平滑コンデンサの劣化検出回路及びこれを備えた電子機器
【課題】多様な電子機器に使用可能であると共に、検出制御が簡単で、かつ安価に構成できる平滑コンデンサの劣化検出回路を提供する。
【解決手段】平滑コンデンサの劣化検出回路を、脈流を含む直流電圧が印加された平滑コンデンサ３に接続された負荷（変換部６とモータ７）の負荷電流を測定する負荷電流検出部５と、平滑コンデンサ３の直流電圧を測定するリップル電圧検出部４と、これらが接続される制御部９と、負荷電流と対応して予め定められた比較リップル電圧値を記憶する記憶部９ａとを備えた構成にし、制御部９は平滑コンデンサ３の直流電圧からリップル電圧値を算出すると共に、同リップル電圧値と、負荷電流検出部５で測定した負荷電流の値に対応する比較リップル電圧値とを比較して平滑コンデンサ３の劣化を判定する。
【解決手段】平滑コンデンサの劣化検出回路を、脈流を含む直流電圧が印加された平滑コンデンサ３に接続された負荷（変換部６とモータ７）の負荷電流を測定する負荷電流検出部５と、平滑コンデンサ３の直流電圧を測定するリップル電圧検出部４と、これらが接続される制御部９と、負荷電流と対応して予め定められた比較リップル電圧値を記憶する記憶部９ａとを備えた構成にし、制御部９は平滑コンデンサ３の直流電圧からリップル電圧値を算出すると共に、同リップル電圧値と、負荷電流検出部５で測定した負荷電流の値に対応する比較リップル電圧値とを比較して平滑コンデンサ３の劣化を判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脈流を含む直流電圧を電源電圧として供給される電子機器に係わり、より詳細には、直流電圧の脈流を平滑する平滑コンデンサの劣化度合いを検出する平滑コンデンサの劣化検出回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、平滑コンデンサの劣化検出回路を備えた電子機器として、例えば図６のシステム構成概略図に示す電気自動車がある。電気自動車の車両走行用のモータ４２の駆動電力はインバータ４４を介してバッテリ４６から供給されている。すなわち、バッテリ４６の放電電力はインバータ４４によって三相交流に変換され、モータ４２の各相巻線（コイル）に供給されている。インバータ４４は、直流から三相交流への電力変換のための複数個のスイッチング素子を含んだ変換部４８の直流側に、バッテリ４６と並列に平滑コンデンサ４０が設けられている。
【０００３】
この平滑コンデンサ４０は、バッテリ４６から変換部４８へ供給される電力を平均化するために設けられている。すなわち、バッテリ４６は、大きな電気量を蓄えているが過渡的な応答性は高くないので、負荷であるモータ４２をバッテリ４６で直接、駆動しようとすると変換部４８でのインバータ動作に追随できず、変換部４８に供給される電力が変動してしまう。
【０００４】
これに対し、平滑コンデンサ４０は、バッテリ４６ほど電気量を蓄えられないが過渡的な応答性は高いので、バッテリ４６と変換部４８との間に介在して、バッテリ４６から変換部４８へ供給される電力を平均化することができる。また、変換部４８の直流側にはバッテリ４６と並列に、電圧センサ４３が設けられている。
【０００５】
インバータ４４の動作は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）２０を構成するマイコンによって制御される。ＥＣＵ２０に入力されるアナログ信号はＡ／Ｄ（analog-to-degital ）変換回路によってデジタル信号に変換された上で、マイコンに入力される。ＥＣＵ２０には、インバータ４４からモータ４２に供給される各相電流のフィードバック信号や、上述した電圧センサ４３にて測定される電圧を示す信号も入力される。なお、ＥＣＵ２０は、モータ４２の制御を行うモータ制御処理部２２と電圧変動監視処理部３０とを含んでいる。
【０００６】
モータ制御処理部２２は、従来から行われているモータ４２の駆動制御を行うものである。例えば、モータ制御処理部２２は、入力される走行状況データに対応してトルク指令を算出する。ＥＣＵ２０には、パルス幅変調（ＰＷＭ）のキャリア周波数がパラメータとして設定・格納されており、モータ制御処理部２２は算出したトルク指令とＰＷＭキャリア周波数に基づきＰＷＭ信号を生成し、この生成したＰＷＭ信号に基づきインバータ４４の変換部４８を構成する各スイッチング素子のスイッチング動作を制御する。また、モータ制御処理部２２は、電圧センサ４３からの電圧信号に基づいて、例えばバッテリ４６の電圧が車両走行に充分であるか否かを検出するバッテリ電圧監視処理などを行う。
【０００７】
一方、電圧変動監視処理部３０は、平滑コンデンサ４０の異常判定処理を行うものである。平滑コンデンサ４０に劣化、破損等の異常が生じると、その変換部４８の直流側での電力の平滑化機能が低下する。すなわち、平滑コンデンサ４０に異常が生じると、電圧センサ４３の両端に生じる電圧変動幅が増大する。この電圧変動は、変換部４８でのＰＷＭ動作に伴うものである。
【０００８】
図７は、このＰＷＭキャリア周波数ｆc とモータ駆動に用いられる電流Ｉ0 とに対する電圧変動δＶの関係を表す模式的なグラフである。変換部４８の直流側での電圧変動δＶは、ｆc に反比例し、Ｉ0 に応じて増加する性質を有している。
【０００９】
電圧変動監視処理部３０は、電圧変動成分に基づいて、平滑コンデンサ４０の異常を検出する異常判定処理部３４を含んでいる。異常判定処理部３４も、マイコンで実行されるプログラムにより実現される。
【００１０】
ＥＣＵ２０が起動されると、異常判定処理部３４も処理を開始する。異常判定処理部３４は、ＥＣＵ２０に入力されるモータの各相電流のデジタル値に基づいて、例えば、リアルタイムでの波形や、その絶対値の平均を計算して決定される実効値を監視し、それに基づいてＩ0 を決定する。また、ＥＣＵ２０に格納されているＰＷＭキャリア周波数ｆc を取り出す。そしてこれらＩ0 及びｆc に基づいて、図７に示す関係を表す数式またはテーブルから、平滑コンデンサ４０の劣化、異常の判定の基準となる電圧判定基準値を決定する。
【００１１】
異常判定処理部３４は、バンドパスフィルタ３２での演算により電圧センサ４３の出力波形から抽出された電圧変動波形に基づいて、その波形に振幅（pp値）に応じた電圧変動値の測定値を求める。そして、この電圧変動値が異常判定基準値以上である場合には、平滑コンデンサ４０が異常であると判断している（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
しかしながら、この従来技術はインバータ制御のモータのみを対象としており、インバータ制御を行なわない他の電子機器には適用できないという問題があった。
また、インバータ制御のモータに適用する場合でも、モータの各相の電流を個別に監視して実効値を計算したり、キャリア周波数を考慮してコンデンサの劣化判断を行なわなければならないために制御が複雑となり、また、これらの処理を行なうために高性能なマイコン、つまり、高価なマイコンが必要となっていた。
【００１３】
【特許文献１】特許第３０１９０６３号公報（第３−４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は以上述べた問題点を解決し、多様な電子機器に使用可能であると共に、検出制御が簡単で、かつ安価に構成できる平滑コンデンサの劣化検出回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は上述の課題を解決するため、脈流を含む直流電圧が印加された平滑コンデンサに接続された負荷の負荷電流を測定する負荷電流検出部と、前記平滑コンデンサ両端の直流電圧を測定するリップル電圧検出部と、前記リップル電圧検出部と前記負荷電流検出部とが接続される制御部と、前記負荷電流と対応する所定の比較リップル電圧値を記憶する記憶部とを備え、
前記制御部は、前記平滑コンデンサに印加された直流電圧からリップル電圧値を算出すると共に、同リップル電圧値と、前記負荷電流検出部で測定した前記負荷電流の値に対応する前記比較リップル電圧値とを比較して前記平滑コンデンサの劣化を検出してなる構成にする。
【００１６】
また、前記比較リップル電圧値は、前記平滑コンデンサの初期特性を示す基準リップル電圧値と、前記平滑コンデンサの劣化度合いが注意を要する特性であることを示す警告リップル電圧値と、前記平滑コンデンサの劣化度合いが故障と判断される特性であることを示す異常リップル電圧値とからなる構成にする。
【００１７】
さらに、前記基準リップル電圧値は前記記憶部に記憶され、前記警告リップル電圧値と前記異常リップル電圧値とは所定の条件に基づいて前記基準リップル電圧値から算出されてなる構成にする。
【００１８】
