(57)【要約】  電気車に具備される機器を冷却するための送風機を監視する電気車の監視装置は、送風機のモータに流れるモータ電流の瞬時値をｄ軸電流成分とｑ軸電流成分とに分離するｄｑ成分分離部（５０７）、ｑ軸電流成分の瞬時値から、モータの回転角を機械角で表したときの回転周波数成分である機械角回転周波数成分を抽出する機械角回転周波数成分抽出部（５０８）、及び機械角回転周波数成分の大きさに基づいて、送風機の異常の有無を判定する異常判定部（５０４Ｃ）を備える。
2019008682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車に具備される機器を冷却するための送風機を監視する電気車の監視装置であって、
前記送風機のモータの回転状態を表す状態情報に含まれる複数の周波数成分から、前記モータの回転角を機械角で表したときの回転周波数成分である機械角回転周波数成分を抽出する抽出部と、
前記機械角回転周波数成分の大きさに基づいて、前記送風機の異常の有無を判定する異常判定部と、
を備えたことを特徴とする電気車の監視装置。
【請求項２】
前記状態情報は、前記送風機のモータに流れるモータ電流であり、
前記モータ電流の瞬時値をｄ軸電流成分とｑ軸電流成分とに分離するｄｑ成分分離部を備え、
前記抽出部は、前記ｑ軸電流成分の瞬時値から、前記機械角回転周波数成分を抽出する
ことを特徴とする請求項１に記載の電気車の監視装置。
【請求項３】
前記状態情報は、前記送風機のモータに流れるモータ電流の瞬時値と、前記送風機のモータに印加されるモータ電圧の瞬時値との積で表されるモータ瞬時電力であり、
前記抽出部は、前記モータ電流の瞬時値と、前記モータ電圧の瞬時値とを乗算して前記モータ瞬時電力を求め、前記モータ瞬時電力に含まれる周波数成分から、前記機械角回転周波数成分を抽出する
ことを特徴とする請求項１に記載の電気車の監視装置。
【請求項４】
前記状態情報は、前記送風機のモータの機械的振動であり、
前記抽出部は、前記機械的振動を検出する振動センサが出力する振動信号に含まれる複数の周波数成分から、前記機械角回転周波数成分を抽出する
ことを特徴とする請求項１に記載の電気車の監視装置。
【請求項５】
前記抽出部は、バンドパスフィルタ処理を行うバンドパス処理部を備え、前記バンドパス処理部は、前記機械角回転周波数成分を抽出する
ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電気車の監視装置。
【請求項６】
前記モータは、誘導モータであり
電源周波数から、前記モータを定格負荷条件で運転したときのすべり周波数、又は、前記誘導モータの定格すべり周波数の何れかを減算した周波数を前記誘導モータの極対数で除した値が、前記バンドパス処理部の中心周波数に設定されていることを特徴とする請求項５に記載の電気車の監視装置。
【請求項７】
前記抽出部は、前記モータ電流、又は前記モータ瞬時電力、又は前記機械的振動の前記機械角回転周波数成分をフーリエ級数抽出演算により抽出する
ことを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の電気車の監視装置。
【請求項８】
前記モータは、誘導モータであり
電源周波数から、前記モータを定格負荷条件で運転したときのすべり周波数、又は、前記誘導モータの定格すべり周波数の何れかを減算した周波数を前記誘導モータの極対数で除した値を規定周波数としてフーリエ級数抽出演算を行うことを特徴とする請求項７に記載の電気車の監視装置。
【請求項９】
前記異常判定部は、前記抽出部が抽出した機械角回転周波数成分が、予め設定された閾値を超えた場合に、前記送風機を異常と判定することを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の電気車の監視装置。
【請求項１０】
前記異常判定部は、前記抽出部が抽出した機械角回転周波数成分を積分し、積分した積分値が、予め設定された閾値を超えた場合に、前記送風機を異常と判定することを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の電気車の監視装置。
【請求項１１】
前記異常判定部は、前記送風機の異常を判定した場合に、異常判定日時を記録する、又は、表示器に表示することを特徴とする請求項９又は１０に記載の電気車の監視装置。
【請求項１２】
前記異常判定部は、前記送風機に電力を供給する主変圧器補助巻線の出力電圧の異常検出情報を受領し、前記異常検出情報が異常から正常に変化したとしても、予め設定された期間は、前記送風機の異常判定を保留することを特徴とする請求項９又は１０に記載の電気車の監視装置。
【請求項１３】
前記異常判定部は、前記送風機に電力を供給する補助電源装置の出力電圧の異常検出情報を受領し、前記異常検出情報が異常から正常に変化したとしても、予め設定された期間は、前記送風機の異常判定を保留することを特徴とする請求項９又は１０に記載の電気車の監視装置。
【請求項１４】
前記異常判定部は、前記送風機に電力を供給する接触器から、前記接触器の投入情報を受領し、前記投入情報が非投入から投入に変化したとしても、予め設定された期間は、前記送風機の異常判定を保留することを特徴とする請求項９又は１０に記載の電気車の監視装置。
【請求項１５】
前記機器は、電気車駆動用モータ、電気車駆動用主変圧器、及び前記電気車駆動用モータを制御する電力変換器のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１から１４の何れか１項に記載の電気車の監視装置。
【請求項１６】
電気車に具備される機器を冷却するための送風機を監視する監視装置と、前記監視装置の監視情報を含む車両情報を表示する車両情報表示装置と、を備えた電気車の監視システムであって、
前記監視装置は、
前記送風機のモータに流れるモータ電流の瞬時値をｄ軸電流成分とｑ軸電流成分とに分離するｄｑ成分分離部と、
前記ｑ軸電流成分の瞬時値から、前記モータの回転角を機械角で表したときの回転周波数成分である機械角回転周波数成分を抽出する抽出部と、を備え、
前記車両情報表示装置は、前記監視装置から前記機械角回転周波数成分の情報を受領し、受領した前記機械角回転周波数成分の大きさに基づいて、前記送風機の異常の有無を判定する異常判定部を備えた
ことを特徴とする電気車の監視システム。
【請求項１７】
電気車に具備される機器を冷却するための送風機を監視する監視装置と、前記監視装置の監視情報を含む車両情報を表示する車両情報表示装置と、を備えた電気車の監視システムであって、
前記監視装置は、
前記送風機のモータに流れるモータ電流の瞬時値と、前記送風機のモータに印加されるモータ電圧の瞬時値とを乗算してモータ瞬時電力を求め、前記モータ瞬時電力に含まれる周波数成分から、前記モータの回転角を機械角で表したときの回転周波数成分である機械角回転周波数成分を抽出する抽出部を備え、
前記車両情報表示装置は、前記監視装置から前記機械角回転周波数成分の情報を受領し、受領した前記機械角回転周波数成分の大きさに基づいて、前記送風機の異常の有無を判定する異常判定部を備えた
ことを特徴とする電気車の監視システム。
【請求項１８】
電気車に具備される機器を冷却するための送風機を監視する監視装置と、前記監視装置の監視情報を含む車両情報を表示する車両情報表示装置と、を備えた電気車の監視システムであって、
前記送風機のモータには、前記モータの機械的振動を検出する振動センサが設けられ、
前記監視装置は、
前記振動センサが出力する振動信号に含まれる周波数成分から、前記モータの回転角を機械角で表したときの回転周波数成分である機械角回転周波数成分を抽出する抽出部を備え、
前記車両情報表示装置は、前記監視装置から前記機械角回転周波数成分の情報を受領し、受領した前記機械角回転周波数成分の大きさに基づいて、前記送風機の異常の有無を判定する異常判定部を備えた
ことを特徴とする電気車の監視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車に搭載される機器を冷却するための送風機を監視する電気車の監視装置及び監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気車には、冷却が必要とされる各種の機器が搭載されている。各種の機器の例は、電気車駆動用モータ、電気車駆動用主変圧器、電気車駆動用モータを制御する電力変換器である。当該機器には、冷却用の送風機が設置されることが多い。【０００３】
