JPH0334094B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 この発明は、無効電力を電気系統へ供給する型
式の無効電力（VAR）発生器、特に静止型VAR
発生器に用いられる開閉式コンデンサの残留電荷
を制御するためのVAR発生器に関するものであ
る。

従来技術 静止型VAR発生器に開閉式コンデンサを使用
することは米国特許第4307331号および第4234843
号に開示されている。これらの型式の静止型
VAR発生器では、多数のコンデンサ・バンクが
双方向サイリスタ・スイツチ（サージ電流制御用
インダクタと一緒に使用できる）と直列に用いら
れる。上述した米国特許に見い出せるような方法
では、コンデンサ電圧と交流回路網電圧が等しい
時すなわちサイリスタ・スイツチの両端間の電圧
が零である時に、サイリスタ・スイツチはVAR
デマンド信号に応答して、通常、点弧される。し
かしながら、コンデンサ・バンクの両端間の電圧
が交流回路網電圧のピークに等しくなつた瞬間に
コンデンサ・バンクは切り離される。従つて、コ
ンデンサ・バンクは切り離し後その電圧に充電さ
れたまゝである。コンデンサ・バンクが印加交流
電圧のピークに充電されたまゝなので、サイリス
タ・スイツチの両端間の電圧は印加交流電圧とコ
ンデンサ電圧の和であり、これにより各サイクル
毎に１回ピーク交流電圧の２倍の最大値に達し、
サイリスタ・スイツチはこの電圧に耐えるか防止
できなければならない。

これは、サイリスタ・スイツチの完全さを維持
するに当つて、通常は、問題を提供しない。しか
し、交流供給回路網の或る種の状態下では、交流
電圧はその公称値を超えて極めて高い電圧レベル
まで過度的に上昇し得る。この高い電圧レベルが
存在する時に万一コンデンサ・バンクを切り離す
と、サイリスタは極めて高い電圧をうける。この
分野で良く知られている一つの解決方法は、サイ
リスタ・スイツチと並列に接続された非線型クラ
ンピンク素子を利用することである。現在の非線
型クランピング素子のブレイクオーバ電圧レベル
は非線型クランピング素子がうける正常なピーク
動作電圧の約２倍であるので、コンデンサ・バン
クの両端間の最高残留電圧は高くて正常な動作で
出合う電圧レベルの２倍である。従つて、上述し
た米国特許で見い出され得るような現在の技術を
利用するときびしい過電圧状態下ではコンデン
サ・バンクとサイリスタ・スイツチの両方が正常
な動作電圧ストレスの２倍の電圧ストレスをうけ
る。更に、もしサイリスタが意識的に或は無意識
に点弧されるならば、極端に過充電されたコンデ
ンサは交流回路網へ再接続できるが、これはサイ
リスタ・スイツチに非常に大きなサージ電流を流
すと共に交流回路網にかなりの過度外乱を生じさ
せることになる。

コンデンサ・バンクの残留電圧を正常な動作で
出会うレベル以下に制限することによつて過電圧
状態におけるサイリスタ・スイツチのための自由
な動作を確保するような装置を提供することが望
ましい。サイリスタ・スイツチの所要サージ定格
を低減し、これによりコストおよびサイズも小さ
くできることも望ましい。実際的でない程低いク
ランピング電圧レベルを必要とすることなく、コ
ンデンサの残留電荷を低い値に制限する装置を提
供することも望ましい。

発明の開示 この発明によれば、電気系統へ無効電力を供給
する型式のVAR発生器であつて、前記電気系統
と相互接続できこれへ前記無効電力を所定の期間
供給するための容量性リアクタンス素子と、この
容量性リアクタンス素子と直列に相互接続され前
記期間前記容量性リアクタンス素子を前記電気系
統とリアクタンス回路関係に接続するための少な
くとも２個の制御可能なスイツチ手段と、少なく
とも２個の非線型クランピング素子とを備え、各
非線型クランピング素子は、前記スイツチ手段の
各々と並列に接続され、前記スイツチ手段がオフ
状態にある間前記スイツチ手段の両端間の電圧が
最大の所定許容値よりも高い時だけ前記容量性リ
アクタンス素子の放電々流を通電させ、かつ前記
期間に続く或る期間前記容量性リアクタンス素子
および前記スイツチ手段の両端間の電圧を所定の
安全レベリに制御するVAR発生器が提供される。

