(57)【要約】【課題】電子機器が備えるコンデンサの状態を、手間をかけずに随時判定することができる。【解決手段】コンデンサ状態判定装置１は、直流電源２１に並列に接続された、１つ以上の監視対象コンデンサ２４１を含むコンデンサ群を等価的に表したコンデンサ２４の両端の電圧であるコンデンサ電圧の、直流電源２１が起動してからの時間変化を取得する制御部３２と、制御部３２によって取得された、監視対象コンデンサ２４１の、新製時における時間変化を記憶する記憶部３３と、を備え、制御部３２は、直流電源２１が起動するたびに、コンデンサ電圧の時間変化を取得し、該時間変化と記憶部３３に記憶されている時間変化とに基づいて、監視対象コンデンサ２４１の交換の要否を判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源に並列に接続された、１つ以上の監視対象コンデンサを含むコンデンサ群を等価的に表したコンデンサの両端の電圧であるコンデンサ電圧の、前記直流電源が起動してからの時間変化を取得する制御部と、
前記制御部によって取得された、前記監視対象コンデンサの、新製時における時間変化を記憶する記憶部と、を備え、
前記制御部は、前記直流電源が起動するたびに、前記コンデンサ電圧の時間変化を取得し、該時間変化と前記記憶部に記憶されている時間変化とに基づいて、前記監視対象コンデンサの交換の要否を判定することを特徴とするコンデンサ状態判定装置。
【請求項２】
前記記憶部によって記憶されている時間変化は、コンデンサ電圧が、新製時において第１の基準電圧に到達してから第２の基準電圧に到達するまでの時間である新製時変化時間であり、
前記制御部は、前記直流電源の起動した後、前記コンデンサ電圧が第１の基準電圧に到達してから第２の基準電圧に到達するまでの変化時間と、前記新製時変化時間とに基づいて前記監視対象コンデンサの交換の要否を判定することを特徴とする請求項１に記載のコンデンサ状態判定装置。
【請求項３】
前記制御部は、
開始信号が入力されてから停止信号が入力されるまでの時間を計測する時間計測カウンタと、
前記コンデンサ電圧が前記第１の基準電圧以上であると開始信号を前記時間計測カウンタに出力する第１の比較器と、
前記コンデンサ電圧が前記第２の基準電圧以上であると停止信号を前記時間計測カウンタに出力する第２の比較器と、
前記時間計測カウンタによって計測された時間と、前記新製時変化時間とに基づいて前記監視対象コンデンサの交換の要否を判定した判定結果を出力する第３の比較器と、
を備える請求項１又は２に記載のコンデンサ状態判定装置。
【請求項４】
前記記憶部は、前記直流電源が最後に停止した停止時刻を記憶し、
前記制御部は、前記直流電源が起動した時刻が、前記停止時刻から所定の時間以上経過した場合に、前記監視対象コンデンサの交換の要否を判定し、前記直流電源が起動した時刻が、前記停止時刻から所定の時間以上経過していない場合に、前記監視対象コンデンサの交換の要否を判定しないことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のコンデンサ状態判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器が備えるコンデンサの交換要否を判定するコンデンサ状態判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道車両等の装置に搭載される電子機器では、電気回路の電源電圧を安定させるために、コンデンサが使用されている。特に、コンデンサとして大きい静電容量が求められる場合にはアルミ電解コンデンサが使用されることが多い。
【０００３】
また、装置に搭載される電子機器は、一般的に２０〜３０年程度使用される。しかし、容量の大きいアルミ電解コンデンサ等のコンデンサの寿命は十数年程度であって、電子機器を構成する他の素子の寿命と比較して短い。したがって、多くの電子機器において一定の期間が経過した際に、コンデンサの交換を行っている。
【０００４】
コンデンサは、使用されている電解液のドライアップによる静電容量の減少、損失角の正接の増大、漏れ電流の増大の程度により、寿命に到達したか、すなわち交換を要するか、判定されている。
【０００５】
