WO2020261840A1

WO2020261840A1 - 回転機械駆動システムおよび回転機械駆動システムの制御方法

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Publication number: WO2020261840A1
Application number: PCT/JP2020/020780
Authority: WO
Inventors: 祐貴馬飼野; 伸之成澤; 見多出口
Original assignee: 株式会社日立産機システム
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2020-12-30
Also published as: EP3993258A4; JP2021005921A; CN113228498A; EP3993258A1; CN113228498B; US20220069759A1; US11632073B2; JP7355534B2

Abstract

この発明では、電動機と回転機械との間に存在するプーリーとベルトにより構成されるベルト駆動伝達部の伝達異常が発生していることを判断する。　電動機と、回転機械と、それらの間に設置されたベルト駆動伝達部とを備えており、電動機の電流又は電圧を検出し、その電流又は電圧に基づいて、ベルト駆動伝達部の伝達異常を判断し、前記伝達異常を判断したとき異常検知信号を出力する診断部を設けている。診断部では、検出した電流に基づき前記回転機械の推定回転速度情報を演算し、前記電動機の回転速度と前記回転機側プーリーと前記回転機械側プーリーとから基準回転周波数を演算し、該推定回転速度情報と該基準回転周波数との差又比を用いて前記伝達異常を判断する。

Description

回転機械駆動システムおよび回転機械駆動システムの制御方法

　本発明は、回転機械駆動システムおよび回転機械駆動システムの制御方法に関する。

　ベルトにより電動機の駆動力の伝達を受けて駆動されるベルト駆動の回転機械としては、圧縮機、冷凍機、ファン等多数存在する。圧縮機に限定しても、往復動空気圧縮機、スクロール圧縮機、スクリュー圧縮機、ポンプ圧縮機など多種多様のものがある。

　例えば、往復動空気圧縮機では、回転力を与える電動機が動力伝達ベルトとプーリーを介して圧縮機構に接続されている。圧縮機構は、吸気フィルタより空気を取込み、圧縮機構に備わったピストンを往復動作させることで、空気を圧縮する。このような空気圧縮機において、電気情報(電流、電圧、等)を用いて回転機械の状態を判断し、異常があると判断した場合にはその異常が無くなるように回転機械を制御する技術が、特開平８－１００７６５号公報（特許文献１）に開示されている。

　この特許文献１には、電動機の印加電流から負荷変動をチェックし、電動機の負荷が低下したときにフィルタの目詰まり異常と判断し、異常を判断した場合にはフィルタに圧縮空気を供給して、フィルタに付着した塵埃を除去する技術が開示されている。

特開平８－１００７６５号公報

　ところで、電動機の駆動力をベルトにより回転機械の伝達する回転機械システム（例えば、上記往復動空気圧縮機）では、電動機軸と直結して回転駆動力を出力する電動機側のプーリーと、回転機械の圧縮機構に回転駆動力を与える回転機械側のプーリーとの間に動力伝達用のベルトが掛けられる構成になっている。そのため、ベルトの摩耗や劣化が進むと、プーリーとベルト間の摩擦力が低下して滑り（スリップ）が発生し、駆動力伝達不足が発生する。また、長期間の使用によりベルトの破断や損傷が発生し、駆動力伝達不足が発生する。このような場合、電動機の回転駆動力を圧縮機構に適切に伝達することができなくなり、正常な運転の継続ができなくなる。例えば、往復動空気圧縮機の場合には、圧縮機による空気圧縮が不十分となり、空気圧が所定の圧力値まで到達することができなくなる。

　そこで、本発明の目的は、電動機と回転機械との間に存在するプーリーとベルトにより構成されるベルト駆動伝達部において回転駆動力の伝達異常が発生していることを診断することができる回転機械駆動システム及び回転機械駆動システムの制御方法を提供することである。

　上記課題を解決するため、本発明は、その一例を挙げると、電源と、該電源から供給される電力により駆動する電動機と、回転機械と、前記電動機の回転駆動力を出力する電動機側プーリー、前記回転機械を駆動する回転機械側プーリー及び該電動機側プーリーと該回転機械側プーリー間に掛けられるベルトを有するベルト駆動伝達部と、を備えた回転機械駆動システムであって、前記電動機の電気情報を検出する電気情報検出センサと、該電気情報に基づいて、前記ベルト駆動伝達部における前記回転駆動力の伝達異常が発生しているかどうかを判断し、前記伝達異常を判断したとき異常検知信号を出力する診断部と、を設けた回転機械駆動システムである。

　また、本発明の他の一例を挙げると、電源と、該電源から供給される電力により駆動する電動機と、回転機械と、前記電動機の回転駆動力を出力する電動機側プーリー、前記回転機械を駆動する回転機械側プーリー、該電動機側プーリー及び該回転機械側プーリー間に掛けられるベルトを有するベルト駆動伝達部と、前記電動機の電気情報を検出する電気情報検出センサと、を備えた回転機械システムの制御方法であって、該検出した該電気情報に基づいて、前記ベルト駆動伝達部における前記回転駆動力の伝達異常が発生しているかどうかを判断し、前記伝達異常を判断したとき異常検知信号を出力する回転機械駆動システムの制御方法である。
本発明に関するその他の構成は、後述する実施例の記載から明らかとなる。

