JPS6366141B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ この発明は直流電源と交流負荷の間で複数個の
並列接続されたインバータ装置に係り、特に、こ
のインバータ装置を構成する半導体スイツチ或い
は整流素子の電流バランスを良くしたインバータ
装置に関するものである。

［発明の技術的背景とその問題点］ 直流電流を交流に変換し、交流負荷にその電力
を供給する電力変換装置はインバータ装置と呼ば
れ、その代表的な一例を第１図に示す。同図にお
いて直流電源１１と交流負荷１２の間にインバー
タ装置１３が介在して、直流を交流に変換してい
る。このインバータ装置１３は、負荷電流を流す
方向には半導体スイツチとしてGTO１０１，１
０２，１０３，１０４，１０５，１０６と、その
逆方向で無効電力を帰還する方向には整流素子１
１１，１１２，１１３，１１４，１１５及び１１
６とが並列接続されて１アームを構成し、更にそ
の並列回路が直流電源１１の正の端子Ｐ及び負の
端子Ｎの間に直列接続され、その直列接続点を出
力端子Ｒ，Ｓ，Ｔとすることにより１ブリツジを
構成している。第１図は３相出力の場合であるの
で３ブリツジ用いているが、この相数は交流負荷
に対応した相数で任意に決められる。また、半導
体スイツチとしては、第１図ではGTOを使用し
ているが、外部からの導通或いは非導通信号に対
応して導通或いは非導通な状態となり得る回路な
らば、たとえば強制転流回路をそなえたサイリス
タ或いはトランジスタ等であつても、その詳細な
回路内容は問題とはならない。第１図に示された
インバータ装置を大容量化する場合には種々の回
路が用いられてきた。その例を示したのが第２図
及び第３図である。第２図は１ブリツジだけの構
成を示したものであるが、同図ａではGTO１０
１と１２１及び１０２と１２２を、整流素子１１
１と１３１及び１１２と１３２を直列接続し出力
電圧を上げて使用しようとするものである。この
例は、それぞれの直列接続された素子に流れる電
流は同一なので、電流バランスの問題は全くない
が、出力電圧を高くとらなければならないため、
交流負荷１２と電圧の整合性がとれない場合が多
いという欠点があつた。同図ｂではGTO１０１
と１２１及び１０２と１２２を、整流素子１１１
と１３１及び１１２と１３２を並列接続し、出力
電流を上げて使用しようとするものである。この
場合の欠点は電流のアンバランスがGTOの順方
向電圧降下で決まるということで、GTOの通電
能力を最大限に利用しようとする場合には、素子
の順方向電圧降下をあわせるよう選択しなければ
ならないか、或いは電流をバランスさせるための
インピーダンスをそれぞれGTOに対し直列に接
続しなければならなかつた。従つて、インバータ
装置として高価になつていた。第３図は別の例で
あり、直流電源１１に対しインバータ装置１３及
び１４を並列に接続し、そのそれぞれの出力端子
間にリアクトル１５，１６及び１７を接続して、
それぞれの中点を交流負荷１２と接続したもので
ある。この例は比較的簡単にインバータ装置を大
容量化できるものとしてよく使用されるが、イン
バータ装置の出力周波数が低い場合にはリアクト
ル１５，１６及び１７による電流バランス効果が
減少するので、リアクトル１５，１６及び１７の
インダクタンス値を大きくする必要があり、上記
したものと同様に全体として高価な回路となつて
しまう欠点があつた。

［発明の目的］ この発明は以上述べられた欠点に対してなされ
たものであり、インバータ装置を複数台並列接続
する場合に、特に選別された半導体スイツチ或い
は整流素子を使用しなくても、或いは特に大きな
インダクタンス値を持つリアクトルを使用しなく
ても、瞬時電流をさせることができるインバータ
装置を提供しようとするものである。

