JP7033505B2 - 誘導電動機の過熱監視方法、誘導電動機監視装置、および誘導電動機の制御システム - Google Patents

誘導電動機の過熱監視方法、誘導電動機監視装置、および誘導電動機の制御システム Download PDF

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Description

本発明は、誘導電動機の過熱監視方法、過熱監視装置および過熱監視装置を用いた誘導電動機の制御システムに関する。
産業用の巻上機駆動システムなどに搭載され、頻繁に起動・停止を行う誘導電動機は、起動電流が電動機定格電流の数倍にもなる。特に、固定子に比べ内部にある回転子はまだ十分に冷却されない状態で次の起動動作が始まるため、回転子が過熱になり電動機の巻線や鉄芯の絶縁破壊、さらには、焼損の可能性が高くなる。
このような故障を事前に防ぐために、電動機の速度センサ、電流センサ、温度センサ情報を用いた過熱監視装置が報告されている（特許文献１）。また、温度センサにより計測される環境温度および固定子温度から回転子の温度上昇分を推定する推定方法も報告されている（特許文献２）。
特開２０１７－１７５８２０号公報 特開平１－２７４６８５号公報
しかし、特許文献１では、監視対象毎に電流センサの他に速度センサを必要とする。また、特許文献２の技術では、監視対象毎に電流センサの他に温度センサを必要とする。このため、センサを含む関連機器の数が増え、設備全体のコストが高くなる。
また、電動機設置場所に寸法制約がある場合や、過酷な環境条件においては、センサを設置することが難しいといった課題もある。さらにセンサの数が増えれば増えるほどセンサ群の信頼性を確保することが困難となり、監視精度が低下する。このため、できる限りセンサを使わない誘導電動機の過熱監視装置が求められている。センサの数が減ると、メンテナンス性、信頼性が大幅に向上する。具体的に、センサの保守点検作業が削減できるほか、センサの故障に伴うシステムダウンを未然に防ぐことができる。また、センサ用システム艤装配線が削減できるので作業コストを削減できる上に、配線トラブルなどの懸念もなくなる。
本発明の目的は、電流センサの検出値から電動機の温度を推定し、過熱状態を監視する誘導電動機の過熱監視方法、誘導電動機の過熱監視装置、および誘導電動機の制御システムを提供することである。
本発明は、その一例を挙げると、少なくとも１台の誘導電動機と前記誘導電動機に交流電流を供給するインバータと前記インバータを制御する制御部とを備えた電動機制御システムにおける電動機過熱状態監視方法であって、誘導電動機の抵抗と起動時の特徴量との関係を示す抵抗演算関係データと、前記温度過熱を判断するための判断基準値とを記憶しておき、前記誘導電動機の電流を検出し、運転期間中における各起動時において、該検出された電流から位相角を求め、該位相角と該位相角を位相同期した信号との差から位相角差分に関する信号を演算し、該位相角差分に関する信号から電動機の特徴量を演算し、該電動機の特徴量と前記抵抗演算基準データとを用いて前記誘導電動機の抵抗を演算し、次いで該演算した抵抗から前記誘導電動機の温度を演算し、該演算された前記誘導電動機の温度と前記判断基準値とを比較し過熱状態かどうかを判定するようにした誘導電動機の過熱監視方法である。
また、本発明の他の一例を挙げると、少なくとも１台の誘導電動機と前記誘導電動機に交流電流を供給するインバータと前記インバータを制御する制御部とを備える電動機制御システムにおける誘導電動機の過熱監視装置であって、前記誘導電動機の抵抗と起動時の特徴量との関係を示す抵抗演算関係データと、過熱を判断するための判断基準値とを記憶するデータ記憶部と、前記誘導電動機の電流を検出する電流センサと、運転期間中における各起動時において、該検出された電流から位相角を求め、該位相角と該位相角を位相同期した信号との差から位相角差分に関する信号を演算する電動機情報演算部と、前記位相角差分に関する信号から得られる電動機の特徴量を演算する特徴量演算部と、該電動機の特徴量と前記抵抗演算関係データとを用いて前記誘導電動機の抵抗を演算し、次いで該演算した抵抗から前記誘導電動機の温度を演算する温度演算部と、該演算された前記誘導電動機の温度と前記判断基準値とを比較し過熱状態かどうかを判定する過熱判定部と、を備えた誘導電動機の過熱監視装置である。
本発明によれば、交流電流の検出値に基づいて誘導電動機の温度を推定し、過熱状態を監視することができる。
本発明の第１実施形態による誘導電動機制御システムを示す図である。 第１の実施形態における電動機情報演算部の詳細を示すブロック図である。 電動機起動時における電流位相角を位相同期した際の比例信号波形を示す図である。 電動機を起動した際の位相同期回路の２つの出力信号波形から得られる勾配と、固定子抵抗との関係を示す図である。 電動機を起動した際の位相同期回路の２つの出力信号波形から得られる位相差と、回転子抵抗との関係を示図である。 頻繁に起動・停止を行う誘導電動機の過熱検知例を示す図である。 第１の実施形態において実行される異常検知ルーチンのフロー図である。 第２の実施形態による誘導電動機制御システムを示す図である。 第３の実施形態による誘導電動機制御システムを示す図である。 第４の実施形態による誘導電動機制御システムを示す図である。 第５の実施形態による誘導電動機制御システムを示す図である。
