JP2013039025A - Device for monitoring life of power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、遠方監視制御装置等に適用する電源装置の寿命監視装置に関するものである。 The present invention relates to a power supply life monitoring device applied to a remote monitoring control device or the like.
遠方監視制御装置に適用する電源装置として、例えば特許文献１，２に示されるように、電源装置内に実装している電解コンデンサの特性を計測し、容量が設定値より下回っていれば遠隔地の制御装置に警報出力を送る装置が知られている。電解コンデンサは電源に通常使用されている部品であり、かつ電源故障の要因となっている可能性が高いので電解コンデンサを対象とした監視が行われている。 As a power supply device applied to a remote monitoring control device, for example, as shown in Patent Documents 1 and 2, the characteristics of an electrolytic capacitor mounted in the power supply device are measured, and if the capacity is lower than a set value, the remote location A device for sending an alarm output to a control device is known. The electrolytic capacitor is a component that is normally used for a power supply, and since it is highly likely to cause a power supply failure, monitoring is performed for the electrolytic capacitor.
また、電解コンデンサ以外の光アイソレータを対象とした故障監視技術として、特許文献３に示されるように、スイッチング電源装置において、電源出力側から電流を注入し、帰還回路の経路を通じてリンギング雑音を発生させて、これにより挙動を監視する技術がある。 As a failure monitoring technique for optical isolators other than electrolytic capacitors, as disclosed in Patent Document 3, in a switching power supply, current is injected from the power supply output side, and ringing noise is generated through the path of the feedback circuit. Thus, there is a technique for monitoring the behavior.
スイッチング電源装置は、スイッチング素子を用いた電源装置であり、その出力電圧制御は、電源出力と並列に接続した出力検出回路により、出力を検出してこれをフィードバックして、スイッチング素子へのデューティ・サイクルを制御している。
この制御によりスイッチング電源装置の出力は安定化しているため、電源出力を外部から見ていても電源の劣化状況が不明である。従って、上記特許文献に示されるように電源内部に電源故障を監視する回路を作り込むことにより劣化の検出が行われる。尚、特許文献３の光アイソレータは、フィードバックの経路に設けられるものである。
The switching power supply device is a power supply device using a switching element, and its output voltage control is performed by detecting an output by an output detection circuit connected in parallel with the power supply output, and feeding back the output to the switching element. Control cycle.
Since the output of the switching power supply device is stabilized by this control, even if the power supply output is viewed from the outside, the deterioration state of the power supply is unknown. Therefore, as shown in the above-mentioned patent document, deterioration is detected by building a circuit for monitoring a power supply failure inside the power supply. Note that the optical isolator disclosed in Patent Document 3 is provided in a feedback path.
しかしながら、既に設置されている電源に、劣化検出用の回路を後から組み込むことは当該電源のメーカでもない限り困難である。また、劣化検出の機能が備わった電源であっても、電源劣化の検出のやり方が電源メーカにより異なると病院施設、娯楽施設など市井に展開された既設の電源の監視を集中して行うことが出来ない。例えば病院設備に設置される電源に関しても数多くのメーカが存在し、統一的に管理することが出来ない。このような既存の電源についても、電源の交換時期が事前に分かる劣化検出が要望されている。 However, it is difficult to incorporate a circuit for detecting deterioration into a power supply that is already installed unless it is the manufacturer of the power supply. Even if the power supply is equipped with a function to detect deterioration, if the power supply deterioration detection method differs depending on the power supply manufacturer, it is possible to concentrate on monitoring the existing power supply that is deployed in hospitals, entertainment facilities, etc. I can't. For example, there are many manufacturers regarding power supplies installed in hospital facilities, and they cannot be managed in a unified manner. For such an existing power source, there is a demand for detection of deterioration in which the power source replacement time can be known in advance.
本発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、スイッチング電源装置のメーカや方式によらず、電源の寿命が近づいていることを統一的に監視することができる寿命監視装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a life monitoring capable of uniformly monitoring that the life of the power supply is approaching, regardless of the manufacturer or system of the switching power supply. An object is to provide an apparatus.
第１の発明は、スイッチング電源装置の寿命監視装置において、前記スイッチング電源装置の入力端に入力される電圧と電流を測定する計測装置と、前記スイッチング電源装置の出力端から出力される電圧と電流を計測する計測装置と、各計測装置により計測値から入出力における電力の比を計算し、前記求めた比と前記スイッチング電源装置の運用開始時点の比との変動率を計算する計算機と、前記変動率が予め定めた変化率よりも変化しているときに警報出力を発生させる警報装置とを備えたことを特徴とする。 1st invention is the lifetime monitoring apparatus of a switching power supply device, the measuring apparatus which measures the voltage and electric current which are input into the input terminal of the said switching power supply apparatus, and the voltage and electric current which are output from the output terminal of the said switching power supply apparatus A measuring device for measuring the power, calculating a ratio of power at the input and output from the measured value by each measuring device, and calculating a rate of change between the obtained ratio and the ratio at the start of operation of the switching power supply device, And an alarm device that generates an alarm output when the change rate changes from a predetermined change rate.
