WO2021166329A1 - インバータの劣化監視診断方法 - Google Patents

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信芳 劉
芳 馮
康弘 猪熊
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株式会社高田工業所
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load

Definitions

  • the present invention measures and analyzes the current signal (current waveform) on the output side (secondary side) of the inverter that supplies the drive current to the motor in the operating state to detect the deterioration of the inverter. Regarding the method.
  • Patent Document 2 is an invention relating to an abnormality diagnosis method for a rotating mechanical system, which diagnoses an abnormality in a rotating mechanical system by comparing the normal current and an operating (inspection) current state of the electric motor. Calculate the monotone ratio of the harmonic component of the current signal and the power frequency component, the total wave ratio, and the unbalance rate of the interphase current, and if any one of them exceeds the reference value, the power supply quality. Alternatively, it is described that it is diagnosed that an abnormality has occurred in the inverter.
  • the degree of abnormality and deterioration of the electric device, the cause and location of the abnormality and deterioration are determined by the magnitude of the harmonic content of each order contained in the device current flowing through the electric device.
  • the cause of deterioration and the location of deterioration correspond to the order of harmonics on the input side and output side of the inverter, avoiding replacement of the entire device and repairing the parts that have deteriorated. And exchange is possible.
  • Patent Document 2 also refers to the abnormality diagnosis of the inverter, but the monotonic wave ratio of the harmonic component and the power supply frequency component of the current signal during the operation of the motor, the total wave adjustment ratio, and the unbalance rate of the interphase current. Only is used as a parameter, and other changes in the current signal are not taken into consideration, which is insufficient as a method for monitoring the progress of deterioration of the inverter and diagnosing the presence or absence of deterioration. In addition, although it is possible to determine whether the power supply quality or the inverter has an abnormality, the inverter itself has deteriorated (abnormality), perhaps because the power supply quality has an abnormality other than the inverter abnormality.
  • the present invention has been made in view of such circumstances. By measuring, analyzing, and monitoring the current signal on the output side of the inverter that supplies the drive current to the motor in the operating state, the inverter is simply and accurately used. It is an object of the present invention to provide an inverter deterioration monitoring and diagnosis method capable of detecting signs of deterioration of an inverter, managing the progress of the deterioration, and performing appropriate maintenance.
  • the inverter deterioration monitoring / diagnosis method according to the present invention is an inverter deterioration monitoring / diagnosis method used for detecting deterioration of an inverter that supplies a drive current to an electric motor.
  • the inverter deterioration determination step of determining the presence or absence of deterioration of the inverter the output current of the inverter is measured during the operation of the electric motor, and (a) a periodic abnormality in which the period of the obtained current waveform fluctuates, and (b) is obtained.
  • the motor may be a three-phase induction motor, a single-phase induction motor, or a permanent magnet type synchronous motor (PM motor).
  • the inverter is a three-phase output inverter, the output current may be measured for only one phase or for all three phases.
  • the periodic abnormality the calculated power frequency f 1 time-series data by a frequency spectrum analysis of the current waveform
  • the power supply period T 1 which is the inverse of the power supply frequency f 1
  • the harmonic ratio abnormality, time-series data by a frequency spectrum analysis of the current waveform obtained by measuring the output current determined the power frequency f 1, the power source a current value I 1 of a frequency f 1, the power supply frequency f of 1 (6i ⁇ 1) certain harmonic ratio I calculated by the following harmonic current value I 6i ⁇ following equation using 1 (2) It is determined that R is generated when it is equal to or higher than the preset reference value of the harmonic ratio or when it tends to increase with the passage of time.
  • n is a natural number of 1 or more and 8 or less, and more preferably 1 or more and 3 or less.
  • the harmonic ratio abnormality, time-series data by a frequency spectrum analysis of the current waveform obtained by measuring the output current determined the power frequency f 1, the power source when both (6i-3) following and (6i + 3) the peak of the next harmonic frequency f 1 is, (6i-1) following and (6i + 1) smaller than the peak of the next harmonic, are generated Is determined.
  • i is at least one of 1 or 2 or 3.
  • the amplitude abnormality is described by using the maximum amplitude P max , the minimum amplitude P min, and the current effective value Irms or the current mean value I ave obtained from the current waveform.
  • equation (3) or current amplitude variation rate P R calculated by the equation (4) is either an amplitude variation rate of the reference value or more set in advance, when an increasing trend over time and is generated It is judged.
  • the amplitude (distance from the center of vibration to the maximum displacement) is not constant and fluctuates, so the maximum value of the amplitude (absolute value) is set to the maximum amplitude P max and the minimum value. Let be the minimum amplitude P min .
  • reference sine wave signal waveform that is created based on the power frequency f 1 obtained by the frequency spectrum analysis of time-series data of the current waveform obtained by measuring the output current KI (Kullback-Leibler Information) calculated by the following equation (5) from the reference amplitude probability density function fr (x) obtained from the above and the diagnostic amplitude probability density function ft (x) obtained from the current waveform. It is preferable to perform the inverter deterioration determination step when the value of the libler information amount) is equal to or higher than the preset KI reference value or tends to increase with the passage of time.
  • the deterioration monitoring and diagnosis method of the inverter analyzes the current waveform obtained by measuring the output current of the inverter, and when at least one of a periodic abnormality, an amplitude abnormality, and a harmonic ratio abnormality occurs. By determining that the inverter is deteriorated, the deterioration (abnormality) of the inverter can be detected easily and surely, and the reliability of the deterioration detection of the inverter and the maintainability of the inverter are excellent.
