トップ :: G 物理学 :: G01 測定;試験




【発明の名称】 電力変換器用コンデンサの劣化検出方式
【発明者】 【氏名】立川 真

【氏名】椙山 繁

【氏名】梓沢 昇
【要約】 【課題】オンラインのコンデンサーの容量減少を連続的に捉え、かつ、交流電動機の負荷電流や回転周波数によって大巾に変化する直流側リップル電圧による影響を受けることなく、コンデンサーの劣化を検出することにある。

【解決手段】商用電源１０から可変直流電源を生成するコンバータ１と、可変直流電源から可変周波数電力を生成し、該電力を電動機１１に供給するインバータ２と、可変直流電源に接続されたコンデンサ３からなる電力変換システムにおいて、インバータのキャリア周波数成分２２とコンデンサー両端電圧２３を入力し、キャリア周波数成分に同期したリップル電圧を検出するフィルタ手段４と、電動機負荷電流に見合った設定値を設定する手段６を設け、リップル電圧のピークホールド値２５が設定値２６より所定以上大きくなったとき、コンデンサーの容量が劣化したと判定する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 商用電源から可変直流電源を生成するコンバータと、前記可変直流電源から可変周波数電力を生成し、該電力を電動機に供給するインバータと、前記可変直流電源に接続されたコンデンサからなる電力変換システムにおいて、インバータのキャリア周波数成分に同期したコンデンサー両端のリップル電圧を検出し、該リップル電圧が電動機負荷電流に対応した値から所定以上大きくなったとき、コンデンサーの容量が劣化したと判定することを特徴とする電力変換器用コンデンサの劣化検出方式。
【請求項２】 商用電源から可変直流電源を生成するコンバータと、前記可変直流電源から可変周波数電力を生成し、該電力を電動機に供給するインバータと、前記可変直流電源に接続されたコンデンサからなる電力変換システムにおいて、インバータのキャリア周波数成分とコンデンサー両端電圧を入力し、キャリア周波数成分に同期したリップル電圧を検出するフィルタ手段と、電動機負荷電流に見合った設定値を設定する手段を設け、前記リップル電圧が前記設定値より所定以上大きくなったとき、コンデンサーの容量が劣化したと判定することを特徴とする電力変換器用コンデンサの劣化検出方式。
【請求項３】 請求項２において、前記フィルタ手段は、前記リップル電圧を微分回路によって微分し、その微分出力値をピークホールド回路によってピークホールドすることを特徴とする電力変換器用コンデンサの劣化検出方式。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、商用電源から可変周波数（含む直流）を出力する電力変換器に用いるコンデンサの劣化検出方式に係り、特に、コンデンサの容量減少（経年劣化）を検出する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、電力変換器に用いるコンデンサの容量減少（経年劣化）を検出する技術として、種々の検知方式が知られている。その１は、特開平８−１８１３４３号公報に記載され、この公報によると、その検知方式は、（１）電力変換効率の低下を検出する、（２）その為に入力電圧を電流、出力電圧と電流を検出し、（３）電力変換効率を演算により求めて、初期値からの低下を検出する、（４）この検出に基づいてコンデンサーの経年劣化を判断する、という方式である。しかし、この方式は、測定方法が複雑でコストアップとなり、更に一般の電力変換器では効率の低下が非常に小さい為、他の要因を誤ってコンデンサーの経年劣化と判断する可能性が大である。その２は、特開平４−１９０７３号公報に記載され、この公報による検知方式は、コンデンサーへの充電時間を測定し、劣化すると、コンデンサーの容量が低下するので、充電時間が短かくなることを捉え、経年劣化を検出する、という方式である。しかし、この方式は、変換器を一旦停止して、再度起動してコンデンサーに充電しなくてはならない。従って、オンライン（変換器の運転中）では使用することができない。実際、電力変換器は、無停電電源や連続生産設備に使用されているため、運転停止することは、経済的損失を招くことが多い。その３は、特開平４−１９２５２１号公報に記載され、この公報による検知方式は、上記特開平４−１９０７３号公報が充電時間を利用しているのに対し、放電時間を用いて経年劣化を検出する。この方式もオンラインでしか使用できないため、その欠点は充電時間を利用する方式と同じである。