JP5192269B2 - 過電圧保護機能付きサイリスタの直列回路 - Google Patents

Description

本発明は、改良された過電圧保護機能付きサイリスタの直列回路に関する。

ゲート信号によりターンオンさせて電力変換を行なうサイリスタには、過電圧が印加されると自らこの過電圧により安全にターンオンする過電圧保護機能付きサイリスタ（ＶＢＯフリーサイリスタと呼称する。）がある。このＶＢＯフリーサイリスタを直列に接続した従来の回路は、系統の過電圧の発生に対し、自ら過電圧による保護機能を内在した回路を構成することが可能である。

このようなＶＢＯフリーサイリスタの直列回路において、例えばライトガイドの断線やＬＥＤの故障などによって直列回路のうちの一部のゲート信号に異常が発生したとき、一部のＶＢＯフリーサイリスタが点弧できなくなる。このとき、直列回路の正常なＶＢＯフリーサイリスタは点弧するので、この点弧できないＶＢＯフリーサイリスタに印加される電圧は過電圧となり、保護電圧を超えてターンオンする。（ＶＢＯ点弧と呼称する。）
上記の状態が継続することは、特にＶＢＯフリーサイリスタの直列回路に付随するスナバ回路にとって好ましくないので、ＶＢＯフリーサイリスタがＶＢＯ点弧していることを検出する監視手段を設け、これによって装置を停止させるなどの処置を行なう提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
特開２００５−２１０７９１号公報（第５−６頁、図１）

特許文献１の監視手段は、各々のＶＢＯフリーサイリスタの主電極間の電圧を監視し、ゲートパルスを与えてから所定時間後以降にこの電圧が所定値以上となったとき、異常と判断している。そしてこの手法によれば、通常の運転状態のときゲート信号異常などによって保護電圧を超えてＶＢＯ点弧したＶＢＯフリーサイリスタの検出が可能となる。

しかしながら、例えばＶＢＯフリーサイリスタの直列回路の負荷電流が比較的小さいとき、交流電圧のリプルの影響で負荷電流が断続する場合がある。このような場合は、ＶＢＯフリーサイリスタが過電圧でＶＢＯ点弧している状況ではないのにもかかわらず、ＶＢＯフリーサイリスタの主電極間の電圧が所定値以上となってしまう場合があるので、特許文献１による手法ではやはり異常と判断してしまう。このように監視手段が異常と判断すると、例えば自動的に過電圧保護機能による保護停止動作を行なわせている場合には、電力変換装置が正常であっても誤検出によって装置を停止させることになってしまい、装置の稼働率を極端に低下させてしまうという問題がある。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、負荷電流が断続する運転状態が生じても誤検出によって過電圧保護機能を動作させることのない過電圧保護機能付きサイリスタの直列回路を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第１の発明である過電圧保護機能付きサイリスタの直列回路は、直列リアクトルを介して直列接続され、夫々スナバ回路を備えた複数個の過電圧保護機能付きサイリスタと、前記各々の過電圧保護機能付きサイリスタの主電極間の電圧を夫々検出する順電圧検出回路と、位相制御装置からの点弧タイミング信号により前記過電圧保護機能付きサイリスタにゲートパルスを供給するゲート制御手段とを具備し、前記ゲート制御手段は、前記位相制御装置が点弧タイミング信号を発生してから第１の所定時間が経過するまでの間で、且つ前記ゲートパルスを供給して第２の所定時間経過後の期間に、何れかの前記順電圧検出回路が所定の閾値以上の電圧を検出したとき、装置を停止するための保護停止指令を出力するようにしたことを特徴としている。

また、本発明の第２の発明である過電圧保護機能付きサイリスタの直列回路は、直列リアクトルを介して直列接続され、夫々スナバ回路を備えた複数個の過電圧保護機能付きサイリスタと、前記各々の過電圧保護機能付きサイリスタの主電極間の電圧を夫々検出する順電圧検出回路と、位相制御装置からの点弧タイミング信号により前記過電圧保護機能付きサイリスタにゲートパルスを供給するゲート制御手段とを具備し、前記ゲート制御手段は、前記位相制御装置が点弧タイミング信号を発生してから第１の所定時間が経過するまでの間で、且つ前記ゲートパルスを供給して第２の所定時間経過後の期間に、何れかの前記順電圧検出回路が所定の閾値以上の電圧を検出する回数をカウントするカウント手段を有し、前記カウント手段のカウント値が所定の回数を超えたとき、装置を停止するための保護停止指令を出力するようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、負荷電流が断続する運転状態が生じても誤検出によって過電圧保護機能を動作させることのない過電圧保護機能付きサイリスタの直列回路を提供することが可能になる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係る過電圧保護機能付きサイリスタの直列回路を図１乃至図３を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１に係る過電圧保護機能付きサイリスタの直列回路のブロック構成図である。