  • the value of KI is either equal to or greater than the reference value KI previously set, when an increasing trend with time, further, the period variation rate of the current waveform, amplitude variation rates, and harmonics of the power frequency f 1
  • the work efficiency can be improved, and the progress status of the deterioration of the inverter can be grasped to improve the deterioration detection accuracy.
  • the method for monitoring and diagnosing deterioration of an inverter is for a three-phase output inverter (an example of an inverter) 11 that supplies a drive current to a three-phase induction motor (an example of an electric motor) 10. It is used to detect deterioration.
  • the input side primary side
  • the output side secondary side
  • Various rotating machines such as a pump and a blower (not shown) are connected to the tip of the three-phase induction motor 10 and driven by the three-phase induction motor 10.
  • a pump and a blower are connected to the tip of the three-phase induction motor 10 and driven by the three-phase induction motor 10.
  • the three-phase output inverter 11 is deteriorated (abnormal)
  • various abnormalities occur in the output current (current waveform) of the three-phase output inverter 11. Therefore, the output current of the three-phase output inverter 11 during operation is changed. Deterioration of the three-phase output inverter 11 can be detected by measuring, analyzing, and monitoring.
  • the output current of the three-phase output inverter 11 is obtained by, for example, connecting a clamp-type current detector 16 to each of the three power lines 15 connecting the three-phase output inverter 11 and the three-phase induction motor 10 (each stator). , Can be easily measured. It should be noted that if the current is measured for all three phases, a more accurate diagnosis can be made, but the diagnosis can be made only by measuring the current for any one of the three phases.
  • the analog current waveform (current signal) measured by the current detector 16 is converted into digital current data by an A / D converter (not shown) and processed by a processing unit (not shown).
  • the processing unit is composed of a conventionally known arithmetic unit (that is, a computer) including a RAM, a CPU, a ROM, an I / O, and a bus connecting these elements. Then, the processing in the processing unit is realized by the CPU executing a predetermined program.
  • the current data can be transmitted from the A / D converter to the processing unit using a LAN, a USB cable, or the like, and the installation location of the processing unit can be appropriately selected.
  • the installation location and number of monitors for displaying the diagnosis result by the processing unit can be appropriately selected, and the diagnosis result can be confirmed from a remote location using a LAN.
  • the measured data and the diagnosis result processed by the processing unit can be shared by a plurality of workers and managers by using the cloud environment.
  • the inverter deterioration monitoring and diagnosis method of the present invention is applied to perform a simple and quantitative deterioration diagnosis of an inverter.
  • the diagnosis is performed by paying attention to the output current of only one of the three phases of the three-phase output inverter 11.
  • the time-series data (current signal) of the current waveform obtained by measuring the output current of the three-phase output inverter 11 with the current detector 16 is once frequency spectrum analyzed and the power supply frequency.
  • the reference amplitude probability density function is obtained from a plurality of point data obtained at a predetermined sampling time by obtaining f 1 and converting the reference sine wave signal waveform (simulation waveform) calculated based on the f 1 into A / D and transmitting it to the processing unit. Find fr (x) and store it in a storage means (RAM or ROM) (first step).
  • the frequency spectrum analysis is performed by a conventionally known method, and the sampled output current signal is filtered (for example, a bandpass filter of 0.5 Hz to 125 Hz is applied) to perform a fast Fourier transform. , A current spectrum as shown in FIG. 2 is obtained.
  • the power frequency f 1 of the output current of the three-phase output inverter 11 is determined from a maximum peak of the current spectrum. Based on the power supply frequency f 1, the reference sine wave signal waveform as shown in FIG. 3 and FIG. 4 (simulation waveforms) a is obtained.
  • the current waveform obtained by measuring the output current of the three-phase output inverter 11 at the time of diagnosis is A / D converted and transmitted to the processing unit, and the amplitude at the time of diagnosis is obtained from a plurality of point data obtained at a predetermined sampling time.
  • the probability density function ft (x) is obtained and stored in the storage means (second step).
  • the measurement time (sampling time) of the output current in the first and second steps is, for example, about 8 to 16 seconds.
  • the amplitude probability density function (reference amplitude probability density function and amplitude probability density function at the time of diagnosis) finds the probability that a fluctuating signal exists at a specific amplitude level, and determines how much fluctuation occurs near which amplitude. It is to be analyzed.
  • the value of KI is calculated from the reference amplitude probability density function fr (x) and the amplitude probability density function ft (x) at the time of diagnosis by the above equation (5) (third step).
  • the deterioration of the three-phase output inverter 11 may occur. It can be determined that there is a sex (fourth step). At this time, the first reference value and the second reference value of KI are set, and if the calculated KI value becomes equal to or more than the first reference value of KI (for example, 0.5), caution is urged. , If it exceeds the second reference value (for example, 1), it may be notified that it is dangerous. This notification may be displayed on the monitor or sent by e-mail to the administrator or the like.
  • the KI value that changes with the passage of time can be known. Therefore, when the KI value tends to increase with the passage of time, three It can be determined that the deterioration of the phase output inverter 11 may be progressing. In this case, the deterioration tendency of the three-phase output inverter 11 can be grasped even before the KI value reaches the KI reference value (first or second reference value).
  • the current waveform is further analyzed and compared with the reference sinusoidal signal waveform. , Performs an inverter deterioration determination step for determining the presence or absence of inverter deterioration.