［発明の概要］ このようなインバータ装置は、それぞれ電流バ
ランスを行なうべき半導体スイツチ或いは整流素
子に流れる電流を検出し、この電流がバランスす
るようそれぞれの半導体スイツチに与えるべき導
通或いは非導通信号を制御することにより達成さ
れる。特に、その転流時の電流極性により進み力
率或いは遅れ力率にあることをを検出し、進み力
率の関係にある場合には導通にするタイミング
を、遅れ力率の関係にある場合には非導通にする
タイミングを制御することにより、より効果的に
この目的が達成される。

［発明の実施例］ この発明の実施例を説明する前に、進み力率或
いは遅れ力率の関係にある電流について若干の説
明をしておく。インバータ装置において、交流出
力１サイクルに対し１回ずつ、すなわち電気角で
180゜ずつ導通或いは非導通とする運転をした場合
の導通区間とその時に流れる電流の関係を表わし
たものが第４図である。同図ａは第１図の１つの
ブリツジについて示したものであり、GTO１０
１と１０２、整流素子１１１と１１２のそれぞれ
に流れる電流は、負荷に電力を供給する方向を正
とした場合にi₁₀₁，i₁₀₂，i₁₁₁及びi₁₁₂となる。同図
ｂにおいて１，２はGTO１０１及び１０２に与
えられる導通信号を表わし、たとえば時刻t₁から
t₂まではGTO１０１へ、時刻t₂からt₃まではGTO
１０２へ導通信号が与えられている。同図におい
て、たとえば時刻t₂にGTO１０１が非導通状態、
GTO１０２が導通状態になつたとしても、出力
端子Ｒへ流れる電流はGTO１０２へすぐに移ら
ないで、始めに整流素子１１１を通して無効電力
を帰還し、交流負荷の力率角だけ遅れてGTO１
０２に電流が流れ始める。このようにGTOが導
通状態になつたとしてもすぐに流れ始めない電流
を遅れ力率の関係にある電流と呼ぶ。同図ｃは同
図ｂと反対の関係にあり、GTOが導通状態にな
ると、それまで流れていた無効電力分の電流がす
ぐにそのGTOに流れ始める。同図に示される
180゜通電の運転においては、交流負荷が容量性の
場合しかこのような電流は流れないが、第５図に
示すPWM制御の運転の場合には、１周期の内
で、このような電流をを転流する可能性がある。
従つて、GTOが導通状態になつた時にすぐに流
れ始める電流を進み力率の関係にある電流と呼
ぶ。第５図はPWM制御をした場合の出力電圧e_R
と出力電流i_Rの一例を示したものであり、転流タ
イミングである時刻t₁〜t₂₄の内、遅れ力率の関係
にある電流は時刻t₁、t₃、t₅、t₇、t₉、t₁₀、t₁₁、
t₁₂、t₁₄、t₁₆、t₁₈、t₂₀、t₂₂、t₂₃及びt₂₄の時であ
り、進み力率の関係にある電流は時刻t₂、t₄、t₆、
t₈、t₁₃、t₁₅、t₁₇、t₁₉及びt₂₁の時に流れている電
流である。

