JPWO2014156386A1 - 電動機の診断装置および開閉装置 - Google Patents

Abstract

各電動機に、零相電流検出器と相電流検出器と相電圧検出器を取り付け、電圧電流分析のみで４種類の異なる電動機の異常を検出する。そして、この４種類の異なる電動機の異常を検出するための電圧電流分析の手順を所定の順番に定める。さらに、監視診断装置に備えられた監視インターバル調整部で、電動機の異常判定のレベル、運転履歴の長さ、あるいは電動機の重要度に応じて監視インターバルを変える。

Description

本発明は、電動機の状態を監視し異常状態に対して電動機を保護する診断装置および開閉装置に関わる。

プラントには電動機が多数存在しており、その設備の診断はメンテナンス部門が五感診断により判定している。特に重要度の高い電動機に関しては、定期的な診断が必要になるためコストが高い。さらに、電動機では、その劣化が始まると加速度的に劣化の進行が起こる。交流機の場合には機械的ストレスと熱劣化で生じた絶縁物の空隙や損傷部が放電等でレヤショート（層間短絡）を誘発し、突然、絶縁破壊に至る場合があるため、一度電動機が劣化すると劣化が進展する状態にしか進まない（例えば、北都電機株式会社、「回転機の保守・点検・補修」、オーム社、2010、p.32参照）。

そこで、電動機の常時監視技術に関心が高まっている。しかしながら、電動機の常時監視の多くは、電動機毎に様々なセンサを取り付けることを前提としている。例えば、トルクメータやエンコーダ、加速度センサ等である。ただし、数百〜数千台のモータを集中管理するモータコントロールセンタへの適用は配線の数が多くなることから、その適用は現実的ではない。そのため、特殊なセンサを用いずにモータコントロールセンタで計測される電流と電圧の情報から電動機の状態を簡易的に診断し、信頼性、生産性、安全性を向上する装置が必要である。

電動機の常時監視および異常を検出した場合の電動機の保護に関しては、以下に内容を説明する特許文献1〜４に開示されている。
特許文献1では、電動機の各相電流を検出して各相間電流比率を算出し、算出した各相間電流比率を基準値と比較し、算出電流比率の方が大きい場合にレヤショートと判定する。次に振動センサで電動機の軸受部の振動を検出して振動スペクトラムを作成し、所定周波数のレベル成分が基準値より大きい場合に、軸受が損傷していると判定する。さらに、温度センサで電動機の温度を検出し、検出温度が基準温度より大きい場合に、過熱しているとの判定が行われている。そのため、多様なセンサを用いて電動機の診断をしておりモータコントロールセンタへの適用には不向きである。

特許文献２では、負荷電流及び零相電流の少なくともいずれか一方を測定し、周波数解析した結果から設備の異常診断を実施している。トルク変動時の負荷電流の波形とその周波数解析（ＦＦＴ）から、誘導電動機のカップリングの芯ずれやベアリング軸受が破損しているなどの異常診断および、軸受の潤滑油の状態変化の診断、据え付けボルトの緩み診断を行う。また、零相電流のＦＦＴからレヤショート検出をしている。各解析技術の説明がされているが、アルゴリズムの順番について最適化されておらず、またモータコントロールセンタに装置するマイコンにＦＦＴ解析は好ましくない。なぜならば、マイコンは処理能力が低いためＦＦＴ解析などの高度な解析を行うのには適さないためである。仮に処理能力が高いマイコンを使うにしても、コストが高くなる問題がある。

特許文献３では、複数台の電動機を電圧電流解析で異常を検出する監視装置について記載されている。通常と異なる電流位相差を検出することで電動機の異常判定をする。そのため、位相差だけでは異常原因を特定することができず精密な診断ができない。さらにサンプリング間隔が電動機の状態に依らず一定である。

特許文献４では、交流回路の電圧、周波数、零相電流を利用して対地絶縁抵抗分の漏洩電流を計算し、対地絶縁抵抗の劣化を監視する絶縁劣化監視システムについて記載されている。対地静電容量分の漏洩電流量が漏洩電流の周波数に依存する特性を利用して、漏洩電流の２種類以上の周波数（例えば、基本周波数と７次高調波）に起因する成分から漏洩電流量を計算するが、高調波を算出するために高速サンプリングする必要がある。

特開２００７−１４１５１号公報 特開２０１０−２８８３５２号公報 特開２０１１−１４７３１７号公報 特開２０１２−２５１８１７号公報

電動機の状態を監視するために、電動機毎に異なるセンサを取り付けることを前提としており、複数の電動機を診断するのに不向きである。さらに、重要度の高い設備もしくは連続運転設備に効率的な監視システムが必要となる。

