JP2018117431A - 回転機の短絡診断装置および回転機の短絡診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転機に１ターン短絡が発生した場合であっても短絡を簡易かつ確実に検出すること。【解決手段】電動機２の三相コイルの各相に流れる負荷電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに対して周波数解析（ＦＦＴ解析）を行い（ステップＳ１０４）、ＦＦＴ解析の結果から所定周波数Ｆｒｉに対応する振幅値Ａｍｉを読み込み（ステップＳ１０６）、当該振幅値Ａｍｉおよび電源４の周波数Ｆｒｅｐに対応する振幅値Ａ60を用いてひずみ率Ｄ（Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ）を算出する（ステップＳ１０８）。そして、算出したひずみ率Ｄ（Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ）を１ターン短絡発生有無診断用マップにプロットして、プロットされたひずみ率Ｄ（Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ）の配置場所によって短絡発生の有無の診断を行う（ステップＳ１１０）。なお、ひずみ率Ｄ（Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ）は、コイルに短絡が生じていない正常な場合とコイルに１ターンで短絡が生じている場合とで大きく相違する特性を示す。【選択図】図２

Description

本発明は、回転機の短絡を診断する短絡診断装置および短絡診断方法に関する。

特開２０１４−１９４７２７号公報（特許文献１）には、各相に流れる電流の正側の最大値を特徴量として測定し、当該特徴量を用いることによって回転機としての電動機の固定子巻線で発生した短絡発生の有無を診断する回転機の短絡診断装置が開示されている。当該回転機の短絡診断装置では、予め正常な電動機における特徴量の分布を直線で近似すると共に、当該近似直線と各特徴量との距離の関数として確率密度関数を定義しておき、電動機を診断するに際して、特徴量を測定すると共に、当該測定した特徴量と予め求めておいた近似直線との距離を求めると共に、当該求めた距離と予め定義しておいた確率密度関数とを用いて故障確率を求めることによって、回転機としての電動機の短絡発生の有無を診断している。

当該回転機の短絡診断装置では、回転機としての電動機を停止させることなく、当該電動機が稼働している状態で電動機の固定子巻線で発生した短絡発生の有無を診断することができる。

特開２０１４−１９４７２７号公報

ところで、電動機の短絡は、コイル表面の絶縁不良によって隣同士のコイル間で通電する現象として規定され、短絡が発生した場合には、正常な場合と比べて電気的特性に変化が生じる。上述した回転機の短絡診断装置は、こうした電気的特性の変化を利用して短絡発生の有無を診断する構成であるが、短絡したコイルの巻き数（ターン数）が小さい場合、特に１ターンで電動機の短絡が発生した場合には、当該電気的特性の変化が小さくなるため、短絡発生の有無の診断が困難となる場合があり、かかる点において、なお改良の余地がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、短絡したコイルの巻き数（ターン数）が小さい場合、特に１ターンで回転機の短絡が発生した場合であっても短絡を簡易かつ確実に検出することができる回転機の短絡診断装置および回転機の短絡診断方法を提供することを主目的とする。

上述した主目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、１ターンで短絡が生じている回転機について鋭意研究を行った結果、負荷が接続された状態で稼働している回転機に流れる電流（以下、「負荷電流」という）に対する周波数解析において特定の周波数の振幅値が、短絡が生じていない正常な場合に比べて、１ターンで短絡が生じている場合に大きくなることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明に係る回転機の短絡診断装置の好ましい形態によれば、回転機の短絡を診断する回転機の短絡診断装置が構成される。当該回転機の短絡診断装置は、回転機に流れる負荷電流を計測する電流計測手段と、当該電流計測手段によって計測された負荷電流に対して周波数解析を行うと共に所定周波数の振幅値を抽出する解析抽出手段と、所定周波数の振幅値に基づいて判定指標を設定する判定指標設定手段と、当該判定指標に基づいて回転機の短絡発生の有無を判定する判定手段と、を備えている。

本発明によれば、コイルに短絡が生じていない正常な場合に比べてコイルに１ターンで短絡が生じている場合に大きな振幅値を示す所定周波数の振幅値に基づいて判定指標を設定し、当該判定指標に基づいて１ターンで短絡が生じているか否かを判定するのみの構成であるため、１ターン短絡という極めて軽微な短絡であっても簡易かつ確実に検出することができる。

本発明に係る回転機の短絡診断装置の更なる形態によれば、短絡が生じていない複数の回転機の負荷電流に対する判定指標のデータ群である正常判定指標データ群および短絡が生じている複数の回転機の負荷電流に対する判定指標のデータ群である短絡発生判定指標データ群に基づき短絡発生判定マップを設定するマップ設定手段をさらに備えている。そして、判定手段は、判定指標設定手段によって設定された判定指標とマップ設定手段によって設定された短絡発生判定マップとに基づいて回転機の短絡発生の有無を判定するように構成されている。

本形態によれば、予め短絡発生判定マップを設定しておき、回転機に流れる負荷電流に対する判定指標が設定されたときに、当該判定指標が短絡発生判定マップのいずれの領域にプロットされるかによって回転機の短絡発生の有無を判断することができるため、回転機の短絡発生の有無の判断を簡易に行うことができる。

