JP2012154668A - 発電電動機の異常検出装置および異常検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電電動機の駆動時および電力回生時において、発電電動機の絶縁抵抗を求めて、絶縁異常を検出することができる発電電動機の異常検出装置を提供する。
【解決手段】直流電源４から供給される電力をインバータ３で制御して駆動する発電電動機２の異常検出装置において、発電電動機２の電動機駆動母線６の零相電流を検出する零相電流検出手段１２と、電動機駆動母線６を流れる電流の周波数を検出する周波数検出手段１５と、直流電源４の電圧を検出する電圧検出手段１４と、電動機駆動母線６の零相電流を発電電動機２の周波数で同期検波する同期検波手段１３と、同期検波手段１３の出力である漏洩電流値と直流電源４の電圧とから絶縁抵抗を算出して異常を検出する異常検出手段１１とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、直流電源から供給される電力をインバータで制御して駆動し、制動時には電力回生を行なう発電電動機の異常検出装置および異常検出方法に関するものである。

直流電源により電動機で駆動する電動車両においては、発電電動機の故障が電動車両の信頼性の最大の問題となる。
発電電動機は、駆動時にはインバータ制御により発電電動機の回転数を制御して電動車両の速度を制御し、制動時には発電電動機を発電機として使用して電力を回生しながら電動車両の速度を減速している。
このように発電電動機は、電動車両において最も重要な構成機器であり、その信頼性の確保は特に重要で、この発電電動機の故障原因で最も大きいものは絶縁異常である。

従来から、インバータ制御電源を用いた装置において、負荷の絶縁劣化を検出するインバータ装置用絶縁劣化検出装置が知られている。（例えば、特許文献１参照）
特許文献１の装置は、インバータ出力により駆動されるモータの負荷回路において、零相変流器と低域通過フィルターと増幅器とを一体に構成し、これをインバータ制御回路の負荷側に設置し、増幅器の出力を絶縁劣化検出ユニットで監視し、絶縁劣化を検出している。
また、車載用電動機制御装置において、構成する個々の部品の劣化に起因する自動車のシステムとしてみた場合の有意な性能低下を検知、自己診断する装置が知られている。（例えば、特許文献２参照）
特許文献２の装置では、構成部品の劣化判定を行っており、例えば電流検出器の劣化判定では、交流電動機の電流量を検出する電流検出器と劣化判定手段と異常検出手段を備えて判定を行なっている。

特開２００６−２０４８３号公報（段落［００２４］、図８） 特開２００７−６０８６６号公報（段落［００２１］、［００４５］）

特許文献１の装置では、負荷の絶縁劣化により流れる漏れ電流は、交流電源の接地抵抗から供給されるので電源周波数に一致しており、電源周波数に対応した絶縁劣化検出ユニットを適用しているため、直流電源から供給される電力をインバータで制御して駆動する電動機には適用できないという問題があった。
特に、通常の商用周波数で動作する電動機の場合は、絶縁が健全であれば３相合成電流は零となり零相変流器の２次側には電流は流れない。しかし、いずれかの相に絶縁劣化が生じて対地電流が流れた時に、相バランスが崩れて２次側に電流が流れる。この時、電動機の駆動電流が２０〜３０Ａであるのに対して、対地絶縁抵抗が０．５ＭΩ程度に低下する絶縁異常の場合、流れる零相電流は１〜３ｍＡ程度と非常に小さい値となる。このような状態で、駆動電流２０〜３０Ａの周波数が絶えず変動すると、その周波数変化の影響で零相変流器の２次側には脈動電流が流れて、絶縁異常による漏洩電流の検出精度が非常に悪くなり、絶縁劣化が検出できないという問題があった。

また、特許文献２の装置の異常検出は、電流検出器を含め構成部品の劣化検出であり、発電電動機の異常を検出することができないという問題があった。

更に、発電電動機では、走行のための駆動と減速のための電力回生があり、且つ電動機の回転数は絶えず変化している。このため電動機駆動母線に流れる電流の周波数が絶えず変化している。このような運転条件下において従来の先行文献１あるいは先行文献２の装置では、発電電動機の異常検出ができないという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、発電電動機の駆動時および電力回生時において、発電電動機の絶縁抵抗を求めて、絶縁異常を検出することを目的とする。

この発明に係る発電電動機の異常検出装置は、発電電動機の電動機駆動母線の零相電流を検出する零相電流検出手段と、電動機駆動母線を流れる電流の周波数を検出する周波数検出手段と、直流電源の電圧を検出する電圧検出手段と、電動機駆動母線の零相電流を発電電動機の周波数で同期検波する同期検波手段と、同期検波手段の出力である漏洩電流値と直流電源の電圧とから絶縁抵抗を算出して異常を検出する異常検出手段とを備えるものである。

