(57)【要約】      （修正有）【課題】ハードウェア的にインバータを保護しながらも二重化を具現して、高い安全等級を達成できるインバータ保護装置を提供する。【解決手段】インバータ１において、インバータ保護装置３０は、第１のスイッチ４１から印加される第１の電圧信号によってオン状態となる第１のパワースイッチ３３と、第１のパワースイッチ３３と直列に連結されて、第２のスイッチ４２から印加される第２の電圧信号によってオン状態となる第２のパワースイッチ３４と、第１及び第２のパワースイッチ３３、３４とそれぞれ直列に連結されてバッファ部２０に連結され、バッファ部２０に第３の電圧信号を提供するための電力ラインと、前記電力ラインから第３の電圧信号が印加される場合、オン状態となり、前記ＰＷＭ制御信号をインバータ部１０に提供するバッファ部２０と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列に連結された安全リレーの第１のスイッチ及び第２のスイッチから受信される電圧信号に応じてインバータのインバータ部に提供されるパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号の遮断要否を決定する、インバータ保護装置において、
前記第１のスイッチから印加される第１の電圧信号によってオン状態となる第１のパワースイッチ；
前記第１のパワースイッチと直列に連結されて、前記第２のスイッチから印加される第２の電圧信号によってオン状態となる第２のパワースイッチ；
前記第１のパワースイッチ及び第２のパワースイッチとそれぞれ直列に連結されてバッファ部に連結され、前記バッファ部に第３の電圧信号を提供するための電力ライン；及び、
前記電力ラインからの前記第３の電圧信号が印加される場合、オン状態となり、前記ＰＷＭ制御信号を前記インバータ部に提供する前記バッファ部を含むインバータ保護装置。
【請求項２】
前記第１のスイッチと前記第１のパワースイッチの間に配置されて、前記第１の電圧信号を絶縁する第１の絶縁部；及び、
前記第２のスイッチと前記第２のパワースイッチの間に配置されて、前記第２の電圧信号を絶縁する第２の絶縁部をさらに含む、請求項１に記載のインバータ保護装置。
【請求項３】
前記第１の電圧信号と前記第２の電圧信号は、
前記インバータから前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチにそれぞれ提供される、請求項１又は請求項２に記載のインバータ保護装置。
【請求項４】
前記第１の電圧信号と前記第２の電圧信号は、大きさが同様である、請求項１に記載のインバータ保護装置。
【請求項５】
前記第１のパワースイッチの入力ノードの電圧信号、前記第２のパワースイッチの入力ノードの電圧信号、及び前記第２のパワースイッチと前記バッファ部を連結する電力ラインのノードの電圧信号のうち少なくとも１つを受信して、前記それぞれの電圧信号に対するモニタリング信号を出力するモニタリング部をさらに含む、請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載のインバータ保護装置。
【請求項６】
前記モニタリング部は、
ＡＮＤゲートを含む、請求項５に記載のインバータ保護装置。
【請求項７】
前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチがオン状態である場合、
前記第１のパワースイッチ及び第２のパワースイッチがオン状態となり、前記電力ラインを介して前記第３の電圧信号が前記バッファ部に印加されて、前記バッファ部がＰＷＭ制御信号を前記インバータ部に印加する、請求項１〜請求項６のうちいずれか一項に記載のインバータ保護装置。
【請求項８】
前記第１のスイッチ又は前記第２のスイッチがオフ状態である場合、
前記第１のパワースイッチ又は前記第２のパワースイッチがオフ状態となり、前記バッファ部に前記第３の電圧信号が印加されないため、ＰＷＭ制御信号が前記インバータ部に印加されない、請求項１〜請求項７のうちいずれか一項に記載のインバータ保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、電動機等の電気機器が広く普及されるにつれ、電気機器の異常動作が重大事故につながる可能性が一層増大しており、事故のリスクをできるだけ減らすことが求められている。これらリスクを許容範囲内にするために国際規格を定めている。電気機器に関する規格としてＩＥＣ６１５０８が定められており、電動機等の駆動機器の規格としてＩＥＣ６１８００−５−２が定められている。
【０００３】
安全信号が入力される場合、ＩＥＣ６１８００−５−２に定義したように、インバータは、電動機に電力を伝達してはならない。
【０００４】
図１は、従来のインバータ保護装置の構成図である。
【０００５】
