JPH11235041A - 並列型インバータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】複数系統のインバータ回路を並列接続しても、
これらのインバータ回路について、出力電流のバランス
が確保されるようになる並列型インバータ装置の提供。 【解決手段】交流電源と各整流回路14との間に、インバ
ータ回路11，12を電気的に結合する差動トランス21を接
続し、交流電流I1, I2が等しくなるように、差動トラン
ス21で交流電流I1, I2を自動的に調節する。これによ
り、インバータ回路11，12の各々に設けられた逆変換回
路15の直流抵抗が相違し、かつ、インバータ回路11，12
の各変圧器１，２の結線方式の相違から、各整流回路14
の出力電圧に差が生じる傾向にあっても、各インバータ
回路11，12の出力電流のバランスが確保されるようにな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、並列接続可能とさ
れた複数系統のインバータ回路を備え、これらのインバ
ータ回路が並列運転可能となっている並列型インバータ
装置に関する。

【０００２】

【背景技術】従来より、インダクタンス成分を有する誘
導電動機や誘導加熱装置等の誘導負荷の出力を容量制御
するにあたり、負荷に供給する交流電力の周波数が調節
可能となったインバータ装置が利用されている。インバ
ータ装置は、商用電源から供給される交流電力を、一
旦、整流回路で直流電力に変換し、この直流電力をさら
に逆変換回路で交流電力に変換することにより、所望の
周波数の交流電力が得られるようにしたものが一般的で
ある。このようなインバータ装置の最大出力は、主に、
逆変換回路に採用される電力制御用のスイッチング素子
の容量によって決定される。このため、スイッチング素
子の容量よりも、さらに大きな出力が必要な場合には、
特開平９−１９１４９号等に示されるように、複数系統
のインバータ回路を並列接続した並列型のインバータ装
置が利用されている。

【０００３】図３には、このような並列型インバータ装
置の一例が示されている。図において、インバータ装置
50は、メインインバータ回路51およびスレーブインバー
タ回路52の二系統を並列接続したものとなっている。イ
ンバータ回路51，52の各々は、三相交流用のものであ
り、変圧器１，２を介して、三相交流電力を供給する商
用電源に接続されている。また、インバータ回路51，52
の各々は、マッチングトランス13を介して負荷に接続さ
れている。インバータ回路51，52の各々には、三相交流
電力を直流電力に変換する整流回路14と、この整流回路
14からの直流電力を交流電力に変換する逆変換回路15と
が設けられている。インバータ回路51，52の各逆変換回
路15は、その出力が同期するように位相制御され、出力
電圧の低下が防止されている。また、インバータ回路5
1，52の各整流回路14は、能動素子であるサイリスタ16
が整流素子として設けられたものであり、ゲートへの制
御電圧を加えるタイミングを変える、換言すれば、その
制御角を０〜πの範囲で変えることにより、その出力電
圧が調節可能となっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような並列型のイ
ンバータ装置50では、二系統のインバータ回路51，52の
逆変換回路15に設けられる各回路素子の直流抵抗分にば
らつきがあり、双方の逆変換回路15の電圧降下V1，V2
（図３参照）が一致しない。このため、インバータ回路
51，52の出力電流についてバランスを確保することが困
難であるという問題がある。特に、電流型のインバータ
装置では、逆変換回路15の電圧降下V1，V2が相違する
と、負荷との関係で出力電流に大きな差が生じやすいう
え、出力電流に差が生じると、長時間運転等の際に、イ
ンバータ回路51，52の負担が著しく相違してくるので、
出力電流についてバランスをとることは重要である。

【０００５】ここで、出力電流のバランスをとるため
に、逆変換回路15にインダクタンスや抵抗素子を挿入す
ることが考えられる。しかしながら、出力電流の波形が
方形波であることから、インダクタンスが出力電流の直
流成分に対して作用しないので、インダクタンスを挿入
したのでは、電圧降下V1，V2を補正できず、効果は期待
できない。抵抗素子を挿入すれば、電圧降下V1，V2の補
正が行え、出力電流についてバランスを確保することが
可能となるが、抵抗素子の挿入により、電力損失が増
え、インバータ装置50の効率が阻害されるという問題が
生じる。なお、インバータ回路51，52の逆変換回路15を
作製するにあたり、逆変換回路15を構成する回路素子を
多数用意し、これらの回路素子の電気特性を調べ、直流
抵抗分が互いに一致するものを選別すれば、出力電流に
ついてバランスを確保することが可能となるが、多数の
回路素子の電気特性を調べるには、時間、手間およびコ
ストが著しくかかるので、実施するのが困難である。

