JP2007252057A - インバータ診断装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】動作中に精度良く平滑コンデンサの容量抜けを検出し得るインバータ診断装置を提供する。
【解決手段】所定負荷時の、インバータ1の相出力電圧を降圧トランス(3R,3S,3T)で降圧して、その2次電圧を電圧検出器(4R,4S,4T)で検出し、さらにA/D変換器(12R,12S、12T)を経てCPU11に取り込み、基準値記憶部15に記憶してある所定負荷に対応した基準値PK1と前記A/D変換器より取り込みの検出電圧のピークtoピーク値とを比較して、検出電圧のピークtoピーク値が基準値PK1より小さい場合に、インバータ1の平滑コンデンサの容量抜け有りと判定する。
【選択図】 図2

Description

この発明は、電動機等を駆動するインバータの異常を診断するインバータ診断装置に関する。
従来、誘導電動機やインバータ装置などの電気機器装備の異常診断方法として、三相交流電源より、電力の供給を受け運転中の誘導電動機もしくは制御運転中のインバータ装置において、誘導電動機においては各相の入力電流に含まれる特定の高調波成分、またインバータ装置においては、このインバータ装置の入力側の特定の低次高調波成分と、インバータ装置の出力側の各相出力電流及びこの出力電流に含まれる特定の高調波成分、それら特性値を予め定めた判定基準値との比較により、誘導電動機とインバータ装置の異常原因並びに、異常場所の特定を可能とした、異常診断方法が開示されている(例えば特許文献1参照。)
特開2002―189064号公報 ところで誘導電動機を制御駆動するインバータ装置として、多相(3相)の交流電源を受け、これを平滑コンデンサ、ダイオードからなる整流回路で交/直変換し、この直流電圧をON/OFFして、電圧は、そのままで、交流信号に変換して誘導電動機に加え、その周波数を変化させることにより、誘導電動機の回転数を変化させるものがよく実施されている。
上記した平滑コンデンサを備えるインバータ装置において、平滑コンデンサもインバータ装置を構成する部品の1つであり、時として、あるいは寿命の到来により容量抜け、つまり劣化を生じることがある。この容量抜けが生じたままで、負荷を掛け誘導電動機を動作させると、インバータ装置から誘導電動機に与える多相の入力電力には大きなリップルを含んだ電力が供給されるため、目的とする負荷駆動ができないという不都合が生じることになる。
したがって、インバータ装置において、平滑コンデンサに容量抜けが生じた場合、直ちにこれを検出してその旨を報知することが望まれるが、上記特許文献1に記載のインバータ装置も含め従来は、動作中に平滑コンデンサの容量抜けが発生した場合、即、検出することができなかった。
この発明は、上記問題点に着目してなされたものであって、動作中に精度良く平滑コンデンサの容量抜けを検出し得るインバータ診断装置を提供することを目的とする。
この発明の請求項1に係るインバータ診断装置は、多相出力で電動機を駆動制御するインバータの劣化を診断するインバータ診断装置であって、所定負荷時の、インバータの多相出力の少なくとも1相出力を降圧するトランスと、このトランスの2次側電圧を検出する電圧検出器と、前記電圧検出器の検出電圧をディジタル値に変換するA/D変換手段と、前記所定負荷に対応した基準値と前記A/D変換手段より取り込みの検出電圧とを比較して、前記インバータの平滑コンデンサ劣化の有無を判定する劣化判定手段とを備えることを特徴とする。
この発明のインバータ診断装置において、前記劣化判定手段は、前記A/D変換手段より取り込みのディジタル検出電圧のピークtoピーク値と前記基準値とを比較し、ピークtoピーク値が前記基準値より小さい場合に平滑コンデンサの劣化有と判定することができる。
この場合、前記A/D変換手段より取り込みのディジタル検出電圧のピークtoピーク値は、所定期間の平均値であり、この平均ピークtoピーク値と前記基準値とを比較し、平均ピークtoピーク値が前記基準値より小さい場合に平滑コンデンサの劣化有と判定することとしてもよい。
また、この発明のインバータ診断装置において、前記劣化判定手段は、前記ディジタル検出電圧をフーリエ変換し、得られた第1次波のレベル値と前記基準値とを比較し、前記第1次波のレベル値が前記基準値より小さい場合に、平滑コンデンサの劣化有と判定することもできる。
