JPH0382332A - スナバ回路、スナバエネルギ回収用変成器のリセット方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、１！力変換装置に係り、具体的には電力変換
主回路スイッチ素子のスイッチングサージを吸収するス
ナバ回路に関する。特に、主回路スイッチング素子とし
てＧＴ○（ゲート・ターン・オフ）サイリスタなどの自
己消弧素子が用いられ、大容量交流電動機の駆動に用い
られる電力変換装置のスナバ回路に適し、そのスナバ回
路に吸収されたエネルギの回収用変成器に関する。

〔従来の技術〕

電力変換装置のスナバ回路については、アイ・イー・イ
ー・イー、アイ・ニー・ニス、コンファレンス・レコー
ド（１９８７年）、第５７７頁から第５８３頁（ＩＥＥ
ε、ＩＡＳ、Ｃｏｎｆ、Ｒａｃ、（１９８７）Ｐ５７７
−５８３）において論じられている。これによれば、正
極アーム素子と負極アーム素子に共通に、コンデンサ、
ダイオード、抵抗で構成された一括スナパ回路が設けら
れている。

また、上記抵抗を変成器におきかえ、抵抗で単に消費さ
せることなくエネルギーを有効に回収させる方式も論じ
られている。この場合、変成器のリセット用として変成
器の１次側にスイッチング素子や抵抗素子を設けるよう
にしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記の従来技術において、変成器のリセットを
１次側に設けたスイッチング素子により行なう方式のも
のによれば、制御が複雑になるという問題がある。

本発明の目的は、スナバ回路の蓄積エネルギを電源側等
へ回収する変成器のリセットを、簡単な構成で行わせる
ことができるスナバエネルギ回収用の変成器のリセット
方法を提供することにある。

また、スナバ回収用変成器に簡単な構成のリセット回路
を適用することにより、変成器の利用率が高く、小形で
損失の少ないスナバ回路及び電力変換装置を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するため、変成器の２次巻線
にスナバエネルギ回収時に流れる電流に対し逆方向バイ
アス電流を流すことにより、前記変成器の磁化力をリセ
ットすることを特徴とする。

上記バイアス電流を流すリセット回路は１次の構成とす
ることができる。

変成器の２次巻線の正極端子が、スナバエネルギ回収電
流の逆流阻止用のダイオードを介して主スイッチング回
路の直流端正極に接続されたものにあっては、該ダイオ
ードに抵抗を並列接続してリセット回路を形成すること
ができる。

また、変成器の２次巻線又は３次巻線に誘導されるスナ
バエネルギ回収電流によりコンデンサを充電し、スナバ
エネルギ回収電流の低下に応じて該コンデンサを放電さ
せて前記変成器にバイアス電流を通流するように、リセ
ット回路を形成することができる。

また、スナバ回路が適用された電力変換装置の直流電源
又は独立の直流若しくは交流電源により、前記変成器の
バイアス電流を供給するようにリセット回路を形成する
ことができる。

〔作用〕

このように構成される本発明によれば、次の作用により
、上記目的が達成される。

一般に、スナバ回路のコンデンサに吸収されたサージエ
ネルギは、主スイッチング回路の動作に応じて変成器の
１次巻線回路を介して放電される。

この放電電流は一方のパルス状電流であるから、変成器
鉄心の磁化力も一方の極性にかたより、いわゆる偏磁現
象を呈する。このままでは、磁化作用の動作範囲が狭く
なり、鉄心の利用率が低下するので、変成器を大形にせ
ざるを得ない。このような偏磁を解消するには、変成器
の鉄心を逆方向に磁化させて、変成器をいわゆるリセッ
トすることが必要である。このリセットを変成器１次巻
線側から行うと、前述したようにスイッチング素子の制
御が複雑になる。

