KR20200053579A - 이상 진단 장치, 이상 진단 방법 및 이상 진단 시스템 - Google Patents

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Abstract

전력 변환 장치에 의해 구동되는 전동기에 있어서도, 이상의 유무를 진단하는 것이 가능한 이상 진단 장치, 이상 진단 방법 및 이상 진단 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이상 진단 장치는, 전동기의 전류 파형 및 구동 주파수를 취득하는 데이터 취득부와, 데이터 취득부에서 동일 시각에 취득되는 전류 파형의 전류값 및 구동 주파수의 조합이 저장된 운전 패턴 기억부와, 데이터 취득부에서 동일 시각에 취득되는 진단 대상의 전류 파형의 전류값 및 구동 주파수가, 운전 패턴 기억부에 저장된 조합에 합치되는지 여부를 판정하는 데이터 판정부와, 데이터 판정부에서 합치된다고 판정된 전류 파형을 주파수 해석해서 측대파를 추출하고, 측대파의 스펙트럼 강도를 산출하는 해석부와, 측대파의 스펙트럼 강도가, 임계값 이상인 경우에 이상으로 진단하는 이상 진단부를 구비한다.

Description

이상 진단 장치, 이상 진단 방법 및 이상 진단 시스템
본 발명은, 전력 변환 장치에 의해 구동하는 전동기의 이상(異常) 진단에 관한 것이다.
전동기는, 산업 플랜트에 있어서 생산 라인 장치나 기계 설비의 동력을 담당하는 키 컴포넌트(key component)이어서, 항상 정상적이고 안정한 운전 계속성이 요구된다. 그러나, 전동기의 대부분은, 고온, 고(高)부하, 부식, 마모 등의 고(高)스트레스 환경하에서 가동하고 있기 때문에, 돌발적인 고장을 일으킬 가능성이 크다. 이와 같은 돌발적인 고장을 회피하기 위해서, 전동기의 상시 감시 기술이 강하게 요망되고 있다. 근년, 이 상시 감시 기술로서, 전동기에 부하되는 전류를 계측하는 것에 의해서, 전동기의 이상을 진단하는 이상 진단 장치가 개발되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에서는, 상용 전원에 의해서 구동되는 전동기에 있어서, 부하되는 전류를 계측 및 주파수 해석하고, 전원 주파수 근방의 주파수에 생기는 이상 기인의 측대파의 스펙트럼 강도로부터 이상의 유무를 진단하고 있다.
일본 특허공개 2016-090546호 공보
그러나, 전력 변환 장치에 의해서 구동되는 전동기의 경우, 전류값 및 구동 주파수가 변화하는 것에 의해서, 이상의 진단 기준이 되는 측대파의 스펙트럼 강도도 변화하기 때문에, 측대파의 스펙트럼 강도의 변화가, 이상의 정도에 의한 것인지, 전류값 및 구동 주파수의 변화에 의한 것인지를 판별할 수 없어서, 이상의 유무를 진단하는 것이 곤란하다는 과제가 있었다.
본 발명은, 전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 전력 변환 장치에 의해서 전류값 및 구동 주파수가 변화하는 전동기에 있어서도, 이상의 유무를 진단하는 것이 가능한 이상 진단 장치, 이상 진단 방법 및 이상 진단 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 이상 진단 장치는, 전력 변환 장치에 의해 구동되는 전동기의 전류 파형 및 구동 주파수를 취득하는 데이터 취득부와, 데이터 취득부에서 동일 시각에 취득되는 전류 파형의 전류값 및 구동 주파수의 조합이 저장된 운전 패턴 기억부와, 데이터 취득부에서 동일 시각에 취득되는 진단 대상의 전류 파형의 전류값 및 구동 주파수가, 운전 패턴 기억부에 저장된 조합에 합치되는지 여부를 판정하는 데이터 판정부와, 데이터 판정부에서 합치된다고 판정된 전류 파형을 주파수 해석해서 측대파를 추출하고, 측대파의 스펙트럼 강도를 산출하는 해석부와, 측대파의 스펙트럼 강도가, 임계값 이상(以上)인 경우에 이상(異常)으로 진단하는 이상 진단부를 구비한다.
또한 본 발명에 따른 이상 진단 방법은, 전력 변환 장치에 의해 구동되는 전동기의 전류 파형 및 구동 주파수를 취득하는 데이터 취득 스텝과, 데이터 취득 스텝에서 동일 시각에 취득되는 전류 파형의 전류값 및 구동 주파수의 조합을 저장하는 운전 패턴 기억 스텝과, 데이터 취득 스텝에서 동일 시각에 취득되는 진단 대상의 전류 파형의 전류값 및 구동 주파수가, 운전 패턴 기억 스텝에서 저장된 조합에 합치되는지 여부를 판정하는 데이터 판정 스텝과, 데이터 판정 스텝에서 합치된다고 판정된 전류 파형을 주파수 해석해서 측대파를 추출하고, 측대파의 스펙트럼 강도를 산출하는 해석 스텝과, 측대파의 스펙트럼 강도가, 임계값 이상인 경우에 이상으로 진단하는 이상 진단 스텝을 구비한다.
또 본 발명에 따른 이상 진단 시스템은, 전동기의 전류 파형 및 구동 주파수를 판독하는 전력 변환 장치와, 전력 변환 장치에서 판독된 전류 파형 및 구동 주파수를 취득하고, 전류 파형의 전류값 및 구동 주파수가, 상기 운전 패턴 기억부에 저장된 조합에 합치되는지 여부를 판정하고, 합치된다고 판정된 전류 파형에 기초하여, 이상의 유무를 진단하는 이상 진단 장치와, 이상 진단 장치에서 진단된 결과에 기초하여, 표시 및 경보 중 적어도 어느 하나를 출력하는 감시 장치를 구비한다.
