JP2005020847A

JP2005020847A - インバーター装置

Info

Publication number: JP2005020847A
Application number: JP2003180440A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Ogiue; 博人荻上; Moriyuki Arai; 盛幸荒井
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】従来、インバーターのスイッチ部分の制御はハードウエアで機種ごとに固定的であった。この汎用性がない為の不都合をなくすインバーター装置を実現する。
【解決手段】インバーター装置のスイッチの開閉制御をマイコン等のプロセサー上で走るプログラムによって制御することによりプログラムを複数個持つだけで同一のハードウエアを用いて異なる仕様に対応できる汎用性の高い交流電源装置を実現する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直流電力をソースとし、複数のスイッチを交互に開閉する事により交流電力を負荷に供給するインバーターに関し、広い要求性能範囲を必要とする各種の適用機器に電力を供給出来る準汎用交流電源を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、各種の適用機器、に応じた要求仕様ごとにインバーターを固別にハードウエアで構成し、使い分け、個別製造で対応していた。つまり、少数の大規模ディジタルＩＣ、多数の中規模のディジタル及びアナログＩＣと個別半導体、並びに受動素子の組合せで単一の、入力要求仕様、出力要求仕様に基づいて一つの装置が作られていた。以下図３並びに図４に従って従来のインバーター装置について説明する。動作はパルス幅変調方式を用いている。図４はインバーターの原理を説明する図であるので従来技術による構築では、動作は図４の波形に従って説明される。交流電源１から入力される交流は整流器２にて直流に変換される。
【０００３】
Ｓｕ４−１１の値が三角波４−２の値より大なるときはＥｕｎ４−３をハイ、小なるときはローを比較器１５から出力し、同様に（Ｓｖ４−１２）＞（三角波４−２）のときはＥｖｎ４−４をハイ、（Ｓｖ４−１２）＜（三角波４−２）のときはＥｖｎ４−４をローを比較器１６から出力し、（Ｓｗ４−１３）＞（三角波４−２）のときはＥｗｎ４−５ハイ、（Ｓｗ４−１３）＜（三角波４−２）のときはＥｗｎ４−５ローを比較器１７から出力する。図４におけるＥｕｎ４−３のハイ期間はスイッチ３１をオン、スイッチ３４をオフ、ロー期間はスイッチ３１をオフ、スイッチ３４をオンとし、同様にＥｖｎ４−４がハイ期間はスイッチ３２をオン、スイッチ３５をオフ、ロー期間はスイッチ３２をオフ、スイッチ３５をオンとし、Ｅｗｎ４−５がハイ期間はスイッチ３３をオン、スイッチ３６をオフ、また、ロー期間はスイッチ３３をオフ、スイッチ３６をオンとなし、このタイミングでスイッチを順時オン・オフさせることによって図４のＳｕ４−１１、Ｓｖ４−１２、Ｓｗ４−１３に即した交流電圧が、Ｕ、Ｖ、Ｗの各点間の電位差はＥｕｖ４−６、Ｅｖｗ４−７、Ｅｗｕ４−８となり、つまり図４のそれぞれ４−６、４−７、４−８に示される三相の交流が発生され負荷５に供給される。以上の説明は典型的なパルス幅変調方式のインバーターについてのものである。従来は特にＳｕ４−１１、Ｓｖ４−１２、Ｓｗ４−１３の電圧波形は交流信号発生器１３にて発生され、また、三角波は三角波発生器１４にて発生され、比較器１５、１６、１７に供給される。比較器の出力はゲートドライバ４１１〜４３２で変換されてスイッチ３１〜３６にもたらされる。これによってスイッチ３１−３６はオン／オフを繰り返し、図４におけるＥｕｖ４−６、Ｅｖｗ４−７、Ｅｗｕ４−８の電圧がそれぞれ図３のＵ点Ｖ点Ｗ点にて出力として実現される。
【０００４】
出力交流の電流値、電圧値は電流検出器８１〜８３及び電圧検出器８にて検知され、Ｕ、Ｖ、Ｗ相比較器１５、１６、１７に送られ、電流異常、電圧異常、不足、に従ってスイッチオン時間、オフ時間の微調整が行なわれていた。この様に、単一又は数種類の応用だけ可能な構築法しか実現されていなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
