JP6935504B2 - データ取得方法、インバータ、及び回転電機 - Google Patents

データ取得方法、インバータ、及び回転電機 Download PDF

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Description

本発明は、データ取得方法、インバータ、及び回転電機に係り、特に、回転電機を用いて駆動される周期性のある動作を行う機械装置の異常検知に関する。
回転電機を用いて駆動される機械装置として、例えば鉄鋼プラントの圧延機等は故障により停止すると生産ライン又はプラント全体の運転停止を引き起こす可能性があり、突発的な異常の発生による設備停止は損害が大きい。この為、設備停止につながる故障が発生する前に異常を検知して予防保全を行う必要があり、故障が発生する前に異常検知する様々な技術がある。
一般的には、対象となる機械装置の状態を詳細に検出するため、様々なセンサ類を取り付け、それらから得られるデータを詳細に分析して状態を判定する。また、これらの作業を長期間にわたって継続することにより、各部の状態の経時変化を管理し、異常の発生前に予防保全を行っている。
通常、これらの異常検出システムは、設備機器とは独立した測定器と専用の分析装置から構成されるため、常時監視が必要な重要設備のみを対象としている。
本技術分野の背景技術として、例えば特許文献１がある。特許文献１には、電気機械システムの複数の電流及び／又は電圧信号を測定する手段と、前記電気機械システムの対象の回転シャフトの角度位置を測定する手段又は前記電気機械システムの対象の回転シャフトのディスクリートな角度位置の値を推定する手段と、複数の電流及び／又は電圧信号を、前記回転シャフトのスケーリングされた角変位に同期させる手段と、複数の同期電気信号を、前記回転シャフトの各完全な回転に対応する複数の区間に分割する手段と、幾つかの区間の複数の同期電気信号の平均をとる手段と、平均同期電気信号の複数の値から、大きさの特性データを抽出し、前記大きさの抽出された特性データと、制限値として与えられた閾値とを比較する手段と、前記制限値を超えている場合に、警報をユーザに示す手段と、を具備する装置が開示されている。
特表２０１４−５１６１５４号公報
特許文献１は、非同期の誘導電動機で駆動する電気機械システムを対象とし、回転シャフトの角変位と電動機の電流、電圧等各種の電気データを関連づけ、回転シャフトの角度を複数の範囲に分割してその区間内での平均をとり平均同期電気信号を求めた後これらを加工分析することで警報を出力する方法を提案しているが、電動機の電流、電圧及び回転速度などを各種のセンサを用いてデータを収集した後、それらを解析するために、各種センサ類及び状態監視用データの解析装置等新たな機器を設置する必要がある。また、回転シャフトの角変位に同期して電流や電圧等の各種のセンサデータをサンプリングする必要があり、これらは高速に処理が必要となるため、専用の機器を用いる必要がある。従って、装置構成が複雑になり、高価になるという点について考慮されていなかった。
よって、構成を複雑にすることなく装置の稼働状態を管理する技術が望まれる。
本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、同期電動機を制御するインバータによるデータ取得方法であって、インバータの位置・速度演算部が同期電動機とインバータ間の電流値から同期電動機の電気角を算出し、該電気角の情報と同期して同期電動機を制御するためのインバータ内にある内部データをサンプリングして電気角毎のデータを取得する。
本発明によれば、最小限の機器構成で電気機械システムの予兆監視手段を提供することが可能な、データ取得方法、インバータ、及び回転電機を提供できる。
