JP5414890B2 - 絶縁劣化診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ装置とインバータ駆動される負荷機器との間に接続された電路から漏洩する電流を検出し、絶縁劣化診断を実施する絶縁劣化診断装置に関する。

インバータ駆動される負荷機器には、電動機、無停電電源装置（ＵＰＳ: Uninterruptible Power Supply）、電磁調理器、そして照明などが挙げられるが、いずれの機器も経年劣化により絶縁劣化を生じる。例えば、搬送機等に用いられる電動機においては、電動機と連結する作業台の頻繁な移動に伴い、給電するための導体ケーブルに摩擦、ねじれ、伸縮が生じ導体被膜が損傷する場合があり、また切削加工機等に用いられる電動機においては切削液や油等が電動機に飛沫し、シャフト軸等などをつたって、内部の絶縁材まで浸食する場合がある。

このように、インバータ駆動する負荷機器の絶縁劣化は使用環境や部材の耐久性により劣化度合いは異なるが、この絶縁劣化が生じた箇所を介し漏洩電流が流れ、人体への感電の危機や漏電遮断器が作動する要因となる。漏電遮断器は人体への感電を未然に防ぐべく設置されるものである。人命第一は当然であるが、漏電遮断器がいったん作動すると、該当の電動機を含む装置や設備は停止するため、漏電の原因および箇所の特定、そして復旧に時間を要してしまい、生産設備の稼動効率の低下を招いてしまう。

こうした漏洩電流を計測する手段として、例えば、特許文献１の図２、特許文献２の図１、特許文献３の図１に示されているように、インバータ駆動する負荷機器への給電電路の途中に、往路と復路の差分電流成分や三相交流の零相電流を計測する零相変流器（ＺＣＴ: Zero-phase Current Transformer）や各相に変流器（ＣＴ: Current Transformer）、ホールＣＴ、シャント抵抗等の電流検出器を配置し、全相分の出力信号を総和演算することによって漏洩電流を算出している。

近年では、例えば、特許文献４の図１に示されているように、スイッチにより電動機への給電回路を、絶縁抵抗およびグランドを含む閉回路に切り替え、電動機の制御回路に印加される交流電圧を整流回路で整流し、得られた直流電圧を利用して、前記閉回路へ流れる電流を計測することによって、絶縁劣化を検出する絶縁劣化診断装置が提案されている。この場合、漏洩電流は直流成分であるため、交流成分の検出を対象とした零相変流器や変流器は用いることができず、直流成分を検出できる素子、例えば、ホールＣＴやシャント抵抗が用いられている。

特開２００３−２８４２３５号公報（図２） 特開平４−１３２９６９（図１） 特開２００１−１２４８１４（図１） 特開２００７−１５９２８９号公報（図１） 特開平７−２３９３５９号公報（図３） 特開昭６３−８５３８０号公報（図１）

絶縁劣化のきっかけや進行度合いは使用環境によって異なるため、絶縁劣化の診断は定期的に実施する必要がある。しかしながら、特許文献４のように、スイッチ等により絶縁劣化診断用の給電回路に切り替えて絶縁劣化診断を実施する絶縁劣化診断装置は、絶縁劣化診断を精度よく実施できるものの、インバータ駆動する負荷機器への給電を完全に停止させる必要がある。そのため、長期連続運転を必要とする負荷機器においては、給電を完全に停止させる時まで絶縁劣化診断を実施することができず、絶縁劣化を未然に検出することができない課題がある。

このような観点から、漏電遮断器や漏電保護リレー等にも用いられている零相変流器は常時計測には適する。ただし、零相変流器で計測できる漏洩電流は、高精度品で１ｍＡ以上、汎用品では数ｍＡ以上であり、負荷機器の絶縁劣化が十分進行した状態でしか検出できないという課題がある。

同様に、ホール素子や磁気抵抗素子等の薄膜磁気検出素子を用いたＣＴやシャント抵抗においても、交流電流を計測できるため、負荷機器の駆動中の電流計測には有効ではある。しかし、１）薄膜磁気検出素子は、周辺温度変化に対し出力が変動すること、２）シャント抵抗は、抵抗値が小さいゆえ、微小電流に対する出力電圧は小さく、抵抗値のばらつきや周辺温度が測定精度に与える影響が大きいこと、等の理由から微小電流計測には適していない。

常時計測に適した零相変流器は、零相電流から生じる零相磁界を高感度に集磁するため、構成部材として高透磁率の磁性材料が用いられ、ＰＣパーマロイが一般的に用いられる。ただし、ＰＣパーマロイは、印加磁界の周波数に応じて磁気特性が異なるといった周波数特性を有しており、周波数の増加に従い透磁率が低下する特性を有する。

インバータ駆動する負荷機器は、一般に、給電する電圧や電流の周波数を制御することによって負荷機器の駆動を効率良く制御することができる。例えば、インバータ駆動する電動機は、一般に、駆動電圧周波数を制御することによって駆動回転数を制御できるため、駆動回転数と駆動電圧周波数とは比例関係にある。

