JP2022554239A - コンバータデバイス及び電力供給装置 - Google Patents

Abstract

コンバータデバイスは、直流電圧及び直流電流を、負荷（Ｌ）に供給される交流電圧及び交流電流に変換するように構成される。コンバータデバイスは、キャパシタ（１２）のバンク（１１）、複数のパワー半導体（１３）、ヒートシンク（１４）及びケーシング（１５）を備える。【選択図】図１

Description

本明細書に記載される実施形態は、直流電流の量を交流電流の量に変換するのに適したコンバータデバイス又はインバータに関する。特に、本発明は、中電圧用途に有利に使用できるがこれに限定されないタイプの高電力コンバータデバイスに関する。

本明細書に記載される実施形態はまた、１つ又は複数の上記コンバータ又はインバータを使用し、例えば電気アーク炉などの高電力を必要とする負荷に電力供給するのに適した電力供給装置に関する。

直流電流の量を、所定の負荷に電力供給するために使用される交流電流の量に変換するためにコンバータデバイスを使用することが知られており、この交流電流の量は多かれ少なかれ一定であるか、又は変数であり得る。

ニーズや異なる用途に応じて、コンバータデバイスは独立して又は互いに接続して使用することができる。

本出願人による欧州特許第３１２４９０３号より、電極を位置決めするための装置と、電極の電源電圧及び電流を調整するために選択的に制御可能な複数のコンバータを備える調整ユニットとを備える、電気アーク炉のための電力供給装置が知られている。

したがって、欧州特許第３１２４９０３号明細書に記載される電力供給装置は、調整可能な電流生成器として動作し、作業（穿孔、溶融、精錬）におけるプロセスのステップにしたがって、電気アーク炉への電力供給に必要な電力を生成することができる。これにより、欧州特許第３１２４９０３号による解決手段は、典型的な解決手段、即ち変換器が電圧生成器として動作し、電流は制御可能ではなくプロセスのステップに応じて変化する等価回路のパラメータによってのみ制限されるような典型的な解決手段から、区別される。

また、欧州特許第３１２４９０３号明細書に記載される電力供給装置は、プロセスの第１ステップ、即ち穿孔ステップにおいて電流変動を大きく制限し、その後の溶融及び精錬ステップにおいて電流を実用上安定させる方法で、アークの電流及び電圧を別々に調整することが可能である。

得られる最も明らかな利点の１つは電極の調整の安定性であり、これは、供給される電流が不安定であることによって電極が連続的に動くために無制御電流でアークの持続性を確保せざる得ない従来のプラントとは対照的である。

欧州特許第３１２４９０３号明細書に記載される電力供給装置における制限は、電流制御によって提供できる最大電流により与えられる。

電力は供給される電流に応じてアークの電圧を調整することによって修正され、次にアークは、位置決め装置で電極を上昇及び下降させることによって機械的に修正でき、またコンバータデバイスを制御するためにＰＷＭ（パルス幅変調）を操作することによっても修正できる。

中電圧用途のための標準的な高電力コンバータ又はインバータは、一般に、直流でエネルギーを蓄えるのに適した、互いに直列及び／又は並列に接続されたキャパシタのバンク（ひとそろいのキャパシタ）と、ヒートシンクと、キャパシタのバンクに接続されかつヒートシンクに搭載された複数のパワー半導体と、を備える。コンバータのコンポーネントは通常は金属製ケーシングで囲まれており、このケーシングには、上流回路、例えばパワーサプライグリッドと、下流回路、例えば電力供給される負荷又はユーザデバイスと、にそれぞれ接続可能な入力コネクタ及び出力コネクタが設けられている。

例えばパワー半導体を備えるコンバータが知られており、パワー半導体は例えば、正又は負の電流半波の通過に応じて交互に開閉されるＩＧＢＴモジュール（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。

キャパシタのバンクとヒートシンクとは通常はアース接続され、アース接続部はコンバータのケーシングと一体となっており、ケーシングもまた安全上の理由から一般にアース接続されている。

各ＩＧＢＴモジュールは、スタティック半導体スイッチのオンオフを切り替える回路基板によって操作され、当該スイッチによって電流を負荷に向かって流すことができる。オンオフパルスの規定プロファイルにより、半導体スイッチは、変動する振幅を有する矩形パルスを用いて負荷に電力供給する。

ＰＷＭ変調（Ｐｕｌｓｅ‐Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）をオーム誘導型（Ｏｈｍｉｃ‐Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ）回路に適切に適用することにより正弦波型エンベロープが得られる。実際に、このデジタル変調によって、正のパルスの持続時間（ＯＮ）とパルスの全体持続時間（ＯＮ＋ＯＦＦ）との比（この比はデューティサイクルとして定義される）に依存する可変平均電圧を得ることが可能となる。

ＩＧＢＴモジュールは適切にドープされたシリコンチップからなり、これらは熱伝導性を有するが電気的に絶縁性の基板上に配置され、この基板は錫メッキされた銅ベースに溶接される。次に、チップは、プラスチックケース内に封入され、その内部においてフィラーゲルで保護され、ワイヤ連結システムで外部端子に接続され、この外部端子にケーブル即ち電力バー及び信号バーが接続されることで、ＩＧＢＴのオンオフの切り替えが制御される。

ＩＧＢＴは、機能中に発生する熱を放散するために適切なサイズのヒートシンク上に取り付けられており、ヒートシンクは強制換気又は水によって冷却することができる。

ＩＧＢＴのベースとヒートシンクは、誘電体が間に配置されるよう構成された互いに対向する２つの平坦面を構成し、誘電体は特に２つの面間の熱伝達を向上させる役割を果たすサーマルペーストであり、その結果、モジュールに存在するパワー半導体ごとに寄生容量が形成される。

上記のコンバータ又はインバータの構成は、特にパワー半導体とコンバータのケーシングに接続されたヒートシンクとの間、及びキャパシタの収容体とコンバータのケーシングとの間に形成される寄生容量の発生を引き起こす。