以下、本発明の種々の実施形態を図面に従い説明する。なお、各実施態様の図面において、同一構成物は同一の数番を付し、その詳細な説明を省略することがある。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態を示す誘導電動機制御システムのブロック図である。図１において、誘導電動機制御システム１１１は、誘導電動機１０と、駆動装置２０と、監視装置４０（電動機監視装置）と、複数の電流センサ４１と、を備えている。駆動装置２０は、インバータ２２と、制御部３０と、を備えている。そして、誘導電動機１０の回転軸１４は、ギア等の機械部品（図示せず）を介して、または直結で駆動機構１６に接続されている。インバータ２２は、制御部３０の制御に基づいて、誘導電動機１０に対して三相交流電圧を印加する。なお、以下の説明では、誘導電動機を、電動機と称する場合がある。
図１において、駆動装置２０は、電動機１０の速度やトルクを制御するものであり、ここでは、制御部３０は公知のベクトル制御方式を使ってインバータを制御するものとして記載している。
制御部３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等、一般的なコンピュータとしてのハードウエアを備えており、制御プログラムおよび各種データ等が格納されている。また、監視装置４０も同様に、一般的なコンピュータとしてのハードウエアを備えている。ただし、図１では、理解を容易にするために、制御部３０および監視装置４０の機能をブロック図として記載している。
（制御部３０の動作説明）
制御部３０は、指令生成部３２と、偏差演算部３３と、ベクトル制御部３４と、ｄｑ／３Φ変換部３６と、３Φ／ｄｑ変換部３８と、を備えている。制御部３０は、これらの構成により、電動機１０に対してベクトル制御を行い、電動機１０の応答性を向上させようとするものである。インバータ２２は、電動機１０に対してＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電流を出力する。電流センサ４１は、そのうち任意の二相の電流を検出する。すなわち、図示の例では、Ｕ相、Ｗ相の電流を検出し、その結果を電流検出値Ｉus，Ｉwsとして出力する。なお、電流センサ４１の検出値は、後述する監視装置４０においても使用する。ここで、周波数ｆで回転する回転座標を想定し、この回転座標において直交する軸をｄ軸およびｑ軸と呼び、電動機１０に供給される電流をこの回転座標における直流量として表現する。ｑ軸における電流は、電動機１０のトルクを決定する電流成分であり、以下、これをトルク電流と呼ぶ。
また、ｄ軸における電流は、電動機１０の励磁電流になる成分であり、以下、これを励磁電流と呼ぶ。３Φ／ｄｑ変換部３８は、電流検出値Ｉus，Ｉwsに基づいて、励磁電流検出値Ｉdと、トルク電流検出値Ｉqとを出力する。指令生成部３２は、図示せぬ上位装置から、トルク指令値τ*を受信し、トルク指令τ*に基づいて、励磁電流指令値Ｉd*と、トルク電流指令値Ｉq*と、を生成する。偏差演算部３３は、電流指令値Ｉd*，Ｉq*と、検出値Ｉd，Ｉqとに基づいて、偏差Ｉd*－Ｉd，Ｉq*－Ｉqを出力する。ベクトル制御部３４は、偏差Ｉd*－Ｉd，Ｉq*－Ｉq等に基づいて、励磁電圧指令値Ｖd*と、トルク電圧指令値Ｖq*とを出力する。ｄｑ／３Φ変換部３６は、回転座標系の電圧指令値Ｖd*，Ｖq*に基づいて、インバータ２２を駆動するためのＰＷＭ信号を出力する。インバータ２２は、供給されたＰＷＭ信号に基づいて、供給された直流電圧（図示せず）をスイッチングし、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧を出力して電動機１０を駆動する。
（監視装置４０の構成）
監視装置４０は、電動機情報演算部４２と、特徴量演算部４４と、温度演算部４５と、演算に必要なデータを記憶するデータ記憶部４６と、過熱判定部４８とを備えている。なお、監視装置４０の各構成における動作の説明および処理内容は、電動機温度推定方法を説明した後で説明する。
（電動機温度推定方法）
次に、この実施形態における電動機温度推定方法を説明する。
一般によく知られているように、電動機１０の電動機抵抗値等は、動作温度によって変動する。ここで、ある温度Ｔ０を「基準温度Ｔ０」とし、基準温度における抵抗値等のパラメータを「基準値」と呼ぶ。電動機１０に温度上昇が生じると、電動機抵抗値が大きくなる。電動機温度Ｔと、電動機抵抗値ＲＴとの関係は、下式（１）のようになる。
