具有电机绝缘性检查功能的逆变器系统的制作方法

具有电机绝缘性检查功能的逆变器系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年11月2日提交的日本专利申请第2020-183819号的优先权，该日本专利申请的全部内容(包括说明书、权利要求、附图和摘要)以引用的方式并入本文。
技术领域
3.本发明公开了逆变器系统，该逆变器系统具有检查待驱动电机的绝缘电阻的功能。


背景技术：

4.在制造设施中，由于突然的故障会影响生产率，因此期望的是预先检测任何故障并进行预防性维护。特别是在执行金属加工的机床中，经常出现以下故障：用于加工的水基切削液形成湿气，该湿气附着并渗透到电机中，并且引起绝缘性劣化。因此，期望对电机绝缘电阻进行检查和诊断。
5.在早期，为了诊断电机绝缘电阻，在机器的非操作时段期间将电机与逆变器断开，以便使用绝缘电阻测试仪测量电机绝缘电阻，并且周期性地执行该过程。然而，近年来在复杂的机器结构中，通过断开电机来执行检查需要大量的工作量和时间，因此这种检查工作不可避免地降低了生产率。
6.为了减少电机绝缘性检查的工作量，设计了利用逆变器的功能来测量绝缘电阻的技术。例如，在专利文献1中，配置有电阻器r1和r2并且从逆变器dc(直流)母线的负电压侧连接的分压器电路(如图4所示)经由开关sw2耦合到地，并且此时，通过同时地接通构成逆变器的半导体元件，形成了包括电机绝缘电阻rx的闭合电路，并且对分压器电路中出现的电压进行检测。此时，通过断开开关sw1，从ac电源切断逆变器电路。
7.在图4中，当开关sw2和位于逆变器上侧的任意一个半导体元件接通时，电流经由以下路径流过电阻器r1：dc母线的正电压侧
→
逆变器元件
→
电机线路
→
电机绝缘电阻rx
→
地
→
电阻器r2
→
开关sw2
→
电阻器r1
→
dc母线的负电压侧。通过检测电阻器r1中出现的电压，可以导出作为测量目标的电机绝缘电阻rx值。
8.然而，在实际的逆变器系统中，由于存在来自构成逆变器和转换器的半导体元件的漏电流以及存在由逆变器系统内的其他构成部件引起的漏电流，所以无法准确地计算电机绝缘电阻rx值。特别地，在将多个逆变器连接到单个dc母线以便控制多个电机的系统中，测量准确度趋于劣化。这个问题通过参考图5来解释。电机a是测量目标电机，逆变器a的上侧半导体元件中的一者被接通，以将dc母线正侧的电压施加到电机a。关于电机b，尽管逆变器b的所有半导体元件都是断开的，但是漏电流i
l1
、i
l2
、i
l3
流过这些半导体元件，并且这些电流经由电机b的绝缘电阻rx2流到电阻器r1。因此，电阻器r1中出现的电压除了反映电机a的绝缘电阻rx1之外，还包括由于电机b的绝缘电阻rx2所引起的误差分量。
9.为了解决该问题，例如，在专利文献2中，通过接通逆变器b的所有下侧半导体元件，从而将dc母线的负侧电压施加到电机b，当开关sw2接通时施加到电机的电压被设置成
接近地的电势，从而防止漏电流的流动。
10.引用列表
11.专利文献
12.专利文献1：jp2009-204600a
13.专利文献2：jp2015-169479a
14.专利文献3：wo2013/018411a
15.虽然上述专利文献1和2公开了试图消除除测量目标电机之外的任意电机中的绝缘电阻的影响的技术，但是在实际的逆变器系统中，存在使绝缘电阻测量的准确度劣化的额外因素。这些因素通过参考图3来解释。图3所示的逆变器系统被配置成使得转换器3可以使用半导体元件(例如igbt)执行可逆转换，并且用于回收来自负载电机7的再生电力。对于非常频繁地执行加速和减速操作的应用(例如机床主轴驱动应用)，电力再生是不可缺少的，因此，这种逆变器系统被普遍使用。
