JP6837619B1 - 回転電機の短絡検知装置及び短絡検知方法 - Google Patents

Abstract

回転電機の短絡検知装置は、信号取得部、信号分解部、特定周波数成分低減部、信号変換部、短絡検知部、及び推定精度判定部を備えている。信号分解部は、信号取得部によって取得された電圧信号を、互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解する。特定周波数成分低減部は、スロット高調波の基本次数よりも低い次数を閾値として、複数の周波数成分のうち、奇数次の周波数成分と、閾値よりも高い偶数次の周波数成分とを低減させる。信号変換部は、特定周波数成分低減部から出力された複数の周波数成分を電圧信号に変換する。短絡検知部は、隣り合う磁極に対応する各電圧信号の差分波形を生成し、差分波形の形状に基づいて、界磁巻線の短絡を検知するとともに、界磁巻線の短絡位置を推定する。推定精度判定部は、差分波形のピーク角度を中心とした最大波の波形の対称度合いに基づいて、界磁巻線の短絡位置の推定精度を判定する。

Description

本開示は、回転電機の短絡検知装置及び短絡検知方法に関する。

従来の回転電機では、回転子の界磁巻線の短絡による界磁磁束の変化が、さぐりコイルによって検知される。さぐりコイルは、回転子と固定子との間のギャップにおいて、固定子に固定されている。界磁巻線に短絡が発生していない場合、奇数次の周波数成分の磁束のみが、さぐりコイルによって検知される。これに対し、界磁巻線に短絡が発生している場合、奇数次の周波数成分の磁束に加えて偶数次の周波数成分の磁束が、さぐりコイルによって検知される（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５３−８４１０１号公報

しかし、従来の回転電機では、回転子のどの位置において界磁巻線が短絡したかを推定することが難しいという問題があった。

本開示は、上記のような課題を解決するために為されたものであり、界磁巻線の短絡が、界磁の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定することができる回転電機の短絡検知装置及び短絡検知方法を提供することを目的とする。

本開示に係る回転電機の短絡検知装置は、界磁の複数のスロットに設けられている界磁巻線に対向している磁気検出器からの電圧信号を取得する信号取得部、信号取得部によって取得された電圧信号を、互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解する信号分解部、複数のスロットのピッチに相関を有する高調波であるスロット高調波の基本次数よりも低い次数を閾値として、複数の周波数成分のうち、奇数次の周波数成分と、閾値よりも高い偶数次の周波数成分とを低減させる特定周波数成分低減部、特定周波数成分低減部から出力された複数の周波数成分を電圧信号に変換する信号変換部、信号変換部により変換された電圧信号を、界磁の複数の磁極にそれぞれ対応する界磁の周方向角度ごとに分割し、複数の磁極のうち、隣り合う磁極に対応する各電圧信号の差分波形を生成し、差分波形の形状に基づいて、界磁巻線の短絡を検知するとともに、界磁巻線の短絡が、界磁の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定する短絡検知部、及び短絡が発生している位置の推定精度を判定する推定精度判定部を備え、差分波形においてピーク電圧の絶対値の最大値を含む一波を最大波とし、最大値に対応する界磁の周方向角度をピーク角度としたとき、推定精度判定部は、ピーク角度を中心とした最大波の波形の対称度合いに基づいて、短絡が発生している位置の推定精度を判定する。
本開示に係る回転電機の短絡検知方法は、界磁の複数のスロットに設けられている界磁巻線に対向している磁気検出器からの電圧信号を取得する信号取得ステップ、信号取得ステップによって取得された電圧信号を、互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解する信号分解ステップ、複数のスロットのピッチに相関を有する高調波であるスロット高調波の基本次数よりも低い次数を閾値として、複数の周波数成分のうち、奇数次の周波数成分と、閾値よりも高い偶数次の周波数成分とを低減させる特定周波数成分低減ステップ、特定周波数成分低減ステップにより処理された複数の周波数成分を電圧信号に変換する信号変換ステップ、信号変換ステップにより変換された電圧信号を、界磁の複数の磁極にそれぞれ対応する界磁の周方向角度ごとに分割し、複数の磁極のうち、隣り合う磁極に対応する各電圧信号の差分波形を生成し、差分波形の形状に基づいて、界磁巻線の短絡を検知するとともに、界磁巻線の短絡が、界磁の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定する短絡検知ステップ、及び短絡が発生している位置の推定精度を判定する推定精度判定ステップを備え、差分波形においてピーク電圧の絶対値の最大値を含む一波を最大波とし、最大値に対応する界磁の周方向角度をピーク角度としたとき、推定精度判定ステップは、ピーク角度を中心とした最大波の波形の対称度合いに基づいて、短絡が発生している位置の推定精度を判定する。

本開示に係る回転電機の短絡検知装置及び短絡検知方法によれば、界磁巻線の短絡が、界磁の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定することができる。

