JP4200856B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータの回転を高精度に制御するインバータ等に用いられる電力変換装置に関する。

電力の変換と制御を行う電力変換装置は、トランジスタやダイオード等の多数の能動素子を組み合わせた回路から成る電力変換部と、この電力変換部の能動素子をオン／オフ制御する制御信号を生成する回路から成る電力制御部とを備えて構成されており、直流電力を交流電力に変換したり、交流電力を直流電力に変換したりすることができる。
電力変換部としては、例えば図３に示すトランジスタＴ１〜Ｔ６に、ダイオードＤ１〜Ｄ６を並列接続した３相インバータがある。この電力変換部１０は、直流電源から交流電力を出力するために、電力制御部からの制御信号でトランジスタＴ１〜Ｔ６をオン／オフ制御することで、直流を３相交流にする電力変換するものである。

このような電力変換装置は、建設・土木機械、食料加工機械、搬送機械、ファン・ポンプ機械など広範な分野で使用される例えばモータ駆動制御などに適用されている。このモータ駆動制御では、電力変換部１０の近傍に電力制御部を設置すると外部からのノイズにより誤作動を起こすことがあるため、電力制御部は一般的に離れた場所に設置されている。この理由によって、電力制御部から電力変換部１０に伝送する制御信号は、外部からのノイズの影響を与えないようにするため、光ファイバで伝送することが一般的となっている。

光ファイバや、この光ファイバで伝送される電気信号（制御信号）を光に変換する光リンクのコストは非常に高いので、電力変換装置全体をコストダウンするためには、光ファイバや光リンクの使用量や数が少ない方が望ましい。
そこで、例えば特許文献１のように、シリアル伝送を用いて制御信号を伝送することにより、光ファイバ及び光リンクの使用量や数を低減する電力変換装置が提案されている。

この提案の電力変換装置は、図４に示すように、制御演算部１１と、スイッチングパルス発生部１２と、シリアル信号変換部１３と、送信部１４と、この送信部１４と光ファイバ１５で接続された受信部１６と、パルス復元部１７とを有する電力制御部２０と、例えば前述した電力変換部１０とを備えて構成されている。
但し、電力制御部２０は、送信側制御部と受信側制御部とに別れ、その送受信間が光ファイバ１５で接続され、実際の電力変換部１０の動作制御を行う送信側制御部が、電力変換部１０から所定距離離してある。

このような構成において、制御演算部１１にて電力変換部１０を制御するための演算が行われ、この演算結果に応じてスイッチングパルス発生部１２においてＰＷＭ(PulseWidth Modulation)方式に代表されるパルス変調が行われることにより、電力変換部１０の各々のトランジスタＴ１〜Ｔ６を制御するためのスイッチングパルス信号が、パラレルに発生される。このスイッチングパルス信号は、シリアル信号変換部１３でシリアル信号に変換され、このシリアル信号が送信部１４から光ファイバ１５へ送信される。

この光ファイバ１５へ送信されたシリアル信号は、受信部１６で受信された後、パルス復元部１７で、元のパラレルのスイッチングパルス信号に復元される。この復元された各スイッチングパルス信号によって電力変換部１０が制御される。但し、シリアル信号の送信間隔は、送信部と受信部との同期を取るため、ある一定時間間隔とされている。
なお、特許文献１には、シリアル信号変換部１３及び送信部１４が纏められて送信手段とされ、受信部１６とパルス復元部１７とが纏められて受信手段と記載されている。

また、このような構成の電力変換装置において、故障発生時に電力変換装置を停止する場合は、次のように行う。例えば制御演算部１１に設けられた故障検出部において、運転レベルが故障検出レベルを超えたことを検出することによって故障が検出されたとすると、制御演算部１１は、電力変換部１０の動作を停止させるための故障停止パルス信号を、スイッチングパルス発生部１２から発生させるように制御する。

これによって、スイッチングパルス発生部１２から故障停止パルス信号が発生され、シリアル信号変換部１３でシリアル信号に変換された後、送信部１４から光ファイバ１５へ送信される。この送信されたシリアル信号は、受信部１６で受信された後、パルス復元部１７で故障停止パルス信号に復元される。この故障停止パルス信号が電力変換部１０へ出力されることによって電力変換部１０の動作が停止する。この停止によって電力変換装置を、例えば過電流による破壊から保護することができる。
特開平１１−２１５８０６号公報

しかし、上記の特許文献１の電力変換装置においては、故障検出時に発生される故障停止パルス信号を、送信時間が一定間隔に定められているシリアル信号に変換して送信しなければならない。このため、シリアル信号を送信できない時間幅（無伝送時間幅）において故障が発生した場合、特に無伝送時間幅の初期に故障が発生した場合、シリアル信号を送信できる時間まで故障停止パルス信号を送信することができなくなるので、故障検知から電力変換装置停止までに時間がかかるという問題がある。

