JP3132814B2 - 半導体電力変換システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力系統、電気鉄
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。

【０００２】

【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。

【０００３】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。

【０００４】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。

【０００５】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相ブリッジ回路３に給電する構成の半導体電力変
換装置を示す。

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】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１０
４）、運転継続指令ＧＯ１を出力し（ステップ１０
７）、通常運転を行う。

【００１０】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かどうかを判定し（ス
テップ１０８）、出力されていた場合は、復帰処理（ス
テップ１０９）を行った後に、運転継続指令ＧＯ１を出
力する（ステップ１０７）。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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Δ
Ｉの値を判定する（ステップ１０１）。ΔＩが許容値Ｋ
１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１１０，１０３）、制御装置へ過電流抑制制
御指令ＧＯ２を出力する（ステップ１０６）。

【００１４】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ＧＯ
２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。

【００１５】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
の内部事故による過電流であったと判断し（ステップ１
０２）、運転緊急停止指令ＳＴを出力する（ステップ１
０５）。

【００１６】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。

【００１７】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１１１）、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）。

【００１８】

【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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】

【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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】

【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。

【００２７】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(ＴＹ
１とＴＹ２)、(ＴＹ２とＴＹ３)、(ＴＹ３とＴＹ４)、
(ＴＹ４とＴＹ５)、(ＴＹ５とＴＹ６)、(ＴＹ６とＴＹ
１）の６通りの組合せで通流している。

【００２８】この時、交流入力電流値Ｉacは、Ｉｕ，Ｉ
v，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＝Ｉ
ｌ）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。

【００２９】一方、素子が転流中の場合、例えば、第１
８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Ｉacは、Ｉac＝｜Ｉw｜＝
Ｉｌとなる。一方、出力電流値Ｉdcは、やはりＩdc＝Ｉ
ｌであるから、両者は等しい。

【００３０】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。

【００３１】電力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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】この結果、第２０図のように、直流側にＴ
Ｙ３とＴＹ６による短絡回路ができるため、直流電流Ｉ
dcは、Ｉｌのままで、０にならない。

【００３５】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。

【００３６】この理由を説明すると、次の様になる。

【００３７】今、第１７図から第２０図のＴＹ１〜ＴＹ
６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。

【００３８】

【数１】

【００３９】(1)〜(3)式より、次の(6)〜(8)が成り立
つ。

【００４０】

【数２】

【００４１】また、(4),(5)式より、(9),(10)式が成り
立つ。

【００４２】

【数３】

【００４３】(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｜≦Ｉ
ｌ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，Ｉ
w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、Ｉｌ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。

【００４４】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。

【００４５】［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。

【００４６】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および出力電流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Ｉdc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。

【００４７】

【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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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をそ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。

【００５１】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。

【００５２】このゲート制御回路３１は、同期変成器３
２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。

【００５３】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。

【００５４】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〜ＴＹ
６の点弧阻止および／またはサイリスタ短絡スイッチＴ
ＹＳ４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〜ＴＹ６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Ｔ
ＹＳ４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。

【００５５】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。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】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。

【００６２】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Ｔ
Ｙ１〜ＴＹ６のアーム電流を示す。

【００６３】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。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】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。

【００６７】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。

【００６８】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。以下の実施例について
も同様である。

【００６９】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。

【００７０】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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】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２
２とを備えて構成される。

【００７４】この素子温度継電器１７への入力信号ΔＩ
₂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。

【００７５】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ない間は、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。

【００７６】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。

【００７７】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。

【００７８】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ＳＴ
１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２
１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Ｓ
ＴＸが計数されて、結果が出力される。

【００７９】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。

【００８０】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。

【００８１】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。

【００８２】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１
８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。

【００８３】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。

【００８４】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。

【００８５】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。

【００８６】第１１図は素子温度継電器１７のさらに他
の実施例を示す。本実施例は、サイリスタＴＹ１〜ＴＹ
６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．Woodhouse氏らにより、IEE Conf.1981／205のｐ．1
58〜ｐ.163において、“The Control of Thyristorsin
the English Terminal Cross Channel Valves ,Particu
larly 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。