その４は、特開平０８−２４８０８６号公報に記載され、この公報による検知方式は、直流電源装置のリップルを取り出し、基準信号と比較し、コンデンサーの劣化を検出する、という方式である。しかし、可変周波数電源を発生するインバータやコンバータでは、数多くのリップルが存在し、更に負荷電流が常時プラスとマイナスに変化するので、リップル電圧値も大巾に変化する。そのため、この方式は、コンデンサーの劣化を検出する方式として不適切であり、使用できないことは明らかである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】電力変換器等に使用されるコンデンサーが経年的に劣化（コンデンサー容量の減少）することは、一般的に知られている（特に、コンデンサーの温度が８〜１０℃上昇する毎に、寿命が半減する。）。しかしながら、実際の電力変換器等においてコンデンサーの寿命を測定し、新しいコンデンサーに交換することは、人手と時間がかかり、大きな困難を伴う。即ち、（１）経年劣化は普通５年ないし１０年以上経過してから起る。この間、経済的にコンデンサーの容量を測定監視する必要がある。
（２）コンデンサーの容量測定の為に、電力変換器を停止し、更にコンデンサーのみを主回路から切り離さなくてはならない。
【０００４】本発明の課題は、従来の直接的な測定法による欠点をなくし、オンラインのコンデンサーの容量減少を連続的に捉え、かつ、交流電動機の負荷電流や回転周波数によって大巾に変化する直流側リップル電圧による影響を受けることなく、コンデンサーの劣化を検出するに好適な電力変換器用コンデンサの劣化検出方式を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題は、インバータのキャリア周波数成分に同期したコンデンサー両端のリップル電圧を検出し、該リップル電圧が電動機負荷電流に対応した値から所定以上大きくなったとき、コンデンサーの容量が劣化したと判定することによって、解決される。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態による電力変換器用コンデンサの劣化検出方式を示す。図１において、交流可変電動機システムは、サイリスタ変換器やトランジスタ変換器、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）変換器、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）変換器等のコンバータ（ＣＯＮＶ）１、スイッチ素子（トランジスタ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ等）を有するインバータ（ＩＮＶ）２、電解コンデンサー（Ｃ）３からなる。ここで、１０は商用交流電源（ＡＣ）、１１は交流電動機（ＡＣＭ）を示す。コンデンサの劣化検出システムは、フィルタ（ＦＬＴ）４、比較器（ＣＭＰ）５、設定器（ＶＲ）６、ＡＮＤゲート７を有する。図１において、商用交流電源１０からコンバータ１を用いて可変直流電源（ＶDC）２３を生成すると共に、コンバータ１から直流電流ＩDCがコンデンサー３に流れ、コンデンサー３を充電する。コンデンサー３の両端の電圧は、インバータ２のスイッチ素子のオンとオフの周波数（これをキャリア周波数と称する。）によって三相交流（Ｕ、Ｖ、Ｗ相）に変換され、キャリア周波数ｆｃに同期したリップル電流を含んだＵ相交流電流ＩU２４（Ｖ相、Ｗ相のＩV、ＩWも同様であり、以下、ＩUについてのみ説明する。）が交流電動機１１に流れ込む。
【０００７】この状態を図２、図３を用いて説明する。図２は、本実施形態のインバータ２の部分を示し、図３は、インバータ部のタイムチャートを示す。図２の場合、インバータ２はスイッチ素子としてトランジスタＱUP〜ＱWNからなり、このトランジスタのオンとオフの周波数がキャリア周波数ｆｃであり、キャリア周波数ｆｃはある決められた値である。トランジスタのオンとオフの割合は０〜１００％変化する。図３の１段目に、トランジスタＱUPのオンとオフ及びキャリア周波数ｆｃのときの線間電圧ＶUV及び周期ＴC＝１／ｆｃを示す。この線間電圧ＶUVと周期ＴCによって、交流電動機１１に図３の２段目に記したリップル電流δＩDCを含んだＵ相交流電流ＩUを供給する。このとき、コンデンサー３の両端の電圧ＶDCには、図３の３段目に示すリップル電圧δＶDCが発生する。この原理は（１）式で表わせる。即ち、 δＶDC∞（１／Ｃ）δＩDC×ＴON＝（１／Ｃ）δＩU×ＴON （１）
ここで、Ｃはコンデンサーの容量（Ｆ）
