JPH05509039A - 直流切換え式アークトーチ電源 - 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】 発明の技術分野 本発明は直流アークトーチの電源に関するものである。

直流アークトーチでは放電アークを用いて動作ガスの加熱やプラズマの発生を行 っており、この発生プラズマはトーチの一部でもある中空アノードから成るノズ ル内を通過する。前記プラズマを用いて微粉砕石炭などの可燃性燃料を蒸気発生 ボイラー内で発火させて発電を行っている。また、燃焼前に燃焼炉を加熱して燃 料の燃焼を安定させる際にも前記プラズマは利用されている。

このようなアークトーチでは、Ｏ−１，０００ボルトの電圧、１００−３００ア ンペアの電流、すなわち００−３００ｋの電力が必要とされている。

本願ではプラズマを長時間発生させるために上述のようなアークトーチが必要で あり、従来の電源ではアーク放電を長時間安定させることは困難であることが分 かった。

直流アークトーチ内で放電アークを発生させる際に特に問題となるのは、アーク 放電時にアノードからカソードへの大幅な電圧降下が発生し、それに伴って発生 する高レベルでの電圧の変動である。また、一般にアーク放電の場合、電圧と電 流の関係が逆転するため電流が大きくなるに従いアーク両端の電圧降下は低下す る。この結果、アーク電流を制限して電圧降下の低下分を電力で対処しなくては ならない。

発明の背景技術 従来の電源では、交流主電源の各相毎にサイリスタやシリコン制御整流器（ＳＣ Ｒ）が用いられている。所定時にサイリスタのうち少なくとも２個が常にＯＮ状 態となり、インダクタンスに電流を導き、当該インダクタンスで電力を蓄積し出 力を平滑化している。電流の平均流量を制御するため、次のサイクルでの電流需 要を予測する予測制御回路はサイリスクを順次ＯＮしていく。次のゼロ電流が発 生すると前記サイリスタはＯＦＦとなる。

この従来の電源には多くの問題があった。まず第一には、サイリスクがＯＮの時 のみ電流の流量制御が行われていた点である。この場合、三相電源の各相毎にサ イリスクを使用していると、第３番目の電源相での電流制御には平均した遅延が 生じてしまう。このため、制御可能な電流の最大量は限られてしまい、大きな電 流量での電流リップルを制限するにはインダクタンスを十分大きくする必要があ る。

電流がゼロになるとアーク放電が消滅するため大きなインダクタンスは必要不可 欠であり、また電流ピークが高くなると電極を劣化させてしまう。例えば、２０ ０Ａｍｐｓを消費する５０ｋＷのアークトーチの場合、電流リップルを５０Ａｍ ｐｓ以下に制限するには重量が数トンにもなる２０ｍＨのインダクターが必要で ある。このため電源のコストが高くなるといった問題があった。

また、第２魚目としては、従来は切換え制御は予測に基づくものであり、所定時 間における実際の電流の流量からめた厳密な判断ではなく演算予測に依存してい るという問題があった。

発明の開示 本発明に係る直流アークトーチ用直流電源は、直流電源に接続する入力ポートと 、アークトーチの電極に接続する出力ポートと、 制御スイッチと、前記入力ポートと前記出力ポートとの間に直列接続されたイン ダクタンスと、使用状態において前記スイッチがＯＮの場合は逆バイアスを、ま たＯＦＦの場合には順バイアスをかけて前記アークと前記インダクタンス間に直 流電流を流し続けるよう接続されたフリーホイールダイオードと、前記アーク中 の電流流量の瞬時値を検出する電流検出器を備えたフィードバック回路と、前記 スイッチに接続された制御端子とから構成されており、前記フィードバック回路 は、使用状態では、前記瞬時値が第一レベルに到達すると前記制御端子に制御信 号を出力して前記スイッチをＯＮにし、また前記瞬時値が第ニレベルに到達する と前記スイッチをＯＦＦにするよう信号を出力する。