第６図にはこの発明の一実施例を示し、第７図
にはその動作説明図を示す。第６図は、直流電源
の正の端子Ｐ及び負の端子Ｎに対し、GTO１０
１と１０２及び整流素子１１１と１１２から成る
第１のブリツジ回路と、GTO２０１と２０２及
び整流素子２１１と２１２から成る第２のブリツ
ジ回路を並列に接続した場合に電流のバランスを
とる例を示している。又、説明を判り易くするた
めに、第１のブリツジ回路のGTO１０１と第２
のブリツジ回路のGTO２０１の電流のバランス
をとることを目的とした実施例となつており、更
に、遅れ力率の関係にある電流を制御して、この
目的を実現しようとした例である。第１のブリツ
ジ回路の出力端子Ｒ１と第２のブリツジ回路の出
力端子Ｒ２はそれぞれリアクトル１５１及び２５
１を介して接続され、この接続点を出力端子Ｒと
する。GTO１０１と２０１へ与えられる導通信
号Po_Nはそれぞれの導通及び非導通信号を受けて
GTOへ与えるべきターンオンパルス及びターン
オフパルスを発生するゲート回路１８１及び２８
１へ直接与えられる。また、GTO１０１と２０
１へ与えられる非導通信号Po_FFは後に詳しく述べ
る制御回路５１を介して、その位相関係を調整
し、ゲート回路１８１及び２８１へ与えられる。
第１のブリツジ回路の出力電流i₁及び第２のブリ
ツジ回路の出力電流i₂はそれぞれ変成器２１及び
３１と電流検出回路２２及び３２を介して検出さ
れ制御回路５１へ与えられる。電流検出回路２２
及び３２は一般的に用いられている演算増幅器で
比例増幅或いは短い時定数を持つ積分増幅回路等
で構成される。電流バランスをとりたいGTO或
いは整流素子によりそのサンプリング方法を加え
ることも可能であるが、第６図の実施例では、両
方向の電流とも検出し、そのサンプリング方法を
加えることも可能であるが、第６図の実施例で
は、両方向の電流とも検出し、その大きさだけを
制御回路５１に与える回路として説明を進める。
電流検出回路２２及び３２の出力信号e₂₂及びe₃₂
は、比較回路５２及び差電流検出回路５３へ与え
られる。差電流検出回路５３の出力信号は更に比
較回路５４にて設定器５５からの所定の差電流値
と比較され、差電流検出回路５３の出力信号が所
定値以上になつた場合に、電流バランスの動作が
行なわれるよう動作指令回路５６及び５７へ動作
信号を出す。動作指令回路５６及び５７へは、比
較回路５２からもその時の差電流に応じた調整信
号と、出力端子Ｒに流れる電流i₀を変成器５８、
電流検出回路５９を介して得た電流極性信号とが
与えられる。この電流極性信号により、上記にて
説明した遅れ力率或いは進み力率の関係にある電
流かを判別している。動作指令回路５６及び５７
からの信号はそれぞれ位相調整回路６０及び６１
へ与えられる。第６図では位相調整回路６０及び
６１が一般的な回路で書かれているが、それぞれ
スイツチ６２及び６３と調整回路６４及び６５か
ら成る。たとえば比較回路５２からの信号によ
り、GTO２０１へ与えるターンオフパルスより
もGTO１０１へ与えるターンオフパルスを遅く
したい場合には、位相調整回路６０ではスイツチ
６２が導通状態になつて調整回路６４は動作しな
く、位相調整回路６１の調整回路６５が動作し、
動作指令回路５６からの信号によりターンオフパ
ルスPo_FFの位相を遅らせることができる。

この実施例の効果を第７図を使つて説明する。
同図１は電流i₁及びi₂を示し、２はGTO１０１へ
与えられているターンオンパルス、３はGTO１
０２へ与えられているターンオンパルス、４は
GTO２０１へ与えられるターンオンパルス、５
はGTO２０２へ与えられるターンオンパルス、
そして６は差電流検出回路５３の出力信号を示
す。時刻t₁にて進み力率の関係にある電流なので
それぞれGTO１０１及び２０１へ同時にターン
オンパルスが与えられ電流i₁及びi₂は上昇してい
く。この例では時刻t₂以前に差電流検出回路５３
の出力信号が所定値±i_sを越えて、次の転流時刻
t₂で遅れ力率の関係にある電流なので調整動作を
行なう。すなわちGTO２０１へ与えられるター
ンオフパルスは時刻t₂に対し遅れ、時刻t₃で与え
られる。GTO１０１のターンオフパルスは時刻
t₂で与えられているので電流i₁は時刻t₂にて転流
して減少し始めるのが、電流i₂は時刻t₂から時刻
t₃まで増加し、時刻t₃以降減少する。GTO１０１
に流れる電流は右上からの斜線の部分、GTO２
０１に流れる電流は左上からの斜線の部分とな
り、それぞれの電流はバランスする方向で動作す
る。時刻t₄にてGTO１０２及び２０２が導通、
時刻t₅にてGTO１０２及び２０２が非導通、時
刻t₆にてGTO１０１及び２０１が導通して運転
が継続する。

