JP3866515B2

JP3866515B2 - 分路接続サイリスタスイッチコンデンサにおける半導体バルブの電子ユニットへの電力供給装置

Info

Publication number: JP3866515B2
Application number: JP2000538419A
Authority: JP
Inventors: セッパネン、アリ; ブロー、ブヨルン
Original assignee: エービービーアクチボラゲット
Priority date: 1998-03-23
Filing date: 1999-02-22
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2019-02-22
Also published as: JP2002508647A; EP1064714A1; WO1999049558A1; SE9800956D0; SE9800956L; SE510473C2; US6255806B1

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、分路接続サイリスタスイッチコンデンサにおける半導体バルブの制御可能半導体素子に対する電子ユニットへ給電する供給装置に関し、コンデンサは、既知の周期で交流を運ぶようにされ、半導体バルブは、第１および第２の端子を有する半導体素子の過渡保護用スナバ回路を含む。
【０００２】
（背景技術）
分路接続電力網およびこれに接続された装置の無効消費電力を補償するための静止補償器を分路接続電力網に接続することが知られている。このような補償器の一種は、少なくとも１つの、通常は複数の、サイリスタスイッチコンデンサ（ＴＳＣ）を含む。サイリスタスイッチコンデンサは、実質的に制御可能半導体バルブと直列接続のコンデンサを含む。さらに、誘導要素（インダクタ）が通常、コンデンサに直列接続され、コンデンサが電力網に接続される時にコンデンサを流れる電流の変化率を制限し、かつ電力網内に配置された誘導素子との共振現象を回避する。
【０００３】
制御可能半導体バルブは、逆並列接続とされた少なくとも２つの制御可能半導体素子、通常は、サイリスタを含む。半導体素子を導通状態とすることにより、すなわち、それらの点弧時間を交流網の電圧の位相位置に対して制御することにより、コンデンサを電力網に接続して無効電力を発生することができる。この応用において、コンデンサの概念には、コンデンサが複数の相互接続された容量要素（サブコンデンサ）からなり、それらの全てが制御可能半導体バルブにより共通接続されているケースも含まれる。さらに、半導体バルブは、複数の互いに直列接続され、通常は、対として逆並列接続された半導体素子を含むことができ、その各々が点弧指令により制御される。制御装置は、半導体バルブに含まれる半導体素子に対する個別の点弧パルスを発生する。
【０００４】
図１は、前記した種類の静止補償器を示し、変圧器ＴＲを介して交流網Ｎ１に接続されている。補償器は、３つのコンデンサＣＡ，ＣＢ，ＣＣを含み、各々は、それぞれ制御可能半導体バルブＶＡ，ＶＢ，ＶＣおよびインダクタＬＡ，ＬＢ，ＬＣを介して共通電圧バスバーＢＢに分路接続されている。半導体バルブは、逆並列接続された２つの半導体素子Ｔ１，Ｔ２を有するように図示されている。制御装置ＣＥＱは、それぞれ、点弧指令ＣＯＡ，ＣＯＢ，ＣＯＣを半導体バルブへ供給する。
【０００５】
サイリスタスイッチコンデンサおよびその制御の一般的な説明については、例えば、

High Power Electronics HVDC and SVC,Stockholm １９９０の特に第１０−１頁から第１０−７頁が参照される。
【０００６】