また、この発明の請求項5に係るインバータ診断装置は、多相出力で電動機を駆動制御するインバータの劣化を診断するインバータ診断装置であって、インバータの多相出力の少なくとも1相出力を降圧するトランスと、このトランスの2次側電圧を検出する電圧検出器と、このトランスの2次側電流を検出する電流検出器と、前記電圧検出器の検出電圧をディジタル値に変換する第1のA/D変換手段と、前記電流検出器の検出電流をディジタル値に変換する第2のA/D変換手段と、前記ディジタル検出電圧と前記ディジタル検出電流に基づいて電力を算出する電力算出手段と、前記電力に対応した基準値と前記A/D変換手段より取り込みの検出電圧とを比較して、前記インバータの平滑コンデンサ劣化の有無を判定する劣化判定手段とを備えることを特徴とする。
請求項1に係る発明によれば、平滑コンデンサに容量抜けが生じると、負荷を掛けて誘導電動機を駆動すると、容量抜け平滑コンデンサへのチャージ分不足により、インバータの出力電圧が低下し、または、リップル分が大となるので、インバータよりのディジタル電圧のピークtoピークがあるいはフーリエ変換値の第1次波のレベルが大きく低下し、いずれも基準値より小さくなるので、確実に平滑コンデンサの容量抜けを検出することができる。
また、請求項5に係る発明によれば、上記請求項1に係る発明の効果に加えて、降圧トランスの2次側電圧、電流を検出し、この検出電圧、検出電流をディジタル信号に変換し、これらディジタル電圧及びディジタル電流から電力を算出し、この電力算出により掛けられている負荷の大きさを知ることができる。そのため、この負荷に応じた基準値を決めることができるので、負荷を定格負荷に、あるいは特定の負荷に定めることなく、掛けられている負荷に応じて、精度の良い平滑コンデンサの劣化判定を行うことができる。
以下、実施の形態により、この発明をさらに詳細に説明する。図1は、この発明の一実施形態であるインバータによる電動機駆動回路を示す回路ブロック図である。図1において、インバータ1は、3相電源(図示せず)より、r相,s相,t相の入力電圧を受け、この3相r,s、tの入力を、それぞれ平滑コンデンサを含む整流回路で直流電圧に変換し、さらに直流電圧をスイッチングし再度、R,S,T3相の交流信号に変換して出力し、誘導電動機2に供給し、誘導電動機2を回転駆動するようにしている。
インバータ1の3相R,S,T出力は、例えば200V(実効値)と高い値であるので、それぞれ降圧トランス3R、3S、3Tで所定の電圧まで降圧する(インバータ1のR、S、T出力を分圧する)。この降圧された電圧の値は、この電圧をA/D変換器によってディジタル信号に変換し、データ処理回路20(図2参照)に入力可能な電圧である。
降圧トランス3R、3S、3Tの2次側に並列にそれぞれR相電圧検出器4R、S相電圧検出器4S、T相電圧検出器4Tを接続し、また2次巻線に直列に、それぞれR相電流検出器5R、S相電流検出器5S、T相電流検出器5Tを接続している。これら相電圧検出器4R、4S、4T及び相電流検出器5R、5S、5Tの検出アナログ電圧及びアナログ電流は、ディジタル値に変換され、データ処理回路20のCPU11(図2参照)に取り込まれる。
図2に、この実施形態回路のデータ処理回路20の回路構成が示されている。データ処理回路20は、相電圧検出器4R、4S、4Tのそれぞれのアナログ検出電圧をディジタル値に変換するA/D変換器12R、12S、12Tと、相電流検出器5R、5S、5Tのそれぞれのアナログ検出電流をディジタル値に変換するA/D変換器13R、13S、13Tと、これらA/D変換器12R、12S、12T及びA/D変換器13R、13S、13Tからのディジタル信号を取り込み、種種の処理を実行するCPU11と、電圧スペクトラム記憶部14と、基準値記憶部15と、表示部16とを備えている。
CPU11はA/D変換器12R〜13Tから取り込まれるディジタル検出電圧、ディジタル検出電流を取り込み、各相ディジタル検出電圧と各相ディジタル検出電流とを乗算して、各相電力を算出する機能、各相ディジタル検出電圧をフーリエ変換する機能、各相ディジタル検出電圧のピークtoピーク値を算出する機能、算出したディジタル検出電圧のピークtoピーク値と負荷に対応する基準電圧PK1とを比較し、ピークtoピークディジタル値が大きい場合は、平滑コンデンサの容量抜け無し(異常なし)と判定し、ピークtoピークディジタル検出電圧が基準電圧PK1より小さいと平滑コンデンサの容量抜け有(異常有)と判定する容量抜け判定機能を備えている。
