电机驱动装置.pdf

本发明提供一种电机驱动装置，其可以低成本地预报电机绝缘恶化。当电机驱动放大器没有运作时，继电器触片K1打开或闭合以形成一个闭合电路，该电路由电机机壳接地点G2、电机线圈、电阻R1、R2、继电器触片K1、二极管D4、D5、D6、AC电源和接地点G1组成。当电机绝缘阻抗较高时，流经闭合电路的电流较小，从而电阻R1两端的电势差较小。如果电机绝缘恶化，则泄漏电流增加。如果电阻R1两端的电势差超过由齐纳二极管确定的参考电压，则从比较器输出一输出信号，从光电耦合器输出一信号，并且绝缘阻抗的减小被指示于控制单元的指示器上。这样可以容易地以低成本来预报电机的绝缘恶化，从而防止了因泄漏电流等引起的运作的忽然停止。

1.  一种使用接地AC电源驱动电机的电机驱动装置，包括：电机驱动单元，该电机驱动单元用于将来自接地AC电源的交流电整流成为直流电、并且将整流了的直流电转换成为交流电以驱动电机；
与电机线圈串联连接的检测电阻；
用于将通过整流AC电源的接地电压得到的DC电压经过所述检测电阻施加给电机线圈的装置；以及
当DC电压被施加时检测所述检测电阻终端之间电压的电压检测电路。

2.  根据权利要求1所述的电机驱动装置，进一步包括用于比较由所述电压检测电路检测到的电压和参考值的比较器，以及当检测到的电压超过参考值时输出异常信号的装置。

3.  根据权利要求1所述的电机驱动装置，进一步包括用于A/D转换所述电压检测电路检测到的电压的A/D转换器，其中代表经A/D转换过的电压值的信号被输出并且被显示于显示装置上。

4.  根据权利要求3所述的电机驱动装置，进一步包括用于存储经A/D转换过的电压值的存储器，其中代表存储于所述存储器中的经A/D转换过的电压值的信号被输出并且被显示于显示装置上。

5.  根据权利要求1所述的电机驱动装置，进一步包括用于A/D转换所述电压检测电路检测到的电压的A/D转换器，其中异常信号在经A/D转换过的电压值超过参考值时被输出。

6.  根据权利要求5所述的电机驱动装置，进一步包括用于存储代表不同的电机或电机驱动单元规格的预定参考值的存储器，以及连接到所述A/D转换器和所述存储器的微型计算机，其中所述微型计算机从所述存储器中读取相应于使用中的电机或电机驱动单元的规格的预定参考值，比较经A/D转换过的电压值与读取的参考值，并且在经A/D转换过的电压值超过读取的参考值时输出异常信号。

7.  根据权利要求5所述的电机驱动装置，进一步包括用于检测AC电源的接地电压的装置，用于存储代表不同的AC电源的接地电压的参考值的存储器，以及连接到所述A/D转换器和所述存储器的微型计算机，其中所述微型计算机读取相应于检测到的AC电源地接电压的参考值，比较A/D转换过的电压值与读取的预定参考值，并且在A/D转换过的电压值超过读取的预定参考值时输出异常信号。

8.  根据权利要求5所述的电机驱动装置，进一步包括用于检测AC电源的接地电压的装置，用于存储代表不同的AC电源的接地电压和不同的电机或电机驱动单元规格的预定参考值的存储器，以及连接到所述A/D转换器和所述存储器的微型计算机，其中所述微型计算机读取相应于检测到的AC电源接地电压和使用中的电机或电机驱动单元的规格的参考值，比较A/D转换过的电压值与读取的参考值，并且在A/D转换过的电压值超过读取的参考值时输出异常信号。

