JP6745082B2

JP6745082B2 - 異常検出装置

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Publication number: JP6745082B2
Application number: JP2017078912A
Authority: JP
Inventors: 貴俊浅香
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2020-08-26
Anticipated expiration: 2037-04-12
Also published as: JP2018182892A

Description

本発明の実施形態は、電動機のブレーキ用の電源装置の異常検出装置に関する。

専用の電源装置から電源供給された場合に制動状態を開放するブレーキを有する電動機がある。こうした電動機においては、ブレーキ用電源装置（以下、単に電源装置ともいう。）の出力電流を検出して、あらかじめ設定されたしきい値と検出された出力電流とを比較して、異常判定を行う技術が知られている（特許文献１等）。

このような電源装置が、たとえばＡＣアーク炉の電極の昇降装置等のプラント設備に用いられた場合には、不具合発生時に操業の停止期間を短縮することが重要である。

操業停止期間を短縮するには、不具合の状況を把握し、不具合の発生要因を迅速に特定する必要がある。不具合要因を特定するためには、短期間でより多くの情報、データを収集することが望まれる。

電源装置の入出力電流に異常がある場合には、入力あるいは出力のいずれに問題があるのかを把握し、異常の状態を定量的に把握する必要がある。

特開２０１６−８２６５６号公報

本発明の実施形態は、電動機のブレーキ用の電源装置の異常発生要因を迅速に特定することができる異常検出装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、異常判定装置は、開放指令信号の入力に応じて電動機のブレーキに電源を供給するブレーキ電源装置の入力電流を検出して、前記入力電流の電流値の時系列の組を入力電流波形として記録する第１波形記録回路と、あらかじめ記憶された基準となる入力電流の電流値の時系列の組である第１基準波形と、前記入力電流波形とを比較して、前記ブレーキ電源装置の入力側における異常の有無を判定する異常判定回路と、前記ブレーキ電源装置の出力電流を検出して、前記出力電流の電流値の時系列の組を出力電流波形として記録する第２波形記録回路と、を備える。前記異常判定回路は、あらかじめ記憶された基準となる出力電流の電流値の時系列の組である第２基準波形と、前記出力電流波形とを比較して、前記ブレーキ電源装置の出力側における異常の有無を判定する。

第１波形記録回路に記録された入力電流波形を、あらかじめ記憶された第１基準波形と比較するので、入力電流波形の基準からの相違を検出でき、異常発生要因を迅速に特定することができる。

実施形態に係る異常判定装置を例示するブロック図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、ブレーキ制御システムの動作を例示する波形図である。実施形態の異常判定装置の動作を説明するためのフローチャートの例である。実施形態の異常判定装置の動作を説明するためのフローチャートの例である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る異常判定装置を例示するブロック図である。
図１には、異常判定装置４のブロック図の例とともに、異常判定装置４を含む電動機のブレーキ制御システム１００のブロック図の例が示されている。まず、ブレーキ制御システム１００の全体について説明する。

図１に示すように、ブレーキ制御システム１００は、ブレーキ用電源装置２と、ブレーキ付き電動機３と、異常判定装置４と、を含む。ブレーキ付き電動機３は、この例では、ブレーキ３１と、誘導電動機３２と、を含む。ブレーキ３１および誘導電動機３２は、１つの筐体に収納されている。ブレーキ３１は、誘導電動機３２の回転軸を締め付けて回転を制動し、回転軸を開放して回転させる。なお、ブレーキ付き電動機は、他の形式の電動機を含んでいてもよく、電動機は、たとえば同期電動機等であってもよい。

ブレーキ制御システム１００は、ブレーキ用電源装置２を介して、交流電源１に接続されている。交流電源１は、たとえば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電源である。プラント設備内で用いられるブレーキ制御システム１００の場合には、交流電源１は、たとえば２００Ｖ（実効値）や４００Ｖ（実効値）等の交流電圧を有する。ブレーキ制御システム１００は、交流電源１から電源の供給を受けて動作する。

ブレーキ制御システム１００は、この例では、交流電源１との間に遮断器５を含む。遮断器５は、異常判定装置４に接続されている。異常判定装置４がブレーキ用電源装置２の異常と判定した場合には、異常判定装置４は、遮断器５を開いて、ブレーキ制御システム１００の動作を停止させる。ブレーキ付き電動機３では、電源の供給が絶たれた場合に、ブレーキ３１が誘導電動機３２の回転軸を締め付ける。そのため、誘導電動機３２は、緊急停止することができる。

