(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機が接続された主回路の電圧を検出する電圧検出回路と、前記主回路の電流を検出する電流検出回路と、前記電圧検出回路および前記電流検出回路の情報をもとに論理演算処理をする論理演算回路と、サンプリング速度設定部と、記憶部とを備え、
前記論理演算回路は、
前記電圧検出回路および前記電流検出回路からの検出情報，前記電動機の定格情報，前記サンプリング速度設定部からのサンプリング速度をそれぞれ取得して入力する入力部と、データテーブルを利用して前記サンプリング速度に対応する忘却係数とスケールファクタを求め、当該忘却係数と当該スケールファクタを利用し、前記入力部からの入力情報に基づき前記電動機の負荷トルクを演算し、前記入力部からの入力情報と前記負荷トルクとに基づき巻線抵抗値を推定する演算部と、前記演算部で得られた前記巻線抵抗値を出力する出力部とを有することを特徴とする電動機の診断装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電動機の診断装置において、
前記演算部は、負荷トルクをＴｅとし、前記入力部からの入力情報として段階的に変化する抵抗値を入力され、前記電動機の定格トルクをＴｎ、前記電圧検出回路および前記電流検出回路からの検出情報に基づく計測電流Ｉと定格電流Ｉｎとの比率をａとして、（Ｔｎ／ａ−Ｔｅ）／（Ｔｎ／ａ）の絶対値が所定のしきい値εより小さいときの前記抵抗値を前記電動機の巻線抵抗値と推定することを特徴とする電動機の診断装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電動機の診断装置において、
前記電動機に設けた温度センサから固定子巻線の温度の情報を取得し、取得した温度により前記巻線抵抗値を補正するようにしたことを特徴とする電動機の診断装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電動機の診断装置において、
前記電圧検出回路と前記電流検出回路は、複数の前記電動機の電流および電圧情報を検出し、複数の前記電動機の定格情報とともに前記入力部に入力しておき、前記演算部において複数の前記電動機の前記巻線抵抗値を推定するようにしたことを特徴とする電動機の診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電動機の巻線抵抗を算出して負荷設備の負荷トルクを推定する電動機の診断装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動機の巻線抵抗を求める従来の技術としては、例えば、電圧出力位相は予め設定された任意の位相とし、電流を流すに際して、まず比例積分制御器を有効にした状態で電流指令を入力して運転し、所定の時間通電後、比例積分制御器のゲインを０とすることにより、積分値を一定に保つことで電圧指令値を固定した状態で電圧指令値および電流検出値を測定し、この測定を２種類の大きさの電流について行い、その時の傾きから一次抵抗値（あるいは線間抵抗値）を求めている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２２８１３号公報（要約、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
インバータ駆動の電動機の場合は、電力変換器を有しており、特許文献１のように、比例積分制御器を用いて電圧指令値を容易に変更でき、その結果、巻線抵抗値を算出することが可能である。しかしながら、電力変換器を有していない場合には、上記特許文献１のような計算方法を適用することができない。【０００５】
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、電力変換器を有していない場合でも、電動機に負荷が結合された状態で、巻線抵抗を推定して負荷トルクを精度良く推定できる電動機の診断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】
【０００６】
