JP5955644B2 - インバータゲート制御回路および当該インバータゲート制御回路を備えたインバータ電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータゲート制御回路および当該インバータゲート制御回路を備えたインバータ電源装置に関する。

直流電力から交流電力への変換を行う電力変換器（以下、「インバータ」と称する。）では、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）等の電力用半導体素子をブリッジ接続した主回路と、前記電力用半導体素子に必要なゲートパルスを作成する制御回路とを備えている。制御回路では、所要のインバータ出力電圧を得るためにインバータ出力電圧の測定値をフィードバックしながらゲートパルスを作成している。

高電圧または大電流のインバータ出力が必要である場合、インバータ出力側に変圧器を配置し、当該変圧器によって昇降圧するように構成する。このようなインバータの出力を所望の電圧または電流に変成する変圧器を備える交流電源は、比較的小容量のインバータで高電圧または大電流の出力に対応でき、高電圧または大電流の電源が必要とされる溶接装置、核融合加速電源や無停電電源装置等のさまざまな産業分野で用いられている。

上記インバータでは、出力側に配置された変圧器の鉄心が飽和すると過大な励磁電流が変圧器の一次側に流れ、電源を損傷するおそれがある。そこで、インバータ等の電力変換器で用いられる変圧器は、コア・ギャップを設けた上、鉄心の飽和磁束に対して十分尤度を持った運転条件となるように設計されるのが一般的である。

しかしながら、コア・ギャップを設けた変圧器を備えている交流電源であっても、負荷の変化により出力電圧が急変する、または、停止−再起動を繰り返すような電源においては、インバータ出力の状態が変化する際に変圧器鉄心の磁束に大きな直流成分を生じ、コア・ギャップのみでは偏磁を抑えられない可能性がある。

そこで、例えば、特開２００１−１１２２４７号公報（特許文献１）や特開２００１−２３１２６９号公報（特許文献２）に開示される技術のように、変圧器に生じる偏磁を抑える技術が提案されている。

より詳細には、特許文献１に開示される技術は、ゲートブロックと再起動を繰り返すインバータにおいて、ゲートパルスを位相情報に変換した上で、ゲートブロック時の位相情報を保持し、再起動指令が入力された際に保持された位相情報と比較して再起動タイミング信号を出力することにより、インバータ出力信号の継続時間を正負でバランスさせて偏磁を抑制する技術である。

また、特許文献２に開示される技術は、励磁電流が最大となる期間を電圧指令より予見し、その期間のみ変圧器一次側もしくは二次側の電流の積分値から電圧指令値に補正を加えることにより、突入電流を抑制して偏磁を抑制する技術である。

特開２００１−１１２２４７号公報 特開２００１−２３１２６９号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される技術では、インバータ出力信号の継続時間が正負でバランスするようなタイミングでインバータを再起動するため、再起動指令が出力されてから負荷への電力供給に遅れが生じること、および、再起動直後では正負でバランスするようゲートパルスを出力するため、フィードバック制御やソフトスタート制御等のインバータ出力制御が無視されるという課題がある。

また、特許文献２に開示される技術では、交流電圧指令がほぼ一定値である１パルスのインバータでは励磁電流が最大となる期間を交流電圧指令から予見することはできないため、交流電圧指令がほぼ一定値である１パルスのインバータには適用が困難であること、および、偏磁が発生した場合には正負の両極に同じ方向の補正がかかるためインバータの出力電圧が低下または上昇するという課題がある。

すなわち、これら従来の技術では、再起動指令が出力されてから遅滞なく負荷へ電力供給を行い、かつ、フィードバック制御やソフトスタート制御等のインバータ出力制御に追従しながらも偏磁を解消してインバータ出力電圧の上下動を抑制することができない点が課題として存在する。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、再起動指令が出力されてから遅滞なく負荷へ電力供給を行い、かつ、フィードバック制御やソフトスタート制御等のインバータ出力制御に追従しながらも偏磁を解消してインバータ出力電圧の上下動を抑制するインバータゲート制御回路および当該インバータゲート制御回路を備えたインバータ電源装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係るインバータゲート制御回路は、上述した課題を解決するため、直流電力から交流電力への変換を行うインバータと、前記インバータの出力電圧を所望の電圧に変成して出力する変圧器とを具備し、この変圧器によって変成された電圧が出力される側に、スイッチ機能無しの負荷と負荷スイッチおよびスイッチ機能付き負荷の一方を接続した電源に適用され、前記インバータのゲート制御を行うインバータゲート制御回路であり、前記インバータをゲートブロックした後、前記負荷スイッチおよび前記スイッチ機能付き負荷のスイッチを切り、スイッチ機能無し負荷および前記スイッチ機能付き負荷のうち、前記変圧器に接続される負荷を開放した無負荷の状態で前記変圧器を運転し、その間の前記インバータの出力電流の積分値に基づいて偏磁の有無を検出する偏磁検出回路と、前記偏磁検出回路が偏磁を検出している間、搬送波と変調率とを比較してゲートパルスを作成するゲートパルス作成回路に、偏磁を検出していない通常運転時の変調率とは異なる偏磁補正用の変調率を与える偏磁補正回路とを備え、前記偏磁補正回路は、前記通常運転時の変調率に、所望の定数で与えられる補正量を、加算、減算、乗算および除算から選択される何れかの演算を行うことで前記偏磁補正用の変調率を得るものであり、前記通常運転時の変調率と、前記補正量とを用いて、前記通常運転時の変調率よりも大きい第１の変調率と、前記通常運転時の変調率よりも小さい第２の変調率とを得ることを特徴とする。