上記回路では直流入力が使用されており、当該回路は前記アーク放電に必要な電 流が供給されるよう制御している。

供給される電流はアーク電圧波形の影響を受けることがなく、また予測制御器を 用いずに動作中のフィードバック回路でリアルタイムに電流を予測するため制御 精度と向上し、微妙な制御が可能になるという利点がある。

前記フィードバック回路は、電流検出器で測定した瞬時値が選択最大値に達する と前記スイッチをＯＦＦにし、一方前記瞬時値が選択最小値に達すると前記スイ ッチをＯＮにするよう構成されている。すなわち、アーク電流は一定の初期設定 リップルを越えないよう制御されているのである。

カソードの侵食速度は前記瞬時値に比例するものであり、またマイクロ秒はどの 期間であっても電流がまとまるとマイクロボイリングを発生させてしまうため電 流リップルの流れ制御には利点がある。さらに、前記最大電流値を小さくするこ とによりカソードの寿命は大幅に改善される。

電流リップルのレベルを低く選択すると前記スイッチは高い周波数で動作する。

高周波を使用するとインダクタンスを小型化することができる。例えば、２００ Ａｍｐｓを消費するアークに本発明に係る電源を使用すると、電流リップルを５ ０Ａｍｐｓに抑えるために必要なインダクタンスは２ｍＨになる。これは従来の 電源の場合の１／１０の大きさですむ。

前記フィードバック回路には、最小時間以下での前記スイッチの０ＦＦ１０Ｎ動 作を防止する手段と、電流が障害レベルを越えるのを防止する手段を組み込んで おくのが好ましく、このような手段を設けることによりインダクターまたはフリ ーホイールダイオードのいずれが故障してもスイッチを保護することができる。

本発明の好適実施態様では、これらの手段は全てゲートで構成されており、当該 ゲートでは必要員を表す信号を用いてフィードバック信号をゲート制御している 。

本発明ではクロック信号は使用しておらず、選択電流リップのレベル、インダク タンスおよび電力とアーク電圧降下との差分を用いて切換え周波数の決定を行っ ている。

ホール効果素子は、電流に関する交流および直流情報の双方を含んだ信号を生成 でき、誘導型センサーよりも効果的であるため当該ホール効果素子で前記電流検 出器を構成するのが好ましい。

インダクタンスとしてはエアギャップチョークが好ましく、チョークのインダク タンスはエアギャップによって線形になっている。

図面の簡単な説明 図面を参照しながら、例を用いて本発明について説明する。図面中、 第１図は、本発明の一実施態様であるアークトーチ用電源の回路図である。

第２図は、本発明の実施例に係るフィードバック回路の回路図である。

第３図は、本発明の実施態様である電源における電圧に伴う電流の変動を示すグ ラフであり、従来の電源との比較である。

発明の好適実施例の説明 第１図において、電源１は、ゲートターンオフサイリスター（ＧＴＯ）と、入力 ボートと出力ボートの間、特に直流電源の正端子４とアークトーチ６のアノード ５との間にエアギャップチョーク（インダクタンス）３を直列に接続した構成と なっている。アークトーチ６のカソード７は前記直流電源の負端子８に接続され ている。フリーホイールダイオードは、スイッチ２とインダクタンス３の間と前 記電源の負端子８との間に接続されている。フィードバック回路１０は、インダ クタンス３とアークトーチ６を通過する電流の流路にホール効果電流検出素子１ １を配設した構成となっており、前記スイッチ２を０Ｎ１０ＦＦする。

直流電源は、従来の整流および平滑処理を行って三相交流主電源から供給されて いる。

スイッチ２を０Ｎ１０ＦＦすると、直流電源の平均値が下がってしまう。スイッ チ２がＯＮになるとインダクタンス３およびアークトーチ６を介して電源から電 流が供給される（ランプアップ）。スイッチ２がＯＦＦの場合でも電流はインダ クタンス３およびアークトーチ６中を流れ続けるが、この場合電流はフリーホイ ールダイオード９から流入する。実際には、スイッチ２がＯＮの時にインダクタ ンス３に蓄積されたエネルギーを利用してスイッチ２がＯＦＦの際でもアークへ 電流を流し続けている。インダクタンスに蓄積されているエネルギーは、アーク 、インダクタンスの抵抗、およびフリーホイールダイオードの順方向抵抗からな る全体抵抗（はとんどはアークの抵抗であるが）のために序々に消失してしまう 。

