JP2019129593A - 予防保全装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操業中にコンデンサの状態を常時監視することによって、コンデンサの劣化状態を客観的に把握して、コンデンサの故障による事故を防ぐ予防保全装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る予防保全装置は、第１交流電圧を直流電圧に変換する第１電力変換器と、前記直流電圧を第１交流電圧とは異なる第２交流電圧に変換する第２電力変換器と、の間に設けられ、前記直流電圧が印加されるコンデンサの温度、内部圧力、前記電力変換器の負荷率および稼働時間の各データを収集し、前記コンデンサごとに、前記温度、前記内部圧力、前記負荷率および前記稼働時間のデータを紐づけし、前記温度、前記内部圧力、前記負荷率および前記稼働時間にもとづいて前記コンデンサの寿命を推定し、前記寿命が所定の値に達した場合に警報信号を生成する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電動機の可変速駆動に用いられるドライブ装置のコンデンサの劣化状況を把握して装置の停止を予防する予防保全装置に関する。

製鐵所等のプラントでは、電動機を可変速駆動するドライブ装置が用いられる。プラントで用いられるドライブ装置は、交流電圧を直流電圧に変換し、さらに電動機に応じた交流電圧に変換する。

ドライブ装置の主回路は、複数の電力変換用の半導体素子と負荷変動などに起因する電圧変動を抑制するための大容量高耐圧のコンデンサ等で構成されている。大容量高耐圧のコンデンサは、ドライブ装置の主要部品の一つである。このようなコンデンサは、使用環境、使用条件によって、推奨交換周期よりも短い期間で劣化が進むことがあり、突発的な事故を起こす可能性もある。プラントで用いられているドライブ装置は、複数台が連動して制御されており、ひとたびコンデンサが故障すると、ドライブ装置を用いたプラントは、長期間の操業停止に至るおそれがある。

ドライブ装置内のコンデンサでは、日常の点検、保全作業において、一般的に外観チェックによって、その健全性が判断されている。また、定期・不定期のライン休止期間を利用して、ドライブ装置をオフライン状態にして、コンデンサの電気特性を測定することによってその健全性が評価されている。しかしながら、これらの点検ではコンデンサの劣化状態を客観的に把握することが困難であり、そのため、想定以上にコンデンサの劣化が進んでおり、コンデンサ故障に至っている場合が散見される。

特開２０１５−１５３９９１号公報

電動機可変速駆動用のドライブ装置の大容量高耐圧のコンデンサは、その劣化状態を客観的に把握することができれば、故障を予防する点検計画等を立案することも可能になる。

この発明の実施形態は、上記の問題点を解決するためのものであり、操業中にコンデンサの状態を常時監視することによって、コンデンサの劣化状態を客観的に把握して、コンデンサの故障による事故を防ぐ予防保全装置を提供することを目的とする。

実施形態に係る予防保全装置は、第１交流電圧を直流電圧に変換する第１電力変換器と、前記直流電圧を第１交流電圧とは異なる第２交流電圧に変換する第２電力変換器と、の間に設けられ、前記直流電圧が印加されるコンデンサの温度、内部圧力、前記電力変換器の負荷率および稼働時間の各データを収集し、前記コンデンサごとに、前記温度、前記内部圧力、前記負荷率および前記稼働時間のデータを紐づけし、前記温度、前記内部圧力、前記負荷率および前記稼働時間にもとづいて前記コンデンサの寿命を推定し、前記寿命が所定の値に達した場合に警報信号を生成する。

本実施形態では、予防保全装置は、前記コンデンサごとに紐づけられた前記温度、前記内部圧力、前記負荷率および前記稼働時間のデータにもとづいて、そのコンデンサの寿命を推定する。そのため、そのコンデンサの劣化の度合いを客観的に把握することができるので、コンデンサの故障による事故を防止することができる。

