JP2015215275A - 劣化診断システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で劣化診断を行うことができる劣化診断システムを提供することを目的とする。【解決手段】上記の課題を解決するために、Ｎ相回転機（Ｎは自然数）の劣化を診断する劣化診断システムであって、回転機３における少なくとも（Ｎ−１）相の引き出し線それぞれに取り付けられて、複数の劣化要因に起因する電流振幅を検出可能な第１の電流センサ７ａ，７ｂと、回転機３における全ての相の引き出し線に一括して取り付けられて、複数の劣化要因に起因する電流振幅を検出可能な第２の電流センサ６と、を備えることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、モータや発電機といった回転機における軸受や絶縁等の劣化診断システムに関するものである。

モータや発電機といった回転機が突発故障により停止すると、大きな損害が発生する。特に工場設備等に用いられる高圧モータの突発故障による停止は、生産設備の稼働率低下や生産計画の見直しを余儀なくされるなど、影響が大きい。高圧モータの故障原因としては、約40％が軸受の劣化、約25％が固定子巻線絶縁の劣化であるとの調査結果がある。また省エネのため、インバータによる可変速駆動が高圧モータにまで普及傾向であり、インバータサージによる絶縁劣化加速、軸受電食による軸受劣化加速という問題が発生している。この傾向はSiC(炭化ケイ素)などの新材料を用いた半導体デバイスの登場によって一層顕著になると見込まれている。そのため運転状態における高精度な軸受及び絶縁劣化診断を実現し、モータや発電機の突発故障を防止するニーズが高まっている。

そのようなニーズを受けて、例えば特許文献１では、給電線に電流センサを設置することで、運転中における部分放電の最大放電電荷量を運転状態において自動的に測定する技術が開示されている。また特許文献２では、計測した零相電流の高調波成分を活用して、各相の絶縁抵抗値を演算する技術が開示されている。さらに特許文献３では、予め設定した異常周波数及び異常電流値と実測値とを比較することで、モータに接続された機械の異常を検知する技術が開示されている。

特開平６−１３８１６８号 特開２０１３−１３０４４０号 特開２００７−２８８８２９号

しかし上記各従来技術は個々の異なる診断要因を対象としており、仮に全ての診断事項をカバーする診断システムを構成しようとした場合、診断事項毎にセンサ群を取り付ける必要があり、センサ数が多くなることにつながる。これは、例えばコスト上昇にも繋がる。

本発明は、簡素な構成で劣化診断を行うことができる劣化診断システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る劣化診断システムは、Ｎ相回転機（Ｎは自然数）の劣化を診断する劣化診断システムであって、前記回転機における少なくとも（Ｎ−１）相の引き出し線それぞれに取り付けられて、複数の劣化要因に起因する電流振幅を検出可能な第１の電流センサと、前記回転機における全ての相の引き出し線に一括して取り付けられて、複数の劣化要因に起因する電流振幅を検出可能な第２の電流センサと、を備えることを特徴とする

本発明によれば、簡素な構成で劣化診断を行うことができる劣化診断システムを提供することが可能になる。

本発明の第１の実施例による劣化診断システムの構成図。 回転機の固定子巻線電流の周波数スペクトルの概念図。 本発明の第２の実施例による劣化診断システムの構成図。 本発明の第３の実施例による劣化診断システムの構成図。 本発明の第４の実施例による劣化診断システムの構成図。 本発明の第５の実施例による劣化診断システムの構成図。 本発明の第６の実施例による劣化診断システムの構成図。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。発明者らは、下記実施例で示すごとく、軸受劣化兆候が固定子巻線電流の低周波領域に現れる一方で、絶縁劣化兆候が固定子巻線電流の高周波領域に現れるという、診断したい部位毎に信号の周波数帯域が異なることに着目した。広帯域を有する電流センサを利用し、その電流センサの検出結果を複数の劣化要因に起因する診断で共用することで、電流計測だけで軸受劣化兆候と固定子巻線絶縁の劣化兆候を同時監視する。絶縁劣化兆候としては、絶縁材を介して流れる漏れ電流、及び絶縁材中で発生する部分放電パルスを計測する。

広帯域を有する電流センサを利用し、その電流センサの検出結果を複数の劣化要因に起因する診断で共用することで、１つのセンサに複数の診断機能を持たせることが出来る。これにより、運転状態における高精度な軸受及び絶縁と言ったものの劣化診断を、簡素な構成で、更に具体的にはより少ないセンサ数で実現することができる様になる。