この発明に係る電動機の診断装置は、電動機が接続された主回路の電圧を検出する電圧検出回路と、前記主回路の電流を検出する電流検出回路と、前記電圧検出回路および前記電流検出回路の情報をもとに論理演算処理をする論理演算回路と、サンプリング速度設定部と、記憶部とを備え、前記論理演算回路は、前記電圧検出回路および前記電流検出回路からの検出情報，前記電動機の定格情報，前記サンプリング速度設定部からのサンプリング速度をそれぞれ取得して入力する入力部と、データテーブルを利用して前記サンプリング速度に対応する忘却係数とスケールファクタを求め、当該忘却係数と当該スケールファクタを利用し、前記入力部からの入力情報に基づき前記電動機の負荷トルクを演算し、前記入力部からの入力情報と前記負荷トルクとに基づき巻線抵抗値を推定する演算部と、前記演算部で得られた前記巻線抵抗値を出力する出力部とを有するものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の電動機の診断装置によれば、論理演算回路において、入力部に入力した電圧検出回路および電流検出回路からの検出情報，電動機の定格情報，サンプリング速度設定部からのサンプリング速度を用いて、予め設定しておいた忘却係数とスケールファクタを利用して演算部で負荷トルクと巻線抵抗とを演算し、その結果を出力部に出力するので、忘却係数とスケールファクタを利用することで、電動機の巻線抵抗を精度よく推定することが可能となり、その結果から負荷トルク値も高精度に推定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１による電動機の診断装置を示す構成図である。
【図２】図１の論理演算回路の構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態１による電動機の診断装置に適用する、サンプリング速度に対する忘却係数とスケールファクタの関係を示す相関図である。
【図４】この発明の実施の形態１による電動機の診断装置による巻線抵抗算出のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における電動機の診断装置を示す構成図である。本願の診断装置は、主に閉鎖配電盤であるコントロールセンタ等で使用されるので、図１はそのような場合を例に示している。
図１において、コントロールセンタでは、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と電磁接触器４と、主回路２の電圧を検出する計器用変圧器５と、主回路２の負荷電流を検出する計器用変成器６とが設けられており、この主回路２に、負荷である電動機７が接続されている。電動機７は例えば３相誘導電動機であり、この電動機７に機械設備８が接続されて、運転駆動されるようになっている。
【００１０】
本願の電動機の診断装置１０（以下、診断装置１０と略す）は、この主回路２に接続されるものであり、下記のように構成されている。
診断装置１０の電圧検出回路１１は、計器用変圧器５に接続されて、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と記憶部１４に出力する。
また、電流検出回路１２は、計器用変成器６に接続されて、検出した主回路２の負荷電流を所定の信号に変換し、論理演算回路１３と記憶部１４に出力する。
ここで検出される電圧と電流は、電動機の固定子コイルの電圧と電流である。
【００１１】
サンプリング速度設定部１５は、記憶部１４に接続され、セットキー（図示せず）を有し、そのセットキーを、例えば長押しすることによって、所望のサンプリング速度を記憶部１４に記憶保持させるようになっている。セットキーを解除するまでの間のデータを記憶させることができる。
ここで、サンプリング速度とは、電圧と電流を読み込む速度のことを指す。例えば、１ｋＳ／ｓであれば、１サンプルあたり、１秒に１０００個のデータを取得する。
【００１２】
図２は、診断装置１０の論理演算回路１３の構成を示すブロック図である。
論理演算回路１３は、入力部１６、演算部１７、出力部１８で構成されている。
入力部１６は、電圧取得部１６ａ、電流取得部１６ｂ、定格情報取得部１６ｃ、サンプリング速度取得部１６ｄを有している。
電圧検出回路１１から伝送された電圧値を電圧取得部１６ａで取得し、電流検出回路１２から伝送された電流値を電流取得部１６ｂで取得する。
【００１３】