本発明に係る回転機の短絡診断装置の更なる形態によれば、マップ設定手段は、正常判定指標データ群と短絡発生判定指標データ群とに基づき回転機に短絡が発生しているか否かの境界を設定するように構成されている。そして、判定手段は、判定指標設定手段によって設定された判定指標が境界に対して正常判定指標データ群寄りのときには回転機には短絡が発生していないと判定し、判定指標設定手段によって設定された判定指標が境界に対して短絡発生判定指標データ群寄りのときには回転機に短絡が発生していると判定するように構成されている。

本形態によれば、設定した判定指標が境界に対していずれの側にプロットされたかを判定するのみで良いため、回転機の短絡発生の有無の判断をより簡易に行うことができる。

本発明に係る回転機の短絡診断装置の更なる形態によれば、マップ設定手段は、正常判定指標データ群のうち最も短絡発生判定指標データ群寄りのデータと、短絡発生判定指標データ群のうち最も正常判定指標データ群寄りのデータと、を結ぶ仮想直線の中央を通り当該仮想直線に直交する直交線または当該直交線を含む直交平面を境界として設定するように構成されている。なお、境界の設定は、サポートベクターマシーンによって設定する構成とすることもできるし、正常判定指標データ群の重心および短絡発生判定指標データ群の重心を結ぶ仮想直線の中央を通り当該仮想直線に直交する直交線または当該直交線を含む直交平面を境界として設定する構成とすることもできる。

本形態によれば、回転機に短絡が発生しているか否かの境界を簡易に設定することができる。

本発明に係る回転機の短絡診断装置の更なる形態によれば、判定手段は、判定指標設定手段により設定した判定指標と、短絡が生じていない複数の回転機の負荷電流に対する判定指標のデータ群である正常判定指標データ群の重心および短絡が生じている複数の回転機の負荷電流に対する判定指標のデータ群である短絡発生判定指標データ群の重心と、の距離に基づき回転機の短絡発生の有無を判定するように構成されている。なお、距離としては、ユークリッド距離を用いる構成とすることもできるし、マハラノビス距離を用いる構成とすることもできる。

本形態によれば、設定した判定指標が正常判定指標データ群寄りであるのか、あるいは、短絡発生判定指標データ群寄りであるのかを判定するのみで良いため、回転機の短絡発生の有無の判断をより簡易に行うことができる。

本発明に係る回転機の短絡診断装置の更なる形態によれば、判定指標設定手段は、所定周波数の振幅値を用いて負荷電流のひずみを算出し、当該ひずみを判定指標として設定する手段である

本発明者らは、さらに所定周波数の振幅値を用いて算出した負荷電流のひずみが、短絡が生じていない正常な場合と１ターンで短絡が生じている場合とで大きく相違することを見出した。このような研究結果を踏まえて、本形態では、判定指標としてひずみを用いる構成であるため回転機の短絡発生の有無の判断をより確実に行うことができる。

本発明に係る回転機の短絡診断装置の更なる形態によれば、判定指標設定手段は、所定周波数の振幅値の総和を、回転機に負荷電流を供給するための電源の周波数の振幅値で除した値としてひずみを算出する手段である。

本形態によれば、ひずみとして、所定周波数の振幅値の総和と電源の周波数の振幅値との比である所謂ひずみ率を算出するのみの構成であるため、負荷電流のひずみを容易に算出することができる。

本発明に係る回転機の短絡診断装置の更なる形態によれば、所定周波数は、電源の周波数を回転機の極対数で除した値の整数倍の値に設定されている。

本発明者は、さらに１ターンで短絡が生じている場合に大きな振幅値を示す特定の周波数について鋭意研究を行った結果、当該特定の周波数が、電源の周波数を回転機の極対数で除した値の整数倍となっていることを見出した。このような研究結果を踏まえて、本形態では、所定周波数として、電源の周波数を回転機の極対数で除した値の整数倍の周波数を設定する構成であるため、より一層確実に回転機の短絡を検出することができる。

本発明に係る回転機の短絡診断方法の好ましい形態によれば、回転機の短絡を診断する回転機の短絡診断方法が構成される。当該回転機の短絡診断方法では、（ａ）前記回転機に流れる負荷電流を計測し、（ｂ）計測した前記負荷電流に対して周波数解析を行うと共に所定周波数の振幅値を抽出し、、（ｃ）所定の振幅値に基づいて判定指標を設定し、（ｄ）設定した判定指標に基づいて前記回転機の短絡発生の有無を判定する。

本発明によれば、コイルに短絡が生じていない正常な場合に比べてコイルに１ターンで短絡が生じている場合に大きな振幅値を示す所定周波数の振幅値に基づいて判定指標を設定し、当該判定指標に基づいて１ターンで短絡が生じているか否かを判定する構成であるため、１ターン短絡という極めて軽微な短絡であっても簡易かつ確実に検出することができる。

