CN109525133B - 电力转换装置和安全功能组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够仅高效地检测电力转换装置的安全组件的部分的结构。电力转换装置包括：输出用于驱动驱动对象设备的驱动信号的控制部；基于驱动信号驱动驱动对象设备的驱动部；接收来自上级控制装置的信号并将其发送至控制部的端子部；和对从控制部发送至驱动部的驱动信号进行干扰的安全功能部。安全功能部包括：从控制部输入驱动信号的输入端子；将驱动信号输出至驱动部的输出端子；连接输入端子和输出端子的驱动信号通路；从上级控制装置接收用于指示驱动对象设备停止的切断信号的控制端子；和基于切断信号，在驱动信号通路中对驱动信号进行干扰的切断电路。

Description

电力转换装置和安全功能组件
技术领域
本发明涉及电力转换装置。
背景技术
现有技术中提案有控制电机的速度的电力转换装置和执行紧急停止等安全功能的安全组件一体化的电力转换系统(例如专利文献1、专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-229359号公报
专利文献2：日本特开2011-008642号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
在专利文献1记载的结构中，为了执行安全功能，在电机控制装置内必须有利用来自安全组件的信号切断电机驱动信号的部件(在其
图4中参照HWBB32)。
在专利文献2记载的结构中，接收来自安全功能电路板的指示而进行切断的栅极电路包含于控制电路板(在其图1中参照栅极电路12)。
另一方面，对于装置中确保安全性的部分，希望制定比通常其它部分更严格的基准，并且进行质量检查。此时，电力转换装置和安全组件一体地构成时，难以仅对安全组件部分进行高效的检查。
例如，为了取得功能安全标准IEC61508的认证，必须在将执行安全功能的安全功能部全部组合后的状态下接受认证，在包括安全功能部的装置发生变更时，如果不能向认证机关证明该变更不会妨碍安全功能，则必须以变更后的装置再次实施认证试验。
此外，为了实现安全功能，部件成本、开发成本很大，也存在产品价格变高的课题。
于是，本发明的目的在于提供能够仅高效地检测安全组件部分的结构。
用于解决课题的技术方案
本发明的一个方面是，一种电力转换装置，其包括：输出用于驱动驱动对象设备的驱动信号的控制部；基于所述驱动信号驱动所述驱动对象设备的驱动部；接收来自上级控制装置的信号并将其发送至控制部的端子部；和对从控制部发送至驱动部的驱动信号进行干扰的安全功能部。安全功能部包括：从控制部输入驱动信号的输入端子；将驱动信号输出至驱动部的输出端子；连接输入端子和输出端子的驱动信号通路；从上级控制装置接收用于指示驱动对象设备停止的切断信号的控制端子；和基于切断信号，在驱动信号通路中对驱动信号进行干扰的切断电路。
本发明的另一方面是，一种安全功能组件，其搭载于电力转换装置，基于切断信号停止由电力转换装置的驱动部供电的驱动对象设备的驱动。该安全功能组件包括：输入用于驱动驱动对象设备的驱动信号的输入端子；将驱动信号输出至驱动部的输出端子；连接输入端子和输出端子的驱动信号通路；输入用于指示驱动对象设备停止的切断信号的控制端子；和基于切断信号，在驱动信号通路中对驱动信号进行干扰的切断电路。
本发明的又一方面是，一种电力转换装置，其包括：输出用于驱动驱动对象设备的驱动信号的控制部；基于驱动信号驱动驱动对象设备的驱动部；和接收来自上级控制装置的信号并将其发送至控制部的端子部。控制部具有输出驱动信号的驱动信号输出端子，驱动部包括：输入驱动信号的驱动信号输入端子；和输入来自驱动信号输入端子的驱动信号的绝缘电路，能够选择将驱动信号输出端子和驱动信号输入端子之间用跨接线直接连接还是经由安全功能电路连接。
更具体的结构是，安全功能部、安全功能组件或安全功能电路为与构成电力转换装置的其它电路分开的电路结构。更具体地说，安全功能部、安全功能组件或安全功能电路以不搭载关于安全功能的电路以外的电路的方式构成，使得关于安全功能的电路的检查高效化。此外，其它具体的结构中，安全功能部、安全功能组件、安全功能电路构成为单个电路板或单个组件，由端子进行与外部的信号的收发。
发明效果
根据本发明的一个方式，能够提供能高效地仅检测安全组件的部分的结构。上述以外的课题、结构和效果通过以下实施形态的说明得以明确。
附图说明
图1是电力转换装置的一例的结构图。
图2是电力转换装置的安全功能电路的第一比较例的框图。
图3是电力转换装置的安全功能电路的第二比较例的框图。
图4是实施例的电力转换装置的结构例(有安全功能部)的框图。
