JP7449950B2 - 電力変換装置及びそれに用いる予兆診断方法 - Google Patents

Description

本発明は電動機の異常診断を行う電力変換装置に関する。

産業機械分野、家電分野、自動車分野などの技術分野では、電動機の駆動を行う電力変換装置が用いられている。

電動機、あるいは当該電動機により駆動される負荷装置の例としては、コンベアなどの生産ラインに組み込まれるもの、あるいは工作機械などに部品の一部として組み込まれるものなどがあり、用途は多岐にわたる。一方、どのような用途においても、電動機を含む駆動系の故障や駆動性能の劣化などの異常が発生した場合、損失は過大となることが予想されるため、異常が発生する前の段階において、それらの異常を予兆したいという需要がある。

このような需要に対し、駆動系の異常を診断する技術が提案されている。駆動系における故障の予兆としては、対象駆動系機器の損傷、偏心、または窪みなどにより、機械的な振動として現れる。この機械的な振動を測定用センサにより捉え、センサ情報の解析結果から診断する技術がある。また、駆動系機器の振動が電気系にも影響を与えることから、例えば国際公開２０１４／１５６３８６号（特許文献１）のように、電流や電圧を測定用センサにより捉え、同様に解析を実施し、診断する技術などがある。

国際公開２０１４／１５６３８６号

特許文献１では、対象駆動系機器診断のための演算方法と、その演算結果に基づく異常度合の判定を実施し、その判定結果として異常度合を定量的、あるいは定性的に出力することが記載されている。

しかしながら、電動機の駆動条件、例えば定速中、加速中、減速中及び停止中などの電動機の駆動状態や、駆動中の速度条件、例えば定格速度域、高速度域、低速度域、及び零速度近辺などの電動機の速度状態、あるいは外乱条件、例えば負荷特性の変動、測定用センサの不具合などの駆動系の環境状態により、異常度合の判定について正しく実施できない場合がある。

特許文献１では、対象駆動系機器診断における異常度合の判定が正しく実施できていない場合においても、診断による判定結果を出力する。そのため、使用者がその診断結果に従って設定変更を行うこと、或いは部品交換を行うことは、逆に生産効率を低下させてしまうという課題があった。

本発明の目的は、上記課題に鑑み、使用者に異常診断が適正に行われているのかどうかを明示可能な電力変換装置及びそれに用いる予兆診断方法を提供し、適正な電力変換装置の運用、保守を実現することにある。

本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、交流電動機の制御を行う電力変換装置であって、前記交流電動機の相電流を検出する電流検出回路と、前記検出された相電流に基づいて前記交流電動機の機械的異常の度合を判定する診断判定部と、前記診断判定部の判定結果である前記交流電動機の機械的異常の度合と、前記交流電動機の制御状態や前記交流電動機を含む駆動系の環境状態から、前記交流電動機の機械的異常の予兆診断の診断状態を表す診断モード信号と異常度に対応する診断結果信号を出力する診断管理部と、を有するように構成する。

本発明によれば、対象駆動系機器診断の機能動作状況を判定できる電力変換装置及びそれに用いる予兆診断方法を提供することができる。

実施例における電力変換装置の構成ブロック図である。 実施例における予兆診断機能部の構成ブロック図である。 実施例における診断状態の状態遷移の一例を示す図である。 実施例における予兆診断結果の変化の一例を示す図である。

以下、本発明の実施例による電力変換装置の構成及び動作について、図を用いて説明する。

本実施例では、交流電動機の駆動と交流電動機の機械的異常の予兆診断を行う制御システム及びこの制御システムを搭載した電力変換装置の全体構成について説明する。

図１は、本実施例における電力変換装置の構成ブロック図である。図１において、３相交流電動機１２０の駆動を行う電力変換装置１１０は、整流回路１１１、平滑回路１１２、スイッチング回路１１３、電流検出回路１１４、電動機制御部１１５、予兆診断機能部１１６、外部出力部１１７、外部入力部１１８を有する。

３相交流電源１００から出力される３相交流電圧は、整流回路１１１により整流され、平滑回路１１２により平滑し、直流電圧を生成する。なお、３相交流電源１００の代わりに単相交流電源を用い、単相交流電圧を整流、平滑し、直流電圧を生成してもよい。また、整流回路１１１及び平滑回路１１２を取り外し、直流電源から直接、直流電圧を得てもよい。

