TWI804136B - 電力轉換裝置 - Google Patents

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TWI804136B TW110149108A TW110149108A TWI804136B TW I804136 B TWI804136 B TW I804136B TW 110149108 A TW110149108 A TW 110149108A TW 110149108 A TW110149108 A TW 110149108A TW I804136 B TWI804136 B TW I804136B
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Abstract

本發明之進行交流電動機之控制之電力轉換裝置具有：檢測電路，其檢測交流電動機之驅動中之輸出值；及預兆診斷功能部，其診斷交流電動機之機械異常之預兆；預兆診斷功能部具有：逐次更新部，其基於輸出值逐次更新交流電動機之輸出值之推定分佈並輸出推定更新分佈；比較部，其比較推定更新分佈與輸出值；及診斷判定部，其基於比較之結果診斷交流電動機之機械異常之預兆。

Description

電力轉換裝置
本發明係關於一種進行電動機之異常診斷之電力轉換裝置。
於工業機械領域、家電領域、汽車領域等技術領域，使用進行電動機之驅動之電力轉換裝置。
作為電動機或藉由該電動機驅動之負荷裝置之例，有組入於輸送帶等生產線者、或作為零件之一部分組入於工作機械等者，用途涉及多方面。
另一方面，於任意用途中，於包含電動機之驅動系統之故障或驅動性能之劣化等異常發生之情形時，預想到損失會過大。因此，有欲於異常發生之前之階段，對該等異常予以預兆之要求。
對此種要求，提案有診斷驅動系統之異常之技術。作為驅動系統之故障之預兆，因對象驅動系統機器之損傷、偏心、或凹陷等，而表現為機械之振動。有藉由測定用感測器捕捉該機械之振動，而根據感測器資訊之解析結果進行診斷之技術。
又，因驅動系統機器之振動對電氣系統亦會造成影響，故例如如專利文獻1般，有藉由測定用感測器捕捉電流與電壓，自檢測出之電流與電壓運算負荷扭矩，同樣地實施運算出之負荷扭矩之解析而診斷之技術等。
或，如專利文獻2，有不將檢測出之電流加工為其他物理量而直接解析、診斷之技術等。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2016-197040號公報 [專利文獻2]日本專利特開2015-222151號公報
[發明所欲解決之問題]
於專利文獻1及專利文獻2中，實施用於對象驅動系統機器診斷之運算方法、與基於該運算結果之異常度之判定，且該等任意之專利文獻中，皆記載有將電流等物理量進行統計處理。
為實施統計處理，解析需要記憶一定數量以上之標本。據此，處理統計運算之運算處理裝置要使用相應之記憶區域。因此，有難以對如安裝於電力轉換裝置般之通用微電腦，尤其低價之微電腦安裝之問題。
本發明之目的在於提供一種可不實施統計處理，而準確診斷驅動系統之異常之電力轉換裝置。 [解決問題之技術手段]
本發明之一態樣之電力轉換裝置之特徵在於，其係進行交流電動機之控制者，且具有：檢測電路，其檢測上述交流電動機之驅動中之輸出值；及預兆診斷功能部，其診斷上述交流電動機之機械異常之預兆；上述預兆診斷功能部具有：逐次更新部，其基於上述輸出值，逐次更新上述交流電動機之輸出值之推定分佈，輸出推定更新分佈；比較部，其比較上述推定更新分佈與上述輸出值；及診斷判定部，其基於上述比較之結果，診斷上述交流電動機之上述機械異常之預兆。 [發明之效果]
根據本發明之一態樣，於電力轉換裝置中，可不實施統計，準確地診斷驅動系統之異常。
以下，使用圖式對實施例進行說明。
[實施例1] 參照圖1，對實施例1之電力轉換裝置之構成進行說明。