  • the details of the inverter deterioration determination process will be described below. First, using the power supply cycle T 1 , which is the reciprocal of the power supply frequency f 1 obtained earlier, the maximum half cycle T max of the current waveform, and the minimum half cycle T min (see FIG. 3), the above equation (1) is used. calculating the current period variation rate T R.
  • the current cycle variation rate T R is either a periodic variation rate of the reference value or more set in advance, when an increasing trend over time, it is determined that an abnormality cycle period of the current waveform varies occurs , It can be determined that the deterioration of the three-phase output inverter 11 has occurred (fifth step).
  • the first reference value of the periodic variation rate and the previously set second reference value, the calculated current period variation rate T R is the first reference value of the periodic variation rate (e.g. 0.1) or higher If it becomes, attention may be given, and if it exceeds the second reference value (for example, 0.2), it may be notified that it is dangerous. This notification may be displayed on the monitor or sent by e-mail to the administrator or the like.
  • the current is calculated by the above equation (3) or (4).
  • calculating the amplitude variation rate P R The current amplitude variation rate P R is preset equal or higher than a reference value of the amplitude variation rate that, when an increasing trend over time, to determine an amplitude anomaly amplitude of the current waveform varies occurs , It can be determined that the deterioration of the three-phase output inverter 11 has occurred (sixth step).
  • the first reference value and the second reference value of the amplitude volatility are set, and the calculated current amplitude volatility PR is equal to or larger than the first reference value (for example, 0.3) of the amplitude volatility. If it becomes, attention may be given, and if it exceeds the second reference value (for example, 0.5), it may be notified that it is dangerous. This notification may be displayed on the monitor or sent by e-mail to the administrator or the like.
  • n is a natural number of 1 or more and 8 or less, more preferably 1 or more and 3 or less (7th step).
  • calculated specific harmonic ratio I R is the first reference value of the harmonic ratio (e.g. 0.03) than If it becomes, attention may be given, and if it exceeds the second reference value (for example, 0.05), it may be notified that it is dangerous. This notification may be displayed on the monitor or sent by e-mail to the administrator or the like.
  • next harmonic (where i is at least one of 1 or 2 or 3) can also determine the harmonic ratio abnormalities ratio of harmonics of the supply frequency f 1 is varied occurs (the eighth step).
  • the occurrence of the harmonic ratio abnormality can be easily detected without performing the calculation. For example, in FIG.
  • the peaks of the 3rd and 9th harmonics are smaller than the peaks of the 5th and 7th harmonics, as opposed to the normal time of FIG.
  • the peaks of the 15th harmonics are both smaller than the peaks of the 11th and 13th harmonics, and the peaks of the 15th and 21st harmonics are both smaller than the peaks of the 17th and 19th harmonics. Is also small, and it is easy to detect that an abnormality in the harmonic ratio has occurred.
  • the fifth to eighth steps described above can be performed in no particular order. It is not always necessary to execute all the fifth to eighth steps, and one or two or more steps can be appropriately selected from the fifth to eighth steps. Further, even when a plurality of steps are selected, it may be determined that the deterioration of the three-phase output inverter has occurred at the stage where an abnormality is detected in any one step, and the remaining steps may be omitted.
  • the time value of KI with respect to the elapsed, when displayed current period fluctuation rate T R, the current amplitude variation rate P R, and the monitor to chart the changes in specific harmonic ratio I R, the administrator, the three-phase output inverter The deterioration tendency of the inverter can be easily confirmed visually, and the deterioration tendency management is excellent in convenience and reliability. At this time, it is not necessary to display the transitions of all the parameters at the same time, and the transitions of all the parameters can be displayed separately on several screens, and the number and combinations of the parameters to be displayed at the same time can be appropriately selected.
  • the present invention has been described above with reference to Examples, the present invention is not limited to the configuration described in the above-described Examples, but is within the scope of the claims. It also includes other possible examples and modifications.
  • diagnosis is performed by measuring the output current of only one of the three phases of the three-phase output inverter has been described, but the output currents of all three phases are measured and each of them is used.
  • a similar analysis can be performed to make a diagnosis. In that case, it is possible to make a comprehensive judgment including the balance of the three phases, and it is possible to improve the accuracy of the diagnosis.
  • the form of the inverter is not particularly limited. Further, it is also possible to perform the inverter deterioration determination step (fifth to eighth steps) from the beginning without performing the determination based on the KI value (first to fourth steps).
  • the current signal on the output side of the inverter that supplies the drive current to the motor is measured, analyzed, and monitored in the operating state, thereby simply and accurately inverting the inverter. It is possible to detect signs of deterioration of the inverter, appropriately perform maintenance of the inverter according to the progress of the deterioration, improve the work efficiency of the maintenance, and reduce the work load.

