JPH0697833B2 - サイリスタ変換器の過電圧保護装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は直流送電等に用いられるサイリスタ変換器の過
電圧保護装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

サイリスタを直列もしくは直並列に接続して構成される
サイリスタ変換器は、例えば直流送電や無効電力補償装
置などの高電圧分野でも高電圧サイリスタ変換器として
広く利用されている。ところで、サイリスタ変換器で
は、外部から侵入してくるサージ電圧、例えば雷インパ
ルス電圧又は開閉インパルス電圧等に対するいわゆる過
電圧保護が必要である。そこで従来から高電圧サイリス
タ変換器にはアレスタを用いた過電圧保護や、サイリス
タ自身の点弧機能による過電圧保護が行なわれてきた。

第５図はアレスタを用いた従来のサイリスタ変換器の過
電圧保護装置の構成を示す回路図である。図においてサ
イリスタ変換器は、３相ブリッジ変換器の１アームのみ
が記載されており、他は省略されている。アームを構成
する直列接続されたサイリスタ１はリアクトル２に直列
に接続されている。リアクトル２はサイリスタ１の電圧
勾配dv/dt、電流勾配di/dt等を抑制する作用を行なう。
更にサイリスタ１には、高周波の電圧を均等にするスナ
バ回路３及び直流電圧を均等にする直流分圧抵抗４が並
列接続されている。又、上記構成によるアーム（以下、
サイリスタバルブと称す）には非直線抵抗体によるアレ
スタ５が並列接続されている。アレスタ５はサイリスタ
バルブの耐電圧以下にサージ電圧を抑え、外部から侵入
してくるサージ電圧からサイリスタバルブの破壊を保護
するものである。ところで、サイリスタバルブへのサー
ジ電圧の侵入はサイリスタバルブの運転状態と無関係に
ランダムに任意の位相で生じるものである。第６図は、
サージ電圧がサイリスタバルブへ侵入する位相関係を逆
変換運転時について示したタイムチャートである。
（ａ）はサイリスタバルブのゲート信号、（ｂ）はサイ
リスタバルブの電圧を示す。又、（ｃ）乃至（ｅ）は、
（ｂ）に示したサイリスタバルブの電圧の時間関係を一
部拡大して示した拡大図であり、図中破線はサイリスタ
バルブに侵入するサージ電圧Ｖ_ｓを各種の侵入位相につ
いて示したものである。即ち、（ｃ）は時間t₃以降にサ
ージ電圧Ｖ_ｓがサイリスタバルブに侵入する場合、
（ｄ）は時間t₂とt₃の間のサージ電圧の侵入、（ｅ）は
時間t₁とt₂の間のサージ電圧の侵入を示している。図に
おいて、（ｃ）の状態では通電後のサイリスタのキャリ
アは完全に消滅しており、サイリスタバルブにはアレス
タの保護レベル以下のサージ電圧しか印加されないので
サイリスタバルブは充分にサージ電圧に耐えられる。一
方、（ｅ）の状態では通電後のキャリアが消滅していな
いので、サイリスタバルブに侵入するサージ電圧によっ
てサイリスタバルブは破壊する。（ｄ）の状態は、
（ｃ）と（ｅ）との中間的状態で、サイリスタバルブが
サージ電圧の侵入に耐えられる場合と耐えられない場合
とがある。以上の如く、サージ電圧がサイリスタバルブ
に与える影響は、サイリスタバルブの運転動作時点のど
の位相でサージ電圧が侵入し、そのとき通電直後のサイ
リスタバルブの順方向耐電圧がどのような値にあるかに
よって異なることとなる。

