JPS5936514B2 - インバ−タ装置とその駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は負荷電動機群の可変周波電源となるインバータ
に係り、特にゲート回路、制御装置及びシーケンス回路
の動作電源の取り方に特徴のあるインバータを提供しよ
うとするものである。

一般にインバータと云つてもサイリスタを使用したもの
であれば電圧形、電流形とあり、さらにゲートターンオ
フサイリスタを使用したものであればパルス幅変調形と
云う様に王回路構成或は制御方法によつて各種のインバ
ータが開発され製品化されている。これらインバータと
して代表的なものを第１図に示す。この第１図では１は
ダイオードをブリツジ接続した順変換部で、２はサイリ
スタを純ブリツジ接続した逆変換部で、３はゲート回路
，シーケンス回路及び制御回路等を含めた制御装置５の
動作電源となる電源トランスで、４は交流入力電源電圧
を適当な電圧に降圧するトランスで、このトランス４の
二次側は図示する様に電圧，周波数等の自動制御を行な
う制御回路の動作電源土１５Ｖを得る巻線と、逆変換部
の素子群の点弧順序を決定し、且つ過電流発生時に逆変
換部の素子群に供給するゲート信号をプロツクしてイン
バータを保護すると共に、回生運転を行わせるロジック
シーケンス回路の動作電源＋１２Ｖを得る巻線と、ダイ
オード整流器であればラツシユ電流を制限してインバー
タの始動をシーケンス的に行なうシーケンス回路の動作
電源＋７０を得る巻線、さらには商用周波の交流入力電
源の停電一回復等を検出する為の巻線等、複数組に分割
された二次巻線があり、これら二次側巻線電圧が制御装
置５で代表する部に入力される。６１〜６３は逆変換部
２の素子群のゲート電源となるゲートトランスで図では
三相インバータであるので３組のゲートトランスを用意
して、例えば６１のトランスは逆変換部２のＵ相とＸ相
に、同様に６２のトランスはｖ相とＹ相に、一方６３の
トランスはＷ相とＺ相と云う様に予じめ前以て各ゲート
トランスの二次側巻線は規定してある。

これら各二次側巻線の出力側には直流電力を得る為の整
流回路群７１〜７，が設けられ、これら整流回路群の直
流出力側にはコンデンサ群Ｃｕ−Ｃｗ，Ｃｘ−Ｃｚが個
々に並列輌入される。このコンデンサ群は交流入力電源
の停電時に際してゲート電源をある所定期間に渡つて確
保する必要性より何１０万μＦと云う様な大容量のもの
が適用されている。なお、停電対策として何もゲート回
路のみにあるものではなく、例えば上紀した制御装置の
自動制御を行なう制御回路の電源側にも何万μＦと云う
大容量のコンデンサが使用されている。さて、再び第１
図に戻つて９は直流中間回路の平滑用コンデンサＣ１−
Ｃ２の端子間電圧を検出する直流電圧検出回路で、１０
はコンパレータで設定器１１よりの電圧設定信号と電圧
検出信号とを比較する為のもので，１２はホトカプラで
コンパレータよりの電圧信号を入力してこの電気信号を
光信号に変換する為のもので，周知の様に直流中間回路
の電圧入力側と制御装置５側との電位差による絶縁をと
る為に設けられる。

これらホトカプラ１２−コンバータ１０一電圧検出回路
９等を含めた構成のものは、例えばインバータが回生運
転時にある場合、回生パワーが大で直流中間回路の電圧
が異常に上昇するのを検出する過電圧検出用としての機
能を有するものであつて、この様に回生時に直流中間回
路の過電圧が検出されると制御装置５によつて回生パワ
ーを減少すべく所定の制御が行なわれる。Ｌｄは直流中
間回路の直流リアクトルで、Ｒ１−Ｒ２は直流中間回路
の直流電圧を分圧する分圧抵抗で、平滑用コンデンサＣ
１−Ｃ２は周知の様に直流電力を平滑する為のものであ
る。なお，順変換部１のダイオード素子群及び逆変換部
２のサイリスタ素子群に並列接続した抵抗−コンデンサ
の回路，ダイオード−コンデンサー抵抗の回路は素子群
の転流時に生ずるサージを吸収するスナバ一回路で、さ
