JP2018207566A - 漏れ電流の発生を検知するモータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】漏れ電流の発生状況を容易かつ的確に検知することができるモータ駆動装置を実現する。【解決手段】モータ駆動装置１は、交流電源３から入力された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ出力する順変換器１１と、ＤＣリンクに設けられるＤＣリンクコンデンサ１２と、ＤＣリンクの直流電力をモータ駆動のための交流電力に変換して出力する逆変換器１３と、ＤＣリンクコンデンサ１２の両端に印加される直流電圧値を検出する直流電圧検出部１４と、順変換器１１の交流入力側の交流電圧の波高値を検出する交流電圧検出部１５と、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値と交流電圧検出部１５により検出された交流電圧の波高値とに基づいて、モータ駆動に起因する漏れ電流の発生を検知する漏れ電流検知部１６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、漏れ電流の発生を検知するモータ駆動装置に関する。

工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、あるいは各種ロボット内のモータを駆動するモータ駆動装置においては、交流電源から供給された交流電力を順変換器にて直流電力に一旦変換したのちさらに逆変換器にて交流電力に変換し、この交流電力を駆動軸ごとに設けられたモータの駆動電力として用いている。

このようなモータ駆動装置においては、逆変換器をＰＷＭスイッチング制御した際に、モータ及びモータ動力ケーブルなどに存在する浮遊容量により漏れ電流が発生する。漏れ電流はモータ駆動装置あるいはその周辺装置の誤動作や破損をもたらすのでその対策は重要である。

例えば、交流電源をダイオードで整流して直流に変換してからコンデンサで平滑した直流母線の電流を複数組の半導体ブリッジでスイッチングして交流電力として出力するインバータにおいて、該インバータの停止時に、インバータ出力端の少なくとも一つの相と前記直流母線の一方の極との間の電位差と基準電圧とを比較することにより、インバータ出力端の地絡を検出することを特徴とするインバータの地絡検出方法。が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

例えば、入力される交流を整流するコンバータ部と、このコンバータ部の整流出力により充電され、上記整流出力を平滑する平滑手段と、この平滑手段の充電電流の大きさを制限する電流制限手段と、上記平滑手段の平滑出力をＰＷＭ制御して負荷に交流を供給するＰＷＭインバータ部と、上記平滑手段の両端の電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段の検出出力が所定の電圧より大きいか小さいかにより正常であるかまたは異常であるかを判定する判定手段と、を備えたインバータ装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

例えば、交流電源に接続され直流電圧を出力するコンバータと、該コンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータとを備えた駆動制御装置において、上記交流電源とコンバータ間に挿入された第１の開閉手段と、上記コンバータの正負出力側母線のどちらか一方に挿入された第２の開閉手段と、上記正負出力側母線の少なくともどちらか一方に挿入された抵抗器と、上記正負出力側母線間の電圧を検出する検出手段と、該検出手段の出力電圧が基準電圧を上回った時に信号を出力する地絡検出手段と、該地絡検出手段の出力信号により上記第１の開閉手段を開成する第１の開閉制御手段と、上記第１の開閉手段の閉成開始から所定時間経過した後上記第２の開閉手段を閉成する第２の開閉制御手段とを備えたことを特徴とする駆動制御装置が知られている（例えば、特許文献３参照。）。

特開２００１−２１８４７４号公報 特開平０５−３３６７５９号公報 実開平０２−０８８４７８号公報

漏れ電流対策をとるにあたっては漏れ電流を測定する必要がある。漏れ電流は、浮遊容量の存在の下、モータに駆動電力を供給する逆変換器に対して高速なＰＷＭスイッチング制御を行うことで発生するものであるので、非常に高周波である。したがって、漏れ電流自体を直接に測定することは困難である。よって、モータ駆動装置の分野においては、漏れ電流の発生状況を容易かつ的確に検知することができる技術が望まれている。

本開示の一態様は、モータ駆動装置は、交流電源から入力された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ出力する順変換器と、ＤＣリンクに設けられるＤＣリンクコンデンサと、ＤＣリンクの直流電力をモータ駆動のための交流電力に変換して出力する逆変換器と、ＤＣリンクコンデンサの両端に印加される直流電圧値を検出する直流電圧検出部と、順変換器の交流入力側の交流電圧の波高値を検出する交流電圧検出部と、直流電圧検出部により検出された直流電圧値と前記交流電圧検出部により検出された交流電圧の波高値とに基づいて、モータ駆動に起因する漏れ電流の発生を検知する漏れ電流検知部と、を備える。

