JP5339164B2 - 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、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還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、直流電圧部に直接またはダイオードを介して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、
インバータの運転開始直前に、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電動機に通流する電流の波形が脈動して正常時とは異なることに基づいて、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故障判定を行い、短絡故障を検出しない場合にはインバータの運転を開始し、短絡故障を検出した場合にはインバータを運転させずに電動機の回転を停止させる措置を採るような起動シーケンスを有するものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した電動機駆動システムにおいて、
運転中に電動機の電流が規定値以上となった場合にはインバータの運転を停止させる過電流停止手段を備え、
この過電流停止手段によりインバータの運転を停止した後に、
全スイッチング素子にオフ信号が与えられた状態で電動機に規定値以上の電流が通流する場合に、全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判定するスイッチング素子故障判定を行い、スイッチング素子の短絡故障を検出した場合には、電動機の回転を停止させる措置またはインバータと電動機との電気的接続を遮断する措置の少なくとも一方を採り、スイッチング素子の短絡故障を検出しない場合には、前記起動シーケンスを実行するものである。

請求項１または２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。

本発明の実施形態を示す構成図である。 本発明の実施形態の動作を示す波形図である。 請求項１に係る発明の実施形態を示すフローチャートである。 請求項２に係る発明の実施形態を示すフローチャートである。 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。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の実施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と同一であるが、図６に示したように直流電圧部１１の電圧を阻止する極性でダイオード（以下、直流部ダイオードという）を挿入しても良い。
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及び還流ダイオード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、上アームの還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。

さて、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２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２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。

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。

図３は、請求項１に係る発明の実施形態を示すフローチャートである。
前述したように、インバータ停止の状態、すなわちインバータの全スイッチング素子がオフしている状態から、スイッチング素子を適切に操作して通流する電流を観測することにより、電動機Ｍやケーブルの短絡故障を検出することができる。

ところで、このようなスイッチング素子の操作は、インバータが運転を停止している状態において常時行うことが理論的には可能であるものの、安全上の観点から、このような措置が適切でない場合があり得る。このような場合には、図３に示す起動シーケンスのように、インバータの運転開始指令（Ｓ１）が発せられた後、通常運転を開始（Ｓ４）する直前に、前述したようなスイッチング素子の操作（Ｓ２）及び電流の異常判定（電動機やケーブルの短絡故障判定）（Ｓ３）を行い、異常時には電動機Ｍの停止措置（Ｓ５）を実行することが妥当である。
この実施形態によれば、インバータの運転開始前に電動機Ｍやケーブルが正常であることを確認できるため、安全に運転を開始することができる。

図４は、請求項２に係る発明の実施形態を示すフローチャートである。
通常運転中に、スイッチング素子、電動機Ｍ、またはケーブルに短絡故障が発生すると、電動機Ｍの電流が過大になる。このような場合、電動機Ｍの電流を過電流検出レベルとしての規定値と常時比較し、電流がこの規定値を超えた場合にインバータを停止する手段を設けておけば、過電流検出時にインバータを停止させることができる。
しかし、過電流が検出されるのは上記の故障の場合に限られず、例えば重負荷が原因であったり、あるいは磁極位置と印加電圧との位相が対応しなくなる、いわゆる脱調が原因である場合もあり得る。従って、運転中の過電流のみをもって電動機Ｍの回転を停止させるようなシステムとすると、本来停止が不要な場合にもシステムが停止することになり、信頼性の点で問題が生じかねない。

更に、過電流の検出系が、電磁的なノイズ等の影響により、実際には過電流ではないにも関わらず過電流であると判定してしまう、いわゆる誤検出をする可能性があり、その場合には、同様に不要なシステム停止による信頼性低下を招く。
一方、過電流を検出してインバータが停止した後も電動機Ｍの回転が継続すると、過電流の原因が前述した短絡故障の場合には、重大な故障や災害を引き起こすおそれがある。

以上のような問題を解決するには、図４に示すように、通常運転中に電動機Ｍの過電流を検出した場合（Ｓ１１，Ｓ１２）には、スイッチング素子の故障判定に移行してインバータの全スイッチング素子をオフさせ（Ｓ１３）、電動機電流が規定値を超えた場合にスイッチング素子の短絡故障判定を行い（Ｓ１４）、インバータと電動機Ｍとの電気的接続を遮断するか電動機Ｍの停止措置を実行し（Ｓ１６）、一方で電動機電流が規定値を超えなければ、続いて図３に示した前記起動シーケンスを実行する（Ｓ１５）ことが有効である。
この実施形態によれば、図４に示すスイッチング素子の短絡故障判定、及び図３の起動シーケンスにより、スイッチング素子、電動機Ｍ、またはケーブルの短絡故障を速やかに検出して必要な措置を採ることができ、しかも、何れの短絡故障も無ければシステムは速やかに再起動されるため、信頼性を高めることができる。

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。

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
１１：直流電圧部
２０：制御装置
３０_ｕ，３０_ｗ：交流出力線
３１：インバータ

Claims (2)

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、直流電圧部に直接またはダイオードを介して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、
   インバータの運転開始直前に、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電動機に通流する電流の波形が脈動して正常時とは異なることに基づいて、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故障判定を行い、短絡故障を検出しない場合にはインバータの運転を開始し、短絡故障を検出した場合にはインバータを運転させずに電動機の回転を停止させる措置を採るような起動シーケンスを有することを特徴とする電動機駆動システム。
2. 請求項１に記載した電動機駆動システムにおいて、
   運転中に電動機の電流が規定値以上となった場合にはインバータの運転を停止させる過電流停止手段を備え、
   この過電流停止手段によりインバータの運転を停止した後に、
   全スイッチング素子にオフ信号が与えられた状態で電動機に規定値以上の電流が通流する場合に、全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判定するスイッチング素子故障判定を行い、スイッチング素子の短絡故障を検出した場合には、電動機の回転を停止させる措置またはインバータと電動機との電気的接続を遮断する措置の少なくとも一方を採り、スイッチング素子の短絡故障を検出しない場合には、前記起動シーケンスを実行することを特徴とする電動機駆動システム。

Images