【０００６】また、並列型インバータ装置50では、変圧
器１の結線方式が△−Ｙとされ、変圧器２の結線方式が
△−△とされている。このように、各インバータ回路5
1，52の入力段に設けられる変圧器１，２の結線方式を
相違させれば、並列運転時の高調波の発生が抑制される
ようになる。しかしながら、各インバータ回路51，52の
変圧器１，２の結線方式を相違させると、制御角が同一
となるようにサイリスタ16を制御したとしても、各サイ
リスタ16の出力直流電圧E1，E2（図３参照）が常に同一
電圧とならず、出力直流電圧E1，E2に微妙な差が生じて
しまう。このため、変圧器１，２の結線方式を相違させ
て、並列運転時の高調波を抑制しようとすると、整流回
路14の出力電圧に微妙な差が生じ、逆変換回路15の電圧
降下V1，V2が一致しないことと相俟って、インバータ回
路51，52の出力電流についてバランスを確保することが
さらに困難となるという問題が生じる。

【０００７】本発明の目的は、複数系統のインバータ回
路を並列接続しても、これらのインバータ回路につい
て、出力電流のバランスが確保されるようになる並列型
インバータ装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、交流電源から
供給される交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
この整流回路からの直流電力を交流電力に変換する逆変
換回路とを備えたインバータ回路が複数系統設けられ、
これらのインバータ回路が並列駆動可能となった並列型
インバータ装置であって、前記交流電源と前記整流回路
との間には、前記複数系統の前記インバータ回路を電気
的に結合する差動トランスが接続されていることを特徴
とする。

【０００９】このような本発明では、例えば、二系統の
インバータ回路が設けられ、これらのインバータ回路の
うち、一方の逆変換回路の電圧降下が他方のよりも小さ
くとも、双方のインバータ回路が差動トランスで結合さ
れていることから、差動トランスに流れる電流の大きさ
に差が生じると、電圧降下が小さい逆変換回路を有する
インバータ回路においては、差動トランスが、電流の増
大を抑制する抵抗として作用し、電圧降下が大きい逆変
換回路を有するインバータ回路においては、差動トラン
スが、電流を増大させる起電力を発生し、差動トランス
に流れる電流、すなわち、双方のインバータ回路に流れ
る電流が均等となる。このため、各インバータ回路の逆
変換回路の電圧降下が一致しなくとも、インバータ回路
に流れる電流が等しくなるので、各インバータ回路の出
力電流についてバランスが自動的に確保されるようにな
る。ここで、インバータ回路が四系統以上設けられる場
合には、差動トランスで連結された二系統のインバータ
回路を一ユニットとし、二ユニットで一つのペアを構成
し、一つのペアと交流電源との間に、さらに差動トラン
スを接続し、一つのペアに含まれるユニット同士を差動
トランスで結合すればよい。

【００１０】以上において、前記インバータ回路の各々
は、当該インバータ装置に接続される負荷のインピーダ
ンスと比較して充分大きな出力インピーダンスを有する
電流型インバータ回路であることが望ましい。このよう
に、内部にリアクトル等を設けることにより、出力イン
ピーダンスが大きくされ、主に、負荷への電流の大きさ
が制御される電流型インバータ回路に適用すれば、負荷
のインピーダンスの変動が生じても、各インバータ回路
の出力電流が自動的にバランスし、各インバータ回路の
電流が同じように負荷に追従するようになるので、制御
における応答性や安定性が向上するうえ、一のインバー
タ回路に偏って負担がかかることがなくなるので、並列
型インバータ装置の耐久性が向上するようになる。

【００１１】また、前記インバータ回路の各々は、その
両端の電気的接続を開閉するスイッチング素子を備え、
前記整流回路からの直流電力を前記スイッチング素子の
開閉で交流電力に変換するものであり、かつ、当該イン
バータ回路の各出力段には、降圧用のマッチングトラン
スが接続されていることが望ましい。このように、マッ
チングトランスで逆変換回路の出力を整合する電流型イ
ンバータ回路に適用すれば、逆変換回路の電圧降下の相
違による影響を拡大するマッチングトランスの特性を差
動トランスが補償するので、マッチングトランスを設け
ても何ら問題が生じず、マッチングトランスの採用によ
り、大電流を出力することが可能となる。

