JP2011058177A - 建設機械の漏電検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】バッテリによりインバータを介して電動機を駆動する電動機駆動回路を備えた建設機械において、電動機停止状態で漏電検出を行う。
【解決手段】電源投入操作があったこと、電動機が停止していること、及び電源投入後に漏電有無の判定がまだ１度も行われていないことを条件として、強制的にインバータを作動させて電動機に通電し、漏電検出を行う。具体的には、漏電検出用信号出力手段１９により、バッテリ８に接続された直流母線１５，１５と機械のボディとの間に漏電検出用の電圧信号を加えるとともに、その信号を信号検出手段２０によって検出し、検出された電圧信号の波高値に基づいて漏電状態の有無を判定する。
【選択図】図２

Description

本発明はハイブリッドショベルやバッテリショベルのようにバッテリによって電動機を駆動する建設機械において、電動機駆動回路の漏電を検出する漏電検出装置に関するものである。
従来、ハイブリッド車等のバッテリ搭載車の漏電を検出する技術として、特許文献１に示されているように、直流母線と機械のボディ(アース)との間に正弦波やパルス波等の試験電圧を加え、その波高値を計測する技術が公知である。
この技術では、絶縁不良等による漏電が発生すると、漏電抵抗によって試験電圧の波高値が基準値よりも低くなることを利用し、この低波高値を検出した場合に漏電と判定している。
Ｗ０２００７／００７７４９
ところが、この公知の技術を建設機械(たとえばショベル。以下、この例で説明する)に適用する場合に次の問題が生じる。
ショベルは、クローラ式の下部走行体上に、作業アタッチメントが装着された上部旋回体が地面と鉛直な軸のまわりに旋回自在に搭載されて構成される。
ここで、エンジン動力とバッテリ動力を併用するハイブリッドショベルや、バッテリのみを動力源とするバッテリショベルにおいて、上部旋回体を旋回させる旋回電動機は、インバータを通じて駆動される。
インバータは、複数のスイッチング素子を有し、旋回操作時にこのスイッチング素子がオンとなってインバータ作動状態となり、旋回電動機が通電される。
逆にいうと、旋回操作が行われないとインバータが作動せず、旋回電動機が通電されない。
そして、旋回電動機が通電されないと、上記公知技術を用いた漏電検出も行えない。
つまり、旋回停止状態で漏電検出を行うことができないという問題が生じる。
これは、旋回停止時に、たとえば坂道で上部旋回体が自重によって下り旋回してしまわないように旋回ブレーキで確実に停止保持する一方、省エネのために電動機への通電を遮断しておくという、旋回電動機特有の事情に基づいた設定による。
上記問題の対策として、旋回電動機の作動中、すなわち運転中に漏電検出を行うことが考えられるが、旋回電動機の作動／停止の繰り返しによってバッテリ電圧が激しく変動するため、今度は、漏電していないのに漏電状態であると判定する等の誤検出が起こる可能性が高くなる。
この問題は旋回電動機に限らず、ショベルまたは他の建設機械において、インバータ駆動され、かつ、停止状態で通電が遮断される他のすべての電動機に生じ、この点の解決が待たれていた。
そこで本発明は、バッテリによりインバータを介して電動機を駆動する電動機駆動回路を備えた建設機械において、電動機停止状態で電動機駆動回路の漏電検出を行うことができる漏電検出装置を提供するものである。
請求項１の発明は、バッテリによりインバータを介して電動機を駆動する電動機駆動回路を備え、上記インバータは、操作手段が操作されたときに上記電動機に通電して電動機を駆動し、操作手段が操作されないときは上記電動機への通電を遮断するように構成された建設機械の漏電検出装置において、上記電動機駆動回路と機械のボディとの間に漏電検出用の電圧信号を加える信号出力手段と、この信号出力手段による電圧信号を検出する信号検出手段と、上記電動機が作動状態か停止状態かを検出する電動機作動検出手段と、上記信号検出手段によって検出された信号に基づいて漏電の有無を判定する判定手段とを具備し、この判定手段は、
(Ａ) 上記バッテリを上記インバータに接続する電源投入操作が行われたこと、
(Ｂ) 上記電動機が停止状態であること、
(Ｃ) 漏電の有無についての判定がまだ１度も行われていないこと
の条件を満足するときに、上記操作手段の操作とは無関係に上記インバータを作動させて電動機通電状態とし、この状態で漏電の有無を判定するように構成されたものである。
