JPH0417562A - サイリスタ変換器の保護方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はサイリスタ変換器の保護方法に係り、特に直流
送電等の高電圧のサイリスタ変換器の構成アームに通電
終了直後に印加される過電圧に対する保護に関する。

（従来の技術） サイリスタを多数直列または直並列に接続して構成され
る直流送電等に用いられるサイリスク変換器はアームの
通電終了直後、順耐圧特性が徐々にしか回復しないため
、所定期間逆電圧（以下余裕角と記す）を加えてから順
電圧が加わるように制御（余裕角γ一定制御）されてい
る。しかし、万−何らかの過渡的要因（系統電圧低下、
電圧歪、外需過電圧侵入等）で余裕角が所定値（サイリ
スタ素子のターンオフ時間等にリンクした値）より、小
さくなった場合、これを検出してそのアームを構成する
全サイリスタに一斉に点弧パルスを与える、いわゆる強
制点弧保護が行われる。これは対象となるアームの通電
終了直後には、そのアームを構成するサイリスタ内部に
は多数の残留キャリアが存在し、この残留キャリアが消
滅するまで順回復しないこと、及び順回復特性が、サイ
リスタ素子により大幅にばらつくことに起因して、次の
ような不具合が生じるためである。

短い逆電圧期間では順回復する素子と順回復しない素子
が混在しく部分転流失敗現象）、この結果順回復したサ
イリスタ素子のみに全回路電圧が加わりそのサイリスタ
素子が破損する。この現象を整理すると、−次のように
なる。

■順回復過程で順回復電圧以上の電圧が外部より加わる
とそのサイリスタ素子は自己点弧（又はブレークオーバ
ー）し、このとき電圧又は電流が大きい部分破損する。

■直列接続の場合順回復の特性にばらつきがあるので、
外部より順回電圧以上の電圧が加わったとき、自己点弧
がばらばら（部分転流失敗）になり■の現象が拡大し、
サイリスタ素子の破損するケースが増大する。このよう
な異常現象を防止するため前述したように、定常時には
余裕角γ一定副制御まりγが一定値以上になるような制
御を行い、過渡時には強制点弧つまり過渡的にγ≦７０
（７０所定値）になったら強制的にそのアームを構成す
る全サイリスタ素子に点弧パリスを供給する等の制御・
保護が行われている。前述した従来の制御点弧保護は余
裕角γが所定値γ。より大きいか否かで判定している。

即ち余裕角期間における保護しかしていない。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、余裕角後にサイリスタ素子には順電圧（
商用周波）が加わるが、万一この期間に雷インパルスと
か開閉インパルス状の過電圧が重畳した場合に、ばらば
らに自己点弧（部分転流失敗）現象が発生し、危険な状
況になり、サイリスタ素子が破損するケースが生じる。

これは、余裕角γが所定値γ。（約４００〜６００μｓ
〉サイリスタ素子のターンオフ時間Ｔｑ）より十分大き
い場合でも、余裕角γ終了時近傍ではサイリスタ内部に
キャリアか残存し、サイリスタはある電圧以上の順方向
電圧に耐えられないためである。この現象について第４
図、第５図を用いて説明する。第４図は直流送電等に用
いられるサイリスタ変換器の回路構成を示し、（ａ）は
主回路構成を示し、（ｂ）は変換器自身のアーム構成の
詳細を示す。

１はサイリスタ変換器、２はサイリスタ変換器１用の変
圧器、３は平滑用の直流リアクトルを示す。

この構成でサイリスク変換器１で交流から直流へ又は直
流から交流へそれぞれへ電力を変換する。

この種のサイリスタ変換器は通常電圧が高いので（ｂ）
に示すように、多数の直列サイリスタ４１〜４Ｎから構
成される。ここでＮは直列数であり一例としてＮ　−１
００〜２００個である。５．〜５Ｎは各サイリスタ電圧
を均等にするための分圧回路で７□〜７Ｎはサイリスタ
４．〜４Ｎ　　（この例では光サイリスク）の光点弧信
号を大地レベルのゲート制御装置（図示しない）より伝
送するライトガイドである。６１〜６Ｍはサイリスタの
ｄｉ／ｄｔ及びｄｖ／ｄｔを制御するためのアノード又
はカソードリアクトルである。ここでＭ≦Ｎである。か
かる構成のサイリスタ変換器に於いて、通電終了直後に
アームにインパルス状の過電圧が加わった例を第５図に
示す。

