(57)【要約】【課題】専用の計測機器を追加で設置することなく、電動機の絶縁状態の変化を早期に検知して絶縁診断することを可能にする。【解決手段】絶縁診断装置は、電動機と、インバータと、電流センサの情報に基づいてインバータを制御して電動機を駆動する制御装置とを有する電動機システムにおける電動機の絶縁状態を診断する。絶縁診断装置は、制御装置に対して電動機の少なくとも一相に所定の電圧パルスを印加するよう印加指令を出力し、制御装置が印加指令に応じて電動機に所定の電圧パルスを印加している間に電動機を流れる電流を、所定の電圧パルスの印加周期毎に所定時間ずつタイミングをずらしたサンプリングで計測する。また、絶縁診断装置は、計測された電流の周波数スペクトルに含まれる電動機の対地静電容量の変化を表す特徴量に基づき電動機の絶縁状態を診断する。【選択図】図１
2020020611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機と、インバータと、電流センサの情報に基づいて前記インバータを制御して前記電動機を駆動する制御装置とを有する電動機システムにおける前記電動機の絶縁状態を診断する絶縁診断装置であって、
前記制御装置に対して前記電動機の少なくとも一相に所定の電圧パルスを印加するよう印加指令を出力し、前記制御装置が前記印加指令に応じて前記電動機に前記所定の電圧パルスを印加している間に前記電動機を流れる電流を、前記所定の電圧パルスの印加周期毎に所定時間ずつタイミングをずらしたサンプリングで計測する計測部と、
前記計測部により計測された前記電流の周波数スペクトルに含まれる前記電動機の対地静電容量の変化を表す特徴量に基づき前記電動機の絶縁状態を診断する診断部と
を備えたことを特徴とする絶縁診断装置。
【請求項２】
前記計測部は、
前記制御装置に対して前記電動機の三相に一括して前記所定の電圧パルスを印加するよう前記印加指令を出力し、前記制御装置が前記印加指令に応じて前記電動機に前記所定の電圧パルスを印加している間に前記電動機を流れるコモンモード電流を計測する
ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁診断装置。
【請求項３】
前記計測部は、
前記電流の計測を、前記所定の電圧パルスの印加周期毎に所定時間ずつタイミングをずらした複数点のサンプリングで行う
ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁診断装置。
【請求項４】
前記所定の電圧パルスは、前記制御装置に対して前記電動機に印加されたタイミングから前記電流の振動が所定範囲内に収まるまでの期間に該当するパルス幅を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁診断装置。
【請求項５】
前記計測部は、
前記電動機に印加されたタイミングから前記電流の振動が所定範囲内に収まるまでの時間の計測結果に基づいて前記パルス幅を決定する
ことを特徴とする請求項４に記載の絶縁診断装置。
【請求項６】
前記計測部は、
前記印加指令を出力する前に、前記電動機を流れる電流の値が規定値以下であることを確認し、該電流が前記規定値以下となった場合に前記印加指令を出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁診断装置。
【請求項７】
前記特徴量は、前記電動機の巻線インダクタンスと対地静電容量との共振周波数における前記電流のスペクトル値である
ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁診断装置。
【請求項８】
前記特徴量は、ある周波数と該ある周波数の所定の周波数範囲内の複数の周波数とを参照し、それらの周波数における前記電流のスペクトル値が所定の範囲内である場合の該ある周波数における前記電流のスペクトル値である
ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁診断装置。
【請求項９】
前記電動機の巻線インダクタンスと対地静電容量とに基づいて前記特徴量を抽出するための周波数範囲を設定する
ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁診断装置。
【請求項１０】
前記計測部は、
前記所定の電圧パルスの印加周期毎に前記所定時間を変化させることにより得られた前記特徴量の変化に応じて前記所定時間を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁診断装置。
【請求項１１】
電動機と、インバータと、電流センサの情報に基づいて前記インバータを制御して前記電動機を駆動する制御装置とを有する電動機システムにおける前記電動機の絶縁状態を診断する絶縁診断装置が行う絶縁診断方法であって、
前記絶縁診断装置の計測部が、前記制御装置に対して前記電動機の少なくとも一相に所定の電圧パルスを印加するよう印加指令を出力し、前記制御装置が前記印加指令に応じて前記電動機に前記所定の電圧パルスを印加している間に前記電動機を流れる電流を、前記所定の電圧パルスの印加周期毎に所定時間ずつタイミングをずらしたサンプリングで計測する計測ステップと、
前記絶縁診断装置の診断部が、前記計測ステップにより計測された前記電流の周波数スペクトルに含まれる前記電動機の対地静電容量の変化を表す特徴量に基づき前記電動機の絶縁状態を診断する診断ステップと
を含んだことを特徴とする絶縁診断方法。
【請求項１２】
電動機と、インバータと、電流センサの情報に基づいて前記インバータを制御して前記電動機を駆動する制御装置とを有する電動機システムにおける前記電動機の絶縁状態を診断する絶縁診断装置としてコンピュータを機能させる絶縁診断プログラムであって、
前記コンピュータを、
