CN111512170A - 电力转换装置、使用它的旋转电机系统及其诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明的电力转换装置与具有电枢线圈的旋转电机连接而双向传输电力，其具有以下功能：对所述旋转电机的一个或多个特定相的所述电枢线圈一起施加电压脉冲，对从所述电压脉冲的上升或下降开始起指定的延迟时间后的所述特定相的电流的值进行采样，基于该值与正常状态相比的变化来检测所述旋转电机的所述特定相的所述电枢线圈的绝缘部件的静电电容的变化，来对绝缘劣化进行诊断。

Description

电力转换装置、使用它的旋转电机系统及其诊断方法

技术领域

本发明涉及与电动机和发电机等旋转电机连接而进行电力的双向传输的电力转换装置、使用它的旋转电机系统及其诊断方法。

背景技术

电动机和发电机等旋转电机因突发故障而停止时，会产生较大的损害。特别是工厂设备等中使用的电动机的突发故障导致的停止，使得生产设备的运转率降低或不得不重新制定生产计划等，影响较大。因此，保持在实际环境中使用的状态地高精度地实施故障征兆诊断、防止电动机的突发故障的需求正在提高。

因这样的需求，例如专利文献1中，公开了从电力转换装置对电动机施加阶梯状的电压，对电流高速地进行采样并提取阻尼振荡的峰值和频率，检测线圈绝缘的劣化的技术。但是该技术中，因为能够直接计测阻尼振荡波形地高速采样，所以存在计测设备昂贵这一问题。

另外，专利文献2中，公开了在压缩机停止时从电力转换器的上臂的任意一相发送脉冲，计测直流部电压和电动机电流而求出绝缘电阻的技术。但是该技术中，实际上在绝缘电阻降低前不能检测出异常，存在难以在充分早的阶段捕捉绝缘故障的征兆这一问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：US2014/0176152 A1

专利文献2：日本特开2001-141795号

发明内容

发明要解决的课题

本发明是为了解决上述现有技术具有的问题而得出的，目的在于低成本且较早地检测出旋转电机的绝缘故障的征兆。

用于解决课题的技术方案

本发明的电力转换装置是一种与具有电枢线圈的旋转电机连接而双向传输电力的电力转换装置，其具有以下功能：对所述旋转电机的一个或多个特定相的所述电枢线圈一起施加电压脉冲，对从所述电压脉冲的上升或下降开始起指定的延迟时间后的所述特定相的电流的值进行采样，基于该值与正常状态相比的变化来检测所述旋转电机的所述特定相的所述电枢线圈的绝缘部件的静电电容的变化，来对绝缘劣化进行诊断。

另外，在本发明的电力转换装置中，所述电流的值的采样对于1次或多次上升或下降进行1次。另外，所述电流的值的采样包括从所述电压脉冲的上升或下降开始起的延迟时间彼此不同的采样。

另外，在本发明的电力转换装置中，在对所述电流的值进行采样之后，提取阻尼振荡的峰值将其用于诊断。或者，在对所述电流的值进行采样之后，提取该值超过事先决定的阈值的时刻将其用于诊断。或者，在所述旋转电机正常的状态下对所述电流的值进行采样，提取该值的符号反转的时刻，之后对该时刻的所述电流的值进行采样而将其用于诊断。

另外，在本发明的电力转换装置中，具有用于指示诊断开始的用户界面。另外，具有显示诊断结果或者将诊断结果对外部通信的接口。

另外，在本发明的电力转换装置中，将所述电压脉冲的上升或下降所需的时间设定成比所述特定相的电流振动的期间长。

另外，在本发明的旋转电机系统中，包括具有上述技术特征的电力转换装置和与所述电力转换装置连接而双向传输电力的旋转电机。

本发明的旋转电机系统的诊断方法，其中的旋转电机系统包括具有上述技术特征的电力转换装置和与所述电力转换装置连接而双向传输电力的旋转电机，在所述旋转电机停止的时段实施诊断。或者，在所述旋转电机旋转的时段实施诊断。

另外，在本发明的包括具有电枢线圈的旋转电机的旋转电机系统的诊断方法中，对所述旋转电机的一个或多个特定相的所述电枢线圈一起施加电压脉冲，对从所述电压脉冲的上升或下降开始起指定的延迟时间后的所述特定相的电流的值进行采样，基于该值与正常状态相比的变化来检测所述旋转电机的所述特定相的所述电枢线圈的绝缘部件的静电电容的变化，来对绝缘劣化进行诊断。