第２の発明は、電解コンデンサを含むスイッチング電源装置の寿命監視装置において、
前記スイッチング電源装置の入力端に入力される電圧と電流を測定する計測装置と、前記スイッチング電源装置の出力端から出力される電圧と電流を計測する計測装置と、各計測装置により計測値から入出力における電力の比を計算して蓄積し、蓄積された入出力における電力の比から過去のある時点の電力の比の変動中心を求め、当該時点以前の電力の比のうち予め定められた変動範囲内を超えているものがいくつ発生しているかを示す発生頻度を計算する計算機と、前記頻度が予め定めた頻度に達しているときに警報出力を発生させる警報装置とを備えたことを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a lifetime monitoring device for a switching power supply device including an electrolytic capacitor.
A measurement device that measures the voltage and current input to the input terminal of the switching power supply device, a measurement device that measures the voltage and current output from the output terminal of the switching power supply device, and a measurement value input by each measurement device. Calculates and accumulates the power ratio at the output, finds the fluctuation center of the power ratio at a certain time in the past from the accumulated power ratio at the input and output, and predetermines the power ratio before that time A computer for calculating an occurrence frequency indicating how many items exceeding the range are generated, and an alarm device for generating an alarm output when the frequency reaches a predetermined frequency are provided. And
本発明によれば、スイッチング電源装置の入出力の電力比を計算し、この比により警報を出力するようにしており、スイッチング電源装置の方式によらず電源の故障予測を行うことができる。 According to the present invention, the power ratio of the input / output of the switching power supply device is calculated, and an alarm is output based on this ratio, so that the failure of the power supply can be predicted regardless of the method of the switching power supply device.
入力を交流電源とするスイッチング電源装置の一般的な動作について説明する。図１において、交流電源からスイッチング電源装置１００の入力端８に入力された交流は、整流ブリッジ１で整流されて一次側の電解コンデンサ２で平滑化される。スイッチング素子３がスイッチング電源装置することによって交流に返還し、トランス４を介して二次側に伝達する。二次側では、整流回路５がこれを整流し、さらに二次側の電解コンデンサ６で平滑化して直流を出力する。
出力端９に出力された直流は、制御回路７により検出され、出力電圧が一定に保たれるようスイッチング素子３へのデューティ・サイクルを制御する。
A general operation of a switching power supply apparatus using an AC power supply as an input will be described. In FIG. 1, the alternating current input from the alternating current power source to the input terminal 8 of the switching power supply device 100 is rectified by the rectification bridge 1 and smoothed by the primary electrolytic capacitor 2. When the switching element 3 is a switching power supply device, it is returned to an alternating current and transmitted to the secondary side via the transformer 4. On the secondary side, the rectifier circuit 5 rectifies this, and further smoothes it with the secondary-side electrolytic capacitor 6 to output a direct current.
The direct current output to the output terminal 9 is detected by the control circuit 7, and the duty cycle to the switching element 3 is controlled so that the output voltage is kept constant.
図示した例は、一般的なシングルフォワード方式のスイッチング電源装置である。スイッチング電源装置としては他にも、フライバック方式、プッシュプル方式、ハーフブリッジ方式、フルブリッジ方式などの種類が存在する。いずれも、交流から直流した後の処理、すなわち直流から交流にしまた直流にするＤＣ−ＤＣコンバータに相当する部分の方式によって区別される。また、制御の方式としては、定電流制御の電源や、定電圧制御、定電力制御のものがある。基本的、いずれの方式であっても、出力電流や電圧あるいは、これらの積がフィードバックされて、スイッチング素子のデューティ・サイクルを制御する点では同じである。尚、スイッチング素子３をトランス４の二次側に配置する例もある。 The illustrated example is a general single forward switching power supply. There are other types of switching power supply devices such as a flyback method, a push-pull method, a half-bridge method, and a full-bridge method. Both are distinguished by processing after direct current to direct current, that is, a method corresponding to a DC-DC converter from direct current to alternating current and direct current. Control methods include a constant current control power source, constant voltage control, and constant power control. Basically, any method is the same in that the output current, voltage, or product thereof is fed back to control the duty cycle of the switching element. There is also an example in which the switching element 3 is arranged on the secondary side of the transformer 4.
このようなスイッチング電源装置においては、例えば電解コンデンサ２、６等のキャパシタンスの劣化が生じたとしても、制御回路７の動作により、出力端９側は安定化されその変動は見えなくなる。又、スイッチング電源装置においてはチョークコイル（図示せず）やトランス等のインダクタンスも用いられており、これらの劣化による変動も見えない。しかしながら、スイッチング電源装置の劣化がさらに進むと、制御回路７のフィードバックでは出力端９側を安定化できない事態になったり、或いは出力電圧が失われ故障に至る。一方、大きな負荷が加わると、スイッチング電源装置の制御回路７では出力端９側を安定に保てなくなることもあり、単に電源の出力端９側の安定（或いは、定電流、定電力）を保てなくなったからといって、スイッチング電源装置が劣化したという判断はできない。 In such a switching power supply device, for example, even if the capacitance of the electrolytic capacitors 2, 6, etc. deteriorates, the operation of the control circuit 7 stabilizes the output terminal 9 side and the fluctuation becomes invisible. In the switching power supply device, an inductance such as a choke coil (not shown) or a transformer is also used, and fluctuation due to the deterioration is not visible. However, if the switching power supply further deteriorates, the feedback of the control circuit 7 cannot stabilize the output end 9 side, or the output voltage is lost and a failure occurs. On the other hand, when a large load is applied, the control circuit 7 of the switching power supply device may not be able to keep the output 9 side stable, and simply keep the stability (or constant current, constant power) on the output 9 side of the power supply. It cannot be determined that the switching power supply has deteriorated just because it is gone.
