JPH1189233A - コンデンサ転流形変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】経済的でかつ小型なコンデンサ転流形変換装置
を得ること。 【解決手段】複数のサイリスタバルブ１〜６をブリッジ
接続してなる変換器と、変換器と交流系統８とを接続す
る変換器用変圧器９のバルブ巻線との間に、直列にコン
デンサ10〜12を接続し、さらにサイリスタバルブ１〜６
に並列にバルブ保護用のバルブアレスタ13〜18を接続す
ると共に、コンデンサ10〜12に並列にコンデンサ保護用
のコンデンサアレスタ19〜21を接続して構成されるコン
デンサ転流形変換装置において、コンデンサアレスタ19
〜21の保護レベルを、保護レベルの２倍とバルブ巻線の
相間電圧ピーク値との和が、バルブアレスタ13〜18の保
護レベルとほぼ等しくなるかまたは低くなるように設定
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば直流送電シ
ステム等に用いられる変換装置に係り、特に変換器と変
換器用変圧器のバルブ巻線との間に直列にコンデンサを
接続して構成されるコンデンサ転流形変換装置の改良に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、例えば直流送電システムにお
ける交直変換装置としては、一般に他励式三相ブリッジ
変換装置が適用されている。この三相ブリッジ変換装置
では．常に電流が電圧に対して遅れた位相で運転される
ことから、交流側からみて変換装置は遅れ無効電力を消
費することになる。

【０００３】このため、無効電力のバランスを維持する
目的で、一般に変換容量の５０〜６０％程度の調相設備
を、変換装置の交流側に設置するようにしている。ま
た、他励式三相ブリッジ変換装置をインバータ運転した
場合、交流電圧の低下等により転流失敗を発生し易いと
いう問題がある。

【０００４】そこで、このような問題を解決し、調相設
備が小さくて済み、また転流失敗がより発生し難い変換
装置として、変換器と変換器用変圧器のバルブ巻線との
間に、直列にコンデンサを設置した、いわゆるコンデン
サ転流形変換装置（略して、ＣＣＣとも称する）が提案
されてきている。

【０００５】図６は、この種のコンデンサ転流形変換装
置の構成例を示す回路図である。図６において、６個の
サイリスタバルブ１，２，３，４，５，６を３相ブリッ
ジ接続してなる変換器と、この変換器と交流系統８とを
接続する変換器用変圧器９のバルブ巻線との間には、直
列にコンデンサ１０，１１，１２が接続されている。

【０００６】また、各サイリスタバルブ１，２，３，
４，５，６には、並列にバルブ保護用のバルブアレスタ
１３，１４，１５，１６，１７，１８が接続され、さら
に各コンデンサ１０，１１，１２には、並列にコンデン
サ保護用のコンデンサアレスタ１９，２０，２１が接続
されている。

【０００７】ここで、バルブアレスタ１３，１４，１
５，１６，１７，１８、およびコンデンサアレスタ１
９，２０，２１は、各機器を過電圧からそれぞれ保護す
るためのものである。

【０００８】ところで、通常のサイリスタ変換器では、
電源が負なることにより、電流があるサイリスタバルブ
から他のサイリスタバルブへ転流するので、主に変換器
用変圧器の漏れインダクタンスのため、電圧に対して電
流の位相は常に遅れた運転となる。

【０００９】すなわち、交流側からみた時は、変換器は
遅れ無効電力を消費していることになる。一方、上述し
たコンデンサ転流形変換装置では、転流回路にコンデン
サ１０，１１，１２が直列に入るため、交流側からみた
変換器の運転をほぼ力率１で運転することが可能とな
る。

【００１０】また、従来の変換器では、インバータ運転
時に、交流系統の事故等によって変換器に過電流が流れ
ると、転流電圧が下がることにより転流失敗を発生し易
かったの対し、コンデンサ転流形変換装置では、電流の
増加によってコンデンサ１０，１１，１２の電圧が上昇
するので、等価的に転流電圧が増加するため、転流失敗
し難いという特徴がある。

