(57)【要約】  本発明の方法は、エレクトロスラグ再溶解炉のような、実質的には抵抗性の単相ＡＣ負荷と一緒に使用されるパルス幅変調電力インバータの出力制御のために提供される。本発明の方法の１用途では、インバータの半サイクル出力の各々の間、半サイクルのスイッチング過度現象の半分だけが、アクティブなスイッチング装置の一方によって処理されるように、アクティブなスイッチング装置は二者択一的にパルスをオン・オフされる。
2009506743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｈブリッジ回路の各脚部のダイオードとアンチパラレルな少なくとも１つのスイッチング素子を有する前記Ｈブリッジ回路を含み、前記少なくとも１つのスイッチング素子の各々が許容されるスイッチングレートを有し、前記Ｈブリッジの前記脚部の間に接続される実質的には抵抗性の単相負荷にインバータの出力が接続される、パルス幅変調インバータの出力を制御する方法であって、前記方法が、出力波形の正の半サイクルの間は前記Ｈブリッジの第１脚部と第２脚部の第１組のスイッチング素子によって前記負荷への電流を制御するステップ、及び出力波形の負の半サイクルの間は前記Ｈブリッジの第３脚部と第４脚部の第２組のスイッチング素子によって前記負荷への電流を制御して、前記負荷を通るＡＣ電流のフローを確立するステップを含み、
改良点が、
前記正の半サイクルの間、前記第１組のスイッチング素子はオンにされ、一方、前記第２組のスイッチング素子はオフにされ、前記正の半サイクルの間に少なくとも１回は少なくとも１つの第１パルス時間だけ前記第１組のスイッチング素子の第１スイッチング素子を二者択一的にパルスをオン・オフし、一方、前記第１組のスイッチング素子の第２スイッチング素子は導通しており、正の半サイクルの間に少なくとも１回は少なくとも１つの第２パルス時間だけ前記第１組のスイッチング素子の前記第２スイッチング素子を二者択一的にパルスをオン・オフし、一方、前記第１組のスイッチング素子の前記第１スイッチング素子は導通しており、前記負の半サイクルの間、前記第２組のスイッチング素子はオンにされ、一方、前記第１組のスイッチング素子はオフにされ、前記負の半サイクルの間に少なくとも１回は少なくとも１つの第３パルス時間だけ前記第２組のスイッチング素子の前記第１スイッチング素子を二者択一的にパルスをオン・オフし、一方、前記第２組のスイッチング素子の前記第２スイッチング素子は導通しており、前記負の半サイクルの間に少なくとも１回は少なくとも１つの第４パルス時間だけ前記第２組のスイッチング素子の前記第２スイッチング素子を二者択一的にパルスをオン・オフし、一方、前記第２組のスイッチング素子の前記第１スイッチング素子は導通していることを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１組のスイッチング素子の前記第１スイッチング素子、及び前記第２スイッチング素子を二者択一的にパルス駆動するステップ、並びに前記第２組のスイッチング素子の前記第１スイッチング素子、及び前記第２スイッチング素子を二者択一的にパルス駆動するステップが配置されて、前記第１組のスイッチング素子、又は前記第２組のスイッチング素子でスイッチング過度現象の数をそれぞれ減少させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
許容されるスイッチングレートに応答する前記第１，第２，第３，第４パルス時間の数を調節するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記インバータの出力の周波数、及び波形を制御するために、前記第１，第２，第３，第４パルス時間の持続時間を調節するステップを更に含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記インバータの出力の電流波形を正弦波の波形に制御するために、前記第１，第２，第３，第４パルス時間の各々のオフ時間に対するオン時間の比率を動的に調節するステップを更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記インバータの電流出力のＲＭＳ値の大きさを制御するために、前記第１，第２，第３，第４パルス時間の各々のオフ時間に対するオン時間の比率を調節するステップを更に含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
８００キロワット〜６，０００キロワットの範囲の出力電力で前記インバータを動作させるステップを更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記インバータの出力の電圧波形を正弦波の波形に制御するために、前記第１，第２，第３，第４パルス時間の各々のオフ時間に対するオン時間の比率を動的に調節するステップを更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記インバータの電圧出力のＲＭＳ値の大きさを制御するために、前記第１，第２，第３，第４パルス時間の各々のオフ時間に対するオン時間の比率を調節するステップを更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
