JP6936759B2 - 診断装置、駆動システム、診断方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、診断装置、駆動システム、診断方法及びプログラムに関する。

誘導電動機（三相モータ）や誘導電動機に接続する回転機器の異常を検知する方法として、誘導電動機の電流データまたは電圧データを用いた異常検知技術が知られている。例えば、特許文献１には電流データと電圧データを用いて誘導電動機の巻線異常を検知する技術が開示されている。

特許第５８７５７３４号公報

誘導電動機には、例えば、固定子の巻線に関し、欠相、地絡、レイヤショート等の複数種類の異常状態が存在する。誘導電動機に異常が発生した場合に、単なる正常／異常の診断のみならず、発生した異常状態の判別と、その深刻度までを評価したいというニーズがある。

また、異常状態の判別、及び、その深刻度を把握することは、誘導電動機の内外に新たなセンサ等を追設すれば実現し得るが、そのようなセンサ等を追設することには手間やコストがかかる。

本発明の目的は、より簡便に、三相モータの異常状態の判別、及び、その深刻度を評価可能とする診断装置、駆動システム、診断方法及びプログラムを提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、診断装置は、三相モータの異常を検知する診断装置であって、各相のモータ電流の計測値を取得するモータ電流取得部と、前記各相のモータ電流の計測値に基づいて、少なくとも、前記三相モータについての欠相の発生、地絡の発生、及び、レイヤショートの発生のそれぞれを検知する異常検知部と、前記欠相の発生が検知された場合には当該欠相の程度を推定し、前記地絡の発生が検知された場合には当該地絡の程度を推定し、前記レイヤショートの発生が検知された場合には当該レイヤショートの程度を推定する異常程度推定部と、を備える。

また、本発明の第２の態様によれば、前記異常程度推定部は、前記欠相の発生が検知された場合には、当該欠相の程度として、前記三相モータの一つの巻線に対する直列抵抗成分の大きさを推定する。

また、本発明の第３の態様によれば、前記異常程度推定部は、前記地絡の発生が検知された場合には、当該地絡の程度として、前記三相モータの一つの巻線に対する地絡経路の抵抗成分の大きさを推定する。

また、本発明の第４の態様によれば、前記異常程度推定部は、前記レイヤショートの発生が検知された場合には、当該レイヤショートの程度として、前記三相モータの一つの巻線に発生したレイヤショートの割合を推定する。

また、本発明の第５の態様によれば、駆動システムは、上述の診断装置と、前記三相モータと、当該三相モータに三相交流電力を供給する電源と、を備える。

また、本発明の第６の態様によれば、診断方法は、三相モータの異常を検知する方法であって、各相のモータ電流の計測値を取得するステップと、前記各相のモータ電流の計測値に基づいて、少なくとも、前記三相モータについての欠相の発生、地絡の発生、及び、レイヤショートの発生のそれぞれを検知するステップと、前記欠相の発生が検知された場合には当該欠相の程度を推定し、前記地絡の発生が検知された場合には当該地絡の程度を推定し、前記レイヤショートの発生が検知された場合には当該レイヤショートの程度を推定するステップと、を備える。

また、本発明の第７の態様によれば、プログラムは、三相モータの異常を検知可能な診断装置のコンピュータに、各相のモータ電流の計測値を取得するステップと、前記各相のモータ電流の計測値に基づいて、少なくとも、前記三相モータについての欠相の発生、地絡の発生、及び、レイヤショートの発生のそれぞれを検知するステップと、前記欠相の発生が検知された場合には当該欠相の程度を推定し、前記地絡の発生が検知された場合には当該地絡の程度を推定し、前記レイヤショートの発生が検知された場合には当該レイヤショートの程度を推定するステップと、を実行させる。

上述の発明の各態様によれば、より簡便に、三相モータの異常状態の判別、及び、その深刻度を評価できる。

第１の実施形態に係る診断装置等の全体構成を示す図である。 第１の実施形態に係る診断装置の機能構成を示す図である。 第１の実施形態に係るＣＰＵの処理フローを示す第１図である。 第１の実施形態に係るＣＰＵの処理フローを示す第２図である。 第１の実施形態に係るＣＰＵによる診断処理を説明するための第１図である。 第１の実施形態に係るＣＰＵによる診断処理を説明するための第２図である。 第１の実施形態に係るＣＰＵの処理フローを示す第３図である。 第１の実施形態に係るＣＰＵによる診断処理を説明するための第３図である。 第１の実施形態に係るＣＰＵによる診断処理を説明するための第４図である。 第１の実施形態に係るＣＰＵの処理フローを示す第４図である。 第１の実施形態に係るＣＰＵによる診断処理を説明するための第５図である。

＜第１の実施形態＞
以下、第１の実施形態に係る三相モータの診断装置、及び、これを備える駆動システム９について、図１〜図１１を参照しながら説明する。

（全体構成）
図１は、第１の実施形態に係る診断装置等の全体構成を示す図である。
図１に示すように、駆動システム９は、電源Ｐ、三相モータＭＴ（三相誘導電動機）及び診断装置１を備えてなる。
診断装置１は、電源Ｐから供給される三相交流電力に基づいて駆動する三相モータＭＴの異常検知を行う。駆動システム９は、例えば、発電プラント、化学プラント、ごみ処理施設等に適用される。例えば、発電プラントにおいては、電源Ｐは発電機であり、三相モータＭＴは発電プラント内に配設された補機（冷却ファンやポンプ等）を駆動する誘導電動機である。

