JP5057661B2 - 電動機駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、インバータにより界磁付き電動機を駆動する電動機駆動システムに関し、詳しくは、インバータまたは電動機等の故障を速やかに検出してシステムを安全に停止するための技術に関するものである。ここで、界磁付き電動機とは、回転子に界磁極（永久磁石によるもの、界磁コイルによるものを含む）を有し、空転状態で無負荷誘起電圧が発生する電動機をいう。

図５は、この種の電動機駆動システムの第１の従来技術を示しており、三相電圧形インバータ１０によって三相の界磁付き電動機Ｍを駆動するシステムである。
インバータ１０は、電解コンデンサ等からなる直流電圧部１１に、還流ダイオードが逆並列接続された自己消弧形スイッチング素子（ここではＩＧＢＴ）を２個直列接続してなるアーム部を三相分並列に接続して構成されている。図において、Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗ，Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚはスイッチング素子、Ｄ_ｕ，Ｄ_ｖ，Ｄ_ｗ，Ｄ_ｘ，Ｄ_ｙ，Ｄ_ｚは還流ダイオードである。

各アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点は交流出力端子となり、これらの出力端子に界磁付き電動機Ｍ、具体的には永久磁石同期電動機等が接続されている。
このような電動機駆動システムは例えば特許文献１等に記載されており、その構成及び制御方法は公知であって広く実用化されているため、これらの説明は省略する。
図５の構成では、電動機駆動システムの停止状態において、インバータ１０の全スイッチング素子に対してこれらをオフにするための信号（オフ信号）が制御装置（図示せず）から与えられている。

次に、図６は第２の従来技術を示している。この従来技術では、インバータ１０Ａ内の直流電圧部１１とスイッチング素子との間に、図示の極性で接続されたダイオード１２を備えている。
界磁付き電動機Ｍを発電機として用いる場合、図示するように直流電圧部１１の電圧を阻止する極性でダイオード１２を挿入することにより、スイッチング素子群に短絡故障が生じても上記ダイオード１２の作用によって直流電圧部１１の電圧が維持されるという特徴がある。なお、この構成は、本件出願時において未だ出願公開されていない特願２００４−１５８５４８に開示されている。

特開平１１−７５３９４号公報（図１，図２等）

界磁付き電動機Ｍの停止状態において、スイッチング素子のうちの１個が故障して短絡または低抵抗の状態（以下では、これらを総称して短絡故障という）になると、電動機Ｍが外力によって回転している場合には電流が流れる。短絡故障したスイッチング素子が１個であっても、各スイッチング素子には環流ダイオードが逆並列接続されているため、ダイオードに順方向の電圧が印加されれば電流が通流する。これは、空転状態において誘起電圧が発生する界磁付き電動機Ｍに特有の問題である。

上記のようにスイッチング素子が短絡故障していて電動機Ｍの空転時に電流が流れている状態は、電動機Ｍのコイルが短絡されている状態であり、この場合には比較的大きな電流が流れることが知られている。この大電流は、電動機Ｍやインバータの過熱や焼損を招き、近隣の装置にも熱が及んで悪影響を及ぼすといった問題の原因ともなる。
特に、この状態ではスイッチング素子が短絡故障しているため制御不能であり、電動機Ｍが外力によって回されている限り大電流は流れ続けてしまう。