８００キロワット〜６，０００キロワットの範囲の出力電力で前記インバータを動作させるステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
Ｈブリッジ回路の各脚部のダイオードとアンチパラレルな少なくとも１つのスイッチング素子を有する前記Ｈブリッジ回路を含み、前記少なくとも１つのスイッチング素子の各々が許容されるスイッチングレートを有し、前記Ｈブリッジの前記脚部の間に接続される実質的には抵抗性の単相負荷にインバータの出力が接続される、パルス幅変調インバータからエレクトロスラグ再溶解炉への電流、又は電力を制御する方法であって、前記方法が、出力波形の正の半サイクルの間は前記Ｈブリッジの第１脚部と第２脚部の第１組のスイッチング素子によって前記負荷への電流を制御するステップ、及び出力波形の負の半サイクルの間は前記Ｈブリッジの第３脚部と第４脚部の第２組のスイッチング素子によって前記負荷への電流を制御して、前記負荷を通るＡＣ電流のフローを確立するステップを含み、
改良点が、
前記正の半サイクルの間、前記第１組のスイッチング素子はオンにされ、一方、前記第２組のスイッチング素子はオフにされ、前記正の半サイクルの間に少なくとも１回は少なくとも１つの第１パルス時間だけ前記第１組のスイッチング素子の第１スイッチング素子を二者択一的にパルスをオン・オフし、一方、前記第１組のスイッチング素子の第２スイッチング素子は導通しており、正の半サイクルの間に少なくとも１回は少なくとも１つの第２パルス時間だけ前記第１組のスイッチング素子の前記第２スイッチング素子を二者択一的にパルスをオン・オフし、一方、前記第１組のスイッチング素子の前記第１スイッチング素子は導通しており、前記負の半サイクルの間、前記第２組のスイッチング素子はオンにされ、一方、前記第１組のスイッチング素子はオフにされ、前記負の半サイクルの間に少なくとも１回は少なくとも１つの第３パルス時間だけ前記第２組のスイッチング素子の前記第１スイッチング素子を二者択一的にパルスをオン・オフし、一方、前記第２組のスイッチング素子の前記第２スイッチング素子は導通しており、前記負の半サイクルの間に少なくとも１回は少なくとも１つの第４パルス時間だけ前記第２組のスイッチング素子の前記第２スイッチング素子を二者択一的にパルスをオン・オフし、一方、前記第２組のスイッチング素子の前記第１スイッチング素子は導通していることを含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記第１組のスイッチング素子の前記第１スイッチング素子、及び前記第２スイッチング素子を二者択一的にパルス駆動するステップ、並びに前記第２組のスイッチング素子の前記第１スイッチング素子、及び前記第２スイッチング素子を二者択一的にパルス駆動するステップが配置されて、前記第１組のスイッチング素子、又は前記第２組のスイッチング素子でスイッチング過度現象の数をそれぞれ減少させる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
許容されるスイッチングレートに応答する前記第１，第２，第３，第４パルス時間の数を調節するステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記インバータの出力の周波数、及び波形を制御するために、前記第１，第２，第３，第４パルス時間の持続時間を調節するステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記インバータの出力の電流波形を正弦波の波形に制御するために、前記第１，第２，第３，第４パルス時間の各々のオフ時間に対するオン時間の比率を動的に調節するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記インバータの電流出力のＲＭＳ値の大きさを制御するために、前記第１，第２，第３，第４パルス時間の各々のオフ時間に対するオン時間の比率を調節するステップを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
８００キロワット〜６，０００キロワットの範囲の出力電力で前記インバータを動作させるステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記インバータの出力の電圧波形を正弦波の波形に制御するために、前記第１，第２，第３，第４パルス時間の各々のオフ時間に対するオン時間の比率を動的に調節するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記インバータの電圧出力のＲＭＳ値の大きさを制御するために、前記第１，第２，第３，第４パルス時間の各々のオフ時間に対するオン時間の比率を調節するステップを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
