JP3961817B2 - 倍電圧インバータ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、運転の安定化を図った倍電圧インバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、誘導加熱炉の高周波電源としてサイリスタインバータ装置が広く使用されている。このサイリスタインバータ装置は図４に示すように構成されている。図において１は三相交流電力を直流電力に変換する整流器、２は直流リアクトル、３から６はサイリスタ、７はコンデンサ、８は負荷コイルである。前記直流リアクトル２は直流電流を平滑化するとともに、電流を持続させようとする働きをもつものである。またサイリスタ３と６および４と５のペアが交互にオンすることによりコンデンサ７と負荷コイル８に交流電力が供給される。
【０００３】
このインバータとしての動作を説明すると、サイリスタ３〜６は自己消弧能力がないので、負荷側に設けられたコンデンサ７によってオフさせる。即ち、サイリスタ３と６がオンの状態で、コンデンサ７が図示の極性になっているとき、サイリスタ４と５をオンすると、コンデンサ７の電荷がサイリスタ５と６を介して放電し、サイリスタ６の電流が０になると、サイリスタ６はオフに転ずる。
【０００４】
またサイリスタ４と３のパスでもコンデンサ７の電荷が放電することにより、サイリスタ３が同様にオフに転ずる。またサイリスタ４と５がオンの状態では、コンデンサ７の極性は図示とは逆の極性に転ずる。次いでサイリスタ３と６をオンすると、同様にサイリスタ４と５がオフする。このようにコンデンサ７の作用によりサイリスタは交互にオンオフしてインバータとしての動作が行われる。
【０００５】
サイリスタは電流が０になった後、所定の時間逆電圧が印加され続けないと、サイリスタが完全にはオフ能力を回復しない。したがって、この逆電圧時間を確保することがこの種のインバータではもっとも重要である。一般にこの逆電圧時間を転流余裕角あるいは転流余裕時間と呼ぶ。この角度あるいは時間は電圧に対する電流の進み角あるいは進み時間に等しい。厳密にいうと重なり時間を加味しなければならないが、本質的なものではないので説明を省略する。図５はインバータの出力側の電圧と電流波形を示したものである。電流は電圧に対してある所定の角度γあるいは時間進んでいることが重要である。
【０００６】
負荷コイルの代表例としては誘導炉があるが、これは金属材料を誘導炉に投入してから溶解が完了して、溶湯をすべて取り出すまでのプロセスにおいては、誘導炉のインピーダンスが大きく変化する。このインピーダンスの変化に拘らずインバータは、必要な転流余裕角あるいは時間を常に確保することが重要である。そのため、負荷電圧あるいは電流を検出して電流と電圧の位相が一定の角度あるいは時間になるように、周波数を自動調整している。
【０００７】
例えば周波数が上がると、コンデンサ電流が増加し、負荷コイル電流が減少するので、位相が進むことになる。周波数が下がると、逆に位相が遅れる。この位相特性を図に表したのが図６である。横軸が周波数ｆ、縦軸は位相θで０より上が遅れ、下が進みである。
【０００８】
負荷の状況によって位相特性がＡからＢに変化すると、位相特性曲線と、目標とする位相レベルに設定した所定値θ 0 との交点の周波数がｆ A からｆ B に移動し、インバータの周波数が変化する。これを実現する制御回路としては、例えばＰＬＬ( フェーズロック回路) が使われる。
【０００９】
次に倍電圧方式インバータについて説明する。図７は、従来からある倍電圧方式インバータである。実際には、図４のコンデンサ７が二つに分割されたものと等価である。図７において、１１はインバータ、７１と７２はコンデンサで、その容量はそれぞれＣ1 およびＣ２とする。８は負荷コイルで、誘導炉などの誘導性負荷である。Ｖ1 はインバータ出力電圧、Ｖ2 は誘導負荷電圧である。
