JP2019161876A

JP2019161876A - 電動機の絶縁劣化検出装置

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Publication number: JP2019161876A
Application number: JP2018046289A
Authority: JP
Inventors: 林　康一; Koichi Hayashi; 康一林
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2019-09-19
Also published as: CN110275093A; DE102019105741A1; US20190285698A1; US11073561B2

Abstract

【課題】漏電ブレーカが電源を遮断する前に電動機の絶縁劣化を検出できる低コストな絶縁劣化検出装置を提供する。【解決手段】複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を備えたインバータ装置に搭載される絶縁劣化検出装置は、スイッチング素子Ｑ１に接続された電動機巻線の前記電流検出信号Ｉｕから、前記三相交流電力の周波数と同じ周波数成分を抽出する周波数成分検出器２０と、前記スイッチング素子Ｑ１をオンし、他のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ６をオフにする第一スイッチング操作を実行するとともに、前記第一スイッチング操作の実行期間中に前記周波数成分抽出器２０で抽出された前記周波数成分を第一記憶器１６に記憶させる絶縁劣化検出制御部１４と、を備え、少なくとも前記第一記憶器１６に記憶された値Ｌｏｎに基づいて、前記電動機１の絶縁劣化の有無を判断する。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の電流制御を行うインバータ装置に搭載する電動機の絶縁劣化検出装置に関する。

電動機の電流制御を行うインバータ装置に搭載する絶縁劣化検出装置の従来例は、特許文献１や特許文献２等に開示されている。特許文献１の地絡検出方法では、絶縁劣化検出装置として、電流制御に使用される電流検出器やトランジスタ等のスイッチング素子を流用でき、低コストに絶縁劣化検出装置をインバータ装置に付加することが可能である。しかしながら、特許文献１の絶縁劣化（地絡）の検出方法では、電流制御に必要な電流検出器の検出レベルは、数十アンペア〜数百アンペアという大電流であり、ノイズのレベルも数十ｍＡもあるため、絶縁劣化が相当悪化しないと異常を検出することができなかった。

また、近年、インバータ装置の電源に漏電ブレーカが設置されることが多くなっている。漏電ブレーカは、１５〜３０ｍＡの漏電電流で電源を遮断するため、特許文献１の絶縁劣化（地絡）の検出方法では、漏電ブレーカが電源を遮断する前に、絶縁劣化の異常を検出することが難しかった。

これに対して、特許文献２の絶縁劣化検出装置では、漏電電流専用の電流検出器やスイッチング素子を別途インバータ装置に搭載するため、漏電ブレーカよりも先に電動機の絶縁劣化を検出することが容易である。しかしながら、絶縁劣化専用の高価な部品をインバータ装置に搭載するため、この絶縁劣化検出装置をインバータ装置に標準搭載することが難しかった。

なお、工作機械では、電動機の漏電により、加工途中で漏電ブレーカ等が電源を遮断すると、ワークに傷が入り、多大な損害を発生する場合が稀に想定される。このため、ワークを加工する前に絶縁劣化を検出することが望まれていた。しかしながら、このような状況は稀にしか発生せず、落雷等による停電でも同様のことが発生する可能性もあるため、コストをかけてまで、インバータ装置に絶縁劣化検出装置の搭載を希望するユーザは少なかった。

特開平５−３２８７３９号公報特開２００６−２２６９９３号公報

そこで、本明細書では、漏電ブレーカが電源を遮断する前に電動機の絶縁劣化を検出できる低コストな絶縁劣化検出装置を開示する。

本明細書で開示する絶縁劣化検出装置は、１相が接地された三相交流電力を直流電力に変換する直流電源部と、電動機の巻線電流を検出して電流検出信号として出力する電流検出器と、前記直流電源部とブリッジ接続された複数のスイッチング素子と、を備えたインバータ装置に搭載される絶縁劣化検出装置であって、スイッチング素子に接続された電動機巻線の前記電流検出信号から、前記三相交流電力の周波数と同じ周波数成分を抽出する周波数成分検出器と、前記スイッチング素子をオンし、他のスイッチング素子をオフにする第一スイッチング操作を実行するとともに、前記第一スイッチング操作の実行期間中に前記周波数成分抽出器で抽出された前記周波数成分を第一記憶器に記憶させる絶縁劣化検出制御部と、を備え、少なくとも前記第一記憶器に記憶された値に基づいて、前記電動機の絶縁劣化の有無を判断する。

