JP6238928B2 - 電動機の診断装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば閉鎖配電盤であるコントロールセンタなどで使用され、電動機の異常の有無を診断する電動機の診断装置に関するものである。

従来、電動機の入力電圧と電流およびモータ速度のリアルタイム情報を測定して、モデリングされた結果と測定された結果とを比較し、それぞれの信号を減算することによって生成される誤差に関する比較結果を評価するとともに、診断オブザーバで誤差を分析して電動機の故障の有無を判定するモデル・ベースの故障検出システムが提案されている。（例えば、特許文献１）

特表２０００−５１３０９７号公報

従来のモデル・ベースの故障検出システムにおいては、電動機の入力電圧と電流およびモータ速度のリアルタイム情報を測定して、モデリングされた結果と測定された結果とを比較するものであるため、基準となるモデルが必要なうえ測定したリアルタイム情報と比較して故障の有無を判定するので、負荷変動の大きい電動機に適用するのは困難であるという課題があった。

この発明は以上のような課題を解決するためになされたもので、負荷が変動する電動機においても、サンプリング入力した電圧および電流情報から演算した負荷トルクを統計処理することによって、電動機の異常の有無を診断することができる電動機の診断装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電動機の診断装置は、電動機が接続された主回路からサンプリング入力された電圧および電流を使用して前記電動機の負荷トルクを演算する負荷トルク演算部と、前記負荷トルク演算部で演算されたサンプリング個数の負荷トルクの確率密度関数の平均値と標準偏差を算出してヒストグラム化するヒストグラム演算部と、前記ヒストグラム演算部で求められたヒストグラムにピーク箇所が二個以上あるとき、最も値の大きいピーク値と二番目に値の大きいピーク値との比を算出して前記電動機の異常の有無を判定する異常判定部とを備えていることを特徴とするものである。

この発明によれば、電動機が接続された主回路からサンプリング入力された電圧および電流を使用して前記電動機の負荷トルクを演算する負荷トルク演算部と、前記負荷トルク演算部で演算されたサンプリング個数の負荷トルクの確率密度関数の平均値と標準偏差を算出してヒストグラム化するヒストグラム演算部と、前記ヒストグラム演算部で求められたヒストグラムにピーク箇所が二個以上あるとき、最も値の大きいピーク値と二番目に値の大きいピーク値との比を算出して前記電動機の異常の有無を判定する異常判定部とを備えているため、サンプリング入力した電圧および電流情報から演算したサンプリング個数の負荷トルクを統計処理することによって、電動機の異常の有無を診断することができる電動機の診断装置を得ることができる効果がある。

この発明の実施の形態１における電動機の診断装置の設置状況を示す概略構成図である。 この発明の実施の形態１における電動機の診断装置の論理演算部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１における電動機の診断装置の記憶部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１における電動機の診断装置のサンプリング速度と忘却係数およびスケールファクタの関係を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１における電動機の診断装置の動作を説明するフロー図である。 この発明の実施の形態１における電動機の診断装置の負荷トルクのヒストグラムを説明する説明図である。 この発明の実施の形態１における電動機の診断装置の正常時のヒストグラムよりも異常時のヒストグラムのピーク箇所がずれている場合を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１における電動機の診断装置のヒストグラムにおけるマハラノビス距離を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１における電動機の診断装置のマハラノビス距離によるしきい値判定を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１における電動機の診断装置の正常時のヒストグラムに対して異常時のヒストグラムのピーク箇所が２カ所ある場合を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１における電動機の診断装置の異常時のヒストグラムの２カ所のピーク箇所のピーク比を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１における電動機の診断装置のピーク比によるしきい値判定を説明する説明図である。

