JPS6035892B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電力系統にインピーダンスを介して出力端子が
援続され、起動時に転流用補助サィリスタにのみゲート
信号を与えることにより、運転に必要な転流コンデンサ
を必要な極性の電圧に充電し、起動させるようにした電
圧変換装置に関する。

第１図に示すごく、インピーダンス要素２を介して互に
接続された電源１，３の電圧Ｖｓ，Ｖ，の位相を同相に
保って相互の振中を変化させることにより、線路を流れ
る電流１は無効電力となり、その大きさを連続的、かつ
、任意の値にできることは既に良く知られている。

第２図ａは電流が電源１からみて進相電流となる場合の
ベクトル説明図であり、第２図ｂは同様に電源１からみ
て電流が遅相電流となる場合のベクトル説明図である。

第２図ａに示すごとく、電源１の電圧ベクトルＶｓに対
し電源３の電圧ベクトルＶＩを同相で、かつ振中の関係
をＩＶｓｌ＜ＩＶＩＩに保つと、インピーダンス２に加
わる電圧△Ｖは右から左を向くベクトルとなり、△Ｖに
対し９０ｏ遅れの電流、すなわち電源１に対して進相電
流１が流れる。第２図ｂに示すごとく、電源１の電圧ベ
クトルＶｓに対し電源３の電圧ベクトルＶ，を同相で、
かつ振中の関係を、ＩＶｓｌ＞ＩＶ，ｌに保つと、イン
ピーダンス２に加わる電圧ベクトル△Ｖは左から右を向
くベクトルとなり、△Ｖに対し９００遅れの電流、すな
わち電源１に対し遅れ電流１が流れる。進相及び遅相電
流の振中は両電圧の差に比例するため、他方の露圧振中
に対し一方の電圧の振中を制御すれば任意の無効電流を
流すことが可能である。さて、第１図で示す２つの電源
の内の一方、例えば、電源３を第３図に示すような電圧
形ィンバータに置き換えることが可能である。

第３図において、４はィンバー夕を運転するのに必要な
電力を供給するための電源線、５は６組のサィリスタブ
リッジで構成された厭変換装置、６は平滑用リアクトル
、７はフィルターコンデンサで、端子Ｐ−Ｎ間に直流電
圧Ｅｄｃが図示の極性のように発生し、後述のィンバー
タ８の直流電源となる。８はサィリス夕、ダイオード及
び転流回路等で構成された逆変換装置（ィンバータ）で
あり、単相又は３相し・ずれの場合も考えることができ
る。

４０はィンバータ８の出力電圧を電力系統の電圧に変換
する変圧器、２は第１図と同様のインピーダンス要素で
、図示のように設置する場合と、変圧器４０のリーケイ
ジインダクタスで代替する場合もある。

５川ま電力系統１とィンバータ８との電気的結合の開閉
を行なうスイッチである。

を示している。第３図において、図示しない制御回路の
動作により必要な無効電流が流れるよう直流電圧Ｅｄｃ
の値が、順変換装置５の動作により実現される。

通常、ィンバータ８が３相ィンバータの場合、その出力
電圧は１２００中の矩形波電圧となり、その振中は直流
電圧Ｅｄｃに等しい。よって、所定の無効電流１を流す
に必要なィンバータ出力電圧Ｖ，の振中を、直流電圧Ｅ
ｄｃを制御することにより可変する。この方式のィンバ
ータを振中変調方式と呼び、もう一方の矩形波の中を制
御するパルス中変調方式も使用できることはもちろんで
あるが、ここでは振中変調方式にもとずき説明する。と
ころで、第３図に示すィンバータ８の具体的実施例を第
４図に示している。

第４図は３相ィンバータの場合である。第４図において
、直流電源端子Ｐ−Ｎ間に９Ａ−９Ｆに示す６組の負荷
電流を流す主サィリスタ群と、１０Ａ〜１０Ｆに示す主
サィリスタ群９Ａ〜９Ｆを転流するための６組の転流補
助サィリスタ群、無効電流を直流電源に帰還するための
１２Ａ〜１２Ｆに示す６組の帰還ダイオード群、１４Ａ
〜１４Ｆに示す転流リアクトル群、１３Ａ〜１３Ｃに示
す転流コンデンサ群が、それぞれ図示のように結線され
てインバ‐夕を形成している。これらのインバータはイ
ンバータユニツトとして複数ユニットで多重ィンバー夕
として構成されるのが普通であり、多重変圧器と共に高
調波低減に役立つ構成となっている。

