JP6869718B2 - 変換器を用いて整流器を制御するための制御システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、整流器を制御するための制御システムに関する。さらに、本発明は、整流器を制御する方法に関する。特に、本発明は、ダイオード整流器を制御するための制御システムに関する。

整流器は、交流電圧または電流信号を直流電圧または電流信号に変換することが知られており、多くの設備および産業プロセスの分野に使用されている。整流器の出力電圧の制御は、通常、次の方法によって行われる。整流器の出力電圧を粗調整するために、負荷時タップ切換器（ＯＬＴＣ）を備えた変圧器を使用する。出力電圧を微調整するために、整流器を制御するための整流器に連接された可飽和リアクトルを使用する。従来技術において、リアクトルの制御は、一般的に、２つの電流回路、すなわち、１つのバイアス回路および１つの制御回路によって実現される。バイアス回路の電流は、単相バリアックおよびＢ２ダイオード整流器によって実現することができる。代替的には、二次側に複数の固定タップを有する変圧器および整流回路を使用してもよい。制御回路の電流は、Ｂ６サイリスタ整流器によって実現されてもよい。制御回路は、通常、可飽和リアクトルの制御巻線に電流を供給する制御可能な直流電源を含む。代替的には、制御電流は、たとえばダイオードを用いた受動整流器によって整流された可変交流電流信号であってもよい。

しかしながら、このような実現方法は、以下のような欠点を有する。具体的に、これらの電流回路に２つの別個の整流ブリッジ、すなわち、バイアス電流回路用の１つのブリッジおよび制御電流回路用の１つのブリッジをそれぞれ設ける必要がある。これによって、整流器がより複雑になり、その結果、整流器の製造費用および整流器を制御するための整備費用が増加する。さらなる欠点は、バイアス回路に使用されたバリアックが手動で設定しなければならないため、整流器システムを試運転および動作させるときに取扱時間および整備時間の増加につながることである。

特に、整流器の試運転中に、および整流器の動作中にプロセスパラメータが変化する場合に、整流器システムの最適な制御応答を可能にするように、バイアス電流および制御電流の範囲を調整する必要がある。この調整は、通常、制御可能なリアクトル要素のヒステリシス特性曲線における適切な線形動作範囲の最適値を求めるように、手動で行われる。しかしながら、多くの場合、手動調整は、プロセスパラメータの変化に迅速に反応する必要があるのに対し、時間がかかる。整流器に連接された技術システムの最適な制御応答を可能にするために、整流器は、新たなプロセスパラメータを採択しなければならない。

本発明の課題は、整流器の動作をより簡単かつより迅速に設定および採択するために、整流器を制御するための改良した制御システムを提供することである。具体的には、整流器の動作条件が変化する場合に、整流器を最適な動作範囲内に動作できるようにするために、それに応じて整流器の動作挙動を採択すべきである。本発明の他の技術的課題は、製造費用および整備費用を低減するために、整流器を制御するための改良した制御システムを提供することである。本発明のさらに他の技術的課題は、プロセスパラメータが変化する場合に整流器の調整時間を短縮することによって、整流器に連接され得る技術システムに最適な制御応答を与えるために、整流器を制御するための改良した方法を提供することである。

発明の概要
１つの解決策は、独立請求項１の特徴によって定義された、整流器を制御するための制御システムを提供することである。さらなる解決策は、独立請求項１７の特徴によって定義された、制御システムを用いて、整流器を制御するための方法を提供することである。本発明の好ましい例は、添付の従属請求項によって記載される。

本発明の主な発想は、整流器を制御するための制御システムである。本発明の制御システムは、整流器に位相ごとに接続され、整流器に入力信号を提供するための少なくとも１つのリアクトルと、リアクトルを制御するためのバイアス電流を供給する手段と、リアクトルを制御するための制御電流を供給する手段とを備える。バイアス電流は、リアクトルを制御するための制御電流を供給する手段に入力信号として利用される所定値に固定される。リアクトル制御するための制御電流を供給する手段は、バイアス電流の所定値とリアクトルの線形動作範囲の始点を定義する始点値との間の差を補償する。

