特許 5934295 インバータシステムにおける電力ケーブルの状態検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5934295

(24)【登録日】2016年5月13日

(45)【発行日】2016年6月15日

(54)【発明の名称】インバータシステムにおける電力ケーブルの状態検出方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 23/00 20160101AFI20160602BHJP

   H02P 21/00 20160101ALI20160602BHJP

   H02P 27/04 20160101ALI20160602BHJP

【ＦＩ】

   H02P7/36 302S

   H02P5/408 A

   H02P7/36 303S

【請求項の数】5

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-131310(P2014-131310)

(22)【出願日】2014年6月26日

(65)【公開番号】特開2015-50924(P2015-50924A)

(43)【公開日】2015年3月16日

【審査請求日】2014年6月26日

(31)【優先権主張番号】10-2013-0104839

(32)【優先日】2013年9月2日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】593121379

【氏名又は名称】エルエス産電株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＬＳＩＳ ＣＯ．，ＬＴＤ．

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100165191

【弁理士】

【氏名又は名称】河合 章

(74)【代理人】

【識別番号】100151459

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 健一

(72)【発明者】

【氏名】カン ヨン チン

【審査官】 上野 力

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−０２５５２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１１２５８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２５７３６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０７８２１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ２３／００

Ｈ０２Ｐ ２１／００

Ｈ０２Ｐ ２７／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

３相電力ケーブルを利用してインバータで発生した電力をモータに供給するインバータシステムにおける電力ケーブルの状態検出方法において、
第１周期が到来すると前記第１周期での電流空間ベクトルの位置を計算するステップと、
前記計算された第１周期の電流空間ベクトルの位置を利用して次の第２周期での電流空間ベクトルの予想位置を計算するステップと、
前記第２周期が到来すると前記第２周期での電流空間ベクトルの実際位置を計算するステップと、
前記計算された予想位置と実際位置を比較するステップと、
前記比較結果に応じて前記３相電力ケーブルの状態を検出するステップと、を含み、
前記比較するステップは、前記予想位置と実際位置との差が予め設定された基準値より大きいのか否かを判断するステップを含み、
前記３相電力ケーブルの状態を検出するステップは、
前記予想位置と実際位置との差が予め設定された基準値より大きければ前記第２周期での電流空間ベクトルの実際位置を確認するステップと、
前記確認した電流空間ベクトルの実際位置に応じて前記３相電力ケーブルのうち断線が発生した特定の電力ケーブルを判別するステップと、を含む、インバータシステムにおける電力ケーブルの状態検出方法。

【請求項2】

前記第１周期での電流空間ベクトルの位置又は前記第２周期での電流空間ベクトルの実際位置を計算するステップは、
該当周期で前記モータに供給される相電流値を獲得するステップと、
前記獲得した３相電流値を利用して固定子座標系のｄ軸電流及びｑ軸電流を計算するステップと、
前記計算されたｄ軸電流とｑ軸電流の比と、アークタンジェント関数を利用して電流空間ベクトルの位置を計算するステップと、を含む、請求項１に記載のインバータシステムにおける電力ケーブルの状態検出方法。

【請求項3】

前記第２周期での電流空間ベクトルの予想位置を計算するステップは、
前記モータの回転速度を獲得するステップと、
前記モータの回転速度との関係性を利用して前記電流空間ベクトルの回転速度を計算するステップと、
前記第１周期及び第２周期のサンプリング時間と、前記計算された電流空間ベクトルの回転速度を利用して前記第２周期での電流空間ベクトルの予想位置を計算するステップと、を含む、請求項１又は２に記載のインバータシステムにおける電力ケーブルの状態検出方法。

【請求項4】

前記３相電力ケーブルの状態を検出するステップは、
前記予想位置と実際位置との差が予め設定された基準値より大きければ前記第２周期で獲得した３相電流値を確認するステップと、
前記確認した３相電流値が全て０であれば前記３相電力ケーブルのうち２つ以上のケーブルに断線が発生したと検出するステップと、を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のインバータシステムにおける電力ケーブルの状態検出方法。

