(57)【要約】【課題】電力変換器を有する電力システムにおいて、電力線信号搬送を高効率かつ良好に実現可能とする。【解決手段】半導体スイッチング素子のスイッチングにより電力変換を行うインバータ等の電力変換器３０と、この電力変換器３０に電力線４０を介して接続された電力機器１０，２０，……とを備え、電力変換器３０と他の機器との間で電力線に信号を重畳させて通信を行う電力システムにおいて、電力変換器３０は、半導体スイッチング素子のオン状態またはオフ状態を所定期間（スイッチング休止期間）にわたって継続するモードを有し、この期間中に、送信動作または受信動作の少なくとも一方を実行する。【選択図】図１
2007174518.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子のスイッチングにより電力変換を行う電力変換器と、この電力変換器に電力線を介して接続された電力機器と、を備え、
前記電力変換器と前記電力機器との間で、前記電力線に信号を重畳させて通信を行う電力システムにおいて、
前記電力変換器は、前記半導体スイッチング素子のオン状態またはオフ状態を所定期間継続するモードを有することを特徴とする電力システム。
【請求項２】
請求項１に記載した電力システムにおいて、
前記電力変換器は、直流電力を交流電力に変換するインバータであることを特徴とする電力システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載した電力システムにおいて、
前記電力変換器が前記電力線に出力する交流電圧波形は、交流半波の少なくとも一期間において前記電力変換器の直流電圧部の正負何れかの電圧値を維持する波形であることを特徴とする電力システム。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載した電力システムにおいて、
前記電力変換器と前記電力機器との間の送信動作または受信動作の少なくとも一方を、前記半導体スイッチング素子がオン状態またはオフ状態を所定期間継続している間に行うことを特徴とする電力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチング素子を用いた電力変換器を有し、かつ電力線を介して他の電力機器との間で通信を行う電力システムに関し、いわゆる電力線信号搬送の信号伝送技術に関するものである。なお、以下において、電力機器とは電力変換器及び負荷を含む用語として使用するものとする。
【背景技術】
【０００２】
電力機器同士が電力を授受する電力システムにおいては、電力機器の相互間で情報をやりとりする必要がある場合が多い。例えば、電力変換器としてのインバータと負荷としてのモータとからなる電力システムでは、モータの回転位置情報や温度情報をインバータに渡すことにより、適切な電力の調整や保護動作が実行される。また、複数の電力変換器間で電力融通を行う系においては、各電力変換器が適切な電力分担を行うために相互間で情報をやりとりする必要がある。
【０００３】
現在、これらの情報のやりとりを行う場合には、専用に敷設された通信線を用いることが多い。しかし、通信線自体や通信線を敷設するためのコストが大きくなったり、あるいはシステムの信頼性が通信線に大きく依存するという問題が発生するため、その解決が望まれている。
【０００４】
これに応える手段として、電力機器間を結ぶ電力線を介して情報のやりとりを行う、いわゆる電力線信号搬送を用いることが考えられる。
図４は、この電力線信号搬送システムの構成例である。
【０００５】
図４において、電力変換器３０は半導体スイッチング素子を有しており、そのスイッチングによって電力変換を行い、電力線４０に印加する電圧を生成する。電力機器１０，２０、更には図示しないその他の電力機器は、電力線４０を介して、電力変換器３０との間、または電力機器１０，２０，……の相互間で電力を授受している。これらの電力機器１０，２０等は、先に定義したごとく、電力変換器の場合もあれば、モータやコイル等の負荷の場合もある。
なお、図４では３線の電力線４０を示してあるが、その本数（相数）は何ら限定されない。
【０００６】
図４の電力変換器３０や電力機器１０，２０近傍の電力線４０には、カプラ３２，１２，２２が装備されている。これらのカプラ３２，１２，２２は、電力線４０に信号を重畳し、かつ、電力線４０に重畳された信号を抽出するためのものである。
【０００７】
図５は、カプラ３２，１２，２２の構成例を示しており、カプラ５２は上記カプラ３２，１２，２２に、電力機器５０は上記電力変換器３０、電力機器１０，２０に、電力線４１は上記電力線４０にそれぞれ相当している。
この図５に示すように、カプラ５２は、主に直流遮断のための一対のコンデンサ５２１、絶縁及び信号重畳のためのトランス５２２、及び、必要に応じて付加される保護回路（図示せず）から構成されている。
【０００８】
また、図４に示すように、電力変換器３０とカプラ３２との間、電力機器１０，２０とカプラ１２，２２との間には、信号変換器３１，１１，２１がそれぞれ設けられている。
これらの信号変換器３１，１１，２１は、伝送すべき情報からカプラに送る電気信号を生成する機能、及び、カプラによって抽出された電気信号から情報を復元する機能を備えている。
【０００９】
