KR20110111529A

KR20110111529A - 절연 열화 검출 장치

Info

Publication number: KR20110111529A
Application number: KR1020117020490A
Authority: KR
Inventors: 요시마사 와타나베; 류이치 니시우라; 요시하루 가네다; 히로시 니시자와; 도루 오카; 히로타카 무토; 도시키 다나카; 요지 츠츠미시타
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2010-02-08
Publication date: 2011-10-11
Also published as: US9335380B2; CN102317800A; KR101279193B1; JPWO2010100998A1; TWI426282B; JP5220182B2; CN102317800B; US20110320146A1; DE112010000959T5; TW201037333A; WO2010100998A1; DE112010000959B4

Abstract

본 발명은, 인버터 구동되는 부하 기기, 특히, 전동기에서의 절연 열화를 검출하는 장치에 관한 것으로, 인버터 장치와 전동기 사이의 급전로에 마련되고, 급전로의 제로 상 전류를 계측하는 제로 상 전류 계측 수단과, 전동기의 회전을 대기시키기 위한 지령 제어 수단을 구비하며, 제로 상 전류 계측 수단은, 회전 대기시에 외력이 걸리더라도 샤프트축이 회전하지 않도록 각 상에 급전하는 상 전류의 총합(제로 상 전류)을 계측한다.
이러한 구성에 의해, 부하 장치로의 급전로를 전환하는 일없이, 절연 열화의 상시 검출이 가능하게 된다.

Description

절연 열화 검출 장치{DEVICE FOR DETECTING INSULATION DEGRADATION}

본 발명은 인버터 구동되는 기기에서의 절연 열화 검출 장치에 관한 것으로, 특히 전동기에의 절연 열화 검출 장치에 적합하게 이용할 수 있는 것이다.

인버터 구동되는 기기에는, 전동기, 무(無)정전 전원 장치(UPS: Uninterruptible Power Supply), 전자기 조리기, 그리고 조명 등을 들 수 있지만, 어느 기기도 시간 경화에 따른 열화에 의해 절연 열화를 생긴다. 예컨대, 반송기 등에 사용되는 전동기에서는, 전동기와 연결하는 작업대의 빈번한 이동에 따라, 급전하기 위한 도체 케이블에 마찰, 뒤틀림, 신축이 생겨 도체 피막이 손상되는 경우가 있으며, 또한 절삭 가공기 등에 사용되는 전동기에서는 절삭액이나 기름 등이 전동기에 흘러내려, 샤프트축 등을 타고 내부의 절연재까지 침식하는 경우가 있다.

이와 같이, 사용하는 환경이나 부재의 내구성에 의해 절연 열화 정도는 다르지만, 이 절연 열화가 생긴 개소를 통하여 세고 누설 전류가 흘러, 인체로의 감전의 위기나 누전 차단기가 작동하는 요인으로 된다. 누전 차단기는 인체로의 감전을 미연에 방지하도록 설치되는 것이다. 인명 제일은 당연하지만, 누전 차단기가 일단 작동하면, 해당 부하 기기를 포함하는 장치나 설비는 정지하기 때문에, 누전의 원인 및 누전 개소의 특정, 그리고 복구에 시간이 필요하게 되어, 장치나 설비의 가동 효율의 저하를 초래해 버린다.

즉, 상태 감시 보전의 관점에서는, 부하 기기의 절연 상태는 정기적으로 검출·감시할 수 있는 것이 바람직하다. 예컨대 전동기의 절연 열화를 검출하는 수법으로서, 스위치에 의해 부하 기기(전동기)로의 급전로를, 절연 저항 및 그라운드를 포함하는 폐회로로 전환하고, 상기 폐회로에 전압을 인가하여, 폐회로에 흐르는 미소 전류를 계측함으로써 절연 열화를 검출하는 절연 감시 장치가 제안되어 있다(특허문헌 1 등).

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2008-102096호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2007-159289호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 평성8-285903호 공보 특허문헌 4: 일본 특허 공개 평성9-19046호 공보 특허문헌 5: 일본 특허 공개 평성2-304380호 공보 특허문헌 6: 일본 특허 공개 소화63-85380호 공보 특허문헌 7: 일본 특허 공개 제2009-261138호 공보 특허문헌 8: 일본 특허 공개 평성7-239359호 공보

절연 열화의 트리거(trigger)나 진행 정도는, 사용하는 기기나 사용하는 환경에 따라 상이하므로, 종래는, 스위치 등에 의해 부하 기기로의 급전 회로를, 절연 저항 및 그라운드를 포함하는 폐회로로 전환하여, 정기적으로 기기의 절연 열화 진단을 실시하고 있었다.

그러나, 절연 열화 진단을 실시하기 위해서 급전로(power-feed line)를 전환할 때, 부하 기기의 구동을 완전히 정지시킬 필요가 있어, 절연 열화의 진단 시기가 부하 기기의 구동 전 또는 구동 후로 한정되어 버린다. 특히, 장기 연속 운전을 필요로 하는 기기에서는, 절연 열화를 미연에 검출할 수 없다고 하는 과제가 있었다.