【請求項5】

前記判別するステップは、
前記第２周期での電流空間ベクトルの実際位置が９０°又は−９０°であれば、前記３相電力ケーブルのうちｕ相電力ケーブルが断線したと検出するステップと、
前記第２周期での電流空間ベクトルの実際位置が−３０°又は１５０°であれば、前記３相電力ケーブルのうちｖ相電力ケーブルが断線したと検出するステップと、
前記第２周期での電流空間ベクトルの実際位置が３０°又は−１５０°であれば、前記３相電力ケーブルのうちｗ相電力ケーブルが断線したと検出するステップと、を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のインバータシステムにおける電力ケーブルの状態検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はインバータシステムに関するものであり、特にインバータと電送機との間を連結する高電圧ケーブルの断線を検出するインバータシステムにおける電力ケーブルの状態検出方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

環境にやさしい自動車などに利用されるモータ制御機であるインバータシステムは、高電圧の直流電源をモータを制御するための交流又は直流電源に変換する役割をするＥＳＡ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ／Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｕｂ Ａｓｓｅｍｂｌｙ，電気／電子部品）であって、車両の電動器具に属する主要部品である。

【0003】

前記のように、環境にやさしい自動車には駆動手段として永久磁石型モータが適用される。上述した環境にやさしい自動車に駆動手段として適用されるモータは制御機のＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号によって直流電圧を３相電圧に変換するインバータから第１高電圧電力ケーブルを介して伝達される相電流によって駆動される。

【0004】

また、インバータはメインリレーの開閉によって第２高電圧電力ケーブルを介して伝達されるＤＣリンク電圧を３相電圧に変換する。

【0005】

よって、インバータとモータを連結する第1電極ケーブルや、高電圧バッテリとインバータを連結する第２電力ケーブルのうちいずれか一つの電力ケーブルが分離されるとモータの駆動が円滑に行われないだけでなく、高圧／高電流がシステムに誘起されてインバータの全体システムを破損する致命的な問題点が発生する。

【0006】

図１は、従来技術によるインバータシステムにおける電力ケーブルの分離検出装置を示す図である。

【0007】

図1を参照すると、従来の電力ケーブルの分離検出装置は、電力ケーブル１０、コネクタ２０及び電力ケーブル１０とコネクタ２０との間に形成されて電力ケーブル１０とコネクタ２０間の分離可否による信号を伝送するセンサ３０を含む。

【0008】

センサ３０は電力ケーブル１０とコネクタ２０との間（接触部分）に連結され、コネクタ２０に電力ケーブル１０が連結されているのか否かによるデジタル信号を制御機に伝達する。

【0009】

即ち、従来は電力ケーブル１０やコネクタ２０にハードウェア的に別途に電力ケーブル１０の分離可否を確認するセンサが設置されており、センサから出力されるデジタル信号を利用して電力ケーブル１０の分離可否をリアルタイムで確認していた。

【0010】

しかし、前記のような電力ケーブルの分離検出装置は電力ケーブルの分離可否をハードウェア的に検出するため、価格の側面だけでなく空間的な制約が伴う問題がある。

【0011】

また、前記のような電力ケーブルの分離検出装置は振動などの外部要因によって誤動作する可能性が高く、これは運転者の安全を脅かす要因と作用する。

【0012】

一方、最近ではソフトウェア的に電力ケーブルの断線を検出する方法を提供している。

【0013】

図２は、一般的な電力ケーブルで断線が発生した場合の電流変化を示す図である。

【0014】

図２を参照すると、電力ケーブルが断線する場合に電流の流れが変わるが、この際、２相以上が断線すると３相電流が全て０になり、１相のみ断線すると断線した相（図２ではＶ相）の電流のみ０になり、それによって一定時間の間に電流の大きさが指令値と大きい差を示すか、０であるのか否かに応じて断線可否を判断する。

【0015】

しかし、前記のような方法は電流の大きさのみを検出するため電動機の速度とサンプリング周期によって誤作動する確率が存在する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

本発明による実施例では、電流の大きさだけでなく電流の空間ベクトルの大きさを利用して電力ケーブルの状態を検出するインバータシステムにおける電力ケーブルの状態検出方法を提供する。

【0017】

提案される実施例で解決しようとする技術的課題は上述した技術的課題に限られず、言及されていない他の技術的課題は、以下の記載から提案される実施例が属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されるはずである。