ＲＴ=Ｒ０×(δ＋Ｔ)/(δ＋Ｔ０) ……式（１）
式（１）において、δは巻線銅線の抵抗温度係数の逆数であり、Ｒ０は電動機抵抗基準値、すなわち基準温度Ｔ０における電動機抵抗値である。式（１）によれば、例えば、基準温度に対して、４０℃の温度上昇が生じると、電動機抵抗値ＲＴは電動機抵抗基準値Ｒ０の約１．１倍になる。また、基準温度に対して、７０℃の温度上昇が生じると、電動機抵抗値ＲＴは、電動機抵抗基準値Ｒ０の約１．２倍になる。なお、巻線がアルミ線等の場合も、同様の計算式が適用できる。
次に、本発明の第１の実施態様における電動機の抵抗の求め方を図２を用いて説明する。図２は、図１における電動機情報演算部４２の具体的な回路構成を示す図である。電動機情報演算部４２は、３Φ／αβ変換器５２と、逆正接変換器５４と、減算器５６と、位相同期演算部６０と、積分器７２と、乗算器７４と、を備えている。位相同期演算部６０は、乗算器６２，６４と、積分器６６と、加算器６８とで構成される。
まず、電動機情報演算部４２は電動機に流れる電流の位相角を演算する。３Φ／αβ変換器５２は、電流検出値Ｉu，Ｉwを、直交する二相の交流電流Ｉα，Ｉβに変換する。逆正接変換器５４は、これら交流電流Ｉα，Ｉβに基づいて、交流電流位相角θi*を計算する。次に、位相角θi*は、位相同期回路に入力され、位相同期回路により位相同期化された位相角θiとの差分（θi*－θi））である位相角差分信号が演算される。
この位相角差分信号（θi*－θi））は、乗算器６２により所定の比例ゲインＫｐが乗算され、位相差差分信号の比例信号Kp（θi*－θ0）を出力する。
ところで、発明者は、電動機を起動する際（起動時）の位相差差分信号の比例信号Kp（θi*－θ0）から得られた特徴量が、電動機の抵抗の値により大きく変動するという知見を得た。本発明の実施形態では、この知見を利用して電動機の抵抗を求め、さらにその電動機の抵抗から電動機の温度を演算する。この詳細は後述する。
なお、図２の場合、電動機の起動時における位相角差分信号の比例信号を用いているが、位相角差分信号の比例信号の代わりに、減算器５６の出力である位相角差分信号を用いても良い。なぜなら、位相角差分信号と位相角差分信号の比例信号とは比例関係にあることから、起動時における信号波形の特徴量自体は同様であるからである。このため、位相角差分信号と位相角差分信号の比例信号のいずれかの信号のことを、「位相角差分に関する信号」と称する。
また、図２の減算器５６の出力である位相角差分信号（θi*－θi））は、乗算器６４に入力され、ここで所定の積分ゲインＫｉを乗算される。積分器６６は、この乗算結果を積分する。
加算器６８は、乗算器６２の出力と、積分器６６の出力を加算し、加算結果を周波数信号ω1sとして出力する。積分器７２は、周波数信号ω1sを積分し、交流電流位相角θiを出力する。交流電流位相角θiは、減算器５６に供給される。また、乗算器７４は、周波数信号ω1sに「２／Ｐ」（ここで、Ｐは電動機１０の極数）を乗算し、乗算結果を機械周波数ωrsとして出力する。ここで、機械周波数ωrsは、電動機１０（図１参照）の実速度（すべりを含んだ速度）に対応する信号になる。
このように、減算器５６、位相同期演算部６０および積分器７２は、位相同期回路として機能し、減算器５６が出力する差分値「θi*－θi」が「０」に近づくような、周波数信号ω1sおよび交流電流位相角θiを出力する。
ここで、電動機の固定子抵抗Ｒ１、回転子抵抗Ｒ２が変化した場合の位相角差分に関する信号の変化をシミュレーションにより評価した結果について説明する。図３は、電動機が起動する際の位相角差分に関する信号の変動を示す図である。図３において、破線の波形は電動機が基準温度Ｔ０の場合における電動機の抵抗（固定子抵抗Ｒ１、回転子抵抗Ｒ２）の起動時の波形を示し、実線の波形は起動・停止を頻繁に繰り返す運転中における起動時の波形を示す。この図３から分かるように、基準となる波形（破線で示す波形）と運転中の波形（実線の波形）とを比較すると、その両者の波形の勾配αと位相差βが異なっている。なお、ここでは、波形の勾配αと位相差βを総称して、「電動機の特徴量」と称することにする。また、「起動時」とは、起動開始時点のみでなく起動開始から加速中である期間を指す。また、起動時と起動の際とは、ここでは同様の意味で用いる。
電動機の特徴量と電動機の抵抗との関係を図４と図５に示す。図２において、基準となる固定子抵抗における起動時の位相同期比例信号の波形とを比較した場合において、波形の勾配をαとし、位相差をβとしている。図４は、勾配αと固定子抵抗Ｒ１との関係を示す図である。また、図５は、位相差βと回転子抵抗Ｒ２との関係を示す図である。
図４から分かるように、勾配αは固定子抵抗Ｒ１と反比例（勾配が大きいほうがＲ１が小さい）の関係になっている。また、図５から分かるように、位相差βは回転子抵抗Ｒ２と比例関係（位相差が大きいほうがＲ２が大きい）になっている。つまり、位相角度に基づいて得られる位相角差分に関する信号の起動時の立上りの基準値に対する勾配αは、固定子抵抗Ｒ１の影響が支配的である。また、位相角差分に関する信号の位相差βは回転子抵抗Ｒ２の影響が支配であることが分かる。