スイッチがオンオフされて負荷に向かう正弦波が生成されると、即ちコンバータ内に電流が流れることにより正及び負の半波が形成されると、電気アーク炉の電力供給装置における適用の場合には、例えば１８００Ｖから０Ｖに、またその逆に、数百ナノ秒のオーダのスイッチング時間で電圧が切り替えられる。したがって、５ｋＶ／マイクロ秒のオーダの、非常に大きな経時的電圧変動ｄｖ／ｄｔがもたらされ、よって、寄生容量はアースへの電流の生成を引き起こす。

アースに向かう電流の強さは、実際には、公式ｉ＝Ｃ×（（ΔＶ）／（ΔＴ））を用いて計算することができ、ここで、ΔＶは電圧変動（１８００Ｖと０Ｖとの間、又はその逆、の差分によって与えられる）であり、ΔＴは変動が生じる期間であり約２５０ナノ秒に等しく、ＣはＩＧＢＴモジュールのベースとヒートシンクとの間に生成される寄生容量である。

例えば、ＩＧＢＴモジュールについての寄生容量が約２ｎＦである場合、例えば４つのＩＧＢＴモジュールについての全体寄生容量は約８ｎＦであり、これがキャパシタの全体容量に加算され、結果として、１つのコンバータデバイスについての容量が約２５～３０ｎＦとなる。

電力供給システムが複数のコンバータデバイスを備える場合、例えば６０個のモジュールを備える場合、全体容量は約１．５～１．８μＦと非常に高くなる可能性がある。ＩＧＢＴモジュールのスイッチが正弦波を定めるように切り替えられるたびに、合計容量によって、アースへの電流が生成され、そのピークもまた２００～２５０Ａを大きく超える可能性がある。

さらに、所定長さを有する導体によって画定される各コンバータデバイスへの各内部接続部は寄生インダクタンスを有するので、寄生容量によって生成される電流の発達において減衰振動（ｄａｍｐｅｄ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）が発生する。

上述のタイプの電力供給システムでは、生成される寄生電流のピーク及び振動は、各種保護や脱飽和に対する偶発的な介入、又はモジュールドライバのプログラムされた開閉状態の失敗ににつながる可能性があり、その結果、切断、補助電源のエラー、過電圧、不足電圧、ＡＣエラーなどのリスクが生じる。これらの介入のいくつかは実際のアラームによるものではなく、制御システムによってアラームとして解釈される信号外乱にすぎない。

しかしながら、場合によっては外乱は例えば補助電源において本当に誤動作、即ち「故障」を発生させるようなものである。

米国特許出願公開第２０１４／２６８５７０号明細書には、ハウジングアセンブリ、キャパシタアセンブリ、多数のアームアセンブリ、多数のヒートシンク、及び支持アセンブリを含むインバータが開示されている。ハウジングアセンブリは密閉空間を画定する多数の側壁を含む。キャパシタアセンブリはハウジングアセンブリに連結されている。各アームアセンブリは複数の電気部品及び多数の電気バスを含む。各アームアセンブリはキャパシタアセンブリに連結され、キャパシタアセンブリと電気接続している。支持アセンブリは非導電性フレームアセンブリを含む。支持アセンブリは各ヒートシンクを絶縁状態で支持するように構成される。シール剤が各電気バス及び限られた数の電気部品に適用される。したがって、限られた数の電気部品は大気から実質的に密閉され、シール剤に包まれていない部品はその場で修理又は交換することができる。

ドイツ特許出願公開第１０２０１７２０６７７４号明細書には、冷却される多数のコンポーネントとハウジング内に配置されたヒートシンクとを備える電気制御デバイスが開示されており、ヒートシンクは基準電位から電気的に絶縁され、冷却されるコンポーネントは熱伝導性を有するかたちでヒートシンクに連結されている。

特開２０１６－１２３２３５号公報には、直流電源によって制御回路に加えられる電磁ノイズの影響を低減し、直流電源コネクタ、電力変換回路の制御回路及び電力変換回路が電力変換回路が配置される配置面と直交する方向に順に配置される場合にインバータ装置が大規模化することを防止する電力変換回路が開示されている。

米国特許第６２７４８５１号明細書には、各々が出力相に結合されたローパスフィルタを有するダンパを備える電気アーク炉のためのコントローラが開示されており、抵抗コンポーネント及び容量コンポーネントは固定され、変更不可となっている。

したがって、従来技術の欠点の少なくとも１つを克服することができるコンバータデバイスを完成させる必要がある。

特に、本発明の一つの目的は、寄生容量、したがってこれによってアースへの寄生電流の生成を除去するとまでも言わなくとも制限することができるコンバータデバイスを提供することである。

本発明の別の目的は、効率的でかつ信頼性が高いコンバータデバイスであって、独立して使用することも他のコンバータデバイスと組み合わせて使用することもできる、考え得る寄生電流の生成を制限するコンバータデバイスを提供することである。

本発明の別の目的は、例えば電気アーク炉に電力供給するために適用可能な負荷に電力供給するための装置であって、製造が簡単で、アラーム及び制御信号を妨害してこれらを非効率にするような望ましくない電流がアースに向けて生成されることを防止できるか、あるいは少なくともその存在を低減して無視できるようにする装置を完璧にすることである。

本出願人は、従来技術の欠点を克服し、上記の及び他の目的及び利点を得るために、本発明を考案し、試験し、具体化した。

本発明は独立請求項において記載され特徴付けられる。従属請求項は、本発明の他の特徴、又は本発明の主な概念のバリエーションを記載する。

上記の目的によれば、直流電圧及び直流電流を負荷に供給される電圧及び交流電源電流に変換するのに適した、高電力を必要とする中電圧用途に使用可能なコンバータデバイス又はインバータが提供される。

本発明によるコンバータデバイスは、実質的に同じ種類の複数のコンバータデバイスと組み合わせて、例えば単なる例でしかないが電気アーク炉の電極のような高電力を必要とする負荷に電力供給するのに適した電圧及び電流を供給するための電力供給装置に使用することができる。