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Abstract

インバータ１１の劣化の有無を判定するインバータ劣化判定工程は、電動機１０の稼動時にインバータ１１の出力電流を計測して、（ａ）得られる電流波形の周期が変動する周期異常、（ｂ）得られる電流波形の振幅が変動する振幅異常、及び（ｃ）得られる電源周波数ｆ１の高調波の比率が変動する高調波比率異常の少なくとも１つが発生しているときに、インバータ１１が劣化していると判定する。

Description

インバータの劣化監視診断方法
本発明は、電動機に駆動電流を供給するインバータの出力側（二次側）の電流信号（電流波形）を運転状態で計測し、解析することにより、インバータの劣化を検出するインバータの劣化監視診断方法に関する。
従来、電動機に駆動電流を供給するインバータについては、運転状態で劣化の進行状況を監視し、診断することはできなかった。そのため、診断時には、インバータを含め、電動機及び電動機で駆動される電気機器を停止させる必要があり、作業に手間がかかるだけでなく、電気機器の稼働率の低下にも繋がっていた。そこで、例えば特許文献１には、誘導電動機並びにインバータを対象とした電気機器の異常及び劣化診断を、電気機器を停止若しくは休止分解することなく、運転状態のままで行うための電気機器の異常及び劣化診断装置が開示されている。また、特許文献２は、電動機の正常時電流と稼働時（点検時）電流の状態を比較して回転機械系の異常を診断する回転機械系の異常診断方法に関する発明であるが、電動機の稼働時の電流信号の高調波成分と電源周波数成分の単調波比率及び全調波比率と相間電流の不平衡率を算出し、これらのうちの一つでも基準値以上となった場合に、電源品質又はインバータに異常が発生したと診断することが記載されている。
特開２００３－１５６５４７号公報 特許第５７３３９１３号公報
特許文献１の電気機器の診断装置では、電気機器に流れる機器電流に含まれる各次数の高調波含有率の大きさにより電気機器の異常及び劣化の程度や、その異常及び劣化の原因や場所の特定を行っている。つまり、インバータの入力側及び出力側の高調波の次数のそれぞれに、劣化原因と劣化場所（劣化が発生した部品）が対応しており、機器全体の交換を避け、劣化が発生した部品の修理や交換を可能としている。しかし、インバータの部品構成又は各部品の特性が異なれば、機器電流に含まれる各次数の高調波含有率が変化するものと考えられ、劣化原因と劣化場所を正確に特定することができない可能性がある。また、インバータの劣化（故障）が発生した場合には、回路基板の交換を行うことが一般的であり、劣化が発生した部品の修理や交換は現実的ではない。従って、インバータの劣化（異常）の有無を診断する際には、異常及び劣化の原因や場所の特定までは必要とされておらず、簡易的な劣化監視診断方法が求められている。
また、特許文献２では、インバータの異常診断にも言及しているが、電動機の稼働時の電流信号の高調波成分と電源周波数成分の単調波比率及び全調波比率と相間電流の不平衡率のみをパラメータとしており、その他の電流信号の変化については考慮されておらず、インバータの劣化の進行状況を監視し、劣化の有無を診断する方法としては不十分である。また、電源品質又はインバータに異常が発生しているかどうかを判別することはできても、インバータの異常以外の理由で電源品質に異常が発生しているのか、インバータそのものに劣化（異常）が発生しているのかを切り分けることができず、インバータの劣化を正確に検出することはできない。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、電動機に駆動電流を供給するインバータの出力側の電流信号を運転状態で計測し、解析して、監視することにより、簡易的かつ正確にインバータの劣化の兆候を検出することができ、その劣化の進行状況を管理して、適切なメンテナンスを行うことができるインバータの劣化監視診断方法を提供することを目的とする。
前記目的に沿う本発明に係るインバータの劣化監視診断方法は、電動機に駆動電流を供給するインバータの劣化を検出するために用いられるインバータの劣化監視診断方法であって、
前記インバータの劣化の有無を判定するインバータ劣化判定工程は、前記電動機の稼動時に前記インバータの出力電流を計測して、（ａ）得られる電流波形の周期が変動する周期異常、（ｂ）得られる電流波形の振幅が変動する振幅異常、及び（ｃ）得られる電源周波数ｆ１の高調波の比率が変動する高調波比率異常の少なくとも１つが発生しているときに、前記インバータが劣化していると判定する。
ここで、電動機は、三相誘導電動機でも単相誘導電動機でもよいし、永久磁石形同期電動機（ＰＭモーター）でもよい。インバータが三相出力インバータの場合、出力電流の計測は一相のみについて行ってもよいし、三相全てについて行ってもよい。
本発明に係るインバータの劣化監視診断方法において、前記周期異常は、前記電流波形の時系列データを周波数スペクトル分析して電源周波数ｆ１を求め、該電源周波数ｆ１の逆数である電源周期Ｔ１と、前記電流波形の最大半周期Ｔｍａｘ及び最小半周期Ｔｍｉｎを用いて、以下の式（１）により算出される電流周期変動率ＴＲが、予め設定した周期変動率の基準値以上となるか、時間経過と共に増加傾向にあるときに、発生していると判定される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
本発明に係るインバータの劣化監視診断方法において、前記高調波比率異常は、前記出力電流を計測して得られる電流波形の時系列データを周波数スペクトル分析して前記電源周波数ｆ１を求め、該電源周波数ｆ１の電流値Ｉ１と、該電源周波数ｆ１の（６ｉ±１）次の高調波の電流値Ｉ６ｉ±１を用いて以下の式（２）により算出される特定高調波比率ＩＲが、予め設定した高調波比率の基準値以上となるか、時間経過と共に増加傾向にあるときに、発生していると判定される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