したがって、この図４、図５の関係を予め求めてメモリに記憶させておき、運転中の起動時において、そのメモリに記憶した関係に対しその時点の特徴量を当てはめることによって、その時点の電動機の抵抗を得ることができる。この図４、図５に示すような電動機の抵抗と特徴量との関係のことを、以下では「抵抗演算関係データ」と称する。
なお、上記の関係が生じる理由は正確には把握できていないが、発明者は以下に考察するようなものと考えている。まず、電動機固定子電流Ｉ１は式（２）のように固定子抵抗Ｒ１が大きくなると、電動機電圧Ｖ１が一定のため，Ｉ１が小さくなるため電流の立ち上がりが遅くなった結果、起動時の位相角差分に関する信号の勾配αが小さくなっている。一方、誘導電動機のすべり周波数Ｓsが式（３）のように回転子抵抗Ｒ２に比例し、回転子抵抗Ｒ２が大きくなるとＳsが大きくなり、速度を上げるための電動機トルクが要求されるため、結果的により大きいトルク電流を供給する必要がある。つまり、電動機電流位相が基準値より進み、位相角差分に関する信号の位相も回転子抵抗Ｒ２に比例し進むことが示唆される。
Ｉ１ = Ｖ１／Ｒ１ ……式（２）
Ｓs = (Ｒ２×Ｉｑ)／(Ｌ２×Ｉｄ) ……式（３）
ここで、Ｉｑは電動機トルク電流、Ｌ２は電動機回転子側インダクタンス、Ｉｄは電動機励磁電流である。
以上述べたように、電動機の起動時の位相角差分に関する信号における電動機の特徴量（勾配αおよび位相差β）に基づいて、誘導電動機の固定子抵抗Ｒ１および回転子抵抗Ｒ２を推定することができる。すなわち、実験やシミュレーション等により、図４、図５に示す関係を予め求めて記憶しておき、起動・停止を繰り返す運転継続中においては、各起動時の位相角差分に関する信号における電動機の特徴量（勾配αおよび位相差β）を求める。そして、この電動機の特徴量を、抵抗演算関係データ（図４および図５に示す関係データ）と照合すれば、そのときのαに対する固定子抵抗Ｒ１と、そのときのβに対する回転子抵抗Ｒ２とを演算することができる。そして、固定子抵抗Ｒ１と回転子抵抗Ｒ２が求まれば、それぞれの抵抗を式（１）の関係式に当てはめることにより、固定子温度と回転子温度をそれぞれ演算することができる。
（監視装置４０の動作説明）
図１の実施形態では、上述した温度推定演算方法を利用して電動機の温度を求め、この求められた温度と過熱判断用の基準値とを比較することにより過熱監視を行う。次に、上述した方法による温度推定機能と、推定された温度を用いて電動機の過熱状態を判断する機能を有する監視装置４０の動作を説明する。
図１において、監視装置４０は、電流センサ４１から電動機に流れる電流を検出する。すなわち、電動機情報演算部４２は、対応する電流センサ４１からＵ相の電流検出値Ｉuと、Ｗ相の電流検出値Ｉwとを取得する。そして、電動機情報演算部４２は、これら検出値に基づいて、運転中における電動機の各起動時において、位相角差分に関する信号（図３の実線に示すような波形）を出力する。この位相角差分に関する信号を得ることについては上述したとおりであり、その説明は省略する。
特徴量演算部４４は、電動機情報演算部４２から起動時における位相角差分に関する信号を入力し、図３に示すように起動時における基準値からの波形のずれである電動機の特徴量（勾配αおよび位相差β）を抽出する演算を行う。
次に、温度演算部４５は、特徴量演算部４４の出力である電動機の特徴量（勾配αおよび位相差β）に基づいて、電動機の温度（固定子温度Ｒ１、回転子温度Ｒ２）を演算する。具体的には、データ記憶部４６に予め記録されている抵抗演算関係データ（図４に示す勾配αとＲ１との関係、図５に示す位相差βとＲ２との関係）に対し、今回の起動時の特徴量を当てはめて照合することにより、今回起動時における電動機の抵抗（固定子抵抗Ｒ１，回転子抵抗Ｒ２）を演算できる。抵抗演算関係データは、図４、図５の関係をテーブルとして記憶しておくと照合が容易である。この電動機抵抗が求まると、式（１）の関係を利用して、今回起動時における電動機固定子および回転子の温度を演算する。温度演算部４５の演算や処理に必要な基準となる基準データはデータ記憶部４６に記憶しておく。この基準データは、抵抗演算関係データ、およびＲ１、Ｒ２と電動機温度の演算に必要なデータなどである。
なお、温度演算部４５に、電動機速度を入力しているのは、電動機の起動、停止の状態を検出するためである。この速度の情報により、電動機を起動したかどうかの判断およびその後の加速状況が得られるので、演算開始のタイミングを得ることが可能となる。
