(57)【要約】【課題】比較的簡単な回路構成によって電動機の安全停止を実現することが可能な電動機駆動用電力変換装置を提供する。【解決手段】与えられた直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機２１を駆動するインバータ装置１１と、インバータ装置１１を構成する正側及び負側の夫々の電力用半導体素子にオンオフ用ゲートパルスを供給する２つのゲート駆動回路３１、３２と、ゲート駆動回路３１、３２にＰＷＭパルスを供給するＰＷＭ信号生成手段５１と、交流電動機２１を安全に停止するための安全停止手段とで構成する。安全停止手段は、外部から与えられる独立した２つの停止指令６１，６３のうち何れか１つが入力されたとき、ゲート駆動回路３１、３２のうち少なくとも１つのゲート駆動回路の出力をオフに固定する。【選択図】図１
2013247693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
与えられた直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータ装置と、
前記インバータ装置を構成する正側及び負側の夫々の電力用半導体素子にオンオフ用ゲートパルスを供給する２つのゲート駆動回路と、
前記２つのゲート駆動回路にＰＷＭパルスを供給するＰＷＭ信号生成手段と、
前記交流電動機を安全に停止するための安全停止手段と
を具備し、
前記安全停止手段は、
外部から与えられる独立した２つの停止指令のうち何れか１つが入力されたとき、
前記２つのゲート駆動回路のうち少なくとも１つのゲート駆動回路の出力をオフに固定するようにしたことを特徴とする電動機駆動用電力変換装置。
【請求項２】
前記２つのゲート駆動回路の各々は、入力側に設けられたフォトカプラに前記ＰＷＭパルスを与えることによって動作するようにし、
前記安全停止手段は、
前記フォトカプラの夫々に与えるオン電圧をオンオフするオンゲート電源遮断回路を夫々有すると共に、前記独立した２つの停止指令を前記オンゲート電源遮断回路の夫々に与えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動用電力変換装置。
【請求項３】
前記２つのゲート駆動回路の各々は、入力側に設けられたフォトカプラに前記ＰＷＭパルスを与えることによって動作するようにし、
前記安全停止手段は、
前記フォトカプラに与えるオン電圧をオンオフする直列接続された２つのオンゲート電源遮断回路を有すると共に、前記独立した２つの停止指令を前記２つのオンゲート電源遮断回路の夫々に与えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動用電力変換装置。
【請求項４】
前記２つのゲート駆動回路の各々は、入力側に設けられたフォトカプラに前記ＰＷＭパルスを与えることによって動作するようにし、
前記安全停止手段は、
前記フォトカプラに与えるオン電圧をオンオフする１つのオンゲート電源遮断回路と、前記ＰＷＭパルスの前記フォトカプラへの信号をブロックする論理回路を有すると共に、前記独立した２つの停止指令の一方を前記オンゲート電源遮断回路に与え、他方を前記論理回路に与えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動用電力変換装置。
【請求項５】
前記安全停止手段は、
前記オンゲート電源遮断回路の夫々の出力側からオンゲート電源が確実にオフされたことを監視するフィードバック信号を夫々得るようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電動機駆動用電力変換装置。
【請求項６】
前記安全停止手段は、
前記オンゲート電源遮断回路の出力側からオンゲート電源が確実にオフされたことを監視するフィードバック信号を得ると共に、前記他方の停止指令が前記論理回路に伝達されたことを監視するフィードバック信号を得るようにしたことを特徴とする請求項４に記載の電動機駆動用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、改良された安全停止回路を有する電動機駆動用電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機を駆動する電力変換装置は、その電動機駆動という目的のための基本機能とは別に、外部からの安全停止指令に従い機械に直結された電動機を確実に停止させるという要求もある。
【０００３】