16.在执行电力再生的转换器3中，由于通过开关控制使电流在ac(交流)电源线路中流动，所以通常在转换器3与ac电源1之间插入线路滤波器2，以平滑电流。如图3所示，该线路滤波器2通常用电抗器和电容器配置，并且作为电容器，通常并联连接有约几百kω的放电电阻器。
17.当将专利文献1和专利文献2中公开的绝缘电阻测量方法应用于如图3所示的逆变器系统时，不仅反映了测量目标电机绝缘电阻，而且来自转换器3的半导体元件的漏电流也包括在经由位于线路滤波器2内的放电电阻器流向检测电阻器rr的电流中，因此在所检测的电压中出现误差。进一步地，虽然线路滤波器2可以被配置成不使用放电电阻器，但是在这种情况下，由于电容器中累积的电压而导致漏电流流动，这也成为误差因素。另外，线路滤波器2的电抗器的绝缘电阻rf的存在也作为另一个误差因素。由此可见，存在由于这些多个误差因素而无法准确地测量电机绝缘电阻的问题。
18.进一步地，专利文献3公开了，在存在来自构成逆变器的半导体元件的漏电流、或来自逆变器的dc母线电路的漏电流时，无法准确地测量电机绝缘电阻。作为解决该问题的措施，在测量绝缘电阻时，专利文献3公开了，首先，在逆变器的半导体元件处于断开状态的同时进行测量，并且当在该时刻检测到预定值或更高的绝缘电阻时，停止测量电机绝缘电阻的过程。换言之，存在有在呈现上述误差因素时无法测量电机绝缘电阻的问题。


技术实现要素：

19.本发明公开的一种具有电机绝缘性检查功能的逆变器系统包括：转换器，其将从ac电源供应的ac电力转换成dc电力，并且将dc电力输出到dc母线；第一开关，其接通和断开转换器与ac电源之间的连接；逆变器，其包括多个半导体元件，并且将在dc母线上充电的dc电力转换成ac电力并且将ac电力施加到电机；电容器，其平滑dc母线中的dc电力；电阻器，其从dc母线的正电压侧或负电压侧中的一者连接到地；第二开关，其接通和断开电阻器与地之间的连接路径；第一电压检测电路，其检测电阻器两端的端电压；以及控制器，其控制逆变器系统的驱动。控制器被配置成执行：充电处理，其包括接通第一开关并对电容器充电；第一检测处理，包括在充电处理之后，在逆变器、转换器以及第一开关全部处于断开状态时，接通第二开关，然后获得来自第一电压检测电路的输出作为第一端电压；第二检测处
理，其包括在充电处理之后，在转换器和第一开关两者处于断开状态时，接通第二开关，并且接通逆变器的半导体元件中的连接至dc母线的正电压侧或负电压侧中的另一者的任意元件，然后获得来自第一电压检测电路的输出作为第二端电压；以及检查处理，其包括在第一检测处理和第二检测处理之后，至少基于第一端电压和第二端电压来检查电机的绝缘电阻的质量。
20.在上述配置中，逆变器系统还包括第二电压检测电路，其检测dc母线的电压。控制器可以：在第一检测处理中，另外获得来自第二电压检测电路的输出作为第一dc母线电压；在第二检测处理中，另外获得来自第二电压检测电路的输出作为第二dc母线电压；以及在检查处理中，基于第一dc母线电压、第二dc母线电压、第一端电压、第二端电压以及电阻器的电阻值来计算电机的绝缘电阻。
21.在上述配置中，控制器可以根据下面的等式1计算电机的绝缘电阻rx，其中，e
dc1
表示第一dc母线电压，e
dc2
表示第二dc母线电压，e
r1
表示第一端电压，e
r2
表示第二端电压，并且rr表示电阻器的电阻值。
[0022][0023]
