JP5705382B1 - 絶縁検出器及び電気機器 - Google Patents

Abstract

モータ等の負荷や機器の対地または筐体への絶縁抵抗を、これを駆動する駆動回路の側から、高精度に簡易な構成で測定する絶縁検出器を得るための機器内コンデンサと電池のいずれか一方または双方を備える電気機器に接続される絶縁検出器３０であって、絶縁検出器内コンデンサ３１と、絶縁検出器内コンデンサ３１の電圧を検出する電圧検出部３３と、対地または筐体と、機器内コンデンサ２２と、絶縁検出器内コンデンサ３１と、を直列接続して、電気機器の絶縁抵抗を含む電流経路を形成するための電流経路形成スイッチ３２と、を備え、電圧検出部３３により絶縁検出器内コンデンサ３１の電圧の変化の時定数を測定することで絶縁抵抗を測定し、絶縁検出器内コンデンサ３１の容量値は、機器内コンデンサ２２の容量値に比して、絶縁抵抗の測定において無視できる値である。

Description

本発明は、電気機器における絶縁の劣化または地絡を検出する絶縁検出器、及び該絶縁検出器を有する電気機器に関するものである。

電気機器はその機能の維持と安全の確保のために様々な部分を絶縁しているが、その絶縁性は通常経年劣化し、絶縁破壊が生じると甚大な事故につながるおそれがある。そのため、絶縁破壊による漏電は漏電遮断機などで保護しなければならない。絶縁性の低下を監視して絶縁破壊を予見し、未然に防ぐことができればそれが好ましいといえる。漏電遮断機によれば、電気機器から対地への漏れ電流を検出することが可能であるが、絶縁材の劣化による絶縁抵抗の変化はわずかなものであるため、この変化を測定することは困難である。例えば、工場の生産現場で用いられる工作機械には、いくつものモータ（例えば、主軸モータ及びサーボモータ）が用いられているが、これらモータの筐体とコイルとの間の絶縁材は経年劣化する。

従来、一般的に採用されている構成では、モータの筐体とコイルとの間の絶縁材が劣化して漏れ電流が大きくなり、この漏れ電流の大きさがしきい値を超えると、系統に接続された漏電遮断機が作動して電気機器自体を停止させる。このような構成では、電気機器（例えば、工作機械）が突然停止することになるため、生産性を著しく低下させることになる。また、このような構成では漏電箇所が明らかにならないため、復旧に長時間を要する。このため、電気機器若しくは負荷（例えばモータ）の対地若しくは筐体への絶縁抵抗の低下を敏感に検出する機構、または定期的に絶縁抵抗を検出してその劣化を検知して絶縁破壊を予見して電気機器の予防保全ができるような機構、が必要とされている。

例えば特許文献１には、平滑コンデンサに蓄えられた電圧で負荷に電流を流すが、その電流を検出するのではなく、平滑コンデンサの電圧の変化を監視し、その時定数から絶縁抵抗を算出する技術が開示されている。特許文献１に開示する技術では、測定対象が微弱な電流ではなく、ノイズが生じにくいコンデンサの電圧変化であるため、ノイズに強い高精度な測定が可能だと考えられる。

特開昭６０−７８３５９号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、平滑コンデンサは電圧を安定化させるために設けられているものであり、その容量値は一般に非常に大きな値である。一方で、測定対象である絶縁抵抗の抵抗値も非常に大きな値である。そうすると、電圧変化の時定数τ＝Ｒ・Ｃは、非常に長い時間になる。そのため、地絡のような小さい抵抗値は測定可能であるが、絶縁抵抗のように抵抗値が大きい場合には非常に長時間を要することになる、という問題があった。

また、通常、電気機器の停止時に放電するように、平滑コンデンサには並列に放電抵抗が設けられていることが多いが、この方法では放電抵抗よりも抵抗値がはるかに大きいため、絶縁抵抗の抵抗値を測定することができない、という問題があった。

また、予防保全の観点からは、電気機器自体の動作には問題を生じない程度の絶縁抵抗値のわずかな変化をも検知することを要し、例えば１００ＭΩの高い絶縁抵抗でも、測定が可能であることを要する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、モータ等の負荷や機器の対地または筐体への絶縁抵抗を、これを駆動する駆動回路の側から、高精度に簡易な構成で測定する絶縁検出器を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、機器内コンデンサと電池のいずれか一方または双方を備える電気機器に接続される絶縁検出器であって、前記機器内コンデンサの１０％以下の容量値である絶縁検出器内コンデンサと、前記絶縁検出器内コンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、対地または筐体と、前記機器内コンデンサと、前記絶縁検出器内コンデンサと、を直列接続して、前記電気機器の絶縁抵抗を含む電流経路を形成するための電流経路形成スイッチと、を備え、前記電圧検出部により前記絶縁検出器内コンデンサの電圧の変化の時定数を測定することで前記絶縁抵抗を測定し、前記絶縁検出器内コンデンサの容量値は、前記機器内コンデンサの容量値の１０％以下であることを特徴とする。

この発明によれば、モータ等の負荷や機器の対地または筐体への絶縁抵抗を、これを駆動する駆動回路の側から、高精度に簡易な構成で測定することができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図２は、実施の形態１にかかる電気機器におけるコンデンサと機器内コンデンサの電圧の変化を示す図である。 図３は、実施の形態２にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図４は、実施の形態３にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図５は、実施の形態４にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図６は、実施の形態５にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図７は、実施の形態６にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図８は、実施の形態７にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図９は、実施の形態８にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図１０は、実施の形態９にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図１１は、実施の形態１０にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図１２は、実施の形態１０にかかる電気機器におけるコンデンサと平滑コンデンサの電圧と、測定電圧の変化を示す図である。 図１３は、実施の形態１０にかかる測定電圧の変化を示す図である。 図１４は、実施の形態１１にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図１５は、実施の形態１２にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図１６は、実施の形態１３にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図１７は、実施の形態１４にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図１８は、実施の形態１４にかかる電気機器における測定電圧の変化を示す図である。 図１９は、実施の形態１５にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図２０は、実施の形態１５にかかる絶縁抵抗測定について、その回路要素を単純に等価回路化して示す回路図である。 図２１は、実施の形態１８にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図２２は、実施の形態１９にかかる、直列接続された機器内コンデンサとコンデンサの電圧について、アンプを介して測定する態様を示す図である。 図２３は、実施の形態２０にかかる、直列接続された機器内コンデンサとコンデンサの電圧について、アンプを介して測定する態様を示す図である。 図２４は、実施の形態２１にかかる測定時の具体的なシーケンスを示す図である。 図２５は、実施の形態２２にかかる測定時の具体的なシーケンスを示す図である。 図２６は、実施の形態２３にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図２７は、実施の形態２３にかかる測定時の具体的なシーケンスを示す図である。 図２８は、実施の形態２４にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。 図２９は、実施の形態２４にかかる測定時の具体的なシーケンスを示す図である。 図３０は、実施の形態２５にかかる測定時の具体的なシーケンスを示す図である。 図３１は、実施の形態２６にかかる測定時の具体的なシーケンスを示す図である。 図３２は、実施の形態２７にかかる絶縁検出器の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。

以下に、本発明にかかる絶縁検出器と電気機器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる絶縁検出器の実施の形態１の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。なお、図１では電気機器に絶縁検出器が備え付けられた構成としたが、本発明はこれに限定されず、絶縁検出器が電気機器に含まれていてもよい。図１では、系統電源１０から電気機器２０に電力が供給される。電気機器２０においては、駆動回路がモータ２４を駆動する。図１の構成は、電圧測定を機器内コンデンサの電圧と一緒に行う場合に特に適している。

