(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子の動作により電力変換を行って負荷を駆動する駆動部と、前記半導体スイッチング素子を制御するための制御信号を生成する演算処理部と、故障発生時に装置の運転を停止させて安全を確保するための安全部と、少なくとも前記演算処理部及び前記安全部に制御電源電圧を供給する制御電源部と、前記制御電源部の故障による制御電源電圧の異常発生時に内部の遮断手段を動作させて制御電源電圧の供給を遮断する電源診断部と、を備えた電力変換装置において、
前記電源診断部は、前記演算処理部から出力される診断信号と前記電源診断部から出力される監視電圧とを用いて前記遮断手段の開閉を制御するように構成され、
前記演算処理部は、
前記遮断手段が閉状態で、前記診断信号の論理をアクティブに変化させたときに、前記監視電圧のレベルに応じた安全電源信号がアクティブである場合、及び、前記遮断信号が開状態で、前記診断信号の論理を非アクティブに変化させたときに、前記安全電源信号が非アクティブである場合に、前記遮断手段の故障と診断し、
前記遮断手段の故障と診断したときに、前記制御信号による前記駆動部の動作を停止させることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載した電力変換装置において、
前記電源診断部は、
前記制御電源部から前記安全部側に至る制御電源供給経路に直列に接続された前記遮断手段としての遮断スイッチと、
前記監視電圧と所定の基準電圧とを入力として前記遮断スイッチを開閉制御するコンパレータと、
前記診断信号の論理に応じて前記基準電圧のレベルを切り換える基準電圧切換スイッチと、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した電力変換装置において、
前記安全部は、前記制御電源部以外の箇所に故障が発生したときに装置の運転を停止させて安全を確保することを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載した電力変換装置において、
前記安全部の状態を診断する安全診断部を更に備え、前記安全診断部の制御電源を前記制御電源部から供給することを特徴とする電力変換装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電動機を駆動するインバータ装置やコンバータ装置、サーボアンプ等の電力変換装置に関し、詳しくは、制御電源部の故障診断を行って制御電源を遮断する故障診断機能と、装置を安全に停止させるための安全機能とを備えた電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工場等に設置される各種のファンやポンプ、エレベータ、ビルの機械室、製造装置の駆動部分等には電動機が多用されており、これらの電動機は、通常、インバータ装置やサーボアンプ等のパワーエレクトロニクスを用いた電力変換装置によって駆動されている。
この種の電力変換装置に故障等が発生すると、場合によっては電力変換装置や電動機等の破損を招き、周囲の作業員や設備の利用者に危険を及ぼすおそれがある。
【０００３】
このような背景から、世界各国では、電力変換装置を用いた電動機駆動システムに対して、国際標準規格に基づいた安全機能を備えることを要求している。この安全機能は、例えば電力変換装置の制御電源部が故障して過電圧等の異常が発生した場合にも確保されなくてはならず、アプリケーションに応じて故障に対する安全性の要求レベルも異なっている。
このため、電動機駆動システムの安全性を一層向上させるためには、制御電源部に対する高精度な故障診断機能と、故障発生時に主電源の遮断、駆動部の動作停止等を速やかに行って装置を安全に停止させる安全機能とを備えることが重要である。
【０００４】
ここで、図５は、電力変換装置において様々な演算処理を行うＣＰＵの電源回路の故障・異常を検出して所定の安全動作・保護動作を行うようにした従来技術であり、特許文献１に記載されているものである。