都合の良いことには、容量性リアクタンス素子
は、電気系統と相互接続され、所定の期間電気系
統への無効電力を供給する。一対の単方向性素子
から成り得る少なくとも１個の制御可能な双方向
性スイツチ手段は、容量性リアクタンス素子と直
列に相互接続されかつ前記期間と同じ期間容量性
リアクタンス素子を電気系統とリアクタンス回路
関係に接続する。少なくとも一対の非線型クラン
ピング素子は、その各々が各スイツチ手段と並列
に接続され、スイツチ手段がオフ状態である間容
量性リアクタンス素子の放電々流である電流を通
電させるが、スイツチ手段の両端間の電圧が最大
の所定許容値を越える時だけかつ先の方の期間に
続く或る期間容量性リアクタンス素子およびスイ
ツチ手段の両端間の電圧を所定の安全レベルに制
限する。

この発明を、以下、添付図面について詳しく説
明する。

発明の従来例 第１図は、米国特許第4234843号に開示された
ようなVAR発生器の回路図である。多数のコン
デンサ・バンクはこの回路の上記側および／また
は下記側での過度特性とVAR問題の少なくとも
一方に応じて変り得ることが理解できる。従つ
て、多数のコンデンサ・バンクないしコンデンサ
Ｃ１，Ｃ２……Cnはそれぞれサージ電流制限用
インダクタL1、L2……Lnおよび双方向性サイリ
スタ・スイツチSW１，SW２……SWnと直列に
接続されている。通常のように、コンデンサ電圧
VC（第２図）と交流回路網電圧V1が等しい時点
でのVARデマンド信号に応答してサイリスタ・
スイツチSW１〜SWnが点弧ないしゲートされ
る。よつてサイリスタ・スイツチの両端間の電圧
は零である。サイリスタ・スイツチの電流が零点
と交差する瞬間にコンデンサが切り離される。こ
の瞬間、コンデンサ電圧VCは交流回路網電圧V1
のピークに等しく、これによりコンデンサ切り離
し後のコンデンサ電圧はV1のピーク電圧に等し
い。

第２Ａ〜２Ｄ図は、異なる許容スイツチング状
態においてコンデンサの接続（スイツチイン）お
よび切り離し（スイツチアウト）を特徴付ける電
圧波形および電流波形を図式表示したものであ
る。第２Ａ図は、交流回路網電圧V1の零交差で
スイツチングするための状態を例示する。この場
合、V1が零である時に、例えば第１図のＣ１の
ようなコンデンサはスイツチオンされ、電流icを
流すと共にコンデンサＣ１の両端間に印加される
べきV1に事実上等しいコンデンサ電圧VCを発生
する。この状態は、その代表的な例として、起動
時に或はコンデンサC1〜Cnが完全に放電される
時に存在する。第２Ｂ図、第２Ｃ図は、交流回路
網電圧すなわち印加電圧V1のピークでそれぞれ
正、負に充電されたコンデンサのスイツチング状
態を示す。なお、第２Ｂ図ではスイツチングが
V1の正ピークで起り、第２Ｃ図ではスイツチン
グがV1の負ピークで起ることに注目されたい。
スイツチアウトもそれぞれ適切な正ピーク、負ピ
ークで起ることに注目されたい。第２Ｄ図は、放
電中のコンデンサがスイツチインされる時の状態
を例示する。なお、スイツチインが起るのはコン
デンサ電圧VCがV1のピーク値よりも低い場合で
あり、スイツチアウトが起るのはこの例では正ピ
ークにおいてゞあることに注目されたい。