このように停止までに時間がかかると、故障による変換器の電流が増大し、破壊レベルを越えると、電力変換装置が破壊されることになる。そこで、その破壊を防止するため、例えば電線や、電力変換部１０の能動素子を大容量タイプのものとして充分に過電流に耐えうるように構成されている。しかし、このように構成した場合、電力変換装置が大きくなると共にコストが高くなるという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、故障検出から当該電力変換装置を停止するまでの時間を短くすることができ、また、当該電力変換装置の小型化及び低コスト化を図ることができる電力変換装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１による電力変換装置は、被制御対象装置に供給される直流及び交流の電力を相互に変換するために能動素子を組み合わせてなる電力変換手段と、この電力変換手段の能動素子の動作を制御する制御信号を一定間隔で発生して、外部ノイズの影響の無い伝送路へ送信する送信側制御手段及び、前記伝送路へ送信された制御信号を受信して前記電力変換手段に供給する受信側制御手段からなる電力制御手段とを有する電力変換装置において、前記送信側制御手段に、前記制御信号の発生していない期間に、パルス信号を一定間隔で発生する発生手段と、当該電力変換装置の故障を検出する故障検出手段と、前記故障検出手段による故障未検出時に、前記制御信号と、この制御信号の発生していない期間に発生される前記パルス信号を前記伝送路へ送信し、故障検出時に前記制御信号及び前記パルス信号の双方を未送信状態とする送信手段とを備え、前記受信側制御手段に、前記制御信号及び前記パルス信号の未受信時に計時動作を行うと共に、前記制御信号及び前記パルス信号の何れか一方の受信時に前記計時動作による計時時間をリセットし、前記計時動作による計時時間が予め定められた設定時間を越えた際に、前記電力変換手段の停止信号を前記電力変換手段へ出力する停止制御手段を備えたことを特徴としている。

この構成によれば、従来では故障検出時に、停止信号を予め送信時間間隔が定められている制御信号の送信時間帯に送信していたので、特に、制御信号を送信できない時間帯に故障が発生した場合、送信可能な時間まで停止信号の送信を待たなくてはならず、このため、故障検知から電力変換手段の停止までに時間がかかっていた。しかし、本電力変換装置においては、制御信号の送信不可能な時間帯にパルス信号を一定間隔で送信し、これを受信する。そして、パルス信号の未受信時に計時動作を行い、この計時動作による計時時間が設定時間を越えた際に停止信号で電力変換手段を停止するようにした。つまり、計時動作が開始されてから計時時間が設定時間を越えるまでの間の時間幅を、制御信号の送信不可能な時間幅（時間帯）よりも短く（出来れば大幅に短く）しておくことによって、その送信不可能な時間幅内で故障が発生しても電力変換手段を停止させることができる。これによって、故障検知から電力変換手段の停止までにかかる時間を短くすることができる。

以上説明したように本発明は、電力変換手段を制御する制御信号の送信不可能な時間帯にパルス信号を一定間隔で送信し、これを受信する。そして、パルス信号の未受信時に計時動作を行い、この計時動作による計時時間が設定時間を越えた際に停止信号で電力変換手段を停止するようにした。
これによって、計時動作が開始されてから計時時間が設定時間を越えるまでの間の時間幅を、制御信号の送信不可能な時間幅（時間帯）よりも短くしておくことによって、その送信不可能な時間幅内で故障が発生しても電力変換手段を停止させることができる。従って、故障検知から電力変換装置の停止までにかかる時間を短くすることができるという効果がある。
また、停止までにかかる時間を短くすることができるので、従来のような装置破壊につながる過剰な過電流に耐えうる構成が不要となり、電力変換装置の小型化及び低コスト化を図ることができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。但し、図１に示す本実施の形態において、図４に示した従来例の各部に対応する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
図１に示す電力変換装置は、既に従来例で説明した制御演算部１１、スイッチングパルス発生部１２、シリアル信号変換部１３及び送信部１４を有する送信側制御部と、送信部１４と光ファイバ１５で接続された受信部１６及びパルス復元部１７を有する受信側制御部とにおいて、送信側制御部に、パルス信号発生部３１と、運転条件判断部３２と、故障検出部３３と、シリアル信号合成部３４とを更に備え、受信側制御部に、受信間隔判断部３５を更に備えて電力制御部４０を構成した点に特徴がある。なお、受信間隔判断部３５及びパルス復元部１７の双方で請求項１に記載した停止制御手段を構成している。