发明效果

这样，根据本发明的电力转换装置和使用它的旋转电机系统，因为不需要高速采样，所以用电力转换装置中搭载的微型计算机和电流传感器也能够执行诊断。另外，不是计测绝缘电阻而是计测绝缘部件的静电电容，所以能够高灵敏度地检测绝缘材料的劣化。通过以上所述，能够实现具备低成本且较早地检测出旋转电机的绝缘故障的征兆的功能的电力转换装置和使用它的旋转电机系统。

附图说明

图1是本发明的电力转换装置和使用它的旋转电机系统的第一实施例的基本结构图。

图2是本发明的第一实施例的电力转换装置对旋转电机的绝缘劣化进行诊断的流程图。

图3是表示本发明的第一实施例中的电压脉冲产生方法的示意图。

图4是本发明的第一实施例中的代表性的电压脉冲波形(上升时间或下降时间短的情况)和此时计测得到的代表性的电流波形。

图5是本发明的第一实施例中计测得到的代表性的电流波形的放大图(电压脉冲的上升时间或下降时间短的情况)。

图6是本发明的第一实施例中的代表性的电压脉冲波形(上升时间或下降时间长的情况)和此时计测得到的代表性的电流波形。

图7是本发明的第一实施例中计测得到的代表性的电流波形的放大图(电压脉冲的上升时间或下降时间长的情况)。

图8是本发明的第一实施例中的电流采样方法之一。

图9是本发明的第一实施例中的电流采样方法之二。

图10是本发明的第二实施例的电流变换装置对旋转电机的绝缘劣化进行诊断的流程图。

图11是本发明的第三实施例的电流变换装置对旋转电机的绝缘劣化进行诊断的流程图。

图12是表示本发明的第三实施例中的电压脉冲产生方法的示意图之一。

图13是表示本发明的第三实施例中的电压脉冲产生方法的示意图之二。

图14是表示本发明的第三实施例中的电压脉冲产生方法的示意图之三。

图15是本发明的电力转换装置和使用它的旋转电机系统的第四实施例的基本结构图。

图16是安装了本发明的电力转换装置和使用它的旋转电机系统的泵的概略图。

图17是安装了本发明的电力转换装置和使用它的旋转电机系统的空气压缩机的概略图。

图18是安装了本发明的电力转换装置和使用它的旋转电机系统的搬运台的概略图。

具体实施方式

以下，对于本发明的实施例，使用附图进行说明。

实施例1

图1是本发明的电力转换装置和使用它的旋转电机系统的第一实施例的基本结构图。本旋转电机系统包括：电力转换装置10，其具有直流电源11和主电路12和门驱动器(gate driver)13、控制诊断部14、显示部15、电流传感器16a、16b、16c；和与上述电力转换装置连接并进行电力的双向传输的旋转电机20。作为上述旋转电机的电枢线圈21，在图1中示出了星形接线的情况，但也可以是三角形接线。另外，此处示出了使用3根供电线的三相电动机的情况，但也可以是不同的相数。

上述旋转电机的上述电枢线圈的绝缘部件劣化时，在绝缘电阻降低之前，静电电容先变化。本发明中，通过检测该静电电容的变化来较早地检测出绝缘劣化，视为故障征兆。

图2是本实施例的电力转换装置对上述旋转电机的绝缘劣化进行诊断的流程图。首先，在步骤S100中起动诊断模式。在从上述电力转换装置的设定项目中选择的方法之外，也可以是按下起动诊断模式的机械式按钮的形式，也可以是触摸在显示器上显示的“诊断模式”按钮的形式。或者，也可以设定为在特定的日期时间自动地起动，也可以设定为在特定的旋转电机控制动作之前或之后自动地起动。特别是，如果上述旋转电机处于停止中，例如是正要起动上述旋转电机前或上述旋转电机刚停止后，则电流计测中的噪声也较少，适于诊断。不存在上述旋转电机停止的期间的情况下，也可以是旋转中。

接着，在步骤S101中，使上述主电路暂时全相、上下臂OFF。接着，在步骤S102中，使主电路持续规定时间地全相一起仅使上臂ON、使下臂保持OFF，对上述旋转电机施加电压脉冲。在图3中示出该状态。此处，将对地电压较大的一侧称为上臂，较小的一侧称为下臂。下臂具有非零的对地电压的情况下，也可以使上臂保持OFF，仅使下臂ON。

图4是上升时间或下降时间短的情况下的代表性的电压脉冲波形和此时用某1相的电流传感器计测得到的代表性的电流波形。另外，图5(a)是电压脉冲上升时的电流波形的放大图，图5(b)是电压脉冲下降时的电流波形的放大图。