以下、この発明の実施の形態について説明するが、各図において同一、または相当部分については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電動機の診断装置の設置状況を示す概略構成図、図２はこの発明の実施の形態１における電動機の診断装置の論理演算部の構成を示すブロック図、図３はこの発明の実施の形態１における電動機の診断装置の記憶部の構成を示すブロック図、図４はこの発明の実施の形態１における電動機の診断装置のサンプリング速度と忘却係数およびスケールファクタの関係を説明する説明図、図５はこの発明の実施の形態１における電動機の診断装置の動作を説明するフロー図、図６はこの発明の実施の形態１における電動機の診断装置の負荷トルクのヒストグラムを説明する説明図、図７はこの発明の実施の形態１における電動機の診断装置の正常時のヒストグラムよりも異常時のヒストグラムのピーク箇所がずれている場合を説明する説明図、図８はこの発明の実施の形態１における電動機の診断装置のヒストグラムにおけるマハラノビス距離を説明する説明図、図９はこの発明の実施の形態１における電動機の診断装置のマハラノビス距離によるしきい値判定を説明する説明図、図１０はこの発明の実施の形態１における電動機の診断装置の正常時のヒストグラムに対して異常時のヒストグラムのピーク箇所が２カ所ある場合を説明する説明図、図１１はこの発明の実施の形態１における電動機の診断装置の異常時のヒストグラムの２カ所のピーク箇所のピーク比を説明する説明図、図１２はこの発明の実施の形態１における電動機の診断装置のピーク比によるしきい値判定を説明する説明図である。

図１において、電力系統１から引き込まれた主回路２には、配線用遮断器３と電磁接触器４と、三相の主回路２の相間電圧を二相間分検出する計器用変圧器などの電圧検出器５と、主回路２の二相分の負荷電流を検出する計器用変成器などの電流検出器６が設けられている。主回路２には負荷である三相誘導電動機などの電動機７が接続され、電動機７により機械設備８が運転駆動される。電動機の診断装置９は主に閉鎖配電盤であるコントロールセンタで使用されるものであり、電動機の診断装置９は入力部１０と論理演算部２０と記憶部３０と出力部４０により構成されている。

入力部１０には電圧検出器５で検出された電圧を予め設定されているサンプリング速度で入力（以下、サンプリング入力と称す）する電圧入力部１１と、電流検出器６で検出された電流をサンプリング入力する電流入力部１２と、サンプリング速度を設定するサンプリング速度設定部１３と、電動機７の定格情報等を入力する定格情報入力部１４が設けられている。

サンプリング速度設定部１３は、例えば１秒間に１００個のサンプリング速度で１０秒間サンプリングすることを設定する。これにより１０００個のサンプリングされたデータが得られることとなる。設定されたサンプリング速度等は記憶部３０の図３に示すサンプリング速度記憶部３１に記憶される。

定格情報入力部１４は、電源周波数や電動機７の定格出力、定格電圧、定格電流、定格回転数等および負荷トルクの演算に使用される磁極数ならびに巻線抵抗値等を予め入力しておくもので、入力された定格情報等は記憶部３０の図３に示す定格情報記憶部３２に記憶される。定格情報等は、電動機７の製造会社のカタログまたは電動機７に取付けられている銘板を見ることで容易に取得可能な情報である。なお、診断対象の電動機７が複数台ある場合には、予め全ての診断対象の電動機７の定格情報を入力しておく必要がある。

論理演算部２０の構成について図２にもとづき説明する。論理演算部２０には、電圧入力部１１から入力された電圧および電流入力部１２から入力された電流を負荷トルクの演算に適したｄ軸方向およびｑ軸方向（以下ｄｑ軸方向と称す）の電圧および電流に変換するｄｑ変換演算部２１と、ｄｑ変換演算部２１で変換された電圧および電流を使用して負荷トルクを演算する負荷トルク演算部２２と、負荷トルク演算部２２で演算されたサンプリング個数の負荷トルクを使用してヒストグラムを求めるヒストグラム演算部２３と、ヒストグラム演算部２３で求められたヒストグラムと予め記憶部３０の図３に示す正常曲線記憶部３３に記憶されている正常時のヒストグラムを比較することにより電動機７および機械設備８の異常の有無を判定する異常判定部２４が設けられている。

