JP5381229B2 - コンデンサの劣化検出回路及びこれを備えた電子機器 - Google Patents
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Description
このような危険は、未然に回避しなければならず、製品が廃棄されるまで安全性を保障しなければならない。
この従来技術を示す図8において、交流電源11を整流部12で整流し、平滑コンデンサ13で平滑化した後、負荷電流検出部15で検出した負荷電流を、また、リップル電圧検出部14で検出した平滑コンデンサ13の両端の直流電圧をそれぞれ制御部19へ送る。この制御部19では、リップル電圧値を算出すると共に予め設定された警告用の所定リップル値と比較し、それを超えると3相モータ17の回転数を降下させるなどの負荷電流に制限を与える信号を、モータ駆動部18を介して変換部16へ送り保護制御を行う。また算出したリップル電圧値と予め設定されて記憶部20に記憶された異常判別用の所定リップル値を比較し異常と判断されたとき、システムを異常停止させる信号を、モータ駆動部18を介して変換部16へ送り保護制御を行う。その他に、異常と判断する要因として負荷電流に対応する警告/異常判別用のリップル電圧を設定し、検出した負荷電流に対応させた保護制御を行っていた。
しかし、従来は、倍電圧コンデンサと平滑コンデンサを具備した倍電圧整流回路においても、どのコンデンサの寿命であろうが、異常と判断する要因は共通とし、また異常時の所定値、保護制御も共通の制御を行っていたため、平滑コンデンサ劣化時と倍電圧コンデンサ劣化時とで、異常時に表れる相違が考慮されていなかった。
また、本発明は、検出制御が簡単でかつ劣化したコンデンサが倍電圧コンデンサと平滑コンデンサのいずれであるかを検出することができ、より詳細にコンデンサの劣化を検出するコンデンサの劣化検出回路及びこれを備えた電子機器を実現することを目的とする。
倍電圧コンデンサが使用により劣化して容量が減少すると、この倍電圧コンデンサは、充電量が減る。このとき負荷が接続されている状態では、充電量より放電量が大きくなるから、充電より放電が速くなり、倍電圧コンデンサの両端の電圧降下が生じる。入力電圧と倍電圧コンデンサの両端の電圧との電圧差により入力電流が流れるので、電圧降下が生じるほど入力電流ピークの位相が進み(入力電流が電源電圧の上昇に対して早く流れる)、力率が悪くなる。しかし、正常な平滑コンデンサにより平滑化されるので、リップル電圧としての影響は小さい。
一方、平滑コンデンサが使用により劣化して容量が減少すると、倍電圧コンデンサが正常であれば、充電量が十分なので充放電がバランスよく行われる。このとき負荷が接続されていても充放電がバランスよく行われているため、充電に対し放電過多にならず、電圧降下が生じない。よって、電圧降下が生じないので、入力電流ピークの位相は変わらない。しかし、平滑コンデンサは容量減少により充電しにくくなり、リップルを含む直流電圧は平滑化されずにリップルとしての影響が大きくなる。
本発明は、以上の知見に基づきなされたもので、次のような構成からなることを特徴とする。
平滑コンデンサの劣化は、リップル電圧値と記憶部に記憶した比較リップル電圧値を比較し、また平均電圧と記憶部に記憶した比較平均電圧を比較して判定する。
倍電圧コンデンサの劣化は、入力電流ピーク値と記憶部に記憶した基準入力電流ピーク値の位相差と記憶部に記憶した比較入力電流ピーク位相と基準入力電流ピーク位相の位相差(比較入力電流位相差)とを比較し、また、平均電圧と記憶部に記憶した比較平均電圧と比較して判定する。
制御部には、その他に負荷として接続したモータの駆動回転数を検出し記憶部に記憶する。
負荷(例えば3相モータ)28を駆動する電源回路は、交流電源21の整流部22、2個の直列接続した昇圧用のコンデンサ23a、23bからなる倍電圧コンデンサ23、リップルを平滑化する平滑コンデンサ24からなる倍電圧整流回路と、コイル25aと抵抗25bを具備した入力電流検出部25と、2個の抵抗26a、26bを具備した電圧検出部26と、6個のトランジスタ27a〜27fからなる3相交流への変換部(インバータ)27と、この変換部(インバータ)27を駆動するインバータ駆動回路29と、モータの回転数検出回路30と、インバータ駆動回路29を制御する制御部31で構成されている。
前記制御部31は、制御部31全体をコントロールする図示しないCPU部と、演算部とデータの記憶部35を主体として構成されている。