らに第１図に示すインバータは順変換部１としてダイオ
ード整流器を適用した場合を示したが、サイリスタ整流
器を適用しても動作上は全く同一である事は申す迄もな
い。なお、ダイオード整流器の場合は周知の様に電圧調
整機能を新たに附加しなければならず、この電圧調整機
能を有するものとしてチヨツパ一回路を順変換部の直流
出力側に挿入すればよい。さて、この様に構成されるイ
ンバータの動作は既に周知であるので説明は省略するも
のとし、ここではインバータの構造そのものに言及する
事にする。

先ず負荷電動機Ｌを正一逆運転する場合に必要な制御系
としては図示しないが周知の様に電流制御系をマイナー
ループとし、この外側にメジヤーループとしての速度制
御系を設けた王として所定の電圧制御を行なう電圧制御
系と、逆変換部２を制御する事によりインバータ出力周
波数を制御する周波数制御系とがあり、これら制御系を
含めた自動制御回路の動作電源±１５Ｖを得る第１の電
源部と、逆変換部の素子群の点弧順序を決定し、且つ過
電流発生時に逆変換部の素子群に供給するゲート信号を
プロツクしてインバータを保護すると共に、回生運転を
行なわせるロジツクシ一ケンス回路の動作電源＋１２Ｖ
を得る第２の電源部と、ダイオード整流器であるので始
動時のラツシュ電流を抑制して直流中間回路の平滑用コ
ンデンサを所定値に充電し、インバータ始動時の予備光
電操作をシーケンス的に行なう部と停止操作をシーケン
ス的に行なう部とを含めたシーケンス回路の動作電源＋
７０Ｖを得る第３の電源部と、交流入力電源の停電−復
電を検出する部の動作電源を得る第４の電源部との電源
入力法は、第１図に示す如く配線用遮断器ＭＣＢ−交流
入力電源電圧が４００Ｖであれば４００Ｖを２００Ｖに
降圧する電源トランス３−各種の動作電源を得るトラン
ス４の構成をもつて行なつており、さらに逆変換部２の
ゲート電源は３組のゲートトランス６，〜６３−６組の
整流回路Ｔ，〜Ｔ６の構成をもつて入力しており、さら
に回生時の過電圧検出にはホトカプラ１２を含めた構成
をもつて入力している。即ち所定の動作を行なう各部の
動作電源はイ動りでしかも単独で行なつているので図示
する様に回路構成が複雑で、且つ電源トランス３−トラ
ンス４−ゲートトランス６１〜６３と云う様に容量が大
で大型のものばかりでプリント板には到底組み入れる事
はできず，盤そのものが大きくなつて非常に不経済であ
ると云う事である。特に重要な事は交流入力電源が停電
した場合の停電対策である。即ち逆変換部のゲート回路
には数１０万μＦと云う様な大容量のコンデンサ群Ｃｕ
−Ｃｗ，Ｃｘ−Ｃｚを配しており、さらに自動制御を行
なう制御電源側には図示はしないが上記した様に数万μ
Ｆと云う大容量のコンデンサを適用しており．これらコ
ンデンサ群は大型でしかも非常に高価であるので、イン
バータそのものの大型化を一層助長する事となり決して
好ましいものではない。本発明はこの点に鑑みて発明さ
れたものであつて、本願は特にインバータ各部の動作電
源は一括して直流中間回路より取り出す様にして信頼性
の向上．さらにはプリント板による縮少化を図つた事を
一大特徴として以下第２図に示す実施例に基づき詳述す
る。

第２図の実施例で第１図と同一のものは同一符号を附し
ており、１３は本願の主要部たる動作電源確立回路であ
つて、この動作電源確立回路１３は直流中間回路より所
望の直流電力を取込むべく直流中間回路の正極母線側に
は抵抗Ｒ３−ダイオードＤ，の直列回路を配して、この
直列回路より得る直流電圧を分圧する回路としてコンデ
ンサＣ３，Ｃ４−抵抗Ｒ４，Ｒ，の分圧回路を設け．さ
らにこの分圧回路のコンデンサＣ３，Ｃ４にチヤージさ
れる光電電圧を動作源とする、例えばトランジスタＴｒ
ｌ，Ｔｒ２−ダイオードＤ２，Ｄ３−制御回路１４−コ
ンデンサＣ５とで構成される並列インバータを設けて、
このインバータの交流出力を一方は逆変換部２のサイリ
スタ素子のゲート電源に利用すると共に．交流出力の他
方は制御装置１５を構成する各部の動作電源として利用
