JP5335312B2 - 電流形インバータ - Google Patents

Description

本発明は、逆変換器のスイッチング素子のゲ−トオンする機構を改良した電流形インバータに関するものである。

一般に誘導加熱用高周波インバータは電流形インバータであり、その主回路は、商用電源に接続された順変換器を、直流リアクトルを介して、スイッチング素子で構成された逆変換器に接続し、ここから負荷共振周波数に応じた高周波電力を加熱コイルに供給する構成となっている。誘導加熱は加熱コイル内に主に鉄を主成分とする被加熱材料を投入し、加熱コイルに高周波電力を供給することで、被加熱材料に渦電流を発生させて溶解・加熱する電気加熱方式の一つである。

被加熱材料の加熱・溶解条件は常時変動しており、これに伴って共振周波数や負荷インピーダンスが変動するが、負荷共振周波数に同期して運転する高周波インバータには常に高効率で安定した電力供給が要求される。そのためＩＧＢＴ式インバータでは、高効率運転を行うため正負の各半サイクルの重なり時間をμ ｓｅｃのオーダで精度良く制御する必要がある。

加熱コイルに交流電力を出力する逆変換器用制御回路では、図５に示すように、正弦波状の出力電圧であるインバータ出力電圧のゼロ点を基に生成した三角波信号と、点弧タイミングを設定する基準信号を基にゲートオンのタイミングを生成するゲート信号で点弧する。この場合、Ｕ相のゲート信号とＸ相のゲート信号との重なり時間が拡大すると、スイッチング素子であるＩＧＢＴや、逆阻止ダイオードの損失が増加するため、重なり時間を常時一定値に制御するため、ゲートオフのタイミングを一定にすることが重要である。

しかしながら、加熱コイル６内で溶解・加熱する材料の溶解条件の変化などで共振周波数は常時変動しており、この変動に制御回路が追従できないと逆変換器の点弧タイミングを誤り、逆変換器の損失増加や順変換器領域での動作によって溶解・加熱を継続することができない。特に逆変換器用制御回路では半サイクル前の信号を基に制御されるため、周波数変動直後、半サイクルの共振周波数には追従することが不可能である。

従来の方法としては、転流開始から電圧ゼロになるまでの電流変化をフリップフロップ（記憶回路）で検出してゲートオフのタイミングを設定するものがある。この方法では、主にスイッチング素子のオフゲート制御により、力率を１に近付ける制御方法である（特許文献１）。

しかしながらこの方法では、点弧タイミングの早まることで重なり時間が増加して力率が悪化し、これによって逆変換器の損失が増加し、最悪の場合許容損失を超過してＩＧＢＴが破損する恐れがある。また点弧タイミングが遅れることで逆変換器動作領域から外れ、順変換器動作領域で点弧する。この結果、負荷への電力供給が断続して共振周波数の喪失や、主回路内部に過電流が生じ、ＩＧＢＴなどを保護するため不要停止し、最悪の場合、許容損失を超過してＩＧＢＴが破損する恐れがある。
特開平７−１８４３７５

本発明は上記問題を改善し、逆変換器用スイッチング素子を、負荷変動などによって所定のタイミング範囲内に点弧設定できない場合でも、タイミングリミットを設けて所定のタイミング範囲内に強制点弧させることで、逆変換器の損失増加と順変換器領域でのスイッチング素子の点弧を防止した電流形インバータを提供するものである。

本発明の請求項１記載の電流形インバータは、商用電源に接続された順変換器を、直流リアクトルを介して、スイッチング素子で構成された逆変換器に接続し、ここで交流に変換して負荷に供給する電流形インバータにおいて、高周波インバータが出力する正弦波状のインバータ出力電圧信号を基にゼロ点を検出するゼロ点検出回路を設け、このゼロ点信号を基に生成した三角波信号と基準信号とから点弧タイミングとなる当初のゲート信号を生成する回路と、重なり時間の最小値を設定する回路と、重なり時間の最大値を設定する回路と、重なり時間の最大値と最小値との間の有効期間内に当初のゲート信号があった場合に、この信号を逆変換器のスイッチング素子にゲート信号として出力する回路と、有効期間内に当初のゲート信号がなく、重なり時間が最小値を下回る場合に、設定した最小値の信号をゲート信号としてスイッチング素子に出力する回路と、有効期間内に当初のゲート信号がなく、重なり時間が最大値を超える場合に、設定した最大値の信号をゲート信号としてスイッチング素子に出力する回路とからなることを特徴とするものである。