본 발명에 의하면, 동일 시각에 취득되는 전류 파형의 전류값 및 구동 주파수의 조합을 특정하고, 특정된 전류값 및 구동 주파수의 조합이 될 때의 전류 파형에 대해서 이상의 진단을 행함으로써, 전력 변환 장치에 의해 전류값 및 구동 주파수가 변화하는 전동기에 있어서도, 이상을 검출하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 따른 이상 진단 장치를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1에 따른 이상 진단 장치를 나타내는 개략 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 따른 이상 진단 장치를 나타내는 개략 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태 1에 따른 데이터 취득부를 나타내는 개략 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 1에 따른 전동기의 운전 패턴의 일례를 나타내는 관계도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태 1에 따른 이상 진단 장치의 처리 순서를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 1에 따른 이상 진단 장치를 설명하는 설명도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태 1에 따른 설정 정보 기억부를 나타내는 개략 구성도이다.
도 9는 본 발명의 실시형태 1에 따른 주파수 스펙트럼 파형의 일례를 나타내는 관계도이다.
도 10은 본 발명의 실시형태 1에 따른 해석부를 나타내는 개략 구성도이다.
도 11은 본 발명의 실시형태 1에 따른 주파수 스펙트럼 파형의 일례를 나타내는 관계도이다.
도 12는 본 발명의 실시형태 1에 따른 이상 진단 장치의 처리 순서를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시형태 2에 따른 dq축 해석부를 나타내는 개략 구성도이다.
도 14는 본 발명의 실시형태 2에 따른 q축 주파수 스펙트럼 파형의 일례를 나타내는 관계도이다.
도 15는 본 발명의 실시형태 3에 따른 이상 진단 시스템을 나타내는 개략 구성도이다.
이하, 본 발명에 따른 실시형태를, 도면을 참조해서 설명한다.
도 1은, 본 발명에 따른 이상 진단 장치의 설치 상황을 나타내는 개략 구성도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 전원선(1)에는, 복수개의 배선용 차단기(2), 전력 변환 장치(6), 이상 진단 장치(10) 및 전동기(3)가 접속되어 있다. 전동기(3)는, 전력 변환 장치(6)에 의해 구동되고, 동력을 전달하는 동력 전달 기구를 통해서, 부하로서 기계 설비(4)가 접속되어 있다. 전력 변환 장치(6)로부터 전동기(3)를 접속하는 배선에는, 전류 검출부(5)가 마련되고, 전동기(3)에 부하되는 전류를 검출한다. 전력 변환 장치(6)에는, 구동 주파수 검출부(7)가 마련되고, 전력 변환 장치(6)에서 지령되는 신호에 기초하여, 전동기(3)의 구동 주파수를 검출한다. 이상 진단 장치(10)는, 전류 검출부(5)에서 검출되는 전류 및 구동 주파수 검출부(7)에서 검출되는 구동 주파수로부터 전동기(3)의 이상의 유무를 진단한다. 여기에서, 전동기(3)의 이상이란, 예를 들면, 베어링의 이상, 축의 편심, 미스얼라인먼트, 언밸런스 등이다.
여기에서, 도 1에 나타내는 전류 검출부(5)는, 삼상 전원선의 각 상에 설치되어 있지만, 어느 것의 상을 계측하기만 해도 된다. 또한, 계측 개소에 따른 검출 정밀도에 대한 영향이 작기 때문에, 전류 검출부(5)의 설치 장소는, 전동기(3)에 부하되는 전류를 계측 가능한 장소이면 한정되지 않는다. 이상의 진단은, 복수의 전동기(3)에 대해서 1개의 이상 진단 장치(10)에서 행해도 된다. 또한, 전류 검출부(5)는, 전력 변환 장치(6)에 내장되어 있는 센서로 해도 된다.
다음으로, 이상 진단 장치(10)의 구성에 대해서 도 2를 참조해서 설명한다. 도 2는, 이상 진단 장치의 개략 구성도이다. 이상 진단 장치(10)는, 예를 들면, 처리부(11), 기억부(12), 표시부(13), 경보부(14), 통신부(15)를 구비한다. 처리부(11)는, 기억부(12)에 저장된 각종 데이터에 기초해서 소정의 처리를 실행한다. 표시부(13), 경보부(14)는, 전동기(3)가 이상으로 진단된 경우에, 신호가 보내지고, 각각 디스플레이 표시, 경보로서 발령(發令)하여, 이상을 감시원에게 알린다. 여기에서, 표시부(13), 경보부(14)는, 어느 하나만으로, 이들의 기능을 가지게 해도 된다. 이상 진단 장치(10)는, 예를 들면, 네트워크에 접속된 서버, PC(Personal Computer), 마이크로컴퓨터 등을 이용해서 구성된다.
다음으로, 이상 진단 장치(10)의 기능을 실행하는 구성에 대해서 도 3을 참조해서 설명한다. 도 3은, 이상 진단 장치의 개략 구성도이다. 이상 진단 장치(10)는, 처리부(11)에, 데이터 취득부(100), 데이터 판정부(120), 해석부(150), 이상 진단부(170)를 마련하고, 기억부(12)에 운전 패턴 기억부(110), 임계값 기억부(130), 설정 정보 기억부(140), 해석 결과 기억부(160)를 마련한다. 여기에서, 기억부(12)에 필요한 정보가 저장되어 있지 않은 경우는, 이상 진단 장치(10)에 입력부를 더 마련해서 입력되도록 해도 된다.
