(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機械の軸電圧を検出する少なくとも１つの電圧センサと、
前記電圧センサによって検出された前記軸電圧のピーク値を決定するピーク電圧回路と、
前記ピーク電圧回路によって決定されたリアルタイムの前記軸電圧のピーク値が入力されるアナログデジタル変換器（６１６）およびラッチ回路（６２０）と、
前記ラッチ回路にデータバスを介して接続されて、前記軸電圧のピーク値の変化の方向および当該軸電圧のピーク値の変化の度合いに基づいて、警報を発するために前記回転機械の状態を評価するプロセッサと、を含み、
前記警報は、回転機械で進行中の問題を示す、回転機械用モニタ。
【請求項２】
回転機械の軸接地電流を検出する少なくとも１つの軸接地電流を検出する少なくとも１つの電流センサと、
前記電流センサにより検出された前記軸接地電流のピーク値を決定するピーク電流回路と、
前記電流センサにより検出された前記軸接地電流の平均値を決定する平均電流回路と、
前記ピーク電流回路によって決定されたリアルタイムの前記軸接地電流のピーク値と、前記平均電流回路によって決定されたリアルタイムの前記軸接地電流の平均値とが入力されるアナログデジタル変換器（６１６）およびラッチ回路（６２０）と、
前記ラッチ回路にデータバスを介して接続されて、前記軸接地電流のピーク値の変化の方向および当該軸接地電流のピーク値の変化の度合いと、前記軸接地電流の平均値の変化の方向および当該軸接地電流の平均値の変化の度合いとに基づいて、警報を発するために前記回転機械の状態を評価するプロセッサと、を含み、
前記警報は、回転機械で進行中の問題を示す、回転機械用モニタ。
【請求項３】
回転機械の軸接地電流を検出する少なくとも１つの軸接地電流を検出する少なくとも１つの電流センサと、
回転機械の軸電圧を検出する少なくとも１つの電圧センサと、
前記電流センサにより検出された前記軸接地電流のピーク値を決定するピーク電流回路と、
前記電流センサにより検出された前記軸接地電流の平均値を決定する平均電流回路と、
前記電圧センサによって検出された前記軸電圧のピーク値を決定するピーク電圧回路と、
前記ピーク電圧回路によって決定されたリアルタイムの前記軸電圧のピーク値と、前記ピーク電流回路によって決定されたリアルタイムの前記軸接地電流のピーク値と、前記平均電流回路によって決定されたリアルタイムの前記軸接地電流の平均値とが入力されるアナログデジタル変換器（６１６）およびラッチ回路（６２０）と、
前記ラッチ回路にデータバスを介して接続されて、前記軸電圧のピーク値の変化の方向および当該軸電圧のピーク値の変化の度合いと、前記軸接地電流のピーク値の変化の方向および当該軸接地電流のピーク値の変化の度合いと、前記軸接地電流の平均値の変化の方向および当該軸接地電流の平均値の変化の度合いとに基づいて、警報を発するために前記回転機械の状態を評価するプロセッサと、を含み、
前記警報は、回転機械で進行中の問題を示す、回転機械用モニタ。
【請求項４】
前記プロセッサは、前記警報を発するべく前記回転機械の状態を評価するために、さらに波形周波数を用いる、請求項１〜３のいずれか一つに記載のモニタ。
【請求項５】
前記プロセッサは、前記警報を発するべく前記回転機械の状態を評価するために、さらに回転子周波数を用いる、請求項１〜４のいずれか一つに記載のモニタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、回転機械に関し、より詳しくは、回転機械をモニタするための軸センサに関する。
【０００２】
発明の背景
発電機、モータ、およびタービン機器などの回転機械をモニタおよび管理する方法は、現在、パワー伝達部品や支持部材のひび割れ、局部的な潤滑性の不足、過度の磨耗、絶縁体の短絡、固定子巻線欠陥、およびその他の不具合などの重要な所定の問題の存在を正確に表示することに関して十分な信頼性を欠いている。回転機械の故障および不良は、不必要な出費につながるが、これは、適時の修理または定期保守によって避けることができる。回転機械にしばしば生じる破壊的な故障は、多額の修理およびシステム休止時間を生じさせ、プラント機器に依存するビジネス、またはプラント機器によって発電する電力に変動をきたす。回転機械の不良によって生じる休止時間は、生産性および利益を減少させる。