如圖1所示，進行3相交流電動機120之驅動之電力轉換裝置110具有整流電路111、平滑電路112、開關電路113、電流檢測電路114、預兆診斷功能部115及外部輸出部116。
自3相交流電源100輸出之3相交流電壓藉由整流電路111整流，藉由平滑電路112平滑，產生直流電壓。另，可取代3相交流電源100而使用單相交流電源，將單相交流電壓整流、平滑，產生直流電壓。又，亦可拆除整流電路111及平滑電路112，自直流電源直接獲得直流電壓。
開關電路113藉由組合複數個開關元件之接通/斷開(ON/OFF)，而將直流電壓轉換為任意之3相交流電壓，並施加至3相交流電動機120。開關電路113例如可將U相、V相、W相之相臂並聯而構成，且該U相、V相、W相之相臂各串聯連接有2個開關元件。
電流檢測電路114檢測電力轉換裝置110之3相輸出電流。可僅檢測2相，因3相交流之總和為零，故算出剩下之1相。另，亦可於開關電路113之輸入之正極側、或負極側設置分流電阻，根據流過該分流電阻之電流推定3相輸出電流。
預兆診斷功能部115根據檢測電流11A，實施3相交流電動機120之機械異常之預兆診斷，輸出該預兆診斷之結果即外部輸出信號11B。
外部輸出部116根據外部輸出信號11B，將3相交流電動機120之機械異常之預兆診斷結果報知電力轉換裝置110之外部。
接著，參照圖2，對預兆診斷功能部115之構成進行說明。圖2係實施例1之預兆診斷功能部115之構成方塊圖。
如圖2所示，預兆診斷功能部115具有逐次更新部200、比較部201、診斷判定部202，並將外部輸出信號11B輸出至外部輸出部116。
逐次更新部200於內部具有將圖3所示之3相交流電動機120之電流值表現為概率變量之狀態空間模型、與基於該狀態空間模型推定之電流值之分佈。藉由檢測電流11A更新3相交流電動機之電流值之推定分佈，並將該更新後之結果即分佈作為推定更新分佈20A輸出。
參照圖4，對逐次更新部200之動作之概要進行說明。於圖4中，橫軸為電流值(概率變量)，縱軸為概率。
如圖4之箭頭所示，根據新檢測出之檢測電流11A將某時刻之電流值之推定分佈更新為推定更新分佈20A。
比較部201之輸入具有檢測電流11A與推定更新分佈20A。再者，比較部201如圖5所示，確定推定更新分佈20A與以斜線所示之用於異常判定之基準範圍，比較該基準範圍與檢測電流11A。作為比較之結果，於檢測電流11A為推定更新分佈20A之基準範圍外之值之情形時，判定為異常而輸出接通之異常判定信號20B，為基準範圍內之值之情形時輸出斷開之異常判定信號20B。
診斷判定部202於預先確定之一定期間內積算自輸入異常判定信號20B起接通之次數，於該積算值超過閾值之情形時判斷為異常。作為該判斷結果，輸出正常或異常作為外部輸出信號11B。
以下，對實施例1之基本動作進行說明。成為實施例1之基本之3相交流電動機120之機械異常之預兆診斷係指根據檢測電流11A之電流值推定3相交流電動機120之電流值有異常徵兆。此處，將3相交流電動機120之電流值定義為xk，將該xk之概率變量設為Xk。該Xk藉由圖3及與圖3等效之(數1)及(數2)所示之線性概率系統表現。
[數1]
Figure 02_image001
[數2]
Figure 02_image003
k為離散時間{0、1、2、･･･}、或{0、±1、±2、･･･}等離散值。該線性概率系統以Yk為輸出，Yk意指以檢測電流11A之電流值為yk時之yk之概率變量。ak、bk、及ck為設計值，根據包含對象之電力轉換裝置110之驅動系統之特性決定。
又，Wk及Vk係與Xk及Yk、以及Wk、Vk各者獨立之遵循期望值為0，方差為1之正規分佈之雜訊。T為時間延遲要素，這從圖3之Xk通過時間延遲要素T後之信號成為Xk-1亦明瞭。此處，X0設為遵循期望值為任意之μ0，方差為任意之τ0之正規分佈之初始狀態，於以後第k個Xk中，遵循期望值為μk，方差為τk之正規分佈，保持正規分佈。