본 발명의 목적은, 부하 장치로의 급전로를 전환하는 일없이, 인버터 구동되는 기기에서의 절연 열화를 검출할 수 있는 절연 열화 검출 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 인버터 구동되는 부하 기기에서의 절연 열화를 검출하는 장치로서, 인버터 장치와 인버터 구동되는 부하 기기 사이의 급전로에 마련되고, 급전로의 제로 상 전류(zero-phase current)를 계측하는 수단과, 급전로의 적어도 1상 이상의 상 전류의 주파수를 취득하는 수단과, 제로 상 전류의 계측 결과에 대하여 신호 해석을 실시하는 신호 해석 수단을 구비하며, 신호 해석 수단은, 계측한 제로 상 전류 신호에 대해 푸리에 변환을 실시하고, 상 전류의 기본파 성분에 상당하는 신호만을 추출한다.

또한, 본 발명은, 인버터 구동되는 전동기에서의 절연 열화를 검출하는 장치로서, 인버터 장치와 전동기 사이의 급전로에 마련되고, 급전로의 제로 상 전류를 계측하는 제로 상 전류 계측 수단과, 전동기의 회전을 대기시키기 위한 지령 제어 수단을 구비하며, 제로 상 전류 계측 수단은, 회전 대기시에 외력이 걸리더라도 샤프트축이 회전하지 않도록 각 상에 급전하는 상 전류의 총합을 계측한다.

본 발명에 있어서, 급전로의 적어도 1상 이상의 상 전류의 주파수를 취득하는 수단과, 제로 상 전류의 계측 결과에 대해 신호 해석을 실시하는 신호 해석 수단을 더 구비하며, 신호 해석 수단은, 계측한 제로 상 전류 신호에 대해 푸리에 변환을 실시하고, 상 전류의 기본파 성분에 상당하는 신호만을 추출하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 전동기가 N상 구동되는 경우(N은 자연수), 적어도 (N-1)상의 상 전류의 값을 계측하는 수단과, 각 상의 절연 저항을 연산하는 연산 수단을 더 구비하며, 연산 수단은, 전동기의 샤프트축의 고정 위치가 N개 이상 다른 상태에서 계측한 제로 상 전류 및 각 상의 상 전류의 값으로부터 각 상의 절연 저항을 연산하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 인버터 구동되는 기기에서의 절연 열화를 전원 노이즈나 인버터 구동시의 캐리어 노이즈 등의 영향을 제거하고 검출할 수 있다. 특히, 부하 기기가 전동기인 경우, 전동기의 회전 상태뿐만 아니라, 외력이 걸리더라도 전동기의 샤프트축을 고정하는 대기 상태에서도 인버터 장치와 부하 기기의 급전로를 별도 회로로 전환하는 일없이, 절연 열화를 검출할 수 있다. 그 때문에, 장기 연속 운전을 필요로 하는 전동기이더라도, 절연 열화의 징후를 조기에 발견할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 절연 열화 검출 장치를 나타내는 구성도,
도 2는 상 전류의 주기가 가변인 경우에서의 파형 처리의 개략 설명도,
도 3은 절연 열화 검출 장치의 다른 예를 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명의 실시 형태 2에 따른 절연 열화 검출 장치를 나타내는 구성도,
도 5는 본 발명의 실시 형태 3에 따른 절연 열화 검출 장치를 나타내는 구성도,
도 6은 전동기의 등가 회로를 나타내는 개략 회로도,
도 7은 본 발명의 실시 형태 4에 따른 절연 열화 검출 장치를 나타내는 구성도,
도 8은 제로 상 전류 센서와 전류 센서의 각 출력에 위상차가 없는 경우의 파형 처리의 개략 설명도,
도 9는 제로 상 전류 센서와 전류 센서의 각 출력에 위상차가 있는 경우의 파형 처리의 개략 설명도이다.

(실시 형태 1)

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 절연 열화 검출 장치(101)를 나타내는 구성도이다. 부하 기기(3)는 인버터 장치(1)로부터 급전로(power-feed line)(6a, 6b, 6c)를 경유하여 상 전류를 급전하는 것에 의해 구동한다. 예컨대, 인버터 구동되는 부하 기기로는, 전동기, 무(無)정전 전원 장치(UPS), 전자기 조리기, 그리고 조명 등을 들 수 있다. 제어 장치(2)는, 인버터 구동의 제어를 행하는 기능을 갖고, 부하 기기의 구동 방식에 따라, 3상의 구동 전류의 파형이나 크기나 주기 등의 제어 신호를 인버터 장치(1)에 전송한다.

본 발명에 따른 절연 열화 검출 장치(101)는 제로 상 전류 센서(4)와, 전류 센서(5)와, 절연 열화 검출 회로(90) 등을 구비한다.

제로 상 전류 센서(4)는, 급전로(6a, 6b, 6c)의 도중에 마련되고, 급전로의 제로 상 전류를 측정하는 기능을 갖는다. 제로 상 전류란, 절연 저항을 거쳐서 대지로 흐르는 누설 전류를 나타낸다. 제로 상 전류 센서(4)는, 인버터 장치(1)로부터 출력되는 신호가 교류 신호인 것과, 절연 저항을 거쳐서 누설하는 전류가 미소 전류인 것을 고려하여, 예컨대, 제로 상 변류기(ZCT: Zero-phase Current Transformer) 또는 플럭스 게이트 전류 센서(flux-gate current sensor) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또, 도시하고 있지 않지만, 인버터 장치(1)의 그라운드 단자와 부하 기기(3)의 그라운드 단자가 어스선(earth cable)으로 접속되어 있더라도 상관없다.

