JPWO2015152245A1 - 安全制御装置 - Google Patents

Abstract

電動機のトルクオフに対する信頼性を低下させずに構成を簡素化したインバータの安全制御装置を提供する。第１のトルクオフ処理回路３１１は、第１のトルクオフ指令ＴＯＦ１に応じて、制御装置２からの制御信号の発生状態に拘わらず、３相の上アームスイッチング素子１１、１２および１３のうち２相の上アームスイッチング素子１１および１２を強制的にオフとする。第２のトルクオフ処理回路３１２は、第２のトルクオフ指令ＴＯＦ２に応じて、制御装置２からの制御信号の発生状態に拘わらず、２相の上アームスイッチング素子１１および１２に接続された２相の下アームスイッチング素子１４および１５を強制的にオフとする。上アームスイッチング素子および下アームスイッチング素子を強制的にオフにするための配線が２相分で済むので、配線を簡素化することができる。

Description

この発明は、電動機を駆動するインバータの安全制御装置に関する。

直流電圧が印加された正電圧端子と負電圧端子の各々と交流電圧出力端子との間の接続をスイッチング素子（半導体スイッチ）によって切り換えて、直流電圧を交流電圧に変換して交流電圧出力端子から出力するインバータが提供されている。インバータは、電動機駆動システムの一部として電動機に接続され利用されている。

近年、電気機器などにおいて、故障による人的被害を伴う事故を回避するため、リスクを許容範囲に収めるように定めた種々の国際規格が策定されている。例えば、ＩＥＣ６１８００−５−２では、電動機の緊急停止時、電動機を確実に停止するＳＴＯ（安全トルクオフ）機能の搭載が要求されている。ここで、電動機のトルクは、電動機に流れる電流に比例する。従って、電動機を完全に停止するトルクオフを実現するためには、電動機に流れる電流を遮断すればよい。

そこで、２レベルインバータに関し、例えば特許文献１は、正電圧端子に接続された全ての上アームスイッチング素子を強制的にオフにする回路と、負電圧端子に接続された全ての下アームスイッチング素子を強制的にオフにする回路を有する安全制御装置を提案している。この安全制御装置によれば、インバータの出力を停止させるための手段が冗長化されて設けられているため、安全に電動機のトルクオフを実現することができる。

特開２０１０−２８４０５１号公報

ところで、高圧大容量のインバータ等では、装置が大型化し、インバータ内のスイッチング素子の駆動回路の配線が膨大になる。このため、従来のように、例えば３相の全てのスイッチング素子を強制的にオフにする安全制御装置を設けるとなると、各スイッチング素子をオフにする制御を行うための配線の配線数が増加し、製造コストの増加や製造作業の煩雑化という問題が生じる。

この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電動機のトルクオフに対する信頼性を低下させずに、構成を簡素化した安全制御装置を提供することにある。

この発明は、正電圧端子に接続された３相の上アームスイッチング素子と負電圧端子に接続された３相の下アームスイッチング素子を有し、前記３相の上アームスイッチング素子と前記３相の下アームスイッチング素子の各相の接続点を各相の出力端子とする主回路と、前記３相の上アームスイッチング素子および前記３相の下アームスイッチング素子をオン／オフさせるパルスを出力することにより前記主回路の各相の出力端子から交流電圧を電動機に各々出力させる制御装置とを有するインバータの安全制御装置において、第１のトルクオフ指令に応じて、前記制御装置からのパルスの発生状態に拘わらず、前記３相の上アームスイッチング素子のうち２相の上アームスイッチング素子をオフとする第１のトルクオフ回路と、第２のトルクオフ指令に応じて、前記制御装置からのパルスの発生状態に拘わらず、前記２相の上アームスイッチング素子と同一の２相の下アームスイッチング素子をオフとする第２のトルクオフ回路とを具備することを特徴とする安全制御装置を提供する。

この発明によれば、第１のトルクオフ回路が第１のトルクオフ指令に応じて２相の上アームスイッチング素子をオフとし、第２のトルクオフ回路が第２のトルクオフ指令に応じて同じ２相の下アームスイッチング素子をオフとする。これにより主回路から電動機への電流の供給が断たれるため、電動機のトルクを０にすることができる。この発明によれば、電動機のトルクを０にするためにスイッチング素子をオフにする制御を行うための配線が２相分で足りる。従って、安全制御装置を簡素な構成とすることができる。また、何等かの事情により第１のトルクオフ回路または第２のトルクオフ回路の一方が動作しない場合でも、少なくとも一方のトルクオフ回路が２相の上アームスイッチング素子または下アームスイッチング素子をオフにすれば、電動機においてロータを回転させる磁界が発生しない。このように本発明によれば、ロータを回転させる磁界の発生を阻止する手段が２重に設けられているため、安全に電動機のトルクオフを実現することができる。

この発明の第１実施形態である２レベルインバータの構成を示す回路図である。 同実施形態における通常時のスイッチング素子のオン／オフの切り換えの態様を例示する図である。 同実施形態における通常時の各モードでの出力端子間の電位差を示す図である。 同実施形態における片方のトルクオフ指令のみが発生する時のスイッチング素子のオン／オフの切り替えの態様を例示する図である。 同実施形態における遮断信号発生時のスイッチング素子のオン／オフの切り換えの態様を例示する図である。 この発明の第２実施形態である３レベルインバータの構成を示す回路図である。 同実施形態における通常時のスイッチング素子のオン／オフの切り換えの態様を例示する図である。 同実施形態における通常時の各モードでの出力端子間の電位差を示す図である。 同実施形態における遮断信号発生時のスイッチング素子のオン／オフの切り換えの態様を例示する図である。