制御回路７に着目すると、その原理は図２に示すように出力電圧（或いは出力電流、若しくは積）を検出値１０と、基準となる三角波１１とを比較し、三角波１１が高い期間スイッチング素子３をオンさせ制御信号１２を発生させている。 Focusing on the control circuit 7, the principle is that the output voltage (or output current or product) is compared with the detected value 10 and the reference triangular wave 11 as shown in FIG. Is turned on to generate the control signal 12.
図３は１次側の電解コンデンサ２の劣化による電圧波形の変化を示しており、図３ＡはＡＣ入力波形を、図３Ｂは整流ブリッジ１による全波整流した波形を、図３Ｃは電解コンデンサ２により平滑化された正常波形を示している。電解コンデンサ２が劣化すると（容量抜け）、図３Ｄに示すように平滑能力が落ちる。このときに、入力負荷電流が増える。また、スイッチング素子３が劣化すると、電解コンデンサ２の劣化と同様に、スイッチング素子３自体の負荷が増えて入力負荷電流が増える。 FIG. 3 shows changes in voltage waveform due to deterioration of the electrolytic capacitor 2 on the primary side, FIG. 3A shows an AC input waveform, FIG. 3B shows a full-wave rectified waveform by the rectifier bridge 1, and FIG. The normal waveform smoothed by is shown. When the electrolytic capacitor 2 deteriorates (capacity loss), the smoothing ability decreases as shown in FIG. 3D. At this time, the input load current increases. Further, when the switching element 3 is deteriorated, similarly to the deterioration of the electrolytic capacitor 2, the load of the switching element 3 itself is increased and the input load current is increased.
図４は、１次側の入力電圧と入力電流を１０ｍｓのオーダで観察した波形であり、図４Ａは正常状態、図４Ｂは１次側の電解コンデンサ２が劣化してきたときの波形である。図４Ａにおいて、入力電圧が正弦波形を示しているのに対して、入力電流に過渡応答的な波形が見られるのは、電解コンデンサ２の放電によるものである。入力電流は増加していることが観察できる。また、図４Ａにおいて入力電圧と入力電流のピーク位置はほぼ一致していたが、図４Ｂにおいては一致しなくなっている。さらに、出力側においても出力電流、出力電圧の波形に窪みが出ており、平滑化が追いついていない状態を示している。 4 is a waveform obtained by observing the input voltage and input current on the primary side on the order of 10 ms, FIG. 4A is a normal state, and FIG. 4B is a waveform when the electrolytic capacitor 2 on the primary side has deteriorated. In FIG. 4A, the input voltage shows a sinusoidal waveform, but the transient response waveform is seen in the input current due to the discharge of the electrolytic capacitor 2. It can be observed that the input current is increasing. In FIG. 4A, the peak positions of the input voltage and the input current almost coincide with each other, but no longer coincide with each other in FIG. 4B. Further, on the output side, there are depressions in the waveforms of the output current and output voltage, indicating a state where smoothing has not caught up.
図５は２次側の電解コンデンサ６の劣化による電圧波形の変化を示しており、図４Ａは電解コンデンサ６により平滑化された正常波形を（破線は整流回路５の波形）、図４Ｂは図３Ｃと同じであり、図４Ｃは制御回路７によるスイッチング素子３への制御信号である。制御回路７のデューティは、出力低下時に広がるが、出力が定常状態しであれば、ほぼ同じである。電解コンデンサ６が劣化して容量抜けが起きて出力低下し始めると（図４Ｄ）、それを補うため、制御信号のＯＮタイムが長くなるが、許容量を超えると、１次側からの電力の供給をさせようとし、スイッチング電源装置周期内でオーバーフローを起こす。また、２次側に定電圧安定化のためにツェナーダイオードを有している場合でも、ツェナーダイオードが劣化すると出力電圧が落ちるので、上記と同様に１次側からの電力の供給をさせようとする。 FIG. 5 shows changes in the voltage waveform due to deterioration of the secondary-side electrolytic capacitor 6, FIG. 4A shows a normal waveform smoothed by the electrolytic capacitor 6 (the broken line is the waveform of the rectifier circuit 5), and FIG. 4C is a control signal to the switching element 3 by the control circuit 7. The duty of the control circuit 7 increases when the output decreases, but is almost the same as long as the output is in a steady state. When the electrolytic capacitor 6 deteriorates and capacity loss occurs and the output starts to decrease (FIG. 4D), the ON time of the control signal becomes longer to compensate for this, but if the allowable amount is exceeded, the power from the primary side is increased. An attempt is made to supply, and an overflow occurs within the switching power supply cycle. Even if a Zener diode is provided on the secondary side to stabilize the constant voltage, the output voltage will drop if the Zener diode deteriorates. To do.
