JP5194815B2 - 平滑コンデンサの異常検出回路及びこれを備えた電子機器 - Google Patents

Description

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異常を検出する平滑コンデンサの異常検出回路に関する。

従来、平滑コンデンサの劣化や異常を検出する回路を備えた電子機器として、例えばエアコンの室外機がある。エアコンの室外機には圧縮機が搭載されており、この圧縮機内のモータはインバータで制御されている。このインバータの直流電源は商用電源を整流して用いられており、この整流された電圧の平滑に電解コンデンサが使用される。

一般的に、経時変化によって平滑用の電解コンデンサの容量が減少する。このため整流された直流電圧に含まれるリップル電圧が増大する。このリップル電圧の増加はインバータ制御にとって有害であり、リップル電圧が所定の電圧になった時をこの電解コンデンサの寿命としている。この寿命の検知方法を、図１〜図４、及び図８を用いて説明する。

図１は従来の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、また、図２は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）は平滑コンデンサの未劣化時を、（Ｂ）は平滑コンデンサの劣化時をそれぞれ示す。図３は特性テーブルの内容を示す表であり、図４は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。また、図８は従来の制御を説明する動作フローチャートである。なお、図１〜図４は本発明に関する部分も含むが、ここで説明する部分は従来例と同じであるため、背景技術の説明に使用する。

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、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。

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直流電圧検出部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。

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ング素子を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ング素子の接続点が、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。

直流電圧検出部４は、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に入力されたアナログ電圧を所定のサンプリング期間、例えば１００ｍＳ（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。

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、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。

一般的に、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。

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。

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＝１００ｍＳ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１００回測定し、記憶部９ａに格納している。

１００ｍＳ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１００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。

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が格納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。

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区分けされている。そして、負荷電流は縦方向に１〜１４アンペアに区分けされており、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。

基準リップル電圧は未劣化の平滑コンデンサ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と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。

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、この例では図４に示すように規定している。なお、この例では、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。

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。

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増大すると、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。

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。

次に図８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８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同じ処理を実行している。なお、図８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。

図８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カウンタに初期値０を設定する（ＳＴ９０）。次にカウンタに１を加算し（ＳＴ９１）、直流電圧検出部４で直流電圧を測定し、記憶部９ａへ格納する（ＳＴ９２）。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（ＳＴ９３）。

そして、１００回の測定が終了、つまり１００ｍＳのサンプリング期間が経過したか確認する（ＳＴ９４）。なお、ＳＴ９１〜ＳＴ９４までの処理は１ｍＳで行なうようになっている。１００回の測定が終了していない場合は（ＳＴ９４−Ｎ）、ＳＴ９１へジャンプして測定を継続する。１００回の測定が終了した場合は（ＳＴ９４−Ｙ）、記憶部９ｃへ格納された１００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（ＳＴ９５）。

次に、記憶部９ｃへ格納された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（ＳＴ９６）。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、ＳＴ９５で算出したリップル電圧と比較する（ＳＴ９７）。

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（ＳＴ９７−Ｙ）、平滑コンデンサ３は正常であるため、ＳＴ９０へジャンプして監視を継続する。

一方、測定したリップル電圧が警告リップル電圧以上の場合（ＳＴ９７−Ｎ）、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（ＳＴ９８）。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（ＳＴ９８−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（ＳＴ９９）する。そして、ＳＴ９０へジャンプして監視を継続する。

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を超える場合（ＳＴ９８−Ｎ）、図４で示す故障範囲であるため、機器の運転を停止し（ＳＴ１００）、例えば図示しない表示部で故障メッセージを表示（ＳＴ１０１）して制御を終了する。このように、負荷電流と対応してリップル電圧を判定し、警告や運転の停止を行うようになっている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、このような方法だけでは確実に電解コンデンサの寿命を判定できない場合があった。例えば、平滑用のコンデンサは耐圧が高く、容量も比較的大きいため、サイズが大きくなる。このため、複数の小さな電解コンデンサを並列に接続して使用する場合が多い。

この時、１つのコンデンサが、他のコンデンサに比べて早く寿命となり、コンデンサの暴爆弁が開く場合がある。暴爆弁が開く場合とは、弁が開く程度の小さな爆発が発生することであり、この小爆発の結果、コンデンサのケースが歪んだり、電解液が噴出したり、内部の絶縁シートが変形したりする。