８００キロワット〜６，０００キロワットの範囲の出力電力で前記インバータを動作させるステップを更に含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
Ｈブリッジ回路の各脚部のダイオードとアンチパラレルな少なくとも１つのスイッチング素子を有する前記Ｈブリッジ回路を含み、前記少なくとも１つのスイッチング素子の各々が許容されるスイッチングレートを有し、前記Ｈブリッジの前記脚部の間に接続される実質的には抵抗性の単相負荷にインバータの出力が接続される、パルス幅変調インバータからエレクトロスラグ再溶解炉への電流、又は電力を制御する方法であって、前記方法が、出力波形の正の半サイクルの間は前記Ｈブリッジの第１脚部と第２脚部の第１組のスイッチング素子によって前記負荷への電流を制御するステップ、及び出力波形の負の半サイクルの間は前記Ｈブリッジの第３脚部と第４脚部の第２組のスイッチング素子によって前記負荷への電流を制御して、前記負荷を通るＡＣ電流のフローを確立するステップを含み、
改良点が、
前記正の半サイクルの間に少なくとも１回は少なくとも１つの第１パルス時間だけ前記第１組のスイッチング素子の第１スイッチング素子を二者択一的にパルスをオン・オフすることにより、前記正の半サイクルの間、負荷エネルギーを放電し、一方、前記第１組のスイッチング素子の第２スイッチング素子は導通しており、正の半サイクルの間に少なくとも１回は少なくとも１つの第２パルス時間だけ前記第１組のスイッチング素子の前記第２スイッチング素子を二者択一的にパルスをオン・オフし、一方、前記第１組のスイッチング素子の前記第１スイッチング素子は導通しており、前記負の半サイクルの間に少なくとも１回は少なくとも１つの第３パルス時間だけ前記第２組のスイッチング素子の前記第１スイッチング素子を二者択一的にパルスをオン・オフすることによって、前記負の半サイクルの間、負荷エネルギーを放電し、一方、前記第２組のスイッチング素子の前記第２スイッチング素子は導通しており、前記負の半サイクルの間に少なくとも１回は少なくとも１つの第４パルス時間だけ前記第２組のスイッチング素子の前記第２スイッチング素子を二者択一的にパルスをオン・オフし、一方、前記第２組のスイッチング素子の前記第１スイッチング素子は導通していることを含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記第１組のスイッチング素子の前記第１スイッチング素子、及び前記第２スイッチング素子を二者択一的にパルス駆動するステップ、並びに前記第２組のスイッチング素子の前記第１スイッチング素子、及び前記第２スイッチング素子を二者択一的にパルス駆動するステップが配置されて、前記第１組のスイッチング素子、又は前記第２組のスイッチング素子でスイッチング過度現象の数をそれぞれ減少させる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
許容されるスイッチングレートに応答する前記第１，第２，第３，第４パルス時間の数を調節するステップを更に含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記インバータの出力の周波数、及び波形を制御するために、前記第１，第２，第３，第４パルス時間の持続時間を調節するステップを更に含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記インバータの出力の電流波形を正弦波の波形に制御するために、前記第１，第２，第３，第４パルス時間の各々のオフ時間に対するオン時間の比率を動的に調節するステップを更に含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記インバータの電流出力のＲＭＳ値の大きさを制御するために、前記第１，第２，第３，第４パルス時間の各々のオフ時間に対するオン時間の比率を調節するステップを更に含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
８００キロワット〜６，０００キロワットの範囲の出力電力で前記インバータを動作させるステップを更に含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記インバータの出力の電圧波形を正弦波の波形に制御するために、前記第１，第２，第３，第４パルス時間の各々のオフ時間に対するオン時間の比率を動的に調節するステップを更に含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