この従来技術では、同一の演算処理を実行可能な二つのＣＰＵ７１Ａ，７１Ｂと、これらの電源回路（制御電源回路）７２Ａ，７２Ｂと、電源電圧供給・遮断用のスイッチ７３Ａ，７３Ｂと、電源電圧の異常を検出する電圧異常検出回路７４Ａ，７４Ｂと、を備えている。なお、ＳＡ，ＳＢは、各ＣＰＵ間の動作情報や制御情報を含む信号、ＸＡ，ＸＢは電圧異常検出信号、ＹＡ，ＹＢはスイッチ７３Ａ，７３Ｂの開閉信号である。
【０００５】
以下に、図５の動作を説明する。
まず、スイッチ７３Ａ，７３ＢをオンしてＣＰＵ７１Ａ，７１Ｂに電源電圧を供給している状態で、例えばＣＰＵ７１Ａをメイン系（稼動系）、ＣＰＵ７１Ｂをサブ系（待機系）とし、ＣＰＵ７１Ａが所定の演算処理を実行しているものとする。この状態で電源回路７２Ａが故障してＣＰＵ７１Ａの電源電圧が過電圧になると、電圧異常検出回路７４Ａが電圧異常検出信号ＸＡをサブ系のＣＰＵ７１Ｂに送信する。
サブ系のＣＰＵ７１Ｂは、受信した電圧異常検出信号ＸＡによってメイン系の電源回路７２Ａの故障を認識し、遮断信号ＹＡによりスイッチ７３Ａを遮断してＣＰＵ７１Ａの動作を停止すると共に、以後はＣＰＵ７１Ｂがメイン系となって演算処理を続行する。
【０００６】
以上の動作により、電源電圧の過電圧に起因したＣＰＵ７１Ａの故障や破損を未然に防ぐことができる。
ＣＰＵ７１Ｂ側の電源回路７２Ｂが故障した場合の動作も、上記と同様である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ２０１４／０５４３４９号公報（段落[００１８]〜[００２１]、図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図５に示した従来技術では、二つのＣＰＵ７１Ａ，ＣＰＵ７１Ｂにより冗長化した演算処理システムのそれぞれについて電源電圧の異常を監視し、対応させている。このため、二つのスイッチ７３Ａ，７３Ｂ及び電圧異常検出回路７４Ａ，７４Ｂが必要になり、回路構成が複雑化、大型化してコストも高くなるという問題がある。なお、電源回路７２Ａ，７２Ｂを個別に備えているのは、所定の機能安全規格に対応させるためである。
【０００９】
また、図５の従来技術によると、スイッチ７３Ａまたは７３Ｂの故障、例えば短絡故障自体を検出することができない。従って、例えば電源回路７２Ａが故障して過電圧が印加された状態でスイッチ７３Ａが短絡故障するような、いわゆる重複故障が発生すると、ＣＰＵ７１Ａや周辺回路、負荷等を過電圧から保護することができなくなる。
【００１０】
更に、他の従来技術として、制御電源部の故障診断機能及び安全機能を備えた電力変換装置が知られている。図６は、この電力変換装置における制御電源電圧の供給経路を主体としたブロック図である。
【００１１】
図６において、制御電源部１０が出力する電源電圧は演算処理部５０に供給され、演算処理部５０は所定の演算処理を行ってＰＷＭ信号を生成する。このＰＷＭ信号はインバータ装置を構成する半導体スイッチング素子等を備えた駆動部６０に送られ、駆動部６０は、半導体スイッチング素子をオン・オフさせて電動機（図示せず）等の負荷を駆動する。
【００１２】
一方、制御電源部１０からの制御電源電圧は、電源診断部２０、安全診断部３０及び安全部４０にも供給されている。
電源診断部２０は制御電源電圧を監視しており、所定値を超える過電圧を検出すると、遮断スイッチとしての半導体素子の動作により電源供給経路を遮断して後続の安全診断部３０及び安全部４０を過電圧から保護する。同時に、演算処理部５０に信号を送り、ＰＷＭ信号の出力を停止させて駆動部６０の動作を停止させる。
【００１３】
安全部４０は、制御電源部１０以外の箇所の故障（例えば、駆動部６０内の半導体スイッチング素子の短絡故障等）が発生した時に、駆動部６０に供給される主電源を遮断することにより、電力変換装置及び電動機の運転を安全に停止させると共に、必要に応じて警報を表示または外部へ伝送する機能を有している。安全診断部３０は、安全部４０の故障診断を行うためのものである。