コンデンサのケースが歪んだり、電解液が噴出したりするだけなら、容量の低下を招くだけであり、従来のようにリップル電圧だけを監視していれば検出できる。内部の絶縁シートが変形して２つの電極が接触すればショートであるため、ヒューズや商用電源のブレーカが切断されて故障と認識できる。

問題となる場合は、内部の絶縁シートが変形して２つの電極間の絶縁性能が低下し、印加された電圧付近で少量の電流が電極間で流れる場合である。このような場合、ピーク電圧がクリップされた状態となり見かけ上、リップル電圧が小さくなる。このため、リップル電圧だけを監視する方法ではこのように中途半端な故障となった電解コンデンサの寿命を検知できないという問題があった。
特開２００７−２４０４５０（第６−８頁、図４）

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、検出制御が簡単で確実に寿命を検知でき、かつ安価に構成できる平滑コンデンサの異常検出手段を提供することを目的とする。

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直流電圧検出部と、同直流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リップル電圧値である比較リップル電圧値と、前記負荷電流と対応する所定の平均電圧値である比較平均電圧値と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と平均電圧値を算出すると共に、同リップル電圧値と前記比較リップル電圧値とを比較し、同リップル電圧値が所定の値以下の場合に、同平均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平均電圧値とを比較して、前記平滑コンデンサの異常を検出する。

また、前記比較平均電圧値は、前記平滑コンデンサの初期特性を示す基準平均電圧値と、前記平滑コンデンサが注意を要する状態であることを示す警告平均電圧値と、前記平滑コンデンサが故障と判断される状態であることを示す異常平均電圧値とからなる。

また、前記基準平均電圧値は前記記憶部に記憶され、前記警告平均電圧値と前記異常平均電圧値とは所定の条件に基づいて前記基準平均電圧値から算出される。

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平均電圧値を算出し、同平均電圧値を、測定した前記負荷電流値と対応する前記基準平均電圧値として前記記憶部に記憶する。

一方、以上説明したいずれかの手段からなる平滑コンデンサの異常検出回路を電子機器に搭載する。

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異常検出回路によれば、
請求項１に係わる発明は、負荷電流に対応して、測定した平均電圧値と予め定められた比較平均電圧値とを比較して平滑コンデンサの異常を判定するため、暴爆弁が破裂して絶縁性能が低下した平滑コンデンサなどの異常を正確に判定することができ、機器が破損する前に平滑コンデンサの異常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、負荷電流検出部と直流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異常検出回路を構成することができる。

請求項２に係わる発明は、比較平均電圧値が、平滑コンデンサの初期特性を示す基準平均電圧値と、平滑コンデンサの異常を警告する警告平均電圧値と、平滑コンデンサを故障と判断する異常平均電圧値とで構成されているため、平滑コンデンサの状態を正常、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。

請求項３に係わる発明は、基準平均電圧値から、警告平均電圧値と異常平均電圧値とを計算によって算出しているため、基準平均電圧値さえ決定できれば、警告平均電圧値と異常平均電圧値とは容易に決定できる。また、平均電圧の実際の測定・比較時にこれらを算出することで記憶部の容量を削減することができる。

請求項４に係わる発明は、１台の機器ごとにコンデンサの劣化検出回路の比較平均電圧値を予め算出するため、設計値を用いて一律に比較平均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異常検出が可能になる。

請求項５に係る発明は、この平滑コンデンサの異常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適用することにより、電解コンデンサの様々な故障状況に対応して正確に電解コンデンサの異常検出を行うことができ、また、異常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、平滑コンデンサの故障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うことができる。

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。なお、背景技術で説明した構成については同じ番号を付与し、詳細な説明を省略する。

図１は背景技術で説明し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。回路自体は背景技術と同じであるが、制御部９の機能（処理内容）が異なる。以下、背景技術との相違点を中心に説明する。

図１において、直流電圧検出部４は、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に入力されたアナログ電圧を所定のサンプリング期間、例えば１００ｍＳ（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。

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、ほぼ同時に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。

なお、平滑コンデンサの異常検出回路は、直流電圧検出部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、この実施例では商用電源の瞬断時間と区別するため、サンプリング期間を１００ｍＳとしている。これは、商用電源の瞬断時間が数十ミリセカンド程度の一時的な電圧低下であり、直流電圧の低下によるリップル電圧の増加も一時的なものであるからである。一方、平滑コンデンサの劣化は瞬断時間以上の恒常的なリップル電圧の増加として現れるからである。

