JP2011147317A - 交流電動機の監視装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電流振幅の影響を受け難く、検出精度の高い交流電動機の監視装置を得る。
【解決手段】共通の交流電源1に並列接続された複数の交流電動機3の異常を監視する監視装置であって、電圧検出手段6と、個別電流検出手段5と、全電流検出手段4と、電圧検出手段6、個別電流検出手段5及び全電流検出手段4の出力から各々の個別の電力及び全体の電力を演算する電力演算手段74と、電圧検出手段4、個別電流検出手段5及び全電流検出手段4の出力からそれぞれの実効値を演算する実効値演算手段75と、電力演算手段74と実効値演算手段75の出力から、全電流と前記個別電流の各々の位相差を演算する位相差演算手段77とで構成する。各々の位相差が交流電動機3によって定められた異常判定レベルを超えたとき、交流電動機3が異常であると判定する。
【選択図】図1

Description

本発明は、同期電動機例えばヒステリシスモータ、或いは非同期電動機例えば誘導電動機の運転状態を監視する交流電動機の監視装置に関する。
従来、共通の交流電源にヒステリシスモータを複数台並列接続し、負荷を駆動するシステムにおいては、個々のヒステリシスモータの状態監視を行い、異常となったヒステリシスモータを切離して、運転を継続するようにしている。
ヒステリシスモータの監視方法として所謂平均ベクトル差法が従来から使用されている。この方法は、各ヒステリシスモータの電流ベクトルを検出し、平均化した基準(平均電流ベクトル)と個々の電流ベクトルの差が予め設定された異常検出レベルを超過した場合にモータ異常と判断している(例えば特許文献1参照。)。またこの異常検出レベルは、各ヒステリシスモータの特性のバラツキにより、正常であるにも関わらず異常と判定されないように設定している。検出精度を向上するために、平均電流ベクトル差法では、監視グループ毎の基準ベクトルの補正を行なう(例えば特許文献2参照。)、或いは、監視する台数に応じて、異常検出するレベルを調整するようにしている(例えば特許文献3参照。)。
特開2000−092894号公報(全体) 特開2000−092895号公報(全体) 特開2000−253695号公報(全体)
ヒステリシスモータはモータ個々の特性のバラツキにより、電流値の変動が大きく、異常検出レベルを小さく設定できない。異常値検出レベルを小さく設定した場合、正常なヒステリシスモータが異常と判定される恐れがある。特許文献2乃至3で提案された平均電流ベクトル差法は、電流振幅のバラツキも考慮した監視方法を提案しているが、電流振幅のバラツキが大きい場合には限界があり、平均電流ベクトル差法の本質的な精度向上は困難であった。
本発明は上記問題に鑑みて為されたもので、電流振幅の影響を受け難く、検出精度の高い交流電動機の監視装置を提供することを目的としている。
前記目的を達成するために、本発明の第1の発明である交流電動機の監視装置は、共通の交流電源に対して並列接続された複数の交流電動機の異常を監視する交流電動機の監視装置であって、前記交流電源の電圧を検出する電圧検出手段と、前記各交流電動機の各々に流れる個別電流を検出する個別電流検出手段と、前記交流電動機全体に流れる全電流を検出する全電流検出手段と、前記電圧検出手段並びに前記個別電流検出手段及び前記全電流検出手段の出力から各々の個別の電力及び全体の電力を演算する電力演算手段と、前記電圧検出手段、前記個別電流検出手段及び前記全電流検出手段の出力からそれぞれの実効値を演算する実効値演算手段と、前記電力演算手段と前記実効値演算手段の出力から、前記全電流と前記個別電流の各々の位相差を演算する位相差演算手段とを備え、前記各々の位相差が前記交流電動機によって定められた異常判定レベルを超えたとき、前記交流電動機が異常であると判定することを特徴としている。