また、前記制御部は、前記負荷の大きさを連続的に変化させ、前記負荷の変化に対応する前記負荷電流と前記平滑コンデンサに印加された前記直流電圧とを測定し、同測定した前記直流電圧の値からリップル電圧値を算出し、同リップル電圧値を、測定した前記負荷電流値と対応する前記基準リップル電圧値として前記記憶部に記憶してなる構成にする。
【００１９】
また、この平滑コンデンサの劣化検出回路を、脈流を含む直流電圧を電源電圧として供給される電子機器に搭載する。
【発明の効果】
【００２０】
以上の手段を用いることにより、本発明によるコンデンサの劣化検出回路によれば、
請求項１に係わる発明は、負荷電流に対応して、測定したリップル電圧値と予め定められた所定の比較リップル電圧値とを比較して平滑コンデンサの劣化を判定するため、負荷が軽い場合でも正確に平滑コンデンサの劣化を判定することができるため、事前に平滑コンデンサの劣化を警告することができる。
また、通常、機器の制御を行なう制御部に、負荷電流検出部とリップル電圧検出部とを追加するだけで、安価に又、簡単に平滑コンデンサの劣化検出回路を構成することができる。
【００２１】
請求項２に係わる発明は、比較リップル電圧値が、基準リップル電圧値と、警告リップル電圧値と、異常リップル電圧値で構成されているため、平滑コンデンサの劣化状態を正常、警告、異常の３つの状態に区分でき、それぞれの状態に応じて適切な処理を行い、また、適切なメッセージを使用者に通知することができる。
【００２２】
請求項３に係わる発明は、基準リップル電圧値から警告リップル電圧値と異常リップル電圧値とを算出しているため、平滑コンデンサの特性に対応する正確な比較電圧値を規定することができる。
【００２３】
請求項４に係わる発明は、１台の電子機器ごとに平滑コンデンサの劣化検出回路の比較リップル電圧値を算出するため、設計値を用いて一律に比較リップル電圧値を規定する場合に比較して、より、正確な平滑コンデンサの劣化検出が可能になる。
【００２４】
請求項５に係わる発明は、この平滑コンデンサの劣化検出回路を電子機器、例えばエアコンの室外機などに搭載されている電力変換装置に搭載することにより、負荷変動が激しい場合でも正確に平滑コンデンサの劣化検出を行なうことができ、また、劣化の度合いに対応してエアコンの運転を制限することができ、平滑コンデンサの劣化に伴う電子機器の故障を未然に防止して安全な運転を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。本発明の特徴は、負荷電流とリップル電圧とを簡単な回路で測定するだけで、幅広い電子機器に応用可能であり、また、予め規定した負荷電流とリップル電圧との関係と、実際に測定した負荷電流とリップル電圧との関係とをリアルタイムで比較し、負荷電流やリップル電圧が小さい場合でも平滑コンデンサの劣化を検出できることにある。
電子機器へ応用した場合の効果としては、インバータ回路を使用しない直流モータ駆動において、脈流による回転数の変動を低減させたり、インバータ回路を備えたエアコンや炊飯器や電磁調理器の回路破損防止、半導体式アンプにおいて、大出力時の直流電源電圧低下による音割れを低減させたりすることなどが考えられる。
【実施例１】
【００２６】
図１はエアコン室外機の電力変換装置を示す要部ブロック図であり、図示しない圧縮機に使用されるインバータを用いたモータの駆動回路と、このモータの駆動回路に電源を供給し、本発明によるコンデンサの劣化検出回路を備えた電源回路を示している。
【００２７】
この電源回路は交流電源１に接続された４本の整流ダイオードからなる整流部２と、平滑コンデンサ３と、この平滑コンデンサ３のリップル電圧を検出するリップル電圧検出部４と、モータの駆動回路全体の負荷電流を検出する負荷電流検出部５とで構成されている。
【００２８】
一方、モータの駆動回路は、ダイオードを並列に接続したスイッチ素子を２個直列に接続して構成したアームを３組配置した変換部６と、この変換部６を駆動するモータ駆動部８と、モータ駆動部８に駆動信号を出力するマイコンからなる制御部９とで構成されている。なお、制御部９は内部に記憶部９ａを備えている。そして、変換部６の各アームのスイッチ素子の接続点が、それぞれに対応する三相モータ７の各巻線に接続されている。
【００２９】
リップル電圧検出部４は、例えば、直列に接続された２本の抵抗の両端が平滑コンデンサ３に並列に接続されて構成されており、平滑コンデンサ３の直流電圧を所定の電圧に分圧し、この分圧した電圧を制御部９のＡ／Ｄ変換端子９ｂに出力している。制御部９では分圧されてＡ／Ｄ変換端子９ｂに入力したアナログ電圧を所定のサンプリング期間、例えば３０ｍＳ（ミリセカンド）の期間内で１ｍＳ毎にデジタル変換し、変換したデジタル電圧を平滑コンデンサの直流電圧値として記憶部９ａに記憶している。
【００３０】
負荷電流検出部５は、三相モータ７から還流する負荷電流を測定するため、例えば変換部６と整流部２との間に直列に抵抗を接続し、この抵抗の両端の電圧を制御部９のＡ／Ｄ変換端子９ｃに出力している。制御部９では、前述の分圧した直流電圧の測定タイミングで、同時にＡ／Ｄ変換端子９ｃに入力されたアナログ電圧（負荷電流と対応）をデジタル変換し、変換したデジタル電圧を負荷電流を示す値として記憶部９ａに記憶している。
【００３１】
なお、平滑コンデンサの劣化検出回路は、リップル電圧検出部４と負荷電流検出部５と制御部９とで構成されている。また、この実施例ではサンプリング期間を３０ｍＳとしているが、商用電源の周期、例えば５０Ｈｚでの１周期である２０ｍＳとしてもよい。また、所定のサンプリング期間と対応するデジタル変換回数としてもよい。例えば１回の変換時間が１ｍＳかかるなら、２０ｍＳで２０回のサンプリング回数とする。
【００３２】
ところで、一般的に平滑コンデンサの寿命は、このコンデンサの容量が経年変化により徐々に減少し、当初の容量よりも所定の割合まで減少した場合を言う。ただし、所定の割合とはコンデンサに印加する電圧や負荷によっても異なるため、このコンデンサを使用する機器の設計時に、最大負荷を考慮して決定される。
【００３３】
また、一定の交流電圧を整流して平滑コンデンサに印加し、この平滑コンデンサに一定の負荷を与えた場合、平滑コンデンサの容量の減少はリップル電圧の増加として現れる。つまり、容量が大きい場合はリップル電圧が小さく、容量が小さい場合はリップル電圧が大きくなる。一方、平滑コンデンサの容量が同じ場合、負荷が重い、つまり、負荷電流が大きい程リップル電圧は大きくなる。
【００３４】
この状態を図２のグラフに示す。図２（Ａ）は平滑コンデンサが未劣化時、つまり、容量が大きい場合の平滑コンデンサ両端の直流電圧と、その時の負荷電流の関係を示し、図２（Ｂ）は平滑コンデンサが劣化時、つまり、容量が小さい場合の平滑コンデンサ両端の直流電圧と、その時の負荷電流の関係を示している。
【００３５】
図２では、直流電圧の最大値と最小値との間の電圧をＶｒ：リップル電圧と呼称している。制御部９は、この直流電圧の最大値と最小値とを検出するため、サンプリング期間、つまり、測定時間：Ｔｍ＝３０ｍＳの間、直流電圧とその時の負荷電流とを同時にペアで所要回数、例えば３０回測定し、記憶部９ａに格納している。なお、リップル電圧の変化は交流電源の周波数に同期しているため、全波整流の場合は最低でも５０Ｈｚ（ヘルツ）での１／２周期時間、つまり、１０ｍＳの間、監視する必要がある。
【００３６】
なお、この実施例では直流電圧とその時の負荷電流とを同時にペアで測定しているが、負荷電流の変化は直流電圧の変化に比較して変化の度合いが低いため、それぞれ、別の周期で測定してもよい。例えば、直流電圧は１ｍＳ毎に測定し、負荷電流は２０ｍＳごとに測定してもよい。このように、負荷電流の測定周期を長くすることにより、測定にかかる制御部９の処理能力の負担を軽減させることができる。
【００３７】
本実施例では直流電圧と負荷電流とを１回測定するために約１ｍＳを要する。このため、１０ｍＳの測定では１０回の測定しかできないので精度が出ない。従って、サンプリング期間（測定時間）を３０ｍＳに規定し、サンプリング回数を３０回としている。従って１０ｍＳの測定よりも３倍の精度で測定している。
【００３８】
３０ｍＳのサンプリング期間（測定時間）が経過すると、図２の波形が直流電圧値と負荷電流値との３０組のデータとして記憶部９ａに格納されることになる。そして、制御部９は格納された直流電圧の最大値と最小値を検索し、この間の電圧差、つまり、リップル電圧：Ｖｒを求める。同時に最大値と最小値とに対応する負荷電流の値を求め、平均の負荷電流を算出する。なお、この実施例では３０ｍＳの期間内でＶｒを決定しているが、商用電源電圧の変動による誤差があるため、複数回、例えば８回のサンプリング期間で求めたＶｒの平均値で最終的なリップル電圧を決定してもよい。
