JP2928264B2 - 半導体電力変換システム - Google Patents

半導体電力変換システム

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JP2928264B2 JP1068391A JP6839189A JP2928264B2 JP 2928264 B2 JP2928264 B2 JP 2928264B2 JP 1068391 A JP1068391 A JP 1068391A JP 6839189 A JP6839189 A JP 6839189A JP 2928264 B2 JP2928264 B2 JP 2928264B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電力系統、電器鉄道、大形プラント等の分
野において、交直変換、直流送電、周波数変換等に用い
られる半導体電力変換システムに係り、特に、電力系統
の異常によって交流入力電圧が変動した場合にも運転を
極力継続する必要のある可変速発電電動機等に用いて好
適な半導体電力変換システムに関する。
［従来の技術］ 従来の他励式半導体電力変換装置を電力系統の安定度
向上を目的とした機器に適用する場合、次のような問題
があった。すなわち、サイリスタ等の電力用半導体素子
の熱容量が、変圧器や回転電気機械等の熱容量よりも小
さいため、異常時の保護動作を鋭敏にせざるを得ないと
いう問題があった。
このために、半導体電力変換装置を用いると、電力系
統側の擾乱が小さい場合でも停止せざるを得ず、電力系
統の安定度向上に寄与できないという問題があった。
こうした問題の解決に寄与する手段として、従来の装
置は、特開昭63-52699号公報に記載されているものがあ
る。
第14図は、上記従来例の構成を示す結線図である。同
図には、交流系統１から受電変圧器２を介して３相ブリ
ッジ回転３に給電する構成の半導体電力変換装置を示
す。
図において、５は３相交流入力電流値を検出する電流
変成器、６は直流側出力電流値を検出する直流電流変成
器、７は入力電流検出回路である。
また、８は絶対値演算回路、９は電流作動検出器、10
は過電流検出器、11は運転継続判断装置である。
前記電流検出回路７は、第15図に示すように、電流変
成器５からの電流信号を整流回路7aにて整流して絶対値
を出力し、ダイオードにより構成した高値選択回路7bに
入力する構成となっている。
この入力電流検出回路７からの入力電流値Iacと直流
電流変成器６からの出力電流値Idcとは、通常の運転時
には等しい。両者の偏差を絶対値演算回路８で整流した
信号ΔＩを、電流差動検出器９に入力し、一方、入力電
流値Iacを、過電流検出器10に入力している。運転継続
判断装置11は、第16図に詳細に示すような論理機能を有
する。
第16図において、過電流検出器10の出力信号OC（過電
流検出時信号レベルが「１」）が「０」であれば（ステ
ップ100）、３相ブリッジ回路３の出力電流は、異常な
しと判断し（ステップ104）、運転継続指令GO1を出力し
（ステップ107）、通常運転を行う。
ただし、過電流検出器10の出力信号OCが「０」であっ
ても、抑制制御指令GO2出力から復帰し、正常運転を行
う場合は、正常動作への復帰処理（ステップ109）が必
要となる。このため、過電流抑制制御指令GO2が過去に
出力されたどうかを判定し（ステップ108）、出力され
ていた場合は、復帰処理（ステップ109）を行った後、
運転継続指令GO1を出力する（ステップ107）。
ここで、復帰処理（ステップ109）の内容は、下記の
通りである。
ｉ）過電流を検出する以前の状態のままで、３相ブリッ
ジ回路３の各サイリスタのゲートを制御する制御装置
（図示せず）の演算結果の一部を、現状の回路電流を基
に初期設定する。
ii）現状の正および逆サイリスタTYSの点弧状態を制御
装置に教え、初期設定する。
一方、過電流検出器10の出力信号OCが「１」であれ
ば、さらに絶対値演算回路８の出力信号ΔＩの値を判定
する（ステップ101）。ΔＩが許容値K1以内であり、発
電機の故障でなければ、系統事故または他号機の遮断器
動作による過電流であったと判断し（ステップ110,10
3）、制御装置へ過電流抑制制御知れGO2を出力する（ス
テップ106）。
過電流抑制制御指令GO2によりサイリスタ短絡スイッ
チTYS4を点弧し、これにより３相ブリッジ回路３の電流
を抑制する。なお、抑制制御指令GO2出力は、通常動作
への復帰処理（ステップ109）を行うために、フリップ
フロップ回路（図示せず）等により記録しておく。
また、絶対値演算回路８の出力信号ΔＩの値が許容値
K1以上であった場合、３相ブリッジ回路３の内容事故に
よる過電流であったと判断し（ステップ102）、運転緊
急停止指令STを出力する（ステップ105）。
運転緊急停止指令STにより、３相ブリッジ回路３のサ
イリスタTY1〜TY6の点弧信号を強制的に阻止する。
ここで、その他の機器の内部事故の際も、ΔＩは許容
値K1以内となる可能性があるため、ステップ101の判定
の後に、内部事故かどうかを判定（ステップ110）す
る。万が一、内部事故であった場合は（ステップ11
1）、過電流抑制制御を実行せず、電力変換装置内部事
故時と同様に、運転緊急停止指令STを出力する（ステッ
プ105）。
［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術は、電力変換装置の異常を検出する際
に、機器の故障破損による異常と、交流系統側や直流側
の変動が波及して転流失敗等の異常に陥いる場合との区
分検出について、充分な配慮がなされておらず、故障検
出が遅れる一方で、外部変動による異常時にも緊急停止
してしまうために、運転信頼性を確保できないという問
題があった。
本発明の目的は、半導体電力変換システムの機器故障
検出を速めて、故障波及を防止するのに好適な半導体電
力変換システムを提供することにある。
本発明の他の目的は、外部変動による転流失敗等の異
常時には機器耐量内で極力運転を継続して、運転信頼性
を高めるのに好適な半導体電力変換システムを提供する
ことにある。
本発明の他の目的は、外部変動による転流失敗によっ
