JP6824494B1 - 異常診断装置、電力変換装置および異常診断方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、このような異常診断装置を備えて、電動機の異常を信頼性良く診断して電動機を駆動する電力変換装置を提供する事を目的とする。
さらに、電力変換装置のパルス幅変調制御により駆動される電動機の異常を、低周波数領域を含むノイズの影響を防止して信頼性良く診断する異常診断方法を提供する事を目的とする。
また本願に開示される異常診断装置は、電力変換装置のパルス幅変調制御により駆動される電動機の異常を診断する。該異常診断装置は、前記電動機に流れる電流を検出する検出部と、前記検出部にて検出された前記電流を周波数解析して解析結果を出力する解析部と、前記解析結果から得られる、変調波の少なくとも1つの側帯波成分のスペクトルピークに基づいて前記電動機の異常を判定する判定部と、前記電流内のノイズ周波数を予め設定する周波数設定部と、を備える。そして、前記周波数設定部は、前記パルス幅変調制御に用いられる変調波周波数の整数倍から、前記電力変換装置が接続される交流電源の周波数の整数倍だけずれた値の絶対値を前記ノイズ周波数として設定し、前記判定部は、前記側帯波成分の周波数と、設定された前記ノイズ周波数とに基づいて、前記側帯波成分の前記スペクトルピークにおけるノイズ干渉の有無を推定し、前記電動機の異常を判定する。
図1は実施の形態1による電力変換装置および異常診断装置の構成を示す図である。
図1に示すように、電力変換装置100は、例えば商用電源から成る交流電源1と電動機2との間に接続されて、電動機2を駆動制御する。電力変換装置100は、電力変換部10と、電力変換部10を出力制御する制御装置20とを備える。
また、電力変換部10から電動機2に流れる電流iは、電流センサ3により検出され、異常診断装置30は、電流iに基づいて電動機2の異常を診断する。なお、電流センサ3は、電力変換装置100に内蔵されるものでも、また外付けでも良く、数および位置についても図示したものに限るものではない。
この場合、交流電源1、電動機2および電力変換装置100は、三相構成のものを示すが、これに限るものではない。
なお、コンバータ部10Aおよびインバータ部10Bの構成は、図示したものに限らない。また、この場合、電力変換部10は、コンバータ部10Aを備えて交流電源1に接続されるものを示したが、直流電力を交流電力に変換して電動機2に電力供給するインバータ部10Bがあれば良く、コンバータ部10Aは無くても良い。
検出部31は、電流センサ3の出力を取得し、電動機2に流れる少なくとも1相の電流iにおける電流波形を検出する。解析部32は、検出された電流iに基づいて周波数解析を行い、周波数スペクトル波形を含む解析結果32aを導出する。周波数設定部33は、変調波周波数f0、搬送波周波数fcおよびサンプリング周波数fsを取得し、それらの最大公約数GCDを演算し、最大公約数GCDおよびその整数倍をノイズ周波数fnαとして設定する。
プロセッサ5は記憶装置6から入力された制御プログラムを実行する。記憶装置6は補助記憶装置と揮発性記憶装置とを備える。プロセッサ5には補助記憶装置から揮発性記憶装置を介して制御プログラムが入力される。プロセッサ5は、演算結果等のデータを記憶装置6の揮発性記憶装置に出力し、これらのデータを、必要に応じて揮発性記憶装置を介して補助記憶装置に保存する。
また、かご形回転子の導体バーに損傷があると、すべりをsとしたとき、周波数((1±2s)・f0)の側帯波成分が増加する。
N・fr(1−dcosθ/D)/2
となる。但し、N、d、D、θは、それぞれ軸受け内における、玉の数、玉の径、ピッチ径、接触角である。
なお、以後、単に側帯波あるいは側帯波成分と記載する場合は、変調波の側帯波あるいは変調波の側帯波成分を指す。
