JP5971483B2 - 三相巻線形誘導電動機のスリップリングにおける欠相検知方法およびその検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、三相巻線形誘導電動機のスリップリングにおける欠相検知方法およびその検知装置に関するものである。

三相巻線形誘導電動機は、クレーンやデリック、一般産業機械に広く使用されており、三相交流電圧を負荷して回転磁界を発生させる一次側の固定子（ステータ）と、この固定子の内側に配置され、該固定子によって発生させた回転磁界によって回転可能とする二次側の回転子（ロータ）とを備えている。

前記回転子は、二次側巻線出力線の各相をスリップリングおよびこのスリップリングに摺動可能に接触するブラシを介して二次抵抗器（外部抵抗）に接続しており、該各相に流れる二次電流の大きさを、該二次抵抗器によって適宜変化させることで速度制御（二次抵抗制御）を可能にしている。

ところで、従来のこの種の誘導電動機においては、スリップリングとブラシとの間での摩耗（荒損）による断続的な短絡が起きたり、ブラシのセットミス（ブラシホルダの設置忘れ等）により二次側巻線出力線の相がスリップリングにおいて欠相状態におかれた場合に、それを正確に判断することができず、これにより過電流が発生し電動機の焼損を引き起こす不具合があった。

このような不具合を解消するため、従来は、サーミスタやサーモスタット等の温度検出器を電動機内に埋め込み、電動機の巻線の温度を直接検出して電動機の焼損を防止するようにした温度検出器方式や、電動機に流す電流指令から電動機の負荷状況を計算で求める電子サーマル方式が採用されていた。

しかしながら、従来の焼損防止方式では、サーミスタやサーモスタット等の温度検出器を電動機に埋め込まなければならず、電動機の構造ごとに特性把握が必要であるとともに温度検出器が故障した場合に電動機を交換しなければならないデメリットがある。

また、電子サーマル方式は温度検出器を使用しないため、故障を心配する必要はないものの、電動機の電源をオン、オフする度にデータが消去されてしまうため、電源オン時において誤検出しやすいという問題があった。

この点に関する先行技術として、特許文献１には、モータパラメータから温度変換演算部にて演算したモータ巻線温度と、モータ電流およびモータ速度を入力としてモータ熱モデルにて推定したモータ温度推定値とのオブザーバ推定偏差を比較判定部で比較し、該オブザーバ推定偏差が所定のスレッシホールドレベルを超えたとき、故障を予知する判定を行うモータ制御装置が提案されている。

また、特許文献２には、制御開始時のみモータに電力を供給する電力線を通じてモータ温度を測定し、これとモータ電流指令値から推定した温度上昇値から現在の温度を算出するモータ制御装置が提案されている。

また、特許文献３には、主回路電圧を検出する検出手段と、モータに流れる電機子電流を検出する検出手段と、モータ速度を検出する検出手段と、該検出手段により得られた主回路電圧、モータ電流及びモータ速度に基づいてモータの巻線抵抗を演算するモータ巻線抵抗演算手段と、モータ巻線抵抗からモータ巻線温度を演算するモータ巻線温度演算手段とを備え、モータ巻線温度演算結果が所定の閾値を超えた場合にモータへの電源供給を停止してモータ巻線の焼損を防止するようにした焼損保護装置が提案されている。

さらに、特許文献４には、二次抵抗によって速度制御を可能とした三相巻線形誘導電動機において、二次側欠相を検出すべく、各相の二次電流を検出する検出装置と、この装置によって検出された二次電流の差電流を各相毎に演算して異常状態を出力する三相平衡度演算処理装置とを備えた構成のものが提案されている。

特開平６−１５３３８１号公報 特開平９−２６１８５０号公報 特開２０１１−１５５８４号公報 特開平８−１６３８４２号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、処理に用いるコントローラの負荷が大きく、それを実現するには、高価なシステムが必要になる不具合がある。また、特許文献２では、電圧の変動等が考慮されていないため、電動機抵抗の推定値に誤差が出るのが避けられない。また、特許文献３においては、多くの検出器、演算部を設ける必要があり、しかも、複数回にわたる演算を行って電動機巻き取り温度を求めることから実際の巻線温度との間に誤差が生じるおそれがある。

