(57)【要約】  本発明は、インバータ駆動される負荷機器、特に、電動機における絶縁劣化を検出する装置に関するものであり、インバータ装置と電動機との間の給電電路に設けられ、給電電路の零相電流を計測する零相電流計測手段と、電動機の回転を待機させるための指令制御手段とを備え、零相電流計測手段は、回転待機時に外力がかかってもシャフト軸が回転しないように各相に給電する相電流の総和（零相電流）を計測する。  こうした構成により、負荷装置への給電電路を切り替えることなく、絶縁劣化の常時検出が可能になる。
2010100998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ駆動される負荷機器における絶縁劣化を検出する装置であって、
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の給電電路に設けられ、給電電路の零相電流を計測する手段と、
給電電路の少なくとも１相以上の相電流の周波数を取得する手段と、
零相電流の計測結果に対して信号解析を実施する信号解析手段とを備え、
信号解析手段は、計測した零相電流信号に対してフーリエ変換を実施し、相電流の基本波成分に相当する信号のみを抽出することを特徴とする絶縁劣化検出装置。
【請求項２】
インバータ駆動される電動機における絶縁劣化を検出する装置であって、
インバータ装置と電動機との間の給電電路に設けられ、給電電路の零相電流を計測する零相電流計測手段と、
電動機の回転を待機させるための指令制御手段とを備え、
零相電流計測手段は、回転待機時に外力がかかってもシャフト軸が回転しないように各相に給電する相電流の総和を計測することを特徴とする絶縁劣化検出装置。
【請求項３】
給電電路の少なくとも１相以上の相電流の周波数を取得する手段と、
零相電流の計測結果に対して信号解析を実施する信号解析手段とをさらに備え、
信号解析手段は、計測した零相電流信号に対してフーリエ変換を実施し、相電流の基本波成分に相当する信号のみを抽出することを特徴とする請求項２記載の絶縁劣化検出装置。
【請求項４】
電動機がＮ相駆動される場合（Ｎは自然数）、少なくとも（Ｎ―１）相の相電流の値を計測する手段と、
各相の絶縁抵抗を演算する演算手段とをさらに備え、
演算手段は、電動機のシャフト軸の固定位置がＮ個以上異なる状態で計測した零相電流および各相の相電流の値から、各相の絶縁抵抗を演算することを特徴とする請求項２または３記載の絶縁劣化検出装置。
【請求項５】
電動機の稼動開始時および稼動終了時を除く通常稼動時において、絶縁劣化検出を実施することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の絶縁劣化検出装置。
【請求項６】
電動機の稼動開始時または稼動終了時に設定された検査モードにおいて、絶縁劣化検出を実施することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の絶縁劣化検出装置。
【請求項７】
電動機の稼動終了時を除く通常稼動時において、各相の絶縁抵抗を演算できなかった場合は、電動機の稼動終了時に設定された検査モードにおいて、各相の絶縁抵抗を演算するために不足分の計測を実施することを特徴とする請求項４記載の絶縁劣化検出装置。
【請求項８】
電動機に給電する電流成分において、絶縁劣化検出時のみ、トルクに無効な電流成分を増加させ、相電圧を増加させることを特徴とする請求項２〜７のいずれかに記載の絶縁劣化検出装置。
【請求項９】
各相の絶縁抵抗を演算する演算手段をさらに備え、
演算手段は、相電流の値及び相電流の周波数から相電圧の値を演算し、相電圧の値と計測した零相電流の値から、絶縁抵抗を演算することを特徴とする請求項２または３記載の絶縁劣化検出装置。
【請求項１０】
給電電路に流れる相電流が可変周期の場合、信号解析手段は、相電流の周期毎に信号解析を実施し、周期毎に得られる信号解析結果を平均化することを特徴とする請求項１または３記載の絶縁劣化検出装置。
【請求項１１】
相電流の周期と零相電流の周期が一致するように、計測信号の位相を補正する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または３記載の絶縁劣化検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインバータ駆動される機器における絶縁劣化検出装置に係り、特に電動機における絶縁劣化検出装置に好適に利用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
インバータ駆動される機器には、電動機、無停電電源装置（UPS: Uninterruptible Power Supply）、電磁調理器、そして照明等が挙げられるが、いずれの機器も経年劣化により絶縁劣化を生じる。例えば、搬送機等に用いられる電動機においては、電動機と連結する作業台の頻繁な移動に伴い、給電するための導体ケーブルに摩擦、ねじれ、伸縮が生じ導体被膜が損傷する場合があり、また切削加工機等に用いられる電動機においては切削液や油等が電動機に飛沫し、シャフト軸等をつたって、内部の絶縁材まで浸食する場合がある。【０００３】