いくつかの実施形態では、コンバータデバイスは、使用中に電源回路に接続され、直流で電気エネルギーを蓄えるのに適したキャパシタのバンクと、キャパシタのバンクに接続され、選択的にオンオフされることで正弦波電流を出力に向かって生成するように構成された複数のパワー半導体と、を備える。またコンバータデバイスは、パワー半導体が搭載され、機能中にパワー半導体によって発生する熱を放散するように構成されたヒートシンクを備える。

またコンバータデバイスは、キャパシタのバンクとヒートシンクとパワー半導体のユニットとを内側に囲むケーシング、即ち金属シェルを備える。

ケーシングには、電源回路若しくはグリッド及び電力供給される負荷に使用中に接続可能な入力コネクタ及び出力コネクタが設けられている。

いくつかの実施形態では、コンバータデバイスのケーシングは、安全上の理由からアースに接続されてもよい。

本発明の一態様では、ヒートシンク及び／又はキャパシタのバンクの少なくとも一方は、コンバータデバイスのケーシングに対して浮遊電位を有し、即ち、浮遊電位はコンバータデバイスのケーシングと同じ基準電位にはない。

いくつかの実施形態では、ヒートシンク及びキャパシタのバンクは両方とも、ケーシングに対して浮いている。

いくつかの実施形態では、ヒートシンク及び／又はキャパシタのバンクは、ケーシングに対して電気的に絶縁され、したがって、ケーシングに接続されたアース接続部に対して電気的に絶縁され、これにより、２つのコンポーネント間で直流電流が流れることが実質的に防止される。

さらなる実施形態では、ヒートシンク及び／又はキャパシタのバンクは高インピーダンスコンポーネント又は回路によってケーシングに接続され、これにより、アースへの寄生電流の生成が大幅に制限される。

いくつかの実施形態では、コンバータデバイスは、少なくととも、ヒートシンクとコンバータデバイスのケーシングのアースとの間に接続される第１の高インピーダンスコンポーネントを含む。

このようにして、ヒートシンクは、コンバータデバイスのケーシングに対して実質的に絶縁され、したがってアースに対して絶縁され、これにより、アースへの寄生電流の生成が、少なくともピーク値に関連して大幅に制限される。

いくつかの実施形態では、コンバータデバイスは、キャパシタの収容体とコンバータデバイスのケーシングのアース接続部との間に各々が接続される複数の第２の高インピーダンスコンポーネントを備える。

このようにして、キャパシタは、有利にはコンバータデバイスのケーシングから実質的に絶縁され分離されるので、考え得るアースに向けて生成される寄生電流は、ピーク値が無視できるものとなる。

第１の高インピーダンスコンポーネント及び第２の高インピーダンスコンポーネントの存在のおかげで、ヒートシンク及びキャパシタの両方がコンバータデバイスのケーシングに対して絶縁されるので、これらによって生成される寄生容量を実質的に除去することが可能となり、したがって、アースに流れる電流のピークを大幅に低減することが可能となる。

この利点は、互いに接続される複数のコンバータデバイスを使用する場合に特に明らかである。

さらなる実施形態では、コンバータデバイスは、電力供給される負荷に接続されるのに適した出力コネクタとアース接続部との間に接続された少なくとも１つのローパス電気フィルタを備え、当該ローパス電気フィルタは、動作周波数よりも高い周波数を有する、分散した寄生インダクタンス及び寄生容量に起因する考え得るアースへの電流の振動を除去するように構成される。

いくつかの実施形態では、ローパス電気フィルタは、互いに直列に配置された抵抗コンポーネント及び容量コンポーネントを備えた、出力接続部とアース接続部との間に接続されるＲＣ電気フィルタである。

いくつかの実施形態では、抵抗コンポーネント及び容量コンポーネントは、コンバータデバイスの用途及び電力供給される負荷の特性に応じてサイズ決定することができる。これらのコンポーネントは場合によっては電気システム全体の変更に適応するように修正することもできる。

いくつかの実施形態では、抵抗コンポーネント及び容量コンポーネントは、これらを流れる電流の強度を増加又は減少させるよう、それぞれの抵抗値及び容量値を変化させるように調整することができる。

いくつかの実施形態では、ＲＣ電気フィルタは、抵抗コンポーネント及び／又は容量コンポーネントの温度を下げるように構成された放散手段を含むことができる。

いくつかの実施形態では、ＲＣ電気フィルタは、例えば、抵抗コンポーネント又は容量コンポーネントのうちの１つ又は複数に関連付けられた温度測定手段も備えることができる。

本明細書に記載されるいくつかの実施形態は、特にオーム誘導型の高電力負荷に電力供給するための装置にも関する。

上記電力供給装置は、
－ 交流幹線電圧及び交流幹線電流を供給するパワーグリッドに接続された変換器であって、交流幹線電圧及び交流幹線電流を交流ベース電圧及び交流ベース電流に変換するように構成された変換器と、
－ 上記変換器に接続され、交流ベース電圧及び交流ベース電流を直流電圧及び直流電流に変換するように構成された複数の整流器と、
－ 一方側が上記整流器に接続され他方側が負荷に接続された上記複数のコンバータデバイスであって、直流電圧及び直流電流を、負荷に供給される電圧及び交流電源電流に変換するように構成された複数のコンバータデバイスと、
－ コンバータデバイスの機能について制御及び命令し、電圧及び電源電流を経時的に調整するように構成された制御及び命令ユニットと、を備える。

いくつかの実施形態では、本発明に係る負荷に電力供給する装置はローパス電気フィルタを備え、当該ローパス電気フィルタはコンバータデバイスの下流側に接続され、アースへの電流の振動を減衰させるか、又は場合によっては除去するように構成される。

いくつかの実施形態では、ローパス電気フィルタは、コンバータデバイスの出力とアース接続部との間に接続されたＲＣ電気フィルタを備える。

いくつかの実施形態では、アースに接続されたＲＣフィルタの存在によって、変換器、ケーブル、パイプなどのアースに接続することができる電力供給装置の他のコンポーネントによって生成される寄生容量に起因する考え得る振動をも減衰させることができる。

