JP3540227B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オゾン発生装置等の無声放電装置用放電管など容量性インピーダンスを持つ負荷に電力を供給する電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
オゾナイザ用無声放電管は容量性インピーダンスを持つ負荷であることから、下記２方式の電源方式が採用されている。一つは負荷に電流を流し込んで制御する電流形変換器、もう一つは特開平７−１７７７４９号公報に開示されている電圧形インバータで電圧を供給し、放電管と並列にリアクトルを設置しインバータから見た負荷力率を良くする方式である。特開平７−１７７７４９号公報の実施例を図１２に示す。図１２に示す電源装置においては、放電管と並列にリアクトルを設け、放電管のキャパシタ分とリアクトルとの間で並列共振を発生させ、電源から見た力率を向上させるように運転している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
無声放電管によるオゾン発生装置は、図１２において説明されているように、容量Ｃと抵抗Ｒとを並列に接続した等価回路として表せる。オゾン発生装置は、無声放電管の高圧電極と接地電極間に高周波高電圧を印加して放電を発生させることにより原料の気体からオゾンを発生させる装置であるが、故障モードとしては短絡故障となる。
図１２に示す電力変換装置では、負荷が短絡した場合に、電圧形インバータの電流の立ちあがりを抑制する要素としては、昇圧変圧器のもれインピーダｓンス分しかなく、過大な電流が流れるという問題があった。
そこで、本発明は、前述の問題点を解決するためになされたものであり、オゾナイザ等の無声放電装置用放電管など容量性インピーダンスを持つ負荷に電力を供給する電力変換装置に関し、電圧形インバータの力率を維持しながら、負荷短絡時の故障電流の抑制をも図ること目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、電圧形インバータの出力電流あるいは電力変換装置の出力電流を検出する電流検出器と、電圧形インバータの出力電圧を検出する電圧検出器と、これら出力電流とインバータ出力電圧から電圧形インバータ出力無効電力を求める無効電力演算回路と、電圧形インバータ出力無効電力が最小となるように電圧形インバータの出力周波数を調整する無効電力制御回路とを備えることを特徴とする。これにより、誘導性インピーダンス、負荷の容量性インピーダンスに変動があった場合においても直列共振状態を維持し、電圧形インバータの力率を良く、かつ、誘導性インピーダンスにより、負荷である容量性インピーダンスが短絡した際も故障電流を抑制できる。
更に、請求項２記載の発明は、電圧形インバータの出力電流あるいは電力変換装置の出力電流を検出する電流検出器と、電圧形インバータの出力電圧から９０度位相の遅れた無効電力演算用信号を発生する信号発生器と、これら出力電流と無効電力演算用信号から出力無効電力を求める無効電力演算回路と、電圧形インバータ出力無効電力が最小となるように電圧形インバータの出力周波数を調整する無効電力制御回路とを備えることを特徴とする。これにより、誘導性インピーダンス、負荷の容量性インピーダンスに変動があった場合においても直列共振状態を維持し、電圧形インバータの力率を良く、かつ、誘導性インピーダンスにより、負荷である容量性インピーダンスが短絡した際も故障電流を抑制できる。また、無効電力の演算を、電圧検出値ではなく、信号発生器とすることにより、検出器を省略でき経済的である。
【０００６】
請求項３記載の発明は、電圧形インバータあるいは電力変換装置の出力電流を検出する電流検出器と、電圧形インバータの出力、あるいは変圧器の交流巻線側、あるいは電力変換装置の出力電圧を検出する電圧検出器と、これら出力電流と出力電圧から出力有効電力を求める有効電力演算回路と、出力有効電力が出力有効電力指令値と等しくなるようにインバータ出力電圧を調整する有効電力制御回路とを備えることを特徴とする。これにより、インバータの無効電力を最小とし、かつ、出力有効電力を制御でき、かつ負荷短絡時の故障電流を抑制できる。
また、請求項４記載の発明は、電圧形インバータあるいは電力変換装置の出力電流を検出する電流検出器と、電圧形インバータの出力電圧と同期した有効電力演算用信号を発生する信号発生器と、これら出力電流と有効電力演算用信号から出力有効電力を求める有効電力演算回路と、出力有効電力が出力有効電力指令値と等しくなるようにインバータ出力電圧を調整する有効電力制御回路とを備えることを特徴とする。これにより、インバータの無効電力を最小とし、かつ、出力有効電力を制御でき、かつ負荷短絡時の故障電流を抑制できる。また、有効電力の検出を信号発生器によって行うことにより、電圧検出器を省略でき、経済的である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す概要構成図である。