インバータ１００は、３相交流電源を印加されて、整流部１０１がこれを整流し、平滑部１０２は、整流部１０１が整流した直流電圧を平滑して貯蔵する。インバータ部１０３は、平滑部１０２である直流リンクキャパシタに貯蔵された直流電圧をＰＷＭ制御信号に応じて所定の電圧及び周波数を有する交流電圧を出力して、これを電動機２００に提供する。インバータ部１０３は、３相のレッグで構成されており、各レッグには２つのスイッチング素子が直列に連結して構成される。インバータ部１０３のスイッチング素子は、例えば、絶縁ゲート両極性トランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  ｇａｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＩＧＢＴ）である。
【０００６】
安全リレー１３０は、インバータ１の内部から２４Ｖを入力される。安全リレー１３０は、第１及び第２のスイッチ１３１、１３２が並列に連結されているものであって、閉じた状態が通常の動作状態である。
【０００７】
第１のスイッチ１３１を介してＳＡ端子に２４Ｖが入力されると、第１の絶縁部１４０は、該電圧信号を絶縁して、第１の受信部１５０は、電圧検出信号を出力する。第１の受信部１５０は、例えば、フォトカプラ（ｐｈｏｔｏ  ｃｏｕｐｌｅｒ）である。第１の受信部１５０は、入力される電圧が所定の閾値以上である場合、ハイレベルの電圧検出信号を出力して、所定の閾値未満である場合、ローレベルの電圧検出信号を出力する。
【０００８】
第２のスイッチ１３２を介してＳＢ端子に２４Ｖが入力されると、第２の絶縁部１４５は、該電圧信号を絶縁して、第２の受信部１５５は、電圧検出信号を出力する。第２の受信部１５５も、フォトカプラ（ｐｈｏｔｏ  ｃｏｕｐｌｅｒ）である。第２の受信部１５５は、入力される電圧が所定の閾値以上である場合、ハイレベルの電圧検出信号を出力して、所定の閾値未満である場合、ローレベルの電圧検出信号を出力する。トランジスタ１６０は、過電流を防止して定電圧化を図る。
【０００９】
第１の受信部１５０がハイレベルの電圧検出信号を出力する場合、制御部１１０は、ゲートブロック１２０にパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号を提供して、ゲートブロック１２０がインバータ１のインバータ部１０３にＰＷＭ制御信号を出力するようにする。第２の受信部１５５がハイレベルの電圧検出信号を出力する場合、ゲートブロック１２０のイネーブル（ｅｎａｂｌｅ）ピンを動作させて、制御部１１０から提供されるＰＷＭ制御信号がインバータ部１０３に出力されるようにする。
【００１０】
仮に、第１の受信部１５０がローレベルの電圧検出信号を出力すれば、これは、制御部１１０のトリップゾーン（ｔｒｉｐ  ｚｏｎｅ）に入力されて、制御部１１０は、ゲートブロック１２０に提供されるＰＷＭ制御信号を遮断する。また、第２の受信部１５５がローレベルの電圧検出信号を出力すれば、ゲートブロック１２０のディスエーブル（ｄｉｓａｂｌｅ）ピンを動作させて、ＰＷＭ制御信号がインバータ部１０３に出力されないように動作する。
【００１１】
すなわち、第１の受信部１５０又は第２の受信部１５５のうちいずれかでもローレベルの電圧検出信号が出力される場合、インバータ部１０３に提供されるＰＷＭ制御信号が遮断されて、これによって電動機２００に供給される電力が遮断される。
【００１２】
このような従来の保護装置の場合、制御部１１０のトリップゾーンが正常に動作することをソフトウェアによって認証しなければならず、同認証に時間と費用がかかる問題点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明が解決しようとする技術的課題は、ハードウェア的にインバータを保護しながらも二重化を具現して、高い安全等級を達成できるインバータ保護装置を提供することである。
【課題を解決しようとする手段】
【００１４】
本発明は、並列に連結された安全リレーの第１及び第２のスイッチから受信される電圧信号に応じてインバータのインバータ部に提供されるパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号の遮断要否を決定するインバータ保護装置であって、前記第１のスイッチから印加される第１の電圧信号によってオン状態となる第１のパワースイッチ；前記第１のパワースイッチと直列に連結されて、前記第２のスイッチから印加される第２の電圧信号によってオン状態となる第２のパワースイッチ；前記第１及び第２のパワースイッチとそれぞれ直列に連結されてバッファ部に連結され、前記バッファ部に第３の電圧信号を提供するための電力ライン；及び前記電力ラインからの前記第３の電圧信号が印加される場合、オン状態となり、前記ＰＷＭ制御信号を前記インバータ部に提供する前記バッファ部を含んでいてもよい。
【００１５】
本発明の一実施形態のインバータ保護装置は、前記第１のスイッチと前記第１のパワースイッチの間に配置されて、前記第１の電圧信号を絶縁する第１の絶縁部；及び前記第２のスイッチと前記第２のパワースイッチの間に配置されて、前記第２の電圧信号を絶縁する第２の絶縁部をさらに含んでいてもよい。