【００１１】しかしながら、このように優れた特徴を有
するコンデンサ転流形変換装置であるが、サイリスタバ
ルブ１，２，３，４，５，６には、転流用のコンデンサ
１０，１１，１２の電圧が変換器用変圧器９のバルブ巻
線電圧に重畳して印加されるので、コンデンサ１０，１
１，１２の電圧が何らかの原因で高くなると、その過電
圧がサイリスタバルブ１，２，３，４，５，６にも加わ
ることになる。

【００１２】一方、このコンデンサ１０，１１，１２の
過電圧は、コンデンサアレスタ１９，２０，２１によっ
て抑制されるが、その保護レベルをＵｐｃとすると、サ
イリスタバルブ１，２，３，４，５，６に加わる過電圧
Ｕｖａは、概略（１）式のように表わされる。

【００１３】 Ｕｖａ＝２・Ｕｐｃ＋Ｅ2 ・・・・ （１） ここで、Ｅ2 ：バルブ巻線相間電圧ピーク値 ところで、従来から、保護レベルＵｐｃは、コンデンサ
１０，１１，１２が絶縁破壊するのを防止する目的か
ら、コンデンサ１０，１１，１２の定格電圧の５〜８倍
程度に選定している。

【００１４】このため、上記（１）式の過電圧Ｕｖａ
は、バルブアレスタ１３，１４，１５，１６，１７，１
８の保護レベルを上回っている。従来の変換器のバルブ
アレスタでは、これが動作するのは、外部から侵入する
サージ電圧や変換器内部における地絡事故等、数μ秒か
ら数十μ秒でかつ非繰り返し性のものであるため、保護
レベルは比較的低く、またバルブアレスタのエネルギー
耐量は比較的低くなっている。

【００１５】一方、コンデンサ転流形変換装置では、過
電圧継続時間は１０数ｍ秒から数十ｍ秒に達するので、
バルブアレスタ１３，１４，１５，１６，１７，１８の
保護レベルは、通常変換器よりも高くなる傾向にある。

【００１６】このため、サイリスタバルブ１，２，３，
４，５，６のサイリスタ直列数が増加して装置が大型と
なっている。また、アーム短絡事故をゲートブロックし
た場合に、ブロック後にサイリスタバルブ１，２，３，
４，５，６に加わる回復電圧が、バルブアレスタ１３，
１４，１５，１６，１７，１８が動作する程高いため、
許容するサージ電流が低くなっている。このため、変換
器の電流定格が比較的低く設計され、経済的に不利であ
る。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
コンデンサ転流形変換装置においては、装置が大型であ
るばかりでなく、経済的にも不利であるという問題があ
った。本発明の第１の目的は、変換器を構成するサイリ
スタバルブを過電圧から保護するバルブアレスタの保護
レベルを低く維特することができ、もって経済的でかつ
小型なコンデンサ転流形変換装置を提供することにあ
る。

【００１８】また、本発明の第２の目的は、変換器を構
成するサイリスタバルブを過電圧から保護するバルブア
レスタの保護レベルを低く維特することができ、さらに
サイリスタのサージ電流耐量を高く利用できるようにし
て変換器の電流定格を大きくすることができ、もって経
済的でかつ小型なコンデンサ転流形変換装置を提供する
ことにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明では、複数のサイリスタバルブを
ブリッジ接続してなる変換器と、当該変換器と交流系統
とを接続する変換器用変圧器のバルブ巻線との間に、直
列にコンデンサを接続し、さらにサイリスタバルブに並
列にバルブ保護用のバルブアレスタを接続すると共に、
コンデンサに並列にコンデンサ保護用のコンデンサアレ
スタを接続して構成されるコンデンサ転流形変換装置に
おいて、コンデンサアレスタの保護レベルを、当該保護
レベルの２倍とバルブ巻線の相間電圧ピーク値との和
が、バルブアレスタの保護レベルとほぼ等しくなるかま
たは低くなるように設定している。

