JP3615900B2 - フィードフォワード制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、核融合の加熱・初期プラズマの生成等に使用されるジャイラトロン発振管のカソード直流電圧を安定化させるフィードフォワード制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ジャイラトロン発振管に供給する電源供給回路は図4に示すように構成されている。図4において、11は主変圧器で、この主変圧器11の2次側はスター・デルタ結線されて、それぞれの結線には三相交流電力制御装置である第1、第2サイリスタ変換器12、13が設けられている。第1、第2サイリスタ変換器12、13で制御された交流はそれぞれ第1、第2補助変圧器14、15を介して第1、第2ダイオード整流器16、17に供給される。第1、第2ダイオード整流器16、17は直列接続される。第1ダイオード整流器16のアノード側にはリアクトル18の一端が接続され、そのリアクトル18の他端と第2ダイオード整流器17のカソード側間には分圧抵抗19、20の直列回路と抵抗21とコンデンサ22の直列回路からなるフィルタが接続される。
【0003】
23はIGBTスイッチで、このIGBTスイッチ23はリアクトル18の他端にエミッタ側が接続され、コレクタ側がリアクトル24を介してジャイラトロン発振管25のカソードに接続される。26はダイオード、27はアースラインである。アースライン27には過電流継電器28が設けられる。29はジャイラトロン発振管25のボディ電圧電源用の変圧器で、この変圧器29の2次側出力はダイオード整流器30に入力される。ダイオード整流器30のアノード・カソード間には抵抗31を介してトランジスタとツェナーダイオードからなる安定化回路32が設けられる。この安定化回路32で安定化された電圧がジャイラトロン発振管25に抵抗33、34を介して供給される。35は抵抗である。36は図5に示すAVR制御回路で、このAVR制御回路36は抵抗20の両端の直流電圧を検出し、この電圧が一定となるようにサイリスタ変換器12、13を制御するものである。
【0004】
図5はAVR制御回路を示すもので、41は設定電圧Vsetを設定する設定器、42は抵抗20の両端の直流電圧を検出する絶縁増幅器であり、設定電圧設定器41で設定した電圧と絶縁増幅器42で検出した直流電圧Vdetとを偏差検出部43に入力する。偏差検出部43の偏差出力は増幅器44で増幅し、偏差出力値に応じて位相制御回路45からサイリスタ変換器12、13に図示しないゲート回路を介してゲート位相制御出力が与えられる。このゲート位相制御出力によりサイリスタ変換器12、13は制御されることにより、前記直流電圧が一定となる。
【0005】
ところが、図4に示すIGBTスイッチ23が投入されると、負荷電流が急速に増加するため、直流電圧が低下する。これを防ぐため、フィルタのコンデンサ22のエネルギで一時的に直流電圧の落ち込み量を補償し、追いかけ制御により、直流電圧の落ち込みを持ち上げる方式(オブザーバ制御)がある。次に、このオブザーバ制御回路を図6に示す。
【0006】
図6において、51は設定電圧Vsetを設定する設定器で、この設定器51で設定された電圧Vsetは偏差検出部52、53のプラス端に与えられる。偏差検出部52、53のマイナス端には前記直流電圧Vdetが与えられる。偏差検出部52の偏差出力は増幅器54で増幅された後、極性反転増幅器55と積分回路56にそれぞれ入力される。極性反転増幅器55に入力された偏差出力は極性反転された後、微分回路57で微分されてから再び極性反転増幅器58で極性反転される。極性反転増幅器58の出力と積分回路56の出力は突き合わせ回路59に与えられた後、増幅器60で増幅されて偏差検出部61で設定値との偏差が取られる。偏差検出部61の偏差出力は増幅器62で増幅された後、リミッタ回路63を介して位相制御回路64に供給される。位相制御回路64には偏差検出部53の偏差出力を増幅器65で増幅した出力も供給される。このように構成されたオブザーバ制御回路によりサイリスタ変換器12、13を制御するようにすれば、直流電圧の落ち込み量を補償することができる。なお、66はスイッチである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前述のようにAVR制御回路だけでは、フィルタコンデンサ22の容量が非常に大きいため、増幅器44のゲイン定数は主回路の定数に合わせなければならなくなり、このため、応答が遅くなる。