第５図は問題となるサイリスタ変換器として運転してい
る例で、（ａ）はアーム電圧を、（ｂ）はアーム電流を
それぞれ示す。通常は、実線で示すような電圧、電流、
波形となり、サイリスク変換器は正常に運転できる。こ
のときγ≧γ。である。しかしながらｔｘｉ、（Δｊ　
””　ｊ　＋　　　ｊ　ｏ　＋Δｔは０〜数百μｓ）で
、点線で示すインパルス状の過電圧が加わると、各サイ
リスタにはキャリアがまだ残っているためこの過電圧（
ピーク値−Ｖ＋、）に耐えられないケースが生しる（部
分自己点弧つまり部分転流失敗）。この現象は、Ｖｌ、
。

ｄＶ＋、／ｄｔが大きい程、又Δｔか小さい程、発生し
やすい。Ｖｌｐ大小、ｄＶ、、／ｄｔの大小、Δｔの大
小により次のようになる。

■ケースＡ　：　Ｖ　、Ｐ又ハｖ＋　ｐ／　ｄ　ｔが中
〜大かつΔｔが小〜中の場合で全サイリスタ素子か転流
を失敗する。

■ケースＢ：Ｖ、、又はＶｌ、／ｄｔが小でかつΔｔが
大の場合で全サイリスタ素子が順電圧に対し阻止機能を
回復する。

■’ｙ−スＣ：Ｖ＋ｐ又Ｉｔ　Ｖ　１ｐ　／　ｄ　ｔ　
オＪ：びΔｔ　７＞＜共にケースＡ、Ｂの中間の場合で
部分転流失敗である。

ケースＡ、Ｂはサイリスタにとって過大ストレスになる
ことがなく、保護の必要性は少ない。

方ケースＣは部分転流失敗が生じ１部のサイリスタが過
電圧により破損する。従って保護は必ず必要である。し
かるに、従来の強制点弧保護は余裕角γと所定値γ。を
比較し、γ≦γ。の条件で強制点弧を行っており、この
方法では第５図に示すように、順電圧が加わった時（ｔ
　”　ｔ　ｏ　）以降に加わった過電圧には全く保護が
なされない。従ってΔｔ（−〇〜数百μｓ）期間にイン
パルス性の過電圧が侵入した場合にサイリスタ素子一部
もしくは全素子を破損させる危険性があった。

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものをであり、
余裕角の範囲のみならず更に広範囲に渡ろ過電圧に対し
構成サイリスタ素子を保護するサイリスタ変換器の保護
方法を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、前項のケースＣの部分転流失
敗に伴う過電圧ストレスを抑制するため、この領域で部
分転流失敗、又はそれを予測し得るデータの検出を行い
、強制点弧信号を与えるもので、本発明のサイリスク変
換器の保護方法は、サイリスタを直列に配列してアーム
を構成してなるサイリスタ変換器の保護方法において、
通電終了したアームの通電終了後より所定時間以内にそ
のアームの電圧が所定電圧以上となった場合そのアーム
を構成する全てのサイリスタに強制的にゲートパルスを
与えるようにしたものである。また、アームを構成する
サイリスタのいずれかが所定電圧以上となった場合その
アームを構成する全てのサイリスクに強制的にゲートパ
ルスを与えるようにしたものである。

（作用） 上記構成により通電終了したアームの通電終了後より所
定時間以内にそのアーム電圧が所定電圧以上となるとそ
のアームを構成する全サイリスクに強制的にケートパル
スが加えられるのでその所定時間以内にインパルス等の
過電圧が加わってもサイリスタは保護される。この所定
時間は当然余裕角より大きくし、サイリスタの容量によ
り変化するが直流送電等に用いられる大電力サイリスク
の一例として４００〜６００μｓ程度である。また、そ
のアームを構成するサイリスタのいずれかの電圧が所定
電圧以上となるとそのアームを構成する全サイリスタに
強制的にゲートパルスを加えることにより箇々のサイリ
スタごとの保護が強化される。