図１において、１は電圧形インバータ２と誘導性インピーダンス３とで構成される電力変換装置、４は容量性インピーダンス負荷である。なお、４は代表的な容量性負荷であるオゾン発生器の等価回路とするため、並列に抵抗を図示している。誘導性インピーダンス３は容量性インピーダンス４と共振回路を構成する。電圧形インバータ２は、前記共振回路の共振周波数に近い周波数の電圧を発生する。これにより、前記共振回路が共振し、無効電力は誘導性インピーダンスと容量性インピーダンス間で循環する。
電圧形インバータ２は、例えば容量性インピーダンスと並列の抵抗で消費される有効電力分のみの供給で良く、インバータ出力の高力率化が可能となる。また、共振により、電圧形インバータ２の出力する電圧よりも最大２倍までの高い電圧を容量性インピーダンスに印加可能となる。また、電圧形インバータ２と誘導性インピーダンス３が負荷４に対して直列に接続されるため、容量性インピーダンスが短絡した場合も、故障電流の抑制ができる。
【０００８】
なお、本実施の形態においては、負荷を容量性とし、電力変換装置内に誘導性インピーダンスを設けて共振を発生させているが、負荷が誘導性の場合は、電力変換装置内に容量性インピーダンスを設けて共振させれば良いことは明らかである。
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態を示す概要構成図である。
図２において、５は変圧器である。変圧器を設けることにより、負荷側で必要な電圧に関係なく、電圧形インバータに使用する半導体の定格に適するように、電圧形インバータの電流定格、電圧定格を選定でき、全体として経済的な電力変換装置を提供できる。また、変圧器を入れることにより、負荷との絶縁が図れる。
通常、容量性インピーダンスであるオゾン発生器は数ｋV〜１０ｋV程度の電圧を印加する必要がある。一方、中小容量の電圧形インバータとして、現在主流に使用されているオンオ負制御素子はＩＧＢＴであり、数百Vから千数百V程度の電圧定格である。したがって、オゾン発生器においては図２の変圧器は昇圧変圧器となる。
図２に示す回路においては、誘導性インピーダンス３に直列に変圧器が入るため、変圧器の漏れインピーダンス分が誘導性インピーダンスに加わる。
【０００９】
（第３の実施の形態）
図３は、本発明の第３の実施の形態を示す概要構成図である。
本実施の形態では、変圧器５を誘導性インピーダンス３と容量性インピーダンス４の間に設置し、誘導性インピーダンスを変圧器の直流巻線側に設置している。オゾン発生器の場合は、前述した様に変圧器５は昇圧変圧器となる。したがって、誘導性インピーダンス３を変圧器の直流巻線側に設置すると、電圧が低くて済み、全体的として経済的で小形になる場合がある。
また、図４に示すように、電源の出力容量が大きくなり、複数台（図４においては２台）の電圧形インバータを並列に接続する場合、並列接続のためにリアクトルが必要となる場合があるが、そのリアクトルと、共振のための誘導性インピーダンスを兼ねることもできる。
（第４の実施の形態）
図５は、本発明の第４の実施の形態を示す概要構成図である。
図５において、６は電圧形インバータの出力電圧を検出する電圧検出器、７は電圧形インバータの出力電流を検出する電流検出器、６０は電圧検出器６と電流検出器７から電圧形インバータの出力無効電力６１を検出する無効電力検出回路、５０は検出した無効電力６１を最小にする様に電圧形インバータの出力周波数指令値５１を制御する無効電力制御回路である。
【００１０】
前述したように、容量性インピーダンス４と、誘導性インピーダンス３および変圧器５の漏れインピーダンスで構成される共振回路が共振した場合は、電圧形インバータの力率が高くなる。しかしながら、容量性インピーダンスの変動や、誘導性インピーダンスの製作誤差等により、共振周波数が変動する。それらの変動があっても、常に電圧形インバータの無効電力を小さくし、力率を高くするために、電圧形インバータの出力無効電力を検出し、無効電力が最小となる様に電圧形インバータ２の出力周波数を制御する。
尚、本実施の形態においては、電流検出器７は変圧器５の直流巻線側に設置されているが、変圧器５の交流巻線側、または電力変換装置１の出力部に設置されていても同様の効果が得られることは言うまでもない。
