JPH05276763A - 負荷転流形インバータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 本発明は、直流電力を三相交流電力に逆変換
して同期電動機を駆動する逆変換装置の転流相を構成す
る逆変換用サイリスタおよびゲートターンオフサイリス
タの直列回路と、ゲートターンオフサイリスタの遮断位
相を制御するＧＴＯ位相制御回路と、速度検出回路から
の速度信号および位置検出回路からの位置信号を入力
し、サイリスタ位相制御回路およびＧＴＯ位相制御回路
に位相信号を出力するベータ制御回路とを備えた負荷転
流形インバータ装置である。 【効果】 本発明により、始動時のトルクを大きくし、
しかもトルクリップルを小さくすることが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、同期電動機の可変速運
転を行う負荷転流形インバータ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】同周電動機に与える周波数を変えて可変
速運転を行う装置の一つに負荷転流形インバータ（以下
ＬＣＩと称す）があり、順変換器と逆変換器はサイリス
タで構成されており、同期電動機の定格電圧に合わせる
為に、直列接続されている。

【０００３】そしてＬＣＩが可変周波数を出力する為に
は逆変換器のサイリスタを制御して同期電動機に３相交
流電流が流れる様にしており、出力周波数によって導通
の時間がβ位相制御回路によって制御されている。サイ
リスタを点弧させる時はゲートにパルスを与えれば良い
が、転流させる時はサイリスタに導通する電流を零とす
るか、又は逆電圧を与えてやらなければならない。そこ
でＬＣＩでは同期電動機を進み運転させて同期電動機の
逆起電圧（電機子電圧）を利用してサイリスタの転流を
達成している。

【０００４】この方法によれば、一切の転流補助回路が
不要になり、かつ回路構成が簡単になる為、非常に経済
的であるという利点がある。

【０００５】ところが、この転流方式では始動時には転
流が不可能であるという問題がある。何故ならば始動時
には同期電動機の逆起動電圧が零の為、サイリスタの転
流の為の電圧が得られないからである。これはこの転流
方式をとるＬＣＩの最大の短所であり、いずれかの別の
方法で逆変換器のサイリスタを強制的に転流させて同期
電動機を始動させる必要が生じる。

【０００６】そこで考えられたのが電流断続始動法であ
る。サイリスタは電流が零になれば非導通状態になるの
で、一度順変換器のサイリスタの位相をα位相制御回路
によりα＝１８０°としてＬＣＩに流れる電流を零にす
る。これによりＬＣＩの全てのサイリスタが一度非導通
となる。次に順変換器側のサイリスタにはα＝１８０°
から進ませた制御パルスを与え電圧を発生させると共
に、逆変換器側では同期電動機が回転しているので次に
通電すべきサイリスタにゲート信号を与えれば電流が流
れ、転流が成立する。

【０００７】こうして同期電動機の逆起電圧が確立する
までの速度（一般には定格速度の１０％）迄この断続始
動法で運転を続ける。その後は同期電動機の逆起電圧を
利用した負荷転流方式に切換えＬＣＩとしての運転も続
行する。

【０００８】しかし断流始動方式には次のような欠点が
ある。

【０００９】（１）始動時のトルクリップルが大きい。

【００１０】（２）始動時に十分なトルクが出ない。

【００１１】（３）断続始動領域での速度制御は不可
能。

【００１２】断続始動時のＬＣＩの出力側の電流波形を
図２に示す。本来であれば図３に示すように全体的には
矩形波をしていなければならないのであるが、断続始動
の為逆変換器側のサイリスタの転流の度に順変換器のサ
イリスタに対してゲートシフト・ゲートオフ・再点弧を
繰り返し制御しているので電流の立ち上がりと立ち下が
りに時間がかかり全体的に台形になっている。

