JP5429955B2 - 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をゲ−トオフ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スイッチング素子を点弧する。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。

従来の方法は、逆変換タイミング制御回路でＩＧＢＴなどのスイッチング素子をオンオフ制御しており、通電中のスイッチング素子にオフタイミング信号が入力された場合でも一定期間ゲートオフを禁止する装置（例えば特許文献１）がある。しかしながら、この装置ではゲートオフタイミングが遅れることで重なり時間が増加して効率が低下し、この結果、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が破損する虞がある。

また他の従来の方法としては、時間計測回路によってスイッチング素子をオフさせる時間を決めて、所定の時間経過まではゲートオフを禁止する装置がある( 特許文献２) 。

いづれの方法でも通電中のスイッチング素子を停止させることで、通電電流によるサージ電圧によって、スイッチング素子の電圧破損を防止するものである。しかしながら、ゲートオフとするトリガを認識できないための転流失敗することがあり、これによって逆変換器は全点弧状態となり、負荷共振回路の停止等によって不要停止するか、最悪の場合許容損失を超過してＩＧＢＴを破損する問題があった。
特開平５−１０３４７８ 特開平８−２９８７７７

本発明は上記問題を改善し、点弧していた逆変換器用スイッチング素子のゲート信号を、インバータ出力電圧信号のゼロ点を検出すると共に、転流に伴って生じる逆電圧の有無を検出して、ゲ−トオフさせることで、負荷変動に関わらずに安定した精度の良い重なり時間を確保して、逆変換器の損失増加と破損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、前記スイッチング素子の通電電流が切れることで生じる逆電圧を検出する直流電圧検出回路を設けると共に、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するゼロ点検出回路を設け、ゼロ点検出信号と、逆電圧検出信号とが出力された時に、前記スイッチング素子にゲ−トオフ信号を出力し、ゼロ点検出信号から所定時間経過しても逆電圧検出信号が検出されなかった時は、ゲ−トオフ信号を出力する制御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２記載の電流形インバータは、請求項１において、ゼロ点検出回路に時間調整回路を接続して、ゼロ点検出信号から所定時間経過後にゲ−トオフ信号を出力するようにし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、ゼロ点検出信号と、逆電圧検出信号とが入力された時に、逆変換器のスイッチング素子にゲ−トオフ信号を出力し、ゼロ点検出信号から所定時間経過後に、負荷条件によって逆電圧信号が出力されない場合にも、ゲ−トオフ信号を出力することにより、スイッチング素子の重なり時間を一定値に制御して、スイッチング素子の損失増加と破損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、ゼロ点検出回路に時間調整回路を接続して、ゼロ点検出信号から所定時間経過後にゲ−トオフ信号を出力するようにしたので、スイッチング素子の重なり時間を一定値に制御することができる。

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ー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、インバータ出力電圧からゼロ点を検出するゼロ点検出回路１０に、第１の記憶回路１１と時間調整回路１２が接続されている。第１の記憶回路１１と逆電圧検出信号を出力する直流電圧検出回路８は論理回路１３に接続されている。この論理回路１３は第２の記憶回路１４に接続され、これは更に論理回路１５を介して論理回路１６に接続されている。前記時間調整回路１２はこれら論理回路１５、１６にも接続されている。この論理回路１６は第３の記憶回路１７に接続されている。

前記ゼロ点検出回路１０は、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、ここで生成されるパルス信号（Ａ）を第１の記憶回路１１と時間調整回路１２に出力する。第１の記憶回路１１は、ゼロ点検出回路１０で生成された信号（Ａ）を基に正弦波状のインバータ出力電圧信号に同期した半サイクル毎のパルス信号（Ｂ）を出力する。

また直流電圧検出回路８は、図１に示す主回路の直流リアクトル３と逆変換器４のＰ−Ｎ間直流回路の電圧を検出するもので、逆変換器４のＩＧＢＴがオフして素子電流が断続した場合に発生したＰ−Ｎ間の負電圧を検出して、パルス状の逆電圧信号（Ｃ）を出力するようになっている。

またゼロ点検出パルス信号（Ｂ）と、逆電圧信号（Ｃ）が入力される論理回路１３は、インバータ出力電圧信号に同期した半サイクル毎のパルス信号（Ｂ）と逆電圧信号（Ｃ）が出力された場合にパルス信号（Ｄ）が出力され、逆電圧信号（Ｃ）がない場合はＬｏｗレベルを出力する。

前記第２の記憶回路１４は、パルス状のゲート処理信号が入力されるとセット状態となってパルス信号（Ｄ）が入力されるまでＨｉｇｈ出力となり、リセット状態でＬｏｗ出力となる信号（Ｆ）を出力する。そのため、逆電圧信号（Ｃ）がない場合は常時Ｈｉｇｈレベルに固定される。従って、直流電圧検出回路８で検出する逆電圧（Ｃ）が入力された場合は、信号（Ｆ）が有効となって論理回路１８に出力されてゲートオフのタイミングを設定してゲート信号を発生する。