【００８７】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２
５、発生損失演算部２６、温度演算部２７および比較器
２８とを備えて構成される。

【００８８】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*，Ｉ₂*，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、ＴＹ
１〜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。

【００８９】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。

【００９０】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。

【００９１】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。

【００９２】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。

【００９３】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。

【００９４】この実施例では、２つの３相ブリッジ回路
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。

【００９５】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、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１
４ａ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。

【００９６】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。

【００９７】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。

【００９８】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。

【００９９】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。

【０１００】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。

【０１０１】前記第４および第５実施例によれば、直流
変流器、交流変流器の設置数を減少することができる。

【０１０２】以上、本発明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。

【０１０３】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。

【０１０４】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。

【０１０５】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、ＣＰＵ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。

【０１０６】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。

【０１０７】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。

【０１０８】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。

【０１０９】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。

【０１１０】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。

【０１１１】

【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。

【０１１２】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】

【図１】 図１は本発明の第１実施例の構成を示す回路
図。

【図２】 図２は第１実施例の動作を示す波形図。

【図３】 図３は第１実施例の動作を示す波形図。

【図４】 図４は第１実施例の動作を示す波形図。

【図５】 図５は本発明の第２実施例の構成を示す回路
図。

【図６】 図６は本発明の第３実施例の構成を示す回路
図。

【図７】 図７は素子温度継電器の一実施例の構成を示
すブロック図。

【図８】 図８は図７に示す素子温度継電器の動作を示
す波形図。

【図９】 図９は素子温度継電器の一実施例の構成を示
すブロック図。

【図１０】 図１０は図９に示す素子温度継電器の動作
を示す波形図。

【図１１】 図１１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。

【図１２】 図１２は図１１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。

【図１３】 図１３は図１２の計算フローの動作の妥当
性を評価するための波形図。

【図１４】 図１４は従来の半導体電力変換装置の構成
を示す回路図。

【図１５】 図１５は入力電流検出回路の一例を示す回
路図。

【図１６】 図１６は従来例の演算フローを示すフロー
チャート。

【図１７】 図１７は本発明の作用を示す説明図。

【図１８】 図１８は本発明の作用を示す説明図。

【図１９】 図１９は本発明の作用を示す説明図。

【図２０】 図２０は本発明の作用を示す説明図。

【図２１】 図２１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。

【図２２】 図２２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。

【符号の説明】

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 茨城県日立市幸町三丁目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一丁目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三丁目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三丁目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三丁目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三丁目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.⁷，ＤＢ名) H02H 3/28 H02H 7/12 H02H 7/125 H02P 9/00

Claims (9)