図６は、スイッチング電源装置が故障するまでの入力電圧、入力電流、力率、入力電力、出力電圧、出力電流、出力電力、出力効率の各波形を示している。このスイッチング電源装置の電解コンデンサの部品寿命を１０年とするものであるが、これに２０５度の温度負荷を掛けてエージング試験を行う。予想される寿命は、約７日に短縮される。図６の横軸は時間であり、図６Ａから図６Ｄの波形図に掛けて時間が経過している。各波形図とも９時間分の変化を表しており、１時間は通常使用時の２２日分に相当する。従って、各波形図あたり１９８日相当分の変化となる。図６Ａは、エージング開始から初期の９時間経過時点までを示し、図６Ｂ、図６Ｃは、その後の途中経過である。図６Ｄは、１１年半に相当する時間を超えたあたりの波形図であり、この間において１次側の電解コンデンサが破壊されている（容量ほぼ０μＦ）。 FIG. 6 shows waveforms of input voltage, input current, power factor, input power, output voltage, output current, output power, and output efficiency until the switching power supply device fails. The component life of the electrolytic capacitor of this switching power supply device is set to 10 years, and an aging test is performed with a temperature load of 205 degrees applied thereto. The expected lifetime is reduced to about 7 days. The horizontal axis of FIG. 6 is time, and time has passed over the waveform diagrams of FIGS. 6A to 6D. Each waveform diagram represents a change for 9 hours, and 1 hour corresponds to 22 days of normal use. Accordingly, there is a change corresponding to 198 days per waveform diagram. FIG. 6A shows the time from the start of aging to the initial 9 hours, and FIGS. 6B and 6C show the course after that. FIG. 6D is a waveform diagram around the time equivalent to 11 years and a half, during which the primary-side electrolytic capacitor is destroyed (capacity is approximately 0 μF).
図７は、図６の出力効率のみを縦軸を拡大して示した波形図である。波形図の右から左に掛けてエージング下で連続的に１４年分の変化を示している。先の図６Ｄに示した故障は、１１年半を経過したときに発生している。出力効率は、時間とともに出力効率が下がる傾向ではなく、寿命が近づくにつれ変動中心から上下にゆらいでおり、かつ変動中心は出力効率が上昇する傾向を示している。 FIG. 7 is a waveform diagram showing only the output efficiency of FIG. 6 with the vertical axis enlarged. The change from the right to the left of the waveform diagram is shown for 14 years continuously under aging. The failure shown in FIG. 6D has occurred when 11 and a half years have passed. The output efficiency does not tend to decrease with time, but fluctuates up and down from the fluctuation center as the life approaches, and the fluctuation center shows a tendency for the output efficiency to increase.
スイッチング電源装置の入出力における電力の比（出力電力／入力電力、出力効率）を求め、電源運用開始時の出力効率からの変動率により、交換時期についての警報出力を発生する実施例を説明する。 An embodiment will be described in which a power ratio (output power / input power, output efficiency) at the input / output of the switching power supply device is obtained, and an alarm output for the replacement timing is generated based on the rate of change from the output efficiency at the start of power supply operation. .
本実施例においては、スイッチング電源装置１００の出力端９側の電力値と入力端側８との入出力電力の比をパラメータとして、図７において揺らぎが発生した時点を捕らえて交換時期についての警報出力を発生する。前提として、スイッチング電源装置１００は内部構造をブラックボックスとして扱う。上記したように、スイッチング電源装置は少なくとも直流出力をフィードバックして、スイッチング素子のオンオフをするものである点で共通であるからである。 In this embodiment, the ratio of the power value on the output end 9 side of the switching power supply device 100 and the input / output power on the input end side 8 is used as a parameter, and the time when the fluctuation occurs in FIG. Generate output. As a premise, the switching power supply apparatus 100 treats the internal structure as a black box. This is because, as described above, the switching power supply device is common in that at least a DC output is fed back to turn on and off the switching element.
本実施例では、後述する入出力電力の比の基準値からの変動率に基づき、これを超過したかどうかで交換時期を予測するものである。入出力電力の比の揺らぎは上下方向に出ており、必ずしも、最初の揺らぎが図７のように出力効率低下の時点であることは無いため、基準値に対して上下に変動率のリミット（上限リミット、下限リミット）を設定する。図７では、リミットの超過が３年目に起こっている。 In this embodiment, based on the rate of change from the reference value of the input / output power ratio described later, the replacement time is predicted based on whether or not this ratio has been exceeded. The fluctuation of the ratio of input / output power appears in the vertical direction, and the first fluctuation is not necessarily the time when the output efficiency decreases as shown in FIG. Set the upper limit and lower limit. In FIG. 7, the limit is exceeded in the third year.
図８は、電源装置の寿命監視装置を示している。寿命監視装置は、クライアントのサイト（病院３０、事務所４０等）に設置されているスイッチング電源装置１００に対して、計算機５０と、入力端８側の入力を計測する計測装置（電流計５１、電圧計５３）及び出力端９側の出力を計測する計測装置（電流計５２、電圧計５４）とが配置される。電流計５１、電圧計５３はスイッチング電源装置１００の交流側（入力端8側）に接続されている。電流計５１、電圧計５３により、電圧×電流×力率で表される電力が求められる。スイッチング電源装置１００の直流側（出力端側）には、電圧計５１と電流計５４が夫々負荷１５に並列、直列に設けられている。出力端側は直流であるので、出力電力は電圧×電流である。 FIG. 8 shows a life monitoring device for a power supply device. The life monitoring device is a computer 50 and a measuring device (an ammeter 51, an input meter 8) for measuring the input on the input terminal 8 side with respect to the switching power supply device 100 installed at the client site (hospital 30, office 40, etc.). A voltmeter 53) and measuring devices (ammeter 52, voltmeter 54) for measuring the output on the output terminal 9 side are arranged. The ammeter 51 and the voltmeter 53 are connected to the alternating current side (input end 8 side) of the switching power supply device 100. The ammeter 51 and the voltmeter 53 obtain power expressed by voltage × current × power factor. On the DC side (output end side) of the switching power supply device 100, a voltmeter 51 and an ammeter 54 are provided in parallel and in series with the load 15, respectively. Since the output end side is direct current, the output power is voltage × current.
