JP2679355B2 - サイリスタ変換器の点弧角制御装置 - Google Patents

サイリスタ変換器の点弧角制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、特に起動する際の制御量の立ち上がりの
時間遅れが大きい特性を持つ例えば直径アーク炉などに
使用されるサイリスタ変換器の点弧角制御装置に関す
る。
〔従来の技術〕
第2図は直流アーク炉とその電源装置を示す模式図で
ある。この図において、商用電源としての三相交流電源
1から供給される電力がサイリスタ整流器2で降圧され
るとともに整流されて直流電力が得られ、この直流電力
が直流回路21を介して直流アーク炉3に供給される。直
流アーク炉3は電極21を介して鉄屑32に電流を流して加
熱溶融させてい鉄屑を再生させるもので、直流回路21の
電圧は数百ボルトと低い代わりに電流は100KA程度と大
電流である。サイリスタ整流器2はパルス発生器6が発
生する点弧パルスによって点弧角が制御され、これによ
って直流電圧を迅速に変えることによってアーク電流を
一定に保持する制御が行われる。また、直流アーク炉3
は電極31を上下することによって鉄屑32又はこれが溶融
した溶融鉄との間の間隙を適切な値に保つ制御も行われ
る。
パルス発生器6による点弧角の制御は次のようにして
行われる。図の最左のiは電流設定値であり、この設
定値iと直流回路21に設けられた直流変流器7によっ
て計測された電流値iとの差としての制御偏差が減算器
4によって演算され、この制御偏差が電流調節器(AC
R)である比例積分調節器5に入力されこの比例積分調
節器5の出力信号に基づいた点弧角がパルス発生器6に
よって発せられる。点弧角αが大きいほどサイリスタ整
流器2の出力電圧は低下するという関係があり、点弧角
αが最小のαminのときサイリスタ整流器2の出力電圧
は最高電圧Vmaxに、点弧角αが最大のαmaxのとき最低
電圧Vminになる。装置の起動開始の初期値としては出力
電圧が最低となる最大の点弧角αmaxに設定される。実
際の電流値iは図示のような直流変流器7によるものの
他に、サイリスタ整流器2の交流側の三相電流を変流器
を介して整流することによっても得られるものもある。
第3図は第2図の比例積分調節器5と減算器4との構
成を示す回路図である。この図において、比例積分調節
器50は反転増幅器として使用されている演算増幅器51に
抵抗54とコンデンサ55との直列回路を出力側と入力側と
に接続してフィードバックを行う構成とすることによっ
て比例要素と積分要素とが並列に接続されてなる比例積
分調節器を等価的に実現した構成となっている。同時
に、演算増幅器51の入力信号が、端子56から抵抗52を介
して入力される電流設定値iと、端子57から抵抗53を
介して入力される計測された電流値iの反転信号である
−iとの2つであり、この構成は減算増幅器51を使用し
た減算器になっている。第2図では減算器4と比例積分
調節器5とを別のものとして図示してあるが、第3図の
回路ではこれらが混在した形となっている。ただ、比例
積分調節器5や減算器4を構成する回路には種々のもの
があり第3図の構成に限定されるものではない。
〔発明が解決しようとする課題〕
これらの装置を起動する際には、サイリスタ整流器2
を交流電源1に図示しない開閉器によって投入するとと
もに、最初最高位置にあった電極31を下方に下げていっ
てアークを発生させ、以後は電流31の上下と点弧角の制
御によって直流電流が所定の値に制御される。
起動後電極31を下げていく過程ではまだアークが発生
していず、したがって、直流変流器7が計測する電流i
は零である。このため、比例積分調節器5の入力信号と
しての制御偏差が電流設定値iそのものとなって常に
正の値が入力されることになるために、比例積分調節器
5の出力信号は積分要素によって電流設定値iを時間
積分した値が含まれる結果、起動後時間経過とともにそ
の値は増大してゆき、これに伴ってパルス発生器6が発
するパルスの点弧角αは初期値のαmaxから時間ととも
に低下してゆきαminに達して初めて停止することにな
る。これによって、サイリスタ整流器2の起動直後の出
力電圧は最低電圧Vminであったのが、アークが発生する
ほどに電極31が低下する前に最高電圧Vmaxになってしま
い、このあと電流が流れる状態になると過大な電流が流
れてしまうという問題が生ずる。電極31の上下位置の変
化は点弧角αによる電流制御に比べてはるかにゆっくり
としたものなので、電極31が下がり切る前に前述のよう
に点弧角制御が働いてしまうという前述のような問題が
生ずるものであり、その結果、正常な起動が困難になる
という問題がある。
この発明はこのような問題を解決して、起動時の点弧
角αの低下を抑制することにより正常な起動が可能とな
るサイリスタ変換器の点弧角制御装置を提供することを
課題とする。
〔課題を解決するための手段〕
設定値から制御量を差し引いた制御偏差を入力信号と
する比例積分調節器を備え、この比例積分調節器の出力
信号に基づいてサイリスタ素子の点弧角が設定されてい
るサイリスタ変換器の点弧角制御装置において、前記比
例積分器に比例要素を介して負のフィードバックを施
