JP2009281985A - 電源監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】寿命診断機能を装置内部に備えて、自己の有寿命品の寿命を確実に精度良くとらえ、また、平均温度からの予測寿命だけでなく、温度単体の監視も行って、その温度の異常上昇から装置の異常を検出する、異常診断機能も備える電源監視装置を提供する。
【解決手段】平滑コンデンサ１１４を内蔵したＡＣ／ＤＣコンバータ１１２を有した電源監視装置１０１において、平滑コンデンサ１１４の表面温度と装置周囲温度（盤内温度）を検出するセンサ１３０，１３１を備え、センサからの温度アナログ量を、アナログ／デジタル変換部１１５を介してマイクロコンピュータのような演算部１２１に取り込み、演算部１２１にて異常及び寿命について自己診断を行い、その結果が規定以上になった場合に、エラー表示または警報出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧、電流等を計測することにより電源装置を監視する電源監視装置に関する。

集合住宅を含む住宅用あるいは工場用のトランスなどの電源装置を監視する電源監視装置（以下、この欄において「装置」と略す。）においては、その制御電源をＡＣ電源から供給するためにＡＣ／ＤＣコンバータが用いられている。当該ＡＣ／ＤＣコンバータに内蔵される平滑コンデンサは、中に封入されているアルミ電解液が稼働時間の経過とともに乾燥するなどに起因して平滑機能が次第に失われていくという実情があるため、有寿命品として扱われている。一般には、この平滑コンデンサの寿命が装置の寿命を定めている。そして、その予想寿命はアレニウスの法則により定義される演算式（１）を実行して算出可能である。
Ｌ２＝Ｌ１＊２^{（Ｔ１−ΔＴ−Ｔ２）／１０} ・・・（１）
ここで、式中の記号は、次のように定義されている。
Ｌ２：実使用上の予想寿命［時間］ （日稼動時間：２４時間）
Ｌ１：最高使用温度（Ｔ１）におけるメーカ保証時間（例：１００００時間）
Ｔ１：有寿命品の最高使用温度 （例：メーカ保証，１０５度）
ΔＴ：コンデンサ表面温度上昇値（実測値） （例：開発時の実測値，３０度）
Ｔ２：有寿命品部位における周囲温度 （例：盤内温度，３５度）

装置の寿命は平滑コンデンサの寿命に依存しており、平滑コンデンサの寿命は使用温度環境に大きく依存している。アレニウスの演算式（１）からも解るように、平滑コンデンサの寿命は過去にどのような変遷をした温度環境で使用されてきたかで定まっていると言っても過言ではない。装置の仕様としての寿命は、開発当初の各種実測値と平滑コンデンサのメーカ保証値とから、アレニウスの法則により定義される上記の演算式（１）を用いて算出される。その寿命年数を参考に装置の交換時期が定められているが、使用環境により装置の実寿命は大きく変動する。

従って、現状は、交換時期をユーザに委ねている場合が多く、計測・表示・通信・警報出力等の動作異常が生じた場合には、ユーザはメーカに問い合わせ、メーカは装置の寿命と判断すると装置の交換を要請し、ユーザはその要請に従って装置の交換を行う。しかし、そのような手順では、動作異常が生じてから実際の交換までの間、監視システムとして通常の監視機能が期待できないので、監視業務に支障をきたす。そのため、装置の異常・寿命予測する手段が従来から考えられてきた。

寿命到達時間を予測演算し、適正な交換時期に部品交換して交換頻度を減らす手段として、無停電電源装置等に組み込まれるファンや電解コンデンサ等の、有寿命品の温度を、センサを介して入手し温度積算値を求め、更にこの温度積算値を時計ＩＣから求めた装置の累計動作時間で割って、その有寿命品の動作開始以来の平均温度を求め、その平均温度から残余の寿命等を演算し、ＬＥＤに表示すると共にアラームを発する、寿命時間予測装置がある（特許文献１参照）。余寿命診断を行い保守員に予防保全のための情報提供を行う手段として、デジタル保護リレー等に使用される電解コンデンサ等の有寿命品の環境温度データを、通信ネットワークを介して入手・保存し、過去の温度履歴に基づきアレニウスの法則により定義される演算式を実行することによって、寿命診断を行う寿命診断装置（特許文献２参照）がある。