また、駆動電圧周波数の変調にはインバータが用いられ、電動機の各相に印加される駆動電圧と駆動電圧周波数の比を一定に制御するといったＶ／ｆ一定制御が採用されている。駆動電圧周波数が低くなれば、電動機の各相に印加される駆動電圧は低くなり、駆動電圧周波数が高くなれば、電動機の各相に印加される駆動電圧は高くなる。即ち、電動機が低速で回転している場合、電路から漏洩する電流を計測しようとすると、電動機の各相に印加される駆動電圧は低いことから、絶縁劣化した箇所から漏洩する電流は微小電流となる。

このようにインバータ駆動する負荷機器から漏洩する電流を零相変流器で計測する場合、負荷機器に給電する駆動電圧値や駆動電圧周波数によっては、計測対象である零相電流は微小電流となり、さらにＰＣパーマロイの周波数特性の影響も受け、精度良く計測できないといった課題がある。

本発明の目的は、インバータ駆動される負荷機器から漏洩する電流を広い周波数に渡って高精度に計測できる絶縁劣化診断装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の第１態様は、インバータ装置とインバータ駆動される負荷機器との間に接続された電路の絶縁劣化を診断する装置であって、
環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁コイル、および該磁性体コアに巻回された検出コイルを有し、電路の零相電流を検出するための零相変流器と、
負荷機器の駆動周波数の２倍以上の周波数を有する交流電流を励磁コイルに供給して、磁性体コアを励磁するための励磁制御回路と、
検出コイルの出力信号から、所定の周波数成分を抽出するための周波数抽出回路と、
負荷機器に給電される電流波形または電圧波形を検出するための検出器と、を備え、
該検出器の出力信号に基づいて、励磁コイルに供給する電流を制御する。

本発明の第１態様において、前記検出器の出力信号に基づいて、駆動周波数を算出するための周波数演算回路をさらに備え、
周波数抽出回路は、検出コイルの出力信号から、駆動周波数と同じ周波数成分を抽出することが好ましい。

本発明の第１態様において、周波数抽出回路は、磁性体コアの励磁周波数の２倍波成分を抽出することが好ましい。

本発明の第１態様において、周波数演算回路の演算結果に基づいて、励磁制御回路の動作可否を判定するための動作判定回路をさらに備えたことが好ましい。

本発明の第１態様において、周波数演算回路の演算結果に基づいて、絶縁劣化診断の動作可否を判定するための診断判定回路をさらに備えたことが好ましい。

本発明によれば、負荷機器の駆動周波数が変化した場合でも、使用する零相変流器の感度または磁気飽和レベルを変更することによって駆動周波数の依存性を低減でき、高精度に零相電流を計測することが可能になる。その結果、信頼性の高い絶縁劣化診断を実施することができる。

本発明の実施の形態１に係る絶縁劣化診断装置を示す構成図である。 零相変流器の一例を示す斜視図である。 零相電流が発生する状態を示す説明図である。 ＰＣパーマロイの周波数特性を概略的に示した説明図であり、図４ＡはＢ−Ｈカーブの周波数変化を示し、図４Ｂは比透磁率の周波数変化を示す。 本発明の実施の形態２に係る絶縁劣化診断装置を示す構成図である。 本実施形態の動作原理の説明図であり、図６Ａは磁性体コアのＢ−Ｈカーブおよび励磁磁界の波形を示し、図６Ｂは磁性体コアが磁気飽和した状態を示し、図６Ｃは直流磁界が重畳した状態を示す。 本発明の実施の形態３に係る絶縁劣化診断装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態４に係る絶縁劣化診断装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態５に係る絶縁劣化診断装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態６に係る絶縁劣化診断装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態７に係る絶縁劣化診断装置を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る絶縁劣化診断装置１０１を示す構成図である。インバータ装置１と、インバータ駆動される負荷機器３との間には、複数の電路６ａ，６ｂ，６ｃが接続される。例えば、三相駆動の場合は３本の電路を使用し、単相駆動の場合は２本の電路を使用する。なお、インバータ装置１のグランド端子と負荷機器３のグランド端子とは、アース線で結線されていても構わない。

インバータ装置１は、制御装置２の指令信号に基づき、前段のコンバータ等から入力される直流信号を変調させる機能を有し、制御装置２で指令した振幅、周波数を有する交流信号を出力する。負荷機器３は、インバータ装置１から電路６ａ，６ｂ，６ｃを介して入力される交流信号に応じて駆動される。インバータ駆動される負荷機器３には、例えば、電動機、無停電電源装置（ＵＰＳ）、電磁調理器、照明などが挙げられる。

絶縁劣化診断装置１０１は、零相変流器４と、電流検出器５と、周波数演算回路７と、励磁制御回路８と、処理回路９０と、表示器１１などを備える。

零相変流器４は、電路６ａ，６ｂ，６ｃの途中に設けられ、給電電路の零相電流を検出する機能を有する。零相電流とは、絶縁抵抗を介して大地へ流れる漏洩電流を示す。

図２は、零相変流器４の一例を示す斜視図である。零相変流器４は、負荷機器３に流れる三相電流（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ）を総和した零相電流を検出するものであり、環状の磁性体コア１５と、磁性体コア１５に巻回された励磁コイル１６と、磁性体コア１５に巻回された検出コイル１７などで構成される。検出対象となる３本の電路６ａ，６ｂ，６ｃは、磁性体コア１５の内側を貫通するように配置される。

