JP7362950B1

JP7362950B1 - インバータ装置

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Publication number: JP7362950B1
Application number: JP2022576014A
Authority: JP
Inventors: 活徳竹内; 真琴松下; 雄一坪井; 優介小杉
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2022-09-01
Filing date: 2022-09-01
Publication date: 2023-10-17
Anticipated expiration: 2042-09-01
Also published as: WO2024047843A1

Abstract

実施形態によれば、インバータ装置（１００）は、電機子巻線用電力変換器（１０１）、界磁巻線用電力変換器（１０２）、三相電流をｄｑ軸上で制御する速度制御部（１１０）、界磁巻線電流を制御する界磁電流制御部（１２０）、シミュレータ（１３０）、および制動巻線故障検知装置（２００）を備える。制動巻線故障検知装置（２００）は、通常運転モードと故障検査モード間を切替える切替え部（２１０）、故障検査モードにおいてｄ軸電流指令として直流相当値を出力しｑ軸電流指令として交番電流を出力する検査電流指令値生成部（２２０）、および界磁巻線（１３）での応答を測定し応答信号から制動巻線の異常の有無を判定する検査時測定・判定部（２３０）を有する。

Description

本発明は、インバータ装置に関する。

同期機の固定子には一般的な三相の電機子巻線（分布巻、集中巻、波巻など）が施されている。また、回転子には、界磁巻線が施されており、スリップリングやブラシレス励磁機を通じて界磁電流が供給される。電機子電圧の振幅や回転数に時間的な変動がない定常運転時においては、電機子巻線と界磁巻線の相互作用によってトルク（界磁トルク）が得られる。界磁電流を変更することにより界磁磁束が自由に調整できるため、常に力率１で運転することができる。この利点を活かして，主に１０００ｋＷ級以上の大容量モータとして用いられている。また、界磁磁束を調整することによって無効電力も自由に制御でき進み、遅れ制御が可能となる。このため、水力、火力、原子力などの各種発電プラントにおいての主発電機として用いられている。

同期機の回転子には、界磁巻線に加えて、制動巻線と呼ばれる短絡巻線が設けられている。制動巻線は、回転子の鉄心部を貫く導体棒（以降「ダンパーバー」と称す）と、各ダンパーバーを電気的に接続する短絡環から構成される。制動巻線には電源が接続されていないため、定常運転時には電流（ダンパー電流）は流れず電気的な作用はない。

一方、同期機の始動時などの滑りを伴う運転状態においては、誘導機の二次巻線と同様の原理でダンパー電流が誘導される。ダンパー電流によって誘導トルクが発生し、界磁トルクを補うことができ、商用電源のみで加速する自己始動が可能となる。また、電圧や負荷の急変時などの過渡運転時にもダンパー電流によって誘導トルクが発生する。この場合、誘導トルクは電圧や負荷の変動に抗する方向に生ずるので、負荷角の増大を抑制し脱調耐量を向上させることができる。このように、制動巻線は、同期機の安定運転に欠かすことができない。

しかしながら、鉄心や短絡環などの他の部品に比べると、ダンパーバーは細く長い構造であるため、相対的に機械的強度が弱い。同期機は、ダンパーバーの機械強度を考慮して設計されるが、予期しない過負荷や経年劣化などにより、ごくまれにダンパーバーが折損する故障が見られる。ダンパーバーは回転子鉄心に設けられていることから、通常は目視で故障を判断することができない。固定子から回転子を取り出すことができれば、目視にて故障を確認することもできるが、１０００ｋＷ級の同期機の重量は非常に大きく、分解作業自体が容易に実施できるものではない。したがって、何らかの電気的な方法によって、非分解・非破壊でダンパーバーの折損故障を検知する必要がある。

誘導機においては、これまでにも、ダンパーバー（誘導機の場合は制動巻線ではなく二次巻線と呼ばれる）の折損故障を検知する方法が知られている。これらはいずれも、折損したダンパーバーを有する誘導機を滑りｓで運転すると、基本波周波数ｆの両側に２ｓｆの間隔で側波帯を有する電流が流れるという原理を用いたものである。

一方、同期機は通常、同期速度、すなわちスリップｓが０の状態で運転されるため、ダンパーバーが折損していても側波帯は発生せず、この技術は適用できない。

商用電源で駆動する同期機の場合は、自己始動する際には滑り状態が発生するため、理論上は上述の診断技術が適用できる。しかしながら、同期機の場合には、界磁磁束や突極性によっても２ｓｆの成分が発生するため、ダンパーバーが折損したことによる側波帯と切り分ける必要がある。