이상 진단 장치(10)는, 데이터 취득부(100)에 있어서, 전동기(3)에 부하되는 전류의 전류 파형 및 구동 주파수를 취득한다. 그리고 데이터 판정부(120)에 있어서, 동일 시각에 취득된 전류 파형의 실효값 및 구동 주파수의 조합이, 운전 패턴 기억부(110)에 저장된 조합에 합치되는지 여부를 판정한다. 해석부(150)에 있어서, 데이터 판정부(120)에서 합치된다고 판정된 전류 파형을 주파수 해석하고, 설정 정보 기억부(140)에 저장된 설정 정보에 기초하여, 이상 기인의 측대파의 스펙트럼 강도를 산출하고, 해석 결과 기억부(160)에 저장한다. 이상 진단부(170)에 있어서, 산출된 측대파의 스펙트럼 강도가, 임계값 기억부(130)에 저장된 임계값 이상이었던 경우에 이상으로 진단한다.
도 4는, 데이터 취득부를 나타내는 개략 구성도이다. 데이터 취득부(100)는, 전류 파형 취득부(101), 전류값 취득부(102), 구동 주파수 취득부(103)를 구비한다. 전류 파형 취득부(101)는, 전류 검출부(5)로부터 검출된 전류에서, 전류 파형을 취득한다. 전류값 취득부(102)는, 전류 파형 취득부(101)에서 취득된 전류 파형으로부터 실효값(이하, 전류값이라고 기재함)을 산출해서 취득한다. 전류값은, 예를 들면, 전류 파형의 순시값의 제곱을 1주기에 걸쳐서 평균한 값의 제곱근(square root)으로서 산출된다. 구동 주파수 취득부(103)는, 전력 변환 장치(6)의 구동 주파수 검출부(7)로부터 검출된 구동 주파수를 취득한다. 이 구동 주파수는, 전류 파형 취득부(101)에서 취득된 전류 파형을, 해석부(150)에서 주파수 해석하여, 가장 강도가 큰 스펙트럼 피크의 위치로 해도 된다.
운전 패턴 기억부(110)는, 데이터 취득부(100)로부터 전류값 및 구동 주파수를 취득하고, 동일 시각에 취득되는 횟수가 많은 전류값 및 구동 주파수의 조합을 저장한다. 이하에서는, 운전 패턴 기억부(110)에 저장하는 당해 조합을 특정하기 위해서, 전류 파형 및 구동 주파수를 검출하는 과정을 학습 과정(503)으로 한다. 또한, 이상의 진단을 행하기 위해서, 전류 파형 및 구동 주파수를 검출하는 과정을 진단 과정(504)으로 한다. 여기에서, 학습 과정(503)에 있어서, 전동기(3)는 정상적으로 동작하고 있는 것이 바람직하다.
도 5는, 전동기의 운전 패턴의 일례를 나타내는 관계도이다. 세로축(506)은 전류값 또는 구동 주파수, 가로축(505)은 시각을 나타내고, 학습 과정(503) 및 진단 과정(504)에 있어서의 전동기(3)의 운전 패턴을 나타낸다. 여기에서 운전 패턴이란, 전력 변환 장치(6)로부터 지령되고, 소정의 시간 간격으로 반복되는 전류값 또는 구동 주파수의 패턴이다.
도 5의 예에서는, 학습 과정(503)에 있어서의 1파형째의 501a 및 2파형째의 501b와, 진단 과정(504)에 있어서의 3파형째의 501c는, 동일한 전류값 또는 구동 주파수이다. 이와 같이, 전동기(3)는, 학습 과정(503)과 진단 과정(504)에서 동양(同樣)의 운전 패턴을 갖는 것으로 한다. 여기에서 동일한 전류값 또는 구동 주파수란, 계측 오차를 포함한 값으로, 예를 들면 ±0.01∼0.1A 또는 ±0.01∼0.1Hz 정도이면 동일하다고 간주해도 된다.
다음으로, 학습 과정(503)에 있어서, 운전 패턴 기억부(110)에 전류값 및 구동 주파수의 조합을 저장하는 처리 순서에 대해서, 도 6을 참조해서 설명한다. 도 6은, 학습 과정에 있어서의 이상 진단 장치의 처리 순서의 일례를 나타낸다. 우선, 데이터 취득부(100)에 있어서, 전류 검출부(5) 및 구동 주파수 검출부(7)로부터, 소정의 시간 간격으로, 각각 전류 파형 및 구동 주파수를 취득한다(스텝 S1). 데이터 취득부(100)에 있어서, 전류 파형으로부터 전류값을 산출하고, 동일 시각에 취득되는 전류 파형의 전류값 및 구동 주파수를 1개의 조합으로 한다.
다음으로, 동일 시각에 취득되는 전류값 및 구동 주파수의 조합에 있어서, 동일한 조합이 취득되는 횟수를 카운트한다(스텝 S2). 이 방법으로서, 예를 들면, 도 7에 나타내는 바와 같이, 전류값 및 구동 주파수가 맵화된 운전 패턴 기억부(110)에, 동일 시각에 취득되는 전류값 및 구동 주파수의 조합을 각각 저장함으로써, 동일한 조합이 취득되는 횟수를 카운트할 수 있다. 도 7의 예에서는, 동일 시각에 취득되는 전류값과 구동 주파수의 조합(i: 전류값, f: 구동 주파수)으로서, (4A, 52Hz), (4.5A, 56Hz), (5A, 60Hz)의 조합이 100회 카운트되어 가장 많다. 계속해서, (3.5A, 52Hz), (4A, 56Hz), (4.5A, 60Hz)의 조합이 60회 카운트되어 다음으로 많다.