なお、図２では理解容易のため、励磁コイル１６および検出コイル１７を偏局巻きとして表現しているが、コイルの巻きムラや外部磁界などによる出力変動を抑制するために、通常は、励磁コイル１６および検出コイル１７ともに磁性体コア１５の全周に渡って均等に巻回される。また、磁性体コア１５に各コイルを直接巻回しているが、巻線応力による磁性体コア１５の特性劣化を保護するために、例えば、磁性体コア１５を内部封入した樹脂製ケースの外面に巻線加工を施しても良い。

図１に戻って、電流検出器５は、負荷機器３に給電される電流波形を検出する機能を有し、例えば、シャント抵抗または、ホール素子や磁気抵抗素子（ＭＲ素子）を用いた変流器などで構成される。なお、電流検出器５の代わりに、負荷機器３に給電される電圧波形を検出する電圧検出器を使用してもよい。

周波数演算回路７は、電流検出器５で計測した電流波形に基づいて負荷機器３の駆動周波数ｆｄを算出する機能を有し、例えば、周波数カウンタなどで構成される。

励磁制御回路８は、負荷機器３の駆動周波数ｆｄの２倍以上の周波数ｆｅ（≧２×ｆｄ）を有する交流電流を、零相変流器４の励磁コイル１６に供給して磁性体コア１５を励磁する機能を有し、例えば、周波数可変発振器と電力増幅器の組合せなどで構成される。

処理回路９０は、零相変流器４の出力信号処理および絶縁劣化診断を実施するものであり、本実施形態では、同期検波回路９と、絶縁劣化診断回路１０などで構成される。同期検波回路９は、周波数演算回路７で算出された駆動周波数ｆｄを用いて、零相変流器４の検出コイル１７の出力信号から駆動周波数ｆｄと同じ周波数成分を抽出する。絶縁劣化診断回路１０は、例えば、マイクロプロセッサなどで構成され、同期検波回路９からの出力信号に基づいて絶縁劣化診断を実施する。

表示器１１は、絶縁劣化診断の結果を表示するものであり、例えば、ディスプレイなどで構成される。なお、表示器１１の代わりに、漏電遮断器、漏電リレー、警告ブザーなどの保安機器を使用してもよく、負荷機器３の絶縁劣化診断後の運用方法に則した手段を適宜選択できる。

次に、絶縁劣化診断方法について説明する。最初に、励磁制御回路８が動作していない場合について説明する。零相変流器４は、電路６ａ，６ｂ，６ｃに流れる単相の往復電流もしくは二相ないしは三相電流を総和した零相電流から生じる零相磁界を磁性体コア１５に集磁するとともに、集磁された磁束を打ち消すように、検出コイル１７の端子間に接続される負担抵抗（図示せず）を介して電流が流れる。仮に結合係数を１とすれば、零相電流を検出コイル１７の巻数で除算した電流値が検出コイル１７に流れる。従って、巻数比に応じた電流が検出可能であることから、変流器と呼ばれる。

図３Ａ〜図３Ｃは、零相電流が発生する状態を示す説明図である。図３Ａに示すように、例えば、周波数６０Ｈｚの三相交流電流（実線：Ｕ相、破線：Ｖ相、グレー線：Ｗ相）が電路６ａ，６ｂ，６ｃにそれぞれ流れている場合を想定する。これに対して、図３Ｂに示すように、一相（例えば、Ｖ相）のみ漏洩電流が生じて波高値が異なった場合、図３Ｃに示すように、零相電流は６０Ｈｚの電流となる。即ち、零相変流器４の磁性体コア１５に印加される零相磁界の周波数は６０Ｈｚとなる。

負荷機器３は、インバータ駆動方式によって所望の電流値および周波数で駆動される。負荷機器３に給電される電流の周波数は、負荷機器３の駆動条件に応じて変化するため、それに伴って零相電流の周波数も、例えば、直流に近い数Ｈｚから数百Ｈｚの範囲で変化することになる。このとき零相変流器４の磁性体は、一般に、印加磁界の周波数に対して磁気特性が異なるといった周波数特性を有する。零相電流などの微小電流を感度良く集磁するために用いられるＰＣパーマロイも、周波数に応じて特性が変化する磁性材料の１つである。

図４Ａと図４Ｂは、ＰＣパーマロイの周波数特性を概略的に示した説明図であり、図４ＡはＢ−Ｈカーブの周波数変化を示し、図４Ｂは比透磁率の周波数変化を示す。印加磁界の周波数に応じてＢ−Ｈカーブの傾き（空気中の透磁率×比透磁率に相当）が変化しており、６０Ｈｚと比べて１５Ｈｚの方が比透磁率が大きく、検出感度が高いことが判る。なお、飽和磁束密度は周波数に関係なく一定である。

従って、実効値が同一で周波数が異なる零相磁界が印加された場合、低周波であるほど検出感度は高くなるが、磁性体コアは磁気飽和状態に達しやすくなり、結果的に零相電流の計測精度は劣化してしまい、計測レンジも狭くなってしまう。

