JP3837579B2

JP3837579B2 - 印加電圧検出装置

Info

Publication number: JP3837579B2
Application number: JP33537298A
Authority: JP
Inventors: 充小室
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-11-26
Filing date: 1998-11-26
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2018-11-26
Also published as: JP2000166216A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、印加電圧検出装置に係り、特に、複数個直列接続された半導体スイッチング素子、例えばサイリスタに交流電圧が印加されたときの電圧の極性を検出するに好適な印加電圧検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、サイリスタを用いた高電圧サイリスタ装置、例えば３相電力変換器として６アームで構成されたものが知られている。従来、この種の電力変換器の各アームは複数個のサイリスタ素子が互いに直列に接続されて構成されている。各アームのサイリスタ素子を点弧するに際しては、各アームのサイリスタ素子に印加される交流信号の極性を判別し、この判別結果にしたがって各アームのサイリスタ素子の点弧角を制御することが行われている。そして各アームのサイリスタ素子に印加される電圧の極性を検出する印加電圧検出装置として、従来、例えば、特開平１０−８４６６６号公報に記載されているものが知られている。この装置においては、各アームのサイリスタ素子に印加される交流電圧の極性を判定するに際して、アームを構成する各サイリスタ素子と並列に分圧回路を接続し、各分圧回路に、各サイリスタ素子に順方向電圧が印加されたときに発光する順方向電圧検出用発光ダイオードを接続し、各発光ダイオード近傍に、発光ダイオードの発光による光信号を受光して伝送するライトガイドを配置し、各ライトガイドの端部に光電変換器をそれぞれ接続し、各発光ダイオードが発光したときに、各光電変換器から順電圧信号を出力するとともに、複数のサイリスタ素子のうち単一のサイリスタ素子（特定のサイリスタ素子）に設けられた発光ダイオードと並列に、このサイリスタ素子に逆方向電圧が印加されたときに発光する逆方向電圧検出用発光ダイオードを接続し、この発光ダイオード近傍に、発光ダイオードからの光を受光して伝送するライトガイドを配置するとともに、このライトガイドの端部に光電変換器を接続し、この光電変換器から逆電圧信号を出力する構成が採用されている。すなわちアームを構成する複数のサイリスタ素子に順電圧信号を伝送するためのライトガイドをそれぞれ配置するとともに、特定のサイリスタ素子に逆電圧信号を伝送するためのライトガイドを配置する構成が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術においては、アームを構成する各サイリスタ素子に順電圧信号を伝送するためのライトガイドを設けるとともに、特定のサイリスタ素子には逆電圧信号を伝送するためのライトガイドを設けなければならず、ライトガイドの本数が多くなる。特に、一つのアームを複数個のユニットに分け、ユニットごとにサイリスタ素子の動作を制御する場合、ユニットごとに逆電圧信号を伝送するためのライトガイドが必要となり、ライトガイドの本数の膨大に伴って、システムのコストが高くなる。
【０００４】
本発明の目的は、半導体スイッチング素子に順方向電圧が印加されたときの信号を伝送する光信号伝送系と半導体スイッチング素子に逆方向電圧が印加されたときの信号を伝送する光信号伝送系とを共用することができる印加電圧検出装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決るための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、交流信号に応答する第１の半導体スイッチング素子に接続されて第１の半導体スイッチング素子に印加される交流信号を全波整流する整流手段と、この整流手段の整流出力により発光する第１の発光手段と、第１の発光手段の発光による光信号を受光して伝送する第１の光信号伝送手段と、第１の光信号伝送手段の伝送による光信号を電気信号に変