請求項２の発明は、請求項１の構成において、上記判定手段は、上記信号検出手段によって検出される電圧信号の波高値が設定値以下である低波高値時間、及び設定値を超える高波高値時間をそれぞれカウントし、上記低波高値時間のカウント値が設定値以上の場合に漏電状態であると判定し、上記高波高値時間のカウント値が設定値以上の場合に漏電状態でないと判定するように構成されたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、上記判定手段は、漏電の有無の判定中、上記電動機作動検出手段によって上記電動機の作動が検出されたときに、判定を休止するように構成されたものである。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの構成において、上記判定手段は、下部走行体上に搭載された上部旋回体を旋回駆動する旋回電動機の駆動回路について漏電の有無を判定するように構成されたものである。
本発明によると、電源投入操作があったこと、電動機が停止していること、及び電源投入後に漏電有無の判定がまだ１度も行われていないことを条件として、操作停止状態で強制的にインバータを作動させて電動機に通電し、漏電検出を行うため、旋回電動機(請求項４)のように操作停止状態で通電が遮断される電動機駆動回路について、バッテリ電圧の変動を受けない正確な漏電判定を行うことができる。
しかも、電源投入直後の１回限りの漏電検出であるため、作業開始をむやみに遅らせて作業能率を低下させるという弊害も生じない。
ここで、具体的な判定手法として、請求項２の発明によると、信号検出手段によって検出される電圧信号の波高値が設定値以下(漏電を示す信号)である低波高値時間、及び設定値以上(正常を示す信号)である高波高値時間をそれぞれカウントし、低波高値時間のカウント値が設定値以上の場合に漏電状態であると判定し、高波高値時間が設定値以上の場合に漏電状態でないと判定するため、一時的なノイズの影響を排し、漏電／正常の判定をより正確に行うことができる。
ところで、漏電有無の判定は、通常、オペレータが認識しない状態で行われるため、判定処理中に操作が開始されて電動機が作動状態となる可能性がある。
この場合、請求項３の発明によると、判定処理の開始後に電動機が作動したときは漏電有無の判定を休止するため、バッテリ電圧の変動の影響による誤検出を防止することができる。
本発明の適用対象であるハイブリッドショベルの駆動系及び制御系のブロック構成図である。 本発明の実施形態に係る電動機駆動回路の漏電検出装置のシステム構成図である。 同装置による判定の流れを説明するためのフローチャートである。
実施形態では、エンジン動力とバッテリ動力を併用するハイブリッドショベルを適用対象としている。
図１にハイブリッドショベルの一般的な駆動・制御系のブロック構成を示す。
エンジン１に油圧ポンプ２が接続され、この油圧ポンプ２の吐出油がコントロールバルブ３を介して油圧アクチュエータ（ブーム用、アーム用、バケット用各油圧シリンダ及び走行油圧モータ。ここでは一つのものとして示す）４に供給される。
一方、エンジン１の出力は増速機構５を介して発電電動機６に加えられ、この発電電動機６で作られた電力が、電圧及び電流を制御する制御器７を介してバッテリ８に蓄えられるとともに、インバータ９を介して旋回用電動機１０に加えられる。
また、適時、バッテリ８の蓄電力により発電電動機６が電動機作用を行ってエンジン１をアシストする。
旋回用電動機１０には、同電動機１０を停止状態に保持する旋回ブレーキ１１が設けられ、この旋回ブレーキ１１が解除された状態で、旋回用電動機１０の回転力が旋回用減速機構１２経由でショベルの上部旋回体に伝えられて同旋回体が左または右に旋回する。
このとき、旋回用電動機１０の回転によってバッテリ８の電圧が変動するため、後述する漏電判定中にこのバッテリ変動が生じると誤検出の可能性が生じる。
１３は操作手段としての旋回用操作レバーで、この操作レバー１３からの操作信号に基づいてコントローラ１４からインバータ９に指令信号が出力され、旋回用電動機１０が制御される。
図２にこの漏電検出装置のシステム構成を示す。
実施形態では、バッテリ８によりインバータ９を介して旋回用電動機１０を駆動する電動機駆動回路において、同回路と図示しない機械のボディ(アース)との間の漏電を検出する構成がとられている。