要求仕様が少しでも変われば、それに対応すべく部品の変更、回路の変更が必要であった。応用毎に一つのインバーターを作り出す事は開発のリソースと資源の乱用に繋がる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
インバーターという技術において、複雑なスイッチ制御をソフトウエアプログラムで柔軟に対応し、ソフトウエアーと最小規模の固定されたハードウエアーの組合せで、各種の要求仕様に一つの構成で対応出来るインバーター交流電源を提供する事を目的とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例の動作をパルス幅変調方式を採用して図１にそって説明する。交流電源１から入力される交流は整流器２にて直流に変換される。整流技術は一般的な技術で、三相交流の各相にブリッジに接続されるダイオードと各相と接地間に並列に挿入される平滑コンデンサーとからなるが、入力交流への回生動作については、整流と逆の向きにダイオードをブリッジ接続するだけで実現でき、また、インバーターの基本的な動作には影響を与えないので整流器及び、回生用ダイオードの詳細な説明はここでは省略する。又、図３におけるトランジスタはオン／オフのスイッチ動作で使用するために、ここではスイッチとみなして差し支えない。図４におけるＥｕｎ４−３のハイ期間はスイッチ３１をオン、スイッチ３４をオフ、ロー期間はスイッチ３１をオフ、スイッチ３４をオンとし、同様にＥｖｎ４−４がハイ期間はスイッチ３２をオン、スイッチ３５をオフ、ロー期間はスイッチ３２をオフ、スイッチ３５をオンとなし、Ｅｗｎ４−５がハイ期間はスイッチ３３をオン、スイッチ３６をオフ、またロー期間はスイッチ３３をオフ、スイッチ３６をオンとなし、このタイミングでスイッチを順時オン・オフさせることによって、Ｓｕ４−１１、Ｓｖ４−１２、Ｓｗ、４−１３に即した交流電圧、つまりＵ、Ｖ、Ｗの各点間の電位差は図４におけるＥｕｖ４−６、Ｅｖｗ４−７、Ｅｗｕ４−８となりそれぞれの波形に示される三相の交流が発生され負荷５に供給される。また、転流ダイオード６１〜６６は誘導性負荷の場合の無効電流を流すためで、ここでの制御を中心とする説明にはかかわらないので説明を省略する。
【０００８】
次に、スイッチのオン／オフを指示する信号の発生であるが従来例とは異なり、Ｓｕ４−１１、Ｓｖ４−１２、Ｓｗ４−１３並びに三角波信号４−２をマイコン７上で走るプログラムで発生させ、Ｓｕ４−１１の値が三角波４−２の値より大なるときはＥｕｎ４−３をハイ、小なるときはローを出力し、同様に（Ｓｖ４−１２）＞（三角波４−２）のときはＥｖｎ４−４をハイ、（Ｓｖ４−１２）＜（三角波４−２）のときはＥｖｎ４−４をロー、（Ｓｗ４−１３＞三角波４−２）のときはＥｗｎ４−５をハイ、（Ｓｗ４−１３）＜（三角波４−２）のときはＥｗｎ４−５をローに出力させる。これらの出力をゲートドライバー４１１〜４３２によってスイッチのオン／オフ可能なレベルに変換してスイッチに供給する。また、このマイコン内での動作は、実際にリアルタイムに計算してもよく、また、予め計算した結果を保持しておいて動作時に順次読み出してスイッチの制御をしても構わないが、基本的には第４図のＳｕ４−１１、Ｓｖ〜４−１２、Ｓｗ４−１３と三角波４−２との比較結果から理論的には創出される。操作パネル１２にて出力周波数の指定が行えて、その値は変化があるたびにマイコン７に割込みが行われ、プログラムはその値を保持して、最適なＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗ及び三角波が発生される。
【０００９】
操作パネル１２のスタートの指示があった場合は、割込みが発生し、プログラムで運転が開始される。停止の場合も同様に操作パネル１２の指示に従って、割込みがマイコン７に起こり、プログラムがインバーターの運転を停止する。電圧値、電流値のマイコン７へのフィードバックは電流検出器８１〜８３から集線装置８で集められ、入力手段９を通してマイコン７に入力される。入力された電流値並びに電圧検出器８からの電圧値は、予め保持された予想値との比較により、三角波の周波数を上げてオン／オフのタイミングを変更して供給電力の増加／現象の運転をしたり、異常な値と判断された場合は運転を中止するなどの制御を行なう。