実施の形態１に係る回転電機及び短絡検知装置を示す構成図である。 図１の信号取得部によって取得される電圧信号の一例を示す波形図である。 図１の信号分解部によって周波数分析された電圧信号の振幅成分の周波数スペクトルを示すスペクトル図である。 図１の特定周波数成分低減部によって図３のスペクトルから特定の周波数成分を低減させた後の振幅成分の周波数スペクトルを示すスペクトル図である。 図１の信号変換部によって変換された電圧信号を示す図である。 図５に示した電圧信号を図１の短絡検知部に入力して得られる差分波形を示す図である。 図６に示した差分波形が得られたときのタービン発電機の運転条件とは異なる運転条件において得られる差分波形の一例を示す図である。 図２に示した電圧信号を図１の短絡検知部に直接入力したと仮定した場合に得られる差分波形を示す図である。 図１の短絡検知装置が実行する短絡検知ルーチンを示すフローチャートである。 図１の推定精度判定部による他の判定方法を示す図である。 実施の形態１及び２の回転電機の短絡検知装置の各機能を実現する処理回路の第１の例を示す構成図である。 実施の形態１及び２の回転電機の短絡検知装置の各機能を実現する処理回路の第２の例を示す構成図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る回転電機及び短絡検知装置を示す構成図である。実施の形態１では、回転電機としてタービン発電機１０が採用されている。図１において、タービン発電機１０については、タービン発電機１０の軸方向に垂直な断面が示されている。

図１に示したように、タービン発電機１０は、電機子としての固定子２０及び界磁としての回転子３０を備えている。固定子２０は、円筒状の固定子コア２１と、多相巻線２２とを有している。固定子２０は、回転子３０の外側に設けられている。

固定子コア２１の軸方向は、固定子コア２１の軸心に沿う方向であり、図１の紙面に垂直な方向である。固定子コア２１の径方向は、固定子コア２１の軸心を中心とする円の半径方向である。固定子コア２１の周方向は、固定子コア２１の軸心を中心とする円弧に沿う方向である。

固定子コア２１の内周部には、複数の固定子スロット２３が形成されている。各固定子スロット２３は、固定子コア２１の径方向に沿って形成されている。また、複数の固定子スロット２３は、固定子コア２１の周方向に等ピッチで配置されている。実施の形態１では、固定子スロット２３の総数は８４である。複数の固定子スロット２３には、多相巻線２２が巻かれている。

回転子３０は、回転子コア３１、界磁巻線３２、及び図示しない回転軸を有している。回転子コア３１及び回転軸は、固定子コア２１と同軸に配置されている。回転子３０は、回転軸を中心に回転可能である。

回転子コア３１の軸方向は、回転子コア３１の軸心Ｏに沿う方向であり、図１の紙面に垂直な方向である。回転子コア３１の径方向は、回転子コア３１の軸心Ｏを中心とする円の半径方向である。回転子コア３１の周方向は、回転子コア３１の軸心Ｏを中心とする円弧に沿う方向である。

回転子コア３１の外周部には、複数の回転子スロット３３が形成されている。各回転子スロット３３は、回転子コア３１の径方向に沿って形成されている。

実施の形態１では、複数の回転子スロット３３は、第１スロット群３４と第２スロット群３５とに分かれている。第１スロット群３４及び第２スロット群３５には、それぞれ１６の回転子スロット３３が含まれている。即ち、回転子スロット３３の総数は、３２である。

第１スロット群３４及び第２スロット群３５において、複数の回転子スロット３３は、回転子コア３１の周方向に等ピッチで配置されている。回転子スロット３３のピッチは、回転子コア３１の周方向に隣り合う２つの回転子スロット３３の幅方向中心間の距離である。実施の形態１における回転子スロット３３のピッチは、回転子コア３１の周方向角度によって表すと７．４２°である。以下、各回転子スロット３３のピッチは、「回転子スロットピッチ」と呼ばれる。

第１スロット群３４と第２スロット群３５との間には、第１磁極３６及び第２磁極３７が形成されている。図１において、回転子コア３１の軸心Ｏと、回転子３０の周方向における第１磁極３６の中心と、第２磁極３７の中心とを通る一点鎖線は、以下、磁極中心線Ｃ１と呼ばれる。第１スロット群３４と第２スロット群３５とは、磁極中心線Ｃ１を中心として対称に配置されている。

また、回転子コア３１の軸心Ｏと、回転子コア３１の周方向における第１スロット群３４の中心と、第２スロット群３５の中心とを通る一点鎖線は、以下、極間中心線Ｃ２と呼ばれる。

複数の回転子スロット３３のそれぞれは、磁極中心線Ｃ１に近い方から順に第１スロット、第２スロット、…、第８スロットと呼ばれる。言い換えると、複数の回転子スロット３３のそれぞれは、極間中心線Ｃ２に遠い方から順に第１スロット、第２スロット、…、第８スロットと呼ばれる。

複数の回転子スロット３３には、磁極中心線Ｃ１を挟んで、第１スロット群３４と第２スロット群３５とを往復するように界磁巻線３２が巻かれている。界磁巻線３２において、隣り合う回転子スロット３３に配置されている部分は、互いに直列に接続されている。

界磁巻線３２は、図示しない外部電源によって直流励磁される。これにより、第１磁極３６及び第２磁極３７の一方がＮ極となり、他方がＳ極となる。つまり、タービン発電機１０は２極の発電機である。

固定子コア２１と回転子コア３１との間には空隙４０が形成されている。多相巻線２２は、図示しない外部電源によって交流励磁される。これにより、空隙４０内に回転磁界が発生する。

固定子コア２１には、磁気検出器としてのサーチコイル５０が固定されている。より具体的に述べると、サーチコイル５０は、固定子コア２１の内周部、且つ空隙４０に面した部分に固定されている。また、サーチコイル５０は、界磁巻線３２に対向している。