また、本発明の第2の発明である交流電動機の監視装置は、共通の交流電源に対して並列接続された複数の交流電動機の異常を監視する交流電動機の監視装置であって、前記交流電源の電圧を検出する電圧検出手段と、前記各交流電動機の各々に流れる個別電流を検出する個別電流検出手段と、前記個別電流検出手段の出力の平均値を検出する平均電流検出手段と、前記電圧検出手段並びに前記個別電流検出手段及び前記平均電流検出手段の出力から各々の個別の電力及び全体の電力を演算する電力演算手段と、前記電圧検出手段、前記個別電流検出手段及び前記平均電流検出手段の出力からそれぞれの実効値を演算する実効値演算手段と、前記電力演算手段と前記実効値演算手段の出力から、前記平均電流と前記個別電流の各々の位相差を演算する位相差演算手段とを備え、前記各々の位相差が前記交流電動機によって定められた異常判定レベルを超えたとき、前記交流電動機が異常であると判定することを特徴としている。
更に、本発明の第3の発明である交流電動機の監視装置は、共通の交流電源に対して並列接続された複数の交流電動機の異常を監視する交流電動機の監視装置であって、前記交流電源の出力電圧の位相を位相基準として設定する位相基準設定手段と、前記各交流電動機の各々に流れる個別電流を検出する個別電流検出手段と、前記交流電動機全体に流れる全電流を検出する全電流検出手段と、前記位相基準設定手段、前記個別電流検出手段及び前記全電流検出手段の各々の出力に基いて、前記全電流と前記個別電流の各々の位相差を演算する位相差演算手段とを備え、前記各々の位相差が前記交流電動機によって定められた異常判定レベルを超えたとき、前記交流電動機が異常であると判定することを特徴としている。
本発明によれば、電流振幅の影響を受け難く、検出精度の高い交流電動機の監視装置を提供することが可能となる。
本発明の実施例1に係る交流電動機の監視装置の回路構成図。 図1におけるU相の全電流、個別電流、線間電圧波形を示す図。 図1における電流ベクトルを示す図。 本発明の実施例2に係る交流電動機の監視装置の回路構成図。 本発明の実施例3に係る交流電動機の監視装置の回路構成図。 本発明の実施例4に係る交流電動機の監視装置の回路構成図。 本発明の実施例5に係る交流電動機の監視装置の回路構成図。 本発明の実施例6に係る交流電動機の監視装置の回路構成図。
以下、本発明に係る交流電動機の監視装置の実施例について図面を参照して説明する。以下の説明では、交流電動機としてヒステリシスモータを例に挙げて説明するが、これに限らず通常の同期電動機、或いは非同期電動機例えば誘導電動機であっても本発明の適用は可能である。
以下、本発明の実施例1に係る交流電動機の監視装置について図1乃至図3を参照して説明する。図1は本発明の実施例1に係る交流電動機の監視装置の回路構成図である。
共通の交流電源であるインバータ装置1は、個別開閉器2(21、22、・・・、2n)を介してヒステリシスモータ3(31、32、・・・、3n)に交流電力を供給して並列駆動している。インバータ装置1の出力電流は、全電流検出器4によって検出され、監視回路7に与えられる。また、個別開閉器2(21、22、・・・、2n)に流れる電流は、個別電流検出器5(51、52、・・・、5n)によって夫々検出され、監視回路7に与えられる。インバータ装置1の出力電圧は、電圧検出器6によって検出され、監視回路7に与えられる。監視回路7は上記の各電気量からヒステリシスモータ3(31、32、・・・、3n)の異常を判定し、必要に応じて異常と判定されたヒステリシスモータ3(31、32、・・・、3n)に対応する個別開閉器2(21、22、・・・、2n)を開放する。
以下、監視回路7の内部構成について説明する。
個別電流検出器5(51、52、・・・、5n)によって検出された個別電流は切替回路71に与えられ、切替回路71で選択されたヒステリシスモータ3k(k=1、・・・、n)の個別電流iukが保持回路72に与えられる。同様に全電流検出器4によって検出された全電流iuaと電圧検出器6によって検出された線間電圧Vuvも保持回路72に与えられる。保持回路72はこれ等の電気量を保持し、図2に示すような波形をAD変換回路73に与える。
AD変換回路73は、図2に示したようなサンプリング周期Tでこれ等の波形をデジタル値に変換し、例えば1周期分m個のサンプリングデータを電力演算回路74及び実効値演算回路75に与える。電力演算回路74においては全電力Pa及び個々のヒステリシスモータ3kの個別電力Pkを演算し位相差演算回路76に与える。また、実効値演算回路76においては線間電圧実効値Vua、全電流実効値Iua及び個別電流実効値Iukを演算によって求め位相差演算回路76に与える。