一方、前記AVR制御回路の問題を解決するために、オブザーバ制御回路では、急速な負荷投入があった場合(IGBTスイッチの投入)、増幅器65の応答が遅いため、直流電圧の過渡変動は大きくなる。これを補償するため、負荷投入の条件でスイッチ66をオンし、電圧設定と直流電圧の差が大きくなった時に、微分回路57を用いて増幅器65とは別に位相制御回路64にあるレベルの信号を入力して、すばやくゲート位相を進めてサイリスタ変換器12、13の制御を行うようにした。なお、積分回路56は位相信号補償のダンパ用である。
【0008】
上記のようにオブザーバ制御回路を使用することにより、負荷投入時の直流電圧の過渡変動の補償を行っているけれども、その過渡変動における直流電圧の低下は図7に示すように−29%にも達する。この程度の直流電圧の低下は直流電源とジャイラトロン発振管25との間にレギュレタ装置を設ければ、ジャイラトロン発振管は充分使用可能であるが、効率を良くし、かつ事故電流の急速遮断のため、IGBTスイッチを設けてレギュレタ装置を使用しないと、ジャイラトロン発振管にとっては、上記のような過渡変動が致命的になり、制御不能になってしまう恐れがあった。
【0009】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、直流電圧の過渡変動の範囲を小さくしたフィードフォワード制御装置を提供することを課題とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を達成するために、第1発明は、位相制御可能な半導体素子からなる交流−直流変換器と、この変換器により交流を直流に変換して負荷に直流電力を供給する直流回路を有し、直流回路にフィルタコンデンサを備えた電源供給回路において、
設定電圧を設定する設定器と、前記直流回路の直流電圧を検出する直流電圧検出部と、前記設定器で設定した設定電圧と前記直流電圧検出部で検出された直流電圧との偏差を得る偏差検出部と、前記直流電圧検出部で検出された直流電圧と負荷電流が入力されるとともに、前記偏差検出部の偏差出力、前記フィルタコンデンサの放電電流および負荷電流のピーク値がフィードフォワードとして入力され、両入力の偏差出力を得る多入力偏差検出部と、この多入力偏差検出部からの偏差出力が供給され、その偏差出力値に応じて、出力に前記交流−直流変換器を構成する半導体素子の位相制御信号を得る位相制御回路と、前記多入力偏差検出部に入力される前記負荷電流のピーク値を得るサンプリングホールド回路とを備えたことを特徴とするものである。
【0011】
第2発明は、位相制御可能な半導体素子からなる交流−直流変換器と、この変換器により交流を直流に変換して負荷に直流電力を供給する直流回路を有し、直流回路にフィルタコンデンサを備えた電源供給回路において、
設定電圧を設定する設定器と、前記直流回路の直流電圧を検出する直流電圧検出部と、前記設定器で設定した設定電圧と前記直流電圧検出部で検出された直流電圧との偏差を得る偏差検出部と、前記直流電圧検出部で検出された直流電圧と負荷電流が入力されるとともに、前記偏差検出部の偏差出力、前記フィルタコンデンサの放電電流および負荷電流のピーク値がフィードフォワードとして入力され、両入力の偏差出力を得る多入力偏差検出部と、この多入力偏差検出部からの偏差出力が供給され、その偏差出力値に応じて、出力に前記交流−直流変換器を構成する半導体素子の位相制御信号を得る位相制御回路と、前記多入力偏差検出部に入力される前記負荷電流のピーク値を得るサンプリングホールド回路と、
前記直流電圧検出部で検出された直流電圧が設定電圧に到達したことを確認する第1コンパレータ部と、前記フィルタコンデンサ電流検出部で検出されたコンデンサ充電電流減少を確認する第2コンパレータ部と、位相制御可能な半導体素子の位相が制御遅れ角約60°となったことを検出する位相制御角検出部と、それらの3つの確認信号をアンド条件として負荷側投入許可信号を作るタイミング発生回路とを備えたことを特徴とするものである。
【0012】
第3発明は、前記多入力偏差検出部はフィードフォワード入力がプラス入力端に供給され、直流電圧と負荷電流がマイナス入力端に供給されることを特徴とするものである。
【0013】