なお、機械のボディとは、ショベルの場合は上部旋回体のアッパーフレームであって、旋回軸受、下部走行体を介してアースされる。
図２中、１５，１５は電動機駆動回路の直流母線、１６，１６は直流母線１５，１５に設けられたバッテリ接続用のリレー(接点)、１７はインバータ９のコンデンサ、１８…は同スイッチング素子、１０ａはインバータ９と旋回用電動機１０との間の三相交流電線である。また、ｒ…は漏電によって発生する漏電抵抗を表す。
この電動機駆動回路においては、スイッチング素子１８…のオンでインバータ９が作動状態となり、旋回電動機１０が通電されるとともに、操作レバー１３の操作に応じて駆動される。
この装置は、漏電検出用の電圧信号(たとえば特定周波数のパルス電圧)を電動機駆動回路、たとえば直流母線１５，１５とボディとの間に印加する漏電検出用信号出力手段１９と、この電圧信号を検出する信号検出手段２０と、漏電状態判定手段２１と、漏電判定時にこの漏電状態判定手段２１からの信号に基づいて警報を発する警報器２２と、操作レバー１３の操作の有無を検出するレバー操作検出手段２３、それに漏電状態判定手段２１からの信号に基づきスイッチング素子１８…を通じてインバータ９を作動／停止制御する旋回電動機コントローラ２４から成っている。
この旋回電動機コントローラ２４は、またレバー操作検出手段２３からの信号に基づいて、旋回ブレーキ１１をレバー操作時に解除し、非操作時に作動させる。
漏電状態判定手段２１は、信号検出手段２０で検出された信号の波高値と、旋回用電動機１０の作動(レバー操作)の有無とに基づいて漏電／非漏電を判定する。
ここで、旋回用電動機１０は、上記のように操作レバー１３の操作に基づいて作動するため、この操作レバー１３の操作の有無を検出することによって間接的に電動機１０の作動の有無を検出することができる。
そこでこの装置においては、電動機作動状態の代わりに、操作レバー１３の操作の有無をレバー操作検出手段(たとえばポテンショメータ)２３によって検出し、その信号を漏電状態判定手段２１に電動機作動状態信号として入力するように構成されている。
漏電状態判定手段２１は、
(Ａ) バッテリ８をインバータ１８に接続する電源投入操作が行われたこと、
(Ｂ) 旋回電動機１０が停止状態であること、
(Ｃ) 漏電の有無についての判定がまだ１度も行われていないこと
の条件を満足するときに、旋回電動機コントローラ２４を通じてインバータ９を作動させて電動機通電状態とし、この状態で漏電の有無の判定を行う。
なお、インバータ９の作動によって旋回電動機１０が通電状態となっても、レバー操作がない限り、同電動機１０にトルクは発生しない。つまり、旋回電動機１０は通電されるだけでトルク０で停止したままとなる。
上記(Ａ)の電源投入操作とは、図示しないエンジンキースイッチのオン操作によって図２中のリレー１６，１６がオン作動することをいう。
また、具体的な判定の仕方として、検出される信号(パルス電圧)の波高値が、漏電状態では設定値以下、非漏電状態では設定値を超えることに基づいて、設定値以下となった時間(低波高値時間)、及び設定値を超える時間(高波高値時間)をそれぞれカウントし、低波高値時間のカウント値が、低波高値時間カウント値についての設定値以上の場合に漏電状態、高波高値時間のカウント値が高波高値時間カウント値についての設定値以上の場合に漏電状態でない(非漏電状態＝正常)であると判定する。
なお、低波高値時間、高波高値時間は、低波高値、高波高値が連続して検出された時間であってもよいし、低波高値、高波高値のパルス数から割り出される時間であってもよい。
そして、判定中に、レバー操作検出手段２３によってレバー操作(電動機作動)が検出された場合に、バッテリ電圧の変動があるから誤検出のおそれがあるとして、低波高値時間及び高波高値時間のカウントを中断(漏電検出を休止)する。
この漏電状態判定手段２１による漏電判定処理の詳細を図３のフローチャートによって説明する。
このフローでは、まず、判定処理のステップ(ステップＳ１〜２２)を踏んだ後、ステップＳ２３で電源投入後にすでに判定が行われたか否かが判断される。
ここでＮＯ(一度も判定が行われていない)となると、図２の旋回電動機コントローラ２４を通じてインバータ９のスイッチング素子１８…がオンとされ、インバータ９が作動状態、すなわち、旋回電動機１０が通電されて漏電検出が可能な状態となった上でステップＳ１以降の判定処理が行われる。
一方、ステップＳ２３でＹＥＳ(すでに判定済み)となると、インバータ作動出力が停止され、判定処理が終了する。