【０００３】
したがって、回転機械の動作が正常である場合には、そのことを明らかにすることはもちろん、不具合が進行中であることを信頼性を持って予測するためにも、回転機械をモニタする必要性がある。
【０００４】
発明の要約
本発明の一の態様は、回転機械の軸電圧を検出する少なくとも１つの電圧センサと、前記電圧センサによって検出された前記軸電圧のピーク値を決定するピーク電圧回路と、前記ピーク電圧回路によって決定されたリアルタイムの前記軸電圧のピーク値が入力されるアナログデジタル変換器（６１６）およびラッチ回路（６２０）と、前記ラッチ回路にデータバスを介して接続されて、前記軸電圧のピーク値の変化の方向および当該軸電圧のピーク値の変化の度合いに基づいて、警報を発するために前記回転機械の状態を評価するプロセッサと、を含み、前記警報は、回転機械で進行中の問題を示す、回転機械用モニタ。
本発明の他の態様は、回転機械の軸接地電流を検出する少なくとも１つの軸接地電流を検出する少なくとも１つの電流センサと、前記電流センサにより検出された前記軸接地電流のピーク値を決定するピーク電流回路と、前記電流センサにより検出された前記軸接地電流の平均値を決定する平均電流回路と、前記ピーク電流回路によって決定されたリアルタイムの前記軸接地電流のピーク値と、前記平均電流回路によって決定されたリアルタイムの前記軸接地電流の平均値とが入力されるアナログデジタル変換器（６１６）およびラッチ回路（６２０）と、前記ラッチ回路にデータバスを介して接続されて、前記軸接地電流のピーク値の変化の方向および当該軸接地電流のピーク値の変化の度合いと、前記軸接地電流の平均値の変化の方向および当該軸接地電流の平均値の変化の度合いとに基づいて、警報を発するために前記回転機械の状態を評価するプロセッサと、を含み、前記警報は、回転機械で進行中の問題を示す、回転機械用モニタ。
本発明の他の態様は、回転機械の軸接地電流を検出する少なくとも１つの軸接地電流を検出する少なくとも１つの電流センサと、回転機械の軸電圧を検出する少なくとも１つの電圧センサと、前記電流センサにより検出された前記軸接地電流のピーク値を決定するピーク電流回路と、前記電流センサにより検出された前記軸接地電流の平均値を決定する平均電流回路と、前記電圧センサによって検出された前記軸電圧のピーク値を決定するピーク電圧回路と、前記ピーク電圧回路によって決定されたリアルタイムの前記軸電圧のピーク値と、前記ピーク電流回路によって決定されたリアルタイムの前記軸接地電流のピーク値と、前記平均電流回路によって決定されたリアルタイムの前記軸接地電流の平均値とが入力されるアナログデジタル変換器（６１６）およびラッチ回路（６２０）と、前記ラッチ回路にデータバスを介して接続されて、前記軸電圧のピーク値の変化の方向および当該軸電圧のピーク値の変化の度合いと、前記軸接地電流のピーク値の変化の方向および当該軸接地電流のピーク値の変化の度合いと、前記軸接地電流の平均値の変化の方向および当該軸接地電流の平均値の変化の度合いとに基づいて、警報を発するために前記回転機械の状態を評価するプロセッサと、を含み、前記警報は、回転機械で進行中の問題を示す、回転機械用モニタ。
【０００５】
図面の説明
本発明は、以下の図面と結びついて以下に説明される。
【０００６】
図１は、軸ライダーブラシの信号から求められた典型的な波形を示す。
【０００７】
図２ａ、２ｂ、および、２ｃは、解析および／または記録のための軸電圧／電流の軌跡を示す。
【０００８】
図３は、大規模なタービン発電機に使用される本発明のＶＣＭの典型的な概略構成図である。
【０００９】
図４は、工業用クラスの機器に使用される本発明のＶＣＭの典型的な概略図である。
【００１０】
図５は、本発明の代表的な実施の形態についてのブロック図である。
【００１１】
図６は、チャネルインタフェースについての詳細なブロック図である。
【００１２】
図７は、ＣＰＵモジュールについての詳細なブロック図である。
【００１３】
詳細な説明
