JP2018128270A - 絶縁監視装置および絶縁監視システム - Google Patents

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Abstract

【課題】インバータ、サーボの二次側の基本波有効分漏洩電流(Ior)を容易に計測することができる絶縁監視装置を提供する。【解決手段】インバータやサーボの出力により駆動されるモータや誘導性負荷の漏洩電流を計測する絶縁監視装置であって、インバータやサーボが出力する矩形波電圧信号を入力し、前記矩形波電圧信号から正弦波信号を抽出するローパスフィルターを備え、抽出した正弦波信号の電圧立ち上がりゼロクロスポイントに基づいて求めた位相差と、零相変流器の電流信号に基づいて求めた基本波漏洩電流とから、有効分漏洩電流（Ior）を算出するものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、交流電路の漏洩電流を計測、監視する絶縁監視装置および絶縁監視システムに関する。
従来の絶縁監視装置は、５０Ｈｚ、６０Ｈｚの単相または三相の電路に対して零相変流器(ZCT)を設置して漏洩電流を計測する。図７に、従来の絶縁監視装置の一例を示す。負荷設備１２には、三相電圧１１が加えられている。零相変流器(ZCT)１５により計測された漏洩電流を絶縁監視ユニット１３内部でフーリエ展開することで、高調波成分が除去された基本波漏洩電流(Io)を抽出する。さらに、零相変流器(ZCT)１５を設置した同一電路の電圧１４を取込み、電圧立ち上がりゼロクロスポイントを観測することで、基本波漏洩電流(Io)と電圧の位相差を求める。そして、基本波漏洩電流(Io)と電圧との位相関係よりベクトル演算することで、コンデンサ成分が除去された基本波有効分漏洩電流(Ior)を算出する。この基本波有効分漏洩電流(Ior)は、電路の負荷設備機器の絶縁劣化に伴って増加する抵抗分漏洩電流と同等である。この基本波有効分漏洩電流(Ior)をベクトル演算にて算出する方式を、基本波有効分漏洩電流方式(Ior方式)と呼ぶ。基本波有効分漏洩電流(Ior)を計測、管理することで負荷設備機器の絶縁状態を傾向把握することができ、未然に漏電事故を防ぐことができる。
特許文献１には、Ｉｏｒ検出方式の地落電流の検出方法を用いる回路遮断器が記載されている（図７、図８参照）。
特開２０１２−１７８３５５号公報
基本波有効分漏洩電流(Ior)を算出する為には、基本波漏洩電流(Io)と同一電路の電圧との位相差を求める必要がある。この位相差からベクトル演算をすることで基本波有効分漏洩電流(Ior)を算出することができる。図７に示すように、電圧の位相は０Ｖラインと交差する電圧立ち上がり箇所(ゼロクロスポイント)から検出する。
昨今、モータや誘導性負荷の多くはインバータ、サーボ等で制御運転されており、インバータ、サーボ等で制御運転されているモータや誘導性負荷の漏洩電流を計測したいとのニーズが増えてきている。
しかし、図８に示すように、インバータ、サーボ等１０が二次側に出力する電圧は、キャリア周波数の矩形波となり、有効分漏洩電流(Ior)を算出する為に必要な電圧立ち上がり箇所(ゼロクロスポイント)を検出することができない。
そのため、インバータ、サーボ等で制御運転されているモータや誘導性負荷の有効分漏洩電流(Ior)を計測しようとした場合、インバータ、サーボの一次側に絶縁監視装置を設置し計測することとなる。しかし、インバータ、サーボの一次側で計測する為、計測される有効分漏洩電流(Ior)は、インバータ、サーボとモータや誘導性負荷で発生する有効分漏洩電流(Ior)の合算値となってしまい、モータや誘導性負荷で発生する有効分漏洩電流(Ior)のみを計測することができない。
従って、現状の方法ではインバータ、サーボの二次側の基本波有効分漏洩電流(Ior)を計測することができない。
特許文献１記載の回路遮断器は、矩形波電圧を二次側に出力するインバータ、サーボ等を有するものではなく、ゼロクロスポイントを検出できないという課題を有するものではない。
本発明は、インバータ、サーボの二次側の基本波有効分漏洩電流(Ior)を容易に計測することができる絶縁監視装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の絶縁監視装置では、モータや誘導性負荷を制御運転するインバータ、サーボ等の二次側出力電圧の入力に、抵抗器およびコンデンサから構成されるローパスフィルターを設置することを特徴とする。
本発明の絶縁監視装置の一例を挙げるならば、インバータやサーボの出力により駆動されるモータや誘導性負荷の漏洩電流を計測する絶縁監視装置であって、
インバータやサーボが出力する矩形波電圧信号を入力し、前記矩形波電圧信号から正弦波信号を抽出するローパスフィルターを備え、
