別に検出する。このため、電流測定部１１、計算部１２、判定部１３、及びアラーム出力部１５からなる組は、３つのフィルタ３それぞれに対応して、３組設けられる。コンデンサ劣化検出装置１は、これら各組ごとに、フィルタ用コンデンサ３１の劣化を検出する。
　なお、交流電源４が単相交流電源である場合は、交流電源４と単相フルブリッジ回路で構成されるＰＷＭコンバータ２との間を電気的に接続する単相の電力線上にフィルタ３が１つ設けられるので、コンデンサ劣化検出装置１は、電流測定部１１、計算部１２、判定部１３、及びアラーム出力部１５からなる組を１組のみ有し、フィルタ用コンデンサ３１の劣化を検出する。
　コンデンサ劣化検出装置１内には演算処理装置（プロセッサ）が設けられる。演算処理装置には、例えばＩＣ、ＬＳＩ、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＤＳＰなどがある。この演算処理装置は、電流測定部１１、計算部１２、判定部１３、電圧測定部１４、及びアラーム出力部１５を有する。演算処理装置が有するこれらの各部は、例えば、プロセッサ上で実行されるコンピュータプログラムにより実現される機能モジュールである。例えば、電流測定部１１、計算部１２、判定部１３、電圧測定部１４、及びアラーム出力部１５をコンピュータプログラム形式で構築する場合は、演算処理装置をこのコンピュータプログラムに従って動作させることで、各部の機能を実現することができる。電流測定部１１、計算部１２、判定部１３、電圧測定部１４、及びアラーム出力部１５の各処理を実行するためのコンピュータプログラムは、半導体メモリ、磁気記録媒体または光記録媒体といった、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録された形で提供されてもよい。またあるいは、電流測定部１１、計算部１２、判定部１３、電圧測定部１４、及びアラーム出力部１５を、各部の機能を実現するコンピュータプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。
　続いて、劣化判定用パラメータ及びこの劣化判定用パラメータに基づく劣化判定処理の形態について、いくつか列記する。
　第１の形態では、計算部１２は劣化判定用パラメータとしてフィルタ用コンデンサ３１の静電容量を算出し、判定部１３は、フィルタ用コンデンサ３１の静電容量と所定の基準値との比較結果に基づいてフィルタ用コンデンサ３１の劣化の有無を判定する。
　予備充電開始時点から初期昇圧開始時点までで画定される検査期間中にフィルタ用コンデンサ３１に流れる電流の測定値をＩ、ＰＷＭコンバータ２の交流側の電源電圧の大きさをＶ、電源電圧の周波数をｆとしたとき、フィルタ用コンデンサの静電容量Ｃは、式１のように表される。
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　検査期間中にフィルタ用コンデンサ３１に流れる電流の測定値Ｉは、電流測定部１１により測定される。電源電圧の大きさＶ及び電源電圧の周波数ｆは、例えば電圧測定部１４による測定値が用いられる。電流測定部１１による電流の測定値Ｉと電圧測定部１４による電源電圧の大きさＶ及び電源電圧の周波数の各測定値とは、同じタイミングで測定されたものが用いられる。フィルタ用コンデンサ３１に流れる電流の測定値Ｉ及び電源電圧の大きさＶはともに実効値が用いられるのが好ましいが、精度は若干劣るが波高値を用いてもよい。
　なお、電圧測定部１４により取得される電源電圧の大きさＶ及び電源電圧の周波数ｆの測定値に代えて、交流電源４の電源電圧は歪みが少ないものであるとみなして交流電源４の公称値（すなわち定数）を、式１に基づくフィルタ用コンデンサの静電容量Ｃの計算に用いてもよい。図２は、本開示の一実施形態によるコンデンサ劣化検出装置及びこれを備えるコンバータシステムにおいて電圧測定部が省略された場合を示す図である。式１に基づくフィルタ用コンデンサの静電容量Ｃの計算の公称値を用いる場合は、図２に示すように、コンデンサ劣化検出装置１から電圧測定部１４を省略してもよい。