前記制御装置に対して前記電動機の少なくとも一相に所定の電圧パルスを印加するよう印加指令を出力し、前記制御装置が前記印加指令に応じて前記電動機に前記所定の電圧パルスを印加している間に前記電動機を流れる電流を、前記所定の電圧パルスの印加周期毎に所定時間ずつタイミングをずらしたサンプリングで計測する計測部と、
前記計測部により計測された前記電流の周波数スペクトルに含まれる前記電動機の対地静電容量の変化を表す特徴量に基づき前記電動機の絶縁状態を診断する診断部と
として機能させるための絶縁診断プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁診断装置、絶縁診断方法、および絶縁診断プログラムに関し、例えば交流電動機の絶縁状態の診断に適用して好適なるものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両や産業向けの電動機制御や、電力系統用の周波数変換装置等の電力変換器では、高圧かつ大電流の電力制御を行うが、電動機の絶縁故障が突発すると、計画外の交換や補修が必要となる。同時に、電動機を用いた装置やシステムの稼動停止を余儀なくされ、想定外の損害が発生する。
【０００３】
こうした状況を防止する目的で、電動機の絶縁状態の異常を極力事前に検知し、交換や補修等の適切な処置を取る必要がある。電動機の突発故障を防止するために、電動機の絶縁状態を監視し、電動機の突発故障を防止する需要が高まっている。
【０００４】
特許文献１には、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三相給電電路および負荷機器の絶縁劣化を診断する装置であって、三相給電電路の零相電流を計測するための零相電流計測部と、計測した零相電流から３次高調波成分および３ｎ次高調波成分（ｎは２以上の整数）を抽出するための高調波抽出部と、抽出した３次高調波成分および３ｎ次高調波成分に基づいて各相の給電電路の絶縁抵抗値を演算する演算部と、を備えた絶縁劣化診断装置が開示されている。
【０００５】
また特許文献２には、電動機の高調波の信号成分を計測する技術として、交流電動機の制御装置について、閾値検出を含めた非通電相起電圧検出の事前調整に係わる技術が開示されている。交流電動機にパルス状の交流電圧を印加した場合、リンギングを伴う非通電相起電圧が発生するが、演算処理周期毎に非通電相電圧のサンプリングタイミングをずらしていき、リンギングの発生している期間を検出し、スイッチング後、所定時間をおいて起電圧をサンプリングすることで、このリンギングを避けて、正しい非通電相電圧を検出する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１３０４４０号公報
【特許文献２】特開２０１５−０５３８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで特許文献１では、電流波形に現れる絶縁劣化の兆候は、基本波やその高調波とは直接の関係が無く、数ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度の周波数に現れるため、電流波形を精度よく計測するには、高速サンプリングが可能な専用の計測機器で計測する必要がある。
【０００８】
また特許文献２では、演算処理周期毎に非通電相電圧のサンプリングタイミングをずらしていき、リンギング後の電圧を検出する技術が開示されているが、電流計測による電動機の絶縁診断への適用に関する技術については開示されていない。
【０００９】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、専用の計測機器を追加で設置することなく、電動機の絶縁状態の変化を早期に検知して絶縁診断することが可能な絶縁診断装置、絶縁診断方法、および絶縁診断プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる課題を解決するため本発明においては、電動機と、インバータと、電流センサの情報に基づいて前記インバータを制御して前記電動機を駆動する制御装置とを有する電動機システムにおける前記電動機の絶縁状態を診断する絶縁診断装置であって、前記制御装置に対して前記電動機の少なくとも一相に所定の電圧パルスを印加するよう印加指令を出力し、前記制御装置が前記印加指令に応じて前記電動機に前記所定の電圧パルスを印加している間に前記電動機を流れる電流を、前記所定の電圧パルスの印加周期毎に所定時間ずつタイミングをずらしたサンプリングで計測する計測部と、前記計測部により計測された前記電流の周波数スペクトルに含まれる前記電動機の対地静電容量の変化を表す特徴量に基づき前記電動機の絶縁状態を診断する診断部とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また本発明においては、電動機と、インバータと、電流センサの情報に基づいて前記インバータを制御して前記電動機を駆動する制御装置とを有する電動機システムにおける前記電動機の絶縁状態を診断する絶縁診断装置が行う絶縁診断方法であって、前記絶縁診断装置の計測部が、前記制御装置に対して前記電動機の少なくとも一相に所定の電圧パルスを印加するよう印加指令を出力し、前記制御装置が前記印加指令に応じて前記電動機に前記所定の電圧パルスを印加している間に前記電動機を流れる電流を、前記所定の電圧パルスの印加周期毎に所定時間ずつタイミングをずらしたサンプリングで計測する計測ステップと、前記絶縁診断装置の診断部が、前記計測ステップにより計測された前記電流の周波数スペクトルに含まれる前記電動機の対地静電容量の変化を表す特徴量に基づき前記電動機の絶縁状態を診断する診断ステップとを含んだことを特徴とする。
【００１２】