第５図は第４図に示すィンバータュニットの定常状態に
おける動作を説明した動作説明図である。

第５図ａ〜ｃは３相の系統電圧Ｖｓと、ィンバータ出力
電圧Ｖ，の瞬時波形を概略的に示したもので、系統電圧
は正弦波であり、ィンバー夕出力電圧Ｖ，は１２０ｏ中
の矩形波である。各相の系統電圧Ｖｓに対し、Ｖｓの零
点の前後±３０ｏ間が零で残りの１２びづつの区間が±
Ｅｄｃである矩形波電圧の基本波正弦波電圧は、系統電
圧Ｖｓと同相であることは明らかである。第５図ａ〜ｃ
のィンバータ電圧Ｖ，は、第４図に示す各サィリスタを
第５図ｄ〜ｐに示す順序および区間で点弧制御すること
により発生することは良く知られている。

各補助サィリスタ１０Ａ〜１０Ｆは、その右側に図示さ
れている主サィリスタ、例えば、１０Ａの場合は９Ａ，
１０Ｄの場合は９Ｄ等の点弧信号が消失した後に点狐信
号が加えられる。また、転流コンデンサー３Ａ，１３Ｂ
，１３Ｃの電圧ＥＡ，ＥＢ，Ｅｃは第４図の矢印のよう
に極性を決めると、各サィリスタの動作により第５図ｑ
〜ｓのように極性が反転する。

１例として、時間ｔｏにおける現象を第４図及び第５図
にしたがい説明する。

時間ら‘こおいて、主サィリス夕９Ａは導通しており、
転流コンデンサー３Ａは右側端子が正、すなわち転流コ
ンデンサー３ＡのＥ＾は負の状態にある。

主サィリスタ９Ａのゲート信号が消え補助サィリス夕１
０Ａに点弧パルスが加わると、導適している主サイリス
タ９Ａをとうしてコンデンサー３Ａの電圧は補助サィリ
スタ１０Ａに順電圧として印加されるため、補助サィリ
スタ１０Ａは直ちに導適する。よって、コンデンサ１３
Ａは補助サィリス夕１０Ａ一転流リアクトル１４Ａの上
半分−コンデンサー３Ａ−主サイリスタ９Ａの回路で放
電し、主サィリスタ９Ａの電流を０とした後、帰還ダイ
オード１２Ａを通して同様還流する。この還流によりコ
ンデンサー３Ａの右側の端子の電位が正から負に反転し
、直流端子Ｎの電位よりも下った時点で、ダイオード１
２Ｄが導通し、遅れの負荷電流は主サィリス夕９Ａから
ダイオード１２０に転流する。この途中で、主サィリス
夕９Ｄにゲート信号が加わるので直流電源−補助サィリ
スタ１ＯＡ−コンデンサ１３Ａ−主サイリス夕９Ｄの回
路が出釆て転流コンデンサ電圧の極性反転が促進される
。以上のように転流コンデンサ１３Ａの電圧は転流終了
の後樋性を反転し、次の主サィリスタ９Ｄの転流に対し
て待機する。

主サィリスタ９Ｄの転流はｔｏよりも１′２サイクル後
に行なわれるが、この時には転流コンデンサ１３Ａの電
圧は左側端子が正となるように充電されているため、補
助サィリスタ１００の点弧により主サィリスタ９Ｄには
逆電流が流れ主サィリスタ９Ｄは消弧する。主サィリス
タ９Ｄの消弧の後は転流コンデンサー３Ａの電圧極性は
再び元の状態に戻る。これらの動作が各アームで行なわ
れることになるが、説明は省略する。

第２図において、電圧ＶｓとＶＩとを同相に保ち振中の
変化により無効電力の制御が可能なことをベクトル図で
説明した。

第６図ではＶｓとＶＩの位相角６を制御することにより
無効電力の制御ができることを示している。

第６図ａは進相無効電力を第１図における電源１から取
る場合を示し、第６図ｂは遅相無効電力を取る場合を示
している。

第６図ａに示すようにＶＩの位相をＶｓに対して６，だ
け遅らせると、インピーダンス要素２に加わる電圧△Ｖ
のベクトルは右下から左上を向くベクトルとなる。

よって、△Ｖのベクトルに対し９０ｏ遅れる電流１が電
源１から流れ、電流１の電圧Ｖｓに対する９０ｏ進み成
分電流ｌｏは進相電流であり、同相成分電流ＩＰは有効
電流である。ＩＰは電源３、すなわち、ィンバー外こ流
入し、ィンバータ装置の損失と均衡する値まで直流コン
デンサ７の電圧を増加する。よって、必要な無効電流を
取るべき直流電圧になるよう有効電流ＩＰを位相角８，
の制御により制御することができる。次に、位相角６，
に対し６２＜６，に保つと、電源１から流入する有効電
流ＩＰが第６図ａの状態よりも減少するため、直流コン
デンサ７の電圧Ｅｄｃは低下し、電源３、すなわち、ィ
ンバータの出力電圧ＶＩは低下し第６図ｂの状態となる
。