換する第１の光電変換手段と、前記第１の半導体スイッチング素子と直列接続された第２の半導体スイッチング素子に接続されて前記第２の半導体スイッチング素子に順方向電圧が印加されたときに発光する第２の発光手段と、第２の発光手段の発光による光信号を受光して伝送する第２の光信号伝送手段と、第２の光信号伝送手段の伝送による光信号を電気信号に変換する第２の光電変換手段と、前記第１の光電変換手段の出力信号と前記第２の光電変換手段の出力信号とから前記第１の半導体スイッチング素子に印加される交流信号の電圧の極性を判定し、この判定結果に応じた信号を出力する電圧方向判定手段とを備えてなる印加電圧検出装置を構成したものである。
【０００６】
前記印加電圧検出装置を構成するに際しては、電圧方向判定手段を、第１の光電変換手段と第２の光電変換手段からそれぞれ発光に伴う電気信号が出力されたときに第１の半導体スイッチング素子に順方向電圧が印加されたと判定し、第１の光電変換手段のみから発光に伴う電気信号が出力されたときには第１の半導体スイッチング素子に逆方向電圧が印加されたと判定し、各判定結果に応じた信号を出力する機能を有するもので構成することができる。
【０００７】
また、本発明は、交流信号に応答する第１の半導体スイッチング素子に接続されて第１の半導体スイッチング素子に印加される交流信号を全波整流する整流手段と、この整流手段の整流出力により発光する第１の発光手段と、前記第１の半導体スイッチング素子と直列接続された第２の半導体スイッチング素子に並列接続されて前記第２の半導体スイッチング素子に順方向電圧が印加されたときに発光する第２の発光手段と、前記第１の発光手段の出力による光信号と前記第２の発光手段の出力による光信号をそれぞれ光信号伝送系を介して入力し、入力した光信号を基に前記第１の半導体スイッチング素子に印加される交流信号の電圧の極性を判定し、この判定結果に応じた信号を出力する極性判定手段とを備えてなる印加電圧検出装置を構成したものである。
【０００８】
前記印加電圧検出装置を構成するに際しては、極性判定手段を、第１の発光手段と第２の発光手段からそれぞれ発光に伴う光信号が出力されたときに第１の半導体スイッチング素子に順方向電圧が印加されたと判定し、第１の発光手段からのみ発光に伴う光信号が出力されたときには第１の半導体スイッチング素子に逆方向電圧が印加されたと判定し、各判定結果に応じた信号を出力する機能を有するもので構成することができる。
【０００９】
前記した手段によれば、第１のスイッチング素子に印加される交流信号を全波整流し、この全波整流による整流出力によって第１の発光手段から光を発光させる。すなわち第１の半導体スイッチング素子に順方向電圧または逆方向電圧が印加されたときに第１の発光手段から発光させ、この発光による光信号を光信号伝送系（第１の光信号伝送手段）を介して伝送し、この光信号と、第２の半導体スイッチング素子に順方向電圧が印加されたときに発光する第２の発光手段からの光信号とを基に第１の半導体スイッチング素子に印加される交流信号の電圧の極性を判定するようにしているため、光信号伝送系（第１の光信号伝送手段）に順方向電圧に伴う光信号と逆方向電圧に伴う光信号をともに伝送しても交流信号の電圧の極性を判定することができ、光信号伝送系を共用することが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す回路構成図、図２は図１に示す装置が適用された電力変換装置の回路図である。図１および図２において、印加電圧検出装置は、例えば、図２に示すように、高電圧サイリスタ装置としての電力変換装置１００の各アーム１０２〜１１２に設けられており、各アーム１０２〜１１２に印加される３相交流電圧（３相交流信号）の極性を判定し、この判定結果に応じた信号をスイッチング制御装置（図示省略）へ出力するように構成されている。
【００１１】