本発明によれば、漏れ電流の発生状況を容易かつ的確に検知することができるモータ駆動装置を実現することができる。

一実施形態によるモータ駆動装置を示す図である。 漏れ電流の発生に伴い発生するＤＣリンクコンデンサの電圧変動を説明する概略図であって、（Ａ）は逆変換器内のスイッチング素子がスイッチング動作しないときにおける順変換器の交流入力側の交流電圧波形とＤＣリンクコンデンサの両端の直流電圧波形との関係を例示し、（Ｂ）は逆変換器内のスイッチング素子がスイッチング動作したときにおける順変換器の交流入力側の交流電圧波形とＤＣリンクコンデンサの両端の直流電圧波形との関係を例示する。 漏れ電流の発生に伴い発生するＤＣリンクコンデンサの電圧変動の際の電流の流れを説明する図（その１）である。 漏れ電流の発生に伴い発生するＤＣリンクコンデンサの電圧変動の際の電流の流れを説明する図（その２）である。 漏れ電流の発生に伴い発生するＤＣリンクコンデンサの電圧変動の際の電流の流れを説明する図（その３）である。 漏れ電流の発生に伴い発生するＤＣリンクコンデンサの電圧を模式的に示す図である。 漏れ電流の発生に伴い発生するＤＣリンクコンデンサの電圧変動についてのシミュレーション結果を示す図である。 漏れ電流の発生に伴い発生する順変換器の交流入力側の交流電圧についての変動のシミュレーション結果を示す図である。 漏れ電流の発生に伴い発生する順変換器の交流入力側における交流リアクトルにおける交流電流の流れについてのシミュレーション結果を示す図である。 漏れ電流の発生に伴い発生するＤＣリンクコンデンサに流れ込む電荷量についてのシミュレーション結果を示す図である。 一実施形態の変形例によるモータ駆動装置を示す図である。

以下図面を参照して、漏れ電流の発生を検知するモータ駆動装置について説明する。各図面において、同様の部材には同様の参照符号が付けられている。また、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。また、理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。

図１は、一実施形態によるモータ駆動装置を示す図である。ここでは、一例として、モータ駆動装置１により三相交流のモータ２を制御する場合について説明するが、モータ２の種類についても本実施形態を特に限定するものではなく、例えば誘導モータであっても同期モータであってもよい。また、交流電源３及びモータ２の相数は本発明を特に限定するものではなく、例えば単相であってもよい。なお、図１に示す実施形態では、交流電源３を三相交流電源とし、モータ２を三相交流モータとした。

一実施形態によるサーボモータ駆動装置１を説明するに先立ち、モータ２に対する駆動制御について説明する。モータ駆動装置１は、一般的なサーボモータ駆動装置と同様、ＤＣリンクの直流電力とモータ２の駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換を行う逆変換器１３を制御する。モータ駆動装置１は、モータ２の（回転子の）速度（速度フィードバック）、モータ２の巻線に流れる電流（電流フィードバック）、所定のトルク指令、及びモータ２の動作プログラムなどに基づいて、モータ２の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御するためのスイッチング指令を、例えば上位コントローラ（図示せず）にて生成する。モータ駆動装置１によって作成されたスイッチング指令に基づいて、逆変換器１３による電力変換動作が制御される。

図１に示すように、一実施形態によるモータ駆動装置１は、順変換器１１と、ＤＣリンクコンデンサ１２と、逆変換器１３と、直流電圧検出部１４と、交流電圧検出部１５と、漏れ電流検知部１６と、報知部１７とを備える。ここで、三相の交流電源３の各相を、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相とし、接地点をＮとする。

順変換器１１は、交流電源３から入力された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ出力する。順変換器１１の例としては、ダイオード整流回路、１２０度通電型整流回路、あるいは内部にスイッチング素子を備えるＰＷＭスイッチング制御方式の整流回路などがある。順変換器１１がダイオード整流回路である場合は、交流電源３から入力された交流電流を整流し、直流側であるＤＣリンクに直流電流を出力する。順変換器１１が１２０度通電型整流回路やＰＷＭスイッチング制御方式の整流回路である場合は、順変換器１１は、交流電源３から入力された交流電力を直流電力に変換して直流側へ出力し、モータ減速時にはＤＣリンクの直流電力を交流電力に変換して交流電源３側へ戻す、交直双方向に変換可能である電力変換器として実現することができる。順変換器１１がＰＷＭスイッチング制御方式の整流回路である場合は、スイッチング素子及びこれに逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路からなる。この場合、スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−ＯＦＦ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲートターンオフサイリスタ）、トランジスタなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本発明を限定するものではなく、その他のスイッチング素子であってもよい。なお、本実施形態では、交流電源３を三相交流電源としたので、順変換器１１は三相のブリッジ回路として構成されるが、交流電源３が単相である場合は単相のブリッジ回路で構成される。

ＤＣリンクコンデンサ（平滑コンデンサとも称する）１２は、順変換器１１の直流出力側と逆変換器１３の直流入力側とを接続するＤＣリンクに設けられる。ＤＣリンクコンデンサ１２は、順変換器１１の直流出力の脈動分を抑える機能及びＤＣリンクにおいて直流電力を蓄積する機能を有する。

