TWI612765B - 決定三相感應馬達之固有特徵量的方法 - Google Patents
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Description
本發明有關於使用劣化參數來診斷將三相感應馬達作為驅動源之旋轉機械系統在運轉時的狀態之際，決定用來算出劣化參數所必要的三相感應馬達之固有特徵量的方法，其中，該劣化參數為分析三相感應馬達之運轉時電流訊號而得。
迄今，診斷以三相感應馬達作為驅動源之旋轉機械系統的狀態，是藉由注意由旋轉機械系統所產生之震動的劣化參數來進行，該劣化參數為分別定義於時域與頻(震動數)域雙方。然而，在診斷存在於偏遠地區的旋轉機械系統，或是設置於無法接近處之旋轉機械系統的狀態時，無法直接測量旋轉機械系統的震動。在此，可從對三相感應馬達之運轉時電流訊號進行頻率分析所得到的電流頻譜(譜型(spectral pattern))，決定出劣化參數，並藉由注意劣化參數之變化來進行旋轉機械的狀態診斷(例，參考非專利文獻1)。 [先前技術文獻] [非專利文獻]
[非專利文獻1]豊田利夫「電流徴候解析MCSAによる電動機駆動回転機の診断」高田技報，2010年第20卷，p.3-6
[發明概要] [發明所欲解決的課題] 例如，分析一極數p之三相感應馬達之運轉時電流訊號的頻率而得出之電流頻譜中，如圖4所示，在電源頻率f
line(商用電源的頻率)之頻譜的兩側(以電源頻率f
line之頻譜為中心的低頻側及高頻側)，已知有極通過頻率f
pp所引起的邊帶存在。在此，將電源頻率f
line之頻譜的大小I
line(此指電流功率值、峰值、以下亦同)對極通過頻率f
pp所引起之邊帶的大小I
pole的比值I
line/I
pole作為劣化參數，並由該劣化參數的變化來判斷三相感應馬達的轉子導條是否出現損傷。
在此，在極通過頻率f
pp、三相感應馬達之轉子的實際旋轉頻率f
r(之後，實際旋轉頻率f
r即表示轉子之實際旋轉頻率f
r)、三相感應馬達的同步旋轉頻率f
x，以及三相感應馬達的極數p之間，成立有f
pp=(f
x-f
r)p的關係。又，極數p由三相感應馬達的規格來決定，同步旋轉頻率f
x可使用電源頻率f
line(商用電源的頻率)與極數p來求得。因此，若能量測實際旋轉頻率f
r，即可特定出電流頻譜中極通過頻率f
pp所引起的邊帶，並可判斷出邊帶的正確大小，求得正確的劣化參數。然而，在三相感應馬達的實際旋轉頻率f
r不明的情況下若使用估計值(例，以前量測到的值或規格書記載的值)，將無法求得正確的劣化參數，而產生無法正確地診斷旋轉機械系統狀態的問題。
本發明有鑑於此類情形，目的為：在使用劣化參數來診斷以三相感應馬達作為驅動源之旋轉機械系統的狀態之際，提供算出劣化參數所必要的三相感應馬達之固有特徵量的決定方法，其中，該劣化參數可由分析三相感應馬達運轉時之電流訊號而得。 [解決課題的方式]
依循前述目的，關於本發明之決定三相感應馬達之固有特徵量的方法是診斷以三相感應馬達作為驅動源之旋轉機械系統運轉時的狀態之際，決定必要之三相感應馬達之固有特徵量的方法，其包含： 第1步驟，量測前述三相感應馬達之運轉時電流訊號，並進行該運轉時電流訊號的頻率分析； 第2步驟，從前述頻率分析所得出的電流頻譜中，求出前述三相感應馬達之電源頻譜的邊帶：邊帶S
A與邊帶S
B，該邊帶S
A是求出存在於頻域A內之最大高度的波峰而得，該頻域A是以電源頻率f
line與前述三相感應馬達之同步旋轉頻率f
x間之差值作為下限頻率，並將該下限頻率加上被設定在範圍0.01~4Hz之頻率值後的值作為上限頻率，該邊帶S