一方、インバータのスイッチング素子は正常でも、電動機内部またはインバータと電動機とを接続するケーブルにおいて短絡等が生じた場合にも、大きな電流が流れて電動機等が過熱状態になるという問題が生じる。
そこで本発明の解決課題は、これらの短絡故障その他の故障を速やかに検出すると共に、故障検出時にはシステムを安全に停止させるようにした電動機駆動システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、界磁付きｎ相（ｎは２以上の整数）電動機をｎ相インバータにより駆動する電動機駆動システムであって、
還流ダイオードが逆並列接続された自己消弧形スイッチング素子を少なくとも２個直列接続してなるアーム部を、直流電圧部に直接、ｎ個並列に接続し、かつ、前記アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点を出力端子として電動機に接続してなる電動機駆動システムにおいて、
前記出力端子よりも前記直流電圧部の正極側にあるスイッチング素子群を上アーム、負極側にあるスイッチング素子群を下アームとした場合に、
前記上アームまたは下アームの何れか一方の全スイッチング素子に対してオン信号、オフ信号を連続的に与えた時に、各オン信号によって通流するｎ相電流実効値の合計値または直交座標成分のｄ軸，q軸電流値が一定にならず脈動するときに、電動機または電動機とインバータとの間のケーブルが短絡故障していると判定するものである。

請求項１に記載した発明によれば、インバータを構成するスイッチング素子、電動機内部、または、インバータと電動機との間のケーブルの短絡故障を迅速に検出することができ、故障検出時にはシステムを安全に停止させて被害の拡大を防止することが可能になる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の参考形態を示す構成図である。図１において、インバータ３１を構成する三相各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）のうちＵ相、Ｗ相の交流出力線３０_ｕ，３０_ｗには、電流検出器ＣＴ_ｕ，ＣＴ_ｗがそれぞれ接続されており、これらの電流検出器ＣＴ_ｕ，ＣＴ_ｗの出力はスイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗ，Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚをオンオフ制御するための制御装置２０に入力されている。
なお、インバータ３１の他の構成は図５と同一である。界磁付き電動機Ｍは、例えば永久磁石同期電動機である。

図１の構成において、例えばＵ相下アームのスイッチング素子Ｑ_ｘが短絡故障している場合、全スイッチング素子に対してオフ信号を与えても、上記スイッチング素子Ｑ_ｘ及び環流ダイオードＤ_ｙ，Ｄ_ｚによって短絡ループが形成されるため、界磁付き電動機Ｍの回転子が外力によって回転し誘起電圧が発生している場合には、電動機Ｍに電流が流れる。この状態が継続すると、電動機Ｍのコイルやインバータ３１内の通流状態のスイッチング素子が過熱する。

しかし、別の見方をすれば、上記の現象から、全スイッチング素子にオフ信号を与えている状態で電動機Ｍに電流が流れているならば、スイッチング素子のうちの少なくとも１個が短絡故障しているという判定を行うことが可能である。
ただし、電動機Ｍの回転速度が高く、従って誘起電圧が高い場合、誘起電圧の線間ピーク値が直流電圧部１１の電圧よりも高ければ、上アームの環流ダイオードも順バイアスされることになり、全スイッチング素子が正常であっても電流が流れる。しかし、その場合の電流は上記短絡電流よりも格段に小さいこと、また、図示していない回転子の位置情報または速度センサの速度情報、あるいは流れる電流の周波数情報から、無負荷誘起電圧が直流電圧部１１の電圧よりも高くなるほど回転子の回転速度が高いか否かを判断できることから、スイッチング素子の故障によって電流が流れている場合と、電動機Ｍの回転速度が高いことに起因して電流が流れている場合とは明確に区別可能である。

以上のことから、インバータの全スイッチング素子にオフ信号を与えている状態において、回転子の高速回転時に電流が通流する場合を除いて電流が流れた場合には、スイッチング素子のうち少なくとも１個が短絡故障していると判定することができる。なお、短絡による電流の判定に当たっては、判定基準となる規定値を、ゼロとしたり、高速回転時に流れ得る電流値以上の値としたり、あるいは連続して通流しても温度上昇が制約値以下となる値とする等の方法が考えられる。

次に、図２は、本発明の別の参考形態を示す構成図である。
図１に示した形態は、電動機Ｍの電流をインバータ３１の交流出力線３０_ｕ，３０_ｗにおいて検出することを前提としているため、図２に示すような構成の場合には同様に適用することができない。
すなわち、図２に示す構成では、インバータ３２の各相下アームの電流をシャント抵抗等からなる電流検出器Ｒ_ｓｕ，Ｒ_ｓｖ，Ｒ_ｓｗを用いて検出している。この構成では、通常の運転時において、下アームがオンの場合に当該相の電動機電流と下アームの電流が一致することを利用して電動機Ｍの電流を検出する。なお、各相の電流検出器は上アームに配置してもよい。

