JP3227240B2 - 交流gtoスイッチ保護用アブソーバ回路 - Google Patents

交流gtoスイッチ保護用アブソーバ回路

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば核融合や加速器
等の高周波真空管、イオンビーム装置あるいはジャイロ
トロン発振器等の直流高圧電源のような交流電力を直流
電力に変換する電源システムにおける交流1次側に交流
GTOスイッチを使用したときのその保護用アブソーバ
回路に関する。
【0002】
【従来の技術】図4は、ジャイロトロン発振器用電源に
適用した、交流GTOスイッチとその保護用のアブソー
バ回路とを含む交流電力を直流電力に変換する従来の電
源システムを示す。なお、交流は3相の場合であり、図
4はその結線図のみについて示す。図4において、10
は、三相交流電源に接続され適当な電圧に変換する変圧
器を示す。12は、変圧器10の出力に接続され入力電
流を制御信号に基づいてオン−オフ導通させるため、逆
並列接続(または相方性接続)された交流GTOスイッ
チを示す。14は、交流GTOスイッチの出力に接続さ
れ適当な電圧に再度変換するための変圧器を示す。16
は交流電圧を全波整流する整流器を示す。18は整流器
の出力側の一端に接続されたリアクトルを、20はリア
クトル18の出力側と整流器16の出力側の他端との間
にコンデンサ22を介して直列接続された直列抵抗を示
す。リアクトル18、直列抵抗20およびコンデンサ2
2は公知のように整流器16で整流されて得られた出力
電圧を平滑化する作用をする。24は、リアクトル18
の出力側に接続された直流制御真空管を示し、上記のよ
うに平滑化された直流電圧を安定化するためのものであ
る。26は、そのカソードが抵抗28を介して直流制御
真空管24の出力に接続され、かつそのコレクタが整流
器16の出力側の前記他端に接続されているジャイロト
ロンを示す。30は、直列接続されている抵抗28とジ
ャイロトロン26とに並列に接続されジャイロトロン2
6のアノード電圧を安定化する回路であって、複数のト
ランジスタとダイオードと抵抗とからなり、抵抗32を
介して得られた安定化電圧をジャイロトロン26のアノ
ードに付与するアノード電圧安定化回路を示す。34
は、ジャイロトロン26や直流制御管24の管内アーキ
ング等による負荷短絡の保護のための公知のクローバ回
路を示す。
【0003】36は、交流GTOスイッチ12が電流を
遮断したとき、交流GTOスイッチ12の出力から見て
負荷側の回路中のリアクトルを主としてリアクトル18
に蓄えられたエネルギーにより発生するサージ電圧で交
流GTOスイッチ12が破壊されるのを保護するため、
交流GTOスイッチ12の両端に接続されたアブソーバ
回路を示す。アブソーバ回路36は、4つのダイオード
38、40、42および44と、電荷蓄積用コンデンサ
46と、コンデンサ46に直列接続されたインピーダン
ス整合抵抗49と、直列接続されたコンデンサ46と抵
抗49とに並列接続され、蓄積された電荷を放電する放
電抵抗48とを有する。4つのダイオードはブリッジ構
成となるように接続され、ダイオード38のカソードと
ダイオード40のアノードとが接続され、ダイオード4
2のカソードとダイオード44のアノードとが接続さ
れ、ダイオード38と42のアノード同士が接続され、
ダイオード40と44のカソード同士が接続され、ダイ
オード38と40の接続点は交流GTOスイッチ12の
入力側に接続され、ダイオード42と46の接続点は交
流GTOスイッチ12の出力側に接続されている。前記
コンデンサ46は、ダイオード38と42の接続点と、
ダイオード40と44の接続点との間に並列接続されて
いる。
【0004】上述のように構成されているジャイロトロ
ン用電源システムは、公知のように、入力された交流電
流を交流GTOスイッチ12で点弧位相制御してジャイ
ロトロンの所望の直流電圧を得る動作を行うが、本発明
