JP2006166650A

JP2006166650A - サイリスタ変換器の制御装置

Info

Publication number: JP2006166650A
Application number: JP2004356743A
Authority: JP
Inventors: Yasuki Okajima; 靖樹岡嶋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】ローパスフィルタ通過時の遅延の変動を相殺し、設定どおりの点弧角を出力し、かつ点弧角の設定範囲を拡大することのできるサイリスタ変換器の制御装置を提供する。
【解決手段】交流電源系統に接続されたサイリスタ変換器を制御する制御装置であって、サイリスタ変換器の入力電源電圧を検出する計器用変圧器７と、入力電源電圧から、高調波成分を除去して交流電圧を出力するローパスフィルタ８と、交流電圧のゼロクロス点を検出して、ゼロクロス信号を出力するゼロクロス検出回路９と、ゼロクロス信号の周波数を検出する周波数検出回路１０と、ゼロクロス信号と周波数とにより、遅延ゼロクロス信号を出力するゼロクロス信号遅延回路１１と、点弧角設定回路１３が設定した各サイリスタの点弧角と遅延ゼロクロス信号とにより、各サイリスタＴＨ１１〜ＴＨ３２を動作させる点弧信号を出力する点弧信号生成回路１２とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、入力電源電圧の周波数が変動しても、サイリスタの点弧角に影響を生じることのないサイリスタ変換器の制御装置に関する。

従来のサイリスタ変換器の制御装置は、計器用変圧器により検出されたサイリスタ変換器の入力電源電圧から、２次、４次等の低次高調波成分を除去するローパスフィルタと、ローパスフィルタから出力される交流電圧のゼロクロス点を検出してゼロクロス信号を出力するゼロクロス検出回路と、ゼロクロス信号に基づいた点弧信号をサイリスタブリッジに出力する点弧信号生成回路とを備え、ローパスフィルタで入力電源電圧の高調波成分やノイズを除去することにより、点弧角のバラツキ、誤点弧などを防止している（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、一般にローパスフィルタには、形式やフィルタ定数に応じた遅延が存在し、入力周波数に依存してこの遅延は変動する。
また、比較的入力周波数に近い２次、４次等の低次高調波成分を遮断するために、周波数遮断特性が急峻な形式のローパスフィルタを適用しているが、例えば、周波数に対する遅延特性が一定でないチェビシェフ型ローパスフィルタなどを用いた場合には、入力周波数に依存した遅延の変動が発生しやすい。
上記従来装置の場合、交流電源が商用電源等の安定した電源で、かつ使用周波数を５０Ｈｚや６０Ｈｚ等に限定した条件下において、ローパスフィルタの遅延を最適化することで安定した点弧信号をサイリスタブリッジに出力するようになっている。

特開平１１−３２４８４号公報

従来のサイリスタ変換器の制御装置では、商用電源周波数の５０Ｈｚ／６０Ｈｚ共用化回路、発電機の起動／停止時、商用電源系統から独立した自家発電系統、および小型発電機の負荷急変による速度変動や可変速運動などにより、ローパスフィルタに入力される電源電圧の周波数が、遅延が最適化された周波数からずれる場合、ローパスフィルタを通過した際に遅延の変動が生じ、ゼロクロス検出のタイミングがずれるという問題点があった。

また、ローパスフィルタを通過した際に遅延の変動が生じると、点弧信号生成回路で一定のサイリスタ点弧角を設定しても、遅延の変動に応じて実際の点弧角は変動するので、点弧角を高精度に制御することが困難であるという問題点もあった。
また、点弧信号生成回路で設定できる点弧角の範囲を、実際に転流可能な範囲から、遅延の変動を考慮した、より狭い範囲に設定しなければならないという問題点もあった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、ローパスフィルタを通過した際に生じる遅延の変動を相殺し、ローパスフィルタに入力される電源電圧の周波数が変動した場合にも、設定どおりの点弧信号をサイリスタブリッジに出力することができ、かつ従来よりも点弧角の設定範囲を拡大することのできるサイリスタ変換器の制御装置を提供するものである。

