特許 7580620 電動機監視装置および電動機監視方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-31

(45)【発行日】2024-11-11

(54)【発明の名称】電動機監視装置および電動機監視方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 23/14 20060101AFI20241101BHJP

   H02P 23/08 20060101ALI20241101BHJP

   H02P 21/20 20160101ALI20241101BHJP

【ＦＩ】

H02P23/14

H02P23/08

H02P21/20

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2023544959

(86)(22)【出願日】2021-09-06

(86)【国際出願番号】 JP2021032583

(87)【国際公開番号】W WO2023032182

(87)【国際公開日】2023-03-09

【審査請求日】2023-09-27

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002941

【氏名又は名称】弁理士法人ぱるも特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮内 俊彦

(72)【発明者】

【氏名】三好 将仁

(72)【発明者】

【氏名】金丸 誠

(72)【発明者】

【氏名】古谷 真一

【審査官】保田 亨介

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－１８６７９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１１６２７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０２７７７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１６７９２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２３６６０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ２１／００－２５／０３

２５／０４

２５／１０－２７／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電動機の固定子電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電動機の固定子電流を検出する電流検出回路と、
前記電動機に関する情報を取得するモータ特性入力器と、
前記電圧検出回路、前記電流検出回路および前記モータ特性入力器からの情報をもとに出力値を算出して出力する論理演算回路とを備え、
前記モータ特性入力器は、
前記電動機の固定子相抵抗、極対数および定格出力と、
前記電動機に供給される電源周波数と、
前記電動機に電源電圧および前記電源周波数が供給されたときの負荷率１００％における負荷特性である定格すべりおよび定格回転角速度の少なくとも一方、定格効率および定格三相電流実効値とを取得し、
前記論理演算回路は、
前記モータ特性入力器が前記定格すべりおよび前記定格回転角速度のうちの前記定格すべりのみを取得した場合は、前記電源周波数と前記極対数と前記定格すべりとから前記定格回転角速度の値を求め、
前記モータ特性入力器が前記定格すべりおよび前記定格回転角速度のうちの前記定格回転角速度のみを取得した場合は、前記電源周波数と前記極対数と前記定格回転角速度とから前記定格すべりの値を求め、
前記論理演算回路は、
前記固定子電圧、前記固定子電流および前記固定子相抵抗から前記電動機の固定子鎖交磁束を算出する磁束算出部と、
前記固定子鎖交磁束、前記固定子電流および前記極対数から全トルクを算出する全トルク算出部と、
前記定格出力および前記定格効率から全損失を算出し、前記固定子相抵抗および前記定格三相電流実効値から一次銅損を算出し、前記定格すべりおよび前記定格出力から二次銅損を算出し、前記全損失、前記一次銅損、前記二次銅損および前記定格回転角速度から無負荷損トルクを算出する無負荷損トルク算出部と、
前記全トルクおよび前記無負荷損トルクから推定トルクを算出し、前記推定トルクを前記出力値として出力する推定トルク算出部とを備えたことを特徴とする電動機監視装置。

【請求項2】

前記モータ特性入力器は、前記定格出力における漂遊負荷損の割合である漂遊負荷損割合の情報を取得し、
前記無負荷損トルク算出部は、前記定格出力に前記漂遊負荷損割合を掛け合わせたものを前記漂遊負荷損として算出し、前記全損失、前記一次銅損、前記二次銅損、前記漂遊負荷損および前記定格回転角速度から前記無負荷損トルクを算出し、
前記推定トルク算出部は、前記全トルクおよび前記無負荷損トルクから一次推定トルクを算出し、前記定格出力および前記定格回転角速度から定格トルクを算出し、前記定格トルク、前記一次推定トルクおよび前記漂遊負荷損割合から漂遊負荷損トルクを算出し、前記一次推定トルクから前記漂遊負荷損トルクを除くことにより前記推定トルクを算出することを特徴とする請求項１に記載の電動機監視装置。

【請求項3】

前記論理演算回路は、
前記定格出力、前記定格回転角速度、前記電源周波数、前記極対数、前記定格すべりおよび前記推定トルクから推定出力を算出し、前記推定出力を前記出力値として出力する推定出力算出部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の電動機監視装置。

【請求項4】

前記論理演算回路は、
前記推定出力を、前記固定子電圧および前記固定子電流から求めた入力電力で除算して推定効率を算出し、前記推定効率を前記出力値として出力する推定効率算出部を備えたことを特徴とする請求項３に記載の電動機監視装置。

【請求項5】

前記磁束算出部は、前記固定子相抵抗に前記固定子電流を掛けたものを前記固定子電圧から引き去った値を積分処理することにより前記固定子鎖交磁束を算出し、
前記積分処理は、前記電源周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタを２つと、前記電源周波数の１／１０以下の周波数をカットオフ周波数とするハイパスフィルタを１つとを直列につなげたフィルタによって行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電動機監視装置。

【請求項6】

前記論理演算回路からの出力を表示するあるいは前記論理演算回路からの出力をもとに警報を発する出力器を備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電動機監視装置。

【請求項7】

前記論理演算回路は、
前記固定子電圧あるいは前記固定子電流から推定電源周波数を検出する電源周波数検出部と、
前記定格出力、前記定格回転角速度、前記推定電源周波数、前記極対数、前記定格すべりおよび前記推定トルクから推定出力を算出し、前記推定出力を前記出力値として出力する推定出力算出部とを備え、
前記磁束算出部は、前記固定子相抵抗に前記固定子電流を掛けたものを前記固定子電圧から引き去った値を積分処理することにより前記固定子鎖交磁束を算出し、
前記積分処理は、前記推定電源周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタを２つと、前記推定電源周波数の１／１０以下の周波数をカットオフ周波数とするハイパスフィルタを１つとを直列につなげたフィルタによって行うことを特徴とする請求項１または２に記載の電動機監視装置。