【００２０】従って、請求項１の発明のコンデンサ転流
形変換装置においては、コンデンサアレスタの保護レベ
ルを、当該保護レベルの２倍とバルブ巻線の相間電圧ピ
ーク値との和が、バルブアレスタの保護レベルとほぼ等
しくなるかまたはこれよりも低くなるように設定するこ
とにより、バルブアレスタの保護レベルが低く維持され
るため、サイリスタバルブに必要なサイリスタ直列数が
少なくて済む。

【００２１】これにより、サイリスタバルブが小型でか
つ経済的となり、しいては小型でかつ経済的なコンデン
サ転流形変換装置を得ることができる。また、請求項２
の発明では、複数のサイリスタバルブをブリッジ接続し
てなる変換器と、当該変換器と交流系統とを接続する変
換器用変圧器のバルブ巻線との間に、直列にコンデンサ
を接続し、さらにコンデンサに並列にコンデンサ保護用
のコンデンサアレスタを接続して構成されるコンデンサ
転流形変換装置において、コンデンサアレスタの保護レ
ベルを、当該保護レベルの２倍とバルブ巻線の相間電圧
ピーク値との和が、サイリスタバルブを構成するサイリ
スタの繰り返し逆電圧に直列数を乗じた値の０．６〜
０．９倍の範囲となるように設定している。

【００２２】従って、請求項２の発明のコンデンサ転流
形変換装置においては、コンデンサアレスタの保護レベ
ルを、当該保護レベルの２倍とバルブ巻線の相間電圧ピ
ーク値との和が、サイリスタバルブを構成するサイリス
タの繰り返し逆電圧に直列数を乗じた値の０．６〜０．
９倍の範囲となるように設定することにより、サイリス
タバルブに大きな事故電流が通流した後にサイリスタバ
ルブに加わる回復電圧を適正な値に抑制できるため、サ
イリスタのサージ電流耐量を大きく利用することができ
る。

【００２３】これにより、変換器の電流定格を大きくし
て、変換器の電圧定格を低くすることができ、しいては
小型でかつ経済的なコンデンサ転流形変換装置を得るこ
とができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。 （第１の実施の形態）本実施の形態によるコンデンサ転
流形変換装置の構成は、前述した図６に示すコンデンサ
転流形変換装置と同様であるので、ここではその図示を
省略して、異なる部分についてのみ述べる。

【００２５】図１は、本実施の形態によるコンデンサ転
流形変換装置の過電圧保護協調を示す概念図である。す
なわち、図１に示すように、バルブ巻線の相間電圧ピー
ク値Ｅ2 にコンデンサアレスタ１９，２０，２１の保護
レベルＵｐｃの２倍を乗じた電圧が、アーム短絡等でコ
ンデンサ１０，１１，１２が過電圧状態になった時、サ
イリスタバルブ１，２，３，４，５，６に印加される。
そして、この電圧レベルを（Ｅ2 ＋２・Ｕｐｃ）で示し
ている。

【００２６】そこで、本実施の形態によるコンデンサ転
流形変換装置では、コンデンサアレスタ１９，２０，２
１の保護レベルＵｐｃを、この保護レベルＵｐｃの２倍
とバルブ巻線の相間電圧ピーク値Ｅ2 との和が、バルブ
アレスタ１３，１４，１５，１６，１７，１８の保護レ
ベルＵｖａとほぼ等しくなるか、またはこれよりも低く
なるように設定している。

【００２７】以上のように構成した本実施の形態のコン
デンサ転流形変換装置においては、コンデンサアレスタ
１９，２０，２１の保護レベルＵｐｃを、保護レベルＵ
ｐｃの２倍とバルブ巻線の相間電圧ピーク値Ｅ2 との和
が、バルブアレスタ１３，１４，１５，１６，１７，１
８の保護レベルＵｖａとほぼ等しくなるか、またはこれ
よりも低くなるように設定していることにより、コンデ
ンサ１０，１１，１２が過電圧状態となるような、コン
デンサ転流形変換装置特有の事故が発生した場合には、
バルブアレスタ１３，１４，１５，１６，１７，１８は
動作しない。