【００３９】
そして制御部９は、算出された平均の負荷電流と求めたリップル電圧を予め定められた値である比較リップル電圧値で構成された特性テーブルと比較して平滑コンデンサ３の劣化状態を判定する。この特性テーブルは、図３に示すテーブルとして、記憶部９ａに予め格納されている。
【００４０】
図３は特性テーブルの内容を示す表である。表の縦方向の項目は左から負荷電流（単位：アンペア）、比較リップル電圧（単位：ボルト）となっており、比較リップル電圧はさらに、基準リップル電圧と、警告リップル電圧と、異常リップル電圧とに分類されている。そして、負荷電流は縦方向に１〜１４アンペアに分類されており、各比較リップル電圧もこれに対応してそれぞれの値が規定されている。
【００４１】
基準リップル電圧は新しい平滑コンデンサ３の特性を表しており、警告リップル電圧はこれ以上のリップル電圧の場合、すぐには機器の故障とならないが、場合によっては故障になる可能性があるリップル電圧であることを示しており、異常リップル電圧はこれ以上のリップル電圧の場合、すでに機器の定格動作ができない、つまり故障の可能性があるリップル電圧であることを示している。
【００４２】
警告リップル電圧と、異常リップル電圧とは機器の特性に応じて決定すればよいが、本実施例では図４に示すように規定している。なお、この実施例では、１６．５Ｖ以上のリップル電圧をリップル限界電圧と規定し、これを越えた場合は機器を停止するようにしている。
【００４３】
図４はリップル電圧を縦軸に、負荷電流を横軸とした時の基準リップル電圧と、警告リップル電圧と、異常リップル電圧とに対応する特性のグラフである。ここで定格最大負荷電流とは、対象となる電子機器、例えばイギリス向けエアコンの運転電圧範囲がＡＣ２０７〜２５３Ｖ（定格２３０Ｖ）であった場合、２０７Ｖの電圧で使用され、最大能力で運転した場合の負荷電流を示している。一方、定格最小負荷電流とは、２５３Ｖの電圧で使用され、最大能力で運転した場合の負荷電流を示している。一般的にインバータ制御のエアコンの場合、同じ能力で運転した場合、入力電圧が低い時に負荷電流が多くなり、入力電圧が高い時に負荷電流が少なくなる特性がある。
【００４４】
基準特性線は定格最大負荷電流が１４Ａの時でもリップル電圧が１４．６Ｖであり、リップル限界電圧１６．５Ｖに対して１．９Ｖのマージンを持たせてある。警告特性線は定格最大負荷電流が１４Ａの時にリップル電圧が１６．５Ｖであり、リップル限界電圧と同じになる。従ってリップル電圧がこれ以上上昇すると、定格による最大能力運転ができなくなる可能性の限界ラインを示している。
【００４５】
異常特性線は定格最小負荷電流、ここでは負荷電流が１０Ａのときにリップル限界電圧１６．５Ｖに達する限界ラインを示しており、この定格最小負荷電流を越えて運転するとリップル限界電圧を越えてしまい、もはや定格電圧内では最大能力運転ができなくなることを意味する。一般的には定格運転ができなくなる場合を故障と位置づけているが、最大能力運転以下であれば継続運転することができる。従って、この異常特性線以上でリップル限界電圧以下の場合を故障と判断するか、警告運転の範囲内とするかは機器の仕様で決定されるべきものである。本実施例では故障の範囲としている。
【００４６】
なお、基準特性線は設計値として標準的なコンデンサ特性を用いてもよいが、コンデンサ容量の初期のバラツキによりマージンが減少する場合がある。従って本実施例では、エアコン製造時の製品テストにおいて負荷電流、つまりエアコンの運転能力を変化させながら、装着されている平滑コンデンサ３の直流電圧を測定してリップル電圧を算出し、図３のテーブルの基準リップル電圧のデータを書き換えるようにしている。
【００４７】
これにより、個々のコンデンサの特性に対応して精度の高い制御が可能になる。なお、この場合、警告リップル電圧と、異常リップル電圧とは、基準リップル電圧のデータに所定の係数を乗算したり、所定値を加算することで求められる。また、このように、基準リップル電圧値から警告リップル電圧値と異常リップル電圧値とを算出しているため、平滑コンデンサの特性に対応する正確な比較電圧値を規定することができる。
【００４８】
なお、図３の特性テーブルは負荷電流が１Ａ刻みで規定されているが、これに限るものでなく、さらに細かく規定してもよい。また、隣接する負荷電流値の差と、これに対応する隣接する各リップル電圧値の差とにより、負荷電流値と各リップル電圧値とを算出して補間してもよい。
また、警告リップル電圧と異常リップル電圧とは、予め特性テーブルとして記憶部９ａに記憶させておいてもよいし、平滑コンデンサ３の特性を検査する場合に、基準リップル電圧値からその都度算出して用いてもよい。
【００４９】
また、本実施例では平滑コンデンサ３が初期状態であるエアコン製造時の製品テストにおいて基準リップル電圧を測定しているが、これに限るものでなく、製品修理の場合や所定のタイミング、例えば１年毎や所定の運転時間毎に再測定してもよい。ただし、この場合には、平滑コンデンサ３は経年変化により、測定した基準リップル電圧値は初期状態よりも大きくなっているため、警告リップル電圧と異常リップル電圧との算出は、初期状態とは異なる経年変化に対応した係数を乗算したり、所定値を加算することで求められる。
【００５０】
次に図５のフローチャートを用いて制御部９の動作を説明する。図５（Ａ）はリップル電圧を監視する処理を表しており、機器が設置されて通常動作している時は常に動作している。一方、図５（Ｂ）はリップル基準特性測定の処理を示しており、工場の生産ラインや機器の修理現場で実施される機器の検査プログラムの一部として構成されている。
なお、図５でＳＴはステップを表し、これに続く番号はステップ番号を示す。また、ＹはＹｅｓを、ＮはＮｏを表している。
【００５１】
まず、図５（Ａ）のリップル電圧を監視する処理において制御部９は、リップル電圧を算出するための測定回数として初期値０を設定する（ＳＴ０）。次にカウンタに１を加算し（ＳＴ１）、リップル電圧検出部４で直流電圧を測定し、記憶部９ａへ格納する（ＳＴ２）。次に、負荷電流検出部５で負荷電流を測定し、記憶部９ｃへ格納する（ＳＴ３）。
【００５２】
そして、３０回の測定が終了、つまり３０ｍＳのサンプリング期間が経過したか確認する（ＳＴ４）。なお、ＳＴ１〜ＳＴ４までの処理は１ｍＳで行なうようになっている。３０回の測定が終了していない場合は（ＳＴ４−Ｎ）、ＳＴ１へジャンプして測定を継続する。３０回の測定が終了した場合は（ＳＴ４−Ｙ）、記憶部９ｃへ格納された３０個の最大電圧と最小電圧とを検索し、最大電圧から最小電圧を減算することにより、リップル電圧を算出する（ＳＴ５）。
【００５３】
次に、記憶部９ｃへ格納された３０個の最大電圧と最小電圧と対応する負荷電流を取り出して、その平均値を算出する（ＳＴ６）。そして、特性テーブルを検索して負荷電流の平均値に最も近い値の負荷電流と対応する警告リップル電圧を取り出し、ＳＴ５で算出したリップル電圧と比較する（ＳＴ７）。
【００５４】
そして、リップル電圧が警告特性線の値以下の場合、つまり、測定したリップル電圧が警告リップル電圧以下の場合（ＳＴ７−Ｙ）、平滑コンデンサ３は正常であるため、ＳＴ０へジャンプして監視を継続する。
【００５５】
一方、特性テーブルを検索して負荷電流の平均値に最も近い値の負荷電流と対応する異常リップル電圧を取り出し、ＳＴ５で算出したリップル電圧と比較する（ＳＴ８）。そして、リップル電圧が異常特性線の値以下の場合、つまり、測定したリップル電圧が異常リップル電圧以下の場合（ＳＴ８−Ｙ）、図４で示す警告動作範囲であるため、例えば図示しない表示部で警告メッセージを表示（ＳＴ９）する。そして、ＳＴ０へジャンプして監視を継続する。
【００５６】
一方、リップル電圧が異常特性線の値以下でない場合、つまり、測定したリップル電圧が異常リップル電圧以上の場合（ＳＴ８−Ｎ）、図４で示す故障範囲であるため、機器の運転を停止し（ＳＴ１０）、例えば図示しない表示部で故障メッセージを表示（ＳＴ１１）して制御を終了する。
【００５７】
なお、この実施例では、測定したリップル電圧が異常リップル電圧以上の場合、機器の故障として運転を停止させているが、この方法に限るものではない。前述したように、測定したリップル電圧値がリップル限界電圧以下ならば、運転を継続できる可能性がある。従って、機器の運転において、測定したリップル電圧値がリップル限界電圧値以下となるように負荷を運転、いわゆる電流制限による運転を行なうようにしてもよい。これにより、修理を行なうまでの間、機器を使用し続けることができる。
【００５８】