回転機械において、軸のアンバランス、巻線欠陥、シール不良、ベアリング不良、および他の同様な不良は、回転軸上のピックアップを用いて検出可能な正常な軸電圧／電流を変化させる。本発明、すなわち早期の警告および問題点検出のための軸電圧電流モニタシステムは、軸電圧および電流を追跡し、大抵の部材の問題について前もっての通知を発する。モニタシステムは、軸電圧／電流モニタ（ＶＣＭ）を用いるものであり、回転機械における問題の開始の表示を発する。しかしながら、軸電圧／電流信号は、未処理な信号の意味を理解するために、観察者が特別に訓練されていること、およびシステムの故障のプロファイルについての詳細な知識を要求する。
【００１４】
時間に対するＶＣＭ信号の傾向は、それらが発生したときの特定の不具合の進行具合を、それらの不具合に応答する標準的な装置およびモニタよりも、前に表示する。従来の装置およびモニタは、表示および警告されるべき熱、振動、ノイズ、または汚染が生じる程度に十分な時間にわたって異常が存在した後に、その異常を表示および／または警告するものであり、その時には、すでに損傷が発生してしまう。先行する警告は、このＶＣＭシステムによって与えられ、動作を要求する定義された問題を表示し、すなわち、問題の潜在的な進行についての一般的な装置やモニタの傾向に注意するようにオペレータに対して警告する。不具合解決手段は、一般的には、損傷が発生する前に、その状況が報告されたときに実現することができる。さらに、予測は、その回転機械における軸電圧および電流の将来の状態として成される。この結果、ＶＣＭシステムが、予防装置、および部材の動作およびメンテナンスにおける要素を確認するものとして動作する。
【００１５】
センサとして軸を使用するＶＣＭシステムは、複数の軸信号を発し、オペレータおよびエンジニアに所定の行動をとらせ、あるいは注意を及ぼすために、警告を発する。このような予防装置は、示される状況を識別するとともにできるだけ確認するために、一般的なセンサおよび装置の監視および傾向を含んでいてもよい。
【００１６】
代表的なＶＣＭシステムの一実施形態は、回路基板の設計において表面実装技術を使用し、この結果、実効的に小さく、さらに機器／モータに集積化されて高い機能性をもったシステムを提供する。ＶＣＭシステムは一般的に機器の近傍にマウントされ、それは、スマートフィールドセンサと考えられる。このＶＣＭシステムは、軸を接地するとともに軸電圧を検出するための絶縁された軸ライディング型ブラシから得られる電流および電圧の複数の信号の内容を入力する。ＶＣＭシステムは、いかなる型の絶縁された軸ライディング型ブラシからも信号を得ることができるが、高い信頼性の観点からは高性能型ブラシが好ましい。２つの異なる軸ライディング型ブラシは、信頼性のある剛毛（bristle）型、およびブラシとして使用される銅製のストラップとを含む。頻繁なメンテナンスがなされていれば、ストラップは、かなりの良好な信頼性を有するが、もし頻繁に清浄されなければ能力が弱まる傾向を示す。剛毛型ブラシは、リアルタイムに電圧および電流の双方を表す信号をピックアップする。
【００１７】
ＶＣＭシステムは、未処理の軸の値、接地電流、および軸電圧のリアルタイムな入力を使用する。信号は、信号処理および解析システムへ伝送するために調整および変換される。信号は、いくつかのシリアルやパラレルデジタルインタフェース用の他の標準的な形式へと変換されることも同様に可能である。これらのインタフェースの特定の形式については、複数の信号形式の変換と同様に、当業者にとって周知である。
【００１８】
軸電圧および電流といった入力信号は、未処理の情報がＶＣＭシステムによって圧縮され、処理しやすいデータ量となるように処理される。軸ライディング型のブラシの信号から、時間に対してプロットされた軸信号をもつ一般的な波形が図１に示されている。この未処理の軸信号は、信号処理および解析システムへと送られる。本来の波形を表現可能に規格化および圧縮化された信号は、コンピュータによるシステム、専用デジタル回路、アナルグ回路、あるいはハイブリッド回路によって信号を評価し、部材の状況を明らかにするために利用可能である。
【００１９】
