JP2008161006A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共通部分を必要とせず、一方の制御装置のみで運転制御すべき制御装置の選択や制御装置の切替を実施することが可能な冗長制御系を有する電力変換装置を提供する。
【解決手段】 電力変換器５と、電力変換器５を運転制御するために冗長配置された２台の制御装置１Ａ、１Ｂとで構成する。各々の制御装置１Ａ、１Ｂは、相手方の制御装置に対して制御切替を要求する制御切替要求手段と、相手方の制御装置からの制御切替要求を受け入れて相手方の制御装置に対して回答する制御切替え回答手段とを有する。一方の制御装置が電力変換器５を運転制御中に異常を検出したとき、当該制御装置は電力変換器５の運転制御を停止すると共に他方の制御装置に対して制御切替を要求し、他方の制御装置は、制御切替え回答手段によってアンサーバックを行うと共に、電力変換器５の運転制御を開始する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に係り、特に冗長制御系を有する電力変換装置に関する。

交流モータを駆動するための電力変換装置の一つとして、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置がある。この電力変換装置は、使用される電力半導体素子や電力変換方法によりいくつかの種類がある。このうち、電力半導体素子としてＩＧＢＴなどの自己遮断能力を持つ素子を使用する電力変換装置は、電力変換方法にパルス幅変調方式（以下ＰＷＭ）が使用できるため、正弦波交流電圧により近い電圧パターンを出力でき、モータのようなインダクタンス成分の大きな負荷に対して、高調波のより少ない交流電流を供給することができるので、さまざまな応用分野において利用されている。

このような電力変換装置を使用する応用分野のなかには、数年にわたる無停止連続操業を求められる分野がある。電力変換装置自体の連続運転性能や故障率は年々改善される方向にはあるが、一般には故障率はゼロではなく、有寿命部品を使用している関係上、定期的に電力変換装置を停止させてメンテナンスを行う必要がある。

従って、上記の応用分野においては、１台の電力変換装置が故障や定期メンテナンスで停止しても、システムとして運転継続できるように、電力変換装置を複数台の並列構成とし、その一部で電力変換を実施し、残りを待機状態とする所謂冗長システムを構築することが多い。

通常電力変換装置は、電力変換を担当する少なくとも１台の電力変換器と、変換器を制御する制御装置とで構成される。冗長システムにおいては、これら電力変換器と制御装置の夫々が冗長の対象となる。

電力変換器の冗長方法は、システムを構成する電力変換器のうちいくつかを待機状態にしておき、運転中の電力変換器で異常があった場合などに、異常となった電力変換器を停止（解列）し、待機中の電力変換器を運転（併入）する方法と、システムに必要な電力変換器の数より多くの電力変換器を並列運転し、異常となった電力変換器を解列して運転を継続する方法の２種類がある。何れの方法も、解列及び併入動作は制御装置でコントロールされる。

制御装置においては、制御装置の部品などに起因する制御装置故障のほか、制御装置にインタフェースされる電流センサなどのセンサ系の故障や、制御の異常によって引き起こされる電力変換器の異常がある。よって、異常の検出箇所が変換器の中であっても、制御装置が真因のこともある。制御装置の冗長方法としては、一方の制御装置で制御を行い、他方の制御装置を待機させるような冗長システムを構成する。電力変換器の場合と異なり、１台の制御装置で制御可能なので、制御装置２台で冗長システムを構築するのが一般的である（例えば特許文献１参照。）。
特開２００３−９８２８７号公報（全体）

上記の特許文献１に記載された制御装置の冗長系において、運転する制御装置の選択や、制御装置の切替をコントロールするためには、制御用の電源等を含め、一般に共通部分が必要となる。この場合、数年にわたる無停止連続操業を求められる応用分野に適用することを想定すると、以下のような課題が生じる。すなわち、ある制御装置（以下Ａと呼称）が故障またはメンテナンスのため停止しても、他の制御装置（以下Ｂと呼称）や電力変換器は運転を継続している。Ａは人を介してメンテナンス作業をするので、安全確保のため全電源をオフし、運転している制御装置や変換器から電源分離される必要がある。共通部分が存在すると、Ａと共通部分との間で共有される電源が含まれるため、共通部分も電源オフの対象となるが、Ｂにとっては共通部分を失うことになり、システム的に運転継続することができなくなる。

