JPH04108390U - 正弦波電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パルス幅変調型インバータの定格容量を大き
くすることなく、過負荷時のパルス幅変調型インバータ
およびその周辺素子の破壊を防止する。 【構成】 正弦波交流電源１が過負荷となったときにパ
ルス幅変調用レファレンス電圧を小さい時定数で零にす
る保護回路２０を設け、パルス幅変調型インバータ７の
出力端を短絡するスイッチ素子２２を設け、正弦波交流
電源１が過負荷となったときにスイッチ素子２２を導通
させるスイッチ素子制御手段２３を設ける。 【効果】 正弦波交流電源１が過負荷となったときに、
パルス幅変調型インバータ７からの補償電圧の発生を一
時停止してパルス幅変調型インバータ７の過負荷を防止
する。パルス幅変調型インバータ７の出力端を短絡して
直列注入変圧器４を通してパルス幅変調型インバータ７
へ過大な電流が流入するのを防止する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、商用交流電源あるいは大容量のインバータ装置等からなる正弦波 交流電源と負荷との間に直列注入変圧器を介して小容量（定格の１０分の１程度 ）のパルス幅変調型インバータを挿入接続し、正弦波交流電源の電圧変動・歪を 補償し、負荷には正弦波交流電源の電圧変動・歪にかかわらず定格電圧を供給す る正弦波電源装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

図３に従来の正弦波電源装置の一例のブロック図を示し、図４に正弦波電源装 置の構成要素の一つであるパルス幅変調型インバータの具体的な回路図を示す。 従来の正弦波電源装置は、図３に示すように、商用交流電源あるいは大容量の インバータ装置からなる正弦波交流電源１に直列注入変圧器４の第１の巻線ｎ₁ および負荷開閉用のスイッチ２を介して負荷３を接続している。直列注入変圧器 ４の第２の巻線ｎ₂ には、フィルタ用コンデンサ５およびフィルタ用リアクトル ６を介してパルス幅変調型インバータ（電圧型）７の両出力端子を接続している 。

【０００３】 パルス幅変調型インバータ７へ供給する直流電力は、商用交流電源（図示せず ）の電圧を変圧器１０で降圧した後、全波整流器９で整流し、さらに直流コンデ ンサ８で平滑することにより得ている。パルス幅変調型インバータ７のスイッチ ング制御はインバータ制御回路（インバータ制御手段となる）１３が行う。パル ス幅変調型インバータ７は、例えば図４に示すように、ブリッジ型に接続した４ 個のスイッチング素子Ｑ₁ 〜Ｑ₄ とそれらに各々逆並列接続したダイオードＤ₁ 〜Ｄ₄ からなる。

【０００４】 そして、この正弦波電源装置は、インバータ制御回路１３の指令に基づいてパ ルス幅変調型インバータ７がスイッチングを行うことにより、直流コンデンサ８ の両端に得られた直流電圧を供給電源として、正弦波交流電源１の電圧変動・歪 を補償する電圧を出力することになる。この電圧は、直列注入変圧器４により、 正弦波交流電源１の電圧に加えられて負荷３に印加されることになる。

【０００５】 上記パルス幅変調型インバータ７の出力電圧の制御は以下にようにして行われ る。つまり、正弦波交流電源１の電圧が電圧検出用の変圧器１１を通して検出さ れる。この変圧器１１の２次電圧に基づいて、同期基準正弦波発生回路１４が、 正弦波交流電源１の電圧に同期し、かつ正弦波交流電源１の定格電圧に相当する 基準正弦波電圧を発生する。そして、演算器１９において、基準正弦波電圧から 変圧器１１の２次電圧（正弦波交流電源１の現電圧に相当する）を減じることに より、パルス幅変調用レファレンス電圧を作成する。

【０００６】 上記パルス幅変調用レファレンス電圧は、乗算器１６を通して比較器１８の一 方の入力端子に加えられる。比較器１８の他方の入力端子には、三角波発生回路 １７からの三角波電圧が加えられる。比較器１８は、パルス幅変調用レファレン ス電圧と三角波電圧とを比較することにより、パルス幅変調型インバータ７を構 成するスイッチング素子のオンオフ駆動のためのスイッチング信号を発生する。 パルス幅変調型インバータ７は、スイッチング信号に基づいてスイッチング素子 をオンオフさせることにより、直流コンデンサ８の両端に得られる直流電圧を電 源として、正弦波交流電源１の電圧変動・歪に対応した補償電圧を発生し、負荷 ３への印加電圧を定格値に保つ。

