JP2022158195A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】他の電気機器の不要な運転停止を生じることなく、地絡電流を直ちに遮断できるモータ駆動装置を提供する。【解決手段】交流電源の電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧をスイッチングにより所定周波数の交流電圧に変換し、その交流電圧をモータへの駆動電力として出力するモータ駆動装置であって、上記交流電源からの入力電流に含まれる高周波成分を検出し、検出した高周波成分が上記スイッチングに基づく高周波成分である場合に、上記スイッチングを停止する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、モータへの駆動電力を出力するモータ駆動装置に関する。

冷凍サイクルを備えた冷凍サイクル装置である空気調和機や熱源機は、モータを可変速駆動するためのモータ駆動装置を備える。このモータ駆動装置は、交流電源の電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧をインバータで所定周波数の交流電圧に変換し、その交流電圧をモータへの駆動電力として出力する。

一般に、交流電源の電源ラインには漏電ブレーカが配置され、その漏電ブレーカにモータ駆動装置を備えた冷凍サイクル装置を含む各種の電気機器が接続される。漏電ブレーカは、機器から大地に流れる漏電電流、あるいは接地線を通して大地に流れる地絡電流を、当該漏電ブレーカに流れる電流の変化から検出し、漏電が送配電側の設備に影響を与えないように、その検出に際し機械的接点を開いて電源ラインを遮断する。

特開２００８－９２６９７号公報

モータ駆動装置から地絡電流が流れた場合、上記漏電ブレーカによって電源ラインが遮断される。これにより、モータ駆動装置の運転が停止し、地絡電流が遮断される。

ただし、運転が停止するのは地絡が生じたモータ駆動装置だけでなく、同じ漏電ブレーカに接続されている他の電気機器の運転まで停止してしまうという問題がある。

本発明の実施形態の目的は、他の電気機器の不要な運転停止を招くことなく、モータ駆動装置側で地絡電流を直ちに遮断できるモータ駆動装置を提供することである。

請求項１のモータ駆動装置は、交流電源の電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧をスイッチングにより所定周波数の交流電圧に変換し、その交流電圧をモータへの駆動電力として出力するものであって、前記交流電源からの入力電流に含まれる高周波成分を検出する検出手段と、この検出手段で検出される高周波成分が前記スイッチングに基づく高周波成分である場合に、前記スイッチングを停止する制御手段と、を備える。

図１は一実施形態の構成を示すブロック図。 図２は一実施形態の制御を示すフローチャート。 図３は一実施形態における地絡電流の波形を示す図。 図４は図３の地絡電流に対応するパルス状波信号の波形を示す図。

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、３相商用交流電源１の相電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔに漏電ブレーカ２が設置され、その漏電ブレーカ２より下流側の相電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔに複数の電気機器たとえばモータ駆動装置３ａ，３ｂ，…３ｎが接続されている。モータ駆動装置３ａ，３ｂ，…３ｎは、例えば、冷凍サイクル装置である空気調和機や熱源機に１台ずつ搭載され、それぞれの冷凍サイクルの圧縮機モータを駆動する。以下、モータ駆動装置と、このモータ駆動装置を含む冷凍サイクル装置をともに符号３ａ，３ｂ，…３ｎで表す。相電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔのいずれか１つと大地との間に、接地抵抗Ｒｂを有するＢ種接地線４が配設されている。

漏電ブレーカ２は、モータ駆動装置３ａ，３ｂ，…３ｎから大地に流れる漏電電流、あるいは冷凍サイクル装置３ａ，３ｂ，…３ｎからそれぞれ後述のＤ種接地線５を通して大地に流れる地絡電流を、漏電ブレーカ２に流れる電流の変化から検出し、その検出に際し内蔵の機械的接点を開いて相電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔを遮断する。