する。

ここで制御装置１５の構成としては第１図の従来例で述
べた様に自動制御回路一ロジツクシーケンズ回路−シー
ケンス回路−停電−復電検出回路を含む事は申す迄もな
く、さらに本願では制御装置の電源トランスの二次側に
新たに二次巻線を附加して、この附加した二次巻線の出
力を回生時に於ける直流中間回路の過電圧検出用として
利用する様にしたものである。さて逆変換部２のゲート
回路の構成であるが、このゲート回路の電源は上記した
様に直列インバータの交流出力を利用する。この場合、
各ゲートトランスは図示した様に交流出力端子Ａ− Ｂ
間に夫々並列的に配置して転流コンデンサＣ，とで共振
回路を構成する。直列インバータの動作周波数は、例え
ば１０ＫＨｚと云う様な高周波で所定の動作を行なうと
前以て予じめ規定してあるので．逆変換部の各相個々に
ゲートトランスを分割配置する方式を採用して、しかも
高周波であるのでゲートトランスそのものは非常に小型
にできゲート回路のプリント板に夫々のゲートトランス
を塔載する事ができる。なお、直列インバータの制御回
路１４の構成は何ら図示しないが、例えばスィツチング
素子の各トランジスタＴｒ，，Ｔｒ２をベースドライブ
する為に発振回路を含めたベースドライブ回路を少なく
とも最小限含んで成るものである。さて、この様に構成
される本発明の動作を述べると、先ず従来周知の予備充
電操作により順変換部１のダイオード整流回路を通して
直流中間回路の平滑用コンデンサＣＩ，Ｃ２がある所定
値まで光電され、しかも直流中間回路の直流電力が抵抗
Ｒ３→ダイオードＤ１の経路を通して動作電源確立回路
１３に入力されて、この動作電源確立回路で入力される
直流電力を分圧した分圧コンデンサＣ３，Ｃ４の充電電
圧を以て直列インバータが所定の動作を行なつて所望の
交流電力を出力し、この交流電力を入力して制御装置１
５の自動制御装置等の各部の動作電源電圧が確立してい
るものとする。

ここで上記した予備充電操作とは，順変換部がダイオー
ド整流器の場合、サイリスタ整流器と異なり順変換部の
交流入力側に挿入される王の配線用遮断器を投入すると
、直流中間回路の平滑用コンデンサが無充電状態である
ので大きなラツシュ電流が流れインバータの始動に大き
な弊害を生ずる事となる。この始動時のラツシユ電流を
防止する意味で、例えば補助の遮断器とラツシユ電流を
制限する電流制限抵抗等で構成した予備充電回路を設け
て、インバータの始動に際して予備充電回路を以て直流
中間回路の平滑用コンデンサを所定値にまで充電してお
く事を予備光電操作と云う。この予備充電操作によつＣ
直流中間回路の平滑用コンデンサの充電が進行するのに
応じて、例えば第２図の動作電源確立回路１３で直列イ
ンバータが所定のベースドライブによつて高周波動作を
行ない所望の交流電力を出力して、この交流出力で制御
装置１４に供給する動作電源が確立する事となる。さて
、動作電源確立回路１３より供給される交流電力を動作
電源として制御装置１４のシーケンス回路で「インバー
タ始動０Ｋ」が確認されると、順変換部１の交流入力側
に挿入される図示しない王の配線用遮断器が投入されイ
ンバータが始動する事となる。先ずインバータを始動す
る場合は動作電源確立回路１３で自動制御回路，ゲート
回路等の各部の動作電源は全て確立してあるので、例え
ば制御装置１５の図示しないロジックシーケンス回路一
自動匍脚回路一ゲートトランスを含めた各ゲート回路Ｇ
ｕ−Ｇｗ，Ｇｘ−Ｇｚを通して逆変換部２の各相のサイ
リスタ群に所望のゲート信号が供給され、電圧一周波数
設定指令量に応じて逆変換部２を含めたインバータが所
定の動作を行なつて負荷電動機Ｌを可変速制御するもの
である。インバータの定常運転時、例えばインバータが
回生運転時にあるとすれば、この回生時に際して直流中
間回路の直流電圧を動作電源確立回路１３→制御装置１
５の経路を介して監視しており、さらにインバータが力
行運転又は回生運転を問わず定常時の交流入力電源電圧