【課題を解決するための手段】

【0018】

実施例は３相電力ケーブルを利用してインバータで発生した電力をモータに供給するインバータシステムにおける電力ケーブルの状態検出方法において、第１周期が到来すると前記第１周期での電流空間ベクトルの位置を計算するステップと、前記計算された第１周期の電流空間ベクトルの位置を利用して次の第２周期での電流空間ベクトルの予想位置を計算するステップと、前記第２周期が到来すると前記第２周期での電流空間ベクトルの実際位置を計算するステップと、前記計算された予想位置と実際位置を比較するステップと、前記比較結果に応じて前記３相電力ケーブルの状態を検出するステップと、を含むインバータシステムにおける電力ケーブルの状態検出方法を提供する。

【0019】

また、第１周期での電流空間ベクトルの位置又は前記第２周期での電流空間ベクトルの実際位置を計算するステップは、該当周期で前記モータに供給される３相電流値を獲得するステップと、前記獲得した３相電流値を利用して固定子座標系のｄ軸電流及びｑ軸電流を計算するステップと、前記計算されたｄ軸電流とｑ軸電流の比と、アークタンジェント関数を利用して電流空間ベクトルの位置を計算するステップと、を含む。

【0020】

また、第２周期での電流空間ベクトルの予想位置を計算するステップは、前記モータの回転速度を獲得するステップと、前記モータの回転速度との関係性を利用して前記電流空間ベクトルの回転速度を計算するステップと、前記第１及び第２周期の間のサンプリング時間と、前記計算された電流空間ベクトルの回転速度を利用して前記第２周期での電流空間ベクトルの予想位置を計算するステップと、を含む。

【0021】

また、前記比較するステップは、前記予想位置と実際位置との差が予め設定された基準値より大きいのか否かを判断するステップを含む。

【0022】

また、前記３相電力ケーブルの状態を検出するステップは、前記予想位置と実際位置との差が予め設定された基準値より大きければ前記第２周期で獲得した３相電流値を確認するステップと、前記確認した３相電流値が全て０であれば前記３相電力ケーブルのうち２つ以上のケーブルに断線が発生したと検出するステップと、を含む。

【0023】

また、前記３相電力ケーブルの状態を検出するステップは、前記予想位置と実際位置との差が予め設定された基準値より大きければ前記第２周期での電流空間ベクトルの実際位置を確認するステップと、前記確認した電流空間ベクトルの実際位置に応じて前記３相電力ケーブルのうち断線が発生した特定の電力ケーブルを判別するステップと、を含む。

【0024】

また、前記判別するステップは、前記第２周期での電流空間ベクトルの実際位置が９０°又は−９０°であれば前記３相電力ケーブルでｕ相電力ケーブルが断線したと検出するステップと、前記第２周期での電流空間ベクトルの実際位置が−３０°又は１５０°であれば前記３相電力ケーブルでｖ相電力ケーブルが断線したと検出するステップと、前記第２周期での電流空間ベクトルの実際位置が３０°又は−１５０°であれば前記３相電力ケーブルでｗ相電力ケーブルが断線したと検出するステップと、を含む。

【0025】

本発明の実施例によると、電流の大きさではなく電流の空間ベクトルの大きさを利用して電動機と連結された電力ケーブルの状態を検出することで多数回のサンプリングの間に大きさを検出することによる検出エラーの発生確率を著しく減少させることができ、前記電力ケーブルの断線可否を素早く検出してより大きい事故に繋がることを事前に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】従来技術によるインバータシステムにおける電力ケーブルの分離検出装置を示す図である。

【図2】一般的な電力ケーブルで断線が発生した場合の電流変化を示す図である。

【図3】本発明の実施例によるインバータシステムの構成を示す図である。

【図4】本発明の実施例による３相電流の空間ベクトルを示す図である。

【図5】本発明の実施例による電力ケーブルのうちｕ相ケーブルに断線が発生した場合に変化する３相電流の空間ベクトルを示す図である。

【図6】本発明の実施例による電力ケーブルのうちｖ相ケーブルに断線が発生した場合に変化する３相電流の空間ベクトルを示す図である。

【図7】本発明の実施例による電力ケーブルのうちｗ相ケーブルに断線が発生した場合に変化する３相電流の空間ベクトルを示す図である。

【図8】本発明の実施例によるインバータシステムにおける電力ケーブルの状態検出方法を段階別に説明するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下の内容は、単に本発明の原理を例示する。よって、当業者はたとえ本明細書に明確に説明されているか、図示されていなくても本発明の原理を具現し本発明の概念と範囲に含まれる多様な装置を発明することができる。また、本明細書に列挙された全ての条件付用語及び実施例は、原則的に本発明の概念を理解させるための目的にのみ明白に意図され、このように特別に列挙された実施例及び状態に制限的ではないと理解されるべきである。

