(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の能動素子をオン・オフさせて電力変換を行う電力変換部と、前記能動素子をオン・オフさせるための制御信号を、伝送路を介して前記電力変換部に送信する電力制御部と、を備えた電力変換装置において、
前記電力制御部は、前記電力変換装置の故障を検出する故障検出手段と、前記制御信号が発生していない期間にダミーデータ信号を発生させるダミーデータ発生手段と、前記故障検出手段により故障が検出されない時に、前記制御信号と前記ダミーデータ発生手段により発生させた前記ダミーデータ信号とを前記伝送路に送信し、前記故障検出手段により故障が検出された時には、前記制御信号内または前記ダミーデータ信号内にフレームなしの期間を生成して当該期間を含む前記制御信号または前記ダミーデータ信号を送信する送信手段と、を備え、
前記電力変換部は、前記伝送路を介して受信した受信信号に含まれる前記フレームなしの期間が所定の監視時間設定値に達した時に、前記能動素子の動作を停止させるための故障停止信号を出力する停止制御手段を備えた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、
前記送信手段は、調歩同期方式のシリアル通信により前記制御信号と前記ダミーデータ信号とを連続的に送信する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、
前記停止制御手段は、前記フレームなしの期間を計測し、かつ、前記制御信号または前記ダミーデータ信号が変化する都度、計測時間がリセットされるタイマを備え、前記タイマによる計測時間が前記監視時間設定値に達した時に前記故障停止信号を出力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、大容量の電源装置やモータ駆動装置等の駆動負荷装置を制御するインバータ等の電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力の変換及び制御を行う電力変換装置は、トランジスタやダイオード等の多数の能動素子を組み合わせた主回路を有する電力変換部と、前記能動素子をオン／オフ制御する制御信号を生成するための電力制御部とを備えており、直流−交流変換や交流−直流変換等を行うことができる。
【０００３】
例えば、図６は、この種の電力変換装置として周知である三相インバータの電力変換部の変換器主回路部を示し、図７は、電力変換部及び電力制御部の構成を示している。
図６に示すように、変換器主回路部１３は、三相交流電源に接続されたブリッジ回路からなるダイオード整流器１６と、その出力端子間に接続されたコンデンサ１７と、トランジスタＴ１〜Ｔ６からなるインバータ主回路１８とによって構成されている。
【０００４】
上記トランジスタＴ１〜Ｔ６のベースには、図７における電力変換部１０内のパルス復元部１２からオン・オフ信号が供給されており、この信号に応じたトランジスタＴ１〜Ｔ６の動作により、所定波形の三相の電圧または電流が電源装置やモータ駆動装置等の駆動負荷装置９０に出力されるようになっている。
なお、インバータ主回路１８を構成する能動素子には、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ等の各種の半導体スイッチング素子が使用されている。
【０００５】
このような電力変換装置は、建設・土木機械、食料加工機械、搬送機械、ファン・ポンプ機械など広範な分野において、例えばモータの駆動制御等に利用されている。
図７に示す電力変換部１０を用いて駆動負荷装置９０内のモータを駆動する場合、電力変換部１０の近傍に電力制御部２０を設置すると外部からのノイズにより誤動作を起こすおそれがあるため、電力制御部２０は、一般的に電力変換部１０から離れた場所に設置されている。
このため、電力制御部２０から電力変換部１０に送信する制御信号は、外部からのノイズの影響を受けないように光ファイバ８０によって伝送することが一般的である。
【０００６】
光ファイバや、この光ファイバにより伝送される電気信号（制御信号）を光に変換する光リンクのコストは非常に高いため、電力変換装置全体のコストを低減するためには、光ファイバや光リンクの使用量や数が少ない方が望ましい。
そこで、特許文献１には、シリアル通信方式によって制御信号を伝送することにより、光ファイバ及び光リンクの使用量や数を削減するようにした電力変換装置が開示されている。