逆変換器１３は、ＤＣリンクに接続され、上位コントローラ（図示せず）から受信したスイッチング指令に基づき各スイッチング素子がオンオフ制御されることにより、ＤＣリンクの直流電力とモータ２の駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換する。逆変換器１３は、スイッチング素子及びこれに逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路からなり、例えばＰＷＭスイッチング制御方式に基づいて各スイッチング素子がオンオフ制御される。逆変換器１３は、上位コントローラから受信したスイッチング指令に基づき内部のスイッチング素子をスイッチング動作させ、ＤＣリンクを介して順変換器１１から供給される直流電力を、モータ２を駆動するための所望の電圧及び所望の周波数の交流電力に変換し、出力する（逆変換動作）。これにより、モータ２は、供給された電圧可変及び周波数可変の交流電力に基づいて動作することになる。また、モータ２の減速時には回生電力が発生するが、上位コントローラから受信したスイッチング指令に基づき内部のスイッチング素子をスイッチング動作させ、モータ２で発生した交流の回生電力を直流電力へ変換し、ＤＣリンクへ戻す（順変換動作）。スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ、トランジスタなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本実施形態を限定するものではなく、その他のスイッチング素子であってもよい。なお、本実施形態では、モータ駆動装置１に接続されるモータ２を三相交流モータとしたので、逆変換器１３は三相のブリッジ回路として構成されるが、モータ２が単相交流モータである場合は単相のブリッジ回路で構成される。

直流電圧検出部１４は、ＤＣリンクコンデンサ１２の両端に印加される直流電圧値を検出する。直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値は、漏れ電流検知部１６へ送られる。

交流電圧検出部１５は、順変換器１１の交流入力側の交流電圧の波高値を検出する。交流電圧の波高値は、交流電圧の実効値の√２倍である。交流電圧検出部１５により検出された交流電圧の波高値は、漏れ電流検知部１６へ送られる。

漏れ電流検知部１６は、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値と交流電圧検出部１５により検出された交流電圧の波高値とに基づいて、モータ駆動に起因する漏れ電流の発生を検知する。より詳しくは、漏れ電流検知部１６は、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値と、交流電圧検出部１５により検出された交流電圧の波高値と、の差を算出する算出部２１を有する。漏れ電流検知部１６は、算出部２１にて算出された直流電圧値と交流電圧の波高値との差に基づいて、漏れ電流の発生を検知する。漏れ電流検知部１６による漏れ電流の検知処理の詳細については後述する。

報知部１７は、漏れ電流検知部１６によりモータ駆動に起因する漏れ電流の発生が検知された場合、漏れ電流を検知したことをユーザに対して報知する。報知部１７の例としては、パソコン、携帯端末、タッチパネルなどのディスプレイやモータ駆動装置１内に設けられる数値制御装置（図示せず）に付属のディスプレイなどがある。例えば「（誤動作や破損をもたらすほどの）漏れ電流が発生した」もしくは「（誤動作や破損をもたらすほどの）漏れ電流は発生していない」を文字や絵柄でディスプレイに表示する。また例えば、報知部１７を、スピーカ、ブザー、チャイムなどのような音を発する音響機器にて実現してもよく、例えば「（誤動作や破損をもたらすほどの）漏れ電流が発生した」場合は音響機器に音を発生させ、「（誤動作や破損をもたらすほどの）漏れ電流は発生していない」場合は音響機器には特段の音を発生させないようにしてもよい。またあるいは、報知部１７について、プリンタを用いて紙面等にプリントアウトして表示させる形態をとってもよく、例えば「（誤動作や破損をもたらすほどの）漏れ電流が発生した」ことをその発生時刻とともに表示させてもよい。またあるいは、これらを適宜組み合わせて報知部１７を実現してもよい。なお、漏れ電流検知部１６によって出力された検知結果に関するデータを、記憶装置に格納し、当該データをさらなる用途に用いてもよい。

漏れ電流検知部１６の検知結果により、モータ駆動装置１のユーザは、漏れ電流の発生状況を容易かつ的確に知ることができる。例えば、報知部１７を介して「（誤動作や破損をもたらすほどの）漏れ電流が発生した」ことを知ったユーザは、例えば、モータ２に接続されるケーブルや交流電源３とモータ駆動装置１とを接続するケーブルを太くするといったような設計変更をすることができる。また、モータ駆動装置１においては、順変換器１１の交流入力側（すなわち交流電源３と順変換器１１との間）に発生するノイズを吸収するためのノイズ吸収回路（図示せず）が設けられることがある。報知部１７を介して「（誤動作や破損をもたらすほどの）漏れ電流が発生した」ことを知ったユーザは、このノイズ吸収回路を、異なるノイズ吸収特性を有するものに交換するといったような設計変更をすることもできる。

上述した直流電圧検出部１４、交流電圧検出部１５、漏れ電流検知部１６及び報知部１７は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。例えばこれらをソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、このソフトウェアプログラムに従って動作させるためのコンピュータを設けたり、モータ駆動装置１に接続される数値制御装置内の演算処理装置にこのソフトウェアプログラムを動作させたりすることで、上述の各部の機能を実現することができる。またあるいは、直流電圧検出部１４、交流電圧検出部１５、漏れ電流検知部１６及び報知部１７を、各部の機能を実現するソフトウェアプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。

また例えば、モータ駆動装置１が複数設けられ、各モータ駆動装置１の制御系が通信ネットワークを介して接続されている場合は、各モータ駆動装置１における漏れ電流検知部１６の検知結果を、クラウドサーバ上で共有してもよい。