系統電源１０は、三相交流電源１１を含み、三相交流電源１１と電気機器２０の間にはコンタクタ１２が配されている。

電気機器２０は、整流回路２１、機器内コンデンサ２２及びインバータ２３を備える。電気機器２０は、系統電源１０のコンタクタ１２を介して三相交流電源１１から三相交流を受電し、受電した三相交流を整流回路２１及び機器内コンデンサ２２によって直流（電圧）に変換する。この直流電圧はインバータ２３によって交流に変換され、変換された交流によりモータ２４が駆動される。なお、直流電圧のマイナス電位側の母線をＮ母線と呼び、プラス電位側の母線をＰ母線と呼ぶ。

絶縁検出器３０は、コンデンサ３１と、スイッチ３２（電流経路形成スイッチ）と、電圧検出部３３と、制御部３４と、出力部３５と、を備える。絶縁検出器３０は、電気機器２０のＮ母線と対地または筐体との間の絶縁抵抗を測定する。ここで、コンデンサ３１（絶縁検出器３０内）としては小容量コンデンサを用いる。なお、以下の説明において、機器内コンデンサではなく、単にコンデンサと呼ぶ場合には、コンデンサ３１と同様に小容量コンデンサであるものとする。

なお、電圧検出部３３はコンデンサ３１の値を検出し、検出された値は制御部３４に送られる。

コンデンサ３１としては、機器内コンデンサ２２よりも十分に小さい容量値（例えば、機器内コンデンサ２２の容量値の１０％以下）のコンデンサを用いる。コンデンサ３１の一端はＰ母線に接続し、他端はスイッチ３２を介して対地または筐体に接続する。コンデンサ３１の容量値は、機器内コンデンサ２２の容量値に比して、絶縁抵抗の測定において無視できるほど小さくすればよい。

計測を行わない通常の状態（電気機器２０が負荷を駆動しているときを含む。）では、スイッチ３２は開いている（Ｏｐｅｎ）。計測を行う際には、まず電気機器２０を停止させる。

次に、電気機器２０の電位、つまりＰ母線及びＮ母線の電位を不定にするために、電位を固定している部分を切り離す。具体的には、コンタクタ１２を開く（Ｏｐｅｎ）。すると、機器内コンデンサ２２に所定の電圧が蓄積された状態になる。この状態でスイッチ３２を閉じる（Ｃｌｏｓｅ）。すると、機器内コンデンサ２２、コンデンサ３１、スイッチ３２、対地及び絶縁抵抗を含む電流経路が形成され、この電流経路内に電流が流れる。

機器内コンデンサ２２の容量をＣ_０、コンデンサ３１の容量をＣ_ｍとすると、直列合成容量Ｃ_ｍ’は下記の数式（１）で表される。

ここで、一般に、機器内コンデンサ２２の容量Ｃ_０は電気機器２０の大きさにもよるが１〜１０ｍＦ程度とする。これに対して、コンデンサ３１の容量Ｃ_ｍを機器内コンデンサ２２の容量Ｃ_０の１０００分の１以下とすると、コンデンサ３１の容量Ｃ_ｍと機器内コンデンサ２２の容量Ｃ_０の直列合成容量Ｃ_ｍ’はほぼＣ_ｍに等しい。最初に、機器内コンデンサ２２に電圧Ｖ_０で電荷が蓄積されていたとすると、絶縁抵抗の測定開始時（すなわち、スイッチ３２が閉じて電流経路が形成されたとき）から十分に長い時間が経過した後には、機器内コンデンサ２２とコンデンサ３１の電圧が等しくなり、その電圧Ｖ_１は下記の数式（２）で表される。

機器内コンデンサ２２の容量Ｃ_０は十分に大きいので、電圧Ｖ_１は電圧Ｖ_０にほぼ等しくなる。つまり、測定開始してからのコンデンサ３１と機器内コンデンサ２２のコンデンサの電圧の変化は図２のようになる。機器内コンデンサ２２の容量Ｃ_０は十分に大きいので、機器内コンデンサ２２の電圧はほとんど変化しない（電圧Ｖ_１は電圧Ｖ_０にほぼ等しい）。一方で、コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ_１を目指して上昇する。コンデンサ３１の電圧Ｖ_Ｃｍの変化は下記の数式（３）で表される。

ここでτは電圧変化の時定数であり、この場合は合成容量Ｃ_ｍ’と絶縁抵抗Ｒ_ｘの積であり、下記の数式（４）で表される。

コンデンサ３１の電圧波形は図２に示すように時定数τで上昇していくが、ｔ＝τとなったときの電圧をＶ_２とすると、電圧Ｖ_２は下記の数式（５）で表される。

ここでｅは自然対数の底である。つまり、電圧が電圧Ｖ_２に達した時間を測定すると、その時間がτ＝Ｒ・Ｃに等しくなる。この電圧の変化は上記の式（３）で表されるので、電圧Ｖ_２に相当する電圧値は適宜選択すればよい。例えば、電圧Ｖ_３を選択し、電圧が電圧Ｖ_３に達した時間を測定すると、このときの時刻τ’（測定開始時からの時間）は、下記の数式（６）で表される。

このようにして測定された時定数及びコンデンサ３１の容量Ｃ_ｍから、絶縁抵抗の抵抗Ｒ_ｘを求めることができる。

機器内コンデンサ２２には、通常、放電抵抗が並列に設けられているので十分に長い時間が経過すると機器内コンデンサ２２の電圧は下がってしまう。そのため、本発明の絶縁抵抗の測定時間（τに代表される）はこれよりも十分に短い時間である必要がある。例えば、絶縁抵抗を機器内コンデンサ２２に並列に設けられた放電抵抗の１０倍以上とするには、コンデンサ３１は機器内コンデンサ２２の容量の１０％以下とする必要がある。好ましくは、絶縁抵抗を機器内コンデンサ２２の放電抵抗の１０００倍以上とし、コンデンサ３１は機器内コンデンサ２２の容量の０．１％以下とする。

このような条件から、コンデンサ３１の容量Ｃ_ｍは、容量Ｃ_０よりも十分に小さくし、計測したいと考える絶縁抵抗の値Ｒ_ｘに対して、上記の式（４）から時定数τの値を例えば数秒以下とするなど、十分に現実的な測定時間とし、この測定時間を機器内コンデンサ２２の放電時定数よりも十分に短い時間とする。

制御部３４は、上記のようにして絶縁抵抗を測定し、これを初期値または設定された許容値と比較して異常判定を行う。制御部３４による判定の結果、異常であると判断された場合には、制御部３４は異常信号を出力部３５に送り、電気機器２０の管理者等が出力部３５の出力結果を視認等することにより絶縁抵抗が異常であるか否かを判定することができる。

ただし、本発明はこれに限定されず、制御部３４及び出力部３５は説明の便宜上図示したものであり、これらは必ず設けられていなければならないわけではない。

実施の形態２．
図３は、本発明にかかる絶縁検出器の実施の形態２の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。図３に示す絶縁検出器３０は、図１に示す絶縁検出器３０に対してコンデンサ３１の位置とスイッチ３２の位置を入れ換えたものであり、その他の構成は図１に示す絶縁検出器３０とすべて同じである。