このように、使用する環境や部材の耐久性により絶縁劣化度合いは異なるが、この絶縁劣化が生じた箇所を介し漏洩電流が流れ、人体への感電の危機や漏電遮断器が作動する要因となる。漏電遮断器は、人体への感電を未然に防ぐべく設置されるものである。人命第一は当然であるが、漏電遮断器がいったん作動すると、該当の負荷機器を含む装置や設備は停止するため、漏電の原因および漏電箇所の特定、そして復旧に時間を要してしまい、装置や設備の稼動効率の低下を招いてしまう。【０００４】
即ち、状態監視保全の観点からは、負荷機器の絶縁状態は定期的に検出・監視できることが望ましい。例えば電動機の絶縁劣化を検出する手法として、スイッチにより負荷機器（電動機）への給電電路を、絶縁抵抗およびグランドを含む閉回路に切り替え、前記閉回路に電圧を印加し、閉回路に流れる微小電流を計測することで絶縁劣化を検出する絶縁監視装置が提案されている（特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１０２０９６号公報
【特許文献２】特開２００７−１５９２８９号公報
【特許文献３】特開平８−２８５９０３号公報
【特許文献４】特開平９−１９０４６号公報
【特許文献５】特開平２−３０４３８０号公報
【特許文献６】特開昭６３−８５３８０号公報
【特許文献７】特開２００９−２６１１３８号公報
【特許文献８】特開平７−２３９３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
絶縁劣化のきっかけや進行度合いは、使用する機器や使用する環境によって異なることから、従来は、スイッチ等により負荷機器への給電回路を、絶縁抵抗およびグランドを含む閉回路に切り替え、定期的に機器の絶縁劣化診断を実施していた。【０００７】
しかしながら、絶縁劣化診断を実施するために給電電路を切り替える際、負荷機器の駆動を完全に停止させる必要があり、絶縁劣化の診断時期が負荷機器の駆動前もしくは駆動後に限定されてしまう。特に、長期連続運転を必要とする機器では、絶縁劣化を未然に検出することができないといった課題があった。【０００８】
本発明の目的は、負荷装置への給電電路を切り替えることなく、インバータ駆動される機器における絶縁劣化を検出できる絶縁劣化検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、インバータ駆動される負荷機器における絶縁劣化を検出する装置であって、
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の給電電路に設けられ、給電電路の零相電流を計測する手段と、
給電電路の少なくとも１相以上の相電流の周波数を取得する手段と、
零相電流の計測結果に対して信号解析を実施する信号解析手段とを備え、
信号解析手段は、計測した零相電流信号に対してフーリエ変換を実施し、相電流の基本波成分に相当する信号のみを抽出する。【００１０】
また本発明は、インバータ駆動される電動機における絶縁劣化を検出する装置であって、
インバータ装置と電動機との間の給電電路に設けられ、給電電路の零相電流を計測する零相電流計測手段と、
電動機の回転を待機させるための指令制御手段とを備え、
零相電流計測手段は、回転待機時に外力がかかってもシャフト軸が回転しないように各相に給電する相電流の総和を計測する。【００１１】
本発明において、給電電路の少なくとも１相以上の相電流の周波数を取得する手段と、
零相電流の計測結果に対して信号解析を実施する信号解析手段とをさらに備え、
信号解析手段は、計測した零相電流信号に対してフーリエ変換を実施し、相電流の基本波成分に相当する信号のみを抽出することが好ましい。【００１２】
本発明において、電動機がＮ相駆動される場合（Ｎは自然数）、少なくとも（Ｎ―１）相の相電流の値を計測する手段と、
各相の絶縁抵抗を演算する演算手段とをさらに備え、
演算手段は、電動機のシャフト軸の固定位置がＮ個以上異なる状態で計測した零相電流および各相の相電流の値から、各相の絶縁抵抗を演算することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、インバータ駆動される機器における絶縁劣化を電源ノイズやインバータ駆動時のキャリアノイズ等の影響を除去して検出することができる。特に、負荷機器が電動機の場合、電動機の回転状態のみならず、外力がかかっても電動機のシャフト軸を固定する待機状態においてもインバータ装置と負荷機器の給電電路を別回路に切り替えることなく、絶縁劣化を検出することができる。そのため、長期連続運転を必要とする電動機であっても、絶縁劣化の兆候を早期に発見することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る絶縁劣化検出装置を示す構成図である。
【図２】相電流の周期が可変である場合における波形処理の概略説明図である。