ここで、ｎは１以上８以下の自然数であり、より好ましくは１以上３以下の自然数である。
本発明に係るインバータの劣化監視診断方法において、前記高調波比率異常は、前記出力電流を計測して得られる電流波形の時系列データを周波数スペクトル分析して前記電源周波数ｆ１を求め、該電源周波数ｆ１の（６ｉ－３）次及び（６ｉ＋３）次の高調波のピークがいずれも、（６ｉ－１）次及び（６ｉ＋１）次の高調波のピークよりも小さいときに、発生していると判定される。
ここで、ｉは１又は２又は３の少なくとも１つである。
本発明に係るインバータの劣化監視診断方法において、前記振幅異常は、前記電流波形から求めた最大振幅Ｐｍａｘ、最小振幅Ｐｍｉｎ及び電流実効値Ｉｒｍｓ若しくは電流平均値Ｉａｖｅを用いて、以下の式（３）又は式（４）により算出される電流振幅変動率ＰＲが、予め設定した振幅変動率の基準値以上となるか、時間経過と共に増加傾向にあるときに、発生していると判定される。
ここで、非定常状態の電流波形では、振幅（振動の中心から最大変位までの距離）が一定とならず変動するので、その振幅（絶対値）の最大値を最大振幅Ｐｍａｘとし、最小値を最小振幅Ｐｍｉｎとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
本発明に係るインバータの劣化監視診断方法において、前記出力電流を計測して得られる電流波形の時系列データを周波数スペクトル分析して求められる電源周波数ｆ１を基に作成される基準正弦波信号波形から求めた参照振幅確率密度関数ｆｒ（ｘ）と、前記電流波形から求めた診断時振幅確率密度関数ｆｔ（ｘ）から、以下の式（５）により算出されるＫＩ（Ｋｕｌｌｂａｃｋ－Ｌｅｉｂｌｅｒ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ：カルバック・ライブラー情報量）の値が、予め設定したＫＩの基準値以上となるか、時間経過と共に増加傾向にあるときに、前記インバータ劣化判定工程を行うことが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
本発明に係るインバータの劣化監視診断方法は、インバータの出力電流を計測して得られる電流波形を解析して、周期異常、振幅異常、及び高調波比率異常の少なくとも１つが発生しているときに、インバータが劣化していると判定することにより、簡便かつ確実にインバータの劣化（異常）を検出することができ、インバータの劣化検出の信頼性及びインバータのメンテナンス性に優れる。特に、ＫＩの値が、予め設定したＫＩの基準値以上となるか、時間経過と共に増加傾向にあるときに、さらに、電流波形の周期変動率、振幅変動率、及び電源周波数ｆ１の高調波比率のいずれか１以上の状況（推移）を監視することにより、作業効率が向上すると共に、インバータの劣化の進行状況を把握して、劣化の検出精度を高めることができる。
本発明の一実施例に係るインバータの劣化監視診断方法を示す説明図である。 稼動時の三相出力インバータの出力電流のうち、一相の電流信号を周波数スペクトル分析した結果を示すグラフである。 基準正弦波信号波形と周期異常が発生した電流波形を比較したグラフである。 基準正弦波信号波形と振幅異常が発生した電流波形を比較したグラフである。 （Ａ）は基準正弦波信号波形の時系列データを周波数スペクトル分析し、高調波解析を行った結果を示すグラフであり、（Ｂ）は高調波比率異常が発生している電流波形の時系列データを周波数スペクトル分析し、高調波解析を行った結果を示すグラフである。
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。
本発明の一実施例に係るインバータの劣化監視診断方法は、図１に示すように、三相誘導電動機（電動機の一例）１０に駆動電流を供給する三相出力インバータ（インバータの一例）１１の劣化を検出するために用いられる。
図１に示すように、三相出力インバータ１１は、入力側（一次側）が電源（商用の三相交流電源）１４に接続され、出力側（二次側）が三相誘導電動機１０に接続される。三相誘導電動機１０の先には図示しないポンプやブロワ等の各種回転機械（負荷の一例）が接続され、三相誘導電動機１０によって駆動される。
このとき、三相出力インバータ１１に劣化（異常）があれば、三相出力インバータ１１の出力電流（電流波形）に各種の異常が発生するので、稼動時の三相出力インバータ１１の出力電流を計測し、解析して、監視することにより、三相出力インバータ１１の劣化を検出することができる。
三相出力インバータ１１の出力電流は、三相出力インバータ１１と三相誘導電動機１０（各固定子）を接続する３本の電力線１５に、例えばクランプ式の電流検出器１６をそれぞれ接続することにより、容易に計測することができる。なお、三相全てについて電流の計測を行えば、より精度の高い診断を行うことができるが、三相のうちのいずれか一相について電流の計測を行うだけでも診断は可能である。電流検出器１６で計測されたアナログの電流波形（電流信号）は、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）でデジタルの電流データに変換され、処理ユニット（図示せず）で処理される。処理ユニットは、ＲＡＭ、ＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ、及びこれらの要素を接続するバスを備えた従来公知の演算器（即ち、コンピュータ）で構成される。そして、処理ユニットでの処理は、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することで実現される。なお、Ａ／Ｄ変換器から処理ユニットへの電流データの送信は、ＬＡＮやＵＳＢケーブル等を用いて行うことができ、処理ユニットの設置場所は適宜、選択することができる。また、処理ユニットによる診断結果を表示するモニタの設置場所及び数は適宜、選択することができ、ＬＡＮを利用して遠隔地から診断結果を確認することもできる。さらに、計測されたデータ及び処理ユニットで処理された診断結果は、クラウド環境を利用することにより複数の作業者や管理者が共有することができる。
