JP6075901B2 - サイリスタ起動装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、サイリスタ起動装置に関し、より特定的には、サイリスタ起動装置で発生したゲートパルス異常を検出するための技術に関する。

サイリスタ起動装置は、三相交流電力を直流電力に変換するコンバータと、直流電流を平滑化させる直流リアクトルと、コンバータから直流リアクトルを介して与えられた直流電力を所望の周波数の三相交流電力に変換して同期機に与えるインバータとを備える。サイリスタ起動装置は、例えば、特開昭６２−２６２６７０号公報（特許文献１）に開示されるように、コンバータに入力される三相交流電流を検出する交流電流検出器と、インバータから出力される三相交流電圧を検出する交流電圧検出器と、交流電流検出器および交流電圧検出器の検出結果に基づいてコンバータおよびインバータを制御する制御回路とを備える。同期機に与える三相交流電力を制御することにより、停止状態の同期機を起動させて所定の回転速度で回転駆動させることができる。

特開昭６２−２６２６７０号公報

このようなサイリスタ起動装置において、制御回路は、コンバータおよびインバータに含まれる複数のサイリスタのゲートに与えるゲートパルスを生成する。ゲートパルスに応答して複数のサイリスタが所定のタイミングでオンされることにより、コンバータおよびインバータでは所望の電力変換動作が行なわれる。したがって、ゲートパルスの異常が生じた場合には、サイリスタが正常にスイッチングされないため、コンバータおよびインバータに異常電流が流れて損傷させる可能性がある。このような不具合を防止するためには、ゲートパルス発生回路から出力されるゲートパルスを監視し、その異常を速やかに検出する必要がある。

その一方で、ゲートパルスの異常を検出するために専用の監視回路をサイリスタ起動装置の内部に設けると、装置の大型化および高価格化を招いてしまう。また、ゲートパルスの異常を判定するための判定回路を設けることにより、制御回路の構成が複雑化するという問題が生じる。

それゆえに、この発明の主たる目的は、小型かつ簡易な構成でゲートパルスの異常を検出可能なサイリスタ起動装置およびその制御方法を提供することである。

この発明のある局面によれば、サイリスタ起動装置は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、直流電流を平滑化させる直流リアクトルと、コンバータから直流リアクトルを介して与えられた直流電力を交流電力に変換して同期機に供給するインバータと、コンバータおよびインバータのサイリスタに与えるゲートパルスを生成するゲートパルス生成回路と、直流リアクトルに流れる直流電流が電流指令値となるようにコンバータを電流制御することにより、コンバータのサイリスタに与えるゲートパルスの位相制御角を設定する制御部と、直流電流の検出値と電流指令値とを比較し、比較結果に基づいてゲートパルスの異常を判定する異常検出部とを備える。

この発明の別の局面によれば、サイリスタ起動装置の制御方法であって、サイリスタ起動装置は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、直流電流を平滑化させる直流リアクトルと、コンバータから直流リアクトルを介して与えられた直流電力を交流電力に変換して同期機に供給するインバータと、コンバータおよびインバータのサイリスタに与えるゲートパルスを生成するゲートパルス生成回路とを含む。サイリスタ起動装置の制御方法は、直流リアクトルに流れる直流電流が電流指令値となるようにコンバータを電流制御することにより、コンバータのサイリスタに与えるゲートパルスの位相制御角を設定するステップと、直流電流の検出値と電流指令値とを比較し、比較結果に基づいてゲートパルスの異常を判定するステップとを備える。