図２ａ、図２ｂ、および図２ｃを参照すると、解析のために供給されるＶＣＭ信号の軌跡が示される。この一実施の形態において、リアルタイムの軌跡上における５ｍ秒の縮尺幅が、この出力軌跡においては１時間に相当し、データが７２００００倍に縮小されていることに注意せねばならない。他のデータの縮小レベルも、同様に適用することができ、それはインタフェースデバイスおよび解析の実行方法に依存する。
【００２０】
図２ａは、部材が良好であることを表す軸電圧および接地電流における変動を示している。図２ｂは、電圧が降下するとともに電流が徐々に増加する一部の期間を除いて、同様な他の軌跡を示しており、問題が進行中であるとの疑いを喚起するものである。図２ｃは、激しい振幅であって、この期間の前後の数日間に見られる直線的な低レベルの特性からの大きな逸脱を示している。この振る舞いの原因は、未だに知られていないが、問題が進行中であることを示すものである。この種の特性を生じさせる問題は、固定子鉄心の積層短絡、回転子界磁巻線の短絡、または固定子巻線転位部の短絡を含む。これらの問題のすべては、欠陥のある部品が互いに溶融した後には、安定した状態を示すので、この事象を見逃さないためには、連続的なモニタリングが重要であることが強調される。これらの損傷のいずれも、その進行の初期段階の際には従来の装置では示されないものである。
【００２１】
軸接地電流および電圧は、その機械における変化に高感度であるので、問題が進行中であることは、損傷が発生するよりかなり前であって、従来のモニタおよび／または組み込み装置によって示されるよりかなり前に、検出が可能となる。たとえば、軸摩擦の発生である。この瞬間的な金属と金属の摩擦が存在しても、振動および温度センサは、損傷が発生するほどに十分な長期間にわたって摩擦が生じ、過剰な熱や振動が生じるまで、異常の兆候を示さないのに対して、このＶＣＭシステムは、軸接地電流の増加および軸電圧の減少を検出する。ただし、このＶＣＭシステムの警告は、温度、振動、および他の装置とともに使用することもできる。
【００２２】
ＶＣＭ出力信号の判断は、接地ブラシおよび電圧検出ブラシの連結の配置に強く依存する。タービン発電機のような接続物においては、各ブラシまたはブラシの群の一つに、デュアルのＶＣＭが使用される。複数のブラシおよびＶＣＭのものは、高い接地電流を流し、ブラシをメンテナンスする間にも途切れることなく軸の短絡を確実にするための重複性を提供する。
【００２３】
図３は、複数の第１接地ブラシ３０２、複数の第２接地ブラシ３０４、第１軸電圧検出ブラシ３０６、および第２軸電圧検出ブラシ３０８を大規模なタービン発電機３００へ適用した一例を示す。大規模タービン発電機３００は、実質的にタービン３１６が発電機へ接続されているものである。タービン３１６は、一般的に、低圧タービン３２２と、これに接続されている中圧タービン３２０と、これに接続されている高圧タービン３１８とを含む。電流を制限することが要求される場合には、接地ブラシの配線は、電流分流器またはタップ付き抵抗器に接続されることに注意すべきである。ここから、接地用配線は、発電機３１４に示される下側のベアリングのハウジング３１２の近傍に接続される。タービンのベアリングは、発電機の外枠と接地との間に電圧がかかるように選択されてもよい。どのような場合であっても、発電機の外枠とタービンのケーシングに沿った下側ベアリングのハウジングは、ステーション接地グリッドへ結合される。第１ＶＣＭ３２８および第２ＶＣＭ３３０は、第１および第２接地ブラシ３０２および３０４と、第１および第２軸電圧検出ブラシ３０６および３０８と、電流分流器またはタップ付き抵抗器と、接続される。第１ＶＣＭ３２８および第２ＶＣＭ３３０は、データ信号と警告信号３３２を形成し、信号処理解析システム３２４へと接続される。信号解析システム３２４は、専用回路、デジタル論理回路、プログラマブル回路、時分割または時分離デバイス、デジタルプロセッサ、マイクロプロセッサ、およびそれらと同様のデバイスであってよい。この回路は、固体素子型のコンパレータ、変換機、電送機、および調整器であり、考え得るる進行中の問題についての通知を発する。電圧スパイクおよび過渡の吸収器３２６は、必要に応じて付加的に第２軸電圧検出ブラシ３０８に接続されてもよい。
【００２４】
