CN113711062B - 电力转换装置、使用它的系统及其诊断方法 - Google Patents

电力转换装置、使用它的系统及其诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明的具备低成本且能早期地检测回转机械或变压器的绝缘故障的征兆的功能的电力转换装置，其具有逆变器电路和生成驱动逆变器电路的PWM信号的PWM信号生成部，电力转换装置与回转机械或变压器连接来进行电功率的授受，其包括：检测电流的电流传感器；和诊断回转机械或变压器的绕组的绝缘劣化的诊断部，诊断部包括：电流采样部，在规定时机检测电流而得到电流检测值；提取部，在电流的检测时机在从电压指令值与载波信号交叉的时机起的一定时间以内的情况下，提取符合条件的电流检测值用于绝缘诊断；指标值计算部，从提取出的电流检测值计算用于诊断的指标值；和绝缘劣化检测部，基于计算出的指标值的相对于正常状态的变化来检测绝缘劣化。

Description

电力转换装置、使用它的系统及其诊断方法
技术领域
本发明涉及与电动机或发电机等回转机械或变压器连接并与它们进行电功率的授受的电力转换装置、使用它的系统及其诊断方法。
背景技术
电动机或发电机等回转机械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，会迫使生产设备的运转率降低和生产计划的修改等，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。
另一方面，随着太阳能发电和风力发电等可再生能源的普及，位于电力转换装置的下游(输出侧)的变压器正在增加。对于这样的变压器随时施加电力转换装置产生的电压脉冲，所以担心绝缘劣化的加速，要求运转中的绝缘诊断。
因这样的需求，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振铃的峰值和频率、检测线圈绝缘的劣化的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2014/0176152号说明书
发明内容
发明要解决的课题
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振铃的峰值和频率、检测线圈绝缘的劣化的技术。但是，该技术中，以能够直接计测振铃波形的程度高速地进行采样，所以存在计测设备昂贵的问题。
本发明是为了解决上述现有技术具有的问题而得出的，目的在于提供一种具备低成本且早期地检测回转机械或变压器的绝缘故障的征兆的功能的电力转换装置。
用于解决课题的技术方案
举出用于解决上述课题的本发明的“电力转换装置”的一例，是一种电力转换装置，具有逆变器电路和对载波信号与电压指令值进行比较来生成驱动所述逆变器电路的PWM信号的PWM信号生成部，所述电力转换装置与具有绕组的回转机械或变压器连接来进行电功率的授受，其包括：检测与所述回转机械或变压器进行授受的电流的电流传感器；和诊断所述回转机械或变压器的绕组的绝缘劣化的诊断部，所述诊断部包括：电流采样部，其在所述载波信号的峰或谷或峰、谷两者的时机检测所述电流传感器的电流而得到电流检测值；提取部，其在所述电流的检测时机在从所述电压指令值与所述载波信号交叉的时机起的一定时间以内的情况下，提取符合条件的检测时机时的所述电流检测值用于绝缘诊断；指标值计算部，其从提取出的所述电流检测值计算用于诊断的指标值；和绝缘劣化检测部，其基于计算出的所述指标值的相对于正常状态的变化来检测所述回转机械或变压器的绕组的绝缘劣化。
另外，举出本发明的“使用电力转换装置的系统的诊断方法”的一例，其中所述系统包括具有逆变器电路和对载波信号与电压指令值进行比较来生成驱动所述逆变器电路的PWM信号的PWM信号生成部的电力转换装置，以及与所述电力转换装置连接来进行电功率的授受的、具有绕组的回转机械或变压器，所述系统的诊断方法包括：在所述载波信号的峰或谷或峰、谷两者的时机检测来自电流传感器的电流而得到电流检测值的步骤，其中所述检测电流传感器检测与所述回转机械或变压器进行授受的电流；在所述电流的检测时机在从所述电压指令值与所述载波信号交叉的时机起的一定时间以内的情况下，提取符合条件的检测时机时的所述电流检测值用于绝缘诊断的步骤；从提取出的所述电流检测值计算用于诊断的指标值的步骤；和基于计算出的所述指标值的相对于正常状态的变化来检测所述回转机械或变压器的所述绕组的绝缘劣化的步骤。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种具备低成本且早期地检测回转机械或变压器的绝缘故障的征兆的功能的电力转换装置。