ブレーキ用電源装置２は、交流電源１から印加される交流電圧を直流電圧に変換する。直流電圧が供給された場合に、ブレーキ３１は開放される。直流電圧がなくなった場合に、ブレーキ３１は、誘導電動機３２を制動する。たとえば、ブレーキ制御システム１００は、ＡＣアーク炉の電極昇降装置において、電極の昇降動作時のブレーキを制御する。ＡＣアーク炉の電極は、昇降するときにブレーキが開放され、電極は重力によって下降する。下降を停止するときに、誘導電動機３２を停止させるとともに、ブレーキ３１を作動させる。

ブレーキ用電源装置２は、異常判定装置４に接続されており、異常判定装置４から供給される開放指令信号ＯＣＳに応じてブレーキ３１に直流電圧を印加する。

図２（ａ）〜図２（ｃ）は、ブレーキ制御システムの動作を例示する波形図である。
図２（ａ）には、ブレーキ開放信号生成回路からブレーキ用電源装置２に供給される開放指令信号ＯＣＳの時間変化が示されている。
図２（ｂ）には、ブレーキ用電源装置２が出力する出力電圧Ｖの時間変化が示されている。
図２（ｃ）には、ブレーキ用電源装置２が出力する出力電流Ｉの時間変化が示されている。

図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、ブレーキ用電源装置２は、開放指令信号ＯＣＳの入力から所定時間経過するまでの第１区間Ｔ１において、第１電圧Ｖ１をブレーキ３１に印加する。そして、ブレーキ用電源装置２は、第１区間Ｔ１の経過から開放指令信号ＯＣＳの入力の停止までの第２区間Ｔ２において、第２電圧Ｖ２をブレーキ３１に印加する。第２電圧Ｖ２の電圧値は、第１電圧Ｖ１の電圧値よりも低い。第１区間Ｔ１の所定時間は、たとえば、１秒である。

第１電圧Ｖ１は、ブレーキ３１を起動させるための、いわゆるフォーシング電圧である。第２電圧Ｖ２は、ブレーキ３１の開放状態を保持するための、いわゆる保持電圧である。第１電圧Ｖ１は、たとえば、１００Ｖである。第２電圧Ｖ２は、たとえば、２４Ｖである。第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２の値は、上記に限ることなく、ブレーキ３１に応じて適切に設定すればよい。また、たとえば、フォーシング電圧と保持電圧との差が小さい場合などには、第２電圧Ｖ２に切り替えることなく、第１電圧Ｖ１を印加し続けてもよい。

ブレーキ用電源装置２が出力する出力電流Ｉは、出力電圧Ｖおよびブレーキ３１のインピーダンスによって決定される。第１区間Ｔ１では、第１電流Ｉ１が流れる。第１電流Ｉ１はフォーシング電流である。第２区間Ｔ２では、第２電流Ｉ２が流れる。第２電流Ｉ２は、第１電流Ｉ１よりも小さい。第２電流Ｉ２は保持電流である。

このように、ブレーキ用電源装置２は、開放指令信号ＯＣＳに応答して、ブレーキ付き電動機３に電力を供給し、ブレーキ３１を動作させるためのアクチュエータを駆動する。

図１に戻って、異常判定装置４の構成の詳細について説明する。異常判定装置４は、入力電流波形記録回路４１と、異常判定回路４２と、出力電流波形記録回路４３と、開放指令信号生成回路４４と、を備える。開放指令信号生成回路４４は、ブレーキ用電源装置２に開放指令信号ＯＣＳを供給するとともに、異常判定回路４２にも開放指令信号ＯＣＳを供給する。

入力電流波形記録回路４１は、入力電流検出器５１に接続されている。入力電流検出器５１は、ブレーキ用電源装置２の入力側、すなわち交流電源１が接続された側に設けられている。入力電流検出器５１は、ブレーキ用電源装置２の入力に流れる電流を検出する。たとえば、入力電流検出器５１は、検出したアナログの電流値をディジタル値に変換して、この例では、実効値変換回路４５を介して、入力電流波形記録回路４１に供給する。実効値変換回路４５は、入力電流の瞬時値を入力し、これにもとづいて入力電流の実効値を計算する。入力電流波形記録回路４１には、ブレーキ用電源装置２の入力電流の実効値が入力される。

