JP2000184728A - 中間回路の電圧を電源電圧に合わせる方法と回路装置 - Google Patents

中間回路の電圧を電源電圧に合わせる方法と回路装置

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 電源電圧が許容できる帯域幅より著しく大き
く変動する場合、電源回路網の過電圧による周波数変換
器の許容できない大電流を防止する方法、および回路装
置を提供する。 【解決手段】 周波数変換器の中間回路の直流電圧を電
源電圧に合わせる方法にあって、中間回路の直流電圧Ｕ
ZK,istが電源電圧の整流されたピーク値ＵN より大きい
か、あるいは少なくとも等しいように可変される。電源
回路網１から得られる電源電圧を整流器１０に導入し、
整流器の出力信号ＵN を基準電圧発生器１４の出力信号
と結合させ、そのようにして生じた信号を演算増幅器１
２に導入し、演算増幅器１２の出力信号をダイオード１
３に導入し、ダイオードの出力信号を加算器１５で少な
くとも基準電圧発生器１４の出力信号と結合させ、これ
により生じる信号を演算増幅器１６に導入し、このよう
にして発生した信号を半導体スイッチの制御ユニットに
導入する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、周波数変換器の
中間回路の直流電圧を電源電圧に合わせる方法およびそ
の回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】特開昭６０−６６６７５号公報によれ
ば、周波数変換器が過負荷の時、中間回路の電圧が上昇
することが知られている。最大の許容あるいはより大き
い電流が直流電圧変換器から出力されると、過負荷検出
器が作動し、中間回路の電圧の直流電圧が上昇する。
【０００３】特開昭６０−６６６７５号公報によれば、
直流電圧が電源電圧に合っているのかが不明である。
【０００４】ドイツ特許出願公開第 30 21 119号明細書
には、回転数制御の非同期電動機を駆動するインバータ
回路が開示されている。この場合、非同期電動機を発電
機動作させるとき、あるいは電源回路に過電圧が生じて
それにより過電流が生じた時、それに逆らって非同期電
動機を駆動する周波数を高める。
【０００５】この処置の難点は、非同期電動機を制御す
る周波数の上昇により回転数が上昇することにある。こ
れにより、過電圧の時、回転数制御を行えなくるが、こ
れは大多数の応用にとって永続的に可能でなくてはなら
ない。
【０００６】ドイツ特許出願公告第 36 01 160号明細書
により、三相非同期電動機のスタート、回転数調整、制
動および位置決めに対する周波数変換器の制御方法は周
知である。この場合、周波数変換器には、中間回路とし
て三相整流器もしくはインバータと平滑コンデンサ、お
よび後続する電力トランジスタの三相ブリッジ回路や中
間回路の直流電圧を周波数と振幅を可変できる交流電圧
に変換するため付属するパルス幅変調器がある。保護回
路により中間回路で限界電圧を越えた時、インバータの
トランジスタを遮断する。これによりインバータのエネ
ルギの流れが中断し、エネルギの消費により中間回路の
電圧が低下することになる。中間回路の電圧が遮断限界
電圧以下に低下すると、電力トランジスタが再び動作す
る。遮断期間では電力トランジスタの制御周波数は強く
低下し、再び作動すると、電力トランジスタは低い周波
数で再び導通する。
【０００７】この場合の難点は、電源電圧が高すぎる
と、電力トランジスタは持続的にオン・オフし、接続し
ている電動機の出力を持続的に変動させることになる点
にある。この連続的でない電動機の動作により、大抵の
応用に必要な一定の運転条件を達成できない。更に、持
続的に接続されている高電流により余計にシールドしな
ければならない擾乱電磁場が生じ、電力トランジスタが
非常に強い負荷を受けるため、しばしば故障する。
【０００８】ドイツ特許出願公告第 41 20 611号明細書
により、回転数を可変できる三相駆動部に給電する電圧
中間回路の周波数変換器の中間電圧を制限する方法は周
知である。この方法には、実効電流制御器の目標値に作