本発明の実施形態に係るインバータ電源装置は、上述した課題を解決するため、前記インバータゲート制御回路を具備することを特徴とする。

本発明によれば、再起動指令が出力されてから遅滞なく負荷へ電力供給を行い、かつ、フィードバック制御やソフトスタート制御等のインバータ出力制御に追従しながらも偏磁を補正してインバータ出力電圧の上下動を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係るインバータゲート制御回路を備えたインバータ電源装置（接続される負荷がスイッチ機能なしの負荷の場合）の構成を示す概略図。 本発明の第１の実施形態に係るインバータゲート制御回路を備えたインバータ電源装置（接続される負荷がスイッチ機能付き負荷の場合）の構成を示す概略図。 本発明の第１の実施形態に係るインバータゲート制御回路の構成を示した概略図。 本発明の実施形態に係るインバータゲート制御回路が制御するインバータにおける各アームの動作タイミングを示した説明図。 本発明の第１の実施形態に係るインバータゲート制御回路が生成するゲートパルスと搬送波および変調率との関係を通常運転から電源停止に至るまで示した説明図。 本発明の第１の実施形態に係るインバータゲート制御回路が生成するゲートパルスと搬送波および変調率との関係を偏磁補正運転電源停止から偏磁補正運転を経て通常運転に至るまで示した説明図。 本発明の第２の実施形態に係るインバータゲート制御回路を備えたインバータ電源装置の構成を示す概略図。 本発明の第２の実施形態に係るインバータゲート制御回路の構成を示す概略図。 本発明の第２の実施形態に係るインバータゲート制御回路において演算される偏磁極補正量および逆極補正量の例を示した説明図であり、（Ａ）は偏磁極補正量および逆極補正量の第１の例を示した図、（Ｂ）は偏磁極補正量および逆極補正量の第２の例を示した図、（Ｃ）は偏磁極補正量および逆極補正量の第３の例を示した図。 本発明の第３の実施形態に係るインバータゲート制御回路の構成を示す概略図。

以下、本発明の実施形態に係るインバータゲート制御回路および当該インバータゲート制御回路を備えたインバータ電源装置について添付の図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図１および図２は本発明の第１の実施形態に係るインバータゲート制御回路の一例である第１のインバータゲート制御回路２０Ａを備えた第１のインバータ電源装置５０Ａの構成を示す概略図である。

第１のインバータ電源装置５０Ａは、直流電源または整流器に接続されるインバータ１と、一次側に接続されるインバータ１の出力電圧を所望の電圧に変成して二次側に出力する三相変圧器２と、インバータ１を構成する電力用半導体アーム（インバータアーム）１１，１２，１３，１４のゲートパルスを生成し、インバータ１へ入力する第１のインバータゲート制御回路２０Ａとを具備する。また、第１のインバータ電源装置５０Ａは、三相変圧器２の二次側、すなわち、インバータ１の出力電圧を変成して出力する側に、例えば、交流電力を直流電力に変換する整流器３、直流電圧のリプルを低減するための平滑コンデンサ４、電圧を分圧する分圧器５、負荷（スイッチ機能なし）６および負荷スイッチ７と接続される。

第１のインバータゲート制御回路２０Ａは、出力電圧制御回路２２と、第１の偏磁検出回路２３Ａと、第１の偏磁補正回路２４Ａと、ゲートパルス作成回路２５と、ＳＲ（セット・リセット）ラッチ回路２６と、を備え、ゲートパルス作成回路２５で、生成した電力用半導体アーム１１，１２，１３，１４のゲートパルスをインバータ１へ入力し、負荷６に供給される直流電圧の制御と三相変圧器２の偏磁の抑制を行う。

出力電圧制御回路２２は、常時は、例えばＰＩ制御を行って、電源出力電圧（直流電圧）の測定値をフィードバックしながら、出力電圧を制御する出力電圧制御指令を生成し、第１の偏磁補正回路２４Ａに与える。

第１の偏磁検出回路２３Ａは、所定の期間、より詳細には、ＳＲラッチ回路２６からの出力がＨ（１）の間、三相変圧器２の偏磁量を計測し、正極偏磁が生じているか、負極偏磁が生じているか、または、何れの偏磁も生じていないかを検出する。

第１の偏磁補正回路２４Ａは、出力電圧制御回路２２から受け取る出力電圧指令と第１の偏磁検出回路２３Ａが検出する三相変圧器２の偏磁状態とに基づいて、ゲートパルス作成回路２５に与える各電力用半導体アーム１１，１２，１３，１４の変調率を決定する。

ゲートパルス作成回路２５は、例えば、三角波を搬送波（キャリア波）として生成する搬送波生成回路としての三角波生成回路（図を省略）を有し、三角波生成回路で生成された搬送波としての三角波と第１の偏磁補正回路２４Ａから与えられる各電力用半導体アーム１１，１２，１３，１４の変調率、すなわち、電力用半導体アーム（以下、「第１のアーム」と称する。）１１および電力用半導体アーム（以下、「第４のアーム」と称する。）１４の変調率と、電力用半導体アーム（以下、「第２のアーム」と称する。）１２および電力用半導体アーム（以下、「第３のアーム」と称する。）１３の変調率とに基づいて、インバータ１へ入力する各電力用半導体アーム１１，１２，１３，１４のゲートパルスを生成する。

ＳＲラッチ回路２６は、セット端子（図において「Ｓ」と示す）とリセット端子（図において「Ｒ」と示す）とを有する。ＳＲラッチ回路２６のセット端子には無負荷運転指令が、リセット端子には再起動指令が、デジタル信号（Ｌ（０）またはＨ（１））で与えられる。

ＳＲラッチ回路２６では、セット端子およびリセット端子に与えられる信号が、いずれもＬ（０）の場合は、現在の出力状態を保持する。また、セット端子に与えられる信号がＨ（１）であり、リセット端子に与えられる信号Ｌの場合は、第１の偏磁検出回路２３ＡにＨを出力し、第１の偏磁検出回路２３Ａを動作させる。さらに、セット端子に与えられる信号がＬであり、リセット端子に与えられる信号Ｈの場合は、第１の偏磁検出回路２３ＡにＬを出力し、第１の偏磁検出回路２３Ａを停止させる。