スイッチング電源において、その寿命に大きな影響を及ぼす平滑コンデンサの性能劣化を引き起こす電解コンデンサの発熱現象に着目して、電解コンデンサの表面温度とその周囲温度との比較を行って、当該温度差から電解コンデンサの性能劣化を判断したものが提案されている（特許文献３参照）。また、電源装置の使用周囲温度を計測するセンサと、このセンサの計測値に基づいて電源装置の使用周囲温度に応じて重みを付けた累積稼働時間をカウント・記録する累積稼働時間カウンタを備えており、このカウント値により電源装置の劣化と寿命を判別したものが提案されている（特許文献４参照）。

特許文献１及び特許文献２に開示のものは、有寿命品を備える装置の寿命診断を、別装置にて実施するものであり、寿命診断装置そのものにも有寿命品を備える場合に実現性がない。また、特許文献１は特に、有寿命品の動作開始以来の平均温度から残余の寿命等を演算するものであるが、平均温度から寿命を演算する具体的な演算について開示がなく、また、外部に設けられた寿命予測装置で残余の寿命を演算している。平均温度だけでは、寒暖の差が激しい地域等で短期的に発生した、高温度による寿命の低下を検出しにくく、演算した予測寿命より早く実寿命が来る恐れがある。

電源監視装置においては定期的な検査を行っているが、検査の結果に応じて装置の交換のために電源供給を停止するのは、社会的に影響が大きいのでいつでもできるというものではない。そこで、工場用の装置の場合では、寿命が近いと判断された装置については、夏期休業や冬季休業のような比較的長い時間、電源を使用しない休暇時期を狙って、装置の交換作業が計画・実施されている。
特開平５−２８１００１号公報 特開２００５−７７３６０号公報 実全平４−７３７９号公報 特開２００４−３２０８７０号公報

そこで、電源監視装置の異常や寿命について、外部装置に依存せずに、自ら判断し、寿命予測を正確に行う点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、自らの部品温度及び周囲温度を測定する回路及び演算部を備え、自己診断による異常・寿命予測を精度良く行い、外部に通知して交換を促すことを可能にして、システム全体の稼働率・信頼性が向上した電源監視装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明による電源監視装置は、平滑コンデンサを内蔵するＡＣ／ＤＣコンバータと、電源電圧、電源電流等の監視対象の入力を受けて電源監視のための演算を行うマイクロコンピュータ等の演算部を備えた電源監視装置であって、前記平滑コンデンサの表面温度と前記電源監視装置の周囲温度又はこれらの温度上昇に基づいた自身の異常の有無を、前記演算部において自己診断をすることを特徴としている。

また、この発明による電源監視装置は、平滑コンデンサを内蔵するＡＣ／ＤＣコンバータと、電源電圧、電源電流等の監視対象の入力を受けて電源監視のための演算を行うマイクロコンピュータ等の演算部を備えた電源監視装置であって、前記平滑コンデンサの表面温度と前記電源監視装置の周囲温度の温度積算値と累計動作時間に基づいた自身の寿命を、前記演算部において自己診断をすることを特徴としている。

この電源監視装置は、その時々の温度単体の監視を行って、その温度の異常上昇から装置の異常を検出する異常診断機能を備えている。また、この電源監視装置は、温度単体の監視だけでなく、自己装置の寿命について自己診断をする機能を内部に備えており、過去の動作期間における温度を積算した温度積算と当該累計動作時間とに基づいて、平均作動温度及び周囲温度からの平均温度上昇が求められるので、それらの温度情報に基づいて自己の有寿命品の寿命を確実に精度良く知ることができる。

本発明の電源監視装置によれば、寿命診断機能を電源装置内部に備えており、自己の有寿命品の寿命を確実に精度良く知り、また、平均温度からの予測寿命のみならず温度単体の監視も行って、温度の異常上昇から装置の異常を検出する異常診断部も備えることにより、信頼性の高い自己診断を行うことができる。そして、その自己診断結果を外部に通知して交換を促し、電源監視のシステム全体の稼働率・信頼性を上げることができる。