と直接関係ないのでこれ以上の説明を省略する。
【0005】図5を参照して、交流GTOスイッチ12
の動作モードとサージ電圧の発生について以下に説明す
る。なお、図5は、交流GTOスイッチ12の動作モー
ドとサージ電圧の発生の関係の理解を容易にするために
のみ示した図であり、その尺度は直接大きさを示すもの
ではない。図5において、横軸は時間を示し、(A)
(C)および(D)においては、横軸より上側は正を、
下側は負を示す。交流GTOスイッチ12には、図5の
(A)に示す電圧波形を有する交流相電圧が入力され
る。その状態で、交流GTOスイッチ12は、ジャイロ
トロン26の所望の直流電圧が得られるようにオン時間
が設定され、図5の(B)に示されるようなオン−オフ
・モードで動作させられる。なお、図5の(B)の横軸
より上側のオン状態のときに図4の交流GTOスイッチ
12のGTO 12aがオンとなり、下側のオン状態の
ときにGTO 12bがオンとなる。交流GTOスイッ
チ12が上述のように動作させられると、GTO 12
a、12bがオンのときのみ電流を通し、図5の(C)
に示すような波形の交流電流が整流器16に入力され
る。このとき、GTO 12a、12bがオフとなり電
流を遮断すると、交流GTOスイッチ12の出力側から
ジャイロトロン26側をみた負荷側のリアクトル(主と
してリアクトル18)に蓄えられたエネルギーにより図
5の(D)に示されるような波形のサージ電圧が誘起さ
れる。なお、このサージ電圧は単発の電流遮断でもまた
毎サイクルの電流遮断によっても発生するものである。
このサージ電圧は、アブソーバ回路36が設けられてい
ないと、交流GTOスイッチ12に印加され、GTO
12a、12bを破壊する。
【0006】次に、アブソーバ回路36の動作を以下に
説明する。図5の(D)に示される正のサージ電圧が発
生すると、交流GTOスイッチ12の出力側が入力側よ
り電位が高くなるため、アブソーバ回路36のダイオー
ド44とダイオード38とがオンとなり、交流GTOス
イッチ12の出力側と入力側間にダイオード44、コン
デンサ46およびダイオード38を介するパスができ、
コンデンサ46はサージエネルギーを吸収する。電流を
遮断した後、次にGTOがオンするまでにコンデンサ4
6の充電電荷を放電する必要があるので、コンデンサ4
6はサージ電圧がなくなると、充電した電荷を放電抵抗
48に交流GTOスイッチ12のオフモード(図5の
(B)参照)の間に放電する。図5の(D)に示される
負のサージ電圧が発生した場合も、類似の態様で、即ち
交流GTOスイッチ12の出力側が入力側より電位が低
くなるため、アブソーバ回路36のダイオード40とダ
イオード42とがオンとなり、交流GTOスイッチ12
の入力側と出力側間にダイオード40、コンデンサ46
およびダイオード42を介するパスができ、コンデンサ
46はサージエネルギーを吸収する。電流を遮断した
後、次にGTOがオンするまでにコンデンサ46の充電
電荷を放電する必要があるので、コンデンサ46はサー
ジ電圧がなくなると、充電した電荷を放電抵抗48に交
流GTOスイッチ12のオフモードの間に放電する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記のような構成にお
いては、コンデンサ46が放電抵抗48に放電を完了し
た後であって、かつ交流GTOスイッチ12がオフモー
ドの期間では、交流GTOスイッチ12の入出力間には
図5の(A)に示されるような交流相電圧が印加されて
いる。そのため、例えば、正の交流相電圧が印加されて
いる場合には、ダイオード40および42がオン状態と
なり、コンデンサ46にはほぼ上記正の交流相電圧が常
に印加されていることになる。また、負の交流相電圧が
印加されている場合には、逆に、ダイオード44および
38がオンとなり、コンデンサ46にはほぼ上記負の交
流相電圧が常に印加されていることになる。従って、コ
ンデンサ46には上述のサージ電圧による充電電荷以外