本発明によれば、短絡したコイルの巻き数（ターン数）が小さい場合、特に１ターンで回転機の短絡が発生した場合であっても短絡を簡易かつ確実に検出することができる。

本発明の実施の形態に係る短絡診断装置１０を備えた設備１の構成の概略を示す構成図である。 診断用制御装置２０によって実行される短絡診断処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。 電動機２のＵ相に流れる負荷電流Ｉｕに対してＦＦＴ解析を行った結果を示す説明図である。 １ターン短絡発生有無診断用マップの一例を示す図である。 変形例の１ターン短絡発生有無診断用マップの一例を示す図である。 変形例の１ターン短絡発生有無診断用マップの一例を示す図である。 変形例の１ターン短絡発生有無診断用マップの一例を示す図である。 変形例の１ターン短絡発生有無診断用マップの一例を示す図である。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

本発明の実施の形態に係る短絡診断装置１０は、図１に示すように、回転機としての電動機２と、当該電動機２に電力を供給する電源４と、電動機２の回転軸２ａに接続され当該電動機２によって駆動される負荷６と、を備える設備１に適用され、電動機２が稼働された状態（オンライン）で当該電動機２のコイルに短絡が発生したか否かを診断することができる装置として構成されている。

電動機２は、内部にかご型もしくは巻線型のロータと、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相の複数のコイル（図示せず）が巻回されたステータと、を含む汎用三相誘導電動機（例えば、２００Ｖ、４極）として構成されている。電源４は、例えば、周波数６０Ｈｚの商用交流電源として構成されている。

短絡診断装置１０は、図１に示すように、主に診断用制御装置２０と、表示装置３０と、から構成されている。診断用制御装置２０は、ＣＰＵ２２を中心とするマイクロプロセッサを備え、ＣＰＵ２２の他にデータの一時的な記憶や処理プログラムの記憶を行う記憶装置２４と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートと、を備えている。診断用制御装置２０には、電動機２の回転軸２ａの回転数を検出する回転数検出センサ８２からの信号や、電動機２の三相コイルのＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各相に流れる負荷電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する電流センサ８４Ｕ，８４Ｖ，８４Ｗからの負荷電流、あるいは、電動機２の各線間電圧を検出する電圧センサ８６ＵＶ，８６ＶＷ，８６ＷＵからの線間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕが入力されており、診断用制御装置２０からは、電動機２のコイルに短絡が生じたことを表示する表示装置３０への表示制御信号などが出力ポートを介して出力されている。ここで、電流センサ８４Ｕ，８４Ｖ，８４Ｗは、本発明における「電流計測手段」に対応する実施構成の一例である。

表示装置３０は、後述する短絡発生判定マップが表示されるように構成されていると共に、表示された短絡発生判定マップ上に短絡発生有無の診断結果などが表示されるように構成されている。

次に、こうして構成された本発明の実施の形態に係る短絡診断装置１０によって電動機２のコイルに短絡が生じたか否かの診断が行われる際の動作について説明する。図２は、診断用制御装置２０によって実行される短絡診断処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、設備１が稼働された際、即ち、電動機２が稼働された際に実行され、電動機２の稼働が停止されるまで繰り返し実行される。

短絡診断処理ルーチンが実行されると、診断用制御装置２０のＣＰＵ２２は、図２に示すように、まず、電動機２の三相コイルのＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに流れる負荷電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを読み込むと共に（ステップＳ１００）、読み込んだ負荷電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを記憶装置２４の所定領域に設定された負荷電流用バッファに格納する（ステップＳ１０２）。負荷電流用バッファに格納された負荷電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが所定個数となったら、当該負荷電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに対して周波数解析を行う（ステップＳ１０４）。なお、本実施の形態では、周波数解析として、ＦＦＴ解析を行うものとした。また、所定個数としては、後述するＦＦＴ解析を精度よく実施することが可能なデータ数として設定されている。

そして、ＦＦＴ解析の結果から所定周波数Ｆｒｉ（ｉ＝１〜１１）における振幅値Ａｍｉ（ｉ＝１〜１１）の読み込みを行う（ステップＳ１０６）。ここで、所定周波数Ｆｒｉは、本実施の形態では、Ｆｒ１＝３０Ｈｚ，Ｆｒ２＝９０Ｈｚ，Ｆｒ３＝１２０Ｈｚ，Ｆｒ４＝１５０Ｈｚ，Ｆｒ５＝２４０Ｈｚ，Ｆｒ６＝２７０Ｈｚ，Ｆｒ７＝３３０Ｈｚ，Ｆｒ８＝３６０Ｈｚ，Ｆｒ９＝３９０Ｈｚ，Ｆｒ１０＝４５０Ｈｚ，Ｆｒ１１＝４８０Ｈｚの１１個を用いる構成とした。ステップＳ１０４〜ステップＳ１０６を実行する診断用制御装置２０は、本発明における「解析抽出手段」に対応する実施構成の一例である。

