KR20230010708A - 이상 진단 장치, 전력 변환 장치 및 이상 진단 방법 - Google Patents

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도시히코 미야우치
마사히토 미요시
겐 히라키다
소타 사노
레츠 스가와라
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

이상 진단 장치(30)는 전력 변환 장치(100)의 펄스폭 변조 제어에 의해 구동되는 전동기(2)에 흐르는 전류를 검출하여 주파수 해석하고, 해석 결과로부터 얻어지는, 변조파의 적어도 하나의 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 기초하여, 판정부(34)가 전동기(2)의 이상을 판정한다. 이상 진단 장치(30)는 전류 내의 노이즈 주파수(fnα)를 미리 설정하는 주파수 설정부(33)를 구비하고, 판정부(34)는, 측대파 성분의 주파수와, 설정된 노이즈 주파수(fnα)에 기초하여, 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정하여 이상 판정한다.

Description

이상 진단 장치, 전력 변환 장치 및 이상 진단 방법
본원은 전동기의 이상을 진단하는 이상 진단 장치, 해당 이상 진단 장치를 구비하여 전동기를 구동시키는 전력 변환 장치, 및 전동기의 이상 진단 방법에 관한 것이다.
전동기의 이상을 운전 중에 진단하기 위해, 예를 들면, 특허문헌 1에 기재된 종래의 수법에서는, 전동기에 흐르는 전류에 대해 주파수 해석을 행하여, 전원 주파수 성분의 측대파로서 나타나는 주파수 성분으로부터 이상을 진단한다. 그리고, 전동기에 흐르는 전류에 있어서, 동일 위상으로 되어 있는 2개의 주기의 파형끼리를 감산함으로써 노이즈 성분을 상쇄하여, 회전자의 이상시에 나타나는 맥동 성분을 추출하여 이상 진단을 행한다.
또한, 특허문헌 2에 기재된 종래의 수법에서는, 인버터의 PWM(펄스폭 변조) 제어에 의해 유도 전동기를 구동시키는 경우로서, 진동의 스펙트럼에 발생하고 있는 노이즈 성분을 제거하고, 노이즈 성분을 제거한 스펙트럼을 역푸리에 변환하여, 유도 전동기에서 채취된 진동 가속도 파형을 노이즈 성분이 제거된 형태로 구한다.
일본 특개 2003-274691호 공보 일본 특개 2016-116251호 공보
특허문헌 1에 기재된 종래의 이상 진단에서는, 전동기에 흐르는 전류에 있어서, 주기마다 동일 위상으로 동일 크기의 노이즈 성분만 상쇄할 수 있다. 그렇지만, 전동기의 구동 조건 혹은 이상의 상태에 따라 노이즈 성분은 다양하여, 저감시킬 수 없는 노이즈 성분이 잔존하여, 이상 진단을 위한 주파수 성분을 신뢰성 좋게 추출하는 것은 곤란했다.
특허문헌 2에 기재된 종래의 이상 진단에서는, 반송파 주파수에 기인하는 가속도 성분인 노이즈 신호를 회피하는 것이며, 그 이외의 노이즈 성분, 특히 저주파수 영역의 노이즈 성분이 잔존하여, 신뢰성 좋게 이상 진단하는 것은 곤란했다.
본원은 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 기술을 개시하는 것으로, 전력 변환 장치의 펄스폭 변조 제어에 의해 구동되는 전동기의 이상을, 저주파수 영역을 포함하는 노이즈의 영향을 방지하여 신뢰성 좋게 진단하는 이상 진단 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 이와 같은 이상 진단 장치를 구비하여, 전동기의 이상을 신뢰성 좋게 진단하여 전동기를 구동시키는 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
추가로, 전력 변환 장치의 펄스폭 변조 제어에 의해 구동되는 전동기의 이상을, 저주파수 영역을 포함하는 노이즈의 영향을 방지하여 신뢰성 좋게 진단하는 이상 진단 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원에 개시되는 이상 진단 장치는, 전력 변환 장치의 펄스폭 변조 제어에 의해 구동되는 전동기의 이상을 진단한다. 해당 이상 진단 장치는 상기 전동기에 흐르는 전류를 검출하는 검출부와, 상기 검출부에서 검출된 상기 전류를 주파수 해석하여 해석 결과를 출력하는 해석부와, 상기 해석 결과로부터 얻어지는, 변조파의 적어도 하나의 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 기초하여 상기 전동기의 이상을 판정하는 판정부와, 상기 전류 내의 노이즈 주파수를 미리 설정하는 주파수 설정부를 구비한다. 그리고, 상기 판정부는, 상기 측대파 성분의 주파수와, 설정된 상기 노이즈 주파수에 기초하여, 상기 측대파 성분의 상기 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정하여, 상기 전동기의 이상을 판정한다.
또한, 본원에 개시되는 전력 변환 장치는, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 전동기에 전력 공급하는 전력 변환부와, 상기 전력 변환부를 상기 펄스폭 변조 제어에 의해 출력 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 이상 진단 장치를 구비하여, 상기 전동기의 이상을 진단한다.
또한, 본원에 개시되는 이상 진단 방법은, 전력 변환 장치의 펄스폭 변조 제어에 의해 구동되는 전동기의 이상을 진단하는 방법으로서, 상기 펄스폭 변조 제어에 이용되는 3개의 주파수인 변조파 주파수, 반송파 주파수, 및 상기 변조파를 샘플링하는 샘플링 주파수 중, 상기 변조파 주파수를 포함하는 2개 이상의 주파수의 최대 공약수를 연산하고, 해당 최대 공약수의 정수배인 주파수를 노이즈 주파수로서 설정하는 제1 스텝과, 상기 전동기에 흐르는 전류를 검출하여 주파수 해석하는 제2 스텝과, 상기 제2 스텝에서의 해석 결과로부터 얻어지는 변조파의 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 기초하여 상기 전동기의 이상을 판정하는 제3 스텝을 구비한다. 그리고, 상기 제3 스텝에 있어서, 상기 측대파 성분의 주파수와, 상기 제1 스텝에서 설정된 상기 노이즈 주파수에 기초하여, 상기 측대파 성분의 상기 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정한다.
또한, 본원에 개시되는 이상 진단 방법은, 전력 변환 장치의 펄스폭 변조 제어에 의해 구동되는 전동기의 이상을 진단하는 방법으로서, 상기 펄스폭 변조 제어에 이용되는 변조파 주파수로부터, 상기 전력 변환 장치가 접속되는 교류 전원의 주파수의 정수배만큼 시프트된 주파수를 노이즈 주파수로서 설정하는 제1 스텝과, 상기 전동기에 흐르는 전류를 검출하여 주파수 해석하는 제2 스텝과, 상기 제2 스텝에서의 해석 결과로부터 얻어지는 변조파의 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 기초하여 상기 전동기의 이상을 판정하는 제3 스텝을 구비한다. 그리고, 상기 제3 스텝에 있어서, 상기 측대파 성분의 주파수와, 상기 제1 스텝에서 설정된 상기 노이즈 주파수에 기초하여, 상기 측대파 성분의 상기 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정한다.
본원에 개시되는 이상 진단 장치에 의하면, 전력 변환 장치의 펄스폭 변조 제어에 의해 구동되는 전동기의 이상을, 저주파수 영역을 포함하는 노이즈의 영향을 방지하여 신뢰성 좋게 진단하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본원에 개시되는 전력 변환 장치에 의하면, 해당 전력 변환 장치의 펄스폭 변조 제어에 의해 구동되는 전동기의 이상을, 저주파수 영역을 포함하는 노이즈의 영향을 방지하여 신뢰성 좋게 진단하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본원에 개시되는 이상 진단 방법에 의하면, 전력 변환 장치의 펄스폭 변조 제어에 의해 구동되는 전동기의 이상을, 저주파수 영역을 포함하는 노이즈의 영향을 방지하여 신뢰성 좋게 진단하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치 및 이상 진단 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 실시 형태 1에 따른 이상 진단 장치의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 실시 형태 1에 따른 이상 진단 장치의 일부의 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 실시 형태 1에 따른 이상 진단 장치에 있어서의 전류의 주파수 스펙트럼 파형을 설명하는 도면이다.
도 5는 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치의 펄스폭 변조 제어를 설명하는 파형도이다.
도 6은 실시 형태 1에 따른 이상 진단 장치의 동작을 설명하는 플로차트이다.
도 7은 실시 형태 2에 따른 이상 진단 장치의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.
도 8은 실시 형태 3에 따른 이상 진단 장치의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.
도 9는 실시 형태 4에 따른 전력 변환 장치 및 이상 진단 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 10은 실시 형태 4에 따른 이상 진단 장치의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.