具体的には、印加電圧検出装置は、図１に示すように、例えば、アーム１０２を構成する複数の半導体スイッチング素子（第１の半導体スイッチング素子）としてのサイリスタ素子１、１１、２１、……に並列に、分圧回路を構成する電流制限抵抗２、１２、２２とツェナーダイオード（電圧リミット回路）３、１３、２３がそれぞれ直列接続された状態で接続されている。この分圧回路の抵抗値は、電流制限抵抗２、１２、２２の両端に印加される電圧よりも低い電圧が各ツェナーダイオード３、１３、２３の両端に印加されるように設定されている。また、サイリスタ素子１、１１、２１、……のうち各サイリスタ素子に逆方向電圧が印加されたときの回復時間が最も遅いサイリスタ素子、例えば、サイリスタ素子１に接続されたツェナーダイオード３の両端にはツェナーダイオード３の両端に印加される交流信号を全波整流する整流手段としてのダイオード８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが接続されている。これら整流用ダイオード８ａ〜８ｄから構成される整流器８は電流制限抵抗５を介して発光ダイオード４に接続されている。この整流器８はツェナーダイオード１に順方向電圧あるいは逆方向電圧が印加されたときにそれぞれ整流出力を発生するようになっている。そして、発光ダイオード４は整流器８の各整流出力によって発光するようになっている。すなわち、発光ダイオード４は、整流器８の全波整流出力によって発光する第１の発光手段として構成されている。
【００１２】
一方、サイリスタ素子１１に接続されたツェナーダイオード１３の両端には電流制限抵抗１５を介して発光ダイオード１４が接続され、サイリスタ素子２１に接続されたツェナーダイオード２３の両端には電流制限抵抗２５を介して発光ダイオード２４が接続されている。発光ダイオード１４、２４は、サイリスタ素子１１、２１にそれぞれ順方向電圧が印加されたときにのみ発光する第２の発光手段とし構成されている。
【００１３】
また、発光ダイオード４、１４、２４近傍には、光信号伝送系として、各発光ダイオード４、１４、２４の発光による光信号を受光して伝送するライトガイド６、１６、２６が配置されている。ライトガイド６は第１の光信号伝送手段として、ライトガイド１６、２６は第２の光信号伝送手段として、例えば光ケーブルで構成されており、各ライトガイド６、１６、２６の端末が光電変換器７、１７、２７にそれぞれ接続されている。
【００１４】
光電変換器７はライトガイド６の伝送による光信号を電気信号に変換する第１の光電変換手段として、光電変換器１７、２７はそれぞれライトガイド１６、２６の伝送による光信号を電気信号に変換する第２の光電変換手段として構成されており、各光電変換器７、１７、２７の出力側が電圧方向判定回路９、１９に接続されている。伝送方向判定回路９は、例えば、３入力ＡＮＤゲートで構成されており、電圧方向判定回路１９は、例えば、３入力のうち光電変換器１７、２７からの論理を反転する３入力ＡＮＤゲートで構成されている。そして電圧方向判定回路９、１９は電圧方向判定手段として構成されており、また光電変換器７とともに極性判定手段を構成するようになっている。すなわち、発光ダイオード４、１４、２４の発光に伴って、光電変換器７、１７、２７からそれぞれハイレベルの信号が出力されたときには、各サイリスタ素子１、１１、２１に順方向電圧が印加されたとして、電圧方向判定回路９からハイレベルの順方向電圧信号（順電圧信号）を出力し、光電変換器７からのみハイレベルの信号が出力され、発光ダイオード１４、２４が非発光状態で光電変換器１７、２７からはローレベルの信号が出力されたときには、サイリスタ素子１に逆方向電圧が印加されたと判定して、電圧方向判定回路１９からハイレベルの逆方向電圧信号（逆電圧信号）を出力するようになっている。
【００１５】
次に、図１に示す装置の作用を図３のタイムチャートにしたがって説明する。
【００１６】
まず、各サイリスタ１、１１、２１にそれぞれ交流電圧が印加されてオンオフ動作が繰り返される過程で、サイリスタ素子１の両端に、図３（ａ）に示すような電圧が発生したとすると、順方向電圧が発生している期間（タイミングｔ１とタイミングｔ２の間およびタイミングｔ４とタイミングｔ５の間）、サイリスタ素子１の両端に印加される交流電圧は電流制限抵抗２とツェナーダイオード３によって分圧され、この分圧に応じた交流信号がダイオード８ａ、８ｂを介して整流され、発光ダイオード４が点灯する（発光する）。
【００１７】
次にサイリスタ１に逆方向電圧が発生すると、この期間（タイミングｔ２とタイミングｔ３の間およびタイミングｔ５とタイミングｔ６の間）、逆方向電圧が電流制限抵抗２、ツェナーダイオード３によって分圧され、この分圧に応じた交流信号がダイオード８ｃ、８ｄを介して整流され、整流された電流が電流制限抵抗５を介して発光ダイオード４に流れ、発光ダイオード４が点灯する。すなわち、発光ダイオード４は、サイリスタ素子１に順方向電圧および逆方向電圧が印加されている期間、すなわちタイミングｔ１とタイミングｔ３の間およびタイミングｔ４とタイミングｔ６の間、点灯し、図３（ｂ）に示すように、発光に伴う電流が流れる。そして発光ダイオード４の発光による光信号はライトガイド６を介して伝送され、この光信号は光電変換器７でハイレベルの電気信号に変換されて電圧方向判定回路９、１９に入力される。