また本発明においては、動機と、インバータと、電流センサの情報に基づいて前記インバータを制御して前記電動機を駆動する制御装置とを有する電動機システムにおける前記電動機の絶縁状態を診断する絶縁診断装置としてコンピュータを機能させる絶縁診断プログラムであって、前記コンピュータを、前記制御装置に対して前記電動機の少なくとも一相に所定の電圧パルスを印加するよう印加指令を出力し、前記制御装置が前記印加指令に応じて前記電動機に前記所定の電圧パルスを印加している間に前記電動機を流れる電流を、前記所定の電圧パルスの印加周期毎に所定時間ずつタイミングをずらしたサンプリングで計測する計測部と、前記計測部により計測された前記電流の周波数スペクトルに含まれる前記電動機の対地静電容量の変化を表す特徴量に基づき前記電動機の絶縁状態を診断する診断部ととして機能させる。
【００１３】
本絶縁診断装置、絶縁診断方法、および絶縁診断プログラムによれば、専用の計測機器を追加で設置することなく既存構成を生かしつつ、電動機の絶縁状態の変化を早期かつ定量的に絶縁診断することが可能な絶縁診断機能を搭載した電動機システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、専用の計測機器を追加で設置することなく既存構成を生かしつつ、電動機の絶縁状態の変化を早期に検知して絶縁診断することが可能な絶縁診断装置、絶縁診断方法、および絶縁診断プログラムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１の絶縁診断部を有する制御装置を含む電動機システムの概略例を示す図。
【図２】実施例１において三相一括で電圧パルスを印加した際、電動機が正常な絶縁状態の場合の１相の電流センサで計測される電流波形の特徴例を示す図。
【図３】実施例１における電動機のコモンモード電流に含まれるリンギング波形の測定方法の一例を説明するための図。
【図４】実施例１における電動機のコモンモード電流に含まれるリンギング波形の測定方法の一例を説明するための図。
【図５】実施例１における電動機のコモンモード電流に含まれるリンギング波形の測定方法の一例を説明するための図。
【図６】実施例１において電動機が正常な絶縁状態の場合（実線）の電流波形と、電動機の固定子コイルの対地絶縁が絶縁劣化して対地静電容量が２倍に変化した異常の場合（破線）の電流波形の特徴図。
【図７】実施例１においてコモンモード電流波形に対して離散フーリエ変換を行った周波数スペクトルの特徴図。
【図８】実施例１における電動機の絶縁劣化の兆候を示す特徴量に関する周波数領域を示した図。
【図９】実施例１の絶縁診断部の構成例を示すブロック図。
【図１０】実施例１の絶縁診断部の絶縁診断処理例を示すフローチャート。
【図１１】実施例２の絶縁診断部の構成を示すブロック図。
【図１２】実施例３の絶縁診断機能を有する電動機システムの概略例を示す図。
【図１３】実施例４における電動機のコモンモード電流に含まれるリンギング波形の測定方法の一例を説明するための図。
【図１４】実施例５の絶縁診断機能を有する電動機システムの概略図。
【図１５】実施例６において、一例として一相（Ｕ相）にパルス電圧を印加したときの相電流および零相電流の特徴図。
【図１６】実施例７において、一例として二相（Ｕ相およびＶ相）にパルス電圧を印加したときの相電流および零相電流の特徴図。
【図１７】実施例９として、絶縁診断装機能を実現するコンピュータの構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下図面に基づき、本発明の実施例を詳述する。各図面において、参照番号が同一のものは同一の構成要件、あるいは類似の機能を備えた構成要件を示し、後出の説明を省略する。
【実施例１】
【００１７】
（１−１）実施例１の電動機システムの構成
図１は、実施例１の絶縁診断部を有する制御装置を含む電動機システムの概略例を示す図である。実施例１の電動機システム１００は、制御装置１、インバータ２、駆動対象である三相交流電動機である電動機３、および電動機３の制御に用いる電流を検知するための電流センサ４を有する。インバータ２は、直流電源５、ＵＶＷ３相の上下アームに配置された半導体スイッチ素子を有するインバータ主回路６、および半導体スイッチ素子を駆動するゲートドライバ７を有する。制御装置１は、半導体スイッチ素子を用いた電力変換装置により直流電力を交流電力に変換し、電流センサ４で計測した電流信号に基づいて電動機３を制御する。
【００１８】
電動機３の固定子コイルが吸湿等により絶縁劣化すると、電動機３の対地静電容量Ｃが変化する。図１では、電動機３の三相それぞれの対地静電容量を合計した、電動機３の対地静電容量をＣとし、電動機３の中性点と接地の間の静電容量として図示した例を示した。本実施例では、電流センサ４の電流信号から電動機３の対地静電容量Ｃの変化を検出することで、電動機３の絶縁状態の変化を早期に検出する手段を提供する。
【００１９】
電動機３の制御装置１は、絶縁診断装置としての絶縁診断部１０を有する。絶縁診断部１０は、電動機３が停止し、かつ電動機３に電流が流れていない状態において、電動機３の絶縁状態の変化を検出する絶縁診断を実施する。絶縁診断部１０は、絶縁診断の実施前に、電動機３が停止し、かつ電流が流れていないこと、例えば速度推定値や電流センサの計測値とこれらの規定値とを比較することにより確認すればよい。絶縁診断部１０は、速度推定値や電流センサの計測値が規定値以下となった場合に絶縁診断を実施する。あるいは絶縁診断部１０は、電動機３が停止して所定時間が経過した後に絶縁診断を実施してもよい。
【００２０】