また、この実施例では、比較リップル電圧と測定したリップル電圧とを直接比較して、平滑コンデンサの劣化を判定しているが、この方法に限るものではない。例えば、平滑コンデンサの両端の電圧を所定のサンプリング期間内で複数回検出し、検出した電圧の平均値を求め、この平滑コンデンサの両端の平均電圧値に対する測定したリップル電圧値の割合（以下リップル比率と呼称する）で判定するようにしてもよい。この場合、前述した図３の特性テーブルは、各比較リップル電圧に対応するリップル比率がそれぞれ記憶されることになる。
【００５９】
このように、リップル比率で平滑コンデンサの劣化を判定するため、瞬時的なＡＣ電圧の変動があって平滑コンデンサの両端の電圧が変動したとしても、測定誤差を小さくして誤判定を低減することができる。
【００６０】
また、前述したように、複数回測定した平滑コンデンサの両端の電圧値から算出したリップル電圧値：Ｖｒの平均値を最終的なリップル電圧として決定し、リップル比率を求めてもよい。これにより、さらに測定誤差を小さくして誤判定を低減することができる。
【００６１】
次に図５（Ｂ）のリップル基準特性測定の処理を説明する。処理が開始されると制御部９は、まず測定する負荷電流の値としてカウンタに１を設定する（ＳＴ２０）。そして、、例えばエアコンを暖房運転モードで動作させ、暖房能力を停止状態から徐々に高めて行く。この結果、機器の負荷電流が徐々に増加する（ＳＴ２１）。
【００６２】
そして負荷電流検出部５によって負荷電流を測定し（ＳＴ２２）、負荷電流とカウンタ値が等しいか確認する（ＳＴ２３）。負荷電流とカウンタ値が等しくない場合（ＳＴ２３−Ｎ）、ＳＴ２１へジャンプする。
【００６３】
負荷電流とカウンタ値が等しい場合（ＳＴ２３−Ｙ）、カウンタに１を加算する（ＳＴ２４）。そして、３０ｍＳの間、１ｍＳ毎に直流電圧を測定し、３０ｍＳ間、つまり３０個の最大電圧値と最小電圧値とからリップル電圧を算出し、これをカウンタ値（負荷電流）と対応する特性テーブルの基準リップル電圧値としてテーブルへ格納する（ＳＴ２５）。
【００６４】
次にカウンタが１５か確認し（ＳＴ２６）、つまり、特性テーブルの終わりかを確認し、カウンタが１５でなければ（ＳＴ２６−Ｎ）、ＳＴ２１へジャンプする。カウンタが１５ならば（ＳＴ２６−Ｙ）、測定は終了しているため、テーブルの基準特性線、つまり、基準リップル電圧の値を元にして警告特性線と異常特性線、つまり、警告リップル電圧と異常リップル電圧の値を算出してテーブルへ格納（ＳＴ２７）する。
【００６５】
この算出方法としては、この実施例の場合、例えばテーブル内において、同じ負荷電流の場合に警告リップル電圧は、基準リップル電圧の値に２（Ｖ）を加算した値とし、異常リップル電圧は警告リップル電圧にさらに２を加算した値としており、基準リップル電圧に所定の値を加算する方法を用いている。
【００６６】
以上説明したように、負荷電流に対応して、測定したリップル電圧値と予め定められた比較リップル電圧値とを比較して平滑コンデンサの劣化を判定するため、負荷が軽い場合から重い場合まで、負荷の軽重にかかわらず、正確に平滑コンデンサの劣化を判定することができるため、事前に平滑コンデンサの劣化を警告することができる。また、通常、機器の制御を行なう制御部に、負荷電流検出部とリップル電圧検出部とを追加するだけで、安価に又、簡単にコンデンサの劣化検出回路を構成することができる。
【００６７】
また、比較リップル電圧値が、平滑コンデンサの初期特性を示す基準リップル電圧値と、平滑コンデンサの劣化を警告する警告リップル電圧値と、平滑コンデンサを劣化と判断する異常リップル電圧値とで構成されているため、平滑コンデンサの劣化状態を正常、警告、異常の３つの状態に区分でき、それぞれの状態に応じて適切な処理を行い、また、適切なメッセージを使用者に通知することができる。
【００６８】
さらに、１台の機器ごとにコンデンサの劣化検出回路の比較リップル電圧値を予め算出するため、設計値を用いて一律に比較リップル電圧値を規定する場合に比較して、より、正確なコンデンサの劣化検出が可能になる。
【００６９】
なお、製造時に記憶部９ａに記憶した基準特性線と対応する比較リップル電圧を検索し、定格最大負荷電流の時にすでにリップル限界電圧を越えている場合は、該当コンデンサが初期不良品と判断できるため、その旨をエラー表示させるようにしている。このようにすると、製品の信頼性を向上させることができる。
【００７０】
なお、本実施例ではエアコンの室外機に平滑コンデンサの劣化検出回路を設けた例を説明しているが、これに限るものでなく、脈流を含む嫡流電圧が印加された平滑コンデンサを備え、負荷の変動が大きい電子機器に幅広く応用できるものである。
【００７１】
また、本実施例では負荷電流検出部５を変換部６と整流部２との間に設けているがこれに限るものでなく、電子機器に備えられている機器の消費電流（商用電源）のＡＣ電流測定回路を流用してもよい。例えばエアコンなどでは機器の電流制限を行なうため、ＡＣ消費電流を測定する回路が既に設けられているものがあり、このＡＣ消費電流測定回路での測定電流値を本実施例での負荷電流として対応させることができる。
これにより、新たに負荷電流検出部５を設けなくてよいため、コストダウンを図ることができる。
【００７２】
また、本実施例では比較リップル電圧値を、平滑コンデンサの初期特性を示す基準リップル電圧値と、平滑コンデンサの劣化を警告する警告リップル電圧値と、平滑コンデンサを劣化と判断する異常リップル電圧値とで構成しているがこれに限るものでなく、基準リップル電圧値と異常リップル電圧値とで構成してもよいし、３つのリップル電圧値をさらに細かく区分して平滑コンデンサの劣化を検出してもよい。
【００７３】
ＡＣ電源回路に使用する高耐圧の平滑コンデンサは一般的に高価であり、また、従来の電子機器設計においては、経年変化によるコンデンサの容量減少を考慮し、さらにマージンを持たせて必要以上の大容量のコンデンサを採用する場合があった。従って、本実施例の平滑コンデンサの劣化検出回路を設けることにより、この不必要なマージンを持たせることなく、経年変化によるコンデンサの容量減少のみを考慮すればよい。つまり、採用する平滑コンデンサを必要最小限の容量のものに選定することができるため、コストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明によるコンデンサの劣化検出回路を備えたエアコン室外機の電力変換装置を示す要部ブロック図である。
【図２】平滑コンデンサの直流電圧と負荷電流とを示すグラフであり、（Ａ）は平滑コンデンサが未劣化時を、（Ｂ）は平滑コンデンサが劣化時をそれぞれ示す。
【図３】特性テーブルの内容を示す表である。
【図４】基準リップル電圧と、警告リップル電圧と、異常リップル電圧と対応する各特性線のグラフである。
【図５】制御の動作を説明する動作フローチャートである。
【図６】従来のコンデンサの劣化検出回路を備えた電気自動車のシステム構成概略図である。
【図７】キャリア周波数とモータ駆動に用いられる電流とに対する電圧変動の関係を表す模式的なグラフである。
【符号の説明】
【００７５】
１ 交流電源
２ 整流部
３ 平滑コンデンサ
４ リップル電圧検出部
５ 負荷電流検出部
６ 変換部
７ 三相モータ
８ モータ駆動部
９ 制御部
９ａ 記憶部
９ｂ、９ｃ Ａ／Ｄ変換端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脈流を含む直流電圧を電源電圧として供給される電子機器に係わり、より詳細には、直流電圧の脈流を平滑する平滑コンデンサの劣化度合いを検出する平滑コンデンサの劣化検出回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、平滑コンデンサの劣化検出回路を備えた電子機器として、例えば図６のシステム構成概略図に示す電気自動車がある。電気自動車の車両走行用のモータ４２の駆動電力はインバータ４４を介してバッテリ４６から供給されている。すなわち、バッテリ４６の放電電力はインバータ４４によって三相交流に変換され、モータ４２の各相巻線（コイル）に供給されている。インバータ４４は、直流から三相交流への電力変換のための複数個のスイッチング素子を含んだ変換部４８の直流側に、バッテリ４６と並列に平滑コンデンサ４０が設けられている。
【０００３】
この平滑コンデンサ４０は、バッテリ４６から変換部４８へ供給される電力を平均化するために設けられている。すなわち、バッテリ４６は、大きな電気量を蓄えているが過渡的な応答性は高くないので、負荷であるモータ４２をバッテリ４６で直接、駆動しようとすると変換部４８でのインバータ動作に追随できず、変換部４８に供給される電力が変動してしまう。
【０００４】
これに対し、平滑コンデンサ４０は、バッテリ４６ほど電気量を蓄えられないが過渡的な応答性は高いので、バッテリ４６と変換部４８との間に介在して、バッテリ４６から変換部４８へ供給される電力を平均化することができる。また、変換部４８の直流側にはバッテリ４６と並列に、電圧センサ４３が設けられている。