次に、励磁制御回路８が動作している場合について説明する。負荷機器３の駆動周波数ｆｄは、周波数演算回路７によって取得できる。励磁制御回路８は、負荷機器３の駆動周波数ｆｄに対し、使用者が定めたサンプリングレート（駆動周波数ｆｄの２倍以上）を満足する励磁周波数ｆｅを選定し、励磁電流を出力する。この励磁電流は、零相変流器４の励磁コイル１６に流れて励磁磁界を発生し、磁性体コア１５に集磁される。なお、励磁磁界の動作範囲は、磁性体コア１５のＢＨ特性の線形領域のみを用い、零相電流による磁界（零相磁界）が重畳した場合でも磁気飽和しないことが好ましい。

励磁磁界の実効値および周波数が零相磁界に比べて大きい場合、磁性体コア１５に集磁される磁界は励磁磁界が支配的となり、その励磁磁界に零相磁界が重畳した状態となる。即ち、零相変流器４の出力信号には、計測対象周波数と励磁周波数の成分が混在することになる。

同期検波回路９は、零相変流器４の出力信号から駆動周波数ｆｄと同じ周波数成分を抽出する。同期検波を採用することによって、零相変流器４の出力信号に含まれる計測対象周波数の信号成分のみを高いＳ／Ｎ比で抽出することができる。

このとき、同じ零相電流値を検出した場合でも、励磁周波数が異なれば、磁性体コア１５の周波数特性に応じて、同期検波により抽出した信号成分値は異なる。その対策として、零相変流器４の周波数特性に基づいて、検出した零相電流を補正する機能を絶縁劣化診断回路１０に設けておくことによって、駆動周波数の依存性を低減できる。その結果、絶縁劣化診断回路１０において高精度の絶縁劣化診断を実施することができる。

表示器１１は、処理回路９０で算出した絶縁抵抗値や漏洩電流値を基に処理が行われ、例えば、絶縁抵抗値や漏洩電流値の時系列推移、負荷機器３の寿命や故障警報を使用者に促すことができる。また、絶縁抵抗値を計算するためには、負荷機器に印加される相電圧の値が必要となるが、負荷機器に印加される相電圧の関係を計算により求めても問題ない。例えば、負荷機器３が電動機である場合、電動機の駆動回転数や極数などから算出することができ、零相電流及び相電圧からオームの法則に従い、絶縁抵抗値を算出することができる。

なお、処理回路９０において、駆動周波数ｆｄと同じ周波数成分を抽出する回路として同期検波回路を使用した例を説明したが、その代替として、駆動周波数ｆｄ近傍の信号成分を抽出するバンドパスフィルタを使用してもよい。

このように本実施形態によれば、駆動周波数ｆｄが低い場合でも、駆動周波数ｆｄより高い周波数ｆｅ（好ましくは、ｆｅ≧２×ｆｄ）で磁性体コア１５を励磁することによって、磁性体コア１５の磁気飽和を防止できる。また、零相変流器４の周波数特性に基づいて、検出した零相電流を補正することによって、駆動周波数の依存性を低減できる。その結果、信頼性の高い絶縁劣化診断を実施することができる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る絶縁劣化診断装置１０２を示す構成図である。本実施形態に係る絶縁劣化診断装置１０２は、実施の形態１に係る絶縁劣化診断装置１０１と同様な構成を有するが、同期検波回路９の代わりに、零相変流器４の出力信号から、磁性体コア１５の励磁周波数ｆｅの２倍波成分（２×ｆｅ）を抽出するための２倍波検波回路１２を使用している。

図６Ａ〜図６Ｃは、本実施形態の動作原理の説明図であり、図６Ａは磁性体コア１５のＢ−Ｈカーブおよび励磁磁界の波形を示し、図６Ｂは磁性体コア１５が磁気飽和した状態を示し、図６Ｃは直流磁界が重畳した状態を示す。

図６Ａに示すように、正弦波の励磁磁界Ｈを磁性体コア１５に印加した状態で、波形の一部が磁気飽和レベルに達した場合、図６Ｂに示すように、磁気飽和した期間において磁性体内の磁束密度Ｂの変化は零になり、電磁誘導の法則に従って検出コイル１７での検出電圧Ｖは零となる。

この状態で、図６Ｃに示すように、正弦波の励磁磁界に対して一定の直流磁界Ｈｄｃが重畳した場合、プラス側の飽和期間が長くなり、マイナス側の飽和期間が短くなる。従って、検出コイル１７での検出電圧Ｖは、零となる時間間隔が倍周期で異なるようになる。

この検出電圧の２倍波信号成分の実効値は、磁性体コア１５に重畳した直流磁界にほぼ比例することから、直流磁界の実効値を算出することができる。重畳する磁界が直流磁界ではなく交流磁界の場合でも、交流磁界の周波数に対して励磁周波数を十分大きく設定すれば、励磁磁界１波あたりの交流磁界変化を局所的に直流磁界として捉えることができるため、直流および交流いずれの磁界も計測可能である。

上述した実施の形態１では、励磁磁界の動作範囲は磁性体コア１５のＢＨ特性の線形領域のみを用い、零相電流による零相磁界が重畳した場合でも磁気飽和しないことが前提であったが、本実施形態では、励磁磁界の動作範囲は磁性体コア１５のＢＨ特性の飽和領域を含んだ領域を用いている。

