JP2012120430A - 二重化された制御部を有するマルチレベルインバータ - Google Patents

Abstract

【課題】二重化された制御部を有するマルチレベルインバータを提供すること。
【解決手段】前記マルチレベルインバータは、モータの電流および回転速度の検知による電圧および周波数命令からマルチレベルインバータに制御信号を提供する第１制御部と、モータの電流および回転速度の検知による電圧および周波数命令からマルチレベルインバータに制御信号を提供する第２制御部と、前記第１制御部または前記第２制御部の制御信号によって入力交流電源を直流に変換し、変換された直流電源を平滑させ、前記平滑された直流電源を前記制御信号によって３相電流に変換して出力する複数の単一インバータモジュールとから構成されたマルチレベルインバータを含むことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、二重化された制御部を有するマルチレベルインバータに関し、特に、制御システムにおいて、第１制御部および第２制御部を備えることにより、第１制御部が故障した場合に、第２制御部が負荷を駆動することができる、二重化された制御部を有するマルチレベルインバータに関する。

所定の負荷を駆動させる所定の駆動システムは、通常、負荷を駆動させることが可能な駆動器を使用している。そして、前記駆動器が前記負荷を動作命令によって精度よく駆動させるために、制御部を備えることにより、駆動器の動作を制御している。

例えば、負荷で誘導電動器を駆動させる場合に、駆動器としては、通常、インバータを幅広く使用している。前記インバータは、直流電力をスイッチングさせて交流電力に変換した後、負荷に供給する。

このようなインバータに制御部が接続され、制御部の制御信号によって前記インバータが前記スイッチング速度を調整することにより、負荷に供給される交流電力および周波数が調整され、負荷を精度よく駆動させることができる。

本発明は、上記の問題を解決するためのものであって、マルチレベルインバータを制御するための制御部を二重に備えることにより、第１制御部が故障した場合に、他の１つの第２制御部を用いて、システムの中断しない動作を可能にする、二重化された制御部を有するマルチレベルインバータを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明にかかる二重化された駆動部を有するマルチレベルインバータは、モータの電流および回転速度の検知による電圧および周波数命令からマルチレベルインバータに制御信号を提供する第１制御部と、モータの電流および回転速度の検知による電圧および周波数命令からマルチレベルインバータに制御信号を提供する第２制御部と、前記第１制御部または前記第２制御部の制御信号によって入力交流電源を直流に変換し、変換された直流電源を平滑させ、前記平滑された直流電源を前記制御信号によって３相電流に変換して出力する複数の単一インバータモジュールとから構成されたマルチレベルインバータを含み、前記第１制御部および前記第２制御部は、互いに独立した第１電源部および第２電源部のいずれか１つから電源を受けることができる。

前記第１制御部および前記第２制御部は、前記マルチレベルインバータと通信ラインを介して接続され、前記通信ラインは、二重に構成できる。

前記単一インバータモジュールの各々は、入力交流電源を直流に変換し、変換された直流電源を平滑させる整流部と、前記平滑された直流電源をＰＷＭ制御信号によって ３相電流に変換して出力するインバータ部と、前記制御部から出力される制御信号によってＰＷＭ制御信号を発生し、前記インバータ部に出力するＰＷＭ制御部とを含むことができる。

前記ＰＷＭ制御部は、前記第１制御部または前記第２制御部から出力される制御信号によって前記第１制御部または前記第２制御部の故障診断を行い、前記第１制御部または前記第２制御部のうちの１つが故障すると、故障した制御部を動作中止し、残りの他の１つの制御部を動作させることができる。

本発明によれば、マルチレベルインバータ構造において、２つの制御部を備えることにより、第１制御部が故障した場合に、第２制御部を用いて、モータを途切れなく連続して駆動することができ、システムの信頼性および安全性を向上させることができるという利点がある。

本発明にかかるマルチレベルインバータシステムの構成ブロック図である。 図１における単一インバータモジュールの内部回路図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態にかかるモータ制御システムの構成ブロック図は大別して、第１単一インバータモジュール１２０−１と、第２単一インバータモジュール１２０−２と、第ｎ単一インバータモジュール１２０−ｎと、第１制御部１３０−１と、第２制御部１３０−２とを含む。

第１単一インバータモジュール１２０−１は、第１整流部１２１−１と、第１インバータ部１２２−１と、第１ＰＷＭ制御部１２３−１とを含み、第２単一インバータモジュール１２０−２は、第２整流部１２１−２と、第２インバータ部１２２−２と、第２ＰＷＭ制御部１２３−２とを含む。また、第ｎ単一インバータモジュール１２０−ｎは、第ｎ整流部１２１−ｎと、第ｎインバータ部１２２−ｎと、第ｎＰＷＭ制御部１２３−ｎとを含む。