また例えば、モータ駆動装置１を備える工作機械を含む複数の製造セルが、通信ネットワークを介して接続されている場合、各モータ駆動装置１における漏れ電流検知部１６の検知結果を、製造セルの上位にあるセルコントローラ、あるいはそのセルコントローラのさらに上位にある生産管理装置で共有してもよい。

製造セルは、製品を製造する複数の工作機械をフレキシブルに組合せた集合である。製造セルは、例えば複数個もしくは複数種類の工作機械により構築されているが、製造セルにおける工作機械の個数は限定されない。例えば、製造セルは、あるワークが複数の工作機械により順次に処理されることによって最終的な製品となる製造ラインでありうる。また例えば、製造セルは、２つ以上の工作機械の各々により処理された２つ以上の工作物（部品）を製造工程の途中で別の工作機械によって組み合せることにより最終的な工作物（製品）を完成させる製造ラインであってもよい。また例えば、２つ以上の製造セルにより処理された２つ以上の工作物を組み合せることにより、最終的な工作物（製品）を完成させてもよい。製造セルとセルコントローラとは、例えばイントラネットなどのような通信ネットワークを介して通信可能に相互接続される。製造セルは、製品を製造する工場に配置されている。これに対して、セルコントローラは、製造セルが配置された工場に配置されてもよく、あるいは工場とは異なる建屋に配置されてもよい。例えば、セルコントローラは、製造セルが配置された工場の敷地にある別の建屋に配置されていてもよい。

また、セルコントローラの上位には生産管理装置が設けられる。生産管理装置は、セルコントローラと相互通信可能に接続され、セルコントローラに生産計画を指示する。生産管理装置は、例えば、工場から遠隔地にある事務所に配置されていてもよい。この場合には、セルコントローラと生産管理装置とは、例えばインターネットの通信ネットワークを介して通信可能に相互接続される。

このような生産システムにおいて、セルコントローラあるいは生産管理装置に設けられたディスプレイ装置を報知部１７として動作させ、当該ディスプレイ装置に「（誤動作や破損をもたらすほどの）漏れ電流が発生した」もしくは「（誤動作や破損をもたらすほどの）漏れ電流は発生していない」という検知結果を表示させてもよい。またあるいは、ディスプレイ装置に代えてあるいはディスプレイ装置と共に、報知部１７として動作させる音響機器にて警報音やブザーを発生させて検知結果をユーザに報知してもよい。これにより、工場で働く作業者や管理者は容易に、漏れ電流低減を目的とした設計変更を行うべきモータ駆動装置１を知ることができる。

続いて、漏れ電流検知部１６による漏れ電流の検知処理の詳細について説明する。

モータ２及びモータ動力ケーブルなどには浮遊容量が存在する。図１では浮遊容量を参照符号２００で示す。モータ駆動のための交流電力を供給するために逆変換器１３内のスイッチング素子が高速なスイッチング動作を行うと、交流電源３、順変換器１１、逆変換器１３及び浮遊容量２００を経由して、漏れ電流が流れる。図１では、モータ２の駆動に起因する漏れ電流が流れる経路の一例を、太い破線の矢印で示している。図１に示す電流経路はあくまでも一例であり、実際は、逆変換器１３の上側アーム及び下側アームにおける各スイッチング素子のオンオフ状態との組合せなどにより、モータ２の駆動に起因する漏れ電流が流れる電流経路は刻々と変わる。

モータ２の駆動に起因する漏れ電流が発生すると、そのうちの一部の漏れ電流が、ＤＣリンクコンデンサ１２にも流れる。図１において、例えばモータ２の駆動に起因する漏れ電流が太い破線の矢印に示す電流経路を流れたときにおける、ＤＣリンクコンデンサ１２における漏れ電流が流れる経路の一例を、太い一点鎖線の矢印で示す。なお、モータ２の駆動に起因する漏れ電流が流れる順変換器１１における電流経路が変われば、それに応じてＤＣリンクコンデンサ１２に流れ込む漏れ電流の順変換器１１における電流経路も変わる。ＤＣリンクコンデンサ１２に漏れ電流が流れ込むことで、ＤＣリンクコンデンサ１２の両端に印加される電圧が変動する。

図２は、漏れ電流の発生に伴い発生するＤＣリンクコンデンサの電圧変動を説明する概略図であって、（Ａ）は逆変換器内のスイッチング素子がスイッチング動作しないときにおける順変換器の交流入力側の交流電圧波形とＤＣリンクコンデンサの両端の直流電圧波形との関係を例示し、（Ｂ）は逆変換器内のスイッチング素子がスイッチング動作したときにおける順変換器の交流入力側の交流電圧波形とＤＣリンクコンデンサの両端の直流電圧波形との関係を例示する。図２において、順変換器１１の交流入力側の三相交流電圧波形を実線で示し、ＤＣリンクコンデンサ１２の両端の直流電圧波形を一点鎖線で示す。