スイッチング回路１１３は、複数のスイッチング素子のＯＮ/ＯＦＦを組み合わせることで、直流電圧をゲートドライブ指令１１Ｃに基づく任意の３相交流電圧に変換し、３相交流電動機１２０に印加する。スイッチング回路１１３は、例えば、それぞれ２個のスイッチング素子を直列接続したＵ相、Ｖ相、Ｗ相のアームを並列接続して構成することができる。

電流検出回路１１４は、電力変換装置１１０の３相出力電流を検出する。２相のみを検出し、３相交流の総和が零であることから、残りの１相を算出してもよい。なお、スイッチング回路１１３の入力の正極側、あるいは負極側にシャント抵抗を設け、このシャント抵抗に流れる電流から３相出力電流を推定してもよい。

電動機制御部１１５は、制御状態信号１１Ｂとゲートドライブ指令１１Ｃとを出力する。制御状態信号１１Ｂは、電動機制御部１１５での制御情報を含んでいる。制御情報とは、正転または逆転、あるいは停止などの駆動状態や、加速中または減速中、あるいは一定速度中などの速度状態や、さらには出力トルクなどが含まれている。また、外乱条件、例えば負荷特性の変動、測定用センサの不具合などの駆動系の環境状態も含まれている。

ゲートドライブ指令１１Ｃは、検出電流１１Ａを用いて３相交流電動機１２０の速度を推定し、３相交流電動機の速度指令に基づき、所望の駆動特性となるように出力する。なお、速度指令の代わりに位置指令、あるいはトルク指令を用いてもよい。また、所望の駆動特性により、必ずしも検出電流１１Ａを用いて３相交流電動機１２０の速度は推定されない。

予兆診断機能部１１６は、検出電流１１Ａと制御状態信号１１Ｂと外部入力部１１８から入力される外部入力信号１１Ｅにより、３相交流電動機１２０の機械的異常の予兆診断を実施し、その予兆診断の結果である外部出力信号１１Ｄを出力する。

外部出力部１１７は、外部出力信号１１Ｄにより、３相交流電動機１２０の機械的異常の予兆診断結果を電力変換装置１１０の外部に報知する。

外部入力部１１８は、電力変換装置１１０への入力を解析し、３相交流電動機１２０の機械的異常の予兆診断に必要な情報を外部入力信号１１Ｅとして出力する。

次に、予兆診断機能部１１６の構成について説明する。図２は、本実施例における予兆診断機能部１１６の構成ブロック図である。

図２において、予兆診断機能部１１６は、診断管理部２００、診断判定部２０１、出力生成部２０２を有し、外部出力部１１７に外部出力信号１１Ｄを出力する。

診断管理部２００は、制御状態信号１１Ｂと外部入力信号１１Ｅにより、予兆診断の状態を表す診断モード信号２０Ｃを出力し、また、制御状態信号１１Ｂと外部入力信号１１Ｅと異常判定信号２０Ａより、予兆診断の結果の外部出力信号１１Ｄを生成するために必要な情報を診断結果信号２０Ｂとして出力する。

診断判定部２０１は、検出電流１１Ａに基づいて３相交流電動機１２０の機械的異常の度合を判定する。すなわち、内部に異常判定の閾値を持ち、その閾値と検出電流１１Ａとを比較し、異常判定信号２０Ａを出力する。異常判定信号２０Ａは、検出電流１１Ａが閾値から逸脱した場合にＯＮ、閾値に収まっている場合にＯＦＦとなる。また、その閾値は、入力される診断モード信号２０Ｃに従い再計算される。

出力生成部２０２は、外部出力部１１７が外部表示に必要な情報として、診断結果信号２０Ｂと診断モード信号２０Ｃより、外部出力信号１１Ｄを出力する。

以下、本実施例における基本動作について説明する。本実施例の基本となる３相交流電動機１２０の機械的異常の予兆診断結果は、異常度と診断状態との２つから構成される。異常度は、該当無、正常、異常予兆、そして異常の４段階の度合とし、これらは診断結果信号２０Ｂに対応する。診断状態は、診断無効中、診断準備中、診断実行中、診断休止中、そして診断不順中の５つの状態とし、これらは診断モード信号２０Ｃに対応する。

