JPS6268076A - 電力変換装置の正逆切換方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、交流電源電圧を直流電圧、又は、交流電源電
圧よシ低い周波数の交流電圧に変換する無循環電流方式
の電力変換装置の制御装置に係シ、特に、出力電流の方
向を正から逆へ、又は、逆から正への切換時間がほとん
ど無い正逆切換方法に関する。

〔発明の背景〕

電力変換方式には、循環電流方式と無循環電流方式の二
種があることは、従来よシ知られている。

循環直流方式の場合、無循環電流方式に比べて電源変圧
器二次側が二巻線となること、又、変圧器容量が増大す
ること、直流リアクトルが必要であること、循環電流を
流す必要性よ多電源力率が悪くなり、力率改善コンデン
サ容量が増大することなどの欠点がある。

一方、無循環電流方式では、出力電流の方向を切換える
場合、一般に、充分な余裕をもって正逆変換器を切換え
るためかなシの電流零期間を生じ、出力に交流を得る場
合、出力周波数が増大するに従い、電流零期間の割合が
増大し、負荷が電動機の場合、電動機の出力トルクに大
き々トルクリップルを持つこと。又、出力周波数が、電
源周波数の１／３程度に制限されるため、適用が限定さ
れることなどの欠点がある。従って、従来よシ無循環電
流方式における、正逆切換時間の短縮方法に関して、種
々の提案がなされている。

第２図は、従来から実施されている無循環電流方式の電
力変換装置で、１は交流電源、２Ｊ’ｊ：電源変圧器、
３Ｆは逆並列接続されたサイリスタ変換器の正側変換器
、３Ｒは逆側変換器、４は負荷を示す。

第２図の構成により、負荷４に正弦波状の交流出力電流
を流そうと、３Ｆ、３Ｒの正逆変換器の点弧を直ちに切
換えた場合の問題点について、第３図、第４図により説
明する。

第３図は、正側変換器３Ｆ′（ｃ一点弧中に時刻ｔ。

で逆側変換器３Ｒに切換えた場合の動作波形図である。

Ｒ，１，８１，ＴＩは各々Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の電源電圧
、■は３Ｆの負側端子電圧波形、■は３Ｆの正側端子電
圧波形、■は３Ｆ及び３Ｒの出力電圧波形、■は位相制
御信号を示す。

時刻ｔ。直前では、正側変換器３Ｆが位相角α０でサイ
リスタ素子ＲＰ、ＴＮが点弧している状態で１０で電流
零を検出して逆側変換器３几を位相角（１８０°−α。

）で切換えた時の状態であるが、実際には、電流が完全
に零になったことを検出するのはむずかしく、第４図に
示すように、３Ｆの通電中の素子ＲＰ、ＴＮが完全にオ
フしないうちに３凡の素子ＳＰ’、　ＴＮ’が点弧する
ことになる。この場合、第４図■、■に示すように、■
電源Ｒ１→素子ＲＰ−＋素子ＴＮ’→電源Ｔ１及び■電
源Ｓ１→素子ｓＰ′→素子ＴＮ→電源Ｔ１の短絡ループ
を生じる。■のループは電源ＲＩＫ対してＴ１は高いの
で素子ＲＰには逆電圧が印加され電流は消弧する。しか
し、■のループは電源ｓ１に対してＴ１は低いので短絡
電流が流れることになる。一般に、電源側のインピーダ
ンスは低いため非常に過大な電流が流れ、サイリスタ素
子を破壊する等の重大な事故となる。従って、一般には
充分な余裕をもって逆側変換器３Ｒに点弧パルスを与え
ているため、かなりの電流零期間を生じることになる。

この欠点を改善する方法（正逆切換時間を短縮する方法
）として、例えば、特開昭５７−５５７７２号公報に示
される方法がある。この方法は、電流零を検出すると、
点弧していた変換器のゲートパルスをオフし、導通して
いた素子の電源電圧が他の相の電圧に対して負になる位
置までまってから逆側（点弧していた変換器と反対側の
変換器）のゲートパルスをオンさせる。

