JP2005300412A

JP2005300412A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2005300412A
Application number: JP2004119117A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Matsui; 孝行松井; Takeyoshi Ando; 武喜安藤; Yoshikiyo Kashiwamura; 吉清柏村; Iku Mikami; 幾三上
Original assignee: Hitachi Building Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Building Systems Co Ltd
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】電動機の対地絶縁抵抗が経年劣化あるいは使用環境によって絶縁劣化して地絡状態になり、絶縁抵抗が非常に小さくなっても、安全に絶縁診断できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】多相交流電源１から電動機５に可変電圧・可変周波数の電圧を給電する電力変換器３と、この電力変換器３の電源を用いて電動機５の対地間絶縁を診断する絶縁診断手段とを備えた電力変換装置において、前記絶縁診断手段１０を、前記多相交流電源１の接地されていない相から前記電動機５に給電して対地間絶縁を流れる最大電流を抑制する限流手段１２と、この限流手段１２を流れる電流を検出する電流検出手段１３、１４とから構成し、かつ、前記絶縁診断手段１０を前記電力変換器３と並列に設けた構成。
【選択図】図１

Description

本発明は電力変換器で駆動される電動機の巻線の絶縁劣化を診断する電力変換装置に関するものである。

エレベータやエスカレータおよびポンプ、ファンの駆動に用いられる電動機は、高効率な運転を目的にインバータが適用されてきている。一方、電動機は使用環境（稼働時間、温度、湿度、塵埃等）によって、絶縁劣化の進行がばらつき寿命が一律でない。そこで、これらの機器に対しては保全を行うことが有効であり、適時の絶縁診断に基づく絶縁回復の修理あるいは交換によって省資源化が図られている。この保全に当たっては、インバータで駆動されている機器の停止時間をできるだけ短縮すること、さらに使用環境に応じた診断の時期が把握できることが要求されている。

従来提案されている装置としては、電力ケーブルを電源から切り離し、直流電圧発生装置を用いてケーブル導体と対地間に印加して漏れ電流を測定していたのでは、絶縁診断に付帯する作業が多く、能率が悪いということから、インバータの直流電圧を用いてケーブル導体に直流を印加して絶縁診断を行うもの（特許文献１参照）が開示されている。

また、他の装置としては、インバータ装置の半導体素子を利用し、直流電圧を電気設備と対地間に印加してインバータ装置の直流電圧および直流電流を測定して電気設備の絶縁抵抗を求めるもの（特許文献２参照）が開示されている。

図８は、この特許文献２に開示された従来のインバータ装置を用いた絶縁抵抗を測定する回路構成図で、誘導電動機（以下単に電動機という）をインバータ駆動する場合を示している。

図８において、１はインバータ装置の動力電源用の変圧器、２は整流器、３は電力変換器であり、整流器２は、商用３相交流を直流電圧に整流し、電力変換器３は直流電圧から可変電圧・可変周波数の交流電圧を生成する。５は診断の対象である電動機、６は電動機のフレームおよび固定子鉄心の接地線、７は電動機の巻線と巻線が収納される固定子鉄心間の絶縁が劣化して生成される部分的な短絡回路であり、この短絡回路７が経年あるいは使用環境および課電される電圧によって地絡して焼損する。

この問題を解決するため、この開示された従来装置では、直流回路の一端を接地線２０で接地し、直流回路の電流を検出する検出器２１と直流電圧を計測する電圧計２２を設け、電力変換器３の一方の側（ここでは上側のアーム）を構成する半導体を導通状態にして直流電圧を電動機５に印加し、この時の直流電流と電圧から電動機５の対地間絶縁抵抗を計測するようにしている。
特開平５−１３３９９６号公報（段落番号０００５、０００６）特許第３０９９５４５号公報（段落番号００１０）