次に、予兆診断結果決定過程について説明する。図３は、本実施例における診断状態の状態遷移の一例を表している。図３において、黒丸が開始状態、丸中黒が終了状態を意味し、角丸四角は状態の実態、そして４５度傾斜した正方形は、選択仮状態を意味する。選択仮状態は、前の状態を受けて次の状態を選択するための仮状態であり、次の遷移条件に合致する方へ遷移する。また、各矢印はある状態から別の状態への遷移を表す。

以下、図３を用いて、本実施例における診断状態の状態遷移について説明する。図３において、診断状態の状態遷移の開始Ｓ１０にて、開始状態から診断無効中Ｓ１１に遷移する。状態の初期状態である診断無効中Ｓ１１の状態では、はじめに予兆を診断する機能が有効か無効であるかの条件を確認する（Ｓ１２）。予兆を診断する機能は、電力変換装置１１０の使用者が本機能の有効または無効を決定可能であるとして、外部入力部１１８から外部入力信号１１Ｅとして設定する。この外部入力部１１８は、有効または無効を設定可能であれば形態を問わず、例えば、タッチパネルやトグルスイッチのような人が直接入力するもの、或いはプログラマブルロジックコントローラのような装置機械により入力するものなどがある。予兆を診断する機能が無効の場合、診断無効中Ｓ１１の状態を維持し、定周期または非定周期にて、予兆を診断する機能の有効または無効を確認する。

予兆を診断する機能が有効の場合、続いて閾値は確定か非確定であるかの条件を確認する（Ｓ１３）。閾値が確定している場合は、診断実行中Ｓ１４に遷移し、非確定の場合は、診断準備中Ｓ１５に遷移する。この閾値は、診断準備中に確定される値であり、その他の状態での再計算は実施されない。なお、この閾値の確定は、外部入力部１１８からの設定、あるいは電力変換装置１１０により駆動される３相交流電動機１２０の電流値から閾値を設定しても良い。３相交流電動機１２０の電流値からの閾値設定例として、通常駆動の電流値から逸脱した値として２倍から３倍程度の値を異常値として閾値に採用するなどの方法がある。

診断準備中Ｓ１５の状態では、前述した予兆を診断する機能の有効または無効の確認（Ｓ１２）と、閾値は確定か非確定であるかの条件の確認（Ｓ１３）とを状態遷移に従って実施する。

診断実行中Ｓ１４の状態では、診断異常が発生しているかの判定を実施する（Ｓ１６）。診断異常が発生していれば、診断不順中Ｓ１７に遷移する。診断異常が発生していなければ、診断可能な制御状態か否かの判定を実施する（Ｓ１８）。前述した診断異常とは、診断機能そのものの異常のことである。例として、検出電流１１Ａを取得するためのハードウェア、センサ、回路などが故障し、電力変換装置１１０により３相交流電動機１２０を駆動しているにもかかわらず検出電流１１Ａが零の値を検出しているのであれば、検出電流の値が異常であると判断する。

上記例のように、検出電流１１Ａの値が異常であるならば、予兆を診断する機能が有効であり、閾値が確定していたとしても、予兆診断機能自体が正確に実施できないため、予兆診断の状態を診断不順中Ｓ１７の状態に遷移させ、本状態遷移を終了させる（Ｓ１９）。

診断可能な制御状態か否かの判定Ｓ１８にて、診断可能な制御状態であれば、診断実行中Ｓ１４の状態に遷移し、診断可能な制御状態ではないようであれば、診断休止中Ｓ２０の状態に遷移する。前述した診断可能な制御状態でない場合とは、３相交流電動機１２０の加速あるいは減速中の制御状態や、零速度を含む近辺の低速度域などが挙げられる。また、３相交流電動機１２０に接続された負荷特性が変動し、電流が脈動するため、異常判定信号２０Ａの結果が正しく異常判定を出力できない場合なども含まれる。なお、診断可能な制御状態か否かの判定は、制御状態信号１１Ｂを用いて、診断管理部２００により実施する。

図４は、本実施例における予兆診断結果の変化の一例である。図４において、横軸に時間、縦軸に電流値（検出電流１１Ａ）を示したグラフを表し、グラフの下部にグラフに対応した異常度（診断結果信号２０Ｂ）と診断状態（診断モード信号２０Ｃ）とを示す。なお、ｔ１乃至ｔ６は、時間を区分けした期間を意味し、以降ｔ１乃至ｔ６に従い予兆診断結果決定過程について説明する。