第３図、第３Ａ図は、サージ電流制限用インダ
クタを外した場合のコンデンサとサイリスタ・ス
イツチの組み合わせのそれぞれ回路図、波形図で
ある。上述したように、コンデンサＣ３が交流回
路網電圧すなわち印加電圧V3のピークまで充電
されたまゝなので、使用できるサイリスタ・スイ
ツチ例えばSW３はこの電圧の２倍の電圧を阻止
できる定格を持たねばならない。これは、サイリ
スタ・スイツチの両端間の電圧VSW３がV3とコ
ンデンサ電圧VC3の和であつて、各サイクル中に
１回、V3ピーク値V3_naxの２倍の最大値2V3_naxに
達するためである。これは第３Ａ図に示されてい
る。サイリスタ・スイツチ電圧VSW３の最初の
最大値はコンデンサＣ３が切り離された半サイク
ル後であり、これは最初の極性変化に続くV3の
ピーク時であることに注目されたい。

交流回路網の或る種の状態例えば短絡や負荷が
除去された場合には、V3は過度的にその正常な
ピーク値をかなり越え、もつて接続されているコ
ンデンサＣ３および関連コンデンサを高い電圧レ
ベルまで充電する。この過電圧状態中、交流回路
網のコンデンサVAR補償は望ましくなく、従つ
てコンデンサを切り離すべきであることが良く知
られている。しかしながら、もしこれをしようと
すれば、サイリスタ・スイツチSW３は交流電圧
反転時の次の半サイクル中高い過電圧にさらされ
たゞろう。過充電されたコンデンサC3によつて
生じられた高い電圧ストレスからサイリスタ・ス
イツチSW３を保護するために従来の保護装置は
高い交流回路網電圧状態におけるコンデンサの切
り離しを禁止しようとした（サイリスタ・スイツ
チSW３を導通状態に維持することによる）。し
かし、そうすると下記の欠点がある。つまり、接
続されているコンデンサＣ３は、基本的には誘導
性交流回路網を通して引き出し得る進み電流のせ
いで既に高い回路網電圧に達しておりかつ過電圧
問題を更に深刻化させ得る回路網に危険な発振状
態も生じ得る。従つて、交流回路網の諸要件とサ
イリスタ・スイツチSW３の安全動作との間に矛
盾がある。すなわち、前者はコンデンサＣ３の速
い切り離しを必要とするが、後者はV3が公称レ
ベルに低下するような時までサイリスタ・スイツ
チSW３を導通させる必要がある。

この問題を解決するための典型的な方法は、サ
イリスタ・スイツチSW３の両端間に非線型クラ
ンピング素子を使用してコンデンサＣ３の残留過
電圧を低下させようとすることだつた。この構成
は過電圧状態においてコンデンサＣ３を切り離せ
るが、コンデンサの最高残留電圧VC3は高いまゝ
である。このコンデンサ電圧VC3は正常な動作で
出合う電圧レベルの２倍である。それは、現在の
非線型クランピング素子のブレイクオーバ電圧レ
ベルが非線型クランピング素子のうける正常なピ
ーク動作電圧ストレスの大体２倍程高いためであ
る。従つて、きびしい過電圧状態では、コンデン
サＣ３とサイリスタ・スイツチSW３の両方が正
常な動作電圧ストレスの２倍の電圧ストレスをう
ける。コンデンサＣ３のためのこの状態は、内部
放電用抵抗（通常、ユニツトとしてコンデンサに
組み込まれた）が残留電圧を低下させるまで、通
常、長い期間（秒単位）続く。この放電期間中、
過充電されたコンデンサを交流回路網へ偶発的に
或は故意に再接続すると、サイリスタ・スイツチ
SW３にとても大きいサージ電流が流れることに
なりかつV3にかなりの過度外乱を伝播し得る。

発明の実施例 第４図は、この発明の望ましい実施例である。
図示の回路構成は、点弧要請制御回路から受ける
信号にサイリスタ・スイツチSW４−１および
SW４−２のシーケンスを制御させる。適当な点
弧要請制御回路は米国特許第4274135号に開示さ
れている。コンデンサは米国特許第4234843号に
開示されたVAR発生器の一部である。