【請求項8】

電動機の固定子電圧、前記電動機の固定子電流および前記電動機の固定子相抵抗から固定子鎖交磁束を算出する磁束算出ステップと、
前記固定子鎖交磁束、前記固定子電流および前記電動機の極対数から全トルクを算出する全トルク算出ステップと、
前記電動機の定格出力および前記電動機の定格効率から全損失を算出し、前記固定子相抵抗および前記電動機の定格三相電流実効値から一次銅損を算出し、前記電動機の定格すべりおよび前記定格出力から二次銅損を算出し、前記全損失、前記一次銅損、前記二次銅損および前記電動機の定格回転角速度から無負荷損トルクを算出する無負荷損トルク算出ステップと、
前記全トルクおよび前記無負荷損トルクから推定トルクを算出する推定トルク算出ステップとを含む電動機監視方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、電動機監視装置および電動機監視方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

閉鎖配電盤などを有するコントロールセンタにおいては、電気回路の制御、監視および保護が行われる。電動機につながる配線の電流および電圧を検出することで、電動機のトルクを監視する電動機監視装置も搭載することができる。電動機のトルクを推定する方法として、電動機の固定子側の電流および磁束をそれぞれ二相に換算した後、その外積を計算することでトルクが演算できることが知られている。本手法では、三相のうち少なくとも二相の電圧および電流を測定すればよく、その他に必要なパラメータは固定子抵抗のみである。ただし、実際にはこの電流と磁束の外積から求められるモータのトルクは、実際の電動機が出力するトルクよりも大きい。これは、実際には電動機の軸には伝わらず、損失として電動機の中で熱あるいは振動として消費されるエネルギーがあるからである。つまり、上記手法で演算したトルクは、鉄損、機械損、および漂遊負荷損に相当するトルクだけ実際より高い値となっており、誤差が存在する。誤差を補正する方法として、例えば、電動機のＴ型等価回路において、鉄損抵抗を考慮し、鉄損抵抗に流れる電流はトルクには寄与しないものとして除き、有効な電流である負荷電流を演算した上で、負荷電流と磁束の外積を演算し、鉄損に相当するトルクを含まないトルクを演算する方法がある（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－０４６７２３号公報

【非特許文献】

【0004】

【文献】S. Yamamoto, H. Hirahara and B. A. Shantha, "A Method to Estimate Torque and Stray Load Loss of Induction Motor without Torque Detector," 2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2019, pp.2341-2346

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、電動機の鉄損抵抗を把握することは容易ではない。鉄損抵抗を含む電動機のパラメータあるいは機械損を取得するためには、一般に無負荷試験をする必要がある。無負荷試験のためには、電動機を同期速度で外部から回転させるか、カップリングを外したうえで運転する必要がある。鉄損を機械損と分離して鉄損抵抗を把握するためには、複数の電圧値における無負荷試験結果が必要となる。通常の運転状態とは別の条件で運転する必要がありその実施は容易ではなく、結果としてトルク推定が容易ではないという課題があった。

【0006】

本願は、上述の課題を解決するためになされたものであり、鉄損抵抗を求めることなくトルク推定を行う電動機監視装置および電動機監視方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本願に開示される電動機監視装置は、電動機の固定子電圧を検出する電圧検出回路と、電動機の固定子電流を検出する電流検出回路と、電動機に関する情報を取得するモータ特性入力器と、電圧検出回路、電流検出回路およびモータ特性入力器からの情報をもとに出力値を算出して出力する論理演算回路とを備え、モータ特性入力器は、電動機の固定子相抵抗、極対数および定格出力と、電動機に供給される電源周波数と、電動機に電源電圧および電源周波数が供給されたときの負荷率１００％における負荷特性である定格すべりおよび定格回転角速度の少なくとも一方、定格効率および定格三相電流実効値とを取得し、論理演算回路は、モータ特性入力器が定格すべりおよび定格回転角速度のうちの定格すべりのみを取得した場合は、電源周波数と極対数と定格すべりとから定格回転角速度の値を求め、モータ特性入力器が定格すべりおよび定格回転角速度のうちの定格回転角速度のみを取得した場合は、電源周波数と極対数と定格回転角速度とから定格すべりの値を求め、論理演算回路は、固定子電圧、固定子電流および固定子相抵抗から電動機の固定子鎖交磁束を算出する磁束算出部と、固定子鎖交磁束、固定子電流および極対数から全トルクを算出する全トルク算出部と、定格出力および定格効率から全損失を算出し、固定子相抵抗および定格三相電流実効値から一次銅損を算出し、定格すべりおよび定格出力から二次銅損を算出し、全損失、一次銅損、二次銅損および定格回転角速度から無負荷損トルクを算出する無負荷損トルク算出部と、全トルクおよび無負荷損トルクから推定トルクを算出し、推定トルクを出力値として出力する推定トルク算出部とを備える。

【発明の効果】

【0008】

本願に開示される電動機監視装置は、固定子電圧、固定子電流および固定子相抵抗から電動機の固定子鎖交磁束を算出する磁束算出部と、固定子鎖交磁束、固定子電流および極対数から全トルクを算出する全トルク算出部と、定格出力および定格効率から全損失を算出し、固定子相抵抗および定格三相電流実効値から一次銅損を算出し、定格すべりおよび定格出力から二次銅損を算出し、全損失、一次銅損、二次銅損および定格回転角速度から無負荷損トルクを算出する無負荷損トルク算出部と、全トルクおよび無負荷損トルクから推定トルクを算出し、推定トルクを出力値として出力する推定トルク算出部とを備えているので、鉄損抵抗を求めることなくトルク推定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１による電動機監視装置の構成を示す図である。

