JP4508211B2 - 電気機器の巻線診断システム - Google Patents
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Description
本発明は、工場やビルディング等に設けられた電動機、発電機、変圧器等の電気機器を構成する巻線の状態を診断する電気機器の巻線診断システムに関する。
従来、電気機器の巻線を診断する場合、診断対象となる巻線に通電したインパルス電流を計測するとともに巻線の両端の電圧を計測することによって、当該巻線の等価回路定数のインダクタンス、キャパシタンス、及びレジスタンスを推定し、これらのインダクタンス、キャパシタンス、レジスタンスに基づいて、巻線が正常か異常かを診断する巻線試験装置（特許文献１参照）が出願されている。
しかしながら、上記従来の巻線試験装置の場合、上述したように巻線が正常か異常かを診断することはできるが、異常と診断した場合、どのような異常であるかを診断することができない。そのため、巻線が異常と診断した場合、電気機器を分解して巻線の異常原因を見つけることが必要になる。
特開２００６−６４５１５号公報
そこで本発明では、電気機器を構成する巻線を診断する場合、巻線が正常か異常かを診断するとともに、異常と診断した場合、その異常がどのような巻線異常かを、電気機器を分解することなしに診断することができる電気機器の巻線診断システムを提供することを課題とする。
上記課題は、特許請求の範囲の欄に記載した電気機器の巻線診断システムにより解決することができる。
請求項１に記載の電気機器の巻線診断システムによれば、電気機器を構成する巻線の診断に際して必要となる診断情報を学習する学習行程において、診断対象巻線と同特性の学習用巻線を予め正常態様及び想定される複数の異常態様それぞれに設定した各状態において、インパルス発生回路からインパルス電圧を当該学習用巻線に印加した場合、診断情報記憶手段は、電圧計測手段により計測された巻線両端の電圧に基づいて、当該学習用巻線とインパルス発生回路から構成される回路の等価回路定数インダクタンスＬ、キャパシタンスＣの乗算値ＬＣ、及び、等価回路定数レジスタンスＲ、キャパシタンスＣの乗算値ＲＣを、前記正常態様及び想定される複数の異常態様それぞれにおいて演算し、演算した各ＬＣ，ＲＣを診断情報特徴量としてメモリ部に設けた特徴量空間に記憶する。
次に、前記診断対象巻線を診断する診断行程において、診断手段は、診断対象巻線に対してインパルス発生回路から前記インパルス電圧と同特性のインパルス電圧を印加したときに電圧計測手段で計測された電圧に基づいて、当該診断対象巻線とインパルス発生回路から構成される回路の等価回路定数インダクタンスＬ、キャパシタンスＣの乗算値ＬＣ、及び、等価回路定数レジスタンスＲ、キャパシタンスＣの乗算値ＲＣを、当該診断対象巻線の状態情報特徴量として演算したうえ、前記特徴量空間で当該状態情報特徴量と距離的に最も近い前記診断情報特徴量をサーチし、サーチした診断情報特徴量に基づいて診断対象巻線が正常か異常か、異常であればどのような巻線異常であるかを診断する。
このように、本発明では、電気機器を構成する巻線を診断する場合、診断対象巻線が正常か異常かを診断するとともに、異常と診断した場合は、その異常がどのような巻線異常かを、電気機器を分解することなしに診断することができる。
