JP7436650B2

JP7436650B2 - 並列駆動されるスイッチの故障を検出する故障検出装置及びモータ駆動装置

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Description

本発明は、並列駆動されるスイッチの故障を検出する故障検出装置及びモータ駆動装置に関する。

電流経路上において導通（「クローズ」または「オン」とも称する。）と非導通（「オープン」または「オフ」とも称する。）とを選択的に切り替えるスイッチとして、リレー、半導体スイッチング素子、及び、電磁接触器などが用いられる。定格電流の小さなスイッチを用いて大電流が流れる電流経路の導通と非導通との切替えを実現しようとする場合、複数のスイッチを並列接続してこれら複数のスイッチを並列駆動させることが行われる。このような並列駆動においては、並列接続された複数のスイッチを、同時にクローズすることで大電流を各スイッチに分散させて流し、同時にオープンすることで大電流を遮断する。

例えば、交流電源の交流電圧を整流して直流電圧に変換する順変換器と、この順変換器の直流電圧を平滑する平滑コンデンサを有する直流中間回路と、前記直流中間回路の平滑コンデンサへの充電電流を抑制する限流回路と、前記直流中間回路の電圧を検出する電圧検出回路と、前記順変換器の直流電圧を交流電圧に変換する逆変換器と、前記限流回路の抵抗に並列に接続されたn個のリレーの接点部に対する端子が接続される回路基板に配置された前記n個のリレーのそれぞれの温度を検出するn個の温度検出素子と、前記各温度検出素子の検出結果に基づいて前記n個のリレーの何れかが異常であることを検出する制御部と、を備えることを可能であることを特徴とする可変電圧可変周波数の交流電力を出力する電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許第５７４３９４４号公報

並列接続された複数のスイッチの並列駆動により電流経路上の導通（クローズ）と非導通（オープン）とを切り替える回路において、全てのスイッチに対してクローズ指令を行ったにもかかわらず、少なくとも１つのスイッチがクローズせずにオープンのままとなる故障（以下、「オープン故障」と称する。）が発生すると、クローズ指令に従い正常にクローズしたスイッチに電流が集中して流れ、異常過熱が発生してしまう。オープン故障を起因とする異常過熱により、本来正常であったスイッチ、このスイッチが設けられた基板、及びこのスイッチ近傍にある各種電子部品などが破損することがある。したがって、並列接続された複数のスイッチが電流経路上に設けられこれら複数のスイッチが並列駆動する回路において、スイッチの故障を検出して異常過熱を防止することが望まれている。

本開示の一態様によれば、電流経路上における導通と非導通とが選択的に切り替えられるスイッチの故障を検出する故障検出装置は、温度変化に応じて端子間の抵抗値が変化する温度センサであって、互いに並列接続された少なくとも２つのスイッチの近傍に設けられ、互いに電気的に直列接続された少なくとも２つの温度センサと、少なくとも２つの温度センサの合成抵抗値を検出する検出部と、合成抵抗値に基づき、少なくとも２つのスイッチのうち少なくとも１つが故障したと判定する判定部と、を備える。

また、本開示の一態様によれば、モータ駆動装置は、上述の故障検出装置と、交流電源から入力された交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータ回路と、コンバータ回路の直流出力側であるＤＣリンクに設けられるＤＣリンクコンデンサと、ＤＣリンクにおける直流電力を、モータ駆動のための交流電力に変換して出力するインバータ回路と、スイッチとスイッチに並列接続された予備充電抵抗とを有しＤＣリンクコンデンサの予備充電時における突入電流を防止するための予備充電回路と、を備える。

本開示の一態様によれば、並列接続された複数のスイッチが電流経路上に設けられこれら複数のスイッチが並列駆動する回路におけるスイッチの故障を検出して異常過熱を防止する故障検出装置及びこれを備えるモータ駆動装置を実現することができる。

本開示の一実施形態による故障検出装置を示す図である。本開示の一実施形態において、並列接続された複数のスイッチが電流経路上に設けられた回路における電流の流れを例示する図であって、クローズ指令に対して全てのスイッチが正常にクローズ動作した場合を示す。本開示の一実施形態において、並列接続された複数のスイッチが電流経路上に設けられた回路における電流の流れを例示する図であって、クローズ指令にもかかわらず１つのスイッチにオープン故障が発生した場合を示す。ＰＴＣサーミスタの抵抗温度特性を例示する図である。温度センサにＰＴＣサーミスタを用いた第１の形態による故障検出装置の動作フローを示すフローチャートである。ＮＴＣサーミスタの抵抗温度特性を例示する図である。温度センサにＮＴＣサーミスタを用いた第２の形態による故障検出装置の動作フローを示すフローチャートである。本開示の一実施形態による故障検出装置における温度センサが設けられた予備充電回路を例示する斜視図である。本開示の一実施形態による故障検出装置における温度センサが設けられた予備充電回路を例示する回路図である。本開示の一実施形態による故障検出装置を備えるモータ駆動装置を例示する図である。

以下図面を参照して、並列駆動されるスイッチの故障を検出する故障検出装置及びモータ駆動装置について説明する。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。図面に示される形態は実施をするための一つの例であり、図示された実施形態に限定されるものではない。

図１は、本開示の一実施形態による故障検出装置を示す図である。

本開示の一実施形態による故障検出装置１は、並列接続された複数のスイッチ２１－１～２１－ｎが電流経路５０上に設けられこれら複数のスイッチ２１－１～２１－ｎ（ただし、ｎは２以上の整数）が並列駆動する回路において、複数のスイッチ２１－１～２１－ｎのうちの少なくとも１つについて故障が発生したことを検出する。

