JP6411876B2

JP6411876B2 - 三相ヒータの抵抗値検出方法

Info

Publication number: JP6411876B2
Application number: JP2014244671A
Authority: JP
Inventors: 杉本　浩一; 浩一杉本
Original assignee: 大同プラント工業株式会社
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2034-12-03
Also published as: JP2016110732A

Description

本発明は三相ヒータの抵抗値検出方法に関し、特に、ヒータの断線や寿命の検出に有用な抵抗値検出方法に関する。

ヒータの抵抗値を直接検出できればその断線や寿命を判定することができるが、ヒータ加熱炉等では各ヒータが炉内に設置されているため、高温雰囲気下においてヒータの抵抗値をリアルタイムで直接測定することは困難である。そこで、例えば特許文献１には三相ヒータの断線や寿命を、炉外で容易に測定可能な線電流から検出するヒータ異常検出装置が提案されている。

特開平８−１８０９６０

しかし、上記従来のヒータ異常検出装置では、三相ヒータのいずれかで断線等が生じたことは検出できるものの、それがいずれの相のヒータなのかを特定することができないという問題があった。

そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、断線しあるいは寿命等が到来したヒータがいずれの相であるか特定することが可能な三相ヒータの抵抗値検出方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明では、三相ヒータがデルタ結線されている場合には、当該三相ヒータ（２１〜２３）の各線電流（Ｉr,Ｉs,Ｉt）と各線間電圧（Ｅrs,Ｅst,Ｅtr）を検出するとともに、三相のうちの一相の相電流（Ｉrs）の予想値（ａ）を設定して、当該予想値と、前記検出された線電流のうち二相の線電流（Ｉr,Ｉt）に基づいて残る一相の線電流（Ｉs´）を算出し、当該算出された線電流（Ｉs´）と前記検出された線電流（Ｉs）の差が許容差（ｅ）よりも大きい場合には、前記相電流予想値（ａ）を修正して修正相電流予想値（ａ´）として、当該修正相電流予想値（ａ´）と前記検出された二相の線電流（Ｉr,Ｉt）に基づいて前記残る一相の新たな線電流（Ｉｓ´）を算出し、算出された新たな線電流（Ｉｓ）と前記検出された線電流（Ｉs´）の差が前記許容誤差（ｅ）内になるまでさらに新たな線電流の算出を繰り返して、算出された新たな線電流（Ｉs´）と前記検出された線電流（Ｉs）の差が前記許容誤差（ｅ）内になった時の前記修正相電流予想値（ａ´）とこの時算出されている他の相の相電流（ｂ,ｃ）、および前記検出された各線間電圧（Ｅrs,Ｅst,Ｅtr）に基づいて各相の抵抗値（Ｒrs,Ｒst,Ｒtr）を算出する。

本第１発明によれば、デルタ結線された三相ヒータの各相の抵抗値をそれぞれ算出することが可能であるから、断線や寿命等を各相のヒータ毎に確実に検出ことができる。特に、線電流から間接的に断線等を検出するのではなく、抵抗値そのものから直接的に検出しているから取り扱いが容易である。

本第２発明では、前記三相ヒータがスター結線されている場合には、当該三相ヒータがデルタ結線されているものとして請求項１に記載の手順で各相の抵抗値を算出し、当該算出された各相の抵抗値（Ｒrs,Ｒst,Ｒtr）をデルタ・スター変換公式を使用してスター結線された三相ヒータの各相の抵抗値に変換する。

本第２発明によれば、三相ヒータがスター結線されていても各相の抵抗値をそれぞれ算出することが可能であるから、断線や寿命等を各相のヒータ毎に確実に検出ことができる。

上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を参考的に示すものである。

以上のように、本発明の三相ヒータの抵抗値検出方法によれば、三相ヒータの各相毎に抵抗値を検出することができるから、三相ヒータのいずれの相が断線しあるいは寿命が到来したかを確実に判定することができる。

本発明方法を実施するヒータ通電装置の通電回路図である。三相ヒータの電気回路図である。三相ヒータの電流ベクトル図である。ヒータ抵抗演算装置の演算手順を示すフローチャートである。

なお、以下に説明する実施形態はあくまで一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が行う種々の設計的改良も本発明の範囲に含まれる。