この場合、前記絶縁劣化検出制御部は、さらに、前記第一スイッチング操作の実行期間と同じ時間だけ、前記複数のスイッチング素子全てをオフにする第二スイッチング操作を実行するとともに、前記第二スイッチング操作の実行期間中に前記周波数成分抽出器で抽出された前記周波数成分を第二記憶器に記憶させ、前記第一記憶器に記憶された値と、前記第二記憶器に記憶された値と、の差分値に基づいて前記絶縁劣化の有無を判断してもよい。

また、前記周波数成分抽出器は、前記三相交流電力の三相の線間電圧に基づいて前記接地された１相の相電圧と同位相の正弦波信号を生成する正弦波信号生成器を備えており、前記周波数成分抽出器は、前記正弦波信号生成器が生成した正弦波信号に基づいて三相交流電力の周波数と同じ周波数成分を抽出してもよい。

本明細書で開示する絶縁劣化検出装置は、低コストでありながら、漏電ブレーカが電源を遮断する前に電動機の絶縁劣化を検出できる。

絶縁劣化検出装置を搭載したインバータ装置を示すブロック図である。図１の周波数成分抽出器を説明するブロック図である。Ｓ相接地時の＋ＤＣ−Ｅ間の電圧波形を示す図である。他の絶縁劣化検出装置を搭載したインバータ装置を示すブロック図である。図４の周波数成分抽出器を説明するブロック図である。

はじめに、本明細書で開示する絶縁劣化検出装置の絶縁劣化検出原理について説明する。一般的なＳ相接地された電圧２００Ｖ、周波数６０Ｈｚの三相交流電力を直流電力に変換する直流電源の場合、直流電源の上アーム（＋ＤＣ）とアース（Ｅ）間には、図３の実線のような電圧（＋ＤＣ−Ｅ）が印加される。もし電動機に絶縁劣化が発生していれば、上アーム側に接続されたスイッチング素子Ｑｘをオンすると、スイッチング素子Ｑｘに接続された電動機巻線とアースとの間には、図３の実線のような電圧（＋ＤＣ−Ｅ）にほぼ比例した波形の漏電電流が流れる。このため、漏電電流の流れた巻線用の電流検出器が出力する電流検出信号には、図３の実線のような波形成分が含まれている。図３の実線のような波形には、直流成分と三相交流の周波数である６０Ｈｚの成分とその３次の高調波が含まれる。このうち直流成分に関しては、電流検出器のオフセット電圧との区別が難しい上、低い周波数ほど、増幅器等の１／ｆノイズによるバラツキの影響も大きく、微小な漏電流の検出には適さない。また、３次の高調波成分については、基本波の６割程度の振幅レベルである。本明細書で開示する絶縁劣化検出装置では、上アーム側に接続された一以上のスイッチング素子Ｑｘのみをオンとする第一スイッチング操作を行ない、この第一スイッチング操作の実行期間中に、当該スイッチング素子Ｑｘに接続された巻線電流の電流検出信号から、三相交流の周波数と同じ周波数成分となる漏電電流成分を抽出し、この抽出した漏電電流成分を第一記憶器に記憶する。そして、この第一記憶器に記憶されている周波数成分の大きさに基づいて、絶縁劣化の有無を検出する。この検出技術によれば、三相交流の周波数と同じ周波数成分を抽出するため、電流検出器のオフセットの影響やノイズの影響を受けにくい。これにより、微小な漏電流量（絶縁劣化量）を高精度に検出することが可能である。

また、電流検出信号には、実際の巻線電流とは無関係の電流検出器のノイズが含まれる。抽出された漏電電流成分（三相交流の周波数と同じ周波数成分）には、このノイズのうち三相交流の周波数と同じ周波数成分（ノイズ成分）も含まれる。そこで、本明細書で開示する絶縁劣化検出装置では、スイッチング素子Ｑｘがオンした時間（第一スイッチング操作の実行時間）と同じ時間、全てのスイッチング素子をオフする第二スイッチング操作を行ない、この第二スイッチング操作の実行期間中に、周波数成分抽出器が抽出した周波数成分を第二記憶器に記憶する。この第二記憶器に記憶される周波数成分は、電流検出器のノイズの三相交流の周波数と同じ周波数成分に近い値となる。そのため、第一記憶器に記憶された値と、第二記憶器に記憶された値との差分値を求めれば、ノイズの影響を低減した漏電電流成分をより正確に得ることができる。そして、この差分値に基づいて漏電流量（絶縁劣化量）を検出することにより、より高精度に漏電流量（絶縁劣化量）を検出することが可能である。