し、この比例要素に前記制御量の値によって制御される
ゼロホールド回路を設け、前記制御量がゼロか所定量よ
り小さい場合には、前記ゼロホールド回路によるゼロホ
ールドを解除し、前記制御量が前記以外の場合には、前
記ゼロホールド回路によりゼロホールドをかけるものと
する。
〔作用〕
この発明の構成において、比例積分調節器に比例要素
を介して負のフィードバックを施すことによって、この
比例要素の比例係数が大きい程比例積分調節器の積分要
素の影響が小さくなり比例係数が充分大きいときには単
なる比例調節器になるという特性が得られる。このフィ
ードバックのための比例要素にゼロホールド回路を設け
て制御量が零又は小さいときにゼロホールドを解除し所
定の値以上のときにゼロホールドをかける制御を行うも
のとする。装置の起動時に制御量が零又は小さい値のと
きにはゼロホールドがかかり前述のフィードバックが有
効になって比例積分調節器の積分要素の影響が小さくな
ることから、制御量の立ち上がりの遅れによる比例積分
調節器の出力信号が増大することを抑制することができ
る。起動後時間が経過して制御量が所定の値になったと
ころでゼロホールドを解除することによって比例積分調
節器が正常に動作することになり従来通りの制御量に対
する制御が行われる。したがって、起動後に制御量が零
のままの状態を維持するか立ち上がりの遅い特性をもっ
ている場合に、比例積分調節器の入力信号である設定値
と制御量との差である制御偏差の値が常に正であるため
にその出力信号が増大していくという問題を回避するこ
とができる。
〔実施例〕
以下この発明を実施例に基づいて説明する。第1図は
この発明の実施例の要部を示す回路図である。この第1
図に示された点呼角制御装置は主として比例積分50と、
第1の比例要素60と、第2の比例要素70と、ゼロホール
ド回路80から構成されている。比例積分調節器50とこれ
の入力側の抵抗52,53などは第2図と同様であり詳しい
説明を省略する。この比例積分調節器50の出力側に直列
に第1の比例要素60を接続し、この第1の比例要素60の
出力側から比例積分調節器50の入力側に第2の比例要素
70を介してフィードバックを施した構成をとっている。
第2の比例要素70にはゼロホールド回路80が接続されて
いて、第2の比例要素70の出力信号をゼロホールドした
り解除したりすることがてきる。このゼロホールドの制
御は後述のように計測された電流iが零か否かによって
行われる。
第1の比例要素60は演算増幅器61を抵抗63でフィード
バックする比例要素の構成を採用したものであり、比例
積分調節器50と同様に反転増幅器としての回路接続がと
られている。この第1の比例要素60の増幅率としての比
例係数K1は抵抗62と63のそれぞれの抵抗値の比率で決ま
る。
第2の比例要素70も基本的に第1の比例要素60と同じ
構成であるが、その出力側にゼロホールド回路80が接続
されている。このゼロホールド回路80は前述のように電
流iによって駆動されるスイッチング素子81によって駆
動されるもので、電流iが零のときにはスイッチング素
子81はオフになっていてその結果ゼロホールド回路によ
るゼロホールドは解除された状態になっており、電流i
が零でなくなるとゼロホールドがかかって第2の比例要
素70を介したフィードバックの影響がなくなることにな
る。
電流iが零でゼロホールドが解除された状態では第1
の比例要素60、第2の比例要素70を介したフィードバッ
クが働いて比例積分調節器50の積分要素の影響が低下す
る。その程度は第1の比例要素60の比例係数K1と第2の
比例要素70の比例係数K2の値によって変化するので、こ
れら2つの係数を最適に選ぶことができる。
今、直流アーク炉3を起動するために電源が投入され
たとする。前述のように、電極31が降下してアークが発
生するには時間遅れがある。この間電流iは零なのでゼ
ロホールド回路80は前述のようにゼロホールドが解除さ
れた状態になっていて第2の比例要素70によるフィード
バックが有効に働いていて比例積分調節器50の積分要素
の影響を抑制している。
比例積分調節器50の伝達関数を次式とする。ただし、
sはラプラス変換の演算子、Kは比例要素の比例係数、
Tは積分要素の時定数である。
ゼロホールドが解除されている状態での第1図の伝達
関数は次式となる。
仮に分母の第1項の1が無視できる程に第2項が大き
いとすると、F(s)の値は1/K2となって単なる比例要
素になり、積分要素の影響がなくなるとともに比例要素
も比例係数Kが1/K2Jとなる。また、ゼロホールドがか
かっている場合にはK2=0であるからF(s)の値は
(1)式のF0(s)に一致する。K2の値を適切に選ぶこ
とによって積分要素を適当に抑制した伝達関数を得るこ
とができる。第2図の構成の装置では、起動時には積分
要素はない方がよいので比例係数K2を充分大きな値にす
るのが妥当である。この場合、前述のように第1図の回
路は実質的に比例要素となりその比例係数も小さな値に
なるからその出力信号は電流設定値iに比例した小さ
な値になるとともに時間的に増大してゆく値にはならな
いので、最初に点弧角αを最大点弧角αmaxに設定した
状態がそのまま維持されることになり、電流iが零でな