これを解決するために、例えば側波帯の片側成分に着目し、始動時における電流波形の片側成分の振幅の時間変化を監視する方法が提案されている。健全時と折損時とでは振幅の時間変化が異なることから、始動毎に測定を行い、その経年変化を分析することによってダンパーバーの折損を検知しようとするものである。また、電流波形の片側成分による方法ではなく、折損故障によって始動時の電流振幅が小さくなることを用いて検出する方法が提案されている。これらは、着目する物理量は異なるものの、「同期機の始動時の特定の物理量を監視して、それの初期値に対する差異を根拠に折損を検知する」という点では同じ考え方に基づいている。

特開昭６１－１１２５４８号公報特開昭６１－１１２５４８号公報特開２０００－９２７９２号公報特許第６７２２９０１号公報

ところで、同期機には、商用電源によって駆動されるものだけでなくインバータで駆動するものがある。例えば、製鉄所の圧延機を駆動する同期機には、幅広い速度範囲で精密なトルク制御が必要となることから、インバータ駆動の同期機が用いられている。

このような同期機においては、インバータから可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の電力が供給されるため、始動時（加速時）においても滑りが生じることはない。すなわち、始動時の物理量を監視するという従来手法を適用することができない。

インバータを制御して、意図的に始動時のような滑り状態を作り出すことは不可能ではないが、始動時には定格電流を大きく上回る起動電流が流れ、それに応じて大きなトルクが発生することになる。これによって、同期機に接続された機械設備を故障させる可能性があり現実的ではない。

本発明の目的は、ダンパーバーの折損故障の検知を可能とするインバータ装置を提供することである。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係るインバータ装置は、電機子巻線を有する固定子と、回転子鉄心、界磁巻線並びに複数のダンパーバーおよびその両端に設けられた短絡環とを有する制動巻線を具備する回転子と、を備える同期機を駆動するインバータ装置であって、前記電機子巻線に電力を供給するための電機子巻線用電力変換器と、前記界磁巻線に電力を供給するための界磁巻線用電力変換器と、電機子電流制御系を有し前記電機子巻線用電力変換器により供給される三相電流をｄｑ軸上で制御する速度制御部と、前記界磁巻線用電力変換器により供給される前記界磁巻線の電流を制御する界磁電流制御部と、前記速度制御部内でｄ軸電流およびｑ軸電流を制御する際に用いる指令と界磁電流指令を演算するシミュレータと、前記制動巻線の故障を検出する制動巻線故障検知装置と、を備え、前記制動巻線故障検知装置は、当該インバータ装置の状態を、通常運転モードから故障検査モードへ、および前記故障検査モードから前記通常運転モードへ切替える切替え部と、前記故障検査モードにおいて、前記通常運転モードにおける前記ｄ軸電流および前記ｑ軸電流の指令に代えて、前記ｄ軸電流の指令として直流相当値を出力し、前記ｑ軸電流の指令として交番電流を出力する検査電流指令値生成部と、前記界磁巻線での応答信号を測定し、前記応答信号から前記制動巻線の故障の有無を判定する検査時測定・判定部と、を備えることを特徴とする。

第１の実施形態に係るインバータ装置の構成を示すブロック図である。第１の実施形態に係るインバータ装置が対象とする同期機の構成例を示す横断面図である。第１の実施形態に係るインバータ装置が対象とする同期機の制動巻線の例を示す斜視図である。第１の実施形態に係るインバータ装置の検査時測定・判定部の構成および動作を説明するための構成図である。第１の実施形態に係るインバータ装置を用いたダンパーバーの折損故障検知方法の手順を示すフロー図である。第１の実施形態に係るインバータ装置が対象とする同期機のダンパーバーが健全な場合を示す周方向に沿った概念的な説明図である。第１の実施形態に係るインバータ装置が対象とする同期機のダンパーバーの折損故障が生じている場合を示す周方向に沿った概念的な説明図である。第１の実施形態に係るインバータ装置が対象とする同期機のダンパーバーが健全な場合および折損故障が生じている場合のそれぞれについてのギャップ磁束密度の分布の例を示すグラフである。第１の実施形態に係るインバータ装置が対象とする同期機のダンパーバーが健全な場合および折損故障が生じている場合のそれぞれについての電流位相に対する界磁電圧の分布の例を示すグラフである。第１の実施形態に係るインバータ装置が対象とする同期機のダンパーバーが健全な場合および折損故障が生じている場合のそれぞれについて回転子電気角が変化した場合の界磁電圧の分布の例を示すグラフである。第１の実施形態に係るインバータ装置が対象とする同期機のダンパーバーが健全な場合および折損故障が生じている場合のそれぞれについて、回転子電気角がランダムに表れる場合における複数回の検査で得られた界磁電圧の変化の例を示すグラフである。第２の実施形態に係るインバータ装置の検査時測定・判定部の構成および動作を説明するための構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るインバータ装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るインバータ装置１００の構成を示すブロック図である。インバータ装置１００は、同期機１を対象とする駆動装置である。