【図2】実施の形態１における論理演算回路の構成を示す図である。

【図3】実施の形態１における論理演算回路の動作を説明するフローチャートである。

【図4】実施の形態１における磁束算出部、全トルク算出部および推定トルク算出部の処理を示すブロック線図である。

【図5】実施の形態１における磁束算出部の積分処理に用いるフィルタのボード線図である。

【図6】実施の形態１における推定出力算出部の処理を示すブロック線図である。

【図7】実施の形態１における推定効率算出部の処理を示すブロック線図である。

【図8】実施の形態２による電動機監視装置の構成を示す図である。

【図9】実施の形態２における論理演算回路の構成を示す図である。

【図10】実施の形態２における論理演算回路の動作を説明するフローチャートである。

【図11】実施の形態２における推定トルク算出部の処理を示すブロック線図である。

【図12】実施の形態３による電動機監視装置の構成を示す図である。

【図13】実施の形態３における論理演算回路の構成を示す図である。

【図14】実施の形態１、実施の形態２および実施の形態３における電動機監視装置のハードウェアの一例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本願を実施するための実施の形態に係る電動機監視装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。

【0011】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による電動機監視装置の構成を示す図である。図１において、電力系統の主母線１から分岐して引き込まれた主回路２に、配線用遮断器３、電磁接触器４、計器用変圧器５および計器用変成器６が設けられており、この主回路２に電動機７が接続されている。電動機７は例えば三相誘導電動機であり、この電動機７に負荷装置８が接続されている。

【0012】

電動機監視装置１０は、電動機７が接続された主回路２の電圧を検出する電圧検出回路１１と、主回路２の電流を検出する電流検出回路１２と、電動機７に関する情報を取得するモータ特性入力器１４と、電圧検出回路１１、電流検出回路１２およびモータ特性入力器１４からの情報をもとに出力値を算出して出力する論理演算回路１３と、論理演算回路１３の出力を表示する出力器１５とを備えている。

【0013】

電圧検出回路１１は、計器用変圧器５を通して主回路２の電圧を検出して、検出した主回路２の電圧を所定の信号に変換して論理演算回路１３に出力する。電圧検出回路１１は、例えば、三相の固定子電圧ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗを検出し、三相の固定子電圧ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗを二相の固定子電圧ｖ_α、ｖ_βに変換し、論理演算回路１３に出力する。三相の固定子電圧ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗから二相の固定子電圧ｖ_α、ｖ_βへの変換は、例えば、以下の式（１）によって行われる。また、零相電圧がゼロであるとして、電圧検出回路１１において三相の固定子電圧ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗのうちのｖ_ｕおよびｖ_ｖの２つの電圧を検出し、以下の式（２）によって二相の固定子電圧ｖ_α、ｖ_βに変換してもよい。ここで検出される固定子電圧は、電動機７の固定子巻線に印加される電圧である。

【0014】

【数1】

【0015】

電流検出回路１２は、計器用変成器６を通して主回路２の負荷電流を検出して、検出した主回路２の負荷電流を所定の信号に変換して論理演算回路１３に出力する。電流検出回路１２は、例えば、三相の固定子電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗを検出し、三相の固定子電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗを二相の固定子電流ｉ_α、ｉ_βに変換し、論理演算回路１３に出力する。ここで検出される固定子電流は、電動機７の固定子巻線に流れる電流である。

【0016】

モータ特性入力器１４は、電動機７に関する情報を取得して入力するものであり、取得された情報は論理演算回路１３に出力される。モータ特性入力器１４によって取得される情報は、電動機７の銘板またはテストレポートのうち少なくとも一方からの情報であり、例えば、電動機７の固定子相抵抗Ｒ_ｓ、極対数ｐおよび定格出力Ｐと、電動機７に供給される電源周波数ｆ_ｓと、主母線１に接続されている電源の電源電圧および電源周波数ｆ_ｓが電動機７に供給されるときの負荷率１００％における負荷特性である定格すべりｓ_１００および定格回転角速度ω_１００の少なくとも一方、定格効率η_１００および定格三相電流実効値Ｉ_１００とである。定格回転角速度ω_１００［ｒａｄ／ｓ］は、例えば、銘板またはテストレポートに示されている定格回転数Ｎ_１００［ｒｐｍ］から求めることができる。定格すべりｓ_１００と定格回転角速度ω_１００とは、いずれか一方の情報を入手すれば、電源周波数ｆ_ｓと極対数ｐとを用いて互いに換算することができる。電源周波数ｆ_ｓは、例えば、テストレポートに記載されている値であり、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである。モータ特性入力器１４は、例えば、電動機７に関する情報を取得するインターフェースであり、キーボードあるいはタッチパネル、通信回線から情報を受け取る受信機などである。なお、論理演算回路１３に出力された情報は、必要に応じて記憶装置に保存してもよい。

【0017】

固定子相抵抗Ｒ_ｓは、例えば、テストレポートに示された端子間の巻線抵抗である端子間抵抗Ｒの半分である。なお、テストレポートに示されている端子間の巻線抵抗は、計器用変圧器５が主回路２に接続された位置である測定点から電動機７までの配線の抵抗は考慮されていない。よって、計器用変圧器５が主回路２に接続された位置である測定点において電動機７の端子間抵抗Ｒを測定し、その値をもとに固定子相抵抗Ｒ_ｓを求めてもよい。

【0018】

出力器１５は、論理演算回路１３からの出力を表示するものであり、例えば、出力値を表示するディスプレイであり、出力値を通信回線に送信する送信機などである。出力器１５は、論理演算回路１３からの出力をもとに警報を発する警報器であってもよい。出力器１５が警報器のときは、例えば、論理演算回路１３からの出力があらかじめ定められた値を超えたときに警報を発する。

