JPWO2018142569A1

JPWO2018142569A1 - 電動機の診断装置

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Publication number: JPWO2018142569A1
Application number: JP2017534845A
Authority: JP
Inventors: 俊彦宮内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2037-02-03
Also published as: EP3579404A1; KR102257079B1; WO2018142569A1; JP6316510B1; CN110268623A; EP3579404B1; CN110268623B; EP3579404A4; KR20190099300A

Abstract

【課題】負荷トルクが変動する電動機においても、電源周波数の近傍の両側にピーク状に発生する側帯波を検出することによって、電動機の異常の有無を診断することができる電動機の診断装置を提供する。
【解決手段】電動機５の電流を電流検出器４で検出して電流入力部１０から入力し、論理演算部１１で電流が安定しているときの電流波形を周波数解析して得られた複数回分のパワースペクトル解析結果を平均化処理し、平均化処理されたパワースペクトル解析結果から側帯波を検出し、且つ電動機の電源周波数のパワースペクトルピークと回転周波数帯のパワースペクトルピークの差分値を演算して電動機５の異常の有無を判定し、異常が発生していると判定された場合には警報出力部１２から警報を出力するものである。

Description

この発明は、例えば閉鎖配電盤などのコントロールセンタで使用され、誘導電動機の異常の有無を診断する電動機の診断装置に関するものである。

従来、誘導電動機の負荷電流を測定して周波数解析を行って、運転周波数の両側に発生する側波帯に注目して、短周期の上下方向の波形の乱れと、長周期の上下方向の波形の振動であるうねりの状態に基づいて、誘導電動機および誘導電動機によって駆動される機器の異常を診断する設備の異常診断方法が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−２８８３５２号公報

従来の設備の異常診断方法においては、誘導電動機の負荷トルク変動が発生した際に、電源周波数（運転周波数）の近傍両側のスペクトル強度が増加して、電源周波数の両側にピーク状に発生する側帯波の振動強度よりも大きくなり、側帯波を検出するのが困難であるという問題があった。

この発明は以上のような課題を解決するためになされたもので、負荷トルクが変動する電動機においても、電源周波数の近傍の両側にピーク状に発生する側帯波を検出することによって、電動機の異常の有無を診断することができる電動機の診断装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電動機の診断装置は、電動機の電流を検出して入力する電流入力部と、電流入力部からの電流が安定状態のときに電流のパワースペクトルを解析するＦＦＴ解析部と、ＦＦＴ解析部で求められたパワースペクトルのピーク箇所を検出するピーク検出演算部と、ＦＦＴ解析部で解析されたパワースペクトルの複数回分を平均化する平均化演算部と、平均化演算部で平均化されたパワースペクトルの側帯波を抽出する側帯波抽出部と、側帯波検出部で抽出された側帯波に基づき、電動機の電源周波数のパワースペクトルピークと回転周波数帯のパワースペクトルピークの差分値を演算する回転周波数帯判定部と、回転周波数帯判定部で得られたパワースペクトルピークの差分値があらかじめ定められた設定値より小さい値であれば警報出力を行う警報出力部を備えたものである。

この発明によれば、電動機の電源周波数のパワースペクトルピークと回転周波数帯のパワースペクトルピークの差分値を演算する回転周波数帯判定部を設け、この差分値に基づき、電動機の異常を検出するようにしているので、負荷トルクが変動する電動機においても、電源周波数の近傍の両側にピーク状に発生する側帯波を検出することによって、電動機の異常の有無を診断することができる電動機の診断装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１における電動機の診断装置の設置状況を示す概略構成図である。この発明の実施の形態１における電動機の診断装置の論理演算部の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１における電動機の診断装置の周波数軸の変換を説明する説明図である。この発明の実施の形態1における電動機の診断装置の負荷劣化時の電流パワースペクトルピークを説明する説明図である。この発明の実施の形態１における電動機の診断装置の動作を説明するフロー図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図において同一符号は、同一または相当部分を示している。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電動機の診断装置を示す構成回路図で、主に閉鎖配電盤であるコントロールセンタで使用されるものである。図において、電力系統から引き込まれた主回路１には、配線用遮断器２、電磁接触器３、主回路１の負荷電流を検出する電流検出器４が設けられている。主回路１には負荷である三相誘導電動機などの電動機５が接続され、電動機５により機械設備６が運転駆動される。電動機の診断装置７には、電動機の電源周波数や電動機の定格出力、定格電圧、定格電流、極数、定格回転数等をあらかじめ入力しておく定格情報入力部８と、定格情報入力部８から入力された定格情報を保存しておく定格情報記憶部９か設けられている。定格情報は、電動機５の製造会社のカタログまたは電動機５に取り付けられている銘板を見ることで容易に取得可能な情報である。なお、診断対象の電動機５が複数台ある場合には、予め診断対象の電動機５の定格情報を入力しておくが、以降の説明においては１台の電動機５について説明する。また、電動機の診断装置７には、電流検出器４で検出された電流を入力する電流入力部１０と、電流入力部１０から入力された電流を使用して電動機５及び機械設備６などの負荷の異常の有無を検出する論理演算部１１と、論理演算部１１で異常が発見された場合に警報または異常ランプの点灯によって、警報を出力する警報出力部１２が設けられている。