【0028】

また、本発明の原理、観点及び実施例のみならず特定実施例を列挙する全ての詳細な説明は、このような事項の構造的及び機能的均等物を含むように意図されると理解されるべきである。また、このような均等物は現在公知の均等物のみならず将来に開発される均等物、即ち、構造とは関係なく同じ機能を行うように発明された全ての素子を含むと理解されるべきである。

【0029】

図３は、本発明の実施例によるインバータシステムの構成を示す図である。

【0030】

図３を参照すると、インバータシステムはインバータ１１０、インバータ１１０を介して出力される電力をモータに供給する３相電力ケーブル１２０及びモータの駆動状態に対する情報を獲得するセンサ１３０と、インバータ１１０の動作を制御しながら３相電力ケーブル１２０の分離可否を検出してインバータ１１０の動作を中止する制御部１３０を含む。

【0031】

インバータ１１０は電気自動車内に構成され、それによって電気自動車内に構成されたバッテリ（ｂａｔｔｅｒｙ、図示せず）から発生した直流電源を３相交流電力に変換する。

【0032】

この際、バッテリは高電圧バッテリであって、複数個の単位セルの集合で形成される。

【0033】

複数の単位セルは一定な電圧を維持するためにバッテリ管理システム（図示せず）によって管理され、バッテリはバッテリ管理システムの制御によって一定な電圧を放出する。

【0034】

また、バッテリの放電によって出力される電力はインバータ１１０内に構成されたキャパシタに伝達される。

【0035】

この際、バッテリとインバータ１１０との間にはリレーが形成されており、リレーの動作によってインバータ１１０に供給される電力の管理が行われる。

【0036】

即ち、リレーがオン動作をする場合にはバッテリの電力がインバータ１１０に供給され、リレーがオフ動作をする場合にはインバータ１１０に供給される電力が遮断される。

【0037】

インバータ１１０は、バッテリ１１０に供給される直流電力を交流電力に変換してモータに供給する。

【0038】

この際、インバータ１１０によって変換される交流電力は３相交流電力であることが好ましい。

【0039】

インバータ１１０は上述したキャパシタと多数のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｓｉｓｔｏｒ）で形成され、ＩＧＢＴは後述するインバータ制御部１３０から印加される制御信号に応じてＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）スイッチングを実行し、バッテリから供給される直流電力を相変換してモータを駆動する。

【0040】

モータは、回転せずに固定される固定子と回転する回転子を含む。モータはインバータ１１０を介して供給される交流電力を印加される。

【0041】

モータは、例えば３相モータであってもよく、各相の固定子のコイルに電圧可変／周波数可変の各相交流電源が印加される場合、印加される周波数に応じて回転子の回転速度が可変する。

【0042】

モータは誘導モータ（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ）、ＢＬＤＣモータ（ｂｌｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ）、リラクタンスモータ（ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ）など多様な形態であってもよい。

【0043】

一方、モータの一側には駆動ギア（図示せず）が具備される。駆動ギアはモータの回転エネルギーをギア比に応じて変換させる。駆動ギアから出力される回転エネルギーは前輪及び／又は後輪に伝達されて電気自動車を動かす。

【0044】

インバータ１１０とモータとの間には電力ケーブル１２０が形成される。電力ケーブル１２０は３相電力ケーブルであることが好ましく、それによってｕ相ケーブル、ｖ相ケーブル及びｗ相ケーブルで構成される。

【0045】

センサ１３０はモータの駆動状態に対応する情報を獲得する。この際、図面上にはセンサ１３０が速度センサであると図示している。即ち、センサ１３０はモータの一側に配置されてモータの回転による回転速度を検出する。