本発明の重要な局面として、整流器、好ましくはダイオード整流器の出力パラメータ、たとえば出力電圧または出力電流は、整流器に接続された調整装置を制御することによって制御することができる。リアクトル自体は、バイアス電流回路および電流制御回路によって提供されたバイアス電流および／または制御電流によって制御される。リアクトルの電気挙動は、リアクトルの動作範囲を定義するヒステリシス特性曲線に依存する。ヒステリシス曲線の形状は、リアクトルの動作パラメータに依存するため、リアクトルの動作に影響を与えるさまざまな外部条件、たとえば信号の乱れおよび温度などに応じて変化する場合がある。当業者に知られているように、好ましくは、リアクトルをヒステリシス曲線の線形領域に動作すべきである。従来技術と比較して、本発明の制御システムは、リアクトルを制御するために測定され、入力信号として使用されるオフセット値である所定値を使用する。

リアクトルのヒステリシス曲線内の線形動作範囲は、リアクトルの線形動作範囲の始点を定義する始点値と終点を定義する終点値によって定義される。

リアクトルのヒステリシス曲線上のオフセット値の位置に応じて、制御電流回路を用いた手段によって提供された制御電流を用いて、オフセット値とリアクトルの線形動作範囲の始点との差を補償する。したがって、線形動作範囲の始点がリアクトルに影響を与える信号乱れによって変化した結果、ヒステリシス特性曲線の位置および形状が変化しても、本発明の制御システムは、オフセット値とリアクトルの線形動作範囲の始点との差をレベリングするおよびそのバランスをとることができ、より簡単かつより迅速にリアクトルの線形動作範囲の始点を求めることができる。

本発明の１つの利点は、整流器の試運転中に、単に所定のオフセット値であるバイアス電流をパラメータとして設定するできるということである。これによって、整流器システムの試運転時間を短くすることができる。また、最短の時間でリアクトルの線形動作範囲を求めることが非常に重要であるため、整流器をより簡単かつより迅速に所望の動作モードに設定することができる。したがって、従来技術において一般的である、リアクトルの線形動作範囲の始点および終点を求める反復プロセスは、必要ではなくなる。

本発明の制御システムは、整流器システムの動作に影響を与える外部信号の乱れ、たとえば信号ノイズに対して整流器をよりロバストにすることができる。信号の乱れが整流器に影響を与える場合においても、本発明の制御システムは、より迅速かつより効率的に整流器の動作を好ましい線形動作モードに設定することを可能する。

本発明のさらなる利点は、本発明の制御システムは、外部システムの構成要素に接続することができる所定のインターフェイスを提供するため、制御システムおよび通信システムなどの異なる技術システムに非常に簡単に実装することができるということである。本発明の制御システム自体が主に自立的に動作するため、本発明のシステムに接続された制御システムおよび通信システムから独立して、本発明の制御システムを動作させることができる。

本発明のさらなる重要な局面として、整流器に連接された少なくとも１つのリアクトルを有する制御システムを用いて、整流器を制御する方法を提供する。リアクトルの挙動は、ヒステリシス曲線のような制御特性曲線によって定義される。リアクトルは、整流器に連接されている。リアクトルは、整流器を制御する。

方法は、リアクトルを制御するための手段によって、バイアス電流値を所定値として設定するステップと、リアクトルを制御するための制御電流を供給する手段に入力信号として利用されるバイアス電流の所定値とリアクトルの制御曲線における線形動作範囲の始点を定義する始点値との間の差を補償することによって、始点値を求めるステップと、リアクトルの線形動作範囲の終点を定義する終点値を求めるステップとを備え、始点および終点は、リアクトルの制御曲線における線形動作範囲を定義する。

留意すべきことは、一般的な見解によれば、リアクトルの線形動作範囲を定義する始点および終点は、自動同調によって設定されるかまたは設定されるできるということである。

留意すべきことは、より詳細には、リアクトルの線形動作範囲の始点は、制御電流を供給する手段、たとえば少なくとも１つのリアクトルに接続されている制御電流回路により提供された制御電流値であることである。制御電流を自動的に設定する目的は、第１ステップに設定された所定のバイアス電流値と始点との差を補償するためである。バイアス電流値は、一定のオフセットパラメータであってもよい。このバイアス電流値は、リアクトルの線形動作範囲の始点と一致してもよいが、所定のバイアス電流値が始点と異なる場合に、所定のバイアス電流値と始点との差を補償するように制御電流値を設定しなければならない。このような設定は、自動同調によって行うことができる。