図4に示すように、変調波周波数f0のスペクトル40の両側に複数のスペクトル41、42が出現する。この場合、変調波周波数f0の両側に回転周波数fr分ずれた周波数(f0±fr)において、変調波の側帯波成分のスペクトル41が出現し、さらにインバータ部10Bのスイッチング動作に起因するノイズ成分のスペクトル42が出現する。
なお、この場合、上記周波数|k1・f0±k2・fr|における、k1=k2=1、の場合のスペクトル41のみ図示したが、スペクトルピークの小さいものを含めると、通常、k1=k2=1、以外の組み合わせによるスペクトル41も出現する。
図5に示すように、PWM制御では、変調波Mを搬送波Crと比較してゲート信号Gを生成する。その際、クロック信号(CLK)のタイミングにて変調波Mをサンプリングして変調波Mの値を一時記憶し、搬送波Crと比較する。
搬送波周波数fcまたはサンプリング周波数fsが、変調波周波数f0の倍数ではない場合、それらの値の最大公約数とその整数倍の周波数にて、インバータ部10Bのスイッチング動作に起因するノイズ成分のスペクトル42が生じる。
この場合、周波数設定部33は、変調波周波数f0、搬送波周波数fcおよびサンプリング周波数fsを取得し、それらの最大公約数GCDを演算し、最大公約数GCDおよびその整数倍をノイズ周波数fnαとして設定する。なお、最大公約数GCDが変調波周波数f0である場合は、ノイズ周波数fnαを設定しない。
まず、異常診断装置30は、電力変換装置100の電力変換部10から電動機2に流れる各相電流iの内、少なくとも1相分の電流iの電流波形を検出部31により検出する。この場合、検出部31は三相分の電流波形を検出するものとする。電流センサ3で三相の各相電流iを検出しても良いし、2相分を検出して、残りの相の電流を演算により求めても良い(ステップS1)。
次に、解析部32は、検出された電流iに基づいて周波数解析を行い、周波数スペクトル波形を含む解析結果32aを導出する(ステップS2)。
最大公約数GCDはfc/2より低い値である。また、電力変換装置100の通常の制御条件においては、最大公約数GCDは(fc−4f0)より低い値となる。このため、設定されるノイズ周波数fnαは、fc/2より低い周波数領域の周波数を含み、一般的には、(fc−4f0)より低い周波数も含んで設定される(ステップS5)。
電動機2の異常兆候で増加する変調波の側帯波成分(スペクトル41)は、上述したように特定の周波数成分であるため、判定部34は、該特定の周波数成分を監視対象として、その周波数とノイズ周波数fnαとを比較し、差分が設定値未満のとき、重複あるいは近接していると判定する。設定値は、数Hz、例えば2Hzに設定される。上記差分が設定値以上の時、スペクトル41のピークはノイズ成分に影響されず、ノイズ干渉は発生しない(ステップS6)。
このため、低周波数領域を含むノイズの影響による誤診断を防止でき、電動機2の異常診断を信頼性良く行える。
また、側帯波成分の周波数と設定されたノイズ周波数fnαとの差分が設定値未満で近接する場合、その側帯波成分をノイズ干渉有りと推定するため、信頼性良くノイズ干渉を推定できる。
また、電圧利用率を向上させるために、変調波Mに三次高調波を重畳させても良く、その場合、最大公約数GCDの値に変化が無く、同様にノイズ周波数fnαが設定できる。
図7は、実施の形態2による異常診断装置30Aの概略構成を示すブロック図である。
図7に示すように、異常診断装置30Aは、上記実施の形態1と同様に、検出部31と解析部32と周波数設定部33と判定部34とを備え、さらに、報知部35を備える。
判定部34は、ノイズ干渉有りと推定される側帯波成分がある場合、当該側帯波成分を異常診断の対象から除外する(図6のステップS7参照)と共に、報知部35に報知指令34bを出力する。そして、報知部35は、ノイズ干渉有りを外部に知らせる報知信号35aを出力する。その他の構成および動作は、上記実施の形態1と同様である。
図8は、実施の形態3による異常診断装置30Bの概略構成を示すブロック図である。