図４において、本実施例では、予兆を診断する機能が有効となった時間を原点としている。ｔ１より以前の時間では、予兆を診断する機能が無効のため、異常度は、該当無、診断状態は、診断無効中である。

ｔ１は、閾値１と閾値２を確定させる期間であり、異常度は、該当無、診断状態は、診断準備中である。

ｔ２は、閾値が確定し、診断異常もなく、診断可能な期間であり、異常度は、正常、診断状態は、診断実行中である。なお、本実施例では、ｔ１期間中の電流値の約２倍を閾値１、約４倍を閾値２として設けている。

ｔ３は、３相交流電動機１２０を減速、停止、加速の制御を実施している期間であり、異常度は、分類できないとして該当無、診断状態は、診断休止中である。ｔ３では、電流値が閾値１を超えている時間が存在するため、異常判定信号２０ＡはＯＮとなるが、診断状態が診断休止中であることから、異常は使用者に伝達されない。

ｔ４は、ｔ２と同様である。

ｔ５は、ｔ４期間にて電流値が増加していき、閾値１を超過した期間であり、異常度は、異常予兆、診断状態は、診断実行中である。

ｔ６は、ｔ５期間よりさらに電流値が増加していき、閾値２を超過した期間であり、異常度は、異常、診断状態は、診断実行中である。以上が、予兆診断結果決定過程についての説明である。

また、予兆診断結果決定を受けて、出力生成部２０２は、外部出力信号１１Ｄを生成し、外部出力部１１７を通じて使用者に報知する。報知する装置としては、液晶画面に予兆診断結果を文字列として常時表示したり、回転灯や表示灯、あるいはブザーにより異常時のみ報知したりと、外部出力部１１７以降の形態について制限はない。

以上の動作により、３相交流電動機１２０の機械的異常の予兆診断結果の伝達において、使用者に診断が正しくできているかを知らせることで、診断が適正に行われているのかどうかを明示可能な電力変換装置が提供可能となる。

以上のように、本実施例によれば、対象駆動系機器診断において、異常度合の判定、及びその判定結果の出力だけではなく、対象駆動系機器診断の機能自体の状態を併せて出力し、対象駆動系機器診断の機能動作状況を判定できる電力変換装置を提供することができる。

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１１Ａ：検出電流、１１Ｂ：制御状態信号、１１Ｃ：ゲートドライブ指令、１１Ｄ：外部出力信号、１１Ｅ：外部入力信号、２０Ａ：異常判定信号、２０Ｂ：診断結果信号、２０Ｃ：診断モード信号、１００：３相交流電源、１１０：電力変換装置、１１１：整流回路、１１２：平滑回路、１１３：スイッチング回路、１１４：電流検出回路、１１５：電動機制御部、１１６：予兆診断機能部、１１７：外部出力部、１１８：外部入力部、１２０：３相交流電動機、２００：診断管理部、２０１：診断判定部、２０２：出力生成部

Claims (1)

1. 交流電動機の制御を行う電力変換装置であって、
   前記交流電動機の相電流を検出する電流検出回路と、
   前記電流検出回路での検出電流が入力される予兆診断機能部を有し、
   前記予兆診断機能部は、診断判定部と、診断管理部と、出力生成部を有し、
   前記診断管理部は、制御状態信号と外部入力信号により、予兆診断の状態を表す診断モード信号を前記診断判定部と前記出力生成部に出力し、また前記診断管理部は、前記制御状態信号と前記外部入力信号と、前記診断判定部からの異常判定信号とにより、前記出力生成部に診断結果信号を出力し、
   前記診断判定部は、前記検出電流に基づき前記交流電動機の機械的異常の度合いを判定し、前記診断管理部に異常判定信号を出力し、
   前記出力生成部は、前記診断結果信号と、前記診断モード信号により、外部出力信号を外部出力部に出力し、
   前記外部入力信号は予兆診断機能の有効無効を設定する信号であり、
   前記診断結果信号は、該当なし、正常、異常予兆、異常の４段階の度合いを含み、
   前記診断モード信号は、診断無効中、診断準備中、診断実行中、診断休止中、診断不順中の５つの状態を有し、
   前記診断不順中が予兆診断機能そのものの異常を意味し、診断実行中に、前記診断機能そのものの異常が発生していないかを判定し、前記診断機能そのものの異常が発生したら前記予兆診断機能を終了する電力変換装置。

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