【0046】

そして、センサ１３０はモータの回転速度が検出されると検出した回転速度を制御部１４０に伝達する。

【0047】

また、センサ１３０は電流センサを含む。

【0048】

即ち、センサ１３０はインバータ１１０とモータとの間に形成された３相電力ケーブル１２０の各出力ラインに配置され、３相に対する電流を獲得する電流センサを更に含む。

【0049】

それによって、センサ１３０はモータに供給される３相電流値（ｕ相電流値、ｖ相電流値、ｗ相電流値）とモータの回転速度を検出して制御部１４０に伝達する。

【0050】

制御部１４０はインバータ１１０の全般的な動作を制御する。

【0051】

例えば、制御部１４０はモータに供給される電流（３相電流）を利用してモータを駆動させる駆動値を計算し、計算した駆動値に応じてインバータを制御するための（好ましくは、インバータを構成するＩＧＢＴのスイッチングを制御するための）スイッチング信号を発生する。

【0052】

それによって、インバータ１１０は制御部１４０を介して発生するスイッチング信号に応じて選択的にオン・オフ動作を行い、バッテリから供給される直流電力を交流電力に変換する。

【0053】

一方、制御部１４０はセンサ１３０を介して伝達される３相電流値と回転速度を利用して電力ケーブル１２０の状態を検出する。

【0054】

そして、制御部１４０は電力ケーブル１２０の状態に問題が発生すると（例えば、断線、分離及び未締結など）、インバータ１１０を介して変換された交流電力がモータに供給されないため電気自動車の運行に大きな影響を及ぼす恐れがある。

【0055】

それによって、制御部１４０は電力ケーブル１２０の断線可否を検出し、それによって電力ケーブル１２０が断線していると検出されるとモータに供給される交流電力を遮断する。

【0056】

以下、制御部１４０で行われる電力ケーブル１２０の断線検出動作についてより詳しく説明する。

【0057】

図４は本発明の実施例による３相電流の空間ベクトルを示す図であり、図５は本発明の実施例による電力ケーブルのうちｕ相ケーブルに断線が発生した場合に変化する３相電流の空間ベクトルを示す図であり、図６は本発明の実施例による電力ケーブルのうちｖ相ケーブルに断線が発生した場合に変化する３相電流の空間ベクトルを示す図であり、図７は本発明の実施例による電力ケーブルのうちｗ相ケーブルに断線が発生した場合に変化する３相電流の空間ベクトルを示す図である。

【0058】

図４乃至図７を参照して制御部１４０によって行われる電力ケーブル１２０の断線検出動作について説明する。

【0059】

まず、モータの速度と電流の空間ベクトルの速度との関係について説明する。

【0060】

電力ケーブル１２０を介して３相電流がモータに供給されると、モータにはトルクが発生してモータの回転が行われる。

【0061】

この際、モータが同期モータ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）であれば電流の空間ベクトルの回転速度とモータの回転速度が同じであり、モータが非同期モータ（Ａｎｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）であれば電流の空間ベクトルの回転速度がモータの回転速度と一定な差を有する。

【0062】

よって、モータの回転速度を知っていれば電流の空間ベクトルの速度を得ることもできる。

【0063】

ここで、空間ベクトルとは３次元座標における電流空間ベクトルを意味する。

【0064】

即ち、図４を参照すると、モータは３相の巻線が機械的に１２０°の差をおいて作られ、この３相の巻線に電気的に１２０°の位相差がある３相電流が流れるようになる。すると、流れる３相電流によって磁界が形成されるが、この磁界を空間ベクトルという。

【0065】

この際、正常の３相電流が流れ続ける場合、電流の空間ベクトルが回転する。

【0066】

しかし、３相電流が異常に流れる場合、電流の空間ベクトルは回転せずに特定位置（角度ともいえる）が交番する形態で現れる。

【0067】

言い換えると、Ｎ番目のサンプリングの際に獲得した電流空間ベクトルの位置が図４のようであれば、正常の３相電流が流れる場合にＮ＋１番目の電流空間ベクトルの位置は図４の矢印の方向に回転する。この際、電流空間ベクトルの回転速度はモータの回転速度から影響を受ける。例えば、Ｎ番目の電流空間ベクトルの位置が２０°でモータの回転速度がＡであれば、Ｎ＋１番目の電流空間ベクトルの位置は矢印の方向にＮとＮ＋１の時間差にモータの回転速度を演算した分だけ回転する。