定常状態でサイリスタスイッチコンデンサを流れる電流は、その両端間の電圧よりも電気角で９０°進んだ位相位置を有するため、半導体バルブの２つの逆並列接続された半導体素子には、サイリスタスイッチコンデンサの両端間の電圧に対する基本音の時間変化率の符号が正値から負値へ、その逆に、変化する時に交互に点弧指令を与えなければならない。電圧の位相位置が０°において、その振幅がゼロであり、正方向に増加するように定義される場合には、定常状態条件の下で、これらの符号反転は、９０°および２７０°の電気角で行われる。前記した時間変化率の符号が正値から負値へ変化する場合には、導通方向が次の間隔、すなわち、前記した定義から９０°から２７０°の間隔において予期される電流方向と一致する半導体素子に点弧指令を与えなければならない。前記した時間変化率の符号が再度、変化する場合には、導通方向が次に続く間隔、すなわち、前記した定義から２７０°から４５０°の間隔において予期される電流方向と一致する他方の半導体素子に点弧指令を与えなければならない。
【０００７】
例えば、交流網、すなわち電圧バスバーＢＢの電圧を一定に維持する電圧制御システムに従って、点弧指令の発生を終わらせる場合には、半導体バルブを流れる電流は、電流の次のゼロ交差で途絶える。したがって、コンデンサの電圧は、そこを流れる電流が途絶える時に電力網の電圧によって決まるレベルにとどまる。前記した定義に従って点弧指令が再発生され、かつ電圧バスバーの電圧が不変であれば、本質的に電流および電圧のいかなる過渡現象もなくコンデンサの接続が行われる。
【０００８】
通常、各半導体素子には表示装置付き電子ユニットが関連しており、本質的に既知の方法で、半導体素子の各導通方向において、その両端間にオフ状態電圧が存在することを示す表示信号を発生する。典型的に、表示信号は、サイリスタの形の半導体素子の両端間でオフ状態電圧がおよそ５０Ｖとなる時に発生される。これらの表示信号は、通常、半導体の電位から光ガイドを経て接地電位とされた制御装置へ転送される。
【０００９】
同様に、本質的に既知の方法で、制御装置は、受信した表示信号に従って点弧指令を発生し、通常は、やはり光ガイドを経て電子ユニットへ供給する。したがって、一般的に、電子ユニットは、光の形の点弧指令を各半導体素子に対する電気的点弧信号へ変換する部品を有する回路を含む。
【００１０】
導通状態の変化に関連する半導体素子の電流および電圧ストレスを制限するために、過渡保護回路、いわゆるスナバ回路が通常、半導体素子と並列接続され、この回路は、抵抗および容量部品の直列接続を含む。
【００１１】
電子ユニットの前記した機能は、電気的エネルギを必要とし、したがって電子ユニットは、電源へのアクセスを持たなければならない。この電源は、接地電位からガルバニック的に分離しなければならず、したがってサイリスタスイッチコンデンサが接続される交流網から電力を供給しなければならない。
【００１２】
電子ユニットは、通常、供給電圧の電圧レベルに従って各半導体素子を点弧させるために制御装置から受信する点弧指令を半導体素子へ転送するゲート回路も含む。
【００１３】
このサイリスタスイッチコンデンサ用電源の既知の構成方法を図２に示す。図は、前記した種類の半導体バルブの一部を略示するものであり、逆並列接続の２つのサイリスタＴ１，Ｔ２に直列接続されたスナバコンデンサＣＳおよびスナバ抵抗ＲＳを有するスナバ回路ＳＣを含む。供給装置ＦＤ１，ＦＤ２は、それぞれ、サイリスタＴ１，Ｔ２に対する電子ユニット（図示せず）へ電気エネルギを供給するようにされている。各供給装置は、それぞれ、Ｃ１，Ｃ２として図示するコンデンサの形のエネルギ貯蔵装置を含む。ＵＦ１，ＵＦ２として図示するコンデンサの両端間の電圧は、各電子ユニットへ供給される。サイリスタスイッチコンデンサを通る交流が流れる一次巻線を有する変流器（全体は図示せず）は、いくつかの独立した二次巻線を有し、その内の２つ（Ｓ１およびＳ２）が図示される。供給装置ＦＤ１は、さらにダイオードＤａ１，Ｄａ２を含む。二次巻線Ｓ１を電流が流れる場合には、供給装置ＦＤ１を通る電流経路は、ダイオードＤａ２、コンデンサＣ１およびサイリスタＴ２に直列接続されたサイリスタＴ２’に対する電子ユニット（図示せず）に給電する供給装置ＦＤ２’のツェナーダイオードＺｃを経て閉じられる。供給装置ＦＤ２’が存在しない場合には、電流経路は、供給装置ＦＤ１のツェナーダイオードＺａ’を経て閉じられる。したがって、コンデンサＣ１は、二次巻線Ｓ１を流れる電流を介してエネルギが供給される。