具体的には、寿命に到達することが予想される時期に、電子機器の特性を測定する方法がある。例えば、定期的に、電動機を駆動する電力変換部に組み込まれた平滑コンデンサの特性が測定し、測定された特性に基づいて交換の要否を判定する（特許文献１参照）。
【０００６】
また、周囲の温度、湿度、気圧といった環境条件、印加電圧、リプル電流といった電気的条件等からコンデンサの寿命を算出し、交換の要否を判定するという方法がある（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−６５６８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「アルミ電解コンデンサ２００６／２００７」、日本ケミコン株式会社、２００６年、ｐ．２６２−２６６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述のように電子機器の特性を測定することによってアルミ電解コンデンサが寿命に到達したかを判定する方法においては、電子機器を車両から取り外す手間が掛かるため、車両が搭載している全ての電子機器に対して判定を実施することによって電子機器の稼働率が低下する。また、上述の方法は、電子機器が動作するたびにではなく、所定の点検時期等に行われるため、適切な交換時期に判定がなされるとは限らないという問題があった。
【００１０】
また、周囲温度や使用時間等の条件から寿命を計算し割り出す方法については、周囲温度や使用時間は個々の機器よって変化するため、実際の劣化進行と計算結果とが合わないという問題があった。
【００１１】
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、電子機器が備えるコンデンサの状態を、手間をかけずに随時判定するコンデンサ状態判定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決すべく、本発明に係るコンデンサ状態判定装置は、直流電源に並列に接続された、１つ以上の監視対象コンデンサを含むコンデンサ群を等価的に表したコンデンサの両端の電圧であるコンデンサ電圧の、前記直流電源が起動してからの時間変化を取得する制御部と、前記制御部によって取得された、前記監視対象コンデンサの、新製時における時間変化を記憶する記憶部と、を備え、前記制御部は、前記直流電源が起動するたびに、前記コンデンサ電圧の時間変化を取得し、該時間変化と前記記憶部に記憶されている時間変化とに基づいて、前記監視対象コンデンサの交換の要否を判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電子機器が備えるコンデンサの状態を、手間をかけずに随時判定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態に係るコンデンサ状態判定装置の構成例を示す概略図である。
【図２】図１に示すコンデンサに印加される電圧の時間変化を示す図である。
【図３】本実施形態の変形例に係る計時回路の電気的な構成例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係るコンデンサ状態判定装置１の構成例を示す概略図である。図１に示す例では、コンデンサ状態判定装置１は、電源回路２及び監視部３を備える。
【００１７】
電源回路２は、等価回路として、直流電源２１、インダクタ２２、回路抵抗２３、コンデンサ２４、及び負荷２５を備える。
【００１８】
直流電源２１は、電源回路２を構成する各種素子に直流の電力を出力する。
【００１９】
インダクタ２２は、直流電源２１に直列に接続される。
【００２０】
回路抵抗２３は、直流電源２１及びインダクタ２２に直列に接続される。
【００２１】
コンデンサ２４は、直流電源２１に並列に接続される。また、コンデンサ２４は、監視対象コンデンサ２４１及び非監視対象コンデンサ２４２から構成されるコンデンサ群である。監視対象コンデンサ２４１及び非監視対象コンデンサ２４２は互いに並列に接続される。監視対象コンデンサ２４１は、電源回路２を構成する他の素子より寿命が短く、そのため、交換時期を判定する対象となる、電子機器内に備えられている１つ以上のコンデンサを等価的にひとつのコンデンサとして表したものである。図１において、監視対象コンデンサ２４１は、１つのコンデンサとして表されているが、複数のコンデンサが並列又は直列に接続されたものであってもよい。監視対象コンデンサ２４１を構成する１つ以上のコンデンサは、例えば、アルミ電解コンデンサであるが、交換時期を判定する必要のある任意のコンデンサであってよい。
