诊断装置、诊断方法及存储介质

本申请主张基于2022年6月2日申请的日本专利申请第2022-090091号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种产生交流电压的变换器的诊断装置等。

背景技术

在专利文献1中公开了在产生直流电压的转换器(converter)中诊断输出电容的寿命或剩余寿命(以下，包括剩余寿命在内均统称为寿命)的技术。在由经时老化而导致的输出电容的容量(电容)的降低引起的脉动的振幅变大的情况下，诊断为输出电容处于寿命的末期(剩余寿命短)。

在专利文献2中公开了在产生交流电压的变换器(inverter)中诊断对整流后的直流电压进行平滑的平滑电容的寿命的技术。通过将从前级流入该平滑电容中的第1脉动电流及从后级流入该平滑电容中的第2脉动电流的测定结果代入规定的寿命运算式中来运算出平滑电容的寿命。

专利文献1：日本特开2011-97683号公报

专利文献2：日本特开2020-171100号公报

专利文献1涉及一种产生直流电压的转换器中的输出电容的寿命诊断，因而无法将其直接用于产生交流电压的变换器中的平滑电容的寿命诊断。在专利文献2中，需要分别测定从前级及后级流入平滑电容中的脉动电流并将其代入寿命运算式中，有可能会导致测定功能和/或运算功能复杂化。

发明内容

本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种通过简单的结构即可获取对变换器中的平滑电容的诊断有用的信息的诊断装置等。

为了解决上述课题，本发明的一种实施方式的诊断装置是变换器的诊断装置，其中，该变换器具备：平滑电容，对从交流电压整流后的直流电压进行平滑；及直流交流转换部，将平滑后的直流电压转换为交流电压，该诊断装置具备：负载电路，设置于平滑电容与直流交流转换部之间，并且能够进行开关控制；及振动检测部，设置于平滑电容与直流交流转换部之间，并且检测负载电路在导通状态与断开状态之间进行切换时产生的振动。

在该实施方式中，检测设置于平滑电容与直流交流转换部之间的负载电路在导通状态与断开状态之间进行切换时产生的振动。如后述，该振动例如由平滑电容的老化导致的ESL(Equivalent Series Inductance：等效串联电感)等的增大引起，因此对平滑电容的寿命等的诊断有用。另外，在与转换器相关的专利文献1中检测的脉动是由输出电容的容量的降低引起的，与本发明中检测的振动的产生原因、性质、方式不同。

本发明的另一种实施方式为诊断方法。该方法是变换器的诊断方法，其中，该变换器具备：平滑电容，对从交流电压整流后的直流电压进行平滑；及直流交流转换部，将平滑后的直流电压转换为交流电压，该诊断方法包括如下步骤：开关控制步骤，对设置于平滑电容与直流交流转换部之间的负载电路进行开关控制；及振动检测步骤，检测负载电路在导通状态与断开状态之间进行切换时产生的振动。

另外，以上的构成要件的任意组合或将这些表现变更为方法、装置、系统、记录介质、计算机程序等的实施方式也包含在本发明中。

根据本发明，通过简单的结构即可获取对变换器中的平滑电容的诊断有用的信息。

附图说明

图1是示意地表示诊断装置和作为其诊断对象的变换器的结构的图。

图2是示意地表示由振动检测部进行的振动检测和由老化估计部进行的平滑电容的老化估计或寿命诊断的图。

图中：10-变换器，10H-高电位线，10L-低电位线，11-整流部，12-平滑电容，13-直流交流转换部，14-再生电路，15-分压部，20-马达，30-诊断装置，31-振动检测部，32-老化估计部，33-老化通知部，121-电容，122-电阻，123-电感，141-晶体管，142-电阻，143-二极管，153-分压输出点，311-高通滤波器，312-比较器，313-振动计数部。

具体实施方式

以下，参考附图对用于实施本发明的方式(以下，又称为实施方式)进行详细说明。在以下说明和/或附图中，对相同或相等的构成要件、部件及处理等标注相同的符号，并省略重复说明。在各附图中，为了简化说明，适当设定各部的缩尺或形状，除非另有特别说明，否则其并不做限定性解释。实施方式为例示，其对本发明的范围并不做任何限定。实施方式中所记载的所有特征或它们的组合并非一定是本发明的本质。

图1是示意地表示本发明的实施方式所涉及的诊断装置30和作为其诊断对象的变换器10的结构的图。变换器10具备：整流部11，对从未图示的交流电源输入过来的相位彼此不同的多相的交流电压进行整流并将其转换为直流电压；平滑电容12，对由整流部11整流后的直流电压进行平滑从而调整波形；及直流交流转换部13，将由平滑电容12平滑后的直流电压转换为交流电压。

