JP5602952B2 - 発電機の固定子スロット・ウェッジの欠損検出方法 - Google Patents

Description

本発明は発電機の状態を監視するための方法に関する。本発明の方法において、装置に流れる電流のスペクトルを分析することにより固定子スロット・ウェッジの欠損が生じているか判断する。

図１を参照し、固定子スロット・ウェッジ１０は、固定子コイル２０を発電機の固定子スロット３０における所定の位置に保持する要素である。固定子スロット・ウェッジ１０の一方の面は固定子コイル２０に対向し、他方の面は固定子４０とローターとの間の空隙に対向する。磁気固定子スロット・ウェッジは非磁気タイプのものに比していくつかの利点を有する。そのため、磁気固定子スロット・ウェッジはよく用いられている。具体的には、磁気固定子スロット・ウェッジは以下の利点を有する。すなわち、鉄心の飛出しの回避、それによる温度上昇の回避、磁化電流の低下、それによる力率の向上、突入電流の低下、及びモーター効率の向上という利点を有する。一般的には、磁気固定子スロット・ウェッジ材料としては、鉄粉７５％、ガラス布７％及びエポキシ樹脂１８％から成る材料を用いる。

しかしながら、非磁気タイプのものに比べて鉄粉の割合が高いため、磁気固定子スロット・ウェッジは非磁気タイプのものより脆い。磁気固定子スロット・ウェッジには弛んで固定子スロットから脱落する傾向があることが知られている。これは、磁力が空隙に作用し振動を引き起こすことにより生じる。固定子スロット・ウェッジは一貫して可変力にさらされている。そのため、固定子スロットにしっかり固定されていない場合、位置ずれにより縁部が摩耗し、最終的にはスロットから飛び出したり破損するといった問題がある。

固定子スロット・ウェッジの欠損が生じると、ローター又は固定子巻線の故障（装置の深刻な障害）を引き起こす虞がある。したがって、固定子スロット・ウェッジの欠損を早い段階で検出することが重要である。固定子スロット・ウェッジの欠損を検出するための従来の方法においては、装置を開けて目視検査を行うことにより固定子内の破片を探す。この方法は装置を分解しなければならないため、コストが高くなる。したがって、発電機の状態を監視するための既存の方法を改善することが求められている。

本発明の１つの目的は、装置を開けることを要せずに発電機の固定子スロット・ウェッジの欠損を確認する方法を提供することである。

この目的は、添付の請求項１に記載の方法により達成される。

本発明は、固定子スロット・ウェッジの欠損により装置の電流スペクトルが高周波域において変化すること及びこの「痕跡」を固定子スロット・ウェッジの状態の指標として使用可能であることに基づくものである。

本発明の第１の態様によれば、発電機の固定子スロット・ウェッジの欠損を検出するための方法は、第１の装置から供給される第１の電流を測定する工程と、前記測定された第１の電流の第１の電流スペクトルであって主周波数の約２倍以上の高周波域に達する第１の電流スペクトルを算出する工程と、前記高周波域における前記第１の電流スペクトルを用いて前記固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かを判断する工程とを含む。この方法により、装置を開けることを要さずに前記固定子スロット・ウェッジの欠損が生じているか否かの判断を可能とする。

本発明の一実施形態によれば、前記第１の電流スペクトルは主周波数の１０倍以上の高周波域、例えば２０、３０、４０又は５０倍の高周波域に達する。正常状態の装置における電流スペクトルと前記固定子スロット・ウェッジの欠損の生じている装置の電流スペクトルとの間に生じるずれは、所定の高周波域において特に顕著となる。したがって、前記高周波域における電流スペクトルを測定しその結果に基づき前記固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かを判断すると好ましい。

本発明の一実施形態によれば、前記第１の装置は誘導機であり、第１の電流スペクトルは下式により定義される高周波域に達する：

ここでＲ_ｒはローター・スロットの数、ｓはモーターのスリップ、ｐは各位相のポール対の数、ｆ_ｓは供給周波数である。模擬実験により以下のことが明らかとなった。すなわち、誘導機を用いる場合、正常状態の装置における電流スペクトルと固定子スロットの欠損が生じている装置の電流スペクトルとの間のずれは、上記式により定義する周波数域において特に顕著となる。