図１に示すように、診断装置１は、例えばクランプ式の電流センサＣを介して、電源Ｐから三相モータＭＴに流れるＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれのモータ電流の計測値を取得可能とされている。

（診断装置の機能構成）
図２は、第１の実施形態に係る診断装置の機能構成を示す図である。
図２に示すように、診断装置１は、ＣＰＵ１０と、表示部１１と、操作部１２と、メモリ１３と、ストレージ１４とを備えている。

ＣＰＵ１０は、予め用意されたプログラムに従って動作することで種々の機能を発揮し、診断装置１の動作全体を司るプロセッサである。
表示部１１は、液晶ディスプレイモニタ等の出力機器であって、駆動システム９の監視者に向けて情報を出力する。
操作部１２は、マウス、キーボード、タッチセンサ等の入力機器であって、駆動システム９の監視者の操作を受け付ける。
メモリ１３は、いわゆる主記憶装置であって、ＣＰＵ１０がプログラムに従った動作を行うための記憶領域である。
ストレージ１４は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の補助記憶装置である。

ＣＰＵ１０は、プログラムに従って動作することで、モータ電流取得部１００、異常検知部１０１及び異常程度推定部１０２としての機能を発揮する。

モータ電流取得部１００は、電流センサＣ（図１）を介して、各相のモータ電流の計測値を取得する。
異常検知部１０１は、各相のモータ電流の計測値に基づいて、三相モータＭＴについての「欠相」の発生、「地絡」の発生、及び、「レイヤショート」の発生のそれぞれを検知する。「欠相」、「地絡」及び「レイヤショート」は、それぞれ、三相モータＭＴの固定子側に特に発生する異常状態である。ここで、「欠相」とは、三相交流電力の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を送電するいずれかの送電線が断線する、又は、断線に近い状態となる異常状態を指す。また、「地絡」とは、三相交流電力の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を送電するいずれかの送電線が接地点と短絡する、又は、短絡に近い状態となる異常状態を指す。また、「レイヤショート」とは、三相モータＭＴの固定子に配される巻線の少なくとも一部がショートする異常状態を指す。
異常程度推定部１０２は、異常検知部１０１によって「欠相」の発生が検知された場合には当該欠相の程度を推定する。また、異常程度推定部１０２は、異常検知部１０１によって「地絡」の発生が検知された場合には当該地絡の程度を推定する。また、異常程度推定部１０２は、「レイヤショート」の発生が検知された場合には当該レイヤショートの程度を推定する。

（ＣＰＵの処理フロー）
図３は、第１の実施形態に係るＣＰＵの処理フローを示す第１図である。
図３に示す処理フローは、駆動システム９の運転中において繰り返し実行される。
まず、ＣＰＵ１０のモータ電流取得部１００は、電流センサＣを介して、三相各相のモータ電流（Ｕ相モータ電流ｉ_ｕ、Ｖ相モータ電流ｉ_ｖ及びＷ相モータ電流ｉ_ｗ）の計測値を取得する（ステップＳ００）。モータ電流取得部１００は、モータ電流を、例えば、数ミリ秒単位のサンプリング周期で取得し、メモリ１３等に逐次蓄えていく。

次に、ＣＰＵ１０の異常検知部１０１及び異常程度推定部１０２は、ステップＳ００で取得されたモータ電流の計測値を参照して、欠相についての診断処理（ステップＳ１０）、地絡についての診断処理（ステップＳ２０）、及び、レイヤショートについての診断処理（ステップＳ３０）を行う。
以下、それぞれの診断処理について、詳しく説明する。

（欠相についての診断処理）
図４は、第１の実施形態に係るＣＰＵの処理フローを示す第２図である。
図５、図６は、それぞれ、第１の実施形態に係るＣＰＵによる診断処理を説明するための第１図、第２図である。
以下、図４〜図６を参照しながら、欠相についての診断処理（図３のステップＳ１０）について詳しく説明する。

図４に示すように、ＣＰＵ１０の異常検知部１０１は、ステップＳ００（図３）で取得された各相のモータ電流の計測値を参照して、欠相が発生したか否かを判定する（ステップＳ１１）。具体的には、異常検知部１０１は、Ｕ相モータ電流の実効値ｉ_ｕｒｍｓ、Ｖ相モータ電流の実効値ｉ_ｖｒｍｓ、Ｗ相モータ電流の実効値ｉ_ｗｒｍｓのいずれかが予め規定された判定閾値ｉ_ｔｈ以下であるか否かを判定する。Ｕ相モータ電流の実効値ｉ_ｕｒｍｓが判定閾値ｉ_ｔｈ以下であった場合（ステップＳ１１：ＮＯ）、異常検知部１０１は、Ｕ相にて欠相が発生したと判定する。また、Ｖ相モータ電流の実効値ｉ_ｖｒｍｓが判定閾値ｉ_ｔｈ以下であった場合（ステップＳ１１：ＮＯ）、異常検知部１０１は、Ｖ相にて欠相が発生したと判定する。また、Ｗ相モータ電流の実効値ｉ_ｗｒｍｓが判定閾値ｉ_ｔｈ以下であった場合（ステップＳ１１：ＮＯ）、異常検知部１０１は、Ｗ相にて欠相が発生したと判定する。
なお、判定閾値ｉ_ｔｈは、三相モータＭＴの負荷の大きさから想定されるモータ電流に対し、測定誤差よりも大きい有意な差を有する値として予め規定される。