【００１４】
サイリスタＴ１は、１つのアノード端子ＴＡ１および１つのカソード端子ＴＣ１を有する。変流器を電流が流れない、すなわち、半導体素子が非導通状態であり、かつアノードおよびカソード端子間の電圧が正の時間変化率を示す場合には、供給装置ＦＤ２のダイオードＤａ１，スナバ回路ＳＣおよびダイオードＤ１１を経てアノード端子ＴＡ１から電流経路を通ってコンデンサＣ１へ少量のエネルギが供給される。従来、エネルギ貯蔵は、交流の複数サイクルにわたる電子ユニットの安全機能に対して十分なエネルギを含むように設計されるが、電子ユニットの安全機能に対して十分な電圧レベルおよびエネルギ内容を達成するためのエネルギ貯蔵にとって十分な量のエネルギをスナバ回路を経て供給するのに、複数の交流サイクルを必要とすることを意味する。したがって、この解決法は、電子ユニットのエネルギ要求が変流器からの供給を介して補償されるものと予め仮定しており、もちろん、この部品は、電子ユニットへのエネルギ供給システムを複雑化し、より高価なものとする。
【００１５】
図３は、交流および高電圧直流間の変換を行う変換器に含まれる半導体バルブの対応する種類の電子ユニットへエネルギを供給する既知のシステムを示す。半導体バルブに含まれるサイリスタＴ１は、アノード端子ＴＡ１およびカソード端子ＴＣ１間に接続されたスナバ回路ＳＣを有する。スナバ回路は、抵抗ＲＳ１とコンデンサＣＳ１の第１の直列接続を含み、抵抗ＲＳ２とコンデンサＣＳ２の第２の直列接続に直列接続されている。コンデンサＣＳ３と抵抗ＲＳ３の第３の直列接続が前記したコンデンサ間の接続点とサイリスタＴ１に対する電子ユニット（図示せず）にエネルギを供給する供給装置ＦＤＨとの間に接続されている。アノードおよびカソード端子間の電圧が正の時間変化率を示す場合には、アノード端子から第１および第３の直列接続、供給装置のダイオードＤ１１およびコンデンサＣ１ｈの形のエネルギ貯蔵装置を経てカソード端子までの電流経路が形成される。コンデンサＵＦ１ｈの両端間の電圧は、電子ユニットへ供給される。エネルギ貯蔵は、交流の１サイクル中にエネルギユニットの安全機能にとって十分な電圧レベルおよびエネルギ内容を達成するためのエネルギ貯蔵に対して十分大きい量のエネルギが前記した電流経路を経て各サイクル中に充電されるように設計されている。スナバ回路は、分圧回路として設計されるが、このことは、スナバ回路を流れる電流の一部しか供給装置に供給されないことを意味する。
【００１６】
（発明の概要）
本発明の目的は、変流器を経たエネルギ供給の必要性をなくし、供給装置および電子ユニットへエネルギ供給するスナバ回路を流れる電流を完全に利用し、かつ、その回路設計により単純で、信頼度が高く経済的に有利な設計に寄与し、明細書の導入部で述べた種類の改良型供給装置を提供することである。
【００１７】
本発明は、１つの第１端子と１つの第２端子を有する半導体素子のスナバ回路、電気エネルギを蓄えるエネルギ貯蔵装置を有する供給装置、バルブ端子、スナバ端子、エネルギ貯蔵装置に接続された供給端子、およびスナバ端子から供給端子までの第１の電流経路を有する供給装置を配置し、バルブ端子は、カソード端子に接続され、スナバ端子は、スナバ回路の１つの端子に接続され、供給端子は、電子ユニットに接続され、スナバ回路は、スナバ端子からカソード端子の方向へエネルギ貯蔵装置に充電電流を運ぶ第２の電流経路がアノード端子からスナバ回路を介してスナバ端子、エネルギ貯蔵装置を経てカソード端子まで形成されるように接続され、さらに交流１サイクル中の電子ユニットのエネルギ要求よりも大きく、２サイクル中のエネルギ要求よりも小さい量のエネルギを蓄えるようにエネルギ貯蔵装置を設計することにより達成される。