本発明の一実施形態によれば、前記方法は、前記第１の電流スペクトルの振幅が前記高周波域における所定の閾値を超えるか或いは所定の閾値未満であるかを検出することにより、前記固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かを判断する工程を更に含む。装置の状態が正常かどうかの判断のために閾値を定義しこれを用いることにより前記固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かを判断するためには、１つの電流を測定すればよい。

本発明の一実施形態によれば、前記方法は、前記前記第１の電流スペクトルの前記高周波域における調波の振幅が所定の閾値を超えるか或いは所定の閾値未満であるかを検出することにより、前記固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かを判断する工程を更に含む。

模擬実験により以下のことが明らかとなった。すなわち、正常状態の装置における電流スペクトルと前記固定子スロット・ウェッジの欠損が生じている装置における電流スペクトルとの間に生じるずれは、特定の調波において顕著となる。したがって、これら特定の調波の振幅を測定しその結果に基づき前記固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かを判断すると好ましい。

本発明の一実施形態によれば、前記調波が下式により定義される調波のうちの１つである：

ここで、Ｒ_ｒはローター・スロットの数、ｓはモーターのスリップ、ｐは各位相毎のポール対の数、ｆ_ｓは供給周波数、ｍは０、１、２又は３の整数である。模擬実験により以下のことが明らかとなった。すなわち、誘導機を用いる場合、正常状態の装置における電流スペクトルと前記固定子スロット・ウェッジの欠損が生じている装置の電流スペクトルとの間のずれは上記式により定義する調波において特に顕著となる。

本発明の一実施形態によれば、前記方法は、特定の調波の有無を検出することにより前記固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かを判断する工程を更に含む。模擬実験により以下のことが明らかとなった。すなわち、固定子スロット・ウェッジの欠損が生じると新たな調波が発生する場合がある。その場合、固定子スロット・ウェッジの欠損の有無を判断するためにはそのような調波の有無を検出すればよい。

本発明の一実施形態によれば、前記方法は、基準装置から供給される基準電流を測定する工程と、前記測定された基準電流から基準電流スペクトルを算出する工程と、前記第１の電流スペクトルを前記基準電流スペクトルと比較することにより前記固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かを判断する工程とを更に含む。対象となる装置の電流スペクトルを前記基準装置の電流スペクトルと比較することにより、前記固定子スロット・ウェッジに欠損が生じていないかを判断するための確実な情報が得られる。

本発明の一実施形態によれば、前記方法は、前記第１の電流スペクトルに前記基準電流スペクトルからのずれが生じているか所定の閾値を用いて検出することにより前記固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かを判断する工程を更に含む。このような閾値は、固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているかの判断のための簡易な基準となる。

本発明の一実施形態によれば、前記基準装置が前記第１の装置に対応し、前記基準装置の固定子スロット・ウェッジの条件は公知である。電流スペクトル同士の比較を容易に行うためには、前記基準装置を対象となる装置と同一型のものとし且つ前記基準装置の条件を公知のものとすればよい。

本発明の一実施形態によれば、前記基準装置において前記固定子スロット・ウェッジの欠損は生じていない。前記基準装置の電流スペクトルが前記固定子スロット・ウェッジの欠損が生じていない場合における理想的なスペクトルである場合、前記基準装置の電流スペクトルと前記固定子スロット・ウェッジの欠損の生じている装置の電流スペクトルとの比較がより容易となる。

本発明の一実施形態によれば、前記方法は、前記第１の装置から供給される電流であって前記第１の電流とは異なる電気位相を示す第２の電流を測定する工程と、前記測定された第２の電流から第２の電流スペクトルを算出する工程と、前記第１の電流スペクトルを前記第２の電流スペクトルと比較することにより前記固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かを判断する工程とを更に含む。模擬実験により以下のことが明らかとなった。すなわち、固定子スロット・ウェッジの欠損が生じると、異なる電気位相における電流スペクトル同士は異なるスペクトルを示す。このようなずれは固定子スロット・ウェッジの欠損が生じているかの判断に使用可能である。

本発明の一実施形態によれば、前記方法は、前記第１の電流スペクトルに前記第２の電流スペクトルからのずれが生じているか所定の閾値を用いて検出することにより前記固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かを判断する工程を更に含む。このような閾値は、固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているかの判断のための簡易な基準となる。

本発明の一実施形態によれば、前記第１の電流は分流である。前記電流の分流は、この電流の全体に比して、前記固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているかの判断のためのより正確な指標となる。

本発明の一実施形態によれば、下式により表される調波の有無を検出することにより前記固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かを判断する工程を更に備える：