サーチコイル５０には、主磁束及び漏れ磁束が鎖交する。主磁束は、空隙４０に発生する磁束であり、漏れ磁束は、各回転子スロット３３から漏出する磁束である。サーチコイル５０に鎖交する磁束は、鎖交磁束と呼ばれる。

サーチコイル５０は、第１端子５１及び第２端子５２を有している。サーチコイル５０に磁束が鎖交すると、第１端子５１と第２端子５２との間に電圧信号が誘起される。サーチコイル５０内の鎖交磁束の分布は、回転子３０の回転に伴って変動する。

短絡検知装置６０は、機能ブロックとして、信号取得部６１、信号分解部６２、特定周波数成分低減部６３、信号変換部６４、短絡検知部６５、及び推定精度判定部６６を備えている。

信号取得部６１は、サーチコイル５０に誘起される電圧信号を取得する。信号分解部６２は、信号取得部６１によって取得された電圧信号を、互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解する。さらに、信号分解部６２は、分解された各周波数成分を振幅と位相とに分離する。

特定周波数成分低減部６３は、スロット高調波の基本次数よりも低い周波数成分の次数を閾値として設定する。スロット高調波は、回転子スロットピッチに相関を有する高調波である。

さらに、特定周波数成分低減部６３は、分離された振幅のうち、奇数次の周波数成分と、閾値よりも高い偶数次の周波数成分とを低減させる。

信号変換部６４は、位相と、特定周波数成分低減部６３により得られた振幅とを、周波数成分の次数ごとにすべて積算することにより特定周波数成分低減後の電圧信号に変換する。

短絡検知部６５は、変換された特定周波数成分低減後の電圧信号を、回転子３０の第１磁極３６及び第２磁極３７にそれぞれ対応する回転子３０の周方向角度ごとに分割する。さらに、短絡検知部６５は、第１磁極３６及び第２磁極３７に対応する各電圧信号の差分波形を生成する。さらに、短絡検知部６５は、差分波形の形状に基づいて、界磁巻線３２の短絡を検知するとともに、界磁巻線３２の短絡が、回転子３０の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定する。

推定精度判定部６６は、界磁巻線３２の短絡が発生している位置の推定精度を判定する。さらに、推定精度判定部６６は、界磁巻線３２の短絡の発生有無、短絡が発生している回転子スロット３３の位置、及び短絡が発生している回転子スロット３３の推定精度に関する情報を表示装置７０へ出力する。

表示装置７０は、短絡検知装置６０の外部に設けられている。表示装置７０は、推定精度判定部６６からの情報に基づいて、界磁巻線３２の短絡の有無、短絡が発生している回転子スロット３３の位置、及び短絡が発生している回転子スロット３３の推定精度を表示する。

次に、実施の形態１に係る短絡検知装置６０の各機能ブロックについて、図面を参照しながら、より詳細に説明する。図２は、図１の信号取得部６１によって取得される電圧信号の一例を示す波形図である。この波形図は、電磁界解析プログラムを用いて、図１のタービン発電機１０の負荷運転状態をシミュレーションすることにより得られたものである。なお、シミュレーションは、例えば、第１磁極３６側の第２スロットにおいて、界磁巻線３２が１ターン分だけ短絡しているという条件で実行されている。

図２に示したように、例えば、周方向角度０°から１８０°までが第１磁極３６に対応し、周方向角度１８０°から３６０°までが第２磁極３７に対応している。従って、周方向角度９０°では、第１磁極３６の中心がサーチコイル５０に最も近付いており、周方向角度２７０°では、第２磁極３７の中心がサーチコイル５０に最も近付いている。図２中の３２個の細かな電圧変動は、回転子スロットピッチ、即ち、７．４２°ごとに発生している。

図３は、図１の信号分解部６２によって周波数分析された電圧信号の振幅成分の周波数スペクトルを示すスペクトル図である。横軸は、ｎ次高調波の次数であり、図３では、１１０次までの高調波を示している。ｎは、１以上の整数である。なお、１１１次以上の次数の高調波の振幅は小さいため、表示は割愛される。縦軸は、各次数の高調波の電圧強度を示している。

図３によれば、奇数次の高調波の電圧強度が、偶数次の高調波の電圧強度よりも大きいことがわかる。奇数次の高調波は、界磁巻線３２に短絡が発生しているか否かにかかわりなく発生する。一方、偶数次の高調波は、界磁巻線３２に短絡が発生している場合に発生する。

また、奇数次の高調波のうち、１次の高調波の電圧強度及び４７次の高調波の電圧強度が特に大きい。１次の高調波は、基本波とも呼ばれる。基本波は、主磁束の周波数成分である。また、４７次の高調波は、スロット高調波である。スロット高調波は、回転子スロットピッチに相関を有する高調波である。４７次は、スロット高調波の基本次数である。スロット高調波は、回転子３０における１次の起磁力と、回転子スロットピッチのパーミアンス変化との差分によって発生する。

４８次以上の高調波は、回転子スロットピッチよりも狭いピッチ、つまり、周方向において回転子スロットピッチよりも小さい角度に相当する高調波である。回転子スロットピッチよりも小さい角度に対応する周波数成分は、界磁巻線３２の短絡位置を推定するために必要な成分ではない。そこで、特定周波数成分低減部６３は、４７次よりも小さい次数を、偶数次の周波数成分を除去するための閾値の次数として選択する。そして、特定周波数成分低減部６３は、選択された閾値よりも大きいすべての偶数次の周波数成分を除去する。