インピーダンス２に加わる電圧△Ｖは石上から左下を向
くベクトルとなるため、電流１は図示のごとく有効電流
ＩＰと遅れ電流ｌｏを有する遅相電流が流れることにな
る。以上のように、ィンバー夕装置の損失を介して系統
電圧Ｖｓに対するィンバータの出力電圧ＶＩの位相角６
を制御すれば、任意の値の無効電力を第３図にしめす４
，５，６の要素をなくした構成で系統から取る装置を構
成することができる。

しかるに、従来の方式では定常状態においては、第３図
における４，５，６の直流電源回路なしで無効電力の制
御が可能であるが、起動時には次の理由により、４，５
，６の直流電源回路が必要となる欠点を有していた。ィ
ンバータの運転は、直流コンデンサ７に直流電圧を確立
させてから、ィンバータを構成する各サィリスタにゲー
ト信号を与えて出力電圧を発生させていた。

ィンバータの出力端子には、通常、出力変圧器が接続さ
れておりィンバータの出力電圧が最初に、出力変圧器に
印加されると、応々にして励磁突入電流が流れる。従っ
て、ィンバータは無負荷で起動してもこの励磁電流を転
流するためのエネルギーを転流コンデンサに電圧の形で
与えておく必要があった。転流コンデンサに所定の電圧
が印加されていない状態で変圧器に電圧を印加しはじめ
ると、主サィリスタの転流ができず、ィンバータは転流
失敗を生じ運転が不能となる。第４図に示す形式のィン
バ−外こおいては、転流コンデンサへの充電を行なう電
源はＰ−Ｎ端子間に与えられる直流電源であり、どうし
ても直流電源が必要であった。本発明は、上記欠点を除
去するためになされたものであり、電力系統側から直流
コンデンサを充電し、補助サィリスタを１サイクル以上
に亘つて点弧した後、主サィリスタの点弧を行なうよう
にした電力変換装置を提供する。

以下、図について説明する。

第７図は本発明に関する１実施例を示す構成図である。
第７図において、直流電源回路は図示のようにコンデン
サ７のみである。一点鎖線で囲んだ部分は第４図に示し
た各相の主サィリスタ、補助サィリスタ、転流回路及び
帰還ダイオードで構成されるアームフロツクを示してい
る。フロックロ，ｍは省略し、ブロック１のみについて
記している。

第７図において１，２，４０，５０は従来と同様である
。２１は系統電圧Ｖｓを検出するＰＴ２２は系統電圧の
正弦波を矩形波パルスに変換する基準位相パルス発生回
路、２３は減算器、２４は位相制御回路、２５は電圧一
周波数変換器、２６は分配器、２７はスタート信号発生
器、２８，２９はパルス信号の通過又は阻止を行なうパ
ルススイッチ回路、３川ま補助サィリスタ用ゲートアン
プ、３１は主サイリス夕用ゲートアンプである。

なお、ゲートアンプ３０の出力は図示のように補助サィ
リスタ１０Ａ，１０Ｄのゲートに、ゲートアンプ３１の
出力は主サイリス夕９Ａ，９Ｄのゲートに与えられる。
３２は分配器の出力パルスの位相と、系統電圧の位相の
一致を検出する位相一致検出回路である。

フロックＤ，ｍの各サィリスタにも対応するゲート信号
が加えられるよう構成される。また、本実施例は３相ィ
ンバータュニットについて説明しているが、複数個のイ
ンバータュニットで構成される多重ィンバータに拡張で
きることは言うまでもない。