図１には本発明方法を実施するヒータ通電装置の構成を示す。図１において、炉体１に設けた三相のヒータ２１，２２，２３はデルタ結線されており、当該ヒータ２１〜２３から炉外へ三本の給電線４１，４２，４３が延びて電力制御装置３の出力側に接続されている。電力制御装置３の入力側は三相交流電源５に接続されている。各給電線４１，４２，４３には変流器６１〜６３が設けられてその出力が線電流検出装置６に入力している。また給電線４１〜４３の線間には変圧器７１が接続されてその出力が線間電圧検出装置７に入力している。

各装置６，７で検出された給電線４１〜４３の線電流Ir,Is,Itおよび線間電圧Ｅrs,Ｅst,Ｅtrは、ヒータ抵抗演算装置８に入力しており、演算された線間抵抗Ｒrs,Ｒst,Ｒtrは表示器８１上に表示されるとともにヒータ断線検出器８２に入力して、断線が検出されると断線表示警報器８３が作動させられる。なお、ヒータ抵抗演算装置８はコンピュータを内蔵しており、その演算手順の詳細は後述する。

図２には上記ヒータ２１〜２３の電気回路図を示し、図中Ir,Is,ItはそれぞれＲ相、Ｓ相、Ｔ相の線電流、Ｅrs,Ｅst,ＥtrはそれぞれＲＳ線間電圧、ＳＴ線間電圧、ＴＲ線間電圧である。また、Ｉrs,Ｉst,ＩtrはそれぞれＲＳ相電流、ＳＴ相電流、ＴＲ相電流である。なお、上記各電流および電圧はベクトル量である。

ここで、各相電流Ｉrs,Ｉst,Ｉtrが図２の矢印の方向へ流れているとすると線電流Ir,Is,Itは下式（１）〜（３）のように表される。
Ｉr＝Ｉrs−Ｉtr …（１）
Ｉs＝Ｉst−Ｉrs …（２）
Ｉt＝Ｉtr−Ｉst …（３）

そこで、線間電圧Ｅrs,Ｅst,Ｅtrが平衡状態であると考え、相電流Irs,Ist,Itrの大きさ（絶対値）をそれぞれａ,ｂ,ｃとすると、各電流のベクトル線図は図３のようになる。ここで、ａ,ｂ,ｃの値がわかれば、各相ＲＳ，ＳＴ，ＴＲのヒータの抵抗値Ｒrs,Ｒst,Ｒtrは下式（４）〜（６）で算出することができる。ここでＥは線間電圧Ｅrs,Ｅst,Ｅtrの絶対値である。なお、線間電圧Ｅrs,Ｅst,Ｅtrが不平衡な場合には算出された抵抗値に誤差を生じるが、常用範囲であればこの誤差は５％程度であり、問題になることはない。
Ｒrs＝Ｅ/ａ…（４）
Ｒst＝Ｅ/ｂ…（５）
Ｒtr＝Ｅ/ｃ…（６）

本実施形態ではヒータ抵抗演算装置８において図４のフローチャートで示す手順でａ,ｂ,ｃが決定される。最初にステップ１０１で線電流Ir,Is,Itの測定異常がないか確認する。すなわち、線電流Ir,Is,Itの測定値がそれぞれＸ,Ｙ,Ｚで、Ｘの値が一番大きかった場合に、下式（７）によって得られるθが１２０°を越えた場合には線電流Ir,Is,Itの測定異常があったものとして以後の演算を行わない。これは、図３のＯ点、Ｐ点、Ｑ点を結ぶ三角形の内角の一つが１２０°を越えると、相電流Irs,Ist,Itrの一つが負の値になってしまうからである。

ステップ１０２では、相電流Irsの方向をｘ軸に一致させた図３において、当該相電流Irsの大きさａを線電流Irに等しいとしてＯ点の座標（ａ，０）を定めて下式（８）で相電流Itrの大きさｃを算出し、これに基づいてステップ１０３では、図３のＰ点のＸ座標ＰxおよびＹ座標Ｐyを下式（９），（１０）で算出する。なお、式（８）中のＩrは線電流の大きさ（絶対値）を示す。

