JP6806576B2 - 鉄道車両用走行モータの異常検知方法 - Google Patents
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Description
そこで、従来、電気車の駆動用誘導電動機の冷却能力が低下したことを把握してメンテナンス要求を行うようにした異常検知技術が提案されている(特許文献1)。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、鉄道車両の機器モニタリングデータを利用して、外気温度や乗車率等の条件の差異に影響されずに、走行モータの異常の発生を高い精度で検知することができる異常検知方法を提供することを目的とする。
鉄道車両に搭載されたデータ収集システムによって収集された走行モータの推定温度情報および走行モータの電流値情報を受信し記憶する第1ステップと、
記憶された走行モータの電流値情報に基づいて、所定時間におけるRMS値(累積電流値の二乗平均平方根)を、走行モータごとに算出する第2ステップと、
少なくとも前記RMS値および該RMS値の2乗を説明変数としかつ走行モータの推定温度を従属変数として重回帰分析により回帰線を算出し、算出した回帰線と前記第1ステップで収集した推定温度情報および電流値情報を用いて走行モータの状態を判断する処理を行う第3ステップと、を含むようにしたものである。
このように、集団を内包する位置に境界線を設定し、設定された境界線と収集した温度情報および電流値情報とを用いて走行モータの状態を判断するため、走行モータの異常の発生をより高い精度で検知することができる。
このように、温度情報およびRMS値度が境界線を越えた回数を計数し、当該計数値が予め設定した所定回数よりも大きいか否か判定して異常を知らせる情報を出力することにより、比較的簡単な処理により異常の発生の有無の判定を行うことができるとともに、判定結果および報知の信頼性を高めることができる。
本発明に係る鉄道車両用走行モータの異常検知方法は、走行中の列車において取集した温度データ等に基づいて、各電動車の走行モータの状態を把握し、走行モータが異常発熱を起こす早い段階で異常の発生を検知するものである。そこで、異常検知に必要なデータの収集システムおよび該システムにより収集されたデータに基づいて走行モータの状態を判定し報知する走行モータの異常検知システムの構成について、図1を用いて先ず説明する。
図1に示されているように、1編成の列車の各車両A,B,C……には、数両に1台の割合で走行モータ11および駆動用VVVFインバータ12が搭載された電動車(図では車両B)が連結されており、VVVFインバータ12にはコントローラ(制御装置)CNTが設けられている。本実施形態におけるデータ収集システム10は、列車に設けられているデータ伝送路13を利用して、各電動車のVVVFインバータ12……から温度データを収集可能な構成としている。
中央端末装置15は、データ伝送路13を介して収集した温度データおよびモータの電流値情報を、電動車識別情報(号車情報)と共に例えばハードディスクや半導体メモリのような記憶装置を備えた記録装置16に格納し、無線通信機能を有する送信ユニット17が地上側装置20へ収集データを定期的に送信するように構成されている。
記録装置16には、当該列車の識別情報(編成番号)が格納されており、中央端末装置15が収集データを送信する際には、収集した温度データおよびモータの電流値データと共に列車の識別情報と電動車識別情報を送信する。なお、記録装置16は、サーバーであっても良い。
次に、走行モータの異常検知システム20における境界線算出処理とモータ異常検知判定処理の詳細を、本発明を開発するに至った過程とともに説明する。
図2(A)に、通常の営業列車における試験で得られた走行モータの推定温度の日毎の最大値の推移を、横軸に日をとって示す。また、図2(B)に、走行モータの推定温度の日毎の最大値の頻度を、横軸に推定温度をとって示す。
そこで、次に、統計的分析を行うため、走行モータの推定温度の他に、外気温度や乗車率、モータ電流値、車両速度を走行中の列車から取得する試験を行なった。なお、乗車率は、従来から空気バネに設けられている車体重量を測定する重量計の測定値から換算する方式があるので、それを利用して取得した。
本発明者らは、走行モータは電気エネルギーを回転エネルギーに変換する装置であり損失の一部が熱として発生してモータの温度が上昇すると考えられることから、モータの電流値が重回帰分析における説明変数として有力な候補であると予想し、上記試験で取得したモータ電流値(瞬間値)と推定温度との関係を示すグラフを作成した。そのグラフを図4(A)に示す。図4(A)からは、推定温度と電流値との間に相関は見られない。
なお、RMS値を算出する累積時間は一義的に決まるものではなく、車種(車体構造)や使用するモータ(誘導電動機)の種類(仕様)、走行条件等によって異なると考えられるので、最適な値は試験を行なって決定すればよい。
次に、本発明者らは、前記試験で得られたデータに対して、モータ推定温度を従属変数(目的変数)とし、説明変数としてモータ電流の2時間RMS値IRMSとRMS値の2乗IRMS2と外気温度Taとを選択して重回帰分析を実施した。
従属変数(モータ推定温度)=a+b×IRMS2+c×IRMS+d×Ta ……(1)
で示される。
次に、前記試験により10秒周期で取得した約半年分の実測値を用いて、重回帰分析により統計的処理を実施することによって、上記式(1)における定数aおよび係数b,c,dを決定した。その結果、次のモデル式
