KR20160122832A

KR20160122832A - 차량탑재용 전력 공급 시스템의 누전 검출 장치 및 유압 셔블

Info

Publication number: KR20160122832A
Application number: KR1020167025551A
Authority: KR
Inventors: 겐타로 야마다; 야스시 가와지
Original assignee: 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2015-01-07
Publication date: 2016-10-24
Also published as: US20170097384A1; JP2015180162A; JP6306913B2; CN105960595A; WO2015141241A1; DE112015001335T8; DE112015001335T5

Abstract

본 발명의 차량탑재용 전력 공급 시스템의 누전 검출 장치는, 전원으로부터의 전력을 교류 전력으로 변환하여 전동기에 공급하는 전력 변환 회로와 상기 전원을 접속하는 전선의 전압 인가점에, 교류 전압을 인가하는 검출 신호 생성부와, 상기 검출 신호 생성부와 상기 전압 인가점과의 사이의 전압 측정점의 전압을 측정하는 전압 측정부와, 상기 전동기의 제어 장치가 상기 전동기에 회전 각도를 일정하게 유지하는 지령을 부여하고 있을 때, 상기 전압 측정부가 측정한 상기 전압 측정점의 전압에 따라, 상기 전력 변환 회로로부터 상기 전동기의 사이에서의 누전의 유무를 검출하는 누전 검출부를 포함한다.

Description

차량탑재용 전력 공급 시스템의 누전 검출 장치 및 유압 셔블{ELECTRIC LEAKAGE DETECTION DEVICE FOR IN-VEHICLE POWER SUPPLY SYSTEM, AND HYDRAULIC SHOVEL}

본 발명은, 축전지의 직류 전력을 전력 변환 회로로 교류 전력으로 변환하고, 이 교류 전력을 교류 모터에 공급하는 차량탑재용 전력 공급 시스템의 누전 검출 장치 및 유압 셔블(hydraulic shovel)에 관한 것이다.

최근, 동력의 일부 또는 전부를 축전지로부터 공급되는 전력으로 조달하는 하이브리드차 등의 차량의 개발이 진행되고 있다. 이와 같은 차량이 많게는, 인버터와 같은 전력 변환 회로를 사용하여 축전지의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 이 교류 전력을 교류 모터 등의 부하에 공급하는 전력 공급 시스템이 탑재되어 있다.

전력 공급 시스템에 사용되는 축전지는, 고전압 대용량이므로, 전기 회로 중 어느 하나의 개소에서 누전이 생기면, 차량의 유지보수 작업을 행하는 데 지장을 초래할 우려가 있다. 그러므로, 차량탑재용의 전력 공급 시스템에 있어서, 누전의 유무를 사전에 알아, 누전을 발견한 경우에는, 신속하게 대처하는 것이 요구되고 있다.

도 4는, 종래 사용되고 있는 차량탑재용 전력 공급 시스템의 누전 검출 장치를 나타낸 도면이다. 이와 같은 누전 검출 장치에 대해서는, 예를 들면, 하기 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 개시되어 있다.

도 4에 있어서, 차량탑재용 전력 공급 시스템의 누전 검출 장치는, 전력 공급 시스템(10)과 누전 검출 장치(20)로 이루어진다.

전력 공급 시스템(10)은, 직류 고전압 회로(A)와 교류 고전압 회로(B)로 이루어진다. 직류 고전압 회로(A)는, 직류용의 축전지(11)와, 축전지(11)의 플러스극 마이너스극에 접속되는 플러스극 전선(13) 및 마이너스극 전선(14)과, 플러스극 전선(13) 상 및 마이너스극 전선(14) 상에 설치된 콘택터(17a, 17b)와, 콘택터(17a, 17b)의 후단(後段)에 있어서 플러스극 전선(13) 및 마이너스극 전선(14)에 접속된 평활용의 컨덴서(18)로 이루어진다. 교류 고전압 회로(B)는, 플러스극 전선(13) 및 마이너스극 전선(14)에 접속되고, 복수의 스위칭 소자의 온·오프 전환에 의해 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 회로(12)와, 교류 모터(15)와, 인버터 회로(12)와 교류 모터(15)를 접속하는 복수의 교류 전선(16)으로 이루어진다.

교류 모터(15)를 구동시킬 때는, 콘택터(17a, 17b)는, 온된다.