前記インバータの電圧出力のＲＭＳ値の大きさを制御するために、前記第１，第２，第３，第４パルス時間の各々のオフ時間に対するオン時間の比率を調節するステップを更に含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
８００キロワット〜６，０００キロワットの範囲の出力電力で前記インバータを動作させるステップを更に含む、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパルス幅変調（ＰＷＭ）電力インバータの出力の制御に関し、特に、エレクトロスラグ再溶解炉と一緒に使用される電力インバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロスラグ再溶解炉は、負荷電流、又は負荷電力の正確な調整を有する単相のＡＣ電源を必要とする。エレクトロスラグ再溶解炉の記述に対しては、米国特許第4,280,550号を参照のこと。エレクトロスラグ再溶解炉の典型的な装置では、電極は上方へ垂直に配置されるが、水冷式銅坩堝の内側にある多量の溶融スラグと接触する。電流が電極、及びスラグを通って坩堝に流れるように、電極の上端部、及び坩堝の底部に電源が接続される。この装置では、スラグは実質的に抵抗加熱素子として振る舞う。スラグを通って流れる電流によって発生する熱は、スラグと接触する電極の先端を溶解させようとする傾向があり、スラグより重い液体金属の小滴は、スラグを通過して、後でインゴットに凝固するスラグの下に金属プールを形成する。この方法では、電極は徐々に溶解（再溶解）されて、スラグの下でインゴットとして改質される。形成されたインゴットの冶金学上の質が、再溶解された電極のインゴットよりも優れているように、液体金属と溶融スラグの接触は、含有物を除去することによって金属を精製する傾向があるが、炉電流、又は炉電力の正確な調整は、エレクトロスラグ再溶解炉の中で形成されたインゴットの冶金学上の質の制御に対して不可欠である。
【特許文献１】米国特許第4,280,550号
【０００３】
エレクトロスラグ再溶解炉に対する電力を制御する伝統的な方法は、変圧器タップを変えることを含むが、この方法は頻繁な保守を必要とし、必要な精度を一般に達成しない。電流を調整する更に一般的な方法は位相角制御によるが、この方法は、高レベルの高調波を電源に対して発生する傾向がある。８００キロワット〜６，０００キロワットの範囲における単相負荷と高レベルの高調波の組み合わせは、現代の三相給電グリッドに対して問題を起こす傾向がある。その結果、エレクトロスラグ再溶解炉に対して単相電流を供給して調整する更に良い方法に対する必要性が存在する。
【０００４】
エレクトロスラグ再溶解炉に対して単相電流、又は単相電力を供給して調整する１つの方法は、ＰＷＭインバータを介する。図１は、（「Ｈブリッジ」としても既知の）全出力ブリッジを有する従来のＰＷＭインバータの出力段を示す。エネルギーは、コンデンサＣにＤＣ電圧として蓄えられる。図２（ａ）で電流フローの方向を示す矢印によって表されるような正極性の電流に対してスイッチング装置１，４がスイッチオンされ、図２（ｂ）で表されるような負極性の電流に対してスイッチング装置２，３がスイッチオンされるように、スイッチング装置は（ＩＧＢＴ装置として示される、この限定されない実施例では）２つ１組になって一般にスイッチをオンにされる。各々の場合、望ましい周波数、及び形状、一般には、正弦波の出力波形を達成するように、スイッチングは制御される。スイッチング制御は、正と負の半サイクルの各々で所定の持続時間の固定した数のパルスをそれぞれ出力し、出力周波数を制御するように設定される。次に、各パルスの一部分の幅が、出力波形と振幅の両方をそれぞれ動的に制御するために使用される。
【０００５】
エレクトロスラグ再溶解炉の電気的負荷は大部分は抵抗性（図では抵抗Ｒ）であるが、誘導性成分（図ではインダクタンスＬ）も含む。インダクタンスの効果の１つは、抵抗性スイッチング装置がオフにされるとき、インダクタンスは電流フローを維持しようとする傾向があることである。もし適切な対策が取られなければ、これはスイッチング装置を破壊し得る危険な高電圧を発生する。これを回避するために、図示されるように、ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４が各スイッチング装置１，２，３，４の両端にアンチパラレルにそれぞれ接続される。通常の方法では、コンデンサＣへの電圧がダイオードを通して電流を流す原因にならないように、ダイオード極性が配置される。しかし、能動スイッチがオフにされるとき（導電状態でない）、インダクタンスが発生した逆電圧が２つのダイオードを順方向にバイアスする原因となり、従って、誘導性素子（インダクタ）に貯蔵されたエネルギーを主貯蔵コンデンサＣに戻す。例えば、図３を参照すると、スイッチング装置１，２がオフにされたばかりである。これは、発生した電圧を効果的に制限し、従って、スイッチング装置の破壊を回避する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