下記特許文献１には、送風機のモータに流れるモータ電流を検出する手段と、送風機のモータに印加されるモータ印加電圧を検出する手段と、モータ電流とモータ印加電圧との積である電力量を検出する手段と、電力量の情報を基に、送風機のモータの逆回転及び送風機の風量低下を検出する異常検出手段とを備えた電気車の監視装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１９７６５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電気車において、電力変換器を冷却する送風機、及び電気車駆動用モータを冷却する送風機は、車両の床下に設置される。当該送風機を監視する場合、車両基地において、保守員が目視確認及び異音確認を行うのが一般的なやり方である。送風機に異常の可能性がある場合、保守員は、当該車両基地において動作確認を行い、異常か否かを確認する。このため、送風機の監視は、コストのかかる点検作業であり、異常の有無の判定に時間を要する作業であった。なお、ここで言う異常には、送風機のモータの目詰まりによる回転不良、及び埃の偏在による異音が含まれる。【０００６】
上記特許文献１に記載の監視装置の場合、送風機の異常判定を、電気車の運用中に行うことができるという利点がある。しかしながら、特許文献１の手法は、単に電力量という情報を用いての異常判定である。このため、送風機の性能に関する劣化は検出できても、送風機の異常を精度よく検出することは困難であった。【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、送風機の異常を精度よく検出することができる電気車の監視装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電気車に具備される機器を冷却するための送風機を監視する電気車の監視装置である。電気車の監視装置は、前記送風機のモータの回転状態を表す状態情報に含まれる複数の周波数成分から、モータの回転角を機械角で表したときの回転周波数成分である機械角回転周波数成分を抽出する抽出部、及び機械角回転周波数成分の大きさに基づいて、送風機の異常の有無を判定する異常判定部を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る電気車の監視装置によれば、送風機の異常を精度よく検出することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係る電気車の監視システムの説明に供する電気車の構成を示す図
【図２】電気車に電力を供給する電力設備の説明に供する図
【図３】図１に示した演算部の詳細構成を示すブロック図
【図４】図３に示した異常判定部の機能構成を示すブロック図
【図５】モータ瞬時電力を周波数解析したときに現れる周波数成分の概略の様子を示す図
【図６】図３に示した機械角回転周波数成分抽出部の構成例を示すブロック図
【図７】図３に示した機械角回転周波数成分抽出部のフィルタ特性を示す図
【図８】機械角回転周波数成分抽出部の図６とは異なる構成例を示すブロック図
【図９】実施の形態２に係る電気車の監視装置の説明に供する図
【図１０】実施の形態２における演算部の機能を実現するためのハードウェア構成の一例を示すブロック図
【図１１】実施の形態２における演算部の機能を実現するための図１０とは異なるハードウェア構成の一例を示すブロック図
【図１２】実施の形態３における電力設備の説明に供する図
【図１３】実施の形態３における図１２とは異なる電力設備の説明に供する図
【図１４】実施の形態３に係る電気車の監視システムの説明に供する図
【図１５】動作電源が三相電源であるときのモータ瞬時電力を周波数解析したときに現れる周波数成分の概略の様子を示す図
【図１６】実施の形態４に係る電気車の監視システムの説明に供する図
【図１７】実施の形態５に係る電気車の監視システムの説明に供する電気車の構成を示す図
【図１８】実施の形態５に係る電気車の監視システムの構成を示すブロック図
【図１９】図１８に示した機械角回転周波数成分抽出部の構成例を示すブロック図
【図２０】振動センサから取得したモータ振動情報を周波数解析したときに現れる周波数成分の概略の様子を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電気車の監視装置及び監視システムについて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。また、以下では、構成要素間の電気的な接続を単に「接続」と称して説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電気車の監視システムの説明に供する電気車１００の構成を示す図である。図２は、電気車１００に電力を供給する電力設備の説明に供する図である。
【００１３】
図１において、電気車１００は、車両駆動用電力変換器１と、車両情報表示装置３とを備える。車両情報表示装置３は、車両情報の表示機能を有する装置である。車両情報表示装置３の一例は、車両情報管理装置である。車両情報管理装置は、車両情報を管理する装置の一般的な名称である。車両情報には、電気車１００に対する力行指令、ブレーキ指令及び速度指令といった制御指令に関する情報、並びに、車両速度、モータ電流、モータ印加電圧及びモータ瞬時電力といった状態情報が含まれる。モータ瞬時電力は、モータ電流の瞬時値とモータ印加電圧の瞬時値との積である。モータ電流、モータ印加電圧及びモータ瞬時電力は、送風機のモータの回転状態を表す状態情報である。後述の実施の形態で説明する、モータの機械的振動の情報も送風機のモータの回転状態を表す状態情報である。車両情報表示装置３の他の例は、運転台表示装置である。運転台表示装置は、電気車の指令車に搭載され、乗務員が車両情報及び運行情報を確認できるように構成された装置である。
【００１４】
図２において、電気車１００は、車両駆動用主変圧器６３と、車両駆動装置１０とを備える。車両駆動装置１０は、車両駆動用電力変換器１と、車両駆動用モータ１０１とを有する。図２に示す車両駆動用電力変換器１は、図１に示した車両駆動用電力変換器１である。車両駆動用主変圧器６３、車両駆動用電力変換器１及び車両駆動用モータ１０１は、冷却が必要とされる機器の例である。
【００１５】
また、図２において、「ＡＣ  ２５０００Ｖ  １φ」の表記は、架線電圧が単相交流（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）の２５０００Ｖであることを意味している。以下も、これに倣って表記する。なお、他の図面の表記において、「ＤＣ」は直流（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）、「３φ」は三相を意味する。
【００１６】
車両駆動用主変圧器６３は、一次巻線６３ａ、二次巻線６３ｂ及び三次巻線６３ｃを有する。一次巻線６３ａ、二次巻線６３ｂ及び三次巻線６３ｃは、それぞれが磁気的に結合している。二次巻線６３ｂ及び三次巻線６３ｃは、車両駆動用主変圧器６３の補助巻線であり、「主変圧器補助巻線」と呼ばれる。
【００１７】
一次巻線６３ａの一端は集電装置６２に接続され、一次巻線６３ａの他端は車輪６４に接続される。一次巻線６３ａには、集電装置６２を介して、架線６１の電圧が印加される。架線６１の電圧を、適宜「架線電圧」と呼ぶ。前述の通り、架線電圧は、単相交流の２５０００Ｖである。
【００１８】
一次巻線６３ａの両端には、電圧検出器６５が接続されている。電圧検出器６５は、架線電圧を検出する。電圧検出器６５が検出する架線電圧の情報は、図１に示した車両情報表示装置３に伝達される。架線電圧の情報も、車両情報の一つである。
【００１９】
二次巻線６３ｂは、車両駆動装置１０に接続される。二次巻線６３ｂには、単相交流の１５００Ｖが生成される。二次巻線６３ｂが生成した電圧は、車両駆動装置１０に印加される。
【００２０】
三次巻線６３ｃには、電力配線４が接続されている。三次巻線６３ｃには、単相交流の４００Ｖが生成される。三次巻線６３ｃが生成した電圧は、電力配線４に印加される。三次巻線６３ｃの両端には、電圧検出器６６が接続されている。電圧検出器６６は、三次巻線６３ｃが生成した電圧を検出する。