また、本明細書で開示する絶縁劣化検出装置では、電流制御に使用される電流検出器やトランジスタ等のスイッチング素子を流用できる上、その他の処理は、インバータ装置に搭載されるマイコンのソフトウェアで処理できる。また、絶縁劣化検出に必要なソフトウェア処理は、電動機の巻線電流制御を開始する前又は終了した後の期間に実行可能なため、電動機の制御処理に影響を与えない。このため、マイコンの処理能力を上げるようなコストアップは不要である。以上のような理由から、既存の一般的なマイコンを搭載したインバータ装置で、ハードウェアの追加無しに、絶縁劣化検出装置を搭載することが容易である。これによって、コストアップ無しに既存のインバータ装置に本明細書で開示する絶縁劣化検出装置を標準搭載することも可能である。

次に、具体例について図面を参照して説明する。図１は、絶縁劣化検出装置を搭載したインバータ装置を示すブロック図である。また、図２は、図１の周波数成分抽出器を説明するブロック図である。三相交流電源２は、Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相の１２０度位相の異なる周波数６０Ｈｚの線間電圧２００Ｖを出力し、Ｓ相がアース（Ｅ）に接続（接地）されている。ダイオードモジュール３は、６個のダイオードを内蔵しており、三相交流電源２からの三相電力を＋ＤＣと−ＤＣの直流電力に変換する。電解コンデンサ４は、＋ＤＣと−ＤＣ間に接続され、直流電圧に含まれる脈動成分を平滑化している。トランジスタモジュール５は、スイッチング素子Ｑ１とＱ２，Ｑ３とＱ４，Ｑ５とＱ６が其々ブリッジ接続された３つの組のスイッチング素子を内蔵している。各組のスイッチング素子は、其々Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相電流を電動機１へ出力する。電流検出器７，８は、それぞれＵ相，Ｖ相の電流を検出し、検出信号Ｉｕ，Ｉｖとして、其々ＡＤ変換器１１，１２に入力され、デジタル信号ＤＩｕ，ＤＩｖに変換される。デジタル信号ＤＩｕ，ＤＩｖは、電流制御部１３に入力され、電流指令に従ってゲート駆動回路６を介して、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６のオンとオフの制御を行うことで、検出信号Ｉｕ，Ｉｖが電流指令量と同じになるように制御する。

絶縁劣化検出制御部１４は、電流制御部１３を介して、インバータ装置が電流制御を開始する直前又は、電流制御を終了した直後の約１秒間の前半の０．５秒間（三相交流電源２の周波数の整数サイクルの時間）、スイッチング素子Ｑ１の１素子だけオンし、その他の５素子はオフする第一スイッチング操作指令Ｑｏｎを電流制御部１３に出力する。さらにスイッチング素子Ｑ１のオンの直前に、周波数成分抽出器２０に対して、初期化指令ＣＬを出力する。

周波数成分抽出器２０では、初期化指令ＣＬが入力されると、窓関数演算器２１とフーリエ演算器２２，２３の時間を示す内部変数ｔを０に初期化するとともに、フーリエ演算器２２，２３の内部の積算器をクリアする。窓関数演算器２１では、ＤＩｕ×（０．５−０．５ＣＯＳ（２πｔ／０．５））が演算され、デジタル信号ＤＩｕに対して０．５秒間のハニング窓関数演算を行い、信号ＷＩｕとして出力する。窓関数処理した信号ＷＩｕは、フーリエ演算器２２，２３に入力され、フーリエ演算器２２では、ｆ＝６０としてＷＩｕ×ＣＯＳ（２πｆｔ）の演算が行われ、１ｍｓごとに演算結果を積算して信号Ｆｃとして出力する。フーリエ演算器２３では、ＷＩｕ×ＳＩＮ（２πｆｔ）の演算が行われ、これを１ｍｓごとに積算して信号Ｆｓとして出力する。これにより、初期化指令ＣＬが入力されてから０．５秒後には、検出電流Ｉｕの０．５秒間に含まれる周波数６０Ｈｚの余弦成分と正弦成分に比例した値を信号Ｆｃ，Ｆｓとして出力することになる。信号Ｆｃと信号Ｆｓは、自乗和平方根演算器２４によってＳＱＲＴ（Ｆｃ^２＋Ｆｓ^２）の演算が行われ信号Ｆａとして出力する。

