JPH0652986B2

JPH0652986B2 - 光サイリスタバルブ制御装置

Info

Publication number: JPH0652986B2
Application number: JP59275945A
Authority: JP
Inventors: 忠高橋; 秀俊伊野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-12-28
Filing date: 1984-12-28
Publication date: 1994-07-06
Anticipated expiration: 2009-07-06
Also published as: JPS61157258A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明はサイリスタを多数個直列接続してなる直流送電
等に適した光サイリスタバルブ制御装置に関する。

〔発明の技術的背景および背景技術の問題点〕

光ゲート信号で直接駆動される光サイリスタの実用化に
伴い直流送電又は無効電力補償等用に光サイリスタ式の
高電圧サイリスタバルブが盛んに採用されつつある。こ
れは光サイリスタを適用すると、従来の電気サイリスタ
式バルブに比して、高電位部のゲート回路が大幅に単純
化され、この結果信頼性が高まり、一層小形にすること
ができ、サイリスタバルブの経済化も計られるためであ
る。しかるに、サイリスタバルブを駆動するゲート制御
装置の信頼性に問題があり、高サイリスタの適用拡大に
とって、大きな障害になっている。

以下第４図、第５図を参照して従来の装置の問題点につ
いて詳しく説明する。第４図で、１は多数の光サイリス
タ２を直列接続し、かつ附属回路３，４を設けて成るサ
イリスタバルブで、附属回路のうち３はサイリスタに加
わる電圧を均等にするための分圧回路、４はサイリスタ
の電圧上昇率（ｄｖ／ｄｔ）及び電流上昇率（ｄｉ／ｄ
ｔ）を所定値以下に抑えるためのリアクトルである。５
はゲート制御装置から供給される光ゲート信号を各サイ
リスタに伝送するためのライトガイドである。通常大地
レベルに設置されるゲート制御装置は光ゲート信号を発
生する直列接続されたＬＥＤ（発光ダイオード）７、Ｌ
ＥＤに所定のパルス電流を流すためのスイッチング素子
８（図示の例ではトランジスタ）、ＬＥＤ７の電流値を
制限するための抵抗９、電源用コンデンサ１０及びスイ
ッチング素子を駆動するためのゲート増幅器１１からな
る。かかる構成において図示していない中央制御装置よ
り、ゲート指令ａが与えられる。このゲート指令ａはゲ
ート増幅器１１を介してスイッチング素子８をオン状態
にし、この結果ＬＥＤ７にはパルス状の電流が流れ、そ
れに伴って各ＬＥＤ７はパルス状電流とほぼ相似の光ゲ
ート信号を発生する。この光ゲート信号は各ライトガイ
ド５を通して各光サイリスタ２に供給され、サイリスタ
バルブは点弧される。尚光ゲート信号のパルス幅制御方
式としては（１）サイリスタバルブの導通区間と等しい
広幅方式と（２）サイリスタ導通区間より短い狭幅方式
とがある。

従来のゲート制御回路には次のような欠点がある。

（１）ＬＥＤ時間と共に光出力が低下するいわゆる経時
特性（以下、ＬＥＤの寿命特性と呼ぶ）がある。

（２）ＬＥＤ、スイッチング素子、抵抗、電源コンデン
サ等には開放故障及び短絡故障があり、特にＬＥＤとス
イッチング素子の開放及び短絡故障率が高い。

これら（１）、（２）の寿命又は故障はサイリスタバル
ブに対して重大な影響を与える。即ち（１）に於いて１
部のＬＥＤが寿命のため光出力が低下した場合、対応す
るサイリスタには十分な光ゲート信号が与えられず、全
く点弧できないかもしくは不十分な（ターンオンタイム
が長くなる）点弧状態になる。このためそのサイリスタ
過電圧が加わり、ついには破壊する。又全部のＬＥＤが
寿命により、光ゲート信号が弱くなった場合、点弧がア
ンバランス（点弧するものと点弧しないものとが生じ
る）になったり、あるいは全くサイリスタが点弧しなく
なったりする。この場合バルブは次相運転になる。

