JP3960350B1

JP3960350B1 - 地絡検出方法

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Publication number: JP3960350B1
Application number: JP2006063648A
Authority: JP
Inventors: 達八木; 健小倉; 真一郎野村; 圭一吉坂
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2026-03-09
Also published as: EP1995870A4; EP1995870A1; CN101385236A; WO2007102503A1; JP2007244104A

Abstract

【課題】既存のインバータを用いて、モータに発生した地絡を検出する技術を提供する。
【解決手段】三相モータ１０に地絡が発生すると、インバータ回路２０を構成するハイアーム側トランジスタＱ２１〜Ｑ２３およびローアーム側トランジスタＱ２４〜Ｑ２６のいずれかがＯＮからＯＦＦに切り替わるたびに平滑コンデンサ１の両端電圧が上昇する。地絡検出部３から平滑コンデンサ１の両端電圧を検出し、第１所定期間内の増分および第２所定期間内の増分を算出することで、突発的な電源異常を切り分けて、地絡を検出することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、地絡検出方法に関し、特に、多相モータを駆動するインバータに関する。

モータを駆動するモータ駆動装置において、漏電部位を特定可能なモータ駆動装置が特許文献１に開示されている。特許文献１記載のモータ駆動装置では、負母線へとＣＲ直列回路を介して交流電源を接続し、ＣＲ直列回路の抵抗とコンデンサとの接続点における交流波形の振幅に基づいて、漏電を検出している。

特開２００５−３０４１３８号公報

しかしながら、特許文献１記載のモータ駆動装置では、漏電を検出するために専用の交流電源やＣＲ直列回路が必要なため、回路規模が大きくなるとともに製造コストが上昇するという問題があった。

そこで、本発明は、新たに漏電検出用の専用回路を増設することなく、既存の装置を用いて、モータに発生した地絡を検出する技術を提供することを目的とする。

この発明にかかる地絡検出方法の第１の態様は、インバータ（１００）が駆動する誘導性多相負荷（１０）に発生した地絡を検出する地絡検出方法であって、前記インバータは、第1の直流電源線（VH）と、前記第１の直流電源線より低い電位が印加される第２の直流電源線（VL）と、前記第１の直流電源線及び第２の直流電源線の間に接続された平滑コンデンサ（１）と、前記誘導性多相負荷と接続する複数の出力線（Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６）と、前記第１の直流電源線と前記出力線の各々との間でそれぞれ接続された複数のハイアーム側スイッチ（Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３）と、前記ハイアーム側スイッチとそれぞれ並列に接続され、前記第１の直流電源線に接続されたカソードを有するダイオード（Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ２３）と、前記第２の直流電源線と前記出力線の各々との間でそれぞれ接続された複数のローアーム側スイッチ（Ｑ２４，Ｑ２５，Ｑ２６）と、前記ローアーム側スイッチとそれぞれ並列に接続され、前記第２の直流電源線に接続されたアノードを有するダイオード（Ｄ２４，Ｄ２５，Ｄ２６）とを備えており、前記ハイアーム側スイッチおよび前記ローアーム側スイッチのうち、少なくともいずれか一つのスイッチがONからOFFに切り替わることに伴って、前記平滑コンデンサの両端電圧が上昇することを以って前記地絡が発生したと判断する。

この発明にかかる地絡検出方法の第２の態様は、第１の態様にかかる地絡検出方法であって、（ａ）前記平滑コンデンサの第１の前記両端電圧（Ｖｔ１）を検出するステップ（Ｓ１）と、（ｂ）前記ステップ（ａ）が実行された時点から、前記ハイアーム側スイッチおよび前記ローアーム側スイッチのうち、少なくともいずれか一つのスイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わった後、前記平滑コンデンサの第２の前記両端電圧（Ｖｔ２）を検出するステップ（Ｓ２）と、（ｃ）前記第１の前記両端電圧と前記第２の前記両端電圧の増分値（ΔＶ１）が第１の所定の値を越えているか否かを判断するステップ（Ｓ３，Ｓ４）とを実行する。