て３相ブリッジを構成する素子のジャンクション温度が
上昇して運転を継続できない場合にも、極力停止時間を
短くして、再起動するのに好適な半導体電力変換システ
ムを提供することにある。
［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は、電力変換回路
を構成するブリッジの交流入力電流値が出力電流値より
も大きい時には、素子短絡などの機器故障による異常で
あると判断して緊急停止するようにしたものである。
また、本発明は、外部変動の波及による異常時に運転
を継続するためには、出力電流値が交流入力電流値より
も大きい時には転流失敗であると判断して、ブリッジの
素子温度の限度まで運転継続し、設定限度を越えた時に
は短絡スイッチを閉路すると共に、ブリッジの点弧を停
止するようにしたものである。
すなわち、本発明は、制御可能な点弧機能と逆阻止特
性を持つ半導体制御素子を相対応に有するブリッジ回路
と、前記半導体導体制御素子への点弧指令を行なうゲー
ト制御回路とを含んで構成される半導体電力変換システ
ムにおいて、前記ブリッジ回路の交流入力電流値と出力
電流値とを検出する手段と、前記検出された交流入力電
流値の絶対値と出力電流値とを比較して、いずれかの相
について前者が後者よりも大きい時には、前記ブリッジ
回路の運転の停止を指示する手段とを有する保護装置を
備えることを特徴とする。
また、本発明は、前記ブリッジ回路の直流出力側に、
短絡スイッチを備え、かつ、前記ブリッジ回路の交流入
力電流値と出力電流値とを検出する手段と、前記検出さ
れた交流入力電流値の絶対値と出力電流値とを比較し
て、出力電流値が交流入力電流値の絶対値よりも大きい
状態が発生した場合、この状態によって上昇する半導体
制御素子の素子温度の推定値が設定限度を越えない間
は、運転継続させ、該設定限度を越えた時には、前記短
絡スイッチを閉路すると共に、ブリッジ回路の半導体制
御素子の点弧を停止するよう指示する手段とを有する保
護装置を備えることを特徴とする。
［作用］ 次に、本発明の作用について、３相ブリッジ回路の電
力変換システムを例として、説明する。
電力変換回路の３相ブリッジは、第17図に示すよう
に、通常は６アームのうち２アームが（TY1とTY2）、
（TY2とTY3）、（TY3とTY4）、（TY4とTY5）、（TY5とT
Y6）、（TY6とTY1）の６通りの組合せで通流している。
この時、交流入力電流値Iacは、Iu,Iv,Iwの絶対値の
うち最大の値を選択した結果であるから、第17図の例で
は、（Iac＝Il＝Iu＝−Iw）となる。一方、直流出力側
の電流値Idcは、（Idc＝Il）であるから、明らかに交流
入力電流Iacと出力電流値Idcは等しい。
一方、素子が転流中の場合、例えば、第18図のよう
に、TY1からTY3に転流中の場合は、（Iu＝Il−It），
（Iv＝It），（Iw＝Il）となるので、交流入力電流値Ia
cは、Iac＝|Iw|＝Ilとなる。一方、出力電流値Idcは、
やはりIdc＝Ilであるから、両者は等しい。
以上のように、正常運転中には、転流時も含めて交流
入力電流値Iacと出力電流値Idcの値は等しく、両者の偏
差は、測定誤差分を除けば、常に０となる。
電流変換回路の異常動作のうち、転流失敗現象は、内
部故障が発生しなくとも、交流側電圧低下や直流からの
過渡電流によって発生する。こうした、外部的な要因で
発生する転流失敗の場合は、外部変動が小さくなると、
転流失敗から正常動作に回復することができる。
第19図はこうした転流失敗時の動作例を示すもので、
TY3からTY5への転流が終了する前にTY6が点弧して、TY4
からTY6への転流が開始した場合を示す。
この時、Iu＝−Il＋If,Iv＝Il−It−If,Iw＝Itとな
り、いずれの絶対値もIlよりも小さいから、交流入力電
流Iacと直流出力電流Idcの偏差が発生する。第19図で下
段の転流電流IfはIlに近づくが、ｖ相電位がｗ相よりも
高くなるため、上段の転流電流Itは再び０に減少する。
この結果、交流側は開放されて、Iu,Iv,Iw共に０となる
ので、交流入力電流Iacは０になる。
この結果、第20図のように、直流側にTY3とTY6による
短絡回路ができるため、直流電流Idcは、Ilのままで、
０にならない。
以上の様に、転流失敗中は、交流入力電流Iacと出力
電流Idcには偏差が生じるが、常に、Idc＞Iacの関係が
成り立ち、Idc＞Iacとなることはない。
この理由を説明すると、次の様になる。
今、第17図から第20図のTY1〜TY6の電流値を各々、I1
〜I6とすると、素子の逆阻止特性によって、I1〜I6はい
ずれも０以上となる。また、３格ブリッジの内部短絡に
よって、別回路ができない限り、次の、（１）から
（５）の関係が成り立つ。
Iu＝I1‐I4 ……（１） Iv＝I3‐I6 ……（２） wu＝I5‐I2 ……（３） Il＝I1＋I3＋I5 ……（４） Il＝I2＋I4＋I6 ……（５） （１）〜（３）式より、次の（６）〜（８）が成り立
つ。
|Iu|≦I1,|Iu|≦I4 ……（６） |Iv|≦I3,|Iv|≦I6 ……（７） |Iw|≦I5,|Iw|≦I2 ……（８） また、（４），（５）式より、（９），（10）式が成
り立つ。
I1≦Il,I3≦Il,I5≦Il ……（９） I2≦Il,I4≦Il,I6≦Il ……（10） （６）式と（９），（10）式より、|Iu|≦Ilが成り立
つ。
同様に、（７）式と（９），（10）式より、|Iv|≦Il
が成り立つ。
また、（８）式と（９），（10）式より、|Iw|≦Ilが
成り立つ。
従って、３相交流電流値Iu,Iv,Iwの絶対値は、いずれ
もIl以下であることになる。従って、出力電流Idcは、I
lに等しいが、これらの最大値である交流入力電流Iac
は、出力電流Idc以下となる。
逆に、交流入力電流IacがIdcよりも大きい場合には、
以上の計算の前提条件が崩れた場合であると言える。具
体的には次の［Ａ］［Ｂ］のいずれかである。
［Ａ］I1〜I6のうちどれかが負となる、すなわち、アー
ム短絡事故を発生している。
［Ｂ］（１）〜（５）式のどれかが成り立たない。すな
わち、ブリッジ回路内に別回路ができている。
上の２件は、いずれも機器故障であり、速やかに運転