この発明に係るサイリスタ起動装置では、小型かつ簡易な構成でゲートパルスの異常を検出することができる。

本発明の実施の形態に係るサイリスタ起動装置の構成を示す図である。 図１におけるコンバータ制御部の制御構造を示すブロック図である。 異常検出部における異常判定を説明する図である。 サイリスタ起動装置の通電開始時の直流電流の波形を例示した図である。 比較例のサイリスタ起動装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施の形態に係るサイリスタ起動装置の構成を示す図である。
図１を参照して、サイリスタ起動装置１００は、交流電源ｅ１から三相交流電力を受けて同期機４を起動させる。サイリスタ起動装置１００は、電力変換部１０と、交流電流検出器８と、交流電圧検出器９と、コンバータ制御部２０と、インバータ制御部３０と、ゲートパルス発生回路４０とを備える。サイリスタ起動装置１００は、交流電流検出器８と、交流電圧検出器９とをさらに備える。

電力変換部１０は、三相ラインＬＮ１を介して交流電源ｅ１から三相交流電力を受ける。交流電流検出器８は、電力変換部１０に供給される三相交流電流を検出し、電流検出値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３をコンバータ制御部２０へ出力する。

電力変換部１０は、コンバータ１と、インバータ２と、直流リアクトル３とを含む。コンバータ１は、交流電源ｅ１からの三相交流電力を直流電力に変換する。コンバータ１は、少なくとも６個のサイリスタを含む三相全波整流回路である。各サイリスタは、ゲートにコンバータ制御部２０からのゲートパルスを受ける。６個のサイリスタを所定のタイミングでオンさせることにより、三相交流電力を直流電力に変換することできる。

直流リアクトル３は、コンバータ１の高電圧側出力端子１ａとインバータ２の高電圧側入力端子２ａとの間に接続され、直流電流を平滑化させる。コンバータ１の低電圧側出力端子１ｂとインバータ２の低電圧側入力端子２ｂとは直接接続される。

インバータ２は、コンバータ１から直流リアクトル３を介して与えられた直流電力を所望の周波数の三相交流電力に変換する。インバータ２は、少なくとも６個のサイリスタを含む。各サイリスタは、ゲートにインバータ制御部３０からのゲートパルスを受ける。６個のサイリスタを所定のタイミングでオンさせることにより、直流電力を所定の周波数の三相交流電力に変換することができる。

インバータ２で生成された三相交流電力は、三相ラインＬＮ２を介して同期機４に与えられる。同期機４の極数が２極の場合、通常時の回転速度は３０００ｒｐｍ〜３６００ｒｐｍである。

同期機４は、三相コイルを含む。三相コイルはそれぞれ、三相ラインＬＮ２に接続される。三相コイルに三相交流電力を供給すると、回転磁界が発生し、同期機４が回転する。

交流電圧検出器９は、同期機４の三相コイルに供給される三相交流電圧を検出し、電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３をインバータ制御部３０へ出力する。

コンバータ制御部２０は、交流電流検出器８から受けた電流検出値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３、に基づいてコンバータ１を制御する。具体的には、コンバータ制御部２０は、コンバータ１から出力される直流電流が所定の電流指令値Ｉｄ＊に一致するように、コンバータ１を電流制御する。コンバータ制御部２０は、後述する方法によって、電流検出値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３に基づいて位相制御角（点弧角）αを算出し、算出した位相制御角αをゲートパルス発生回路４０へ出力する。ゲートパルス発生回路４０は、コンバータ制御部２０から受けた位相制御角αに基づいてコンバータ１のサイリスタのゲートに与えるゲートパルスを生成する。

インバータ制御部３０は、交流電圧検出器９から受けた電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に基づいてインバータ２を制御する。インバータ制御部３０は、図示しない回転子位置検出部を含む。回転子位置検出部は、交流電圧検出器９から受けた電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に基づいて同期機４の回転子の回転位置を検出する。インバータ制御部３０は、検出された回転子の回転位置に基づいて位相制御角（点弧角）γを算出し、算出した位相制御角γをゲートパルス発生回路４０へ出力する。ゲートパルス発生回路４０は、インバータ制御部３０から受けた位相制御角γに基づいてインバータ２のサイリスタのゲートに与えるゲートパルスを生成する。