【０００７】 なお、この補償電圧は、フィルタ用リアトクル６およびフィルタ用コンデンサ ５を通ることにより、パルス幅変調の際のキャリア周波数成分（三角波電圧の周 波数成分）が除去された後、直列注入変圧器４を介して正弦波交流電源１の電圧 に重畳して負荷３に印加される。 つぎに、この正弦波電源装置において、過負荷に対する保護動作を行う保護回 路（保護手段となる）２０について説明する。正弦波交流電源１から直列注入変 圧器４およびスイッチ２を通して負荷３に供給される負荷電流が電流検出用の変 流器１２で検出される。過負荷検出器１５は、変流器１２の２次出力を予め設定 した正負のしきい値と比較し、変流器１２の２次出力が正負のしきい値の範囲内 にあるとき（平常状態）は、スイッチ２１をａ側に切り替えた状態を保つ。

【０００８】 このとき、１ｐｕの電圧によって抵抗Ｒ₁ を通してコンデンサＣが満充電され ており、コンデンサＣの両端電圧は１ｐｕとなっており、乗算器１６に入力され る乗数は1.０となっているため、先に述べたパルス幅変調用レファレンス電圧は 、乗算器１６で1.０倍された比較器１８に入力されることになり、乗算器１６が 無いのと同じ状態である。

【０００９】 ところが、何らかの原因で負荷３に過電流が流れ、その値が前記したしきい値 を超えたときは、過負荷検出器１５がスイッチ２１をｂ側に切り替える。この結 果、コンデンサＣの蓄積電荷が抵抗Ｒ₂ を通して放出される。この際、抵抗Ｒ₂ としては、抵抗値が比較的小さいものが用いられているため（時定数が小）、コ ンデンサＣの電圧、つまり乗算器１６への入力電圧は、図５に示すように、１ｐ ｕの電圧から０ｐｕの電圧まで速やかに下降する。

【００１０】 このため、負荷３に過電流が流れ、これによって正弦波交流電源１の電圧が降 下したときに、その降下分を補償するのに乗算器１６へ入力されるパルス幅変調 用レファレンス電圧が増大するが、乗算器１６から比較器１６へ入力されるパル ス幅変調用レファレンス電圧は、速やかに０ｐｕになり、パルス幅変調型インバ ータ７の出力電圧が零となり、パルス幅変調型インバータ７が過負荷となるのを 防止し、その保護を図る。

【００１１】 一方、負荷３への過電流がなくなると、過負荷検出器１５がスイッチ２１をａ 側に戻す。この結果、１ｐｕの電圧によって、抵抗Ｒ₁ を通してコンデンサＣが 充電される。この際、抵抗Ｒ₁ としては、抵抗値が比較的大きいものが用いられ ているため（時定数が大）、コンデンサＣの電圧、つまり乗算器１６への入力電 圧は、図５に示すように、０ｐｕの電圧から１ｐｕの電圧まで緩やかに上昇し、 パルス幅変調型インバータ７は平常動作に復帰する。

【００１２】

【考案が解決しようとする課題】

上記のような従来の正弦波電源装置では、負荷３がコンデンサ入力型整流器（ パーソナルコンピュータ等）の場合には、スイッチ２の投入直後に定格電流の２ 〜３倍のピーク値を有する電流が流れる。このとき、比較器１８に入力されるパ ルス幅変調用レファレンス電圧をたとえ零にしたとしても、過電流のピーク値が 大きいと、直列注入変圧器４を通してパルス幅変調型インバータ７に流入する電 流によってパルス幅変調型インバータ７に組み込まれたブレーカが過電流トリッ プしてパルス幅変調型インバータ７の動作が停止してしまい、安定な動作を行え ないという問題がある。

【００１３】 このため、従来は、パルス幅変調型インバータ７を構成するスイッチング素子 Ｑ₁ 〜Ｑ₄ およびダイオードＤ₁ 〜Ｄ₄ の定格容量を大きく設定し、パルス幅変 調型インバータ７の定格を実質的に大きくすることで対処してきた。しかし、こ のような対策では、スイッチング素子Ｑ₁ 〜Ｑ₄ およびダイオードＤ₁ 〜Ｄ₄ が 高価になるとともに、その損失も増大し、経済性の面で問題があった。