請求項１に記載の電気機器の巻線診断システムによれば、電気機器を構成する巻線の診断に際して必要となる診断情報を学習する学習行程において、診断対象巻線と同特性の学習用巻線を予め正常態様及び想定される複数の異常態様それぞれに設定した各状態において、インパルス発生回路からインパルス電圧を当該学習用巻線に印加した場合、診断情報記憶手段は、電圧計測手段により計測された巻線両端の電圧に基づいて、当該学習用巻線とインパルス発生回路から構成される回路の等価回路定数インダクタンスＬ、キャパシタンスＣの乗算値ＬＣ、及び、等価回路定数レジスタンスＲ、キャパシタンスＣの乗算値ＲＣを、前記正常態様及び想定される複数の異常態様それぞれにおいて演算し、演算した各ＬＣ，ＲＣを診断情報特徴量としてメモリ部に設けた特徴量空間に記憶する。
次に、前記診断対象巻線を診断する診断行程において、診断手段は、診断対象巻線に対してインパルス発生回路から前記インパルス電圧と同特性のインパルス電圧を印加したときに電圧計測手段で計測された電圧に基づいて、当該診断対象巻線とインパルス発生回路から構成される回路の等価回路定数インダクタンスＬ、キャパシタンスＣの乗算値ＬＣ、及び、等価回路定数レジスタンスＲ、キャパシタンスＣの乗算値ＲＣを、当該診断対象巻線の状態情報特徴量として演算したうえ、前記特徴量空間で当該状態情報特徴量と距離的に最も近い前記診断情報特徴量をサーチし、サーチした診断情報特徴量に基づいて診断対象巻線が正常か異常か、異常であればどのような巻線異常であるかを診断する。
このように、本発明では、電気機器を構成する巻線を診断する場合、診断対象巻線が正常か異常かを診断するとともに、異常と診断した場合は、その異常がどのような巻線異常かを、電気機器を分解することなしに診断することができる。
また、請求項２に記載の電気機器の巻線診断システムによれば、前記診断手段により診断された診断対象巻線が正常か異常か、異常であればどのような巻線異常であるかを表示する表示手段を備えているため、診断担当者は、診断対象巻線の状態を容易に認識することができる。
次に、上記学習用巻線、診断対象巻線とインパルス発生回路から構成される回路の等価回路定数インダクタンスＬ、キャパシタンスＣの乗算値ＬＣ、及び、等価回路定数レジスタンスＲ、キャパシタンスＣの乗算値ＲＣを、前記正常態様及び想定される複数の巻線異常それぞれにおいて演算するための演算式について説明する。
上述したように、インパルス発生回路からインパルス電圧を上記学習用巻線、診断対象巻線に印加した場合、当該巻線の両端に発生する電圧ｖに式（１）の等式が成り立つとする。
ここでＬ，Ｃ，Ｒは、上記学習用巻線、診断対象巻線とインパルス発生回路から構成される回路の等価回路定数である。
次に式（１）の電圧ｖに対して差分近似することで ｄ２ｖ／ｄｔ２ と ｄｖ／ｄｔを求め、等価回路定数からなるＬＣ，ＲＣを、診断情報特徴量及び状態情報特徴量として演算する。ここで、電圧ｖのサンプリング数をｎとすると、式（１）は式（２）のように変形することができる。
ここで
である。よって、擬似逆行列を用いることで、式（２）は式（３）のようになり、診断情報特徴量もしくは状態情報特徴量としてのＬＣとＲＣを求めることができる。
上記式（３）においてＴは転置行列を表す。
尚、図３は、インパルス電圧印加手段から学習用巻線、あるいは診断対象巻線にインパルス電圧を印加した場合、前記電圧計測手段が当該巻線の両端に発生する電圧ｖをサンプリングタイミング（０）から（ｎ）までサンプリングしたことを示した電圧サンプリングタイミング説明図である。
上述したように、インパルス発生回路からインパルス電圧を上記学習用巻線、診断対象巻線に印加した場合、当該巻線の両端に発生する電圧ｖに式（１）の等式が成り立つとする。
ここでＬ，Ｃ，Ｒは、上記学習用巻線、診断対象巻線とインパルス発生回路から構成される回路の等価回路定数である。