第７図はサイリスタバルブの各運転モードにおけるサイ
リスタバルブの順方向耐電圧Ｖ_ｗの特性とアレスタの保
護レベルＶ_ｐとの関係を示した波形図である。（ａ）は
運転モードが逆変換の場合、（ｂ）は順変換の場合、又
（ｃ）はフローティング、即ち、交流電圧がサイリスタ
バルブに加わりながらゲート信号はサイリスタに加わっ
ていない場合をそれぞれ示している。図において、サイ
リスタバルブの順方向耐電圧Ｖ_ｗは通電中は勿論、通電
直後もサイリスタ内のキャリアの存在のために零ないし
低い値である。一方、通電後は、キャリアの減衰と共に
順方向耐電圧は徐々に回復し、所定の時間後に一定の耐
電圧Ｖ_ｗをもつに至る。このため、サイリスタバルブの
耐電圧特性は、（ａ）乃至（ｂ）に破線で示す如く、各
運転モードに応じて変化するものとなる。

ところで、サイリスタバルブをアレスタで過電圧保護す
る場合、基本的にサイリスタバルブの耐電圧Ｖ_ｗよりア
レスタの保護レベルＶ_ｐが小さく設定されなければ保護
効果を生じない。ところが、前記の如く、サイリスタバ
ルブの耐電圧特性はサイリスタバルブの各動作モードに
よって変化し、例えば通電直後にはＶ_ｗよりＶ_ｐが大と
なり、アレスタによるサイリスタバルブを保護する保護
協調が崩れてしまう。

即ち、第７図において（ａ）及び（ｂ）の斜線部分では
アレスタはサイリスタバルブの過電圧保護の働きをしな
いこととなる。一方、通電のないフローティング時、即
ち（ｃ）の場合には、Ｖ_ｗよりＶ_ｐが常に小となる関係
にあり、アレスタによるサイリスタバルブの保護が効果
的に行なわれる。従って、通電直後の過電圧保護協調が
崩れている場合に、外部から雷サージ等のサージ電圧が
侵入すると、サイリスタバルブはサージ電圧に耐えられ
ず、破壊してしまい、重大な故障につながるという問題
を有していた。

〔発明の目的〕

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもの
で、サイリスタバルブの通電直後においても外部から侵
入するサージ電圧に対してサイリスタバルブを過電圧に
よる破壊から保護することができるサイリスタ変換器の
過電圧保護装置の提供を目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、サイリスタの通電完了直後にサイリスタ変換
器の順方向耐電圧の回復特性に関連した基準信号関数を
発生させるとともに、前記サイリスタ変換器のアームの
過電圧を検出し、前記基準信号関数と検出した過電圧信
号とを比較して、過電圧がサイリスタ変換器の耐電圧よ
り大きい場合には、前記サイリスタ変換器の当該アーム
を点弧させるようにし、外部から侵入するサージ電圧に
対してサイリスタ変換器を過電圧保護するようにしたも
のである。

〔実施例〕

第１図は本発明の第一の実施例の構成を示す回路図で、
第５図に示したと同様に、３相ブリッジ変換器のサイリ
スタアームの１つのアームのみについての構成を示し、
他のアームについては記載を省略したものである。アー
ムを構成する複数のサイリスタ１は相互に直列接続さ
れ、更にリアクトル２が直列に接続される。ここで、複
数のサイリスタ１のうちの１つを代表サイリスタ11と
し、代表サイリスタ11を含めたサイリスタ１には、それ
ぞれ並列にスナバ回路３及び直流分圧抵抗４が接続され
ている。なお、代表サイリスタ11の直流分圧抵抗４に
は、発光素子71,72が互いに逆極性に並列接続されてい
る。更に、代表サイリスタ11を含めた各サイリスタ１の
ゲートには、各サイリスタ１に対応して設けられたゲー
ト信号増幅器14からゲート信号141が供給されるように
なっている。ゲート信号増幅器14には抵抗13を介して対
応するサイリスタ１のアノードから電源電圧が供給され
るとともに、信号入力手段としての受光素子12が接続さ
れ、ライトガイド61を介して光信号が加えられる。一
方、代表サイリスタ11を含むサイリスタ１を直列接続し
たサイリスタバルブには、アレスタ５が並列接続される
とともに、抵抗20と発光素子21とを直列接続した過電圧
検出回路が並列接続されている。なお、発光素子21には
逆電圧保護用のダイオード22が並列接続されている。