次に、絶縁診断部１０は、全相で電流が流れていない状態において、全ての半導体スイッチ素子のゲートをオフにする。これは次に行う動作によって上アームの半導体スイッチ素子（以下、単に上アームという）と下アームの半導体スイッチ素子（以下、単に下アームという）の短絡を防止するためである。次に、絶縁診断部１０は、三相の上アームに対してゲートをオンする指令を同時に送り、三相一括で電動機３に電圧を印加する。次に、絶縁診断部１０は、上アームのゲートをオフし、下アームをオンする。この動作によって期間Ｗに該当する所定のパルス幅の電圧パルスが発生する。絶縁診断部１０は、この動作を周期Ｔで所定回数だけ繰り返す。
【００２１】
なお、全ての半導体スイッチ素子がオフのときに振動電流が残っている整流状態から次の電圧パルスを印加すると、この残っている振動電流が絶縁診断部１０による電流計測に影響する可能性があるので、期間Ｗは電流波形が減衰するのに十分な長さを有するのが望ましい。
【００２２】
三相一括で電動機３に電圧を印加することで電動機３の固定子コイルの絶縁部分を介して接地側に流れる電流を、コモンモード電流と呼ぶ。コモンモード電流は、三相の各相に設置した電流センサ４によって計測することが可能である。コモンモード電流は、電動機３の固定子コイルの絶縁部分を介して流れるため、絶縁状態の変化によって影響を受ける。
【００２３】
（１−２）電動機が正常な絶縁状態の場合の電流波形
図２は、実施例１において三相一括で電圧パルスを印加した際、電動機が正常な絶縁状態の場合の１相の電流センサで計測される電流波形の特徴例を示す図である。図２は、三相のうち一相を例示するが、他の二相も同様である。図２に示すように、電動機３に印加した電圧パルスの立ち上がりに伴う電流波形に、数ｋＨｚ〜数ＭＨｚの振動部分ａ１と、それに続く数百Ｈｚ〜数十ｋＨｚの長周期の振動部分ａ２とを含むリンギング波形ａが現れている。振動部分ａ１は対地静電容量Ｃの情報を持ち、振動部分ａ２は電動機３の巻線インダクタンスＬと対地静電容量Ｃとの直列ＬＣ共振の情報を持つ。
【００２４】
このリンギング波形ａの発生から波形変動が所定範囲内に収まるまでに減衰する時間は、例えば数マイクロ秒から数十ミリ秒である。このリンギング波形ａの特徴を捉えるために、電動機３に印加する電圧パルスの幅はリンギング波形ａの波形変動が所定範囲内に収まる時間より大きいほうが望ましい。また周波数分析の手段として離散フーリエ変換を用いる場合は、周期データの方が変換の精度が高いので、リンギング波形ａの波形変動が所定範囲内に収まるまでのデータを用いるのが望ましい。
【００２５】
特にリンギング波形ａの発生直後の数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚの周波数領域は、電動機３の制御装置１が有する制御用マイクロコンピュータの演算周期ではサンプリングによる検出が困難である。このため周波数領域でのサンプリング検出が可能な計測機器あるいは計測モジュールを別途追加する必要があった。
【００２６】
そこで、演算周期毎にサンプリングのタイミングをずらしていくことで、リンギング波形ａが発生している期間の電流波形を計測することが可能となる。本実施例では、制御装置１から三相一括で電圧パルスを印加するタイミングから電流信号の振動成分が安定するまでの電流信号を用いて電動機３の絶縁診断を実施する。
【００２７】
（１−３）電動機のコモンモード電流に含まれるリンギング波形の測定方法
図３から図５は、実施例１における電動機のコモンモード電流に含まれるリンギング波形の測定方法の一例を説明するための図である。図３は、タイミングｔ０において、タイミングｔ０からタイミングｔ０´までの期間Ｗだけ三相一括で電圧を印加した様子を示している。図３に示すように、電動機３には、この期間Ｗの電圧パルスが周期Ｔで繰り返し印加されるため、毎回の期間Ｗの電圧パルスにおいて同じリンギング波形ａを伴うコモンモード電流の電流波形が各相に発生する。期間Ｗは、コモンモード電流においてリンギング波形ａの波形変動が所定範囲内に収まる期間であり、電動機３に印加される電圧パルスのパルス幅に該当する。
【００２８】
図４に示すように、先ず始めに、パルス１周期目では、タイミングｔ０において制御装置１から三相一括でパルス電圧を印加すると共にコモンモード電流をサンプリングする。次のパルス２周期目では、タイミングｔ０から微小時間Δｔだけずらしたタイミングｔ１（＝ｔ０＋Ｔ）においてコモンモード電流をサンプリングする。さらに次のパルス３周期目では、タイミングｔ１からさらに微小時間Δｔずらしたタイミングｔ２（＝ｔ０＋２Ｔ）においてコモンモード電流をサンプリングする。この処理を、パルスＮ周期目（Ｎは所定の正整数）まで繰り返すことで、リンギング波形ａの全容を知ることが可能である。このようなサンプリングの結果から、コモンモード電流においてリンギング波形が収まったことを検出すれば、リンギング波形の期間が検出でき、リンギング波形が発生している期間の電流波形を過不足無く計測することが可能である。
【００２９】
以上のように、制御装置１から三相一括でパルス電圧を印加するタイミングからコモンモード電流の振動成分が安定するまでの電流波形データを計測するために、制御装置１の制御信号と同期したタイミングでの複数回数のサンプリング（等価時間サンプリング）にて電流波形を取得する。かつ、複数回数のサンプリングは、電圧パルスの周期毎にサンプリングを行い、かつサンプリングタイミングを徐々にずらすことで実現することができる。
【００３０】
また図５に示すように、各々のパルス電圧の周期において、サンプリングする点数は複数点でもよい。図５では、パルス１周期目では、タイミングｔ０において制御装置１から三相一括でパルス電圧を印加すると共に、タイミングｔ０、ｔ０＋ΔＴ、ｔ０＋Δ２Ｔにおいてコモンモード電流をサンプリングする。次のパルス２周期目では、微小時間Δｔだけずらしたタイミングｔ１（＝ｔ０＋Ｔ）、ｔ１＋ΔＴ、ｔ１＋Δ２Ｔにおいてコモンモード電流をサンプリングする。さらに次のパルス３周期目では、さらに微小時間Δｔずらしたタイミングｔ２（＝ｔ０＋２Ｔ）、ｔ２＋ΔＴ、ｔ２＋Δ２Ｔにおいてコモンモード電流をサンプリングする。この処理を、パルスＮ（Ｎは所定の自然数）周期目まで繰り返すことで、リンギング波形ａの全容をより短い計測時間で知ることが可能である。この場合には、複数回サンプリングにより得られたデータを結合する際に、データを時系列に並べ替える処理を追加すればよい。