【０００５】
インバータ４４の動作は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）２０を構成するマイコンによって制御される。ＥＣＵ２０に入力されるアナログ信号はＡ／Ｄ（analog-to-degital ）変換回路によってデジタル信号に変換された上で、マイコンに入力される。ＥＣＵ２０には、インバータ４４からモータ４２に供給される各相電流のフィードバック信号や、上述した電圧センサ４３にて測定される電圧を示す信号も入力される。なお、ＥＣＵ２０は、モータ４２の制御を行うモータ制御処理部２２と電圧変動監視処理部３０とを含んでいる。
【０００６】
モータ制御処理部２２は、従来から行われているモータ４２の駆動制御を行うものである。例えば、モータ制御処理部２２は、入力される走行状況データに対応してトルク指令を算出する。ＥＣＵ２０には、パルス幅変調（ＰＷＭ）のキャリア周波数がパラメータとして設定・格納されており、モータ制御処理部２２は算出したトルク指令とＰＷＭキャリア周波数に基づきＰＷＭ信号を生成し、この生成したＰＷＭ信号に基づきインバータ４４の変換部４８を構成する各スイッチング素子のスイッチング動作を制御する。また、モータ制御処理部２２は、電圧センサ４３からの電圧信号に基づいて、例えばバッテリ４６の電圧が車両走行に充分であるか否かを検出するバッテリ電圧監視処理などを行う。
【０００７】
一方、電圧変動監視処理部３０は、平滑コンデンサ４０の異常判定処理を行うものである。平滑コンデンサ４０に劣化、破損等の異常が生じると、その変換部４８の直流側での電力の平滑化機能が低下する。すなわち、平滑コンデンサ４０に異常が生じると、電圧センサ４３の両端に生じる電圧変動幅が増大する。この電圧変動は、変換部４８でのＰＷＭ動作に伴うものである。
【０００８】
図７は、このＰＷＭキャリア周波数ｆc とモータ駆動に用いられる電流Ｉ0 とに対する電圧変動δＶの関係を表す模式的なグラフである。変換部４８の直流側での電圧変動δＶは、ｆc に反比例し、Ｉ0 に応じて増加する性質を有している。
【０００９】
電圧変動監視処理部３０は、電圧変動成分に基づいて、平滑コンデンサ４０の異常を検出する異常判定処理部３４を含んでいる。異常判定処理部３４も、マイコンで実行されるプログラムにより実現される。
【００１０】
ＥＣＵ２０が起動されると、異常判定処理部３４も処理を開始する。異常判定処理部３４は、ＥＣＵ２０に入力されるモータの各相電流のデジタル値に基づいて、例えば、リアルタイムでの波形や、その絶対値の平均を計算して決定される実効値を監視し、それに基づいてＩ0 を決定する。また、ＥＣＵ２０に格納されているＰＷＭキャリア周波数ｆc を取り出す。そしてこれらＩ0 及びｆc に基づいて、図７に示す関係を表す数式またはテーブルから、平滑コンデンサ４０の劣化、異常の判定の基準となる電圧判定基準値を決定する。
【００１１】
異常判定処理部３４は、バンドパスフィルタ３２での演算により電圧センサ４３の出力波形から抽出された電圧変動波形に基づいて、その波形に振幅（pp値）に応じた電圧変動値の測定値を求める。そして、この電圧変動値が異常判定基準値以上である場合には、平滑コンデンサ４０が異常であると判断している（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
しかしながら、この従来技術はインバータ制御のモータのみを対象としており、インバータ制御を行なわない他の電子機器には適用できないという問題があった。
また、インバータ制御のモータに適用する場合でも、モータの各相の電流を個別に監視して実効値を計算したり、キャリア周波数を考慮してコンデンサの劣化判断を行なわなければならないために制御が複雑となり、また、これらの処理を行なうために高性能なマイコン、つまり、高価なマイコンが必要となっていた。
【００１３】
【特許文献１】特許第３０１９０６３号公報（第３−４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は以上述べた問題点を解決し、多様な電子機器に使用可能であると共に、検出制御が簡単で、かつ安価に構成できる平滑コンデンサの劣化検出回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は上述の課題を解決するため、脈流を含む直流電圧が印加された平滑コンデンサに接続された負荷の負荷電流を測定する負荷電流検出部と、前記平滑コンデンサ両端の直流電圧を測定するリップル電圧検出部と、前記リップル電圧検出部と前記負荷電流検出部とが接続される制御部と、前記負荷電流と対応する所定の比較リップル電圧値を記憶する記憶部とを備え、
前記制御部は、前記平滑コンデンサに印加された直流電圧からリップル電圧値を算出すると共に、同リップル電圧値と、前記負荷電流検出部で測定した前記負荷電流の値に対応する前記比較リップル電圧値とを比較して前記平滑コンデンサの劣化を検出してなる構成にする。
【００１６】
また、前記比較リップル電圧値は、前記平滑コンデンサの初期特性を示す基準リップル電圧値と、前記平滑コンデンサの劣化度合いが注意を要する特性であることを示す警告リップル電圧値と、前記平滑コンデンサの劣化度合いが故障と判断される特性であることを示す異常リップル電圧値とからなる構成にする。
【００１７】
さらに、前記基準リップル電圧値は前記記憶部に記憶され、前記警告リップル電圧値と前記異常リップル電圧値とは所定の条件に基づいて前記基準リップル電圧値から算出されてなる構成にする。
【００１８】
また、前記制御部は、前記負荷の大きさを連続的に変化させ、前記負荷の変化に対応する前記負荷電流と前記平滑コンデンサに印加された前記直流電圧とを測定し、同測定した前記直流電圧の値からリップル電圧値を算出し、同リップル電圧値を、測定した前記負荷電流値と対応する前記基準リップル電圧値として前記記憶部に記憶してなる構成にする。
【００１９】
また、この平滑コンデンサの劣化検出回路を、脈流を含む直流電圧を電源電圧として供給される電子機器に搭載する。
【発明の効果】
【００２０】
以上の手段を用いることにより、本発明によるコンデンサの劣化検出回路によれば、
請求項１に係わる発明は、負荷電流に対応して、測定したリップル電圧値と予め定められた所定の比較リップル電圧値とを比較して平滑コンデンサの劣化を判定するため、負荷が軽い場合でも正確に平滑コンデンサの劣化を判定することができるため、事前に平滑コンデンサの劣化を警告することができる。
また、通常、機器の制御を行なう制御部に、負荷電流検出部とリップル電圧検出部とを追加するだけで、安価に又、簡単に平滑コンデンサの劣化検出回路を構成することができる。
【００２１】
請求項２に係わる発明は、比較リップル電圧値が、基準リップル電圧値と、警告リップル電圧値と、異常リップル電圧値で構成されているため、平滑コンデンサの劣化状態を正常、警告、異常の３つの状態に区分でき、それぞれの状態に応じて適切な処理を行い、また、適切なメッセージを使用者に通知することができる。
【００２２】
請求項３に係わる発明は、基準リップル電圧値から警告リップル電圧値と異常リップル電圧値とを算出しているため、平滑コンデンサの特性に対応する正確な比較電圧値を規定することができる。
【００２３】
請求項４に係わる発明は、１台の電子機器ごとに平滑コンデンサの劣化検出回路の比較リップル電圧値を算出するため、設計値を用いて一律に比較リップル電圧値を規定する場合に比較して、より、正確な平滑コンデンサの劣化検出が可能になる。
【００２４】
請求項５に係わる発明は、この平滑コンデンサの劣化検出回路を電子機器、例えばエアコンの室外機などに搭載されている電力変換装置に搭載することにより、負荷変動が激しい場合でも正確に平滑コンデンサの劣化検出を行なうことができ、また、劣化の度合いに対応してエアコンの運転を制限することができ、平滑コンデンサの劣化に伴う電子機器の故障を未然に防止して安全な運転を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。本発明の特徴は、負荷電流とリップル電圧とを簡単な回路で測定するだけで、幅広い電子機器に応用可能であり、また、予め規定した負荷電流とリップル電圧との関係と、実際に測定した負荷電流とリップル電圧との関係とをリアルタイムで比較し、負荷電流やリップル電圧が小さい場合でも平滑コンデンサの劣化を検出できることにある。
電子機器へ応用した場合の効果としては、インバータ回路を使用しない直流モータ駆動において、脈流による回転数の変動を低減させたり、インバータ回路を備えたエアコンや炊飯器や電磁調理器の回路破損防止、半導体式アンプにおいて、大出力時の直流電源電圧低下による音割れを低減させたりすることなどが考えられる。
