JP2005049178A

JP2005049178A - 電動機駆動系における故障検出診断システム

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Publication number: JP2005049178A
Application number: JP2003205180A
Authority: JP
Inventors: Hisae Nakamura; 久栄中村; Tatsuya Suzuki; 達也鈴木; Shigeru Okuma; 繁大熊
Original assignee: Toenec Corp
Current assignee: Toenec Corp
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】電動機及び電動機を駆動制御する電気回路の故障の発生を検出するとともに、発生した故障を特定することができる電動機駆動系における故障検出診断システムを提供することを課題とする。
【解決手段】電動機２の駆動トルクに対応したトルク電流がベクトルコントロール回路７で生成されている状態で、電動機２や電気回路３で故障が発生した場合、故障検出部９は、トルク電流に重畳された故障信号に基づいて故障の発生を検出する。また、故障診断部１１は、故障信号が有する特徴量に基づいて当該故障を特定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機及び電動機を駆動制御する電気回路の故障の発生を検出したうえ、発生した故障を特定する電動機駆動系における故障検出診断システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電動機の故障を検出するためのシステムとして、特開２０００−５１３０９７号公報に記載された「電気モータ用のモデルベースの故障検出システム」がある（特許文献１参照）。このシステムは、監視対象となる電気モータ系に故障が発生した場合に、その故障の発生を検出するものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−５１３０９７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の「電気モータ用のモデルベースの故障検出システム」は、故障の発生を検出することは可能であるが、発生した故障を特定することはできない。そのため、発生した故障を特定するためには、点検担当者が電気モータ系を人為的に点検して故障箇所を特定することが必要となる。
【０００５】
そこで本発明では、電動機及び電動機を駆動制御する電気回路の故障の発生を検出するとともに、発生した故障を特定することができる電動機駆動系における故障検出診断システムを提供することを解決すべき課題とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、特許請求の範囲の欄に記載した電動機駆動系における故障検出診断システムにより解決することができる。
【０００７】
請求項１記載の電動機駆動系における故障検出診断システムによれば、電動機が駆動されている場合の駆動トルクに対応したトルク電流が生成されている状態で、電動機や電気回路に故障が発生した場合、特定の周波数を含む特徴量を有する故障信号がトルク電流に重畳されるため、故障信号が重畳された状態のトルク電流に基づいて電動機や電気回路に故障が発生したことが故障検出手段により検出される。故障の発生が検出されると、故障診断手段は、故障信号が有する特徴量に基づいて当該故障を特定する。これにより、電動機及び電動機を駆動制御する電気回路の故障の発生を検出するとともに、発生した故障を特定することができる。
尚、故障信号が有する特徴量とは、故障信号の周波数、振幅、位相、又はそれらの変化量や変化率などの定量的なデータをいい、特定の周波数と振幅の組み合わせ、あるいは特定の周波数と振幅及び位相の組み合わせを対象とする。但し、特定の周波数のみを対象とする場合もある。
【０００８】
請求項２記載の電動機駆動系における故障検出診断システムによれば、トルク電流に複数の故障信号が重畳されている場合でも、信号処理手段は、それぞれの故障信号を分離することができるため、例えば複数の故障が同時的に発生した場合でも、それぞれの故障を特定することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、電動機２及び電動機２を駆動制御する電気回路３の故障の発生を検出したうえ、発生した故障を特定するための電動機駆動系における故障検出診断システム１の全体的な構成を示した回路ブロック図である。
図１に示すように、３相式の電動機２を駆動制御するための電気回路３の一部としてインバータ回路４が設けられている。インバータ回路４は、６個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６と６個のフライホイールダイオードＤ１〜Ｄ６で構成されており、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６をオン、オフさせる制御により電動機２に相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを流し、電動機２を駆動するものである。
【００１０】