【図３】絶縁劣化検出装置の他の例を示す構成図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る絶縁劣化検出装置を示す構成図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る絶縁劣化検出装置を示す構成図である。
【図６】電動機の等価回路を示す概略回路図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係る絶縁劣化検出装置を示す構成図である。
【図８】零相電流センサと電流センサの各出力に位相差がない場合の波形処理の概略説明図である。
【図９】零相電流センサと電流センサの各出力に位相差がある場合の波形処理の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る絶縁劣化検出装置１０１を示す構成図である。負荷機器３は、インバータ装置１から給電電路６ａ，６ｂ，６ｃを経由して相電流を給電することにより駆動する。例えば、インバータ駆動される負荷機器には、電動機、無停電電源装置（UPS）、電磁調理器、そして照明等が挙げられる。制御装置２は、インバータ駆動の制御を行う機能を有し、負荷機器の駆動方式に応じて、三相の駆動電流の波形や大きさや周期等の制御信号をインバータ装置１に伝送する。
【００１６】
本発明による絶縁劣化検出装置１０１は、零相電流センサ４と、電流センサ５と、絶縁劣化検出回路９０等を備える。
【００１７】
零相電流センサ４は、給電電路６ａ，６ｂ，６ｃの途中に設けられ、給電電路の零相電流を測定する機能を有する。零相電流とは、絶縁抵抗を介して大地へ流れる漏洩電流を示す。零相電流センサ４は、インバータ装置１から出力される信号が交流信号であることと、絶縁抵抗を介して漏洩する電流が微小電流であることを考慮し、例えば、零相変流器（ＺＣＴ: Zero-phase Current Transformer）またはフラックスゲート電流センサ等を使用することが好ましい。なお、図示していないが、インバータ装置１のグランド端子と負荷機器４のグランド端子がアース線で結線されていても構わない。
【００１８】
電流センサ５は、給電電路６ａ，６ｂ，６ｃのうちいずれか１箇所に設けられ、負荷機器３に流れる個々の相電流を測定する機能を有する。電流センサ５は、インバータ装置１から出力される信号が交流信号であることを考慮し、例えば、変流器（ＣＴ: Current Transformer）およびホール素子を用いたホールＣＴが好ましい。ただし、通電する相電流の電流上限値から適切な電流センサを選定することが望ましく、微小電流を計測する場合は、フラックスゲート電流センサまたは直接電路に挿入するシャント抵抗を使用してもよい。
【００１９】
絶縁劣化検出回路９０は、周波数演算回路７と、同期検波回路８とを含む。周波数演算回路７は、電流センサ５で計測した相電流の周期から周波数を演算する。同期検波回路８は、零相電流センサ４で計測した零相電流信号に対しフーリエ変換を実施し、周波数演算回路７で演算した相電流の周波数に相当する成分（基本波）のみを抽出する。
【００２０】
さらに、絶縁劣化検出回路９０は、同期検波回路８の演算結果をディスプレイ等の表示器９に伝送し、演算結果の推移を定期的に表示させることによって、絶縁劣化を視覚的に検出しやすくなる。また、図示していないが、表示器９以外にも漏電遮断器、漏電リレーまたは警告ブザー等を使用して絶縁劣化をユーザに知らせる形態でもよく、絶縁劣化が生じた時にユーザが望む機能を付加することが望ましい。
【００２１】
次に、絶縁劣化検出方法について説明する。負荷機器３へ給電する相電流の周期は、負荷機器３の駆動仕様に応じて、一定周期の場合または可変周期の場合があるが、ここでは周期が可変周期の場合について考える。
【００２２】
インバータ装置１の特性上、直流信号から交流信号に変換する際、キャリアノイズや電源ノイズ等が重畳した交流波形となる。高精度に零相電流の計測を行うためには、これらノイズを除去した基本波成分のみを計測することが望ましい。ただし、バンドパスフィルタを用いて基本波成分のみを抽出する場合、周期が変化することも考慮し、ある程度広い通過帯域を設定する必要がある。その結果、充分なノイズ除去効果を得ることができない。
【００２３】
その対策として、零相電流波形の周期と相電流波形の周期は一致している（なお、位相は必ずしも一致しない）関係を利用して、相電流波形の周期を基準として、零相電流センサの出力信号からノイズ除去を行う。
【００２４】
具体的には、まず計測した相電流波形から、一周期に相当する期間を抽出し、周波数を演算する。そして、相電流と同時計測を行った零相電流波形から、当該期間と同じ期間の波形を抽出する。さらに、この抽出した波形に対しフーリエ変換を実施し、変換結果に対し相電流の周波数に相当する成分のみを抽出する同期検波を実施する。
【００２５】
こうした手法により、相電流の周波数が変化した場合にでも、相電流の一周期と同一の周期を有する零相電流の基本波成分を高精度に求めることができる。