図8に示すように、異常診断装置30Bは、上記実施の形態1と同様に、検出部31と解析部32と周波数設定部33とを備え、さらに、判定部36とノイズ検出部37と記憶部38と切替器39とを備える。判定部36、ノイズ検出部37、記憶部38および切替器39以外の構成および動作は、上記実施の形態1と同様である。
切替器39は、解析部32の解析結果32aの出力先を、ノイズ検出部37と判定部36との一方に選択的に切り替える。電動機2の異常診断時には判定部36が選択され、予め電動機2の正常運転時に行われるノイズの検出時には、ノイズ検出部37が選択される。
また、検出された電圧の周波数解析の結果と、電動機2の正常運転時における、電流iの解析結果32aから得たノイズの検出結果との双方を判定部36が用いることもでき、異常判定の精度が向上する。
図9は実施の形態4による電力変換装置100および異常診断装置30Cの構成を示す図である。
図9に示すように、電力変換装置100は、上記実施の形態1と同様に構成されて、電力変換部10と、電力変換部10を出力制御する制御装置20とを備える。また、電力変換部10から電動機2に流れる電流iは、電流センサ3により検出され、異常診断装置30は、電流iに基づいて電動機2の異常を診断する。
この場合も、電力変換部10は、交流電源1、電動機2および電力変換装置100は、三相構成のものを示すが、これに限るものではない。
このように、電力変換装置100は電動機2を駆動する。そして、平滑コンデンサ10Cの直流電圧と、電動機2に出力される交流電圧とは、交流電源1の周波数とその整数倍の周波数でわずかに変動し、その値だけ変調波周波数f0からずれた側帯波成分(ノイズ成分)が電流iに発生する。
検出部31および解析部32は、上記実施の形態1と同様の構成で同様に動作する。
|m・fac±n・f0|
即ち、ノイズ周波数fnβは、変調波周波数f0の整数倍から、交流電源周波数facの整数倍だけずれた値の絶対値となる。
図11に示すように、変調波周波数f0および交流電源周波数facがそれぞれ50Hz、60Hzの場合、変調波周波数f0の復数倍(100Hz、150Hz、200Hz)の周波数と、それと別に、周波数10Hz、70Hz、110Hz、170Hzにおいて、ノイズ成分のスペクトルが出現している。変調波周波数f0の復数倍以外のノイズ成分の周波数を、それぞれ変調波周波数f0(50Hz)および交流電源周波数fac(60Hz)で表すと、
10Hz=fac−f0
70Hz=2・fac−f0
110Hz=fac+f0
170Hz=2・fac+f0
となり、上述したノイズ周波数fnβの演算式を満たすものとなる。
まず、異常診断装置30Cは、上記実施の形態1と同様に、電力変換装置100の電力変換部10から電動機2に流れる各相電流iの内、少なくとも1相分の電流iの電流波形を検出部31により検出し(ステップS1)、解析部32は、検出された電流iに基づいて周波数解析を行い、周波数スペクトル波形を含む解析結果32aを導出する(ステップS2)。
そして、周波数設定部33Aは、上述したように、
|m・fac±n・f0|
を演算し(ステップSS4)、ノイズ周波数fnβとして設定する。なお、ノイズ周波数fnβは、m=n=1の場合を含み、測定可能域を超えない範囲で設定される。
m=n=1の場合、即ち、(fac±f0)はfc/2より低い値である。また、電力変換装置100の通常の制御条件においては、(fac±f0)は(fc−4f0)より低い値となる。このため、設定されるノイズ周波数fnβは、fc/2より低い周波数領域の周波数を含み、一般的には、(fc−4f0)より低い周波数も含んで設定される(ステップS5)。
このため、低周波数領域を含むノイズ成分、この場合、変調波周波数f0および交流電源周波数facに起因するノイズ成分の影響による誤診断を防止でき、電動機2の異常診断を信頼性良く行える。
これにより、異常診断のための監視対象の側帯波成分を確実に監視して電動機2の異常診断を確実に行える。