第4発明は、前記タイミング発生回路は、直流電圧確認信号、コンデンサ充電電流確認信号、位相制御可能な半導体素子の位相制御遅れ角確認信号が確立したことにより前記負荷側投入許可信号を生成することを特徴とするものである。
【0014】
なお、上記第2発明においては、前記直流回路の直流電圧を検出する直流電圧検出部と、設定器で設定した設定電圧と前記直流電圧検出部で検出された直流電圧との差が「0」となったことを確認する第1コンパレータ回路と、フィルタコンデンサ電流検出部と、充電電流設定器で設定した充電電流減少値と前記電流検出部で検出された電流との差が「0」となったことを確認する第2コンパレータ回路と、サイリスタゲートの位相制御遅れ角の検出部と、制御遅れ角設定器設定した約60°の値と前記遅れ角検出部で検出された角度との差が「0」となったことを確認する第3コンパレータ回路と、前記3つのコンパレータ回路出力信号のアンド条件を取る回路と、この負荷側投入許可信号をIGBTスイッチに供給することを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1はこの発明の実施の形態を述べるための制御回路で、図4と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図1において、71は設定電圧Vsetを設定する設定電圧設定器であり、72は抵抗20の両端の直流電圧を検出する絶縁増幅器である。前記設定電圧設定器71で設定した電圧と絶縁増幅器42で検出した直流電圧Vdetとは偏差検出部73に入力される。偏差検出部73の偏差出力は増幅器74で増幅されて多入力偏差検出部75の第1プラス入力端に供給される。
【0016】
偏差検出部75の第1マイナス入力端には直流電圧Vdetが入力され、第2マイナス入力端には負荷電流Idetが入力される。負荷電流はアースライン27に設けられた変流器からなる電流検出器76で検出される。電流検出器76で検出された負荷電流はサンプルホールド回路77に入力されてそのピーク値が偏差検出部75の第2プラス入力端に供給される。
【0017】
偏差検出部75の第3プラス入力端にはフィルタコンデンサ22の放電電流を変流器からなる電流検出器78で検出して供給される。このように、偏差検出部75は入力端に供給された値に応じた偏差出力を得る。この偏差出力は増幅器79を介して位相制御回路80に入力されると、位相制御回路80は入力された偏差値に応じた位相制御出力を得て、その出力をゲート回路81に与えてサイリスタ変換器12、13が制御される。
【0018】
図2は負荷側投入許可信号を発生するための制御回路構成図で、図2において、符号A〜Dは図1に示す符号A〜Dに接続され、それぞれフィルタコンデンサ電流検出値、直流電圧検出値、位相制御信号および設定電圧値である。91はフィルタコンデンサ充電電流減少設定器で、この設定器91の設定値とフィルタコンデンサ電流検出値Aとを突き合わせてコンデンサ充電電流用コンパレータ回路92に入力させる。直流電圧検出値Bは、直流電圧設定値Dと突き合わせて直流電圧検出用コンパレータ回路93に入力させ、位相制御信号Cはオンディレータイマ回路99の出力値と突き合わせて位相制御遅れ角用コンパレータ回路94に入力させる。3つのコンパレータ回路92、93、94の出力はアンド回路95に入力され、3つの出力のアンド条件が取れたときに、IGBTスイッチへの投入許可信号回路98が動作してIGBTスイッチへ信号が供給される。
【0019】
96は正弦波/矩形波変換回路、97は絶対値変換回路で、この絶対値変換回路97のプラス側のみの出力が制御遅れ角約60°を作るためのオンディレータイマ回路99に入力される。
【0020】
上記制御回路構成を使用して、IGBTスイッチをサイリスタのゲート信号位相が、約60°の時にオンさせることにより、制御の遅れを最小として電圧の落ち込み量を最も少なくすることができるようになる。
【0021】
上記のように、偏差検出部75には増幅器74の出力の他に、コンデンサ22の放電電流と負荷電流のピーク値がフィードフォワードとして入力され、負荷の急激な増加分と、それによるコンデンサ22の放電電流による補正分が入力されて直流電圧の過渡変動が低く抑えられる。図3は直流電圧の過渡変動が低く抑えられた測定結果を示す特性図である。この図3の特性図から過渡変動の範囲は、+4.6%〜−2.5%内にであることが判明した。
【0022】