【００２６】
図２は、相電流の周期が可変周期の場合における波形処理の概略説明図である。ここでは、負荷機器３へ給電する相電流の周期が変化する場合の電流センサ５の出力波形２１とノイズを含んだ零相電流センサ４の出力波形２２を示している。負荷機器３へ給電する相電流の周期が逐次変化しているため、出力波形２１，２２の一周期相当の期間（巾）が変化している。
【００２７】
相電流波形より求めた一周期毎の零相電流波形を抽出した場合、抽出した波形を重ね合わせて平均化（オシロスコープのトリガによるアベレージング機能と同様）した場合、相電流の周期に応じて零相電流の周期が変化しているため、波形が一致せず、正しく平均化することができない。
【００２８】
一方、一周期ごとにフーリエ変換を実施し、同期検波により零相電流の実効値を一周期ごとに演算することによって、相電流の周期変化に追従して物理量（実効値）に変換できる。そのため、相電流の周期変化に依存することなく、正確に零相電流を計測可能である。
【００２９】
なお、以上の説明では、波形処理のために抽出する区間を基本波一周期分とした場合について説明したが、基本波の複数周期分とした場合についても、平均化処理やフーリエ変換等の波形処理を実施してもよい。すなわち、同期検波により求めた零相電流の値に対し移動平均処理等の平均化処理を実施したり、あるいは周期がほとんど変動しない期間ごとに計測波形を抽出して平均化処理を実施したりすることよって、より高精度の絶縁劣化検出が可能となる。
【００３０】
また、零相電流の値に基づき絶縁劣化検出を実施しているが、絶縁抵抗の値に基づき絶縁劣化検出を実施しても問題ない。具体的には、ＶＴ(Voltage Transformer)等の電圧計測機器を用いて相電圧を計測し、相電圧と零相電流の関係から絶縁抵抗を演算することが可能であり、絶縁抵抗の値に基づき絶縁劣化検出を実施することは容易である。
【００３１】
さらに、図３に示す絶縁劣化検出装置１０２は、制御装置２から、有線または無線で構成された情報通信手段（例えば、ケーブル１１）を介して、相電流の大きさや周期等に関する情報を同期検波回路８に直接提供するように構成している。特に、図３に示す形態であれば、相電流の周期や相電圧の値を直接計測しているわけではないため、計測誤差もなく、高精度に絶縁劣化検出を実施することができる。また、電流センサの省略によって装置の小型化が図られる。
【００３２】
以上の説明では、３相交流で駆動する負荷機器を例として説明したが、単相交流や２相交流の場合でも、本発明は同様に実施可能である。さらに、電流センサや零相電流センサは、１個以上であれば問題なく、例えば、３相全てについて相電流を計測し、各相電流の波形から周波数を演算し、各演算値を平均化して計測誤差を減らしたり、計測ミスを比較チェックにより判定したりすることも可能である。
【００３３】
以上、本実施形態では、インバータ駆動される負荷機器に給電する相電流の周期によらず絶縁劣化検出を高精度に実施することができる。
【００３４】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る絶縁劣化検出装置１０３を示す構成図である。ここでは、図１の負荷機器３として電動機１０を用いた場合を説明する。
【００３５】
電動機１０は、インバータ装置１から給電電路６ａ，６ｂ，６ｃを経由して３相の駆動電流を給電することにより任意の回転速度で回転したり、任意の回転角で停止する。制御装置２は、インバータ駆動の制御を行う機能を有し、電動機１０の駆動方式に応じて、三相の駆動電流の波形や大きさや周期等の制御信号をインバータ装置１に伝送する。
【００３６】
電動機１０は、稼動状態に応じて、主に回転状態、待機状態、停止状態の３つに分けることができる。待機状態とは、電動機が回転していない状態のうち、電動機のシャフト軸に外力がかかっても不用意に回転しないよう３相に相電流を給電している状態のことを示す。一方、停止状態とは一切相電流を給電していない状態、すなわち電動機のシャフト軸が外力によって回転してしまう状態のことを示す。通常、電動機を稼動する場合は、停止状態から待機状態を経て回転状態となって、電動機の使用用途に応じた動作を行い、一方、稼動終了時は回転状態から待機状態を経て停止状態となる。
【００３７】
回転指令装置１１は、電動機１０の稼働状態が回転状態、待機状態、停止状態のいずれかとなるように制御装置に指令する。
【００３８】
回転状態の電動機１０における絶縁劣化検出方法は、実施の形態１に記述したものと同様であるため重複説明を省く。
【００３９】
次に、待機状態の電動機１０における絶縁劣化検出について説明する。電動機１０が待機状態の場合、各相に給電する相電流波形はリップルや電源ノイズを含むこともあるが、ほぼ直流波形と見なすことができる。また、シャフト軸の固定位置（角度）によって、それぞれ相電流の値は異なる。なお、各相の浮遊容量を介して漏洩する電流が無視できるほど小さく、抵抗成分等を介して漏洩する電流もない場合は、３相に流れる相電流を足し合わせると零になる。
【００４０】