第６図の実施例によりたとえばGTO１０１と
GTO２０１の電流のバランスをとる場合に、遅
れ力率の関係にある電流の転流タイミングを調整
することにより、それぞれの平均値を等しくする
方向に調整することができる。従つてGTO１０
１と２０１の素子的特性を特に厳密に選別しなく
ても素子の持つている電流容量を最大限に利用し
たインバータ装置を提供することができる。

第８図には他の実施例を、第９図にはその実施
例の動作説明図を示す。第８図の実施例が第６図
の実施例と異なる箇所はGTO１０１とGTO２０
１の電流バランスをとる際に、進み力率の関係に
ある電流の転流タイミングを調整して、目的を達
しようとしたことである。すなわち、第８図にお
いてゲート回路１８１及び２８１へ与えるターン
オンパルスPo_N及びターンオフパルスPo_FFの関係
が第６図と反対になり、ターンオフパルスPo_FFは
直接ゲート回路１８１及び２８１へ与えられる
が、ターンオンパルスPo_Nは制御回路７１にて位
相関係を調整し、ゲート回路１８１及び２８１へ
与えられる。制御回路７１の構成と制御回路５１
の構成は全く同じであるが、その内の要素である
動作指令回路７２及び７３が動作指令回路５６及
び５７と異なる。すなわち、動作指令回路５６と
５７は遅れ力率の関係にある電流を検出して動作
指令を発するのに対し、動作指令回路７２及び７
３は、進み力率の関係にある電流を検出して動作
指令を発するのである。

この実施例の効果を第９図を使用して説明す
る。同図１〜６は第７図１〜６と同じ内容を示
す。この実施例では時刻t₁は遅れ力率の関係にあ
る電流の転流タイミングなのでGTO１０１と
GTO２０１へ同時にターンオフパルスが与えら
れる。電流i₁は電流i₂より小さく、次の転流タイ
ミングとなる時刻t₄までに差電流検出回路５３の
出力信号が所定値±isを越えるため、時刻t₄で進
み力率の関係にある電流を判別して、調整動作を
行なう。すなわちGTO１０１へは時刻t₄にター
ンオンパルスが与えられるが、GTO２０１のタ
ーンオンパルスは時刻t₅まで遅れるので、GTO
１０１と２０１へ流れる電流はそれぞれ右上から
及び左上からの斜線を施した部分となつて、バラ
ンスする方向で動作するのである。

第１０図には別の実施例を示す。この実施例は
第１のブリツジ回路と第２のブリツジ回路の間の
電流バランスには第６図の実施例を、第２のブリ
ツジ回路と第３のブリツジ回路の間の電流バラン
スには第８図の実施例を適用したものである。構
成及び効果とも前記するように目的が達せられ、
特にこの実施例においては同時に３つのブリツジ
回路を構成するGTOの電流バランスをとること
ができる。

３つ以上のブリツジ回路に対してもたとえば第
６図の実施例を拡大して適用することができる。
すなわち、第６図の実施例においては、各位相調
整回路の内の１つのスイツチを導通させて、他の
位相調整回路の内の調整回路を動作させて電流の
バランスをとつたが、同様の手法を用いて、３つ
以上のブリツジ回路に対応する位相調整回路の内
の調整回路を動作させれば、その目的を達するこ
とができる。