また、負荷トルク演算部２２で使用されるデータを予め求めて設定するものとして、電動機７の固定子巻線の巻線抵抗値Ｒｓを求める巻線抵抗値演算部２２ａと、サンプリング速度から忘却係数ｋｆを演算する忘却係数演算部２２ｂおよびスケールファクタαを演算するスケールファクタ演算部２２ｃが設けられている。
一般に、電動機７の固定子巻線の温度が上昇すると巻線抵抗値Ｒｓが増えるため、例えば電動機７の製造メーカ等で試験して得られた巻線抵抗値Ｒｓと温度の相関関係を予め定格情報記憶部３２に設定しておいて、電圧および電流のサンプリングを行う時の固定子巻線の温度を検出入力して、巻線抵抗値演算部２２ａで設定された相関関係から巻線抵抗値Ｒｓを精度よく求めることが可能である。なお、巻線抵抗値Ｒｓは検出した電圧および電流から演算して求める方法もあり、巻線抵抗値演算部２２ａの演算は、上記説明の方法に限定されるものではない。

サンプリング速度と忘却係数ｋｆおよびスケールファクタαは図４に示す相関関係があるため、例えば診断装置の製造メーカ側で予め実測した結果得られた図４の相関関係をデータテーブルとして記憶部３０に設定しておいて、サンプリング速度設定部１３からサンプリング速度等が設定されたときに、記憶されているデータテーブルを使用して、忘却係数演算部２２ｂで忘却係数ｋｆを求めるとともにスケールファクタ演算部２２ｃでスケールファクタαを求めて、図３に示すサンプリング速度記憶部３１に設定記憶しておく。サンプリング速度は最初に一度設定されるとその電動機に対しては同じ条件でのサンプリング速度が以降の診断時の全てに適用される。

ヒストグラム演算部２３には、負荷トルク演算部２２で求められたサンプリング個数の負荷トルクの平均値を演算する平均値演算部２３ａと、標準偏差を演算する標準偏差演算部２３ｂが設けられている。
異常判定部２４には、後で詳細に動作説明する異常の状態に応じて異常の有無を判定するマハラノビス距離判定部２４ａとピーク数判定部２４ｂが設けられている。

記憶部３０の構成について図３にもとづき説明する。記憶部３０には、サンプリング速度設定部１３によって設定されたサンプリング速度等を記憶するサンプリング速度記憶部３１と、定格情報入力部１４から入力された電動機７の定格情報等を記憶する定格情報記憶部３２と、異常判定の基準となる正常時のヒストグラムを記憶する正常曲線記憶部３３と、ヒストグラム演算部２３で求められたヒストグラムを時系列で保存するヒストグラム保存部３４が設けられている。
また、正常曲線記憶部３３には、正常時のヒストグラムの元データである平均値と標準偏差をそれぞれ記憶する平均値記憶部３３ａと標準偏差記憶部３３ｂが設けられており、ヒストグラム保存部３４には、ヒストグラムの元データである平均値と標準偏差をそれぞれ保存する平均値保存部３４ａと標準偏差保存部３４ｂが設けられている。

出力部４０には、異常判定部２４で比較した正常時と異常時のヒストグラムの比較結果やマハラノビス距離判定部２４ａでマハラノビス距離をトレンド解析した結果およびピーク数判定部２４ｂでピーク比をトレンド解析した結果などを表示出力する統計結果出力部４１と、異常判定部２４で異常と判定したときに例えば警報音を鳴らしたり異常ランプを点灯させるなどの警報出力を行う警報出力部４２が設けられている。

次に、図５に示すフロー図にもとづき動作説明をする。電動機の診断装置９は、例えば１０分間隔など所定の時間間隔で起動されて電動機７等の異常診断を実施する。
ステップ１０１において、電圧入力部１１から二相間分の電圧ｖｕｖとｖｖｗがサンプリング速度設定部１３で設定されサンプリング速度記憶部３１に記憶されているサンプリング速度で入力されるとともに、電流入力部１２から二相分の電流ｉｕとｉｖがサンプリング入力される。

