JP6207798B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電圧を交流電圧に変換する電力変換装置に関する。

電力変換装置は、直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータ装置と、電力用半導体素子にオンオフ用ゲートパルスを印加するゲート駆動回路と、ゲート駆動回路に供給される電源電圧を遮断する電源遮断回路と、ゲート駆動回路にＰＷＭパルスを印加するＰＷＭ信号生成部と、交流電動機を安全に停止する安全停止部とから構成されている。

特許文献１では、外部から与えられる独立した２つの停止指令のうち何れか１つが入力されたとき、ゲート駆動回路のうち少なくとも１つのゲート駆動回路の出力をオフに固定する安全停止手段を備える電動機駆動用電力変換装置について開示されている。安全停止手段は、外部から与えられる独立した２つの停止指令のうち何れか１つが入力されたとき、２つのゲート駆動回路のうち少なくとも一方のゲート駆動回路の出力をオフに固定する。

特開２０１３−２４７６９３号公報

ところで、特許文献１に記載の電動機駆動用電力変換装置は、電動機の駆動中において、電源遮断回路が故障しているかどうかを確認する機能を有していないため、電源遮断回路に故障が生じた場合、停止指令が入力されても電動機を停止できない可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電動機の駆動中において、電源遮断回路が故障しているかどうかを確認することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、直流電圧を交流電圧に変換し、変換後の交流電圧を電動機に印加するインバータと、電動機の駆動を停止させる安全停止信号が入力された場合、電源部から供給される電力を遮断するように切り替える切替部が複数個直列に接続されて切替部群が構成され、当該切替部群が複数個並列に接続される電源回路と、電源回路から供給される電力とＰＷＭ信号とに基づいて、ゲートパルスを生成し、インバータにゲートパルスを印加するゲート駆動回路と、を備え、複数の切替部にはそれぞれ個別に安全停止信号を入力可能であり、電源回路は、ゲート駆動回路に電力を供給することにより電動機が駆動されている状態において、安全停止信号が異なるタイミングで複数の切替部に入力され、フィードバック信号を出力することを特徴とする。

本発明にかかる電力変換装置は、電動機の駆動中において、電源回路が故障しているかどうかを確認することができる。

実施の形態１にかかる電力変換装置の構成図 実施の形態２にかかる電力変換装置の構成図 実施の形態２にかかる電力変換装置の上位コントローラによる故障検査についての説明に供する図 実施の形態２にかかる電力変換装置の上位コントローラを実現するためのハードウェア構成例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置１の構成を示す図である。電力変換装置１は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ１１と、複数の切替部で構成される電源回路１２と、インバータ１１にゲートパルスを印加するゲート駆動回路１３と、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を生成して、出力するＰＷＭ信号生成回路１４とを備える。

インバータ１１は、ゲート駆動回路１３からの指令に基づいて、直流電圧を交流電圧に変換し、変換後の交流電圧を電動機２に印加し、電動機２を駆動させる。

電源回路１２は、電源部３とゲート駆動回路１３の間に配置され、電源部３から供給された電圧をゲート駆動回路１３に出力する。また、電源回路１２は、電動機２を停止させるための安全機能を有しており、電動機２の駆動を停止させる安全停止信号が入力された場合、電源部３から供給される電圧を遮断するように切り替える切替部が複数個直列に接続されて切替部群が構成され、当該切替部群が複数個並列に接続されている。電源回路１２は、電動機２が駆動されている状態において、安全停止信号が異なるタイミングで複数の切替部に入力され、フィードバック信号を出力する。切替部は、トランジスタまたはリレーにより構成される。

ゲート駆動回路１３は、電源回路１２を介して供給される電圧とＰＷＭ信号とに基づいて、ゲートパルスを生成し、インバータ１１にゲートパルスを印加する。

ここで、ゲート駆動回路１３の具体的な構成と動作について説明する。ゲート駆動回路１３は、ダイオード１３ａとトランジスタ１３ｂとを備えるフォトカプラによって構成されている。電源回路１２を介して電圧が供給されている場合、ダイオード１３ａには、ＰＷＭ生成回路１４で生成されたＰＷＭ信号に基づく電流が流れる。トランジスタ１３ｂは、ダイオード１３ａに流れる電流に基づいて、オンオフ動作を行う。インバータ１１は、トランジスタ１３ｂによるオンオフ動作によって動作する。なお、ゲート駆動回路１３は、電源回路１２により電圧が遮断されている場合、動作しない。