　計算部１２は、予備充電開始時点から初期昇圧開始時点までで画定される検査期間中にフィルタ用コンデンサ３１に流れる電流の測定値Ｉを用いて、式１に従って、劣化判定用パラメータとしてのフィルタ用コンデンサ３１の静電容量Ｃを計算する。計算部１２により算出されたフィルタ用コンデンサ３１の静電容量Ｃは、判定部１３に送られる。判定部１３は、計算部１２により算出されたフィルタ用コンデンサ３１の静電容量と基準値との比較結果に基づきフィルタ用コンデンサ３１の劣化の有無を判定する。
　図３は、本開示の一実施形態によるコンデンサ劣化検出装置及びこれを備えるコンバータシステムにおける、フィルタ用コンデンサの静電容量を用いた劣化判定処理を示すフローチャートである。図３のフローチャートでは、一例として、検査期間については、ＤＣリンクコンデンサ７の予備充電完了時点から初期昇圧開始時点までの期間に設定している。
　ステップＳ１０１において、ＰＷＭコンバータ２の電源が投入される。
　次いでステップＳ１０２において、予備充電回路８は予備充電用スイッチ４２を開状態にすることで、ＤＣリンクコンデンサ７の予備充電が開始される。この段階では、ＰＷＭコンバータ２のスイッチング素子はスイッチング動作を行っておらず（すなわちスイッチング素子は常にオフ）、ＰＷＭコンバータ２は、ダイオード整流により直流側に直流電流を出力する。ＰＷＭコンバータ２から出力された直流電流は、充電抵抗４１を通じてＤＣリンクコンデンサ７に流れ込み、これによりＤＣリンクコンデンサ７が予備充電される。予備充電期間中は、ＰＷＭコンバータ２から出力される直流電流は充電抵抗４１を通るので、突入電流の発生を防ぐことができる。
　ステップＳ１０３において、予備充電回路８を制御する制御部（図示せず）は、予備充電が完了したか否かを判定する。例えば、予備充電回路８を制御する制御部は、ＤＣリンクコンデンサ７の電圧値を監視し、ＤＣリンクコンデンサ７が所定の予備充電電圧まで充電されたか否かに基づいて、予備充電が完了したか否かを判定する。ＤＣリンクコンデンサ７が所定の予備充電電圧まで充電された場合、予備充電回路８を制御する制御部は、予備充電用スイッチ４２を開状態から閉状態に切り換え、予備充電が完了したことがコンデンサ劣化検出装置１に通知する。その後、ステップＳ１０４へ進む。
　ステップＳ１０４において、電流測定部１１は、フィルタ用コンデンサ３１に流れる電流を測定する。また、次のステップＳ１０５において電源電圧の大きさＶ及び電源電圧の周波数ｆの各測定値を用いてフィルタ用コンデンサ３１の静電容量Ｃを計算する場合は、同じくステップＳ１０４において、電圧測定部１４は、電源電圧の大きさＶ及び電源電圧の周波数ｆを測定する。
　ステップＳ１０５において、計算部１２は、フィルタ用コンデンサ３１に流れる電流の測定値Ｉ及び電源電圧の大きさＶ及び電源電圧の周波数ｆの各値を用いて、劣化判定用パラメータとしてのフィルタ用コンデンサ３１の静電容量Ｃを計算する。計算部１２により算出されたフィルタ用コンデンサ３１の静電容量Ｃの値は、判定部１３へ送られる。
　ステップＳ１０６において、判定部１３は、計算部１２により算出されたフィルタ用コンデンサ３１の静電容量Ｃと基準値との比較結果に基づきフィルタ用コンデンサ３１の劣化の有無を判定する。
　ステップＳ１０６において判定部１３による判定処理に用いられる基準値は、例えば、作業者が設定した任意の静電容量、フィルタ３の動作に必要な最低限の静電容量、フィルタ用コンデンサ３１が破損する直前の静電容量、フィルタ用コンデンサ３１のメーカが規定する静電容量の公差の範囲を逸脱した静電容量、あるいは、フィルタ用コンデンサ３１のメーカ推奨の安全に使用可能な静電容量の下限値などがある。なお、基準値については、書き換え可能な記憶部（図示せず）に記憶されて外部機器によって書き換え可能であってもよく、基準値を一旦設定した後であっても、必要に応じて適切な値に変更することができる。記憶部は、例えばＥＥＰＲＯＭ（登録商標）などのような電気的に消去・記録可能な不揮発性メモリ、または、例えばＤＲＡＭ、ＳＲＡＭなどのような高速で読み書きのできるランダムアクセスメモリなどで構成すればよい。