この発明に係るサイリスタ変換器の制御装置は、交流電源系統に接続されたサイリスタ変換器を制御する制御装置であって、サイリスタ変換器の入力電源電圧を検出する電圧検出手段と、入力電源電圧から、高調波成分を除去して交流電圧を出力するローパスフィルタと、交流電圧のゼロクロス点を検出して、ゼロクロス信号を出力するゼロクロス検出手段と、ゼロクロス信号の周波数を検出する周波数検出手段と、ゼロクロス信号と周波数とにより、遅延ゼロクロス信号を出力するゼロクロス信号遅延手段と、サイリスタ変換器内の各サイリスタの点弧角を設定する点弧角設定手段と、点弧角と遅延ゼロクロス信号とにより、各サイリスタを動作させる点弧信号を出力する点弧信号生成手段とを備えたものである。

この発明のサイリスタ変換器の制御装置によれば、ローパスフィルタに入力される電源電圧の周波数の変化によって、ローパスフィルタを通過した際に遅延の変動が生じても、ゼロクロス検出手段の出力であるゼロクロス信号の周波数を測定して、遅延の変動を相殺するように遅延ゼロクロス信号を出力し、遅延ゼロクロス信号を用いて点弧信号を生成するので、設定どおりの点弧信号をサイリスタブリッジに出力することができる。
また、ローパスフィルタを通過した際に生じる遅延の変動を相殺することができるので、遅延の変動を考慮する必要がなく、点弧角の設定範囲を従来よりも拡大することができる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部材、部位については、同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るサイリスタ変換器の制御装置を周辺機器構成とともに示すブロック図である。

図１において、サイリスタ変換器の制御装置１（以下「制御装置１」と略称する）は、サイリスタ変換器に交流電圧を印可する３相交流電源２から入力電源電圧が入力され、交流から直流に電力変換するサイリスタブリッジ３に点弧信号を出力する。

３相交流電源２とサイリスタブリッジ３の交流側とは、リアクトル４を介して接続されている。
また、サイリスタブリッジ３の直流側には、リアクトル５を介して負荷６が接続されている。
サイリスタブリッジ３は、３対のサイリスタＴＨ１１、ＴＨ１２、ＴＨ２１、ＴＨ２２、ＴＨ３１、ＴＨ３２から構成されている。

制御装置１は、電圧検出手段である計器用変圧器７と、ローパスフィルタ８と、ゼロクロス検出回路９と、周波数検出回路１０と、ゼロクロス信号遅延回路１１と、点弧信号生成回路１２と、点弧角設定回路１３とを有している。
計器用変圧器７は、３相交流電源２の入力電源電圧を検出して、ローパスフィルタ８に出力する。
ローパスフィルタ８は、入力電源電圧に含まれる２次、４次等の低次高調波成分や、より高周波のノイズ成分を遮断して、交流電圧をゼロクロス検出回路９に出力する。
ゼロクロス検出回路９は、交流電圧のゼロクロス点を検出して、ゼロクロス信号遅延回路１１にゼロクロス信号を出力する。

周波数検出回路１０は、ゼロクロス信号の周波数を検出してゼロクロス信号遅延回路１１に出力する。
ゼロクロス信号遅延回路１１は、ゼロクロス信号と、ゼロクロス信号の周波数とにより、ローパスフィルタ８で発生する遅延の変動を相殺する遅延ゼロクロス信号を生成して点弧信号生成回路１２に出力する。
点弧信号生成回路１２は、サイリスタの点弧角を設定する点弧角設定回路１３で設定された点弧角と遅延ゼロクロス信号とにより、サイリスタＴＨ１１〜ＴＨ３２を点弧させる点弧信号を生成して、サイリスタブリッジ３に出力する。

以下、上記構成の制御装置１の動作について、図２および図３を用いて説明する。
図２は、この発明の実施の形態１に係る制御装置１の、入力電源電圧ｅ１、交流電圧ｅ２、ゼロクロス信号Ｚ、遅延ゼロクロス信号Ｚｄおよび点弧信号ＴＨｇの関係を示すタイミングチャートである。
この場合、ローパスフィルタ８に入力される３相交流電源２の入力電源電圧ｅ１の周波数は、ローパスフィルタ８の設計時にあらかじめ分かっている遅延に関して最適化されている。
図３は、この発明の実施の形態１に係る制御装置１の、入力電源電圧ｅ１、交流電圧ｅ２、ゼロクロス信号Ｚ、遅延ゼロクロス信号Ｚｄおよび点弧信号ＴＨｇの関係を示す別のタイミングチャートである。
この場合、ローパスフィルタ８に入力される３相交流電源２の入力電源電圧ｅ１の周波数は、ローパスフィルタ８の設計時にあらかじめ分かっている遅延に関して最適化された周波数からずれている。
なお、図２および図３は、便宜上１つのサイリスタの点弧動作に関するものを示している。