論理演算部１１の構成について図２に基づき説明する。論理演算部１１は、電流入力部１０から入力された電流の変動有無を求める電流変動演算部１１０と、電流変動演算部１１０で求められた結果を使用して電流の安定した区間を抽出してパワースペクトル解析区間を決定するＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）解析区間判定部１１１と、ＦＦＴ解析区間判定部１１１で決定された区間の電流を使用してパワースペクトル解析を実施するＦＦＴ解析部１１２と、ＦＦＴ解析部１１２で解析されたパワースペクトルに含まれるピーク箇所を検出するピーク検出演算部１１３と、ピーク検出演算部１１３で検出されたピーク箇所から電動機の回転周波数に起因するピーク箇所を求める回転周波数帯判定部１１４と、複数回分のパワースペクトルの回転周波数帯の周波数を合わせる周波数軸変換演算部１１５と、周波数軸変換演算部１１５で周波数軸が変換された複数回分のパワースペクトルを平均化処理する平均化演算部１１６と、平均化演算部１１６で平均化されたパワースペクトルを使用して、電動機の回転周波数帯以外に電源周波数の両側にピーク箇所があるかを抽出する（以下このピーク箇所を側帯波と称す）側帯波抽出部１１７から構成される。

電流変動演算部１１０は、電流入力部１０からの電流を基に電流値の統計的なばらつきを演算する。ばらつきの演算は、例えば標準偏差やマハラノビス距離等の手法がある。
ＦＦＴ解析区間判定部１１１は、電流変動演算部１１０で求めた電流値の統計的なばらつきから、ばらつきがしきい値以下の電流値が安定した状態の電流区間のみを抽出してパワースペクトル解析区間を決定する。一般に電動機５の負荷トルクが変動していると電流値にばらつきが生じて、ばらつきの大きい電流波形のパワースペクトル解析を実施すると、電源周波数の近傍両側の信号強度が増大して、側帯波などのピーク箇所が出現しなくなる。即ち、電源周波数の近傍両側の信号強度分布内に側帯波のピーク箇所が含まれるようになり、側帯波のピーク箇所を検出することができなくなる。これを防止するためにＦＦＴ解析区間判定部１１１のしきい値が設けられている。

ＦＦＴ解析部１１２は、ＦＦＴ解析区間判定部１１１で決定された区間に入力された電流波形を使用して周波数解析を行うことにより電流パワースペクトル強度を算出する。電流値が安定した状態の電流波形でパワースペクトル解析を実施することで、電源周波数の近傍両側でパワースペクトル強度が増加することは無くなり、ピーク箇所があれば確実に出現するようになる。
ピーク検出演算部１１３は、電流パワースペクトル強度の解析結果から電源周波数によるピーク箇所と電動機の回転周波数によるピーク箇所と側帯波によるピーク箇所およびその他のピーク箇所を検出する。ピーク箇所の検出は１次と２次と３次の微分計算によって算出した結果の急峻な傾きが反転する部分を抽出することで検出可能である。微分計算を３次まで実施することによって、より小さい信号強度のピーク箇所の検出が可能となる。電源周波数によるピーク箇所は、定格情報記憶部９に保存されている電源周波数（一般に５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の位置に生じるため簡単に確認できる。