【００３１】
なお、期間Ｗを規定するタイミングｔ０´は、予め定められた所定時間に対応するタイミング、予め定められた期間Ｗの所定間隔に対応するタイミング、もしくは、期間Ｗにおける予め定められたサンプリング数に対応するタイミングであってもよい。あるいは、タイミングｔ０´は、コモンモード電流のサンプリングに先立って、リンギング波形ａの発生から電流波形の波形変動が所定範囲内となるまでの時間を計測し、この計測した時間に基づいて決定してもよい。
【００３２】
（１−４）電動機の絶縁診断方法
次に、コモンモード電流の電流波形データから電動機３の絶縁劣化の兆候を示す特徴量を抽出し、電動機３の絶縁診断を行う方法について説明する。図６は、実施例１において電動機が正常な絶縁状態の場合（実線）の電流波形と、電動機の固定子コイルの対地絶縁が絶縁劣化して対地静電容量が２倍に変化した異常の場合（破線）の電流波形の特徴図である。正常時と異常時の電流波形の相違が、数百Ｈｚ〜数十ｋＨｚで減衰振動するリンギング波形の振動部分ａ２に現れている。このような知見は電動機の従来の絶縁診断には生かされていなかった。
【００３３】
図７は、実施例１においてコモンモード電流波形に対して離散フーリエ変換を行った周波数スペクトルの特徴図である。図８は、実施例１における電動機の絶縁劣化の兆候を示す特徴量に関する周波数領域を示した図である。図７は、図６同様に、電動機が正常な絶縁状態の場合（実線）の電流波形の周波数スペクトルと、電動機の固定子コイルの対地絶縁が絶縁劣化して対地静電容量が２倍に変化した異常の場合（破線）の電流波形の周波数スペクトルを示す。なお所定の周波数分解能が得られるように、コモンモード電流の振動成分が安定した後の時間領域の部分をゼロで埋める（ゼロパディング）ことで、周波数分解能を改善している。
【００３４】
図７に示すように、異常の場合の電流波形の周波数スペクトルには、正常時には無いピーク（ピーク部分ｂ２）が現れており、これは時間領域において現れたリンギング波形の長周期（数百Ｈｚ〜数十ｋＨｚ）の振動部分ａ２に対応する。この振動部分ａ２は、図１に示す電動機３の巻線インダクタンスＬと対地静電容量Ｃの直列ＬＣ共振により発生する。従って、ピーク部分ｂ２の周波数成分は電動機３の対地静電容量Ｃの変化に対して感度が高く、電動機３の絶縁異常の早期検知に適している。
【００３５】
よって、電動機３の絶縁診断に用いる特徴量としては、図８に示すように、少なくとも電動機３の巻線インダクタンスＬと対地静電容量Ｃの直列ＬＣ共振の共振周波数を含むことが望ましい。電動機３の絶縁診断において、例えば、図８の領域Ａ内における周波数スペクトルの積分値を比較する、あるいは領域Ａ内における周波数スペクトルのピーク値を比較する等の方法が挙げられる。図８の領域Ａは、電動機３の正常時および異常時の直列ＬＣ共振周波数を含む第２の所定周波数範囲であり、電動機３の正常時の直列ＬＣ共振周波数を含むように定められるものである。
【００３６】
一方、コモンモード電流波形の周波数スペクトルの低周波側には、比較的傾きの平坦な周波数領域が存在する。これは次のように考えられる。低周波側を観察することは、時間領域をマクロに観察することに対応する。コモンモード電流波形のリンギング波形をマクロに見ると、いくつかのインパルス成分が存在するように見える。インパルスのフーリエ変換は、周波数領域において定数となるので、低周波側のスペクトルには比較的平坦な周波数領域が存在すると考えられる。
【００３７】
そのため、コモンモード電流波形の低周波側の周波数スペクトルは、電動機３の対地静電容量Ｃの変化（例えば２倍に増加）に対して定量的な相関があると考えられる。そこで図８に示すように、コモンモード電流波形の低周波側の周波数スペクトルの比較的平坦な周波数領域（領域Ｂ）での代表値を絶縁診断の特徴量として用いることによって、電動機３の対地静電容量Ｃの変化について、閾値を設けて定量的に絶縁診断や分析を行うことができる。図８の領域Ｂは、コモンモード電流波形の周波数スペクトルの低周波側に設けられた第１の所定周波数範囲である。
【００３８】
コモンモード電流波形の周波数領域が比較的平坦かどうかを確認するには、参照する周波数の近傍（所定の周波数範囲内）を複数点参照し、そのスペクトル値が所定の範囲内であれば、周波数スペクトルがその周波数領域において比較的平坦だと判断できる。例えば、参照する周波数の２倍あるいはＮ倍（Ｎは所定の自然数）の周波数における値を参照して、その値に２倍以上の相違が無ければ、周波数スペクトルがその周波数領域において比較的平坦だと判断できる。
【００３９】
なお、特許文献１には、零相電流の３ｎ次高調波成分から各相の給電電路の絶縁抵抗値を算出する技術が開示されているが、計測するサンプリング周波数等の条件が明らかではない。本実施例では、電動機３の制御装置１に絶縁診断部１０を搭載した方式において、コモンモード電流の数ｋＨｚ〜数ＭＨｚのリンギング波形の振動部分ａ１を十分な精度でサンプリングした周波数スペクトルの値を用いて、電動機３の対地静電容量Ｃの変化を評価して絶縁診断する点で相違する。
【００４０】
本実施例における電動機３の絶縁診断では、領域Ａおよび領域Ｂにおける特徴量が所定の規定値あるいは規定の範囲を超えた場合に、絶縁劣化の兆候があると診断する。例えば、電動機３の使用前あるいは初期の正常な状態における特徴量を用いて、規定値あるいは規定の範囲を指定するのが望ましい。
【００４１】
なお、周波数領域の電流成分を抽出する方法として、具体的には、例えば離散フーリエ変換あるいは高速フーリエ変換を用いることができる。この方法は電流波形の情報を失わないので精度が良い利点がある。