このような要求に応えるため、停止信号によりＰＷＭパルスをブロックする回路を用意し、さらに停止動作の信頼性を高めるために停止信号と連動した回路遮断にための開閉器も準備することで冗長化を図るなどの提案が為されていた。（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００８−１３２９７５号公報（全体）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このＰＷＭパルスをブロックする従来技術では、停止信号回路のシステム故障率を評価する上で機能安全規格が求めるような高い信頼性を確保することは困難である。そのために外部電力を遮断する信号による通電遮断を行って冗長化を図っているが、例えば上記信号によって入力または出力の開閉器を遮断するだけでは、規格安全上の要求レベルによっては信頼性が不十分であり、そのため接触不良や接点溶着の可能性が少ない高信頼性を有する高価な開閉器を準備する必要があった。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、比較的簡単な回路構成によって電動機の安全停止を実現することが可能な電動機駆動用電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の電動機駆動用電力変換装置は、与えられた直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータ装置と、前記インバータ装置を構成する正側及び負側の夫々の電力用半導体素子にオンオフ用ゲートパルスを供給する２つのゲート駆動回路と、前記２つのゲート駆動回路にＰＷＭパルスを供給するＰＷＭ信号生成手段と、前記交流電動機を安全に停止するための安全停止手段とを具備し、前記安全停止手段は、外部から与えられる独立した２つの停止指令のうち何れか１つが入力されたとき、前記２つのゲート駆動回路のうち少なくとも１つのゲート駆動回路の出力をオフに固定するようにしたこと特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、比較的簡単な回路構成によって電動機の安全停止を実現することが可能な電動機駆動用電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１に係る電動機駆動用電力変換装置の回路構成図。
【図２】本発明の実施例２に係る電動機駆動用電力変換装置の回路構成図。
【図３】本発明の実施例３に係る電動機駆動用電力変換装置の回路構成図。
【図４】本発明の実施例４に係る電動機駆動用電力変換装置の回路構成図。
【図５】本発明の実施例５に係る電動機駆動用電力変換装置の回路構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の実施例１に係る電動機駆動用電力変換装置の回路構成図を図１に示す。
【００１２】
図１において、インバータ装置１１は図示しない直流電源から直流電圧が給電され、これを３相交流電圧に変換して交流電動機２１を駆動する。インバータ装置１１は例えば複数個の電力用半導体素子をブリッジ接続して構成される。そして正側の電力用半導体素子には正側ゲート駆動回路３１から、負側の電力用半導体素子には負側ゲート駆動回路３２から夫々ゲートパルスが供給されている。これらのゲートパルスは、PWM生成回路５１がゲート駆動回路３１、３２の入力側に設けられたフォトカプラに対してPWMパルスを与え、これを絶縁、増幅することによって達成される。PWM生成回路５１においては、図示しない制御手段によって求められた電圧基準信号を三角波キャリヤ信号と比較することによってPWMパルスを生成する。尚、PWMパルスはインバータ装置１１の電力用半導体素子毎に生成され、ゲート駆動回路３１、３２の入力側に設けられたフォトカプラも電力用半導体素子毎に設けられているのが通常であるが、図１においては簡略化して示している。
【００１３】
ゲート駆動回路３１の入力側のフォトカップラのフォトダイオードのアノードには、オンゲート遮断回路４２を介してゲート駆動オン電圧４１が印加され、カソード側にはトランジスタが接続されている。同様に、ゲート駆動回路３２の入力側のフォトカップラのフォトダイオードのアノードには、オンゲート遮断回路４３を介してゲート駆動オン電圧４１が印加され、カソード側にはトランジスタが接続されている。そして、PWM生成回路５１の出力によってこれらのトランジスタをオンオフ制御することによってフォトダイオードへの通電電流を制御している。
【００１４】
オンゲート遮断回路４３には安全停止信号６１が、またオンゲート遮断回路４２には安全停止信号６１とは独立した安全停止信号６３が与えられている。そして、以下に説明するように安全停止信号６１とオンゲート遮断回路４３によってゲート駆動回路３２を介して全ての負側の電力用半導体素子に対する電源遮断を行い、安全停止信号６３とオンゲート遮断回路４２によってゲート駆動回路３１を介して全ての正側の電力用半導体素子に対する電源遮断を行っている。ここで、オンゲート電源遮断回路４２、４３は、MOSFETなどで構成している。
【００１５】