励磁制御回路８は、負荷機器３の駆動周波数ｆｄに対し、使用者が定めたサンプリングレート（駆動周波数ｆｄの２倍以上）を満足する励磁周波数ｆｅを選定し、その励磁周波数ｆｅにおける最適な励磁電流（即ち、磁性体コアが磁気飽和する励磁電流）を零相変流器４の励磁コイル１６に通電する。

２倍波検波回路１２は、零相変流器４の出力信号から、励磁周波数ｆｅの２倍の周波数波成分（２×ｆｅ）を抽出し、零相電流による変化分を抽出する。このとき、同じ零相電流値を検出した場合でも、励磁周波数が異なれば、磁性体コア１５の周波数特性に応じて、抽出した信号成分値は異なる。その対策として、零相変流器４の周波数特性に基づいて、検出した零相電流を補正する機能を絶縁劣化診断回路１０に設けておくことによって、駆動周波数の依存性を低減できる。その結果、絶縁劣化診断回路１０において高精度の絶縁劣化診断を実施することができる。

なお、処理回路９０において、励磁周波数ｆｅの２倍波信号成分を抽出する回路として２倍波検波回路を使用した例を説明したが、その代替として、周波数波成分（２×ｆｅ）近傍の信号成分を抽出するバンドパスフィルタを使用してもよい。

このように本実施形態によれば、磁気飽和期間の変化を、励磁周波数ｆｅの２倍の周波数波成分（２×ｆｅ）の変化として抽出することによって、零相電流を高精度で検出できる。また、零相変流器４の周波数特性に基づいて、検出した零相電流を補正することによって、駆動周波数の依存性を低減できる。その結果、信頼性の高い絶縁劣化診断を実施することができる。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３に係る絶縁劣化診断装置１０３を示す構成図である。本実施形態に係る絶縁劣化診断装置１０３は、実施の形態１に係る絶縁劣化診断装置１０１と同様な構成を有するが、周波数演算回路７と励磁制御回路８の間に動作判定回路１３を追加している。

動作判定回路１３は、例えば、マイクロプロセッサなどで構成され、周波数演算回路７の演算結果に基づいて閾値判定を行い、判定結果により励磁制御回路８による励磁動作を行うか、行わないかを判定する。

絶縁劣化診断は、常時実施することが望ましいが、負荷機器３の稼働状況などによっては定期的な診断で足りることもある。また、磁性体コア１５の励磁動作によって消費電力が増加する。

この対策として、負荷機器３の駆動周波数ｆｄに応じて磁性体コア１５の励磁動作を制御することが考えられる。即ち、低周波帯域の零相電流に対しては励磁制御回路８を動作させ、商用周波数や高周波帯域の零相電流に対しては励磁制御回路８を動作させず、一般に知られる零相変流器４として動作させることにより、消費電力の抑制を図ることができる。動作可否を判定するための閾値周波数は、負荷機器３の駆動周波数ｆｄの下限値や上限値を勘案して使用者が任意に設定してもよい。

なお、本実施形態では、実施の形態１の構成に動作判定回路１３を追加した例を説明したが、実施の形態２の構成において周波数演算回路７と励磁制御回路８の間に動作判定回路１３を追加することも可能である。この場合、フラックスゲート方式の零相変流器４は、磁性体コア１５のＢＨ特性において飽和領域まで励磁することから、実施の形態１に適用した場合に比べ、消費電力の抑制の効果は高い。

実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４に係る絶縁劣化診断装置１０４を示す構成図である。本実施形態に係る絶縁劣化診断装置１０４は、実施の形態３に係る絶縁劣化診断装置１０３と同様な構成を有するが、周波数演算回路７と動作判定回路１３の間に診断判定回路１４を追加している。

診断判定回路１４は、例えば、マイクロプロセッサなどで構成され、周波数演算回路７の演算結果に基づいて、処理回路９０による絶縁劣化診断を実施するか、しないかを判定する。

実施の形態１から実施の形態３までの各構成において、励磁制御回路８から出力される励磁電流の周波数は、負荷機器３の駆動周波数ｆｄに対し、使用者が定めたサンプリングレート（駆動周波数ｆｄの２倍以上）を満足する励磁周波数ｆｅを選定している。但し、負荷機器３の使用環境や用途によって異なるものの、一定動作や単調動作を行う用途であれば、インバータ駆動の概念からも負荷機器３の駆動周波数ｆｄは劇的に変化するものではない。また、絶縁劣化診断は、診断の即応性に比べ、定期的、かつ精度良く絶縁劣化を診断することがより重要である。

即ち、精度良く絶縁劣化を診断するためには、負荷機器３の駆動周波数ｆｄが安定した状態で実施することが望ましい。そのため、励磁制御回路８および動作判定回路１３の前段に、負荷機器３の駆動周波数ｆｄの変動を判定し、絶縁劣化診断を行う指令を後段回路の動作判定回路１３および検出回路９０に発令する診断判定回路１４を設けることが好ましい。