これに対し１本発明によれば、変成器の２次巻線にスナ
バエネルギ回収電流とは逆方向のバイアス電流を通流し
てリセットするようにしていることから、１次巻線にリ
セット電流を流す場合に要求されるスナバエネルギに放
電電流との協調制御が不要となる等、リセット回路を簡
単な構成で実現できる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明を適用してなる一実施例電力変換装置の
１相分の主要部回路構成を示したものである。なお、動
作説明に関しては、以下本回路を交流電動機を負荷とす
るインバータ装置として説明するが、本回路はそのまま
コンバータ装置に適用可能である６ 本実施例は５図示のように、主スイッチング回路１０．
一括スナバ回路２０．変成器３０．リセット回路４０を
含んで構成されている。主スイッチング回路１０はスイ
ッチング素子１１を有する正極アームとスイッチング素
子１２を有する負極アームを直列接続してなる。各スイ
ッチング素子１１．１２はＧＴＯサイリスタが適用され
、それぞれにはフリーホイールダイオード１３．１４が
逆並列接続されている。そして、主スイッチング回路の
正極端はりアクドル１５を介して正の直流側端子１６に
接続され、負極端は負の直流側端子１７に接続され、正
・負アームの共通接続点は交流端子１８に接続されてい
る。

一方、一括スナバ回路２０は第１のコンデンサ２１、第
２のコンデンサ２２．順方向に直列接続された２個のダ
イオード２３．２４を有して形成されている。直列ダイ
オード２３のアノードは。

第１のコンデンサを介して主スイッチング回路の正極端
に接続されている。直列ダイオード２４のカソードは、
主スイッチング回路の負極端に接続されている。直列ダ
イオード２３と２４の共通接続点は、第２のコンデンサ
を介して正・負アームの共通接続点に接続されている。

また、変成器３０の１次巻線は、一括スナバ回路２０の
直列ダイオード２３と２４に並列接続されており、言い
換えれば第１のコンデンサ２１を介して、主スイッチン
グ回路１０の直流端に並列接続されている。一方、変成
器３０の２次巻線は、逆流防止用のダイオード３８を介
して、直流端子１６．１７に接続されいている。

リセット回路４０はダイオード３８に抵抗４１を並列に
接続して形成されている。すなわち、抵抗４１を介して
直流電源により変成器３０の２次巻線にバイアス電流を
流して磁化力をリセットするようにしている。

なお、主スイッチング回路１０に対する一括スナバ回路
２０の接続関係は、第２図のように変形可能であり、こ
の場合は同図のように変成器３０を接続する。

このように構成される実施例の動作を、第３図と第４図
を用いて説明する。

第３図（ａ）〜（ｆ）は、正極アームの通流状態から負
極アームの通流状態を経て、再び正極アームの通流状態
に戻るまでの回路動作を示したものである。同図（ａ）
の状態は、スイッチング素子１１がオン状態にあり、直
流電源から負荷へ負荷電流り、が供給されている。この
状態のときに、スイッチング素子１１にオフゲート信号
が入ると、それまでに流れていたｉＬは、同図（ｂ）に
示す経路（コンデンサ２１→ダイオード２３→コンデン
サ２２を経由）で流れる。この際に、スイッチングサー
ジが吸収されるとともに、コンデンサ２２に図示極性で
蓄積されていたエネルギは負荷に放電される。この図（
ｂ）の状態は、スイッチング素子１２がオンからオフに
切り換えられるから、負荷電流ｉＬの極性が正（流れ出
す方向）のままで、出力電圧の極性が正から負に切り換
わるため、等価的に遅れ力率、すなわち遅相運転状態に
なっっている。一方、図（ｂ）において、コンデンサ２
１は過充電される。

次に、同図（ｃ）に示すように、負荷電流ｉＬが負極ア
ームに転流する通流モードに移ると、コンデンサ２１の
電荷は点線で示す経路で放電され、変成器３０の１次側
に放電電流ｉｓが流れる。これにより、変成器３０の２
次側に１次巻線と２次巻線の巻線に逆比例した値の電流
ｉｓｚが流れ、直流側電源へエネルギが回収される。

次に、同図（ｄ）に示すように、スイッチング素子１２
にオフゲート信号が入った後、スイッチング素子１１に
再びオンゲート信号が入ると、コンデンサ２２が充電さ
れスイッチングサージが吸収される。また、コンデンサ
２１は図示点線で示すように充電され、リアクトル１５
とのＬＣ共振作用により過充電される。

この過充電エネルギは、同図（ｅ）に示す点線の経路で
放電され、直流電源に回収され、同図（ｆ）の状態に至
り、最初の状態（ａ）に戻る。

なお、同図（Ｑ）〜（ｆ）への転流動作の場合、負荷電
流の極性が正のまま出力電圧極性が負から正へ切り換わ
るので、等価的に進み力率、すなわち進相運転状態にな
っている。