整流部11具备将从交流电源输入过来的三相(R、S、T)的交流电压朝向恒定方向(图1中从下向上的方向)进行整流的六个二极管111～116。二极管111在R相的交流电压为正时使电流流过，二极管112在R相的交流电压为负时使电流流过，二极管113在S相的交流电压为正时使电流流过，二极管114在S相的交流电压为负时使电流流过，二极管115在T相的交流电压为正时使电流流过，二极管116在T相的交流电压为负时使电流流过。通过这些桥接的二极管111～116，在连接有整流部11的高电位输出端子117的高电位线10H与连接有低电位输出端子118的低电位线10L之间出现方向恒定而大小变动的脉动电流。

平滑电容12对通过整流部11获取的脉动电流进行平滑从而产生波形被调整后的直流电压。平滑电容12实质上由电容121构成，但实际上也包含电阻122及电感123的成分。电阻122又被称为ESR(Equivalent Series Resistan ce：等效串联电阻)，电感123又被称为ESL(Equivalent Series Inductanc e：等效串联电感)。如此，平滑电容12表示为C(电容121)、R(作为ESR的电阻122)及L(作为ESL的电感123)在高电位线10H与低电位线10L之间串联连接的等效电路。

直流交流转换部13利用六个晶体管131～136将由平滑电容12平滑后的高电位线10H与低电位线10L之间的直流电压转换为三相(U、V、W)的交流电压。具体而言，具备根据直流电压产生U相的交流电压的高电位晶体管131及低电位晶体管132的U相直流交流转换部13U、具备根据直流电压产生V相的交流电压的高电位晶体管133及低电位晶体管134的V相直流交流转换部13V及具备根据直流电压产生W相的交流电压的高电位晶体管135及低电位晶体管136的W相直流交流转换部13W并联连接。各相的直流交流转换部13U、13V、13W的结构相同，因此，以下将U相直流交流转换部13U作为代表进行说明。

U相直流交流转换部13U具备输出端子137(在V相直流交流转换部13V中为输出端子138，在W相直流交流转换部13W中为输出端子139)，该输出端子137设置于供给高直流电位的高电位线10H与供给低直流电位的低电位线10L之间并且输出在该高直流电位与该低直流电位之间变动的U相的交流电压。在高电位线10H与输出端子137之间连接有高电位晶体管131(在V相直流交流转换部13V中为高电位晶体管133，在W相直流交流转换部13W中为高电位晶体管135)，并且在低电位线10L与输出端子137之间连接有低电位晶体管132(在V相直流交流转换部13V中为低电位晶体管134，在W相直流交流转换部13W中为低电位晶体管136)。高电位晶体管131根据来自与其控制电极连接的未图示的高电位驱动器的控制信号来切换导通状态。低电位晶体管132根据来自与其控制电极连接的未图示的低电位驱动器的控制信号来切换导通状态。

由高电位驱动器及低电位驱动器构成的驱动器对进行以互补方式切换由高电位晶体管131及低电位晶体管132构成的晶体管对的导通状态的切换控制，从而将直流电压转换为U相的交流电压。在此，“以互补方式切换”表示以使各相的晶体管对不会同时成为导通状态的方式进行控制。换言之，表示以在各相的一个晶体管成为导通状态时使该相的另一个晶体管成为断开状态的方式进行控制。但是，允许各相的晶体管对同时成为断开状态。关于U相，具体而言，在高电位晶体管131处于导通状态时，低电位晶体管132被控制为断开状态，并且在低电位晶体管132处于导通状态时，高电位晶体管131被控制为断开状态。因此，在高电位晶体管131处于导通状态时，在输出端子137出现高电位，在低电位晶体管132处于导通状态时，在输出端子137出现低电位。通过周期性地重复这种切换控制，在输出端子137交替出现高电位和低电位，因此产生交流电压(U相)。

直流交流转换部13将从直流电压进行转换后的三相的交流电压例如供给至马达20。马达20例如为具有U相、V相、W相这三相的线圈(未图示)的三相无刷马达。来自U相直流交流转换部13U的U相电压施加于U相线圈因而流过U相电流，来自V相直流交流转换部13V的V相电压施加于V相线圈因而流过V相电流，来自W相直流交流转换部13W的W相电压施加于W相线圈因而流过W相电流。各相的直流交流转换部13U、13V、13W根据由马达20的霍尔元件(未图示)检测到的转子(未图示)的旋转位置向各相的线圈施加相位彼此不同的交流电压。如此，施加于各相的线圈的交流电压产生旋转磁场，使具备磁铁等的转子旋转，从而可以获得所期望的旋转动力。另外，马达20也可以为由交流电压驱动的其他类型的马达。并且，马达20的相的数量并不只限于三个，可以为任意自然数。同样地，输入至整流部11的交流电压的相的数量也不只限于三个，可以为任意的自然数。