ここで、第１制御部１３０−１および第２制御部１３０−２は、回路および機能が同一であり、カスケードＨ−ブリッジ構造を有するマルチレベルインバータ（ｃａｓｃａｄｅｄ Ｈ−ｂｒｉｄｇｅ ｍｕｌｔｉ ｌｅｖｅｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）の動作を制御するための構成である。

第１制御部１３０−１または第２制御部１３０−２は、モータの電流および回転速度の検知による電圧および周波数命令からマルチレベルインバータを構成する単一インバータモジュールに制御信号を提供することができる。

第１制御部１３０−１または第２制御部１３０−２は、少なくとも２つの電源部から電源を受けることができ、これは、１つの電源部に異常が発生した場合に、残りの異常が発生しない電源部を用いるようにするためである。したがって、第１制御部１３０−１および第２制御部１３０−２は、第１電源部と第２電源部に同時に接続可能であり、これら電源部から電源を同時に受けることができる（電源の二重化）。

マルチレベルインバータは、複数の単一インバータモジュールで構成され、前記第１制御部または前記第２制御部の制御信号によって入力交流電源を直流に変換し、変換された直流電源を平滑させ、前記平滑された直流電源を前記制御信号によって３相電流に変換して出力することができる。

マルチレベルインバータは、３相交流電源の入力電源１１０を受けて変換し、モータ１４０に提供することができる。

第１制御部１３０−１または第２制御部１３０−２は、前記マルチレベルインバータと通信ラインを介して接続可能であり、前記通信ラインは、二重に構成できる。つまり、第１制御部１３０−１または第２制御部１３０−２と、前記マルチレベルインバータとは、二重化された通信ラインを介して接続され、二重化された通信ラインのいずれか１つが故障すると、残りの１つの通信ラインを介して接続可能である。

このような前記電源の二重化、通信ラインの二重化、制御部の二重化（第１制御部および第２制御部）は、マルチレベルインバータの安定した制御と信頼性を保障するためである。具体的な説明は後述する。

前述したように、前記マルチレベルインバータのうち、１つの単一インバータモジュールの各々は、入力交流電源を直流に変換し、変換された直流電源を平滑させる整流部１２１と、前記平滑された直流電源をＰＷＭ制御信号によって３相電流に変換して出力するインバータ部１２２と、前記制御部から出力される制御信号によってＰＷＭ制御信号を発生し、前記インバータ部に出力するＰＷＭ制御部１２３とを含むことができる。

３相交流電源が整流部１２１−１、１２１−２，…、１２１−ｎに印加されると、整流部１２１−１、１２１−２、…、１２１−ｎは、入力された３相交流電源を直流電源に変換し、変換された直流電源を平坦にフィルタリングする平滑作用を果たす。

前記平滑された直流電源は、インバータ部１２２−１、１２２−２、…、１２２−ｎに印加される。

制御部１３０−１、１３０−２、第１ＰＷＭ制御部１２３−１、第２ＰＷＭ制御部１２３−２などは、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）ドライバを備えて通信プロトコルとして使用し、通信媒体として光通信ネットワークを使用する。

光通信ネットワークは、ＷＤＭ（Ｗａｖｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式であり得るが、本発明は、これに限定されるものではない。

制御部１３０−１、１３０−２は、第１ＰＷＭ制御部１２３−１ないし第ｎＰＷＭ制御部１２３−ｎに接続し、制御のための信号を出力する。

マルチレベルインバータの各々のＰＷＭ制御部１２３−１、１２３−２、…、１２３−ｎは、データ通信および故障診断機能を具備したＣＡＮドライバを用いて、制御部１３０−１、１３０−２と故障診断信号のようなデータ信号を授受する。

マルチレベルインバータの各々のＰＷＭ制御部１２３−１、１２３−２、…、１２３−ｎにおいて、第１制御部１３０−１または第２制御部１３０−２の制御信号が不良であるか、またはエラーがあると判断された場合、正常動作している他の制御部１３０−１、１３０−２を動作させることができる。

前記制御部１３０−１、１３０−２は、モータの近傍に取り付けられたセンサを介してモータの電流および回転速度を検知し、それによる電圧および周波数命令を生成し、第１ＰＷＭ制御部１２３−１ないし第ｎＰＷＭ制御部１２３−ｎに出力する。

第１ＰＷＭ制御部１２３−１ないし第ｎＰＷＭ制御部１２３−ｎは、制御部１３０−１、１３０−２から電圧および周波数命令を受けて、それによるＰＷＭ波形を生成し、第１インバータ部１２２−１ないし第ｎインバータ部１２２−ｎに出力する。

第１インバータ部１２２−１ないし第ｎインバータ部１２２−ｎは、ＰＷＭ制御信号によって、入力される直流電源を３相交流に変換して出力する。

第１制御部１３０−１および第２制御部１３０−２のうちの１つのみが、マルチレベルインバータの制御のために使用できる。例えば、第１制御部１３０−１がマルチレベルインバータの制御のために動作していると、第２制御部１３０−２は、待機状態を維持したまま待機することができる。

