JP2005312144A

JP2005312144A - 負荷転流型インバータ装置

Info

Publication number: JP2005312144A
Application number: JP2004123730A
Authority: JP
Inventors: Hideo Ito; 秀夫伊藤
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】負荷変動があっても、広い制御範囲において出力電圧精度を確保可能で、且つ安定に運転可能な負荷転流型インバータ装置を提供する。
【解決手段】交流を直流に変換する順変換器１と、この順変換器により変換された直流を交流に変換して負荷コイルに給電する逆変換器３と、前記順変換器を制御する制御手段１０と、前記逆変換器の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記逆変換器の出力電流を検出する電流検出手段とで構成し、前記制御手段は、前記電圧検出手段の検出電圧と基準電圧との差を演算増幅する電圧制御回路と、前記電流検出手段の検出電流と基準電流との差を演算増幅する電流制御回路と、前記電圧制御回路の出力と前記電流制御回路の出力を比較して大きい方の信号を選択して前記順変換器の点弧位相を決定する高出力優先回路と、前記電流検出手段の検出電流に応じて前記電圧制御回路の入力を補正する電圧補正手段とを備えるようにする。
【選択図】図１

Description

従来から、金属材料等の被加熱材料を誘導加熱するのに用いられる電力変換装置としては、負荷コイルに並列に力率改善コンデンサを接続し、この進み電圧によって逆変換器のサイリスタの転流させるようにした所謂負荷転流型インバータ装置が用いられている。誘導加熱に要求される周波数は高周波であるので、損失の少ない負荷転流型インバータ装置はこの用途に適している。この場合、順変換器は、３相交流電力を直流電力に変換し、直流リアクトルを介して単相の逆変換器に直流電力を供給するように構成するのが普通である。

この負荷転流型インバータ装置の制御方法は、インバータ装置の出力電圧が与えられた基準電圧となるように順変換器の点弧位相を制御することが多く、場合によっては、交流入力電流の制御を併用する。交流入力電流の制御を併用する場合には、電圧制御回路の制御出力と電流制御回路の制御出力を比較し、制御出力の大きい方の制御を優先させ、制御の速さと制御の精度のバランスを取るようにしてきた。また、負荷の状態によって起動時の条件等が変化するので、安定な制御で運転を継続させようとする工夫も為されている（特許文献１参照。）。
特開平１１−２６１４５号公報（第３−６頁、図１）

このような負荷転流型インバータ装置では、負荷インピーダンスが広範囲で変動し、場合によっては定格の１０倍程度にも達する。また負荷が要求する出力電圧の可変幅も３０乃至１００％と幅広い運転範囲が要求されることがある。

負荷が要求する出力電圧の精度を確保しようとすると、順変換器の電圧制御回路の制御ゲインを高くする必要があるが、そうすると負荷インピーダンスの変動に対して安定な制御が困難になり、過電圧等の発生により機器保護のため不要な装置の停止動作が生じてしまうという問題点があった。

従って、本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、負荷変動があっても、広い出力電圧制御範囲において出力電圧精度を確保可能で、且つ安定に運転可能な負荷転流型インバータ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の負荷転流型インバータ装置は、交流を直流に変換する順変換器と、この順変換器により変換された直流を交流に変換して負荷コイルに給電する逆変換器と、前記順変換器を制御する制御手段と、前記逆変換器の出力電圧を直接または間接的に検出する電圧検出手段と、前記逆変換器の出力電流を直接または間接的に検出する電流検出手段とから構成され、前記制御手段は、前記電圧検出手段の検出電圧と基準電圧との差を演算増幅する電圧制御回路と、前記電流検出手段の検出電流と基準電流との差を演算増幅する電流制御回路と、前記電圧制御回路の出力と前記電流制御回路の出力を比較して大きい方の信号を選択して前記順変換器の点弧位相を決定する高出力優先回路と、前記電流検出手段の検出電流に応じて前記電圧制御回路の入力を補正する電圧補正手段とを備えたことを特徴としている。

本発明によれば、負荷変動があっても、広い出力電圧制御範囲において出力電圧精度を確保可能で、且つ安定に運転可能な負荷転流型インバータ装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る負荷転流型インバータ装置のブロック構成図である。

