JP6293388B1 - 負荷の異常検出装置 - Google Patents

Abstract

負荷トルクが変動する電動機においても、電源周波数の近傍の両側にピーク状に発生する側帯波のスペクトルピーク列によって、電動機で駆動される負荷の異常を検出することが出来る負荷の異常検出装置を提供する。電動機５の電流を電流検出器４で検出して電流入力部１０から入力し、論理演算部１１で電流が安定しているときの電流波形を周波数解析して得られた複数回分のパワースペクトル解析結果を平均化処理し、平均化処理されたパワースペクトル解析結果から側帯波を検出して、スペクトルピーク列によって負荷の異常の有無を判定し、異常が発生していると判定された場合には、警報出力部２１から警報を出力するものである。

Description

この発明は、例えば閉鎖配電盤などのコントロールセンタで使用され、誘導電動機で駆動されている設備機器等の負荷における異常を検出する負荷の異常検出装置に関するものである。

従来、誘導電動機の負荷電流を測定して周波数解析を行って、運転周波数の両側に発生する側波帯に注目して、短周期の上下方向の波形の乱れと、長周期の上下方向の波形の振動であるうねりの状態に基づいて、誘導電動機および誘導電動機によって駆動される機器の異常を診断する設備の異常診断方法が提案されている。（例えば、特許文献１）

特許第４７８２２１８号公報

従来の設備の異常診断方法においては、誘導電動機の負荷トルク変動が発生した際に、電源周波数（運転周波数）の近傍両側のスペクトル強度が増加して、電源周波数の両側にピーク状に発生する側帯波の振動強度よりも大きくなり、側帯波を検出するのが困難であるという課題があった。

この発明は以上のような課題を解決するためになされたもので、負荷トルクが変動する電動機においても、電源周波数の近傍の両側にピーク状に発生する側帯波のスペクトルピーク列によって、電動機で駆動されている負荷の異常を検出することが出来る負荷の異常検出装置を提供することを目的とする。

この発明に係る負荷の異常検出装置は、電動機の電流を検出して入力する電流入力部と、前記電流入力部からの電流が安定状態のときに前記電流のパワースペクトルを解析するＦＦＴ解析部と、前記ＦＦＴ解析部で求められたパワースペクトルのピークを検出するピーク検出演算部と、前記ＦＦＴ解析部で解析された複数回分のパワースペクトルの周波数軸を変換して回転周波数帯によるピーク箇所を合わした状態で平均化する平均化演算部と、前記平均化演算部で平均化されたパワースペクトルの側帯波を抽出する側帯波抽出部と、前記側帯波抽出部で抽出された側帯波のスペクトルピーク列が正常時の側帯波のスペクトルピーク列とピーク箇所の個数または位置関係が異なるとき異常と判定するスペクトルピーク列判定部を備えていることを特徴とするものである。

この発明によれば、電動機の電流を検出して入力する電流入力部と、前記電流入力部からの電流が安定状態のときに前記電流のパワースペクトルを解析するＦＦＴ解析部と、前記ＦＦＴ解析部で求められたパワースペクトルのピークを検出するピーク検出演算部と、前記ＦＦＴ解析部で解析されたパワースペクトルの複数回分を平均化する平均化演算部と、前記平均化演算部で平均化されたパワースペクトルの側帯波を抽出する側帯波抽出部と、前記側帯波抽出部で抽出された側帯波のスペクトルピーク列が正常時の側帯波のスペクトルピーク列と異なるとき異常と判定するスペクトルピーク列判定部を備えているため、電流が安定状態の時にＦＦＴ解析部でパワースペクトルの解析を行うことにより、電源周波数の両側に発生するピークを確実に検出できるようになる。また、平均化演算部で複数回のパワースペクトルを平均化することで、例えばノイズ等によりパワースペクトルに混入したピークの信号強度が低減されて、側帯波抽出部でより確実に側帯波を抽出できることとなり、負荷トルクが変動する電動機においても、電源周波数の近傍の両側にピーク状に発生する側帯波のパワースペクトル列によって、電動機で駆動される負荷の異常を検出することが出来る負荷の異常検出装置を得ることができる効果がある。