图5是实施例的电力转换装置的结构例(无安全功能部)的框图。
具体实施方式
以下使用附图说明实施例。但是，本发明并不能够限定解释为以下所示的实施方式的记载内容。本领域的技术人员容易理解，在不脱离本发明的思想和主旨的范围内能够对其具体的结构进行变更。
在以下说明的发明的结构中，对相同部分或具有同样功能的部分在不同的附图间共用相同的附图标记，省略重复说明。
在相同或具有同样功能的要素有多个时，对相同的附图标记添加不同的副标记进行说明。但是，在不需要区别多个要素时，有时省略副标记地进行说明。
本说明书等中的“第一”、“第二”、“第三”等的标记是用于识别构成要素的，并不限定数量、顺序或其内容。此外，构成要素的识别编号在各个文脉中使用，在一个文脉中使用的编号，在其它文脉中并非必须表示相同的结构。此外，由某个编号识别的构成要素也可以兼具有用其它编号识别的构成要素的功能。
在附图等中表示的各结构的位置、大小、形状、范围等，为了容易理解发明，有时不表示实际的位置、大小、形状、范围等。因此，本发明并不限定于附图等公开的位置、大小、形状、范围等。
本发明的实施例所示的一个例子，使安全功能部完全独立。
[实施例1]
图1是在代表性的电力转换装置中，表示作为驱动对象设备驱动电机时的结构例的结构图。图1中表示电力转换装置(100)、电源供给装置(130)、电机(120)和控制装置(110)。
电源供给装置(130)是对各种装置供电的装置，例如为3相交流变压器等。
电机(120)是将电能转换为机械能的设备，例如为3相交流电机等。
控制装置(110)是对电力转换装置(100)发送控制电机(120)的动作的信号，从电力转换装置(100)接收控制状态的装置，例如是可编程逻辑控制器(以下称为PLC)等。
电力转换装置(100)包括：将从电源供给装置(130)接收的电能传递至电机(120)的驱动部(101)；向驱动部发送用于驱动电机的控制信号的控制部(102)；和在控制装置(110)与控制部(102)之间传递信号的端子部(103)。
驱动部由基于控制信号将直流转换为交流的交流转换部来驱动电机。交流转换部一般由开关元件构成。作为控制信号，例如使用PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号。
图2表示第一个比较例，是电力转换装置的安全功能电路的结构例。本结构的紧急切断是，用端子部(103)接收来自控制装置(110)的切断信号，由控制部(102)的切断电路(1001)生成切断信号，用驱动部(101)切断驱动信号。在驱动部(101)内包括：作为交流转换部的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor；绝缘栅极型双极晶体管)；驱动IGBT的IGBT驱动电路；和接收来自控制器(MCU1)的驱动信号后传递至IGBT驱动电路的绝缘电路。切断信号在绝缘电路或IGBT驱动电路中切断驱动信号。
在这样的结构中，由虚线包围的安全功能部(104)分散配置于驱动部(101)、控制部(102)、端子部(103)，因此，安全功能部(104)与驱动部(101)、控制部(102)、端子部(103)的其它部分相互影响。因此，仅是检测安全功能部(104)，并不能够进行可靠性高的检查，必须以驱动部(101)、控制部(102)和端子部(103)的全部组合接受认证。一般来说，驱动部(101)的结构，根据电机(120)的额定电压、容量而改变，因此种类较多，在采用这样的结构时，接受认证的组合增加。
图3表示第二个比较例，是电力转换装置的安全功能电路的结构例。本结构中的紧急切断是，由端子部(103)接收来自控制装置(110)的切断信号，用控制部(102)的切断电路(1001)切断对驱动部(101)的驱动信号。在控制部(102)内，配置有用于将驱动信号依次向驱动部(101)发送的缓存器(1002)，切断电路(1001)向缓存器(1002)发送切断信号，切断向下一段的驱动信号的发送。
在这样的结构中，安全功能部(104)配置于控制部(102)、端子部(103)，因此以控制部(102)和端子部(103)的组合接受认证即可。由此，无论驱动部(101)的种类如何都能够接受认证，因此，与图2的结构相比，接受认证的组合减少。但是，控制部(102)、端子部(103)还搭载有安全功能以外的功能，在安全功能以外的部分发生变更时，如果不能够证明该变更对安全功能完全没有影响，则必须再次接受认证试验。