다음으로, 예를 들면, 카운트된 횟수를, 미리 설정된 설정값과 비교하고, 설정값 이상(以上)이 되는 전류값 및 구동 주파수의 조합을 특정한다(스텝 S3). 그 설정값을, 80회로 한 경우에는, (4A, 52Hz), (4.5A, 56Hz), (5A, 60Hz)의 전류값 및 구동 주파수의 조합이 특정된다. 특정된 설정값 이상의 전류값 및 구동 주파수의 조합을, 운전 패턴 기억부(110)에 저장한다(스텝 S4). 이와 같이, 운전 패턴 기억부(110)는, 이상(異常)의 진단을 행하는 전류 파형의 전류값 및 구동 주파수의 조합으로서, 취득되는 횟수가 많은 조합을 저장한다.
데이터 판정부(120)는, 데이터 취득부(100)로부터 동일 시각에 있어서의 진단 대상의 전류 파형의 전류값 및 구동 주파수의 조합을 취득하고, 취득된 전류값 및 구동 주파수의 조합을, 운전 패턴 기억부(110)에 저장된 전류값 및 구동 주파수의 조합과 대조하여, 합치되는지 여부를 판정한다. 합치된다고 판정된 전류 파형을 해석부(150)에 출력하여, 이상의 진단을 행한다.
임계값 기억부(130)는, 이상의 진단 기준이 되는 측대파의 스펙트럼 강도의 임계값을 저장한다. 측대파의 스펙트럼 강도는, 통상, 이상의 정도가 클수록 증대하고, 전동기(3)의 구동 주파수 및 전류값에 의존한다. 임계값은, 운전 패턴 기억부(110)에 저장된 전류값 및 구동 주파수의 조합마다 대응한 값이 주어진다. 임계값은, 예를 들면, 전동기(3)의 정상 시에 있어서, 데이터 취득부(100)에서 전류 파형 및 구동 주파수를 취득하고, 데이터 판정부(120)에 있어서 운전 패턴 기억부(110)에 저장된 전류값 및 구동 주파수의 조합과 합치된다고 판정된 전류 파형을, 주파수 해석해서 측대파의 스펙트럼 강도를 산출한 결과에 기초해서 결정된다. 여기에서, 데이터는 오차에 따른 분포를 갖기 때문에, 예를 들면, 측대파의 스펙트럼 강도의 표준 편차 σ를 산출하고, 3σ의 데이터가 존재하는 범위를 임계값으로 한다.
이와 같이, 학습 과정(503)에 있어서, 이상의 진단을 행하는 전류값 및 구동 주파수의 조합을 운전 패턴 기억부(110)에 저장하고, 진단 과정(504)에 있어서, 운전 패턴 기억부(110)에 저장된 당해 조합에 합치된다고 판정된 전류 파형에 대해서 이상의 진단을 행하는 구성으로 했다. 이에 의해, 전류값 및 구동 주파수의 조합에 대응한 임계값을 이용해서 이상의 진단을 행할 수 있어, 전력 변환 장치(6)에 의해 전류값 및 구동 주파수가 변화하는 것에 의해서, 진단 기준이 되는 측대파의 스펙트럼 강도가 변화하는 전동기(3)에 있어서도, 이상을 검출하는 것이 가능해진다. 또한, 이상의 진단을 행하는 전류 파형을, 취득되는 횟수가 많은 전류값 및 구동 주파수의 조합이 될 때의 전류 파형으로 함으로써, 진단을 행하는 전류 파형의 샘플수를 많게 할 수 있어, 이상의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 8은, 설정 정보 기억부의 개략 구성도이다. 설정 정보 기억부(140)는, 정격 정보 기억부(141), 주파수 기억부(142), 부하 정보 기억부(143)를 구비한다. 설정 정보 기억부(140)는, 측대파가 생기는 주파수를 특정하기 위해서 필요한 정보를 저장한다.
정격 정보 기억부(141)에는, 전동기(3)에 장착된 명판(銘板; rating plate)의 정보로부터, 전원 주파수, 극(極)수, 정격 회전 속도 등의 정격 정보가 저장된다.
주파수 기억부(142)는, 회전 주파수 기억부(142a) 및 베어링 고유 주파수 기억부(142b)를 구비한다. 주파수 기억부(142)는, 전동기(3)의 회전 주파수 및 베어링의 고유 주파수를 저장한다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 측대파는, 구동 주파수의 양측 근방에, 이상의 종류에 따라서 상이한 위치에서 생긴다. 예를 들면, 미스얼라인먼트, 언밸런스 등의 이상은, 구동 주파수를 중심으로 해서 양측에, 회전 주파수만큼 떨어진 위치에 측대파를 발생시킨다. 또한, 전동기(3)의 베어링에 기인하는 이상의 경우, 구동 주파수를 중심으로 해서 양측에, 베어링의 고유 주파수만큼 떨어진 위치에 측대파를 발생시킨다.
회전 주파수 기억부(142a)는, 전동기(3)의 회전 주파수를 저장한다. 전동기(3)의 회전 주파수는, 예를 들면, 무(無)부하 시의 회전 주파수와 정격 회전 시의 회전 주파수 사이의 범위이다. 무부하 시의 회전 주파수는, 정격 정보 기억부(141)에 저장된 전원 주파수 및 극수로부터 2·fs/p(fs: 전원 주파수, p: 극수)로 산출한다. 또한, 정격 회전 시의 회전 주파수는, 정격 정보 기억부(141)에 저장된 정격 회전 속도로부터 산출한다. 또한, 베어링 고유 주파수 기억부(142b)는, 베어링 정보에 기초하여, 베어링의 고유 주파수를 저장한다.