次に式（１）の電圧ｖに対して差分近似することで ｄ２ｖ／ｄｔ２ と ｄｖ／ｄｔを求め、等価回路定数からなるＬＣ，ＲＣを、診断情報特徴量及び状態情報特徴量として演算する。ここで、電圧ｖのサンプリング数をｎとすると、式（１）は式（２）のように変形することができる。
ここで
である。よって、擬似逆行列を用いることで、式（２）は式（３）のようになり、診断情報特徴量もしくは状態情報特徴量としてのＬＣとＲＣを求めることができる。
上記式（３）においてＴは転置行列を表す。
尚、図３は、インパルス電圧印加手段から学習用巻線、あるいは診断対象巻線にインパルス電圧を印加した場合、前記電圧計測手段が当該巻線の両端に発生する電圧ｖをサンプリングタイミング（０）から（ｎ）までサンプリングしたことを示した電圧サンプリングタイミング説明図である。
本発明によれば、電気機器を構成する巻線を診断する場合、診断対象巻線が正常か異常かを診断するとともに、異常と診断した場合は、その異常がどのような巻線異常かを、電気機器を分解することなしに診断することができる。
次に、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、電気機器の巻線診断システム１の構成を示したブロック系統図である。
この電気機器の巻線診断システム１は、電動機や発電機等の回転機や変圧器等の電気機器を構成する巻線が正常か異常かを診断するとともに、異常と診断した場合は、その異常がどのような巻線異常かを、電気機器を分解することなしに診断することができるものである。
図１に示すように、電気機器の巻線診断システム１において、端子Ｔ１，Ｔ２には、例えば電動機の巻線を診断対象とする診断対象巻線２Ａと、診断対象巻線２Ａを診断する場合に必要な診断情報を学習するときに用いられる学習用巻線２Ｂが接続される。尚、診断対象巻線２Ａと学習用巻線２Ｂは同特性に製作されている。また、端子Ｔ１，Ｔ２に接続された診断対象巻線２Ａ又は学習用巻線２Ｂに対して所定特性のインパルス電圧を印加するインパルス発生回路３が設けられている。更に、診断対象巻線２Ａ、学習用巻線２Ｂにインパルス発生回路３から所定特性のインパルス電圧が印加された場合に診断対象巻線２Ａ、学習用巻線２Ｂの両端に発生する電圧を計測する電圧計測部４が設けられている。
図１は、電気機器の巻線診断システム１の構成を示したブロック系統図である。
この電気機器の巻線診断システム１は、電動機や発電機等の回転機や変圧器等の電気機器を構成する巻線が正常か異常かを診断するとともに、異常と診断した場合は、その異常がどのような巻線異常かを、電気機器を分解することなしに診断することができるものである。
図１に示すように、電気機器の巻線診断システム１において、端子Ｔ１，Ｔ２には、例えば電動機の巻線を診断対象とする診断対象巻線２Ａと、診断対象巻線２Ａを診断する場合に必要な診断情報を学習するときに用いられる学習用巻線２Ｂが接続される。尚、診断対象巻線２Ａと学習用巻線２Ｂは同特性に製作されている。また、端子Ｔ１，Ｔ２に接続された診断対象巻線２Ａ又は学習用巻線２Ｂに対して所定特性のインパルス電圧を印加するインパルス発生回路３が設けられている。更に、診断対象巻線２Ａ、学習用巻線２Ｂにインパルス発生回路３から所定特性のインパルス電圧が印加された場合に診断対象巻線２Ａ、学習用巻線２Ｂの両端に発生する電圧を計測する電圧計測部４が設けられている。
上記電圧計測部４で計測される電圧はアナログ値であるため、そのアナログ信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換回路５が設けられており、Ａ／Ｄ変換回路５から出力されたデジタル信号は診断部６に出力される。
