JP2003274551A

JP2003274551A - 絶縁状態監視システム

Info

Publication number: JP2003274551A
Application number: JP2002072862A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamanaka; 博史山中
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2003-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】電源周波数が広範囲に変動する場合であっても
ノイズを確実に除去することができて絶縁劣化の進行を
高精度に検出できるようにする。【解決手段】三相交流主回路１に、零相電流から不平衡
電流を検出する零相変流器１３と電源周波数を検出する
変圧器１２とを配設し、零相変流器１３で検出した不平
衡電流成分信号を低域通過フィルタ１６を通過させるこ
とで高調波ノイズを除去し、その後、ブリッジドＴ形を
備える自動同調式帯域通過フィルタ１９に出力し、不平
衡電流成分信号と電源周波数信号とが合算された信号を
ろ波する。このフィルタ１９には変圧器１２で検出した
電源周波数成分が負帰還されるため、通過周波数帯域の
中心周波数が電源周波数に同調されるので、迷走電流に
よるノイズが除去され、電源周波数に対応した周波数の
漏電成分のみの信号を出力させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、零相変流器で検出
した不平衡電流と、負荷へ供給する電源周波数とに基づ
いて、主回路及び負荷の絶縁劣化の進行状態を監視する
絶縁状態監視システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の絶縁状態監視システムで
は、ＡＣサーボモータ等の負荷に電力を供給する主回路
を構成する三相の導体を一まとめの一次導体として零相
電流を検出する零相変流器を設け、この零相変流器で主
回路を流れる零相電流から相間電流の不平衡を検出し、
検出した不平衡電流に基づき漏電の有無を監視する技術
が知られている。

【０００３】しかし、検出した不平衡電流にはノイズが
含まれているため、このままの状態で漏電の有無を判定
すると誤判定を引き起こす可能性がある。そのため、一
般的には、検出した不平衡電流を各種フィルタを通過さ
せてろ波し、必要な成分のみを取り出すことで、検出精
度を高めるようにしている。

【０００４】例えば、特開平８-３０６２９７号公報に
は、零相変流器で検出した不平衡電流を減衰特性の異な
る複数の低域通過フィルタ、或いはカットオフ周波数の
異なる低域通過フィルタに入力させ、この各低域通過フ
ィルタと漏電判定回路とを切換スイッチを介して選択的
に接続することで、負荷に対応する制御周波数に応じた
漏れ電流を検出するようにした技術が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＡＣサーボ
モータ等の負荷へ供給する電源の周波数は、その制御特
性から、回転数制御、トルク制御により数十〜数百Ｈｚ
の間で変化する。

【０００６】しかし、上述した公報に開示されている技
術では、複数の低域通過フィルタを選択的に切換えてろ
波するようにしているため、周波数が広範囲に変動する
場合には対応することができず、希望の信号成分を取り
出すことが困難になる。

【０００７】本発明は、上記事情に鑑み、簡単な構成な
がら、電源周波数が広範囲に変動する場合であっても、
ノイズを確実に除去することができて絶縁劣化の進行を
高精度に検出することの可能な絶縁状態監視システムを
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明による絶縁状態監視システムは、交流電源と負荷
とを接続する主回路に結合されて該主回路を流れる零相
電流から不平衡電流を検出して不平衡電流成分信号を出
力する零相変流器と、上記負荷に供給される電源周波数
を検出して該電源周波数に比例する電源周波数信号を出
力する周波数検出手段と、上記零相変流器から出力され
る上記不平衡電流成分信号をろ波する低域通過フィルタ
と、上記電源周波数信号に同調させて通過周波数帯域を
設定し上記低域通過フィルタでろ波された上記不平衡電
流成分信号を上記通過周波数帯域を基準として更にろ波
する自動同調式帯域通過フィルタと、上記自動同調式帯
域通過フィルタから出力される信号に基づいて漏電の有
無を検出する論理演算手段とを備えることを特徴とす
る。

【０００９】このような構成では、零相変流器から出力
される、主回路を流れる不平衡電流に対応する電流信号
は、低域通過フィルタを通過する際に、高調波ノイズが
除去され、その後、自動同調式帯域通過フィルタを通過
させて更にろ波される。自動同調式帯域通過フィルタ
は、負荷に供給される電源周波数を検出する周波数検出
手段から出力される当該電源周波数に比例する電源周波
数信号に同調して通過周波数帯域が設定されているた
め、高調波ノイズの除去された不平衡電流成分信号は、
自動同調式帯域通過フィルタを通過する際に、他の機器
からの回り込み等により混入される迷走電流によるノイ
ズは除去される。