【００２２】
負荷２５は、直流電源２１から出力され、上述のインダクタ２２、回路抵抗２３、及びコンデンサ２４を介して供給された電力を消費することによって動作する。
【００２３】
監視部３は、ＡＤ（Analog-to-Digital）変換部３１、制御部３２、及び記憶部３３を備える。
【００２４】
ＡＤ変換部３１は、コンデンサ２４の両端の電圧であるコンデンサ電圧Ｖｃを表すアナログの電気信号を電源回路２から取得してデジタルの電気信号に変換する。
【００２５】
制御部３２は、特定のプログラムを読出すことにより特定の機能を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサである。本実施形態では、制御部３２は、ＡＤ変換部３１によって変換された電気信号が表すコンデンサ電圧Ｖｃに基づいて、監視対象コンデンサ２４１について交換の要否を判定する。
【００２６】
制御部３２は、直流電源２１に並列に接続された、１つ以上の監視対象コンデンサ２４１を含むコンデンサ群を等価的に表したコンデンサ２４の両端の電圧であるコンデンサ電圧Ｖｃの、直流電源２１が起動してからの時間変化を取得する。具体的には、図２に示すように、ＡＤ変換部３１によって変換されたデジタルの電気信号に基づいて、コンデンサ電圧Ｖｃが、時刻Ｔｓで電源電圧Ｖｓの定常状態となるまでの、コンデンサ電圧Ｖｃの時間変化を取得する。
【００２７】
さらに具体的には、制御部３２は、図２に示すような、コンデンサ電圧Ｖｃの時間変化について、コンデンサ電圧Ｖｃが第１の基準電圧Ｖαに到達した時刻Ｔαと、第１の基準電圧Ｖαより高い第２の基準電圧Ｖβに到達するまでの時刻Ｔβとの差Ｔβ―Ｔαを変化時間ΔＴとして算出する。ここで、第１の基準電圧Ｖαは、直流電源２１の電源電圧Ｖｓの２０％〜６０％であることが好ましい。また、第２の基準電圧Ｖβは、直流電源２１の電源電圧Ｖｓの６０％〜８０％であることが好ましい。
【００２８】
一般に、直流電源２１が起動してから、コンデンサ電圧Ｖｃが電源電圧Ｖｓで定常状態になるまでの時間は、コンデンサ２４の静電容量が大きいほど長いことが知られている。また、上述のとおり、コンデンサ電圧Ｖｃは、監視対象コンデンサ２４１と非監視対象コンデンサ２４２との並列接続により構成されるコンデンサ２４の電圧であるため、監視対象コンデンサ２４１と非監視対象コンデンサ２４２との両方の特性に影響される。しかし、監視対象コンデンサ２４１は、非監視対象コンデンサ２４２に比べて大きい静電容量を有するため、コンデンサ電圧Ｖｃへの影響の大半、具体的には電気回路の構成にもよるが約８〜９割程度は、監視対象コンデンサ２４１の特性によるものである。したがって、本実施形態では、制御部３２は、直流電源２１が起動してからのコンデンサ電圧Ｖｃの時間変化に基づいて監視対象コンデンサ２４１の交換の要否を判定する。
【００２９】
そこで、制御部３２は、直流電源２１が起動するたびに、コンデンサ電圧Ｖｃの時間変化を取得し、該時間変化と、記憶部３３に記憶されている時間変化とに基づいて、監視対象コンデンサ２４１の交換の要否を判定する。
【００３０】
具体的には、制御部３２は、時間変化として上述のように算出した変化時間ΔＴと、記憶部３３に記憶されている新製時変化時間ΔＴ’とに基づいて、監視対象コンデンサ２４１について交換の要否を判定する。新製時変化時間ΔＴ’とは、新製時に制御部３２によって上述のように算出されたコンデンサ電圧Ｖｃの変化時間である。新製時とは、電源回路２が新たに製造された監視対象コンデンサ２４１を用いて製造されてから初めて電源回路２が動作したとき、電源回路２が備える監視対象コンデンサ２４１が新たに製造された監視対象コンデンサ２４１に交換されてから初めて電源回路２が動作したとき等を表す。
【００３１】
具体的には、制御部３２は、変化時間ΔＴが、新製時変化時間ΔＴ’に０より大きく１より小さい所定の係数を乗じた値未満であるか否かを判定する。そして、制御部３２は、変化時間ΔＴが新製時変化時間ΔＴ’に所定の係数を乗じた値未満である場合に、監視対象コンデンサ２４１は交換の必要があると判定する。また、制御部３２は、変化時間ΔＴが新製時変化時間ΔＴ’に所定の係数を乗じた値以上である場合に、監視対象コンデンサ２４１は交換の必要がないと判定する。