【００１８】
このようにして、変流器を省くことができ、全電流をスナバ回路を通って直接電子ユニットおよび供給装置のエネルギ貯蔵装置へ運ぶ電流経路を形成することができる。
【００１９】
本発明の有利な改良点は、下記の説明および特許請求の範囲から明らかとなる。
【００２０】
（好ましい実施例の説明）
図４は、本発明に従った供給装置の実施例を示す。半導体バルブは、逆並列接続されたサイリスタＴ１，Ｔ２の形の２つの半導体素子を含み、その各々がそれぞれ電子ユニットＥＵ１，ＥＵ２を有している。電子ユニットは、前記した種類のものであり制御装置ＣＥＱへ供給される表示信号ＩＰ１，ＩＰ２を形成する。制御装置は、前記したように、点弧指令ＦＯ１，ＦＯ２を形成し、電子ユニットへ供給する。信号伝送は、光ガイドＬＩＣ１，ＬＩＣ２を介して行われる。各サイリスタは、それぞれ、アノード端子ＴＡ１，ＴＡ２およびカソード端子ＴＣ１，ＴＣ２を有する。アノード端子ＴＡ１およびカソード端子ＴＣ２は、インダクタＬＡに接続され、アノード端子ＴＡ２およびカソード端子ＴＣ１は、コンデンサＣＡに接続されている。次に、インダクタは、例えば、図１に示すように、既知の周期Ｔを有する交流回路（図示せず）に接続されている。
【００２１】
さらに、半導体バルブは、抵抗ＲＳとコンデンサＣＳの直列接続と第１の端子ＣＳ１および第２の端子ＣＳ２を有するスナバ回路ＳＣを含む。
【００２２】
電子装置ＥＵ１へ給電する第１の供給装置ＦＤ１は、電気エネルギを蓄えるコンデンサＣ１の形のエネルギ貯蔵装置、バルブ端子Ｊ１３、スナバ端子Ｊ１２および供給端子Ｊ１１を含む。コンデンサＣ１は、バルブ端子と供給端子間に接続されている。バルブ端子は、半導体素子のカソード端子に接続され、スナバ端子は、スナバ回路の１つの端子（端子ＣＳ１）に接続され、供給端子は、電子ユニットに接続される。供給装置は、スナバ端子から抵抗Ｒ１およびダイオードＤ１１を経て供給端子までの第１の電流経路を有し、電流は、スナバ端子から供給端子へは流れることができるが、逆方向へは流れることができないようにされる。電子ユニットＥＵ２への給電に対しては、同種の第２の供給装置ＦＤ２が設けられ、供給装置に含まれる部品および同種の端子は、対応する記号で図示され、したがって、第２の供給装置に対して最初の図面の図１の参照番号は、図２により置換される。
【００２３】
スナバ回路は、スナバ端子からバルブ端子の方向でエネルギ貯蔵装置へ充電電流を運ぶ第２の電流経路がアノード端子からスナバ回路を介してスナバ端子まで、かつエネルギ貯蔵装置およびバルブ端子を経てカソード端子まで形成されるように接続される。供給装置は、さらに各バルブ端子から、それぞれ、ダイオードＤ１２およびＤ２２を介して各スナバ端子までの第２の電流経路に並列の第３の電流経路を含み、バルブ端子からスナバ端子、さらにはスナバ回路の方向へ並列電流を運ぶが、逆方向には運ばない。したがって、スナバ回路は、第１の供給装置ＦＤ１のスナバ端子Ｊ１２と第２の供給装置ＦＤ２のスナバ端子Ｊ２２間に直列回路として接続される。
【００２４】
供給端子の電圧ＵＦ１を制限するためにツェナーダイオードＺ１１の形の降伏ダイオードが供給端子とバルブ端子間に接続されている。
【００２５】
最初の電流経路は、本発明の実施例では供給端子Ｊ１１からなり、分岐点を含み、第１および第２の電流経路がスナバ端子と前記分岐点との間で互いに一致するようにされる。限流素子を構成する抵抗Ｒ１およびダイオードＤ１１は、２つの電流経路の一致する部分に配置されている。
【００２６】