故障検出装置１の故障検出対象であるスイッチ２１－１～２１－ｎは、電流経路５０上における導通と非導通とを選択的に切り替えるものである。スイッチ２１－１～２１－ｎの個々については定格電流が小さいものであっても、これらスイッチ２１－１～２１－ｎを互いに並列接続して並列駆動させることによって、導通（クローズ）と非導通（オープン）との選択的切替えを、大電流が流れる電流経路５０において実現することができる。すなわち、並列接続された複数のスイッチを、同時にクローズすることで大電流を各スイッチに分散させて流すことができ、同時にオープンすることで大電流を遮断することができる。なお、図１においては、スイッチ２１－１～２１－ｎに対してクローズ及びオンを指令する制御部については図示を省略している。

故障検出装置１の故障検出対象であるスイッチ２１－１～２１－ｎの例としては、リレー、半導体スイッチング素子、及び、電磁接触器などがある。半導体スイッチング素子の例としては、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ、トランジスタなどがある。

また、故障検出装置１の故障検出対象であるスイッチ２１－１～２１－ｎを有する回路の例としては、モータ駆動装置に設けられる予備充電回路がある。詳細については後述するが、予備充電回路は、モータ駆動装置におけるコンバータ回路の直流出力側とインバータ回路の直流入力側との間に設けられるＤＣリンクコンデンサを予備充電する際に発生し得る突入電流を防止するものである。予備充電回路は、スイッチとこのスイッチに並列接続された予備充電抵抗とを有する。予備充電完了後にスイッチはクローズして大電流が流れることから、複数のスイッチを並列接続して並列駆動する対応がとられることがある。本開示の一実施形態による故障検出装置１は、このような並列駆動される複数のスイッチを有する予備充電回路内の当該複数のスイッチの故障検出に用いることができる。またあるいは、故障検出装置１は、ダイナミックブレーキ回路、コンバータ回路もしくはインバータ回路に設けられた複数のスイッチの故障検出に用いられてもよい。

本開示の一実施形態による故障検出装置１は、少なくとも２つの温度センサ１１－１～１１－ｍ（ただし、ｍは２以上の整数）と、検出部１２と、判定部１３と、を備える。

温度センサ１１－１～１１－ｍは、温度変化に応じて端子間の抵抗値が変化する素子である。温度センサ１１－１～１１－ｍの例としては、温度上昇に伴い抵抗値が増加するＰＴＣサーミスタ、及び、温度上昇に伴い抵抗値が減少するＮＴＣサーミスタなどがある。

温度センサ１１－１～１１－ｍは、互いに並列接続された少なくとも２つのスイッチ２１－１～２１－ｎが実装された基板上の、これらスイッチ２１－１～２１－ｎの近傍に設けられる。温度センサ１１－１～１１－ｍの個数ｍは、スイッチ２１－１～２１－ｎの個数ｎと同数かそれ以下の値である。温度センサ１１－１～１１－ｍは、互いに電気的に直列接続される。したがって、スイッチ２１－１～２１－ｎの近傍やこれらスイッチ２１－１～２１－ｎが実装された基板の温度変化に応じて、互いに直列接続された温度センサ１１－１～１１－ｍの合成抵抗値も変化する。

検出部１２は、温度センサ１１－１～１１－ｍの合成抵抗値を検出する。例えば、第１の温度センサ１１－１、・・・、第ｍの温度センサ１１－ｍ（ただし、ｍは２以上の整数）の順に、ｍ個の温度センサが互いに電気的に直列接続される場合、第１の温度センサ１１－１の２つの端子のうち第２の温度センサが接続されない側の端子と第ｍの温度センサ１１－ｍの２つの端子のうち第ｍ－１の温度センサ１１－ｍ＋１が接続されない側の端子との間の抵抗値の合計が、合成抵抗値となる。

温度センサ１１－１～１１－ｍの各々の抵抗値をＲ１～Ｒｍとしたとき、検出部１２は、例えば式１に従って合成抵抗値Ｒ_Aを算出する。

判定部１３は、検出部１２が検出した合成抵抗値に基づき、スイッチのうち少なくとも１つが故障したと判定する。判定部１３による判定処理の詳細については後述する。

検出部１２及び判定部１３は、アナログ回路と演算処理装置との組み合わせで構成されてもよく、あるいは、アナログ回路のみで構成されてもよく、あるいは演算処理装置のみで構成されてもよい。演算処理装置には、例えばＩＣ、ＬＳＩ、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＤＳＰなどの概念が含まれる。例えば、演算処理装置は、検出部１２及び／または判定部１３の機能を実現するソフトウェアプログラムに従って動作するようにしてもよい。また例えば、検出部１２をコンパレータにて構成し、判定部１３をＬＳＩにて構成してもよい。また例えば、検出部１２と判定部１３とをまとめて１つのＬＳＩにて構成してもよい。

図２Ａは、本開示の一実施形態において、並列接続された複数のスイッチが電流経路上に設けられた回路における電流の流れを例示する図であって、クローズ指令に対して全てのスイッチが正常にクローズ動作した場合を示す。図２Ｂは、本開示の一実施形態において、並列接続された複数のスイッチが電流経路上に設けられた回路における電流の流れを例示する図であって、クローズ指令にもかかわらず１つのスイッチにオープン故障が発生した場合を示す。