【００１０】
図６に沿ってソフトウエアプログラムの説明を行う。６−１はメインルーチンで、割込み処理部６−３からの入力待ちとスイッチ入力のポーリングを行なうスイッチ制御部６―２からの入力待ちと、装置の電源投入時のシステムのイニシャライズまたは運転終了時の処理を行なう。操作パネル等の周波数入力、装置のスタート指示等の入力が有った場合は、フラッグを割込み処理部並びにスイッチ制御部が立てる方式でも、メインルーチンへの割り込みを行なう方式でも良く、ここでは各部が割込みを発生させフラッグを立て、それをメインルーチンが認識し、入力情報に見合って適切に制御する方式を説明する。操作パネルから出力周波数が入力されるとスイッチ制御部はマイコンに割込み、フラッグを立て、指定した場所に周波数値を格納する。メインルーチンでは、フラッグと入力された周波数とから最適なモードを選んで６−４１〜６−４２の最適なモジュールに制御を移す。各運転モードモジュールでは図４に示される波形を、つまり、ハイ出力かロー出力かの情報とその時間を予め保持してあり、タイマーを始動させて、Ｅｕｎ４−３、Ｅｖｎ４−４、Ｅｗｎ４−５をタイミングに沿って出力する。計算によらず予め保持されているデータに従ってオン／オフを出力する場合は、波形データは、ハイ／ローの選択とそれを出力する時間を時系列的に保持されており、ハイを出力したら、タイマーに時間をセットする。割込みによってハイが終了する事を知り、次にハイを出力すべきかローを出力すべきか保持されているデータから判断し、次の出力を行ない、タイマーを再びセットする。タイマーからの割込みが有ったら次の出力に移る。こうして出力されたＥｕｎ、Ｅｖｎ、Ｅｗｎによってインバーターのスイッチがオン／オフされて交流が出力される。運転停止のスイッチが操作パネルで指示されたら、メインルーチンは割込みとフラッグとからそれを知らされて全てのインバータースイッチをドライバーディスエーブル信号線４１によって全てオフとし運転を停止し、メインルーチンに制御を戻して、次の動作に備える。ここでは、インバーターのスイッチのオン／オフの信号を予め保持する方法を説明したが、これはマイコンの性能が上がるに連れ、リアルタイムで計算が可能となり、その計算で三角波４−２とＳｕｖ４−１１、Ｓｖｗ４−１２、Ｓｗｕ４−１３の発生と比較を行ないハイ／ローのパルスの選択と幅である時間を求めてもよく、それによって、半固定でなく、連続的により広い範囲の応用を可能にする。通信回線１１、を通して上部のプロセサから通信によって出力周波数、運転スタート／ストップもリモートでおこなえる。但し、ストップを指定された場合は通信制御部６−４がフラッグを立てて、メインルーチンに割込み、操作パネルからの指示を有効にするか、操作パネルからのオフラインの指示を有効にするか、オンラインの指示を有効にするか優先度が決められていて、どちらか一方の指示に従って運転を行なう。但し、緊急時の場合を考慮して操作パネルの停止スイッチが常時オーバーライド出来る様優先度を上げておく。つまり、オンラインで運転停止の場合は、オンラインの指示が有効であるが、その運転中でも操作パネルからの停止指示は有効とされ、オンラインの指示を待たずして停止を行えることにする。以上の説明はパルス幅変調方式での装置構築の例であるが、等幅パルス方式や他の方式でも可能である。また、図６では２通りの運転モードを示したが、このブロックと並列に、所望の応用の数だけ異なる運転モードの制御部を附加すれば、応用範囲の広いインバーターを実現出来る。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によるインバーター電源装置は一つの装置で、適用範囲が広く、広い範囲の応用機器でも使用出来るといった使い勝手の良い装置を実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】スイッチ数が６個の実施例
【図２】スイッチ数が４個の実施例
【図３】従来技術による典型的な構成例
【図４】従来技術及び本発明での主要部分の電圧波形及び三相交流出力のインバーターの動作を表す電圧波形
【図５】本発明の請求項２、３、の実施例で単相交流出力を想定した実施例。
【図６】本発明になるソフトウエアプログラムの構成例
【符号の説明】