以下、図面に基づいて、本発明による電源監視装置の実施例について説明をする。
図１は本発明による電源監視装置を示した構成図であり、図１において１０１は電源監視装置（以下、実施例の説明において「装置」と略す）、１０２はＡＣ電源、１０３，１０４は電源端子、１０５はアナログ入力、１０６は電圧入力、１０７は電流入力、１０８は温度入力、１０９はアナログ出力、１１０は送受信信号、１１１は警報出力［計測値の異常］、１１２はＡＣ／ＤＣコンバータ、１１３はＤＣ／ＤＣコンバータ、１１４はＡＣ／ＤＣコンバータ内蔵の平滑コンデンサ、１１５は温度検出用アナログ／デジタル変換部、１１６はアナログ入力部、１１７は電圧入力部、１１８は設定部、１１９は電流入力部、１２０は計測用アナログ／デジタル変換部、１２１はマイクロコンピュータから成る演算部、１２２は記憶部、１２３は表示部、１２４は通信部、１２５温度入力部、１２６はアナログ出力部、１２７はデジタル／アナログ変換部、１２８はリレー出力部、１２９は警報出力［装置の異常］、１３０は平滑コンデンサ１１４の表面温度を検出する検出センサ（熱電対）、１３１は装置１０１の周囲温度（盤内温度）を検出する検出センサ（Ｐｔ１００）、を示したものである。

図１において、装置１０１は、ＡＣ電源１０２より電源端子１０３，１０４を介して制御電源を取り込み、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１２よりＤＣ電源を生成、更にＤＣ／ＤＣコンバータ１１３により内部回路駆動用電源を生成する。

受配電系統における複数の電圧１０６を電圧入力部１１７から取り込み、変流器（ＣＴ）からの二次電流１０７を電流入力部１１９から取り込み、計測用アナログ／デジタル変換部１２０にて、各種デジタル信号に変換する。また、アナログ入力１０５をアナログ入力部１１６から取り込み、トランス表面のアナログ値の温度のような温度入力１０８を温度入力部１２５から取り込み、同様に計測用アナログ／デジタル変換部１２０にて、各種デジタル信号に変換する構成を備える場合もある。

その各種デジタル信号から、演算部１２１にて電圧・電流及び電力・電力量等の各種計測値を算出する。また、圧力・濃度・温度等の各種アナログ量を算出することも可能である。

装置１０１は、また、算出した各種計測値を表示するための表示部１２３と、送受信信号１１０に変換して上位装置と送受信する通信部１２４と、計測及び監視条件を設定するための設定部１１８と、各種計測値をデジタル／アナログ変換部１２７を介してアナログ出力１０９するためのアナログ出力部１２６を備える。また、各種計測値の異常としての監視結果について警報出力１１１を出力する、或いは装置の異常としての監視結果について警報出力１２９を出力するリレー出力部１２８を備える。

装置１０１について詳細について説明する。ＡＣ／ＤＣコンバータ１１２内に設けられる平滑コンデンサ１１４の表面温度と、装置１０１の周囲温度（盤内温度）とは、それぞれ熱電対１３０や符号１３１が付されているＰｔ１００のような温度計測媒体によって測定され、その測定信号は温度検出用回路アナログ／デジタル変換部１１５によってデジタル信号に変換される。

平滑コンデンサ１１４の寿命、したがって装置の寿命は、使用環境の温度に大きく影響される。高温の環境で使用するほど平滑コンデンサ１１４及び装置の寿命は短くなる。装置の異常又は寿命を診断する項目として、温度が用いられる。したがって、変換部１１５によって得られたデジタル信号は演算部１２１に取り込まれ、演算部１２１は、平滑コンデンサ１１４の表面温度と、装置１０１の周囲温度（盤内温度）とを算出し、装置１０１の異常の有無及び自身の寿命について自己診断をする。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１１２、及び装置１０１には、使用環境性能として使用温度範囲が定められている。例えば、平滑コンデンサ１１４の使用温度は平滑コンデンサメーカ保証として最高１０５度（後述する演算式（１）のＴ１に相当）に、装置１０１の使用温度（盤内温度）は装置メーカ保証として２４時間平均温度３５度（後述する演算式（１）のＴ２に相当）に、そして、平滑コンデンサ１１４の表面温度上昇値は装置開発時の実測値３０度（後述する演算式（１）のΔＴに相当）にというように、使用する平滑コンデンサ１１４及び、それを組み込む装置１０１によって、個別に定められる。