本発明のインバータの劣化監視診断方法は、インバータの劣化診断を簡易的かつ定量的に行うために適用される。以下、本実施例のインバータの劣化監視診断方法の詳細について説明する。なお、ここでは、三相出力インバータ１１の三相のうちの一相のみの出力電流に着目して診断を行う。
まず、三相誘導電動機１０の稼動時に、三相出力インバータ１１の出力電流を電流検出器１６で計測して得られる電流波形の時系列データ（電流信号）を一旦、周波数スペクトル分析して電源周波数ｆ１を求め、それを基に計算した基準正弦波信号波形（シミュレーション波形）をＡ／Ｄ変換して処理ユニットに送信し、所定のサンプリング時間で得られる複数の点データから参照振幅確率密度関数ｆｒ（ｘ）を求めて、記憶手段（ＲＡＭ又はＲＯＭ）に保存する（第１のステップ）。
なお、周波数スペクトル分析は、従来公知の方法で行われ、サンプリングした出力電流の電流信号につき、フィルター処理（例えば０．５Ｈｚ～１２５Ｈｚのバンドパスフィルタをかける）を行い、高速フーリエ変換を行うことにより、図２に示すような電流スペクトルが得られる。そして、電流スペクトルの最大ピークから三相出力インバータ１１の出力電流の電源周波数ｆ１を求めることができる。この電源周波数ｆ１に基づいて、図３及び図４に示すような基準正弦波信号波形（シミュレーション波形）ａが得られる。
次に、診断時の三相出力インバータ１１の出力電流を計測して得られる電流波形をＡ／Ｄ変換して処理ユニットに送信し、所定のサンプリング時間で得られる複数の点データから診断時振幅確率密度関数ｆｔ（ｘ）を求めて、記憶手段に保存する（第２のステップ）。
なお、第１、第２のステップにおける出力電流の計測時間（サンプリング時間）は、例えば、８～１６秒程度である。
振幅確率密度関数（参照振幅確率密度関数及び診断時振幅確率密度関数）は、変動する信号が特定の振幅レベルに存在する確率を求めるもので、どの振幅付近でどの程度の変動を起こしているかを解析するものである。
次に、参照振幅確率密度関数ｆｒ（ｘ）と診断時振幅確率密度関数ｆｔ（ｘ）から、前述の式（５）により、ＫＩの値を算出する（第３のステップ）。
そして、式（５）により算出されるＫＩの値が、予め設定したＫＩの基準値以上となるか、時間経過と共に増加傾向にあるときに、三相出力インバータ１１の劣化が発生している可能性があると判定することができる（第４のステップ）。このとき、ＫＩの第１の基準値と第２の基準値を設定しておき、算出されたＫＩの値が、ＫＩの第１の基準値（例えば０．５）以上になれば注意を促し、第２の基準値（例えば１）以上になれば危険であることを通知するようにしてもよい。この通知はモニタ上に表示してもよいし、管理者等にメールで送信してもよい。
また、所定の時間間隔で第２、第３のステップを繰り返し行うことにより、時間経過と共に変化するＫＩの値を知ることができるので、ＫＩの値が時間経過と共に増加傾向にあるときに、三相出力インバータ１１の劣化が進行している可能性があると判定することができる。この場合、ＫＩの値がＫＩの基準値（第１又は第２の基準値）に達する前でも三相出力インバータ１１の劣化傾向を把握することができる。
以上のように、ＫＩの値から、三相出力インバータ１１の劣化が発生している可能性があると判定したときには、さらに、電流波形を解析し、基準正弦波信号波形との比較を行って、インバータの劣化の有無を判定するインバータ劣化判定工程を行う。
以下、インバータ劣化判定工程の詳細について説明する。
まず、先に求めた電源周波数ｆ１の逆数である電源周期Ｔ１と、電流波形の最大半周期Ｔｍａｘ及び最小半周期Ｔｍｉｎ（図３参照）を用いて、前述の式（１）により電流周期変動率ＴＲを算出する。この電流周期変動率ＴＲが、予め設定した周期変動率の基準値以上となるか、時間経過と共に増加傾向にあるときに、電流波形の周期が変動する周期異常が発生していると判別し、三相出力インバータ１１の劣化が発生していると判定することができる（第５のステップ）。このとき、周期変動率の第１の基準値と第２の基準値を設定しておき、算出された電流周期変動率ＴＲが周期変動率の第１の基準値（例えば０．１）以上になれば注意を促し、第２の基準値（例えば０．２）以上になれば危険であることを通知するようにしてもよい。この通知はモニタ上に表示してもよいし、管理者等にメールで送信してもよい。
次に、電流波形から求めた最大振幅Ｐｍａｘ、最小振幅Ｐｍｉｎ（図４参照）及び電流実効値Ｉｒｍｓ若しくは電流平均値Ｉａｖｅを用いて、前述の式（３）又は（４）により電流振幅変動率ＰＲを算出する。この電流振幅変動率ＰＲが、予め設定した振幅変動率の基準値以上になるか、時間経過と共に増加傾向にあるときに、電流波形の振幅が変動する振幅異常が発生していると判別し、三相出力インバータ１１の劣化が発生していると判定することができる（第６のステップ）。このとき、振幅変動率の第１の基準値と第２の基準値を設定しておき、算出された電流振幅変動率ＰＲが振幅変動率の第１の基準値（例えば０．３）以上になれば注意を促し、第２の基準値（例えば０．５）以上になれば危険であることを通知するようにしてもよい。この通知はモニタ上に表示してもよいし、管理者等にメールで送信してもよい。