上記従来技術では、電動機の対地絶縁抵抗が比較的高く健全な場合には、主回路を構成する半導体素子は破損しないが、電動機が経年劣化あるいは使用環境によって絶縁劣化して地絡状態になると、絶縁抵抗が非常に小さくなり、主回路を構成する半導体で直流回路の電圧を短絡することになり、過大な電流が流れて破損するという問題があった。また、直流回路を流れる電流は通常の運転状態では最大で数百Ａ位であるのに対して、絶縁抵抗計測時の電流は数ｍＡオーダであり、電流検出が２種類あるいは過大電流による検出部の磁気飽和を対策することが必要になる。さらに、漏れ電流を検出する電流検出器は、数ｍＡ位の電流を検出するため、電流検出器の電子回路部分の温度ドリフトおよびオフセット量を充分小さく調整することが必要となる。低ドリフト、低オフセットの電流検出器は高価になるという問題があった。

本発明の目的は、電動機の対地絶縁抵抗が経年劣化あるいは使用環境によって絶縁劣化して地絡状態になり、絶縁抵抗が非常に小さくなっても、安全に絶縁診断できる電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、多相交流電源から電動機に可変電圧・可変周波数の電圧を給電する電力変換器と、この電力変換器の電源を用いて電動機の対地間絶縁を診断する絶縁診断手段とを備えた電力変換装置において、前記絶縁診断手段を、前記多相交流電源の接地されていない相から前記電動機に給電して対地間絶縁を流れる最大電流を抑制する限流手段と、この限流手段を流れる電流を検出する電流検出手段とから構成し、かつ、前記絶縁診断手段を前記電力変換器と並列に設けた構成にしてある。

このようにすると、接地された電源と電動機の絶縁劣化した部分を流れる電流は、単相の電流であり、その最大電流は線間電圧あるいは相電圧を限流抵抗値で割った大きさに制限される。従って、所定のサイクル毎の最大電流値と最小電流値の差分（変化分）を検出することで電流検出手段のオフセットあるいはドリフトの影響を排除して検出することができる。さらに、絶縁診断手段を電力変換器と並列に設けているので、絶縁診断手段を切り離さずに運転することが出来る。

本発明によれば、接地された電源と電動機の絶縁劣化した部分を流れる電流は、単相電流であり、その最大電流は線間電圧あるいは相電圧を限流抵抗値で割った大きさに制限される。従って、所定のサイクル毎の最大電流値と最小電流値の差分（変化分）を検出することで電流検出手段のオフセットあるいはドリフトの影響を排除して検出することができる。さらに、絶縁診断手段に流れる最大電流は直流回路の電圧を限流抵抗で割った大きさに制限されるので、絶縁診断手段を切り離さずに電動機を運転することが出来る効果がある。

以下、本発明に係る電力変換装置の実施形態を図に基づいて説明する。

図１は本発明の電力変換装置の一実施形態を示す回路構成図、図２は図１に示されている絶縁診断手段の具体的な実施形態を示す回路構成図、図３は図２に示す絶縁診断手段の一実施形態による漏れ電流の電気的特性を示す特性図、図４は図２に示す絶縁診断手段の一実施形態に用いる電流検出器の電気的特性を示す特性図、図５は図１の絶縁診断手段の他の実施形態を示す回路構成図、図６は図５の実施形態に用いる発光ダイオードの電気的特性を示す特性図、図７は本発明の電力変換装置の他の実施形態を示す回路構成図である。

図１において、１は多相交流電源からなる動力電源用の変圧器、２は整流器、３は電力変換器であり、整流器２は、商用３相交流を直流電圧に整流し、電力変換器３は直流電圧から可変電圧・可変周波数の交流電圧を生成する。動力電源用の変圧器１は１相あるいは中性点が接地線４を介して接地されている。５は診断の対象である電動機、６は電動機のフレームおよび固定子鉄心の接地線、７は電動機の巻線と巻線が収納される固定子鉄心間の絶縁が劣化して生成される部分的な短絡回路、８は電力変換器３の制御装置、９はセンタ装置であり、１０は短絡回路７の状態を診断する絶縁診断手段である。