抽出した正弦波信号の電圧立ち上がりゼロクロスポイントに基づいて求めた位相差と、零相変流器の電流信号に基づいて求めた基本波漏洩電流とから、有効分漏洩電流（Ior）を算出するものである。
本発明によれば、インバータ、サーボの二次側に出力されるキャリア周波数の矩形波が取り除かれた正弦波を抽出することができ、電圧立ち上がりゼロクロスポイントを観測することができるため、基本波有効分漏洩電流(Ior)を容易に計測することが可能となる。
実施例１の絶縁監視装置の一例を示す構成図である。 実施例１の絶縁監視装置の、ＣＰＵで実現される演算手段の一例を示すブロック構成図である。 インバータ、サーボの二次側の出力電圧の矩形波電圧波形の一例である。 インバータ、サーボの二次側出力電圧波形をローパスフィルターを介した出力波形の一例である。 実施例２の絶縁監視装置に用いるローパスフィルターの一例を示す構成図である。 実施例３の絶縁監視システムの一例を示す構成図である。 従来の絶縁監視装置の一例を示す構成図である。 インバータを用いた場合の、絶縁監視装置の課題を示す図である。
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を示す。図２は、実施例１の絶縁監視装置の、ＣＰＵで実現される演算手段の一例を示すブロック構成図である。図３は、インバータ、サーボの二次側の出力電圧の矩形波電圧波形を示す。図４は、インバータ、サーボの二次側出力電圧を絶縁監視装置内部に入力し、内部においてコンデンサおよび抵抗器から構成されるローパスフィルターを介した出力電圧の波形を示す。
図１において、モータ等の誘導性負荷１０６は、インバータ、サーボ１００の二次側の出力電圧であるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相の電圧で駆動されている。絶縁監視装置１０１には、抵抗器およびコンデンサから構成されるローパスフィルター１０３、各種入力されて信号を演算するＣＰＵ１１２、各種設定値や計測値を記憶するメモリ１１３、各種計測値や設定値を表示する表示器１１４、上位制御装置(PC)１０８と接続する通信線１０９、計測値が閾値を超過した際に外部警報器１１０へリレー信号を出力するリレー信号配線１１１、電圧信号入力部１１５、電流信号入力部１１６を備えている。絶縁監視装置１０１は、電圧信号入力部１１５で、例えばＵ相とＶ相に接続した計測電圧取込み配線１０２から電圧信号を取り込む。また、電流信号入力部１１６で零相変流器(ZCT)１０４に接続した零相変流器(ZCT)取込み配線１０５から電流信号を取り込む。そして、モータ等の誘導性負荷１０６の絶縁劣化に伴って増加する漏洩電流を計測する。図において、符号１０７は絶縁監視装置の接地線(FG)を表す。
通常、インバータ、サーボ１００の二次側の出力電圧は、図３のようにキャリア周波数の矩形波波形２００となるが、絶縁監視装置内部のローパスフィルター１０３を介すことで、図４ようにキャリア周波数の矩形波を取り除いた正弦波波形２１０となる。正弦波波形とすることで、電圧の位相を検出する為の電圧立ち上がりゼロクロスポイント２２０を観測することができる。電圧立ち上がりゼロクロスポイントを求めることで、零相変流器(ZCT)で計測した漏洩電流から求めた基本波漏洩電流(Io)と電圧の位相差を求める。そして、基本波漏洩電流(Io)と電圧の位相関係よりベクトル演算することで、コンデンサ成分が除去された基本波有効分漏洩電流(Ior)を算出する。これらの演算は、ＣＰＵ１１２で行われる。
図２に、絶縁監視装置のＣＰＵ１１２で実現される演算手段のブロック構成図の一例を示す。基本波漏洩電流算出部１２１において、零相変流器(ZCT)１０４により計測された漏洩電流をフーリエ展開することで、高調波成分が除去された基本波漏洩電流(Io)を抽出する。位相差検出部１２２において、ローパスフィルター１０３を介して得られた正弦波のゼロクロスポイントに基づき、基本波漏洩電流(Io)と電圧の位相差θを求める。そして、有効分漏洩電流算出部１２３において、基本波漏洩電流(Io)と、基本波漏洩電流(Io)と電圧の位相差θによりベクトル演算することで、コンデンサ成分が除去された有効分漏洩電流(Ior)を算出する。
算出した有効分漏洩電流(Ior)は、メモリ１１３に記憶すると共に、表示器１１４で表示しても良い。また、上位装置（ＰＣ）１０８に送って、纏めて管理しても良い。また、ランプ、ブザー等の外部警報器１１０に送って、必要な場合に警報を発するようにしても良い。
これにより、インバータ、サーボの二次側の出力電圧の矩形波でも、ローパスフィルターを介することで容易に基本波有効分漏洩電流(Ior)を算出することができる。そして、有効分漏洩電流(Ior)を計測することで、工場やビル等の製造機、空調、照明といった電気設備機器で生じる漏洩電流の計測を行い、取得した計測値から、今後の漏洩電流の兆候を把握し、電気設備機器の事故の未然防止、点検時期、更新時期の予測などを行うことができる。