一方、上記（２）のうち開放故障の場合は、１つのＬＥ
Ｄが開放故障しただけで、どのＬＥＤにも電流が流れな
くなり、サイリスタバルブは全く点弧できなくなる。こ
のため欠相運転となる。又（２）のうち短絡故障の場合
は、次のような事態となる。例えばスイッチング素子８
が突然短絡状態になったときにはＬＥＤに、電流が連続
して流れる状態になる。この場合はバルブは点弧しては
いけないときに点弧したり（通弧）する。一方、ＬＥＤ
電流が連続したためにＬＥＤ電流が小さくなる場合、光
ゲート信号の強さが不十分になり、バルブａ内のサイリ
スタの点弧がアンバランスになって危険状態になる。

第５図は正常時、異常時のＬＥＤ電流を示すものであ
る。同図（ａ）は正常時のＬＥＤ電流（ｉ_Ｌ）を示し、
波高値ｉ_LP、パルス幅Ｔ_Ｐの電流が流れていて、これに
よりサイリスタバルブを駆動している。同図（ｂ）は、
ｔ＝ｔ_１で例えば１つのＬＥＤ（又はスイッチング素
子）が開放故障になったため、ＬＥＤ電流が瞬時に零に
低下した例である。この結果、パルス幅Ｔ_Ｐ′は非常に
短くなり（Ｔ_Ｐ′＜Ｔ_Ｐ）、例えばＴ_Ｐ′＝数μｓ〜十
数μｓ以下ではサイリスタバルブ内の各サイリスタの点
弧が不揃いになり、危険な状態（ターンオンアンバラン
ス）になる。なおｔ＝ｔ_１以降は光ゲート信号は発生で
きないのでサイリスタバルブは欠相運転になる。

第５図（ｃ）はｔ＝ｔ_１でスイッチング素子が短絡故障
した例で、本来電流が零になるべきｔ＝ｔ_２になっても
電流は零にならず電流が減衰しながら持続する。この場
合、ｔ＝ｔ_３ではＬＥＤ電流は正常値のほぼ1/2程度に
なり、この状態でサイリスタバルブが点弧すると、点弧
不揃いが発生する。

以上のようにゲート制御装置の種々の故障によりサイリ
スタの点弧不揃いで多数のサイリスタ破損を招いたり又
バルブを欠相させることになる。

〔発明の目的〕

本発明は以上のような従来の問題点に着目してなされた
もので、ＬＥＤ、スイッチング素子等が故障してもサイ
リスタの破損を防止しかつサイリスタバルブの運転を継
続できるようにすることを目的とする。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、本発明は、直列接続された複
数の発光素子、及びこの発光素子に直列接続されたスイ
ッチング素子を有し、このスイッチグ素子のオンオフに
より、複数の発光素子の出力する光ゲート信号が制御さ
れる、複数系統の光ゲート信号出力回路と、複数個の直
列又は直並列接続された自己過電圧点弧サイリスタを有
し、この光サイリスタは前記光ゲート信号出力回路から
の光ゲート信号をライトガイドを介して受光部に入力す
るものである光サイリスタバルブと、前記複数系統の光
ゲート信号出力回路に流れる各電流を検出する複数の電
流検出器と、前記複数の電流検出手段の検出に基いて、
前記複数系統の光ゲート信号出力回路のうちから開放又
は短絡等の故障を生じている回路を判別する電流異常判
別回路と、前記複数系統の光ゲート信号出力回路のそれ
ぞれに設けられ、前記電流判別回路からの異常判別信号
に基いて、その光ゲート信号出力回路を切り離す複数の
開閉素子と、前記電流異常判別回路の判別結果に基い
て、前記開放又は短絡等の故障発生後は、健全側の光ゲ
ート信号出力回路の光ゲート信号で前記光サイリスタバ
ルブを制御するゲート制御回路と、を備えた構成とした
ものである。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示したものである。