スロット高調波の電圧強度は、スロット高調波に近い奇数次の周波数成分の電圧強度に比べて高い。そのため、スロット高調波の次数に近い偶数次の周波数成分ほど、スロット高調波の影響を受け、不安定になり易い。従って、スロット高調波の影響を受け易い偶数次の周波数成分が除去されるように閾値が設定されることがより好ましい。

また、奇数次の周波数成分は、偶数次の周波数成分を検知することを阻害する要因となる。一方で、奇数次の周波数成分は、周方向角度を特定するために必要な情報を含んでいる。そのため、界磁巻線３２の短絡位置を推定するために、完全に除去することは望ましくない。そこで、特定周波数成分低減部６３は、すべての奇数次の周波数成分を、除去せずに減衰させる。

より具体的に述べると、実施の形態１では、特定周波数成分低減部６３は、閾値を１２に設定し、１４次以上の偶数次の周波数成分を除去する。また、特定周波数成分低減部６３は、すべての奇数次の周波数成分を１／５０に減衰させる。このように、本実施の形態において、周波数成分を低減させることには、周波数成分を除去すること、及び周波数成分を減衰させることが含まれる。

図４は、図１の特定周波数成分低減部６３によって、図３のスペクトルから特定の周波数成分を低減させた後の振幅成分の周波数スペクトルを示すスペクトル図である。図４に示したように、特定周波数成分低減部６３から出力される振幅成分の周波数スペクトルは、２次から１２次までの偶数次の周波数成分と、減衰された奇数次の周波数成分とを含んでいる。

これにより、界磁巻線３２に短絡が発生しているか否かの検知の妨げとなる要因を小さくすることができる。これにより、短絡の検知精度を向上することができる。

図５は、図１の信号変換部６４によって変換された電圧信号を示す図である。変換された電圧信号には、スロット高調波の成分が含まれていないので、図２との比較から理解されるように、図５では、電圧の変動周期が長くなっている。言い換えると、図５には、回転子スロットピッチの細かな波形が現れない。

図６は、図５に示した電圧信号を図１の短絡検知部６５に入力して得られる差分波形を示す図である。第１磁極３６と第２磁極３７とは互いに極性が異なるため、差分波形を得るには、第１磁極３６に対応する０°から１８０°までの波形と、第２磁極３７に対応する１８０°から３６０°までの波形とを足し合わせればよい。図６に示した差分波形は、図５に示した波形を左右に分割し、互いに足し合わせることにより得られる。

図６の差分波形では、５０°の位置に正方向のピーク電圧が現れ、１３０°の位置に負方向のピーク電圧が現れている。正方向のピーク電圧の絶対値は、負方向のピーク電圧の絶対値よりも大きい。従って、差分波形におけるピーク電圧の絶対値の最大値は、正方向のピーク電圧の絶対値である。この最大値を含む一波を最大波とする。

なお、「一波」とは、ピーク電圧の一側において電圧の絶対値が最も小さくなっている周方向角度から、ピーク電圧の他側において電圧の絶対値が最も小さくなっている周方向角度までの範囲である。

図６中の縦の破線は、第１スロットから第８スロットまでの周方向角度を表している。磁極の中心に対応する９０°に最も近い破線が第１スロットであり、０°及び１８０°に最も近い破線が第８スロットである。隣り合う破線同士の間隔は、回転子スロットピッチに相当する。

正方向のピーク電圧を含む一波の半値幅、及び負方向のピーク電圧を含む一波の半値幅は、いずれも回転子スロットピッチよりも大きい。半値幅は、判定電圧である半値電圧における一波の周方向角度範囲である。半値電圧は、ピーク電圧の半分の電圧である。

このように、回転子スロットピッチよりも幅広のピーク波形が現れることは、界磁巻線３２に短絡が発生していることを示している。

５０°のピーク電圧及び１３０°のピーク電圧は、いずれも第２スロットを表す破線に最も近い。この結果から、短絡検知部６５は、第２スロットにおいて界磁巻線３２の短絡が発生していると推定する。

推定精度判定部６６は、ピーク角度θ１を中心とした最大波の波形の対称度合いに基づいて、短絡が発生している位置の推定精度を判定する。ピーク角度θ１は、ピーク電圧の絶対値の最大値に対応する回転子３０の周方向角度である。

推定精度判定部６６は、最大波の中心角度θ２を算出する。中心角度θ２は、最大波の半値幅の中心に対応する周方向角度である。

図６によれば、中心角度θ２は、４４°である。中心角度θ２は、第２スロットよりもむしろ第３スロットに近い。ピーク角度θ１と中心角度θ２との角度差Δθは、６°であり、回転子スロットピッチである７．４２°の１／２よりも大きい。

例えば、最大波が、ピーク角度θ１に対して左右対称であれば、ピーク角度θ１と中心角度θ２とは一致する。例えば、最大波が、左右に歪んでピーク角度θ１に対して左右非対称となる場合、又は最大波の左右のいずれかにおいて局所的に振幅が大きく変化する場合には、ピーク角度θ１と中心角度θ２とは一致しなくなる。

