JP2017020913A

JP2017020913A - 絶縁監視装置およびインバータ装置

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Publication number: JP2017020913A
Application number: JP2015139115A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　幸司; Koji Sato; 幸司佐藤
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2035-07-10
Also published as: JP6588261B2

Abstract

【課題】
インバータ装置に接続された誘導性負荷の絶縁監視において、周波数と電圧の変動に左右されることなく、各相間とトータルの絶縁状態を精度よく検出する。
【解決手段】
インバータ装置に接続された誘導性負荷の絶縁を監視する絶縁監視装置であって、インバータの出力である各相の電圧を取り込む電圧入力部と、零相変流器からの漏洩電流を取り込む漏洩電流入力部と、各相の電圧から相間電圧を検出する電圧検知部と、前記相間電圧の実効値を算出する電圧実効値算出部と、前記漏洩電流から、各相間の抵抗分の漏洩電流である有効分漏洩電流を算出する有効分漏洩電流検出部と、前記相間電圧の実効値と前記有効分漏洩電流から各相間毎の絶縁抵抗を演算する絶縁抵抗演算部と、を備えるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電路の対地絶縁抵抗を監視する絶縁監視技術に関する。

絶縁監視を行う場合、零相変流器（ＺＣＴ）を使用して漏洩電流を計測する。従来の絶縁監視装置の一例を図１０に示す。零相変流器（ＺＣＴ）を使用して漏洩電流を計測すると、高調波成分、コンデンサ成分、抵抗分の漏洩電流を計測してしまう。事故や火災に起因する漏洩電流は、抵抗分の漏洩電流であり、この抵抗分の漏洩電流を計測して絶縁監視を行わなければならない。

従来の絶縁監視を行う背景技術として、注入方式（Ｉｇｒ方式）とベクトル演算方式(Ｉｏｒ方式)がある。ベクトル演算方式を使用してインバータ装置の絶縁監視を行う技術として、特開２０１２−２５１８１７号公報（特許文献１）がある。この公報には、「誘導性負荷と接続される交流電路の電圧、周波数、零相電流に基づいて対地絶縁抵抗の絶縁劣化を監視する絶縁劣化監視システムであって、上記誘導性負荷の制御状態を監視する監視手段を有し、この監視手段によって検出された上記誘導性負荷の制御状態に基づいて、対地絶縁抵抗分の漏洩電流を演算する演算手段により絶縁劣化を監視する絶縁劣化監視システム。」(要約参照)と記載されている。

特開２０１２−２５１８１７号公報

モータや誘導性負荷を駆動するインバータ装置は、それらの回転数に応じて出力の周波数と出力電圧が刻々と変化する。また、インバータの出力の制御上、各相間で電圧と周波数が完全に一致していない。従来のベクトル演算方式では、安定した商用周波数の電路の電圧と漏洩電流を監視することで絶縁状態を把握することが出来た。しかしインバータの出力で計測を行う場合、インバータ出力は刻々と変化するため、基本波成分や高調波成分が抽出できず、漏洩電流が正しく計測できない問題があった。

また、出力電圧も刻々と変化するため、絶縁抵抗値が一定であっても、漏洩電流が変化してしまい、絶縁状態の悪化により漏洩電流が増加したのか、出力電圧によって増加したのか正しく絶縁状態の傾向判断をできない問題があった。特許文献１はインバータ装置の漏洩電流を計測する技術であるが、周波数と電圧が変動するサイクルでは、前回の計測値と今回の計測値から比率で漏洩電流を求める方式であるため、１サイクルでの計測が出来ず、応答性が悪いという問題がある。また前回値と今回値の比率によって導くことになり、真値の漏洩電流とはいえない。また、インバータ装置は、各相間の電圧値が同一ではないということが考慮されていないため、本技術では正確な漏洩電流を計測出来ない問題があった。インバータの出力の絶縁監視において、漏洩電流は出力電圧によって変動してしまうことから、インバータの絶縁監視においては漏洩電流ではなく、絶縁抵抗による監視が必要となる。

本発明は、インバータ装置に接続された誘導性負荷の絶縁監視において、周波数と電圧の変動に左右されることなく、各相間とトータルの絶縁状態を精度よく検出することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、誘導性負荷と接続される交流電路の電圧と周波数を相間毎に取込み、零相変流器の値と各相間の電圧と周波数を１サイクルずつ取込み、各相の漏洩電流を演算し、各相間の漏洩電流から絶縁抵抗値を求めるアルゴリズムを特徴とする。