なお、引用文献４は、二次抵抗器における断線を検知することを目的としたものであり、該二次抵抗器が断線して二次側の相が短絡した状態でなければ異常故障を検知することができないものであった。

本発明の課題は、ブラシの摩耗によるスリップリングとの接触不良やブラシのセットミス等に起因した二次側巻線出力線での欠相を早期のうちに検知することによって、過負荷電流の発生による電動機の焼損を防止し得る三相巻線側誘導電動機におけるスリップリングの欠相検知方法及びその装置を提案するところにある。

本発明は、三相二次側巻線出力線の各相と、二次抵抗器とを、スリップリング及びこのスリップリングに摺動可能に接触するブラシを介して接続した三相巻線形誘導電動機につき、該スリップリングの欠相を検知するに当たり、前記スリップリングと前記二次抵抗器との相互間で各相の電流値をそれぞれ計測し、計測された電流値の不平衡率を求め、この不平衡率が３５％以上の場合であって、かつ前記計測された電流値が前記誘導電動機の定格電流の６０％以上である場合に異常信号を出力することを特徴とする三相巻線形誘導電動機のスリップリングにおける欠相検知方法である。

ここに、不平衡率とは、時々刻々と変動する交流電流の電流値において、任意の時間における各相の電流値を取り出しその時点での各相の電流値の不平衡度合いを数値化したものであって、（逆相分電流／正相分電流）×１００％で求められる。

本発明の三相巻線形誘導電動機のスリップリングにおける欠相検知方法においては上述のように、前記計測された電流値の不平衡率が３５％以上である場合に異常信号を出力する。ただし、計測された電流値は、電動機の定格電流の６０％以上である場合を前提とする（不平衡率が３５％以上であっても、計測された電流値が電動機の定格電流の６０％に満たない場合には、異常信号は出力しない。）ものとする。該動作電流値を電動機の定格電流の何％に設定するかによって検知感度を変更することが可能となる。

また、本発明は、三相二次側巻線出力線の各相と、二次抵抗器とを、スリップリング及びこのスリップリングに摺動可能に接触するブラシを介して接続した三相巻線形誘導電動機につき、該スリップリングの欠相を検知する装置であって、前記スリップリングと前記二次抵抗器との相互間で各相の電流値をそれぞれ計測する計測手段と、この計測手段で計測された電流値の不平衡率を求めるとともに、該不平衡率が３５％以上の場合であって、かつ前記計測された電流値が前記誘導電動機の定格電流の６０％以上である場合に異常状態にあると判断して異常信号を出力する異常信号出力手段と、からなることを特徴とする三相巻線形誘導電動機におけるスリップリングの欠相検知装置である。

上記の構成からなる本発明の三相巻線側誘導電動機のスリップリングにおける欠相検知方法によれば、スリップリングと二次抵抗器との相互間で各相の電流値をそれぞれ計測し、計測された電流値の不平衡率を求め、この不平衡率が予め定められた条件を満たしていない場合に異常信号を出力するようにしたため、検知感度が高まり、スリップリングにおける異常状態（摩耗に伴う接触不良やブラシのセットミス等）を早期のうちに検知することができる。

すなわち、本発明の三相巻線形誘導電動機のスリップリングにおける欠相検知方法によれば、不平衡率が３５％以上の場合であって、かつ前記計測された電流値が前記誘導電動機の定格電流の６０％以上である場合に異常信号を出力するようにしたため、二次側巻線出力線の相が欠相に至る前に異常状態にあるかどうかの判定が可能となる。

また、本発明の三相巻線形誘導電動機におけるスリップリングの欠相検知装置によれば、該欠相検知装置を、スリップリングと前記二次抵抗器との相互間で各相の電流値をそれぞれ計測する計測手段と、この計測手段で計測された電流値の不平衡率を求めるとともに、該不平衡率が上述した予め定められた条件を満たしていない場合に異常状態にあると判断して異常信号を出力する異常信号出力手段とによって構成するようにしたため、装置構造の複雑化を伴うことなしに感度の高い検知が可能となる。

本発明を実施するのに用いて好適な欠相検知装置を三相巻線形誘導電動機に組み込んだ状態を模式的に示した図である。

以下、図面を参照して本発明をより具体的に説明する。
図１は、本発明を実施するのに用いて好適な欠相検知装置の構成を三相巻線形誘導電動機に組み込んだ状態を模式的に示した図である。