自動同調は、バイアス電流制限値および制御電流制限値を自動的に設定することを可能にする。バイアス電流制限値および制御電流制限値を求めるおよび設定する目的は、整流器の制御に影響を与えるリアクトルの最大線形制御範囲を見出すことである。留意すべきことは、自動同調は、バイアス電流を設定する試運転中に選択された固定タップを備える変圧器を用いて、半自動的に行うできるということである。

自動同調のさらなる実現例として、自動同調は、バイアス電流を供給する独立バイアス回路を有しなく、制御電流を供給する単一の制御電流回路のみを有する制御システムにも適用することができる。これによって、整流器のより高速な試運転を可能にし、有利である。その理由は、手動でリアクトルの線形動作範囲の最適な設定を求める時間のかかるプロセスを避けることができるからである。

さらに留意すべきことは、所定値としてのバイアス電流値は、整流器の試運転中に手動でまたは自動的に固定値に設定することができるが、リアクトルの線形動作範囲の始点および終点を自動的に再調整する間に異なる値に設定されてもよいということである。

バイアス電流制限値および制御電流制限値の自動同調を使用するさらなる利点は、制御回路の最適な設定を求めるときに、手動試運転に対する依存性を低減することである。自動同調は、修理技師が技術システムの現場にいる必要なく、制御回路を再調整することを可能にする。この再調整によって、プロセスパラメータが信号の乱れによって変更または影響されたたびに、整流器の動作中でも制御回路を最適な線形動作範囲に設定することを可能にする。

さらに留意すべきことは、各リアクトルに別々に設けた制御回路を使用して、相の間の電流不平衡を等しくするできるということである。

本発明の好ましい実施形態
アルミ電解などの工業用途に使用される整流器を制御するための制御システムの第１の好ましい実施形態によれば、リアクトルの線形動作範囲の始点は、プロセスパラメータに依存する。これらのプロセスパラメータは、整流器の入力電圧および／または電流であってもよい。本発明の制御システムの利点は、主に整流器を制御するリアクトルの特性から独立して、整流器の動作を制御する適応性の増加である。また、整流器が外部信号の変化または変動する動作モードを採択した場合、より速く、より正確な結果を得ることができる。

本発明のさらなる実施形態において、バイアス電流回路などの手段によって提供されたバイアス電流の所定オフセット値は、リアクトルの電気信号挙動を規定するリアクトルのヒステリシス特性曲線に依存する。ヒステリシス曲線の形状は、リアクトルおよび整流器システムに影響を与える信号の乱れによる変化するため、バイアス電流の所定オフセット値も変化する。しかしながら、この変化は、その後、制御電流回路などの手段により提供された適切な制御電流によって、補正および補償することができる。

留意すべきことは、所定オフセット値は、リアクトルの線形動作範囲の開始を定義する始点と一致してもよく、一致しなくてもよい。したがって、始点を求めるときに、所定オフセット値との差を補償する必要がある。この補正は、制御電流回路によって適切な値を有する制御電流を供給することによって達成される。

また、留意すべきことは、本発明の制御システムは、バイアス電流を供給する手段としてのバイアス電流回路と、制御電流を供給する手段としての電流制御回路とを備えることである。

しかしながら、本発明の制御システムは、バイアス電流回路を使用せず、制御電流回路を単独に使用するように構成されることができ、すなわち、制御電流回路を用いて整流器を排他的に制御することができる。これにより、使用される電気部品の数が減少され、したがって整流器を動作および整備するための費用の低減につながる利点をもたらす。

さらに留意すべきことは、各リアクトルに別々に設けられた制御回路を用いて、相の間の電流不平衡を等しくするできるということである。

好ましい実施形態において、整流器設備の要望に応じて、少なくとも１つのリアクトルは、システムの変圧器室の内部または外部に設置されている。

本発明の制御システムのさらなる実施形態において、負荷時タップ切替装置は、整流器の出力信号を粗制御するために、変圧器室に接続されている。これにより、リアクトルの寸法を大幅に減少することができるため、リアクトルの無効電力を低減することができ、その結果、制御システムの費用を低減するという利点をもたらす。