【００１０】
この回路が倍電圧となる原理を説明する。Ｃ1 ≒Ｃ２＝２Ｃ、負荷コイル８のインダクタンスと抵抗をそれぞれＬ、Ｒとすると、共振角周波数ωはおおよそ式１で表される。
【００１１】
【式１】
【００１２】
図８はＣ1 、Ｃ２、ＬおよびＲの関係を示すベクトル図である。この図から式２、式３が導かれ、Ｖ2 ≒２Ｖ1 の関係が成り立つ。
【００１３】
【式２】
【００１４】
【式３】
【００１５】
倍電圧方式インバータ装置は変圧器を使用することなくインバータ電圧を２倍近くに高めることができるので、経済的にも変圧器不用によるコストメリットだけではなく、変圧器からの騒音が減り、軽量化が図れるなどのメリットがある。それにも拘らず、実際にはほとんど使われていないのが実状で、その原因はインバータが安定に動作しないことにあると考えられる。確かに、誘導炉で加熱溶解中に突然周波数が異常に低下する現象が発生することがある。そこでなぜ周波数が異常に低下するのかその原因について検討した。
【００１６】
図７の回路で、インバータ１１から負荷側を眺めたインピーダンスＺは、Ｃ２、Ｌ、Ｒの直列回路とＣ1 の合成インピーダンスとなる。周波数が非常に低くなると、直列回路インピーダンスは、式４で表される。
【００１７】
【式４】
【００１８】
この関係から１／ωＣ1 との合成インピーダンスはほぼ１／ωＣとなり、容量性リアクタンスを呈する。一方周波数が非常に高くなるとＣ２と負荷コイルの直列インピーダンスはほぼωＬとなり、これと１／ωＣ1 との合成インピーダンスはωＬ>>１／ωＣ1 より、ほぼ１／ωＣ1 になり、これも容量性リアクタンスを呈する。
【００１９】
したがって共振周波数付近は、多くの場合、容量性から誘導性リアクタンスを呈するが、負荷が重くなると、即ちＲが増加すると図９に示すように、位相がある進みの値より小さくならない状況が現れる。その結果、位相特性曲線と、目標とする位相レベルに設定した所定値θ 0 との交点の周波数に、サイリスタインバータの周波数を制御するゲート信号を作成するが、位相をある所定値θ0 にしようとしたとき、Ａの場合にはｆA という周波数が存在するが、Ｂの場合には存在せず、その結果、Ｂの特性を示す負荷ではインバータが動作できない。このように突然不安定になる原因が知られていなかったために、その対策がなされず、従来は倍電圧インバータ装置が広く使われていなかったものと考えられる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題を改善し、如何なる負荷条件でも安定して運転でき、特に加熱溶解中に突然周波数が異常に低下する誘導炉に好適な倍電圧インバータ装置を提供するものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の倍電圧インバータ装置は、サイリスタインバータの第１および第２出力端子と並列に接続された第１コンデンサと、前記第１出力端子に一端が接続された第２コンデンサと、該第２コンデンサの他端と前記第２出力端子の間に直列に接続された誘導負荷とからなる倍電圧インバータ装置において、インバータ出力電圧信号のインバータ電圧とインバータ電流とから得られる位相特性曲線と、目標とする位相レベルに設定した所定値との交点の周波数に、サイリスタインバータの周波数を制御するゲート信号を作成する第１ゲート信号発生器と、誘導負荷電圧信号の負荷電圧とインバータ電流とから得られる位相特性曲線と、目標とする位相レベルに設定した所定値との交点の周波数に、サイリスタインバータの周波数を制御するゲート信号を作成する第２ゲート信号発生器と、該二つのゲート信号発生器の出力のうちいずれか周波数の高い方のゲート信号を選択するか、または出力のある一方のゲート信号をサイリスタに出力する選択回路とを設けたことを