上述以外的课题、结构和效果，将通过以下实施方式的说明而说明。
附图说明
图1是本发明的实施例1的电力转换装置和使用它的系统的基本结构图。
图2是脉冲宽度调制中的电压脉冲串的代表例。
图3是实施例1的电力转换装置中产生的代表性的振铃电流波形。
图4是实施例1的电力转换装置中的电流采样的概念图。
图5是实施例1的电力转换装置中的载波信号、PWM脉冲、相电流的概略图。
图6是对实施例1的电力转换装置所具有的回转机械或变压器的绝缘劣化进行诊断的流程图。
图7是表示实施例1的控制/诊断部的详情的模块结构图。
图8是本发明的实施例2的电力转换装置和使用它的系统的基本结构图。
图9是本发明的实施例3的电力转换装置中的载波信号、PWM脉冲、相电流的概略图。
图10是本发明的实施例4的电力转换装置和使用它的系统的基本结构图。
图11是采用了本发明的电力转换装置的泵、空气压缩机、输送台的概略图。
图12是采用了本发明的电力转换装置的太阳能发电系统的概略图。
具体实施方式
以下，使用附图说明本发明的实施例。另外，在用于说明实施例的各图中，对于相同的构成要素尽可能附加相同的名称、符号，省略其反复的说明。
实施例1
图1是本发明的实施例1的电力转换装置和使用它的系统的基本结构图。该系统包括：具有直流电源11、逆变器主电路12、栅极驱动器13、控制/诊断部14、显示部15、电流传感器16a、16b、16c的电力转换装置10，和与电力转换装置10连接并进行电功率的授受的回转机械20。直流电源11可以是对来自交流电源的输入进行整流的电源，也可以是蓄电池或电容器。而且，直流电源11也可以设置在电力转换装置10的外部。作为回转机械的电枢线圈21，图1中示出了星形连接的情况，但也可以是三角形连接。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。
电力转换装置10中，基于用控制/诊断部14生成的PWM脉冲，用栅极驱动器13生成驱动信号，使逆变器主电路12的开关元件切换，由此用直流电源11生成驱动回转机械20的三相交流。然后，基于用电流传感器16a、16b、16c检测出的电流检测信号控制PWM脉冲的生成，并且如后所述地，用控制/诊断部14进行绝缘故障的征兆诊断，并用显示部15显示。
回转机械20的电枢线圈21的绝缘部件劣化时，在绝缘电阻降低之前，静电电容先变化。例如，绝缘部件因热和/或振动等而劣化时，在部件内部产生空隙，或在部件表面发生剥离。这样，因为空气的介电常数一般而言比绝缘部件的介电常数小，所以线圈导体-铁芯间的静电电容表现出减少倾向。另一方面，产生的空隙或剥离中有水分进入的情况下，因为水的介电常数一般而言比绝缘部件的介电常数大，所以线圈导体-铁芯间的静电电容增加。然后，水分消失时，再次减少。劣化越是进展、空隙或剥离越多，则水分量引起的静电电容的增减幅度越大。本发明中，通过检测这样的静电电容的变化，而早期地检测绝缘劣化，视为故障征兆。
静电电容的变化以振铃电流波形的变化这一形式检测。振铃电流波形中，其峰值和频率随着静电电容的变化而变化，所以如果能够捕捉这一点，则能够检测静电电容的变化。
本发明中，用电流传感器进行的电流计测在电力转换装置正在对回转机械或变压器施加脉冲宽度调制后的电压脉冲时进行。在图2中示出该电压脉冲串的代表例(三相电压)。
接着，在图3中示出施加电压脉冲时用某一相的电流传感器计测的代表性的电流波形。图3的(a)是电压脉冲的上升时的电流波形，图3的(b)是电压脉冲的下降时的电流波形。另外，时刻零的时间点的相电流的值不一定是零。各图中都重叠地示出了正常状态的情况(正常状态)、和回转机械的电枢线圈的绝缘部件劣化而正在进行电流计测的相的电枢线圈的对地静电电容增大至2倍的情况(劣化状态)。可知在电压脉冲的上升和下降中，发生电流的振铃(振动)，其峰值和频率在正常状态和劣化状态下不同。因此，如果能够对多点进行采样而一定程度地捕捉振铃波形的整体，则能够检测劣化征兆。