診断対象巻線２Ａを診断する場合に必要となる診断情報を学習する学習行程で用いられる学習用巻線２Ｂは、前述のように診断対象巻線２Ａと同特性であり、この学習用巻線２Ｂを予め正常状態、及び想定される複数の異常状態、例えば、１ターン短絡、２ターン短絡、相間短絡、断線等それぞれの状態に設定する。学習用巻線２Ｂをこのように設定した各状態において、インパルス発生回路３からインパルス電圧を学習用巻線２Ｂに印加した場合、診断部６は、電圧計測部４により計測された巻線両端の電圧を入力し、前述の式（１），（２），（３）に基づいて学習用巻線２Ｂの各設定状態それぞれにおけるＬＣ，ＲＣを演算し、演算した各ＬＣ，ＲＣを診断情報特徴量としてメモリ７に設けた特徴量空間に記憶する。
尚、上記各ＬＣ，ＲＣを診断情報特徴量として演算する場合に対象となる学習用巻線２Ｂは、一つでも、あるいは同一形式の複数の学習用巻線２Ｂを用意してもよい。一つの学習用巻線２Ｂで各ＬＣ，ＲＣを得る場合、１回のインパルス電圧印加後の巻線両端電圧に基づいてＬＣ，ＲＣを求めても、あるいは複数回のインパルス電圧印加を繰り返し、その時々の巻線両端電圧に基づいて求めたＬＣ，ＲＣを平均した値を代表点としてもよい。
また、同一形式の複数の学習用巻線２Ｂそれぞれに対して、１回のインパルス電圧印加後の巻線両端電圧に基づいて求めたＬＣ，ＲＣを平均した値を代表点としてもよい。さらに、同一形式の複数の学習用巻線２Ｂそれぞれに対して、複数回のインパルス電圧印加を繰り返し、その時々の巻線両端電圧に基づいて求めたＬＣ，ＲＣを平均した値を代表点としてもよい。
尚、上記各ＬＣ，ＲＣを診断情報特徴量として演算する場合に対象となる学習用巻線２Ｂは、一つでも、あるいは同一形式の複数の学習用巻線２Ｂを用意してもよい。一つの学習用巻線２Ｂで各ＬＣ，ＲＣを得る場合、１回のインパルス電圧印加後の巻線両端電圧に基づいてＬＣ，ＲＣを求めても、あるいは複数回のインパルス電圧印加を繰り返し、その時々の巻線両端電圧に基づいて求めたＬＣ，ＲＣを平均した値を代表点としてもよい。
また、同一形式の複数の学習用巻線２Ｂそれぞれに対して、１回のインパルス電圧印加後の巻線両端電圧に基づいて求めたＬＣ，ＲＣを平均した値を代表点としてもよい。さらに、同一形式の複数の学習用巻線２Ｂそれぞれに対して、複数回のインパルス電圧印加を繰り返し、その時々の巻線両端電圧に基づいて求めたＬＣ，ＲＣを平均した値を代表点としてもよい。
次に、例えば出荷前の出荷試験段階にある電動機、あるいは製造ラインの電動機の巻線や定期診断時の電動機の巻線を診断対象巻線２Ａとして診断する診断行程について説明する。診断部６は、インパルス発生回路３から診断対象巻線２Ａに前記学習行程でのインパルス電圧と同特性のインパルス電圧が印加されたときに電圧計測部４で計測された電圧に基づいて当該診断対象巻線２Ａとインパルス発生回路３から構成される回路の等価回路定数インダクタンスＬ、キャパシタンスＣの乗算値ＬＣ、及び、等価回路定数レジスタンスＲ、キャパシタンスＣの乗算値ＲＣを、当該診断対象巻線の状態情報特徴量とし演算したうえ、前記メモリ７に設けられた前述の特徴量空間上で当該状態情報特徴量と距離的に最も近い前記診断情報特徴量をサーチし、サーチした診断情報特徴量に基づいて診断対象巻線２Ａが正常か異常か、異常であれば、１ターン短絡、２ターン短絡、相間短絡、断線か等を診断する。