この発明に係る発電電動機の異常検出方法は、発電電動機の電動機駆動母線の零相電流を検出する零相電流検出ステップと、直流電源の電圧を検出する電圧検出ステップと、電動機駆動母線を流れる電流の周波数を検出する周波数検出ステップと、電動機駆動母線の零相電流を発電電動機の周波数で同期検波する同期検波ステップと、同期検波ステップで得られた漏洩電流値と直流電源の電圧とから絶縁抵抗を算出して異常を検出する異常検出ステップとを備えるものである。

この発明に係る発電電動機の異常検出装置は、発電電動機の電動機駆動母線の零相電流を検出する零相電流検出手段と、電動機駆動母線を流れる電流の周波数を検出する周波数検出手段と、直流電源の電圧を検出する電圧検出手段と、電動機駆動母線の零相電流を発電電動機の周波数で同期検波する同期検波手段と、同期検波手段の出力である漏洩電流値と直流電源の電圧とから絶縁抵抗を算出して異常を検出する異常検出手段とを備えるものであるため、発電電動機の駆動時および電力回生時において、発電電動機の回転数の変動の影響を除去して、高精度で絶縁抵抗を算出し絶縁異常を検出することができる。

この発明に係る発電電動機の異常検出方法は、発電電動機の電動機駆動母線の零相電流を検出する零相電流検出ステップと、直流電源の電圧を検出する電圧検出ステップと、電動機駆動母線を流れる電流の周波数を検出する周波数検出ステップと、電動機駆動母線の零相電流を発電電動機の周波数で同期検波する同期検波ステップと、同期検波ステップで得られた漏洩電流値と直流電源の電圧とから絶縁抵抗を算出して異常を検出する異常検出ステップとを備えるものであるため、発電電動機の駆動時および電力回生時において、発電電動機の回転数の変動の影響を除去して、高精度で絶縁抵抗を算出し絶縁異常を検出することができる。

この発明の実施の形態１の発電電動機の異常検出装置に係るシステム構成図である。 この発明の実施の形態１の発電電動機の異常検出装置に係る機能説明図である。 この発明の実施の形態１の発電電動機の異常検出装置に係る機能説明図である。 この発明の実施の形態２の発電電動機の異常検出装置に係るシステム構成図である。 この発明の実施の形態２の発電電動機の異常検出装置に係る機能説明図である。 この発明の実施の形態３の発電電動機の異常検出装置に係るシステム構成図である。 この発明の実施の形態４の発電電動機の異常検出装置に係るシステム構成図である。 この発明の実施の形態５の発電電動機の異常検出方法に係るフローチャートである。

実施の形態１．
実施の形態１は、電動機駆動母線の零相電流を電動機駆動母線の電流の周波数で同期検波して、漏洩電流値を求め、この漏洩電流値を用いて絶縁抵抗を算出して、発電電動機の異常を検出する本発明の発電電動機の異常検出装置に関するものである。実施の形態１では、発電電動機として、車両用電動機を使用した場合について説明する。
以下、本願発明の実施の形態１について、図１から図３に基づいて説明する。図１は、発電電動機の異常検出装置に係るシステム構成図、図２、３は機能説明図である。

まず、本願発明の実施の形態１に係る発電電動機の異常検出装置のシステム構成について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る発電電動機の異常検出装置１のシステム構成を表したものである。発電電動機の異常検出装置１は大きく分けて電動機駆動部、電動機制御部、異常検出部の３つの主要部から構成される。

電動機駆動部は、発電電動機２と、この発電電動機２を電動機駆動母線６経由で駆動するインバータ３と、このインバータ３に電源を供給する直流電源４と、この直流電源に並列に接続された平滑コンデンサ５から構成される。
ここで、インバータ３は、ＩＧＢＴなどで構成されたスイッチング素子２１ａとこのスイッチング素子２１ａと並列に接続されたダイオード２１ｂとで構成されている。また、発電電動機２は接地線１０にて、接地されている。

電動機制御部は、発電電動機２を駆動するインバータ３に対して、ＰＷＭ制御信号を出力するコントローラ９とこのコントローラ９に対して電動車両の運転状況に応じた制御信号を出力する制御装置８から構成される。

次に異常検出部は、電動機駆動母線６に流れる零相電流を検出する零相変流器１２と、直流電源４の電圧を検出する電圧検出回路１４と、発電電動機２の回転数を検出する回転数検出器１５およびこれらの検出器の検出信号を用いて発電電動機２の絶縁異常を検出する異常検出回路部７から構成される。
異常検出回路部７は、零相変流器１２で検出した電流を同期検波する同期検波回路１３と、回転数検出器１５で検出した発電電動機２の回転数からインバータ３が発電電動機２を駆動する周波数を算出するコントローラ９の一部回路と、発電電動機２の異常を検出する異常検出回路１１と、異常検出結果を表示する表示機器１６から構成される。
異常検出回路１１は、同期検波回路１３の出力と電圧検出回路１４の出力を用いて発電電動機２の絶縁抵抗を算出し、基準値と比較することで発電電動機２の絶縁異常を検出する。
また、電動車両の運転状況により、発電電動機２の異常検出を行うかどうかを判断するための信号用にコントローラ９と異常検出回路１１の間に信号ラインが設けられている。