好ましい実施形態によれば、バイアス電流回路と電流制御回路とは、相互に接続されている。これにより、リアクトルには単一の巻線のみを備える電流回路を使用すれば良いため、整流器システムの部品費用を低減するという利点をもたらす。

好ましい実施形態によれば、バイアス電流回路と電流制御回路とは、２つの別個の電流回路である。これにより、信号の重畳が低減されるため、本発明の好ましい実施形態となる。この実施形態によれば、制御電流回路が故障した場合、通常バイアス電流回路の構成要素が信号の乱れに対してよりロバストであるため、安全上の理由で整流器を切ることにつながる電流制限値の超過を防ぐことができる。

好ましい実施形態によれば、整流器に必要されるスペースを低減するために、バイアス電流を供給する手段と制御回路を提供する手段とは、制御ユニットの内部に実装される。

好ましい実施形態によれば、制御電流回路を提供する手段は、ソフトウェアモジュールを含む。

好ましい実施形態によれば、整流器を制御するための本発明の制御システムは、整流器に実装される。本発明の制御システムの適用は、特定の整流設備に限定されず、したがって、本発明のシステムは、ダイオード整流器を制御するためのシステムに実装されてもよい。

整流器を制御するための方法の好ましい実施形態によれば、リアクトルの線形動作範囲を定義する始点および終点は、自動同調によって設定することができる。整流器の動作モードに影響を与える新たな外部パラメータまたは外部信号の乱れによって整流器の動作モードが変化しても、少なくとも１つのリアクトルの制御曲線内の線形動作範囲の最小制限値と最大制限値の位相ごとの自動同調は、システムをリアクトルの線形動作範囲内に維持することができる。また、自動同調は、整流器の動作条件が変化するときに、高速かつ最適な制御応答を可能にする。

リアクトルの制御曲線内における線形動作範囲の開始制限値および終了制限値の自動同調のさらなる利点は、整流器の動作中にプロセス変化が示された場合、これらの制限値を周期的に調整することができるということである。自動同調を行う頻度は、整流器の出力電圧に依存する。たとえば、整流器の出力電圧が所定の制限値を超えた場合、自動同調が開始する。したがって、整流器の動作挙動に影響を与える可能性がある信号の変化および整流器に連接された負荷の変化などのプロセス変化に応じて迅速に反応することができる。したがって、手動でリアクトルの線形動作範囲の最小値および最大値を求めることによりも、自動同調を用いることによって、設備整備の質を大幅に向上する。

連続的な自動同調のさらなる利点は、可能な限り電流を効果的に制御することができ、可能な限り顧客に最高の平均電流を供給し、よって可能な限り最高の生産高を与えるできるということである。

連続的な自動同調のさらなる利点は、タップ切換器の動作を可能な限り最低に低減することによって、タップ切換装置の整備を最小限に抑えることができるということである。

本発明のさらなる目的、代替案および特徴は、添付の図面に関連して本発明好ましい実施形態に関する下記の詳細な説明からより明らかになるであろう。

整流器に接続された本発明の制御システムの一例を示す図である。 リアクトルの制御特性曲線の一例を示す図である。

図面に使用された参照符号およびその意味は、符号の説明に要約される。原則として、図面において、同一の部分には、同一の符号が付される。記載された任意の実施形態は、本発明の主題の一例を表し、任意の限定を与えない。

図１は、出力信号９を用いて、整流器２を制御するための制御システムを示している。出力信号９は、整流器２に接続された負荷（図示せず）に供給される出力電圧または出力電流であってもよい。整流器２は、ダイオード整流器であってもよい。負荷は、たとえば、アルミ電解設備であってもよい。制御システム１は、各位相に少なくとも１つのリアクトル６と、リアクトル６を制御するためのバイアス電流を供給する手段７と、リアクトル６を制御するための制御電流を供給する手段８とを備える。好ましくは、手段７と手段８とは、少なくとも１つのリアクトル６に連接された制御ユニット３に格納される。

