JP2006271159A - 電動機巻線の絶縁破壊検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁破壊検知の時間を短かくし、感度を上げる。
【解決手段】 インバータからの電流が下限指令値と上限指令値との範囲内に収まるように電流ヒステリシス制御を行うヒステリシスコンパレータ制御手段（回路）と、ヒステリシス制御の繰り返し回数を計測する計測手段（回路）と、計測手段で取得したヒステリシス制御の繰返し回数の計測値と、正常時のヒステリシス制御の繰返し回数に基づき設定された閾値とを比較、閾値を超える場合、巻線の絶縁破壊が発生したと判定する判定手段（回路）とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は電動機巻線の絶縁破壊検出装置に関するものである。

従来技術として電動機巻線の短絡検出装置については、例えば特開平１１−３５６０８５号公報（特許文献１を参照されたい。）がある。この装置においては、巻線電流が０から所定値まで到達する時間ｔｍを計測し、時間ｔｍが所定時間より短い場合、巻線の短絡と判断する。またソレノイド巻線の短絡検出装置として、特開平７−３１３７７５号公報（特許文献２を参照されたい。）がある。この装置においては、巻線へ正電圧を印加し、巻線電流が電流上限指令値以上になった時点で電圧の印加を停止する。続いて巻線電流測定値が電流下限指令値以下となった時点で再び巻線へ正電圧を印加する。このようにして、巻線電流をヒステリシス幅（電流上限指令値−電流下限指令値）に収めるように制御している。巻線電流が電流上限指令値に一度到達してから、次に再び到達するまでの時間ｔｈを計測し、時間ｔｈが所定時間より短い場合、巻線の短絡と判断する。
特開平１１−３５６０８５号公報（段落0019-0020、図１） 特開平７−３１３７７５号公報（段落0019-0020、図２）

上述した従来技術では、巻線電流が０から所定値まで到達する時間ｔｍを計測することで巻線の絶縁破壊を検知する手段では、巻線電流が小さい場合、時間ｔｍが短いため、所定時間との比較が困難であるという問題点があった。また、巻線電流をヒステリシス幅に収め、巻線電流が電流上限指令値に一度到達してから、次に再び到達するまでの時間ｔｈを計測することで巻線の絶縁破壊を検知する手段では、スイッチト・リラクタンス・モータのように磁束の飽和領域まで使用し、正常時においても巻線インダクタンスが小さくなる電動機に適用する場合、巻線インダクタンスが最小のときに計測される時間ｔｈよりも短く設定しておく必要があり、絶縁破壊を検知する感度を上げられないという問題点があった。

上述した諸課題を解決すべく、第１の発明による絶縁破壊検出装置は、
巻線を備えた電動機と、前記巻線に電流を流すインバータと、前記巻線の電流を検出する電流検知手段とを備えたシステムにおいて電動機巻線の絶縁破壊を検出する絶縁破壊検出装置であって、
前記インバータが前記巻線に電流を流すにあたり、電流が電流下限指令値と電流上限指令値との範囲内に収まるように電流ヒステリシス制御を行うヒステリシスコンバレータ制御手段（回路）と、
前記電流ヒステリシス制御の繰り返し回数（例えば、電流下限指令値と電流上限指令値とを繰り返す回数、またはその一方の回数、或いは両者の合計回数など）を計測する計測手段（回路）と、
前記計測手段で取得した電流ヒステリシス制御の繰り返し回数を正常時のものとして記憶し、さらにこの正常時のものに基づき設定された閾値を記憶する記憶手段（メモリ）と、
前記計測手段で取得した電流ヒステリシス制御の繰り返し回数の計測値と、正常時の電流ヒステリシス制御の繰り返し回数に基づき設定された閾値とを比較し、この計測値が前記閾値を超える場合、前記巻線の絶縁破壊が発生したと判定する判定手段（回路）と、
前記判定手段で絶縁破壊が発生したものと判定された場合は、異常が発生したことを知らせる異常発生信号を出力する、或いは、通電停止信号を前記インバータに出力する信号出力手段（回路）と、
を備える。
なお、閾値は、例えば、絶縁破壊を最も感度良く検出したい用途の場合は正常時の回数そのものを用い、検出精度が若干損なわれても誤検出を回避したい用途の場合は正常時の回数に自然数を加えたものを用いるなど適宜設定する。

