电动机的诊断装置的制作方法

文档序号:11237254阅读:772来源:国知局
电动机的诊断装置的制造方法

本发明涉及监视电动机的状态、并针对异常状态保护电动机的电动机的诊断装置。



背景技术:

在工厂中存在多个电动机,该设备的诊断是由维护部门通过五感诊断来进行判定的。特别是涉及重要度较高的电动机,由于需要定期诊断,成本较高。并且,在电动机中,若开始劣化则会引起劣化加速地发展。在交流电机的情况下,由机械应力和热劣化所产生的绝缘物的空隙、损伤部会因放电等引起层间短路(layershort)(层间短路),有时会突然造成绝缘破坏,因此一旦电动机发生劣化则只会推进劣化进展的状态。

因此,对于电动机的始终监视技术的关注正在提高。然而,电动机的始终监视大多以对每台电动机安装各种传感器等测量设备为前提。作为测量设备例如有转矩计、编码器、加速度传感器等。

但是,对于集中管理数百~数千台电动机的电动机控制中心适用上述前提会导致布线的数量较多,因此该适用是不现实的。因此,需要一种装置,其不使用特殊传感器,而是根据通过电动机控制中心测量到的电流和电压的信息来简单地诊断电动机的状态,并且能提高可靠性、生产性、安全性。

例如,存在如下技术:即使电动机的容量、负载变化,也利用恒定电流设定电路调整出稳定运转时的电流,以此为基准,相对于该基准设定允许变动范围的上限值、下限值以及脉动信号值来始终监视电动机的负载电流,从而对电动机的异常运转状态进行监视(参照专利文献1)。

已知有一种电动机的良否诊断系统,包括:特征量检测单元,其根据流过作为诊断对象的电动机的电流检测特征量;运算存储单元,其预先导出并存储当电动机处于正常状态时通过特征量检测单元获得的特征量的平均和标准偏差;以及诊断单元,其基于由特征量检测单元获得的特征量和存储于运算存储单元的特征量的平均和标准偏差来计算随机分布,从而诊断电动机是正常还是异常(参照专利文献2)。

而且,已知有一种电动机定子绕组的短路诊断系统,包括:检测部,其检测由电源提供给作为诊断对象的电动机的电压和流过电动机的定子绕组的电流;判定部,其在将利用该检测部检测到的电压为零的时刻作为开始时刻的规定时间后的电流值超过阈值的情况下,判定为定子绕组短路,该阈值是通过考虑定子绕组是正常、或是由于电感分量减少导致电流的相位提前的短路状态而预先设定的(参照专利文献3)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本专利特开昭62-218883号公报

专利文献2:日本专利特开2012-220485号公报

专利文献3:日本专利第4367784号公报



技术实现要素:

发明所要解决的技术问题

在上述的电动机的定子绕组的短路诊断装置中,由于负载转矩变化、电源不平衡、接触不良故障,会影响到计算参数。其结果,存在难以高精度地正确检测绕组短路故障的问题。并且,在它们同时发生时,难以仅检测出绕组短路故障,有可能会误检测。

本发明是为了解决上述技术问题而完成的,其提供一种电动机的诊断装置,目的是根据在电动机运行中在线获得的电压和电流信息,在不受负载转矩变化、电源不平衡、接触不良故障的影响的情况下仅检测电动机的定子绕组的短路故障。

解决技术问题的技术方案

本发明的电动机的诊断装置,包括:电流检测电路,其根据流过连接至电动机的电源的主电路的电流来检测电动机的电流;电压检测电路,其根据电源的主电路的电压来检测电动机的电压;逻辑运算部,其输入电流检测电路和电压检测电路的输出并对电动机的绕组短路异常进行判定;显示部,其在逻辑运算部检测出电动机的异常时显示异常情况;以及外部输出部,其在逻辑运算部检测出电动机的异常时将异常情况通知给外部,逻辑运算部根据通过分析电动机的电压和电流得到的反相电流、反相电压、正相电流、反相导纳,即使在电动机运行中负载转矩发生变化时也对电源不平衡进行区分,从而判定并检测绕组短路。