本発明の絶縁監視装置の代表的な一例を挙げれば、インバータ装置に接続された誘導性負荷の絶縁を監視する絶縁監視装置であって、インバータの出力である各相の電圧を取り込む電圧入力部と、零相変流器からの漏洩電流を取り込む漏洩電流入力部と、各相の電圧から相間電圧を検出する電圧検知部と、前記相間電圧の実効値を算出する電圧実効値算出部と、前記漏洩電流から、各相間の抵抗分の漏洩電流である有効分漏洩電流を算出する有効分漏洩電流検出部と、前記相間電圧の実効値と前記有効分漏洩電流から各相間毎の絶縁抵抗を演算する絶縁抵抗演算部と、を備えるものである。

本発明によれば、誘導性負荷の絶縁状態を１サイクルずつ監視することができる絶縁監視システムであり、周波数と電圧の変動に左右されることがなく、各相間とトータルの絶縁状態を精度よく検出することができる。

本発明の実施例１の絶縁監視装置の構成図の１例である。実施例１の交流電圧と漏洩電流の波形サンプリングを示した図である。漏洩電流を計測するためのベクトル図である。インバータ装置の出力波形の図である。漏洩電流の高調波を各次数に分解した図である。漏洩電流のコンデンサ分と抵抗分を示す図である。有効分漏洩電流を示すベクトル図である。有効分漏洩電流と相間電圧を示すベクトル図である。絶縁監視装置の表示の一例を示す図である。従来の絶縁監視装置の一例を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例１の絶縁監視装置の構成の一例を示す図である。図２は、計測する電圧および漏洩電流（漏れ電流とも呼ぶ）の波形のサンプリングを示した図であり、図３は漏洩電流を計測するためのベクトルを示した図である。

図１において、電動機等の誘導性負荷１０４の絶縁状態を監視するため、誘導性負荷に接続した電線、つまりインバータ１００の出力にて絶縁監視を行っている。

誘導性負荷１０４は接地されており、絶縁状態が悪くなると漏洩電流が接地に流れる。インバータ１００の出力の電圧Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のすべてを、電圧入力部１０２より絶縁監視装置１０１に入力する。また、零相変流器（ＺＣＴ）１０３をインバータ１００の出力線に設置する。なお、零相変流器１０３は誘導性負荷１０４の接地線に取り付けても良い。

インバータ１００の出力電圧は図４に示すようにキャリア周波数の矩形波４００であるため、絶縁監視装置１０１でキャリア周波数の矩形波をキャリア周波数カット部(図示せず)で取り除く。キャリア周波数を取り除くと、正弦波４０１となる。
次に、正弦波からＵ−Ｖ間、Ｖ−Ｗ間の電圧値を電圧検知部１０５で検出する。インバータ出力では、電圧値Ｅと周波数ｆは刻々と変化するため、インバータ出力周波数の１サイクルごとに検出を行う。この検出は検出漏れすることなく、検出を続ける。

周波数検知部１０６で、電圧の立ち上がりゼロクロスポイントから次回のゼロクロスポイントまでを検出し、その間の電圧値から正弦波の実効値を求める。電圧のサンプリング方法を図２に示す。なお、漏洩電流入力部１１０で漏洩電流の検出を行うが、電圧のサンプリングと同一のタイミングにて行う。

ここで、同一とは完全同一を示すものではなく、できるだけ同一のタイミングであることが望ましいことを示す概念である。マイコン等によりアナログ値からデジタル値へ変換を行うが、多くの場合は逐次比較等により行われることや、プログラムのステップごとに動作するため多少のズレは生じることとなる。本願明細書における同一とは、これらのマイコンでの計算やサンプリング時間の誤差を含め同一という概念として説明する。後述のサンプリング間隔も固定時間で行うが、厳密に固定ではない。上記したように逐次比較であり、マイコン等は、周辺温度等の環境変化によっても多少の誤差が出ることから同一でないためである。

サンプリング間隔２０２は例えば５２μ秒の固定で行う。また、１０μ秒でも１００μ秒等でもよい。サンプリング間隔はインバータ出力周波数の１サイクルの時間に対し可能な限り短い時間でサンプリングを行うことで、サンプル数が増え高精度な計測を行うことが出来るため、さらに短い時間でもかまわない。