　ステップＳ１０６において、フィルタ用コンデンサ３１の静電容量Ｃが基準値を下回ったと判定された場合はフィルタ用コンデンサ３１は劣化しているのでステップＳ１０８へ進み、フィルタ用コンデンサ３１の静電容量Ｃが基準値を下回ったと判定されなかった場合はステップＳ１０７へ進む。判定部１３による判定結果はアラーム出力部１５及び制御部９へ送られる。
　ステップＳ１０８において、アラーム出力部１５は、アラームを出力する。また、ステップＳ１０８において、制御部９は、ＰＷＭコンバータ２の電力変換を停止するよう制御してもよく、あるいは、モータ駆動装置１０００において保護動作を実行してもよい。
　フィルタ用コンデンサ３１の静電容量Ｃが基準値を下回ったと判定されなかった場合は、ステップＳ１０７において、制御部９は、ＰＷＭコンバータ２内のスイッチング素子のスイッチング動作を行い、ＤＣリンクコンデンサ７の両端の直流電圧であるＤＣリンク電圧を交流電源４側の交流電圧の波高値よりも大きい電圧まで昇圧する（初期昇圧）。その後、ＰＷＭコンバータ２は通常動作モードに移行する。通常動作モードでは、ＰＷＭコンバータ２は、制御部９から受信したＰＷＭ制御信号に基づきスイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御されることで交流側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行う電源回生可能な整流器として動作する。
　このようにステップＳ１０３における予備充電完了後からステップＳ１０７の初期昇圧開始前までの間に電流測定部１１により測定されたフィルタ用コンデンサ３１に流れる電流の測定値を用いてフィルタ用コンデンサ３１の静電容量Ｃを計算し、フィルタ用コンデンサ３１の静電容量Ｃと基準値との比較結果に基づいて、フィルタ用コンデンサ３１の劣化の有無を判定する。ステップＳ１０３における予備充電完了後からステップＳ１０７の初期昇圧開始前までの検査期間中は、ＰＷＭコンバータ２のスイッチング素子のスイッチング動作は行われないことからフィルタ用コンデンサ３１に流れる電流には高周波リプル電流は発生しないので、フィルタ用コンデンサ３１の静電容量を正確に求めることができ、ひいてはフィルタ用コンデンサ３１の劣化の有無を正確に判定することができる。本開示の一実施形態によれば、ＰＷＭコンバータ２の起動時に自動的にフィルタ用コンデンサ３１の劣化を判定するので、従来のように作業者がフィルタの交流入力側の電源を一旦遮断したうえで自らテスターを用いてフィルタ用コンデンサ３１の静電容量を測定して劣化の有無を判断する必要がない。このように本開示の一実施形態によれば、フィルタ用コンデンサ３１の劣化を容易に検出することができる。
　上述の実施形態では、フィルタ用コンデンサ３１の静電容量と基準値の対象の比較に基づいて、フィルタ用コンデンサ３１の劣化の有無を判定していた。この変形例として、計算部１２により算出されたフィルタ用コンデンサ３１の静電容量の初期値に対する割合と基準値との比較結果に基づいて、フィルタ用コンデンサ３１の劣化の有無を判定してもよい。
　図４は、本開示の一実施形態によるコンデンサ劣化検出装置及びこれを備えるコンバータシステムにおける、フィルタ用コンデンサの静電容量を用いた劣化判定処理の変形例を示すフローチャートである。図４のフローチャートでは、一例として、検査期間については、ＤＣリンクコンデンサ７の予備充電完了時点から初期昇圧開始時点までの期間に設定している。
　図４のステップＳ１０１～Ｓ１０５については、図３において説明したステップＳ１０１～Ｓ１０５と同じである。