通常の運転状態においては、安全停止信号６１および安全停止信号６３はオフ指令（LOW入力）であるので、ゲート駆動オン電圧４１を有したＰＷＭ生成回路５１からのＰＷＭ信号がゲート駆動回路３１、３２に入力され、インバータ装置１１が動作し、交流電動機２１への電力が供給され交流電動機２１がトルクを発生し回転する。
【００１６】
ここで安全停止信号６１がオン（HIGH入力）したときは、オンゲート電源遮断回路４１が動作し、ゲート駆動回路３２のフォトカプラへの電源供給を遮断するため、PWMパルスがオン状態で伝達されてもオフ信号としか認識されず、ゲート信号がブロックされた状態と等価となる。同様に安全停止信号６３がオン（HIGH入力）時は、オンゲート電源遮断回路４２が動作し、ゲート駆動回路３１のフォトカプラへの電源供給を遮断するため、PWM信号があってもオフ信号としか認識されず、ゲート信号がブロックされた状態と等価となる。つまり安全停止信号がオン（HIGH入力）であれば、交流電動機２１は回転することができず、交流電動機２１に接続された機械も動作しないこととなる。なお２つの停止指令が同時に入力される、もしくは少なくともいずれか１つ指令が入力されれば停止が優先され、交流電動機２１をフリーラン停止することができる。これは機能安全規格におけるセーフトルクオフを実現していることに相当する。２つの独立した回路のうちいずれか１つの信号が入力されれば安全停止するという冗長回路により、安全停止指令が入力されても停止しないような危険側故障確率は大幅に低減され、機械の停止に対する信頼度が向上する。
【００１７】
なお、インバータ装置１１への停止信号は、外部の上位コントローラや操作デスク等から出力されるが、その出力を指令として電力変換装置内のフォトカプラなどで受信し、停止信号の接点オープン（開放）でオン信号（HIGH入力）と認識するように変換する等のフェールセーフ対策を行うことが好ましい。
【実施例２】
【００１８】
図２は本発明の実施例２に係る電動機駆動用電力変換装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電動機駆動用電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、オンゲート電源遮断回路４１に対してオンゲート電源遮断回路４４を直列に設け、オンゲート電源遮断回路４４の出力を、ゲート駆動回路３１及びゲート駆動回路３２のフォトカップラの入力であるフォトダイオードのアノードに並列に接続し、オンゲート電源遮断回路４４のゲートに安全停止信号６１を与える構成とした点である。
【００１９】
すなわち、図１の回路構成におけるオンゲート電源遮断回路４２、４３が正側電力用半導体素子と負側電力用半導体素子それぞれの一括オフ制御を担っていたのに対し、両者が全電力用半導体素子の一括オフ制御をコントロールするものである。オンゲート電源遮断回路４２と４４が直列に接続されているので、安全停止信号６１がオン（HIGH入力）時は、オンゲート電源遮断回路４４が動作し、ゲート駆動回路のフォトカプラへの電源を遮断するため、全電力用半導体素子をオフ状態とすることができる。 安全停止信号６３についても、オンゲート電源遮断回路４１とオンゲート電源遮断回路４４が直列に接続されているため、全く同様となる。 この実施例２の回路は、実施例１の図１の回路に比べシンプルに構成できる利点がある。
【実施例３】
【００２０】
図３は本発明の実施例３に係る電動機駆動用電力変換装置の回路構成図である。この実施例３の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電動機駆動用電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、安全停止信号６３によって制御されるオンゲート電源遮断回路４５の出力を、ゲート駆動回路３１及びゲート駆動回路３２のフォトカップラの入力であるフォトダイオードのアノードに並列に接続した点、また、オンゲート電源遮断回路４３に代えて論理回路５７を設け、PWM生成回路５１の出力及び安全停止信号６１を論理回路５７の入力とし、論理回路５７の出力をゲート駆動回路３１、３２のフォトカップラのカソード側のトランジスタのゲートに接続する構成とした点である。
【００２１】
論理回路５７は、PWM生成回路５１の出力と安全停止信号６１の反転信号との論理和をとっているため、安全停止信号６１がオン信号（HIGH入力）のときＰＷＭパルスをブロックできる。
【００２２】
通常の運転状態では、安全停止信号６１および安全停止信号６３はオフ指令（LOW入力）であるので、ゲート駆動オン電圧４１を有したPWM生成回路５１の出力であるＰＷＭパルスがゲート駆動回路３１、３２に入力され、インバータ１１が動作し、交流電動機２１への電力が供給される。
【００２３】