この発明にかかる地絡検出方法の第３の態様は、第２の態様にかかる地絡検出方法であって、（ｄ）前記ステップ（ｂ）が実行された時点から、前記ハイアーム側スイッチおよび前記ローアーム側スイッチのうち、少なくともいずれか一つのスイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わった後、前記平滑コンデンサの第３の前記両端電圧（Ｖｔ３）を検出するステップ（Ｓ５）と、（ｅ）前記第２の前記両端電圧と前記第３の前記両端電圧の増分値（ΔＶ２）が第２の所定の値を越えているか否かを判断するステップ（Ｓ６，Ｓ７）とをさらに実行する。

この発明にかかる地絡検出方法の第１の態様によれば、地絡を検出するため専用の回路を新たに増設することなく、既存の装置を用いて、誘導性多相負荷に発生した地絡を検出することができる。

この発明にかかる地絡検出方法の第２の態様によれば、増分が第１の所定の値を越えたことを以って両端電圧が上昇したと判断できる。

この発明にかかる地絡検出方法の第３の態様によれば、２つの増分がそれぞれ第１および第２の所定の値を越えたことを以って両端電圧が上昇したと判断できる。よって、地絡を電源異常と切り分けて検出することができる。

実施の形態．
図１は本発明にかかる地絡検出技術を実現するインバータシステムを示す概略構成図である。インバータ１００は、三相交流電源４０から電源供給を受け、三相モータ１０を駆動する。

三相モータ１０は、Ｕ相コイル１１と、Ｖ相コイル１２と、Ｗ相コイル１３とで構成され、インバータ１００から三相電圧が供給されて駆動される。

インバータ１００は、入力線Ｌ１〜Ｌ３と、出力線Ｌ４〜Ｌ６と、第１直流電源線ＶＨと、第１直流電源線ＶＨより低い電位が印加される第２直流電源線ＶＬと、整流回路３０と、平滑コンデンサ１と、スイッチ２と、電圧検出部３と、インバータ回路２０と、制御装置５０とで構成されている。

整流回路３０は、第１直流電源線ＶＨと第２直流電源線ＶＬとの間で、カソード側を第１直流電源線ＶＨに向けて直列接続された２つのダイオードが、それぞれ３組並列接続されて構成されている。直列接続された２つのダイオードの接続点の各々は、それぞれ入力線Ｌ１〜Ｌ３を介して、三相交流電源４０のＲ相、Ｓ相、Ｔ相の一端と接続されている。整流回路３０は、三相交流電源４０からの交流を整流する。

平滑コンデンサ１は、第１直流電源線ＶＨと第２直流電源線ＶＬとの間に接続されており、整流回路３０で整流された直流電圧を平滑化する。

インバータ回路２０は、第１直流電源線ＶＨと出力線Ｌ４〜Ｌ６の各々との間でそれぞれ接続されたハイアーム側トランジスタＱ２１〜Ｑ２３と、各ハイアーム側トランジスタＱ２１〜Ｑ２３とそれぞれ並列に接続され、第１直流電源線ＶＨに接続されたカソードを有するダイオードＤ２１〜Ｄ２３と、第２直流電源線ＶＬと出力線Ｌ４〜Ｌ６の各々との間でそれぞれ接続されたローアーム側トランジスタＱ２４〜Ｑ２６と、各ローアーム側トランジスタＱ２４〜Ｑ２６とそれぞれ並列に接続され、第２直流電源線ＶＬに接続されたアノードを有するダイオードＤ２４〜Ｄ２６とから構成されている。

出力線Ｌ４〜Ｌ６は、それぞれ三相モータ１０を構成するＵ相コイル１１、Ｖ相コイル１２、Ｗ相コイル１２の一端と接続されている。インバータ回路２０は、平滑コンデンサ１から供給される直流電圧を、制御装置５０からのＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号によって交流電圧に変換して、その変換した交流電圧を出力線Ｌ４〜Ｌ６を介して三相モータ１０に供給し、三相モータ１０を駆動する。