を停止しなければならない現象である。従って、交流入
力電流Iac及び出力電流Idcの偏差と、符号とを検出し
て、Iacの方が大きい場合は、停止動作に入る保護装置
には誤動作がなく、他の装置との論理回路が不要なので
速やかに内部故障を検出する。また、逆に、出力電流Id
cの方が入力電流Iacよりも大きい場合は、転流失敗時の
ように、直流側から電流が流し込まれるので、直流側に
短絡スイッチを設けて、これを点弧することにより、速
やかに出力電流Idcをバイパスして、ブリッジ回路の電
流を低減するので、確実な電流保護動作となる。
［実施例］ 以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細
に説明する。なお、以下の実施例では、３相ブリッジ回
路を用いる例を示すが、本発明は、これに限定されるも
のではない。
第１図に本発明の半導体電力変換システムの第１実施
例の構成を示す。
同図に示す実施例のシステムは、前述した第14図に示
すものと同様に、交流系統１から受電変圧器２を介して
３相ブリッジ回路３に給電する構成を有すると共に、保
護装置を有するシステム構成となっている。
前記３相ブリッジ回路３は、半導体制御阻止としてサ
イリスタ（以下TYと略記することがある）TY1〜TY6をの
構成要素として用い、これをブリッジ接続して構成され
る。
この３相ブリッジ回路３の直流側には、サイリスタ短
絡スイッチTYS（以下TYSと略記することがある。）４が
並列に接続されている。各サイリスタTY1〜TY6のゲート
には、それらの点弧制御を行なうゲート制御回路（点弧
指令回路）31が接続されている。
このゲート制御回路31は、同期変成器32を介して入力
する交流信号が入力される。また、制御信号として、点
弧角指令および運転／停止指令が入力される。
前記保護装置は、前記第14図に示すものと同様の、３
相交流入力電流値を検出する電流変成器５、直流側出力
電流値Idcを検出する直流電流変成器６、および、前記
３相の交流入力電流の絶対値Iacを求め、そのうちいず
れか最大値を出力する入力電流検出回路７を備える。
また、本実施例は、前記直流電流値Idcと交流入力電
流値の絶対値Iacとの偏差を求める偏差検出回路14aと、
該偏差の符号の判定および該偏差と予め設定した基準値
とを比較して、サイリスタTY1〜TY6の点弧阻止および／
またはサイリスタ短絡スイッチTYS4の短絡指令を行なう
か否か判定する比較器14と、前記比較器14の判定結果に
応じて、前記ゲート制御回路31に対しサイリスタTY1〜T
Y6の運転／停止を制御する信号として点弧阻止指令を出
力するゲート阻止指令回路（点弧阻止回路）12と、同様
に前記比較器14の判定結果に応じて、サイリスタ短絡ス
イッチTYS4の短絡指令を行なう短絡指令回路13とを備え
て構成される。
前記入力電流検出回路７は、機能的には、前述した従
来のものとほぼ同様に構成され、例えば、前記第15図に
示す回路構成のものを使用することができる。
電流変成器５は、Iu、Iv、Iwには、過渡的に直流が流
れることもあり、光CTなどの使用が好ましい。
前記比較器14は、符号付の比較器で、電流偏差ΔI1が
設定値K1より大きい時は、ゲート阻止指令回路12により
サイリスタTY1〜TY6のゲート信号を阻止すると同時に、
短絡指令回路13によりサイリスタ短絡スイッチ４を点弧
させるか否か判定する構成となっている。また、この比
較器14は、入力部にアナログ／ディジタル変換部を有
し、これにより入力信号をディジタル信号に変換し、後
段では、ディジタル処理を行なう構成となっている。さ
らに、比較器14は、前記ゲート阻止指令回路12および短
絡指令回路13に対する制御を行なう継電器として機能す
る。
以上の構成で、３相ブリッジ回路３の交流電圧が低下
した時の動作例について、第２図を参照して説明する。
前記設定値K1は、前段までの測定誤差やノイズによっ
て、比較器が誤動作しないようにするため、設定された
値である。従って、対象とする装置により適宜の値が設
定される。理想的には、０に近い値となる。これは、後
述するK2についても同様である。
第２図の例では、時刻t1〜t6まで電圧Ｖが低下し、同
時に直流側にも過渡電流が生じた場合を示す。
この場合、t2，t3，t4で転流失敗が発生したため、偏
差ΔI1が変化しているが、いずれも符号が負なので、比
較器14は動作せず、t6以降は電圧Ｖが復帰したために、
転流失敗も終えて、正常動作に戻ることができる。
第３図は、内部故障の一例であるアーム短絡が、時刻
t1で発生しているが、保護動作をしない場合を示す。な
お、第３図において、I1〜I6は、各々TY1〜TY6のアーム
電流を示す。
TY5のアーム短絡によって、t2で逆方向の電流が流れ
はじめ、t3でΔI1が設定値K1を越えるため、前記比較器
14が継電器として動作する。
第４図は、前記比較器14の継電器動作によって、ゲー
ト阻止回路12と短絡指令回路13とが動作した場合を示
す。
同図において、t3で短絡スイッチ４が点弧すると、直
流出力電流は、時刻t4で短絡スイッチ４に転流完了し、
t5で３相ブリッジ回路３の全てのアームが消弧されて、
３相ブリッジ回路３は停止する。
本実施例によれば、比較器14の出力だけで、第２図の
ような外部変動による異常と、第３図のような内部故障
を区分することができ、保護装置の構成を簡単に実現す
る効果がある。
なお、本実施例および次の第２実施例では、好ましい
態様として、短絡指令回路３を備えるが、この回路は、
省略することもできる。
第５図に、本発明の第２実施例の構成を示す。
本実施例は、基本的には、前記第１実施例のものに、
過電流検出器15と、論理和回路16とを備えて構成され
る。他の構成は、前記第１実施例のものと同じである。
従って、同一構成要素については、重複を避けるため説
明を繰り返さない。なお、第５図の実施例では、前記第
１図に示す同期変成器32およびゲート制御回路31を、図
面中に示していないが、不要であるのではなく、図示を
省略したにすぎない。以下の実施例においても同様であ
る。
前記過電流検出器15は、前記第14図に示す過電流検出
器10と同様の機能を有すると共に、さらに、本実施例で
は、ディジタル信号を出力する機能を有する。