以下、図面を参照しつつ、この発明の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、この発明の第１実施形態である２レベルインバータの構成を示す回路図である。図１に示すように、この２レベルインバータは、主回路１と、制御装置２と、安全制御装置３とにより構成されている。

主回路１は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の上アームスイッチング素子１１〜１３と、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の下アームスイッチング素子１４〜１６を有する。各スイッチング素子は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐоｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔоｒ；絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子とこの半導体スイッチング素子に逆並列接続されたフリーホイールダイオードとから構成されている。上アームスイッチング素子１１〜１３の各ＩＧＢＴのコレクタは、正電圧端子Ｐに接続され、下アームスイッチング素子１４〜１６の各ＩＧＢＴのエミッタは、負電圧端子Ｎに接続されている。そして、上アームスイッチング素子１１〜１３の各ＩＧＢＴのエミッタは、下アームスイッチング素子１４〜１６の各ＩＧＢＴのコレクタに各々接続されており、これらのエミッタとコレクタとが互いに接続されたノードＮ１、Ｎ２およびＮ３がＵ相出力端子Ｕ、Ｖ相出力端子ＶおよびＷ相出力端子Ｗとなっている。

２レベルインバータの前段にはコンバータ（図示略）があり、このコンバータは、正電圧端子Ｐおよび負電圧端子Ｎ間に直流電圧を出力する。２レベルインバータは、この正電圧端子Ｐおよび負電圧端子Ｎ間の直流電圧を３相の交流電圧に変換し、Ｕ相出力端子Ｕ、Ｖ相出力端子ＶおよびＷ相出力端子Ｗから電動機（図示略）のＵ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線に各々出力する。電動機は、例えば同期電動機である。

制御装置２は、制御信号発生回路２１とフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６を有する。制御信号発生回路２１は、主回路１の上アームスイッチング素子１１〜１３のオン／オフ切り換えを行うための制御信号Ｃ１〜Ｃ３と、下アームスイッチング素子１４〜１６のオン／オフ切り換えを行うための制御信号Ｃ４〜Ｃ６を発生する回路である。制御信号発生回路２１が発生した制御信号Ｃ１〜Ｃ６は、フォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６を各々通過し、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６となって、スイッチング素子１１〜１６の各ＩＧＢＴの各ゲートに各々供給される。

フォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６の各々は、フォトダイオードとフォトトランジスタとにより構成されている。フォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６の各フォトダイオードのカソードには、制御信号Ｃ１〜Ｃ６が各々供給される。フォトカプラＰＣ３およびＰＣ６の各フォトダイオードのアノードは、フォトカプラ電源Ｐ５に各々接続されている。そして、このインバータでは、フォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６の各フォトトランジスタのコレクターエミッタ間電圧に基づき、スイッチング素子１１〜１６の各ＩＧＢＴに対するゲート信号Ｇ１〜Ｇ６が発生される。

安全制御装置３は、トルクオフ処理回路３１１および３１２と、遅延回路３２１および３２２と、トランジスタ３３１および３３２を有する。トランジスタ３３１は、コレクタがフォトカプラ電源Ｐ５ｓに接続され、エミッタが給電線３６１を介してフォトカプラＰＣ１およびＰＣ２の各フォトダイオードのアノードに各々接続されている。また、トランジスタ３３２は、コレクタがフォトカプラ電源Ｐ５ｓに接続され、エミッタが給電線３６２を介してフォトカプラＰＣ４およびＰＣ５の各フォトダイオードのアノードに各々接続されている。

トルクオフ処理回路３１１は、通常時、Ｈレベルの信号を遅延回路３２１を介してトランジスタ３３１のベースに供給する。また、トルクオフ処理回路３１２は、通常時、Ｈレベルの信号を遅延回路３２２を介してトランジスタ３３２のベースに供給する。従って、通常時において、トランジスタ３３１および３３２は、オンとなり、フォトカプラ電源Ｐ５ｓからの電力がトランジスタ３３１および３３２を各々介して、フォトカプラＰＣ１およびＰＣ２の各フォトダイオードと、フォトカプラＰＣ４およびＰＣ５の各フォトダイオードに各々供給される。

一方、トルクオフ処理回路３１１にはトルクオフ指令ＴＯＦ１が、トルクオフ処理回路３１２にはトルクオフ指令ＴＯＦ２が各々入力される。本実施形態において、トルクオフ指令ＴОＦ１およびＴОＦ２は、例えば電動機の使用者による停止ボタンの押圧操作等、共通の事象に基づいて生成される指令である。しかし、トルクオフ指令ＴОＦ１およびＴОＦ２は、必ずしも共通の事象に基づく指令である必要はなく、種類や生成由来の異なる指令に基づいてトルクオフ指令ＴОＦ１およびＴОＦ２を発生してもよい。

トルクオフ処理回路３１１は、トルクオフ指令ＴＯＦ１が与えられると、遅延回路３２１を介してトランジスタ３３１のベースに与える信号をＨレベルからＬレベルに切り換える。従って、トルクオフ処理回路３１１に対するトルクオフ指令ＴＯＦ１の入力後、遅延回路３２１の遅延時間だけ経過したタイミングにおいて、トランジスタ３３１がオフとなり、フォトカプラＰＣ１およびＰＣ２の各フォトダイオードへの電力の供給が断たれる。