以下、インバータ装置１００の構成を示す各図の説明において、各要素の入出力信号は、たとえば、「角速度指令」ω^＊のように表現している。入出力信号については、詳細には、信号の名称と信号のレベル値とは別のものであるので、これらを別個に表現することが正しい。しかしながら、表現上、煩雑となるため、たとえばω^＊は、「角速度指令信号」を示すとともに「角速度指令信号のレベル値」も示すものとし、両者を「角速度指令」と総称して表現する。なお、フィードバック信号についても、その信号の名称とレベル値を併せて示すものとする。

また、各物理量を表す記号において、添え字“*” が付いたものは指令値，それ以外はフィードバック値または演算値を表す。

インバータ装置１００は、角速度指令ω^＊および磁束指令Φ^＊に対して、電機子電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、および界磁電流ｉ_ｆを調節する。インバータ装置１００は、大別して、電機子巻線用電力変換器１０１、界磁巻線用電力変換器１０２、速度制御部１１０、界磁電流制御部１２０、シミュレータ１３０、および制動巻線故障検知装置２００を有する。

電機子巻線用電力変換器１０１は、インバータなどのＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数）電源であり、図示しないたとえば商用電源などの交流電源から電力供給を受けて、同期機１の電機子巻線２２に電力を供給する。

界磁巻線用電力変換器１０２は、直流電源であり、図示しない交流電源から電力供給を受けて、同期機１の界磁巻線１３に直流の電力を供給する。

速度制御部１１０は、減算器１１１、速度演算器１１２、速度制御器１１３、および電機子巻線電流制御系１１０ａを有する。速度制御部１１０は、角速度指令ω^＊を得るための速度制御ループの下に、対応するトルク電流ｉ_Ｔ ^＊を得るためのマイナーループとしての電機子巻線電流制御系１１０ａを有するカスケード制御の構成となっている。速度制御部１１０は、電機子巻線電流制御系１１０ａにより電機子巻線用電力変換器１０１への電圧指令を出力し、電機子巻線用電力変換器１０１により供給される三相電流をｄｑ軸上で制御する。

電機子巻線電流制御系１１０ａは、ｄｑ軸電流演算器１１４、減算器１１５、減算器１１６、３相－ｄｑ変換器１１７、ｄｑ軸電流制御器１１８、ｄｑ－３相変換器１１９を有する。

速度制御部１１０の減算器１１１は、回転角検出器１０６（レゾルバやエンコーダなど）で計測され位置演算器１０７により算出された同期機１の回転角Θがさらに速度演算器１１２により変換された角速度ωを、負のフィードバック信号とし、角速度指令ω^＊から減じた角速度偏差を出力する。速度制御器１１３は、角速度偏差および磁束指令Φ^＊を入力として、トルク電流指令ｉ_Ｔ ^＊を出力する。

ｄｑ軸電流演算器１１４は、トルク電流指令ｉ_Ｔ ^＊を入力として、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊およびｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊を算出する。この際、ｄｑ軸電流演算器１１４は、シミュレータ１３０で算出された負荷角δを用いる。なお，この実施例では負荷角δを用いてｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊およびｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊を生成しているが，これらが生成できる任意の物理量や演算値であってよい。すなわち，例えば，シミュレータで電流位相角（ｄ軸電流とｑ軸電流の正接）を算出し，それをｄｑ軸電流演算器１１４に入力して，ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊およびｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊を生成するような構成でもよい。

３相－ｄｑ変換器１１７は、電機子電流検出器１０４で検出された電機子の各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、およびＩｗを、ｑ軸電流ｉ_ｑおよびｄ軸電流ｉ_ｄに変換する。３相－ｄｑ変換器１１７は、この変換の際に、位置演算器１０７の出力である回転角Θを用いる。３相－ｄｑ変換器１１７で得られたｑ軸電流ｉ_ｑおよびｄ軸電流ｉ_ｄは、減算器１１５および減算器１１６へのフィードバック信号として入力される。

減算器１１５は、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊およびフィードック信号であるｄ軸電流ｉ_ｄを入力として受け入れ、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊からｄ軸電流ｉ_ｄを減じたｄ軸電流偏差を出力する。減算器１１６は、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊およびフィードック信号であるｑ軸電流ｉ_ｑを入力として受け入れ、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊からｑ軸電流ｉ_ｑを減じたｑ軸電流偏差を出力する。

ｄｑ軸電流制御器１１８は、減算器１１５からのｄ軸電流偏差、および減算器１１６からのｑ軸電流偏差を入力として受け入れ、ｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊およびｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊を算出し、出力する。

ｄｑ－３相変換器１１９は、ｄｑ軸電流制御器１１８により算出されたｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊およびｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊を、３相各相の電圧指令Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊に変換する。電機子巻線用電力変換器１０１は、これら３相各相の電圧指令Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊に比例した三相電機子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを発生し、同期機１に供給する。これにより、同期機１の電機子巻線２２に相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが流れる。この相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、それぞれ電機子電流検出器１０４により検出される。