【００１８】
一方、サイリスタ素子１に順方向電圧が印加されている期間、サイリスタ素子１１、２１にも順方向電圧が印加されているため、各サイリスタ素子１１、２１に順方向電圧が発生している期間、サイリスタ素子１１、２１に印加された電圧が電流制限抵抗１２、２２とツェナーダイオード１３、２３によって分圧され、この分圧に応じた電流が電流制限抵抗１５、２５を介して発光ダイオード１４、２４に流れ、各発光ダイオード１４、２４は、図３（ｃ）に示すように、サイリスタ素子１１、２１にそれぞれ順方向電圧が印加されている期間、発光することになる。なお、サイリスタ素子１１、２１に逆方向電圧が印加されたときには発光ダイオード１４、２４は消灯することになる。
【００１９】
発光ダイオード１４、２４の発光に伴う光信号はそれぞれライトガイド１６、２６を介してそれぞれ光電変換器１７、２７に供給される。そして各光電変換器７、１７、２７からそれぞれ発光に伴うハイレベルの電気信号が発生したときには、この電気信号は論理１の信号として電圧方向判定回路９、１９に入力される。これら電気信号のうち光電変換器１７、２７からの信号が電圧方向判定回路１９に入力されたときには、これらの信号の論理は反転するため、図３（ｄ）に示すように、サイリスタ素子１１、２１に逆方向電圧が印加されたときに論理１の信号が電圧方向判定回路１９に入力される。したがって、光電変換器７、１７、２７からそれぞれ論理１の信号、すなわちハイレベルの電気信号が出力されたときに、電圧方向判定回路９からサイリスタ素子１に順方向電圧が印加されたとして順方向電圧信号が出力される。
【００２０】
一方、光電変換器７からのみハイレベルの信号、すなわち論理１の信号が出力され、光電変換器１７、２７からは論理０の信号、すなわちローレベルの信号が出力されたときには、図３（ｂ）に示す信号と図３（ｄ）に示す信号の論理積を条件に、電圧方向判定回路１９から、サイリスタ素子１に逆方向電圧が印加されたとして逆方向電圧信号が出力される。
【００２１】
電圧方向判定回路９、１９からそれぞれ発生する順方向電圧信号と逆方向電圧信号がスイッチング制御装置に入力されると、スイッチング制御装置においてサイリスタ素子１をオンオフするための制御が行われる。この場合、サイリスタ素子１に逆方向電圧が印加された後、サイリスタ素子１の両端電圧が０になったことを検出したことを条件に、各サイリスタ素子１、１１、２１に導通用スイッチング信号（点弧パルス）を印加することで、各サイリスタ素子１、１１、２１を同時に点弧することができるとともに、アーム１０２の特定のサイリスタ素子、例えば、サイリスタ素子１の回復時間が最も遅くても、サイリスタ素子１にのみ高電圧が印加されるのを防止することができる。
【００２２】
前記実施形態においては、電圧方向判定回路９、１９に、光電変換器１７、２７からの信号を入力するものについて述べたが、電圧方向判定回路９、１９を２入力ＡＮＤゲートで構成し、光電変換器１７、２７のうち一方の光電変換器からの信号を入力するだけで、サイリスタ素子１に順方向電圧または逆方向電圧が印加されたことを検出することができる。この場合、従来、サイリスタ素子１に対してライトガイドを２本設け、サイリスタ素子１１にライトガイドを１本設けていたのに対して、サイリスタ素子１、１１にそれぞれライトガイド６、１６を設ければよく、ライトガイドの本数を少なくすることができ、システムのコストの低減に寄与することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のよれば、第１の半導体スイッチング素子に印加される交流信号を全波整流し、この全波整流による整流出力によって第１の発光手段を発光させ、第１の発光手段の発光に伴う光信号を光信号伝送系を介して伝送し、この光信号の論理と、第２の半導体スイッチング素子の状態を伝送する光信号伝送系からの光信号の論理とを判定して第１の半導体スイッチング素子に順方向電圧または逆方向電圧が印加されることを検出するようにしたため、順方向電圧検出信号を伝送する系と逆方向電圧検出信号を伝送する系を共用することができ、システムのコストの低減に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す印加電圧検出装置の回路構成図である。
【図２】本発明に係る装置が適用された電力変換装置の回路構成図である。