B是求出存在於頻域B內之最大高度的波峰而得，該頻域B是以前述電源頻率f
line加上前述同步旋轉頻率f
x後之值作為上限頻率，並將該上限頻率減去被設定在範圍0.01~4Hz之頻率值後的值作為下限頻率；以及 第3步驟，以前述邊帶S
A、S
B之任一者的波峰位置頻率與前述電源頻率f
line之差的絕對值作為前述三相感應馬達的實際旋轉頻率f
r， 並將前述實際旋轉頻率f
r作為第1固有特徵量。 [發明的效果]
關於本發明之決定三相感應馬達之固有特徵量的方法中，因為是從診斷旋轉機械系統運轉時的狀態之際所測出之運轉時電流訊號，來決定三相感應馬達的實際旋轉頻率f
r，並以該實際旋轉頻率f
r作為三相感應馬達之第1固有特徵量，所以決定好的實際旋轉頻率f
r會正確地反映出診斷時之三相感應馬達的旋轉狀態。因此，若使用實際旋轉轉頻率f
r來構成判斷三相感應馬達運轉時之狀態的劣化參數時，可使用劣化參數來正確地評價三相感應馬達的狀態，且可實現旋轉機械之狀態診斷的精度提升。 且，由於三相感應馬達的實際旋轉頻率f
r參與了與旋轉機械系統之機械式構造相關聯之邊帶的生成，所以可正確地取得反映出旋轉機械系統之機械式構造的劣化參數。
接下來，一面參考附圖，一面針對將本發明具體化後之實施型態來進行說明，以供理解本發明。 關於本發明之一實施型態，決定三相感應馬達之固有特徵量的方法為：使用劣化參數來診斷以三相感應馬達作為驅動源之旋轉機械系統運轉時的狀態之際，決定用來算出劣化參數所必要之三相感應馬達之固有特徵量的方法，其中，該劣化參數可由分析三相感應馬達之運轉時電流訊號而得。以下，將詳細地說明。
決定三相感應馬達之固有特徵量的方法包含：第1步驟，量測三相感應馬達之運轉時電流訊號，進行運轉時電流訊號的頻率分析，並對得到之電流頻譜的值做對數轉換；第2步驟，如圖1所示，從經對數轉換後的電流頻譜中，求出三相感應馬達之電源頻譜S
L的邊帶：邊帶S
A與邊帶S
B，該邊帶S
A是求出存在於頻域A之最大高度的波峰而得，該頻域A是以電源頻率f
line與三相感應馬達之同步旋轉頻率f
x間之差值作為下限頻率，且將下限頻率加上被設定在範圍0.01~4Hz之頻率值，例如將加上2Hz後的值作為上限頻率，該邊帶S
B是求出存在於頻域B之最大高度的波峰而得，該頻域B以電源頻率f
line加上同步旋轉頻率f
x後的值作為上限頻率，且將上限頻率減去被設定在範圍0.01~4Hz之頻率值，例如減去2Hz後的值作為下限頻率；以及第3步驟，將邊帶S
A、S
B之任一者，例如，以邊帶S
A、S
B之中波峰高度較高的一方(電流功率值較大的一方)的波峰位置頻率與電源頻率f
line之差的絕對值作為三相感應馬達的實際旋轉頻率f
r，並將實際旋轉頻率f
r作為三相感應馬達之第1固有特徵量。
在第1步驟中，如圖2所示，對於旋轉機械系統10之配電盤11內之三相感應馬達12的馬達配線13中任意一相之配線，舉例來說，使用非接觸之夾鉗式電流感測器14來檢測運轉時電流訊號，該運轉時電流訊號為類比訊號。且，在配電盤11與旋轉機械系統10相接近的情況下，對於被連接至三相感應馬達12的電源纜線15之中任意一相的纜線，也可使用非接觸之夾鉗式電流感測器來檢測運轉時電流訊號。將夾鉗式電流感測器14所檢測出之運轉時電流訊號輸入至A/D轉換器16轉換成數位訊號，並經由傳送線路17輸入至進行快速傅立葉轉換(頻率分析的一例)的頻率分析器18。藉此，即可得出運轉時電流訊號的電流頻譜。