【００１４】 また、負荷３側で短絡故障が発生した場合には、正弦波交流電源１から直列注 入変圧器４を通して負荷３へきわめて大きな電流が流れるが、この電流は直列注 入変圧器４からパルス幅変調型インバータ７へ流入する。このとき、パルス幅変 調型インバータ７に組み込まれたブレーカが過電流トリップしたとしても、スイ ッチング素子Ｑ₁ 〜Ｑ₄ に各々逆並列接続された還流用のダイオードＤ₁ 〜Ｄ₄ を通して直流コンデンサ８へ流入し、直流コンデンサ８の電圧を高めることにな る。この結果、直流コンデンサ８自体が破壊されたり、スイッチング素子Ｑ₁ 〜 Ｑ₄ 等が破壊されるおそれがある。

【００１５】 したがって、この考案の目的は、パルス幅変調型インバータの定格容量を大き くすることなく、過負荷時のパルス幅変調型インバータおよびその周辺素子の破 壊を防止することができる正弦波電源装置を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】

この考案の正弦波電源装置は、正弦波交流電源と負荷との間に直列注入変圧器 の第１の巻線を挿入接続し、直列注入変圧器の第２の巻線にパルス幅変調型イン バータの両出力端子を接続している。 また、正弦波交流電源の電圧と基準正弦波電圧との差電圧に相当するパルス幅 変調用レファレンス電圧に基づいてパルス幅変調型インバータを制御することに より、正弦波交流電源の電圧変動・歪を補償して負荷への印加電圧を定格値に保 つ補償電圧を直列注入変圧器の第１の巻線の両端間に発生させるインバータ制御 手段を設けている。

【００１７】 さらに、正弦波交流電源の負荷状態を検出することにより、正弦波交流電源が 過負荷となったときにパルス幅変調用レファレンス電圧を零にするとともに正弦 波交流電源の過負荷が解消したときにパルス幅変調用レファレンス電圧を元の状 態に復帰させる保護手段を設けている。 また、パルス幅変調型インバータの両出力端子間を短絡するスイッチ素子を設 け、正弦波交流電源が過負荷となったときにスイッチ素子を導通させるスイッチ 素子制御手段を設けている。

【００１８】

【作用】

この考案の構成によれば、正弦波交流電源が過負荷となると、保護手段が動作 してパルス幅変調用レファレンス電圧を速やかに零にするとともに、スイッチ素 子制御手段が動作してスイッチ素子を導通させる。パルス幅変調用レファレンス 電圧が零となることにより、パルス幅変調型インバータからの補償電圧の発生が 一時停止して、パルス幅変調型インバータの過負荷が防止される。また、スイッ チ素子が導通することにより、パルス幅変調型インバータの出力端が短絡され、 直列注入変圧器を通してパルス幅変調型インバータへ過大な電流が流入して直流 コンデンサの両端電圧が過大となるのが防止される。

【００１９】 正弦波交流電源の過負荷状態が解消すれば、パルス幅変調用レファレンス電圧 が本来の電圧に戻り、またスイッチ素子が遮断して、パルス幅変調型インバータ による補償動作が再開される。

【００２０】

【実施例】

この考案の一実施例を図１および図２に基づいて説明する。この正弦波電源装 置は、図１に示すように、パルス幅変調型インバータ７の両出力端子間に短絡用 のスイッチ素子（２個のサイリスタの逆並列接続回路）２２を接続し、コンデン サＣの両端電圧が1.０ｐｕから例えば0.８ｐｕまで降下した時点でオン指令信号 を発生するとともに、コンデンサＣの両端電圧が０ｐｕから0.１ｐｕまで上昇し た時点でオン指令信号の発生を停止するスイッチ素子制御回路（スイッチ素子制 御手段となる）２３およびそのオン指令信号を増幅する増幅回路２４を設け、オ ン指令信号によってスイッチ素子２２に点弧信号を供給するようにしたものであ る。その他の構成は図３の従来例と同様である。

【００２１】 ここで、この正弦波電源装置の動作を説明する。 この正弦波電源装置において、正弦波交流電源１の平常時（過負荷でないとき ）のパルス幅変調型インバータ７およびその周辺回路ならびにインバータ制御回 路１３による電圧変動・歪の補償動作は従来例と同様である。 つぎに、正弦波電源装置の過負荷時における保護回路２０とスイッチ素子２２ とスイッチ素子制御回路２３の動作を図２を参照しながら説明する。

【００２２】 正弦波交流電源１から直列注入変圧器４およびスイッチ２を通して負荷３に供 給される負荷電流が電流検出用の変流器１２で検出される。過負荷検出器１５は 、変流器１２の２次出力（図２（ａ）参照）を予め設定した正負のしきい値Ｌ₁ ，Ｌ₂ と比較し、変流器１２の２次出力が正負のしきい値Ｌ₁ ，Ｌ₂ の範囲内に あるとき（平常状態）は、スイッチ２１をａ側に切り替えた状態を保つ。