同図に於いて、第４図と同一符号の要素は第４図と同様
のものである。従って、これらについては説明を省略
し、第４図と異なる部分の構成を説明する。

２′は過電圧保護機能を有する自己過電圧点弧光サイリ
スタで、通常の光ゲートでターンオンする機能の他に、
順方向の耐電圧近傍の電圧に達したら自からターンオン
する（Ｖ_BOターンオン）機能を有するものである。ライ
トガイド５′はＬＥＤ端を２入力とするための２分岐形
としている。ゲート制御装置内の回路は２重化されてい
る。即ち、２系統の同一の回路Ａ，Ｂが設けられてい
る。第１図ではこれらを構成する各要素には数字にＡ，
Ｂを付して表わしている。そのうち、第４図に示した素
子と同様の要素は同一の数字にＡ，Ｂを付した符号で示
してある。即ち、７Ａ，７Ｂは直列接続されたＬＥＤ
で、それぞれライトガイド５′の分岐した端部に接続さ
れている。８Ａ，８ＢはＬＥＤに直列接続されたスイッ
チング素子、９Ａ，９Ｂは限流用抵抗、１０Ａ，１０Ｂ
は電源用コンデンサ、１１Ａ，１１Ｂはゲート増幅器で
ある。

第１図のゲート制御装置には更にＬＥＤの電流を検出す
る電流検出器１３Ａ，１３Ｂ、この電流検出器が発生す
る電流検出信号ｅＡ，ｅＢに基づいてＬＥＤの電流の異
常を検出し、その内容を判別する電流異常判別回路１
４、短絡故障時に、ＬＥＤ主回路を開放するための開閉
素子（電磁開閉素子又は半導体開閉素子）１６Ａ，１６
Ｂ、電流異常判別回路１４の出力で開閉素子を制御する
開閉素子制御回路１５Ａ，１５Ｂ、およびゲート増幅器
１１Ａ，１１Ｂを制御するためのゲート制御回路１２が
設けられている。

ゲート制御回路１２は図示していない中央制御装置から
ゲート指令ａ及びサイリスタバルブのサイリスタに印加
されている順電圧を示す信号ｂを受け、これらに基づい
て増幅器１１Ａおよび１１Ｂのいずれか一方に単独に又
はこれらの双方に同時にゲート制御信号を与える機能を
有する。更にゲート制御回路１２は電流異常判別回路１
４の出力信号ｆＡ，ｆＢに基づいて冗長系の増幅器（１
１Ａ又は１１Ｂ）を動作させたり、又は健全系のＬＥＤ
電流を増加する指令を増幅器（１１Ａ又は１１Ｂ）に与
える機能をも有する。

第１図の２重系は下記のいずれかの態様で運転する。

（１）通常１系のみ運転し、他系は冗長系として待機し
ている。故障時、電流異常判別回路の出力により冗長系
を運転し故障系を停止する。

（２）常時２系共運転し、故障時、故障系を停止すると
共に健全系のＬＥＤ電流をほぼ２倍にする。

第２図は上記（１）の態様、即ち通常１系のみ運転し、
故障時に他系に切換える場合を示したものである。

同図で「正常」と表示した区間は、正常時の各部の波形
を示す。ａはゲート指令信号（この場合はサイリスタバ
ルブの導通区間信号で示す）、ｂはサイリスタバルブの
順電圧信号であり、ゲート制御回路１２でこの信号ａと
ｂアンド条件が成立したら所定幅の信号Ｃ_Ａ（又は
Ｃ_Ｂ）を発生させ、増幅器１１（又は１１Ｂ）に与え、
スイッチング素子８Ａ（又は８Ｂ）を駆動させ、Ａ系統
（又はＢ系統）のＬＥＤに電流を流す。これによりサイ
リスタバルブに光ゲート信号を与えている。即ちｔ＝ｔ
_１でサイリスタバルブが点弧し、サイリスタバルブの端
子電圧Ｖは零に低下している。