【0019】

次に、実施の形態１による論理演算回路１３について説明する。モータ特性入力器１４において定格すべりｓ_１００または定格回転角速度ω_１００のいずれか一方のみを取得した場合、論理演算回路１３は、電源周波数ｆ_ｓと極対数ｐとを用いて、以下に示す式（３）あるいは式（４）によって定格すべりｓ_１００および定格回転角速度ω_１００の一方から他方の値を求める。モータ特性入力器１４において、定格すべりｓ_１００および定格回転角速度ω_１００の両方の値を取得している場合は、この処理は不要である。

【0020】

【数2】

【0021】

図２は実施の形態１における論理演算回路１３の構成を示す図であり、図３は実施の形態１における論理演算回路１３の動作を説明するフローチャートである。なお、論理演算回路１３は、電圧検出回路１１、電流検出回路１２およびモータ特性入力器１４から入手した情報を記憶装置に保存し、必要に応じて記憶装置から読み出してもよい。図３に示すフローチャートにおいて、ステップＳ０１は磁束算出ステップであり、ステップＳ０２は全トルク算出ステップであり、ステップＳ０３は無負荷損トルク算出ステップであり、ステップＳ０４は推定トルク算出ステップであり、ステップＳ０５は推定出力算出ステップであり、ステップＳ０６は推定効率算出ステップである。

【0022】

ステップＳ０１では、磁束算出部１３１は、固定子電圧ｖ_α、ｖ_β、固定子電流ｉ_α、ｉ_βおよび固定子相抵抗Ｒ_ｓの情報から電動機７の固定子鎖交磁束ψ_α、ψ_βを算出し、ステップＳ０２に進む。固定子鎖交磁束を時間ｔで微分した値である誘起電圧は、固定子電圧から抵抗による電圧降下を除いた値であり、以下の式（５）（６）で表される。そのため、以下の式（５）（６）のそれぞれの右辺を時間ｔで積分することにより、固定子鎖交磁束ψ_α、ψ_βを得ることができる。例えば、固定子相抵抗Ｒ_ｓに固定子電流ｉ_αを掛けたものを固定子電圧ｖ_αから引き去った値を時間ｔで積分することにより固定子鎖交磁束ψ_αが得られ、固定子相抵抗Ｒ_ｓに固定子電流ｉ_βを掛けたものを固定子電圧ｖ_βから引き去った値を時間ｔで積分することにより固定子鎖交磁束ψ_βが得られる。

【0023】

【数3】

【0024】

ステップＳ０２では、全トルク算出部１３２は、ステップＳ０１で求めた固定子鎖交磁束ψ_α、ψ_βからなる固定子鎖交磁束ベクトルと固定子電流ｉ_α、ｉ_βからなる固定子電流ベクトルとの外積に電動機７の極対数ｐを掛けることにより、以下の式（７）から全トルクＴ_ａｌｌを算出し、ステップＳ０３に進む。

【0025】

【数4】

【0026】

ステップＳ０３では、無負荷損トルク算出部１３３は、定格出力Ｐ、定格効率η_１００、固定子相抵抗Ｒ_ｓ、定格三相電流実効値Ｉ_１００、定格すべりｓ_１００および定格回転角速度ω_１００の情報から、無負荷損トルクＴ_ｎｌｌを算出し、ステップＳ０４に進む。ステップＳ０３では、無負荷損トルク算出部１３３は、定格出力Ｐおよび定格効率η_１００の情報から、以下の式（８）によって負荷率１００％における全損失Ｐ_ａｌｌを算出する。また、固定子相抵抗Ｒ_ｓおよび定格三相電流実効値Ｉ_１００の情報から以下の式（９）によって負荷率１００％における一次銅損Ｐ_ｃ１を求め、定格すべりｓ_１００と定格出力Ｐの情報から以下の式（１０）によって負荷率１００％における二次銅損Ｐ_ｃ２を求める。最後に、全損失Ｐ_ａｌｌから一次銅損Ｐ_ｃ１および二次銅損Ｐ_ｃ２の値を引き去り、定格回転角速度ω_１００で割ることにより、以下の式（１１）によって無負荷損トルクＴ_ｎｌｌを算出し、ステップＳ０４に進む。なお、実施の形態１による無負荷損トルク算出部１３３では、漂遊負荷損は十分小さく無視できるものとしている。よって、ここで求めた無負荷損トルクＴ_ｎｌｌは、鉄損トルクＴ_ｉｒｏｎと機械損トルクＴ_ｍｅｃｈとを足し合わせたものに相当する。

【0027】

【数5】

【0028】

ステップＳ０４では、推定トルク算出部１３４は、ステップＳ０２で求めた全トルクＴ_ａｌｌからステップＳ０３で求めた無負荷損トルクＴ_ｎｌｌを引き去ることにより、以下の式（１２）によって推定トルクＴ’を算出し、ステップＳ０５に進む。算出された推定トルクＴ’の情報は、例えば、論理演算回路１３の出力値として出力器１５に出力される。以上のステップＳ０１からステップＳ０４の処理によって、負荷試験および無負荷試験によって鉄損抵抗を求めることなく、さらに、鉄損と機械損とを区別して求めることなく、トルク推定を行うことができる。

【0029】

【数6】

【0030】

図４は、実施の形態１における磁束算出部１３１、全トルク算出部１３２および推定トルク算出部１３４の処理を示すブロック線図である。図４において、Ｇ（ｓ）は磁束算出部１３１において式（５）（６）のそれぞれの右辺を時間ｔで積分するときの伝達関数を表している。Ｇ（ｓ）は、例えば、Ｇ（ｓ）＝１／ｓである。