【実施例１】
【００２６】
図１はエアコン室外機の電力変換装置を示す要部ブロック図であり、図示しない圧縮機に使用されるインバータを用いたモータの駆動回路と、このモータの駆動回路に電源を供給し、本発明によるコンデンサの劣化検出回路を備えた電源回路を示している。
【００２７】
この電源回路は交流電源１に接続された４本の整流ダイオードからなる整流部２と、平滑コンデンサ３と、この平滑コンデンサ３のリップル電圧を検出するリップル電圧検出部４と、モータの駆動回路全体の負荷電流を検出する負荷電流検出部５とで構成されている。
【００２８】
一方、モータの駆動回路は、ダイオードを並列に接続したスイッチ素子を２個直列に接続して構成したアームを３組配置した変換部６と、この変換部６を駆動するモータ駆動部８と、モータ駆動部８に駆動信号を出力するマイコンからなる制御部９とで構成されている。なお、制御部９は内部に記憶部９ａを備えている。そして、変換部６の各アームのスイッチ素子の接続点が、それぞれに対応する三相モータ７の各巻線に接続されている。
【００２９】
リップル電圧検出部４は、例えば、直列に接続された２本の抵抗の両端が平滑コンデンサ３に並列に接続されて構成されており、平滑コンデンサ３の直流電圧を所定の電圧に分圧し、この分圧した電圧を制御部９のＡ／Ｄ変換端子９ｂに出力している。制御部９では分圧されてＡ／Ｄ変換端子９ｂに入力したアナログ電圧を所定のサンプリング期間、例えば３０ｍＳ（ミリセカンド）の期間内で１ｍＳ毎にデジタル変換し、変換したデジタル電圧を平滑コンデンサの直流電圧値として記憶部９ａに記憶している。
【００３０】
負荷電流検出部５は、三相モータ７から還流する負荷電流を測定するため、例えば変換部６と整流部２との間に直列に抵抗を接続し、この抵抗の両端の電圧を制御部９のＡ／Ｄ変換端子９ｃに出力している。制御部９では、前述の分圧した直流電圧の測定タイミングで、同時にＡ／Ｄ変換端子９ｃに入力されたアナログ電圧（負荷電流と対応）をデジタル変換し、変換したデジタル電圧を負荷電流を示す値として記憶部９ａに記憶している。
【００３１】
なお、平滑コンデンサの劣化検出回路は、リップル電圧検出部４と負荷電流検出部５と制御部９とで構成されている。また、この実施例ではサンプリング期間を３０ｍＳとしているが、商用電源の周期、例えば５０Ｈｚでの１周期である２０ｍＳとしてもよい。また、所定のサンプリング期間と対応するデジタル変換回数としてもよい。例えば１回の変換時間が１ｍＳかかるなら、２０ｍＳで２０回のサンプリング回数とする。
【００３２】
ところで、一般的に平滑コンデンサの寿命は、このコンデンサの容量が経年変化により徐々に減少し、当初の容量よりも所定の割合まで減少した場合を言う。ただし、所定の割合とはコンデンサに印加する電圧や負荷によっても異なるため、このコンデンサを使用する機器の設計時に、最大負荷を考慮して決定される。
【００３３】
また、一定の交流電圧を整流して平滑コンデンサに印加し、この平滑コンデンサに一定の負荷を与えた場合、平滑コンデンサの容量の減少はリップル電圧の増加として現れる。つまり、容量が大きい場合はリップル電圧が小さく、容量が小さい場合はリップル電圧が大きくなる。一方、平滑コンデンサの容量が同じ場合、負荷が重い、つまり、負荷電流が大きい程リップル電圧は大きくなる。
【００３４】
この状態を図２のグラフに示す。図２（Ａ）は平滑コンデンサが未劣化時、つまり、容量が大きい場合の平滑コンデンサ両端の直流電圧と、その時の負荷電流の関係を示し、図２（Ｂ）は平滑コンデンサが劣化時、つまり、容量が小さい場合の平滑コンデンサ両端の直流電圧と、その時の負荷電流の関係を示している。
【００３５】
図２では、直流電圧の最大値と最小値との間の電圧をＶｒ：リップル電圧と呼称している。制御部９は、この直流電圧の最大値と最小値とを検出するため、サンプリング期間、つまり、測定時間：Ｔｍ＝３０ｍＳの間、直流電圧とその時の負荷電流とを同時にペアで所要回数、例えば３０回測定し、記憶部９ａに格納している。なお、リップル電圧の変化は交流電源の周波数に同期しているため、全波整流の場合は最低でも５０Ｈｚ（ヘルツ）での１／２周期時間、つまり、１０ｍＳの間、監視する必要がある。
【００３６】
なお、この実施例では直流電圧とその時の負荷電流とを同時にペアで測定しているが、負荷電流の変化は直流電圧の変化に比較して変化の度合いが低いため、それぞれ、別の周期で測定してもよい。例えば、直流電圧は１ｍＳ毎に測定し、負荷電流は２０ｍＳごとに測定してもよい。このように、負荷電流の測定周期を長くすることにより、測定にかかる制御部９の処理能力の負担を軽減させることができる。
【００３７】
本実施例では直流電圧と負荷電流とを１回測定するために約１ｍＳを要する。このため、１０ｍＳの測定では１０回の測定しかできないので精度が出ない。従って、サンプリング期間（測定時間）を３０ｍＳに規定し、サンプリング回数を３０回としている。従って１０ｍＳの測定よりも３倍の精度で測定している。
【００３８】
３０ｍＳのサンプリング期間（測定時間）が経過すると、図２の波形が直流電圧値と負荷電流値との３０組のデータとして記憶部９ａに格納されることになる。そして、制御部９は格納された直流電圧の最大値と最小値を検索し、この間の電圧差、つまり、リップル電圧：Ｖｒを求める。同時に最大値と最小値とに対応する負荷電流の値を求め、平均の負荷電流を算出する。なお、この実施例では３０ｍＳの期間内でＶｒを決定しているが、商用電源電圧の変動による誤差があるため、複数回、例えば８回のサンプリング期間で求めたＶｒの平均値で最終的なリップル電圧を決定してもよい。
【００３９】
そして制御部９は、算出された平均の負荷電流と求めたリップル電圧を予め定められた値である比較リップル電圧値で構成された特性テーブルと比較して平滑コンデンサ３の劣化状態を判定する。この特性テーブルは、図３に示すテーブルとして、記憶部９ａに予め格納されている。
【００４０】
図３は特性テーブルの内容を示す表である。表の縦方向の項目は左から負荷電流（単位：アンペア）、比較リップル電圧（単位：ボルト）となっており、比較リップル電圧はさらに、基準リップル電圧と、警告リップル電圧と、異常リップル電圧とに分類されている。そして、負荷電流は縦方向に１〜１４アンペアに分類されており、各比較リップル電圧もこれに対応してそれぞれの値が規定されている。
【００４１】
基準リップル電圧は新しい平滑コンデンサ３の特性を表しており、警告リップル電圧はこれ以上のリップル電圧の場合、すぐには機器の故障とならないが、場合によっては故障になる可能性があるリップル電圧であることを示しており、異常リップル電圧はこれ以上のリップル電圧の場合、すでに機器の定格動作ができない、つまり故障の可能性があるリップル電圧であることを示している。
【００４２】
警告リップル電圧と、異常リップル電圧とは機器の特性に応じて決定すればよいが、本実施例では図４に示すように規定している。なお、この実施例では、１６．５Ｖ以上のリップル電圧をリップル限界電圧と規定し、これを越えた場合は機器を停止するようにしている。
【００４３】
図４はリップル電圧を縦軸に、負荷電流を横軸とした時の基準リップル電圧と、警告リップル電圧と、異常リップル電圧とに対応する特性のグラフである。ここで定格最大負荷電流とは、対象となる電子機器、例えばイギリス向けエアコンの運転電圧範囲がＡＣ２０７〜２５３Ｖ（定格２３０Ｖ）であった場合、２０７Ｖの電圧で使用され、最大能力で運転した場合の負荷電流を示している。一方、定格最小負荷電流とは、２５３Ｖの電圧で使用され、最大能力で運転した場合の負荷電流を示している。一般的にインバータ制御のエアコンの場合、同じ能力で運転した場合、入力電圧が低い時に負荷電流が多くなり、入力電圧が高い時に負荷電流が少なくなる特性がある。
【００４４】
基準特性線は定格最大負荷電流が１４Ａの時でもリップル電圧が１４．６Ｖであり、リップル限界電圧１６．５Ｖに対して１．９Ｖのマージンを持たせてある。警告特性線は定格最大負荷電流が１４Ａの時にリップル電圧が１６．５Ｖであり、リップル限界電圧と同じになる。従ってリップル電圧がこれ以上上昇すると、定格による最大能力運転ができなくなる可能性の限界ラインを示している。
【００４５】
異常特性線は定格最小負荷電流、ここでは負荷電流が１０Ａのときにリップル限界電圧１６．５Ｖに達する限界ラインを示しており、この定格最小負荷電流を越えて運転するとリップル限界電圧を越えてしまい、もはや定格電圧内では最大能力運転ができなくなることを意味する。一般的には定格運転ができなくなる場合を故障と位置づけているが、最大能力運転以下であれば継続運転することができる。従って、この異常特性線以上でリップル限界電圧以下の場合を故障と判断するか、警告運転の範囲内とするかは機器の仕様で決定されるべきものである。本実施例では故障の範囲としている。