ここでＲ_ｒはローター・スロットの数、ｓはモーターのスリップ、ｐは各位相のポール対の数、ｆ_ｓは供給周波数である。模擬実験により以下のことが明らかとなった。すなわち、誘導機を用いる場合、固定子スロット・ウェッジの欠損が発生すると、上記式により表される新たな調波が現れる。したがって、このような調波の有無を判断することにより固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かを判断すればよい。

本発明の更に詳細な説明は、以下の添付の図面を参照することにより明らかとなるであろう。

固定子スロット・ウェッジを含む固定子スロットの一般的な構成を示す図である。 正常状態の装置における電流スペクトルを示す図である。 装置に固定子スロット・ウェッジ１本の欠損が生じている場合の電流スペクトルを示す図である。 同じ装置において固定子スロット・ウェッジ３本の欠損が生じている場合の２つの位相における各電流スペクトルを示す図である。 正常状態の装置における電流の分流のスペクトルを示す図である。 装置に固定子スロット・ウェッジ１本の欠損が生じている場合における電流の分流のスペクトルを示す。

図２ａに発電機における電流スペクトルの一例を示す。発電機は、格子周波数に対応する５０Ｈｚにおける主周波数成分を有する。電流スペクトルの値は、下式により算出されるデシベル（ｄＢ）を単位として表す対数の相対値である：

ここで、Ｉ_ｄＢは電流の相対振幅であり、Ｉは電流の各周波数成分の振幅であり、Ｉ_ｍは電流の主周波数成分の振幅である。したがって、主周波数におけるＩ_ｄＢの値は０となり、それ以外の周波数では負の値をとる。主周波数の倍数である周波数値においてピーク値Ｉ_ｄＢを示す調波の発生が見られる。それ以外の周波数においては、Ｉ_ｄＢの曲線は主に周波数値−１００ｄＢ〜−１２０ｄＢにおいて比較的平坦となっている。図２ａに示す電流スペクトルは、固定子スロット・ウェッジの欠損が生じていない正常状態の装置における代表的なものである。図２ａには模擬実験による値を示したが、実測値もこれに対応するものが得られると考えられる。これは同図以外の図２ｂ、３、４ａ及び４ｂにおいても同様である。実際の状態の監視において電流の測定を要することは明らかである。

尚また、本発明の実施例はすべて誘導機において適用可能である。しかしながら、本発明は誘導機に限らず、同期機の固定子スロット・ウェッジの欠損の検出にも適用可能である。

図２ｂは装置に固定子スロット・ウェッジ１本の欠損が生じている場合の電流スペクトルを示す。図２ａ及び２ｂを参照すると、これら２つのスペクトルは高周波域において互いに顕著なずれを示すことが分かる。電流スペクトル間のこのずれは、発電機の電流スペクトルを適切に分析することにより、電流スペクトル値を固定子スロット・ウェッジにおける欠損発生の有無に関する情報に変換可能であることを示す。例えば、正常状態の装置の特定の周波数域における平均のＩ_ｄＢの上限値及び下限値を定義してもよい。実際のＩ_ｄＢが上限値を超える或いは下限値未満である場合、固定子スロット・ウェッジに欠損が生じていると判断する。或いは、特定の個別の調波の振幅を観察してもよい。固定子スロット・ウェッジの欠損を検出するのに最適な指標は装置のタイプにより異なる。

図２ｂに示す実施例において、約１７００〜２０００Ｈｚの周波数域における顕著な調波は下式により表される：

ここで、Ｒ_ｒはローター・スロットの数、ｓはモーターのスリップ、ｐは各位相毎のポール対の数、ｆ_ｓは供給周波数、ｍは０、１、２又は３の整数である。このスリップｓは下式により定義される：

ここで、

は固定子磁場、

はローターの回転速度である。特にこの場合、電流の相対振幅Ｉ_ｄＢを顕著な調波周辺で観察することにより固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かを判断することが好ましい。

図３は同じ装置において固定子スロット・ウェッジ３本の欠損が生じている場合の２つの位相における各電流スペクトルを示す図である。正常状態の装置においては２本の曲線は同一となるが、固定子スロット・ウェッジの欠損が生じている場合、これら曲線には明らかなずれが生じる。また、上記と同様に、このずれは固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かの判断に用いることができる。

