(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主開閉器を介して得られる直流を交流に変換するインバータと、このインバータの直流入力側に接続されるコンデンサと、このコンデンサの静電容量が適正であるか否かをチェックする静電容量チェック回路と、この静電容量チェック回路によるチェック動作を、所定時刻の経過の後に最初に前記主開閉器に閉路指令または開路指令が与えられて前記コンデンサに電圧を印加もしくは無電圧とするときに行わせるチェック動作回路と、前記静電容量チェック回路のチェック結果を所定回数分蓄積するデータ蓄積回路と、前記蓄積されたデータに基づいて前記コンデンサの静電容量の良否を判定する論理回路とを備えたことを特徴とするコンデンサの良否判定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のコンデンサの良否判定装置において、
前記静電容量チェック回路は、前記コンデンサに電圧を印加してからコンデンサ電圧が第１設定値に達した時点を基点にしてこの第１設定値の上側に定めた第２設定値に達するまでの時間を計測する充電時間計測回路と、この充電時間を所定時間と比較して正常か不良かを判断する比較回路とを備えたことを特徴とするコンデンサの良否判定装置。
【請求項３】
請求項１に記載のコンデンサの良否判定装置において、
前記静電容量チェック回路は、前記コンデンサに電圧を印加してからコンデンサ電圧が第１設定値に達した時点から予め定めた時間を経過したときの前記コンデンサの電圧を計測する充電電圧計測回路と、この充電電圧を所定電圧と比較して正常か不良かを判断する比較回路とを備えたことを特徴とするコンデンサの良否判定装置。
【請求項４】
請求項１に記載のコンデンサの良否判定装置において、
前記静電容量チェック回路は、前記コンデンサを無電圧にする際に当該コンデンサに放電回路を並列に接続し、コンデンサ電圧が第３設定値に低下した時点を基点にしてこの第３設定値の下側に定めた第４設定値に達するまでの時間を計測する放電時間計測回路と、この放電時間を所定時間と比較して正常か不良かを判断する比較回路とを備えたことを特徴とするコンデンサの良否判定装置。
【請求項５】
請求項１に記載のコンデンサの良否判定装置において、
前記静電容量チェック回路は、前記コンデンサを無電圧にする際に当該コンデンサに放電回路を並列に接続し、コンデンサ電圧が第３設定値に低下した時点から予め定めた時間を経過したときの前記コンデンサの電圧を計測する放電電圧計測回路と、この放電電圧を所定電圧と比較して正常か不良かを判断する比較回路とを備えたことを特徴とするコンデンサの良否判定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、コンデンサの静電容量測定を所定時間範囲ごとに行って得られる正常か否かの判断データを多数集め、論理演算で良否を判定するコンデンサの良否判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流を交流に変換するインバータを使用すれば、誘導電動機の可変速運転が簡単に行えるので、産業用（例えば長尺材の搬送や巻取り），民生用（例えば空調機器のコンプレッサ駆動用），交通機関（例えば電気車）などの各分野で多数が使用されている。インバータの主回路や制御回路には、いろいろな品種で静電容量も異なる多数のコンデンサが使用されているが、インバータの直流入力側に接続するフィルタ用のコンデンサには、特に大きな静電容量が要求される。そこでこの大静電容量に対応することができる電解コンデンサ，またはフィルムコンデンサを採用するのが一般的である。そこで以下では、電気車に搭載するインバータの直流入力側にフィルタ用として設置するコンデンサを例にして本発明の詳細を説明する。
【０００３】
図８はインバータを搭載した電気車の主回路構成の従来例を示した主回路接続図である。この図８において、架線１２からの直流電力はパンタグラフ１で車内へ取り込まれ、主開閉器２，充電抵抗器３，リアクトル５を経て電力変換装置であるインバータ７へ与えられ、このインバータ７が直流電力を所望の電圧と周波数の交流電力に変換するので、この交流電力で車輪９を結合している誘導電動機８を可変速運転させる。よって当該電気車を所望の速度で走行させることができる。インバータ７へ入力した直流電力は、車輪９を介してレール１３へ放流される。