前記論理和回路16は、前記過電流検出器の出力と、前
記比較器14の出力との論理和をとり、その出力を、前記
ゲート阻止回路12と短絡指令回路13とに入力する。
本実施例によれば、交流入力回路に過大な電流が急激
に流れる、交流側バス短絡事故などの後備保護として過
電流継電器15を用いることができるので、信頼性を向上
させる効果がある。
第６図に、本発明の第３実施例の構成を示す。
本実施例は、前記第１実施例の比較器14に代えて、素
子温度継電器17を備えたものである。
他の構成については、前記第１実施例のものと同じで
ある。従って、同一構成要素については、重複を避ける
ため、説明を繰り返さない。
素子温度継電器17は、第７図に示すように、比較器18
と、オフディレイタイマ19と、立ち上がり検出回路20
と、条件付カウンタ21と、比較器22とを備えて構成され
る。
この素子温度継電器17への入力信号ΔI2は、先の実施
例で説明した比較器14の入力ΔI1とは符号が反対となっ
ている。この入力信号ΔI2は、前記検出された交流入力
電流値の絶対値と出力電流値との比較のための偏差であ
る。
素子温度継電器17は、出力電流値が交流入力電流値の
絶対値よりも大きい状態が発生した場合、この状態によ
って上昇するサイリスタの素子温度の推定値が設定限度
を越えた時には、運転継続させ、該設定限度を越えた時
には、前記サイリスタ短絡スイッチ４を閉路すると共
に、ブリッジ回路３のサイリスタの点弧を停止するよう
指示するよう機能する。
前記カウンタ21は、オフディレイタイマ19の出力信号
ST2がレベル０になると、強制的に０にリセットされる
カウンタで、前記出力信号ST2がレベル高の期間に、前
記立ち上がり検出回路20のPL信号の発生する回数STXを
計数する。この計数値が、前述したサイリスタの素子温
度の推定値となる。
次に、本実施例の動作について、第８図をも参照して
説明する。第８図は第７図に示す素子温度継電器の動作
を示す波形図である。
比較器18は、偏差ΔI2が設定値K2を越えると出力信号
ST1がレベル高となる。この信号ST1は、オフディレイタ
イマ19と立ち上り検出回路20とに入力される。立ち上り
検出回路20の出力信号PLとタイマ19の出力信号ST2と
は、条件付カウンタ21へ入力される。このカウンタ21に
おいて、出力信号ST2がレベル高の期間に、PL信号の発
生する回数STXが計数されて、結果が出力される。
信号STXが比較器22の設定回数以上となると、該比較
器22は、サイリスタの素子温度の推定値が設定限度を越
えたと判定して、異常検出信号を発生する。これが、継
電器17の異常検出信号として出力される。
第８図において、時刻t1，t2，t3で、カウンタ出力が
１づつ上昇する。しかし、時刻t4から、比較器22の出力
がレベル０のままなので、Td秒後のt5には、カウンタが
リセットされ、３相ブリッジ回路３は、時刻t1以前と同
じ状態となる。
本実施例によれば、数値演算なしで素子温度継電器が
構成できるので、装置が単純となり信頼性を高める効果
がある。
第９図に、素子温度継電器17の別の実施例を示す。
同図に示す素子温度継電器17は、比較器18と、オフデ
ィレイタイマ19と、条件付積分器23と、比較器24とを備
えて構成される。
条件付積分器23は、オフディレイタイマ19の出力ST2
がレベル高の時のみ、前記ΔI2の積分演算を行ない、そ
の積分演算結果を出力Ｔとして出力する。ST2がレベル
０の時は、出力Ｔは０にリセットされる。この積分演算
結果が、前述したサイリスタの素子温度の推定値とな
る。
第10図は、本実施例の素子温度継電器の動作を示す波
形図である。
比較器18の出力ST1がレベル高となる時刻t1，t2，t3
で、積分器23のΔI2についての積分出力Ｔは増大し、時
刻t4でリセットされる。比較器24の設定値が、例えば、
T1であれば、時刻t5で継電器が動作する。
本発明の実施例によれば、転流失敗の回数だけでな
く、電流レベルも考慮しているので、素子温度の推定が
正確となり、耐量設定の余裕を小さくする効果がある。
第11図は素子温度継電器17のさらに他の実施例を示
す。
本発明は、サイリスタTY1〜TY6の素子温度を各々演算
により求める方式をとる例である。
素子のアーム電流を１つ１つ計測する例は、M.L.Wood
house氏らにより、IEE Conf.1981/205のp.158〜p.163に
おいて、“The Control of Thyristors in the English
Terminal Cross Channel Valves,Particularly during
Forward Recovery"と題する論文の中で公表されてい
る。この論文では、サイリスタの各アーム電流値をシャ
ント抵抗によって計測し、サイリスタ素子の冷却水温値
と共にアナログ／ディジタル変換して、マイクロコンピ
ュータに入力し、サイリスタの発生熱量、さらには、ジ
ャンクション温度を演算して、温度計算結果が設定値を
越えると保護動作に入る方式が示されている。
第11図の実施例では、アーム電流を交流側CTで計れる
Iu,Iv,Iwから評価する方法を用いている。すなわち、同
図においては、アーム電流演算部25、発生損失演算部2
6、温度演算部27および比較器28とを備えて構成され
る。
第12図に、第11図のアーム電流演算部の詳細を示す。
第12図では、各相ごとに、電流変成器５により検出さ
れるIu,Iv,Iwの値と符号によって、素子の電流I1*，I
2*，I3*，I4*，I5*およびI6*を推定し、比較器18の出力
STIがレベル高なら、TY1〜TY6の全てのアーム電流計算
値に一律ΔI2を加算する構成としている。
第13図は第12図の計算フローの動作の妥当性を評価す
るための波形図である。
同図に示す例では、サイリスタTY5が、時刻t1からt2
まで転流失敗している。実際のアーム電流I2，I5とIw，
t2とを比較すると、 I2*＝I2，I5*＝I5 となることが判る。
一方、転流失敗に係らないI3，I6については、ΔI2分
が誤差となり、 I3*≧I3，I6*≧I6 となる。
しかし、これらの誤差は、素子温度演算誤差としては
悲観的に見た場合の結果であり、機器保護の面からの問
題はない。