　ステップＳ１０５に続くステップＳ１０９において、判定部１３は、計算部１２により算出されたフィルタ用コンデンサ３１の静電容量をフィルタ用コンデンサ３１の静電容量初期値で除算して得られる値（すなわち計算部１２により算出されたフィルタ用コンデンサ３１の静電容量についての、静電容量初期値に対する割合）と基準値との比較結果に基づきフィルタ用コンデンサ３１の劣化の有無を判定する。
　ステップＳ１０９において判定部１３による判定処理に用いられるフィルタ用コンデンサ３１の静電容量初期値は、例えば、フィルタ用コンデンサ３１の出荷時もしくは製造時に測定された静電容量、ＰＷＭコンバータ２の出荷時もしくは製造時に測定されたフィルタ用コンデンサ３１の静電容量、ＰＷＭコンバータ２の製造後に一番最初に駆動した時に測定されたフィルタ用コンデンサ３１の静電容量、フィルタ用コンデンサ３１の静電容量の公称値、などがある。
　ステップＳ１０９において判定部１３による判定処理に用いられる基準値は、フィルタ３の動作に必要な最低限の静電容量、フィルタ用コンデンサ３１が破損する直前の静電容量、フィルタ用コンデンサ３１のメーカが規定する静電容量の公差の範囲を逸脱した静電容量、あるいは、フィルタ用コンデンサ３１のメーカ推奨の安全に使用可能な静電容量の下限値などを考慮して、フィルタ用コンデンサ３１の静電容量初期値に対する割合よりも例えば数パーセントから十数パーセント程度低い値に設定される。ここで示した数値例はあくまでも一例であって、これ以外の値であってもよい。なお、基準値については、書き換え可能な記憶部（図示せず）に記憶されて外部機器によって書き換え可能であってもよく、基準値を一旦設定した後であっても、必要に応じて適切な値に変更することができる。
　ステップＳ１０９において、フィルタ用コンデンサ３１の静電容量Ｃをフィルタ用コンデンサの静電容量初期値で除算して得られる値が、基準値を下回ったと判定された場合はフィルタ用コンデンサ３１は劣化しているのでステップＳ１０８へ進む。ステップＳ１０９において、フィルタ用コンデンサ３１の静電容量Ｃをフィルタ用コンデンサの静電容量初期値で除算して得られる値が基準値を下回ったと判定されなかった場合はステップＳ１０７へ進む。判定部１３による判定結果はアラーム出力部１５及び制御部９へ送られる。
　図４のステップＳ１０７及びＳ１０８については、図３において説明したステップＳ１０７及びＳ１０８と同じである。
　このように本変形例においても、フィルタ用コンデンサ３１の劣化を容易に検出することができる。
　第２の形態では、計算部１２は劣化判定用パラメータとしてフィルタ用コンデンサ３１の誘電正接を算出し、判定部１３は、フィルタ用コンデンサ３１の誘電正接と所定の基準値との比較結果に基づいてフィルタ用コンデンサ３１の劣化の有無を判定する
　図５は、コンデンサの誘電正接を説明する図である。
　図５に示すように、フィルムコンデンサなどからなるフィルタ用コンデンサ３１は、静電容量Ｃと等価直列抵抗ＥＳＲと等価直列インダクタンスＥＳＬで表すことができる。フィルタ用コンデンサ３１には、誘電損失、並びに電極及び導線の抵抗成分による抵抗損失が発生する。フィルタ用コンデンサ３１に印加される電圧と流れる電流との位相差は、理想的には９０度であるが、これら損失の影響により位相遅れが生じ、９０度からずれる。この遅れの角度（損失角）を誘電正接またはｔａｎδ（タンジェントデルタ）という。フィルムコンデンサの劣化が進むと誘電正接ｔａｎδは大きくなる。計算部１２は、電流測定部１１により測定された電流の測定値Ｉと電圧測定部１４により測定された電圧の測定値Ｖとを用いて、劣化判定用パラメータとしてのフィルタ用コンデンサ３１の誘電正接ｔａｎδを計算する。計算部１２により算出されたフィルタ用コンデンサ３１の誘電正接ｔａｎδは、判定部１３に送られる。判定部１３は、計算部１２により算出されたフィルタ用コンデンサ３１の誘電正接ｔａｎδと基準値との比較結果に基づきフィルタ用コンデンサ３１の劣化の有無を判定する。