冷凍サイクル装置３ａは、相電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔに接続される端子台１１、この端子台１１を通して相電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔに導通する相電源ラインＰｒ，Ｐｓ，Ｐｔ、この相電源ラインＰｒ，Ｐｓ，Ｐｔに配置されたノイズフィルタ１２、このノイズフィルタ１２より下流側の相電源ラインＰｒ，Ｐｓ，Ｐｔに接続された整流回路１３、この整流回路１３の出力端にインダクタ１４を介して接続された平滑コンデンサ１５、この平滑コンデンサ１５の両端に接続されたインバータ１６、このインバータ１６の出力端に接続された３相ブラシレスＤＣモータ（モータと略称する）１７、上記インバータ１６のスイッチングを制御するコントローラ２０、モータ１７に流れる電流（モータ電流）を検知する電流センサ２１，２２、表示器２３，３相交流電源１からの入力電流に含まれる高周波成分を検出する高周波検出部（検出手段）３０を有する。このモータ駆動装置３ａの筐体と大地との間に、接地抵抗Ｒｄを有するＤ種接地線５が配設される。

整流回路１３は、３相交流電源１の電圧を例えば全波整流により直流電圧に変換する。インバータ１６は、３相ブリッジ接続した複数のスイッチ素子を含み、整流回路１３の出力電圧（直流電圧）をコントローラ２０からの指令に応じたスイッチングにより所定周波数の交流電圧に変換し、その交流電圧をモータ１７への駆動電力として出力する。このモータ１７は圧縮機に内蔵されたモータであり、圧縮機の圧縮機構部を駆動する。圧縮機によって圧縮された冷媒は、図示しない凝縮器、減圧装置、蒸発器を通り、冷凍サイクル内を循環する。

高周波検出部３０は、整流回路１３の入力側の相電源ラインＰｒ，Ｐｓ，Ｐｔに配置される零相変流器３１、この零相変流器３１の出力（漏電電流または地絡電流）に含まれる高周波成分を抽出するフィルタたとえばバンドパスフィルタ３２、このバンドパスフィルタ３２で抽出される高周波成分の周波数およびレベルに対応する波形のパルス状波信号を生成するための整流回路等を含む波形整形回路３３を含む。なお、零相変流器３１は、相電源ラインＰｒ，Ｐｓ，Ｐｔに流れる電流値の合計を検出するもので、正常時には電流の合計は零になる。一方、漏電や地絡が発生すると、相電源ラインＰｒ，Ｐｓ，Ｐｔにおける電流値の合計は零にならず、外部との間に流通する電流値が零相変流器３１から出力される。

コントローラ２０は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路を含み、主要な機能として第１制御セクションおよび第２制御セクションを含む。
第１制御セクションは、電流センサ２１，２２で検知されるモータ電流からモータ１７の回転速度を推定し、その回転速度が、例えば冷凍サイクル装置３ａの空調負荷（室内温度と設定温度との差）に応じた目標回転速度となるよう、インバータ１６のスイッチングをＰＷＭ（パルス幅変調）制御する。これにより冷凍サイクル内を流れる冷媒の循環量が変化し、冷凍サイクルの能力が可変される。

第２制御セクションは、高周波検出部３０の波形整形回路３３で生成されるパルス状波信号の電圧レベルおよびパルス幅がそれぞれ規定値以上でかつそのパルス状波信号が一定時間内で所定数続く場合、高周波検出部３０のバンドパスフィルタ３２で抽出される高周波成分がインバータ１６のスイッチングに基づく高周波成分であるとの判断の下に、インバータ１６のスイッチングを停止する。

他のモータ駆動装置３ｂ～３ｎの構成も、モータ駆動装置３ａの構成と同じである。
つぎに、コントローラ３０が実行する制御を図２のフローチャートを参照しながら説明する。フローチャート中のステップS1，S2…については単にS1，S2…と略称する。

例えばモータ駆動装置３ｂにおけるモータ１７またはその周辺に地絡が生じると、地絡の部位からＤ種接地線５を通して大地に地絡電流Ｉｅが流れる。一般に地絡電流はモータ１７の相巻線が何等かの原因で損傷を受けてモータ１７のケースを経由して接地に短絡することが多い。地絡電流Ｉｅは、図３に示すように、インバータ１６のスイッチングに対するＰＷＭ制御のキャリア周波数と同じ例えば5KHz（周期Ｔ＝200μs）の高周波成分が重畳された状態で、３相交流電源１の電源周波数と同じ例えば50Hz（周期Ｔ＝20ms）で変化する。一方、地絡が生じなければ、地絡電流Ｉｅは全く流れない。