付加的に軸を接地することが、励磁器としての固体素子回路によって挿入される可能性のある高周波電圧のために、コレクタリング、または発電機のエキサイタ端部において、必要とされるかもしれない。高周波は、ベアリングが絶縁されている場合であっても、ベアリングを損傷することが知られており、この理由は、絶縁体がキャパシタとして機能し、絶縁体を通して高周波の電流が通過することである。この電流は、第２電圧検出ブラシ３０８に取り付けられている同調フィルタ３１６を通じて、容易に接地へと分流される。第２検出ブラシにおいて付加的であるが重要な役目は、機外（アウターボード）のベアリング、水素シール、またはカップリングにおける絶縁体の結合性の低下を検出することである。
【００２５】
タービン３１６に配置された第１検出ブラシ３０６は、タービン３１６における静電荷の増加を検出する。第１検出ブラシ３０６および第２検出ブラシ３０８は、通常は、それ以前の１／２になるといった電圧における突発的な低下する場合として、摩擦が進行中であることを信号化する。付加的な兆候は、以下のようなものを含む、第１検出ブラシ３０６における高電圧が蒸気温度にしたがって反比例することは、タービン３１６における湿り蒸気を示す。接地ブラシ３０２および３０４における高電流および第２検出ブラシ３０８における低電圧は、ベアリングおよびシール絶縁性の低下を示す。第２検出ブラシ３０８の電圧および接地電流の双方における急激な上昇は、固定子巻線故障が進行中であることを示す。不安定かつパルス的な電圧および電流は、固定子の積層の短絡および融解を示す。電圧および電流における長い期間にわたる緩やかな増加は、エアギャップの変位を示す。軸電圧および電流における緩やかな増加に続くパルスは、回転子巻線故障を示す。励磁変化に関係する軸電圧変化は、軸電圧高調波フィルタの必要性を示す。低いブラシ電流は、ブラシまたは接地のメンテナンスが要求される。
【００２６】
図４を参照すると、ボイラ給水ポンプ、ファン、およびターボ圧縮器トレーンなどの工業用クラス機器４０２にＶＣＭシステムを適用した場合の典型的な実施形態を示す。検出ブラシ４０４は、機器４０２の機外側の端部の軸とＶＣＭ４０６との間に接続される。接地ブラシ４０８は、機器４０２の機内（インボード）側の端部の軸に接続される。接地ブラシ４０８は、電流分流器４１０を通じてＶＣＭ４０６に接続されているとともに、ＶＣＭ４０６に直接的に接続されている。電流分流器４１０はベアリングのハウジング４１２に接続されている。ＶＣＭ４０６は、データ信号およびアラーム信号４１４を供給し、信号処理解析システム４１６に接続される。
【００２７】
図６および図７と関連する図５を参照すると、本発明の一実施の形態のブロック図が示される。本発明は、基板レベルの集積度によって実装することに適しているが、ハイブリッドアナログ／デジタルボード、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、およびハイブリッドアナログ／デジタル集積回路を含むような更に高い集積度にもうまく適合する。本発明の集積度を高いレベルにすることは、医療産業、宇宙産業、および連続プロセス機器などのように使命が重大な応用分野におけるモータの信頼性を増加する能力を提供する。
【００２８】
一実施の形態において、このモータは、現存のモータの置き換えとして設計されてもよく、一体化されたモニタリングおよびアラーム／警告は、通常の部材の動作に対しては透過的であり、さらに、一体化されたモニタを有するモータは、現存のモータに対する直接的な置き換えとして、取り付けることができる。他の実施の形態においては、一体化されたモニタリングを有するモータ置換は、デジタル通信能力を有する装置に取り付けられてもよく、圧縮化されたデータおよび／またはアラーム／警告  情報が、デジタル通信を通じて、統合化されてもよい。
【００２９】