本発明を適用した実施例による回転電機組立体を用いた電気機械システムの構成ブロックである。 本実施例による回転電機組立体の外観図である。 本実施例による回転電機組立体でレシプロ圧縮機を駆動するシステム構成図である。 本実施例によるレシプロ圧縮機の圧縮工程１サイクルのトルク特性を示す図である。 本実施例による機械軸角度とモータ軸角度と電気角の関係を示す図である。 本実施例によるレシプロ圧縮機の圧縮工程１サイクルと機械軸角度、モータ軸角度、電気角の関係を示す図である。 本実施例による圧縮工程１サイクルでの電気角とサンプリングデータ数の関係を示す図である。 本実施例によるモニタデータ記憶部１１０に格納する同期データのサンプリングとその格納方法を示す図である。 本実施例による同期サンプリングデータの例であり、トルク特性の関係を示す図である。 本実施例による負荷機械の１サイクルの各種同期サンプリングデータの機械軸角度との関係を示す図である。 本実施例による他の回転電機組立体を用いた電気機械システムの構成ブロックである。
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
図１は本実施例における回転電機を用いた電気機械システムの構成ブロックである。なお、以降、回転電機を回転電機組立体と称する。また、図１において、破線で囲まれた部分が回転電機組立体１であり、その外観を図２に示す。図２において、回転電機組立体１は内部に永久磁石式同期電動機３とそれを駆動するインバータ２を内蔵している。インバータ２には同期電動機の制御装置である同期モータ制御マイコン１０と加速度センサ８が搭載されている。通常これらは機械部品である永久磁石式同期電動機３に直接固定させるために充填剤等により固定され、電動機の運転に伴う不要な共振が発生しないよう配慮されている。これにより電動機及び電動機の軸で固定された電気機械システムの振動情報が直接加速度センサ８に伝達される効果がある。また、回転電機組立体１は外部通信インタフェース２０１も搭載しており、同期モータ制御マイコン１０と外部の機器との相互通信による各種データの授受を可能としている。
以下、図１を用いて本実施例における電気機械システムの詳細を説明する。図１において、回転電機組立体１は内部にコンバータ７、インバータ２及び永久磁石式同期電動機３を内蔵し、インバータ２は図示しない半導体スイッチング素子と該半導体スイッチング素子をオンオフ制御する制御装置である同期モータ制御マイコン１０を有し、指令値からＰＷＭ制御パルスを生成しＰＷＭ制御パルスにより半導体スイッチング素子をオンオフして永久磁石式同期電動機３に印可する電圧を制御している。また、回転電機組立体１の軸出力は変速機６を介して圧縮機などの機械装置５を駆動している。
同期モータ制御マイコン１０では速度指令やトルク指令等の指令値を生成する指令生成部１０３からの指令を電圧指令演算部１０２で電圧指令に変換した後ｄ／ｑ変換部１０４を経由してＰＷＭ制御パルス生成部１０１によりＰＷＭ信号を生成しインバータ２を駆動している。
また、インバータ２内部の電流検出器１１からの瞬時電流値を用いて位置・速度演算部１０５により永久磁石式同期電動機３の軸位相角すなわち電気角を算出し同期制御を行っている。
本実施例においては、永久磁石式同期電動機３の駆動にあたり軸位置検出器を用いず、電流及び電圧情報から磁極位置を推定して制御する方式をとしている。
同期モータ制御マイコン１０でリアルタイムに、内蔵している永久磁石式同期電動機３の電気角を推定して制御していることから、制御上の仮想的な同期電動機のモデルが存在している。このモデルと実際の永久磁石式同期電動機３の位相差が常にゼロとなるよう制御しているため、仮想的な同期機のモデルが永久磁石式同期電動機３をほぼ正確に再現している。仮想的なモデルと実際の同期電動機の位相差が大きくなると同期はずれとなり同期機の制御は不能となり制御が停止する。従って、正常に運転中は仮想的なモデルがほぼ正確に実際の永久磁石式同期電動機３の状態を示していることになる。
さらに同期機であることから非同期誘導電動機のようなすべりがないので、駆動する機械装置の軸位相と制御上の仮想的なモデルの位相は常に同期している。