に、コンデンサ放電後の交流GTOスイッチ12のオフ
モード間に印加される交流相電圧によっても充電される
ことになる。そのため、コンデンサ46の容量は、ジャ
イロトロン発振器用では大容量のものが従来必要であっ
た。それに伴い、放電抵抗の容量も大容量のものが必要
となり、例えば上記ジャイロトロン発振器用では交流G
TOスイッチ12の入力電圧が線間1300V相電圧7
50V、導通電流が約1800Aと大きいため放電抵抗
48の容量は30kW以上となり、効率が悪くなり、か
つ電源装置も大型化してしまうという課題があった。
【0008】本発明は、上記課題を克服するためになさ
れたものであり、交流電力を直流電力に変換する電源シ
ステムに使用される交流GTOスイッチを保護するため
のアブソーバ回路であって、従来のサージアブソーバ回
路と同様にサージ電圧を抑制すると同時に電源の運転効
率を向上させるアブソーバ回路を提供することを目的と
する。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の、交流電力を直流電力に変換する電源シス
テムに使用される交流GTOスイッチを保護するための
アブソーバ回路は、前記交流GTOスイッチの両端子に
それぞれ接続された2端子と他の2端子とを有するブリ
ッジ回路であって1対のダイオードと1対の自己消弧機
能手段とを含むブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の前
記他の2端子間に接続された電荷蓄積手段及び電荷放電
手段とを備えることを特徴とする。
【0010】
【作用】上記のように構成された交流GTOスイッチ保
護用アブソーバ回路は、自己消弧機能手段を用いること
により、サージ電圧が生じているときのみ該自己消弧機
能手段がオンとなるように制御して、電荷蓄積手段にサ
ージ電圧による電荷のみを充電し、該サージ電圧による
充電電荷のみを電荷放電手段に放電させる。
【0011】
【実施例】実施例について図面を参照して以下に説明す
る。図1は、図4に示されるのと同様のジャイロトロン
発振器用電源であって交流GTOスイッチを含む交流電
力を直流電力に変換する従来の電源システムに本発明の
アブソーバ回路を適用した一実施例を示す。図1におい
て、図4の示される構成要素と構成とその機能とが同一
あるいは類似のものは同一の参照番号を付してあり、そ
の構成要素については説明を繰り返さない。
【0012】図1に示す本発明の一実施例である交流G
TOスイッチ保護用アブソーバ回路50と、図4に示す
従来の交流GTOスイッチ保護用アブソーバ回路36と
の相違点は、従来の4つのダイオードの代わりに2つの
ダイオードに自己消弧機能手段である自己消弧機能素子
の一つGTOを用いた点にある。即ち、図1の実施例で
は、図4に示すダイオード42と44がそれぞれGTO
52と54とに置換されている。なお、GTOの導通
方向はダイオードの導通方向と同一になるように接続す
る。
【0013】なお、図1において参照番号56と58は
分圧用抵抗である。分圧抵抗56と58は直列接続さ
れ、分圧抵抗56はGTO 52に、また分圧抵抗58
はGTO54に、それぞれ並列接続されている。これら
の分圧抵抗は、GTO 52と54がオフ時にGTO
52と54の全体にかかる電圧がGTOの一方のみにか
かる弊害を阻止するためのもので、GTOがオフ時にそ
の両端間のインピーダンスが動作上影響を与えない程度
に極めて高い抵抗値に設定されるものである。上記弊害
が生じない場合には、これらの分圧抵抗はなくてもよい
ものである。
【0014】図2を参照して、本発明の交流GTOスイ
ッチ保護用アブソーバ回路の動作を以下に説明する。図
2の(A)から(D)に示される図形は、図4に示され
るものと同一ゆえ、説明を繰り返さない。図2の(E)
は、(D)に示すようなサージ電圧が発生している間ア
ブソーバ回路50内のGTO 54または52をオンさ
せるアブソーバ回路50のGTOのオン−オフ・モード
