JPS582552B2 - 電流形インバ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は交流電動機等の駆動用に適した強制転流回路を
有する電流形インバータに関する。

周知のようにインバータ装置に電流形と電圧形があるが
、特に交流電動機の町変周波数制御電源として使われる
場合、回生制動動作時の交流電源への電力回生の容易な
ことなどからサイリスタレオナードと電流形インバータ
を組合せた方式が使われている。

一般に電圧形インバータは主回路素子と逆並列に帰還ダ
イオードを有し、主回路素子をオフさせることにより帰
還ダイオードを通る電流経路が形成されるため、主回路
素子の転流（ターンオフ）についてのみ考慮すれば良い
が、電流形インバータは帰還ダイオードを持たなく、主
回路に直列に入った平滑リアクトルにより電源からはほ
ぼ一定の電流が流れ続けようとするので、主回路素子の
転流のみでなく、主回路素子がオフした後の電流経路お
よび負荷のりアクタンスエネルギーの処理を考慮しなけ
ればならない。

このため従来の電流形インバータ装置は転流コンデンサ
を使用し、主回路素子であるサイリスタの転流（ターン
オフ）とともにその後の電流経路、リアクタンスエネル
ギーの処理を行っている。

第１図は上記思想に基づく従来形の電流形三和インパー
タ装置の回路例であり、入力電源は可変直流電源Ｖｓ、
負荷は三和誘導電動機ＩＭとした場合である。

このインバータ回路は直列ダイオード形と呼ばれ現在最
も多く使用されでる回路である。

転流時の動作について説明するに、直流電源Ｖｓから直
流リアクトルＬＤ，サイリスタＱＵＰダイオードＤＵＰ
、負荷誘導電動機ＩＭのＵ相、Ｗ相、ダイオードＤＷＮ
、サイリスタＱＷＮを通って電流が流れている状態から
、Ｕ相に流れていた電流を■相に転流する場合について
述べる。

転流コンデンサＣＶＰは図示の極性に充電されている。

ＱＶＰを点弧すると転流コンデンサの電圧によりＱＵＰ
はオフし、ＬＤからの電流はＱＶＰ，ＣＶＰ，ＤＵＰを
通ってＵ相へと流れてＣＶＰを図示とは逆極性に充電し
て行く。

たの充電電圧が電動機のＵ−Ｖ相間電圧を越えた時点で
ＤＶＰが導通を初め、ＣＶＰと電動機のインダクタンス
分で共振回路が形成され、Ｕ相電流が減少するとともに
■相電流が増加し直流電流ＩＤＣと等しくなった時点で
Ｕ相電流が零となり■相への転流が完了する。

転流コンデンサとして動定しているのはＣＶＰだけのよ
うに説明したが、実際はＣＷＰ，ＣＵＰの直列のコンデ
ンサもＣＶＰと並列に入り、等価的に１コの転流コンデ
ンサの１．５倍の容量として動作する。

反転されたコンデンサ電圧は他の■からＷ，ＷからＵへ
の転流の過程でさらに反転され、初めの状態に戻る。

以上の例示の電流形インバータ装置の第１の欠点は、こ
れらの転流コンデンサは起動時にあらかじめ決められた
関係の電圧に充電されていなければならず、また負荷で
ある電動機のインダクタンス分のエネルギーが転流コン
デンサを過充電するため、インバータを最適に動作させ
るためには負荷電動機により転流コンデンサ容量の変更
が必要となり、装賃の制御が複雑となること、第２の欠
点としては転流動作が開始されて主回路サイリスタがオ
フした後、転流コンデンサが逆極性に負荷の誘起電圧ま
で充電されるまでの間、負荷の電流は変化せずむだ時間
が存在することである。

負荷電流、誘起電圧の大きさによりこのむだ時間が変化
し、この方式の電流形インバータの不安定さの要因とな
っている。

また負荷電流が小さい時はこのむだ時間が長くなり正常
な動作を行えなくなる、などの欠点を有していた。

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、充電されたコ
ンデンサ又は補助直流電源を備え、転流動作を開始する
と同時に負荷電流が転流を開始するような、安定に動作
し、かつ経済的な電流形インバータを提供することを目
的とする。