図１では、コンデンサ３１の片端がＰ母線に接続され、コンデンサ３１の他端がスイッチ３２の片端に接続され、スイッチ３２の他端は対地または筐体に接続されているが、図３では、スイッチ３２の片端がＰ母線に接続され、スイッチ３２の他端がコンデンサ３１の片端に接続され、コンデンサ３１の他端は対地または筐体に接続されている。このように図３に示す構成としても図１に示す構成と同様に絶縁抵抗の測定が可能である。

実施の形態３．
図４は、本発明にかかる絶縁検出器の実施の形態３の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。図４に示す電気機器２０ａは、機器内コンデンサ２２と並列に接続された電池４１を有する。すなわち、電気機器２０ａは、その構成に電池（二次電池）を含み、電気機器２０ａとしては電気自動車を例示することができる。

このように図４に示す構成としても図１に示す構成と同様に絶縁抵抗の測定が可能であるが、図４に示す構成においては、機器内コンデンサ２２の有無に関わらず、Ｐ母線とＮ母線の間の電圧は一定に維持されるため、上記の式（２）においてはＶ_１＝Ｖ_０となり、式（１）においてはＣ_ｍ’＝Ｃ_ｍとなる。

実施の形態４．
図５は、本発明にかかる絶縁検出器の実施の形態４の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。図５に示す絶縁検出器３０は、図１に示す絶縁検出器３０に対して、コンデンサ３１の接続位置をＮ母線側に変えたものであり、その他の構成は図１に示す絶縁検出器３０とすべて同じである。

図１では、コンデンサ３１の片端がＰ母線に接続され、コンデンサ３１の他端がスイッチ３２の片端に接続され、スイッチ３２の他端は対地または筐体に接続されているが、図５では、コンデンサ３１の片端がＮ母線に接続され、コンデンサ３１の他端がスイッチ３２の片端に接続され、スイッチ３２の他端は対地または筐体に接続されている。図１ではＮ母線と対地または筐体の間の絶縁抵抗を測定しているが、このように図５に示す構成とすると、Ｐ母線と対地または筐体の間の絶縁抵抗を測定することができる。

実施の形態５．
図６は、本発明にかかる絶縁検出器の実施の形態５の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。図６に示す電気機器２０ｂは整流回路２１を有さず、系統電源１０に接続されておらず、機器内コンデンサ２２と並列に接続された電池４１を有する。モータ２４は電池４１の電力により駆動する。すなわち、電気機器２０ａは、その構成に電池（二次電池）を含み、電気機器２０ａとしては電気自動車を例示することができる。

図６に示す構成では、図１に示す系統電源１０のように対地の電位を決める電源が接続されていないため、この状態のまま絶縁抵抗の検出が可能である。なお、図示していないが、図６においても図５と同様に、Ｐ母線と対地または筐体の間の絶縁抵抗を測定する構成としてもよい。

実施の形態６．
図７は、本発明にかかる絶縁検出器の実施の形態６の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。図７に示す電気機器２０ｃは整流回路２１を有さず、太陽電池５１と昇圧チョッパ回路５２を有する。太陽電池５１の電力が系統電源１０ａに出力される。すなわち、電気機器２０ｃは、その構成に電池（二次電池）を含み、電気機器２０ｃとしてはパワーコンディショナーを例示することができる。

太陽電池５１の出力は変動するので、これを昇圧チョッパ回路５２によって定電圧に変換し、その後インバータ２３によって交流に変換して系統電源１０ａに供給している。なお、電力を供給する対象は系統電源１０ａに限定されず、その他の電気機器（例えば、家庭内のその他の交流電気機器）であってもよい。

図７の構成では、電気機器２０ｃの駆動回路部分から太陽電池５１の部分を切り離さず、矢印で示す電流経路を形成することで、太陽電池５１の絶縁抵抗と同時に駆動回路の絶縁抵抗を測定することができる。

このように絶縁抵抗を測定するためには、実施の形態１〜５と同様に、この電流経路を対地から切り離すのであるが、これは、インバータ２３によって系統電源１０ａから切り離すことで実現することができる。つまり、インバータ２３が、図７に示すようにフルブリッジ型であれば、インバータ素子のすべてを開けばよい（Ｏｐｅｎ）。

このように、インバータ２３をフルブリッジ型にするとインバータ２３によって系統電源１０ａから切り離すことで、図６と同様、この状態のまま絶縁抵抗の検出が可能である。

なお、インバータ２３が系統電源１０ａから切り離されない構成（例えば、ハーフブリッジ型）である場合には、図１と同様に、系統電源１０ａとインバータ２３の間にコンタクタを設けるなどして絶縁可能な構成とすればよい。

実施の形態７．
図８は、本発明にかかる絶縁検出器の実施の形態７の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。

図１〜７では、Ｐ母線またはＮ母線と、対地または筐体の間の絶縁抵抗を測定する構成としたが、図８では負荷の絶縁抵抗、すなわち、モータ２４と対地または筐体の間の絶縁抵抗を測定する構成としている。

モータ２４と対地または筐体の間の絶縁抵抗を測定するに際しては、まず、コンタクタ１２を開いて系統電源１０から電気機器２０ｄを切り離す。

電気機器２０ｄのＰ母線から、インバータ２３内の直列接続された２つのインバータ素子のいずれかの間は、スイッチ３２ａ（負荷側経路誘導スイッチ）が設けられている。そして、スイッチ３２ａからモータ２４を経て対地または筐体とスイッチ３２の片端に接続されている。スイッチ３２の他端はコンデンサ３１の片端に接続され、コンデンサ３１の他端はＮ母線に接続されている。

電気機器２０ｄが停止している場合には、インバータ２３の素子がすべてオフしているので、スイッチ３２，３２ａを閉じて矢印にて示すように電流の経路を形成する。このように電流経路が形成されることで、電流はモータ２４の絶縁抵抗を流れるが、図５と同様、Ｐ母線と対地または筐体との間の絶縁抵抗にも電流が流れるので、実際には並列接続されたこれら２つの抵抗に電流が流れることになる。従って、筐体の絶縁性が十分に高ければ、この絶縁抵抗の計測値はモータ２４の絶縁抵抗となる。

実施の形態８．
図９は、本発明にかかる絶縁検出器の実施の形態８の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。図９に示す構成では、図８のスイッチ３２ａをインバータ２３のインバータ素子の１つで代用したものである。図９に示す構成とすることでスイッチ３２ａが不要となるため、図８に示す構成よりも簡略な構成とすることができる。

実施の形態９．
図１０は、本発明にかかる絶縁検出器の実施の形態９の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。図９に示す絶縁検出器３０では、コンデンサ３１の片端が電気機器２０のＮ母線に接続され、コンデンサ３１の他端がスイッチ３２の片端に接続され、スイッチ３２の他端が対地または筐体に接続されているが、図１０に示す絶縁検出器３０では、コンデンサ３１の片端が電気機器２０のＰ母線に接続され、コンデンサ３１の他端がスイッチ３２の片端に接続され、スイッチ３２の他端が対地または筐体に接続されている。図１０に示す構成においても図９に示す構成と同様に、インバータ２３のインバータ素子の１つをスイッチ３２ａの代用として用いている。なお、矢印にて示すように、図１０に示す構成では図９に示す構成とは電流の流れる向きが逆である。

図９と図１０のいずれの構成を採用するかは、モータ２４の絶縁抵抗にダイオード特性がある場合またはあると想定される場合には、電流の向きを考慮して選択することを要する。