【００２１】
図１に戻り、電気車１００には、電力配線４が敷設されている。また、電気車１００には、第１のモータ５ａ、第２のモータ５ｂ、第３のモータ５ｃ及び第４のモータ５ｄ、並びに送風機８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄが設けられている。第１のモータ５ａ、第２のモータ５ｂ、第３のモータ５ｃ及び第４のモータ５ｄは、電力配線４に接続されている。第１のモータ５ａは、車両駆動用主変圧器６３を冷却する送風機８ａを駆動するモータである。第２のモータ５ｂは、車両駆動用モータ１０１を冷却する送風機８ｂを駆動するモータである。第３のモータ５ｃは、車両駆動用電力変換器１を冷却する送風機８ｃを駆動するモータである。第４のモータ５ｄは、車両駆動用モータ１０１を冷却する送風機８ｄを駆動するモータである。一般的な電気車では、１車両に２台の車両駆動用モータがある。図１では、この構成に対応させ、２台の送風機８ｂ，８ｄ、並びに当該２台の送風機８ｂ，８ｄのそれぞれを駆動する第２のモータ５ｂ及び第４のモータ５ｄを示している。
【００２２】
車両駆動用電力変換器１は、演算部２を有する。演算部２は、車両駆動用モータ１０１の制御に必要な各種の演算処理を行う。各種の演算処理には、車両駆動用モータ１０１に印加する電圧を演算する処理、車両駆動用モータ１０１に流すトルク電流及び励磁電流を演算する処理、車両駆動用モータ１０１の起動及び停止に関する処理、並びに車両駆動用モータ１０１の動作情報を車両情報表示装置３に伝達する処理が含まれる。
【００２３】
電力配線４には、電圧検出器７が配置されている。電圧検出器７は、電力配線４に印加される電圧を検出する。電力配線４に印加される電圧は、第１のモータ５ａ、第２のモータ５ｂ、第３のモータ５ｃ及び第４のモータ５ｄへの印加電圧に相当する。第１のモータ５ａ、第２のモータ５ｂ、第３のモータ５ｃ及び第４のモータ５ｄへの印加電圧を、適宜「モータ印加電圧」と呼ぶ。電圧検出器７が検出したモータ印加電圧は、演算部２に伝達される。
【００２４】
電力配線４において、電力配線４と第１のモータ５ａとを繋ぐ電気配線には、電流検出器６ａが配されている。電流検出器６ａは、第１のモータ５ａに流れる電流を検出する。同様に、電力配線４と第２のモータ５ｂとを繋ぐ電気配線には、電流検出器６ｂが配されている。電流検出器６ｂは、第２のモータ５ｂに流れる電流を検出する。同様に、電力配線４と第３のモータ５ｃとを繋ぐ電気配線には、電流検出器６ｃが配されている。電流検出器６ｃは、第３のモータ５ｃに流れる電流を検出する。同様に、電力配線４と第４のモータ５ｄとを繋ぐ電気配線には、電流検出器６ｄが配されている。電流検出器６ｄは、第４のモータ５ｄに流れる電流を検出する。
【００２５】
第１のモータ５ａ、第２のモータ５ｂ、第３のモータ５ｃ及び第４のモータ５ｄのそれぞれに流れる電流を、適宜「モータ電流」と呼ぶ。電流検出器６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄのそれぞれが検出したモータ電流は、演算部２に伝達される。
【００２６】
演算部２は、第１の演算部２０ａ、第２の演算部２０ｂ、第３の演算部２０ｃ及び第４の演算部２０ｄを有する。なお、第１の演算部２０ａ、第２の演算部２０ｂ、第３の演算部２０ｃ及び第４の演算部２０ｄの区分は便宜的なものである。各演算部は、個別部分を個々が有して構成されていてもよいし、共通部分を共有して構成されていてもよい。
【００２７】
第１の演算部２０ａには、電圧検出器７が検出したモータ印加電圧と、電流検出器６ａが検出したモータ電流とが入力される。第２の演算部２０ｂには、電圧検出器７が検出したモータ印加電圧と、電流検出器６ｂが検出したモータ電流とが入力される。第３の演算部２０ｃには、電圧検出器７が検出したモータ印加電圧と、電流検出器６ｃが検出したモータ電流とが入力される。第４の演算部２０ｄには、電圧検出器７が検出したモータ印加電圧と、電流検出器６ｄが検出したモータ電流とが入力される。
【００２８】
第１の演算部２０ａ、第２の演算部２０ｂ、第３の演算部２０ｃ及び第４の演算部２０ｄのそれぞれは、入力されたモータ印加電圧の情報と、モータ電流の情報とを基に、後述する演算を行う。第１の演算部２０ａ、第２の演算部２０ｂ、第３の演算部２０ｃ及び第４の演算部２０ｄの演算結果は、車両情報表示装置３に伝達される。
【００２９】
図３は、図１に示した演算部２の詳細構成を示すブロック図である。図３において、演算部２０は、図１に示した第１の演算部２０ａ、第２の演算部２０ｂ、第３の演算部２０ｃ及び第４の演算部２０ｄのうちの一つの演算部を表している。
【００３０】
演算部２０は、アナログディジタル（Ａｎａｌｏｇｕｅ  Ｄｉｇｉｔａｌ：以下「ＡＤ」と表記）変換器２０１、ＡＤ変換器２０２、乗算器２０３、ローパスフィルタ２０４、電源周波数２倍成分抽出部２０５、無効電力演算部２０６、機械角回転周波数成分抽出部５０１、乗算器５０２及び架線電圧異常検出部５０３を備える。また、車両情報表示装置３は、異常判定部５０４を備える。なお、「機械角回転周波数成分抽出部」を単に「抽出部」と呼ぶ場合がある。また、単に「抽出部」と呼称した場合には、「機械角回転周波数成分抽出部」を指すものとする。
【００３１】
図３に示す演算部２０の構成要素のうち、ＡＤ変換器２０１、ＡＤ変換器２０２、乗算器２０３、ローパスフィルタ２０４、電源周波数２倍成分抽出部２０５及び無効電力演算部２０６は、車両駆動用モータ１０１の制御に必要な演算処理を行う構成要素である。一方、機械角回転周波数成分抽出部５０１、乗算器５０２及び架線電圧異常検出部５０３は、実施の形態１に係る監視システムの機能を実現するために追加された構成要素である。すなわち、演算部２０に追加された機械角回転周波数成分抽出部５０１、乗算器５０２及び架線電圧異常検出部５０３と、車両情報表示装置３に追加された異常判定部５０４とによって、実施の形態１に係る電気車の監視システム５０が構成される。
【００３２】
電気車の監視システム５０は、第１のモータ５ａ、第２のモータ５ｂ、第３のモータ５ｃ及び第４のモータ５ｄの動作を監視するシステムである。電気車の監視システム５０は、第１のモータ５ａ、第２のモータ５ｂ、第３のモータ５ｃ及び第４のモータ５ｄの動作を監視することで、これらのモータを搭載する個々の送風機を監視する。
【００３３】
演算部２０には、モータ印加電圧及びモータ電流が入力される。車両情報表示装置３には、演算部２０を介して接触器投入情報が入力される。なお、接触器投入情報は、演算部２０を介さずに、車両情報表示装置３に入力される構成でもよい。
【００３４】
演算部２０は、従来から、有効電力、皮相電力及び無効電力の情報を生成する機能を有している。図３の制御系は、当該機能を利用するように構成されている。演算部２０で生成された有効電力、皮相電力及び無効電力の情報は、車両情報表示装置３に伝達される。
【００３５】
次に、演算部２０の機能について説明する。モータ印加電圧は、ＡＤ変換器２０１でディジタル値に変換され、乗算器２０３に入力される。モータ電流は、ＡＤ変換器２０２でディジタル値に変換され、乗算器２０３に入力される。乗算器２０３では、モータ印加電圧とモータ電流とが乗算されて瞬時電力が生成される。
【００３６】
図示のように、有効電力は、瞬時電力をローパスフィルタ２０４に通すことにより生成される。皮相電力は、瞬時電力を電源周波数２倍成分抽出部２０５に通すことにより生成される。無効電力は、有効電力及び皮相電力を無効電力演算部２０６に通すことにより生成される。これら、ローパスフィルタ２０４、電源周波数２倍成分抽出部２０５、及び無効電力演算部２０６の各機能は、公知の技術を用いて実現することができる。このため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００３７】
機械角回転周波数成分抽出部５０１は、乗算器２０３で生成された瞬時電力を使用し、モータの回転角を機械角で表したときの回転周波数成分である機械角回転周波数成分を抽出する。機械角は、モータの回転軸周りの回転角に相当する角度である。機械角の対語に電気角がある。電気角は、交流入力電圧の１周期分の変化を３６０°として回転角度を表した角度である。周波数を電気角で表した電気角周波数と、機械角回転周波数との間には、次式の関係がある。
【００３８】