この方法によれば、改善前の従来方式に比べて正逆切換
時間（電流零期間）が短かぐなる。しかし、電力変換器
３Ｆ、３Ｂ、の負荷として交流電動機駆動を考えた場合
、電動機負荷により変換器出力電圧と電流の位相が変化
し、結果的には、電流零検出時点の制御位相角αによっ
て、電流零期間が変わるという欠点がある。悪い方のケ
ースの一例として、第５図で説明する。第５図は、出力
電圧と電流がほぼ同相、即ち、位相制御信号■′がα＝
９０°近くで正側変換器３Ｆから逆側変換器３Ｒに切換
えた状態を示す。■′は出力電圧の動作波形である。時
刻１．で電流零が検出され、正側変換器３Ｆのゲートパ
ルスオフ、時Ｎ　ｔ　＋　にて点弧していた素子の電源
電圧が他の相の電圧よシ負ニナシ、逆側変換器３Ｒのゲ
ートパルスをオンさせる。しかし、この時の変換器の出
方電圧■′は逆電圧であシミ流が流れにくい。従って、
最悪条件の場合、時刻ｔ！で逆方向に電流が流れ始める
ことも考えられる。この場合には、電流零期間は約９０
°となり、電源周波数が５０Ｉ（Ｚの場合、約５ｍ５ｅ
Ｃと々る。この場合には、電動機のトルクリップルも大
きくなると言う欠点がおる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、無循環電流切換方式において、電流方
向を切換える時、電流零期間なし、又は、わずかな電流
零期間で電流短絡ループを生じることなく安全確婁に正
逆切換えを行なうようにした電力変換装置の正逆切換方
法を提供することにある。

〔発明の概要〕

正逆切換えを安全、かつ、短期間で行なうに必要な条件
は、完全なＮ、流電検出はむつかしいので、　“通流状
態で切換えることを前提に考えること、、切換後の始め
てのゲートパルスをオンさせた時、（１）交流電源回路
のループ及び正逆変換器の出力端子間（変換器出力回路
）で短絡モードとならないこと。（２）切換前の変換器
出力電圧が負の状態釦なっていること。（８）切換前に
通流状態にある電流をすみやかに零にできること等を満
足させる必要がある。

本発明の特徴は、以上の条件を満足させるため、電流零
検出タイミングで、制御位相角α。と通流中のサイリス
タ素子の点弧モードを記憶し、記憶した点弧モードより
現在の出力電圧と逆の電圧を出力する点弧モードを決定
、又、点弧ノくルスのオン時間を計測することにより、
出力電圧が負となるタイミングを求め、負となるタイミ
ングに達すると所定時間（サイリスタ素子のターンオフ
タイム相当＋電流が零となるまでの時間）の間、現在の
出力電圧と逆の電圧を出す点弧モードを最初に点弧させ
、急速に電流を零とし、その後は本来の制御位相角に従
った素子を点弧することにより、電流零期間をなくすよ
うにしたことにある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例について詳細に説明する３、第１
図は、本発明の一実施例を示す構成図で、１は交流電源
、２は電源変圧器、３Ｆ、３Ｒはそれぞれ六ヶのサイリ
スタ素子で三相全波ブリッジ構成され、かつ、逆並列接
続されたサイリスタ変換器で、３Ｆは正側変換器、３Ｒ
は逆側変換器、４は負荷を示す。負荷として三相交流電
動機が接続される場合第１図は全て一相分を示し、他の
相も同様の回路構成となり、制御相数５十六相の無循環
電流方式サイクロコンバータを構成する。５は電流検出
器、６は電流零検出回路、７Ｆ、７Ｒは正側変換器３Ｆ
及び逆側変換器３Ｒのそれぞれのゲートパルス信号を発
生する回路で、７Ｆは正側ゲートパルス発生回路、７Ｒ
は逆側ゲートパルス発生回路、８Ｆ、８Ｒはゲートパル
ス発生回路７Ｆ、７Ｂ、のパルス信号に応じて正側変換
器３Ｆ及び逆側変換器３Ｒのそれぞれのゲー）Ｋパルス
を印加するパルス増幅器で、８Ｆは正側パルス増幅器、
８Ｒは逆側パルス増幅器、９は正側及び逆側ゲートパル
ス信号の起動及び停止を行なうパルス起動停止回路、１
０はマイクロプロセッサで、正側、逆側変換器３Ｆ、３
Ｒの出力電圧が所望の値を出力するに必要な位相角をゲ
ートパルス発生回路７Ｆ、７ＲＫ与えるものである。正
側及び逆側ゲートパルス発生回路７Ｆ、７Ｈの内部は、
それぞれ同一回路で構成されており、１１はマイクロプ
ロセッサ１０よシ設定された制御位相角信号に応じて所
定の位置（位相角）で六ヶのワンショットパルスを出力
するパルス移相器、１２は六ヶのワンショットパルスよ
り広幅のゲートパルス信号を出力する広幅パルス作成回
路、１３はパルス移相器１１よりの六ヶのワンショット
パルスをＯＲするＯＲ回路、１４は六ヶのサイリスタ　
子の内所望の素子を所望の時間の間点弧させるディジタ
ル出力回路及びタイマ回路よ）なる点弧そ−ド設定回路
、１５は点弧モード設定回路１４からのパルス信号と広
幅パルス作成回路１２からの出力パルスを切換える切換
論理回路、１６はＡＮＤ回路でパルス起動停止回路９か
らの信号に応じて、切換論理回路１５からの六ヶのパル
ス信号をオン。