【００１０】この場合、好ましくは、１）上記周波数検
出手段は、上記電源周波数を制御するサーボアンプ内部
の発信回路から出力される信号に基づいて上記電源周波
数を検出することを特徴とする。

【００１１】２）上記周波数検出手段は、検出した周波
数を電圧に変換する周波数電圧変換器と、該周波数電圧
変換器で変換した電圧を強度変調して出力する発光素子
と、該発光素子からの光を受光して光量に応じた電圧に
変換する受光素子とを備えることを特徴とする。

【００１２】３）上記論理演算手段は、上記自動同調式
帯域通過フィルタから出力される信号に基づき経時変化
を１マシンサイクル毎にファイル化して蓄積することを
特徴とする。

【００１３】４）上記論理演算手段が通信網を介してコ
ンピュータ端末に接続され、該コンピュータ端末にて上
記論理演算手段に格納されているデータに基づき絶縁劣
化状態を一括監視することを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の一
実施の形態を説明する。図１に絶縁状態監視システムの
全体構成図、図２に絶縁状態監視システムの要部回路図
を示す。

【００１５】同図の符号１は三相交流主回路であり、こ
の三相交流主回路１を介してＡＣサーボアンプ２と、負
荷としてのＡＣサーボモータ３とが接続され、更に、こ
の三相交流主回路１にはＡＣサーボアンプ２を介して三
相交流電源４が接続されている。

【００１６】ＡＣサーボアンプ２は、三相交流電源４を
一旦直流電源に変換した後、制御装置５からの起動信号
に基づき、内蔵されているインバータ回路（図示せず）
にて所定周波数の３相交流電圧に変換してＡＣサーボモ
ータ３へ出力するものである。尚、ＡＣサーボモータ３
の駆動対象が、３軸制御ＮＣ工作機械等、Ｘ軸、Ｙ軸、
Ｚ軸の３方向を駆動制御する場合は、各軸に対応して３
種のＡＣサーボモータ３が設けられている。

【００１７】又、主回路１に、周波数検出手段としての
変圧器１２の１次側が接続されていると共に、二次巻線
１３ａを巻回する零相変流器（ＺＣＴ：Zero Phase-se
aquence Current Transformers）１３が貫通されてい
る。

【００１８】変圧器１２は、主回路１に通電される電源
周波数を所定に降圧した定電圧信号として検出するもの
で、一方、零相変流器１３は、主回路１を流れる零相電
流から不平衡電流を検出するものである。

【００１９】この変圧器１２の二次巻線１２ａと、零相
変流器１３の二次巻線１３ａとが、ＡＣサーボモータ絶
縁監視ユニット（ＺＭＴ）１４に接続されている。

【００２０】ＺＭＴ１４はＡＣサーボモータ３の漏れ電
流成分を選別、増幅して、アナログ電圧信号に変換する
もので、図２に示すように、変圧器１２の二次巻線１２
ａに、変圧器で降圧した低電圧信号の周波数を直流電圧
信号に変換する周波数電圧（f-v）変換器１５が接続さ
れている。一方、零相変流器１３の二次巻線１３ａに、
零相変流器１３で検出した不平衡電流を電圧に変換する
検出用抵抗ｒ１が並列接続されていると共に、この検出
用抵抗ｒ１で変換した信号（以下「不平衡電流成分信
号」と称する）から高調波ノイズを除去する低域通過フ
ィルタ１６が接続されている。尚、本実施の形態による
低域通過フィルタ１６は、入力側抵抗ｒ２とコンデンサ
ｃ１とを有するＣＲフィルタで構成されている。

【００２１】一方、f-v変換器１５の出力側に発光素子
１７が接続されており、この発光素子１７からは、f-v
変換器１５から出力される直流電圧信号に応じた強度の
光が出力される。更に、発光素子１７に、この発光素子
１７から出射された光を電源周波数信号に光電変換する
受光素子１８が対設されている。従って、この発光素子
１７と受光素子１８とは電気的に絶縁されており、電気
的ノイズの混入が防止される。

【００２２】又、低域通過フィルタ１６に自動同調式帯
域通過フィルタ１９が接続されている。この自動同調式
帯域通過フィルタ１９として、本実施の形態は、ブリッ
ジドＴ形帯域通過フィルタを採用している。この自動同
調式帯域通過フィルタ１９のブリッジドＴ形の回路は、
直列接続された一対のコンデンサｃ２，ｃ３と、この直
列回路の両端に接続された抵抗ｒ５と、両コンデンサｃ
２，ｃ３間の接続点Ｐｔに接続されている不平衡電流成
分信号入力用抵抗ｒ３と電源周波数入力用抵抗ｒ４とで
構成されており、直列接続されたコンデンサｃ２，ｃ３
が演算増幅器ＯＰ１の反転入力端に負帰還接続されてい
る。又、演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端が接地されて
いる。そのため基準電圧は０Ｖである。