9.  根据权利要求1所述的电机驱动装置，其中所述电压检测电路具有启动和停止电压检测的开关，并且当电机没有被电机驱动单元驱动时电压检测通过所述开关而被启动。

电机驱动装置
技术领域
本申请涉及一种可以探测电机绝缘恶化程度的电机驱动装置。
背景技术
在经过长时间使用以后，电机必然会产生由使用环境及其它原因引起的绝缘恶化。当由电机绝缘恶化导致的电流泄漏使得漏电断路器运作时，使用电机的装置就会突然停止操作。由于在这种情况下不清楚问题是出在电机中还是电机驱动系统，因而需要很长的时间来确定突然停止的原因所在。因此，使用电机的装置，以及生产线就得持续停止一段延长时间。
前述的泄漏电流检测方法通常用于确定电机的绝缘恶化程度。可由泄漏检测器如泄漏保护继电器或类似的电装置检测到的泄漏电流，典型地为大约15mA，可检测到的电流最小极限大约为3mA。由此，电机绝缘恶化程度只能在其恶化到一定程度以后才能被检测到。
对于空调机，有一种建议使用的的方法，该方法能早期发现空调机压缩机中的电机绝缘恶化从而防止空调机无法运作(JP-A-2001-141795)。在这种方法中，在电机停止的过程中，将一系列高频率脉冲施加于将DC电压转换为任意频率的任意电压的电源转换器的一个晶体管上，从而将高频电压施加于电机上。然后，通过整流和过滤三相AC电源(或预设电压)和电机电流(流经施加有高频电压的电机的泄漏电流)来检测得到的DC电压。在检测到的DC电压和电机电流的基础上，可以就计算出绝缘阻抗，并且当算出的绝缘阻抗低于预设的绝缘阻抗时就会发出警报。还有另一种建议使用的方法，该方法计算出电机绝缘阻并且预报绝缘的恶化，但该方法是使晶体管具有传导性而不是给其施加高频脉冲。
如上所述，漏电检测器仅仅在恶化升级以后才能检测到电机绝缘的恶化。而且，当由泄漏引起突然停机时，必须整个系统包括装置、生产线等停止运作来确定停机的原因是在电机中还是电机驱动装置中或其它的外围设备中。此外，泄漏检测器对于电机绝缘恶化的预报和预防性维护没有什么用处。
另一方面，在JP-A-2001-141795中描述的方法对于电机绝缘恶化的预报和预防性维护是有用的，但是它需要检测电压和电流。而且，在打开电源转换器的一个晶体管，将要被检测的电流是用于电机电流供给的电流线上的一个。因此，即使将要被检测的电流很小，检测器也必须在设计时要考虑到出现较大电流的可能性，从而使得成本上升。当使用分流电阻器或CT(变流器)来检测电流时，所引起的问题是分流电阻器必须是一个使较大电流可以流过的电阻器，而且CT也变得价格昂贵。
发明内容
本发明提供了一种可以以低成本预报电机绝缘恶化的电机驱动装置。
本发明的电机驱动装置，包括：电机驱动单元，该电机驱动单元用于将来自接地AC电源的交流电整流成为直流电、并且将整流了的直流电转换成为交流电以驱动电机；与电机线圈串联连接的检测电阻；用于将DC电压经过检测电阻施加给电机线圈的装置，该DC电压通过整流AC电源的接地电压得到；以及当DC电压被施加时检测检测电阻终端之间电压的电压检测电路。
电机驱动装置可以进一步包括用于比较由电压检测电路检测到的电压和参考值的比较器，以及当检测到的电压超过参考值时输出异常信号的装置。
作为另一种选择，电机驱动装置可进一步包括用于A/D转换所述电压检测电路检测到的电压的A/D转换器，从而代表AD转换过的电压值的信号被输出并且被显示于显示装置上，因此可以将电机绝缘恶化告知给操作者。在这种情况下，电机驱动装置可进一步包括用于存储A/D转换过的电压值的存储器，其中代表存储于存储器中的AD转换过的电压值的信号被输出并且被显示于显示装置上，从而操作者可以可视地认识到绝缘恶化的历史。
当由A/D转换器转换过的电压值超过参考值时异常信号可以被输出。