전류 센서(5)는, 급전로(6a, 6b, 6c) 중 어느 1개소에 마련되고, 부하 기기(3)에 흐르는 개개의 상 전류를 측정하는 기능을 갖는다. 전류 센서(5)는, 인버터 장치(1)로부터 출력되는 신호가 교류 신호인 것을 고려하여, 예컨대, 변류기(CT: Current Transformer) 및 홀 소자를 이용한 홀 CT가 바람직하다. 단, 통전하는 상 전류의 전류 상한값으로부터 적절한 전류 센서를 선정하는 것이 바람직하고, 미소 전류를 계측하는 경우는, 플럭스 게이트 전류 센서 또는 직접 전로에 삽입하는 션트 저항을 사용하더라도 좋다.

절연 열화 검출 회로(90)는 주파수 연산 회로(7)와 동기 검파 회로(8)를 포함한다. 주파수 연산 회로(7)는 전류 센서(5)에서 계측한 상 전류의 주기로부터 주파수를 연산한다. 동기 검파 회로(8)는, 제로 상 전류 센서(4)에서 계측한 제로 상 전류 신호에 대해 푸리에 변환을 실시하여, 주파수 연산 회로(7)에서 연산한 상 전류의 주파수에 상당하는 성분(기본파)만을 추출한다.

또, 절연 열화 검출 회로(90)는, 동기 검파 회로(8)의 연산 결과를 디스플레이 등의 표시기(9)에 전송하고, 연산 결과의 추이를 정기적으로 표시시키는 것에 의해서, 절연 열화를 시각적으로 검출하기 쉽게 된다. 또한, 도시하고 있지 않지만, 표시기(9) 이외에도 누전 차단기, 누전 릴레이 또는 경고 버저 등을 사용하여 절연 열화를 사용자에게 알리는 형태라도 좋고, 절연 열화가 생겼을 때에 사용자가 바라는 기능을 부가하는 것이 바람직하다.

다음으로, 절연 열화 검출 방법에 대하여 설명한다. 부하 기기(3)에 급전하는 상 전류의 주기는, 부하 기기(3)의 구동 사양에 따라, 일정 주기의 경우 또는 가변 주기의 경우가 있지만, 여기서는 주기가 가변 주기인 경우에 대해 생각한다.

인버터 장치(1)의 특성상, 직류 신호로부터 교류 신호로 변환할 때, 캐리어 노이즈나 전원 노이즈 등이 중첩된 교류 파형으로 된다. 고정밀도로 제로 상 전류의 계측을 행하기 위해서는, 이들 노이즈를 제거한 기본파 성분만을 계측하는 것이 바람직하다. 단, 밴드패스 필터를 이용하여 기본파 성분만을 추출하는 경우, 주기가 변화되는 것도 고려하여, 어느 정도 넓은 통과 대역을 설정해야 한다. 그 결과, 충분한 노이즈 제거 효과를 얻을 수 없다.

그 대책으로서, 제로 상 전류 파형의 주기와 상 전류 파형의 주기는 일치하고 있는(또, 위상은 반드시 일치하지 않는) 관계를 이용하여, 상 전류 파형의 주기를 기준으로 해서 제로 상 전류 센서의 출력 신호로부터 노이즈 제거를 행한다.

구체적으로는, 우선 계측한 상 전류 파형으로부터 1주기에 상당하는 기간을 추출하여 주파수를 연산한다. 그리고, 상 전류와 동시 계측을 행한 제로 상 전류 파형으로부터 상기 기간과 동일한 기간의 파형을 추출한다. 또한, 이 추출한 파형에 대해 푸리에 변환을 실시하고, 변환 결과에 대해 상 전류의 주파수에 상당하는 성분만을 추출하는 동기 검파를 실시한다.

이러한 수법에 의해, 상 전류의 주파수가 변화된 경우에도, 상 전류의 1주기와 동일한 주기를 갖는 제로 상 전류의 기본파 성분을 고정밀도로 구할 수 있다.

도 2는 상 전류의 주기가 가변 주기의 경우에서의 파형 처리의 개략 설명도이다. 여기서는, 부하 기기(3)에 급전하는 상 전류의 주기가 변화되는 경우의 전류 센서(5)의 출력 파형(21)과 노이즈를 포함한 제로 상 전류 센서(4)의 출력 파형(22)을 나타내고 있다. 부하 기기(3)에 급전하는 상 전류의 주기가 점차 변화되고 있기 때문에, 출력 파형(21, 22)의 1주기 상당의 기간(인터벌)이 변화되고 있다.

상 전류 파형로부터 구한 1주기마다의 제로 상 전류 파형을 추출한 경우, 추출한 파형을 중첩하여 평균화(오실로스코프의 트리거에 의한 애버리징(averaging) 기능과 동일)한 경우, 상 전류의 주기에 따라 제로 상 전류의 주기가 변화되고 있기 때문에, 파형이 일치하지 않아, 정확하게 평균화할 수 없다.

한편, 1주기마다 푸리에 변환을 실시하고, 동기 검파에 의해 제로 상 전류의 실효값을 1주기마다 연산하는 것에 의해서, 상 전류의 주기 변화에 추종하여 물리량(실효값)으로 변환할 수 있다. 그 때문에, 상 전류의 주기 변화에 의존하는 일없이, 정확히 제로 상 전류를 계측 가능하다.