界磁電流制御部１２０は、磁束指令Φ^＊と、界磁電流ｉ_ｆのフィードバック信号を受けて、界磁電流指令ｉ_ｆｄ ^＊を算出し、界磁電流制御器１２１が、界磁電流指令ｉ_ｆｄ ^＊から界磁電圧指令Ｖ_ｆ ^＊を算出し、界磁巻線用電力変換器１０２に出力する。界磁巻線用電力変換器１０２は、界磁電圧指令Ｖ_ｆ ^＊に比例した界磁電圧Ｖ_ｆを発生し、同期機１の界磁巻線１３に供給する。これにより、同期機１の界磁巻線１３に界磁電流ｉ_ｆが流れる。この界磁電流ｉ_ｆは界磁電流検出器１０５により検出される。

シミュレータ１３０は、磁束指令Φ^＊とフィードバック信号である界磁電流ｉ_ｆｄから、負荷角指令δ^＊と界磁電流指令ｉ_ｆｄ ^＊を演算し出力する。この演算のために、たとえば、図１の例では、ｄ軸電流ｉ_ｄ、ｑ軸電流ｉ_ｑ、およびトルク指令も入力として受け入れている。ここで、界磁電流ｉ_ｆｄは、電機子側に換算した界磁電流である。シミュレータ１３０は、例えば、ｄｑ軸等価回路やルックアップテーブルによって構成されている。なお，ｄｑ軸電流演算器１１４の入力に合わせて，負荷角指令δ^＊を任意の物理量や演算値に置き換えてよい。すなわち，シミュレータ１３０は，ｄｑ軸電流演算器１１４でｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊およびｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊を生成するための補助信号が生成できればよい。

制動巻線故障検知装置２００は、当該同期機１の回転子１０に設けられたダンパーバー１４（図２）の折損等、制動巻線１６（図３）の故障の検出を行う。制動巻線故障検知装置２００は、切替え部２１０、検査電流指令値生成部２２０、および検査時測定・判定部２３０を有する。

切替え部２１０は、当該インバータ装置１００の状態を、通常運転モードから故障検査モードへ、および故障検査モードから通常運転モードへの切り替えを行う。

検査電流指令値生成部２２０は、故障検査モードにおいて、通常運転モードにおけるｄｑ軸電流演算器１１４の出力に代えて、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊およびｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊を発生し、切替え部２１０を介して、減算器１１５および減算器１１６に出力する。

検査電流指令値生成部２２０は、交番電流指令部２２１とゼロ電流指令部２２２を有する。

交番電流指令部２２１は、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊として交番電流を発生する。ここで、交番電流は、たとえば、正弦波、矩形波、三角波、ノコギリ波など任意の波形を有する周期的な信号である。

ゼロ電流指令部２２２は、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊としてゼロ値を出力する。ここで、ゼロ電流指令部２２２の指令値として、ゼロ値を用いた例を示しているが、交番電流にならない指令値であれば検出動作に支障はないので、交番電流ではなく、直流を模擬する値、すなわち直流相当値の電流指令で代用することもできる。

なお、以上説明したインバータ装置１００においては、所望の特性を得るために、図１に示されていないフィルタ、内部ループ、および各種演算器が設けられていてもよい。また，制御器内の各入出力信号は，等価な任意の信号に変換されていてよい。例えば，実際の物理値の代わりに，それに比例した規格化値（単位法による規格化など）を用いる，トルクの代わりに出力（トルクに回転数を乗じたもの）を用いる，磁束の代わりに電圧（磁束に回転数を乗じたもの）を用いる，負荷角の代わりにd軸磁束とq軸磁束（負荷角はd軸磁束とq軸磁束の正接）を用いる，などの変更がなされてもよい。

図２は、第１の実施形態に係るインバータ装置１００が対象とする同期機１の構成例を示す横断面図である。

同期機１は、回転子１０および固定子２０を有する。

回転子１０は、図示しない２つの軸受により軸方向の両側を回転可能に支持されたロータシャフト１１、ロータシャフト１１の径方向外側に設けられた回転子鉄心１２、回転子鉄心１２の複数の凸部１２ａのそれぞれに巻回された界磁巻線１３、回転子鉄心１２の凸部１２ａのそれぞれの径方向の端部近傍において回転子鉄心１２を貫通する各６本のダンパーバー１４を有する。

固定子２０は、回転子１０の径方向外側にギャップ空間３０を介して設けられた円筒状の固定子鉄心２１、固定子鉄心２１の内周面に形成された複数の固定子ティース２１ａに巻回された電機子巻線２２を有する。なお、通常、固定子２０は、軸受を支持するフレーム（図示せず）あるいは軸受けブラケット（図示せず）により形成される空間内に収納されている。