ここで、実施の形態１に係る発電電動機の異常検出装置１の構成を機能で表した各手段と図１の具体的構成要素および回路との対応は以下のとおりである。
零相電流検出手段は零相変流器１２が該当し、周波数検出手段は回転数検出器１５と周波数の算出を行うコントローラ９の一部回路が該当する。電圧検出手段は電圧検出回路１４が、同期検波手段は同期検波回路１３が、異常検出手段は異常検出回路１１がそれぞれ該当する。

回転数検出器１５としては、例えばエンコーダを使用することで、発電電動機２の回数数を測定することができる。
表示機器１６としては、例えばＬＥＤ表示器または液晶ディスプレイを使用することができる。

次に、本願発明の実施の形態１に係る発電電動機の異常検出装置１の機能および動作について、図１のシステム構成図および図２、図３の機能説明図を用いて説明する。

電動車両の運転状態については、駆動時、電力回生時および惰行時に分けることができる。まず、発電電動機２の駆動時の機能および動作について説明する。
駆動時には、直流電源４の電圧でインバータ３を駆動し、このインバータ３が発電電動機２を駆動する。駆動時の電動車両の速度制御は、制御装置８からの信号を基にコントローラ９がインバータ３を制御して、電動機駆動母線６を流れる周波数を変化させて発電電動機２の回転数を制御することにより行われる。同時に、回転数検出器１５で検出した回転数をコントローラ９にフィードバックして、電動車両の速度すなわち発電電動機２の回転数を制御する。この状態の時、電動機駆動母線６に設置した零相変流器１２で電動機駆動母線６に流れる零相電流を検出する。

通常の商用周波数で動作する電動機の場合は、絶縁が健全であれば３相合成電流は零となり零相変流器の２次側には電流は流れない。しかし、いずれかの相に絶縁劣化が生じて大地への漏れ電流が流れると、相バランスが崩れて零相変流器の２次側に電流が流れる。この漏れ電流を計測して絶縁の健全性を監視する。
しかし、発電電動機２は速度に応じて、絶えず回転数が変化しているため電動機駆動母線６を流れる電流の周波数が絶えず変化する。

図２に、走行時のスタートから一定速度に至るまでの発電電動機２の回転数と駆動電流Ａの関係を示す。図２に示すように走行時の駆動電流Ａは、駆動開始時が最大である。電動車両の速度が上がるにしたがい、発電電動機２の駆動トルクが小さくなるため、駆動電流Ａは、徐々に小さくなる。この時の発電電動機２の回転数が電動機駆動母線６に流れる電流の周波数と関係する。
図２の駆動電流Ａの曲線に対して、途中で更なる加速が加わると、発電電動機２の回転数は加速に応じて更に変化する。

このように、電動機駆動母線６を流れる電流の周波数が絶えず変化するため、零相変流器１２の２次側には周波数の変化に影響されて脈動電流が流れるので、零相電流を正確に計測することができない。そこで、零相変流器１２からの零相電流を、電動機駆動母線６を流れる電流の周波数を用いて、同期検波回路１３で同期検波する。

次に、同期検波方法について説明する。
零相電流を正確に計測するために、回転数検出器１５を用いて発電電動機２の回転数を検出して、その回転数からコントローラ９において電動機駆動母線６を流れる電流の周波数を求める。
一般的に回転数と極数と周波数との関係は（１）式で表されるため、回転数検出器１５で検出した発電電動機２の回転子の回転数と当該発電電動機２の極数とから周波数を算出する。
回転数＝１２０×周波数／極数 （１）

上記（１）式から求めた周波数を用いて、零相変流器１２からの零相電流を同期検波回路１３で同期検波する。
この同期検波は、零相変流器１２からの電流信号から電動機駆動母線６を流れる電流の周波数成分のみを抽出するものである。零相変流器１２で検出した信号は、多くの周波数成分を含んだ電流であり、この中から電動機駆動電流の漏洩電流成分のみを検出するために、駆動電流の周波数に同期して検波する。