図２において、計器用変圧器７で検出された３相交流電源２の入力電源電圧ｅ１は、ローパスフィルタ８で２次、４次等の低次高調波成分と、より高周波のノイズ成分とが除去されて、入力電源電圧ｅ１から最適化された遅延βだけ位相がずれた交流電圧ｅ２としてゼロクロス検出回路９に出力される。
ゼロクロス検出回路９は、交流電圧ｅ２のゼロクロス点からゼロクロス信号Ｚをゼロクロス信号遅延回路１１に出力し、同時に周波数検出回路１０は、ゼロクロス信号Ｚの周波数を検出する。

ゼロクロス信号Ｚの周波数を検出することにより、入力周波数に依存したローパスフィルタ８での遅延を逆算することができる。
ここでは、周波数検出回路１０で検出したゼロクロス信号Ｚの周波数より、ローパスフィルタ８での遅延βを逆算することができる。
ゼロクロス信号遅延回路１１は、ゼロクロス信号Ｚに遅延の変動が生じていないため、ゼロクロス信号Ｚと同一の信号を遅延ゼロクロス信号Ｚｄとして、点弧信号生成回路１２に出力する。

点弧信号生成回路１２は、サイリスタの点弧角を設定する点弧角設定回路１３で設定された点弧角αと遅延ゼロクロス信号Ｚｄとにより、遅延βとあわせて交流電圧波形１周期分になる遅延γと、点弧角αの遅延との後にサイリスタを点弧させる点弧信号ＴＨｇを生成してサイリスタブリッジ３に出力する。
サイリスタブリッジ３に出力された点弧信号ＴＨｇは、各サイリスタＴＨ１１、ＴＨ１２、ＴＨ２１、ＴＨ２２、ＴＨ３１、ＴＨ３２を点弧させる。

しかしながら、入力電源電圧の周波数が、ローパスフィルタ８による遅延が最適化された周波数からずれている場合、ローパスフィルタ８を通過した際に遅延の変動が発生する。
図３において、３相交流電源２の入力電源電圧ｅ１は、ローパスフィルタ８で２次、４次等の低次高調波成分と、より高周波のノイズ成分とが除去されて、入力電源電圧ｅ１からβだけ遅延した交流電圧ｅ２としてゼロクロス検出回路９に出力される。
ここで、入力電源電圧ｅ１の周波数は、ローパスフィルタ８による遅延が最適化された周波数からずれているので、交流電圧ｅ２には、βの遅延に加え、遅延の変動による遅延誤差δが生じている。
ゼロクロス検出回路９は、交流電圧ｅ２のゼロクロス点からゼロクロス信号Ｚを出力し、同時に周波数検出回路１０は、ゼロクロス信号Ｚの周波数を検出する。

周波数検出回路１０では、検出したゼロクロス信号Ｚの周波数より、ローパスフィルタ８が最適化されたβの遅延に加え、遅延誤差δを有していることを逆算することができる。

ゼロクロス信号遅延回路１１は、ゼロクロス信号Ｚとゼロクロス信号Ｚの周波数とにより、ゼロクロス信号Ｚを遅延誤差δだけ遅延させた遅延ゼロクロス信号Ｚｄを生成して、点弧信号生成回路１２に出力する。
点弧信号生成回路１２は、サイリスタの点弧角を設定する点弧角設定回路１３で設定された点弧角αと遅延ゼロクロス信号Ｚｄとにより、遅延βおよび遅延誤差δとあわせて交流電圧波形１周期分となる遅延γと、点弧角αの遅延との後にサイリスタを点弧させる点弧信号ＴＨｇを生成してサイリスタブリッジ３に出力する。

ここで、この点弧信号ＴＨｇは遅延誤差δを相殺するように生成されているので、入力電源電圧ｅ１の周波数が、ローパスフィルタ８による遅延が最適化された周波数からずれている場合であっても、点弧角を高精度に制御することができる。
サイリスタブリッジ３に出力された点弧信号ＴＨｇは、各サイリスタＴＨ１１、ＴＨ１２、ＴＨ２１、ＴＨ２２、ＴＨ３１、ＴＨ３２を点弧させる。