それらの温度設定値を基準にして、平滑コンデンサ１１４の表面温度として許容できる閾値（規定表面温度）、装置周囲温度（盤内温度）として許容できる閾値（規定周囲温度）、ＡＣ／ＤＣコンバータ内平滑コンデンサの表面温度から装置周囲温度（盤内温度）を差し引いた平滑コンデンサ表面温度上昇として許容できる閾値（規定上昇温度）を設定し、演算部１２１のプログラム、又は記憶部１２２に予め記憶させる。

装置自身の異常の有無を診断する自己診断は、装置１０１の稼動中に常時又は定期的に行われ、検出した平滑コンデンサ１１４の表面温度、装置１０１の周囲温度（盤内温度）、及び平滑コンデンサ１１４の表面温度上昇値と、予め記憶させていた各々の閾値を比較して実施される。自己診断の結果、装置１０１は、温度検出値や温度上昇値のいずれか又はそれらの組合せが対応する閾値（規定温度）を超えた際に、装置１０１の異常として外部に知らせる。

図２は、装置１０１について異常診断のための温度データを示した表である。図２において、（１）２００８. ０４. ０１の温度データは、正常温度時のデータ例（４月１日）を示しており、装置１０１の周囲温度、上昇温度、平滑コンデンサ１１４の表面温度（周囲温度＋上昇温度）共に、閾値を下回っており、正常と判断される。（２）２００８．０９．０１の温度データは、異常温度時のデータ例（９月１日）を示したものであり、周囲温度、上昇温度、表面温度（周囲温度＋上昇温度）共に閾値を上回っており、異常と判断される。

装置１０１が異常であると判断するタイミングの例としては、閾値を初めて超えて直ぐ、何回、何分又は何時間か継続して閾値を超えた時、等のタイミングが挙げられる。外部に知らせる手段としては、予め備わっている表示部１２３へのエラー表示、通信部１２４から上位装置へのエラー送信、アナログ出力部１２６からのエラー出力、リレー出力部１２８からの警報出力［装置の異常］１２９等が挙げられる。

検出した温度から更に、アレニウスの法則により定義される演算式を実行して、予想寿命を算出する。
Ｌ２＝Ｌ１＊２^{（Ｔ１−ΔＴ−Ｔ２）／１０} ・・・（１）
ここで、式中の記号は、次のように定義される。
Ｌ２：実使用上の予想寿命［時間］ （日稼動時間：２４時間）
Ｌ１：最高使用温度（Ｔ１）におけるメーカ保証時間（例：１００００時間）
Ｔ１：有寿命品の最高使用温度 （例：メーカ保証，１０５度）
ΔＴ：コンデンサ表面温度上昇値（実測値） （例：開発時の実測値，３０度）
Ｔ２：有寿命品部位における周囲温度 （例：盤内温度，３５度）

ここで、メーカ保証時間（Ｌ１）、及び最高使用温度（Ｔ１）は定数であり、メーカ保証値を引用する。周囲温度（Ｔ２）、及び温度上昇値（ΔＴ：表面温度−周囲温度）は変数である。Ｌ１は、高使用温度（Ｔ１）という過酷な動作環境で使用された場合における装置１０１のメーカ保証時間であるので、実際にはそれよりも緩い条件で動作すると考えられる装置１０１の予想寿命Ｌ２は、Ｌ１よりも長い期間であると考えられる。定数としての温度データを用いるのは当然としても、その時々の温度データを使用して演算式（１）より予測寿命（Ｌ２）を算出しても、温度の変動によって算出される寿命は変動するので、正しい寿命予測とならない。