第２図で「開放」と表示した区間は、ＬＥＤ又はスイッ
チング素子が開放故障した場合で、ｔ＝ｔ_２で開放故障
した場合、電流検出器１３Ａ（又は１３Ｂ）で直ちに検
出し、電流検出回路１４で短絡故障か開放故障かを判別
すると共に故障がＡ系か又はＢ系かの判別も行う。

ここで、電流異常判別回路１４の動作につき説明してお
く。この電流異常判別回路１４は、開放故障によりＡ系
統のＬＥＤ７Ａ又はＢ系統のＬＥＤ７Ｂに所定期間電流
が流れない場合に異常判別信号を出力し、また、短絡故
障によりＡ系統のＬＥＤ７Ａ又はＢ系統のＬＥＤ７Ｂに
所定期間以上電流が流れる場合にも異常判別信号を出力
するものである。

第６図は、Ａ系統の電流検出器１３Ａに対応する回路構
成のみを示した電流異常判別回路１４の回路図である。
この図において、１７はインバータ、１８，１９はオン
ディレイタイマ（設定時間Ｔ_P1とする。）、２０はオア
ゲートである。いま例えば、Ａ系統のＬＥＤ７Ａに開放
故障が生じているとすると、インバータ１７からオンデ
ィレイタイマ１８にＨ信号が出力される。この状態で時
間Ｔ_P1が経過した後に、オンディレイタイマ１８はＨ信
号を出力し、このＨ信号は異常判別信号としてオアゲー
ト２０から開閉素子制御回路１５Ａに出力される。ただ
し、時間Ｔ_P1が経過した時点でインバータ１７出力がＬ
信号となった場合即ち電流検出器１３Ａが電流を検出し
た場合にはオンオレイタイマ１８はＨ信号を出力しな
い。

また、Ａ系統のＬＥＤ７Ａに短絡故障が生じているとす
ると、電流検出器１３Ａからの検出信号がＨ信号として
そのままオンディレタイマ１９に出力される。この状態
で時間Ｔ_P1が経過した後に、オンディレイタイマ１９は
Ｈ信号を出力し、このＨ信号は異常判別信号としてオア
ゲート２０から開閉素子制御回路１５Ａに出力される。

上記の例ではＡ系の開放故障であるので、信号ｆ_Ａによ
りゲート制御回路１２を介してＢ系を直ちに駆動する。
同時に信号ｇ_Ａにて開閉素子１５Ａを開放する。以上に
よりｔ＝ｔ_２で開放故障が発生してからΔＴｄ後のｔ＝
ｔ_３に冗長系のＢ系を運転に入れる。ｔ＝ｔ_２からｔ＝
ｔ_３までは（ΔＴｄ）サイリスタバルブにはゲート信号
が与えられず、この間にサイリスタバルブが再点弧する
機会があれば（例えばｔ＝ｔ_２近傍で電流が断続するよ
うな場合）バルブは危険な状況（ターンオンアンバラン
ス）になるが、このときは過電圧保護機能を有する自己
過電圧点弧光サイリスタ自身で保護する。なお危険な状
況となるΔＴｄの時間は電流検出器１３Ａ（１３Ｂ）、
電流異常判別回路１４、ゲート制御回路１２、増幅器１
２、増幅器１１Ａ（１１Ｂ）、スイッチング素子８Ａ
（８Ｂ）の動作時間等で決定され、およそ数μsecから
数十μsecのオーダーである。

第２図で「短絡」と表示した区間は、スイッチング素子
（この例で８Ａ）がｔ＝ｔ_３で短絡した例である。この
場合、ｔ＝ｔ_５まではＬＥＤ電流は正常時と変らないの
で、ｔ＝ｔ_５で異常を検出し（この検出も電流判別回路
１４で行なわれる）ゲート制御回路１２を介して増幅１
２Ｂ、スイッチング素子８Ｂを直ちに駆動させる（ｔ＝
ｔ_６）。但しｔ＝ｔ_６で順電圧信号ｂがない場合は図示
のように直ちには光ゲート信号は出さない。なおｔ＝ｔ
_５で電流判別回路１４の出力ｇ_Ａ（又はｇ_Ｂ）で直ちに
開放素子１５Ａ（又は１５Ｂ）を開放する。以上のよう
にｔ＝ｔ_５では故障したＡ系は切離され、ｔ＝ｔ_６でＢ
系が運転に入りサイリスタバルブは運転を継続できる。
なお短絡故障の場合でも健全系から冗長系への切換えに
はΔＴｄだけの時間を要し、この間に、サイリスタバル
ブが点弧する機会があり、このため、ターンオンアンバ
ランスが発生する危険があるが、これに対しては、前述
したのと同様に、自己過電圧点弧により光サイリスタ自
身で保護する。