本发明的电动机的诊断装置,包括:电流检测电路,其根据流过连接至电动机的电源的主电路的电流来检测电动机的电流;逻辑运算部,其输入电流检测电路的输出并对电动机的绕组短路异常进行判定;显示部,其在逻辑运算部检测出电动机的异常时显示异常情况;以及外部输出部,其在逻辑运算部检测出电动机的异常时将异常情况通知给外部,逻辑运算部根据通过分析电动机的电压和电流得到的反相电流、正相电流,即使在电动机运行中负载转矩发生变化时也对电源不平衡进行区分,从而判定并检测绕组短路。

发明效果

根据本发明,通过计算反相导纳特性、反相电流-正相电流特性、电压不平衡率,即使在运行中伴随发生负载转矩变化的电动机中,绕组短路和电压不平衡同时发生时,也能仅检测绕组短路而不会误检测。能起到如下这样的以往没有的显著效果:无论是导致电压不平衡的电源不平衡还是电源线的接触不良故障,都不会发生误检测。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的电动机的诊断装置的电路结构图。

图2是表示本发明的诊断对象即绕组短路故障的示意图。

图3是表示本发明的实施方式1所涉及的电动机的诊断装置的逻辑运算部的内部结构的图。

图4是表示本发明的实施方式1所涉及的正相电流和反相导纳的关系的图。

图5是表示本发明的实施方式1所涉及的反相电流和正相电流的关系的图。

图6是表示本发明的实施方式1所涉及的每种故障情况的评价值的图。

图7是用于对本发明的实施方式1所涉及的绕组短路故障检测算法进行说明的流程图。

图8是用于对本发明的实施方式2所涉及的绕组短路故障检测算法进行说明的流程图。

图9是表示本发明的实施方式4所涉及的电动机的诊断装置的电路结构图。

图10是表示本发明的实施方式4所涉及的电动机的诊断装置的逻辑运算部的内部结构的图。

图11是用于对本发明的实施方式4所涉及的绕组短路故障检测算法进行说明的流程图。

具体实施方式

实施方式1.

下面,基于图1~图7来说明本发明的实施方式1所涉及的电动机的诊断装置。

图1是表示本发明的实施方式1的电动机的诊断装置的结构电路图,主要用于作为封闭式配电盘的控制中心。

在图1中,在从电力系统引入的电源的主电路1中,设置有布线用断路器2、电磁接触器3、检测主电路1的负载电流的仪表用变换器4、以及检测主电路1的电压的仪表用变压器5,并且连接有作为负载的电动机6,通过电动机6运转并驱动机械设备7。

电动机的诊断装置100包括:连接于仪表用变压器5的电压检测电路8、连接于仪表用变换器4的电流检测电路9、逻辑运算电路(逻辑运算部)10、存储电路11、以及设定电路12。

电压检测电路8检测连接于电动机的电源的主电路1的线间电压,并转换成电动机的相电压、大小等规定的信号,检测电动机的电压,并输出至逻辑运算电路10和存储电路11。电流检测电路9检测连接于电动机的电源的主电路1的负载电流,并转换成电动机的相电流、大小等规定的信号,检测电动机的电流,并输出至逻辑运算电路10和存储电路11。

逻辑运算电路10输入电压检测电路8和电流检测电路9的输出,通过分析电动机的电压和电流来计算反相电流、反相电压、正相电流、反相导纳等,即使在电动机运行中负载转矩发生变化时也对电源不平衡、接触不良进行区分,从而判定并检测绕组短路。

设定电路12连接至存储电路11,具有设置键,通过按下该设置键(例如长按),将初始的正常状态的数据存储保持于存储电路11。能够存储在解除设置键之前的期间的数据。

显示电路(显示部)13连接至逻辑运算电路10,在逻辑运算电路10检测到负载电流的异常、电动机6的异常时显示异常状态、警告等。驱动电路14连接至逻辑运算电路10,根据对来自仪表用变换器4的电流检测信号进行运算得到的输出来开闭电磁接触器3。外部输出电路(外部输出部)15将来自逻辑运算电路10的异常状态、警告等输出至外部。