尚、以下ではモータを用いて説明するが、発電機の場合は電力の流れる向きが逆になる（具体的には、電源から電力を供給されるか、または発電電力を外部に供給するかと言った点で電力の流れる向きが互いに逆になる）だけで、同様の形態で実施可能である。また三相回転機を例にして説明しているが、三相を含めたＮ相回転機（Ｎは自然数）に一般化可能である。

下記はあくまでも実施例であり、本発明の実施態様を限定することを意図する趣旨ではなく、種々の置換や変形等が可能であることは言うまでもない。

図１は、本発明の軸受及び絶縁劣化診断システムの第１の実施例を示す構成図である。電源１から給電線２ａ、２ｂ、２ｃを介してモータ３に電力が供給されており、モータ３には負荷機械４が接続されている。ここでは給電線を３本利用する三相モータの場合を示したが、異なる相数であってもよい。第１の電流センサは、回転機における少なくとも（Ｎ−１）相の引き出し線それぞれに取り付けられる。本実施例では三相モータを使用しており、二相分の引き出し線のそれぞれに、第１の電流センサ７ａ、７ｂが取り付けられている。また回転機における全ての相の引き出し線に一括して、第２の電流センサ６が取り付けられている。さらに各相の引き出し線に設けられている接地線に一括して、第３の電流センサ５が取り付けられている。

図２に概念図を示すように、電流計測で得た固定子巻線電流の周波数スペクトルにおいて、軸受劣化兆候は、モータ回転数及び軸受構造で決定される、主に１０Ｈｚから１ｋＨｚまでの周波数領域に現れる。一方、固定子巻線の絶縁材を介して流れる漏れ電流は、インバータ出力電圧に含まれる基本波成分から高周波成分までに対応して、主に５０Ｈｚから１ＭＨｚまでの周波数領域に現れる。そして絶縁材中で発生する部分放電パルスの信号は、短時間で終了する現象のため、主に１ＭＨｚから１００ＭＨｚ、もしくはそれ以上の高周波領域に現れる。第２の電流センサ６と第１の電流センサ７ａ、７ｂの計測値の合算との差分を取ることで、第１の電流センサ７ａ、７ｂを取り付けていない一相の電流値を導出することができ、それは軸受劣化診断に使用される。一方、第２の電流センサ６は、モータ内部の絶縁材中で発生した部分放電パルスが、引き出し線を流れていくのを計測するほか、固定子巻線の絶縁材を介して流れる漏れ電流を計測するのに使用される。さらに第３の電流センサ５は、モータ内部の絶縁材中で発生した部分放電パルスが、接地線を経由して大地に流れていくのを計測するために使用される。最後に第１の電流センサ７ａ、７ｂは、モータ内部の絶縁材中で発生した部分放電パルスの計測、及び相電流の計測に基づく軸受劣化診断に使用される。そのため第１の電流センサ７ａ、７ｂ及び第２の電流センサ６には、少なくとも１０Ｈｚから１０ＭＨｚまでを包含する周波数帯域、好ましくは０Ｈｚ（直流でも感度を有することを意味）から１００ＭＨｚまで（を包含する）周波数帯域にて感度を有するものを用いている。

（少なくともいずれかの）電流センサによる計測データは、電流分析器８にて分析され、軸受劣化兆候及び絶縁劣化兆候に関わる情報に変換され、情報伝達装置１０にてユーザに伝達される。情報伝達装置１０は、例えばディスプレイやランプ等の視覚に訴える装置でもよいし、ブザー等の聴覚に訴える装置でもよい。また劣化診断システムは軸受劣化兆候及び絶縁劣化兆候に関わる情報を組み合わせて予兆診断を行うことも可能である。

電流分析器８は、各電流センサ（後述の実施例の様に他の電流センサが増えた場合も同様）からの検出信号を周波数分離して周波数帯毎に異なる処理を行う情報処理回路（例えば、マイコン回路）を備えているのが望ましい。