　本発明によれば、回転機械の運転期間中において、ベルト駆動伝達部における回転駆動力の伝達異常を確実に検知することができる回転機械駆動システムおよび回転機械駆動システムの制御方法を実現することができる。

本発明の実施例１に係る回転機械駆動システムを示す図である。実施例１に係る往復動空気圧縮機の説明図である。実施例１に係る回転機械の周期的な負荷トルクの説明図である。実施例１に係る診断部の電流波形説明図である。本発明の実施例２に係る回転機械駆動システムを示す図である。実施例２に係る駆動力パターン、相電流波形、ｑ軸電流の説明図である。本発明の実施例３に係る回転機械駆動システムを示す図である。本発明の実施例４に係る回転機械駆動システムを示す図である。

　以下、本発明を実施するための具体的な形態（以下「実施例」という）について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではない。また、以下の説明において使用する各図面において、共通する各装置、各機器には同一の符号を付しており、すでに説明した各装置、機器および動作の説明を省略する場合がある。

　次に、本発明の実施例１について、図１～図４を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１における回転機械駆動システムを示す図である。図２は、実施例１における回転機械の一例である往復動空気圧縮機を示す図である。図３は往復動空気圧縮機の負荷トルクを示している。図４は診断部の電流波形説明図である。

　（回転駆動システムの構成）
　まず、図１を用いて、実施例１における回転機械駆動システムの構成を説明する。
図１において、三相の交流電源１は、電源の投入と遮断を行うスイッチ２を介して、電動機３に電力を供給する。つまり、運転開始時にスイッチ２を操作し、電源投入することにより、交流電源１の電力により電動機３は回転駆動する。この電動機３には、三相交流電動機（例えば誘導電動機）を使用する。もちろん、電動機３は、それ以外の種々の電動機を使用することができる。遮断機７は、ベルト駆動伝達部８が異常の場合に出力される異常検知信号ＡＢにより電動機３に供給する電力を遮断する。回転機械４は、ベルト５から電動機３の回転駆動力を受け、回転駆動する。この実施形態では回転機械４を「往復動空気圧縮機」とする。なお、往復動空気圧縮機の概略構成は後述する。電動機３はプーリー３Ｐを有しており、また回転機械４もプーリー４Ｐを有している。これらのプーリー３Ｐと４Ｐの間にはベルト５が掛けられており、プーリーとベルトによる「ベルト駆動伝達部８」が形成されている。６は電流センサである。この実施例では、電気情報として、電流（この例では相電流）を用いた例で説明するが、本発明では、電圧を使用しても同様に実現することができる。つまり、電流センサ６の代わりに、電圧センサを用いても良い。

　１０はベルト駆動伝達部８の駆動力の異常を診断する診断部である。診断部１０は、取得した電気情報（この例では、電流センサ６の検出電流）に基づいて回転機械４の推定回転周波数fceを演算する。また、診断部１０は、電動機３の回転速度（回転周波数)と、電動機のプーリー３Ｐの径と回転機械のプーリーの径の比（比率）とを用いて、基準となる基準回転周波数fcを演算する。プーリーの径の比率は一定値であり予め設定しておく。この基準回転周波数fcをは、ベルト伝達が正常である場合における回転機械の回転周波数と合致する。そして、診断部１０は、この推定回転周波数fceと基準回転周波数fcとの差分（偏差）Δfと、予め記憶しておいた判断のための閾値Ｓとを比較し、差分Δfが閾値Ｓを上回る場合に、ベルト駆動伝達部８における回転駆動力の伝達異常と判断する。この判断部１０の具体的な構成および動作の詳細については後述する。

　図１において、発報装置５０は、診断部１０がベルト駆動伝達部８における回転駆動力の伝達異常を示す異常検知信号ＡＢを出力した場合に、作業員にその旨を認識させる（知らせる）ためのものである。この発報装置５０としては、例えば、ブザー音を発生させるブザー、音声により異常であることを知らせる音声認識装置、光により知らせるランプ、画面表示により知らせる表示装置など公知の装置を用いることができる。情報伝送部６０は、診断部１０がベルト駆動伝達部８における駆動力の伝達異常を示す異常検知信号ＡＢを出力した場合に、回転機械と隔れた場所（遠隔地）にある監視センター７０に対して、異常検知信号の情報を伝送するためのものである。

　（往復動空気圧縮機の説明）
　次に、この実施例１の回転機械システムの回転機械４である往復動空気圧縮機について図２を用いて説明する。
図２において、１０１は空気タンクであり、空気タンク１０１上には圧縮機本体１０２と電動機３が設置されている。圧縮機本体１０２には、空気タンク１０１に固定されたクランクケース１０３とシリンダとピストンで構成される２つの圧縮機構１０４と、圧縮する空気を吸込む吸気口１０５とが設けられている。