また、電気回路３の一部として上記インバータ回路４に直流電源を供給するためのコンバータ回路５が設けられている。コンバータ回路５は、３相交流電源６から供給された３相交流電流を直流に整流するためのダイオードＤ１ｃ〜Ｄ６ｃを有しており、整流された直流電流はコンデンサＣｏに通電され、所要の直流電圧まで充電される。このコンデンサＣｏに充電された直流電圧は前記インバータ回路４に供給される。
【００１１】
ベクトルコントロール回路７は、電動機２に通電されている相電流Ｉｕ，Ｉｖを検知するとともに、電動機２の回転角度を検知するエンコーダ８から出力された回転角度信号θを入力するものである。このベクトルコントロール回路７は、電動機２の所要の駆動トルクに対応した相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが電動機２に通電されるように参照電流Ｉｒｅｆを決定するとともに、上記駆動トルクに対応したトルク電流を生成し、そのトルク電流７ａを信号の形態で後述する故障検出部９に出力する。尚、上記エンコーダ８から出力された回転角度信号θは故障検出部９にも入力される。
【００１２】
上記のベクトルコントロール回路７に接続されているＰＷＭコントローラ１０は、上記参照電流Ｉｒｅｆに基づいてベクトルコントロール回路７から出力された駆動制御信号７ｂを入力し、インバータ回路４の６個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６をパルス幅変調制御（パルスワイドモジュレーションコントロール）によりオン・オフさせることによって電動機２に相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを通電させ、電動機２を駆動させる。
【００１３】
次に、故障検出部９について説明する。
故障検出部９は、前述のようにベクトルコントロール回路７から出力されたトルク電流７ａと、エンコーダ８から出力された回転角度信号θとを入力し、電動機２や電気回路３が故障していない場合、故障信号ｒ＝０、故障している場合、故障信号ｒ≠０と仮定し、この仮定を満たすように設計されているもので、故障検出部９に示されているＮ及びＤは電動機２の伝達関数モデルから導出される伝達関数である。また、故障検出部９のＱｆは検出したい故障信号が持つ特定周波数のみを通過させるフィルタのような役目をするフリーパラメータである。
【００１４】
尚、上記のように故障検出部９から出力された故障信号ｒは、ノイズの影響を受けていたり、複数の故障が同時的に発生した場合、複数の周波数を含んでいることがある。このような場合、図示していない、例えば高速フーリエ変換、逆高速フーリエ変換、窓フーリエ変換、ウエーブレット変換、ファジー、ニューラルネットワーク、あるいは隠れマルコフモデル等の信号処理手段を用いてそれぞれの特定周波数の故障信号を明確に分離することができる。尚、この信号処理手段は故障診断部１１に内蔵させてもよい。
【００１５】
故障検出部９に接続されている故障診断部１１は、故障検出部９から出力された故障信号ｒの特徴量に基づいて故障を特定するものである。尚、本発明の発明者の研究により、電動機２や電気回路３で発生したそれぞれの故障は電動機２の駆動トルクに作用し、その故障信号が、前述の駆動トルクに応じて生成されたトルク電流に重畳されることが分かった。また、それぞれの故障信号は特定の周波数を持つことも分かった。そこで、例えばコンピュータを用いた故障診断部１１は、電動機２や電気回路３で発生するそれぞれの故障に対応した故障信号の特徴量を予め記憶させている。そして、故障検出部９から出力された故障信号ｒの特徴量と予め記憶させておいたそれぞれの故障信号の特徴量とを対比することによって故障を診断し、特定する。尚、具体的な故障診断手段としては、ニューラルネットワーク、あるいは隠れマルコフモデルを用いる。また、上記故障信号の特徴量とは、故障信号の周波数、振幅、位相、又はそれらの変化量、変化率などの定量的なデータをいい、特定の周波数と振幅の組み合わせ、あるいは特定の周波数と振幅及び位相の組み合わせを対象とする。但し、特定の周波数のみを対象とする場合もある。
【００１６】
次に、前記電動機２や電気回路３における数例の故障の検出及び診断について説明する。
図１に示したインバータ回路４において、例えばトランジスタＴｒ１がオンしなくなるトランジスタベースドライブオープン故障が発生した場合、電動機２の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、図２に示すように、故障発生（０．４０秒時）後、Ｕ相電流Ｉｕは上半分が消える。また、ベクトルコントロール回路７から出力された前述のトルク電流７ａは、図３に示すように、故障発生（０．４０秒時）後、特徴ある故障信号が重畳された状態に変化する。即ち、トランジスタベースドライブオープン故障が発生した場合、電動機駆動に必要な駆動トルクに、足し算の形で作用する加法的故障信号としてモデル化される。これにより、故障検出部９から出力された故障信号ｒは、トランジスタベースドライブオープン故障が発生した場合の特定の周波数を有する信号となる。
【００１７】
上記のようにトランジスタベースドライブオープン故障が発生した場合の特定の周波数を含む特徴量を有する故障信号が故障検出部９から出力されると、故障診断部１１は、予め記憶させておいたトランジスタベースドライブオープン故障の故障信号の特徴量と対比することによって、その故障を特定する。
