JP7489293B2

JP7489293B2 - モータ絶縁検査機能付きインバータ装置

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Publication number: JP7489293B2
Application number: JP2020183819A
Authority: JP
Inventors: 元澄由良
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2020-11-02
Filing date: 2020-11-02
Publication date: 2024-05-23
Anticipated expiration: 2040-11-02
Also published as: US11579198B2; JP2022073675A; DE102021128355A1; US20220137137A1; CN114448266A

Description

本明細書は、駆動対象モータの絶縁抵抗を検査する機能を併せ持ったインバータ装置を開示する。

製造設備において、不意の故障は生産性を損なうため、故障を未然に検知して予防保守を行うことが求められる。中でも、金属加工を行う工作機械では、加工のために使用する水溶性の切削液がミストとなってモータに付着し、モータ内部に侵入して絶縁劣化を起こすという故障が多い。そのため、モータの絶縁抵抗を点検、診断することが求められている。

モータの絶縁抵抗を診断するため、古くは機械の非稼働時にモータをインバータから切り離して、絶縁抵抗計を用いて測定することを定期的に行っていた。しかし、近年の複雑化した機械構造において、モータの接続を切り離して点検することは多くの手間と時間を要するため、点検作業による生産性の低下が課題である。

モータ絶縁点検を省力化するため、インバータの機能を利用して絶縁抵抗を計測する技術が考案されている。例えば、特許文献１では、図４に示すように抵抗器Ｒ１およびＲ２によって構成された電圧分圧回路をインバータのＤＣバス負電圧側からスイッチＳＷ２を介してアースに接続し、その時、同時にインバータを構成する半導体素子をオンすることによって、モータ絶縁抵抗Ｒｘを含む閉回路を構成し、電圧分圧回路に現れる電圧を検出する。なお、この時、インバータ回路はスイッチＳＷ１をオフすることにより、交流電源から遮断されている。

図４において、スイッチＳＷ２ならびにインバータ上側のいずれかの半導体素子をオンした時、抵抗器Ｒ１には、ＤＣバス正電圧側→インバータ素子→モータ線→モータ絶縁抵抗Ｒｘ→アース→抵抗器Ｒ２→スイッチＳＷ２→抵抗器Ｒ１→ＤＣバス負電圧側という経路で電流が流れる。抵抗器Ｒ１に生じた電圧を検出すれば、測定対象であるモータ絶縁抵抗Ｒｘを導出できる。

しかしながら、実際のインバータ装置においては、インバータやコンバータを構成する半導体素子の漏れ電流、インバータ装置中の他の構成部品による漏れ電流が存在するため、精度良くモータ絶縁抵抗Ｒｘを算出することができなかった。特に１つのＤＣバスに対して複数のインバータを接続し、複数のモータを制御する装置において測定精度が悪化しやすい。この課題を図５により説明する。モータＡが測定対象のモータであり、インバータＡの上側半導体素子の１つをオンしてＤＣバス正側の電圧をモータＡに印加する。モータＢについてはインバータＢの半導体素子を全てオフとしているが、半導体素子には漏れ電流Ｉ_Ｌ１，Ｉ_Ｌ２，Ｉ_Ｌ３が流れ、これらがモータＢの絶縁抵抗Ｒｘ_２を経由して抵抗器Ｒ１に流れる。その結果、抵抗器Ｒ１に生じた電圧は、モータＡの絶縁抵抗Ｒｘ_１以外にモータＢの絶縁抵抗Ｒｘ_２による誤差成分を含んでいる。

この課題に対して、例えば特許文献２では、インバータＢの下側半導体素子を全てオンして、モータＢにＤＣバス負側の電圧を印加することによって、スイッチＳＷ２がオンした時のモータ印加電圧をアースに近い電位にして漏れ電流が流れないようにしている。

特開２００９－２０４６００特開２０１５－１６９４７９ＷＯ２０１３／０１８４１１

上記の特許文献１および特許文献２において、測定対象モータ以外の他モータの絶縁抵抗については、影響を排除しようとする技術が示されているが、実際のインバータ装置においては、更に、絶縁抵抗の測定精度を悪化させる要因がある。その要因を図３により説明する。図３に示すインバータ装置は、コンバータ３をＩＧＢＴ等の半導体素子を用いて可逆変換できるよう構成したもので、負荷モータ７の回生電力を電源回生するものである。工作機械の主軸など加減速運転を頻繁に行う用途では電源回生は不可欠であり、一般的に使用されている。