また、図６に示すように、電圧検出器６を変圧器５の交流巻線側に設置しても、変圧器の漏れインピーダンスが誘導性インピーダンスに比較し小さい場合は同様の効果が得られる。
（第５の実施の形態）
図７は、本発明の第５の実施の形態を示す概要構成図である。
図７において、７０は無効電力演算のための信号発生器である。出力電流から無効電力を演算するためには、インバータ出力電圧に対して９０度ずれた電圧波形を得る必要がある。７０は９０度ずれた電圧波形を出力する信号発生器である。
【００１１】
信号発生器７０の動作について説明する。説明に当たって、図８に電圧形インバータ２の詳細回路図、図９にその運転波形を示す。
Ｑ１〜Ｑ４は電圧形インバータを構成するオンオフ制御素子である。電圧形インバータであるので、直列に接続されているＱ１，Ｑ２及びＱ３、Ｑ４は同時にオンしない様に制御される。Ｑ１とＱ４がオンしている期間は、電圧形インバータの出力電圧（Ｖｉｎｖ）には正の極性で直流電圧（ＶＤＣ）が現れ、Ｑ２とＱ３がオンしている期間は負の極性で現れる。
９０度ずれた電圧波形を得る方法として、実際の電圧を検出するのではなく、あらかじめ制御装置で判っているＱ１とＱ３との位相差と周波数から得る。例えば、周波数指令値の１／４周期だけ遅れて、位相差に相当するパルス幅の信号を出力するなどすれば良い。
尚、無効電力制御回路は無効電力を一定値に制御するのではなく、無効電力をなるべく小さくする様に動作すれば良く、無効電力の検出は絶対量として正確である必要はない。従って、図９のＶＱに示すように、パルス幅は反映していない信号でも問題はない。
図７に示すように、無効電力検出のための電圧形インバータ出力電圧を制御信号から求める様にすれば、電圧検出器を省略でき、経済的な電力変換装置を提供できる。
【００１２】
（第６の実施の形態）
図１０は、本発明の第６の実施の形態を示す概要構成図である。
図１０に示すように、８０は電圧検出器６と電流検出器７から有効電力を検出する有効電力検出回路、９０は検出した有効電力８１を有効電力設定値９２に一致する様に電圧形インバータのパルス幅指令値９３を制御する有効電力制御回路である。
図１０において、有効電力検出回路８０にて出力電流と出力電圧をかけ合わせることにより出力有効電力８１を検出する。尚、出力が単相の場合はリプル分が多いので後段にフィルタ８２を設ける。有効電力制御回路９０では、検出した有効電力８１が有効電力設定値９２に一致する様に電圧形インバータのパルス幅、すなわち図９の運転波形の位相差φを制御する。
電圧形インバータの無効電力については図７と同様であるので省略する。尚、図１０においては、有効電力検出と同様に、単相出力であるためリプル除去のためのフィルタを設けている。
図１０に示すように、無効電力を小さくするように電圧形インバータの周波数を制御し、有効電力を設定値と一致するように電圧形インバータのパルス幅を制御することによって、出力有効電力の制御を行いながら、常に電圧形インバータの力率を高く運転することができ、電圧形インバータの容量低減、昇圧変圧器の容量低減ができ、経済的な電力変換装置が提供できる。
【００１３】
また、直列に誘導性インピーダンスを設けることにより、容量性負荷が短絡した時も、故障電流の立ちあがりが抑制でき過電流保護が可能となる。
尚、図１０において、電流検出器は変圧器５の直流巻線側で検出しているが、変圧器の交流巻線側で検出しても同様の効果が得られることは明らかである。
（第７の実施の形態）
図１１は、本発明の第７の実施の形態を示す概要構成図である。
図１１において、７１は有効電力検出のための電圧信号を出力する信号発生器である。
電圧形インバータの出力電圧は図９の動作説明図にて説明したとおりであり、電圧形インバータに与えるゲート波形から演算できる。７１は図９におけるＶｉｎｖを演算して出力する。
電圧形インバータ出力電圧波形で演算した有効電力と、電力変換装置の出力点の有効電力は、変圧器５、誘導性インピーダンス３の損失分だけ異なる。その損失は通常３％以下であり、全体の制御で無視できるととすれば、信号発生器による有効電力検出で制御することが可能である。
図１１のように構成すれば、オゾン発生器様電源装置の様に出力が高圧である場合は高圧の電圧検出器が省略でき、経済的な電力変換装置が提供できる。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電圧形インバータと、容量性インピーダンスに直列に接続される誘導性インピーダンスを具備し、電圧形インバータの出力無効電力を最小とするように周波数を調整する無効電力制御回路を設け、有効電力が設定値に一致するように電圧形インバータの出力パルス幅を調整する有効電力制御回路を設けたので、出力の変化、負荷定数の変動があった場合でも電圧形インバータの出力の高力率化が可能である。これにより、電圧形インバータまたは変圧器の必要容量が小さくなり経済的な電力変換装置の提供が可能である。また、電圧形インバータと直列に誘導性インピーダンスが接続されるため、容量性インピーダンスで短絡が生じた場合も、短絡電流の立ちあがりが抑制でき保護が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す概要構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す概要構成図。
