CN109313233A - 负载异常检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种负载异常检测装置，即使在负载转矩发生变动的电动机中，也能够利用电源频率的两侧的附近呈峰状产生的侧带波的谱峰串，来检测出由电动机驱动的负载的异常。由电流检测器(4)检测电动机(5)的电流并从电流输入部(10)输入，由逻辑运算部(11)对电流稳定时的电流波形进行频率分析，对由此得到的多次功率频谱分析结果进行平均化处理，根据平均化处理后的功率频谱分析结果来检测侧带波，并利用谱峰串来判定负载有无异常，在判定为发生异常的情况下，由警报输出部(21)输出警报。
Description
技术领域
本发明涉及例如封闭式配电盘等控制中心所使用的用于检测由感应电动机驱动的机器设备等负载的异常的负载异常检测装置。
背景技术
以往，提出了下述设备异常诊断方法，即：测定感应电动机的负载电流并进行频率分析，着重关注在运转频率的两侧产生的侧波带，基于短周期的上下方向的波形的失真、以及长周期的上下方向的波形的振动即波动状态，来诊断感应电动机及由感应电动机驱动的机器的异常。(例如，专利文献1)
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4782218号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在现有的设备异常诊断方法中，在感应电动机发生了负载转矩变动时，电源频率(运转频率)的两侧附近的频谱强度增加，并且增大到比电源频率的两侧所产生的峰状的侧带波的振动强度还要大，从而存在难以检测出侧带波的问题。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种负载异常检测装置，即使在负载转矩发生变动的电动机中，也能够利用电源频率的两侧的附近产生的峰状的侧带波的谱峰串来检测出由电动机驱动的负载的异常。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明所涉及的负载异常检测装置的特征在于，包括：检测并输入电动机的电流的电流输入部；在来自所述电流输入部的电流为稳定状态时对所述电流的功率频谱进行分析的FFT分析部；检测所述FFT分析部所求得的功率频谱的峰值的峰值检测运算部；对经由所述FFT分析部分析后的多次功率频谱进行平均化的平均化运算部；提取出经由所述平均化运算部平均化后的功率频谱的侧带波的侧带波提取部；以及在所述侧带波提取部所提取出的侧带波的谱峰串与正常时的侧带波的谱峰串不同时判定为异常的谱峰串判定部。
发明效果
根据本发明，由于包括：检测并输入电动机的电流的电流输入部；在来自所述电流输入部的电流为稳定状态时对所述电流的功率频谱进行分析的FFT分析部；检测所述FFT分析部所求得的功率频谱的峰值的峰值检测运算部；对经由所述FFT分析部分析后的多次功率频谱进行平均化的平均化运算部；提取出经由所述平均化运算部平均化后的功率频谱的侧带波的侧带波提取部；以及在所述侧带波提取部所提取出的侧带波的谱峰串与正常时的侧带波的谱峰串不同时判定为异常的谱峰串判定部，因此，通过在电流处于稳定状态时利用FFT分析部来进行功率频谱的分析，从而能够可靠地检测出在电源频率的两侧产生的峰值。此外，通过利用平均化运算部对多次的功率频谱进行平均化，能够使得例如因噪声等而混入功率频谱的峰值的信号强度减小，从而能够利用侧带波提取部更为可靠地提取出侧带波，由此具有下述效果：可获得负载异常检测装置，即使在负载转矩发生变动的电动机中，也能够利用在电源频率的两侧的附近呈峰状产生的侧带波的谱峰串，来检测出由电动机驱动的负载的异常。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1中的负载异常检测装置的设置状况的简要结构图。
图2是表示本发明实施方式1中的负载异常检测装置的逻辑运算部的结构的框图。
图3是用于说明本发明实施方式1中的负载异常检测装置在电动机的负载变动较大的情况下的频率分析结果的说明图。
图4是用于说明本发明实施方式1中的负载异常检测装置的频率轴的变换的说明图。
图5是用于说明本发明实施方式1中的负载异常检测装置的动作的流程图。
图6是用于说明本发明实施方式1中的负载异常检测装置阈值的设定的说明图。
图7是用于说明本发明实施方式1中的负载异常检测装置的谱峰串的说明图。
图8是用于说明本发明实施方式2中的负载异常检测装置在皮带发生了弯曲时的谱峰的说明图。
图9是用于说明本发明实施方式2中的负载异常检测装置在皮带发生了磨损时的谱峰的说明图。
具体实施方式
下面，对本发明的实施方式进行说明，在各图中，对相同或相当部分标注相同标号来进行说明。
实施方式1.