另一方面，图6是上升时间或下降时间长的情况下的代表性的电压脉冲波形和此时用某1相的电流传感器计测得到的代表性的电流波形。另外，图7(a)是电压脉冲上升时的电流波形的放大图，图7(b)是电压脉冲下降时的电流波形的放大图。图5和图7中，重叠地示出了正常状态的情况(粗线)，和上述旋转电机的上述电枢线圈的绝缘部件劣化、电流计测的相的电枢线圈的对地静电电容增加至2倍的情况(细线)。可知电压脉冲上升和下降时产生电流的阻尼振荡，其峰值和频率在正常状态与劣化状态下不同。如图5所示，电压脉冲的上升时间或下降时间短的情况下，在电压成为一定之后阻尼振荡也在继续，正常状态与劣化状态的差异仅在阻尼振荡波形中出现。因此，为了在这样的情况下捕捉劣化征兆，需要对多点进行采样而一定程度上得知阻尼振荡波形的整体。

另一方面，如图7所示，电压脉冲的上升时间或下降时间长的情况下，阻尼振荡平息之后电压增加或减少也在继续，所以电流也继续增加或减少。因此，为了在这样的情况下捕捉劣化征兆，只要对阻尼振荡平息后的电流值进行1点采样即足够。但是，作为得知阻尼振荡会持续至何时的方法，对多点进行采样而得知阻尼振荡波形的整体是有效的。

该阻尼振荡频率典型而言是10MHz程度，为了精度良好地计测其峰值和频率而较早地捕捉劣化征兆，现有技术中需要100MHz以上的高速采样。因此，电力转换装置通常具有的控制用微型计算机的速度不能跟上，需要追加设置昂贵的计测设备。

于是，本发明中，将从电压脉冲的上升或下降开始起的延迟时间调整为相互不同的时刻，同时用较慢的速度进行电流采样(步骤S103)。例如，可以如图8所示，对于1次上升或下降进行1次采样，也可以如图9所示，对于1次上升或下降进行多次采样。然后，以规定周期反复进行电压脉冲产生和电流采样直到达到规定次数(步骤S104)，由此重构得到阻尼振荡波形的整体。在图8和图9的(a)～(h)各图之间也可以存在不进行电流采样的上升或下降。另外，(a)～(h)并不需要按该顺序实施，也可以适当地更换顺序。另外，图8和图9中用电压脉冲上升时的电流波形举例示出，但下降时的电流波形也是同样的。

接着，在步骤S105中，提取表示劣化征兆的特征量。例如，可以提取阻尼振荡的峰值，也可以提取电流值超过规定阈值的时刻。另外，也可以提取电流值的符号反转的时刻。

然后，在步骤S106中，判断提取出的特征量是否超过了预先设定的阈值。或者，判断对特征量用向量量化聚类等机器学习算法分析时的异常度是否超过了预先设定的上限，判断的结果是超过了预先设定的上限的情况下诊断为存在劣化征兆。

最后，在步骤S107中，显示诊断结果并完成诊断。显示方法可以用显示器、灯、蜂鸣器等对人的五感告知，也可以记录在纸或电子文件中。或者，也可以经由通信网络发送。

通过以上所述，根据本发明，能够实现具备低成本且较早地检测出旋转电机的绝缘故障的征兆的功能的电力转换装置和使用它的旋转电机系统。

实施例2

图10是本发明的第二实施例的诊断流程图。与第一实施例的不同点，是在产生电压脉冲时，将上升时间或下降时间设定为比电流的阻尼振荡持续的期间更长这一点(步骤S202)。为此，需要事先得知电流的阻尼振荡持续多长时间，此处假设为已经另外得知。这样，如第一实施例的图7所示，在阻尼振荡平息之后的平坦部分的电流值中，也在正常状态与劣化状态下产生差异。由此，只要在平坦的时段对电流值进行1点采样，就能够充分地捕捉劣化征兆。于是，本实施例中，电压脉冲的产生是1次(步骤S203)。另外，电流采样也仅有1次即可(步骤S204)。但是，为了减小计测误差，并不禁止实施多次电压脉冲的产生和电压采样。通过以上所述，能够用更少的计测数据量检测出旋转电机的绝缘故障的征兆。

实施例3

图11是本发明的第三实施例的诊断流程图。与第一或第二实施例的不同点，是并非全相一起，而是如图12至图14所示，逐相施加电压脉冲这一点。也可以在1个相中产生规定次数的电压脉冲之后转移至其他相，也可以按U相→V相→W相→U相→V相→W相→U相……这样每次改变相地产生电压脉冲。另外，可以如第一实施例所述对多点进行采样而重构得到阻尼振荡波形的整体，在电压脉冲的上升时间或下降时间比阻尼振荡持续时间长的情况下，也可以如第二实施例所述仅对1点进行采样。通过以上所述，与全相一起施加电压脉冲时相比，同时流过的电流值的总和较小，所以能够减少电磁噪声引起的误动作的可能性。