この発明の実施の形態１における負荷の異常検出装置の設置状況を示す概略構成図である。 この発明の実施の形態１における負荷の異常検出装置の論理演算部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１における負荷の異常検出装置の電動機の負荷変動が大きい場合の周波数解析結果を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１における負荷の異常検出装置の周波数軸の変換を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１における負荷の異常検出装置の動作を説明するフロー図である。 この発明の実施の形態１における負荷の異常検出装置しきい値の設定を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１における負荷の異常検出装置のスペクトルピーク列を説明する説明図である。 この発明の実施の形態２における負荷の異常検出装置のベルトにたわみが発生した場合のスペクトルピークを説明する説明図である。 この発明の実施の形態２における負荷の異常検出装置のベルトにほころびが発生した場合のスペクトルピークを説明する説明図である。

以下、この発明の実施の形態について説明するが、各図において同一、または相当部分については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における負荷の異常検出装置の設置状況を示す概略構成図、図２はこの発明の実施の形態１における負荷の異常検出装置の論理演算部の構成を示すブロック図、図３はこの発明の実施の形態１における負荷の異常検出装置の電動機の負荷変動が大きい場合の周波数解析結果を説明する説明図、図４はこの発明の実施の形態１における負荷の異常検出装置の周波数軸の変換を説明する説明図、図５はこの発明の実施の形態１における負荷の異常検出装置の動作を説明するフロー図、図６はこの発明の実施の形態１における負荷の異常検出装置しきい値の設定を説明する説明図、図７はこの発明の実施の形態１における負荷の異常検出装置のスペクトルピーク列を説明する説明図である。

図１において、電力系統から引き込まれた主回路１には、配線用遮断器２と電磁接触器３および三相の主回路１の一相の負荷電流を検出する計器用変成器などの電流検出器４が設けられている。主回路１には負荷である三相誘導電動機などの電動機５が接続され、電動機５により機械設備６がベルト駆動により運転駆動されている。負荷の異常検出装置７には電源周波数や電動機５の定格出力、定格電圧、定格電流、極数、定格回転数等を予め入力しておく定格情報入力部８と、定格情報入力部８から入力された定格情報を保存しておく定格情報記憶部９が設けられている。定格情報は、電動機５の製造会社のカタログまたは電動機５に取付けられている銘板を見ることで容易に取得可能な情報である。なお、診断対象の電動機５が複数台ある場合には、予め全ての診断対象の電動機５の定格情報を入力しておくが、以降の説明においては１台の電動機５について説明する。また、負荷の異常検出装置７には、電流検出器４で検出された電流を入力する電流入力部１０と、電流入力部１０から入力された電流を使用して電動機５および機械設備６などの負荷の異常の有無を検出する論理演算部１１と、論理演算部１１で異常が発見された場合に警報または異常ランプの点灯等によって警報を出力する警報出力部２１と、正常時のスペクトルピーク列を記憶したスペクトルピーク列記憶部２２が設けられている。

論理演算部１１の構成について図２にもとづき説明する。論理演算部１１は、電流入力部１０から入力された電流の変動有無を求める電流変動演算部１２と、電流変動演算部１２で求められた結果を使用して電流の安定した区間を抽出してパワースペクトル解析区間を決定するＦＦＴ解析区間判定部１３と、ＦＦＴ解析区間判定部１３で決定された区間の電流を使用してパワースペクトル解析を実施するＦＦＴ解析部１４と、ＦＦＴ解析部１４で解析されたパワースペクトルに含まれるピーク箇所を検出するピーク検出演算部１５と、ピーク検出演算部１５で検出されたピーク箇所から回転周波数に起因するピーク箇所を求める回転周波数帯判定部１６と、複数回分のパワースペクトルの回転周波数帯の周波数を合わせる周波数軸変換演算部１７と、周波数軸変換演算部１７で周波数軸が変換された複数回分のパワースペクトルを平均化処理する平均化演算部１８と、平均化演算部１８で平均化されたパワースペクトルを使用して回転周波数帯以外に電源周波数の両側にピーク箇所があるかを抽出する（以下、このピーク箇所を側帯波と称す）側帯波抽出部１９と、側帯波抽出部１９で抽出された側帯波によるスペクトルピーク列により負荷の異常の有無を判定するスペクトルピーク列判定部２０によって構成されている。

電流変動演算部１２は、電流入力部１０からの電流を基に電流値の統計的なばらつきを演算する。ばらつきの演算は、例えば標準偏差やマハラノビス距離等の手法がある。
ＦＦＴ解析区間判定部１３は、電流変動演算部１２で求めた電流値の統計的なばらつきから、ばらつきがしきい値以下の電流値が安定した状態の電流区間のみを抽出してパワースペクトル解析区間を決定する。一般に電動機５の負荷トルクが変動していると電流値にばらつきが生じて、ばらつきの大きい電流波形のパワースペクトル解析を実施すると、図３に示すように電源周波数の近傍両側の信号強度が増大して、側帯波などのピーク箇所が出現しなくなる。これを防止するためにＦＦＴ解析区間判定部１３のしきい値が設けられている。