交流入力から得られる３相交流を順変換器１で直流に変換する。得られた直流は直流リアクトル２で電流が平滑され逆変換器３に供給される。逆変換器３の交流出力は、起動回路５を介し力率改善コンデンサ４１及び負荷コイル４２から成る並列共振負荷４に供給される。起動回路５は逆変換器３の起動時に逆変換器３のサイリスタをスムースに転流させるための補助回路である。負荷コイル４２の高周波磁束によって発生ずる渦電流損により、被加熱材料は加熱される。

順変換器１は順変換器制御回路１０によって制御され、逆変換器３は逆変換器制御回路３０によって制御されている。逆変換器制御回路３０は余裕角制御回路３１の出力をゲートパルス増幅回路３２で増幅して逆変換器３のサイリスタの点弧制御を行うように構成されており、逆変換器３は並列共振負荷４の共振周波数で決まる進み位相の高周波電力を出力する。

以下順変換器制御回路１０の内部構成について説明する。

図示しない電圧検出器で検出された逆変換器３の出力電圧は、電圧基準値と差分回路１１で比較され、その差分は加算器１２の一方の入力となる。図示しない電流検出器で検出された逆変換器３の出力電流は、電圧補正回路１４に入力され、電圧補正回路１４の出力は加算器１５の一方の入力となる。加算器１５の他方には電圧バイアス設定器１７で設定された電圧バイアス値が入力され、この加算器１５の出力が割算器１６を介して電圧補正信号として上述した加算器１２の他方の入力となっている。

加算器１２の出力は出力電圧制御回路１３の入力となり、出力電圧制御回路１３の出力は高出力優先回路２２の一方の入力端に入力される。前述の割算器１６は出力電圧制御回路１３のゲインで加算器１５の出力を除算して電圧補正信号のレベルを合わせている。

また、前述の図示しない電流検出器で検出された逆変換器３の出力電流は、電流基準値と差分回路１８で比較され、その差分は加算器１９の一方の入力となる。加算器１９の他方には電流バイアス設定器２１で設定された電流バイアス値が入力され、この加算器１９の出力は電流制御回路２０の入力となり、電流制御回路２０の出力は高出力優先回路２２の他方の入力となっている。

高出力優先回路２２は、出力電圧制御回路１３の出力と電流制御回路２０の出力のうち大きい方、即ち、位相制御で言い換えると位相遅れの大きい方の出力を選択し、位相制御回路２３を介してゲートパルス増幅回路２４に与える。ゲートパルス増幅回路２４は順変換器１のサイリスタの点弧制御を行い、順変換器１の出力電圧が制御される。

以下、上記構成における動作について説明する。

装置の起動時は、起動回路５の制御によって逆変換器３のサイリスタの転流電圧を得る。この場合は、出力電流を一定値以内に抑制するため電流基準値を下げ、高出力選択回路２２は電流制御回路２０の出力を選択する。定常状態に立ち上がったあと、負荷の急変などがあるとやはり高出力選択回路２２は電流制御回路２０の出力を選択する。

装置が定常状態になると高出力選択回路２２は基本的に出力電圧制御回路１３の出力を選択し、順変換器１の出力電圧は与えられた電圧基準値になるように制御される。出力電圧制御回路１３の制御ゲインは前述のように大きくとれないので、電圧基準値と電圧検出値はオフセット誤差が生じる。この誤差は、ほぼ負荷電流の大きさに比例するため、負荷電流がゼロの時の補正を電圧バイアス設定器１７の設定値で行い、負荷電流の大きさに応じて電圧補正回路１４による補正分を加算器１５で加算し、割算器１６を介して電圧補正信号を加える。