サイリスタバルブ１においてＶＢＯフリーサイリスタ１１ａ、１１ｂ及び１１ｃは直列接続され、更に直列リアクトル１２を直列に接続して主回路を構成している。この主回路は、図示しない電力変換装置の主回路の一部であり、例えば交流電圧を直流電圧に変換する装置の１アームを構成するものである。ＶＢＯフリーサイリスタ１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、前述したように通常のゲート信号によるターンオンの他に順方向の過電圧が印加されるとその過電圧により自ら安全にＶＢＯ点弧するサイリスタである。

ＶＢＯフリーサイリスタ１１ａの主電極間にはスナバコンデンサ１３ａとこれに直列に接続されたスナバ抵抗１４ａがサージ電圧吸収用のスナバ回路として接続されている。また。ＶＢＯフリーサイリスタ１１ａの主電極間には、分圧抵抗１５ａで分圧された電圧を検出するための順電圧検出回路１６ａが設けられている。順電圧検出回路１６ａはＶＢＯフリーサイリスタ１１ａの主電極間（Ａ−Ｋ間）電圧が所定の閾値以上となったとき１を出力する。ＶＢＯフリーサイリスタ１１ｂ、１１ｃについても上記と同様の回路が設けられているが、同一の回路であるためその説明は省略する。また、以下のゲート制御回路２との信号の授受についても、ＶＢＯフリーサイリスタ１１ａについてのみ説明し、他は説明を省略する。

ＶＢＯフリーサイリスタ１１ａのゲートには、ライトガイド１７ａが接続されている。このＶＢＯフリーサイリスタ１１ａのゲートに与えられるゲートパルスは、ゲート制御回路２内のゲート基準信号をパルスアンプ回路２６で増幅し、ＬＥＤ回路２７によって電気信号を光信号に変換することによって得ている。

ＶＢＯフリーサイリスタ１１ａの順電圧検出回路１６ａには、ライトガイド１８ａが接続されている。このライトガイド１８ａによる光信号はゲート制御回路２内のＯ／Ｅ変換回路２８に与えられる。このＯ／Ｅ変換器２８には全てのＶＢＯフリーサイリスタの順電圧検出回路の出力が与えられ、Ｏ／Ｅ変換器２８によって電気信号に変換された信号はＯＲ合成回路２９に与えられる。これにより、ＶＢＯフリーサイリスタの順電圧検出値の何れかが所定の閾値以上となったとき、ＯＲ合成回路２９が１を出力するようになる。

以下、位相制御装置３の位相制御基準信号によって動作するゲート制御回路２の内部構成を更に説明する。

位相制御装置３からの位相制御基準信号のオンタイミング信号はフリップフロップ回路２１のセット入力となり、位相制御装置３からの位相制御基準信号のオフタイミング信号はフリップフロップ回路２１のリセット入力となる。フリップフロップ回路２１の出力はフリップフロップ回路２２のセット入力となる。そしてフリップフロップ回路２２のリセット入力として、図示されていないサイリスタバルブ１からの逆電圧信号を遅延回路２３によるオフディレイ時間だけ遅延させた信号を与える。このようにすると、ＶＢＯフリーサイリスタの直列回路に短い逆電圧が加わったあとに部分転流失敗が発生した場合にも再点弧パルスを出力でき、サイリスタバルブ１が部分転流失敗となることを防止することができる。

フリップフロップ回路２２の出力はＡＮＤ回路２４の一方の入力となる。ＡＮＤ回路２４の他方の入力には上記ＯＲ合成回路２９の出力が与えられる。そしてＡＮＤ回路２４の出力はパルス回路２５に与えられ、パルス回路２５の出力が前述のゲート基準信号となる。