【００２８】よって、バルブアレスタ１３，１４，１
５，１６，１７，１８の保護レベルＵｖａは、通常変換
器の保護レベルと同等の比較的低い値に設定することが
できる。

【００２９】そして、このバルブアレスタ１３，１４，
１５，１６，１７，１８の保護レベルＵｖａが低けれ
ば、サイリスタバルブ１，２，３，４，５，６に接続す
るサイリスタの直列数が少なくて済むため、装置が小型
になると共に、経済的になる。

【００３０】さらに、バルブアレスタ１３，１４，１
５，１６，１７，１８のエネルギー耐量は、通常変換器
と同等に低くてすむため、バルブアレスタ１３，１４，
１５，１６，１７，１８は小型になると共に、経済的に
なる。

【００３１】上述したように、本実施の形態によるコン
デンサ転流形変換装置は、コンデンサアレスタ１９，２
０，２１の保護レベルＵｐｃを、この保護レベルＵｐｃ
の２倍とバルブ巻線の相間電圧ピーク値Ｅ2 との和が、
バルブアレスタ１３，１４，１５，１６，１７，１８の
保護レベルＵｖａとほぼ等しくなるか、またはこれより
も低くなるように設定したものである。

【００３２】従って、コンデンサ１０，１１，１２が過
電圧状態になった場合でも、サイリスタバルブ１，２，
３，４，５，６に印加される電圧は、バルブアレスタ１
３，１４，１５，１６，１７，１８の保護レベルＵｖａ
以下となり、バルブアレスタ１３，１４，１５，１６，
１７，１８の保護レベルＵｖａが低く維持されるため、
サイリスタバルブ１，２，３，４，５，６に必要なサイ
リスタ直列数が少なくて済む。

【００３３】これにより、サイリスタバルブ１，２，
３，４，５，６が小型でかつ経済的となり、しいては小
型でかつ経済的なコンデンサ転流形変換装置を得ること
が可能となる。

【００３４】（第２の実施の形態）本実施の形態による
コンデンサ転流形変換装置の構成は、前述した図６に示
すコンデンサ転流形変換装置と同様であるので、ここで
はその図示を省略して、異なる部分についてのみ述べ
る。

【００３５】図２は、本実施の形態によるコンデンサ転
流形変換装置の過電圧保護協調を示す概念図である。す
なわち、図２に示すように、バルブ巻線の相間電圧ピー
ク値Ｅ2 にコンデンサアレスタ１９，２０，２１の保護
レベルＵｐｃの２倍を乗じた電圧が、アーム短絡等でコ
ンデンサ１０，１１，１２が過電圧状態になった時、サ
イリスタバルブ１，２，３，４，５，６に印加される。
そして、この電圧レベルを（Ｅ2 ＋２・Ｕｐｃ）で示し
ている。

【００３６】そこで、本実施の形態によるコンデンサ転
流形変換装置では、コンデンサアレスタ１９，２０，２
１の保護レベルＵｐｃを、この保護レベルＵｐｃの２倍
とバルブ巻線の相間電圧ピーク値Ｅ2 との和が、サイリ
スタバルブ１，２，３，４，５，６を構成するサイリス
タの繰り返し逆電圧に直列数を乗じた値の０．６〜０．
９倍の範囲となるように設定している。

【００３７】以上のように構成した本実施の形態のコン
デンサ転流形変換装置においては、コンデンサアレスタ
１９，２０，２１の保護レベルＵｐｃを、保護レベルＵ
ｐｃの２倍とバルブ巻線の相間電圧ピーク値Ｅ2 との和
が、サイリスタバルブ１，２，３，４，５，６を構成す
るサイリスタの繰り返し逆電圧に直列数を乗じた値の
０．６〜０．９倍の範囲となるように設定していること
により、コンデンサ１０，１１，１２が事故電流により
過電圧となるような事故が発生した場合でも、サイリス
タバルブに印加される電圧が適切な値に制限され、許容
サージ電流が大きくなる。