図における符号１は、三相巻線形誘導電動機である。この三相巻線形誘導電動機１は、一次側配線Ｕ、Ｖ、Ｗを有し、該配線Ｕ、Ｖ、Ｗを通して三相交流電圧が負荷される固定子（ステータ）１ａと、この固定子１ａの内側に配置され、該固定子１ａにおいて発生させた回転磁界によって回転可能な二次側の回転子（ロータ）１ｂとを備えている。

また、２は、回転子１ａの二次側巻線につながる二次側巻線出力線、３は、二次側巻線出力線２の各相を流れる電流（二次電流）の大きさを変更して電動機の回転速度を制御する二次抵抗器、４は、二次抵抗器３において所定の間隔で適宜短絡、その解除を行って二次抵抗器３の抵抗値を変更する接触器、５は、二次抵抗器３の末端において各相を短絡させる短絡線、６、７、８は、二次抵抗器３と二次側巻線出力線２をつなぐ二次側配線である。

また、９は、回転子１ａの軸端に設けられ、回転子１ａとともに回転可能で二次側巻線出力線２につながるスリップリング、１０は、二次側配線６、７、８に設けられ、スリップリング９に摺動可能に接触するブラシである。このスリップリング９とブラシ１０によって巻線出力線２の各相と二次側配線６、７、８との間で二次電流の受け渡しを行うようになっている。

また、１１は、スリップリング９における異常を検知して異常信号を出力することにより該スリップリング９における二次側巻線出力線の各相の欠相を検知する欠相検知装置である。この欠相検知装置１１は、二次側配線６、７、８につながり各相の電流値をそれぞれ計測する計測手段１１ａと、この計測手段１１ａで計測された電流値の不平衡率を求めるとともに、該不平衡率が予め定められた条件と比較して該条件を満たしていない場合に異常状態にあると判断して異常信号を出力する異常信号出力手段１１ｂとから構成されている。

なお、上記計測手段１１ａとしては、具体的に変流計等の計測用変成器（交流電流計の測定範囲を拡大するのに使われるもの）を用いることができる。計測手段１１ａは、その計測原理として、磁束の変化に対応して変流計等の計測手段１１ａの二次側に流れる交流電流値を測定するものであるが、測定された交流電流値をもとにその計測手段１１ａの一次側の電流値を算出（Ｎ_１・ｉ_１＝Ｎ_２・ｉ_２、Ｎ：巻き数、ｉ：電流、_１：一次側、_２：二次側）し、この算出された一次側の電流値を、不平衡率を求める際の電流値として使用する。

上記の構成からなる三相巻線誘導電動機１は、固定子１ａの一次側端子１ｃにつながる一次側配線Ｕ、Ｖ、Ｗを通して三相交流電圧を負荷することにより駆動され、接触器４を二次抵抗器３の末端側（短絡線５側）から順次閉として該二次抵抗器３を順次短絡させ、その抵抗値を減少させることによって加速性を高めて短時間のうちに定常速度に到達させる（低動時には、二次抵抗器３を完全に短絡させた状態で運転する）一方、該二次抵抗器３における短絡をその先端側から順次解除してその抵抗値を増大させることによって減速性を付与して電動機１を早期のうちに停止する速度制御を可能としている。

本発明は、スリップリング９と二次抵抗器３との相互間で上記異常検知装置１１により各相の電流値を監視し、該電流値の不平衡率を適宜求め、その値が予め設定された条件を満たしていない場合に異常状態にあると判断するようにしたものであり、これによれば、ブラシの摩耗やセットミス等によるスリップリング９とブラシ１０との接触不良による断続的な短絡を検知することができるため、スリップリング９において二次側巻線出力線２の何れかの相が欠相状態になるのを未然に回避することができることになる。

また、異常信号出力手段１１ｂとしては、具体的に三相交流電流の不平衡率を求める不平衡率算出器と、この不平衡算出器にて得られた値が予め定められた条件を満たしているかどうかの判定結果を表示する警報装置からなるものが適用される。

本発明においては、スリップリング９における異常を検知するために、二次側配線６、７、８において電流値を計測するようにしたが、その理由は、スリップリングの荒損に伴って発生する微小な抵抗の変化による電流値の不平衡率を測定できるからである。