또, 이상의 설명에서는, 파형 처리를 위해 추출하는 구간을 기본파 1주기분으로 한 경우에 대하여 설명했지만, 기본파의 복수 주기분으로 한 경우에 대해서도, 평균화 처리나 푸리에 변환 등의 파형 처리를 실시하더라도 좋다. 즉, 동기 검파에 의해 구한 제로 상 전류의 값에 대해 이동 평균 처리 등의 평균화 처리를 실시하거나, 또는 주기가 거의 변동하지 않는 기간마다 계측 파형을 추출하여 평균화 처리를 실시하거나 하는 것에 의해서, 보다 고정밀도의 절연 열화 검출이 가능해진다.

또한, 제로 상 전류의 값에 근거하여 절연 열화 검출을 실시하고 있지만, 절연 저항의 값에 근거하여 절연 열화 검출을 실시하더라도 문제없다. 구체적으로는, VT(Voltage Transformer) 등의 전압 계측 기기를 이용하여 상 전압을 계측하고, 상 전압과 제로 상 전류의 관계로부터 절연 저항을 연산하는 것이 가능하고, 절연 저항의 값에 근거하여 절연 열화 검출을 실시하는 것은 용이하다.

또한, 도 3에 나타내는 절연 열화 검출 장치(102)는, 제어 장치(2)로부터, 유선 또는 무선으로 구성된 정보 통신 수단(예컨대, 케이블)을 거쳐서, 상 전류의 크기나 주기 등에 관한 정보를 동기 검파 회로(8)에 직접 제공하도록 구성하고 있다. 특히, 도 3에 나타내는 형태이면, 상 전류의 주기나 상 전압의 값을 직접 계측하고 있는 것은 아니기 때문에, 계측 오차도 없어, 고정밀도로 절연 열화 검출을 실시할 수 있다. 또한, 전류 센서의 생략에 의해서 장치의 소형화가 도모된다.

이상의 설명에서는, 3상 교류로 구동하는 부하 기기를 예로서 설명했지만, 단상 교류나 2상 교류의 경우에도, 본 발명은 동일하게 실시 가능하다. 또한, 전류 센서나 제로 상 전류 센서는, 1개 이상이면 문제없고, 예컨대, 3상 모두에 대해 상 전류를 계측하고, 각 상 전류의 파형으로부터 주파수를 연산하고, 각 연산값을 평균화하여 계측 오차를 줄이거나, 계측 미스를 비교 체킹에 의해 판정하거나 하는 것도 가능하다.

이상, 본 실시 형태에서는, 인버터 구동되는 부하 기기에 급전하는 상 전류의 주기에 의존하지 않고 절연 열화 검출을 고정밀도로 실시할 수 있다.

(실시 형태 2)

도 4는 본 발명의 실시 형태 2에 따른 절연 열화 검출 장치(103)를 나타내는 구성도이다. 여기서는, 도 1의 부하 기기(3)로서 전동기(10)를 이용한 경우를 설명한다.

전동기(10)는, 인버터 장치(1)로부터 급전로(6a, 6b, 6c)를 경유하여 3상의 구동 전류를 급전하는 것에 의해 임의의 회전 속도로 회전하거나, 임의의 회전각으로 정지한다. 제어 장치(2)는, 인버터 구동의 제어를 행하는 기능을 갖고, 전동기(10)의 구동 방식에 따라, 3상의 구동 전류의 파형이나 크기나 주기 등의 제어 신호를 인버터 장치(1)에 전송한다.

전동기(10)는 가동 상태에 따라 주로 회전 상태, 대기 상태, 정지 상태의 3개로 나눌 수 있다. 대기 상태란, 전동기가 회전하고 있지 않는 상태 중, 전동기의 샤프트축에 외력이 걸리더라도 부주의하게 회전하지 않도록 3상에 상 전류를 급전하고 있는 상태의 것을 나타낸다. 한편, 정지 상태란 일체 상 전류를 급전하고 있지 않는 상태, 즉 전동기의 샤프트축이 외력에 의해서 회전해 버리는 상태의 것을 나타낸다. 통상 전동기를 가동되는 경우는, 정지 상태로부터 대기 상태를 지나서 회전 상태로 되고, 전동기의 사용 용도에 따른 동작을 행하고, 한편, 가동 종료시는 회전 상태로부터 대기 상태를 거쳐서 정지 상태로 된다.

회전 지령 장치(11)는 전동기(10)의 가동 상태가 회전 상태, 대기 상태, 정지 상태 중 어느 하나로 되도록 제어 장치에 지령한다.

회전 상태의 전동기(10)에서의 절연 열화 검출 방법은, 실시 형태 1에 기술한 것과 동일하기 때문에, 중복 설명을 생략한다.

다음으로, 대기 상태의 전동기(10)에서의 절연 열화 검출에 대해 설명한다. 전동기(10)가 대기 상태인 경우, 각 상에 급전하는 상 전류 파형은 리플(ripple)이나 전원 노이즈를 포함하는 일도 있지만, 거의 직류 파형이라고 볼 수 있다. 또한, 샤프트축의 고정 위치(각도)에 의해서, 각각 상 전류의 값은 다르다. 또, 각 상의 부유 용량을 통해서 누설되는 전류를 무시할 수 있을 정도로 작고, 저항 성분 등을 통해서 누설되는 전류도 없는 경우는, 3상에 흐르는 상 전류를 더하면 영으로 된다.