定格情報取得部１６ｃは、診断対象である電動機７の定格出力，定格電圧，定格電流，極数，回転周波数等の情報を取得する。この定格情報は、電動機の製造会社のカタログ、もしくは電動機に取り付けられた銘板を見ることで容易に取得可能な情報である。予め対応する電動機の定格情報を入力して記憶部１４に記憶させたものを使用する。定格情報が手に入らない場合には、測定データから推定する手法もある。
サンプリング速度取得部１６ｄは、予めサンプリング速度設定部１５で設定して記憶部１４に記憶しているサンプリング速度を、測定するサンプリング速度として取得する。これも、計測した測定データから算出する手法もある。
【００１４】
演算部１７は、負荷トルク演算部１７ａ、巻線抵抗演算部１７ｂ、忘却係数演算部１７ｃ、スケールファクタ演算部１７ｄを有している。なお、上記の巻線抵抗とは、具体的には電動機の固定子コイルの抵抗なので、以下の式では固定子抵抗として説明する。
負荷トルク演算部１７ａでは、電圧取得部１６ａで得た電圧値と電流取得部１６ｂで得た電流値から、次に示す式（１）により負荷トルクＴｅを算出する。
【００１５】
【数１】
0005992650.tif 000002
【００１６】
ここで、Ｐｐは磁極数、φｄ，φｑは固定子のコイル鎖交磁束、ｉｑ，ｉｄは固定子電流を示す。
なお、上記の式および以下の式において、添字のｄ、ｑは、それぞれ電流電圧をｄｑ変換した際の、ｄ軸方向およびｑ軸方向の磁束、電流、電圧を示す。
式（１）のうち、固定子電流ｉｑ，ｉｄは、取得した３相電流からｄｑ変換で計算される。また、鎖交磁束φｄ，φｑは、次の式（２），（３）により計算される。
【００１７】
【数２】
0005992650.tif 000003
【００１８】
【数３】
0005992650.tif 000004
【００１９】
式（２），（３）の固定子電圧ｖｄ，ｖｑは、取得した３相電圧からｄｑ変換で計算される。ＲＳは固定子抵抗である。このＲＳは後述する図４のフローチャートの中のＲＳと同じであり、定まった値ではない。フローチャートの手順に沿って変わり、最終的に一つの値に定められる。上記の式（２），（３）は微分表示しているため、数値解析して表したものが、次に示す式（４），（５）である。
式中の記号Ψで示すものは、固定子のコイル鎖交磁束の数値解析の記号である。また、ｋｆは忘却係数、Δｔはサンプリング時間幅を示す。
添字のｎは、数値計算を行う上で便宜的に使用した変数であり、ｎ−１はｎ−１番目の値を使用し、ｎはｎ番目の値を使用することを示すものである。そのため、ｎは１，２，３・・・の値をとる。
【００２０】
【数４】
0005992650.tif 000005
【００２１】
【数５】
0005992650.tif 000006
【００２２】
高周波成分を含む電流等を積分する場合、データサンプリング（Ａ／Ｄ変換）速度や位相遅れがゲインに影響する。一般にゲインは、入力部（Ａ／Ｄ変換）でのフィルタゲインと忘却係数ｋｆの時定数との積で表されるため、スケールファクタαでの調整が必要となる。
そこで次に、式（４），（５）で計算した結果に係数としてスケールファクタαをそれぞれ積算して、次の式（６），（７）で計算したものを磁束の最終結果として同定する。
なお、式（６），（７）のΨの上に付した「＾」の記号は、同定値であることを示す。
【００２３】
【数６】
0005992650.tif 000007
【００２４】
【数７】
0005992650.tif 000008
【００２５】
上記の忘却係数ｋｆとスケールファクタαは、演算部１７の忘却係数演算部１７ｃとスケールファクタ演算部１７ｄにおいて、予め測定により求めたサンプリング速度毎の忘却係数ｋｆとスケールファクタαの相関データを取得してデータテーブルを作成し、記憶部１４に格納しておく。
この測定は、例えば診断装置のメーカ側で予め実測した結果を使用しても良く、その場合は、本装置を動作させる前にすでに分かっている。サンプリング速度と忘却係数ｋｆ、サンプリング速度とスケールファクタαは１対１の関係になるため、サンプリング速度毎の忘却係数ｋｆとスケールファクタαは一意に決まる。
【００２６】
図３は、サンプリング速度に対する忘却係数ｋｆとスケールファクタαの相関関係の一例を示す図である。この情報をデータテーブルとして、予め演算部１７に組み込んでおく必要がある。組み込む方法は、記憶部１４のメモリ等に値を記憶させておけばよい。データテーブルに示されていないサンプリング速度値を入力する場合には、例えば最小二乗法などの統計処理で求めた近似値の忘却係数とスケールファクタの結果が使用される。
