JPS5857079B2 - インバ−タ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は可変電圧、可変周波数出力を得るためのインバ
ータ装置において、低周波領域で高調波成分の少ない出
力電圧あるいは電流を得るためのものである。

従来インバータにより可変電圧、可変周波数出力を得て
モータ負荷などを制御する場合、周波数ｆは通常は零か
ら定格周波数の範囲にわたって、交流電圧Ｅａとの比Ｅ
ａ／／ｆが一定になる様に制御され、出力電圧はインパ
ーク出力電圧波形御（以下パルス巾制御と呼ぶ）により
制御された。

しかしながら電圧の低シ、）範囲では、インバータ出力
電圧パルス巾が狭くなり、出力電圧に含まれる高調波成
分が増大する。

すなわち、第１図から第３図にかけて示す従来方式の説
明図にもとづき問題点を説明する。

第１図は従来方式の回路図を示している。

１はインバータ装置で、サイリスタ２とダイオード３を
逆並列に接続したインバータアーム４Ｐ、４Ｎ。

５Ｐ、５Ｎを有しており、交流出力端子６，７には負荷
８が接続される。

９は列えばサイリスク整流器などで構成される直流電源
である。

第２図はインバータ１の交流端子６，７間にあられれる
交流電圧Ｅａの波形で、直流電圧Ｅｄ 。

パルス巾γで運転している場合を示している。

インバータ１の交流電圧Ｅａの基本波成分Ｅａ、は、パ
ルス巾γ−１８０°の時最太となり、γを小にすると共
に小さくなり、γ−〇で零となる。

この様にしてパルス巾γにより交流電圧を制御したとき
、パルス巾γが小になると交流電圧Ｅａに含まれる高調
波成分の含有率は増大する。

第３図は交流電圧基本波成分Ｅａ１に対する高調波電圧
Ｅ ａ ｎ （ｎ ＝ ５ ＋７）の値を示している。

横軸は基本波成分Ｅａ１の大きさで、パルス巾γ−１８
０°の時の基本波Ｅａ１を１００としたときの比率で、
たて軸はｎ次の高調波成分Ｅａｎの含有率で基本波成分
Ｅａ１に対する比率（パーセント）で示している。

高調波成分は第２図の波形に対して奇数次のものが発生
するが、一般に３相インバータで使用される場合が多く
、その場合３次及びその倍数の高調波は消滅するので第
３図では５次と７次の計算例を示した。

さて第３図より明らかな様に、交流電圧が小さい状態に
おいては高調波含有率が大巾に増加する事が分る。

即ち、例えば交流電圧Ｅ ａ １が２５φ付近まで低下
すると、第５次調波は基本波の７６％、第７次調波は５
８φにも及ぶ事が分る。

この問題を解決するために、従来から、出力変圧器ある
いは相間リアクトルなどを設けてインバータの多重化に
より出力電圧波形の改善が行なわれた。

しかしながら、モータ負荷などにおいても、コイルイン
ピーダンスあるいはインバータ電源と負荷間の途中の配
線インピーダンスなどにより交流電圧Ｅａと周波数ｆの
比Ｅａ／ｆは全範囲にわたって一定とはならず、周波数
の低い領域ではＥａ／ｆは大きくなる。

すなわち第４図実線で示す様に、定格電圧ＥＮから電圧
Ｅ１まではＥａＡ一定で制御されるがＥ１以下の電圧に
対しては電圧Ｅａの低下と共にＥａ／ｆは増大し電圧Ｅ
。

即ち周波数零付近ではＥａｒｌ’は無限大に近い値とな
る。

このため従来の様に、出力変圧器ないしは相間リアクト
ル等を用いて多重化する方式では変圧器ないしは相間リ
アクトルの鉄心が飽和してしまい運転が不可能になった
。

また他の手段として、整流器９の位相制御により直流電
圧Ｅｄを小さくして、インパーク１のパルス巾制御と組
合せる方式もあるが、この場合整流器９の交流電源力率
が大巾に低下すると共に高調波電流が増大するほか、イ
ンバータ１の転流回路に補助電源が必要となり転流回路
が複雑になる。