従つて、点弧要請制御回路からの信号は点弧入
力端子２０で受けられる。この信号は、２入力
ORゲート３０および３２の一方の入力端子に入
力される。この信号は、Ｄ型フリツプ・フロツプ
２２およびパルス拡張器２４の入力端子にも入力
される。パルス拡張器２４の出力端子は２入力
ANDゲートの一方の入力端子に接続される。フ
リツプ・フロツプ２２のＱ出力端子、出力端子
はそれぞれANDゲート２６，２８の他方の入力
端子に接続されている。ANDゲート２６，２８
の出力端子はそれぞれORゲート３０，３２の他
方の入力端子に接続されている。ORゲート３
０，３２の出力端子はそれぞれ第１点弧パルス発
生器３４、第２点弧パルス発生器３６の入力端子
に接続されている。第１点弧パルス発生器３４の
出力端子はサイリスタ・スイツチSW４−１中の
各サイリスタのゲートに接続されている。同様
に、第２点弧パルス発生器３６の出力端子はサイ
リスタ・スイツチSW４−２中の各サイリスタの
ゲートに接続されている。サイリスタ・スイツチ
SW４−１およびSW４−２は半導体サイリスタ
から成る。逆並列接続されたサイリスタ対をかな
り多数直列接続して２個の“半”スイツチを形成
し、その各々がサイリスタ・スイツチSW４−１
またはSW４−２である。各サイリスタ・スイツ
チと並列にそれぞれ非線型クランピング素子Ｒ
１，Ｒ２が接続されている。この実施例では非線
型クランピング素子Ｒ１およびＲ２は、クランピ
ング電圧またはブレイクオーバ電圧として知られ
る電圧レベル以下では非常に高い抵抗を呈する
が、上述した電圧レベルを越えると非常に低い抵
抗（理想的には零に近づく）を呈するような電
圧／電流特性を持つ慣用の酸化亜鉛素子または電
圧サージ・アレスタである。直列接続したサイリ
スタ・スイツチSW４−１およびSW４−２は、
線路端子３８と３９の間でコンデンサＣ４および
インダクタＬ４と更に直列接続される。コンデン
サとサイリスタ・スイツチとインダクタの組み合
わせはVAR発生器中で線路端子３８と３９の間
に並列接続され得ることが理解されよう。

過電圧状態においてサイリスタ・スイツチSW
４−１およびSW４−２の自由な動作を確保し、
コンデンサＣ４またはVAR発生器中に存在し得
る他のコンデンサの残留電圧を制限し、かつサイ
リスタ・スイツチSW４−１およびSW４−２ま
たはVAR発生器に含まれた他のサイリスタ・ス
イツチの所要サージ定格を下げるために、上述し
たようなサイリスタ対はセンサー・タツプT1−
T2によつて“半”スイツチに分けられる。第１
点弧パルス発生器３４、第２点弧パルス発生器３
６はそれぞれサイリスタ・スイツチSW４−１、
SW４−２の上側半分および下側半分を個別制御
する。非線型クランピング素子Ｒ１，Ｒ２のクラ
ンピング電圧レベルは正常な動作状態中それぞれ
サイリスタ・スイツチSW４−１、SW４−２の
両端間に現われるピーク電圧よりも高く選ばれ
る。従つて、２個の“半”スイツチすなわちサイ
リスタ・スイツチSW４−１およびSW４−２か
ら成る全サイリスタ・スイツチのクランピング電
圧レベルは、直列接続された２個の非線型クラン
ピング素子Ｒ１およびＲ２のクランピング電圧レ
ベルの和によつて決定される。従つて、コンデン
サＣ４が放電している期間中一方の非線型クラン
ピング素子Ｒ１またはＲ２を事実上短絡させるこ
とにより、実効クランピング電圧レベルはＲ１ま
たはＲ２のクランピング電圧レベルまで低下され
る。これは、正常な動作電圧中単一の非線型クラ
ンピング素子に実際的でない低いクランピング電
圧レベルを要することなく、コンデンサＣ４の残
留電荷を低い値に制限しよう。コンデンサＣ４の
残留電荷を決定するのは単一の非線型クランピン
グ素子のクランピング電圧レベルであるので、直
列接続の２個の非線型クランピング素子は正常な
動作電圧を保つ。