次に動作について説明する。

第７図において、系統電圧Ｖｓが３相正常に確立してい
る時、ＰＴ２１を介して系統電圧が１相、或は複数個検
出され基準位相パルス発生回路２２に加えられる。基準
位相パルス発生回路２２は、系統電圧の位相情報を有す
るパルス信号を発生する。減算器２３に基準位相パルス
発生回路２２の出力パルス信号と、分配器２６の出力パ
ルス信号（これはィンバータ出力電圧の位相情報を有す
るパルスであるが）の１つ、或は複数個が加えられ両信
号の位相差に比例した信号を位相制御回路２４に加える
。位相制御回路２４は所定の伝達関数を有するブロック
であり、出力電圧を電圧一周波数変換器２５に加える。
電圧一周波数変換器２５は入力電圧の大きさに比例した
周波数を有するパルスを発生し、分配器２６に入力する
。分配器２６は入力されてくるパルス１個ごとに、各主
サィリス夕へ信号を振り分ける働きを有し、第４図のよ
うな３相ユニットィンバータの場合には６相リングカウ
ンターが、多重ィンバータの場合には２４相又は３駄目
リングカウンターが使用される。分配器２６の出力パル
スの位相はィンバー夕の出力電圧の位相を決定するため
、分配器２６の出力パルスが先に述べたように減算器２
３にフィードバックされ、系統電圧の基準位相と比較さ
れる。

２２，２３，２４，２５，２６の間でフイードバック制
御が行なわれ、定常的には系統電圧の位相とィンバータ
の出力電圧の位相が等しくなるように制御される。

スタート信号発生器２７は信号Ｓ＾と信号ＳＢを出力す
る。

ＳＡ，ＳＢを出力する。Ｓ＾，ＳＢ，とも「０」か「１
」の２値状態を取る信号であり、どちらの状態をスター
ト指令に選ぶかは自由である。ここでは、「１」の状態
をスタート、或は運転の状態と対応させる。パルススイ
ッチ回路２８，２９は最も簡単に、通常のＡＮＤ回路で
構成することが出来る。したがって、パルススイッチ回
路２８，２９は分配器２６からの信号とスタート信号発
生器２７からの信号の２つを入力し、スタート信号が「
１」の状態の時のみ分配器２６からの信号を各々の出力
回路に接続されているゲートアンプに入力する。スター
ト信号ＳＡ，ＳＢは起動前「０」の状態にしておき、ま
ず、Ｓ八信号を「１」とする。

それから、電源電圧Ｖｓの周波数で１サイクル以上遅れ
てＳＢを「ＩＪの状態にする。Ｓ＾信号を「０」から「
１」の状態にするための条件に位相一致検出回路３２の
出力信号を用いる。すなわち、系統電圧の位相と分配器
の出力パルスの位相差が零、或は一定値以下となる時、
位相一致検出回路３２の出力信号が発せられスタート信
号発生器２７から信号Ｓ＾が、「０」の状態から「１」
の状態に変り少くとも１の以上遅れてＳＢが「０」から
「ＩＪに状態を変える。ＳＢが「０」から「１」の状態
になると、主サィリスタ全てにゲート信号が加わり、イ
ンバータは正規の運転状態となる。しかし、分配器２６
の出力信号と系統電圧の位相が前もって一致しているた
め、インバータは起動頭初から系統電圧と同相の出力電
圧を発生する。ごて、次にスイッチ５０の投入時期は信
号ＳＢが「０」から「１」の状態に変る前であればいつ
でも良い。

通常は、Ｓ＾が「１」の状態になる前に閉じることにな
る。スイッチ５０が閉じると、系統電圧Ｖｓは出力変圧
器４０を通しィンバータ８の出力端子に３相交流電圧が
印加される。第４図で明らかなようにィンバータの出力
端子に３相交流電圧が印加され全サイリスタのゲート信
号がない場合、インバータは交流系統からみてダイオー
ド１２Ａ〜１２Ｆで構成される３相全波整流器となって
いる。したがって直流コンデンサ７は系統側から充電さ
れ直流コンデンサ端子間に電圧が確立する。よって、ィ
ンバータの運転条件が１つ成立する。次に、もう１つの
運転条件である転流コンデンサー３Ａ〜１３Ｃの電圧確
立が必要となる。

このために、スタート信号発生器２７からスタート信号
Ｓ＾の状態を変えてパルススイッチ回路２８を動作させ
る。パルススイッチ回路２８が分配器２６からの信号を
ゲートアンプ３川こ与え出すと、ゲートアンプ３０は第
８図に示すように細中のゲート信号を第８図ａ〜ｃに示
す系統電圧に対し第８図ｄ〜ｉに示すタイミングで補助
サィリスタ１０Ａ〜１０日こ与える。第８図ｄ〜ｉに示
すゲート信号発生時期は、ィンバータの正規運転時のゲ
ート発生時期と同一である。