变换器10还具备：再生电路14，消耗由马达20产生的再生电力；及分压部15，与诊断装置30连接。再生电路14为设置于平滑电容12与直流交流转换部13之间且能够进行开关控制的负载电路。具体而言，再生电路14具备在提供直流电压的高电位线10H与低电位线10L之间串联连接的用于开关控制的晶体管141及电阻142。并且，电阻142与实质上使电流仅从低电位线10L侧流向高电位线10H侧的二极管143并联连接。在马达20动作时且减速时，马达20会作为发电机而发挥作用，从而产生再生电力。在这种马达20减速时或再生时，通过将晶体管141切换为导通状态，使电流流过电阻142和/或二极管143从而有效地消耗再生电力。另外，晶体管141优选为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)，但是也可以为MOSFET(M etal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化膜半导体场效应晶体管)、其他FET(Field-Effect Transistor：场效应晶体管)或双极晶体管等其他晶体管或开关元件。

设置于平滑电容12与直流交流转换部13之间的分压部15具备在提供直流电压的高电位线10H与低电位线10L之间串联连接的两个分压电阻151、152。高电位线10H与低电位线10L之间的直流电压根据各分压电阻151、152的电阻值而被分压，并从分压输出点153输出。在分压输出点153上连接有诊断装置30。另外，虽然省略了图示，但是通过测定分压输出来检测高电位线10H与低电位线10L之间的直流电压的直流电压检测部也可以与诊断装置30并联连接到分压输出点153上。

诊断装置30具备振动检测部31、老化估计部32及老化通知部33。这些功能模块通过计算机的中央运算处理装置、存储器、输入装置、输出装置、和计算机连接的外围设备等硬件资源与使用它们执行的软件的协作来实现。无论计算机的种类和设置场所如何，上述各功能模块可以由单一的计算机的硬件资源来实现，也可以组合分散在多个计算机中的硬件资源来实现。例如，诊断装置30的功能模块的一部分或全部可以用设置于与变换器10相同的场地或建筑物上的计算机或处理器分散或集中实现，也可以用设置于与变换器10不同的场地或建筑物上的计算机或处理器分散或集中实现。

振动检测部31设置于平滑电容12与直流交流转换部13之间，并且检测作为负载电路的再生电路14(晶体管141)在导通状态与断开状态之间进行切换时产生的过渡现象(即，振荡(ringing)等振动)。具体而言，振动检测部31具备：高通滤波器311(HPF：High-PassFilter)，连接于高电位线10H与低电位线10L之间的分压输出点153；比较器312，设置于高通滤波器311的后级；及振动计数部313，设置于比较器312的后级。

由振动检测部31检测出的振动对平滑电容12的寿命等的诊断有用。图2是示意地表示由振动检测部31进行的振动检测和由老化估计部32进行的平滑电容12的老化估计或寿命诊断的图。如图2中(A)所示，在诊断装置30对平滑电容12进行诊断时，再生电路14的晶体管141在导通状态与断开状态之间进行切换。在晶体管141处于导通状态时，高电位线10H与低电位线10L之间经由电阻142暂时短路，因此，如图2中(B)所示，高电位线10H与低电位线10L之间的直流电压会暂时降低。根据这种直流电压的过渡性变化，诊断装置30的输入部(即，分压输出点153)上出现高频振动。

该高频振动的振幅很大程度上受到与分压部15并联连接的平滑电容12的串联等效电路的影响。尤其，平滑电容12的串联等效电路中的作为ESL的电感123的影响最大。具体而言，若作为ESL的电感123大，则出现在分压输出点153上的高频振动的振幅会变大。并且，ESL随着平滑电容12的老化而变大。因此，在平滑电容12的老化程度尚浅的情况下，作为ESL的电感123小，如图2中(C)所示，出现在分压输出点153上的高频振动的振幅和次数变小。相反，在平滑电容12老化严重的情况下，作为ESL的电感123大，如图2中(D)所示，出现在分压输出点153上的高频振动的振幅和次数变大。