上述した発光素子71,72,21及び受光素子12は、それぞ
れ、ライトガイド81,82,23,61を介して受光素子91,92,2
4及び発光素子６に光学的に接続される。

発光素子71はサイリスタ素子の順電圧を検出して発光
し、ライトガイド81を介して光信号を、受光回路101を
構成する受光素子91に加える。

同様に発光素子72はサイリスタ素子の逆電圧を検出して
ライトガイド82を介して光信号を、受光回路102を構成
する受光素子92に加える。受光回路101は順電圧検出信
号103をゲート信号発生器15に供給する。また、受光回
路102は逆電圧検出信号104をゲート信号発生器15と基準
信号発生器26に供給する。ゲート信号発生器15には、サ
イリスタバルブの通常の点弧を行なわせるためのゲート
指令信号151が入力されるとともに、通電直後の過電圧
時の点弧を行なわせるための過電圧時のゲート指令信号
152が入力されている。ここで、ゲート信号発生器15は
代表サイリスタ11を含めたサイリスタ１に対応する発光
素子６を備え、光信号を、ライトガイド61を介してゲー
ト信号増幅器14の受光素子12に供給する。一方、受光回
路102の逆電圧検出信号104が加えられる基準信号発生器
26には、更に、通常の点弧を行なわせるためのゲート指
令信号151が加えられ、基準信号発生器26の出力信号261
は比較器27の一方の入力端に供給されている。比較器27
の他方の入力端には、受光素子24を備える大地レベルの
受光回路25から出力される過電圧検出信号251が供給さ
れている。ここで、受光素子24には、過電圧検出回路の
発光素子21から出力される光信号がライトガイド23を介
して供給されている。比較器27は出力信号261と過電圧
検出信号251とを比較し、過電圧検出信号251が出力信号
261より大きいとき、前記通電直後の過電圧時に点弧を
行なわせるための過電圧時のゲート指令信号152をゲー
ト信号発生器15に供給する。

なお、基準信号発生器26は、これに入力されるゲート指
令信号151と逆電圧検出信号104とに基づいて通電直後の
サイリスタバルブの順方向の耐電圧特性に関連した信号
261を発生する。即ち、基準信号発生器26は通電状況を
ゲート指令信号151から判定し、又、通電直後であるこ
とを逆電圧検出信号104から判定すると共に、逆電圧検
出信号104の入力によってサイリスタバルブの順方向の
電圧回復特性に関連した基準信号関数を出力信号261と
して出力する。このとき基準信号関数はサイリスタバル
ブの順方向の電圧回復特性より低めに設定されている。

以下、本実施例の動作について説明する。

先ず、基準信号発生器26は代表サイリスタ11から検出し
た逆電圧検出信号104とゲート指令信号151とを入力して
通電直後の順方向の基準信号関数を出力し、かつ、その
出力をサイリスタバルブの能力に見合った余裕度を考慮
して低目にして比較器27に加える。比較器27は、基準信
号関数261と、実際にサイリスタバルブに加わったサー
ジ電圧を発光素子21で検出して得た過電圧検出信号251
との比較を行ない、サージ電圧が基準値より大きい場合
にはゲート指令信号152をゲート信号発生器15に供給
し、サイリスタの点弧機能を利用してサイリスタバルブ
を一斉に点弧する。このようにしてサイリスタ変換器の
過電圧保護を行なうものであるが、このとき、基準信号
発生器26が出力する基準信号関数261は、通電直後のサ
イリスタバルブの順方向の耐電圧特性を模擬しているの
で、サージ電圧がサイリスタバルブに侵入する位相関係
が変化しても、充分にサイリスタの耐電圧の範囲で過電
圧破壊からサイリスタを保護することができる。