本発明者は、研究や実験，解析などによって、電動機２のコイルに１ターンで短絡が生じている場合において、電源４の周波数Ｆｒ（本実施の形態ではＦｒ＝６０Ｈｚ）を電動機２の極対数ｋ（本実施の形態ではｋ＝２）で除した値（本実施の形態では値３０）の整数倍の周波数Ｆｒｉ（Ｆｒｉ＝ｉ×Ｆｒ／ｋ、ｉは整数）における振幅値Ａｍｉ（ｉは整数）が、電動機２のコイルに短絡が生じていない場合（以下、「正常時」ということがある）に比べて大きくなることを見出した。なお、当該周波数Ｆｒｉにおける振幅値Ａｍｉが大きくなる傾向は、電動機２のコイルに１ターン以上の短絡が生じている場合においても同様である。

図３は、電動機２のＵ相に流れる負荷電流Ｉｕに対してＦＦＴ解析を行った結果を示す図である。ここで、電動機２のＶ相およびＷ相に流れる負荷電流Ｉｖ，Ｉｗに対するＦＦＴ解析結果は、基本的には電動機２のＵ相に流れる負荷電流Ｉｕに対するＦＦＴ解析結果と同様の特性を示すため、以下では、説明の便宜上、電動機２のＵ相に流れる負荷電流Ｉｕに対するＦＦＴ解析結果のみについて説明をし、電動機２のＶ相およびＷ相に流れる負荷電流Ｉｖ，Ｉｗに対するＦＦＴ解析結果についてはその説明を省略する。

なお、図３（ａ）は、コイルに短絡が生じていない正常時の結果であり、図３（ｂ）は、コイルに１ターン短絡が生じているときの結果であり、図３（ｃ）は、正常時のデータ（図３（ａ））と１ターン短絡が生じているときのデータ（図３（ｂ））との差の絶対値を取った結果である。なお、図３（ａ）および図３（ｂ）では、最大となる振幅値（縦軸の値のうち最大値、最大周波数スペクトル）が０ｄｂとなるように正規化されている。

図３（ａ）ないし図３（ｃ）に示すように、１ターン短絡が発生した場合に、正常時では観測されなかった大きな振幅値（周波数スペクトル）Ａｍｉが観測される特定の周波数Ｆｒｉが複数個確認できる。当該特定の複数の周波数Ｆｒｉは、電源４の周波数Ｆｒｅｐ（本実施の形態ではＦｒｅｐ＝６０Ｈｚ）を電動機２の極対数ｋ（本実施の形態ではｋ＝２）で除した値（本実施の形態では値３０）の整数倍の周波数Ｆｒｉ（Ｆｒｉ＝ｉ×Ｆｒｅｐ／ｋ、ｉは整数）となっている。これら周波数Ｆｒｉのうち所定周波数Ｆｒｉ（ｉ＝１〜１１）＝３０Ｈｚ，９０Ｈｚ，１２０Ｈｚ，１５０Ｈｚ，２４０Ｈｚ，２７０Ｈｚ，３３０Ｈｚ，３６０Ｈｚ，３９０Ｈｚ，４５０Ｈｚ，４８０Ｈｚの１１個において特に大きな振幅値（周波数スペクトル）Ａｍｉ（ｉ＝１〜１１）を示すことが判明した。

なお、詳細は省略するが、本発明者らは、各周波数Ｆｒｉ（ｉ＝１〜１１）において、負荷６の大きさを変化させた場合、即ち、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に流れる負荷電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの大きさを変化させた場合であっても当該周波数Ｆｒｉ（ｉ＝１〜１１）で確認される振幅値Ａｍｉ（ｉ＝１〜１１）がほぼ一定値を示すことを確認している。即ち、１ターン短絡が発生した場合には、負荷６の大きさに関わらず当該周波数Ｆｒｉ（ｉ＝１〜１１）で確認される振幅値Ａｍｉに着目すれば良いことが分かる。

また、ＦＦＴ解析を行う際には、様々なノイズの影響や負荷電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの大きさによって、観測される周波数Ｆｒや振幅値Ａｍが変動するため、当該変動を抑制するために各所定周波数Ｆｒｉ（ｉ＝１〜１１）＝３０Ｈｚ，９０Ｈｚ，１２０Ｈｚ，１５０Ｈｚ，２４０Ｈｚ，２７０Ｈｚ，３３０Ｈｚ，３６０Ｈｚ，３９０Ｈｚ，４５０Ｈｚ，４８０Ｈｚの前後数ヘルツの範囲の中から最大となる振幅値Ａｍｍａｘを抽出して、当該振幅値Ａｍｍａｘを示す周波数Ｆｒを所定周波数Ｆｒｉ（ｉ＝１〜１１）として用いる構成としても良い。

そして、読み込んだ振幅値Ａｍｉ（ｉ＝１〜１１）を用いて各相のひずみ率Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗの算出を行う（ステップＳ１０８）。ひずみ率Ｄ（Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ）は、各周波数Ｆｒｉ（ｉ＝１〜１１）における振幅値Ａｍｉ（ｉ＝１〜１１）全体と電源４の周波数Ｆｒｅｐ（本実施の形態ではＦｒ＝６０Ｈｚ）における振幅値Ａ₆₀との比として規定され、次式（１）で算出することができる。ひずみ率Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗは、本発明における「判定指標」および「ひずみ」に対応する実施構成の一例である。また、ステップＳ１０８を実行する診断用制御装置２０は、本発明における「判定指標設定手段」に対応する実施構成の一例である。