【００２３】又、不平衡電流成分信号入力用抵抗ｒ３に
低域通過フィルタ１６が接続され、一方、電源周波数入
力用抵抗ｒ４に、受光素子１８が接続されている。接続
点Ｐｔでは、不平衡電流成分信号入力用抵抗ｒ３を介し
て入力される低域通過フィルタ１６からの信号（電圧）
と、電源周波数入力用抵抗ｒ４を介して入力される受光
素子１８からの信号（電圧）とが加算される。受光素子
１８からの信号は、電源周波数信号であるため、演算増
幅器ＯＰ１の出力端から出力される電圧値の中心周波数
は、電源周波数に同調した値とすることができる。

【００２４】又、演算増幅器ＯＰ１の出力端が、反転増
幅器２０の抵抗ｒ６を介して増幅器ＯＰ２の反転入力端
に接続され、更に、この抵抗ｒ６と反転入力端との間
に、直列接続された可変抵抗ｒ７、抵抗ｒ８が負帰還接
続されている。又、この増幅器ＯＰ２の非反転入力端が
接地されているため、基準電圧は０Ｖとなる。

【００２５】増幅器ＯＰ２の反転入力端には、抵抗ｒ６
と可変抵抗ｒ７及び抵抗ｒ８とで分圧された電圧が入力
されるため、出力端からは抵抗ｒ６と可変抵抗ｒ７及び
抵抗ｒ８とによって設定された増幅率で増幅された電圧
が出力される。尚、この増幅率は可変抵抗ｒ７により調
整することができるため、後述する比較判定ユニット２
３への出力レベルの調整が容易になる。

【００２６】一方、増幅器ＯＰ２の出力端がコンデンサ
ｃ４を介して比較判定ユニット２３に接続されている。
図１に示すように、比較判定ユニット２３はA-D変換器
２４と論理演算手段としてのＰＬＣ（Programmable log
ic controller ）２５とで構成されており、増幅器ＯＰ
２から出力されたアナログデータの電圧値が、A-D変換
器２４を介してデジタルデータに変換された後、ＰＬＣ
２５でデジタル変換された電圧値に基づき電流値を演算
し、演算した電流値を数値データとして保存すると共
に、経時変化をグラフ化して表示する画像データを作成
する。

【００２７】更に、このＰＬＣ２５が構内ＬＡＮ(Local
Area Network)等の通信網２６を介して監視室等に設置
されているコンピュータ端末２８に接続されており、こ
のコンピュータ端末２８にて、ＰＬＣ２５で演算したデ
ータを読込み、表示させることで、構内施設内に複数の
工作機械が設置されている場合であっても、各々の絶縁
劣化の進行状態を一括監視することができる。

【００２８】次に、このような構成による絶縁状態監視
システム１１の動作について説明する。

【００２９】主回路１或いはＡＣサーボモータ３の絶縁
劣化が進行すると、各相間のアンバランスにより零相変
流器１３の二次巻線１３ａに不平衡電流が発生する。す
ると、検出用抵抗ｒ１の両端に不平衡電流に比例する電
圧Ｖｉｎが発生する。

【００３０】図５に示すように、零相変流器１３で検出
する不平衡電流は、周期の短い矩形波（パルス波）の連
続で、周期的なうねりが存在する。図６に示すように、
この波形の時間軸を延ばすと、波形よりも長いうねりが
存在することが解る。このうねりが電源周波数（例えば
５０Ｈｚ）成分の漏れ電流であり、以降の回路におい
て、このうねりを抽出し、このうねりの度合いから絶縁
劣化の進行状態を判定する。

【００３１】先ず、上述した不平衡電流成分信号をＣＲ
フィルタで構成されている低域通過フィルタ１６を通過
させ、この不平衡電流成分信号の基底信号（数ＫＨｚ）
から高調波ノイズを除去する。

【００３２】一方、変圧器１２の二次巻線１２ａからは
所定に降圧された低電圧の周波数信号が検出されてお
り、この信号を周波数電圧（ｆ−ｖ）変換器１５にて直
流電圧に変換し、発光素子１７から直流電圧信号に応じ
た強度の光を出力する。この発光素子１７から出力され
た光は、受光素子１８で受光されて、受光強度に応じた
電圧に変換され、自動同調式帯域通過フィルタ１９のブ
リッジドＴ型回路を構成する電源周波数入力用抵抗ｒ４
に出力される。この場合、発光素子１７と受光素子１８
とは電気的に絶縁されているため、電気的ノイズの混入
が防止される。