如圖2所示，第2步驟是將從頻率分析器18所輸出之運轉時電流訊號之電流頻譜的頻譜資料(顯示頻率及電流功率值(波峰高度)之關係的資料)，輸入至第1資料處理程序19，並由第1資料處理程序19來執行。 在第2步驟中，首先從電流頻譜中求出三相感應馬達12的電源頻譜S
L。在此，由於電源頻率f
line為供給電力給三相感應馬達12之商用電源頻率(東日本為50Hz，西日本為60Hz)，所以可從電流頻譜的頻譜資料中求出頻率之值與商用電源頻率一致的頻譜資料，並將得出之頻譜資料所包含的電流功率值作為電源頻譜S
L的電流功率值(以上為處理1)。
接下來，由於三相感應馬達12的同步旋轉頻率f
x在三相感應馬達12之極數為p的情況下可由f
x=2f
line/p計算得出，因此在電流頻譜中，從存在於如下之頻域A的頻譜資料中，抽出電流功率值為最大(最大高度之波峰，以下亦同)的頻譜資料，其中該頻域A是將電源頻率f
line與三相感應馬達12之同步旋轉頻率f
x間的差值f
line-f
x，即f
line-2f
line/p作為下限頻率，並將下限頻率加上2Hz後之值，即f
line-2f
line/p+2作為上限頻率。接著，將抽出後的頻譜資料所包含的頻率與電流功率值分別作為邊帶S
A的頻率與電流功率值(以上為處理2)。 又，在電流頻譜中，從存在於如下之頻域B的頻譜資料中，抽出電流功率值為最大的頻譜資料，其中該頻域B是將電源頻率f
line加上同步旋轉頻率f
x後之值f
line+f
x，即f
line+2f
line/p作為上限頻率，並將上限頻率減去2Hz，即f
line+2f
line/p-2作為下限頻率。接著，將抽出後的頻譜資料所包含的頻率與電流功率值分別作為邊帶S
B的頻率與電流功率值(以上為處理3)。 此外，第1資料處理程序19為，舉例來說，可以藉由在個人電腦裡搭載用以執行處理1~3的程式來構成。在此，預先將商用電源頻率及三相感應馬達12之極數p的值輸入至第1資料處理程序19。
如圖2所示，第3步驟是將從第1資料處理程序19所輸出之邊帶S
A的資料(邊帶S
A的電流功率值與對應電流功率值的頻率f
A)與邊帶S
B的資料(邊帶S
B的電流功率值與對應電流功率值的頻率f
B)，輸入至第2資料處理程序20，並由第2資料處理程序20來執行。 在第3步驟中，比較邊帶S
A之電流功率值與邊帶S
B之電流功率值，並特定出電流功率值較大的邊帶，求出特定出之邊帶的波峰位置頻率f
Smax。然後，以峰值位置頻率f
Smax與電源頻率f
line間之差的絕對值|f
Smax-f
line|作為三相感應馬達12的實際旋轉頻率f
r。例如，在邊帶S
A之電流功率值比邊帶S
B之電流功率值更大的情況下，f
r＝f
line-f
A，在邊帶S
B之電流功率值比邊帶S
A之電流功率值更大的情況下，f
r＝f
B-f
line。且，將求出的實際旋轉頻率f
r藉由第2資料處理程序20來輸出。(處理4)。 在此，第2資料處理程序20為，舉例來說，可以藉由在個人電腦裡搭載用以執行處理4的程式來構成。
關於本實施型態，決定三相感應馬達之固有特徵量的方法進一步包含： 第4步驟，將同步旋轉頻率f
x與實際旋轉頻率f
r間之差作為轉差頻率f
s；第5步驟，自電流頻譜中，求出電源頻譜的邊帶：因極通過頻率f
pp而分別存在於低頻側及高頻側的邊帶S
PA(波峰位置頻率f
PA)、邊帶S
PB(波峰位置頻率f
PB)，該極通過頻率f
pp被定義為轉差頻率f
s與三相感應馬達12之極數p的乘積；第6步驟，求出存在於邊帶S
PA與邊帶S
A之間最大高度的波峰來作為邊帶S
LA，並求出存在於邊帶S
PB與邊帶S
B之間最大高度的波峰來作為邊帶S
LB；第7步驟，將邊帶S
LA、S