ステップＳ１から順次説明する。
Ａ. 判定中にレバー操作が無い場合
ステップＳ１でレバー操作があったか否かを判断し、操作無し(ＮＯ)の場合は漏電検出フローに、操作有りの場合は漏電検出休止フローにそれぞれ入る。
なお、図３のフローにおいて、「カウント値」とは低波高値時間または高波高値時間のカウント値、「検出カウント値」とは低波高値時間のカウント値、「検出設定値」とは低波高値か否かを判断するためのしきい値、「解除カウント値」とは高波高値時間のカウント値、「解除設定値」とは高波高値か否かを判断するためのしきい値をそれぞれいう。
また、カウント値についての「カウント値１」とは現在のカウント値、「カウント値２」とは保存された過去のカウント値をそれぞれいい、「検出カウント設定値」とは検出カウント値についてのしきい値、「解除カウント設定値」とは解除カウント値についてのしきい値をそれぞれいう。
漏電検出フローでは、まず、ステップＳ２でレバー操作時間のカウント値をリセットしてステップＳ３に移行する。
ステップＳ３では、検出されたパルスの波高値が検出設定値よりも小さいかどうか(漏電を示しているか否か)を判断し、ＹＥＳ(漏電)となると、低波高値時間をカウントするべく、ステップＳ４で検出カウント値１の加算、ステップＳ５で解除カウント値１，２のリセットを行った後、ステップＳ６に移行する。
一方、ステップＳ３でＮＯ(検出パルス波高値＞検出設定値)の場合は、ステップＳ７に移り、検出されたパルス波高値が、解除設定値よりも大きいか否かが判断され、ＹＥＳでステップＳ８→ステップＳ９→ステップＳ６と進み、ＮＯでステップＳ６に進む。
ステップＳ８では高波高値時間をカウントするべく解除カウント値１の加算、ステップＳ９では検出カウント値１，２のリセットをそれぞれ行う。
ステップＳ６では、低波高値時間のカウント値(検出カウント値１、２の合計値)を漏電判断の基準となるカウント値である検出判断値と比較し、前者が大きければステップＳ１０で漏電有りと判定し、ステップＳ１１で図２の警報器２３を作動させてオペレータに漏電発生を知らせた後、ステップＳ２３に移る。
これに対し、低波高値時間のカウント値が検出判断値よりも小さければ(ステップＳ６でＮＯの場合)、ステップＳ１２で高波高値時間のカウント値(解除カウント値１、２の合計値)を漏電検出解除判断の基準となる解除判断値と比較し、前者が大きい(ＹＥＳ)となるとステップＳ１３で漏電無しと判定した上でステップＳ２３に移り、ＮＯの場合はそのままステップＳ２３に移る。
Ｂ. 判定中にレバー操作が有った場合
ステップＳ１でＹＥＳ(レバー操作が有った)となると、漏電検出を中断するべく、まず、ステップＳ１４で、カウント開始から中断までの低波高値時間のカウント値(検出カウント値１)がしきい値である検出カウント設定値１よりも大きいか否かが判断され、ＮＯ(小さい)の場合はステップＳ１５でこのカウント値がクリアされ、ＹＥＳ(大きい)の場合はステップ１６でカウント値の保存(検出カウント値１を検出カウント値２に加算)が行われる。
続くステップＳ１７で、カウント開始から中断までの高波高値時間のカウント値(解除カウント値１)がしきい値である解除カウント設定値よりも大きいか否かが判断され、ＮＯ(小さい)の場合はステップＳ１８でこの解除カウント値１がクリアされ、ＹＥＳ(大きい)の場合はステップＳ１９でカウント値の保存(解除カウント値１を解除カウント値２に加算)が行われる。
ステップＳ２０では、レバー操作時間のカウント値が加算され、ステップＳ２１でそのカウント値がレバー操作時間についてのしきい値であるレバー操作時間設定値と比較される。
ここでＹＥＳ(カウント値＞設定値)の場合は、ステップＳ２２で検出カウント値１，２及び解除カウント値１，２がリセットされた後でステップＳ２３に、ＮＯの場合はそのままステップＳ２３にそれぞれ移る。
そして、ステップＳ２３でＮＯ(未判定)の場合にのみ、インバータ作動出力が出され、ステップＳ１からの判定処理が行われる。
このように、この漏電検出装置によると、電源投入操作があったこと、旋回電動機１０が停止していること、及び電源投入後に漏電有無の判定がまだ１度も行われていないことを条件として、強制的にインバータ９を作動させて旋回電動機１０に通電し、漏電検出を行うため、停止状態で通電が遮断される旋回電動機駆動回路について、バッテリ電圧の変動を受けない正確な漏電判定を行うことができる。