한편, 각 상의 부유 용량을 통해서 누설되는 전류를 무시할 수 있을 정도로 작지만, 저항 성분 등을 통해서 누설되는 전류가 존재하는 경우, 제로 상 전류 센서(4)를 이용하여 제로 상 전류를 검출할 수 있다. 단, 상술한 바와 같이 제로 상 전류는 거의 직류 성분이기 때문에, 제로 상 변류기나 변류기는 사용할 수 없고, 예컨대, 플럭스 게이트 전류 센서 등의 미소 직류 전류를 계측할 수 있는 제로 상 전류 센서(4)가 필요하게 된다. 또, 전류 센서(5)도 동일하게 직류 전류를 계측할 수 있는 센서가 필요하게 된다.

본 실시 형태에서는, 회전 상태, 대기 상태 중 어느 경우에 있어서도, 절연 열화 검출이 가능하고, 전동기(10)의 정지 상태사에 급전로(6a, 6b, 6c)를 별도 전로로 전환하여 절연 열화 검출을 실시하는 종래의 방식과는 크게 다르다.

또, 이상의 설명에서는, 제로 상 전류의 값에 근거하여 절연 열화 검출을 실시하고 있지만, 절연 저항의 값에 근거하여 절연 열화 검출을 실시하더라도 문제없다. 구체적으로는, VT(Voltage Transformer) 등의 전압 계측 기기를 이용하여 상 전압을 계측하고, 상 전압과 제로 상 전류의 관계로부터 절연 저항을 연산하는 것이 가능하고, 절연 저항의 값에 근거하여 절연 열화 검출을 실시하는 것은 용이하다.

또한, 동기 전동기나 유도 전동기의 경우, 상 전압은 전동기(10)의 회전수나 급전하는 상 전류를 수식으로 관련지을 수 있어, 전동기(10)의 회전수도 상 전류의 주파수와 수식으로 관련지을 수 있다. 즉, 전류 센서(5)에서 상 전류를 계측하고, 상 전류의 실효값, 상 전류의 주파수를 연산할 수 있으면, 용이하게 상 전압을 연산할 수 있다.

즉, 동기 전동기나 유도 전동기의 경우, 전동기에 급전하는 전류는 d축 전류와 q축 전류로 이루어진다. q축 전류는 회전에 기여하는 전류 성분이고, d축 전류는 회전에 기여하지 않는 전류 성분이기 때문에, 에너지 절약의 관점에서, 회전에 기여하지 않는 d축 전류는 영이 되도록 제어가 이루어지는 것이 일반적이다. 즉, 전동기의 상 전압은 q축 전류에 비례한 값으로 된다.

절연 열화 검출을 실시하는 경우, 상 전압의 값이 클수록 보다 고정밀도인 절연 열화 검출을 실시할 수 있다. 그 이유로서, 제로 상 전류 센서의 계측 감도를 들 수 있다. 특히, 제로 상 전류 센서 중에서도 미소 전류를 계측할 수 있는 특징을 갖는 제로 상 변류기는 구성 자성(磁性) 부재로서 PC 퍼멀로이(permalloy)라고 불리는 재료가 종종 사용된다. 그러나, 소둔(燒鈍) 공정의 열처리 조건이나 재료 조성, 자성재로의 응력 등에 의해, 자기(磁氣) 특성이 변동되고, 특히 B-H 곡선의 원점 부근의 비선형 영역에서의 B-H 곡선의 재현성이 나쁘다고 한 과제를 갖는다. 특히, 미소 전류 검출에는 원점 부근의 비선형 영역을 이용하기 때문에, 계측 편차를 갖고, 실질적으로 정밀도 좋게 계측할 수 있는 것은 수 ㎃ 이상이다.

한편, 건전 상태에서의 전동기의 절연 저항은 수 ㏁ 이상이며, 예컨대, 절연 저항 10㏁, 상 전압 100V로 한 경우, 누설 전류는 10㎂이다. 이로부터 알 수 있는 바와 같이, 절연 열화 검출을 고정밀도로 실시하기 위해서는, 가능한 한 상 전압을 크게 하고, 누설 전류를 크게 하는 것이 유효하다.

그래서, 절연 열화 검출시만, q축 전류에 부가하여, 회전에 기여하지 않는 d축 전류를 급전하여, 상 전압을 증가시키는 것에 의해, 고정밀도로 절연 열화 검출을 실시할 수 있다. d축 전류를 증가시켜, 상 전압을 증가시키는 수법은 전동기가 회전시, 대기시 중 어느 하나에서도 유효하다. 특히, 대기시에서 급전하는 d축 전류가 교류 성분인 경우, 직류로부터 교류 성분을 계측할 수 있는 전류 센서나 제로 상 전류 센서를 선정해야 하는 것에 유의한다.

또한, 도 3과 마찬가지로, 제어 장치(2)로부터 유선 또는 무선으로 구성된 정보 통신 수단을 통해서 상 전류의 크기나 주기 등에 관한 정보를 직접 동기 검파 회로에 제공하는 형태라도 본 발명은 실시 가능하다. 또한, 3상 교류로 구동하는 전동기(10)뿐만 아니라, 단상 교류나 2상 교류로 구동하는 경우에 대해서도, 마찬가지로 절연 열화 검출을 실시할 수 있다.