この構成において、前述した短絡故障を検出することを考えると、下アームのスイッチング素子が短絡故障した場合には電流検出器Ｒ_ｓｕ，Ｒ_ｓｖ，Ｒ_ｓｗにより同様に電流を検出できるものの、上アームのスイッチング素子が短絡故障した場合には、電流検出器Ｒ_ｓｕ，Ｒ_ｓｖ，Ｒ_ｓｗに電流が流れないため、電動機Ｍの電流を検出できない。
つまり、電流検出器が存在しない側のアームのスイッチング素子が短絡故障した場合には検出できないことになる。

上記の問題は、全スイッチング素子にオフ信号を与えている状態において、電流検出器が存在する側のアームの一以上の相についてスイッチング素子にオン信号を与え、そのときに流れる電流を観測することによって解決可能である。
すなわち、まず全スイッチング素子に対してオフ信号を与えている状態で、スイッチング素子の短絡故障による電流が、電流検出器が存在する側のアーム（例えば下アーム）に流れている場合には、短絡故障があると判定することができる。また、上記電流検出器に短絡故障による電流が流れていなければ、全スイッチング素子が正常であるか、あるいは、電流検出器が存在しない側のアーム（例えば上アーム）において短絡故障があるかの何れかである。

いま、図２の如く下アームに電流検出器Ｒ_ｓｕ，Ｒ_ｓｖ，Ｒ_ｓｗが配置されていると仮定し、下アームの一つの相のスイッチング素子をオン状態とする。このとき、オン状態にした下アームと同じ相の上アームのスイッチング素子が短絡故障している場合には、その上下アームで直流電圧部１１を短絡することになるので、過大な電流が瞬時に流れ、この電流を当該相の電流検出器により検出することができる。これにより、当該相の上アームのスイッチング素子が短絡故障していることを検出可能である。

また、オン状態にした下アームの相とは別の相で上アームのスイッチング素子が短絡故障している場合には、この上アームと電動機Ｍとを含むループで短絡故障による電流が通流している。このとき、短絡故障中の上アームのスイッチング素子、電動機Ｍ、オン状態とした下アームのスイッチング素子、及び直流電圧部１１からなるループができるため、短絡故障による電流がオン状態にした下アームのスイッチング素子に瞬時に流れ、この電流が当該相の電流検出器により検出される。これにより、オン状態にした下アームの相とは別の相の上アームが短絡故障していることを検出可能である。
従って、何れにしても上アームの少なくとも１相で短絡故障していると判定することができる。

なお、複数相の下アームのスイッチング素子を同時にオン状態としても、何れかの相の上アームのスイッチング素子に短絡故障がある場合には、同様に大きな電流が検出されることは明らかである。
また、全スイッチング素子が正常な場合でも、電動機Ｍが空転していて誘起電圧を発生している場合には、スイッチング素子のうちの１個をオンすればやがて電流が流れる。しかし、短絡故障がある場合に流れる電流は上記空転時の電流よりも格段に大きいため、両者を判別することは容易である。
以上のようにして、上アームの短絡故障を判定することができる。

さて、図６に示したように、直流電圧部１１とスイッチング素子群との間に直流電圧部１１の電圧を阻止する極性の直流部ダイオード１２が存在する場合には、前述のような直流電圧部１１を含むループは形成されないため、振る舞いがやや異なるものの、次のように短絡故障を判定することができる。
仮に上アームの１個のスイッチング素子が短絡故障しており、この上アームと電動機Ｍとを含むループで電流が通流している場合、短絡故障している上アーム以外の相の上アームでは還流ダイオードを介して電流が流れている。このとき、上アームで還流ダイオードが導通している相において下アームのスイッチング素子をオンすると、下アームにも短絡ループが形成されるため、電動機Ｍの短絡電流は上アームと下アームとの両方に分流する。従って、当該相の下アームに設けられた電流検出器によってこの電流を検出できるため、当該相とは別の相の上アームが短絡故障していることを判別可能である。