なお、図１に示される第１のインバータ電源装置５０Ａは、主回路において、負荷自体がスイッチ機能（負荷開閉機能）を有していない負荷６と負荷スイッチ７とが直列に接続される例であるが、図２に示されるように、負荷６および負荷スイッチ７の代わりに、負荷自体に負荷スイッチ７の機能（負荷開閉機能）を内蔵したスイッチ機能付き負荷８としても良い。すなわち、図１に示される第１のインバータ電源装置５０Ａと図２に示される第１のインバータ電源装置５０Ａは、どちらも同様の効果が得られる。

図３は、本発明の第１の実施形態に係るインバータゲート制御回路の一例である第１のインバータゲート制御回路２０Ａの構成を示した概略図である。

第１のインバータゲート制御回路２０Ａでは、第１のインバータ電源５０Ａの出力電圧（直流電圧）の測定値が出力電圧制御回路２２に与えられる一方、ＳＲラッチ回路２６の出力およびインバータ１のＵ，Ｖ，Ｗ各相におけるインバータ出力電流の測定値が第１の偏磁検出回路２３Ａに与えられる。

出力電圧制御回路２２は、直流電圧測定値と電圧指令値との比に応じて決定される出力電圧制御指令としての変調率ｅ_ｊを決定し、変調率ｅ_ｊを第１の偏磁補正回路２４Ａに与える。

第１の偏磁検出回路２３Ａは、無負荷運転の間における各相のインバータ出力電流を積分して各相における偏磁量を求める偏磁量演算要素としての積分器３１と、積分器３１が求めた偏磁量と正極偏磁検出閾値との対比および積分器３１が求めた偏磁量と負極偏磁検出閾値との対比をそれぞれ行う偏磁判定要素および偏磁極性判定要素としての比較器３２（３２ａ，３２ｂ）と、を備える。

積分器３１は、ＳＲラッチ回路２６の出力およびインバータ１のＵ，Ｖ，Ｗ各相におけるインバータ出力電流の測定値を受け取り、ＳＲラッチ回路２６の出力がＨ（１）となる間、すなわち、無負荷運転の間におけるインバータ出力電流を積分器３１で積分して各相における偏磁量を求める。積分器３１で得られる偏磁量は、偏磁している極性の符号を持つ。

比較器３２（３２ａ，３２ｂ）は、積分器３１が求めた偏磁量と閾値とを対比して、偏磁量が閾値を超えているか否か、すなわち、偏磁が所定レベル以上に達しているか否かを判定し、判定結果を示す情報として偏磁量が閾値を超えているか否かを示す信号を第１の偏磁補正回路２４Ａに与える。例えば、比較器３２（３２ａ，３２ｂ）は、対比結果を示す情報として、閾値以下である場合にはＬ（０）を出力し、超えていると判断した場合にはＨ（１）を第１の偏磁補正回路２４Ａへ与える。

第１の偏磁検出回路２３Ａは、例えば、積分器３１が求めた偏磁量が正極偏磁検出閾値を超えているかを比較し、正極偏磁の有無を判定する比較器３２ａと、積分器３１が求めた偏磁量が負極偏磁検出閾値を超えている（偏磁量の絶対値が負極偏磁検出閾値の絶対値を上回る状態）かを比較し、負極偏磁の有無を判定する比較器３２ｂとを有する。

第１の偏磁補正回路２４Ａは、偏磁が検出されたか否かを示す情報を与えるＡＮＤ回路３４と、偏磁の有無に応じて変調率を選択する変調率切替要素としての切替器３５（３５ａ，３５ｂ）と、偏磁の極性に応じて変調率を選択する極性切替要素としての切替器３６（３６ａ，３６ｂ）と、偏磁補正運転時に適用する補正変調率を演算する補正変調率演算要素としての比例器３７（３７ａ，３７ｂ）とを備える。

ＡＮＤ回路３４は、第１の偏磁検出回路２３Ａの二つの比較器３２から与えられる正極偏磁を検出したか否かを示す正極偏磁検出信号および負極偏磁を検出したか否かを示す負極偏磁検出信号に基づいてＡＮＤ演算を行い、ＡＮＤ演算の結果を切替器３５に与える。例えば、第１の偏磁検出回路２３Ａで偏磁を検出した旨を示す信号がＨ（１）でＡＮＤ回路３４に与えられる場合、ＡＮＤ回路３４は、偏磁を検出している場合にはＨ（１）を、偏磁を検出していない場合にはＬ（０）を、切替器３５ａ，３５ｂに与える。

変調率切替要素としての切替器３５ａ，３５ｂは、ＡＮＤ回路３４が行ったＡＮＤ演算の結果、すなわち、偏磁検出の有無に応じて、比例器３７ａ，３７ｂから与えられる二つの変調率の一方を選択して切替器３６ａ，３６ｂへ与える。

より詳細には、切替器３５ａは、比例器３７ａから与えられる二つの変調率ｅ_ｊ，ｅ_ｉ（ｅ_ｊ＜ｅ_ｉ）のうち、偏磁を検出していない場合（ＡＮＤ回路３４からＬが与えられる場合）には変調率ｅ_ｊを選択して出力する一方、偏磁を検出している場合（ＡＮＤ回路３４からＨが与えられる場合）には変調率ｅ_ｉを選択して出力する。

また、切替器３５ｂは、比例器３７ｂから与えられる二つの変調率ｅ_ｈ，ｅ_ｊ（ｅ_ｈ＜ｅ_ｊ）のうち、偏磁を検出していない場合（ＡＮＤ回路３４からＬが与えられる場合）には変調率ｅ_ｊを選択して出力する一方、偏磁を検出している場合（ＡＮＤ回路３４からＨが与えられる場合）には変調率ｅ_ｈを選択して出力する。

