JP6073181B2 - 電力変換器及び電力変換システム - Google Patents

Description

本発明は、安全規格に準拠した安全機能を有する電力変換器、及び該電力変換器を複数備える電力変換システムに関するものである。

機器やそれを含むシステムについては、機器の誤使用・誤動作により想定される重大事故の発生を防止するため、世界標準の安全規格が設けられている。例えば、機械・電気のシステムに関してはＩＳＯ１３８４９の規格があり、電気・電子システムに関してはＩＥＣ６２０６１やＩＥＣ６１５０８の規格があり、電力変換器などを含めたパワードライブシステムに関してはＩＥＣ６１８００−５−２の規格がある。

このような安全規格は、適宜見直される。また、機器の使用態様によっては、必要となる安全規格のレベルが異なる場合がある。このような安全規格の変更に対処するものとして、例えば特許文献１には、電力変換器の安全装置を、制御機能を担う制御部と安全機能を担う安全機能部とにより構成し、安全機能部を安全規格に応じて着脱自在に接続可能として、所要の安全機能部が正しい組み合わせで正しく接続されていない場合に、安全装置により制御部の信号の出力を禁止して、電力変換器を動作させないようにした技術が開示されている。

特開２０１１−８６４２号公報

特許文献１に開示の電力変換器によると、一つの電力変換器における安全機能の誤動作を防止することはできるが、安全機能を有する電力変換器を複数接続して動作させるシステムの場合は、電力変換器間における誤動作を防止することはできない。そのため、このようなシステムでは、一方の電力変換器の安全機能が誤動作や故障を起こしてしまった場合に、その誤動作や故障の発生を他方の電力変換器の安全機能では検知できないために、システム全体の安全性が低下することが懸念される。また、複数の電力変換器を同時に停止することができないため、正常な電力変換器が過負荷となって電力変換器自身の故障を招くことも懸念される。

したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、複数の電力変換器を備える電力変換システムに好適に使用され、電力変換システムの安全性を向上できる電力変換器及びこれを備える電力変換システムを提供することにある。

上記目的を達成する本発明は、電力変換器が複数台接続される電力変換システムにおいて用いられる前記電力変換器であって、
ゲート信号により制御される半導体スイッチング素子からなる逆変換部の出力を遮断させるための安全機能を有する安全機能部と、
前記安全機能部の動作を監視する安全機能監視部と、を備え、
前記安全機能部は、前記安全機能を動作させるための安全機能指令に基づいて当該安全機能指令の有無を表す安全機能信号と、該安全機能信号及び前記逆変換部を動作させるためのゲート指令に基づいて前記ゲート信号を生成するためのゲート指令信号とを出力し、
前記安全機能監視部は、前記安全機能部で生成される前記安全機能信号及び前記ゲート指令信号に基づいて前記安全機能部の動作状態を示す安全機能動作信号と、前記安全機能指令、前記安全機能信号、前記安全機能動作信号及び他の電力変換器からの安全機能動作信号に基づいて前記安全機能の喪失状態の有無を表す安全機能喪失信号とを出力する、
ことを特徴とするものである。

さらに、上記目的を達成する本発明に係る電力交換システムは、前記電力変換器を複数台有する電力変換システムであって、
複数台の前記電力変換器に対して前記安全機能指令を送出する安全機能指令発生装置を備え、
前記電力変換器は、自己の前記安全機能監視部から出力される前記安全機能動作信号を他の電力変換器の安全機能監視部に入力するとともに、他の電力変換器の前記安全機能監視部から出力される前記安全機能動作信号を入力し、
複数台の前記電力変換器は、各々の前記安全機能監視部から出力される前記安全機能喪失信号を前記安全機能指令発生装置に入力し、
前記安全機能指令発生装置は、複数台の前記電力変換器からそれぞれ入力される前記安全機能喪失信号の少なくとも１つが、対応する前記安全機能の喪失状態を示すと、複数台の前記電力変換器の全ての出力を遮断する前記安全機能指令を出力する、ものである。