本発明の別の実施形態において、少なくとも１つのリアクトル６に連接された制御ユニット３は、単一の巻線回路からなる手段８のみを備えてもよい。

さらに、単一の制御ユニット３は、制御システム１の複数のリアクトル６に連接されてもよい。したがって、単一の制御ユニット３１は、制御システム１の複数のリアクトル６を動作させることができる。

本発明の代替的な実施形態において、制御システム１が各位相に複数のリアクトル６を含む場合、単一の制御ユニット３を位相ごとの各リアクトル６に連接することができる。よって、このような構造において、複数の制御ユニット３は、複数のリアクトル６に連接される。したがって、このような本発明の代替的な実施形態において、複数の制御ユニット３のうち各制御ユニット３は、複数のリアクトル６のうち少なくとも１つのリアクトル６を動作させる。

別の例として、単一の制御ユニット３を用いて、２つの単相リアクトルを動作させることが可能であろう。

リアクトル６は、整流器２に入力信号を与えるために、整流器２に連結されている。リアクトル６を制御するためのバイアス電流を供給する手段７と、リアクトル６を制御するための制御電流を供給する手段８とは、リアクトル６に接続されている。少なくとも１つのリアクトル６は、変圧器５に接続されている。変圧器５は、整流器の出力電圧の粗調整を行うための負荷タップ切換器（図示せず）を含むことができる。本発明の別の局面によれば、リアクトル６は、出力信号９を制御するように制御される。出力信号９は、整流器２からの出力電圧または出力電流であってもよい。リアクトル６の動作挙動は、ヒステリシス曲線に依存する。そのヒステリシス曲線は、リアクトルの動作に影響を与える外部信号の乱れなどの動作パラメータによって変化する。

整流器２の異なる動作モードまたはリアクトル６に影響を与える信号の乱れを考慮しながら、リアクトル６をヒステリシス曲線の線形動作範囲に動作させることを確実にするために、それに応じてリアクトルの線形動作範囲の始点および終点を設定する必要がある。このような設定は、本発明の制御システムにより、以下のように行われる。具体的には、バイアス電流は、リアクトルを制御するための制御電流を供給する手段８に入力信号として利用される所定値に固定される。制御電流を供給する手段８は、バイアス電流の所定値とリアクトル６の線形動作範囲の始点を定義する始点値との間の差を補償する。終点は、リアクトル６の線形動作範囲の端部であって、手段８に利用される固定値を指す。

図２は、図１に示された少なくとも１つのリアクトル６の制御特性曲線の一例を示す図である。リアクトル６は、整流器２を制御するための入力信号を整流器２に提供するために、整流器２に接続されている。図２において、リアクトル６の制御特性曲線は、ヒステリシス曲線として示されている。

以下では、図２のヒステリシス曲線内の点Ａ、Ｂ、ＣおよびＤの意味を説明する。
点Ａは、図１に示されたリアクトルを制御するための制御手段７によって、所定値として設定されたバイアス電流値の特性値である。

点Ｂは、図１に示されたリアクトル６の制御曲線内の線形動作範囲Ｂ〜Ｄの始点を定義する始点値の特性値である。始点Ｂは、図１に示されたリアクトル６を制御するための制御電流を供給する手段８に入力信号として利用されるバイアス電流の所定値（図２の点Ａ）と始点値との差を補償することによって決定される。

点Ｄは、図１に示されたリアクトル６の線形動作範囲Ｂ〜Ｄの終点を定義する。始点Ｂと終点Ｄとは、リアクトル６の制御曲線内の線形動作範囲Ｂ〜Ｄを定義する。

留意すべきことは、ヒステリシス曲線の点ＢおよびＤは、好ましくは、自動同調シーケンスにより求めることができるということである。

Ｃ点は、少なくとも１つ以上のリアクトル要素６に影響を与える可能性がある動作状況の変化によってリアクトルのヒステリシス曲線の位置または形状が変化する場合に備えて導入されたものである。この場合、自動同調は、変化した動作条件を満たすように、リアクトル６の線形動作範囲Ｂ〜Ｄの始点Ｂを自動的に調整することができる。このような場合の例としては、工業用ポットライン処理設備の直流電圧が変化する場合であってもよい。