図５を再度参照すれば、斜線部分の軸５０２が、軸センサ５０４および５０６を有していることが示されている。軸センサ５０４は、電圧モジュールおよび信号調整器５０８に接続されている。軸センサ５０６は、アクティブ型の分流電器モジュールおよび信号調整器５１０に接続されている。チャネルインタフェース５１２は、本実施の形態において使用されている４つのうちの代表的な１つである。チャネルインタフェース５１２は、プラグインモジュール／基板であってもよく、あるいはＡＳＩＣとして集積化されていてもよい。アクティブ型の分流器モジュールおよび信号調整器５１０の第１および第２の出力は、チャネルインタフェース５１２へと接続される。電圧モジュールおよび信号調整器５０８の第１および第２の出力は、チャネルインタフェース５１２へと接続される。
【００３０】
チャネルインタフェース５１２の出力は、メインバスモジュール５１６へと接続される。メインバスモジュール５１６のコントロールバスは、各チャネルインタフェース５１２、メモリモジュール５１４、およびアラームインタフェース５２４へと接続される。メインバスモジュール５１６のデータバスは、各チャネルインタフェース５１２、メモリモジュール５１４、およびアラームインタフェース５２４へと接続される。アラームインタフェース５２４は、４〜２０ｍＡまたは他の適切なインタフェースによって出力信号端子ブロック５２６へ接続される。
【００３１】
ＣＰＵモジュール５１８は、メインバスモジュール５１６のコントロールバスおよびデータバスへと接続される。ＣＰＵモジュール５１８は、さらに、通信インタフェース５２０およびディスプレイモジュール５２２へと接続される。適切なプログラムメモリを持つＣＰＵは、診断上のアルゴリズムを含んでいる。
【００３２】
図６を再度参照すれば、チャネルインタフェース５１２についての、さらに詳細な模式的なブロック図を示している。アクティブ型の分流器モジュールおよび信号調整器５１０の第１の出力は、第１ローパスフィルタ６０２に接続されている。電圧モジュールおよび信号調整器の第１の出力は、第２ローパスフィルタ６０４に接続されている。アクティブ型の分流器モジュールの第２の出力、および電圧モジュールおよび信号調整器５０８の第２の出力は、電流／電圧選択ジャンバ６０６に接続される。第１ローパスフィルタ６０２の出力は、ピーク電流回路６０８および平均電流回路６１０に接続される。第２ローパスフィルタ６０４の出力は、ピーク電圧回路６１２に接続されている。ピーク電流回路６０８、平均電流回路６１０、およびピーク電圧回路６１２の各出力は、機能選択ジャンパ６１２に接続されている。機能選択ジャンパ６１４の出力は、アナログデジタル変換器６１６へ接続される。そのアナログデジタル変換器６１６の出力は、第１の８ビットラッチ６２０、および第２の８ビットラッチ６２２の最下位ビットに接続される。カード型選択ジャンパ６２４は、第２の８ビットラッチ６２２のＶ＋および最上位ビットに接続される。電流／電圧選択ジャンパ６０６の出力は、アナログデジタルエンコーダおよびラッチ６１８へ接続される。電流／電圧選択ジャンパ６０６、機能選択ジャンパ６１４、およびカード型選択ジャンパ６２４は、スイッチおよび回路を含む適切な複数の方法および装置によって実現され、この記述によって制限されなるものではない。第１の８ビットラッチ６２０、第２の８ビットラッチ６２２、ならびにアナログデジタルエンコーダおよびラッチ６１８の出力は、メインバスモジュール５１８のデータバスに接続されている。
【００３３】
再び、ＣＰＵモジュール５１８のより詳細な概略ブロック図を示す図７を参照する。ＣＰＵモジュール５１８は、メインバスモジュール５１６に接続される。ＣＰＵモジュール５１８は、メインバスモジュール５１６のコントロールバスに接続されるカード／デバイスセレクト７０４を含む。メインバスモジュール５１６のコントロールバスとデータバスとは、シリアル通信インタフェース５２０、グラフィクディスプレイコントローラ７０８および外部メモリ７０６と接続される、適切なプログラムメモリ（例えばフラッシュＥＥＰＲＯＭ）７０２を有するデジタルマイクロコントローラに接続される。外部メモリ７０６とグラフィクディスプレイコントローラ７０８は、データバスを介してカード／デバイスセレクト７０４に接続される。グラフィクディスプレイコントローラ７０８は、ＬＣＤグラフィクディスプレイのような適切なディスプレイモジュール５２２に接続される。適切なプログラムメモリを有するデジタルマイクロコントローラ７０２は、診断アルゴリズムを含む。
【００３４】