図５に、実施例２の絶縁監視装置に用いるローパスフィルターを示す。実施例２は、ローパスフィルターの遮断周波数を変更可能としたものである。
図５（ａ）は、可変抵抗器３００と可変コンデンサ３０１とでローパスフィルターを構成したものである。また、図５（ｂ）は、抵抗値の異なる抵抗３０３〜３０５と切り替えスイッチ３０２、および、容量値の異なるコンデンサ３０６〜３０８と切り替えスイッチ３０９とでローパスフィルターを構成したものである。
ローパスフィルターはコンデンサと抵抗器で構成されているが、可変抵抗器と可変コンデンサを用いる構成や、複数の抵抗器、コンデンサを備え、切替えスイッチを用いて切り替える構成とすることで、任意の抵抗値およびコンデンサ容量とすることができる。そして、変動するキャリア周波数の矩形波に対応し、使用状況に応じた最適な遮断周波数に変更することができる。
図６に、実施例３の絶縁監視システムの構成図を示す。
実施例１の絶縁監視装置１０１は、上位制御装置（ＰＣ）に複数台をシリーズに接続して絶縁監視システムを構成することができる。図６において、絶縁監視装置４０２、絶縁監視装置４０３、絶縁監視装置４０４・・・は、通信線４０１により上位制御装置（ＰＣ）４００に接続して絶縁監視システムを構成したものである。なお、シリアルな通信線４０１としては、ＲＳ−４８５などを用いることができる。
本実施例の絶縁監視システムによれば、複数台の絶縁監視装置を上位制御装置（ＰＣ）にシリーズに接続して絶縁監視システムを構成したので、複数の電気設備機器で生じる漏洩電流を上位制御装置で纏めて管理することができ、工場やビル等における多数の電気設備機器の管理が容易にできる。
１０ インバータ
１１ 三相電圧
１２ モータまたは負荷設備
１３ 絶縁監視ユニット
１４ 検出電圧
１５ 零相変流器(ZCT)
１００ インバータ装置
１０１ 絶縁監視装置
１０２ 計測電圧取込み配線
１０３ ローパスフィルター
１０４ 零相変流器(ZCT)
１０５ 零相変流器(ZCT)計測電流取込み配線
１０６ モータ等の誘導性負荷
１０７ 絶縁監視装置の接地線(FG)
１０８ 上位制御装置(PC)
１０９ 通信線
１１０ 外部警報器
１１１ リレー信号配線
１１２ CPU
１１３ メモリ
１１４ 表示器
１１５ 電圧信号入力部
１１６ 電流信号入力部
１２１ 基本波漏洩電流算出部
１２２ 位相差検出部
１２３ 有効分漏洩電流算出部
２００ インバータ、サーボの二次側の出力電圧の矩形波波形
２１０ インバータ、サーボの二次側の出力電圧の矩形波波形をローパスフィルターを介した出力電圧の波形
２２０ 電圧立ち上がり箇所(ゼロクロスポイント)
３００ 可変抵抗器
３０１ 可変コンデンサ
３０２ 切替えスイッチ
３０３，３０４，３０５ 抵抗器
３０６、３０７，３０８ コンデンサ
３０９ 切替えスイッチ
４００ 上位制御装置(PC)
４０１ 通信線
４０２、４０３，４０４ 絶縁監視装置

Claims (5)

  1. インバータやサーボの出力により駆動されるモータや誘導性負荷の漏洩電流を計測する絶縁監視装置であって、
    インバータやサーボが出力する矩形波電圧信号を入力し、前記矩形波電圧信号から正弦波信号を抽出するローパスフィルターを備え、
    抽出した正弦波信号の電圧立ち上がりゼロクロスポイントに基づいて求めた位相差と、零相変流器の電流信号に基づいて求めた基本波漏洩電流とから、有効分漏洩電流（Ior）を算出する絶縁監視装置。
  2. 請求項１に記載の絶縁監視装置において、更に、
    零相変流器の電流信号を取り込む電流信号入力部と、
    前記電流信号から基本波漏洩電流（Io）を求める基本波漏洩電流算出部と、
    前記インバータやサーボが出力する矩形波電圧信号を取り込む電圧信号入力部と、
    前記ローパスフィルターで抽出した正弦波信号の電圧立ち上がりゼロクロスポイントに基づいて、前記基本波漏洩電流(Io)と電圧の位相差を求める位相差検出部と、
    前記基本波漏洩電流(Io)と前記位相差から、有効分漏洩電流（Ior）を算出する有効分漏洩電流算出部と、
    を備える絶縁監視装置。
  3. 請求項１記載の絶縁監視装置において、
    前記ローパスフィルターは、可変抵抗器と可変コンデンサとで構成され、遮断周波数を設定変更できるようにした絶縁監視装置。
  4. 請求項１記載の絶縁監視装置において、
    前記ローパスフィルターは、複数の抵抗器とコンデンサと、これら複数の抵抗器とコンデンサを任意に組み合わせるスイッチで構成し、遮断周波数を設定変更できるようにした絶縁監視装置。
  5. 複数台の請求項1〜４の何れか1項に記載の絶縁監視装置と、上位制御装置とを備え、
    前記複数台の絶縁監視装置を前記上位制御装置にシリーズに接続して構成した絶縁監視システム。
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