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の請求項２記載の倍電圧インバータ装置は、位相特性曲線と、目標とする位相レベルに設定した所定値との交点の周波数に、サイリスタインバータの周波数を制御するゲート信号を作成する第１および第２ゲート信号発生器において、目標とする位相レベルに設定した所定値を、それぞれのゲート信号発生器で、異なる値に設定したことを特徴とするものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の一形態を図１ないし図３を参照して詳細に説明する。図１において倍電圧インバータ装置は、インバータ１１の第１出力端子９１および第２出力端子９２と並列に接続された容量Ｃ1 の第１コンデンサ７１と、前記第１出力端子９１に一端が接続された第２コンデンサ７２と、該第２コンデンサ７２の他端と前記第２出力端子９２との間に直列に接続された誘導負荷となる負荷コイル８とから構成されている。
【００２４】
またコンデンサ７１の両側にはインバータ電圧検出用変圧器２０が接続され、ここでインバータ出力電圧Ｖ1 を測定するようになっている。また負荷コイル８の両側には負荷電圧検出用変圧器２１が接続され、ここで誘導負荷電圧Ｖ2 を測定するようになっている。またインバータ電圧検出用変圧器２０には、インバータ出力電圧信号を入力としてサイリスタのゲート信号を作成する第１ゲート信号発生器２２が接続されている。また負荷電圧検出用変圧器２１には誘導負荷電圧信号を入力としてサイリスタのゲート信号を作成する第２ゲート信号発生器２３が接続されている。前記第１ゲート信号発生器２２は、図２（Ａ）に示すように、インバータ出力電圧信号のインバータ電圧とインバータ電流とから得られる位相特性曲線θ 1 と、目標とする位相レベルに設定した所定値θ A0 との交点の周波数ｆ A1 に、サイリスタインバータ１１の周波数を制御するゲート信号を作成するものである。また第２ゲート信号発生器２３は、誘導負荷電圧信号の負荷電圧とインバータ電流とから得られる位相特性曲線θ２と、目標とする位相レベルに設定した所定値θ B0 との交点の周波数ｆ B1 に、サイリスタインバータ１１の周波数を制御するゲート信号を作成するものである。
【００２５】
更にこれら第１ゲート信号発生器２２と第２ゲート信号発生器２３は選択回路２４に接続されている。この選択回路２４は、前記第１および第２ゲート信号発生器２２、２３の出力のうちいずれか周波数の高い方のゲート信号を選択するか、または出力のある一方のゲート信号をサイリスタに出力するようになっている。また選択回路２４は、サイリスタ３、６とサイリスタ４、５にゲート信号を交互に出力するゲート信号分配器２５が接続され、更にパルス増幅器２６が接続されて、サイリスタ３〜６にゲート信号を出力するようになっている。なお２７は始動回路で、これは図１に限らず図４や図７においても必要なものである。
【００２６】
上記構成の倍電圧インバータ装置の動作について説明する。インバータ１１の始動に先立って、サイリスタ３と５をオンして直流を短絡して、直流リアクトル２の電流をまず立ち上げる。次いでサイリスタ３と６をオンして、サイリスタ５をオフして直流短絡を解除し、それによりインバータ１１の動作を開始させる。ここでサイリスタ３と６をオンしてサイリスタ５をオフさせるためには、コンデンサ７１と７２が図示極性に充電していることが必要である。そのコンデンサ７１と７２を充電するための回路が始動回路２７である。
【００２７】
第１および第２ゲート信号発生器２２と２３はインバータ電圧検出用変圧器２０あるいは負荷電圧検出用変圧器２１の波形から、サイリスタゲート信号を作るための回路である。ここではインバータ電圧検出用変圧器２０あるいは負荷電圧検出用変圧器２１から与えられる正弦波状の波形が０を横切る時点から波高値に達する時点の１／４周期波形から共振波形の半周期を割り出して、次にオンすべきサイリスタのゲート信号を作り出す回路である。