この為、制御上の電気角は機械装置５の軸位相と関係づけることが可能であり、このことから同期モータ制御マイコン１０は制御している電気角として機械装置５の軸位相を管理することが可能である。
具体的には、位置・速度演算部１０５の電気角の情報を電気角カウンタ１０９へ入力し電気角同期サンプリング処理部１０８へ同期データサンプリングのトリガ信号を生成する。
電気角同期サンプリング処理部１０８は、同期電動機を駆動するための各種内部データ及び加速度センサからのデータをトリガ信号でサンプリングした後、モニタデータ記憶部１１０へ格納し記憶する。
機械システムの動作周期１サイクル分の同期モニタデータのサンプリングが完了すると、これらのデータを異常判定処理部１１１で判定し、異常と判断した場合は、上位転送処理部１１２を介して上位制御装置へ同期データを転送する。なお、定期的に同期データを上位制御装置へ転送し、上位制御装置側で異常判定する処理としてもよい。
機械装置５の動作周期が不明または不定期などの場合は、機械装置５の同期検出器９等による原点パルス出力を電気角カウンタ１０９へ入力することにより、同期データサンプリングのトリガ開始と機械装置の原点を合わせることも可能である。
同期サンプリングの対象となるデータはトルク電流、直流電圧、角速度、各軸加速度、また図示しない温度センサによる温度変化等がある。
次に、機械装置の動作１サイクル分に相当する電気角の間隔及びサンプリングデータ数との関係、さらに同期電動機の制御を実行しながら、これらの大量の同期データをサンプリングする方法を、レシプロ圧縮機の例を用いて説明する。
図３は、回転電機組立体1で、例えば１０：１の変速機（減速機）６を介してレシプロ圧縮機３０１を駆動するシステム構成図である。回転電機組立体１は、例えば内部に極対数が４で定格回転数が３，６００ｒｐｍの永久磁石式同期電動機を搭載している。図３において、永久磁石式同期電動機の電動機軸３０２に連結したドライブギア３０３とそれにかみ合うドリブンギア３０４により、ドリブンギア３０４に連結された機械軸３０５は減速されて、電動機軸３０２の回転数の１０分の１で機械軸３０５が回転する。そして、レシプロ圧縮機３０１は機械軸３０５が一回転すると圧縮工程１サイクルとなる単気筒ピストン式の圧縮機である。
図４にレシプロ圧縮機の機械軸一回転すなわち圧縮工程１サイクルのトルク特性４０１を示す。図４に示すように、大きく４つの動作工程ＡからＤがあり、機械軸３０５の回転毎にこの動作を繰り返す周期性がある負荷である。
図５に、レシプロ圧縮機の機械軸３０５の角度である機械軸角度５０１と回転電機組立体の電動機軸３０２の角度すなわちモータ軸角度５０２、及び同期電動機制御の電気角５０３の関係を示す。本実施例では、電気角１０°毎にデータをサンプリングすることとする。そのため、電気角５０３の３６０°では１０°度毎に計３６点のサンプリングとなる。また、極対数４の電動機なので、回転電機組立体のモータ軸角度５０２の３６０°は電気角の１４４０°に相当する。そのため、モータ軸角度３６０°でのサンプリング数は２．５°毎に１４４点となる。さらに１０：１の減速機を介してレシプロ圧縮機を駆動するので、レシプロ圧縮機の機械軸角度３６０°でのサンプリング数は０．２５°毎に計１，４４０点となる。したがって、機械装置の機械軸角度に対し０．２５°毎に各種の同期モニタデータが得られることから、非常に詳細な機械装置の状況把握が可能である。
図６にレシプロ圧縮機の動作１サイクルと機械軸角度、モータ軸角度、電気角の関係を示す。図６に示すように、圧縮機の動作１サイクルすなわち機械軸の１回転で回転電機組立体のモータ軸角度は１０回転となり電気角では４０回転となる。つまりレシプロ圧縮機の機械軸１回転は電気角１４，４００°に相当する。電気角１０°毎にサンプリングする場合、レシプロ圧縮機の動作１サイクルでのサンプリング数は３６×４０＝１，４４０点となる。