基本的には同期検波を１サイクル分行えば、回転数の変化の影響を実用可能なレベルまで除去できる。しかし、計測する電流が微小であること、また絶縁劣化の初期を検出できるように検出精度を更に向上させるために、同期検波を数サイクル分ごとに行う。
したがって、１計測の同期検波は数サイクル分、具体的には３サイクルから５サイクルごとに行い、この同期検波を繰り返す。このように数サイクル毎の同期検波を繰り返すことで発電電動機２の回転数の変化、すなわち電動機駆動母線６を流れる電流の周波数の変化の影響を無くして、高感度に漏洩電流を検出することができる。

異常検出回路１１では、同期検波回路１３で同期検波して得られた漏洩電流値と電圧検出回路１４で検出した電圧とから絶縁抵抗値を算出し、正常か異常かの判定を行なう。
発電電動機２の絶縁抵抗が正常か異常かを判定するための判定基準として、日本電気技術者協会の技術基準を使用することができる。
例えば、対地電圧が１５０Ｖを越える３００Ｖ以下の低圧電路の絶縁抵抗値として、０．４ＭΩ以上と規定されている。
したがって、例えばこの０．４ＭΩに安全率を考慮した０．５ＭΩを基準値とすることができる。異常検出回路１１で算出した絶縁抵抗値が、この基準値０．５ＭΩと比較して基準値以下に低下した場合に異常と判定し、この異常判定が連続して指定回数、例えば５回判定されると、表示機器１６に異常表示を行なう。

図２には、駆動時における発電電動機２の絶縁異常の監視範囲を記載した。これから説明する駆動時の監視限界回転数ｆ１で示した電動機回転数より高速域が、駆動時監視範囲である。
零相変流器１２は、電磁現象を利用して零相電流を検出するために、周波数応答の限界が存在する。通常の零相変流器は、４０Ｈｚ以上であれば問題なく応答する。したがって、通常の零相変流器を用いる場合、電動機駆動母線６を流れる駆動電流周波数４０Ｈｚ以上に相当する発電電動機２の回転数域が、駆動時の監視範囲となる。この駆動時の監視限界回転数が図２に示すｆ１である。

電動機駆動母線６を流れる駆動電流の周波数と発電電動機２の回転数との関係は発電電動機２の極数も関わり、前記（１）式で表されるから極数が多いと回転数は小さくなる。仮に６極の発電電動機２を使用した場合、４０Ｈｚの時約毎分８００回転となる。電動車両のデファレンシャルギアを含めた１速の最終減速比は１６以上あるので、車軸の回転数が毎分５回転以上、車輪周囲長２ｍとして時速６００ｍで発電電動機２の異常検出ができる。尚、この監視範囲は、発電電動機２の極数、電動車両の減速比、車両の外径等により異なるが、通常車両用電動機には８極以上の発電電動機２を使用する場合が多く、最終減速比も１６以上のものが多いことから、前述した車両速度より監視範囲が小さくなることはない。

また、零相変流器１２の周波数応答を４０Ｈｚ以上としたが、高性能の零相変流器を使用した場合には周波数応答の限界は４０Ｈｚ以下となる。この場合は、監視範囲は低速域に更に広くなる。

次に、発電電動機２の電力回生時について説明する。
電力回生時には、インバータ３はダイオードブリッジ全波整流回路として作用する。発電電動機２が、外部から駆動される状態になる電力回生時（制動時）には、発電電動機２は発電機として動作し、電機子コイル（図示せず）に電圧が誘起する。この誘起電圧が直流電源４の電圧を超えると、発電電動機２側からインバータ３のダイオードブリッジ全波整流回路を通して直流電源４に充電電流が流れる。
一般的に発電電動機では、電動機巻線に印加される電圧［Ｖｅ］と巻線に与えられる電流［ｉ］により回転速度［Ｎ］が決まり、この関係は（２）式で表せる。
電圧［Ｖｅ］＝√２・π（Ｎ／６０）・ｐ・α・ω・Φ＋ｉ・ｒ （２）
ここで、ｐは電動機の極数、ωは巻線の巻数、αは巻線係数、Φは磁束、ｉは電流、ｒは巻線の内部抵抗である。
（２）式の右辺第１項が巻線の誘起電圧を示し、第２項が巻線における電圧降下を示す。一般的に電力回生時において、回転数が低い場合でも、巻線の内部抵抗が小さく、電流値も小さいので第２項は無視できる。

この電力回生時に、発電電動機２の電機子コイルから電動機駆動母線６を流れる充電電流の零相電流を零相変流器１２で検出する。同時に駆動時と同様に回転数検出器１５からの信号を基にコントローラ９で回生電流の周波数を（１）式を用いて算出する。
上記で求めた周波数を用いて、零相変流器１２からの零相電流を同期検波回路１３で同期検波を行ない、漏洩電流を検出する。
次に異常検出回路１１で、同期検波回路１３で同期検波して得られた漏洩電流値と電圧検出回路１４で検出した電圧とから絶縁抵抗値を算出し発電電動機２の異常検出を行なう。