【００１２】さらに、前記交流電源は、三相交流電源で
あり、前記インバータ回路として、二系統の三相交流用
インバータ回路が設けられ、これらのインバータ回路の
各々は、前記交流電源との間に変圧器が介装され、これ
らの変圧器を介して前記交流電源と接続され、これらの
変圧器は、その結線方式が互いに異なっていることが好
ましい。このようにすれば、各インバータ回路の入力段
に設けられる変圧器の結線方式が相違していても、差動
トランスが双方のインバータ回路に流れる電流を均等に
するので、整流回路の出力直流電圧も同一電圧となり、
インバータ回路の出力電流についてバランスが確保され
るようになるうえ、各インバータ回路の入力段の変圧器
の結線方式を相違させることにより、並列運転時の高調
波の発生が抑制されるようになる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の一形態を図
面に基づいて説明する。図１には、本実施形態に係るイ
ンバータ装置10が示されている。このインバータ装置10
は、三相交流電源から供給される交流電力を、誘導加熱
装置の駆動に必要な高周波電力に変換する電流型インバ
ータ装置である。インバータ装置10には、並列接続され
た二系統のインバータ回路11，12が設けられている。イ
ンバータ回路11は、メインインバータ回路とされ、△−
Ｙ結線方式の変圧器１を介して、三相交流電力に接続さ
れている。インバータ回路12は、スレーブインバータ回
路となされ、△−△結線方式の変圧器２を介して、三相
交流電力に接続されている。これらのインバータ回路1
1，12の各々は、その出力電圧を降圧するマッチングト
ランス13を介して負荷に接続されている。

【００１４】インバータ回路11，12の各々には、三相交
流電力を直流電力に変換する整流回路14と、この整流回
路14からの直流電力を交流電力に変換する逆変換回路15
とが設けられている。整流回路14には、制御電極である
ゲートを備えた能動的な整流素子であるサイリスタ16
と、このサイリスタ16が整流した脈動する直流電力を平
滑する平滑素子であるリアクトル17とが設けられてい
る。ここで、リアクトル17としては、そのインダクタン
スが比較的大きなものが採用されている。このようなリ
アクトル17を整流回路14に設けることにより、インバー
タ装置10は、出力インピーダンスの大きい電流型インバ
ータ装置となっている。ここで、インバータ回路11，12
の各サイリスタ16は、動作時には、その出力電圧が所定
電圧となるように、かつ、双方の制御角が同一となるよ
うに制御されるものとなっている。

【００１５】逆変換回路15には、その両端の電気的接続
を開閉するスイッチング素子である二つのＩＧＢＴ（In
sulated Gate Bipolar Transistor）18，19と、これら
のＩＧＢＴ18，19を保護するためのダイオード20とが設
けられている。このうち、ダイオード20は、一端が整流
回路14の出力を受ける入力端子に順方向に接続され、他
端がＩＧＢＴ18のコレクタに接続されている。これによ
り、逆変換回路15は、スイッチング素子部分の耐電圧が
向上されている。ＩＧＢＴ18のエミッタは、もう一つの
ＩＧＢＴ19のコレクタに接続され、ＩＧＢＴ19のエミッ
タは、逆変換回路15の出力端子に接続されている。これ
らのＩＧＢＴ18，19のゲートには、図示しない位相同期
ループ回路が送出する制御電圧信号が同時に入力される
ようになっている。位相同期ループ回路は、インバータ
装置10から出力される交流電力の周波数が負荷の共振周
波数となるように制御するものである。

【００１６】このようなインバータ回路11，12の各整流
回路14と三相交流電源との間には、作動トランス21が接
続され、この作動トランス21により、インバータ回路1
1，12は、電気的に相互に結合されている。作動トラン
ス21は、三相交流電源から供給される同一方向の電流に
より、互いに逆方向の磁界を生じる一対のコイルを有す
るものである。なお、インバータ回路11，12の各々に
は、上述した整流回路14、逆変換回路15および作動トラ
ンス21の他に、作動トランス21よりも電源側に接続され
たブレーカ22と、作動トランス21の負荷側に接続された
メインスイッチ23と、このメインスイッチ23の負荷側に
接続されたヒューズ24とが備えられている。また、イン
バータ回路11，12の各々に接続されたマッチングトラン
ス13の後段には、インバータ回路11，12と、負荷との接
続を切り替える切り替え回路25が設けられている。この
切り替え回路25により、インバータ装置10は、インバー
タ回路11，12の一方の単独駆動と、インバータ回路11，
12の同時並列駆動との両方が選択的に可能となってい
る。