【０００４】
インバータ７の直流入力側には、前述した大静電容量のコンデンサ６が並列に接続されており、このコンデンサ６とリアクトル５とで構成するローパスフィルタは、インバータ７がスイッチング動作することによって発生する高調波電流を低減している。なお符号１０は車両へ入力する架線１２の電圧を検出する電圧検出器であり、符号１１はインバータ７のコンデンサ電圧を検出する電圧検出器である。またインバータ７を始動する際に、インバータ７には大きな充電電流が突入するのを充電抵抗器３で抑制するのであるが、この充電電流が充分に減少するタイミングで短絡開閉器４を閉路して充電抵抗器３を短絡することで、定常運転状態となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
コンデンサの静電容量が低下しているのを放置したままだと、入力フィルタの高調波の遮断特性が低下し、高調波電流のレール１３への流出量が増加する。レール１３には信号用電流が流れており、この高調波電流の流出量の増加は軌道回路を誤動作させる可能性があり、電気車の運用を阻害する恐れを有する。そこでコンデンサの劣化を、そのコンデンサの静電容量の変化から検出するのであるが、図８の従来例回路に図示しているように、コンデンサ６は回路に組み込まれているので、このコンデンサを回路から取り外して静電容量を測定するには手間がかかる。一方、静電容量の変化は１年間でいくらという程度の比較的小さい値である。それ故、数年毎に行う電気車の定期検査の際に静電容量を測定し、減少の程度が大であれば交換するか、またはコンデンサ寿命より短く設定した使用時間が経過すれば、静電容量の変化には無関係に新品に交換するなどが従来から行われていた対策であった。
【０００６】
しかし前述の対策では、コンデンサの静電容量が急激に減少するなどの不測の事態に対応することができない。しかしながら静電容量の測定間隔を短くしようとすると、その都度回路からコンデンサを外さなければならないので、手間がかかるし電気車の運転休止回数が多くなり、車両の運用に支障を来す不具合があった。また頻繁な測定が困難であることから、一回の測定で良否を判定することになる。ところが、たまたま検査時の成績が悪かった場合には、未だ使用が可能であるにもかかわらず高価なコンデンサを新品に交換してしまうような損失を生じるなど、一回だけの測定では判断ミスを発生する恐れもあった。
【０００７】
そこでこの発明の目的は、コンデンサの静電容量のチェックを日常的に且つ自動的に行うことでコンデンサの劣化検出を容易にして、装置の安全性を向上させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明のコンデンサの良否判定装置は、主開閉器を介して得られる直流を交流に変換するインバータと、このインバータの直流入力側に接続されるコンデンサと、このコンデンサの静電容量が適正であるか否かをチェックする静電容量チェック回路と、この静電容量チェック回路によるチェック動作を、所定時刻の経過の後に最初に前記主開閉器に閉路指令または開路指令が与えられて前記コンデンサに電圧を印加もしくは無電圧とするときに行わせるチェック動作回路と、前記静電容量チェック回路のチェック結果を所定回数分蓄積するデータ蓄積回路と、前記蓄積されたデータに基づいて前記コンデンサの静電容量の良否を判定する論理回路とを備えるものとする。
【０００９】
前記静電容量チェック回路は、電圧を印加したときのコンデンサ電圧が第１設定値から第２設定値に上昇するまでの時間か、第１設定値から所定時間経過後に上昇した電圧値で正常か不良かを判断する。