以上の説明は半導体スイツチとしてGTOを例
にあげ、しかも１つのブリツジ回路を構成する
GTOの内、直流電源の正の端子に接続される
GTOの電流バランスをとることに対してだけ説
明したが、負の端子に接続されるGTOでも、或
いは逆並列に接続されいるそれぞれの整流素子の
電流バランスをとることも制御回路の構成をかえ
ることにより可能なのは明らかである。また最初
にも述べたようにGTOに限らずサイリスタ、ト
ランジスタ或いはその他の半導体スイツチでも同
様の効果が得られることも明らかである。尚、イ
ンバータ装置の一例として第１図に示される主回
路構成にて説明したが、前記するようなサイリス
タ或いはその他の半導体スイツチを用いた場合に
主回路構成としてあらわれる転流リアクトル或い
は保護リアクトルが電流路内に挿入されていたと
しても、それは全くこの発明の主旨に影響を与え
るものではない。

［発明の効果］ 以上説明したように、それぞれ電流バランスを
行なうべき半導体スイツチ或いは整流素子に流れ
る電流を検出し、この電流がバランスするようそ
れぞれの半導体スイツチに与えるべき導通或いは
非導通信号を制御することにより次の特徴を持つ
たインバータ装置を提供することができる。

(1) 特に選別された半導体スイツチ或いは整流素
子を使用しなくても、電流バランスの良いイン
バータ装置となるので、並列接続をした場合
に、素子の通電能力が最大限に利用できるイン
バータ装置。

(2) 電流バランス用に大きなインダクタンスを持
つリアクトルが必要とならないので、小形で経
済的なインバータ装置。

これらの特徴は、特に転流時の電流極性を判別
し、進み力率の関係にある時は導通するタイミン
グを、遅れ力率の関係にある時は非導通にするタ
イミングを制御することにより、より簡単にその
効果を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はインバータ装置の主回路構成図、第２
図、第３図は従来のインバータ装置を説明するた
めの構成図、第４図、第５図はインバータ装置の
進み力率或いは遅れ力率の関係を説明するための
図、第６図は本発明の一実施例を示す構成図、第
７図は第６図の動作説明図、第８図は本発明の別
の実施例を示す構成図、第９図は第８図の動作説
明図、第１０図は本発明の更に別の実施例を示す
構成図である。 １１……直流電源、１２……交流負荷、１３，
１４……インバータ装置、１５，１６，１７，１
５１，２５１，３５１……リアクトル、２１，３
１，４１，５８……変成器、２２，３２，４２，
５９……電流検出回路、５１，７１……制御回
路、５２，５４……比較回路、５３……差電流検
出回路、５５……設定器、５６，５７，７２，７
３……動作指令回路、６０，６１……位相調整回
路、６２，６３……スイツチ、６４，６５……調
整回路、１０１，１０２，１０３，１０４，１０
５，１０６，１２１，１２２，２０１，２０２，
３０１，３０２……GTO、１１１，１１２，１
１３，１１４，１１５，１１６，１３１，１３
２，２１１，２１２，３１１，３１２……整流素
子、１８１，２８１，３８１……ゲート回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 直流電源と交流負荷の間に介在し、負荷電流
   を流す方向には半導体スイツチを、無効電力を帰
   還する方向には整流素子を備えた複数の回路を前
   記直流電源の正、負の端子間に直列接続し、その
   直列接続点を出力端子として負荷電流を出力する
   インバータ装置において、交流負荷に対し上記イ
   ンバータ装置を複数台設けると共にその出力それ
   ぞれの出力端子間にバランサとしてのリアクトル
   を設けて共通接続し、且つ上記各インバータ装置
   の半導体スイツチ或いは整流素子を通して流れる
   出力電流をそれぞれ検出する電流検出手段と、こ
   の電流検出手段で検出された各出力電流の偏差を
   求めると共にその電流偏差が設定値を越えると前
   記共通接続点を通して流れる電流の極性を検出し
   て出力電流が出力電圧に対して進み力率の関係に
   ある場合には上記半導体スイツチを導通にするタ
   イミングを調整し、また出力電流が出力電圧に対
   して遅れ力率の関係にある場合には上記半導体ス
   イツチを非導通にするタイミングを調整して上記
   並列接続の関係にある半導体スイツチ間或いは整
   流素子間の電流をバランスさせる調整手段とを設
   けたことを特徴するインバータ装置。