JP6814119B2

JP6814119B2 - 電力変換装置および安全機能モジュール

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Publication number: JP6814119B2
Application number: JP2017179251A
Authority: JP
Inventors: 良田中; 田中　　良
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2021-01-13
Anticipated expiration: 2037-09-19
Also published as: EP3460995A1; CN109525133A; JP2019054703A; EP3460995B1; CN109525133B

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来、モータの速度を制御する電力変換装置と、緊急停止などの安全機能を実行する安全モジュールとを一体にした電力変換システムが提案されている。（例えば特許文献１、特許文献２）

特開２０１１−２２９３５９号公報特開２０１１−００８６４２号公報

特許文献１に記載の構成では、安全機能を実行するためには、セーフティーモジュールからの信号により、モータ駆動信号を遮断するための部品がモータ制御装置内に必要である（その図４中、ＨＷＢＢ３２参照）。

特許文献２に記載の構成では、安全機能基板からの指示を受けて遮断を行うゲート回路は制御基板に含まれている（その図１中、ゲート回路１２参照）。

一方、装置のうち安全性を担保する部分については、通常他の部分よりも厳しい基準を定めた上で、品質の検査を行うことが望まれる。この場合、電力変換装置と安全モジュールとが一体に構成されていると、安全モジュールの部分のみを効率的に検査を行うことが難しい。

たとえば、機能安全規格ＩＥＣ６１５０８の認証を取得するためには、安全機能を実行する安全機能部を全て組み合わせた状態で認証を受ける必要があり、安全機能部を含む装置に変更がある場合、その変更が安全機能を阻害しないことを認証機関に証明できなければ、変更後の装置で再度認証試験を実施しなければならない。

また、安全機能を実現するために部品コストや開発コストが大きく、製品価格が高くなってしまうという課題もある。

そこで本発明の目的は、安全モジュールの部分のみを効率的に検査可能な構成を提供することにある。

本発明の一側面は、駆動対象機器を駆動する駆動信号を出力する、制御部と、駆動信号に基づいて駆動対象機器を駆動する、駆動部と、上位制御装置からの信号を受信して制御部に送信する、端子部と、制御部から駆動部へ送信される駆動信号に干渉する安全機能部と、を備える電力変換装置である。安全機能部は、制御部から駆動信号が入力される入力端子と、駆動部へ駆動信号を出力する出力端子と、入力端子と出力端子を接続する駆動信号経路と、上位制御装置から駆動対象機器の停止を指示する遮断信号を受信する制御端子と、遮断信号に基づいて、駆動信号経路において、駆動信号に干渉を行う遮断回路と、を備える。

本発明の他の一側面は、電力変換装置に搭載し、遮断信号に基づいて電力変換装置の駆動部により給電される駆動対象機器の駆動を停止する、安全機能モジュールである。このモジュールは、駆動対象機器を駆動する駆動信号が入力される入力端子と、駆動部へ駆動信号を出力する出力端子と、入力端子と出力端子を接続する駆動信号経路と、駆動対象機器の停止を指示する遮断信号が入力される制御端子と、遮断信号に基づいて、駆動信号経路において、駆動信号に干渉を行う遮断回路と、を備える。

本発明の他の一側面は、駆動対象機器を駆動する駆動信号を出力する、制御部と、駆動信号に基づいて駆動対象機器を駆動する、駆動部と、上位制御装置からの信号を受信して制御部に送信する、端子部と、を備える電力変換装置である。制御部は、駆動信号を出力する駆動信号出力端子を備え、駆動部は、駆動信号を入力する駆動信号入力端子と、駆動信号入力端子からの駆動信号を入力する絶縁回路を備え、駆動信号出力端子と駆動信号入力端子の間を、ジャンパ線で直接接続するか、安全機能回路を介して接続するかを選択可能としている。