この発明の実施の形態１に係る制御装置１によれば、入力電源電圧ｅ１の周波数が、ローパスフィルタ８による遅延が最適化された周波数からずれている場合であっても、周波数検出回路１０でゼロクロス信号Ｚの周波数を検出することにより、ローパスフィルタ８で発生する遅延誤差を逆算することができる。
そのため、遅延誤差δだけゼロクロス信号Ｚを遅延させた遅延ゼロクロス信号Ｚｄを用いて、点弧信号生成回路１２が点弧信号ＴＨｇを生成するので、点弧角が設定値どおりとなり、転流失敗を防止することができる。
また、サイリスタの点弧角を設定どおりにすることができるので、ローパスフィルタ８を通過する際に生じる遅延の変動を考慮する必要がなく、点弧角の設定範囲を従来よりも拡大することができる。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係るサイリスタ変換器の制御装置１Ａ（以下「制御装置１Ａ」と略称する）を周辺機器構成とともに示す別のブロック図である。
図４において、実施の形態１におけるゼロクロス信号遅延回路１１のかわりに、点弧信号生成回路１２とサイリスタブリッジ３との間に、点弧信号を遅延させる点弧信号遅延手段である点弧信号遅延回路１４が設けられている。
また、ゼロクロス検出回路９のゼロクロス信号の周波数を検出する周波数検出回路１０は、検出した周波数を点弧信号遅延回路１４に出力する。
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、その説明は省略する。

以下、上記構成の制御装置１Ａについての動作を説明する。
ゼロクロス検出回路９から出力されたゼロクロス信号は、点弧信号生成回路１２に入力される。
点弧信号生成回路１２では、ゼロクロス信号に基づいて点弧信号を生成する。しかしながら、入力電源電圧の周波数が、ローパスフィルタ８による遅延が最適化された周波数からずれている場合、この点弧信号は遅延誤差を含んでいる。
ここで、周波数検出回路１０の出力と点弧信号生成回路１２の出力とにより、点弧信号遅延回路１４において、ローパスフィルタ８で発生する入力電源電圧の周波数に依存した遅延の変化を相殺するように点弧信号を遅延させる。

この発明の実施の形態２に係る制御装置１Ａによれば、入力電源電圧の周波数が、ローパスフィルタ８による遅延が最適化された周波数からずれている場合であっても、周波数検出回路１０でゼロクロス信号の周波数を検出することにより、ローパスフィルタ８で発生する遅延誤差を逆算することができる。
そのため、点弧信号遅延回路１４で遅延誤差分だけ点弧信号を遅延させることができるので、点弧角が設定値どおりとなり、転流失敗を防止することができる。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係るサイリスタ変換器の制御装置１Ｂ（以下「制御装置１Ｂ」と略称する）を周辺機器構成とともに示すさらに別のブロック図である。
図５において、実施の形態２におけるゼロクロス信号遅延回路１１のかわりに、点弧角設定回路１３と点弧信号生成回路１２との間に、点弧角を補正する点弧角補正手段である点弧角補正回路１５が設けられている。
また、ゼロクロス検出回路９のゼロクロス信号の周波数を検出する周波数検出回路１０は、点弧角補正回路１５に検出した周波数を出力する。
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、その説明は省略する。

以下、上記構成の制御装置１Ｂについての動作を説明する。
ゼロクロス検出回路９から出力されたゼロクロス信号は、点弧信号生成回路１２に入力される。
点弧信号生成回路１２では、ゼロクロス信号に基づいて点弧信号を生成する。しかしながら、入力電源電圧の周波数が、ローパスフィルタ８による遅延が最適化された周波数からずれている場合、この点弧信号は遅延誤差を含んでいる。
ここで、周波数検出回路１０の出力と点弧角設定回路１３の出力とにより、点弧角補正回路１５において、ローパスフィルタ８で発生する入力電源電圧の周波数に依存した遅延の変化を相殺するように点弧角の補正信号を出力する。

この発明の実施の形態３に係る制御装置１Ｂによれば、入力電源電圧の周波数が、ローパスフィルタ８による遅延が最適化された周波数からずれている場合であっても、周波数検出回路１０でゼロクロス信号の周波数を検出することにより、ローパスフィルタ８で発生する遅延誤差を逆算することができる。
そのため、点弧角補正回路１５で補正点弧角を出力して点弧角を補正することができるので、点弧角が設定値どおりとなり、転流失敗を防止することができる。