图1是表示本发明实施方式1中的负载异常检测装置的设置状况的简要结构图，图2是表示本发明实施方式1中的负载异常检测装置的逻辑运算部的结构的框图，图3是用于说明本发明实施方式1中的负载异常检测装置在电动机的负载变动较大的情况下的频率分析结果的说明图，图4是用于说明本发明实施方式1中的负载异常检测装置的频率轴的变换的说明图，图5是用于说明本发明实施方式1中的负载异常检测装置的动作的流程图，图6是用于说明本发明实施方式1中的负载异常检测装置阈值的设定的说明图，图7是用于说明本发明实施方式1中的负载异常检测装置的谱峰串的说明图。
图1中，从电力系统引入的主电路1中设有布线用断路器2、电磁接触器3以及检测三相的主电路1的一相的负载电流的仪表用互感器等电流检测器4。主电路1与作为负载的三相感应电动机等电动机5相连接，利用电动机5通过皮带驱动来对机器设备6进行运转驱动。负载异常检测装置7中设有预先输入电源频率及电动机5的额定输出、额定电压、额定电流、极数、额定转速等的额定信息输入部8；以及保存从额定信息输入部8输入的额定信息的额定信息存储部9。额定信息是通过阅读电动机5的制造商的手册或安装于电动机5的铭牌从而能够容易地获取到的信息。另外，在诊断对象的电动机5有多台的情况下，预先输入所有的诊断对象的电动机5的额定信息，但在下述说明中，对一台电动机5进行说明。此外，负载异常检测装置7中设有输入电流检测器4检测到的电流的电流输入部10、使用从电流输入部10输入的电流来检测电动机5和机器设备6等负载有无异常的逻辑运算部11、在由逻辑运算部11发现了异常的情况下通过警报或异常灯的点亮等来输出警报的警报输出部21、以及存储有正常时的谱峰串的谱峰串存储部22。
基于图2对逻辑运算部11的结构进行说明。逻辑运算部11由下述功能部构成，即：求出从电流输入部10输入的电流有无变动的电流变动运算部12；使用电流变动运算部12中求得的结果来提取电流稳定的区间，由此决定功率频谱分析区间的FFT分析区间判定部13；使用由FFT分析区间判定部13决定的区间的电流来实施功率频谱分析的FFT分析部14；检测由FFT分析部14进行分析的功率频谱中所包含的峰值部位的峰值检测运算部15；根据峰值检测运算部15所检测到的峰值部位求出因旋转频率而导致的峰值部位的旋转频带判定部16；使多次的功率频谱的旋转频带的频率一致的频率轴变换运算部17；对由频率轴变换运算部17变换了频率轴后的多次的功率频谱进行平均化处理的平均化运算部18；使用经由平均化运算部18进行了平均化后的功率频谱来提取出在旋转频带以外的电源频率的两侧是否有峰值部位(以下，将该峰值部位称为侧带波)的侧带波提取部19；以及根据侧带波提取部19提取出的侧带波的谱峰串来判定负载有无异常的谱峰串判定部20。
电流变动运算部12基于来自电流输入部10的电流来运算电流值的统计偏差。偏差的运算例如有标准偏差、马哈拉诺比斯距离等方法。
FFT分析区间判定部13根据电流变动运算部12求得的电流值的统计偏差，仅提取出偏差在阈值以下的电流值处于稳定状态的电流区间，由此来决定功率频谱分析区间。一般情况下，若电动机5的负载转矩变动，则电流值会产生偏差，若对偏差较大的电流波形进行功率频谱分析，则如图3所示，电源频率的两侧附近的信号强度增大，侧带波等峰值部位不会出现。为了防止该情况而设置FFT分析区间判定部13的阈值。