このようなサイリスタ起動装置は、例えば発電所において、停止状態の同期発電機を同期電動機として起動させるために使用される。同期発電機を同期電動機として所定の回転数で回転駆動させた状態で、サイリスタ起動装置を同期発電機から切り離すとともに、ガスタービンなどによって同期発電機を回転駆動させて交流電力を生成する。

コンバータ制御部２０は、異常検出部５０を含む。異常検出部５０は、ゲートパルス発生回路４０からコンバータ１およびインバータ２に与えられるゲートパルスの異常を検出する。異常検出部５０は、ゲートパルスの異常を検出すると、コンバータ１の動作を停止するとともに、警報信号ＡＬＭをインバータ制御部３０へ出力する。インバータ制御部３０は、異常検出信号ＡＬＭを受けると、インバータ２の動作を停止する。

図２は、図１におけるコンバータ制御部２０の制御構造を示すブロック図である。
図２を参照して、コンバータ制御部２０は、コンバータ１を電流制御するための電流制御部２２と、異常検出部５０とを含む。電流制御部２２は、整流回路２００と、ゲイン乗算部２１０と、減算部２２０と、ＰＩ演算部２３０と、演算部２４０とを含む。

整流回路２００は、交流電流検出器８から電流検出値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を受ける。整流回路２００は、全波整流型のダイオード整流器を用いており、電流検出値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を直流電流Ｉｄに変換する。

ゲイン乗算部２１０は、整流回路２００からの直流電流ＩｄにゲインＫを乗じて減算部２２０へ出力する。直流電流ＩｄにゲインＫを乗じた値は、直流リアクトル３に流れる直流電流に比例する。

減算部２２０は、電流指令値Ｉｄ＊と直流電流Ｋ・Ｉｄとの電流偏差ΔＩｄを演算し、ＰＩ演算部２３０へ出力する。電流指令値Ｉｄ＊は直流電流の目標値であり、同期機４の運転状態に応じて設定される制御指令である。ＰＩ演算部２３０は、所定の比例ゲインおよび積分ゲインに従って、電流偏差ΔＩｄに応じたＰＩ出力を生成する。

具体的には、ＰＩ演算部２３０は、比例要素（Ｐ：proportional element）、積分要素（Ｉ：integral element）および加算部を含む。比例要素は電流偏差ΔＩｄに所定の比例ゲインを乗じて加算部へ出力し、積分要素は所定の積分ゲインで電流偏差ΔＩｄを積分して加算部へ出力する。加算部は、比例要素および積分要素からの出力を加算してＰＩ出力を生成する。このＰＩ出力は、コンバータ１が出力すべき直流電力の電圧値を規定する制御指令に相当する。

演算部２４０は、ＰＩ演算部２３０から与えられるＰＩ出力を用いて位相制御角αを算出する。ここで、交流電源ｅ１の線間電圧の実効値をＥ_ｓとすると、コンバータ１から出力される直流電圧の平均値Ｅ_ｄαは、重なり角を無視すれば次式（１）で与えられる。

Ｅ_ｄα＝１．３５Ｅ_ｓｃｏｓα ・・・（１）
演算部２４０は、この式（１）のＥ_ｄαにＰＩ演算部２３０から与えられるＰＩ出力を入れて解くことにより、位相制御角αを算出する。演算部２４０は、算出した位相制御角αをゲートパルス発生回路４０へ出力する。

ゲートパルス発生回路４０は、位相制御角αに基づいて、コンバータ１の各サイリスタに与えるゲートパルスを生成する。ゲートパルス発生回路４０によって生成されたゲートパルスに従ってコンバータ１がスイッチング制御されることにより、電流指令値Ｉｄ＊に従った直流電流がコンバータ１から出力される。このように、電流制御部２２においては、直流電流を電流指令値Ｉｄ＊に一致させるためのフィードバック制御系が構成される。