図３に、電力回生時の発電電動機２の回転数と充電電流Ｂの関係、および電力回生時の監視範囲を示す。電力回生時は制動時であるため発電電動機２の回転数の能動的制御はされない。電動車両が高速走行から制動に移ると、発電電動機２の高速回転時には高い誘起電圧が発生し、大きな充電電流が流れる。しかし、電動車両が減速するにしたがって、誘起電圧は低くなる。誘起電圧が、直流電源４の電圧と同じとなる発電電動機２の回転数において、充電電流は０となり、それ以下の発電電動機２の回転数では充電電流は流れず、電力回生ができない。この回転数が、電力回生時における監視限界回転数ｆ２となる。

この充電電流が０となる発電電動機２の監視限界回転数ｆ２は、直流電源４の電圧と関係する。直流電源３００Ｖ、６極の発電電動機２の場合、この監視限界回転数ｆ２は発電電動機２の回転数が毎分１５００回転に相当し、実証した結果においても毎分１５００回転まで異常検出を行うことができた。

次に、惰性走行時について説明する。
惰性走行時は、発電電動機２の電機子コイルに発生する誘起電圧が低いため電動機駆動母線６に電流が流れず、零相電流も検出されない。したがって、惰性走行時は、コントローラ９から異常検出回路１１へ出力される運転状態信号を用いて、異常検出回路１１内の判定ロジックにより、発電電動機２の異常検出は行われない。

発電電動機２の絶縁劣化の発生と進行は、汚損や吸湿や温度や機械振動などを原因として経年的に進行する場合が多く、数十秒で急激に進行することはほとんどない。したがって、同期検波は連続的にリアルタイムで行なう必要はなく、駆動時や電力回生時に３〜５サイクル間に急激な回転数の変化、すなわち電動機駆動母線６に流れる電流周波数の急激な変化があった場合にはそのデータは除去することで、発電電動機２の異常検出の精度を向上させることができる。

上記の実施の形態１では、回転数検出器１５で検出した回転数からコントローラ９において、（１）式を用いて電動機駆動母線６を流れる電流の周波数を求め構成としたが、周波数算出回路をコントローラ９内ではなく、別に設けてもよい。

また実施の形態１では、回転数検出器１５で検出した回転数から（１）式を用いて電動機駆動母線６を流れる電流の周波数を求める構成としたが、駆動時においては、コントローラ９がインバータ３をＰＷＭ制御する制御信号から、電動機駆動母線６を流れる電流の周波数を求める構成としてもよい。

以上説明したように、実施の形態１においては、電動機駆動母線６の零相電流を電動機駆動母線６の電流の周波数で同期検波して、漏洩電流値を求め、この漏洩電流値を用いて絶縁抵抗を算出して、発電電動機２の異常を検出するため、駆動時および電力回生時において、発電電動機２の回転数の変動の影響を除去して、高精度で絶縁抵抗を算出し絶縁異常を検出することができる効果がある。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１の発電電動機の異常検出装置１に対して、電力回生制動時において、監視限界回転数を低下させ、低速域まで電力回生範囲を広げることで、発電電動機２の絶縁異常の監視範囲を拡大できる発電電動機の異常検出装置３１に関するものである。尚、駆動時の発電電動機２の絶縁異常の検出については、実施の形態１と同様である。
本願発明の実施の形態２について、図４および図５に基づいて説明する。図４は、発電電動機の異常検出装置３１に係るシステム構成図、図５は機能説明図である。

まず、本願発明の実施の形態２に係る発電電動機の異常検出装置３１のシステム構成について説明する。
図４は、本発明の実施の形態２に係る発電電動機の異常検出装置３１のシステム構成を表したものである。図４において、図１と同一あるいは相当部分には、同一符号を付している。
実施の形態１の発電電動機の異常検出装置１の電動機駆動部に対して、直流電圧変換回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ３２と、電力回生時においてＤＣ／ＤＣコンバータ３２を使用するように回路を切り替える切替リレー回路である第１リレー３３ａ、第２リレー３３ｂおよびこれらリレー接点３４、３５を追加した構成となっている。
ここで、第１リレー３３ａ、第２リレー３３ｂは、別々のリレーを使用することしているが同一のリレーで構成しても良い。
また、発電電動機の異常検出装置１の電動機制御部に対して、コントローラ９からＤＣ／ＤＣコンバータ３２への制御信号ラインが追加されている。