このインバータ制御部50は、前記インバータ駆動回路29を制御する。
前記入力電流ピーク位相算出部37、電圧測定部39、リップル電圧算出部40、平均電圧算出部41は、それぞれ運転開始直後の初期値(基準値)と時間とともに変化するデータに基づく値を算出する。
前記比較リップル電圧設定部42、比較平均電圧設定部43、比較入力電流ピーク位相設定部44には、入力回路52が接続され、それぞれ警告値と異常値が設定される。
前記警告表示制御部48には、表示部51が接続されている。
リップル電圧Erは、測定値Erx、基準値Er0、警告値Er1、異常値Er2とし、
入力平均電圧Eaは、測定値Eax、基準値Ea0、警告値Ea1、異常値Ea2とし、
入力電流Iは、測定値Ix、基準値I0、警告値I1、異常値I2とし、
入力電流ピーク位相θは、測定値θx、基準値θ0、警告値θ1、異常値θ2とする。
リップル電圧算出部40は、記憶部35に記憶した100msec間の測定結果の中から最大値と最小値を検索し、この間の電圧差から図3(a)に示すリップル電圧Erを算出する。そのデータは、記憶部35に記憶する。このリップル電圧Erの検出は、運転開始から所定の時間間隔で連続的に行う。
またリップル電圧算出部40は、運転開始直後(例えば電源回路に初めて交流電源21を印加した直後)のコンデンサが正常状態(初期状態)の時に、直流電圧測定部39で測定した1msec毎の電源周期間の入力電圧に基づき、図3(a)に示す基準リップル電圧Er0を算出する。そのデータは、記憶部35に記憶する。
また平均電圧算出部41は、運転開始直後(例えば電源回路に初めて交流電源21を印加した直後)のコンデンサが正常状態(初期状態)の時に、直流電圧測定部39で測定した1msec毎の電源周期間の入力電圧に基づき、基準平均電圧値Ea0を算出する。そのデータは、記憶部35に記憶する。
(3)回転数検出回路30は、モータ28の回転数を運転開始から連続的に検出し、そのデータをA/D変換部33でA/D変換し、記憶部35に記憶する。
入力電流ピーク位相算出部37は、記憶した電源周期間の測定結果の中から図3(c)に示す最大値Ixを検索し、これを入力電流ピーク値とする(Ixは位相情報θxも含んでもよい。)。そのデータは、記憶部35に記憶する。この入力電流ピーク値Ixの検出は、運転開始から所定の時間間隔で連続的に行う。
(5)また入力電流ピーク位相算出部37は、運転開始直後(例えば電源回路に初めて交流電源21を印加した直後)のコンデンサが正常状態(初期状態)の時に、入力電流測定部36で測定した1msec毎の電源周期間の入力電流に基づき、図3(c)に示す基準入力電流ピーク値I0を算出する(I0は位相情報θ0も含んでもよい。)。そのデータは、記憶部35に記憶する。
(6)さらに、入力電流ピーク算出部37は、上記(4)、(5)において、図3(c)に示すような経年変化する入力電流ピーク値Ixと基準入力電流ピーク値I0の電源周期毎に発生する電源割込みからの時間として入力電流ピーク位相θxと基準入力電流ピーク位相θ0を算出し、入力電流ピーク位相差θ=θ0−θxを算出する。これらの入力電流ピーク値の位相θ0、θx及び位相差θを記憶部35に記憶する。更に、その際のモータ28の回転数も合わせて検出して記憶部35に記憶する。ここで電源周期毎に発生する電源割り込みとは、交流電源のゼロクロス点(例えば電源の極性が負から正に変わる点)のタイミングを検出して制御部31に入力されるタイミング信号である。
(12)倍電圧コンデンサ23の容量の減少は、図3(c)に示す入力電流ピーク位相のずれ(位相差)として表れる。容量が小さい場合は、容量が大きい場合と比較して、位相が進む方向にピーク位相が移動する。また、図3(b)に示す平均電圧の減少として表れる。
リップル電圧算出部40で算出したリップル電圧の測定値Erxと比較リップル電圧設定部42で設定したリップル電圧の異常値Er2とを比較し、測定値Erxが異常値Er2以上、又は平均電圧算出部41で算出した平均電圧の測定値Eaxが平均電圧の異常値Er2以下となった場合には、平滑コンデンサの劣化判別部45で平滑コンデンサ24の劣化(異常)と判定し、この場合にはシステム停止制御部49、インバータ制御部50を経てシステムを停止する異常処理を行う。なお、図示はしないが同時に表示部51に警告を表示する処理を含めてもよい。