第一記憶器１６では、絶縁劣化検出制御部１４からスイッチング素子Ｑ１をオンからオフするタイミング（第一スイッチング操作の開始タイミング）で出力される記憶指令Ｓｔ１により、信号Ｆａが記憶される。その後、絶縁劣化検出制御部１４は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６を全てオフの状態にする第二スイッチング操作指令Ｑｏｎを電流制御部１３に出力する。絶縁劣化検出制御部１４は、この第二スイッチング操作の開始タイミングに、初期化指令ＣＬを出力し、その後０．５秒後に、第二記憶器１５へ記憶指令Ｓｔ２を出力し、信号Ｆａが第二記憶器１５に記憶される。これにより、第二記憶器１５が記憶する信号Ｆｏｆは、モータ巻線が切断された時の検出電流Ｉｕの０．５秒間に含まれる周波数６０Ｈｚの成分に比例した値となり、電流検出器７が出力するノイズの周波数６０Ｈｚの成分に比例した値となる。また、第一記憶器１６が記憶する信号Ｆｏｎは、モータ巻線とアース間に図３の実線の電圧が３０サイクル印加された時の検出電流Ｉｕの０．５秒間に含まれる周波数６０Ｈｚの成分に比例した値となり、電流検出器７のノイズ成分も含んだ漏電電流量に比例した値となる。減算器１７では、信号Ｆｏｎから信号Ｆｏｆを減算した信号Ｌｉを外部へ出力する。また、比較器１９では、予め設定され第三記憶器１８が記憶する数値Ｌｃと信号Ｌｉを比較し、信号Ｌｉが大きい場合は、異常を示す信号ＥＲＲを外部へ出力する。なお、破線９で囲われたブロックの処理は、マイコン９が搭載するハードウェアとソフトウェア処理にて行っている。

図１の絶縁劣化検出装置では、電流検出器７の検出信号Ｉｕに含まれるノイズ成分が十分に小さい場合は、信号Ｆｏｎをそのまま信号Ｌｉとして出力してもよい。ただし、検出信号Ｉｕに含まれるノイズの交流電源と同じ周波数成分が多い場合は、ノイズ成分に比例した信号Ｆｏｆを減算することにより、漏電電流の誤検出を防止できる。なお、周波数成分抽出器２０は、そのままでは、周波数６０Ｈｚの交流電源にしか対応できない。このため、インバータ装置の設置時に、変数ｆを交流電源の周波数に設定変更する必要がある。

図４は、他の絶縁劣化検出装置を搭載したインバータ装置を示すブロック図である。また、図５は、図４の周波数成分抽出器２９を説明するブロック図である。図４で、図１と機能及び動作が同じものは同符号を付し、その説明を省略する。電圧検出器３４，３５は、三相交流電源２のＲ相Ｓ相間とＴ相Ｓ相間の線間電圧をそれぞれ検出信号Ｖｒｓ，Ｖｔｓとして出力する。電流検出器３６，３７は、Ｒ相とＴ相に流れる電流をそれぞれ検出信号Ｉｒ，Ｉｔとして出力する。また、電圧検出器３３は、直流電源の＋ＤＣと−ＤＣ間の電圧を検出信号Ｖｄｃとして出力する。トランジスタモジュール３１は、６個のスイッチング素子を搭載し、三相交流電源２からの三相電力を＋ＤＣと−ＤＣの直流に変換する。

検出信号Ｖｄｃ，Ｖｒｓ，Ｖｔｓ，Ｉｒ，Ｉｔは、電源回生制御部３０に入力されている。電源回生制御部３０は、検出信号Ｖｄｃが予め設定された値を超えると、ゲート駆動回路３２を介して、トランジスタモジュール３１搭載の６個のスイッチング素子をオンオフ制御して、電動機１の減速時に発生する回生電力を三相交流電源２へ戻すことにより、直流電源電圧の上昇を抑える制御を行う。また、電源回生制御部３０は、検出信号ＶｒｓとＶｔｓに基づき、アース接地されたＳ相の相電圧の周波数と位相を同定し、その情報をシリアル信号Ｓｐｈとして、周波数成分抽出器２９に出力する。周波数成分抽出器２９の内部では、正弦波信号生成器２７がシリアル信号Ｓｐｈの情報をもとに、Ｓ相電圧の逆位相に完全同期した正弦波信号Ｓｎを出力する。乗算器２６では、ＤＩｕ×Ｓｎが演算され、積算器２８で１ｍｓごとに積算され、信号Ｆｓとして出力される。絶縁劣化検出制御部２５は、電流制御部１３を介して、インバータ装置が電流制御を開始する直前又は、電流制御を終了した直後の正弦波信号Ｓｎの６０サイクル間、スイッチング素子Ｑ１の１素子だけオンし、その他の５素子はオフする第一スイッチング操作指令Ｑｏｎを電流制御部１３に出力する。さらにスイッチング素子Ｑ１のオンの直前（第一スイッチング操作の開始時）に、周波数成分抽出器２９に対して、初期化指令ＣＬを出力し、積算器２８をクリアする。また、絶縁劣化検出制御部２５は、スイッチング素子Ｑ１をオンからオフするタイミングで記憶指令Ｓｔを第一記憶器３８へ入力され、信号Ｆｓを記憶する。