を示す。なお、図2は、本発明の交流GTOスイッチ保
護用アブソーバ回路の動作を容易に理解できるようにの
み示したもので、その尺度は直接大きさを示すものでは
ない。また、図2において、横軸は図4と同様に時間を
示す。交流GTOスイッチ12に図2の(A)に示すよ
うな正の交流相電圧が印加されている状態で、(B)に
示されるように交流GTOスイッチ12のGTO 12
aがオンして所定時間後にオフとなると(D)に示され
るような正のサージ電圧が発生する。そこで、交流GT
Oスイッチ12のGTO 12aがオフとなる同時に
(E)に示されるようにアブソーバ回路50のGTO
54をオンさせると、GTO 54にはこのとき順方向
に電圧が印加されているので導通し、その結果GTO
54は図4のダイオード44と同様の動作を行い、それ
によりサージエネルギーを吸収するためコンデンサ46
に充電される。サージ電圧が生じている間即ちコンデン
サ46に充電が続く間アブソーバ回路50のGTO 5
4をオンさせて置き、充電完了と共にオフさせる。コン
デンサ46に充電された電荷は、従来例において述べた
のと同様の動作により、交流GTOスイッチ12のその
ときのオフ・モード(図2の(B)参照)の間に放電抵
抗48に放電される。従って、放電が完了するとコンデ
ンサ46には電荷はなくコンデンサ46の両端子間は同
一電位となる。アブソーバ回路50のGTO 54がオ
フの状態を保つので、従来例の動作とは異なり、交流G
TOスイッチ12の図2の(B)に示すオフ・モードの
間にコンデンサ46に図2の(A)に示す交流相電圧が
印加されないため、交流相電圧の印加による電荷の蓄積
は生じない。
【0015】交流GTOスイッチ12に図2の(A)に
示すような負の交流相電圧が印加されている状態での動
作も前述の正の交流相電圧が印加されている場合と同様
であり、(B)に示されるように交流GTOスイッチ1
2のGTO 12bがオンして所定時間後にオフとなる
と(D)に示されるような負のサージ電圧が発生する。
そこで、交流GTOスイッチ12のGTO 12bがオ
フとなると同時に(E)に示されるようにアブソーバ回
路50のGTO 52をオンさせると、GTO52には
このとき順方向に電圧が印加されているので導通し、そ
の結果GTO52は図4のダイオード42と同様の動作
を行い、それによりサージエネルギーを吸収するためコ
ンデンサ46に充電される。アブソーバ回路50のGT
O52は、サージ電圧が生じている間即ちコンデンサ4
6に充電が続く間オンさせて置き、充電完了と共にオフ
させる。コンデンサ46に充電された電荷は、従来例に
おいて述べたのと同様の動作により、交流GTOスイッ
チ12のそのときのオフ・モード(図2の(B)参照)
の間に放電抵抗48に放電される。従って、放電が完了
するとコンデンサ46には電荷はなくコンデンサ46の
両端子間は同一電位となる。アブソーバ回路50のGT
O 52がオフの状態を保つので、従来例の動作とは異
なり、交流GTOスイッチ12の図2の(B)に示すオ
フ・モードの間にコンデンサ46に図2の(A)に示す
交流相電圧が印加されないため、交流相電圧の印加によ
る電荷の蓄積は生じない。
【0016】従って、放電抵抗の容量について、交流G
TOスイッチ12に入力される交流相電圧が約750V
で、その周波数が50ないし60Hz、GTOを通る電
流が約1800Aの同一条件で、図1に示す本発明のア
ブソーバ回路と、図4に示す従来のダイードを用いたア
ブソーバ回路とを比較すると、図4における漏れ電力
分、即ちほぼ相電圧の2乗を抵抗48の抵抗値で除した
値分小さくできる。
【0017】なお、GTO 52と54のオン時間は、
前述のようにサージ電圧が発生し続け該サージエネルギ
ーによるコンデンサ46の充電が完了するまでの時間で
あるので、電源システムの構成と負荷が決まればそれら
に基づく時定数として定められる。従って、理論的にあ
るいは実験的にオン所要時間を求め、後述するようにG