一方、各相の浮遊容量を介して漏洩する電流が無視できるほど小さいものの、抵抗成分等を介して漏洩する電流が存在する場合、零相電流センサ４を用いて零相電流を検出することができる。ただし、上述したように零相電流はほぼ直流成分であるため、零相変流器や変流器は使用できず、例えば、フラックスゲート電流センサ等の微小直流電流を計測できる零相電流センサ４が必要となる。なお、電流センサ５も同じく直流電流を計測できるセンサが必要となる。
【００４１】
本実施形態では、回転状態、待機状態のいずれの場合においても、絶縁劣化検出が可能であり、電動機１０の停止状態時に給電電路６ａ，６ｂ，６ｃを別電路に切り替え絶縁劣化検出を実施する従来の方式とは大きく異なる。
【００４２】
なお、以上の説明では、零相電流の値に基づき絶縁劣化検出を実施しているが、絶縁抵抗の値に基づき絶縁劣化検出を実施しても問題ない。具体的には、ＶＴ(Voltage Transformer)等の電圧計測機器を用いて相電圧を計測し、相電圧と零相電流の関係から絶縁抵抗を演算することが可能であり、絶縁抵抗の値に基づき絶縁劣化検出を実施することは容易である。
【００４３】
また、同期電動機や誘導電動機の場合、相電圧は電動機１０の回転数や給電する相電流を数式で関連付けることができ、電動機１０の回転数も相電流の周波数と数式で関連付けることができる。すなわち、電流センサ５で相電流を計測し、相電流の実効値、相電流の周波数を演算することができれば、容易に相電圧を演算することができる。
【００４４】
即ち、同期電動機や誘導電動機の場合、電動機に給電する電流はｄ軸電流とｑ軸電流からなる。ｑ軸電流は回転に寄与する電流成分であり、ｄ軸電流は回転に寄与しない電流成分であるため、省エネの観点から、回転に寄与しないｄ軸電流は零となるように制御がなされるのが一般的である。つまり、電動機の相電圧はｑ軸電流に比例した値となる。
【００４５】
絶縁劣化検出を実施する場合、相電圧の値が大きいほどより高精度な絶縁劣化検出を実施することができる。その理由として、零相電流センサの計測感度が挙げられる。特に、零相電流センサの中でも微小電流を計測できる特徴を有する零相変流器は、構成磁性部材としてＰＣパーマロイと呼ばれる材料がしばしば使用される。しかし、焼鈍工程の熱処理条件や材料組成、磁性材への応力等により、磁気特性が変動し、特にＢ−Ｈカーブの原点付近の非線形領域におけるＢ−Ｈカーブの再現性が悪いといった課題を有する。特に、微小電流検出には原点付近の非線形領域を用いるため、計測ばらつきを有し、実質精度良く計測できるのは数ｍＡ以上である。
【００４６】
一方、健全状態における電動機の絶縁抵抗は数ＭΩ以上であり、例えば、絶縁抵抗１０ＭΩ、相電圧１００Ｖとした場合、漏洩電流は１０μＡである。これからもわかるように、絶縁劣化検出を高精度に実施するためには、可能な限り相電圧を大きくし、漏洩電流を大きくすることが有効である。
【００４７】
そこで、絶縁劣化検出時のみ、ｑ軸電流に加え、回転に寄与しないｄ軸電流を給電し、相電圧を増加させることによって、高精度に絶縁劣化検出を実施することができる。ｄ軸電流を増加させ、相電圧を増加させる手法は電動機が回転時、待機時のいずれにおいても有効である。特に、待機時において給電するｄ軸電流が交流成分の場合、直流から交流成分を計測することができる電流センサや零相電流センサを選定する必要があることに留意する。
【００４８】
また、図３と同様に、制御装置２から有線または無線で構成された情報通信手段を介して、相電流の大きさや周期等に関する情報を直接同期検波回路に提供する形態でも本発明は実施可能である。また、３相交流で駆動する電動機１０のみならず、単相交流や２相交流で駆動する場合についても、同様に絶縁劣化検出を実施することができる。
【００４９】
さらに本実施形態では、電動機１０に本発明の実施の形態１を適用した場合について説明したが、例えば、絶縁劣化検出回路９０や電流センサ５がなくても、絶縁劣化検出を実施することは可能である。
【００５０】
以上、本実施形態では、インバータ駆動される電動機が回転状態、待機状態のいずれの場合においても、絶縁劣化検出を高精度に実施することができる。
【００５１】
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る絶縁劣化検出装置１０４を示す構成図である。絶縁劣化検出装置１０４は、図４に示した構成とほぼ同じであるものの、各相の相電流を計測する手段として、各相の相電流を計測する電流センサ５と、各相の絶縁抵抗値を演算する絶縁抵抗演算回路１２とをさらに備える。また、実施の形態２では電動機１０の給電電路６ａ，６ｂ，６ｃから漏洩する電流の総和、すなわち零相電流に基づいて絶縁劣化を検出していたが、本実施形態では、電動機の給電電路６ａ，６ｂ，６ｃの各相から漏洩する電流に基づいて各相の絶縁劣化を検出する。
【００５２】
電動機１０の各相における絶縁抵抗をＲｕ，Ｒｖ，Ｒｗとし、電動機１０の各相のインピーダンスをＲｍとし、Ｒｍが各相バランスしており全て同じ値とした場合、等価回路は図６のようになる。