入力電流ピーク位相算出部37で算出した入力電流ピーク位相の測定値θxと入力電流ピーク位相の基準値θ0との位相差θが比較入力電流ピーク位相設定部44で設定した入力電流ピーク位相の異常値θ2(=θ0−40°)と入力電流ピーク位相の基準値θ0との位相差(比較入力電流ピーク位相差)θ02以上で、かつ、平均電圧算出部41で算出した平均電圧の測定値Eaxが平均電圧の異常値Ea0×0.7以下となった場合には、システム停止制御部49で倍電圧コンデンサの劣化(異常)と判定し、システム停止制御部49、インバータ制御部50を経てシステムを停止する異常処理を行う。なお、図示はしないが同時に表示部51に警告を表示する処理を含めてもよい。
(A)電源回路に初めて交流電源21を印加した直後に、各種の初期値を算出して記憶部35に記憶しておく。具体的には、コンデンサが正常状態(初期状態)時の初期値として基準リップル電圧Er0、基準入力平均電圧Ea0、基準入力電流位相θ0がそれぞれ検出・算出されて記憶部35に記憶される。また、比較リップル電圧設定部42で比較リップル電圧(警告値Er1/異常値Er2)、比較平均電圧設定部43で比較平均電圧(警告値Ea1/異常値Ea2)、比較入力電流ピーク位相設定部44で比較入力電流ピーク位相(警告値θ1/異常値θ2)がそれぞれ設定されて記憶部35に記憶される。
モータ28の運転を長期間継続すると図4(a)(b)の(p1)に示すように、コンデンサの容量が減少し、インバータの寿命に近づく。さらにモータ28の運転を継続するとコンデンサは発熱や弁破裂をおこし、容量の急激な減少および寿命を迎える。
なお、図5(c)のように平滑コンデンサ24が略正常の状態では、平滑コンデンサ24により平滑化されるので、リップル電圧に現れる影響は小さい。
(E−1)継続運転後、入力電流ピーク位相算出部37で入力電流位相θxを算出し、同測定値θxとすでに(A)で算出した基準値θ0との位相差θ(=θx−θ0)を算出する。また比較入力電流ピーク位相設定部44で設定した警告値θ1と基準値θ0との位相差θ01(=θ1−θ0)を算出する。さらに平均電圧算出部41で平均電圧Eaxを算出する。そして(θx−θ0)と(θ1−θ0)を比較しθがθ01以上か、かつEaxが比較平均電圧設定部43で設定した警告平均電圧Ea1以下か、が判定される。条件を満たさないときはNOとなり、(H−2)に進む。
(E−2)継続運転後、リップル電圧算出部40で算出した測定値Erxと比較リップル電圧値設定部42で設定した警告値Er1とを比較し、測定値Erxが警告値Er1以上か、又は測定値Erxが比較平均電圧値設定部43で設定した警告値Er1以下か、が判定される。条件を満たさないときはNOとなる。倍電圧コンデンサ23及び/又は平滑コンデンサ24の容量が減少しても前記(E−1)と(E−2)がともにNOであれば、(D)に戻ってモータ28の運転は継続する。
(G)前記(E−1)又は(E−2)がYESになると、モータ28の回転数を降下させてモータ28の運転を継続する。
(H−2)モータ28の回転数を降下してさらに継続運転しつつ、リップル電圧算出部40で算出したリップル電圧Erxが比較リップル電圧設定部42で設定した異常値Er2以上か、又は平均電圧Eaxが比較平均電圧設定部43で設定した異常値Ea2以下か、が判定される。条件を満たさないときはNOとなり、継続運転(G)に戻る。
(J)図4(b)のp3のように異常停止をして終了する。ちなみに、従来は、図4(a)のp3を過ぎても装置が駆動し続けて発煙、発火などの予測不能な状態に陥るおそれがあった。
いわゆるコッククロフト・ウォルトン回路を用いれば、n倍電圧整流回路(nは、3以上の正の整数)であってもよい。また、図7は、4個のコンデンサ23a、23b、23c、23dと、4個の整流ダイオード22a、22b、22c、22dと、平滑コンデンサ24を用いた両波4倍圧整流回路を示しており、コンデンサ23cには、コンデンサ23aの電荷が加算され、コンデンサ23dには、コンデンサ23bの電荷が加算され、コンデンサ23c+23dが4倍電圧となる。3倍、5倍以上も同様にして構成できる。
このような倍電圧整流回路においても実施例1と同様にして倍電圧コンデンサ23と平滑コンデンサ24の劣化を検出することができる。
Claims (8)
- 整流部で整流した交流電源を倍電圧コンデンサで昇圧し平滑コンデンサで平滑して負荷に供給する倍電圧整流回路に、