用するリミター制御器がある。このリミター制御器は中
間回路電圧が一定値を越えないように発電運転での電流
を制限する。更に、実効電流の目標値が予め指定され、
この目標値により停電時に中間回路の電圧が充分高い値
に維持される。その場合、実効電流目標値は停電時に目
標値が阻止される重畳している回転数制御器により予め
指定される。リミター制御器には、発電運転の時に第一
上位値が、また停電時に第二下位値が中間回路電圧の目
標値として与えられる。
【０００９】この場合の難点は、発電運転の時と停電の
時のみ中間回路電圧を制御する点にある。電源電圧が高
くなり過ぎると、周波数変換器に接続する負荷を誤動作
なく運転することを確実にするための技術的な処置が用
意されていない。
【００１０】ドイツ特許出願公告第 43 22 379号明細書
により、電力を電源回路網に戻す電源回路網に通じてい
る電力変換器のブリッジがトリップした時、半導体スイ
ッチを保護する回路装置は周知である。この回路装置に
より、電源回路網が過電圧の時あるいは電力変換器のブ
リッジに過電流が流れた時、短絡サイリスタにより電力
変換器のブリッジの中間回路側の出力端を短絡させるこ
とができる。これにより、中間回路の直流電圧が低下す
るので、電源回路網に生じる過電圧のために電力変換器
のブリッジに生じる過電流が除去される。
【００１１】この場合の難点は、理想的な電流源と見な
される電源回路網の過電圧による非常に大きな電流が短
絡サイリスタに流れる点にある。電源回路網に持続して
過電圧があると、短絡サイリスタに常時電流が流れ、強
い加熱と火災の恐れを与える。更に、これは電力変換器
のブリッジの過負荷の原因になる。何故なら、インバー
タ内で負荷に必要な電流に加えて、短絡サイリスタを流
れる電流も整流する必要があるからである。
【００１２】直流電圧中間回路を備えた逆給電能力のあ
る周波数変換器は、一定周波数の多相（特に三相）の電
源電圧を半導体スイッチと整流チョークコイルにより中
間回路の一定の直流電圧に変換し、次にインバータで制
御すべき電動機用の可変周波数の三相電源電圧に変換す
る。電動機の回転数は調整可能な周波数を可変して制御
されるか調整できる。電源に過電圧があると、中間回路
の直流電圧がフライホィールダイオードにより電源電圧
を整流することにより許容できなほど高まるという問題
が生じる。一定の中間回路電圧を調整するために制御さ
れる半導体スイッチは、このような場合、中間回路の過
電圧を電源回路網に再び導き、これは許容できない大電
流と損害を与える。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、周
波数変換器に外部から印加する電源電圧が許容できる帯
域幅より著しく大きく変動する場合でも、電源回路網に
過電圧があるときに生じる周波数変換器の許容できない
大電流をできるかぎり大幅に防止する方法を提示するこ
とにある。更に、この方法を実現し、既存の周波数変換
器に対して僅かな変更しか必要でない回路装置を提示す
べきである。その場合、この発明による回路装置はでき
る限り低コストで実現できるべきである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、周波数変換器の中間回路の直流電圧を電源電圧
に合わせる方法にあって、中間回路の直流電圧ＵZK,ist
が電源電圧の整流されたピーク値ＵN より大きいか、あ
るいは少なくとも等しいように可変されることによって
解決されている。
【００１５】更に、上記の課題は、この発明により、周
波数変換器の中間回路の直流電圧を電源電圧に合わせる
回路装置にあって、電源回路網１から得られる電源電圧
を整流器１０に導入し、整流器の出力信号ＵN を基準電
圧発生器１４の出力信号と結合させ、そのようにして生
じた信号を演算増幅器１２に導入し、演算増幅器１２の
出力信号をダイオード１３に導入し、ダイオードの出力
信号を加算器１５で少なくとも基準電圧発生器１４の出
力信号と結合させ、これにより生じる信号を演算増幅器
１６に導入し、このようにして発生した信号を半導体ス
イッチ３.1，....，３.6の制御ユニット５に導入するこ
とによって解決されている。