第２図を参照しながら前述のフィードバック回路を詳細に説明する。検出器１１ からの信号は、オペアンプ１２で分離され、オペアンプ１４においてポテンショ メーター１３のプリセット電圧値から減算される。このプリセット電圧はアーク 電流の所望レベルを表しており、その値は例えば１６０Ａｍｐｓである。この差 分は増幅された後、ヒステリシス値と比較される。前記ヒステリシス値はポテン ショメーター１５で調整されており選択最大許容リップルを表している。ヒステ リシス値は例えば１２Ａｍｐｓである。

ヒステリシス値よりも前記差分が大きい場合は、オペアンプ１６が出力を行って 状態を変化させる。この出力は矩形波出力であり、ゲート１８において最小ＯＦ Ｆ時間を表す信号１７によってゲート制御され、さらに、ゲート２０において最 小ＯＮ時間を表す信号１９でゲート制御され、最後にゲート２２において電流の 障害状況を示すライン２１からの信号によってゲート制御される。

この電流障害状況を表す信号は第二電流検出器２３で生成されている。この電流 障害状況を表す信号はプロセッサ２４で処理され、ポテンショメーター２５の設 定レベルと比較され、ポテンショメーター２５の設定値を越える場合は信号を出 力してスイッチを過剰電流がら保護する。

従って、出力端子２６に到達した信号は、検出器１１での電流測定値に応じてス イッチ２を０Ｎ１０ＦＦするだけではなく、スイッチ２が所望の最小ＯＮ時間か ら最小ＯＦＦ時間の範囲を越えないように、また過剰電流による障害状況に対処 できるよう制御されている。端子２６の信号は、直接またはトランジスタ駆動回 路を介して電源トランジスタのベースに人力される。単安定またはクロック信号 発生器は不要であることが分かる。

アーク電圧に伴うアーク電流の変化を第３図を参照しながら説明する。

第３ａ図にはアーク電圧の経時的変化が示されている。

アーク放電で消費される電力は需要によって決まるものであり、消費電力によっ て電圧は決定されている。アークを放電すると、アーク放電のルートがカソード がらアノードへと延びるに従い電圧は最大需要レベルまで上昇する。この後、カ ソードに近い所でアーク放電は繰り返され、これに伴い電圧も繰り返し上昇する 。この結果、序々に上昇する電圧に瞬間的な落ち込みが発生する。時間ｔ、では 、通常よりもカソードよりの位置でアーク放電が繰り返されるため通常の電圧降 下よりも大きな電位降下が発生する。序々に大きな放電が繰り返され、時間ｔ２ でアークは再び通常の放電レベルに達する。同じ時間に電圧も通常の動作範囲ま で回復する。

第３ｂ図は、上記期間と同一の期間内におけるアーク電流の変化を示したもので ある。アークの放電が行われると、アーク電流は最大値すなわちｉｌｌ、まで上 昇する。次に、電流は最小値すなわち１ｍ＋。まで低下し、最大値までの上昇を 繰り返す。電圧レベルが変化しても電流レベルは変化しなか、電流のスイッチン グ周波数は変化してしまう。つまり、電圧降下によりスイッチング周波数は低下 するが平均電流はなんら変化しない。

第３ｃ図には従来の予測電源の動作か示されている。ｔ１時に電圧が降下すると 予測コントローラーが補償を行うため電流が増加する。電圧が回復すると、予測 コントローラーは電流を減少させる。このように電流を減少させるとアーク放電 が消滅してしまう。

特定の実施例を参照しながら本発明について説明してきたが、上述の態様にのみ 限定されるものではなく、この能様々な変形例が考えられる。例えば、前記スイ ッチ装置の回りを適当なスナツパ−で保護することも可能である。