【図３】本発明の第３の実施の形態を示す概要構成図。
【図４】図３に示した本発明の第３の実施の形態の変形例を示す概要構成図。
【図５】本発明の第４の実施の形態を示す概要構成図。
【図６】図５に示した本発明の第４の実施の形態の変形例を示す概要構成図。
【図７】本発明の第５の実施の形態を示す概要構成図。
【図８】図７に示した本発明の第５の実施の形態に適用される電圧形インバータを示す詳細回路図。
【図９】図８に示した電圧形インバータの動作を示す図。
【図１０】本発明の第６の実施の形態を示す概要構成図。
【図１１】本発明の第７の実施の形態を示す概要構成図。
【図１２】従来の無声放電装置用電力変換装置を示す概要構成図。
【符号の説明】
１…電力変換装置、２…電圧形インバータ、３…誘導性インピーダンス、
４…容量性インピーダンス、５…変圧器、６…電圧検出器、７…電流検出器、
５０…無効電力制御回路、５１…周波数指令値、６０…無効電力検出回路、
６１…無効電力検出値、６２…フィルタ、７０…無効電力検出用信号発生器、
Ｑ１〜Ｑ４…オンオフ制御素子、８０…有効電力検出回路、
８１…有効電力検出値、８２…フィルタ、９０…有効電力制御回路、
９１…有効電力設定値

Claims (4)

1. 電圧形インバータと、容量性インピーダンスと、前記電圧形インバータと前記容量性インピーダンスに直列に接続される誘導性インピーダンスとを有する電力変換装置において、前記電圧形インバータの出力電流あるいは電力変換装置の出力電流を検出する電流検出器と、前記電圧形インバータの出力電圧を検出する電圧検出器と、前記電流検出器及び前記電圧検出器からの出力信号とから前記電圧形インバータの出力無効電力を求める無効電力演算回路と、前記電圧形インバータの出力無効電力が最小となるように電圧形インバータの出力周波数を調整する無効電力制御回路とを具備することを特徴とした電力変換装置。
2. 電圧形インバータと、容量性インピーダンスと、前記電圧形インバータと前記容量性インピーダンスに直列に接続される誘導性インピーダンスとを有する電力変換装置において、前記電圧形インバータの出力電流あるいは電力変換装置の出力電流を検出する電流検出器と、前記電圧形インバータの出力電圧から９０度位相の遅れた無効電力演算用信号を発生する信号発生器と、前記電流検出器及び前記信号発生器からの出力信号に基づき出力無効電力を求める無効電力演算回路と、この無効電力演算回路からの出力無効電力が最小となるように前記電圧形インバータの出力周波数を調整する無効電力制御回路とを具備することを特徴とした電力変換装置。
3. 電圧形インバータと、容量性インピーダンスと、前記電圧形インバータと前記容量性インピーダンスに直列に接続される誘導性インピーダンスとを有する電力変換装置において、前記電圧形インバータあるいは電力変換装置の出力電流を検出する電流検出器と、前記電圧形インバータの出力あるいは前記変圧器の交流巻線側あるいは電力変換装置の出力電圧を検出する電圧検出器と、前記電流検出器及び前記電圧検出器からの出力信号に基づき出力有効電力を求める有効電力演算回路と、この有効電力演算回路からの出力有効電力が出力有効電力指令値と等しくなるように前記電圧形インバータの出力電圧を調整する有効電力制御回路とを具備することを特徴とした電力変換装置。
4. 電圧形インバータと、容量性インピーダンスと、前記電圧形インバータと前記容量性インピーダンスに直列に接続される誘導性インピーダンスとを有する電力変換装置において、前記電圧形インバータあるいは電力変換装置の出力電流を検出する電流検出器と、前記電圧形インバータの出力電圧と同期した有効電力演算用信号を発生する信号発生器と、前記電流検出器及び前記信号発生器からの出力信号に基づき出力有効電力を求める有効電力演算回路と、この有効電力演算回路からの出力有効電力が出力有効電力指令値と等しくなるように前記電圧形インバータの出力電圧を調整する有効電力制御回路とを具備することを特徴とした電力変換装置。

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