【００１４】
上記の構成において、制御電源部１０の故障により想定を超える過電圧が発生した場合にも、後続の電源診断部２０等に過電圧を波及させることなく安全診断部３０及び安全部４０が本来の機能を果たすためには、これらの回路を設計する際に過電圧を許容できるようにするか、あるいは、過電圧を確実に遮断する手段が必要である。
過電圧を許容可能な回路を設計する場合には、低耐圧かつ汎用の集積回路部品（演算処理装置、コンパレータ等）や半導体素子（トランジスタ、ＦＥＴ等）を用いた設計が困難になり、多大なコストを必要とする。
【００１５】
そこで、従来では、前述したように、制御電源部１０の故障により発生した過電圧を電源診断部２０内のコンパレータ等により検出し、遮断スイッチを動作させて後続の各部を保護する方法がとられている。
しかしながら、このような方法をとる場合において、電源診断部２０内の遮断スイッチに短絡故障が発生すると、たちまち後続の安全診断部３０や安全部４０を過電圧から保護できなくなり、安全部４０等による安全機能を果たすことが困難になる。
【００１６】
そこで、本発明の解決課題は、制御電源部の故障時に過電圧等を遮断するための遮断手段の状態診断機能を備え、制御電源部の故障や遮断手段の故障が重複して発生した場合にも、後続の回路を保護しつつ装置を安全に停止可能とした電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、半導体スイッチング素子の動作により電力変換を行って負荷を駆動する駆動部と、前記半導体スイッチング素子を制御するための制御信号を生成する演算処理部と、故障発生時に装置の運転を停止させて安全を確保するための安全部と、少なくとも前記演算処理部及び前記安全部に制御電源電圧を供給する制御電源部と、前記制御電源部の故障による制御電源電圧の異常発生時に内部の遮断手段を動作させて制御電源電圧の供給を遮断する電源診断部と、を備えた電力変換装置において、
前記電源診断部は、前記演算処理部から出力される診断信号と前記電源診断部から出力される監視電圧とを用いて前記遮断手段の開閉を制御するように構成され、
前記演算処理部は、前記遮断手段が閉状態で、前記診断信号の論理をアクティブに変化させたときに、前記監視電圧のレベルに応じた安全電源信号がアクティブである場合、及び、前記遮断信号が開状態で、前記診断信号の論理を非アクティブに変化させたときに、前記安全電源信号が非アクティブである場合に、前記遮断手段の故障と診断し、前記遮断手段の故障と診断したときに、前記制御信号による前記駆動部の動作を停止させるものである。 
【００１８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電力変換装置において、前記電源診断部は、前記制御電源部から前記安全部側に至る制御電源供給経路に直列に接続された前記遮断手段としての遮断スイッチと、前記監視電圧と所定の基準電圧とを入力として前記遮断スイッチを開閉制御するコンパレータと、前記診断信号の論理に応じて前記基準電圧のレベルを切り換える基準電圧切換スイッチと、を備えたものである。
【００１９】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した電力変換装置において、前記安全部は、前記制御電源部以外の箇所に故障が発生したときに装置の運転を停止させて安全を確保するものである。
【００２０】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した電力変換装置において、前記安全部の状態を診断する安全診断部を更に備え、前記安全診断部の制御電源を前記制御電源部から供給するものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、制御電源部の故障診断機能のほか、電源診断部内の遮断手段の状態を診断する機能も備えたことにより、制御電源部の故障や遮断手段の故障が重複して発生した場合にも、後続の回路を保護しつつ装置を安全に停止させることができる。
