WO2023032182A1 - 電動機監視装置および電動機監視方法 - Google Patents

電動機監視装置および電動機監視方法 Download PDF

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WO2023032182A1
WO2023032182A1 PCT/JP2021/032583 JP2021032583W WO2023032182A1 WO 2023032182 A1 WO2023032182 A1 WO 2023032182A1 JP 2021032583 W JP2021032583 W JP 2021032583W WO 2023032182 A1 WO2023032182 A1 WO 2023032182A1
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torque
rated
stator
estimated
loss
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PCT/JP2021/032583
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俊彦 宮内
将仁 三好
誠 金丸
真一 古谷
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三菱電機株式会社
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    • H02P2205/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the control loops
    • H02P2205/05—Torque loop, i.e. comparison of the motor torque with a torque reference

Definitions

  • This application relates to a motor monitoring device and a motor monitoring method.
  • the control center which has a closed switchboard, etc., controls, monitors, and protects the electrical circuits. It is also possible to mount a motor monitoring device that monitors the torque of the motor by detecting the current and voltage in the wiring leading to the motor.
  • a motor monitoring device that monitors the torque of the motor by detecting the current and voltage in the wiring leading to the motor.
  • the torque can be calculated by converting the electric current and the magnetic flux on the stator side of the electric motor into two phases and then calculating the cross product. In this method, it is sufficient to measure the voltage and current of at least two of the three phases, and the only other necessary parameter is the stator resistance.
  • the torque of the motor obtained from the cross product of the current and the magnetic flux is larger than the torque actually output by the electric motor.
  • the torque calculated by the above method is higher than the actual value by the torque corresponding to iron loss, mechanical loss, and stray load loss, and there is an error.
  • the load current which is an effective current
  • the load current is calculated by considering the iron loss resistance and excluding the current flowing through the iron loss resistance as not contributing to the torque.
  • there is a method of calculating the outer product of the load current and the magnetic flux and calculating the torque that does not include the torque corresponding to the iron loss see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, for example).
  • the present application has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a motor monitoring device and a motor monitoring method that perform torque estimation without obtaining iron loss resistance.
  • the motor monitoring device disclosed in the present application includes a voltage detection circuit that detects the stator voltage of the motor, a current detection circuit that detects the stator current of the motor, a motor characteristics input device that acquires information about the motor, and a voltage detector. circuit, a current detection circuit, and a logical operation circuit that calculates and outputs an output value based on information from the motor characteristic input device.
  • the power frequency supplied to the electric motor at least one of the rated slip and the rated rotational angular velocity, which are the load characteristics at a load factor of 100% when the power voltage and the power frequency are supplied to the electric motor, the rated efficiency and the rated three-phase current
  • the motor monitoring device disclosed in the present application includes a magnetic flux calculator for calculating the stator flux linkage of the motor from the stator voltage, the stator current and the stator phase resistance, and the stator flux linkage, the stator current and the number of pole pairs.
  • the total torque calculation section calculates the total torque from the total torque, the total loss is calculated from the rated output and rated efficiency, the primary copper loss is calculated from the stator phase resistance and the rated three-phase current effective value, and the rated slip and rated output are used to calculate the total loss.
  • a no-load loss torque calculator that calculates the secondary copper loss, calculates the no-load loss torque from the total loss, primary copper loss, secondary copper loss, and rated rotational angular speed, and calculates the estimated torque from the total torque and no-load loss torque.
  • the torque can be estimated without obtaining the iron loss resistance.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a motor monitoring device according to Embodiment 1;
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a logical operation circuit according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a flowchart for explaining the operation of the logical operation circuit in Embodiment 1;
  • 4 is a block diagram showing processing of a magnetic flux calculation section, a total torque calculation section, and an estimated torque calculation section in Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a Bode diagram of a filter used for integration processing of the magnetic flux calculation unit in Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a block diagram showing processing of an estimated output calculation unit according to Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a block diagram showing processing of an estimated efficiency calculation unit according to Embodiment 1.
  • FIG. 7 is a diagram showing the configuration of a motor monitoring device according to Embodiment 2;
  • FIG. 10 is a diagram showing the configuration of a logical operation circuit in Embodiment 2; 10 is a flowchart for explaining the operation of the logical operation circuit according to the second embodiment;
  • FIG. 11 is a block diagram showing processing of an estimated torque calculator in Embodiment 2;
  • FIG. 10 is a diagram showing the configuration of a motor monitoring device according to Embodiment 3;
  • FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a logical operation circuit in Embodiment 3;
  • 1 is a schematic diagram showing an example of hardware of a motor monitoring device according to Embodiments 1, 2 and 3;
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a motor monitoring device according to Embodiment 1.
  • a main circuit 2 branched from a main bus 1 of an electric power system is provided with a circuit breaker 3 for wiring, an electromagnetic contactor 4, a voltage transformer 5 and a voltage transformer 6,
  • An electric motor 7 is connected to the main circuit 2 .
  • the electric motor 7 is, for example, a three-phase induction motor, and a load device 8 is connected to the electric motor 7 .
  • the motor monitoring device 10 includes a voltage detection circuit 11 that detects the voltage of the main circuit 2 to which the electric motor 7 is connected, a current detection circuit 12 that detects the current of the main circuit 2, and a motor characteristic input that acquires information about the electric motor 7. 14, a logical operation circuit 13 that calculates and outputs an output value based on information from the voltage detection circuit 11, the current detection circuit 12, and the motor characteristics input device 14, and an output that displays the output of the logical operation circuit 13.
  • a vessel 15 is provided.
  • the voltage detection circuit 11 detects the voltage of the main circuit 2 through the potential transformer 5 , converts the detected voltage of the main circuit 2 into a predetermined signal, and outputs the signal to the logical operation circuit 13 .
  • the voltage detection circuit 11 detects, for example, three-phase stator voltages v u , v v , and v w , and converts the three-phase stator voltages v u , v v , and v w into two-phase stator voltages v ⁇ , v ⁇ and output to the logic operation circuit 13 .
  • Conversion from three-phase stator voltages v u , v v , v w to two-phase stator voltages v ⁇ , v ⁇ is performed, for example, by the following equation (1). Further, assuming that the zero-phase voltage is zero, the voltage detection circuit 11 detects two voltages v u and v v among the three-phase stator voltages v u , v v , and v w , and the following equation ( 2) may be converted into two-phase stator voltages v ⁇ and v ⁇ .
  • the stator voltage detected here is the voltage applied to the stator windings of the electric motor 7 .
  • the current detection circuit 12 detects the load current of the main circuit 2 through the instrument transformer 6 , converts the detected load current of the main circuit 2 into a predetermined signal, and outputs the signal to the logical operation circuit 13 .
  • the current detection circuit 12 detects, for example, three-phase stator currents i u , iv and i w , and converts the three-phase stator currents i u , iv and i w into two-phase stator currents i ⁇ and It is converted to i ⁇ and output to the logical operation circuit 13 .
  • the stator current detected here is the current flowing through the stator windings of the electric motor 7 .
  • the motor characteristic input unit 14 acquires and inputs information about the electric motor 7 , and the acquired information is output to the logical operation circuit 13 .
  • the information obtained by the motor characteristics input device 14 is information from at least one of the nameplate or test report of the electric motor 7, such as the stator phase resistance R s , the number of pole pairs p and the rated power P of the electric motor 7;
  • the rated slip s which is the load characteristic at a load factor of 100% when the power supply frequency fs supplied to the electric motor 7, the power supply voltage of the power supply connected to the main bus 1, and the power supply frequency fs are supplied to the electric motor 7 100 and at least one of the rated rotational angular velocity ⁇ 100 , the rated efficiency ⁇ 100 and the rated three-phase current effective value I 100 .
  • the rated rotational angular velocity ⁇ 100 [rad/s] can be obtained, for example, from the rated rotational speed N 100 [rpm] indicated on the nameplate or test report.
  • the rated slip s 100 and the rated rotational angular velocity ⁇ 100 can be converted to each other using the power supply frequency fs and the number of pole pairs p, if information on one of them is obtained.
  • the power frequency fs is, for example, the value described in the test report, which is 50 Hz or 60 Hz.
  • the motor characteristic input device 14 is, for example, an interface for acquiring information about the electric motor 7, and is a keyboard, a touch panel, a receiver for receiving information from a communication line, or the like.
  • the information output to the logical operation circuit 13 may be stored in a storage device as required.
  • the stator phase resistance R s is, for example, half the inter-terminal resistance R, which is the inter-terminal winding resistance shown in the test report.