【００１７】次に、本実施形態のインバータ装置10の動
作について説明する。前述のようなインバータ装置10に
交流電力を加えると、差動トランス21の一対のコイル各
々には、図１に示されるように、交流電流I1, I2がそれ
ぞれ流れ、これらのコイルの巻き線方向が互いに逆方向
となることから、各コイルの両端には、互いに相手側に
流れる交流電流I2, I1に応じて、誘導起電力Ｖ12，Ｖ21
が生じる。そして、誘導起電力Ｖ12，Ｖ21の各々は、変
圧器１，２の各出力電圧と同位相となる。このため、起
動時の過渡状態において、交流電流I1, I2が相違してい
ても、交流電流I2, I1に応じた誘導起電力Ｖ12，Ｖ21の
発生により、交流電流I1, I2は、互いに大きさが等しく
なるように変動し、定常状態に至ると、差動トランス21
に流れる交流電流I1, I2が等しくなる。例えば、インバ
ータ回路11側の逆変換回路15の直流抵抗がインバータ回
路12側よりも小さく、かつ、変圧器１，２の結線方式の
相違から、インバータ回路11側の整流回路14の出力電圧
がインバータ回路12側よりも高くなっているとする。す
ると、起動時の過渡状態においては、インバータ回路11
側の交流電流I1は、インバータ回路12側の交流電流I2よ
りも大きいものとなる。

【００１８】しかし、インバータ回路11側の誘導起電力
Ｖ12は、インバータ回路12側の交流電流I2の大きさに対
応し、インバータ回路12側の誘導起電力Ｖ21は、インバ
ータ回路11側の交流電流I1の大きさに対応しているの
で、誘導起電力Ｖ21は、誘導起電力Ｖ12よりも大きいも
のとなる。さらに、差動トランス21の各コイルの電圧降
下は、相手側の誘導起電力の大きさに対応したものとな
り、インバータ回路11側の方がインバータ回路12側より
も電圧降下は大きくなる。このため、交流電流I1は、次
第に小さくなる一方、交流電流I2は、次第に大きくな
り、定常状態となると、交流電流I1, I2が等しくなる。
従って、二系統のインバータ回路11，12の各々に設けら
れた逆変換回路15の直流抵抗が相違し、かつ、インバー
タ回路11，12の各変圧器１，２の結線方式が相違し、整
流回路14の出力電圧が相違していても、逆変換回路15の
直流抵抗および整流回路14の出力電圧の差に応じて、イ
ンバータ回路11，12に入力される交流電流I1, I2が自動
的に調節されて等しくなり、インバータ回路11，12が出
力する電流を均等にし、これにより、出力電流のバラン
スが確保されるようになる。

【００１９】前述のような本実施形態によれば、次のよ
うな効果がある。すなわち、交流電源と各整流回路14と
の間に、インバータ回路11，12を電気的に結合する差動
トランス21を接続し、交流電流I1, I2が等しくなるよう
に、差動トランス21で交流電流I1, I2を自動的に調節す
るようにしたので、インバータ回路11，12の各々に設け
られた逆変換回路15の直流抵抗が相違し、かつ、インバ
ータ回路11，12の各変圧器１，２の結線方式の相違によ
り、整流回路14の出力電圧が相違する傾向にあっても、
出力電流のバランスを確保することができる。

【００２０】また、電流型のインバータ回路11，12を差
動トランス21を介して結合し、各インバータ回路11，12
の出力電流が自動的にバランスするようにしたので、負
荷のインピーダンスの変動が生じても、各インバータ回
路11，12の出力電流が同じように負荷に追従するように
なり、制御における応答性や安定性を向上することがで
きるうえ、インバータ回路11，12の一方に偏って負担が
かかることがなくなるので、並列型インバータ装置10の
耐久性を向上することができる。