また、本発明では、図５に示したように電源電圧の異常検出回路や遮断用のスイッチを冗長化させる従来技術に比べて回路規模を小さくすることができるため、省スペース化及びコストの低減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態における制御電源電圧の供給経路を主体としたブロック図である。
【図２】図１における電源診断部の構成図である。
【図３】本発明の実施形態における診断シーケンスを示す図である。
【図４】本発明の実施形態における診断シーケンスを示す図である。
【図５】特許文献１に記載された従来技術の構成図である。
【図６】従来の電力変換装置における制御電源電圧の供給経路を主体としたブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本実施形態に係る電力変換装置における、制御電源電圧の供給経路を中心としたブロック図である。図１において、図６に示した各部と同一機能を有するものについては同一の符号を付してあり、以下では、図６との相違点を中心として本実施形態の構成及び機能を説明する。
【００２４】
この実施形態では、制御電源部１０と安全診断部３０との間に接続された電源診断部２０Ａの機能、及び、演算処理部５０Ａの機能が図６と異なっている。
すなわち、電源診断部２０Ａからは、その出力電圧（監視電圧）に応じたレベル（論理レベルまたは電圧レベル）の安全電源信号Ｓ２が演算処理部５０Ａに入力され、演算処理部５０Ａから出力される診断信号Ｓ１が電源診断部２０Ａに入力されている。
診断信号Ｓ１は、演算処理部５０Ａの出力論理に応じてＨｉｇｈレベル（以下、単にＨレベルという）またはＬｏｗレベル（以下、単にＬレベルという）となり、診断信号Ｓ１のフィードバック信号に相当する安全電源信号Ｓ２は、電源診断部２０Ａの状態（言い換えれば後述する遮断スイッチ２３の状態）に応じてＬレベルまたはＨレベルとなる。
【００２５】
図２は、電源診断部２０Ａの構成を示すブロック図である。
図２において、制御電源部１０と安全診断部３０との間には、遮断スイッチ２３としてのｐｎｐ型トランジスタのエミッタ、コレクタが順に接続されている。遮断スイッチ２３のコレクタ電圧は、監視電圧としてコンパレータ２１の非反転入力端子に入力されており、コンパレータ２１の反転入力端子には基準電圧が入力されている。また、コンパレータ２１の出力端子は遮断スイッチ２３のベースに接続されている。
上記基準電圧は、制御電源部１０から出力される制御電源電圧（監視電圧）の過電圧設定値に等しくなっており、制御電源部１０の正常時には監視電圧＜基準電圧（過電圧設定値）という関係にある。
【００２６】
一方、演算処理部５０Ａから出力される診断信号Ｓ１は、ｎｐｎ型トランジスタ２２のベースに加えられており、このトランジスタ２２のコレクタはコンパレータ２１の反転入力端子に接続され、エミッタは接地されている。
なお、トランジスタ２２は、そのオン、オフによって前記基準電圧のレベルを切り換える作用を果たすため、請求項における基準電圧切換スイッチに相当している。
【００２７】
次に、この実施形態における通常運転時の動作、及び、制御電源部１０の故障時の保護動作（遮断動作）について説明する。
制御電源部１０及び遮断スイッチ２３が正常に動作している場合、電力変換装置の通常運転時には遮断スイッチ２３がＯＮしている。この時、演算処理部５０Ａから出力される診断信号Ｓ１はＬレベルであってトランジスタ２２はＯＦＦしているので、コンパレータ２１の反転入力端子には監視電圧より大きい基準電圧が入力されている。従って、コンパレータ２１の出力はＬレベルであり、遮断スイッチ２３はＯＮ状態が維持されている。
【００２８】