【００１６】更に、上記の課題は、この発明により、周
波数変換器の中間回路の直流電圧を電源電圧に合わせる
回路装置にあって、電源回路網１から得られる電源電圧
を整流器１０に導入し、整流器の出力信号ＵN をレベル
変換器２１に導入し、そのようにして発生した出力信号
をダイオード１３に導入し、ダイオードの出力信号を基
準電圧発生器１４の出力信号と重ね合わせ、中間回路の
電圧の負の目標値−Ｕ ZK,Soll であるこの重畳信号を加
算器１５の中で中間回路の電圧の実際値ＵZK,i stと結合
させ、このようにして発生した制御信号を中間回路の電
圧に対する電圧制御器２２に導入することによって解決
されている。
【００１７】この発明による他の有利な構成は特許請求
の範囲の従属請求項に記載されている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
【００１９】
【実施例】以下では、電源回路網からの一定周波数の三
相交流電圧が導入され、負荷、特に電動モータに可変周
波数の三相交流電圧を出力する周波数変換器にこの発明
による方法を使用することを前提として、この発明の詳
細を説明する。
【００２０】図３により、従来の技術により既に周知の
通常の周波数変換器には電源回路網１の３つの相Ｌ1,Ｌ
2,Ｌ3 の各々に対して一つの整流チョークコイル２.1，
２.3と２.3がある。整流チョークコイル２.1，２.3と
２.3の出力信号は相毎にそれぞれ二つのスイッチング・
トランジスタ３.1と３.2，３.3と３.4および３.5と３.6
に供給される。その中で両方のスイッチング・トランジ
スタの一方がエミッター接続で、もう一方がコレクター
接続で動作する。これにより、３つの相Ｌ1,Ｌ2,Ｌ3 の
整流チョークコイル２.1，２.3と２.3の出力端がコンデ
ンサ６の一方の極に選択的に接続される。スイッチング
・トランジスタ３.1〜３.6は制御装置５に接続するベー
ス接続端子により制御される。この制御装置５は、中間
回路の直流電圧ＵZK,istが予め設定されたできる限り負
荷に依存しない一定値となるように、スイッチング・ト
ランジスタ３.1〜３.6を導通状態または遮断状態に切り
換える。
【００２１】６つのスイッチング・トランジスタ３.1〜
３.6全てには、６つのフライホィールダイオード４.1〜
４.6が並列接続されている。これ等のフライホィールダ
イオードは整流チョークコイル２.1，２.3と２.3の電流
をそれぞれ付属するスイッチング・トランジスタ３.1〜
３.6がオフに切り換わった後に中間回路の正しい極性を
配慮して流す。６つのスイッチング・トランジスタ３.1
〜３.6と６つのフライホィールダイオード４.1〜４.6の
出力信号は中間回路のコンデンサ６を介して接続されて
いる。このコンデンサは中間回路の直流電圧ＵZK,istを
平滑するために使用される。コンデンサ６としては、主
に容量のできる限り大きい電解コンデンサが利用され
る。
【００２２】中間回路中でこのように発生した直流電圧
は、次いでインバータ中で、主に電動モータに必要な制
御信号に変換される。このため、インバータには６つの
電力トランジスタ７.1〜７.6がある。これ等の電力トラ
ンジスタは、特に電動モータである負荷８に必要な電流
と電圧を三相で供給する。負荷８の所望の動作パラメー
タに応じて電力トランジスタ７.1〜７.6に必要な制御信
号を決める制御装置５により電力トランジスタ７.1〜
７.6が制御される。この場合、電力トランジスタ７.1〜
７.6は、好ましくはＩＧＢＴ，ＭＣＴあるいはダーリン
トン回路で実現される。
【００２３】電源回路網１は、図４で相Ｌ1 に対して例
示的に示すように、実効値が 400Ｖの正弦波電圧を示
す。この電圧は± 10 ％の最大の電圧の偏位を越えるこ
とはないため、最大で実効値が 440Ｖの正弦波電圧が生
じる。中間回路の直流電圧ＵZK ,istを前記実効電圧の 6
22Ｖ（622 Ｖ＝ 400Ｖ＊1.1 ＊√2)である電源電圧の最
大許容整流ピーク値ＵN 以上にトランジスタ３.1〜３.6
で調整されるなら、 440Ｖの実効値を越えない限り問題
は生じない。
【００２４】しかし、電源回路網１に 440Ｖ以上の過電