また、第２の発明による絶縁破壊検出装置は、
前記閾値が、電動機回転速度および電流上限指令値に対応したマップとして規定されたものである、
ことを特徴とする。

また、第３の発明による絶縁破壊検出装置は、
前記閾値が、電動機回転速度および電流上限指令値に対応した関数として規定されたものである、
ことを特徴とする。

また、第４の発明による絶縁破壊検出装置は、
前記計測手段で取得した電流ヒステリシス制御の繰り返し回数の計測値と、前記閾値との比較を、所定の範囲内の電動機回転速度および所定の範囲内の電流上限指令値のみにおいて実施する（より好適には特定の電動機回転速度および特定の電流上限指令値のみにおいて実施する）、
ことを特徴とする。

上述したように本発明の解決手段を装置として説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する方法、プログラム、プログラムを記録した記憶媒体としても実現され得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

第１の発明によると、電流ヒステリシス制御の繰り返し回数を絶縁破壊の有無の判断に使用するので、従来絶縁破壊の検知が困難であった低電流時や、低インダクタンス時においても絶縁破壊の検知ができるようになる。
また、第２の発明によると、正常時の電流ヒステリシス繰り返し回数を、電動機回転速度および電流上限指令値に対応したマップとして規定しており、それを利用するので、電動機の停止時のみならず、広い運転領域に渡って絶縁破壊を検知できる。
また、第３の発明によると、正常時の電流ヒステリシス繰り返し回数を、電動機回転速度および電流上限指令値に対応した関数として規定してあり、それを利用するため、これを格納する記憶手段の容量を低減できる。
また、第４の発明によると、電流ヒステリシス繰り返し回数の計測値と正常値の比較を、所定の範囲内の電動機回転速度及び所定の範囲内の電流上限指令値において実施するので、さらに記憶手段の容量を低減できる。

以降、諸図面を参照しつつ、本発明の実施態様を詳細に説明する。
第１の実施例
第１の実施例について図１から図３を用いて説明する。本実施例では、スイッチト・リラクタンス・モータ巻線の絶縁破壊検出について説明する。まず本実施例のシステム構成を図１に示す。本システムは、トルク指令値Ｔ＊を入力し、巻線電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、回転子角度θを入力し、通電開始角度指令値θｏｎ＊、通電終了角度指令値θｏｆｆ＊、電流上限指令値ｉｔ＊、電流下限指令値ｉｂ＊を出力する、電流指令値生成部１と、巻線電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、回転子角度θ、通電開始角度指令値θｏｎ＊、通電終了角度指令値θｏｆｆ＊、電流上限指令値ｉｔ＊、電流下限指令修正値ｉｂ＊を入力し、インバータ駆動信号を出力するインバータ駆動信号生成部２と、インバータ駆動信号と、直流電源３が生成した直流電圧を入力し、スイッチト・リラクタンス・モータ６の各相巻線に矩形波電圧を印加するインバータ４と、スイッチト・リラクタンス・モータ６の各相巻線電流を検出する電流センサ５と、スイッチト・リラクタンス・モータ６と、スイッチト・リラクタンス・モータ６の回転子角度を検出する回転子角度センサ７と、直流電圧を生成する直流電源３と、トルク指令値Ｔ＊、巻線電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、通電開始角度指令値θｏｎ＊、通電終了角度指令値θｏｆｆ＊、回転子角度θを入力し、巻線の絶縁破壊の有無を判断し、絶縁破壊を検出した場合はゲートブロック信号ｇｂをインバータ駆動信号生成部２に出力し、インバータのスイッチングを停止させる絶縁破壊検知部８で構成される。