在图2中示出本次诊断的绕组短路故障的示意图。电动机6的定子绕组中,同层短路和层间短路均可能发生。而且,若将短路匝数设为nf,则一般用其与整体匝数n的比来表示短路率μ=nf/n。

在该发明中,在开始动作前,不需要输入电动机6的额定信息。

图3示出进行电动机6的定子绕组的短路检测判定的逻辑运算电路10的内部结构图,逻辑运算电路10由电流电压转换部21、初始分析部24、分析部27、判定部31构成。

电流电压转换部21由反相电流/反相电压计算部22与正相电流/正相电压计算部23构成,通过对称坐标变换处理,利用式(1)~式(4)的计算式,从利用电压检测电路8与电流检测电路9检测出的三相电压和电流转换成反相电流isn、反相电压vsn、正相电流isp以及正相电压vsp。

[数学式1]

其中,

此处,isp:正相电流、isn:反相电流、iu:u相电流、iv:v相电流、iw:w相电流、vsp:正相电压、vsn:反相电压、vu:u相电压、vv:v相电压、vw:w相电压。除了根据相电压求得正相电压和反相电压的方法以外,还可以是根据线间电压求得正相电压和反相电压的方法。

初始分析部24由正常状态的反相导纳特性分析部25和反相电流-正相电流特性分析部26构成。

反相导纳特性分析部25在判定绕组短路前存储正常时的反相导纳值yn。反相导纳yn由于滑动发生变化。即,由于负载转矩的大小而导致值不同。为了确立不依赖于负载转矩的判定方法,存储相对于正常时的正相电流值的反相导纳特性。存储的时刻优选为电动机运行时。这是因为能获取从无负载时到有负载时的反相导纳的数据。

图4是由正相电流isp的变化产生的反相导纳yn的特性的曲线图无负载电流时的反相导纳值y41较小,有负载时的反相导纳值y42较大。为了减小处理内存量,优选存储的数据较少,因此在无法获取数据的位置的反相导纳中,例如决定利用近似曲线处理进行插补而得到的值。反相导纳yn的值根据负载转矩变化而不同,至少需要存储在通常运转时假设的转矩范围内的反相导纳值。

为了进行接触不良判定而实施反相电流-正相电流特性分析部26。此处,接触不良是指假设例如用于连接电动机6与电源电缆(主电路1)的螺钉紧固部、其他存在螺钉的位置、电缆的劣化等。

对于用作评价绕组短路判定的反相电流isn相对于正相电流isp的增加量,基于正常时的数据根据最小二乘法等统计处理来决定阈值。此时,若正相电流isp不变化则无法计算增加量。通常,负载设备始终处于产生转矩的状态,因此认为没有问题。根据反相电流isn相对于正相电流isp的增加值,改变绕组短路判定方法。若由于接触不良导致存在电阻分量,则反相电流isn相对于正相电流isp的增加值变大。

图5是正相电流isp与反相电流isn的特性的曲线图。没有接触不良时的特性i51中,反相电流isn相对于正相电流isp的增加量较小,其斜率较小。另一方面,存在接触电阻时的特性i52和特性i53中,反相电流isn相对于正相电流isp的增加量变大,其斜率变大。接触电阻中,特性i53比特性i52更大。基于正常时的结果(例如特性i51)预先决定用于进行接触不良判定的阈值δ2。

分析部27由评价值分析部28与反相电流-正相电流分析部29以及电压不平衡率分析部30构成,进行用于在判定部31中判定的绕组短路判定部32、接触不良判定部33、电压不平衡判定部34的分析。

评价值分析部28计算评价值a=|isn―yn*vsn|的值。

对于评价值a的计算进行说明。由电压检测电路8和电流检测电路9更新电流(iu、iv、iw)电压(vuv、vvw、vwu)。绕组短路是线圈导线间的短路现象,若发生绕组短路则3相定子电流为非对称,因此能根据反相分量检测出。若将3相感应电动机的定子绕组的一部分发生绕组短路时的短路率设为μ(=nf/n。各项的匝数n中的nf匝发生短路),则假设μ<<1,在正相电压vsp与反相电压vsn之间、以及在正相电流isp与反相电流isn之间导出以下的关系式。