計算機５０は、スイッチング電源装置１００の設置サイト３０、４０において電流計５１、５２、電圧計５３、５４からの測定信号を受信する。計算機５０は、メモリやＣＰＵを有する汎用の計算機であり、計算機５０での処理は情報収集ソフトウェアにより行う。計算機５０は、ネットワーク６０を介して警報装置７０に対して、電源寿命に関する情報を提供する。警報装置７０は、予め定められた許容される変動率７１を記憶している。 The computer 50 receives measurement signals from the ammeters 51 and 52 and the voltmeters 53 and 54 at the installation sites 30 and 40 of the switching power supply apparatus 100. The computer 50 is a general-purpose computer having a memory and a CPU, and processing in the computer 50 is performed by information collection software. The computer 50 provides information related to the power supply life to the alarm device 70 via the network 60. The alarm device 70 stores a predetermined allowable variation rate 71.
図９は、情報収集ソフトウェアのフローである。情報収集ソフトウェアは、初期化されてから数日分の間、可動状態におけるスイッチング電源装置１００への入力電力、出力電流、出力電圧を収集してメモリに記憶する（ステップＳ１）。求めた電力、電流、電圧に基づき、この期間における平均化された入出力電力の比を基準値とする（ステップＳ２）。 FIG. 9 is a flow of the information collection software. The information collection software collects input power, output current, and output voltage to the switching power supply device 100 in a movable state for several days after initialization, and stores them in the memory (step S1). Based on the obtained power, current, and voltage, the ratio of input / output power averaged during this period is set as a reference value (step S2).
その後、この初期データとの比較により、故障予測を行う。サンプリング期間は、１マイクロ秒（ステップＳ３）として、入出力電圧、電流をサンプリングし（ステップＳ４）、１秒間隔（ステップＳ５）で平均化した比を計算する（ステップＳ６）。そして、求めた比が初期データからどの程度変動したかを、警報装置７０に対してネットワークを介してパケット送信する（ステップＳ７）。 Thereafter, failure prediction is performed by comparison with the initial data. The sampling period is 1 microsecond (step S3), the input / output voltage and current are sampled (step S4), and the ratio averaged at 1 second intervals (step S5) is calculated (step S6). Then, how much the obtained ratio has changed from the initial data is packet-transmitted to the alarm device 70 via the network (step S7).
一方、警報装置７０では、計算機から送られてくるパケットにより現時点の変動率を取得し、予め決めている上限リミット、下限リミットで決められる許容変動率の幅の中に入っているかどうかについて閾値を用いた比較を行い、超えた場合に安全交換時期に達したとして警報を管理者に警告する。この変動率は、監視すべきサイトのスイッチ電源についての故障実績データが積みあがっていれば、そのデータに基づいて許容変動率を定める。一方、監視すべきサイトの電源がブラックボックスである場合は、平均的な電源の故障実績データから許容変動率を定めている。いずれの場合も変動率という統一したパラメータを遠隔監視装置３０により収集することにより、スイッチング電源装置によらない管理ができることになる。 On the other hand, in the alarm device 70, the current fluctuation rate is acquired by a packet sent from the computer, and a threshold is set as to whether or not it falls within the allowable fluctuation rate range determined by the upper limit and the lower limit determined in advance. The comparison is used, and if it exceeds, a warning is given to the administrator that the safe replacement period has been reached. If the failure rate data for the switch power supply at the site to be monitored is accumulated, the variation rate is determined based on the data. On the other hand, when the power source of the site to be monitored is a black box, the allowable fluctuation rate is determined from the average power failure history data. In any case, the remote monitoring device 30 collects a uniform parameter called a variation rate, thereby enabling management independent of the switching power supply device.
上記した実施例においては、交流を直流にするスイッチング電源装置について示したが、直流から交流にしまた直流にするＤＣ−ＤＣコンバータに相当する部分を有するスイッチング電源装置、例えばＤＣ−ＤＣコンバータについても適応することができる。 In the above-described embodiments, the switching power supply device that converts alternating current into direct current has been described. However, the present invention is also applicable to a switching power supply device that has a portion corresponding to a DC-DC converter that converts direct current into alternating current and also into direct current, such as a DC-DC converter. can do.
上記実施例においては、図１０Ａに示すようにスイッチング電源装置の入出力における電力の比（出力効率）を求め、電源運用開始時の入出力電力の比とからの変動率が許容変動率を超えたときに安全交換時期に達したとして警報出力を発生させた。この方法では、許容変動率を超えても、まだ使用寿命に余裕がある。第２の実施例では、より製品寿命に近い時期で交換・保守等をすることを可能にする。 In the above embodiment, as shown in FIG. 10A, the power ratio (output efficiency) at the input / output of the switching power supply is obtained, and the rate of change from the ratio of input / output power at the start of power operation exceeds the allowable rate of change. An alarm output was generated when the safe replacement period was reached. With this method, even if the allowable fluctuation rate is exceeded, there is still a margin in the service life. In the second embodiment, replacement / maintenance and the like can be performed at a time closer to the product life.