该振铃频率典型而言是10MHz程度，为了精度良好地计测其峰值和频率而早期地捕捉劣化征兆，现有技术中需要100MHz以上的高速采样。因此，使用电力转换装置通常具备的控制用微机时速度不够，需要追加设置昂贵的计测设备。
于是，本发明中，如图4中示出的概念图所示地，着眼于如果逐渐改变施加的电压脉冲宽度，同时在对脉冲宽度按一定比率分割的时机、例如如果是1：1则在脉冲中心的时机对电流进行采样并合成，则能够重构振铃电流波形。即，即使电流计测的时机被固定在脉冲中心，也因为脉冲宽度变化，而能够收集在从脉冲的上升或下降开始起的延迟时间相互不同的时机计测的电流值。在用电力转换装置驱动电动机的情况下通常使用的脉冲宽度调制控制中，如图2所示，施加的电压脉冲的宽度时刻都在变化，所以能够直接应用这一点。另外，电流计测方法也能够沿用通常使用的在载波信号的峰或谷或两者的时机进行计测的方法。
在图5中示出载波信号、PWM脉冲、用电流传感器检测出的相电流的关系。通过对由三角波构成的载波信号与电压指令值(例如正弦波)进行比较，生成在电压指令值与载波信号交叉的时机上升和下降的PWM脉冲。另外，在载波信号的峰或谷的时机对相电流进行采样。然后，如图所示，仅在PWM脉冲变细(占空比接近0％或100％)时选择为诊断用数据。即，在电流的检测时机是从电压指令值与载波信号交叉的时机起一定时间以内的情况下，选择为诊断用数据。由此，在控制用的电流计测的延长线上仅自然地提取振铃波形。另外，图5中，图5的(a)示出了在载波的峰提取的情况，图5的(b)示出了在载波的谷提取的情况。
在图6中示出对本实施例的电力转换装置所具有的回转机械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。在具备用于指示诊断开始的用户接口、例如从电力转换装置的设定项目中选择诊断模式的起动的方法之外，也可以是按下起动诊断模式的机械式按钮的方式，也可以是按下在显示器上显示的“诊断模式”按钮的方式。或者，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回转机械控制动作之前或之后自动地起动。另外，也可以指定开始诊断模式的条件。
接着，在步骤S101中，确认产生了脉冲宽度调制后的电压脉冲。
接着，在步骤S102中，在载波信号的峰或谷或两者对电流进行采样。然后，在步骤S103中，判断电流检测时机是否从脉冲的上升或下降起一定时间以内，一定时间以内的情况下，在步骤S104中提取电流采样值。另外，步骤S102～S104可以反复多次。
接着，在步骤S105中，根据提取出的电流数据计算表示劣化征兆的指标值。相电流的基本波频率成分不用于绝缘诊断，所以用低通滤波器等除去。之后，例如可以对平方值或绝对值按一定时间合计并计算移动平均，也可以提取振铃的峰值。或者，也可以提取振铃的周期。
然后，在步骤S106中，判断计算出的指标值是否高于、或者是否低于预先设定的阈值，或者判断对指标值用向量量化聚类等设备学习的算法分析时的异常度是否超过了预先设定的上限，在满足判断基准的情况下诊断为存在劣化征兆。作为判断基准，也可以使用预先在学习期间中计算出的指标值。
最后，在步骤S107中，显示诊断结果并完成诊断。显示方法可以是显示器、灯、蜂鸣器等对人的五感告知的，也可以是在纸或电子文件中记录。或者，也可以经由通信网络发送至外部装置。另外，可以不仅显示或发送诊断结果，也显示或发送是否成功实施了诊断的信息或诊断的进度状况的信息。另外，也可以与诊断结果一同输出规定运转状态的参数、例如转速和转矩等。由此，能够进行更精密的诊断。
在图7中示出实现图6的流程图的、图1的控制/诊断部14的模块结构图。控制/诊断部14如图7所示，具备对载波信号与电压指令值进行比较并生成PWM脉冲的PWM信号生成部141。另外，如图7所示，具备对由电流传感器检测出的相电流按PWM脉冲进行采样的电流采样部142、提取从脉冲的上升/下降起一定时间以内的电流采样值的提取部143、根据提取的电流数据计算表示劣化征兆的指标值的指标值计算部144、检测绝缘劣化的绝缘劣化检测部145。控制/诊断部14的这些处理部能够在计算机中嵌入程序而由软件构成。