電気角周波数＝極対数×機械角周波数
【００３９】
機械角回転周波数成分抽出部５０１で抽出された機械角回転周波数成分は、異常判定部５０４に入力される。
【００４０】
乗算器５０２では、モータ印加電圧に換算係数が乗算されて架線電圧が生成される。架線電圧異常検出部５０３は、乗算器５０２で生成された架線電圧の情報を基に、架線電圧の異常を検出する。架線電圧が異常であるか否かの検出結果である架線電圧異常検出情報は、異常判定部５０４に入力される。なお、図３では、モータ印加電圧の情報を用いて架線電圧を演算しているが、この構成に限定されない。車両情報表示装置３が架線電圧の情報を保持していれば、車両情報表示装置３から受領することができる。また、車両情報表示装置３が架線電圧の情報を保持している場合、架線電圧異常検出部５０３を車両情報表示装置３に構成してもよい。
【００４１】
次に、異常判定部５０４の動作について説明する。図４は、図３に示した異常判定部５０４の機能構成を示すブロック図である。
【００４２】
異常判定部５０４は、図４に示すように、閾値判定部５０４ａ、第１の延長処理部である電源異常検出期間延長処理部５０４ｂ、第２の延長処理部である接触器非投入期間延長処理部５０４ｃ、論理積回路５０４ｄ及び異常判定累積処理部５０４ｅを備える。
【００４３】
閾値判定部５０４ａは、機械角回転周波数成分と予め設定された閾値とを比較する。機械角回転周波数成分が閾値を超えている場合、閾値判定部５０４ａは、論理“１”を出力する。機械角回転周波数成分が閾値以下の場合、閾値判定部５０４ａは、論理“０”を出力する。閾値判定部５０４ａの判定結果は、論理積回路５０４ｄに入力される。
【００４４】
電源異常検出期間延長処理部５０４ｂは、架線電圧異常検出情報が異常から正常に変化したとしても、予め設定された第１の期間、送風機電源が異常である旨の信号である論理“０”を出力し続ける。第１の期間は、送風機の回転が安定し、機械角回転周波数成分の抽出処理が安定するまでの期間である。論理“１”を出力すべき期間に、論理“０”を出力し続けるので、等価的に電源異常検出期間が延長される処理となる。架線の種類にもよるが、第１の期間は５秒から１０秒程度に設定される。第１の期間では、論理“０”の出力が継続して、論理積回路５０４ｄに出力されるので、論理積回路５０４ｄでの異常判定は保留される。
【００４５】
一方、第１の期間の経過後は、架線電圧異常検出情報が正常を示していれば、電源異常検出期間延長処理部５０４ｂは、論理“１”を出力する。電源異常検出期間延長処理部５０４ｂの処理結果は、論理積回路５０４ｄに入力される。
【００４６】
接触器非投入期間延長処理部５０４ｃは、接触器投入情報が非投入から投入に変化したとしても、予め設定された第２の期間、送風機電源が異常である旨の信号である論理“０”を出力し続ける。第２の期間は、送風機の回転が安定し、機械角回転周波数成分の抽出処理が安定するまでの期間である。論理“１”を出力すべき期間に、論理“０”を出力し続けるので、等価的に接触器非投入期間が延長される処理となる。接触器の種類にもよるが、第２の期間は、５秒から１０秒程度に設定される。第２の期間では、論理“０”の出力が継続して、論理積回路５０４ｄに出力されるので、論理積回路５０４ｄでの異常判定は保留される。
【００４７】
一方、第２の期間の経過後は、接触器投入情報が投入状態を示していれば、接触器非投入期間延長処理部５０４ｃは、論理“１”を出力する。接触器非投入期間延長処理部５０４ｃの処理結果は、論理積回路５０４ｄに入力される。
【００４８】
論理積回路５０４ｄは、３つの入力のうちの全てが論理“１”の場合のみ、論理“１”を出力する。一方、３つの入力のうちの少なくとも一つが論理“０”の場合、論理積回路５０４ｄは、論理“０”を出力する。論理積回路５０４ｄの演算結果は、異常判定累積処理部５０４ｅに入力される。
【００４９】
論理積回路５０４ｄの出力が論理“１”である場合、判定対象の送風機に異常の可能性があることを示している。但し、論理積回路５０４ｄの出力が論理“１”であるとの情報のみで、異常と判定すると、誤警報の可能性が高くなる。そこで、異常判定累積処理部５０４ｅが設けられている。
【００５０】
異常判定累積処理部５０４ｅは、論理積回路５０４ｄの出力を蓄積し、蓄積した結果を基に、送風機の異常判定を行う。論理積回路５０４ｄの出力を複数用いるのであれば、どのような手法を用いてもよい。例えば、異常判定累積処理部５０４ｅは、論理積回路５０４ｄの出力を一定の間隔で積分した積分値が閾値を超えた場合に、異常と判定することができる。一定の間隔の一例は、１分である。或いは、一定期間中に、論理“１”であるとの出力の回数が閾値を超えた場合に、異常と判定してもよい。或いは、一定期間中において、論理“１”であるとの出力の回数の、他の送風機のモータにおける論理“１”であるとの出力回数に対する比率が閾値を超えた場合に、異常と判定してもよい。一定期間の一例は、５分である。また、これらの手法に替えて、統計学的な手法を用いてもよい。
【００５１】
なお、送風機の保守点検、修理又は交換によって、異常部位が除去されたときには、リセット処理をかける。リセット処理によって、異常判定累積処理部５０４ｅの判定結果はクリアされる。
【００５２】
次に、機械角回転周波数成分抽出部５０１の処理の詳細について、図５から図７の図面を参照して説明する。図５は、モータ瞬時電力を周波数解析したときに現れる周波数成分の概略の様子を示す図である。図６は、図３に示した機械角回転周波数成分抽出部５０１の構成例を示すブロック図である。図７は、図３に示した機械角回転周波数成分抽出部５０１のフィルタ特性を示す図である。
【００５３】
送風機のモータに供給される瞬時電力を周波数解析すると、図５に示すように、直流成分ｆ０と、機械角回転周波数成分ｆｍと、電源周波数の２倍周波数成分ｆ２ｅとが現れる。直流成分ｆ０は、有効電力の経年変化を表す成分の一つである。
【００５４】
機械角回転周波数成分ｆｍは、機械的な異常を表す成分の一つである。送風機のモータの軸受けに異常が起こった場合に機械角回転周波数成分ｆｍが大きくなる。送風機の羽根の部分に蓄積される埃が偏在した場合にも、機械角回転周波数成分ｆｍが大きくなる。埃が偏在すると送風機のモータの円滑な回転が阻害され、送風機のモータの回転音が大きくなる場合がある。このため、機械角回転周波数成分ｆｍを用いることにより、送風機のモータの異常を検出することが可能となる。
【００５５】
電源周波数の２倍周波数成分ｆ２ｅは、動作電源が単相電源である実施の形態１においては、正常運転時にも存在する周波数成分である。電源周波数が５０Ｈｚの場合、電源周波数の２倍周波数成分ｆ２ｅは、１００Ｈｚである。
【００５６】
図６に示すように、機械角回転周波数成分抽出部５０１は、バンドパス処理部５０１ａを有する。バンドパス処理部５０１ａは、バンドパスフィルタ処理を行う。図７には、送風機のモータが誘導モータであるときのバンドパス処理部５０１ａのフィルタ特性が示されている。図７において、周波数（Ａ）は、次式で表される。
【００５７】
周波数（Ａ）＝電源周波数／極対数      …（１）
【００５８】
また、図７において、周波数（Ｂ）は、バンドパス処理部５０１ａの中心周波数である。周波数（Ｂ）は、次式で表される。
【００５９】
周波数（Ｂ）＝（電源周波数−定格すべり周波数）／極対数  …（２）
【００６０】
上記（２）式において、定格すべり周波数は、定格トルクで運転したときのすべり周波数である。すべり値が０のとき、すべり周波数は電源周波数に等しくなる。なお、定格すべり周波数に代えて、定格負荷条件で運転したときのすべり周波数を用いてもよい。定格負荷条件とは、算定の基準となる特定の運転条件である。定格負荷条件は、定格電流及び定格電圧によって規定されることが多い。また、事前に装置を運転した条件で計測しておいたすべり周波数値を用いてもよい。
【００６１】
極対数が２の誘導モータを使用する場合、電源周波数を５０Ｈｚ、定格すべり周波数を２Ｈｚとすると、周波数（Ｂ）は、（５０−２）／２＝２４Ｈｚであり、周波数（Ａ）は、５０／２＝２５Ｈｚとなる。周波数（Ａ）と周波数（Ｂ）との差は１Ｈｚである。また、周波数（Ｂ）と周波数（Ａ）との利得差は、１０ｄＢ以下である。このように、図７に示すフィルタ特性が急峻な特性であることが分かる。このような、急峻なフィルタ特性を使用することにより、送風機のモータの異常を精度よく検出することが可能となる。