実施形態に係る予防保全装置を例示するブロック図である。 油入高圧コンデンサの寿命特性を例示する模式的なグラフである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１は、実施形態に係る予防保全装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、予防保全装置１は、制御ネットワーク２を介して、プログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）３に接続される。ＰＬＣ３は、ＰＬＣ３の入力モジュール（図示せず）を介して、ドライブ装置５の内部のコンデンサ６に接続されている。

ＰＬＣ３は、コンデンサ６に設けられた温度センサおよび内部圧力センサから、コンデンサ温度のデータおよびコンデンサ内部圧力のデータをそれぞれ取得する。また、ＰＬＣ３は、ドライブ装置５の出力電流のデータおよび速度パターンのデータをそれぞれ取得する。

予防保全装置１は、取得したドライブ装置５の出力電流のデータおよび速度パターンのデータにもとづいて、ドライブ装置５の負荷率のデータを計算する。負荷率とは、あらかじめ設定された期間におけるドライブ装置の定格出力電力に対する実際の出力電力の比率である。あらかじめ設定された期間は、たとえば出力の定格周波数にもとづいて設定される。あるいは、稼働時間等任意に設定してもよい。ドライブ装置５の負荷である電動機７は、交流電動機であるため、速度に応じて駆動周波数が変動する。そのため、速度パターンを考慮することによって、より正確なドライブ装置の負荷率を求めることができる。

コンデンサ温度のデータ、コンデンサ内部圧力のデータ、ドライブ装置５の負荷率のデータおよび稼働時間のデータは、コンデンサ６ごとに取得され、コンデンサ６ごとに紐づけられる。予防保全装置１は、コンデンサ温度のデータ、コンデンサ内部圧力のデータ、ドライブ装置５の負荷率のデータおよび稼働時間のデータにもとづいて、そのコンデンサ６のリアルタイムの寿命を計算する。コンデンサ６のリアルタイムの寿命は、あらかじめ設定されたコンデンサ６の寿命特性に、コンデンサ温度のデータ、コンデンサ内部圧力のデータ、ドライブ装置５の負荷率のデータおよび稼働時間のデータを、紐づけられたコンデンサ６ごとに当てはめることによって計算される。

ドライブ装置５は、交流電源８に接続されている。交流電源８は、たとえば三相の交流電源である。ドライブ装置５は、電動機７に接続されている。電動機７は、たとえば、誘導電動機や同期電動機等である。ドライブ装置５は、交流電源８から電力の供給を受けて、電動機７に供給する交流電圧に変換して出力する。ドライブ装置５は、ＰＬＣ３等からの速度指令値等を受信して、速度指令値等にしたがう速度で電動機７を駆動する。

ドライブ装置５は、第１電力変換器５１と第２電力変換器５２とを含む。第１電力変換器５１は、交流電圧を直流電圧に変換する。第１電力変換器５１は、たとえば交流−直流コンバータ装置、あるいは整流器である。第２電力変換器５２は、第１電力変換器５１によって生成された直流電圧を入力して、交流電圧に変換する。第２電力変換器５２は、インバータ装置である。

コンデンサ６は、第１電力変換器５１と第２電力変換器５２との間に設けられている。この例のように、コンデンサ６は、第１電力変換器５１の出力に設けられ、第２電力変換器５２の入力にもそれぞれ用いられている。コンデンサ６には、第１電力変換器５１から出力される直流電圧が印加される。コンデンサ６は、第２電力変換器５２にこの直流電圧を供給する。コンデンサ６は、油入式高圧コンデンサである。コンデンサ６は、必要な静電容量や、耐圧等の性能を確保するために、直列および並列に接続されて用いられる。

直並列に接続されるコンデンサ６には、温度センサおよび内部圧力センサがそれぞれあらかじめ内蔵されている。温度センサは、コンデンサ６の内部温度を検出し、コンデンサ温度のデータを出力する。内部圧力センサは、コンデンサ６の内部圧力を検出し、コンデンサ内部圧力のデータを出力する。

制御ネットワーク２には、この例のように、ＨＭＩシステム４が接続されてもよい。ＨＭＩシステム４は、ＰＬＣ３に接続される装置や機器等のマンマシンインタフェースを提供するソフトウェアをインストールしたコンピュータ端末である。