【0068】

しかし、３相電流が異常に流れる場合（即ち、電力ケーブルに断線が発生した場合）には、演算した角度だけ電流空間ベクトルの回転が行われない。よって、正常の場合には現在周期での電流空間ベクトルの位置と次の周期での電流空間ベクトルの位置はモータの速度とサンプリング時間に応じて一定間隔を有するが、前記のように異常な場合には現在周期での電流空間ベクトルの位置と次の周期での電流空間ベクトルの位置にいかなる関連性も存在しなくなる。

【0069】

よって、制御部１４０は現在周期での電流空間ベクトルの位置を計算し、計算した現在周期での電流空間ベクトルの位置に応じて次の周期での電流空間ベクトルが形成される位置を予測する。予測する方法はサンプリング時間とモータの速度によって行われる。

【0070】

それについて詳細に説明すると以下のようである。

【0071】

まず、制御部１４０はセンサ１３０を介して獲得した３相電流値を利用して固定子座標系のｄ軸電流及びｑ軸電流を計算する。

【0072】

ｄ軸電流（ｉｄ）とｑ軸電流（ｉｑ）を計算する方法は以下のようである。

【0073】

まず、ｄ軸電流とｑ軸電流を計算するために先にｉｄｑベクトルを求める。

【0074】

ｉｄｑベクトルは以下のような数式１によって計算される。

【数1】

【0075】

よって、前記のようなｉｄｑにおいて、ｄ軸電流（ｉｄ）とｑ軸電流（ｉｑ）は以下のような数式２によって求められる。

【数2】

【0076】

即ち、数式１及び２によって獲得した３相電流（Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ）から固定子座標系のｄ軸電流とｑ軸電流をそれぞれ計算する。

【0077】

また、ｄ軸電流とｑ軸電流が計算されると計算したｄ軸電流とｑ軸電流を利用して電流空間ベクトルの位置を計算する。

【0078】

言い換えると、電流空間ベクトルの位置は、固定子座標系のｄ軸電流とｑ軸電流値の比とアークタンジェント（ａｒｃｔａｎｇｅｎｔ）関数を利用して電流空間ベクトルの位置を計算する。

【0079】

電流空間ベクトルの位置は以下のような数式３によって計算される。

【数3】

【0080】

前記のような数式１，２及び３を基準に、制御部１４０は一定周期（Ｎ，Ｎ＋１，Ｎ＋２…）ごとに電流空間ベクトルの位置を計算する。

【0081】

ここで、Ｎ周期における電流空間ベクトルの位置は以下のようである。

【数4】

【0082】

ここで、Ｎ＋１周期における電流空間ベクトルの位置は以下のようである。

【数5】

【0083】

この際、電流空間ベクトルの位置はモータの回転速度に応じて回転する。

【0084】

それによって、現在周期の電流空間ベクトルの位置を知っていれば、モータの速度とサンプリング時間（Ｎ＋１とＮの時間差）を基準に次の周期の電流空間ベクトルの位置を予測することができる。

【0085】

即ち、制御部１４０はモータの速度に応じて電流空間ベクトルの回転速度を計算する。電流空間ベクトルの回転速度はモータの種類に応じて計算されるが、上述したようにモータが同期モータであれば電流空間ベクトルの回転速度はモータの速度と同じであり、モータが非同期モータであれば電流空間ベクトルの回転速度はモータの速度と一定の差を有する。

【0086】

よって、制御部１４０はモータの種類及びモータの速度を利用して電流空間ベクトルの回転速度を計算する。

【0087】

それによって、制御部１４０は現在周期（Ｎ）での電流空間ベクトルの位置と、回転子速度（モータの速度）から得られた現在周期（Ｎ）での電流空間ベクトルの回転速度を利用して次の周期（Ｎ＋１）での電流空間ベクトルが形成する位置を予測することができる。

【0088】

次の周期の電流空間ベクトルの位置は以下のような数式４によって予測される。

【表1】

【0089】

次に、制御部１４０は次の周期（Ｎ＋１）が到来すると到来した周期による電流空間ベクトルの位置を計算する。

【0090】

到来した周期（Ｎ＋１）の電流空間ベクトルの位置は、上述した数式１乃至３によって計算される。

【0091】

また、次の周期に対する電流空間ベクトルの実際位置が計算されると、制御部１４０は次の周期に対して予測した電流空間ベクトルの位置と計算した次の周期に対する電流空間ベクトルの実際位置を比較して予測位置と実際位置に差があるのかを確認する。