実施の形態１０．
図１１は、本発明にかかる絶縁検出器の実施の形態１０の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。図９の構成では、電圧検出部３３はコンデンサ３１の電圧のみを検出するが、図１１の構成では、電圧検出部３３が直列接続された機器内コンデンサ２２とコンデンサ３１の電圧を検出している点が異なる。図１１の構成では、測定電圧は機器内コンデンサ２２とコンデンサ３１の電圧の差である。

最初は機器内コンデンサ２２に蓄積されていた電荷がコンデンサ３１に移動するため、両者の電圧差はゼロに近づく。つまり測定電圧は、機器内コンデンサ２２とコンデンサ３１の電圧の差を初期値として、最終的にはゼロに近づく減衰曲線にて表される。そして、測定電圧の漸近値はゼロであり、機器内コンデンサ２２の電圧の初期値に依存せず、仮にコンデンサ３１に電荷が残留していても測定に影響はない。測定開始してからのコンデンサ３１と機器内コンデンサ２２のコンデンサの電圧と、測定電圧の変化は図１２のようになる。

ここで、図２と同様に、機器内コンデンサ２２の初期電圧を電圧Ｖ_０とし、コンデンサ３１の初期電圧を電圧Ｖ_３とする。すると、機器内コンデンサ２２の電圧とコンデンサ３１の電圧が漸近する電圧Ｖ_１’は下記の式（７）で表される。

ここで、電圧検出部３３の測定電圧の初期値はＶ_４＝Ｖ_０−Ｖ_３である。そして、十分に時間が経過すると機器内コンデンサ２２の電圧とコンデンサ３１の電圧は等しくなるため、測定電圧はゼロとなる。

図１２における減衰の時定数は図２と同様であり、上記の式（４）と同じである。図１２では、減衰曲線の漸近値が明確であるため、機器内コンデンサ２２の電圧の初期値に依存しない時定数の測定が可能である。つまり、図１３に示すように、測定電圧の減衰中である限りにおいて測定開始時を選択できることを意味する。この測定値は下記の式（８）で表される。

ここで、電圧Ｖ_５になったときの時刻τを時定数として測定する。このτが上記の式（４）で表されるとすると、電圧Ｖ_４と電圧Ｖ_５の関係は下記の式（９）で表される。

ここで、ｅは自然対数の底である。上記の式（９）の関係では、電圧Ｖ_４の基準を減衰開始後所定時間経過後の電圧Ｖ_４２としてもよい。つまり、電圧Ｖ_４２になった時刻からτ経過後の電圧をＶ_５２とすると、電圧Ｖ_４と電圧Ｖ_５の関係は下記の式（１０−１）で表される。

つまり、測定電圧の減衰開始後所定時間経過後における電圧Ｖ_４２を基準とし、または測定電圧が電圧Ｖ_４２となった時刻を基準とし、その電圧が電圧Ｖ_５２＝Ｖ_４２／ｅになるまでの時間を測定することでτを測定できる。

このようにして、電圧測定を所定の時刻または所定の電圧から開始することができる。従って、放電開始直後のように、電圧の変動が生じやすい期間を避けて測定を開始することができる。

また、上記の式（６）と同様に、所定の電圧に達するまでの時間を測定することによっても時定数τの測定は可能である。例えば、測定電圧が電圧Ｖ_０から電圧Ｖ_６まで減衰する時間は、上記の式（８）から下記の式（１０−２）で表される。

このようにして、測定により得られたτ’と測定電圧から、時定数τを算出することができる。

実施の形態１１．
図１４は、本発明にかかる絶縁検出器の実施の形態１１の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。実施の形態１０では、機器内コンデンサ２２及びコンデンサ３１の初期電圧によらずに測定可能な構成について説明したが、実施の形態１０の構成では、機器内コンデンサ２２の初期電圧とコンデンサ３１の初期電圧が等しい場合には電荷の移動が生じないため測定電圧の減衰が生じない。

また、機器内コンデンサ２２の電圧よりもコンデンサ３１の電圧のほうが高い場合には測定電圧が負の値となり、測定アルゴリズム上問題が生じうる。したがって、コンデンサ３１の電圧は十分に小さく、初期電圧はゼロであることが好ましい。

図１４に示す構成では、コンデンサ３１の放電抵抗が設けられている。コンデンサ３１の放電抵抗は、コンデンサ３１に並列に接続されている。ここで、コンデンサ３１の電圧の変動を測定するため、コンデンサ３１の放電抵抗に電流が流れてしまわぬよう、コンデンサ３１の放電抵抗は、測定対象となる絶縁抵抗よりも抵抗値を大きくする。例えば、コンデンサ３１の放電抵抗の放電時定数を機器内コンデンサ２２の放電抵抗の放電時定数とほぼ等しくすればよい。

ここで、機器内コンデンサ２２の放電抵抗の抵抗値をＲ_ｄ０とすると、機器内コンデンサ２２の放電時定数はＣ_０ ×Ｒ_ｄ０である。コンデンサ３１の放電抵抗の放電時定数を機器内コンデンサ２２の放電抵抗の放電時定数と等しくすると、コンデンサ３１の放電抵抗の抵抗値Ｒ_ｄｍは下記の式（１１）にて表される。

本発明の測定時間は、機器内コンデンサ２２の放電時定数よりも十分に短いため、上記の式（１１）を満たすようにコンデンサ３１の放電抵抗が選ばれると、コンデンサ３１の放電抵抗が測定に与える影響は十分に小さいものとなる。

コンデンサ３１の放電抵抗としてこのような放電抵抗が設けられると、コンデンサ３１の両端の電圧を、絶縁検知の測定を行っておらず、スイッチ３２が開いているときにはゼロに保つことができる。絶縁抵抗の測定を行った後、スイッチ３２を開くと、先の放電抵抗の時定数でコンデンサ３１の電圧が低下し、十分に長い時間が経過した後にはコンデンサ３１の電圧はゼロになる。

この状態では、電圧検出部３３では機器内コンデンサ２２の電圧のみを測定していることになる。つまり、絶縁抵抗の測定を行わないときには、電圧検出部３３によって機器内コンデンサ２２の両端の電圧（Ｐ母線とＮ母線の間の電圧）を測定することができる。このようにして、インバータ装置の制御に重要なＰ母線とＮ母線の間の電圧を得ることもできる。または、このＰ母線とＮ母線の電圧測定部と、絶縁抵抗の検出用の電圧測定部とを併用してもよい。

実施の形態１２．
図１５は、本発明にかかる絶縁検出器の実施の形態１２の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。実施の形態１１の構成では、測定後にスイッチ３２を開き、十分な時間が経過しないとコンデンサ３１の電圧がゼロにならず、測定アルゴリズム上問題が生じうる。

図１５に示す構成は、コンデンサ３１の放電を速やかに行うことが可能な構成である。図１５に示す構成では、コンデンサ３１の片端と対地または筐体との間に設けられたスイッチ３２のみならず、コンデンサ３１に並列に設けられた抵抗によりコンデンサ３１の両端を短絡するためのスイッチ３２ｂが設けられている。この抵抗は図１４におけるコンデンサ３１の放電抵抗とは異なり、その抵抗値は十分に小さいものとし（例えば、絶縁抵抗の１０％以下）、コンデンサ３１を短絡時にスイッチ３２が損傷しない程度であればよい。測定シーケンス上では、コンデンサ３１（検出用コンデンサ）への絶縁抵抗を介した電流流入による電圧変化で時定数を測定するが、測定の合間に並列な放電抵抗のスイッチをオンにして検出用コンデンサの電圧をゼロにする必要がある。この作業は時定数の測定よりも十分に短い時間で行うため、例えば１／１０の時間で行うとすると、抵抗値も１／１０以下とすることを要する。好ましくは、この作業を１／１００の時間で行い、抵抗値を１％以下とする。コンデンサ３１に並列に設けられた抵抗の抵抗値は、時定数の測定の合間に、コンデンサ３１の電圧をゼロにするように放電することが可能な程度に小さい値とする。