【００４２】
また、コモンモード電流波形のサンプリング数が、例えば図３の微小時間Δｔを段階的に大きくすることにより減少したとしても、領域Ａや領域Ｂの特徴量が大きく変化せず診断結果に影響を与えない場合には、微小時間Δｔを大きくしてサンプリング数を減らすことにより冗長な計測条件（サンプリング数）を最適化してもよい。つまり、微小時間Δｔを段階的に変化させることによりサンプリング数を変化させた場合の領域Ａや領域Ｂの特徴量の変化が所定範囲内にあるかどうかに応じて絶縁診断結果への影響の有無を判断し、特徴量の変化に応じて微小時間Δｔを調整することで、サンプリング数の過不足をチェックすることが可能である。
【００４３】
あるいは、電動機３の状態が変化した際にも、領域Ａや領域Ｂの特徴量が大きく変化せず診断結果に影響があるか否かを判定し、判定結果に応じて微小時間Δｔを変化させてサンプリング数を調整することにより計測条件（サンプリング数）を最適化することもできる。
【００４４】
（１−５）実施例１の絶縁診断部の構成および処理
図９は、実施例１の絶縁診断部の構成例を示すブロック図である。図１０は、実施例１の絶縁診断部の絶縁診断処理例を示すフローチャートである。絶縁診断部１０は、図９に示すように、計測部１１、診断部１２、および記憶部１３を有する。計測部１１および診断部１２は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）やマイクロコンピュータを例とする処理装置である。記憶部１３は、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）を例とする内部記憶装置や、フラッシュメモリ、ＳＳＤ（Solid  State  Drive）もしくはＨＤＤ（Hard  Disk  Drive）を例とする外部記憶装置である。
【００４５】
記憶部１３は、電動機３の直列ＬＣ共振周波数、あるいは直列ＬＣ共振周波数を算出するための電動機３の巻線インダクタンスＬおよび対地静電容量Ｃを記憶している。
【００４６】
また絶縁診断部１０は、第１の所定周波数範囲（領域Ｂ）、および少なくとも電動機３の直列ＬＣ共振の共振周波数を含む第２の所定周波数範囲（領域Ａ）を設定する設定機能を有する。例えば診断部１２が、この設定機能を有してもよい。第１の所定周波数範囲および第２の所定周波数範囲が設定されることにより、電動機３の絶縁診断を行う際に用いる特徴量の抽出を効率よく行うことができる。
【００４７】
図１０を参照しつつ、絶縁診断部１０の絶縁診断処理を説明する。絶縁診断部１０は、図１０に示す絶縁診断処理を、絶縁診断部１０のオペレータからの絶縁診断開始指示に応じて実行する。
【００４８】
先ずステップＳ１１では、計測部１１は、期間Ｗの電圧パルスを印加した回数をカウントするカウンタｉに１をセットする。計測部１１は、１≦ｉ≦ＮのｉそれぞれについてステップＳ１２〜Ｓ１４を繰り返し実行することにより、パルス１周期目〜パルスＮ周期目（図４および図５参照）それぞれにおいて、電動機３に電圧パルスを印加し、ｔ０、ｔ１（＝ｔ０＋Δｔ）、ｔ２（＝ｔ０＋２Δｔ）、・・・、ｔＮ（＝ｔ０＋ＮΔｔ）のタイミングでコモンモード電流をサンプリングする。
【００４９】
次にステップＳ１２では、計測部１１は、パルス電圧印加指令を制御装置１に出力する。パルス電圧印加指令は、電動機３が停止し、電動機３に電流が流れていない状態において出力される。パルス電圧印加指令は、先ず全ての半導体スイッチ素子をオフにし、次に全ての上アームを同時にオンにし、次に全ての上アームをオフにし、次に下アームをオンすることを繰り返して、電動機３に期間Ｗの電圧を周期Ｔでパルス１周期目〜パルスＮ周期目まで印加するものである。制御装置１は、パルス電圧印加指令に応じたゲート駆動指令をゲートドライバ７に出力する。
【００５０】
続いてステップＳ１３では、計測部１１は、ステップＳ１２で出力されたパルス電圧印加指令に応じてゲートドライバ７が半導体スイッチ素子を駆動したことにより電動機３で発生したコモンモード電流のサンプリングを行い、サンプリング結果を記憶部１３に保存する。続いてステップＳ１４では、計測部１１は、カウンタｉを１だけインクリメントする。続いてステップＳ１５では、計測部１１は、カウンタｉ＞Ｎであるか否かを判定する。計測部は、カウンタｉ＞Ｎである場合（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、ステップＳ１６へ処理を移し、カウンタｉ≦Ｎである場合（ステップＳ１５：Ｎｏ）、ステップＳ１２へ処理を移す。
【００５１】
ステップＳ１６では、診断部１２は、記憶部１３に保存されているコモンモード電流のサンプリング結果を離散フーリエ変換して、コモンモード電流の電流波形を時間領域から周波数領域に変換し、領域Ａおよび領域Ｂの周波数領域における特徴量を抽出する周波数分析を行う。続いてステップＳ１７では、診断部１２は、ステップＳ１６で抽出した領域Ａおよび領域Ｂにおける特徴量をもとに、電動機３の絶縁診断を行い、診断結果を出力する。
【００５２】
（１−６）実施例１の効果
以上のように、本実施例によれば、例えば電動機３の絶縁状態の変化を早期に、かつ定量的に絶縁診断することが可能であり、専用の計測機器を追加で設置することなく既存構成を生かしつつ、電動機３の制御装置１に絶縁診断部１０を搭載して実現することができる。
【実施例２】
【００５３】
図１１は、実施例２の絶縁診断部の構成を示すブロック図である。実施例２は、絶縁診断部１０Ｂを有する制御装置１において、ローパスフィルタやハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ等のフィルタ部１４を有する点で実施例１と相違する。
【００５４】