【００６２】
なお、上記では、送風機のモータが誘導モータである場合を説明したが、実施の形態１の手法は、同期モータにも適用可能である。同期モータの場合には、バンドパス処理部５０１ａの中心周波数を、上記（１）で計算される周波数（Ａ）に設定すればよい。
【００６３】
図８は、機械角回転周波数成分抽出部５０１の図６とは異なる構成例を示すブロック図である。機械角回転周波数成分抽出部５０１は、フーリエ級数抽出処理部５０２ａを有する。フーリエ級数抽出処理部５０２ａは、入力される瞬時電力Ｐｍをフーリエ級数で表し、以下の（３）式から（５）式を用いて機械角回転周波数成分を抽出する。
【００６４】
【数１】
2019008682.tif 000003
【００６５】
【数２】
2019008682.tif 000004
【００６６】
【数３】
2019008682.tif 000005
【００６７】
上記（３）式、及び（４）式において、ｆｍは上記（１）式で計算される機械角周波数であり、Ｔｍは機械角周波数ｆｍの逆数であり、ｔｓは計算の開始時刻である。フーリエ級数抽出処理部５０２ａでは、モータを定格負荷条件で運転したときのすべり周波数、又は、誘導モータの定格すべり周波数の何れかを減算した周波数を誘導モータの極対数で除した値を規定周波数とするフーリエ級数抽出演算が行われる。フーリエ級数抽出処理部５０２ａの出力であるＣｍは、（３）式で求めたＡｍの二乗値と、（４）式で求めたＢｍの二乗値とを加算することで求めることができる。
【００６８】
フーリエ級数の厳密な定義によれば、周波数スペクトルの絶対値は、正弦関数の成分の二乗値と、余弦関数の成分の二乗値との和の平方根を演算することで求められる。一方、本演算処理では、上記（５）式に示されるように、平方根の演算が省略される。すなわち、本演算処理では、フーリエ級数演算の二乗値換算値Ｃｍを演算して、機械角回転周波数成分とする。二乗値換算値Ｃｍを使用する場合、判定閾値を二乗値換算値Ｃｍに対応する値に変更することで、図４に示す処理を適用することができる。本演算処理を用いれば、機械角回転周波数成分抽出部５０１における演算量を抑制できるので、車両情報表示装置３の処理負荷の増加を抑制することができる。
【００６９】
実施の形態１に係る電気車の監視システム５０によれば、送風機のモータの回転状態を表す状態情報に含まれる複数の周波数成分から、モータの回転角を機械角で表したときの回転周波数成分である機械角回転周波数成分ｆｍを抽出し、抽出した機械角回転周波数成分ｆｍの大きさに基づいて、送風機の異常の有無を判定するので、送風機のモータの異常を精度よく検出することが可能となる。
【００７０】
実施の形態２．
図９は、実施の形態２に係る電気車の監視装置５０Ａの説明に供する図である。実施の形態１では、送風機の異常判定を行う異常判定部５０４は、車両情報表示装置３に設けられていた。これに対し、実施の形態２では、送風機の異常判定を行う異常判定部５０４を演算部２０Ａに備える構成としている。
【００７１】
図９において、演算部２０Ａに設けられた機械角回転周波数成分抽出部５０１、乗算器５０２、架線電圧異常検出部５０３、及び異常判定部５０４によって、実施の形態２に係る電気車の監視装置５０Ａが構成される。なお、実施の形態１と同一又は同等の構成部には、同一の符号を付して示すと共に、重複する説明は省略する。
【００７２】
図１０は、演算部２０Ａの機能を実現するためのハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図１１は、演算部２０Ａの機能を実現するための図１０とは異なるハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
【００７３】
演算部２０Ａの機能を実現する場合には、図１０に示すように、演算を行うプロセッサ６００、プロセッサ６００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ６０２、信号の入出力を行うインタフェース６０４及びプロセッサ６００の処理結果を表示するための表示器６０５を含む構成とすることができる。
【００７４】
プロセッサ６００は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）といったものであってもよい。また、メモリ６０２には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ＥＰＲＯＭ）などの、不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）を例示することができる。
【００７５】
メモリ６０２には、異常判定部５０４の機能を実行するプログラムが格納されている。プロセッサ６００は、インタフェース６０４を介して必要な情報を授受し、メモリ６０２に格納されたプログラムをプロセッサ６００が実行することにより、上述した演算処理を行うことができる。プロセッサ６００による演算結果は、表示器６０５に表示することができる。また、プロセッサ６００による演算結果は、メモリ６０２に記憶することができる。
【００７６】
なお、図１０に示すプロセッサ６００及びメモリ６０２は、図１１のように処理回路６０３に置き換えてもよい。処理回路６０３は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。
【００７７】
異常判定部５０４の結果は、車両情報表示装置３Ａに伝達される。これにより、車両情報表示装置３Ａにおいて、異常判定部５０４の判定結果を表示することができる。
【００７８】
また、図１０及び図１１のように、演算部２０Ａが表示器６０５を有している場合には、異常判定部５０４の判定結果を表示器６０５で表示することができる。また、異常判定日時をメモリ６０２に記録しておけば、後日の点検時に過去の異常記録を表示器６０５に表示させることができる。これらにより、車両駆動用電力変換器１のみで保守点検が可能となり、保守作業が容易になるという利点がある。
【００７９】
また、実施の形態２に係る電気車の監視装置５０Ａによれば、機械角回転周波数成分、架線電圧異常検出情報、及び接触器投入情報を車両情報表示装置３Ａに伝達するための配線が不要になるので、システム構築のコストを削減できるという効果を奏する。
【００８０】
実施の形態３．
実施の形態１及び実施の形態２は、送風機を動作させる電源電圧が車両駆動用主変圧器６３の三次巻線６３ｃからダイレクトに印加される実施の形態であった。これに対し、実施の形態３は、送風機を動作させる動作電力が補助電源装置から供給される実施の形態である。図１２は、実施の形態３における電力設備の説明に供する図である。図１３は、実施の形態３における図１２とは異なる電力設備の説明に供する図である。図１２は、電力設備が交流であり、図１３は、電力設備が直流である。
【００８１】
図１２において、図２に示す構成要素と同一又は同等の構成部には、同一の符号を付して示している。一次巻線６３ａに印加される電圧、二次巻線６３ｂ及び三次巻線６３ｃが生成する電圧は、実施の形態１と同一であり、ここでの説明は、省略する。
【００８２】
三次巻線６３ｃには、補助電源装置７０が接続されている。補助電源装置７０は、電気車の内部に設けられる。補助電源装置７０は、空調装置、コンプレッサ、ブレーキ装置といった車両駆動用モータ１０１以外の車両内機器に動作電力を供給する電源装置である。補助電源装置７０は、単相交流の４００Ｖを、三相交流の４００Ｖに変換している。電圧検出器６７は、補助電源装置７０が生成した電圧を検出する。
【００８３】
また、図１３において、図２に示す構成要素と同一又は同等の構成部には、同一の符号を付して示している。車両駆動装置１０Ａは、車両駆動用電力変換器１Ａと、車両駆動用モータ１０１とを備える。車両駆動用電力変換器１Ａには、直流の１５００Ｖが印加される。補助電源装置７０Ａの役割は、図１２の補助電源装置７０と同一である。補助電源装置７０Ａは、直流の１５００Ｖを、三相交流の４００Ｖに変換している。
【００８４】
図１４は、実施の形態３に係る電気車の監視システム５０Ｂの説明に供する図である。図１４において、図３に示す実施の形態１と同一又は同等の構成部には、同一の符号を付して示している。
【００８５】