図２は、前記メモリ７に設けられた前述の特徴量空間を概念的に示したものである。この場合、特徴量空間は、ＬＣを横軸に、ＲＣを縦軸にした座標空間である。この特徴量空間上で、前述の学習行程で学習した学習用巻線２Ｂの１ターン短絡の診断情報特徴量は■の位置に記憶されており、２ターン短絡の診断情報特徴量は◆の位置に記憶されている。また、正常状態の特徴量は●の位置に記憶されている。そして、今回診断された診断対象巻線２Ａの状態情報特徴量は▲の位置に記憶される。この状態で、診断部６は、当該状態情報特徴量▲の位置と各診断情報特徴量■の位置、◆の位置、●の位置との距離を計算したうえ、当該状態情報特徴量▲の位置と距離的に最も近い診断情報特徴量の位置、この場合は●の位置をサーチすることによって、この診断対象巻線２Ａは正常状態にあると診断する。また、状態情報特徴量▲は、診断対象巻線２Ａに複数回のインパルス電圧印加を繰り返し、その時々の巻線両端電圧に基づいて求めたＬＣ，ＲＣを平均した値としてもよい。
尚、図２の特徴量空間において、上記のように学習用巻線２Ｂの１ターン短絡の診断情報特徴量は■の位置に、２ターン短絡の診断情報特徴量は◆の位置に、正常状態の診断特徴量は●の位置に記憶されているが、図２に示すように、学習用巻線２Ｂの１ターン短絡の診断情報特徴量は■及び□の位置に、２ターン短絡の診断情報特徴量は◆及び◇の位置に、正常状態の診断特徴量は●及び○の位置に複数位置に記憶しておき、診断対象巻線２Ａを診断する場合に演算したＬＣ，ＲＣが、本来とは違う別の巻線状態時の特徴量との距離に近くならないように調整してもよい。そして、当該状態情報特徴量▲の位置と距離的に最も近い診断情報特徴量の位置を計算し、最も近い位置の診断情報特徴量に対応した診断情報に基づいて診断対象巻線２Ａを診断することができる。
尚、図２の特徴量空間において、上記のように学習用巻線２Ｂの１ターン短絡の診断情報特徴量は■の位置に、２ターン短絡の診断情報特徴量は◆の位置に、正常状態の診断特徴量は●の位置に記憶されているが、図２に示すように、学習用巻線２Ｂの１ターン短絡の診断情報特徴量は■及び□の位置に、２ターン短絡の診断情報特徴量は◆及び◇の位置に、正常状態の診断特徴量は●及び○の位置に複数位置に記憶しておき、診断対象巻線２Ａを診断する場合に演算したＬＣ，ＲＣが、本来とは違う別の巻線状態時の特徴量との距離に近くならないように調整してもよい。そして、当該状態情報特徴量▲の位置と距離的に最も近い診断情報特徴量の位置を計算し、最も近い位置の診断情報特徴量に対応した診断情報に基づいて診断対象巻線２Ａを診断することができる。
診断部６には表示部８が接続されている。診断部６は、上記のように診断対象巻線２Ａを診断した結果を、この表示部８に表示させる。これにより、診断担当者は、診断対象巻線２Ａの状態を容易に認識することができる。また、診断結果を記録することができる。
次に、本実施の形態の変形例について説明する。
図４は、図１のインパルス発生回路３に代わるインパルス発生回路１１を示している。
インパルス発生回路１１は、直流電源１２と開閉スイッチ１３とコンデンサ１４と診断対象巻線２Ａまたは学習用巻線２Ｂから構成された逆起電力発生回路１５を有しており、この回路で発生する逆起電力をインパルス電圧とするものである。逆起電力発生回路１５において、開閉スイッチ１３がオンされると、直流電源１２から上記巻線２Ａ，２Ｂに直流電流が通電される。この状態で開閉スイッチ１３がオフされると、巻線２Ａ，２Ｂに逆起電力が発生するため、この逆起電力をインパルス電圧とし、前述の電圧計測部４で計測するものである。尚、電圧計測部４で計測されたインパルス電圧に基づいて前述のＬＣ，ＲＣを演算し、診断対象巻線２Ａを診断する診断部６の作用は前述の実施の形態と同じである。