【０００７】
前述した図７は、特許文献１に記載された電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。
図７における電力制御部２０では、制御演算部２１により電力変換部１０を制御するための演算が行われる。この演算結果に応じて、スイッチングパルス発生部２２がＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式に代表されるパルス変調を行い、前述した変換器主回路部１３のトランジスタＴ１〜Ｔ６を制御するためのパラレルデータとしてのスイッチングパルス信号が生成される。
このスイッチングパルス信号は、シリアル信号変換部２３によりシリアル信号に変換され、このシリアル信号がシリアル信号合成部２７を介して送信部２８から光ファイバ８０に送信される。
【０００８】
また、電力制御部２０では、上記スイッチングパルス信号を送信していない期間にパルス信号発生部２４から発生させた故障監視用のパルス信号を送信するため、シリアル信号合成部２７にてスイッチングパルス信号とパルス信号とを合成し、送信部２８に送出している。
また、図７の運転条件判断部２５は、電力変換装置の運転を停止する際に、運転停止指令信号を送信部２８に出力する機能を有し、故障検出部２６は、電力変換部１３等の故障を検出した時に送信部２８による送信動作を停止させる機能を有している。
【０００９】
上記構成の電力制御部２０に光ファイバ８０を介して接続された電力変換部１０では、送信部２８から送られた信号が受信部１１にて受信され、パルス復元部１２により元のスイッチングパルス信号が復元される。このスイッチングパルス信号により、変換器主回路部１３のトランジスタＴ１〜Ｔ６がオン・オフ制御される。
なお、送信部２８と受信部１１との同期をとるため、送信部２８から送られるシリアル信号やパルス信号の送信間隔はある一定間隔に設定されており、受信間隔判断部１４は、シリアル信号またはパルス信号が一定間隔で受信されない場合に、パルス復元部１２に対して停止指令信号を送出する。
【００１０】
次に、この従来技術において、故障発生時に電力変換装置の運転を停止する動作を説明する。
例えば、電力制御部２０に設けられた故障検出部２６において、変換器主回路部１３を流れる電流等のレベルが所定の検出レベルを超えたことにより故障が検出されると、故障検出部２６は、送信部２８に対して送信動作を停止させるように制御を行う。
【００１１】
電力変換部１０内の受信間隔判断部１４は、送信信号の停止に伴って受信部１１の出力信号の変化がなくなったことを判定し、パルス復元部１２に対してスイッチングパルス信号の復元動作を停止させ、変換器主回路部１３内のインバータ主回路１８の動作を停止させる。
上述した一連の動作により、電力変換装置を、例えば過電流による故障や破壊から保護することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第４２００８５６号公報（段落［００２１］〜［００２５］、図１，図２等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１に記載された従来技術では、シリアル信号変換部２３によりパラレルデータのスイッチングパルス信号から変換したシリアル信号と、パルス信号発生部２４により発生させたパルス信号とを、シリアル信号合成部２７により合成し、合成後の信号を送信部２８から光ファイバ８０を介して受信部１１に送信している。
このため、受信部１１では、シリアル信号とパルス信号とを識別するために専用の回路が必要になる。この種の機能を備えた専用回路を構成するには、通常、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を使用することになるため、コスト高になりやすい。
また、故障検出部２６により送信部２８に故障検出を通知すると、送信部２８は電力変換部１０に対する送信動作を停止することになり、以後は電力制御部２０と電力変換部１０との間で通信が不可能になるという問題がある。
【００１４】
そこで、本発明の解決課題は、電力変換部において信号を識別するための高価な専用回路を不要とし、しかも、故障検出の通知後も電力制御部と電力変換部との間の通信を継続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】