根据本发明中公开的具有电机绝缘性检查功能的逆变器系统，通过消除例如包括在线路滤波器中的放电电阻、除测量目标之外的任意电机的绝缘电阻、以及线路滤波器的电抗器的绝缘电阻的误差因素的影响，可以准确地测量测量目标电机的绝缘电阻。因此，可以消除定期断开电机并检查其绝缘电阻以进行预防性维护的维护工作的需要。
附图说明
[0024]
将基于以下附图来描述本发明的一个或多个实施例，附图中：
[0025]
图1是逆变器系统的配置图；
[0026]
图2是例示了用于测量电机绝缘电阻的操作的流程图；
[0027]
图3是解释逆变器系统中的绝缘电阻测量中的问题的图；
[0028]
图4是根据背景技术的逆变器系统的配置图；以及
[0029]
图5是根据背景技术的另一逆变器系统的配置图。
[0030]
附图标记列表
[0031]
1：ac电源、2：线路滤波器、3：转换器、4：dc母线、5：电容器、6：逆变器、7：电机、8：第二电压检测电路、9：第一电压检测电路、10：控制器。
具体实施方式
[0032]
图1是逆变器系统的配置图。ac电源1经由第一开关sw1连接到线路滤波器2。通过线路滤波器2的三相ac电力被输入到转换器3中，以便将三相ac电力转换成dc电力，该dc电力输出到dc母线4。用于平滑dc电力的电容器5连接到dc母线4。
[0033]
dc母线4连接到逆变器6的dc输入端子。逆变器6通过执行半导体元件的开关控制将dc电力转换成ac电力，并将该ac电力施加到电机7。
[0034]
电机7具有以下结构：线圈容纳在金属(即，导电)机壳内，并且机壳与线圈之间的
绝缘性由绝缘材料提供。然而，当由于长期使用而使湿气渗入机壳时，绝缘电阻降低，并且漏电流在线圈与机壳之间流动。在图1中，该绝缘电阻由rx表示。由于机壳被固定到机器主体，因此流过绝缘电阻rx的漏电流相应地流出到机器主体。控制器10实现第一开关sw1和第二开关sw2以及构成转换器3和逆变器6的半导体元件的接通和断开。控制器10还执行下面进一步解释的步骤0至步骤4，从而基于下面描述的第一电压检测电路9和第二电压检测电路8的检测值来检查电机7的绝缘电阻rx。控制器10例如用包括处理器和存储器的计算机配置。
[0035]
在如上所述的逆变器系统中，为了测量电机7的绝缘电阻rx，电阻器rr从dc母线4的负电压侧连接并且经由第二开关sw2耦合到地(即机器主体)。虽然在本示例中电阻器rr连接到dc母线4的负电压侧，但是替代性地电阻器rr也可以连接到正电压侧。在连接到正电压侧的情况下，通过在下述半导体元件的操作中使正电压侧(或上侧)和负电压侧(或下侧)彼此交换，可以实现等同的功能。在逆变器系统中，设置用于检测电阻器rr两端的端电压(across voltage)的第一电压检测电路9和设置用于检测dc母线4的dc电压的第二电压检测电路8。
[0036]
现在将参考图2的流程图来描述用于检查绝缘电阻rx的操作序列。
[0037]
《步骤0》
[0038]
在测量过程中，首先，检查开关sw1的状态。在由于一些原因(例如电机7在测量过程开始之前已处于操作中)已接通第一开关sw1的情况下，电容器5处于利用dc电压充电的状态。在这种情况下，过程简化地进行到步骤1。另一方面，在第一开关sw1在测量过程开始时处于断开状态并且电容器5未充电的情况下，暂时接通第一开关sw1，以便对电容器5充电。
[0039]
《步骤1》
[0040]
当电容器5充电时，随后向逆变器6和转换器3的半导体元件施加断开信号，并且还断开第一开关sw1。此时，电容器5保持利用dc电压充电的状态，并且该dc电压将用于执行测量操作。
[0041]
《步骤2》
[0042]