そこで、本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、電流電圧分析のみで４種類の異なる電動機の異常の検出（地絡検出、レヤショート検出、ベアリング不良検出、トルク異常検出の４種類の検出）ができ、加えて電流電圧分析の順番を考慮し電動機を常時監視することで電動機の保護を高めた診断装置を提供することを目的とする。

また、この電動機の診断装置を開閉装置に備えることにより、振動センサなどの専用計測器を設置することなく電動機を制御可能なモータコントロールセンタを提供することを目的とする。

本発明に関わる電動機の診断装置は、
複数の電動機に接続される電源回路の相電流を検出するための相電流検出器と、
前記電源回路の相電圧を検出するための相電圧検出器と、
前記電源回路の零相電流を検出するための零相電流検出器と、
前記相電流検出器、相電圧検出器、零相電流検出器の出力から、前記電動機の異常を判定する監視診断部と、
を備え、
前記監視診断部での前記電動機の電圧電流解析により、電気回路と大地が相対的に低いインピーダンスで電気的に接続される状態の検出である地絡検出、電動機のコイル層間の短絡の検出であるレヤショート検出、電動機の回転軸の軸受の不良検出であるベアリング不良検出、電動機の回転軸まわりの力のモーメントの異常検出であるトルク異常検出の異なる４種類の異常の検出を含む、電動機の異常の検出を行うとともに、最初に地絡検出を行うようにしたことを特徴とするものである。

また、本発明に関わる開閉装置は、
低圧交流回路と、
前記低圧交流回路を保護するための配線用遮断器と、
負荷を制御するための電磁接触器と、
前記低圧交流回路で生じる電気信号を検知するセンサおよび前記センサの出力値の表示と前記低圧交流回路の保護機能を備えた電子コントローラと、
を金属板で閉鎖された空間の中に備え、
複数の電動機を制御、保護する開閉装置において、
前記低圧交流回路の相間または対地間の絶縁劣化に至る前の状態、電動機が動作不良に至る前の状態、あるいは電動機で駆動する装置が動作不良に至る前の状態を監視および出力する前記電子コントローラを備えたことを特徴とするものである。
また前記電子コントローラは、電流電圧分析のみで４種類の異なる電動機の異常の検出（地絡検出、レヤショート検出、ベアリング不良検出、トルク異常検出の４種類の検出）を行い、かつ、電流電圧分析の順番を考慮し電動機を常時監視することを特徴とする電動機の診断装置を備えている。

この発明によれば、電圧電流分析のみで４種類（上述した４種類）の異なる電動機の異常を検出することで、プラント設備内の複数台ある電動機の精度高い劣化診断を行うことが可能となる。すなわち、これまで設備の診断はメンテナンス部門が五感により行っていた。このメンテナンスは、通常、常時監視ではなく、１ヶ月毎、１年後などの単位で、電動機の異常を診断することにより行われていた。それに対して、本発明によれば、４種類の異なる電動機の異常検出技術を用いて常時監視することで、通常行われるメンテナンス時期より早い段階で、かつ人の五感では判断できないことの診断を行うことも可能となる。
また、開閉装置が上記診断装置を備えることで、診断用の計測器を追加することなく４種類の異なる電動機の異常を常時監視するモータコントロールセンタを提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る複数台の電動機監視診断システムの概略図である。 本発明の実施の形態１に係る電動機の監視診断の一例を示す概略説明図である。 電動機の不具合要因比率の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る異常検出アルゴリズムを説明するためのフロー図である。 本発明の実施の形態１に係る固定子電流パワースペクトルの実測例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る異常検出アルゴリズムを説明するための別のフロー図である。 本発明の実施の形態２に係る電動機の監視診断の別の例を示す概略説明図である。 本発明の実施の形態２に係る異常レベルと監視インターバルの関係を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係る各電動機の監視インターバルの調整の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る電動機の運転履歴による監視インターバルの調整の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る電動機の重要度による監視インターバルの調整の一例を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る中央制御部を利用した複数台の電動機監視診断システムの概略図である。 本発明の実施の形態３に係る各電動機の監視インターバルの調整を説明するための図である。 本発明の実施の形態３に係る電動機の運転履歴による監視インターバルの調整を説明するための図である。 本発明の実施の形態３に係る電動機の重要度による監視インターバルの調整を説明するための図である。 本発明の実施の形態４に係る複数台の電動機監視診断システムの概略図である。 本発明の実施の形態４に係る中央制御部を利用した複数台の電動機監視診断システムの概略図である。 本発明の実施の形態４に係る電動機の監視診断の一例を示す概略説明図である。 本発明の実施の形態４に係る異常検出アルゴリズムを説明するためのフロー図である。 本発明の実施の形態４に係る異常検出アルゴリズムを説明するための別のフロー図である。 本発明の実施の形態１に係る複数台の別の電動機監視診断システムの概略図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１である電動機の診断装置５０について、以下、図を用いて説明する。なお、各図間において、同一符号は、同一あるいは相当のものであることを表す。
図１は、モータコントロールセンタが管理する複数の電動機のシステムである。複数個の電動機駆動用電源１（図１では、１ａ、１ｂ、１ｃ）と、複数個の配線用遮断器２（図１では、２ａ、２ｂ、２ｃ）と、複数個の電磁接触器３（図１では、３ａ、３ｂ、３ｃ）が接続されている。各配線には一つずつ対応する電動機７（図１では、７ａ、７ｂ、７ｃ）が接続され運転する。各電動機に接続されている３相電線に零相電流検出器４、相電流検出器５、相電圧検出器６で計測しており、取得した電圧と電流を監視診断部８（図１では、８ａ、８ｂ、８ｃ）に送信する。監視診断部８で判定した結果の信号を、表示部９と警報部１０に送り、それぞれディスプレイ表示と警報として発令し異常を知らせる。図１に示す例においては、電動機の診断装置５０は、表示部あるいは警報部を含まない。これに対し、図２１に示す例においては、電動機の診断装置５０は、表示部あるいは警報部のうち、少なくとも一方を備える。