この状態では、安全診断部３０及び安全部４０に適正な電源電圧が供給されるため、制御電源部１０以外の故障（例えば、駆動部６０内の半導体スイッチング素子の短絡故障等）が発生した場合には、安全部４０が動作して駆動部６０の主電源を遮断する安全機能を働かせることができる。また、必要に応じて、警報を表示または外部へ伝送することも可能である。
【００２９】
制御電源部１０の故障により制御電源電圧が過電圧になり、監視電圧が基準電圧を超えると、コンパレータ２１の出力がＨレベルに反転して遮断スイッチ２３がＯＦＦする。すなわち、電源診断部２０Ａ内の電源供給経路が遮断されるため、電源診断部２０Ａの構成部品や後続の安全診断部３０及び安全部４０を過電圧から保護することができる。また、遮断スイッチ２３をＯＦＦさせた後に、制御電源部１０自体の動作を停止させてもよい。
なお、図２の構成では、演算処理部５０Ａと制御電源部１０との間にスイッチが存在せず、演算処理部５０Ａには制御電源電圧が常に供給されているため、演算処理部５０Ａには、高耐圧の部品や素子を用いることが望ましい。
【００３０】
次いで、演算処理部５０Ａが実行する電源診断部２０Ａの診断動作、詳しくは遮断スイッチ２３の診断動作を、図３，図４を参照しつつ説明する。これらの図は、電力変換装置の起動時における診断シーケンスであり、図３は遮断スイッチ２３が正常である場合、図４は遮断スイッチ２３が故障している場合を示している。
【００３１】
この種の電力変換装置において、電動機の運転停止時には、省エネルギーを目的として主電源を遮断し、制御電源のみを供給しておく場合がある。このため、図３，図４では、主電源がＯＦＦし、制御電源がＯＮしている期間を中心に示しており、この期間では、主電源が供給されていないため駆動部６０による電動機の運転は不可能である一方、演算処理部５０Ａは、電源診断部２０Ａの状態を定期的に診断することができる。
【００３２】
以下の表１は、演算処理部５０Ａによる診断動作及びその結果を場合分けして示したものであり、この表１を参照しつつ説明を続ける。
【表１】
0005822041.tif 000002
【００３３】
まず、図３において、前述のごとく遮断スイッチ２３がＯＮされている状態で、演算処理部５０Ａが時刻ｔ１においてＨレベルの診断信号Ｓ１を出力する。これにより、電源診断部２０Ａ内のトランジスタ２２がＯＮするので、コンパレータ２１の反転入力端子の電位は接地電位となる。このとき、監視電圧はＨレベルであるからコンパレータ２１の出力はＨレベルとなり、遮断スイッチ２３が短絡故障していなければ遮断スイッチ２３がＯＦＦし、安全電源信号Ｓ２はＬレベルとなる。
この動作は表１における状態１に相当しており、演算処理部５０Ａは、診断信号Ｓ１がＨレベルであるときに、電源診断部２０Ａからのフィードバック信号である安全電源信号Ｓ２がＬレベルになったことから、遮断スイッチ２３が短絡故障しておらず正常であることを認識する。
【００３４】
次に、演算処理部５０Ａは、図３の時刻ｔ２において診断信号Ｓ１をＬレベルに反転させる。これにより、トランジスタ２２がＯＦＦするので、コンパレータ２１の反転入力端子の電位は基準電圧に等しくなる。このとき、監視電圧はＬレベルのままであるから、コンパレータ２１の出力はＬレベルとなり、遮断スイッチ２３が開放故障していなければ遮断スイッチ２３がＯＮし、安全電源信号Ｓ２はＨレベルとなる。
この動作は表１における状態２に相当しており、演算処理部５０Ａは、診断信号Ｓ１がＬレベルであるときに、電源診断部２０Ａからのフィードバック信号である安全電源信号Ｓ２がＨレベルになったことから、遮断スイッチ２３が開放故障しておらず正常であることを認識する。
【００３５】
以上のように、遮断スイッチ２３が短絡故障及び開放故障しておらず、正常に動作していることが確認されれば、その後に主電源をＯＮして駆動部６０へ電源電圧を供給することにより、駆動部６０による負荷の運転が可能になる。
【００３６】
図４は、遮断スイッチ２３が短絡故障または開放故障している場合の診断シーケンスである。