【００４６】
なお、基準特性線は設計値として標準的なコンデンサ特性を用いてもよいが、コンデンサ容量の初期のバラツキによりマージンが減少する場合がある。従って本実施例では、エアコン製造時の製品テストにおいて負荷電流、つまりエアコンの運転能力を変化させながら、装着されている平滑コンデンサ３の直流電圧を測定してリップル電圧を算出し、図３のテーブルの基準リップル電圧のデータを書き換えるようにしている。
【００４７】
これにより、個々のコンデンサの特性に対応して精度の高い制御が可能になる。なお、この場合、警告リップル電圧と、異常リップル電圧とは、基準リップル電圧のデータに所定の係数を乗算したり、所定値を加算することで求められる。また、このように、基準リップル電圧値から警告リップル電圧値と異常リップル電圧値とを算出しているため、平滑コンデンサの特性に対応する正確な比較電圧値を規定することができる。
【００４８】
なお、図３の特性テーブルは負荷電流が１Ａ刻みで規定されているが、これに限るものでなく、さらに細かく規定してもよい。また、隣接する負荷電流値の差と、これに対応する隣接する各リップル電圧値の差とにより、負荷電流値と各リップル電圧値とを算出して補間してもよい。
また、警告リップル電圧と異常リップル電圧とは、予め特性テーブルとして記憶部９ａに記憶させておいてもよいし、平滑コンデンサ３の特性を検査する場合に、基準リップル電圧値からその都度算出して用いてもよい。
【００４９】
また、本実施例では平滑コンデンサ３が初期状態であるエアコン製造時の製品テストにおいて基準リップル電圧を測定しているが、これに限るものでなく、製品修理の場合や所定のタイミング、例えば１年毎や所定の運転時間毎に再測定してもよい。ただし、この場合には、平滑コンデンサ３は経年変化により、測定した基準リップル電圧値は初期状態よりも大きくなっているため、警告リップル電圧と異常リップル電圧との算出は、初期状態とは異なる経年変化に対応した係数を乗算したり、所定値を加算することで求められる。
【００５０】
次に図５のフローチャートを用いて制御部９の動作を説明する。図５（Ａ）はリップル電圧を監視する処理を表しており、機器が設置されて通常動作している時は常に動作している。一方、図５（Ｂ）はリップル基準特性測定の処理を示しており、工場の生産ラインや機器の修理現場で実施される機器の検査プログラムの一部として構成されている。
なお、図５でＳＴはステップを表し、これに続く番号はステップ番号を示す。また、ＹはＹｅｓを、ＮはＮｏを表している。
【００５１】
まず、図５（Ａ）のリップル電圧を監視する処理において制御部９は、リップル電圧を算出するための測定回数として初期値０を設定する（ＳＴ０）。次にカウンタに１を加算し（ＳＴ１）、リップル電圧検出部４で直流電圧を測定し、記憶部９ａへ格納する（ＳＴ２）。次に、負荷電流検出部５で負荷電流を測定し、記憶部９ｃへ格納する（ＳＴ３）。
【００５２】
そして、３０回の測定が終了、つまり３０ｍＳのサンプリング期間が経過したか確認する（ＳＴ４）。なお、ＳＴ１〜ＳＴ４までの処理は１ｍＳで行なうようになっている。３０回の測定が終了していない場合は（ＳＴ４−Ｎ）、ＳＴ１へジャンプして測定を継続する。３０回の測定が終了した場合は（ＳＴ４−Ｙ）、記憶部９ｃへ格納された３０個の最大電圧と最小電圧とを検索し、最大電圧から最小電圧を減算することにより、リップル電圧を算出する（ＳＴ５）。
【００５３】
次に、記憶部９ｃへ格納された３０個の最大電圧と最小電圧と対応する負荷電流を取り出して、その平均値を算出する（ＳＴ６）。そして、特性テーブルを検索して負荷電流の平均値に最も近い値の負荷電流と対応する警告リップル電圧を取り出し、ＳＴ５で算出したリップル電圧と比較する（ＳＴ７）。
【００５４】
そして、リップル電圧が警告特性線の値以下の場合、つまり、測定したリップル電圧が警告リップル電圧以下の場合（ＳＴ７−Ｙ）、平滑コンデンサ３は正常であるため、ＳＴ０へジャンプして監視を継続する。
【００５５】
一方、特性テーブルを検索して負荷電流の平均値に最も近い値の負荷電流と対応する異常リップル電圧を取り出し、ＳＴ５で算出したリップル電圧と比較する（ＳＴ８）。そして、リップル電圧が異常特性線の値以下の場合、つまり、測定したリップル電圧が異常リップル電圧以下の場合（ＳＴ８−Ｙ）、図４で示す警告動作範囲であるため、例えば図示しない表示部で警告メッセージを表示（ＳＴ９）する。そして、ＳＴ０へジャンプして監視を継続する。
【００５６】
一方、リップル電圧が異常特性線の値以下でない場合、つまり、測定したリップル電圧が異常リップル電圧以上の場合（ＳＴ８−Ｎ）、図４で示す故障範囲であるため、機器の運転を停止し（ＳＴ１０）、例えば図示しない表示部で故障メッセージを表示（ＳＴ１１）して制御を終了する。
【００５７】
なお、この実施例では、測定したリップル電圧が異常リップル電圧以上の場合、機器の故障として運転を停止させているが、この方法に限るものではない。前述したように、測定したリップル電圧値がリップル限界電圧以下ならば、運転を継続できる可能性がある。従って、機器の運転において、測定したリップル電圧値がリップル限界電圧値以下となるように負荷を運転、いわゆる電流制限による運転を行なうようにしてもよい。これにより、修理を行なうまでの間、機器を使用し続けることができる。
【００５８】
また、この実施例では、比較リップル電圧と測定したリップル電圧とを直接比較して、平滑コンデンサの劣化を判定しているが、この方法に限るものではない。例えば、平滑コンデンサの両端の電圧を所定のサンプリング期間内で複数回検出し、検出した電圧の平均値を求め、この平滑コンデンサの両端の平均電圧値に対する測定したリップル電圧値の割合（以下リップル比率と呼称する）で判定するようにしてもよい。この場合、前述した図３の特性テーブルは、各比較リップル電圧に対応するリップル比率がそれぞれ記憶されることになる。
【００５９】
このように、リップル比率で平滑コンデンサの劣化を判定するため、瞬時的なＡＣ電圧の変動があって平滑コンデンサの両端の電圧が変動したとしても、測定誤差を小さくして誤判定を低減することができる。
【００６０】
また、前述したように、複数回測定した平滑コンデンサの両端の電圧値から算出したリップル電圧値：Ｖｒの平均値を最終的なリップル電圧として決定し、リップル比率を求めてもよい。これにより、さらに測定誤差を小さくして誤判定を低減することができる。
【００６１】
次に図５（Ｂ）のリップル基準特性測定の処理を説明する。処理が開始されると制御部９は、まず測定する負荷電流の値としてカウンタに１を設定する（ＳＴ２０）。そして、、例えばエアコンを暖房運転モードで動作させ、暖房能力を停止状態から徐々に高めて行く。この結果、機器の負荷電流が徐々に増加する（ＳＴ２１）。
【００６２】
そして負荷電流検出部５によって負荷電流を測定し（ＳＴ２２）、負荷電流とカウンタ値が等しいか確認する（ＳＴ２３）。負荷電流とカウンタ値が等しくない場合（ＳＴ２３−Ｎ）、ＳＴ２１へジャンプする。
【００６３】
負荷電流とカウンタ値が等しい場合（ＳＴ２３−Ｙ）、カウンタに１を加算する（ＳＴ２４）。そして、３０ｍＳの間、１ｍＳ毎に直流電圧を測定し、３０ｍＳ間、つまり３０個の最大電圧値と最小電圧値とからリップル電圧を算出し、これをカウンタ値（負荷電流）と対応する特性テーブルの基準リップル電圧値としてテーブルへ格納する（ＳＴ２５）。
【００６４】
次にカウンタが１５か確認し（ＳＴ２６）、つまり、特性テーブルの終わりかを確認し、カウンタが１５でなければ（ＳＴ２６−Ｎ）、ＳＴ２１へジャンプする。カウンタが１５ならば（ＳＴ２６−Ｙ）、測定は終了しているため、テーブルの基準特性線、つまり、基準リップル電圧の値を元にして警告特性線と異常特性線、つまり、警告リップル電圧と異常リップル電圧の値を算出してテーブルへ格納（ＳＴ２７）する。
【００６５】
この算出方法としては、この実施例の場合、例えばテーブル内において、同じ負荷電流の場合に警告リップル電圧は、基準リップル電圧の値に２（Ｖ）を加算した値とし、異常リップル電圧は警告リップル電圧にさらに２を加算した値としており、基準リップル電圧に所定の値を加算する方法を用いている。
【００６６】
以上説明したように、負荷電流に対応して、測定したリップル電圧値と予め定められた比較リップル電圧値とを比較して平滑コンデンサの劣化を判定するため、負荷が軽い場合から重い場合まで、負荷の軽重にかかわらず、正確に平滑コンデンサの劣化を判定することができるため、事前に平滑コンデンサの劣化を警告することができる。また、通常、機器の制御を行なう制御部に、負荷電流検出部とリップル電圧検出部とを追加するだけで、安価に又、簡単にコンデンサの劣化検出回路を構成することができる。