【００１８】
次に、電動機２の回転軸と固定子の間に取り付けられているベアリングが焼付けを起した場合の故障について説明する。
上記ベアリングで焼付けが発生すると、電動機２の回転子は、それまでの円滑な回転が妨げられ、時間の経過とともに駆動トルクを妨げる力が強くなり、最後には回転子がロックされた状態になる。これにより、電動機２の駆動に必要な駆動トルクは、図４に示すように次第に大きくなる。即ち、この焼付けにより発生する故障信号は、時間的にゆっくりと変化する信号であるため、低い周波数帯域を有するものである。この故障信号も、電動機駆動に必要な駆動トルクに、足し算の形で作用する加法的故障信号としてモデル化される。
【００１９】
上記のようにベアリング焼付故障が発生した場合の特定の周波数を含む特徴量を有する故障信号が故障検出部９から出力されると、故障診断部１１は、予め記憶させておいたベアリング焼付故障の故障信号の特徴量と対比することにより、その故障を特定する。
【００２０】
次に、電動機２が、かご型誘導電動機である場合の回転子を構成するバーが折れたときの故障について説明する。
いま、かご型誘導電動機の稼動中に一本のバーが折れた場合、図５及び図６に示すように、故障発生（０．４０秒時）後、電動機２の回転速度と駆動トルクに対して特定の周波数を持った故障信号が重畳された状態になる。即ち、かご型誘導電動機の稼動中にバーの一本でも折れた場合に発生する故障信号も、電動機駆動に必要な駆動トルクに足し算の形で作用する加法的故障信号としてモデル化することができる。
【００２１】
上記のようにかご型誘導電動機の稼動中にバーが折れた場合の特定の周波数を含む特徴量を有する故障信号が故障検出部９から出力されると、故障診断部１１は、予め記憶させておいたバー折れ故障の故障信号の特徴量と対比することによって、その故障を特定する。
【００２２】
次に、前述のコンバータ回路５のダイオードＤ１ｃ〜Ｄ６ｃのどれかがショートした場合の故障について説明する。
いま、コンバータ回路５のダイオードＤ１ｃでショート故障が発生した場合、前述のトルク電流が図７に示すように故障発生（０．３秒時）後、前述のトルク電流が脈動する。尚、そのトルク電流の脈動周波数は電源６の周波数と同じである。
このように、コンバータ回路５のダイオードでショート故障が発生した場合の故障信号も、電動機駆動に必要な駆動トルクに足し算の形で作用する加法的故障信号としてモデル化することができる。
【００２３】
上記のようにコンバータ回路５のダイオードでショート故障が発生した場合の特定の周波数を含む特徴量を有する故障信号が故障検出部９から出力されると、故障診断部１１は、予め記憶させておいたコンバータ回路５のダイオードショート故障信号の特徴量と対比することによって、その故障を特定する。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、電動機及び電動機を駆動制御する電気回路の故障の発生を検出するとともに、発生した故障を特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の全体的な構成を示した回路ブロック図である。
【図２】電動機の相電流の波形図である。
【図３】インバータ回路のトランジスタオープンドライブ故障時に、故障信号がトルク電流に重畳された状態の波形図である。
【図４】電動機の回転軸と固定子の間に取り付けられているベアリングが焼付けを起した場合に、その故障が駆動トルクに作用する状態を示した波形図である。
【図５】かご型誘導電動機の稼動中にバーが折れた場合に、その故障が電動機２の回転速度に対して影響する状態を示した波形図である。
【図６】かご型誘導電動機の稼動中にバーが折れた場合に、電動機２の駆動トルクに対して特定の周波数を持った故障信号が重畳された状態を示した波形図である。
【図７】コンバータ回路のダイオードでショート故障が発生した場合に、特定の周波数を有する故障信号がトルク電流に重畳された状態を示した波形図である。
【符号の説明】
１電動機駆動系における故障検出診断システム
２電動機
３電気回路
４インバータ回路
５コンバータ回路
６交流電源
７ベクトルコントロール回路
８エンコーダ
９故障検出部
１０ＰＷＭコントローラ
１１故障診断部

Claims

電動機及び電動機を駆動制御する電気回路の故障の発生を検出したうえ、発生した故障を特定する電動機駆動系における故障検出診断システムであって、
前記電動機の駆動トルクに対応したトルク電流を生成するとともに前記電動機や前記電気回路に故障が発生した場合に当該電動機及び当該電気回路それぞれの故障に対応した特徴量を有する故障信号を前記トルク電流に重畳する信号重畳手段と、前記故障信号が重畳された状態のトルク電流に基づいて前記電動機や前記電気回路に故障が発生したことを検出する故障検出手段と、前記故障検出手段により前記故障の発生が検出された場合に前記故障信号が有する特徴量に基づいて当該故障を特定する故障診断手段とを備えたことを特徴とする電動機駆動系における故障検出診断システム。
前記トルク電流に複数の故障信号が重畳されている場合に、それぞれの故障信号を分離するための信号処理手段を有することを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動系における故障検出診断システム。