次に、本願発明の実施の形態２に係る発電電動機の異常検出装置３１の機能および動作について、図４のシステム構成図および図５の機能説明図を用いて説明する。

発電電動機２が駆動時から電力回生時に移行すると第１リレー３３ａ、第２リレー３３ｂが作動し、駆動時には閉じていたリレー接点３４が開放となり、同時に駆動時には開放していたリレー接点３５が閉じる。
発電電動機２の電機子コイルに誘起した電圧は、ダイオードブリッジ全波整流回路として作用するインバータ３を経てＤＣ／ＤＣコンバータ３２に入力される。同時に全波整流された出力電圧を電圧検出回路１４で検出し、異常検出回路１１を経由して、この検出電圧がコントローラ９に入力される。

コントローラ９では、電圧検出回路１４で検出した電圧を直流電源４の電圧となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ３２を制御する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ３２では、入力の直流電圧に対して出力の直流電圧を高くすることができるので、全波整流された直流電圧が直流電源４の電圧より低い場合でも、直流電源４の直流電圧より高い電圧に電圧変換して電力回生することができる。

本実施の形態２において、零相変流器１２の動作、電動機駆動母線６に流れる電流の周波数の算出および同期検波回路１３における同期検波の方法および動作は、実施の形態１と同様である。
異常検出回路１１では、同期検波回路１３で同期検波して得られた漏洩電流値と電圧検出回路１４で検出した電圧とから絶縁抵抗値を算出して、発電電動機２の異常検出を行なう。発電電動機２の異常検出方法は、実施の形態１と同様である。

本実施の形態２における電力回生時の発電電動機２の回転数と充電電流Ｂ、Ｂ´の関係を図５に示す。図５の充電電流の実線Ｂが実施の形態１の構成での充電電流であり、破線が増加した充電電流Ｂ´である。発電電動機２の回転数が高速時においては、充電電流はあまり変わらない。しかし、発電電動機２の回転数が低速時においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２を使用して、全波整流された直流電圧を直流電源４の直流電圧より高い電圧に電圧変換して電力回生を継続することができる。このため破線で示した充電電流Ｂ´のように充電電流を増加させることができる。これに伴い、実施の形態１における監視限界回転数ｆ２はｆ２´に低下し、電力回生時の監視範囲が低速域まで拡大する。

上記の実施の形態２では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の入力電圧を電圧検出回路１４で検出する構成としたが、回転数検出器１５で検出した発電電動機２の回転数から（２）式により算出した誘起電圧を使用することもできる。
また、電圧検出回路１４で検出した電圧値と回転数検出器１５で検出した発電電動機２の回転数から（２）式により算出した誘起電圧を求めて、両者を比較して差異のないことを確認することができる。もし、両者が運転状態から判断して正常な範囲にあるが、差異がある場合は、電圧検出回路１４の検出電圧優位で入力電圧を決定することができる。

さらに、上記の実施の形態２では、電力回生時においては、コントローラ９からインバータ３を制御せず、単にダイオードブリッジ全波整流回路として作用するとしたが、コントローラ９からインバータ３を制御することもできる。
この場合は、回転数検出器１５で検出した回転数から電動機駆動母線６を流れる電流の周波数を求めるのではなく、電力回生時においても、コントローラ９がインバータ３を制御する制御信号から、電動機駆動母線６を流れる電流の周波数を求める構成とすることができる。

以上説明したように、本実施の形態２では、実施の形態１におけると同様に駆動時および電力回生時において、発電電動機２の回転数の変動の影響を除去して、高精度で絶縁抵抗を算出し絶縁異常を検出することができる効果に加えて、電力回生時においてさらに低速域まで発電電動機２の絶縁異常の監視範囲を広くすることができる。

実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態１の発電電動機の異常検出装置１に対して、直流電源として三相交流を全波整流する構成を追加したものである。
駆動時および電力回生時の発電電動機２の絶縁異常の検出については、実施の形態１と同様である。
本願発明の実施の形態３について、図６に基づいて、発電電動機の異常検出装置４１のシステム構成を説明する。図５において、図１と同一あるいは相当部分には、同一符号を付している。

発電電動機の異常検出装置４１のシステム構成は、実施の形態１の発電電動機の異常検出装置１の電動機駆動部に対して、三相交流電源４２と整流回路４３を追加したものである。

この実施の形態３では、駆動時に三相交流電源４２を整流回路４３で整流して直流電源４に充電するとともに、インバータ３により制御して発電電動機２を駆動する。
その他の駆動時および電力回生時の動作は実施の形態１と同様である。

以上説明したように、本実施の形態３では、実施の形態１におけると同様に駆動時および電力回生時において、発電電動機２の回転数の変動の影響を除去して、高精度で絶縁抵抗を算出し絶縁異常を検出することができる効果を、三相交流を全波整流して直流電源を構成する発電電動機２の場合にも発揮することができる。

実施の形態４．
実施の形態４は、実施の形態３の発電電動機の異常検出装置４１に対して、電力回生時に回生した電力を三相交流電源に戻す構成としたものである。
本願発明の実施の形態４について、図７に基づいて、発電電動機の異常検出装置５１のシステム構成を説明する。図７において、図６と同一あるいは相当部分には、同一符号を付している。