また時間調整回路１２は、ゼロ点検出回路１０でゼロを点検出して以降、一定の遅延時間を発生させて遅延信号となる信号（Ｅ）を論理回路１５、１６に出力する。論理回路１５、１６は、逆電圧信号（Ｃ）がない場合、信号（Ｆ）がＨｉｇｈレベルに固定されるため、時間調整回路の出力信号（Ｅ）のパルス信号に同期してパルスのゲート処理信号（Ｈ）を出力する。

また第３の記憶回路１７は逆電圧信号（Ｃ）がない場合のゲートオフのタイミングを設定している。逆電圧信号（Ｃ）が発生する場合も、第３の記憶回路１７からゲートオフ指令が出力されるが、すでに第２の記憶回路１４の出力信号（Ｆ）を基にゲートオフす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・溶解させるようになっている。

制御回路９では、図５に示すように、正弦波状のインバータ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により逆変換器４の逆変換器用ＩＧＢＴ４１〜４４を点弧する。

図３は主回路各部の波形で、Ｘ相ゲート信号をオン後、Ｕ相ＩＧＢＴのアーム電流が断続することで主回路Ｐ−Ｎ間に逆電圧が発生し、これを直流電圧検出回路８で検出している。一方、前記ゼロ点検出回路１０は、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、ここで生成されるパルス信号（Ａ）を第１の記憶回路１１と時間調整回路１２に出力する。また時間調整回路１２は、ゼロ点検出回路１０でゼロ点検出したパルス信号（Ａ）が入力してから、一定の遅延時間を発生させて遅延信号となる信号（Ｅ）を論理回路１５、１６に出力する。

逆電圧信号（Ｃ）がない場合、信号（Ｆ）がＨｉｇｈレベルに固定されるため、時間調整回路の出力信号（Ｅ）のパルス信号に同期してパルスのゲート処理信号（Ｈ）を出力する。逆電圧（Ｃ）が入力された場合は、信号（Ｆ）が有効となって論理回路１８に出力されてゲートオフのタイミングを設定してゲート信号を発生し、逆変換器用ＩＧＢＴ４１〜４４がゲートオフされる。

一般に加熱コイル内で溶解・加熱する材料の溶解条件の変化などで負荷インピーダンスは常時変動している。高周波インバータは電流形インバータであるため、インバータの定格インピーダンス（Ｒ１＝Ｖ１＾２／Ｐ）に対して、加熱コイルや溶解・加熱材料を含めた負荷インピーダンス（Ｒ２＝Ｖ２＾２／Ｐ）が所定のインピーダンス条件でないと定格電力を出力することができない。

特に低インピーダンス（Ｒ１＞Ｒ２）の条件では、負荷インピーダンスが小さいために電流が流れ易く・切れ難いため、例えばＵ・Ｙ相からＶ・Ｘ相に転流しても図４に示すように逆電圧が発生しないことがある。この場合、逆電圧検出信号（Ｃ）がないため、半サイクル期間、一方の相はオン状態を、他相はオフ状態を継続してしまうため、図４のように正弦波状のインバータ出力電圧信号を基にゼロ点検出回路１０で生成したゼロ点を検出したパルス信号（Ａ）と、一定の遅延時間を発生させて遅延信号となる信号（Ｅ）を論理回路１５介して論理回路１６から、第３の記憶回路１７にゲート処理信号（Ｈ）を出力する。

この第３の記憶回路１７はゲートオフのタイミングを設定して、逆電圧信号（Ｃ）が一定時間ない場合に、ゲートオフ信号（Ｉ）が論理回路１８に出力されてゲート信号を発生し、逆変換器用ＩＧＢＴ４１〜４４がゲートオフされる。

従って、逆変換器４のＩＧＢＴ４１〜４４の損失を最小にするには図５に示すように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、負荷条件によっては逆電圧信号が出力されない場合には、図２の制御回路９を設けることにより、バックアップとなるゼロ点検出信号を基にした遅延信号でゲートオフすることで、逆変換器４のＩＧＢＴ４１〜４４の損失拡大を抑制することができる。

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に示す制御回路の逆変換器を制御する回路図である。 主回路各部の波形図である。 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
１０ ゼロ点検出回路
１１ 第１の記憶回路
１２ 時間調整回路
１３、１５、１６、１８ 論理回路
１４ 第２の記憶回路
１７ 第３の記憶回路
２１〜２６ 順変換器用サイリスタ
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、前記スイッチング素子の通電電流が切れることで生じる逆電圧を検出する直流電圧検出回路を設けると共に、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するゼロ点検出回路を設け、ゼロ点検出信号と、逆電圧検出信号とが出力された時に、前記スイッチング素子にゲ−トオフ信号を出力し、ゼロ点検出信号から所定時間経過しても逆電圧検出信号が検出されなかった時は、ゲ−トオフ信号を出力する制御回路を設けたことを特徴とする電流形インバータ。
2. ゼロ点検出回路に時間調整回路を接続して、ゼロ点検出信号から所定時間経過後にゲ−トオフ信号を出力するようにし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。