[数学式2]

此处,yp、yn、ypn:导纳、ω:电源角速度、rs:定子电阻、rr:转子电阻、rf:短路电阻、ls:定子漏电感、lr:转子漏电感、lm:励磁电感、μ:短路率。

导纳y的非对角分量ypn虽然可以设为绕组短路的指标,但是在实际领域中不容易计算非对角分量ypn。此处采用监视反相电流isn与反相电压vsn双方的方法。未发生绕组短路时(μ=0)导纳y的非对角分量ypn为零,因此

isn=yn·vsn···(8)。

若发生绕组短路,则isn发生变化。

isn=yn·vsn+ypn·vsp···(9)

通过监视isn与vsn双方,

若将评价值a=|isn-yn·vsn|···(10)作为指标,

则考虑能对发生绕组短路与发生电源电压的不平衡(vsn的变化)进行区分。在导入初期,在作为未发生绕组短路而进行了初始化(计算yn)后,通过监视式(10)的评价值a来判定绕组短路。

图6是表示每种故障情况的评价值a的关系的图。正常时的评价值a61、电压不平衡时的评价值a62的评价值a较小,发生了短路故障时的评价值a63、a64较大。因而,通过在评价值a62与评价值a63之间设定评价值a的阈值δ1,从而能对电压不平衡进行区分并检测出绕组短路故障。

反相导纳yn利用由反相导纳特性分析部25计算出的数据。而且,在由评价值分析部28进行评价值分析时,通过代入各正相电流的反相导纳值,从而能分析评价值。

反相电流-正相电流分析部29分析反相电流isn相对于正相电流isp的增加量。在实施判定前,对利用反相电流-正相电流特性分析部26分析得到的正常时的反相电流-正相电流特性的增加量进行存储,通过统计处理预先决定阈值δ2。然后,反相电流-正相电流分析部29分析反相电流isn相对于正相电流isp的增加量,能根据该增加量大于阈值δ2还是小于阈值δ2来判别电动机6的绕组短路和接触不良。

电压不平衡率分析部30根据各相的相电压或者线间电压来计算电压不平衡率。

电压不平衡vunbal在例如根据线间电压计算时用下式求得。

电压不平衡率=((各线间电压与平均电压的最大差)/平均电压)×100%

即(vuv-vavg)/vavg×100%

(vvw-vavg)/vavg×100%

(vwu-vavg)/vavg×100%的最大值

但是,平均电压vavg=(vuv+vvw+vwu)/3

在判定部31中,通过对利用分析部27计算得到的各分析结果与阈值δ1、δ2等进行比较,利用绕组短路判定部32进行绕组短路的判定,利用接触不良判定部33进行接触不良的判定,利用电压不平衡判定部34进行电压不平衡的判定。判定结果发送至图1所示的显示电路13、驱动电路14以及外部输出电路15。

显示电路13在检测到电动机6的绕组短路、接触不良等异常时显示异常状态、警告等。驱动电路14在检测到电动机6的异常时开闭电磁接触器3。外部输出电路(外部输出部)15将上述的电动机6的异常状态、警告等输出至外部。

接着,基于图7的流程图对电动机的诊断装置的诊断处理进行说明。步骤s1中,获取电动机的电压(线间电压或者相电压)v与电流(相电流)i,在步骤s2中,计算反相电流isn、反相电压vsn、正相电流isp、电压不平衡率vunbal以及电源电压vs。步骤s3中,进行初次判定,在初次时(是)前进至步骤s4,并存储电源电压vs。另外,步骤s2的电源电压vs的计算以及步骤s4的电源电压vs的存储也可以省略。

步骤s5根据反相电流-反相电压特性计算反相导纳yn,并存储反相导纳yn的正相电流特性。步骤s6中,根据反相电流-正相电流特性计算反相电流isn相对于正相电流isp的增加量△isn/△isp,并设定增加量的阈值δ2。之后,返回至开始(start)。