【００１６】
本発明の一実施形態において、前記第１の電圧信号と前記第２の電圧信号は、前記インバータから前記第１及び第２のスイッチに提供されてもよい。
【００１７】
本発明の一実施形態において、前記第１の電圧信号と前記第２の電圧信号は、大きさが同様であってもよい。
【００１８】
本発明の一実施形態のインバータ保護装置は、前記第１のパワースイッチの入力ノードの電圧信号、前記第２のパワースイッチの入力ノードの電圧信号及び前記第２のパワースイッチと前記バッファ部を連結する電力ラインのノードの電圧信号のうち少なくとも１つを受信して、これに対するモニタリング信号を出力するモニタリング部をさらに含んでいてもよい。
【００１９】
本発明の一実施形態において、前記モニタリング部は、ＡＮＤゲートを含んでいてもよい。
【００２０】
本発明の一実施形態において、前記第１及び第２のスイッチがオン状態である場合、前記第１及び第２のパワースイッチがオン状態となり、前記電力ラインを介して前記第３の電圧信号が前記バッファ部に印加されるため、前記バッファ部がＰＷＭ制御信号を前記インバータ部に印加することができる。
【００２１】
本発明の一実施形態において、前記第１のスイッチ又は第２のスイッチがオフ状態である場合、前記第１のパワースイッチ又は第２のパワースイッチがオフ状態となり、前記バッファ部に前記第３の電圧信号が印加されないため、ＰＷＭ制御信号が前記インバータ部に印加されない。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、ソフトウェアが司らずにハードウェアで保護装置を具現することができる。
【００２３】
すなわち、本発明は、バッファ部の電源を直列に連結された第１及び第２のパワースイッチを介して制御し、安全リレーから信号がいずれも入力されない場合には、出力を遮断化して安全機能を強化することができる。
【００２４】
また、本発明は、保護装置である回路の内部が定常状態であるか否かをモニタリングするモニタリング信号を出力し、回路の内部の故障有無を判別して回路自体の信頼性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来のインバータ保護装置の構成図である。
【図２】本発明の一実施形態のインバータ保護装置を概略的に説明するための構成図である。
【図３】安全リレーからそれぞれ２４Ｖの電圧信号が保護装置に提供される場合の動作を説明するための一例示図である。
【図４】安全動作に従って安全リレーの第１のスイッチの接点がオープンされた場合の動作を説明するための一例示図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の構成及び効果を十分に理解するため、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。しかし、本発明は、以下に開示する実施形態に限定されるものではなく、様々な形態に具現することができ、種々の変更を加えることができる。但し、本実施形態に対する説明は、本発明の開示を完全にして、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。添付の図面における構成要素は、説明の便宜のためその大きさを実際より拡大して示したものであり、各構成要素の割合は、誇張するか縮小してもよい。
【００２７】
「第１」、「第２」等の用語は、多様な構成要素を説明するために使われるが、前記構成要素は、上記用語によって限定されてはならない。上記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にのみ使われる。例えば、本発明の権利範囲を脱しないながら、「第１の構成要素」は「第２の構成要素」に命名されてもよいし、同様、「第２の構成要素」も「第１の構成要素」に命名されてもよい。また、単数の表現は、文脈上明白に別に表現しない限り、複数の表現を含む。本発明の実施形態において使われる用語は、別に定義されない限り、該技術分野で通常の知識を有する者に通常知られた意味に解釈される。
【００２８】
以下では、図面を参照して、本発明の一実施形態によるインバータ保護装置を説明する。
【００２９】
図２は、本発明の一実施形態のインバータ保護装置を概略的に説明するための構成図である。
【００３０】
図面に示したように、本発明の一実施形態のインバータ保護装置３０は、インバータ１の内部に提供されて、インバータ１の外部に配置される安全リレー４０に＋２４Ｖの電源を提供することができる。但し、これは、例示的なものであり、インバータ１の定格電圧等、設定によって２４Ｖとは異なる大きさの電圧が提供されてもよく、インバータ１の外部から電源が提供されてもよい。
【００３１】