また、検出された電圧の周波数解析の結果と、電動機2の正常運転時における、電流iの解析結果32aから得たノイズの検出結果との双方を用いることもでき、異常判定の精度が向上する。
図13は実施の形態5による電力変換装置100Aの構成を示す図である。
図13に示すように、電力変換装置100Aは、上記実施の形態1と同様に構成される電力変換部10と、電力変換部10を出力制御する制御装置20Aとを備える。制御装置20Aは、電力変換部10を出力制御するためのインバータ制御部21と異常診断装置30Dとを備える。
また、電力変換部10から電動機2に流れる電流iは、電流センサ3により検出され、異常診断装置30Dは、電流iに基づいて電動機2の異常を診断する。
ノイズ干渉無しの場合、判定部34は、上記実施の形態1と同様に、側帯波成分のスペクトルピークに基づいて電動機2の異常診断を行う。そして、ノイズ干渉有りの場合、判定部34は、異常診断を中断し、報知信号SS1をインバータ制御部21に送信する。
異常診断装置30Dでは、各部が再度、動作して、異常診断を継続する。搬送波周波数fcが変更されるとノイズ周波数fnαが変化するため、側帯波成分のスペクトルピークにおけるノイズ干渉の有無も変化する。これにより、判定部34において、ノイズ干渉無しの推定を導く事ができ、側帯波成分のスペクトルピークに基づいて電動機2の異常診断を行う。
搬送波周波数fcあるいはサンプリング周波数fsが上記のように時間変化すると、最大公約数GCDおよびその整数倍の周波数成分のスペクトルを複数の周波数域に分散される。これによりノイズ成分のスペクトルピークを低減でき、側帯波成分のスペクトルピークにおけるノイズ干渉を除去あるいは抑制することができ、異常診断を信頼性良く行う事ができる。
上記実施の形態5では、異常診断装置30Dによる異常診断の際に、側帯波成分のスペクトルピークにおいてノイズ干渉有りと推定されると、最大公約数GCDの演算に用いる周波数の内、少なくとも1つを変更するものを示した。
この実施の形態では、上記実施の形態5の場合に、さらに、最大公約数GCDが、変調波周波数f0に一致するか、あるいは10Hz以下、望ましくは数Hz以下となるように、最大公約数GCDの演算に用いる周波数の内、少なくとも1つを変更する。
このように、最大公約数GCDを数Hzに小さくすることで、ノイズ成分のスペクトルの出現数は増大するが、スペクトルを複数の周波数域に分散できてスペクトルピークを低減できる。これにより、変調波の側帯波成分のスペクトルピークにおけるノイズ干渉を除去あるいは抑制することができ、異常診断を信頼性良く行う事ができる。
この実施の形態では、上記実施の形態5で示した電力変換装置100A内の異常診断装置30Dに、上記実施の形態4で示した異常診断装置30Cを適用するものを示す。この場合、異常診断装置30Cは、電力変換装置100Aの制御装置20A内に設けられる。
異常診断装置30Cは、上記実施の形態4と同様に、検出部31と解析部32と周波数設定部33Aと判定部34とを備え、検出部31、解析部32および周波数設定部33Aは、上記実施の形態4と同様に動作する。
ノイズ干渉無しの場合、判定部34は、上記実施の形態4と同様に、側帯波成分のスペクトルピークに基づいて電動機2の異常診断を行う。そして、ノイズ干渉有りの場合、判定部34は、異常診断を中断し、報知信号SS1をインバータ制御部21に送信する。
異常診断装置30Cでは、各部が再度、動作して、異常診断を継続する。変調波周波数f0が変更されるとノイズ周波数fnβが変化するため、側帯波成分のスペクトルピークにおけるノイズ干渉の有無も変化する。これにより、判定部34において、ノイズ干渉無しの推定を導く事ができ、側帯波成分のスペクトルピークに基づいて電動機2の異常診断を行う。
これにより、交流電源周波数facに応じた電圧(平滑コンデンサ10Cの直流電圧および電動機2に出力される交流電圧)の変動に起因するノイズ成分の周波数自体を変化させる。このため、側帯波成分のスペクトルピークにおけるノイズ干渉を除去することができ、異常診断を確実に行う事ができる。このように、ノイズ成分の影響による誤診断を防止でき、電動機2の異常診断を信頼性良く行える。