本発明は上記問題点を鑑みて為されたもので、その目的は、共通部分を必要とせず、一方の制御装置のみで運転制御すべき制御装置の選択や制御装置の切替を実施することが可能な冗長制御系を有する電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の電力変換装置は、スイッチング素子をオンオフ制御して電力を変換する少なくとも１台の電力変換器と、前記電力変換器を運転制御するために冗長配置された２台の制御装置とで構成され、前記各々の制御装置は、相手方の制御装置に対して制御切替を要求する制御切替要求手段と、相手方の制御装置からの制御切替要求を受け入れて相手方の制御装置に対して回答する制御切替え回答手段とを有し、一方の制御装置が電力変換装置を運転制御中に異常を検出したとき、当該制御装置は電力変換装置の運転制御を停止すると共に他方の制御装置に対して制御切替を要求し、他方の制御装置は、前記制御切替え回答手段によってアンサーバックを行うと共に、前記電力変換器の運転制御を開始するようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、共通部分を必要とせず、一方の制御装置のみで運転制御すべき制御装置の選択や制御装置の切替を実施することが可能な冗長制御系を有する電力変換装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置を図１乃至図４を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置のシステム構成図である。図１における電力変換装置は、制御装置１Ａ、制御装置１Ｂ及び電力変換器５で構成される。電力変換器５は、例えば構成要素であるスイッチング素子をオンオフさせることによって交流電源から得られる交流電圧を電動機駆動用の交流に変換する。

制御装置１Ａ及び制御装置１Ｂは、その構成が基本的に同一であり、その何れかが電力変換器５を運転制御するように冗長配置され、個別に保守が可能なように図示しない制御電源を分離可能な構成となっている。そして制御装置１Ａ及び制御装置１Ｂは、夫々変換器制御回路２Ａ、２Ｂ、制御異常検出回路３Ａ、３Ｂ、並びに制御切替コントロール回路４Ａ、４Ｂを有している。

変換器制御回路２Ａ、２Ｂは、電力変換器５を構成するスイッチング素子にゲート信号を与える、このゲート信号は、例えば電力変換器５の出力で駆動される図示しない電動機の速度が所望の速度となるように図示しない制御手段、例えばＰＷＭ制御によって定められたゲート信号である。

制御切替コントロール回路４Ａ、４Ｂは、制御切替リクエスト、リクエストアンサ及びステータス授受の各入出力信号インタフェースを夫々持ち、制御装置１Ａ、１Ｂの間でこれらの信号を互いに送受信する。そして、制御切替コントロール回路４Ａ、４Ｂは夫々変換器制御回路２Ａ、２Ｂに対し、制御開始／停止信号を供給する。

制御異常検出回路３Ａ、３Ｂに対し、変換器制御回路２Ａ、２Ｂから夫々自身の制御系の異常信号が与えられ、また電力変換器５から共通の異常信号が与えられる。この共通の異常信号とは電力変換器５の過電圧異常、過電流異常などの信号である。これらの信号を制御異常検出回路３Ａ、３Ｂが受けたとき、制御異常検出回路３Ａ、３Ｂは自らの属する制御装置の制御切替コントロール回路４Ａ、４Ｂに対し、夫々制御装置異常信号を出力する。

制御装置１Ａ、１Ｂは、それぞれ「選択」、「待機」、「保守」の３つのステータスのうちいずれか１つのステータスを記憶する図示しないステータス記憶手段持つ。このステータスは自らの制御装置がその運転経歴によって自動更新する。そして、一方の制御装置が「選択」であれば、他方は「待機」または「保守」であり、両者が「選択」にはならないようにお互いにインターロックされている。

ここで、制御装置１Ａが「選択」、制御装置１Ｂが「待機」のステータスを持つ状態において、制御装置１Ａが制御異常を検出した場合の制御切替フローについて、図２乃至図４を参照して説明する。図２は制御装置１Ａ側、図３は制御装置１Ｂ側の制御切替の動作フローチャート、図４は制御装置１Ａ側の故障復帰の動作フローチャートである。

図２において、制御装置１Ａで制御異常を検出すると（ＳＴ１）、まず制御装置１Ａのステータスが「選択」であるかどうか自ら確認する（ＳＴ２）。ステータスが「選択」でなければ、制御装置１Ａは電力変換器５の制御を実施していないので、制御切替は不要であり、そのままフローを抜ける。ステータスが「選択」であれば、制御装置１Ａが電力変換器５の運転制御を実施しているので、制御装置１Ｂへ制御切替を行う。

制御切替の方法は、まず電力変換器５の通電を停止するために電力変換器５を構成するスイッチング素子に対する全ゲート指令をブロックし（ＳＴ３）、次に制御装置１Ｂに対して「制御切替リクエスト」を送信する（ＳＴ４）。

次に、図３のフローチャートにおいて、制御装置１Ａからの「制御切替リクエスト」を受信すると（ＳＴ５）、まず制御装置１Ｂの自らのステータスが「待機」であるかどうか確認する（ＳＴ６）。ステータスが「待機」でなければ、制御切替を行って制御装置１Ｂで制御を行うことができないので、「制御切替リクエスト」に対する「リクエストアンサ」を返さずにフローを抜ける。