在这种情况下，电机驱动装置可进一步包括用于存储为不同的电机或电机驱动单元规格而预设的参考值的存储器，以及连接到所述A/D转换器和存储器的微型计算机，其中微型计算机从所述存储器读取为使用中的电机或电机驱动单元规格设定的参考值，比较A/D转换过的电压值与读取的参考值，并且在A/D转换过的电压值超过读取的参考值时输出异常信号。
而且，电机驱动装置可进一步包括用于检测AC电源的接地电压的装置，用于存储为不同地AC电源的接地电压而预设的参考值的存储器，以及连接到A/D转换器和存储器的微型计算机，其中微型计算机读取为检测到的AC电源地接电压设定的参考值，比较A/D转换过的电压值与读取的参考值，并且在A/D转换过的电压值超过读取的参考值时输出异常信号。
存储器可以存储为不同的AC电源的接地电压以及不同的电机或电机驱动单元规格而预设的参考值，以及微型计算机可以读取为检测到的AC电源地接电压和使用中的电机或电机驱动单元的规格设定的参考值，比较A/D转换过的电压值与读取的参考值，并且在A/D转换过的电压值超过读取的参考值时输出异常信号。
电压检测电路可以具有启动和停止电压检测的开关，并且当电机没有被电机驱动单元驱动时电压检测通过开关而被启动，从而可以检查绝缘阻抗的恶化。
附图说明
图1是本发明第一实施例主要部分的电路方框图；
图2是第一实施例中测量电机绝缘阻抗电路的等效电路；
图3是用于本发明第二实施例中的电机绝缘阻抗检测装置的电路方框图；以及
图4是用于本发明第三实施例中的电机绝缘阻抗检测装置的电路方框图。
具体实施方式
下面将根据图1阐述本发明第一实施例的电机驱动装置。
附图标记1指代接地的三相AC电源，以及附图标记2指代配属于本发明电机驱动装置的电机绝缘阻抗检测装置，该检测装置由电压检测电路3和控制器4组成。附图标记5指代电机驱动单元，该单元由包括将三相AC电源转换为DC电源的整流器电路的电源部分6，以及用于将DC电源转换为任意AC电源并驱动电机10的电机驱动放大器8组成。
电源部分6分别包括上面提到的整流器电路以及转换元件Q1-Q6，该整流器电路包括将三相AC电源整流成为DC电源的二极管D1-D6，该转换元件由IGBTs或类似部件组成、用于将再生电流反馈到与二极管D1-D6平行的AC电源。进一步设置一个对通过二极管D1-D6组成的整流电路得到的整流DC输出进行滤波的滤波电容器C，并且滤波电容器C两端的电压被电阻器R11、R12分压。在分压的基础上，控制器7检测再生启动电压，并且开始/结束控制转换元件Q1-Q6，从而将在再生电流反馈到AC电源。
电机驱动放大器8由控制器9和反相器电路构成，该反相器电路由IGBTs或类似部件制成的转换元件Q11-Q16和平行于转换元件Q11-Q16连接的二极管D11-16组成。
电源部分6和电机驱动放大器8的控制器7、9连接到数字控制器的主控制器11或类似的用于控制电机驱动装置的控制器。依据主控制器11发出的命令，控制器9开始/结束控制转换元件Q11-Q16以驱动地控制电机10。
上述的电机驱动单元5的结构与已知的电机驱动装置的结构相同。本发明的电机驱动装置不同之处在于它进一步包括配置于已知的电机驱动装置上的电机绝缘阻抗检测装置2。
电机绝缘阻抗检测装置2的电压检测电路3连接到连接线路的一相线路上，该连接线路连接电机驱动放大器8的反相器电路和电机10的线圈，并且该电压检测电路还连接到电源部分6的二极管桥路的负极侧，即，二极管D4、D5、D6的正极。
在电压检测电路3中，K1指代控制器4中的继电器的触片；R1-R6指代电阻；C1和C2指代电容器；31指代齐纳二极管；32指代比较器；33指代晶体管；34指代二极管；以及35指代光电耦合器。在反相器电路在电机驱动单元5的电机驱动放大器8中运作之前，检测电路3打开或关闭继电器触片K1，并根据那时电阻R1两端产生的电势差来测量电机绝缘阻抗。