  • the inter-terminal winding resistance shown in the test report does not take into account the wiring resistance from the measuring point where the potential transformer 5 is connected to the main circuit 2 to the electric motor 7 . Therefore, the inter-terminal resistance R of the electric motor 7 may be measured at the measuring point where the potential transformer 5 is connected to the main circuit 2, and the stator phase resistance Rs may be obtained based on the measured value.
  • the output device 15 displays the output from the logical operation circuit 13. For example, it is a display that displays output values, and is a transmitter that transmits output values to a communication line.
  • the output device 15 may be an alarm device that issues an alarm based on the output from the logical operation circuit 13 .
  • an alarm is issued when the output from the logical operation circuit 13 exceeds a predetermined value.
  • the logical operation circuit 13 uses the power supply frequency fs and the number of pole pairs p to calculate the following equation ( 3) Alternatively, one of the rated slip s 100 and the rated rotational angular velocity ⁇ 100 is used to obtain the other value from equation (4). This processing is unnecessary if the values of both the rated slip s 100 and the rated rotational angular velocity ⁇ 100 are obtained in the motor characteristics input device 14 .
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the logic operation circuit 13 according to the first embodiment
  • FIG. 3 is a flowchart explaining the operation of the logic operation circuit 13 according to the first embodiment.
  • the logical operation circuit 13 may store the information obtained from the voltage detection circuit 11, the current detection circuit 12, and the motor characteristics input device 14 in a storage device, and read the information from the storage device as necessary.
  • step S01 is a magnetic flux calculation step
  • step S02 is a total torque calculation step
  • step S03 is a no-load loss torque calculation step
  • step S04 is an estimated torque calculation step
  • step S05. is an estimated output calculation step
  • step S06 is an estimated efficiency calculation step.
  • step S01 magnetic flux calculator 131 calculates stator flux linkages ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ is calculated, and the process proceeds to step S02.
  • the induced voltage which is the value obtained by differentiating the stator interlinkage magnetic flux with respect to time t, is the value obtained by removing the voltage drop due to resistance from the stator voltage, and is expressed by the following equations (5) and (6). Therefore, the stator interlinkage magnetic fluxes ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ can be obtained by integrating the right sides of the following equations (5) and (6) over time t.
  • the stator phase resistance R s multiplied by the stator current i ⁇ is subtracted from the stator voltage v ⁇ .
  • the stator flux linkage ⁇ ⁇ is obtained by integrating over time t the value obtained by subtracting the phase resistance R s multiplied by the stator current i ⁇ from the stator voltage v ⁇ .
  • step S02 the total torque calculator 132 calculates the stator flux linkage vector consisting of the stator flux linkages ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ obtained in step S01, the stator current vector consisting of the stator currents i ⁇ and i ⁇ , and is multiplied by the pole pair number p of the electric motor 7, the total torque Tall is calculated from the following equation (7), and the process proceeds to step S03.
  • step S03 the no-load loss torque calculator 133 obtains information on the rated output P, the rated efficiency ⁇ 100 , the stator phase resistance R s , the rated three-phase current effective value I 100 , the rated slip s 100 and the rated rotational angular velocity ⁇ 100 . , the no-load loss torque Tnll is calculated, and the process proceeds to step S04.
  • the no-load loss torque calculator 133 calculates the total loss P all at a load factor of 100% from the information of the rated output P and the rated efficiency ⁇ 100 using the following equation (8).
  • the primary copper loss P c1 at a load factor of 100% is obtained by the following formula (9), and the information of the rated slip s 100 and the rated output P Then, the secondary copper loss P c2 at a load factor of 100% is obtained by the following formula (10). Finally, by subtracting the values of the primary copper loss P c1 and the secondary copper loss P c2 from the total loss P all and dividing by the rated rotational angular velocity ⁇ 100 , the no-load loss torque T nll is calculated by the following equation (11). and proceed to step S04.
  • the no-load loss torque calculator 133 assumes that the stray load loss is sufficiently small and can be ignored. Therefore, the no-load loss torque Tnll obtained here corresponds to the sum of the iron loss torque Tiron and the mechanical loss torque Tmech .
  • step S04 the estimated torque calculation unit 134 subtracts the no-load loss torque T nll obtained in step S03 from the total torque T all obtained in step S02, thereby obtaining the estimated torque T' by the following equation (12). Calculate and proceed to step S05.
  • Information on the calculated estimated torque T′ is output to the output device 15 as an output value of the logical operation circuit 13, for example.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the processing of magnetic flux calculator 131, total torque calculator 132, and estimated torque calculator 134 in the first embodiment.
  • G(s) represents a transfer function when the magnetic flux calculator 131 integrates the right sides of Equations (5) and (6) over time t.
  • Equation (13) shows two low-pass filters with a time constant of T1 and one high-pass filter with a time constant of T2 connected in series.
  • the cutoff frequency of the low-pass filter corresponding to the time constant T1 is f1
  • the cutoff frequency of the high-pass filter corresponding to the time constant T2 is f2
  • the cutoff frequency f1 of the low-pass filter is the power supply frequency f s
  • the cutoff frequency f2 of the high-pass filter is set to 1/10 or less of the power supply frequency fs .
  • FIG. 5 is a Bode diagram of the filter shown in Equation (13) used for integration processing of the magnetic flux calculator 131 according to the first embodiment.
  • the stator voltages v ⁇ and v ⁇ output from the voltage detection circuit 11 or the output of the current detection circuit 12 If certain stator currents i ⁇ and i ⁇ contain an error due to an offset, the effect of the error due to the offset can be reduced by reducing the low-frequency gain.
  • step S05 of the flowchart shown in FIG. 3 the estimated output calculator 135 calculates the estimated output P out from the rated output P, the rated rotational angular velocity ⁇ 100 , the power supply frequency f s , the number of pole pairs p, the rated slip s 100 , and the estimated torque T′. is calculated, and the process proceeds to step S06.
  • step S05 the estimated output calculation unit 135 first divides the rated output P by the rated rotational angular velocity ⁇ 100 to obtain the rated torque T100 at a load factor of 100% according to the following equation (14).
  • FIG. 6 is a block diagram showing the processing of the estimated output calculator 135. As shown in FIG. Information on the calculated estimated output P out is output to the output device 15 as an output value of the logical operation circuit 13, for example.
  • step S06 estimated efficiency calculation unit 136 calculates estimated efficiency ⁇ ′ from estimated output P out , stator voltages v ⁇ , v ⁇ and stator currents i ⁇ , i ⁇ , and performs processing of logical operation circuit 13. finish.
  • the estimated efficiency calculator 136 first obtains the input power P in from the stator voltages v ⁇ , v ⁇ and the stator currents i ⁇ , i ⁇ by the following equation (17).
  • the estimated efficiency ⁇ ' is calculated by the following equation (18), and the processing of the logical operation circuit 13 is finished.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the processing of the estimated efficiency calculator 136.
  • Information on the calculated estimated efficiency ⁇ ′ is output to the output device 15 as an output value of the logical operation circuit 13, for example.
  • the input power P in is determined by equation (17)
  • the three-phase stator voltages v u , v v , and v w are obtained from the voltage detection circuit 11, and the three-phase stator current i
  • the voltage detection circuit 11 acquires the uw voltage vuw and the vw voltage vvw
  • the current detection circuit 12 outputs the stator current i u
  • the motor monitoring device 10 includes the voltage detection circuit 11 that detects the stator voltages v ⁇ and v ⁇ of the motor 7 and the stator currents i ⁇ and i ⁇ of the motor 7.
  • An output value is calculated and output based on information from a current detection circuit 12, a motor characteristics input device 14 that acquires information about the electric motor 7, and information from the voltage detection circuit 11, the current detection circuit 12, and the motor characteristics input device 14.
  • a logic operation circuit 13 is provided, and a motor characteristic input device 14 inputs the stator phase resistance R s , the number of pole pairs p and the rated output P of the electric motor 7 , the power supply frequency f s supplied to the electric motor 7 , and the electric power supply to the electric motor 7 .
  • At least one of rated slip s 100 and rated rotational angular velocity ⁇ 100 , rated efficiency ⁇ 100 , and rated three-phase current effective value I 100 which are load characteristics at a load factor of 100% when voltage and power supply frequency f s are supplied, , and logic operation circuit 13 calculates stator flux linkages ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ of electric motor 7 from stator voltages v ⁇ , v ⁇ , stator currents i ⁇ , i ⁇ , and stator phase resistance R s
  • a magnetic flux calculator 131, a total torque calculator 132 that calculates a total torque T all from the stator interlinkage magnetic flux ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ , stator currents i ⁇ , i ⁇ and the number of pole pairs p, rated output P and rated efficiency Calculate the total loss P all from ⁇ 100 , calculate the primary copper loss P c1 from the stator phase resistance R s and the rated three-phase current effective value
  • FIG. 8 is a diagram showing the configuration of a motor monitoring device 10a according to Embodiment 2. As shown in FIG. Comparing the motor monitoring device 10a according to the second embodiment shown in FIG. 8 with the motor monitoring device 10 according to the first embodiment shown in FIG. It is an input device 14a. Other configurations of the motor monitoring device 10a according to the second embodiment are the same as those of the motor monitoring device 10 according to the first embodiment.