【0031】

積分の演算において例えばＧ（ｓ）＝１／ｓによって固定子鎖交磁束ψ_α、ψ_βを求めようとすると、低周波数における伝達関数Ｇ（ｓ）のゲインが大きいため、固定子電圧ｖ_α、ｖ_βあるいは固定子電流ｉ_α、ｉ_βの検出値に、直流成分あるいは低周波成分が含まれている場合は算出された固定子鎖交磁束ψ_α、ψ_βの値が不正確になることがある。よって、実施の形態１における磁束算出部１３１では、例えば、以下の式（１３）の伝達関数によって示されたフィルタを用いて積分処理を行う。式（１３）は、時定数Ｔ_１のローパスフィルタを２つと、時定数Ｔ_２のハイパスフィルタを１つとを直列につなげたものを示している。時定数Ｔ_１に対応するローパスフィルタのカットオフ周波数をｆ_１、時定数Ｔ_２に対応するハイパスフィルタのカットオフ周波数をｆ_２としたときに、ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆ_１は電源周波数ｆ_ｓとし、ハイパスフィルタのカットオフ周波数ｆ_２は電源周波数ｆ_ｓの１／１０以下とする。

【0032】

【数7】

【0033】

図５は、実施の形態１における磁束算出部１３１の積分処理に用いる式（１３）に示すフィルタのボード線図である。図５において、実線は式（１３）に示すフィルタの特性を示しており、点線は理想的な積分器であるＧ（ｓ）＝１／ｓで示されるフィルタの特性を示している。電源周波数ｆ_ｓの１／１０以下の周波数をカットオフ周波数ｆ_２とするハイパスフィルタを備えることにより、電圧検出回路１１の出力である固定子電圧ｖ_α、ｖ_βあるいは電流検出回路１２の出力である固定子電流ｉ_α、ｉ_βにオフセットに起因する誤差を含んでいる場合に、低周波数のゲインを小さくすることによりオフセットに起因する誤差の影響を小さくすることができるとともに、ハイパスフィルタによる位相の影響を小さくすることができる。また、電源周波数ｆ_ｓをカットオフ周波数とするローパスフィルタを２つ直列につなげることにより、電源周波数ｆ_ｓにおいてフィルタの位相およびゲインが理想的な積分器であるＧ（ｓ）＝１／ｓと一致するため、電源周波数ｆ_ｓにおいてフィルタの出力が理想的な積分器を通したときの結果と一致する。また、式（１３）に示すフィルタによって積分処理を行うことにより、逆相トルクも正確に考慮することができる。以上のように、磁束算出部１３１において、電源周波数ｆ_ｓをカットオフ周波数ｆ_１とするローパスフィルタを２つと、電源周波数ｆ_ｓの１／１０以下の周波数をカットオフ周波数ｆ_２とするハイパスフィルタを１つとを直列につなげたフィルタによって積分処理を行うことにより、低周波数の誤差成分の影響を抑えた積分処理を行うことができる。

【0034】

図３に示すフローチャートのステップＳ０５では、推定出力算出部１３５は、定格出力Ｐ、定格回転角速度ω_１００、電源周波数ｆ_ｓ、極対数ｐ、定格すべりｓ_１００および推定トルクＴ’から推定出力Ｐ_ｏｕｔを算出し、ステップＳ０６に進む。ステップＳ０５では、推定出力算出部１３５は、最初に、定格出力Ｐを定格回転角速度ω_１００で割ることにより、以下の式（１４）によって負荷率１００％での定格トルクＴ_１００を求める。次に、トルクとすべりが比例関係にあると仮定し、電源周波数ｆ_ｓと、極対数ｐと、定格すべりｓ_１００と、定格トルクＴ_１００と、ステップＳ０４で求めた推定トルクＴ’とから、以下の式（１５）によって推定回転角速度ω_ｒを算出する。最後に、推定トルクＴ’に推定回転角速度ω_ｒを掛けることにより、以下の式（１６）によって推定出力Ｐ_ｏｕｔを算出し、ステップＳ０６に進む。図６は、推定出力算出部１３５の処理を示すブロック線図である。算出された推定出力Ｐ_ｏｕｔの情報は、例えば、論理演算回路１３の出力値として出力器１５に出力される。以上のステップＳ０１からステップＳ０５の処理によって、負荷試験および無負荷試験によって鉄損抵抗を求めることなく、さらに、鉄損と機械損とを区別して求めることなく、出力推定を行うことができる。

【0035】

【数8】

【0036】

ステップＳ０６では、推定効率算出部１３６は、推定出力Ｐ_ｏｕｔ、固定子電圧ｖ_α、ｖ_βおよび固定子電流ｉ_α、ｉ_βから、推定効率η’を算出し、論理演算回路１３の処理を終了する。ステップＳ０６では、推定効率算出部１３６は、最初に、固定子電圧ｖ_α、ｖ_βおよび固定子電流ｉ_α、ｉ_βから、以下の式（１７）によって入力電力Ｐ_ｉｎを求める。次に、ステップＳ０５で求めた推定出力Ｐ_ｏｕｔを入力電力Ｐ_ｉｎで割ることにより、以下の式（１８）によって推定効率η’を算出し、論理演算回路１３の処理を終了する。図７は、推定効率算出部１３６の処理を示すブロック線図である。算出された推定効率η’の情報は、例えば、論理演算回路１３の出力値として出力器１５に出力される。以上のステップＳ０１からステップＳ０６の処理によって、負荷試験および無負荷試験によって鉄損抵抗を求めることなく、さらに、鉄損と機械損とを区別して求めることなく、効率推定を行うことができる。