このような瞬断時間による制限がない場合は商用電源の周期、例えば５０Ｈｚでの１周期である２０ｍＳとしてもよい。

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。

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。また、電解コンデンサの暴爆弁が破裂した場合は、この電解コンデンサの２つの電極がショートしたり、容量が減少したり、２つの電極間の絶縁性能が低下したりする。

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、その時の負荷電流と、平均電圧の関係を示し、図２（Ｂ）は平滑コンデンサが通常の劣化、つまり、容量が小さくなった場合の平滑コンデンサ両端の直流電圧、及び平滑コンデンサの暴爆弁が破裂して２つの電極間の絶縁性能が低下した場合の平滑コンデンサ両端の直流電圧と、その時の負荷電流と各平均電圧の関係を示している。

図２（Ａ）において、Ｖｒは平滑コンデンサのリップル電圧を示しており、Ｖａは平滑コンデンサの平均電圧を示している。

一方、図２（Ｂ）において、Ｖｒ１は平滑コンデンサが通常の劣化である場合のリップル電圧を示しており、Ｖｒ２は平滑コンデンサの弁破裂による劣化である場合のリップル電圧を示している。また、Ｖａ１は平滑コンデンサが通常の劣化である場合の平均電圧を示しており、Ｖａ２は平滑コンデンサの弁破裂による異常状態の平均電圧を示している。

平滑コンデンサの弁破裂による劣化で絶縁性能が低下した場合、特定の電圧以上が短絡によってクリップされる場合があり、弁が破裂していない平滑コンデンサに比べて平均電圧Ｖａ２が平均電圧Ｖａ１よりも低下する。この場合、Ｖｒ１よりもＶｒ２の電圧が低いため、リップル電圧だけを見ても平滑コンデンサの弁破裂による異常を発見できない場合がある。

本発明では、リップル電圧と共に平均電圧を監視することで、正確に平滑コンデンサの寿命を検出するようにしている。

制御部９は、リップル電圧算出の元データである、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＝１００ｍＳ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１００回測定し、記憶部９ａに格納している。

１００ｍＳ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１００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。さらに、格納している１００個の直流電圧値の平均電圧：Ｖａを算出する。

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と、算出された平均電圧とを、予め定められた値である比較リップル電圧値と比較平均電圧値と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。

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）、比較平均電圧（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、また、比較平均電圧は基準平均電圧と、警告平均電圧と、異常平均電圧とに区分けされている。そして、負荷電流は縦方向に１〜１４アンペアに区分けされており、比較リップル電圧と比較平均電圧もこれに対応してそれぞれの値が規定されている。

基準リップル電圧と基準平均電圧とは、未劣化の平滑コンデンサ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いる。同様に警告平均電圧はこれ以下の平均電圧の場合、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電圧であることを示している。

また、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。同様に異常平均電圧はこれ以下の平均電圧の場合、故障の可能性がある電圧であることを示している。

警告リップル電圧と異常リップル電圧、及び警告平均電圧と異常平均電圧とは機器の特性に応じて決定すればよいが、本実施例では比較リップル電圧関係の値を図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。一方、比較平均電圧関係の値を図５に示すように規定している。なお、この実施例では、異常平均電圧以下の電圧を限界電圧と規定し、これ以下の電圧の場合は機器を停止するようにしている。

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においては、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。

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増大すると、仕様に規定された入力電圧範囲内では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。

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、もはや仕様入力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。

図５は平均電圧（Ｖ）を縦軸に、負荷電流（Ａ）を横軸としており、図３の比較平均電圧における、基準平均電圧と、警告平均電圧と、異常平均電圧とにそれぞれ対応する、基準特性線と警告特性線と異常特性線の特性を表すグラフである。

基準特性線は定格最大負荷電流が１４Ａの時でも平均電圧が２５０Ｖであり、警告比較電圧に対して３０Ｖのマージンを持たせてある。同様に、警告特性線は平均電圧が２２０Ｖであり、異常特性線に対して２０Ｖのマージンを持たせてある。このように、正常な場合や警告、異常となる場合が範囲で区画されている。従って、これらの範囲内であれば一時的な電圧変動、例えば商用電源電圧の変動やソレノイドのオン／オフなどの制御による一時的な負荷の変動があったとしても、正常、警告、異常について誤判定することが少ない。また、リップル電圧や平均電圧は常に監視しており、仮に誤判定したとしても、要因が無くなればすぐに正しい判定結果へ復帰する。