【００１５】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、複数の能動素子をオン・オフさせて電力変換を行う電力変換部と、前記能動素子をオン・オフさせるための制御信号を、伝送路を介して前記電力変換部に送信する電力制御部と、を備えた電力変換装置において、
前記電力制御部は、前記電力変換装置の故障を検出する故障検出手段と、前記制御信号が発生していない期間にダミーデータ信号を発生させるダミーデータ発生手段と、前記故障検出手段により故障が検出されない時に、前記制御信号と前記ダミーデータ発生手段により発生させた前記ダミーデータ信号とを前記伝送路に送信し、前記故障検出手段により故障が検出された時には、前記制御信号内または前記ダミーデータ信号内にフレームなしの期間を生成して当該期間を含む前記制御信号または前記ダミーデータ信号を送信する送信手段と、を備え、
前記電力変換部は、前記伝送路を介して受信した受信信号に含まれる前記フレームなしの期間が所定の監視時間設定値に達した時に、前記能動素子の動作を停止させるための故障停止信号を出力する停止制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１６】
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、前記送信手段は、調歩同期方式のシリアル通信により前記制御信号と前記ダミーデータ信号とを連続的に送信するものである。
【００１７】
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、
前記停止制御手段は、前記フレームなしの期間を計測し、かつ、前記制御信号または前記ダミーデータ信号が変化する都度、計測時間がリセットされるタイマを備え、前記タイマによる計測時間が前記監視時間設定値に達した時に前記故障停止信号を出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、電力変換部における受信信号の識別用に専用回路を用いる必要がなく、汎用されている調歩同期方式の通信回路を用いて、電力制御部と電力変換部との間で故障検出を通知することができる。このため、従来技術に比べてコストの低減が可能である。
また、本発明では、制御信号またはダミーデータ信号の変化がない状態を、例えば調歩同期方式の無通信状態とすることで故障検出の通知機能を果たすことができ、故障検出後も電力制御部と電力変換部との間の通信状態を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態における通常時の送信データを示す図である。
【図３】本発明の実施形態における制御信号及びダミーデータ信号のフレームフォーマットを示す図である。
【図４】本発明の実施形態における故障検出時の動作説明図である。
【図５】本発明の実施形態における故障検出時のフレームフォーマットを場合分けして示した図である。
【図６】三相インバータの電力変換部の構成図である。
【図７】特許文献１に記載された電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、この実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。ただし、図１において、図７に示した従来技術の各部に対応する部分には同一符号を付し、以下では図７と異なる部分を中心に説明する。
【００２１】
図１に示す電力変換装置は、電力制御部４０と、この電力制御部４０に光ファイバ８０を介して接続された電力変換部３０とを備え、電力変換部３０の出力によりモータ駆動装置等の駆動負荷装置９０を運転するように構成されている。
この実施形態では、電力制御部４０が、前述した制御演算部２１、スイッチングパルス発生部２２、シリアル信号変換部２３、故障検出部２６、シリアル信号合成部２７、送信部２８に加えて、請求項記載のダミーデータ発生手段としてのダミーフレーム発生部４１を備えており、また、電力変換部３０が、前述した受信部１１、パルス復元部１２、変換器主回路部１３に加えて、フレーム監視部３１を備えている。なお、フレーム監視部３１及びパルス復元部１２は、請求項記載の停止制御手段を構成している。
【００２２】
次に、この実施形態における特徴部分の機能について説明する。