図２に監視診断部の機能を示す。監視診断部は解析部２０、異常判定部２１、運転判定部２２、表示指令部２３、警報指令部２４からなる。監視診断部８には、入力部の零相電流検出器４から零相電流、相電流検出器５から各相の電流、相電圧検出器６から各相間の電圧が入力される。そして、監視診断部８から、出力部の表示部９と警報部１０に信号が伝送され所定の動作をする。

本発明の監視診断部８で解析する電動機の異常は、地絡検出、レヤショート検出、ベアリング不良検出、トルク異常検出の４種類の異常とする。この４種類の異常を選択した理由について図３を用いて説明する。図３は、某整備会社の提供する低圧電動機のトラブル要因比率である。軸受（ベアリング）に関する不具合が６０％と最も大きく、巻線に関するが不具合（コイル焼損）が１３％を占める。そして、絶縁低下も６％であり、三者を合わせると電動機の不良要因の大半を占めている。そのため、電動機の異常検出として、地絡検出、レヤショート検出、ベアリング不良検出、トルク異常検出の４種類の異常を解析することは重要である。そこで本発明では、特にこれら４種類の異常に的を絞って、これら４種類の異常について解析することとした。この異常検出の解析は、図２の監視診断部８で実施される。

電圧と電流が入力部から送られてきた後の監視診断部８の処理を図４のフロー図に示し、以下この図４に基づいて説明する。図４において、零相電流検出器４から零相電流I0が更新され、絶縁劣化由来の成分(Ior)を抽出し、Ior=0を判定する（ステップ１）。電動機が健全なときには三相電流が平衡であるためIor=0となる。一方、電動機の電源回路等で地絡した際にはIor≠0となり、電動機が異常と判定する。

次に、相電流検出器５と相電圧検出器６から電流（Iu、Iv、Iw）電圧（Vuv、Vvw、Vwu）が更新され不平衡率Δ=0を判定する（ステップ２）。レヤショートはコイル素線間の短絡現象で、レヤショートが発生すると３相固定子電流は非対称となるため、逆相成分により検出できる。３相誘導電動機の固定子巻線の一部がレヤショートした場合の短絡率をμ（=Nf/N。各相の巻数NのうちNfターン分が短絡）とすると、μ≪１を仮定して、正相電圧Vspと逆相電圧Vsn、正相電流Ispと逆相電流Isnの間に以下の関係式が導かれる。

ここで、Yp、Yn、Ypn：アドミッタンス、ω：電源角速度、rs：固定子抵抗、rf：短絡抵抗、Ls：固定子漏れインダクタンス、Lm：励磁インダクタンス、μ：短絡率である。