この発明は上記のような実施の形態の交流電力制御以外にも適用することができ、例えば、サイリスタ整流器、GTOサイリスタ整流器、IGBTコンバータ等で直流側に大容量のフィルタコンデンサが存在し、かつ負荷の急激な変動のある回路にも適用できる。
【0023】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、フィードフォワード制御を適用したので、直流電圧の過渡変動の範囲を小さくできる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態を述べる回路構成図。
【図2】負荷側投入許可信号を発生するための制御回路構成図。
【図3】この発明の実施の形態による測定結果を示す直流出力電圧特性図。
【図4】ジャイラトロン発振管に供給する電源供給回路図。
【図5】AVR制御回路の詳細な回路構成図。
【図6】オブザーバ制御回路の詳細な回路構成図。
【図7】オブザーバ制御回路を使用したときの直流出力電圧特性図。
【符号の説明】
12、13…サイリスタ変換器
19、20、21…抵抗
22…コンデンサ
71…設定電圧設定器
72…絶縁増幅器
73…偏差検出部
74、79…増幅器
75…多入力偏差検出部
76、78…電流検出器
77…サンプルホールド回路
80…位相制御回路
81…ゲート回路
Claims (4)
- 位相制御可能な半導体素子からなる交流−直流変換器と、この変換器により交流を直流に変換して負荷に直流電力を供給する直流回路を有し、直流回路にフィルタコンデンサを備えた電源供給回路において、
設定電圧を設定する設定器と、前記直流回路の直流電圧を検出する直流電圧検出部と、前記設定器で設定した設定電圧と前記直流電圧検出部で検出された直流電圧との偏差を得る偏差検出部と、前記直流電圧検出部で検出された直流電圧と負荷電流が入力されるとともに、前記偏差検出部の偏差出力、前記フィルタコンデンサの放電電流および負荷電流のピーク値がフィードフォワードとして入力され、両入力の偏差出力を得る多入力偏差検出部と、この多入力偏差検出部からの偏差出力が供給され、その偏差出力値に応じて、出力に前記交流−直流変換器を構成する半導体素子の位相制御信号を得る位相制御回路と、前記多入力偏差検出部に入力される前記負荷電流のピーク値を得るサンプリングホールド回路とを備えたことを特徴とするフィードフォワード制御装置。 - 位相制御可能な半導体素子からなる交流−直流変換器と、この変換器により交流を直流に変換して負荷に直流電力を供給する直流回路を有し、直流回路にフィルタコンデンサを備えた電源供給回路において、
設定電圧を設定する設定器と、前記直流回路の直流電圧を検出する直流電圧検出部と、前記設定器で設定した設定電圧と前記直流電圧検出部で検出された直流電圧との偏差を得る偏差検出部と、前記直流電圧検出部で検出された直流電圧と負荷電流が入力されるとともに、前記偏差検出部の偏差出力、前記フィルタコンデンサの放電電流および負荷電流のピーク値がフィードフォワードとして入力され、両入力の偏差出力を得る多入力偏差検出部と、この多入力偏差検出部からの偏差出力が供給され、その偏差出力値に応じて、出力に前記交流−直流変換器を構成する半導体素子の位相制御信号を得る位相制御回路と、前記多入力偏差検出部に入力される前記負荷電流のピーク値を得るサンプリングホールド回路と、
前記直流電圧検出部で検出された直流電圧が設定電圧に到達したことを確認する第1コンパレータ部と、前記フィルタコンデンサ電流検出部で検出されたコンデンサ充電電流減少を確認する第2コンパレータ部と、位相制御可能な半導体素子の位相が制御遅れ角約60°となったことを検出する位相制御角検出部と、それらの3つの確認信号をアンド条件として負荷側投入許可信号を作るタイミング発生回路とを備えたことを特徴とするフィードフォワード制御装置。 - 前記多入力偏差検出部はフィードフォワード入力がプラス入力端に供給され、直流電圧と負荷電流がマイナス入力端に供給されることを特徴とする請求項1又は2記載のフィードフォワード制御装置。
- 前記タイミング発生回路は、直流電圧確認信号、コンデンサ充電電流確認信号、位相制御可能な半導体素子の位相制御遅れ角確認信号が確立したことにより前記負荷側投入許可信号を生成することを特徴とする請求項2記載のフィードフォワード制御装置。
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