인버터 회로(12)는, 예를 들면, 도 5에 나타내는 IGBT 인버터 회로(12)가 사용된다. IGBT 인버터 회로(12)에는, 6개의 IGBT 소자(스위칭 소자)(76) 및 대응하는 6개의 다이오드(77)로 구성된 6개의 IGBT 회로(70∼75)가 설치되어 있다.

교류 모터(15)가 3상인 경우에는, IGBT 회로(70, 73), IGBT 회로(71, 74), IGBT 회로(72, 75)의 3조의 IGBT 회로가 병렬로 배치된다. IGBT 회로(70, 73)의 중간점(M1), IGBT 회로(71, 74)의 중간점(M2), IGBT 회로(72, 75)의 중간점(M3)은 각각, 교류 모터(15)의 3개의 코일에 접속되어 있다.

누전 검출 장치(20)는, 축전지(11)의 플러스극 측의 플러스극 전선(13) 상의 전압 인가점(P)에 접속되는 컨덴서(C)와, 컨덴서(C)에 접속되는 저항 R과, 정현파(正弦波)나 직사각형파 등의 소정 주파수의 교류 신호 Vs를 발진(發振)하여, 저항 R에 교류 신호 Vs를 통전시키는 발진기(21)와, 저항 R과 컨덴서(C)와의 사이의 전압 측정점(Q)에 있어서 전압 레벨(교류 전압의 실효값)을 측정하는 전압 측정부(40)로 이루어진다. 이 전압 측정부(40)에 의해, 전압을 측정할 때는, 누전의 유무를 판별하기 위한 임계값이 설정된다.

도 4의 누전 검출 장치(20)에서의 누전 검출 처리는, 다음과 같이 행해진다. 마이너스극 전선(14)에 의해 절연이 열화되어, 누전이 발생한 경우를 상정한다. 발진기(21)로부터 출력된 교류 신호 Vs는, 저항 R과 컨덴서(C)를 통과하여, 플러스극 전선(13)의 인가점(P)에 인가된다.

만일, 전력 공급 시스템(10)에 누전이 없는 경우에는, 전압 측정부(40)에 의해 측정되는 전압 실효값은, 발진기(21)로부터 출력된 교류 신호 Vs의 전압 실효값과 거의 같으며, 설정된 임계값 이상으로 된다. 이로써, 누전은 없는 것으로 판정된다.

한편, 전력 공급 시스템(10)에 누전이 있는 경우, 즉 마이너스극 전선(14)에 누전이 있는 경우에는, 마이너스극 전선(14)과, 차체의 보디(어스)와의 사이에서, 누전 저항 r이 발생한다. 그러므로, 교류 신호 Vs의 전압 실효값은, 저항 R과 누전 저항 r에 의해 분압(分壓)되게 된다. 그러므로, 전압 측정부(40)에 의해 측정되는 전압 실효값은, 발진기(21)로부터 출력된 교류 신호 Vs의 전압 실효값보다 작아져, 설정된 임계값보다 낮아진다. 이로써, 누전이 있는 것으로 판정된다. 이와 같이, 측정점(Q)에서의 전압을 측정하고, 임계값과 비교하는 것에 의해, 누전의 유무를 검출할 수 있다. 그리고, C는 부유(浮遊) 용량이다.

국제 공개 제2007/007749호 공보 일본 공개특허 제2003―219551호 공보

그러나, 종래의 누전 검출 장치에서는, 차량 가동(稼動) 중 등의 고전압 회로에 고전압을 인가한 상태에서는, 전력 공급 시스템(10) 중 직류 고전압 회로(A)에서 생긴 누전의 검출은 오검출의 우려 없이 행할 수 있을뿐아니라, 교류 고전압 회로(B)에서 생긴 누전의 검출을, 오검출의 우려 없이 행할 수 없었다. 이하, 고전압 회로에 고전압을 인가한 상태에서는, 교류 고전압 회로(B)의 누전 검출을, 오검출의 우려 없이 행할 수 없는 이유를, 도 4, 도 5를 참조하여 설명한다. 여기서 컨덴서(18)는 일반적으로, 누전 검출 장치(20)의 컨덴서(C)와 비교하여 용량이 크고, 임피던스가 작다. 그러므로, 교류 신호 Vs는, 컨덴서(18)를 도통(導通) 가능하므로, 고전압부의 플러스극 전선(13)과 마이너스극 전선(14)의 양쪽에 도통할 수 있는 것으로 하여 설명한다.