アドミッタンスYの非対角成分Ypnはレヤショートの指標にできるが、実フィールドにおいてYpn を算出することは容易ではない。ここではIsnとVsnの両方をモニタする方法を採用する。レヤショートが発生しないとき（μ=0）はYの非対角成分（Ypn）はゼロであるため、

である。レヤショートが発生すると、

とIsnが変化する。IsnとVsnの両方をモニタすることで、

を指標とすれば、レヤショート発生と電源電圧の不平衡発生（Vsnの変化）とを区別できると考えられる。導入初期はレヤショート未発生として初期化（Ynを計算）した後、式（６）のΔを監視することでレヤショートを判定する。

ベアリング不良検出については、相電流検出器５で測定した電流（Iu、Iv、Iw）の少なくとも一つを抽出し、バンドパスフィルタを用いて特定の周波数信号成分のみを取り出し、基準値と比較する(ステップ３)。そして、基準値よりも大きかったときに電動機が異常と判定する。

一般にベアリングの振動と固定子電流パワースペクトルには相関がある。これは、回転軸がベアリング内部で径方向に微小変位することにより電動機の空隙磁束が変化するためである。例えば、極端な例として、グリースを完全に除去したベアリングを供試電動機に組み込んで、運転したときの固定子電流パワースペクトルを測定した結果を図５（ａ）に示す。比較として図５（ｂ）に健全な電動機の固定子電流パワースペクトルを示す。

図５では、サンプリング速度2kS/sで50sデータを取得し、35個の波形を足し合わせて平均したものを示している。バンドパスフィルタを用いて40Hz〜80Hzの間の周波数帯域のみを抽出し、電源周波数60Hzを除く他の周波数帯域で基準値と比較し異常と判断したときに電動機が異常と判定する（図中、“Ｘ”で示した周波数の範囲が異常判定箇所に対応）。

トルク異常検出については、下記トルクTeの理論式で、固定子電流と鎖交磁束を用いて計算し、電動機の異常を判定する（ステップ４）。

また、鎖交磁束φは下記の式（８）、（９）から計算される。

ここで、Pp：磁極数、φd、φq：固定子のコイル鎖交磁束、id、iq：固定子電流、vd、vq：固定子電圧、Rs：固定子抵抗である。なおサフィックスｄ、ｑは、それぞれ電流電圧をdq変換した際のd軸方向およびq軸方向の方向成分であることを示す。

上式からトルクを算出できるが、実際には常に一定値ではなく、電力プラントや化学プラントに設置されるポンプ、ファン、ブロア、コンベアなどのプラント設備によって、トルクは時間的に変動する。そのため、トルク異常検出において好ましくはニューラルネットワークを用いてトルク異常を検出する。プラント設備内の電動機のトルクは常時変動するため、異常トルクのしきい値を決めることが難しい。そこで、トルクの変動パターンで異常を検知することが必要となる。それを実現する手法の１つがニューラルネットワークである。具体的には、学習期間を設けてトルクの時間的変動を記憶させる。記憶させたトルクの時間的変動から、1日のトルクの時間的変動を予測し、予測したトルクの時間的変動と式（7）、（8）から算出したトルク推定値を比較し、誤差がないか否かを判定する。

本発明は、異常検出するアルゴリズム（異常検出の手順）に着目した。これは、電動機の異常原因を明確にするためと、異常検出の精度を高めるためである。例えば、負荷トルク異常判定をアルゴリズムの最初に実施したとしても、トルクが異常なのではなく、地絡が発生したことによってトルク異常と判定してしまう可能性がある。そこで、異常原因の誤判定を引き起こさないことが必要となるため、異常検出のアルゴリズムの順番が重要となる。異常検出の精度としては、検出できるかどうかが判らなかった事象を検出することができることになるためである。そこで、異常検出アルゴリズムの順番は、1）地絡検出、2）レヤショート検出、3）ベアリング不良検出、4）トルク異常検出、もしくは、1）地絡検出、2）ベアリング不良検出、3）レヤショート検出、4）トルク異常検出の順で行うのが最適と考える。

なぜならば、地絡が発生するとアースに対して漏れ電流が流れるため、電動機を含む電源回路内に正常な電流が流れなくなる。そのため、不平衡率を計算するレヤショート検出に異常が発生する。また、電流の周波数成分を解析するベアリング不良検出についても、地絡によるノイズや電流の振動が重畳される可能性があるため、ベアリング不良検出に異常が発生する。さらに、トルク異常検出についても正常な電流が流れないため必然的にトルクにも影響が出る。