  • the same information as the motor characteristic input device 14 in the first embodiment is acquired, and the stray load loss P SLL at the rated output P with respect to the rated output P.
  • Acquire information on the stray load loss ratio x which is the ratio of .
  • the stray load loss percentage x is, for example, 0.5%.
  • the stray load loss percentage x may be, for example, a value between 0.1% and 10%.
  • FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the logical operation circuit 13a according to the second embodiment
  • FIG. 10 is a flowchart explaining the operation of the logical operation circuit 13a according to the second embodiment. Comparing the logical operation circuit 13a according to the second embodiment shown in FIG. 9 with the logical operation circuit 13 according to the first embodiment shown in FIG. , the estimated torque calculator 134 is an estimated torque calculator 134a. Other configurations of logic operation circuit 13a in the second embodiment are the same as those of logic operation circuit 13 in the first embodiment. Similarly, when the flowchart for explaining the operation of the logic operation circuit 13a in the second embodiment shown in FIG. 10 is compared with the flowchart for explaining the operation of the logic operation circuit 13 in the first embodiment shown in FIG. It has become S03a, and step S04 has become step S04a. Other steps of the operation of logic operation circuit 13a in the second embodiment are the same as those of logic operation circuit 13 in the first embodiment.
  • step S03a the no-load loss torque calculation unit 133a calculates the total loss P all by using the formula (8), obtains the primary copper loss P c1 by using the formula (9), and obtains the secondary copper loss P c2 by using the formula (10). is the same as that of the no-load loss torque calculator 133 in the first embodiment.
  • the no-load loss torque calculator 133a multiplies the rated output P by the stray load loss ratio x to calculate the stray load loss P SLL at the rated output P from the following equation (19). For example, when the stray load loss ratio x is 0.5%, the stray load loss P SLL at the rated output P is calculated by the following equation (20).
  • the no-load loss torque Tnll is calculated, and the process proceeds to step S04a.
  • the no-load loss torque calculator 133a in the second embodiment considers the stray load loss P SLL at the rated output P, and obtains the no-load loss torque T nll more accurately.
  • step S04a the estimated torque calculation unit 134a first removes the no-load loss torque Tnll obtained in step S03a from the total torque Tall obtained in step S02, thereby obtaining the primary estimated torque by the following equation (22).
  • the rated torque T 100 at a load factor of 100% is obtained from the rated output P and the rated rotational angular velocity ⁇ 100 by equation (14).
  • the torque loss due to stray load loss at a load factor of 100% is It is obtained by multiplying the rated torque T100 at a load factor of 100% by the stray load loss ratio x.
  • Stray load loss torque T SLL is calculated by the following equation (23) from the rated torque T 100 , the primary estimated torque T'', and the stray load loss ratio x.
  • FIG. 11 is a block diagram showing the processing of the estimated torque calculator 134a according to the second embodiment.
  • the motor characteristic input device 14a acquires the information of the stray load loss ratio x, which is the ratio of the stray load loss P SLL to the rated output P, and the no-load loss
  • the torque calculator 133a calculates the stray load loss P SLL by multiplying the rated output P by the stray load loss ratio x, and calculates the total loss P all , the primary copper loss P c1 , the secondary copper loss P c2 , the stray load
  • the no-load loss torque T nll is calculated from the loss P SLL and the rated rotational angular velocity ⁇ 100
  • the estimated torque calculation unit 134a calculates the primary estimated torque T′′ from the total torque T all and the no-load loss torque T nll
  • the rated output Rated torque T 100 is calculated from P and rated rotational angular velocity ⁇ 100
  • stray load loss torque T SLL is calculated from rated torque T 100 , primary estimated torque
  • FIG. 12 is a diagram showing the configuration of a motor monitoring device 10b according to Embodiment 3.
  • the logical operation circuit 13 is a logical operation circuit 13b.
  • Other configurations of the motor monitoring device 10b according to the third embodiment are the same as those of the motor monitoring device 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing the configuration of the logical operation circuit 13b according to the third embodiment. Comparing the logical operation circuit 13b in the third embodiment shown in FIG. 13 with the logical operation circuit 13 in the first embodiment shown in FIG. 131b, and the estimated output calculator 135 is the estimated output calculator 135b. Other configurations of logic operation circuit 13b in the third embodiment are the same as those of logic operation circuit 13 in the first embodiment.
  • the power supply frequency detection unit 137 obtains the stator voltages v ⁇ and v ⁇ from the voltage detection circuit 11 or the stator currents i ⁇ and i ⁇ from the current detection circuit 12, and performs frequency analysis to detect the main bus line 1 estimating the power supply frequency of the power supply connected to and detecting the estimated power supply frequency f es .
  • the power supply frequency detection unit 137 obtains, for example, the frequency components of the respective frequencies of the stator voltages v ⁇ and v ⁇ or the stator currents i ⁇ and i ⁇ , and the frequency having the largest frequency component is the estimated power supply frequency f es . do.
  • the magnetic flux calculator 131b performs integration processing on the right sides of Equations (5 ) and (6) using a filter represented by the transfer function of Equation (13).
  • the estimated power supply frequency fes detected by the frequency detection unit 137 is assumed, and the cutoff frequency f2 of the high-pass filter is set to 1/10 or less of the estimated power supply frequency fes .
  • the processes in total torque calculation section 132, no-load loss torque calculation section 133, estimated torque calculation section 134, and estimated efficiency calculation section 136 are the same as those in the first embodiment.
  • the estimated output calculator 135b calculates an estimated output P out from the rated output P, the rated rotational angular velocity ⁇ 100 , the estimated power supply frequency f es , the number of pole pairs p, the rated slip s 100 and the estimated torque T′.
  • Estimated output calculation unit 135b first divides rated output P by rated rotational angular velocity ⁇ 100 to obtain rated torque T 100 at a load factor of 100% by equation (14). It is the same as the output calculator 135 .
  • the estimated output calculation unit 135b next assumes that the torque and the slip are in a proportional relationship, and calculates the estimated power supply frequency f es , the number of pole pairs p, the rated slip s 100 , the rated torque T 100 , and the The estimated rotational angular velocity ⁇ r is calculated from the estimated torque T' obtained by the following equation (26). Finally, by multiplying the estimated torque T' by the estimated rotational angular velocity ⁇ r , the estimated output P out is calculated by equation (16). By calculating the estimated rotational angular velocity ⁇ r from the information of the estimated power supply frequency f es , the estimated output P out can be calculated more accurately in the estimated output calculator 135b.
  • the power frequency is usually 50 Hz or 60 Hz and hardly fluctuates. However, the power supply frequency may vary from 50Hz or 60Hz. Power supply frequencies other than 50 Hz or 60 Hz may also be used.
  • the logical operation circuit 13b includes a power supply frequency detection unit 137 that detects an estimated power supply frequency f es from the stator voltages v ⁇ and v ⁇ or the stator currents i ⁇ and i ⁇ ; Estimated output that calculates estimated output P out from rated output P, rated rotational angular velocity ⁇ 100 , estimated power supply frequency f es , pole logarithm p, rated slip s 100 and estimated torque T′, and outputs estimated output P out as an output value.
  • the magnetic flux calculator 131b subtracts the product of the stator phase resistance R s by the stator currents i ⁇ and i ⁇ from the stator voltages v ⁇ and v ⁇ and integrates the values.
  • the stator interlinkage magnetic fluxes ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ are calculated by this, and the integration process includes two low-pass filters having the estimated power supply frequency fes as the cutoff frequency f 1 ,
  • the power supply frequency fluctuates, 50 Hz or Even when a power supply frequency different from 60 Hz is used, the estimated torque T' can be obtained with high accuracy.
  • the motor characteristic input device 14a shown in the second embodiment is used as the motor characteristic input device 14a
  • the no-load loss torque calculator 133 in the logical operation circuit 13b is the non-load loss torque calculator 133 shown in the second embodiment.
  • the load loss torque calculator 133a may be used
  • the estimated torque calculator 134 may be the estimated torque calculator 134a shown in the second embodiment.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing an example of hardware of the motor monitoring device according to the first, second and third embodiments.