本発明の請求項２記載の電流形インバータは、請求項１において、スイッチング素子にゲート信号を出力する回路に、ゼロ点信号でゲート信号をリセットする回路を設けたことを特徴とするものである。

本発明の請求項３記載の電流形インバータは、請求項１において、スイッチング素子が、ＩＧＢＴ、またはパワーＭＯＳＦＥＴ、もしくはパワートランジスタで形成されていることを特徴とするものである。

本発明に係る請求項１記載の電流形インバータによれば、インバータ出力電圧信号のゼロ点を基に当初のゲート信号を生成し、加熱コイルなどの負荷条件によって、重なり時間の最小値と最大値を設定し、最大値と最小値から有効期間を設定して、当初のゲ−ト信号が設定した有効期間内にあった場合には当初のゲ−ト信号をゲート信号とし、有効期間内になかった場合には、重なり時間の最大値か最小値をゲート信号として強制的に逆変換器を点弧させることにより、重なり時間を常時一定値以内に制御して、逆変換器の損失を抑制すると共に、順変換器領域でのスイッチング素子の点弧を防止することができる。

また請求項２記載の電流形インバータによれば、逆変換器のスイッチング素子にゲート信号を出力する回路に、ゼロ点信号でゲート信号をリセットする回路を設けることによりスイッチング素子を正確に点弧させることができる。

また請求項３記載の電流形インバータによれば、逆変換器を構成するスイッチング素子として、ＩＧＢＴの他、パワーＭＯＳＦＥＴやパワートランジスタを使用することができる。

以下本発明の実施の一形態を図１ないし図４を参照して詳細に説明する。図１は電流形インバータを示すもので、図において１は商用電源、２は商用電源１に接続された順変換器、３は直流リアクトル、４は逆変換器、５は力率改善用コンデンサ、６は加熱コイル、７は環流回路、８は直流電圧検出回路、９は制御回路である。

前記順変換器２は順変換器用サイリスタ２１〜２６で構成され、三相商用電源１から直流電圧を生成する装置で、直流電圧は制御回路９で設定されるゲートタイミングによって変化する。また直流リアクトル３は、順変換器２で生成された直流電圧のリプル分を除去するとともに、逆変換器４や高周波インバータの負荷である力率調整用コンデンサ５や加熱コイル６の破損時に発生する過電流の急激な増加を抑制するものである。

また前記逆変換器４は逆変換器用ＩＧＢＴ４１〜４４と逆変換器用逆阻止ダイオード４５〜４８とから構成され、負荷共振周波数に応じてＩＧＢＴ４１〜４４をオンオフさせることで高周波電力を加熱コイル６に供給するものである。この高周波電力を出力するＩＧＢＴ４１〜４４は逆阻止能力を持たないため、逆阻止ダイオード４５〜４８によって、ＩＧＢＴ４１〜４４のオフ時に高周波電流がＩＧＢＴ４１〜４４を介して逆流することを防止している。

また力率改善用コンデンサ５は、誘導加熱装置が遅れ方向の低力率装置であるため、加熱コイル６の遅れ力率を進み方向に改善する作用をなすものである。また加熱コイル６は、コイル内に鉄等の金属材料を投入されたとき、インバータから高周波電力を供給されることで、炉内の金属材料にうず電流を発生させ、うず電流と金属材料間に発生するジュール熱によって、金属材料を加熱・溶解させるようになっている。

前記環流回路７は、限流リアクトル７１と環流動作を行うための環流回路用高速サイリスタ７２とで構成され、高周波インバータが停止する場合に高速サイリスタ７２がオンし、順変換器２が直流から交流に逆変換器領域で動作することで、主回路に蓄積している電力を電力系統側に回生させるようになっている。なお限流リアクトル７１は、環流回路用高速サイリスタ７２がオンした際に、急激に電流が立ち上がって同サイリスタ７２が破損することを防止している。