他方、Ｕ相モータ電流の実効値ｉ_ｕｒｍｓ、Ｖ相モータ電流の実効値ｉ_ｖｒｍｓ、Ｗ相モータ電流の実効値ｉ_ｗｒｍｓのいずれもが判定閾値ｉ_ｔｈを上回っていた場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、異常検知部１０１は、欠相が発生していないと判定する。この場合、異常検知部１０１は、表示部１１等を介して、監視者に向けて「欠相なし」との表記を出力する（ステップＳ１２）。

次に、異常検知部１０１によって欠相の発生が検知された場合に、ＣＰＵ１０の異常程度推定部１０２が行う処理について詳しく説明する。

欠相の発生が検知された場合（ステップＳ１１：ＮＯ）、異常程度推定部１０２は、「欠相あり」と判定された相の直列抵抗成分Ｒ_ｍの大きさを推定する（ステップＳ１３）。具体的には、異常程度推定部１０２は、欠相の発生を等価回路で示した回路モデルＭＤ１と、三相モータＭＴの電気的特性を示す電圧方程式である式（１）とを用いて、直列抵抗成分Ｒ_ｍの推定値を算出する。

ここで、図５に示す回路モデルＭＤ１は、例として、三相のうちＵ相に欠相が発生したことを示す等価回路である。回路モデルＭＤ１は、三相モータＭＴの１次側（固定子）に配されるＵ相の巻線Ｌ_Ｕ、Ｖ相の巻線Ｌ_Ｖ及びＷ相の巻線Ｌ_Ｗと、Ｕ相の巻線Ｌ_Ｕに対する直列抵抗成分Ｒ_ｍとを有してなる。回路モデルＭＤ１は、この直列抵抗成分Ｒ_ｍの大きさによって欠相の程度を表現する。なお、図５に示す「Ｖａ」、「Ｖｂ」、「Ｖｃ」は、それぞれ、Ｕ相の巻線Ｌ_Ｕ、Ｖ相の巻線Ｌ_Ｖ、Ｗ相の巻線Ｌ_Ｗの各々に印加される電圧値である。

また、式（１）は、三相モータＭＴの各相に印加される電圧と、当該三相モータＭＴの各相に流れる電流との関係を示す式であって、三相モータＭＴのモータ定数を含んでなる電圧方程式である。各モータ定数は、例えば、メーカから提供される試験成績書等に示される電圧と電流との関係から導出する。式（１）において、「Ｖａ」、「Ｖｂ」、「Ｖｃ」は、それぞれ、１次側（固定子）に配されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各巻線に印加される電圧値である（図５参照）。また、「Ｌ１」、「Ｌ２」は、それぞれ、１次側漏れインダクタンス、２次側漏れインダクタンスである。また、「Ｍ」は、３／２・Ｌｍであり、「Ｌｍ」は励磁インダクタンスである。また、「Ｒ１」、「Ｒ２」は、それぞれ、１次抵抗、２次抵抗である。また、「θａ」は「ωｔ」（角周波数ωと時刻ｔの積）であり、「θｂ」、「θｃ」は、それぞれ、「θａ＋２／３π」、「θａ＋４／３π」である。更に、「Ｉｓａ」、「Ｉｓｂ」、「Ｉｓｃ」は、１次側（固定子）に流れる各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電流であり、「Ｉｒａ」、「Ｉｒｂ」、「Ｉｒｃ」は、１次側の各相の電流に対応して２次側（回転子）に流れる電流である。

回路モデルＭＤ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各入力端子には、電源Ｐから、既知の振幅、周波数の交流電圧が印加される。この場合において、図５に示すように、三相モータＭＴの巻線Ｌ_Ｕに印加される電圧値Ｖａは、当該巻線Ｌ_Ｕに直列接続される直列抵抗成分Ｒ_ｍの大きさによって決定される。電源Ｐから直列抵抗成分Ｒ_ｍを介して印加される電圧値Ｖａと、電源Ｐから正常に（直列抵抗成分を介さずに）印加される電圧値Ｖｂ、Ｖｃとが三相モータＭＴに印加された場合における、Ｕ相モータ電流の実効値ｉ_ｕｒｍｓは、当該電圧値Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを式（１）に代入することにより求めることができる。これにより、図６に示すように、Ｕ相モータ電流の実効値ｉ_ｕｒｍｓと、直列抵抗成分Ｒ_ｍとの関係を示す関数Ｆ１が求められる。
異常程度推定部１０２は、判定閾値ｉ_ｔｈ以下となって計測されたＵ相モータ電流の実効値ｉ_ｕｒｍｓを関数Ｆ１に当てはめることで直列抵抗成分Ｒ_ｍの大きさを推定する。