図１４において、演算部２０Ｂでは、図３に示す実施の形態１における演算部２０において、機械角回転周波数成分抽出部５０１が機械角回転周波数成分抽出部５０５に置き換えられている。また、車両情報表示装置３Ｂでは、図３に示す実施の形態１における車両情報表示装置３において、異常判定部５０４が異常判定部５０４Ｂに置き換えられている。
【００８６】
実施の形態１において、機械角回転周波数成分抽出部５０１は、瞬時電力を用いて機械角回転周波数成分を求めていたが、実施の形態３における機械角回転周波数成分抽出部５０５は、有効電力を用いて機械角回転周波数成分を求めるようにしている。
【００８７】
演算部２０Ｂには、モータ印加電圧及びモータ電流が入力される。車両情報表示装置３Ｂの異常判定部５０４Ｂには、補助電源異常情報と、接触器投入情報とが入力される。
【００８８】
電圧検出器６７で検出されたモータ印加電圧は、ＡＤ変換器２０１でディジタル値に変換され、内積演算部２０７及び絶対値演算部２０８に入力される。モータ電流は、ＡＤ変換器２０２でディジタル値に変換され、内積演算部２０７及び絶対値演算部２０９に入力される。なお、実施の形態３において、送風機用モータは三相モータが一般的である。このため、モータ電圧及びモータ電流は三相である。従って、ＡＤ変換器２０１，２０２は、３チャネル又は三相交流の対称性から１チャンネルを省略した２チャンネルの変換部を有する。
【００８９】
内積演算部２０７は、モータ印加電圧とモータ電流との間で内積演算を行う。内積演算部２０７の出力は、有効電力となる。
【００９０】
絶対値演算部２０８の出力と、絶対値演算部２０９の出力とは、乗算器２１０で乗算される。乗算器２１０の出力は、皮相電力となる。
【００９１】
無効電力演算部２０６は、実施の形態１と同様に、有効電力及び皮相電力を用いて、無効電力を生成する。
【００９２】
機械角回転周波数成分抽出部５０５は、内積演算部２０７で生成された有効電力を使用し、モータの回転角を機械角で表したときの機械角回転周波数成分を抽出する。機械角回転周波数成分抽出部５０５で抽出された機械角回転周波数成分は、異常判定部５０４Ｂに入力される。
【００９３】
前述の通り、異常判定部５０４Ｂには、補助電源異常情報と、接触器投入情報とが入力される。すなわち、異常判定部５０４Ｂでは、異常判定部５０４における入力信号であった架線電圧異常検出情報が補助電源異常情報に置き換えられている。補助電源異常情報及び架線電圧異常検出情報は、共に動作電源の異常を示す情報である。このため、図４に示した異常判定部５０４の構成をそのままの形で利用することができる。
【００９４】
図１５は、動作電源が三相電源であるときのモータ瞬時電力を周波数解析したときに現れる周波数成分の概略の様子を示す図である。
【００９５】
動作電源が三相電源である場合、図１５に示すように、電源周波数の２倍周波数成分ｆ２ｅは、殆ど発生しない。このため、周波数全体でノイズレベルが下がり、機械角回転周波数成分ｆｍの振幅は、図５の場合に比して検知し易くなる。これにより、検出精度の向上が望める。
【００９６】
実施の形態３に係る電気車の監視システム５０Ｂによれば、送風機を動作させる動作電力が補助電源装置７０又は７０Ａから供給される場合であっても、実施の形態１と同様な構成でシステムを構築することができる。このため、実施の形態１と同様な効果を奏する。
【００９７】
実施の形態３に係る電気車の監視システム５０Ｂによれば、補助電源装置７０又は７０Ａが、電力設備の差異を吸収してくれるので、交流電気車又は直流電気車の区別なく、同様なシステム構成を採用できるという効果が得られる。
【００９８】
なお、実施の形態３では、異常判定部５０４Ｂを車両情報表示装置３Ｂに設ける構成としているが、実施の形態２と同様に、演算部２０Ｂに設ける構成としてもよい。異常判定部５０４Ｂを演算部２０Ｂに設けるようにすれば、電気車の監視装置を構成することができ、実施の形態２と同様な効果が得られる。
【００９９】
実施の形態４．
図１６は、実施の形態４に係る電気車の監視システム５０Ｃの説明に供する図である。実施の形態１から３では、送風機の異常判定を行うのに、モータ印加電圧及びモータ電流の情報を用いているが、実施の形態４では、送風機の異常判定を行うのに、モータ電流の情報のみを用いる点が実施の形態１から３との相違点である。
【０１００】
演算部２０Ｃには、モータ電流が入力される。車両情報表示装置３Ｃの異常判定部５０４Ｃには、補助電源異常情報と、接触器投入情報とが入力される。
【０１０１】
モータ電流は、ＡＤ変換器２０２でディジタル値に変換され、ｄｑ成分分離部５０７に入力される。
【０１０２】
ｄｑ成分分離部５０７は、モータ電流の瞬時値をｄ軸電流成分とｑ軸電流成分とに分離する。機械角回転周波数成分抽出部５０８は、ｑ軸電流成分の瞬時値から、モータの回転角を機械角で表したときの機械角回転周波数成分を抽出する。機械角回転周波数成分抽出部５０８で抽出された機械角回転周波数成分は、異常判定部５０４Ｃに入力される。異常判定部５０４Ｃの動作は、異常判定部５０４Ｂの動作と同一又は同等であり、ここでの説明は省略する。
【０１０３】
動作電源が補助電源装置である場合、補助電源装置の出力電圧は、架線電圧に比べてロバストに制御される。ロバストに制御されるとは、外乱又は環境の影響によって変化することを阻止する仕組み又は性質である。電気車に搭載される補助電源装置は、ロバスト性が高いので、出力電圧は安定的に推移することが多い。
【０１０４】
以上の理由により、動作電源が補助電源装置の場合、図１６に示す構成が可能となる。すなわち、モータ印加電圧の情報を用いずに、機械角回転周波数成分の抽出を行うことが可能となる。
【０１０５】
以上のように、実施の形態４では、モータ印加電圧の情報を用いずに異常判定を行う構成とした。これにより、システムの構成を簡素化できるので、システム構築のコストを削減できるという効果を奏する。
【０１０６】
なお、実施の形態４では、異常判定部５０４Ｃを車両情報表示装置３Ｃに設ける構成としているが、実施の形態２と同様に、異常判定部５０４Ｃを演算部２０Ｃに設ける構成としてもよい。異常判定部５０４Ｃを演算部２０Ｃに設けるようにすれば、電気車の監視装置を構成することができ、実施の形態２と同様な効果が得られる。
【０１０７】
実施の形態５．
図１７は、実施の形態５に係る電気車の監視システムの説明に供する電気車１００Ｂの構成を示す図である。なお、図１に示す実施の形態１の構成と同一又は同等の構成部には同一の符号を付して、重複する説明は、適宜省略する。
【０１０８】
図１７において、電気車１００Ｂは、車両駆動用電力変換器１Ｂと、車両情報表示装置３Ｄとを備える。電気車１００Ｂには、電力配線４が敷設されている。電力配線４には、第１のモータ５ａ、第２のモータ５ｂ、第３のモータ５ｃ及び第４のモータ５ｄが接続されている。
【０１０９】
第１のモータ５ａには、振動センサ１２ａが取り付けられている。第２のモータ５ｂには、振動センサ１２ｂが取り付けられている。第３のモータ５ｃには、振動センサ１２ｃが取り付けられている。第４のモータ５ｄには、振動センサ１２ｄが取り付けられている。各々の各振動センサは、各々のモータの機械的振動を検出するセンサである。各々の各振動センサは、振動情報を含む振動信号を出力する。
【０１１０】
車両駆動用電力変換器１Ｂは、演算部２Ｂを有する。演算部２Ｂは、第１の振動抽出演算部１１ａ、第２の振動抽出演算部１１ｂ、第３の振動抽出演算部１１ｃ及び第４の振動抽出演算部１１ｄを有する。なお、第１の振動抽出演算部１１ａ、第２の振動抽出演算部１１ｂ、第３の振動抽出演算部１１ｃ及び第４の振動抽出演算部１１ｄの区分は便宜的なものである。各演算部は、個別部分を個々が有して構成されていてもよいし、共通部分を共有して構成されていてもよい。
【０１１１】
電力配線４には、電圧検出器７が配置されている。電圧検出器７は、電力配線４に印加される電圧を検出する。電力配線４に印加される電圧は、第１のモータ５ａ、第２のモータ５ｂ、第３のモータ５ｃ及び第４のモータ５ｄへの印加電圧に相当する。電圧検出器７が検出したモータ印加電圧は、演算部２Ｂに伝達される。
【０１１２】
第１の振動抽出演算部１１ａには、電圧検出器７が検出したモータ印加電圧と、振動センサ１２ａが検出した振動情報とが入力される。第２の振動抽出演算部１１ｂには、電圧検出器７が検出したモータ印加電圧と、振動センサ１２ｂが検出した振動情報とが入力される。第３の振動抽出演算部１１ｃには、電圧検出器７が検出したモータ印加電圧と、振動センサ１２ｃが検出した振動情報とが入力される。第４の振動抽出演算部１１ｄには、電圧検出器７が検出したモータ印加電圧と、振動センサ１２ｄが検出した振動情報とが入力される。以下、各振動センサが検出した振動情報を「モータ振動情報」と呼ぶ。