图2示出了前述用于测量电机绝缘阻抗的电路的等效电路。在图2中，ES代表通过由二极管D4、D5和D6整流接地AC电源1的电压得到的DC电源；D101对应于图1中示出的二极管D4、D5和D6；R101对应于电阻R1；以及R102包括电阻R2但主要代表电机10的绝缘阻抗。这个等效电路是一个闭合电路，其中电机10的机壳在G2接地，并且该电路由绝缘电阻R102、电机线圈、反相器电路和线圈之间的连接线路、电阻R101(R1)、闭合的继电器触片K1、二极管D101(D4、D5、D6)、通过整流AC电源1的电压得到的电压Es、以及连接到G2的接地点G1组成。
当二极管D101(D4、D5、D6)两端的电势差被忽略掉时，电阻R101两端的电势差V可以由下面所示的公式所代表：
V＝Es×R101/(R101+R102)  ……(1)
显然从公式(1)可以看出，电阻R101(图1中的电阻R1)两端的电势差V随着电机绝缘阻抗R102的减少而增加。因此，在电势差V和参考电压之间进行比较，并且如果电势差上升到等于或高于参考电压的话，就可以告知绝缘阻抗的减少。
在图1示出的例子中，电阻R1两端的电压通过过滤器输入到比较器32的一个终端，该过滤器由电阻R3和电容C1组成用于噪声吸收，而由齐纳二极管31确定的参考电压被输入到比较器32的另一个终端，由此将电阻R1两端的电势差和参考电压进行比较。比较器32的输出通过由电阻R5和电容C2组成的过滤器输入到晶体管33的基极。二极管34和光电耦合器35的发光元件与晶体管33串联连接。
如果电机绝缘阻抗恶化使得接地绝缘阻抗R102减小，则泄漏电流增加并且电阻R1两端的电势差V也增加。当电势差超过由齐纳二极管31确定的参考电压时，从比较器32输出一个输出信号来接通晶体管33。由此电流流经光电耦合器35的发光元件并从其光检测器输出一个信号，然后该信号被输入到控制器4并且传输到主控制器11，从而在主控制器11的显示装置12上指示出绝缘阻抗的减少。
如果由齐纳二极管31确定的参考电压非常低，则参考电压易于受到周围噪声或类似物的影响，因此平常一般选择2V到3V的参考电压。在AC电源设置成与中线地线星形连接并且线电压为200V的情况下，接地AC电源的电压Es为200/1.732，并且最高电压为(200/1.732)*1.414＝163V。如果使用3V的参考电压检测到泄漏电流大约为100A，则可以检测到1.6M的接地绝缘阻抗，这可以通过式子(163-3)V/100A＝1.6M很容易理解到。
相反，已知的泄漏检测在检测到的电缆不小于3mA时只能探测到不大于94.3KΩ的绝缘阻抗，这可以从关系式200×1.414V/0.0.A＝94.3KΩ中得出。
如前面例子中提到的一样，已知的泄漏检测在接地绝缘阻抗降到低于94.3KΩ之前不能检测到绝缘恶化，而这个实施例当接地绝缘阻抗降到1.6KΩ时就可以检测到早期的绝缘恶化。
特别地，响应从主控制器11提供给电机驱动单元5的运作开始命令，电源部分6开始运作。因此，AC电源通过二极管D1-D6而被整流并且电解电容器C开始充电。当根据电阻R11、R12上的分压确定充电完毕时，电机驱动放大器8开始被驱动。在电机驱动放大器8被驱动之前，电能从接地AC电源提供给电机驱动装置。在这种电机驱动放大器8未运作的情况下，电机绝缘阻抗检测装置2的控制器4中的继电器根据主控制器11的命令而动作，从而继电器触片K1打开或闭合。由此，通过电机10机壳在此处接地地接地点G2、电机绝缘阻抗、电机线圈、反相器电路和线圈的连接线路、电阻R1、R2、继电器触片K1、二极管D4、D5、D6、AC电源1和接地点G1形成前面所述的电路。通过AD转换接地AC电源的电压得到的电压Es提供给该电路。