また、絶縁劣化を診断するために、制御装置２において一定の周波数で負荷機器３を駆動させる絶縁劣化診断モードを設けてもよい。特に、インバータ駆動する負荷機器３が電動機の場合、電動機の負荷環境や駆動環境に特別の制約がない限り、電動機の駆動回転数は高速回転に設定する。電動機は、一般に、駆動電圧周波数を制御することによって駆動回転数を制御でき、駆動回転数と駆動電圧周波数は比例関係にある。また、制御方式として、電動機の各相に印加される駆動電圧と駆動電圧周波数の比を一定に制御するといったＶ／ｆ一定制御が採用されている場合が多い。そのため、駆動電圧周波数が高くなれば、電動機の各相に印加される駆動電圧は高くなることから、絶縁抵抗を介して漏洩する電流は必然的に大きくなり、絶縁劣化診断を実施し易くなる。但し、搬送機のステージ移動や加工機の旋盤など、自由に移動できるストロークが短い場合、駆動回転数を上げることができず、電動機の駆動回転数は低速回転に設定する場合もある。このような場合、本実施の形態１から実施の形態３で述べた内容が有効である。

実施の形態５．
図９は、本発明の実施の形態５に係る絶縁劣化診断装置１０５を示す構成図である。インバータ装置１と、インバータ駆動される負荷機器３との間には、複数の電路６ａ，６ｂ，６ｃが接続される。例えば、三相駆動の場合は３本の電路を使用し、単相駆動の場合は２本の電路を使用する。なお、インバータ装置１のグランド端子と負荷機器３のグランド端子とは、アース線で結線されていても構わない。

インバータ装置１は、制御装置２の指令信号に基づき、前段のコンバータ等から入力される直流信号を変調させる機能を有し、制御装置２で指令した振幅、周波数を有する交流信号を出力する。負荷機器３は、インバータ装置１から電路６ａ，６ｂ，６ｃを介して入力される交流信号に応じて駆動される。インバータ駆動される負荷機器３には、例えば、電動機、無停電電源装置（ＵＰＳ）、電磁調理器、照明などが挙げられる。

絶縁劣化診断装置１０５は、複数（ここでは２個）の零相変流器４，３１と、電流検出器５と、周波数演算回路７と、変換判定回路３２と、処理回路９０と、表示器１１などを備える。

零相変流器４，３１は、電路６ａ，６ｂ，６ｃの途中に設けられ、給電電路の零相電流を検出する機能を有する。零相電流とは、絶縁抵抗を介して大地へ流れる漏洩電流を示す。零相変流器４，３１は、負荷機器３に流れる三相電流（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ）を総和した零相電流を検出するものであり、環状の磁性体コアと、磁性体コアに巻回された検出コイルなどで構成される。検出対象となる３本の電路６ａ，６ｂ，６ｃは、磁性体コアの内側を貫通するように配置される。

電流検出器５は、負荷機器３に給電される電流波形を検出する機能を有し、例えば、シャント抵抗または、ホール素子や磁気抵抗素子（ＭＲ素子）を用いた変流器などで構成される。なお、電流検出器５の代わりに、負荷機器３に給電される電圧波形を検出する電圧検出器を使用してもよい。

周波数演算回路７は、電流検出器５で計測した電流波形に基づいて負荷機器３の駆動周波数ｆｄを算出する機能を有し、例えば、周波数カウンタなどで構成される。

変換判定回路３２は、例えば、マイクロプロセッサなどで構成され、周波数演算回路７の演算結果に基づいて、複数の零相変流器４，３１のうち何れの零相変流器からの出力信号を用いて絶縁劣化診断するかを判定する。

処理回路９０は、零相変流器４の出力信号処理および絶縁劣化診断を実施するものであり、本実施形態では、同期検波回路９と、絶縁劣化診断回路１０などで構成される。同期検波回路９は、周波数演算回路７で算出された駆動周波数ｆｄを用いて、零相変流器４の検出コイル１７の出力信号から駆動周波数ｆｄと同じ周波数成分を抽出する。絶縁劣化診断回路１０は、例えば、マイクロプロセッサなどで構成され、同期検波回路９からの出力信号に基づいて絶縁劣化診断を実施する。

表示器１１は、絶縁劣化診断の結果を表示するものであり、例えば、ディスプレイなどで構成される。なお、表示器１１の代わりに、漏電遮断器、漏電リレー、警告ブザーなどの保安機器を使用してもよく、負荷機器３の絶縁劣化診断後の運用方法に則した手段を適宜選択できる。

本実施形態において、零相変流器４に加えて１個以上の零相変流器３１を設置している。零相変流器４，３１は、互いに異なる磁気飽和レベルを有すものであり、例えば、零相変流器３１の磁性体コアの体積が零相変流器４の磁性体コアの体積より大きい。

低周波の零相電流を計測する場合、零相磁界の周波数が低いほど、零相変流器の磁性体コアは磁気飽和し易くなる。磁気飽和が生じると、検出コイルに流れる電流波形は、零相電流の波形を再現できないため、結果的に零相変流器４の計測精度は低下する。これを防止するためには、低周波の零相磁界に対しても磁気飽和が生じない零相変流器を使用することが好ましい。従って、零相変流器４よりも磁性体コアの体積が大きい零相変流器３１を併設することによって、低周波の零相電流を精度よく計測することが可能になる。