TOオン後、タイマーを用いて所定時間オンにすればよ
い。
【0018】また、アブソーバ回路50内でGTOを設
ける位置は、発生サージエネルギーをコンデンサ46に
吸収するときに導通できるような位置にあればよいの
で、図2においてダイオード38、40とGTO 5
6、58とを置換してもよく、GTO 54とダイオー
ド38を置換してもよく、またGTO 52とダイオー
ド40とを置換してもよい。
【0019】さらに、上述の動作から、GTOに相当す
る構成要素はそれに限定されず、、いずれかの自己消弧
機能素子あるいは自己消弧機能を有するデバイスであれ
ばよい。
【0020】図3は、本発明のアブソーバ回路50を用
いた電源システムの制御回路を概略的に示すブッロク図
である。図3において、図1と同一の参照番号を付した
構成要素は図1のものと同一又は類似の構成と機能を有
し、その説明は繰り返さない。図3において、60はジ
ャイロトロン発振器の所望の直流電圧を設定するための
ポテンショメータを、62はジャイロトロン発振器に初
期期間に急激に電圧が印加されないようにするためのソ
フトスタート回路を、64は所望の設定電圧を表す信号
とジャイロトロンに実際に印加されている電圧を表す信
号との差を計算する減算器を、66は減算器の出力電圧
からシステム全体の出力である抵抗20とコンデンサ2
2間の出力を補償する回路を、70は、上記差の電圧に
応じたパルスを生成するゲートロジックを、72はゲー
トロジック70の電気的出力信号を交流GTOスイッチ
12のGTO 12a、12bのオン−オフ制御の光信
号に変換する変換器を、74は変圧器10に接続された
変圧器を、76は変圧器74の電圧に基づいてそれに同
期した電圧を生成する同期電源回路を、78および80
はジャイロトロン発振器に印加される電圧を分圧して検
出するための分圧抵抗を、82は検出された電圧をさら
に設定電圧を表す信号とレベルを合わせるための変換器
を、それぞれ示す。これらの構成要素とその制御の構成
は図3の従来例の電源システムに用いられている制御回
路であり、また通常の制御であるので動作の詳細は省略
する。
【0021】本発明のアブソーバ回路50を制御する系
として、上記の構成に次のものが付加されている。即
ち、ゲートロジック70の出力に応答して動作するタイ
マー84と、タイマー84からの電気信号を光信号に変
換して該光信号をアブソーバ回路50のGTO 52、
54に付与する変換器とである。
【0022】本発明のアブソーバ回路50に関連するこ
れらの制御系の動作は次の通りである。即ち、交流GT
Oスイッチ12のGTO 12aのゲート制御信号のオ
ンからオフへの立ち下がり(図2の(A)参照)に対応
したゲートロジック70からの出力信号に応答してタイ
マー84は、該立ち下がりと同時に立ち上がる信号を生
成して、変換器86を介してアブソーバ回路50のGT
O 54のゲートをオンする光制御信号(図2の(E)
参照)を出力する。タイマー84は、前述のようにサー
ジ電圧によるコンデンサ46への充電に要する時間であ
って予め設定された時間だけオンの状態の信号を出力
し、当該設定時間後にオフとなる。次に、交流GTOス
イッチ12のGTO 12bのゲート制御信号のオンか
らオフへの立ち下がり(図2の(A)参照)に対応した
ゲートロジック70からの出力信号に応答してタイマー
84は、上記の場合と同様にして、該立ち下がりと同時
に立ち上がる信号を生成して、変換器86を介してアブ
ソーバ回路50のGTO 52のゲートをオンする光制
御信号(図2の(E)参照)を出力する。タイマーは、
前述のようにサージ電圧によるコンデンサ46への充電
に要する時間であって予め設定された時間だけオンの状
態の信号を出力し、当該設定時間後にオフとなる。
【0023】以上、ジャイロトン発振器電源用の交流G
TOスイッチを含む交流電力を直流電力に変換する電源
システムに本発明のアブソーバ回路を適用した例につい
て説明したが、本発明のアブソーバ回路はジャイロトン