異常検出するアルゴリズムの２番目は、図４または図６のように、レヤショート検出もしくはベアリング不良検出となる。レヤショートが発生すると電動機内部のコイルのインダクタンスが３相で異なるため不平衡が発生し、トルクに異常が発生する。また、ベアリング不良に伴い健全な電動機の回転ができず正常なトルクを発生できない可能性を有する。そのため、少なくともレヤショート検出とベアリング不良検出はトルク異常検出よりも先に異常判定しなければならない。

上述のように実施の形態１では、電圧電流分析のみで４種類の異なる電動機の異常を検出することが可能である。また、異常検出するアルゴリズムの順番を最適化することで、精度の良い、すなわち異常個所および異常原因を特定しやすい、異常検出が可能となる。

実施の形態２．
電動機では、先に述べたように、その劣化が始まると加速度的に劣化の進行が起こるため、電動機の急な変化に対して追従する必要がある。そこで、図７に示すように、監視診断部の中に、さらに監視インターバル調整部３０を備えるようにする。監視インターバル調整部３０は、異常レベル検出部３１、インターバル変更部３２、運転履歴計測部３３、電動機管理部３４で構成される。解析部２０は、入力部を構成する零相電流検出器４、相電流検出器５、あるいは相電圧検出器６から送られてきた信号を解析し、電動機の異常を検出することを特徴とする。解析部２０で異常レベルを解析し、異常判定部２１で異常の有無を判定する。

異常レベルについては図８に示すように３段階に分類して解析することとする。白丸の「健全」、ハッチングを付した丸の「注意」、黒丸の「危険」である。電動機の寿命は１０年以上あり、通常「健全」期間は、「注意」から「危険」に至るまでの期間よりも短い。運転判定部２２において、「健全」と「注意」の期間は電動機の運転を継続させる。「危険」の期間は、直ちに電動機の運転を停止させ、大きな不具合が起きることを防止する。表示指令部２３から、出力部の表示部９に異常電動機の番号、異常電動機の場所、異常電動機のレベルを送信する。また、警報指令部２４から出力部の警報部１０に警報の有無を送信する。

次に、電動機の監視診断の一つの機能である監視インターバルについて、その原理を図９に示す。電動機が健全なときの監視インターバル時間と比較して、異常レベル検出部３１で異常を検出しインターバル変更部３２で監視インターバルを調整した後の方が、監視インターバル時間は短くなる。このとき、図９に示すように異常検出した電動機（図９では電動機２）のみ監視インターバルを調整し、他の健全な電動機（図９では電動機１、３）に関しては、監視インターバルを変更しない。

本発明では、電動機の基本定格寿命の１０^６回転を規定値として、１０^６回転以上の電動機を運転履歴が長いとし、１０^６回転以下の電動機を運転履歴が短いとして以下説明する。運転履歴が長いほど、電動機の寿命に必然的に近づくこととなり、運転履歴が長い電動機の方が運転履歴の短い電動機と比較して、通常、故障の可能性が高い。一般的に、電動機の寿命については、TBM（Time Based Management）で判断してその寿命を見積もっており、寿命に近づくと電動機を交換するようにしている。

本発明では、図１０のように運転履歴が長いほど異常が発生しやすいと考え、運転履歴計測部３３で電動機の回転回数を算出し、運転履歴が規定値（ここでは、規定値とは基本定格寿命の１０^６回転と定義します。）を超えたときに監視インターバルを短くする（電動機が健全なときの監視インターバル時間と比較して短くする）こととする。このように、電動機の状態に応じて監視インターバルを制御することができる。

電力プラントや化学プラントに設置されるポンプ、ファン、ブロア、コンベアなどのプラント設備においては、電動機毎に繋がる設備が異なっており、それぞれ重要度が異なる。ここで述べる重要度とは、生産ラインへ影響の大きい設備に繋がれているかどうかで決まり、機器の状態如何に関わらずオーバーホールする電動機、もしくは電動機を冗長して使用しているものを指す。実際の現場では、重要度の高い電動機は重要度の低い電動機よりも頻繁に整備士が点検をする。電動機管理部３４で複数台の電動機の重要度を低中高の３段階に分け、図１１のように重要度の高い電動機（この図では電動機２）に関しては監視インターバルを短く、重要度の低い電動機（この図では電動機１、３）は監視インターバルを長くする。