電圧スペクトラム記憶部14は、CPU11でフーリエ変換された各相検出電圧の基本波から高次元の周波数成分の各レベルを記憶する。基準値記憶部15には図5に示すように負荷の変化に対応して平滑コンデンサの容量抜けを検出するための基準値を予め記憶している。誘導電動機2の負荷が無しの場合は、平滑コンデンサの容量抜けが無い場合と容量抜け有の場合に各相ディジタル検出電圧、例えばピークtoピークに差はない。しかしながら負荷が掛けられると、その負荷電流が大となり、また平滑コンデンサの容量抜け無しの場合に比し各相ディジタル検出電圧、例えばピークtoピークが低くなる。基準値PK1は、例えば負荷100%の時に、各相ディジタル検出電圧が、平滑コンデンサの容量抜け無しの場合には検出ピークtoピーク電圧>基準値PK1となるように、平滑コンデンサの容量抜け有の場合に検出ピークtoピーク電圧<基準値PK1となるように、基準値PK1を設定してある。
誘導電動機2への負荷が小さくなると、その分、平滑コンデンサの容量抜けに対する各相ディジタル検出電圧の低下割合が小となるので、基準値PK1を異なる値(定格負荷時より大)に設定している。したがってこの実施形態回路において、負荷を掛けている状態においてインバータ1からの各相ディジタル検出電圧のピークtoピーク値と、加えている負荷に応じた基準値PK1とを比較し、検出電圧のピークtoピーク値が基準値PK1より大なる場合は、容量抜け無し、つまり異常無し、と判定し、検出電圧のピークtoピーク値が基準値PK1より小さくなった場合には、インバータ1の平滑コンデンサの容量抜け有りと判断できる。
図6には、定格負荷を掛けた場合において、インバータ1の平滑コンデンサの容量抜け無しの場合の、ピークtoピーク波形aと、容量抜け有り、の場合のピークtoピーク波形bを例示している。
この実施形態では、ピークtoピーク値を、定格負荷で容量抜け無しの状態で、サンプリング数N回にわたり算出し、その平均値を算出し、さらに定格負荷で容量抜け有りの状態で、ピークtoピーク値をサンプルN回にわたり算出し、その平均値を算出し、図6の例示では、
波形aの平均ピークtoピーク値>基準値PK1>波形bの平均ピークtoピーク値
となるように基準値PK1を設定している。
そして実測で容量抜け判定を行う場合に、サンプル数N回にわたりピークtoピーク値を算出し、その平均ピークtoピーク値PPaを求め、この平均ピークtoピーク値PPaが、基準値PK1よりも大きい場合に容量抜け無し、と判定し、基準値PK1よりも小さい場合に容量抜け有り、と判定している。平均ピークtoピーク値PPaを求めて、基準値と比較するものであるため、バラツキ度を吸収し、より精度良く容量抜けを判定できる。もっとも、この発明においては、1回のピークtoピーク値と基準値PK1とを比較することによっても、十分に容量抜けの有無を判定することができる。
次に、この実施形態インバータによる電動機駆動回路における容量抜け診断処理を図3に示すフロー図を参照して説明する。この実施形態回路においては、誘導電動機2の駆動動作における所定のタイミングで、この容量抜け診断処理を実行している。
この容量抜け診断処理ルーチンに入ると、先ず、ステップST1において、変数nを1とする。この変数nは、サンプル回数のカウント値を示すものである。次に、ステップST2へ移行する。ステップST2においては、サンプルタイムの到来を待機する。サンプルタイムの到来で、次にステップST3へ移行する。
ステップST3においては、インバータ1のR相、S相、T相の各相電圧を、各相電圧検出器4R,4S,4T及びA/D変換器12R,12S,12Tを経て,CPU11に取り込む。
次に、ステップST4において、各相電流検出器5R、5S,5T及びA/D変換器13R,13S,13Tを経てCPU11に取り込む。続いてステップST5へ移行する。
ステップST5においては、検出したR相,S相、T相の各検出電圧と各検出電流とを乗算し、各相電力を算出する。次にステップST6へ移行する。ステップST6において、R相,S相,T相の各相毎に、ディジタル検出電圧のピークtoピーク値を算出する。定格負荷で容量抜け無しの場合は、このピークtoピーク値は、インバータ1の定格実効地出力が200Vとした場合、インバータ1のピークtoピーク値は560V程度となる。n=1におけるピークtoピーク値Vpp1は、図6に示す波形の絶対値|―Po1|+絶対値|+Po1|となる。図6の例示では、Vpp1=572Vである。これに対し、定格負荷で容量抜け有りの場合は、ピークtoピーク値Vppは、定格負荷容量抜け無しの場合に比し小さくなる。図6の例示では,Vpp1は、絶対値|―Pr1|+絶対値|+Pr1|となり、例示の具体値はVpp1=564Vである。ここで算出したピークtoピーク値Vpp1はCPU11のメモリに記憶される。続いてステップST7へ移行する。なお、ステップST7以下においても、各相ごとに同じ処理を実行するが説明を簡便にするため、相を分けずに説明する。