교류 고전압 회로(B)의 교류 전선(16a∼16c) 중 어느 하나에서 절연이 열화되어, 누전이 발생하는 경우를 상정한다. 먼저 고전압 회로에 고전압을 인가한 상태에서, IGBT 소자(76)의 온·오프 제어가 정지 중인 경우에는, 각 IGBT 소자(76)는 비도통이다. 그러므로, 교류 신호 Vs는 각 IGBT 소자(76)를 통과할 수 없다.

또한, 고전압 회로에 고전압을 인가한 상태에서, IGBT 소자(76)의 온·오프 제어가 정지 중인 경우에는, 각 다이오드(77)는 역바이어스 방향으로 고전압이 인가되어 비도통으로 된다. 그러므로, 교류 신호 Vs는 각 다이오드(77)도 통과할 수 없다. 그러므로, 고전압 회로에 고전압을 인가한 상태에서, IGBT 소자(76)의 온·오프 제어가 정지 중인 경우에는, 직류 고전압 회로(A)는 특허 문헌 1의 방법에 의해, 누전 검출을 오검출의 우려 없이 행할 수 있지만, 교류 고전압 회로(B)는 누전 검출을 행할 수 없다.

다음에, 고전압 회로에 고전압을 인가한 상태에서, IGBT 소자(76)의 온·오프 제어가 동작 중인 경우에는, 각 IGBT 소자(76) 중 어느 하나가 도통으로 된다. 또한, 각 다이오드(77)도, 환류(還流) 전류가 흐르는 경우에 도통으로 된다. 그러므로, 교류 신호 Vs는, 교류 고전압 회로(B)에 도통할 수 있다. 그러나, 고전압 회로에 고전압을 인가한 상태에서, IGBT 소자(76)의 온·오프 제어가 동작 중인 경우에는, 누전 검출 장치(20)에 큰 노이즈가 발생한다. 이 노이즈에는, 주파수나 진폭이 상이한 노이즈가 복수 포함되어 있다. 또한, 절연 상태의 변화에 따라, 고전압 회로의 각각의 부위에서의 임피던스가 변화하면, 각 노이즈의 진폭 등이 변화한다.

그러므로, 차량 가동 중 등의 고전압 회로에 고전압을 인가한 상태에서는, 교류 고전압 회로(B)의 누전 검출을 오검출의 우려 없이 행하는 것은 곤란했다. 그러나, 고장 발생시에, 고장의 진행을 방지하기 위해서는, 고전압 회로에 고전압을 인가한 상태에서도, 교류 고전압 회로(B)에서 생긴 누전을 오검출의 우려 없이 검출할 필요가 있다.

그래서 본 발명은, 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것이며, 고전압 회로에 고전압을 인가한 상태에 있어서도, 직류 고전압 회로와 교류 고전압 회로의 양쪽에서, 저렴한 회로 구성으로 오검출의 우려 없이 누전 검출을 행하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 전원으로부터의 전력을 교류 전력으로 변환하여 전동기에 공급하는 전력 변환 회로와 상기 전원을 접속하는 전선의 전압 인가점에, 교류 전압을 인가하는 검출 신호 생성부와, 상기 검출 신호 생성부와 상기 전압 인가점과의 사이의 전압 측정점의 전압을 측정하는 전압 측정부와, 상기 전동기의 제어 장치가 상기 전동기에 회전 각도를 일정하게 유지하는 지령을 부여하고 있을 때, 상기 전압 측정부가 측정한 상기 전압 측정점의 전압에 따라, 상기 전력 변환 회로로부터 상기 전동기의 사이에서의 누전의 유무를 검출하는 누전 검출부를 포함하는, 차량탑재용 전력 공급 시스템의 누전 검출 장치이다.

상기 제어 장치가 상기 전동기의 회전 각도를 일정하게 유지하는 제어를 행할 때의 제어 주기에 대응한 주파수의 노이즈를 제거하는 필터를 가지는 것이 바람직하다.

본 발명은, 고전압 회로에 고전압을 인가한 상태에 있어서도, 직류 고전압 회로와 교류 고전압 회로의 양쪽에서, 저렴한 회로 구성으로 오검출의 우려 없이 누전 검출을 행할 수 있다.