Ｄ＝√（Ａ² ₃₀＋Ａ² ₉₀＋Ａ² ₁₂₀＋・・・＋Ａ² ₄₅₀＋Ａ² ₄₈₀）/Ａ₆₀ ・・・（１）

こうして算出されたひずみ率Ｄ（Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ）に基づいて電動機２のコイルに短絡が生じているか否かの診断を行う（ステップＳ１１０）。ステップＳ１１０を実行する診断用制御装置２０は、本発明における「判定手段」に対応する実施構成の一例である。

電動機２のコイルに短絡が生じているか否かの診断は、本実施の形態では、コイルに１ターン短絡が発生していない複数の電動機２の負荷電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに対するひずみ率Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ（以下、「正常ひずみ率データ群」という）と、１ターン短絡が発生している複数の電動機２の負荷電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに対するひずみ率Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ（以下、「短絡発生ひずみ率データ群」という）と、を予め実験などにより求めて３次元空間上にプロットすると共に当該正常ひずみ率データ群と当該短絡発生ひずみ率データ群との境界面ＢＰを定めて１ターン短絡発生有無診断用マップとして記憶装置２４に記憶しておき、ステップＳ１０８において各相のひずみ率Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗが算出されると、記憶した１ターン短絡発生有無診断用マップ上に当該算出された各相のひずみ率Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗがプロットされて、プロットされた各相のひずみ率Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗの配置場所によって１ターン短絡発生の有無の診断を行う構成とした。ここで、記憶装置２４は、本発明における「マップ設定手段」に対応する実施構成の一例である。

図４に１ターン短絡発生有無診断用マップの一例を示す。同図では、境界面ＢＰに関して左側（図４の左側）の領域が１ターン短絡が発生していない正常領域として設定されており、境界面ＢＰに関して右側（図４の右側）の領域が１ターン短絡が発生している短絡発生領域として設定されている。なお、負荷電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗがさまざまに変化した場合でも、図４に示すように、ひずみ率Ｄ（Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ）が分布する領域はほぼ同一直線上に分布することが確認された。ひずみ率Ｄ（Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ）を用いることで、１ターン短絡が発生しているか否かを空間上で視覚的に確認することができるため、短絡の発生をより確実に検知することができる。

ここで、境界面ＢＰは、本実施の形態では、サポートベクターマシーンを用いて求める構成としたが、図５に示すように、正常ひずみ率データ群のうち最も短絡発生ひずみ率データ群寄りのひずみ率Ｄの３次元空間上の点ａと、短絡発生ひずみ率データ群のうち最も正常ひずみ率データ群寄りのひずみ率Ｄの３次元空間上の点ｂと、を結ぶ仮想直線ＶＬの中央（線分ａ−ｂの中点）の点ｃを通り当該仮想直線ＶＬに直交する平面を境界面ＢＰに設定する構成としたり、あるいは、図６に示すように、正常ひずみ率データ群の重心となる３次元空間上の点ｎｇと、短絡発生ひずみ率データ群の重心となる３次元空間上の点ｓｃｇと、を結ぶ仮想直線ＶＬの中央（線分ｎｇ−ｓｃｇの中点）の点ｍを通り当該仮想直線ＶＬに直交する平面を境界面ＢＰに設定する構成としても良い。

そして、ステップＳ１０８で算出された各相のひずみ率Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗが、１ターン短絡発生有無診断用マップ上において境界面ＢＰよりも左側、即ち、正常領域にプロットされた場合には、電動機２のコイルには１ターン短絡は発生していない、即ち、電動機２のコイルは正常であることを出力して（ステップＳ１１２）、本ルーチンを終了する。

一方、ステップＳ１０８で算出された各相のひずみ率Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗが、１ターン短絡発生有無診断用マップ上において境界面ＢＰよりも右側、即ち、１ターン短絡発生領域にプロットされた場合には、電動機２のコイルに１ターン短絡が発生していることを出力して（ステップＳ１１４）、本ルーチンを終了する。

なお、こうして出力された情報（「正常」あるいは「１ターン短絡発生」）は、表示装置３０に表示される。これにより、作業者は、１ターン短絡が発生しているか否かを視覚的に確認することができるため、短絡の発生をより確実に検知することができる。

以上説明した本実施の形態に係る本発明の短絡診断装置１０によれば、コイルに短絡が生じていない正常な場合とコイルに１ターンで短絡が生じている場合とで大きく相違する特性を示すひずみ率Ｄ（Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ）に基づいて、電動機２のコイルに１ターンで短絡が生じているか否かを判定するのみの構成であるため、１ターン短絡という極めて軽微な短絡であっても簡易かつ確実に検出することができる。