圧が生じれば、電源回路網１から供給されるピーク電圧
が中間回路の直流電圧より高いので、周波数変換器のフ
ライホィール・ダイオード４.1〜４.6により正弦波電圧
の負と正の電圧ピークが中間回路へ通され、フライホィ
ール・ダイオード４.1〜４.6の通し接続を与える。これ
は再び中間回路の直流電圧ＵZK,istを高める結果とな
る。しかし、同時に制御ユニット５は中間回路の直流電
圧ＵZK,istを 622Ｖに一定に維持するように試み、今上
昇した直流電圧をピーク電圧のない電源回路網１の他の
相に再び流すようにトランジスタ３.1〜３.6を制御す
る。
【００２５】これにより、ピーク電圧が再び電源回路網
１に戻され、この場合、許容できない大電流が生じる。
何故なら、フライホィール・ダイオード４.1〜４.6の少
なくとも一つおよびトランジスタ３.1〜３.6の一つを介
して、電源回路網１の第一の相が第二の相に中間に接続
する負荷なしに接続されるからである。この許容できな
い大電流は少なくとも周波数変換器を著しく昇温させる
ことなる。付加的な保護処置をこうじないなら、極端な
場合、火災の恐れが生じるか、半導体の破損により周波
数変換器の故障が生じる。
【００２６】これを避けるため、この発明によれば、中
間回路の直流電圧ＵZK,istを電源回路網１から供給され
る電源電圧、あるいはその整流ピーク値ＵN に合わせて
いる。図１は、中間回路の直流電圧ＵZK,istを電源電圧
に合わせるため、中間回路の直流電圧ＵZK,istが電源電
圧の整流値ＵN より必ず大きくする可能な制御装置を示
す。これにより、過度な電源電圧のためにフライホィー
ル・ダイオード４.1〜４.6が導通し、許容できない大電
流が生じることが防止されている。図１の制御装置に
は、電源回路網１から供給される３つの相Ｌ1,Ｌ2 とＬ
3 の電源電圧を整流する整流器１０がある。整流された
電源電圧ＵN のピーク値は加算器１８中で基準電圧発生
器１４により生じる中間回路の直流電圧の負の目標値−
ＵZK,SOLLに加算される。この加算値は演算増幅器１２
の反転入力端に導入される。演算増幅器１２の出力信号
はダイオード１３に供給される。このダイオードは演算
増幅器１２が負の出力信号の時にのみこの出力信号を他
に導くが、それ以外では遮断する。ダイオード１３の出
力信号は、基準電圧発生器１４で発生した中間回路の直
流電圧の負の目標値−ＵZK,SOLL と実際にある中間回路
の直流電圧ＵZK,istとに加算器１５の中で加算される。
このようにして発生した加算信号は他の演算増幅器１６
の反転入力端に導入される。この増幅器の出力信号は中
間回路の直流電圧ＵZK,istを調整するためトランジスタ
３.1〜３.6を制御する制御ユニット５に導入される。帰
還回路部品１７.1と１７.2は演算増幅器１２と１６の動
作範囲を調整し、その安定性を重要な動作範囲内に確保
するためにのみ必要である。
【００２７】電源回路網１からこの発明による周波数変
換器に過電圧が導入されると、それに応じて整流された
電源電圧ＵN のピーク値が上昇するので、演算増幅器１
２の反転入力端に入力した信号は正となり、演算増幅器
の出力信号は負となる。演算増幅器１２の出力信号が負
の時にはダイオード１３は非導通となるので、ダイオー
ド１３.1が導通となり、加算器１５から演算増幅器１６
の反転入力端に出力される信号は負となる。これにより
演算増幅器１６から出力する信号が上昇する。制御ユニ
ット５は、電源回路網１の電源電圧が上昇し、実際の中
間回路の直流電圧ＵZK,istを高める必要があることを認
識し、それに応じてトランジスタ３.1〜３.6を制御す
る。その場合、演算増幅器１６の出力信号の変化は、３
つの相Ｌ1,Ｌ2 とＬ3 の電源電圧の変化に比例する。
【００２８】代わりの実施態様では、中間回路の直流電
圧を段階的にも可変できる。整流された電源電圧ＵN の
ピーク値が中間回路の電圧ＵZK,istに等しいと、中間回
路の電圧ＵZK,istを一定値だけ高める。しかし、整流さ
れた電源電圧ＵN のピーク値が中間回路の直流電圧Ｕ
ZK,ist以下の最小値であるなら、この中間回路の直流電