以下、本発明の一実施例を三相インバータを例にとり第
２図及び第３図を参照して説明する。

第２図において■Ｓは可変直流電源で、ＬＤは平滑用の
直流リアクトルであり、直流リアクトルＬＤの一方の端
子は正母線Ｐ１を通して可変直流電源■Ｓ（以後単に直
流電源と記す）の一方の端子に接続される。

直流リアクトルＬＤのもう一方の端子は正母線Ｐ２に接
続される。

直流電源■Ｓの他の端子は負母線Ｎ１に接続される。

ＩＮは負荷の誘導電動機であり、端子はＵ，Ｖ，Ｗとな
っている。

主サイリスタＱＵＰ，ＱＶＰ，ＱＷＰ，ＱＵＮ，ＱＶＮ
，ＱＷＮは主三相ブリッジを構成しており、図に示され
るように正側の主サイリスタＱＵＰ，ＱＶＰ，ＱＷＰの
アノードは前記の正母線Ｐ２に接続され、負側の主サイ
リスタＱＵＮ，ＱＶＮ，ＱＷＮのカソードは前記の負母
線Ｎ１に接続され、主サイリスタＱＵＰのカソードと主
サイリスタＱＵＮのアノードを接続しその接続点を誘導
電動機ＩＮの端子Ｕに接続し、同様にＱＶＰとＱＶＮを
直列接続しその接続点は端子Ｖに、ＱＷＰと弘を直列接
続しその接続点は端子Ｗに接続される。

第１の補助サイリスタＳＵＰ，ＳＶＰ，ＳＷＰ，ＳＵＮ
，ＳＶＮ，ＳＷＮは補助三相ブリッジを構成しており、
図に示されるように負側の第１の補助サイリスタＳＵＮ
，ＳＥＮ，ＳＷＮのカソードは正母線Ｐ３に接続され、
正側の第１の補助サイリスタＳＵＰ，ＳＶＰ，ＳＷＰの
アノードは負母線Ｎ３に接続され、ＳＵＰのカソードと
ＳＵＮのアノードを接続しその接続点を前記誘導電動機
ＩＭの端子Ｕに接続し、同様にＳＶＰとＳＶＮを直列接
続しその接続点は端子■に、ＳＷＰとＳＷＮを直列接続
しその接続点は端子Ｗに接続される。

サイリスタＳＰは正側の第２の補助サイリスクであり、
そのアノードは前記の正母線Ｐ２に接続され、そのカソ
ードは正母線Ｐ３に接続される。

サイリスタＳＮは負側の第２の補助サイリスタであり、
そのアノードは負母績Ｎ３に接続され、そのカソードは
前記の負母線Ｎ１に接続される。

ＣＨＰは正側チョツパ、ＣＨＮは負側チョツパであり、
本実施例では説明の簡単化をはかるため、これらのチョ
ツパにＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）を用いた
例を示す。

チョツバＣＨＰのアノードは前記の正母線Ｐ３に接続さ
れ、カソードは正母線Ｐ４に接続される。

チョツパＣＨＮのアノードは正母線Ｐ５に接続され、カ
ソードは負母線Ｎ３に接続される。

前記の正母線Ｐ４とＰ５の間には、コンデンサＣｃ又は
補助直流電源（図示せず）が接続される。

又、ＤＰは正側ダイオード、ＤＮは負側ダイオードであ
る。

ダイオードＤＰのアノードは前記の正母線Ｐ３に接続さ
れ、カソードは前記の正母線Ｐ５に接続される。

ダイオードＤＮのアノードは前記の正母線Ｐ４に接続さ
れ、カソードは前記の負母線Ｎ３に接続される。

尚、可変直流電源■Ｓは三和交流電源を三相純ブリッジ
で位相角制御して整流した直流などを用いる場合が多く
、またチョツパＣＨＰ，ＣＨＮはＧＴＯの他に、転流装
置を備えたサイリスクチョツパ又はトランジスタなどで
構成してもよい。