オフさせている。１７１１切換論理回路１５の出力であ
る六ヶのゲートパルス信号の内点弧している信号をマイ
クロプロセッサ１０がｇ識するためのディジタル入力回
路、１８はカウンタ回路で六ヶのパルスｔＯＲしたＯＲ
回路１３よシの信号に応じてカウントを開始し、あらか
じめ、マイクロプロセッサ１０より設定された時間に達
すると出力を出すカウンタ回路である。

ここで、正側変換器３Ｆ及び逆側変換器３Ｒがそれぞれ
出力電圧を出す方法について説明する。

正側変換器３Ｆが出力電圧を出す場合、マイクロプロセ
ッサ１０より正側選択信号がパルス起動停止回路９に、
所望の電圧を出力するに必要な正側制御位相角信号が正
側ゲートパルス発生回路７Ｆ内のパルス移相器１１に与
えられる。パルス移相器１１で、変換器の入力電源に対
する所定の位相角で六ヶのワンショットパルスが出力さ
れ、広幅パルス作成回路１２で広幅ゲートパレスに変換
される。通常は点弧モード設定回路１４からの信号は出
ないで広幅パルス作成回路１２からの広幅パルス信号が
切換論理回路１５を経由してＡＮＤ回路１６に入力され
る。一方、パルス起動停止回路９は、マイクロプロセッ
サ１０よシの正側選択信号により正側パルス起動信号を
出力しており、ＡＮＤ回路１６で広幅パートパルス信号
が正側パルス増幅器８Ｆに入力され、正側変換器３Ｆの
ゲートが点弧されて出力電圧が発生する。逆側変換器３
Ｒが出力電圧を出す場合、マイクロプロセッサ１０より
逆側選択信号がパルス起動停止回路９に、逆側制御位相
角信号が逆側ゲートパルス発生回路７Ｒ内のパルス移相
器１１に与えられる。逆側ゲートパルス発生回路７’Ｒ
内は正側と同様に動作し、逆側パルス増幅器８Ｒより広
幅ゲートパルスが逆側変換器３Ｒのゲートに印加され、
出力電圧が発生する。

次に、本発明となる正逆切換動作を第６図、第７図によ
υ説明する。

第６図は、第１図の回路により正側変換器３Ｆを点弧し
ている状態から逆側変換器３Ｒに切換える場合の動作波
形を示す。Ｒ１，８１，ＴＩ及び信号■、■、■、■は
第３図のそれと同一であシ説明は省略する。■は正側変
換器３Ｆ及び逆側変換器３Ｒのサイリスタゲートに印加
される広幅ゲ一トバルスを示し、ＢＰ−ＴＮ及びＲＰ’
〜ＴＮ’は第７図のサイリスタ素子ＲＰ−ＴＮ及びＲＰ
’〜ＴＮ’のそれぞれに対応する。■は負荷に流れてい
る電流、■は第１図における正側ゲートパルス発生回路
７Ｆ内のカウンタ回路１８のカウント動作波形、＠けカ
ウンタ回路１８の出力信号、０は第１図パルス起動停止
回路９よりの正側パルス起動信号、０は逆側パルス起動
信号を示す。