また、上記ゲート基準信号の立ち上がりに伴って時間幅Ｔ３のパルスを発生するワンショット回路３１の出力がＡＮＤ回路３２の一方の入力となっている。このＡＮＤ回路３２の他方の入力には、上記ＯＲ合成回路２９の出力が接続されている。ＡＮＤ回路３２の出力は、この出力が所定の時間Ｔ２継続したとき信号を発生する遅延回路３３の入力となっている。この時間Ｔ２はＶＢＯフリーサイリスタにゲートパルスが加わってからＶＢＯフリーサイリスタがターンオンするまでのターンオン時間に余裕時間を加えた値に設定することが好ましい。すなわちＴ２は第２の所定時間を表している。

遅延回路３３の出力はＡＮＤ回路３４の一方の入力となる。ＡＮＤ回路３４の他方の入力には、フリップフロップ回路２１の出力の立ち上がりに伴って時間幅Ｔ４のパルスを発生するワンショット回路３０の出力が与えられる。すなわちＴ４は位相制御装置３が点弧タイミング信号を発生してから第１の所定時間が経過するまでの時間である。そしてこのＡＮＤ回路３４の出力が異常検出出力となり、例えば保護停止指令となって装置を保護停止させる。

以上の構成における本実施例の動作を図２及び図３を参照して以下に説明する。図２はゲートターンオン後に何れかのＶＢＯフリーサイリスタが過電圧点弧したときのタイミングチャートである。

図２の最上部にサイリスタバルブのＡ−Ｋ間電圧を示す。そして、時刻ｔ＝ｔ０においてターンオン動作を行なう破線部分を拡大して下部の各々の波形が図示されている。

図において、波形(3)は位相制御装置３が出力するオンタイミング信号、波形(4)はパルス回路２５が出力するゲート基準信号、波形(5)はパルスアンプ２６が出力するゲートパルスである。

各素子のＡ−Ｋ間電圧を見ると、ＶＢＯフリーサイリスタがゲート健全素子である場合は、時刻ｔ＝ｔ０でゲートパルスが与えられたときその直後の時刻ｔ＝ｔ１でターンオンするため、時刻ｔ＝ｔ１でほぼゼロとなる。またこのとき、順電圧検出回路が出力する信号ＦＶは、波形(1)^Ｍに示すように時刻ｔ＝ｔ１で消滅する。ところが、ＶＢＯフリーサイリスタがゲート不良素子である場合は、時刻ｔ＝ｔ１でターンオンすることができず、素子Ａ−Ｋ間電圧はその後上昇を続ける。そして、時刻ｔ＝ｔ５に到達したときＶＢＯレベルとなり、ＶＢＯ点弧する。このとき、順電圧検出回路が出力する信号ＦＶは、波形(1)^Ｎに示すように時刻ｔ＝ｔ１で消滅することなく時刻ｔ＝ｔ５まで継続して１を出力する。そしてＯＲ合成回路２９が出力するＦＶ信号集約は波形(2)に示すように波形(1)^Ｎと同一の信号となる。

ワンショット回路３１の出力は波形(6)に示したようにｔ＝ｔ０からｔ＝ｔ３までのパルス幅Ｔ３のパルスを出力する。従って、ＡＮＤ回路３２の出力は波形(7)に示すようになり、遅延回路３３を経た信号はｔ＝ｔ０からｔ＝ｔ２の時間Ｔ２だけオンディレイ遅延させた波形(8)となる。

一方、ワンショット回路３０は、時刻ｔ＝ｔ０から時刻ｔ＝ｔ４までのパルス幅Ｔ４のパルスを波形(9)に示したように出力する。従ってＡＮＤ回路３４の出力である保護停止指令は図２の波形(10)に示したように確立し、確実な保護動作が可能となる。

次に、通電期間中に電源電圧の電流リプルの影響で電流断続が発生した場合の動作について説明する。図３は通電期間中に電流断続が発生したときのタイミングチャートである。まず、全体の動作を図３の上部に示す波形に従って説明する。

サイリスタバルブのＡ−Ｋ間電圧は、図に示すように位相制御オンタイミング信号(3)から得られるゲート基準信号(4)が出力されているときには全てのＶＢＯフリーサイリスタがオンして略ゼロとなり、ＦＶ信号集約(2)は電圧印加期間のみ１となっているのが通常の運転状態であるが、図示した破線部のように電流断続が生じ、ｔ＝ｔ０においてターンオフするＶＢＯフリーサイリスタが生ずるとＦＶ信号集約(2)が１となる期間が生じる。