絶縁抵抗の測定をしていないときにはスイッチ３２ｂは閉じる。絶縁抵抗の測定時にはスイッチ３２ｂを開き、スイッチ３２を閉じ、コンデンサ３１を含む電流経路を形成して絶縁抵抗を測定する。

実施の形態１３．
図１６は、本発明にかかる絶縁検出器の実施の形態１３の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。図１５においてスイッチ３２とスイッチ３２ｂの２つのスイッチにより実現していた動作を図１６に示す構成では、１つのスイッチ（スイッチ３２ｃ）で実現することができる。

スイッチ３２ｃは、絶縁抵抗の測定をしていないときにはコンデンサ３１とコンデンサ３１に並列に設けられた抵抗を接続し、測定開始時にはコンデンサ３１と絶縁抵抗を含む電流経路を形成して絶縁抵抗を測定する。図１６に示す構成とすることで、構成の簡略化が可能である。

実施の形態１４．
図１７は、本発明にかかる絶縁検出器の実施の形態１４の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。図１７に示す構成では、負荷であるモータ２４と対地の間に浮遊容量Ｃ_ｓが追加されている。ここでは、最も支配的である、モータ２４の絶縁抵抗と並列な浮遊容量Ｃ_ｓを図示している。また、インバータ２３内のインバータ素子により代用されているスイッチ３２ｄが存在する。

スイッチ３２ｂを開いてコンデンサ３１を短絡する抵抗を切り離した状態でスイッチ３２及びスイッチ３２ｄを閉じて電流経路を形成すると、電流が絶縁抵抗Ｒ_ｘを流れる前に浮遊容量Ｃ_ｓを流れる。換言すると、機器内コンデンサ２２の電圧が、コンデンサ３１と浮遊容量Ｃ_ｓで分圧する。

仮に浮遊容量Ｃ_ｓが存在しないとすると、測定開始時において機器内コンデンサ２２の電圧はすべて絶縁抵抗Ｒ_ｘに印加されるのであるが、図１７に示すように浮遊容量Ｃ_ｓが存在すると、電圧が分圧されて一部の電圧がコンデンサ３１に印加されてしまうことになる。分圧後のコンデンサ３１の初期電圧Ｖ_Ｃｍ０は下記の式（１２）で表される。

電圧Ｖ_０は機器内コンデンサ２２の初期電圧である。ここで、上記の式（１２）では、機器内コンデンサ２２の容量Ｃ_０が、直列接続されたコンデンサ３１の容量Ｃ_ｍと浮遊容量Ｃ_ｓの合成容量よりも十分に大きいとした近似を用いている。このことを測定波形で表すと図１８のように表される。測定波形つまり機器内コンデンサ２２とコンデンサ３１の電圧の差は、最初にコンデンサ３１が上記の式（１２）まで充電されてしまうために、測定開始直後にＶ_０−Ｖ_Ｃｍ０まで低下する。その後、絶縁抵抗Ｒｘを流れる電流により電圧の減衰が生じる。つまり、図１８に示すように測定電圧は、まず初期に急激な電圧の低下が生じ、その後時定数τにより減衰することになるため２段階となる。

もし、浮遊容量Ｃ_ｓが十分に大きく、コンデンサ３１の容量Ｃ_ｍと概ね等しいかそれ以上である場合には、上記の式（１２）によりＶ_Ｃｍ０が大きいため、初期の電圧の低下が非常に大きくなる。すると、時定数τによる減衰の部分の波形を測定することが困難になる。これを回避するためには、スイッチ３２とスイッチ３２ｂがオンするタイミングを制御する。

まず、絶縁抵抗Ｒ_ｘの測定に入る前には、スイッチ３２ｂは閉じ、スイッチ３２，３２ｄは開いている。測定開始時には、スイッチ３２ｂ，３２，３２ｄはすべて閉じる。すると、まず、浮遊容量Ｃ_ｓが機器内コンデンサ２２の電圧でほぼＶ_０に充電される。浮遊容量Ｃ_ｓの充電が十分に行われて電圧Ｖ_０まで充電された後、スイッチ３２ｂを開くと、絶縁抵抗Ｒ_ｘを流れる電流がコンデンサ３１に電荷を蓄積し、測定電圧の減衰が観測される。

このようにして、浮遊容量Ｃ_ｓの電圧をＶ_０とし、コンデンサ３１の電圧を０とする状態にすることが可能であるため、測定電圧としてＶ_０から減衰する波形が得られる。なお、このようにスイッチ３２とスイッチ３２ｂがオンするタイミングを制御する際には、両者を別々に設ける必要がある。

実施の形態１５．
図１９は、本発明にかかる絶縁検出器の実施の形態１５の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。図１９に示す構成では、図１７に示す構成に対して、コンデンサ３１と並列に設けられた抵抗とスイッチ３２ｂの間にヒューズ３６が設けられている。

図１７に示す構成では、スイッチ３２とスイッチ３２ｂが同時に閉じる時間があり、このときにはＮ母線は、コンデンサ３１と並列に設けられた低抵抗な抵抗によって地絡しているので電源が投入されると電気機器２０が地絡してしまう。図１９に示すようにヒューズ３６が設けられると、電気機器２０内の回路は保護される。

実施の形態１６．
本実施の形態では、浮遊容量やその他の浮遊成分が計測に与える影響について説明する。図２０は、上記説明した本発明の絶縁抵抗測定について、その回路要素を単純に等価回路化して示す回路図である。

上記実施の形態では、機器内コンデンサ２２の電圧が絶縁抵抗Ｒ_ｘを介してコンデンサ３１に流れ込み、これらが直列接続されたものとして説明している。しかしながら、図２０に示すように、実際には、図１７にも示した浮遊容量Ｃ_ｓと、さらには計測系のインピーダンスＲ_ｍと、を有する。

浮遊容量Ｃ_ｓは、実施の形態１４にて説明したように、支配的な成分はモータ２４の絶縁抵抗Ｒ_ｘに並列に存在する、と仮定している。例えば、モータ２４の巻線とその筐体の間の容量が浮遊容量Ｃ_ｓに相当する。インバータ２３を含む電気機器２０の駆動回路と対地または筐体との間の容量も同様の回路定数にて表すことが可能である。

計測系のインピーダンスは、電圧測定に必要なインピーダンスである。電圧計やオシロスコープのプローブのインピーダンスは通常の測定では問題にならないほど十分に高く設定されているが、測定対象たる絶縁抵抗の抵抗値も高いので、計測系のインピーダンスの影響は大きい。このように、浮遊容量Ｃ_ｓと計測系のインピーダンスＲ_ｍを考慮すると、図２０に示す回路の放電時定数は、下記の式（１３）により表される。

つまり、電圧変化から時定数τを測定し、コンデンサ３１の容量Ｃ_ｍと機器内コンデンサ２２の容量Ｃ_０が既知であっても、絶縁抵抗Ｒ_ｘを知るためには、浮遊容量Ｃ_ｓと計測系のインピーダンスＲ_ｍを明らかにしなければならない。計測系のインピーダンスＲ_ｍは、検出回路の設計時に概ね決まる値であるが、浮遊容量Ｃ_ｓは電気機器の構成やケーブルの状態や、場合によっては劣化の具合によっても変化しうる値である。そのため、絶縁抵抗Ｒ_ｘの正確な測定のためには、浮遊容量Ｃ_ｓも同時に測定することを要する。