ここで各種データのサンプリングは同期電動機制御マイコンの電動機制御処理の中で実行する必要があるが、電気角１０°毎のサンプリングでは、周期が短くなるため本来の電動機の同期制御に制御遅れ等の影響が出る。特に電気角の間隔を１０°から１°にするなどの場合はサンプリング処理の負荷が重くなり正常な同期制御が続行できない状態が想定される。この問題に対し、本実施例では、レシプロ圧縮機の動作等のように機械装置の動作に繰り返し周期性があることに着目し、一度に電気角１０°毎に同期データとしてサンプリングしていくのではなく、電気角１回転３６０°毎に１点ずつサンプリングすることとした。
図７は、圧縮工程１サイクルでの電気角とサンプリングデータ数の関係を示した図である。
すなわち、電気角１０°毎に１，４４０点のデータをサンプリングするには、電気角で１４４０×３６０＝５１８，４００°（電気角）。
モータ軸角度に換算すると、５１８，４００／４＝１２９，６００°となる。
また、１０：１の減速機を介してレシプロ圧縮機を駆動しているので、機械軸角度は、１２９，６００／１０＝１２，９６０°。
機械軸回転数は、１２，９６０／３６０＝３６回転。
よって、レシプロ圧縮機の３６回転、すなわち、圧縮工程３６サイクルで上記１４４０点の同期サンプリングが完了することになる。
回転電機組立体が定格の３，６００ｒｐｍで運転している場合、１，４４０点のサンプリングに掛かる時間は、（３６＊１０）／３６００＝０．１ｍｉｎ＝６ｓｅｃとなり、６秒間で１，４４０点のサンプリングが完了する。
よって、３，６００ｒｐｍで運転している場合のサンプリング周期は１，４４０／６＝２４０Ｈｚとなり、例えば加速度センサの出力データレートの最大値４００Ｈｚに対し十分小さい値となることがわかる。同様に各種のセンサ出力をＡＤ変換する時間に対しても十分なインターバルを設けることが可能である。このように、機械装置の繰り返し周期性があることを利用することにより時分割で必要なデータ数をサンプリングできる。
図８は、図１におけるモニタデータ記憶部１１０に格納する同期データのサンプリングとその格納方法を示す図である。図８に示すように、モニタ項目の数だけデータテーブルを有し、機械装置の周期特性をあらかじめ加味して、モータ制御位相に同期してそれぞれのモニタ項目を電気角でのデータサンプリングとする。モニタ項目としては、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸の加速度やトルク値等がある。
このように、本実施例によれば、従来、例えば振動センサのデータを大量にサンプリングした後、それらをＦＦＴ解析することによって周波数成分を抽出して異常発生部位を推定していたのに対し、モータ制御位相に同期して電気角でのデータサンプリングをすることにより、ＦＦＴ解析なしで異常部位の推定と検知を可能とする。
図９は、本実施例による同期サンプリングデータの例であり、機械動作１サイクルにおける機械軸角度、モータ軸角度、電気角と、モニタ項目であるＸ，Ｙ，Ｚの３軸の加速度の関係を示す。なお、白抜き矢印は、各角度における１回転（３６０°）を示している。
図１０は、負荷機械の１サイクルの各種同期サンプリングデータの機械軸角度との関係を示す図であり、負荷機械の１サイクルのサンプリングデータの挙動イメージを示す。図１０において、負荷機械は、工程ＡからＤを１サイクルで行ない、この動作を機械軸の１回転毎に繰り返す周期性を有する負荷である。そして、サンプル項目として加速度Ｘ，Ｙ，ＺとトルクＴをサンプリングする。
負荷機械を駆動する電動機は同期機であり、すべりがないので、駆動する機械装置の機械軸位相とモータ制御の位相は常に同期している。このため、制御上の電気角は機械装置の機械軸位相と関係づけることが可能であり、このことから同期電動機制御マイコンは制御している電気角毎のデータをサンプリングすることで、例えば機械装置の振動情報をインバータに搭載されている加速度センサから入手でき、機械装置の異常部位の推定と検知を可能とできる。
なお、偶発的なノイズ情報を排除するために、サンプリングしたデータを平均化することで、正常パターンと比較して異常部位の推定と検知を行ってもよい。