FFT分析部14使用输入到由FFT分析区间判定部13决定的区间的电流波形来进行频率分析，由此计算电流功率频谱强度。通过使用电流值稳定的状态的电流波形来实施功率频谱分析，从而在电源频率的两侧附近，功率频谱强度不会增加，若有峰值部位则会可靠地出现。
峰值检测运算部15根据电流功率频谱强度的分析结果来检测基于电源频率的峰值部位、基于旋转频率的峰值部位、基于侧带波的峰值部位、以及其它的峰值部位。峰值部位能够通过下述方式检测得到，即：提取出通过一次、二次、三次微分计算而计算得到的结果中急剧的倾斜反转的部分。通过实施多达三次微分计算，能够检测出更小信号强度的峰值部位。由于基于电源频率的峰值部位产生在额定信息存储部9所保存的电源频率(一般50Hz或60Hz)的位置，因此能够简单地进行确认。
旋转频带判定部16根据保存于额定信息存储部9的额定转速来求取旋转频率，提取出位于以电源频率为中心向两侧偏移了旋转频率的量的位置附近的信号强度相同的峰值部位。一般情况下，电动机5会根据负载转矩的状况而发生打滑，导致转速产生偏差，因此，因旋转频率而产生的峰值部位也会偏离该部分的量而出现。旋转频带判定部16提取出位于考虑到了该偏差的频带内的峰值部位，定为旋转频带。
频率轴变换运算部17是为了准确地进行由平均化运算部18实施的平均化运算而需要使用的功能部。一般而言，因电动机5的异常等而产生的侧带波的发生位置与旋转频率的关系紧密，侧带波的频带大多是旋转频带的倍数。此外，旋转频带如上述说明的那样，会根据电动机5的负载转矩的状况而偏离地出现。
因此，对于平均化对象的多次功率频谱分析结果，需要以峰值部位追踪方式使频率轴一致。具体而言，如图4所示，若假设旋转频带的频率为与电源频率相差fr的位置，侧波带的频率为与电源频率相差fb的位置，电动机5有负载的状态下的旋转频带的频率为与电源频率相差fr’的位置，则变换率α为α＝fr’/fr，可通过fb’＝α·fb求出有负载时的侧带波的位置fb’。由此，通过以旋转频带作为基准并乘以变换率α来进行所有的峰值部位的频率轴的变换。另外，在上述说明中，对使频率轴与无负载时一致的情况进行了说明，但也可以构成为频率轴变换运算部17使平均化对象的多次的功率频谱分析结果的频率轴与规定的负载时一致，例如使频率轴与额定负载时一致等。
平均化运算部18对频率轴经由频率轴变换运算部17进行了一致化后的多次的功率频谱分析结果进行平均化处理，通过平均化处理，能够减少基底噪声，提高峰值部位的S/N比。具体而言，若对10次的功率频谱分析结果进行平均化处理，则因只发生了一次的噪声等而产生的峰值部位会被减少至十分之一的信号强度。另一方面，若是旋转频带、侧带波，则在10次中均产生峰值部位，由于以峰值追踪方式对频率轴进行变换来使频率一致，因此，即使进行了平均化，峰值部位的信号强度也不会变化。另外，在上述说明中，说明了对功率频谱分析结果的10次的量进行平均化的情况，但并不限于10次，只要对多次的量进行平均化即可。
侧带波提取部19根据经由平均化运算部18进行了平均化处理后的功率频谱分析结果，来提取出以电源频率为中心向两侧偏移了同一频率的位置所产生的峰值部位，以作为侧带波。关于侧带波的候补，选择峰值检测运算部15所得到的峰值部位作为候补。在以电源频率为中心，峰值部位仅产生在单侧的情况下，判定为不是侧带波，不进行提取。
谱峰串判定部20在侧带波提取部19所提取出的侧带波中不存在例如负载被皮带驱动时所产生的图7所示的谱峰串的情况下，判定为发生了皮带断开的负载异常。在判定为负载异常的情况下，由警报输出部21输出警报。
