JP2005147672A

JP2005147672A - 断線検出装置

Info

Publication number: JP2005147672A
Application number: JP2003380639A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Nakano; 義則中野
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-11-11
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2005-06-09

Abstract

【課題】ベクトル制御方式インバータとモータ間の少なくとも１相の断線や接触不良を簡便に検出する。
【解決手段】絶対値演算部６Ａはベクトル制御におけるＱ軸電流指令とＱ軸電流出力との偏差の絶対値を検出する。断線判定部６Ｂは偏差の絶対値が所定値以上になり、この状態が一定時間内に設定回数以上継続したときにインバータ出力の少なくとも１相の断線または接触不良と判定する。
Ｑ軸電流の偏差の絶対値に代えて、Ｄ軸電流の絶対値検出から断線、接触不良を判定すること、偏差の絶対値を一次遅れフィルタで積分し、この積分値から電圧比較で判定することも含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、ベクトル制御方式のインバータに係り、特にインバータとモータを接続する動力ケーブルの断線など、インバータから負荷モータに３相電流を供給するインバータ出力の少なくとも１相の断線や接触不良を検出する断線検出装置に関する。

ベクトル制御方式のインバータは、負荷となる３相誘導モータを直流機と同等の高いトルク応答性を得て駆動することができ、例えば、電気自動車やハイブリット式電気自動車に搭載され、自動車の車輪に直結されるモータとは動力ケーブルで接続され、モータを可変速駆動するための可変周波数・可変電圧電源として使用される。

インバータによるモータ駆動において、インバータ出力の１相の断線を検出する方法としては、各相の出力電圧波形を検出およびトレースし、正負のピーク電圧を記録し、正負ピーク電圧の差が規定値以上になって規定時間継続することで保護動作するものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１６４１６２号公報

電気自動車やハイブリット式電気自動車は、走行に伴い振動が常時あるため、インバータとモータを接続する動力ケーブルの接続端子部分がその止めネジの緩み等により外れ、動力ケーブルとモータとの接続が断たれる（回路切断）、または接触不良が発生することが想定される。また、振動により動力ケーブル自体に完全な断線または一部断線が発生することが想定される。

また、インバータの出力段は、電力用半導体素子等をブリッジ接続してヒートシンクにネジ止めした構成にされるが、振動で止めネジが外れて素子間の断線または接触不良を起こしたり、電力用半導体素子の過熱で素子内部に断線（アーム断線）を起すなどの故障が想定される。

以上のような断線・故障の発生では、モータには欠相電流が流れたり、１つの相電流が低下する。これらの場合、運転者が意図したトルク出力が得られなくなるし、モータの過熱を起こすことにもなる。なお、インバータには過電流保護機能を持つものが多く、過電流検出でインバータ出力を遮断することで半導体素子を保護できるが、半導体素子およびその配線回路の断線は検出できない。

このような不都合は、自動車に搭載したインバータに限らず、エレベータやエスカレータなど振動を伴う動力機械をインバータとモータで駆動する場合に起こり得る。

インバータとモータ間の断線を欠相電流として検出する方式として、前記の特許文献１の方法、または動力ケーブルに流れる３相電流を零相変流器や零相電流演算回路で検出し、零相分が所定値を越えたことで断線発生または接触不良発生と判定することができる。しかし、これらの方法では、複雑・高価で大掛かりな検出装置が必要となる問題がある。

本発明の目的は、インバータとモータの間を接続する動力ケーブルの断線や接触不良など、インバータとモータ間の断線や接触不良を簡便にかつ確実に検出できる断線検出装置を提供することにある。

本発明は、モータに３相電流を供給するベクトル制御方式インバータにおいて、電力ケーブルの断線などが発生した場合は、ベクトル制御で取り扱うＤ軸電流の偏差またはＱ軸電流の偏差がインバータの正常運転時に比べて大きく変化し、しかも電流指令値やモータの負荷トルクが急変したときのＤ，Ｑ軸電流の大きな偏差発生とはその継続時間に違いがあることに着目し、Ｄ軸電流の偏差またはＱ軸電流の偏差の絶対値を検出し、この検出値が一定値以上で一定時間以上継続したときにインバータ出力の少なくとも１相の断線または接触不良と判定するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）負荷モータに３相電流を供給するベクトル制御方式インバータの出力の少なくとも１相の断線または接触不良を検出する断線検出装置であって、
ベクトル制御におけるＱ軸電流指令とＱ軸電流出力との偏差の絶対値を検出、又はＤ軸電流指令とＤ軸電流出力との偏差の絶対値を検出する絶対値演算部と、
前記偏差の絶対値が所定値以上になり、この状態が一定時間内に設定回数以上継続したときにインバータ出力の少なくとも１相の断線または接触不良と判定する断線判定部とを備えたことを特徴とする。