또 본 실시 형태에서는, 전동기(10)에 본 발명의 실시 형태 1을 적용한 경우에 대하여 설명했지만, 예컨대, 절연 열화 검출 회로(90)나 전류 센서(5)가 없더라도, 절연 열화 검출을 실시하는 것은 가능하다.

이상, 본 실시 형태에서는, 인버터 구동되는 전동기가 회전 상태, 대기 상태의 어느 하나의 경우에 있어서도, 절연 열화 검출을 고정밀도로 실시할 수 있다.

(실시 형태 3)

도 5는 본 발명의 실시 형태 3에 따른 절연 열화 검출 장치(104)를 나타내는 구성도이다. 절연 열화 검출 장치(104)는, 도 4에 나타낸 구성과 거의 동일하지만, 각 상의 상 전류를 계측하는 수단으로서, 각 상의 상 전류를 계측하는 전류 센서(5)와, 각 상의 절연 저항값을 연산하는 절연 저항 연산 회로(12)를 더 구비한다. 또한, 실시 형태 2에서는 전동기(10)의 급전로(6a, 6b, 6c)로부터 누설되는 전류의 총합, 즉 제로 상 전류에 근거하여 절연 열화를 검출하고 있었지만, 본 실시 형태에서는, 전동기의 급전로(6a, 6b, 6c)의 각 상으로부터 누설되는 전류에 근거하여 각 상의 절연 열화를 검출한다.

전동기(10)의 각 상에서의 절연 저항을 R_u, R_v, R_w로 하고, 전동기(10)의 각 상의 임피던스를 R_m으로 하고, R_m이 각 상 밸런싱하고 있고 모두 동일한 값으로 한 경우, 등가 회로는 도 6과 같이 된다.

다음으로, 각 상의 절연 저항 R_u, R_v, R_w의 산출 방법에 대하여 설명한다. 누설 전류 Ig는 각 상의 상 전류 I_du, I_dv, I_dw를 이용하여, 하기의 식 (1)로 나타낼 수 있다.

식 (1)에 나타낸 각 상의 상 전류 I_du, I_dv, I_dw의 값은, 샤프트축의 대기 위치(각도)에 따른 값으로 되기 때문에, 대기 위치(각도)가 다르면 각각 값도 다르다. 즉, 각 상의 절연 저항 R_u, R_v, R_w에 반비례한 3개의 계수 α, β, γ는 미지수이지만, 샤프트축을 적어도 3회 이상 다른 위치(각도)로 대기시키고, 그 때마다, 각 상의 상 전류 및 제로 상 전류(누설 전류)를 계측하는 것에 의해서, 미지수와 동수(同數)의 연립 방정식을 만들 수 있어, 결과적으로 계수 α, β, γ의 값을 산출할 수 있다.

또, 전동기(10)의 임피던스 R_m이 불명확하더라도, 상기 계수 α, β, γ가 기지(旣知)이면, 누설 전류는 정량적으로 평가 가능하다. 또한, 임피던스 R_m을 사전에 측정해 둠으로써, 각 상의 절연 저항의 값을 연산할 수 있고, 또한 이상(異常) 상의 특정도 가능하다. 물론, 각 상의 절연 저항을 연산할 수 있으면, 등가 회로로부터 전동기(10)의 절연 저항을 연산하는 것은 용이하다는 것은 말할 필요도 없다.

또한, 샤프트축의 고정 위치(각도)나 고정 회수는 전동기의 사용 환경이나 구동 상 수에 따라 다르지만, 위에서 설명한 것은 구동 상 수가 3상 교류인 경우이고, 2상 교류의 경우는 적어도 2회 이상, 단상 교류의 경우는 적어도 1회 이상, 다른 고정 위치(각도)에서 샤프트축을 대기시킴으로써 미지수와 동수의 연립 방정식을 만들 수 있다.

또한, 사용자의 전동기의 사용 환경에 따라서도 다르지만, 가동시에 회전을 일단 대기시키는 동작을 복수회 삽입하고, 3회 이상 다른 위치(각도)에서 대기하는 경우, 상술한 방법으로 절연 열화를 검출할 수 있다. 즉, 전동기의 가동 개시시 및 가동 종료시를 제외한 통상 가동시에 있어서, 특별 검사 모드 등도 준비하지 않더라도 절연 열화를 검출할 수 있다.

만약, 통상 가동시에, 회전을 일단 대기할 수 없는 경우나 소정 회수 다른 위치에서 대기할 수 없었던 경우는, 전동기의 가동 개시시 또는 가동 종료시에 반드시 대기 상태를 확보할 수 있기 때문에, 그 때, 예컨대, 검사 모드로 설정하고, 소요 회수를 만족시킬 때까지 계측을 실시하고, 소요 회수를 만족시켰을 때에 연립 방정식의 해를 연산함으로써 절연 열화를 검출할 수 있다. 또한, 가동 종료시를 제외한 통상 가동시에 있어서, 각 상의 절연 저항을 연산할 수 없었던 경우, 가동 종료시에 있어서, 검사 모드에 설정하고, 소요 회수를 만족시킬 때까지 계측을 실시할 수도 있다.

또, 이상의 설명에서는, 3개의 전류 센서(5)를 이용하여 각 상의 상 전류를 계측하고 있지만, 예컨대, 전류 센서(5)를 3상 중 어느 2상에 마련하고, 나머지 1상은 3상의 총합이 영(상 전류의 값에 비하여 누설 전류의 값이 충분히 작은 것으로 함)인 관계로부터 역산(逆算)하여 구하더라도 상관없다. 일반적으로, N상 구동의 경우(N은 자연수), N-1개의 전류 센서(5)를 이용하여 (N-1)상의 상 전류를 각각 실측하고, 나머지 1상의 상 전류는 N상의 상 전류 총합이 영인 관계로부터 산출할 수 있다.