このため大容量器には実質的には採用出来ない。

一方、従来方式において電流の波形改善を行なう場合、
例えば正弦波の電流基準信号を与え、インバータのパル
ス巾制御によって交流電流波形が前記の電流基準信号に
追従する様に制御するものなどにおいても、同様に交流
電圧の低い範囲で電流リップル率が増大し、電流の高調
波成分が大きくなった。

本発明はこれらの点を考慮してなされたものでインバー
タの交流電圧Ｅａと周波数ｆの比Ｅ ａ／ｆが、電圧の
低い領域で大きくなる様な特性で運転するインバータ装
置で多重化による波形改善が困難なものにおいて、直流
電圧を制御する事なく、交流電圧の低い領域でも出力電
圧ないしは出力電流の高調波成分を少なくするものであ
る。

以下実施例にそって詳細に説明する。

第５図は本発明の一実施例で、サイリスタ２とダイオー
ド３の並列接続体で構成されるインバータアーム４Ｐと
、同様に構成されたインバータアーム４Ｎを直列接続し
てインバータアームグループ４を構成する。

インバータアームグループ４の直流側は直流電源９の陽
極側Ｐ及び陰極側Ｎに接続する。

インバータアーム４Ｐと４Ｎの中間接続点１０はインバ
ータアームグループ４の交流端子を形成する。

同様にして、インバータアームグループ４′は、インバ
ータアーム４Ｐ’、４Ｎ’で構成し交流端子１０′を、
またインバータアームグループ５は、インバータアーム
５Ｐ’、５Ｎ’で構成し、交流端子７を有しており、直
流側はいずれも共通の直流電源９に接続されている。

１１は単巻変圧器でににの比で分割する位置に中間タッ
プ１２を有しておりインバータアームグループ４′の交
流端子１０′に接続する。

単巻変圧器１１の一方の端子１３はインバータアームグ
ループ４の交流端子１０に接続する。

また他方の端子６は、交流端子Ｔと共にインバータ装置
１の交流端子を形成し、負荷８へ接続する。

第６ａ図は第５図の実施例において、交流電圧Ｅａが第
４図に示すＫＮ／（ｋ＋１）以下の範囲にある場合のイ
ンバータ装置１の交流電圧Ｅａの波形と、各インバータ
アームの導通状態を示している。

例えば電気角−γ／２からγ／２の間はインバータアー
ム４Ｐ 、４Ｐ’、５Ｎが導通状態にある事を示してい
る。

第６ａ図は第４図に示す交流電圧ＥａがＥｄ／（ｋ＋１
）から定格電圧ＥＮの間にある場合の交流電圧Ｅａの波
形と各インバータアームの導通状態及び単巻変圧器１１
の端子１２．１３間に印加される電圧Ｅ１２−１３と６
，１３間の電圧Ｅ６−１３を示している。