モータ推定温度=-19.702+0.001×IRMS2+1.683×IRMS−0.025×Ta ……(2)
が得られた。なお、上記式(1)における定数aおよび係数b,c,dの値は、最小二乗法で回帰線を算出して決定しても良いが、重回帰分析機能を有する種々のソフトウェアが市販されているので、それを利用して得ることもできる。
上記モデル式(2)より、外気温度Taの項の係数は0.025と小さく、この項は無視してもそれほど大きな誤差は生じないことが分かる。
図7は、図1に示す走行モータの異常検知システム20の境界線算出部23および判定処理部24によって実行される処理の手順を示すフローチャートである。なお、以下に説明する処理は、検知対象の列車が複数の電動車を備える場合、電動車(走行モータ)ごとに実行してもよいし、車種や線区毎にまとめて実施してもよい。
ステップS2で、起動から4時間以上経過した(Yes)と判定すると、ステップS3へ移行して、営業走行中であるか否か判断する。そして、営業走行中でない(No)と判定すると境界線の算出のための計算をしないで当該処理を終了する。判断の基礎データとして、営業走行中の実績データを用いているためである。
ステップS7で、起動から4時間以上経過した(Yes)と判定すると、ステップS8へ移行して、営業走行中であるか否か判断する。そして、営業走行中でない(No)と判定すると境界線の算出のための計算をしないで当該処理を終了する。
その後、ステップS10へ進んで、算出された値とステップS6で記憶装置に格納した境界線情報とを比較して、境界線を越えた回数を計数する(ステップS11)。そして、境界線を越えた回数(カウント値)が所定の回数以上であるか否か判定する(ステップS12)。ここで、境界線を越えた回数(カウント値)が所定の回数以上である(Yes)と判定すると、ステップS13へ移行してアラートを発信(もしくはアラームを発報)してから、ステップS17へ進んで判定結果を記憶装置に格納して当該処理を終了する。
走行モータが故障する前であっても、走行モータの劣化が進むと発熱量が増加して温度が上昇し、境界線を越える回数が次第に多くなる。また、走行モータの劣化が進むと、回数の変化率が次第に高くなると予想される。図7に示す走行モータの異常検知処理のフローチャートでは、図8(A)に示すように境界線を越える回数が次第に多くなって所定回数をオーバーするか、図8(B)に示すように回数の変化率が急に高くなって所定値をオーバーすると、アラートを発信するため、走行モータの故障の予兆を的確に捉えて異常の発生を報知することができる。
また、上記実施例の走行モータの異常検知方法では、重回帰式(1)を使用して係数を決定する際に、モータ温度としてVVVFインバータのコントローラが算出した推定温度を使用しているが、温度センサを用いて実測したモータ温度を使用するようにしても良い。
20 地上側装置(異常検知システム)
11 走行モータ
12 VVVFインバータ
13 データ伝送路
14A,14B,14C 伝送端末装置
15 中央端末装置
16 記録装置
17 送信ユニット
21 データ受信部
22 データ格納部
23 境界線算出部
24 判定処理部
25 結果格納部
26 アラート発信部
Claims (4)
- 鉄道車両に搭載されたデータ収集システムによって収集された走行モータの温度情報および走行モータの電流値情報を受信し記憶する第1ステップと、
記憶された走行モータの電流値情報に基づいて、所定時間におけるRMS値(累積電流値の二乗平均平方根)を、走行モータごとに算出する第2ステップと、
少なくとも前記RMS値および該RMS値の2乗を説明変数としかつ走行モータの温度を従属変数として重回帰分析により回帰線を算出し、算出した回帰線と前記第1ステップで収集した温度情報および電流値情報を用いて走行モータの状態を判断する処理を行う第3ステップと、
を含み、
前記第3ステップにおいては、前記回帰線を、前記第1ステップで収集した温度情報および前記第2ステップで算出されたRMS値をパラメータとして標本をプロットしたグラフにおける集団を内包する位置まで、平行移動して前記走行モータの状態の判定のための境界線を設定することを特徴とする鉄道車両用走行モータの異常検知方法。 - 前記第3ステップの前記走行モータの状態を判断する処理においては、前記第1ステップで収集した温度情報と前記第2ステップで算出されたRMS値が前記境界線を越えた回数を計数し、その計数値が予め設定した所定回数よりも大きいか否か判定し、計数値が予め設定した所定回数よりも大きい場合に異常を知らせる情報を出力することを特徴とする請求項1に記載の鉄道車両用走行モータの異常検知方法。
- 前記第3ステップの前記走行モータの状態を判断する処理においては、前記境界線を越えた回数の変化率を算出し、当該変化率が予め設定した所定値よりも大きいか否か判定し、変化率が予め設定した所定値よりも大きい場合に異常を知らせる情報を出力することを特徴とする請求項2に記載の鉄道車両用走行モータの異常検知方法。
- 前記走行モータは可変電圧可変周波数制御方式のインバータ装置により駆動される誘導電動機であり、
前記インバータ装置は、コントローラを備え、前記コントローラが前記誘導電動機のロータ温度を推定し該推定ロータ温度に基づいて電流制御を行うように構成され、
前記第1ステップにおける前記温度情報は前記推定ロータ温度の情報であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の鉄道車両用走行モータの異常検知方法。
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