当因电流(泄漏电流)流经刚提到的电路而在电阻R1两端产生的电势差没有超过由齐纳二极管31确定的参考电压时，就没有信号从比较器32输出。另一方面，如果参考电压被超过(即，如果电机10的绝缘阻抗被恶化并减少了接地绝缘阻抗，则由此泄漏电流增加)，从比较器32输出一个输出信号来接通晶体管33，使得电流流经光电耦合器35的发光元件，随后输出信号从光电耦合器35经过控制器4提供给主控制器11，从而通过主控制器11的显示装置12指示出接地绝缘阻抗的减少。看到该指示，操作者在需要的场合关闭电机驱动装置的电源并且进行电机替换或类似修理。
如上面所阐述的，在电机驱动放大器8没有被驱动但为电机驱动单元5提供AC电源的情况下，检测接地电机绝缘阻抗减少的处理和维护管理通过启动继电器来实施，从而可以实现电机绝缘恶化的预防性维护。
同时，当电机驱动放大器8被驱动从而来操作电机10时，继电器触片K1就保持打开或闭合状态。
图3是用在本发明第二实施例中的电机绝缘阻抗检测装置2’的方框电路图。在前面提到的第一实施例中，绝缘恶化的指示仅仅在电阻R1两端的电势差超过由齐纳二极管31确定的参考电压时才被给出，即，仅仅在接地绝缘阻抗减少到或低于预定值时。另一方面，第二实施例是使用图3中示出的电机绝缘阻抗检测装置2’来检测电机绝缘恶化，而不是第一实施例中使用的检测装置2。另一个特征是根据电机驱动单元5的电机驱动放大器规格(类型)或电机规格(类型)来检测绝缘恶化。
检测电路由与第一实施例相同的那些继电器触片K1、电阻R1、R2、R3和电容器C1组成，但是不同于第一实施例的是将电阻R1两端的电压提供给A/D转换器(用于将模拟信号转换为数字信号)36。而且，第二实施例与第一实施例的不同还在于它包括由微型计算机41和存储器42组成的控制器4’。
在存储器42中，用于指示电机绝缘恶化的参考电压提前存储于其中，这些电压各自与适于安装于电机驱动单元5上的电机驱动放大器8的规格(类型)或电机规格(类型)相对应。电机驱动放大器8包括设置有存储器的控制器9，在该存储器中存储有电机驱动放大器8的规格(类型)或电机的规格(类型)。
为了检测接地绝缘阻抗，象上面所提到的一样，将AC电源提供给电机驱动单元5。接着，在电机驱动放大器处于未运作状态的情况下，检测接地绝缘阻抗的命令被提供给主控制器11。为响应该命令，主控制器11从电机驱动放大器8的控制器9读取电机驱动放大器的规格(类型)，并将此传输给电机绝缘阻抗检测装置2’的控制器4’，同样还传输检测接地绝缘阻抗的命令。控制器4’响应该检测命令并启动继电器从而闭合继电器触片K1，电阻R1两端的电势差在A/D转换器36中被转换成数字信号。微型机算机41读取检测到的电势差并将其写入存储器42。进一步地，从存储器42读取对应于电机驱动放大器规格(类型)或电机规格(类型)的参考电压，随后将其与检测到的电势差进行比较。如果检测到的电势差超过参考值，指示接地绝缘阻抗减少的信号被传输到主控制器11。当接收到该信号，主控制器11促使显示装置12指示接地绝缘阻抗的减少，并且传输给电机驱动单元5停止运作的信号。
根据主控制器11发出的命令，微型计算机41可以传输检测到的和存储器中存储的电势差的所有数据给主控制器11，或单独传输目前的检测和先前的检测中获得的数据给主控制器11，从而指示这些数据。因此，可以指示出接地绝缘阻抗的历史纪录，从而可以通告绝缘恶化的发展情形。
在多个电机驱动放大器8连接到电机驱动单元5的电源部分6的情况下，可以在电机绝缘阻抗检测装置2’中为每个电机驱动放大器8设置检测电路(由继电器触片K1，电阻R1、R2、R3，电容器C1，和A/D转换器组成)。各个接地电机驱动放大器的绝缘阻抗或各个接地电机的绝缘阻抗被检测，并且它们的历史纪录被存储。测量到的绝缘阻抗分别与各个电机驱动放大器类型(各个电机类型)的参考电压进行比较，从而可以指示绝缘恶化。