接着，接通第二开关sw2。此时，逆变器6和转换器3处于断开状态，并且由于来自半导体元件的漏电流，由图3中虚线指示的电流流经电阻器rr。此时，第二电压检测电路8将dc母线4的dc电压检测为第一dc母线电压e
dc1
，并且第一电压检测电路9将电阻器rr两端的端电压检测为第一端电压e
r1
。
[0043]
《步骤3》
[0044]
接着，向逆变器6的上侧半导体元件中的任一者施加接通信号，其中逆变器6驱动作为测量目标的电机7。在该电机中，由于线圈通常在内部彼此连接，所以简单地接通三相中的任意一相就足够了。随后，将电阻器rr两端的端电压检测为第二端电压e
r2
，并且将dc母线电压检测为第二dc母线电压e
dc2
。
[0045]
此时，由于dc母线4的dc电压被施加到电机7，所以流过绝缘电阻rx的任意电流流向电阻器rr。在绝缘电阻rx足够高并且没有电流流过其中的情况下，第二端电压e
r2
变成等于在上述步骤2中检测到的第一端电压e
r1
。另一方面，在rx减小的情况下，电流增加，使得e
r1
＜e
r2
保持为真，并且流过rx的电流被检测为电流的增加。
[0046]
在步骤3中检测到的第二dc母线电压e
dc2
基本上等于第一dc母线电压e
dc1
。然而，当从步骤2进行到步骤3花费相对长的时间时，电容器5由于放电其dc电压降低，使得e
dc1
＞e
dc2
保持为真。
[0047]
在此，步骤2与步骤3之间的时间差解释如下。如上所述，在步骤2中检测到的第一端电压e
r1
是由来自半导体元件的漏电流引起的。通常已知的是，来自半导体元件的漏电流根据元件温度而变化。因此，通过在步骤3之前立即执行步骤2，可以在大致相同的温度环境下检测第一端电压e
r1
和第二端电压e
r2
，因此可以进行高度准确的绝缘电阻测量。
[0048]
《步骤4》
[0049]
使用在上述步骤中获得的e
r1
、e
r2
、e
dc1
和e
dc2
的值根据下面的等式来计算电机绝缘电阻rx。
[0050][0051]
虽然以上描述例示了示例(其中，在步骤2中，在所有半导体元件处于断开状态的同时进行测量)，但是也可以替代性地向位于dc母线负电压侧上的半导体元件施加接通信号。在这种情况下，可以减少来自半导体元件的漏电流，因此可以进一步提高绝缘电阻rx的测量准确度。进一步地，可以交换步骤2和步骤3的按顺序次序的位置来执行步骤2和步骤3。换言之，在步骤2之前执行步骤3的情况下，首先检测e
r2
和e
dc2
，随后检测e
r1
和e
dc1
，但是可以根据上述等式以相同的方式计算绝缘电阻rx。
[0052]
虽然以上描述提及包括逆变器和电机中的各一者的示例，但是本发明可以类似地在如图5所示的驱动两个或更多个电机的逆变器系统中实现。在这种情况下，在执行一次步骤2之后，以与电机数量相对应的次数来重复地执行步骤3和步骤4，从而计算各个电机的绝缘电阻rx值。当电机的数量很多时，dc母线4的dc电压在重复地执行步骤3和步骤4的时间期间逐渐降低，这导致测量准确度的劣化。例如，通过在每次进行针对一个电机的测量时增加执行一次步骤2的操作，可以防止这种测量准确度的降低。
[0053]
进一步地，当期望简化计算绝缘电阻rx的处理时，可以仅使用在步骤2和步骤3中获得的e
r1
和e
r2
来基于这些值之间的差(即，e
r2-e
r1
)确定绝缘电阻rx的近似值。即，由于差(e
r2-e
r1
)在绝缘电阻rx劣化时增加，所以可以将差(e
r2-e
r1
)与预定的阈值进行比较，并且当差超过阈值时，可以确定绝缘电阻rx不足。当使用该处理时，必须在短时间内连续执行步骤2和步骤3。由于dc母线电压的任意变化在该时间期间足够小，因此e
dc1
≈e
dc2
可以被假设为保持为真。