【００３２】
また、制御部３２は、変化時間ΔＴと新製時変化時間ΔＴ’との差が所定の閾値以上であるか否かを判定してもよい。このとき、制御部３２は、変化時間ΔＴと新製時変化時間ΔＴ’との差が所定の閾値以上である場合、監視対象コンデンサ２４１は交換の必要があると判定する。制御部３２は、変化時間ΔＴと新製時変化時間ΔＴ’との差が所定の閾値未満である場合、監視対象コンデンサ２４１は交換の必要がないと判定する。
【００３３】
なお、制御部３２は、変化時間ΔＴと新製時変化時間ΔＴ’とに基づいて、監視対象コンデンサ２４１についての交換の要否を判定する方法はこれらの方法に限られず、任意の方法を用いて判定をしてもよい。
【００３４】
なお、電源回路２は、インダクタ２２を備えるため、コンデンサ電圧Ｖｃが電源電圧Ｖｓに到達した後、アンダーシュートを発生することがある。このとき、いったん上昇したコンデンサ電圧Ｖｃが下降し、第１の基準電圧Ｖαを下回り、ふたたび上昇して第２の基準電圧Ｖβに到達すると、制御部３２は、直流電源２１の起動からコンデンサ２４が定常状態に至るまでに変化時間ΔＴを複数回、測定することになる。この場合、いずれの変化時間ΔＴを新製時変化時間ΔＴ’と比較するかによって、判定結果が異なり、コンデンサ２４についての交換の要否を正確に判定することができないことが懸念される。しかし、本実施形態においては、インダクタ２２のインダクタンスは、数十（ｎＨ）から数百（ｎＨ）とするため、アンダーシュートによって生じる、コンデンサ電圧Ｖｃの降下は微小であり、第１の基準電圧Ｖαを下回ることはなく、このような問題は生じない。
【００３５】
また、監視部３は、ＡＤ変換部３１及び制御部３２を動作させるための、不図示の監視用電源を備える。監視用電源は、監視部３が、電源回路２の直流電源２１が起動してからのコンデンサ２４の電圧を測定することができるよう、直流電源２１が起動する前に起動する。
【００３６】
記憶部３３は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリである。記憶部３３は、直流電源２１に並列に接続されたコンデンサ電圧Ｖｃの、新製時における、直流電源２１が起動してからの時間変化を記憶する。具体的には、制御部３２は、監視対象コンデンサ２４１の新製時に、制御部３２によって測定された変化時間ΔＴを新製時変化時間ΔＴ’として記憶する。
【００３７】
以上のように、本実施形態によれば、所定の点検時期にではなく、直流電源２１が起動するたびに、コンデンサ電圧Ｖｃの時間変化を取得して、該時間変化と、記憶部３３に記憶されている時間変化とに基づいて、コンデンサ２４の交換の要否を判定するため、適切な時期にコンデンサ２４の交換をすることができる。このため、劣化した状態のコンデンサ２４を使用し続けたり、まだ劣化していない状態のコンデンサ２４を早期に交換する無駄が発生したりするのを防ぐことができる。
【００３８】
なお、本実施形態によれば、制御部３２が、ＡＤ変換部３１によって変換されたデジタル電気信号が表すコンデンサ電圧Ｖｃの時間変化に基づいて、変化時間ΔＴを算出したが、例えば、監視部３はＡＤ変換部３１及び制御部３２の代わりに、図３に示すような比較回路３４を備えてもよい。
【００３９】
この場合、比較回路３４は、第１の比較器３４１、第２の比較器３４２、時間計測カウンタ３４３、及び第３の比較器３４４を備える。
【００４０】
第１の比較器３４１には、電源回路２から出力されたコンデンサ電圧Ｖｃが入力される。また、第１の比較器３４１には、第１の基準電圧Ｖαが入力される。そして、第１の比較器３４１は、コンデンサ電圧Ｖｃが第１の基準電圧Ｖα以上となると、時間計測カウンタ３４３に時間の計測を開始させるための開始信号を出力する。
【００４１】
第２の比較器３４２には、電源回路２からの出力されたコンデンサ電圧Ｖｃが入力される。また、第２の比較器３４２には、第２の基準電圧Ｖβが入力される。そして、第２の比較器３４２は、コンデンサ電圧Ｖｃが第２の基準電圧Ｖβ以上となると、時間計測カウンタ３４３に時間の計測を停止させるための停止信号を出力する。
【００４２】