【0092】

この際、予測位置と実際位置が互いに同じであれば３相電流が正常に流れる状態であることを示すため、制御部１４０は電力ケーブル１２０が正常に連結されたことを確認する。

【0093】

しかし、予測位置と実際位置に差があれば、制御部１４０は発生した差が誤差範囲以内にあるのか又は誤差範囲を逸脱しているのかを確認する。誤差範囲は多様な実験を介して発生し得る位置差を計算し、それを基準値として指定する。例えば、誤差範囲は１０°に設定されてもよい。

【0094】

次に、予測位置と実際位置との差が誤差範囲以内に属すれば制御部１４０は電力ケーブル１２０が正常に連結されたと判断する。

【0095】

しかし、予測位置と実際位置との差が誤差範囲を逸脱していれば制御部１４０は電力ケーブル１２０が異常に連結された（例えば、断線）と判断する。

【0096】

次に、制御部１４０は電力ケーブル１２０に異常が発生したことを知らせ、それによってインバータ１１０に供給される電力やインバータ１１０から出力される電力を遮断する。

【0097】

この際、制御部１４０は計算した実際位置を利用して電力ケーブル１２０のうちどのケーブルに異常が発生したのかを確認する。

【0098】

そのために、制御部１４０はセンサ１３０を介して獲得した３相電流値を確認する。そして、確認した３相電流値が全て０であれば、制御部１４０は３相ケーブルのうち２相以上のケーブルに異常が発生したと判断する。即ち、３相ケーブルのうち２相以上のケーブルが断線状態である場合には３相電流値が全て０になり、それに基づいて制御部１４０は３相電流値を利用して２つ以上のケーブルに以上が発生したのかを確認する。

【0099】

また、制御部１４０は確認した３相電流値が全て０ではなければ、電流空間ベクトルの実際位置の変化状態に応じて電力ケーブルのうちどの１相に異常が発生したのかを確認する。

【0100】

この際、いずれか一つの特定電力ケーブルに断線が発生すれば断線が発生した相の電流値のみ０になるが、この際、電流空間ベクトルの位置に規則的な変化が発生する。

【0101】

即ち、正常の３相電流が流れる状態であれば図４に示したように電流空間ベクトルはモータの回転速度に対応して回転する。

【0102】

しかし、３相電流のうちいずれか１相の電流が流れなくなれば電流空間ベクトルは回転せずに２つの位置が交番する形態に変化する。

【0103】

言い換えると、図５に示したように電力ケーブルのうちｕ相ケーブルが断線した場合、電流空間ベクトルは９０°と−９０°の面が交番する形態に変化する。

【0104】

それによって、制御部１４０は電力空間ベクトルの位置を確認し、電流空間ベクトルの位置が図５のように９０°と−９０°が交番する形態に変化すれば電力ケーブルのうちｕ相ケーブルが断線したと判断する。

【0105】

また、図６に示したように電力ケーブルのうちｖ相ケーブルが断線した場合、電流空間ベクトルは−３０°と１５０°の面が交番する形態に変化する。

【0106】

それによって、制御部１４０は電力空間ベクトルの位置を確認し、電流空間ベクトルの位置が図６のように−３０°と１５０°が交番する形態に変化すれば電力ケーブルのうちｖ相ケーブルが断線したと判断する。

【0107】

また、図７に示したように電力ケーブルのうちｗ相ケーブルが断線した場合、電流空間ベクトルは−１５０°と３０°の面が交番する形態に変化する。

【0108】

それによって、制御部１４０は電力空間ベクトルの位置を確認し、電流空間ベクトルの位置が図７のように−１５０°と３０°が交番する形態に変化すれば電力ケーブルのうちｗ相ケーブルが断線したと判断する。

【0109】

上述したように、本発明の実施例によると、電流の大きさではなく電流の空間ベクトルの大きさを利用して電動機と連結された電力ケーブルの状態を検出することで多数回のサンプリングの間に大きさを検出することによる検出エラーの発生確率を著しく減少させることができ、電力ケーブルの断線可否を素早く検出してより大きい事故に繋がることを事前に防止することができる。