　圧縮機本体１０２の背側面には電動機側プーリー３Ｐが設けられ、ベルト５は、電動機３の背側面に接続された圧縮機本体１０２側のプーリー４Ｐに掛け回されている。この構成により、電動機３が回転すると、プーリー３Ｐ，ベルト５、プーリー４Ｐによるベルト駆動伝達部により、電動機３の回転駆動力が圧縮機本体１０２に伝達されて回転し、圧縮機構１０４が動作する。圧縮機本体１０２は回転に伴い、空気の吸入、空気の圧縮、圧縮した空気の吐出、空気の膨張、の４つの工程を繰返す。具体的には、圧縮機本体１０２では、吸気口１０５から吸い込まれた空気が圧縮機構１０４で圧縮される。そして、圧縮された空気は、吐出管１０６を介して空気タンク１０１に蓄圧される。

　図３に圧縮機本体１０２を回転させる際の負荷トルク波形の模式図を示す。ピストン空気を圧縮し上死点に達した回転角度でトルクが最大、膨張行程の始まる下死点で負荷トルクが最小となる。またこの周期的な負荷トルクの変動周期は、圧縮機本体１０２の回転速度に同期する。図２において、１０７は圧力センサであり、空気タンク１０１の圧力が所定値を超えた場合に制御装置１０８に設置された遮断機７を動作させ電動機３への電源供給を停止させる。なお、図１では、この制御は図示していない。制御装置１０８には、遮断機７に加え電気情報検出手段である電流センサ６と診断部１０が備わっている。

　（診断部１０の異常診断動作）
　次に、図１における診断部１０の動作を説明する。診断部１０は、コンピュータで実現することができるが、図１では、コンピュータにおける処理をブロック図として表している。つまり、コンピュータで処理する場合には、内部のメモリに、処理動作を行うプログラムと処理に必要なデータ情報（例えば、プーリーの径、電源周波数、電動機の極対数など）とを記憶し、中央処理部がそのプログラムとデータ情報を利用して一連の処理動作を実行する。図１では、それらの動作に関する理解を容易にするために、この診断部１０の各動作処理を機能ブロックとして表現している。また、ここでは、電動機３は三相交流電動機とし、交流電源１から電動機３への配線が、R、S、Tの三本あるものとして説明する。なお、交流電源を単相電源とし、電動機３を単相電動機としてもよい。

　電流センサ６は、電動機３に供給されている電流を検出する。電動機３の回転駆動力は、電動機側プーリー３Ｐと回転機械側プーリー４Ｐとベルト５による構成されるベルト駆動伝達部８により回転機械４に伝達される。周期的な負荷トルクの生じる回転機械４では、電動機３の電流周波数fm[Hz]で変化する電流波形が、回転機械４の周期的な負荷トルクにより、その振幅が周波数fc[Hz]で変調されて観測される。ベルト伝達が正常、つまりプーリーとベルト間でスリップが発生していない場合あるいはベルト等が損傷していない場合には、電流周波数fmと回転機の回転周波数fcとの関係は、式（１）のように表すことができる。ここで、P1は電動機側のプーリー３Ｐの径であり、P2は回転機械４側のプーリー４Ｐの径である。また、Pmは電動機３の構造により決まる極対数であり、機械的なモータ軸の回転周波数と、電動機の電気的な周波数を変換する係数である。なお、電動機の回転速度に対応する回転周波数fmは、電動機に供給される交流電源の周波数より事前に知ることができる。センサにより回転周波数fmを検知しても良い。
　　fc = P2/P1 ×fm/Pm　………　（１）

　図１において、診断部１０は、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器１１と、コントローラ１２とで構成する。コントローラ１２は、コンピュータにより実現できることは上述したとおりである。このコントローラ１２は、電流センサ６の電流から推定される回転周波数fceを演算する推定回転周波数演算部１３と、基準となる回転周波数fcを演算する基準回転周波数演算部１４と、これら２つの回転周波数に基づいて、異常判断を行う異常判断部１５の機能とを有する。基準回転周波数演算部１４の演算は、上述した式（１）のとおりである。

　次に、電流センサ６の電流Irから推定される回転周波数fceを演算する推定回転周波数演算部１３の機能を実現する構成及びその演算処理について説明する。

　まず、電流センサ６の検出電流Irは、ＡＤ変換器１１を介してコントローラ１２内の推定回転周波数演算部１３に入力される。電流センサ６がデジタル信号を出力する場合には、このＡＤ変換器１１は不要である。

　推定回転周波数演算部１３は、包絡線信号IhLを抽出する包絡線検波部１６と、周波数変換部１７と、最大周波数抽出部１８とで構成される。包絡線検波部１６は、検出電流Irを入力し、包絡線検波部１６にて電流Irを処理し、包絡線信号IhLを抽出する。包絡線検波部１６では、ヘテロダイン検波を行っている。ヘテロダイン検波では式（２）に示すように、検出した電流Irに、電動機の電気周波数fmで変化する正弦波関数を乗算する。正弦波関数発生部１６３は、電動機の電気周波数fmを用いて正弦波関数を出力する。乗算器１６１は、電流Irと正弦波関数の乗算を行う。なお、電動機の電気周波数fmは、交流電源の周波数より事前に知ることができる。