上記のように、界磁巻線３２に短絡が発生していることは、幅広のピーク波形が存在することで検知可能である。しかし、最大波が歪んでいる場合、短絡がいずれの回転子スロット３３で発生しているかを、正確に推定することが難しい。

そこで、推定精度判定部６６は、角度差Δθに基づいて推定精度を判定する。これにより、界磁巻線３２の短絡位置の推定精度の確からしさを定量的に把握することができ、界磁巻線３２の短絡位置を誤って推定することを抑制できる。

例えば、角度差Δθが回転子スロットピッチよりも十分に小さければ、ピーク角度θ１及び中心角度θ２に対応する回転子スロット３３において短絡が発生したと高精度に推定することができる。一方、例えば、角度差Δθが回転子スロットピッチの１／２よりも大きければ、ピーク角度θ１に対応する回転子スロット３３と、中心角度θ２に対応する回転子スロット３３とが一致するとは言えない。

図７は、図６に示した差分波形が得られたときのタービン発電機の運転条件とは異なる運転条件において得られる差分波形の一例を示す図である。この運転条件では、ピーク角度θ１及び中心角度θ２は、いずれも第２スロットの周方向角度と一致している。従って、角度差Δθはゼロである。

図６及び図７から理解されるように、図７における最大波の波形の対称度合いは、図６における最大波の波形の対称度合いよりも高い。このように、角度差Δθがゼロに近いほど最大波の波形の対称度合いが高く、推定精度も高い。

図８は、図２に示した電圧信号を図１の短絡検知部６５に直接入力したと仮定した場合に得られる差分波形を示す図である。図８によれば、第２スロットに対応している一波以外にも、局所的な一波が複数存在している。そのため、この場合、第２スロット以外の回転子スロット３３においても界磁巻線３２に短絡が発生していると誤って推定されるおそれがある。

しかし、実施の形態１に係る短絡検知装置６０によれば、閾値以上の偶数次の周波数成分が除去されるので、図６及び図７に示すような差分波形が得られる。従って、第２スロット以外において界磁巻線３２に短絡が発生していると誤って推定されにくい。

図９は、図１の短絡検知装置６０の各機能ブロックが実行する短絡検知ルーチンを示すフローチャートである。図９のルーチンは、例えば、短絡検知装置６０が起動されることにより開始され、一定時間が経過する毎に実行されるようになっている。

信号取得部６１は、図９のルーチンを開始すると、まず、ステップＳ１０５において、サーチコイル５０から電圧信号を取得する。次いで、信号分解部６２は、ステップＳ１１０において、取得された電圧信号の振幅及び位相について周波数分析を行う。

次いで、特定周波数成分低減部６３は、ステップＳ１１５において、周波数分析された振幅の周波数成分低減を行う。即ち、特定周波数成分低減部６３は、振幅のうち、閾値よりも大きい偶数次の周波数成分を除去するとともに、すべての奇数次の周波数成分を１／５０に減衰させる。

次いで、信号変換部６４は、ステップＳ１２０において、位相と、特定周波数成分低減部６３により処理された振幅を電圧信号に変換する。

次いで、短絡検知部６５は、ステップＳ１２５において、変換された電圧信号を、各磁極に対応する電気角、即ち、１８０°ずつに区切り、隣り合う１８０°の電気角の電圧信号同士を比較する。言い換えると、隣り合う１８０°の電気角の差分波形を生成する。

次いで、短絡検知部６５は、ステップＳ１３０において、生成された差分波形に回転子スロットピッチよりも幅広のピーク波形があるか否かを判定する。幅広のピーク波形がない場合、短絡検知部６５は、ステップＳ１５０において、「短絡発生なし」を表す情報を表示装置７０へ出力し、本ルーチンを一旦終了する。

一方、差分波形に幅広のピーク波形がある場合、短絡検知部６５は、ステップＳ１３５において、幅広のピーク波形のピーク角度θ１及び中心角度θ２を算出する。さらに、短絡検知部６５は、ステップＳ１３５において、算出されたピーク角度θ１に基づいて、界磁巻線３２の短絡位置を推定する。短絡位置は、例えば、「第２スロット」のように、短絡が発生している回転子スロット３３の呼称によって表される。

次いで、推定精度判定部６６は、ステップＳ１４０において、算出されたピーク角度θ１及び中心角度θ２に基づいて、短絡位置の推定精度を判定する。

次いで、推定精度判定部６６は、ステップＳ１４５において、「短絡発生あり」、「短絡位置」、及び「短絡位置の推定精度」の情報を表示装置７０へ出力し、本ルーチンを一旦終了する。

このように、実施の形態１の短絡検知方法は、信号取得ステップ、信号分解ステップ、特定周波数成分低減ステップ、信号変換ステップ、短絡検知ステップ、及び推定精度判定ステップを含んでいる。

信号取得ステップは、界磁巻線３２に対向しているサーチコイル５０からの電圧信号を取得するステップである。信号分解ステップは、信号取得ステップによって取得された電圧信号を、互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解するステップである。

特定周波数成分低減ステップは、スロット高調波の基本次数よりも低い次数を閾値として、複数の周波数成分のうち、奇数次の周波数成分を減衰させるとともに、閾値よりも高い偶数次の周波数成分を除去するステップである。信号変換ステップは、特定周波数成分低減ステップにより処理された複数の周波数成分を電圧信号に変換するステップである。