上述したような電力線信号搬送を行う電力システムは、例えば次の文献に開示されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−３３９２３号公報（段落［００２３］〜［００３１］、図１，図３等）
【非特許文献１】Shaotang Chen, 他  "A New Approach to Motor Condition Monitoring in Induction Motor Drives", IEEE Transactions on Industry Applications, vol.30, no.4, July/August 1994, pp.905-911（Fig.１，Fig.３〜Fig.５等）
【非特許文献２】Niall G. Coakley, 他  "Real-Time Control of a Servosystem Using the Inverter-Fed Power Lines to Communicate Sensor Feedback", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.46, no.2, April 1999, pp.360-369（Fig.１，Fig.３等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図４に示したように半導体スイッチング素子を有する電力変換器３０を有する電力システムでは、素子のスイッチングによって大きな電位変動が生じ、これによって電力線４０に重畳された通信信号が乱れるという問題がある。すなわち、スイッチング動作による電位変動は多くの高周波成分を生じさせるため、この高周波成分が通信に用いる高周波信号と重なり、正しい情報のやりとりができなくなる。
【００１２】
そこで本発明の解決課題は、電力機器として、半導体スイッチング素子を有する電力変換器が接続されている電力システムにおいても、電力機器相互間での電力線信号搬送を高効率に実現可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、半導体スイッチング素子のスイッチングにより電力変換を行う電力変換器と、この電力変換器に電力線を介して接続された電力機器と、を備え、
前記電力変換器と前記電力機器との間で、前記電力線に信号を重畳させて通信を行う電力システムにおいて、
前記電力変換器は、前記半導体スイッチング素子のオン状態またはオフ状態を所定期間継続するモードを有するものである。
【００１４】
請求項２に記載した発明は、請求項１において、
前記電力変換器は、直流電力を交流電力に変換するインバータであることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載した電力システムにおいて、
前記電力変換器が前記電力線に出力する交流電圧波形は、交流半波の少なくとも一期間において前記電力変換器の直流電圧部の正負何れかの電圧値を維持する波形（矩形波、台形波等）であることを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載した発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した電力システムにおいて、
前記電力変換器と前記電力機器との間の送信動作または受信動作の少なくとも一方を、前記半導体スイッチング素子がオン状態またはオフ状態を所定期間継続している間に行うものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、電力変換器の半導体スイッチング素子が所定期間にわたりオン状態またはオフ状態を維持するスイッチング休止期間において、電力変換器から電力線に印加される電圧値がほぼ一定となることに着目して当該期間に信号の送受信を行うことにより、電力変換器を含む電力機器の相互間で高品質な通信を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は請求項１に相当する本発明の第１実施形態を示しており、半導体スイッチング素子を有する電力変換器によって電力線に印加される電圧波形を示している。
【００１９】
図１に示すように、電力線に印加される電力変換器の出力電圧波形には、スイッチングが行われない期間、すなわち電圧値がほぼ一定となるスイッチング休止期間（図１において、便宜的に、出力電圧値を「Ｌ」レベルまたは「Ｈ」レベルとなる期間）が存在する。このスイッチング休止期間は電力線の線間電圧が安定しているため、電力線に重畳された信号が乱れにくい。従って、電力線に重畳された信号のうち、スイッチングが行われていない上記スイッチング休止期間の信号を読み取ることにより、通信誤りの少ない良好な信号伝送を行うことが可能となる。
ここで、出力電圧値が「Ｌ」レベル、「Ｈ」レベルである期間は、例えば半導体スイッチング素子がオフの期間、オンの期間にそれぞれ対応する。
【００２０】
なお、スイッチングが行われて電力線間の電位変動が生じた直後には、電力変換器や電力線の電気特性に応じた高周波の電位変動が生じることが多い。従って、スイッチングが行われた直後には、電力線に重畳された信号が乱れることが想定されるため、図１に示すように、スイッチング休止期間中で、スイッチングが行われてから所定時間Δｔが経過した後に次のスイッチングが行われるまでの期間を、通信適合期間Ｔとして考えればよい。
【００２１】