【図３】図１に示す装置の作用を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
１、１１、２１、… サイリスタ素子
２、１２、２２電流制限抵抗
３、１３、２３ツェナーダイオード
４、１４、２４発光ダイオード
５、１５、２５電流制限抵抗
６、１６、２６ライトガイド
７、１７、２７光電変換器
８整流器
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄダイオード
９、１９電圧方向判定回路

Claims

交流信号に応答する第１の半導体スイッチング素子に接続されて第１の半導体スイッチング素子に印加される交流信号を全波整流する整流手段と、この整流手段の整流出力により発光する第１の発光手段と、第１の発光手段の発光による光信号を受光して伝送する第１の光信号伝送手段と、第１の光信号伝送手段の伝送による光信号を電気信号に変換する第１の光電変換手段と、前記第１の半導体スイッチング素子と直列接続された第２の半導体スイッチング素子に接続されて前記第２の半導体スイッチング素子に順方向電圧が印加されたときに発光する第２の発光手段と、第２の発光手段の発光による光信号を受光して伝送する第２の光信号伝送手段と、第２の光信号伝送手段の伝送による光信号を電気信号に変換する第２の光電変換手段と、前記第１の光電変換手段の出力信号と前記第２の光電変換手段の出力信号とから前記第１の半導体スイッチング素子に印加される交流信号の電圧の極性を判定し、この判定結果に応じた信号を出力する電圧方向判定手段とを備えてなる印加電圧検出装置。
交流信号に応答する第１の半導体スイッチング素子に並列接続されて第１の半導体スイッチング素子に印加される交流信号を全波整流する整流手段と、この整流手段の整流出力により発光する第１の発光手段と、第１の発光手段の発光による光信号を受光して伝送する第１の光信号伝送手段と、第１の光信号伝送手段の伝送による光信号を電気信号に変換する第１の光電変換手段と、前記第１の半導体スイッチング素子と直列接続された第２の半導体スイッチング素子に並列接続されて前記第２の半導体スイッチング素子に順方向電圧が印加されたときに発光する第２の発光手段と、第２の発光手段の発光による光信号を受光して伝送する第２の光信号伝送手段と、第２の光信号伝送手段の伝送による光信号を電気信号に変換する第２の光電変換手段と、前記第１の光電変換手段と前記第２の光電変換手段からそれぞれ発光に伴う電気信号が出力されたときに前記第１の半導体スイッチング素子に順方向電圧が印加されたと判定し、前記第１の光電変換手段のみから発光に伴う電気信号が出力されたときには前記第１の半導体スイッチング素子に逆方向電圧が印加されたと判定し、各判定結果に応じた信号を出力する電圧方向判定手段とを備えてなる印加電圧検出装置。
交流信号に応答する第１の半導体スイッチング素子に並列接続されて第１の半導体スイッチング素子に印加される交流信号を全波整流する整流手段と、この整流手段の整流出力により発光する第１の発光手段と、前記第１の半導体スイッチング素子と直列接続された第２の半導体スイッチング素子に並列接続されて前記第２の半導体スイッチング素子に順方向電圧が印加されたときに発光する第２の発光手段と、前記第１の発光手段の出力による光信号と前記第２の発光手段の出力による光信号をそれぞれ光信号伝送系を介して入力し、入力した光信号を基に前記第１の半導体スイッチング素子に印加される交流信号の電圧の極性を判定し、この判定結果に応じた信号を出力する極性判定手段とを備えてなる印加電圧検出装置。
交流信号に応答する第１の半導体スイッチング素子に並列接続されて第１の半導体スイッチング素子に印加される交流信号を全波整流する整流手段と、この整流手段の整流出力により発光する第１の発光手段と、前記第１の半導体スイッチング素子と直列接続された第２の半導体スイッチング素子に並列接続されて前記第２の半導体スイッチング素子に順方向電圧が印加されたときに発光する第２の発光手段と、前記第１の発光手段と前記第２の発光手段にそれぞれ光信号伝送系を介して接続されて前記第１の発光手段と前記第２の発光手段からそれぞれ発光に伴う光信号が出力されたときに前記第１の半導体スイッチング素子に順方向電圧が印加されたと判定し、前記第１の発光手段からのみ発光に伴う光信号が出力されたときには前記第１の半導体スイッチング素子に逆方向電圧が印加されたと判定し、各判定結果に応じた信号を出力する極性判定手段とを備えてなる印加電圧検出装置。