くなった時点以降になってこの電流iを設定値iにな
るよう正常な制御が行われることになる。
第1図の第1の比例要素60の挿入位置を図示のように
比例積分調節器50の出力側ではなく、第2の比例要素と
同じくフィードバック回路に直列に挿入する構成として
もよい。また、前述のように第1と第2の比例要素60,7
0はともに反転増幅器として構成してあるが、これの代
わりに比例要素70を非反転増幅器で構成して第1の比例
要素を省略する構成を採用することもできる。第1図の
構成では第1の比例要素60によって出力信号が反転して
いるので、この出力信号を入力信号とするパルス発生器
は、第2図のパルス発生器6に対して入力信号の位相が
異なるという点で厳密に同一のものではない。その点、
第1の比例要素60を省略し第2の比例要素70を非反転増
幅として構成した場合にはこのような違いは生じない。
第1図におけるゼロホールド回路80は第2の比例要素
70の出力側に直列にゼロホールド回路82を挿入した構成
としてあるが、演算増幅器を使用した比例要素70のゼロ
ホールドの構成としてはこの他に例えばフィードバック
用の抵抗73をスイッチング素子で短絡することによって
ゼロホールドをかける構成もあり、ゼロホールド回路の
構成は第1図の構成に限るものではない。
前述の実施例では負荷が直流アーク炉の場合であり、
起動後電極の降下の遅れによる電流の立ち上がりの遅れ
に起因する制御上の問題を解決するものであったが、こ
の発明はこのような直流アーク炉を負荷とする場合だけ
に限られるものではない。例えば、起動時の慣性が大き
く回転数の立ち上がりが遅いような負荷を駆動する電動
機の速度制御装置の場合にもこの発明を適用して効果を
あげることができる。このような場合には、前述の実施
例での電流の代わりに電動機の速度を計測し、その値が
所定の値になるまで比例積分調節器の積分要素を抑制す
る構成が採用されることになる。
〔発明の効果〕
この発明は前述のように、比例積分調節器に比例要素
を介して負のフィードバックを施すと、この比例要素の
比例係数が充分大きいときには単なる比例調節器になる
という特性が得られる。この比例要素にゼロホールド回
路を設けて制御量が零又は小さいときにゼロホールドを
解除し、所定の値を越えるときにゼロホールドをかけ
る。装置の起動時の制御量が零又は小さい値のときには
ゼロホールドがかかり前述のフィードバックが有効にな
って比例積分調節器の積分要素の影響が小さくなるとも
に比例要素の比例係数も小さな値になることから、制御
量の立ち上がりの遅れによる比例積分調節器の出力信号
を小さな値に保持することができるために、点弧角αの
値は初期値がそのまま維持されることになる。起動後時
間が経過して制御量が所定の値になったところでゼロホ
ールドが解除されることによって比例積分調節器が正常
に動作することになり従来通りの制御量に対する制御が
行われる。したがって、起動後に制御量が零のままの状
態を維持するとか立ち上がりの遅い特性を持っているな
ど、起動時の応答性の悪い負荷に対しても良好な起動を
行うことのできるサイリスタ整流器とすることができる
という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の実施例の要部を示す回路図、第2図
は直流アーク炉とその電源装置を示す模式図、第3図は
第2図の比例積分調節器と減算器との構成を示す回路図
である。 1……交流電源、 2……サイリスタ整流器(サイリスタ変換器)、 21……直流回路、3……直流アーク炉、4……減算器、 5,50……比例積分調節器、6……パルス発生器、 7……直流変流器。60,70……比例要素、 80……ゼロホールド回路、51,61,71……演算増幅器、 52,53,54,62,63,72,73,74……抵抗、 55……コンデンサ、81……スイッチング素子、 82……ゼロホールド回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−11780(JP,A) 特開 昭58−108962(JP,A) 特開 昭62−68075(JP,A) 特開 昭61−221915(JP,A) 実開 昭57−7897(JP,U) 実開 昭56−164312(JP,U)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】設定値から制御量を差し引いた制御偏差を
    入力信号とする比例積分調節器を備え、この比例積分調
    節器の出力信号に基づいてサイリスタ素子の点弧角が設
    定されているサイリスタ変換器の点弧角制御装置におい
    て、 前記比例積分器に比例要素を介して負のフィードバック
    を施し、この比例要素に前記制御量の値によって制御さ
    れるゼロホールド回路を設け、 前記制御量がゼロか所定量より小さい場合には、前記ゼ
    ロホールド回路によるゼロホールドを解除し、 前記制御量が前記以外の場合には、前記ゼロホールド回
    路によりゼロホールドをかけることを特徴とするサイリ
    スタ変換器の点弧角制御回路。
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