도 11은 실시 형태 4에 따른 노이즈 주파수를 설명하기 위한 전류의 주파수 스펙트럼 파형이다.
도 12는 실시 형태 4에 따른 이상 진단 장치의 동작을 설명하는 플로차트이다.
도 13은 실시 형태 5에 따른 전력 변환 장치 및 이상 진단 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 14는 실시 형태 5의 다른 예에 따른 반송파를 나타내는 도면이다.
도 15는 실시 형태 6에 따른 효과를 설명하기 위한 전류의 주파수 스펙트럼 파형의 개략도이다.
실시 형태 1.
도 1은 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치 및 이상 진단 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 전력 변환 장치(100)는, 예를 들면 상용 전원으로 이루어지는 교류 전원(1)과 전동기(2)의 사이에 접속되어, 전동기(2)를 구동 제어한다. 전력 변환 장치(100)는 전력 변환부(10)와, 전력 변환부(10)를 출력 제어하는 제어 장치(20)를 구비한다.
또한, 전력 변환부(10)로부터 전동기(2)로 흐르는 전류(i)는, 전류 센서(3)에 의해 검출되고, 이상 진단 장치(30)는 전류(i)에 기초하여 전동기(2)의 이상을 진단한다. 또한, 전류 센서(3)는 전력 변환 장치(100)에 내장되는 것이어도, 또는 외장형이어도 되고, 수 및 위치에 대해서도 도시한 것으로 한정되는 것은 아니다.
전력 변환부(10)는 컨버터부(10A)와 인버터부(10B)와 평활 콘덴서(10C)를 구비하고, 이것들은 직류 모선을 통해서 접속된다. 컨버터부(10A)는 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 평활 콘덴서(10C)에 출력하고, 인버터부(10B)는 평활 콘덴서(10C)의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전동기(2)에 전력 공급한다.
이 경우, 교류 전원(1), 전동기(2) 및 전력 변환 장치(100)는, 3상 구성의 것을 나타내지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
컨버터부(10A)는 6개의 다이오드(Da)를 구비한 3상 브리지 회로로 구성되고, 각 상의 입출력선이 교류 전원(1)에 접속된다. 인버터부(10B)는 각각 다이오드(Db)가 역병렬 접속된 6개의 스위칭 소자(Q)를 구비한 3상 브리지 회로로 구성되고, 각 상의 입출력선이 전동기(2)에 접속된다. 스위칭 소자(Q)는, 예를 들면, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 혹은 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor) 등을 이용한다.
교류 전원(1)으로부터의 교류 전력은, 컨버터부(10A)에 의해 정류되어 직류 전력으로 변환되고 평활 콘덴서(10C)에 출력된다. 제어 장치(20)는 펄스폭 변조 제어(PWM 제어)에 의해 인버터부(10B)의 각 스위칭 소자(Q)로의 게이트 신호(G)를 생성하여, 스위칭 소자(Q)를 온 오프 제어함으로써, 전력 변환부(10)로부터 전동기(2)에 원하는 전력을 출력한다. 이것에 의해, 전력 변환 장치(100)는 전동기(2)를 구동시킨다.
또한, 컨버터부(10A) 및 인버터부(10B)의 구성은, 도시한 것으로 한정되지 않는다. 또한, 이 경우, 전력 변환부(10)는 컨버터부(10A)를 구비하여 교류 전원(1)에 접속되는 것을 나타냈지만, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전동기(2)에 전력 공급하는 인버터부(10B)가 있으면 되고, 컨버터부(10A)는 없어도 된다.
이상 진단 장치(30)는 제어 장치(20)가 전력 변환부(10)의 PWM 제어에서 이용하는 변조파(기본파), 반송파, 샘플링을 위한 클록 신호(CLK)의 각 주파수인 변조파 주파수(f0), 반송파 주파수(fc), 샘플링 주파수(fs)를 취득한다. 그리고 이상 진단 장치(30)는, 전력 변환부(10)로부터 전동기(2)에 흐르는 전류(i)에 대해서, 주파수 해석을 행하여, 전동기(2)의 이상을 진단한다.
도 2는 이상 진단 장치(30)의 개략 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 이상 진단 장치(30)는 전동기(2)에 흐르는 전류(i)를 검출하는 검출부(31)와, 전류(i)를 주파수 해석하는 해석부(32)와, 전류(i) 내의 노이즈의 주파수(노이즈 주파수(fnα))를 미리 설정하는 주파수 설정부(33)와, 전동기(2)의 이상을 판정하는 판정부(34)를 구비한다.
검출부(31)는 전류 센서(3)의 출력을 취득하고, 전동기(2)에 흐르는 적어도 1상의 전류(i)에 있어서의 전류 파형을 검출한다. 해석부(32)는 검출된 전류(i)에 기초하여 주파수 해석을 행하여, 주파수 스펙트럼 파형을 포함하는 해석 결과(32a)를 도출한다. 주파수 설정부(33)는 변조파 주파수(f0), 반송파 주파수(fc) 및 샘플링 주파수(fs)를 취득하고, 그것들의 최대 공약수(GCD)를 연산하고, 최대 공약수(GCD) 및 그 정수배를 노이즈 주파수(fnα)로서 설정한다.
판정부(34)는, 해석부(32)에 의한 해석 결과(32a)로부터, 변조파의 측대파 성분의 스펙트럼 피크를 취득하고, 스펙트럼 피크에 기초하여 전동기(2)의 이상을 판정하여 판정 결과(34a)를 출력한다. 그때, 노이즈 주파수(fnα)에 기초하여, 변조파의 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정하여, 노이즈 간섭 있음으로 추정되는 측대파 성분은 이상 판정으로부터 제외한다.
또한, 이상 진단 장치(30)를 구성하는 하드웨어에는, 주파수 해석에 이용되는 공지된 전용 장치와, 예를 들면 도 3에 나타내는 프로세서(5) 및 기억 장치(6)를 조합하여 이용할 수 있다.
프로세서(5)는 기억 장치(6)로부터 입력된 제어 프로그램을 실행한다. 기억 장치(6)는 보조 기억 장치와 휘발성 기억 장치를 구비한다. 프로세서(5)에는 보조 기억 장치로부터 휘발성 기억 장치를 통해서 제어 프로그램이 입력된다. 프로세서(5)는 연산 결과 등의 데이터를 기억 장치(6)의 휘발성 기억 장치에 출력하고, 이들 데이터를, 필요에 따라서 휘발성 기억 장치를 통해서 보조 기억 장치에 보존한다.
전동기(2)에 이상의 징후가 있으면, 전류(i)에, 특정의 주파수 성분인 변조파의 측대파 성분이 증가한다. 예를 들면, 회전자의 동적 편심 혹은 이상에 수반하는 진동에 따라서, 회전자의 회전 주파수를 fr로 하면, 주파수(f0±fr)를 기본으로 하여, │k1·f0 ± k2·fr│의 측대파 성분이 증가한다. 여기서, k1, k2는 각각 양의 정수이다.
또한, 농형 회전자의 도체 바에 손상이 있으면, 슬립(slip)을 s로 했을 때, 주파수((1±2s)·f0)의 측대파 성분이 증가한다.
또한, 베어링에 결함이 있는 경우, 결함의 장소와 베어링의 형상에 따라서 정해지는 특징적인 주파수만큼 변조파 주파수(f0)로부터 시프트된 측대파 성분이 증가한다. 예를 들면, 베어링의 외륜에 결함이 있는 경우의 특징적인 주파수는,
N·fr(1-dcosθ/D)/2
가 된다. 다만, N, d, D, θ는, 각각 베어링 내에 있어서의, 구슬의 수, 구슬의 지름, 피치 지름, 접촉각이다.
또한, 이후, 간단히 측대파 혹은 측대파 성분이라고 기재하는 경우에는, 변조파의 측대파 혹은 변조파의 측대파 성분을 가리킨다.
도 4는 전동기(2)에 이상이 있는 경우의, 이상 진단 장치(30)에 있어서의 전류(i)의 주파수 스펙트럼 파형을 설명하는 도면이다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 변조파 주파수(f0)의 스펙트럼(40)의 양측에 복수의 스펙트럼(41, 42)이 출현한다. 이 경우, 변조파 주파수(f0)의 양측에 회전 주파수(fr)분 시프트된 주파수(f0±fr)에 있어서, 변조파의 측대파 성분의 스펙트럼(41)이 출현하고, 또한 인버터부(10B)의 스위칭 동작에 기인하는 노이즈 성분의 스펙트럼(42)이 출현한다.