安全リレー４０は、並列に配置される第１のスイッチ４１及び第２のスイッチ４２を含んでいてもよい。安全リレー４０は、閉じた状態が通常の動作状態である。安全リレー４０は、各種機械装置の安全を強化するためにリレーの安全基準に基づいて製造されたリレーであって、その構成については、該技術分野について広く知られたとおりであるため、詳明は省略する。
【００３２】
安全リレー４０の第１及び第２のスイッチ４１、４２のうちいずれかがインバータ１の多様な安全動作によって接点がオープンされる場合、本発明の保護装置３０は、保護動作でインバータ１を保護するためのものである。インバータ１の安全動作は、上位制御部（未図示）によって行われても、機械的な接点動作で行われてもよい。
【００３３】
本発明の一実施形態において、インバータ１は、インバータ部１０、ＰＷＭ制御部５０及びバッファ部２０を含んでいてもよい。インバータ部１０は、複数のスイッチング素子で構成されて、直流段電圧を交流電圧に出力して電動機に提供する。ＰＷＭ制御部５０は、指令電圧に応じてインバータ部１０のスイッチング素子が交流電圧を出力するように制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号を出力する。バッファ部２０は、ＰＷＭ制御信号をインバータ部１０に提供する。インバータ部１０のスイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴであってもよいが、本発明がこれに限定されるものではなく、様々な電力用半導体スイッチング素子を用いることができる。バッファ部２０は、ＰＷＭ制御部５０から提供されるＰＷＭ制御信号をインバータ部１０のスイッチング素子のゲートに印加することができる。例えば、５Ｖの電力によってオン又はオフ状態となってもよい。すなわち、５Ｖの電力が印加される場合にはオン状態となり、ＰＷＭ制御信号をインバータ部１０に印加して、５Ｖの電力が印加されない場合にはオフ状態となり、ＰＷＭ制御信号がインバータ部１０に印加されない。バッファ部２０は、ゲートブロックであってもよい。
【００３４】
本発明の一実施形態において、インバータ保護装置３０は、第１の絶縁部３１、第２の絶縁部３２、第１のパワースイッチ３３、第２のパワースイッチ３４及びモニタリング部３５を含んでいてもよい。
【００３５】
第１の絶縁部３１は、第１のスイッチ４１から印加される電圧信号を絶縁することができる。第２の絶縁部３２は、第２のスイッチ４２から印加される電圧信号を絶縁することができる。
【００３６】
第１及び第２のパワースイッチ３３、３４は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＭＯＳＦＥＴ）であってもよいが、本発明がこれに限定されるものではなく、様々な電力用半導体スイッチを用いることができる。
【００３７】
第１及び第２のパワースイッチ３３、３４は、２４Ｖの電圧信号が印加される場合、導通するように構成されてもよい。すなわち、２４Ｖの電圧信号は、第１及び第２のパワースイッチ３３、３４のしきい電圧（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  ｖｏｌｔａｇｅ）より高い電圧信号であってもよい。但し、これは、制限的ではなく、２４Ｖの電圧の大きさが変更される場合、第１及び第２のパワースイッチ３３、３４のしきい電圧より大きく設計されてもよい。
【００３８】
第１及び第２のパワースイッチ３３、３４は、それぞれ直列に連結されて、５Ｖの電力ラインとそれぞれ直列に連結されてもよい。すなわち、第１及び第２のスイッチ４１、４２から２４Ｖの電圧信号が印加されると、第１及び第２のパワースイッチ３３、３４は、オン状態に切り替えられて、５Ｖの電力がバッファ部２０に直接に印加されるようにすることができる。バッファ部２０は、５Ｖの電力が供給される場合、オン状態となり、ＰＷＭ制御部５０から印加されるＰＭＷ制御信号がインバータ部１０に印加されてもよい。仮に、バッファ部２０に５Ｖの電力が供給されない場合、オフ状態に切り替えられて、ＰＷＭ制御部５０から印加されるＰＷＭ制御信号がインバータ部１０に印加されない状態となり得る。
【００３９】
モニタリング部３５は、第１の絶縁部３１と第１のパワースイッチ３３の間のノードＡ、第２の絶縁部３２と第２のパワースイッチ３４の間のノードＢ、及び第２のパワースイッチ３４とバッファ部２０の間の電力ラインのノードＣの電圧信号をそれぞれ印加される。そして、モニタリング部３５は、それぞれのノードにおける電圧信号が定常状態の動作をしているかについて判別することができる。モニタリング部３５は、例えば、論理ゲートであるＡＮＤゲートを含んでいてもよく、３つのノードの電圧信号のうちいずれかがフォルト（ＦＡＵＬＴ）である場合、回路のフォルトを知らせるモニタリング信号を外部に提供することができる。例えば、モニタリング信号は、通信ラインを介して外部の使用者端末に提供されてもよく、インバータ１に人間−機械インターフェース（ＨＭＩ）又はプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）が提供される場合、ＨＭＩ又はＰＬＣにモニタリング信号を提供することもできる。