　    Ih = Ir×sin(2π×fm×t)　………　（２）
  ここで、電流Irが以下の式に従うと仮定して説明を行う。
      Ir =　｛Io×sin(2π×fc×t)｝×sin(2π×fm×t) 　………　（３）
  式（３）において、Ioは電流振幅であり、右辺項は振幅Ioの電流が式（１）の周波数fcで変化することを表す。式（３）から、式（２）は半角の公式を用いて式（４）のように変形することができる。
      Ih =　｛Io×sin(2π×fc×t)｝×(1- cos(2×2π×fm×t)/2　……　（４）
  式（４）を、2fm[Hz]の周波数成分を除去するような、ローパスフィルタ１６２（ＬＰＦ）に通過させると式（５）により、回転機械の周波数fcで変化する包絡線信号IhLが得られる。
      IhL =　｛Io×sin(2π×fc×t)｝/2　………　（５）
　このようにして、包絡線検波部１６は包絡線信号IhLを演算する。

　図４に電流波形を示す。ここでは、一相の電流波形を示しているが、すべての相の電流を検出してもよい。図４において、４０１は検出した電流波形、４０２は包絡線信号である。また、４０３は回転機械の負荷トルクの脈動周期（＝1/fc[s]）、４０４は電動機の電気周期（＝1/fm[s]）を示している。

　続いて、包絡線信号IhLは、周波数変換部１７にて、各周波数における強度に変換する。そして、最大周波数抽出部１８にて最大振幅を持つ周波数を抽出し、回転機械４の推定回転周波数fceを演算する。推定回転周波数演算部１３は、演算した回転機械４の推定回転周波数fceを異常判断部１５に出力する。

　次に、異常判断部１５は、演算する推定回転周波数演算部１３の演算出力である推定回転周波数fceと、基準回転周波数演算部１４の演算出力である基準回転周波数fcとに基づいて、異常判断を行う。この異常判断は、まず減算部１５１により、周波数偏差Δｆ（＝|fce－fc|）を求める。そして、その偏差Δｆを比較部１５２に出力し、偏差Δｆと判断のための閾値Ｓと比較することにより異常判断を行う。つまり、比較部１５２では、偏差Δｆが閾値Ｓよりも大きい（Δｆ≧Ｓ）場合に、ベルト駆動伝達部８においてプーリーとベルト間にスリップ等により回転駆動力の伝達異常が発生しているものと判断する。異常判断部１５は、比較部１５２が伝達異常と判断した場合、符号ＡＢで示す「異常検知信号」を出力する。なお、上述した回転周波数[Hz]は角回転数[rad/s]や回転速度[min^-1]等に置換可能である。

　このようにして、診断部１０は、異常判断部１５の出力として、ベルトによる駆動力伝達の異常（ベルト駆動伝達部８における回転駆動力の伝達異常）を確実に検知することができる。診断部１０は、異常を検知した場合、異常検知信号ＡＢを出力する。

　（異常検知時のシステム動作）
　次に、診断部１０が回転駆動力の伝達異常を検知して、異常検知信号ＡＢを出力した場合のシステムの対応について説明する。

　図１において、診断部１０が異常検知信号ＡＢを出力すると、伝達異常に対応した動作を実行する。
その対応の一つは、異常検知信号ＡＢの出力に基づいて、遮断機７を動作して、電動機３に電力が供給されるのを遮断することである。なお、図１では、遮断機を動作させるためのリレーやアンプ等は省略している。

　また、他の対応としては、異常検知信号ＡＢを、発報装置５０に出力することにより、発報装置５０が作動し、作業者に異常を知らせる。発報装置５０には、上述したように、ブザー、音声認識装置、ランプ、表示装置など公知の装置を用いることができる。

　また、更に他の対応は、システムの動作状態を監視する監視センター７０が、回転駆動システムの設置場所から遠く離れている場合には、監視センター内の作業者に異常を知らせるために、通信装置６１、通信回線６２などで構成される情報伝送部６０を利用して、監視センター７０に異常検知信号ＡＢを伝送する。この例では、異常検知信号ＡＢは監視センター７０内のサーバー７１に伝送され、端末装置７２が異常検知信号ＡＢに対応した内容を画面に表示するなどの動作を実行する。また、この場合、作業者は端末装置７２を操作して、回転機械駆動システムに対して、適切な対応を指示することも可能である。なお、ここでは、監視センター７０をサーバー７１と端末装置７２とで構成したが、これに限らず、例えばサーバー７１を設けず、端末装置７２のみでも良い。その場合、異常検知信号ＡＢは、端末装置７２に伝送される。

　なお、図１に示す実施例では、これらの対応の全てを実施することができるような構成として記載しているが、全ての対応を実施する必要はなく、状況に応じて必要な対応のみを行うことで良い。例えば、上記対応のいずれか一つを行うことで良い。

　（実施例１の変形例）
　ここで、上述した図１に示す診断部１０は、ベルト駆動伝達部８の駆動力伝達が異常かどうかのみの判断を行っている。しかし、単なる異常判断の検知にとどまらず、回転駆動力の伝達異常の程度（異常レベル）の違いをも検知することができる。すなわち、異常判断部１５において、複数の異常レベルを検知するために、異常レベルに対応する複数の閾値を用意しておき、周波数偏差Δｆとそれらの閾値とを比較することにより、異常の程度に応じた複数レベルの異常検知を行うことができる。