ここで、ゲートパルス発生回路４０からコンバータ１およびインバータ２に出力されるゲートパルスに異常が発生した場合、コンバータ１およびインバータ２におけるスイッチングが正常に行なわれない。例えば、インバータ２の特定の相のサイリスタが導通状態に固定されるようなゲートパルス異常が発生した場合には、当該特定の相に電流が流れ続けることによって過熱される可能性がある。そのため、インバータ制御部３０は、異常検出部５０から警報信号ＡＬＭを受けると、インバータ２の各サイリスタをオフすることにより、インバータ２の動作を強制的に停止させる。このとき、コンバータ制御部２０においても、コンバータ１の各サイリスタをオフすることにより、コンバータ１の動作を強制的に停止させる。

異常検出部５０は、上述した電流制御部２０のフィードバック制御系において、電流制御用のフィードバック電流をモニタすることにより、ゲートパルスの異常を判定する。具体的には、交流電流検出器８によって検出された三相交流電流は、整流回路２００によって直流電流Ｉｄに変換された後、フィードバック電流として異常検出部５０に与えられる。コンバータ１またはインバータ２においてスイッチングに異常が生じた場合、フィードバック電流である直流電流Ｉｄの検出値は電流指令値Ｉｄ＊から外れて大きく変動する。異常検出部５０は、電流制御部２２から与えられる直流電流Ｉｄの検出値と電流指令値Ｉｄ＊とを比較し、その比較結果に基づいてゲートパルスの異常を判定する。

異常検出部５０は、加算部５００と、減算部５１０と、比較器５２０，５３０と、論理和回路（ＯＲ回路）５４０と、タイマ５５０とを含む。異常検出部５０は、判定部５６０と、タイマ５７０と、論理積回路（ＡＮＤ回路）５８０と、カウンタ５９０とをさらに含む。

異常検出部５０は、加算部５００および減算部５１０を用いて、フィードバック電流Ｉｄの許容範囲を設定する。フィードバック電流Ｉｄの許容範囲は、電流指令値Ｉｄ＊に対して、高電流側および低電流側にそれぞれ許容幅ｄＩを持つように設定される。具体的には、加算部５００は、電流指令値Ｉｄ＊および許容幅ｄＩを加算して許容範囲の上限値（許容上限値）を設定する。減算部５１０は、電流指令値Ｉｄ＊から許容幅ｄＩを減算して許容範囲の下限値（許容下限値）を設定する。ゲートパルスが正常である場合、フィードバック電流Ｉｄは、許容上限値（＝Ｉｄ＊＋ｄＩ）および許容下限値（＝Ｉｄ＊−ｄＩ）の間に維持されるように、コンバータ１の電流制御が実行される。

比較器５２０は、整流回路２００から与えられる直流電流（フィードバック電流）Ｉｄと許容上限値とを比較し、比較結果を表わす信号を出力する。比較器５２０は、直流電流Ｉｄが許容上限値を超えているとき、Ｈ（論理ハイ）レベルとなる信号を出力する。

比較器５３０は、整流回路２００から与えられる直流電流（フィードバック電流）Ｉｄと許容下限値とを比較し、比較結果を表わす信号を出力する。比較器５３０は、直流電流Ｉｄが許容下限値を下回るとき、Ｈレベルとなる信号を出力する。

論理和回路５４０は、比較器５２０の出力信号および比較器５３０の出力信号の論理和をタイマ５５０へ出力する。すなわち、直流電流Ｉｄが許容上限値を超えた場合、あるいは直流電流Ｉｄが許容下限値を下回った場合、論理和回路５４０からはＨレベルの信号が出力される。

タイマ５５０は、論理和回路５４０の出力信号がＨレベルとなる時間を計測する。タイマ５５０のカウント値は論理和回路５４０の出力信号がＨレベルからＬレベルに切替わった時点でリセットされる。計測された時間が所定時間に達したとき、タイマ５５０は、論理和回路５４０から受けたＨレベルの信号を論理積回路５８０へ出力する。