【０１１３】
第１の振動抽出演算部１１ａ、第２の振動抽出演算部１１ｂ、第３の振動抽出演算部１１ｃ及び第４の振動抽出演算部１１ｄのそれぞれは、入力されたモータ印加電圧の情報と、モータ振動情報とを基に、後述する演算を行う。第１の振動抽出演算部１１ａ、第２の振動抽出演算部１１ｂ、第３の振動抽出演算部１１ｃ及び第４の振動抽出演算部１１ｄの演算結果は、車両情報表示装置３Ｄに伝達される。
【０１１４】
図１８は、実施の形態５に係る電気車の監視システム５０Ｄの構成を示すブロック図である。図１８において、振動抽出演算部１１は、図１７に示した第１の振動抽出演算部１１ａ、第２の振動抽出演算部１１ｂ、第３の振動抽出演算部１１ｃ及び第４の振動抽出演算部１１ｄのうちの一つの演算部を表している。
【０１１５】
振動抽出演算部１１は、ＡＤ変換器２１３、機械角回転周波数成分抽出部２１４、及び電圧異常検出部２１５を備える。また、車両情報表示装置３Ｄは、異常判定部５０４Ｄを備える。
【０１１６】
電気車の監視システム５０Ｄは、第１のモータ５ａ、第２のモータ５ｂ、第３のモータ５ｃ及び第４のモータ５ｄの動作を監視するシステムである。電気車の監視システム５０Ｄは、第１のモータ５ａ、第２のモータ５ｂ、第３のモータ５ｃ及び第４のモータ５ｄの動作を監視することで、これらのモータを搭載する個々の送風機を監視する。
【０１１７】
振動抽出演算部１１には、モータ振動情報及びモータ印加電圧が入力される。車両情報表示装置３Ｄには、振動抽出演算部１１を介して接触器投入情報が入力される。なお、接触器投入情報は、振動抽出演算部１１を介さずに、車両情報表示装置３Ｄに入力される構成でもよい。
【０１１８】
次に、振動抽出演算部１１の機能について説明する。モータ振動情報は、ＡＤ変換器２１３でディジタル値に変換され、機械角回転周波数成分抽出部２１４に入力される。機械角回転周波数成分抽出部２１４は、ＡＤ変換されたモータ振動情報に含まれる機械角回転周波数成分を抽出する。機械角回転周波数成分抽出部２１４で抽出された機械角回転周波数成分は、異常判定部５０４Ｄに入力される。
【０１１９】
電圧異常検出部２１５は、モータ印加電圧の情報を基に、電圧異常を検出する。モータ印加電圧が異常であるか否かの検出結果である電圧異常検出情報は、異常判定部５０４Ｄに入力される。なお、図１８では、モータ印加電圧の情報を用いて電圧異常を検出しているが、架線電圧の情報を用いて電圧異常を検出してもよい。車両情報表示装置３Ｄが架線電圧の情報を保持していれば、車両情報表示装置３Ｄから受領することができる。また、車両情報表示装置３Ｄが架線電圧の情報を保持している場合、電圧異常検出部２１５を車両情報表示装置３Ｄに構成してもよい。
【０１２０】
異常判定部５０４Ｄでは、異常判定部５０４における入力信号であった架線電圧異常検出情報が電圧異常検出情報に置き換えられている。電圧異常検出情報及び架線電圧異常検出情報は、共に動作電源の異常を示す情報である。このため、異常判定部５０４Ｄについては、図４に示した異常判定部５０４の構成をそのままの形で利用することができる。
【０１２１】
図１９は、図１８に示した機械角回転周波数成分抽出部２１４の構成例を示すブロック図である。図２０は、振動センサから取得したモータ振動情報を周波数解析したときに現れる周波数成分の概略の様子を示す図である。
【０１２２】
モータ振動情報を周波数解析すると、図２０に示すように、機械角回転周波数成分ｆｍが現れる。
【０１２３】
機械角回転周波数成分ｆｍは、機械的な異常を表す成分の一つである。送風機のモータの軸受けに異常が起こった場合に機械角回転周波数成分ｆｍが大きくなる。送風機の羽根の部分に蓄積される埃が偏在した場合にも、機械角回転周波数成分ｆｍが大きくなる。埃が偏在すると送風機の円滑な回転が阻害され、送風機の回転音が大きくなる場合がある。このため、機械角回転周波数成分ｆｍを用いることにより、送風機の異音又は故障につながる異常を検出することが可能となる。
【０１２４】
振動センサの信号を解析する場合、図２０に示すように、電源周波数の２倍周波数成分ｆ２ｅ、及び直流成分ｆ０は、殆ど発生しない。このため、周波数帯域全体でノイズレベルが下がる。その結果、機械角回転周波数成分ｆｍの振幅は、図５の場合に比して検知し易くなる。これにより、検出精度の向上が望める。
【０１２５】
また、モータ振動情報の場合、モータ印加電圧とは異なり、直流成分ｆ０も殆ど発生しない。このため、周波数全体でノイズレベルが下がり、機械角回転周波数成分ｆｍの振幅は、図１５の場合に比して検知し易くなる。これにより、検出精度の更なる向上が望める。
【０１２６】
以上のように、実施の形態５では、モータ振動情報を用いることで検出に不要な振動成分を低減できるので、送風機の異音又は故障につながる異常を精度よく検出することが可能となる。
【０１２７】
なお、実施の形態５では、異常判定部５０４Ｄを車両情報表示装置３Ｄに設ける構成としているが、実施の形態２と同様に、異常判定部５０４Ｄを振動抽出演算部１１に設ける構成としてもよい。異常判定部５０４Ｄを振動抽出演算部１１に設けるようにすれば、電気車の監視装置を構成することができ、実施の形態２と同様な効果が得られる。
【０１２８】
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【０１２９】
１，１Ａ，１Ｂ  車両駆動用電力変換器、２，２Ｂ，２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ  演算部、３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ  車両情報表示装置、４  電力配線、５ａ  第１のモータ、５ｂ  第２のモータ、５ｃ  第３のモータ、５ｄ  第４のモータ、６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ  電流検出器、７，６５，６６，６７  電圧検出器、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ  送風機、１０，１０Ａ  車両駆動装置、１１  振動抽出演算部、１１ａ  第１の振動抽出演算部、１１ｂ  第２の振動抽出演算部、１１ｃ  第３の振動抽出演算部、１１ｄ  第４の振動抽出演算部、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ  振動センサ、２０ａ  第１の演算部、２０ｂ  第２の演算部、２０ｃ  第３の演算部、２０ｄ  第４の演算部、５０，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ  監視システム、５０Ａ  監視装置、６１  架線、６２  集電装置、６３  車両駆動用主変圧器、６３ａ  一次巻線、６３ｂ  二次巻線、６３ｃ  三次巻線、６４  車輪、７０，７０Ａ  補助電源装置、１００，１００Ｂ  電気車、１０１  車両駆動用モータ、２０１，２０２，２１３  ＡＤ変換器、２０３，２１０，５０２  乗算器、２０４  ローパスフィルタ、２０５  電源周波数２倍成分抽出部、２０６  無効電力演算部、２０７  内積演算部、２０８，２０９  絶対値演算部、２１４，５０１，５０５，５０８  機械角回転周波数成分抽出部、２１５  電圧異常検出部、５０１ａ  バンドパス処理部、５０２ａ  フーリエ級数抽出処理部、５０３  架線電圧異常検出部、５０４，５０４Ｂ、５０４Ｃ，５０４Ｄ  異常判定部、５０４ａ  閾値判定部、５０４ｂ  電源異常期間延長処理部、５０４ｃ  接触器非投入期間延長処理部、５０４ｄ  論理積回路、５０４ｅ  異常判定累積処理部、５０７  ｄｑ成分分離部、６００  プロセッサ、６０２  メモリ、６０３  処理回路、６０４  インタフェース、６０５  表示器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年12月18日(2019.12.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車に具備される機器を冷却するための送風機を監視する電気車の監視装置であって、