（実施例） 以下本発明の実施例を第１図〜第４図を用いて説明する
。第１図は本発明の第１実施例を示すブロック図である
。第１図は第４図に示す１つのアームの詳細を表した図
である。第１図において、４１〜４Ｎは１つのアームを
構成する直列に接続光点弧サイリスタ素子、６１〜６Ｍ
はサイリスタ素子４に直列に接続されたりアクドルでサ
イリスタ素子４の筒数Ｎ以下である。７□〜７Ｎはサイ
リスタ素子４を点弧する光を導くライトガイド、８１〜
８Ｎは各サイリスタ素子４に設けられた抵抗とコンデン
サを直列にして構成したスナバ、９、〜９Ｎはサイリス
タ素子４の分圧器でサイリスタ素子４の電圧検出用検出
抵抗を兼ねている。

１０□〜ＩＯＮはサイリスタ素子４の順電圧を検出する
発光素子、１１１〜ＩＩＮはサイリスタ素子４の逆電圧
の検出する発光素子、１２□〜１２Ｎは発光素子１０の
ライトガイド、１３＋　〜１３Ｎは発光素子１１のライ
トガイドである。１４１〜１４Ｎ　１１５＋〜１５Ｎは
大地レベルの受光素子で、それぞれライトガイド１２．
１３より順電圧、逆電圧の光信号を受光する。

１６はアーム電圧検出用抵抗、１７はアームの順電圧を
検出する発光素子、１８はアームの逆電圧を検出する発
光素子である。１９．２０はそれぞれ発光素子１７．１
８のライトガイドで、２１．２２はそれぞれライトガイ
ド１７．１８の光信号を受光する受光素子である。２３
は受光素子１４．１５で電気信号に変換された順電圧、
逆電圧信号を増幅する受光回路、２４は受光回路２３の
出力を論理積又は論理和処理する（−般に順電圧信号は
論理和、逆電圧信号は論理積処理する）論理回路、２５
は受光素子１７．１８で電気信号に変換された順電圧、
逆電圧信号を増幅する受光回路、２Ｂは受光回路２５の
出力中順電圧信号ｄより電圧レベル（又は電圧変化率レ
ベル）を判定する電圧（又は電圧変化率）判定回路、２
７は受光回路２５よりの逆電圧信号ｅを入力し保護期間
を決定する保護期間決定回路である。電圧判定回路２６
はゲート制御信号ａを用いてアーム通電終了直後の順電
圧の電圧又は電圧変化率が所定値以上か否かを判定し、
所定値以上のとき信号ｆを出力する。

−刃保護期間決定回路２７はアームの逆電圧信号ｅとゲ
ート制御信号ａとを入力し、アーム通電終了後の逆電圧
が零になる点（第２図において１−１８の点）からの設
定時間Δｔを決定し信号ｇを出力する。２８は信号ｆと
信号ｇの論理積をとるアンド回路、２９は図示していな
い中央制御装置からのゲート制御信号ａ（導通期間信号
）および論理回路２４の出力である順電圧信号す。、逆
電圧信号Ｃ８を用いてサイリスタ変換器のゲート制御（
ゲート光信号の発生）およびアンド回路２８から強制点
弧信号りを入力して通常点弧信号に割込みでゲート光信
号ｉを出力するゲート制御回路である。

次に動作を第２図を用いて説明する、第２図は逆変換時
のアーム電圧と各信号のタイムチャートを示し、実線が
定常時、点線が過電圧侵入時を示す。定常時にはｔｗｊ
ｏで信号ｇがΔを期間“１”になるが、アーム電圧は所
定値Ｖ０．に達せず、信号ｆは“０”のままであり従っ
て信号り、ｌはＭＯ”を継続する。一方、ｔ≧ｔ４ては
信号ｆは“１′になるものの、信号ｇは“０”にリセッ
トされているので、この場合り、ｉは出力されない。