第３図は上記（２）の運転の態様、即ち常時２系共ＬＥ
Ｄ電流を所定値（ｉ_LP）の略1/2で運転しておき、故障
時には直ちに健全系の電流を２倍（所定値ｉ_LP）にする
と共に故障系を切離す場合の一例を示している。電流検
出及び、電流異常判別等は第２図の例と全く同一であ
る。なおこのケースではゲート制御回路１２は故障時に
は、健全系の電流を略1/2から１に切換える機能の回路
が動作する。又第３図の「短絡」および「開放」の場合
でも切換時間ΔＴｄが存在しこの間所定の光ゲート信号
レベル（強さ）の略1/2の強さの光ゲート信号がサイリ
スタバルブに与えられている。従ってΔＴｄ期間にサイ
リスタバルブが点弧する機会あれば危険状況（ターンオ
ンアンバランス）が発生する可能性があるが、この場合
も前述したと同様、自己過電圧点弧により光サイリスタ
自身で保護できる。

以上のように上記の実施例によれば、ゲート制御装置内
の故障が発生しても、サイリスタバルブへの光ゲート信
号を一定に保つことができるので安定な運転が継続でき
る。更に故障系を自動的に切離すので、極めて安全であ
る。なお切離された故障系はバルブを運転したまま修復
することも可能である。故障系の切換えに要する時間
（ΔＴｄ）中にサイリスタバルブに点弧にアンバランス
が生ずる危険に対して自己過電圧点弧機能により光サイ
リスタ自身で確実に保護できる。

また、上記故障時にサイリスタの運転を停止することな
くスムーズにゲート制御系の故障を除去できる。さらに
また上記故障時にサイリスタバルブの欠相運転又は通弧
運転を防止できる。しかも、ＬＥＤの寿命を従来の方式
に比べて略２倍程度延ばすことができる。これは第３図
例ではＬＥＤに略1/2の電流しか流さないこと、第２図
では冗長系と運転系を交互に運転できるからである。

尚上記の実施例では光サイリスタが直列接続されたもの
であるが、光サイリスタが直並列接続された場合にも本
発明を適用できる。

また、上記の実施例はゲート制御装置が２重化されたも
のであったが、必要に応じて３重化、４重化等をするこ
ともできる。

さらに、上記の実施例ではＬＥＤが直列接続されている
が、並列接続されている場合にも本発明を適用できる。
この場合、ＬＥＤの異常を検出するには、例えば各ＬＥ
Ｄの電流を検出する検出素子を設けることとすればよ
い。