实施例4

图15是本发明的电力转换装置和使用它的旋转电机系统的第四实施例的基本结构图。与第一至第三实施例的不同点，是在与上述旋转电机连接的电力转换装置之外，外部安装了诊断装置30这一点。通过这样构成，能够不影响控制用微型计算机的性能地提取表示劣化征兆的特征量。另外，图15中通过将诊断部31与上述电力转换装置的控制部17连接，而使用上述电力转换装置来产生想要的电压脉冲，但也可以另外准备脉冲产生电源，控制它来产生电压脉冲。

实施例5

图16是安装了本发明的电力转换装置和使用它的旋转电机系统的泵的概略图。与电力转换装置连接的电动机上装有叶轮，吸引、输送水等液体。在泵中，只要不是进行连续运转，就存在停止的时段，所以此时进行诊断。进行连续运转的情况下，在负载相对较轻的时段执行诊断。

实施例6

图17是安装了本发明的电力转换装置和使用它的旋转电机系统的空气压缩机的概略图。空气压缩机中，无负载运转时存在使电动机驱动停止的时段，所以此时进行诊断。

实施例7

图18是安装了本发明的电力转换装置和使用它的旋转电机系统的搬运台的概略图。搬运台中，在工件的搬运工序与搬运工序之间通常存在电动机停止的时段，所以在此时刻执行诊断。

对于实施例进行了说明，但本发明不限定于上述实施例，包括各种变形例。例如，上述实施例是为了易于理解地说明本发明而详细说明的，并不限定于必须具备说明的全部结构。另外，能够将某个实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，也能够在某个实施例的结构上添加其他实施例的结构。另外，对于各实施例的结构的一部分，能够追加、删除、置换其他结构。

附图标记说明

10 电力转换装置

11 直流电源

12 主电路

13 门驱动器

14 控制诊断部

15 显示部

16 电流传感器

17 控制部

20 旋转电机

21 电枢线圈

30 诊断装置

31 诊断部

32 显示部。

Claims (13)

1.一种与具有电枢线圈的旋转电机连接而双向传输电力的电力转换装置，其特征在于，具有以下功能：

对所述旋转电机的一个或多个特定相的所述电枢线圈一起施加电压脉冲，对从所述电压脉冲的上升或下降开始起指定的延迟时间后的所述特定相的电流的值进行采样，基于该值与正常状态相比的变化来检测所述旋转电机的所述特定相的所述电枢线圈的绝缘部件的静电电容的变化，来对绝缘劣化进行诊断。

2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

所述电流的值的采样对于1次或多次上升或下降进行1次。

3.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

所述电流的值的采样包括从所述电压脉冲的上升或下降开始起的延迟时间彼此不同的采样。

4.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

在对所述电流的值进行采样之后，提取阻尼振荡的峰值将其用于诊断。

5.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

在对所述电流的值进行采样之后，提取该值超过事先决定的阈值的时刻将其用于诊断。

6.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

在所述旋转电机正常的状态下对所述电流的值进行采样，提取该值的符号反转的时刻，之后对该时刻的所述电流的值进行采样而将其用于诊断。

7.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

具有用于指示诊断开始的用户界面。

8.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

具有显示诊断结果或者将诊断结果对外部通信的接口。

9.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

将所述电压脉冲的上升或下降所需的时间设定成比所述特定相的电流振动的期间长。

10.一种旋转电机系统，其特征在于：

包括权利要求1所述的电力转换装置和与所述电力转换装置连接而双向传输电力的所述旋转电机。

11.一种旋转电机系统的诊断方法，其特征在于：

所述旋转电机系统包括权利要求1所述的电力转换装置和与所述电力转换装置连接而双向传输电力的所述旋转电机，

在所述旋转电机停止的时段实施诊断。

12.一种旋转电机系统的诊断方法，其特征在于：

所述旋转电机系统包括权利要求1所述的电力转换装置和与所述电力转换装置连接而双向传输电力的所述旋转电机，

在所述旋转电机旋转的时段实施诊断。

13.一种包括具有电枢线圈的旋转电机的旋转电机系统的诊断方法，其特征在于：

对所述旋转电机的一个或多个特定相的所述电枢线圈一起施加电压脉冲，对从所述电压脉冲的上升或下降开始起指定的延迟时间后的所述特定相的电流的值进行采样，基于该值与正常状态相比的变化来检测所述旋转电机的所述特定相的所述电枢线圈的绝缘部件的静电电容的变化，来对绝缘劣化进行诊断。

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