도 4에서는, 측대파 성분의 스펙트럼(41)과 노이즈 성분의 스펙트럼(42)은, 근접도 중복도 하지 않고, 이상 징후를 나타내는 측대파 성분의 스펙트럼(41)을, 노이즈 성분의 스펙트럼(42)과는 식별하여 검출할 수 있다. 또한, 조건이 바뀌면, 이상 징후를 나타내는 측대파 성분의 스펙트럼(41)에 노이즈 성분의 스펙트럼(42)이 근접하여, 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭을 일으키는 경우가 있다(도시 생략).
또한, 이 경우, 상기 주파수│k1·f0 ± k2·fr│에 있어서의, k1=k2=1인 경우의 스펙트럼(41)만 도시했지만, 스펙트럼 피크가 작은 것을 포함하면, 통상, k1=k2=1 이외의 조합에 의한 스펙트럼(41)도 출현한다.
도 5는 전력 변환 장치(100)의 PWM 제어를 설명하는 파형도이다.
도 5에 나타내는 바와 같이, PWM 제어에서는, 변조파(M)를 반송파(Cr)와 비교하여 게이트 신호(G)를 생성한다. 그때, 클록 신호(CLK)의 타이밍에서 변조파(M)를 샘플링하여 변조파(M)의 값을 일시 기억하고, 반송파(Cr)와 비교한다.
반송파 주파수(fc) 또는 샘플링 주파수(fs)가, 변조파 주파수(f0)의 배수가 아닌 경우, 그것들의 값의 최대 공약수와 그 정수배의 주파수에서, 인버터부(10B)의 스위칭 동작에 기인하는 노이즈 성분의 스펙트럼(42)이 발생한다.
따라서, 반송파 주파수(fc) 또는 샘플링 주파수(fs)와, 변조파 주파수(f0)의 2개의 주파수, 혹은 3개 모든 주파수의 최대 공약수를 계산함으로써, 어느 주파수에서 노이즈가 발생할 수 있는지를 사전에 파악할 수 있다.
이 경우, 주파수 설정부(33)는 변조파 주파수(f0), 반송파 주파수(fc) 및 샘플링 주파수(fs)를 취득하고, 그것들의 최대 공약수(GCD)를 연산하고, 최대 공약수(GCD) 및 그 정수배를 노이즈 주파수(fnα)로서 설정한다. 또한, 최대 공약수(GCD)가 변조파 주파수(f0)인 경우에는, 노이즈 주파수(fnα)를 설정하지 않는다.
다음으로, 이상 진단 장치(30)의 동작을 도 6에 나타내는 플로차트에 기초하여 설명한다.
먼저, 이상 진단 장치(30)는 전력 변환 장치(100)의 전력 변환부(10)로부터 전동기(2)에 흐르는 각 상전류(i) 중, 적어도 1상분의 전류(i)의 전류 파형을 검출부(31)에 의해 검출한다. 이 경우, 검출부(31)는 3상분의 전류 파형을 검출하는 것으로 한다. 전류 센서(3)로 3상의 각 상전류(i)를 검출해도 되고, 2상분을 검출하여, 나머지 상의 전류를 연산에 의해 구해도 된다(스텝 S1).
다음으로, 해석부(32)는 검출된 전류(i)에 기초하여 주파수 해석을 행하여, 주파수 스펙트럼 파형을 포함하는 해석 결과(32a)를 도출한다(스텝 S2).
한편, 주파수 설정부(33)는 변조파 주파수(f0), 반송파 주파수(fc) 및 샘플링 주파수(fs)를, 전력 변환 장치(100)의 제어 장치(20)로부터 취득한다(스텝 S3). 그리고, 주파수 설정부(33)는 변조파 주파수(f0), 반송파 주파수(fc) 및 샘플링 주파수(fs)의 최대 공약수(GCD)를 연산하고, 추가로 최대 공약수(GCD)의 정수배를 계산한다(스텝 S4).
최대 공약수(GCD)가 변조파 주파수(f0)가 아닌 경우에, 계산된 최대 공약수(GCD) 및 그 정수배를 노이즈 주파수(fnα)로서 설정한다. 또한, 노이즈 주파수(fnα)는 측정 가능역을 넘지 않는 범위에서 설정된다.
최대 공약수(GCD)는 fc/2보다 낮은 값이다. 또한, 전력 변환 장치(100)의 통상의 제어 조건에 있어서는, 최대 공약수(GCD)는 (fc-4f0)보다 낮은 값이 된다. 이 때문에, 설정되는 노이즈 주파수(fnα)는 fc/2보다 낮은 주파수 영역의 주파수를 포함하며, 일반적으로는, (fc-4f0)보다 낮은 주파수도 포함하여 설정된다(스텝 S5).
판정부(34)는 스텝 S2에서 도출된 해석 결과(32a)와, 스텝 S5에서 설정된 노이즈 주파수(fnα)에 기초하여, 변조파의 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정한다. 구체적으로는, 변조파의 측대파 성분(스펙트럼(41))의 주파수가, 노이즈 주파수(fnα)와 중복 혹은 근접해 있는지를 판정하여, 노이즈 간섭 있음으로 추정한다.
전동기(2)의 이상 징후로 증가하는 변조파의 측대파 성분(스펙트럼(41))은, 상술한 바와 같이 특정의 주파수 성분이기 때문에, 판정부(34)는, 해당 특정의 주파수 성분을 감시 대상으로 하여, 그 주파수와 노이즈 주파수(fnα)를 비교하고, 차분이 설정값 미만일 때, 중복 혹은 근접해 있다고 판정한다. 설정값은 수 Hz, 예를 들면 2Hz로 설정된다. 상기 차분이 설정값 이상일 때, 스펙트럼(41)의 피크는 노이즈 성분에 영향받지 않아, 노이즈 간섭은 발생하지 않는다(스텝 S6).
판정부(34)는, 스텝 S6에 있어서, 노이즈 간섭 있음으로 추정되는 측대파 성분이 있는 경우, 해당 측대파 성분을 이상 진단의 대상으로부터 제외하고(스텝 S7), 그 외의 측대파 성분에 기초하여 전동기(2)의 이상을 판정하여 판정 결과(34a)를 출력한다. 그때, 측대파 성분의 스펙트럼 피크가 미리 설정된 기준값을 넘으면 이상으로 판정한다. 기준값은, 예를 들면, 변조파 주파수(f0)의 스펙트럼 피크에 기초하여 설정된다(스텝 S8).
또한, 스텝 S5에서, 최대 공약수(GCD)가 변조파 주파수(f0)인 경우에는, 주파수 설정부(33)는 노이즈 주파수(fnα)를 설정하지 않고, 스텝 S8로 이행한다. 그리고, 판정부(34)는 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 기초하여 전동기(2)의 이상을 판정한다.
이상과 같이, 이 실시 형태에 따른 이상 진단 장치(30)는, 전동기(2)에 흐르는 전류(i) 내의 노이즈 성분의 주파수(노이즈 주파수(fnα))를 미리 설정하고, 전류(i)를 주파수 해석하여 얻은 변조파의 측대파 성분에 대해서 이상 진단을 행한다. 그리고, 이상 진단시, 측대파 성분의 주파수와 노이즈 주파수(fnα)에 기초하여, 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정하여, 노이즈 간섭 있음으로 추정되는 측대파 성분은 제외하고, 나머지의 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 기초하여 이상을 판정한다.
이 때문에, 저주파수 영역을 포함하는 노이즈의 영향에 의한 오진단을 방지할 수 있어, 전동기(2)의 이상 진단을 신뢰성 좋게 행할 수 있다.
또한, 노이즈 주파수(fnα)는 PWM 제어에 이용되는 변조파 주파수(f0), 반송파 주파수(fc), 및 샘플링 주파수(fs)의 최대 공약수(GCD)와, 그 정수배의 주파수가 설정되기 때문에, 저주파수 영역을 포함하는 노이즈 성분의 영향을 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 측대파 성분의 주파수와 설정된 노이즈 주파수(fnα)의 차분이 설정값 미만으로 근접하는 경우, 그 측대파 성분을 노이즈 간섭 있음으로 추정하기 때문에, 신뢰성 좋게 노이즈 간섭을 추정할 수 있다.
또한, 노이즈 주파수(fnα)는 측정 가능역을 넘지 않는 범위에서 설정된다고 했지만, 반송파 주파수(fc)의 1/2보다 낮은 주파수 영역만으로 설정해도 된다.
또한, 주파수 설정부(33)로 연산되는 최대 공약수(GCD)가 변조파 주파수(f0)인 경우, 노이즈 주파수(fnα)를 설정하지 않는 것으로 했지만, 그대로 변조파 주파수(f0) 및 그 정수배를 노이즈 주파수(fnα)로서 설정해도, 변조파의 측대파 성분과 근접하는 주파수 성분은 아니기 때문에, 문제없다.