（２）負荷モータに３相電流を供給するベクトル制御方式インバータの出力の少なくとも１相の断線または接触不良を検出する断線検出装置であって、
ベクトル制御におけるＱ軸電流指令とＱ軸電流出力との偏差の絶対値を検出、又はＤ軸電流指令とＤ軸電流出力との偏差の絶対値を検出する絶対値演算部と、
前記偏差の絶対値の変化量を入力する一次遅れフィルタと、
前記一次遅れフィルタの出力が設定レベルを越えたときにインバータ出力の少なくとも１相の断線または接触不良と判定する電圧比較部とを備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、ベクトル制御におけるＤ軸電流の偏差またはＱ軸電流の偏差の絶対値を検出し、この検出値が一定値以上で一定時間以上継続したときにインバータ出力の少なくとも１相の断線または接触不良と判定するようにしたため、簡便な検出装置で断線や接触不良を確実に検出できる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態になる断線検出装置を設けたベクトル制御方式インバータのブロック構成図である。

まず、ベクトル制御方式インバータの要部構成を説明する。電流指令発生部１は、トルク指令を基にＤ軸とＱ軸に分離した励磁電流指令ＩＤとトルク電流指令ＩＱを発生する。電流制御部２は、電流指令ＩＤ，ＩＱと、インバータ出力電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷから座標変換部２Ａで３相−２相の座標変換したＤ軸，Ｑ軸の検出電流を突き合わせ、その偏差を比例積分（ＰＩ）アンプ２Ｂ，２Ｃで比例積分し、さらにリミッタ２Ｄ，２Ｅで制限した電圧制御出力を得る。座標変換部３は、電流制御部２の２相出力を２相−３相変換する。ＰＷＭ出力部４は、電力用半導体素子などをスイッチ素子として組み込み、３相の電圧指令に従ってＰＷＭ波形の３相電圧出力を得、この出力でモータ５を駆動する。

以上の構成になるベクトル制御方式インバータにおいて、断線検出装置６は、モータ５に３相電流を供給するインバータ出力の少なくとも１相の断線や接触不良を検出する。すなわち、断線検出装置６は、ＰＷＭ出力部４とモータ５の間を接続する動力ケーブル自体の断線、またはＰＷＭ出力部４またはモータ５と動力ケーブルとの間の接続端子の外れによる断線などを検出する。なお、断線検出はケーブル等の部分断線、接触不良、インバータの電力用半導体素子の断線故障も含めて検出する。

この断線検出装置６は、絶対値演算部６Ａと断線判定部６Ｂで構成される。絶対値演算部６Ａは、比例積分アンプ２の入力になるＱ軸電流ＩＱの偏差の絶対値を検出する。断線判定部６Ｂは、電流ＩＱの偏差の絶対値が所定値以上になり、この状態が一定時間内に設定回数以上発生したとき（一定時間継続したとき）にインバータ出力とモータ間の断線と判定する。

図１の構成において、インバータが正常に運転されている場合、Ｄ軸電流ＩＤおよびＱ軸電流ＩＱの指令値が急変しない限り、またはモータの負荷トルクが急変しない限り、そのときの電流指令ＩＱ，ＩＤの大小にかかわらず、電流ＩＤ、ＩＱの偏差はほぼ零の値に維持される。しかし、インバータとモータの間を接続する３相電力ケーブルの少なくとも１本（１相）が完全な断線または一部断線、もしくは接触不良が発生した場合、電流ＩＱおよびＩＤのフィードバック電流が大きく変化する。この変化で、電流ＩＤの偏差および電流ＩＱの偏差も振動的に変化する。このような現象を利用し、断線検出装置６はインバータとモータとの間の断線または接触不良を検出する。