モータ駆動装置１において、順変換器１１が三相（Ｒ相、Ｓ相及びＴ相）の交流電源３から入力された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ出力し、かつ、逆変換器１３については内部のスイッチング素子がスイッチング動作しないで電力変換動作を行っていない状態においては、図２（Ａ）に示すように、順変換器１１がＤＣリンク側に出力する直流電圧の値は、交流入力側の交流電圧の波高値（交流電圧の実効値の√２倍）と同一となる。この後、逆変換器１３がその内部のスイッチング素子をスイッチング動作させて電力変換動作を行うと、交流電源３、順変換器１１、逆変換器１３及び浮遊容量２００を経由して、漏れ電流が流れ、漏れ電流の一部がＤＣリンクコンデンサ１２にも流れる。このため、図２（Ｂ）に示すように、ＤＣリンクコンデンサ１２の両端に印加される電圧が変動する。すなわち、ＤＣリンクにおけるグランド電位に対するプラス側直流電位及びマイナス側直流電位が変動する。なお、一般的にＤＣリンクコンデンサ１２は非常に静電容量が大きいので、電圧変動幅はそれほど大きくはない。図２（Ｂ）に示すように、ＤＣリンクコンデンサ１２の両端に印加される電圧が変動した場合、交流電圧波高値がＤＣリンクコンデンサ１２のプラス側直流電位及びマイナス側直流電位を上回るタイミング（図中、Ｐ及びＱ）が発生し、交流電源３からＤＣリンクコンデンサ１２へ流れ込む電流が発生する。ＤＣリンクコンデンサ１２へ流れ込む電流により、ＤＣリンクコンデンサ１２はさらに充電され、この結果、ＤＣリンクコンデンサ１２の両端に印加される電圧が変動することになる。ＤＣリンクコンデンサ１２の両端に印加される電圧の変動と漏れ電流との関係について、より詳細に説明すると次の通りである。

図３〜図５は、漏れ電流の発生に伴い発生するＤＣリンクコンデンサの電圧変動の際の電流の流れを説明する図である。一般に、モータ駆動装置１においては、順変換器１１の交流入力側に交流リアクトル１８が設置される。また、主にノイズの除去の目的で、ＤＣリンクのプラス側直流電位及びマイナス側直流電位とグランドとの間に、Ｙコンデンサ（ラインバイパスコンデンサ）を接続する場合がある。図３〜図５に示す例では、ＤＣリンクのプラス側直流電位とグランドとの間に静電容量Ｃ_PGのＹコンデンサ３１Ｐが接続され、ＤＣリンクのマイナス側直流電位とグランドとの間に静電容量Ｃ_NGのＹコンデンサ３１Ｎが接続されている。浮遊容量２００の静電容量をＣ_MOTORとする。

モータ駆動のための交流電力を供給するために逆変換器１３内のスイッチング素子が高速なスイッチング動作を行うと、交流電源３、順変換器１１、逆変換器１３及び浮遊容量２００を経由して漏れ電流が流れる。この漏れ電流は直流コンデンサ１２にも流れ、図３に示すように、ＤＣリンクコンデンサ１２の両端に印加される電圧が変動し、すなわちＤＣリンクにおけるグランド電位に対するプラス側直流電位及びマイナス側直流電位が変動する。ＤＣリンクにおけるグランド電位に対するプラス側直流電位及びマイナス側直流電位が変動すると、この変動分に応じた電圧が交流リアクトル１８に印加され、これにより交流リアクトル１８にエネルギーが発生し、図４に示すように各電流が流れ、ＤＣリンクコンデンサ１２並びにＹコンデンサ３１Ｐ及び３１Ｎにも電流が流れ込む。Ｙコンデンサ３１Ｐ及び３１Ｎのインダクタンスの影響により、ＤＣリンクにおけるグランド電位に対するプラス側直流電位及びマイナス側直流電位が上昇するので、図５に示すように、図４のときとは逆方向に流れる。

このように、逆変換器１３内のスイッチング素子の高速なスイッチング動作の際に、ＤＣリンクコンデンサ１２、浮遊容量２００並びにＹコンデンサ３１Ｐ及び３１Ｎのそれぞれの間で電荷のやり取りが行われることで、ＤＣリンクにおけるグランド電位に対するプラス側直流電位及びマイナス側直流電位は変動する。ただし、ＤＣリンクコンデンサ１２の静電容量は、Ｙコンデンサ３１Ｐの静電容量に比べて圧倒的に大きいため、ＤＣリンクコンデンサ１２の両端に印加される電圧Ｖ_PNはほとんど変化しない。よって、電荷のやり取りは、浮遊容量２００とＹコンデンサ３１Ｐ及び３１Ｎとの間で行われると近似できる。ここで、浮遊容量２００とＹコンデンサ３１Ｐ及び３１Ｎとの間で理想的に電荷のやり取りが行えたと仮定すると、浮遊容量２００における充電量は、Ｙコンデンサ３１Ｐ及び３１Ｎの放電量と等しくなる。よって、ＤＣリンクにおけるグランド電位に対するプラス側直流電位またはマイナス側直流電位の電圧変動幅をＶ_FALLとすると、式１が成り立つ。