より具体的な構成では、安全機能部、安全機能モジュール、あるいは安全機能回路は、電力変換装置を構成する他の回路とは分離された回路構成となっている。さらに具体的には、安全機能部、安全機能モジュール、あるいは安全機能回路は、安全機能に係わる回路以外を搭載しないように構成され、安全機能に係わる回路の検査を効率化している。また、別の具体的な構成では、安全機能部、安全機能モジュール、安全機能回路は、単一の基板もしくは単一のモジュールとして構成されており、端子によって、外部との信号の送受信を行う。

本発明の一形態によれば、安全モジュールの部分のみを効率的に検査可能な構成を提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

電力変換装置の一例の構成図である。電力変換装置の安全機能回路の第１の比較例のブロック図である。電力変換装置の安全機能回路の第２の比較例でブロック図である。実施例の電力変換装置の構成例（安全機能部あり）のブロック図である。実施例の電力変換装置の構成例（安全機能部なし）のブロック図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。

以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。

同一あるいは同様な機能を有する要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、複数の要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。

本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数、順序、もしくはその内容を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。

図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

本発明の実施例で示される一つの例では、安全機能部を完全に独立させている。

図１は、代表的な電力変換装置で、駆動対象機器としてモータを駆動させる場合の構成例を示す構成図である。図１には、電力変換装置（１００）と、電源供給装置（１３０）と、モータ（１２０）と、制御装置（１１０）が示されている。

電源供給装置（１３０）は、電気的なエネルギーを各種装置に供給する装置であり、たとえば３相交流トランスなどである。

モータ（１２０）は、電気的なエネルギーを機械的なエネルギーに変換する機器であり、たとえば、３相交流モータなどである。

制御装置（１１０）は、電力変換装置（１００）に対して、モータ（１２０）の動作を制御する信号を送達したり、電力変換装置（１００）から、制御状態を受信する装置であり、たとえば、プログラマブル・ロジック・コントローラ（以下ＰＬＣ）などである。

電力変換装置（１００）は、電源供給装置（１３０）から受け取った電気エネルギーをモータ（１２０）に伝達する駆動部（１０１）と、駆動部にモータを駆動するための制御信号を送達する制御部（１０２）と、制御装置（１１０）と制御部（１０２）の間の信号を伝達する端子部（１０３）と、から構成される。

駆動部は、制御信号に基づいて直流を交流に変換する交流変換部によりモータを駆動する。交流変換部は一般にスイッチング素子から構成されている。制御信号としては、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号が利用される。

図２は１番目の比較例として示す、電力変換装置の安全機能回路の構成例である。本構成での緊急遮断は、制御装置（１１０）からの遮断信号を、端子部（１０３）で受信し、制御部（１０２）の遮断回路（１００１）で遮断信号を生成し、駆動部（１０１）で駆動信号を遮断している。駆動部（１０１）内には、交流変換部であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolor Transistor；絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）、ＩＧＢＴを駆動するＩＧＢＴ駆動回路、コントローラ（ＭＣＵ１）からの駆動信号を受信してＩＧＢＴ駆動回路に伝える絶縁回路を備える。遮断信号は、絶縁回路あるいはＩＧＢＴ駆動回路において、駆動信号を遮断する。

このような構成では、点線で囲む安全機能部（１０４）は、駆動部（１０１）、制御部（１０２）、端子部（１０３）に分散して配置されるため、安全機能部（１０４）と、駆動部（１０１）、制御部（１０２）、端子部（１０３）の他の部分は相互に影響しあう。そのため、安全機能部（１０４）のみを検査するだけでは、信頼性の高い検査ができず、駆動部（１０１）と、制御部（１０２）と端子部（１０３）の全ての組合せで認証を受ける必要がある。一般的に、駆動部（１０１）の構成は、モータ（１２０）の定格電圧や容量によって変わるため、種類が多くなるため、このような構成の場合、認証を受ける組合せが増える。