図４は、図１のインパルス発生回路３に代わるインパルス発生回路１１を示している。
インパルス発生回路１１は、直流電源１２と開閉スイッチ１３とコンデンサ１４と診断対象巻線２Ａまたは学習用巻線２Ｂから構成された逆起電力発生回路１５を有しており、この回路で発生する逆起電力をインパルス電圧とするものである。逆起電力発生回路１５において、開閉スイッチ１３がオンされると、直流電源１２から上記巻線２Ａ，２Ｂに直流電流が通電される。この状態で開閉スイッチ１３がオフされると、巻線２Ａ，２Ｂに逆起電力が発生するため、この逆起電力をインパルス電圧とし、前述の電圧計測部４で計測するものである。尚、電圧計測部４で計測されたインパルス電圧に基づいて前述のＬＣ，ＲＣを演算し、診断対象巻線２Ａを診断する診断部６の作用は前述の実施の形態と同じである。
以上の様に、本実施の形態では電動機の巻線を診断対象巻線２Ａとして説明したが、電動機に限らず、発電機、変圧器などの電気機器の巻線全てを診断対象巻線とすることができる。
１ 電気機器の巻線診断システム
２Ａ 診断対象巻線
２Ｂ 学習用巻線
３ インパルス発生回路
４ 電圧計測部
５ Ａ／Ｄ変換回路
６ 診断部
７ メモリ
８ 表示部
２Ａ 診断対象巻線
２Ｂ 学習用巻線
３ インパルス発生回路
４ 電圧計測部
５ Ａ／Ｄ変換回路
６ 診断部
７ メモリ
８ 表示部
Claims (2)
- 電気機器の巻線に対して所定特性のインパルス電圧を印加するインパルス発生回路と、
前記巻線に対して前記所定特性のインパルス電圧が印加された場合に当該巻線の両端に発生した電圧を計測する電圧計測手段と、
巻線の診断に際して必要となる診断情報を学習するための学習行程において、診断対象巻線と同特性の学習用巻線を予め正常態様及び想定される複数の異常態様それぞれに設定した各状態において前記インパルス発生回路から前記インパルス電圧を当該学習用巻線に印加した場合に前記電圧計測手段で計測された電圧に基づいて、当該学習用巻線とインパルス発生回路から構成される回路の等価回路定数インダクタンスＬ、キャパシタンスＣの乗算値ＬＣ、及び、等価回路定数レジスタンスＲ、キャパシタンスＣの乗算値ＲＣを、前記正常態様及び想定される複数の異常態様それぞれにおいて演算し、演算した各ＬＣ，ＲＣを診断情報特徴量としてメモリ部に設けた特徴量空間に記憶する診断情報記憶手段と、
前記診断対象巻線を診断する診断行程において、診断対象巻線に対して前記インパルス発生回路から前記インパルス電圧と同特性のインパルス電圧を印加したときに前記電圧計測手段で計測された電圧に基づいて、当該診断対象巻線とインパルス発生回路から構成される回路の等価回路定数インダクタンスＬ、キャパシタンスＣの乗算値ＬＣ、及び、等価回路定数レジスタンスＲ、キャパシタンスＣの乗算値ＲＣを、当該診断対象巻線の状態情報特徴量として演算したうえ、前記特徴量空間で当該状態情報特徴量と距離的に最も近い前記診断情報特徴量をサーチし、サーチした診断情報特徴量に基づいて診断対象巻線が正常か異常か、異常であればどのような巻線異常であるかを診断する診断手段とを備えたことを特徴とする電気機器の巻線診断システム。 - 請求項１に記載の電気機器の巻線診断システムであって、前記診断手段により診断された診断対象巻線が正常か異常か、異常であればどのような巻線異常であるかを表示する表示手段を備えたことを特徴とする電気機器の巻線診断システム。
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