図２Ａに示すように、全てのスイッチ２１－１～２１－ｎが正常である場合は、スイッチ２１－１～２１－ｎは、クローズ指令に対して全てクローズ（導通）する。この結果、電流経路５０を流れる電流は、スイッチ２１－１～２１－ｎに分散して流れるので、スイッチ２１－１～２１－ｎの近傍やこれらスイッチ２１－１～２１－ｎが実装された基板の温度変化は少ない。したがって、温度センサ１１－１～１１－ｍの各々の抵抗値の変化も少なく、このため、検出部１２が検出する合成抵抗値の変化も少ない。

図２Ｂに示すように、全てのスイッチ２１－１～２１－ｎに対してクローズ指令を行ったにもかかわらず、例えばスイッチ２１－２がクローズせずにオープンのままとなるオープン故障が発生した場合、スイッチ２１－２は電流が流れない非導通状態となるので、スイッチ２１－２以外の正常なスイッチ（すなわち導通状態にあるスイッチ）に電流の流れが集中する。この結果、スイッチ２１－２以外の正常なスイッチの近傍やこの正常なスイッチが実装された基板の周囲の温度変化は大きくなる。したがって、温度センサ１１－１～１１－ｍのうち正常なスイッチの近傍に設けられた温度センサの各々の抵抗値の変化は大きくなり、このため、検出部１２が検出する合成抵抗値の変化も大きくなる。図２Ｂでは、一例として１つのスイッチ２１－２にオープン故障が発生するとしたが、複数のスイッチについてオープン故障が発生すると、それ以外の正常なスイッチに電流の流れがより一層集中するので、正常なスイッチの近傍の温度変化はさらに大きなものとなり、正常なスイッチの近傍に設けられた温度センサの各々の抵抗値の変化も大きなものとなり、これに伴い検出部１２が検出する合成抵抗値の変化もさらに大きくなる。

このように、複数のスイッチ２１－１～２１－ｎのうちのいくつかのスイッチにオープン故障が発生すると、検出部１２が検出する合成抵抗値は、正常時の値から大きく変化する。そこで、判定部１３は、検出部１２が検出する合成抵抗値と予め規定された閾値とを比較し、この比較結果に基づいて、複数のスイッチ２１－１～２１－ｎのうち少なくとも１つに故障が発生したか否かを判定する。

温度センサ１１－１～１１－ｍがＰＴＣサーミスタにより構成されるかＮＴＣサーミスタにより構成されるかによって、判定部１３による判定処理は異なる。続いて、判定部１３による判定処理の詳細について、温度センサ１１－１～１１－ｍの各々がＰＴＣサーミスタである第１の形態と温度センサ１１－１～１１－ｍの各々がＮＴＣサーミスタである第２の形態とに分けて説明する。

まず、本開示の一実施形態による故障検出装置１における温度センサ１１－１～１１－ｍの各々にＰＴＣサーミスタを用いる第１の形態について説明する。

図３は、ＰＴＣサーミスタの抵抗温度特性を例示する図である。

ＰＴＣサーミスタは、キュリー温度Ｔ_Qより低い温度では抵抗値はほぼ一定であり、キュリー温度Ｔ_Qを超えると抵抗値が急激に増加する素子である。複数のＰＴＣサーミスタを電気的に直列接続した場合、少なくとも１つのＰＴＣサーミスタについてその近傍の温度がキュリー温度Ｔ_Qを超えただけで、直列接続されたＰＴＣサーミスタの合成抵抗値は急激に増加する。よって、図３に示した抵抗温度特性は、ＰＴＣサーミスタ単体の温度と抵抗値との関係を示すものであるとともに、直列接続された複数のＰＴＣサーミスタの温度と合成抵抗値との関係を示すものであると捉えることができる。

本開示の一実施形態による故障検出装置１における温度センサ１１－１～１１－ｍの各々にＰＴＣサーミスタを用いる第１の形態においては、判定部１３による判定処理において温度センサ１１－１～１１－ｍの合成抵抗値と比較される閾値は、次のように設定すればよい。以下、第１の形態における判定部１３の判定処理で用いられる閾値を、「第１の閾値」と称する。

第１の形態において、温度センサ１１－１～１１－ｍとしてのＰＴＣサーミスタについては、故障発生と判定するときの温度（すなわち異常過熱時の温度）以下のキュリー温度Ｔ_Qを有するものを選定する。温度センサ１１－１～１１－ｍの各々は、同一の温度抵抗値特性を有するＰＴＣサーミスタからなるのが好ましい。「故障発生と判定するときの温度」は、例えばスイッチ２１－１～２１－ｎの耐熱温度、スイッチ２１－１～２１－ｎが実装される基板の耐熱温度、スイッチ２１－１～２１－ｎの近傍に配置される各種部品の耐熱温度、及び、スイッチ２１－１～２１－ｎ及び各種部品が実装される基板の耐熱温度などなどを考慮して選定すればよい。上述したように、オープン故障に係るスイッチ以外の正常なスイッチの近傍やこの正常なスイッチが実装された基板の周囲の温度変化は大きくなるので、正常なスイッチ近傍に配置されたＰＴＣサーミスタの抵抗値が急激に増加する。正常なスイッチ近傍のＰＴＣサーミスタの抵抗値が急激に増加すると、当然のことながら、直列接続されたＰＴＣサーミスタの合成抵抗値も急激に増加する。第１の形態では、１つのＰＴＣサーミスタのキュリー温度Ｔ_Qに対応する抵抗値に、安全性を考慮して多少のマージンを上乗せして得られる抵抗値を、第１の閾値Ｒ_th1として設定する。判定部１３は、第１の閾値Ｒ_th1と検出部１２が検出した合成抵抗値との比較結果に基づいて、オープン故障の発生の有無を判別する。すなわち、判定部１３は、直列接続されたＰＴＣサーミスタ（温度センサ１１－１～１１－ｍ）の合成抵抗値が第１の閾値Ｒ_th1を上回った場合、ＰＴＣサーミスタ（温度センサ１１－１～１１－ｍ）の合成抵抗値の急激な増加の原因となったオープン故障が発生したと判定する。なお、第１の閾値Ｒ_th1については、書き換え可能な記憶部（図示せず）に記憶されて外部機器によって書き換え可能であってもよく、これにより、第１の閾値Ｒ_th1を一旦設定した後であっても、必要に応じて適切な値に変更することができる。