また、サンプリングするデータは周期性があるので、電気角１回転毎に１点ずつサンプリングすることが可能であり、時分割で各種同期データの蓄積が可能である。
また、加速度センサなしでも、インバータ内部の電流検出部によるトルク電流などの負荷の変化、温度などを検出可能である。
本実施例では、単気筒の圧縮機を例にとったが、電動機に取り付けられるアプリケーションはこれに限定されるものではない。羽根車をつけたポンプ装置でもよいし、スクリュー圧縮機やスクロール圧縮機等でもよい。いずれのアプリケーションにおいても、１サイクルとは、アプリケーション側の状態が電動機が回転を始める初期の状態と同じ状態になるまでを１サイクルとしている。ポンプやファン等であれば、羽根車が１回転して同じ位置になるまでが１サイクルであり、スクロール圧縮機であれば旋回スクロールの位置が動作開始時の位置まで戻ってきたときが１サイクルと考える。言い換えれば、アプリケーション側の機械軸１回転が１サイクルに相当する。
なお、本実施例では図１のようにサンプリング処理を全て回転電機内で実行する場合を説明したが、例えば図１１のように、電気角同期サンプリング処理部１０８、モニタデータ記憶部１１０、異常判定処理部１１１等の一部の機能がネットワークを介して回転電機組立体１の外部で実行される構成としてもよい。
以上のように、本実施例によれば、回転電機組立体の同期電動機によって駆動され、周期性のある動作を行う機械装置の軸位相に同期した各種データをサンプリングすることが可能となる。すなわち、機械装置を駆動する回転電機組立体にデータロガーの機能を持たせることにより、機械装置の予兆監視を目的とした電流センサ、電圧センサ、加速度センサなどの検出器類やそれらのデータを解析する専用の処理装置等を設けずに、かつそれらのデータ解析装置を設けることなく、機械装置の回転軸の位相に同期した状態監視用の各種データを機械装置の動作１周期分をサンプリングすることが可能となり、最小限の機器構成で電気機械システムの予兆監視手段を提供することが可能となる。
なお、回転電機組立体は機械装置を駆動する用途のみならず、再生可能エネルギーの動力変換機械としての水車、風車等との組み合わせた発電用途でも適用可能であり、同様にこれら発電システムの故障予兆監視を可能とする。
１：回転電機組立体、２：インバータ、３：永久磁石式同期電動機、４：電源、５：機械装置、６：変速機、７：コンバータ、８：加速度センサ、９：同期検出器、１０：同期モータ制御マイコン、１１：電流検出器、１０１：ＰＷＭ制御パルス生成部、１０２：電圧指令演算部、１０３：指令生成部、１０４：ｄ／ｑ変換部、１０５：位置・速度演算部、１０６：電流検出部、１０７：電動機制御用データ、１０８：電気角同期サンプリング処理部、１０９：電気角カウンタ、１１０：モニタデータ記憶部、１１１：異常判定処理部、１１２：上位転送処理部、２０１：外部通信インタフェース、３０１：レシプロ圧縮機、３０２：電動機軸、３０３：ドライブギア、３０４：ドリブンギア、３０５：機械軸、４０１：トルク特性、５０１：機械軸角度、５０２：モータ軸角度、５０３：電気角。

Claims (11)

  1. 同期電動機を制御するインバータによるデータ取得方法であって、
    前記インバータの位置・速度演算部が前記同期電動機と前記インバータ間の電流値から前記同期電動機の電気角を算出し、
    該電気角の情報と同期して前記同期電動機を制御するための前記インバータ内にある内部データをサンプリングして同期モニタデータとして前記電気角毎のデータを取得し、
    前記同期モニタデータをモニタデータ記憶部に記憶することを特徴とするデータ取得方法。
  2. 請求項１に記載のデータ取得方法であって、
    前記同期電動機は加速度センサを有し、
    前記加速度センサからの外部データを前記電気角の情報と同期してサンプリングし、前記外部データを取得することを特徴とするデータ取得方法。
  3. 請求項１または２に記載のデータ取得方法であって、