いくつかの実施形態では、電力供給装置の３つの出力相に接続された三相タイプの単一のＲＣ電気フィルタが存在する。

いくつかの実施形態では、電力供給装置が電気アーク炉に電力供給するために使用される場合、ＲＣ電気フィルタは、炉の電極に接続される３つの相に対して接続される。

本発明の上記の及び他の態様、特徴及び利点は、添付の図面を参照して非限定的な例として与えられるいくつかの実施形態についての以下の説明から明らかになるであろう。

理解を容易にするために、場合によっては、図面において同一の共通の要素を示すために同一の参照符号が使用されている。一つの実施形態の構成要素及び特徴は、さらなる明確な記載がなくとも他の実施形態に都合よく組み込むことができることを理解されたい。

本明細書に記載されるいくつかの実施形態によるコンバータデバイスの概略図であり、（１ａ）は図１のコンバータデバイスのコンポーネントの第１の実施形態の概略図、（１ｂ）は図１のコンバータデバイスのコンポーネントの変形例の概略図、（１ｃ）は図１のコンバータデバイスの別のコンポーネントの第１の実施形態の概略図、（１ｄ）は図１のコンバータデバイスの別のコンポーネントの変形例の概略図である。 電気アーク炉に適用される高電力負荷に電力供給する装置の概略図である。

本発明の考え得る実施形態を以下に詳細に参照するが、そのうちの１つ又は複数の例を添付の図面に示す。各実施例は本発明を例示するために提供されており、本発明を限定するものとして理解されるべきではない。例えば、一つの実施形態の一部として図示又は記載される１つ又は複数の特徴は、別の実施形態を作り上げるために他の実施形態において変更若しくは採用できるか、又は他の実施形態と関連付けることができる。本発明は全てのこのような修正及びバリエーションを含むことが理解される。

図１を参照して記載されるいくつかの実施形態は、直流電圧及び直流直流を交流電圧及び交流電流に変換するのに適した参照符号１０で示されるコンバータデバイスに関する。

コンバータデバイス１０は、例えば、高電力を必要とする中電圧用途に使用することができる。

本発明に係るコンバータデバイス１０は、有利には、独立して使用することができ、複数の他のコンバータデバイス１０と組み合わせて使用することもできる。

また、本明細書に記載されるいくつかの実施形態は、全体として参照符号２０（図２）で示され、特にオーム誘導型の高電力を必要とする負荷２１に電力供給するのに適した交流の電流及び電圧を供給するように構成された電力供給装置に関する。

図２は、電気アーク炉２１に対応する負荷に電力供給装置２０を適用する例を示すが、この電力供給装置２０は、例えば取鍋炉又はサブマージアーク炉のような異なるタイプの負荷に電力供給するためにも使用することができる。

いくつかの実施形態では、コンバータデバイス１０は複数のキャパシタ１２を含むキャパシタのバンク（ひとそろいのキャパシタ）１１を備え、複数のキャパシタ１２は互いに直列及び／又は並列に接続され、直流で電気エネルギーを蓄えるように構成される。

また、コンバータデバイス１０は複数のパワー半導体１３を備え、複数のパワー半導体１３はキャパシタバンク１１に接続され、出力に向かう正弦波電流を生成するように選択的にオンオフされるように構成される。

また、コンバータデバイス１０は放散デバイス１４を備え、放散デバイス１４にはパワー半導体１３が取り付けられて設置され、放散デバイス１４は機能中にパワー半導体１３によって生成される熱を放散するように構成される。

いくつかの実施形態ではヒートシンク１４は水冷式のものであるが、特定の用途のために強制換気で冷却されるヒートシンク１４の使用を排除はしない。

一つの考え得る解決手段によれば、パワー半導体１３は、ＳＣＲ（シリコン制御整流器）、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、ＩＧＣＴ（集積ゲート整流サイリスタ）、ＭＣＴ（金属酸化物半導体制御サイリスタ）、ＢＪＴ（バイポーラ接合トランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）、及びＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）からなるグループから選択されるデバイスを備える。

また、コンバータデバイス１０は、キャパシタバンク１１とヒートシンク１４とパワー半導体１３とを内側に囲むケーシング１５、即ち金属シェルを備える。

ケーシング１５には、上流回路、例えば電力供給グリッドと、下流回路、例えば電力供給される負荷Ｌ又はユーザデバイス２１と、にそれぞれ接続可能な入力コネクタ１５ａ及び出力コネクタ１５ｂが設けられている。

いくつかの実施形態では、ケーシング１５は使用中に安全上の理由からアース接続部Ｇに接続することができる。

アース接続部は、要件に応じて、実際の安全アース又は機能アースとすることができる。機能アースとは、電子デバイスの機能を保証し、保護されるべきデバイスに応じてサイズ決定されるが規則による操縦者の安全性は保証しないものである。

本発明の一態様では、ヒートシンク１４又はキャパシタバンク１１の少なくとも一方は、ケーシング１５に対して、したがってこれに接続されたアース接続部Ｇに対して、浮遊電位を有する。

さらなる実施形態では、ヒートシンク１４及びキャパシタバンク１１の両方は、ケーシング１５に対して、したがってアース接続部Ｇに対して、「浮いている」。

「浮いている」又は「浮動電位」との用語は、ヒートシンク１４及び／又はキャパシタ１２のバンク１１がケーシング１５に対して少なくとも部分的に絶縁されている、即ちそれらがケーシング１５に対して、したがってケーシング１５に接続されたアース接続部Ｇに対して電気的に絶縁されていることを意味するか、あるいは、ヒートシンク１４及び／又はキャパシタ１２のバンク１１が高インピーダンスコンポーネント又は回路によってケーシング１５に接続されていることを意味し、これにより、アースＧへの寄生電流の生成が防止されるか、あるいは少なくとも大幅に制限される。

いくつかの実施形態では、ヒートシンク１４又はキャパシタ１２のバンク１１の少なくとも一方は、ケーシング１５に対して電気的に絶縁され、即ちこれらとケーシング１５との間に直流が循環して流れることはない（図１の（１ａ）及び（１ｃ））。

考え得る変形例では、ヒートシンク１４又はキャパシタ１２のバンクの少なくとも一方は、高インピーダンスコンポーネントによってケーシング１５に接続される（図１の（１ｂ）及び（１ｄ））。