ＦＦＴ解析部１４は、ＦＦＴ解析区間判定部１３で決定された区間に入力された電流波形を使用して周波数解析を行うことにより電流パワースペクトル強度を算出する。電流値が安定した状態の電流波形でパワースペクトル解析を実施することで、電源周波数の近傍両側でパワースペクトル強度が増加することは無くなり、ピーク箇所があれば確実に出現するようになる。
ピーク検出演算部１５は、電流パワースペクトル強度の解析結果から電源周波数によるピーク箇所と回転周波数によるピーク箇所と側帯波によるピーク箇所およびその他のピーク箇所を検出する。ピーク箇所の検出は１次と２次と３次の微分計算によって算出した結果の急峻な傾きが反転する部分を抽出することで検出可能である。微分計算を３次まで実施することによって、より小さい信号強度のピーク箇所の検出が可能となる。電源周波数によるピーク箇所は、定格情報記憶部９に保存されている電源周波数（一般に５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の位置に生じるため簡単に確認できる。

回転周波数帯判定部１６は、定格情報記憶部９に保存されている定格回転数から回転周波数を求め、電源周波数を中心として両側に回転周波数分ずれた位置付近にある信号強度が同様なピーク箇所を抽出する。一般に電動機５は負荷トルクの状況に応じてスベリが生じて回転数にずれが生じるため、回転周波数に起因するピーク箇所もその分ずれて出現する。回転周波数帯判定部１６はこのずれを考慮した周波数帯内にあるピーク箇所を抽出して回転周波数帯として決定するものである。

周波数軸変換演算部１７は、平均化演算部１８で実施する平均化演算を正しく行うために必要である。一般に電動機５の異常などによって発生する側帯波の発生位置は回転周波数帯と関係が深く、側帯波の周波数帯は回転周波数帯の倍数であることが多い。また、回転周波数帯は上記説明のように、電動機５の負荷トルクの状況に応じてずれて出現する。
このため、平均化対象の複数回分のパワースペクトル解析結果をピーク箇所追従方式で周波数軸を合わせておく必要がある。具体的には図４に示すように、回転周波数帯の周波数が電源周波数からｆｒ離れた位置で側波帯の周波数が電源周波数からｆｂ離れた位置であり、電動機５が有負荷の状態での回転周波数帯の周波数が電源周波数からｆｒ´離れた位置であったとすると、変換率αはα＝ｆｒ´／ｆｒとなり、有負荷時の側帯波の位置ｆｂ´はｆｂ´＝α・ｆｂで求めることが出来る。このように回転周波数帯を基準として変換率αを掛けることにより全てのピーク箇所の周波数軸の変換を行う。なお、上記説明では周波数軸を無負荷時に合わせる場合について説明したが、例えば周波数軸を定格負荷時に合わせるなど、周波数軸変換演算部１７は平均化対象の複数回分のパワースペクトル解析結果の周波数軸を所定の負荷時に合わせるように構成されていればよい。

平均化演算部１８は、周波数軸変換演算部１７で周波数軸が合わされた複数回分のパワースペクトル解析結果を平均化処理するもので、平均化処理することで基底ノイズを低減させてピーク箇所のＳ／Ｎ比を向上させることが出来る。具体的には１０回分のパワースペクトル解析結果を平均化処理すると、１回分にしか発生していないノイズ等によるピーク箇所は１０分の１の信号強度に低減されることになる。一方、回転周波数帯や側帯波であれば１０回ともピーク箇所が発生するものであり、ピーク追従方式で周波数軸を変換して周波数が合っているため、平均化してもピーク箇所の信号強度は変化しない。なお、上記説明ではパワースペクトル解析結果の１０回分を平均化する場合について説明したが、１０回に限定されるものではなく複数回分を平均化すればよい。

側帯波抽出部１９は、平均化演算部１８で平均化処理されたパワースペクトル解析結果から電源周波数を中心として両側に同一周波数ずれた位置に発生しているピーク箇所を側帯波として抽出する。側帯波の候補はピーク検出演算部１５で得られたピーク箇所を候補として選択する。電源周波数を中心としてピーク箇所が片側にしか発生していない場合には側帯波ではないと判定して抽出しない。
スペクトルピーク列判定部２０は、側帯波抽出部１９で抽出された側帯波に、例えば負荷がベルト駆動されている場合に発生する図７に示すスペクトルピーク列が無いときにベルトが断線した負荷の異常が発生していると判定する。負荷が異常であると判定した場合には、警報出力部２１から警報を出力する。