前記静電容量チェック回路は、コンデンサを無電圧にする際に当該コンデンサに放電回路を並列に接続し、コンデンサ電圧が第３設定値から第４設定値に下降するまでの時間か、第３設定値から所定時間経過後に下降した電圧値で正常か不良かを判断するものとする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施例を表したブロック回路図である。この第１実施例回路において、コンデンサが正常か不良かの判断を、規定時間が経過するごとに行うのであるが、時計ＩＣ２１がこの規定時間データを出力する。例えば規定時間が１２時間ならば日付けと午前のデータ，または日付けと午後のデータを時計ＩＣ２１が出力するし、規定時間が２４時間ならば日付けデータを時計ＩＣ２１が出力する。以下では時計ＩＣ２１が２４時間ごとの日付けデータを出力する場合について説明する。
【００１１】
バックアップメモリ２２は時計ＩＣ２１が出力するデータを保存するから、比較器２３は、時計ＩＣ２１の出力とバックアップメモリ２２の保存データとを比較して、日付けに変化が生じたことを検出すれば、Ａなる日付け更新フラグをセットし保持する。この日付け更新フラグＡのセットにより、時計ＩＣ２１の日付けデータをバックアップメモリ２２へ転送して日付けデータを一致させることで、次に日付けが変化するまでは新たなフラグがセットされるのを禁止する。
【００１２】
バッファセット許可信号作成回路２４へは、前述した日付け更新フラグＡが入力するが、更にＤなる主開閉器２（図８参照）の閉路指令と、Ｅなるコンデンサ電圧が当該コンデンサの充電開始電圧である第１設定値以下という条件とを入力する。そこでこれらＡ，ＤおよびＥをチェックしてすべてが満足したときにバッファセット許可信号作成回路２４はＢなるバッファセット許可信号をセットし保持する。
【００１３】
判定結果出力回路２５へは前記バッファセット許可信号Ｂを入力させるが、別途にコンデンサの静電容量をチェックして正常か不良かを判定する静電容量判定結果Ｆ（判定結果が良のとき論理零信号で不良のとき論理１信号）がこの判定結果出力回路２５へ入力された時点で、バッファセット許可信号Ｂがセットされていた場合は、当該判定結果設定回路２５は前述の静電容量判定結果Ｆをバッファ２６へ出力すると共に、バッファセット信号Ｃによって比較器２３とバッファセット許可信号作成回路２４の日付け更新フラグＡおよびバッファセット許可信号Ｂの保持を止める。これにより、バッファ２６には日付けの更新があったときの１回のみのデータが設定される。
【００１４】
バッファ２６の出力信号（図１では１０回分のデータであるが、適宜の数に変更できる）を論理回路２７へ与えるが、この論理回路２７は図１では論理積演算回路であるから、すべてのデータが論理１信号（すなわち不良）のときにアラーム信号Ｇが出力される。なお論理回路２７を論理和演算回路で構成するならば、不良データ（すなわち論理１信号）が１つでもあればアラーム信号Ｇを出力する。あるいは１０のデータの中の所望数が不良データのときにアラーム信号Ｇを出力するように論理回路２７を構成することもできる。
【００１５】
なお、図１の第１実施例は、コンデンサに電圧を印加したときの充電電圧の変化からコンデンサの正常か不良かを判定する場合に適用できる構成であるが、バッファセット許可信号作成回路２４へ入力する主開閉器２閉路指令Ｄを開路指令に変更し、コンデンサ電圧第１設定値以下Ｅを第３設定値以上に変更すれば、コンデンサの電源を遮断したときの放電電圧の変化からコンデンサの正常か不良かを判定する場合に適用できるが、以下の説明は第１実施例における静電容量判定結果Ｆの作成方法について述べる。
【００１６】
図２は本発明の第２実施例を表した主回路接続図、図３は図２に図示の第２実施例回路の動作原理を表したグラフである。なお、図２の第２実施例回路は、図８で既述の従来例回路に静電容量チェック回路３１と主開閉器動作指令回路３２とを付加した構成であり、これ以外の部分は図８の従来例回路と同じであるから、同じ部分の説明は省略する。以下ではこれらの図２，図３で本発明の第２実施例を説明する。
【００１７】
静電容量のチェックにあたっては、電気車運転台からの運転指令に基づいて、主開閉器動作指令回路３２が先ず主開閉器２に閉路指令を与え、静電容量チェック回路３１へはチェック動作の開始を指令する。主開閉器２の閉路によりコンデンサ６に電源電圧が印加されるが、このときコンデンサ電圧が第１設定値ＶC1より低いことを電圧検出器１１で検出するが、第１設定値ＶC1よりも電圧が高ければチェック動作は行わない。静電容量チェック回路３１はコンデンサ電圧が第１設定値ＶC1に達した時点から、これよりも高い第２設定値ＶC2に上昇するまでの時間を計測する。