また前記直流電圧検出回路８は、逆変換器４のＰーＮ間に接続され、逆変換器４では一方のＩＧＢＴ４１と４４または４２と４３と、他方のＩＧＢＴ４２と４３または４１と４４が交互に動作しており、一方がオンしている状態で他方も所定のタイミングでオンした際、転流して電流が切れて発生する逆電圧を検出するものである。この検出した逆電圧は制御回路９に出力されるようになっている。

また制御回路９は図２に示すように、インバータ出力信号からゼロ点を検出するゼロ点検出回路１２が、Ｓ＆Ｈ（サンプル＆ホールド) 回路１３と、第３の記憶回路１８に接続され、これらにゼロ点信号（Ａ）が出力される。Ｓ＆Ｈ回路１３は逆変換器４を角度制御するための三角波を生成し、これを基に逆変換器４の点弧タイミングを設定するための当初のゲ−ト信号（Ｂ）を生成するものである。

更にインバータ出力信号は、重なり時間の最小値を設定し、最小値信号（Ｃ）を出力する第１のＰＤ（ピークディテクト）回路１４と、重なり時間の最大値を設定し、最大値信号（Ｄ）を出力する第２のＰＤ回路１５に出力される。

前記第１のＰＤ回路１４は、有効期間を設定する第１の記憶回路１６と、論理和回路３２に接続され、これらに最小値信号（Ｃ）を出力するようになっている。また第２のＰＤ回路１５は、第１の記憶回路１６と、重なり時間の拡大を検出する信号（Ｆ）を生成する第２の記憶回路１７と、論理積回路３１に接続され、これらに最大値信号（Ｄ）を出力するようになっている。

またＳ＆Ｈ回路１３は、第２の記憶回路１７と論理積回路３０に接続され、これらに逆変換器４の点弧タイミングを設定するための当初のゲ−ト信号（Ｂ）を出力するようになっている。また前記第１の記憶回路１６は、有効期間を設定する信号（Ｅ）を生成し、これを論理積回路３０に出力するようになっている。この論理積回路３０では、有効期間を設定する信号（Ｅ）が出力される期間内にＳ＆Ｈ回路１３からの当初のゲ−ト信号（Ｂ）が出力されると、その後段の論理和回路３２に信号（Ｇ）を出力するようになっている。

この論理和回路３２は、論理積回路３０からの信号（Ｇ）と、第１のＰＤ回路１４からの最小値信号（Ｃ）が入力し、有効な信号（Ｇ）が入力するとそのまま当初のゲ−ト信号（Ｂ）が信号（Ｈ）となって出力される。

論理和回路３３は、信号（Ｈ）と論理積回路３１からの信号（Ｉ）が入力され、ここで重なり時間が通常の場合、即ち有効期間内に当初のゲ−ト信号（Ｂ）が入力された場合には、当初のゲ−ト信号（Ｂ）を、また重なり時間が最小値を下回る場合は最小値信号（Ｃ）を、また重なり時間が最大値を超える場合は最大値信号（Ｄ）のいずれかのゲート信号（Ｊ）が第３の記憶回路１８を介して逆変換器４のインバータ素子に出力される。なお第１のＰＤ回路１４と第２のＰＤ回路１５および第３の記憶回路１８は、ゼロ点検出回路１２からのゼロ点信号（Ａ）が入力するとリセットされるようになっている。

上記構成の電流形インバータについてその動作を説明する。図１に示すように、商用電源１に接続された順変換器２で交流電圧から直流電圧に変換し、直流リアクトル３を介して、逆変換器用ＩＧＢＴ４１〜４４と逆変換器用逆阻止ダイオード４５〜４８とから構成され逆変換器４で直流電圧を高周波電圧に変換して、この高周波電力を加熱コイル６に供給し、炉内の金属材料にうず電流を発生させ、うず電流と金属材料間に発生するジュール熱によって、金属材料を加熱・溶解させる。