位相差演算回路76においては、これ等与えられた電気量から後述するような演算を行なうことによって全電流iuaと個別電流iukの位相差Δθkを求め、異常判定回路77に与える。異常判定回路77は、図3に示すように、位相差Δθkが所定の異常判定レベルであるプラスマイナスθ1以内であれば正常と判断する。
以下、上述した演算の詳細について数式を用いて説明する。
まず、電圧検出値Vuv、全電流Iuaと個別電流Iukは、式(1)乃至(3)に示したように平衡した正弦波とする。ここで位相θsは、θs=ωt(ω=2πf、fはインバータ装置1の出力周波数。)とする。
Vuv = Asinθs (1)
Iua = Bsin( θs + θa ) (2)
Iuk = Csin( θs + θk ) (3)
ここで、Aは電圧振幅、Bは全電流振幅、Cは個別電流振幅、θaは全電流Iuaの位相θsからの位相差であり、θkは個々のヒステリシスモータ3kに流れる個別電流iukの位相θsからの位相差である。
図2において、サンプリング時刻(回数)tk1、tk2、・・、tki、・・、tkmにおける上記諸量の検出値vuv、iua、iukは、式(4)乃至(6)で表わすことができる。ここで、kはヒステリシスモータ番号、iはサンプリング回数である。
vuv = Vuv(t= tki) ・・・(4)
iua = Iua(t= tki) ・・・(5)
iuk = Iuk(t= tki) ・・・(6)
次に、電力演算回路74により、全電力Paとヒステリシスモータの個別電力Pkをそれぞれ(7)式及び(8)式によって演算する。ここでmはサンプル数である。
Figure 2011147317
Figure 2011147317
更に実効値演算回路75により、電圧Vuv、全電流Iua、個別電流Iukの実効値をそれぞれ(9)式、(10)式及び(11)式で算出する。
Figure 2011147317
Figure 2011147317
Figure 2011147317
位相差演算回路76においては、全電力が(12)式によって得られることから(13)式によって位相差θaを求めることができる。
Figure 2011147317
Figure 2011147317
同様に個々のヒステリシスモータに供給される電力Pkと位相差θkもそれぞれ(14)式、(15))式から求めることができる。
Figure 2011147317
Figure 2011147317
そして、異常判定回路77において、全電流の位相差θaと個別電流の位相差θkの差Δθkを(16)式によって演算する。
Δθk=θa − θk ・・・(16)
図3に示すように、主にヒステリシスモータの特性から決定される異常判定位相差レベルをΔθlとすると、以下の(17)式が成立したとき、k番目のヒステリシスモータ3kが異常であると判定する。
|Δθk| > Δθl ・・・(17)
尚、上記における電流検出は、単相の電流を検出した場合であるが、2相電流検出を行った場合には、以下の(18)式から電力を算出し、(19)式より位相差θaを求める。
Figure 2011147317
Figure 2011147317
但しここで、Va=(Vuve+Vwve)/2、Ia=(Iuae+Iwua)/2である。
同様に3相電流検出を行った場合は、以下の(20)、(21)式より位相差θaを算出する。
Figure 2011147317
Figure 2011147317
但しここで、Va=(Vuve+Vwve)/2、Ia=(Iuae+Ivae+Iwua)/3である。
以上の(18)式乃至(21)式は全電力から全電流の位相差を演算する例であるが、個別電流の検出を2相または3相で行なった場合、各ヒステリシスモータの個別電力及び個別電流の位相差についても上記と同様に算出することが可能となることは明らかである。
以上述べた実施例1によれば、電流位相によってヒステリシスモータ3の異常を検出するようにしているので、電流振幅値のバラツキの影響を少なくし、異常検出精度の高いヒステリシスモータの監視装置を提供することができる。
図4は本発明の実施例2に係る交流電動機の監視装置の回路構成図である。
この実施例2の各部について、図1の本発明の実施例1に係る交流電動機の監視装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例2が実施例1と異なる点は、位相補正回路78と設定補正回路79を設け、異常判定回路77の判定条件を補正する構成とした点である。