【００２３】 このとき、１ｐｕの電圧によって抵抗Ｒ₁ を通してコンデンサＣが満充電され ており、コンデンサＣの両端電圧は１ｐｕとなっており、乗算器１６に入力され る乗数は1.０となっているため（図２（ｂ）参照）、先に述べたパルス幅変調用 レファレンス電圧は、乗算器１６で1.０倍された比較器１８に入力されることに なり、乗算器１６が無いのと同じ状態である（図２（ｃ）参照）。また、このと き、スイッチ素子制御回路２３は、オン指令信号を発生していない（図２（ｄ） 参照）。

【００２４】 ところが、何らかの原因で負荷３に過電流が流れ、変流器１２の２次出力が図 ２（ａ）に示すように前記したしきい値Ｌ₁ ，Ｌ₂ の範囲から外れた（超えた） 時点（時刻ｔ₀ ）で、過負荷検出器１５がスイッチ２１をｂ側に切り替える。こ の結果、コンデンサＣの蓄積電荷が抵抗Ｒ₂ を通して放出される。 この際、抵抗Ｒ₂ としては、抵抗値が比較的小さいものが用いられているため （時定数が小）、コンデンサＣの電圧、つまり乗算器１６への入力電圧は、図２ （ｂ）に示すように、１ｐｕの電圧から０ｐｕの電圧まで速やかに下降する。

【００２５】 このため、負荷３に過電流が流れ、これによって正弦波交流電源１の電圧が降 下したときに、その降下分を補償するのに演算器１９の出力のパルス幅変調用レ ファレンス電圧が増大するが、乗算器１６から比較器１６へ入力されるパルス幅 変調用レファレンス電圧は、図２（ｃ）に示すように速やかに０ｐｕになり、パ ルス幅変調型インバータ７の出力電圧が零となり、パルス幅変調型インバータ７ が過負荷となるのを防止し、その保護を図る。

【００２６】 また、コンデンサＣの両端電圧、つまり乗算器１６への入力電圧が降下し始め ると、スイッチ素子制御回路２３は、図２（ｄ）に示すように、上記電圧が0.８ ｐｕまで降下した時点（時刻ｔ₁ ）で、オン指令信号を発生し、スイッチ素子２ ２を導通させ、パルス幅変調型インバータ７の両出力端子間を短絡する。これに よって、直列注入変圧器１の第１の巻線ｎ₁ から第２の巻線ｎ₂ へ電流へ向かっ て電流が流入するのを防止し、パルス幅変調型インバータ７を構成するダイオー ドＤ₁ 〜Ｄ₄ を通して直流コンデンサ８が充電されるのを防止する。

【００２７】 一方、負荷３への過電流がなくなる（時刻ｔ₂ ）と、過負荷検出器１５がスイ ッチ２１をａ側に戻す。この結果、１ｐｕの電圧によって、抵抗Ｒ₁ を通してコ ンデンサＣが充電される。 この際、抵抗Ｒ₁ としては、抵抗値が比較的大きいものが用いられているため （時定数が大）、コンデンサＣの電圧、つまり乗算器１６への入力電圧は、図２ （ｂ）に示すように、０ｐｕの電圧から１ｐｕの電圧まで緩やかに上昇する。し たがって、パルス幅変調用レファレンス電圧も図２（ｃ）に示すように徐々に本 来の振幅に戻っていく。このとき、乗算器１６への入力電圧が0.１ｐｕを超えた 時点（時刻ｔ₃ ）で図２（ｄ）に示すようにスイッチ素子制御回路２３からのオ ン指令信号の発生が停止し、スイッチ素子２２へのゲート信号が遮断され、スイ ッチ素子２２はその後自然消弧し、パルス幅変調型インバータ７は平常動作に復 帰する。なお、図２（ｃ）において、破線は乗算器１６の入力側のパルス幅変調 用レファレンス電圧を示している。

【００２８】 この実施例の正弦波電源装置は、正弦波交流電源１が過負荷となったときにパ ルス幅変調用レファレンス電圧を零にする保護回路２０を設け、パルス幅変調型 インバータ７の出力端を短絡するスイッチ素子２２を設け、正弦波交流電源１が 過負荷となったときにスイッチ素子２２を導通させるスイッチ素子制御手段２３ を設けているので、正弦波交流電源１が過負荷となったときに、パルス幅変調用 レファレンス電圧を速やかに零にするとともに、スイッチ素子２２を導通させる ことができる。