LB之任一者，例如，將邊帶S
LA、S
LB之中波峰高度較高的一方之波峰位置頻率與電源頻率f
line之差的絕對值作為三相感應馬達12的轉子導條轉差頻率f
rs；以及第8步驟，將轉子導條轉差頻率f
rs除以轉差頻率f
s得到三相感應馬達12的轉子導條數h，並將轉子導條數h作為三相感應達12之第2固有特徵量。
如圖2所示，第4步驟至第8步驟是將由第1步驟所得到(自頻率分析器18所輸出)的運轉時電流訊號之電流頻譜的頻譜資料、由第2步驟所得到(自第1資料處理程序19取得)之邊帶S
LA、S
LB的資料及三相感應馬達12的同步旋轉頻率f
x，以及將由第3步驟所得到(自第2資料處理程序20取得)之實際旋轉頻率f
r輸入至第3資料處理程序21，並由第3資料處理程序21來執行。
在第4步驟中，從分別由第1、第2資料處理程序19、20取得之同步旋轉頻率f
x與實際旋轉頻率f
r，求出差f
x-f
r作為轉差頻率f
s(處理5)。 在第5步驟中，如圖3所示，求出因極通過頻率f
pp而存在於如下頻率位置之邊帶S
PA(波峰頻率位置f
PA)與邊帶S
PB(波峰頻率位置f
PB)，也就是以三相感應馬達12之電源頻率f
line的電流頻譜波峰為中心，向低頻側及高頻側分別距離一極通過頻率f
pp的頻率位置，其中，該極通過頻率f
pp是被定義為轉差頻率f
s與三相感應馬達12之極數p的乘積。在第6步驟中，求出存在於邊帶S
PA與邊帶S
A之間最大高度的峰值(亦即，從存在於邊帶S
PA與邊帶S
A之間的頻譜資料中，抽出電流功率值為最大的頻譜資料)，並將抽出後之頻譜資料所具有的頻率與電流功率值分別作為邊帶S
LA之波峰頻率f
LA與電流功率值，求出存在於邊帶S
PB與邊帶S
B之間最大高度之波峰(亦即，從存在於邊帶S
PB與邊帶S
B之間的頻譜資料中，抽出電流功率值為最大的頻譜資料)，並將抽出後的頻譜資料所具有的頻率與電流功率值分別作為邊帶S
LB之峰值頻率f
LB與電流功率值(以上為處理6)。
在第7步驟中，邊帶S
LA、S
LB之任一者，例如比較邊帶S
LA之電流功率值與邊帶S
LB之電流功率值，來特定出電流功率值較大的邊帶，並求出特定後之邊帶的波峰位置頻率。然後，以求得的波峰位置頻率與電源頻率f
line之差的絕對值作為三相感應馬達12的轉子導條轉差頻率f
rs。例如，當邊帶S
LA之電流功率值較邊帶S
LB之電流功率值大的情況下，f
rs=f
line-f
LA，邊帶S
LB之電流功率值較邊帶S
LA之電流功率值大的情況下，f
rs=f
LB-f
line(處理7)。第8步驟中，求出將第7步驟中所得到之轉子導條轉差頻率f
rs除以第4步驟中所得到之轉差頻率f
s(=f
x-f
r)而得的值，並將最接近求出之值的整數值作為三相感應馬達12的轉子導條數h(處理8)。 在此，第3資料處理程序21舉例來說，可以藉由在個人電腦上搭載用以執行處理5~8的程式來構成。
如同以上之說明，對於進行三相感應馬達12之運轉時電流訊號之頻率分析而得到的電流頻譜，藉由運用本發明之決定三相感應馬達之固有特徵量的方法，可決定出三相感應馬達12的實際旋轉頻率f
r，以作為三相感應馬達12之第1固有特徵量。其結果，可使用實際旋轉頻率f
r、三相感應馬達12的同步旋轉頻率f
x及三相感應馬達12的極數p求出極通過頻率f
pp(=(f
x-f
r)p)，並可從電流頻譜中特定出極通過頻率f
pp之邊帶。藉此，可以得知極通過頻率f
pp之邊帶的正確大小(電流功率值)20logI
pole(在此，I
pole為極通過頻率f
pp所引起之邊帶的電流功率值，該極通過頻率f