次に第６図を用いて第５図の実施例の動作説明を行なう
。

第６ａ図に示す動作は、第４図の交流電圧ＥａがＥ。

からＥＮ／（ｋ＋１’）の範囲の動作である事は前述し
た通りである。

まず、電気角が一７／２とγ／２の間についてみると、
インバータアーム４Ｐ。

４Ｐ’及び５Ｎが導通状態にある。

従って単巻変圧器１１の端子１２．１３はいずれも直流
電源９の陽極側Ｐの電位にある。

従って端子１２．１３間には電圧は印加されない。

従って単巻変圧器１１の残りの端子６も、陽極側Ｐの電
位となる。

一方インバータアーム５Ｎの導通により端子７は陰極側
Ｎの電位にあるので、インバータ交流電圧Ｅａは正で直
流電圧と同じ大きさのＥｄ／（ｋ＋１）となる。

次に電気角γ／２でインバータアームグループ５はイン
バータアーム５Ｎから５Ｐに転流する。

従って端子７は陽極側Ｐの電位となりインバータ交流電
圧Ｅａは零となる。

一方インバータアーム４Ｐ、４Ｐ’は引続き通電を継続
しているので単巻変圧器１１の端子１２．１３間には電
圧は印加されない。

次に電気角１８０°−γ／２になるとインバータアーム
４Ｐ、４Ｐ’は４Ｎ、４Ｎ’に転流する。

その結果単巻変圧器１１の端子６，１２．１３はいずれ
も陰極側Ｎの電位となる。

従って単巻変圧器１１の端子間１２．’１３間にはいぜ
んとして電圧は印加されない。

一方、インバータアーム５Ｐは通電を継続しているので
、インバータ交流電圧Ｅａは負で直流電圧と同じ大きさ
のＥｄ／（ｋ＋１）となる。

次に電気角１８０°＋γ／２になるとインバータアーム
５Ｐから５Ｎに転流する。

その結果端子７は端子６と同じ陰極側Ｎの電位となり、
インバータ交流電圧Ｅａは零となる。

一方インバータアーム４Ｎ、４Ｎ’は引続き通電を継続
しているので、単巻変圧器１１の端子間１２．１３には
電圧は印加されない。

電気角−９０°から−γ／２の間は前述の電気角１８０
°＋γ／２から２７００間の状態と同一である。

この様にして、第４図に示すインバータ交流電圧Ｅａが
Ｅ。

からＥＮ／（ｋ＋１）までの間は、インバータアームグ
ループ４と４′の導通アームを一致させる事により、単
巻変圧器１１の端子間１２．１３間には電圧は印加され
ない。

またこの様に運転する事によりインバータ交流電圧波形
Ｅａはパルス巾７、波高値Ｅｄ／（ｋ−１−１）の短形
波となる。

次に第６ｂ図はインパーク交流電圧Ｅａが上昇しＥＮ／
（ｋ＋ｘ）から定格電圧ＥＮＯ間にある場合の動作を示
しているが、この場合について説明する。

まず、電気角が−γ／２とγ／２の間についてみると、
インバータアーム４Ｎ、４Ｐ’及び５Ｎが導通の状態に
ある。

従って単巻変圧器１１の端子１２．１３間にはＥｄ／（
ｋ＋１）なる正の電圧が印加される。

従って端子６，１３間にはＥｄなる正の電圧があられれ
る。

即ち、Ｅ１２−１３はＥｄ／（ｋ＋１）＋Ｅ６−１３は
Ｅｄとなる。

一方、インバータアーム５Ｎが導通状態にあるので端子
７は陰極側Ｎの電位にあり、インバータアーム４Ｎの導
通により端子１３は陰極側Ｎの電位にあるので端子６と
７の間には正の電圧Ｅｄがあられれる。

換言すればインバータ交流電圧Ｅａは正で直流電圧Ｅｄ
／（１＋ｋ）の（１＋ｋ）倍の大きさのＥｄなる電圧と
なる。

次に電気角γ／２でインバータアーム４Ｎは４Ｐへ、５
Ｎは５Ｐへそれぞれ転流する。

しかしインバータアーム４Ｐ’は引続き通電を継続する
。

従って端子６，１２．１３及び７はいずれも陽極側Ｐの
電位となり、単巻変圧器１１の端子１２と１３間の電圧
Ｅ１□−１３及び端子６と１３間の電圧Ｅ６−１３はい
ずれも零となる。

またインバータ交流電圧Ｅａも零となる。

次に電気角１ｓｏ°−ｒ／２になるとインバータアーム
４Ｐ’は４Ｎ’に転流する。

従って単巻変圧器１１の端子間電圧Ｅ１２−１３は−Ｅ
ｄ／（ｋ＋１）となり、従ってＥ６−１３は−Ｅｄとな
る。

一方インバータアーム５Ｐは引続き通電を継続している
のでインパーク交流電圧ＥａバーＥａとなる。

次に電気角１８０°＋Ｌになるとインバータアーム４Ｐ
は４Ｎに、５Ｐは５Ｎにそれぞれ転流する。

その結果端子６，１２．１３及び７はいずれも陰極側Ｎ
の電位となり、単巻変圧器１１の電圧Ｅ１゜−１３及び
Ｅ６−１３とインパーク交流電圧Ｅａはいずれも零とな
る。

電気角−９０’から一γ／２の間は前述の電気角１８０
°＋γ／２から２７０°間の状態と同一である。

この様にして第４図に示すインバータ交流電圧ＥａがＥ
Ｎ／（ｋ＋１）からＥＮの間は、出力電圧パルス巾γに
応じて単巻変圧器１１の中間タップ１２と一方の端部端
子１３の間に電圧が印加される様にインバータアームグ
ループ４，４′を制御する事によりインバータ交流電圧
波形Ｅａはパルス巾γ、波高値Ｅｄの短形波となる。