機能性回路素子の多くの実装はここで記述されるが、その詳細な設計は当業者に周知である。機能性素子の他の具体例の多くは、同様によく適応される。本発明のＶＣＭは理論上デジタル環境での使用に適しており、そのように記述してきたが、基本的概念はアナログ環境でも適用できる。モニタされている実際の信号は、多くの段階でデジタル化されるか、またはアナログ形式のままであって、問題の検出と予測のために、あらかじめ決められたレベルと比較される。
【００３５】
問題の表示は、半分またはそれ以下への電圧の減少および電流の著しい増加が軸の摩擦を表すこと、２倍までの電流と電圧の増加が蒸気、オイル、または生成物の流れに基づく静電荷を表すこと、を含む。モニタされた機器が電気機械であれば、問題の表示は、電流の増加と電圧の減少がベアリング、シールまたはカップリング絶縁部のロスを表すこと、６０Ｈｚでの電圧と電流の不安定な増加が固定子鉄心/巻線の欠陥の進行中を表すこと、６０Ｈｚでの高い電圧と電流が磁気回路の非対称またはエアギャップの位置ずれを表すこと、６０Ｈｚの電圧と電流が徐々に増加する後のパルスが回転子巻線の欠陥を表すこと、を含む。付加ブラシとＶＣＭは、例えばモータと発電機のように、電気的に作用する項目を含むので、いくらかのつながりが必要とされる。これがまた、絶縁または歯車タイプであれば、例えば歯車とカップリングの反対側のように、保護を必要とする電気的に分離した複数の軸である場合もある。必要なものは、設計者およびユーザーにより決定されるべきであり、その機械に特有な特徴に基づいて決定されるべきである。
【００３６】
ＶＣＭシステムから利用可能な予測情報は、性能およびオンライン動作時間を改善する一つの方法は、問題の生じ得る進行を自動的に評価し診断するためのアルゴリズムをプログラム化してセットアップすることである。アルゴリズムは、後述する表１、２、３、および、４の状態に基づくことができる。ＶＣＭシステムによって軸電圧と接地電流をモニタすることは、部材状態を決定し、予測能力を提供するために解析される。この解析のいくつかの代表する実例は次の通りである。
【００３７】
電気機器の機外のベアリングおよびそこに適用されるカップリングとにおける絶縁体の短絡すなわち絶縁不良は、モータの機外側の電圧検出ブラシの低電圧によって示され、機内側の接地ブラシにおける非常に高い電流によって生じる。
【００３８】
テストの間、モータの軸電圧が前の値の１／２まで低下したときには、軸摩擦が表示される。この電圧のオシロスコープの軌跡は、先の全波整流というよりもむしろ、半波整流の外観を持つことが、言及されるべきである。このモータの分解することによって、摩擦が進行していたを明らかにした。解決したときに、軸電圧の全波特性が復活した。静電荷の発生は、ＶＣＭにおける軸接地電流が最大３．０アンペアでありタービンへの水蒸気入口温度９７０°Ｆを有する７５０ＭＷタービン発電機について、示される。この温度が９５０°Ｆに低下したとき、接地電流は６．０アンペアに増加した。したがって、この表示は、静電圧の発生についての知られた要素である、湿り蒸気が考えられる原因である。静電的な軸電圧の発生が、部分的な環状入り口または開口を持ったタービンへ導入される乾き蒸気による場合、数百ボルトにものぼる電圧が測定された。
【００３９】
軸における高調波と電圧ノイズは、軸接地または励磁源における信頼性のある高調波抑圧回路によって減少される場合でなければ、数百ボルトにも到達することが見出される。
【００４０】
最小セッティング以下の電流におけるＶＣＭ回路の警報は、軸接地のロスを示す。
【００４１】
高く、たぶんに増加する残留磁化は、高く、および／または増加する軸電圧および接地電流、電圧状態の状況によって指示される消磁が要求されるべき状態、ベアリングに対する損傷の原因となる。
【００４２】
電気機器の欠陥は、固定子の巻線欠陥、コアの積層短絡、誘導機における回転子バー破損、同期機の界磁巻線ショート、固定子ギャップまたはセグメント位置合せ不良、および、電源システムに誘導される不平衡または高調波が含まれること、を含む。すべてのものは、磁気回路または電子回路における非対称を発生し、結果的に軸電圧と接地電流が増加または変化する。
【００４３】