本発明の実施例によれば、転流失敗発生前の温度も演
算しているので、運転負荷条件によらず保護レベルを設
定できるので、さらに、裕度を減らす効果がある。
第21図に本発明の半導体電力変換システムの第４実施
例の構成を示す。
同図に示す実施例は、２つの３相ブリッジ回路３を直
列に接続すると共に、それらに保護装置を各々設けて構
成される。
この実施例では、２つの３装置ブリッジ回路３に各々
設けられている保護装置は、前記第５図に示すものと同
一の構成を有している。従って、各々保護装置の構成お
よび動作については、既に説明してあるので、ここでは
繰り返さない。
なお、本実施例においては、直流側出力電圧値Idcを
検出する直流電流変成器６を、直列に接続される３相ブ
リッジ回路３について、１個配置して、検出された電流
値を、それぞれの保護装置の偏差検出回路14aに入力す
る構成となっている。勿論、直流電流変成器６を保護装
置対応にそれぞれ設けてもよい。
第22図に本発明の半導体電力変換システムの第５実施
例の構成を示す。
同図に示す実施例は、２つの３相ブリッジ回路３を直
列に接続したものを、２組逆並列に接続して構成され
る、いわゆる非循環電流方式サイクロコンバータの一例
である。
この実施例では、共通の交流入力に接続される２つの
３相ブリッジ回路３毎に、保護装置が設けられている。
これらの保護装置は、前記第５図に示すものと同一の構
成を有している。従って、各々保護装置の構成および動
作については、既に説明してあるので、ここでは繰り返
さない。
なお、本実施例においては、直流側出力電流値Idcを
検出する直流電流変成器６を、逆並列に接続される２組
の３相ブリッジ回路３について、１個配置して、検出さ
れた電流値を、それぞれの保護装置の偏差検出回路14a
に入力する構成となっている。勿論、直流電流変成器６
を保護装置対応にそれぞれ設けてもよい。
また、本実施例においては、３相交流入力電流値を検
出する電流変成器５を、共通の交流入力に接続される２
つの３相ブリッジ回路３毎に、その共通交流入力に１組
配置して、検出された電流値を対応する保護装置の偏差
検出回路14aに入力する構成となっている。勿論、電流
変成器５を３相ブリッジ回路３対応にそれぞれ設けても
よい。
さらに、保護装置自体を、各３相ブリッジ回路３対応
にそれぞれ設けてもよい。
前記第４および第５実施例によれば、直流変流器、構
成変流器の設置数を減少することができる。
以上、本実施例の実施例について説明したが、本発明
は、これらの実施例に限定されるものではない。
例えば、入力電流検出回路７は、電流変成器５により
検出される交流入力電流を予め設定した周期でサンプリ
ングするサンプルホールド部と、サンプリングされた電
流値をアナログ／ディジタル変換するA/D変換部と、得
られた各相についての電流値の絶対値を求めると共に、
それらのうちもっとも大きな値を検出する高値検出部
と、得られた高値を後段の回路に送出する信号出力部
と、これらを制御する制御部とを備えて構成することが
できる。また、これらは、IC化して設けることができ
る。
これらの各機能は、相に対応して独立に設けることも
できるが、時分割処理により、共通の資源により処理す
る構成とすることもできる。
また、制御部その他の構成要素に、マイクロプロセッ
サを搭載して、ソフトウェアによりこれを制御すること
によって、保護装置に汎用性を持たせることもできる。
例えば、演算および制御を行なうCPUと、このCPUの動作
を制御するプログラムを格納するプログラムメモリ、CP
Uにより処理されるデータを記憶保持するデータメモリ
と、外部との信号の入出力を処理するI/Oインタフェー
スとを備えて構成することができる。
さらに、他の構成要素についても、例えば、偏差検出
回路14aおよび比較器14、素子温度継電器17、ゲート阻
止指令回路12、短絡指令回路13等について、各々ディジ
タル回路、特に、高機能化されたIC等により構成するこ
とができる。また、これらを、入力電流検出回路７と同
様に、マイクロコンピュータ等のデータ処理装置により
構成することができる。
さらに、複数の回路要素について、共通のデータ処理
装置を資源として、処理する構成としてもよい。例え
ば、マルチプロセッサシステムの適用が考えられる。
この他、前記保護装置は、同一の機能を発揮できるな
らば、前記実施例に示される構成要素とは異なる要素に
より構成することも可能である。例えば、第１実施例の
保護装置が有する機能と、第３実施例の保護装置が有す
る機能とを合わせたものとしてもよい。
本発明は、誘導機、同期機等の制御、直流送電、交流
／直流（直流／交流）変換等に広く用いることができ
る。
応用の一例としては、例えば、可変速発電電動装置を
挙げることができる。この装置は、交流系統に１次側が
接続された発電電動機と、前記交流系統からの電力を受
けて前記発電電動機の２次側に２次電流を供給する逆並
列電力制御素子からなる電力変換システムとを備えて構
成される。これは、例えば、ポンプ水車などを可変速運
転しながら、有効電力出力や無効電力出力を、交流系統
側の急変時にも、安定に制御することに好適なものであ
る。本発明は、この装置の電力変換システムに適用され
る。
［発明の効果］ 本発明によれば、他励式電力変換装置において機器の
故障と外部の変動による異常の区分を明確にした検出が
できるので、機器耐量内で運転を継続することができ
て、運転信頼性を高める効果がある。
また、本発明によれば、外部事故で転流失敗が発生
し、素子の温度が上昇して停止せねばならない場合に
も、短絡スイッチでバイパスして再起動するので、運転
信頼性を高める効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１実施例の構成を示す回路図、第２
図、第３図および第４図は第１実施例の動作を示す波形
図、第５図は本発明の第２実施例の構成を示す回路図、
第６図は本発明の第３実施例の構成を示す回路図、第７
図は素子温度継電器の一実施例の構成を示すブロック
図、第８図は第７図に示す素子温度継電器の動作を示す
波形図、第９図は素子温度継電器の一実施例の構成を示
すブロック図、第10図は第９図に示す素子温度継電器の
動作を示す波形図、第11図は素子温度継電器のさらに他