補助サィリスタ１０Ａの点弧時期、時間ｔ５について考
える。

この時、ィンバー夕の出力端子Ｕ−Ｖ間には系統電圧Ｖ
Ｕ‐ｖが負で零点を過ぎて３００の位相にある。したが
って、第９図のように補助サイリスタ１０Ａ、コンデン
サ１３Ａ、インバータＵ端子、電源ＶｓＵｖ、インピー
ダンス要素２、Ｖ相の帰還ダイオード１２Ｂで構成され
る閉回路について考える。時間ｔ５で補助サィリスタ１
０Ａにゲート信号が加わると、電源ＶｓＵ−ｖはＶ相側
が正、Ｕ相側が負であるため、補助サィリスタ１０Ａは
導通し、コンデンサ１３Ａは左側が正、右側が負の極性
に充電されて、コンデンサ１３Ａの端子電圧が系統電圧
ＶｓＵ−ｖの瞬時値を上まわる状態まで過充電され補助
サィリスタ１０Ａは自然消弧する。したがって、時間ｔ
５の後、コンデンサ１３Ａは第５図で示した時間ｔｏ以
後のように電圧Ｅ＾が正の状態を維持する。

よって、第９図のａ〜ｉに示すように各補助サイリスタ
１０Ａ〜１０Ｆにゲート信号が加えられると、系統電圧
Ｖｓ。

‐ｖ， Ｖｓｗ‐Ｕの瞬時波形中に矢印で示した電圧を
電源として、補助サィリスタと隣りのアームに設置され
たダィオー日こより動作状態と同一の樋性に転流コンデ
ンサが充電されることになる。したがって、スタート信
号ＳＡが発生してから、少くとも１サイクル以上経過す
れば転流コンデンサは正規の状態となる。よって、起動
の第２の条件である転流コンデンサの電圧が確立したた
め、次には信号Ｓｏが「０」から「１」の状態になって
後、主サィリスタに順次ゲートアンプ３１からゲート信
号が印加され、ィンバータは系統電圧と同相の電圧を発
生し、起動は完了する。

正規の運転状態になると、第６図で説明した原理にもと
づき任意の無効電力を取る状態にィンバータの出力電圧
位相が制御される。

本発明により、直流電源回路を必要としない無効電力制
御用の電圧形ィンバー夕を提供するこができる。

よって、装置は小形となり低価格、据付面積の縮少を実
現することが出来る。また、従釆は変圧器の励磁突入電
流を抑制するため、順変換器の出力電圧を低い電圧でス
タートさせ、一定時間経過してから定格電圧まで上昇さ
せるという起動法であった。このため、起動に時間を要
したが、本発明によると直流電源が不要であるため迅速
な起動が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は電源接続図、第２図は無効電力制御の原理を説
明するベクトル図、第３図は従来の無効電力制御装置の
構成図、第４図はィンバー夕の構成図、第５図はィンバ
ー夕の動作説明図、第６図は電力制御時のベクトル図、
第７図はこの発明の一実施例を示す構成図、第８図は転
流コンデンサの充電を説明する説明図、第９図は転流コ
ンデンサの充電を説明する回路図である。 図において、１は電力系統、７は直流コンデンサ、８は
ィンバ‐夕、４０は変圧器、６０はスイッチである。な
お各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。第１図第
２図 第３図 第７図 第９図 第４図 第５図 第６図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 直流コンデンサを直流電源とする電圧形自励式イン
   バータの出力端子に変圧器の１次巻線が接続された２次
   巻線がスイツチを介して電力系統に接続される電力変換
   装置において、上記自励式インバータの負荷電流を通電
   する主サイリスタのゲート信号を停止した状態で上記ス
   イツチを閉じて上記直流コンデンサを電力系統側から充
   電して後、上記ゲート信号を供給して起動することを特
   徴とする電力変換装置。 ２ 変圧器と電力系統とは誘導性リアクトルを介して接
   続されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   電力変換装置。 ３ 自励式インバータは、電力系統電圧位相を検知する
   第１の基準位相検知器、ゲート信号を開閉するゲート信
   号開閉器、電力系統の電圧位相にゲート信号位相を一致
   させる位相制御回路、ゲート信号の位相と電力系統電圧
   位相との一致を検知する位相一致検知器を有し、位相一
   致検知器が位相一致を検知する前にスイツチが閉じられ
   、位相一致検知後転流動作を行なう補助サイリスタにゲ
   ート信号が与えられ、系統電圧の１サイクル以上遅れて
   負荷電流を通電する主サイリスタにゲート信号が与えら
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電力
   変換装置。