１ 制御システム、２ 整流器、３ 制御ユニット、５ 変圧器室、６ リアクトル、７ リアクトルを制御するためのバイアス電流を供給する手段、８ リアクトルを制御するための制御電流を供給する手段、９ 整流器の出力パラメータ、Ａ バイアス電流値、Ｂ リアクトルの線形動作範囲の始点、Ｃ 動作変更の場合におけるリアクトルの線形動作範囲の始点、Ｄ リアクトルの線形動作範囲の終点。

Claims (13)

1. 整流器（２）の出力信号を制御するための制御システム（１）であって、
   前記整流器（２）に位相ごとに接続され、前記整流器（２）に入力信号を提供して前記出力信号を制御するための少なくとも１つのリアクトル（６）と、
   前記リアクトル（６）を制御するためのバイアス電流を供給する手段（７）と、
   前記リアクトル（６）を制御するための制御電流を供給する手段（８）とを備え、
   前記バイアス電流は、前記リアクトル（６）を制御するための制御電流を供給する手段（８）に入力信号として利用される所定値に固定され、
   前記リアクトル（６）を制御するための制御電流を供給する手段（８）は、前記バイアス電流の前記所定値と前記リアクトル（６）の線形動作範囲の始点を定義する始点値との間の差を前記制御電流によって補償することを特徴とする、制御システム（１）。
2. 前記リアクトル（６）の前記線形動作範囲の前記始点は、前記整流器（２）のプロセスパラメータに依存することを特徴とする、請求項１に記載の制御システム（１）。
3. 前記リアクトル（６）の前記ヒステリシス曲線内の線形動作範囲は、前記リアクトル（６）の前記線形動作範囲の前記始点を定義する始点値と終点を定義する終点値によって定義されることを特徴とする、請求項２に記載の制御システム（１）。
4. 前記リアクトル（６）を制御するためのバイアス電流を供給する手段（７）は、バイアス電流回路を含み、
   前記リアクトル（６）を制御するための制御電流を供給する手段（８）は、電流制御回路を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の制御システム（１）。
5. 前記バイアス電流回路（７）および前記電流制御回路（８）は、相互に接続されていることを特徴とする、請求項４に記載の制御システム（１）。
6. 前記バイアス電流回路（７）および前記電流制御回路（８）は、２つの別々の電流回路であることを特徴とする、請求項４に記載の制御システム（１）。
7. 前記整流器（２）からの前記出力信号を粗調整するために、負荷時タップ切換器が変圧器部（５）に接続されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の制御システム（１）。
8. 前記制御ユニット（３）は、前記リアクトル（６）を制御するためのバイアス電流を供給する手段（７）と、前記リアクトル（６）を制御するための制御電流を供給する手段（８）とを含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の制御システム（１）。
9. 前記制御システム（１）は、制御システム（１）の複数のリアクトル（６）に接続され、前記複数のリアクトル（６）を動作させることができる単一の制御ユニット（３）を備えることを特徴とする、請求項８に記載の制御システム（１）。
10. 前記リアクトル（６）を制御するための制御電流を供給する手段（８）は、ソフトウェアモジュールを含む、請求項１から９のいずれか１項に記載の制御システム（１）。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の制御システム（１）を備える整流器（２）。
12. 整流器（２）の出力信号を制御するための方法であって、前記整流器（２）は、前記整流器（２）に位相ごとに接続され、整流器（２）に入力信号を提供して前記出力信号を制御するための少なくとも１つのリアクトル（６）によって制御され、前記方法は、
    前記リアクトル（６）を制御するための手段（７）によって、バイアス電流値を所定値として設定するステップと、
    前記リアクトル（６）を制御するための制御電流を供給する手段（８）に入力信号として利用される前記バイアス電流の前記所定値と前記リアクトル（６）の制御曲線における線形動作範囲の始点を定義する始点値との間の差を前記制御電流によって補償することによって、始点値を求めるステップと、
    前記リアクトル（６）の前記線形動作範囲の終点を定義する終点値を求めるステップとを備え、前記始点および前記終点は、前記リアクトル（６）の前記制御曲線における前記線形動作範囲を定義する、方法。
13. 前記リアクトル（６）の前記線形動作範囲を定義する前記始点および前記終点は、自動同調によって設定される、請求項１２に記載の方法。

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