式１を変形すると式２が得られる。

式２から分かるように、浮遊容量２００の静電容量Ｃ_MOTORとＹコンデンサ３１Ｐの静電容量Ｃ_PGとＹコンデンサ３１Ｎの静電容量Ｃ_NGとに基づいて、ＤＣリンクにおけるグランド電位に対するプラス側直流電位またはマイナス側直流電位の電圧変動幅Ｖ_FALLが発生することが分かる。つまり、浮遊容量２００が存在することにより、逆変換器１３内のスイッチング素子が高速なスイッチング動作の際に漏れ電流が発生し、ＤＣリンクにおけるグランド電位に対するプラス側直流電位またはマイナス側直流電位が変動する。

以上説明したように、順変換器１１が三相の交流電源３から入力された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ出力し、かつ、逆変換器１３については内部のスイッチング素子がスイッチング動作しないで電力変換動作を行っていない場合は、図２（Ａ）に示すように順変換器１１がＤＣリンク側に出力する直流電圧の値は交流入力側の交流電圧の波高値となる。つまりこの場合、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値（すなわちＤＣリンクコンデンサ１２の両端に印加される直流電圧値）は、交流電圧検出部１５により検出された交流電圧の波高値と同一となる。一方、逆変換器１３内のスイッチング素子が高速なスイッチング動作を行うと漏れ電流が発生し、この漏れ電流によりＤＣリンクコンデンサ１２の両端に印加される電圧が変動する（図２（Ｂ））。この場合、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値（すなわちＤＣリンクコンデンサ１２の両端に印加される直流電圧値）は上昇して、交流電圧検出部１５により検出された交流電圧の波高値より大きくなり、その結果、直流電圧値と交流電圧の波高値との間に差が生じる。よって、本実施形態では、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値と交流電圧検出部１５により検出された交流電圧の波高値のとの差を、漏れ電流検知部１６内の算出部２１により算出し、この差に基づいて、漏れ電流の発生を検知する。

直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値と交流電圧検出部１５により検出された交流電圧の波高値との差は、漏れ電流の大きさに比例する。これについて、図６を参照して説明する。

図６は、漏れ電流の発生に伴い発生するＤＣリンクコンデンサの電圧を模式的に示す図である。順変換器１１が交流電源３から入力された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ出力しかつ変換器１３においてはスイッチング素子がスイッチング動作していない時刻ｔ₁までは、順変換器１１がＤＣリンク側に出力する直流電圧の値と交流入力側の交流電圧の波高値とは同一となる。その後、時刻ｔ₁で逆変換器１３がその内部のスイッチング素子をスイッチング動作させて電力変換動作を行うと、交流電源３、順変換器１１、逆変換器１３及び浮遊容量２００を経由して漏れ電流が流れ、その一部がＤＣリンクコンデンサ１２にも流れ込む。その結果、ＤＣリンクコンデンサ１２の電圧が上昇し始め、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値と交流電圧検出部１５により検出された交流電圧の波高値との間に差が生じる。漏れ電流が流れ込んだＤＣリンクコンデンサ１２の電圧は、ある程度上昇したところで一定値となる。ここで、ＤＣリンクコンデンサ１２の電圧の上昇分をΔＶ、ＤＣリンクコンデンサ１２に流れ込む漏れ電流をｉ、ＤＣリンクコンデンサ１２の電荷増加分をＱ、ＤＣリンクコンデンサ１２の静電容量をＣとすると、式３が成り立つ。式３において、ＤＣリンクコンデンサ１２の電圧の上昇開始時点（すなわち逆変換器１３内のスイッチング素子のスイッチング動作開始時点である時刻ｔ₁）から、Ｃリンクコンデンサ１２の電圧が上昇して略一定値になった時点までの時間を、ｔとしている。

式３を変形すると式４が得られる。

式４に示すように、ＤＣリンクコンデンサ１２の電圧の上昇分ΔＶは、ＤＣリンクコンデンサ１２に流れ込む漏れ電流ｉの時間積分で表される。式４を変形すると式５が得られる。

図２（Ｂ）を参照して説明したように、浮遊容量２００、交流電源３及び順変換器１１を経由して流れる漏れ電流のうち、一部（すなわちｉ）がＤＣリンクコンデンサ１２に流れ込み、残りは逆変換器１３を流れる。ＤＣリンクコンデンサ１２に流れ込む漏れ電流ｉと逆変換器１３を流れる漏れ電流との比は、およそＤＣリンクコンデンサ１２と逆変換器１３とのインピーダンス比の逆比となる。これを言い換えると、浮遊容量２００、交流電源３及び順変換器１１を経由して流れる漏れ電流Ｉと、ＤＣリンクコンデンサ１２に流れ込む漏れ電流ｉとは比例関係にあるということである。この比例係数をＫとすると、式６が成り立つ。