また、無負荷時は１図（ｂ）で説明したコンデンサ２２
の蓄積エネルギの負荷への放出はできない、この場合、
蓄積エネルギは、図（ｂ）に示した一点鎖線の経路で、
変成器３０を介して直流電源に回収される。

一方、第４図は、負極アームの通流状態から正極アーム
の通流状態を経て、再び負極アーム通流状態に至る場合
の回路動作を示したものである。

同図（ａ）から（ｄ）の転流動作は、第３図（ａ）から
（ｃ）への動作と同じく遅相モードの転流動作である。

また、（ｄ）から（ｆ）への動作は第３図（Ｃ）から（
ｆ）への動作と同じく進相モードの転流動作である。第
４図の場合も、無負荷時には、コンデンサ２２の蓄積エ
ネルギーは交流側端子１８を介して放出できないため、
スイッチング素子１２がターンオンした時に同図（８）
の■と■に示した電流経路で直流電源に回収される。

上述したように、第１図実施例によれば、スイッチング
素子のターンオフに伴い発生するサージエネルギは一括
スナバ回路のコンデンサに吸収され、その吸収エネルギ
は無負荷、進相又は遅相のいずれの運転モードにあって
も電源（又は負荷）へ電力として回収できる。

ここで、本実施例の特徴部について詳しく説明する。

第３図と第４図の動作説明で述べたように、変成器３０
の１次巻線に流れるスナバエネルギの放電電流は一方向
のパルス状電流であり、これにより２次巻線に誘導され
るスナバエネルギ回収電流も一方向パルス状電流となる
。したがって、変成器３０の磁化は直流分磁化となり、
第５図に示すように、Ｂ−Ｈ特性に係るヒステリシスル
ープの中心点が一方向へづれた状態で動作することにな
る。このため変成器コア（鉄心）の特性で定まる最大磁
束密度Ｂｍに対し、磁束密度の使用範囲は図示ΔＢのご
とく狭くせざるを得ない。

なお、コアの所要体積は下記式（１）で表わされる。

ここで、Ｖ：コア体積 μ：実効透磁率 ｅｐ：１次印加パルス電圧（Ｖ） τ：パルス幅（ｓｅｅ） Ｌ：１次インダクタンス（Ｈ） （１）式から明らかなように、コアの体積Ｖは使用範囲
ΔＢの２乗に反比例する。したがって、一定のスナバエ
ネルギを回収するには、ΔＢが狭くなるにつれてコア体
積Ｖの大きなものが必要となるのである。

これに対し、本実施例によれば、抵抗４１を介して変成
器３０の２次巻線側から逆方向直流磁化を行なうバイア
ス電流が通流される。これによって、第６図に示すよう
に、使用範囲ΔＢが大きくなり、利用率が高くなってコ
ア体積を小さくすることができる。

第７図〜第１０図にそれぞれ本発明に係るリセット回路
の他の実施例を示す。

第７図実施例のリセット回路４０は、変成器３０に３次
巻線を図示極性に設け、これにダイオード４２．４３を
介してコンデンサ４４を接続し、このコンデンサ４４の
電荷を変成器３ｏの２次巻線の中間タップに放電させて
、バイアス電流を供給するようにしたものである。

本実施例によれば、スナバエネルギの放電電流が変成器
３０に流れたとき３次巻線に誘起電力を生ずる。しかし
、３次巻線回路のダイオード４２゜４３は、その誘起電
圧と逆極性であるから電流は流れず、磁気エネルギが３
次巻線に蓄えられる。

次にパルス状のスナバエネルギの放電が終了すると、３
次巻線に蓄えられていたエネルギはダイオ−ド４２，４
３を介して放出される。これにより、コンデンサ４４が
充電されるとともに、２次巻線にバイアス電流が流れ、
変成器３０がリセットされる。なお、２次巻線の中間タ
ップの巻数Ｎ２と３次巻線の巻数Ｎ、の関係は、Ｎ２＜
Ｎ、に選ぶ。

第８図実施例のリセット回路４０は、変成器３０の２次
巻線に中間タップを設け、これにダイオード４５を介し
てコンデンサ４６を接続して充電回路を形成し、このコ
ンデンサ４６の電荷をダイオード４７を介して２次巻線
にバイアス電流として供給するように形成したものであ
る。