根据本实施例的电力转换装置，不需要高速采样，所以用电力转换装置中搭载的微机和电流传感器也能够执行诊断。另外，因为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。另外，因为与电力转换装置的通常运转中的电流计测时机共通，所以能够在通常运转中自然地收集诊断用数据。进而，因为仅提取诊断所需的振铃电流波形数据，所以设备学习等后处理计算和通信负载可以较少。根据以上所述，能够实现具备低成本且早期地检测回转机械的绝缘故障的征兆的功能的电力转换装置和使用它的系统。
实施例2
在图8中示出具有本发明的实施例2的电力转换装置的系统的基本结构图。与实施例1的不同点在于变压器30代替回转机械地与电力转换装置10连接这一点。电力转换装置10的绝缘/诊断部14等的结构与实施例1相同。另外，图8中示出了三角形-三角形连接的情况，但也可以是其他连接、例如三角形-星形连接或星形-三角形连接。另外，此处示出了使用3根供电线的三相变压器的情况，但也可以是不同的相数。
通过对于由该电力转换装置和变压器构成的系统，用与实施例1的图6同样的流程图实施诊断，能够低成本且早期地检测变压器的绝缘故障的征兆。
实施例3
在图9中示出本发明的实施例3中的载波信号、PWM脉冲、用电流传感器检测出的相电流的概略图。与实施例1的不同点在于载波信号的三角波不是如图5所示的对称形状、而是前后非对称这一点。即，作为载波信号，使用从最小值到最大值的增大期间的长度与从最大值到最小值的减小期间的长度不同的非对称三角波。这是因为振铃衰减时间即使相对于最小脉冲宽度也过短时，振铃不会持续至脉冲中心，用脉冲中心处的电流采样不能捕捉波形。
于是，本实施例中使载波信号的三角波前后非对称，使电流采样的时机偏离脉冲中心。附图是使载波信号的谷接近PWM脉冲的上升的例子。这样，即使振铃衰减时间较短的情况下也能够捕捉振铃电流波形，能够实施绝缘诊断。
实施例4
在图10中示出本发明的实施例4的电力转换装置和使用它的系统的基本结构图。与实施例1的不同点在于在与回转机械或变压器连接的电力转换装置10之外、外置了诊断装置40这一点。诊断装置40的诊断部41从电力转换装置10的控制部17取得脉冲宽度和脉冲发生时机的信息，在适当的时机实施相电流的电流采样。诊断结果在显示部42上显示。
根据本实施例，通过采用这样的结构，能够不受控制用微机的性能影响地计算表示劣化征兆的指标值。
实施例5
在图11中示出采用了本发明的电力转换装置的产品的概略图。
图11的(a)是采用了本发明的电力转换装置的泵的概略图。对于与电力转换装置10连接的电动机30，连接了泵51的叶轮，吸引/输送水等液体。
另外，图11的(b)是采用了本发明的电力转换装置的空气压缩机的概略图。对于与电力转换装置10连接的电动机30，连接了对空气进行压缩的压缩机构52，送出压缩空气。
另外，图11的(c)是采用了本发明的电力转换装置的输送台的概略图。对于与电力转换装置10连接的电动机30，经由齿轮或辊等53连接了输送台54。
这样，通过在各种产业设备中采用本发明的电力转换装置，能够减少它们之中采用的电动机的突发故障。
实施例6
在图12中示出采用了本发明的电力转换装置的太阳能发电系统的概略图。将来自太阳能面板55的直流电压用电力转换装置10转换为交流，对其用变压器30升压并连接至电力系统56。
根据本实施例，能够对与电力转换装置的下游(输出侧)连接的变压器的绝缘劣化进行诊断。另外，对于将太阳能面板的部分置换为蓄电池的蓄电系统，也能够应用本发明。
以上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……逆变器主电路
13……栅极驱动器
14……控制/诊断部
15……显示部
16……电流传感器
17……控制部
20……回转机械
21……电枢线圈
30……变压器
40……诊断装置
41……诊断部
42……显示部
51……泵
52……压缩机构
53……齿轮、辊等
54……台
55……太阳能面板
56……电力系统
141……PWM信号生成部
142……电流采样部
143……提取部
144……指标值计算部
145……绝缘劣化检测部。