本発明によれば、複数の電力変換器を備える電力変換システムに好適に使用され、電力変換システムの安全性を向上できる電力変換器及びこれを備える電力変換システムを提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る電力変換システムの概略構成を示すブロック図である。 図１に示す各信号のタイミングチャートの一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る電力変換システムの概略構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る電力変換システムは、共通の交流電源に並列に接続された２台の電力変換器１，２と、安全機能指令発生装置３０とを備え、電力変換器１，２の出力電圧を合成して負荷に給電するものである。

電力変換器１，２は、同一構成からなる。本実施の形態において、電力変換器１（２）は、順変換部１０（２０）と、直流電圧部１１（２１）と、逆変換部１２（２２）と、制御部１３（２３）と、ゲート制御部１５（２５）と、安全機能部１４（２４）と、安全機能監視部１６（２６）とを備える。順変換部１０（２０）は、交流電源に接続されて、交流電源の交流電圧を直流電圧に変換するもので、例えばサイリスタやダイオード等の公知の電力用の半導体素子により構成される。順変換部１０（２０）から出力される直流電圧は、直流電圧部１１（２１）を経て逆変換部１２（２２）に給電される。

直流電圧部１１（２１）は、順変換部１０（２０）から出力される直流電圧のリップル成分を除去するもので、例えば平滑コンデンサからなる。逆変換部１２（２２）は、入力される直流電圧を所要周波数の交流電圧に変換するもので、例えばパワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ、トライアック等のゲート信号によりターンオン及びターンオフする公知の電力用の半導体スイッチング素子により構成される。逆変換部１２（２２）の出力電圧は、出力端子Ｖout１（Ｖout２）を経て負荷に給電される。

制御部１３（２３）は、逆変換部１２（２２）を動作させるゲート指令１０１（２０１）を出力する。このゲート指令１０１（２０１）は、安全機能部１４（２４）に供給される。

安全機能部１４（２４）は、電力変換器１（２）の所定の安全機能を実行して逆変換部１２（２２）の出力を遮断するもので、安全機能信号生成回路１７（２７）と、ゲート指令用バッファ回路１８（２８）とを備える。安全機能信号生成回路１７（２７）は、安全機能指令発生装置３０から入力される安全機能指令３００に基づいて安全機能信号１０２（２０２）を生成する。この安全機能信号１０２（２０２）は、ゲート指令用バッファ回路１８（２８）及び安全機能監視部１６（２６）に供給される。

ゲート指令用バッファ回路１８（２８）は、制御部１３（２３）から入力されるゲート指令１０１（２０１）と、安全機能信号生成回路１７（２７）から入力される安全機能信号１０２（２０２）とに基づいてゲート指令信号１０３（２０３）を生成する。このゲート指令信号１０３（２０３）は、ゲート制御部１５（２５）及び安全機能監視部１６（２６）に供給される。

ゲート制御部１５（２５）は、安全機能部１４（２４）から入力されるゲート指令信号１０３（２０３）に基づいて、逆変換部１２（２２）のゲート信号１０４（２０４）を生成する。これにより、逆変換部１２（２２）の動作が制御される。

安全機能監視部１６（２６）は、安全機能部１４（２４）の動作を監視する。具体的には、安全機能監視部１６（２６）は、安全機能部１４（２４）から入力される安全機能信号１０２（２０２）及びゲート指令信号１０３（２０３）に基づいて、逆変換部１２（２２）の動作状態を示す安全機能動作信号１０５（２０５）を出力する。この安全機能動作信号１０５（２０５）は、並列接続された他の電力変換器２（１）の安全機能監視部２６（１６）に入力される。