軸接地ブラシにおける分流器および電圧検出ブラシは、ＶＣＭシステムが処理するための未処理の信号を提供する。検出された複数の信号を処理および調整することによって、それらの信号は解析および評価され、その結果、回転機械における問題が進行しつつあることについての警告を発する。表１は、電気的に絶縁された回転機械器軸のための警報基準を提示する。表２は、誘導電動機と誘導発電機のための警報基準を提示する。表３は、同期電動機と交流発電機のための警報基準を提示する。表４は、直流電動機と直流発電機のための警報基準を提示する。特定の警報基準は進行しつつある問題に関する表示であり、これらの問題は、夫々対応するカラムの最上欄で識別される。各表の端部に付加してあるのは、一般的な機器のタイプと、傾向および確証または非確証についてのモニタ、表示される問題の進行と、によって得ることができる情報である。一般的な機械とモニタされる傾向によってからの情報は、選択的に、警報の値を高めるために、信号処理と解析とに組み込まれることができる。表５は、表１，２、３、および４を理解するのに有効な使用符号の説明と注釈の概要を含む。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
【表２】
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【００４６】
【表３】
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【００４７】
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【００４８】
【表４】
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【００４９】
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【００５０】
【表５】
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【００５１】
表１、２、３、および４の警報基準に基づく解析ルーチンは、機械および／またはその連結において生じ得る問題の最も早期の発生を検出し表示するために設定される。測定される変量の初期ベンチマーク設定が、新た強い機器または良好な作動状態にある機器について設定であるときに、問題が進行しているについての表示は最も信頼できる。
【００５２】
発明の多数の改良と別の実施形態は、当業者にとっては前述の記述からみて明らかである。信号の処理と解析の電気回路構成は、専用の集積回路上で実現することができる。専用の集積回路は、専門のアナログ装置、デジタル装置またはハイブリッド型アナログ／デジタル装置である。調整と解析回路の削減により、早期警報と問題検出のための軸電圧電流監視システムである本発明を、回転機械器に一体的なものとすることができる。アラーム／警報インジケータは、一体的および／または遠隔的なものである。従って、この記述は、図示されるような最良の形態の実施発明を当業者に教示するためにのみ考慮される。その構成の詳細は実質的に発明の精神から逸脱することなく変更され、記載された請求項の範囲内で全ての改良の排他的な使用が確保される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、軸ライダーブラシの信号から求められた典型的な波形を示す。
【図２】  図２ａ、２ｂ、および、２ｃは、解析および／または記録のための軸電圧／電流の軌跡を示す。
【図３】  図３は、大規模なタービン発電機に使用される本発明のＶＣＭの典型的な概略構成図である。
【図４】  工業用クラスの機器に使用される本発明のＶＣＭの典型的な概略図である。
【図５】  図５は、本発明の代表的な実施の形態についてのブロック図である。
【図６】  図６は、チャネルインタフェースについての詳細なブロック図である。
【図７】  図７は、ＣＰＵモジュールについての詳細なブロック図である。
【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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