또한, 도 3과 마찬가지로, 제어 장치(2)로부터 유선 또는 무선으로 구성된 정보 통신 수단을 통해서 상 전류의 크기나 주기 등에 관한 정보를 직접 절연 저항 연산 회로에 제공하는 형태라도 본 발명은 실시 가능하다.

또한, 실시 형태 2에서도 설명한 바와 같이, 절연 열화 검출시만, 회전에 기여하지 않는 d축 전류를 전동기에 급전하여, 상 전압을 증가시키는 것도 절연 열화 검출의 고정밀도화에 유효하다.

이상, 본 실시 형태에서는, 전동기의 대기 상태에서 얻어지는 전류 센서(5)나 제로 상 전류 센서(4)의 출력으로부터 각 상의 절연 저항을 연산할 수 있어, 이상(異常) 상의 측정 등이 가능해진다.

(실시 형태 4)

도 7은 본 발명의 실시 형태 4에 따른 절연 열화 검출 장치(105)를 나타내는 구성도이다. 절연 열화 검출 장치(105)는, 도 1에 나타낸 구성과 거의 동일하지만, 절연 열화 검출 회로(93)가 2개의 신호의 위상을 일치시키는 위상 보정 회로(13)를 더 구비한다.

제로 상 전류 센서(4) 및 전류 센서(5)로서, 예컨대, 제로 상 변류기나 변류기를 이용한 경우, 제로 상 변류기나 변류기에 접속하는 부담 저항의 값에 의해서, 입력 신호에 대한 출력 신호에 위상차가 생기는 일이 있어, 결과적으로 제로 상 전류 센서(4)의 출력과 전류 센서(5)의 출력에 위상차가 있는 경우가 있다.

이하, 제로 상 전류 센서(4)의 출력과 전류 센서(5)의 출력에 위상차가 있는 경우의 문제점에 대하여 설명한다.

우선, 제로 상 전류 센서(4) 및 전류 센서(5)의 입출력 위상차 정보에 대해서는, 개개의 센서 단체를 평가하는 것에 의해서 미리 취득해 둔다.

도 8은 제로 상 전류 센서(4)와 전류 센서(5)의 각 출력에 위상차가 없는 경우의 파형 처리의 개략 설명도이다. 위상차가 없는 경우, 계측한 상 전류 파형(21)으로부터 1주기에 상당하는 기간을 추출하고, 상 전류와 동시 계측을 행한 제로 상 전류 파형(22)으로부터, 당해 기간과 동일한 기간의 파형을 추출한다. 이 경우, 상 전류의 주기가 일정 주기이더라도, 가변 주기이더라도, 제로 상 전류 파형의 추출 파형은 상 전류의 1주기와 동일하다.

한편, 도 9는 제로 상 전류 센서(4)와 전류 센서(5)의 각 출력에 위상차가 있는 경우의 파형 처리의 개요 설명도이다. 위상차가 있는 경우, 계측한 상 전류 파형(21)으로부터 1주기에 상당하는 기간을 추출하고, 상 전류와 동시 계측을 행한 제로 상 전류 파형(22)으로부터, 상기 기간과 동일한 기간의 파형을 추출한다. 이 경우, 상 전류의 주기가 일정 주기이면 문제는 없지만, 상 전류의 주기가 가변 주기이면, 제로 상 전류 파형의 추출 파형은 상 전류의 1주기로는 안된다. 즉, 위상차를 고려하지 않으면, 푸리에 변환 후의 결과는 오차를 갖게 된다.

다음으로, 위상 보정의 방법에 대하여 설명한다. 입력 전류(기준 신호)에 대한 제로 상 전류 센서(4)의 입출력 위상차 φ1 및, 입력 전류(기준 신호)에 대한 전류 센서(5)의 입출력 위상차 φ2를 센서 단체 평가에 의해서 미리 취득해 둔다. 예컨대, 제로 상 전류 센서(4) 및 전류 센서(5)에 60㎐, 1A의 전류를 1차 전류로서 입력하고, 출력 파형과의 위상차를 실험적으로 오실로스코프 등에서 관찰하더라도 좋고, 입력 전류의 크기나 주파수를 각각 변화시킨 경우에 있어서의 입출력 위상차의 관계를 실험 데이터의 통계 처리에 의해서 취득하는 것이 보다 바람직하다.

상술한 바와 같이, 제로 상 전류 센서(4)의 출력과 전류 센서(5)의 출력의 위상차를 영으로 하기 위해서는, 제로 상 전류 센서(4) 및 전류 센서(5) 중 어느 하나의 출력 파형의 위상을 위상차 φ1-φ2가 영으로 되도록 보정해야 한다. 예컨대, 위상차 φ1-φ2가 입력 전류의 주파수에 대해 일정한 경우는, 어떤 일정 위상 시프트하도록 아날로그 회로로 이루어지는 위상 보정 회로(13)를 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 위상차 φ1-φ2가 입력 전류의 주파수에 대해 가변인 경우는, 입출력 위상차의 관계를 메모리 등에 미리 기억시켜 두고, 디지털 회로로 이루어지는 위상 보정 회로(13)를 구성하는 것이 바람직하다.