도 1은, 실시형태에 관한 차량탑재용 전력 공급 시스템의 누전 검출 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는, 전자 제어 유닛의 구성을 기능 블록화하여 나타낸 도면이다.
도 3은, 실시형태에 관한 누전 검출 장치 및 이 누전 검출 장치의 누전 검출 대상을 나타낸 도면이다.
도 4는, 종래 사용되고 있는 차량탑재용 전력 공급 시스템의 누전 검출 장치를 나타낸 도면이다.
도 5는, IGBT 인버터 회로를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은, 실시형태의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1에 있어서, 차량탑재용 전력 공급 시스템의 누전 검출 장치는, 전력 공급 시스템(10)과 누전 검출 장치(30)로 이루어진다.

도 1에 나타낸 전력 공급 시스템(10)은, 마이너스극 전선(14)에 콘택터(17b)가 설치되어 있지 않은 점을 제외하고, 도 4를 사용하여 설명한 전력 공급 시스템(10)과 기본적으로는 같다. 본 실시예에 있어서 마이너스극 전선(14)에 콘택터를 설치해도 바람직하지만, 본 실시예의 누전 검출 처리 시에는, 플러스극 전선, 마이너스극 전선에 설치된 콘택터 중 어느 하나가 온하고 있을 필요가 있다.

전력 공급 시스템(10)은, 직류 고전압 회로(A)와 교류 고전압 회로(B)로 이루어진다. 직류 고전압 회로(A)는, 직류용의 축전지(11)와, 축전지(11)의 플러스극 마이너스극 각각에 접속되는 플러스극 전선(13) 및 마이너스극 전선(14)과, 플러스극 전선(13) 상에 설치된 콘택터(17)와, 콘택터(17)의 후단에 있어서 플러스극 전선(13) 및 마이너스극 전선(14)에 접속된 평활용의 컨덴서(18)와, 컨덴서(18)에 병렬로 접속되는 직류 전압 측정부(19)와, 동일하게 컨덴서(18)에 병렬로 접속되고, 컨덴서(18)의 직류 전압 추출을 행하는 전압 추출 회로(voltage extracting circuit)(25)로 이루어진다. 전압 추출 회로(25)는, 예를 들면, 저항 및 릴레이로 이루어진다.

교류 고전압 회로(B)는, 플러스극 전선(13) 및 마이너스극 전선(14)에 접속되고, 복수의 스위칭 소자의 온·오프 전환에 의해 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 회로(12)와, 교류 모터(15)와, 인버터 회로(12)와 교류 모터(15)를 접속하는 복수의 교류 전선(16)으로 이루어진다. 인버터 회로(12)는, 전원으로부터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전동기인 교류 모터(15)에 공급하는 전력 변환 회로이다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 인버터 회로(12)에는, 6개의 IGBT 소자(76) 및 6개의 다이오드(77)로 구성된 6개의 IGBT 회로(70∼75)가 설치되어 있다. 교류 모터(15)가 3상인 경우에는, IGBT 회로(70, 73)와, IGBT 회로(71, 74)와, IGBT 회로(72, 75)의 3조가 병렬로 배치된다.

IGBT 회로(70, 73)의 중간점(M1), IGBT 회로(71, 74)의 중간점(M2), IGBT 회로(72, 75)의 중간점(M3)은 각각, 교류 모터(15)의 3개의 코일에 접속되어 있다.

누전 검출 장치(30)는, 축전지(11)의 플러스극 측의 플러스극 전선(13) 상의 전압 인가점(P)에 접속되는 컨덴서(C)와, 컨덴서(C)에 접속되는 저항 R과, 전자 제어 유닛(50)과, 전자 제어 유닛의 전원(60)과, 차량의 시동(始動) 키의 조작에 따라 온·오프되어 전자 제어 유닛(50)과 전원(60)을 전기적으로 접속·차단하는 스위치(80)와, 전자 제어 유닛(50)에 의해 온·오프 제어되고, 전자 제어 유닛(50)과 전원(60)을 전기적으로 접속·차단하는 릴레이(81)로 이루어진다.

도 2는, 전자 제어 유닛(50)의 구성을 기능 블록화하여 나타낸 도면이다. 전자 제어 유닛(50)은, 정현파나 직사각형파 등의 소정 주파수의 교류 신호 Vs를 발진하여, 저항 R에 교류 신호 Vs를 통전시키는 검출 신호 생성부(51)와, 저항 R과 컨덴서(C)와의 사이의 전압 측정점(Q)에 있어서 전압 레벨(교류 전압의 실효값)을, 필터부(52A)를 통하여 측정하는 전압 측정부(52)와, 전압 측정부(52)에 의해 측정된 전압과 미리 설정된 임계값을 비교하여 누전의 유무를 검출하는 누전 검출부(53)와, IGBT 인버터 회로(12)에 설치된 각 IGBT 소자(스위칭 소자)(76)의 온·오프를 제어하는 스위칭 소자 제어부(54)와, 콘택터(17) 및 릴레이(81)의 온·오프를 제어하는 콘택터 제어부(55)로 이루어진다. 전자 제어 유닛(50)의 각 부(51∼55)의 기능은, 전자 회로 또는 프로그래밍에 의해 실현된다.