【００６７】
また、比較リップル電圧値が、平滑コンデンサの初期特性を示す基準リップル電圧値と、平滑コンデンサの劣化を警告する警告リップル電圧値と、平滑コンデンサを劣化と判断する異常リップル電圧値とで構成されているため、平滑コンデンサの劣化状態を正常、警告、異常の３つの状態に区分でき、それぞれの状態に応じて適切な処理を行い、また、適切なメッセージを使用者に通知することができる。
【００６８】
さらに、１台の機器ごとにコンデンサの劣化検出回路の比較リップル電圧値を予め算出するため、設計値を用いて一律に比較リップル電圧値を規定する場合に比較して、より、正確なコンデンサの劣化検出が可能になる。
【００６９】
なお、製造時に記憶部９ａに記憶した基準特性線と対応する比較リップル電圧を検索し、定格最大負荷電流の時にすでにリップル限界電圧を越えている場合は、該当コンデンサが初期不良品と判断できるため、その旨をエラー表示させるようにしている。このようにすると、製品の信頼性を向上させることができる。
【００７０】
なお、本実施例ではエアコンの室外機に平滑コンデンサの劣化検出回路を設けた例を説明しているが、これに限るものでなく、脈流を含む嫡流電圧が印加された平滑コンデンサを備え、負荷の変動が大きい電子機器に幅広く応用できるものである。
【００７１】
また、本実施例では負荷電流検出部５を変換部６と整流部２との間に設けているがこれに限るものでなく、電子機器に備えられている機器の消費電流（商用電源）のＡＣ電流測定回路を流用してもよい。例えばエアコンなどでは機器の電流制限を行なうため、ＡＣ消費電流を測定する回路が既に設けられているものがあり、このＡＣ消費電流測定回路での測定電流値を本実施例での負荷電流として対応させることができる。
これにより、新たに負荷電流検出部５を設けなくてよいため、コストダウンを図ることができる。
【００７２】
また、本実施例では比較リップル電圧値を、平滑コンデンサの初期特性を示す基準リップル電圧値と、平滑コンデンサの劣化を警告する警告リップル電圧値と、平滑コンデンサを劣化と判断する異常リップル電圧値とで構成しているがこれに限るものでなく、基準リップル電圧値と異常リップル電圧値とで構成してもよいし、３つのリップル電圧値をさらに細かく区分して平滑コンデンサの劣化を検出してもよい。
【００７３】
ＡＣ電源回路に使用する高耐圧の平滑コンデンサは一般的に高価であり、また、従来の電子機器設計においては、経年変化によるコンデンサの容量減少を考慮し、さらにマージンを持たせて必要以上の大容量のコンデンサを採用する場合があった。従って、本実施例の平滑コンデンサの劣化検出回路を設けることにより、この不必要なマージンを持たせることなく、経年変化によるコンデンサの容量減少のみを考慮すればよい。つまり、採用する平滑コンデンサを必要最小限の容量のものに選定することができるため、コストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明によるコンデンサの劣化検出回路を備えたエアコン室外機の電力変換装置を示す要部ブロック図である。
【図２】平滑コンデンサの直流電圧と負荷電流とを示すグラフであり、（Ａ）は平滑コンデンサが未劣化時を、（Ｂ）は平滑コンデンサが劣化時をそれぞれ示す。
【図３】特性テーブルの内容を示す表である。
【図４】基準リップル電圧と、警告リップル電圧と、異常リップル電圧と対応する各特性線のグラフである。
【図５】制御の動作を説明する動作フローチャートである。
【図６】従来のコンデンサの劣化検出回路を備えた電気自動車のシステム構成概略図である。
【図７】キャリア周波数とモータ駆動に用いられる電流とに対する電圧変動の関係を表す模式的なグラフである。
【符号の説明】
【００７５】
１ 交流電源
２ 整流部
３ 平滑コンデンサ
４ リップル電圧検出部
５ 負荷電流検出部
６ 変換部
７ 三相モータ
８ モータ駆動部
９ 制御部
９ａ 記憶部
９ｂ、９ｃ Ａ／Ｄ変換端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
脈流を含む直流電圧が印加された平滑コンデンサに接続された負荷の負荷電流を測定する負荷電流検出部と、前記平滑コンデンサ両端の直流電圧を測定するリップル電圧検出部と、前記リップル電圧検出部と前記負荷電流検出部とが接続される制御部と、前記負荷電流と対応する所定の比較リップル電圧値を記憶する記憶部とを備え、
前記制御部は、前記平滑コンデンサに印加された直流電圧からリップル電圧値を算出すると共に、同リップル電圧値と、前記負荷電流検出部で測定した前記負荷電流の値に対応する前記比較リップル電圧値とを比較して前記平滑コンデンサの劣化を検出してなることを特徴とする平滑コンデンサの劣化検出回路。
【請求項２】
前記比較リップル電圧値は、前記平滑コンデンサの初期特性を示す基準リップル電圧値と、前記平滑コンデンサの劣化度合いが注意を要する特性であることを示す警告リップル電圧値と、前記平滑コンデンサの劣化度合いが故障と判断される特性であることを示す異常リップル電圧値とからなることを特徴とする請求項１記載の平滑コンデンサの劣化検出回路。
【請求項３】
前記基準リップル電圧値は前記記憶部に記憶され、前記警告リップル電圧値と前記異常リップル電圧値とは所定の条件に基づいて前記基準リップル電圧値から算出されてなることを特徴とする請求項２記載の平滑コンデンサの劣化検出回路。
【請求項４】
前記制御部は、前記負荷の大きさを連続的に変化させ、前記負荷の変化に対応する前記負荷電流と前記平滑コンデンサに印加された前記直流電圧とを測定し、同測定した前記直流電圧の値からリップル電圧値を算出し、同リップル電圧値を、測定した前記負荷電流値と対応する前記基準リップル電圧値として前記記憶部に記憶してなることを特徴とする請求項３記載の平滑コンデンサの劣化検出回路。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の平滑コンデンサの劣化検出回路を備えた電子機器。
【請求項１】
脈流を含む直流電圧が印加された平滑コンデンサに接続された負荷の負荷電流を測定する負荷電流検出部と、前記平滑コンデンサ両端の直流電圧を測定するリップル電圧検出部と、前記リップル電圧検出部と前記負荷電流検出部とが接続される制御部と、前記負荷電流と対応する所定の比較リップル電圧値を記憶する記憶部とを備え、
前記制御部は、前記平滑コンデンサに印加された直流電圧からリップル電圧値を算出すると共に、同リップル電圧値と、前記負荷電流検出部で測定した前記負荷電流の値に対応する前記比較リップル電圧値とを比較して前記平滑コンデンサの劣化を検出してなることを特徴とする平滑コンデンサの劣化検出回路。
【請求項２】
前記比較リップル電圧値は、前記平滑コンデンサの初期特性を示す基準リップル電圧値と、前記平滑コンデンサの劣化度合いが注意を要する特性であることを示す警告リップル電圧値と、前記平滑コンデンサの劣化度合いが故障と判断される特性であることを示す異常リップル電圧値とからなることを特徴とする請求項１記載の平滑コンデンサの劣化検出回路。
【請求項３】
前記基準リップル電圧値は前記記憶部に記憶され、前記警告リップル電圧値と前記異常リップル電圧値とは所定の条件に基づいて前記基準リップル電圧値から算出されてなることを特徴とする請求項２記載の平滑コンデンサの劣化検出回路。
【請求項４】
前記制御部は、前記負荷の大きさを連続的に変化させ、前記負荷の変化に対応する前記負荷電流と前記平滑コンデンサに印加された前記直流電圧とを測定し、同測定した前記直流電圧の値からリップル電圧値を算出し、同リップル電圧値を、測定した前記負荷電流値と対応する前記基準リップル電圧値として前記記憶部に記憶してなることを特徴とする請求項３記載の平滑コンデンサの劣化検出回路。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の平滑コンデンサの劣化検出回路を備えた電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−２４０４５０（Ｐ２００７−２４０４５０Ａ）
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６６３４０（Ｐ２００６−６６３４０）
【出願日】平成１８年３月１０日（２００６．３．１０）
【出願人】（０００００６６１１）株式会社富士通ゼネラル (1,266)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月１０日（２００６．３．１０）
【出願人】（０００００６６１１）株式会社富士通ゼネラル (1,266)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]