上述のように実施の形態２では実施の形態１と同様に電圧電流分析のみで４種類の異なる電動機の異常を検出することが可能で、また、異常検出するアルゴリズムの順番を最適化することで精度の良い、つまり、異常個所および異常原因を特定しやすい、電動機の異常検出が可能である。さらに、実施の形態２では電動機の異常レベル、もしくは運転履歴、もしくは電動機の重要度によって監視インターバル時間を変化させることで、電動機の劣化が加速度的に進行しても、精度のよい（ここでは、劣化の進行が加速度的に進展したとしても常時監視でかつ監視インターバル時間を変化させることで、いつでも異常を検出可能とする点で精度が良いことを意味する）、電動機の異常検出を可能とする。

実施の形態３．
実施の形態１と実施の形態２では、個々の電動機に対して１つずつ監視診断部８を供えていたが、実施の形態３の電動機の診断装置５０では、図１２に示すように、中央制御部１１を用いて複数台の電動機の電圧電流信号を解析し異常判定する。実施の形態1及び実施の形態２と同様に、電圧電流信号から４種類の異なる異常を検出でき、アルゴリズム（４種類の異常検出の順番）も決められている。

また、実施の形態２の監視インターバル調整部３０を含む。電動機の異常レベルを検出し監視インターバルを制御する機能と電動機の運転履歴により監視インターバルを制御する機能と電動機の重要度により監視インターバルを制御する機能を有する。それぞれの原理を図１３〜図１５に示す。

上述のように、実施の形態３では実施の形態１と同様に電圧電流分析のみで４種類の異なる電動機の異常を検出することが可能である。また、異常検出するアルゴリズムの順番を最適化することで精度良い（異常個所および異常原因を特定しやすい）異常検出が可能である。さらに、実施の形態２と同様に電動機の異常レベル、もしくは運転履歴、もしくは電動機の重要度によって監視インターバル時間を変化させることで、電動機の劣化が加速度的に進行しても精度良く（ここでは、劣化の進行が加速度的に進展したとしても常時監視でかつ監視インターバル時間を変化させることで、いつ何時でも異常を検出可能とする点で精度が良いことを意味する）電動機の異常検出を可能とする。加えて、複数台の電動機の異常判定を集約して解析し電動機の異常を判定することで1つの監視診断部で複数の電動機監視診断が可能となる。

実施の形態４．
実施の形態４における開閉装置はモータコントロールセンタであるとする。実施の形態４におけるモータコントロールセンタの内部には、複数個の電動機駆動用電源１（図１６では、１ａ、１ｂ、１ｃ）を含む低圧交流回路と、複数個の配線用遮断器２（図１６では、２ａ、２ｂ、２ｃ）と、複数個の電磁接触器３（図１６では、３ａ、３ｂ、３ｃ）がある。各配線には一つずつ対応する電動機７（図１６では、７ａ、７ｂ、７ｃ）が接続され運転する。各電動機に接続されている三相電線に零相電流検出器４、相電流検出器５が設置され、それぞれの検出器で検知可能な物理量を計測しており、取得した電流を監視診断部４８（図１６では、４８ａ、４８ｂ、４８ｃ）に送信する。監視診断部４８で判定した結果の信号を、表示部９と警報部１０に送り、それぞれディスプレイ表示と警報として発令し異常を知らせる。なお、監視診断部４８は、図１７に示すように中央制御部１１を用いて複数台の電動機の電流信号を解析してもよい。

実施の形態４における監視診断部４８の機能は実施の形態１と同様であるから、説明は省略する。実施の形態４における監視診断部４８には、図１８に示すように、入力部の零相電流検出器４から零相電流、相電流検出器５から各相の電流が入力される。そして、監視診断部４８から、出力部の表示部９と警報部１０に信号が伝送され所定の動作をする。なお監視診断部４８で解析する電動機の異常は、実施の形態１〜３と同様に地絡検出、レヤショート検出、ベアリング不良検出、トルク異常検出の４種類の異常であり、かつ、最初に地絡検出について判定するものとする。

零相電流と各相の電流が入力部から送られてきた後の監視診断部４８の処理を図１９、図２０のフロー図に示す。以下では図１９に基づいて説明する。図１９において、零相電流検出器４から零相電流I₀が更新され、絶縁劣化由来の成分(I_or)を抽出し、I_or=0を判定する（ステップ１）。電動機が健全なときには三相電流が平衡であるためI_or=0となる。一方、電動機の電源回路等で地絡した際にはI_or≠0となり、電動機が異常と判定する。

次に、相電流検出器５から電流（I_u、I_v、I_w）が更新され、不平衡率Δ＝0を判定する（ステップ２）。ただし電圧は未知であるため、電流（I_u、I_v、I_w）とインダクタンスから算出する。