問題は、正と負の電圧、又は電流の間でスイッチングするとき、負荷のインダクタンスに貯蔵されたエネルギーを放電して主貯蔵コンデンサに戻すことは利点であるが、１つの側（極性）にパルス変動するとき、設計の中には、ダイオードの選択、及びインバータのスイッチングの最大周波数（従って、制御の精度）に適用される要因を限定するようになるものもあることである。
【０００７】
１つの方法が既知であり、それによると、極性が変化するとき、アクティブなスイッチング装置の両方がオフになり、インアクティブにされ、他の２つのスイッチング装置がアクティブにされる。しかし、所定のアクティブ極性でスイッチングする間、アクティブなスイッチング装置の一方はオンのままにされ、他方はＰＷＭによってオン・オフされる。１実施例が図４に示され、特定の極性で、アクティブなスイッチング装置がスイッチング装置１，４であり、スイッチング装置１はオンのままにされ、一方、ＰＷＭ制御信号がスイッチング装置４に加えられる場合が考慮される。この場合、スイッチング装置４がオフにされ、スイッチング装置１がオンのままであるとき、スイッチング装置３に関連するダイオード（Ｄ３）はフリーホイールダイオードとして振る舞い、従来の電流フローは図４に示されるようになる。
【０００８】
スイッチング装置１が比較的低いオン（導電）抵抗を有し、単一のダイオードの順方向電圧が比較的低いので、このモードでは、インダクタＬに貯蔵されたエネルギーは比較的ゆっくりと放電される。これは、ＰＷＭによる電流変動が減少することを意味する。
【０００９】
この方法の短所は、２つのアクティブなスイッチング装置のうち、１つが全てのスイッチング過度現象を処理することである。高電力インバータのような、スイッチング過度現象がスイッチング装置への熱負荷の非常に大きな部分である設計では、このことが抵抗性スイッチング装置中の不均一な温度分布、及び早期の故障の原因となり得る。
【００１０】
従って、例えば、上記の限定が最小化され、スイッチング過度現象負荷が更に均一に分布する、エレクトロスラグ再溶解炉のための電源のような用途で使用されるインバータを制御するための方法に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
１つの側面では、本発明は、例えば、エレクトロスラグ再溶解炉のための電源として使用されるパルス幅変調インバータの出力を制御するための方法である。インバータは、Ｈブリッジ回路の各脚部のダイオードとアンチパラレルな少なくとも１つのスイッチング素子を有するＨブリッジ回路から形成される。実質的には抵抗性の単相負荷が、Ｈブリッジの脚部の間に接続される。Ｈブリッジの第１脚部と第２脚部の中の第１組のスイッチング素子が、出力の正の半サイクルに対して二者択一的に導通し、Ｈブリッジの第３脚部と第４脚部の中の第２組のスイッチング素子が、出力の負の半サイクルに対して二者択一的に導通し、負荷を通るＡＣ電流のフローを確立する。第１組のスイッチング素子の一方は正の半サイクルの少なくとも１つの第１パルス時間の間パルスをオン・オフされ、一方、第１組のスイッチング素子の他方は導通しているが、次に、第１組の第２スイッチング素子は正の半サイクルの少なくとも１つの第２パルス時間の間パルスをオン・オフされ、一方、第１組の第１スイッチング素子はまだ導通している。他方が導通している間の、第１組の２つのスイッチング素子の一方の二者択一的なこのオン・オフ切り替えは、出力の正の半サイクルの定められた数のパルスだけ繰り返される。次に、出力の負の半サイクルの間、第１組のスイッチング素子はオフにされ、第２組のスイッチング素子はオンにされる。スイッチング素子の一方のパルスを二者択一的にオン・オフし、一方、負の半サイクルに対する定められた数のパルスが完了するまで他方は導通することにより、第２組のスイッチング素子は類似の方法で制御される。正と負の半サイクルの両方におけるパルスの総数、所定の持続時間の各々、が出力周波数を制御するために使用される。各パルスのオフ時間に対するオン時間の比率を動的に制御することによって、出力波形、及び振幅は制御されるが、スイッチング素子が二者択一的にオン・オフするので、各スイッチング素子でのスイッチング過度現象の数は減少する。
【００１２】