絶縁監視装置１０１は固定のサンプリングを行うため、インバータ出力の電圧値と周波数が刻々と変化しても、１サイクル分のサンプル数が異なるだけとなる。絶縁監視装置１０１は１サイクルの始まりと終わりを認識し、その間にサンプルした電圧値から以下式１にて電圧の実効値を求める(電圧実効値算出部１１１)。１サイクルの判定は、取得した電圧から立ちあがりを検出する方法や、サンプリングした値から１サイクルの波形を確認し、最大値と最小値を用いて、ゼロクロスポイントを特定する方法等を用いてよい。

ここで、Ｖｒｍｓは電圧計測値を、Ｖｊは電圧瞬時値を、ｎはサンプリング周波数を、それぞれ示し、ｊ＝１〜ｎである
本計算を行うことで、インバータの出力の周波数が変動しても、Ｕ−Ｖ間とＶ−Ｗ間の１サイクルずつの正しい電圧実効値を求めることが出来る。ここで求めた実効値は、絶縁抵抗演算部１０９で絶縁抵抗値を算出する際に使用する。

電圧の実効値を求めるとともに、漏洩電流を求める。零相変流器（ＺＣＴ）１０３を使用し漏洩電流２０１を検出すると高調波成分、コンデンサ成分、抵抗分が含まれた値を検出する。この中で絶縁監視を行いたい成分は抵抗分であるため、高調波成分、コンデンサ成分を取り除く。高調波成分を取り除きコンデンサ成分と抵抗分の漏洩電流を基本波漏洩電流（Ｉｏ電流、基本波漏れ電流とも呼ぶ）、コンデンサ成分を取り除いた抵抗分の漏洩電流を有効分漏洩電流（Ｉｏｒ電流、有効分漏れ電流とも呼ぶ）とよぶ。

Ｉｏｒ電流を求める方法は、ベクトル演算方式(Ｉｏｒ方式)を使用する。ベクトル演算方式では、零相変流器にて検出した歪み波形の漏洩電流５００から高調波成分を取り除き基本波漏洩電流Ｉｏを求める。高調波成分を取り除く方法として、フーリエ展開を行う。フーリエ展開を行い図５のように各次数の成分に分解し、１次成分５０１を抽出する。これが基本波漏洩電流となる。各次数に分解すると、ｎ次までの次数に分解することが出来る。ここでいうｎ次は、サンプリング数に依存する。サンプル数まで分解することが出来るが、サンプル数はインバータの出力周波数に依存するので、インバータの出力の１サイクル毎に分解できる次数が変動する。

基本波漏洩電流Ｉｏは、基本波漏洩電流Ｉｏ検出部１０７で、Ｕ−Ｖ間電圧の基本波漏洩電流とＶ−Ｗ間電圧の基本波漏洩電流を抽出する。インバータ出力が各相間で電圧値と周波数が異なるため、各相間毎の基本波漏洩電流を算出しなければ、最終的に算出する絶縁抵抗値が正確にならないためである。

次に、各相間毎の有効分漏洩電流Ｉｏｒを、有効分漏洩電流Ｉｏｒ検出部１０８で求める。図６に示すように、コンデンサ成分６０２と抵抗分６０１の漏洩電流はベクトルが９０°の位相ずれがある。この理論を使用したベクトル演算方式(Ｉｏｒ方式)にて有効分漏洩電流Ｉｏｒを算出する。

図７に示したベクトル図において、電圧(Ｖ)より位相角φだけ遅れた電流(Ｉ)が流れている場合、ＩをＶと同相の成分Ｉ_１＝ＩcosφとＶより90°遅れている成分Ｉ_２＝Ｉsinφとに分解すれば、Ｉが流れるということはＩ_１とＩ_２が同時に流れることに等しい。ＶとＩ_１は同相であるから、その間の電力は
ＶＩ_１＝ＶＩcosφ×cos0°＝ＶＩcosφ
である。一方ＶとＩ_２は90°の位相差があるから，その間の電力は
ＶＩ_２＝ＶＩsinφ×cos90°＝0
である。従って電力に貢献する電流は、Ｖと同相のＩ_１＝Ｉcosφのみである。この理論から各相の位相と同相の有効分漏洩電流を、以下式にて演算する。

ここで、ｉ_ｊは電流瞬時値を、ｖ_ｊは電圧瞬時値を、ｎはサンプル数を、Ｖｒｍｓは電圧実効値を、それぞれ示す。また、ｊ＝１〜ｎである。
そして、Ｖｒｍｓは、絶縁監視装置が１サイクル毎に求めている値を使用する。