次に動作について図５にもとづき説明する。負荷の異常検出装置７は所定時間間隔で起動されて以下の処理を実行する。ステップ１０１において、電流検出器４で検出した電動機５の電流を電流入力部１０で入力する。ステップ１０２において、電流入力部１０から入力された電流の実効値（以下、電流値と称す）のばらつきを電流変動演算部１２で演算して、その演算結果を使用してＦＦＴ解析区間判定部１３で電流が安定状態であるか判定する。判定結果として電流値のばらつきが予め設定されているしきい値以上の不安定状態（ＮＯ）であればステップ１０１に戻り、電流が安定状態になるまで繰り返す。電流が安定状態（ＹＥＳ）であればステップ１０３に進む。なお、しきい値に関しては、例えば、事前に複数のモータのフィールドデータを取得し、そのデータの電流ばらつき値（標準偏差）から、ばらつき値の小さい範囲内を選定し、選定した値をしきい値とする。具体的な計算例としては、例えば図６に示すように、５０回ばらつき値を計算して、小さい順に並べ替えた中で５番目に小さいばらつき値である０．８をしきい値として決定する（フィールド試験の結果より）。なお、事前のフィールドデータの代わりに、電動機５にて一定の学習期間を設けて、学習期間中に取得した電流ばらつき値（標準偏差）から、同様に算出してもよい。

ステップ１０３において、ＦＦＴ解析部１４は入力された電流値が安定状態の区間の電流波形を使用して０Ｈｚから電源周波数６０Ｈｚの２倍の周波数１２０Ｈｚの間で周波数分析して、そのパワースペクトル解析結果をピーク検出演算部１５に渡す。ステップ１０４において、ピーク検出演算部１５はパワースペクトル解析結果に含まれるピーク箇所を全て検出する。ステップ１０５において、回転周波数帯判定部１６は検出されたピーク箇所の内で回転周波数帯にあるピーク箇所を抽出して回転周波数帯を決定する。ステップ１０６において、周波数軸変換演算部１７は検出した回転周波数帯を無負荷時の回転周波数帯になるように全てのピーク箇所の周波数軸を変換する。ステップ１０７において、ステップ１０１からステップ１０６の動作を１０回繰り返して、周波数軸が変換されたパワースペクトル解析結果を１０個収集する。

ステップ１０８において、平均化演算部１８は収集された１０個のパワースペクトル解析結果を平均化処理する。ステップ１０９において、側帯波抽出部１９は平均化処理されたパワースペクトル解析結果のピーク箇所に注目して側帯波を抽出する。ステップ１１０において、スペクトルピーク列判定部２０は、側帯波抽出部１９で抽出された側帯波に、スペクトルピーク列記憶部２２に記憶されている図７に示す正常時のスペクトルピーク列があるか、ピーク箇所の個数とその位置関係を比較することにより判定して、正常時と同一個数のピーク箇所が同一位置に発生しているスペクトルピーク列がある場合には、負荷に異常は発生していない（ＮＯ）として異常検出処理を終了する。一方、側帯波抽出部１９で抽出された側帯波に図７に示す正常時のスペクトルピーク列が無い場合（ＹＥＳ）には、負荷に異常が発生しているとして警報出力部２１に信号を送り、ステップ１１１において、警報出力部２１から警報または異常ランプの点灯等によって警報を出力して処理を終了する。

なお、スペクトルピーク列判定部２０で使用するためにスペクトルピーク列記憶部２２に記憶されている図７に示す正常時のスペクトルピーク列については、負荷の異常検出装置７の導入時に負荷が正常な状態で求めたものであり、一般に、機械設備６を電動機５でベルト駆動している場合に、ベルトの継ぎ目の振動によって図７に示すスペクトルピーク列が発生するが、ベルトが切断された場合にはこのスペクトルピーク列の発生が無くなるため、発生していたものが発生しなくなることで、ベルトの切断を検出することが可能となるものである。

以上説明したように、電流値が安定しているときの電流波形をパワースペクトル解析することで、側帯波などのピーク箇所が確実に出現する。また、平均化処理を実施することでノイズ等が低減されて、より正確な異常検出が出来るようになる。さらに、スペクトルピーク列の有無で異常の発生を判定するため、異常判定処理が容易である。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２における負荷の異常検出装置のベルトにたわみが発生した場合のスペクトルピークを説明する説明図、図９はこの発明の実施の形態２における負荷の異常検出装置のベルトにほころびが発生した場合のスペクトルピークを説明する説明図である。
上記実施の形態１では、ベルトが切断された場合についてのスペクトルピーク列判定部２０での異常判定について説明したが、実施の形態２では、ベルトが経年劣化した場合のスペクトルピーク列判定部２０での異常判定について説明する。