極性切替要素としての切替器３６ａ，３６ｂは、負極偏磁の検出結果に応じて、切替器３５ａ，３５ｂから与えられる二つの変調率の一方を選択し、第１，４のアーム用の変調率および第２，３のアーム用の変調率をゲートパルス作成回路２５へ与える。変調率は、偏磁している極性のゲートパルス幅は短く、他方のゲートパルス幅が長くなるように、選択される。

切替器３６ａは、偏磁している極性に係るアーム（後述する図５，６においては第１，４のアーム１１，１４）のゲートパルス作成に用いる変調率を、切替器３５ｂから与えられる変調率（ｅ_ｊまたはｅ_ｈ）とするか、切替器３５ａから与えられる変調率（ｅ_ｉ）とするかを切り替えて出力する。切替器３６ａは、負極偏磁を検出していない場合（比較器３２からＬが与えられる場合）には、切替器３５ｂから与えられる変調率（ｅ_ｊまたはｅ_ｈ）を選択して出力する一方、負極偏磁を検出している場合（比較器３２からＨが与えられる場合）には、切替器３５ａから与えられる変調率（ｅ_ｉ）を選択して出力する。

また、切替器３６ｂは、偏磁している極性に対する他方のアーム（後述する図５，６においては第２，３のアーム１２，１３）のゲートパルス作成に用いる変調率を、切替器３５ａから与えられる変調率（ｅ_ｊまたはｅ_ｉ）とするか、切替器３５ｂから与えられる変調率（ｅ_ｈ）とするかを切り替えて出力する。切替器３６ｂは、負極偏磁を検出していない場合（比較器３２からＬが与えられる場合）には、切替器３５ａから与えられる変調率（ｅ_ｊまたはｅ_ｉ）を選択して出力する一方、負極偏磁を検出している場合（比較器３２からＨが与えられる場合）には、切替器３５ａから与えられる変調率（ｅ_ｈ）を選択して出力する。

補正変調率演算要素としての比例器３７ａ，３７ｂは、出力電圧制御回路２２で決定された変調率ｅ_ｊに基づいて、偏磁補正用の変調率ｅ_ｉ，ｅ_ｈを決定し、切替器３５ａ，３５ｂに与える。

より詳細には、比例器３７ａは、例えば、変調率ｅ_ｊに１よりも大きい定数で与えられる逆極補正量を乗じることによって得られる逆極補正変調率ｅ_ｉを切替器３５ａに与える。また、比例器３７ｂは、例えば、変調率ｅ_ｊに１よりも小さい定数で与えられる偏磁極補正量を乗じることによって得られる偏磁極補正変調率ｅ_ｈを切替器３５ｂに与える。

なお、第１の偏磁補正回路２４Ａの補正変調率演算要素は、必ずしも比例器３７で構成されている必要はない。それぞれの変調率の関係がｅ_ｈ＜ｅ_ｊ＜ｅ_ｉを満たすような演算器であれば良い。例えば、比例器３７ａを加算器で、比例器３７ｂを減算器で構成して、変調率ｅ_ｊに定数α（ｅ_ｊ＞α＞０）を加算または減算するようにすれば、ｅ_ｈ＜ｅ_ｊ＜ｅ_ｉを満たす逆極補正変調率ｅ_ｉおよび偏磁極補正変調率ｅ_ｈを得ることができる。

また、商（除算の結果）は、逆数の積（乗算の結果）として表すことができるので、補正変調率演算要素を除算器で構成することもできる。なお、除算器で補正変調率演算要素を構成する場合には、逆極補正量を１よりも大きい定数とし、偏磁極補正量を１よりも小さい定数とすれば、それぞれの変調率の関係がｅ_ｈ＜ｅ_ｊ＜ｅ_ｉを満たすことができる。

ゲートパルス作成回路２５は、搬送波生成回路としての三角波生成回路（図を省略）で、後述する図５，６に示されるように、三角波（搬送波）を生成しており、この三角波と第１の偏磁補正回路２４Ａから与えられる第１，４のアーム１１，１４の変調率および第２，３のアーム１２，１３とに基づいて、インバータ１へ入力する各電力用半導体アーム１１，１２，１３，１４のゲートパルスを生成する。

次に、本発明の実施形態に係るインバータゲート制御回路が行うインバータゲート制御方法（インバータゲートパルスの生成方法）について、１パルス単相インバータを例に挙げて説明する（図４，５，６）。ここでは、本発明の実施形態に係るインバータゲート制御回路の一例として、図１に示される第１のインバータ電源装置５０Ａ（スイッチ機能がない負荷６を負荷スイッチ７によって開放（切）および投入（入）を切り替える例）の第１のインバータゲート制御回路２０Ａの場合について説明する。

図４は本発明の実施形態に係るインバータゲート制御回路が制御するインバータ１における各アーム１１，１２，１３，１４の動作タイミングを、偏磁補正がない場合（図４（Ａ）および図４（Ｂ））とある場合（図４（Ｃ）および図４（Ｄ））とで対比して示した説明図である。

第１のインバータ電源装置５０Ａを直ちに停止しなければならない場合、偏磁補正がないとすると、図４（Ａ）に示されるように、インバータ１をゲートブロックするタイミングに応じた直流成分がインバータ出力に生じ、三相変圧器２が偏磁する。この第１のインバータ電源装置５０Ａの再起動指令を受けて、インバータ１の再起動および負荷６を投入すると、三相変圧器２の偏磁量がさらに増加して、図４（Ｂ）に示されるように、大きな突入電流が流れる可能性がある。そこで、このような大きな突入電流が流れないようにするため、インバータ１の再起動および負荷投入前に偏磁補正を行う。