つぎに、電源回路１２を構成する切替部について説明する。電源回路１２は、第１切替部１２ａ、第２切替部１２ｂ、第３切替部１２ｃおよび第４切替部１２ｄの４つの切替部で構成されている。第１切替部１２ａと第２切替部１２ｂとは、直列に接続されている。第３切替部１２ｃと第４切替部１２ｄとは、直列に接続されている。また、第１切替部１２ａと第２切替部１２ｂとから構成される切替部群と、第３切替部１２ｃと第４切替部１２ｄとから構成される切替部群とは、互いに並列に接続されている。

なお、実施の形態１では、４つの切替部のうち一つが故障する場合を想定しているが、同時に２つの切替部が故障することを想定する場合には、電源回路１２は、６つの切替部で構成される。具体的には、３つの切替部が直列に接続されて切替部群が構成され、当該切替部群が並列に接続される。

第１切替部１２ａは、安全停止信号Ｓ１によって制御され、安全停止信号Ｓ１が入力されると、電源部３から供給される電圧を遮断するように切り替える。第２切替部１２ｂは、安全停止信号Ｓ２によって制御され、安全停止信号Ｓ２が入力されると、第１切替部１２ａを介して電源部３から供給される電圧を遮断するように切り替える。第３切替部１２ｃは、安全停止信号Ｓ３によって制御され、安全停止信号Ｓ３が入力されると、電源部３から供給される電圧を遮断するように切り替える。第４切替部１２ｄは、安全停止信号Ｓ４によって制御され、安全停止信号Ｓ４が入力されると、第３切替部１２ｃを介して電源部３から供給される電圧を遮断するように切り替える。よって、第１切替部１２ａ、第２切替部１２ｂ、第３切替部１２ｃおよび第４切替部１２ｄは、安全停止信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４により、それぞれ独立して制御される。

また、第１切替部１２ａと第２切替部１２ｂとの間からフィードバック信号Ｓ５が出力される。第３切替部１２ｃと第４切替部１２ｄとの間からフィードバック信号Ｓ６が出力される。第２切替部１２ｂ、第４切替部１２ｄおよびゲート駆動回路１３が接続されている箇所からフィードバック信号Ｓ７が出力される。

フィードバック信号Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７は、モニタ４に出力される。ユーザは、電動機２の駆動中において、モニタ４に表示されるフィードバック信号Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７により、第１切替部１２ａ、第２切替部１２ｂ、第３切替部１２ｃまたは第４切替部１２ｄが故障しているかどうかを確認することができる。

ここで、電源回路１２の動作について説明する。電源回路１２は、上述したように、安全停止信号が入力された場合には、電源部３からゲート駆動回路１３に供給される電圧を遮断するように切り替え、安全停止信号が入力されていない場合には、電源部３からゲート駆動回路１３に供給される電力を遮断しない。なお、安全停止信号が入力された場合とは、矩形波のＬｏｗ側が入力された場合を想定するが、矩形波のＨｉｇｈ側が入力された場合でもよい。

つまり、第１切替部１２ａおよび第２切替部１２ｂで電圧が遮断されない場合、または、第３切替部１２ｃおよび第４切替部１２ｄで電圧が遮断されない場合には、ゲート駆動回路１３に電源部３から電圧が供給される。

したがって、第１切替部１２ａおよび第２切替部１２ｂにおいて電圧が遮断されていない場合には、第３切替部１２ｃおよび第４切替部１２ｄがどのような状態であっても、ゲート駆動回路１３には電圧が供給され、電動機２を駆動させることができる。

具体的には、第３切替部１２ｃに安全停止信号Ｓ３が入力されず、第３切替部１２ｃが接続状態であれば、フィードバック信号Ｓ６は、電源部３の電圧と同値を示す。また、第４切替部１２ｄに安全停止信号Ｓ４が入力されず、第４切替部１２ｄが接続状態であれば、フィードバック信号Ｓ６は、電源部３の電圧と同値を示す。