ここで、断線等が発生したときの電流ＩＱ，ＩＤの偏差は正負の振動波形となる。そこで、絶対値演算部６Ａは、Ｑ軸電流ＩＱの偏差の絶対値を検出することで、電流ＩＱの変化をその極性に影響されることのない出力を得る。

また、断線判定部６Ｂは、例えば、ベクトル制御の割り込み周期Ｔ₀で電流ＩＱの振動的な変化の検出動作をし、この周期で電流ＩＱの出力が一定レベル以上にあるか否かを繰り返し検出し、この電流ＩＱの出力が一定レベル以上にある回数をカウントし、一定時間内のカウント積算値が一定回数以上（一定時間以上継続）になるとき、断線として判定する。このカウント積算値が一定回数以上になることを判定条件とすることにより、Ｑ軸電流ＩＱの指令値の急変やモータの負荷トルクの急変による突発的な電流ＩＱのステップ状変化を断線と誤って判定するのを防止する。

なお、本実施形態では、Ｑ軸電流ＩＱのステップ状変化から断線検出する場合を示すが、図１において、Ｄ軸電流ＩＤのステップ状変化から断線検出する構成にして同等の作用効果を得ることができる。

（実施形態２）
本実施形態を図２に示す。同図が図１と異なる部分は、断線判定部６Ｂの構成にある。

図２において、断線判定部６Ｂは、一次遅れフィルタ６Ｃと電圧比較部６Ｄで構成する。一次遅れフィルタ６Ｃは、絶対値演算部６Ａで検出する電流ＩＱの偏差の振動的な変化に対して、ノイズ成分を除去し、平均的な出力を得る。電圧比較部６Ｄは、一次遅れフィルタ６Ｃの出力値が設定レベル（閾値）を越えた場合に断線発生と判定する。

本実施形態の場合、一次遅れフィルタ６Ｃと電圧比較部６Ｄは、実施形態１における一定時間内にカウント値が一定値以上になるか否かを検出するカウント動作と同様の機能をもつことができ、実施形態１と同様に断線判定を得ることができる。これに加えて、本実施形態では断線判定部に判定動作を得るためにはフィルタと電圧比較器で済み、回路構成が簡単になる。

なお、本実施形態と同様に、一次遅れフィルタ６Ｃと電圧比較部６Ｄからなる断線判定部６Ｂが、Ｄ軸電流ＩＤの偏差から断線検出を行う構成にして同等の作用効果を得ることができる。

また、以上までの実施形態において、断線検出装置６はハードウェア構成とすることもできるが、ベクトル制御演算をマイクロコンピュータ等で実行するインバータの場合には、絶対値演算部６Ａおよび断線判定部６Ｂの機能をコンピュータに追加したソフトウェア処理で実現することができる。

本発明の実施形態１を示す断線検出装置付きベクトル制御インバータのブロック構成図。本発明の実施形態２を示す断線検出装置付きベクトル制御インバータのブロック構成図。

符号の説明

１電流指令発生部
２電流制御部
３座標変換部
４ＰＷＭ出力部
５負荷モータ
６断線検出装置
６Ａ絶対値演算部
６Ｂ断線判定部
６Ｃ一次遅れフィルタ
６Ｄ電圧比較部

Claims

負荷モータに３相電流を供給するベクトル制御方式インバータの出力の少なくとも１相の断線または接触不良を検出する断線検出装置であって、
ベクトル制御におけるＱ軸電流指令とＱ軸電流出力との偏差の絶対値を検出、又はＤ軸電流指令とＤ軸電流出力との偏差の絶対値を検出する絶対値演算部と、
前記偏差の絶対値が所定値以上になり、この状態が一定時間内に設定回数以上継続したときにインバータ出力の少なくとも１相の断線または接触不良と判定する断線判定部とを備えたことを特徴とする断線検出装置。
負荷モータに３相電流を供給するベクトル制御方式インバータの出力の少なくとも１相の断線または接触不良を検出する断線検出装置であって、
ベクトル制御におけるＱ軸電流指令とＱ軸電流出力との偏差の絶対値を検出、又はＤ軸電流指令とＤ軸電流出力との偏差の絶対値を検出する絶対値演算部と、
前記偏差の絶対値の変化量を入力する一次遅れフィルタと、
前記一次遅れフィルタの出力が設定レベルを越えたときにインバータ出力の少なくとも１相の断線または接触不良と判定する電圧比較部とを備えたことを特徴とする断線検出装置。