このデータテーブルを利用して忘却係数ｋｆとスケールファクタαの値を上記の式に入力し演算する。
【００２７】
次に、演算部１７において巻線抵抗（固定子抵抗）を算出する手順について説明する。
図４は、巻線抵抗算出の手順を示すフローチャートである。
ステップ１（以下、Ｓ１のように略す）で、定格情報取得部１６ｃで取得しておいた定格電流Ｉｎ、定格電圧Ｖｎ、定格トルクＴｎを入力しておく。ここで、Ｉｎ，Ｖｎ，Ｔｎのｎは定格事項を意味する添字である。
最初は、固定子抵抗ＲｓをＲｓ＝０と仮定しておく。
【００２８】
次にＳ２で、Ｒｓを例えば０．１Ω刻みで増加させる。
次にＳ３で、計測したＩ，Ｖの値を電流取得部１６ｂと電圧取得部１６ａから得て、計測電流Ｉと定格電流Ｉｎとの比率ａを計算する。比率ａは、ａ＝Ｉｎ／Ｉで求めるが、ａ＝（Ｉｎ／Ｉ）２でもよい。
また、Ｉ，Ｖ，Ｒｓに基づき、式（１）により負荷トルクＴｅを演算する。
ここで、例えば、計測したＩ，Ｖが定格電流、定格電圧だったときには、Ｉ，Ｖ，Ｒｓによる計算結果は定格トルクと一致するはずである。
【００２９】
次にＳ４で、Ｉ，Ｖ，Ｒｓの計算結果と定格トルクＴｎが一致するＲｓを選定する。例えば、Ｒｓが小さすぎたり、大きすぎたりするとＩ，Ｖ，Ｒｓによる計算結果は定格トルクＴｎと一致しない。算出したトルクと定格トルク値の誤差が最も小さいＲｓを固定子抵抗値として出力する。誤差率として、しきい値εを用いる。しきい値εは小さい方が好ましく、例えば０．０１等とする。
すなわちＳ４において、（Ｔｎ／ａ−Ｔｅ）／（Ｔｎ／ａ）の絶対値がしきい値εより大きければＳ５から５２にかえり、Ｒｓを増加させて再計算を行い、しきい値εより小さく（Ｓ４でＹｅｓ）なれば、Ｓ６でＲｓを巻線抵抗と推定し処理を終了する。
この巻線抵抗値は、出力部１８の巻線抵抗値出力部１８ａに出力される。
【００３０】
以上より、固定子の巻線抵抗を精度よく推定することが可能となり、この巻線抵抗を用いて、無負荷から定格トルクに至るまで、負荷トルクも高精度に推定することが可能となる。忘却係数とスケールファクタを使用したことで、数値計算上の発散を防ぎ、トルク推定誤差を小さくできる。
例えば、巻線抵抗の推定誤差は約２３％程度以下であり、トルク推定精度は、約３％程度となることを確認した。
【００３１】
負荷トルク値を高精度に推定できることで、過負荷、突発的な負荷等によるトルク異常を検出して電動機の異常を容易に判定することが可能となる。
トルク異常の判定は、予めしきい値を設定しておいて異常を判定しても良く、また、ニューラルネットワークやその他の統計処理で、通常と異なるトルク変動をしたときに異常と判定する方法でも良い。通常のトルク変動については、学習期間を設ける必要がある。
【００３２】
電動機を稼働し続けると巻線の経年劣化が進行し、巻線抵抗（固定子抵抗）が変化する。そのため、初期の巻線抵抗値を適用し続けると巻線が経年劣化した際に推定した巻線抵抗値と実際の巻線抵抗値が異なるため、トルク推定精度が悪くなる。そこで、巻線抵抗値を例えば１ヶ月に１回更新するなど、定期的な更新を行う。また、更新するタイミングを自由に設定できることにしてもよい。もしくは、トータル通電時間を電流波形から算出し、１ヶ月分に相当する通電時間毎に巻線抵抗値を更新する等の方法をとってもよい。
【００３３】
また、巻線抵抗値は温度によって変化する。外部環境の温度のみならず、電動機を継続運転することで内部が発熱し固定子巻線の温度が上昇する。その結果、巻線抵抗値が増大する。それを解消するために、対象電動機に設けた温度センサで温度を同時計測し、その情報を取得して、基準温度時の巻線抵抗を計算することもできる。巻線抵抗値は温度に比例して増大する。また、温度上昇値は抵抗温度係数によって決まるので、抵抗温度計数を事前に入力することで基準温度の巻線抵抗値に補正できる。
【００３４】
電力プラントや化学プラントに設置されるポンプ、ファン、ブロア、コンベアなどのプラント設備によって、負荷トルクは時間的に変動するが、本願の電動機の診断装置は、インバータ駆動でないあらゆる誘導電動機に適用可能である。
【００３５】