また、第３切替部１２ｃに安全停止信号Ｓ３が入力されて、第３切替部１２ｃが遮断状態になり、かつ、第４切替部１２ｄに安全停止信号Ｓ４が入力されて、第４切替部１２ｄが遮断状態になれば、フィードバック信号Ｓ６は、電源部３の電圧と同値を示さない。

一方、第３切替部１２ｃおよび第４切替部１２ｄにおいて電圧が遮断されていない場合には、第１切替部１２ａおよび第２切替部１２ｂがどのような状態であっても、ゲート駆動回路１３には電圧が供給され、電動機２を駆動させることができる。

具体的には、第１切替部１２ａに安全停止信号Ｓ１が入力されず、第１切替部１２ａが接続状態であれば、フィードバック信号Ｓ５は、電源部３の電圧と同値を示す。また、第２切替部１２ｂに安全停止信号Ｓ２が入力されず、第２切替部１２ｂが接続状態であれば、フィードバック信号Ｓ５は、電源部３の電圧と同値を示す。

また、第１切替部１２ａに安全停止信号Ｓ１が入力されて、第１切替部１２ａが遮断状態になり、かつ、第２切替部１２ｂに安全停止信号Ｓ２が入力されて、第２切替部１２ｂが遮断状態になれば、フィードバック信号Ｓ５は、電源部３の電圧と同値を示さない。

よって、実施の形態１にかかる電力変換装置１は、電動機２が駆動している状態において、フィードバック信号Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７を監視することにより、第１切替部１２ａ、第２切替部１２ｂ、第３切替部１２ｃまたは第４切替部１２ｄが故障していないかどうかを確認させることができる。

実施の形態２．
つぎに、実施の形態２にかかる電力変換装置５の構成と動作について説明する。図２は、実施の形態２にかかる電力変換装置５の構成を示す図である。なお、電力変換装置５は、電源回路１２を制御する上位コントローラ１５，１６を備える以外の構成要素は、電力変換装置１と同一である。よって、電力変換装置１の構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付し、説明を省略する。

上位コントローラ１５は、第１切替部１２ａに安全停止信号Ｓ１を入力し、第３切替部１２ｃに安全停止信号Ｓ３を入力する。また、上位コントローラ１５は、フィードバック信号Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７が入力される。

上位コントローラ１６は、第２切替部１２ｂに安全停止信号Ｓ２を入力し、第４切替部１２ｄに安全停止信号Ｓ４を入力する。また、上位コントローラ１６は、フィードバック信号Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７が入力される。

ここで、電動機２の駆動中において行われる上位コントローラ１５，１６による電源回路１２の故障検査について説明する。第１切替部１２ａおよび第２切替部１２ｂをチャネル１とし、第３切替部１２ｃおよび第４切替部１２ｄをチャネル２とする。故障検査は、チャネルごとに行われる。

図３は、上位コントローラ１５，１６により故障検査が行われた際における第１切替部１２ａ、第２切替部１２ｂ、第３切替部１２ｃおよび第４切替部１２ｄの状態と、フィードバック信号Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７の変化の様子を示す図である。なお、図３中の「ＯＮ」は、安全停止信号が入力されていない状態を示し、「ＯＦＦ」は、安全停止信号が入力されている状態を示す。

まず、チャネル２の第３切替部１２ｃおよび第４切替部１２ｄが故障しているかどうかを検査する動作について説明する。

動作１として、上位コントローラ１５は、第１切替部１２ａに安全停止信号Ｓ１を入力せず、第３切替部１２ｃに安全停止信号Ｓ３を入力する。また、上位コントローラ１６は、第２切替部１２ｂに安全停止信号Ｓ２を入力せず、第４切替部１２ｄに安全停止信号Ｓ４を入力する。

つぎに、動作２として、上位コントローラ１５は、第１切替部１２ａに安全停止信号Ｓ１を入力せず、第３切替部１２ｃに安全停止信号Ｓ３を入力しない。また、上位コントローラ１６は、第２切替部１２ｂに安全停止信号Ｓ２を入力せず、第４切替部１２ｄに安全停止信号Ｓ４を入力する。