pp為對三相感應馬達12之運轉時電流訊號進行快速傅立葉轉換而得)，例如，使用極通過頻率f
pp之邊帶的大小20logI
pole與電源頻率f
line之頻譜的大小20logI
line(在此，I
line為電源頻率之電流頻譜的電流功率值，該電源頻率為對三相感應馬達12之運轉時電流訊號進行快速傅立葉轉換後而得)所構成之20logI
line-20logI
pole，即，20log(I
line/I
pole)，利用將其作為劣化參數，可由劣化參數的變化來高精確度地診斷三相感應馬達12的轉子導條是否產生損傷。
又，對於三相感應馬達12之運轉時電流訊號的電流頻譜，藉由運用本發明之決定三相感應馬達之固有特徵量的方法，可以決定出三相感應馬達12的轉子導條數h，並將其作為三相感應馬達12的第2固有特徵量。其結果，可使用轉子導條數h、實際旋轉頻率f
r，及三相感應馬達12之同步旋轉頻率f
x，來求出轉子導條轉差頻率f
rs(=(f
x-f
r)h)，並可自電源頻譜中，特定出如下邊帶：該邊帶為電源頻譜的邊帶，且是轉子導條轉差頻率f
rs所引起的邊帶。藉此，可以得知轉子導條轉差頻率f
rs所引起之邊帶的正確大小20logI
rs(I
rs為轉子導條頻率f
rs所引起之邊帶的電流功率值，該轉子導條頻率f
rs為對三相感應馬達12之運轉時電流訊號進行快速傅立葉轉換而得)，例如，使用轉子導條頻率f
rs所引起之邊帶的大小20logI
rs與電源頻率f
line之頻譜的大小I
line所構成之20logI
line-20logI
rs，即，20log(I
line/I
rs)，利用將其作為劣化參數，可由劣化參數的變化來高精準度地診斷三相感應馬達12之負載轉矩是否產生變化。
以上，雖然參考了實施型態來說明本發明，但本發明並非被任何上述實施型態所記載之構成所限定，還包括可自發明專利申請範圍所記載之事項的範圍內思及之其他實施型態、變化例。 更進一步來說，將本實施型態與其他實施型態或變化例中所各自包括之構成要素予以組合之物，也包括在本發明內。 例如，雖然以電流頻譜之電源頻譜的電源頻率f
line作為供給交流電至三相感應馬達之電源的基本頻率，但也可將電流頻譜的電源頻率f
line作為諧波頻率。藉此，即便有與旋轉機械系統之機械構造相關聯之邊帶的頻率超過電源之基頻的情況，也能檢測出邊帶，並可正確地評斷出與旋轉機械系統之機械構造相關聯的劣化參數。 此外，即使供給交流電至三相感應馬達的電源為逆變器電源也適用本發明。
10…旋轉機械系統 11…配電盤 12…三相感應馬達 13…馬達配線 14…夾鉗式電流感測器 15…電源纜線 16…A/D轉換器 17…傳送線路 18…頻率分析器 19…第1資料處理程序 20…第2資料處理程序 21…第3資料處理程序 p…極數 S
L…電源頻譜 S
A…頻域A邊帶 S
B…頻域B邊帶 S
PA…極通過頻率f
pp所引起之低頻側邊帶 S
PB…極通過頻率f
pp所引起之高頻側邊帶 S
LA…邊帶S
PA與邊帶S
A之間的最大波峰(邊帶) S
LB…邊帶S
PB與邊帶S
B之間的最大波峰(邊帶) f
L…電源頻率 f
A…頻域A的波峰位置頻率 f
B...頻域B的波峰位置頻率 f
x…同步旋轉頻率 f
r…實際旋轉頻率 f
s…轉差頻率 f
pp…極通過頻率 f
rs…轉子導條轉差頻率 I
line…電源頻率f
line的頻譜大小 I
pole…極通過頻率f
pp的頻譜大小 I
rs….轉子導條轉差頻率f
rs的頻譜大小