本発明の他の側面は、本明細書、及び添付の請求項に記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図６は、本発明のＰＷＭインバータ出力制御方法が使用できる１用途を示す。ＤＣ電力がダイオードＤ５，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８から形成された単相整流器からインバータ６に入力され、コンデンサＣはエネルギー貯蔵器、及びフィルタ素子として機能する。ＰＷＭ制御回路８は、スイッチング装置１，２，３，４のゲートＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に対するゲート駆動回路を各々が含む。ＩＧＢＴスイッチング装置が図６に示されるが、他のタイプのスイッチング装置も使用できる。特定のスイッチング装置に対する仕様書によって定められるように、スイッチング装置の各々は、許容されるスイッチングレートを有する。以下で更に記載されるように、ゲート駆動回路は、スイッチング装置の二者択一的パルス駆動を含む、スイッチング装置のオン・オフを制御する。本発明の実施例の中には、パルス周波数、及びパルス持続時間を含む、二者択一的パルス駆動方式を調整するためのＰＷＭ制御回路８に入力を適切な回路が提供するものもある。例えば、インバータからの出力電流、若しくは出力電力の大きさ、インバータの出力の両端の電圧、又はコンデンサの両端の電圧が、ＰＷＭ制御回路に入力され得る。本発明の実施例の中には、開示されたパルス駆動方式が、インバータの出力電流、又は出力電圧の瞬時値によって動的に調節されるものもある。更に、動的調節はインバータの出力電流、又は出力電圧のＲＭＳ値の大きさに従って達成され、インバータの出力電流、又は出力電圧のＲＭＳ値の大きさは、例えば、インバータの出力電流、又は出力電圧の瞬時値からそれぞれ決定され得る。
【００１４】
図６では、本発明のＰＷＭインバータ出力制御方法を用いて使用できる１つのタイプの負荷、即ち、エレクトロスラグ再溶解炉が示される。オプションの変圧器Ｔは、回路ノード「Ａ」及び「Ｂ」においてインバータ６の出力からのＡＣ電力を提供する。もし使用されるなら、変圧器は任意のタイプのｋＶＡ変圧器素子、又は素子の組み合わせでよい。負荷、エレクトロスラグ再溶解炉１０、は米国特許第4,280,550号で開示される炉と類似し、ここに本明細書の一部を構成するものとして米国特許第4,280,550号の内容を援用する。炉の以下の特徴に対する符号番号は、米国特許第4,280,550号で使用される符号番号と同じである。炉の電極３２は米国特許第4,280,550号に記載されるように導体５２に接続され、次に、導体５２はインバータの一方の出力接続に接続される。ベースプレート３８は、導体５０によってインバータの他方の出力接続に接続される。
【００１５】
本発明の他の実施例では、インバータへの直接ＤＣ入力が提供され得る。入力はＡＣであるが、図６に示されるように、入力は単相電源、又は多相ＡＣ電源から供給され得る。ＡＣ入力が使用されるとき、整流器素子は任意の適切な形状であり得る。
【００１６】
インバータ６の出力段は、所望の周波数、振幅、及び波形のインバータＡＣ出力を作り出すために各々が制御される多数のスイッチング装置を含む。１つのＨブリッジ配置が図６に示されるが、本発明の他の実施例では、適切に配置された複数のＨブリッジが使用され得る。
【００１７】
インバータに接続された負荷は静的な（回転しない）大部分は抵抗性の負荷であり、例えば、エレクトロスラグ再溶解炉中の負荷に特有のものである。エレクトロスラグ再溶解炉の誘導性負荷成分は炉部品の同軸配置によって減少する傾向があるが、炉のサイズ、電極の直径、等によって変化する。図６に関連するインダクタンス、又はインダクタＬに対する言及は、本発明のこの特定の実施例に対するこの誘導性負荷成分を意味する。インバータの設計と制御は、この複雑な負荷を扱わなければならず、（コールドスタート、又はホットスタート各々の）プロセスの立ち上がりフェーズ、及びプロセスの終わりにおけるホットトッピング、又は下降ランプフェーズの間も動作しなければならない。特に、スラグは最初に溶解されるので、エレクトロスラグ再溶解炉のコールドスタートは、短絡から開路、及びその逆による負荷のアーク放電、及び突然の変動の期間を含み得る。エレクトロスラグ再溶解炉中の再溶解のいわゆる定常状態部分の間でさえ、電極の液体チップと溶融スラグの間の接触領域の変動は、負荷電流の動的制御が必要な、絶えず変動する負荷インピーダンスをもたらす。エレクトロスラグ再溶解炉は８００キロワット〜６，０００キロワットの範囲が定格の電源が一般に必要なので、制御電力成分の注意深い最適化が高信頼性動作にとって絶対必要である。
【００１８】
本発明では、インバータの２相ＰＷＭ出力制御が利用され、２つのアクティブなスイッチング装置、又は素子、が二者択一的にパルスをオフにされ、一方、他のアクティブなスイッチング装置はオンのままであり、逆もまた同様である。
【００１９】
本発明の限定されない１実施例では、スイッチング装置１，４は、インバータの出力の現在の半サイクルの間アクティブなスイッチング装置であり、インバータの出力の現在の半サイクルは、図６の限定されない回路配置に対する正の半サイクルとして定められる。正の半サイクルの間、スイッチング装置１はオンである一方、スイッチング装置４は「装置４オフ時間」の期間だけパルスをオフにされ、次にオンにされ、スイッチング装置４はオンである一方、スイッチング装置１は「装置１オフ時間」の期間だけパルスをオフにされる。正の半サイクルの間だけスイッチング装置１，４を二者択一的にパルスをオフにするこのプロセスは、正の半サイクルの全体を通して連続的に繰り返され得る。