なお、ひずみ率Ｄ（Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ）を算出するに際し、特定の周波数Ｆｒｉ、即ち、電源４の周波数Ｆｒｅｐ（本実施の形態ではＦｒｅｐ＝６０Ｈｚ）を電動機２の極対数ｋ（本実施の形態ではｋ＝２）で除した値（本実施の形態では値３０）の整数倍の周波数Ｆｒｉ（Ｆｒｉ＝ｉ×Ｆｒｅｐ／ｋ、ｉは整数）における振幅値Ａｍｉ（ｉ＝１〜１１）を用いる構成、即ち、コイルに短絡が生じていない正常な場合に比べてコイルに１ターンで短絡が生じている場合に、特に大きな振幅値（周波数スペクトル）Ａｍｉ（ｉ＝１〜１１）を示す１１個の所定周波数Ｆｒｉ（ｉ＝１〜１１）に着目して、その振幅値Ａｍｉ（ｉ＝１〜１１）を用いる構成であるため、電動機２のコイルに１ターン短絡が発生したか否かの診断精度を向上することができる。

本実施の形態では、正常ひずみ率データ群と短絡発生ひずみ率データ群との境界を面とする構成としたが、正常ひずみ率データ群と短絡発生ひずみ率データ群との境界は線でも良い。

本実施の形態では、ひずみ率Ｄの算出に際し、正常時では観測されなかった大きな値を示した１１個の振幅値（周波数スペクトル）Ａｍｉ（ｉ＝１〜１１）を用いる構成としたが、当該１１個の振幅値（周波数スペクトル）Ａｍｉ（ｉ＝１〜１１）の中から特に大きな値のもののみを抜き出し、当該抜き出した振幅値Ａｍｉのみを用いてひずみ率Ｄを算出する構成としても良いし、あるいは、１２個以上の振幅値Ａｍｉを用いてひずみ率Ｄを算出する構成としても良い。また、ひずみ率Ｄの算出に際し、分子には電源４の周波数Ｆｒｅｐ（本実施の形態ではＦｒ＝６０Ｈｚ）における振幅値Ａ₆₀含めない構成としたが、当該振幅値Ａ₆₀を分子に含めてひずみ率Ｄを算出する構成としても良い。

本実施の形態では、電動機２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に流れる負荷電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに対するひずみ率Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗを算出し、当該ひずみ率Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗを３次元空間として構成された１ターン短絡発生有無診断用マップ上にプロットして電動機２のコイルに１ターン短絡が発生しているか否かの診断を行う構成としたが、これに限らない。例えば、電動機２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれか一つの相に流れる負荷電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに対するひずみ率Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗを算出し、当該ひずみ率Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗを直線座標として構成された図７に例示した変形例の１ターン短絡発生有無診断用マップ上にプロットして電動機２のコイルに１ターン短絡が発生しているか否かの診断を行う構成としても良い。

なお、図７は、電動機２のＵ相に流れる負荷電流Ｉｕに対するひずみ率Ｄｕを用いて１ターン短絡の発生の有無を診断する際に用いられる１ターン短絡発生有無診断用マップである。この場合、正常ひずみ率データ群と短絡発生ひずみ率データ群との境界線ＤＬは、サポートベクターマシーンを用いて求める構成としても良いし、正常ひずみ率データ群のうち最も短絡発生ひずみ率データ群寄りのひずみ率Ｄの直線座標上の点と、短絡発生ひずみ率データ群のうち最も正常ひずみ率データ群寄りのひずみ率Ｄの直線座標上の点と、を結ぶ仮想直線の中央の点を通り当該仮想直線に直交する直線を境界線ＢＬに設定する構成としても良いし、あるいは、正常ひずみ率データ群の重心となる直線座標上の点と、短絡発生ひずみ率データ群の重心となる直線座標上の点と、を結ぶ仮想直線の中央の点を通り当該仮直線に直交する直線を境界線ＢＬに設定する構成としても良い。

本実施の形態および上述した変形例では、正常ひずみ率データ群と短絡発生ひずみ率データ群との境界面ＢＰあるいは境界線ＢＬを設定し、ステップＳ１０８で算出されたひずみ率Ｄが当該境界面ＢＰあるいは境界線ＢＬに関して「正常領域」あるいは「１ターン短絡発生領域」のいずれの領域側にプロットされるかによって、電動機２のコイルに１ターン短絡が発生したか否かを診断する構成としたが、これに限らない。例えば、ステップＳ１０８で算出されたひずみ率Ｄと、正常ひずみ率データ群および短絡発生ひずみ率データ群と、の距離に基づいて電動機２のコイルに１ターン短絡が発生したか否かを診断する構成としても良い。

この場合、例えば、図８に示すように、ステップＳ１０８で算出されたひずみ率Ｄの３次元空間上の点ｃａｌと正常ひずみ率データ群の重心となる３次元空間上の点ｎｇとの距離ｄ１と、当該点ｃａｌと短絡発生ひずみ率データ群の重心となる３次元空間上の点ｓｃｇとの距離ｄ２と、を比較し、ｄ１＜ｄ２であれば電動機２のコイルは正常と判断し、ｄ１＞ｄ２であれば電動機２のコイルに１ターン短絡が発生している判断することができる。なお、距離ｄ１，ｄ２としては、ユークリッド距離やマハラノビス距離を用いることができる。