この地絡電流Ｉｅは、Ｂ種接地線４および相電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔを介して整流回路４の入力側の相電源ラインＰｒ，Ｐｓ，Ｐｔに現れ、その相電源ラインＰｒ，Ｐｓ，Ｐｔに配置されている高周波検出部３０の零相変流器３１で検出される。この零相変流器３１の出力はインバータ１６のスイッチング周波数と同じ高周波成分を含んでおり、その高周波成分が高周波検出部３０のバンドパスフィルタ３２で抽出される。そして、図４に示すように、バンドパスフィルタ３２で抽出された高周波成分の周波数およびレベルに対応するパルス時間幅ｔｐのパルス状波信号が、高周波検出部３０の波形整形回路３３で生成される。なお、この際、３相交流電源１の電源周波数の電流はバンドパスフィルタ３２で排除されている。

コントローラ２０は、波形整形回路３３で生成されるパルス状波信号の電圧レベルＶｅを検出し（S1）、その電圧レベルＶｅが規定値Ｖｅｓ以上であるか否かを判定する（S2）。

電圧レベルＶｅが規定値Ｖｅｓ以上の場合（S2のYES）、コントローラ２０は、タイムカウントｔ１を開始し（S5）、波形整形回路３３で生成されるパルス状波信号のパルス幅ｔｐを検出し（S6）、そのパルス幅ｔｐが規定値ｔｐｓ以上であるか否かを判定する（S7）。

パルス幅ｔｐが規定値ｔｐｓ以上の場合（S7のYES）、コントローラ２０は、パルス数カウント値Ｎを“１”アップし（S8）、タイムカウントｔが一定時間ｔ１ｓ以下であるか否かを判定する（S9）。

タイムカウントｔが一定時間ｔ１ｓ以下の場合（S9のYES）、コントローラ２０は、パルス数カウント値Ｎが所定数（例えば“３”）Ｎｓに達しているか否かを判定する（S10）。パルス数カウント値Ｎが所定数Ｎｓに達していない場合（S10のNO）、コントローラ２０は、上記S1に戻り、次のパルス状波信号の電圧レベルＶｅを検出する（S1）。この後の処理は上記同様である。

パルス状波信号の電圧レベルＶｅが規定値Ｖｅｓに満たない場合（S2のNO）、およびパルス状波信号のパルス幅ｔｐが規定値ｔｐｓに満たない場合（S7のNO）、あるいはパルス数カウント値Ｎが所定数Ｎｓに達しないままタイムカウントｔが一定時間ｔ１ｓを超えた場合（S9のNO）コントローラ２０は、高周波検出部３０のバンドパスフィルタ３２で抽出された高周波成分がインバータ１６のスイッチングに基づく高周波成分ではないとの判断の下に、タイムカウントｔ１およびパルス数カウント値Ｎをそれぞれ“０”にクリアし（S3，S4）、上記S1の処理に戻る。

電圧レベルＶｅが規定値Ｖｅｓ以上（S2のYES）という条件およびパルス幅ｔｐが規定値ｔｐｓ以上（S7のYES）という条件を共に満たすパルス状波信号が、タイムカウントｔに基づく一定時間ｔ１ｓのうちに所定数Ｎｓ続いた場合（S10のYES）、コントローラ２０は、高周波検出部３０のバンドパスフィルタ３２で抽出された高周波成分がインバータ１６のスイッチングに基づく高周波成分であるとの判断の下に、インバータ１６のスイッチングを停止し（S11）、かつこの停止が地絡による異常停止である旨を表示器２３で表示する（S12）。すなわち、S2～S10は、突発的なノイズの重畳等による地絡の誤検出を防止するものである。

例えば、モータ駆動装置３ｂで地絡電流Ｉｅが検出されると、そのインバータ１６のスイッチングが停止することにより、モータ駆動装置３ｂのモータ１７には、通電がなされなくなり、モータ１７から大地へ流れる地絡電流Ｉｅが遮断される。地絡電流Ｉｅが流れ続ける危険を回避できる。