実施の形態１７．
本実施の形態では、浮遊容量Ｃ_ｓの測定方法について説明する。浮遊容量Ｃ_ｓの測定には、図１８に示す波形が得られるときの急激な電圧低下を利用することができる。図１８によると、測定電圧は電圧Ｖ_０からＶ_０−Ｖ_Ｃｍ０に低下している。Ｖ_Ｃｍ０は上記の式（１２）で表されるので、これにより浮遊容量Ｃ_ｓを測定することができる。つまり、図１８の初期の急激な電圧低下時に浮遊容量Ｃ_ｓを測定し、その後の減衰波形で時定数τを測定し、浮遊容量Ｃ_ｓと時定数τにより上記の式（１３）を用いて絶縁抵抗Ｒ_ｘを測定することができる。

実施の形態１８．
図２１は、本発明にかかる絶縁検出器の実施の形態１８の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。図２１に示す構成では、コンデンサ３１に代えて、並列接続されたコンデンサ３１ａとコンデンサ３１ｂを有し、これをスイッチ３２ｅにより切り替え可能な構成としている。その他の構成は図１７と同様である。

コンデンサ３１ａの容量をＣ_ｍ１とし、コンデンサ３１ｂの容量をＣ_ｍ２とし、上記の式（１）に従って、これらと機器内コンデンサ２２との合成容量をそれぞれＣ_ｍ１’，Ｃ_ｍ２’とする。コンデンサ３１ａとコンデンサ３１ｂを用いて、電圧変化の減衰時の時定数の測定をそれぞれ行い、結果得られた時定数τを、τａ、τｂとする。つまり、下記の式（１４），（１５）が成り立つ。

上記の式（１４）から式（１５）を引くと、下記の式（１６），（１７）が得られる。

つまり、２つのコンデンサで時定数の測定を２回行うことで、浮遊容量をキャンセルして絶縁抵抗の値を正確に求めることが可能になる。２つのコンデンサは容量の異なるものを切り替えてもかまわないし、容量が異なり、または等しいものを用意して、並列に接続する個数を変えることで容量を変化させてもよい。

また、ここでは２種類のコンデンサ容量を用いるとしたが、測定を増やすことで測定精度は向上できる。３種類以上の容量のコンデンサで、３回以上の測定を行ってもよい。

本実施の形態にて説明したように、浮遊容量の影響をも考慮して、高い精度で絶縁抵抗の抵抗値を測定することができる。

実施の形態１９．
本実施の形態では、計測系のインピーダンスＲ_ｍについて説明する。図２２は、図１１の構成において、直列接続された機器内コンデンサ２２とコンデンサ３１の電圧について、アンプを介して測定する態様を示す図である。図２２に示すアンプは絶縁アンプであるが、これは主回路の電位とは異なる電位のコンデンサの電圧を制御系の電位に変換するためである。ただし、アンプは絶縁アンプに限定されず、通常のオペアンプを用いてもよいし、ノイズを除去するための計装アンプや差動アンプを用いてもよいし、これらを組み合わせてもよい。

ここで、図２２に示すアンプの入力インピーダンスをＲ_ａとする。この場合、例えばオペアンプの入力インピーダンスは十分に高いものが多いが、絶縁アンプの入力インピーダンスはそれほど高くなく、例えば使用状況、温度、素子ばらつきによって変化しうる。

しかしながら、上記の式（１３）に示すように、計測系のインピーダンスＲ_ｍは測定対象である絶縁抵抗Ｒ_ｘよりも高いことが望ましく、少なくとも絶縁抵抗Ｒ_ｘに比べて極端に低いと、測定精度が極めて悪くなる。また、計測系のインピーダンスＲ_ｍが変動した場合、そのばらつきは計測結果に直接影響する。

従って、このような計測系のインピーダンスの変動を許容し、十分な測定精度を得るために、図２２では計測用のアンプの入力に並列に抵抗Ｒ_ｄを設けている。このとき、計測系のインピーダンスＲ_ｍは、下記の式（１８）で与えられる。

ここで、抵抗Ｒ_ｄはアンプの入力インピーダンスＲ_ａよりも十分に小さく、Ｒ_ａが変動してもＲ_ａとＲ_ｄの並列合成抵抗の値があまり変化しないように設定する。一方で、計測系のインピーダンスＲ_ｍは、測定する絶縁抵抗Ｒ_ｘと比べてあまり小さい値とするわけにはいかないので、入力インピーダンスＲ_ａの十分に大きなアンプを用いる必要がある。電圧を受ける最初の素子としては、入力インピーダンスの十分大きな計装アンプ等を用いることが望ましい。

実施の形態２０．
図２３は、図２２の変形例を示す。実施の形態１９にて説明した構成において、測定された電圧を分圧すると、入力インピーダンスを高くすることができる。

電気機器２０は、モータ２４を駆動するため、ＰＮ母線間には数百Ｖ程度の電圧が印加されており、通常のアンプで受けるためには測定時に分圧することを要する。図２３では、測定したい部分の電圧を抵抗Ｒ_ｄ１と抵抗Ｒ_ｄ２の直列で受けて、抵抗Ｒ_ｄ２に並列に測定用のアンプ（入力インピーダンスＲ_ａ）を接続する。このときの計測系のインピーダンスＲ_ｍは、下記の式（１９）で与えられる。

つまり、抵抗Ｒ_ｄ１，Ｒ_ｄ２の選び方で計測系のインピーダンスＲ_ｍを十分に大きくすることが可能である。ただし、実施の形態１９と同様に、入力インピーダンスＲ_ａが変動することを想定して、Ｒ_ｄ２はＲ_ａよりも十分小さい値（例えば、計測系のインピーダンスＲ_ｍと比して１０％以下）に設定する。これを考慮しても、分圧比（Ｒ_ｄ２／（Ｒ_ｄ１+Ｒ_ｄ２））を十分に大きくすれば、計測系のインピーダンスＲ_ｍを十分に大きくすることは可能である。仮に、計測系のインピーダンスＲ_ｍが温度変化などによって２倍に変化したときでも検出値の変動を５％以下に抑えるには、計測系に並列に、計測系のインピーダンスの１０％以下の抵抗を設けるとよい。このように、抵抗Ｒ_ｄ２は、計測系のインピーダンスＲ_ｍが温度変化などによって変化したときの検出値の変動を無視可能なほど、入力インピーダンスＲ_ａよりも小さくする。

実施の形態２１．
本実施の形態では、具体的な測定シーケンスについて説明する。図２４は、実施の形態１８における図２１の構成でコンデンサを２つ用意して浮遊容量の補正を行うに際して、測定時の具体的なシーケンスを示す図である。

通常の動作状態では、コンタクタ１２がオンし、スイッチ３２ｂがオンしている。測定時には、まず測定に先立って、スイッチ３２ｅをコンデンサ３１ａ側に接続しておく。次に、電気機器２０全体を系統電源１０から切り離して不定電位にするために、コンタクタ１２をオフする。次に、実施の形態１４にて説明したように、スイッチ３２ｂを閉じたまま、スイッチ３２とスイッチ３２ｄを閉じる。その後スイッチ３２ｂを開くと測定電圧が低下し始める。その後、適切な電圧のタイミングで時定数τ１の測定を行う。時定数τ１の測定が完了した後にスイッチ３２とスイッチ３２ｄを開く。これで、電流経路が遮断される。