図４は、温度センサにＰＴＣサーミスタを用いた第１の形態による故障検出装置の動作フローを示すフローチャートである。

図１に示した並列接続された複数のスイッチ２１－１～２１－ｎが電流経路５０上に設けられこれら複数のスイッチ２１－１～２１－ｎが並列駆動する回路において、ステップＳ１０１では、検出部１２は、各々がＰＴＣサーミスタからなる温度センサ１１－１～１１－ｍの合成抵抗値を検出する。検出部１２により検出された合成抵抗値に関するデータは、判定部１３へ送られる。

ステップＳ１０２において、判定部１３は、検出部１２により検出された合成抵抗値と第１の閾値Ｒ_th1とを比較し、合成抵抗値が第１の閾値Ｒ_th1を上回ったか否かを判定する。ステップＳ１０２において、合成抵抗値が第１の閾値Ｒ_th1を上回ったと判定された場合はステップＳ１０３へ進み、合成抵抗値が第１の閾値Ｒ_th1を上回ったと判定されなかった場合はステップＳ１０１へ戻る。ステップＳ１０１及びＳ１０２の処理は、所定の周期にて繰り返し実行される。

ステップＳ１０２において合成抵抗値が第１の閾値Ｒ_th1を上回ったと判定された場合は、ステップＳ１０３において、判定部１３は、スイッチ２１－１～２１－ｎのうち少なくとも１つが故障したと判定する。

続いて、本開示の一実施形態による故障検出装置１における温度センサ１１－１～１１－ｍの各々にＮＴＣサーミスタを用いる第２の形態について説明する。

図５は、ＮＴＣサーミスタの抵抗温度特性を例示する図である。

ＮＴＣサーミスタは、温度上昇に伴い抵抗値が低下する素子である。複数のＮＴＣサーミスタを電気的に直列接続した場合、少なくとも１つのＮＴＣサーミスタについてその近傍の温度が上昇すると、直列接続されたＮＴＣサーミスタの合成抵抗値は低下する。図５に示した抵抗温度特性は、直列接続された複数のＮＴＣサーミスタの温度と合成抵抗値との関係を示す。

本開示の一実施形態による故障検出装置１における温度センサ１１－１～１１－ｍの各々にＮＴＣサーミスタを用いる第２の形態においては、判定部１３による判定処理において温度センサ１１－１～１１－ｍの合成抵抗値と比較される閾値は、次のように設定すればよい。以下、第２の形態における判定部１３の判定処理で用いられる閾値を、「第２の閾値」と称する。

ＮＴＣサーミスタからなる温度センサ１１－１～１１－ｍにて本開示の一実施形態による故障検出装置１を実現するためには、複数のスイッチ２１－１～２１－ｎのうちの少なくとも１つのスイッチにオープン故障が発生したときにおける直列接続された複数のＮＴＣサーミスタの合成抵抗値が、複数のスイッチ２１－１～２１－ｎの全てが正常であるときにおける直列接続された複数のＮＴＣサーミスタの合成抵抗値未満となるような、ＮＴＣサーミスタを選定することが必要である。例えば、温度センサ１１－１～１１－ｍの各々を、同一の温度抵抗値特性を有するＮＴＣサーミスタにて構成すれば、上述のオープン故障時の合成抵抗値と正常時における合成抵抗値との関係を満たす故障検出装置１の実現が容易となる。

故障発生と判定するときの温度（すなわち異常過熱時の温度）に達したＮＴＣサーミスタの個数が多いほど、直列接続されたＮＴＣサーミスタ（温度センサ１１－１～１１－ｍ）の合成抵抗値は小さくなる。第２の形態においては、例えばスイッチ２１－１～２１－ｎの耐熱温度、スイッチ２１－１～２１－ｎが実装される基板の耐熱温度、スイッチ２１－１～２１－ｎの近傍に配置される各種部品の耐熱温度、及び、スイッチ２１－１～２１－ｎ及び各種部品が実装される基板の耐熱温度などなどを考慮して、例えば１つのＮＴＣサーミスタが「故障発生と判定するときの温度」に達したときにおける直列接続されたＮＴＣサーミスタ（温度センサ１１－１～１１－ｍ）の合成抵抗値に、安全性を考慮して多少のマージンを上乗せして得られる抵抗値を、第２の閾値Ｒ_th2として設定する。判定部１３は、第２の閾値Ｒ_th2と検出部１２が検出した合成抵抗値との比較結果に基づいて、オープン故障の発生の有無を判別する。すなわち、判定部１３は、直列接続されたＮＴＣサーミスタ（温度センサ１１－１～１１－ｍ）の合成抵抗値が第２の閾値Ｒ_th2を下回った場合、少なくともＮＴＣサーミスタ（温度センサ１１－１～１１－ｍ）の合成抵抗値の低下の原因となったオープン故障が発生したと判定する。なお、第２の閾値Ｒ_th2については、書き換え可能な記憶部（図示せず）に記憶されて外部機器によって書き換え可能であってもよく、これにより、第２の閾値Ｒ_th2を一旦設定した後であっても、必要に応じて適切な値に変更することができる。