【００２８】
周波数異常の原因は前述のようにインバータ電圧と電流の位相が目標とする位相レベルに設定した所定値になり得ない負荷状況にも拘らず、所定値になるような信号を発生させようとすることによる。したがって、このような場合は位相を目標とする位相レベルに設定した所定値に制御する回路を一時的に止めて他の回路を用いるか、所定値そのものの値を変更するしかないことは明らかである。
【００２９】
そこで本発明では、負荷電圧検出用変圧器２１と第２ゲート信号発生器２３からの信号でバックアップ信号を作っている。図２の位相特性を基に詳細に説明する。図２（Ａ）と（Ｂ）はインバータ出力電圧Ｖ1 とＩとの位相をθ1 、誘導負荷電圧Ｖ2 とＩとの位相をθ2 としたときのθ1 とθ2 の周波数特性を描いたものである。図２（Ａ）は負荷が比較的軽いときのもので、θ1 曲線と目標とする位相レベルに設定した所定値θA0の直線との交点が存在し, θ１＝θA0となる周波数ｆA1でインバータは運転する。
【００３０】
図２（Ｂ）は負荷が重いときのもので、θ1 ＝θA0を満たす周波数が存在しない。一方、θ2 ＝θB0なる周波数は、図２（Ａ）ではｆB1となり、図２（Ｂ）ではｆB2となる。ここでｆB1＜ｆA1である。逆にいうとfB１は位相が０になる周波数でなくても、ｆB1＜ｆA1となる周波数となるような位相θB0を選ぶ。
【００３１】
ここで、図２（Ａ）の場合にｆB1＜ｆA1ということは、第１ゲート信号発生器２２からパルスが出た後、やや遅れて他方の第２ゲート信号発生器２３からパルスが出るのではなく、ｆA1からのみパルスが出ることに留意すべきである。その理由は、第１ゲート信号発生器２２のパルスでインバータが動くということは、インバータの周波数はｆA1となりｆB1にはならないからである。次に図２（Ｂ）では、第１ゲート信号発生器２２からのパルスはなく、第２ゲート信号発生器２３からのパルスのみでインバータが駆動される。したがって選択回路２４は二つの入力を切り換えているというより、どちらの信号も出力できるオア回路、あるいはどちらか早い方のパルスで動作する優先回路である。
【００３２】
以上の説明から分かるように、通常の運転状態ではインバータ電圧とインバータ電流との位相θ1 が目標とする位相レベルに設定した所定値θA0となるような周波数で運転されるが、負荷が重くなりθ1=θA0を満たす周波数が取り得ない状態になると、負荷電圧とインバータ電流との位相θ2 ＝θB0を満たす周波数ｆB2に移行する。このときθ1 ＞θA0であるからインバータの転流には支障ない。
【００３３】
次に始動の場合について説明する。前述のように第１ゲート信号発生器２２と２３においては、その入力波形は、必ず１／４周期が取り出せるような波形である必要がある。ところがインバータを始動したときに現れる電圧波形は、図３に示すような波形となる。これから分かるように、a のインバータ電圧波形は単調増加（あるいは減少）波形で波高値が得られず、したがって１／４周期を見つけることができない。他方ｂの負荷電圧波形では波高値が存在する。これから、始動の際には負荷電圧検出用変圧器２１からの信号を利用すれば、第２ゲート信号発生器２３でゲート信号を作り出すことができる。始動時は通常より大きな位相となるように設定し、始動が終了後はその位相差が徐々に０程度になるように設定すると、自動的に第１ゲート信号発生器２２の作るパルスに移ることができる。
【００３４】