の異常有無を動作電源確立回路１３→制御装置１５の経
路を介して監視している。

従つて本願によれば前者の回生時の過電圧検出であれば
第１図に示すホトカプラ１２を含めた電圧検出系が全く
不要となり回路構成が簡素化する事は明らかであり、さ
らに後者の交流入力電源電圧の異常有無の検出であれば
第１図に示す配線用遮断器ＭＣＢ一電源トランス３の各
パーツ品は全く不要となり、特に重要な事は交流入力電
源電圧が瞬時停電した場合である。即ち本願のものはイ
ンバータの定常運転時に動作電源確立回路１３の分圧用
コンデンサＣ３，Ｃ４に図示極性で電荷がチヤージして
あるので、この充電電圧が制御回路１４の動作不能レベ
ルまで落ち込む期間、直列インバータが所定の動作を行
なつて制御装置１５の各部の動作電源とゲート回路の動
作電源とを夫々確保して、これによりインバータがある
所定期間，動作を継続する事ができる。この場合、負荷
電動機Ｌを直流中間回路の平滑用コンデンサＣｌ，Ｃ２
と動作電源確立回路のコンデンサＣ３，Ｃ４に蓄積され
た充電エネルギーを以て単に１駆動する方法は、充電エ
ネルギーが直ちに無くなるので好ましいものではない。
従つてインバータを回生動作させ負荷の慣性エネルギー
を直流中間回路の平滑用コンデンサに一旦蓄積して、し
かも直流中間回路の直流電力を動作電源確立回路１３の
コンデンサＣ３，Ｃ４に入力する様にして、さらにコン
デンサの充電電圧が一定値となる様に制御すれば上記方
法に比し瞬停時の運転期間が長くできる利点がある。何
れにしろ本願では瞬停対策として動作電源確立回路１３
に単に２個の大容量のコンデンサＣ３，Ｃ４を配してい
るのみである。これに対して第１図の従来例では大容量
のコンデンサをゲート回路に６個，自動制御回路に少な
くとも２個以上設けているので、本願のものはいかに小
型化されしかも非常に経済的なインバータであるかは容
易に理解できるものである。さらに動作電源確立回路の
直列インバータを１０ＫＨｚと云う様な高周波で動作す
るものであるから逆変換部各相のゲートトランスが非常
に小さくなつて、プリント板にゲートトランスそのもの
を塔載できる事である。しかもこのゲートトランスは三
相インバータであれば各相毎に分散配置する方法を採用
しているので、例えば１台のゲートトランスで複数の相
を共用する共用方式であれば、各二次側巻線の相互間に
は浮遊キヤパシタンスが必然的に存在するので、この浮
遊キヤパシタンスによつて他の相へ悪影響を及ぼし点弧
すべきでない相の素子が誤点弧すると云う様に、動作そ
のものが非常に不安定となり最悪の場合インバータの運
転継続が不可能となつてしまう事である。この点本願の
ものは各相共に夫々専用のゲートトランスを配している
ので何ら誤動作する事なく運転全域に渡つて安定した動
作を行なう事ができるのは勿論の事、上記した小型，軽
量化の効果と相俟つて理想的なインバータを提供できる
ものである。以上の説明は全て１台のインバータを対象
としたが、次に複数台のインバータを対象とした場合を
述べてみるに、従来周知の様に、例えば順変換部を共用
して．この順変換部に複数台の逆変換部を並列接続した
構成の所謂゛多数台のインバータの並列運転法″なるも
のがある。この並列運転時の場合でも最も問題となるの
は停電対策である。即ちインバータを紡糸ラインで使用
する場合、糸の断線は生産性に大きな影響を与えるので
インバータ個々に停電対策を施さなければならないが、
従来装置であれば第１図で説明した様にゲート回路に６
個，制御回路に少なくとも２個と合わせて８個の大容量
のコンデンサを必要とする。並列運転するインバータが
ｎ台であれば８ｎ個もの大容量のコンデンサを適用しな
ければならないが、この点本願によれば第２図の実施例
で説明した様に単位ィンバータ当り動作電源確立回路に
２個のみ適用すればよいので、６ｎ個のコンデンサが本
願によれば全く不要となる。この事は他のゲート回路一
ロジツクシーケンス回路−電圧検出回路等に言えるのは