短絡検知ステップは、信号変換ステップにより変換された電圧信号を、回転子３０の複数の磁極にそれぞれ対応する回転子３０の周方向角度ごとに分割し、複数の磁極のうち、隣り合う磁極に対応する各電圧信号の差分波形を生成するステップを含んでいる。さらに、短絡検知ステップは、差分波形の形状に基づいて、界磁巻線の短絡を検知するとともに、界磁巻線の短絡が、回転子３０の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定するステップを含んでいる。

推定精度判定ステップは、ピーク角度θ１を中心とした最大波の波形の対称度合いに基づいて、短絡が発生している位置の推定精度を判定するステップである。

また、実施の形態１の短絡検知プログラムは、上記の短絡検知方法をコンピュータに実行させるプログラムである。

即ち、短絡検知プログラムは、信号取得処理、信号分解処理、特定周波数成分低減処理、信号変換処理、短絡検知処理、及び推定精度判定処理をコンピュータに実行させるプログラムである。

信号取得処理は、界磁巻線３２に対向しているサーチコイル５０からの電圧信号を取得する処理を含んでいる。信号分解処理は、信号取得処理によって取得された電圧信号を、互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解する処理を含んでいる。

特定周波数成分低減処理は、スロット高調波の基本次数よりも低い次数を閾値として、複数の周波数成分のうち、奇数次の周波数成分を減衰させるとともに、閾値よりも高い偶数次の周波数成分を除去する処理を含んでいる。信号変換処理は、特定周波数成分低減処理により処理された複数の周波数成分を電圧信号に変換する処理を含んでいる。

短絡検知処理は、信号変換ステップにより変換された電圧信号を、回転子３０の複数の磁極にそれぞれ対応する回転子３０の周方向角度ごとに分割し、複数の磁極のうち、隣り合う磁極に対応する各電圧信号の差分波形を生成する処理を含んでいる。さらに、短絡検知処理は、差分波形の形状に基づいて、界磁巻線の短絡を検知するとともに、界磁巻線の短絡が、回転子３０の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定する処理を含んでいる。

推定精度判定処理は、ピーク角度θ１を中心とした最大波の波形の対称度合いに基づいて、短絡が発生している位置の推定精度を判定する処理を含んでいる。

上記のように、実施の形態１の短絡検知装置６０及び短絡検知方法によれば、界磁巻線３２の短絡が、回転子３０の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定することができる。さらに、界磁巻線３２の短絡位置の推定精度を判定することができる。

また、推定精度判定部６６は、中心角度θ２を最大波の半値幅の中心の周方向角度として算出する。これによれば、最大波の波形の対称度合いをより容易に計算することができる。

また、特定周波数成分低減部６３は、各周波数成分の振幅に基づいて、スロット高調波の基本次数を推定する。これによれば、周波数分析において、閾値及び除去すべき周波数成分の次数を利用者が指定する手間を省くことができる。

また、推定精度判定部６６は、界磁巻線３２の短絡の発生有無、短絡が発生している回転子スロット３３の位置、及び短絡が発生している回転子スロット３３の位置の推定精度に関する情報を表示装置７０へ出力する。これによれば、利用者が、界磁巻線３２の短絡の発生有無、短絡が発生している回転子スロット３３の位置、及び短絡が発生している回転子スロット３３の位置の推定精度を知ることができる。

また、短絡検知部６５は、差分波形に現れるピーク波形によって、界磁巻線３２の短絡を検知するとともに、界磁巻線３２の短絡が、ピーク角度θ１に対応する回転子スロット３３で発生していると推定する。これによれば、より容易に界磁巻線３２の短絡位置を推定することができる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２に係る短絡検知装置について説明する。実施の形態１において、特定周波数成分低減部６３は、すべての奇数次の周波数成分の振幅を１／５０に減衰させていた。これに対し、実施の形態２では、特定周波数成分低減部６３は、閾値以下の奇数次の周波数成分の振幅をゼロとする。これによれば、閾値以下の周波数成分には、偶数次の周波数成分のみが含まれる。本実施の形態において、周波数成分を低減させることには、周波数成分の振幅をゼロとすることが含まれる。

実施の形態２における他の構成は、実施の形態１と同様である。

偶数次の周波数成分が、界磁巻線３２の短絡の検知のための信号成分であると考えると、奇数次の周波数成分はノイズ成分であると考えられる。従って、閾値以下の奇数次の周波数成分の振幅をゼロとすることにより、差分波形のＳＮ比が向上し、短絡の発生有無の検知精度を向上することができる。

但し、この場合、閾値以下の奇数次の周波数成分が含まれないため、第１磁極３６及び第２磁極３７の周方向における角度が正確に把握できない。しかし、正方向のピーク電圧の周方向角度と負方向のピーク電圧の周方向角度との角度差から、界磁巻線３２の短絡位置を推定することができる場合がある。

このように、実施の形態２の短絡検知装置６０において、特定周波数成分低減部６３は、閾値以下の奇数次の周波数成分の振幅をゼロとする。これによれば、界磁巻線３２に短絡が発生したことを、より精度よく検知することができる。

なお、実施の形態１及び２において、スロット高調波の基本次数は、特定周波数成分低減部６３により推定されていた。しかし、スロット高調波の基本次数は、磁極の数、回転子スロット３３の配置等によって特定される。そのため、スロット高調波の基本次数及び閾値は、予め特定周波数成分低減部６３によって記憶されていてもよい。