추가로, 전력 변환 장치(100)의 PWM 제어에 대해서, 삼각파에 의한 반송파(Cr)를 도시했지만, 반송파(Cr)는 삼각파로 한정되지 않고, 정현파를 이용하는 경우여도 된다.
또한, 전압 이용률을 향상시키기 위해서, 변조파(M)에 3차 고조파를 중첩시켜도 되고, 그 경우, 최대 공약수(GCD)의 값에 변화가 없어, 마찬가지로 노이즈 주파수(fnα)를 설정할 수 있다.
실시 형태 2.
도 7은 실시 형태 2에 따른 이상 진단 장치(30A)의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 이상 진단 장치(30A)는, 상기 실시 형태 1과 마찬가지로, 검출부(31)와 해석부(32)와 주파수 설정부(33)와 판정부(34)를 구비하고, 추가로, 알림부(35)를 구비한다.
판정부(34)는, 노이즈 간섭 있음으로 추정되는 측대파 성분이 있는 경우, 해당 측대파 성분을 이상 진단의 대상으로부터 제외함(도 6의 스텝 S7 참조)과 아울러, 알림부(35)에 알림 지령(34b)을 출력한다. 그리고, 알림부(35)는 노이즈 간섭 있음을 외부에 알리는 알림 신호(35a)를 출력한다. 그 외의 구성 및 동작은, 상기 실시 형태 1과 마찬가지이다.
이 실시 형태에서는, 상기 실시 형태 1과 마찬가지로, 저주파수 영역을 포함하는 노이즈 성분의 영향에 의한 오진단을 방지할 수 있어, 전동기(2)의 이상 진단을 신뢰성 좋게 행할 수 있다. 또한, 진단시에, 노이즈 간섭 있음의 추정이 있었던 것을 유저에게 알리기 때문에, 편리성이 향상된다.
또한, 노이즈 간섭 있음으로 추정되는 측대파 성분이 있어도, 해당 측대파 성분을 이상 진단의 대상으로부터 제외하지 않고, 알림부(35)로부터 알림 신호(35a)를 출력시키는 것만으로 해도 된다. 그 경우, 유저에게 알려 주의 환기를 촉구하여, 이상 진단 장치(30A)로부터의 판정 결과(34a)를 유저가 노이즈 성분의 영향을 고려할 수 있어, 결과적으로 오진단을 방지할 수 있다.
실시 형태 3.
도 8은 실시 형태 3에 따른 이상 진단 장치(30B)의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 이상 진단 장치(30B)는, 상기 실시 형태 1과 마찬가지로, 검출부(31)와 해석부(32)와 주파수 설정부(33)를 구비하고, 추가로, 판정부(36)와 노이즈 검출부(37)와 기억부(38)와 전환기(39)를 구비한다. 판정부(36), 노이즈 검출부(37), 기억부(38) 및 전환기(39) 이외의 구성 및 동작은, 상기 실시 형태 1과 마찬가지이다.
상기 실시 형태 1과 마찬가지로, 검출부(31)는 전류 센서(3)의 출력을 취득하고, 전동기(2)에 흐르는 적어도 1상의 전류(i)에 있어서의 전류 파형을 검출한다. 해석부(32)는 검출된 전류(i)에 기초하여 주파수 해석을 행하여, 주파수 스펙트럼 파형을 포함하는 해석 결과(32a)를 도출한다. 주파수 설정부(33)는 변조파 주파수(f0), 반송파 주파수(fc) 및 샘플링 주파수(fs)를 취득하고, 그것들의 최대 공약수(GCD)를 연산하고, 최대 공약수(GCD) 및 그 정수배를, 측정 가능역을 넘지 않는 범위에서 노이즈 주파수(fnα)로서 설정한다.
그리고, 노이즈 검출부(37)는, 전동기(2)의 정상 운전시에 있어서, 해석부(32)에 의한 해석 결과(32a)로부터, 전류(i)의 노이즈 주파수(fnα)에서의 노이즈의 크기, 예를 들면 노이즈 성분의 스펙트럼 피크의 값을 검출하고, 그 검출 결과는 기억부(38)에 기억된다. 노이즈 검출부(37)에서의 노이즈의 검출은, 전동기(2)의 이상 진단에 앞서, 미리, 전동기(2)의 정상 운전시에 행해진다.
전환기(39)는 해석부(32)의 해석 결과(32a)의 출력처를, 노이즈 검출부(37)와 판정부(36) 중 한쪽으로 선택적으로 전환한다. 전동기(2)의 이상 진단시에는 판정부(36)가 선택되고, 미리 전동기(2)의 정상 운전시에 행해지는 노이즈의 검출시에는, 노이즈 검출부(37)가 선택된다.
판정부(36)는 해석부(32)에 의한 해석 결과(32a)로부터, 변조파의 측대파 성분의 스펙트럼 피크를 취득하고, 스펙트럼 피크에 기초하여 전동기(2)의 이상을 판정하여 판정 결과(36a)를 출력한다. 그때, 노이즈 주파수(fnα)에 기초하여, 변조파의 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정한다. 구체적으로는, 상기 실시 형태 1과 마찬가지로, 변조파의 측대파 성분의 주파수와 노이즈 주파수(fnα)의 차분이 설정값 미만일 때, 측대파 성분의 주파수와 노이즈 주파수(fnα)가 중복 혹은 근접해 있다고 판정하여, 노이즈 간섭 있음으로 추정한다.
이어서, 판정부(36)는 노이즈 간섭원인 노이즈 주파수(fnα)의 노이즈의 크기를 기억부(38) 내로부터 추출한다. 그리고, 노이즈 간섭처의 측대파 성분에 대해서, 해당 측대파 성분의 스펙트럼 피크와, 추출된 노이즈의 크기에 기초하여, 전동기(2)의 이상을 판정한다. 구체적으로는, 예를 들면, 측대파 성분의 스펙트럼 피크의 값으로부터, 노이즈 성분의 스펙트럼 피크값을 뺀 값이, 미리 설정된 기준값을 넘으면 이상으로 판정한다. 기준값은, 예를 들면, 변조파 주파수(f0)의 스펙트럼 피크에 기초하여 설정된다.
이상과 같이, 이 실시 형태에 따른 이상 진단 장치(30B)는, 전동기(2)에 흐르는 전류(i) 내의 노이즈 성분의 주파수(노이즈 주파수(fnα))를 미리 설정하고, 전류(i)를 주파수 해석하여 얻은 변조파의 측대파 성분에 대해서 이상 진단을 행한다. 또한, 이상 진단 장치(30B)는, 이상 진단에 앞서, 전동기(2)의 정상 운전시에 있어서, 해석부(32)에 의한 해석 결과(32a)로부터, 전류(i)의 노이즈 주파수(fnα)에서의 노이즈의 크기를 검출하고, 그 검출 결과를 기억해 둔다. 그리고, 이상 진단시, 측대파 성분의 주파수와 노이즈 주파수(fnα)에 기초하여, 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정하여, 노이즈 간섭 있음으로 추정되는 측대파 성분의 스펙트럼 피크를, 노이즈의 크기를 고려하여 이상 판정에 이용한다.
이 때문에, 상기 실시 형태 1과 마찬가지로, 저주파수 영역을 포함하는 노이즈 성분의 영향에 의한 오진단을 방지할 수 있어, 전동기(2)의 이상 진단을 신뢰성 좋게 행할 수 있다. 또한, 노이즈 간섭 있음으로 추정되는 측대파 성분에 대해서도 제거하지 않고 이상 진단에 이용하기 때문에, 이상 진단을 위한 감시 대상의 측대파 성분을 확실하게 감시하여 전동기(2)의 이상 진단을 확실하게 행할 수 있다.
또한, 노이즈 검출부(37)에서의 노이즈의 검출은, 전동기(2)의 정상 운전시에 있어서의, 전류(i)의 해석 결과(32a)로부터 얻는 것으로 했지만, 전동기(2)로의 출력 전압을 검출하여 주파수 해석한 결과로부터 얻을 수도 있다. 그 경우, 특히 전동기(2)의 정상 운전시에 검출할 필요는 없고, 검출된 전압의 주파수 해석의 결과로부터, 전류(i)의 노이즈 주파수(fnα)에 있어서의 정상 운전시에 상당하는 노이즈의 크기를 연산할 수 있다. 그리고, 연산 결과는, 기억부(38)에 기억하지 않고 판정부(36)에서 이용할 수 있어, 기억부(38)를 생략해도 된다.
또한, 검출된 전압의 주파수 해석의 결과와, 전동기(2)의 정상 운전시에 있어서의, 전류(i)의 해석 결과(32a)로부터 얻은 노이즈의 검출 결과 양방을 판정부(36)가 이용할 수도 있어, 이상 판정의 정밀도가 향상된다.