【００２９】 このため、パルス幅変調型インバータ７からの補償電圧の発生を一時停止して 、パルス幅変調型インバータ７の過負荷を防止するとともに、パルス幅変調型イ ンバータ７の出力端を短絡して、直列注入変圧器４を通してパルス幅変調型イン バータ７へ過大な電流が流入するのを防止することができ、しかも直流コンデン サ８の両端電圧が過大となるのを防止することができる。この結果、パルス幅変 調型インバータ７の定格容量を増大させることなく、過負荷時のパルス幅変調型 インバータ７およびその周辺の直流コンデンサ８等の破壊を防止することができ る。したがって、コンパクトな装置を実現できる。

【００３０】 なお、スイッチ素子２２としては、上記実施例では通常の逆阻止３端子サイリ スタを用いたが、ゲートターンオフサイリスタや電力用トランジスタ等も使用可 能であり、この場合には強制消弧が可能であるので、オン指令信号の消滅と同時 にスイッチ素子２２を遮断することができる。

【００３１】

【考案の効果】

この考案の正弦波電源装置によれば、正弦波交流電源が過負荷となったときに パルス幅変調用レファレンス電圧を零にする保護手段を設け、パルス幅変調型イ ンバータの出力端を短絡するスイッチ素子を設け、正弦波交流電源が過負荷とな ったときにスイッチ素子を導通させるスイッチ素子制御手段を設けているので、 正弦波交流電源が過負荷となったときに、パルス幅変調用レファレンス電圧を零 にするとともにスイッチ素子を導通させることができる。

【００３２】 したがって、パルス幅変調型インバータからの補償電圧の発生を一時停止して パルス幅変調型インバータの過負荷を防止するとともに、パルス幅変調型インバ ータの出力端を短絡して直列注入変圧器を通してパルス幅変調型インバータへ過 大な電流が流入するのを防止することができ、さらに直流コンデンサの両端電圧 が過大となるのを防止することができる。

【００３３】 この結果、パルス幅変調型インバータの定格容量を増大させることなく、過負 荷時のパルス幅変調型インバータおよびその周辺の素子の破壊を防止することが できる。したがって、コンパクトな装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の正弦波電源装置の構成を
示すブロック図である。

【図２】図１に示した正弦波電源装置の各部のタイムチ
ャートである。

【図３】正弦波電源装置の従来例の構成を示すブロック
図である。

【図４】インバータの具体的な構成を示す回路図であ
る。

【図５】乗算器への入力信号の時間変化を示すタイムチ
ャートである。

【符号の説明】

１ 正弦波交流電源 ２ スイッチ ３ 負荷 ４ 直列注入変圧器 ５ フィルタ用コンデンサ ６ フィルタ用リアクトル ７ パルス幅変調用インバータ ８ 直流コンデンサ ９ 全波整流器 １０ 変圧器 １１ 変圧器 １２ 変流器 １３ インバータ制御回路 １４ 同期基準正弦波発生回路 １５ 過負荷検出器 １６ 乗算器 １７ 三角波発生器 １８ 比較器 １９ 演算器 ２０ 保護回路 ２１ スイッチ ２２ スイッチ素子 ２３ スイッチ素子制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０２Ｍ 7/48 Ｆ 8730−5Ｈ

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 正弦波交流電源と負荷との間に直列注入
   変圧器の第１の巻線を挿入接続し、前記直列注入変圧器
   の第２の巻線にパルス幅変調型インバータの両出力端子
   を接続し、前記正弦波交流電源の電圧と基準正弦波電圧
   との差電圧に相当するパルス幅変調用レファレンス電圧
   に基づいて前記パルス幅変調型インバータを制御するこ
   とにより前記正弦波交流電源の電圧変動・歪を補償して
   前記負荷への印加電圧を定格値に保つ補償電圧を前記直
   列注入変圧器の第１の巻線の両端間に発生させるインバ
   ータ制御手段を設け、前記正弦波交流電源の負荷状態を
   検出することにより前記正弦波交流電源が過負荷となっ
   たときに前記パルス幅変調用レファレンス電圧を零にす
   るとともに前記正弦波交流電源の過負荷が解消したとき
   に前記パルス幅変調用レファレンス電圧を元の状態に復
   帰させる保護手段を設けた正弦波電源装置において、前
   記パルス幅変調型インバータの両出力端子間を短絡する
   スイッチ素子を設け、前記正弦波交流電源が過負荷とな
   ったときに前記スイッチ素子を導通させるスイッチ素子
   制御手段を設けたことを特徴とする正弦波電源装置。