JP2019201498A - モータ絶縁検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータ絶縁検出方法を提供することを課題とする。【解決手段】 本発明に係るモータ絶縁検出方法は、インバータ自体の上アームスイッチ及び下アームスイッチの切り替えを利用し、更に発生した出力電位波形及び電圧波形の直接表示により漏れ電流の発生の有無を検出し、漏れ抵抗の値を算出し、操作も十分簡単で、かつ構造もコンパクトであり、また更に増幅回路を直接モータ及びインバータに電気的に接続して信号増幅を行い、又はソフトウェアを利用して信号増幅を行い、これを介して５ＭΩの絶縁抵抗について監視でき、適用される範囲も非常に広い。【選択図】 図1

Description

本発明は、モータ技術に関し、特に、インバータ制御を使用した三相モータの絶縁検出方法に関する。

約３５％のモータ異常は、固定子（ｓｔａｔｏｒ）部分に発生し、かつこの中の７０％が絶縁に起因していた。この割合に対し、インバータが幅広く増加を開始し、ＩＧＢＴ−ｉｎｖｅｒｔｅｒ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスターインバータ）の出力が高いｄｖ／ｄｔ値を有することで、モータ絶縁の追加圧力に至る。よって、モータの突然の絶縁破壊を避けるため、絶縁監視システム（ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）が必要とされる。

現在、駆動装置（例えばモータ等）の絶縁監視に用いられるソリューションが多くある。駆動装置がＩＴ ｎｅｔｗｏｒｋｓ（非接地系統のネットワーク）で操作される場合、絶縁監視システムが制御する直流リンクバス（ＤＣ ｌｉｎｋ Ｂｕｓｅｓ）の電位（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）は、フローティングアースでかつ接地されていない。このような方式は、信頼できるが、その応用はＩＴ（非接地系統のネットワーク）のみに限定される。ＴＮ ｎｅｔｗｏｒｋｓ（非対称接地系統のネットワーク）については、他の方法にも使用できる。最も一般的な方法は、漏電遮断器（ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ、ＲＣＣＢ）への使用であり、絶縁低下でアース間の漏れ電流による発火を防止する設備内に幅広く使用される。

また従来技術は、更にＦＡＮＵＣの特許文献１及び特許文献２、ＳＡＮＹＯの特許文献３、ＧＭの特許文献４及びＮＩＳＳＡＮの特許文献５を参考にでき、ＦＡＮＵＣの米国特許は抵抗分圧で電圧及び電流値を測定し、両者が電流測定点の違い以外に、特許文献１はマイクロプロセッサで数値の読み取り及び計算を行い、かつ複数組のインバータパラレル運転アーキテクチャに応用でき、特許文献２は各々電圧測定回路及び電流測定回路を使用して絶縁抵抗値を計算し、日本ＳＡＮＹＯの特許は、抵抗分圧で対地電流値を測定し、抵抗を流れて得られた電圧値と参照電圧を比較し、それによって絶縁抵抗が低すぎるかどうかを判断し、米国ＧＭの特許は、抵抗分圧でＡＣ入力側の対地電圧値を測定してからプロセッサにより絶縁損耗を算出し、それによって絶縁抵抗が低すぎるかどうかを判定し、最後に、日本ＮＩＳＳＡＮの特許は、電気自動車モータ絶縁検出に応用され、この検出回路が１つの方形波信号を別途生成して対地抵抗及び静電容量・電圧値を検出し、従ってモータ絶縁異常の有無を判定する。

米国特許ＵＳ２０１５０２５６１１６Ａ１号 米国特許ＵＳ２０１５０１９４９２２Ａ１号 米国特許ＵＳ２００９０１９５２０５Ａ１号 米国特許ＵＳ８１６４２９８Ｂ２号 米国特許ＵＳ２００２０１２１９０２Ａ１号

本発明は、モータ絶縁検出方法を提供するものであり、インバータ自体の上アームスイッチ及び下アームスイッチの切り替えを利用するだけではなく、更に生成した出力電位波形及び電圧波形の直接表示により漏れ電流の発生の有無を検出し、漏れ抵抗の値を算出し、操作も十分簡単で、かつ構造もコンパクトであり、また増幅回路を直接モータ及びインバータに電気的に接続して信号増幅を行い、又はソフトウェアを利用して信号増幅を行い、これを介して５ＭΩの絶縁抵抗について監視でき、適用される範囲も非常に広い。