ステップ１０２において、ｄｑ変換演算部２１は入力された電圧および電流をｄｑ軸方向の電圧および電流に変換する。
ｄｑ変換演算部２１での演算について説明する。まず、三相電流をｄｑ変換する場合には、三相ｕｖｗが平衡している状態では二相分の電流情報だけで十分であるため、電流入力部１２から入力した二相分の電流ｉｕとｉｖを使用して、ｄ軸方向の電流ｉｄとｑ軸方向の電流ｉｑを式（１）に示す変換式によって演算する。

同様に電圧についても二相分の電圧情報だけで十分であるが、電圧は通常では線間電圧を測定する場合が多いため、電圧入力部１１から入力した二相間分の電圧ｖｕｖとｖｖｗ（添字のｕｖはｕ相とｖ相間、ｖｗはｖ相とｗ相間を示す）を使用して、ｄ軸方向の電圧ｖｄとｑ軸方向の電圧ｖｑを式（２）に示す変換式によって演算する。

ステップ１０３において、負荷トルク演算部２２はｄｑ変換演算部２１で変換されたｄｑ軸方向の電圧および電流を使用して負荷トルクを演算する。
負荷トルク演算部２２での演算について説明する。負荷トルク演算部２２では、ｄｑ変換演算部２１で演算して求められたｄｑ軸方向の電流ｉｄ_，ｉｑと、予め定格情報入力部１４から入力され定格情報記憶部３２に記憶されている電動機７の磁極数Ｐｐと、電動機７の固定子巻線のｄｑ軸方向の鎖交磁束φｄ_，φｑとによって負荷トルクＴｅを式（３）によって演算する。

ここで、ｄｑ軸方向の鎖交磁束φｄ_，φｑは式（４）から式（９）によって演算して求めることができる。式（４）と式（５）は微分表示しているため、数値解析して表したものが式（６）と式（７）であり、式（６）と式（７）を演算した結果にスケールファクタαをそれぞれ積算して式（８）と式（９）で演算したものが鎖交磁束の最終結果として得られる同定値である。式（８）の演算結果が鎖交磁束φｄに相当し、式（９）の演算結果が鎖交磁束φｑに相当する。

なお、式（４）から式（９）で使用している各記号については以下のデータを表すものである。ｖｄおよびｖｑはｄｑ変換演算部２１で演算されたｄｑ軸方向の電圧、ｉｄおよびｉｑはｄｑ変換演算部２１で演算されたｄｑ軸方向の電流、Ｒｓは巻線抵抗値演算部２２ａで演算された巻線抵抗値、ｋｆは忘却係数演算部２２ｂで演算された忘却係数、αはスケールファクタ演算部２２ｃで演算されたスケールファクタ、Ψは鎖交磁束の数値解析の記号、添字のｎはサンプリングのｎ番目の値を使用することを示す変数であり、添字のｎ−１はサンプリングのｎ−１番目の値を使用することを示す変数である。従ってｎは１，２，３・・・の値となる。Δｔはサンプリング時間幅を示すものでサンプリング速度によって決まる値であり、例えばサンプリング速度が１秒間に１００個であればサンプリング時間幅Δｔは０．０１となる。

ステップ１０４において、上記ステップ１０１からステップ１０３までの動作をサンプリング完了まで繰り返すことによって、負荷トルク演算部２２で演算して求められた負荷トルクの値（以下負荷トルク値と称す）がサンプリング個数の例えば１０００個得られることとなる。

ステップ１０５において、ヒストグラム演算部２３は負荷トルク演算部２２で求められたサンプリング個数の負荷トルク値を確率密度関数に表現する。そして、変数を負荷トル
ク値Ｔｋとした確率密度関数の平均値μと標準偏差σを、それぞれ平均値演算部２３ａと標準偏差演算部２３ｂで式（１０）および式（１１）によって算出する。式中のＰ（ｋ）は負荷トルク値Ｔｋの確率である。

確率密度関数は、負荷トルク値のばらつきがランダムであれば正規分布で表現される。このとき、横軸を負荷トルク値とし、縦軸を確率密度にしてグラフ化すると、図６に示すヒストグラムで表現される。平均値の確率密度が最も高く、平均値を中心としてなだらかな曲線となる。