電源回生を行うコンバータ３においては、交流電源ラインにスイッチング制御による電流を流すため、一般的にコンバータ３と交流電源１の間に電流平滑化のためラインフィルタ２を挿入する。このラインフィルタ２の構成は、図３に示すように、リアクトルとコンデンサで構成する場合が多く、コンデンサには並列に数１００ｋΩ程度の放電抵抗を接続する場合が多い。

図３のようなインバータ装置において、特許文献１および２に示したような絶縁抵抗測定方式を適用すると、測定対象のモータ絶縁抵抗だけでなく、コンバータ３の半導体素子の漏れ電流がラインフィルタ２内の放電抵抗を経由して検出抵抗Ｒｒに流れるため、検出電圧に誤差が生じる。また、ラインフィルタ２には、放電抵抗を使用しないものもあるが、その場合は、コンデンサに蓄積された電圧によって漏れ電流が流れるため誤差の要因となる。さらにまた、ラインフィルタ２のリアクトルの絶縁抵抗Ｒ_Ｆも誤差の要因となる。これら複数の誤差要因によって絶縁抵抗を精度よく測定することができないという課題がある。

また、特許文献３には、インバータを構成する半導体素子の漏れ電流や、インバータのＤＣバス回路からの漏れ電流がある場合に、モータの絶縁抵抗が精度よく測定できないことが示されている。その対策として、絶縁抵抗を測定する際に、先ずインバータの半導体素子をオフの状態で測定を実施し、その時点で所定値以上の絶縁抵抗が検出された場合に、モータの絶縁抵抗測定を中止することが示されている。すなわち、上述したような誤差の要因があった場合にはモータの絶縁抵抗を測定できないという課題がある。

本明細書で開示するモータ絶縁検査機能付きインバータ装置は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換し、ＤＣバスに出力するコンバータと、前記コンバータと前記交流電源の接続を入り切りする第１スイッチと、複数の半導体素子を有し、前記ＤＣバスに出力された直流電力を交流電力に変換してモータに印加するインバータと、前記ＤＣバスの直流電力を平滑するコンデンサと、前記ＤＣバスの正電圧側または負電圧側の一方から、アースに接続される抵抗器と、前記抵抗器とアースとの接続経路を入り切りする第２スイッチと、前記抵抗器の両端電圧を検出する第１電圧検出回路と、前記インバータ装置の駆動を制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記第１スイッチをオンして前記コンデンサを充電する充電処理と、前記充電処理の後、前記インバータ、前記コンバータおよび前記第１スイッチをいずれもオフした状態で、前記第２スイッチをオンしたうえで、前記第１電圧検出回路の出力を第１両端電圧として取得する第１検出処理と、前記充電処理の後、前記コンバータおよび前記第１スイッチをいずれもオフした状態で、前記第２スイッチをオンするとともに、前記インバータの半導体素子のうち前記ＤＣバスの正電圧側または負電圧側の他方に接続された何れかの素子をオンしたうえで、前記第１電圧検出回路の出力を第２両端電圧として、それぞれ、取得する第２検出処理と、前記第１検出処理および前記第２検出処理の後、少なくとも、前記第１両端電圧および前記第２両端電圧に基づいて前記モータの絶縁抵抗の良否を検査する検査処理と、を行うように構成されている、ことを特徴とする。

この場合、インバータ装置は、さらに、前記ＤＣバスの電圧を検出する第２電圧検出回路を備え、前記コントローラは、前記第１検出処理において、前記第２電圧検出回路の出力を第１ＤＣバス電圧として、さらに、取得し、前記第２検出処理において、前記第２電圧検出回路の出力を第２ＤＣバス電圧として、さらに、取得し、前記検査処理において、前記第１ＤＣバス電圧と、前記第２ＤＣバス電圧と、前記第１両端電圧と、第２両端電圧と、前記抵抗器の抵抗値と、に基づいて前記モータの絶縁抵抗を算出してもよい。