発振器用電源への適用に限定されるのものではなく、一
般的に交流電力を直流電力に変換する電源システムにお
いて交流GTOスイッチを用いる全てのものに適用可能
である。
【0024】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、交流GTOスイッチ保護用アブソーバ回路
にGTOを用いているので、交流GTOスイッチを使用
した電源システムで発生するサージエネルギーのみをコ
ンデンサに吸収するため、コンデンサに吸収されるエネ
ルギーが従来のダイードのみを用いたアブソーバ回路よ
り小さく、従ってそのエネルギーを放電させる放電抵抗
の容量は従来の漏洩電力分小さくすることができる。そ
のため、電源システムの運転効率を向上させることがで
き、しかも電源装置を小型化できるという効果を奏す
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】ジャイロトロン発振器用電源であって、交流G
TOスイッチを含む交流電力を直流電力に変換する電源
システムに本発明のアブソーバ回路を適用した一実施例
を示す図。
【図2】交流GTOスイッチの動作モード、サージ電圧
の発生、およびアブソーバ回路のGTOの動作の関係を
示す図であって、(A)は交流GTOスイッチに入力さ
れる交流相電圧波形を、(B)は交流GTOスイッチの
オン−オフ・モードを、(C)は図1に示す整流器に入
力される交流電流波形を、(D)は負荷側で発生するサ
ージ電圧波形を、(E)は図1に示すアブソーバ回路内
のGTOのオン−オフ・モードをそれぞれ示す。
【図3】本発明のアブソーバ回路を用いた電源システム
の制御回路を概略的に示すブッロク図。
【図4】ジャイロトロン発振器用電源に適用した、交流
GTOスイッチとその保護用のアブソーバ回路とを含む
交流電力を直流電力に変換する従来の電源システムを示
す図。
【図5】図4に示す交流GTOスイッチの動作モードと
サージ電圧の発生の関係を表す図であって、(A)から
(D)は図2の(A)から(D)にそれぞれ対応する。
【符号の説明】
38、40 ダイオード 46 コンデンサ 48 放電抵抗 50 交流GTOスイッチ保護用アブソーバ回路 52、54 GTO 56、58 分圧抵抗器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−202220(JP,A) 特開 昭52−120669(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 1/06 H02H 7/12 H03K 17/08 H03K 17/16 H03K 17/725

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 交流電力を直流電力に変換する電源シス
    テムに使用される交流GTOスイッチを保護するための
    アブソーバ回路において、 前記交流GTOスイッチの両端子にそれぞれ接続された
    2端子と他の2端子とを有するブリッジ回路であって1
    対のダイオードと1対の自己消弧機能手段とを含むブリ
    ッジ回路と、 前記ブリッジ回路の前記他の2端子間に接続された電荷
    蓄積手段及び電荷放電手段とを備える交流GTOスイッ
    チ保護用アブソーバ回路。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のアブソーバ回路におい
    て、前記自己消弧機能手段はGTOであることを特徴と
    する交流GTOスイッチ保護用アブソーバ回路。
JP32181992A 1992-12-01 1992-12-01 交流gtoスイッチ保護用アブソーバ回路 Expired - Fee Related JP3227240B2 (ja)

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