그리고, 실시예에서는, 콘택터(17)를, 플러스극 전선(13)에 설치하고 있지만, 마이너스극 전선(14)에 설치해도 된다. 또한, 실시예에서는, 플러스극 전선(13)에, 교류 전압 Vs를 인가하는 전압 인가점(P)을 설치하고 있지만, 마이너스극 전선(14)에, 전압 인가점(P)을 설치해도 된다.

고전압 회로에 고전압을 인가한 상태에서, IGBT 소자(76)의 온·오프 제어가 동작 중인 경우에, 누전 검출 장치(30)에 큰 노이즈가 발생하는 이유와, 그 해결 방법을, 도 1, 도 5를 참조하여 설명한다.

고전압 회로에 고전압을 인가한 상태에서, IGBT 소자(76)의 온·오프 제어가 동작 중인 경우에는, 교류 고전압 회로(B)의 M1∼M3에 큰 전압 변동이 발생한다. 이 전압 변동이, 절연 저항 r이나 부유 용량 c 등의 임피던스와, 누전 검출 장치(30)의 저항 R이나 컨덴서(C) 등의 임피던스로 분압된 전압이, 누전 검출 장치(30)에 노이즈로서 발생한다.

여기서 교류 고전압 회로(B)의 M1∼M3의 전압 변동은 주로, 각 IGBT 소자(76)가 스위칭됨으로써 발생한다. 이 전압 변동은 주로, 캐리어(carrier) 주파수(스위칭 주파수)의 성분과, 플러스극 전압과 마이너스극 전압의 시간비 비율이 변화되는 주파수, 즉 상전류 주파수의 성분으로 된다.

여기서, 캐리어 주파수의 전압 변동은, 캐리어 주파수의 제어 주기를 설계자가 임의로 결정할 수 있으므로, 노이즈 주파수와 교류 신호 Vs의 주파수의 양쪽을, 설계자가 임의로 결정할 수 있다. 그러므로, 필터 등에 의해, 확실한 노이즈 대책을 행하는 것이 가능해진다.

그러나, 상(相)전류 주파수의 전압 변동은, 모터 회전수에 비례해 주파수가 변화한다. 그러므로, 교류 모터(15)가 차량의 주행이나 선회(旋回)에 사용되는 경우에는, 노이즈 주파수를 설계자가 임의로 결정할 수가 없다.

또한, 누전 검출을 확실하게 행하기 위해서는, 충분한 검출 시간을 확보하는 것을 필요로 하지만, 누전 발생 직후에 노이즈 대책이 가능한 모터 회전수가 충분히 지속하는 것은 한정되지 않는다.

이에 대하여 본 발명의 누전 검출 장치는, 전술한 상전류 주파수의 노이즈에 대책으로 이하의 수단을 채용하였다.

차량의 주행이나 하이브리드 유압 셔블이나 전동 셔블(shovel)의 선회에 사용되는 교류 모터(15)에서는, 모터 회전을 정지하여 기계적인 브레이크를 작동시키는 전후에, 교류 모터(15)의 제어 장치로부터 회전 각도를 특정 범위로 유지하는 지령이 부여된다.

이 회전 각도를 특정 범위로 유지하고 있는 기간에는, 상전류 주파수에 동기한 광역인 주파수의 노이즈가 없어져, 회전 각도의 제어 지령의 제어 주기에 동기한, 주파수가 일정한 노이즈로 바뀐다.

본 발명에서는 이 현상에 착안하여, 회전 각도를 특정 범위로 유지하는 기간에, 고전압이 인가된 상태에서의, 교류 고전압 회로(B)의 누전 검출을 실시한다.

여기서 회전 각도의 제어 지령의 제어 주기는, 설계자가 임의로 결정할 수 있으므로, 노이즈 주파수와 교류 신호 Vs의 양쪽을, 설계자가 임의로 설정할 수 있다. 그러므로, 필터부(52A)에 의해, 확실한 노이즈 대책을 행하는 것이 가능해진다.