いくつかの実施形態では、コンバータデバイス１０は、ヒートシンク１４とケーシング１５が接続されるアース接続部Ｇとの間に接続される少なくとも第１の高インピーダンスコンポーネント１６を備える（図１の（１ｄ））。

いくつかの実施形態では、第１の高インピーダンスコンポーネント１６は、５００Ωから１５００Ωの間のインピーダンスを有することができる。

さらなる実施形態では、第１の高インピーダンスコンポーネント１６は、８００Ωから１２００Ωの間のインピーダンスを有することができる。

いくつかの実施形態では、キャパシタ１２は、金属材料、例えばアルミニウムからなる収容体１７を備えたフィルム型キャパシタである。

いくつかの実施形態では、コンバータデバイス１０は、キャパシタ１２の収容体１７のケーシング１５が接続されるアース接続部Ｇとの間に各々が接続される複数の第２の高インピーダンスコンポーネント１８を備える（図１の（１ｂ））。

このようにして、キャパシタ１２はコンバータデバイス１０のケーシング１５に対して実質的に絶縁されるので、その結果、生成される考え得る望ましくないアースＧへの電流は、ピーク値が実質的に無視できるものとなる。

いくつかの実施形態では、第２の高インピーダンスコンポーネント１８は、各々、５００Ωから１５００Ωの間のインピーダンスを有することができる。

さらなる実施形態では、第２の高インピーダンスコンポーネント１８は、各々、８００Ωから１２００Ωの間のインピーダンスを有することができる。

いくつかの実施形態では、ヒートシンク１４及びキャパシタ１２の両方が、それぞれの高インピーダンスコンポーネント１６，１８によってケーシング１５に接続され、したがってアースＧに接続される。

さらなる実施形態では、コンバータデバイス１０は、電力供給される負荷Ｌに使用中に接続可能なコンバータデバイス１０の出力接続部と、アース接続部Ｇと、の間に接続される少なくとも１つの電気フィルタ１９を備える。

電気フィルタ１９は、互いに直列に配置される抵抗コンポーネントＲ及び容量コンポーネントＣを有するＲＣフィルタを備えるとともに、ローパスフィルタとして作用するように構成され、これにより、分散した寄生インダクタンス及び寄生容量に起因する考え得る電流振動が除去される。

図２を参照すると、電気炉２１は容器２２又はシェルを備え、容器２２又はシェルの内部に、後に溶融される金属材料Ｍが導入される。

また、電気炉２１には複数の電極２３（図示の場合には３つの電極２３）も設けられており、これらは金属材料Ｍにわたって電気アークを生じさせて金属材料Ｍを溶融するように構成される。

本発明のいくつかの実施形態では、電極２３は、電極２３を金属材料Ｍに向かって及び金属材料Ｍから離れるように選択的に移動させるように構成された移動デバイス２４に設置される。

移動デバイス２４は、機械アクチュエータ、電気アクチュエータ、空気圧アクチュエータ、油圧アクチュエータ、関節機構、運動学的機構、類似の同等の部材、又はこれらの考え得る組み合わせのうちの少なくとも１つを含むグループから選択することができる。

本発明の一つの考え得る解決手段によれば、３つの電極２３がある場合、その各々が、電力供給装置２０のそれぞれの電力供給相Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に接続される。

本発明のいくつかの実施形態では、電力供給装置２０は、電圧及び交流幹線電流を供給するためのパワーグリッド２６に接続された少なくとも１つの変換器２５を備え、変換器２５は、電圧及び交流電源電流を電圧及び交流ベース電流に変換するように構成される。

本発明の一つの考え得る解決手段によれば、パワーグリッド２６は三相とすることができる。

本発明のいくつかの実施形態では、幹線電圧Ｕｒ及び幹線電流Ｉｒは所定の幹線周波数ｆｒを有する。

考え得る解決手段によれば、幹線周波数ｆｒは、５０Ｈｚと６０Ｈｚの間で選択される値であり、即ち、炉が設置されている国のパワーグリッドの周波数に基づいて選択される値である。

本発明の考え得る解決手段によれば、変換器２５は、少なくとも１つの変換器セカンダリ２８に磁気的に結合された変換器プライマリ２７を備えることができる。

本発明の一つの考え得る解決手段によれば、変換器２５は、変換器プライマリ２７に磁気的に結合された複数の変換器セカンダリ２８を備えることができる。この解決手段によって、変換器２５と整流器２９との組み合わせにより、外乱によるグリッド側への影響を低減することが可能となり、即ち、グリッドとの間での高調波コンテンツ及び無効電力のやり取りを低減することが可能となる。

好ましくは３つの相が変換器セカンダリ２８に接続されるが、相の数はこれより少なくても多くてもよい。いくつかの実施形態では、相の数は、１からｎの間でさまざまとすることができ、ここで、ｎは、例えば、２０までの整数であるか、あるいは２０を超える整数であってもよい。

変換器２５によって供給されるベース電気エネルギーは、ベース電圧Ｕｂ、ベース電流Ｉｂ及びベース周波数ｆｂを有し、これらは変換器２５自体の設計特性によって予め決定され設定される。

特に、ベース周波数ｆｂは、上で示した幹線周波数ｆｒに実質的に等しい。

一方、ベース電圧Ｕｂ及びベース電流Ｉｂは、変換器２５自体の変圧比に応じて、幹線電圧Ｕｒ及び幹線電流Ｉｒとそれぞれ相関する。

例えばマルチタップ型の変換器２５は、特定の要件と関連して変換器２５の電気変圧比を選択的に調整するために設けられた不図示の調整デバイスを備えることができる。

また、本発明に係る装置２０は複数の整流器２９を備え、複数の整流器２９は変換器２５に接続され、電圧及び交流ベース電流を直流電圧及び直流電流に変換するように構成される。