【００２１】さらに、インバータ回路11，12の逆変換回
路15に二つのＩＧＢＴ18，19を設けることにより、ＩＧ
ＢＴ18，19の耐電圧を向上させ、逆変換回路15の出力電
圧を高めることを可能とするとともに、出力段に降圧用
のマッチングトランス13を設け、以上により、逆変換回
路15の出力電圧を高めて、マッチングトランス13の出力
電流を増大させるようにしたので、ＩＧＢＴ18，19の限
界となる電流値よりも著しく大きな電流を出力すること
ができる。しかも、ＩＧＢＴ18のエミッタをＩＧＢＴ19
のコレクタに接続したことで、双方の逆変換回路15の電
圧降下の差が拡大しても、そのうえ、インバータ回路1
1，12の出力電流の差が拡大する降圧用のマッチングト
ランス13を出力段に設けても、差動トランス21が交流電
流I1, I2を等しくなるように自動的に調節するので、何
ら問題が生じることがない。

【００２２】また、インバータ回路11，12の各々と、三
相交流電源とを、結線方式が異なる変圧器１，２で結合
したので、並列運転時の高調波の発生を抑制することが
できるうえ、変圧器１，２の結線方式が相違していて
も、差動トランス21が双方のインバータ回路11，12に流
れる電流I1, I2を均等にするので、各整流回路14の出力
直流電圧も同一電圧となり、変圧器１，２の結線方式を
相違させることによる弊害が何ら生じることがない。

【００２３】以上、本発明について好適な実施形態を挙
げて説明したが、本発明は、この実施形態に限られるも
のでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々
の改良並びに設計の変更が可能である。すなわち、イン
バータ装置に設けられるインバータ回路は、二系統に限
らず、四系統や八系統等でもよい。例えば、図２に示さ
れるように、インバータ回路11を四系統設けたい場合に
は、差動トランス21で連結された二系統のインバータ回
路11を一つのユニット３とし、二つのユニット３で一つ
のペア４を構成し、このペア４と交流電源との間に、さ
らに差動トランス５を接続し、一つのペア４に含まれる
二つのユニット３同士を差動トランス５で結合すればよ
い。

【００２４】

【発明の効果】前述のように、本発明によれば、並列型
インバータ装置に設けられた互いに並列接続された複数
系統のインバータ回路について、各々の出力電流が自動
的に等しくなり、その出力電流のバランスを確保するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係る並列型インバータ
装置を示す単結線図である。

【図２】本発明の変形例を示すブロック図である。

【図３】従来例を示す単結線図である。

【符号の説明】

１，２ 変圧器 10 並列型インバータ装置 11，12 インバータ回路 13 マッチングトランス 14 整流回路 15 逆変換回路 18，19 スイッチング素子としてのＩＧＢＴ ５，21 差動トランス

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電源から供給される交流電力を直流電
   力に変換する整流回路と、この整流回路からの直流電力
   を交流電力に変換する逆変換回路とを備えたインバータ
   回路が複数系統設けられ、これらのインバータ回路が並
   列駆動可能となった並列型インバータ装置であって、 前記交流電源と前記整流回路との間には、前記複数系統
   の前記インバータ回路を電気的に結合する差動トランス
   が接続されていることを特徴とする並列型インバータ装
   置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の並列型インバータ装置に
   おいて、前記インバータ回路の各々は、当該インバータ
   装置に接続される負荷のインピーダンスと比較して充分
   大きな出力インピーダンスを有する電流型インバータ回
   路であることを特徴とする並列型インバータ装置。
3. 【請求項３】請求項２に記載の並列型インバータ装置に
   おいて、前記インバータ回路の各々は、その両端の電気
   的接続を開閉するスイッチング素子を備え、前記整流回
   路からの直流電力を前記スイッチング素子の開閉で交流
   電力に変換するものであり、かつ、当該インバータ回路
   の各出力段には、降圧用マッチングトランスが接続され
   ていることを特徴とする並列型インバータ装置。
4. 【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかに記載
   の並列型インバータ装置において、前記交流電源は、三
   相交流電源であり、前記インバータ回路として、二系統
   の三相交流用インバータ回路が設けられ、これらのイン
   バータ回路の各々は、前記交流電源と変圧器を介して接
   続され、これらの変圧器の各々は、その結線方式が互い
   に異なっていることを特徴とする並列型インバータ装
   置。