また、実施の形態１及び２において、判定電圧は、最大波の電圧の最大値よりも低い値であれば、半値電圧でなくてもよい。

また、実施の形態１及び２において、推定精度判定部６６は、ピーク角度θ１と中心角度θ２との角度差Δθに基づいて、推定精度を判定していたが、推定精度の判定方法は、最大波の波形の対称度合いに基づく方法であれば、特に限定されない。

図１０は、図１の推定精度判定部６６による他の判定方法を示す図である。図１０に示したように、例えば、推定精度判定部６６は、第１角度差Δθ１と第２角度差Δθ２との差分に基づいて、推定精度を判定してもよい。第１角度差Δθ１は、最大値の一側において判定電圧に対応する周方向角度θ３と、ピーク角度θ１との角度差である。第２角度差Δθ２は、最大値の他側において判定電圧に対応する周方向角度θ４と、ピーク角度θ１との角度差である。

この場合、第１角度差Δθ１と第２角度差Δθ２との差分が小さいほど、推定精度が高いと判定される。

図１０では、判定電圧を半値電圧としているが、判定電圧は半値電圧に限定されない。

また、例えば、推定精度は、判定電圧における最大波の正の傾きの大きさと、判定電圧における最大波の負の傾きの大きさとの差分に基づいて判定されてもよい。判定電圧は、半値電圧であっても、最大値よりも小さい任意の電圧であってもよい。この場合も、差分が小さいほど、推定精度が高いと判定される。

また、実施の形態１及び２において、推定精度の判定閾値が設定され、推定精度判定部６６による推定精度が判定閾値よりも低い場合、タービン発電機１０の運転条件が変更され、再度、図９の短絡検知ルーチンが実行されてもよい。これによれば、推定精度がより高い状態において界磁巻線３２の短絡位置が推定される。

また、実施の形態１及び２において、固定子スロット２３の数、回転子スロットの数、磁極の数、回転子スロットピッチは、上記の例に限定されない。

例えば、磁極の数が２よりも多い場合、短絡検知部６５は、次のように差分波形を生成すればよい。短絡検知部６５は、まず、信号変換部６４により変換された電圧信号を、回転子の複数の磁極にそれぞれ対応する回転子の周方向角度ごとに分割する。さらに、短絡検知部６５は、複数の磁極のうち、隣り合う磁極に対応する各電圧信号の差分波形を生成すればよい。

また、実施の形態１及び２において、回転子スロットピッチは１通りであったが、回転子スロットピッチは、複数通り存在してもよい。回転子スロットピッチが複数通り存在する場合、回転子スロットピッチの最も大きな電圧成分、即ち、複数のスロット高調波のうち、最も次数の小さいスロット高調波の次数をスロット高調波の基本次数と見做して閾値を設定すればよい。これにより、すべての回転子スロットピッチに対応する周波数成分を除去することができる。

また、実施の形態１及び２において、特定周波数成分低減部６３は、必ずしもすべての奇数次の周波数成分を低減させなくてもよい。即ち、特定周波数成分低減部６３は、偶数次の周波数成分を検知することができる範囲内で、一部の奇数次の周波数成分を低減せず残してもよい。

また、実施の形態１及び２において、特定周波数成分低減部６３は、必ずしも閾値よりも高い偶数次の周波数成分を除去しなくてもよい。即ち、特定周波数成分低減部６３は、短絡検知部６５における差分波形に、回転子スロットピッチよりも幅広のピーク波形が得られる範囲内で、閾値よりも高い偶数次の周波数成分を減衰させてもよい。

また、実施の形態１及び２において、信号分解部６２は、電圧信号を互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解し、さらに、複数の周波数成分を振幅と位相とに分離していた。そして、特定周波数成分低減部６３は、振幅について特定の周波数成分を低減させる処理を行っていた。しかし、信号を分解する方法は、これに特に限定されない。

例えば、信号分解部６２は、電圧信号を互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解し、特定周波数成分低減部６３は、分解された複数の周波数成分について特定の周波数成分を低減させる処理を行ってもよい。これによれば、信号分解の処理をより簡易にすることができる。

また、実施の形態１及び２において、回転子３０は、固定子２０の内周側に配置されていたが、回転子３０は、固定子２０の外周側に配置されてもよい。

また、実施の形態１及び２において、回転電機としてタービン発電機１０が採用されていたが、回転電機は、タービン発電機１０以外の発電機であってもよいし、電動機であってもよい。

また、実施の形態１及び２の短絡検知装置６０の機能は、処理回路によって実現される。図１１は、実施の形態１及び２の短絡検知装置６０の機能を実現する処理回路の第１の例を示す構成図である。第１の例の処理回路１００は、専用のハードウェアである。

また、処理回路１００は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又はこれらを組み合わせたものが該当する。

また、図１２は、実施の形態１及び２の短絡検知装置６０の機能を実現する処理回路の第２の例を示す構成図である。第２の例の処理回路２００は、プロセッサ２０１及びメモリ２０２を備えている。

処理回路２００では、短絡検知装置６０の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェア及びファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ２０２に格納される。プロセッサ２０１は、メモリ２０２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各機能を実現する。