Ｏｔ（ｔｚ　（ミ１〕υンド） Ｆ／Ｇ、３゜ Ｏｒ（ｒｊ　（＝’Ｊ　ｉ力＞）’） Ｆ／Ｃｙ、　、３ｃ 要　約　書 直流アークトーチ用直流電源（１）は、直流電源に接続される入力ボート（４， ８）と、アークトーチの電極（５，７）に接続される出力ポートと、前記入力ボ ートと前記出力ポートの間に直列に接続された制御スイッチ（２）およびインダ クタンス（３）と、使用状態において、前記スイッチ２がＯＮの場合は逆バイア スをかけ、一方前記スイッチ２がＯＦＦの場合は順バイアスをかけて前記アーク および前記インダクタンス内を流れる直流電流を一定に保つフリーホイールダイ オード（９）と、前記アーク内を流れる電流の瞬時値を検出する電流検出器（１ １）を備えたフィードバック回路（１０）と、前記スイッチ（２）に接続された 制御端子（２６）で構成されており、前記フィードバック回路は、使用状態にお いては、前記瞬時値が第ニレベルに達すると前記制御端子（２６）に制御信号を 出力して前記スイッチ（２）をＯＮＬ、一方前記輯時値か第２レベルに達すると 前記スイッチをＯＦＦにする。

補正書の写しく翻訳文）提出書 （特許法第１８４条の８） 平成４年１１月１３日

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．直流アークトーチ用直流電源は、 直流電源に接続する入力ポートと、アークトーチの電極に接続する出力ポートと 、 制御スイッチと、前記入力ポートと前記出力ポートとの間に直列接続されたイン ダクタンスと、使用状態において前記スイッチがＯＮの場合は逆バイアスを、ま たＯＦＦの場合には順バイアスをかけて前記アークと前記インダクタンス間に直 流電流を流し続けるよう接続されたフリーホイールダイオードと、前記アーク中 の電流流量の瞬時値を検出する電流検出器を備えたフィードバック回路と、前記 スイッチに接続された制御端子とから構成されており、前記フィードバック回路 は使用状態では、前記瞬時値が第一レベルに到達すると前記制御端子に制御信号 を出力して前記スイッチをＯＮにし、また前記瞬時値が第二レベルに到達すると 前記スイッチをＯＦＦにするよう信号を出力する。
2. ２．前記フィードバック回路は、前記電流の瞬時値とプリセット値の差分に応じ た第１信号を発生する手段をさらに備えていることを特徴とする請求の範囲第１ 項記載の直流電源。
3. ３．前記フィードバック回路は、前記第１レベル、前記第２レベルの差分に応じ たヒステリシス信号と前記第１信号を比較し、二状態制御信号を発生する手段を さらに備えていることを特徴とする請求の範囲第２項記載の直流電源。
4. ４．前記フィードバック回路は、最小ＯＦＦ時間を表す信号で前記二状態制御信 号をゲート制御し、前記スイッチのＯＦＦ状態が当該最小ＯＦＦ時間以下となる のを防ぐＯＦＦゲート手段をさらに備えていることを特徴とする請求の範囲第３ 項記載の直流電源。
5. ５．前記フィードバック回路は、最小ＯＮ時間を表す信号で前記二状態制御信号 をゲート制御し、前記スイッチのＯＮ状態が当該最小ＯＮ時間以下となるのを防 ぐＯＮゲート手段をさらに備えていることを特徴とする請求の範囲第３項記載の 直流電源。
6. ６．前記フィードバック回路は、電流障害状況を示す信号で前記二状態制御信号 をゲート制御し、前記アーク内を流れる電流が所定最大値を超えるのを防せぐ障 害（ＦＡＵＬＴ）ゲート手段をさらに備えていることを特徴とする請求の範囲第 ３項記載の直流電源。
7. ７．本願明細書に開示の実施例と略同一で、添付図面に図示されている直流アー クトーチ用直流電源。