具体的には、整流器２９は、電圧Ｕｂ及び交流ベース電流Ｉｂをそれぞれの直流電圧及び直流電流に整流することを可能にする。

整流器２９は、ダイオードブリッジ及びサイリスタブリッジからなるグループから選択することができる。

一つの考え得る解決手段によれば、整流器２９は、例えば、ダイオード、ＳＣＲ（シリコン制御整流器）、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、ＩＧＣＴ（集積ゲート整流サイリスタ）、ＭＣＴ（金属酸化物半導体制御サイリスタ）、ＢＪＴ（バイポーラ接合トランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）、及びＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）からなるグループから選択されるデバイスを備える。

本発明の別の態様では、装置２０は複数のコンバータデバイス１０を備え、複数のコンバータデバイス１０は整流器２９に接続され、電極２３に電力供給するために直流電圧及び直流電流を電圧及び交流電流に変換するように構成される。

コンバータデバイスは、キャパシタ１２及び／又はヒートシンク１４がそれぞれのコンバータデバイス１０のケーシング１５のアース接続部Ｇに対して浮いているように構成された本発明に係るコンバータデバイス１０であってもよい。

コンバータデバイス１０は溶融炉２１の電極２３と制御及び命令ユニット３１とに接続され、制御及び命令ユニット３１はコンバータデバイス１０の機能を制御及び命令するとともに、電極２３への交流電力供給を経時的に調整するように構成される。

いくつかの実施形態では、装置２０は、コンバータデバイス１０の出力と、本例では炉２１の電極２３である電力供給される負荷と、の間に接続される電気フィルタ３０を備え、電気フィルタ３０はローパスフィルタとして機能し、半導体デバイス１３のスイッチング中における考え得るアース電流の振動を減衰させるか、あるいは除去するように構成され、ここで、この考え得る振動は、コンバータデバイス１０の寄生容量及び寄生インダクタンスのコンポーネントによって又は場合によっては装置２０の他のコンポーネントによって生成されるものである。

いくつかの実施形態では、電気フィルタ３０は、コンバータデバイス１０の出力に対応して接続されるＲＣフィルタとすることができる。

いくつかの実施形態では、電気フィルタ３０は、個々のコンバータデバイス１０の考え得る電気フィルタ１９に代わるものとして使用することができる。

考え得る解決手段によれば、それぞれのコンバータデバイス１０に関連する考え得る電気フィルタ１９に加えて使用される電気フィルタ３０を設けることもできる。

いくつかの実施形態では、電気フィルタ３０は三相タイプのものであり、負荷に接続される出力相Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に対して、即ち電極２３に対して挿入される。

コンバータデバイス１０の出力にて接続される電気フィルタ３０と、コンバータデバイス１０自体の内部に挿入される高インピーダンスコンポーネント１６，１８との組み合わせにより、電流の振動を除去することが可能となり、また、除去されない場合には、アースへの電流自体のピークを制限することも可能となる。

したがって、この構成により、寄生電流によって生成される高電流ピークによる制御デバイスの誤動作のリスクなしに、６０個をも超えるような多数のコンバータデバイスを使用することが可能となり、したがって、電力供給装置２０を効率的で信頼性のあるものとすることができる。

いくつかの実施形態では、電気フィルタ１９，３０の抵抗コンポーネントＲ及び／又は容量コンポーネントＣは、コンバータデバイス１０の用途及び電力供給される負荷の特性に応じてサイズ決定することができる。

いくつかの実施形態では、抵抗コンポーネントＲ及び容量コンポーネントＣは、これらを流れる電流の強度を増加又は減少させるような方法でそれぞれの抵抗値及び容量値を修正するために、制御及び命令ユニット３１によって調整することができる。

いくつかの実施形態では、電気フィルタ１９，３０は、ＲＣフィルタのコンポーネントの温度を低下させるように構成された放散手段３６を備えることができる。

例として、放散手段３６は、ファン又は空気を移動させるための他の手段や、放散フィンなどを備えることができる。

いくつかの実施形態では、電気フィルタ１９，３０はまた、温度測定手段、例えば、抵抗コンポーネントＲ及び／又は容量コンポーネントＣのうちの１つ以上に関連するセンサ３７を備えることができる。

一例を挙げて説明すると、温度測定センサ３７は、抵抗コンポーネントＲ又は容量コンポーネントＣの一方又は両方に関連付けられた熱電対を含むことができる。

いくつかの実施形態では、制御及び命令ユニット３１は、センサ３７から検出されたデータを受信し、場合によっては、受信したデータに応じて換気デバイス３６の起動／停止を命令して、電気フィルタ１９，３０の有効な機能を保証するのに適した熱的条件を維持するよう構成することができる。

いくつかの実施形態では、制御及び命令ユニット３１はまた、上で記載したように電圧及び交流電源電流のパラメータを選択的に設定するように、コンバータデバイス１０を制御する。

本発明の一態様では、制御及び命令ユニット３１は、電圧及び交流電源電流の電源周波数ｆａを調整し、電極の電源回路のリアクタンス値の同時変動を得るように構成された調整デバイス３２を備える。

具体的には、電源電圧及び電流は電源電圧Ｕａ及び電源電流Ｉａを有し、これらは必要とされる溶融電力に関連して選択的に調整される。

本発明の考え得る解決手段によれば、調整デバイス３２は、単なる例として、ヒステリシス変調器又はＰＷＭ（パルス幅変調）変調器を備えることができる。

これらのタイプの変調器を使用して、整流器２９の半導体デバイス及びコンバータデバイス１０の半導体デバイスに命令することができる。これらの変調器は、適切に制御されて、電極２３に対して、駆動されるべき電圧値又は電流値を生成する。特に、変調器は、このような電圧値及び電流値を処理し、少なくとも整流器２９及びコンバータ１０を駆動するための命令を生成し、これにより、制御デバイスが必要とする電圧値及び電流値が電極２３に接続するための端子において存在するように構成される。駆動されるべき電圧及び電流は、処理によって読み取られた量に基づいてかつ処理モデルに基づいて制御及び命令ユニット３１によって実行される動作の結果となる。

考え得る解決手段によれば、整流器２９は、直流で機能する少なくとも１つの中間回路３３によってコンバータデバイス１０に接続することができる。

中間回路３３は、直流電流エネルギーを蓄え、この特定の場合には電極２３である負荷と整流器２９との間、したがってパワーグリッド２６との間の分離を生成するように構成される。