これら動作により、第一記憶器３８が記憶する信号Ｌｉは、モータ巻線とアース間に図３の実線の電圧が６０サイクル印加された時の検出電流Ｉｕの１秒間に含まれる周波数６０Ｈｚ成分量に比例した値となる。周波数成分抽出器２９の内部では、Ｓ相に完全に同期した信号Ｓｎを使用してフーリエ変換相当の演算処理を行うため、窓関数演算や自乗和平方根演算が不要な上、電流検出器７の検出信号Ｉｕに含まれるノイズの影響も緩和できる。

図４のような、電源回生機能のある直流電源部の場合、３相交流電源の相間電圧検出器は標準で搭載されるため、新たなハードウェアの追加は不要である。また、図４の実施例の場合、交流周波数の違いによって、予め周波数の設定を行うことも不要である。なお、図５では、正弦波信号生成器２７により、接地されたＳ相電圧の位相を送信していたが、検出信号Ｖｒｓ，Ｖｔｓを演算処理することにより、信号Ｓｎ相当の信号を電源回生制御側で直接正弦波信号生成して周波数成分抽出器へ入力してもよい。

また、図１、図４の具体例では、第一スイッチング操作指令で、一つのスイッチング素子Ｑ１だけをオンしたが、２以上のスイッチング素子をオンしてもよい。例えば、第一スイッチング操作指令で、スイッチング素子Ｑ１とＱ３の２素子をオンし、このスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３に接続される巻線の検出電流ＤＩｕ，ＤＩｖの和ＤＩｕ＋ＤＩｖを周波数成分抽出器へ入力してもよい。また、３つの相の電流を検出できる場合は、上アームまたは下アームのどちらか一方に接続されたスイッチング素子すべてをオンしてもよい。

１電動機、２三相交流電源、３ダイオードモジュール、４電解コンデンサ、５，３１トランジスタモジュール、６，３２ゲート駆動回路、７，８，３６，３７電流検出器、９，１０マイコン、１１，１２ＡＤ変換器、１３電流制御部、１４，２５絶縁劣化検出制御部、１５第二記憶器、１６，３８第一記憶器、１８第三記憶器、１７減算器、１９比較器、２０，２９周波数成分抽出器、２１窓関数演算器、２２，２３フーリエ演算器、２４自乗和平方根演算器、２６乗算器、２７正弦波信号生成器、２８積算器、３３，３４，３５電圧検出器。

Claims

１相が接地された三相交流電力を直流電力に変換する直流電源部と、電動機の巻線電流を検出して電流検出信号として出力する電流検出器と、前記直流電源部とブリッジ接続された複数のスイッチング素子と、を備えたインバータ装置に搭載される絶縁劣化検出装置であって、
スイッチング素子に接続された電動機巻線の前記電流検出信号から、前記三相交流電力の周波数と同じ周波数成分を抽出する周波数成分検出器と、
前記スイッチング素子をオンし、他のスイッチング素子をオフにする第一スイッチング操作を実行するとともに、前記第一スイッチング操作の実行期間中に前記周波数成分抽出器で抽出された前記周波数成分を第一記憶器に記憶させる絶縁劣化検出制御部と、
を備え、
少なくとも前記第一記憶器に記憶された値に基づいて、前記電動機の絶縁劣化の有無を判断する絶縁劣化検出装置。
請求項１に記載の絶縁劣化検出装置であって、
前記絶縁劣化検出制御部は、さらに、前記第一スイッチング操作の実行期間と同じ時間だけ、前記複数のスイッチング素子全てをオフにする第二スイッチング操作を実行するとともに、前記第二スイッチング操作の実行期間中に前記周波数成分抽出器で抽出された前記周波数成分を第二記憶器に記憶させ、
前記第一記憶器に記憶された値と、前記第二記憶器に記憶された値と、の差分値に基づいて前記絶縁劣化の有無を判断する、
ことを特徴とする絶縁劣化検出装置。
請求項１または２に記載の絶縁劣化検出装置であって、
前記周波数成分抽出器は、前記三相交流電力の三相の線間電圧に基づいて前記接地された１相の相電圧と同位相の正弦波信号を生成する正弦波信号生成器を備えており、
前記周波数成分抽出器は、前記正弦波信号生成器が生成した正弦波信号に基づいて三相交流電力の周波数と同じ周波数成分を抽出する、
ことを特徴とする絶縁劣化検出装置。