  • the logical operation circuits 13 , 13 a, 13 b are implemented by a processor 201 such as a CPU (Central Processing Unit) that executes programs stored in a memory 202 .
  • the memory 202 is also used as a temporary storage device for each process executed by the processor 201 .
  • a plurality of processing circuits may work together to perform the functions described above.
  • the above functions may be realized by dedicated hardware. Where dedicated hardware implements the above functions, the dedicated hardware may be, for example, a single circuit, multiple circuits, a programmed processor, an ASIC, an FPGA, or a combination thereof.
  • the above functions may be realized by a combination of dedicated hardware and software, or a combination of dedicated hardware and firmware.
  • the memory 202 is, for example, RAM, ROM, flash memory, non-volatile or volatile semiconductor memory such as EPROM, magnetic disk, optical disk, or a combination thereof.
  • the processor 201, memory 202, voltage detection circuit 11, current detection circuit 12, motor characteristics input unit 14 and output unit 15 are bus-connected to each other.

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Abstract

鉄損抵抗を求めることなくトルク推定を行う電動機監視装置である。　固定子電圧、固定子電流および固定子相抵抗から電動機（７）の固定子鎖交磁束を算出する磁束算出部（１３１）と、固定子鎖交磁束、固定子電流および極対数から全トルクを算出する全トルク算出部（１３２）と、定格出力および定格効率から全損失を算出し、固定子相抵抗および定格三相電流実効値から一次銅損を算出し、定格すべりおよび定格出力から二次銅損を算出し、全損失、一次銅損、二次銅損および定格回転角速度から無負荷損トルクを算出する無負荷損トルク算出部（１３３）と、全トルクおよび無負荷損トルクから推定トルクを算出する推定トルク算出部（１３４）とを備える。

Description

電動機監視装置および電動機監視方法
　本願は、電動機監視装置および電動機監視方法に関するものである。
　閉鎖配電盤などを有するコントロールセンタにおいては、電気回路の制御、監視および保護が行われる。電動機につながる配線の電流および電圧を検出することで、電動機のトルクを監視する電動機監視装置も搭載することができる。電動機のトルクを推定する方法として、電動機の固定子側の電流および磁束をそれぞれ二相に換算した後、その外積を計算することでトルクが演算できることが知られている。本手法では、三相のうち少なくとも二相の電圧および電流を測定すればよく、その他に必要なパラメータは固定子抵抗のみである。ただし、実際にはこの電流と磁束の外積から求められるモータのトルクは、実際の電動機が出力するトルクよりも大きい。これは、実際には電動機の軸には伝わらず、損失として電動機の中で熱あるいは振動として消費されるエネルギーがあるからである。つまり、上記手法で演算したトルクは、鉄損、機械損、および漂遊負荷損に相当するトルクだけ実際より高い値となっており、誤差が存在する。誤差を補正する方法として、例えば、電動機のＴ型等価回路において、鉄損抵抗を考慮し、鉄損抵抗に流れる電流はトルクには寄与しないものとして除き、有効な電流である負荷電流を演算した上で、負荷電流と磁束の外積を演算し、鉄損に相当するトルクを含まないトルクを演算する方法がある（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。
特開２０１８－０４６７２３号公報
S. Yamamoto, H. Hirahara and B. A. Shantha, "A Method to Estimate Torque and Stray Load Loss of Induction Motor without Torque Detector," 2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2019, pp.2341-2346
　しかし、電動機の鉄損抵抗を把握することは容易ではない。鉄損抵抗を含む電動機のパラメータあるいは機械損を取得するためには、一般に無負荷試験をする必要がある。無負荷試験のためには、電動機を同期速度で外部から回転させるか、カップリングを外したうえで運転する必要がある。鉄損を機械損と分離して鉄損抵抗を把握するためには、複数の電圧値における無負荷試験結果が必要となる。通常の運転状態とは別の条件で運転する必要がありその実施は容易ではなく、結果としてトルク推定が容易ではないという課題があった。
　本願は、上述の課題を解決するためになされたものであり、鉄損抵抗を求めることなくトルク推定を行う電動機監視装置および電動機監視方法を提供することを目的とする。
　本願に開示される電動機監視装置は、電動機の固定子電圧を検出する電圧検出回路と、電動機の固定子電流を検出する電流検出回路と、電動機に関する情報を取得するモータ特性入力器と、電圧検出回路、電流検出回路およびモータ特性入力器からの情報をもとに出力値を算出して出力する論理演算回路とを備え、モータ特性入力器は、電動機の固定子相抵抗、極対数および定格出力と、電動機に供給される電源周波数と、電動機に電源電圧および電源周波数が供給されたときの負荷率１００％における負荷特性である定格すべりおよび定格回転角速度の少なくとも一方、定格効率および定格三相電流実効値とを取得し、論理演算回路は、固定子電圧、固定子電流および固定子相抵抗から電動機の固定子鎖交磁束を算出する磁束算出部と、固定子鎖交磁束、固定子電流および極対数から全トルクを算出する全トルク算出部と、定格出力および定格効率から全損失を算出し、固定子相抵抗および定格三相電流実効値から一次銅損を算出し、定格すべりおよび定格出力から二次銅損を算出し、全損失、一次銅損、二次銅損および定格回転角速度から無負荷損トルクを算出する無負荷損トルク算出部と、全トルクおよび無負荷損トルクから推定トルクを算出し、推定トルクを出力値として出力する推定トルク算出部とを備える。
　本願に開示される電動機監視装置は、固定子電圧、固定子電流および固定子相抵抗から電動機の固定子鎖交磁束を算出する磁束算出部と、固定子鎖交磁束、固定子電流および極対数から全トルクを算出する全トルク算出部と、定格出力および定格効率から全損失を算出し、固定子相抵抗および定格三相電流実効値から一次銅損を算出し、定格すべりおよび定格出力から二次銅損を算出し、全損失、一次銅損、二次銅損および定格回転角速度から無負荷損トルクを算出する無負荷損トルク算出部と、全トルクおよび無負荷損トルクから推定トルクを算出し、推定トルクを出力値として出力する推定トルク算出部とを備えているので、鉄損抵抗を求めることなくトルク推定を行うことができる。
実施の形態１による電動機監視装置の構成を示す図である。 実施の形態１における論理演算回路の構成を示す図である。 実施の形態１における論理演算回路の動作を説明するフローチャートである。 実施の形態１における磁束算出部、全トルク算出部および推定トルク算出部の処理を示すブロック線図である。 実施の形態１における磁束算出部の積分処理に用いるフィルタのボード線図である。 実施の形態１における推定出力算出部の処理を示すブロック線図である。 実施の形態１における推定効率算出部の処理を示すブロック線図である。 実施の形態２による電動機監視装置の構成を示す図である。 実施の形態２における論理演算回路の構成を示す図である。 実施の形態２における論理演算回路の動作を説明するフローチャートである。 実施の形態２における推定トルク算出部の処理を示すブロック線図である。 実施の形態３による電動機監視装置の構成を示す図である。 実施の形態３における論理演算回路の構成を示す図である。 実施の形態１、実施の形態２および実施の形態３における電動機監視装置のハードウェアの一例を示す模式図である。