過熱判定部４８は、温度演算部４５により得られた電動機の温度を入力し、電動機１０の固定子または回転子の過熱状態の有無を検出する。具体的には、過熱かどうかを判定するための固定子温度および回転子温度の判定基準値（閾値）と、温度演算部４５により得られた電動機の固定子温度と回転子温度とをそれぞれ比較する。この判定基準値は、予めデータ記憶部４６に記憶しておく。そして、いずれかの温度が判定基準値を超えている場合には、電動機が過熱状態にあると判定する。過熱状態が判定されると、過熱判定部４８は外部にアラーム信号を出力する。
なお、アラーム信号は、ランプの点灯、警報機の発音、または無線通信手段による電波送信等、管理者に通知できる手段であればよい。本実施形態における監視装置４０は、過酷な環境に設置する場合には、防塵防水対策を施した監視装置ケースに収納することが好ましい。さらに、監視装置４０をインバータ２２等、ノイズを発生するデバイスの近くに設置する場合には、監視装置４０にノイズ対策を施すことが好ましい。
図６に、電動機運転中の起動・停止を繰り返している状態と、固定子の温度と回転子の温度変化の状況を示す。この図６では、回転子の温度が回転子の判断基準値を超えて、過熱を検知した場合を示している。
以上のように、監視装置４０は、電流センサにより検出された電動機電流の検出値に基づいて、電動機温度を推定演算し、その結果を用いて過熱状態を検知することができる。また、可変速駆動における速度情報も、変換過程にて検出することができるため、回転速度との相関関係も容易に分析できる。さらに、簡単なアルゴリズムによって、交流から直流への変換が可能であるため、異常と判断するためのエッジ処理も監視装置内で実行することができる。これにより、結果として、データ量が大幅に削減でき、分析／診断作業も容易となる。
（第１の実施形態における過熱検知ルーチンの説明）
図７は、監視装置４０において実行される過熱検知ルーチンの説明図である。この過熱検知ルーチンは、電動機１０の起動時（起動開始から加速中である期間）に、所定のサンプリング周期毎に実行される。
図７において処理がステップＳ２に進むと、電流計測処理が実行される。すなわち、図１に示すように、監視装置４０は、電流センサ４１から、電流検出値Ｉu、Ｉwを取得する。
次に、処理がステップＳ３に進むと、電動機情報演算部４２は、電動機１０の速度ωrsおよび位相角差分に関する信号を演算する。
次に、処理がステップＳ４に進むと、特徴量演算部４４は、今回の加速時に得られた位相角差分に関する信号における電動機の特徴量（勾配αおよび位相差β）を抽出する。
次に、処理がステップＳ５に進むと、温度演算部４５は、ステップＳ６に示す基準値データとステップＳ４で得られた特徴量（勾配α、位相差β）とを用いて、電動機の抵抗（固定子抵抗Ｒ１、回転子抵抗Ｒ２）を求め、次いでこの電動機抵抗に基づいて電動機の温度（固定子温度、回転子温度）を推定演算する。具体的には、ステップＳ４で得られた電動機の特徴量（勾配αおよび位相差β）と、予め記憶している抵抗演算関係データ（図４、図５に示す関係データ）とから電動機の抵抗（固定子抵抗Ｒ１および回転子抵抗Ｒ２）を推定演算し、次いでこの演算された電動機の抵抗から電動機の温度（固定子温度Ｔｓおよび回転子温度Ｔｒ）を演算する。なお、ステップＳ６の基準データは、図４に示す勾配αとＲ１のデータテーブル、図５に示す位相差βとＲ２のデータテーブル、およびＲ１、Ｒ２と温度のデータテーブルを含むデータなどである。
ステップＳ７において固定子温度Ｔｓが判断基準値Ｔ１を超え、かつ電動機起動の過度状態にある（ωrs＞０）と判断されると、つまりステップＳ７で「Ｙｅｓ」と判定されると、処理はステップＳ９に進む。ステップＳ７で「Ｙｅｓ」の判定となる場合は、電動機の固定子温度が過熱状態であることを示す。ステップＳ７で「ＮＯ」の場合は、本ルーチンの処理を終了とし、次の処理開始タイミングに備える。
ステップＳ９では、電動機１０の固定子が過熱状態であることを表す電動機過熱アラーム信号を外部に出力する。
ステップＳ８において回転子温度Ｔｒが判断基準値Ｔ２を超え、かつ電動機起動の過度状態にある（ωrs＞０）と判断されると、つまりステップＳ８で「Ｙｅｓ」と判定されると、処理はステップＳ１０に進む。ステップＳ８で「Ｙｅｓ」の判定となる場合は、電動機の固定子温度が過熱状態であることを示す。ステップＳ８で「ＮＯ」の場合は、本ルーチンの処理を終了とし、次の処理開始タイミングに備える。
ステップＳ１０では、電動機１０の回転子が過熱状態であることを表す電動機過熱アラーム信号を外部に出力する。
（第１の実施形態の効果）
以上のように第１の実施形態によれば、少なくとも２相の電流値Ｉu，Ｉwに基づいて電動機１０の固定子過熱状態または回転子過熱状態を検知することができる。すなわち、温度センサや速度センサ等を省略できることにより、メンテナンスの省力化を実現しつつ故障を未然に防止できる。
また、過熱判定部４８は、電動機１０の過熱状態を検知するとアラーム信号を出力するので、管理者に対して、各種の異常を報知することができる。本実施形態のアラームは、ランプ、警報器、または無線通信手段など管理者に通知できる手段であればよい。
