JP2011058839A - 建設機械の漏電検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】バッテリ負荷である電動機の作動による誤検出を防止し、正確な漏電検出を行う。
【解決手段】操作レバー１３の操作に基づき、バッテリ電力によりインバータを介して電動機１０を駆動する構成を前提として、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。この場合、判定中に操作レバー１３が操作されたときは、電動機１０の作動によりバッテリ電圧が変動して誤検出のおそれがあるため、判定を休止するように構成した。
【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において、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、回路母線とボディ(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、バッテリ電力で電動機を駆動する建設機械、とりわけショベル(ハイブリッドショベルやバッテリショベル)では、アクチュエータの操作／停止が頻繁に行われ、そのたびにバッテリ電圧が激しく変動するため、試験電圧の波高値もその影響を受けて変動し易い。
このため、公知技術をそのままショベル等の建設機械における電動機駆動回路に転用すると、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い。
そこで本発明は、バッテリ電圧の変動による誤検出を防止し、正確な漏電検出を行うことができる建設機械の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にあるか否かを検出する電動機作動検出手段と、上記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、上記電動機作動検出手段によって上記電動機が作動していないことを条件として、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一方、判定中に上記電動機作動検出手段によって電動機の作動が検出された場合に、上記低波高値時間及び高波高値時間のカウントを中断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２の構成において、上記判定手段は、上記低波高値時間及び高波高値時間のカウント開始から中断までのカウント値が設定値以上の場合にこのカウント値を保存し、設定値未満の場合はカウント値をクリア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２または３の構成において、上記判定手段は、上記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、そのカウント値をクリアするように構成されたものである。
本発明によると、バッテリ電圧の変動の原因となる電動機の作動中は漏電検出を休止するため、ハイブリッドショベルやバッテリショベルのような電動機の作動／停止が頻繁に行われる建設機械においても、誤検出を防止、正確な漏電検出を行うことができる。
ここで、具体的な判定手法として、請求項２〜４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。
また、請求項３の発明によると、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構成とし、請求項４の発明によると、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。
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の電圧が変動し、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は旋回操作手段としての操作レバーで、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、それに操作レバー１３の操作の有無を検出するレバー操作検出手段２３とから成っている。
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、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による漏電判定の詳細を図３に示す。
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Ｓ１に戻る。
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Ｓ１に戻り、ＮＯの場合はそのままステップＳ１に戻る。
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Ｓ６に、ＮＯの場合はそのままステップＳ６にそれぞれ移る。
このように、この漏電検出装置によると、バッテリ電圧の変動の原因となる電動機１０の作動中は漏電検出を休止するため、この実施形態で挙げたハイブリッドショベルやバッテリショベルのような電動機の作動／停止が頻繁に行われる建設機械においても、誤検出を防止、正確な漏電検出を行うことができる。
ここで、ステップＳ４〜Ｓ１２において、検出されるパルス電圧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。
また、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。
他の実施形態
(１) 発電電動機６がバッテリ電力によって電動機作用(エンジンアシスト作用)を行う場合にもバッテリ電圧が変動して漏電誤検出の可能性が生じるため、この発電電動機６の作動中は判定を休止する構成をとってもよい。
(２) 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 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

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にあるか否かを検出する電動機作動検出手段と、上記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、上記電動機作動検出手段によって上記電動機が作動していないことを条件として、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一方、判定中に上記電動機作動検出手段によって電動機の作動が検出された場合に、上記低波高値時間及び高波高値時間のカウントを中断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、上記低波高値時間及び高波高値時間のカウント開始から中断までのカウント値が設定値以上の場合にこのカウント値を保存し、設定値未満の場合はカウント値をクリアするように構成されたことを特徴とする請求項２記載の建設機械の漏電検出装置。
  4. 上記判定手段は、上記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、そのカウント値をクリアするように構成されたことを特徴とする請求項２または３記載の建設機械の漏電検出装置。
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