従って、周囲温度（Ｔ２）及び温度上昇値（ΔＴ：表面温度−周囲温度）について、装置１０１の稼動開始からの取得データ値を累積し、その累積値を取得データ数で除算し、装置１０１の稼動開始からの平均温度値を算出し、これらを用いて予測寿命を算出する。即ち、周囲温度（Ｔ２）について、ｎ番目の累積温度値をＳｕｍ（Ｔ２）ｎとし、（ｎ＋１）番目の周囲温度（Ｔ２）をＴ２（ｎ＋１）とするとき、（ｎ＋１）番目の平均周囲温度（Ｔ２）ｍ（ｎ＋１）は、｛Ｓｕｍ（Ｔ２）ｎ＋Ｔ２（ｎ＋１）｝／（ｎ＋１）であり、測定回数は多いがソフトウェアによって逐次更新処理を行うことによって、演算部１２１において記憶する記憶容量としては非常に少ない量で済ますことができる。この予想寿命と装置１０１の累積動作時間（装置の動作開始からの動作した時間を積算した時間）との差分（予想寿命−累積動作時間）が規定余寿命未満になった場合には、装置寿命に近づいたと判断され、残余期間を装置の余寿命として外部に知らせることができる。

図３は、本発明による装置の寿命診断のための寿命データを示したグラフであり、装置動作開始から３年経過までの予測寿命の例を示している。図３のグラフから解るように、縦軸は予想寿命Ｌ２（単位は年）であるが、例えば装置稼動開始からの１年間は、その季節の温度に大きく影響して予測寿命も大きく変動する。しかしながら、２年目において算出された予測寿命は１年目に比べて変動が少なくなり、３年目の予測寿命は更に安定してくる。このように、年数が経過すると予測寿命がゆるやかに収束していくことを期待できることが解る。

したがって、装置の寿命を判断するタイミングは、少なくとも装置動作開始から１年を経過した後とし、１ヶ月毎、数ヶ月毎、１年毎等が挙げられる。装置の周囲温度や温度上昇値が異常値になった場合、及び装置の余寿命が規定余寿命未満になった場合に外部に知らせるべきときには、報知手段としては、予め備わっている表示部１２３へのエラー表示、通信部１２４から上位装置へのメール等によるエラー送信、アナログ出力部１２６からのエラー出力、リレー出力部１２８からの警報出力［装置の異常］１２９等が挙げられる。

本発明による電源監視装置は、温度単体の監視も行って、その温度の異常上昇から装置の異常を検出する異常診断機能を備えているだけでなく、平均温度から自己の有寿命品の寿命を確実に精度良く捉えることができる寿命診断機能を装置内部に備えているので、装置の異常と寿命とについて信頼性の高い自己診断を行うことができる。

本発明による電源監視装置の一実施例を示した構成図である。 本発明による電源監視装置の異常診断のための温度データ表である。 本発明による電源監視装置における寿命診断のための寿命データを示したグラフである。

符号の説明

１０１・・・電源絶縁監視装置 １０２・・・ＡＣ電源
１０３，１０４・・・電源端子 １０５・・・アナログ入力
１０６・・・電圧入力 １０７・・・電流入力
１０８・・・温度入力 １０９・・・アナログ出力
１１０・・・送受信信号 １１１・・・警報出力［計測値の異常］
１１２・・・ＡＣ／ＤＣコンバータ １１３・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１４・・・ＡＣ／ＤＣコンバータ内蔵の平滑コンデンサ
１１５・・・温度検出用アナログ／デジタル変換部
１１６・・・アナログ入力部 １１７・・・電圧入力部
１１８・・・設定部 １１９・・・電流入力部
１２０・・・計測用アナログ／デジタル変換部
１２１・・・マイコン演算部 １２２・・・記憶部
１２３・・・表示部 １２４・・・通信部
１２５・・・温度入力部 １２６・・・アナログ出力部
１２７・・・デジタル／アナログ変換部 １２８・・・リレー出力部
１２９・・・警報出力［装置の異常］
１３０・・・平滑コンデンサ表面温度検出センサ（熱電対）
１３１・・・装置周囲温度（盤内温度）検出センサ（Ｐｔ１００）

Claims (8)