第４図の実施例では、点弧入力端子２０で受け
た信号（ゲート・ドライブ信号）が、点弧要請制
御回路（図示しない）からの点弧要請の停止後付
加的な半サイクルの間パルス拡張器２４によつて
サイリスタ・スイツチSW４−１およびSW４−
２の半サイクルの間拡張されるような制御技術が
使用される。従つて、サイリスタ・スイツチSW
４−１とSW４−２はコンデンサＣ４を交互に放
電させ、これにより両方の非線型クランピング素
子Ｒ１およびＲ２が同数の電流サージの平均値を
確実にうけるようにする。

第５図は、同一であると仮定する非線型クラン
ピング素子Ｒ１およびＲ２と協働してサイリスタ
切替え式コンデンサの動作を図式表示する。交流
回路網電圧V4が時点t0以前ではかなり一定して
おりかつ交流回路網が時点t0以前にコンデンサ補
償を要するとすれば、コンデンサＣ４はスイツチ
インされ、そして交流回路網電圧V4および電流
i4は図示のように正常な定常状態におる。時点t0
で交流回路網電圧V4が例えば過度外乱または負
荷の切替えのせいで突然に増大される。その増大
したV4は、第４図の点弧入力端子２０からサイ
リスタ・スイツチへの信号を阻止してコンデンサ
Ｃ４を切り離すことにより、供給された容量性
VARを低減するのに一般的に必要である。しか
しながら、この実施例では、一方の“半”スイツ
チへの点弧信号だけが阻止されるにすぎない。従
つて、例えば、サイリスタ・スイツチSW４−１
への点弧信号GS SW４−１は、第５図に示した
ように時点t1での電流零交差よりも前に阻止され
よう。点弧信号GS SW４−２は第５図に示した
ようにもう半サイクルの間他の“半”サイクルす
なわちサイリスタ・スイツチSW４−２へ印加さ
れる。この点弧信号GS SW４−２は時点t3の直
前に阻止される。サイリスタ・スイツチSW４−
１は、点弧信号が阻止されるので、電流零交差時
の時点t1でターンオフする。この瞬間コンデンサ
電圧VC４はピーク過電圧値に達し、全サイリス
タ・スイツチSW４−１プラスSW４−２の両端
間の電圧は零である。交流回路網電圧が極性を変
え始めると、全サイリスタ・スイツチの電圧は増
大し始める。更に、交流回路網電圧V4が零点と
交差する時の時点t2では、阻止中のサイリスタ・
スイツチ（この例ではSW４−１）は両端間の電
圧は非線型クランピング素子Ｒ１のクランピング
電圧レベルに達する。この実施例では、非線型ク
ランピング素子Ｒ１のクランピング電圧レベルは
V4の正常なピーク値の２倍に選ばれる。クラン
ピング電圧レベルに達した後非線型クランピング
素子Ｒ１はブレイクダウンして導通し、低い抵抗
を呈する。V4が更に増大すると、放電々流iRが
コンデンサＣ４から非線型クランピング素子Ｒ
１、サイリスタ・スイツチSW４−２およびイン
ダクタL4を通つて流れる。コンデンサＣ４の放
電は、V4がそのピーク値に達した時点t3で完了
する。これ以前に、サイリスタ・スイツチSW４
−２への点弧信号は阻止されているだろう、そし
て第５図に示したようにコンデンサ残留電圧VC4
およびサイリスタ・スイツチ電圧VSWは正常な
値に落ち付く。