したがって、本実施例によれば、スナバエネルギのパル
ス状放電電流によりコンデンサ４６が充電され、スナバ
エネルギの回収電流が終了したとき、コンデンサ４６か
ら２次巻線にバイアス電流が通電され、変成器３０がリ
セットされる。

本実施例によれば、第７図実施例と比較して、３次巻線
が不要になるが、ダイオード４７の耐圧はダイオード３
８と同レベルのものが要求される。

第９図実施例のリセット回路４０は、２個のコンデンサ
４８と４９の直列回路を直流端子１６゜１７間に接続し
、その共通接続点をダイオード５０と抵抗５１の直列回
路を介して、変成器３０の２次巻線の正極端子に接続し
て形成される。

したがって、本実施例によれば、コンデンサ４８と４９
の容量比に逆比例した分担電圧にコンデンサ４９が充電
され、この電荷はスナバエネルギ回収電流が終了したと
きに、変成器３０の２次巻線にバイアス電流が流れて変
成器３０のリセットがなされる。

本実施例によれば、コンデンサ４８．４９により直流電
源電圧が分圧されるので、ダイオード５０の絶縁耐圧を
低くできる。

第１０図実施例のリセット回路４０は、第９図実施例の
コンデンサ４９に代え、変圧器５２を介して別の交流電
源からバイアス電流を供給するようにしたものである。

これによれば、バイアス電流を任意に設定できる。

第１１図実施例は、第１図実施例を用いてなる３相電力
変換装置の構成例を示している。インバータの場合は、
符号６０の要素は交流負荷となり、コンバータの場合は
交流電源となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、変成器の２次巻
線にスナバエネルギ回収電流とは逆方向のバイアス電流
を通流させるようにしていることから、１次巻線にリセ
ット電流を流す場合に要求されるスナバエネルギの放電
電流との協調制御等が不要となり、リセット回路を簡単
な構成で実現できる。