の実施例を示すブロック図、第12図は第11図に示す素子
温度継電器の演算フローを示すフローチャート、第13図
は第12図の計算フローの動作の妥当性を評価するための
波形図、第14図は従来の半導体電力変換装置の構成を示
す回路図、第15図は入力電流検出回路の一例を示す回路
図、第16図は従来例の演算フローを示すフローチャー
ト、第17図、第18図、第19図および第20図は本発明の作
用を示す説明図、第21図は本発明の半導体電力変換シス
テムの第４実施例の構成を示す回路図、第22図は本発明
の半導体電力変換システムの第５実施例の構成を示す回
路図である。 １……交流系統、２……変圧器、３……３相ブリッジ回
路、４……サイリスタ短絡スイッチ、５……交流電流変
成器、６……直流電流変成器、７……入力電流検出回
路、12……ゲート阻止指令回路、13……短絡指令回路、
14……比較機、17……素子温度継電器。
フロントページの続き (72)発明者 斉藤 啓自 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 河合 忠雄 茨城県日立市国分町１丁目１番１号 株 式会社日立製作所国分工場内 (72)発明者 北 英三 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 三橋 恵一 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 大野 泰照 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 中川 博人 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−52699（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−217921（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−140150（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−69894（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H02P 7/00 - 9/02 H02H 7/00 - 7/20 H02M 7/155 - 7/48

Claims (19)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】制御可能な点弧機能と逆阻止特性を持つ半
    導体制御素子を相対応に有するブリッジ回路を備える半
    導体電力変換システムにおいて、 前記ブリッジ回路の交流入力電流の絶対値および出力電
    流をそれぞれ検出し、検出値に基づいて、予め定めた誤
    差の範囲内で、交流入力電流に相当する出力電流が出力
    されているかを判定する手段と、 交流入力電流に相当する電流に足る出力電流が出力され
    ていない場合、前記ブリッジ回路の運転を停止させる第
    １の手段と、 交流入力電流に相当する電流より大きい出力電流が出力
    される状態が発生する場合に、その状態の発生が設定限
    度を越えるまでは前記ブリッジの運転を継続させ、設定
    限度を越えた時には、前記ブリッジ回路の運転を停止さ
    せる第２の手段とを有すること を特徴とする半導体電力変換システム。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の半導体電力変換システム
    において、 前記ブリッジ回路の出力側に接続され、ブリッジ回路の
    出力側を閉路するための短絡スイッチをさらに備え、 前記第２の手段は、ブリッジ回路の運転を停止させる
    際、それと共に、前記短絡スイッチを閉路させること を特徴とする半導体電力変換システム。
  3. 【請求項３】制御可能な点弧機能と逆阻止特性を持つ半
    導体制御素子を相対応に有する多相ブリッジ回路を備え
    る半導体電力変換システムにおいて、 前記ブリッジ回路の交流入力電流値を検出する手段、お
    よび、出力電流値を検出する手段と、 前記検出された交流入力電流値の絶対値を求める手段
    と、 前記求められた交流入力電流値の絶対値と出力電流値と
    を比較して、いずれかの相について前者が後者よりも大
    きい時には、前記ブリッジ回路の運転の停止を指示する
    信号を出力する第１の手段と、 前記検出された交流入力電流値に基づいて交流入力電流
    が過電流であるかを判定して、過電流の場合に前記ブリ
    ッジ回路の運転の停止を指示する信号を出力する第２の
    手段と、 前記第１の手段および第２の手段のいずれかから前記ブ
    リッジ回路の運転の停止を指示する信号が出力されたと
    き、前記ブリッジ回路の運転を停止させる手段と を有する保護装置を備えることを特徴とする半導体電力
    変換システム。
  4. 【請求項４】制御可能な点弧機能と逆阻止特性を持つ半
    導体素子で構成した多相ブリッジ回路と、前記半導体素
    子に点弧指令を出力する点弧指令回路とを含んで構成さ
    れる半導体電力変換システムにおいて、 前記多相ブリッジ回路の各相の交流入力電流の絶対値を
    検出し、該各相の絶対値の中から最大値を選択して出力
    する高値選択回路を有する交流入力電流検出回路と、 前記ブリッジ回路の直流側出力電流を検出する出力電流
    検出回路と、 前記点弧指令回路の出力を強制的に阻止する点弧阻止回
    路と、 前記出力電流検出回路から出力される出力電流値よりも
    前記交流入力電流検出回路から出力される交流入力電流
    の最大値のほうが大きく、かつ、前記出力電流検出回路
    から出力される出力電流値と前記交流入力電流検出回路
    から出力される交流入力電流の最大値との偏差が設定値
    よりも大きくなったときに前記ブリッジ回路の運転の停
    止を指示する信号を出力する内部故障継電器と、 前記交流入力電流検出回路から出力される交流入力電流
    値に基づいて、交流入力が過電流であるかを検出して、