さらに、本実施の形態において、安全機能監視部１６（２６）は、安全機能指令発生装置３０から入力される安全機能指令３００、安全機能部１４（２４）から入力される安全機能信号１０２（２０２）及びゲート指令信号１０３（２０３）、当該安全機能監視部１６（２６）で生成される安全機能動作信号１０５（２０５）、並列接続された他の電力変換器２（１）の安全機能監視部２６（１６）から入力される安全機能動作信号２０５（１０５）に基づいて、安全機能の動作状態を示す安全機能喪失信号１０６（２０６）を出力する。この安全機能喪失信号１０６（２０６）は、安全機能指令発生装置３０にフィードバックされる。

安全機能指令発生装置３０は、例えば安全規格に準拠した安全ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）からなり、安全機能部１４（２４）及び安全機能監視部１６（２６）に、それらを動作させるための安全機能指令３００を供給する。また、安全機能指令発生装置３０は、安全機能監視部１６（２６）からフィードバックされる安全機能喪失信号１０６（２０６）に基づいて、安全機能指令３００を制御するなどして、電力変換システム全体の運転を制御する。

次に、図１の電力変換システムの一動作例について、図２に示す各信号のタイミングチャート及び下記の表１、表２に示す真理値表を参照して説明する。なお、表１は、安全機能監視部１６（２６）において安全機能動作信号１０５（２０５）を生成する際の真理値表を示す。表２は、安全機能監視部１６（２６）において安全機能喪失信号１０６（２０６）を生成する際の真理値表を示す。図２のタイミングチャートにおいて、ＯＦＦ（低レベル）／ＯＮ（高レベル）は、表１及び表２において論理「０」／論理「１」として示している。

安全機能指令発生装置３０は、安全機能部１４（２４）の安全機能を不作動とする場合にＯＦＦ、作動させる場合にＯＮとなる安全機能指令３００を出力する。安全機能部１４（２４）の安全機能信号生成回路１７（２７）は、正常状態で、安全機能指令３００と同期してＯＮ／ＯＦＦする安全機能信号１０２（２０２）を出力する。また、ゲート指令用バッファ回路１８（２８）は、正常状態で、安全機能信号１０２（２０２）がＯＦＦのとき制御部１３（２３）からのゲート指令１０１（２０１）に同期してＯＮ／ＯＦＦするゲート指令信号１０３（２０３）を出力し、安全機能信号１０２（２０２）がＯＮのときゲート指令信号１０３（２０３）の出力を遮断する。ゲート制御部１５（２５）は、ゲート指令信号１０３（２０３）がＯＦＦのとき、逆変換部１２（２２）の電力用半導体スイッチング素子をＯＦＦし、ＯＮのとき電力用半導体スイッチング素子をＯＮとするゲート信号１０４（２０４）を生成する。

安全機能監視部１６（２６）は、安全機能部１４（２４）の安全機能が不動作の場合すなわち逆変換部１２（２２）が動作状態にあるときＯＦＦ、安全機能が動作している場合すなわち逆変換部１２（２２）が不動作状態にあるときにＯＮとなる安全機能動作信号１０５（２０５）を出力する。また、安全機能監視部１６（２６）は、安全機能部１４（２４）の安全機能が健在の場合にＯＦＦ、安全機能が喪失している場合にＯＮとなる安全機能喪失信号１０６（２０６）を出力する。

例えば、安全機能監視部１６は、表１及び図２に示すように、安全機能信号１０２が「１」（ＯＮ）のときに、ゲート指令信号１０３が「０」（ＯＦＦ）になっている場合に、安全機能部１４が逆変換部１２の出力を遮断しているとみなして、安全機能動作信号１０５を「１」（ＯＮ）とする。この安全機能動作信号１０５は、他方の電力変換部２の安全機能監視部２６に入力される。