比較平均電圧における各特性線は、比較リップル電圧における各特性線と同じ意味合いを示しており、警告特性線以上の平均電圧であれば平滑コンデンサ３が正常である事を示し、警告特性線から異常特性線の間の平均電圧値は、平滑コンデンサ３の弁破裂や発熱などにより、平滑コンデンサ３が急速に劣化していることを示し、異常特性線以下の平均電圧は、平滑コンデンサ３が寿命となり、このまま機器を使用すると最悪の場合、機器が発火する虞がある場合を示す。

なお、比較リップル電圧や比較平均電圧における各基準特性線は、設計値として標準的なコンデンサ特性を用いて作成してもよいが、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や平均電圧を算出し、図３のテーブルの基準リップル電圧と基準平均電圧のデータを書き換えるようにしている。

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。同様に警告平均電圧と、異常平均電圧とは、基準平均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、個々の機器に装着された平滑コンデンサごとに、その比較値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。

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、比較リップル電圧に関しては、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完してもよい。なお、比較平均電圧に関しても同様に隣接する平均電圧の差により、負荷電流値と各平均電圧値とを算出して補完してもよい。

また、警告リップル電圧と異常リップル電圧や警告平均電圧と異常平均電圧とは、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や基準平均電圧値から、その都度算出して用いてもよい。

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や基準平均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、また、基準平均電圧値は初期状態よりも低くなっているため、警告リップル電圧と異常リップル電圧との算出や警告平均電圧と異常平均電圧との算出は、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。

次に図６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６（Ａ）はリップル電圧と平均電圧と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同じ処理を実行している。一方、図６（Ｂ）はリップル基準特性と基準平均電圧特性との測定処理を示しており、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６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。

まず、図６（Ａ）の各電圧を監視する処理において制御部９は、リップル電圧と平均電圧とを算出するための測定回数としてカウンタに初期値０を設定する（ＳＴ０）。次にカウンタに１を加算し（ＳＴ１）、直流電圧検出部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）。

そして、１００回の測定が終了、つまり１００ｍＳ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。１００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。１００回の測定が終了した場合は（ＳＴ４−Ｙ）、記憶部９ｃへ格納された１００個のデータの中で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）。

次に、記憶部９ｃへ格納された最大電圧と最小電圧の電圧値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）。次に、格納された１００個の電圧値の平均電圧を算出する（ＳＴ７）。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（ＳＴ８）。

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（ＳＴ８−Ｙ）、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平均電圧を取り出し、ＳＴ７で算出した平均電圧と比較する（ＳＴ９）。

平均電圧が警告特性線の値以上の場合、つまり、測定した平均電圧が警告平均電圧以上の場合（ＳＴ９−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。測定した平均電圧が警告平均電圧以下の場合（ＳＴ９−Ｎ）と、測定したリップル電圧が警告リップル電圧以上の場合（ＳＴ８−Ｎ）、次に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（ＳＴ１０）。

そして、リップル電圧が異常特性線の値以上の場合、つまり、測定したリップル電圧が異常リップル電圧以上の場合（ＳＴ１０−Ｎ）、図４で示す故障範囲であるため、機器の運転を停止し（ＳＴ１３）、例えば図示しない表示部で故障メッセージを表示（ＳＴ１４）して制御を終了する。

一方、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（ＳＴ１０−Ｙ）、測定した平均電圧が異常平均電圧以上の値か確認し（ＳＴ１１）、測定した平均電圧が異常平均電圧以下の場合（ＳＴ１１−Ｎ）、図５で示す故障範囲であるため、ＳＴ１３へジャンプする。

そして、測定した平均電圧が異常平均電圧以上の場合（ＳＴ１１−Ｙ）、図４及び図５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（ＳＴ１２）する。そして、ＳＴ０へジャンプして監視を継続する。

次に図６（Ｂ）のリップルと平均電圧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）。これはカウンタの値と負荷電流の値を対応させ、例えばカウンタの値が１の時に負荷電流を１アンペアとしているからである。

次に、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）。

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。

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、１００ｍＳの間、１ｍＳ毎に直流電圧を測定して記憶部９ａに格納し、格納した１００個の電圧値の中で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。同時に１００個の電圧値の平均電圧を算出し、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平均電圧値としてテーブルへ格納する（ＳＴ２５）。