次に、巻線電流波形について図２に示す。回転子角度が通電開始角度指令値θｏｎ＊に到達した時間ｔｏｎより、通電終了角度指令値θｏｆｆ＊に到達した時間ｔｏｆｆまで、インバータ４がヒステリシスコンパレータ制御によって、巻線電流が電流下限指令値ｉｂ＊から電流上限指令値ｉｔ＊の間の値になるよう制御する。巻線に絶縁破壊が生じていない場合、巻線電流は図２の上図のようになる。一方、巻線に絶縁破壊が生じている場合、巻線電流は図２の下図のようになる。この理由を次に述べる。巻線電流の時定数はＲ／Ｌ（Ｒ：巻線抵抗、Ｌ：巻線インダクタンス）で表され、また、巻線インダクタンスＬは、巻線の巻数の２乗に比例する。従って巻線に絶縁破壊が起こり、地絡や線間短絡が生じると、巻線として有効な巻数が減少し、巻線インダクタンスが低下して電流の時定数が短くなる。つまり巻線に絶縁破壊が発生すると、正常時に比べて巻線電流の時定数が短いため、電流ヒステリシス制御の繰り返し回数が多くなる。

次に、１相分の絶縁破壊検知のフローチャートを図３に示す。絶縁破壊検知処理は、回転子角度が通電開始角度指令値θｏｎ＊に到達した時点で開始する（Ｓ１０）。そしてまずステップＳ１１を実行する。ステップＳ１１では絶縁破壊検知部８において、回転子角度が通電開始角度指令値θｏｎ＊から通電終了角度指令値θｏｆｆ＊に到達するまでの電流ヒステリシス繰り返し回数を計測する。ここでヒステリシス繰り返し回数とは、巻線電流が電流上限指令値ｉｔ＊に到達した回数のことであり、これを閾値として使用する。続いてステップＳ１２において、Ｓ１１で計測した電流ヒステリシス繰り返し回数を、あらかじめ記憶してある正常時の回数（閾値）と比較する。正常時の電流ヒステリシス繰り返し回数は、回転速度、およびトルク指令値をパラメータとしたマップとして、絶縁破壊検知部８内のメモリに記憶されている。続いてステップＳ１３において、Ｓ１２で比較した電流ヒステリシス繰り返し回数について、計測値が正常値以下の場合は絶縁破壊検知処理を終了し、計測値が正常値より大きかった場合は、ステップＳ１４を実行し、通電停止信号ｇｂを絶縁破壊検知部８からインバータ駆動信号生成部２へ出力し、絶縁破壊を検知した相への通電を停止する。以上が１相分の絶縁破壊検知処理であるが例えば３相のスイッチト・リラクタンス・モータの場合、各相で電気角１２０度ずつずれている通電開始角度に同期して、絶縁破壊検知処理を電気角１回転あたり３回実行する。

なお、絶縁破壊検知処理は上記のような形態には限らず、以下に挙げる処理方法も考えられる。例えば、絶縁破壊検知処理の開始タイミングについては、回転子が特定の角度に到達した時点で開始し、回転子が１回転する間の電流ヒステリシス繰り返し回数を計測してもよい。この場合、Ｓ１２で使用するマップには、正常時の回転子１回転分の電流ヒステリシス繰り返し回数を、回転速度およびトルク指令値をパラメータとしてあらかじめ記憶させておく。また、電流ヒステリシス繰り返し回数は、巻線電流が電流下限指令値ｉｂ＊に到達した回数としてもよいし、電流上限指令値ｉｔ＊と電流下限指令値ｉｂ＊のそれぞれに到達した回数の合計値としてもよい。また、特定の回転数、もしくは特定のトルク指令値で運転することが明らかな場合、正常時の電流ヒステリシス繰り返し回数のマップは、特定の回転数、もしくは特定のトルク指令値の情報に限定したり、マップ化せずに特定の回転数および特定のトルク指令値における１つの値だけ或いは所定の範囲の値だけを記憶したりして、記憶容量を節約する方法も考えられる。

第２の実施例
第２の実施例について図４を用いて説明する。第１の実施例では正常時の電流ヒステリシス繰り返し回数（即ち閾値）はマップ化して記憶するのに対して、本実施例では関数化して算出することを特徴とする。本実施例のシステム構成は第１の実施例で示した図１と同様であり、絶縁破壊検知のフローチャートは図３と同様である。正常時の電流ヒステリシス繰り返し回数（閾値）を関数化して算出する処理について説明する。本処理は、図３のステップＳ１２にあたる。まず、現在の回転速度と、通電開始角度指令値θｏｎ＊と、通電終了角度指令値θｏｆｆ＊より、通電開始時刻ｔｏｎから、通電終了時刻ｔｏｆｆまでの時間Ｔを算出する。続いて、電流が電流上限指令値ｉｔ＊と電流下限指令値ｉｂ＊の間で変化するのに要する時間を算出する。回転子が通電開始角度指令値θｏｎ＊に到達した時点では巻線電流は０なので、この時点においては電流０から電流上限指令値ｉｔ＊まで変化する時間を算出する。巻線へ電圧を印加し電流が増加する時の、電流と時間の関係式は式（１）のように表せる。