ステータスが「待機」であれば、「リクエストアンサ」を制御装置１Ａに対して送信する（ＳＴ７）。次に、制御装置１Ｂのステータスを「待機」から「選択」に変更し（ＳＴ８）、電力変換器５の運転制御を開始する（ＳＴ９）。尚、「制御切替リクエスト」を受信した時点で、制御装置１Ａは電力変換器５の制御を停止しているので、制御装置１Ａと１Ｂの間で電力変換器５の運転制御用のゲート信号が競合することはない。

再び図２のフローチャートに戻り、「制御切替リクエスト」を送信した制御装置１Ａは、制御装置１Ｂからの「リクエストアンサ」の受信を確認し（ＳＴ８Ａ）、制御装置１Ａのステータスを「選択」から「保守」に変更する（ＳＴ１０Ａ）。尚、制御装置１Ａは、一定時間以内に「リクエストアンサ」が返信されたかどうかチェックし（ＳＴ９Ａ）、一定時間以内に「リクエストアンサ」を確認することができなかった場合、制御装置１Ａ、１Ｂとも制御不可能として、システム停止とすることができる（ＳＴ１１Ａ）。また、他の方法として、制御切替できなかったので、制御装置１Ａを故障リセットし、１度だけ制御装置１Ａで電力変換器５の運転制御を試みることも可能である。

次に「保守」ステータスとなった制御装置１Ａの復旧フローについて図４のフローチャートを参照して説明する。制御装置１Ａは、該当する故障部位の復旧作業の完了後、故障復帰操作を行う。この操作を自動検出し（ＳＴ１２Ａ）、自らの制御装置１Ａが「保守」状態にあるかどうかチェックする（ＳＴ１３Ａ）。そして自らの制御装置１Ａが「保守」状態にあれば、このステータスを「待機」ステータスに切替える（ＳＴ１４Ａ）。以上により制御装置Ａのステータスが「保守」から「待機」に切り替わり、制御装置Ａは待機状態となって再びシステムに参加する。

以上の方法によれば、制御冗長をコントロールする共通制御系がなくても、制御装置１Ａから制御装置１Ｂへの制御切替が実現できる。制御装置１Ａと制御装置１Ｂは基本的に同一の動作を行う構成となっているので、制御装置１Ｂから制御装置１Ａへの制御切替も全く同様の手法で行うことが可能となる。

以下、本発明の実施例２に係る電力変換装置を図５及び図６を参照して説明する。

図５は本発明の実施例２に係る電力変換装置のシステム構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換装置のシステム構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、
制御装置１Ａ、１Ｂ内に保守リクエストスイッチ６Ａ、６Ｂを夫々設け、この保守リクエストスイッチ６Ａ、６Ｂからの保守リクエスト信号を制御切替コントロール回路４Ａ、４Ｂに夫々供給するようにした点である。尚、図５においては保守リクエストスイッチ８Ａ、８Ｂは制御装置１Ａ、１Ｂの内部に設置しているが、これらを制御装置１Ａ、１Ｂの外部に設けて制御装置１Ａ、１Ｂに夫々保守リクエスト信号を供給するように構成しても良い。

以下に制御装置１Ａが「選択」、制御装置１Ｂが「待機」のステータスにある場合の制御装置１Ａ側の保守時の動作フローを図６のフローチャートで説明する。

まず、保守リクエスト信号があるかどうか検出する（ＳＴ１）。保守リクエスト信号があれば、次に制御装置１Ｂが待機状態にあるかどうかそのステータスをチェックする（ＳＴ２）。制御装置１Ｂが待機状態にあれば、制御装置１Ａは制御装置１Ｂに対して制御切替リクエストを出力する（ＳＴ３）。尚、ここで制御装置１Ｂが待機状態になければ制御装置１Ｂに切替えることができない状態であるので、保守リクエスト信号をキャンセルする（ＳＴ４）。

次に制御装置１Ｂからの「リクエストアンサ」の信号が返信されれば、制御装置１Ａは「保守」ステータスとなって（ＳＴ１０）保守が可能な状態となる。ここで以下の２点についてチェックを行うことが可能となる。

まず、制御装置１Ｂからの「リクエストアンサ」の信号が所定時間以内に得られたかどうかチェックし（ＳＴ−６）、これが得られなかったときは、制御装置１Ｂが何らかの異常状態となったと判断し、保守リクエストをキャンセルする（ＳＴ４）。

次に、制御装置１Ｂからの「リクエストアンサ」の信号が所定時間以内に得られた場合であっても、制御切替リクエスト信号が入力されれば（ＳＴ７）、制御装置１Ａは運転制御の再開を行う（ＳＴ９）。これは、具体的には所定時間内に制御切替リクエスト信号が検出されたかどうかチェックし（ＳＴ８）、検出されない場合は制御装置１Ａは「保守」ステータスとなって（ＳＴ１０）保守が可能な状態とする。しかしながら、所定時間内に制御切替リクエスト信号が検出されたときは、制御装置１Ｂが制御切替に失敗するなどの理由で故障したと判断し、制御装置１Ａの保守をあきらめ、制御装置１Ａでの運転制御を再開する（ＳＴ９）。