電圧検出部３は、平滑コンデンサ１の両端電圧Ｖｄｃを検出し、その検出した両端電圧Ｖｄｃを制御装置５０へ出力する。

スイッチ２は、それぞれ第１直流電源線ＶＨの間、第２直流電源線ＶＬの間で接続され、第１直流電源線ＶＨおよび第２直流電源線ＶＬをそれぞれ電気的に切断するスイッチであり、制御装置５０によって制御される。

なお、本発明は、後述するように電圧検出部３が検出した平滑コンデンサ１の両端電圧Ｖｄｃを用いて、三相モータ１０に発生した地絡を検出するが、当該電圧検出部３は、地絡を検出するための専用のものではない。通常、制御装置５０は、三相モータ１０に流れる電流値、平滑コンデンサ１の両端電圧Ｖｄｃ等に基づいて、三相モータ１０の各相に印加する電圧を計算し、その計算した結果に基づいて、インバータ回路２０を構成する各ハイアーム側トランジスタＱ２１〜Ｑ２３およびローアーム側トランジスタＱ２４〜Ｑ２６のＯＮ／ＯＦＦを制御するＰＷＭ信号を生成して出力する。すなわち、電圧検出部３は、三相モータ１０を駆動するために、本来的に備えられるものである。よって、ソフトウェア上の変更のみで、誘導性多相負荷に発生した地絡を検出することができる。

図２は、三相モータ１０内に地絡が発生した場合の、ハイアーム側トランジスタとローアーム側トランジスタのスイッチング動作、および、平滑コンデンサ１の両端電圧Ｖｄｃの変動を示す図である。図２に示すように、三相モータ１０内に地絡が発生すると、ハイアーム側トランジスタＱ２１およびローアーム側トランジスタＱ２５がＯＮからＯＦＦに切り替わることに伴って、平滑コンデンサ１の両端電圧Ｖｄｃは上昇する。以下、具体的に当該動作のメカニズムを説明する。

例えば、図１に示すインバータシステムにおいて、三相モータ１０内の中性点が装置の外殻に触れることによって、三相モータ１０内で地絡が発生したとする。このとき、三相交流電源４０から見ると、図１において破線で示す様に、三相モータ１０内の中性点は接地抵抗Ｒ１に接続していると見なすことができる。なお、接地抵抗Ｒ１の抵抗値は数十Ωから１００Ω程度である。

図３は、地絡発生時における平滑コンデンサ１の両端電圧Ｖｄｃの上昇メカニズムを示す図である。ハイアーム側トランジスタＱ２１およびローアーム側トランジスタＱ２５がＯＮ状態であるとき、図３中に実線矢印で示すように、平滑コンデンサ１からの直流電流は、ハイアーム側トランジスタＱ２１、出力線Ｌ４、Ｕ相コイル１１をこの順で介し、中性点で分流して一部は接地抵抗Ｒ１に流れる。他の一部は、Ｖ相コイル１２、出力線Ｌ５、ローアーム側トランジスタＱ２５をこの順で介して、平滑コンデンサ１に流れる。

ここで、ハイアーム側トランジスタＱ２１がＯＮからＯＦＦに切り替わり、例えば、ハイアーム側トランジスタＱ２３がＯＦＦからＯＮに切り替わると、Ｕ相コイル１１は自己インダクタンスにより逆起電力を発生し、図３中に破線矢印で示すように、ダイオードＤ２４、出力線Ｌ４、Ｕ相コイル１１をこの順で介して、接地抵抗Ｒ１へと流れる電流が生じる。そのため、平滑コンデンサ１には電荷が充電されることになり、図２で示すように、平滑コンデンサ１の両端電圧Ｖｄｃは上昇する。

同様に、ローアーム側トランジスタＱ２５がＯＮからＯＦＦに切り替わり、例えば、ローアーム側トランジスタＱ２４がＯＦＦからＯＮに切り替わると、Ｖ相コイル１２は自己インダクタンスにより逆起電力を発生し、結果として、接地抵抗Ｒ１、Ｖ相コイル１２、ダイオードＤ２２をこの順で介して、平滑コンデンサ１に電流が流れる。そのため、平滑コンデンサ１には電荷が充電されることになり、図２で示すように、平滑コンデンサ１の両端電圧Ｖｄｃは上昇する。