発電電動機の異常検出装置５１のシステム構成は、実施の形態３の発電電動機の異常検出装置４１の電動機駆動部に対して、さらに第２インバータ５２および電力回生時に第２インバータ５２を使用するように回路を切り替える切替リレー回路である第３リレー５３とこの第３リレー５３のリレー接点５４、５５を追加した構成となっている。また、コントローラ９から第２インバータ５２への制御信号ラインが追加されている。

この実施の形態４では、駆動時に三相交流電源４２を整流回路４３で整流して直流電源４に充電するとともに、インバータ３により制御して電動機２を駆動する。
電力回生時には、第３リレー５３が作動し、駆動時には閉じていたリレー接点５４が開放となり、同時に駆動時には開放していたリレー接点５５が閉じる。
発電電動機２の電機子コイルに誘起した電圧は、ダイオードブリッジ全波整流回路として作用するインバータ３を経て第２インバータ５２に入力される。
同時に電圧検出回路１４で検出した電圧信号が、異常検出回路１１とコントローラ９間の信号ラインを経由してコントローラ９に入力される。コントローラ９は、電圧検出回路１４で検出した電圧に基づき、第２インバータ５２を制御して、第２インバータ５２の入力側の直流電圧を三相交流電圧に変換する。

このように、駆動時の発電電動機２の絶縁異常の検出については、実施の形態３と同様であるが、電力回生時の発電電動機２の絶縁異常の検出については、実施の形態２で説明したように電力回生時においてさらに低速域まで発電電動機２の絶縁異常の監視範囲を広くすることができる。

実施の形態４に係る発電電動機の異常検出装置５１は、回生電力が大きく直流電源４の容量が小さい場合の発電電動機２の電力回生に有効であり、このような構成の発電電動機２においても高感度に発電電動機２の異常検出ができる。

以上説明したように、実施の形態４においては、回生した電力を三相交流電源に戻す構成の発電電動機２の場合にも、駆動時および電力回生時に発電電動機２の異常を検出することができるとともに、電力回生時においてさらに低速域まで発電電動機２の絶縁異常の監視範囲を広くすることができる。

実施の形態５．
実施の形態５は、電動機駆動母線の零相電流を電動機駆動母線の電流の周波数で同期検波して、漏洩電流値を求め、この漏洩電流値を用いて絶縁抵抗を算出して、異常を検出する本発明の発電電動機の異常検出方法に関するものである。
以下、本願発明の実施の形態５について、発電電動機の異常検出方法に係るフローチャートである図８に基づいて説明する。
なお、実施の形態１の電動機駆動部である発電電動機２、インバータ３、直流電源４、平滑コンデンサ５、および電動機駆動母線６は図１を参照して、説明する。また、発電電動機２の絶縁異常を検出するために必要な検出器、検出回路についても、実施の形態１で説明した図１のシステム構成図に記載した零相変流器１２、電圧検出回路１４および回転数検出器１５を使用することで説明する。

処理が開始される（Ｓ１）と、まず零相電流検出ステップ（Ｓ２）において、電動機駆動母線６に流れる零相電流を零相変流器１２で検出する。
次に電圧検出ステップ（Ｓ３）において、直流電源４の電圧を電圧検出回路１４で検出する。
次に周波数検出ステップ（Ｓ４）において、発電電動機２の回転数を回転数検出器１５で検出するとともに、この回転数から前記（１）式を用いて周波数を算出する。
次に同期検波ステップ（Ｓ５）において、零相電流検出ステップ（Ｓ２）において検出した電動機駆動母線６を流れる電流から、周波数検出ステップ（Ｓ４）で算出した周波数の成分のみを抽出して、漏洩電流値を求める。
次に異常検出ステップ（Ｓ６）において、同期検波ステップ（Ｓ５）で抽出した電動機駆動母線６を流れる漏洩電流値と、電圧検出ステップ（Ｓ３）で検出した直流電源４の電圧から発電電動機２の絶縁抵抗値を算出する。さらに、絶縁抵抗の基準値と比較することで、正常か異常かの判定を行うことで発電電動機２の異常を検出し、処理を終了する（Ｓ７）。

発電電動機２の回転数の変化、すなわち電動機駆動母線６を流れる電流周波数の変化の影響を無くして、高感度に漏洩電流を検出するために、１計測の同期検波を数サイクル分、例えば３サイクルから５サイクルごとに行う場合は、零相電流検出ステップ（Ｓ２）から同期検波ステップ（Ｓ５）までを必要回数分繰り返す。