　図６は、本開示の一実施形態によるコンデンサ劣化検出装置及びこれを備えるコンバータシステムにおける、フィルタ用コンデンサの誘電正接を用いた劣化判定処理を示すフローチャートである。図６のフローチャートでは、一例として、検査期間については、ＤＣリンクコンデンサ７の予備充電完了時点から初期昇圧開始時点までの期間に設定している。
　図６のステップＳ１０１～Ｓ１０４については、図３において説明したステップＳ１０１～Ｓ１０４と同じである。
　ステップＳ１１０において、計算部１２は、フィルタ用コンデンサ３１に流れる電流の測定値Ｉ及び電源電圧の大きさＶ及び電源電圧の周波数ｆの各値を用いて、劣化判定用パラメータとしてのフィルタ用コンデンサ３１の誘電正接ｔａｎδを計算する。計算部１２により算出されたフィルタ用コンデンサ３１の誘電正接ｔａｎδの値は、判定部１３へ送られる。
　ステップＳ１１１において、判定部１３は、計算部１２により算出されたフィルタ用コンデンサ３１の誘電正接ｔａｎδと基準値との比較結果に基づきフィルタ用コンデンサ３１の劣化の有無を判定する。
　ステップＳ１１１において判定部１３による判定処理に用いられる基準値は、例えば、作業者が設定した任意の誘電正接、フィルタ３の動作に必要な最低限の誘電正接、フィルタ用コンデンサ３１が破損する直前の誘電正接、フィルタ用コンデンサ３１のメーカが規定する静電容量の公差の範囲を逸脱した誘電正接、あるいは、フィルタ用コンデンサ３１のメーカ推奨の安全に使用可能な誘電正接の上限値などがある。なお、基準値については、書き換え可能な記憶部（図示せず）に記憶されて外部機器によって書き換え可能であってもよく、基準値を一旦設定した後であっても、必要に応じて適切な値に変更することができる。
　ステップＳ１１１において、フィルタ用コンデンサ３１の誘電正接ｔａｎδが基準値を上回ったと判定された場合はフィルタ用コンデンサ３１は劣化しているのでステップＳ１０８へ進み、フィルタ用コンデンサ３１の誘電正接ｔａｎδＣが基準値を上回ったと判定されなかった場合はステップＳ１０７へ進む。判定部１３による判定結果はアラーム出力部１５及び制御部９へ送られる。
　図６のステップＳ１０７及びＳ１０８については、図３において説明したステップＳ１０７及びＳ１０８と同じである。
　このように本変形例においても、フィルタ用コンデンサ３１の劣化を容易に検出することができる。
　以上説明したように、本開示の一実施形態によれば、従来のように作業者がフィルタの交流入力側の電源を一旦遮断したうえで自らテスターを用いてフィルタ用コンデンサ３１の静電容量を測定して劣化の有無を判断する必要がない。本開示の一実施形態によれば、ＰＷＭコンバータ２の起動時に自動的にフィルタ用コンデンサ３１の劣化を検出することができる。予備充電完了後から初期昇圧開始前までの検査期間中は、ＰＷＭコンバータ２のスイッチング素子のスイッチング動作は行われないことからフィルタ用コンデンサ３１に流れる電流には高周波リプル電流は発生しないので、フィルタ用コンデンサ３１に流れる電流に基づいてフィルタ用コンデンサ３１の静電容量を正確に求めることができ、ひいてはフィルタ用コンデンサ３１の劣化の有無を正確に判定することができる。
　なお、本開示の実施形態は、コンバータが、コンデンサを有するフィルタが交流側接続されるダイオード整流器である場合にも適用することができる。この場合。コンデンサ劣化装置１内の判定部１３によりフィルタ用コンデンサ３１が劣化したと判定された場合、ダイオード整流器の交流側に設けられる電磁接触器などの開閉装置を開状態にすることで、例えば、ダイオード整流器への交流電力の供給を遮断することで当該ダイオード整流器の電力変換を停止する。
　１　　コンデンサ劣化検出装置
　２　　ＰＷＭコンバータ
　３　　フィルタ
　４　　交流電源
　５　　インバータ
　６　　モータ
　７　　ＤＣリンクコンデンサ
　８　　予備充電回路
　９　　制御部
　１１　　電流測定部
　１２　　計算部
　１３　　判定部
　１４　　電圧測定部
　１５　　アラーム出力部
　３１　　フィルタ用コンデンサ
　３２　　リアクトル
　３３　　抵抗
　４１　　充電抵抗