実施形態の予防保全装置１の動作について説明する。
実施形態の予防保全装置１は、制御ネットワーク２およびＰＬＣ３を介して、コンデンサ６の温度のデータ、内部圧力のデータ、およびドライブ装置５の負荷率のデータをリアルタイムで取得する。予防保全装置１は、これらのデータをたとえば定周期で取得する。

予防保全装置１には、コンデンサ６の寿命特性のデータがあらかじめ設定されている。コンデンサ６の寿命特性のデータは、たとえばコンデンサ６の型番ごとに取得されており、予防保全装置１は、予防保全装置１の操作者等がコンデンサ６の型番を指定することによって、適切なデータを選択して適用する。寿命特性のデータは、少なくとも最初の適用時期においては、その型番で同一のデータが適用される。寿命特性のデータは、後に詳述するように、コンデンサ６ごとに取得されたリアルタイムのデータの蓄積によって、たとえば定期的に補正される。予防保全装置１は、補正された寿命特性のデータにもとづいて、コンデンサ６の寿命を計算することができる。

図２は、油入高圧コンデンサの寿命特性を例示する模式的なグラフである。
油入高圧コンデンサであるコンデンサ６の寿命Ｆは、コンデンサ６の温度Ｔｃａｐ、内部圧力Ｐｉｎｔ、ドライブ装置５の負荷率Ｒｌｏａｄおよび稼働時間ｔの関数として、あらかじめ設定されている。つまり、寿命関数Ｆは、Ｆ＝Ｆ（Ｔｃａｐ，Ｐｉｎｔ，Ｒｌｏａｄ，ｔ）であり、たとえば寿命関数Ｆは、コンデンサの型番ごとに、加速試験等によって実験的に求められる。

図２に示すように、グラフは、横軸が稼働時間ｔであり、縦軸が寿命関数Ｆである。寿命関数Ｆは、稼働時間ｔの増加とともに大きくなる。図では、寿命関数Ｆが１００％の場合に、コンデンサ６は、寿命（ｔ１００）であることが示されている。

寿命関数Ｆは、複数のパラメータを有するので、それぞれのパラメータの変化に応じてさまざまな特性を示し得る。たとえば温度Ｔｃａｐを変化させ、他のパラメータを固定にした場合には、図のように温度Ｔｃａｐが高いほど、寿命関数Ｆがとり得る値も大きくなる。このような寿命関数Ｆに、リアルタイムで取得したデータを当てはめることによって、リアルタイムで劣化の度合いを把握することができる。

寿命に達したコンデンサ６は、ある確率で故障に至ると想定される。たとえば、予防保全装置１は、寿命関数Ｆがｋ１（ｋ１は、たとえば８０％）となる稼働時間ｔｋ１に達した場合に、寿命が近いことを予防保全装置１の操作者等に知らせる警報信号を生成する。予防保全装置１は、生成した警報信号にもとづいて、画像や音声等を生成することによって、コンデンサ６の寿命が近いことを操作者に知らせる。予防保全装置１は、たとえばＨＭＩシステム４や他の端末等に警報信号を送信し、これらの端末は、画像や音声等でコンデンサ６の寿命が近いことを知らせるようにすることができる。

予防保全装置１は、警報信号を生成する稼働時間ｔｋ１よりも前の段階、たとえば寿命関数Ｆがｋ２（ｋ２は、たとえば５０％）のとき（ｔｋ２）に、コンデンサ６の取り外し検査を促す旨の表示等を行う。取り外し検査を行う旨の表示等は、他の端末等にも表示するようにしてもよい。

定期・不定期の検査において取り外したコンデンサ６は、静電容量等を測定されて、そのコンデンサ６の実際の劣化度合いが測定される。測定された劣化度合いは、残りの寿命として、そのコンデンサ６にリアルタイム取得データとともに紐づけされる。