図１０Ｂは、第２の実施例において検出する事象を示す図である。スイッチング電源装置の寿命が終盤に近づくと、入出力電力の比（出力効率）が揺らぐ。そして、その揺らぎは終盤に近づくにつれ、周期が短くなる。本実施例では、この事象を利用して入出力電力の比（出力効率）の許容変動範囲を固定的に設定し、その中央値を入出力電力の変化に沿うようにしている。そして、一定周期間における許容範囲を超える発生頻度により故障を予測する。 FIG. 10B is a diagram illustrating events detected in the second embodiment. As the life of the switching power supply approaches the end, the ratio of input / output power (output efficiency) fluctuates. And as the fluctuation approaches the final stage, the cycle becomes shorter. In the present embodiment, the allowable fluctuation range of the input / output power ratio (output efficiency) is fixedly set by using this phenomenon, and the median value is set to follow the change of the input / output power. Then, a failure is predicted based on the occurrence frequency exceeding the allowable range during a certain period.
本実施例において検出する事象は、以下の理由によって起こると考えられる。電解コンデンサ２、６のいずれかで劣化が起こりはじめると、先に図３〜５で説明した通り１次側の電流量が増加する。電流量の増加に伴いスイッチング素子３のオンオフによるスイッチング電源装置ノイズが発生しやすくなる。スイッチング電源装置ノイズの影響により、出力電圧が不安定になり、出力電圧レベルがスイッチング電源装置ノイズの影響により上がったり下がったりする。このとき、出力効率に長い周期（１年単位）の揺らぎが発生する。電解コンデンサ２、６の劣化が進むと、安定域の出力効率の変動幅を超えるポイントが増えてくると考えられる。 The event detected in this embodiment is considered to occur for the following reason. When the deterioration starts in either one of the electrolytic capacitors 2 and 6, the primary-side current amount increases as described above with reference to FIGS. As the amount of current increases, switching power supply device noise due to on / off of the switching element 3 is likely to occur. The output voltage becomes unstable due to the influence of the switching power supply device noise, and the output voltage level rises or falls due to the influence of the switching power supply device noise. At this time, fluctuation in output efficiency has a long cycle (one year unit). As the electrolytic capacitors 2 and 6 deteriorate, the number of points exceeding the fluctuation range of the output efficiency in the stable region is considered to increase.
このように、時間経過により出力効率は良くなったり悪くなったりするが、振れ幅は大きくなってきている。実施例１のように基準値とこれに対する許容範囲（上限、下限リミット）を設定し、リミット超過により予想すれば、ある程度の寿命予測は可能である。しかしながら、故障発生までは、実際にはまだ余裕があるのであって、実施例２ではさらに寿命を精度良く推定する。 As described above, the output efficiency is improved or deteriorated with the passage of time, but the fluctuation width is increasing. If a reference value and allowable ranges (upper limit, lower limit) are set as in the first embodiment, and prediction is made due to exceeding the limit, a certain degree of life prediction is possible. However, until the failure occurs, there is still a margin in practice. In the second embodiment, the lifetime is estimated with higher accuracy.
図７において示したように、実際に観測された出力効率の揺らぎは、図１０Ｂに示した波形とは異なり、必ずしも下降傾向にあるわけではない。一方、故障発生に近づくと出力効率は変動中心から上下に揺らぐが、故障発生に近づくにつれ、変動中心の上下に設定した変動範囲（変動上限、変動下限）を超える頻度が増加してくる。図７の観測例では、リミット超過後は、出力効率が変動中心に１年相当の期間以内に戻っていたが、寿命が尽きる直前では１年相当の期間を超えて変動範囲を超えている期間が存在している。そして、寿命を迎えるに従って、変動範囲を超えている頻度が多くなり、超えていない場合が少なくなっている。そこで、実施例２においては、この事象を捕らえて故障予測を行う。例えば、変動範囲を超えることが頻繁に発生するようになったら故障が近いと判断する。図７に示される通り、出力変動の揺らぎの周期は数年に渡るものであるため、変動中心を求めるには、少なくとも前後数年分（図７の例では３年分）の出力変動のデータが必要である。頻度を求めるに当っても数年分の期間で、出力効率が変動範囲を超えているかをみる必要がある。 As shown in FIG. 7, the actually observed fluctuation of the output efficiency is not necessarily in a downward trend, unlike the waveform shown in FIG. 10B. On the other hand, the output efficiency fluctuates up and down from the fluctuation center as the failure occurs, but as the failure occurs, the frequency of exceeding the fluctuation range (upper fluctuation limit and lower fluctuation limit) set above and below the fluctuation center increases. In the observation example of FIG. 7, after the limit is exceeded, the output efficiency has returned within a period corresponding to one year centering on the fluctuation, but immediately before the end of the life, the period exceeding the fluctuation range exceeding the period equivalent to one year. Is present. As the lifetime ends, the frequency that the fluctuation range is exceeded increases, and the frequency that does not exceed the fluctuation range decreases. Therefore, in the second embodiment, failure prediction is performed by capturing this event. For example, if the fluctuation range frequently occurs, it is determined that the failure is near. As shown in FIG. 7, since the fluctuation cycle of the output fluctuation is over several years, the output fluctuation data for at least several years (three years in the example of FIG. 7) is required to obtain the fluctuation center. is necessary. Even when determining the frequency, it is necessary to check whether the output efficiency exceeds the fluctuation range in a period of several years.