此處，考慮根據yk逐次更新由(數1)所示之線性概率系統表現之3相交流電動機120之電流值xk之概率變量Xk之特性即(μk、τk)之組，即成為圖4所示之動作，自(μk-1、τk-1)更新為(μk、τk)。
該更新藉由求出Xk之條件概率分佈而明示，隨著時間經過可獲得新的輸出電流yk，因而藉由逐次計算條件概率密度函數p(xk|yk)而導出。遵循(數3)計算p(xk|yk)。
[數3]
Figure 02_image005
(數3)之左邊p(xk|yk)為獲得Yk=yk等實現值時之Xk之分佈，即表示獲得檢測電流11A，更新3相交流電動機120之電流值之推定分佈，該數式與圖4等效。
其後，因將(數3)之右邊進行運算、整理，故顯示各要素。首先，p(yk|xk)為獲得Xk=xk等實現值時之Yk之分佈，又，根據(數2)，Yk遵循正規分佈，因而可藉由運算Yk之期望值與方差而求出。若將運算Yk之期望值與方差之操作分別表示為E(Yk)與V(Yk)，則分別如(數4)與(數5)所示。
[數4]
Figure 02_image007
[數5]
Figure 02_image009
根據(數4)與(數5)，p(yk|xk)如(數6)所示。
[數6]
Figure 02_image011
接著，求出p(xk)。因(數1)與E(Xk-1)=μk-1、V(Xk-1)=τk-1，故分別如(數7)與(數8)所示。
[數7]
Figure 02_image013
[數8]
Figure 02_image015
根據(數7)與(數8)，p(xk)如(數9)所示。
[數9]
Figure 02_image017
接著，求出p(yk)。因明確p(yk)不依存於概率變量Xk，故作為常數N，為以(數3)整體之概率為1之方式進行調整的數值。根據其與(數6)、及(數9)，藉由(數10)之運算結果而求出(數3)。
[數10]
Figure 02_image019
若將(數10)中不依存於概率變量Xk之部分匯總而整理為常數M，則如(數11)所示。
[數11]
Figure 02_image021
因可根據(數11)分別求出μk、τk，故可分別藉由(數12)與(數13)逐次計算自(μk-1、τk-1)更新為(μk、τk)。
[數12]
Figure 02_image023
[數13]
Figure 02_image025
逐次更新部200輸出該等(數12)與(數13)所示之μk、τk作為根據檢測電流11A更新之分佈即推定更新分佈20A。
接著，藉由(數15)所示之式比較根據(數12)、(數13)所示之μk、τk、以及設計值α決定之(數14)所示之基準範圍、與該基準範圍及yk。該基準範圍以μk為中心，最小值為μk-ατk，最大值為μk+ατk，與圖5之斜線部等效。其中，如根據(數12)所明瞭，因μk已包含yk之資訊，故此處使用k-1時點之μk-1與τk-1。
[數14]
Figure 02_image027
[數15]
Figure 02_image029
比較部201具有(數14)所示之基準範圍，將該基準範圍定為推定更新分佈20A。且於不滿足(數15)所示之比較式之情形時，判定為異而輸出接通之信號作為異常判定信號20B，於滿足比較式之情形時，輸出斷開之信號作為異常判定信號20B。
診斷判定部202於預先決定之時間積算異常判定信號20B之接通次數。圖6係積算值之時間變化之一例，橫軸顯示為時間，縱軸顯示為積算值。針對新品之交流電動機即正常交流電動機、與將該相同之交流電動機持續使用一年時間而劣化的交流電動機即異常交流電動機之積算值，以圖表表示出將計測開始設為時刻0至時刻t之時間。
圖6之圖表上之實線為正常交流電動機，虛線為異常交流電動機，可明瞭異常交流電動機之每個時間之積算值較正常交流電動機大幅增加。利用該情況，以t作為基準時間，每隔t實施積分值之驗證，藉此可進行異常判斷。