同様に、トルクオフ処理回路３１２は、トルクオフ指令ＴＯＦ２が与えられると、遅延回路３２２を介してトランジスタ３３２のベースに与える信号をＨレベルからＬレベルに切り換える。従って、トルクオフ処理回路３１２に対するトルクオフ指令ＴＯＦ２の入力後、遅延回路３２２の遅延時間だけ経過したタイミングにおいて、トランジスタ３３２がオフとなり、フォトカプラＰＣ４およびＰＣ５の各フォトダイオードへの電力の供給が断たれる。

また、トルクオフ処理回路３１１は、トランジスタ３３１のエミッタが接続されたノードＮ４の電位を監視信号ＭＯＮ１として取り込み、この監視信号ＭＯＮ１に基づきトランジスタ３３１のオン／オフを判定する。同様にトルクオフ処理回路３１２は、トランジスタ３３２のエミッタが接続されたノードＮ５の電位を監視信号ＭＯＮ２として取り込み、この監視信号ＭＯＮ２に基づきトランジスタ３３２のオン／オフを判定する。
以上が、２レベルインバータの構成である。

次に、２レベルインバータの通常時の動作を説明する。２レベルインバータの通常動作時、トランジスタ３３１および３３２はオンしており、フォトカプラ電源Ｐ５ｓからの電力がトランジスタ３３１および３３２を各々介して、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ４およびＰＣ５の各フォトダイオードに各々供給される。制御指令ＣＭＤが制御信号発生回路２１に与えられると、制御信号発生回路２１が制御信号Ｃ１〜Ｃ６を発生する。この制御信号Ｃ１〜Ｃ６は、フォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６を通過し、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６となって、スイッチング素子１１〜１６の各ＩＧＢＴの各ゲートに各々供給される。これにより、スイッチング素子１１〜１６のオン／オフ切り換えが行われ、出力端子Ｕ、ＶおよびＷから電動機に３相交流電圧が出力される。

図２は、スイッチング素子１１〜１６のオン／オフの切り換えの態様を例示する図である。２レベルインバータの通常動作時のスイッチング素子１１〜１６のオン／オフ状態には、図２に示すモード１〜６がある。図３は、各モードでの出力端子間の電位差を示した図である。図３に示す例では、正電圧端子Ｐと負電圧端子Ｎ間に直流電圧＋Ｅが印加されている。図３に示すＶ（Ｕ―Ｖ）はＶ相出力端子Ｖに対するＵ相出力端子Ｕの電位差を、Ｖ（Ｖ−Ｗ）はＷ相出力端子Ｗに対するＶ相出力端子Ｖの電位差を、Ｖ（Ｗ−Ｕ）はＵ相出力端子Ｕに対するＷ相出力端子Ｗの電位差を示している。２レベルインバータは、スイッチング素子１１〜１６のオン／オフを切り換えることにより、図３に示すように、＋Ｅ、０、−Ｅの３種類の電圧を電動機に出力する。

例えば、モード１の場合、上アームスイッチング素子１１および１３と下アームスイッチング素子１５がオンし、上アームスイッチング素子１２と下アームスイッチング素子１４および１６はオフする。そのため、Ｗ相出力端子ＷとＵ相出力端子Ｕが等電位となり、Ｕ相出力端子ＵとＷ相出力端子Ｗから電動機を介してＶ相出力端子Ｖへと電流が流れる。この場合、Ｖ（Ｕ―Ｖ）が＋Ｅ、Ｖ（Ｖ−Ｗ）が−Ｅ、Ｖ（Ｗ−Ｕ）が０となる。

図２および図３のように、時間経過とともにスイッチング素子１１〜１６のオン／オフが切り換わることでモード１〜６が変化し、Ｖ（Ｕ−Ｖ）、Ｖ（Ｖ−Ｗ）およびＶ（Ｗ−Ｕ）が変化する。２レベルインバータがこのような交流電圧をＵ相出力端子Ｕ、Ｖ相出力端子ＶおよびＷ相出力端子Ｗを通じて電動機に供給することで、電動機に回転磁界が発生し、電動機のロータが回転する。
以上が、２レベルインバータの通常時の動作である。

次に、トルクオフ指令ＴОＦ１およびＴОＦ２が与えられた時の２レベルインバータの動作を説明する。トルクオフ指令ＴＯＦ１およびＴＯＦ２が発生すると、２種類の動作が並行して進められる。１つは、制御信号発生回路２１による２レベルインバータの停止制御である。もう１つは、トルフオフ処理回路３１１および３１２による２レベルインバータの停止制御である。

まず、前者の制御信号発生回路２１による２レベルインバータの停止制御について説明する。トルクオフ指令ＴОＦ１およびＴОＦ２が制御信号発生回路２１に入力されると、制御信号発生回路２１は電動機に流れる電流が徐々に小さくなるようにスイッチング素子１１〜１６のオン時間を制御する。その結果電動機のトルクが徐々に弱くなり、電動機の回転数が減少してゆき、最終的に電動機は停止する。