(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値の絶対値と出力電流
   値とを求める手段と、 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 を有することを特徴とする半導体電力変換システ
   ム。
2. 【請求項２】 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値の絶対値と出力電流
   値とを求める手段と、 前記求め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特定の状態が発生したとき、
   当該発生時点を基点とする一定時間を設定する第１の手
   段と、 前記一定時間を設定した後、当該時間が経過するまでの
   間において、特定の状態の発生が予め定めた設定限度を
   越えるかを判定し、特定の状態の発生が前記設定限度を
   越えた時には、前記ブリッジ回路の運転を停止すべきこ
   とを示す信号を出力する第２の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。
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ブリッジ回路を備え、
   交流電流を直流電流に変換する半導体電力変換システム
   において、転流失敗時に運転を継続するか停止するかを
   判定する装置であって、 前記ブリッジ回路の各相の交流入力電流の絶対値と直流
   電流値との差分を取り込んで、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特定の
   状態が発生したかを判定する手段と、 前記特定の状態が発生したとき、当該発生時点を基点と
   する一定時間を設定する第１の手段と、 前記一定時間を設定した後、当該時間が経過するまでの
   間において、特定の状 態の発生が予め定めた設定限度を
   越えるかを判定し、特定の状態の発生が前記設定限度を
   越えた時、前記ブリッジ回路の運転を停止すべきことを
   示す信号を出力する第２の手段とを備えることを特徴と
   する運転継続判定装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の運転継続判定装置にお
   いて、 前記第２の手段は、 前記設定された一定時間が経過するまでに、特定の状態
   が発生する毎に発生回数を計数する手段と、 特定の状態の発生回数に関する設定限度を有し、前記計
   数する手段の計数値が前記設定限度の回数以上となった
   とき、特定の状態の発生が前記設定限度を越えたと判定
   して、前記ブリッジ回路の運転を停止すべきことを示す
   信号を出力する手段と、 前記一定時間経過後は、計数値をリセットする処理を行
   う手段とを有することを特徴とする運転継続判定装置。
5. 【請求項５】 請求項３に記載の運転継続判定装置にお
   いて、 前記第２の手段は、 前記設定された一定時間が経過するまでに発生した特定
   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する手段と、 特定の状態における前記出力電流値と前記交流入力電流
   の絶対値との偏差の積分値に関する設定限度を有し、前
   記積分する手段の積分値が前記設定限度の積分値以上と
   なったとき、前記設定限度を越えたと判定して、前記ブ
   リッジ回路の運転を停止すべきことを示す信号を出力す
   る手段と、 前記一定時間経過後は、積分値をリセットする処理を行
   う手段とを有することを特徴とする運転継続判定装置。
6. 【請求項６】 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ついてその運転を停止するか
   否かを判定する装置であって、 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
   流をそれぞれ取り込み、それらの検出値に基づいて、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て、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信号を出力する第１
   の判定手段と、 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
   流をそれぞれ取り込み、それらの検出値に基づいて、予
   め定めた誤差の範囲内で、交流入力電流に相当する電流
   より大きい出力電流が出力されているかを判定して、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
   れている状態が発生する場合に、その状態の発生が設定
   限度を越えたとき、前記ブリッジ回路の運転を停止させ
   る信号を出力する第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の運転停止判定装置。
7. 【請求項７】 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ついてその運転を停止するか
   否かを判定する装置であって、 前記ブリッジ回路の各相の交流入力電流絶対値における
   最大値Ｉac、および、前記ブリッジ回路の出力電流Ｉdc
   をそれぞれ取り込む手段と、 前記交流入力電流Ｉacと前記出力電流Ｉdcの偏差（Ｉac
   −Ｉdc）を求める手段と、 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の判定手段と、 前記偏差（Ｉac−Ｉdc）の符号が負で、その絶対値が設
   定値よりも大きくなったとき、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の停止を
   指示する信号を出力する第２の判定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の運転停止判定装
   置。
8. 【請求項８】 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ついてその運転を停止するか
   否かを判定方法であって、 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
   流をそれぞれ取り込み 、 取り込んだ検出値に基づいて、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
   かを判定して、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
   を停止させる信号を出力し、 取り込んだ検出値に基づいて、予め定めた誤差の範囲内
   で、交流入力電流に相当する電流より大きい出力電流が
   出力されているかを判定して、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ている状態が発生す
   る場合に、その状態の発生が設定限度を越えた時には、
   前記ブリッジ回路の運転を停止させる信号を出力するこ
   とを特徴とする半導体電力変換システムの運転停止判定
   方法。
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ついてその運転を停止するか
   否かを判定する方法であって、 前記ブリッジ回路の各相の交流入力電流絶対値における
   最大値Ｉac、および、前記ブリッジ回路の出力電流Ｉdc
   をそれぞれ取り込み、 前記交流入力電流Ｉacと前記出力電流Ｉdcの偏差（Ｉac
   −Ｉdc）を求め、 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、前記ブリッジ回路の運転の
   停止を指示する信号を出力し、 前記偏差（Ｉac−Ｉdc）の符号が負で、その絶対値が設
   定値よりも大きくなったとき、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の停止を
   指示する信号を出力することを特徴とする半導体電力変
   換システムの運転停止判定方法。