부하 정보 기억부(143)는, 부하 정보를 저장한다. 부하 정보란, 예를 들면 펌프, 팬, 압축기 등의 설비의 종류, 벨트, 체인의 유무 등이다. 회전 주파수는, 전동기(3)의 부하에 따라서 변화한다. 예를 들면, 벨트나 체인을 갖는 경우에는, 전동기(3)의 축에 외부 부하가 가해지고 있기 때문에, 회전 주파수가 크게 나오는 경향이 있다. 부하 정보 기억부(143)에, 부하 정보가 저장되는 것에 의해, 회전 주파수 기억부(142a)에 저장된 회전 주파수를 보정할 수 있다.
다음으로, 해석부(150)에 대해서 도 10을 참조해서 설명한다. 도 10은, 해석부의 개략 구성도이다. 해석부(150)는, 전류 주파수 해석부(151), 전류 스펙트럼 평균부(152), 측대파 추출부(153), 스펙트럼 강도 산출부(154)를 구비한다.
전류 주파수 해석부(151)는, 데이터 판정부(120)에서, 운전 패턴 기억부(110)에 저장된 전류값 및 구동 주파수의 조합과 합치된다고 판정된 전류 파형을 주파수 해석한다. 전류 파형은, 예를 들면, 전류 FFT(Fast Fourier Transform) 해석, 이산 푸리에 해석(Discret Fourier Transform) 등에 의해서 해석된다.
전류 스펙트럼 평균부(152)는, 전류 주파수 해석부(151)로부터 얻은 복수회분의 주파수 스펙트럼 파형을 평균한다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 주파수 스펙트럼 파형은, 전동기(3)의 이상에 의해 생기는 스펙트럼 이외에, 전력 변환 장치(6)의 스위칭 동작에 기인하는 노이즈가 포함되어 있다. 주파수 스펙트럼 파형을 평균화함으로써, 구동 주파수 근방에 생기는 노이즈의 스펙트럼 강도를 저감할 수 있어, 이상 기인의 측대파의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
측대파 추출부(153)는, 전류 주파수 해석부(151)로부터 얻은 주파수 스펙트럼 파형으로부터, 스펙트럼 피크의 위치를 모두 검출한다. 검출하는 범위는 0∼1000Hz 사이가 바람직하다. 또한, 측대파 추출부(153)는, 구동 주파수를 중심으로 해서 양측에 동일 주파수만큼 떨어진 위치에 발생하고 있는 스펙트럼 피크를, 측대파로서 추출한다. 이때 구동 주파수는, 전류 파형과 동일 시각에 데이터 취득부(100)에서 취득된 구동 주파수를 이용해도 되고, 검출된 스펙트럼 피크 중에서 가장 강도가 큰 스펙트럼 피크의 위치로부터 산출되어도 된다.
스펙트럼 강도 산출부(154)는, 회전 주파수 산출부(154a)와, 베어링 고유 주파수 산출부(154b)를 갖고, 각각 측대파의 스펙트럼 강도를 산출한다. 회전 주파수 산출부(154a)에서는, 회전 주파수 기억부(142a)에 기억된 회전 주파수를 취득하고, 구동 주파수로부터 회전 주파수만큼 떨어진 위치를 추출한다. 그리고 추출된 위치에 발생하고 있는 스펙트럼 피크의 스펙트럼 강도를 산출한다. 베어링 고유 주파수 산출부(154b)도 동양으로, 베어링 고유 주파수 기억부(142b)에 기억된 베어링의 고유 주파수를 취득하고, 구동 주파수로부터 베어링의 고유 주파수만큼 떨어진 위치를 추출한다. 그리고 추출된 위치에 발생하고 있는 스펙트럼 피크의 스펙트럼 강도를 산출한다. 각각 산출된 스펙트럼 강도는, 전류 파형 취득 시의 전류값 및 구동 주파수와 함께 해석 결과 기억부(160)에 저장된다.
여기에서, 측대파의 스펙트럼 강도의 산출은, 회전 주파수 산출부(154a), 베어링 고유 주파수 산출부(154b) 중 적어도 어느 하나에서 행해지면 되고, 이상 진단 장치(10)에 입력부를 마련하고, 진단하고자 하는 이상의 종류에 따라서 선택할 수 있도록 해도 된다.
이와 같이, 학습 과정(503)에 있어서 전류값 및 구동 주파수의 조합을 운전 패턴 기억부(110)에 저장하고, 진단 과정(504)에 있어서 저장된 조합이 될 때의 전류 파형에 대해서 주파수 해석함으로써, 전력 변환 장치(6)에 의해 구동 주파수가 변화하는 것에 의해서, 측대파의 위치가 변화하는 경우에도, 정확하게 측대파의 위치를 추출할 수 있다.
이상 진단부(170)는, 해석한 전류 파형의 전류값 및 구동 주파수에 대응하는 임계값을 임계값 기억부(130)로부터 취득하고, 산출한 측대파의 스펙트럼 강도가, 임계값 이상이었던 경우에 이상으로 진단한다.
전술과 같이, 본 실시형태에 따른 이상 진단 장치(10)는, 학습 과정(503)에 있어서 이상의 진단을 행하는 전류값 및 구동 주파수의 조합을 운전 패턴 기억부(110)에 저장하고, 진단 과정(504)에 있어서, 운전 패턴 기억부(110)에 저장된 조합과 합치되는 전류 파형에 대해서 주파수 해석하고, 산출된 측대파의 스펙트럼 강도로부터 이상의 유무를 진단하는 구성으로 했다. 이 구성에 의해, 측대파의 스펙트럼 강도를, 해석한 전류 파형의 전류값 및 구동 주파수의 조합에 대응하는 임계값과 비교해서, 이상의 유무를 진단할 수 있다. 이에 의해, 전력 변환 장치(6)에 의해 전류값 및 구동 주파수가 변화하고, 이상의 진단 기준이 되는 측대파의 스펙트럼 강도가 변화하는 경우에도, 이상을 검출하는 것이 가능해진다.