図３を用いて、異常検出部５０における異常判定を詳細に説明する。
図３を参照して、電流制御部２２の整流回路２００から与えられる直流電流Ｉｄについては、上述のように、許容上限値Ｉｄ＊＋ｄＩおよび許容下限値Ｉｄ＊−ｄＩが設定されている。ゲートパルスが正常である場合には、図中のｋ１に示すように、直流電流Ｉｄは、許容上限値および許容下限値の間に収まっている。

これに対して、ゲートパルスの異常が発生した場合には、図中のｋ２に示すように、直流電流Ｉｄが許容上限値を超えてしまう現象が発生する。あるいは、直流電流Ｉｄが許容下限値を下回るという現象が発生する。異常検出部５０は、直流電流Ｉｄをモニタし、これらの現象を捉えたときにゲートパルスの異常と判定する。

ただし、ノイズ等の影響により交流電流検出器８の電流検出値が一時的に変動するなど、偶発的な要因によって直流電流Ｉｄが許容範囲を外れてしまった場合には、ゲートパルスの異常と誤判定されてしまう虞がある。そのため、異常検出部５０は、タイマ５５０を用いて直流電流Ｉｄが許容範囲を外れた時間を計測し、計測した時間が所定時間に達したときにゲートパルスの異常と判定する。

また、図４に示すように、電流指令値Ｉｄ＊がゼロから急変するときには、これに対応できるだけの制御応答性を確保できず、直流電流Ｉｄにオーバーシュートが起きてしまう。異常検出部５０は、このような直流電流Ｉｄのオーバーシュートをゲートパルスの異常と誤判定するのを防止するため、判定部５６０およびタイマ５７０を用いて、通電開始後の一定時間（図中の時間Ｔｓｔに相当）、異常判定を無効化する。

具体的には、図２に戻って、判定部５６０は、図示しない中央制御装置からサイリスタ起動装置１００の起動指令が与えられたか否かを判定する。サイリスタ起動装置１００の通電開始時には、通常、電流指令値Ｉｄ＊がゼロから急変するためである。なお、サイリスタ起動装置１００は、起動指令を受けると、交流電源ｅ１から供給される交流電力に基づいて同期機４に交流電力を供給することにより、同期機４の回転を加速する。

タイマ５７０は、サイリスタ起動装置１００の起動指令を受けた時点からの経過時間を計測する。計測された時間が図３の一定時間Ｔｓｔに達したとき、タイマ５７０は、Ｈレベルに活性化された信号を論理積回路５８０へ出力する。

このような構成とすることにより、論理積回路５８０は、サイリスタ起動装置１００の通電開始から一定時間Ｔｓｔが経過した後に有効化され、ゲートパルスの異常と判定されたときにＨレベルとなる信号を出力する。

カウンタ５９０は、ゲートパルスの異常と判定された回数を計測するために用いられる。上述した異常判定によってゲートパルスの異常と判定されると、カウント値に１が加算される。カウンタ５９０は、カウント値が判定値ＣＮＴｔｈに達したか否かを判定し、カウント値が判定値ＣＮＴｔｈに達すると、ゲートパルスが異常である旨の判定を確定して、警報信号ＡＬＭを出力する。

このように、異常検出部５０は、ゲートパルスの異常と判定された回数が判定値ＣＮＴｔｈに達したときにゲートパルスの異常とする判定結果を確定する。これにより、偶発的な要因によってゲートパルスの異常と誤判定されてしまうのを防止できる。その結果、信頼性の高い異常検出を行なうことができる。

なお、本実施の形態では、ゲートパルスの異常と判定された回数が判定値ＣＮＴｔｈを超えたときにゲートパルスが異常である旨の判定結果を確定する構成としたが、ゲートパルスが異常である旨の判定が継続してなされた場合にはじめて異常とする判定結果を確定する構成としてもよい。