次に、各相毎に有効分漏洩電流から絶縁抵抗を求める。有効分漏洩電流と電圧の位相は図８のベクトルとなるため、以下式にて演算する。
絶縁抵抗Ｒ＝Vrms÷Ior
ここで、Ｖｒｍｓは電圧実効値を、Ｉｏｒは有効分漏洩電流を示し、演算した結果が各相の絶縁抵抗となる。

また、各相の有効分漏洩電流と絶縁抵抗値は、以下の式３および式４にて合成することが出来る。

ここで、θは電圧の位相差となる。電圧位相差は電圧検知部１０５と周波数検出部１０６にて１サイクルずつ検出しているため、この検出した値から位相差を算出する。算出した位相差にて上記の計算を行う。

絶縁監視装置１０１では、表示部１１２で、例えば各相毎のＩｏｒ、Ｉｏ、絶縁抵抗値と合成した値を、数字で表示する。数字による表示は一覧による表示、計測値を１点ずつ表示、複数点の計測値を表示できる構成とし、ボタンにて表示を切り替える。図９に、表示部９００の一例を示す。

また、液晶画面等を使用して、ベクトル表示するようにしても良い。ベクトル表示は絶縁抵抗値のベクトル表示と、Ｉｏｒ電流のベクトル表示、Ｉｏ電流のベクトル表示を、それぞれ選択することができる。ベクトル表示することで、ベクトル方向、位相差のバランスから、現在の設備状態が健全かどうか判断しやすくなる。

本実施例によれば、誘導性負荷の絶縁状態を１サイクルずつ監視することができる絶縁監視装置であり、周波数と電圧の変動に左右されることがなく、各相間とトータルの絶縁状態を精度よく検出することができる。

実施例２は、実施例１の絶縁監視装置１０１をインバータ装置１００に内蔵させたものである。インバータ装置１００に、絶縁監視装置１０１を入れ込むことで、過電流異常検出だけでなく絶縁劣化による異常検出も可能になり、より安全性の高いインバータ装置を提供できる。

また、絶縁監視装置１０１は、インバータ装置１００に入れ込むまたは組み込むだけでなく、インバータ装置１００の機能として内蔵されたものであってもよい。

絶縁監視の方法については、実施例１と同一の方法にて実施するため、説明を省略する。

１００インバータ装置
１０１絶縁監視装置
１０２電圧入力部
１０３零相変流器（ZCT）
１０４誘導性負荷
１０５電圧検知部
１０６周波数検知部
１０７基本波漏洩電流Ｉｏ検出部
１０８有効分漏洩電流Ｉｏｒ検出部
１０９絶縁抵抗演算部
１１０漏洩電流入力部
１１１電圧実効値算出部
１１２表示部
２００相間電圧波形
２０１漏洩電流波形
２０２サンプリング間隔
４００インバータ出力波形
４０１キャリア周波数カット後の入力波形
５００漏洩電流波形
５０１基本波波形
６００基本波漏洩電流ベクトル
６０１有効分漏洩電流ベクトル
６０２コンデンサ分漏洩電流ベクトル
７００有効分漏洩電流算出ベクトル
８００有効分漏洩電流ベクトル
８０１相間電圧ベクトル
９００表示部