図２は本発明の絶縁診断手段１０の具体的な実施形態を示す回路構成図であり、図２において、１１は開放手段、１２は限流手段、１３は前記限流手段１２を流れる電流を検出する電流検出手段の一実施例を示す電流検出器である。開放手段１１は変圧器１と整流器２とを結ぶ１相に回線１０２を介して接続され、一方、制御装置５からの診断可否指令信号を回線１０４を介して受け、開放あるいは接続を行うようになっている。電流検出器１３は限流手段１２を流れる電流を検出して制御装置５に信号線１０５を介してこの検出量を出力する。回線１０３は電流を電動機へと流すようになっている。

以下、一実施形態の動作について図1、図２を用いて説明する。開放手段１１が閉じている時、限流手段１２に流れる電流の大きさは、動力電源用の変圧器１−切流手段１２−電流検出器１３−接続線１０３−電動機５の巻線−短絡回路７−接地線６−接地線４の回路が形成され、短絡回路７の状態に応じた漏れ電流が流れる。通常、この短絡回路７は経年あるいは使用環境および電力変換器３の出力電圧で課電され、部分放電しながら劣化が徐々に成長しながら、最終的には完全に地絡して焼損する。

図３は本発明の絶縁診断手段１０の一実施形態による漏れ電流の電気的特性を示す特性図で、縦軸に漏れ電流、横軸に合成抵抗値を示している。漏れ電流の大きさ２０１は限流手段１２の抵抗値と短絡回路７の絶縁抵抗値の合成抵抗値に逆比例して流れる。実際には、短絡回路７の抵抗はその時々の環境に依存して変動し、電流検出器１３の出力も変化する。

図４は本発明の絶縁診断手段１０の一実施形態に用いる電流検出器１３の電気的特性を示す特性図で、縦軸に電圧、横軸に漏れ電流を示してある。この漏れ電流の大きさを電圧２０２に変換して信号線１０５を介して出力する。更に、本実施形態では、制御装置８によって前記電流検出器１３の出力信号の最大値と最小値の偏差を演算し、漏れ電流の最大値と最小値の差分を求めている。このようにすると、電流検出器１３のオフセット（直流成分）の影響を排除できる。さらに数サイクルの平均値を演算することで電流検出器１３のドリフト（交流成分）を除去して漏れ電流を検出することができる。この電流検出器１３で検出された漏れ電流の大きさを何段階かの基準値を予め経験から定めておき、基準値を超えた時に、制御装置８を介して電動機５の保全が必要なことをセンタ装置９に配信し、必要な場合、電力変換器３の働きを停止するようになっている。

また、本発明の一実施形態では、絶縁診断手段１０を電力変換器３と並列に設けて、継続的な絶縁診断を行えるようにしているので、経年あるいは使用環境の相異に応じた適時の保全を行うことができる。更に、絶縁診断手段１０には限流手段１２が設けてあるので、万一の不具合で開放手段１１が動作しない場合でも、電動機５の運転による短絡電流を数十ｍＡ以下に抑制でき、絶縁診断手段１０の影響を受けずに運転が可能である。また、絶縁診断手段１０の側では、電動機５の運転中は絶縁診断手段に流れる電流を理論的に推定できるので、この期間の検出を除外して診断することも可能であり、安全に診断することが出来る。

図５は本発明の絶縁診断手段１０の他の実施形態を示す回路構成図で、１１は開放手段、１２は限流手段、１４は発光ダイオード回路、１５は発光ダイオード１６の光度に反応して信号を出力する受光手段である。開放手段１１は整流器２の一端に回線１０２で接続され、制御装置５からの診断可否指令信号を回線１０４により受け、開放あるいは接続を行う。前記発光ダイオード回路１４は発光ダイオード１６に逆電圧が印加されないようにダイオードブリッジで駆動回路が作られ、発光ダイオード１６の最大許容電流以下になるように限流手段１２を設定している。