なお、実施の形態１〜３では、電源は３相交流電源２であるとして説明したが、単相交流電源等であってもよい。
また、サイリスタブリッジ３は３対のサイリスタによって構成されているとしたが、勿論このものに限定されるものではなく、任意の複数個のサイリスタによって構成されていてもよい。
また、周波数検出回路１０はゼロクロス信号を用いて入力電源電圧の周波数を検出しているが、ローパスフィルタ８の出力および入力電源電圧等、他の信号を用いて周波数を検出してもよい。
また、周波数検出回路１０は、周波数−電圧変換等のアナログ回路でもよいし、クロック等で周波数をカウントするデジタル回路でもよい。

この発明の実施の形態１に係るサイリスタ変換器の制御装置を周辺機器構成とともに示すブロック図である。この発明の実施の形態１に係るサイリスタ変換器の制御装置の、入力電源電圧、交流電圧、ゼロクロス信号、遅延ゼロクロス信号および点弧信号の関係を示すタイミングチャートである。この発明の実施の形態１に係るサイリスタ変換器の制御装置の、入力電源電圧、交流電圧、ゼロクロス信号、遅延ゼロクロス信号および点弧信号の関係を示す別のタイミングチャートである。この発明の実施の形態２に係るサイリスタ変換器の制御装置を周辺機器構成とともに示すブロック図である。この発明の実施の形態３に係るサイリスタ変換器の制御装置を周辺機器構成とともに示すブロック図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂサイリスタ変換器の制御装置、２３相交流電源、３サイリスタブリッジ、７計器用変圧器、８ローパスフィルタ、９ゼロクロス検出回路、１０周波数検出回路、１１ゼロクロス信号遅延回路、１２点弧信号生成回路、１３点弧角設定回路、１４点弧信号遅延回路、１５点弧角補正回路。

Claims

交流電源系統に接続されたサイリスタ変換器を制御する制御装置であって、
前記サイリスタ変換器の入力電源電圧を検出する電圧検出手段と、
前記入力電源電圧から、高調波成分を除去して交流電圧を出力するローパスフィルタと、
前記交流電圧のゼロクロス点を検出して、ゼロクロス信号を出力するゼロクロス検出手段と、
前記ゼロクロス信号の周波数を検出する周波数検出手段と、
前記ゼロクロス信号と前記周波数とにより、遅延ゼロクロス信号を出力するゼロクロス信号遅延手段と、
前記サイリスタ変換器内の各サイリスタの点弧角を設定する点弧角設定手段と、
前記点弧角と前記遅延ゼロクロス信号とにより、前記各サイリスタを動作させる点弧信号を出力する点弧信号生成手段と
を備えたことを特徴とするサイリスタ変換器の制御装置。
交流電源系統に接続されたサイリスタ変換器を制御する制御装置であって、
前記サイリスタ変換器の入力電源電圧を検出する電圧検出手段と、
前記入力電源電圧から、高調波成分を除去して交流電圧を出力するローパスフィルタと、
前記交流電圧のゼロクロス点を検出して、ゼロクロス信号を出力するゼロクロス検出手段と、
前記ゼロクロス信号の周波数を検出する周波数検出手段と、
前記サイリスタ変換器内の各サイリスタの点弧角を設定する点弧角設定手段と、
前記点弧角と前記ゼロクロス信号とにより、前記各サイリスタを動作させる点弧信号を出力する点弧信号生成手段と、
前記点弧信号と前記周波数とにより、遅延点弧信号を出力する点弧信号遅延手段と
を備えたことを特徴とするサイリスタ変換器の制御装置。
交流電源系統に接続されたサイリスタ変換器を制御する制御装置であって、
前記サイリスタ変換器の入力電源電圧を検出する電圧検出手段と、
前記入力電源電圧から、高調波成分を除去して交流電圧を出力するローパスフィルタと、
前記交流電圧のゼロクロス点を検出して、ゼロクロス信号を出力するゼロクロス検出手段と、
前記ゼロクロス信号の周波数を検出する周波数検出手段と、
前記サイリスタ変換器内の各サイリスタの点弧角を設定する点弧角設定手段と、
前記点弧角と前記周波数とにより、補正点弧角を設定する点弧角補正手段と、
前記補正点弧角と前記ゼロクロス信号とにより、前記各サイリスタを動作させる点弧信号を出力する点弧信号生成手段と
を備えたことを特徴とするサイリスタ変換器の制御装置。