申す迄もない。この様に並列運転を行なう様な大規模シ
ステムの場合、本願を適用すればいかにシステムそのも
のの設備費を非常に経済的なものにできるかが理解でき
よう。なお、上記した説明は一般構造のサイリスタを適
用したサイリスタインバータの場合であるが、例えばゲ
ートで０Ｎ−０ＦＦ可能なゲートターンオフサイリスタ
を用いたインバータに本願を適用できる事は申す迄もな
く、この場合、周知の様にゲートターンオフサイリスタ
は０Ｎゲート用と０ＦＦゲート用とを必要とするので、
本願・を適用すれば回路構成がいかに簡素化できるかは
容易に理解できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はグィオード整流器を適用した従来の代表的なイ
ンバータ装置を示す具体的な回路構成図、第２図は本発
明による一実施例を示すィンバータ装置の具体的な回路
構成図。 １は順変換部、２は逆変換部、１３は動作電源確立回路
、１５は制御装置、Ｌｄは直流リアクトル、Ｃ，− Ｃ
２は平滑用コンデンサ、Ｃ３−Ｃ４は分圧用コンデンサ
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入力される交流電力を直流電力に変換する順変換部
   と、直流電力を平滑化する直流リアクトルと平滑用コン
   デンサよりなる直流中間回路と、直流電力を交流電力に
   逆変換する逆変換部とで構成したものに於て、直流中間
   回路より入力される直流電力を動作電源として動作する
   動作電源確立回路を設けて、逆変換部の素子群をゲート
   ドライブするゲート回路と、逆変換部の素子群の点弧順
   序を決定し且つ過電流発生時に逆変換部の素子群に供給
   するゲート信号をブロックしてインバータを保護すると
   共に、回生運転を行なわせるロジックシーケンス回路と
   、電圧−周波数制御を自動的に行なう自動制御回路と、
   商用周波交流入力電源の停電−回復を検出する第１の検
   出回路と、回生運転時に直流中間回路の過電圧の有無を
   検出する第２の検出回路とを夫々上記動作電源確立回路
   より出力される電力を以て動作する様にした事を特徴と
   するインバータ装置。 ２ 動作電源確立回路としてインバータ又は高周波イン
   バータを適用する様にした、特許請求の範囲第１項記載
   のインバータ装着。 ３ 逆変換部の素子群をゲートドライブするゲート回路
   のゲートトランスをプリント板に塔載する様にした、特
   許請求の範囲第１項記載のインバータ装置。 ４ 入力される交流電力を直流電力に変換する順変換部
   と、直流電力を平滑化する直流リアクトルと平滑用コン
   デンサよりなる直流中間回路と、直流電力を交流電力に
   逆変換する逆変換部とで構成したインバータ装置で、直
   流中間回路より入力される直流電力を動作電源として動
   作する動作電源確立回路を設けて、逆変換部の素子群を
   ゲートドライブするゲート回路と、逆変換部の素子群の
   点弧順序を決定し、且つ過電流発生時に逆変換部の素子
   群に供給するゲート信号をブロックしてインバータを保
   護すると共に、回生運転を行わせるロジックシーケンス
   回路と、電圧−周波数制御を自動的に行なう自動制御回
   路と、商用周波交流入力電源の停電−回復を検出する第
   １の検出回路と、回生運転時に直流中間回路の過電圧の
   有無を検出する第２の検出回路とを、夫々定常時は上記
   動作電源確立回路より入力される電力を以て動作する様
   にし、商用周波交流入力電源の停電時、逆変換部の動作
   電源として直流中間回路の平滑用コンデンサにチャージ
   してあるエネルギーを利用する様にし、ゲート回路−シ
   ーケンス回路−自動制御回路−第１、第２の検出回路の
   動作電源は、動作電源確立回路より出力される交流電力
   を利用してインバータを所定期間、動作せしめた事を特
   徴とするインバータ装置。