또한, 회전 각도를 특정 범위로 유지하는 지령을 지속시키는 시간도, 설계자가 임의로 결정할 수 있으므로, 충분한 검출 시간을 확실하게 확보하는 것이 가능해진다.

전술한 수단을 취함으로써, 고전압 회로에 고전압을 인가한 상태에 있어서도, 교류 모터(15)의 회전과 정지의 각 사이클마다, 안정된 누전 검출을 확실하게 행하는 것이 가능해진다.

다음에, 실시형태의 누전 검출의 처리 수순을 도 3를 참조하여 설명한다. 차량 가동 중에 있어서 누전 검출을 실시하는 경우에는, 먼저 IGBT 소자(76)의 온·오프 제어가 정지 중인지 동작 중인지로 경우를 분류한다. IGBT 소자(76)의 온·오프 제어 상태는 제어 지령을 CPU 자신이 담당하는 것으로부터 용이하게 판단할 수 있다.

IGBT 소자(76)의 온·오프 제어가 정지 중인 경우에는(스텝 S101; No), 전술한 바와 같이, 스텝 S105에서, 직류 고전압 측만을 누전 검출한다. IGBT 소자(76)의 온·오프 제어가 동작 중인 경우에는(스텝 S101; Yes), 스텝 S102에서, 교류 모터(15)의 회전 각도를 특정 범위로 유지하는 지령이 출력되고 있는지로 경우를 분류한다. 이 판정도 제어 지령을 CPU 자신이 담당하는 것으로부터 용이하게 판단할 수 있다.

회전 각도를 특정 범위로 유지하는 지령이 출력되고 있는 경우에는(스텝 S102; Yes), 스텝 S103에서, 직류 고전압 측과 교류 고전압 측의 양쪽을, 전술한 바와 같이 누전 검출한다. 회전 각도를 특정 범위로 유지하는 지령이 출력되고 있지 않는 경우에는(스텝 S102; No), 스텝 S104에서 누전 검출을 실행하지 않는다.

그리고, 회전 각도를 특정 범위로 유지하는 지령이 출력되고 있지 않는 경우라도, 예를 들면, 모터 회전수가 임계값 이상의 상태가, 일정 시간 이상 지속하는 경우 등의, 특정한 조건이 만족된 경우에 대해서는, 누전 검출을 마찬가지로 실시할 수도 있다.

또한, IGBT 소자(76)의 온·오프 제어가 동작 중에 누전을 검출한 경우에는, 고전압 회로에 고전압을 인가한 IGBT 소자(76)의 온·오프 제어를 정지시키고나서, 온·오프 제어를 정지한 채 재차 누전의 유무를 검출함으로써, 누전 발생 개소(箇所)가, 직류 고전압 회로(A)인지, 교류 고전압 회로(B)인지를 진단할 수도 있다. 즉, 온·오프 제어를 정지한 채의 상태에서는, 누전이 없는 것으로 판정된 경우에는, 누전은 교류 고전압 회로(B)에 의해 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 반대로, 온·오프 제어를 정지한 채의 상태라도 누전이 있는 것으로 판정된 경우에는, 누전은 직류 고전압 회로(A)에서 발생하고 있는 것을 알 수 있다.

본 실시형태에 의하면, 직류 고전압 회로(A)뿐만아니라 교류 고전압 회로(B)의 누전의 유무를, 차량의 가동 중에도 검출할 수 있다. 이로써, 조기에 누전의 발생을 검출하여 고장의 진행을 방지하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시형태에 의하면, 직류 고전압 회로(A)와 교류 고전압 회로(B) 중 어느 하나에서 누전이 발생하였는지를 특정할 수 있다. 그러므로, 누전 개소를 신속히 유지보수할 수 있어, 작업 효율이 높아진다.

또한, 이하에 누전 검출의 구체적인 방법을 설명한다. 고전압 회로에서 누전(누전 저항 r)이 발생하고 있지 않은 경우에는, 전압 측정부(52)에 의해 측정되는 전압 측정점(Q)의 전압 실효값은, 검출 신호 생성부(51)로부터 출력된 교류 신호 Vs의 전압 실효값과 거의 같으며, 누전 검출부(53)에 의해, 측정 전압은, 설정된 임계값 이상인 것으로 판정된다. 이로써, 누전은 없는 것으로 판정된다.