この場合、監視対象の側帯波成分の周波数と、想定されるノイズ周波数との差分が設定値以上になるように変調波周波数f0、搬送波周波数fc、サンプリング周波数fsを決定して電力変換装置100Aを運転する。あるいは、最大公約数GCDを数Hzに小さくするように変調波周波数f0、搬送波周波数fc、サンプリング周波数fsを決定して電力変換装置100Aを運転する。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Claims (16)
- 電力変換装置のパルス幅変調制御により駆動される電動機の異常を診断する異常診断装置において、
前記電動機に流れる電流を検出する検出部と、
前記検出部にて検出された前記電流を周波数解析して解析結果を出力する解析部と、
前記解析結果から得られる、変調波の少なくとも1つの側帯波成分のスペクトルピークに基づいて前記電動機の異常を判定する判定部と、
前記電流内のノイズ周波数を予め設定する周波数設定部と、を備え、
前記周波数設定部は、前記パルス幅変調制御に用いられる3つの周波数である変調波周波数、搬送波周波数、および前記変調波をサンプリングするサンプリング周波数の内、前記変調波周波数を含む2以上の周波数の最大公約数を演算し、該最大公約数およびその整数倍を前記ノイズ周波数として設定し、
前記判定部は、前記側帯波成分の周波数と、設定された前記ノイズ周波数とに基づいて、前記側帯波成分の前記スペクトルピークにおけるノイズ干渉の有無を推定し、前記電動機の異常を判定する、
異常診断装置。 - 電力変換装置のパルス幅変調制御により駆動される電動機の異常を診断する異常診断装置において、
前記電動機に流れる電流を検出する検出部と、
前記検出部にて検出された前記電流を周波数解析して解析結果を出力する解析部と、
前記解析結果から得られる、変調波の少なくとも1つの側帯波成分のスペクトルピークに基づいて前記電動機の異常を判定する判定部と、
前記電流内のノイズ周波数を予め設定する周波数設定部と、を備え、
前記周波数設定部は、前記パルス幅変調制御に用いられる変調波周波数の整数倍から、前記電力変換装置が接続される交流電源の周波数の整数倍だけずれた値の絶対値を前記ノイズ周波数として設定し、
前記判定部は、前記側帯波成分の周波数と、設定された前記ノイズ周波数とに基づいて、前記側帯波成分の前記スペクトルピークにおけるノイズ干渉の有無を推定し、前記電動機の異常を判定する、
異常診断装置。 - 前記周波数設定部が設定する前記ノイズ周波数は、搬送波周波数の1/2より低い周波数を含む、
請求項1または請求項2に記載の異常診断装置。 - 前記判定部は、前記側帯波成分の周波数と前記ノイズ周波数との差分が設定値未満で近接する場合、当該側帯波成分に対して、前記ノイズ干渉有りと推定する、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の異常診断装置。 - 前記判定部は、前記ノイズ干渉有りと推定された側帯波成分を除いて、前記電動機の異常を判定する、
請求項4に記載の異常診断装置。 - 前記電動機の正常運転時において前記電流の前記ノイズ周波数でのノイズの大きさを検出するノイズ検出部と、該ノイズ検出部による検出結果を記憶する記憶部とを備え、
前記判定部は、前記ノイズ干渉有りと推定された側帯波成分について、該側帯波成分の前記スペクトルピークと、前記記憶部内の前記検出結果とに基づいて前記電動機の異常を判定する、
請求項4に記載の異常診断装置。 - 前記ノイズ干渉の有無を外部に報知する報知部を備えた、
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の異常診断装置。 - 直流電力を交流電力に変換して前記電動機に電力供給する電力変換部と、