次に、これらの特徴構成要素の説明を行う。
パルス信号発生部３１は、制御演算部１１からスイッチングパルス信号の発生を停止するための停止信号が入力されると、一定パルス幅のパルス信号を一定間隔でシリアル信号合成部３４へ出力し、スイッチングパルス信号を発生するための発生信号が入力されると、そのパルス信号の出力を停止するものである。
つまり、スイッチングパルス信号の発生区間は、従来例で説明したようにシリアル信号が送信される区間に対応するので、図２に示すように、シリアル信号が送信されない時刻ｔ２とｔ３の区間のみに、パルス信号をシリアル信号合成部３４へ出力するようになっている。
シリアル信号合成部３４は、例えば論理和回路で構成され、シリアル信号変換部１３から出力されるシリアル信号又は、パルス信号発生部３１から出力されるパルス信号を送信部１４へ出力するものである。

運転条件判断部３２は、本電力変換装置の運転を停止する際に、本電力変換装置の停止を指示するための停止指令信号を送信部１４へ出力するものである。
故障検出部３３は、運転レベルが故障検出レベルを超えた際に故障と検出するものであり、この故障検出時に、本電力変換装置の停止を指示するための停止指令信号を送信部１４へ出力するものである。
従って、送信部１４は、停止指令信号が入力された際に、シリアル信号又はパルス信号の送信を停止する。
受信間隔判断部３５は、図示せぬタイマを備え、受信部１６で受信されたシリアル信号又はパルス信号が受信されず、「Ｌ」レベルとなっている時間を計時し、この計時時間が予め定められた設定時間を越えた場合に、電力変換部１０の動作を停止するための停止指令信号をパルス復元部１７に供給するものである。

更に説明すると、上記のタイマは、図２に示すように、時刻ｔ１とｔ２間及びｔ３とｔ４間のようにシリアル信号が受信されている場合は、計時動作を行わない。また、時刻ｔ２とｔ３間に鋸歯状で波形を示すように、一定間隔で「Ｈ」レベルのパルス信号が受信されている場合は、そのパルス信号受信をトリガとしてリセットされ、パルス信号が受信されていない「Ｌ」レベルとなると計時動作を行って計時時間が加算されるようになっている。また、時刻ｔ４以降では、パルス信号が１つ受信されてリセットされた後は、パルス信号が受信されていないので、計時動作によって計時時間が時間経過に従って加算される状態となっている。

従って、パルス復元部１７は、受信間隔判断部３５から停止指令信号が供給されていない場合は、受信部１６で受信されたシリアル信号を、元のパラレルのスイッチングパルス信号に復元し、これを電力変換部１０のトランジスタＴ１〜Ｔ６へ出力する。一方、停止指令信号が供給されると、電力変換部１０を停止するための故障停止パルス信号を出力することによって、電力変換部１０の動作を停止させるようになっている。
次に、このような構成の電力変換装置における故障検出時の停止動作を、図２を参照して説明する。

まず、制御演算部１１にて電力変換部１０を制御するための演算が行われ、この演算結果に応じてスイッチングパルス発生部１２においてパルス変調が行われたとするとスイッチングパルス信号がパラレルに発生される。このスイッチングパルス信号は、シリアル信号変換部１３でシリアル信号に変換され、このシリアル信号がシリアル信号合成部３４を介して送信部１４から光ファイバ１５へ送信される。この送信されたシリアル信号は、時刻ｔ１〜ｔ２間において受信部１６で受信された後、パルス復元部１７で、元のパラレルのスイッチングパルス信号に復元され、これら信号によって電力変換部１０のトランジスタＴ１〜Ｔ６が制御される。

一方、時刻ｔ２以降は、シリアル信号は送信側制御部から送信されず受信部１６で受信されない。この場合、制御演算部１１からスイッチングパルス信号の発生を停止するための停止信号がパルス信号発生部３１に入力され、これに応じて、パルス信号発生部３１から一定パルス幅のパルス信号が一定間隔でシリアル信号合成部３４へ出力される。
この出力されたパルス信号は、送信部１４から光ファイバ１５を介して受信部１６で受信され、受信間隔判断部３５へ出力される。受信間隔判断部３５では、パルス信号が入力される毎にタイマがリセットされ、それ以外において計時動作が行われて計時時間が加算される。図２に鋸歯状で示すように、パルス信号は一定時間間隔で受信されるので、受信されない間は計時動作によって計時時間が加算されるが、即時パルス信号が受信されることによってリセットされる。