図４に戻り、続いて、異常程度推定部１０２は、ステップＳ１３で推定した直列抵抗成分Ｒ_ｍが許容範囲内か否かを判定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４において異常程度推定部１０２は、欠相の程度が許容範囲内か否かを、直列抵抗成分Ｒ_ｍの大きさに基づいて判定する。即ち、異常程度推定部１０２は、ステップＳ１３で推定した直列抵抗成分Ｒ_ｍと予め規定された欠相許容判定閾値Ｒ_ｔｏ１とを対比する。直列抵抗成分Ｒ_ｍが欠相許容判定閾値Ｒ_ｔｏ１以下であった場合、異常程度推定部１０２は、直列抵抗成分Ｒ_ｍが許容範囲内であると判定する（ステップＳ１４：ＹＥＳ）。この場合、異常程度推定部１０２は、「欠相あり（許容範囲内）」との表記、及び、欠相の発生による抵抗の増加率Ｒ_ｍ／Ｒ_０を、監視者に向けて出力する（ステップＳ１５）。ここで、「Ｒ_０」は、正常時における抵抗値である。
他方、直列抵抗成分Ｒ_ｍが欠相許容判定閾値Ｒ_ｔｏ１を上回っていた場合、異常程度推定部１０２は、直列抵抗成分Ｒ_ｍが許容範囲外であると判定する（ステップＳ１４：ＮＯ）。この場合、異常程度推定部１０２は、「欠相あり（許容範囲外）」との表記、及び、欠相の発生による抵抗の増加率Ｒ_ｍ／Ｒ_０を、監視者に向けて出力する（ステップＳ１６）。

（地絡についての診断処理）
図７は、第１の実施形態に係るＣＰＵの処理フローを示す第３図である。
図８、図９は、それぞれ、第１の実施形態に係るＣＰＵによる診断処理を説明するための第３図、第４図である。
以下、図７〜図９を参照しながら、地絡についての診断処理（図３のステップＳ２０）について詳しく説明する。

図７に示すように、ＣＰＵ１０の異常検知部１０１は、ステップＳ００（図３）で取得された各相のモータ電流の計測値を参照して、地絡が発生したか否かを判定する（ステップＳ２１）。具体的には、異常検知部１０１は、零相電流ｉ_０（＝ｉ_ｕ＋ｉ_ｖ＋ｉ_ｗ）のピーク値ｉ_０ｐが、所定の判定閾値ｉ_ｔｈ０を下回っているか否かを判定する。零相電流のピーク値ｉ_０ｐが判定閾値ｉ_ｔｈ０以上であった場合（ステップＳ２１：ＮＯ）、異常検知部１０１は、地絡が発生したと判定する。

他方、零相電流のピーク値ｉ_０ｐが判定閾値ｉ_ｔｈ０を下回っていた場合（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、異常検知部１０１は、地絡が発生していないと判定する。この場合、異常検知部１０１は、表示部１１等を介して、監視者に向けて「地絡なし」との表記を出力する（ステップＳ２２）。

次に、異常検知部１０１によって地絡の発生が検知された場合に、ＣＰＵ１０の異常程度推定部１０２が行う処理について詳しく説明する。

地絡の発生が検知された場合（ステップＳ２１：ＮＯ）、異常程度推定部１０２は、零相電流ｉ_０をフーリエ変換して、電源周波数成分のピーク値Ｐ_ｆｍを算出する（ステップＳ２３）。ここで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相各相の送電線がいずれも正常に絶縁されている場合、三相モータＭＴの零相電流ｉ_０（Ｕ相モータ電流ｉ_ｕ、Ｖ相モータ電流ｉ_ｖ及びＷ相モータ電流ｉ_ｗの合計）は常にゼロとなる。しかし、三相のうちのいずれかの相で地絡が発生すると、三相モータＭＴを介さないで接地点に流れる電流が発生するため、零相電流ｉ_０がゼロとはならず、電源周波数で発振する交流成分が含まれることとなる。そこで、異常程度推定部１０２は、零相電流ｉ_０をフーリエ変換して電源周波数成分のピーク値Ｐ_ｆｍを算出することで、地絡経路を通じて、どの程度の電流が流れているかを把握することができる。

続いて、異常程度推定部１０２は、算出した零相電流ｉ_０の電源周波数成分のピーク値Ｐ_ｆｍに基づいて、地絡経路の抵抗成分Ｒ_ｎ（即ち、送電線と接地点との間の絶縁抵抗）を推定する（ステップＳ２４）。具体的には、異常程度推定部１０２は、地絡の発生を等価回路で示した回路モデルＭＤ２と、三相モータＭＴの電気的特性を示す電圧方程式である式（１）とを用いて、地絡経路の抵抗成分Ｒ_ｎの推定値を算出する。