图4是本发明第三实施例主要部分的方框电路图。在前述的第一和第二实施例中，是假定一个或多个接地AC电源具有某个预定的类型。另一方面，即使线电压(电源电压)相同，接地电压Es也随着AC电源是星形连接还是三角形连接而变化。通过例子说明，在线电压(电源电压)为200V的情况下，接地电压对于星形连接为AC115V而对于三角形连接为AC200V。在400V线电压(电源电压)的情况下，接地电压对于星形连接为AC230V。对于400V的线电压(电源电压)一般没有用到三角形连接。
如上面所阐述的，接地电压Es在星形连接和三角形连接之间是不同的。对于不同的接地电压Es，在每个电机绝缘阻抗检测装置2或2’的检测电路中的电阻R1两端的电势差也自然地发生变化。这就要求用来确定绝缘阻抗恶化的参考电压也变化。
因此，第三实施例构同样造成判断AC电源的连接类型，并根据电机驱动放大器的类型(电机类型)来选择用于确定接电绝缘阻抗恶化的参考值，从而确定绝缘的恶化。
第三实施例与第二实施例的不同在于它包括线-地电压检测电路50，该电路用于检测接地AC电源1的电压Es以及用于产生一个输出，该输出被提供给第二实施例中描述的电机绝缘阻抗检测装置2’的控制器中的微型计算机。
线-地电压检测电路50由单独与接地AC电源的AC电源线(AC电源线在AC电源1和电机驱动单元5的电源部分6之间延伸)连接的二极管51、52、53，电容器56，电阻R51、R52、R53、R54，分流调节器54，以及其输出连接到微型计算机41的光电耦合器55组成。
接地AC电源1的电压通过二极管51、52、53整流并且通过电容器56减噪。合成的电压被电阻R51、R52分压，并且分压电压作为电压V_REF提供给分流调节器54。当电压V_REF超过分流调节器54中的预设参考电压时，该调节器54成为可导电的，从而电流流经光电耦合器55的发光元件，输出信号从该光电耦合器被输出。
在200V的AC电源1的情况下，接地电压对于星形连接为115V而对于三角形连接为200V。因此，分流调节器54中的参考电压按这种方式设定从而使得当由二极管51-53整流的电压为，比如，185V或在115V和200V之间时，参考电压被分压电压V_REF超过。通过这样，如果AC电源1是三角形连接，则分流调节器54变成可导电的，由此光电耦合器55输出一输出信号给微型计算机41，从而可以确定AC电源为三角形连接。换句话说，通过确定是否有输出信号从光电耦合器55递送出来，微型计算机41可以判断AC电源1是星形连接(没有信号)还是三角形连接(存在信号)。
为了这个目的，根据电机驱动放大器的规格(类型)或电机的规格(类型)以及根据存在和不存在来自光电耦合器55的输出信号，用于确定接地绝缘阻抗恶化的参考电压被设定和存储。根据存在或不存在来自光电耦合器55的输出信号以及电机驱动放大器的类型，微型计算机41从存储于存储器中的参考值中选择出合适的一个，并将选择的参考值与A/D转换器36的输出值进行比较。当A/D转换器36的输出值超过参考值时，指示绝缘恶化的信号就会传给主控制器11的显示装置12。
对于通过接地电压检测电路50实现的确定接地AC电源为星形连接还是三角形连接的功能而言，将被检测的接地电压在星形连接和三角形连接之间是显著不同的。因此不使用地电压检测电路50，这种功能也可以通过使用比较器电路或类似的用于比较电压和参考值的电路，或通过使用继电器或类似元件来实现。
本发明可以通过为电机驱动设备配置结构简单的电机绝缘阻抗检测装置来预报电机绝缘阻抗的恶化。这使得防止使用一个或多个电机的系统比如装置、生产线等突然停止运作成为可能。因此，可以容易地进行维护管理和预防性维护，并且也可以提高操作效率。