式６に式５を代入すると、式７が得られる。

式７から分かるように、浮遊容量２００、交流電源３及び順変換器１１を経由して流れる漏れ電流Ｉは、ＤＣリンクコンデンサ１２の電圧の上昇分に比例する。漏れ電流が流れ込むことにより発生するＤＣリンクコンデンサ１２の電圧はある程度上昇したところで飽和し、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値と交流電圧検出部１５により検出された交流電圧の波高値との間に差が生じる。本実施形態では、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値と交流電圧検出部１５により検出された交流電圧の波高値のとの差を、漏れ電流検知部１６内の算出部２１により算出し、この差に基づいて、漏れ電流の発生を検知する。式７において、ＤＣリンクコンデンサ１２の静電容量Ｃ、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値と交流電圧検出部１５により検出された交流電圧の波高値との差であるΔＶ（ＤＣリンクコンデンサ１２の電圧の上昇分）、及び、ＤＣリンクコンデンサ１２の電圧の上昇開始時点からＤＣリンクコンデンサ１２の電圧が上昇して略一定値になった時点までの時間ｔは、いずれも測定可能なパラメータである。一方、式７における比例係数Ｋは、モータ駆動装置１の電源線やアース線の配線インピーダンスなどに依存するパラメータである。

上述の図３〜図６に示した一連の動作をシミュレーション解析した結果を図７〜図１０に示す。シミュレーションでは、順変換器１１が交流電源３から入力された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ出力している状態において、逆変換器１３内のスイッチング素子を所定の時間間隔でスイッチング動作させた。また、浮遊容量２００の静電容量Ｃ_MOTORはＹコンデンサ３１Ｐ及び３１Ｎの合計の静電容量（Ｃ_PG＋Ｃ_NG）よりも小さい値に設定した。

図７は、漏れ電流の発生に伴い発生するＤＣリンクコンデンサの電圧変動についてのシミュレーション結果を示す図である。図７において、ＤＣリンクにおけるグランド電位に対するプラス側直流電位を破線で示し、ＤＣリンクにおけるグランド電位に対するマイナス側直流電位を一点鎖線で示し、浮遊容量２００に印加される電圧を実線で示す。図７から分かるように、モータ２に交流の駆動電流が流れない状態では、浮遊容量２００には、ＤＣリンクにおけるグランド電位に対するプラス側直流電位またはマイナス側直流電位が印加される。例えば、逆変換器１３の下側アームの三相全てのスイッチング素子がオンで上側アームの三相全てのスイッチング素子がオフである状態では、浮遊容量２００には、ＤＣリンクにおけるグランド電位に対するマイナス側直流電位が印加されている。逆変換器１３の下側アームの三相全てのスイッチング素子がオンで上側アームの三相全てのスイッチング素子がオフである状態から下側アームの三相全てのスイッチング素子がオフで上側アームの三相全てのスイッチング素子がオンの状態に移行する場合、浮遊容量２００に印加される電圧は、ＤＣリンクにおけるグランド電位に対するマイナス側直流電位からプラス側直流電位に移行するが、この移行現象は図７のシミュレーション結果にも現われている。この移行の際、浮遊容量２００には電荷が蓄積されるが、この電荷はＤＣリンクコンデンサ１２及びＹコンデンサ３１Ｐが放電することで得られるものである。なお、ＤＣリンクコンデンサ１２の静電容量は、Ｙコンデンサ３１Ｐの静電容量に比べて圧倒的に大きいため、ＤＣリンクコンデンサ１２の両端に印加される電圧Ｖ_PNはほとんど変化しない。よって、浮遊容量２００とＹコンデンサ３１Ｐ及び３１Ｎとの間の電荷のやり取りは、図７に示すように、ＤＣリンクにおけるグランド電位に対するプラス側直流電位及びマイナス側直流電位が、同じ方向にほぼ同じ量だけ変動する現象として現れる。

図８は、漏れ電流の発生に伴い発生する順変換器の交流入力側の交流電圧の変動についてのシミュレーション結果を示す図である。図８において、順変換器１１の交流入力側のＲ相の交流電圧を破線で示し、順変換器１１の交流入力側のＳ相の交流電圧を実線で示し、順変換器１１の交流入力側のＴ相の交流電圧を一点鎖線で示す。図５を参照して説明したように、ＤＣリンクにおけるグランド電位に対するプラス側直流電位及びマイナス側直流電位が変動すると、この変動分に応じた電圧が交流リアクトル１８に印加されるが、このことは図８に示すシミュレーション結果ではＲ相、Ｓ相及びＴ相の各交流電圧の変動として現れている。

図９は、漏れ電流の発生に伴い発生する順変換器の交流入力側における交流リアクトルにおける交流電流の流れについてのシミュレーション結果を示す図である。図９において、順変換器１１の交流入力側のＲ相の交流リアクトル１８に流れる交流電流を破線で示し、順変換器１１の交流入力側のＳ相の交流リアクトル１８に流れる交流電流を実線で示し、順変換器１１の交流入力側のＴ相の交流リアクトル１８に流れる交流電流を一点鎖線で示す。ＤＣリンクにおけるグランド電位に対するプラス側直流電位及びマイナス側直流電位の変動分に応じた電圧が交流リアクトル１８に印加されることで、交流リアクトル１８にエネルギーが発生し、図９に示すように交流リアクトル１８のＲ相、Ｓ相及びＴ相に電流が流れていることが分かる。またその際、図６を参照して説明したようにＹコンデンサ３１Ｐ及び３１Ｎのインダクタンスの影響により逆方向の電流が発生していることも分かる。