そして安全停止信号６１がオン（HIGH入力）時は、論理回路５７によりＰＷＭパルス信号がブロックされるため、交流電動機２１には電力が供給されない。また、実施例１と同様、安全停止信号６３がオン（HIGH入力）時は、オンゲート電源遮断回路４５が動作し、ゲート駆動回路３１、３２のフォトカプラへの電源供給を遮断するため、PWMパルスがあってもオフ信号としか認識されず、ゲート信号がブロックされた状態と等価となる。つまり、いずれかの停止信号がオン（HIGH入力）であれば、交流電動機２１への電力供給はされず、２冗長停止回路による電動機の安全停止が実現できる。
【００２４】
この実施例３によれば、実施例１、２で説明したゲート電源オフ機能のみによる冗長停止回路とは異なり、ＰＷＭパルス信号のオフ信号への固定化という異なる手法も採り入れたので、共通原因故障の発生確率をより確実に低減させることができるメリットがある。
【実施例４】
【００２５】
図４は本発明の実施例４に係る電動機駆動用電力変換装置の回路構成図である。この実施例４の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電動機駆動用電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、オンゲート電源遮断回路４２、４３の出力側に、夫々正側電力用半導体素子用のオンゲート電源喪失検出回路５３および負側電力用半導体素子のオンゲート電源喪失検出回路５４を接続し、オンゲート電源遮断回路４２、４３が確実に動作したことを電源喪失検出回路５３、５４によって夫々検出した信号を論理回路５８にて論理反転してフィードバックする信号６２、６４を夫々設けた点である。
【００２６】
電源喪失検出回路５３、５４は、オンゲート電圧４１の変動分を加味した下限値未満（例えば１５Ｖ電圧で１０％変動あれば、１３．５Ｖ未満）で電源の喪失を検出するように設定することによって、誤動作を防止することができる。そして、論理回路５８にて論理反転したフィードバック信号６２、６４を用いることによって、安全回路の信頼性を高めることが可能となる。このフィードバック信号６２、６４を上位コントローラで監視することで、安全回路自体の事前故障診断ができ、安全回路の信頼性を高めることが可能となる。なお、フィードバック信号６２、６４は、フェールセーフを考慮して、フォトカプラなどを介しｂ接点（ノルマルクローズ接点）で上位コントローラへ出力することが好ましい。
【実施例５】
【００２７】
図５は本発明の実施例５に係る電動機駆動用電力変換装置の回路構成図である。この実施例５の各部について、図３の本発明の実施例３に係る電動機駆動用電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例５が実施例３と異なる点は、オンゲート電源遮断回路４５の出力側に、正側及び負側の電力用半導体素子用のオンゲート電源喪失検出回路５３を接続し、オンゲート電源遮断回路４５が確実に動作したことを電源喪失検出回路５３によって検出した信号を論理回路５８にて論理反転してフィードバックする信号６４を設けた点、安全停止信号６１を論理回路５８にて論理反転してフィードバックする信号６２を設けた点である。
【００２８】
この実施例５においては、実施例３で安全停止を行った動作結果をフィードバック監視することにより、実施例４と同様に安全停止回路自体の事前故障診断ができ、安全停止回路の信頼性を高めることが可能となる。なお、フィードバック信号６２、６４は、フェールセーフを考慮して、フォトカプラなどを介しｂ接点（ノルマルクローズ接点）で上位コントローラへ出力することが好ましい。
【００２９】
以上本発明のいくつかの実施例を説明したが、これらの実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００３０】
すなわち、本願は安全停止指令信号を独立した２つの信号とし、この２つの信号の何れかが電動機駆動用電力変換装置に与えられたとき、正側及び負側の電力用半導体素子用のゲート駆動回路のうち少なくとも１つのゲート駆動回路の出力をオフに固定するような安全停止手段を備えたものであれば良い。
【符号の説明】
【００３１】
１１  インバータ装置
２１  交流電動機
３１、３２  ゲート駆動回路
４１  ゲート駆動オン電圧
４２、４３、４４、４５  オンゲート電源遮断回路
５１  ＰＷＭ生成回路
５３、５４  オンゲート電源喪失検出回路
５７、５８  論理回路
６１、６３  安全停止信号
６２、６４  フィードバック信号
【図１】
2013247693.tif 000003
【図２】
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【図３】
2013247693.tif 000005
【図４】
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【図５】
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