在步骤s3中,并非初次时(否),前进至步骤s7,将电压不平衡率vunbal与阈值5%进行比较。该阈值5%不限于该值,能设定成认为产生了电压不平衡的规定值。步骤s7中,在电压不平衡率vunbal为阈值5%以上时(否),显示为电压不平衡。

另一方面,电压不平衡率vunbal小于阈值5%时(是),前进至步骤s8。步骤s8中,将评价值a=|isn―yn*vsn|与阈值δ1比较。评价值a为阈值δ1以上时(是),前进至步骤s9,将反相电流isn相对于正相电流isp的增加量△isn/△isp与阈值δ2比较。在步骤s9中,反相电流△isn/正相电流△isp小于阈值δ2时(是)判定为绕组短路,反相电流△isn/正相电流△isp为阈值δ2以上时(否)判定为接触不良。

步骤s8中,评价值a小于阈值δ1时(否),前进至步骤s10,将反相电流isn相对于正相电流isp的增加量△isn/△isp与阈值δ2比较。步骤s10中,反相电流isn相对于正相电流isp的增加量小于阈值δ2时(是),判定为正常。反相电流isn相对于正相电流isp的增加量△isn/△isp为阈值δ2以上时(否),前进至步骤s11。步骤s11中,对评价值a相对于正相电流isp的特性进行计算,正相电流isp近似成0a来求出截距(利用最小二乘法根据多个测量绘图求出截距),并将该值与阈值δ3比较。该阈值δ3是比阈值δ1稍小的值。在步骤s11中,评价值a为阈值δ3以上时(是)判定为绕组短路,评价值a小于阈值δ3时(否)判定为接触不良。

由此,实施方式1的发明利用分析电动机的电压和电流而得到的反相电流、反相电压、正相电流、反相导纳的要素来判定电动机的异常状态,因此即使在电动机运行中负载转矩发生变化时也能对电源不平衡进行区分,从而能判定并检测绕组短路。此外,即使在电源线接触不良时也能对电动机的绕组短路进行判定。

实施方式2.

接着,基于图8来说明本发明的实施方式2所涉及的电动机的诊断装置。

图8示出实施方式2的诊断处理的流程图,由于从步骤s1到步骤s7与实施方式1相同,因此省略说明。

在图8的步骤s8中,将反相电流isn相对于正相电流isp的增加量与阈值δ2比较。步骤s8中,反相电流isn相对于正相电流isp的增加量小于阈值δ2时(是),前进至步骤s9。

步骤s9中,将评价值a=|isn―yn*vsn|与阈值δ1比较。在评价值a为阈值δ1以上时(是)判定为绕组短路,评价值a小于阈值δ1时(否)判定为正常。

步骤s8中,反相电流isn相对于正相电流isp的增加量为阈值δ2以上时(否),前进至步骤s10。步骤s10中,对评价值a相对于正相电流isp的特性进行计算,正相电流isp近似成0a来求出截距(利用最小二乘法根据多个测量绘图求出截距),并将该值与阈值δ3比较。该值为阈值δ3以上时(是)判定为绕组短路,该值小于阈值δ3时(否)判定为接触不良。

由此,实施方式2的发明与实施方式1相同,利用分析电动机的电压和电流而得到的反相电流、反相电压、正相电流、反相导纳的要素来判定电动机的异常状态,即使相对于实施方式1变更判定方法,在电动机运行中负载转矩发生变化时也能判定并检测绕组短路。此外,即使在电源线接触不良时也能对电动机的绕组短路进行判定。

实施方式3.

接着,说明本发明的实施方式3所涉及的电动机的诊断装置。

实施方式1、2中,对于每个电动机6分别具备1个逻辑运算部10,但在实施方式3中,对于多个电动机利用1个逻辑运算部10来分析电压和电流信号并判定异常。

作为实施方式1的缺点,在初次的正常值存储时,假设已经发生故障的电动机的情况下,在初次会存储异常值。因此,通过将多台电动机的信息一并处理,例如在相同电动机的情况下,在初次判定中能判定是正常还是异常。

实施方式4.