接着，基于图5对动作进行说明。负载异常检测装置7以规定时间间隔启动，并执行下述的处理。在步骤101中，由电流输入部10输入电流检测器4检测出的电动机5的电流。步骤102中，由电流变动运算部12运算从电流输入部10输入的电流的有效值(以下称为电流值)的偏差，并使用其运算结果，由FFT分析区间判定部13来判定电流是否为稳定状态。若判定结果是电流值的偏差为预先设定的阈值以上这样的不稳定状态(否)，则返回步骤101，并反复进行判定直到电流成为稳定状态为止。若电流为稳定状态(是)，则前进至步骤103。另外，关于阈值，例如，事先获取多个电动机的现场数据，根据该数据的电流偏差值(标准偏差)来选定偏差值较小的范围，将所选定的值设为阈值。作为具体的计算例，例如如图6所示那样，计算50次的偏差值，在以从小到大的顺序排列的序列中决定第5个较小的偏差值即0.8作为阈值(根据现场实验的结果)。另外，作为事先的现场数据的替代，也可以在电动机5中设置一定的学习期间，根据学习期间中获得的电流偏差值(标准偏差)，同样地进行计算。
在步骤103中，FFT分析部14使用所输入的电流值为稳定状态的区间的电流波形，对从0Hz到电源频率60Hz的两倍的频率120Hz的区间进行频率分析，并将其功率频谱分析结果传送给峰值检测运算部15。在步骤104中，峰值检测运算部15检测出功率频谱分析结果中所包含的所有峰值部位。步骤105中，旋转频带判定部16在所检测到的峰值部位内提取出位于旋转频带的峰值部位，决定旋转频带。在步骤106中，频率轴变换运算部17对所有的峰值部位的频率轴进行变换，以使检测到的旋转频带成为无负载时的旋转频带。步骤107中，重复进行10次步骤101到步骤106的动作，采集10个频率轴变换后的功率频谱分析结果。
步骤108中，平均化运算部18对所采集到的10个功率频谱分析结果进行平均化处理。步骤109中，侧带波提取部19着重关注经过平均化处理后的功率频谱分析结果的峰值部位，提取出侧带波。步骤110中，谱峰串判定部20通过比较峰值部位的个数及其位置关系，来判定在侧带波提取部19所提取出的侧带波中是否存在谱峰串存储部22所存储的图7所示的正常时的谱峰串，在存在与正常时相同个数的峰值部位产生在相同位置的谱峰串的情况下，设为负载没有发生异常(否)，并结束异常检测处理。另一方面，在侧带波提取部19所提取出的侧带波中没有图7所示的正常时的谱峰串的情况下(是)，则设为负载发生异常，向警报输出部21发送信号，并在步骤111中，由警报输出部21输出警报或通过异常灯的点亮等输出警报，然后结束处理。
另外，关于为了在谱峰串判定部20中进行使用而存储于谱峰串存储部22的图7所示的正常时的谱峰串，是在导入负载异常检测装置7时在负载正常的状态下求得的，一般而言，在利用电动机5对机器设备6进行皮带驱动的情况下，会因皮带的接缝的振动而产生图7所示的谱峰串，但在皮带被切断的情况下不会产生这种谱峰串，因此，根据一直在产生的谱峰串不再产生这一情况，能够检测出皮带的切断。
如上述说明的那样，通过对电流值稳定时的电流波形进行功率频谱分析，从而侧带波等峰值部位会可靠地出现。此外，通过实施平均化处理，能够使噪声等减少，从而进行更为准确的异常检测。并且，由于利用谱峰串的有无来判定异常的发生，因此，容易进行异常判定处理。
实施方式2.