偏磁補正は、図４（Ｃ）に示されるように、再起動指令前に予め負荷スイッチ７を切った無負荷状態での運転を行い、無負荷運転時のＵ，Ｖ，Ｗ各相のインバータ出力電流を検出することで偏磁を検出し、検出した偏磁量に応じて、インバータ１へ入力するゲートパルスの幅を調整する（偏磁補正運転）ことにより行う。偏磁の検出は、無負荷時のインバータ出力電流を検出することで行うことができる。これは、無負荷時のインバータ出力電流は、負荷電流を含まず三相変圧器２の励磁電流に等しいので、図４（Ｄ）に示されるように、偏磁している極性のみ大きな励磁電流が流れることになるためである。

図５は第１のインバータゲート制御回路２０Ａが生成するゲートパルスと搬送波および変調率との関係を通常運転から電源停止に至るまで示した説明図であり、図６は第１のインバータゲート制御回路２０Ａが生成するゲートパルスと搬送波および変調率との関係を電源停止から偏磁補正運転を経て通常運転に至るまで示した説明図である。

第１のインバータゲート制御回路２０Ａは、図５に示されるように、通常運転時には、出力電圧制御回路から第１の偏磁補正回路に与えられる変調率ｅ_ｊと、ゲートパルス作成回路において生成される搬送波（キャリア波）とを比較することによって、各アーム１１，１２，１３，１４のゲートパルスを作成する。その後、電源停止指令が第１のインバータゲート制御回路２０Ａに与えられると、第１のインバータゲート制御回路２０Ａはゲートパルスの作成を停止する（インバータゲートブロック）。

続いて、無負荷運転を行い、無負荷運転時のＵ，Ｖ，Ｗ各相のインバータ出力電流を検出することで偏磁を検出する。偏磁の有無は、第１の偏磁検出回路２３Ａが求めた偏磁量が正極偏磁検出閾値または負極偏磁検出閾値を上回っているか否かで判断され、第１の偏磁検出回路２３Ａが求めた偏磁量が正極偏磁検出閾値または負極偏磁検出閾値を上回っている場合、第１の偏磁検出回路２３Ａは、その極性に対応した偏磁検出信号（正極偏磁検出信号または負極偏磁検出信号）を第１の偏磁補正回路２４Ａへ出力する。

無負荷運転時に偏磁が検出された場合、第１のインバータゲート制御回路２０Ａは、偏磁補正運転を開始する。偏磁補正運転時においては、偏磁している極性（図５および図６において「＋」で示す。）のパルスは、偏磁極補正変調率ｅ_ｈを用いて、パルス幅が狭くなるように調整され、他方（図５および図６において「−」で示す。）のパルスは、逆極補正変調率ｅ_ｉを用いて、パルス幅が広くなるように調整される。

ただし、第１のインバータゲート制御回路２０Ａでは、偏磁補正運転時において、偏磁極補正変調率ｅ_ｈおよび逆極補正変調率ｅ_ｉの二種類の異なる偏磁補正用の変調率を用いるため、第１のアーム１１と第２のアーム１２および第３のアーム１３と第４のアーム１４が、それぞれ短絡しないようにする必要がある。そこで、図６に示されるように、偏磁している極性のアーム（図５および図６において「＋」で示される第１，４のアーム１１，１４）のゲートパルスの作成時に禁止領域４５を設ける（禁止処理）。

第１のインバータゲート制御回路２０Ａが偏磁補正運転を開始し、やがて、偏磁が検出されなくなった場合、すなわち、第１の偏磁検出回路２３Ａが求めた偏磁量が正極偏磁検出閾値以下または負極偏磁検出閾値以下となった場合、比較器３２からの信号はＬ（０）となり、偏磁補正運転を停止する。

第１のインバータゲート制御回路２０Ａに再起動指令が与えられ、負荷投入する（負荷スイッチ７を「入」に切り替える）と、第１のインバータ電源装置５０Ａは通常運転となり、負荷６への電力供給が直ちに開始される。

上述したような処理ステップ備えるインバータゲート制御方法によれば、偏磁補正運転を行うことによって、三相変圧器２の偏磁を低減する（偏磁補正する）ことができ、負荷投入時の突入電流（＝励磁電流＋負荷電流）による過電流トリップを回避することができる。また、三相変圧器２の飽和特性に対応した正極偏磁検出閾値または負極偏磁検出閾値を偏磁検出用の閾値として設定することで、偏磁を検出している間のみ偏磁補正運転を行うことができる。

さらに、第１のインバータゲート制御回路２０Ａでは、偏磁補正運転時において、偏磁している極のゲートパルスの幅は狭くなるように調整され、他方の極のゲートパルスの幅は広くなるように調整される。すなわち、偏磁している極にはマイナスの補正をし、他方の極にはプラスの補正を行うので、効率の良い偏磁補正を行うことができ、インバータ出力電圧の上下動を抑制することができる。

さらにまた、偏磁極補正変調率ｅ_ｈおよび逆極補正変調率ｅ_ｉは、出力電圧をフィードバックした変調率ｅ_ｊを基に作成され、パルス幅の増減を両極である程度バランスを取るため、出力電圧は目標電圧から大きく外れることはなく、偏磁補正運転時にも出力電圧制御に追従できる。

第１のインバータゲート制御回路２０Ａ、第１のインバータ電源装置５０Ａおよび第１のインバータゲート制御回路２０Ａが行うインバータゲート制御方法によれば、無負荷運転時のインバータ出力電流から三相変圧器２の偏磁とその極性を検出し、偏磁を検出している間のみ検出した極性に応じた偏磁補正運転を行うので、効率の良い偏磁補正を行うことができる。