また、安全機能監視部１６は、表２及び図２に示すように、安全機能指令３００が「０」（ＯＦＦ）すなわち安全機能を不作動とする指令を出しているにも関わらず、安全機能信号１０２が「１」（ＯＮ）になっている場合、安全機能が故障していると判断して、安全機能喪失信号１０６を「１」（ＯＮ）とする。さらに、安全機能監視部１６は、安全機能指令３００が「０」（ＯＦＦ）で、安全機能信号１０２が「０」（ＯＦＦ）であっても、当該安全機能監視部１６で生成された安全機能動作信号１０５が「１」（ＯＮ）の場合、安全機能喪失信号１０６を「１」（ＯＮ）とする。また、安全機能監視部１６は、安全機能指令３００が「０」（ＯＦＦ）、安全機能信号１０２が「０」（ＯＦＦ）、当該安全機能監視部１６で生成された安全機能動作信号が「０」（ＯＦＦ）でっても、他方の電力変換部２の安全機能監視部２６から入力される安全機能動作信号２０５が「１」（ＯＮ）の場合、安全機能喪失信号１０６を「１」（ＯＮ）とする。

また、安全機能監視部１６は、安全機能指令３００が「１」（ＯＮ）すなわち安全機能を作動させる指令を出しているにも関わらず、安全機能信号１０２が「０」（ＯＦＦ）になっている場合、安全機能が故障していると判断して、安全機能喪失信号１０６を「１」（ＯＮ）とする。さらに、安全機能監視部１６は、安全機能指令３００が「１」（ＯＮ）で、安全機能信号１０２が「１」（ＯＮ）であっても、当該安全機能監視部１６で生成された安全機能動作信号１０５が「０」（ＯＦＦ）の場合、安全機能喪失信号１０６を「１」（ＯＮ）とする。また、安全機能監視部１６は、安全機能指令３００が「１」（ＯＮ）、安全機能信号１０２が「１」（ＯＮ）、当該安全機能監視部１６で生成された安全機能動作信号１０５が「１」（ＯＮ）でっても、他方の電力変換部２の安全機能監視部２６から入力される安全機能動作信号２０５が「０」（ＯＦＦ）の場合、安全機能喪失信号１０６を「１」（ＯＮ）とする。

つまり、安全機能監視部１６は、安全機能指令３００、安全機能信号１０２、安全機能動作信号１０５、及び他の安全機能監視部２６からの安全機能動作信号２０５が、全て「０」（ＯＦＦ）又は「１」（ＯＮ）の場合にのみ、安全機能部１４の安全機能が健全であることを示す「０」（ＯＦＦ）の安全機能喪失信号１０６を出力し、その他の条件では安全機能部１４の安全機能が喪失していることを示す「１」（ＯＮ）の安全機能喪失信号１０６を出力する。他方の電力変換部２の安全機能監視部２６も同様に動作して、安全機能喪失信号２０６を出力するする。これらの安全機能喪失信号１０６（２０６）は、安全機能指令発生装置３０にフィードバックされる。

本実施の形態においては、一方の電力変換器１（２）の安全機能監視部１６（２６）から他方の電力変換器２（１）の安全機能監視部２６（１６）に入力される安全機能動作信号１０５（２０５）が逆変換部１２（２２）の出力の遮断を示す場合、他方の電力変換器２（１）（具体的には安全機能監視部２６（１６））は、逆変換部２２（１２）の出力を遮断する。また、安全機能指令発生装置３０は、安全機能監視部１６（２６）からフィードバックされる安全機能喪失信号１０６（２０６）の少なくとも１つが安全機能の喪失を示す場合、安全機能指令３００をＯＮにするなどして、全ての電力変換器１，２の逆変換部１２，２２の出力を遮断して電力変換システム全体の運転を停止させる。

したがって、本実施の形態によれば、例えば図２に示すように、電力変換器１の安全機能部１４が故障した場合に、正常な電力変換機２の動作を停止できるので、電力変換器２の過負荷による故障等を招くことなく、電力変換システムの安全性を向上することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、２台の電力変換器を共通電源に並列に接続し、それらの出力を合成して共通の負荷に給電するようにしたが、電力変換器は２台に限らず、任意の複数台とすることができる。また、複数台の電力変換器は、異なる電源系統に接続されてもよいし、出力も合成することなく、別々の負荷に給電されてもよい。