以下、第２図を参照して更に詳しい動作を説明する。第
２図は本実施例の各部の波形を示したタイムチャートで
あり、（Ａ）はフローティング、即ち、交流入力がサイ
リスタバルブに加わりながらサイリスタにはゲート信号
が入力されていない状態のタイムチャート、（Ｂ）は運
転モードが逆変換の場合のタイムチャートをそれぞれ示
している。図中、（ａ）はサイリスタバルブの電圧波
形、（ｂ）はゲート指令信号（第１図中符号151）、
（ｃ）は逆電圧検出信号（第１図中符号104）、（ｄ）
は基準信号発生器の出力する基準信号関数（第１図中符
号261）、（ｅ）は過電圧検出信号（第１図中符号25
1）、（ｆ）は過電圧時のゲート指令信号（第１図中符
号152）、（ｇ）は各サイリスタのゲート信号（第１図
中符号141）をそれぞれ示している。（Ａ）のフローテ
ィング状態では、通電がないので、基準信号関数261は
保護レベルＶ_ｐに対応した一定の出力となっている。一
方、（Ｂ）の運転時には、通電直後（図中ｔ＝t₁）にて
基準信号関数261は一旦、零となり、その後、サイリス
タの順方向の耐電圧に対応した時間関数信号として増加
する。ｔ＝t₃においては、基準信号関数261はフローテ
ィング時の保護レベルＶ_ｐに相当する値に戻っている。
なお、ここで、Ｖ_ｐのレベルは、第７図中のＶ_ｐ、即ち
アレスタ５の保護レベルと同等又は若干高い値である。
今、仮りに第２図（Ｂ）に示すｔ＝t₂の近傍でサージ電
圧が侵入したとする。過電圧検出信号251には（ｅ）に
破線で示すごとき波形の過電圧信号が発生し、その信号
が、（ｄ）に示すサイリスタバルブの耐電圧に関連する
基準信号関数261より大であれば、図中ｔ＝t₂の時点で
比較器27はゲート指令信号152を（ｆ）の破線で示すご
とくに発生する。その結果（ｇ）に破線で示すゲート信
号140が各サイリスタに入力され、サイリスタは一斉に
点弧してサイリスタバルブはサージ電圧による破壊から
確実に保護される。即ち、サイリスタは、（Ｂ）の時刻
ｔ＝t₀からｔ＝t₃迄の間（図中T_C＋T_Fの期間）において
順方向の耐電圧が他期間の耐電圧Ｖ_ｗより小となるの
で、T_C＋T_Fの期間についてのみゲート機能による過電圧
保護が行なわれることとなる。なお、期間T_Cについて
は、直ちに（ｂ）に示すゲート指令信号（第１図中符号
151）が供給されるので、期間T_Fについてのみ追加保護
を行なえばよいこととなる。又、上記期間以外について
のサイリスタの過電圧保護はアレスタにより行なわれる
ものである。

次に、第３図および第４図を参照して第２の実施例を説
明する。第３図はこの実施例の主要部の構成を示したブ
ロック図、第４図はその動作を説明するタイムチャート
である。第３図において第１図に示した実施例の構成と
異なる点は、ライトガイド23を介して過電圧を検出した
光信号を入力する受光回路252が、過電圧のみでなく、
過電圧を検出した入力信号の立上りの峻度、即ち、dv/d
tをも検出できるようにし、更に受光回路252は峻度を検
出した信号253を基準信号発生器262に供給する。そし
て、基準信号発生器262は信号253によって、異なる立上
りの基準信号関数263を比較器27に供給するようにした
点にある。即ち、基準信号発生器262は、第４図に図示
するごとく、受光回路252が検出した峻度（dv/dt）の検
出信号253に応じて、dv/dtがdv₁/dtのときは基準信号関
数の立上りｇをg₁、dv/dtがdv₂/dtのときはｇをg₂、dv/
dtがdv₃/dtのときはｇをg₃（ここでdv₁/dt＜dv₂/dt＜dv
₃/dt）にそれぞれ基準信号関数263の立上りｇを決定
し、基準信号関数263を比較器27に供給する。一方、サ
イリスタバルブの通電後の順方向の耐電圧は、一般に立
上り峻度（dv/dt）の影響を受け、峻度dv/dtが高い程、
耐電圧は低いものである。従って本実施例によれば、基
準信号発生器262は峻度（dv/dt）をも加味した立上りを
もった基準信号関数263を比較器27に供給し、比較器27
は、基準信号関数263と過電圧検出信号251とを比較して
ゲート指令信号152とするので、より高い精度でサイリ
スタ変換器の過電圧に対する保護が行なえることとな
る。