次に、スイッチ３２ｂを閉じると、コンデンサ３１ａが短絡されて電圧がゼロになり、測定電圧が元に戻る。次に、２回目の時定数の測定を行う。スイッチ３２ｅを切り替えてコンデンサ３１ｂ側に接続して、コンデンサの容量を変える。その後スイッチ３２，３２ｄを閉じ、スイッチ３２ｂを開いて再度時定数の測定を開始し、時定数τ２を得る。

１回目の測定である程度の電流が流れているので１回目と２回目の間で機器内コンデンサ２２の電圧は初期値Ｖ_０から少し低下しているが、一般に機器内コンデンサ２２は十分に容量が大きいので、電圧の低下はわずかである。また、実施の形態１０にて説明した方法を採用すると、電圧の初期値が計測に及ぼす影響は小さい。従って、本実施の形態にて説明したように、２回以上の測定を連続して行ってもよい。

実施の形態２２．
図２５は、実施の形態２１にて説明した方法とは異なる方法であって、実施の形態１８における図２１の構成でコンデンサを２つ用意して浮遊容量の補正を行うに際して、測定時の具体的なシーケンスを示す図である。

実施の形態２１と同様に、測定時には、まず測定に先立って、スイッチ３２ｅをコンデンサ３１ａ側に接続し、コンタクタ１２をオフし、スイッチ３２とスイッチ３２ｄを閉じる。スイッチ３２ｂを開くと測定電圧が低下し始める。その後、適切な電圧のタイミングで時定数τ１の測定を行う。

時定数τ１の測定が完了した後にスイッチ３２，３２ｂ，３２ｄをそのままの状態としてスイッチ３２ｅをコンデンサ３１ｂ側に接続する。すると、そのときの電圧を初期値として、異なる時定数の電圧が減衰を始める。この時定数を測定して、τ２を得る。

実施の形態１０の測定によれば時定数の測定は電圧の初期値によらないので、所定の電圧Ｖと、Ｖ／ｅの間の時定数を測定すれば時定数τ＝Ｒ・Ｃが求まる。このように２段階の減衰を用いた測定も可能である。

本実施の形態によって、測定時間の短縮とシーケンスの簡略化を行うことができる。一方で、電圧のダイナミックレンジが狭くなるため、測定精度や計測の方法に配慮する必要がある。その場合、時定数τの測定電圧についてもより自由度があると設計が容易になる。例えば、上記の式（９）によれば、所定の電圧Ｖ_４から、Ｖ_５＝Ｖ_４／ｅに低下するまでの時間がτ＝Ｒ・Ｃであるが、上記の式（１０−２）に示すように、所定の電圧までの時間を測定しても、τは測定可能である。測定精度や測定にかかる時間を考慮して、所定の電圧で時定数の測定を行い、その後演算によって時定数τを求めればよい。

実施の形態２３．
絶縁抵抗としては、図１に示す電気機器２０の駆動回路自体と筐体との間の抵抗と、図８に示すモータ２４と筐体の間の抵抗が考えられるが、測定のシーケンスを活用すると、これらの抵抗値をそれぞれ求めることができる。

図２６は、本発明にかかる絶縁検出器の実施の形態２３の構成と、該絶縁検出器が備え付けられた電気機器の一例を示す図である。図２７は、図２６におけるスイッチングのシーケンスを示す図である。なお、図２６では、コンデンサ３１を１つとし、並列な抵抗は省略している。図２６に示す構成では、電気機器２０の駆動回路部分のＰ母線と対地または筐体との間に絶縁抵抗Ｒ_ｄが存在する。

まず、コンタクタ１２をオフし、スイッチ３２を閉じて絶縁抵抗を含む直列回路を構成するが、このときスイッチ３２を閉じたままの状態とすると、駆動回路の絶縁抵抗Ｒ_ｄに電流が流れる。この状態でスイッチ３２ｂを閉じて計測を開始する。測定される時定数τｄから求まる抵抗値は、負荷の絶縁抵抗を含まない、駆動回路と筐体との間の抵抗である。

次に、一旦スイッチ３２ｂを閉じてコンデンサ３１の電圧を放電し、測定電圧をＶ_０に戻して、再度、スイッチ３２とスイッチ３２ｄを閉じて、スイッチ３２ｂを開いて測定を開始すると、今度はスイッチ３２ｄに負荷の絶縁抵抗Ｒ_ｘを通る経路で電流が流れる。ただし、このとき絶縁抵抗Ｒ_ｄは接続された状態のままであるため、正確には絶縁抵抗Ｒ_ｄと絶縁抵抗Ｒ_ｘの並列抵抗が測定される。なお、上記した他の実施の形態では、絶縁抵抗Ｒ_ｄは十分に大きいとして考慮していない。測定された時定数τｘは、Ｒ_ｘとＲ_ｄとの並列合成抵抗を表す。

１回目の測定で絶縁抵抗Ｒ_ｄが求まるため、２回の測定によって絶縁抵抗Ｒ_ｄと絶縁抵抗Ｒ_ｘを個別に測定することができる。ここでは簡単のためにコンデンサ３１を一種類しか記載していないが、実際には正確な測定を行うためには浮遊容量を補正する必要があるため、コンデンサ３１を２つ以上設けて、２回ずつ測定を行う(計４回以上）とよい。

実施の形態２４．
図２８は、図２６の変形例を示す。図２８は、単一の受電回路と整流回路部分（受電回路、整流回路と機器内コンデンサ２２、その他）に、複数のインバータが並列に接続され、それぞれのインバータが別々のモータを駆動しており、複数のモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃを駆動する例を示す。この場合には、機器内コンデンサ２２に設けられた単一の絶縁抵抗検出機構で、それぞれのモータの絶縁抵抗を測定できることを示す。

図２９は、図２８におけるスイッチングのシーケンスを示す図である。スイッチ及び測定のシーケンスを図２９に示す。まず、コンタクタ１２をオフし、スイッチ３２を閉じる。ここで、図２９では最初に駆動回路の絶縁抵抗Ｒ_ｄを計測するようになっている。このためインバータ側のスイッチ３２ｃ１，３２ｃ２，３２ｃ３は動作させず、開いたまま、スイッチ３２を開いて測定を開始する。測定によって時定数τｄが測定できたら、一旦スイッチ３２を閉じて電圧をＶ_０に戻す。このときスイッチ３２は図２９に示すように閉じたままの状態でもよいし、測定していない間は（図２４に示すように）開いていてもよい。

次に、モータ２４ａの絶縁抵抗Ｒ_ｘａを測定する。モータに流れる電流経路を構成するためにスイッチ３２ｃ１を閉じる。そして、スイッチ３２を開いて測定を開始し、時定数τａを測定する。この測定では、モータ２４ａの絶縁抵抗Ｒ_ｘａと、回路の絶縁抵抗Ｒ_ｄの並列抵抗の値が得られる。このようにして、順次スイッチ３２ｃ２，３２ｃ３を閉じて電圧変化の時定数を測定していき、各モータの絶縁抵抗Ｒ_ｘｂ，Ｒ_ｘｃを測定することができる。

なお、ここでは、回路の絶縁抵抗Ｒ_ｄを測定しているが、モータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃの抵抗に比べて十分大きいことが明らかな場合には絶縁抵抗Ｒ_ｄの測定を行わなくてもよい。