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、テーブルの比較リップル電圧の基準特性線、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する。また、テーブルの比較平均電圧の基準特性線、つまり、基準平均電圧の値を元にして警告特性線と異常特性線、つまり、警告平均電圧と異常平均電圧の値を算出してテーブルへ格納する（ＳＴ２７）。

この結果、負荷電流が１〜１４アンペアと対応する１４組の比較データがテーブルに格納されたことになる。なお、この実施例では１４組の比較データを１アンペア刻みでデータ化しているが、データ化の組数は任意の値でよい。また、その場合のカウンタ値はデータ化の組数と対応する値となる。

以上説明したように、負荷電流に対応して、測定した平均電圧値と予め定められた比較平均電圧値とを比較して平滑コンデンサの異常を判定するため、暴爆弁が破裂して絶縁性能が低下した平滑コンデンサなどの異常を正確に判定することができ、機器が破損する前に平滑コンデンサの異常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、負荷電流検出部と直流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異常検出回路を構成することができる。

また、従来の技術であるリップル電圧を監視する構成と、本実施例で説明した平均電圧とを両方監視し、いずれかの値が設定範囲を外れた場合に警告や故障と判定するようにしたので、平滑用のコンデンサ劣化のさまざまな要因に対して正確な判定を行うことができる。

また、比較平均電圧値が、平滑コンデンサの初期特性を示す基準平均電圧値と、平滑コンデンサの異常を警告する警告平均電圧値と、平滑コンデンサを故障と判断する異常平均電圧値とで構成されているため、平滑コンデンサの状態を正常、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。

また、基準平均電圧値から、警告平均電圧値と異常平均電圧値とを計算によって算出しているため、基準平均電圧値さえ決定できれば、警告平均電圧値と異常平均電圧値とは容易に決定できる。また、平均電圧の実際の測定・比較時にこれらを算出することで記憶部の容量を削減することができる。

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平均電圧値を予め算出するため、設計値を用いて一律に比較平均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異常状態の検出が可能になる。

なお、製造時に記憶部９ａに記憶した各基準特性線と対応する比較リップル電圧と比較平均電圧を検索し、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、もしくは、比較平均電圧以下の場合は、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もよい。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。

次に平均電圧の監視による平滑用のコンデンサ異常判定を簡略化した方法を説明する。なお、回路構成は図１と同じであり、制御部の処理内容と記憶部に格納されている値が異なるだけなので、実施例１と実施例２との差異を中心に説明する。

この実施例２では平均電圧の監視による平滑用のコンデンサ異常判定に関して、実施例１で説明したように、負荷電流と対応する比較平均電圧の値で判定せずに、負荷電流と関係なく、一律に決定された比較平均電圧の値を用いて判定している。

このため、実施例１の構成よりもテーブルの格納データ数を減少させ、また、処理も簡単になる。従って実施例２では図３のテーブルのデータは、負荷電流と比較リップル電圧の値だけになり、比較平均電圧のデータはない。代わりに、例えば、基準平均電圧：２７０Ｖ、警告平均電圧：２５０Ｖ、異常平均電圧：２００Ｖと、負荷電流と関係なく予め一律で決定されている値を用いる。

次に図７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７はリップル電圧と平均電圧と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同じ処理を実行している。

なお、図７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。

まず、図７の処理において制御部９は、リップル電圧と平均電圧とを算出するための測定回数としてカウンタに初期値０を設定する（ＳＴ３０）。次にカウンタに１を加算し（ＳＴ３１）、直流電圧検出部４で直流電圧を測定し、記憶部９ａへ格納する（ＳＴ３２）。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（ＳＴ３３）。

そして、１００回の測定が終了、つまり１００ｍＳのサンプリング期間が経過したか確認する（ＳＴ３４）。なお、ＳＴ３１〜ＳＴ３４までの処理は１ｍＳで行なうようになっている。１００回の測定が終了していない場合は（ＳＴ３４−Ｎ）、ＳＴ３１へジャンプして測定を継続する。１００回の測定が終了した場合は（ＳＴ３４−Ｙ）、記憶部９ｃへ格納された１００個のデータの中で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（ＳＴ３５）。

次に、記憶部９ｃへ格納された最大電圧と最小電圧の電圧値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（ＳＴ３６）。次に、格納された１００個の電圧値の平均電圧を算出する（ＳＴ３７）。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、ＳＴ３５で算出したリップル電圧と比較する（ＳＴ３８）。