経年劣化によってベルトが伸びることで、ベルトにたわみが発生し、負荷の回転数がばらつき製品品質が劣化する。ベルトにたわみが発生すると、図８に示すようにベルト正常時に発生していたスペクトルピーク列とは別に、運転中の電源周波数（図８では電源周波数５０Ｈｚの場合を示す）を中心に発生しているベルト正常時のスペクトルピーク列の内側に、ベルトたわみによるスペクトルピークが発生する。図２に示すスペクトルピーク列判定部２０では、スペクトルピーク列記憶部２２に記憶されている正常時のスペクトルピーク列と比較して、このベルトたわみにより新たに発生したスペクトルピークを検出することで、ベルトのたわみ劣化による異常を判定（検出）可能となる。

経年劣化によってベルトにほころびが発生し、その後劣化が進展すると、ベルトの切断に至る。ベルトほころびが発生した場合には、図９に示すようにベルト正常時に発生していたスペクトルピーク列の、スペクトルピークとスペクトルピークの間に新たに複数のスペクトルピークが発生する。図２に示すスペクトルピーク列判定部２０では、スペクトルピーク列記憶部２２に記憶されている正常時のスペクトルピーク列と比較して、これらのベルトほころびにより新たに発生した複数のスペクトルピークを検出することで、ベルトの切断に至る前のベルトのほころび劣化による異常を判定（検出）可能となる。
なお、他の部分については上記実施の形態１での説明と同様であるため、説明を省略する。

実施の形態３．
上記実施の形態２では、ベルトが経年劣化した場合のスペクトルピークについて説明したが、例えばギヤの噛み合わせ異常およびファンの羽異常なども正常時のスペクトルピーク列と比較した場合、図示は省略するが例えば図８または図９で示した場合と同様に、新たに特異なスペクトルピークが発生するので、その特異なスペクトルピークを検出することで、負荷の異常状態を検出することが可能となる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において各実施の形態を自由に組み合わせたり、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 主回路、２ 配線用遮断器、３ 電磁接触器、４ 電流検出器、５ 電動機、６ 機械設備、７ 負荷の異常検出装置、８ 定格情報入力部、９ 定格情報記憶部、１０ 電流入力部、１１ 論理演算部、１２ 電流変動演算部、１３ ＦＦＴ解析区間判定部、１４ ＦＦＴ解析部、１５ ピーク検出演算部、１６ 回転周波数帯判定部、１７ 周波数軸変換演算部、１８ 平均化演算部、１９ 側帯波抽出部、２０ スペクトルピーク列判定部、２１ 警報出力部、２２ スペクトルピーク列記憶部

Claims (4)

1. 電動機の電流を検出して入力する電流入力部と、前記電流入力部からの電流が安定状態のときに前記電流のパワースペクトルを解析するＦＦＴ解析部と、前記ＦＦＴ解析部で求められたパワースペクトルのピークを検出するピーク検出演算部と、前記ＦＦＴ解析部で解析された複数回分のパワースペクトルの周波数軸を変換して回転周波数帯によるピーク箇所を合わした状態で平均化する平均化演算部と、前記平均化演算部で平均化されたパワースペクトルの側帯波を抽出する側帯波抽出部と、前記側帯波抽出部で抽出された側帯波のスペクトルピーク列が正常時の側帯波のスペクトルピーク列とピーク箇所の個数または位置関係が異なるとき異常と判定するスペクトルピーク列判定部を備えていることを特徴とする負荷の異常検出装置。
2. 前記電動機の定格回転数から回転周波数を求め、電源周波数を中心として両側に回転周波数分ずれた位置付近にある信号強度が同様なピーク箇所を抽出する回転周波数帯判定部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の負荷の異常検出装置。
3. 前記スペクトルピーク列判定部は、正常時に発生していた側帯波のスペクトルピーク列が発生しなくなったときに異常と判定することを特徴とする請求項１または２に記載の負荷の異常検出装置。
4. 前記スペクトルピーク列判定部は、正常時に発生していた側帯波のスペクトルピークの間に新たなスペクトルピークが発生したときに異常と判定することを特徴とする請求項１または２に記載の負荷の異常検出装置。

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