ステップST7において、処理開始当初は、n=1であるので、例えばN=20に設定してある場合、判定NOでステップST8へ移行する。ステップST8においては、nを1歩進して(n=2)、ステップST2へ戻る。ステップST2においては、次のサンプルタイム到来で、ステップST3へ移行し、前回と同様にステップST3で、R相、S相,T相の電圧検出値の取り込み、ステップST4で、R相、S相,T相の電流検出値の取り込みを行い、ステップST5で、R相、S相,T相の電力算出を行う。そして、ステップST6で、今回(n=2)の相電圧のピークtoピーク値Vpp2を算出し、これをCPU11のメモリに記憶する。図6の例示では定格負荷容量抜け無しの場合はVpp2=590Vを、定格負荷容量抜け有りの場合はVpp2=560Vを示している。
以上のようにして,n=N(=20)となるまで各回のピークtoピーク値Vppnを算出し、記憶する。ステップST9においては、記憶してあるN回分のピークtoピーク電圧の平均値Vppaを算出する。次にステップST19へ移行する。
ステップST10においては、基準値記憶部15より、算出電力(負荷)に対応する基準値PK1を読み出す。次にステップST11において、求めた検出電圧の平均ピークtoピーク値Vppaと基準値PK1とを比較する。検出電圧の平均ピークtoピーク値Vppaが基準値PK1より大きい場合は、インバータ1の平滑コンデンサの容量抜け無しと判定し、この処理ルーチンにおける処理を終了する。
一方、検出電圧の平均ピークtoピーク値Vppaが低下しており、基準値PK1より小さい場合は、ステップST12へ移行する。ステップST12においては、インバータ1の平滑コンデンサの容量抜け有りと判定し、その旨、つまりインバータ1の平滑コンデンサに容量抜けが生じているとの異常表示を表示部16に行う。
なお、上記実施形態では、各相検出電圧のピークtoピーク値が設定基準値より小さいか否かにより、平滑コンデンサの容量抜けを判別するようにしているが、他の実施形態として、各相検出電圧をフーリエ変換し、第1次周波数波レベルが設定基準値より小さいか否かにより、平滑コンデンサの容量抜けを判別するようにしてもよい。
この実施形態のおける平滑コンデンサの容量抜け診断処理を、図4に示すフロー図を参照して説明する。この実施形態においては、フーリエ変換に必要なデータ数を得る期間に相当するT回にわたり、各相電圧のピーク値を取り込む。したがって図4のステップST21からステップST28までの処理は、図3に示したステップST1からステップST8までの処理と同様である。もっともここでは、ステップST26において、各相電圧のピーク値を記憶している。
以上のようにして、T回分の検出電圧ピーク値を得ると、ステップST29において、この取り込み検出電圧ピーク値データに基づいてフーリエ変換し、スペクトラムを作成する。フーリエ変換により作成されたスペクトラムは、図7に示すように横軸に基本波から、2次、3次、・・・と高次に向けての次数(周波数)を示し、各周波数におけるレベルを縦軸に示している。
図1に示すインバータ1によって、定格負荷で誘導電動機2が駆動されている場合において、インバータ1の平滑コンデンサが容量抜け無しである場合には、適正な整流作用により、リップルも少なく、したがって、この場合は、第1次周波数波のレベル値が高い。これに対し、定格負荷で平滑コンデンサが容量抜けしている場合には、リップル分が大で、高次周波数波成分のレベルが高く、一方、1次周波数波成分のレベルが小さくなる。そのため、ここでは、ステップST30において、算出電力値(負荷)に対応する基準値PK2を、基準値記憶部15から読み出し、次にステップST31において、第1次周波数波レベル値と設定基準値PK2とを比較する。
比較の結果、第1次周波数波レベル値が設定基準値PK2より大なる場合〔図7の(a)参照〕は、インバータ1の平滑コンデンサの容量抜け無し、と判断し、この処理ルーチンにおける処理を終了する。このとき、容量抜け無しの表示を表示部16に表示してもよい。
一方、第1次周波数波レベル値が設定基準値PK2より小さい場合〔図7の(b)参照〕は、ステップST32へ移行する。ステップST32においては、インバータ1の平滑コンデンサの容量抜け有りと判定するとともに、その旨を表示部16に表示する。