圧ＵZK,istを一定値だけ下げる。しかし、この場合、中
間回路の電圧ＵZK,istが下に越えてはならない下限値
と、中間回路の電圧ＵZK,istが上に越えてはならない上
限値が予め設定されている。
【００２９】この代わりに、図５に示すように、この発
明による回路装置を実現する特別に簡単な配置も可能で
ある。図３の回路装置の場合のように、電源回路網の導
線Ｌ1,Ｌ2 とＬ3 には整流器１０が接続している。この
整流器１０は電源回路網の三相の交番電圧から整流され
た電圧を発生する。整流された電圧ＵN の振幅は電源回
路網の導線Ｌ1,Ｌ2 とＬ3 に関して相互接続された電圧
のピーク値に等しい。この整流電圧は反転増幅器である
増幅率−１の演算増幅器２１の反転入力端に導入され
る。演算増幅器の出力信号はダイオード１３に導入され
る。このダイオード１３は導線Ｌ1,Ｌ2 とＬ3 の電源電
圧が許容できないほど大きな電流を周波数変換器に与え
ない限り非導通となり、電源回路網に過電圧が生じると
直ちに導通する。それ故、電源回路網に過電圧が生じる
と、ダイオード１３の出力信号により基準電圧発生器１
４から加算器１５に導入される信号が必ず影響を受け
る。このため、抵抗１９により基準電圧発生器１４の出
力信号が減少する。電源回路網に過電圧がないなら、基
準電圧発生器１４から中間回路の電圧の負の目標値−Ｕ
ZK,SOLL が加算器１５の中で中間回路の電圧の実際値Ｕ
ZK,istに加算され、中間回路電圧用の制御器１６に導入
される制御偏差が求まる。
【００３０】図２にはこの発明による周波数変換器全体
が示してある。今まで使用している伝統的な周波数変換
器が再利用され、図１のこの発明による制御器だけ増強
しただけであることが明確に分かる。この制御器はアナ
ログ回路としてもデジタル回路としても構成できる。何
故なら、この制御器は周波数変換器とは異なり負荷８の
大電流を扱う必要がないからである。特に、デジタル構
成の場合には、制御器を少なくとも部分的に制御ユニッ
ト５の中に組み込むことができる。この発明による周波
数変換器は、殆ど任意の過電圧を接続されている負荷８
の駆動電圧や駆動電流に問題なく変換できることを可能
にする。こうして、ただ僅かに異なる電源電圧を使用す
る異なった国の電源回路網１に対して異なった周波数変
換器の作製は最早必要ではない。その結果、電源回路網
の過電圧に対する敏感であることが無くなるだけでな
く、周波数変換器の製造と保管も著しく簡単になる。こ
の重要な利点は図１の小さくて付加的な回路で非常に低
コストに達成される。
【００３１】
【発明の効果】以上、説明したように、この発明による
方法の利点は、中間回路の直流電圧が整流された電源電
圧の値より必ず高いので許容できない大電流が流れない
ように、中間回路の直流電圧は電源電圧に応じて制御さ
れる点にある。これにより、異なった電源供給回路網の
異なった電源電圧に対して同じ周波数変換器を使用でき
る。何故なら、中間回路の直流電圧を自動的に電源電圧
に合わせているからである。これにより製造と保管の経
費も低下する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 中間回路の直流電圧に対する制御器の可能な
回路構成、
【図２】 この発明による周波数変換器の可能な回路構
成、
【図３】 従来の技術による周波数変換器の回路構成、
【図４】 電源回路網から利用される電源電圧の可能は
電圧波形図、
【図５】 中間回路の電圧に対する制御器の代わりの実
施態様の回路構成である。
【符号の説明】
１ 電源回路網 ２.1〜２.3 整流チョークコイル ３.1〜３.6 スイッチング・トランジスタ ４.1〜４.6 フリーホィール・ダイオード ５ 制御装置 ６ コンデンサ ７.1〜７.6 電力トランジスタ ８ 負荷（モータ） １０ 整流器 １２，１６ 演算増幅器 １３，１３.1 ダイオード １４ 基準信号発生器 １５，１８ 加算器 １７.1，１７.2 帰還部品 １９ 抵抗 Ｌ1 〜Ｌ3 相（相導線） ＵZK,SOLL 中間回路の直流電圧の目標値 ＵZK,ist 中間回路の直流電圧の実際値 ＵN 整流された電源電圧