추가로, 이 실시 형태 3에 있어서도, 상기 실시 형태 2를 적용하여 알림부(35)를 마련하고, 노이즈 간섭 있음의 추정이 있었던 것을 유저에게 알려도 된다.
실시 형태 4.
도 9는 실시 형태 4에 따른 전력 변환 장치(100) 및 이상 진단 장치(30C)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 전력 변환 장치(100)는, 상기 실시 형태 1과 마찬가지로 구성되어, 전력 변환부(10)와, 전력 변환부(10)를 출력 제어하는 제어 장치(20)를 구비한다. 또한, 전력 변환부(10)로부터 전동기(2)로 흐르는 전류(i)는, 전류 센서(3)에 의해 검출되고, 이상 진단 장치(30)는 전류(i)에 기초하여 전동기(2)의 이상을 진단한다.
전력 변환부(10)는 컨버터부(10A)와 인버터부(10B)와 평활 콘덴서(10C)를 구비하고, 이것들은 직류 모선을 통해서 접속된다. 이 실시 형태에서는, 컨버터부(10A)는 생략되지 않고, 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 평활 콘덴서(10C)에 출력한다. 인버터부(10B)는 평활 콘덴서(10C)의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전동기(2)에 전력 공급한다.
이 경우에도, 전력 변환부(10)는 교류 전원(1), 전동기(2) 및 전력 변환 장치(100)는 3상 구성의 것을 나타냈지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
교류 전원(1)으로부터의 교류 전력은, 컨버터부(10A)에 의해 정류되어 직류 전력으로 변환되고 평활 콘덴서(10C)에 출력된다. 제어 장치(20)는 PWM 제어에 의해 인버터부(10B)의 각 스위칭 소자(Q)로의 게이트 신호(G)를 생성하여, 스위칭 소자(Q)를 온 오프 제어함으로써, 전력 변환부(10)로부터 전동기(2)에 원하는 전력을 출력한다.
이와 같이, 전력 변환 장치(100)는 전동기(2)를 구동시킨다. 그리고, 평활 콘덴서(10C)의 직류 전압과, 전동기(2)에 출력되는 교류 전압은, 교류 전원(1)의 주파수와 그 정수배의 주파수에서 약간 변동되고, 그 값만큼 변조파 주파수(f0)로부터 시프트된 측대파 성분(노이즈 성분)이 전류(i)에 발생한다.
이상 진단 장치(30C)는 제어 장치(20)가 전력 변환부(10)의 PWM 제어에서 이용하는 변조파의 주파수(변조파 주파수(f0))와, 교류 전원(1)의 주파수(교류 전원 주파수(fac))를 취득한다. 그리고 이상 진단 장치(30C)는, 전력 변환부(10)로부터 전동기(2)에 흐르는 전류(i)에 대해서, 주파수 해석을 행하여, 전동기(2)의 이상을 진단한다.
도 10은 이상 진단 장치(30C)의 개략 구성을 나타내는 블록도이다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 이상 진단 장치(30C)는 전동기(2)에 흐르는 전류(i)를 검출하는 검출부(31)와, 전류(i)를 주파수 해석하는 해석부(32)와, 전류(i) 내의 노이즈의 주파수(노이즈 주파수(fnβ))를 미리 설정하는 주파수 설정부(33A)와, 전동기(2)의 이상을 판정하는 판정부(34)를 구비한다.
검출부(31) 및 해석부(32)는, 상기 실시 형태 1과 마찬가지의 구성으로 마찬가지로 동작한다.
주파수 설정부(33A)는 변조파 주파수(f0) 및 교류 전원 주파수(fac)를 취득하고, 노이즈 주파수(fnβ)로서, 이하의 주파수를 연산하여 설정한다. 다만, m, n은 각각 양의 정수이다.
│m·fac ± n·f0│
즉, 노이즈 주파수(fnβ)는 변조파 주파수(f0)의 정수배로부터, 교류 전원 주파수(fac)의 정수배만큼 시프트된 값의 절대값이 된다.
판정부(34)는 해석부(32)에 의한 해석 결과(32a)로부터, 변조파의 측대파 성분의 스펙트럼 피크를 취득하고, 스펙트럼 피크에 기초하여 전동기(2)의 이상을 판정하여 판정 결과(34a)를 출력한다. 그때, 노이즈 주파수(fnβ)에 기초하여, 변조파의 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정하여, 노이즈 간섭 있음으로 추정되는 측대파 성분은 이상 판정으로부터 제외한다.
도 11은 노이즈 주파수를 설명하기 위한 전류(i)의 주파수 스펙트럼 파형이다.
도 11에 나타내는 바와 같이, 변조파 주파수(f0) 및 교류 전원 주파수(fac)가 각각 50Hz, 60Hz인 경우, 변조파 주파수(f0)의 복수 배(100Hz, 150Hz, 200Hz)의 주파수와, 그것과 별개로, 주파수 10Hz, 70Hz, 110Hz, 170Hz에 있어서, 노이즈 성분의 스펙트럼이 출현하고 있다. 변조파 주파수(f0)의 복수 배 이외의 노이즈 성분의 주파수를, 각각 변조파 주파수(f0)(50Hz) 및 교류 전원 주파수(fac)(60Hz)로 나타내면,
10Hz = fac-f0
70Hz = 2·fac-f0
110Hz = fac+f0
170Hz = 2·fac+f0
가 되고, 상술한 노이즈 주파수(fnβ)의 연산식을 충족하는 것이 된다.
다음으로, 이상 진단 장치(30C)의 동작을 도 12에 나타내는 플로차트에 기초하여 설명한다.
먼저, 이상 진단 장치(30C)는, 상기 실시 형태 1과 마찬가지로, 전력 변환 장치(100)의 전력 변환부(10)로부터 전동기(2)에 흐르는 각 상전류(i) 중, 적어도 1상분의 전류(i)의 전류 파형을 검출부(31)에 의해 검출하고(스텝 S1), 해석부(32)는 검출된 전류(i)에 기초하여 주파수 해석을 행하여, 주파수 스펙트럼 파형을 포함하는 해석 결과(32a)를 도출한다(스텝 S2).
한편, 주파수 설정부(33A)는 변조파 주파수(f0) 및 교류 전원 주파수(fac)를 취득한다(스텝 SS3).
그리고, 주파수 설정부(33A)는, 상술한 바와 같이,
│m·fac ± n·f0│
를 연산하여(스텝 SS4), 노이즈 주파수(fnβ)로서 설정한다. 또한, 노이즈 주파수(fnβ)는, m=n=1인 경우를 포함하고, 측정 가능역을 넘지 않는 범위에서 설정된다.
m=n=1인 경우, 즉, (fac±f0)는 fc/2보다 낮은 값이다. 또한, 전력 변환 장치(100)의 통상의 제어 조건에 있어서는, (fac±f0)는 (fc-4f0)보다 낮은 값이 된다. 이 때문에, 설정되는 노이즈 주파수(fnβ)는 fc/2보다 낮은 주파수 영역의 주파수를 포함하며, 일반적으로는, (fc-4f0)보다 낮은 주파수도 포함하여 설정된다(스텝 S5).
판정부(34)는, 스텝 S2에서 도출된 해석 결과(32a)와, 스텝 S5에서 설정된 노이즈 주파수(fnβ)에 기초하여, 변조파의 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정한다. 구체적으로는, 변조파의 측대파 성분(스펙트럼(41))의 주파수가, 노이즈 주파수(fnβ)와 중복 혹은 근접해 있는지를 판정하여, 노이즈 간섭 있음으로 추정한다. 이 경우에도, 상기 실시 형태 1과 마찬가지로, 판정부(34)는, 이상 징후로 증가하는 특정의 주파수 성분(측대파 성분)을 감시 대상으로 하여, 그 주파수와 노이즈 주파수(fnβ)를 비교하고, 차분이 설정값 미만일 때, 중복 혹은 근접해 있다고 판정하여, 노이즈 간섭 있음으로 추정한다. 이 경우에도, 설정값은, 수 Hz, 예를 들면 2Hz로 설정된다(스텝 S6).
판정부(34)는, 스텝 S6에 있어서, 노이즈 간섭 있음으로 추정되는 측대파 성분이 있는 경우, 해당 측대파 성분을 이상 진단의 대상으로부터 제외하고(스텝 S7), 그 외의 측대파 성분에 기초하여 전동기(2)의 이상을 판정한다. 그때, 측대파 성분의 스펙트럼 피크가 미리 설정된 기준값을 넘으면 이상으로 판정한다. 기준값은, 예를 들면, 변조파 주파수(f0)의 스펙트럼 피크에 기초하여 설정된다(스텝 S8).