また、第１のインバータゲート制御回路２０Ａ、第１のインバータ電源装置５０Ａおよび第１のインバータゲート制御回路２０Ａが行うインバータゲート制御方法によれば、偏磁補正運転時は、出力電圧制御回路２２により決定される変調率ｅ_ｊを基に算出した二種類の異なる偏磁補正用の変調率ｅ_ｈおよびｅ_ｉを用いるので、再起動指令が出力されてから遅滞なく負荷６（またはスイッチ機能付き負荷８）へ電力供給を行い、かつ、フィードバック制御やソフトスタート制御等のインバータ出力制御に追従しながらも、電源停止時に発生した偏磁を解消した状態で運転を再開することができ、インバータ出力電圧の上下動を抑制することができる。

さらに、第１のインバータゲート制御回路２０Ａ、第１のインバータ電源装置５０Ａおよび第１のインバータゲート制御回路２０Ａが行うインバータゲート制御方法によれば、偏磁量を求める際の励磁電流の積分時間を交流電圧指令に依存せずに決定するので、例えば、特許文献２等に開示されるような偏磁量を求める際の電流の積分時間を交流電圧指令に基づいて決定するインバータゲート制御技術では適用困難な交流電圧指令がほぼ一定値である１パルスのインバータであっても適用できる。

［第２の実施形態］
図７は本発明の第２の実施形態に係るインバータゲート制御回路の一例である第２のインバータゲート制御回路２０Ｂを備えた第２のインバータ電源装置５０Ｂの構成を示す概略図であり、図８は第２のインバータゲート制御回路２０Ｂの構成を示す概略図である。

第２のインバータ電源装置５０Ｂは、第１のインバータ電源装置５０Ａに対して、第１のインバータゲート制御回路２０Ａを備える代わりに第２のインバータゲート制御回路２０Ｂを備える点で相違する。そこで、本実施形態の説明では、当該相違点を中心に説明し、同じ構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。

第２のインバータゲート制御回路２０Ｂは、例えば、図７に示されるように、第１のインバータゲート制御回路２０Ａに対して、第１の偏磁補正量演算回路２７Ａをさらに備える点と、第１の偏磁補正回路２４Ａの代わりに第２の偏磁補正回路２４Ｂを備える点とで相違する。

第１の偏磁補正量演算回路２７Ａは、第１の偏磁検出回路２３Ａで検出した偏磁量と補正量（偏磁極補正量および逆極補正量）との関係を示す偏磁補正量演算情報を有し、第１の偏磁検出回路２３Ａで検出した偏磁量と偏磁補正量演算情報とに基づいて、偏磁極補正量および逆極補正量を演算し、演算結果である偏磁極補正量および逆極補正量を第２の偏磁補正回路２４Ｂへ与える。なお、偏磁量に対する補正量を正側と負側とで対称に設定する場合、偏磁補正量演算情報は、後述する図９に示されるように、偏磁量の絶対値である｜偏磁量｜と補正量との関係を示す情報として表すことができる。

第２の偏磁補正回路２４Ｂは、第１の偏磁補正回路２４Ａに対して、比例器３７ａ，３７ｂに与える偏磁極補正量および逆極補正量が第１の偏磁検出回路２３Ａで検出した偏磁量に依存するか否かの点で相違する。すなわち、第１の偏磁補正回路２４Ａでは、例えば、図３に示されるように、第１の偏磁検出回路２３Ａで検出した偏磁量の大小に関わらず、設定された定数であるのに対し、第２の偏磁補正回路２４Ｂでは、例えば、図８に示されるように、第１の偏磁補正量演算回路２７Ａから与えられる補正量（第１の偏磁検出回路２３Ａで検出した偏磁量によって異なる変数）である点で相違する。

図９は、第２のインバータゲート制御回路２０Ｂにおいて演算される偏磁極補正量および逆極補正量の例を示した説明図であり、図９（Ａ）は偏磁極補正量および逆極補正量の第１の例を示した図、図９（Ｂ）は偏磁極補正量および逆極補正量の第２の例を示した図、図９（Ｃ）は偏磁極補正量および逆極補正量の第３の例を示した図である。

偏磁極補正量および逆極補正量の第１の例としては、図９（Ａ）に示されるように、偏磁量の絶対値である｜偏磁量｜が、第１の偏磁検出回路２３Ａにおいて偏磁検出用に設定される正極偏磁検出閾値または負極偏磁検出閾値（図９において「正極／負極偏磁検出閾値」と示す。）よりも小さい場合には偏磁極補正量および逆極補正量を１．０とし、大きい場合には偏磁極補正量を１．０よりも小さい一定値とする一方、逆極補正量を１．０よりも大きい一定値とする。すなわち、正極／負極偏磁検出閾値でステップ的に変化した後は偏磁量に依らず偏磁極補正量および逆極補正量はいずれも一定値をとる。

また、偏磁極補正量および逆極補正量の第２の例および第３の例は、偏磁極補正量および逆極補正量の第１の例に対して、｜偏磁量｜が、第１の偏磁検出回路２３Ａにおいて偏磁検出用に設定される正極偏磁検出閾値または負極偏磁検出閾値よりも大きい範囲において偏磁極補正量を｜偏磁量｜に応じて変化する点で相違する。具体的には、図９（Ｂ）および図９（Ｃ）に示されるように、正極偏磁検出閾値または負極偏磁検出閾値よりも大きい範囲において、偏磁極補正量は｜偏磁量｜の増加に応じて減少する１．０よりも小さい変数であり、逆極補正量は｜偏磁量｜の増加に応じて増加する１．０よりも大きい変数である。つまり、偏磁量が大きい程、インバータ出力電圧に重畳する電圧が大きくなる。