    前記ブリッジ回路の運転の停止を指示する信号を出力す
    る過電流検出器とを備え、 前記点弧阻止回路は、前記内部故障継電器および前記過
    電流検出器のいずれかから前記ブリッジ回路の運転の停
    止を指示する信号が出力されたとき、前記ブリッジ回路
    の運転を停止させること を特徴とする半導体電力変換システム。
  5. 【請求項５】制御可能な点弧機能と逆阻止特性を持つ半
    導体制御素子を相対応に有する３相交流ブリッジ回路
    と、前記半導体制御素子への点弧指令を行なうゲート制
    御回路とを含んで構成される半導体電力変換システムに
    おいて、 前記ブリッジ回路の直流出力側に接続され、ブリッジ回
    路の直流出力側を閉路するための短絡スイッチと、 前記ブリッジ回路の運転状態を監視して、運転を継続で
    きない状態になったと判定したとき、当該ブリッジ回路
    の運転を停止させる保護装置とを備え、 前記保護装置は、 前記ブリッジ回路の交流入力電流値を検出する手段、お
    よび、出力電流値を検出する手段と、 前記検出された交流入力電流値の絶対値を求める手段
    と、 前記求められた交流入力電流値の絶対値と出力電流値と
    を比較して、いずれの相についても出力電流値が交流入
    力電流値の絶対値よりも大きい状態が発生する場合、そ
    の状態の発生が設定限度を越えるまでは、前記ブリッジ
    の運転を継続させ、設定限度を越えた時には、前記ゲー
    ト制御回路に対して前記ブリッジ回路の半導体制御素子
    の点弧を停止させると共に、前記短絡スイッチを閉路さ
    せる、運転継続判定手段と を有する保護装置を備えることを特徴とする半導体電力
    変換システム。
  6. 【請求項６】請求項５に記載の半導体電力変換システム
    において、 前記運転継続判定手段は、当該状態が発生した時点から
    一定時間経過するまでの、その状態の発生回数を計数
    し、前記設定限度として、その計数値の上限が設定され
    ること を特徴とする半導体電力変換システム。
  7. 【請求項７】請求項５に記載の半導体電力変換システム
    において、 前記運転継続判定手段は、当該状態が発生した時点から
    一定時間経過するまでの、その状態における、前記出力
    電流値と前記交流入力電流の絶対値との偏差を積分し、
    前記設定限度として、その積分値の上限が設定されるこ
    と を特徴とする半導体電力変換システム。
  8. 【請求項８】請求項５、６および７のいずれか一項に記
    載の半導体電力変換システムにおいて、 前記保護装置は、前記求められた交流入力電流値の絶対
    値と出力電流値とを比較して、いずれかの相について交
    流入力電流値の絶対値が出力電流値よりも大きい時に
    は、前記ブリッジ回路の運転停止を指示する手段をさら
    に備えること を特徴とする半導体電力変換システム。
  9. 【請求項９】制御可能な点弧機能と逆阻止特性を持つ半
    導体素子で構成した多相ブリッジ回路と、前記半導体素
    子に点弧指令を出力する点弧指令回路とを含んで構成さ
    れる半導体電力変換システムにおいて、 前制御可能な点弧機能と逆阻止特性を持つ半導体素子を
    有し、前記多相ブリッジ回路の直流出力側に並列に接続
    される短絡スイッチと、 前記多相ブリッジ回路の各相の交流入力電流の絶対値を
    検出し、該各相の絶対値の中から最大値を選択して出力
    する高値選択回路を有する交流入力電流検出回路と、 前記ブリッジ回路の直流側出力電流を検出する出力電流
    検出回路と、 前記点弧指令回路の出力を強制的に阻止する点弧阻止回
    路と、 前記交流入力電流検出回路から出力される交流入力電流
    の最大値よりも前記出力電流検出回路から出力される出
    力電流値の方が大きく、かつ、前記出力電流検出回路か
    ら出力される出力電流値と前記交流入力電流検出回路か
    ら出力される交流入力電流の最大値との偏差が設定値よ
    り大きくなったことを条件として、前記多相ブリッジ回
    路を構成する半導体素子の温度異常判定信号を出力する
    素子温度継電器と を設け、この素子温度継電器からの温度異常判定信号に
    より前記点弧阻止回路を動作させると共に、前記短絡ス
    イッチを点弧動作させる構成としたことを特徴とする半
    導体電力変換システム。
  10. 【請求項１０】交流電力系統に接続され、可制御半導体
    素子で構成した多相ブリッジ回路と、前記可制御半導体
    素子の点弧を制御する点弧回路とを備える半導体電力変
    換システムにおいて、 前記多相ブリッジ回路の各相について交流側からの入力
    電流を検出する交流入力電流検出手段と、 前記検出される交流入力電流値に基づいて、前記多相ブ
    リッジ回路を構成する各可制御半導体素子に流れるアー
    ム電流を算出し、このアーム電流から各可制御半導体素
    子の温度状態を推定する温度状態演算手段と、 前記推定された温度状態を予め設定した設定値と比較し
    て前記可制御半導体素子の異常状態を判断する比較手段
    と を備えることを特徴とする半導体電力変換システム。
  11. 【請求項１１】請求項１〜10のいずれか一項に記載の半
    導体電力変換システムを備えた発電電動装置。
  12. 【請求項１２】制御可能な点弧機能と逆阻止特性を持つ
    半導体制御素子を相対応に有するブリッジ回路を備える
    半導体電力変換システムの運転方法において、 前記ブリッジ回路の交流入力電流の絶対値および出力電
    流を検出し、 該検出値に基づいて、予め定めた誤差の範囲内で、交流
    入力電流に相当する出力電流が出力されているかを判定
    し、 交流入力電流に相当する電流に足る出力電流が出力され
    ていない場合、前記ブリッジ回路の運転を停止させ、 交流入力電流に相当する電流より大きい出力電流が出力
    される場合に、その状態の発生が設定限度を越えるまで
    は前記ブリッジの運転を継続させ、設定限度を越えた時