上述のような判別を行うためには、短絡故障している上アームとは異なる相の下アームのスイッチング素子をオンする必要があるため、下アームのスイッチング素子のオンは、相を切り替えながら行うか、あるいは全相同時に行うか、何れかにすればよい。
なお、下アームの電流検出手段としては、自己消弧形スイッチング素子の電流のみを検出し、環流ダイオードをバイパスする構成も可能である。前述した短絡故障の検出方法はその場合にも同様に適用することができる。

次に、図３は本発明の他の参考形態を示す構成図である。
前述した各形態では、インバータにおけるスイッチング素子の短絡故障の判定方法を述べたが、電動機内部、及びインバータと電動機とを結ぶケーブルにおいて短絡故障が発生する場合がある。電動機内部にはコイルが存在し、その絶縁物の不良によってコイル間が短絡することがある。また、ケーブルについても絶縁不良や機械的破損、化学的浸食によって相間で短絡することがある。これらの場合にも、回転子が外力によって回されて発生する誘起電圧により比較的大きな電流が流れるものの、その電流はインバータを通らないため、電流検出器では検出することができない。

そこで、図３の形態では、スイッチング素子以外の部位における短絡故障に対処するため、図３に示すようにインバータの交流出力端子に電圧検出器Ｖ_ｕ，Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗを設け、これによって短絡故障を検出する。
すなわち、電動機内部やケーブルに短絡故障がある場合、電動機Ｍの端子電圧が正常時とは異なってくる。例えばケーブルまたは電動機Ｍの出力端子において二相短絡が存在する場合、本来位相差があるはずの二相の端子電圧が同位相、同電位となるし、または電動機内部の二相のコイルのどこかで短絡箇所が存在する場合でも、当該相では正常時よりも誘起電圧の振幅が低くなったり、あるいは位相ずれが生じたりする。このような誘起電圧の異常は、電圧検出器Ｖ_ｕ，Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗによって検出することができる。
なお、インバータのスイッチング素子に短絡故障がある場合でも、短絡されている相では他相と電圧が等しくなるため、同様に電圧検出器Ｖ_ｕ，Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗによって異常を検出することができる。

次いで、請求項１に相当する本発明の第１実施形態を説明する。
電圧検出器は一般に高価であるため、これを用いずに誘起電圧の異常を検出する方法も有用である。これは、コイル端子を故意に短絡した場合に流れる電流を観測することによって実現可能である。
すなわち、図１や図２に示した構成において、下アームの全スイッチング素子をオンすると電動機Ｍの端子が短絡されるため、電動機Ｍが回転していれば無負荷誘起電圧によって電流が通流する。このとき、電動機Ｍ、ケーブル及びインバータの全てが正常であり、また、電動機Ｍの回転速度が一定ならば、前述した特許文献１の段落［００３０］〜［００３６］に記載されているように、流れる電流は直交２軸の同期回転座標（ｄ−ｑ座標）において近似的に次式により表すことができる。

ここで、ｉ_ｄ：ｄ軸電流、ｉ_ｑ：ｑ軸電流、Ｌ_ｄ：ｄ軸インダクタンス、Ｌ_ｑ：ｑ軸インダクタンス、Ψ_ｆ：界磁によるコイル磁束鎖交数、ω：電気角周波数、ｔ：時刻である。

数式１から、ω（回転速度に比例）及びｔが一定ならば、流れる電流はｄ軸、ｑ軸とも一定となることが分かる。また、このとき、三相電流については、三相の電流実効値の合計が一定になると言える。
従って、図４に示すように、固定の間隔、固定の時間幅で下アームの全スイッチング素子に対するオン信号を与え、各オン信号の開始から一定時間経過したときの電流値を計測して三相電流実効値の合計値またはｄ，ｑ各軸の電流値を求め、これらが一定になるか否かを監視する。