次に、後者のトルフオフ処理回路３１１および３１２による２レベルインバータの停止制御について説明する。トルクオフ処理回路３１１および３１２は、トルクオフ指令ＴОＦ１およびＴОＦ２が与えられると、遅延回路３２１および３２２に対する各出力信号をＨレベルからＬレベルに切り換える。この結果、トルクオフ指令ＴОＦ１およびＴОＦ２がトルクオフ処理回路３１１および３１２に各々入力されてから、遅延回路３２１および３２２の遅延時間が経過したタイミングにおいてトランジスタ３３１および３３２がオフとなり、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ４およびＰＣ５に対する電力の供給が各々断たれる。一方、トルクオフ処理回路３１１および３１２は、監視信号ＭＯＮ１およびＭＯＮ２を各々取り込み、フォトカプラ電源Ｐ５ｓの電力のフォトカプラＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ４およびＰＣ５への供給状況を監視する。そして、トルクオフ処理回路３１１および３１２は、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ４およびＰＣ５への電力の供給が遮断されたのを確認したとき、トルクオフを行った旨を示す信号を安全制御装置３の上位装置（図示略）に送信する。

フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ４およびＰＣ５に対する電力の供給が断たれると、制御信号Ｃ１、Ｃ２、Ｃ４およびＣ５の伝達経路が遮断されるため、スイッチング素子１１、１２、１４および１５は、制御信号Ｃ１〜Ｃ６に拘わらず、オフとなる。このため、主回路１でオン／オフの切り換わるのはスイッチング素子１３および１６のみとなる。これにより主回路１に接続された電動機のトルクが０となる。

ここで、トルクオフ指令ＴОＦ１およびＴОＦ２の２つがある理由について詳述すると、次の通りである。まず、例えばトルクオフ指令ＴОＦ１が発生せず、トルクオフ指令ＴОＦ２のみが発生し、トランジスタ３３１がオン、トランジスタ３３２がオフになったとする。図４は、この場合のスイッチング素子１１〜１６のオン／オフの切り換えの態様を例示する図である。図４に示すように、モード１、５および６の時は電動機の巻線に電流が流れないので、電動機においてロータを一回転させる磁界が発生しない。このため、電動機を回転させるに足るトルクは発生しない。しかし、モード２〜４の時は、電動機の巻線に電流が流れるため電動機のトルクは完全にはオフにならない。このように、トランジスタ３３２のみがオフする態様では、モードによってはトルクが完全にオフとならない。これは、トランジスタ３３１がオン、トランジスタ３３２がオフとなる場合でも同様である。そこで、本実施形態では、トルクオフ指令ＴОＦ１およびＴОＦ２に応じてトランジスタ３３１および３３２をオフさせる。

図５は、トルクオフ指令ＴОＦ１およびＴОＦ２の発生時のスイッチング素子１１〜１６のオン／オフの切り替えの態様を例示する図である。この場合、主回路１では、上アームスイッチング素子１１および１２と下アームスイッチング素子１４および１５はオフし、上アームスイッチング素子１３と下アームスイッチング素子１６はオン／オフの切り換えが行われるため、図５の全てのモードで電動機に電流が流れることがない。そのため、電動機のトルクは完全にオフとなる。

ここで、遅延回路３２１および３２２の遅延時間は、前記制御信号発生回路２１によるインバータの停止制御にかかる時間より長い時間を設定し、制御信号発生回路２１によるインバータの停止制御にかかる時間よりもトルクオフ処理回路３１１および３１２によるインバータの停止制御を遅らせるようにする。このように、トルクオフ指令ＴＯＦ１およびＴＯＦ２が発生すると２種類の動作が並行して進められるが、遅延回路３２１および３２２が存在しているため、制御信号発生回路２１が２レベルインバータの停止制御を行った後に、トルクオフ処理回路３１１および３１２が２レベルインバータの停止制御を行う。このように時間差を設けて２種類の停止制御を並行して進める理由は次の通りである。まず、仮に制御信号発生回路２１のみが２レベルインバータの停止制御を行う構成とすると、制御信号発生回路２１に何らかの動作異常が発生した場合に、２レベルインバータの停止制御が正常に行われない可能性がある。一方、トルクオフ処理回路３１１および３１２のみが２レベルインバータの停止制御を行う構成にすると、次の問題が発生する。すなわち、トルクオフ処理回路３１１および３１２がフォトカプラＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ４およびＰＣ５への電力供給を遮断すると、電動機が回転している状態において、スイッチング素子１１、１２、１４および１５の各ＩＧＢＴがオフとされ、スイッチング素子１１、１２、１４および１５のフリーホイールダイオードを介して大きな逆電流が流れ、正電圧端子Ｐと負電圧端子Ｎとの間の電圧が上昇し、各ＩＧＢＴあるいは各フリーホイールダイオードに過大な電圧が印加され破損する恐れがある。従って、制御信号発生回路２１による２レベルインバータの停止制御が不調に終わった場合に備えて、トルクオフ処理回路３１１および３１２が設けられているのである。
以上が、トルクオフ指令ＴОＦ１およびＴОＦ２が与えられた時の２レベルインバータの動作である。