다음으로, 도 12를 참조하여, 이상 진단 장치(10)가 이상의 진단을 행하는 진단 과정(504)에 있어서의 동작에 대해서 설명한다. 도 12는, 이상 진단 장치의 처리 공정의 일례를 나타낸다. 이상 진단 장치(10)는, 학습 과정(503)에 있어서, 진단을 행하는 전류 파형의 전류값 및 구동 주파수가 운전 패턴 기억부(110)에 저장되고, 임계값 기억부(130), 설정 정보 기억부(140)에도 필요한 정보가 저장되어 있는(YES) 경우, 이상의 진단을 개시한다.
우선 스텝 S101에 있어서, 데이터 취득부(100)에서, 소정의 시간 간격마다 진단 대상의 전류 파형 및 구동 주파수를 취득하고, 전류 파형으로부터 전류값을 산출해서 취득한다. 스텝 S102에 있어서, 데이터 판정부(120)에서, 동일 시각에 취득된 전류 파형의 전류값 및 구동 주파수의 조합이, 운전 패턴 기억부(110)에 저장된 전류값 및 구동 주파수의 조합과 합치되는지 여부를 판정하고, 합치되는(YES) 경우에, 이때의 전류 파형을 해석부(150)에 출력한다.
스텝 S103에 있어서, 합치된다고 판정된 전류 파형을 해석부(150)에서 주파수 해석한다. 해석부(150)에서는, 구동 주파수로부터 측대파가 생기는 위치를 추출하고, 측대파의 스펙트럼 강도를 산출한다. 스텝 S104에 있어서, 이상 진단부(170)에서, 산출한 측대파의 스펙트럼 강도를, 해석된 전류 파형의 전류값 및 구동 주파수에 대응하는 임계값과 비교하고, 임계값 이상(YES)이었던 경우에 이상으로 진단한다. 스텝 105에 있어서, 이상으로 진단된 경우, 표시부(13), 경보부(14)에서, 표시, 경보로서 출력된다. 이때, 표시부(13), 경보부(14)는, 적어도 어느 하나를 행하면 된다.
여기에서, 학습 과정(503)은, 진단 과정(504) 전에 항상 행하도록 해도 되고, 운전 패턴이 정착(定着)되어 있는 경우에는, 학습 과정(503)을 행하지 않고, 미리 운전 패턴 기억부(110)에 저장된 전류값 및 구동 주파수의 조합에 기초하여, 진단을 행하도록 해도 된다.
전술과 같이, 학습 과정(503)에 있어서, 운전 패턴 기억부(110)에 저장된 전류값 및 구동 주파수의 조합이 되는 전류 파형에 기초하여, 이상의 유무를 진단함으로써, 전력 변환 장치(6)에 의해 구동되는 전동기(3)에 있어서도, 이상을 검출하는 것이 가능해진다.
실시형태 2.
실시형태 2에서는, 실시형태 1에 있어서의 데이터 취득부(100)로부터 취득된 전류 파형을 좌표 변환하고, dq축 좌표계에서의 d축 전류 및 q축 전류로서 주파수 해석하는 구성으로 했다.
도 13은, dq축 해석부의 개략 구성도이다. dq축 해석부(1500)는, dq축 좌표 변환부(1501), dq축 전류 주파수 해석부(1502), dq축 전류 스펙트럼 평균부(1503), dq축 측대파 추출부(1504), dq축 스펙트럼 강도 산출부(1505)를 구비한다. 여기에서, d축은 전동기(3)의 자속의 방향을 나타내고, q축은 d축과 직교하는 방향을 나타낸다. d축 전류는, 자속분 전류, q축 전류는 토크분 전류가 된다. 도 14는, 전동기의 q축 주파수 스펙트럼 파형을 나타내는 도면이다. 세로축은 스펙트럼 강도를, 가로축은 주파수를 나타낸다. 도 14에 나타내는 바와 같이, 전류 파형을 dq축 좌표 변환한 주파수 스펙트럼 파형에 있어서도, 이상의 유무의 진단 기준이 되는 측대파가 추출된다.
이와 같은 구성에 있어서도, 실시형태 1과 동양으로, 전력 변환 장치(6)에 의해 전류값 및 구동 주파수가 변화하는 전동기(3)에 있어서, 이상을 진단하는 것이 가능해진다. 또, 데이터 취득부(100)에서 취득된 전류 파형을 dq축 변환하는 것에 의해, d축 전류에서는, 편심 등의 에어 갭 변동에 기인하는 이상의 검출, q축 전류에서는, 부하 맥동에 기인하는 이상의 검출을 고(高)정밀도로 행하는 것이 가능해진다.
한편, 본 실시형태에서는, dq축 좌표계에서의 d축 전류 및 q축 전류로서 좌표 변환했지만, αβ축 좌표축에서의 α축 전류, β축 전류로 변환해서 주파수 해석해도 된다.
실시형태 3.
발명을 실시하기 위한 실시형태 3에 따른 이상 진단 시스템에 대해서, 도 15를 참조해서 설명한다. 도 15는, 이상 진단 시스템의 일례를 나타내는 개략 구성도이다. 본 실시형태에서, 실시형태 1에 기재된 부호와 동일한 부호는, 동일 또는 상당 부분을 나타낸다. 이상 진단 시스템(500)은, 이상 진단 장치(200), 감시 장치(300), 전력 변환 장치(400)를 구비한다.