特に、プロセスから生じる急速な電力変動は中間回路３３によって部分的にフィルタリングされ、これによって、パワーグリッド２６側への影響が低減する。

また、制御及び命令ユニット３１は、コンバータデバイス１０によって生成され電極２３に供給される電源電圧Ｕａ及び電源電流Ｉａのパラメータを調整するように構成することができる。

本発明のいくつかの解決手段によれば、溶融プロセスの異なるステップに関連して電極２３の位置の調整を可能にするために、制御及び命令ユニット３１が移動デバイス２４にも接続される。

特に、電極２３は、材料の位置を追跡し、したがってアークの長さを修正するために、移動デバイス２４によって移動される。

このようにして、制御及び命令ユニット３１は、プロセスの特定のステップに関連して、少なくとも次のパラメータ、即ち、電源電圧Ｕａ、電源電流Ｉａ、電源周波数ｆａ及び電極２３の位置を、管理及び命令することができる。異なるパラメータを制御する可能性が高いことによって、プロセスへのエネルギーの伝達を最適化することが可能となり、同時に、炉側における急速な電力変動からくるパワーグリッド２６への影響が低減する。

考え得る解決手段によれば、変換器２５、変換器２５に接続された整流器２９、及びコンバータデバイス１０は、共に電源モジュール３４を定める。

本発明の一つの考え得る実施形態によれば、装置２０は、パワーグリッド２６と炉２１とに接続されかつ互いに並列に接続された複数の電源モジュール３４を備えることができる。

複数の電源モジュール３４の組み合わせにより、電力供給される電気炉２１の具体的なサイズに関連してサイズを拡大縮小できる装置２０を得ることが可能となる。

実施形態では、電源モジュール３４の数は、２からｍまでさまざまとすることができ、ここで、ｍは、１０、１２、２０、４０、６０、又は６０を超える整数とすることができる。

電源モジュール３４は、各々、電極２３に電気エネルギーを供給するために電極２３に接続することができる。各電極２３に対して複数の電源モジュール３４を設けることができる。

したがって、電源モジュール３４の数によって、装置２０は、最大６０個又はそれ以上の多数のコンバータデバイス１０を備えることができる。

一つの考え得る解決手段によれば、制御及び命令ユニット３１は、少なくともそれぞれのコンバータデバイス１０を制御するためにすべての電源モジュール３４に接続され、これにより、各モジュールが同じ値の電源電圧Ｕａ、電源電流Ｉａ及び電源周波数ｆａを負荷に供給するように構成される。このようにして、システム全体の誤動作を防止することができる。

一つの考え得る解決手段によれば、装置２０は、装置の所望の全体リアクタンスを得るように構成されたインダクタ３５を備えることができる。

インダクタ３５は、コンバータデバイス１０の下流側に接続することができ、所望の全等価リアクタンスを達成するようにサイズ決定される。このようにして、インダクタ３５の寄与と、システムを負荷に接続する導体によって導入されるリアクタンスとによって与えられる全体リアクタンスを得ることができる。

いくつかの実施形態では、インダクタ３５は、ローパス電気フィルタ３０の下流側に接続することができる。

一般に、インダクタンスは、コンポーネントが構築されると修正することができない（設計）パラメータである。

（例えば、グリッドの５０Ｈｚに対して）周波数を修正することによって、インダクタンスは同じで、回路内でコンポーネントが有するリアクタンス値を変化させることが可能であり、したがって所望の全等価リアクタンス値に到達することが可能である。

したがって、本発明では、プロセスの異なるステップ中に周波数を調整することによって、各ステップにおける電気的パラメータを最適化することが可能である。第一に、インダクタンスの実体（したがってコスト）を抑えて、精錬中にその能力を最大限に利用することができる。

また、コンバータに採用された電気的トポロジーを通して溶融プロセス（フリッカ低減、高調波、力率など）による外乱からパワーグリッドを保護すると同時に、全てのステップにおいてアークの安定性を保証することが可能である。

さらに、幹線周波数に対して電極の電源周波数を修正できることによって、スペース／コストが制限されている条件下での誘導性コンポーネントのサイズ決定が容易になり、導体の使用が改善され、これにより、抵抗が減少し、したがってシステム損失が減少する。

例えば、同じアークインピーダンスを有する電気アーク炉の場合、周波数を上げると誘導リアクタンスが増加し、負荷への等価力率が低下し、これによって、アークの安定性が向上し（例えば、スクラップがまだ溶融しておらずアークがあまり保護されていない場合に有用である）、アークの消滅を防ぐことができる。

上記のコンバータデバイス１０及び電力供給装置２０に対して、本発明の分野及び範囲から逸脱することなく部品の修正及び／又は追加を行うことができることは明らかである。

また、本発明についていくつかの特定の例を参照して説明したが、当業者は、特許請求の範囲に記載された特徴を有し、したがってこれによって特定される保護の範囲内にあるコンバータデバイス１０及び電力供給装置２０の多くの他の同等の形態を達成することができることは明らかである。

以下の特許請求の範囲において、括弧内の参照符号の唯一の目的は読解を容易にすることであり、これらは特定の請求項において請求されている保護の範囲に関して限定的な要素であるとみなしてはならない。

Claims (17)