実施の形態２５．
図３０は、図２８に示すように複数のインバータとモータで構成されている場合の検出シーケンスの他の一例である。図２９に示すように動作させると、多数のモータがある場合にはかなり長い測定時間が必要である。このため、毎回の測定ごとにコンデンサ３１を放電させず、電圧が低下していく途中で電流経路を切り替えることで複数の測定を一度に終わらせることが可能である。つまり、最初はスイッチ３２ｃ１を閉じて絶縁抵抗Ｒ_ｘａの測定を行い、その後スイッチ３２ｃ１を開き、スイッチ３２ｃ２を閉じて絶縁抵抗Ｒ_ｘｂの測定を行う。狭い電圧変化で測定を行うことになるため、測定精度が悪くなる可能性があるが、短い時間で測定をすることが可能になる。

実施の形態２６．
図３１は、図２８に示す構成のさらに別の測定シーケンスを示している。測定時に、スイッチ３２ｃ１，３２ｃ２，３２ｃ３の３つのスイッチを同時に閉じている。図３１に示す測定を行うことで、絶縁抵抗Ｒ_ｘａ，Ｒ_ｘｂ，Ｒ_ｘｃ及びＲ_ｄのそれぞれの値は測定できないが、これらの並列合成抵抗の値、つまり装置全体の絶縁抵抗を、短時間で簡便な方法で測定できる。

図３１に示す測定は、装置全体としての絶縁抵抗の監視に適している。例えば、通常の定期的な絶縁抵抗の測定では、図３１に示す測定を行って、装置全体として問題がないか否かを確認し、結果として装置全体としての抵抗値が十分に小さく、装置のいずれかの部分の絶縁に問題があることが判明した場合に、例えば図２９に示すようなシーケンスで個々の絶縁抵抗を診断して、問題のある箇所を明確にする、という運用が考えられる。つまり、定期的な絶縁抵抗の監視と、問題発生時の問題箇所の分析を、異なるシーケンスを併用することで的確に行うことができる。

実施の形態２７．
図３２は、図２２に対して、測定された絶縁抵抗の値を長時間記録して管理する構成（管理部６０）を追加した構成を示す図である。図１等に示す制御部３４と出力部３５の詳細な構成を示す図であるともいえる。

絶縁抵抗は環境（例えば温湿度）によってばらつき、経年劣化は非常に長い時間で進むので、毎回の診断結果を外部のコントローラ（ＮＣ（数値制御）コントローラや上位コントローラ）に通知して長時間の変化を監視することで、より正確で誤動作の少ない診断が可能になる。

測定された値はＡ／Ｄ変換部６１によってデジタルデータに変換された後、マイコン６２に入力され、演算後、絶縁抵抗の測定値を得る。このように得られた測定値をモニタ（図示していない）に表示し、この測定値が設定値以上になると、例えば警告メッセージを表示し、または警告音を鳴らすことで報知する構成とすればよい。

さらには、図３２に示すように、絶縁抵抗の測定値をコントローラ６３（ＮＣ（数値制御）コントローラまたはさらに上位のコントローラ）に送信し、測定値をメモリ６６に蓄積していく構成とするとよい。

絶縁抵抗の測定値は、正常動作時には極めて高く、測定誤差によって大きく変動しうる。そのため、長時間の変動を監視することで、負荷の絶縁抵抗の長期間の劣化を観測し、信頼性の高い判定を行うことができる。

そして、さらに、図３２に示すように、温度計６４または湿度計６５を設け、これらの測定データも同時に関連付けして記録していき傾向を把握可能な構成とすると、さらに精度が高く、信頼性の高い診断を行うことが可能となる。

以上のように、本発明にかかる絶縁検出器は、モータを備える電気機器に有用であり、特に、工作機械に適している。

１０，１０ａ 系統電源、１１ 三相交流電源、１２ コンタクタ、２０，２０ａ，２０ｂ 電気機器、２１ 整流回路、２２ 機器内コンデンサ、２３ インバータ、２４ モータ、３０ 絶縁検出器、３１，３１ａ，３１ｂ コンデンサ、３２，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｃ１，３２ｃ２，３２ｃ３ スイッチ、３３ 電圧検出部、３４ 制御部、３５ 出力部、４１ 電池、５１ 太陽電池、５２ 昇圧チョッパ回路、６０ 管理部、６１ Ａ／Ｄ変換部、６２ マイコン、６３ コントローラ、６４ 温度計、６５ 湿度計、６６ メモリ。

Claims (11)

1. 機器内コンデンサを備える電気機器に接続される絶縁検出器であって、
   絶縁検出器内コンデンサと、
   前記絶縁検出器内コンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、
   対地または筐体と、前記機器内コンデンサと、前記絶縁検出器内コンデンサと、を直列接続して、前記電気機器の絶縁抵抗を含む電流経路を形成するための電流経路形成スイッチと、を備え、
   前記電圧検出部により前記絶縁検出器内コンデンサの電圧の変化の時定数を測定することで前記絶縁抵抗を測定し、
   前記絶縁検出器内コンデンサの容量値は、前記機器内コンデンサの容量値の１０％以下であることを特徴とする絶縁検出器。
2. 前記電気機器がインバータによって負荷を駆動する構成を備えるものであって、
   前記機器内コンデンサの片端と前記負荷への出力線を接続するための負荷側経路誘導スイッチを備えることを特徴とする請求項１に記載の絶縁検出器。
3. 前記インバータ内のインバータ素子の１つが、前記負荷側経路誘導スイッチを兼用していることを特徴とする請求項２に記載の絶縁検出器。
4. 機器内コンデンサを備える電気機器に接続される絶縁検出器であって、
   絶縁検出器内コンデンサと、
   直列接続された前記機器内コンデンサと前記絶縁検出器内コンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、
   対地または筐体と、前記機器内コンデンサと、前記絶縁検出器内コンデンサと、を直列接続して、前記電気機器の絶縁抵抗を含む電流経路を形成するための電流経路形成スイッチと、を備え、
   前記電圧検出部により前記絶縁検出器内コンデンサの電圧の変化の時定数を測定することで前記絶縁抵抗を測定し、
   前記絶縁検出器内コンデンサの容量値は、前記機器内コンデンサの容量値の１０％以下であることを特徴とする絶縁検出器。
5. 前記絶縁検出器内コンデンサの両端に接続された放電抵抗を備えることを特徴とする請求項４に記載の絶縁検出器。
6. 前記絶縁検出器内コンデンサには、直列接続された短絡用スイッチと前記絶縁抵抗よりも抵抗値が低い低抵抗素子が並列に接続され、
   前記低抵抗素子の抵抗値は、前記絶縁抵抗の時定数を測定するに際して、該測定の合間に前記絶縁検出器内コンデンサを放電してしまうことが可能な値であることを特徴とする請求項４に記載の絶縁検出器。
7. 前記時定数の測定開始時には、
   前記短絡用スイッチを閉じた状態で前記電流経路形成スイッチを閉じ、
   浮遊容量への電荷の蓄積後に前記短絡用スイッチを開くことを特徴とする請求項６に記載の絶縁検出器。
8. 前記時定数の測定開始直後の電圧波形の変化から測定系の浮遊容量を算出し、
   前記浮遊容量の算出値と前記時定数の測定値から前記絶縁抵抗の抵抗値を算出することを特徴とする請求項１に記載の絶縁検出器。
9. 前記絶縁検出器内コンデンサは、２つの容量素子が並列に接続された構成であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁検出器。
10. 前記電圧検出部の検出値を記録するメモリを備え、
    前記検出値の時間変化を記録することが可能な請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の絶縁検出器。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の絶縁検出器を含むことを特徴とする電気機器。

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