この場合、前記コントローラは、前記第１ＤＣバス電圧をＥ_ＤＣ１、前記第２ＤＣバス電圧をＥ_ＤＣ２、前記第１両端電圧をＥ_Ｒ１、第２両端電圧をＥ_Ｒ２、前記抵抗器の抵抗値をＲｒとした場合、前記モータの絶縁抵抗Ｒｘを以下の式１に基づいて算出してもよい。

本明細書で開示するモータ絶縁検査機能付きインバータ装置によれば、ラインフィルタに内蔵された放電抵抗や、測定対象以外の他のモータの絶縁抵抗、ラインフィルタのリアクトルの絶縁抵抗などの誤差要因の影響を排除して、正確に測定対象モータの絶縁抵抗を測定できる。その結果、予防保全のため、定期的にモータの接続を外して絶縁抵抗を検査していた保守作業を不要とすることができる。

インバータ装置の構成図である。モータ絶縁抵抗の測定動作を示すフローチャートである。インバータ装置の絶縁抵抗測定における課題を説明する図である。従来技術によるインバータ装置の構成図である。従来技術による別のインバータ装置の構成図である。

図１は、インバータ装置の構成図である。交流電源１が、第１スイッチＳＷ１を介して、ラインフィルタ２に接続されている。ラインフィルタ２を通った３相交流電力は、コンバータ３に入力されて直流電圧に変換され、ＤＣバス４に出力される。ＤＣバス４には、直流電圧を平滑化するコンデンサ５が接続されている。

ＤＣバス４は、インバータ６の直流入力端子に接続されており、インバータ６は、直流電力を半導体素子のスイッチング制御によって交流電力に変換し、モータ７に印加している。

モータ７は、金属製、すなわち、導電性のシャーシ内部に巻線を収めた構造となっており、シャーシと巻線の間は、絶縁材料によって絶縁が確保されている。しかし、長期間の使用によってシャーシ内部に水分が侵入すると、絶縁抵抗が低下し、巻線とシャーシ間に漏れ電流が流れる。この絶縁抵抗を、図１ではＲｘと表記する。シャーシは機械本体に固定されているので、結果として絶縁抵抗Ｒｘを流れる漏れ電流は機械本体に流出する。
コントローラ１０は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２や、コンバータ３およびインバータ６を構成する半導体素子のオン／オフの切り替えを行う。また、コントローラ１０は、以下で説明するステップ０～ステップ４を実行し、後述する第１電圧検出回路９および第２電圧検出回路８の検出値に基づいて、モータ７の絶縁抵抗Ｒｘを検査する。かかるコントローラ１０は、例えば、プロセッサとメモリとを有したコンピュータで構成される。

このようなインバータ装置において、モータ７の絶縁抵抗Ｒｘを測定するため、ＤＣバス４の負電圧側から抵抗器Ｒｒを第２スイッチＳＷ２を介して、アース、すなわち機械本体に接続する。なお、本例では、抵抗器Ｒｒは、ＤＣバス４の負電圧側に接続しているが、正電圧側に接続してもよい。正電圧側に接続した場合には、以下に示す半導体素子の動作を正電圧側（上側）と負電圧側（下側）で入れ替えることで、同様の機能を実現することができる。インバータ装置には、抵抗器Ｒｒの両端電圧を検出する第１電圧検出回路９と、ＤＣバス４の直流電圧を検出する第２電圧検出回路８と、が設けられている。

絶縁抵抗Ｒｘの検査動作シーケンスについて、図２のフローチャートに従って説明する。

＜ステップ０＞
測定では、まず、最初に、スイッチＳＷ１の状態を確認する。測定開始前にモータ７が運転中であった等の理由により、既に、第１スイッチＳＷ１がオンしている場合、コンデンサ５には、直流電圧が充電されていることになる。この場合には、そのまま、ステップ１に進む。一方、測定開始時において、第１スイッチＳＷ１がオフで、コンデンサ５が充電されていない場合には、一旦、第１スイッチＳＷ１をオンしてコンデンサ５を充電する。

＜ステップ１＞
コンデンサ５が充電できれば、続いて、インバータ６およびコンバータ３の半導体素子にオフ信号を与えるとともに第１スイッチＳＷ１をオフにする。この時、コンデンサ５には直流電圧が充電されたままであり、この直流電圧を利用して測定動作を行う。