図１１は、実施例２の情報収集ソフトウェアのフローを示すものである。本実施例を実現するハードウェアの構成は、図８に示した実施例１の構成と同じであり、実施例２のソフトウェアは計算機５０に実装される。
ステップＳ１１において、変動範囲を超えた出力効率の発生を計数するタイムスパンを設定する。例えば、過去３年間をタイムスパンとすると、この間の発生回数を「変動範囲を超えた出力効率の発生頻度」とする。
ステップＳ１２において、可動状態におけるスイッチング電源装置１１への入力電力、出力電流、出力電圧をサンプリング収集する。
ステップ１３において、入出力電力の比（出力効率）を求める。
出力効率は、
＝出力電力／入力電力
＝出力電圧×出力電流／（入力電圧×入力電圧×力率）
である。
ステップＳ１４において、求めた出力効率を時間軸に従って計算機５０のメモリに蓄積してゆく。
FIG. 11 shows a flow of the information collection software of the second embodiment. The hardware configuration for realizing the present embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 8, and the software of the second embodiment is installed in the computer 50.
In step S11, a time span for counting the occurrence of output efficiency exceeding the fluctuation range is set. For example, if the past three years are a time span, the number of occurrences during this period is defined as “frequency of occurrence of output efficiency exceeding the fluctuation range”.
In step S12, input power, output current, and output voltage to the switching power supply device 11 in the movable state are sampled and collected.
In step 13, the ratio of input / output power (output efficiency) is obtained.
Output efficiency is
= Output power / Input power = Output voltage x Output current / (Input voltage x Input voltage x Power factor)
It is.
In step S14, the obtained output efficiency is accumulated in the memory of the computer 50 along the time axis.
ステップＳ１５において、出力効率の変動中心を計算する。求める変動中心は、現時点のものではなく、過去の時点のものである（例えば、１年半前）。変動中心の計算は、当該過去の時点の前後（例えば、３年）に渡たる出力効率のデータに基づいて決定される。変動中心が求まると、変動の上限値、下限値を決める。この上限値、下限値は、スイッチング電源装置１００の初期の状態における、出力効率の変動幅に若干の余裕を持たせて大きな範囲に設定される。 In step S15, the fluctuation center of the output efficiency is calculated. The fluctuation center to be obtained is not the current one but the past one (for example, one and a half years ago). The calculation of the fluctuation center is determined based on output efficiency data before and after the past time point (for example, three years). Once the center of variation is determined, the upper and lower limits of variation are determined. The upper limit value and the lower limit value are set in a large range with a slight allowance for the fluctuation range of the output efficiency in the initial state of the switching power supply apparatus 100.
スイッチング電源装置１００の初期の状態における、出力効率の変動幅について説明する。スイッチング電源装置１００の受電の環境、負荷の環境により出力効率が変動する。受電の環境については、電力会社の発電計画や、スイッチング電源装置１００の設置サイトの近隣の電力需要により影響を受けている。また、スイッチング電源装置１００の負荷は使用により変化する。これらの変化は、１週間の１つのサイクルとして繰り返すのが普通である。出力効率の変動幅は、スイッチング電源装置１００の使用当初の１〜数週間分の出力効率の変動を元に、その変動幅を求めることができる。本実施例では、スイッチング電源装置１００の初期の状態における１週間分の出力効率を計測して、変動幅を求める。この期間における出力効率の上限値と下限値とを求め、スイッチング電源装置の初期状態における変動中心を中心に対して、上限値と下限値の差を変動幅とする。 The fluctuation range of the output efficiency in the initial state of the switching power supply device 100 will be described. The output efficiency varies depending on the power receiving environment and load environment of the switching power supply apparatus 100. The power receiving environment is affected by the power generation plan of the power company and the power demand in the vicinity of the site where the switching power supply device 100 is installed. Moreover, the load of the switching power supply apparatus 100 changes with use. These changes are usually repeated as a cycle of one week. The fluctuation range of the output efficiency can be obtained based on the fluctuation of the output efficiency for one to several weeks at the beginning of use of the switching power supply apparatus 100. In the present embodiment, the output efficiency for one week in the initial state of the switching power supply apparatus 100 is measured to obtain the fluctuation range. The upper limit value and the lower limit value of the output efficiency during this period are obtained, and the difference between the upper limit value and the lower limit value is defined as the fluctuation range around the fluctuation center in the initial state of the switching power supply device.
ステップＳ１６において、変動範囲外となる頻度を計算する。これは、ステップＳ１５において変動中心を求めた時点以前の、ステップＳ１１で設定されたタイムスパンの間における過去の出力効率データに対して、各時点の変動中心に対して変動範囲を超えているデータがいくつ発生しているかを発生頻度として計算する。ステップＳ１７において、求めた頻度を警報装置７０にパケットで送信する。 In step S16, the frequency that falls outside the fluctuation range is calculated. This is because the past output efficiency data during the time span set in step S11 before the time when the fluctuation center is obtained in step S15, the data that exceeds the fluctuation range with respect to the fluctuation center at each time point. The number of occurrences is calculated as the occurrence frequency. In step S17, the determined frequency is transmitted to the alarm device 70 in a packet.