但し、磁性体コアの体積を大きくすると、コイルの巻回長の増加に伴う巻線抵抗の増加や磁性体コアの断面積の増加に伴うコイルインダクタンスの増加が生じて、計測対象の零相電流の周波数によっては計測精度が低下する場合もある。このため、本実施形態では低周波の零相電流を計測する場合のみ、磁性体コアの体積を大きくした零相変流器３１を追加して、負荷機器３の駆動周波数ｆｄに応じて、どちらの零相変流器４，３１の出力を用いて絶縁劣化診断するかを判定する変換判定回路３２を設けている。

なお、どちらの零相変流器４，３１の出力信号を用いるかを判定するための閾値周波数は、負荷機器３の駆動周波数ｆｄの下限値や上限値を勘案して使用者が任意に設定してもよい。

本実施形態では、磁性体コアの体積が異なる２つの零相変流器４，３１を使用する例を説明したが、磁性体コアの体積が異なる３つ以上の零相変流器を使用してもよく、使用する零相変流器の個数に応じて閾値周波数を設定できる。

このように本実施形態によれば、低周波の零相電流を計測する場合、零相磁界により磁気飽和しないように、磁性体コアの体積を変更した零相変流器３１を用いることによって、駆動周波数ｆｄに依存することなく、零相電流を高感度に計測することができる。

実施の形態６．
図１０は、本発明の実施の形態６に係る絶縁劣化診断装置１０６を示す構成図である。インバータ装置１と、インバータ駆動される負荷機器３との間には、複数の電路６ａ，６ｂ，６ｃが接続される。例えば、三相駆動の場合は３本の電路を使用し、単相駆動の場合は２本の電路を使用する。なお、インバータ装置１のグランド端子と負荷機器３のグランド端子とは、アース線で結線されていても構わない。

インバータ装置１は、制御装置２の指令信号に基づき、前段のコンバータ等から入力される直流信号を変調させる機能を有し、制御装置２で指令した振幅、周波数を有する交流信号を出力する。負荷機器３は、インバータ装置１から電路６ａ，６ｂ，６ｃを介して入力される交流信号に応じて駆動される。インバータ駆動される負荷機器３には、例えば、電動機、無停電電源装置（ＵＰＳ）、電磁調理器、照明などが挙げられる。

絶縁劣化診断装置１０６は、零相変流器４と、電流検出器５と、周波数演算回路７と、温度制御回路３３と、処理回路９０と、表示器１１などを備える。

零相変流器４は、電路６ａ，６ｂ，６ｃの途中に設けられ、給電電路の零相電流を検出する機能を有する。零相電流とは、絶縁抵抗を介して大地へ流れる漏洩電流を示す。零相変流器４は、負荷機器３に流れる三相電流（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ）を総和した零相電流を検出するものであり、環状の磁性体コアと、磁性体コアに巻回された検出コイルなどで構成される。検出対象となる３本の電路６ａ，６ｂ，６ｃは、磁性体コアの内側を貫通するように配置される。

電流検出器５は、負荷機器３に給電される電流波形を検出する機能を有し、例えば、シャント抵抗または、ホール素子や磁気抵抗素子（ＭＲ素子）を用いた変流器などで構成される。なお、電流検出器５の代わりに、負荷機器３に給電される電圧波形を検出する電圧検出器を使用してもよい。

周波数演算回路７は、電流検出器５で計測した電流波形に基づいて負荷機器３の駆動周波数ｆｄを算出する機能を有し、例えば、周波数カウンタなどで構成される。

温度制御回路３３は、周波数演算回路７の演算結果に基づいて、零相変流器４に含まれる磁性体コアの温度を制御することによって、零相変流器４の感度を調整する機能を有する。

処理回路９０は、零相変流器４の出力信号処理および絶縁劣化診断を実施するものであり、本実施形態では、同期検波回路９と、絶縁劣化診断回路１０などで構成される。同期検波回路９は、周波数演算回路７で算出された駆動周波数ｆｄを用いて、零相変流器４の検出コイル１７の出力信号から駆動周波数ｆｄと同じ周波数成分を抽出する。絶縁劣化診断回路１０は、例えば、マイクロプロセッサなどで構成され、同期検波回路９からの出力信号に基づいて絶縁劣化診断を実施する。

表示器１１は、絶縁劣化診断の結果を表示するものであり、例えば、ディスプレイなどで構成される。なお、表示器１１の代わりに、漏電遮断器、漏電リレー、警告ブザーなどの保安機器を使用してもよく、負荷機器３の絶縁劣化診断後の運用方法に則した手段を適宜選択できる。

本実施形態において、零相変流器４に含まれる磁性体コアにヒータ線を巻回し、ヒータ通電により生じたジュール熱を熱源として、磁性体コアを加熱している。また、磁性体コアの温度モニタとして、熱電対などの温度センサを配置してもよい。

一般に、磁性体は温度上昇に伴って磁気特性は劣化するため、透磁率（Ｂ−Ｈカーブの傾斜）は低下する。本実施形態は、この温度変化に伴う磁気特性の劣化を利用したものである。低周波の零相電流を計測する場合、低周波かつ微小な零相磁界に対して磁気飽和を防止するために、零相変流器４の磁性体コアを均一に加熱することによって、零相変流器４の感度を下げることができる。