图8是用于说明本发明实施方式2中负载异常检测装置在皮带发生了弯曲时的谱峰的说明图，图9是用于说明本发明实施方式2中负载异常检测装置在皮带发生了磨损时的谱峰的说明图。
上述实施方式1中，对皮带被切断时的谱峰串判定部20中的异常判定进行了说明，而在实施方式2中，对皮带经年老化时的谱峰串判定部20中的异常判定进行说明。
由于经年老化会导致皮带松弛，因此，皮带会发生弯曲，负载的转速发生偏差，产品品质恶化。若皮带发生了弯曲，则如图8所示那样除了皮带正常时产生的谱峰串以外，在以运行中的电源频率(图8中示出电源频率为50Hz的情况)为中心而产生的皮带正常时的谱峰串的内侧，将产生因皮带弯曲而导致的谱峰。在图2所示的谱峰串判定部20中，通过与谱峰串存储部22所存储的正常时的谱峰串进行比较，检测出因该皮带弯曲而新产生的谱峰，从而能够判定(检测)因皮带的弯曲老化而导致的异常。
由于经年老化会导致皮带发生磨损，之后若老化不断发展，则将导致皮带切断。在发生了皮带磨损的情况下，如图9所示那样在皮带正常时产生的谱峰串的谱峰与谱峰之间会新产生多个谱峰。在图2所示的谱峰串判定部20中，通过与谱峰串存储部22所存储的正常时的谱峰串进行比较，检测出这些因皮带磨损而新产生的多个谱峰，从而能够判定(检测)皮带切断之前的因皮带的磨损老化而引起的异常。
另外，其它部分与上述实施方式1中的说明相同，因此省略说明。
实施方式3.
在上述实施方式2中，对皮带经年老化时的谱峰进行了说明，但对于例如齿轮的咬合异常以及风扇的翅片异常等情况，在与正常时的谱峰串进行比较的情况下，虽然省略了图示，但与例如图8或图9所示的情况相同，也会新产生特殊的谱峰，因此，通过检测该特殊的谱峰，能够检测出负载的异常状态。
另外，本发明可以在该发明的范围内对各实施方式自由地进行组合，或对实施方式进行适当的变形、省略。
标号说明
1主电路，2布线用断路器，3电磁接触器，4电流检测器，5电动机，6机器设备，7负载异常检测装置，8额定信息输入部，9额定信息存储部，10电流输入部，11逻辑运算部，12电流变动运算部，13FFT分析区间判定部，14FFT分析部，15峰值检测运算部，16旋转频带判定部，17频率轴变换运算部，18平均化运算部，19侧带波提取部，20谱峰串判定部，21警报输出部，22谱峰串存储部。
Claims (4)
1.一种负载异常检测装置，其特征在于，包括：
检测并输入电动机的电流的电流输入部；在来自所述电流输入部的电流为稳定状态时对所述电流的功率频谱进行分析的FFT分析部；检测所述FFT分析部所求得的功率频谱的峰值的峰值检测运算部；对经由所述FFT分析部分析后的多次功率频谱进行平均化的平均化运算部；提取出经由所述平均化运算部平均化后的功率频谱的侧带波的侧带波提取部；以及在所述侧带波提取部所提取出的侧带波的谱峰串与正常时的侧带波的谱峰串不同时判定为异常的谱峰串判定部。
2.如权利要求1所述的负载异常检测装置，其特征在于，
所述平均化运算部在对多次功率频谱的频率轴进行变换并使基于旋转频带的峰值部位相一致的状态下进行平均化。
3.如权利要求1或2所述的负载异常检测装置，其特征在于，
所述谱峰串判定部在正常时一直在产生的侧带波的谱峰串不再产生时判定为异常。
4.如权利要求1或2所述的负载异常检测装置，其特征在于，
所述谱峰串判定部在正常时一直在产生的侧带波的谱峰之间产生了新的谱峰时判定为异常。
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