振动检测部31中的高通滤波器311使由晶体管141进行开关切换(图2中(A))而导致的直流电压的瞬时变化(图2中(B))引起的高频振动(图2中(C)、图2中(D))选择性地通过并将其提供给比较器312。比较器312将从高通滤波器311提供过来的高频电压(图2中(C)、图2中(D))的振幅与规定的阈值电压进行比较。该阈值电压被设定为用于检测或估计平滑电容12的老化的适当的值。振动计数部313对比较器312检测到超过了阈值电压的振动的次数进行计数。老化估计部32根据由振动计数部313计数的超过了阈值电压的振动的次数来估计平滑电容12(尤其ESL)有无老化和老化的进展程度。

在图2中(C)的例子中，出现在提供直流电压的高电位线10H与低电位线10L之间的电压(分压输出点153)上的高频振动的振幅始终为比较器312中的阈值电压以下，因此振动计数部313的计数值成为零。根据该计数值(零)，老化估计部32估计为平滑电容12(尤其ESL)的老化并未处于要注意的水平。

在图2中(D)的例子中，出现在提供直流电压的高电位线10H与低电位线10L之间的电压(分压输出点153)上的高频振动的振幅超过了比较器312中的阈值电压，因此振动计数部313的计数值成为正。例如，振动计数部313可以对晶体管141刚在导通状态与断开状态之间进行切换后的高频振动的振幅超过了阈值电压的次数进行计数。在图2中(D)的例子中，晶体管141在导通状态与断开状态之间切换了四次，在其所有次数中高频振动的振幅均超过了阈值电压，因此振动计数部313的计数值成为“4”。或者，振动计数部313也可以不管是否为晶体管141刚在导通状态与断开状态之间切换后均对高频振动的振幅超过了阈值电压的次数进行计数。在图2中(D)的例子中，晶体管141在导通状态与断开状态之间切换了四次，在其所有次数中高频振动的振幅超过了阈值电压三次，因此振动计数部313的计数值成为“12”。

根据上述的计数值(正)，老化估计部32判定平滑电容12(尤其ESL)的老化是否处于要注意的水平。老化估计部32可以将从振动计数部313提供过来的计数值与规定的老化判定阈值进行比较。此时，若从振动计数部313提供过来的计数值超过了老化判定阈值，则老化估计部32判定或估计平滑电容12(尤其ESL)的老化处于要注意的水平。并且，老化估计部32也可以由人工智能构成，该人工智能将与老化估计对象的变换器10和/或平滑电容12相同或类似的变换器10和/或平滑电容12中的老化和/或寿命相关的实际数据或事例作为训练数据进行了机器学习。这种老化估计部32可以根据过去的数据或事例高精度地估计或诊断出估计对象的平滑电容12的老化和寿命。

老化通知部33使用图像、声音、光等各种通知手段将由老化估计部32估计或检测到的平滑电容12的老化通知给变换器10的管理者等。这种通知信息除了有要注意的平滑电容12的老化信息以外或取而代之，也可以通知能够由老化估计部32估计的平滑电容12的寿命、剩余寿命、推荐更换时期等。

如图2中(A)所示，通过将晶体管141在导通状态与断开状态之间切换多次(在图2的例子中为四次)，多次引起直流电压中的高频振动。通过这种多次的高频振动的检测和计数，能够防止由突发性噪声等引起的老化估计部32的误估计或误检测。

并且，晶体管141的导通状态与断开状态的切换会引起直流电压的变动，其会对马达20的驱动带来影响，因此，优选在马达20停止时或非动作时进行切换。并且，在马达20动作时，通过马达20的动力运行和/或再生而频繁进行的平滑电容12的充放电可能会成为使由诊断装置30进行的平滑电容12的老化估计精度恶化的噪声，因此，优选避开马达20动作时。在马达20动作时(尤其减速时或再生时)，如上所述，此时的再生电路14作为将晶体管141切换为导通状态而用电阻142等消耗马达20的再生电力的原本的再生电路进行动作，在马达20停止时或非动作时，作为将晶体管141在导通状态与断开状态之间切换任意次数从而引起用于平滑电容12的老化估计的高频振动的负载电路进行动作。如此，根据本实施方式，能够由一个电路(再生电路14)有效地实现马达20动作时和停止时有用的不同的多个功能。

以上，根据实施方式对本发明进行了说明。作为示例的实施方式中的各构成要件和各处理的组合能够存在各种变形例，这种变形例也包含在本发明的范围内，这对本领域技术人员来说是显而易见的。

另外，实施方式中所说明的各装置和各方法的结构、作用及功能能够通过硬件资源或软件资源来实现，或者能够通过硬件资源与软件资源的协作来实现。作为硬件资源，例如可以使用处理器、ROM、RAM、各种集成电路。作为软件资源，例如可以使用操作系统、应用程序等程序。