1. 直流電圧及び直流電流を、負荷（Ｌ）に供給される交流電圧及び交流電流に変換するように構成されたコンバータデバイスであって、
   前記コンバータデバイスは、
   直流電流電源回路に使用中に接続可能なキャパシタ（１２）のバンク（１１）と、
   前記キャパシタ（１２）の前記バンクに接続された複数のパワー半導体（１３）であって、出力（１５ｂ）に向かう正弦波電流の生成を可能にするために選択的にオンオフされるように構成された複数のパワー半導体（１３）と、
   前記パワー半導体（１３）が搭載され、前記パワー半導体（１３）によって発生した熱を放散するように構成されたヒートシンク（１４）と、
   少なくとも前記キャパシタ（１２）の前記バンク（１１）、前記ヒートシンク（１４）及び前記パワー半導体（１３）を内側に囲むように構成されたケーシング（１５）と、を備え、
   前記ヒートシンク（１４）又は前記キャパシタ（１２）の少なくとも一方が、前記ケーシング（１５）と前記ケーシング（１５）のアース接続部（Ｇ）とに対して浮いている、コンバータデバイス。
2. 前記ヒートシンク（１４）及び前記キャパシタ（１２）の両方が、前記ケーシング（１５）に対して浮いている、請求項１に記載のコンバータデバイス。
3. 前記ヒートシンク（１４）及び／又は前記キャパシタ（１２）は、前記ケーシング（１５）に対して電気的に絶縁されている、請求項１又は２に記載のコンバータデバイス。
4. 前記ヒートシンク（１４）と前記ケーシング（１５）との間に接続された少なくとも第１の高インピーダンスコンポーネント（１６）を備える、請求項１又は２に記載のコンバータデバイス。
5. 前記キャパシタ（１２）はフィルム型キャパシタであり、金属材料の収容体（１７）を備え、
   前記コンバータデバイスは、それぞれの前記キャパシタ（１２）の前記収容体（１７）と前記ケーシング（１５）に接続された前記アース接続部（Ｇ）との間に各々が接続された複数の第２の高インピーダンスコンポーネント（１８）を備える、請求項１又は４に記載のコンバータデバイス。
6. 前記少なくとも１つの第１のコンポーネント（１６）及び／又は前記第２の高インピーダンスコンポーネント（１８）は、５００Ωから１５００Ωの間のインピーダンスを有する、請求項４又は５に記載のコンバータデバイス。
7. 前記少なくとも１つの第１のコンポーネント（１６）及び／又は前記第２のコンポーネント（１８）は、８００Ωから１２００Ωの間のインピーダンスを有する、請求項４～６の何れか一項に記載のコンバータデバイス。
8. 電力供給される前記負荷（Ｌ）に使用中に接続されるのに適した出力コネクタ（１５ｂ）と前記アース（Ｇ）との間に接続された少なくとも１つのローパス電気フィルタ（１９）を備える、請求項１～７の何れか一項に記載のコンバータデバイス。
9. 高電力オーム誘導負荷（２１）に電力供給するための電力供給装置であって、
   交流幹線電圧（Ｕｒ）及び交流幹線電流（Ｉｒ）を供給するパワーグリッド（２６）に接続された変換器（２５）であって、前記交流幹線電圧（Ｕｒ）及び前記交流幹線電流（Ｉｒ）を交流ベース電圧（Ｕｂ）及び交流ベース電流（Ｉｂ）に変換するように構成された変換器（２５）と、
   前記変換器（２５）に接続され、前記交流ベース電圧（Ｕｂ）及び前記交流ベース電流（Ｉｂ）を直流電圧及び直流電流に変換するように構成された複数の整流器（２９）と、を備え、
   前記電力供給装置は、
   一方側が前記整流器（２９）に接続され他方側が前記負荷（２１）に接続された請求項１～８の何れか一項に記載の複数のコンバータデバイス（１０）であって、直流電圧及び直流電流を、前記負荷（２１）に供給される電圧（Ｕａ）及び交流電源電流（Ｉａ）に変換するように構成された複数のコンバータデバイス（１０）と、
   前記コンバータデバイス（３２）の機能について制御及び命令し、前記電圧（Ｕａ）及び前記電源電流（Ｉａ）を経時的に調整するように構成された制御及び命令ユニット（３１）と、を備える、電力供給装置。
10. 前記コンバータデバイス（１０）の出力と前記アース（Ｇ）との間に接続され、考え得る前記アースへの電流の変動を減衰させるか又は除去するように構成されたローパス電気フィルタ（３０）を備える、請求項９に記載の電力供給装置。
11. 前記電気フィルタ（３０）は三相タイプのＲＣフィルタであり、前記負荷（２１）に使用中に接続される出力相（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）に対して挿入される、請求項１０に記載の電力供給装置。
12. 前記電気フィルタ（３０）は、抵抗コンポーネント（Ｒ）及び容量コンポーネント（Ｃ）を備えたＲＣフィルタであり、前記抵抗コンポーネント（Ｒ）及び前記容量コンポーネント（Ｃ）の一方又は両方によって生成される熱エネルギーを放散してこれらの温度を下げるように構成された放散手段（３６）を備える、請求項１０又は１１に記載の電力供給装置。
13. 前記電気フィルタ（３０）は、前記抵抗コンポーネント（Ｒ）及び／又は前記容量コンポーネント（Ｃ）のうちの１つ又は複数に関連付けられてこれらの温度を測定するように構成された温度測定センサ（３７）を備える、請求項１２に記載の電力供給装置。
14. 前記制御及び命令ユニット（３１）には、前記電源電圧（Ｕａ）及び前記電源電流（Ｉａ）の電源周波数（ｆａ）を前記パワーグリッド（２６）の幹線周波数（ｆｒ）とは無関係に調整し、前記電力供給装置（１０）のリアクタンスの調整をもたらすように構成された調整デバイス（３２）が設けられている、請求項９～１３の何れか一項に記載の電力供給装置。
15. 前記調整デバイス（３２）は、ヒステリシス変調器又はＰＷＭ（パルス幅変調）変調器を備える、請求項１４に記載の電力供給装置。
16. 変換器（２５）と、整流器（２９）と、コンバータデバイス（１０）とを各々が備える複数の電源モジュール（３４）を備え、
    前記複数の電源モジュール（３４）は互いに並列に接続され、かつ、前記パワーグリッド（２６）と前記負荷（２１）とに接続されている、請求項９～１５の何れか一項に記載の電力供給装置。
17. 後に溶融される金属材料（Ｍ）が中に導入される容器（２２）又はシェルと、
    前記金属材料（Ｍ）にわたってアークを発生させて前記金属材料（Ｍ）を溶融させるように構成された複数の電極（２３）と、
    パワーグリッド（２６）と前記電極（２３）との間に接続された請求項９～１６の何れか一項に記載の電力供給装置（２０）と、を備える、電気アーク炉。

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