本実施の形態では、予め実験などにより求めた複数のひずみ率Ｄを用いて１ターン短絡発生有無診断用マップを設定する構成、即ち、固定化された１ターン短絡発生有無診断用マップを用いる構成としたが、これに限らない。例えば、１ターン短絡発生有無診断用マップは、１ターン短絡発生の有無の診断を行うたびに更新される構成としても良い。即ち、ステップＳ１０８で算出された各相のひずみ率Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗを正常ひずみ率データ群あるいは短絡発生ひずみ率データ群に加えることによって１ターン短絡発生有無診断用マップを更新する構成としても良い。なお、境界面ＢＰや境界線ＢＬ、正常ひずみ率データ群の重心、短絡発生ひずみ率データ群の重心などは、１ターン短絡発生有無診断用マップが更新される際に再設定（再計算）されることは言うまでもない。ここで、ステップＳ１０８で算出された各相のひずみ率Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗを正常ひずみ率データ群あるいは短絡発生ひずみ率データ群に加えることによって１ターン短絡発生有無診断用マップを更新するステップを実行する診断用制御装置２０は、本発明における「マップ設定手段」に対応する実施構成の一例である。

本実施の形態では、判定指標として、式（１）によって算出されるひずみ率Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗを用いる構成としたが、これに限らない。判定指標としては、負荷電流のひずみに相当する特徴量であれば如何なるものを用いる構成でも良い。例えば、特定の周波数Ｆｒｉにおける振幅値Ａｍｉの２乗の総和を電源４の周波数Ｆｒｅｐにおける振幅値Ａ₆₀で除した値や、特定の周波数Ｆｒｉにおける振幅値Ａｍｉの総和を振幅値Ａ₆₀で除した値、特定の周波数Ｆｒｉにおける振幅値Ａｍｉの２乗の総和の平方根を特定の周波数Ｆｒｉにおける振幅値Ａｍｉのいずれか、あるいは、いくつかの総和で除した値などを判定指標とすることが考えられる。また、判定指標は、負荷電流のひずみに限らず、電動機２のコイルに短絡が生じていない場合に比べて電動機２のコイルに１ターンで短絡が生じている場合に大きな値を示す特定の周波数Ｆｒｉの振幅値Ａｍｉに基づいて設定されていれば、如何なる特徴量であっても良い。例えば、特定の周波数Ｆｒｉにおける振幅値Ａｍｉそのものや、当該振幅値Ａｍｉの２乗の総和、当該振幅値Ａｍｉの総和、当該振幅値Ａｍｉのいずれか、あるいは、いくつかの総和などを判定指標とすることが考えられる。

本実施の形態では、電動機２に短絡診断装置１０を適用する構成としたが、発電機に短絡診断装置１０を適用する構成としても良い。

本実施の形態では、短絡診断装置１０は、表示装置３０を備える構成としたが、表示装置３０は無くても良い。なお、短絡診断装置１０が表示装置３０を有さない構成の場合には、表示装置３０の代わりに電動機２のコイルに短絡が発生した際に短絡が発生したことを知らせる報知手段を備える構成とすることが望ましい。

本実施形態は、本発明を実施するための形態の一例を示すものである。したがって、本発明は、本実施形態の構成に限定されるものではない。なお、本実施形態の各構成要素と本発明の各構成要素の対応関係を以下に示す。

１ 設備
２ 電動機（回転機）
２ａ 回転軸
４ 電源
６ 負荷
１０ 短絡診断装置（短絡診断装置）
２０ 診断用制御装置（ひずみ率算出手段、判定手段）
２２ ＣＰＵ
２４ 記憶装置（マップ設定手段）
３０ 表示装置
８２ 回転数検出センサ
８４Ｕ 電流センサ（電流計測手段）
８４Ｖ 電流センサ（電流計測手段）
８４Ｗ 電流センサ（電流計測手段）
８６ＵＶ 電圧センサ
８６ＶＷ 電圧センサ
８６ＷＵ 電圧センサ
Ｉｕ 負荷電流
Ｉｖ 負荷電流
Ｉｗ 負荷電流
Ｖｕｖ 線間電圧
Ｖｖｗ 線間電圧
Ｖｗｕ 線間電圧
Ｆｒ 周波数
Ｆｒｉ 所定周波数（所定周波数）
Ｆｒｉ 電源の周波数
ｋ 極対数（極対数）
Ａｍｉ 振幅値
Ｄｕ ひずみ率（判定指標、ひずみ）
Ｄｖ ひずみ率（判定指標、ひずみ）
Ｄｗ ひずみ率（判定指標、ひずみ）
ＢＰ 境界面（境界、直交面）
ａ 正常ひずみ率データ群のうち最も短絡発生ひずみ率データ群寄りのひずみ率Ｄの３次元空間上の点
ｂ 短絡発生ひずみ率データ群のうち最も正常ひずみ率データ群寄りのひずみ率Ｄの３次元空間上の点
ｃ 仮想直線ＶＬの中央（線分ａ−ｂの中点）の点
ＶＬ 仮想直線（仮想直線）
ｎｇ 正常ひずみ率データ群の重心となる３次元空間上の点
ｓｃｇ 短絡発生ひずみ率データ群の重心となる３次元空間上の点
ＢＬ 境界線（境界、直交線）
ｃａｌ 算出されたひずみ率Ｄの３次元空間上の点
ｄ１ 点ｃａｌと点ｎｇとの距離
ｄ２ 点ｃａｌと点ｓｃｇとの距離