動作中の第１制御部１３０−１に故障が発生した場合、第１ＰＷＭ制御部１２３−１ないし第ｎＰＷＭ制御部１２３−ｎは、制御命令を用いて、故障した第１制御部１３０−１を動作停止させ、待機している良品（正常）の第２制御部１３０−２を動作させ、モータ１４０を回転中断なく回転させることにより、システムの連続運転によって信頼性を向上させる。

逆に、動作中の第２制御部１３０−２に故障が発生した場合、第１ＰＷＭ制御部１２３−１ないし第ｎＰＷＭ制御部１２３−ｎは、制御命令を用いて、故障した第２制御部１３０−２を動作停止させ、待機している良品（正常）の第１制御部１３０−１を動作させる。

図２に示すように、本発明の実施形態にかかるマルチレベルインバータの各々の単一インバータモジュールの整流部１２１およびインバータ部１２２の内部回路図を説明する。

整流部１２１は、マルチレベルインバータのすべての整流部、すなわち、第１整流部１２１−１ないし第ｎ整流部１２１−ｎを含み、インバータ部１２２は、マルチレベルインバータのすべてのインバータ部、すなわち、第１インバータ部１２２−１ないし第ｎインバータ部１２２−ｎを含み、これらを図２に代表例として示している。

以下、整流部１２１およびインバータ部１２２について説明する。

整流部１２１は、ダイオードＤ１〜Ｄ６と、キャパシタＣとから構成される。

ダイオードＤ１〜Ｄ６は、交流の入力電源１１０を３相電波整流して脈流電圧にし、前記脈流電圧は、前記キャパシタＣを介して平滑化された直流電圧になる。

前記直流電圧は、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯのような電子素子で構成されたインバータ部１２２の電源に入力される。

ここで、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４は、電子素子であって、スイッチのような役割を果たし、直流電圧を交流電圧に変換して出力する。

また、ダイオードＤ７〜Ｄ１０は、モータ１４０の逆方向サージ電圧による電子素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の破損を防止する役割を果たす。

以上、好ましい実施形態により本発明について詳細に説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で多様に変更および応用可能であることは当業者にとって自明である。したがって、本発明の真の保護範囲は、下記の請求の範囲によって解釈されなければならず、それと同等の範囲内にあるすべての技術的思想は、本発明の権利範囲に属するものとみなさなければならない。

１１０：ＡＣ電源
１２０−１：第１単一インバータモジュール
１２０−２：第２単一インバータモジュール
１２０−ｎ：第ｎ単一インバータモジュール
１３０−１：第１制御部
１３０−２：第２制御部
１４０：モータ

Claims (5)

1. 複数の単一インバータモジュールで構成されたマルチレベルインバータであって、
   モータの電流および回転速度の検知による電圧および周波数命令からマルチレベルインバータに制御信号を提供する第１制御部と、
   モータの電流および回転速度の検知による電圧および周波数命令からマルチレベルインバータに制御信号を提供する第２制御部と、
   前記第１制御部または前記第２制御部の制御信号によって入力交流電源を直流に変換し、変換された直流電源を平滑させ、前記平滑された直流電源を前記制御信号によって３相電流に変換して出力する複数の単一インバータモジュールとから構成されたマルチレベルインバータを含み、
   前記第１制御部および前記第２制御部は、互いに独立した第１電源部および第２電源部のいずれか１つから電源を受けることを特徴とするマルチレベルインバータ。
2. 前記第１制御部および前記第２制御部は、前記マルチレベルインバータと通信ラインを介して接続され、前記通信ラインは、二重に構成されることを特徴とする請求項１に記載のマルチレベルインバータ。
3. 前記単一インバータモジュールの各々は、
   入力交流電源を直流に変換し、変換された直流電源を平滑させる整流部と、
   前記平滑された直流電源をＰＷＭ制御信号によって３相電流に変換して出力するインバータ部と、
   前記制御部から出力される制御信号によってＰＷＭ制御信号を発生し、前記インバータ部に出力するＰＷＭ制御部とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のマルチレベルインバータ。
4. 前記ＰＷＭ制御部は、前記第１制御部または前記第２制御部から出力される制御信号によって前記第１制御部または前記第２制御部の故障診断を行い、前記第１制御部または前記第２制御部のうちの１つが故障すると、故障した制御部を動作中止し、残りの他の１つの制御部を動作させることを特徴とする請求項３に記載のマルチレベルインバータ。
5. 前記第１制御部または前記第２制御部のいずれか１つが前記マルチレベルインバータを制御するために用いられると、残りの１つは、待機状態を維持することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のマルチレベルインバータ。