入力電流波形記録回路４１は、入力電流検出器５１によって検出された入力電流の実効値を時系列で取得し、記録する。つまり、入力電流波形記録回路４１は、ブレーキ用電源装置２に入力された入力電流の実効値の波形のデータを記録する。

入力電流波形記録回路４１は、異常判定回路４２からの要求によって入力電流の波形のデータを異常判定回路４２に供給する。

出力電流波形記録回路４３は、出力電流検出器５２に接続されている。出力電流検出器５２は、ブレーキ用電源装置２の出力側、すなわちブレーキ付き電動機３が接続された側に設けられている。出力電流検出器５２は、ブレーキ用電源装置２の出力に流れる電流を検出する。出力電流検出器５２は、入力電流の場合と同様に、検出したアナログの電流値をディジタル値に変換して、出力電流波形記録回路４３に供給する。

出力電流波形記録回路４３は、出力電流検出器５２によって検出された出力電流値を時系列で取得し、記録する。つまり、出力電流波形記録回路４３は、ブレーキ用電源装置２から出力された出力電流の波形のデータを記録する。

出力電流波形記録回路４３は、異常判定回路４２からの要求によって出力電流の波形のデータを異常判定回路４２に供給する。

異常判定回路４２は、あらかじめ電流波形に関する基準のデータを有する。この基準のデータは、入力電流の波形および出力電流の波形に関するものを含んでいる。電流波形に関する基準のデータは、ブレーキ制御システム１００をプラントに設置し、調整を行った上で設定された条件において、検出した入力電流および出力電流の波形にもとづいて設定される。

後述するように、基準のデータは入力電流および出力電流に関するものをそれぞれ１種類とする場合に限らず、複数種類のデータを設定してもよい。複数の種類の基準のデータが設定された場合には、入出力電流のデータは、それぞれ基準のデータと比較され、一致あるいは、データの範囲にあるか否か等によって、正常である場合や異常の場合の異常モードが特定される。

これらの入出力電流の電流波形に関する基準のデータは、図示しない記憶回路に格納される。記憶回路は、異常判定装置４の内部に設けられていてもよいし、異常判定装置４と通信インタフェースを介して接続された外部記憶装置等に格納されていてもよい。

異常判定回路４２は、入力電流波形記録回路４１に記録された入力電流の波形を読み出して、入力電流の基準のデータと比較する。たとえば、読み出した入力電流の波形のデータが基準のデータと相違する場合には、異常判定回路４２は、異常判定信号を生成することができる。

異常判定回路４２は、出力電流波形記録回路４３に記録された出力電流の波形を読み出して、出力電流の基準のデータと比較する。読み出した出力電流の波形のデータが基準のデータと相違する場合には、たとえば、異常判定回路４２は、異常判定信号を生成することができる。

生成された異常判定信号は、たとえば遮断器５に供給され、遮断器５は回路を開いて、ブレーキ制御システム１００の動作を停止する。

異常判定信号は、１つの種類に限らず、複数種類、たとえば複数の異常の段階を設定して、異常の段階に応じて、異なる作用を奏する複数の信号としてもよい。

たとえば、第１区間Ｔ１における入力電流または出力電流の波高値が基準のデータの８０％〜９０％の範囲の場合には、異常判定回路４２は、第１警報信号Ａ１を出力する。第１警報信号Ａ１は、異常判定装置４と通信ネットワーク等によって接続された図示しないコンソールの画面にブレーキ用電源装置２の入力側または出力側に軽微な異常が生じた旨の表示をする。

たとえば、第１区間Ｔ１における入力電流または出力電流の波高値が基準のデータの８０％未満または１２５％以上となった場合には、異常判定回路４２は、第２警報信号Ａ２を出力する。第２警報信号Ａ２は、コンソールにその旨を表示するとともに、遮断器５を開いて、ブレーキ制御システム１００を強制的に停止させる。

その他、取得された入力電流波形および出力電流波形のそれぞれについて、基準となるデータとの波形の相違を判定し、適切かつ任意に処理内容を設定することができる。

異常判定装置４は、たとえばプログラマブルコントローラであり、記憶装置に格納されたラダープログラムによって動作が規定される。

本実施形態の異常判定装置４の動作について説明する。
図３および図４は、実施形態の異常判定装置の動作を説明するためのフローチャートの例である。
図３には、ブレーキ用電源装置２の入力電流波形に関する判定を行う場合のフローチャートが示されている。図４には、ブレーキ用電源装置２の出力電流波形に関する判定を行う場合のフローチャートが示されている。

