JP2019161876A - 電動機の絶縁劣化検出装置 - Google Patents
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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。
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。
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(Fc2+Fs2)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、11,12 AD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 (3)
- 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。
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