以上説明したように、保守リクエスト信号による保守操作は、健全な制御装置に対して、定期メンテナンスを実施するために制御装置を停止させ、待機制御装置に制御切替を実施させる操作である。従って、制御装置１Ａと制御装置１Ｂの間で「制御切替リクエスト」および「リクエストアンサ」を送受信して制御切替を実現する手順は、実施例１の場合と同様である。

実施例１と異なるのは、制御装置１Ａは故障検出したわけではないので、制御装置１Ｂに制御切替した直後に制御装置１Ｂで故障検出したときは、再び制御装置１Ａに制御切替を行うことが可能な点である。これを実現するため、制御装置１Ａは、「リクエストアンサ」を受信した後所定時間「制御切替リクエスト」を受信するのを待つ。「制御切替リクエスト」を受信すれば制御装置１Ａで電力変換器５の運転制御を再開し、受信しなければ制御装置１Ａのステータスを「保守」に切り替える。

以上の実施例２によれば、冗長制御をコントロールする共通制御系がなくても、システムを止めることなく、電力変換器の運転制御を実施している制御装置の保守作業が可能となる。尚、上記における保守リクエスト信号は必ずしも一方の制御装置の保守時に用いるものではなく、何らかの場合に一時的に手動によって他方の制御装置の運転制御に切替えるときに用いることが可能なことは明らかである。

本発明の実施例１に係る電力変換装置のシステム構成図。 本発明の実施例１に係る電力変換装置の制御切替リクエストを要求する制御装置の動作フローチャート。 本発明の実施例１に係る電力変換装置の制御切替リクエストを受付ける制御装置の動作フローチャート。 本発明の実施例１に係る電力変換装置の故障復帰する制御装置の動作フローチャート。 本発明の実施例２に係る電力変換装置のシステム構成図。 本発明の実施例２に係る電力変換装置の保守用制御切替リクエストを要求する制御装置の動作フローチャート。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ 制御装置
２Ａ、２Ｂ 変換器制御回路
３Ａ、３Ｂ 制御異常検出回路
４Ａ、４Ｂ 制御切替コントロール回路
５ 電力変換器
６Ａ、６Ｂ 保守リクエストスイッチ

Claims (8)

1. スイッチング素子をオンオフ制御して電力を変換する少なくとも１台の電力変換器と、
   前記電力変換器を運転制御するために冗長配置された２台の制御装置と
   で構成され、
   前記各々の制御装置は、
   相手方の制御装置に対して制御切替を要求する制御切替要求手段と、
   相手方の制御装置からの制御切替要求を受け入れて相手方の制御装置に対して回答する制御切替え回答手段と
   を有し、
   一方の制御装置が前記電力変換器を運転制御中に異常を検出したとき、
   当該制御装置は前記電力変換器の運転制御を停止すると共に他方の制御装置に対して制御切替を要求し、
   他方の制御装置は、前記制御切替え回答手段によってアンサーバックを行うと共に、前記電力変換器の運転制御を開始するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記各々の制御装置は、
   自らの制御装置を相手方の制御装置に切替えるための制御切替入力手段と
   を有し、
   一方の制御装置で前記電力変換器を運転制御中に前記制御切替入力手段からの切替え要求信号を受けたとき、
   当該制御装置は前記電力変換器の運転制御を停止すると共に他方の制御装置に対して制御切替を要求し、
   他方の制御装置は、前記制御切替え回答手段によってアンサーバックを行うと共に、前記電力変換器の運転制御を開始するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記各々の制御装置は、
   自らの制御装置の状態を特定するステータス記憶手段を有し、
   このステータス記憶手段に記憶されるステータスを自ら更新すると共に、このステータスを当該制御装置の動作インターロック条件としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記ステータス記憶手段に記憶されるステータスは、「選択」、「待機」及び「保守」であり、一方の制御装置のステータスが「選択」であったとき、他方の制御装置のステータスは「待機」または「保守」となるようなインターロックを設けたことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記アンサーバックを受けた前記一方の制御装置のステータスは自動的に「保守」となり、保守を完了後に「待機」ステータスに移行可能としたことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記アンサーバックが所定時間以内に得られないとき、前記一方の制御装置はシステム停止処理を行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
7. 前記アンサーバックが所定時間以内に得られないとき、前記一方の制御装置は前記切替え要求信号をキャンセルするようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
8. 前記アンサーバックを受けてから所定時間以内に前記制御切替要求手段からの切替え要求信号を受けたとき、
   前記一方の制御装置で前記電力変換器の運転制御を再開するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。

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