以上のように、定常運転（過電圧の侵入か無い場合）の
ケースは最終的に強制点弧信号り、ｉは発生しない。一
方、過電圧が１−１．で侵入した点線で示すケースは、
過電圧がＶ。Ｌを越える期間ｆ信号は“１”となり、ｇ
信号とのアンド条件が成立してり、ｉ信号は“１”とな
る。即ちサイリスタ変換器の当該アームの全サイリスタ
に一斉に強制点弧信号が与えられ、各サイリスタは点弧
により保護される。ここでＶＬｏはアーム電圧又は第２
実施例のサイリスタ電圧でサイリスタ内に残留キャリア
が存在した状態で自己点弧したときサイリスタが破損し
ない最小電圧に基づいて（アーム電圧く最小破損サイリ
スタ電圧×直列数Ｘアンバランス係数、サイリスタ電圧
く最小破損サイリスタ電圧）決めればよく、具体例を次
に示す。

Ｅｓ　　（ｔ　＝　ｔ４　）ｘＫ、≦ＶＬｏ≦ＶＲｓＭ
ｘＫ２Ｅｓ　　（ｔ＝ｔ４）はＥＳ電圧の１−１４の値
。

Ｋ、は定常変動率等を考慮した余裕係数で概略１．３〜
１，５以上が適切である。Ｋ２は定格電圧に対する定格
係数で０．８〜１．０以下が適切である。

また保護期間決定回路２７の設定値Δｔは、基本的に残
留キャリアか零近くになり、順回復がある程度回復する
時間である。実際にはサイリスタの容量で種々変わるが
、直流送電等に用いられる大電力サイリスタでは概路次
のような値とする。

γ０＋Δｔを略１０００μＳとするとΔｔは略１０００
μｓ　−（４００〜６００　ｔ、ｔ　ｓ　）　−４００
〜８００　ｔｔ　ｓとなる。ここでγ。は余裕角γの整
定値である。なお第１図、第２図では保護期間を順電圧
印加後、Δを時間としたか、過電圧は、逆電圧期間にも
侵入するので、保護期間をΔｔ＋γ。＝Δｔ′としても
よい。むしろΔｔ′の方が現実的である。次に電圧判定
回路２６を電圧変化率判定回路とした場合について説明
する。順電圧信号ｄはアーム電圧そのものであるため、
電圧変化率判定回路２６の微分回路によりその変化率（
ｄ　Ｖ　ｓ　／　ｄ　ｔ　）が得られる。判定値ｄ　Ｖ
　ＯＬ／　ｄ　ｔを次式のように決め、またΔｔを前記
のようにすれば所定のｄ　Ｖ　ＬＯ／　ｄ　を以上て強
制点弧保護ができる。

Ｋ′１は定常運転時に対する余裕係数で、定常時のｄ　
Ｖ　Ｎ　／　ｄ　ｔの変動率等で決まり１．３〜１．５
以上の値が用いられる。

通電終了直後の順電圧期間に於いて、サイリスタの残留
キャリアに起因して過電圧が加わったときに部分転流失
敗を発生し、回復したサイリスタ素子は過電圧にて破損
するが本実施例によればこの領域（Δｔ）の過電圧に伴
う部分転流失敗を予測し得る信号（ＶＮ　、　Ｖｐｉ　
／　ｄ　ｔ　）で検出し、それがサイリスタ変換器の限
界に余裕を見込んだ値以上となる場合強制点弧を行う。

これによりΔｔの領域の部分転流失敗に伴う過電圧から
確実に保護できる。又、Δを以外の領域での過電圧（ア
レスタ保護レベル以下の過電圧）に対してサイリスタ変
換器は確実に耐えるので、部分転流失敗の危険性は全く
ない。従って、過電圧侵入時による不安定な強制点弧信
号をΔｔの期間“１°となるｇ信号で確実にロックする
ことができる。このようにΔを以外の期間の過電圧はサ
イリスタ素子を破損させることも不要な点弧により運転
へ支障を与えることもない。