【0037】

【数9】

【0038】

式（１７）によって入力電力Ｐ_ｉｎを求めるとしたが、電圧検出回路１１から三相の固定子電圧ｖ_ｕ、ｖ_ｖ、ｖ_ｗを取得し、電流検出回路１２から三相の固定子電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗを取得し、Ｐ_ｉｎ＝ｖ_ｕｉ_ｕ＋ｖ_ｖｉ_ｖ＋ｖ_ｗｉ_ｗによって入力電力Ｐ_ｉｎを求めてもよい。さらに、零相電流がゼロであれば、電圧検出回路１１においてｕｗ間電圧のｖ_ｕｗおよびｖｗ間電圧のｖ_ｖｗを取得し、電流検出回路１２から三相の固定子電流のうち固定子電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖを取得し、Ｐ_ｉｎ＝ｖ_ｕｗｉ_ｕ＋ｖ_ｖｗｉ_ｖによって入力電力Ｐ_ｉｎを求めてもよい。

【0039】

以上のように、実施の形態１による電動機監視装置１０は、電動機７の固定子電圧ｖ_α、ｖ_βを検出する電圧検出回路１１と、電動機７の固定子電流ｉ_α、ｉ_βを検出する電流検出回路１２と、電動機７に関する情報を取得するモータ特性入力器１４と、電圧検出回路１１、電流検出回路１２およびモータ特性入力器１４からの情報をもとに出力値を算出して出力する論理演算回路１３とを備え、モータ特性入力器１４は、電動機７の固定子相抵抗Ｒ_ｓ、極対数ｐおよび定格出力Ｐと、電動機７に供給される電源周波数ｆ_ｓと、電動機７に電源電圧および電源周波数ｆ_ｓが供給されたときの負荷率１００％における負荷特性である定格すべりｓ_１００および定格回転角速度ω_１００の少なくとも一方、定格効率η_１００および定格三相電流実効値Ｉ_１００とを取得し、論理演算回路１３は、固定子電圧ｖ_α、ｖ_β、固定子電流ｉ_α、ｉ_βおよび固定子相抵抗Ｒ_ｓから電動機７の固定子鎖交磁束ψ_α、ψ_βを算出する磁束算出部１３１と、固定子鎖交磁束ψ_α、ψ_β、固定子電流ｉ_α、ｉ_βおよび極対数ｐから全トルクＴ_ａｌｌを算出する全トルク算出部１３２と、定格出力Ｐおよび定格効率η_１００から全損失Ｐ_ａｌｌを算出し、固定子相抵抗Ｒ_ｓおよび定格三相電流実効値Ｉ_１００から一次銅損Ｐ_ｃ１を算出し、定格すべりｓ_１００および定格出力Ｐから二次銅損Ｐ_ｃ２を算出し、全損失Ｐ_ａｌｌ、一次銅損Ｐ_ｃ１、二次銅損Ｐ_ｃ２および定格回転角速度ω_１００から無負荷損トルクＴ_ｎｌｌを算出する無負荷損トルク算出部１３３と、全トルクＴ_ａｌｌおよび無負荷損トルクＴ_ｎｌｌから推定トルクＴ’を算出し、推定トルクＴ’を出力値として出力する推定トルク算出部１３４とを備えたので、鉄損抵抗を求めることなくトルク推定を行うことができる。

【0040】

実施の形態２．
図８は、実施の形態２による電動機監視装置１０ａの構成を示す図である。図８に示す実施の形態２による電動機監視装置１０ａを図１に示す実施の形態１による電動機監視装置１０と比較すると、論理演算回路１３が論理演算回路１３ａに、モータ特性入力器１４がモータ特性入力器１４ａになっている。実施の形態２による電動機監視装置１０ａの他の構成は、実施の形態１による電動機監視装置１０の構成と同じである。

【0041】

実施の形態２による電動機監視装置１０ａのモータ特性入力器１４ａにおいては、実施の形態１におけるモータ特性入力器１４と同じ情報を取得するとともに、定格出力Ｐに対する、定格出力Ｐにおける漂遊負荷損Ｐ_ＳＬＬの割合である漂遊負荷損割合ｘの情報を取得する。漂遊負荷損割合ｘは、例えば０．５％である。漂遊負荷損割合ｘは、例えば０．１％から１０％までの値でもよい。

【0042】

図９は実施の形態２における論理演算回路１３ａの構成を示す図であり、図１０は実施の形態２における論理演算回路１３ａの動作を説明するフローチャートである。図９に示す実施の形態２における論理演算回路１３ａを図２に示す実施の形態１における論理演算回路１３と比較すると、無負荷損トルク算出部１３３が無負荷損トルク算出部１３３ａになっており、推定トルク算出部１３４が推定トルク算出部１３４ａになっている。実施の形態２における論理演算回路１３ａの他の構成は、実施の形態１における論理演算回路１３の構成と同じである。同様に、図１０に示す実施の形態２における論理演算回路１３ａの動作を説明するフローチャートを図３に示す実施の形態１における論理演算回路１３の動作を説明するフローチャートと比較すると、ステップＳ０３がステップＳ０３ａになっており、ステップＳ０４がステップＳ０４ａになっている。実施の形態２における論理演算回路１３ａの動作の他のステップは、実施の形態１における論理演算回路１３と同じである。

【0043】

ステップＳ０３ａでは、無負荷損トルク算出部１３３ａは、式（８）によって全損失Ｐ_ａｌｌを算出し、式（９）によって一次銅損Ｐ_ｃ１を求め、式（１０）によって二次銅損Ｐ_ｃ２を求めるのは、実施の形態１における無負荷損トルク算出部１３３と同じである。次に、無負荷損トルク算出部１３３ａは、定格出力Ｐに漂遊負荷損割合ｘを掛け合わせることにより、以下の式（１９）から定格出力Ｐにおける漂遊負荷損Ｐ_ＳＬＬを算出する。例えば、漂遊負荷損割合ｘを０．５％とした場合は、以下の式（２０）によって定格出力Ｐにおける漂遊負荷損Ｐ_ＳＬＬが算出される。最後に、全損失Ｐ_ａｌｌから一次銅損Ｐ_ｃ１、二次銅損Ｐ_ｃ２および定格出力Ｐにおける漂遊負荷損Ｐ_ＳＬＬを除いた値を定格回転角速度ω_１００で割ることにより、以下の式（２１）によって無負荷損トルクＴ_ｎｌｌを算出し、ステップＳ０４ａに進む。実施の形態２における無負荷損トルク算出部１３３ａでは、定格出力Ｐにおける漂遊負荷損Ｐ_ＳＬＬを考慮し、より正確に無負荷損トルクＴ_ｎｌｌを求めている。