ベアリング不良検出は実施の形態１と同様であるので詳細な説明は省略するが、相電流検出器５で測定した電流（I_u、I_v、I_w）の少なくとも一つを抽出し、バンドパスフィルタを用いて特定の周波数信号成分のみを取り出し、基準値と比較する(ステップ３)。そして、基準値よりも大きかったときに電動機が異常と判定する。

トルク異常検出については、式（７）に示したトルクT_eの理論式で固定子電流と鎖交磁束を用いて計算し、電動機の異常を判定する（ステップ４）。ただし、電圧は未知であるため、電流（I_u、I_v、I_w）とインダクタンスから算出する。

上式からトルクを算出できるが、実際には常に一定値ではなく、電力プラントや化学プラントに設置されるポンプ、ファン、ブロア、コンベアなどのプラント設備によって、トルクは時間的に変動する。そのため、トルク異常検出において、好ましくはニューラルネットワークを用いてトルク異常を検出する。つまり、プラント設備内の電動機のトルクは常時変動するため、異常トルクのしきい値を決めることが難しい。そこで、トルクの変動パターンで異常を検知することが必要となる。それを実現する手法の１つがニューラルネットワークである。具体的には、学習期間を設けてトルクの時間的変動を記憶させる。記憶させたトルクの時間的変動から、１日のトルクの時間的変動を予測し、予測したトルクの時間的変動と式（７）から算出したトルク推定値を比較し、誤差がないかを判定する。

上述のように、実施の形態４における監視診断部４８は、零相電流検出器４と相電流検出器５がそれぞれ検知する電流値を分析することにより、電動機の４つの異なる異常を監視することができる。異常検出アルゴリズムの順番は実施の形態１と同様に、１）地絡検出、２）レヤショート検出、３）ベアリング不良検出、４）トルク異常検出、もしくは、１）地絡検出、２）ベアリング不良検出、３）レヤショート検出、４）トルク異常検出の順（図２０参照）で行うため、異常個所および異常原因を特定しやすい。
なお、実施の形態４では零相電流検出器と相電流検出器とを用いているが、相電流検出器のみであっても同様の効果を得ることができる。また本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 電動機駆動用電源、２ 配線用遮断器、３ 電磁接触器、
４ 零相電流検出器、５ 相電流検出器、６ 相電圧検出器、
７ 電動機、８ 監視診断部、９ 表示部、１０ 警報部、
１１ 中央制御部、２０ 解析部、２１ 異常判定部、
２２ 運転判定部、２３ 表示指令部、２４ 警報指令部、
３０ 監視インターバル調整部、３１ 異常レベル検出部、
３２ インターバル変更部、３３ 運転履歴計測部、
３４ 電動機管理部、４８ 監視診断部、
５０ 電動機の診断装置、１００ 開閉装置。

本発明に関わる電動機の診断装置は、
複数の電動機に接続される電源回路の相電流を検出するための相電流検出器と、
前記電源回路の零相電流を検出するための零相電流検出器と、
前記相電流検出器および前記零相電流検出器の出力から、前記電動機の異常を判定する監視診断部と、を備え、
前記監視診断部での前記電源回路の相電流および零相電流の解析により、電気回路と大地が相対的に低いインピーダンスで電気的に接続される状態の検出である地絡検出、電動機のコイル層間の短絡の検出であるレヤショート検出、電動機の回転軸の軸受の不良検出であるベアリング不良検出、電動機の回転軸まわりの力のモーメントの異常検出であるトルク異常検出の異なる４種類の異常の検出を含む、電動機の異常の検出を行うとともに、最初に地絡検出を行うようにしたことを特徴とするものである。

Claims (13)