이상, 본 실시 형태에서는, 제로 상 전류 센서(4)의 출력과 전류 센서(5)의 출력에 위상차가 있는 경우, 그 위상차를 영, 즉 제로 상 전류 파형(21)과 상 전류 파형(22)의 주기를 일치시키는 위상 보정 회로(13)를 마련함으로써, 절연 열화 검출을 고정밀도로 실시할 수 있다.

(산업상의 이용가능성)

본 발명은 인버터 구동되는 기기에서의 절연 열화를 검출할 수 있는 점에서 산업상 매우 유용하다.

1: 인버터 장치
2: 제어 장치
3: 부하 기기
4: 제로 상 전류 센서
5: 전류 센서
6a, 6b, 6c: 급전로
7: 주파수 연산 회로
8: 동기 검파 회로
9: 표시기
10: 전동기
11: 케이블
12: 절연 열화 진단 장치
13: 위상 보정 회로
21: 전류 센서의 출력 파형
22: 제로 상 전류 센서의 출력 파형
90, 91, 92: 절연 열화 검출 회로
101, 102, 103, 104, 105: 절연 열화 검출 장치

Claims

인버터 구동되는 부하 기기에서의 절연 열화를 검출하는 장치로서,
인버터 장치와 인버터 구동되는 부하 기기 사이의 급전로(power-feed line)에 마련되고, 급전로의 제로 상 전류(zero-phase current)를 계측하는 수단과,
급전로의 적어도 1상 이상의 상 전류의 주파수를 취득하는 수단과,
제로 상 전류의 계측 결과에 대해 신호 해석을 실시하는 신호 해석 수단
을 구비하되,
신호 해석 수단은, 계측한 제로 상 전류 신호에 대해 푸리에 변환을 실시하여, 상 전류의 기본파 성분에 상당하는 신호만을 추출하는 것
을 특징으로 하는 절연 열화 검출 장치.
인버터 구동되는 전동기에서의 절연 열화를 검출하는 장치로서,
인버터 장치와 전동기 사이의 급전로에 마련되고, 급전로의 제로 상 전류를 계측하는 제로 상 전류 계측 수단과,
전동기의 회전을 대기시키기 위한 지령 제어 수단
을 구비하되,
제로 상 전류 계측 수단은 회전 대기시에 외력이 걸리더라도 샤프트축이 회전하지 않도록 각 상에 급전하는 상 전류의 총합을 계측하는 것
을 특징으로 하는 절연 열화 검출 장치.
제 2 항에 있어서,
급전로의 적어도 1상 이상의 상 전류의 주파수를 취득하는 수단과,
제로 상 전류의 계측 결과에 대해 신호 해석을 실시하는 신호 해석 수단
을 더 구비하며,
신호 해석 수단은, 계측한 제로 상 전류 신호에 대해 푸리에 변환을 실시하여, 상 전류의 기본파 성분에 상당하는 신호만을 추출하는 것
을 특징으로 하는 절연 열화 검출 장치.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
전동기가 N상 구동되는 경우(N은 자연수), 적어도 (N-1)상의 상 전류의 값을 계측하는 수단과,
각 상의 절연 저항을 연산하는 연산 수단
을 더 구비하며,
연산 수단은 전동기의 샤프트축의 고정 위치가 N개 이상 다른 상태에서 계측한 제로 상 전류 및 각 상의 상 전류의 값으로부터 각 상의 절연 저항을 연산하는 것
을 특징으로 하는 절연 열화 검출 장치.
제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
전동기의 가동 개시시 및 가동 종료시를 제외한 통상 가동시에 있어서, 절연 열화 검출을 실시하는 것을 특징으로 하는 절연 열화 검출 장치.
제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
전동기의 가동 개시시 또는 가동 종료시에 설정된 검사 모드에 있어서, 절연 열화 검출을 실시하는 것을 특징으로 하는 절연 열화 검출 장치.
제 4 항에 있어서,
전동기의 가동 종료시를 제외한 통상 가동시에 있어서, 각 상의 절연 저항을 연산할 수 없었던 경우는, 전동기의 가동 종료시에 설정된 검사 모드에 있어서, 각 상의 절연 저항을 연산하기 위해서 부족분의 계측을 실시하는 것을 특징으로 하는 절연 열화 검출 장치.
제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
전동기에 급전하는 전류 성분에서, 절연 열화 검출시만, 토크에 무효한 전류 성분을 증가시켜, 상 전압을 증가시키는 것을 특징으로 하는 절연 열화 검출 장치.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
각 상의 절연 저항을 연산하는 연산 수단을 더 구비하며,
연산 수단은, 상 전류의 값 및 상 전류의 주파수로부터 상 전압의 값을 연산하고, 상 전압의 값과 계측한 제로 상 전류의 값으로부터 절연 저항을 연산하는 것
을 특징으로 하는 절연 열화 검출 장치.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
급전로에 흐르는 상 전류가 가변 주기인 경우, 신호 해석 수단은, 상 전류의 주기마다 신호 해석을 실시하고, 주기마다 얻어지는 신호 해석 결과를 평균화하는 것을 특징으로 하는 절연 열화 검출 장치.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상 전류의 주기와 제로 상 전류의 주기가 일치하도록, 계측 신호의 위상을 보정하는 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 절연 열화 검출 장치.