フィルタ部１４は、アナログ回路やデジタル回路によるのもでも、ソフトウェアによる実装でもよい。フィルタの通過帯域は、少なくとも電動機３の巻線インダクタンスＬと対地静電容量Ｃとの直列ＬＣ共振の共振周波数を含む。
【００５５】
実施例２では、フィルタ部１４を用いることで、第１の所定周波数範囲および第２の所定周波数範囲の電流成分を抽出し、実効値などを特徴量として診断することができる。この方法は離散フーリエ変換等を用いる必要が無いので、高速にデータ処理をすることが可能である。
【実施例３】
【００５６】
図１２は、実施例３の絶縁診断機能を有する電動機システムの概略例を示す図である。実施例３の電動機システム１００Ｃは、制御装置１Ｃが計測部１１を有し、外部装置８が診断部１２を有するように、計測部１１と診断部１２とが、通信インターフェースを介して有線または無線による通信が可能な異なる装置に分離されて配置されている点で実施例１および２と相違する。外部装置８は、携帯端末でも据え置き型の装置でもいずれでもよい。
【００５７】
また外部装置８は、電動機３の巻線インダクタンスＬと対地静電容量Ｃの直列ＬＣ共振の共振周波数、もしくは共振周波数を算出すための巻線インダクタンスＬおよび対地静電容量Ｃのパラメータを記憶する記憶部１３Ｃ−２を有する。このような構成によって、外部装置８は、点検対象とする電動機３に合わせて適切なパラメータを選択して設定することが可能である。あるいは、外部装置８は、有線または無線による所定の通信方法により、これらのパラメータを選択して外部から取得し、設定するようにしてもよい。この場合、記憶部１３Ｃ−２を省略できる。
【００５８】
電動機３の制御装置１Ｃの計測部１１において計測されたデータは、電圧パルスの周期毎に記憶部１３Ｃ−１に保存される。そして、記憶部１３Ｃ−１に保存されたデータは、全ての計測終了後に一括して外部装置８に転送され、外部装置８でデータ処理および絶縁診断が行われる。これにより、電動機３の制御装置１Ｃの計算負荷を削減することができる。また外部装置８が有する表示部、もしくは外部装置８に有線または無線で接続される表示部に、電流波形やその周波数スペクトル、診断結果等を表示することができる。
【００５９】
なお計測部１１から外部装置８へのデータ転送方法としては、有線であっても無線であってもよく、またハードウェア制御による処理であっても、ＴＣＰ／ＩＰなどのソフトウェアによる処理であってもよい。
【実施例４】
【００６０】
図１３は、実施例４における電動機のコモンモード電流に含まれるリンギング波形の測定方法の一例を説明するための図である。実施例４は、図１３に示すように、電流波形のサンプリング毎に取得したデータを、取得毎に外部装置８にデータ転送する点が実施例４と異なる。外部装置８の診断部１２は、転送されたデータを時系列順にマージし、周波数分析に利用する。これによって、電動機３の制御装置のメモリサイズ以上のデータを絶縁診断に利用できる。
【実施例５】
【００６１】
図１４は、実施例５の絶縁診断機能を有する電動機システムの概略図である。実施例５の電動機システム１００Ｅは、計測部１１および診断部１２を有する絶縁診断部１０Ｅが制御装置１Ｅから独立した装置である点で実施例１〜４と相違する。
【００６２】
実施例５の電動機システム１００Ｅにおいて、制御装置１Ｅと絶縁診断部１０Ｅとは、通信インターフェースを介して有線または無線の通信が可能に接続されている。絶縁診断部１０Ｅは、例えば電動機３の点検作業者の携帯端末であってもよいし、据え置き型の装置であってもよい。
【００６３】
また絶縁診断部１０Ｅは、電動機３の巻線インダクタンスＬと対地静電容量Ｃの直列ＬＣ共振の共振周波数、もしくは共振周波数を算出すための巻線インダクタンスＬおよび対地静電容量Ｃのパラメータを記憶する記憶部１３を有する。このような構成によって、絶縁診断部１０Ｅは、点検対象とする電動機３に合わせて適切なパラメータを選択して設定することが可能である。あるいは、絶縁診断部１０Ｅは、有線または無線による所定の通信方法により、これらのパラメータを選択して外部から取得し、設定するようにしてもよい。この場合、記憶部１３を省略できる。
【００６４】
絶縁診断部１０Ｅの計測部１１は、オペレータからの絶縁診断開始指示に応じて、制御装置１Ｅに対して電動機３への三相一括の電圧パルス印加指令を出力する。制御装置１Ｅは、電圧パルス印加指令に応じて、電動機３に三相一括の電圧パルスを印加し、電流センサ４により検知されたコモンモード電流の値を絶縁診断部１０Ｅに送信する。計測部１１は、電圧パルス印加指令およびコモンモード電流の値取得を、パルス１周期目〜パルスＮ周期まで実行する。
【００６５】
なお、実施例５において、絶縁診断装置１０Ｅは、電流センサ４から有線または無線の通信により電流値を直接取得できる場合には、制御装置１Ｅを介さず電流センサ４から直接電流値を取得してもよい。
【００６６】
上述の実施例１〜５では、三相の電流をそれぞれのセンサで検知する例を示したが、これに限られず、三相の電流を１つの電流センサで一括して零相電流（三相電流の合計）を計測してもよい。また、コモンモード電流に代えて、計測したＵＶＷの各相の電流値の和である零相電流を絶縁診断に用いてもよい。
【実施例６】
【００６７】
図１５は、実施例６において、一例として一相（Ｕ相）にパルス電圧を印加したときの相電流および零相電流の特徴図である。実施例６は、電圧パルスを三相一括ではなく一相に印加する点で実施例１〜５と異なる。
【００６８】
図１５の相電流では、Ｕ相へのパルス電圧印加に対して、Ｕ相の電流値が同極性で増加する一方、Ｖ相およびＷ相の電流値は逆極性で増加し、Ｖ相およびＷ相の増加率はＵ相の概略半分となっている。図１５の零相電流（三相電流の合計）では、相電流の増加分は打ち消しあい、パルス電圧の立ち上がりと立下りに伴うリンギング波形が計測される。
【００６９】