軸受劣化兆候は、例えば第１の電流センサ７ａ、７ｂ及び第２の電流センサ６で計測された電流値から各相電流の二乗和を演算し、それをフーリエ展開して得た１０Ｈｚから１ｋＨｚまでの周波数帯域におけるスペクトルの、健全時に取得したスペクトルとの差分として検出される。ここでは上記の例を一例として挙げたが、１０Ｈｚから１ｋＨｚまでの周波数帯域に現れる、健全時との相違を抽出できるものであれば、他の検出方法でもよい。

一方、絶縁劣化兆候は、例えば第２の電流センサ６で計測される零相電流の値と、前記電源により前記モータに印加される各相電圧の合計値とをそれぞれフーリエ展開し、同一の周波数成分同士の比較から、絶縁部材の静電容量と絶縁抵抗(誘電損失の寄与を含む)、あるいは誘電正接（tanδ）を導出することで得られる。ここでは上記の例を一例として挙げたが、零相電流の主に５０Ｈｚから１ＭＨｚまでの周波数領域に現れる、健全時との相違を抽出できるものであれば、他の検出方法でもよい。

最後に部分放電パルスは、第３の電流センサ５で計測した電流パルスの極性と、第１の電流センサ７ａ、７ｂ及び第２の電流センサ６で計測した電流パルスの極性とを比較し、その結果から前記モータ側から伝搬した１つのパルスと判断される電流パルスのみを、モータ内部の絶縁材中で発生した部分放電パルスとして認定する。第３の電流センサ５は、１ＭＨｚ以上の周波数帯域で電流振幅を検出出来ることが望ましい。

本実施例における劣化診断システムでは、少なくとも（Ｎ−１）相の引き出し線それぞれに取り付けられる第１の電流センサと、回転機における全ての相の引き出し線に一括して取り付けられる第２の電流センサを備えており、両電流センサに（広帯域を検出可能とすることで）複数の劣化要因に起因する電流振幅を検出可能なものを用いている。これにより、軸受劣化や絶縁劣化と言った劣化診断を、簡素な構成で実現することができる。

また本実施例における利点を以下の様に表現することも可能である。即ち、少なくとも（Ｎ−１）相の引き出し線それぞれに取り付けられる第１の電流センサと、回転機における全ての相の引き出し線に一括して取り付けられる第２の電流センサを備えており、少なくとも１０Ｈｚから１０ＭＨｚまでの周波数帯域で電流振幅を検出する様にしている。これにより、軸受劣化や絶縁劣化と言った劣化診断を、簡素な構成で実現することができる。

図２に示す様に、劣化要因に応じて電流振幅が生ずる周波数帯域が異なる。両電流センサに複数の劣化要因に起因する電流振幅を検出可能なものを用いることで、または少なくとも１０Ｈｚから１０ＭＨｚまでの周波数帯域で電流振幅を検出する電流センサを用いることで、より少数のセンサで複数の事象に基づく劣化診断を行えるようになる。

図３は、本発明の軸受及び絶縁劣化診断システムの第２の実施例を示す構成図である。実施例１との相違点は、第１の電流センサ７ａ、７ｂ、７ｃが全ての相の給電線に取り付けられている点である。このような構成にすることで、第１の電流センサの計測値と第２の電流センサ６の計測値との差分を取らなくても、全ての相の電流値を導出できるため、電流計測の確実性を向上させることができる。それ以外の点については、実施例１と基本的に同様である。

図４は、本発明の軸受及び絶縁劣化診断システムの第３の実施例を示す構成図である。実施例２との相違点は、第２の電流センサ６が除去されている点である。この場合、実施例１にて第２の電流センサ６が担っていた零相電流の計測は、第１の電流センサ７ａ、７ｂ、７ｃによって代替される。零相電流は負荷電流に比べて小さいため、第１の電流センサ７ａ、７ｂ、７ｃのダイナミックレンジが十分広い必要があるが、この構成にすることでセンサシステムを小型化できる。それ以外の点については、実施例２と基本的に同様である。

図５は、本発明の軸受及び絶縁劣化診断システムの第４の実施例を示す構成図である。実施例１との相違点は、モータ３の各相の固定子巻線の両端がモータ３外に引き出されており、各相の固定子巻線に関して、引き出された両線を囲んで第４の電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃが取り付けられている点である。第４の電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃは、各相の固定子巻線の絶縁材を介して流れる漏れ電流をより直接的に計測することができるので、第２の電流センサ６と併用することで、絶縁劣化兆候をより確実に捉えることが可能になる。それ以外の点については、実施例１と概ね同様である。