　以下、本願を実施するための実施の形態に係る電動機監視装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１による電動機監視装置の構成を示す図である。図１において、電力系統の主母線１から分岐して引き込まれた主回路２に、配線用遮断器３、電磁接触器４、計器用変圧器５および計器用変成器６が設けられており、この主回路２に電動機７が接続されている。電動機７は例えば三相誘導電動機であり、この電動機７に負荷装置８が接続されている。
　電動機監視装置１０は、電動機７が接続された主回路２の電圧を検出する電圧検出回路１１と、主回路２の電流を検出する電流検出回路１２と、電動機７に関する情報を取得するモータ特性入力器１４と、電圧検出回路１１、電流検出回路１２およびモータ特性入力器１４からの情報をもとに出力値を算出して出力する論理演算回路１３と、論理演算回路１３の出力を表示する出力器１５とを備えている。
　電圧検出回路１１は、計器用変圧器５を通して主回路２の電圧を検出して、検出した主回路２の電圧を所定の信号に変換して論理演算回路１３に出力する。電圧検出回路１１は、例えば、三相の固定子電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを検出し、三相の固定子電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを二相の固定子電圧ｖα、ｖβに変換し、論理演算回路１３に出力する。三相の固定子電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗから二相の固定子電圧ｖα、ｖβへの変換は、例えば、以下の式（１）によって行われる。また、零相電圧がゼロであるとして、電圧検出回路１１において三相の固定子電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗのうちのｖｕおよびｖｖの２つの電圧を検出し、以下の式（２）によって二相の固定子電圧ｖα、ｖβに変換してもよい。ここで検出される固定子電圧は、電動機７の固定子巻線に印加される電圧である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　電流検出回路１２は、計器用変成器６を通して主回路２の負荷電流を検出して、検出した主回路２の負荷電流を所定の信号に変換して論理演算回路１３に出力する。電流検出回路１２は、例えば、三相の固定子電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出し、三相の固定子電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを二相の固定子電流ｉα、ｉβに変換し、論理演算回路１３に出力する。ここで検出される固定子電流は、電動機７の固定子巻線に流れる電流である。
　モータ特性入力器１４は、電動機７に関する情報を取得して入力するものであり、取得された情報は論理演算回路１３に出力される。モータ特性入力器１４によって取得される情報は、電動機７の銘板またはテストレポートのうち少なくとも一方からの情報であり、例えば、電動機７の固定子相抵抗Ｒｓ、極対数ｐおよび定格出力Ｐと、電動機７に供給される電源周波数ｆｓと、主母線１に接続されている電源の電源電圧および電源周波数ｆｓが電動機７に供給されるときの負荷率１００％における負荷特性である定格すべりｓ１００および定格回転角速度ω１００の少なくとも一方、定格効率η１００および定格三相電流実効値Ｉ１００とである。定格回転角速度ω１００［ｒａｄ／ｓ］は、例えば、銘板またはテストレポートに示されている定格回転数Ｎ１００［ｒｐｍ］から求めることができる。定格すべりｓ１００と定格回転角速度ω１００とは、いずれか一方の情報を入手すれば、電源周波数ｆｓと極対数ｐとを用いて互いに換算することができる。電源周波数ｆｓは、例えば、テストレポートに記載されている値であり、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである。モータ特性入力器１４は、例えば、電動機７に関する情報を取得するインターフェースであり、キーボードあるいはタッチパネル、通信回線から情報を受け取る受信機などである。なお、論理演算回路１３に出力された情報は、必要に応じて記憶装置に保存してもよい。
　固定子相抵抗Ｒｓは、例えば、テストレポートに示された端子間の巻線抵抗である端子間抵抗Ｒの半分である。なお、テストレポートに示されている端子間の巻線抵抗は、計器用変圧器５が主回路２に接続された位置である測定点から電動機７までの配線の抵抗は考慮されていない。よって、計器用変圧器５が主回路２に接続された位置である測定点において電動機７の端子間抵抗Ｒを測定し、その値をもとに固定子相抵抗Ｒｓを求めてもよい。
　出力器１５は、論理演算回路１３からの出力を表示するものであり、例えば、出力値を表示するディスプレイであり、出力値を通信回線に送信する送信機などである。出力器１５は、論理演算回路１３からの出力をもとに警報を発する警報器であってもよい。出力器１５が警報器のときは、例えば、論理演算回路１３からの出力があらかじめ定められた値を超えたときに警報を発する。
　次に、実施の形態１による論理演算回路１３について説明する。モータ特性入力器１４において定格すべりｓ１００または定格回転角速度ω１００のいずれか一方のみを取得した場合、論理演算回路１３は、電源周波数ｆｓと極対数ｐとを用いて、以下に示す式（３）あるいは式（４）によって定格すべりｓ１００および定格回転角速度ω１００の一方から他方の値を求める。モータ特性入力器１４において、定格すべりｓ１００および定格回転角速度ω１００の両方の値を取得している場合は、この処理は不要である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　図２は実施の形態１における論理演算回路１３の構成を示す図であり、図３は実施の形態１における論理演算回路１３の動作を説明するフローチャートである。なお、論理演算回路１３は、電圧検出回路１１、電流検出回路１２およびモータ特性入力器１４から入手した情報を記憶装置に保存し、必要に応じて記憶装置から読み出してもよい。図３に示すフローチャートにおいて、ステップＳ０１は磁束算出ステップであり、ステップＳ０２は全トルク算出ステップであり、ステップＳ０３は無負荷損トルク算出ステップであり、ステップＳ０４は推定トルク算出ステップであり、ステップＳ０５は推定出力算出ステップであり、ステップＳ０６は推定効率算出ステップである。
　ステップＳ０１では、磁束算出部１３１は、固定子電圧ｖα、ｖβ、固定子電流ｉα、ｉβおよび固定子相抵抗Ｒｓの情報から電動機７の固定子鎖交磁束ψα、ψβを算出し、ステップＳ０２に進む。固定子鎖交磁束を時間ｔで微分した値である誘起電圧は、固定子電圧から抵抗による電圧降下を除いた値であり、以下の式（５）（６）で表される。そのため、以下の式（５）（６）のそれぞれの右辺を時間ｔで積分することにより、固定子鎖交磁束ψα、ψβを得ることができる。例えば、固定子相抵抗Ｒｓに固定子電流ｉαを掛けたものを固定子電圧ｖαから引き去った値を時間ｔで積分することにより固定子鎖交磁束ψαが得られ、固定子相抵抗Ｒｓに固定子電流ｉβを掛けたものを固定子電圧ｖβから引き去った値を時間ｔで積分することにより固定子鎖交磁束ψβが得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ステップＳ０２では、全トルク算出部１３２は、ステップＳ０１で求めた固定子鎖交磁束ψα、ψβからなる固定子鎖交磁束ベクトルと固定子電流ｉα、ｉβからなる固定子電流ベクトルとの外積に電動機７の極対数ｐを掛けることにより、以下の式（７）から全トルクＴａｌｌを算出し、ステップＳ０３に進む。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ステップＳ０３では、無負荷損トルク算出部１３３は、定格出力Ｐ、定格効率η１００、固定子相抵抗Ｒｓ、定格三相電流実効値Ｉ１００、定格すべりｓ１００および定格回転角速度ω１００の情報から、無負荷損トルクＴｎｌｌを算出し、ステップＳ０４に進む。ステップＳ０３では、無負荷損トルク算出部１３３は、定格出力Ｐおよび定格効率η１００の情報から、以下の式（８）によって負荷率１００％における全損失Ｐａｌｌを算出する。また、固定子相抵抗Ｒｓおよび定格三相電流実効値Ｉ１００の情報から以下の式（９）によって負荷率１００％における一次銅損Ｐｃ１を求め、定格すべりｓ１００と定格出力Ｐの情報から以下の式（１０）によって負荷率１００％における二次銅損Ｐｃ２を求める。最後に、全損失Ｐａｌｌから一次銅損Ｐｃ１および二次銅損Ｐｃ２の値を引き去り、定格回転角速度ω１００で割ることにより、以下の式（１１）によって無負荷損トルクＴｎｌｌを算出し、ステップＳ０４に進む。なお、実施の形態１による無負荷損トルク算出部１３３では、漂遊負荷損は十分小さく無視できるものとしている。よって、ここで求めた無負荷損トルクＴｎｌｌは、鉄損トルクＴｉｒｏｎと機械損トルクＴｍｅｃｈとを足し合わせたものに相当する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ステップＳ０４では、推定トルク算出部１３４は、ステップＳ０２で求めた全トルクＴａｌｌからステップＳ０３で求めた無負荷損トルクＴｎｌｌを引き去ることにより、以下の式（１２）によって推定トルクＴ’を算出し、ステップＳ０５に進む。算出された推定トルクＴ’の情報は、例えば、論理演算回路１３の出力値として出力器１５に出力される。以上のステップＳ０１からステップＳ０４の処理によって、負荷試験および無負荷試験によって鉄損抵抗を求めることなく、さらに、鉄損と機械損とを区別して求めることなく、トルク推定を行うことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　図４は、実施の形態１における磁束算出部１３１、全トルク算出部１３２および推定トルク算出部１３４の処理を示すブロック線図である。図４において、Ｇ（ｓ）は磁束算出部１３１において式（５）（６）のそれぞれの右辺を時間ｔで積分するときの伝達関数を表している。Ｇ（ｓ）は、例えば、Ｇ（ｓ）＝１／ｓである。