ここで、図８に示す回路モデルＭＤ２は、例として、三相のうちＵ相に地絡が発生したことを示す等価回路である。回路モデルＭＤ２は、三相モータＭＴの１次側（固定子）に配されるＵ相の巻線Ｌ_Ｕ、Ｖ相の巻線Ｌ_Ｖ及びＷ相の巻線Ｌ_Ｗと、Ｕ相の巻線Ｌ_Ｕに対して発生した地絡経路の抵抗成分Ｒ_ｎとを有してなる。回路モデルＭＤ２は、この地絡経路の抵抗成分Ｒ_ｎの大きさによって地絡の程度を表現する。なお、図８に示す「Ｖａ」、「Ｖｂ」、「Ｖｃ」は、図５と同様、それぞれ、Ｕ相の巻線Ｌ_Ｕ、Ｖ相の巻線Ｌ_Ｖ、Ｗ相の巻線Ｌ_Ｗの各々に印加される電圧値である。

回路モデルＭＤ２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各入力端子には、電源Ｐから、既知の振幅、周波数の交流電圧が印加される。この場合において、三相モータＭＴの巻線Ｌ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗのそれぞれに印加される電圧値Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃは、図８に示すように、電源ＰからＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各入力端子に正常に印加される電圧値となる。しかし、回路モデルＭＤ２によれば、Ｕ相に流れる電流は、三相モータＭＴの巻線Ｌ_Ｕに流れる電流と、地絡経路の抵抗成分Ｒ_ｎに流れる電流との合計値となる。ここで、ステップＳ２３で求めたピーク値Ｐ_ｆｍ（零相電流ｉ_０の電源周波数成分）の大きさは、地絡経路の抵抗成分Ｒ_ｎに流れる電流値に比例した大きさとなる。これにより、図９に示すように、オームの法則（Ｖ＝ＩＲ）から、ピーク値Ｐ_ｆｍと地絡経路の抵抗成分Ｒ_ｎとの関係（反比例の関係）を示す関数Ｆ２が求められる。
異常程度推定部１０２は、ステップＳ２３で算出したピーク値Ｐ_ｆｍを関数Ｆ２に当てはめることで地絡経路の抵抗成分Ｒ_ｎの大きさを推定する。

図７に戻り、続いて、異常程度推定部１０２は、ステップＳ２４で推定した地絡経路の抵抗成分Ｒ_ｎが許容範囲内か否かを判定する（ステップＳ２５）。ステップＳ２５において異常程度推定部１０２は、地絡の程度が許容範囲内か否かを、地絡経路の抵抗成分Ｒ_ｎの大きさに基づいて判定する。即ち、異常程度推定部１０２は、ステップＳ２４で推定した地絡経路の抵抗成分Ｒ_ｎと予め規定された地絡許容判定閾値Ｒ_ｔｏ２とを対比する。地絡経路の抵抗成分Ｒ_ｎが地絡許容判定閾値Ｒ_ｔｏ２以上であった場合（ステップＳ２５：ＹＥＳ）、異常程度推定部１０２は、地絡経路の抵抗成分Ｒ_ｎが許容範囲内であると判定する（ステップＳ２５：ＹＥＳ）。この場合、異常程度推定部１０２は、「地絡あり（許容範囲内）」との表記、及び、地絡経路の抵抗成分Ｒ_ｎを、監視者に向けて出力する（ステップＳ２６）。
他方、地絡経路の抵抗成分Ｒ_ｎが地絡許容判定閾値Ｒ_ｔｏ２を下回っていた場合、異常程度推定部１０２は、地絡経路の抵抗成分Ｒ_ｎが許容範囲外であると判定する（ステップＳ２５：ＮＯ）。この場合、異常程度推定部１０２は、「地絡あり（許容範囲外）」との表記、及び、地絡経路の抵抗成分Ｒ_ｎを、監視者に向けて出力する（ステップＳ２７）。

（レイヤショートについての診断処理）
図１０は、第１の実施形態に係るＣＰＵの処理フローを示す第４図である。
図１１は、第１の実施形態に係るＣＰＵによる診断処理を説明するための第５図である。
以下、図１０〜図１１を参照しながら、レイヤショートについての診断処理（図３のステップＳ３０）について詳しく説明する。

図１０に示すように、ＣＰＵ１０の異常検知部１０１は、ステップＳ００（図３）で取得された各相のモータ電流の計測値を参照して、レイヤショートが発生したか否かを判定する（ステップＳ３１）。具体的には、異常検知部１０１は、まず、式（２）に基づいて、ｄ軸電流ｉ_ｄとｑ軸電流ｉ_ｑとの合成ベクトルの大きさｉ_ｄｑを算出する。