図６は、本発明の軸受及び絶縁劣化診断システムの第５の実施例を示す構成図である。実施例４との相違点は、第１の電流センサ７ａ、７ｂ、７ｃが全ての相の給電線に取り付けられている点である。このような構成にすることで、第２の電流センサ６の計測値と第１の電流センサの計測値の差分を取らなくても、全ての相の電流値を導出できるため、電流計測の確実性を一層向上させることができる。それ以外の点については、実施例４と基本的に同様である。

図７は、本発明の軸受及び絶縁劣化診断システムの第６の実施例を示す構成図である。実施例５との相違点は、第２の電流センサ６が除去されている点である。実施例３と異なり、前記第４の電流センサの計測値の合計は前記第２の電流センサの計測値と原理的にほぼ一致するため、前記第４の電流センサが前記第２の電流センサの機能を代替できる。したがって前記第１の電流センサのダイナミックレンジに対する要求も厳しくならないという特長を有する。それ以外の点については、実施例５と基本的に同様である。

１ 電源
２ａ、２ｂ、２ｃ 給電線
３ モータ
４ 負荷機械
５ 第３の電流センサ
６ 第２の電流センサ
７ａ、７ｂ、７ｃ 第１の電流センサ
８ 電流分析器
９ａ、９ｂ、９ｃ 第４の電流センサ
１０ 情報伝達装置

Claims (11)

1. Ｎ相回転機（Ｎは自然数）の劣化を診断する劣化診断システムであって、
   前記回転機における少なくとも（Ｎ−１）相の引き出し線それぞれに取り付けられて、複数の劣化要因に起因する電流振幅を検出可能な第１の電流センサと、
   前記回転機における全ての相の引き出し線に一括して取り付けられて、複数の劣化要因に起因する電流振幅を検出可能な第２の電流センサと、を備えることを特徴とする劣化診断システム。
2. Ｎ相回転機（Ｎは自然数）の劣化を診断する劣化診断システムであって、
   前記回転機における少なくとも（Ｎ−１）相の引き出し線それぞれに取り付けられて、少なくとも１０Ｈｚから１０ＭＨｚまでの周波数帯域で電流振幅を検出する第１の電流センサと、
   前記回転機における全ての相の引き出し線に一括して取り付けられて、少なくとも１０Ｈｚから１０ＭＨｚまでの周波数帯域で電流振幅を検出する第２の電流センサと、を備えることを特徴とする劣化診断システム。
3. 請求項１または２に記載の劣化診断システムであって、
   前記第２の電流センサを備えない代わりに、前記第１の電流センサが全ての相の引き出し線それぞれに取り付けられることを特徴とする劣化診断システム。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の劣化診断システムであって、前記第１の電流センサ及び前記第２の電流センサは、０Ｈｚ〜１００ＭＨｚまでを包含する周波数帯域で電流振幅を検出することを特徴とする劣化診断システム。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の劣化診断システムであって、更に各相の前記引き出し線に設けられている接地線に一括して取り付けられた第３の電流センサを備えることを特徴とする劣化診断システム。
6. 請求項５に記載の劣化診断システムであって、前記第３の電流センサは、１ＭＨｚ以上の周波数帯域で電流振幅を検出することを特徴とする劣化診断システム。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の劣化診断システムであって、各相の前記引き出し線は、線の両端が前記回転機外に引き出された固定子巻線であり、
   各相の前記固定子巻線に関して、引き出された両線を囲んで設けられる第４の電流センサを更に備えることを特徴とする劣化診断システム。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の劣化診断システムであって、更に少なくともいずれかの前記電流センサの検出信号を分析する分析器を備えることを特徴とする劣化診断システム。
9. 請求項８に記載の劣化診断システムであって、前記分析器は、前記検出信号を周波数分離して周波数帯毎に異なる処理を行うことを特徴とする劣化診断システム。
10. 請求項８または９に記載の劣化診断システムであって、前記分析器における処理を通じて得られた軸受劣化兆候及び絶縁劣化兆候に関する情報を、ユーザに伝達する情報伝達手段を更に備えたことを特徴とする劣化診断システム。
11. 請求項１０に記載の劣化診断システムであって、前記軸受劣化兆候及び絶縁劣化兆候に関わる情報を組み合わせて予兆診断を行うことを特徴とする劣化診断システム。