한편, 고전압 회로에서 누전이 있는 경우, 예를 들면, 마이너스극 전선(14)에 누전(누전 저항 r)이 있는 경우에는, 교류 신호 Vs의 전압 실효값은, 저항 R과 누전 저항 r에 의해 분압된다. 그러므로, 전압 측정부(52)에 의해 측정되는 전압 실효값은, 검출 신호 생성부(51)로부터 출력된 교류 신호 Vs의 전압 실효값보다 작아져, 누전 검출부(53)에 의해, 측정 전압은, 설정된 임계값보다 낮은 것으로 판정된다. 이로써, 누전이 있는 것으로 판정된다.

누전이 검출된 경우에는, 차량 정지 등의 필요한 조치를 실시한다. 또한, 도시하지 않은 표시 장치에, 누전의 유무 및 누전 개소를 표시해도 된다. 이로써, 작업자는, 신속히 누전 개소의 유지보수를 행할 수 있다.

부가하여, 이하에, 구체적인 노이즈와 필터에 대하여 설명한다. 교류 고전압 회로(B)의 누전을 검출하기 위해서는, 누전 검출 장치는, 검출 신호 Vs가 교류 모터(15) 측으로 흐르는 상태, 즉 전동기의 동작 중에 누전을 검출할 필요가 있다. 여기서 전동기의 동작 중에는, 전동기를 구동시키기 위한 스위칭 소자의 온·오프에 의한 전압 변동이, 전압 변동부―어스 사이와, 누전 검출용 회로―어스 사이와의 임피던스의 비로 분압됨으로써, 전압 측정점(Q)에 큰 노이즈가 발생한다. 이 때 직류 성분은, 누전 검출 회로의 컨덴서(C)가 제거함으로써, 교류 성분, 즉 전압의 변동만이 노이즈가 된다.

여기서 노이즈에는, 전동기의 회전 속도로 의존하여 광범위하게 변화하는 성분이 포함된다. 또한, 절연의 열화(劣化)에 의해, 차량의 각 부분에서의 임피던스가 변화하면, 임피던스의 변화에 따라 노이즈도 대폭 변화한다. 결과로서, 누전 검출 장치가 고전압 회로에 고전압이 인가된 상태에서, 전동기의 동작 중에 누전을 검출하는 데 있어서는, 노이즈의 대책에 대규모 회로 및 누전을 검출하기 위한 복잡한 로직이 필요해진다. 또한, 전동기의 동작 조건과 절연 열화 상태와의 조합이 방대한 수가 되므로, 동작 확인에 필요한 시험도 대규모로 된다.

여기서, 전동기의 회전 각도는, 모터 회전을 정지하여 기계적인 브레이크를 작동시키기 전후에, 회전 각도를 특정 범위로 유지하는 지령이 부여된다. 이 때는, 전술한 바와 같이 노이즈 주파수가 모두 설계자가 결정한 값으로 되므로, 확실한 노이즈 대책을, 소규모의 회로 및 간단한 로직으로 행하는 것이 가능해진다.

전동기가 기계적 브레이크를 걸기 직전 등에, 회전 각도가 특정 범위로 유지되어 있는 경우, 전동기에서 유래한 노이즈는 주로, 스위칭 소자를 온·오프하는 주파수와, 회전 각도의 제어 지령의 주파수에 비례하는 노이즈로 된다. 이 때 교류 신호 Vs의 주파수와, 전동기 유래의 노이즈의 주파수는, 모두 설계자가 결정하는 것이 가능하므로, 필터부(52A)에 의해 확실한 노이즈 대책을 행할 수 있다.

예를 들면, 스위칭 소자의 온·오프 제어의 주파수에 의존하는 노이즈가 10kHz, 또한 전동기의 회전 각도의 제어 주파수에 의존하는 노이즈가 100Hz로 한 경우에는, 교류 신호 Vs를 5Hz로 설정하여, 필터부(52A)로서는, 주파수가 50Hz 이상의 노이즈를 로패스 필터로 제거함으로써, 확실한 노이즈 대책을 행하는 것이 가능해진다. 그리고, 노이즈는 고전압 회로의 전압 변동이 분압되어 발생하므로, 노이즈의 파고(波高)는 고전압 회로의 인가 전압 이하이며, 이것을 고려하여 로패스 필터에 필요한 차수(次數)를 구할 수 있다.