図３は２番目の比較例として示す、電力変換装置の安全機能回路の構成例である。本構成での緊急遮断は、制御装置（１１０）からの遮断信号を、端子部（１０３）で受信し、制御部（１０２）の遮断回路（１００１）で駆動部（１０１）への駆動信号を遮断している。制御部（１０２）内には、駆動信号を順次駆動部（１０１）へ送信するためのバッファ（１００２）が配置されており、遮断回路（１００１）はバッファ（１００２）へ遮断信号を送信し、次段への駆動信号の送信を遮断する。

このような構成では、安全機能部（１０４）は、制御部（１０２）、端子部（１０３）に配置されるため、制御部（１０２）と端子部（１０３）の組合せで認証を受ければ良い。これにより、駆動部（１０１）の種類によらず認証を受けることが出来るため、図２の構成よりも、認証を受ける組合せは減る。しかし、制御部（１０２）、端子部（１０３）は安全機能以外の機能も搭載されており、安全機能以外の部分に変更があった場合、その変更が安全機能に全く影響が無いことを証明できなければ、認証試験を再度受けなおす必要がある。

図４に上記課題を解決する実施例の構成例を示す。本構成での緊急遮断は、制御装置（１１０）からの遮断信号を、実線で囲む安全機能部（１０４）で受信し、制御部（１０２）から受信した駆動信号を安全機能部（１０４）内で遮断し、駆動信号を駆動部（１０１）に伝達しないようにする。この構成では、安全機能が完全に独立しているため、安全機能部（１０４）だけで認証を受ければよく、安全機能部に安全機能以外の機能を搭載しなければ、安全機能以外の機能の変更については物理的に分離することができるため、影響が無いことの証明が容易となる。これにより、安全機能以外の変更については認証試験を再度受けなおす必要を無くすことができる。

制御装置（１１０）からは、モータ（１２０）を制御するための、制御用アナログ信号あるいは、制御用デジタル信号が、端子部（１０３）に入力される。電力変換装置（１００）を外部と絶縁するために、光カプラ（１００３）が端子として用いられることもある。制御用アナログ信号あるいは制御用デジタル信号には、モータの回転や停止等をコントロールする命令が含まれる。

制御部（１０２）は、例えばマイコンで構成されるコントローラ（ＭＣＵ２）を備えており、コントローラ（ＭＣＵ２）には、端子部（１０３）からの制御用アナログ信号あるいは制御用デジタル信号が入力される。これらの入力信号に基づいてコントローラ（ＭＣＵ２）は、駆動部（１０１）を駆動するための駆動信号を生成し出力する。駆動信号は具体的には、スイッチング素子であるＩＧＢＴを制御するための信号である。駆動信号は、安全機能部（１０４）に入力される。

安全機能部（１０４）は、コントローラ（ＭＣＵ２）からの駆動信号を入力端子（１１０１）を介して受信し、これを２段のバッファ（１００２ａ，１００２ｂ）を介して伝送し、出力端子（１１０２）から駆動部（１０１）に送信する。また、制御装置（１１０）から、遮断を指示する光信号を受ける制御端子となる光カプラ（１００３Ｃ）と、光カプラ（１００３Ｃ）からの電気信号を受けて遮断信号を生成する遮断回路（１００１）を備える。遮断時には、遮断信号が遮断回路（１００１）からバッファ（１００２）に送信され、バッファ（１００２）への信号の入力および出力の少なくともひとつを停止して、駆動信号の駆動部（１０１）への伝送を遮断する。

安全機能部（１０４）内で、光カプラ（１００３Ｃ）、バッファ（１００２）および遮断回路（１００１）が２重構成になっているのは、いずれか片方が機能しなかった場合でも、遮断を確実たらしめるためである。従って、バッファは１段で構成してもよいし、３段以上に増やしてもよい。