　例えば、レベルに対応する３種類の閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３（ここで、Ｓ１～Ｓ３の大小関係はＳ１＜Ｓ２＜Ｓ３とする。）を用意し、これらの各閾値と周波数偏差Δｆとを比較する。そして、Ｓ１＜Δｆであれば「正常」、Ｓ１≦Δｆ＜Ｓ２の場合は「異常レベル１」、Ｓ２≦Δｆ＜Ｓ３の場合は「異常レベル２」、Ｓ３＜Δｆの場合は「異常レベル３」のように判断することができる。

　このような複数の伝達異常レベルの判断が行うことにより、その伝達異常レベルに応じた電動機の制御（速度制御や停止制御）を行うことができる。また、作業者に対して、伝達異常レベルに対応した報知を行うこともできる。

　また、図１の実施例では、推定回転周波数fceと基準回転周波数fcとの偏差Δｆを用いた例を示しているが、本発明は偏差Δｆに代えて、それらの比を用いても同様に実施することができる。その場合、比較部１５２の閾値は、それらの比に対応する値とすればよい。

　（実施例１の効果）
　以上詳細に説明したように、本発明の実施例１によれば、ベルトを用いて駆動力が伝達される回転機械駆動システムにおいて、運転時に検出した電動機に供給される電気情報（電流又は電圧）に基づき、ベルト駆動伝達部８の伝達異常の発生を検知することができる。この異常検知には、電気情報を検知するだけで良く、回転センサ等の異常検知用の特別の取付けが不要であり、コスト増加がない。また、診断部が異常を検知した場合に、異常検知信号を出力することにより、作業者に対してベルト駆動伝達部８の異常発生を知らせることができる。また、異常検知信号により、異常状態にある回転機械駆動システムの運転を停止することができる。また、離れた場所に異常検知信号を送信することもできる。

　次に、本発明の実施例２について、図５および図６を用いて説明する。図５は、本発明の実施例２における回転機械駆動システムを示す図である。図６は、実施例２の動作説明に用いる電気情報の波形図である。

　本発明の実施例２は、電動機３に供給する電力を電力変換装置２１を介して供給するために電動機制御装置２０を設けており、診断部１０は電動機制御装置２０の演算出力の一部を利用して異常診断を行うようにしている。実施例２は、これらの構成において上述した実施例１と異なる。その他の点は、実施例１と同様である。したがって、ここでは、すでに実施例１において説明した事項については説明を省略し、実施例２特有の構成や動作を中心に説明する。

　（回転駆動システムの構成）
　図５において、図１と同様の機器には同一符号を付しており、それらに関する説明を省略する。電動機制御装置２０は、電力変換装置２１と、電力変換装置２１を制御する制御用コントローラ２２とで構成されている。電力変換装置２１は、交流電源１を直流電源に変換する整流回路２３と、コントローラ２２からの電圧指令Vgに基づき電動機３へ三相電圧（U,V,W）を印加するスイッチング回路２４と、直流電流を検出する電流センサ２５と、電動機３に供給する電流の相電流を計測する電流センサ２６及び２７とを備えている。なお、整流回路２３の詳細は図示しないが、よく知られているように、ダイオードブリッジとコンデンサを用いて交流電圧を直流電圧に整流するものである。コントローラ２２は、電流センサ２５～２７にて計測した直流電流Idca、U相電流Iua、W相電流Iwaに基づき、電動機３の回転速度を制御する電圧指令Vgを出力する。また、コントローラ２２は、診断部１０に電流センサより取得した電流や、電動機の制御に用いる制御情報等の電気情報ＣＳを送信する。

　（電動機制御装置のコントローラの説明）
　次にコントローラ２２における処理を説明する。電流センサ２５～２７の検出信号（アナログ信号）は、ＡＤ変換器２２１～２２３を経由して、マイクロコントローラ２２０に入力される。マイクロコントローラ２２０では、これらの入力信号から電動機３に供給する電源の電圧指令を計算する。

　すなわち、マイクロコントローラ２２０では、U相電流Iu、W相電流Iwを、回転座標変換によりdｑ軸上に変換し、トルクに相関したトルク電流Iｑと磁束に相関した磁束電流Idにする。この回転座標変換式は、式（６）に従う。

  ここで、IvはV相電流であり三相並行条件より式（７）により求めることができる。
      Iv  = -Iu - Iw　………　（７）
  また、θは電動機の回転子位置であり、図示はしないが回転子位置を推定するオブザーバなどにより計算した値を用いる。また、dｑ軸とは、回転子位置θに同期した制御軸である。その後、比例積分制御等を用いて所定の速度指令となるようトルク電流Iｑを電流制御する。

　（診断部における異常診断処理）
　さて、診断部１０は、マイクロコントローラ２２０より電気情報ＣＳを受取る。
この電気情報ＣＳには、電流センサ２５～２７より取得したU相電流Iu、W相電流Iw、直流電流Idcに加え、トルク電流Iｑが含まれる。なお、図示しないが、制御情報にはその他に、比例積分制御等を用いて計算されたトルク電流Iｑの指令値やdｑ軸で計算された電圧指令VdやVｑを含む。