さらに、Ｃｃは、大容量の電解コンデンサを用いるか又
は充放電可能な補助直流電源（蓄電池など）を用いる。

次に、以上のように構成した本発明の動作を第２図、第
３図を参照して説明する。

なお、説明の簡略化のため、Ｃｃはコンデンサを料に説
明しコンデンサＣｃの容量は充分に大きく、転流過程に
おける充放電においてもその電圧は変化しないものとす
る。

また直流リアクトルＬＤのインダクタンスも充分に大き
く、転流過程においてこのＬＤに流れる電流は一定値Ｉ
ｄで変化しないものとする。

第３図においてＩＵ，ＩＶ，ＩＷは電動機の巻線に流れ
る電流、■ＣＨＰ〜ＩＳＷＮは添字で示される素子に流
れる電流、ＣＨＰ〜ＳＷＮは素子に加える点弧信号を表
わす。

各記号は第２図に示される記号と対応している。

コンデンサＣｃは図示の極性に充電されているものとす
る。

たとえば、インバータの運転を開始する前に、このコン
デンサは、前もって直流電源■Ｓ−直流リアクトルＬＤ
→第２の補助サイリスタＳＰ→ダイオードＤＰ→コンデ
ンサＣｃ→ダイオードＤＮ→第２の補助サイリスタＳＮ
の経路で所期の電圧まで充電しておけばよい。

今、第３図において、時刻ｔ０で主サイリスタＱＵＰと
ＱＷＮがオンしており、電動機ＩＭには次の経路でＩｄ
なる電流が流れているものとする。

■ 直流電源■Ｓ→直流リアクトルＬＤ→主サイリスタ
ＱＵＰ→巻線（Ｕ−Ｏ）→巻線（Ｏ−Ｗ）→主サイリス
タＱＷＮ→直流電源■Ｓ かような状態から時刻ｔ１でチョツパＣＨＰ，ＣＨＮ、
第２の補助サイリスクＳＰ及び第１の補助サイリスタＳ
ＶＰを同時にオンにすると次の閉回路が形成される。

■ 第２の補助サイリスタＢＰ→チョツパＣＨＰ→コン
デンサＣｃ→チョッパＣＨＮ→第１の補助サイリスタＳ
ＶＰ→巻線（Ｖ−０）→巻線（０−Ｕ）→主サイリスタ
ＱＵＰ→第２の補助サイリスタＳＰコンデンサＣｃはこ
の閉回路を通じて放電するが、この放電電流が増加して
ゆくと、ついには主サイリスタＱＵＰ→巻線（Ｕ−０）
に流れていた電流は零になり、この状態では正母線Ｐ２
に直流リアクトルＬＤを通して流入していた電流Ｉｄは
全部、第２の補助サイリスタＳＰ→チョッパＣＨＰ→コ
ンテ゛ンサＣｃ−チョツパＣＨＮ第１の補助サイリスタ
ＳＶＰ→巻線（Ｖ−０）を通じて流れるようになる。

すなわち電流は巻線（Ｕ−０）から巻線（Ｖ−０）に転
流したことになる。

この時点は第３図ではｔ２として示されており、時刻ｔ
１とｔ２の間の時間を電流重なり時間Ｕと称する。

時刻ｔ２以降も、チョツパＣＨＰ，ＣＨＮは時刻ｔ３ま
でオン状態を保ち、電流は ■ 直流電源■Ｓ→直流リアクトルＬＤ→第２の補助サ
イリスタＳＰ→チョツパＣＨＰ→コンデンサＣｃ→チョ
ツパＣＨＮ→第１の補助サイリスタＳＶＰ→巻線（Ｖ−
０）→巻賎（０−Ｗ）→主サイリスタＱＷＮ→直流電源
■Ｓ の経路で流れる。

時刻ｔ２からｔ３までの時間は、前に通流していた主サ
イリスタＱＵＰが順阻止能力を回復するのに充分な時間
に選ば減るが、この時間を回復時間δと名づける。

すなわち、チョツパＣＨＰとＣＨＮは前述の重なり時間
Ｕと回復時間δを加えた時間ＴＣＨの間オン状態を保た
ねばならない。

ここで、ｔ１からｔ３までの間にコンデンサＣｃから放
電する電荷量は第３図のＩｃｃに示される面積Ｄとなる
。

次に、時刻ｔ３でチョツパＣＨＰ，ＣＨＮをオフに転ず
ると、電流は次の電流経路で流れる。

■ 直流電源■Ｓ→直流リアクトルＬＤ→第２の補助サ
イリスタＳＰ→ダイオードＤｐ→コンデンサＣｃ→ダイ
オードＤＮ→第１の補助サイリスタＳＶＰ→巻線（Ｖ−
０）→巻線（０−Ｗ）→主サイリスタＱＷＮ→直流電源
ＶＳ この電流経路の電流は、コンデンサＣｃを充電する方向
に流れており、前述のｔ１からｔ３までの間に流出した
電荷重と等しい電荷量を再充電するのに充分な時間だけ
流れ続けるように制御する。