Claims (13)

1. 回転機の短絡を診断する回転機の短絡診断装置であって、
   前記回転機に流れる負荷電流を計測する電流計測手段と、
   該電流計測手段によって計測された前記負荷電流に対して周波数解析を行うと共に所定周波数の振幅値を抽出する解析抽出手段と、
   前記所定周波数の振幅値に基づいて判定指標を設定する判定指標設定手段と、
   該判定指標に基づいて前記回転機の短絡発生の有無を判定する判定手段と、
   を備える回転機の短絡診断装置。
2. 短絡が生じていない複数の前記回転機の前記負荷電流に対する前記判定指標のデータ群である正常判定指標データ群および短絡が生じている複数の前記回転機の前記負荷電流に対する前記判定指標のデータ群である短絡発生判定指標データ群に基づき短絡発生判定マップを設定するマップ設定手段をさらに備え、
   前記判定手段は、前記判定指標設定手段によって設定された前記判定指標と前記マップ設定手段によって設定された前記短絡発生判定マップとに基づいて前記回転機の短絡発生の有無を判定するよう構成されている
   請求項１に記載の回転機の短絡診断装置。
3. 前記マップ設定手段は、前記正常判定指標データ群と前記短絡発生判定指標データ群とに基づき前記回転機に短絡が発生しているか否かの境界を設定するよう構成されており、
   前記判定手段は、前記判定指標設定手段によって設定された前記判定指標が前記境界に対して前記正常判定指標データ群寄りのときには前記回転機には短絡が発生していないと判定し、前記判定指標設定手段によって設定された前記判定指標が前記境界に対して前記短絡発生判定指標データ群寄りのときには前記回転機に短絡が発生していると判定するよう構成されている
   請求項２に記載の回転機の短絡診断装置。
4. 前記マップ設定手段は、前記正常判定指標データ群のうち最も前記短絡発生判定指標データ群寄りのデータと、前記短絡発生判定指標データ群のうち最も前記正常判定指標データ群寄りのデータと、を結ぶ仮想直線の中央を通り該仮想直線に直交する直交線または該直交線を含む直交平面を前記境界として設定するよう構成されている
   請求項３に記載の回転機の短絡診断装置。
5. 前記マップ設定手段は、サポートベクターマシーンによって前記境界を設定するよう構成されている
   設定請求項３に記載の回転機の短絡診断装置。
6. 前記マップ設定手段は、前記正常判定指標データ群の重心および前記短絡発生判定指標データ群の重心を結ぶ仮想直線の中央を通り該仮想直線に直交する直交線または該直交線を含む直交平面を前記境界として設定するよう構成されている
   請求項３に記載の回転機の短絡診断装置。
7. 前記判定手段は、前記判定指標設定手段により算出した前記判定指標と、短絡が生じていない複数の前記回転機の前記負荷電流に対する前記判定指標のデータ群である正常判定指標データ群の重心および短絡が生じている複数の前記回転機の前記負荷電流に対する前記判定指標のデータ群である短絡発生判定指標データ群の重心と、の距離に基づき前記回転機の短絡発生の有無を判定するよう構成されている
   請求項１に記載の回転機の短絡診断装置。
8. 前記判定手段は、前記距離としてユークリッド距離を用いるよう構成されている
   請求項７に記載の回転機の短絡診断装置。
9. 前記判定手段は、前記距離としてマハラノビス距離を用いるよう構成されている
   請求項７に記載の回転機の短絡診断装置。
10. 前記判定指標設定手段は、前記所定周波数の振幅値を用いて前記負荷電流のひずみを算出し、該ひずみを前記判定指標として設定する手段である
    請求項１ないし９のいずれか１項に記載の回転機の短絡診断装置。
11. 前記判定指標設定手段は、前記所定周波数の振幅値の２乗の総和の平方根を、回転機に負荷電流を供給するための電源の周波数の振幅値で除した値として前記ひずみを算出する手段である
    請求項１０に記載の回転機の短絡診断装置。
12. 前記所定周波数は、前記電源の周波数を前記回転機の極対数で除した値の整数倍の値に設定されている
    請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の回転機の短絡診断装置。
13. 回転機の短絡を診断する回転機の短絡診断方法であって、
    （ａ）前記回転機に流れる負荷電流を計測し、
    （ｂ）計測した前記負荷電流に対して周波数解析を行うと共に所定周波数の振幅値を抽出し、
    （ｃ）所定の振幅値に基づいて判定指標を設定し、
    （ｄ）設定した前記判定指標に基づいて前記回転機の短絡発生の有無を判定する
    回転機の短絡診断方法。

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