실시형태 1에서는, 전동기(3)에 접속된 이상 진단 장치(10)에서 데이터를 취득해서 처리를 행하고, 이상으로 진단된 경우에 표시, 경보를 출력하는 예를 나타냈지만, 본 실시형태에서는, 전동기(3)에 접속된 전력 변환 장치(400)에서 데이터를 판독하고, 판독한 데이터를 이상 진단 장치(200)에서 취득해서 이상의 유무를 진단하고, 진단 결과에 기초하여, 감시 장치(300)에서 표시, 경보를 출력하는 구성으로 했다.
전력 변환 장치(400)는, 전류 검출부(401), 구동 주파수 검출부(402), 데이터 판독부(410), 표시부(413), 경보부(414), 통신부(415)를 구비한다. 전력 변환 장치(400)는, 전동기(3)를 구동한다. 전력 변환 장치(400)는, 데이터 판독부(410)에서 전류 검출부(401) 및 구동 주파수 검출부(402)로부터의 전류 파형 및 구동 주파수를 판독한다. 전류 검출부(401)는, 전력 변환 장치(400)에 내장된 전류 센서이다. 데이터 판독부(410)에서 판독된 전류 파형 및 구동 주파수는, 통신부(415)를 통해서, 이상 진단 장치(200)의 통신부(215)에 송신된다.
이상 진단 장치(200)는, 처리부(211), 기억부(212), 통신부(215)를 구비한다. 이상 진단 장치(200)는, 통신부(215)를 데이터 취득부(100)로서, 전류 파형 및 구동 주파수를 취득한다. 이상 진단 장치(200)는, 처리부(211)에, 데이터 판정부(120), 해석부(150), 이상 진단부(170), 기억부(212)에 운전 패턴 기억부(110), 임계값 기억부(130), 설정 정보 기억부(140), 해석 결과 기억부(160)를 각각 마련한다.
전력 변환 장치(400)로부터 송신된 전류 파형 및 구동 주파수는, 데이터 취득부(100)가 되는 통신부(215)에서 취득된다. 취득된 전류 파형의 전류값 및 구동 주파수가, 데이터 판정부(120)에서, 운전 패턴 기억부(110)에 저장된 조합과 합치되는지 여부를 판정하고, 합치된다고 판정된 전류 파형을, 해석부(150)에서 주파수 해석해서 측대파의 스펙트럼 강도를 산출하고, 이상 진단부(170)에서 산출한 측대파의 스펙트럼 강도를 임계값과 비교해서 이상의 유무를 진단한다. 얻어진 진단 결과는, 이상 진단 장치(200)의 통신부(215)로부터, 감시 장치(300)의 통신부(315), 전력 변환 장치(400)의 통신부(415)에 송신된다.
감시 장치(300)는, 표시부(313), 경보부(314), 통신부(315)를 구비한다. 감시 장치(300)는, 감시원 있는 곳에 설치되고, 진단 결과에 따라서, 표시부(313), 경보부(314)에서 표시, 경보로서 출력된다. 진단 결과는, 전력 변환 장치(400)에도 송신되고, 이상으로 진단된 경우, 표시부(413), 경보부(414)에서, 표시, 경보로서 출력된다. 표시, 경보는, 표시부(313, 413) 및 경보부(314, 414) 중 적어도 어느 하나에서 행하면 된다.
이와 같은 구성에 있어서도, 실시형태 1과 동양으로, 전력 변환 장치(6)에 의해 구동되고, 전류값 및 구동 주파수가 변화하는 전동기(3)에 있어서, 이상을 검출할 수 있다. 또 본 실시형태에서는, 전동기(3)마다 설치된 전력 변환 장치(400)에서 판독된 데이터를, 이상 진단 장치(200)의 통신부(215)에서 취득해서 처리를 행하고, 진단 결과를 감시 장치(300) 및 전력 변환 장치(400)에 송신하는 구성으로 했다. 이 구성에 의해, 복수의 전동기(3) 및 기계 설비(4)가 가동하고 있는 대규모 공장에 있어서도, 감시원이, 감시 장치(300)에서 표시된 내용을 토대로, 설비 현장에 달려가서, 전동기(3) 및 기계 설비(4)를 감시할 수 있다. 또한, 전력 변환 장치(400)에, 진단 결과를 나타내는 표시부(413), 경보부(414)가 구비되어 있기 때문에, 이상으로 진단된 전동기(3)를 용이하게 특정할 수 있다.
여기에서, 전류 검출부(401)는, 전력 변환 장치(400)에 내장되어 있지 않아도 되고, 외장 센서를 이용해도 된다. 또한, 도 15의 예에서는, 전력 변환 장치(400)를 2개로 했지만, 전동기(3) 및 기계 설비(4)의 수에 따라서 예를 들면 3개, 4개로 늘리고, 각각 이상 진단 장치(200)에 취득한 데이터를 송신해도 된다. 또한, 전력 변환 장치(400)에 기억부(412)를 더 마련하고, 기억부(412)에서 취득한 데이터를 일정 기간 유지한 후, 모아서 이상 진단 장치(200)에 송신해도 된다.
또한, 이상 진단 시스템(500)에는, 과거의 고장 정보가 축적된 고장 DB(600)가 접속되어 있으면 더 바람직하다. 고장 DB(600)에는, 이상으로 진단된 새로운 고장 정보를 등록한다. 고장 정보는, 예를 들면, 고장이 발생했을 때에 검출된 전류 파형이다. 고장 발생 시에 있어서의 전류 파형을 주파수 해석한 결과에 기초해서, 이상의 진단 기준이 되는 측대파의 스펙트럼 강도의 임계값을 결정해도 된다. 이에 의해, 이상의 진단 기준을 명확화할 수 있기 때문에, 이상의 검출 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.