ここで、Ｕ相の巻線Ｌ_Ｕ、Ｖ相の巻線Ｌ_Ｖ及びＷ相の巻線Ｌ_Ｗのインダクタンス値がいずれも等しい場合、三相が平衡している状態であるから、ｄ軸電流ｉ_ｄとｑ軸電流ｉ_ｑとの合成ベクトルは、電源周波数と同期してｄｑ座標平面上で円軌道を描くので、その大きさｉ_ｄｑは常に一定となる。そのため、ｄ軸電流ｉ_ｄとｑ軸電流ｉ_ｑとの合成ベクトルの大きさｉ_ｄｑをフーリエ変換した場合、直流成分のピークのみが現れる。しかし、Ｕ相の巻線Ｌ_Ｕ、Ｖ相の巻線Ｌ_Ｖ及びＷ相の巻線Ｌ_Ｗの何れか一つにレイヤショートが発生した場合、当該レイヤショートが発生した巻線のインダクタンス値が低下して三相不平衡となる。そうすると、ｄ軸電流ｉ_ｄとｑ軸電流ｉ_ｑとの合成ベクトルは、電源周波数と同期してｄｑ座標平面上で楕円軌道を描く。したがって、レイヤショートが発生した状態において、ｄ軸電流ｉ_ｄとｑ軸電流ｉ_ｑとの合成ベクトルの大きさｉ_ｄｑをフーリエ変換した場合、直流成分のピークだけでなく、電源周波数の２倍の周波数でピークが生じる。以下、電源周波数の２倍の周波数を「電源周波数二倍成分」とも記載する。

異常検知部１０１は、ｄ軸電流ｉ_ｄとｑ軸電流ｉ_ｑとの合成ベクトルの大きさｉ_ｄｑの電源周波数二倍成分のピーク値Ｐ_２ｆｍを算出し、当該ピーク値Ｐ_２ｆｍが所定の判定閾値Ｐ_ｔｈを下回っているか否かを判定する。合成ベクトルの大きさｉ_ｄｑの電源周波数二倍成分のピーク値Ｐ_２ｆｍが判定閾値Ｐ_ｔｈ以上であった場合（ステップＳ３１：ＮＯ）、異常検知部１０１は、レイヤショートが発生したと判定する。

他方、合成ベクトルの大きさｉ_ｄｑの電源周波数二倍成分のピーク値Ｐ_２ｆｍが判定閾値Ｐ_ｔｈを下回っていた場合（ステップＳ３１：ＹＥＳ）、異常検知部１０１は、レイヤショートが発生していないと判定する。この場合、異常検知部１０１は、表示部１１等を介して、監視者に向けて「レイヤショートなし」との表記を出力する（ステップＳ３２）。

次に、異常検知部１０１によってレイヤショートの発生が検知された場合に、ＣＰＵ１０の異常程度推定部１０２が行う処理について詳しく説明する。

レイヤショートの発生が検知された場合（ステップＳ３１：ＮＯ）、異常程度推定部１０２は、合成ベクトルの大きさｉ_ｄｑの電源周波数二倍成分のピーク値Ｐ_２ｆｍに基づいて、三相モータＭＴの巻線に発生したレイヤショートの割合を推定する（ステップＳ３３）。具体的には、異常程度推定部１０２は、レイヤショートの発生を等価回路で示した回路モデルＭＤ３と、レイヤショートが発生した三相モータＭＴの電気的特性を示す電圧方程式である式（３）とを用いて、レイヤショートの割合を算出する。

ここで、図１１に示す回路モデルＭＤ３は、例として、三相のうちＵ相の巻線Ｌ_Ｕにレイヤショートが発生したことを示す等価回路である。回路モデルＭＤ３は、三相モータＭＴの１次側（固定子）に配されるＵ相の巻線Ｌ_Ｕ、Ｖ相の巻線Ｌ_Ｖ及びＷ相の巻線Ｌ_Ｗを有してなる。回路モデルＭＤ３によれば、Ｕ相の巻線Ｌ_Ｕは、ショートしておらず三相モータＭＴの駆動に寄与するインダクタンス成分Ｌ_Ｕ１と、ショートしたインダクタンス成分Ｌ_Ｕ２とに分離される。この場合において、レイヤショートの割合とは、Ｕ相の巻線Ｌ_Ｕ全体のインダクタンス（Ｌ_Ｕ１＋Ｌ_Ｕ２）に対する、ショートしたインダクタンス成分Ｌ_Ｕ２の割合である。

式（３）は、Ｕ相の巻線Ｌ_Ｕにレイヤショートが発生した三相モータＭＴの各相に印加される電圧と、当該三相モータＭＴの各相に流れる電流との関係を示す式であって、三相モータＭＴのモータ定数を含んでなる電圧方程式である。ただし、式（３）における「Ｉｓａ」は、回路モデルＭＤ３のインダクタンス成分Ｌ_Ｕ１に流れる電流であり、「Ｉｓｄ」は、回路モデルＭＤ３のインダクタンス成分Ｌ_Ｕ２に流れる電流である。更に、式（３）の「ｋ_１１〜ｋ_７７」及び「ｍ_１１〜ｍ_７７」は、発生したレイヤショートの割合に応じて一意に特定される係数である。
異常程度推定部１０２は、異常程度推定部１０２は、式（３）の各係数ｋ_１１〜ｋ_７７、ｍ_１１〜ｍ_７７を変更しながら、ステップＳ００で取得されたＵ相モータ電流ｉ_ｕ、Ｖ相モータ電流ｉ_ｖ及びＷ相モータ電流ｉ_ｗの計測値と同一の電流波形を得られる各係数ｋ_１１〜ｋ_７７、ｍ_１１〜ｍ_７７の組み合わせを特定する。異常程度推定部１０２は、特定した各係数ｋ_１１〜ｋ_７７、ｍ_１１〜ｍ_７７の組み合わせからＵ相の巻線Ｌ_Ｕで発生したレイヤショートの割合を推定することができる。