    前記サンプリングは前記電気角が３６０°毎に行うことを特徴とするデータ取得方法。
  4. 同期電動機を制御するインバータであって、
    該インバータは、半導体スイッチング素子と該半導体スイッチング素子をオンオフ制御する制御装置と電流検出部を有し、
    前記制御装置は、指令値を生成する指令生成部と、該指令生成部からの指令によりＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ制御パルス生成部と、
    前記電流検出部からの電流値を用いて前記同期電動機の電気角を推定する位置・速度演算部と、
    該位置・速度演算部から電気角の情報を受け取り、電気角同期サンプリング処理部へトリガ信号を出力する電気角カウンタと、
    該電気角カウンタからの出力をトリガ信号としてデータをサンプリングし同期モニタデータとして出力する電気角同期サンプリング処理部と、
    該同期モニタデータを記憶するモニタデータ記憶部とを有することを特徴とするインバータ。
  5. 請求項４に記載のインバータであって、
    該インバータで制御する前記同期電動機が駆動する機械装置の動作周期１サイクル分の前記同期モニタデータのサンプリングが完了すると、これらのデータの異常を判定する異常判定処理部と、
    該異常判定処理部で異常と判断した場合は、上位制御装置へ前記同期モニタデータを転送する上位転送処理部を有することを特徴とするインバータ。
  6. 請求項４に記載のインバータであって、
    該インバータで制御する前記同期電動機が駆動する機械装置の動作周期１サイクル分の前記同期モニタデータのサンプリングが完了すると、これらのデータを定期的に上位装置に転送する上位転送処理部を有することを特徴とするインバータ。
  7. 請求項４に記載のインバータであって、
    前記インバータは加速度センサを有し、
    電気角同期サンプリング処理部は、前記加速度センサからのデータを前記電気角カウンタの出力をトリガ信号としてサンプリングし同期モニタデータとして出力し、
    前記モニタデータ記憶部に蓄積することを特徴とするインバータ。
  8. 請求項４に記載のインバータであって、
    該インバータで制御する前記同期電動機が駆動する機械装置の同期検出器からの原点パルス信号を前記電気角カウンタへ入力し、前記同期モニタデータのトリガ開始と機械装置の原点を合せることを特徴とするインバータ。
  9. 請求項４に記載のインバータであって、
    前記電気角同期サンプリング処理部は、前記サンプリングを前記電気角が３６０°毎に行うことを特徴とするインバータ。
  10. 同期電動機と、
    前記同期電動機を制御するインバータとを備え、
    該インバータは、半導体スイッチング素子と該半導体スイッチング素子をオンオフ制御する制御装置と電流検出部を有し、
    前記制御装置は、指令値を生成する指令生成部と、該指令生成部からの指令によりＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ制御パルス生成部と、
    前記電流検出部からの電流値を用いて前記同期電動機の電気角を推定する位置・速度演算部と、
    該位置・速度演算部から電気角の情報を受け取り、電気角同期サンプリング処理部へ出力する電気角カウンタと、
    該電気角カウンタの出力をトリガ信号としてデータをサンプリングし同期モニタデータとして出力する電気角同期サンプリング処理部と、
    該同期モニタデータを記憶するモニタデータ記憶部とを有することを特徴とする回転電機。
  11. 請求項１に記載のデータ取得方法であって、
    前記同期電動機が駆動する機械装置の動作周期１サイクル分の前記同期モニタデータのサンプリングが完了すると、これらのデータの異常を判定することを特徴とするデータ取得方法。
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