Claims

インバータ装置に接続された誘導性負荷の絶縁を監視する絶縁監視装置であって、
インバータの出力である各相の電圧を取り込む電圧入力部と、
零相変流器からの漏洩電流を取り込む漏洩電流入力部と、
各相の電圧から相間電圧を検出する電圧検知部と、
前記相間電圧の実効値を算出する電圧実効値算出部と、
前記漏洩電流から、各相間の抵抗分の漏洩電流である有効分漏洩電流を算出する有効分漏洩電流検出部と、
前記相間電圧の実効値と前記有効分漏洩電流から各相間毎の絶縁抵抗を演算する絶縁抵抗演算部と、
を備える絶縁監視装置。
請求項１に記載の絶縁監視装置において、
前記漏洩電流から高調波成分を取り除いた各相間毎の基本波漏洩電流を取り出す基本波漏洩電流検出部を備え、
前記有効分漏洩電流検出部は、各相間毎の基本波漏洩電流から各相間毎の有効分漏洩電流を算出することを特徴とする絶縁監視装置。
請求項２に記載の絶縁監視装置において、
前記有効分漏洩電流検出部は、有効電力を求め、当該有効電力を電圧の実効値で除することにより有効分漏洩電流を算出することを特徴とする絶縁監視装置。
請求項１に記載の絶縁監視装置において、
前記有効分漏洩電流検出部は、ベクトル演算方式にて有効分漏洩電流を算出することを特徴とする絶縁監視装置。
請求項１に記載の絶縁監視装置において、
各相間毎の絶縁抵抗値から合成絶縁抵抗を求めることを特徴とする絶縁監視装置。
請求項１に記載の絶縁監視装置において、
各相間毎の有効漏洩電流または絶縁抵抗、或いは、それらを合成した値を表示する表示部を備えることを特徴とする絶縁監視装置。
請求項６に記載の絶縁監視装置において、
前記表示部は、数字表示またはベクトル表示を行うことを特徴とする絶縁監視装置。
請求項１に記載の絶縁監視装置において、
前記電圧入力部および前記漏洩電流入力部は、固定のサンプリング間隔でサンプリングして電圧値および漏洩電流値を取り込むことを特徴とする絶縁監視装置。
請求項８に記載の絶縁監視装置において、
前記電圧入力部は、各相間の電圧の１サイクルずつ電圧値を取り込むことを特徴とする絶縁監視装置
請求項９に記載の絶縁監視装置において、
前記有効分漏洩電流検出部は、各相間毎に１サイクルずつ有効分漏洩電流を算出し、
前記絶縁抵抗演算部は、前記相間電圧の実効値と前記有効分漏洩電流から各相間の絶縁抵抗値を１サイクルずつ演算することを特徴とする絶縁監視装置。
誘導性負荷が接続されたインバータの電圧出力であるＵ相とＶ相とＷ相とを監視する絶縁監視装置であって、
前記Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の相間の電流と、相間の電位差とを所定のサンプリングタイムで取得し、
所定の周期において前記相間の電流と前記相間の電位差を取得し、
前記所定の周期の電圧の実効値を特定し、
取得した前記相間の電流から高調波成分を除去することによって、容量成分と抵抗成分とを有する基本波漏れ電流を特定し、
前記基本波漏れ電流から有効分漏れ電流を特定し、
前記所定の周期の電圧の実効値と前記有効分漏れ電流とから絶縁抵抗を特定し、
特定された絶縁抵抗を用いて絶縁監視を行うことを特徴とする絶縁監視装置。
請求項１〜１１の何れか一つに記載の絶縁監視装置を組み込んだインバータ装置。
誘導性負荷が接続されたインバータの電圧出力であるＵ相とＶ相とＷ相とを監視する絶縁監視装置であって、
前記Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の相間の電流と、相間の電位差と、を所定のサンプリングタイムで取得し、
取得した前記相間の電位差を用いて、電圧の実効値を特定し、
取得した前記相間の電流から高調波成分を除去することによって、容量成分と抵抗成分とを有する基本波漏れ電流を特定し、
前記基本波漏れ電流と前記相間の電位差と前記電圧の実効値とから、有効分漏れ電流を特定し、
前記電圧の実効値と前記有効分漏れ電流とから、絶縁抵抗を特定し、
特定された絶縁抵抗を用いて絶縁状態を判定すること
を特徴とする絶縁監視装置。
請求項１３に記載の絶縁監視装置であって、
さらに、表示手段を有しており、
前記判定によって漏電状態であることが判定された場合には、前記表示手段に漏電状態であることを表示すること
を特徴とする絶縁監視装置。
誘導性負荷が接続されたインバータ装置であって、
前記インバータ装置の出力であるＵ相とＶ相とＷ相の相間の電流と、相間の電位差と、を所定のサンプリングタイムで取得し、
取得した前記相間の電位差を用いて、電圧の実効値を特定し、
取得した前記相間の電流から高調波成分を除去することによって、容量成分と抵抗成分とを有する基本波漏れ電流を特定し、
前記基本波漏れ電流と前記相間の電位差と前記電圧の実効値とから、有効分漏れ電流を特定し、
前記電圧の実効値と前記有効分漏れ電流とから、絶縁抵抗を特定し、
特定された絶縁抵抗を用いて絶縁状態を判定すること
を特徴とするインバータ装置。
請求項１５に記載のインバータ装置であって、
さらに、表示手段を有しており、
前記判定によって漏電状態であることが判定された場合には、前記表示手段に漏電状態であることを表示すること
を特徴とするインバータ装置。