1. 複数の電動機に接続される電源回路の相電流を検出するための相電流検出器と、
   前記電源回路の相電圧を検出するための相電圧検出器と、
   前記電源回路の零相電流を検出するための零相電流検出器と、
   前記相電流検出器、相電圧検出器、零相電流検出器の出力から、前記電動機の異常を判定する監視診断部と、を備え、
   前記監視診断部での前記電動機の電圧電流解析により、電気回路と大地が相対的に低いインピーダンスで電気的に接続される状態の検出である地絡検出、電動機のコイル層間の短絡の検出であるレヤショート検出、電動機の回転軸の軸受の不良検出であるベアリング不良検出、電動機の回転軸まわりの力のモーメントの異常検出であるトルク異常検出の異なる４種類の異常の検出を含む、電動機の異常の検出を行うとともに、最初に地絡検出を行うようにしたことを特徴とする電動機の診断装置。
2. 前記監視診断部は、電動機の異常を検出したときに異常であることを表示する表示部および電動機の異常を検出したときに異常であることを知らせる警報部の少なくとも一方を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動機の診断装置。
3. 前記監視診断部で電動機の異常を検出する場合において、前記４種類の異常の検出の手順が、前記地絡検出、レヤショート検出、ベアリング不良検出、トルク異常検出の順であるか、または前記地絡検出、ベアリング不良検出、レヤショート検出、トルク異常検出の順であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機の診断装置。
4. 前記監視診断部に、前記電動機の異常監視の時間間隔を調整する監視インターバル調整部を設け、この監視インターバル調整部で、前記電動機の異常判定のレベル、電動機の運転履歴の長さ、あるいは電動機の重要度によって、前記電動機の異常監視の時間間隔である監視インターバルを変えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電動機の診断装置。
5. 前記監視診断部の監視インターバル調整部での異常判定のレベルを、健全、注意、危険の３種類に分類し、前記異常判定のレベルが注意である場合には前記電動機の異常監視の時間間隔である監視インターバルを短くし、前記異常判定のレベルが健全である場合には前記監視インターバルを長くすることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電動機の診断装置。
6. 前記監視診断部の監視インターバル調整部で、運転履歴の長い電動機については前記電動機の異常監視の時間間隔である監視インターバルを短くし、運転履歴の短い電動機については前記監視インターバルを長くすることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電動機の診断装置。
7. 前記監視診断部の監視インターバル調整部で、重要度の高い電動機については前記電動機の異常監視の時間間隔である監視インターバルを短くし、重要度の低い電動機については前記監視インターバルを長くすることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電動機の診断装置。
8. 前記監視診断部で複数台の前記電動機の異常判定を集約して行い、電動機の異常判定をすることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電動機の診断装置。
9. 低圧交流回路と、
   前記低圧交流回路を保護するための配線用遮断器と、
   負荷を制御するための電磁接触器と、
   前記低圧交流回路で生じる電気信号を検知するセンサおよび前記センサの出力値の表示と前記低圧交流回路の保護機能を備えた電子コントローラと、
   を金属板で閉鎖された空間の中に備えた複数の電動機を制御する開閉装置において、
   前記低圧交流回路の相間または対地間の絶縁劣化に至る前の状態、電動機が動作不良に至る前の状態、あるいは電動機で駆動する装置が不良に至る前の状態、
   を監視および出力する前記電子コントローラを備えたことを特徴とする開閉装置。
10. 前記センサは、
    前記低圧交流回路の相電流を検出するための電流センサと、
    前記低圧交流回路の零相電流を検出するための零相電流検出器と、
    であることを特徴とする請求項９に記載の開閉装置。
11. 前記センサは、
    前記低圧交流回路の相電流を検出するための電流センサと、
    前記低圧交流回路の零相電流を検出するための零相電流検出器と、
    前記低圧交流回路の電圧出力器と、
    であることを特徴とする請求項９に記載の開閉装置。
12. 前記低圧交流回路の相間または対地間の絶縁劣化に至る前の状態、または前記電動機が動作不良に至る前の状態は、
    前記低圧交流回路の零相電流を検出するための零相電流検出器の出力および、前記低圧交流回路の相電流を検出するための電流センサの出力または前記低圧交流回路の電圧出力器の情報、あるいは、前記零相電流検出器の出力および前記電流センサの出力と前記電圧出力器の情報の両方、から監視、出力し、
    前記電動機で駆動する装置が不良に至る前の状態は、
    前記電流センサの出力または、前記電流センサの出力と前記電圧出力器の情報の両方と、から監視、出力する前記電子コントローラを備えたことを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載の開閉装置。
13. 前記電子コントローラは、前記センサの出力から前記低圧交流回路または前記電動機または前記電動機で駆動する装置の異常を監視、診断する監視診断部と、
    前記監視診断部で前記低圧交流回路の相間または対地間の絶縁劣化、前記電動機の動作不良、あるいは前記電動機で駆動する装置の不良を検出したときに異常であることを表示する表示部と、
    前記監視診断部で前記低圧交流回路の相間または対地間の絶縁劣化、前記電動機の動作不良、あるいは前記電動機で駆動する装置の不良を検出したときに異常であることを知らせる警報部と、
    を備えたことを特徴とする請求項９から１２のいずれか１項に記載の開閉装置。

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