【００４０】
本発明の一実施形態において、モニタリング部３５は、各ノードで電圧信号が正常に印加されているか、すなわち、定常状態の動作をしているかを判別することができ、各素子の故障を判別することではない。すなわち、モニタリング部３５は、インバータ１の内部の保護装置３０の故障状態を反映して出力することができる。
【００４１】
本発明は、モニタリング部３５が保護装置３０の各ノードの定常状態をＡＮＤ ゲートを介してモニタリング信号で出力する一実施形態を説明しているが、本発明がこれに限定されるものではない。例えば、複数のモニタリング部が配置されて、各ノードの定常状態を知らせるモニタリング信号をそれぞれ出力して、ＨＭＩ、ＰＬＣ又は外部の使用者端末は、該モニタリング信号に対応するノードの状態をそれぞれ確認することもできる。
【００４２】
このように、本発明の一実施形態によれば、モニタリング部３５によって回路の状態を簡単に把握することができる。従来の場合、制御部１１０がゲートブロック１２０の状態を確認した。
【００４３】
以下では、図３及び図４を参照して、本発明の保護装置３０の動作を詳説する。
【００４４】
図３は、安全リレー４０からそれぞれ２４Ｖの電圧信号が保護装置３０に提供される場合の動作を説明するための一例示図であり、図４は、安全動作に従って安全リレー４０の第１のスイッチ４１の接点がオープンされた場合の動作を説明するための一例示図である。
【００４５】
図３を参照すれば、安全リレー４０の第１のスイッチ４１から印加される２４Ｖの電圧信号は、第１の絶縁部３１によって絶縁され、第１のパワースイッチ３３に印加されて、第１のパワースイッチ３３がオン状態となってもよい。また、安全リレー４０の第２のスイッチ４２から印加される２４Ｖの電圧信号は、第２の絶縁部３２によって絶縁され、第２のパワースイッチ３４に印加されて、第２のパワースイッチ３４がオン状態となってもよい。
【００４６】
直列に連結された第１及び第２のパワースイッチ３３、３４がオン状態となると、５Ｖの電力は、バッファ部２０に印加されてもよく、これによってバッファ部２０は、オン状態となる。
【００４７】
バッファ部２０がオン状態となると、ＰＷＭ制御部５０によって生成されたＰＷＭ制御信号がバッファ部２０を介してインバータ部１０のスイッチング素子のゲートに印加され、これによって交流信号が電動機２に出力されてもよい。
【００４８】
図４を参照すれば、安全リレー４０の第１のスイッチ４１が安全動作によってオフになると、第１のパワースイッチ３３のゲートに印加される電圧信号がないため、第１のパワースイッチ３３は、オフ状態となる。安全リレー４０の第２のスイッチ４２から印加される２４Ｖの電圧信号は、第２の絶縁部３２によって絶縁され、第２のパワースイッチ３４に印加されて、第２のパワースイッチ３４がオン状態となり得る。
【００４９】
直列に連結された第１のパワースイッチ３３のオフ状態によって、５Ｖの電力は、バッファ部２０に提供されず、これによってバッファ部２０は、オフ状態となる。
【００５０】
バッファ部２０がオフ状態であれば、ＰＷＭ制御部５０によって生成されたＰＷＭ制御信号は、インバータ部１０のスイッチング素子のゲートに印加されないため、インバータ１の出力は、電動機２に提供されない。
【００５１】
このように、本発明は、ソフトウェアが司らずにハードウェアで保護装置を具現することができる。すなわち、バッファ部の電源を直列に連結された第１及び第２のパワースイッチを介して制御して、安全リレーから信号がいずれも入力されない場合には、出力を遮断化して安全機能を強化することができる。また、保護装置である回路の内部が定常状態であるか否かをモニタリングするモニタリング信号を出力し、回路の内部の故障有無を判別して回路自体の信頼性を向上させることができる。
【００５２】
以上では、本発明による実施形態を説明したが、これは、例示的なものに過ぎず、該分野で通常の知識を有する者であれば、これより様々な変形及び均等な範囲の実施形態が可能である点を理解することができる。従って、本発明の真の技術的な保護範囲は、次の請求範囲によって定めるべきである。
【符号の説明】
【００５３】
１１            インバータ
２              電動機
１０            インバータ部
２０            バッファ部
３０            保護装置
４０            安全リレー
５０            ＰＷＭ制御部
３１、３２      絶縁部
３３、３４      パワースイッチ
３５            モニタリング部
４１、４２      スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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