δＩDCは直流側電流の変化分（Ａ）
δＩUはＵ相電流の変化分（Ａ）
ＴONはトランジスタＱUPがオンしている時間（秒）
である。従って、コンデンサー３の容量Ｃの値が経年劣化して容量が減少すると、キャリア周波数ｆｃに依存したδＶDCは増加することが解る。また、交流電動機１１のＵ相交流電流（負荷電流）ＩUが増加しても当然δＶDCは増加するし、更に、ＴONによってもδＶDCは変化することが理解される。
【０００８】そこで、本実施形態では、（１）リップル電圧δＶDCは、キャリア周波数成分ｆｃ及び変換器のスイッチ素子のオン時間ＴONによつて大きな影響を受ける、（２）リップル電圧δＶDCは、負荷電流ＩUが大きいと、比較的に大きくなる、（３）電動機の回転数に比例してリップル電圧δＶDCの周波数成分も大巾に変化するが、キャリア周波数成分ｆｃは十分回転数周波数に比べて大きな値を用いることが多いので、その影響を小さくできる、ことに着目し、まず、図１に示すフィルタ４に可変直流電圧ＶDC２３とキャリア周波数ｆｃ２２を入力し、キャリア周波数ｆｃに同期し、変換器のスイッチ素子のオン時間ＴONに依存したリップル電圧δＶDCのみを取り出し、リップルピーク電圧信号２５を得る。
【０００９】ここで、図４に、フィルタ４の詳細なフィルタ回路を示す。このフィルタ回路は、アナログスイッチ３１、微分回路３２、ピークホルダー回路３３からなる。図４に示すように、フィルタ回路に可変直流電圧ＶDC２３を入力し、キャリア周波数ｆｃ２２における変換器のスイッチ素子のオン信号によって、アナログスッチ３１を閉じると、微分回路３２は可変直流電圧ＶDC２３のリップル電圧δＶDCを微分する。その微分出力値はピークホールド回路３３によってピークホールドされる。このようにして、キャリア周波数ｆｃに同期し、変換器のスイッチ素子のオン時間ＴONに依存したリップル電圧δＶDCのみを取り出し、リップルピーク電圧信号２５を得ることができる。
【００１０】図５は、図４に示すフィルター回路のタイムチャートを示す。（ａ）はキャリア周波数ｆｃ２２における変換器のスイッチ素子のオンとオフ信号、（ｂ）は可変直流電圧ＶDC２３のリップル電圧δＶDC、（ｃ）は微分出力、（ｄ）はピークホールド出力である。図示の実線はコンデンサー３の容量が初期値のとき、破線は経年変化によって容量が低下したときの値を表す。図示のように、キャリア周波数ｆｃ２２と変換器のスイッチ素子のオン時間が同一の条件において、リップル電圧δＶDCは、コンデンサー３の容量が初期値のときに比し、その容量が低下したときの方が大きくなり、ピークホールド値が上昇する。
【００１１】次に、フィルタ４によって得たリップルピーク電圧信号２５を比較器５に入力し、一方、電動機１１の負荷電流ＩU変流器ＣＴによって検出し、先に述べたように、リップル電圧δＶDCは、負荷電流ＩUが大きいとき、比較的に大きくなるため、電動機１１の負荷電流ＩUに見合った設定値２６を設定器６に設定し、この設定値２６とリップルピーク電圧信号２５を比較する。この比較した結果、キャリア周波数成分ｆｃのリップルピーク電圧信号２５が大きければ、異常信号として、コンデンサー劣化信号２１を出力する。ここでは、コンデンサー劣化信号２１は、交流電動機１１の運転指示１２を条件に入れて、システム全体の立上げ／停止時の誤動作を防止するため、ＡＮＤゲート７を介して出力する。
【００１２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、オンライン（常時運転中に）で電力変換器のコンデンサーの劣化を検出することができる。また、キャリア周波数に依存したリップル電圧を検出するので、交流電動機の負荷電流や回転周波数によって大巾に変化する直流側リップル電圧による影響を受けることなく、電力変換器のコンデンサーの劣化を検出することができる。また、電力変換器を停止してコンデンサーの劣化を測定する必要がないため、従来方式に比し、コンデンサーの保守のためのコストを大巾に低減することができる。また、電力変換器を停止しないので、操業を停止しなくて済み、生産性を著しく向上させることができる。
【出願人】 【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【出願日】 平成９年（１９９７）１２月１日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】笹岡 茂 （外１名）
【公開番号】 特開平１１−１６０３７７
【公開日】 平成１１年（１９９９）６月１８日
【出願番号】 特願平９−３４５８９１