【００５３】
次に、各相の絶縁抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗの算出方法について説明する。漏洩電流Ｉｇは、各相の相電流Ｉｄｕ，Ｉｄｖ，Ｉｄｗを用いて、下記の式（１）で表せる。
【００５４】
【数１】
2010100998.tif 000003
【００５５】
式（１）に示した各相の相電流Ｉｄｕ，Ｉｄｖ，Ｉｄｗの値は、シャフト軸の待機位置（角度）に応じた値となるため、待機位置（角度）が異なればそれぞれ値も異なる。即ち、各相の絶縁抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗに反比例した３つの係数α，β，γは未知数であるものの、シャフト軸を少なくとも３回以上異なる位置（角度）で待機させ、その都度、各相の相電流および零相電流（漏洩電流）を計測することによって、未知数と同数の連立方程式を立てることができ、結果的に係数α，β，γの値を算出することができる。
【００５６】
なお、電動機１０のインピーダンスＲｍが不明であっても、上記係数α，β，γが既知であれば、漏洩電流は定量的に評価可能である。また、インピーダンスＲｍを事前に測定しておくことで、各相の絶縁抵抗の値を演算することができ、また異常相の特定も可能である。もちろん、各相の絶縁抵抗を演算できれば、等価回路から電動機１０の絶縁抵抗を演算するのは容易であることは言うまでもない。
【００５７】
また、シャフト軸の固定位置（角度）や固定回数は電動機の使用環境や駆動相数によって異なるが、上に述べたのは駆動相数が３相交流の場合であって、２相交流の場合は少なくとも２回以上、単相交流の場合は少なくとも１回以上、異なる固定位置（角度）でシャフト軸を待機させることで未知数と同数の連立方程式を立てることができる。
【００５８】
さらに、ユーザの電動機の使用環境によっても異なるが、稼動時に回転を一旦待機させる動作を複数回挟み、３回以上異なる位置（角度）で待機する場合、上述の方法で絶縁劣化を検出することができる。すなわち、電動機の稼動開始時および稼動終了時を除く通常稼動時において、特別検査モード等も用意せずとも絶縁劣化を検出できる。
【００５９】
もし、通常稼動時に、回転を一旦待機できない場合や所定回数異なる位置で待機できなかった場合は、電動機の稼動開始時もしくは稼動終了時に必ず待機状態を確保できるため、その際、例えば、検査モードに設定して、所要回数を満たすまで計測を実施し、所要回数を満たした際に連立方程式の解を演算することで絶縁劣化を検出することができる。また、稼動終了時を除く通常稼動時において、各相の絶縁抵抗を演算できなかった場合、稼動終了時において、検査モードに設定して、所要回数を満たすまで計測を実施することもできる。
【００６０】
なお、以上の説明では、３つの電流センサ５を用いて各相の相電流を計測しているが、例えば、電流センサ５を３相のうちいずれか２相に設け、残り１相は３相の総和が零（相電流の値に比べ漏洩電流の値が十分小さいものとする）である関係から逆算して求めても構わない。一般に、Ｎ相駆動の場合（Ｎは自然数）、Ｎ−１個の電流センサ５を用いて（Ｎ−１）相の相電流をそれぞれ実測し、残り１相の相電流は、Ｎ相の相電流総和が零である関係から算出できる。
【００６１】
また、図３と同様に、制御装置２から有線または無線で構成された情報通信手段を介して、相電流の大きさや周期等に関する情報を直接絶縁抵抗演算回路に提供する形態でも本発明は実施可能である。
【００６２】
また、実施の形態２でも述べたように、絶縁劣化検出時のみ、回転に寄与しないｄ軸電流を電動機に給電し、相電圧を増加させることも絶縁劣化検出の高精度化に有効である。
【００６３】
以上、本実施形態では、電動機の待機状態において得られる電流センサ５や零相電流センサ４の出力から各相の絶縁抵抗を演算することができ、異常相の測定等が可能となる。
【００６４】
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る絶縁劣化検出装置１０５を示す構成図である。絶縁劣化検出装置１０５は、図１に示した構成とほぼ同じであるものの、絶縁劣化検出回路９３が２つの信号の位相を一致させる位相補正回路１３をさらに備える。
【００６５】
零相電流センサ４および電流センサ５として、例えば、零相変流器や変流器を用いた場合、零相変流器や変流器に接続する負担抵抗の値によって、入力信号に対する出力信号に位相差が生じることがあり、結果的に零相電流センサ４の出力と電流センサ５の出力に位相差がある場合がある。
【００６６】
以下、零相電流センサ４の出力と電流センサ５の出力に位相差がある場合の問題点について説明する。
【００６７】
まず、零相電流センサ４および電流センサ５の入出力位相差情報については、個々のセンサ単体を評価することによって予め取得しておく。
【００６８】