従来の２レベルインバータでは、トルクオフ指令ＴＯＦ１に応じて３相の上アームスイッチング素子１１、１２および１３を強制的にＯＦＦとし、トルクオフ指令ＴＯＦ２に応じて３相の下アームスイッチング素子１４、１５および１６を強制的にＯＦＦとしていた。このため、従来技術の下では、トルクオフ指令ＴＯＦ１に応じて３相分のフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ３に対する電力の供給を断ち、トルクオフ指令ＴＯＦ２に応じて３相分のフォトカプラＰＣ４〜ＰＣ６に対する電力の供給を断つ必要があり、そのための３相分の配線が必要であった。これに対し、本実施形態では、トルクオフ指令ＴＯＦ１に応じて２相の上アームスイッチング素子１１および１２を強制的にＯＦＦとし、トルクオフ指令ＴＯＦ２に応じて２相の下アームスイッチング素子１４および１５を強制的にＯＦＦとする。このため、本実施形態では、トルクオフ指令ＴＯＦ１に応じて２相分のフォトカプラＰＣ１およびＰＣ２に対する電力の供給を断ち、トルクオフ指令ＴＯＦ２に応じて２相分のフォトカプラＰＣ４およびＰＣ５に対する電力の供給を断てばよく、そのための２相分の配線があればよい（具体的には給電線３６１および３６２の接続先が２相分で済む）。従って、本実施形態によれば、従来の２レベルインバータに比べて、電動機の完全なトルクオフに対する信頼性を損なうことなく、配線数を減らすことができる。従って、２レベルインバータの製造コスト低減や製造作業の簡素化が可能となる。

なお、本実施形態では、トルクオフ指令ＴОＦ１およびＴОＦ２に応じて、Ｗ相を除く、Ｕ相およびＶ相に対応した上アームスイッチング素子および下アームスイッチング素子を強制的にオフにしたが、Ｕ相を除く、Ｖ相およびＷ相に対応した上アームスイッチング素子および下アームスイッチング素子を強制的にオフにしてもよく、あるいはＶ相を除く、Ｕ相およびＷ相に対応した上アームスイッチング素子および下アームスイッチング素子を強制的にオフにしてもよい。

＜第２実施形態＞
図６は、この発明の第２実施形態である３レベルインバータの構成を示す回路図である。本実施形態において、主回路４は、上記第１実施形態と同様、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の上アームスイッチング素子４０１、４０２および４０３と、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の下アームスイッチング素子４０４、４０５および４０６とを有する。これらのスイッチング素子４０１〜４０６は、互いに逆並列接続されたＩＧＢＴとフリーホイールダイオードから構成されている。上アームスイッチング素子４０１〜４０３の各ＩＧＢＴのコレクタは、正電圧端子Ｐａに接続され、下アームスイッチング素子４０４〜４０６の各ＩＧＢＴのエミッタは、負電圧端子Ｎａに接続される。そして、上アームスイッチング素子４０１〜４０３の各ＩＧＢＴのエミッタは、下アームスイッチング素子４０４〜４０６の各ＩＧＢＴのコレクタと各々接続されており、これらのエミッタとコレクタが互いに接続されたノードＮ７、ノードＮ８およびノードＮ９はＵ相出力端子Ｕａ、Ｖ相出力端子ＶａおよびＷ相出力端子Ｗａとなっている。

Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の第１の逆阻止型スイッチング素子４０７〜４０９は、各々ＩＧＢＴにより構成されており、各々のエミッタが中性点ＮＰに接続され、各々のコレクタがノードＮ７、Ｎ８およびＮ９に各々接続されている。また、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の第２の逆阻止型スイッチング素子４１０〜４１２は、各々ＩＧＢＴにより構成されており、各々のコレクタが中性点ＮＰに接続され、各々のエミッタがノードＮ７、Ｎ８およびＮ９に各々接続されている。ここで、中性点ＮＰは、正電圧端子Ｐａおよび負電圧端子Ｎａの各電圧の中間の電圧（図示の例では接地）に固定されている。

制御装置５は、制御信号発生回路５１とフォトカプラＰＣａ１〜ＰＣａ１２を有する。制御信号発生回路５１は、主回路４の上アームスイッチング素子４０１〜４０３のオン／オフ切り換えを行うための制御信号Ｃａ１〜Ｃａ３と、下アームスイッチング素子４０４〜４０６のオン／オフ切り換えを行うための制御信号Ｃａ４〜Ｃａ６と、第１の逆阻止型スイッチング素子４０７〜４０９のオン／オフ切り換えを行うための制御信号Ｃａ７〜Ｃａ９と、第２の逆阻止型スイッチング素子４１０〜４１２のオン／オフ切り換えを行うための制御信号Ｃａ１０〜Ｃａ１２とを発生する回路である。制御信号発生回路５１が発生した制御信号Ｃａ１〜Ｃａ１２は、フォトカプラＰＣａ１〜ＰＣａ１２を各々通過し、ゲート信号Ｇａ１〜Ｇａ１２となって、スイッチング素子４０１〜４１２の各ＩＧＢＴの各ゲートに各々供給される。

フォトカプラＰＣａ１〜ＰＣａ１２の各フォトダイオードのカソードには、制御信号Ｃａ１〜Ｃａ１２が各々供給される。フォトカプラＰＣａ３、ＰＣａ６、ＰＣａ９およびＰＣａ１２の各フォトダイオードのアノードは、フォトカプラ電源Ｐ５ａに接続されている。そして、このインバータでは、フォトカプラＰＣａ１〜ＰＣａ１２の各フォトトランジスタのコレクタ−エミッタ間電圧に基づき、スイッチング素子４０１〜４１２の各ＩＧＢＴに対するゲート信号Ｇａ１〜Ｇａ１２が発生される。

