JP2005065453A - 周波数変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 軽負荷条件でも電流断続することなく安定に運転可能な周波数変換装置を提供する。
【解決手段】 順変換部１−１、直流リアクトル２−１、逆変換部３−１からなる第１の変換装置と、順変換部１−２、直流リアクトル２−２、逆変換部３−２とからなる第２の変換装置の出力側を、負荷４のコンデンサ４ｂの接続点近傍で並列接続して、誘導加熱用の周波数変換装置を構成する。周波数変換装置の出力電流が所定値を越えるまでは２台の変換装置のうち１台のみ運転し、他の１台は、逆変換部をバイパスペア状態として待機させる。出力電流が所定値を越えると２台とも並列運転させる。これにより、軽負荷条件でも電流断続することなく安定に運転することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、主に誘導加熱等に使用される大容量の周波数変換装置に関する。

この種の装置として並列接続のない周波数変換装置は、例えば特許文献１に記載されている。この構成を図３に示す。図３において、１は商用周波の交流を直流に変換する順変換部であり、通常はサイリスタによる６相整流ブリッジ構成（３相全波整流回路）となっている。２は直流電流を平滑するための直流リアクトル、３は順変換部１により変換され直流リアクトル２により平滑された直流を所要の周波数の交流に変換する逆変換部であり、通常３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄとして示すサイリスタによる単相ブリツジ構成とされている。４は誘導加熱に代表される、並列共振回路を形成するとともに抵抗値が変化する負荷であり、コイル４ａ及び力率改善用のコンデンサ４ｂにより構成される。５は当周波数変換装置の起動時に負荷４に振動電圧を発生させるための起動回路であり、起動用のサイリスタ５ａ、起動用のコンデンサ５ｂ、及びコンデンサ５ｂの起動前に充電しておくための電源変圧器５ｃ、整流回路５ｄ、制御用の抵抗５ｅ、スイッチ５ｆにより構成されている。

図４は、図３に示す装置の定常運転時の各部動作波形を示す。図中、（ａ）は負荷４の両端の電圧ＶＬ、（ｂ）は逆変換部３の交流電流即ち負荷４へ供給される電流Iｏ（±Ｉｄ）、（ｃ）及び（ｄ）は各サイリスタ３ａ及び３ｂの両端の電圧Ｖ３ａ，Ｖ３ｂを示す。

次に動作について説明する。順変換部１により得られた直流は、直流リアクトル２により平滑された後、逆変換部３に供給される。逆変換部３は、サイリスタ・ブリッジの対角の組、即ちサイリスタ３ａ，３ｄの組と、サイリスタ３ｂ，３ｃの組とを交互に導通させて負荷４に電流Iｏを供給する。従って、負荷４の両端には、コイル４ａ、コンデンサ４ｂ及び逆変換部３より供給される電流Iｏの周波数で決まる負荷インピーダンスと電流Iｏの大きさとの積で決まる電圧ＶＬが発生する。

ここで、逆変換部３がスイツチング動作即ち転流動作を遂行するための条件としてサイリスタ３ａ〜３ｄが導通後、オフになる際にある一定期間ｔδ以上で逆電圧を各サイリスタ３ａ〜３ｄの両端に印加することが必要である。つまり、図４（ｃ）における一定期間ｔδがサイリスタ３ａ〜３ｄのターン・オフ時間Ｔｑに対しｔδ≧Ｔｑなる条件を満足しなければならない。非導通時、サイリスタ３ａ〜３ｄには負荷４の電圧が印加されるので、転流エネルギーは負荷４より与えられることになる。従って、図４（ａ），（ｂ）の位相関係から明らかなように、当該周波数変換装置は進み位相で運転される。

前記は定常動作時の説明であるが、一方、負荷４に電圧の発生していない起動時においては、定常動作時と同様に逆変換部３のサイリスタ３ａ〜３ｄを交互に導通制御したくとも、負荷４に電圧がほとんど発生しないために、転流不能即ち起動失敗に至る場合が多い。なぜなら、電流を平滑にする直流リアクトル２のインダクタンスは、電流を平滑にするという機能が大であり、逆変換部３のサイリスタ３ａ〜３ｄを点弧しても、逆変換部３の動作周波数（負荷４の並列共振周波数）による時間では電流が立上らない。従って、負荷４の両端には電圧が発生せず、転流動作は不能となる。