ここで、電動機の診断装置９を導入する初期設定として実施する必要のある正常曲線の取得について説明しておく。設備導入初期の比較的新しい電動機７および機械設備８で故障が無い状態であると断定できる時点で、上記ステップ１０１からステップ１０５の動作を実施してヒストグラムを得て、この時の曲線を正常時として正常曲線記憶部３３に記憶するものであるが、測定時点の負荷状態のばらつきによって平均値と標準偏差にばらつきがあるため、複数回測定して最も適切と思われる曲線を選定して、正常時のヒストグラムとして正常曲線記憶部３３および平均値記憶部３３ａならびに標準偏差記憶部３３ｂに記憶する。正常曲線の選定基準としては、例えば正規分布の曲線形状が良くて平均値が比較的大きいものなどを選定する。このようにして正常曲線記憶部３３に記憶された正常時のヒストグラムは異常判定の基準となるものである。

ステップ１０６において、異常判定部２４は、正常曲線記憶部３３に記憶されている正常時のヒストグラムと、ヒストグラム演算部２３で求められたヒストグラムとを比較して異常の有無を判定する。異常の形態としては、例えば図７に示すように正常時のヒストグラムに対して負荷トルク値の平均値が大きい方にずれている場合と、図１０に示すようにヒストグラムに二個以上のピークが発生している場合が考えられる。従って、最初にヒストグラムのピーク箇所をカウントして、ピーク箇所が一個の場合にはマハラノビス距離判定部２４ａで判定し、ピーク箇所が二個以上ある場合にはピーク数判定部２４ｂで判定する構成となっている。ヒストグラムのピーク箇所は微分法により算出可能である。

マハラノビス距離判定部２４ａについて説明する。図７に示すようにヒストグラムの平均値が正常時の平均値よりも大きい場合には、例えば電動機７の軸受の摩耗劣化や機械設備８の摩耗劣化などの可能性がある。マハラノビス距離判定部２４ａは、図８に示すように平均値と標準偏差に関して正常時からのマハラノビス距離を算出し、予め設定しているしきい値よりも大きい場合に異常と判定する。しきい値の算出方法は、例えば複数回測定した曲線から正常曲線を決定したときなどに最大偏差３σを求めて、最大偏差３σ以上乖離したときをしきい値として異常と判定する。また、ヒストグラム保存部３４に時系列で
保存されている過去のヒストグラム情報を利用して、図９に示すようにマハラノビス距離のトレンド解析を実施して、統計結果出力部４１に表示出力することで、劣化トレンドを監視することもできる。

ピーク数判定部２４ｂについて説明する。図１０に示すようにヒストグラムにピーク箇所が二個以上ある場合には、周期的にトルク異常が発生している可能性が高い。例えばギア不良の異常の場合、回転周波数を減速比で除算した周期で周期的な負荷トルクが掛ることで、周期的なトルク異常となることがある。ピーク数判定部２４ｂは、図１１に示すように最も値の大きいピーク値をＡとし、二番目に値の大きいピーク値をＢとすると、ピーク比をＢ／Ａにより演算し、演算したピーク比に対してしきい値を設定することで、周期的なトルク異常を検出可能となる。仮に、ヒストグラムに三個以上のピーク箇所が検出されたとしても、最も値の大きいピーク値と二番目に値の大きいピーク値のピーク比を演算すればよい。また、ヒストグラム保存部３４に時系列で保存されている過去のヒストグラム情報を利用して、図１２に示すようにピーク比のトレンド解析を実施して、統計結果出力部４１に表示出力することで、異常発生のトレンドを監視することもできる。