つぎに、動作３として、上位コントローラ１５は、第１切替部１２ａに安全停止信号Ｓ１を入力せず、第３切替部１２ｃに安全停止信号Ｓ３を入力する。また、上位コントローラ１６は、第２切替部１２ｂに安全停止信号Ｓ２を入力せず、第４切替部１２ｄにも安全停止信号Ｓ４を入力しない。

動作１の結果として、フィードバック信号Ｓ６が０Ｖを示していれば、第３切替部１２ｃおよび第４切替部１２ｄは、遮断状態になっていることが分かる。動作２の結果として、フィードバック信号Ｓ６が３．３Ｖを示していれば、第３切替部１２ｃは、接続状態になっていることが分かる。動作３の結果として、フィードバック信号Ｓ６が３．３Ｖを示していれば、第４切替部１２ｄは、接続状態になっていることが分かる。

動作１、動作２および動作３の結果から、第３切替部１２ｃおよび第４切替部１２ｄは、安全停止信号が入力されたときには遮断状態になり、安全停止信号が入力されないときには接続状態になることが分かる。よって、上位コントローラ１５，１６は、第３切替部１２ｃおよび第４切替部１２ｄが故障していない旨を出力する。

もしも、動作１の結果として、フィードバック信号Ｓ６が３．３Ｖを示した場合、第３切替部１２ｃまたは第４切替部１２ｄが接続状態になっていることが分かる。よって、上位コントローラ１５，１６は、第３切替部１２ｃまたは第４切替部１２ｄが故障している旨を出力する。

なお、フィードバック信号Ｓ５，Ｓ７は、電源部３の電圧と同じ値である３．３Ｖを示す。よって、動作１，２，３を行っている間も、電動機２は、駆動している。

つぎに、上位コントローラ１５，１６は、チャネル２からチャネル１に変更し、第１切替部１２ａおよび第２切替部１２ｂが故障しているかどうかを検査するために、動作４として、第１切替部１２ａ、第２切替部１２ｂ、第３切替部１２ｃおよび第４切替部１２ｄに安全停止信号を入力せず、すべての切替部を接続状態にする。

動作５として、上位コントローラ１５は、第１切替部１２ａに安全停止信号Ｓ１を入力し、第３切替部１２ｃに安全停止信号Ｓ３を入力しない。また、上位コントローラ１６は、第２切替部１２ｂに安全停止信号Ｓ２を入力し、第４切替部１２ｄに安全停止信号Ｓ４を入力しない。

つぎに、動作６として、上位コントローラ１５は、第１切替部１２ａに安全停止信号Ｓ１を入力せず、第３切替部１２ｃに安全停止信号Ｓ３を入力しない。また、上位コントローラ１６は、第２切替部１２ｂに安全停止信号Ｓ２を入力し、第４切替部１２ｄに安全停止信号Ｓ４を入力しない。

つぎに、動作７として、上位コントローラ１５は、第１切替部１２ａに安全停止信号Ｓ１を入力し、第３切替部１２ｃに安全停止信号Ｓ３を入力しない。また、上位コントローラ１６は、第２切替部１２ｂに安全停止信号Ｓ２を入力せず、第４切替部１２ｄにも安全停止信号Ｓ４を入力しない。

動作５の結果として、フィードバック信号Ｓ５が０Ｖを示していれば、第１切替部１２ａおよび第２切替部１２ｂは、遮断状態になっていることが分かる。動作６の結果として、フィードバック信号Ｓ５が３．３Ｖを示していれば、第１切替部１２ａは、接続状態になっていることが分かる。動作７の結果として、フィードバック信号Ｓ５が３．３Ｖを示していれば、第２切替部１２ｂは、接続状態になっていることが分かる。

動作５、動作６および動作７の結果から、第１切替部１２ａおよび第２切替部１２ｂは、安全停止信号が入力されたときには遮断状態になり、安全停止信号が入力されないときには接続状態になることが分かる。よって、上位コントローラ１５，１６は、第１切替部１２ａおよび第２切替部１２ｂが故障していない旨を出力する。

もしも、動作５の結果として、フィードバック信号Ｓ５が３．３Ｖを示した場合、第１切替部１２ａまたは第２切替部１２ｂが接続状態になっていることが分かる。よって、上位コントローラ１５，１６は、第１切替部１２ａまたは第２切替部１２ｂが故障している旨を出力する。