【００１８】
図３のグラフの横軸は時間，縦軸はコンデンサ電圧を表している。コンデンサの静電容量をＣ（単位：ファラッド），回路の抵抗値をＲ（単位：オーム）とすると、回路の時定数τ（単位：秒）は、τ＝Ｃ・Ｒ  で表せるのは周知である。回路抵抗値Ｒは不変であるから、コンデンサが劣化して静電容量Ｃが減少すれば時定数τも小さくなり、電圧変化曲線は正常時のＰ1 からＰ2 へ変化する。それ故、コンデンサ電圧が第１設定値ＶC1から第２設定値ＶC2に達するまでの時間が、正常時のｔ1 よりも短いｔ2 となる。内蔵している比較器はこの時間ｔ2 と予め定めた時間とを比較して、当該コンデンサが正常か不良かを判定する。なお、Ｖ0 は電源電圧である。
【００１９】
図４は図２に図示の回路構成で本発明の第３実施例の動作原理を表したグラフであって、横軸は時間，縦軸はコンデンサ電圧を表している。この第３実施例では、コンデンサ電圧が第１設定値ＶC1に達した時点から予め定めた時間ｔを経過した時点でのコンデンサ電圧を検出するが、前述と同様に静電容量が減少して時定数が小さくなると、コンデンサ電圧の変化曲線は、図３と同様に正常時のＰ1 からＰ2 へ変化する。よってｔなる一定時間経過後のコンデンサ電圧は、正常時の値ＶC21 よりも高い電圧ＶC22 となる。この電圧を静電容量チェック回路３１に内蔵している比較器でチェックすることで、コンデンサが正常か不良かを判定する。
【００２０】
図２の回路を使用する本発明の第２実施例と第３実施例では、静電容量をチェックするべくコンデンサ６を充電中に、例えば他の電気車が力行運転や回生運転をするなどのために架線１２の電圧が変動すると、正確な静電容量を計測できないので、測定中に架線電圧が変動した場合は測定を実施せず、架線電圧の変動の影響を無くす考慮を払う必要がある。
【００２１】
図５は本発明の第４実施例を表した主回路接続図、図６は図５に図示の第４実施例回路の動作原理を表したグラフである。なお、図５の第４実施例回路は、図８で既述の従来例回路に、静電容量チェック回路４１，主開閉器動作指令回路４２，放電開閉器４３と放電抵抗器４４でなる放電回路を付加した構成であり、これ以外の部分は図８の従来例回路と同じであるから、同じ部分の説明は省略する。以下ではこれらの図５，図６で本発明の第４実施例を説明する。
【００２２】
静電容量のチェックにあたっては、コンデンサの放電条件が整ったことで主開閉器動作指令回路４２が、それまで閉路していた主開閉器２に開路指令を与えるのと同時に、放電開閉器４３に閉路指令を与えて、コンデンサ６の電荷を放電させるための放電回路を形成させる。あるいは、任意に設けた静電容量のチェック指令を主開閉器動作指令回路４２に与えて放電回路を形成させる。なお従来から別の放電回路が設備されている場合は、別の放電回路は作動させないでおく。また静電容量チェック回路４１へはチェック動作の開始指令を与える。
【００２３】
主開閉器２の開路と放電回路の形成によりコンデンサ６の電圧は下降を開始するが、このときコンデンサ電圧が電源電圧よりも少し低く設定している第３設定値ＶC3まで下降したことを電圧検出器１１で検出するが、チェック動作開始指令発令時にコンデンサ電圧が既にこの第３設定値ＶC3を下回っていれば、チェック動作は行わない。静電容量チェック回路４１は、コンデンサ電圧が第３設定値ＶC3まで下降した時点から、これよりも低い第４設定値ＶC4に下降するまでの時間を計測する。
【００２４】
図６のグラフの横軸は時間，縦軸はコンデンサ電圧を表している。放電抵抗器４４の抵抗値は一定であるから、コンデンサの劣化により静電容量Ｃが減少すれば時定数τも小さくなって、電圧変化曲線は正常時のＱ1 からＱ2 へ変化する。それ故、コンデンサ電圧が第３設定値ＶC3から第４設定値ＶC4に達するまでの時間が、正常時のｔ3 よりも短いｔ4 となる。この時間ｔ4 と予め定めた時間とを内蔵している比較器により比較して、当該コンデンサが正常であるか否かを判定する。
【００２５】