図４ａ及び４ｂは、同一の電気位相における異なる固定子コイル間の電流の分流のスペクトルを示す。図４ａは正常状態の装置の場合の曲線を示し、図４ｂは装置に固定子スロット・ウェッジ１本の欠損が生じている場合の曲線を示す。図４ｂを参照すると、固定子スロットの２つの主調波間において明らかに新たな調波が発生していることが分かる。この調波は下式により表される：

ここで、Ｒ_ｒはローター・スロットの数、ｓはモーターのスリップ、ｐは各位相毎のポール対の数、ｆ_ｓは供給周波数である。このように、この所定の調波の発生の有無の検出結果を固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かの判断に用いることができる。

上記実施例において、固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かの判断は、電流の相対振幅Ｉ_ｄＢの値又は特定の調波の発生の判断結果に基づき行う。しかしながら、本発明は上記実施例に限らず、固定子スロット・ウェッジに欠損が生じているか否かを判断するために、当業者は高周波域における電流スペクトルを分析する追加的方法を用いてもよい。

Claims (13)

1. 発電機の固定子スロット・ウェッジ（１０）の欠損を検出するための方法であって、
   誘導機の、３つのコイルの内の１つのコイルの電流であって、１つの電気位相を有する第１の電流を測定する工程と、
   前記測定された第１の電流の第１の電流スペクトルであって主周波数の２倍以上の高周波域に達する第１の電流スペクトルを算出する工程と、
   前記高周波域における前記第１の電流スペクトルの値を用いて、前記固定子スロット・ウェッジ（１０）に欠損が生じているかを判断する工程とを含む方法。
2. 前記第１の電流スペクトルが主周波数の１０倍以上の高周波域、例えば２０、３０、４０又は５０倍の高周波域に達する、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の装置が誘導機であり、前記第１の電流スペクトルが
   

   

   
   により定義される高周波域に達し、上記式においてＲ_ｒはローター・スロットの数、ｓはモーターのスリップ、ｐは各位相のポール対の数、ｆ_ｓは供給周波数である、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の電流スペクトルの振幅が前記高周波域における所定の閾値を超えるか或いは所定の閾値未満であるかを検出することにより、前記固定子スロット・ウェッジ（１０）に欠損が生じているか否かを判断する工程を更に含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第１の電流スペクトルの前記高周波域における調波の振幅が所定の閾値を超えるか或いは所定の閾値未満であるかを検出することにより、前記固定子スロット・ウェッジ（１０）に欠損が生じているか否かを判断する工程を更に含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記調波が
   

   

   
   により定義される調波のうちの１つであり、上記式においてＲ_ｒはローター・スロットの数、ｓはモーターのスリップ、ｐは各位相のポール対の数、ｆ_ｓは供給周波数、ｍは０、１、２又は３の整数である、請求項５に記載の方法。
7. 特定の調波の有無を検出することにより、前記固定子スロット・ウェッジ（１０）に欠損が生じているか否かを判断する工程を更に含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 基準装置から供給される基準電流を測定する工程と、
   前記測定された基準電流から基準電流スペクトルを算出する工程と、
   前記第１の電流スペクトルを前記基準電流スペクトルと比較することにより前記固定子スロット・ウェッジ（１０）に欠損が生じているか否かを判断する工程とを更に含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記第１の電流スペクトルに前記基準電流スペクトルからのずれが生じているか否かを所定の閾値を用いて検出することにより、前記固定子スロット・ウェッジ（１０）に欠損が生じているか否かを判断する工程を更に含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記基準装置において固定子スロット・ウェッジ（１０）の欠損は生じていない、請求項９に記載の方法。
11. 前記誘導機の第１の電流と異なる電気位相を有するコイルの電流である、第２の電流を測定する工程と、
    前記測定された第２の電流から第２の電流スペクトルを算出する工程と、
    前記第１の電流スペクトルを前記第２の電流スペクトルと比較することにより、前記固定子スロット・ウェッジ（１０）に欠損が生じているか否かを判断する工程とを更に含む、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記第１の電流スペクトルに前記第２の電流スペクトルからのずれが生じているか否かを所定の閾値を用いて検出することにより、前記固定子スロット・ウェッジ（１０）に欠損が生じているか否かを判断する工程を更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. 

    
    により表される調波の有無を検出することにより、前記固定子スロット・ウェッジ（１０）に欠損が生じているか否かを判断する工程を更に備え、上記式においてＲ_ｒはローター・スロットの数、ｓはモーターのスリップ、ｐは各位相のポール対の数、ｆ_ｓは供給周波数である、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の方法。

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