이상과 같이, 이 실시 형태에 따른 이상 진단 장치(30C)는, 전동기(2)에 흐르는 전류(i) 내의 노이즈 성분의 주파수(노이즈 주파수(fnβ))를 미리 설정하고, 전류(i)를 주파수 해석하여 얻은 변조파의 측대파 성분에 대해서 이상 진단을 행한다. 그리고, 이상 진단시, 측대파 성분의 주파수와 노이즈 주파수(fnβ)에 기초하여, 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정하여, 노이즈 간섭 있음으로 추정되는 측대파 성분은 제외하고, 나머지의 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 기초하여 이상을 판정한다.
이 때문에, 저주파수 영역을 포함하는 노이즈 성분, 이 경우, 변조파 주파수(f0) 및 교류 전원 주파수(fac)에 기인하는 노이즈 성분의 영향에 의한 오진단을 방지할 수 있어, 전동기(2)의 이상 진단을 신뢰성 좋게 행할 수 있다.
또한, 측대파 성분의 주파수와 설정된 노이즈 주파수(fnβ)의 차분이 설정값 미만으로 근접하는 경우, 그 측대파 성분을 노이즈 간섭 있음으로 추정하기 때문에, 신뢰성 좋게 노이즈 간섭을 추정할 수 있다.
또한, 노이즈 주파수(fnβ)는 측정 가능역을 넘지 않는 범위에서 설정된다고 했지만, 반송파 주파수(fc)의 1/2보다 낮은 주파수 영역만으로 설정해도 된다.
또한, 이 실시 형태 4에, 상기 실시 형태 2를 적용하여 알림부(35)를 마련하고, 노이즈 간섭 있음의 추정이 있었던 것을 유저에게 알려도 된다.
추가로, 이 실시 형태 4에, 상기 실시 형태 3을 적용해도 된다. 그 경우, 노이즈 검출부(37), 기억부(38) 및 전환기(39)를 마련하고, 이상 진단에 앞서, 전동기(2)의 정상 운전시에 있어서, 전류(i)의 노이즈 주파수(fnβ)에서의 노이즈의 크기를 검출하고, 기억해 둔다. 그리고, 이상 진단시, 측대파 성분의 주파수와 노이즈 주파수(fnβ)에 기초하여, 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정하여, 노이즈 간섭 있음으로 추정되는 측대파 성분의 스펙트럼 피크를, 노이즈의 크기를 고려하여 이상 판정에 이용한다.
이것에 의해, 이상 진단을 위한 감시 대상의 측대파 성분을 확실하게 감시하여 전동기(2)의 이상 진단을 확실하게 행할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태 3을 적용하는 경우, 노이즈 검출부(37)에서의 노이즈의 검출은, 전동기(2)로 출력되는 선간 전압 혹은 평활 콘덴서(10C)의 직류 전압을 검출하고, 주파수 해석한 결과로부터 얻을 수도 있다. 그 경우, 특히 전동기(2)의 정상 운전시에 검출할 필요는 없고, 검출된 전압의 주파수 해석의 결과로부터, 전류(i)의 노이즈 주파수(fnβ)에 있어서의 정상 운전시에 상당하는 노이즈의 크기를 연산할 수 있다. 그리고, 연산 결과는 기억부(38)에 기억하지 않고 이용할 수 있어, 기억부(38)를 생략해도 된다.
또한, 검출된 전압의 주파수 해석의 결과와, 전동기(2)의 정상 운전시에 있어서의, 전류(i)의 해석 결과(32a)로부터 얻은 노이즈의 검출 결과 양방을 이용할 수도 있어, 이상 판정의 정밀도가 향상된다.
또한, 상기 실시 형태 4에서는, 주파수 설정부(33A)는 변조파 주파수(f0) 및 교류 전원 주파수(fac)를 취득하여, 상술한 노이즈 주파수(fnβ)를 설정하는 것으로 했지만, 상기 실시 형태 1에서 나타낸 노이즈 주파수(fnα)를 함께 설정해도 된다. 그 경우, 주파수 설정부(33A)는 변조파 주파수(f0), 반송파 주파수(fc), 샘플링 주파수(fs) 및 교류 전원 주파수(fac)를 취득하여, 노이즈 주파수(fnα) 및 노이즈 주파수(fnβ)를 연산하여 설정한다. 이것에 의해, 노이즈 성분의 영향을 넓게 억제하여 오진단을 방지할 수 있어, 전동기(2)의 이상 진단을 더 신뢰성 좋게 행할 수 있다.
추가로 또한, 상기 각 실시 형태 1~4에 따른 이상 진단 장치(30, 30A~30C)는, 전력 변환 장치(100)의 외부에 있는 것을 나타냈지만, 전력 변환 장치(100)의 제어 장치(20) 내에 있어도 되고, 마찬가지의 효과가 얻어짐과 아울러, 노이즈 주파수(fnα, fnβ)의 설정에 필요한 정보의 수수(授受)가 간편하게 된다.
실시 형태 5.
도 13은 실시 형태 5에 따른 전력 변환 장치(100A)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 13에 나타내는 바와 같이, 전력 변환 장치(100A)는 상기 실시 형태 1과 마찬가지로 구성되는 전력 변환부(10)와, 전력 변환부(10)를 출력 제어하는 제어 장치(20A)를 구비한다. 제어 장치(20A)는 전력 변환부(10)를 출력 제어하기 위한 인버터 제어부(21)와 이상 진단 장치(30D)를 구비한다.
또한, 전력 변환부(10)로부터 전동기(2)에 흐르는 전류(i)는, 전류 센서(3)에 의해 검출되고, 이상 진단 장치(30D)는 전류(i)에 기초하여 전동기(2)의 이상을 진단한다.
제어 장치(20A)에서는, 인버터 제어부(21)가, PWM 제어에 의해 인버터부(10B)의 각 스위칭 소자(Q)로의 게이트 신호(G)를 생성하여, 스위칭 소자(Q)를 온 오프 제어함으로써, 전력 변환부(10)로부터 전동기(2)로 원하는 전력을 출력한다. 이것에 의해, 전력 변환 장치(100A)는 전동기(2)를 구동시킨다.
이상 진단 장치(30D)는 인버터 제어부(21)가 PWM 제어에서 이용하는 변조파(기본파), 반송파, 샘플링을 위한 클록 신호(CLK)의 각 주파수인 변조파 주파수(f0), 반송파 주파수(fc), 샘플링 주파수(fs)를 취득한다. 그리고 이상 진단 장치(30D)는, 전력 변환부(10)로부터 전동기(2)에 흐르는 전류(i)에 대해서, 주파수 해석을 행하여, 전동기(2)의 이상을 진단한다.
이상 진단 장치(30D)는, 상기 실시 형태 1에서 나타낸 이상 진단 장치(30)와 마찬가지로, 검출부(31)와 해석부(32)와 주파수 설정부(33)와 판정부(34)를 구비하고, 검출부(31), 해석부(32) 및 주파수 설정부(33)는, 상기 실시 형태 1과 마찬가지로 동작한다. 판정부(34)는, 상기 실시 형태 1과 마찬가지로, 측대파 성분의 주파수와 노이즈 주파수(fnα)에 기초하여, 변조파의 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정한다.
노이즈 간섭 없음의 경우, 판정부(34)는, 상기 실시 형태 1과 마찬가지로, 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 기초하여 전동기(2)의 이상 진단을 행한다. 그리고, 노이즈 간섭 있음의 경우, 판정부(34)는 이상 진단을 중단하고, 알림 신호(SS1)를 인버터 제어부(21)로 송신한다.
인버터 제어부(21)는, 이상 진단 장치(30D)로부터 이상 진단의 중단을 알리는 알림 신호(SS1)를 수신하면, 반송파 주파수(fc)를 변경하여, 변경 후의 반송파 주파수(fc)를 이용하여 전력 변환부(10)를 PWM 제어에 의해 출력 제어하여 전동기(2)를 구동시킨다. 반송파 주파수(fc)는 전력 변환부(10)의 출력에 직접 영향을 주지 않고 용이하게 변경할 수 있다.
이상 진단 장치(30D)에서는, 각 부가 다시, 동작하여, 이상 진단을 계속한다. 반송파 주파수(fc)가 변경되면 노이즈 주파수(fnα)가 변화하기 때문에, 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무도 변화한다. 이것에 의해, 판정부(34)에 있어서, 노이즈 간섭 없음의 추정을 이끌 수 있어, 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 기초하여 전동기(2)의 이상 진단을 행한다.
반송파 주파수(fc)의 변경에 대해서는, 한번의 변경에 의해, 판정부(34)에 있어서 노이즈 간섭 없음의 추정을 이끄는 것이 바람직하지만, 복수 회의 변경도 가능하다.