まず、ブレーキ用電源装置２の入力電流の波形についての異常判定の手順について図３を用いて説明する。図３に示すように、ステップＳ１において、開放指令信号生成回路４４は、開放指令信号ＯＣＳを生成してブレーキ用電源装置２および異常判定回路４２に出力する。

開放指令信号ＯＣＳを入力されたブレーキ用電源装置２は、開放指令信号ＯＣＳに応じた電圧をブレーキ付き電動機３に出力する。

開放指令信号ＯＣＳを入力された異常判定回路４２は、入力電流波形記録回路４１に入力電流波形のデータを要求する。

ステップＳ２において、異常判定回路４２は、入力電流波形記録回路４１から入力電流の波形のデータを読み出す。異常判定回路４２は、入力電流波形に関する基準のデータが他の記憶装置等に格納されている場合には、その記憶装置から基準のデータを読み出す。

ステップＳ３において、異常判定回路４２は、入力電流の波形のデータを、入力電流の波形に関する基準のデータと比較する。比較の結果、入力電流の波形のデータが、基準のデータと相違する場合には、処理をステップＳ４に遷移させる。

ステップＳ４において、異常判定回路４２は、ブレーキ用電源装置２が入力電流に関して異常である旨の処理を行う。異常処理は、たとえば、遮断器５を開放するための信号を生成する処理等である。ステップＳ４の後、処理を終了させてもよいし、複数の基準のデータと比較した結果、軽微な異常との判定の場合等には、コンソールに軽微な異常が生じた旨を表示し、処理を継続させるようにしてもよい。

ステップＳ３で、入力電流の波形のデータが、基準のデータと相違しないと判定された場合には、処理をステップＳ５に遷移させる。

ステップＳ５において、異常判定回路４２は何もせず、したがって、ブレーキ用電源装置２は、そのまま動作を継続する。

次に、ブレーキ用電源装置２の出力電流の波形についての異常判定の手順を図４のフローチャートを用いて説明する。出力電流の波形判定では、フォーシング電流および保持電流を分けて電流波形を取得し、それぞれを波形判定する手順について説明する。

図４に示すように、ステップＳ１１において、開放指令信号生成回路４４は、開放指令信号ＯＣＳを生成してブレーキ用電源装置２および異常判定回路４２に出力する。

開放指令信号ＯＣＳが入力されたブレーキ用電源装置２は、開放指令信号ＯＣＳに応じた電圧をブレーキ付き電動機３に出力する。

開放指令信号ＯＣＳが入力された異常判定回路４２は、出力電流波形記録回路４３に出力電流波形のデータを要求する。

ステップＳ１２において、異常判定回路４２は、出力電流波形記録回路４３から出力電流の波形のデータを読み出す。異常判定回路４２は、出力電流波形に関する基準のデータが他の記憶装置等に格納されている場合には、その記憶装置から基準のデータを読み出す。

ステップＳ１３において、異常判定回路４２は、出力電流をフォーシング電流と保持電流とに判別する。フォーシング電流と保持電流との判別には、たとえば第１区間Ｔ１を用いる。出力電流波形記録回路４３によって取得された出力電流の波形のうち、起動時から第１区間Ｔ１までの電流波形をフォーシング電流波形とする。第１区間Ｔ１を経過した後の電流波形を保持電流波形とする。

ステップＳ１４において、異常判定回路４２は、フォーシング電流の波形が基準のデータと相違するか否かを判定する。フォーシング電流と基準のデータとが相違する場合には、処理をステップＳ１５に遷移させる。

ステップＳ１５において、異常判定回路４２は、ブレーキ用電源装置２の出力電流に関して異常である旨の処理を行う。異常処理は、たとえば、遮断器５を開放するための信号を生成する処理等である。

ステップＳ１４で、フォーシング電流の波形のデータが、基準のデータと相違しないと判定された場合には、処理をステップＳ１６に遷移させる。

ステップＳ１６において、異常判定回路４２は何もせず、したがって、ブレーキ用電源装置２は、そのまま動作を継続する。

ステップＳ１３で保持電流と判別された部分は、ステップＳ１７において、異常判定回路４２は、保持電流の基準のデータと比較される。保持電流のデータが基準のデータと相違する場合には、処理をステップＳ１５に遷移させる。ステップＳ１５では、異常処理が行われる。

ステップＳ１７で保持電流のデータが基準のデータと相違がないと判定された場合には、処理はステップＳ１６に遷移される。ステップＳ１６では、異常判定回路４２は何もせず、したがって、ブレーキ用電源装置２は、そのまま動作を継続する。