そして、仮に電動機Ｍやケーブル等の短絡故障によって誘起電圧が異常である場合には、数式１は成り立たず、従って上記の電流にも変化が現れる。具体的には、上記のように下アームの全スイッチング素子に一定間隔でオン信号を与えた場合、三相電流実効値の合計値やｄ，ｑ軸電流値が一定にはならず脈動する。従って、誘起電圧の異常、すなわち電動機Ｍやケーブルの短絡故障を検出することが可能となる。

ここで、図４は、システムの正常時、異常時、それぞれの場合において下アームの全スイッチング素子を同時にオン、オフした場合の動作波形を示している。
システムの正常時には、ｉ_ｄ，ｉ_ｑともほぼ均一な波形となっていることが分かる。一方、システムの異常時については、Ｕ，Ｖ相出力端子が短絡されている場合の動作波形を示しており、電流の振る舞いが正常時と明らかに異なっている。これらの電流波形の相違から、電動機Ｍやケーブルにおける短絡故障を判定できることが分かる。

本実施形態では図２の形態と同様に下アームの全スイッチング素子をオンさせているため、図２の形態に述べたスイッチング素子の短絡故障判定と同時に実施可能である。
また、回転子の位置センサを用いない、いわゆるセンサレス制御を行う場合には、空転状態では回転子位置が不明のため三相電流をｉ_ｄ，ｉ_ｑに分解できないが、三相の電流実効値の合計から判定する手法を用いればよいし、また、前述した特許文献１に開示されているような、回転状態から起動する技術を用いて回転子位置を検出し、ｉ_ｄ，ｉ_ｑを求めてもよい。

なお、本発明は、界磁付きｎ相（ｎは２以上の整数であり、ｎ＝２の場合を単相とする）電動機をｎ相インバータにより駆動する電動機駆動システム全般に適用することができる。

本発明の参考形態を示す構成図である。 本発明の参考形態を示す構成図である。 本発明の参考形態を示す構成図である。 本発明の第１実施形態の動作を示す波形図である。 第１の従来技術を示す構成図である。 第２の従来技術を示す構成図である。

符号の説明

Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗ，Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚ：ＩＧＢＴ
Ｄ_ｕ，Ｄ_ｖ，Ｄ_ｗ，Ｄ_ｘ，Ｄ_ｙ，Ｄ_ｚ：還流ダイオード
Ｍ：界磁付き電動機
ＣＴ_ｕ，ＣＴ_ｗ：電流検出器
Ｒ_ｓｕ，Ｒ_ｓｖ，Ｒ_ｓｗ：電流検出器
Ｖ_ｕ，Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗ：電圧検出器
１１：直流電圧部
２０：制御装置
３０_ｕ，３０_ｗ：交流出力線
３１，３２，３３：インバータ

Claims (1)

1. 界磁付きｎ相（ｎは２以上の整数）電動機をｎ相インバータにより駆動する電動機駆動システムであって、
   還流ダイオードが逆並列接続された自己消弧形スイッチング素子を少なくとも２個直列接続してなるアーム部を、直流電圧部に直接、ｎ個並列に接続し、かつ、前記アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点を出力端子として電動機に接続してなる電動機駆動システムにおいて、
   前記出力端子よりも前記直流電圧部の正極側にあるスイッチング素子群を上アーム、負極側にあるスイッチング素子群を下アームとした場合に、
   前記上アームまたは下アームの何れか一方の全スイッチング素子に対してオン信号、オフ信号を連続的に与えた時に、各オン信号によって通流するｎ相電流実効値の合計値または直交座標成分のｄ軸，q軸電流値が一定にならず脈動するときに、電動機または電動機とインバータとの間のケーブルが短絡故障していると判定することを特徴とする電動機駆動システム。
   

Images