　４２　　予備充電用スイッチ
　１００　　コンバータシステム
　１０００　　モータ駆動装置

Claims (11)

  1. 　コンバータの交流側に接続されたフィルタ内に設けられたフィルタ用コンデンサの劣化を検出するコンデンサ劣化検出装置であって、
    　前記フィルタ用コンデンサに流れる電流を測定する電流測定部と、
    　前記電流測定部により測定された前記電流の測定値を用いて、劣化判定用パラメータを算出する計算部と、
    　前記計算部により算出された前記劣化判定用パラメータと基準値との比較結果に基づき前記フィルタ用コンデンサの劣化の有無を判定する判定部と、
    を備える、コンデンサ劣化検出装置。
  2. 　前記コンバータは、ＰＷＭコンバータであり、
    　前記計算部は、前記ＰＷＭコンバータの直流側に接続されたＤＣリンクコンデンサの電圧を昇圧するための前記ＰＷＭコンバータ内のスイッチング素子のスイッチング動作の開始時点までの検査期間中に前記電流測定部により測定された前記電流の測定値を用いて、前記劣化判定用パラメータを算出する、請求項１に記載のコンデンサ劣化検出装置。
  3. 　前記検査期間は、前記ＤＣリンクコンデンサの予備充電完了時点から前記ＤＣリンクコンデンサの電圧をさらに昇圧するための前記ＰＷＭコンバータ内のスイッチング素子のスイッチング動作の開始時点までの期間である、請求項２に記載のコンデンサ劣化検出装置。
  4. 　前記計算部は、前記検査期間中に前記電流測定部により測定された前記電流の測定値をＩ、前記コンバータの交流側の電源電圧の大きさをＶ、前記電源電圧の周波数をｆとしたとき、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     に従って、前記劣化判定用パラメータとしての前記フィルタ用コンデンサの静電容量Ｃを計算する、請求項１～３のいずれか一項に記載のコンデンサ劣化検出装置。
  5. 　前記判定部は、前記計算部により算出された前記フィルタ用コンデンサの静電容量が前記基準値を下回った場合、前記フィルタ用コンデンサが劣化したと判定する、請求項４に記載のコンデンサ劣化検出装置。
  6. 　前記判定部は、前記計算部により算出された前記フィルタ用コンデンサの静電容量を前記フィルタ用コンデンサの静電容量初期値で除算して得られる値が、前記基準値を下回った場合、前記フィルタ用コンデンサが劣化したと判定する、請求項４に記載のコンデンサ劣化検出装置。
  7. 　前記コンバータの交流側の電源電圧を測定する電圧測定部をさらに備え、
    　前記計算部は、前記検査期間中に前記電流測定部により測定された前記電流の測定値と前記電圧測定部により測定された前記電源電圧の測定値と用いて、前記劣化判定用パラメータとしての誘電正接を計算する、請求項１～３のいずれか一項に記載のコンデンサ劣化検出装置。
  8. 　前記判定部は、前記計算部により算出された前記誘電正接が前記基準値を上回った場合、前記フィルタ用コンデンサが劣化したと判定する、請求項７に記載のコンデンサ劣化検出装置。
  9. 　前記判定部により前記フィルタ用コンデンサが劣化したと判定された場合、アラームを出力するアラーム出力部を備える、請求項１～８のいずれか一項に記載のコンデンサ劣化検出装置。
  10. 　交流側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行うコンバータと、
    　前記コンバータの交流側に接続されたフィルタ内に設けられたフィルタ用コンデンサの劣化を検出する、請求項１～９のいずれか一項に記載のコンデンサ劣化検出装置と、
    を備える、コンバータシステム。
  11. 　前記判定部により前記フィルタ用コンデンサが劣化したと判定された場合、前記コンバータの電力変換を停止する、請求項１０に記載のコンバータシステム。
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