安全制御装置６において、トランジスタ６３１および６３２のコレクタは、フォトカプラ電源Ｐ５ｓａに接続されている。トランジスタ６３１のエミッタは、給電線６６１を介して、フォトカプラＰＣａ１、ＰＣａ２、ＰＣａ１０およびＰＣａ１１の各フォトダイオードのアノードと各々接続されている。また、トランジスタ６３２のエミッタは、給電線６６２を介して、フォトトランジスタＰＣａ４、ＰＣａ５、ＰＣａ７およびＰＣａ８の各フォトダイオードのアノードと各々接続されている。トルクオフ処理回路６１１および６１２は、遅延回路６２１および６２２を各々介してトランジスタ６３１および６３２のベースに各々接続されている。
以上が、３レベルインバータの構成である。

次に３レベルインバータの通常時の動作を説明する。３レベルインバータの通常動作時、トランジスタ６３１および６３２はオンしており、フォトカプラ電源Ｐ５ｓａの電力はトランジスタ６３１および６３２を各々介して、フォトカプラＰＣａ１、ＰＣａ２、ＰＣａ１０、ＰＣａ１１、ＰＣａ４、ＰＣａ５、ＰＣａ７およびＰＣａ８に各々供給される。制御信号ＣＭＤａが制御信号発生回路５１に与えられると、制御信号発生回路５１が制御信号Ｃａ１〜Ｃａ１２を発生する。この制御信号Ｃａ１〜Ｃａ１２は、フォトカプラＰＣａ１〜ＰＣａ１２を各々通過し、ゲート信号Ｇａ１〜Ｇａ１２となって、スイッチング素子４０１〜４１２の各ゲートに各々供給される。これにより、スイッチング素子４０１〜４１２の各々オン／オフ切り換えが行われ、出力端子Ｕ、ＶおよびＷから電動機に３相交流電圧が出力される。

図７は、スイッチング素子４０１〜４１２のオン／オフの切り換えの態様を例示する図である。３レベルインバータの通常動作時のスイッチング素子４０１〜４１２のオン／オフ状態には、図７に示すモード１〜１２がある。図８は、各モードでの出力端子間の電位差を示した図である。図８に示す例では、正電圧端子Ｐａおよび中性点ＮＰ間と中性点ＮＰおよび負電圧端子Ｎａ間に直流電圧＋Ｅが印加されている。そして、スイッチング素子４０１〜４１２のオン／オフを切り換えることにより、図８に示すように、＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅの５種類の電圧を電動機に出力している。

例えば、モード１の場合、上アームスイッチング素子４０１と、下アームスイッチング素子４０６と、逆阻止型スイッチング素子４０７、４０８、４１１および４１２がオンしており、上アームスイッチング素子４０２および４０３と、下アームスイッチング素子４０４および４０５と、逆阻止型スイッチング素子４０９および４１０はオフしている。そのため、Ｕ相出力端末Ｕａから電動機を介してＶ相出力端子ＶａとＷ相出力端子Ｗａへと電流が流れる。この場合、Ｖ（Ｕ−Ｖ）が＋Ｅ、Ｖ（Ｖ−Ｗ）が＋Ｅ、Ｖ（Ｗ−Ｕ）が−２Ｅとなる。

図７および図８のように、時間経過とともにスイッチング素子４０１〜４１２のオン／オフが切り換わることでモード１〜１２が変化し、Ｖ（Ｕ−Ｖ）、Ｖ（Ｖ−Ｗ）およびＶ（Ｗ−Ｕ）が変化する。３レベルインバータがこのような交流電圧をＵ相出力端子Ｕａ、Ｖ相出力端子ＶａおよびＷ相出力端子Ｗａを通じて電動機に供給することで、電動機に回転磁界が発生し、電動機のロータは回転する。
以上が、３レベルインバータの通常時の動作である。

次に、トルクオフ指令ＴОＦ１およびＴОＦ２が与えられた時の３レベルインバータの動作を説明する。トルクオフ指令ＴОＦ１ａおよびＴОＦ２ａが発生すると、２種類の動作が並行して進められる。１つは、遮断信号発生回路５１による３レベルインバータの停止制御である。もう１つは、トルクオフ処理回路６１１および６１２による３レベルインバータの停止制御である。

まず、前者の制御信号発生回路５１による３レベルインバータの停止制御について説明する。トルクオフ指令ＴОＦ１ａおよびＴОＦ２ａが制御信号発生回路５１に入力されると、制御信号発生回路５１は３レベルインバータから電動機に流れる電流が徐々に小さくなるようにスイッチング素子４０１〜４１２のオン時間を制御する。この結果電動機のトルクは徐々に弱くなり、電動機の回転数が減少してゆき、最終的に電動機は停止する。

次に、後者のトルフオフ処理回路６１１および６１２による３レベルインバータの停止制御について説明する。トルフオフ処理回路６１１および６１２は、トルクオフ指令ＴОＦ１ａおよびＴОＦ２ａが与えられると、遅延回路６２１および６２２に対する各出力信号をＨレベルからＬレベルに切り換える。この結果、トルクオフ指令ＴОＦ１ａおよびＴОＦ２ａがトルクオフ処理回路６１１および６１２に入力されてから、遅延回路６２１および６２２の遅延時間が経過したタイミングにおいてトランジスタ６３１および６３２がオフとなり、フォトカプラＰＣａ１、ＰＣａ２、ＰＣａ１０、ＰＣａ１１、ＰＣａ４、ＰＣａ５、ＰＣａ７およびＰＣａ８に対する電力の供給が断たれる。なお、遅延回路６２１および６２２の遅延時間は、前記制御信号発生回路５１によるインバータの停止制御にかかる時間よりも長い時間を設定している。一方、トルクオフ処理回路６１１および６１２は、監視信号ＭＯＮ１ａおよびＭＯＮ２ａを各々取り込み、フォトカプラＰＣａ１、ＰＣａ２、ＰＣａ１０、ＰＣａ１１、ＰＣａ４、ＰＣａ５、ＰＣａ７およびＰＣａ８への電力の供給状況を監視する。そして、トルクオフ処理回路６１１および６１２は、フォトカプラＰＣａ１、ＰＣａ２、ＰＣａ１０、ＰＣａ１１、ＰＣａ４、ＰＣａ５、ＰＣａ７およびＰＣａ８への電力の供給が遮断されたことを確認したとき、トルクオフを行った旨を示す信号を安全制御装置６の上位装置（図示略）に送信する。