制御回路９のゼロ点検出回路１２は、図３に示すように高周波インバータが出力する正弦波状のインバータ出力電圧信号を基にゼロ点を検出し、ここで生成されるゼロ点信号（Ａ）をＳ＆Ｈ回路１３に出力する。ここでは逆変換器４を角度制御するための三角波を生成し、ゼロ点信号（Ａ）を基にゼロレベルを設定した三角波を生成し、これと突き合わせる基準信号を基に逆変換器の点弧タイミングを設定するための当初のゲ−ト信号（Ｂ）が生成される。

また第１の記憶回路１６では、重なり時間の最小値を設定する第１のＰＤ回路１４からの最小値信号（Ｃ）と、重なり時間の最大値を設定する第２のＰＤ回路１５からの最大値信号（Ｄ）とから有効期間を設定し、この有効期間信号（Ｅ）を論理積回路３０に出力する。

また第２の記憶回路１７ではＳ＆Ｈ回路１３からの当初のゲ−ト信号（Ｂ）と、重なり時間の最大値を設定する第２のＰＤ回路１５からの最大値信号（Ｄ）とから、重なり時間の拡大を検出し、その拡大検出信号（Ｆ）を論理積回路３１に出力する。また重なり時間の最大値を設定する第２のＰＤ回路１５からの最大値信号（Ｄ）も論理積回路３１に出力される。

Ｓ＆Ｈ回路１３からの当初のゲ−ト信号（Ｂ）が論理積回路３０に出力され、これが第１の記憶回路１６からの有効期間信号（Ｅ）の有効期間内であると、当初のゲ−ト信号（Ｂ）が有効になり、信号（Ｇ）が生成される。以下後段の論理和回路３２から信号（Ｈ）が出力され、更に論理和回路３３からゲート信号（Ｊ）、すなわち当初のゲ−ト信号（Ｂ）が第３の記憶回路１８を経て、逆変換器４のスイッチング素子に出力されてゲ−トオンされる。この状態は図３および図４の波形図のＦ１の領域に示した動作状態となる。

論理積回路３０で有効期間信号（Ｅ）の有効期間内に、当初のゲ−ト信号（Ｂ）が入力されない場合は、信号（Ｇ）がＬｏｗレベルとなるため、論理和回路３２で第１のＰＤ回路１４からの最小値信号（Ｃ）が有効となって、これが信号（Ｈ）となって論理和回路３３に出力される。即ち、最小値信号（Ｃ）がゲート信号（Ｊ）となって逆変換器４のスイッチング素子に出力されてゲ−トオンされる。

つまり、図３のＦ１領域の隣のＦ２領域（左側のＦ２領域）の周波数が上昇する領域で、Ｕ相の当初のゲ−ト信号（Ｂ）とＸ相の当初のゲ−ト信号（Ｂ）との重なり時間が短く、最大値信号（Ｄ）と最小値信号（Ｃ）との差の有効期間内にＸ相の当初のゲ−ト信号（Ｂ）がない場合には、予め第１のＰＤ回路１４で設定した最小値信号（Ｃ）が有効となり、これがＸ相のゲート信号（Ｊ）となって逆変換器４のスイッチング素子に出力されてゲ−トオンされる。

一方、第２の記憶回路１７では当初のゲ−ト信号（Ｂ）と最大値信号（Ｄ）とから重なり時間の拡大を検出し、その拡大検出信号（Ｆ）を論理積回路３１に出力すると共に、第２のＰＤ回路１５からの最大値信号（Ｄ）を論理積回路３１に出力する。論理積回路３１では重なり時間の拡大を検出した拡大検出信号（Ｆ）が入力した場合に最大値信号（Ｄ）が有効となって最大値信号（Ｉ）が論理和回路３３に出力される。

論理和回路３３では有効期間内に、当初のゲ−ト信号（Ｂ）が入力されないので最小値信号（Ｃ）が有効となって、これが信号（Ｈ）となって入力されるが、最大値信号（Ｄ）の信号（Ｉ）が先に入力されるのでこれが優先して、論理和回路３３から最大値信号（Ｄ）のゲート信号（Ｊ）が第３の記憶回路１８を経て、逆変換器４のスイッチング素子に出力されてゲ−トオンされる。この状態は図４の波形図のＦ１領域の隣のＦ３領域（左側のＦ３領域）に示した動作状態となる。