【００３８】よって、変換器の電流定格を大きくでき、
電圧定格を低くすることができるため、小型でかつ経済
的なコンデンサ転流形変換装置を得ることができる。次
に、かかる点について、より詳細に具体的に説明する。

【００３９】図３は、コンデンサ１０，１１，１２が過
電圧になる典型的な例として、サイリスタバルブ１がア
ーム短絡した時の事故電流の通流の様子と、コンデンサ
１０，１１，１２の充電の極性を示す図である。

【００４０】すなわち、図３に示すように、サイリスタ
バルブ１がアーム短絡の状態で、サイリスタバルブ３が
ターンオンすると、図中に破線で示した経路で事故電流
が流れる。そして、この事故電流により、コンデンサ１
０，１１が、図に示したサイリスタバルブ３の逆極性に
あたる極性に過充電される。このため、事故電流通流
後、サイリスタバルブに印加される電圧は、逆方向にバ
イアスされた波形になる。

【００４１】図４は、定格５０ＫＶｄｃ−５０００Ａｄ
ｃの変換器のサイリスタバルブの電圧および電流波形の
一例を示す図である。すなわち、図４に示すように、サ
イリスタバルブに２９ＫＡ−Ｐの事故電流が流れた後、
１００ＫＶの逆電圧が印加されている。そして、バルブ
電圧は逆方向にバイアスされて、順方向電圧はなくなっ
ていることがわかる。

【００４２】図５は、このように大きなサージ電流を通
流した後、逆電圧が印加されるようなストレスに対する
サイリスタの耐量を、横軸を印加される逆電圧のピー
ク、縦軸を許容するサージ電流ピーク値として示した図
である。

【００４３】図５において、逆電圧は定格繰り返し逆電
圧、許容サージ電流ピーク値は通常変換器の場合のサー
ジ電流耐量で正規化している。本実施の形態では、サイ
リスタに印加される電圧を、図５に示したように０．６
ｐｕ〜０．９ｐｕとなるように、コンデンサアレスタ１
９，２０，２１の保護レベルを設定している。

【００４４】このため、許容されるサージ電流は、ほと
んど通常変換器の場合と同等の耐量となる。そして、こ
の許容するサージ電流が大きいということは、同じ外形
でも電流を大きく流せることになるので、より経済的な
変換装置を得ることができる。

【００４５】すなわち、サイリスタに印加される逆電圧
を０．６ｐｕ以下に設定しても、許容サージ電流値はほ
とんど変化せず、コンデンサアレスタ１９，２０，２１
の必要なエネルギー耐量のみ増えてしまうため、得策で
はない。

【００４６】一方、サイリスタに印加される逆電圧を
０．９ｐｕ以上に設定すると、許容サージ電流値が小さ
くなるため、やはり得策ではない。上述したように、本
実施の形態によるコンデンサ転流形変換装置は、コンデ
ンサアレスタ１９，２０，２１の保護レベルＵｐｃを、
この保護レベルＵｐｃの２倍とバルブ巻線の相間電圧ピ
ーク値Ｅ2 との和が、サイリスタバルブ１，２，３，
４，５，６を構成するサイリスタの繰り返し逆電圧に直
列数を乗じた値の０．６〜０．９倍の範囲となるように
設定したものである。

【００４７】従って、サイリスタバルブ１，２，３，
４，５，６に大きな事故電流が通流した後にサイリスタ
バルブ１，２，３，４，５，６に加わる回復電圧を適正
な値に抑制できるため、サイリスタのサージ電流耐量を
大きく利用することができる。