時刻ｔｏ以前は、マイクロプロセッサ１０より正側ゲー
トパルス発生回路７Ｆに対して、制御位相角信号■（例
えばα０設定）及び、α０で点弧した場合出力電圧が負
になるまでの時間（例えば１２００−α。）をカウンタ
回路１８に設定し、所定の位相で■に示す出力電圧を出
し、負荷４に電流ｉ■を図のように流しているものとす
る。今、時刻１ｏで電流零検出回路６が６０”から”１
″となり電流のほぼ零を検出したとすると、マイクロプ
ロセッサ１０に対してそのタイミングを入力する。タイ
ミングでマイクロプロセッサ１０はＤＩ回路１７を介し
て現在導通しているサイリスタ素子を記憶（第６図では
ＲＰ、ＴＮを記憶）又、パルス移相器１１に設定した制
御位相角αｏｔ”記憶し、次に正側パルス停止信号をパ
ルス起動停止回路９に出力する。同時にパルス起動停止
回路９よシ正側パルス発生回路７Ｆに対して正側パルス
停止信号■が出力され、正側ゲートパルスはオフする。

次に、記憶した点弧モード（几Ｐ、ＴＮ）に対して逆の
電圧を出すモート責第６図の例ではＢＰ’、ＴＮ’　）
の素子を選択すべく、逆側ゲートパルス発生回路７Ｒ内
の点弧モード設定回路１４に点弧モードを設定すると同
時Ｋ、パルス起動停止回路９に逆側選択信号を出力する
。パルス起動停止回路９では、逆側選択信号が設定され
ると、正側ゲートパルス発生回路７Ｆ内のカウンタ回路
１８０の出力信号［相］が１″になっている時、即ち、
正側変換器出力電圧が負の値になっている条件で逆側変
換器のパルス起動信号＠が出力される。一方、逆側パル
ス発生回路７Ｒ内の点弧モード設定回路１４では、設定
された点弧モードの素子（第６図ではＲＰ’、ＴＮ’　
）をオンする信号と所定時間ＴＤＩ　（サイリスタ素子
のターンオフタイム相当＋電流が零となるまでの時間）
の間のみ切換論理回路１５に出力する。切換論理回路１
５は、点弧モード設定回路１４よりの信号がある間、即
ち、ＴＤＩの期間は、点弧モード設定回路１４よりの信
号をゲートパルス信号として出力する。ＴＤＩの時間経
過後、即ち、時刻ｔ３の時点で、切換論理回路１５は広
幅パルス作成回路１２よりの広幅ゲートパルス信号を出
力する方向に切換わり、通常のモードにもどる。この時
、位相角は記憶した制御位相角α０に対して（１８０゜
−α。）の位相で出力されている。従って、時刻ｔ、の
タイミングで逆側変換器３Ｒには順方向の電圧が出力さ
れ逆方向に電流が流れ始める。時刻ｔｏ％ｔ、の間は、
第７図に示すような、サイリスタ素子が点弧されるため
交流電源回路での短絡モードはない。

以上の方法で、電流零期間なしで正逆切換えが可能とな
る。

第８図は、前述の正逆切換動作時の正側パルス発生回路
７Ｆ１逆側パルス発生回路７Ｒ内の各部信号の動作波形
１示したものである。＠は電流零検出回路６の出力、０
は正側７Ｆ内の広幅パルス作成回路１２の出力、１５ケ
逆側７Ｒ内の広幅パルス作成回路１２の出力、［相］は
逆側７Ｒ内点弧モード設定回路１４の出力、■は正側ゲ
ートパルス発生回路７Ｆの出力、　０は逆側ゲートパル
ス発生回路７Ｒの出力を示す。第８図は、本発明の第１
図の回路で第６図に示すような正側から逆側への切換動
作を行なった場合の正側及び逆側ゲートパルス発生回路
７Ｆ、７Ｂ、の各部信号動作を示したものである。通常
、正逆の広幅ゲートパルス信号０．［相］は、正側、逆
側変換器３Ｆ。

３凡のいずれかが選択されているかに関係なく、例えば
、正側の制御位相角信号がα。Ｋ設定されていると逆側
の制御位相角は（１８０°−α０　）の値に設定されて
広幅パルス信号が出力されている。