第６ｃ図は交流電圧ＥａがＥＮ／（ｋ＋１）からＥＮの
間にあるとき、第６ｃ図に示す如くインバータアームを
通電せしめる事によりパルス巾γ１及びγ２を有する階
段状の波形に制御する事も出来る。

第７図は第５図の実施例において、ｋ−１と七で交流電
圧Ｅａが第４図のＥ。

からＥＮ／（ｋ＋１）の間にあるとき第６ａ図に示す如
き制御を行ない、交流電圧ＥａがＥＮ／（ｋ＋１）から
ＥＮの間にあるとき第６ｂ図に示す如く制御を行なった
場合の、交流電圧Ｅａに含有される高調波成分Ｅａｎ（
ｎ−５゜７）について示している。

横軸は基本波成分Ｅａ１の大きさで、第６ｂ図のパルス
巾γ−１８０°の時の基本波Ｅａ１を１００としたとき
の比率で、たて軸はｎ次の高調波成分Ｅａｎの含有率で
基本波成分Ｅａ１に対する比率（パーセント）で示して
いる。

第７図から明らかな様に、第３図の従来装置における特
性と比較して交流電圧Ｅａ１の低い領域において高調波
電圧が大巾に軽減されている事が分る。

例えば交流電圧Ｅａ１が２５多付近についてみると、従
来方式では第５次が７６条、第７次５８饅も含有されて
いたのに対し、本実施例では第５次が２０饅に第７次が
１５饅に軽減されている事が分る。

第７図の本発明の特性例においても交流電圧Ｅａ１が１
５〜２０％以下になると高調波含有率が増加し始めるが
、ｋの値を大きくすればさら経改善される。

以上、電圧波形改善の例について説明したが、電流波形
改善の場合、例えば正弦波の電流基準信号を与え、イン
バータのパルス巾制御によって、交流電圧を制御し、交
流電流波形が前記の電流基準信号に追従するが如く制御
するものなどにおいても、例えばインバータを第５図に
示す如く構成し、交流電圧Ｅａの低い範囲では第６ａ図
の如き運転制御方法によってインバータ電圧Ｅａは＋Ｅ
ｄ／（ｋ＋１）、零、−Ｅｄ／（ｋ＋１）のステップ状
に電流制御信号に応じて切換制御すればよい。

従って電圧制御のステップ巾がＥｄ／（ｋ＋１）と、小
さくなりその結果電流リップルが少なくなる。

一方電圧が上昇した場合は第６ｂ図の如き運転制御方法
によってインパークの電圧制御のステップ巾はＥｄに増
加させる事が出来る。

以上説明した如く、本発明は中間タップ付単巻変圧器を
使用し、インバータ交流電圧が高い範囲においては、単
巻変圧器で昇圧する事によって直流入力電圧より高い波
高値を有する交流出力電圧を得られる様に構成し、イン
バータ交流電圧が低い範囲では、単巻変圧器に接続され
るインバータアームの導通時期を一致させて単巻変圧器
に電圧が印加されない様にして、交流電圧波高値を低く
する様にする事によって、電圧Ｅａと周波数ｆの比Ｅａ
／ｆが、電圧Ｅａの低い領域において大きくなる様な特
性で運転するインバータ装置において変圧器の飽和の心
配もなく、交流電圧の低い領域でも高調波成分の少ない
交流出力電圧ないしは交流出力電流を得る事を可能にす
るものである。

また本発明によるとインパークの直流入力電圧の制御は
必要としないので、整流器電源などにおける整流器の交
流側が率の低下や高調波電流の増大の心配もなく、また
インバータ装置にも転流用補助電源を必要としないので
転流回路が簡単になる。

以上本発明の一実施例として単相インバータについて示
したが、第８図に示す如き３相インバータにも適用出来
る事は勿論である。

第８図の図中の符号は第５図の実施例と同一であるので
説明を省略する。

また交流電圧Ｅａが第４図のＥＮ／（ｋ＋１）より小さ
な範囲で第６ａ図の如き短形波とする代りに第９図に示
す様な波高値がＥａｌ（ｋ＋１）の多数パルスによる正
弦波制御も出来る事は勿論である。