実施の形態５に係る発電電動機の異常検出方法を実現するハードウエアとしては、例えば実施の形態１のシステム構成図である図１において、異常検出回路部７の内、専用ハードウエアとした方がソフトウエアの処理が簡素化できる部分を残して、電圧、電流、パルス信号用入出力回路を備えた計算機に置き換えた構成が考えられる。
専用ハードウエアとして残した方が、ソフトウエアの処理が簡素化できる部分としては、インバータ３をＰＷＭ制御するコントローラ９がある。

以上説明したように、実施の形態５に係る発電電動機の異常検出方法は、零相電流検出ステップ、電圧検出ステップ、周波数検出ステップ、同期検波ステップおよび異常検出ステップからなり、電動機駆動母線６の零相電流を電動機駆動母線６の電流の周波数で同期検波して、漏洩電流値を求め、この漏洩電流値を用いて絶縁抵抗を算出して、発電電動機２の異常を検出するため、駆動時および電力回生時において、発電電動機２の回転数の変動の影響を除去して、高精度で絶縁抵抗を算出し絶縁異常を検出することができる効果がある。

１，３１，４１，５１ 発電電動機の異常検出装置、２ 発電電動機、
３ インバータ、４ 直流電源、５ 平滑コンデンサ、６ 電動機駆動母線、
７ 異常検出回路部、８ 制御装置、９ コントローラ、１０ 接地線、
１１ 異常検出回路、１２ 零相変流器、１３ 同期検波回路、１４ 電圧検出回路、
１５ 回転数検出器、１６ 表示機器、２１ａ インバータスイッチング素子、
２１ｂ ダイオード、３２ ＤＣ／ＤＣコンバータ、３３ａ 第１リレー、
３３ｂ 第２リレー、３４，３５ リレー接点、４２ 三相交流電源、４３ 整流回路、５２ 第２インバータ、５３ 第３リレー、５４，５５ リレー接点。

Claims (7)

1. 直流電源から供給される電力をインバータで制御して駆動する発電電動機の異常検出装置において、
   前記発電電動機の電動機駆動母線の零相電流を検出する零相電流検出手段と、前記電動機駆動母線を流れる電流の周波数を検出する周波数検出手段と、前記直流電源の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電動機駆動母線の前記零相電流を前記発電電動機の前記周波数で同期検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力である漏洩電流値と前記直流電源の電圧とから絶縁抵抗を算出して異常を検出する異常検出手段とを備える発電電動機の異常検出装置。
2. 前記周波数検出手段は、前記発電電動機に設けた回転数検出器の信号から求めた前記発電電動機の回転数と前記発電電動機の極数を用いて前記電動機駆動母線を流れる電流の周波数を算出する請求項１記載の発電電動機の異常検出装置。
3. 前記周波数検出手段は、前記発電電動機の駆動時において、前記インバータを駆動する制御信号を用いて前記電動機駆動母線を流れる電流の周波数を算出する請求項１記載の発電電動機の異常検出装置。
4. 前記周波数検出手段は、前記発電電動機の駆動時において、前記インバータを駆動する制御信号を用いて前記電動機駆動母線を流れる電流の周波数を算出し、前記発電電動機の電力回生時において、前記インバータを制御する制御信号を用いて前記電動機駆動母線を流れる電流の周波数を算出する請求項１記載の発電電動機の異常検出装置。
5. 前記直流電源と前記インバータとの間に切替リレー回路と直流電圧変換回路とを追加して、前記発電電動機の電力回生時において、前記インバータの直流電圧側に発生した回生直流電圧を前記直流電圧変換回路で電圧変換して、前記発電電動機で発生した回生電力を前記直流電源に回生する構成とした請求項１記載の発電電動機の異常検出装置。
6. 前記直流電源に電源を供給する三相交流電源と整流回路を追加するとともに、前記三相交流電源と前記インバータとの間に切替リレー回路と第２インバータとを追加して、前記発電電動機の電力回生時において、前記インバータの直流電圧側に発生した回生直流電圧を前記第２インバータで三相交流に変換して、前記発電電動機で発生した回生電力を前記三相交流電源に回生する構成とした請求項１記載の発電電動機の異常検出装置。
7. 直流電源から供給される電力をインバータで制御して駆動する発電電動機の異常検出方法において、
   前記発電電動機の電動機駆動母線の零相電流を検出する零相電流検出ステップと、
   前記直流電源の電圧を検出する電圧検出ステップと、
   前記電動機駆動母線を流れる電流の周波数を検出する周波数検出ステップと、
   前記電動機駆動母線の前記零相電流を前記発電電動機の前記周波数で同期検波する同期検波ステップと、
   前記同期検波ステップで得られた漏洩電流値と前記直流電源の電圧とから絶縁抵抗を算出して異常を検出する異常検出ステップと
   からなる発電電動機の異常検出方法。

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