一方、警報装置７０では、計算機５０から送られてくるパケットにより発生頻度を取得し、予め許容値として決めている発生頻度７２を用いた比較を行い、これに達したと判断した場合に故障が近々起こると予想して警報を管理者に警告する。 On the other hand, in the alarm device 70, the occurrence frequency is acquired from the packet sent from the computer 50, a comparison is performed using the occurrence frequency 72 determined in advance as an allowable value, and if it is determined that the failure has been reached, a failure occurs. Alert the administrator with an alarm in anticipation of an upcoming event.
本実施例においては、図７に示すように出力効率が変動範囲を超えた状態が頻度高く発生（一年超過する事態が短い期間で繰返し起こる）していることを検知すると、故障が近いことを予測する。但し、変動中心を求めるのに必要なデータが揃うのを待つために、長期間必要なため、この時間遅れを考慮して頻度の許容値を決めておく必要がある。 In this embodiment, as shown in FIG. 7, when it is detected that a state where the output efficiency exceeds the fluctuation range occurs frequently (a situation where the output exceeds one year repeatedly occurs in a short period), the failure is close. Predict. However, since it is necessary for a long time to wait for the data necessary for obtaining the fluctuation center, it is necessary to determine the allowable value of the frequency in consideration of this time delay.
第２の実施例によれば、図１０Ｂに示したように、出力効率を超過する頻度が高くなったことを検出すると故障が近いと判断するため、実際に故障が発生する時期に近づけた予想をすることができる。 According to the second embodiment, as shown in FIG. 10B, when it is detected that the frequency of exceeding the output efficiency is high, it is determined that the failure is close. Can do.
１００…スイッチング電源装置
２、６…電解コンデンサ
３…スイッチング素子
４…トランス
５…整流用回路
７…制御回路
８…入力端
９…出力端
５０…計算機
５１、５２…電流計
５３、５４…電圧計
７０…警報装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Switching power supply device 2, 6 ... Electrolytic capacitor 3 ... Switching element 4 ... Transformer 5 ... Rectification circuit 7 ... Control circuit 8 ... Input end 9 ... Output end 50 ... Computer 51, 52 ... Ammeter 53, 54 ... Voltmeter 70 ... Alarm device
Claims (4)
前記スイッチング電源装置の入力端に入力される電圧と電流を測定する計測装置と、
前記スイッチング電源装置の出力端から出力される電圧と電流を計測する計測装置と、
各計測装置により計測値から入出力における電力の比を計算し、前記求めた比と前記スイッチング電源装置の運用開始時点の比との変動率を計算する計算機と、
前記変動率が予め定めた変化率よりも変化しているときに警報出力を発生させる警報装置とを備えたことを特徴とする寿命監視装置。
In the life monitoring device of a switching power supply device including an electrolytic capacitor,
A measuring device for measuring the voltage and current input to the input terminal of the switching power supply device;
A measuring device for measuring the voltage and current output from the output terminal of the switching power supply device;
A calculator that calculates the ratio of power at the input and output from the measurement value by each measurement device, and calculates the rate of change between the obtained ratio and the ratio at the start of operation of the switching power supply device;
A life monitoring apparatus comprising: an alarm device that generates an alarm output when the rate of change is changing from a predetermined rate of change.
2. The life monitoring apparatus according to claim 1, wherein the computer sends the obtained variation rate to the alarm device through a network.
前記スイッチング電源装置の入力端に入力される電圧と電流を測定する計測装置と、
前記スイッチング電源装置の出力端から出力される電圧と電流を計測する計測装置と、
各計測装置により計測値から入出力における電力の比を計算して蓄積し、蓄積された入出力における電力の比から過去のある時点の電力の比の変動中心を求め、当該時点以前の電力の比のうち予め定められた変動範囲内を超えているものがいくつ発生しているかを示す発生頻度を計算する計算機と、
前記頻度が予め定めた頻度に達しているときに警報出力を発生させる警報装置とを備えたことを特徴とする寿命監視装置。
In the life monitoring device of a switching power supply device including an electrolytic capacitor,
A measuring device for measuring the voltage and current input to the input terminal of the switching power supply device;
A measuring device for measuring the voltage and current output from the output terminal of the switching power supply device;
Each measurement device calculates and accumulates the power ratio at the input / output from the measured value, and obtains the fluctuation center of the power ratio at a certain point in the past from the accumulated power ratio at the input / output. A calculator for calculating the occurrence frequency indicating how many of the ratios exceed a predetermined fluctuation range, and
A life monitoring apparatus comprising: an alarm device that generates an alarm output when the frequency reaches a predetermined frequency.
3. The life monitoring apparatus according to claim 2, wherein the fluctuation range is a difference between an upper limit value and a lower limit value of a ratio of electric power obtained in the initial state of the switching power supply device, with the fluctuation range centering on the fluctuation center in the initial state of the switching power supply device. A life monitoring device characterized in that it is in a range larger than the fluctuation range corresponding to.
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