図１０は、漏れ電流の発生に伴い発生するＤＣリンクコンデンサに流れ込む電荷量についてのシミュレーション結果を示す図である。ＤＣリンクにおけるグランド電位に対するプラス側直流電位及びマイナス側直流電位の変動分に応じた電圧が交流リアクトル１８に印加されることで交流リアクトル１８のＲ相、Ｓ相及びＴ相に流れる交流電流は順変換器１１で直流電流に変換（整流）されるが、この電流が、ＤＣリンクコンデンサ１２へ流れ込む電荷として現れていることが図１０から分かる。

図３〜図１０を参照して説明したように、浮遊容量２００が存在する状態下で逆変換器１３内のスイッチング素子が高速なスイッチング動作を行うと漏れ電流が流れ、この漏れ電流により、ＤＣリンクコンデンサ１２の両端に印加される電圧が変動し、すなわちＤＣリンクにおけるグランド電位に対するプラス側直流電位及びマイナス側直流電位が変動する。

一般に漏れ電流は、モータを駆動する際に大なり小なり発生するものである。モータ駆動に起因する漏れ電流が大きいほど、モータ駆動装置あるいはその周辺装置の誤動作や破損をもたらす可能性は高くなる。また、モータ駆動装置あるいはその周辺装置の誤動作や破損をもたらさない程度の漏れ電流が発生することもある。よって、漏れ電流検知のためのしきい値を設定し、このしきい値に基づいて、「誤動作や破損をもたらすほどの漏れ電流の発生」と「誤動作や破損をもたらさない漏れ電流の発生」とを切り分けてもよい。

図１１は、一実施形態の変形例によるモータ駆動装置を示す図である。本変形例は、図１に示したモータ駆動装置１における漏れ電流検知部１６内に、算出部２１によって算出された差が予め規定されたしきい値を超えた場合に、モータ駆動に起因する漏れ電流が発生したと判定する判定部２２をさらに設けたものである。漏れ電流検知部１６内の判定部２２の判定処理に用いられるしきい値は、安全性を考慮して、多少の余裕を持って、モータ駆動装置１あるいはその周辺装置の誤動作や破損をもたらすほどの漏れ電流の値よりも小さい値に設定すればよい。判定部２２は、算出部２１によって算出された差が、しきい値を超えた場合はモータ駆動に起因する漏れ電流（誤動作や破損をもたらすほどの漏れ電流）が発生したと判定し、しきい値を超えなかった場合はモータ駆動に起因する漏れ電流（誤動作や破損をもたらすほどの漏れ電流）は発生しなかったと判定する。判定結果は、報知部１７に送られる。報知部１７は、「誤動作や破損をもたらすほどの漏れ電流が発生した」もしくは「誤動作や破損をもたらすほどの漏れ電流は発生していない」を、ユーザに対し報知する。例えば、報知部１７を介して「誤動作や破損をもたらすほどの漏れ電流が発生した」ことを知ったユーザは、例えば、モータ２に接続されるケーブルや交流電源３とモータ駆動装置１とを接続するケーブルを太くするといったような設計変更や、ノイズ吸収回路を交換するといったような設計変更をすることもできる。

１ モータ駆動装置
２ モータ
３ 交流電源
１１ 順変換器
１２ ＤＣリンクコンデンサ
１３ 逆変換器
１４ 直流電圧検出部
１５ 交流電圧検出部
１６ 漏れ電流検知部
１７ 報知部
１８ 交流リアクトル
２１ 算出部
２２ 判定部
３１Ｐ、３１Ｎ Ｙコンデンサ
２００ 浮遊容量

Claims (4)

1. 交流電源から入力された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ出力する順変換器と、
   前記ＤＣリンクに設けられるＤＣリンクコンデンサと、
   前記ＤＣリンクの直流電力をモータ駆動のための交流電力に変換して出力する逆変換器と、
   前記ＤＣリンクコンデンサの両端に印加される直流電圧値を検出する直流電圧検出部と、
   前記順変換器の交流入力側の交流電圧の波高値を検出する交流電圧検出部と、
   前記直流電圧検出部により検出された直流電圧値と前記交流電圧検出部により検出された交流電圧の波高値とに基づいて、モータ駆動に起因する漏れ電流の発生を検知する漏れ電流検知部と、
   を備える、モータ駆動装置。
2. 前記漏れ電流検知部は、
   前記直流電圧検出部により検出された直流電圧値と、前記交流電圧検出部により検出された交流電圧の波高値と、の差を算出する算出部を有し、
   前記算出部により算出された差に基づいて、モータ駆動に起因する漏れ電流の発生を検知する、請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記漏れ電流検知部は、前記算出部によって算出された差が予め規定されたしきい値を超えた場合、モータ駆動に起因する漏れ電流が発生したと判定する判定部をさらに有する、請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記漏れ電流検知部によりモータ駆動に起因する漏れ電流の発生が検知された場合、漏れ電流が発生したことを報知する報知部を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。

Images