図８は、零相電流センサ４と電流センサ５の各出力に位相差がない場合の波形処理の概略説明図である。位相差がない場合、計測した相電流波形２１から、一周期に相当する期間を抽出し、相電流と同時計測を行った零相電流波形２２から、当該期間と同じ期間の波形を抽出する。この場合、相電流の周期が一定周期であっても、可変周期であっても、零相電流波形の抽出波形は相電流の一周期と同じである。
【００６９】
一方、図９は、零相電流センサ４と電流センサ５の各出力に位相差がある場合の波形処理の概要説明図である。位相差がある場合、計測した相電流波形２１から、一周期に相当する期間を抽出し、相電流と同時計測を行った零相電流波形２２から、当該期間と同じ期間の波形を抽出する。この場合、相電流の周期が一定周期であれば問題はないが、相電流の周期が可変周期であれば、零相電流波形の抽出波形は相電流の一周期とはならない。即ち、位相差を考慮しなければ、フーリエ変換後の結果は誤差を有することになる。
【００７０】
次に、位相補正の方法について説明する。入力電流（基準信号）に対する零相電流センサ４の入出力位相差φ１および、入力電流（基準信号）に対する電流センサ５の入出力位相差φ２をセンサ単体評価によって予め取得しておく。例えば、零相電流センサ４および電流センサ５に６０Ｈｚ、１Ａの電流を１次電流として入力し、出力波形との位相差を実験的にオシロスコープ等で観察してもよく、入力電流の大きさや周波数をそれぞれ変化させた場合における入出力位相差の関係を実験データの統計処理によって取得するのがより好ましい。
【００７１】
上述したように、零相電流センサ４の出力と電流センサ５の出力との位相差を零にするためには、零相電流センサ４および電流センサ５のいずれかの出力波形の位相を位相差φ１−φ２が零となるように補正する必要がある。例えば、位相差φ１−φ２が、入力電流の周波数に対して一定の場合は、ある一定位相シフトするようにアナログ回路からなる位相補正回路１３を構成することが好ましい。また、位相差φ１−φ２が、入力電流の周波数に対して可変である場合は、入出力位相差の関係をメモリ等に予め記憶させておいて、デジタル回路からなる位相補正回路１３を構成することが好ましい。
【００７２】
以上、本実施形態では、零相電流センサ４の出力と電流センサ５の出力に位相差がある場合、その位相差を零、すなわち零相電流波形２１と相電流波形２２の周期を一致させる位相補正回路１３を設けることで、絶縁劣化検出を高精度に実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、インバータ駆動される機器における絶縁劣化を検出できる点で産業上極めて有用である。
【符号の説明】
【００７４】
１  インバータ装置、  ２  制御装置、  ３  負荷機器、  ４  零相電流センサ、
５  電流センサ、  ６ａ，６ｂ，６ｃ  給電電路、  ７  周波数演算回路、
８  同期検波回路、  ９  表示器、  １０  電動機、  １１  ケーブル、
１２  絶縁劣化診断装置、  １３  位相補正回路、
２１  電流センサの出力波形、  ２２  零相電流センサの出力波形、
９０、９１、９２  絶縁劣化検出回路、
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５  絶縁劣化検出装置。
【図１】
2010100998.tif 000004
【図２】
2010100998.tif 000005
【図３】
2010100998.tif 000006
【図４】
2010100998.tif 000007
【図５】
2010100998.tif 000008
【図６】
2010100998.tif 000009
【図７】
2010100998.tif 000010
【図８】
2010100998.tif 000011
【図９】
2010100998.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月1日(2011.8.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ駆動される電動機における絶縁劣化を検出する装置であって、
インバータ装置と電動機との間の給電電路に設けられ、給電電路の零相電流を計測する零相電流計測手段と、
電動機の回転を待機させるための指令制御手段と、
電動機がＮ相駆動される場合（Ｎは自然数）、少なくとも（Ｎ―１）相の相電流の値を計測する手段と、
各相の絶縁抵抗を演算する演算手段とを備え、
零相電流計測手段は、回転待機時に外力がかかってもシャフト軸が回転しないように各相に給電する相電流の総和を計測し、
演算手段は、電動機のシャフト軸の固定位置がＮ個以上異なる状態で計測した零相電流および各相の相電流の値から、各相の絶縁抵抗を演算することを特徴とする絶縁劣化検出装置。
【請求項２】
電動機の稼動開始時および稼動終了時を除く通常稼動時において、絶縁劣化検出を実施することを特徴とする請求項１記載の絶縁劣化検出装置。
【請求項３】
電動機の稼動開始時または稼動終了時に設定された検査モードにおいて、絶縁劣化検出を実施することを特徴とする請求項１記載の絶縁劣化検出装置。
【請求項４】