【００４８】これにより、変換器の電流定格を大きくし
て、変換器の電圧定格を低くすることができ、しいては
小型でかつ経済的なコンデンサ転流形変換装置を得るこ
とが可能となる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、コンデンサアレスタの保護レベルを、当該保護
レベルの２倍とバルブ巻線の相間電圧ピーク値との和
が、バルブアレスタの保護レベルとほぼ等しくなるかま
たは低くなるように設定しているので、変換器を構成す
るサイリスタバルブを過電圧から保護するバルブアレス
タの保護レベルを低く維特することができ、もって経済
的でかつ小型なコンデンサ転流形変換装置が提供でき
る。

【００５０】また、請求項２の発明によれば、コンデン
サアレスタの保護レベルを、当該保護レベルの２倍とバ
ルブ巻線の相間電圧ピーク値との和が、サイリスタバル
ブを構成するサイリスタの繰り返し逆電圧に直列数を乗
じた値の０．６〜０．９倍の範囲となるように設定して
いるので、変換器を構成するサイリスタバルブを過電圧
から保護するバルブアレスタの保護レベルを低く維特す
ることができ、さらにサイリスタのサージ電流耐量を高
く利用できるようにして変換器の電流定格を大きくする
ことができ、もって経済的でかつ小型なコンデンサ転流
形変換装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態によるコンデンサ転
流形変換装置における過電圧保護協調を示す概念図。

【図２】本発明の第２の実施の形態によるコンデンサ転
流形変換装置における過電圧保護協調を示す概念図。

【図３】同第２の実施の形態のコンデンサ転流形変換装
置におけるアーム短絡を説明するための図。

【図４】同第２の実施の形態のコンデンサ転流形変換装
置におけるアーム短絡時のバルブ電圧と電流波形の一例
を示す図。

【図５】同第２の実施の形態のコンデンサ転流形変換装
置におけるアーム短絡時のサイリスタのサージ電流耐量
の一例を示す図。

【図６】コンデンサ転流形変換装置の構成例を示す回路
図。

【符号の説明】

１，２，３，４，５，６…サイリスタバルブ、 ８…交流系統、 ９…変換器用変圧器、 １０，１１，１２…コンデンサ、 １３，１４，１５，１６，１７，１８…バルブアレス
タ、 １９，２０，２１…コンデンサアレスタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０２Ｍ 7/48 Ｈ０２Ｍ 7/48 Ｒ 7/515 7/515 Ｈ (72)発明者 秦野 浩彰 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のサイリスタバルブをブリッジ接続
   してなる変換器と、当該変換器と交流系統とを接続する
   変換器用変圧器のバルブ巻線との間に、直列にコンデン
   サを接続し、さらに前記サイリスタバルブに並列にバル
   ブ保護用のバルブアレスタを接続すると共に、前記コン
   デンサに並列にコンデンサ保護用のコンデンサアレスタ
   を接続して構成されるコンデンサ転流形変換装置におい
   て、 前記コンデンサアレスタの保護レベルを、当該保護レベ
   ルの２倍と前記バルブ巻線の相間電圧ピーク値との和
   が、前記バルブアレスタの保護レベルとほぼ等しくなる
   かまたは低くなるように設定したことを特徴とするコン
   デンサ転流形変換装置。
2. 【請求項２】 複数のサイリスタバルブをブリッジ接続
   してなる変換器と、当該変換器と交流系統とを接続する
   変換器用変圧器のバルブ巻線との間に、直列にコンデン
   サを接続し、さらに前記コンデンサに並列にコンデンサ
   保護用のコンデンサアレスタを接続して構成されるコン
   デンサ転流形変換装置において、 前記コンデンサアレスタの保護レベルを、当該保護レベ
   ルの２倍と前記バルブ巻線の相間電圧ピーク値との和
   が、前記サイリスタバルブを構成するサイリスタの繰り
   返し逆電圧に直列数を乗じた値の０．６〜０．９倍の範
   囲となるように設定したことを特徴とするコンデンサ転
   流形変換装置。