従って、電動機制御用の電流センサが三相全てに設置されている場合は、実施例１のコモンモード電流の代わりに、三相電流の合計である零相電流を用いることで、実施例１〜５と同様の絶縁診断を実現することが可能である。
【００７０】
また、電動機制御用の電流センサが二相のみに設置されている場合は、印加するパルス電圧は電流センサが設置されている相に印加する。例えば電流センサがＵ相とＷ相とに設置されている場合は、Ｕ相あるいはＷ相にパルス電圧を印加する。電流センサが二相のみに設置されている場合には、三相電流の合計である零相電流を用いる代わりに、例えばＵ相にパルス電圧を印加した場合には、Ｕ相電流と２倍のＷ相電流との和を取ることで零相電流を模擬することができる。これによって追加の電流センサを設置することなく、実施例１〜５と同様の絶縁診断を実現することが可能である。
【実施例７】
【００７１】
図１６は、実施例７において、一例として二相（Ｕ相およびＶ相）にパルス電圧を印加したときの相電流および零相電流の特徴図である。実施例７は、電圧パルスを三相一括ではなく二相に同時に印加する点で実施例１〜５と異なる。このとき電動機制御用の電流センサが二相のみに設置されている場合は、パルス電圧は電流センサが設置されている相と電流センサが設置されていない相の各々に印加する。
【００７２】
例えば電流センサがＵ相とＷ相に設置されている場合は、Ｖ相と、Ｕ相あるいはＷ相にパルス電圧を印加する。Ｕ相とＶ相にパルス電圧を印加した場合には、零相電流の代わりに、Ｗ相電流と２倍のＵ相電流との和を取ればよい。これによって追加の電流センサを設置することなく、実施例１〜５と同様の絶縁診断を実現することが可能である。
【実施例８】
【００７３】
例えば実施例１の電動機システム１００の構成は、図１に示すように、電流センサが三相全てに設置されている場合を示すが、三相一括でパルス電圧を印加する場合には、全ての相に同様の電流が流れるため、電流センサを設置するのは二相あるいは一相のみであってもよい。これによって電流センサや、ＡＤ（Analog  to  Digital）変換器などの制御回路基板上の部品コストを低減することができる。
【００７４】
上述の実施例１〜８では、絶縁診断のための電流検知を電動機制御用の電流センサ４を用いて行う例を示したが、電流センサ４とは別に、三相全てに、あるいは二相または一相のみに絶縁診断のための電流検知を行う電流センサを設置してもよい。また実施例１〜８では２レベルインバータの場合について説明したが、３レベルインバータの場合についても本発明の技術は同様に適用可能である。
【００７５】
上述の実施例１〜８は、インバータ駆動電動機システム、絶縁診断機能付きインバータ、絶縁診断機能付モータ制御マイクロコンピュータに適用して好適である。
【実施例９】
【００７６】
・絶縁診断機能を実現するコンピュータの構成
図１７は、絶縁診断機能を実現するコンピュータの構成例を示す図である。外部装置８（図１２参照）もしくは絶縁診断部１０Ｅ（図１４参照）を実現するコンピュータ５００は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）５３０、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）等のメモリ５４０、入力装置５６０（例えばキーボードや、マウス、タッチパネル等）、および出力装置５７０（例えば外部ディスプレイモニタに接続されたビデオグラフィックカード）が、メモリコントローラ５５０を通して相互接続される。コンピュータ５００において、外部装置８もしくは絶縁診断部１０Ｅを実現するためのプログラムがＩ／Ｏ（Input／Output）コントローラ５２０を介してＳＳＤやＨＤＤ等の外部記憶装置５８０から読み出されて、ＣＰＵ５３０及びメモリ５４０の協働により実行されることにより、外部装置８もしくは絶縁診断部１０Ｅが実現される。あるいは、外部装置８もしくは絶縁診断部１０Ｅを実現するためのプログラムは、ネットワークインターフェース５１０を介した通信により外部のコンピュータから取得されてもよい。
【００７７】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換・統合・分散をすることが可能である。例えば計測部１１および診断部１２は、１つに統合されてもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１、１Ｃ、１Ｅ…制御装置、２…インバータ、３…電動機、４…電流センサ、５…直流電源、６…インバータ主回路、７…ゲートドライバ、８…外部装置、１０、１０Ｂ、１０Ｅ…絶縁診断部、１１…計測部、１２…診断部、１３、１３Ｃ−１、１３Ｃ−２…記憶部、１４…フィルタ部、１００、１００Ｃ、１００Ｅ…電動機システム、５００…コンピュータ
【図１】
2020020611.tif 000003
【図２】
2020020611.tif 000004
【図３】
2020020611.tif 000005
【図４】
2020020611.tif 000006
【図５】
2020020611.tif 000007
【図６】
2020020611.tif 000008
【図７】
2020020611.tif 000009
【図８】
2020020611.tif 000010
【図９】
2020020611.tif 000011
【図１０】
2020020611.tif 000012
【図１１】
2020020611.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2020020611.tif 000015
【図１４】
2020020611.tif 000016
【図１５】
2020020611.tif 000017
【図１６】
2020020611.tif 000018
【図１７】
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