１は入力の交流電源、
２はこれを整流し平滑コンデンサーが並列に挿入してあり、リップルの無い直流を出力する整流器。
３１〜３６はスイッチ手段、
４１１，４１２，４２１，４２２、４３１，４３２はマイコンからの微弱なパルスを入力して大電力用トランジスタをオン／オフ出来るゲート信号を出力するドライバーであり、回路を実際に構築する際には必要だが、本発明の説明には主体的な役割は無い。
４１はドライバーをディスエーブルにするドライバーディスエーブル信号線で同時にスイッチ３１〜３６をオフする時に用いられる。
５は負荷、
５１は三相の内Ｕ相に接続される負荷であり、
５２はＶ相に、
５３はＷ相に接続される負荷である。
６１〜６６は強制転流用のダイオード
７は上記スイッチのオン・オフを指示しインバーターの動作を制御するマイコン等のプロセサから成る。
８１、８２、８３は電流検出器で
８の集線及び電圧検出器を通して、電流値及び電圧値を
９の入力する手段を通してプロセサ７に入力する。
１０はプロセサーからの信号を通信回線の規格に変換する変換器、
１１は通信回線を表す。
１２はプロセサーに接続され出力周波数、運転開始、運転停止などの動作の指示を行う操作パネルを表す。
図４は３１〜３６のトランジスタをオン・オフするタイミングを表すと共にインバーターの動作原理を説明している。
４−１１、１２、１３は出力する交流のそれぞれＵ、Ｖ、Ｗ各相の電圧波形、Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗ、
４−２はオン・オフタイミングを作り出すために交流出力と比較される三角波信号でキャリアとも呼ばれている。
４−３は図２におけるＵ点とＮ点との電圧Ｅｕｎ、
４−４はＶ点とＮ点との間の電圧Ｅｖｎ、
４−５はＷ点とＮ点間の電圧Ｅｗｎを表す。
４−６はＵとＶ間の電圧Ｅｕｖ、
４−７はＶとＷ間の電圧Ｅｖｗ、
４−８はＷとＵ間の電圧Ｅｗｕを表す。Ｅｘｘは全てピーク電圧は＋Ｅｓから‐Ｅｓである。Ｅｓは図１、図２、図３、図５、のＳ点での電位を表す。
図３は従来技術による実施例で、
１３は出力すべき三相交流相似の電圧波形を発生する交流信号発生器で図４のＳｕ、Ｓｖ、Ｓｗ４−１１〜１３を発生する、
１４はＳｘ信号と比較される三角波４−２を発生する三角波発生器を表す。
１５はＳｕ４−１１と三角波４−２を比較しスイッチ３１及びスイッチ３４をオン／オフする信号を発生するＵ相比較器、
１６はＳｖ４−１２と三角波４−２を比較しスイッチ３２及びスイッチ３５をオン／オフする信号を発生するＶ相比較器、
１７はＳｗ４−１３と三角波４−２とを比較しスイッチ３３及びスイッチ３６をオン／オフする信号を発生するＷ相比較器を表す。
図６において、６−１はメインルーチン
６−２は入力制御部
６−３は割込み制御部
６−４は通信制御部
６−４１、及び６−４２は各種モード運転制御部
６−５１から６−５６は割込みと、フラッグの情報の移動を表す。
６−５は操作パネルのスイッチ情報と変化発生を知らせる信号
６−６は割込み線
６−７は通信による情報を表す。

Claims

交流電圧を整流する手段を持ち、二つのスイッチを直列に接続しこれを一つのアームとして梯子状に並列に配列した４個（図２）乃至６個（図１）の複数のスイッチ手段を持ち、前記整流する手段によって整流された直流電圧を入力し、２組乃至３組乃至複数組のアームの中間点から負荷をブリッジ接続し交流電力を供給するようになっているインバーターで、スイッチがオンまたはオフしている時間をパルス幅で規定されているパルス列を発生する手段を持ち、前記第一から第四、または第一から第六の複数のスイッチをソフトウエアプログラムで選択的にオン、オフすることによって、単相または多相交流を発生するインバーター装置。
交流出力の指定周波数を保持する手段を持ち、かつ、マイコンに指定周波数情報を操作パネルから入力出来て、それによりプログラム上の設定が行われ、所望の周波数の交流出力を得られるようにした前記請求項１のインバーター。
前記マイコンは外部との通信手段を持ち、外部のプロセッサーからの指示で制御のモードを変化させることの出来る前記請求項１のインバーター。
操作パネルからの運転停止指示を外部プロセサ−からの指示より優先度を高く持たせて、緊急停止をを要する場合に操作パネルからの指示だけで運転を停止できる前記請求項３のインバーター。