つまり、図４のＦ１領域の隣のＦ３領域（左側のＦ３領域）の周波数が下降する領域で、最大値信号（Ｄ）より速く当初のゲ−ト信号（Ｂ）が第２の記憶回路１７に入力されると、予め第２のＰＤ回路１５で設定した最大値信号（Ｄ）が有効となり、これが論理和回路３３で優先されて、これがＸ相のゲート信号（Ｊ）となって逆変換器４のスイッチング素子に出力されてゲ−トオンされる。なお第３の記憶回路１８では、ゲート信号（Ｊ）をゼロ点検出回路１２からのゼロ点信号（Ａ）によりリセットすることで逆変換器４のスイッチング素子を正確に点弧させるための信号を生成することができる。同様に第１のＰＤ回路１４と第２のＰＤ回路１５もゼロ点信号（Ａ）でリセットする。

従って、インバータ出力電圧信号のゼロ点を基に当初のゲート信号を生成し、重なり時間の最小値は第１のＰＤ回路１４で設定し、重なり時間の最大値は第２のＰＤ回路１５で設定することにより、加熱コイルなどの負荷条件によって所望のリミット値を設定し、当初のゲ−ト信号が設定した有効期間内にあった場合には当初のゲ−ト信号をゲート信号とし、周波数が急激に低下した場合には、予め設定した重なり時間の最大値をゲート信号とし、周波数が急激に上昇した場合には、重なり時間の最小値をゲート信号として、逆変換器４を点弧することにより、逆変換器４の損失を抑制し、順変換器領域でのスイッチング素子の点弧を防止することができる。

本発明の実施の一形態による電流形インバータの回路図である。 図１に示す逆変換器を制御する制御回路の回路図である。 周波数上昇時の主回路各部の波形図である。 周波数下降時の主回路各部の波形図である。 逆変換器の基本ゲートタイミングを示す説明図である。

符号の説明

１ 商用電源
２ 順変換器
３ 直流リアクトル
４ 逆変換器
５ 力率改善用コンデンサ
６ 加熱コイル
７ 環流回路
８ 直流電圧検出回路
９ 制御回路
１２ ゼロ点検出回路
１３ Ｓ＆Ｈ回路
１４ 第１のＰＤ回路
１５ 第２のＰＤ回路
１６ 第１の記憶回路
１７ 第２の記憶回路
１８ 第３の記憶回路
２１〜２６ 順変換器用サイリスタ
３０、３１ 論理積回路
３２、３３ 論理和回路
４１〜４４ 逆変換器用ＩＧＢＴ
４５〜４８ 逆変換器用逆阻止ダイオード

Claims (3)

1. 商用電源に接続された順変換器を、直流リアクトルを介して、スイッチング素子で構成された逆変換器に接続し、ここで交流に変換して負荷に供給する電流形インバータにおいて、高周波インバータが出力する正弦波状のインバータ出力電圧信号を基にゼロ点を検出するゼロ点検出回路を設け、このゼロ点信号を基に生成した三角波信号と基準信号とから点弧タイミングとなる当初のゲート信号を生成する回路と、重なり時間の最小値を設定する回路と、重なり時間の最大値を設定する回路と、重なり時間の最大値と最小値との間の有効期間内に当初のゲート信号があった場合に、この信号を逆変換器のスイッチング素子にゲート信号として出力する回路と、有効期間内に当初のゲート信号がなく、重なり時間が最小値を下回る場合に、設定した最小値の信号をゲート信号としてスイッチング素子に出力する回路と、有効期間内に当初のゲート信号がなく、重なり時間が最大値を超える場合に、設定した最大値の信号をゲート信号としてスイッチング素子に出力する回路とからなることを特徴とする電流形インバータ。
2. スイッチング素子にゲート信号を出力する回路に、ゼロ点信号でゲート信号をリセットする回路を設けたことを特徴とする請求項１記載の電流形インバータ。
3. スイッチング素子が、ＩＧＢＴ、またはパワーＭＯＳＦＥＴ、もしくはパワートランジスタで形成されていることを特徴とする請求項１記載の電流形インバータ。