このようなパルス信号受信時の動作が時刻ｔ３において終了し、再び時刻ｔ３〜ｔ４間においてシリアル信号が受信され、時刻ｔ４を越えた時点でパルス信号が受信された後、時刻ｔ５において、故障が発生したとする。
即ち、故障検出部３３で故障が検出され、この検出によって停止指令信号が送信部１４へ出力されることによって、送信部１４からのパルス信号の送信が停止され、これによって、受信部１６におけるパルス信号の受信が停止されたとする。この受信停止によって受信間隔判断部３５には、パルス信号が入力されなくなるので、タイマが計時動作を継続する状態となる。

この計時動作によって加算されてゆく計時時間が、時刻ｔ６において、設定時間を超えたとすると、受信間隔判断部３５から停止指令信号がパルス復元部１７に供給される。この供給によって、故障停止パルス信号が電力変換部１０へ出力され、電力変換部１０の動作が停止される。
また、シリアル信号送信時に、故障検出部３３で故障が検出され、この検出によって送信部１４からのシリアル信号の送信が停止された場合を考える。

この場合、受信部１６におけるシリアル信号の受信が停止され、受信間隔判断部３５には、シリアル信号が入力されなくなるので、タイマが計時動作を継続する状態となる。この計時動作によって加算されてゆく計時時間が、設定時間を超えると、受信間隔判断部３５から停止指令信号がパルス復元部１７に供給され、故障停止パルス信号が電力変換部１０へ出力され、電力変換部１０の動作が停止される。

このように、本実施の形態の電力変換装置によれば、パルス信号発生部３１から、シリアル信号の送信不可能な時間帯にパルス信号を一定間隔で発生して、これを送信部１４から光ファイバ１５へ送信し、これを受信部１６で受信する。また、故障検出部３３での故障検出時に停止信号に応じて送信部１４でパルス信号を停止させる。これによって、パルス信号が入力されなくなった受信間隔判断部３５において、計時動作を行い、この計時動作による計時時間が設定時間を越えた際に、パルス復元部１７から故障停止パルス信号を出力させて電力変換部１０を停止するようにした。但し、停止信号は、故障検出時に限らない。例えば、運転条件判断部３２によって停止信号が発生することも有り得る。

つまり、計時動作が開始されてから計時時間が設定時間を越えるまでの間の時間幅を、制御信号の送信不可能な時間幅（時間帯）よりも短く（出来れば大幅に短く）しておくことによって、その送信不可能な時間幅内で故障が発生しても電力変換部１０を停止させることができる。これによって、故障検知から電力変換部１０を含む電力変換装置の停止までにかかる時間を短くすることができる。
また、上記のように停止までにかかる時間を短くすることができるので、従来のような装置破壊につながる過剰な過電流に耐えうる構成が不要となり、電力変換装置の小型化及び低コスト化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。 本実施の形態に係る電力変換装置の特長動作を説明するためのタイミングチャートである。 電力変換部の回路構成の一例を示す図である。 従来の電力変換装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 電力変換部
１１ 制御演算部
１２ スイッチングパルス発生部
１３ シリアル信号変換部
１４ 送信部
１５ 光ファイバ
１６ 受信部
１７ パルス復元部
２０，４０ 電力制御部
３１ パルス信号発生部
３２ 運転条件判断部
３３ 故障検出部
３４ シリアル信号合成部
３５ 受信間隔判断部
Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード
Ｓ１〜Ｓ６ スイッチング素子

Claims (1)

1. 被制御対象装置に供給される直流及び交流の電力を相互に変換するために能動素子を組み合わせてなる電力変換手段と、この電力変換手段の能動素子の動作を制御する制御信号を一定間隔で発生して、外部ノイズの影響の無い伝送路へ送信する送信側制御手段及び、前記伝送路へ送信された制御信号を受信して前記電力変換手段に供給する受信側制御手段からなる電力制御手段とを有する電力変換装置において、
   前記送信側制御手段に、
   前記制御信号の発生していない期間に、パルス信号を一定間隔で発生する発生手段と、
   当該電力変換装置の故障を検出する故障検出手段と、
   前記故障検出手段による故障未検出時に、前記制御信号と、この制御信号の発生していない期間に発生される前記パルス信号を前記伝送路へ送信し、故障検出時に前記制御信号及び前記パルス信号の双方を未送信状態とする送信手段と
   を備え、
   前記受信側制御手段に、
   前記制御信号及び前記パルス信号の未受信時に計時動作を行うと共に、前記制御信号及び前記パルス信号の何れか一方の受信時に前記計時動作による計時時間をリセットし、前記計時動作による計時時間が予め定められた設定時間を越えた際に、前記電力変換手段の停止信号を前記電力変換手段へ出力する停止制御手段
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。

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