図６は、温度センサにＮＴＣサーミスタを用いた第２の形態による故障検出装置の動作フローを示すフローチャートである。

図１に示した並列接続された複数のスイッチ２１－１～２１－ｎが電流経路５０上に設けられこれら複数のスイッチ２１－１～２１－ｎが並列駆動する回路において、ステップＳ２０１では、検出部１２は、各々がＮＴＣサーミスタからなる温度センサ１１－１～１１－ｍの合成抵抗値を検出する。検出部１２により検出された合成抵抗値に関するデータは、判定部１３へ送られる。

ステップＳ２０２において、判定部１３は、検出部１２により検出された合成抵抗値と第２の閾値Ｒ_th2とを比較し、合成抵抗値が第２の閾値Ｒ_th2を下回ったか否かを判定する。ステップＳ２０２において、合成抵抗値が第２の閾値Ｒ_th2を下回ったと判定された場合はステップＳ２０３へ進み、合成抵抗値が第２の閾値Ｒ_th2を下回ったと判定されなかった場合はステップＳ２０１へ戻る。ステップＳ２０１及びＳ２０２の処理は、所定の周期にて繰り返し実行される。

ステップＳ２０２において合成抵抗値が第２の閾値Ｒ_th2を下回ったと判定された場合は、ステップＳ２０３において、判定部１３は、スイッチ２１－１～２１－ｎのうち少なくとも１つが故障したと判定する。

上述した第１の形態及び第２の形態のいずれにおいても、判定部１３による故障判定結果を、例えば表示部に表示させてもよい。表示部の例としては、単体のディスプレイ装置、並びに、パソコン及び携帯端末に付属のディスプレイ装置などがある。またあるいは、判定部１３による故障判定結果を、例えば音声、スピーカ、ブザー、チャイムなどのような音を発する音響機器にて出力させてもよい。これにより、作業者は、スイッチ２１－１～２１－ｎのうち少なくとも１つが故障したことを把握することができる。よって、作業者は、例えばスイッチ２１－１～２１－ｎ全体の交換もしくは修理、あるいは基板や各種部品の交換もしくは修理といった対応をとることができる。

また、上述した第１の形態及び第２の形態のいずれにおいても、判定部１３による故障判定結果に基づいて、図１に示した並列接続された複数のスイッチ２１－１～２１－ｎが設けられた回路を有する機械を、緊急停止させたり異常回避動作させたりしてもよい。また、判定部１３による判定結果を記憶装置に記録し、その後に判定結果を利用できるようにしてもよい。

なお、上述した実施形態では、温度センサ１１－１～１１－ｍは互いに電気的に直列接続され、検出部１２はこれら直列接続された温度センサ１１－１～１１－ｍの合成抵抗値を検出し、判定部１３はこの合成抵抗値に基づいてオープン故障発生を検出していた。この変形例として、温度センサ１１－１～１１－ｍを各々の端子を介して互いに並列接続され、検出部１２はこれら並列接続された温度センサ１１－１～１１－ｍの合成抵抗値を検出するようにしてもよい。並列接続された温度センサ１１－１～１１－ｍの各々の抵抗値をＲ₁～Ｒ_mとしたとき、検出部１２は、例えば式２に従って合成抵抗値Ｒ_Bを算出する。判定部１３は合成抵抗値Ｒ_Bに基づいてオープン故障発生を検出するようにしてもよい。

続いて、本開示の一実施形態による故障検出装置における温度センサの設置例について、予備充電回路を例にとり説明する。

図７は、本開示の一実施形態による故障検出装置における温度センサが設けられた予備充電回路を例示する斜視図である。また、図８は、本開示の一実施形態による故障検出装置における温度センサが設けられた予備充電回路を例示する回路図である。図７及び図８では、一例として、予備充電回路５に設けられるスイッチが２個の場合について説明する。

モータ駆動装置に設けられる予備充電回路５は、モータ駆動装置におけるコンバータ回路の直流出力側とインバータ回路の直流入力側との間に設けられるＤＣリンクコンデンサを予備充電する際に発生し得る突入電流を防止するものである。予備充電回路は、コンバータ回路の直流出力側または交流入力側に設けられる。

図８に示すように、予備充電回路５は、スイッチ２１－１及び２１－２とこのスイッチ２１－１及び２１－２に並列接続された予備充電抵抗２２とを有する。スイッチ２１－１及び２１－２の例としては、リレー、及び半導体スイッチング素子などがある。予備充電完了後にスイッチ２１はクローズして大電流が流れることから、スイッチ２１を、並列接続された複数のスイッチ２１－１及び２１－２にて構成する。並列接続された複数のスイッチ２１－１及び２１－２を、同時にクローズすることで大電流を各スイッチ２１－１及び２１－２に分散させて流すことができ、同時にオープンすることで大電流を遮断することができる。

図７に示すように、予備充電回路５のスイッチ２１－１及び２１－２並びに予備充電抵抗２２は、基板２０上に実装される。基板２０には、さらに各種部品２３が設けられる。各種部品２３の例としては、例えば熱に弱いコンデンサなどがある。スイッチ２１－１及び２１－２の各々の近傍には、温度センサ１１－１及び１１－２が設けられる。この変形例として、温度センサ１１－１及び１１－２を、熱に弱いコンデンサの近傍に設けてもよい。