＜ステップ２＞
次に、第２スイッチＳＷ２をオンする。この時、インバータ６およびコンバータ３は、オフ状態であり、抵抗器Ｒｒには、半導体素子の漏れ電流によって図３の破線で示したような電流が流れる。ここで、第２電圧検出回路８によってＤＣバス４の直流電圧を第１ＤＣバス電圧Ｅ_ＤＣ１として、第１電圧検出回路９によって抵抗器Ｒｒの両端電圧を第１両端電圧Ｅ_Ｒ１として、それぞれ検出する。

＜ステップ３＞
次に、測定対象となるモータ７を駆動するインバータ６の上側半導体素子の何れかにオン信号を与える。モータは、一般的に内部で巻線が接続されているので、３相のうち何れか１つをオンすればよい。そして、抵抗器Ｒｒの両端電圧を第２両端電圧Ｅ_Ｒ２として、ＤＣバス電圧を第２ＤＣバス電圧Ｅ_ＤＣ２として、それぞれ検出する。

この時、モータ７には、ＤＣバス４の直流電圧が印加されるので、絶縁抵抗Ｒｘに流れる電流が抵抗器Ｒｒに流れる。もし、絶縁抵抗Ｒｘが十分に大きく電流が流れなければ、第２両端電圧Ｅ_Ｒ２は、上記ステップ２で検出された第１両端電圧Ｅ_Ｒ１と等しくなるが、Ｒｘが低下していれば電流が増加し、Ｅ_Ｒ１＜Ｅ_Ｒ２となって、Ｒｘに流れた電流が増加分として検出される。

ステップ３で検出する第２ＤＣバス電圧Ｅ_ＤＣ２は、基本的には第１ＤＣバス電圧Ｅ_ＤＣ１と等しいが、ステップ２からステップ３へ進む時間が比較的長い場合には、コンデンサ５の直流電圧が放電によって低下し、Ｅ_ＤＣ１＞Ｅ_ＤＣ２となる。

ここで、ステップ２とステップ３の時間差について説明する。ステップ２で検出する抵抗器Ｒｒの第１両端電圧Ｅ_Ｒ１は、前述したように半導体素子の漏れ電流に起因するものである。そして、半導体素子の漏れ電流は、よく知られているように素子温度によって変化する。そこで、ステップ２をステップ３の直前で実行することにより、ほぼ同じ温度環境において第１両端電圧Ｅ_Ｒ１および第２両端電圧Ｅ_Ｒ２を検出できるので、精度の高い絶縁抵抗測定を行うことができる。

＜ステップ４＞
上記ステップで得られたＥ_Ｒ１、Ｅ_Ｒ２、Ｅ_ＤＣ１、Ｅ_ＤＣ２を用いて、次式によってモータ絶縁抵抗Ｒｘを算出する。

なお、ステップ２において、全ての半導体素子をオフ状態のままで測定する事例を示したが、ＤＣバス負電圧側の半導体素子にオン信号を与えるようにしてもよい。この場合、半導体素子の漏れ電流を低減できるので、絶縁抵抗Ｒｘの測定精度を更に高めることができる。さらに、ステップ２とステップ３は順序を入れ替えて実行してもよい。すなわち、先にステップ３を実行する場合は、先ずＥ_Ｒ２、Ｅ_ＤＣ２を検出し、次にＥ_Ｒ１、Ｅ_ＤＣ１が検出されるが、上式によって同様に絶縁抵抗Ｒｘを算出できる。

以上の説明は、インバータおよびモータが１台ずつの例を示したが、図５のように２台以上の複数モータを駆動するインバータ装置においても、同様に実施することができる。この場合はステップ２を１回実行したのち、ステップ３およびステップ４をモータの数だけ、繰り返し実行して、それぞれのモータの絶縁抵抗Ｒｘを算出する。モータの数が多い場合には、ステップ３およびステップ４を繰り返し実行する間にＤＣバス４の直流電圧が徐々に低下するため、測定精度が劣化する。そこで、例えばモータ１台を測定する毎にステップ２を１回実行するなどの操作を追加することによって、測定精度の劣化を防ぐことができる。