フォトカプラＰＣａ１、ＰＣａ２、ＰＣａ１０、ＰＣａ１１、ＰＣａ４、ＰＣａ５、ＰＣａ７およびＰＣａ８に対する電力の供給が断たれると、スイッチング素子４０１、４０２、４０４、４０５、４０７、４０８、４０９および４１０は、制御信号Ｃａ１〜Ｃａ１２の状態に拘わらず、オフとなり、主回路４でオン／オフの切り換わるのはスイッチング素子４０３、４０６、４１１および４１２のみとなる。これにより主回路４に接続された電動機のトルクが０となる。

図９は、トルクオフ指令ＴОＦ１ａおよびＴОＦ２ａの発生時のスイッチング素子４０１〜４１２のオン／オフの切り換えの態様を例示する図である。この場合、主回路４では、上アームスイッチング素子４０１および４０２と、第２の逆阻止型スイッチング素子４１０および４１１と、下アームスイッチング素子４０４および４０５と、第１の逆阻止型スイッチング素子４０７および４０８がオフする。そして、上アームスイッチング素子４０３および下アームスイッチング素子４０６と、逆阻止型スイッチング素子４０９および４１２のオン／オフ切り換えが行われるが、図９の全てのモードで電動機に電流が流れない。そのため、電動機のトルクは完全にオフとなる。

このように、トルクオフ指令ＴОＦ１およびＴОＦ２が発生すると２種類の動作が並行して進められるが、遅延回路６２１および６２２が存在しているため、制御信号発生回路５１が３レベルインバータの停止制御を行った後に、トルクオフ処理回路６１１および６１２が３レベルインバータの停止制御を行う。このように時間差を設けて２種類の停止制御を並行して進める理由は上記第１実施形態と同様である。
以上が、トルクオフ指令ＴОＦ１ａおよびＴОＦ２ａが与えられた時の３レベルインバータの動作である。本実施形態においても上記第１実施形態と同様な効果が得られる。

なお、本実施形態では、第１および第２のトルクオフ指令に応じて、Ｗ相を除く、Ｕ相およびＶ相に対応した上アームスイッチング素子、下アームスイッチング素子および逆阻止型スッチング素子を強制的にオフにしたが、Ｕ相を除く、Ｖ相およびＷ相に対応した上アームスイッチング素子、下アームスイッチング素子および逆阻止型スッチング素子を強制的にオフにしてもよく、あるいはＶ相を除く、Ｕ相およびＷ相に対応した上アームスイッチング素子、下アームスイッチング素子および逆阻止型スッチング素子を強制的にオフにしてもよい。

以上、この発明の第１および第２実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば大容量あるいは高圧用途で使用される３レベルインバータは、回路や半導体スイッチが増加して配線が複雑化する上にそれらを冷却する冷却体もあり、パワーユニットが大型化する傾向がある。そこで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相毎に制御信号発生回路２１、フォトカプラ、主回路４の各スイッチング素子を個別の筐体に格納する。この場合において、例えばトルクオフ指令に応じてＷ相に対応した各スイッチング素子を強制的にオフしない場合、Ｗ相に対応した制御信号発生回路２１、フォトカプラ、主回路４の各スイッチング素子を格納した筐体内の配線数を減らし、筐体を小型化することができる。

１，４……主回路、１１〜１３，４０１〜４０３……上アームスイッチング素子、１４〜１６，４０４〜４０６……下アームスイッチング素子、２，５……制御装置、２１，５１……制御信号発生回路、ＰＣＵ〜ＰＣＺ……フォトカプラ、３，６……安全制御装置、３１１，３１２，６１１，６１２……トルクオフ処理回路、３２１，３２２，６２１，６２２……遅延回路、３３１，３３２，６３１，６３２……トランジスタ、４０７〜４０９……第１の逆阻止型スイッチング素子、４１０〜４１２……第２の逆阻止型スイッチング素子、Ｐ５，Ｐ５ｓ，Ｐ５ａ，Ｐ５ｓａ……フォトカプラ電源、ＰＣ１〜ＰＣ６，ＰＣａ１〜ＰＣａ１２……フォトカプラ。

安全制御装置６において、トランジスタ６３１および６３２のコレクタは、フォトカプラ電源Ｐ５ｓａに接続されている。トランジスタ６３１のエミッタは、給電線６６１を介して、フォトカプラＰＣａ１、ＰＣａ２、ＰＣａ１０およびＰＣａ１１の各フォトダイオードのアノードと各々接続されている。また、トランジスタ６３２のエミッタは、給電線６６２を介して、フォトカプラＰＣａ４、ＰＣａ５、ＰＣａ７およびＰＣａ８の各フォトダイオードのアノードと各々接続されている。トルクオフ処理回路６１１および６１２は、遅延回路６２１および６２２を各々介してトランジスタ６３１および６３２のベースに各々接続されている。
以上が、３レベルインバータの構成である。