前記電力変換部を前記パルス幅変調制御により出力制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の異常診断装置を備えて、前記電動機の異常を診断する、
電力変換装置。 - 直流電力を交流電力に変換して前記電動機に電力供給する電力変換部と、
前記電力変換部を前記パルス幅変調制御により出力制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、請求項1に記載の異常診断装置を備えて前記電動機の異常を診断し、
前記制御装置は、前記側帯波成分の周波数と前記ノイズ周波数との差分が設定値未満で近接する場合、前記最大公約数の演算に用いた前記2以上の周波数の内、少なくとも1つを変更して前記パルス幅変調制御を行い、
前記異常診断装置は、変更された周波数に基づいて、前記電動機の異常を診断する、
電力変換装置。 - 前記周波数の変更は、該周波数を時間変化させるものである、
請求項9に記載の電力変換装置。 - 前記制御装置は、前記側帯波成分の周波数と前記ノイズ周波数との差分が設定値未満で近接する場合、前記最大公約数が、前記変調波周波数に一致するか、あるいは10Hz以下となるように、前記2以上の周波数の内、少なくとも1つを変更する、
請求項9に記載の電力変換装置。 - 前記周波数の変更は、該周波数として前記搬送波周波数を変更するものである、
請求項9から請求項11のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、平滑コンデンサと、該平滑コンデンサの直流電力を交流電力に変換して前記電動機に電力供給するインバータ部とを備えた電力変換部と、
前記電力変換部を前記パルス幅変調制御により出力制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、請求項2に記載の異常診断装置を備えて前記電動機の異常を診断する、
電力変換装置。 - 前記制御装置は、前記側帯波成分の周波数と前記ノイズ周波数との差分が設定値未満で近接する場合、前記変調波周波数を変更して前記パルス幅変調制御を行い、
前記異常診断装置は、変更された変調波周波数に基づいて、前記電動機の異常を診断する、
請求項13に記載の電力変換装置。 - 電力変換装置のパルス幅変調制御により駆動される電動機の異常を診断する異常診断方法において、
前記パルス幅変調制御に用いられる3つの周波数である変調波周波数、搬送波周波数、および変調波をサンプリングするサンプリング周波数の内、前記変調波周波数を含む2以上の周波数の最大公約数を演算し、該最大公約数の整数倍である周波数をノイズ周波数として設定する第1ステップと、
前記電動機に流れる電流を検出して周波数解析する第2ステップと、
前記第2ステップでの解析結果から得られる変調波の側帯波成分のスペクトルピークに基づいて前記電動機の異常を判定する第3ステップとを備え、
前記第3ステップにおいて、前記側帯波成分の周波数と、前記第1ステップにて設定された前記ノイズ周波数とに基づいて、前記側帯波成分の前記スペクトルピークにおけるノイズ干渉の有無を推定する、
異常診断方法。 - 電力変換装置のパルス幅変調制御により駆動される電動機の異常を診断する異常診断方法において、
前記パルス幅変調制御に用いられる変調波周波数から、前記電力変換装置が接続される交流電源の周波数の整数倍だけずれた周波数をノイズ周波数として設定する第1ステップと、
前記電動機に流れる電流を検出して周波数解析する第2ステップと、
前記第2ステップでの解析結果から得られる変調波の側帯波成分のスペクトルピークに基づいて前記電動機の異常を判定する第3ステップとを備え、
前記第3ステップにおいて、前記側帯波成分の周波数と、前記第1ステップにて設定された前記ノイズ周波数とに基づいて、前記側帯波成分の前記スペクトルピークにおけるノイズ干渉の有無を推定する、
異常診断方法。
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