图4表示解决上记课题的实施例的结构例。本结构的紧急切断是，以用实线包围的安全功能部(104)接收来自控制装置(110)的切断信号，在安全功能部(104)内切断从控制部(102)接收到的驱动信号，不将驱动信号向驱动部(101)传递。在该结构中，安全功能完全独立，因此仅安全功能部(104)接受认证即可，只要在安全功能部没有搭载安全功能以外的功能，相对于安全功能以外的功能的变更能够物理性分离，因此容易证明没有影响。由此，关于安全功能以外的变更，不需要再次接受认证试验。
从控制装置(110)，用于控制电机(120)的控制用模拟信号或控制用数字信号输入至端子部(103)。为了使电力转换装置(100)与外部绝缘，有时将光耦合器(1003)用作端子。在控制用模拟信号或控制用数字信号中包含控制电机的旋转、停止等的命令。
控制部(102)具有例如由微机构成的控制器(MCU2)，对控制器(MCU2)输入来自端子部(103)的控制用模拟信号或控制用数字信号。基于这些输入信号，控制器(MCU2)生成用于驱动驱动部(101)的驱动信号并将其输出。驱动信号具体来说是用于控制作为开关元件的IGBT的信号。驱动信号被输入至安全功能部(104)。
安全功能部(104)经由输入端子(1101)接收来自控制器(MCU2)的驱动信号，将其经由2级的缓存器(1002a、1002b)传输，从输出端子(1102)向驱动部(101)发送。此外，包括作为从控制装置(110)接收指示切断的光信号的控制端子的光耦合器(1003C)；和接收来自光耦合器(1003C)的电信号而生成切断信号的切断电路(1001)。在切断时，切断信号从切断电路(1001)向缓存器(1002)发送，使向缓存器(1002)的信号的输入和输出的至少一个停止，切断驱动信号向驱动部(101)的传输。
在安全功能部(104)内，光耦合器(1003C)、缓存器(1002)和切断电路(1001)为2重结构，这是为了在任一者不起作用时，也能够可靠地进行切断。由此，缓存器可以是1级结构，也可以增加到3级以上。
驱动部(101)包括以驱动信号作为输入信号的绝缘电路；接收来自绝缘电路的驱动信号的IGBT驱动电路；和由IGBT驱动电路驱动的IGBT。绝缘电路是使驱动IGBT等功率元件的强电部与处理外部控制装置等的信号的弱电部绝缘的电路。图4的结构中可以认为驱动部是强电部，其它部分是弱电部。驱动信号由弱电部生成，因此在向最终级的IGBT传递信号时需要进行绝缘。作为绝缘方法，一般用光耦合器(栅极驱动器耦合器)绝缘。IGBT驱动电路中，基于接收到的驱动信号，生成用于实际使IGBT开关的驱动信号来而控制IGBT。关于这些驱动部(101)的具体结构，可以沿用现有技术。
根据以上的结构，输入至驱动部(101)的驱动信号在安全功能部(104)内被切断。用于使IGBT进行开关动作的信号即驱动信号，从控制器(MCU2)经由安全功能部(104)内向驱动部(101)发送。当驱动信号被切断时，IGBT的开关元件成为关断状态，电机(120)的驱动力消失。
应由安全功能部(104)实现的安全状态是何种状态，能够考虑各种安全基准。一般来说多以被称为STO(Safe Torque Off，安全转矩关闭)的状态定义。在电机(120)的驱动力消失时，也会由于惯性而旋转，但STO以不输出转矩的状态定义，因此利用惯性旋转的状态满足STO的基准。此外，为了使利用惯性旋转的电机停止，能够另外设置物理制动器。
图5中表示从图4的结构去除安全功能部(104)时的结构。图4的结构中，为了切断驱动信号，在控制部(102)与驱动部(101)之间配置有安全功能部(104)。在去除安全功能时，控制部(102)和驱动部(101)直接连接从而能够传递驱动信号。由此，对不需要安全功能的顾客能够提供更价廉的产品。
为了能够进行安全功能部(104)的拆装，本实施例的电力转换装置(100)具有：输出从控制部(102)向驱动部(101)传输的驱动信号的输出端子(1005)；和在驱动部(101)侧接收驱动信号的输入端子(1006)。在不需要安全功能部(104)的电力转换装置(100)中，将输出端子(1005)和输入端子(1006)用跨接线(1007)连接。在需要安全功能部(104)的电力转换装置(100)中，将来自输出端子(1005)的驱动信号与向安全功能部(104)的初级缓存器(1002a)去的输入端子(1101)连接，将来自后级缓存器(1002b)的输出与从输出端子(1102)向驱动部(101)去的输入端子(1006)连接。
根据本实施例，能够不受电机容量、电压的不同、控制部、端子部的不同影响地、接受功能安全标准的认证。此外，仅是安全功能部(104)接受功能安全标准的认证，因此变更引起的影响的研究仅对安全功能部(104)进行即可。此外，因为使安全功能部(104)独立，所以在没有安全功能部的状态下也能够作为电力转换装置起作用。为了像这样选择安全功能部的有无而容易地提供两种装置，将安全功能部(104)由独立的电路板或组件构成是很方便的。这样的电路板或组件使用在电力转换装置100侧设置的端子，由此能够容易地拆装。