駆動部（１０１）は、駆動信号を入力信号とする絶縁回路と、絶縁回路からの駆動信号を受信するＩＧＢＴ駆動回路と、ＩＧＢＴ駆動回路で駆動されるＩＧＢＴを含む。絶縁回路は、ＩＧＢＴ等パワー素子を駆動する強電部と外部制御装置などの信号を扱う弱電部とを絶縁する回路である。図４の構成では、駆動部は強電部であり、その他の部分は弱電部と考えてよい。駆動信号は弱電部で生成しているため、最終段のＩＧＢＴに信号を渡す際は絶縁する必要がある。絶縁方法としては、フォトカプラ（ゲートドライブカプラ）で絶縁することが一般的である。ＩＧＢＴ駆動回路では、受信した駆動信号に基づいて、実際にＩＧＢＴをスイッチングさせるための駆動信号を生成してＩＧＢＴを制御する。これらの駆動部（１０１）の具体的な構成については、従来技術を踏襲してよい。

以上の構成により、駆動部（１０１）に入力される駆動信号は、安全機能部（１０４）内で遮断されることになる。ＩＧＢＴをスイッチング動作するための信号である駆動信号は、コントローラ（ＭＣＵ２）から安全機能部（１０４）内を経由して、駆動部（１０１）に送信されている。駆動信号が遮断されると、ＩＧＢＴのスイッチング素子はオフ状態となり、モータ（１２０）の駆動力が失われる。

安全機能部（１０４）によって実現すべき安全状態がどのような状態かは、種々の安全基準が考えられる。一般的にはＳＴＯ（Safe Torque Off）と言われる状態で定義することが多い。モータ（１２０）の駆動力が失われた場合でも、慣性でしばらく回転していることが考えられるが、ＳＴＯはトルクが出ていない状態と定義されるため、慣性で回っている状態はＳＴＯの基準を満たす。また、慣性で回転するモータを停止させるために、別途物理的なブレーキを設けることも可能である。

図５に、図４の構成から安全機能部（１０４）を取り除いた場合の構成を示す。図４の構成では、駆動信号を遮断するため、制御部（１０２）と、駆動部（１０１）の間に、安全機能部（１０４）が配置されている。安全機能を取り除く場合、制御部（１０２）と、駆動部（１０１）を直接接続することで、駆動信号を伝達できる。これにより、安全機能が不要である顧客に対しては、より安価な製品を提供することができる。

安全機能部（１０４）の着脱を可能とするために、本実施例の電力変換装置（１００）では、制御部（１０２）から駆動部（１０１）へ伝送される駆動信号を出力する出力端子（１００５）と、駆動部（１０１）側で駆動信号を受信する入力端子（１００６）を備えている。安全機能部（１０４）が不要な電力変換装置（１００）では、出力端子（１００５）と入力端子（１００６）を、ジャンパ線（１００７）で接続する。安全機能部（１０４）が必要な電力変換装置（１００）では、出力端子（１００５）からの駆動信号を安全機能部（１０４）の初段バッファ（１００２ａ）への入力端子（１１０１）に接続し、後段バッファ（１００２ｂ）からの出力を、出力端子（１１０２）から駆動部（１０１）の入力端子（１００６）に接続する。

本実施例によれば、モータ容量や電圧の違い、制御部や端子部の違いに影響を受けることなく、機能安全規格の認証を受けることができる。また、安全機能部（１０４）だけで機能安全規格の認証を受けるため、変更による影響の検討は安全機能部（１０４）だけ行えば良い。また、安全機能部（１０４）を独立させているため、安全機能部が無い状態でも電力変換装置として機能する。このような、安全機能部の有無を選択して、両方の装置を容易に提供するために、安全機能部（１０４）を独立した基板あるいはモジュールで構成することが便利である。このような基板あるいはモジュールは、電力変換装置１００側に設けられた端子を用いることにより、容易に着脱することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００：電力変換装置
１０１：駆動部
１０２：制御部
１０３：端子部
１０４：安全機能部
１１０：制御装置