図3に示したように、個々のヒステリシスモータの電流、力率のバラツキがあった場合、正常動作時であっても位相差△θkが発生する。従って、個々のヒステリシスモータの正常運転動作確認時等の位相差△θkをΔθ0kとして保存しておき、位相補正回路78の補正出力をΔθ0kとし、このΔθ0kを位相差△θkから減算して本来判定すべき位相差△θkとすることによって、個々のヒステリシスモータの特性バラツキを補正することができる。
設定補正回路79では、異常判定の異常検出レベル設定の補正値△θlrefを算出する。基準となる全電流は異常ヒステリシスモータも含めているので、監視するヒステリシスモ一夕3の台数により、(17)式の異常検出レベルΔθlは変化する。監視台数が少ない場合ほど、異常が発生したときの基準の変化は大きくなるので、例えば設定補正回路79の出力△θlrefは規定値△θlを稼動台数Nで除算した値(22)式とする。
Δθlref= Δθl/N ・・・(22)
以上によりこの実施例2におけるヒステリシスモータ3の異常判定式は、位相補正回路78と設定補正回路79の出力を反映することによって以下となる。
|Δθk − Δθ0k| > Δθl − Δθlref ・・・(23)
(23)式による異常判定は、右辺で個々のヒステリシスモータ3の電流、力率や検出器のバラツキを補正し、左辺で台数変化に対応した異常判定レベルを補正しているので、ヒステリシスモータ異常判定レベルの精度を向上する。尚、位相補正回路78及び設定補正回路79は、いずれか一方のみを用いる構成としても良い。
以上述べた実施例2によれば、ヒステリシスモータ3の特性、あるいは個別電流検出器5の個々のバラツキの補正、また監視するヒステリシスモータ3の台数による異常判定レベルの補正を行うので、更に検出精度の高い交流電動機の監視装置を提供できる。
図5は本発明の実施例3に係る交流電動機の監視装置の回路構成図である。
この実施例3の各部について、図4の本発明の実施例2に係る交流電動機の監視装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例3が実施例2と異なる点は、全電流検出器4に代えて個別電流検出器5(51、52、・・・、5n)の検出値の平均値を演算する平均回路710を設け、この平均回路710の出力を保持回路72に与える構成とした点である。
監視回路7は、平均回路710で求めた個別電流の平均値と個別電流検出値との電流位相差がヒステリシスモータ3kによって決められる異常判定レベルを超えた時、異常判定回路77によってヒステリシスモータ3kを異常と判定する。従ってこの場合、AD変換回路77の出力は全電流iuaに代えて平均電流iuavとなり、実効値演算回路の出力は全電流実効値Iuaに代えて平均電流実効値Iuavとなる。
実施例1及び2では、2種類の電流検出器(全電流検出器4と個別電流検出器5)を使用するので、電流検出器の定格等の違いによる検出誤差が発生する恐れがあるが、この実施例3では、1種類の電流検出器5のみを使用するので、上記検出誤差を小さくすることが可能となる。
図6は本発明の実施例4に係る交流電動機の監視装置の回路構成図である。この実施例4の各部について、図5の本発明の実施例3に係る交流電動機の監視装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例4が実施例3と異なる点は、HM選択回路711を設け、その出力を切替回路71及び平均回路710に与える構成とした点である。
HM選択回路711は、n台のヒステリシスモータ31、32、・・・、3nのうち監視対象となるヒステリシスモータ3kを選択する。そして、切替回路71がHM選択回路711で選択されたヒステリシスモータ3kの電流を保持回路72に与えているとき、平均回路710は、ヒステリシスモータ3kの電流を除く他の全ての個別電流の平均値を演算して保持回路72に与える。
このような構成によれば、実施例3が全てのヒステリシスモータ3の平均電流を基準としているのに対し、この実施例4は異常判定対象の1台のヒステリシスモータ3k以外のヒステリシスモータの平均電流を基準として異常判定を行なうことになる。