電力制御部４０内のダミーフレーム発生部４１は、制御演算部２１の動作に基づいてスイッチングパルス信号の発生期間が終了したことを認識すると、ダミーデータ信号からなるダミーフレームをシリアル信号合成部２７へ出力し、制御演算部２１の動作に基づいてスイッチングパルス信号の発生期間が開始したことを認識すると、上記のダミーフレームの出力を停止する。
【００２３】
シリアル信号合成部２７は、例えば論理和回路によって構成されており、シリアル信号変換部２３から出力されるシリアル信号としてのスイッチングパルス信号、またはダミーフレーム発生部４１から出力されるダミーデータ信号を、送信部２８へ出力する。
送信部２８から出力された送信データ５０は、図２に示すように、スイッチングパルス信号については制御信号５１−１，５１−２として、ダミーフレームについてはダミーデータ信号５２−１，５２−２として、光ファイバ８０上に連続して送信される。
【００２４】
図２の送信データ５０における制御信号及びダミーデータ信号は、それぞれがフレームによって構成されている。このフレームについて、図３により説明する。
制御信号及びダミーデータ信号は、１バイト（８ビット）のデータを有しており、その１バイト単位をここではフレームと称している。１フレームのフォーマットは、制御信号及びダミーデータ信号の何れも、調歩同期方式のシリアル伝送フォーマットに従ってスタートビットＳＴ、データＤ０〜Ｄ７（８ビット）、パリティビットＰ、ストップビットＳＰの合計１１ビットにより構成されている。なお、図３において、ｔｂは１ビット相当の時間を示す。
ここで、ダミーデータ信号は、ダミーデータとしての特定のデータ（固定値）を設定して使用することとし、制御信号と区別させている。
【００２５】
一方、図１の電力変換部３０に設けられたフレーム監視部３１は、図示されていないタイマにより、受信部１１の受信信号に変化がない状態（フレームなし）である「１」（Ｈｉｇｈ）レベルの時間を計測する。そして、この計測時間が予め定められた設定時間（監視時間設定値）を超えた場合に、変換器主回路部１３の動作を停止するための停止指令信号をパルス復元部１２に送出する。
【００２６】
更に説明すると、図４に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２間及び時刻ｔ４〜ｔ５間は「フレームあり」の状態で受信信号が変化しているので、フレーム監視部３１のタイマは、受信信号のレベル変化をトリガとして逐次リセットされることにより、鋸歯状の計時動作となる。
いま、図４の時刻ｔＦで図１の故障検出部２６が故障を検出し、送信部２８に故障検出を通知したとすると、送信部２８は時刻ｔ２以後、データが存在しない「フレームなし」の状態、つまり、調歩同期方式における無通信状態（アイドル状態）に移行する。この場合、時刻ｔ２〜ｔ４間は「フレームなし」の状態となり、受信部１１による受信信号に変化がないため、フレーム監視部３１のタイマによる計測時間が加算されていき、フレーム監視部３１は、計測時間が時刻ｔ３で監視時間設定値に達したときに「フレームなし」検出信号、すなわち停止指令信号をＯＮさせる。なお、図４において、６１−１〜６１−４は「フレームあり」の状態、７１−１は「フレームなし」の状態を示す。
【００２７】
図１のパルス復元部１２は、フレーム監視部３１から停止指令信号を受信していない場合は、受信部１１により受信したシリアル信号を元のパラレルデータであるスイッチングパルス信号に復元し、このスイッチングパルス信号を変換器主回路部１３のトランジスタＴ１〜Ｔ６に分配する。
一方、フレーム監視部３１から停止指令信号を受信すると、パルス復元部１２は故障停止信号を出力し、変換器主回路部１３の動作を停止させて駆動負荷装置９０への電力供給を停止する。
【００２８】
次に、この実施形態における故障検出時のフレームフォーマットを、故障検出時がダミーデータ信号送信期間内であるケースと制御信号送信期間内であるケースとについて、場合分けして説明する。
【００２９】
まず、図５（ａ）は、ダミーデータ信号送信時に故障が検出されるケースである。図５（ａ）において、ダミーデータ信号５２−１ａの送信中に電力制御部４０の故障検出部２６が故障を検出すると、送信部２８に故障検出が通知され、送信部２８は「フレームなし」を示す状態５２−１ｂを生成する。
電力変換部３０では、受信部１１の出力を監視しているフレーム監視部３１が前記タイマの動作によって「フレームなし」を検出し、パルス復元部１２に対して停止指令信号を出力する。パルス復元部１２は、変換器主回路部１３に故障停止信号を出力して動作を停止させる。
【００３０】