이상과 같이, 이 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(100A)는, 제어 장치(20A) 내의 이상 진단 장치(30D)가, 이상 진단시, 측대파 성분의 주파수와 노이즈 주파수(fnα)에 기초하여, 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정하여, 노이즈 간섭 있음으로 추정되면, 반송파 주파수(fc)를 변경한다. 이것에 의해, 변조파 주파수(f0), 반송파 주파수(fc) 및 샘플링 주파수(fs)의 최대 공약수(GCD)를 변화시켜, PWM 제어에 기인하는 노이즈 성분의 주파수 자체를 변화시킨다. 이 때문에, 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭을 제거할 수 있어, 이상 진단을 확실하게 행할 수 있다. 이와 같이, 노이즈 성분의 영향에 의한 오진단을 방지할 수 있어, 전동기(2)의 이상 진단을 신뢰성 좋게 행할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태 5에서는, 반송파 주파수(fc)를 변경하는 것을 나타냈지만, 변조파 주파수(f0), 반송파 주파수(fc) 및 샘플링 주파수(fs) 중, 최대 공약수(GCD)의 연산에 이용하는 주파수 중, 적어도 하나를 변경하면 된다.
또한, 반송파 주파수(fc)를 변경할 때, 도 14에 나타내는 바와 같이, 반송파 주파수(fc)를 시간 변화시켜도 된다. 이 경우, 반송파(Cr)는 2종의 서로 다른 주기 t1, t2에 의한 2종의 주파수 (1/t1), (1/t2)를 교호로 반복하여 변화한다. 1주기마다의 변화로 한정되지 않고, 또한, 3종 이상의 주파수로 시간 변화시켜도 된다. 추가로, 이산적이지 않고 연속적으로 주파수를 변화시켜도 된다.
반송파 주파수(fc) 혹은 샘플링 주파수(fs)가 상기와 같이 시간 변화하면, 최대 공약수(GCD) 및 그 정수배의 주파수 성분의 스펙트럼은 복수의 주파수역으로 분산된다. 이것에 의해 노이즈 성분의 스펙트럼 피크를 저감시킬 수 있고, 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭을 제거 혹은 억제할 수 있어, 이상 진단을 신뢰성 좋게 행할 수 있다.
실시 형태 6.
상기 실시 형태 5에서는, 이상 진단 장치(30D)에 의한 이상 진단시에, 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서 노이즈 간섭 있음으로 추정되면, 최대 공약수(GCD)의 연산에 이용하는 주파수 중, 적어도 하나를 변경하는 것을 나타냈다.
이 실시 형태에서는, 상기 실시 형태 5의 경우에, 추가로, 최대 공약수(GCD)가, 변조파 주파수(f0)에 일치하거나, 혹은 10Hz 이하, 바람직하게는 수 Hz 이하가 되도록, 최대 공약수(GCD)의 연산에 이용하는 주파수 중, 적어도 하나를 변경한다.
도 15는 실시 형태 6에 따른 효과를 설명하기 위한 전류의 주파수 스펙트럼 파형의 개략도이다. 도 15에서는, 변조파 주파수(f0), 반송파 주파수(fc) 및 샘플링 주파수(fs)의 최대 공약수(GCD)가, 수 Hz인 경우와, 10Hz를 넘는 비교예의 경우의 2종의 경우의 노이즈 성분을 도시했다.
도 15에 나타내는 바와 같이, 변조파 주파수(f0)의 스펙트럼(40)과 별개로, 인버터부(10B)의 스위칭 동작에 기인하는 노이즈 성분의 스펙트럼(42A, 42B)이 출현하고 있다. 스펙트럼(42A)은 최대 공약수(GCD)가 10Hz를 넘는 비교예의 경우이고, 스펙트럼(42B)은 최대 공약수(GCD)가 수 Hz인 경우이다. 스펙트럼(42B)은, 스펙트럼(42A)에 비해, 출현 수는 많지만 스펙트럼 피크는 낮다.
이와 같이, 최대 공약수(GCD)를 수 Hz로 작게 함으로써, 노이즈 성분의 스펙트럼의 출현 수는 증대하지만, 스펙트럼을 복수의 주파수역으로 분산할 수 있어 스펙트럼 피크를 저감시킬 수 있다. 이것에 의해, 변조파의 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭을 제거 혹은 억제할 수 있어, 이상 진단을 신뢰성 좋게 행할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태 6에 있어서, 최대 공약수(GCD)가, 변조파 주파수(f0)에 일치하도록, 최대 공약수(GCD)의 연산에 이용하는 주파수 중, 적어도 하나를 변경하는 경우에는, 이상 진단 장치(30D)가 상정하는 노이즈 성분이 제거되기 때문에, 이상 진단을 확실하게 신뢰성 좋게 행할 수 있다.
실시 형태 7.
이 실시 형태에서는, 상기 실시 형태 5에서 나타낸 전력 변환 장치(100A) 내의 이상 진단 장치(30D)에, 상기 실시 형태 4에서 나타낸 이상 진단 장치(30C)를 적용하는 것을 나타낸다. 이 경우, 이상 진단 장치(30C)는 전력 변환 장치(100A)의 제어 장치(20A) 내에 마련된다.
이상 진단 장치(30C)는, 상기 실시 형태 4와 마찬가지로, 검출부(31)와 해석부(32)와 주파수 설정부(33A)와 판정부(34)를 구비하고, 검출부(31), 해석부(32) 및 주파수 설정부(33A)는, 상기 실시 형태 4와 마찬가지로 동작한다.
판정부(34)는, 상기 실시 형태 4와 마찬가지로, 측대파 성분의 주파수와 노이즈 주파수(fnβ)에 기초하여, 변조파의 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정한다.
노이즈 간섭 없음의 경우, 판정부(34)는, 상기 실시 형태 4와 마찬가지로, 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 기초하여 전동기(2)의 이상 진단을 행한다. 그리고, 노이즈 간섭 있음의 경우, 판정부(34)는 이상 진단을 중단하고, 알림 신호(SS1)를 인버터 제어부(21)로 송신한다.
인버터 제어부(21)는, 이상 진단 장치(30C)로부터 이상 진단의 중단을 알리는 알림 신호(SS1)를 수신하면, 변조파 주파수(f0)를 변경하여, 변경 후의 변조파 주파수(f0)를 이용하여 전력 변환부(10)를 PWM 제어에 의해 출력 제어하여 전동기(2)를 구동시킨다.
이상 진단 장치(30C)에서는, 각 부가 다시, 동작하여, 이상 진단을 계속한다. 변조파 주파수(f0)가 변경되면 노이즈 주파수(fnβ)가 변화하기 때문에, 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무도 변화한다. 이것에 의해, 판정부(34)에 있어서, 노이즈 간섭 없음의 추정을 유도할 수 있어, 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 기초하여 전동기(2)의 이상 진단을 행한다.
이상과 같이, 이 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(100A)는, 제어 장치(20A) 내의 이상 진단 장치(30C)가, 이상 진단시, 측대파 성분의 주파수와 노이즈 주파수(fnβ)에 기초하여, 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정하여, 노이즈 간섭 있음으로 추정되면, 변조파 주파수(f0)를 변경한다.
이것에 의해, 교류 전원 주파수(fac)에 따른 전압(평활 콘덴서(10C)의 직류 전압 및 전동기(2)에 출력되는 교류 전압)의 변동에 기인하는 노이즈 성분의 주파수 자체를 변화시킨다. 이 때문에, 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭을 제거할 수 있어, 이상 진단을 확실하게 행할 수 있다. 이와 같이, 노이즈 성분의 영향에 의한 오진단을 방지할 수 있어, 전동기(2)의 이상 진단을 신뢰성 좋게 행할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태 5~7에서는, 노이즈 간섭 있음으로 추정되는 경우에, 노이즈 주파수에 관한 주파수를 변경하는 것을 나타냈지만, 상정되는 노이즈 간섭을 처음부터 제거 혹은 억제하여 전력 변환 장치(100A)를 운전할 수도 있다.
이 경우, 감시 대상의 측대파 성분의 주파수와, 상정되는 노이즈 주파수의 차분이 설정값 이상으로 되도록 변조파 주파수(f0), 반송파 주파수(fc), 샘플링 주파수(fs)를 결정하여 전력 변환 장치(100A)를 운전한다. 혹은, 최대 공약수(GCD)를 수 Hz로 작게 하도록 변조파 주파수(f0), 반송파 주파수(fc), 샘플링 주파수(fs)를 결정하여 전력 변환 장치(100A)를 운전한다.