このように、異常判定装置４は動作し、フォーシング電流および保持電流のそれぞれについて、基準のデータと比較して、相違の有無を判定し、異常検出を行う。

フォーシング電流および保持電流のそれぞれの判定は、一方を先に行い、順次判定するようにしてもよいし、同時に判定動作を進行させてもよい。

上述では、入力電流の判定には、取得された波形単位で基準のデータと比較し、出力電流の判定には、フォーシング電流および保持電流に判別した後に、それぞれの基準のデータと比較するものである。出力電流の判定に際して、入力電流と同様に、波形単位で基準のデータと比較してもよいし、入力電流の場合について、フォーシングの部分と保持の部分とを判別して、比較するようにしてもよい。また、良否の判定基準については、上述したとおり、１種類以上の適切な基準のデータを任意に設定することができる。

本実施形態の異常判定装置４の効果について説明する。
本実施形態の異常判定装置４では、入力電流波形および出力電流波形を取得して、基準のデータとそれぞれ比較することができる。そのため、不具合発生箇所が入力側であるか、出力側であるか、の特定を迅速に行うことができる。

また、本実施形態の異常判定装置４では、入力電流波形および出力電流波形のそれぞれについて、電流波形の形状の相違を検出することができる。そのため、あらかじめ、出力側での断線時等の不具合の発生する場合の波形の基準のデータからの相違を比較データとして用いた場合には、不具合の発生要因を容易に特定することができる。

入力電流および出力電流のそれぞれ、あるいはいずれか一方についてフォーシング電流と保持電流とに区別して、基準のデータと比較することもでき、不具合の発生の要因の特定に役立てることができる。

以上説明したような異常判定装置４をＡＣアーク炉の昇降装置に用いた場合には、ブレーキ用電源装置２の異常によりブレーキ３１が正常に動作せず、電極が落下し、折損するような不具合を早急に検出することができる。

不具合箇所を特定し、不具合要因を迅速に特定することによって、ＡＣアーク炉の操業停止期間を短縮することできる。したがって、プラントの安定操業に貢献することが可能になる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１交流電源、２ブレーキ用電源装置、３ブレーキ付き電動機、４異常判定装置、５遮断器、３１ブレーキ、３２誘導電動機、４１入力電流波形記録回路、４２異常判定回路、４３出力電流波形記録回路、４４開放指令信号生成回路、４５実効値変換回路、５１入力電流検出回路、５２出力電流検出回路、１００ブレーキ制御システム

Claims

開放指令信号の入力に応じて電動機のブレーキに電源を供給するブレーキ電源装置の入力電流を検出して、前記入力電流の電流値の時系列の組を入力電流波形として記録する第１波形記録回路と、
あらかじめ記憶された基準となる入力電流の電流値の時系列の組である第１基準波形と、前記入力電流波形とを比較して、前記ブレーキ電源装置の入力側における異常の有無を判定する異常判定回路と、
前記ブレーキ電源装置の出力電流を検出して、前記出力電流の電流値の時系列の組を出力電流波形として記録する第２波形記録回路と、
を備え、
前記異常判定回路は、あらかじめ記憶された基準となる出力電流の電流値の時系列の組である第２基準波形と、前記出力電流波形とを比較して、前記ブレーキ電源装置の出力側における異常の有無を判定する異常検出装置。
前記第２基準波形は、第１期間継続する第１基準電流と、前記第１期間後の第２期間継続する第２基準電流と、を含み、
前記異常判定回路は、前記出力電流を、前記第１期間において前記第１基準電流と比較し、前記第２期間において前記第２基準電流と比較する請求項１記載の異常検出装置。
前記第２基準波形は、前記第１期間継続する第３基準電流を含み、
前記第３基準電流は、前記第１基準電流よりも大きい値を有し、
前記異常判定回路は、
前記第１期間における前記出力電流が前記第１基準電流以上かつ前記第３基準電流よりも小さい場合には、異常を検出した旨の表示をするための第１警報信号を生成し、
前記第１期間における前記出力電流が前記第３基準電流以上の場合には、前記電動機への電力供給を遮断する第２警報信号を生成する請求項２記載の異常検出装置。
前記入力電流は交流電流であり、前記入力電流を検出する電流検出器と前記第１波形記録回路との間に設けられた直流値変換回路をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載の異常検出装置。