第２のインバータゲート制御回路２０Ｂ、第２のインバータ電源装置５０Ｂおよび第２のインバータゲート制御回路２０Ｂが行うインバータゲート制御方法によれば、第１のインバータゲート制御回路２０Ａ、第１のインバータ電源装置５０Ａおよび第１のインバータゲート制御回路２０Ａが行うインバータゲート制御方法と同様の効果を奏するのに加え、第１の偏磁補正量演算回路２７Ａが偏磁量に応じた最適な偏磁極補正量および逆極補正量を演算して第２の偏磁補正回路２４Ｂに与えるので、電源停止時に発生する偏磁が大きい場合にも、より効率的に（短時間で）偏磁を解消することができる。

なお、図８に示される第２のインバータゲート制御回路２０Ｂでは、補正変調率演算要素として比例器３７ａ，３７ｂを用いた場合を示しているが、加算器および減算器を用いる場合についても同様の効果を得ることができる。補正変調率演算要素として加算器および減算器を用いる場合には、偏磁極補正量および逆極補正量を０〜１の範囲で変化させれば良い。

［第３の実施形態］
図１０は、本発明の第３の実施形態に係るインバータゲート制御回路の一例である第３のインバータゲート制御回路２０Ｃの構成を示す概略図である。

第３のインバータゲート制御回路２０Ｃを備える第３のインバータ電源装置は、第２のインバータゲート制御回路２０Ｂを備えた第２のインバータ電源装置５０Ｂに対して、第２のインバータゲート制御回路２０Ｂの代わりに、第３のインバータゲート制御回路２０Ｃを具備する点で相違するが、その他の点では実質的に相違しない。すなわち、第３のインバータ電源装置は、一例として図７に示される第２のインバータ制御回路２０Ｂを、一例として図１０に示される第３のインバータゲート制御回路２０Ｃに置き換えた構成である。そこで、本実施形態の説明では、当該相違点である第３のインバータゲート制御回路２０Ｃを中心に説明し、同じ構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。

第３のインバータゲート制御回路２０Ｃは、第２のインバータ制御回路２０Ｂに対して、第１の偏磁検出回路２３Ａの代わりに第２の偏磁検出回路２３Ｂを、第１の偏磁補正量演算回路２７Ａの代わりに第２の偏磁補正量演算回路２７Ｂを、第２の偏磁補正回路２４Ｂの代わりに第３の偏磁補正回路２４Ｃを備え、回路全体としては、第２のインバータ制御回路２０Ｂよりも偏磁を検出する構成要素および偏磁を補正する構成要素の簡素化が図られている。

第２のインバータ制御回路２０Ｂでは、ノイズが問題となる場合や低レベルの偏磁については偏磁補正を行わない場合に鑑みて、第１の偏磁検出回路２３Ａにおいて所定レベル以上の偏磁を検出するための比較器３２を設けているが、ノイズが問題とならない場合や低いレベルの偏磁でも補正を行う必要がある場合には、偏磁量が得られれば良いので、第１の偏磁検出回路２３Ａに対して比較器３２を省略した第２の偏磁検出回路２３Ｂを適用することができる。

また、閾値との比較を行う比較器３２を省略する場合、閾値に応じた補正量を決定する必要はないため、補正量を決定する演算処理をより単純化した第２の偏磁補正量演算回路２７Ｂを採用することができる。第２の偏磁補正量演算回路２７Ｂは、第２の偏磁検出回路２３Ｂから与えられる偏磁量に応じて絶対値が０〜１の範囲に収まる補正量を得る演算処理を行えれば、その構成は任意であり、例えば、第２の偏磁検出回路２３Ｂから与えられる偏磁量に定数を乗じ、その絶対値が０〜１の範囲に収まる補正量を得る比例器５１等の演算器で構成することができる。

さらに、第２のインバータ制御回路２０Ｂでは、出力電圧の変動を抑える観点から両極のゲートパルス幅を調整するように異なる二種類の偏磁補正用の変調率ｅ_ｈ，ｅ_ｉを得る第２の偏磁補正回路２４Ｂを備えているが、出力電圧の変動の許容範囲がより広い場合には、片極のパルス幅調整としても良いため、一つの変調率ｅ_ｈを得る第３の偏磁補正回路２４Ｃを適用することができる。

第３の偏磁補正回路２４Ｃは、例えば、ゲートパルスの調整を行う片極を正極（第１のアーム１１および第４のアーム１４）とすれば、第３の偏磁補正回路２４Ｃは、第１のアーム１１および第４のアーム１４用のゲートパルスのパルス幅を、正極が偏磁している場合には狭くなるように、負極が偏磁している場合には広くなるように調整する変調率ｅ_ｈを決定する。すなわち、第３の偏磁補正回路２４Ｃは、正極が偏磁している場合には変調率ｅ_ｈが出力電圧制御回路２２により決定される変調率ｅ_ｊよりも小さく（ｅ_ｊ＞ｅ_ｈ）、負極が偏磁している場合には変調率ｅ_ｈが変調率ｅ_ｊよりも大きく（ｅ_ｊ＜ｅ_ｈ）なるように変調率ｅ_ｈを決定する。

第３の偏磁補正回路２４Ｃの構成例としては、例えば、図１０に示されるように、出力電圧制御回路２２により決定される変調率ｅ_ｊから第２の偏磁補正量演算回路２７Ｂの演算結果として与えられる補正量を減算して偏磁補正用の変調率ｅ_ｈを得る減算器５２で構成することができる。積分器３１で得られる偏磁量は、偏磁している極性の符号を持つため、正極に偏磁している場合には変調率ｅ_ｈはｅ_ｊよりも小さくなり（ｅ_ｊ＞ｅ_ｈ）、負極に偏磁している場合にはｅ_ｊよりも大きくなる（ｅ_ｊ＜ｅ_ｈ）。