【0044】

【数10】

【0045】

ステップＳ０４ａでは、推定トルク算出部１３４ａは、最初に、ステップＳ０２で求めた全トルクＴ_ａｌｌからステップＳ０３ａで求めた無負荷損トルクＴ_ｎｌｌを除くことにより、以下の式（２２）によって一次推定トルクＴ”を算出する。次に、式（１４）によって、定格出力Ｐおよび定格回転角速度ω_１００から負荷率１００％での定格トルクＴ_１００を求める。負荷率１００％における漂遊負荷損によるトルク損失は負荷率１００％の定格トルクＴ_１００に漂遊負荷損割合ｘを掛け合わせたものであり、さらに、漂遊負荷損によるトルク損失である漂遊負荷損トルクＴ_ＳＬＬが運転時のトルクの２乗に比例すると仮定し、定格トルクＴ_１００と一次推定トルクＴ”と漂遊負荷損割合ｘとから、以下の式（２３）によって漂遊負荷損トルクＴ_ＳＬＬを算出する。例えば、漂遊負荷損割合ｘを０．５％とした場合は、以下の式（２４）によって漂遊負荷損トルクＴ_ＳＬＬを算出する。最後に、一次推定トルクＴ”から漂遊負荷損トルクＴ_ＳＬＬを除くことにより、以下の式（２５）によって推定トルクＴ’を算出し、ステップＳ０５に進む。算出された推定トルクＴ’の情報は、例えば、論理演算回路１３の出力値として出力器１５に出力される。実施の形態２における推定トルク算出部１３４ａでは、一次推定トルクＴ”から漂遊負荷損トルクＴ_ＳＬＬを除くことにより、より正確に推定トルクＴ’を求めている。図１１は、実施の形態２における推定トルク算出部１３４ａの処理を示すブロック線図である。

【0046】

【数11】

【0047】

以上のように、実施の形態２による電動機監視装置１０ａは、モータ特性入力器１４ａは、定格出力Ｐにおける漂遊負荷損Ｐ_ＳＬＬの割合である漂遊負荷損割合ｘの情報を取得し、無負荷損トルク算出部１３３ａは、定格出力Ｐに漂遊負荷損割合ｘを掛け合わせたものを漂遊負荷損Ｐ_ＳＬＬとして算出し、全損失Ｐ_ａｌｌ、一次銅損Ｐ_ｃ１、二次銅損Ｐ_ｃ２、漂遊負荷損Ｐ_ＳＬＬおよび定格回転角速度ω_１００から無負荷損トルクＴ_ｎｌｌを算出し、推定トルク算出部１３４ａは、全トルクＴ_ａｌｌおよび無負荷損トルクＴ_ｎｌｌから一次推定トルクＴ”を算出し、定格出力Ｐおよび定格回転角速度ω_１００から定格トルクＴ_１００を算出し、定格トルクＴ_１００、一次推定トルクＴ”および漂遊負荷損割合ｘから漂遊負荷損トルクＴ_ＳＬＬを算出し、一次推定トルクＴ”から漂遊負荷損トルクＴ_ＳＬＬを除くことにより推定トルクＴ’を算出するので、鉄損抵抗を求めることなく、漂遊負荷損による影響を含めて正確にトルク推定を行うことができる。

【0048】

実施の形態３．
図１２は、実施の形態３による電動機監視装置１０ｂの構成を示す図である。図１２に示す実施の形態３による電動機監視装置１０ｂを図１に示す実施の形態１による電動機監視装置１０と比較すると、論理演算回路１３が論理演算回路１３ｂになっている。実施の形態３による電動機監視装置１０ｂの他の構成は、実施の形態１による電動機監視装置１０の構成と同じである。

【0049】

図１３は、実施の形態３における論理演算回路１３ｂの構成を示す図である。図１３に示す実施の形態３における論理演算回路１３ｂを図２に示す実施の形態１における論理演算回路１３と比較すると、電源周波数検出部１３７が追加されており、磁束算出部１３１が磁束算出部１３１ｂになっており、推定出力算出部１３５が推定出力算出部１３５ｂになっている。実施の形態３における論理演算回路１３ｂの他の構成は、実施の形態１における論理演算回路１３の構成と同じである。

【0050】

電源周波数検出部１３７は、電圧検出回路１１からの固定子電圧ｖ_α、ｖ_βまたは電流検出回路１２からの固定子電流ｉ_α、ｉ_βを取得し、周波数解析を行うことにより、主母線１に接続されている電源の電源周波数を推定し、推定電源周波数ｆ_ｅｓを検出する。電源周波数検出部１３７は、例えば、固定子電圧ｖ_α、ｖ_βまたは固定子電流ｉ_α、ｉ_βの各周波数の周波数成分を求め、最も大きな周波数成分を持った周波数を推定電源周波数ｆ_ｅｓとする。

【0051】

磁束算出部１３１ｂは、式（５）（６）のそれぞれの右辺を、式（１３）の伝達関数によって示されたフィルタを用いて積分処理を行うが、ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆ_１は電源周波数検出部１３７で検出した推定電源周波数ｆ_ｅｓとし、ハイパスフィルタのカットオフ周波数ｆ_２は推定電源周波数ｆ_ｅｓの１／１０以下とする。推定電源周波数ｆ_ｅｓの情報からカットオフ周波数ｆ_１およびｆ_２を定めることにより、磁束算出部１３１ｂにおける積分処理をより正確に行うことができる。