また、過酷な環境に設置する場合、監視装置ケースの防塵防水対策を行うのが望ましい。さらに、インバータなどノイズ発生するデバイスの近くに設置する場合、監視装置のノイズ対策を実施することが望ましい。
なお、第１の実施形態においては、電動機の固定子温度および回転子温度の両方を演算し、両方の温度の過熱状態を監視している。しかし、本発明では、固定子温度と回転子温度の両方を求めることは必ずしも必要ではなく、いずれか一方の温度を演算し、その温度を監視することでも成立する。もし、いずれかの温度の状態を監視する場合は、安全性の面から判断して冷却しにくい回転子温度の過熱状態を判断する方が良い。
＜第２の実施形態＞
図８は、本発明の第２の実施形態を示す図である。なお、以下の説明において、上述した実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付しその詳細な説明を省略し、異なる内容を中心に説明する。
図８において、誘導電動機制御システム１１２は、Ｎ台（Ｎは２以上の自然数）の電動機１０１～１０Ｎと、これらに回転軸１４１～１４Ｎを介して結合されたＮ台の駆動機構１６１～１６Ｎと、Ｎ台の電動機により駆動される負荷１２（この例では、負荷は、電動機の駆動力により搬送される搬送物とする。）とを備えている。また、各電動機１０１～１０ＮのＵ相、Ｗ相には、各２個の（合計２Ｎ個の）電流センサ４１１～４１Ｎが装着され、これらの電流検出値Ｉu1～ＩuN，Ｉw1～ＩwNは、監視装置１５０に供給される。
監視装置１５０の構成は、第１実施形態の監視装置４０（図１参照）と基本的に同様の構成なので、その詳細説明は省略する。すなわち、第１実施形態の監視装置４０が１台の電動機の監視を行う構成であったのに対し、監視装置１５０がＮ台の電動機の過熱状態を監視している点が異なっている。
＜第３の実施形態＞
図９は、本発明の第３の実施形態を示す図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略し、異なる内容を中心に説明する。
図９における誘導電動機制御システム１１３と図１の誘導電動機制御システム１１１とは、基本的にほぼ同様の構成となっている。図９における監視装置１５０の構成と、第１の実施形態における監視装置４０の構成とはほぼ同じであるが、図８に示す監視装置１５０は、電動機の過熱状態を検出した場合の対処の方法が異なる。すなわち、監視装置１５０は、アラーム信号を出力することに代え、電動機の温度を低減させるための制御コマンドを誘導電動機制御システム１１３に供給する構成になっている。制御コマンドは、指令生成部３２に与えられ、この指令が変更される。ここで、制御コマンドとは、例えば、電動機１０の停止または減速を指令するものである。これによって、電動機１０の過熱状態がなくなり、より安全かつ高効率に運転することができる。なお、このほか、図８の実施形態では、制御システム１０３に必要な相電流の検出を別に設けた電流センサ２４により検出している。しかし、この電流センサは、別に設置するのではなく、図１と同様に制御部３０と監視装置１５０とで共用するようにしても良い。
このように、本実施形態によれば、電動機１０の固定子または回転子の過熱状態のうち少なくとも一方を検知すると、制御部３０に対して、制御状態を変更させる制御コマンドを出力する。これにより、制御部３０における制御状態を適切な状態に変更することができる。
＜第４の実施形態＞
図１０は、本発明の第４の実施形態を示す図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略し、上述の実施形態と異なる内容を中心に説明する。
図１０における誘導電動機制御システム１１４は、駆動・監視装置１７０と、電動機１０１，１０２と、これらに回転軸１４１、１４２を介して結合された駆動機構１６１、１６２と、を備えている。駆動機構１６１，１６２は、回転輪の場合、搬送物１２を接線方向に移動させる。あるいは、搬送物１２に代えて鉄道用のレールを設け、レールの上を駆動機構１５１，１６２自体が接線方向に移動するようにしてもよい。
駆動・監視装置１７０は、制御部３０と、インバータ２２と、異常検知部１８０と、平均値演算部１８２と、を備えている。平均値演算部１８２は、電流検出値Ｉu1，Ｉu2の平均値および電流検出値Ｉw1，Ｉw2の平均値を求め、これらを電流検出値Ｉus，Ｉwsとして出力する。
制御部３０、インバータ２２の構成は上記第１実施形態のもの（図１参照）と同様であり、異常検知部１８０の構成は、第３実施形態の監視装置１６０（図９参照）の構成と同様である。従って、本実施形態の駆動・監視装置１７０は、第３実施形態における駆動装置２０および監視装置１６０の機能を合わせた機能を有する。なお、本実施形態は、既設の駆動装置２０（図９参照）に対して、異常検知部１８０および平均値演算部１８２を増設することによって構成することもできる。
＜第５の実施形態＞