また、絶縁抵抗Ｒｘの算出処理を簡略化したい場合には、ステップ２およびステップ３で得られたＥ_Ｒ１、Ｅ_Ｒ２だけを用いて、これらの差（Ｅ_Ｒ２－Ｅ_Ｒ１）に基づいて絶縁抵抗Ｒｘの概略を判定してもよい。すなわち、絶縁抵抗Ｒｘが劣化すれば、差（Ｅ_Ｒ２－Ｅ_Ｒ１）が増加するため、差（Ｅ_Ｒ２－Ｅ_Ｒ１）を規定の閾値と比較し、当該閾値を超過した場合には、絶縁抵抗Ｒｘが不適であると判定してもよい。この場合は、ステップ２およびステップ３を短時間に連続して実行する必要があり、この間においてＤＣバス電圧の変化は十分に小さいので、Ｅ_ＤＣ１≒Ｅ_ＤＣ２とみなすことができる。

１交流電源、２ラインフィルタ、３コンバータ、４ＤＣバス、５コンデンサ、６インバータ、７モータ、８第２電圧検出回路、９第１電圧検出回路、１０コントローラ。

Claims

モータ絶縁検査機能付きインバータ装置であって、
交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換し、ＤＣバスに出力するコンバータと
、
前記コンバータと前記交流電源の接続を入り切りする第１スイッチと、
複数の半導体素子を有し、前記ＤＣバスに出力された直流電力を交流電力に変換してモー
タに印加するインバータと、
前記ＤＣバスの直流電力を平滑するコンデンサと、
前記ＤＣバスの正電圧側または負電圧側の一方から、アースに接続される抵抗器と、
前記抵抗器とアースとの接続経路を入り切りする第２スイッチと、
前記抵抗器の両端電圧を検出する第１電圧検出回路と、
前記インバータ装置の駆動を制御するコントローラと、
を備え、前記コントローラは、
前記第１スイッチをオンして前記コンデンサを充電する充電処理と、
前記充電処理の後、前記インバータ、前記コンバータおよび前記第１スイッチをいずれも
オフした状態で、前記第２スイッチをオンしたうえで、前記第１電圧検出回路の出力を第
１両端電圧として取得する第１検出処理と、
前記充電処理の後、前記コンバータおよび前記第１スイッチをいずれもオフした状態で、
前記第２スイッチをオンするとともに、前記インバータの半導体素子のうち前記ＤＣバス
の正電圧側または負電圧側の他方に接続された何れかの素子をオンしたうえで、前記第１
電圧検出回路の出力を第２両端電圧として、それぞれ、取得する第２検出処理と、
前記第１検出処理および前記第２検出処理の後、少なくとも、前記第１両端電圧および前
記第２両端電圧に基づいて前記モータの絶縁抵抗の良否を検査する検査処理と、
を行うように構成されている、ことを特徴とするモータ絶縁検査機能付きインバータ装置
。
請求項１に記載のモータ絶縁検査機能付きインバータ装置であって、さらに、
前記ＤＣバスの電圧を検出する第２電圧検出回路を備え、
前記コントローラは、
前記第１検出処理において、前記第２電圧検出回路の出力を第１ＤＣバス電圧として、さらに、取得し、
前記第２検出処理において、前記第２電圧検出回路の出力を第２ＤＣバス電圧として、さらに、取得し、
前記検査処理において、前記第１ＤＣバス電圧と、前記第２ＤＣバス電圧と、前記第１両端電圧と、第２両端電圧と、前記抵抗器の抵抗値と、に基づいて前記モータの絶縁抵抗を算出する、
ように構成されている、ことを特徴とするモータ絶縁検査機能付きインバータ装置。
請求項２に記載のモータ絶縁検査機能付きインバータ装置であって、
前記コントローラは、前記第１ＤＣバス電圧をＥ_ＤＣ１、前記第２ＤＣバス電圧をＥ_ＤＣ２、前記第１両端電圧をＥ_Ｒ１、第２両端電圧をＥ_Ｒ２、前記抵抗器の抵抗値をＲｒとした場合、前記モータの絶縁抵抗Ｒｘを以下の式１に基づいて算出する、ことを特徴とするモータ絶縁検査機能付きインバータ装置。