接着,基于图9~图11来说明本发明的实施方式4所涉及的电动机的诊断装置。

在实施方式1中,是使用了电动机的电流和电压的诊断判定。在实施方式4中,是仅利用电动机的电流来判定绕组短路的方法。图9是表示本发明的实施方式4所涉及的电动机的诊断装置的结构电路图,从图1的结构中去除了仪表用变压器5和电压检测电路8。图9中,对于与图1相同或者相对应部分的结构标注相同的标号,并省略其说明。

图10示出进行电动机6的定子绕组的短路检测判定的逻辑运算电路10的内部结构图,与图3相同或者相对应的部分标注相同的标号。

图10中,逻辑运算电路10由电流转换部21a、初始分析部24、分析部27以及判定部31构成。

电流转换部21a具备反相电流计算部22a和正相电流计算部23a,通过对称坐标变换处理利用式(1)(2)的计算式,转换成反相电流isn和正相电流isp。初始分析部24具备进行反相电流-正相电流特性分析的反相电流-正相电流特性分析部26,并进行接触不良判定。若由于接触不良导致存在电阻分量,则反相电流isn相对于正相电流isp的增加量变大。以与实施方式1相同的要领,预先决定用于进行接触不良判定的阈值δ2。

分析部27具备反相电流-正相电流分析部29,分析反相电流isn相对于正相电流isp的增加量。判定部31具备绕组短路判定部32和接触不良判定部33,根据由反相电流-正相电流分析部29得到的分析结果和反相电流值,分别进行绕组短路和接触不良的判定。

图11中示出实施方式4的诊断处理的流程图。在图11的步骤s1中,获取电流i,在步骤s2中计算反相电流isn和正相电流isp。步骤s3中,进行初次判定,在初次时(是)前进至步骤s4,利用反相电流-正相电流特性,计算反相电流isn相对于正相电流isp的增加量,并且决定阈值δ2。之后,返回至开始(start)。

经过步骤s1~s3,在步骤s3判定为并非初次时(否),前进至步骤s5,将反相电流isn相对于正相电流isp的增加量与阈值δ2比较。

反相电流isn相对于正相电流isp的增加量为阈值δ2以上时(否),判定为接触不良。反相电流isn相对于正相电流isp的增加量小于阈值δ2时(是),前进至步骤s6,并将反相电流isn的值与阈值δ4比较。另外,阈值δ4通过实际的试验等决定成规定值。在步骤s6中,反相电流isn为阈值δ4以上时(是)判定为绕组短路,反相电流isn小于阈值δ4时(否)判定为正常。

由此,实施方式4的发明与实施方式1和2那样利用电压和电流进行检测的情况相比检测精度较差,然而,仅利用电流,即使在电动机运行中负载转矩发生变化时也能判定并检测绕组短路。此外,即使在电源线接触不良时也能对电动机的绕组短路进行判定。

以上,对于本发明的实施方式进行了描述,但是本发明不限于实施方式,能进行各种设计变更,在其发明的范围内,能够对各个实施方式进行自由地组合,或者对各个实施方式进行适当地变形、省略。

标号说明

1:主电路

2:布线断路器

3:电磁接触器

4:仪表用变换器

5:仪表用变压器

6:电动机

7:机械设备

8:电压检测电路

9:电流检测电路

10:逻辑运算电路

11:存储电路

12:设定电路

13:显示电路

14:驱动电路

15:外部输出电路

21:电流电压转换部

21a:电流转换部

22:反相电流/电压计算部

22a:反相电流计算部

23:正相电流/电压计算部

23a:正相电流计算部

24:初始分析部

25:反相导纳特性分析部

26:反相电流-正相电流特性分析部

27:分析部

28:评价值分析部

29:反相电流-正相电流特性分析部

30:电压不平衡率分析部

31:判定部

32:绕组短路判定部

33:接触不良判定部

34:电压不平衡判定部

100:电动机的诊断装置。

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