続いて、本開示の一実施形態による故障検出装置を備えるモータ駆動装置について説明する。

図９は、本開示の一実施形態による故障検出装置を備えるモータ駆動装置を例示する図である。

一例として、交流電源２００に接続されたモータ駆動装置１００により、モータ３００を制御する例について示す。本実施形態においては、モータ３００の種類は特に限定されず、例えば誘導モータであっても同期モータであってもよい。また、交流電源２００及びモータ３００の相数は本実施形態を特に限定するものではなく、例えば三相であっても単相であってもよい。図示の例では、交流電源２００及びモータ３００をそれぞれ三相としている。交流電源２００の一例を挙げると、三相交流４００Ｖ電源、三相交流２００Ｖ電源、三相交流６００Ｖ電源、単相交流１００Ｖ電源などがある。モータ３００が設けられる機械には、例えば工作機械、ロボット、鍛圧機械、射出成形機、産業機械などが含まれる。

モータ駆動装置１００は、故障検出装置１と、コンバータ回路２と、ＤＣリンクコンデンサ３と、インバータ回路４と、予備充電回路５とを備える。また、モータ駆動装置１００と交流電源２００との間には、電磁接触器６が設けられる。

故障検出装置１については、図１～図８を参照して説明した通りである。

コンバータ回路２は、交流電源２００から入力された交流電力を直流電力に変換して直流出力側であるＤＣリンクへ出力する。「ＤＣリンク」は、「ＤＣリンク部」、「直流リンク」、「直流リンク部」または「直流中間回路」などとも別称されることもある。コンバータ回路２は、交流電源２００から三相交流電力が供給される場合は三相ブリッジ回路で構成され、交流電源２００から単相交流電力が供給される場合は単相ブリッジ回路で構成される。図示の例では、交流電源２００を三相交流電源としたので、コンバータ回路２は三相ブリッジ回路で構成される。コンバータ回路２の例としては、ダイオード整流器、１２０度通電方式整流器、及びＰＷＭスイッチング制御方式整流器などがある。例えば、コンバータ回路２が１２０度通電方式整流器及びＰＷＭスイッチング制御方式整流器である場合は、半導体スイッチング素子及びこれに逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路からなり、上位制御装置（図示せず）から受信した駆動指令に応じて各スイッチング素子がオンオフ制御されて交直双方向に電力変換を行う。この場合、スイッチング素子の例としては、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ、トランジスタなどがあるが、その他の半導体スイッチング素子であってもよい。

コンバータ回路２の交流入力側には、電磁接触器６が設けられる。電磁接触器６は、交流電源２００からコンバータ回路２への交流入力電流の電流経路を開閉する。交流電源２００からコンバータ回路２への交流入力電流の電流経路を形成する閉動作は、電磁接触器６の接点が閉成することにより実現され、交流電源２００からコンバータ回路２への交流入力電流の電流経路を遮断する開動作は、電磁接触器６の接点が開離することにより実現される。なお、コンバータ回路２の交流入力側には、電磁接触器６以外にも、交流リアクトルやＡＣラインフィルタなどが設けられることがあるが、ここでは図示を省略している。

コンバータ回路２の直流出力側とインバータ回路４の直流入力側とを接続するＤＣリンクには、ＤＣリンクコンデンサ３が設けられる。ＤＣリンクコンデンサ３は、インバータ回路４が交流電力を生成するために用いられる直流電力を蓄積する機能及びコンバータ回路２の直流出力の脈動分を抑える機能を有する。ＤＣリンクコンデンサ３の例としては、例えば電解コンデンサやフィルムコンデンサなどがある。

インバータ回路４は、ＤＣリンクを介してコンバータ回路２に接続され、ＤＣリンクにおける直流電力を、モータ駆動のための交流電力に変換して出力する。インバータ回路４の例としては、整流素子及びこれに逆並列に接続された半導体スイッチング素子のブリッジ回路からなるＰＷＭ制御方式インバータなどがある。半導体スイッチング素子の例としては、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ、トランジスタなどがあるが、その他の半導体素子であってもよい。インバータ回路４は、モータ３００が三相交流モータである場合は三相のブリッジ回路として構成され、モータ３００が単相交流モータである場合は単相ブリッジ回路で構成される。図示の例では、モータ３００を三相交流モータとしたので、インバータ回路４は三相ブリッジ回路で構成される。インバータ回路４は、上位制御装置（図示せず）の指令に基づき内部の半導体スイッチング素子のオンオフ動作がＰＷＭ制御されることで、ＤＣリンクにおける直流電力をモータ駆動のための交流電力に変換して出力する。モータ３００は、インバータ回路４から供給される交流電力に基づいて、速度、トルクまたは回転子の位置が制御される。なお、インバータ回路４は、スイッチング素子のオンオフ動作が適切にＰＷＭ制御されることにより、モータ３００で回生された交流電力を直流電力に変換して直流側のＤＣリンクへ戻すこともできる。

モータ駆動装置１００によるモータ３００の駆動開始前までに行われるＤＣリンクコンデンサ３の予備充電（初期充電）の際に発生し得る突入電流を防止するために、予備充電回路（初期充電回路）５が設けられる。予備充電回路５は、コンバータ回路２の直流出力側または交流入力側に設けられるが、図９に示す例では、一例としてコンバータ回路２の直流出力側に予備充電回路５が設けられる。