続くステップ１０４では、ステップ１０２で算出されたｃを使用して下式（１１）で相電流Istの大きさｂを算出する。そして、ステップ１０５で、下式（１２），（１３）より図３のＱ点のＸ座標ＱｘおよびＹ座標Ｑｙを求める。なお、式（１１）中のＩtは線電流の大きさ（絶対値）を示す。

そしてステップ１０６で、下式（１４）によって図３のＱ、Ｏ点間の長さをＩs´として算出する。続くステップ１０７では上記長さ（大きさ）Ｉs´を、検出された線電流Ｉsの大きさ（以下、線電流Ｉsの大きさも単にＩsと記す）と比較する。ここで、Ｉs´＝Ｉsの場合には、式（８）でｃが０になっていることにより、ＴＲ相が完全断線しているとして断線出力を発し（ステップ１１１）、計算を終了する。

ステップ１０７でＩs´＞ＩsあるいはＩs´＜Ｉsの場合には、続くステップ１０８で｜Ｉs−Ｉs´｜が許容差ｅ（例えば）以下か確認し、｜Ｉs−Ｉs´｜が許容差ｅ以下でなければステップ１０９で下式（１５）によって相電流Irsの大きさａを新たな値ａ´に更新して新たなＯ点（図３）の座標（ａ´，０）を定め、ステップ１０２へ戻る。以下、ａ´を使用して各ステップ１０２〜１０８を繰り返す。なお、式（１５）中のゲインＫpは設計的に定められるが、０．１程度に設定すると良い。

ステップ１０８で｜Ｉs−Ｉs´｜が許容差ｅ以下になった場合には、ステップ１１０にて、この時に算出されている各相電流の大きさａ´，ｂ，ｃを使用して式（４）〜（６）によって各相ＲＳ，ＳＴ，ＴＲのヒータ抵抗値Ｒrs,Ｒst,Ｒtrを算出し、これを表示するとともに、これら抵抗値に基づいて各相のヒータ２１〜２３の断線気味（抵抗値過大）、短絡気味（抵抗値過小）あるいは寿命（抵抗値が次第に増加）を判定して警報する。

なお、三相ヒータ２１〜２３がスター結線されている場合には、デルタ結線されているものとして上記演算を行い、得られた各相の抵抗値を公知のデルタ・スター変換公式を使用してスター結線における各相抵抗値に変換する。

また、線電流および線間電圧の測定点と三相ヒータの間に変圧比Ｐの変圧器が接続されている場合には、上記手順で得られたヒータ抵抗値をＰの二乗で除する。

このように、本実施形態の抵抗値検出方法によれば、三相ヒータの各相のヒータ抵抗値を算出して、これに基づいて各相毎に、ヒータの断線、短絡あるいは寿命等を検出することが可能である。

１…炉体、２１，２２，２３…ヒータ、３…電力制御装置、８…ヒータ抵抗演算装置、Ｅrs,Ｅst,Ｅtr…線間電圧、Ｉr,Ｉs,Ｉt…線電流、Ｉrs,Ｉst,Ｉtr…相電流、Ｒrs,Ｒst,Ｒtr…ヒータ抵抗値。

Claims

三相ヒータがデルタ結線されている場合には、当該三相ヒータの各線電流と各線間電圧を検出するとともに、三相のうちの一相の相電流の予想値を設定して、当該予想値と、前記検出された線電流のうち二相の線電流に基づいて残る一相の線電流を算出し、当該算出された線電流と前記検出された線電流の差が許容差よりも大きい場合には、前記相電流予想値を修正して修正相電流予想値として、当該修正相電流予想値と前記検出された二相の線電流に基づいて前記残る一相の新たな線電流を算出し、算出された新たな線電流と前記検出された線電流の差が前記許容差内になるまでさらに新たな線電流の算出を繰り返して、算出された新たな線電流と前記検出された線電流の差が前記許容誤差内になった時の前記修正相電流予想値とこの時算出されている他の相の相電流、および前記検出された各線間電圧に基づいて各相の抵抗値を算出する三相ヒータの抵抗値検出方法。
前記三相ヒータがスター結線されている場合には、当該三相ヒータがデルタ結線されているものとして請求項１に記載の手順で各相の抵抗値を算出し、当該算出された各相の抵抗値をデルタ・スター変換公式を使用してスター結線された三相ヒータの各相の抵抗値に変換する三相ヒータの抵抗値検出方法。