従って、監視対象のヒステリシスモータ3kが異常だった場合、平均電流の位相がこの異常なヒステリシスモータ3kの影響を受けることがなくなるのでより検出精度が向上する。
図7は本発明の実施例5に係る交流電動機の監視装置の回路構成図である。この実施例5の各部について、図4の本発明の実施例2に係る交流電動機の監視装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例5が実施例2と異なる点は、全電流検出器4に代えて位相基準回路712を設け、この出力を保持回路72に与える構成とした点、AD変換回路の出力の電圧信号に代えて上記位相基準の余弦信号を同相I演算回路74Aに与える構成とした点である。
全電流から算出した電力Paは、(7)式に示すように、電圧vuvと電流iuaと積算した値となっている。電圧vuvは(1)式から、vuv=Asinθsで表すことができる。正弦波の場合、実効値の√2倍が振幅となるので、振幅A=√2Vuveとなる。これを(13)式に代入すると、実効値Vuveを消去することができ、全電流の位相θaは下記(24)式で表わすことができる。同様に個別電流の位相θkも(25)式で表わすことができる。
Figure 2011147317
Figure 2011147317
(24)式及び(25)式の分子はそれぞれ全電流及び個別電流の位相基準と同相となる成分(Ia)及び(Ik)を示している。そしてこれ等は同相I演算回路74Aで演算されて位相差演算回路76に与えられる。そして位相差演算回路76によって(24)式及び(25)式が演算され、結果として位相差Δθk
を求めることが可能となる。
以上より、電源周波数(インバータ装置1の出力電圧)と同じ位相基準θsを位相基準回路712から出力することにより、電圧検出器8を省略することが可能となる。
尚、同相I演算回路74A、実効値演算回路75は必ずしも独立して設ける必要はなく、位相差演算回路76にこれ等の機能を統合させるように構成しても良い。
図8は本発明の実施例6に係る交流電動機の監視装置の回路構成図である。この実施例6の各部について、図1の本発明の実施例1に係る交流電動機の監視装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例6が実施例1と異なる点は、ヒステリシスモータ3のうち組をなす複数のヒステリシスモータ3(31と32、3n−1と3nなど)の合成電流を個別電流検出器で検出する構成とした点である。
図1の実施例1の場合は、個別電流検出器5で検出するヒステリシスモータは1台であるが、図8の実施例6の場合は、例えば2台のヒステリシスモータの監視を一括して行っている。電流位相差による異常検出は従来の絶対値による検出に比べて、精度を向上できるので、複数のヒステリシスモータの同相の電線を一括して、個別電流検出器5に貫通させることにより、複数台の一括検出が可能となる。この実施例による異常監視は、組を構成するヒステリシスモータの少なくとも何れか1台が異常となったことを検出する。図8では一括検出の台数を2台としているが、台数増加による検出精度の低下が問題とならない場合は、2台以上の検出も可能となる。
このように実施例6によれば、個別電流検出器5の数量を減らして組を構成する複数台のヒステリシスモータの異常監視を行なうことが可能となる。
以上説明した実施例1乃至実施例6は、必要に応じてこれ等を組み合わせて実施しても良いことは明らかである。
1 インバータ装置
2(21、22、・・・、2n) 個別開閉器
3(31、32、・・・、3n) ヒステリシスモータ
4 全電流検出器
5(51、52、・・・、5n) 個別電流検出器
6 電圧検出器
7 監視回路
71 切替回路
72 保持回路
73 AD変換回路
74 電力演算回路
74A 同相I演算回路
75 実効値演算回路
76 位相差演算回路
77 異常判定回路
78 位相補正回路
79 設定補正回路
710 平均値回路
711 HM選択回路
712 位相基準回路

Claims (7)

  1. 共通の交流電源に対して並列接続された複数の交流電動機の異常を監視する交流電動機の監視装置であって、