ステップ１０７において、異常判定部２４のマハラノビス距離判定部２４ａまたはピーク数判定部２４ｂで異常と判定された場合には、ステップ１０８に進み、警報出力部４２から警報音または異常ランプ等で警報を出力する。一般に、電動機の診断装置９が使用されるコントロールセンタは、電気室に設置され管理されているため、電動機７の稼働している場所に出向くことなく、電気室で容易に複数台の電動機７や機械設備８の監視を行うことが可能となる。
最後に、ステップ１０９において、ヒストグラム演算部２３で求められたヒストグラムのデータを記憶部３０のヒストグラム保存部３４に時系列で保存して処理を終了する。
なお、トレンド解析を実施した場合には、そのデータも保存しておくとよい。

以上説明したように、電動機が接続された主回路からサンプリング入力した電圧および電流情報から演算したサンプリング個数の負荷トルクを統計処理することによって、電動機の異常の有無を診断することができる。
なお、上記実施の形態１の説明では、入力された電圧および電流をｄｑ変換演算部２１でｄｑ軸方向の電圧および電流に変換する場合について説明したが、この変換機能を電圧入力部１１および電流入力部１２に持たせるように構成されていてもよい。

さらに、異常判定の精度を向上させるためには、複数台の電動機と機械設備のデータを一元的に管理して、データ解析する手法が好ましい。例えば、同様の出力の電動機と同様の機械設備の組み合わせであれば、負荷トルクの挙動も類似する。すなわち、個別管理ではなく複数設備の同時管理によって、故障検出精度を向上させることが可能となる。
また、負荷トルクによる異常診断ではなく電流の確率密度関数に着目した異常診断手法も考えられるが、電動機７や機械設備８などの負荷設備の故障は負荷トルクに反映されやすいため、本件発明のように負荷トルクに着目した方がよい。

さらに、本件発明の電動機の診断装置は、高効率電動機にも当然適用可能である。高効率電動機では、定格回転速度が汎用電動機に比べ高くなり、回転速度上昇により仕事量が増加して電動機の出力が増加することとなる。このため、電動機の仕様である定格トルクを超えて電動機に流れる電流が増加し、最悪の場合には電動機の焼損に至る故障を引き起こす可能性もある。本件発明の負荷トルクによる診断監視は、このような故障を防ぐという観点からも有用である。

なお、この発明は、その発明の範囲内において実施の形態を自由に組み合わせたり、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 電力系統、２ 主回路、３ 配線用遮断器、４ 電磁接触器、５ 電圧検出器、６ 電流検出器、７ 電動機、８ 機械設備、９ 電動機の診断装置、１０ 入力部、１１ 電圧入力部、１２ 電流入力部、１３ サンプリング速度設定部、１４ 定格情報入力部、２０ 論理演算部、２１ ｄｑ変換演算部、２２ 負荷トルク演算部、２３ ヒストグラム演算部、２４ 異常判定部、３０ 記憶部、３１ サンプリング速度記憶部、３２ 定格情報記憶部、３３ 正常曲線記憶部、３４ ヒストグラム保存部、４０ 出力部、４１ 統計結果出力部、４２ 警報出力部

Claims (3)

1. 電動機が接続された主回路からサンプリング入力された電圧および電流を使用して前記電動機の負荷トルクを演算する負荷トルク演算部と、前記負荷トルク演算部で演算されたサンプリング個数の負荷トルクの確率密度関数の平均値と標準偏差を算出してヒストグラム化するヒストグラム演算部と、前記ヒストグラム演算部で求められたヒストグラムにピーク箇所が二個以上あるとき、最も値の大きいピーク値と二番目に値の大きいピーク値との比を算出して前記電動機の異常の有無を判定する異常判定部とを備えていることを特徴とする電動機の診断装置。
2. 正常時の負荷トルクを複数回測定して得たヒストグラムから選定した曲線を正常時のヒストグラムとして記憶した正常曲線記憶部をさらに備え、前記異常判定部は、前記正常曲線記憶部に記憶されている正常時のヒストグラムと前記ヒストグラム演算部で求められたヒストグラムを比較して前記電動機の異常の有無を判定することを特徴とする請求項１に記載の電動機の診断装置。
3. 前記異常判定部は保存されている過去のヒストグラム情報を使用してトレンド解析することを特徴とする請求項１または２に記載の電動機の診断装置。