1. 平滑コンデンサを内蔵するＡＣ／ＤＣコンバータと、電源電圧、電源電流等の監視対象の入力を受けて電源監視のための演算を行うマイクロコンピュータ等の演算部を備えた電源監視装置において、
   前記平滑コンデンサの表面温度と前記電源監視装置の周囲温度又はこれらの温度上昇に基づいた自身の異常の有無を、前記演算部において自己診断をすることを特徴とする電源監視装置。
2. 請求項１に記載の電源監視装置において、
   前記電源監視装置は、前記監視対象としての受配電系統における複数の電圧及び変流器からの二次電流を入力信号として取得する入力部と、前記入力信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換部と、前記デジタル信号から電圧・電流及び電力・電力量等の各種計測値を演算する前記演算部と、演算して得られた前記各種計測値を表示する表示部と、前記各種計測値についての監視結果を出力するリレー出力部と、当該計測及び監視のための諸設定値を設定する設定部と、前記諸設定値及び前記計測値の記憶を行う記憶部と、を有しており、
   更に、前記平滑コンデンサの前記表面温度及び前記電源監視装置の前記周囲温度を検出する熱電対等の温度計測媒体を備えており、前記温度計測媒体が検出した温度信号は前記アナログ／デジタル変換部において前記デジタル信号に変換されること、
   を特徴とする電源監視装置。
3. 請求項１又は２に記載の電源監視装置において、
   前記自己診断において前記いずれかの温度が規定温度以上になった場合には、前記表示部又は前記リレー出力部においてその旨の警報出力を行い、前記電源装置の異常を知らせること、
   を特徴とする電源監視装置。
4. 平滑コンデンサを内蔵するＡＣ／ＤＣコンバータと、電源電圧、電源電流等の監視対象の入力を受けて電源監視のための演算を行うマイクロコンピュータ等の演算部を備えた電源監視装置において、
   前記平滑コンデンサの表面温度と前記電源監視装置の周囲温度の温度積算値と累計動作時間とに基づいた自身の寿命を、前記演算部において自己診断をすることを特徴とする電源監視装置。
5. 請求項４に記載の電源監視装置において、
   前記電源監視装置は、前記監視対象としての受配電系統における複数の電圧及び変流器からの二次電流を入力信号として取得する入力部と、前記入力信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換部と、前記デジタル信号から電圧・電流及び電力・電力量等の各種計測値を演算する前記演算部と、演算して得られた前記各種計測値を表示する表示部と、前記各種計測値についての監視結果を出力するリレー出力部と、当該計測及び監視のための諸設定値を設定する設定部と、前記諸設定値及び前記計測値の記憶を行う記憶部と、を有しており、
   更に、前記平滑コンデンサの前記表面温度及び前記電源監視装置の前記周囲温度を検出する熱電対等の温度計測媒体を備えており、前記温度計測媒体が検出した温度信号は前記アナログ／デジタル変換部において前記デジタル信号に変換されること、
   を特徴とする電源監視装置。
6. 請求項５に記載の電源監視装置において、
   前記寿命は、前記演算部において、次の式（１）で示されるアレニウスの法則にしたがう演算式にて算出されること、
   を特徴とする電源監視装置。
   Ｌ２＝Ｌ１＊２^{（Ｔ１−ΔＴ−Ｔ２）／１０} ・・・（１）
   ここで、式中の記号は、次のように定義される。
   Ｌ２：実使用上の予想寿命［時間］
   Ｌ１：最高使用温度（Ｔ１）におけるメーカ保証時間
   Ｔ１：有寿命品の最高使用温度
   ΔＴ：コンデンサ表面温度上昇値（実測値）
   Ｔ２：有寿命品部位における周囲温度
7. 請求項４〜６のいずれか１項に記載の電源監視装置において、
   前記自己診断において前記寿命が規定寿命未満になった場合には、前記表示部又は前記リレー出力部においてその旨の警報出力を行い、前記電源装置の寿命時期を知らせること、
   を特徴とする電源監視装置。
8. 請求項３又は７に記載の電源監視装置において、
   前記電源監視装置は通信手段を介して監視センター等の外部上位監視機関に接続可能であり、前記自己診断の結果は前記外部上位監視機関においてモニターされていること、
   を特徴とする電源監視装置。

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