すなわち、第３図のＩｃｃの図で面積Ｃはこの再充電電
荷量を示しているが、この面積Ｃと前に述べた面積Ｄが
等しくなった時点ｔ４で、主サイリスタＱＶＰを点弧す
る。

主サイリスタＱＶＰの点弧時点ｔ４の決め方は、例えば
コンデンサＣｃの電圧を検出して、この電圧が決められ
た値と等しくなった時点を点弧タイミングとすればよく
、このように制御することにより、負荷の変動によらず
安定した動作を行えるようになる。

時刻ｔ３からｔ４までを再充電時間Ｔｃと名づける。

時刻ｔ４で主サイリスタＱＶＰをオンにすると、今まで
正母線Ｐ２第２の補助サイリスクＳＰ→ダイオードＤＰ
→コンデンサＣｃ→ダイオードＤＮ→第１の補助サイリ
スタＳＶＰを通して巻線（Ｖ−０）に流れていた電流は
、正母線Ｐ２→主サイリスタＱＶＰを通して流れるよう
になり、この時点で初めて主サイリスタＱＵＰからＱＶ
Ｐへの電流の転流が完了することとなる。

この電流経路の切替わりは、例えば回路の配線のインダ
クタンスがないものとすれば、ほとんど一瞬の間に切替
わる。

時刻ｔ４以降の電流経路は ■ 直流電源■Ｓ→直流リアクトルＬＤ→主サイリスタ
ＱＶＰ→巻線（Ｖ−０）→巻線（０−Ｗ）→主サイリス
タＱＷＮ→直流電源■Ｓとなり、一転過程を終了する。

以上はＵ相から■相への転流動作の説明であるが、第３
図を参照すれば他の相における転流動作も容易に理解さ
れよう。

図には、かようにして動作させた場合の各部に流れる電
流波形も示している。

他の実施例としては、第４図のような動作形態もとり得
る。

第２図と第４図により、その動作を簡単に説明する。

時刻ｔ０における電流経路 ■ 直流電源■Ｓ→直流リアクトルＬＤ→主サイリスタ
ＱＵＰ→巻線（Ｕ−０）→巻線（０−Ｗ）→主サイリス
タＱＷＮ→直流電源■Ｓ時刻ｔ１でチョツパＣＨＰ，Ｃ
ＨＮ，第２の補助サイリスタＳＰ，第１の補助サイリス
タＳＵＰをオンにすると同時に、主サイリスタＱＵＰは
オフになり、電流経路は次のようになる。

■ 直流電源ＶＳ→直流リアクトルＬＤ→第２の補助サ
イリスタＳＰ→チョツパＣＨＰ→コンデンサＣｃ→チョ
ツパＣＨＮ→第１の補助サイリスタＳＵＰ→巻線（Ｕ−
０）→巻線（０−Ｗ）→主サイリスタＱＷＮ→直流電源
■Ｓ この経路で流れる電流では、コンデンサＣｃは放電して
いる。

次に時刻ｔ２でチョツパＣＨＰ，ＣＨＮをオフに転ずる
と、次の経路で電流は流れる。

■ 直流電源■Ｓ→直流リアクトルＬＤ→第２の補助サ
イリスタＳＰ→ダイオードＤＰ→コンデンサＣｃ→ダイ
オードＤＮ→第２の補助サイリスタＳＵＰ→巻線（Ｕ−
０）→巻線（０−Ｗ）→主サイリスタＱＷＮ→直流電源
■Ｓ この経路の電流により、コンデンサＣｃは充電される。