従って、従来の周波数変換装置においては、図３に示すような起動回路５を有するのが通常である。

更に起動時の動作を説明する。起動信号により、起動時にスイッチ５ｆを投入しコンデンサ５ｂを充電する。充電が完了するとスイッチ５ｆを開路する。次に直流リアクトル２の電流を立上らせておくために、逆変換部３を構成する直列の２個の例えばサイリスタ３ａ，３ｂを同時に導通させ、逆変換部３の直流部を短絡させる。この逆変換部３を構成する直列の２個のサイリスタを同時通電する動作はバイパスペアと呼ばれる。このときの電流は、順変換部１の位相制御部により所要の値に制限される。

この電流が十分に立上った時点にて起動用のコンデンサ５ｂに予め充電されていたエネルギーを、サイリスタ５ａを点弧することによって負荷４へ供給すると、負荷４の両端に振動電圧が発生する。図３に示す矢印の向きにて、負荷４の下側が正極性となって発生した電圧が、その極性を反転する前にサイリスタ３ｄを点弧すると、直流短絡電流を導通していたサイリスタ３ａ及び３ｂのうち、サイリスタ３ｂの電流は、サイリスタ３ｄへ転流される。即ち、電流が負荷４を経由して流れ、負荷４は励振され、電圧ＶＬを発生させる。以後は、逆変換部３のサイリスタ３ａ〜３ｄの組を交互に導通制御することによって図４に示すような動作の定常状態へ移行することができる。そのタイミングチャートを図５に示す。
特公昭６１−２３７５６号公報（第１−２頁、図１）

大容量の誘導加熱用周波数変換装置の場合、負荷の抵抗分の変動範囲は広く定格の１０倍以上になる場合があり、また出力電圧の可変幅も３０〜１００％と幅広い運転範囲が要求されることがある。従って、たとえば軽負荷条件として負荷が定格の１０倍抵抗で、出力電圧が３０％で運転しようとした場合、周波数変換装置の出力電流は３％となる。

通常、サイリスタを使用した周波数変換装置の合理的な最低運転電流は５〜１０％程度である。

従って、上記の軽負荷運転条件はこの範囲を超えており安定に運転することができず、周波数変換装置の出力電流が断続する恐れがある。数ＭＷ級の大容量の周波数変換装置においては逆変換部３のアームはサイリスタを複数個直列或いは並列にて構成するが、電流断続が生じるとサイリスタ間の分担がくずれサイリスタを破損させる可能性がある。また、電流断続を防ぐためには直流リアクトル２のインダクタンスを大きくする方法があるが、この場合は直流リアクトル２の損失が増加してしまうという欠点があった。

この発明は、前記のような従来のものの欠点を除去するために為されたもので、軽負荷条件でも電流断続することなく安定に運転可能な周波数変換装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る周波数変換装置は、交流電力を直流電力に変換する順変換部と、ブリッジ接続されたスイッチング素子からなり、直流リアクトルを介して供給される直流電力を高周波の交流電力に変換する逆変換部とを備えた変換装置を複数台並列接続し、共振回路を形成するとともに抵抗値が変化する負荷に出力電流を供給する周波数変換装置において、出力電流が所定値を越える毎に変換装置の運転台数を増加させることを特徴とする。

本発明によれば、負荷に流れる電流値に応じて変換装置の運転台数を調整することにより、軽負荷条件でも電流断続することなく安定に運転することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の図において、従来例を示す図を含めて、同符号は同一部分または対応部分を示す。

図１は、本発明の一実施形態に係る周波数変換装置の構成を示す回路図である。図１において、１〜４は図３の従来装置と同様のものであり、順に１−１及び１−２は順変換部、２−１及び２−２は直流リアクトル、３−１及び３−２は逆変換部であり、また４は負荷を示す。さらに５は起動回路である。逆変換部３−１及び逆変換部３−２は、それらの出力側が、負荷４のコンデンサ４ｂの接続点近傍で並列接続されている。

すなわち、この実施形態においては、２台の変換装置、すなわち順変換部１−１と、これに直流リアクトル２−１を介して接続された逆変換部３−１とからなる第１の変換装置、及び順変換部１−２と、これに直流リアクトル２−２を介して接続された逆変換部３−２とからなる第２の変換装置が設けられ、これら２台の変換装置の出力側が、負荷４のコンデンサ４ｂの接続点近傍で並列接続されて構成されている。