今、負荷コイル４２に被加熱材が挿入され負荷インピーダンスの減少に伴って装置の出力容量を定格まで増加する場合を考える。このとき、図示されない上位制御装置から電圧基準値を変更する指令が出され、出力電圧制御回路１３では位相角を進める動作が行われる。この時、出力電流も増加するため電圧補正回路１４の出力が増加する。例えば、電圧バイアス設定器１７によって補正された状態の無負荷時の点弧制御角を４０度とし、定格電圧運転時の点弧制御角が２０度とすると、加算器１５の出力は負荷電流の増加により点弧制御角が４０度から２０度となる方向にバイアス値が変化する。出力電圧制御回路ゲイン値により割算器１６で割算された電圧補正信号が加算器１２に入力される為、出力電流が増加した場合は出力電圧制御回路１３の点弧制御角は４０度から２０度方向に位相が進むように補正される。

また、出力電圧が所定の値に達した後、負荷インピーダンスが安定になり、被加熱材が負荷コイル４２から抜け始めると負荷インピーダンスは上昇し、これに伴い負荷電流が減少し、従って順変換器１の出力電流も減少する。電流が減少することにより、定格電圧運転時の点弧位相角は２０度から４０度方向にバイアス値が変化し、出力電圧制御回路ゲイン値により割算器１６で割算された電圧補正信号が加算器１２に入力される。従って、出力電流が減少した場合は出力電圧制御回路１３の出力位相角は２０度から４０度方向に位相が遅れるように補正される。

以上説明したように、本発明の実施例１によれば、広範囲の負荷変動に対して出力電圧精度が確保でき且つ安定に運転可能な負荷転流型インバータ装置を提供することができる。

尚、制御に使用する上記の電圧検出値は必ずしも直接逆変換器３の出力を検出する必要はなく、例えば順変換器１の出力電圧としても良い。同様に、電流検出値も順変換器１の入力電流あるいは順変換器１の出力直流電流としても良い。

図２は、本発明の実施例２に係る負荷転流型インバータ装置の順変換器制御回路の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る負荷転流型インバータ装置の順変換器制御回路の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、加算器１２に代えて、電圧基準値に割算器１６の出力である電圧補正信号を加算する加算器１２Ａを設け、この加算器１２Ａの出力を差分回路１１により電圧検出値と比較するようにした点である。

この様に構成しても実施例１と同一の電圧補正効果が得られる。

また、電圧基準値に電圧補正信号を加算するのではなく、電圧検出値に電圧補正信号を加算するようにしても同様の効果が得られる。

図３は、本発明の実施例３に係る負荷転流型インバータ装置の順変換器制御回路の回路構成図である。この実施例３の各部について、図１の実施例１に係る負荷転流型インバータ装置の順変換器制御回路の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、電圧補正回路１４の入力を電流検出値とせず、電圧基準値にした点である。

前述したように、負荷の変化に従って電圧基準値が変更され、この電圧基準値の変更に従って出力電流が増大し電流検出値が増加する。したがって、電流検出値に代えて、電圧基準値の大きさに応じて電圧補正信号を出力するようにしても、実施例１と同様、広範囲の負荷変動に対して出力電圧精度が確保でき且つ安定に運転可能な負荷転流型インバータ装置を提供することができる。

図４は、本発明の実施例４に係る負荷転流型インバータ装置の順変換器制御回路の回路構成図である。この実施例４の各部について、図３の実施例３に係る負荷転流型インバータ装置の順変換器制御回路の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例４が実施例３と異なる点は、電圧補正回路１４の出力を選択回路２５を介して割算器１６の入力とするようにした点、また、電流検出値に応じた電圧補正回路１４Ａの出力を選択回路２５の入力とするようにした点である。

選択回路２５は電圧補正回路１４と電圧補正回路１４Ａの出力のうち大きい方を選択して加算器１５に与える。従って、電圧基準値が変更されたときには電圧補正回路１４の出力で補正がかかり、この結果として電流が増大したときには電圧補正回路１４Ａの出力で電圧が補正されるようにすることが可能となる。このことは、電圧基準値の変動に対する電圧補正と負荷の変動に対する電圧補正のバランスをとることが可能な電圧補正が達成できることを意味している。

従って、本発明の実施例４によれば、広範囲な負荷変動または電圧基準値の変動に対し、出力電圧精度が確保でき且つ安定に運転可能な負荷転流型インバータ装置を提供することができる。