モータと該モータを制御するためのインバータとの間において電流センサで該モータと該インバータとの間の直流ループ上の信号をサンプリングし、また増幅回路で該サンプリングした信号を増幅する本発明に係るモータ絶縁検出方法は、該モータの停止状態下において、該インバータ内の該直流ループと電気的に接続する上アームスイッチ及び下アームスイッチを逆方向に操作する短絡（ＯＮ、Ｓｈｏｒｔ）と開放（ＯＦＦ、Ｏｐｅｎ）に切り替わり、すなわち、該上アームスイッチが短絡となった時、該下アームスイッチが開放となり、該上アームスイッチが開放となった時、該下アームスイッチが短絡となり、従って出力電圧が発生し、前記直流ループと該上アームスイッチ及び該下アームスイッチは該モータの同じ位相に対応することと、該上アームスイッチ及び該下アームスイッチが該逆方向操作を行われた時、各々該電流センサで該直流ループに対し信号サンプリングを行い、また該逆方向操作下でサンプリングした信号間に電位の変化（ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が存在するかどうかを比較し、該電位の変化が存在した時、該モータにすでに漏れ電流（ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ）が発生し、該モータの絶縁が低下したと判断でき、該電位の変化が存在しない時、該モータの絶縁存在を判断できることとを含む。

幾つかの実施例において、該増幅回路は、少なくとも順序通り直列に接続する第１増幅器モジュールと第２増幅器モジュールとを含み、該第１増幅器モジュールの第１ゲイン値がシステム全体の需要及び最大電流保護で特定され、該第２増幅器モジュールの第２ゲイン値が該漏れ電流の監視需要に供するため、少なくとも１０Ｖ／ｍＡである。

幾つかの実施例において、該増幅回路は、該第１増幅器モジュールと該第２増幅器モジュールとの間を電気的に接続するフィルタを更に含む。

幾つかの実施例において、該フィルタは、ハイパスフィルタ（ｈｉｇｈ−ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）である。

幾つかの実施例において、該モータは、インバータ三相モータである。

幾つかの実施例において、該上アームスイッチが短絡（ＯＮ、Ｓｈｏｒｔ）となり、該下アームスイッチが開放（ＯＦＦ、Ｏｐｅｎ）に切り替えられた時、該モータに正のバスバー電圧（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｂｕｓ ｂａｒ ｖｏｌｔａｇｅ）が発生し、また該上アームスイッチが開放（ＯＦＦ、Ｏｐｅｎ）となり、該下アームスイッチが短絡（ＯＮ、Ｓｈｏｒｔ）となった時、該モータに負のバスバー電圧（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｂｕｓ ｂａｒ ｖｏｌｔａｇｅ）が発生し、該正のバスバー電圧及び該負のバスバー電圧の結合を通じて、該出力電圧が発生する。

本発明に係るモータ絶縁検出方法内の回路図である。 本発明に係るモータ絶縁検出方法内の増幅回路を示す図である。 本発明に係るモータ絶縁検出方法のフローチャートである。 本発明に係るモータ絶縁検出方法内のモータの上アームスイッチ及び下アームスイッチの回路を示す模式図である。 本発明に係るモータ絶縁検出方法内の正のバスバー電圧及び負のバスバー電圧の波形を示す模式図である。 本発明に係るモータ絶縁検出方法内の生成した出力電位波形と電圧波形でかつ漏れ抵抗が発生しない波形との比較図である。 本発明に係るモータ絶縁検出方法内の生成した出力電位波形と電圧波形でかつ１ＭΩの漏れ抵抗が発生した波形との比較図である。 本発明に係るモータ絶縁検出方法内の生成した出力電位波形と電圧波形でかつ２ＭΩの漏れ抵抗が発生した波形との比較図である。 本発明に係るモータ絶縁検出方法内の生成した出力電位波形と電圧波形でかつ５００ｋΩの漏れ抵抗が発生した波形との比較図である。

図１及び図２を参照すると、本発明の回路ブロック図において、インバータ２００のコントローラ２３０は、増幅回路１００に電気的に接続し、各増幅回路１００が更にインバータ２００の少なくとも１個の上アームスイッチ２１０と少なくとも１個の下アームスイッチ２２０に電気的に接続し、また同時にモータ３００にも電気的に接続する。

図１、図２及び図３を同時に参照すると、本発明のモータ絶縁検出方法は、モータ３００とモータ３００を制御するためのインバータ２００との間において、電流センサ２４０でモータ３００のＵ、Ｖ及びＷの三相とインバータ２００との間の３つの直流ループ上の信号を各々サンプリングし、また各サンプリングした信号を各々増幅回路１００で増幅する。増幅回路１００は、第１増幅器モジュールＯＡ１とフィルタＣＡＣｐａｓｓと第２増幅器モジュールＯＡ２とを含み、第１増幅器モジュールＯＡ１は、インバータ２００とモータ３００との間を電気的に接続し、また第１増幅器モジュールＯＡ１の第１ゲイン値がシステム全体の需要及び最大電流保護で特定され、フィルタＣＡＣｐａｓｓは、ハイパスフィルタ（ｈｉｇｈ−ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）で、コンデンサとすることができ（ただしこれに限定されない）、第１増幅器モジュールＯＡ１に電気的に接続することで、直流信号をフィルタリングし、第２増幅器モジュールＯＡ２は、フィルタＣＡＣｐａｓｓに電気的に接続し、フィルタリングした後の信号を増幅し、第２増幅器モジュールＯＡ２の第２ゲイン値が漏れ電流Ｉｌｅａｋａｇｅの監視需要に供するため、少なくとも１０Ｖ／ｍＡである。