　図６にマイクロコントローラ２２０から取得した、U相電流Iu、W相電流Iw、直流電流Idc及び式（７）にて計算したV相電流Iv、式（６）にて計算したトルク電流Iｑの波形を示す。図６の（Ａ）は各相電流であり、６０１は脈動周期を示す。図６の（Ｂ）は、直流電流を示しており、この直流電流Idcにおいても、回転機械の負荷トルクの脈動周期６１１（＝1/fc[s]）で包絡線６１２が変化する。また、図６の（Ｃ）に示すように、トルク電流Iｑは、式（６）にて回転座標変換することで電動機の電気周波数fm成分が除去され、包絡線検波せずとも回転機械の負荷トルクの脈動周期６２１（＝1/fc[s]）にて変化する。

　診断部１０では、受信した電気情報に基づき、回転機械の推定回転周波数fceと、基準回転周波数fcを算出する。この推定回転周波数fceと、基準回転周波数fcは、図５では図示省略しているが異常判断部１５（図１参照）に入力される。この異常判断部１５では、これらの偏差Δfを求め、その偏差Δfと閾値Ｓとを比較判断することにより、ベルト駆動伝達部８における駆動力伝達の異常を判断する。異常であると判断した場合、診断部１０は、異常検知信号ＡＢを外部に出力する。

　（異常検知時のシステム動作）
　図５において、診断部１０が異常を検知して、異常検知信号ＡＢを出力すると、伝達異常に対応した動作を実行する。

　図５においては、異常検知信号ＡＢは、電動機制御装置２０（制御用コントローラ２２）に伝達される。制御用コントローラ２２は、この異常検知信号ＡＢが入力されると、電力変換装置２１を制御し、電動機３の速度を低下させるような制御を実施する。この制御においては、必要であれば診断部１０から異常検知信号ＡＢとともに偏差Δfを入力し、この偏差Δfを無くすように、つまりベルト駆動伝達部８の異常を無くす、あるいは異常状態を緩和するように電動機３を減速する制御を行う。また、電動機の減速制御に代えて、異常検知信号ＡＢにより電動機３を停止すべく、遮断機７を制御し電動機３に電力が供給されるのを遮断することもできる。特に、異常検知信号ＡＢを、上述したように、異常状態に対応した複数の異常レベルを示す信号としておけば、その異常レベルに対応した異常検知信号ＡＢにより電動機の制御を容易に実現することができる。
また、異常検知信号ＡＢを発報装置５０に供給することにより、作業者に異常を知らせることができる。あるいは、情報伝送部６０を介して監視センター７０内のサーバー７１に異常検知信号ＡＢを伝送し、作業者に異常を知らせることができる。発報装置５０の動作や、監視センター７０に異常検知信号を送信する動作は、実施例１（図１）の説明において詳細に述べたとおりである。

　（実施例２の変形例）
　この図５に示す実施例２においては、診断部１０は、制御用コントローラ２２から電気情報を受取り、その電気情報を利用して異常診断を行っているが、上述した実施例１と同様に、診断部１０が電流や電圧を検出するセンサから電気情報を入力し異常診断を行うようにしても良い

　また、上述した実施例２では、電動機制御装置２０と、診断部１０とを別々に設置しているが、診断部１０を設けず、診断部１０の機能動作を電動機制御装置２０内で実行させるようにしても良い。つまり、電動機制御装置２０の制御用コントローラ２２内に、診断部１０の機能を持たせれば、診断部１０を別途設置する必要はなくなる。その場合、構成は非常に簡単となる。

　なお、この実施例２でも、推定回転周波数fceと基準回転周波数fcとの偏差Δｆを用いて異常診断を行っているが、本発明は偏差Δｆに代えて、それらの比を用いても同様に実施することができる。その場合、比較部１５２の閾値は、それらの比に対応する値とすればよい。また、伝達異常の程度を複数の異常レベルとして検知するようにしても良い。

　（実施例２の効果）
　以上説明したように、本発明の実施例２においても、実施例１と同様の効果を有する。特に、実施例２では、異常検知信号が出力された場合には、その異常検知信号に基づいて異常を解消するための電動機減速制御を行うことができる。また、実施例２では、この電動機制御装置から電気情報を得ることができるので、新たな電流や電圧を検出する検出センサを設ける必要はない。また、トルク電流Iｑ等を用いることで、包絡線検波処理をせずに、回転機械の推定回転周波数を算出できる。

　次に、本発明の実施例３について、図７を用いて説明する。図７は、実施例３における回転機械駆動システムを示す図である。
本発明の実施例３では、ベルトによる駆動力伝達異常を検知する診断部１０を、回転機械に隣接して設けず、離れた場所に設置された監視センター７０内に診断部１０を設置している。その点で、上述した実施例と異なる。その他は、実施例１と同様である。したがって、すでに説明した事項については説明を省略し、実施例３特有の構成や動作を中心に説明する。

　図７において、電動機制御装置２０は、情報伝送部６０を利用して、ベルトによる駆動力伝達の異常を診断するための電気信号を監視センター７０内のサーバー７１に伝送する。なお、この例では、電動機制御装置２０が異常を診断するための電気信号を伝送しているが、実施例１と同様に、電流又は電圧をサーバー７１に送信しても良い。