【0052】

全トルク算出部１３２、無負荷損トルク算出部１３３、推定トルク算出部１３４および推定効率算出部１３６における処理は、実施の形態１における処理と同じである。推定出力算出部１３５ｂは、定格出力Ｐ、定格回転角速度ω_１００、推定電源周波数ｆ_ｅｓ、極対数ｐ、定格すべりｓ_１００および推定トルクＴ’から推定出力Ｐ_ｏｕｔを算出する。推定出力算出部１３５ｂは、最初に、定格出力Ｐを定格回転角速度ω_１００で割ることにより、式（１４）によって負荷率１００％での定格トルクＴ_１００を求めることは、実施の形態１における推定出力算出部１３５と同じである。推定出力算出部１３５ｂは、次に、トルクとすべりが比例関係にあると仮定し、推定電源周波数ｆ_ｅｓと、極対数ｐと、定格すべりｓ_１００と、定格トルクＴ_１００と、ステップＳ０４で求めた推定トルクＴ’とから、以下の式（２６）によって推定回転角速度ω_ｒを算出する。最後に、推定トルクＴ’に推定回転角速度ω_ｒを掛けることにより、式（１６）によって推定出力Ｐ_ｏｕｔを算出する。推定電源周波数ｆ_ｅｓの情報から推定回転角速度ω_ｒを算出することにより、推定出力算出部１３５ｂにおいてより正確に推定出力Ｐ_ｏｕｔを算出することができる。

【0053】

【数12】

【0054】

電源周波数は、通常は、電源周波数は５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚであり、ほとんど変動しない。しかし、電源周波数が５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚから変動することがある。また５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚとは異なる電源周波数が用いられることがある。実施の形態３による電動機監視装置１０ｂは、論理演算回路１３ｂは、固定子電圧ｖ_α、ｖ_βあるいは固定子電流ｉ_α、ｉ_βから推定電源周波数ｆ_ｅｓを検出する電源周波数検出部１３７と、定格出力Ｐ、定格回転角速度ω_１００、推定電源周波数ｆ_ｅｓ、極対数ｐ、定格すべりｓ_１００および推定トルクＴ’から推定出力Ｐ_ｏｕｔを算出し、推定出力Ｐ_ｏｕｔを出力値として出力する推定出力算出部１３５ｂとを備え、磁束算出部１３１ｂは、固定子相抵抗Ｒ_ｓに固定子電流ｉ_α、ｉ_βを掛けたものを固定子電圧ｖ_α、ｖ_βから引き去った値を積分処理することにより固定子鎖交磁束ψ_α、ψ_βを算出し、積分処理は、推定電源周波数ｆ_ｅｓをカットオフ周波数ｆ_１とするローパスフィルタを２つと、推定電源周波数ｆ_ｅｓの１／１０以下の周波数をカットオフ周波数ｆ_２とするハイパスフィルタを１つとを直列につなげたフィルタによって行うことにより、実施の形態１による電動機監視装置１０の効果に加えて、電源周波数が変動する、あるいは、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚとは異なる電源周波数が用いられたときでも、推定トルクＴ’を精度よく求めることができる。

【0055】

なお、電動機監視装置１０ｂにおいて、モータ特性入力器１４を実施の形態２に示したモータ特性入力器１４ａとし、論理演算回路１３ｂにおいて、無負荷損トルク算出部１３３を実施の形態２に示した無負荷損トルク算出部１３３ａとし、推定トルク算出部１３４を実施の形態２に示した推定トルク算出部１３４ａとしてもよい。これにより、実施の形態２による電動機監視装置１０ａの効果に加えて、電源周波数が変動する、あるいは、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚとは異なる電源周波数が用いられたときでも、推定トルクＴ’あるいは推定出力Ｐ_ｏｕｔを精度よく求めることができる。

【0056】

図１４は、実施の形態１、実施の形態２および実施の形態３による電動機監視装置のハードウェアの一例を示す模式図である。論理演算回路１３、１３ａ、１３ｂは、メモリ２０２に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のプロセッサ２０１によって実現される。メモリ２０２は、プロセッサ２０１が実行する各処理における一時記憶装置としても使用される。また、複数の処理回路が連携して上記機能を実行してもよい。さらに、専用のハードウェアによって上記機能を実現してもよい。専用のハードウェアによって上記機能を実現する場合は、専用のハードウェアは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、あるいは、これらを組み合わせたものである。上記機能は、専用ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせ、あるいは、専用ハードウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現してもよい。メモリ２０２は、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭなどの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、または、これらを組み合わせたものである。プロセッサ２０１、メモリ２０２、電圧検出回路１１、電流検出回路１２、モータ特性入力器１４および出力器１５は、互いにバス接続されている。

【0057】

本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、１つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
したがって、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

【符号の説明】

【0058】

１ 主母線、２ 主回路、３ 配線用遮断器、４ 電磁接触器、５ 計器用変圧器、６ 計器用変成器、７ 電動機、８ 負荷装置、１０、１０ａ、１０ｂ 電動機監視装置、１１ 電圧検出回路、１２ 電流検出回路、１３、１３ａ、１３ｂ 論理演算回路、１４、１４ａ モータ特性入力器、１５ 出力器、１３１、１３１ｂ 磁束算出部、１３２ 全トルク算出部、１３３、１３３ａ 無負荷損トルク算出部、１３４、１３４ａ 推定トルク算出部、１３５、１３５ｂ 推定出力算出部、１３６ 推定効率算出部、１３７ 電源周波数検出部、２０１ プロセッサ、２０２ メモリ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】