図１１は、本発明の第５実施形態を示す図である。図１１は、ローラーテーブル２００を駆動する誘導電動機制御システムの例を示している。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付しその詳細な説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
図１１における誘導電動機制御システム１１５は、Ｎ台（Ｎは２以上の自然数）の電動機１０１～１０Ｎと、回転軸１４１～１４Ｎと、Ｎ台の駆動機構１６１～１６Ｎと、駆動装置２０と、監視装置１５０とを備えている。さらに、誘導電動機制御システム１１５は、水平に配置された複数のローラーからなるローラーテーブル２００を備えている。ローラーテーブル２００は、軸受部２１１～２１Ｎと、駆動機構１６１～１６Ｎで構成されている。上述した駆動機構１６１～１６Ｎは、それぞれ軸受部２１１～２１Ｎと、複数のローラー２２１～２２Ｎを備えている。電動機制御システム１１５は、例えば、圧延機（図示せず）により圧延された鋼板を搬送する搬送ローラーを駆動するものである。ローラー２２１から２２Ｎは、全て同一速度で駆動される。従って、ローラー２２１～２２Ｎの駆動源である電動機１０１～１０Ｎは、同一仕様のものが適用される。上述した以外の本実施形態の構成は、第２実施形態のもの（図８参照）と同様である。
熱間圧延機システムに使用されるローラーテーブルの場合、ローラーテーブル２００上を搬送される鋼板は相当高温となっており、各軸受部２１１～２１Ｎ、カップリング（図示せず）、電動機１０１～１０Ｎは、過酷な稼働状況に置かれる。このため、ライン停止等の事態が発生することを防止するため、従来から、軸受部、電動機、等の個別診断対象毎に温度センサ、速度センサ等のセンサを装着し、その検出信号を解析して異常診断を行うことが一般的であった。これに対して、本実施形態によれば、各電動機に温度センサや速度センサ等を装着することが不要になる。そのため、ラインが停止する等の事態が発生することを防止することができる。
＜その他の実施形態の例＞
以上いくつかの実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
（１）上記実施形態における制御部３０、監視装置４０，１５０，１６０、および過熱検知部１８０のハードウエアは、一般的なコンピュータによって実現できる。そのため、図２、図５に示したアルゴリズム、図７に示したプログラム等を記憶媒体に格納し、または伝送路を介して頒布してもよい。
（２）図２、図５に示したアルゴリズム、または図７に示したプログラムは、上記各実施形態ではプログラムを用いたソフトウエア的な処理として説明したが、その一部または全部をＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit；特定用途向けＩＣ)、あるいはＦＰＧＡ(field-programmable gate array)等を用いたハードウエア的な処理に置き換えてもよい。
（３）図８等の構成において、インバータ２２は１台のみ設けられているが、複数のインバータを設けてもよい。
１０…誘導電動機、２０…駆動装置、２２…インバータ、２４…電流センサ、３０…制御部、４０…監視装置、４１…電流センサ、４２…電動機情報演算部、４４…特徴量演算部、４５…温度演算部、４６…データ記憶部、４８…過熱判定部、５２…３Φ／αβ変換器、５４…逆正接変換器、５６…減算器、６０…位相同期演算部、５５…積分器、６２…乗算器、６４…乗算器、６６…積分器、７２…積分器、７４…乗算器、１０１～１０Ｎ…誘導電動機、１１１～１１５…誘導電動機制御システム、１５０…監視装置、１６０…監視装置、１８０…過熱検知部、４０１～４０Ｎ…電流センサ

Claims (13)

  1. 少なくとも１台の誘導電動機と前記誘導電動機に交流電流を供給するインバータと前記インバータを制御する制御部とを備えた誘導電動機制御システムにおける過熱監視方法であって、
    前記誘導電動機の抵抗と起動時の特徴量との関係を示す抵抗演算関係データと、過熱状態を判断するための判断基準値とを記憶しておき、
    前記誘導電動機の電流を検出し、
    運転期間中における起動時において、該検出された電流から位相角を求め、該位相角と該位相角を位相同期した信号との差から位相角差分に関する信号を演算し、
    該位相角差分に関する信号から電動機の特徴量を演算し、
    前記電動機の特徴量と前記抵抗演算関係データとを用いて前記誘導電動機の抵抗を演算し、次いで該演算された抵抗から前記誘導電動機の温度を演算し、
    該演算された前記誘導電動機の温度と前記判断基準値とを比較し過熱状態かどうかを判定する誘導電動機の過熱監視方法。
  2. 請求項１に記載した誘導電動機の過熱監視方法において、
    前記電動機の特徴量は、基準となる前記位相角差分に関する信号と前記起動時の前記位相角差分に関する信号とを比較して得られる波形の勾配と位相差である誘導電動機の過熱監視方法。