図４の時刻ｔ１において診断信号Ｓ１をＨレベルに変化させても、安全電源信号Ｓ２が引き続きＨレベルである場合には、コンパレータ２１の出力がＨレベルであるにも関わらず遮断スイッチ２３がＯＮのままであることが想定される。この動作は表１における状態３に相当しており、演算処理部５０Ａは、診断信号Ｓ１及び安全電源信号Ｓ２が何れもＨレベルであることから、遮断スイッチ２３が短絡故障していると診断することができる。
よって、演算処理部５０Ａは、ＰＷＭ信号を生成せず、電力変換装置を起動できない状態へ直ちにシステムダウンさせると共に、必要に応じて警報表示等を行って点検を促せばよい。
【００３７】
また、図４の時刻ｔ２以降のように、診断信号Ｓ１をＬレベルに変化させた時に安全電源信号Ｓ２もＬレベルである場合には、コンパレータ２１の出力がＬレベルであるにも関わらず遮断スイッチ２３がＯＦＦのままであることが想定される。この動作は表１における状態４に相当しており、演算処理部５０Ａは、診断信号Ｓ１及び安全電源信号Ｓ２が何れもＬレベルであることから、遮断スイッチ２３が開放故障していると診断することができる。
この場合にも、演算処理部５０Ａは電力変換装置を直ちにシステムダウンさせる処理を実行する。
【００３８】
なお、図４のシーケンスは、遮断スイッチ２３の短絡故障及び開放故障を便宜的に同じ時間軸上にまとめて表したものであり、同一の遮断スイッチ２３について短絡故障と開放故障とが連続的に発生するような事態を想定したものではない。
【００３９】
以上のように、この実施形態によれば、制御電源部１０の過電圧監視と電源遮断による回路の保護動作だけでなく、電源遮断部２０Ａ内の遮断スイッチ２３の状態を診断することが可能である。このため、制御電源部１０の故障による過電圧印加と遮断スイッチ２３の短絡故障または開放故障が重複して発生したような場合でも、これら複数の故障を速やかに検出して装置を安全に停止させることができ、信頼性の高いシステムを提供することができる。
【００４０】
なお、上記実施形態では、制御電源部１０の電源電圧が過電圧となる故障を想定しているが、電源電圧が不足電圧となる場合にも、電源診断部の回路構成や診断信号、安全電源信号の論理等を適宜変更すれば、前記同様に遮断スイッチ２３を開閉制御しつつその短絡故障、開放故障を診断可能な電力変換装置を構成することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、電力変換の形態（交流電力または直流電力）や相数（単相または多相）に関わらず、いわゆるインバータ装置やコンバータ装置等、各種の電力変換装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０：制御電源部
２０Ａ：電源診断部
２１：コンパレータ
２２：トランジスタ
２３：遮断スイッチ
３０：安全診断部
４０：安全部
５０Ａ：演算処理部
６０：駆動部
【要約】
【課題】制御電源部の故障時に電源を遮断する遮断スイッチの状態診断機能を備え、重複故障の発生時にも回路を保護しつつ装置を安全に停止させる電力変換装置を提供する。
【解決手段】演算処理部５０Ａ、駆動部６０、安全部４０、制御電源部１０、及び電源診断部２０Ａを少なくとも備えた電力変換装置において、電源診断部２０Ａは、遮断スイッチ２３とコンパレータ２１と基準電圧切換スイッチであるトランジスタ２２とを備え、演算処理部５０Ａから出力される診断信号Ｓ１と電源診断部２０から出力される監視電圧とを用いて遮断スイッチ２３の開閉を制御するように構成され、演算処理部５０Ａは、診断信号の論理Ｓ１と、監視電圧のレベルに応じた安全電源信号Ｓ２の論理とに基づいて遮断スイッチ２３の短絡故障、開放故障の有無を診断し、故障と診断したときにＰＷＭ信号による駆動部６０の動作を停止させる。
【選択図】図２【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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