漏電ブレーカ２が漏電および地絡として検出する電流は３相交流電源１の電源周波数（50Hzまたは60Hz）と同じ周波数の電流であるのに対し、コントローラ２０が地絡として検出する電流はインバータ１６に対するＰＷＭスイッチング制御のキャリア周波数と同じ5KHz～数10KHzの高周波成分なので、漏電ブレーカ２が地絡電流Ｉｅを補足して相電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔを遮断するよりも先に、モータ駆動装置３ｂのコントローラ２０が地絡電流Ｉｅを検出してインバータ１６のスイッチングを停止する。すなわち、Ｓ１０における所定数Ｎｓ×ＰＷＭキヤリア周期(時間)を、漏電ブレーカ２の動作時間、すなわち地絡が発生してから開閉器が動作するまでの時間よりも短く設定しておく。例えば、Ｎｓ＝10回に設定する。一般に漏電ブレーカ２の動作時間は、その応答早いもので３相交流電源１の電源周波数（50Hzまたは60Hz）の半周期程度となっている。このため、ＰＷＭキヤリア周波数を5KHz（周期Ｔ＝200μs）、３相交流電源１の電源周波数を50Hz（周期Ｔ＝20ms）とすると、漏電ブレーカ２の動作時間である20ms／2＝10msよりも小さい200μs×10回＝2msとなり、漏電ブレーカ２の動作前にモータ駆動装置３ｂを停止できる。この結果、モータ駆動装置３ｂのモータ１７で発生している地絡を３相交流電源１から遮断できる。なお、この際、一定時間ｔ１ｓは、少し余裕を持たせてＰＷＭキヤリア周期×所定数Ｎｓよりもわずかに長め、例えば3ms程度が設定される。

以上のように漏電ブレーカ２が相電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔを遮断するよりも先に、地絡が発生したモータ駆動装置３ａ～３ｎのコントローラ２０が地絡電流Ｉｅを検出してインバータ１６のスイッチングを停止する。したがって、漏電ブレーカ２に接続されている他のモータ駆動装置３ａ～３ｎの不要な運転停止を生じることがない。このため、地絡が発生していないモータ駆動装置３ａ～３ｎはそのまま運転を継続することができる。

［変形例］
上記実施形態では、漏電ブレーカ２に接続される複数の電気機器のすべてがモータ駆動装置である場合を例に説明したが、少なくとも１つの電気機器がモータ駆動装置で残りの電気機器がモータ駆動装置以外の電気機器である場合も同様に実施できる。
上記実施形態では、交流電源が３相である場合を例に説明したが、交流電源が単相である場合も同様に実施できる。

その他、上記実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…３相交流電源、２…漏電ブレーカ、３ａ，３ｂ～３ｎ…モータ駆動装置、４…Ｂ種接地線、５…Ｄ種接地線、１３…整流回路、１６…インバータ、１７…ブラシレスＤＣモータ、２０…コントローラ、２３…表示器、３０…高周波検出部、３１…零相変流器、３２…バンドパスフィルタ（フィルタ）、３３…波形整形回路

Claims (3)

1. 交流電源の電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧をスイッチングにより所定周波数の交流電圧に変換し、その交流電圧をモータへの駆動電力として出力するモータ駆動装置であって、
   前記交流電源からの入力電流に含まれる高周波成分を検出する検出手段と、
   前記検出手段で検出される高周波成分が前記スイッチングに基づく高周波成分である場合に、前記スイッチングを停止する制御手段と、
   を備えるモータ駆動装置。
2. 前記交流電源の電圧を前記直流電圧に変換する整流回路と、
   前記直流電圧を前記スイッチングにより前記所定周波数の前記交流電圧に変換するインバータと、
   を備え、
   前記検出手段は、前記整流回路の入力側の各相電源ラインに配置される零相変流器、この零相変流器の出力に含まれる高周波成分を抽出するフィルタ、このフィルタで抽出される高周波成分の周波数およびレベルに対応する波形のパルス状波信号を生成する波形生成回路を含み、
   前記制御手段は、前記波形生成回路で生成される前記パルス状波信号の電圧レベルおよび時間幅がそれぞれ規定値以上でかつそのパルス状波信号が一定時間内で所定数続く場合に、前記インバータのスイッチングを停止する、
   請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 当該モータ駆動装置は、前記交流電源の電源ラインに配置されている漏電ブレーカに、他の電気機器と共に接続されている、
   請求項１または請求項２に記載のモータ駆動装置。

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