【００１３】この為にトルクリップルが大きくなり、又
電流の利用率が悪い為十分な始動トルクが出せなくなっ
ている。その上一度電流を完全に零にする方式をとって
いるので、この領域では十分に電流制御；即わちトルク
制御ができない。故に速度制御範囲の対象外となり頻繁
に正転・逆転を繰り返す負荷にはＬＣＩが適用できない
という短所も持つ。

【００１４】これらの欠点は全て同期電動機の逆起電圧
を利用した負荷転流方式を採用したいが為にやむを得ず
始動時のみ断続始動としている事に起因している。

【００１５】そこでこれらの欠点を無くす為に次の方式
のインバータが考えられる。

【００１６】（ａ）同じくサイリスタを使用するが、強
制転流回路を備えたもの （ｂ）トランジスタ素子を用いたもの （ｃ）ゲートターンオフサイリスタ（以下ＧＴＯと称
す）を用いたもの このうち（ａ）は強制転流回路が複雑になり構成部品も
多くなるので経済性に問題がある。

【００１７】（ｂ）はトランジスタの特性としてベース
制御により自由に素子をＯＮ−ＯＦＦできる為強制転流
方式には適しているが、まだ大容量・高耐圧の素子が開
発されていない為に、小容量のものでないと実用的でな
い。即ち大容量の同期電動機を制御するのには不向きで
ある。

【００１８】（ｃ）は（ａ）と（ｂ）の長所を結合させ
た素子であるが、まだ素子自身の価格が高いゲートドラ
イブに大きな電力を要する、スナバー損失が大きい等の
問題が残っている。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
負荷転流形インバータにおいては始動時の特性が悪く、
又その問題を解決する方法はあるにせよ高価であったり
実用的でなかったりしていた。

【００２０】本発明の目的は、始動時の特性を改善し、
かつ零速度迄連続制御可能とした安価で実用的な負荷転
流形インバータを提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、交流電力を直
流電力に変換する順変換装置と、交流電力の電流値を検
出する電流検出回路と、この電流検出回路の出力値で順
変換装置を構成する順変換用サイリスタの点弧位相を制
御するアルファ位相制御回路と、直流電力を三相交流電
力に逆交換して同期電動機を駆動する逆変換装置と、こ
の逆変換装置の転流相を構成する逆変換用サイリスタお
よびゲートターンオフサイリスタの直列回路と、逆変換
用サイリスタの点弧位相を制御するサイリスタ位相制御
回路と、ゲートターンオフサイリスタの遮断位相を制御
するＧＴＯ位相制御回路と、同期電動機の回転位置を検
出する位置検出回路と、同期電動機の回転速度を検出す
る速度検出回路と、この速度検出回路からの速度信号お
よび位置検出回路からの位置信号を入力し、サイリスタ
位相制御回路およびＧＴＯ位相制御回路に位相信号を出
力するベータ制御回路とを具備してなる負荷転流形イン
バータ装置である。

【００２２】

【作用】本発明の負荷転流形オンバータにおいて、交流
電力を直流電力に変換し、交流電力の電流値を検出し、
電流検出回路の出力値で変換装置を構成する順変換用サ
イリスタの点弧位相を制御し、直流電力を三相交流電力
に逆変換して同期電動機を駆動し、逆変換用サイリスタ
およびゲートターンオフサイリスタの直列回路で転流相
を構成し、逆変換用サイリスタの点弧位相を制御し、ゲ
ートターンオフサイリスタの遮断位相を制御し、同期電
動機の回転位置を検出し、同期電動機の回転速度を検出
し、速度検出回路からの速度信号および位置検出回路か
らの位置信号を入力し、サイリスタ位相制御回路および
ＧＴＯ位相制御回路に位相信号を出力する。