例えば、サイリスタＴ１がコンデンサＣＡを流れる電流を引き受ける場合には、それを点弧させる条件は、その順方向のオフ状態電圧が所定値を越えることであり、それは電子ユニットＥＵ１から制御装置ＣＥＱへ表示信号を介して転送される。設置における既知の量に従って、制御装置は、本質的に既知の方法で点弧指令ＦＯ１を発生し、対応する表示信号が受信されている時に電子ユニットへ供給される。
【００２７】
サイリスタＴ１の両端間にオフ状態電圧が確立することは、アノード端子とカソード端子間の電圧の時間変化率が正の符号を有し、第２の供給装置ＦＤ２の第３の電流経路が導通状態とされ、第１の供給装置の端子ＣＳ２からスナバ端子Ｊ１２の方向でスナバ回路ＳＣに充電電流が流れることを意味する。第１の供給装置の第３の電流経路は、非導通状態であり、第１の供給装置の充電電流は、第１および第２の電流経路の一致する部分を流れ、その間の分岐点において、直接電子ユニットへ流れる電流とコンデンサＣ１を充電する電流へ分割される。供給端子Ｊ１１の電圧ＵＦ１、すなわち、コンデンサＣ１の両端間の電圧がツェナーダイオードＺ１１の降伏電圧よりも低いかぎり、コンデンサは、充電電流により充電される。前記した電圧が降伏電圧に達すると、充電電流は、ツェナーダイオードを流れる。
【００２８】
サイリスタＴ１が点弧すると、その両端間の電圧は、ゼロに近い値へ戻り、持続時間の短い電流がスナバ回路をカソード端子からダイオードＤ１２を経る方向に流れ、スナバ回路を経て第２の供給装置ＦＤ２を抵抗Ｒ２およびダイオードＤ２１を経てコンデンサＣ２へ流れてさらに充電する。
【００２９】
サイリスタＴ２がコンデンサＣＡを流れる電流を引き受ける場合の機能は、前記したものと完全に類似しており、したがって、明細書は、第２の供給を第１の供給と入れ替える。
【００３０】
本発明の有利な改良点として、補助サイリスタＴＸ１の形の制御可能スイッチング部材を含む分路調整器がスナバ端子とバルブ端子間に配置されている。スナバ端子と補助サイリスタのゲート間に接続された降伏ダイオード、本実施例ではツェナーダイオードＺ１２によりスナバ端子の電圧ＵＳ１が感知され、この電圧は、ツェナーダイオードの所定の降伏電圧ＵＺ１２に対する比較電圧を構成する。比較電圧が降伏電圧を越えると、補助サイリスタは、降伏ダイオードを流れる電流により導通状態とされ、次に、コンデンサＣ１へ充電電流を運ぶためのスナバ端子から補助サイリスタを経たバルブ端子までの電流経路を閉じる。スナバ端子の電圧は、供給端子の電圧と抵抗Ｒ１の両端間の電圧との和によって決まり、したがって分路調整器は、第１および第２の電流経路の一致部における電流の振幅だけでなく供給端子の電流に応じて介入する。
【００３１】
本発明に従った供給装置に対する典型的な部品値は、Ｃ１＝１μＦ，Ｒ１＝１Ω，ＲＳ＝１０ΩおよびＣＳ＝２μＦである。ツェナーダイオードＺ１１の降伏値は、典型的に２５Ｖであり、ツェナーダイオードＺ１２は、典型的に４７Ｖである。図２について説明した同じ目的の供給装置の既知の実施例では、コンデンサＣ１は、通常、典型的に２０−３０μＦ、すなわち、典型的に本発明に従った実施例よりも大きい容量値を有するように設計される。
【００３２】
電子ユニットのエネルギおよび電圧要求の知識によりなされる本発明に従った供給装置の設計時に、コンデンサＣ１であるエネルギ貯蔵装置は、交流の１サイクル中の電子ユニットのエネルギ要求よりも大きいが、２サイクル中のエネルギ要求よりも小さい量のエネルギを蓄えるように設計される。
【００３３】
これは、導通状態とされるサイリスタＴ１に関してエネルギ貯蔵が実際上、空とされることを意味する。スナバ回路を通る次の電流パルスにおいて、この電流パルスの一部は、第１の電流経路を経て直接、電子ユニットへ通すことができる。スナバ回路とエネルギ貯蔵装置の前記した設計の直列接続により、スナバ回路を通る電流を完全に利用する供給装置の単純かつ低廉な設計が得られる。