【図面の簡単な説明】 第１図は従来のインバータ装置の概略構成図、第２図は
第１図の動作波形図、第３図は従来のインバータの特性
図、第４図は本発明を説明するための特性図、第５図は
本発明の一実施例を示す概略構成図、第６ａ図、第６ｂ
図、第６ｃ図は第５図の実施例の動作説明図、第７図は
第５図の実施例における特性図、第８図は本発明の別の
実施例を示す概略構成図、第９図は第５図の実施例にお
ける別の動作説明図をそれぞれ示している。 図中、１はインバータ装置、４．４’、５はインバータ
アームグループ、４Ｐ 、 ４Ｎ 、 ４ｐ’、 ４Ｎ
’。 ５Ｐ、５Ｎはインバーターアーム、６，７はインバータ
装置交流端子、８は負荷、９は直流電源、１０ 、１０
’はインバーターアームグループ交流端子、１１は単巻
変圧器、１２は単巻変圧器中間タップ、１３は単巻変圧
器端部端子、Ｅ ｄ 、 Ｅａｌ（ｋ＋１）は直流電圧
、Ｅａはインバーター交流電圧、ＥａｎはＥａに含有さ
れるｎ次高調波電圧、ＥＮはインパーク定格交流電圧、
Ｅ６−１３は単巻変圧器端子６゜１３間の電圧、Ｅ１２
−１３は単巻変圧器端子１２，１３間の電圧、Ｅａｌは
インバータ交流電圧の基本波電圧、γ、γ１．γ２はイ
ンバータ交流電圧パルス巾、ｋは単巻変圧器中間タップ
位置を示す値、Ｐは直流電源陽極側、Ｎは直流電源陰極
側である。 尚、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １２組のインバータアームの直列接続体で構成され、両
   端を直流電源に接続し、前記２組のインバータアームの
   中間接続点に交流端子を有する第１のインバータアーム
   グループ、前記第１のインバータアームグループと同様
   に構成され、前記第１のインバータアームグループと同
   一の直流電源に接続された第２および第３のインバータ
   アームグループを有し、前記第１のインバータアームグ
   ループの交流端子を中間タップを有する単巻変圧器の一
   方の端部端子に接続し、前記第２のインバータアームグ
   ループの交流端子を前記単巻変圧器の中間タップに接続
   し、前記単巻変圧器の他方の端部端子をインバータ装置
   の第１の交流端子とし、前記第３のインバータアームグ
   ループの交流端子をインバータ装置の第２の交流端子と
   する様に構成して、前記第１と第２のインバータアーム
   グループの通電時期を一致させて前記単巻変圧器の端子
   間に電圧が印加されない第１の動作モードと、前記第１
   と第２のインバータアームグループの通電時期を制御す
   る事によって前記単巻変圧器の端子間に電圧が印加され
   る第２の動作モードを有し、前記第１と第２の動作モー
   ドにおいて、前記第３のインバータアームグループの通
   電時期を制御する事により、前記第１の交流端子と第２
   の交流端子間の電圧を変化せしめる事を特徴とするイン
   パーク装置。 ２２組のインバータアームの直列接続体で構成され、両
   端を直流電源に接続し、前記２組のインバータアームの
   中間接続点に交流端子を有する第１のインパークアーム
   グループ、前記第１のインバータアームグループと同様
   に構成され、前記第１のインバータアームグループと同
   一の直流電源に接続された第２のインバータアームグル
   ープを有し、前記第１のインバータアームグループの交
   流端子を中間タップを有する単巻変圧器の一方の端部端
   子に接続し、前記第２のインパークアームグループの交
   流端子を前記単巻変圧器の中間タップに接続し、前記単
   巻変圧器の他方の端部端子を交流端子とするが如くして
   １組分のインバータ回路を構成し、且つ該１組分のイン
   バータ回路を複数組組合せて成り、前記インバータ装置
   の交流電圧の低い範囲では前記第１のインバータアーム
   グループと、第２のインパークアームグループのインパ
   ークアームの通電時期を一致させて前記単巻変圧器の端
   子間に電圧が印加されない様に制御し前記インバータ装
   置の交流電圧の高い範囲では前記第１のインパークアー
   ムグループと第２のインバータアームグループのインバ
   ータアームの通電時期を制御する事によって前記単巻変
   圧器の端子間に電圧が印加される様にした事を特徴とす
   るインバータ装置。