【００２３】

【実施例】次に本発明の一実施例を説明する。図１にお
いて１は交流電力を直流電力に変換する順変換器、１１
は交流電力の電流値を検出する電流検出回路、１６は電
流検出回路１１の出力値で順変換用のサイリスタ３の点
弧位相を制御するα位相制御回路、２は直流電力を三相
交流電力に逆変換して同期電動機６を駆動する逆変換
器、４は逆変換装置の転流相を構成する逆変換用のサイ
リスタ３と直列に接続されたゲートターンオフサイリス
タ、２２は逆変換用のサイリスタ３の点弧位相を制御す
るサイリスタ位相制御回路、２３はゲートターンオフサ
イリスタ４の遮断位相を制御するＧＴＯ位相制御回路、
１８は同期電動機６の回転位置を検出する位置検出回
路、８は同期電動機６の回転速度を検出する速度検出回
路、２１は速度検出回路１７からの速度信号および位置
検出回路１８からの位置信号を入力し、サイリスタ位相
制御回路２２およびＧＴＯ位相制御回路２３に位相信号
を出力するβ制御回路２１である。

【００２４】即ち、負荷に同期電動機６を有し、逆変換
器２を構成するサイリスタ３の直列数が２以上の負荷転
流形インバータにおいて、逆変換器２の各アームの直列
のサイリスタ３の内１つだけゲートターンオフサイリス
タ４に置き換え、且つゲートターンオフサイリスタ（以
下ＧＴＯと言う）用の位相制御回路とを備えて成ること
を特徴とする負荷転流形インバータであり、負荷転流形
インバータにおいて、逆変換器２の直列サイリスタの内
一つだけをＧＴＯに置換し且つＧＴＯ用位相制御回路を
備えて構成している。

【００２５】ここで、始動時にはＧＴＯにより強制転流
を行い、逆転電圧確立後はこのＧＴＯは他の直列のサイ
リスタと同じゲート信号で制御され、ＧＴＯでありなが
らサイリスタとして、即ち強制転流ではない運転され
る。

【００２６】従って、本発明のＬＣＩにおいては、ＧＴ
Ｏの採用により断続始動を行う事なく強制転流により同
期電動機６の始動時のトルフリップルを小さくし、かつ
始動トルクを大きくし、その上零速度からの連続した制
御が可能となる。

【００２７】即ち、始動時から逆起電圧確立までの間、
順変換器２のサイリスタ３は何の制御もされず、ただ導
通状態を保っていれば良いのでサイリスタ位相制御回路
２２はサイリスタ３に対しキャリアパルスを送り続け
る。始動時の転流は全てＧＴＯ４で行う。始動時には同
期電動機６に取付けられた位置検出器７によってロータ
の位置を知り、位置検出回路１８を経てβ制御回路２１
に信号が入力され、点弧すべきＧＴＯ４にゲートパルス
が送られ同時に消弧すべき別のＧＴＯ４にマイナスのゲ
ートパルスがＧＴＯ位相制御回路２３から与えられる。
この時ＧＴＯ４には同期電動機６の端子電圧が全てかか
る（何となれば他のサイリスタ３は全て導通状態にあ
る）。

【００２８】例えば各素子が仮に１０００Ｖに耐られ、
同期電動機６の定格電圧が２０００Ｖだとする。定格速
度の運転状態においては、同期電動機６の端子電圧は当
然２０００Ｖで、ＧＴＯ４だけでスイッチングをしてい
れば２０００ＶがＧＴＯ４のアノード・カソード間に印
加されＧＴＯは破壊に到ってしまう。

【００２９】ところが、ＧＴＯ４だけでスイッチングす
るのは始動時のみで１０％速度までである。

【００３０】一般に電動機をインバータ運転する時は電
圧と同波数の比（Ｖ／ｆ）を一定に保つので、実際には
１０％速度の時の同期電動機６の端子電圧もやはり１０
％、即ち２００Ｖであるので、ＧＴＯ４だけでスイッチ
ングしても何ら問題ない。

【００３１】そしてＧＴＯ４が１２０°通電するのであ
ればその時の電流波形は図２ではなく図３の様になる。

【００３２】同期電動機６の速度が１０％に達すると、
速度検出回路１７から強制転流から負荷転流への切換え
指令がβ制御回路２１へ出力される。この指令を受けて
β制御回路２１はサイリスタ位相制御回路２２へはキャ
リアパルスから負荷転流方式のゲート信号を出力し、同
時にＧＴＯ位相制御回路２３へも同じ信号を出力する。