　積分の演算において例えばＧ（ｓ）＝１／ｓによって固定子鎖交磁束ψα、ψβを求めようとすると、低周波数における伝達関数Ｇ（ｓ）のゲインが大きいため、固定子電圧ｖα、ｖβあるいは固定子電流ｉα、ｉβの検出値に、直流成分あるいは低周波成分が含まれている場合は算出された固定子鎖交磁束ψα、ψβの値が不正確になることがある。よって、実施の形態１における磁束算出部１３１では、例えば、以下の式（１３）の伝達関数によって示されたフィルタを用いて積分処理を行う。式（１３）は、時定数Ｔ１のローパスフィルタを２つと、時定数Ｔ２のハイパスフィルタを１つとを直列につなげたものを示している。時定数Ｔ１に対応するローパスフィルタのカットオフ周波数をｆ１、時定数Ｔ２に対応するハイパスフィルタのカットオフ周波数をｆ２としたときに、ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆ１は電源周波数ｆｓとし、ハイパスフィルタのカットオフ周波数ｆ２は電源周波数ｆｓの１／１０以下とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　図５は、実施の形態１における磁束算出部１３１の積分処理に用いる式（１３）に示すフィルタのボード線図である。図５において、実線は式（１３）に示すフィルタの特性を示しており、点線は理想的な積分器であるＧ（ｓ）＝１／ｓで示されるフィルタの特性を示している。電源周波数ｆｓの１／１０以下の周波数をカットオフ周波数ｆ２とするハイパスフィルタを備えることにより、電圧検出回路１１の出力である固定子電圧ｖα、ｖβあるいは電流検出回路１２の出力である固定子電流ｉα、ｉβにオフセットに起因する誤差を含んでいる場合に、低周波数のゲインを小さくすることによりオフセットに起因する誤差の影響を小さくすることができるとともに、ハイパスフィルタによる位相の影響を小さくすることができる。また、電源周波数ｆｓをカットオフ周波数とするローパスフィルタを２つ直列につなげることにより、電源周波数ｆｓにおいてフィルタの位相およびゲインが理想的な積分器であるＧ（ｓ）＝１／ｓと一致するため、電源周波数ｆｓにおいてフィルタの出力が理想的な積分器を通したときの結果と一致する。また、式（１３）に示すフィルタによって積分処理を行うことにより、逆相トルクも正確に考慮することができる。以上のように、磁束算出部１３１において、電源周波数ｆｓをカットオフ周波数ｆ１とするローパスフィルタを２つと、電源周波数ｆｓの１／１０以下の周波数をカットオフ周波数ｆ２とするハイパスフィルタを１つとを直列につなげたフィルタによって積分処理を行うことにより、低周波数の誤差成分の影響を抑えた積分処理を行うことができる。
　図３に示すフローチャートのステップＳ０５では、推定出力算出部１３５は、定格出力Ｐ、定格回転角速度ω１００、電源周波数ｆｓ、極対数ｐ、定格すべりｓ１００および推定トルクＴ’から推定出力Ｐｏｕｔを算出し、ステップＳ０６に進む。ステップＳ０５では、推定出力算出部１３５は、最初に、定格出力Ｐを定格回転角速度ω１００で割ることにより、以下の式（１４）によって負荷率１００％での定格トルクＴ１００を求める。次に、トルクとすべりが比例関係にあると仮定し、電源周波数ｆｓと、極対数ｐと、定格すべりｓ１００と、定格トルクＴ１００と、ステップＳ０４で求めた推定トルクＴ’とから、以下の式（１５）によって推定回転角速度ωｒを算出する。最後に、推定トルクＴ’に推定回転角速度ωｒを掛けることにより、以下の式（１６）によって推定出力Ｐｏｕｔを算出し、ステップＳ０６に進む。図６は、推定出力算出部１３５の処理を示すブロック線図である。算出された推定出力Ｐｏｕｔの情報は、例えば、論理演算回路１３の出力値として出力器１５に出力される。以上のステップＳ０１からステップＳ０５の処理によって、負荷試験および無負荷試験によって鉄損抵抗を求めることなく、さらに、鉄損と機械損とを区別して求めることなく、出力推定を行うことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　ステップＳ０６では、推定効率算出部１３６は、推定出力Ｐｏｕｔ、固定子電圧ｖα、ｖβおよび固定子電流ｉα、ｉβから、推定効率η’を算出し、論理演算回路１３の処理を終了する。ステップＳ０６では、推定効率算出部１３６は、最初に、固定子電圧ｖα、ｖβおよび固定子電流ｉα、ｉβから、以下の式（１７）によって入力電力Ｐｉｎを求める。次に、ステップＳ０５で求めた推定出力Ｐｏｕｔを入力電力Ｐｉｎで割ることにより、以下の式（１８）によって推定効率η’を算出し、論理演算回路１３の処理を終了する。図７は、推定効率算出部１３６の処理を示すブロック線図である。算出された推定効率η’の情報は、例えば、論理演算回路１３の出力値として出力器１５に出力される。以上のステップＳ０１からステップＳ０６の処理によって、負荷試験および無負荷試験によって鉄損抵抗を求めることなく、さらに、鉄損と機械損とを区別して求めることなく、効率推定を行うことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　式（１７）によって入力電力Ｐｉｎを求めるとしたが、電圧検出回路１１から三相の固定子電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを取得し、電流検出回路１２から三相の固定子電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを取得し、Ｐｉｎ＝ｖｕｉｕ＋ｖｖｉｖ＋ｖｗｉｗによって入力電力Ｐｉｎを求めてもよい。さらに、零相電流がゼロであれば、電圧検出回路１１においてｕｗ間電圧のｖｕｗおよびｖｗ間電圧のｖｖｗを取得し、電流検出回路１２から三相の固定子電流のうち固定子電流ｉｕ、ｉｖを取得し、Ｐｉｎ＝ｖｕｗｉｕ＋ｖｖｗｉｖによって入力電力Ｐｉｎを求めてもよい。
　以上のように、実施の形態１による電動機監視装置１０は、電動機７の固定子電圧ｖα、ｖβを検出する電圧検出回路１１と、電動機７の固定子電流ｉα、ｉβを検出する電流検出回路１２と、電動機７に関する情報を取得するモータ特性入力器１４と、電圧検出回路１１、電流検出回路１２およびモータ特性入力器１４からの情報をもとに出力値を算出して出力する論理演算回路１３とを備え、モータ特性入力器１４は、電動機７の固定子相抵抗Ｒｓ、極対数ｐおよび定格出力Ｐと、電動機７に供給される電源周波数ｆｓと、電動機７に電源電圧および電源周波数ｆｓが供給されたときの負荷率１００％における負荷特性である定格すべりｓ１００および定格回転角速度ω１００の少なくとも一方、定格効率η１００および定格三相電流実効値Ｉ１００とを取得し、論理演算回路１３は、固定子電圧ｖα、ｖβ、固定子電流ｉα、ｉβおよび固定子相抵抗Ｒｓから電動機７の固定子鎖交磁束ψα、ψβを算出する磁束算出部１３１と、固定子鎖交磁束ψα、ψβ、固定子電流ｉα、ｉβおよび極対数ｐから全トルクＴａｌｌを算出する全トルク算出部１３２と、定格出力Ｐおよび定格効率η１００から全損失Ｐａｌｌを算出し、固定子相抵抗Ｒｓおよび定格三相電流実効値Ｉ１００から一次銅損Ｐｃ１を算出し、定格すべりｓ１００および定格出力Ｐから二次銅損Ｐｃ２を算出し、全損失Ｐａｌｌ、一次銅損Ｐｃ１、二次銅損Ｐｃ２および定格回転角速度ω１００から無負荷損トルクＴｎｌｌを算出する無負荷損トルク算出部１３３と、全トルクＴａｌｌおよび無負荷損トルクＴｎｌｌから推定トルクＴ’を算出し、推定トルクＴ’を出力値として出力する推定トルク算出部１３４とを備えたので、鉄損抵抗を求めることなくトルク推定を行うことができる。
実施の形態２．
　図８は、実施の形態２による電動機監視装置１０ａの構成を示す図である。図８に示す実施の形態２による電動機監視装置１０ａを図１に示す実施の形態１による電動機監視装置１０と比較すると、論理演算回路１３が論理演算回路１３ａに、モータ特性入力器１４がモータ特性入力器１４ａになっている。実施の形態２による電動機監視装置１０ａの他の構成は、実施の形態１による電動機監視装置１０の構成と同じである。
　実施の形態２による電動機監視装置１０ａのモータ特性入力器１４ａにおいては、実施の形態１におけるモータ特性入力器１４と同じ情報を取得するとともに、定格出力Ｐに対する、定格出力Ｐにおける漂遊負荷損ＰＳＬＬの割合である漂遊負荷損割合ｘの情報を取得する。漂遊負荷損割合ｘは、例えば０．５％である。漂遊負荷損割合ｘは、例えば０．１％から１０％までの値でもよい。