しかも、電源投入直後の１回限りの漏電検出であるため、作業開始をむやみに遅らせて作業能率を低下させるという弊害も生じない。
また、ステップＳ４〜Ｓ１２において、信号検出手段２０によって検出される電圧信号の波高値が設定値以下(漏電を示す信号)である低波高値時間、及び設定値以上(正常を示す信号)である高波高値時間をそれぞれカウントし、低波高値時間のカウント値が設定値以上の場合に漏電状態であると判定し、高波高値時間が設定値以上の場合に漏電状態でないと判定するため、一時的なノイズの影響を排し、漏電／正常の判定をより正確に行うことができる。
さらに、判定処理の開始後にレバー操作によって旋回電動機１０が作動したときは漏電有無の判定を休止(中断)するため、バッテリ電圧の変動の影響による誤検出を防止することができる。
この場合、ステップＳ１４〜Ｓ２１において、低波高値時間、高波高値時間の各カウント開始から電動機作動による中断までのカウント値が設定値以上の場合は、中断後に備えてカウント値を保存し、設定値未満の場合は判定材料として不足であるとしてカウント値をクリアするとともに、低波高値時間及び高波高値時間のカウントの中断が設定時間以上継続した場合は、もはや過去のデータで用いるべきでないとしてそのカウント値をクリアする構成としたから、判定の精度を高めることができる。
ところで、上記実施形態では、レバー操作検出手段２３によって旋回電動機１０の作動状態を検出する構成をとったが、旋回電動機１０の作動を直接検出してもよい。
また、本発明はハイブリッドショベルに限らず、バッテリのみを動力源とするバッテリショベルにも、またショベル以外のバッテリが搭載された建設機械にも上記同様に実施することができる。
８ バッテリ
９ インバータ
１０ 旋回用電動機
１０ａ 三相交流電線
１３ 操作手段としての旋回操作レバー
１５，１５ 電動機駆動回路の直流母線
１９ 漏電検出用信号出力手段
２０ 信号検出手段
２１ 漏電状態判定手段
２３ 電動機作動検出手段としてのレバー操作検出手段
２４ インバータを通断電制御する旋回電動機コントローラ

Claims (4)

  1. バッテリによりインバータを介して電動機を駆動する電動機駆動回路を備え、上記インバータは、操作手段が操作されたときに上記電動機に通電して電動機を駆動し、操作手段が操作されないときは上記電動機への通電を遮断するように構成された建設機械の漏電検出装置において、上記電動機駆動回路と機械のボディとの間に漏電検出用の電圧信号を加える信号出力手段と、この信号出力手段による電圧信号を検出する信号検出手段と、上記電動機が作動状態か停止状態かを検出する電動機作動検出手段と、上記信号検出手段によって検出された信号に基づいて漏電の有無を判定する判定手段とを具備し、この判定手段は、
    (Ａ) 上記バッテリを上記インバータに接続する電源投入操作が行われたこと、
    (Ｂ) 上記電動機が停止状態であること、
    (Ｃ) 漏電の有無についての判定がまだ１度も行われていないこと
    の条件を満足するときに、上記操作手段の操作とは無関係に上記インバータを作動させて電動機通電状態とし、この状態で漏電の有無を判定するように構成されたことを特徴とする建設機械の漏電検出装置。
  2. 上記判定手段は、上記信号検出手段によって検出される電圧信号の波高値が設定値以下である低波高値時間、及び設定値を超える高波高値時間をそれぞれカウントし、上記低波高値時間のカウント値が設定値以上の場合に漏電状態であると判定し、上記高波高値時間のカウント値が設定値以上の場合に漏電状態でないと判定するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の建設機械の漏電検出装置。
  3. 上記判定手段は、漏電の有無の判定中、上記電動機作動検出手段によって上記電動機の作動が検出されたときに、判定を休止するように構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の建設機械の漏電検出装置。
  4. 上記判定手段は、下部走行体上に搭載された上部旋回体を旋回駆動する旋回電動機の駆動回路について漏電の有無を判定するように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の建設機械の漏電検出装置。
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