なお、ハイアーム側トランジスタＱ２２、Ｑ２３およびローアーム側トランジスタＱ２４、Ｑ２６がＯＮからＯＦＦに切り替わっても、同様に平滑コンデンサ１の両端電圧Ｖｄｃは上昇する。

すなわち、三相モータ１０内で地絡が発生すると、ハイアーム側トランジスタＱ２１〜Ｑ２３およびローアーム側トランジスタＱ２４〜Ｑ２６のいずれかがＯＮからＯＦＦに切り替わる度に、平滑コンデンサ１の両端電圧Ｖｄｃが上昇することになる。

本発明は、上述した動作により生じる平滑コンデンサ１の両端電圧Ｖｄｃの上昇を検出して三相モータ１０に発生した地絡を検出するものである。しかし、平滑コンデンサ１の両端電圧Ｖｄｃが上昇する要因として、三相モータ１０に発生した地絡以外に例えば電源異常がある。本実施の形態では、後述するように、電源異常と切り分けて三相モータ１０に発生した地絡を検出できる。図４に、本実施の形態にかかるインバータシステムの地絡検出動作を示す。以下、必要に応じて適宜、図２も参照するとよい。

まず、ステップＳ１にて、電圧検出部３は、平滑コンデンサ１の両端電圧Ｖｔ１を検出し、制御装置５０に出力する。

ステップＳ２にて、ステップ１を実行した時点から、ハイアーム側トランジスタＱ２１〜Ｑ２３およびローアーム側トランジスタＱ２４〜Ｑ２６の少なくともいずれか１つがＯＮからＯＦＦに切り替わった後、電圧検出部３は、平滑コンデンサ１の両端電圧Ｖｔ２を検出し、制御装置５０に出力する。これは、例えば、制御装置５０が出力するＰＷＭ信号の周期に比べて、電圧検出部３の検出周期を長くすることで実現できる。

ステップＳ３にて、制御装置５０は、平滑コンデンサ１の両端電圧の増分ΔＶ１＝Ｖｔ２−Ｖｔ１を算出する。

ステップＳ４にて、制御装置５０は、増分ΔＶ１が予め定められた所定の値Ｖｔｈを越えているかを判断する。

ステップＳ４で判断した結果、増分ΔＶ１が所定の値Ｖｔｈを越えていなければ、再びステップＳ１から動作を開始する。

ステップＳ４で判断した結果、増分ΔＶ１が所定の値Ｖｔｈを越えていれば、ステップＳ５にて、ステップＳ３を実行した時点から、ハイアーム側トランジスタＱ２１〜Ｑ２３およびローアーム側トランジスタＱ２４〜Ｑ２６の少なくともいずれか１つがＯＮからＯＦＦに切り替わった後、電圧検出部３は再び平滑コンデンサ１の両端電圧Ｖｔ３を検出し、制御装置５０に出力する。

ステップＳ６にて、制御装置５０は、平滑コンデンサ１の両端電圧の増分ΔＶ２＝Ｖｔ３−Ｖｔ２を算出する。

ステップＳ７にて、制御装置５０は、増分ΔＶ２が予め定められた所定の値Ｖｔｈを越えているか判断する。

ステップＳ７で判断した結果、増分ΔＶ２が予め定められた所定の値Ｖｔｈを越えていれば、ステップＳ８にて、制御装置５０は、三相モータ１０内で地絡が発生しているとして、スイッチ２をＯＦＦにし、運転を中止する。

ステップＳ７で判断した結果、越えていなければ、ステップＳ９にて、制御装置５０は、電源異常が発生しているとして、スイッチ２をＯＦＦにし、運転を中止する。

従って、既存のインバータ１００を用いて、三相モータ１０に発生した地絡を検出することができる。また、平滑コンデンサ１の両端電圧の増分を２回検出することで、突然的な電源異常による平滑コンデンサ１の両端電圧上昇と、地絡によるものとを切り分けることができる。このように、電源異常と切り分けて地絡を検出できるため、運転中止後の故障個所の特定を容易とし、以って故障から復帰する時間を短くすることができる。