【００３３】一方、低域通過フィルタ１６にて高調波ノ
イズが除去された不平衡電流成分信号は、自動同調式帯
域通過フィルタ１９を構成する不平衡電流成分信号入力
用抵抗ｒ３に出力される。

【００３４】そして、両抵抗ｒ３，ｒ４から出力される
不平衡電流成分信号と電源周波数信号とは、接続点Ｐｔ
で合算されて、演算増幅器ＯＰ１の反転入力端へ出力さ
れる。

【００３５】この反転入力端には、電源周波数成分を含
む信号が負帰還されているため、通過周波数帯域の中心
周波数が電源周波数に自動的に同調される。従って、演
算増幅器ＯＰ１の出力端からは、電源周波数に対応した
周波数の漏電成分のみの信号が出力される。その結果、
自動同調式帯域通過フィルタ１９を通過させることで、
他の機器からの回り込み等により混入する迷走電流によ
るノイズが除去され、ＡＣサーボモータ３の駆動出力成
分のみの漏れ電流成分信号を検出することができる。

【００３６】尚、図７に、ＡＣサーボモータ３の運転条
件を、電源周波数５０Ｈｚで固定、運転速度を一定とし
た場合の、自動同調式帯域通過フィルタ１９で検出した
信号の波形を示す。

【００３７】このように、本実施の形態によれば、自動
同調式帯域通過フィルタ１９で設定される通過周波数帯
域の中心周波数を、電源周波数に同調させるようにした
ので、従来のように複数の低域通過フィルタを、電源周
波数に応じて選択的に切換える必要が無くなり、構造の
簡素化を実現することができると共に、電源周波数が広
範囲に変動する場合であっても、ノイズを確実に除去す
ることができ、絶縁劣化の進行状態をより高度に検出す
ることができる。

【００３８】そして、自動同調式帯域通過フィルタ１９
の演算増幅器ＯＰ１の出力端から出力された漏れ電流成
分信号は、増幅器ＯＰ２で直流の電圧信号に変換、増幅
されてた後、比較判定ユニット２３へ出力される。尚、
この増幅器ＯＰ２の増幅率は可変抵抗ｒ７により適正に
調整することができる。

【００３９】図１に示すように、比較判定ユニット２３
は、A-D変換器２４とＰＬＣ２５とで構成されており、A
-D変換器２４にてアナログ信号からデジタル信号に変換
された漏れ電流成分信号は、ＰＬＣ２５に入力され、こ
こで、漏れ電流検出値に変換されて１マシンサイクル毎
にファイル化して記憶すると共に、そのときのピーク値
が記憶される。

【００４０】図８に、ＰＬＣ２５で、漏れ電流を検知す
る際の１マシンサイクル毎のタイムスケジュールを例示
する。ＰＬＣ２５から制御装置５へ起動信号を出力して
ＡＣサーボモータ３を駆動させると、先ず、ＡＣサーボ
モータ３の駆動から所定時間ｔ１（例えば２ｓｅｃ）が
経過するまで測定を開始せず、所定時間ｔ１〜ｔ２（例
えば２ｓｅｃ〜１２ｓｅｃ）までの間、計測を行なう。
そして、その間の漏れ電流検出値を読込むと共に、測定
期間内のピーク値を算出し、図示しない記憶手段に記憶
する。その後、１マシンサイクルが終了したとき（時間
ｔ３）、測定を終了し、次回のＡＣサーボモータ３の起
動に備える。尚、このタイムスケジュールは、検出対象
となるＡＣサーボモータ３に応じて適宜変更することが
できる。

【００４１】このＰＬＣ２５に格納されている漏れ電流
検出値データ及びピーク値データは、適宜に読出して、
表示器２７等にリアルタイムに表示させることができる
と共に、漏れ電流検出値の経時変化も表示させることが
できる。

【００４２】又、ＰＬＣ２５と監視室等に設置されてい
るコンピュータ端末２８とが構内ＬＡＮ等の通信網２６
を介して接続されているため、ＰＬＣ２５に格納されて
いるデータは、このコンピュータ端末２８において読み
出し、併設する表示手段に表示させることで、構内施設
内に複数の工作機械が設置されている場合であっても、
各々の絶縁劣化の進行状態を一括監視することができ
る。