前記電気車に搭載される補助電源装置から供給される電力によって動作する前記送風機のモータに流れるモータ電流の瞬時値をｄ軸電流成分とｑ軸電流成分とに分離するｄｑ成分分離部と、
前記ｑ軸電流成分の瞬時値から、前記モータの回転角を機械角で表したときの回転周波数成分である機械角回転周波数成分を抽出する抽出部と、
前記機械角回転周波数成分の大きさに基づいて、前記送風機の異常の有無を判定する異常判定部と、
を備えたことを特徴とする電気車の監視装置。
【請求項２】
電気車に具備される機器を冷却するための送風機を監視する電気車の監視装置であって、
前記送風機のモータに流れるモータ電流の瞬時値と、前記モータに印加されるモータ電圧の瞬時値とを乗算してモータ瞬時電力を求め、前記モータ瞬時電力に含まれる周波数成分から、前記モータの回転角を機械角で表したときの回転周波数成分である機械角回転周波数成分を抽出する抽出部と、
前記機械角回転周波数成分の大きさに基づいて、前記送風機の異常の有無を判定する異常判定部と、
を備えたことを特徴とする電気車の監視装置。
【請求項３】
電気車に具備される機器を冷却するための送風機を監視する電気車の監視装置であって、
前記送風機のモータの回転状態を表す状態情報に含まれる複数の周波数成分から、前記モータの回転角を機械角で表したときの回転周波数成分である機械角回転周波数成分を抽出する抽出部と、
前記機械角回転周波数成分の大きさに基づいて、前記送風機の異常の有無を判定する異常判定部と、を備え、
前記異常判定部は、前記送風機に電力を供給する動作電源の異常を示す情報である異常検出情報を受領し、前記異常検出情報が異常から正常に変化した場合、又は、前記送風機に電力を供給する接触器から、前記接触器の投入情報を受領し、前記投入情報が非投入から投入に変化した場合において、予め設定された期間は、前記送風機の異常判定を保留することを特徴とする電気車の監視装置。
【請求項４】
前記抽出部は、バンドパスフィルタ処理を行うバンドパス処理部を備え、
前記バンドパス処理部は、前記機械角回転周波数成分を抽出する
ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電気車の監視装置。
【請求項５】
前記モータは、誘導モータであり
電源周波数から、前記モータを定格負荷条件で運転したときのすべり周波数、又は、前記誘導モータの定格すべり周波数の何れかを減算した周波数を前記誘導モータの極対数で除した値が、前記バンドパス処理部の中心周波数に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の電気車の監視装置。
【請求項６】
前記抽出部は、前記機械角回転周波数成分をフーリエ級数抽出演算により抽出することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電気車の監視装置。
【請求項７】
前記モータは、誘導モータであり
電源周波数から、前記モータを定格負荷条件で運転したときのすべり周波数、又は、前記誘導モータの定格すべり周波数の何れかを減算した周波数を前記誘導モータの極対数で除した値を規定周波数としてフーリエ級数抽出演算を行うことを特徴とする請求項６に記載の電気車の監視装置。
【請求項８】
前記異常判定部は、前記抽出部が抽出した機械角回転周波数成分が、予め設定された閾値を超えた場合、又は、前記抽出部が抽出した機械角回転周波数成分を積分し、積分した積分値が、予め設定された閾値を超えた場合に、前記送風機を異常と判定することを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の電気車の監視装置。
【請求項９】
前記異常判定部は、前記送風機の異常を判定した場合に、異常判定日時を記録する、又は、表示器に表示することを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の電気車の監視装置。
【請求項１０】
前記異常判定部は、前記補助電源装置の出力電圧の異常検出情報を受領し、前記異常検出情報が異常から正常に変化した場合、又は、前記送風機に電力を供給する接触器から、前記接触器の投入情報を受領し、前記投入情報が非投入から投入に変化した場合において、予め設定された期間は、前記送風機の異常判定を保留することを特徴とする請求項１に記載の電気車の監視装置。
【請求項１１】
前記異常判定部は、前記送風機に電力を供給する主変圧器補助巻線の出力電圧の異常検出情報を受領し、前記異常検出情報が異常から正常に変化した場合、又は、前記送風機に電力を供給する接触器から、前記接触器の投入情報を受領し、前記投入情報が非投入から投入に変化した場合において、予め設定された期間は、前記送風機の異常判定を保留することを特徴とする請求項２に記載の電気車の監視装置。
【請求項１２】
前記機器は、電気車駆動用モータ、電気車駆動用主変圧器、及び前記電気車駆動用モータを制御する電力変換器のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項２又は３に記載の電気車の監視装置。
【請求項１３】
前記異常判定部は、前記異常検出情報が正常、且つ、前記投入情報が投入である場合において、前記抽出部が抽出した前記機械角回転周波数成分が、予め設定された閾値を超えた場合、又は、前記抽出部が抽出した前記機械角回転周波数成分を積分し、積分した積分値が、予め設定された閾値を超えた場合に、前記送風機を異常と判定することを特徴とする請求項３に記載の電気車の監視装置。
【請求項１４】
電気車に具備される機器を冷却するための送風機を監視する監視装置と、前記監視装置の監視情報を含む車両情報を表示する車両情報表示装置と、を備えた電気車の監視システムであって、
前記監視装置は、前記電気車に搭載される補助電源装置から供給される電力によって動作する前記送風機のモータに流れるモータ電流の瞬時値をｄ軸電流成分とｑ軸電流成分とに分離するｄｑ成分分離部と、
前記ｑ軸電流成分の瞬時値から、前記モータの回転角を機械角で表したときの回転周波数成分である機械角回転周波数成分を抽出する抽出部と、を備え、
前記車両情報表示装置は、前記監視装置から前記機械角回転周波数成分の情報を受領し、受領した前記機械角回転周波数成分の大きさに基づいて、前記送風機の異常の有無を判定する異常判定部を備えた
ことを特徴とする電気車の監視システム。
【請求項１５】
電気車に具備される機器を冷却するための送風機を監視する監視装置と、前記監視装置の監視情報を含む車両情報を表示する車両情報表示装置と、を備えた電気車の監視システムであって、
前記監視装置は、前記送風機のモータに流れるモータ電流の瞬時値と、前記送風機のモータに印加されるモータ電圧の瞬時値とを乗算してモータ瞬時電力を求め、前記モータ瞬時電力に含まれる周波数成分から、前記モータの回転角を機械角で表したときの回転周波数成分である機械角回転周波数成分を抽出する抽出部を備え、
前記車両情報表示装置は、前記監視装置から前記機械角回転周波数成分の情報を受領し、受領した前記機械角回転周波数成分の大きさに基づいて、前記送風機の異常の有無を判定する異常判定部を備えた
ことを特徴とする電気車の監視システム。
【請求項１６】
電気車に具備される機器を冷却するための送風機を監視する監視装置と、前記監視装置の監視情報を含む車両情報を表示する車両情報表示装置と、を備えた電気車の監視システムであって、
前記監視装置は、前記送風機のモータの回転状態を表す状態情報に含まれる複数の周波数成分から、前記モータの回転角を機械角で表したときの回転周波数成分である機械角回転周波数成分を抽出する抽出部を備え、
前記車両情報表示装置は、前記監視装置から前記機械角回転周波数成分の情報を受領し、受領した前記機械角回転周波数成分の大きさに基づいて、前記送風機の異常の有無を判定する異常判定部を備え、
前記異常判定部は、前記送風機に電力を供給する動作電源の異常を示す情報である異常検出情報を受領し、前記異常検出情報が異常から正常に変化した場合、又は、前記送風機に電力を供給する接触器から、前記接触器の投入情報を受領し、前記投入情報が非投入から投入に変化した場合において、予め設定された期間は、前記送風機の異常判定を保留する
ことを特徴とする電気車の監視システム。
【国際調査報告】
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