次に動作について説明する。図２は本発明における各部の動作を示すタイムチャートである。

図示されていない制御装置からの起動信号により、起動時にスイッチ５ｆを投入しコンデンサ５ｂを充電する。充電が完了するとスイッチ５ｆを開路する。次に時刻Ｔ１で直流リアクトル２−１の電流を立上らせておくために、逆変換部３−１を構成する直列の２個の例えばサイリスタ３ａ，３ｂを同時に導通させ、逆変換部３−１の直流部を短絡させバイパスペアとする。同様に逆変換器部３−２もバイパスペアとする。このときの電流は、各々順変換部１−１及び１−２の位相制御部により所要の値に制限される。この電流が十分に立上った時刻Ｔ２にて起動用のコンデンサ５ｂに予め充電されていたエネルギーを、サイリスタ５ａを点弧することによって負荷４へ供給すると、負荷４の両端に振動電圧が発生する。

負荷４の下側が正極性となって発生した電圧が、逆変換器部３−１のその極性を反転する前にサイリスタ３ｄを点弧すると、直流短絡電流を導通していたサイリスタ３ａ及び３ｂのうち、サイリスタ３ｂの電流は、サイリスタ３ｄへ転流される。即ち、電流が負荷４を経由して流れ、負荷４は励振され、電圧ＶＬを発生させる。以後は、逆変換部３―１のサイリスタ３ａ〜３ｄの組を交互に導通制御することによって定常状態へ移行することができる。ただし、このとき逆変換部３−２を構成するサイリスタには点弧信号を与えないことにより、逆変換部３−２はバイパスペア状態を維持する。

時刻Ｔ２から時刻Ｔ３にかけては図示されない制御装置の指令により、順変換部１−１及び逆変換部３−１の出力を上昇し、負荷の電圧が増加する。また出力電圧が所定の値に達した後、時刻Ｔ４で被加熱材がコイル内に徐々に入れられ、負荷抵抗が下がり始める。これにより時刻Ｔ５で順変換部１−１の出力電流が所定値以上（例えば、周波数変換装置の合理的な最低運転電流（即ち５〜１０％）の２倍（即ち１０〜２０％）程度以上）になると、逆変換器３−２を構成するサイリスタ３ａ〜３ｄに所定の点弧信号を与えることにより逆変換器３−２もバイパスペア運転から通常の運転に移行する。この様にして時刻Ｔ５以降は２台の逆変換器部３−１及び３−２が並列運転で負荷４に電力を供給することになる。

時刻Ｔ６で負荷抵抗が安定になり、時刻Ｔ７で被加熱材がコイルから抜け始めると負荷抵抗は上昇し始め、これに伴い負荷抵抗電流及び順変換器出力電流も減少し始める。負荷抵抗電流の値が所定値以下になる時刻Ｔ８で逆変換部３−２を構成する直列の２個の例えばサイリスタ３ａ，３ｂを同時に導通させ、逆変換部３−２を短絡させ再びバイパスペアとする。これにより時刻Ｔ８以降には負荷４には逆変換部３−１の出力のみが供給される。時刻Ｔ９で被加熱材がコイルから抜け切った状態となり、その後時刻Ｔ１０で出力電圧を下げ始め、時刻Ｔ１１で周波数変換装置の運転を停止させる。

ここで、時刻Ｔ４以前及び時刻Ｔ９以降は負荷の抵抗値は高い状態であるために、負荷４に流れる電流は小さい。すなわち逆変換部の出力電流は小さいので電流断続しやすい条件である。しかし図２に示すタイミングチャートのように出力電流の小さい時刻Ｔ２〜Ｔ５及び時刻Ｔ８からＴ１１までの期間は、逆変換部を並列運転ではなく逆変換部３−１のみの１台運転とすることにより、逆変換部３−１と逆変換部３−２の並列運転を行う場合に比較し、逆変換部３−１の出力電流を増加することができるため電流断続を防止できる。