　図９は実施の形態２における論理演算回路１３ａの構成を示す図であり、図１０は実施の形態２における論理演算回路１３ａの動作を説明するフローチャートである。図９に示す実施の形態２における論理演算回路１３ａを図２に示す実施の形態１における論理演算回路１３と比較すると、無負荷損トルク算出部１３３が無負荷損トルク算出部１３３ａになっており、推定トルク算出部１３４が推定トルク算出部１３４ａになっている。実施の形態２における論理演算回路１３ａの他の構成は、実施の形態１における論理演算回路１３の構成と同じである。同様に、図１０に示す実施の形態２における論理演算回路１３ａの動作を説明するフローチャートを図３に示す実施の形態１における論理演算回路１３の動作を説明するフローチャートと比較すると、ステップＳ０３がステップＳ０３ａになっており、ステップＳ０４がステップＳ０４ａになっている。実施の形態２における論理演算回路１３ａの動作の他のステップは、実施の形態１における論理演算回路１３と同じである。
　ステップＳ０３ａでは、無負荷損トルク算出部１３３ａは、式（８）によって全損失Ｐａｌｌを算出し、式（９）によって一次銅損Ｐｃ１を求め、式（１０）によって二次銅損Ｐｃ２を求めるのは、実施の形態１における無負荷損トルク算出部１３３と同じである。次に、無負荷損トルク算出部１３３ａは、定格出力Ｐに漂遊負荷損割合ｘを掛け合わせることにより、以下の式（１９）から定格出力Ｐにおける漂遊負荷損ＰＳＬＬを算出する。例えば、漂遊負荷損割合ｘを０．５％とした場合は、以下の式（２０）によって定格出力Ｐにおける漂遊負荷損ＰＳＬＬが算出される。最後に、全損失Ｐａｌｌから一次銅損Ｐｃ１、二次銅損Ｐｃ２および定格出力Ｐにおける漂遊負荷損ＰＳＬＬを除いた値を定格回転角速度ω１００で割ることにより、以下の式（２１）によって無負荷損トルクＴｎｌｌを算出し、ステップＳ０４ａに進む。実施の形態２における無負荷損トルク算出部１３３ａでは、定格出力Ｐにおける漂遊負荷損ＰＳＬＬを考慮し、より正確に無負荷損トルクＴｎｌｌを求めている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　ステップＳ０４ａでは、推定トルク算出部１３４ａは、最初に、ステップＳ０２で求めた全トルクＴａｌｌからステップＳ０３ａで求めた無負荷損トルクＴｎｌｌを除くことにより、以下の式（２２）によって一次推定トルクＴ”を算出する。次に、式（１４）によって、定格出力Ｐおよび定格回転角速度ω１００から負荷率１００％での定格トルクＴ１００を求める。負荷率１００％における漂遊負荷損によるトルク損失は負荷率１００％の定格トルクＴ１００に漂遊負荷損割合ｘを掛け合わせたものであり、さらに、漂遊負荷損によるトルク損失である漂遊負荷損トルクＴＳＬＬが運転時のトルクの２乗に比例すると仮定し、定格トルクＴ１００と一次推定トルクＴ”と漂遊負荷損割合ｘとから、以下の式（２３）によって漂遊負荷損トルクＴＳＬＬを算出する。例えば、漂遊負荷損割合ｘを０．５％とした場合は、以下の式（２４）によって漂遊負荷損トルクＴＳＬＬを算出する。最後に、一次推定トルクＴ”から漂遊負荷損トルクＴＳＬＬを除くことにより、以下の式（２５）によって推定トルクＴ’を算出し、ステップＳ０５に進む。算出された推定トルクＴ’の情報は、例えば、論理演算回路１３の出力値として出力器１５に出力される。実施の形態２における推定トルク算出部１３４ａでは、一次推定トルクＴ”から漂遊負荷損トルクＴＳＬＬを除くことにより、より正確に推定トルクＴ’を求めている。図１１は、実施の形態２における推定トルク算出部１３４ａの処理を示すブロック線図である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　以上のように、実施の形態２による電動機監視装置１０ａは、モータ特性入力器１４ａは、定格出力Ｐにおける漂遊負荷損ＰＳＬＬの割合である漂遊負荷損割合ｘの情報を取得し、無負荷損トルク算出部１３３ａは、定格出力Ｐに漂遊負荷損割合ｘを掛け合わせたものを漂遊負荷損ＰＳＬＬとして算出し、全損失Ｐａｌｌ、一次銅損Ｐｃ１、二次銅損Ｐｃ２、漂遊負荷損ＰＳＬＬおよび定格回転角速度ω１００から無負荷損トルクＴｎｌｌを算出し、推定トルク算出部１３４ａは、全トルクＴａｌｌおよび無負荷損トルクＴｎｌｌから一次推定トルクＴ”を算出し、定格出力Ｐおよび定格回転角速度ω１００から定格トルクＴ１００を算出し、定格トルクＴ１００、一次推定トルクＴ”および漂遊負荷損割合ｘから漂遊負荷損トルクＴＳＬＬを算出し、一次推定トルクＴ”から漂遊負荷損トルクＴＳＬＬを除くことにより推定トルクＴ’を算出するので、鉄損抵抗を求めることなく、漂遊負荷損による影響を含めて正確にトルク推定を行うことができる。
実施の形態３．
　図１２は、実施の形態３による電動機監視装置１０ｂの構成を示す図である。図１２に示す実施の形態３による電動機監視装置１０ｂを図１に示す実施の形態１による電動機監視装置１０と比較すると、論理演算回路１３が論理演算回路１３ｂになっている。実施の形態３による電動機監視装置１０ｂの他の構成は、実施の形態１による電動機監視装置１０の構成と同じである。
　図１３は、実施の形態３における論理演算回路１３ｂの構成を示す図である。図１３に示す実施の形態３における論理演算回路１３ｂを図２に示す実施の形態１における論理演算回路１３と比較すると、電源周波数検出部１３７が追加されており、磁束算出部１３１が磁束算出部１３１ｂになっており、推定出力算出部１３５が推定出力算出部１３５ｂになっている。実施の形態３における論理演算回路１３ｂの他の構成は、実施の形態１における論理演算回路１３の構成と同じである。
　電源周波数検出部１３７は、電圧検出回路１１からの固定子電圧ｖα、ｖβまたは電流検出回路１２からの固定子電流ｉα、ｉβを取得し、周波数解析を行うことにより、主母線１に接続されている電源の電源周波数を推定し、推定電源周波数ｆｅｓを検出する。電源周波数検出部１３７は、例えば、固定子電圧ｖα、ｖβまたは固定子電流ｉα、ｉβの各周波数の周波数成分を求め、最も大きな周波数成分を持った周波数を推定電源周波数ｆｅｓとする。
　磁束算出部１３１ｂは、式（５）（６）のそれぞれの右辺を、式（１３）の伝達関数によって示されたフィルタを用いて積分処理を行うが、ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆ１は電源周波数検出部１３７で検出した推定電源周波数ｆｅｓとし、ハイパスフィルタのカットオフ周波数ｆ２は推定電源周波数ｆｅｓの１／１０以下とする。推定電源周波数ｆｅｓの情報からカットオフ周波数ｆ１およびｆ２を定めることにより、磁束算出部１３１ｂにおける積分処理をより正確に行うことができる。
　全トルク算出部１３２、無負荷損トルク算出部１３３、推定トルク算出部１３４および推定効率算出部１３６における処理は、実施の形態１における処理と同じである。推定出力算出部１３５ｂは、定格出力Ｐ、定格回転角速度ω１００、推定電源周波数ｆｅｓ、極対数ｐ、定格すべりｓ１００および推定トルクＴ’から推定出力Ｐｏｕｔを算出する。推定出力算出部１３５ｂは、最初に、定格出力Ｐを定格回転角速度ω１００で割ることにより、式（１４）によって負荷率１００％での定格トルクＴ１００を求めることは、実施の形態１における推定出力算出部１３５と同じである。推定出力算出部１３５ｂは、次に、トルクとすべりが比例関係にあると仮定し、推定電源周波数ｆｅｓと、極対数ｐと、定格すべりｓ１００と、定格トルクＴ１００と、ステップＳ０４で求めた推定トルクＴ’とから、以下の式（２６）によって推定回転角速度ωｒを算出する。最後に、推定トルクＴ’に推定回転角速度ωｒを掛けることにより、式（１６）によって推定出力Ｐｏｕｔを算出する。推定電源周波数ｆｅｓの情報から推定回転角速度ωｒを算出することにより、推定出力算出部１３５ｂにおいてより正確に推定出力Ｐｏｕｔを算出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　電源周波数は、通常は、電源周波数は５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚであり、ほとんど変動しない。しかし、電源周波数が５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚから変動することがある。また５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚとは異なる電源周波数が用いられることがある。実施の形態３による電動機監視装置１０ｂは、論理演算回路１３ｂは、固定子電圧ｖα、ｖβあるいは固定子電流ｉα、ｉβから推定電源周波数ｆｅｓを検出する電源周波数検出部１３７と、定格出力Ｐ、定格回転角速度ω１００、推定電源周波数ｆｅｓ、極対数ｐ、定格すべりｓ１００および推定トルクＴ’から推定出力Ｐｏｕｔを算出し、推定出力Ｐｏｕｔを出力値として出力する推定出力算出部１３５ｂとを備え、磁束算出部１３１ｂは、固定子相抵抗Ｒｓに固定子電流ｉα、ｉβを掛けたものを固定子電圧ｖα、ｖβから引き去った値を積分処理することにより固定子鎖交磁束ψα、ψβを算出し、積分処理は、推定電源周波数ｆｅｓをカットオフ周波数ｆ１とするローパスフィルタを２つと、推定電源周波数ｆｅｓの１／１０以下の周波数をカットオフ周波数ｆ２とするハイパスフィルタを１つとを直列につなげたフィルタによって行うことにより、実施の形態１による電動機監視装置１０の効果に加えて、電源周波数が変動する、あるいは、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚとは異なる電源周波数が用いられたときでも、推定トルクＴ’を精度よく求めることができる。