전술한 방법은, 특히 선회 작업에 전동기를 사용하는 하이브리드 유압 셔블이나 전동 셔블에 있어서, 높은 개선 효과가 얻어진다. 하이브리드 유압 셔블은, 조작 장치인 선회 조작 레버의 조작에 따라 선회 전동기가 구동되어, 상부 선회체(旋回體)가 선회 동작한다. 선회 전동기로서는, 단독으로 상부 선회체를 선회 동작시키는 형태의 것이라도 되고, 유압(油壓) 모터와 연결되고, 유압과 전력을 병용하여 상부 선회체를 선회 동작시키는 형태의 것이라도 된다.

하이브리드 유압 셔블은 일반적으로, 선회 전동기를 장시간 연속하여 사용하지 않고, 가동 중에는, 상부 선회체의 단시간의 선회와 정지를 반복한다. 선회 조작 레버가 중립 위치로 되돌려져, 선회를 정지한 시에는, 기계적인 브레이크인 선회 주차 브레이크를 작동시키지만, 이 선회 주차 브레이크의 작동을 개시하기 전 후에 몇초간, 전술한 회전 각도를 특정 범위로 유지하는 지령이 출력된다. 이 회전 각도를 특정 범위로 유지하는 지령이 부여되어 있는 타이밍에 있어서, 누전 검출을 실시하는 경우에는, 누전이 없는 것을 확인한 직후의 상태에서 차량을 가동하는 것이 가능해진다. 또한, 선회 전동기를 사용할 때마다, 확실하게 누전 검출을 실시할 수 있다. 그 결과, 하이브리드 유압 셔블에서는 본 발명에 의해, 높은 개선 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 선회 주차 브레이크의 작동을 개시하기 전후의 몇초간에 누전 검출을 실시하는 예에 대하여 설명하였으나, 누전 검출은, 선회 조작 레버를 중립으로 되돌려진 후의 소정 기간이면 되고, 브레이크 작동 개시 전의 소정 기간이라도 되고, 또한 브레이크 작동 개시를 포함하는 소정 기간이라도 된다.

10: 전력 공급 시스템
11: 축전지
12: 인버터 회로
15: 교류 모터
16: 교류 전선
17: 콘택터
18: 컨덴서
19: 직류 전압 측정부
20: 누전 검출 장치
21: 발진기
25: 회로
30: 누전 검출 장치
40: 전압 측정부
50: 전자 제어 유닛
51: 검출 신호 생성부
52: 전압 측정부
52A: 필터부
53: 누전 검출부
54: 스위칭 소자 제어부
55: 콘택터 제어부

Claims

전원으로부터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전동기에 공급하는 전력 변환 회로와 상기 전원을 접속하는 전선의 전압 인가점에, 교류 전압을 인가하는 검출 신호 생성부;
상기 검출 신호 생성부와 상기 전압 인가점 사이의 전압 측정점의 전압을 측정하는 전압 측정부; 및
상기 전동기의 제어 장치가 상기 전동기에 회전 각도를 특정 범위로 유지하는 지령을 부여하고 있을 때, 상기 전압 측정부가 측정한 상기 전압 측정점의 전압에 따라, 상기 전력 변환 회로로부터 상기 전동기의 사이에서의 누전의 유무를 검출하는 누전 검출부;
를 포함하는 차량탑재용 전력 공급 시스템의 누전 검출 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치가 상기 전동기의 회전 각도를 특정 범위로 유지하는 제어를 행할 때의 제어 주기에 대응한 주파수의 노이즈를 제거하는 필터를 가지는, 차량탑재용 전력 공급 시스템의 누전 검출 장치.
제1항에 있어서,
상기 누전이 검출된 경우, 고전압을 인가한 채, 상기 전력 변환 회로가 가지는 스위칭 소자의 온·오프 제어를 정지시키고나서, 상기 온·오프 제어를 정지한 채 누전의 유무를 검출하는, 차량탑재용 전력 공급 시스템의 누전 검출 장치.
상부 선회체(旋回體)를 선회시키는 전동기;
전원으로부터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 전동기에 공급하는 전력 변환 회로; 및
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 차량탑재용 전력 공급 시스템의 누전 검출 장치;
를 포함하는 유압 셔블(hydraulic shovel).
제4항에 있어서,
상기 유압 셔블은, 선회 동작을 조작하는 선회 조작 레버를 더 포함하고,
상기 누전 검출부는, 상기 선회 조작 레버가 중립 위치로 되돌려진 후의 소정 기간에 누전의 유무를 검출하는, 유압 셔블.