なお、これまでの説明では、個々の電動機に対して一つの診断装置としたが、複数台の電動機に対しての情報を一つの診断装置で一括処理することで、複数台の電動機の巻線抵抗を算出してもよい。すなわち、電圧検出回路と電流検出回路は、複数の電動機のそれぞれの電流および電圧情報を検出し、複数の電動機の定格情報を入力部に入力しておき、演算部において複数の電動機の負荷トルクと巻線抵抗を演算するようにすれば良い。
【００３６】
以上のように、実施の形態１の電動機の診断装置によれば、電動機が接続された主回路の電圧を検出する電圧検出回路と、主回路の電流を検出する電流検出回路と、電圧検出回路および電流検出回路の情報をもとに論理演算処理をする論理演算回路と、サンプリング速度設定部と、記憶部とを備え、論理演算回路は、電圧検出回路および電流検出回路からの検出情報，電動機の定格情報，サンプリング速度設定部からのサンプリング速度をそれぞれ取得して入力する入力部と、予め設定しておいた忘却係数とスケールファクタを利用し、入力部からの入力情報に基づき電動機の負荷トルクと巻線抵抗とを演算する演算部と、演算部で得られた巻線抵抗値を出力する出力部とを有するので、忘却係数とスケールファクタを利用することで、電動機の巻線抵抗値を精度よく推定することが可能となり、その結果からトルク値も高精度に推定することが可能となる。
【００３７】
また、サンプリング速度に対する忘却係数とスケールファクタの関係を予め取得してデータベースとして記憶部に記憶させておき、データベースを参照して、設定したサンプリング速度に対応する忘却係数とスケールファクタを利用するようにしたので、測定したサンプル速度毎の忘却係数とスケールファクタを用いて容易に精度良く巻線抵抗を演算できる。
【００３８】
また、電動機に設けた温度センサから固定子巻線の温度の情報を取得し、取得した温度により巻線抵抗値を補正するようにしたので、固定子巻線の温度変化の影響を排除して精度良く巻線抵抗を演算できる。
【００３９】
更に、電圧検出回路と電流検出回路は、複数の電動機の電流および電圧情報を検出し、複数の電動機の定格情報とともに入力部に入力しておき、演算部において複数の電動機の負荷トルクと巻線抵抗を演算するようにしたので、複数の電動機に対して一括処理でき、例えば、電動機の診断装置をコントロールセンタ等に搭載する場合に、小型化を図ることができる。
【００４０】
なお、本願発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変更、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
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  機械設備、１０  診断装置、１１  電圧検出回路、１２  電流検出回路、１３  論理演算回路、１４  記憶部、１５  サンプリング速度設定部、１６  入力部、１６ａ  電圧取得部、１６ｂ  電流取得部、１６ｃ  定格情報取得部、１６ｄ  サンプリング速度取得部、１７  演算部、１７ａ  負荷トルク演算部、１７ｂ  巻線抵抗演算部、１７ｃ  忘却係数演算部、１７ｄ  スケールファクタ演算部、１８  出力部、１８ａ  巻線抵抗値出力部  
【要約】
巻線抵抗を推定して負荷トルクを精度良く推定できる電動機の診断装置を得る。
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、検出した電圧および電流の情報をもとに論理演算処理をする論理演算回路(１３)と、サンプリング速度設定部(１５)と、記憶部(１４)とを備え、論理演算回路(１３)は、電圧検出回路(１１)および電流検出回路(１２)からの検出情報，電動機(７)の定格情報，サンプリング速度設定部(１５)からのサンプリング速度をそれぞれ取得し入力する入力部(１６)と、予め設定しておいた忘却係数とスケールファクタを利用し、入力部(１６)からの入力情報に基づき電動機（７）の負荷トルクと巻線抵抗とを演算する演算部(１７)と、演算部(１７)で得られた巻線抵抗値を出力する出力部(１８)とを有する。【図１】
0005992650.tif 000009
【図２】
0005992650.tif 000010
【図３】
0005992650.tif 000011
【図４】
0005992650.tif 000012