한편, 실시형태 1 내지 3에서는, 이상 진단 장치(10), 이상 진단 장치(200)를, 전동기(3)를 구동하는 전력 변환 장치(6), 전력 변환 장치(400)와 별개의 개체로서 마련하는 예를 나타냈지만, 전력 변환 장치(6), 전력 변환 장치(400)에 마이크로컴퓨터를 마련하고, 이상 진단 장치(10), 이상 진단 장치(200)와 동등한 기능을 갖는 프로그램을 짜 넣은 구성으로 해도 된다. 이와 같이, 이상 진단 장치(10), 이상 진단 장치(200)를, 전동기(3)를 구동하는 전력 변환 장치(6), 전력 변환 장치(400)에 마련하는 구성으로 함으로써, 배선수의 증대에 따른 설치 장소의 제한을 받지 않고서, 이상의 진단을 행하는 것이 가능해진다.
1: 전원선, 2: 배선용 차단기, 3: 전동기, 4: 기계 설비,
5: 전류 검출부, 6: 전력 변환 장치, 7: 구동 주파수 검출부,
10: 이상 진단 장치, 11: 처리부, 12: 기억부,
13: 표시부, 14: 경보부, 15: 통신부,
100: 데이터 취득부, 101: 전류 파형 취득부,
102: 전류값 취득부, 103: 구동 주파수 취득부,
110: 운전 패턴 기억부, 120: 데이터 판정부,
130: 임계값 기억부, 140: 설정 정보 기억부, 150: 해석부,
160: 해석 결과 기억부, 170: 이상 진단부,
141: 정격 정보 기억부, 142: 주파수 기억부, 143: 부하 정보 기억부,
151: 전류 주파수 해석부, 152: 전류 스펙트럼 평균부,
153: 측대파 추출부, 154: 스펙트럼 강도 산출부,
1501: dq축 좌표 변환부, 1502: dq축 전류 주파수 해석부
1503: dq축 전류 스펙트럼 평균부, 1504: dq축 측대파 추출부,
1505: dq축 스펙트럼 강도 산출부,
200: 이상 진단 장치, 300: 감시 장치,
400: 전력 변환 장치, 500: 이상 진단 시스템,
600: 고장 DB

Claims (7)

  1. 전력 변환 장치에 의해 구동되는 전동기의 전류 파형 및 구동 주파수를 취득하는 데이터 취득부와,
    상기 데이터 취득부에서 동일 시각에 취득되는 상기 전류 파형의 전류값 및 상기 구동 주파수의 조합이 저장된 운전 패턴 기억부와,
    상기 데이터 취득부에서 동일 시각에 취득되는 진단 대상의 상기 전류 파형의 전류값 및 상기 구동 주파수가, 상기 운전 패턴 기억부에 저장된 상기 조합에 합치되는지 여부를 판정하는 데이터 판정부와,
    상기 데이터 판정부에서 합치된다고 판정된 상기 전류 파형을 주파수 해석해서 측대파를 추출하고, 상기 측대파의 스펙트럼 강도를 산출하는 해석부와,
    상기 측대파의 상기 스펙트럼 강도가, 임계값 이상(以上)인 경우에 이상(異常)으로 진단하는 이상 진단부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 이상 진단 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 운전 패턴 기억부는, 상기 데이터 취득부에서 동일 시각에 취득되는 횟수가 소정의 횟수 이상(以上)이 되는 상기 전류 파형의 전류값 및 상기 구동 주파수의 조합을 저장하는 것을 특징으로 하는 이상(異常) 진단 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 해석부는, 상기 구동 주파수를 중심으로 해서, 회전 주파수 및 베어링의 고유 주파수 중 적어도 한쪽만큼만 떨어진 위치에 생기는 상기 측대파를 추출하는 것을 특징으로 하는 이상 진단 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 해석부는, 상기 전류 파형을 d축 전류 또는 q축 전류로 변환하는 것을 특징으로 하는 이상 진단 장치.
  5. 전력 변환 장치에 의해 구동되는 전동기의 전류 파형 및 구동 주파수를 취득하는 데이터 취득 스텝과,
    상기 데이터 취득 스텝에서 동일 시각에 취득되는 상기 전류 파형의 전류값 및 상기 구동 주파수의 조합을 저장하는 운전 패턴 기억 스텝과,
    상기 데이터 취득 스텝에서 동일 시각에 취득되는 진단 대상의 상기 전류 파형의 전류값 및 상기 구동 주파수가, 상기 운전 패턴 기억 스텝에서 저장된 상기 조합에 합치되는지 여부를 판정하는 데이터 판정 스텝과,
    상기 데이터 판정 스텝에서 합치된다고 판정된 상기 전류 파형을 주파수 해석해서 측대파를 추출하고, 상기 측대파의 스펙트럼 강도를 산출하는 해석 스텝과,
    상기 측대파의 상기 스펙트럼 강도가, 임계값 이상인 경우에 이상으로 진단하는 이상 진단 스텝
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 이상 진단 방법.
  6. 상기 전동기의 상기 전류 파형 및 상기 구동 주파수를 판독하는 상기 전력 변환 장치와,
    상기 전력 변환 장치에서 판독된 상기 전류 파형 및 상기 구동 주파수를 취득하고, 상기 전류 파형의 전류값 및 상기 구동 주파수가, 상기 운전 패턴 기억부에 저장된 상기 조합에 합치되는지 여부를 판정하고, 합치된다고 판정된 상기 전류 파형에 기초하여, 이상의 유무를 진단하는 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 이상 진단 장치와,
    상기 이상 진단 장치에서 진단된 결과에 기초하여, 표시 및 경보 중 적어도 어느 하나를 출력하는 감시 장치
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 이상 진단 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전력 변환 장치는, 상기 전력 변환 장치에 내장된 전류 센서로부터 상기 전류 파형을 판독하는 것을 특징으로 하는 이상 진단 시스템.
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