【００４３】図３に、表示器に表示される画像を例示す
る。同図には、３軸制御ＮＣ工作機械の各軸（Ｘ軸、Ｙ
軸、Ｚ軸）を駆動させる３種のＡＣサーボモータ３から
の漏れ電流検出値を個別に検出して、各々リアルタイム
に表示する３個のアナログ電流計と、その経時変化を表
示させる画面を選択する「経時変化表示画面へ」選択ボ
タンと、「実行値表示」選択ボタンと、「ピークホール
ド表示」選択ボタン等が表示される。

【００４４】各アナログ電流計に対応して配設されてい
る「経時変化表示画面へ」選択ボタンをクリックする
と、図４に示すように、ＰＬＣ２５で検出した、対応す
るＡＣサーボモータ３の漏れ電流検出値の経時変化が表
示される。監視者は、表示器に表示されている経時変化
を視認することで、絶縁劣化の進行状況を予測し、予知
保全を行なう。

【００４５】尚、本発明は上述した実施の形態に限るも
のではなく、例えば、電源周波数はサーボアンプ２に内
蔵されている発振回路から信号を取り出して検出するよ
うにしても良い。電源周波数をサーボアンプ２から直接
検出することで、変圧器１２が不要となり構造をより簡
素化することができると共に、検出精度を高めることが
できる。又、ＰＬＣ２５で検出した漏れ電流検出値を積
分処理する等して、予知保全を自動的に行なうようにし
ても良い。

【００４６】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
簡単な構成ながら、電源周波数が広範囲に変動する場合
であっても、ノイズを確実に除去することができて絶縁
劣化の状態を高精度に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】絶縁状態監視システムの全体構成図

【図２】絶縁状態監視システムの要部回路図

【図３】表示器に表示されたリアルタイム表示画面の説
明図

【図４】表示器に表示された経時変化表示画面の説明図

【図５】零相変流器１３で検出した不平衡電流の波形図

【図６】図５の波形を時間軸を延ばして表示した波形図

【図７】自動同調式帯域通過フィルタから出力される信
号の波形図

【図８】プログラマブルロジックコントローラで検出し
た漏れ電流の波形と測定期間との関係を示す説明図

【符号の説明】

１三相交流主回路４三相交流電源３サーボモータ（負荷）１３零相変流器１２変圧器（周波数検出手段）１５周波数電圧変換器１６低域通過フィルタ１７発光素子１８受光素子１９自動同調式帯域通過フィルタ２５ＰＬＣ（論理演算手段）２６通信網２７表示器２８コンピュータ端末

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G014 AA16 AB02 AC19 2G015 AA30 BA10 CA20 5G058 BB02 BC01 CC02 5H575 AA19 BB07 DD03 JJ03 JJ26 KK06 LL22 LL24 LL44 LL45 LL50 MM01 MM11 PP03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流電源と負荷とを接続する主回路に結合
されて該主回路を流れる零相電流から不平衡電流を検出
して不平衡電流成分信号を出力する零相変流器と、上記負荷に供給される電源周波数を検出して該電源周波
数に比例する電源周波数信号を出力する周波数検出手段
と、上記零相変流器から出力される上記不平衡電流成分信号
をろ波する低域通過フィルタと、上記電源周波数信号に同調させて通過周波数帯域を設定
し上記低域通過フィルタでろ波された上記不平衡電流成
分信号を上記通過周波数帯域を基準として更にろ波する
自動同調式帯域通過フィルタと、上記自動同調式帯域通過フィルタから出力される信号に
基づいて漏電の有無を検出する論理演算手段と、を備え
ることを特徴とする絶縁状態監視システム。
【請求項２】上記周波数検出手段は、上記電源周波数を
制御するサーボアンプ内部の発信回路から出力される信
号に基づいて上記電源周波数を検出することを特徴とす
る請求項１記載の絶縁状態監視システム。
【請求項３】上記周波数検出手段は、検出した周波数を
電圧に変換する周波数電圧変換器と、該周波数電圧変換
器で変換した電圧を強度変調して出力する発光素子と、
該発光素子からの光を受光して光量に応じた電圧に変換
する受光素子とを備えることを特徴とする請求項１記載
の絶縁状態監視システム。
【請求項４】上記論理演算手段は、上記自動同調式帯域
通過フィルタから出力される信号に基づき経時変化を１
マシンサイクル毎にファイル化して蓄積することを特徴
とする請求項１〜３の何れかに記載の絶縁状態監視シス
テム。
【請求項５】上記論理演算手段が通信網を介してコンピ
ュータ端末に接続され、該コンピュータ端末にて上記論
理演算手段に格納されているデータに基づき絶縁劣化状
態を一括監視することを特徴とする請求項４記載の絶縁
状態監視システム。