次に時刻ｔ２で主サイリスタＱＶＰをオンにすると、次
の閉回路ができる。

■ 正母線Ｐ２→主サイリスタＱＶＰ→巻線（■−０）
→Ｓ線（０−Ｕ）→第１の補助サイリスタＳＵＰ→ダイ
オードＤＮ→コンデンサＣｃ→ダイオードＤＰ→第２の
補助サイリスタＳＰ→正母線Ｐ２ この閉回路の電流が増加してゆくと、ついには、今まで
第２の補助サイリスタＳＰ→ダイオードＤＰ→コンデン
サＣｃ→ダイオードＤＮ→第１の補助サイリスタＳＵＰ
→巻線（Ｕ−０）に流れていた電流は零になり、この状
態では正母線Ｐ２に直流リアクトルＬＤを通して流入し
ていた電流Ｉｄは全部 主サイリスタＱＶＰ→巻線（Ｖ−０）を通じて流れるよ
うになる。

すなわち、電流は巻線（Ｕ−０）から巻線（Ｖ−０）に
転流したことになる。

第４図ではこの時点をｔ４ として示されている。

時刻ｔ４以降の電流経路は、 ■ 直流電流ＶＳ→直流リアクトル→ＬＤ→主サイリス
タＱＶＰ→巻線（Ｖ−０）→巻線（０−Ｗ）→主サイリ
スタＱＷＮ→直流電源■Ｓとなり、一転流過程を終了す
る。

第４図の動作形態においても電流Ｉｃｅに示される面積
ＤとＣを等しくするように、時刻ｔ３又はｔ２を制御す
る。

以上はＵ相から■相への転流動作の説明であるが、第４
図を参照すれば他の相における転流動作も容易に理解さ
れよう。

第４図には、かようにして動作した場合の各部に流れる
電流波形も示されている。

本発明の電流形インバータは、一担、コンデンサ又は蓄
電池等の補助直流電源を所定の値まで充電しておけば、
その後は任意の時点でインバータを起動停止でき、また
運転中においてはコンデンサ又は補助直流電源の電圧は
常に平均電圧が一定になるように制御するため、特別な
外部充電電源を必要としない．また第１図の直列ダイオ
ード形でみられたような転流のむだ時間は原理的に存在
せず、このことは、たとえば誘導電動機を負荷として運
転した場合の安定性改善のうえでまことに著しい効果を
発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のインバータの主回路図、第２図は本発明
のインバータの一実施例を示す回路図、第３図、第４図
は第２図のインバータの動作を説明するだめのタイムチ
ャートである。 ■Ｓ・・・・・・可変直流電源、ＬＤ・・・・・・直流
リアクトル、ＱＵＰ−ＱＷＮ・・・・・・主サイリスタ
、ＳＵＰ〜ＳＷＮ・・・・・・第１の補助サイリスタ、
ＳＰ，ＳＮ・・・・・・第２の正、負側補助サイリスタ
、ＣＨＰ，ＣＨＮ・・・・・・正、負側チョツパ、ＤＰ
，ＤＮ・・・・・・正、負側ダイオード、Ｃｃ・・・・
・・コンデンサ又は補助直流電源、■Ｍ・・・・・・負
荷の誘導電動機。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 直流リアクトルを介して得られる直流電源母線の一
   方にアノードが共通接続される少なくとも２個の正側主
   サイリスタ及び前記母線の他方にカソードが共通接続さ
   れる少なくとも２個の負側主サイリスタで構成されるブ
   リッジ回路と、カソードが共通接続される少なくとも２
   個の負側の第１の補助サイリス及びアノードが共通接続
   される少なくとも２個の正側の第１の補助サイリスタで
   構成され且つ交流端子が前記ブリッジ回路の交流端子に
   接続される補助ブリッジ回路と、この回路のカソード側
   と前記母線の一方の間に挿入され前記正側の第１の補助
   サイリスタに同期して点弧される正側の第２の補助サイ
   リスタと、前記補助ブリッジ回路のアノード側と前記母
   線の他方の間に挿入され前記負側の第１の補助サイリス
   に同期して点弧される負側の第２の補助サイリスタと、
   前記補助ブリッジ回路のカソード側とアノード側との間
   にコンデンサ又は補助直流電源を挾んで直列に接続され
   且つ前記正負側の第１の補助サイリスタに同期して点弧
   される正側及び負側のチョツパと、この正側チョツパと
   前記コンデンサ又は補助直流電源の直列回路部に並列に
   接続される正側ダイオードと、前記負側チョツパと前記
   コンデンサ又は補助直流電源の直列回路部に並列に接続
   される負側ダイオードとから成る電流形インバータ。