時間計測カウンタ３４３は、第１の比較器３４１から出力された開始信号が入力されると時間の計測を開始する。また、時間計測カウンタ３４３は、第２の比較器３４２から出力された停止信号が入力されると時間の計測を停止する。そして、時間計測カウンタ３４３は、時間の計測を開始してから停止するまでの時間を変化時間ΔＴとして出力する。
【００４３】
第３の比較器３４４には、時間計測カウンタ３４３から出力された変化時間ΔＴが入力される。また、第３の比較器３４４には、記憶部３３から読み出された新製時変化時間ΔＴ’が入力される。そして、第３の比較器３４４は、変化時間ΔＴと新製時変化時間ΔＴ’とを比較して、監視対象コンデンサ２４１の交換の要否を表す判定結果を出力する。ここで、第３の比較器３４４は、変化時間ΔＴが新製時変化時間ΔＴ’に０より大きく１より小さい所定の係数を乗じた値未満である場合に、監視対象コンデンサ２４１は交換の必要があるという判定結果を出力する。また、第３の比較器３４４は、変化時間ΔＴが新製時変化時間ΔＴ’に、０より大きく１より小さい所定の係数を乗じた値以上である場合に、監視対象コンデンサ２４１は交換の必要がないという判定結果を出力する。
【００４４】
また、第３の比較器３４４は、変化時間ΔＴと新製時変化時間ΔＴ’との差が所定の閾値以上である場合、監視対象コンデンサ２４１は交換の必要があるという判定結果を出力してもよい。この場合、第３の比較器３４４は、変化時間ΔＴと新製時変化時間ΔＴ’との差が所定の閾値未満である場合、監視対象コンデンサ２４１は交換の必要がないという判定結果を出力する。
【００４５】
このように、制御部３２の代わりに比較回路３４が監視対象コンデンサ２４１の交換の要否を判定することによって、コンデンサ状態判定装置１は制御部３２を構成するＣＰＵを有する必要がなくなる。一般に、ＣＰＵの消費電力は大きいため、コンデンサ状態判定装置１がＣＰＵを有さないことによって消費電力を節減することが可能となる。
【００４６】
また、本実施形態においては、制御部３２は直流電源２１が最後に停止した停止時刻を取得し、記憶部３３が制御部３２によって取得された停止時刻を記憶してもよい。そして、制御部３２は、直流電源２１が起動した時刻が、停止時刻から所定の時間以上経過した場合に、監視対象コンデンサ２４１の交換の要否を判定する。この場合、直流電源２１が起動した時刻が、停止時刻から所定の時間以上経過していない場合に、監視対象コンデンサ２４１の交換の要否を判定しない。
【００４７】
直流電源２１が停止してからコンデンサ２４は放電を開始し、所定の時間が経過するとコンデンサ電圧Ｖｃは十分に低くなる。しかし、コンデンサ電圧Ｖｃが十分に低くなる前に、直流電源２１が再び起動すると、監視対象コンデンサ２４１が劣化していなくても上述の変化時間ΔＴは小さい値となる。そのため、監視対象コンデンサ２４１の状態、すなわち、交換の要否を正確に判定することができない。したがって、このような状態では、制御部３２は、監視対象コンデンサ２４１の交換の要否を判定する処理を行わないとすることによって、誤判定を防ぐことが可能となる。
【００４８】
本発明を図面及び実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各ブロック、に含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数のブロックを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
コンデンサの劣化または充電状態を監視する用途に適用できる。
【符号の説明】
【００５０】
１      コンデンサ状態判定装置
２      電源回路
３      監視部
２１    直流電源
２２    インダクタ
２３    回路抵抗
２４    コンデンサ
２５    負荷
３１    ＡＤ変換部
３２    制御部
３３    記憶部
３４    比較回路
２４１  監視対象コンデンサ
２４２  非監視対象コンデンサ
３４１  第１の比較器
３４２  第２の比較器
３４３  時間計測カウンタ
３４４  第３の比較器
【図１】
2018004523.tif 000003
【図２】
2018004523.tif 000004
【図３】
2018004523.tif 000005