    には、ブリッジ回路の運転を停止させること を特徴とする半導体電力変換システムの運転方法。
  13. 【請求項１３】請求項12に記載の半導体電力変換システ
    ムの運転方法において、 前記半導体電力変換システムが、ブリッジ回路の直流出
    力側に接続され、ブリッジ回路の直流出力側を閉路する
    ための短絡スイッチをさらに備えるものである場合に、 前記ブリッジ回路の運転を停止させる際、それと共に、
    前記短絡スイッチを閉路させること を特徴とする半導体電力変換システムの運転方法。
  14. 【請求項１４】制御可能な点弧機能と逆阻止特性を持つ
    半導体制御素子を相対応に有するブリッジ回路を備える
    半導体電力変換システムの運転方法であって、 前記ブリッジ回路の交流入力電流値と出力電流値とを検
    出し、 前記検出された交流入力電流値の絶対値を求め、 前記求められた交流入力電流値絶対値と出力電流値とを
    比較して、いずれかの相について交流入力電流絶対値が
    出力電流値よりも大きい場合、および、前記交流入力電
    流の絶対値に基づいて交流入力電流が過電流であるかを
    判定し、過電流であると判定された場合のいずれかであ
    るときには、少なくともブリッジ回路の半導体制御素子
    の点弧を停止するよう指示することにより、 異常事態に対処して運転することを特徴とする半導体電
    力変換システムの運転方法。
  15. 【請求項１５】制御可能な点弧機能と逆阻止特性を持つ
    半導体制御素子を相対応に有するブリッジ回路と、前記
    半導体制御素子への点弧指令を行なうゲート制御回路
    と、前記ブリッジ回路の直流出力側に、短絡スイッチを
    備えて構成される半導体電力変換システムの運転方法で
    あって、 前記ブリッジ回路の交流入力電流値と出力電流値とを検
    出し、 前記検出された交流入力電流値の絶対値を求め、 前記求められた交流入力電流値絶対値と出力電流値とを
    比較して、いずれの相についても出力電流値が交流入力
    電流値絶対値よりも大きい状態が発生する時には、その
    大きい状態の発生状態が設定限度を越えるまでは、前記
    ブリッジの運転を継続させ、設定限度を越えた時には、
    前記ゲート制御回路に対して前記ブリッジ回路の半導体
    制御素子の点弧を停止させると共に、前記短絡スイッチ
    を閉路させることにより、 異常事態に対処して運転することを特徴とする半導体電
    力変換システムの運転方法。
  16. 【請求項１６】請求項15に記載の半導体電力変換システ
    ムの運転方法において、 前記設定限度は、当該状態が発生した時点から一定時間
    経過するまでの、その状態の発生回数の上限として設定
    されること を特徴とする半導体電力変換システムの運転方法。
  17. 【請求項１７】請求項15に記載の半導体電力変換システ
    ムの運転方法において、 前記設定限度は、当該状態が発生した時点から一定時間
    経過するまでの、その状態における、前記出力電流値と
    前記交流入力電流の最大値と偏差を積分した値の上限と
    して設定されること を特徴とする半導体電力変換システムの運転方法。
  18. 【請求項１８】制御可能な点弧機能と逆阻止特性を持つ
    半導体制御素子で構成した多相ブリッジ回路と、前記半
    導体制御素子への点弧指令回路とを含んで構成される半
    導体電力変換システムに適用される保護装置であって、 前記ブリッジ回路の交流入力電流を各相対応に検出する
    手段と、 前記検出してされた交流入力電流について、その絶対値
    を求めると共に、各相についての絶対値のうち最大値Ia
    cを選択して出力する機能を有する交流入力電流検出回
    路と、 前記ブリッジ回路の直流側出力電流Idcを検出する出力
    電流検出手段と、 前記交流入力電流Iacと前記出力電流Idcの偏差（Iac−I
    dc）を求める偏差検出手段と、 前記偏差（Iac−Idc）の符号が正でその絶対値が設定値
    よりも大きくなったとき、前記半導体制御素子の点弧阻
    止のために用いることができる指示信号を出力する第１
    の継電器手段と、 前記検出された交流入力電流値に基づいて交流入力電流
    が過電流であるかを判定して、過電流の場合に前記ブリ
    ッジ回路の運転の停止を指示する信号を出力する第２の
    継電器手段と、 前記第１の継電器手段および第２の継電器手段のいずれ
    かから前記ブリッジ回路の運転の停止を指示する信号が
    出力されたとき、前記ブリッジ回路の運転を停止させる
    手段と を備えることを特徴とする保護装置。
  19. 【請求項１９】制御可能な点弧機能と逆阻止特性を持つ
    半導体制御素子で構成した多相ブリッジ回路と、前記半
    導体制御素子への点弧指令回路と、前記ブリッジ回路の
    直流出力側に並列した短絡スイッチとを含んで構成され
    る半導体電力変換システムに適用される保護装置であっ
    て、 前記ブリッジ回路の交流入力電流を各相対応に検出する
    手段と、 前記検出してされた交流入力電流について、その絶対値
    を求めると共に、各相についての絶対値のうち最大値を
    検出して出力する交流入力電流検出回路と、 前記ブリッジ回路の直流側出力電流値を検出して出力す
    る出力電流検出手段と、 前記交流入力電流検出回路から出力される交流入力電流
    の最大値よりも前記出力電流検出回路から出力される出
    力電流値の方が大きく、かつ、前記出力電流検出回路か
    ら出力される出力電流値と前記交流入力電流検出回路か
    ら出力される交流入力電流の最大値との偏差が設定値よ
    り大きくなる状態が発生するとき、その発生状態が設定
    限度を越えない間は、運転を継続させ、設定限度を越え
    た時には、前記ブリッジ回路の半導体制御素子の点弧を
    停止させると共に、前記短絡スイッチを閉路させる継電
    器手段と を備えることを特徴とする保護装置。
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