予備充電回路５は、スイッチ２１－１及び２１－２とこれらスイッチ２１－１及び２１－２に並列接続された予備充電抵抗２２とを有する。スイッチ２１－１及び２１－２の例としては、リレー、及び半導体スイッチング素子などがある。図示の例では、一例として２つのスイッチ２１－１及び２１－２が並列接続されるが、３つ以上のスイッチが並列接続されてもよい。並列接続された複数のスイッチ２１－１及び２１－２を、同時にクローズすることで大電流を各スイッチ２１－１及び２１－２に分散させて流すことができ、同時にオープンすることで大電流を遮断することができる。

モータ駆動装置１００の起動直後（電源投入直後）からモータ３００の駆動開始前までの予備充電期間中、スイッチ２１－１及び２１－２は、上位制御装置（図示せず）から受信したオープン指令に従って同時にオープン（オフ）する。予備充電期間中は、スイッチ２１－１及び２１－２は開状態を維持するので、コンバータ回路２から出力される電流は予備充電抵抗２２を介して充電電流としてＤＣリンクコンデンサ３へ流れ込み、ＤＣリンクコンデンサ３は充電（予備充電）される。このように、予備充電期間中は、コンバータ回路２から出力される電流は予備充電抵抗２２を流れるので、突入電流の発生を防ぐことができる。ＤＣリンクコンデンサが所定の充電電圧に達して予備充電が完了すると、スイッチ２１－１及び２１－２は、上位制御装置（図示せず）から受信したクローズ指令に従って同時にクローズ（オン）する。予備充電完了後、モータ３００の駆動が開始され、コンバータ回路２から出力される電流は、クローズしたスイッチ２１－１及び２１－２を通じて、インバータ回路４及びＤＣリンクコンデンサ３へ向けて流れる。

スイッチ２１－１及び２１－２が実装された基板上の、スイッチ２１－１及び２１－２の各々の近傍には、温度センサ１１－１及び１１－２が設けられる。故障検出装置１は、予備充電回路５内の複数のスイッチ２１－１及び２１－２に、オープン故障が発生したスイッチが存在するか否かを判定する。

予備充電期間中は、スイッチ２１－１及び２１－２はオープン（オフ）しているので、スイッチ２１－１及び２１－２には電流は流れない。したがって、スイッチ２１－１～２１－ｎの近傍やこれらスイッチ２１－１～２１－ｎが実装された基板の温度変化は少なく、故障検出装置１内の検出部１２により検出される合成抵抗値の変化はほぼ無い。検出部１２は、温度センサ１１－１及び１１－２の合成抵抗値を検出し、判定部１３は、検出部１２により検出された合成抵抗値に基づいて故障判定処理を実行する。図３及び図４を参照して説明したように温度センサ１１－１及び１１－２がＰＴＣサーミスタからなる場合は、第１の閾値Ｒ_th1は全てのスイッチ２１－１及び２１－２が正常である場合における合成抵抗値よりも大きな値に設定されるので、判定部１３は、検出部１２により検出された合成抵抗値が第１の閾値Ｒ_th1を上回ったとは判定せず、したがってオープン故障発生とは判定しない。図５及び図６を参照して説明したように温度センサ１１－１及び１１－２がＮＴＣサーミスタからなる場合は、第２の閾値Ｒ_th2は全てのスイッチ２１－１及び２１－２が正常である場合における合成抵抗値よりも小さな値に設定されるので、判定部１３は、検出部１２により検出された合成抵抗値が第２の閾値Ｒ_th2を下回ったとは判定せず、したがってオープン故障発生とは判定しない。

予備充電完了後、上位制御装置（図示せず）は、スイッチ２１－１及び２１－２に対してクローズ指令を出力する。

クローズ指令に従ってスイッチ２１－１及び２１－２のいずれについても正常にクローズした場合は、コンバータ回路２から出力された電流は、クローズしたスイッチ２１－１及び２１－２に分散して流れる。したがって、スイッチ２１－１～２１－ｎの近傍やこれらスイッチ２１－１～２１－ｎが実装された基板の温度変化は少なく、故障検出装置１内の検出部１２により検出される合成抵抗値の変化はほぼ無い。図３及び図４を参照して説明したように温度センサ１１－１及び１１－２がＰＴＣサーミスタからなる場合は、判定部１３は、検出部１２により検出された合成抵抗値が第１の閾値Ｒ_th1を上回ったとは判定せず、したがってオープン故障発生とは判定しない。図５及び図６を参照して説明したように温度センサ１１－１及び１１－２がＮＴＣサーミスタからなる場合は、判定部１３は、検出部１２により検出された合成抵抗値が第２の閾値Ｒ_th2を下回ったとは判定せず、したがってオープン故障発生とは判定しない。

一方、スイッチ２１－１及び２１－２の全てに対してクローズ指令を行ったにもかかわらず、スイッチ２１－１及び２１－２のうち少なくとも１つのスイッチがクローズせずにオープンのままとなるオープン故障が発生した場合は、クローズ指令に従い正常にクローズしたスイッチに電流が集中して流れて、異常過熱が発生する。これにより、異常過熱したスイッチの近傍に設けられた温度センサの抵抗値が大きく変化する。図３及び図４を参照して説明したように温度センサ１１－１及び１１－２がＰＴＣサーミスタからなる場合は、判定部１３は、検出部１２により検出された合成抵抗値が第１の閾値Ｒ_th1を上回ったと判定し、したがってオープン故障発生と判定する。図５及び図６を参照して説明したように温度センサ１１－１及び１１－２がＮＴＣサーミスタからなる場合は、判定部１３は、検出部１２により検出された合成抵抗値が第２の閾値Ｒ_th2を下回ったとは判定し、したがってオープン故障発生と判定する。