次に、先に求めた電源周波数ｆ１の電流値Ｉ１と、電源周波数ｆ１の（６ｉ±１）次の高調波の電流値Ｉ６ｉ±１を用いて前述の式（２）により算出される特定高調波比率ＩＲが、予め設定した高調波比率の基準値以上となるか、時間経過と共に増加傾向にあるときに、電源周波数ｆ１の高調波の比率が変動する高調波比率異常が発生していると判定することができる。但し、ｎは１以上８以下の自然数であり、より好ましくは１以上３以下の自然数である（第７のステップ）。このとき、高調波比率の第１の基準値と第２の基準値を設定しておき、算出された特定高調波比率ＩＲが高調波比率の第１の基準値（例えば０．０３）以上になれば注意を促し、第２の基準値（例えば０．０５）以上になれば危険であることを通知するようにしてもよい。この通知はモニタ上に表示してもよいし、管理者等にメールで送信してもよい。
前述の式（２）により算出される特定高調波比率ＩＲを用いて高調波比率異常の発生の有無を判定する代わりに、先に求めた電源周波数ｆ１の（６ｉ－３）次及び（６ｉ＋３）次の高調波のピークがいずれも、（６ｉ－１）次及び（６ｉ＋１）次の高調波のピークよりも小さい（但し、ｉは１又は２又は３の少なくとも１つである）ときに、電源周波数ｆ１の高調波の比率が変動する高調波比率異常が発生していると判定することもできる（第８のステップ）。この場合、計算を行うことなく、簡易的に高調波比率異常の発生を検出することができる。例えば、図５（Ａ）の正常時に対し、図５（Ｂ）では、３次及び９次の高調波のピークがいずれも、５次及び７次の高調波のピークよりも小さく、９次及び１５次の高調波のピークがいずれも、１１次及び１３次の高調波のピークよりも小さく、１５次及び２１次の高調波のピークがいずれも、１７次及び１９次の高調波のピークよりも小さくなっており、高調波比率異常が発生していることを容易に検出できる。
以上説明した第５～第８のステップは順不同で行うことができる。なお、必ずしも第５～第８の全てのステップを実行する必要はなく、第５～第８のステップの中から、１又は２以上のステップを適宜、選択することができる。また、複数のステップを選択した場合でも、いずれか１つのステップで異常を検出した段階で、三相出力インバータの劣化が発生していると判断し、残りのステップを省略してもよい。
なお、時間経過に対するＫＩの値、電流周期変動率ＴＲ、電流振幅変動率ＰＲ、及び特定高調波比率ＩＲの変化をグラフ化してモニタに表示した場合、管理者は、三相出力インバータの劣化傾向を目視で容易に確認することができ、劣化傾向管理の簡便性及び信頼性に優れる。このとき、全てのパラメータの推移を同時に表示する必要はなく、幾つかの画面に分けて表示することができ、同時に表示するパラメータの数及び組合せも適宜、選択することができる。
以上、本発明を、実施例を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施例に記載した構成に限定されるものではなく、請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施例や変形例も含むものである。
例えば、上記実施例では、三相出力インバータの三相のうちのいずれか一相のみの出力電流を計測して診断を行う場合について説明したが、三相全ての出力電流を計測し、それぞれについて同様の解析を行い、診断を行うこともできる。その場合、三相のバランスも含めて総合的な判断を行うことができ、診断の精度を高めることができる。また、インバータの形態は特に限定されるものではない。さらに、ＫＩの値による判定（第１～第４のステップ）を行わず、最初からインバータ劣化判定工程（第５～第８のステップ）を行うこともできる。
本発明に係るインバータの劣化監視診断方法によれば、電動機に駆動電流を供給するインバータの出力側の電流信号を運転状態で計測し、解析して、監視することにより、簡易的かつ正確にインバータの劣化の兆候を検出することができ、その劣化の進行状況に応じて、インバータのメンテナンスを適切に行うことができ、メンテナンスの作業効率を改善し、作業負担を削減することができる。
１０：三相誘導電動機（電動機）、１１：三相出力インバータ（インバータ）、１４：電源、１５：電力線、１６：電流検出器

Claims (8)

  1. 電動機に駆動電流を供給するインバータの劣化を検出するために用いられるインバータの劣化監視診断方法において、
    前記インバータの劣化の有無を判定するインバータ劣化判定工程は、前記電動機の稼動時に前記インバータの出力電流を計測して、（ａ）得られる電流波形の周期が変動する周期異常、（ｂ）得られる電流波形の振幅が変動する振幅異常、及び（ｃ）得られる電源周波数ｆ１の高調波の比率が変動する高調波比率異常の少なくとも１つが発生しているときに、前記インバータが劣化していると判定する劣化監視診断方法であって、
    前記インバータ劣化判定工程は、前記周期異常が発生しているときに前記インバータが劣化していると判定し、該周期異常は、前記電流波形の時系列データを周波数スペクトル分析して電源周波数ｆ１を求め、該電源周波数ｆ１の逆数である電源周期Ｔ１と、前記電流波形の最大半周期Ｔｍａｘ及び最小半周期Ｔｍｉｎを用いて、以下の式（１）により算出される電流周期変動率ＴＲが、予め設定した周期変動率の基準値以上となるか、時間経過と共に増加傾向にあるときに、発生していると判定されることを特徴とするインバータの劣化監視診断方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  2. 電動機に駆動電流を供給するインバータの劣化を検出するために用いられるインバータの劣化監視診断方法において、
    前記インバータの劣化の有無を判定するインバータ劣化判定工程は、前記電動機の稼動時に前記インバータの出力電流を計測して、（ａ）得られる電流波形の周期が変動する周期異常、（ｂ）得られる電流波形の振幅が変動する振幅異常、及び（ｃ）得られる電源周波数ｆ１の高調波の比率が変動する高調波比率異常の少なくとも１つが発生しているときに、前記インバータが劣化していると判定する劣化監視診断方法であって、