なお，図２では、回転子が６極構造の場合を例にとって示したが、極数、スロットの数、巻線の数、ダンパーバーの数は任意である。また，図２では突極形の同期機を示しているが，同様にダンパーバーが設けられている円筒形の同期機についても、インバータ装置１００が対象とする同期機とすることができる。

図３は、第１の実施形態に係るインバータ装置１００が対象とする同期機１の制動巻線１６の例を示す斜視図である。

制動巻線１６は、各極において回転子鉄心１２を軸方向に貫通する複数のダンパーバー１４と、これらのダンパーバー１４の軸方向の両端に設けられて、機械的および電気的にダンパーバー１４を接続する２つの短絡環１５を有する。

回転子１０の６極のそれぞれに設けられた各６本のダンパーバー１４は、回転子鉄心１２の凸部１２ａを貫通したのち、全体が、両端に設けられた短絡環１５に機械的に結合され、電気的に短絡されている。

ここで、ダンパーバー１４の本数や長さ、断面形状は任意であり、制動巻線１６としての電気的性質を満足するものであれば制限はない。例えば，リング状の導体で短絡環１５を構成するのではなく、導体板を軸端部に設けるような構造であってもよい。また、多くの場合、ダンパーバー１４や短絡環１５は、銅材を溶接、篏合等により組み立てられるが、アルミダイキャストのような一体成型であってもよい。

図４は、第１の実施形態に係るインバータ装置１００の検査時測定・判定部２３０の構成および動作を説明するための構成図である。

電機子巻線２２、その電源側である電力変換器１０１、および電機子巻線電流制御系１１０ａについては、すでに図１を引用しながら説明しているので、ここでは説明を省略する。

回転子１０の界磁巻線１３は、図示しないスリップリング等を介して、固定子２０の外部に引き出され、界磁巻線用電力変換器１０２に接続されている。

界磁巻線１３と界磁巻線用電力変換器１０２を接続する回路には、図１で示す界磁電流のフィードバック信号検出用の界磁電流検出器１０５が設けられている。

界磁電流検出器１０５の出力側には、検査時測定・判定部２３０が設けられている。

検査時測定・判定部２３０は、界磁電圧検出器２３１、および図１に示した故障判定部を構成する演算器２３３、判定器２３４、および警報表示器２３５を有する。

界磁電圧検出器２３１は、演算器２３３に入力可能なレベルまで電圧を降圧する目的で設けられており、たとえば、変圧器（ＰＴ）や抵抗分圧器などが用いられる。

演算器２３３は、フーリエ変換機能を実行する部分を有し、故障検査モードにおいて、交番電流の基本波周波数に同期した成分の振幅相当を出力する。なお、フーリエ変換に代えて、実効値（ｒｍｓ値）や、平均値整流実効値（ｍｅａｎ値）、その他，交流電圧の振幅相当量が得られる演算であってもよい。さらに，演算器２３３は，入力信号の値を、ある一定数（例えば、最新の値から過去１０点の値），またはある一定期間（例えば、最新の値から過去一週間の値）を保存し、その値に対して数値処理（例えば、積分や微分の計算など）や統計処理（例えば、相加平均、相乗平均、分散などの計算）を行う。

判定器２３４は、演算器２３３の出力を入力信号として受け入れる。判定器２３４は、あらかじめ当該同期機１に合わせて設定されたしきい値と、数値・統計処理した値を比較し、数値・統計処理した値がしきい値を超えた場合に、ダンパーバー１４の折損が生じたと判定する。この時、故障表示器に異常を知らせる信号を出力する。しきい値は、計算あるいは試験により決定され、設定変更が可能である。

警報表示器２３５は、例えば、液晶ディスプレイなどで構成されており、判定器２３４からの異常信号を受けて、故障を知らせる表示を出す。

なお、演算器２３３や判定器２３４は、ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇａｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）やＰＣ（ＰｅｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ）等によるデジタル回路で構成されていても良い。あるいは、演算増幅器（ＯｐｅｒａｔｉｏｎａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）などを用いたアナログ回路で構成されていてもよい。

また、同期機１が設置される環境が電磁ノイズの観点で良好な状態ではない場合には、誤検知を回避するために、界磁電圧検出器２３１、演算器２３３、判定器２３４の間には、必要に応じてフィルタやシールドを設けても良い。また、同期機１が高電圧で運転される場合には、必要に応じて、絶縁回路や保護回路を設けてもよい。

図５は、第１の実施形態に係るインバータ装置を用いたダンパーバーの折損故障検知方法の手順を示すフロー図である。

まず、同期機１を停止状態とする（ステップＳ１０）。すなわち、回転子１０を無回転、界磁巻線１３および電機子巻線２２を無通電状態とする。

次に、界磁巻線１３の電源側の界磁巻線用電力変換器１０２を停止状態とする（ステップＳ２０）。界磁巻線用電力変換器１０２の半導体素子のゲートをオフ（ゲートブロック）してもよい。あるいは、界磁巻線１３と界磁巻線用電力変換器１０２の間に断路器が設けられている場合は、断路器を開放することでもよい。