図７は図５に図示の回路構成で本発明の第５実施例の動作原理を表したグラフであって、横軸は時間，縦軸はコンデンサ電圧を表している。この第５実施例では、コンデンサ電圧が第３設定値ＶC3に達した時点から予め定めた時間ｔを経過した後のコンデンサ電圧を検出するが、前述と同様に静電容量が減少して時定数が小さくなると、コンデンサ電圧の変化曲線は、図６と同様に従来のＱ1 からＱ2 へ変化し、一定時間経過後のコンデンサ電圧は正常時の値Ｖ41よりも低い電圧Ｖ42となる。この電圧を静電容量チェック回路４１に内蔵している比較器でチェックすることで、コンデンサが正常か不良かを判定する。
【００２６】
図５の回路を使用する本発明の第４実施例と第５実施例では、静電容量をコンデンサ６の放電中にチェックするから、充電中の計測とは異なって架線電圧変動の影響を受けない利点がある。
【００２７】
【発明の効果】
電気車用の電力変換装置を例にするならば、これの電力変換装置の入力側に設置しているコンデンサは高耐圧であり大静電容量であることから、電解コンデンサあるいはフィルムコンデンサを使用することが多い。電解コンデンサの場合は電解液が封口部から拡散することで静電容量の減少を招く恐れがあるし、フィルムコンデンサの場合は誘電体の劣化により静電容量が減少する恐れがある。コンデンサ静電容量の低下が入力側ローパスフィルタの遮断特性を変化させるから、軌道回路に高調波電流が流れて電気車の運行に支障を生じるなど、大きな被害に発展する恐れもある。そこで日常的に静電容量をチェックするのが望ましいが、多大の手間と労力が必要であり、チェック期間中は電気車の運用ができなくなる不都合を生じてしまう。
【００２８】
これに対して本発明では、コンデンサが設置されたままの状態の電力変換装置を起動したときが停止したときに、コンデンサ充電電圧，あるいはコンデンサ放電電圧の変化から当該コンデンサの静電容量の低下を検出することができるので、日常の運用のなかで装置を停止させずに、自動的に静電容量のチェックが行える効果が得られる。更に、このようなチェックを予め定めた時間間隔ごとに行って得られる多数のデータを論理演算により処理することで、良品を不良品と誤認したり、不良品を良品と誤認するような不都合を回避できる効果も得られる。また、電気車のように運転時間と休止時間とが交互に存在する装置は、所定の時間間隔ごとにコンデンサの充電と放電が行われるから、充放電の際に静電容量をチェックする本発明は、電気車用電力変換装置のコンデンサをチェックするのに最適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を表したブロック回路図
【図２】本発明の第２実施例を表した主回路接続図
【図３】図２に図示の第２実施例回路の動作原理を表したグラフ
【図４】図２に図示の回路構成で本発明の第３実施例の動作原理を表したグラフ
【図５】本発明の第４実施例を表した主回路接続図
【図６】図５に図示の第４実施例回路の動作原理を表したグラフ
【図７】図５に図示の回路構成で本発明の第５実施例の動作原理を表したグラフ
【図８】インバータを搭載した電気車の主回路構成の従来例を示した主回路接続図
【符号の説明】
２        主開閉器
５        リアクトル
６        コンデンサ
７        インバータ
８        誘導電動機
１０，１１  電圧検出器
２１        時計ＩＣ
２２        バックアップメモリ
２３        比較器
２４        バッファセット許可信号作成回路
２５        判定結果出力回路
２６        バッファ
２７        論理回路
３１，４１  静電容量チェック回路
３２，４２  主開閉器動作指令回路
４３        放電開閉器
４４        放電抵抗器
Ａ        日付け更新フラグ
Ｂ        バッファセット許可信号
Ｃ        バッファセット信号
Ｄ        主開閉器２閉路指令
Ｅ        コンデンサ電圧第１設定値以下
Ｆ        静電容量判定結果
Ｇ        アラーム信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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