　サーバー７１は、この電気情報を保存し、診断部１０に与える。診断部１０は、この電気信号を用いて、上記したような異常診断を実行する。この診断の動作内容は、上述したことと重複するので、ここでは説明を省略する。
診断部１０は、診断の結果、ベルトによる駆動力伝達異常を検知すると、異常検知信号ＡＢをサーバー７１に出力する。サーバー７１はこの異常検知信号ＡＢを保存するとともに、情報伝送部６０を介して電動機制御装置２０内の制御用コントローラ２２に送信する。

　制御用コントローラ２２は、この信号を入力したら、電動機の減速制御や停止制御を実行するとともに、発報装置５０に異常検知信号を出力する。発報装置５０は、この信号により発報動作を実行する。

　（実施例３の効果）
　この実施例３によれば、上記した実施例と同様の効果を有するとともに、遠隔地にて異常診断を行うことができるので、回転機械が設置される環境が悪い場合でも安定して異常診断動作を実行することができる。また、診断部１０をサーバー７１内の一機能として構成するようにすれば、構成が簡単となる。

　次に、本発明の実施例４について、図８を用いて説明する。図８は、本発明の実施例４における回転機械駆動システムの構成を示す図である。
上述した各実施例では電動機により回転機械が駆動されるシステムであったが、本発明の実施例４では回転機械が電動機（発電機）を駆動し、電力を発生させる回転機械駆動システムとなっている。その他の点は、上記した実施例と同様である。したがって、すでに説明した事項については説明を省略し、実施例４特有の構成や動作を中心に説明する。

　図８において、回転機械４は、内燃機関エンジンのように、機械的な回転駆動力を発生する。この回転機械４の回転駆動力は、回転機械４のプーリー４Ｐと、ベルト５、および電動機３のプーリー３Ｐによるベルト駆動伝達部８により、電動機３に伝達される。電動機３は、この駆動力を受け、交流電力を発生する（発電する）。つまり、電動機は発電機として機能する。この交流電力は、電力変換装置８０により直流電力に変換される。蓄電装置９０は、この直流電力を蓄電する。このように、図８における回転機械駆動システムは、回転機械が電動機を駆動し、電動機が発電した電力を蓄電装置９０に蓄電する構成となっている。
なお、電動機３は、交流電力ではなく直流電力を発電するものでも良く、その場合は発電した電力は電力変換装置８０を介さず、直接、蓄電装置９０に蓄電する。また、発電した電力は、蓄電装置９０に蓄電せず、電力を必要とする負荷に供給しても良い。

　さて、この実施例における診断部１０は、図１の診断部１０と同様の構成になっている。すなわち、診断部１０は、実施例１におけると同様の手法で、電流センサ６の検出した電流Irを入力し、ベルトによる駆動力伝達が異常状態になっているかどうかを診断する。診断の結果、異常である場合には、異常検知信号ＡＢを出力する。

　異常検知信号ＡＢが出力されると、発報装置５０は異常を知らせるための発報動作を実施する。また、遠隔地に監視センター７０が存在する場合には、情報伝送部６０を経由して異常検知信号ＡＢを送信する。

　なお、図８の場合においても、図５(実施例２)のように電動機制御装置を設置したものとすることができる。また、図７(実施例３)と同様の構成を採用することもできる。

　（実施例４の効果）
　このように、本発明の実施例４においても、実施例１と同様に、ベルトを用いて駆動力が伝達される回転機械駆動システムにおいて、運転時に検出した電動機に供給される電気情報（電流又は電圧）に基づき、ベルト駆動伝達部における駆動力伝達の異常発生を検知することができる。

その他の実施例

　本発明は、以上説明した実施例に限らず、ベルトにより駆動力を伝達する回転機械駆動システムであれば広く実施することができる。
  また、各実施例では、回転機械の推定回転周波数を算出する際に包絡線検波手法と周波数変化を用いて説明したが、それに限らない。例えば、包絡線のピーク間隔の発生時間をカウントし、その間隔から回転機械の推定回転周波数を算出してもよい。
  また、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に記載したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
  また、前記した機構や構成は説明上必要と考えられるものを示しており、必ずしも全ての機構や構成を示しているとは限らない。

　１…電源、２…スイッチ、３…電動機、４…回転機械、３Ｐ…プーリー、４Ｐ…プーリー、５…ベルト、６…電流センサ、７…遮断機、８…ベルト駆動伝達部、１０…診断部、１１…ＡＤ変換器、１２…診断用コントローラ、１３…推定回転周波数演算部、１４…基準回転周波数演算部、１５…異常判断部、１６…包絡線検波部、１７…周波数変換部、１８…最大周波数抽出部、２０…電動機制御装置、２１…電力変換装置、２２…制御用コントローラ、２３…整流回路、２４…スイッチング回路、５０…発報装置、６０…情報伝送部、６１…通信装置、６２…通信回線、７０…監視センター、７１…サーバー、７２…端末装置、８０…電力変換装置、９０…蓄電装置、１５１…減算部、１５２…比較部、１６１…乗算器、１６２…ローパスフィルタ、２２０…マイクロコントローラ、２２１～２２３…ＡＤ変換器