Claims (14)

1.一种电力转换装置，具有逆变器电路和对载波信号与电压指令值进行比较来生成驱动所述逆变器电路的PWM信号的PWM信号生成部，所述电力转换装置与具有绕组的回转机械或变压器连接来进行电功率的授受，其特征在于，包括：
检测与所述回转机械或变压器进行授受的电流的电流传感器；和
诊断所述回转机械或变压器的绕组的绝缘劣化的诊断部，
所述诊断部包括：
电流采样部，其在所述载波信号的峰或谷或峰、谷两者的时机检测所述电流传感器的电流而得到电流检测值；
提取部，其在所述电流的检测时机在从所述电压指令值与所述载波信号交叉的时机起的一定时间以内的情况下，提取符合条件的检测时机时的所述电流检测值用于绝缘诊断；
指标值计算部，其从提取出的所述电流检测值计算用于诊断的指标值；和
绝缘劣化检测部，其基于计算出的所述指标值的相对于正常状态的变化来检测所述回转机械或变压器的绕组的绝缘劣化。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
所述绝缘劣化检测部检测所述绕组的静电电容的变化。
3.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
所述指标值计算部将从所述电流检测值中除去低频成分之后对绝对值或平方值按一定时间合计所得到的值作为所述指标值。
4.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
具有使用在学习期间中计算出的所述指标值来决定检测绝缘劣化的判断基准的功能。
5.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
具有指定开始所述指标值的计算的条件的功能。
6.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
具有将计算出的所述指标值与用于规定运转状态的参数一起输出的功能。
7.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
所述载波信号是三角波。
8.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
所述载波信号是从最小值到最大值的增大期间的长度与从最大值到最小值的减小期间的长度不同的非对称三角波。
9.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接口。
10.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
具有用于将可否诊断、诊断进度状况、诊断结果进行显示或对外部通信的接口。
11.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
电力转换装置授受三相电功率。
12.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
所述诊断部相对于电力转换装置是外置的。
13.一种系统的诊断方法，其中所述系统包括具有逆变器电路和对载波信号与电压指令值进行比较来生成驱动所述逆变器电路的PWM信号的PWM信号生成部的电力转换装置，以及与所述电力转换装置连接来进行电功率的授受的、具有绕组的回转机械或变压器，所述系统的诊断方法的特征在于，包括：
在所述载波信号的峰或谷或峰、谷两者的时机检测来自电流传感器的电流而得到电流检测值的步骤，其中所述检测电流传感器检测与所述回转机械或变压器进行授受的电流；
在所述电流的检测时机在从所述电压指令值与所述载波信号交叉的时机起的一定时间以内的情况下，提取符合条件的检测时机时的所述电流检测值用于绝缘诊断的步骤；
从提取出的所述电流检测值计算用于诊断的指标值的步骤；和
基于计算出的所述指标值的相对于正常状态的变化来检测所述回转机械或变压器的所述绕组的绝缘劣化的步骤。
14.如权利要求13所述的系统的诊断方法，其特征在于：
在检测所述绝缘劣化的步骤中检测所述绕组的静电电容的变化。
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