  3. 請求項１に記載の誘導電動機した過熱監視方法において、
    前記過熱状態を検知すると、外部にアラーム信号を出力する誘導電動機の過熱監視方法。
  4. 請求項１に記載した誘導電動機の過熱監視方法において、
    前記過熱状態を検知すると、前記制御部に対して前記誘導電動機の温度を低減させるための制御コマンドを出力する誘導電動機の過熱監視方法。
  5. 請求項１に記載した誘導電動機の過熱監視方法において、
    前記電動機制御システムは前記誘導電動機と前記インバータを複数台有し、複数台の誘導電動機の電流をそれぞれ検出し、前記位相角差分に関する信号は前記複数台の誘導電動機に対して演算し、前記誘導電動機の温度は前記複数台の誘導電動機に対して演算し、前記判定は前記複数台の誘導電動機の過熱状態を判定するようにした誘導電動機の過熱監視方法。
  6. 少なくとも１台の誘導電動機と前記誘導電動機に交流電流を供給するインバータと前記インバータを制御する制御部とを備える電動機制御システムにおける誘導電動機の過熱監視装置であって、
    前記誘導電動機の抵抗と起動時の特徴量との関係を示す抵抗演算関係データと、過熱を判断するための判断基準値とを記憶するデータ記憶部と、
    前記誘導電動機の電流を検出する電流センサと、
    運転期間中における起動時において、該検出された電流から位相角を求め、該位相角と該位相角を位相同期した信号との差から位相角差分に関する信号を演算する電動機情報演算部と、
    前記位相角差分に関する信号から得られる電動機の特徴量を演算する特徴量演算部と、
    該電動機の特徴量と前記抵抗演算関係データとを用いて前記誘導電動機の抵抗を演算し、次いで該演算した抵抗から前記誘導電動機の温度を演算する温度演算部と、
    該演算された前記誘導電動機の温度と前記判断基準値とを比較し過熱状態かどうかを判定する過熱判定部と、
    を備えた誘導電動機の過熱監視装置。
  7. 請求項６に記載した誘導電動機の過熱監視装置において、
    前記電流の前記位相角度から得られる特徴量は、基準となる前記位相角に関する信号と前記起動時の前記位相角差分に関する信号とを比較して得られる波形の勾配と位相差である誘導電動機の過熱監視装置。
  8. 請求項６に記載の誘導電動機の過熱監視装置において、
    前記過熱判定部は過熱状態の検知によりアラーム信号を出力する誘導電動機の過熱監視装置。
  9. 請求項６に記載した誘導電動機の過熱監視装置において、
    前記過熱判定部は、過熱状態の検知により前記制御部に対して前記誘導電動機の温度を低減させるための制御コマンドを出力する誘導電動機の過熱監視装置。
  10. 前記誘導電動機を複数台有し、前記複数台の誘導電動機をそれぞれ駆動するために前記インバータが複数台設けられている電動機制御システムに用いる誘導電動機の過熱監視装置であって、
    前記複数の誘導電動機を流れる電流をそれぞれ検出する複数組の電流センサを設け、
    前記それぞれの電流センサの検出値を用いて、前記電動機情報演算部、前記特徴量演算部、前記温度演算部がそれぞれ演算を行い、前記過熱判定部は、前記複数台の前記誘導電動機の過熱状態をそれぞれ判定する請求項６記載の誘導電動機の過熱監視装置。
  11. 少なくとも１台の誘導電動機と、前記誘導電動機に交流電流を供給するインバータと、該インバータを制御する制御部と、該誘導電動機の温度の過熱状態を検知する過熱検知部とを備えた誘導電動機の制御システムであって、
    前記過熱検知部は、
    前記誘導電動機の抵抗と起動時の特徴量との関係を示す抵抗演算関係データと、前記過熱を判断するための判断基準値とを記憶するデータ記憶部と、
    前記誘導電動機の電流を検出する電流センサと、
    運転期間中における起動時において、該検出された電流から位相角を求め、該位相角と該位相角を位相同期した信号との差から位相角差分に関する信号を演算する電動機情報演算部と、
    前記位相角差分に関する信号から得られる電動機の特徴量を演算する特徴量演算部と、
    該電動機の特徴量と前記抵抗演算関係データとを用いて前記誘導電動機の抵抗を演算し、次いで該演算した抵抗から前記誘導電動機の温度を演算する温度演算部と、
    該演算された前記誘導電動機の温度と前記判断基準値とを比較し過熱状態かどうかを判定する過熱判定部と、
    を備えた誘導電動機の制御システム。
  12. 請求項１１に記載した誘導電動機の制御システムにおいて、
    前記過熱部は、過熱状態を判定した場合、前記制御部に対し過熱状態を低減するための制御コマンドを出力する誘導電動機の制御システム。
  13. 請求項１１に記載した誘導電動機の制御システムにおいて、
    前記誘導電動機はローラーテーブルを駆動する誘導電動機の制御システム。
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