また、実際に故障したコンデンサ６が発生した場合には、故障したコンデンサ６を取り外して、解析等を行い、そのコンデンサ６に紐づけされる。

予防保全装置１は、通信ネットワークを介して、他のプラントの制御ネットワークにも接続するようにしてもよい。予防保全装置１は、他のプラントの他の予防保全装置によって、制御ネットワークを介して収集されたコンデンサに紐づけされた劣化度合いを表すデータを取得することによって、より多くの実績データを取得することができる。

上述のような実績データを収集し、予防保全装置１は、実績データにもとづいて寿命関数Ｆを補正する。図中の△印のプロットが取り外し検査によって計算された寿命関数Ｆの値である。また、図中×印のプロットが故障したコンデンサの実績データを表している。予防保全装置１は、これらのデータを用いて、たとえば機械学習のアルゴリズムを用いて寿命関数Ｆを補正する。上述のプロットを計算した結果、寿命関数Ｆは、一点鎖線のように補正される。この例では、寿命関数Ｆは、稼働時間ｔが短い方にシフトしているため、予防保全装置１は、より早期（図中、ｔｋ１’）に警報信号を生成する。

寿命関数Ｆの補正は、定期的に行ってもよいし、実際の劣化度合いを測定、分析したコンデンサ６の数が所定数に達するたびに行ってもよい。

実施形態の予防保全装置１の効果について説明する。
実施形態の予防保全装置１は、ドライブ装置５内に設けられたコンデンサ６の温度のデータおよび内部圧力のデータを、ドライブ装置５の負荷率のデータとともにリアルタイムで収集する。予防保全装置１は、リアルタイムで収集したこれらのデータを用いて、コンデンサ６ごとに寿命特性を計算することができる。予防保全装置１は、寿命特性を計算して、そのコンデンサ６の寿命がくる前に、警報信号を生成、出力してコンデンサ６の寿命が近いことを予防保全装置１等を含む操作者に知らせることができる。

警報信号を生成する寿命のレベルを適切に設定することによって、ドライブ装置５の定期的な点検時に、劣化が進んでいるコンデンサ６の点検を集中的に行うことができる。そのため、期間の限られている定期点検時に効率的にコンデンサ６の点検を行うことができ、事故を未然に防止することができる。

予防保全装置１は、定期点検時等に取得したコンデンサ６の実際の劣化の進行状況を用いて、寿命関数Ｆを補正することができる。そのため、予防保全装置１では、より正確にコンデンサ６の寿命を予測することができる。

以上説明した実施形態によれば、操業中にコンデンサの状態を常時監視することによって、コンデンサの劣化状態を客観的に把握して、コンデンサの故障による事故を防ぐ予防保全装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 予防保全装置、２ 制御ネットワーク、３ プログラマブルコントローラ、４ ＨＭＩシステム、５ ドライブ装置、６ コンデンサ、７ 電動機、８ 交流電源、５１ 第１電力変換器、５２ 第２電力変換器

Claims (3)

1. 第１交流電圧を直流電圧に変換する第１電力変換器と、前記直流電圧を第１交流電圧とは異なる第２交流電圧に変換する第２電力変換器と、の間に設けられ、前記直流電圧が印加されるコンデンサの温度、内部圧力、前記電力変換器の負荷率および稼働時間の各データを収集し、
   前記コンデンサごとに、前記温度、前記内部圧力、前記負荷率および前記稼働時間のデータを紐づけし、
   前記温度、前記内部圧力、前記負荷率および前記稼働時間にもとづいて前記コンデンサの寿命を推定し、
   前記寿命が所定の値に達した場合に警報信号を生成する予防保全装置。
2. 前記寿命は、前記温度、前記内部圧力、前記負荷率および前記稼働時間の関数であり、あらかじめ設定されている請求項１記載の予防保全装置。
3. 前記関数は、前記コンデンサごとに紐づけされた前記温度、前記内部圧力、前記負荷率および稼働時間のデータならびに前記コンデンサを取り外して電気特性を検査した結果にもとづいて補正される請求項２記載の予防保全装置。

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