次に、切替え部２１０で、故障検査モードに切り替える（ステップＳ３０）。

次に、故障検査モードにおいて以下の動作がなされる（ステップＳ４０）。

まず、検査電流指令値生成部２２０の交番電流指令部２２１によって、電機子巻線２２には、回転子１０のｑ軸方向（磁極間方向）に交番電流が流れる（ステップＳ４１）。一方、電機子巻線２２には、ゼロ電流指令部２２２により、回転子１０のｄ軸方向にはゼロ電流が流れる。すなわち、回転子１０のｄ軸方向には電流が流れない。

次に、界磁電圧検出器２３１が、界磁巻線１３に誘導される誘導電圧を測定する（ステップＳ４２）。

次に、演算器２３３が、界磁巻線１３に誘導される誘導電圧について、交番電流との同期成分の振幅値を導出する（ステップＳ４３）。

次に、判定器２３４が、ダンパーバー１４の折損故障の有無を判定する（ステップＳ４４）。すなわち、ステップＳ４３で判定器によって導出された振幅値をしきい値と比較し、それがしきい値を超えた場合に、ダンパーバー１４の折損故障が生じたと判定し、異常信号を出力する。

図６は、第１の実施形態に係るインバータ装置１００が対象とする同期機１のダンパーバー１４が健全な場合を示す周方向に沿った概念的な説明図である。図６は、ｑ軸を中心とした互いに隣接する２つの磁極のそれぞれにおけるダンパーバー１４および短絡環１５を、模式的に周方向に沿って展開した図である。

図６に示すようにダンパーバー１４が健全な場合は、電機子電流によって発生したｑ軸の交番磁束（図６のＣａ（ｑ軸上）において最大となるような磁束密度分布）が制動巻線１６に鎖交するため、それを打ち消すように、ダンパーバー１４および短絡環１５で構成される制動巻線１６には、ダンパー電流が誘導される。この電流が流れるループは、図６に示すようにｑ軸に関して対称であるため、ダンパー電流が作る起磁力の方向もｑ軸方向（図６のＣａ（ｑ軸上）において最大となるような起磁力分布）となる。すなわち、軸Ｃａが軸Ｃｄと重なることを意味しており、ダンパー電流が作る起磁力は、電機子電流によって生成されたｑ軸交番磁束を打ち消す作用を有するのみで、ｄ軸には作用せず、ｄ軸磁束が生成されることはない。

図７は、第１の実施形態に係るインバータ装置が対象とする同期機のダンパーバーの折損故障が生じている場合を示す周方向に沿った概念的な説明図である。

図７に示すようにダンパーバーの一部が折損している場合、そのバーには電流が流れない。したがって、制動巻線１６において誘導されたダンパー電流は，折損か所を迂回するように、隣接するダンパーバー等に流れる。この場合、ダンパー電流が流れるループの中心がｑ軸からずれることになる。すなわち、図７において、ｑ軸からずれた位置にある軸Ｃｄにおいて、ダンパー電流が作る起磁力が最大となる。

この結果、ダンパー電流は、ｑ軸磁束を打ち消す作用だけでなく、ｄ軸に磁束を発生させる作用も有する。すなわち、ｑ軸の電機子電流しか流れていないにもかかわらず、ｄ軸の磁束が発生することになる。これをｄｑ軸間干渉と呼ぶ。ｄｑ軸間干渉によって発生したｄ軸の交番磁束が界磁巻線に鎖交するため、制動巻線１６が健全な場合には発生しないはずの界磁電圧が、この場合には発生することとなる。

図８は、第１の実施形態に係るインバータ装置が対象とする同期機１のダンパーバー１４が健全な場合および折損故障が生じている場合のそれぞれについてのギャップ磁束密度の分布の例を示すグラフである。横軸は、回転子１０における機械角（度）、縦軸は、ギャップ磁束密度（Ｔ）である。

図８において、破線で示す曲線はダンパーバー１４が健全な状態の場合、実線で示す曲線はダンパーバー１４の一部に折損が生じている場合を示す。図８に示すように、ダンパーバー１４が健全な場合は、磁束密度が図中の中心（横軸９０度、縦軸０Ｔ）において点対称となっている。これに対して、ダンパーバー１４の一部に折損が生じている場合のギャップ磁束密度は、点対称になっていない。これは、片方の軸（ｑ軸）の磁束分布だけでなく、もう片方の軸（ｄ軸）の磁束成分が生じていることを示している。