前記倍電圧整流回路の入力電流を検出する入力電流検出部と、前記入力電流検出部で検出した入力電流から前記倍電圧コンデンサの正常時の入力電流ピークの位相と前記倍電圧コンデンサの劣化判別時の入力電流ピークの位相との位相差である入力電流ピーク位相差を算出する入力電流ピーク位相算出部とを備え、前記位相差と予め設定した比較入力電流ピーク位相差との差に基づいて前記倍電圧コンデンサの劣化を判別することを特徴とするコンデンサの劣化検出回路。 - 前記入力電流ピーク位相算出部は、所定時間毎の入力電流値を少なくとも電源周期間測定し、その中の最大値を入力電流ピークとし、電源周期毎に発生する割り込みから前記入力電流ピークまでの位相を前記入力電流ピークの位相として算出することを特徴とする請求項1記載のコンデンサの劣化検出回路。
- 整流部で整流した交流電源を倍電圧コンデンサで昇圧し平滑コンデンサで平滑して負荷に供給する倍電圧整流回路に、
前記倍電圧整流回路の入力電流を検出する入力電流検出部と、前記平滑コンデンサの両端の電圧を検出する電圧検出部と、前記入力電流検出部で検出した入力電流から前記倍電圧コンデンサの正常時の入力電流ピークの位相と前記倍電圧コンデンサの劣化判別時の入力電流ピークの位相との位相差である入力電流ピーク位相差を算出する入力電流ピーク位相算出部と、前記電圧検出部で検出した前記平滑コンデンサの両端の電圧からリップル電圧を算出するリップル電圧算出部とを備え、前記入力電流ピーク位相差と予め設定した比較入力電流ピーク位相差との差に基づいて前記倍電圧コンデンサの劣化を判別するとともに、前記リップル電圧と予め設定した比較リップル電圧との差に基づいて前記平滑コンデンサの劣化を判別することを特徴とするコンデンサの劣化検出回路。 - 前記入力電流ピーク位相算出部は、所定時間毎の入力電流値を少なくとも電源周期間測定し、その中の最大値を入力電流ピークとし、電源周期毎に発生する割り込みから前記入力電流ピークまでの位相を前記入力電流ピークの位相として算出し、前記リップル電圧算出部は、所定時間毎の前記平滑コンデンサの両端の電圧を少なくとも電源周期間測定し、その最大値と最小値の差をリップル電圧として検出することを特徴とする請求項3記載のコンデンサの劣化検出回路。
- 整流部で整流した交流電源を倍電圧コンデンサで昇圧し平滑コンデンサで平滑して負荷に供給する倍電圧整流回路に、
前記倍電圧整流回路の入力電流を検出する入力電流検出部と、前記平滑コンデンサの両端の電圧を検出する電圧検出部と、前記入力電流検出部で検出した入力電流から前記倍電圧コンデンサの正常時の入力電流ピークの位相と前記倍電圧コンデンサの劣化判別時の入力電流ピークの位相との位相差である入力電流ピーク位相差を算出する入力電流ピーク位相算出部と、前記電圧検出部で検出した前記平滑コンデンサの両端の電圧から平均電圧を算出する平均電圧算出部と、前記電圧検出部で検出した前記平滑コンデンサの両端の電圧からリップル電圧を算出するリップル電圧算出部とを備え、前記倍電圧コンデンサの劣化を、前記入力電流ピーク位相差と予め設定した比較入力電流ピーク位相差との差のみで又はこの入力電流ピーク位相差と予め設定した比較入力電流ピーク位相差との差および前記平均電圧と予め設定した比較平均電圧との差の組み合わせに基づいて判別するとともに、前記平滑コンデンサの劣化を、前記リップル電圧と予め設定した比較リップル電圧との差のみで又はこのリップル電圧と予め設定した比較リップル電圧との差および平均電圧と予め設定した比較平均電圧との差の組み合わせに基づいて判別することを特徴とするコンデンサの劣化検出回路。 - 前記入力電流ピーク位相算出部は、所定時間毎の入力電流値を少なくとも電源周期間測定し、その中の最大値を入力電流ピーク値とし、電源周期毎に発生する割り込みから前記入力電流ピーク値までの位相を前記入力電流ピークの位相として算出し、前記平均電圧算出部は、所定時間毎の前記平滑コンデンサの両端の電圧を少なくとも電源周期間測定し、その平均値を平均電圧として算出し、前記リップル電圧算出部は、所定時間毎の前記平滑コンデンサの両端の電圧を少なくとも電源周期間測定し、その最大値と最小値の差をリップル電圧として検出することを特徴とする請求項5記載のコンデンサの劣化検出回路。
- 入力電流ピーク値の位相差の判別レベルは、比較入力電流ピーク位相設定部で、リップル電圧の判別レベルは、比較リップル電圧値設定部で、平均電圧の判別レベルは、比較平均電圧値設定部でそれぞれ劣化度合いが注意を要すると判断することを示す警告値と劣化度合いが故障と判断することを示す異常値とに設定してなることを特徴とする請求項5又は6記載のコンデンサの劣化検出回路。
- 請求項1ないし7のいずれかに記載のコンデンサの劣化検出回路を備えた電子機器。
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