積分值之驗證係於組合3相交流電動機120與電力轉換裝置110之初次驅動時，使交流電動機驅動時間t以上，並將該時間t部分之積分值設為正常值。接著，將該正常值之2倍至3倍左右之值作為異常值採用為閾值，每隔時間t，比較閾值與新獲得之積算值，以若積算值為閾值以下則為正常，於積算值超過閾值之情形時則為異常之方式實施驗證。圖7顯示相對於該積算值之驗證過程之一例。
圖7與圖6同樣以橫軸為時間，以縱軸為積算值，表示組合3相交流電動機120與電力轉換裝置110之初次驅動時至異常判定為止之時間過程，每隔時間t比較積算值與閾值，重複積算值之初始化即再設定為0，實施判定。
另，亦可由新獲得之積分值與前一個獲得之積分值之差量而非積分值與閾值之比較，算出積算值之變化量，藉此驗證積算值。將該驗證結果作為外部輸出信號11B輸出。
以上動作係成為實施例1之基本之3相交流電動機120之機械異常之預兆診斷方法。該預兆診斷結果即外部輸出信號11B通過外部輸出部116報知3相交流電動機120之使用者。
作為報知之裝置，若於液晶畫面始終顯示文字串作為預兆診斷結果、或藉由旋轉燈或顯示燈、或蜂鳴器僅於異常時報知，則對外部輸出部116以後之形態並無限制。
[實施例2] 於實施例1中，說明由驅動中之檢測電流實施交流電動機之機械異常之預兆診斷之方法。實施例2之特徵在於提供使用驅動中之旋轉速度而非驅動中之檢測電流之交流電動機之機械異常之預兆診斷。
因實施例2之電力轉換裝置及預兆診斷功能部之構成與實施例1說明之圖1及圖2相同，針對基本動作亦同樣，故省略其說明。
實施例2與實施例1不同之點係對於用於異常之預兆診斷之物理量使用旋轉速度而非檢測電流之點。其原因在於交流電動機之異常徵兆不限於電流，於其他物理量即旋轉速度中亦會顯示出異常徵兆。
因此，成為實施例2之基本之3相交流電動機120之機械異常之預兆診斷係指藉由自檢測電流11A之電流值運算出之旋轉速度推定3相交流電動機120之旋轉速度有異常徵兆。
此處，於(數3)中，將3相交流電動機120之旋轉速度定義為xk，將該xk之概率變量設為Xk。又，Yk意指將自檢測電流11A之電流值運算之旋轉速度設為yk時之yk之概率變量。上述(數3)中之2個概率變量之定義為與實施例1之差異所在，基本動作與實施例1同樣。
另，關於自電流運算旋轉速度，雖可自電流之頻率或週期進行，但亦可使用外部之旋轉速度計測器代替檢測電流11A而直接輸入。
再者，藉由組合實施例1與實施例2，使用電流與旋轉速度之任一者、或兩者，可提供較實施例1能實現交流電動機之多樣之異常徵兆之預兆診斷的電力轉換裝置。
藉由以上之動作，可提供能明示3相交流電動機120之機械異常之預兆診斷結果之電力轉換裝置。
根據上述實施例，可不使用統計運算而實現正驅動之交流電動機之機械異常之預兆診斷。因此，有助於節約記憶區域，可由低價之微電腦實現預兆診斷。
雖已對以上實施例進行說明，但本發明並非限定於上述實施例者，亦包含各種變化例。又，上述實施例係為容易理解地說明本發明而詳細說明者，並非限定於具備所說明之所有構成者。
11A:檢測電流 11B:外部輸出信號 20A:推定更新分佈 20B:異常判定信號 100:3相交流電源 110:電力轉換裝置 111:整流電路 112:平滑電路 113:開關電路 114:電流檢測電路 115:預兆診斷功能部 116:外部輸出部 120:3相交流電動機 200:逐次更新部 201:比較部 202:診斷判定部 ak:設計值 bk:設計值 ck:設計值 t:時間 T:時間延遲要素 Vk:概率變量 Wk:概率變量 Xk:概率變量 Xk-1:概率變量 xk:電流值 Yk:概率變量 yk:輸出電流
圖1係實施例之電力轉換裝置之構成方塊圖。 圖2係預兆診斷功能部之構成方塊圖。 圖3係線性概率系統之狀態空間模型之一例。 圖4係逐次更新部200之動作概要圖。 圖5係推定更新分佈20A與基準範圍之一例。 圖6係顯示預兆診斷結果之變化變化之一例之圖。 圖7係顯示相對於積分值之驗證過程之一例之圖。