第６図は、交流回路網に時点t0でひどい過電圧
状態が生じた場合の第５図と同様な動作を示す。
サイリスタ・スイツチ電圧VSWは矢張りV4のピ
ーク値に制限され、そして残留コンデンサ電圧
VC4は零まで低下される。制限された回数の間、
交流回路網電圧が正常な値の１倍と２倍の間で変
り得る場合には、これに応じてV4の１倍と２倍
との間で変る残留コンデンサ電圧VC4がV4の正
常な最大値に制限される。V4の正常値の２倍と
４倍の間で変り得るサイリスタ・スイツチ電圧の
ピーク値は、V4の平均値の２倍以下に低下され
る。

発明の変形例 この発明の多くの変形例がその精神および範囲
から逸脱しない限りにおいて可能であることを理
解されたい。例えば、関連コンデンサを放電させ
るために単一の非線型クランピング素子を利用で
きる。従つて、単一の従つて同じ“半”スイツチ
は点弧要請の停止後半サイクルの間導通状態に維
持され、その結果最大クランピング電圧ストレス
は同じ“半”スイツチだけに印加されるので、サ
イリスタ・スイツチの半分だけが使用クランピン
グ電圧レベルに対して定格値を持つ必要があ。更
に、サイリスタ・スイツチの諸部分の両端間に３
個以上の非線型クランピング素子を利用でき、そ
して選んだ導通遅れにより残留コンデンサ電圧の
可変レベル制御を実現できる。更に、小型の抵抗
器をセンター・タツプT1とT2の間に接続してピ
ーク放電々流を制限できる。その上、サイリスタ
の点弧を制御するために異なる論理回路も使用で
きる。

発明の効果 要するに、この発明によれば、サイリスタに
かゝる過電圧を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のVAR発生器の一部を示す回路
図、第２Ａ〜２Ｄ図は異なるスイツチング状態に
おいてコンデンサの接続と切り離しを特徴付ける
電圧および電流の波形図、第３図はコンデンサと
サイリスタ・スイツチから成る代表的な回路の回
路図、第３Ａ図は第３図に示した回路に関連した
電流および電圧の波形図、第４図はこの発明の望
ましい実施例を一部ブロツク図で示す回路図、第
５図は動作状態中の第４図の回路に関連した電圧
および電流の波形図、第６図は交流回路網の過度
状態中および／または過電圧状態中第４図の回路
から取り出した波形図である。 Ｃ４は容量性リアクタンス素子としてのコンデ
ンサ、SW４−１およびSW４−２はスイツチ手
段としてのサイリスタ・スイツチ、Ｒ１およびＲ
２は非線型クランピング素子である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電気系統へ無効電力を供給する型式のVAR
   発生器であつて、前記電気系統と相互接続できこ
   れへ前記無効電力を所定の期間供給するための容
   量性リアクタンス素子と、この容量性リアクタン
   ス素子と直列に相互接続され前記期間前記容量性
   リアクタンス素子を前記電気系統とリアクタンス
   回路関係に接続するための少なくとも２個の制御
   可能なスイツチ手段と、少なくとも２個の非線型
   クランピング素子とを備え、各非線型クランピン
   グ素子は、前記スイツチ手段の各々と並列に接続
   され、前記スイツチ手段がオフ状態にある間前記
   スイツチ手段の両端間の電圧が最大の所定許容値
   よりも高い時だけ前記容量性リアクタンス素子の
   放電々流を通電させ、かつ前記期間に続く或る期
   間前記容量性リアクタンス素子および前記スイツ
   チ手段の両端間の電圧を所定の安全レベルに制限
   するVAR発生器。 ２ 非線型クランピング素子が酸化亜鉛素子であ
   る特許請求の範囲第１項記載のVAR発生器。 ３ 非線型クランピング素子が電圧サージ・アレ
   スタである特許請求の範囲第１項記載のVAR発
   生器。 ４ スイツチ手段がサイリスタ・スイツチである
   特許請求の範囲第１項記載のVAR発生器。 ５ 各スイツチ手段が逆並列接続の少なくとも一
   対のサイリスタから成り、その各サイリスタに他
   方のサイリスタとは反対の方向の電流を通電させ
   る特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか
   記載のVAR発生器。