なお、上記第１及び第２の実施例の説明では、フローテ
ィング、及び順、逆変換の運転モードについて説明した
が、本実施例の過電圧保護はそれに限られることなく、
運転中の電流断続直後、又は、バイパスペアの通電直後
に生じる同様な現象についても適用できるものであるこ
とは勿論である。また、上記実施例では、基準信号発生
器、受光回路を含めた過電圧検出回路及び比較器をサイ
リスタバルブを単位として設け、しかも受光回路系を含
めて大地レベルで処理するようにしているが、同様の過
電圧検出や信号処理を行なう手段を各サイリスタを単位
として設けることにより、各サイリスタ単位について検
出や処理を行なうようにすることができ、上記実施例と
同様の効果を実現できるものである。

更に、上記実施例の説明では基準信号発生器が出力する
基準信号関数の定常値Ｖ_ｐを、アレスタの保護レベルと
同等又はそれ以上に設定するとして説明したが、下記の
如く設定することにより保護機能の範囲を最適に変化さ
せることができる。即ち、基準信号発生器の定常出力Ｖ
_ｐをアレスタの保護レベルより大きくしたときは、定常
時の保護をアレスタにより、又、基準信号発生器の定常
出力Ｖ_ｐをアレスタの保護レベルと同等としたときは、
定常時の保護をアレスタ又は本発明のゲートによる過電
圧保護により、更に、基準信号発生器の定常出力Ｖ_ｐを
アレスタの保護レベルより小としたときは、定常時の保
護を本発明のゲートによる過電圧保護とすることができ
る。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明では、通電直後のサイリスタバルブの
順方向の耐電圧が低くなること及び、時間的に変化する
ことに着目し、耐電圧回復特性に関連した関数出力と、
侵入する過電圧の検出信号とを比較して、過電圧検出信
号が関数出力より大の場合にはサイリスタのゲート点弧
機能を利用して一斉にサイリスタを点弧させ、過電圧に
よるサイリスタの破壊を保護するので、サイリスタバル
ブの通電直後に加えるサージ電圧に対しても確実に過電
圧保護を行なうことのできるサイリスタ変換器を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示す回路図、第
２図は同実施例の動作を説明するためのタイムチャー
ト、第３図は本発明の第２の実施例の構成を示すブロッ
ク図、第４図はその動作を説明するためのタイムチャー
ト、第５図は従来装置の構成を示す回路図、第６図は従
来装置の動作を説明するためのタイムチャート、第７図
は同じく従来装置の動作を説明するためのタイムチャー
トである。 1,11…サイリスタ、２…リアクトル、３…スナバ回路、
４…直流分圧抵抗、５…アレスタ、6,21,71,72…発光素
子、23,61,81,82…ライトガイド、12,24,91,92…受光素
子、14…ゲート信号増幅器、15…ゲート信号発生回路、
25,101,102…受光回路、26…基準信号発生回路、27…比
較器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】サイリスタの通電完了直後にサイリスタ変
   換器の順方向耐電圧の回復特性に関連した基準信号関数
   を発生する基準信号発生手段と、前記サイリスタ変換器
   のアームの過電圧を検出する過電圧検出手段と、前記基
   準信号関数と前記過電圧検出手段の出力とを比較する比
   較手段とを備え、前記過電圧検出手段の出力が前記基準
   信号関数より大きいとき前記サイリスタ変換器のアーム
   を点弧させるようにしたことを特徴とするサイリスタ変
   換器の過電圧保護装置。
2. 【請求項２】前記過電圧検出手段は、被検出信号の立上
   り峻度を判定する峻度判定手段を備え、前記基準信号発
   生手段は前記峻度判定手段の判定結果に応じて基準信号
   関数の出力波形を変化させるような手段であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のサイリスタ変換器
   の過電圧保護装置。