【００２０】
本発明の他の実施例では、正の半サイクルの間に少なくとも１回はスイッチング装置１がパルスをオフにされ、次にオンにされる前に、スイッチング装置４は複数回だけ繰り返しパルスをオン・オフされ得る。
【００２１】
本発明の実施例の中には、スイッチング装置４オフ時間の期間がスイッチング装置１オフ時間の期間と異なるものがあり、及び/又はスイッチング装置４オフ時間パルスの数がスイッチング装置１オフ時間パルスの数と異なるものがある。
【００２２】
本発明の制御方法を用いて、正の半サイクルの間スイッチング装置４がパルスをオフにされ、一方、スイッチング装置１がオンである毎に、スイッチング過度現象はスイッチング装置４によって処理され、一方、「Ａ」と名称を付けられた負荷の回路点は、スイッチング装置１によって正のバス（＋ＢＵＳ）電圧付近に効果的に保持され、ンダクタＬ中に貯蔵されるエネルギーによって発生する逆電磁力は、スイッチング装置３のアンチパラレルダイオードＤ３を順方向にバイアスし、スイッチング装置３のアンチパラレルダイオードＤ３は、負荷回路点「Ｂ」を正のバス電圧と同じ電圧付近にクランプする。従って、インダクタンスＬに貯蔵されるエネルギーは、バス電圧に対するダイオード電圧の比に依存する比較的低い電圧で放電される。逆に、本発明の２相ＰＷＭ制御の交替する相では、正の半サイクルの間スイッチング装置１がパルスをオフにされ、一方、スイッチング装置４がオンである毎に、スイッチング過度現象はスイッチング装置１によって処理され、一方、「Ｂ」と名称を付けられた負荷の回路点は、スイッチング装置４によって負のバス（−ＢＵＳ）電圧付近に効果的に保持され、インダクタＬ中に貯蔵されるエネルギーによって発生する逆電磁力は、スイッチング装置２のアンチパラレルダイオードＤ２を順方向にバイアスし、スイッチング装置２のアンチパラレルダイオードＤ２は、負荷回路点「Ｂ」を負のバス電圧と同じ電圧付近にクランプする。従って、インダクタンスＬに貯蔵されるエネルギーは、比較的低い電圧で同様に放電される。
【００２３】
スイッチング装置１，４がアクティブなスイッチング装置であるとき、上記の記載は本発明のこの限定されない実施例の正の半サイクルに適用される。同じ実施例で、負の半サイクルの間は、スイッチング装置３，２がアクティブなスイッチング装置である。負の半サイクルの間、スイッチング装置３はオンである一方、スイッチング装置２は「装置２オフ時間」の期間だけパルスをオフにされ、次にオンにされ、スイッチング装置２はオンである一方、スイッチング装置３は「装置３オフ時間」の期間だけパルスをオフにされる。負の半サイクルの間だけスイッチング装置２，３を二者択一的にパルスをオフにするこのプロセスは、負の半サイクルの全体を通して連続的に繰り返され得る。
【００２４】
本発明の他の実施例では、正の半サイクルの間に少なくとも１回はスイッチング装置３がパルスをオフにされ、次にオンにされる前に、スイッチング装置２は複数回だけ繰り返しパルスをオン・オフされ得る。
【００２５】
本発明の実施例の中には、スイッチング装置２オフ時間の期間がスイッチング装置３オフ時間の期間と異なるものがあり、及び／又はスイッチング装置２オフ時間パルスの数がスイッチング装置３オフ時間パルスの数と異なるものもある。
【００２６】
負の半サイクルの間、スイッチング装置２がパルスをオフにされ、一方、スイッチング装置３がオンである毎に、スイッチング過度現象はスイッチング装置２によって処理され、一方、「Ｂ」と名称を付けられた負荷の回路点は、スイッチング装置３によって正のバス電圧付近に効果的に保持され、インダクタＬ中に貯蔵されるエネルギーによって発生する逆電磁力は、スイッチング装置１のアンチパラレルダイオードＤ１を順方向にバイアスし、スイッチング装置１のアンチパラレルダイオードＤ１は、負荷回路点「Ａ」を正のバス電圧と同じ電圧付近にクランプする。従って、インダクタンスＬに貯蔵されるエネルギーは、バス電圧に対するダイオード電圧の比に依存する比較的低い電圧で放電される。逆に、本発明の２相ＰＷＭ制御の交替する相では、負の半サイクルの間にスイッチング装置３パルスをオフにされ、一方、スイッチング装置２がオンである毎に、スイッチング過度現象はスイッチング装置３によって処理され、一方、「Ａ」と名称を付けられた負荷の回路点は、スイッチング装置２によって負のバス電圧付近に効果的に保持され、インダクタＬ中に貯蔵されるエネルギーによって発生する逆電磁力は、スイッチング装置４のアンチパラレルダイオードＤ４を順方向にバイアスし、スイッチング装置４のアンチパラレルダイオードＤ４は、負荷回路点「Ｂ」を負のバス電圧と同じ電圧付近にクランプする。従って、インダクタンスＬに貯蔵されるエネルギーは、比較的低い電圧で同様に放電される。
【００２７】