このように、故障検出装置１は、並列駆動される複数のスイッチ２１－１及び２１－２を有する予備充電回路５において、少なくとも１つについてオープン故障が発生したことを検出することができる。

故障検出装置１内の判定部１３による故障判定結果は、例えば表示部に表示させてもよく、あるいは、例えば音声、スピーカ、ブザー、チャイムなどのような音を発する音響機器にて出力させてもよい。また、故障検出装置１内の判定部１３による故障判定結果に基づいて、モータ駆動装置１００を緊急停止させたり、モータ駆動装置１００が設けられた機械に異常回避動作を行わせるようにしてもよい。

なお、故障検出装置１は、上述したような予備充電回路５に限らず、並列駆動される複数のスイッチを有する回路のオープン故障発生を検出することができる。

例えば、図９に示すように交流電源２００が三相である場合は、これに対応して電磁接触器６も三相分の接点回路を有し、これら接点回路は並列駆動される。接点回路の三相の各々の近傍に温度センサを設け、これら温度センサを互いに電気的に直列接続し、さらに上述した検出部１２及び判定部１３を構成することで、電磁接触器６内の接点間のオープン故障発生を検知することができる故障検出装置１を構成することができる。

また例えば、図９に示すモータ駆動装置１００内に、モータ３００を停止させるためのダイナミックブレーキ回路（図示せず）が設けられることがある。ダイナミックブレーキ回路は、モータ３００の入力端子間に設けられるリレーと、これに直列に接続されたダイナミックブレーキ抵抗とからなる。ダイナミックブレーキをかける際には、モータ３００への駆動電力の供給を遮断した上で、リレーを閉成してモータ３００の入力端子間（モータ巻線の相間）を短絡する。モータ３００は電源から電気的に切り離されても界磁磁束が存在し、惰性により回転しているモータ３００は発電機として働くため、これにより発生した電流は閉成されたリレーを介してダイナミックブレーキ抵抗に流れ込み、モータ３００に減速トルクが発生する。ダイナミックブレーキ回路内のリレーの各々の近傍に温度センサを設け、これら温度センサを互いに電気的に直列接続し、さらに上述した検出部１２及び判定部１３を構成することで、ダイナミックブレーキ回路内のスイッチのオープン故障発生を検知することができる故障検出装置１を構成することができる。

また例えば、図９に示すモータ駆動装置１００内のインバータ回路４には複数の半導体スイッチング素子が設けられる。また、コンバータ回路２が１２０度通電方式整流器及びＰＷＭスイッチング制御方式整流器である場合は、コンバータ回路２内にも複数の半導体スイッチング素子が設けられる。これら半導体スイッチング素子の各々の近傍に温度センサを設け、これら温度センサを互いに電気的に直列接続し、さらに上述した検出部１２及び判定部１３を構成することで、インバータ回路４内やコンバータ回路２内の半導体スイッチング素子のオープン故障発生を検知することができる故障検出装置１を構成することができる。

１故障検出装置
２コンバータ回路
３ＤＣリンクコンデンサ
４インバータ回路
５予備充電回路
６電磁接触器
１１、１１－１～１１－ｍ温度センサ
１２検出部
１３判定部
２０基板
２１、２１－１～２１－ｎスイッチ
２２予備充電抵抗
２３各種部品
１００モータ駆動装置
２００交流電源
３００モータ

Claims

電流経路上における導通と非導通とが選択的に切り替えられるスイッチの故障を検出する故障検出装置であって、
温度変化に応じて端子間の抵抗値が変化する温度センサであって、互いに並列接続された少なくとも２つの前記スイッチの近傍に設けられ、互いに電気的に直列接続された少なくとも２つの温度センサと、
前記少なくとも２つの温度センサの合成抵抗値を検出する検出部と、
前記合成抵抗値に基づき、前記スイッチのうち少なくとも１つが故障したと判定する判定部と、
を備える、故障検出装置。
前記少なくとも２つの温度センサの各々は、温度上昇に伴い抵抗値が増加するＰＴＣサーミスタであり、
前記判定部は、前記合成抵抗値が予め規定された第１の閾値を上回った場合、前記スイッチのうち少なくとも１つが故障したと判定する、請求項１に記載の故障検出装置。
前記少なくとも２つの温度センサの各々は、温度上昇に伴い抵抗値が低下するＮＴＣサーミスタであり、
前記判定部は、前記合成抵抗値が予め規定された第２の閾値を下回った場合、前記スイッチのうち少なくとも１つが故障したと判定する、請求項１に記載の故障検出装置。
前記スイッチは、リレーである、請求項１～３のいずれか一項に記載の故障検出装置。
前記スイッチは、半導体スイッチング素子である、請求項１～３のいずれか一項に記載の故障検出装置。
前記スイッチは、電磁接触器である、請求項１～３のいずれか一項に記載の故障検出装置。
請求項１～６のいずれか一項に記載の故障検出装置と、
交流電源から入力された交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータ回路と、
前記コンバータ回路の直流出力側であるＤＣリンクに設けられるＤＣリンクコンデンサと、
前記ＤＣリンクにおける直流電力を、モータ駆動のための交流電力に変換して出力するインバータ回路と、
前記スイッチと前記スイッチに並列接続された予備充電抵抗とを有し前記ＤＣリンクコンデンサの予備充電時における突入電流を防止するための予備充電回路と、
を備える、モータ駆動装置。