本发明并不限定于上述实施方式，包括各种变形例。例如，能够将某实施例的结构的一部分转换为其它实施例的结构，此外，也能够在某实施例的结构上添加其它实施例的结构。此外，能够对各实施例的结构的一部分进行其它实施例的结构的添加、删除、置换。
附图标记说明
100：电力转换装置
101：驱动部
102：控制部
103：端子部
104：安全功能部
110：控制装置。

Claims (8)

1.一种电力转换装置，其特征在于，包括：
输出用于驱动驱动对象设备的驱动信号的控制部；
基于所述驱动信号驱动所述驱动对象设备的驱动部；
接收来自上级控制装置的信号并将其发送至所述控制部的端子部；和
对从所述控制部发送至所述驱动部的所述驱动信号进行干扰的安全功能部，
所述安全功能部包括：
从所述控制部输入所述驱动信号的输入端子；
将所述驱动信号输出至所述驱动部的输出端子；
连接所述输入端子和输出端子的驱动信号通路；
从所述上级控制装置接收用于指示所述驱动对象设备停止的切断信号的控制端子；和
接收到所述切断信号，对所述驱动信号进行干扰的切断电路，
在所述驱动信号通路配置有存储所述驱动信号的缓存器，
所述安全功能部通过所述控制端子接收来自所述上级控制装置的切断信号，在切断时，所述切断信号从所述切断电路向所述缓存器发送，使对所述缓存器的信号的输入和输出中的至少一者停止，在所述安全功能部内切断从所述控制部接收到的所述驱动信号，不将所述驱动信号向所述驱动部传递。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
所述安全功能部与所述控制部、所述驱动部以及所述端子部的电路分开，由所述输入端子和输出端子与它们连接。
3.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
所述安全功能部构成为单个电路板或单个组件，
由所述输入端子、输出端子和控制端子进行与外部的信号的收发。
4.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
具有多组所述控制端子和切断电路。
5.一种安全功能组件，其搭载于电力转换装置，基于切断信号停止由电力转换装置的驱动部供电的驱动对象设备的驱动，所述安全功能组件的特征在于，包括：
输入用于驱动所述驱动对象设备的驱动信号的输入端子；
将所述驱动信号输出至所述驱动部的输出端子；
连接所述输入端子和输出端子的驱动信号通路；
输入用于指示所述驱动对象设备停止的切断信号的控制端子；和
接收到所述切断信号，对所述驱动信号进行干扰的切断电路，
在所述驱动信号通路配置有存储所述驱动信号的缓存器，
所述安全功能组件通过所述控制端子接收来自上级控制装置的切断信号，在切断时，所述切断信号从所述切断电路向所述缓存器发送，使对所述缓存器的信号的输入和输出中的至少一者停止，在所述安全功能组件内切断从控制部接收到的所述驱动信号，不将所述驱动信号向所述驱动部传递。
6.如权利要求5所述的安全功能组件，其特征在于：
构成为单个电路板或单个组件，
由所述输入端子、输出端子和控制端子进行与外部的信号的收发。
7.如权利要求5所述的安全功能组件，其特征在于：
具有多组所述控制端子和切断电路。
8.一种电力转换装置，其特征在于，包括：
输出用于驱动驱动对象设备的驱动信号的控制部；
基于所述驱动信号驱动所述驱动对象设备的驱动部；和
接收来自上级控制装置的信号并将其发送至所述控制部的端子部，
所述控制部具有输出所述驱动信号的驱动信号输出端子，
所述驱动部包括输入所述驱动信号的驱动信号输入端子和输入来自所述驱动信号输入端子的驱动信号的绝缘电路，
能够选择将所述驱动信号输出端子和所述驱动信号输入端子之间用跨接线直接连接还是经由安全功能电路连接，
所述安全功能电路包括：
从所述控制部输入所述驱动信号的输入端子；
将所述驱动信号输出至所述驱动部的输出端子；
连接所述输入端子和输出端子的驱动信号通路；
从所述上级控制装置接收用于指示所述驱动对象设备停止的切断信号的控制端子；和
接收到所述切断信号，对所述驱动信号进行干扰的切断电路，
在所述驱动信号通路配置有存储所述驱动信号的缓存器，
所述安全功能电路通过所述控制端子接收来自所述上级控制装置的切断信号，在切断时，所述切断信号从所述切断电路向所述缓存器发送，使对所述缓存器的信号的输入和输出中的至少一者停止，在所述安全功能电路内切断从所述控制部接收到的所述驱动信号，不将所述驱动信号向所述驱动部传递。
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