本発明の実施例１に係る負荷転流型インバータ装置の回路構成図。本発明の実施例２に係る負荷転流型インバータ装置の順変換器制御回路の回路構成図。本発明の実施例３に係る負荷転流型インバータ装置の順変換器制御回路の回路構成図。本発明の実施例４に係る負荷転流型インバータ装置の順変換器制御回路の回路構成図。

符号の説明

１順変換器
２直流リアクトル
３逆変換器
４並列共振負荷
４１負荷コイル
４２進相コンデンサ
５起動回路
１０順変換器制御回路
１１差分回路
１２、１２Ａ加算器
１３出力電圧制御回路
１４、１４Ａ電圧補正回路
１５加算器
１６割算器
１７電圧バイアス設定器
１８差分回路
１９加算器
２０電流制御回路
２１電流バイアス設定器
２２高出力優先回路
２３位相制御回路
２４ゲートパルス増幅回路
２５選択回路
３０逆変換器制御回路
３１余裕角制御回路
３２ゲートパルス増幅回路

Claims

交流を直流に変換する順変換器と、
この順変換器により変換された直流を交流に変換して負荷コイルに給電する逆変換器と、
前記順変換器を制御する制御手段と、
前記逆変換器の出力電圧を直接または間接的に検出する電圧検出手段と、
前記逆変換器の出力電流を直接または間接的に検出する電流検出手段と
から構成され、
前記制御手段は、
前記電圧検出手段の検出電圧と基準電圧との差を演算増幅する電圧制御回路と、
前記電流検出手段の検出電流と基準電流との差を演算増幅する電流制御回路と、
前記電圧制御回路の出力と前記電流制御回路の出力を比較して大きい方の信号を選択して前記順変換器の点弧位相を決定する高出力優先回路と、
前記電流検出手段の検出電流に応じて前記電圧制御回路の入力を補正する電圧補正手段と
を備えたことを特徴とする負荷転流型インバータ装置。
前記電圧補正手段は、前記基準電圧または前記電圧検出手段の検出電圧を補正するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の負荷転流型インバータ装置。
交流を直流に変換する順変換器と、
この順変換器により変換された直流を交流に変換して負荷コイルに給電する逆変換器と、
前記順変換器を制御する制御手段と、
前記逆変換器の出力電圧を直接または間接的に検出する電圧検出手段と、
前記逆変換器の出力電流を直接または間接的に検出する電流検出手段と
から構成され、
前記制御手段は、
前記電圧検出手段の検出電圧と基準電圧との差を演算増幅する電圧制御回路と、
前記電流検出手段の検出電流と基準電流との差を演算増幅する電流制御回路と、
前記電圧制御回路の出力と前記電流制御回路の出力を比較して大きい方の信号を選択して前記順変換器の点弧位相を決定する高出力優先回路と、
前記基準電圧の大きさに応じて前記電圧制御回路の入力を補正する電圧補正手段と
を備えた負荷転流型インバータ装置。
交流を直流に変換する順変換器と、
この順変換器により変換された直流を交流に変換して負荷コイルに給電する逆変換器と、
前記順変換器を制御する制御手段と、
前記逆変換器の出力電圧を直接または間接的に検出する電圧検出手段と、
前記逆変換器の出力電流を直接または間接的に検出する電流検出手段と
から構成され、
前記制御手段は、
前記電圧検出手段の検出電圧と基準電圧との差を演算増幅する電圧制御回路と、
前記電流検出手段の検出電流と基準電流との差を演算増幅する電流制御回路と、
前記電圧制御回路の出力と前記電流制御回路の出力を比較して大きい方の信号を選択して前記順変換器の点弧位相を決定する高出力優先回路と、
前記電流検出手段の検出電流に応じて前記電圧制御回路の入力を補正する第１の電圧補正手段と、
前記基準電圧の大きさに応じて前記電圧制御回路の入力を補正する第２の電圧補正手段と
を備え、
前記第１の電圧補正手段の出力と前記第２の電圧補正手段の出力の大きい方の出力で、前記電圧制御回路の入力を補正するようにしたことを特徴とする負荷転流型インバータ装置。