モータ３００（例えばインバータ三相モータ）が停止状態（ｓｔｏｐｐｅｄ ｓｔａｔｅ）にある時、モータ３００と電気的に接続するインバータ２００の上アームスイッチ２１０及び下アームスイッチ２２０を逆方向に操作し、すなわち、上アームスイッチ２１０が短絡（ＯＮ、Ｓｈｏｒｔ）となった時、下アームスイッチ２２０が開放（ＯＦＦ、Ｏｐｅｎ）となり、上アームスイッチ２１０が開放（ＯＦＦ、Ｏｐｅｎ）となった時、下アームスイッチ２２０が短絡（ＯＮ、Ｓｈｏｒｔ）となり、このサイクルで、出力電圧Ｖｏｕｔが発生し、前記上アームスイッチ２１０及び前記下アームスイッチ２２０は、モータ３００の同じ位相に対応し、例えば、モータ３００の位相Ｕ（三相モータの３つの位相はＵ、Ｖ、Ｗを含む）に対応する単一の上アームスイッチ２１０及び単一の下アームスイッチ２２０で遮断及び開放の切り替えを行う。

図４を参照すると、前記逆方法操作とは、上アームスイッチ２１０が短絡（ＯＮ、Ｓｈｏｒｔ）に切り替わった時、下アームスイッチ２２０が開放（ＯＦＦ、Ｏｐｅｎ）に切り替わり、上アームスイッチ２１０が開放（ＯＦＦ、Ｏｐｅｎ）に切り替わった時、下アームスイッチ２２０が短絡（ＯＮ、Ｓｈｏｒｔ）に切り替わり、これによって交互に切り替えることを意味し、次に、図４及び図５を参照すると、インバータ２００の上アームスイッチ２１０が短絡（ＯＮ、Ｓｈｏｒｔ）に切り替わり、かつ同時にインバータ２００の下アームスイッチ２２０を開放（ＯＦＦ、Ｏｐｅｎ）に切り替えた場合、モータ３００に正のバスバー電圧（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｂｕｓ ｂａｒ ｖｏｌｔａｇｅ）Ｖｐが発生し、インバータ２００の上アームスイッチ２１０が開放（ＯＦＦ、Ｏｐｅｎ）に切り替わり、かつ同時にインバータ２００の下アームスイッチ２２０を短絡（ＯＮ、Ｓｈｏｒｔ）に切り替えた時、モータ３００に負のバスバー電圧（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｂｕｓ ｂａｒ ｖｏｌｔａｇｅ）Ｖｎが発生じ、従って前記出力電圧Ｖｏｕｔが発生し、前記切り替え周波数は１００Ｈｚで、すなわち、５ｍｓごとにスイッチ切り替えを行う。

最後に、図６乃至図９を参照すると、前記電位の変化の発生を通じて、モータ３００に漏れ電流（ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ）Ｉｌｅａｋａｇｅが発生したかどうかを監視し、すなわち、上アームスイッチ２１０及び下アームスイッチ２２０において前記逆方向操作が行われる時、電流センサ２４０で前記直流ループに対し信号のサンプリングを各々行い、また前記方向逆操作下でサンプリングした信号間に電位の変化（ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）Ｐが存在するかどうかを比較し、前記電位の変化Ｐが存在した時、モータ３００にすでに前記漏れ電流Ｉｌｅａｋａｇｅが発生し、更に増幅回路１００又はソフトウェアにより信号を増幅及び処理し、並びに出力した出力電位波形と電圧波形の比較を利用して漏れ電流Ｉｌｅａｋａｇｅを監視すると共にモータ３００の絶縁が低下したと判断できる。

また、更にプロセッサ（図示せず）を利用して前記漏れ電流Ｉｌｅａｋａｇｅ及びインバータ２００に供給する定格電圧を計算（オームの法測：抵抗＝電圧／電流）することで、漏れ抵抗が得られる。

また図６内において、漏れ電流がないため、漏れ抵抗も発生せず、図７内において、定格電圧の発生した漏れ電流に対する関係式Ｒ＝Ｖ／Ｉ（オームの法測）を利用し、波形では漏れ電流が発生したことを示すため、１ＭΩの漏れ抵抗があることを算出し、同様に、図８及び図９は、各々漏れ電流が発生し、対応して２ＭΩ及び５００ｋΩの漏れ抵抗が発生した。