以上に説明したように、本実施の形態によるサイリスタ起動装置では、コンバータ１の電流制御に用いられるフィードバック電流に基づいてゲートパルスの異常を判定する構成としたことにより、図５に示すように、ゲートパルスそのものを監視するための回路（異常検出部６０に相当）をサイリスタ起動装置１０００の内部に設ける必要がなくなる。これにより、サイリスタ起動装置の小型化および低価格化を実現できる。

また、フィードバック電流と電流指令値との比較結果に基づいてゲートパルスの異常を判定できるため、ゲートパルスそのものを監視する異常検出部６０と比較して、より簡易な構成でゲートパルスの異常を判定することができる。

今回開示された実施の形態はすべて例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の適用は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ コンバータ、２ インバータ、３ 直流リアクトル、４ 同期機、８ 交流電流検出器、９ 交流電圧検出器、１０ 電力変換部、２０ コンバータ制御部、２２ 電流制御部、３０ インバータ制御部、４０ ゲートパルス発生回路、５０，６０ 異常検出部、１００，１０００ サイリスタ起動装置、２００ 整流回路、２１０ ゲイン演算部、２２０，５１０ 減算部、２３０ ＰＩ演算部、２４０ 演算部、５００ 加算部、５２０，５３０ 比較器、５４０ 論理和回路、５５０，５７０ タイマ、５６０ 判定部、５８０ 論理積回路、５９０ カウンタ，ｅ１ 交流電源。

Claims (3)

1. 交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   直流電流を平滑化させる直流リアクトルと、
   前記コンバータから前記直流リアクトルを介して与えられた直流電力を交流電力に変換して同期機に供給するインバータと、
   前記コンバータおよび前記インバータのサイリスタに与えるゲートパルスを生成するゲートパルス生成回路と、
   前記直流リアクトルに流れる直流電流が電流指令値となるように前記コンバータを電流制御することにより、前記コンバータのサイリスタに与えるゲートパルスの位相制御角を設定する制御部と、
   前記直流電流の検出値と前記電流指令値とを比較し、比較結果に基づいて前記ゲートパルスの異常を判定する異常検出部とを備え、
   前記異常検出部は、前記電流指令値に対して高電流側および低電流側に許容範囲の上限値および下限値をそれぞれ設定し、前記直流リアクトルに流れる直流電流が前記許容範囲から外れた場合に前記ゲートパルスの異常と判定する、サイリスタ起動装置。
2. 前記交流電源から供給される交流電流を検出する交流電流検出器と、
   前記交流電流検出器の出力を整流する整流回路とをさらに備え、
   前記制御部は、前記電流指令値と前記整流回路から出力される直流電流との偏差に基づいて前記直流電流をフィードバック制御するように構成され、
   前記異常検出部は、前記整流回路から出力される直流電流が前記許容範囲から外れた場合に前記ゲートパルスの異常と判定する、請求項１に記載のサイリスタ起動装置。
3. サイリスタ起動装置の制御方法であって、
   前記サイリスタ起動装置は、
   交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   直流電流を平滑化させる直流リアクトルと、
   前記コンバータから前記直流リアクトルを介して与えられた直流電力を交流電力に変換して同期機に供給するインバータと、
   前記コンバータおよび前記インバータのサイリスタに与えるゲートパルスを生成するゲートパルス生成回路とを含み、
   前記制御方法は、
   前記直流リアクトルに流れる直流電流が電流指令値となるように前記コンバータを電流制御することにより、前記コンバータのサイリスタに与えるゲートパルスの位相制御角を設定するステップと、
   前記直流電流の検出値と前記電流指令値とを比較し、比較結果に基づいて前記ゲートパルスの異常を判定するステップとを備え、
   前記ゲートパルスの異常を判定するステップは、前記電流指令値に対して高電流側および低電流側に許容範囲の上限値および下限値をそれぞれ設定し、前記直流リアクトルに流れる直流電流が前記許容範囲から外れた場合に前記ゲートパルスの異常と判定する、サイリスタ起動装置の制御方法。

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