なおゲート信号発生器は、前述の回路には限定されず、例えばPLL 回路を用いることもできる。また、ゲート信号発生器は完全に二つに分かれていなくても、インバータ電圧信号と負荷電圧信号の入力部分は別としても、位相の大きさを決める部分を共用する構成でもよい。またマイクロコンピュータを使う場合は、ゲート信号発生器という具体的な回路は存在しないが、プログラムに同一の思想が含まれる場合は、本発明に含まれる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明した如く本発明に係る請求項１記載の倍電圧インバータ装置によれば、インバータのゲート信号の基準を作り出す回路を２種類設けて、二つのゲート信号発生器のいずれか早い周波数のパルスを優先する回路を用いているので、負荷状態の変化に応じて一方のパルスから他方のパルスへの切換が滑らかに行われ、始動から定常まで、また軽負荷から重負荷の領域まで安定な運転を行なうことができる。この結果、倍電圧方式インバータのもつ利点、即ち昇圧変圧器を使わずに昇圧可能なこと、変圧器不用に伴う軽量化、低騒音化、コスト低減を活かすことができた。
【００３６】
また請求項２記載の倍電圧インバータ装置によれば、インバータのゲート信号の基準を作り出す第１および第２ゲート信号発生器を２個設けて、それぞれの位相の目標とする位相レベルに設定した所定値を異なる値に設定することにより、何れか少なくとも一方からゲート信号を確実に発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態による倍電圧インバータ装置を示す回路構成図である。
【図２】（Ａ）は倍電圧回路の各部電圧とインバータ電流間の位相・周波数特性を示す波形図、（Ｂ）は高負荷状態を示す波形図である。
【図３】始動時のインバータ電圧と負荷電圧の波形図である。
【図４】従来技術のインバータ装置の主回路構成図である。
【図５】インバータ電圧と電流波形の関係を示す波形図である。
【図６】図４の回路におけるインバータ電圧・電流間の位相・周波数特性図である。
【図７】倍電圧インバータ回路を示す回路構成図である。
【図８】倍電圧となる理由を示すベクトル図である。
【図９】倍電圧インバータ回路におけるインバータ電圧・電流間の位相・周波数特性を示す波形図である。
【符号の説明】
１ 整流器
２ 直流リアクトル
３ サイリスタ
４ サイリスタ
５ サイリスタ
６ サイリスタ
７ コンデンサ
７１ コンデンサ
７２ コンデンサ
８ 負荷コイル
１１ インバータ
２０ インバータ電圧検出用変圧器
２１ 負荷電圧検出用変圧器
２２ 第１ゲート信号発生器
２３ 第２ゲート信号発生器
２４ 選択回路
２５ ゲート信号分配器
２６ パルス増幅器
２７ 始動回路
Ｖ1 インバータ出力電圧
Ｖ2 誘導負荷電圧
９１ 第１出力端子
９２ 第２出力端子

Claims (2)

1. サイリスタインバータの第１および第２出力端子と並列に接続された第１コンデンサと、前記第１出力端子に一端が接続された第２コンデンサと、該第２コンデンサの他端と前記第２出力端子の間に直列に接続された誘導負荷とからなる倍電圧インバータ装置において、インバータ出力電圧信号のインバータ電圧とインバータ電流とから得られる位相特性曲線と、目標とする位相レベルに設定した所定値との交点の周波数に、サイリスタインバータの周波数を制御するゲート信号を作成する第１ゲート信号発生器と、誘導負荷電圧信号の負荷電圧とインバータ電流とから得られる位相特性曲線と、目標とする位相レベルに設定した所定値との交点の周波数に、サイリスタインバータの周波数を制御するゲート信号を作成する第２ゲート信号発生器と、該二つのゲート信号発生器の出力のうちいずれか周波数の高い方のゲート信号を選択するか、または出力のある一方のゲート信号をサイリスタに出力する選択回路とを設けたことを特徴とする倍電圧インバータ装置。
2. 位相特性曲線と、目標とする位相レベルに設定した所定値との交点の周波数に、サイリスタインバータの周波数を制御するゲート信号を作成する第１および第２ゲート信号発生器において、目標とする位相レベルに設定した所定値を、それぞれのゲート信号発生器で、異なる値に設定したことを特徴とする請求項１記載の倍電圧インバータ装置。