図１０に戻り、続いて、異常程度推定部１０２は、ステップＳ３３で推定したレイヤショートの割合が許容範囲内か否かを判定する（ステップＳ３４）。ステップＳ３４において異常程度推定部１０２は、レイヤショートの程度が許容範囲内か否かを、レイヤショートの割合に基づいて判定する。即ち、異常程度推定部１０２は、ステップＳ３３で推定したレイヤショートの割合と予め規定されたレイヤショート許容判定閾値とを対比する。レイヤショートの割合がレイヤショート許容判定閾値以下であった場合（ステップＳ３４：ＹＥＳ）、異常程度推定部１０２は、レイヤショートの割合が許容範囲内であると判定する（ステップＳ３４：ＹＥＳ）。この場合、異常程度推定部１０２は、「レイヤショートあり（許容範囲内）」との表記、及び、レイヤショートの割合を、監視者に向けて出力する（ステップＳ３５）。
他方、レイヤショートの割合がレイヤショート許容判定閾値を上回っていた場合、異常程度推定部１０２は、レイヤショートの割合が許容範囲外であると判定する（ステップＳ３４：ＮＯ）。この場合、異常程度推定部１０２は、「レイヤショートあり（許容範囲外）」との表記、及び、レイヤショートの割合を、監視者に向けて出力する（ステップＳ３６）。

なお、上述の説明に用いた式（３）は、あくまでＵ相の巻線Ｌ_Ｕにレイヤショートが発生した三相モータＭＴの各相に印加される電圧と、当該三相モータＭＴの各相に流れる電流との関係を示す電圧方程式である。
Ｖ相の巻線Ｌ_Ｖにレイヤショートが発生した三相モータＭＴの各相に印加される電圧と、当該三相モータＭＴの各相に流れる電流との関係を示す電圧方程式は、式（３）右辺１項目の７×７の行列要素のうち、７行目の４〜６列目における各行列要素「Ｍｃｏｓθａ×ｋ_７４」、「Ｍｃｏｓθｂ×ｋ_７５」、「Ｍｃｏｓθｃ×ｋ_７６」を、それぞれ、「Ｍｃｏｓθｃ×ｋ_７４」、「Ｍｃｏｓθａ×ｋ_７５」、「Ｍｃｏｓθｂ×ｋ_７６」に変更し、４〜６行目の７列目における各行列要素「Ｍｃｏｓθａ×ｋ_４７」、「Ｍｃｏｓθｂ×ｋ_５７」、「Ｍｃｏｓθｃ×ｋ_６７」を、それぞれ、「Ｍｃｏｓθｃ×ｋ_４７」、「Ｍｃｏｓθａ×ｋ_５７」、「Ｍｃｏｓθｂ×ｋ_６７」に変更することで得られる。
また、Ｗ相の巻線Ｌ_Ｗにレイヤショートが発生した三相モータＭＴの各相に印加される電圧と、当該三相モータＭＴの各相に流れる電流との関係を示す電圧方程式は、式（３）右辺１項目の７×７の行列要素のうち、７行目の４〜６列目における各行列要素「Ｍｃｏｓθａ×ｋ_７４」、「Ｍｃｏｓθｂ×ｋ_７５」、「Ｍｃｏｓθｃ×ｋ_７６」を、それぞれ、「Ｍｃｏｓθｂ×ｋ_７４」、「Ｍｃｏｓθｃ×ｋ_７５」、「Ｍｃｏｓθａ×ｋ_７６」に変更し、４〜６行目の７列目における各行列要素「Ｍｃｏｓθａ×ｋ_４７」、「Ｍｃｏｓθｂ×ｋ_５７」、「Ｍｃｏｓθｃ×ｋ_６７」を、それぞれ、「Ｍｃｏｓθｂ×ｋ_４７」、「Ｍｃｏｓθｃ×ｋ_５７」、「Ｍｃｏｓθａ×ｋ_６７」に変更することで得られる。

（作用、効果）
以上のとおり、第１の実施形態に係る診断装置１は、三相各相のモータ電流の計測値に基づいて、少なくとも、三相モータＭＴについての欠相の発生、地絡の発生、及び、レイヤショートの発生のそれぞれを検知する。そして、診断装置１は、欠相の発生が検知された場合には当該欠相の程度を推定し、地絡の発生が検知された場合には当該地絡の程度を推定し、レイヤショートの発生が検知された場合には当該レイヤショートの程度を推定する。
このようにすることで、発生した異常状態の判別と、その深刻度までを評価することができる。これにより、駆動システム９の設備保有者は、当該駆動システム９で何らかの異常が検知されたとしても、異常の深刻度が比較的小さい場合はコストの観点から運転を継続する、などといった柔軟な対応を取ることができる。また、複数の定期点検の結果を用いることで、症状の進行度合いを把握することができるので、適切なメンテナンス計画を立てることができる。