この結果、変成器の利用率が高く、小形で損失の少ない
スナバ回路及び電力変換装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のスナバ回路構成図、第２図
は第１図実施例の変形例を示す回路構成図、第３図と第
４図は第１＠実施例の動作説明図、第５図と第６図は変
成器の動作範囲を説明する図、第７図〜第１０図はそれ
ぞれ本発明の他の実施例のスナバ回路構成図、第１１図
は３相電力変換装置の一実施例の回路構成図である。 １０・・・主スイッチング回路、 １１．１２・・・スイッチング素子、 １６．１７・・・直流端子、■８・・・交流端子、２０
・・・一括スナバ回路、 ２１・・・第１のコンデンサ、 ２２・・・第２のコンデンサ、 ２３．２４・・・ダイオード、３０・・・変成器、３８
・・・ダイオード、３１．３２・・・抵抗、３３・・・
リアクトル、４０・・・リセット回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、変成器の１次巻線を主スイッチング回路のスナバ回
   路に並列的に接続し、該変成器の２次巻線を前記主スイ
   ッチング回路の直流端に接続してなるスナバエネルギ回
   収用変成器のリセット方法において、前記２次巻線にス
   ナバ回収時に流れる電流に対し逆方向のバイアス電流を
   流して、前記変成器の磁化力をリセットすることを特徴
   とするスナバエネルギ回収用変成器のリセット方法。 ２、主スイッチング回路のスナバ回路に、変成器の１次
   巻線を並列接続するとともに、該変成器の２次巻線を主
   スイッチング回路の直流端に接続した構成を含んでなる
   スナバ回路において、前記変成器の２次巻線にスナバエ
   ネルギ回収時の電流に対し、逆方向のバイアス電流を通
   流するリセット回路を設けたことを特徴とするスナバ回
   路。 ３、前記変成器の２次巻線の正極端子がスナバエネルギ
   回収電流の逆流を阻止するダイオードを介して前記直流
   端の正極に接続され、前記リセット回路が該ダイオード
   に抵抗を並列接続して形成されたものであることを特徴
   とする請求項２記載のスナバ回路。 ４、前記リセット回路は、前記変成器の２次巻線に誘導
   されるスナバエネルギ回路によりコンデンサを充電し、
   スナバエネルギ回収電流の低下に応じて該コンデンサを
   放電させて前記変成器にバイアス電流を通流する構成と
   したことを特徴とする請求項２記載のスナバ回路。 ５、前記変成器に３次巻線を設け、前記リセット回路は
   該３次巻線に誘導されるスナバ回収エネルギによりコン
   デンサを充電し、スナバエネルギ回収電流の低下に応じ
   て該コンデンサを放電させて前記変成器にバイアス電流
   を通流する構成としたことを特徴とする請求項２記載の
   スナバ回路。 ６、前記変成器に３次巻線を設け、前記リセット回路は
   前記３次巻線にダイオードを介してコンデンサを並列接
   続し、該ダイオードは３次巻線に誘導されるスナバエネ
   ルギ回収電流の通流を阻止する極性に接続され、前記コ
   ンデンサの正極端を前記変成器の２次巻線の中間タップ
   に接続するとともに、負極端を前記主スイッチング回路
   の負極直流端に接続して構成したことを特徴とする請求
   項２記載のスナバ回路。 ７、前記リセット回路は、前記変成器の２次巻線の中間
   タップと前記主スイッチング回路の負極直流端との間に
   第１のダイオードを介してコンデンサを挿入接続し、該
   ダイオードとコンデンサの共通接続点を第２のダイオー
   ドを介して前記変成器の２次巻線の正極端に接続し、前
   記第１のダイオードは前記２次巻線の誘導されるスナバ
   エネルギ回収電流により前記コンデンサを充電させる極
   性に挿入され、前記第２のダイオードは前記コンデンサ
   の電荷を前記２次巻線に放電する極性に挿入されてなる
   ことを特徴とする請求項２記載のスナバ回路。 ８、前記リセット回路は、主スイッチング回路の直流端
   間に２個のコンデンサを直列に接続し、該コンデンサの
   共通接続点をダイオードと抵抗の直列回路を介して前記
   変成器の２次巻線の正極端子に接続して構成されたこと
   を特徴とする請求項２記載のスナバ回路。 ９、前記リセット回路は、変圧器とダイオードを有して
   なり、該変圧器の２次巻線をダイオードを介して前記変
   成器の２次巻線に接続し、該変圧器の１次巻線を交流電
   源に接続してなることを特徴とする請求項２記載のスナ
   バ回路。 １０、請求項２乃至９記載のスナバ回路を具備してなる
   電力変換装置。 １１、第１と第２のコンデンサと、２個のダイオードと
   、変成器と、該変成器のリセット回路とを具備してなり
   、それぞれ少なくとも１個のスイッチング素子を有して
   なる正極アームと負極アームが直列接続された主スイッ
   チング回路のスイッチングサージを吸収するスナバ回路
   であって、 前記第１のコンデンサを前記２個のダイオードと直列に
   接続して前記主スイッチング回路に対して並列接続し、 前記第２のコンデンサを前記２個のダイオードの共通接
   続点と前記正負アームの共通接続点との間に接続し、 前記変成器の１次巻線を前記２個のダイオードからなる
   直列回路に並列接続し、２次巻線を電力回収負荷に接続
   し、 前記リセット回路は、前記変成器の２次巻線にスナバエ
   ネルギ回収時の電流に対し逆方向のバイアス電流を通流
   する構成としてなるスナバ回路。 １２、各相に対応させた主スイッチング回路と、一括ス
   ナバ回路と、変成器と該変成器のリセット回路とを含ん
   で構成されてなり、 前記主スイッチング回路は、それぞれ少なくとも１個の
   スイッチング素子を有してなる正極アームと負極アーム
   を直列接続し、該直列回路の両端を直流端とし、共通接
   続点を交流端としてなり、 前記一括スナバ回路は、第１のコンデンサと２個のダイ
   オードの直列回路を前記正負アームの直列回路に並列接
   続するとともに、該２個のダイオードの共通接続点を第
   ２のコンデンサを介して前記正負アームの共通接続点に
   接続してなり、 前記変成器は、第１次巻線を前記一括スナバ回路の第１
   のコンデンサを介して主スイッチング回路の直流端に並
   列接続し、２次巻線をダイオードを介して主スイッチン
   グ回路の直流端に並列接続してなり、 前記リセット回路は、前記変成器の２次巻線にスナバエ
   ネルギ回収時の電流に対し逆方向のバイアス電流を通流
   する構成とされたことを特徴とする電力変換装置。