본원은 다양한 예시적인 실시 형태 및 실시예가 기재되어 있지만, 하나, 또는 복수의 실시 형태에 기재된 다양한 특징, 양태, 및 기능은 특정의 실시 형태의 적용에 한정되는 것이 아니라, 단독으로, 또는 다양한 조합으로 실시 형태에 적용 가능하다.
따라서, 예시되어 있지 않은 무수한 변형예가, 본원에 개시되는 기술의 범위 내에 있어서 상정된다. 예를 들면, 적어도 하나의 구성 요소를 변형하는 경우, 추가하는 경우 또는 생략하는 경우, 추가로는, 적어도 하나의 구성 요소를 추출하여, 다른 실시 형태의 구성 요소와 조합하는 경우가 포함되는 것으로 한다.
1 : 교류 전원 2 : 전동기
10 : 전력 변환부 10A : 컨버터부
10B : 인버터부 10C : 평활 콘덴서
20, 20A : 제어 장치 30, 30A~30D : 이상 진단 장치
31 : 검출부 32 : 해석부
32a : 해석 결과 33, 33A : 주파수 설정부
34 : 판정부 35 : 알림부
36 : 판정부 37 : 노이즈 검출부
38 : 기억부 100, 100A : 전력 변환 장치
f0 : 변조파 주파수 fac : 교류 전원 주파수
fc : 반송파 주파수 fs : 샘플링 주파수
fnα, fnβ : 노이즈 주파수 M : 변조파

Claims (17)

  1. 전력 변환 장치의 펄스폭 변조 제어에 의해 구동되는 전동기의 이상을 진단하는 이상 진단 장치에 있어서,
    상기 전동기에 흐르는 전류를 검출하는 검출부와,
    상기 검출부에서 검출된 상기 전류를 주파수 해석하여 해석 결과를 출력하는 해석부와,
    상기 해석 결과로부터 얻어지는, 변조파의 적어도 하나의 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 기초하여 상기 전동기의 이상을 판정하는 판정부와,
    상기 전류 내의 노이즈 주파수를 미리 설정하는 주파수 설정부를 구비하고,
    상기 판정부는, 상기 측대파 성분의 주파수와, 설정된 상기 노이즈 주파수에 기초하여, 상기 측대파 성분의 상기 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정하여, 상기 전동기의 이상을 판정하는 이상 진단 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 주파수 설정부가 설정하는 상기 노이즈 주파수는, 반송파 주파수의 1/2보다 낮은 주파수를 포함하는 이상 진단 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 주파수 설정부는 상기 펄스폭 변조 제어에 이용되는 3개의 주파수인 변조파 주파수, 반송파 주파수, 및 상기 변조파를 샘플링하는 샘플링 주파수 중, 상기 변조파 주파수를 포함하는 2개 이상의 주파수의 최대 공약수를 연산하고, 상기 최대 공약수 및 그 정수배를 상기 노이즈 주파수로서 설정하는 이상 진단 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 주파수 설정부는 상기 펄스폭 변조 제어에 이용되는 변조파 주파수의 정수배로부터, 상기 전력 변환 장치가 접속되는 교류 전원의 주파수의 정수배만큼 시프트된 값의 절대값을 상기 노이즈 주파수로서 설정하는 이상 진단 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판정부는, 상기 측대파 성분의 주파수와 상기 노이즈 주파수의 차분이 설정값 미만으로 근접하는 경우, 상기 측대파 성분에 대해서, 상기 노이즈 간섭 있음으로 추정하는 이상 진단 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 판정부는 상기 노이즈 간섭 있음으로 추정된 측대파 성분을 제외하고, 상기 전동기의 이상을 판정하는 이상 진단 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 전동기의 정상 운전시에 있어서 상기 전류의 상기 노이즈 주파수에서의 노이즈의 크기를 검출하는 노이즈 검출부와, 상기 노이즈 검출부에 의한 검출 결과를 기억하는 기억부를 구비하고,
    상기 판정부는, 상기 노이즈 간섭 있음으로 추정된 측대파 성분에 대해서, 상기 측대파 성분의 상기 스펙트럼 피크와, 상기 기억부 내의 상기 검출 결과에 기초하여 상기 전동기의 이상을 판정하는 이상 진단 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노이즈 간섭의 유무를 외부에 알리는 알림부를 구비한 이상 진단 장치.
  9. 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 전동기에 전력 공급하는 전력 변환부와,
    상기 전력 변환부를 상기 펄스폭 변조 제어에 의해 출력 제어하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는, 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 이상 진단 장치를 구비하여, 상기 전동기의 이상을 진단하는 전력 변환 장치.
  10. 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 전동기에 전력 공급하는 전력 변환부와,
    상기 전력 변환부를 상기 펄스폭 변조 제어에 의해 출력 제어하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는 청구항 3에 기재된 이상 진단 장치를 구비하여 상기 전동기의 이상을 진단하고,
    상기 제어 장치는, 상기 측대파 성분의 주파수와 상기 노이즈 주파수의 차분이 설정값 미만으로 근접하는 경우, 상기 최대 공약수의 연산에 이용한 상기 2개 이상의 주파수 중, 적어도 하나를 변경하여 상기 펄스폭 변조 제어를 행하고,
    상기 이상 진단 장치는, 변경된 주파수에 기초하여, 상기 전동기의 이상을 진단하는 전력 변환 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 주파수의 변경은, 상기 주파수를 시간 변화시키는 것인 전력 변환 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 측대파 성분의 주파수와 상기 노이즈 주파수의 차분이 설정값 미만으로 근접하는 경우, 상기 최대 공약수가, 상기 변조파 주파수에 일치하거나, 혹은 10Hz 이하가 되도록, 상기 2개 이상의 주파수 중, 적어도 하나를 변경하는 전력 변환 장치.
  13. 청구항 10 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주파수의 변경은, 상기 주파수로서 상기 반송파 주파수를 변경하는 것인 전력 변환 장치.
  14. 교류 전원으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터부와, 평활 콘덴서와, 상기 평활 콘덴서의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 전동기에 전력 공급하는 인버터부를 구비한 전력 변환부와,
    상기 전력 변환부를 상기 펄스폭 변조 제어에 의해 출력 제어하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는 청구항 4에 기재된 이상 진단 장치를 구비하여 상기 전동기의 이상을 진단하는 전력 변환 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 측대파 성분의 주파수와 상기 노이즈 주파수의 차분이 설정값 미만으로 근접하는 경우, 상기 변조파 주파수를 변경하여 상기 펄스폭 변조 제어를 행하고,
    상기 이상 진단 장치는, 변경된 변조파 주파수에 기초하여, 상기 전동기의 이상을 진단하는 전력 변환 장치.
  16. 전력 변환 장치의 펄스폭 변조 제어에 의해 구동되는 전동기의 이상을 진단하는 이상 진단 방법에 있어서,
    상기 펄스폭 변조 제어에 이용되는 3개의 주파수인 변조파 주파수, 반송파 주파수, 및 변조파를 샘플링하는 샘플링 주파수 중, 상기 변조파 주파수를 포함하는 2개 이상의 주파수의 최대 공약수를 연산하고, 상기 최대 공약수의 정수배인 주파수를 노이즈 주파수로서 설정하는 제1 스텝과,
    상기 전동기에 흐르는 전류를 검출하여 주파수 해석하는 제2 스텝과,
    상기 제2 스텝에서의 해석 결과로부터 얻어지는 변조파의 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 기초하여 상기 전동기의 이상을 판정하는 제3 스텝을 구비하고,
    상기 제3 스텝에 있어서, 상기 측대파 성분의 주파수와, 상기 제1 스텝에서 설정된 상기 노이즈 주파수에 기초하여, 상기 측대파 성분의 상기 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정하는 이상 진단 방법.
  17. 전력 변환 장치의 펄스폭 변조 제어에 의해 구동되는 전동기의 이상을 진단하는 이상 진단 방법에 있어서,
    상기 펄스폭 변조 제어에 이용되는 변조파 주파수로부터, 상기 전력 변환 장치가 접속되는 교류 전원의 주파수의 정수배만큼 시프트된 주파수를 노이즈 주파수로서 설정하는 제1 스텝과,
    상기 전동기에 흐르는 전류를 검출하여 주파수 해석하는 제2 스텝과,
    상기 제2 스텝에서의 해석 결과로부터 얻어지는 변조파의 측대파 성분의 스펙트럼 피크에 기초하여 상기 전동기의 이상을 판정하는 제3 스텝을 구비하고,
    상기 제3 스텝에 있어서, 상기 측대파 성분의 주파수와, 상기 제1 스텝에서 설정된 상기 노이즈 주파수에 기초하여, 상기 측대파 성분의 상기 스펙트럼 피크에 있어서의 노이즈 간섭의 유무를 추정하는 이상 진단 방법.
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