寄生コンデンサを流れた漏れ電流の１つ目のサージを無視し、その他の過渡は漏れ抵抗情報を含み、またより一層漏れ電流を測定する場合、異なる時間帯の漏れ電流波形を平均して実現できる（信号平均ステップ）。

よって、上記の構造及び方法を通じて、インバータ２００自体の上アームスイッチ２１０及び下アームスイッチ２２０の切り替えを利用するだけではなく、更に生成した出力電位波形及び電圧波形の直接表示により漏れ電流Ｉｌｅａｋａｇｅの発生の有無を検出し、漏れ抵抗の値を算出し、操作も十分簡単で、かつ構造もコンパクトであり、また増幅回路１００を直接モータ３００及びインバータ２００に電気的に接続して信号増幅を行い、又はソフトウェアを利用して信号増幅を行い、これを介して５ＭΩの絶縁抵抗について監視でき、適用される範囲も非常に広い。

前に述べたのは、本発明の各実施例についての場合、本発明の別の実施例又は更なる実施例が設計されることができその基本範囲に違反せず、かつその基本範囲は下記特許請求の範囲で特定される。本発明は、関連の好ましい実施例で解釈を行うが、本発明への限定を構成しない。説明すべき点は、当業者が本発明の思想に基づいて多くの他の類似実施例を構想でき、これらは本発明の保護範囲内に含めるものであるのが勿論である。

Claims (7)

1. モータと前記モータを制御するためのインバータとの間において電流センサで前記モータと前記インバータとの間の直流ループ上の信号をサンプリングし、また増幅回路で前記サンプリングした信号を増幅するモータ絶縁検出方法は、
   前記モータの停止状態下において、前記インバータ内の前記直流ループと電気的に接続する上アームスイッチ及び下アームスイッチを逆方向に操作する短絡（ＯＮ、Ｓｈｏｒｔ）と開放（ＯＦＦ、Ｏｐｅｎ）に切り替わり、すなわち、前記上アームスイッチが短絡となった時、前記下アームスイッチが開放となり、前記上アームスイッチが開放となった時、前記下アームスイッチが短絡となり、従って出力電圧が発生し、前記直流ループと前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチは前記モータの同じ位相に対応することと、
   前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチが前記逆方向操作を行われた時、各々前記電流センサで前記直流ループに対し信号サンプリングを行い、また前記逆方向操作下でサンプリングした信号間に電位の変化（ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が存在するかどうかを比較し、前記電位の変化が存在した時、前記モータにすでに漏れ電流（ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ）が発生し、前記モータの絶縁が低下したと判断でき、前記電位の変化が存在しない時、前記モータの絶縁存在を判断できることと、
   を含むことを特徴とする、モータ絶縁検出方法。
2. 前記増幅回路は、少なくとも順序通り直列に接続する第１増幅器モジュールと第２増幅器モジュールとを含み、前記第１増幅器モジュールの第１ゲイン値がシステム全体の需要及び最大電流保護で特定され、前記第２増幅器モジュールの第２ゲイン値が前記漏れ電流の監視需要に供するため、少なくとも１０Ｖ／ｍＡであることを特徴とする、請求項１に記載のモータ絶縁検出方法。
3. 前記増幅回路は、前記第１増幅器モジュールと前記第２増幅器モジュールとの間を電気的に接続するフィルタを更に含むことを特徴とする、請求項２に記載のモータ絶縁検出方法。
4. 前記フィルタは、ハイパスフィルタ（ｈｉｇｈ−ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）であることを特徴とする、請求項３に記載のモータ絶縁検出方法。
5. 前記モータは、インバータ三相モータであることを特徴とする、請求項１に記載のモータ絶縁検出方法。
6. 前記上アームスイッチが短絡（ＯＮ、Ｓｈｏｒｔ）となり、前記下アームスイッチが開放（ＯＦＦ、Ｏｐｅｎ）に切り替えられた時、前記モータに正のバスバー電圧（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｂｕｓ ｂａｒ ｖｏｌｔａｇｅ）が発生し、また前記上アームスイッチが開放（ＯＦＦ、Ｏｐｅｎ）となり、前記下アームスイッチが短絡（ＯＮ、Ｓｈｏｒｔ）となった時、前記モータに負のバスバー電圧（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｂｕｓ ｂａｒ ｖｏｌｔａｇｅ）が発生し、前記正のバスバー電圧及び前記負のバスバー電圧の結合を通じて、前記出力電圧が発生することを特徴とする、請求項１に記載のモータ絶縁検出方法。
7. 異なる時間帯の前記漏れ電流波形を平均して実現するステップを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のモータ絶縁検出方法。