次に、第２実施例を第３図を用いて説明する。

第３図はゲート制御および保護用の順電圧、逆電圧検出
信号を過電圧の検出にも使用するものである。第３図に
於いて、第１図と同一符号の要素は同一機能を有する。

電圧（電圧変化率）判定回路２６′　は第１図の電圧判
定回路２６と同一機能であるが、第１図の電圧回路２６
はアーム電圧の電圧（電圧変化率）を判定するのに対し
第３図の電圧判定回路２Ｂはサイリスタ素子の電圧（電
圧変化率）を判定する。従って第３図電圧判定回路２６
′の基準値は第１図電圧判定回路２Ｂの略１／Ｎとなる
ように設定する。（ＶＮＬ−路１／ＮｘＶＮＬ。

ｄ　Ｖ　ＮＬ／　ｄ　ｔ　−”略１／　Ｎ　Ｘ　ｄ　Ｖ
　ＮＬ／　ｄ　ｔ　）本実施例は第１実施例と全く作用
効果が得られると共に、第１実施例に比較してて、次の
利点がある。

■アーム電圧の検出回路（第１図の１６．１７．１８）
を省略できる。

■過電力により部分転流失敗か発生した状態も検出でき
第１実施例より保護範囲が広（なる。

（第１実施例はアーム電圧を監視しているので、部分転
流失敗が起こりはじめてもその電圧又は電圧変化率はあ
まり変わらないため検出が遅くなる。）以上のように、
第２実施例によれば、検出の速い保護が出来き従って保
護範囲が広く、確実な保護ができる。なお第１図、第３
図の電圧判定回路２６．２６　’を電圧変化率判定回路
とした場合、その回路構成は積分回路と基準時間回路、
基準電圧回路からなりｄ　ＶＮ　／　ｄ　ＶＯＬを越え
たことを検出する。又第１及び第３図で受光回路２３の
順電圧信号ｄを保護期間決定回路２７に破線で示すよう
に入力しているがこれはΔｔの時間の基点をｄ信号又は
ｅとｄ信号の組合わせでつくる場合に用いる。

更に第１図及び第３図では過電圧（電圧上昇率）レベル
を大地側（電圧判定回路２６．２８　’　）としている
が、必要に応じて高圧部（１７，１８又は１０．１１　
）で過電圧（電圧上昇率）レベルを決めてもよい。

更に第１図及び第３図の説明から明らかのように順又は
逆電圧検出回路と過電圧検出回路とを各サイリスク単位
に別個に設けても同様の効果が得られる。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明は通電終了した
アームの通電終了後より所定時間以内にそのアーム電圧
又はそのアームを構成するサイリスタの電圧が所定値以
上となったときそのアームを構成する全サイリスタに強
制的にゲートパルスを与えるので、過電圧に対し確実な
保護を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成図、第２図は第１図
の動作を説明する保護タイムチャート図、第３図は本発
明の第２実施例の構成図、第４図はサイリスタ変換器の
回路構成図、第５図は余裕角直後アームにインパルス過
電圧が重畳した時の部分転流失敗説明図である。 ４・・・サイリスク、　　　６・・・リアクトル、７、
１２．１３．１９．２０・・・ライトカイト、８・・・
スナバ回路、　　９・・・直流分圧回路、１０、１１．
１４．１５．１７．１ｇ、　２１．２２．３０・・・発
光素子、２３、２５・・・受光回路、　２４・・・論理
回路、２６・・・電圧判定回路、 ２７・・・保護期間決定回路、 ２８・・ アン ド回路、 ２９・・ ゲー ト制御回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）サイリスタを直列に配列してアームを構成してな
   るサイリスタ変換器の保護方法において、通電終了した
   アームの通電終了後より所定時間以内にそのアームの電
   圧が所定電圧以上となった場合そのアームを構成する全
   てのサイリスタに強制的にゲートパルスを与えることを
   特徴とするサイリスタ変換器の保護方法。
2. （２）サイリスタを直列に配列してアームを構成してな
   るサイリスタ変換器の保護方法において、通電終了した
   アームの通電終了後より所定時間以内にそのアームを構
   成するサイリスタのいずれかが所定電圧以上となった場
   合そのアームを構成する全てのサイリスタに強制的にゲ
   ートパルスを与えることを特徴とするサイリスタ変換器
   の保護方法。