【0110】

図８は、本発明の実施例によるインバータシステムにおける電力ケーブルの状態検出方法を段階別に説明するためのフローチャートである。

【0111】

図８を参照すると、まず制御部１４０は現在周期（Ｎ周期、以下、現在周期を「第１周期」と称する）での電流空間ベクトルの位置を計算する（ステップ１０１）。

【0112】

電流空間ベクトルは上述した数式１乃至数式３によって計算される。

【0113】

第１周期での電流空間ベクトルの位置が計算されると、制御部１４０は次の周期（Ｎ＋１周期、以下、次の周期を「第２周期」と称する）での電流空間ベクトルの予想位置を計算する（ステップ１０２）。

【0114】

即ち、制御部１４０はモータの速度を利用して電流空間ベクトルの回転速度を計算し、それに応じてサンプリング時間（第１周期と第２周期の時間差）と電流空間ベクトルの回転速度を利用して第２周期で現れる電流空間ベクトルの予想位置を計算する。

【0115】

次に、第２周期が到来すると制御部１４０は第２周期での実際の電流空間ベクトルの位置を計算する（ステップ１０３）。

【0116】

第２周期での実際の電流空間ベクトルの位置が計算されると、制御部１４０は予想位置と実際位置の位置との差が予め設定された基準値より大きいのか否かを判断する（ステップ１０４）。即ち、制御部１４０は予想位置と実際位置との差が多様な実験を介して獲得した誤差範囲を逸脱するのか否かを判断する。

【0117】

判断結果（ステップ１０４）、予想位置と実際位置との差が予め設定された基準値より小さければ制御部１４０は電力ケーブルが正常に連結されたとみなし、それに応じてステップ１０２に復帰する。

【0118】

しかし、判断結果（ステップ１０４）、予想位置と実際位置との差が予め設定された基準値より大きければ制御部１４０は電力ケーブルに異常が発生したことを感知し、それに応じて電力ケーブルのどの相に異常が発生したのかを確認する過程に進む（ステップ１０５〜ステップ１１２）。

【0119】

そのために、まず制御部１４０は電流空間ベクトルの位置を計算するために獲得した３相電流値が全て０であるのか否かを判断する（ステップ１０５）。

【0120】

次に、判断結果（ステップ１０５）、３相電流値が全て０であれば電力ケーブルのうち少なくとも２つ以上のケーブルが断線したと判断する（ステップ１０６）。

【0121】

しかし、判断結果（ステップ１０５）、３相電流値が全て０ではなければ制御部１４０は第２周期で現れた電流空間ベクトルの位置が９０°又は−９０°であるのか否かを判断する（ステップ１０７）。

【0122】

次に、判断結果（ステップ１０７）、第２周期で現れた電流空間ベクトルの位置が９０°又は−９０°であれば制御部１４０は電力ケーブルのうちｕ相ケーブルに断線が発生したと検出する（ステップ１０８）。

【0123】

また、判断結果（ステップ１０７）、第２周期で現れた電流空間ベクトルの位置が９０°又は−９０°ではなければ第２周期で現れた電流空間ベクトルの位置が−３０°又は１５０°であるのか否かを判断する（ステップ１０９）。

【0124】

次に、判断結果（ステップ１０９）、第２周期で現れた電流空間ベクトルの位置が−３０°又は１５０°であれば、制御部１４０は電力ケーブルのうちｖ相ケーブルに断線が発生したと検出する（ステップ１１０）。

【0125】

また、判断結果（ステップ１０９）、第２周期で現れた電流空間ベクトルの位置が−３０°又は１５０°ではなければ第２周期で現れた電流空間ベクトルの位置が３０°又は−１５０°であるのか否かを判断する（ステップ１１１）。

【0126】

次に、判断結果（ステップ１１１）、第２周期で現れた電流空間ベクトルの位置が３０°又は−１５０°であれば、制御部１４０は電力ケーブルのうちｗ相ケーブルに断線が発生したと検出する（ステップ１１２）。

【0127】

本発明の実施例によると、電流の大きさではなく電流の空間ベクトルの大きさを利用して電動機と連結された電力ケーブルの状態を検出することで多数回のサンプリングの間に大きさを検出することによる検出エラーの発生確率を著しく減少させることができ、電力ケーブルの断線可否を素早く検出してより大きい事故に繋がることを事前に防止することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】