また、第１の実施形態に係る診断装置１は、電源Ｐと三相モータＭＴとの間を流れる三相各相のモータ電流の計測値のみに基づいて上述の診断を行うので、新たなセンサ等の追設を要することなく、簡便に実現することができる。

以上より、第１の実施形態に係る診断装置１によれば、より簡便に、三相モータの異常状態の判別、及び、その深刻度を評価することができる。

なお、上述の各実施形態においては、上述した診断装置１の各種処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって上記各種処理が行われる。また、コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

上記プログラムは、上述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。更に、上述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

また、他の実施形態においては、上述の各実施形態で説明した診断装置１が有する各機能の一部を、ネットワークで接続された他のコンピュータが具備する態様であってもよい。

以上のとおり、本発明に係るいくつかの実施形態を説明したが、これら全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 診断装置
１０ ＣＰＵ
１００ モータ電流取得部
１０１ 異常検知部
１０２ 異常程度推定部
１１ 表示部
１２ 操作部
１３ メモリ
１４ ストレージ
Ｐ 電源
ＭＴ 三相モータ
Ｃ 電流センサ

Claims (8)

1. 三相モータの異常を検知する診断装置であって、
   各相のモータ電流の計測値を取得するモータ電流取得部と、
   前記各相のモータ電流の計測値に基づいて、前記三相モータについての欠相の発生を検知する異常検知部と、
   前記欠相の発生が検知された場合には当該欠相の程度を推定する異常程度推定部と、
   を備え、
   前記異常程度推定部は、前記欠相の発生が検知された場合には、当該欠相の程度として、前記三相モータの一つの巻線に対する直列抵抗成分の大きさを推定する、
   診断装置。
2. 三相モータの異常を検知する診断装置であって、
   各相のモータ電流の計測値を取得するモータ電流取得部と、
   前記各相のモータ電流の計測値に基づいて、前記三相モータについてのレイヤショートの発生を検知する異常検知部と、
   前記レイヤショートの発生が検知された場合には当該レイヤショートの程度を推定する異常程度推定部と、
   を備え、
   前記異常程度推定部は、前記レイヤショートの発生が検知された場合には、当該レイヤショートの程度として、前記三相モータの一つの巻線に発生したレイヤショートの割合を推定する、
   診断装置。
3. 前記異常検知部は、更に、前記各相のモータ電流の計測値に基づいて地絡の発生を検知し、
   前記異常程度推定部は、前記地絡の発生が検知された場合には、当該地絡の程度として、前記三相モータの一つの巻線に対する地絡経路の抵抗成分の大きさを推定する
   請求項１または請求項２に記載の診断装置。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載の診断装置と、
   前記三相モータと、
   当該三相モータに三相交流電力を供給する電源と、
   を備える駆動システム。
5. 三相モータの異常を検知する方法であって、
   各相のモータ電流の計測値を取得するステップと、
   前記各相のモータ電流の計測値に基づいて、前記三相モータについての欠相の発生を検知するステップと、
   前記欠相の発生が検知された場合には当該欠相の程度を推定するステップと、
   を備え、
   前記欠相の程度を推定するステップでは、前記欠相の発生が検知された場合には、当該欠相の程度として、前記三相モータの一つの巻線に対する直列抵抗成分の大きさを推定する、
   診断方法。
6. 三相モータの異常を検知可能な診断装置のコンピュータに、
   各相のモータ電流の計測値を取得するステップと、
   前記各相のモータ電流の計測値に基づいて、前記三相モータについての欠相の発生を検知するステップと、
   前記欠相の発生が検知された場合には当該欠相の程度を推定するステップと、
   を実行させ、
   前記欠相の程度を推定するステップでは、前記欠相の発生が検知された場合には、当該欠相の程度として、前記三相モータの一つの巻線に対する直列抵抗成分の大きさを推定する、
   プログラム。
7. 三相モータの異常を検知する方法であって、
   各相のモータ電流の計測値を取得するステップと、
   前記各相のモータ電流の計測値に基づいて、レイヤショートの発生を検知するステップと、
   前記レイヤショートの発生が検知された場合には当該レイヤショートの程度を推定するステップと、
   を備え、
   前記レイヤショートの程度を推定するステップでは、前記レイヤショートの発生が検知された場合には、当該レイヤショートの程度として、前記三相モータの一つの巻線に発生したレイヤショートの割合を推定する、
   診断方法。
8. 三相モータの異常を検知可能な診断装置のコンピュータに、
   各相のモータ電流の計測値を取得するステップと、
   前記各相のモータ電流の計測値に基づいて、レイヤショートの発生を検知するステップと、
   前記レイヤショートの発生が検知された場合には当該レイヤショートの程度を推定するステップと、
   を実行させ、
   前記レイヤショートの程度を推定するステップでは、前記レイヤショートの発生が検知された場合には、当該レイヤショートの程度として、前記三相モータの一つの巻線に発生したレイヤショートの割合を推定する、
   プログラム。

Images