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（ＳＴ３８−Ｙ）、予め規定された警告平均電圧：２５０ＶとＳＴ３７で算出した平均電圧と比較する（ＳＴ３９）。

平均電圧が警告特性線の値以上の場合、つまり、測定した平均電圧が警告平均電圧以上の場合（ＳＴ３９−Ｙ）、平滑コンデンサ３は正常であるため、ＳＴ３０へジャンプして監視を継続する。測定した平均電圧が警告平均電圧以下の場合（ＳＴ３９−Ｎ）と、測定したリップル電圧が警告リップル電圧以上の場合（ＳＴ３８−Ｎ）、次に負荷であるモータ７の回転数を低下させる（ＳＴ４０）。

次に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、ＳＴ３５で算出したリップル電圧と比較する（ＳＴ４１）。

そして、リップル電圧が異常特性線の値以上の場合、つまり、測定したリップル電圧が異常リップル電圧以上の場合（ＳＴ４１−Ｎ）、故障であるため機器の運転を停止し（ＳＴ４３）、例えば図示しない表示部で故障メッセージを表示（ＳＴ４４）して制御を終了する。

一方、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（ＳＴ４１−Ｙ）、致命的な故障でなく警告程度の故障であるため、例えば図示しない表示部で警告メッセージを表示（ＳＴ４２）する。そして、ＳＴ３０へジャンプして監視を継続する。

この場合、警告メッセージを表示し、モータ７の回転数を低下させたままであるため、負荷を軽減して運転を行うことになる。このため、致命的な故障となる時期を先に延ばし、使用者が警告メッセージを確認して修理を行うまでの期間をできるだけ確保し、かつ、この期間に機器を運転することができる。

また、実施例１と同様に平均電圧を監視しているため、平滑用のコンデンサのリップル電圧だけを見ても平滑コンデンサの弁破裂による異常を発見できないような故障も検出できる。

なお、実施例２ではリップル電圧の判定のために負荷電流の測定が必要となるため、負荷電流検出部を設けているが、平均電圧のみを監視するだけなら負荷電流検出部を設けなくてよい。

以上説明した２つの実施例ではエアコンの室外機に平滑コンデンサの異常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、脈流を含む直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。

また、これら２つの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。

また、これら２つの実施例では比較平均電圧値を、平滑コンデンサの初期特性を示す基準平均電圧値と、平滑コンデンサの異常を警告する警告平均電圧値と、平滑コンデンサを故障と判断する異常平均電圧値とで構成しているが、これに限るものでなく、基準平均電圧値と異常平均電圧値とで構成してもよいし、３つの平均電圧値をさらに細かく区分して平滑コンデンサの異常を検出してもよい。

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、前述した実施例の平滑コンデンサの異常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。

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。 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。 特性テーブルの内容を示す表である。 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。 基準平均電圧と、警告平均電圧と、異常平均電圧と対応する各特性線のグラフである。 第１実施例における制御の動作を説明する動作フローチャートである。 第２実施例における制御の動作を説明する動作フローチャートである。 従来のコンデンサの劣化検出検知処理を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 交流電源
２ 整流部
３ 平滑コンデンサ
４ 直流電圧検出部
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

Claims (5)

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直流電圧検出部と、同直流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リップル電圧値である比較リップル電圧値と、前記負荷電流と対応する所定の平均電圧値である比較平均電圧値と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と平均電圧値を算出すると共に、同リップル電圧値と前記比較リップル電圧値とを比較し、同リップル電圧値が所定の値以下の場合に、同平均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平均電圧値とを比較して、前記平滑コンデンサの異常を検出してなることを特徴とする平滑コンデンサの異常検出回路。
2. 前記比較平均電圧値は、前記平滑コンデンサの初期特性を示す基準平均電圧値と、前記平滑コンデンサが注意を要する状態であることを示す警告平均電圧値と、前記平滑コンデンサが故障と判断される状態であることを示す異常平均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異常検出回路。
3. 前記基準平均電圧値は前記記憶部に記憶され、前記警告平均電圧値と前記異常平均電圧値とは所定の条件に基づいて前記基準平均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異常検出回路。
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平均電圧値を算出し、同平均電圧値を、測定した前記負荷電流値と対応する前記基準平均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異常検出回路。
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異常検出回路を備えた電子機器。
   

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