回転周波数帯判定部１１４は、定格情報記憶部９に保存されている定格回転数から電動機の回転周波数を求め、電源周波数を中心として両側に回転周波数分ずれた位置付近にある信号強度が同様なピーク箇所を抽出する。一般に電動機５は負荷トルクの状況に応じてすべりが生じて回転数にずれが生じるため、電動機５の回転周波数に起因するピーク箇所もその分ずれて出現する。回転周波数帯判定部１１４はこのずれを考慮した周波数帯内にあるピーク箇所を抽出して回転周波数帯として決定するものである。
更に、この回転周波数帯判定部１１４は、特に電動機５の軸受劣化による機械振動の増加に伴う、回転周波数成分の増加を検出するために、電源周波数のパワースペクトルピークと回転周波数帯のパワースペクトルピークの差分値を演算することで、フィールドに存在する、フロアーノイズに影響されることなく、回転周波数帯のパワースペクトルを算出することが可能となる。
この差分値は実際の工場にて稼働している各種電動機の電流測定した結果、電動機の劣化度と相関関係があることがデータとして得られている。

周波数軸変換演算部１１５は、平均化演算部１１６で実施する平均化演算を正しく行うために必要である。一般に電動機５の異常によって発生する側帯波の発生位置は回転周波数帯と関係が深く、側帯波の周波数帯は回転周波数帯の倍数であることが多い。また、回転周波数帯は上記説明のように、電動機５の負荷トルクの状況に応じてずれて出現する。このため、平均化対象の複数回分のパワースペクトル解析結果をピーク箇所追従方式で周波数軸を合わせておく必要がある。具体的には図３に示すように、回転周波数帯の周波数が電源周波数からｆｒ離れた位置で側波帯の周波数が電源周波数からｆｂ離れた位置であり、電動機５が無負荷の状態での回転周波数帯の周波数が電源周波数からｆｒａ離れた位置であったとすると、変換率αはα＝ｆｒａ／ｆｒとなり、無負荷時の側帯波の位置ｆｂａはｆｂａ＝α・ｆｂで求めることができる。なお、図３に示された破線部は負荷有時の信号強度分布を示し、実線部は無負荷時の信号強度分布を示している。このように回転周波数帯を基準として変換率αを掛けることにより全てのピーク箇所の周波数軸の変換を行う。なお、上記説明では周波数軸を無負荷時に合わせる場合について説明したが、例えば周波数軸を定格負荷時に合わせるなど、周波数軸変換演算部１１５は平均化対象の複数回分のパワースペクトル解析結果の周波数軸を所定の負荷時に合わせるように構成されていてもよい。

平均化演算部１１６は、周波数軸変換演算部１１５で周波数軸が合わされた複数回分のパワースペクトル解析結果を平均化処理するもので、平均化処理することで基底ノイズを低減させてピーク箇所のＳ／Ｎ比を向上させることができる。具体的には１０回分のパワースペクトル解析結果を平均化処理すると、１回分にしか発生していないノイズ等によるピーク箇所は１０分の１の信号強度に低減されることになる。一方、回転周波数帯や側帯波であれば１０回ともピーク箇所が発生するものであり、ピーク追従方式で周波数軸を変換して周波数が合っているため、平均化してもピーク箇所の信号強度は変化しない。なお、上記説明ではパワースペクトル解析結果の１０回分を平均化する場合について説明したが、１０回に限定されるものではなく複数回分を平均化すればよい。

側帯波抽出部１１７は、平均化演算部１１６で平均化処理されたパワースペクトル解析結果から電源周波数を中心として両側に同一周波数ずれた位置に発生しているピーク箇所を側帯波として抽出する。側帯波の候補はピーク検出演算部１１３で得られたピーク箇所を候補として選択する。電源周波数を中心としてピーク箇所が片側にしか発生していない場合には側帯波ではないと判定して抽出しない。