次に３レベルインバータの通常時の動作を説明する。３レベルインバータの通常動作時、トランジスタ６３１および６３２はオンしており、フォトカプラ電源Ｐ５ｓａの電力はトランジスタ６３１および６３２を各々介して、フォトカプラＰＣａ１、ＰＣａ２、ＰＣａ１０、ＰＣａ１１、ＰＣａ４、ＰＣａ５、ＰＣａ７およびＰＣａ８に各々供給される。制御信号ＣＭＤａが制御信号発生回路５１に与えられると、制御信号発生回路５１が制御信号Ｃａ１〜Ｃａ１２を発生する。この制御信号Ｃａ１〜Ｃａ１２は、フォトカプラＰＣａ１〜ＰＣａ１２を各々通過し、ゲート信号Ｇａ１〜Ｇａ１２となって、スイッチング素子４０１〜４１２の各ゲートに各々供給される。これにより、スイッチング素子４０１〜４１２の各々オン／オフ切り換えが行われ、出力端子Ｕａ、ＶａおよびＷａから電動機に３相交流電圧が出力される。

次に、トルクオフ指令ＴОＦ１ａおよびＴОＦ２ａが与えられた時の３レベルインバータの動作を説明する。トルクオフ指令ＴОＦ１ａおよびＴОＦ２ａが発生すると、２種類の動作が並行して進められる。１つは、制御信号発生回路５１による３レベルインバータの停止制御である。もう１つは、トルクオフ処理回路６１１および６１２による３レベルインバータの停止制御である。

このように、トルクオフ指令ＴОＦ１ａおよびＴОＦ２ａが発生すると２種類の動作が並行して進められるが、遅延回路６２１および６２２が存在しているため、制御信号発生回路５１が３レベルインバータの停止制御を行った後に、トルクオフ処理回路６１１および６１２が３レベルインバータの停止制御を行う。このように時間差を設けて２種類の停止制御を並行して進める理由は上記第１実施形態と同様である。
以上が、トルクオフ指令ＴОＦ１ａおよびＴОＦ２ａが与えられた時の３レベルインバータの動作である。本実施形態においても上記第１実施形態と同様な効果が得られる。

Claims (4)

1. 正電圧端子に接続された３相の上アームスイッチング素子と負電圧端子に接続された３相の下アームスイッチング素子を有し、前記３相の上アームスイッチング素子と前記３相の下アームスイッチング素子の各相の接続点を各相の出力端子とする主回路と、前記３相の上アームスイッチング素子および前記３相の下アームスイッチング素子をオン／オフさせるパルスを出力することにより前記主回路の各相の出力端子から交流電圧を電動機に各々出力させる制御装置とを有するインバータの安全制御装置において、
   第１のトルクオフ指令に応じて、前記制御装置からのパルスの発生状態に拘わらず、前記３相の上アームスイッチング素子のうち２相の上アームスイッチング素子をオフとする第１のトルクオフ回路と、
   第２のトルクオフ指令に応じて、前記制御装置からのパルスの発生状態に拘わらず、前記２相の上アームスイッチング素子と同一の２相の下アームスイッチング素子をオフとする第２のトルクオフ回路と
   を具備することを特徴とする安全制御装置。
2. 前記第１のトルクオフ回路は、前記第１のトルクオフ指令の発生時点から所定時間遅れて前記２相の上アームスイッチング素子をオフとし、
   前記第２のトルクオフ回路は、前記第２のトルクオフ指令の発生時点から所定時間遅れて前記２相の下アームスイッチング素子をオフとすることを特徴とする請求項１に記載の安全制御装置。
3. 前記主回路は、前記正電圧端子および前記負電圧端子の中間の電圧を発生する中性点に各々のエミッタが接続され、前記主回路の３相の出力端子に各々のコレクタが接続された３相の第１の逆阻止型スイッチング素子と、前記中性点に各々のコレクタが接続され、前記主回路の３相の出力端子に各々のエミッタが接続された３相の第２の逆阻止型スイッチング素子とを具備し、
   前記第１のトルクオフ回路は、前記第１のトルクオフ指令に応じて、前記制御装置からのパルスの発生状態に拘わらず、前記２相の上アームスイッチング素子に対応した前記第２の逆阻止型スイッチング素子をオフとし、
   前記第２のトルクオフ回路は、前記第２のトルクオフ指令に応じて、前記制御装置からのパルスの発生状態に拘わらず、前記２相の上アームスイッチング素子に対応した前記第１の逆阻止型スイッチング素子をオフとすることを特徴とする請求項１に記載の電動機の安全制御装置。
4. 前記第１のトルクオフ回路は、前記第１のトルクオフ指令の発生時点から所定時間遅れて前記２相の上アームスイッチング素子および前記２相の上アームスイッチング素子に対応した第２の逆阻止型スイッチング素子をオフとし、
   前記第２のトルクオフ回路は、前記第２のトルクオフ指令の発生時点から所定時間遅れて前記２相の下アームスイッチング素子および前記２相の下アームスイッチング素子に対応した第１の逆阻止型スイッチング素子をオフとすることを特徴とする請求項３に記載の安全制御装置。

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