不平衡率は、計測された電流値のうち最大値を示す相の電流値を基準にして、（逆相電流／正相電流）×１００％より求め、この際、不平衡率が３５％以上の場合に欠相と判定して異常信号を出力することになるが、本発明では、該電流値が電動機の定格電流の６０〜７０％以上であり、かつ、該不平衡率が３５％以上のときにのみ異常があると判定してその信号を出力するものとする。

三相電流の不平衡率ＵＦは、具体的には、下記式にて求めることができる。
ＵＦ＝Ｉ_２／Ｉ_１×１００（％）
Ｉ_１＝正相電流、Ｉ_２＝逆相電流

ただし、

なお、不平衡率は、各相の相対的な関係として表されるものであり、例えば、
Ｒ相：１００Ａ、Ｓ相：７０Ａ、Ｔ相：６０Ａのとき、
Ｉ_１＝７３．９５、Ｉ_２＝２６．４１、ＵＦ＝３５．７％、
Ｒ相：１００Ａ、Ｓ相：６０Ａ、Ｔ相：６０Ａのとき、
Ｉ_１＝６９．１５、Ｉ_２＝３０．８５、ＵＦ＝４４．６％
となり、同じ最大電流差ΔＩ＝４０Ａであったとしても不平衡率ＵＦの値は異なることとなる。

本発明では、計測された電流値の不平衡率を求めることにより二次抵抗器３の断線故障を検知することもできる。

出力９０ｋＷ、一次電圧４４０Ｖ、二次電圧３８５Ｖ、一次電流１４５Ａ、二次電流１３０Ａである上掲図１に示した構成からなる三相巻線形誘導電動機をクレーンの速度制御用電動機として適用し、その駆動中において欠相検出装置の出力に基づいて適切に対応したところ、スリップリングの損傷が軽度な状態であっても異常を検知することができ、電動機の焼損を引き起こすような不具合の発生を皆無とすることができた。

これに対して、電流値を計測してその差に基づいて異常の検知を行った場合においては、電流値の不平衡率に基づいて異常を検知するのに比較してその感度が低く、過負荷電流の発生が避けられないことが確認された。

本発明によれば、ブラシの摩耗に伴うスリップリングとの接触不良やブラシのセットミス等に起因した欠相を早期に検知することが可能となり、過負荷電流の発生による電動機の焼損を防止することができる。

１ 三相巻線形誘導電動機
１ａ 固定子
１ｂ 回転子
２ 二次側巻線出力線
３ 二次抵抗器
４ 接触器
５ 短絡線
６ 二次側配線
７ 二次側配線
８ 二次側配線
９ スリップリング
１０ ブラシ
１１ 欠相検知装置
１１ａ 計測手段
１１ｂ 異常信号出力手段
Ｕ 一次側配線
Ｖ 一次側配線
Ｗ 一次側配線

Claims (2)

1. 三相二次側巻線出力線の各相と、二次抵抗器とを、スリップリング及びこのスリップリングに摺動可能に接触するブラシを介して接続した三相巻線形誘導電動機につき、該スリップリングの欠相を検知するに当たり、
   前記スリップリングと前記二次抵抗器との相互間で前記各相の電流値をそれぞれ計測し、
   計測された電流値の不平衡率を求め、
   この不平衡率が３５％以上の場合であって、かつ前記計測された電流値が前記誘導電動機の定格電流の６０％以上である場合に異常信号を出力することを特徴とする三相巻線形誘導電動機のスリップリングにおける欠相検知方法。
2. 三相二次側巻線出力線の各相と、二次抵抗器とを、スリップリング及びこのスリップリングに摺動可能に接触するブラシを介して接続した三相巻線形誘導電動機につき、該スリップリングの欠相を検知する装置であって、
   前記スリップリングと前記二次抵抗器との相互間で前記各相の電流値をそれぞれ計測する計測手段と、
   この計測手段で計測された電流値の不平衡率を求めるとともに、該不平衡率が３５％以上の場合であって、かつ前記計測された電流値が前記誘導電動機の定格電流の６０％以上である場合に異常信号を出力する異常信号出力手段と、
   からなることを特徴とする三相巻線形誘導電動機のスリップリングにおける欠相検知装置。

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