図９は、第１の実施形態に係るインバータ装置が対象とする同期機のダンパーバーが健全な場合および折損故障が生じている場合のそれぞれについての電流位相に対する界磁電圧の分布の例を示すグラフである。横軸は、回転子１０における電気角（度）、縦軸は、界磁電圧（Ｖ）を示す。

図９において、破線で示す曲線はダンパーバー１４が健全な状態の場合、実線で示す曲線はダンパーバー１４の一部に折損が生じている場合を示す。図９に示すように、ダンパーバー１４の一部に折損が生じている場合の界磁電圧の分布は、ダンパーバー１４が健全な状態の場合の界磁電圧の分布から、明らかに位相がずれていることが分かる。すなわち、回転子電気角９０度（すなわちｑ軸）における界磁電流は、ダンパーバー１４が健全な場合はゼロであるが、ダンパーバー１４の一部に折損が生じている場合には、有意な値ΔＶを示す。

したがって、端的には、ΔＶが所定のしきい値より高いか否かを判定器２３４が判定することにより、ダンパーバー１４の折損故障の有無を判定することができる。

図１０は、第１の実施形態に係るインバータ装置１００が対象とする同期機１のダンパーバー１４が健全な場合および折損故障が生じている場合のそれぞれについて回転子電気角が変化した場合の界磁電圧の分布の例を示すグラフである。
先に示した図８および図９の結果は、回転子１０をある位置（角度）に固定した場合の界磁電圧の変化であった。実際には，回転子１０の位置まで正確に同じとすることは容易ではないため，任意の位置で故障検査モードへ移行することが想定される。この場合，固定子鉄心２１のスロットに起因した磁気的凹凸の存在があるため，固定子２０と回転子１０の相対位置の違いによって，検出値に揺らぎが生じる。これを示したものが図１０である。同じ振幅，同じ周波数の交番電流を与えても，界磁電圧の振幅は異なる。したがって，回転子１０が任意の位置となりうる場合，健全状態と故障状態で電圧差は見られるが，故障検査モードを一度試行しただけ（界磁電圧を一度測定しただけ）で故障を判定することは難しい。

図１１は、第１の実施形態に係るインバータ装置が対象とする同期機のダンパーバーが健全な場合および折損故障が生じている場合のそれぞれについて、回転子の位置（電気角に換算）がランダムに表れる場合における複数回の検査で得られた界磁電圧の変化の例を示すグラフである。
図１１にプロットした点は，図１０の測定結果がランダムに表れると仮定し，複数回の検査を実施したと想定した場合における界磁電圧検出値を疑似的に算出したものである。８００回目で故障に至ったと仮定しており，傾向に明確な差が見られている。プロットした点に対して，１０点の移動平均（相加平均）を計算したものが，図１１の実線である。故障に至った８００回目を境に，それ以前のダンパーバー健全状態と、それ以降のダンパーバー折損状態との間では明確な差が見られる。このように，界磁電圧検出値に揺らぎがある場合でも，検出信号をそのまま判定するのではなく、図１１に示す界磁電圧検出値のトレンドに基づく等、何らかの数値・統計処理を経ることによって，故障を検知することができる。

以上のように、本実施形態によるインバータ装置１００の制動巻線故障検知装置２００は、ｄｑ軸間干渉の原理を用いて、同期機１を分解することなく、ダンパーバー１４の折損故障を検知することができる。

本実施形態によるインバータ装置１００では、ダンパーバー１４の折損故障の検知のために、電機子巻線２２のｑ軸に交番電流を流すだけであるため，トルクはほとんど発生せず、回転子は静止状態を保つことできる。

［第２の実施形態］
図１２は、第２の実施形態に係るインバータ装置１００ａの検査時測定・判定部２３０ａの構成および動作を説明するための構成図である。

本実施形態は、第１の実施形態の変形であり、インバータ装置１００ａは、第１の実施形態とは、検査時測定・判定部２３０ａの部分が異なる。

本実施形態に係る検査時測定・判定部２３０ａは、界磁電流検出器１０５、演算器２３３ａ、判定器２３４ａ、警報表示器２３５、および接触器２３６を有する。

界磁電流検出器１０５は，シャント抵抗器や変流器（ＣＴ）、ホールＣＴなど、電流を電圧として計測する機器で構成される。

なお、図１２においては、界磁電流検出器１０５は、界磁電流制御部１２０における界磁電流のフィードバック信号検出用の検出器であるが、検査時測定・判定部２３０ａ専用の界磁電流検出器を別途設けることでもよい。

また、同期機１が設置される環境が電磁ノイズの観点で良好な状態ではない場合には、誤検知を回避するために、必要に応じてフィルタやシールドを設けてもよいし、同期機１が高電圧で運転される場合には、必要に応じて、絶縁回路や保護回路を設けてもよい点は、第１の実施形態と同様である。