    前記交流電源の電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記各交流電動機の各々に流れる個別電流を検出する個別電流検出手段と、
    前記交流電動機全体に流れる全電流を検出する全電流検出手段と、
    前記電圧検出手段並びに前記個別電流検出手段及び前記全電流検出手段の出力から各々の個別の電力及び全体の電力を演算する電力演算手段と、
    前記電圧検出手段、前記個別電流検出手段及び前記全電流検出手段の出力からそれぞれの実効値を演算する実効値演算手段と、
    前記電力演算手段と前記実効値演算手段の出力から、前記全電流と前記個別電流の各々の位相差を演算する位相差演算手段と
    を備え、
    前記各々の位相差が前記交流電動機によって定められた異常判定レベルを超えたとき、前記交流電動機が異常であると判定することを特徴とする交流電動機の監視装置。
  2. 共通の交流電源に対して並列接続された複数の交流電動機の異常を監視する交流電動機の監視装置であって、
    前記交流電源の電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記各交流電動機の各々に流れる個別電流を検出する個別電流検出手段と、
    前記個別電流検出手段の出力の平均値を検出する平均電流検出手段と、
    前記電圧検出手段並びに前記個別電流検出手段及び前記平均電流検出手段の出力から各々の個別の電力及び全体の電力を演算する電力演算手段と、
    前記電圧検出手段、前記個別電流検出手段及び前記平均電流検出手段の出力からそれぞれの実効値を演算する実効値演算手段と、
    前記電力演算手段と前記実効値演算手段の出力から、前記平均電流と前記個別電流の各々の位相差を演算する位相差演算手段と
    を備え、
    前記各々の位相差が前記交流電動機によって定められた異常判定レベルを超えたとき、前記交流電動機が異常であると判定することを特徴とする交流電動機の監視装置。
  3. 監視対象の交流電動機を選択する交流電動機選択手段を更に備え、
    前記平均電流検出手段は、
    前記交流電動機選択手段によって選択された交流電動機を除く前記交流電動機の前記個別電流検出手段の出力の平均値を求めるようにしたことを特徴とする請求項2に記戴の交流電動機の監視装置。
  4. 共通の交流電源に対して並列接続された複数の交流電動機の異常を監視する交流電動機の監視装置であって、
    前記交流電源の出力電圧の位相を位相基準として設定する位相基準設定手段と、
    前記各交流電動機の各々に流れる個別電流を検出する個別電流検出手段と、
    前記交流電動機全体に流れる全電流を検出する全電流検出手段と、
    前記位相基準設定手段並びに前記個別電流検出手段及び前記全電流検出手段の出力に基いて、前記全電流と前記個別電流の各々の位相差を演算する位相差演算手段と
    を備え、
    前記各々の位相差が前記交流電動機によって定められた異常判定レベルを超えたとき、前記交流電動機が異常であると判定することを特徴とする交流電動機の監視装置。
  5. 前記交流電動機及び前記個別電流検出手段の特性のばらつきにより発生する個別電流位相差を補正する補正手段を設け、前記個別電流の各々の位相差の補正を行なうようにしたことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記戴の交流電動機の監視装置。
  6. 前記交流電動機の運転台数に応じて前記異常判定レベルを補正する設定補正手段を有することを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記戴の交流電動機の監視装置。
  7. 前記個別電流検出手段は、
    前記交流電動機のうち、組をなす複数の交流電動機に流れる電流の和を検出するようにし、
    前記各々の位相差が前記交流電動機の組によって定められた異常判定レベルを超えたとき、前記交流電動機の組に属するいずれかの交流電動機が異常であると判定することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記戴の交流電動機の監視装置。
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