上述の電流断続期間の動作を、下部に示す拡大した各々の波形に従って以下説明する。

直列接続されたＶＢＯフリーサイリスタにおいてオン通電時に電流断続が発生すると各素子はバラツキを持って電圧を分担するため、図示したように動作が速い素子のＡ−Ｋ間電圧が時刻ｔ＝ｔ０で上昇を開始する。そして動作が最も遅い素子のＡ−Ｋ間電圧の上昇開始が時刻ｔ＝ｔ６とする。このとき、動作が速い素子の順電圧検出回路が出力する信号ＦＶは、波形(1)^Ａに示すように時刻ｔ＝ｔ０で１となるが、前述した図１の逆電圧信号がフリップフロップ２２をリセットする動作によってゲートパルス(5)が発生して再度オン状態となるため素子Ａ−Ｋ間電圧がほぼゼロになり、短時間で０に復帰する。同様に動作が最も遅い素子の順電圧検出回路が出力する信号ＦＶは、波形(1)^Ｂに示すように時刻ｔ＝ｔ６で１となるが、短時間で０に復帰する。そしてこの電流断続の間は、何れかの素子が印加電圧を分担していることになるので、ＦＶ信号集約(2)は図示したように一つのパルスを出力することになる。

一方、ワンショット回路３１の出力は波形(6)に示したようにｔ＝ｔ０からｔ＝ｔ３までのパルス幅Ｔ３のパルスを出力する。このＴ３が上記ＦＶ信号集約のパルス幅より大きければ、ＡＮＤ回路３２の出力は波形(7)に示すようにＦＶ信号集約(2)と同一となり、従って遅延回路３３を経た信号はｔ＝ｔ０からｔ＝ｔ２の間のＴ２の間オンディレイ遅延させた波形(8)となる。

ところが、ワンショット回路３０の出力は、波形(3)に示す位相制御オンタイミング信号が発生してから幅Ｔ４のパルスを発生させるので、Ｔ４を十分小さく選定しておけば、電流断続が発生する期間においてはこの出力はすでに消滅している。従ってＡＮＤ回路３４の出力はゼロとなって、電流断続時に誤って保護停止指令を出力することは防止される。

上記において、電流断続が発生するのは、ＶＢＯフリーサイリスタの直列回路が６相で変換動作しているときは位相制御オンタイミング信号が発生して電気角で約６０度経過した時点となり、またＶＢＯフリーサイリスタの直列回路が１２相で変換動作しているときは位相制御オンタイミング信号が発生して電気角で約３０度経過した時点となる。従って、前者の場合はＴ４を電気角６０度に相当する時間より十分短い値に選定しておけば良く、また後者の場合は電気角３０度に相当する時間より十分短い値に選定しておけば良い。ここで十分短いとは、例えば５分の１以下の値とすれば良い。

図４は本発明の実施例２に係る過電圧保護機能付きサイリスタの直列回路のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る過電圧保護機能付きサイリスタの直列回路のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、ＡＮＤ回路３４の出力信号をカウントするカウンタ３５、このカウンタ３５のカウント値が設定回路３６で設定された回数を超えたとき保護停止指令を出力する比較回路３７を設けた点、また、ＡＮＤ回路３２の出力で動作するワンショット回路３８、このワンショット回路３８の出力を反転させる反転回路３９、この反転回路３９の出力で動作し、その出力で上記カウンタ３５のカウント値をリセットするワンショット回路４０を設けた点である。

通常の設計であっても一般にスナバ回路は数十サイクルのＶＢＯ点弧には耐えることができる。従って、本実施例においては、カウンタ３５のカウント値が設定回路３６で設定された回数を超えたとき比較回路３７が保護停止指令を出力する構成としている。尚、設定回路３６の設定値は連続的にＶＢＯ点弧したときのスナバ回路の許容サイクルより短い回数に設定する。

ここでワンショット回路３８は時間Ｔ５のリトリガタイプのワンショット回路とする。時間Ｔ５を装置の変換動作の１サイクル以上に設定しておけば、電流断続が生じる度にＡＮＤ回路３２の出力によってワンショット回路３８がリトリガされるので、ワンショット回路３８の出力は継続する。しかるに電流断続が原因ではなく、過渡的にＶＢＯフリーサイリスタがＶＢＯ点弧動作するなどしてＡＮＤ回路３２の出力が生じたときは、次のサイクルでワンショット回路３８はリトリガされないので時間Ｔ５にワンショット回路３８の出力は消滅し、従って反転回路３９を介してワンショット回路４０が動作してカウンタ３５のカウント値をリセットさせる。尚、このカウンタのリセットは、カウンタのカウント値の増加の傾向を監視し、少なくとも１サイクル以内にカウント値が増加しないときにリセットする構成としても良い。