回転周波数帯判定部１１４では、特に電動機５の軸受劣化による機械振動の増加に伴う、回転周波数成分の増加を検出するために、図４のように電源周波数のパワースペクトルピークと回転周波数帯のパワースペクトルピークの差分値Ｄを演算することで、フィールドに存在する、フロアーノイズに影響されることなく、回転周波数帯のパワースペクトルを算出することが可能となる。
この差分値Ｄは実際の工場にて稼働している各種電動機の電流測定した結果、電動機の劣化度と相関関係があることがデータとして得られている。
また、回転周波数帯判定部１１４では、電源周波数のパワースペクトルピークと回転周波数のパワースペクトルピークの差分値Ｄから電動機５が異常か否かを判定する。電動機５が異常であると判定した場合には、警報出力部１２から警報を出力する。

次に動作について図５に基づき説明する。電動機の診断装置７は所定時間間隔で起動されて以下の処理を実行する。ステップＳ１０１において、電流検出器４で検出した電動機５の電流を電流入力部１０で入力する。ステップＳ１０２において、電流入力部１０から入力された電流の実効値（以下、電流値と称す）のばらつきを電流変動演算部１１０で演算して、その演算結果を使用してＦＦＴ解析区間判定部１１１で電流が安定状態であるか判定する。判定結果として電流値のばらつきが予め設定されているしきい値以上の不安定状態（ＮＯ）であればステップＳ１０１に戻り、電流が安定状態になるまで繰り返す。電流が安定状態（ＹＥＳ）であればステップＳ１０３に進む。なお、しきい値に関しては、例えば、事前に複数のモータのフィールドデータを取得し、そのデータの電流ばらつき値（標準偏差）から、ばらつき値の小さい範囲内を選定し、選定した値をしきい値とする。具体的な計算例としては、例えば、５０回ばらつき値を計算して、ばらつき値の小さい順に並べ替え、１番目の値が０．５、２番目の値が０．６、３番目の値が０．６５、４番目の値が０．７、５番目の値が０．８、６番目の値が０．８５、７番目の値が１．０であって（８番目〜４９番目の値は省略）、５０番目の値が３．０であった場合、その中で５番目に小さいばらつき値である０．８をしきい値として決定する。なお、事前のフィールドデータの代わりに、電動機５にて一定の学習期間を設けて、学習期間中に取得した電流ばらつき値（標準偏差）から、同様に算出してもよい。

ステップＳ１０３において、ＦＦＴ解析部１１２は入力された電流値が安定状態の区間の電流波形を使用して０Ｈｚから電源周波数６０Ｈｚの２倍の周波数１２０Ｈｚの間で周波数分析して、そのパワースペクトル解析結果をピーク検出演算部１１３に渡す。ステップＳ１０４において、ピーク検出演算部１１３はパワースペクトル解析結果に含まれるピーク箇所を全て検出する。ステップＳ１０５において、回転周波数帯判定部１１４は検出されたピーク箇所の内で回転周波数帯にあるピーク箇所を抽出して回転周波数帯を決定する。ステップＳ１０６において、周波数軸変換演算部１１５は検出した回転周波数帯を無負荷時の回転周波数帯になるように全てのピーク箇所の周波数軸を変換する。ステップＳ１０７において、ステップＳ１０１からステップＳ１０６の動作を１０回繰り返して、周波数軸が変換されたパワースペクトル解析結果を１０個収集する。

ステップＳ１０８において、平均化演算部１１６は収集された１０個のパワースペクトル解析結果を平均化処理する。ステップＳ１０９において、側帯波抽出部１１７は平均化処理されたパワースペクトル解析結果のピーク箇所に注目して側帯波を抽出する。ステップＳ１１０において、回転周波数帯のパワースペクトルを検出するため、回転周波数帯判定部１１４において電源周波数と回転周波数の差分値を算出する。即ち、図４における差分値Ｄを得る。ステップＳ１１１において、側帯波抽出部１１７で側帯波が抽出されなかった場合または側帯波が抽出されたが回転周波数帯判定部１１４で演算された差分値Ｄがあらかじめ決められた値（設定値）よりも大きい値であった場合には、電動機５に異常は発生していない（ＮＯ）として診断処理を終了する。一方、電動機５の異常の劣化度合が進行すると差分値Ｄが小さくなることに注目し、側帯波抽出部１１７で抽出された側帯波の回転周波数と電源周波数の差分値Ｄがあらかじめ決められた値（設定値）よりも小さい値であった場合（ＹＥＳ）には、電動機５に異常が発生しているとして警報出力部１２に信号を送り、ステップＳ１１２において、警報出力部１２から警報を出力して診断処理を終了する。なお、側帯波抽出部１１７における前述の設定値は、同様の電動機の過去の故障時のデータ等から決めることができ、故障事例が多くなるほど側帯波によって正確な故障場所や故障の程度を判定できるようになる。また、設定値を段階的に複数設定することにより、故障の度合いを把握することができるようになり、精密な異常診断を行うことが可能である。