圖1是表示三相感應馬達之運轉時電流訊號之電流頻譜的電源頻譜與實際旋轉頻率之邊帶的示意圖。 圖2是在有關本發明之一實施型態之決定三相感應馬達之固有特徵量的方法中，使用之裝置的構成圖。 圖3是表示三相感應馬達之運轉時電流訊號之電流頻譜的電源頻譜與轉子導條轉差頻率之邊帶的示意圖。 圖4是由頻率分析三相感應馬達之運轉時電流訊號所得到之電流頻譜的示意圖。
S
L…電源頻譜 S
A…頻域A邊帶 S
B…頻域B邊帶 f
line…電源頻率 f
A…頻域A的波峰位置頻率 f
B…頻域B的波峰位置頻率 f
x…同步旋轉頻率
Claims (3)
- 一種決定三相感應馬達之固有特徵量的方法，其是決定在診斷旋轉機械系統運轉時的狀態之際所必要之三相感應馬達之固有特徵量的方法，該旋轉機械系統是以三相感應馬達為驅動源， 該方法包含： 第1步驟，量測前述三相感應馬達之運轉時電流訊號，並進行該運轉時電流訊號的頻率分析； 第2步驟，從前述頻率分析所得出的電流頻譜中，求出前述三相感應馬達之電源頻譜的邊帶：邊帶S A、S B，該邊帶S A是求出存在於頻域A內之最大高度的波峰而得，該頻域A是以電源頻率f line與前述三相感應馬達之同步旋轉頻率f x間之差值作為下限頻率，並將該下限頻率加上被設定在範圍0.01~4Hz之頻率值後的值作為上限頻率，該邊帶S B是求出存在於頻域B內之最大高度的波峰而得，該頻域B是以前述電源頻率f line加上前述同步旋轉頻率f x後之值作為上限頻率，並將該上限頻率減去被設定在範圍0.01~4Hz之頻率值後的值作為下限頻率；以及 第3步驟，以前述邊帶S A、S B之任一者的波峰位置頻率與前述電源頻率f line之差的絕對值作為前述三相感應馬達的實際旋轉頻率f r， 將前述實際旋轉頻率f r作為第1固有特徵量。
- 如請求項1之決定三相感應馬達之固有特徵量的方法，其進一步包含： 第4步驟，將前述同步旋轉頻率f x與前述實際旋轉頻率f r間之差作為轉差頻率f s； 第5步驟，自前述電流頻譜中，求出前述電源頻譜的邊帶：因極通過頻率f pp而分別存在於低頻側及高頻側的邊帶S PA、S PB，該極通過頻率f pp是被定義為前述轉差頻率f s與前述三相感應馬達之極數p的乘積； 第6步驟，求出存在於前述邊帶S PA與前述邊帶S A之間最大高度的波峰來作為邊帶S LA，並求出存在於前述邊帶S PB與前述邊帶S B之間最大高度的波峰來作為邊帶S LB； 第7步驟，將前述邊帶S LA、S LB之任一者的波峰位置頻率與前述電源頻率f line之差的絕對值作為前述三相感應馬達之轉子導條轉差頻率f rs；以及 第8步驟，將前述轉子導條轉差頻率f rs除以前述轉差頻率f s以作為前述三相感應馬達之轉子導條數， 並以前述轉子導條數作為第2固有特徵量。
- 如請求項1或2之決定三相感應馬達之固有特徵量的方法，其中前述頻域A以該頻域A之下限頻率加上2Hz後的值作為該頻域A之上限頻率；前述頻域B以該頻域B之上限頻率減去2Hz後的值作為該頻域B之下限頻率。
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| JP2016-072437 | 2016-03-31 | ||
| JP2016072437A JP6062588B1 (ja) | 2016-03-31 | 2016-03-31 | 三相誘導電動機の固有特徴量を決定する方法 |
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Patent Citations (5)
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