　なお、電動機監視装置１０ｂにおいて、モータ特性入力器１４を実施の形態２に示したモータ特性入力器１４ａとし、論理演算回路１３ｂにおいて、無負荷損トルク算出部１３３を実施の形態２に示した無負荷損トルク算出部１３３ａとし、推定トルク算出部１３４を実施の形態２に示した推定トルク算出部１３４ａとしてもよい。これにより、実施の形態２による電動機監視装置１０ａの効果に加えて、電源周波数が変動する、あるいは、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚとは異なる電源周波数が用いられたときでも、推定トルクＴ’あるいは推定出力Ｐｏｕｔを精度よく求めることができる。
　図１４は、実施の形態１、実施の形態２および実施の形態３による電動機監視装置のハードウェアの一例を示す模式図である。論理演算回路１３、１３ａ、１３ｂは、メモリ２０２に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）等のプロセッサ２０１によって実現される。メモリ２０２は、プロセッサ２０１が実行する各処理における一時記憶装置としても使用される。また、複数の処理回路が連携して上記機能を実行してもよい。さらに、専用のハードウェアによって上記機能を実現してもよい。専用のハードウェアによって上記機能を実現する場合は、専用のハードウェアは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、あるいは、これらを組み合わせたものである。上記機能は、専用ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせ、あるいは、専用ハードウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現してもよい。メモリ２０２は、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭなどの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、または、これらを組み合わせたものである。プロセッサ２０１、メモリ２０２、電圧検出回路１１、電流検出回路１２、モータ特性入力器１４および出力器１５は、互いにバス接続されている。
　本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、１つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
　したがって、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
　１　主母線、２　主回路、３　配線用遮断器、４　電磁接触器、５　計器用変圧器、６　計器用変成器、７　電動機、８　負荷装置、１０、１０ａ、１０ｂ　電動機監視装置、１１　電圧検出回路、１２　電流検出回路、１３、１３ａ、１３ｂ　論理演算回路、１４、１４ａ　モータ特性入力器、１５　出力器、１３１、１３１ｂ　磁束算出部、１３２　全トルク算出部、１３３、１３３ａ　無負荷損トルク算出部、１３４、１３４ａ　推定トルク算出部、１３５、１３５ｂ　推定出力算出部、１３６　推定効率算出部、１３７　電源周波数検出部、２０１　プロセッサ、２０２　メモリ。

Claims (8)

  1. 　電動機の固定子電圧を検出する電圧検出回路と、
    　前記電動機の固定子電流を検出する電流検出回路と、
    　前記電動機に関する情報を取得するモータ特性入力器と、
    　前記電圧検出回路、前記電流検出回路および前記モータ特性入力器からの情報をもとに出力値を算出して出力する論理演算回路とを備え、
    　前記モータ特性入力器は、
    　前記電動機の固定子相抵抗、極対数および定格出力と、
    　前記電動機に供給される電源周波数と、
    　前記電動機に電源電圧および前記電源周波数が供給されたときの負荷率１００％における負荷特性である定格すべりおよび定格回転角速度の少なくとも一方、定格効率および定格三相電流実効値とを取得し、
    　前記論理演算回路は、
    　前記固定子電圧、前記固定子電流および前記固定子相抵抗から前記電動機の固定子鎖交磁束を算出する磁束算出部と、
    　前記固定子鎖交磁束、前記固定子電流および前記極対数から全トルクを算出する全トルク算出部と、
    　前記定格出力および前記定格効率から全損失を算出し、前記固定子相抵抗および前記定格三相電流実効値から一次銅損を算出し、前記定格すべりおよび前記定格出力から二次銅損を算出し、前記全損失、前記一次銅損、前記二次銅損および前記定格回転角速度から無負荷損トルクを算出する無負荷損トルク算出部と、
    　前記全トルクおよび前記無負荷損トルクから推定トルクを算出し、前記推定トルクを前記出力値として出力する推定トルク算出部とを備えたことを特徴とする電動機監視装置。
  2. 　前記モータ特性入力器は、前記定格出力における漂遊負荷損の割合である漂遊負荷損割合の情報を取得し、
    　前記無負荷損トルク算出部は、前記定格出力に前記漂遊負荷損割合を掛け合わせたものを前記漂遊負荷損として算出し、前記全損失、前記一次銅損、前記二次銅損、前記漂遊負荷損および前記定格回転角速度から前記無負荷損トルクを算出し、
    　前記推定トルク算出部は、前記全トルクおよび前記無負荷損トルクから一次推定トルクを算出し、前記定格出力および前記定格回転角速度から定格トルクを算出し、前記定格トルク、前記一次推定トルクおよび前記漂遊負荷損割合から漂遊負荷損トルクを算出し、前記一次推定トルクから前記漂遊負荷損トルクを除くことにより前記推定トルクを算出することを特徴とする請求項１に記載の電動機監視装置。
  3. 　前記論理演算回路は、
    　前記定格出力、前記定格回転角速度、前記電源周波数、前記極対数、前記定格すべりおよび前記推定トルクから推定出力を算出し、前記推定出力を前記出力値として出力する推定出力算出部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の電動機監視装置。
  4. 　前記論理演算回路は、
    　前記推定出力を、前記固定子電圧および前記固定子電流から求めた入力電力で除算して推定効率を算出し、前記推定効率を前記出力値として出力する推定効率算出部を備えたことを特徴とする請求項３に記載の電動機監視装置。
  5. 　前記磁束算出部は、前記固定子相抵抗に前記固定子電流を掛けたものを前記固定子電圧から引き去った値を積分処理することにより前記固定子鎖交磁束を算出し、
    　前記積分処理は、前記電源周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタを２つと、前記電源周波数の１／１０以下の周波数をカットオフ周波数とするハイパスフィルタを１つとを直列につなげたフィルタによって行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電動機監視装置。
  6. 　前記論理演算回路からの出力を表示するあるいは前記論理演算回路からの出力をもとに警報を発する出力器を備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電動機監視装置。
  7. 　前記論理演算回路は、
    　前記固定子電圧あるいは前記固定子電流から推定電源周波数を検出する電源周波数検出部と、
    　前記定格出力、前記定格回転角速度、前記推定電源周波数、前記極対数、前記定格すべりおよび前記推定トルクから推定出力を算出し、前記推定出力を前記出力値として出力する推定出力算出部とを備え、
    　前記磁束算出部は、前記固定子相抵抗に前記固定子電流を掛けたものを前記固定子電圧から引き去った値を積分処理することにより前記固定子鎖交磁束を算出し、
    　前記積分処理は、前記推定電源周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタを２つと、前記推定電源周波数の１／１０以下の周波数をカットオフ周波数とするハイパスフィルタを１つとを直列につなげたフィルタによって行うことを特徴とする請求項１または２に記載の電動機監視装置。
  8. 　電動機の固定子電圧、前記電動機の固定子電流および前記電動機の固定子相抵抗から固定子鎖交磁束を算出する磁束算出ステップと、
    　前記固定子鎖交磁束、前記固定子電流および前記電動機の極対数から全トルクを算出する全トルク算出ステップと、
    　前記電動機の定格出力および前記電動機の定格効率から全損失を算出し、前記固定子相抵抗および前記電動機の定格三相電流実効値から一次銅損を算出し、前記電動機の定格すべりおよび前記定格出力から二次銅損を算出し、前記全損失、前記一次銅損、前記二次銅損および前記電動機の定格回転角速度から無負荷損トルクを算出する無負荷損トルク算出ステップと、
    　前記全トルクおよび前記無負荷損トルクから推定トルクを算出する推定トルク算出ステップとを含む電動機監視方法。
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