顕著な長所は、本発明の２相ＰＷＭインバータ出力制御を用いて、所定の半サイクルのスイッチング過度現象の半分だけが、アクティブなスイッチング装置の一方によって効果的に扱われることである。数百、又は数千キロワットで負荷を扱う高電力インバータに対して、スイッチング過度現象は、特定の装置を使用する特性の設計を限定する設計要素の１つである。従って、所定の組のスイッチング装置に対して、本発明の利点は、各装置への熱負荷が減少すること、又はインバータの有効な信頼性が向上すること、又は定格負荷が増加すること、又はＰＷＭ信号の有効なスイッチングレートが増加すること、又は上記の組み合わせを含む。
【００２８】
本発明の上記実施例では、用語「ＰＷＭ」は一般的なタイプ、又はクラスのインバータを記述するために使用され、連続するパルスの時間間隔が制御されて、特定の出力波形、例えば、正弦波を発生する特定のクラスのインバータに本発明を限定することは意図しない。本発明は、実際の（又は、測定された）出力電圧、又は出力電流を（ディジタル、又はアナログの）基準電圧、又は基準電流と比較することによってパルス幅、又はスイッチングポイントが決定される形態のＰＷＭを含むが、それに限定はされない。
【００２９】
図７は、抵抗性スイッチング装置ゲートに適用される論理レベルの観点から、本発明の１実施例の２相ＰＷＭインバータ出力制御を表形式で示す。明確さのため、及び本発明は特定の出力波形、又はＰＷＭ信号を導出する特定の方法に特に限定されないが、示された利点を達成する交流シーケンスで抵抗性のアクティブな装置に信号を適用する方法にむしろ関心があることを示すために、（「定格のＰＷＭ（合成）」と名称を付けられた）標準的なパルス幅が示される。図７に示されるスイッチング装置１（「２相ＰＷＭ−１」欄）、スイッチング装置２（「２相ＰＷＭ−２」欄）、スイッチング装置３（「２相ＰＷＭ−３」欄）、及びスイッチング装置４（「２相ＰＷＭ−４」欄）に対する本発明のゲート信号が、当該技術分野で周知の回路によって抵抗性スイッチング装置に提供され得る。
【００３０】
本発明は、各装置でスイッチング過度現象が効果的に減少する静的な（回転しない）大部分は抵抗性の単相ＡＣ負荷と一緒に一般に使用される、約８００キロワット〜約６，０００キロワットの範囲の大型の高電力インバータに対して最も有効であり、各装置は、高信頼性で高効率のＰＷＭスイッチングレートを達成する。
【００３１】
本発明の実施例は、特定の電気部品に対する言及を含む。当業者は、同じタイプである必要はないが、望ましい条件を作り出すか、又は本発明の望ましい結果を達成する構成要素を代用することによって本発明を実施し得る。例えば、単一の構成要素が複数の構成要素を代用でき、逆もまた同様である。更に、当業者は、構成要素を再配置することによって本発明を実施し、望ましい条件を作り出すか、又は本発明の望ましい結果を達成することもできる。
【００３２】
以上、本発明の好ましい実施例について図示し記載したが、特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲から逸脱することなしに種々の変形、及び変更がなし得ることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】典型的な電力インバータの出力段である。
【図２（ａ）】スイッチング装置１，４がオン、スイッチング装置３，２がオンである、図１に示されるインバータの出力段での電流フローの方向を示す。
【図２（ｂ）】スイッチング装置１，４がオン、スイッチング装置３，２がオンである、図１に示されるインバータの出力段での電流フローの方向を示す。
【図３】スイッチング装置１，４が丁度オフにされたときの、図１に示されるインバータの出力段での電流フローを示す。
【図４】スイッチング装置１，４がオンであった後に、スイッチング装置１が導通し、スイッチング装置４が丁度オフにされた、図１に示されるインバータの出力段での電流フローを示す。
【図５】スイッチング装置１，４がオンであった後に、スイッチング装置４が導通し、スイッチング装置１が丁度オフにされた、図１に示されるインバータの出力段での電流フローを示す。
【図６】本発明の制御方式のために使用される典型的な単相のフル「Ｈ」ブリッジＡＣインバータを示す。
【図７】抵抗性スイッチング装置のゲートに適用される論理レベルの観点から、本発明の１実施例の２相ＰＷＭ制御を表形式で示す。
【符号の説明】
【００３４】
１，２，３，４    スイッチング装置
６    インバータ
８    ＰＷＭ制御回路
１０    エレクトロスラグ再溶解炉
３２    電極
３８    ベースプレート
５０，５２    導体
【図１】
2009506743.tif 000003
【図２（ａ）】
2009506743.tif 000004
【図２（ｂ）】
2009506743.tif 000005
【図３】
2009506743.tif 000006
【図４】
2009506743.tif 000007
【図５】
2009506743.tif 000008
【図６】
2009506743.tif 000009
【図７】
2009506743.tif 000010
【国際調査報告】
2009506743.tif 000011