また、電力変換器を３台以上接続する場合は、例えば出力が合成される電力変換器等の関連する電力変換器の安全機能監視部を相互に接続して、各電力変換器の安全機能監視部の安全機能動作信号を関連する電力変換器の安全機能監視部に入力させるようにしてもよいし、各電力変換器の安全機能監視部の安全機能動作信号を他の全ての電力変換器の安全機能監視部に入力させるようにしてもよい。さらに、各電力変換器から出力される安全機能喪失信号は、安全機能指令発生装置３０にフィードバックさせることなく、自己の安全機能監視部から出力される安全機能喪失信号により自己の電力変換器が有する非常停止機能を動作させるようにしてもよい。

さらに、電力変換器は自己の安全機能監視部から安全機能動作信号のみを出力するようにして、自己の安全機能監視部から出力される安全機能動作信号を他の電力変換器の安全機能監視部に入力し、他の電力変換器から当該他の電力変換器の出力の遮断を示す安全機能動作信号を入力すると、自己の逆変換部の出力を遮断するようにしてもよい。あるいは、電力変換器は自己の安全機能監視部から安全機能喪失信号のみを出力するようにして、複数台の電力変換器からそれぞれ出力される安全機能喪失信号の少なくとも１つが安全機能喪失状態を示す場合に複数台の電力変換器の全ての出力を遮断するようにしてもよい。

１、２ 電力変換器
１０、２０ 順変換部
１１、２１ 直流電圧部
１２、２２ 逆変換部
１３、２３ 制御部
１４、２４ 安全機能部
１５、２５ ゲート制御部
１６、２６ 安全機能監視部
１７、２７ 安全機能信号生成回路
１８、２８ ゲート指令用バッファ回路
３０ 安全機能指令発生装置

Claims (2)

1. 電力変換器が複数台接続される電力変換システムにおいて用いられる前記電力変換器であって、
   ゲート信号により制御される半導体スイッチング素子からなる逆変換部の出力を遮断させるための安全機能を有する安全機能部と、
   前記安全機能部の動作を監視する安全機能監視部と、を備え、
   前記安全機能部は、前記安全機能を動作させるための安全機能指令に基づいて当該安全機能指令の有無を表す安全機能信号と、該安全機能信号及び前記逆変換部を動作させるためのゲート指令に基づいて前記ゲート信号を生成するためのゲート指令信号とを出力し、
   前記安全機能監視部は、前記安全機能部で生成される前記安全機能信号及び前記ゲート指令信号に基づいて前記安全機能部の動作状態を示す安全機能動作信号と、前記安全機能指令、前記安全機能信号、前記安全機能動作信号及び他の電力変換器からの安全機能動作信号に基づいて前記安全機能の喪失状態の有無を表す安全機能喪失信号とを出力する、
   ことを特徴とする電力変換器。
2. 請求項１に記載の電力変換器を複数台有する電力変換システムであって、
   複数台の前記電力変換器に対して前記安全機能指令を送出する安全機能指令発生装置を備え、
   前記電力変換器は、自己の前記安全機能監視部から出力される前記安全機能動作信号を他の電力変換器の安全機能監視部に入力するとともに、他の電力変換器の前記安全機能監視部から出力される前記安全機能動作信号を入力し、
   複数台の前記電力変換器は、各々の前記安全機能監視部から出力される前記安全機能喪失信号を前記安全機能指令発生装置に入力し、
   前記安全機能指令発生装置は、複数台の前記電力変換器からそれぞれ入力される前記安全機能喪失信号の少なくとも１つが、対応する前記安全機能の喪失状態を示すと、複数台の前記電力変換器の全ての出力を遮断する前記安全機能指令を出力する、
   電力変換システム。
   

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