電動機の稼動終了時を除く通常稼動時において、各相の絶縁抵抗を演算できなかった場合は、電動機の稼動終了時に設定された検査モードにおいて、各相の絶縁抵抗を演算するために不足分の計測を実施することを特徴とする請求項１記載の絶縁劣化検出装置。
【請求項５】
インバータ駆動される電動機における絶縁劣化を検出する装置であって、
インバータ装置と電動機との間の給電電路に設けられ、給電電路の零相電流を計測する零相電流計測手段と、
電動機の回転を待機させるための指令制御手段とを備え、
零相電流計測手段は、回転待機時に外力がかかってもシャフト軸が回転しないように各相に給電する相電流の総和を計測し、
電動機に給電する電流成分において、絶縁劣化検出時のみ、トルクに無効な電流成分を増加させ、相電圧を増加させることを特徴とする絶縁劣化検出装置。
【請求項６】
インバータ駆動される電動機における絶縁劣化を検出する装置であって、
インバータ装置と電動機との間の給電電路に設けられ、給電電路の零相電流を計測する零相電流計測手段と、
電動機の回転を待機させるための指令制御手段と、
各相の絶縁抵抗を演算する演算手段を備え、
零相電流計測手段は、回転待機時に外力がかかってもシャフト軸が回転しないように各相に給電する相電流の総和を計測し、
演算手段は、相電流の値及び相電流の周波数から相電圧の値を演算し、相電圧の値と計測した零相電流の値から、絶縁抵抗を演算することを特徴とする絶縁劣化検出装置。
【請求項７】
インバータ駆動される負荷機器における絶縁劣化を検出する装置であって、
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の給電電路に設けられ、給電電路の零相電流を計測する手段と、
インバータ装置から少なくとも１相以上の相電流の周波数を取得する手段と、
零相電流の計測結果に対して信号解析を実施する信号解析手段とを備え、
信号解析手段は、計測した零相電流信号に対してフーリエ変換を実施し、相電流の基本波成分に相当する信号のみを抽出することを特徴とする絶縁劣化検出装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、インバータ駆動される電動機における絶縁劣化を検出する装置であって、
インバータ装置と電動機との間の給電電路に設けられ、給電電路の零相電流を計測する零相電流計測手段と、
電動機の回転を待機させるための指令制御手段と、
電動機がＮ相駆動される場合（Ｎは自然数）、少なくとも（Ｎ―１）相の相電流の値を計測する手段と、
各相の絶縁抵抗を演算する演算手段とを備え、
零相電流計測手段は、回転待機時に外力がかかってもシャフト軸が回転しないように各相に給電する相電流の総和を計測し、
演算手段は、電動機のシャフト軸の固定位置がＮ個以上異なる状態で計測した零相電流および各相の相電流の値から、各相の絶縁抵抗を演算する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
また本発明は、インバータ駆動される電動機における絶縁劣化を検出する装置であって、
インバータ装置と電動機との間の給電電路に設けられ、給電電路の零相電流を計測する零相電流計測手段と、
電動機の回転を待機させるための指令制御手段とを備え、
零相電流計測手段は、回転待機時に外力がかかってもシャフト軸が回転しないように各相に給電する相電流の総和を計測し、
電動機に給電する電流成分において、絶縁劣化検出時のみ、トルクに無効な電流成分を増加させ、相電圧を増加させる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また本発明は、インバータ駆動される電動機における絶縁劣化を検出する装置であって、
インバータ装置と電動機との間の給電電路に設けられ、給電電路の零相電流を計測する零相電流計測手段と、
電動機の回転を待機させるための指令制御手段と、
各相の絶縁抵抗を演算する演算手段を備え、
零相電流計測手段は、回転待機時に外力がかかってもシャフト軸が回転しないように各相に給電する相電流の総和を計測し、
演算手段は、相電流の値及び相電流の周波数から相電圧の値を演算し、相電圧の値と計測した零相電流の値から、絶縁抵抗を演算する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
また本発明は、インバータ駆動される負荷機器における絶縁劣化を検出する装置であって、
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の給電電路に設けられ、給電電路の零相電流を計測する手段と、
インバータ装置から少なくとも１相以上の相電流の周波数を取得する手段と、
零相電流の計測結果に対して信号解析を実施する信号解析手段とを備え、
信号解析手段は、計測した零相電流信号に対してフーリエ変換を実施し、相電流の基本波成分に相当する信号のみを抽出する。
【国際調査報告】
2010100998.tif 000013
2010100998.tif 000014
2010100998.tif 000015
2010100998.tif 000016