    前記インバータ劣化判定工程は、前記高調波比率異常が発生しているときに前記インバータが劣化していると判定し、該高調波比率異常は、前記出力電流を計測して得られる電流波形の時系列データを周波数スペクトル分析して前記電源周波数ｆ１を求め、該電源周波数ｆ１の電流値Ｉ１と、該電源周波数ｆ１の（６ｉ±１）次の高調波の電流値Ｉ６ｉ±１を用いて以下の式（２）により算出される特定高調波比率ＩＲが、予め設定した高調波比率の基準値以上となるか、時間経過と共に増加傾向にあるときに、発生していると判定されることを特徴とするインバータの劣化監視診断方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     ここで、ｎは１以上８以下の自然数である。
  3. 電動機に駆動電流を供給するインバータの劣化を検出するために用いられるインバータの劣化監視診断方法において、
    前記インバータの劣化の有無を判定するインバータ劣化判定工程は、前記電動機の稼動時に前記インバータの出力電流を計測して、（ａ）得られる電流波形の周期が変動する周期異常、（ｂ）得られる電流波形の振幅が変動する振幅異常、及び（ｃ）得られる電源周波数ｆ１の高調波の比率が変動する高調波比率異常の少なくとも１つが発生しているときに、前記インバータが劣化していると判定する劣化監視診断方法であって、
    前記インバータ劣化判定工程は、前記高調波比率異常が発生しているときに前記インバータが劣化していると判定し、該高調波比率異常は、前記出力電流を計測して得られる電流波形の時系列データを周波数スペクトル分析して前記電源周波数ｆ１を求め、該電源周波数ｆ１の（６ｉ－３）次及び（６ｉ＋３）次の高調波のピークがいずれも、（６ｉ－１）次及び（６ｉ＋１）次の高調波のピークよりも小さいときに、発生していると判定されることを特徴とするインバータの劣化監視診断方法。
    ここで、ｉは１又は２又は３の少なくとも１つである。
  4. 請求項１記載のインバータの劣化監視診断方法において、前記インバータ劣化判定工程は、更に、前記高調波比率異常が発生しているときに前記インバータが劣化していると判定し、該高調波比率異常は、前記出力電流を計測して得られる電流波形の時系列データを周波数スペクトル分析して前記電源周波数ｆ１を求め、該電源周波数ｆ１の電流値Ｉ１と、該電源周波数ｆ１の（６ｉ±１）次の高調波の電流値Ｉ６ｉ±１を用いて以下の式（２）により算出される特定高調波比率ＩＲが、予め設定した高調波比率の基準値以上となるか、時間経過と共に増加傾向にあるときに、発生していると判定されることを特徴とするインバータの劣化監視診断方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
     ここで、ｎは１以上８以下の自然数である。
  5. 請求項１記載のインバータの劣化監視診断方法において、前記インバータ劣化判定工程は、更に、前記高調波比率異常が発生しているときに前記インバータが劣化していると判定し、該高調波比率異常は、前記出力電流を計測して得られる電流波形の時系列データを周波数スペクトル分析して前記電源周波数ｆ１を求め、該電源周波数ｆ１の（６ｉ－３）次及び（６ｉ＋３）次の高調波のピークがいずれも、（６ｉ－１）次及び（６ｉ＋１）次の高調波のピークよりも小さいときに、発生していると判定されることを特徴とするインバータの劣化監視診断方法。
    ここで、ｉは１又は２又は３の少なくとも１つである。
  6. 請求項１～５のいずれか１記載のインバータの劣化監視診断方法において、前記インバータ劣化判定工程は、更に、前記振幅異常が発生しているときに前記インバータが劣化していると判定し、該振幅異常は、前記電流波形から求めた最大振幅Ｐｍａｘ、最小振幅Ｐｍｉｎ及び電流実効値Ｉｒｍｓを用いて、以下の式（３）により算出される電流振幅変動率ＰＲが、予め設定した振幅変動率の基準値以上となるか、時間経過と共に増加傾向にあるときに、発生していると判別されることを特徴とするインバータの劣化監視診断方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
  7. 請求項１～５のいずれか１記載のインバータの劣化監視診断方法において、前記インバータ劣化判定工程は、更に、前記振幅異常が発生しているときに前記インバータが劣化していると判定し、該振幅異常は、前記電流波形から求めた最大振幅Ｐｍａｘ、最小振幅Ｐｍｉｎ及び電流平均値Ｉａｖｅを用いて、以下の式（４）により算出される電流振幅変動率ＰＲが、予め設定した振幅変動率の基準値以上となるか、時間経過と共に増加傾向にあるときに、発生していると判別されることを特徴とするインバータの劣化監視診断方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
  8. 請求項１～７のいずれか１記載のインバータの劣化監視診断方法において、前記出力電流を計測して得られる電流波形の時系列データを周波数スペクトル分析して求められる電源周波数ｆ１を基に作成される基準正弦波信号波形から求めた参照振幅確率密度関数ｆｒ（ｘ）と、前記電流波形から求めた診断時振幅確率密度関数ｆｔ（ｘ）から、以下の式（５）により算出されるＫＩの値が、予め設定したＫＩの基準値以上となるか、時間経過と共に増加傾向にあるときに、前記インバータ劣化判定工程を行うことを特徴とするインバータの劣化監視診断方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
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