メモリ２０２に格納されたプログラムは、上述した各部の手順又は方法をコンピュータに実行させるものであるとも言える。ここで、メモリ２０２とは、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリである。また、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等も、メモリ２０２に該当する。

なお、上述した短絡検知装置６０の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェア又はファームウェアで実現するようにしてもよい。

このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、上述した短絡検知装置６０の機能を実現することができる。

１０ タービン発電機（回転電機）、２０ 固定子（電機子）、２１ 固定子コア、２２ 多相巻線、２３ 固定子スロット、３０ 回転子（界磁）、３１ 回転子コア、３２ 界磁巻線、３３ 回転子スロット（スロット）、３６ 第１磁極、３７ 第２磁極、４０ 空隙、５０ サーチコイル（磁気検出器）、６０ 短絡検知装置、６１ 信号取得部、６２ 信号分解部、６３ 特定周波数成分低減部、６４ 信号変換部、６５ 短絡検知部、６６ 推定精度判定部。

Claims (8)

1. 界磁の複数のスロットに設けられている界磁巻線に対向している磁気検出器からの電圧信号を取得する信号取得部、
   前記信号取得部によって取得された電圧信号を、互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解する信号分解部、
   前記複数のスロットのピッチに相関を有する高調波であるスロット高調波の基本次数よりも低い次数を閾値として、前記複数の周波数成分のうち、奇数次の周波数成分と、前記閾値よりも高い偶数次の周波数成分とを低減させる特定周波数成分低減部、
   前記特定周波数成分低減部から出力された複数の周波数成分を電圧信号に変換する信号変換部、
   前記信号変換部により変換された電圧信号を、前記界磁の複数の磁極にそれぞれ対応する前記界磁の周方向角度ごとに分割し、前記複数の磁極のうち、隣り合う磁極に対応する各電圧信号の差分波形を生成し、前記差分波形の形状に基づいて、前記界磁巻線の短絡を検知するとともに、前記界磁巻線の短絡が、前記界磁の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定する短絡検知部、及び
   前記短絡が発生している位置の推定精度を判定する推定精度判定部
   を備え、
   前記差分波形においてピーク電圧の絶対値の最大値を含む一波を最大波とし、前記最大値に対応する前記界磁の周方向角度をピーク角度としたとき、
   前記推定精度判定部は、前記ピーク角度を中心とした前記最大波の波形の対称度合いに基づいて、前記短絡が発生している位置の推定精度を判定する
   回転電機の短絡検知装置。
2. 前記推定精度判定部は、
   前記ピーク角度と、前記最大波の前記最大値よりも小さい電圧である判定電圧における前記最大波の幅の中心の周方向角度である中心角度との角度差に基づいて前記推定精度を判定する
   請求項１に記載の回転電機の短絡検知装置。
3. 前記判定電圧は、前記最大値の半分の電圧である
   請求項２に記載の回転電機の短絡検知装置。
4. 前記特定周波数成分低減部は、各前記周波数成分の振幅に基づいて、前記スロット高調波の基本次数を推定する
   請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回転電機の短絡検知装置。
5. 前記特定周波数成分低減部は、
   前記閾値以下の奇数次の周波数成分の振幅をゼロとする
   請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の回転電機の短絡検知装置。
6. 前記推定精度判定部は、
   前記界磁巻線の短絡の発生有無、前記短絡が発生している前記スロットの位置、及び前記短絡が発生している前記スロットの位置の推定精度に関する情報を外部へ出力する
   請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の回転電機の短絡検知装置。
7. 前記短絡検知部は、
   前記差分波形に現れるピーク波形によって、前記界磁巻線の短絡を検知するとともに、前記界磁巻線の短絡が、前記ピーク角度に対応するスロットで発生していると推定する
   請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の回転電機の短絡検知装置。
8. 界磁の複数のスロットに設けられている界磁巻線に対向している磁気検出器からの電圧信号を取得する信号取得ステップ、
   前記信号取得ステップによって取得された電圧信号を、互いに次数の異なる複数の周波数成分に分解する信号分解ステップ、
   前記複数のスロットのピッチに相関を有する高調波であるスロット高調波の基本次数よりも低い次数を閾値として、前記複数の周波数成分のうち、奇数次の周波数成分と、前記閾値よりも高い偶数次の周波数成分とを低減させる特定周波数成分低減ステップ、
   前記特定周波数成分低減ステップにより処理された複数の周波数成分を電圧信号に変換する信号変換ステップ、
   前記信号変換ステップにより変換された電圧信号を、前記界磁の複数の磁極にそれぞれ対応する前記界磁の周方向角度ごとに分割し、前記複数の磁極のうち、隣り合う磁極に対応する各電圧信号の差分波形を生成し、前記差分波形の形状に基づいて、前記界磁巻線の短絡を検知するとともに、前記界磁巻線の短絡が、前記界磁の周方向のいずれの位置で発生しているかを推定する短絡検知ステップ、及び
   前記短絡が発生している位置の推定精度を判定する推定精度判定ステップ
   を備え、
   前記差分波形においてピーク電圧の絶対値の最大値を含む一波を最大波とし、前記最大値に対応する前記界磁の周方向角度をピーク角度としたとき、
   前記推定精度判定ステップは、前記ピーク角度を中心とした前記最大波の波形の対称度合いに基づいて、前記短絡が発生している位置の推定精度を判定する
   回転電機の短絡検知方法。

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