但し、急峻な温度制御は実用的ではないため、予め測定時刻を設定し、計測時のみ零相変流器４の磁性体コアの温度が上昇した状態となるように制御することが望ましい。

また、磁性体コアの温度、磁気特性および周波数の間の関係を予め関連付けておいて、計測時に相互に演算できる機能を絶縁劣化診断回路１０に設けておくことによって、絶縁劣化診断を行うことができる。

なお、零相変流器４に含まれる磁性体コアを加熱する機構だけでなく、磁性体コアを冷却する機構、例えば、自然冷却手段、またはファンなどの強制冷却手段を設けてもよい。また、零相変流器４の設置環境（空間）を温度制御する形態で、環境温度と磁性体コアの温度との相関が取れるように制御してもよい。

このように本実施形態によれば、低周波の零相電流を計測する場合、零相磁界により磁気飽和しないように、零相変流器４に含まれる磁性体コアの温度を調整することによって、零相変流器４の感度調整が可能になるため、駆動周波数ｆｄに依存することなく、零相電流を高感度に計測することができる。

実施の形態７．
図１１は、本発明の実施の形態７に係る絶縁劣化診断装置１０７を示す構成図である。本実施形態に係る絶縁劣化診断装置１０７は、実施の形態６に係る絶縁劣化診断装置１０６と同様な構成を有するが、温度制御回路３３の代わりに、零相変流器４に含まれる磁性体コアに印加される応力を変化させるための圧力制御回路３４を設けている。

本実施形態において、例えば、零相変流器４の磁性体コアに圧電素子を装着し，圧電素子の印加電圧に応じて、磁性体コアの内部応力を制御することができる。

一般に、磁性体は応力変化に伴って磁気特性は変化し、透磁率（Ｂ−Ｈカーブの傾斜）も変化する。本実施形態は、この応力変化に伴う磁気特性の変化を利用したものである。低周波の零相電流を計測する場合、低周波かつ微小な零相磁界に対して磁気飽和を防止するために、零相変流器４の磁性体コアに応力を与えることによって、零相変流器４の感度を下げることができる。こうした圧力依存性を示す磁性体として、アモルファスＦｅＳｉＢなどが使用できる。

但し、急激な応力制御は実用的ではないため、予め測定時刻を設定し、計測時のみ零相変流器４の磁性体コアに応力を印加した状態となるように制御することが望ましい。

また、磁性体コアの内部応力、磁気特性および周波数の間の関係を予め関連付けておいて、計測時に相互に演算できる機能を絶縁劣化診断回路１０に設けておくことによって、絶縁劣化診断を行うことができる。

なお、応力の有無に可逆特性を有さない磁性材料は本実施の形態の対象外であり、例えばアモルファスＦｅＳｉＢなどは外部からの歪による応力に対して、磁気特性が可逆特性を有する。

このように本実施形態によれば、低周波の零相電流を計測する場合、零相磁界により磁気飽和しないように、零相変流器４に含まれる磁性体コアの内部応力を調整することによって、零相変流器４の感度調整が可能になるため、駆動周波数ｆｄに依存することなく、零相電流を高感度に計測することができる。

１ インバータ装置、 ２ 制御装置、 ３ 負荷機器、 ４，３１ 零相変流器、
５ 電流検出器、 ６ａ，６ｂ，６ｃ 電路、 ７ 周波数演算回路、
８ 励磁制御回路、 ９ 同期検波回路、 １０ 絶縁劣化診断回路、
１１ 表示器、 １２ ２倍波検波回路、 １３ 動作判定回路、
１４ 診断判定回路、 １５ 磁性体コア、 １６ 励磁コイル、
１７ 検出コイル、 ３２ 変換判定回路、３３ 温度制御回路、
３４ 応力制御回路、 ９０ 処理回路、 １０１〜１０７ 絶縁劣化診断装置。

Claims (5)

1. インバータ装置とインバータ駆動される負荷機器との間に接続された電路の絶縁劣化を診断する装置であって、
   環状の磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁コイル、および該磁性体コアに巻回された検出コイルを有し、電路の零相電流を検出するための零相変流器と、
   負荷機器の駆動周波数の２倍以上の周波数を有する交流電流を励磁コイルに供給して、磁性体コアを励磁するための励磁制御回路と、
   検出コイルの出力信号から、所定の周波数成分を抽出するための周波数抽出回路と、
   負荷機器に給電される電流波形または電圧波形を検出するための検出器と、を備え、
   該検出器の出力信号に基づいて、励磁コイルに供給する電流を制御することを特徴とする絶縁劣化診断装置。
2. 前記検出器の出力信号に基づいて、駆動周波数を算出するための周波数演算回路をさらに備え、
   周波数抽出回路は、検出コイルの出力信号から、駆動周波数と同じ周波数成分を抽出することを特徴とする請求項１記載の絶縁劣化診断装置。
3. 周波数抽出回路は、磁性体コアの励磁周波数の２倍波成分を抽出することを特徴とする請求項１記載の絶縁劣化診断装置。
4. 周波数演算回路の演算結果に基づいて、励磁制御回路の動作可否を判定するための動作判定回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の絶縁劣化診断装置。
5. 周波数演算回路の演算結果に基づいて、絶縁劣化診断の動作可否を判定するための診断判定回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の絶縁劣化診断装置。

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