通常、電力変換器のスイッチング周波数は数１０［ｋＨｚ］以下であり、電力線信号搬送に用いられる信号の周波数は［ＭＨｚ］帯であることから、図１に示した通信適合期間Ｔは短期間のように見えても、数［ＭＨｚ］帯の通信においてはひとまとまりの情報を送るのに十分な期間になると言える。
【００２２】
以上のように本実施形態によれば、半導体スイッチング素子を有する電力変換器が存在する電力システムであって、電力線に印加される電圧波形にスイッチングの休止による電圧安定期間が存在するシステムに電力線信号搬送を適用することにより、電力機器の相互間で高品質な通信を実現することができる。
なお、この場合の電力変換器の種類等には特に制約はなく、スイッチングの休止によって出力電圧値が一定期間安定するものであればよい。
【００２３】
次に、請求項２に相当する本発明の第２実施形態を説明する。
本発明が適用される電力変換器としては、バッテリーまたは交流電圧を整流して得られる直流電圧を、スイッチングにより交流電圧に変換し、または電圧を調整した直流電圧に変換するインバータやチョッパが考えられる。
【００２４】
図２は、直流電圧を単相交流電圧に変換する電力変換器としての単相インバータ３０Ａの構成例であり、環流ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子３０１〜３０４をブリッジ接続して構成されている。
この実施形態のように、直流電圧をスイッチングして生成される交流電圧波形は、スイッチング休止時の電圧がゼロまたは電源電圧に一致するため電位が安定するので、図１に示したような通信適合期間Ｔにおける通信を行う上で好都合となる。
【００２５】
次いで、請求項３に相当する本発明の第３実施形態を説明する。
電力変換器の出力電圧波形としては、図１のように細かいスイッチングを伴うＰＷＭ波形の他に、図３（ａ）に示すような方形波、あるいは図３（ｂ）に示すような階段波等が考えられる。本発明における電力変換器の出力電圧波形としては、これらの矩形波のほか、台形波であってもよく、一般に電力変換器がインバータである場合には、交流半波の少なくとも一期間においてインバータの直流電圧部の正負何れかの電圧値を維持して出力するような波形であればよい。これらの波形では、電力線の電位が安定するスイッチング休止期間を長く確保できるため、良好な通信を行う上で更に適していると言える。
【００２６】
なお、以上に述べた各実施形態は、信号の送信側がスイッチングの状態と無関係に信号を送信する一方で、受信側において、送信側のスイッチング休止期間（特に通信適合期間Ｔ）中に信号を受信する場合を想定しているが、より効率的に信号伝送を行うためには、送信側において、スイッチング時とその後の所定期間Δｔの間は有意味な信号を送信しないことが有効である。
【００２７】
すなわち、送信側において電力線の電位が安定するスイッチング休止期間、特に通信適合期間Ｔに信号を送信し、スイッチング休止期間が終了する前に通信の終了を示す信号を送信するか、通信するべきすべての情報の送信を完了してしまうことにより、受信側では送信された信号を確実に受信することができる。また、送信側では、スイッチング休止期間には信号を送信しないか、ダミー信号を送信するといった動作を行えばよい。
これにより、受信信号の信頼性が向上するため、スイッチングによる通信の誤りを受信側が判断するといった処理が基本的に不要になり、通信のやり直しを大幅に削減して一層効率的な通信が実現される。
請求項４の発明は上記の着想に基づくものである。
【００２８】
一方、受信側において送信側の半導体スイッチング素子のスイッチング期間を検知し、スイッチング開始時点付近からその後の電位変動が収まるまでの期間（前述した期間Δｔ）では受信を行わないことも有効である。これにより、通信誤りの発生しやすい期間は通信がマスクされることになり、誤り検知処理が軽減され、より効率的な通信が可能となる。
【００２９】
ただし、この場合にはマスクされた期間の信号が得られないため、その期間の信号を受信側において誤り符号訂正によって復元するか、送信側に信号の再送を要求する必要が生じる。このことから、前述したように送信側において前記期間Δｔの間は有意味な信号を送信しないことの方が、より効率的であると言える。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施形態における電力変換器出力電圧の波形図である。
【図２】本発明の第２実施形態が適用される電力変換器の構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態における電力変換器出力電圧の波形図である。
【図４】電力線信号搬送システムの構成例を示す図である。
【図５】図４におけるカプラの構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０，２０，５０：電力機器
１１，２１，３１：信号変換器
１２，２２，３２，５２：カプラ
３０：電力変換器
３０Ａ：インバータ
３０１〜３０４：半導体スイッチング素子
４０，４１：電力線
５２１：コンデンサ
５２２：トランス
【図１】
2007174518.tif 000003
【図２】
2007174518.tif 000004
【図３】
2007174518.tif 000005
【図４】
2007174518.tif 000006
【図５】
2007174518.tif 000007