なお、上記実施形態において、図3のステップST11,ST12及び図4のステップST31,ST32で、容量抜け有無を表示部16に表示するようにしているが、これに代えて、容量抜けの有無を音声報知し、あるいは、通信回線を介して、管理センタ装置などに異常報知信号を伝送するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、いずれもR相,S相,T相のそれぞれにおいて、降圧トランス、相電圧検出器、相電流検出器、相電圧相電流用のA/D変換器、電力算出手段を備え、各相ごとに、容量抜け有無の判定を行うこと想定して説明しているが、この発明においては、1相のみに、降圧トランス、相電圧検出器、相電流検出器、相電圧相電流用のA/D変換器、電力算出手段を備え、1相のみにて容量抜け有無を判定することも可能である。
この発明の一実施形態であるインバータによる誘導電動機の駆動回路を示す回路接続図である。 同誘導電動機の駆動回路に接続される、インバータ診断用のデータ処理回路を示すブロック図である。 同データ処理回路により、平滑コンデンサの容量抜け診断処理を行う場合の、第1の実施形態を説明するフロー図である。 上記データ処理回路により、平滑コンデンサの容量抜け診断処理を行う場合の、第2の実施形態を説明するフロー図である。 上記データ処理回路において、基準値記憶部における設定基準値の記憶例を説明する図である。 図3における診断処理を説明するための電圧検出波形であって、ピークtoピーク波形を示す図である。 図4における診断処理を説明するための検出電圧ピーク値のフーリエ変換後のスペクトラム分布を示す図である。
符号の説明
1 インバータ
2 誘導電動機
3R,3S,3T 降圧トランス
4R,4S,4T 相電圧検出器
5R,5S,5T 相電流検出器
11 CPU
12R,12S,12T 電圧用A/D変換器
13R,13S,13T 電流用A/D変換器
14 電圧スペクトラム記憶部
15 基準値記憶部
16 表示部






Claims (5)

  1. 多相出力で電動機を駆動制御するインバータの劣化を診断するインバータ診断装置であって、
    所定負荷時の、インバータの多相出力の少なくとも1相出力を降圧するトランスと、
    このトランスの2次側電圧を検出する電圧検出器と、
    前記電圧検出器の検出電圧をディジタル値に変換するA/D変換手段と、
    前記所定負荷に対応した基準値と前記A/D変換手段より取り込みの検出電圧とを比較して、前記インバータの平滑コンデンサ劣化の有無を判定する劣化判定手段とを備えることを特徴とするインバータ診断装置。
  2. 前記劣化判定手段は、前記A/D変換手段より取り込みのディジタル検出電圧のピークtoピーク値と前記基準値とを比較し、ピークtoピーク値が前記基準値より小さい場合に平滑コンデンサの劣化有と判定することを特徴とする請求項1記載のインバータ診断装置。
  3. 前記劣化判定手段は、前記A/D変換手段より取り込みのディジタル検出電圧のピークtoピーク値が、所定期間の平均値であり、この平均ピークtoピーク値と前記基準値とを比較し、平均ピークtoピーク値が前記基準値より小さい場合に平滑コンデンサの劣化有と判定することを特徴とする請求項2記載のインバータ診断装置。
  4. 前記劣化判定手段は、前記ディジタル検出電圧をフーリエ変換し、得られた第1次波のレベル値と前記基準値とを比較し、前記第1次波のレベル値が前記基準値より小さい場合に、平滑コンデンサの劣化有と判定することを特徴とする請求項1記載のインバータ診断装置。
  5. 多相出力で電動機を駆動制御するインバータの劣化を診断するインバータ診断装置であって、
    インバータの多相出力の少なくとも1相出力を降圧するトランスと、
    このトランスの2次側電圧を検出する電圧検出器と、
    このトランスの2次側電流を検出する電流検出器と、
    前記電圧検出器の検出電圧をディジタル値に変換する第1のA/D変換手段と、
    前記電流検出器の検出電流をディジタル値に変換する第2のA/D変換手段と、
    前記ディジタル検出電圧と前記ディジタル検出電流に基づいて電力を算出する電力算出手段と、
    前記電力に対応した基準値と前記A/D変換手段より取り込みの検出電圧とを比較して、前記インバータの平滑コンデンサ劣化の有無を判定する劣化判定手段とを備えることを特徴とするインバータ診断装置。
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