接触器２３６は、界磁巻線１３と界磁巻線用電力変換器１０２との間に設けられている。接触器２３６は、切替え部２１０により故障検査モードに切り替わると自動的に投入され、界磁巻線１３が短絡された状態となる。なお，接触器２３６を設けるのではなく，電力変換器１０２の半導体素子のゲートをオン（導通状態）とすることで短絡しても良い。

故障検査モードにおいては、第１の実施形態と同様に、制動巻線１６が故障している場合には界磁巻線１３に誘起電圧が発生する。本実施形態においては、界磁巻線１３が短絡されているため、誘起電圧によって界磁電流が誘導される。

この界磁電流は、界磁電流検出器１０５で計測され、その出力は、演算器２３３ａに入力される。第１の実施形態における検査時測定・判定部２３０が電圧値に基づいて故障を検出するのに対し、本実施形態の検査時測定・判定部２３０ａにおいては電流値に基づいて判定を行う。

以上、説明した実施形態によれば、ダンパーバーの折損故障の検知を可能とするインバータ装置を提供することが可能となる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、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。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、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。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１…同期機、１０…回転子、１１…ロータシャフト、１２…回転子鉄心、１２ａ…凸部、１３…界磁巻線、１４、１４ａ…ダンパーバー、１５…短絡環、１６…制動巻線、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２１ａ…固定子ティース、２２…電機子巻線、３０…ギャップ空間、１００、１００ａ…インバータ装置、１０１…電機子巻線用電力変換器、１０２…界磁巻線用電力変換器、１０３…遮断器、１０４…電機子電流検出器、１０５…界磁電流検出器、１０６…回転角検出器、１０７…位置演算器、１１０…速度制御部、１１０ａ…電機子巻線電流制御系、１１１…減算器、１１２…速度演算器、１１３…速度制御器、１１４…ｄｑ軸電流演算器、１１５、１１６…減算器、１１７…３相－ｄｑ変換器、１１８…ｄｑ軸電流制御器、１１９…ｄｑ－３相変換器、１２０…界磁電流制御部、１２１…界磁電流制御器、１３０…シミュレータ、２００…制動巻線故障検知装置、２１０…切替え部、２２０…検査電流指令値生成部、２２１…交番電流指令部、２２２…ゼロ電流指令部、２３０、２３０ａ…検査時測定・判定部、２３１…界磁電圧検出器、２３３、２３３ａ…演算器、２３４、２３４ａ…判定器、２３５…警報表示器、２３６…接触器

Claims

電機子巻線を有する固定子と、回転子鉄心、界磁巻線並びに複数のダンパーバーおよびその両端に設けられた短絡環とを有する制動巻線を具備する回転子と、を備える同期機を駆動するインバータ装置であって、
前記電機子巻線に電力を供給するための電機子巻線用電力変換器と、
前記界磁巻線に電力を供給するための界磁巻線用電力変換器と、
電機子電流制御系を有し前記電機子巻線用電力変換器により供給される三相電流をｄｑ軸上で制御する速度制御部と、
前記界磁巻線用電力変換器により供給される前記界磁巻線の電流を制御する界磁電流制御部と、
前記速度制御部内でｄ軸電流およびｑ軸電流を制御する際に用いる指令と界磁電流指令を演算するシミュレータと、
前記制動巻線の故障を検出する制動巻線故障検知装置と、
を備え、
前記制動巻線故障検知装置は、
当該インバータ装置の状態を、通常運転モードから故障検査モードへ、および前記故障検査モードから前記通常運転モードへ切替える切替え部と、
前記故障検査モードにおいて、前記通常運転モードにおける前記ｄ軸電流および前記ｑ軸電流の指令に代えて、前記ｄ軸電流の指令として直流相当値を出力し、前記ｑ軸電流の指令として交番電流を出力する検査電流指令値生成部と、
前記界磁巻線での応答信号を測定し、前記応答信号から前記制動巻線の故障の有無を判定する検査時測定・判定部と、
を備えることを特徴とするインバータ装置。
前記検査時測定・判定部は、
前記界磁巻線の電圧を検出する電圧検出器と、
前記電圧検出器の出力の振幅相当を計算する演算器と、
前記演算器の出力を所定のしきい値と比較して大小を判定する比較器と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
前記検査時測定・判定部は、
前記界磁電流制御部で検出した界磁電流の振幅相当を計算する演算器と、
前記演算器の出力を所定のしきい値と比較して大小を判定する比較器と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
前記交番電流は正弦波であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のインバータ装置。
前記演算器は、前記応答信号のフーリエ変換により前記交番電流の基本波周波数と同期した成分の振幅を算出することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のインバータ装置。
前記演算器は、前記応答信号の全実効値を算出することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のインバータ装置。
前記演算器は，計算した振幅相当の値を，最新の値から数えてある一定数を保持し，前記保持した値の集合に対して数値・統計処理を加えることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のインバータ装置。