また本発明は光間接弧方式のサイリスタであってサイリ
スタ過電圧保護回路が付加されたものにも適用できる。

なお、上記実施例では自己過電圧点弧サイリスタを用い
る構成としているが、自己過電圧点弧光サイリスタを用
いるのであれば、第４図に示した構成であってもターン
オンアンバランスを防止できるものと、一見考えること
ができる。しかし、第４図の構成で自己過電圧点弧光サ
イリスタを使用した場合を考えてみると、いずれか一個
のＬＥＤが短絡故障すると、これに対応する自己過電圧
点弧光サイリスタは、毎サイクル過電圧でターンオンす
ることになる。ところが、自己過電圧点弧光サイリスタ
は、その特性上から連続的に毎サイクル過電圧点弧を行
うことができないものである。したがって、第４図の構
成に自己過電圧点弧光サイリスタを採用することはでき
ない。これに対し、第１図の構成のように、ゲート制御
装置が多重化されていれば、自己過電圧点弧光サイリス
タが過電圧でターンオフするのは、切換え時の極めて短
い期間のみであり、特性上何ら問題を生ずることがな
い。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、光サイリスタとして自己
過電圧点弧式のものを用い、かつゲート制御装置を多重
化したので、装置の信頼性が高まる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のサイリスタバルブ及びゲー
ト制御装置を示す図、第２図及び第３図は第１図の装置の動作を示すタイムチ
ャート、第４図は従来のサイリスタバルブ及びゲート制御装置を
示す図、第５図（ａ）〜（ｃ）は第４図の装置の動作を示すタイ
ムチャート、第６図は第１図におけるゲート制御装置の一部に関する
構成を示す回路図である。１…サイリスタバルブ、２…光サイリスタ、２′…自己
過電圧点弧光サイリスタ、３…分圧回路、４…リアクト
ル、５，５′…ライトガイド、６…ゲート制御装置、
７，７Ａ，７Ｂ…ＬＥＤ、８，８Ａ，８Ｂ…スイッチン
グ素子、９，９Ａ，９Ｂ…抵抗、１０，１０Ａ，１０Ｂ
…電源コンデンサ、１１，１１Ａ，１１Ｂ…ゲート増幅
器、１２…ゲート制御回路、１３Ａ，１３Ｂ…電流検出
器、１４…電流異常判別回路、１５Ａ，１５Ｂ…開閉素
子制御回路、１６Ａ，１６Ｂ…開閉素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭57−177269（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−92764（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−158560（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−209066（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直列接続された複数の発光素子、及びこの
発光素子に直列接続されたスイッチング素子を有し、こ
のスイッチング素子のオンオフにより、複数の発光素子
の出力する光ゲート信号が制御される、複数系統の光ゲ
ート信号出力回路と、複数個の直列又は直並列接続された自己過電圧点弧光サ
イリスタを有し、この光サイリスタは前記光ゲート信号
出力回路からの光ゲート信号をライトガイドを介して受
光部に入力するものである光サイリスタバルブと、前記複数系統の光ゲート信号出力回路に流れる各電流を
検出する複数の電流検出器と、前記複数の電流検出手段の検出に基いて、前記複数系統
の光ゲート信号出力回路のうちから開放又は短絡等の故
障を生じている回路を判別する電流異常判別回路と、前記複数系統の光ゲート信号出力回路のそれぞれに設け
られ、前記電流判別回路からの異常判別信号に基いて、
その光ゲート信号出力回路を切り離す複数の開閉素子
と、前記電流異常判別回路の判別結果に基いて、前記開放又
は短絡等の故障発生後は、健全側の光ゲート信号出力回
路の光ゲート信号で前記光サイリスタバルブを制御する
ゲート制御回路と、を備えた光サイリスタバルブ制御装置。
【請求項２】通常運転状態では、閉状態となっている開
閉素子が設けられている光ゲート信号出力回路から光ゲ
ート信号が出力されるようになっており、この開閉素子
が電流異常判別回路からの異常判別信号により開状態と
なるときには、それまで開状態となっていた他の開閉素
子が閉状態となり、この他の開閉素子が設けられている
光ゲート信号出力回路から光ゲート信号が出力されるよ
うになっている特許請求の範囲第１項記載の光サイリス
タバルブ制御装置。
【請求項３】通常運転状態では、複数の開閉素子の全て
を閉状態にして複数系統の光ゲート信号出力回路の全て
から光ゲート信号が出力されるようになっており、いず
れかの光ゲート信号出力回路に設けられている開閉素子
が電流異常判別回路からの異常判別信号により開状態と
なるときには、ゲート制御回路が、故障を生じていない
他の光ゲート信号出力回路から出力される出力ゲート信
号の光量を増加させるようにし、光サイリスタバルブの
各光サイリスタに入力される光ゲート信号の光量が常に
一定となるようにした特許請求の範囲第１項記載の光サ
イリスタバルブ制御装置。