11A:檢測電流
11B:外部輸出信號
100:3相交流電源
110:電力轉換裝置
111:整流電路
112:平滑電路
113:開關電路
114:電流檢測電路
115:預兆診斷功能部
116:外部輸出部
120:3相交流電動機

Claims (13)

  1. 一種電力轉換裝置，其特徵在於其係進行交流電動機之控制之電力轉換裝置，且具有：電流檢測電路，其檢測上述交流電動機之驅動中之電流值，作為上述交流電動機之輸出值；及預兆診斷功能部，其診斷上述交流電動機之機械異常之預兆；且上述預兆診斷功能部具有：逐次更新部，其基於上述輸出值，逐次更新上述交流電動機之輸出值之推定分佈，輸出推定更新分佈；比較部，其比較上述推定更新分佈與上述輸出值；及診斷判定部，其基於上述比較之結果，診斷上述交流電動機之上述機械異常之預兆。
  2. 如請求項1之電力轉換裝置，其中上述逐次更新部基於上述電流值，逐次更新上述交流電動機之電流值之推定分佈，輸出上述電流值之上述推定更新分佈，上述比較部比較上述推定更新分佈與上述電流值。
  3. 如請求項1之電力轉換裝置，其中上述逐次更新部 基於自上述電流值運算出之旋轉速度，逐次更新上述交流電動機之旋轉速度之推定分佈，輸出上述旋轉速度之上述推定更新分佈，上述比較部比較上述推定更新分佈與上述旋轉速度。
  4. 如請求項3之電力轉換裝置，其中上述逐次更新部基於上述電流值之頻率或週期，自上述電流值運算上述旋轉速度。
  5. 如請求項1之電力轉換裝置，其中上述逐次更新部基於使用外部之旋轉速度計測器檢測出之旋轉速度，逐次更新上述交流電動機之旋轉速度之推定分佈，輸出上述旋轉速度之上述推定更新分佈，上述比較部比較上述推定更新分佈與上述旋轉速度。
  6. 如請求項1之電力轉換裝置，其中上述逐次更新部具有將上述交流電動機之上述輸出值作為概率變量表現之狀態空間模型、與基於上述狀態空間模型推定出之上述交流電動機之輸出值之推定分佈，基於上述輸出值逐次更新上述交流電動機之輸出值之推定分佈，輸出上述推定更新分佈。
  7. 如請求項1之電力轉換裝置，其中上述比較部 確定用於判定上述機械異常之上述推定更新分佈之基準範圍，比較上述基準範圍與上述輸出值，於上述輸出值為上述基準範圍外之值之情形時判定為上述機械異常，於上述輸出值為上述基準範圍內之值之情形時判定為正常，輸出異常判定信號。
  8. 如請求項7之電力轉換裝置，其中上述診斷判定部基於上述異常判定信號，於特定期間積算上述機械異常之次數，於積算值超過特定閾值之情形時判斷為上述機械異常。
  9. 如請求項8之電力轉換裝置，其中上述診斷判定部僅於預先決定之基準時間積算上述機械異常之次數，藉由每隔上述基準時間實施上述積算值之驗證，而判斷上述機械異常。
  10. 如請求項9之電力轉換裝置，其中上述診斷判定部於將上述交流電動機與上述電力轉換裝置組合之最初之驅動時，使上述交流電動機驅動上述基準時間以上，以上述基準時間部分之上述積算值為正常值，將大於上述正常值之值作為異常值採用為閾值，每隔上述基準時間比較上述閾值與新獲得之上述積算值，若上述積算值為上述閾值以下則判定為正常，於上述積算值超過上述閾值之情形時，判定為上述機械異常，藉此 實施上述驗證。
  11. 如請求項1之電力轉換裝置，其進而具有：將上述交流電動機之上述機械異常之預兆之診斷結果輸出報知上述電力轉換裝置之外部的外部輸出部。
  12. 如請求項11之電力轉換裝置，其中上述外部輸出部藉由於畫面顯示上述機械異常之預兆之診斷結果而進行報知。
  13. 如請求項11之電力轉換裝置，其中上述外部輸出部由聲音報知上述機械異常之預兆之診斷結果。
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