（ｉ：巻線電流、ｉ０：巻線電流初期値、ｔ：巻線電流がｉ０からｉまで変化する時間、Ｅ：電源電圧、Ｒ：巻線抵抗、Ｌ：巻線インダクタンス）

また、巻線への電圧印加を停止し、巻線に蓄積されたエネルギーを巻線抵抗で消費し、電流が減少する時の、電流と時間の関係式は式（２）のように表せる。

ここで、図４のように、回転子が通電開始角度指令値θｏｎ＊に到達し、電流が０から電流上限指令値ｉｔ＊まで変化する時間をｔ１、その後電流が電流上限指令値ｉｔ＊から電流下限指令値ｉｂ＊まで変化する時間をｔ２、その後電流が電流下限指令値ｉｂ＊から電流上限指令値ｉｔ＊まで変化する時間をｔ３とし、以降回転子が通電終了角度指令値θｏｆｆ＊に到達するまでの各時間に同様の変数名を付与する。

電流が増加するｔ１、ｔ３、ｔ５、…、においては式（１）を適用し、電流が減少するｔ２、ｔ４、ｔ６、…、においては式（２）を適用し、各時間の和を計算する。この各時間の和が通電開始時刻ｔｏｎから、通電終了時刻ｔｏｆｆまでの時間Ｔ以上になるまで式（１）および式（２）の計算を繰り返す。時間ｔｎ＋１までの和を計算した時点で時間Ｔ以上となったとすると、電流ヒステリシス繰り返し回数はｎ回と算出される。なお、式（１）および式（２）で用いる巻線抵抗Ｒは一定値とは限らず、温度計測手段で巻線温度を監視し、補正をしてもよい。巻線インダクタンスＬについても、回転子位置や巻線電流に応じた変数としてもよい。
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

実施例1のシステム構成を示す図である。 実施例1の巻線電流波形を示す図である。 実施例1の絶縁破壊検知フローチャートである。 実施例2における関数による正常値の導出方法を示す図である。

符号の説明

１ 電流指令値生成部
２ インバータ駆動信号生成部
３ 直流電源
４ インバータ
５ 電流センサ
６ スイッチト・リラクタンス・モータ
７ 回転子角度センサ
８ 絶縁破壊検知部

Claims (4)

1. 巻線を備えた電動機と、前記巻線に電流を流すインバータと、前記巻線の電流を検出する電流検知手段とを備えたシステムにおいて電動機巻線の絶縁破壊を検出する絶縁破壊検出装置であって、
   前記インバータが前記巻線に電流を流すにあたり、電流が電流下限指令値と電流上限指令値との範囲内に収まるように電流ヒステリシス制御を行うヒステリシスコンバレータ制御手段と、
   前記電流ヒステリシス制御の繰り返し回数を計測する計測手段と、
   前記計測手段で取得した電流ヒステリシス制御の繰り返し回数の計測値と、正常時の電流ヒステリシス制御の繰り返し回数に基づき設定された閾値とを比較し、この計測値が前記閾値を超える場合、前記巻線の絶縁破壊が発生したと判定する判定手段と、
   を備える絶縁破壊検出装置。
2. 請求項１に記載の絶縁破壊検出装置において、
   前記閾値が、電動機回転速度および電流上限指令値に対応したマップとして規定されたものである、
   ことを特徴とする絶縁破壊検出装置。
3. 請求項１に記載の絶縁破壊検出装置において、
   前記閾値が、電動機回転速度および電流上限指令値に対応した関数として規定されたものである、
   ことを特徴とする絶縁破壊検出装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の絶縁破壊検出装置において、
   前記計測手段で取得した電流ヒステリシス制御の繰り返し回数の計測値と、前記閾値との比較を、所定の範囲内の電動機回転速度および所定の範囲内の電流上限指令値のみにおいて実施する、
   ことを特徴とする絶縁破壊検出装置。

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