なお、本発明にかかる地絡検出方法は、必ずしも図４に示す全てのステップを行う必要はない。例えば、ステップＳ４で判断した結果、増分ΔＶ１が所定の値Ｖｔｈを越えていた場合、すぐに運転を中止しても良い。このときは、三相モータ１０に発生した地絡により平滑コンデンサ１の両端電圧が上昇したのか、電源異常により上昇したのかのいずれかであるが、両者の判別は困難である。しかし、何かしらの異常が発見された場合、運転を中止して故障個所の特定および修理を行うような態様であれば、上記方法で構わない。

実施の形態にかかるインバータシステムの概略構成図である。地絡発生時における平滑コンデンサの両端電圧Ｖｄｃを示す図である。地絡発生時における平滑コンデンサの両端電圧Ｖｄｃの上昇メカニズムを示す図である。実施の形態にかかるインバータシステムの地絡検出動作を示す図である。

符号の説明

１平滑コンデンサ
３電圧検出部
１０三相モータ
Ｑ２１〜Ｑ２３ハイアーム側トランジスタ
Ｑ２４〜Ｑ２６ローアーム側トランジスタ
Ｄ２１〜Ｄ２６ダイオード

Claims

インバータ（１００）が駆動する誘導性多相負荷（１０）に発生した地絡を検出する地絡検出方法であって、
前記インバータは、
第1の直流電源線（VH）と、
前記第１の直流電源線より低い電位が印加される第２の直流電源線（VL）と、
前記第１の直流電源線及び第２の直流電源線の間に接続された平滑コンデンサ（１）と、
前記誘導性多相負荷と接続する複数の出力線（Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６）と、
前記第１の直流電源線と前記出力線の各々との間でそれぞれ接続された複数のハイアーム側スイッチ（Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３）と、
前記ハイアーム側スイッチとそれぞれ並列に接続され、前記第１の直流電源線に接続されたカソードを有するダイオード（Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ２３）と、
前記第２の直流電源線と前記出力線の各々との間でそれぞれ接続された複数のローアーム側スイッチ（Ｑ２４，Ｑ２５，Ｑ２６）と、
前記ローアーム側スイッチとそれぞれ並列に接続され、前記第２の直流電源線に接続されたアノードを有するダイオード（Ｄ２４，Ｄ２５，Ｄ２６）と
を備えており、
前記ハイアーム側スイッチおよび前記ローアーム側スイッチのうち、少なくともいずれか一つのスイッチがONからOFFに切り替わることに伴って、前記平滑コンデンサの両端電圧が上昇することを以って前記地絡が発生したと判断する、地絡検出方法。
請求項１記載の地絡検出方法であって、
（ａ）前記平滑コンデンサの第１の前記両端電圧（Ｖｔ１）を検出するステップ（Ｓ１）と、
（ｂ）前記ステップ（ａ）が実行された時点から、前記ハイアーム側スイッチおよび前記ローアーム側スイッチのうち、少なくともいずれか一つのスイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わった後、前記平滑コンデンサの第２の前記両端電圧（Ｖｔ２）を検出するステップ（Ｓ２）と、
（ｃ）前記第１の前記両端電圧に対する前記第２の前記両端電圧の増分（ΔＶ１）が第１の所定の値を越えているか否かを判断するステップ（Ｓ３，Ｓ４）と
を実行する、地絡検出方法。
（ｄ）前記ステップ（ｂ）が実行された時点から、前記ハイアーム側スイッチおよび前記ローアーム側スイッチのうち、少なくともいずれか一つのスイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わった後、前記平滑コンデンサの第３の前記両端電圧（Ｖｔ３）を検出するステップ（Ｓ５）と、
（ｅ）前記第２の前記両端電圧と前記第３の前記両端電圧の増分（ΔＶ２）が第２の所定の値を越えているか否かを判断するステップ（Ｓ６，Ｓ７）と
をさらに実行する、請求項２記載の地絡検出方法。