なお、フィードバック信号Ｓ６，Ｓ７は、電源部３の電圧と同じ値である３．３Ｖを示す。よって、動作５，６，７を行っている間も、電動機２は、駆動している。

つぎに、上位コントローラ１５，１６は、チャネル１からチャネル２に変更し、第３切替部１２ｃおよび第４切替部１２ｄが故障しているかどうかを検査するために、動作８として、第１切替部１２ａ、第２切替部１２ｂ、第３切替部１２ｃおよび第４切替部１２ｄに安全停止信号を入力せず、すべての切替部を接続状態にする。

電力変換装置５は、電動機２を駆動させながら、動作１から動作８の故障検査を繰り返すことにより、電源回路１２を構成する第１切替部１２ａ、第２切替部１２ｂ、第３切替部１２ｃまたは第４切替部１２ｄが故障しているかどうかを検査することができる。

また、フィードバック信号Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７は、上位コントローラ１５，１６に入力されるため、一方の上位コントローラが故障しても他方の上位コントローラによって、電源回路１２を構成する第１切替部１２ａ、第２切替部１２ｂ、第３切替部１２ｃまたは第４切替部１２ｄが故障しているかどうかを監視することができる。

また、電力変換装置５は、電動機２を停止させるための安全機能を有する電源回路１２が正常に動作していることを上位コントローラ１５，１６に監視させ、電源回路１２を構成する切替部の故障を検出した場合に、故障していない他の切替部を用いて電動機２を停止させることができ、電動機２の停止に対する高い信頼性を得ることができる。

また、実施の形態１にかかる電力変換装置１および実施の形態２にかかる電力変換装置５は、例えば、ロボットに適用されることにより、危険側故障が累積してロボットを停止させることができないといった不具合が発生する可能性を下げることができる。

なお、実施の形態２にかかる電力変換装置５の上位コントローラ１５，１６は、図４に示すように、演算を行うＣＰＵ１０１と、ＣＰＵ１０１により読み取られるプログラムが保存されるメモリ１０２と、信号の入出力を行うインターフェイス１０３とから構成されてもよい。

具体的には、メモリ１０２には、上位コントローラ１５，１６の機能を実行するプログラムが格納されている。ＣＰＵ１０１は、電動機２が駆動されている状態において、インターフェイス１０３を介して、安全停止信号を各切替部に入力する。ＣＰＵ１０１には、電源回路１２から出力されてきたフィードバック信号がインターフェイス１０３を介して入力される。ＣＰＵ１０１は、フィードバック信号に基づいて、故障している切替部を検出する。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，５ 電力変換装置、２ 電動機、３ 電源部、４ モニタ、１１ インバータ、１２ａ 第１切替部、１２ｂ 第２切替部、１２ｃ 第３切替部、１２ｄ 第４切替部、１２ 電源回路、１３ ゲート駆動回路、１４ ＰＷＭ信号生成回路、１５，１６ 上位コントローラ。

Claims (3)

1. 直流電圧を交流電圧に変換し、変換後の交流電圧を電動機に印加するインバータと、
   前記電動機の駆動を停止させる安全停止信号が入力された場合、電源部から供給される電力を遮断するように切り替える切替部が複数個直列に接続されて切替部群が構成され、当該切替部群が複数個並列に接続される電源回路と、
   前記電源回路から供給される電力とＰＷＭ信号とに基づいて、ゲートパルスを生成し、前記インバータに前記ゲートパルスを印加するゲート駆動回路と、を備え、
   複数の前記切替部にはそれぞれ個別に前記安全停止信号を入力可能であり、
   前記電源回路は、前記ゲート駆動回路に電力を供給することにより前記電動機が駆動されている状態において、前記安全停止信号が異なるタイミングで複数の切替部に入力され、フィードバック信号を出力することを特徴とする電力変換装置。
2. 上位コントローラを備え、
   前記上位コントローラは、前記電動機が駆動されている状態において、前記安全停止信号を異なるタイミングで複数の切替部に入力し、前記電源回路から出力されてきた前記フィードバック信号に基づいて、故障している切替部を検出することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記切替部は、トランジスタまたはリレーにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

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