このように構成することによって、系統事故などの要因により過渡的にＶＢＯフリーサイリスタがＶＢＯ点弧したときのカウント値がリセットされ、不要な保護停止指令の出力を防止することが可能になる。

以上の実施例１及び実施例２においては、ＶＢＯフリーサイリスタの直列数が３の場合について説明したが、この直列数は２であっても４以上の自然数であっても良いことは明らかである。

本発明の実施例１に係る過電圧保護機能付きサイリスタの直列回路のブロック構成図。 ゲートターンオン後に何れかのＶＢＯフリーサイリスタが過電圧点弧したときのタイミングチャート。 通電期間中に電流断続が発生したときのタイミングチャート。 本発明の実施例２に係る過電圧保護機能付きサイリスタの直列回路のブロック構成図。

符号の説明

１ サイリスタバルブ
２ ゲート制御回路
３ 位相制御装置
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ ＶＢＯフリーサイリスタ
１２ 直列リアクトル
１３ａ スナバコンデンサ
１４ａ スナバ抵抗
１５ａ 分圧抵抗
１６ａ 順電圧検出器
１７ａ、１８ａ ライトガイド
２１、２２ フリップフロップ回路
２３ 遅延回路
２４ ＡＮＤ回路
２５ ワンショット回路
２６ パルスアンプ回路
２７ ＬＥＤ
２８ Ｏ／Ｅ変換回路
２９ ＯＲ合成回路
３０、３１ ワンショット回路
３２ ＡＮＤ回路
３３ 遅延回路
３４ ＡＮＤ回路
３５ カウンタ
３６ 設定回路
３７ 比較回路
３８ ワンショット回路
３９ 反転回路
４０ ワンショット回路

Claims (4)

1. 直列リアクトルを介して直列接続され、夫々スナバ回路を備えた複数個の過電圧保護機能付きサイリスタと、
   前記各々の過電圧保護機能付きサイリスタの主電極間の電圧を夫々検出する順電圧検出回路と、
   位相制御装置からの点弧タイミング信号により前記過電圧保護機能付きサイリスタにゲートパルスを供給するゲート制御手段と
   を具備し、
   前記ゲート制御手段は、
   前記位相制御装置が点弧タイミング信号を発生してから第１の所定時間が経過するまでの間で、且つ前記ゲートパルスを供給して第２の所定時間経過後の期間に、
   何れかの前記順電圧検出回路が所定の閾値以上の電圧を検出したとき、
   装置を停止するための保護停止指令を出力するようにしたことを特徴とする過電圧保護機能付きサイリスタの直列回路。
2. 直列リアクトルを介して直列接続され、夫々スナバ回路を備えた複数個の過電圧保護機能付きサイリスタと、
   前記各々の過電圧保護機能付きサイリスタの主電極間の電圧を夫々検出する順電圧検出回路と、
   位相制御装置からの点弧タイミング信号により前記過電圧保護機能付きサイリスタにゲートパルスを供給するゲート制御手段と
   を具備し、
   前記ゲート制御手段は、
   前記位相制御装置が点弧タイミング信号を発生してから第１の所定時間が経過するまでの間で、且つ前記ゲートパルスを供給して第２の所定時間経過後の期間に、
   何れかの前記順電圧検出回路が所定の閾値以上の電圧を検出する回数をカウントするカウント手段を有し、
   前記カウント手段のカウント値が所定の回数を超えたとき、装置を停止するための保護停止指令を出力するようにしたことを特徴とする過電圧保護機能付きサイリスタの直列回路。
3. 前記カウント手段は、
   前記過電圧保護機能付きサイリスタの変換動作の少なくとも１サイクルの期間内にカウント値が増加しないとき、
   そのカウント値をゼロにリセットするようにしたことを特徴とする請求項２に記載の過電圧保護機能付きサイリスタの直列回路。
4. 前記第１の所定時間は、
   前記複数個の過電圧保護機能付きサイリスタが６相の変換動作を行なうときには電気角で６０度より十分小さい角度を時間換算した値以下とし、
   前記複数個の過電圧保護機能付きサイリスタが１２相の変換動作を行なうときには電気角で３０度より十分小さい角度を時間換算した値以下とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の過電圧保護機能付きサイリスタの直列回路。

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