Claims

　電源と、該電源から供給される電力により駆動する電動機と、回転機械と、前記電動機の回転駆動力を出力する電動機側プーリー、前記回転機械を駆動する回転機械側プーリー及び該電動機側プーリーと該回転機械側プーリー間に掛けられるベルトとを有するベルト駆動伝達部と、を備えた回転機械駆動システムであって、
　前記電動機の電気情報を検出する電気情報検出センサと、
　該電気情報に基づいて、前記ベルト駆動伝達部における前記回転駆動力の伝達異常が発生しているかどうかを判断し、前記伝達異常を判断したとき異常検知信号を出力する診断部と、
を設けた回転機械駆動システム。
　請求項１記載の回転機械駆動システムにおいて、前記電気情報検出センサは電流又は電圧を検出するものであり、前記診断部は、該電流又は該電圧に基づき前記回転機械の推定回転速度情報を演算し、前記電動機の回転速度及び前記電動機側プーリーと前記回転機械側プーリーの径の比から基準回転周波数を演算し、該推定回転速度情報と該基準回転周波数との差又比を用いて前記伝達異常を判断することを特徴とする回転機械駆動システム。
請求項２記載の回転機械駆動システムにおいて、前記診断部は、前記伝達異常の判断において、異常レベルに対応した複数の閾値と比較することにより複数の伝達異常レベルを検知することを特徴とする回転機械駆動システム。
　請求項１記載の回転機械駆動システムにおいて、前記異常検知信号に基づいて前記電動機に供給する前記電力を遮断する遮断機を設けたことを特徴とする回転機械駆動システム。
　請求項１記載の回転機械駆動システムにおいて、前記異常検知信号に基づいて、前記伝達異常を報知する報知装置を設けたことを特徴とする回転機械駆動システム。
　請求項１記載の回転機械駆動システムにおいて、前記診断部を有する監視センターと、
前記異常検知信号を前記監視センターに伝送する情報伝送部と、を設けたことを特徴とする回転機械駆動システム。
　請求項１記載の回転機械駆動システムにおいて、前記電気情報検出センサの検出値を利用して前記電動機を制御する電動機制御装置を設け、前記診断部は、前記電動機制御装置にて演算されたトルク電流と前記電気情報を入力し、該入力され該トルク電流と前記電気情報とに基づいて、前記ベルト駆動伝達部の前記伝達異常を判断する回転機械駆動システム。
　請求項７記載の回転機械駆動システムにおいて、前記診断部の診断機能を前記電動機制御装置に持たせることを特徴とする回転機械駆動システム。
　請求項７記載の回転機械駆動システムにおいて、前記電動機制御装置は前記異常検知信号に基づいて前記電動機の速度を制御することを特徴とする回転機械駆動システム。
　請求項１記載の回転機械駆動システムにおいて、前記診断部を有する監視センターと、
前記電気情報検出センサの検出値を伝送する情報伝送部とを設け、前記診断部は、前記情報伝送部を介して伝送された前記電気情報に基づいて、前記伝達異常を判断することを特徴とする回転機械駆動システム。
　回転駆動力を発生する回転機械と、該回転駆動力により電力を発生する電動機と、前記回転駆動力を出力する回転機械側プーリー、電動機側プーリー及び該回転機械側プーリーと該電動機側プーリー間に掛けられるベルトを有するベルト駆動伝達部と、を備えた回転機械駆動システムであって、
　前記電動機が発生する前記電力の電気情報を検出する電気情報検出センサと、
　該電気情報に基づいて、前記ベルト駆動伝達部における前記回転駆動力の伝達異常が発生しているかどうかを判断し、前記伝達異常を判断したとき異常検知信号を出力する診断部と、
を設けた回転機械駆動システム。
　電源と、該電源から供給される電力により駆動する電動機と、回転機械と、前記電動機の回転駆動力を出力する電動機側プーリー、前記回転機械を駆動する回転機械側プーリー及び該電動機側プーリーと該回転機械側プーリー間に掛けられるベルトを有するベルト駆動伝達部と、前記電動機の電気情報を検出する電気情報検出センサと、を備えた回転機械駆動システムの制御方法であって、
　該検出した該電気情報に基づいて、前記ベルト駆動伝達部における前記回転駆動力の伝達異常が発生しているかどうかを判断し、前記伝達異常を判断したとき異常検知信号を出力する回転機械駆動システムの制御方法。
　請求項１２記載の回転機械駆動システムの制御方法において、前記電気情報は電流又は電圧であり、該電流又は該電圧に基づき前記回転機械の推定回転速度情報を演算し、前記電動機の回転速度および前記電動機側プーリーと前記回転機械側プーリーの径の比から基準回転周波数を演算し、該推定回転速度情報と該基準回転周波数との差又比を用いて前記伝達異常を判断することを特徴とする回転機械駆動システムの制御方法。
　請求項１２記載の回転機械駆動システムの制御方法において、前記異常検知信号に基づいて前記前記電動機の速度を制御することを特徴とする回転機械駆動システムの制御方法。