第３のインバータゲート制御回路２０Ｃ、第３のインバータ電源装置および第３のインバータゲート制御回路２０Ｃが行うインバータゲート制御方法によれば、第１，２のインバータ電源装置５０Ａ，５０Ｂ、第１，２のインバータゲート制御回路２０Ａ，２０Ｂおよび第１，２のインバータゲート制御回路２０Ａ，２０Ｂが行うインバータ制御方法よりも簡素な構成および単純なステップで、偏磁補正運転時にも出力電圧制御に追従しながら、再起動指令が出力されると直ちに負荷スイッチ７またはスイッチ機能付き負荷８のスイッチを投入することにより負荷６またはスイッチ機能付き負荷８への電力供給が遅れることなく、電源停止時に発生した偏磁を解消した状態で運転を再開することができる。

以上、インバータゲート制御回路２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ、インバータゲート制御回路２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを備えるインバータ電源装置、および、インバータゲート制御回路２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが行うインバータゲート制御方法によれば、インバータゲート制御回路２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが、無負荷運転時のインバータ出力電流から三相変圧器２の偏磁の有無を検出し、偏磁を検出している間のみ偏磁補正運転を行うことができる。

また、インバータゲート制御回路２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、再起動指令が出力されてから遅滞なく負荷６（またはスイッチ機能付き負荷８）へ電力供給を行い、かつ、フィードバック制御やソフトスタート制御等のインバータ出力制御に追従しながらも、電源停止時に発生した偏磁を解消した状態で運転を再開することができ、インバータ出力電圧の上下動を抑制することができる。特に、両極のゲートパルスの幅を調整するインバータゲート制御回路２０Ａ，２０Ｂでは、片極のゲートパルスの幅を調整するインバータゲート制御回路２０Ｃよりも大きなインバータ出力電圧の上下動抑制効果を得ることができる。

さらに、インバータゲート制御回路２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、偏磁量を求める際の電流の積分時間を交流電圧指令に基づいて決定するインバータゲート制御技術では適用困難な交流電圧指令がほぼ一定値である１パルスのインバータのゲート制御にも適用できる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階では、上述した実施例以外にも様々な形態で実施す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、追加、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、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。

１ インバータ
２ 三相変圧器
３ 整流器
４ 平滑コンデンサ
５ 分圧器
６ 負荷
７ 負荷スイッチ
８ スイッチ機能付き負荷
１１，１２，１３，１４ 電力用半導体アーム（インバータアーム）
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ インバータゲート制御回路
２２ 出力電圧制御回路
２３Ａ，２３Ｂ 偏磁検出回路
２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ 偏磁補正回路
２５ ゲートパルス作成回路
２６ ＳＲラッチ回路
２７Ａ，２７Ｂ 偏磁補正量演算回路
３１ 積分器（偏磁量演算要素）
３２（３２ａ，３２ｂ） 比較器（偏磁判定要素、偏磁極性判定要素）
３４ ＡＮＤ回路
３５（３５ａ，３５ｂ） 切替器（変調率切替要素）
３６（３６ａ，３６ｂ） 切替器（極性切替要素）
３７（３７ａ，３７ｂ） 比例器（補正変調率演算要素）
４５ 禁止領域
５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ インバータ電源
５１ 比例器
５２ 減算器

Claims (5)

1. 直流電力から交流電力への変換を行うインバータと、前記インバータの出力電圧を所望の電圧に変成して出力する変圧器とを具備し、この変圧器によって変成された電圧が出力される側に、スイッチ機能無しの負荷と負荷スイッチおよびスイッチ機能付き負荷の一方を接続した電源に適用され、前記インバータのゲート制御を行うインバータゲート制御回路であり、
   前記インバータをゲートブロックした後、前記負荷スイッチおよび前記スイッチ機能付き負荷のスイッチを切り、スイッチ機能無し負荷および前記スイッチ機能付き負荷のうち、前記変圧器に接続される負荷を開放した無負荷の状態で前記変圧器を運転し、その間の前記インバータの出力電流の積分値に基づいて偏磁の有無を検出する偏磁検出回路と、
   前記偏磁検出回路が偏磁を検出している間、搬送波と変調率とを比較してゲートパルスを作成するゲートパルス作成回路に、偏磁を検出していない通常運転時の変調率とは異なる偏磁補正用の変調率を与える偏磁補正回路とを備え、
   前記偏磁補正回路は、前記通常運転時の変調率に、所望の定数で与えられる補正量を、加算、減算、乗算および除算から選択される何れかの演算を行うことで前記偏磁補正用の変調率を得るものであり、
   前記通常運転時の変調率と、前記補正量とを用いて、前記通常運転時の変調率よりも大きい第１の変調率と、前記通常運転時の変調率よりも小さい第２の変調率とを得ることを特徴とするインバータゲート制御回路。
2. 前記偏磁検出回路は、前記変圧器を無負荷運転する間における前記インバータの出力電流の積分値に基づいて、さらに、偏磁の極性を判定する一方、
   前記偏磁補正回路は、前記偏磁検出回路が得た偏磁の極性の判定結果に基づき偏磁している極と他方の極とを識別し、前記偏磁している極のゲートパルスを作成する際に用いられる変調率として前記第２の変調率を選択し、前記他方の極のゲートパルスを作成する際に用いられる変調率として前記第１の変調率を選択することを特徴とする請求項１記載のインバータゲート制御回路。
3. 前記偏磁補正回路は、前記偏磁検出回路が偏磁の有無を検出した結果に応じて、前記ゲートパルス作成回路に与える変調率として、前記通常運転時の変調率および前記偏磁補正用の変調率の一方を選択することを特徴とする請求項１又は２に記載のインバータゲート制御回路。
4. 前記偏磁検出回路は、前記インバータの出力電流の積分値を演算する積分器と、
   この積分器が得た前記インバータの出力電流の積分値と閾値とを比較し、比較した結果を示す情報を前記偏磁補正回路に与える比較器と、を備えることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のインバータゲート制御回路。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載したインバータ制御回路を備えることを特徴とするインバータ電源装置。

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