Claims

駆動対象機器を駆動する駆動信号を出力する、制御部と、
前記駆動信号に基づいて前記駆動対象機器を駆動する、駆動部と、
上位制御装置からの信号を受信して前記制御部に送信する、端子部と、
前記制御部から前記駆動部へ送信される前記駆動信号に干渉する安全機能部と、
を備え、
前記安全機能部は、
前記制御部から前記駆動信号が入力される入力端子と、
前記駆動部へ前記駆動信号を出力する出力端子と、
前記入力端子と出力端子を接続する駆動信号経路と、
前記上位制御装置から前記駆動対象機器の停止を指示する遮断信号を受信する制御端子と、
前記遮断信号に基づいて、前記駆動信号経路において、前記駆動信号に干渉を行う遮断回路と、を備え、
前記安全機能部は、その他の部分と物理的に分離可能で単独で検査可能である、
電力変換装置。
前記安全機能部は、前記制御部、前記駆動部、および前記端子部と回路が分離されており、前記入力端子および出力端子によってこれらと接続されている、
請求項１記載の電力変換装置。
前記安全機能部は、単一の基板もしくは単一のモジュールとして構成されており、
前記入力端子、出力端子、および制御端子によって、外部との信号の送受信を行う、
請求項１記載の電力変換装置。
前記駆動信号経路には、前記駆動信号を蓄積するバッファが配置されており、前記遮断回路は前記バッファへの信号の入力および出力の少なくとも一つを停止させる、
請求項１記載の電力変換装置。
前記制御端子および遮断回路を複数組備えている、
請求項１記載の電力変換装置。
電力変換装置に搭載し、遮断信号に基づいて電力変換装置の駆動部により給電される駆動対象機器の駆動を停止する、安全機能モジュールであって、
前記駆動対象機器を駆動する駆動信号が入力される入力端子と、
前記駆動部へ前記駆動信号を出力する出力端子と、
前記入力端子と出力端子を接続する駆動信号経路と、
前記駆動対象機器の停止を指示する遮断信号が入力される制御端子と、
前記遮断信号に基づいて、前記駆動信号経路において、前記駆動信号に干渉を行う遮断回路と、を備え、
前記電力変換装置と物理的に分離可能で単独で検査可能である、
安全機能モジュール。
単一の基板もしくは単一のモジュールとして構成されており、
前記入力端子、出力端子、および制御端子によって、外部との信号の送受信を行う、
請求項６記載の安全機能モジュール。
前記駆動信号経路には、前記駆動信号を蓄積するバッファが配置されており、前記遮断回路は前記バッファへの信号の入力および出力の少なくとも一つを停止させる、
請求項６記載の安全機能モジュール。
前記制御端子および遮断回路を複数組備えている、
請求項６記載の安全機能モジュール。
駆動対象機器を駆動する駆動信号を出力する、制御部と、
前記駆動信号に基づいて前記駆動対象機器を駆動する、駆動部と、
上位制御装置からの信号を受信して前記制御部に送信する、端子部と、
を備え、
前記制御部は、前記駆動信号を出力する駆動信号出力端子を備え、
前記駆動部は、前記駆動信号を入力する駆動信号入力端子と、前記駆動信号入力端子からの駆動信号を入力する絶縁回路を備え、
前記駆動信号出力端子と前記駆動信号入力端子の間を、ジャンパ線で直接接続するか、安全機能回路を介して接続するかを選択可能とした、
電力変換装置。
前記安全機能回路は、
前記制御部から前記駆動信号が入力される入力端子と、
前記駆動部へ前記駆動信号を出力する出力端子と、
前記入力端子と出力端子を接続する駆動信号経路と、
前記上位制御装置から前記駆動対象機器の停止を指示する遮断信号を受信する制御端子と、
前記遮断信号に基づいて、前記駆動信号経路において、前記駆動信号に干渉を行う遮断回路と、を備える、
請求項１０記載の電力変換装置。