【００３３】即ち、サイリスタ３とＧＴＯ４は負荷転流
においては全く同じタイミングのゲート信号で制御され
る。そしてＧＴＯ４はマイナスゲートパルスによって転
流されるのではなく、サイリスタ３と同様に同期電動機
６の逆起電圧によって転流する。

【００３４】従って、次のような種々の効果が得られる
ものである。

【００３５】（ａ）始動時のトルクリップルが減少す
る。

【００３６】（ｂ）始動時のトルクが十分でる。

【００３７】（ｃ）零速度迄の制御が可能になり正転・
逆転を頻繁に繰り返す負荷にもＬＣＩが適用できる。

【００３８】尚上記実施例では、逆変換器２の素子の直
列数を２としたが、サイリスタ３とＧＴＯ４の耐圧値が
同じであれば直列数１０迄は本発明が適用できる。又逆
にＧＴＯ４はサイリスタ３と同一定格電流であれば直列
数２の場合ＧＴＯ４の耐圧値をサイリスタ３の９分の１
とする事ができる。

【００３９】更に、ＧＴＯ４による強制転流始動時にお
いて１２０°方形波通電ではなくＰＷＭ制御を併用する
事で、更にトルクリップルを減少させる事も可能であ
る。

【００４０】付け加えて本実施例では６パルスのＬＣＩ
について説明したが１２パルスのＬＣＩについても全く
同様に本発明が適要できる事は言うまでもない。

【００４１】本発明によれば、強制転流を行うのは始動
時だけであるのでＧＴＯの位相制御の損失も小さくて済
み、更に使用するＧＴＯが各アームに１個、即ち６パル
スのＬＣＩで６個だけなのでスナバー回路による損失も
少ない等従来のＬＣＩと同等の価格と装置効率で、はる
かに制御性能の優れたＬＣＩが提供できる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば始動
時のトルクリップルが小さく、始動トルクの大きい且つ
適用範囲の広い負荷転流形インバータが提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す負荷転流形インバータ
の構成図である。

【図２】断続始動時の電流の波形説明図である。

【図３】負荷転流運転中の電流の波形図説明図である。

【符号の説明】

４…ゲートターンオフサイリスタ ６…同期電動機 ７…位置検出器 ８…速度検出器 １１…電流検出回路 １２…速度基準回路 １３…速度制御回路 １４…電流制御回路 １５…電流制御回路 １６…α位相制御回路 １７…速度検出回路 １８…位置検出回路 ２１…β制御回路 ２２…ハイリスタ位相制御回路 ２３…ＧＴＯ位相制御回路 ２４…β位相制御回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電力を直流電力に変換する順変換装
   置と、前記交流電力の電流値を検出する電流検出回路
   と、この電流検出回路の出力値で前記順変換装置を構成
   する順変換用サイリスタの点弧位相を制御するアルファ
   位相制御回路と、前記直流電力を三相交流電力に逆変換
   して同期電動機を駆動する逆変換装置と、この逆変換装
   置の転流相を構成する逆変換用サイリスタおよびゲート
   ターンオフサイリスタの直列回路と、前記逆変換用サイ
   リスタの点弧位相を制御するサイリスタ位相制御回路
   と、前記ゲートターンオフサイリスタの遮断位相を制御
   するＧＴＯ位相制御回路と、前記同期電動機の回転位置
   を検出する位置検出回路と、前記同期電動機の回転速度
   を検出する速度検出回路と、この速度検出回路からの速
   度信号および前記位置検出回路からの位置信号を入力
   し、前記サイリスタ位相制御回路および前記ＧＴＯ位相
   制御回路に位相信号を出力するベータ制御回路とを具備
   してなる負荷転流形インバータ装置。