【００３４】
半導体バルブが複数の互いに直列接続されたサイリスタを含む場合には、その各々が前記した種類の供給装置を備え、図４に示すように、逆並列接続対とされるサイリスタを介して接続される。
【００３５】
もちろん、サイリスタ接続コンデンサは、例えば、三相交流網の２相間に接続することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】サイリスタスイッチコンデンサを有する静止補償器を単線結線図の形で示す図である。
【図２】図１に従ったサイリスタスイッチコンデンサのサイリスタに対する電子ユニットの電源の既知の実施例を示す図である。
【図３】交流と高電圧直流間の変換を行う変換器の半導体バルブのサイリスタに対する電子ユニットの電源の既知の実施例を示す図である。
【図４】図１に従ったサイリスタスイッチコンデンサのサイリスタに対する電子ユニットの電源の本発明に従った実施例を示す図である。

Claims

分路接続サイリスタスイッチコンデンサ（ＣＡ）における半導体バルブの制御可能半導体素子（Ｔ１，Ｔ２）に対する電子ユニット（ＥＵ１，ＥＵ２）へ給電する供給装置（ＦＤ１，ＦＤ２）であって、前記コンデンサは、既知の周期（Ｔ）で交流を運ぶようにされ、前記半導体バルブは、第１および第２の端子（ＣＳ１，ＣＳ２）を有するスナバ回路（ＳＣ）を含み、前記半導体素子は、アノード端子（ＴＡ１，ＴＡ２）およびカソード端子（ＴＣ１，ＴＣ２）を有し、前記供給装置は、電気エネルギを蓄えるエネルギ貯蔵装置、バルブ端子（Ｊ１３，Ｊ２３）、スナバ端子（Ｊ１２，Ｊ２２）、前記エネルギ貯蔵装置に接続された供給端子（Ｊ１１，Ｊ２１）および前記スナバ端子から前記供給端子までの第１の電流経路を有し、前記バルブ端子は、カソード端子に接続され、前記スナバ端子は、前記スナバ回路の１つの端子に接続され、前記供給端子は、前記電子ユニットに接続され、前記スナバ回路は、前記スナバ端子から前記カソード端子の方向に前記エネルギ貯蔵装置へ充電電流を運ぶ第２の電流経路が前記アノード端子から前記スナバ回路を介して前記スナバ端子まで、さらに、前記エネルギ貯蔵装置および前記バルブ端子を経て前記カソード端子まで形成されるように接続され、前記エネルギ貯蔵装置は、交流の１サイクル中の前記電子ユニットのエネルギ要求よりは大きいが、２サイクル中のエネルギ要求よりは小さい量のエネルギを蓄えるように設計されていることを特徴とする前記供給装置。
請求項１記載の供給装置であって、前記バルブ端子から前記スナバ端子、さらに前記スナバ回路の方向へ並列電流を運ぶための前記バルブ端子から前記スナバ端子までの前記第２の電流経路と並列の第３の電流経路を含むことを特徴とする供給装置。
請求項１および請求項２のいずれかに記載の供給装置であって、前記エネルギ貯蔵装置の電圧レベルに依存する比較電圧（ＵＳ１，ＵＳ２）が所定の電圧レベルを越える場合に、前記エネルギ貯蔵装置を通過する充電電流の第４の電流経路を閉じることを特徴とする供給装置。
請求項１から３のいずれかに記載の供給装置であって、前記第１の電流経路は、分岐点（Ｊ１１，Ｊ２１）を有し、前記第１および第２の電流経路は、前記スナバ端子と前記分岐点との間で互いに一致し、前記電流経路の一致部は、限流素子（Ｒ１，Ｒ２）を含むことを特徴とする供給装置。
請求項４記載の供給装置であって、前記比較電圧は、前記供給端子の電圧（ＵＦ１，ＵＦ２）と前記限流素子の両端間の電圧の和に依存することを特徴とする供給装置。
請求項３から請求項５のいずれかに記載の供給装置であって、前記分路調整器は、比較電圧を感知する降伏ダイオード（Ｚ１２，Ｚ２２）、例えばツェナーダイオード、および前記降伏ダイオードを流れる電流に応じて前記第４の電流経路を閉じる制御可能スイッチング部材（ＴＸ１，ＴＸ２）を含むことを特徴とする供給装置。