図６は図５の実施形態に用いる発光ダイオード１６の電気的特性を示す特性図で、縦軸に光度、横軸に漏れ電流を示す。発光ダイオード１６の光度２０３が所定値以上になると、受光手段１５が検出信号として信号線１０５を介して制御装置８に出力する。発光ダイオード１６の電流の大きさは限流手段１２の抵抗値と短絡回路７の絶縁抵抗値の合成抵抗値に逆比例して流れる。また、前記電流検出器１３を用いないで、漏れ電流を光に変換しているので、電流検出器１３のオフセット（直流成分）の影響、ドリフト（交流成分）の問題がない。更に、部分放電による単発的な現象を検出することが出来る。また、発光ダイオード１６の光度に対して何段階かの基準値を予め経験的から定めておき、基準値を超えた時に、制御装置８を介して電動機５の保全が必要なことをセンタ装置９に配信し、必要な場合、電力変換器３の働きを停止するようになっている。また、本実施形態では、電力変換装置の外部から前記発光ダイオード１６の光度が見えるようにすれば、電動機５の絶縁診断の状態を保守員が現地で目で確認することができる。

図７は本発明の電力変換装置の他の実施形態を示す回路構成図で、図１と同一符合は同一のものを示しており、絶縁診断手段１０の構成も同一物を用いることができるものである。

図１との相違点は、本実施形態では、動力電源用の変圧器１の一相を絶縁変圧器１７に接続して、絶縁診断用の単相交流電源を作り、一端を接続線１０２で絶縁診断手段１０に、他の一端を接地線１８で接地している点である。

この様に構成することにより、電圧を下げることができ、保守員が測定中に感電した時のダメージを軽減できるばかりか、変圧器１が接地されていないものへの適用を図ることができる。その他の効果に関しては、図１の場合と同様の効果を得ることができる。

なお、図１では、絶縁診断手段１０に直接交流電流を流すようにしたが、この絶縁診断手段１０と変圧器１との間に整流器を介在させ、半波整流の直流電流を流すようにしても同様の効果を得ることができる。また、絶縁検出手段１０は、予め装置に固定したものを例示したが、保守員が現地に持参して計測することもできる。

本発明の電力変換装置の一実施形態を示す回路構成図である。本発明の絶縁診断手段の具体的な実施形態を示す回路構成図である。本発明の絶縁診断手段の一実施形態による漏れ電流の電気的特性を示す特性図である。本発明の絶縁診断手段の一実施形態に用いる電流検出器の電気的特性を示す特性図である。本発明の絶縁診断手段の他の実施形態を示す回路構成図である。図5の実施形態に用いる発光ダイオードの電気的特性を示す特性図である。本発明の電力変換装置の他の実施形態を示す回路構成図である。従来のインバータ装置を用いた絶縁抵抗を測定する回路構成図である。

符号の説明

１多相交流電源
２整流器
３電力変換器
４、６、１８接地線
５電動機
７地絡回路
８制御装置
９センタ装置
１０絶縁診断手段
１１開放手段
１２限流手段
１３電流検出器
１４発光ダイオード回路
１５受光手段
１６発光ダイオード
１７絶縁変圧器

Claims

多相交流電源から電動機に可変電圧・可変周波数の電圧を給電する電力変換器と、この電力変換器の電源を用いて電動機の対地間絶縁を診断する絶縁診断手段とを備えた電力変換装置において、
前記絶縁診断手段を、前記多相交流電源の接地されていない相から前記電動機に給電して対地間絶縁を流れる最大電流を抑制する限流手段と、この限流手段を流れる電流を検出する電流検出手段とから構成し、かつ、前記絶縁診断手段を前記電力変換器と並列に設けたことを特徴とする電力変換装置。
前記電流検出手段を、電流検出器としたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記電流検出手段を、前記限流手段を流れる電流を発光ダイオードに給電して診断結果を明示するダイオード回路としたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記多相交流電源と前記絶縁診断手段との間に、前記多相交流電源から絶縁診断用の単相交流電源を創る変圧器を設け、この変圧器の一端を前記絶縁診断手段に、他の一端を接地線を介して接地するようにことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記絶縁診断手段に、絶縁診断を行わない期間前記電力変換器との並列接続を開放する開放手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力変換装置。
前記電力変換器を制御する制御装置に、前記電流検出器の出力信号を送信して、漏れ電流を検出させ、予め定めた基準値を超えた時、電動機の保守の必要なことをセンタ装置に配信するようにしたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。