以上説明したように、電源周波数のパワースペクトルピークと電動機の回転周波数帯のパワースペクトルピークの差分値を演算して異常を検出するので、図４における電源周波数および回転周波数のフロアーノイズによる基底ベースの変動の影響を受けることなく異常検出を精度良くできる。また、電流値が安定しているときの電流波形をパワースペクトル解析することで、側帯波などのピーク箇所が確実に出現する。更に、パワースペクトル解析結果を平均化処理を実施することでノイズ等が低減されて、より正確な故障診断ができるようになる。

この発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その発明の範囲において、実施の形態を適宜変更することができる。

１主回路、２配線用遮断器、３電磁接触器、４電流検出器、５電動機、６機械設備、７電動機の診断装置、８定格情報入力部、９定格情報記憶部、１０電流入力部、１１論理演算部、１２警報出力部、１１０電流変動演算部、１１１ＦＦＴ解析区間判定部、１１２ＦＦＴ解析部、１１３ピーク検出演算部、１１４回転周波数帯判定部、１１５周波数軸変換演算部、１１６平均化演算部、１１７側帯波抽出部

この発明に係る電動機の診断装置は、電動機の電流を検出して入力する電流入力部と、電流入力部からの電流が安定状態のときに電流のパワースペクトルを解析するＦＦＴ解析部と、ＦＦＴ解析部で求められたパワースペクトルのピーク箇所を検出するピーク検出演算部と、ＦＦＴ解析部で解析されたパワースペクトルの複数回分を平均化する平均化演算部と、平均化演算部で平均化されたパワースペクトルの側帯波を抽出する側帯波抽出部と、側帯波検出部で抽出された側帯波に基づき、電動機の電源周波数のパワースペクトルピークと電動機の軸受劣化による機械振動の増加で変動する回転周波数帯のパワースペクトルピークの差分値を演算する回転周波数帯判定部と、回転周波数帯判定部で得られたパワースペクトルピークの差分値があらかじめ定められた設定値より小さい値であれば警報出力を行う警報出力部を備えたものである。

この発明によれば、電動機の電源周波数のパワースペクトルピークと回転周波数帯のパワースペクトルピークの差分値を演算する回転周波数帯判定部を設け、この差分値に基づき、電動機の異常を検出するようにしているので、負荷トルクが変動する電動機においても、電源周波数の近傍の両側にピーク状に発生する側帯波を検出することによって、電動機の異常の有無を診断することができる電動機の診断装置を得ることができる。特に、電動機の電流を測定することで、電動機の軸受劣化を診断することができる。

Claims

電動機の電流を検出して入力する電流入力部と、前記電流入力部からの電流が安定状態のときに前記電流のパワースペクトルを解析するＦＦＴ解析部と、前記ＦＦＴ解析部で求められたパワースペクトルのピーク箇所を検出するピーク検出演算部と、前記ＦＦＴ解析部で解析されたパワースペクトルの複数回分を平均化する平均化演算部と、前記平均化演算部で平均化されたパワースペクトルの側帯波を抽出する側帯波抽出部と、前記側帯波抽出部で抽出された側帯波に基づき、前記電動機の電源周波数のパワースペクトルピークと回転周波数帯のパワースペクトルピークの差分値を演算する回転周波数帯判定部と、前記回転周波数帯判定部で得られた前記差分値があらかじめ定められた設定値より小さい値であれば警報を出力する警報出力部を備えたことを特徴とする電動機の診断装置。
前記平均化演算部は複数回分のパワースペクトルの周波数軸を変換して回転周波数帯によるピーク箇所を合わした状態で平均化することを特徴とする請求項１に記載の電動機の診断装置。
前記回転周波数帯判定部は、前記設定値を複数設定していることを特徴とする請求項１に記載の電動機の診断装置。