時刻ｔｏで正側から逆側への切換動作と々つた場合、所
定時間ＴＤＩの間［相］に示すように点弧モード設定回
路１４から信号が出力され、この間のみ［相］に示すよ
うに点弧モード設定回路１４から設定されたモード（第
８図ではＲＰ’、ＴＮ’　）のサイリスタ素子がオンす
るように動作する。

以上の説明では、電流零検出回路稜に点弧していた素子
がＲ，Ｐ、ＴＮの場合について説明した。

又、電流零検出時の出力電圧は、負荷条件により種々変
化するがいずれも六ヶのモード、即ち、■ＲＰ、ＴＮ、
■ＳＰ、ＴＮ、■ＳＰ、ＲＮ、■ＴＰ、ＲＮ、■ＴＰ、
８Ｎ、■Ｒ，Ｐ、ＳＮのモードでおシ、これらのモード
ｆ：認繊できれば前述と同様の方法で切換処理ができる
。又、正側変換器３Ｆから逆側変換器３Ｒへ切換わる場
合について説明したが、逆側変換器３Ｒから正側変換器
３Ｆへ切換わる場合も同様の動作で行なうことができる
。

本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、正側
変換器及び逆側変換器をそれぞれ複数個直列に接続した
電力変換器にも適用でき、又、複数個直列接続した電力
変換器を三相構成した、いわゆる、７２アーム又は１４
４アームサイクロコンバータ装置でも本発明が適用でき
ることは言う（１７！ までもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、逆並列接続された無循環電流方式の電
力変換器を、電流零期間なしに、あるいは、わずかの零
期間で安全確実な正逆切換えすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回路図、第２図は従来の回
路図、第３図は第２図による動作波形図、第４図は第３
図の動作説明図、第５図は第２図による従来の他の方式
の動作波形図、第６図は第１図の動作波形図、第７図は
第６図の動作説明図、第８図は第１図の動作説明図であ
る。 ２・・・電源変圧器、３Ｆ・・・正側サイリスタ変換器
、３’Ｒ・・・逆側サイリスタ変換器、５・・・電流検
出器、６・・・電流零検出回路、７Ｆ・・・正側ゲート
パルス発生回路、７Ｒ・・・逆側ゲートパルス発生回路
、８Ｆ・・・正側パルス増幅器、８Ｒ・・・逆側パルス
増幅器、９・・・パルス起動停止回路、１０・・・マイ
クロプロセッサ、１１・・・パルス移相器、１２・・・
広幅ノくルス作成回路、１３・・・ＯＲ回路、１４・・
・点弧モード設定回路、１５・・・切換論理回路、１６
・・・ＡＮＤ回路、１７・・・ＤＩ回路、１８・・・カ
ウンタ回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、交流電源から給電され負荷に正方向電流を供給する
   正側サイリスタ変換器と、これに逆並列接続されて前記
   負荷に逆方向電流を供給する逆側サイリスタ変換器と、
   前記正側サイリスタ変換器の点弧位相を制御する正側ゲ
   ートパルス発生器と、前記逆側サイリスタ変換器の点弧
   位相を制御する逆側ゲートパルス発生器と、前記正側及
   び前記逆側サイリスタ変換器の出力電流を検出する電流
   検出回路とより構成される電力変換装置の、前記負荷に
   供給する電流の方向により前記正側及び前記逆側サイリ
   スタ変換器を切換える場合において、切換前の最後に導
   通していた前記サイリスタ素子の点弧モード及び位相角
   制御指令を記憶する第一の手段と、最後に導通していた
   素子が点弧している時間を計測する第二の手段を設け、
   前記サイリスタ変換器の出力電流がほぼ零となる時点で
   前記第一の手段で点弧モード及び位相角制御指令を記憶
   後、導通していた側の変換器をオフし、前記第一の手段
   で記憶した点弧モードに対し逆の電圧を出力する点弧モ
   ードを決定し、前記第一の手段で記憶した位相角指令と
   前記第二の手段で計測した点弧パルスのオン時間より前
   記導通していた側の変換器出力電圧が負となる条件で反
   対側変換器を前記逆電圧を出力する点弧モードでオンさ
   せ、前記逆電圧を出力する点弧モードを所定時間継続後
   、逆方向電流を流すに必要な電圧を出力すべく位相制御
   されることを特徴とする電力変換器の正逆切換方法。