また、逆変換装置部３−２を時刻Ｔ５にてインバータ運転開始しているが、逆変換部３−２は時刻Ｔ１にてバイパスペア状態になっており、時刻Ｔ５においては直流リアクトル２−２にはすでに電流が流れている。従って、時刻Ｔ５において電流を０から立ち上げる必要がないため、電流断続することがない。

逆変換部３−１及び逆変換部３−２は負荷４のコンデンサ４ｂの接続点近傍で並列接続されている。すなわち、複数台の変換装置の逆変換部の並列接続点と負荷４のコンデンサ４ｂとの間に配線インダクタンスのない状態とするため逆変換部の並列接続点を負荷４のコンデンサ４ｂの接続点近傍とする。このような構成とすれば、負荷４は大きな力率改善用コンデンサ４ｂが接続されているため、基本的には逆変換部３−１或いは逆変換部３−２の転流時の飛躍電圧の重畳はない。従って、２つの逆変換部３−１及び逆変換部３−２の転流時の飛躍電圧重畳の相互干渉を防ぐことができる。

さらに、逆変換部３−２をバイパスペア運転から通常のインバータ運転に移行させる時刻Ｔ５においては、負荷４に電圧が発生しているため起動回路５により電圧を発生する必要はない。従って、逆変換部が３−１と逆変換部３−２の２回路あっても起動回路５は１台で良い。

なお、上述の説明では、順変換部と、これに直流リアクトルを介して接続された逆変換部とからなる変換装置を２台設け、これらの出力側を、負荷のコンデンサの接続点近傍で並列接続したが、変換装置の台数は２台に限らず、３台以上としてもよい。この場合も、負荷に供給される出力電流が所定値を越える毎に変換装置の運転台数を増加させ、出力電流が減少して所定値以下となる毎に変換装置の運転台数を減少させればよい。例えば、３台の場合、負荷に供給される出力電流が所定値以上（例えば、周波数変換装置の合理的な最低運転電流（即ち５〜１０％）の２倍（即ち１０〜２０％）程度以上）になったとき、運転台数を１台から２台に変更し、さらに負荷に供給される出力電流が所定値以上（例えば、周波数変換装置の合理的な最低運転電流の３倍（即ち１５〜３０％）程度以上）になったとき、運転台数を２台から３台に変更することとすればよい。なお、この場合も、待機中の変換装置の逆変換部はバイパスペア状態とする。

また、運転台数を変更するための、負荷に供給される出力電流の検出方法としては、負荷に供給される出力電流を直接検出してもよいし、各変換装置の順変換部の出力側の直流電流または各変換装置の順変換部の入力側の交流電流を検出し、これらの検出結果を用いて検出することもできる。

本発明によれば、抵抗値の高い負荷においても電流断続することなく運転可能で起動回路の台数も少ない周波数変換装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る周波数変換装置の構成を示す回路図。 本発明の一実施形態の動作を説明するためのタイミングチャート。 従来の周波数変換装置の構成を示す回路図。 第３図に示す装置の定常状態における各部の波形図。 従来の周波数変換装置の動作を説明するためのタイミングチャート。

符号の説明

１、１−１、１−２…順変換部
２、２−１、２−２…直流リアクトル
３、３−１、３−２…逆変換部
３ａ〜３ｄ…サイリスタ
４…負荷
４ａ…コイル
４ｂ…コンデンサ
５…起動回路
５ａ…サイリスタ
５ｂ…コンデンサ
５ｃ…変圧器
５ｄ…整流回路
５ｅ…抵抗
５ｆ…スイッチ

Claims (4)

1. 交流電力を直流電力に変換する順変換部と、ブリッジ接続されたスイッチング素子からなり、直流リアクトルを介して供給される直流電力を高周波の交流電力に変換する逆変換部とを備えた変換装置を複数台並列接続し、共振回路を形成するとともに抵抗値が変化する負荷に出力電流を供給する周波数変換装置において、出力電流が所定値を越える毎に前記変換装置の運転台数を増加させることを特徴とする周波数変換装置。
2. 前記変換装置のうちの待機中の変換装置の逆変換部はバイパスペア状態にすることを特徴とする請求項１に記載の周波数変換装置。
3. 前記変換装置の逆変換部の並列接続点は、負荷のコンデンサの接続点近傍とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の周波数変換装置。
4. コンデンサとスイッチとを備えた起動回路は1台とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の周波数変換装置。
   
   

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