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ノルベルト・フーバー ドイツ連邦共和国、83317タイゼンドルフ、 マルクトストラーセ、４ (72)発明者 フランツ・リッツ ドイツ連邦共和国、83236イーバーゼー、 ハイスアンガー、14

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 周波数変換器の中間回路の直流電圧を電
    源電圧に合わせる方法において、中間回路の直流電圧
    （ＵZK,ist）が電源電圧の整流されたピーク値（ＵN ）
    より大きいか、あるいは少なくとも等しいように可変さ
    れることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 整流器（１０）の中で電源回路網（１）
    の電源電圧を整流し、電源電圧の整流したピーク値（Ｕ
    N ）を中間回路の直流電圧の目標値（ＵZK,s oll ）と比
    較し、電源電圧の整流したピーク値（ＵN ）が中間回路
    の直流電圧の目標値（ＵZK,soll ）より大きい時、中間
    回路の直流電圧（ＵZK,ist）を高めることを特徴とする
    請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 更に、中間回路の実際の直流電圧（Ｕ
    ZK,ist）を中間回路の直流電圧の目標値（ＵZK,soll ）
    と比較し、偏差がある時、それに合わせて中間回路の実
    際の直流電圧（ＵZK,ist）を可変し、これにより目標値
    に合わせて制御された中間回路の直流電圧
    （ＵZK,soll ）が生じることを特徴とする請求項１また
    は２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 周波数変換器の中間回路の直流電圧を電
    源電圧に合わせる回路装置において、電源回路網（１）
    から得られる電源電圧を整流器（１０）に導入し、整流
    器の出力信号（ＵN ）を基準電圧発生器（１４）の出力
    信号と結合させ、そのようにして生じた信号を演算増幅
    器（１２）に導入し、演算増幅器（１２）の出力信号を
    ダイオード（１３）に導入し、ダイオードの出力信号を
    加算器（１５）で少なくとも基準電圧発生器（１４）の
    出力信号と結合させ、これにより生じる信号を演算増幅
    器（１６）に導入し、このようにして発生した信号を半
    導体スイッチ（３.1，....，３.6）の制御ユニット
    （５）に導入することを特徴とする回路装置。
  5. 【請求項５】 周波数変換器の中間回路の直流電圧を電
    源電圧に合わせる回路装置において、電源回路網（１）
    から得られる電源電圧を整流器（１０）に導入し、整流
    器の出力信号（ＵN ）を反転増幅器（２１）に導入し、
    そのようにして発生した出力信号をダイオード（１３）
    に導入し、ダイオードの出力信号を基準電圧発生器（１
    ４）の出力信号と重ね合わせ、中間回路の電圧の負の目
    標値（−ＵZK,Soll ）であるこの重畳信号を加算器（１
    ５）の中で中間回路の電圧の実際値（ＵZK,ist）と結合
    させ、このようにして発生した制御信号を中間回路の電
    圧に対する制御ユニット（５）に導入することを特徴と
    する回路装置。
  6. 【請求項６】 加算器（１５）には更に中間回路の電圧
    の実際値（ＵZK,ist）が結合のために導入されることを
    特徴とする請求項４に記載の回路装置。
  7. 【請求項７】 回路装置は集積状態で作製されているこ
    とを特徴とする請求項４または５に記載の回路装置。
  8. 【請求項８】 回路装置はトランジスタ（３.1，....，
    ３.6）を制御する制御ユイット（５）の中に組み込んで
    あることを特徴とする請求項４〜６の何れか１項に記載
    の回路装置。
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