ここで、前述した図４は、図５（ａ）のダミーデータ信号５２−１を、受信信号である“１”，“０”の論理信号により表現したものに相当する。
すなわち、図５（ａ）のダミーデータ信号５２−１ａは図４の「フレームあり」の状態６１−１，６１−２の信号に相当し、図５（ａ）の「フレームなし」の状態５２−１ｂは図４の「フレームなし」の状態７１−１に相当し、図５（ａ）のダミーデータ信号５２−１ｃは図４の「フレームあり」の状態６１−３，６１−４の信号に相当する。
【００３１】
また、図５（ｂ）は、制御信号送信時に故障が検出されるケースである。
このケースにおいては、制御信号５１−２ａの送信期間に故障を検出し、その後に送信部２８が「フレームなし」の状態５１−２ｂを生成する。これにより、フレーム監視部３１のタイマが監視時間設定値の経過を判定して「フレームなし」を検出し、パルス復元部１２を介して故障停止信号を出力することにより、変換器主回路部１３の動作を停止させる。
【００３２】
以上のように本実施形態においては、電力制御部４０内のダミーフレーム発生部４１が制御信号生成期間以外の期間にダミーデータ信号を生成し、このダミーデータ信号を送信部２８から光ファイバ８０を介して電力変換部３０に送信する。また、故障発生時には、故障検出部２６が故障検出を送信部２８に通知することにより、送信部２８が「フレームなし」の状態を生成して電力変換部３０に対する通信を継続的に行う。
また、電力変換部３０では、受信部１１の出力に基づき、フレーム監視部３１が「フレームなし」の状態によって受信信号のレベルが変化しなくなったことを検出すると共に、タイマによる計測時間が監視時間設定値を超えた際に停止指令信号をパルス復元部１２に送出し、このパルス復元部１２から故障停止信号を出力させて変換器主回路部１３を停止させるものである。
【００３３】
つまり、本実施形態では、電力制御部４０から電力変換部３０への故障検出通知をシリアル信号の変化の有無（フレームの有無）によって実現しているため、一般的な調歩同期方式のシリアル通信に用いられているＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）を受信部に使用することができる。これにより、電力変換部において受信信号の識別用にＦＰＧＡやＡＳＩＣ等の専用回路が必要な従来技術に比べ、上記ＵＡＲＴが内蔵された汎用のマイコン等を使用可能となり、製造コストの低減を図ることができる。
また、従来技術では、電力制御部と電力変換部との間の通信を停止して故障通知を行っているため、故障通知後に通信を行うことはできないが、本実施形態では、「フレームなし」の状態を送受信することで故障検出通知を行っており、故障検出後も電力制御部と電力変換部との間の通信状態を継続することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、電力制御部と電力変換部との間の伝送路が光ファイバである場合だけでなく、適宜なノイズ抑制手段を備えた電力変換装置であれば、上記伝送路がメタルケーブルである場合にも利用可能である。
また、電力変換部（変換器主回路部）の機能も、直流―交流の相互間、あるいは直流相互間、交流相互間など、特に限定されることなく各種の電力変換装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０，３０：電力変換部
１１：受信部
１２：パルス復元部
１３：変換器主回路部
１４：受信間隔判断部
１６：ダイオード整流器
１７：コンデンサ
１８：インバータ主回路
２０，４０：電力制御部
２１：制御演算部
２２：スイッチングパルス発生部
２３：シリアル信号変換部
２４：パルス信号発生部
２５：運転条件判断部
２６：故障検出部
２７：シリアル信号合成部
２８：送信部
４１：ダミーフレーム発生部
５０：送信データ
５１−１，５１−２：制御信号
５２−１，５２−２：ダミーデータ信号
６１−１，６１−２，６１−３，６１−４：「フレームあり」の状態
７１−１：「フレームなし」の状態
８０：光ファイバ
９０：駆動負荷装置
Ｄ１〜Ｄ６：ダイオード
Ｔ１〜Ｔ６：トランジスタ
【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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【図７】
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