JPS646624B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、特に交流機械の制御用に適合する
整流器および電流逆変換器の３段階転流の方法に
関する。

整流器は、普通交流ｍ相幹線から交流電流を直
流電流へと整流する変換器であり、該変換器は直
流側における平滑用インダクタンスを有するか、
または一般に該整流器が定電流源として動作する
というインピーダンス条件を有するものである。
逆変換器は電流源からの直流を交流へと変換する
変換器であり、この場合に負荷は交流機、または
一般的にRLC素子の組合せとして表される回路
網である。整流器と逆変換器との主な相違は電力
の流れの基本的な方向である。整流器の場合には
交流側から直流側への方向であり、逆変換器の場
合には直流側から交流負荷側への方向である。動
作の或る条件においては電力の流れが反転させら
れることが実際に頻繁に可能である。

回路網に接続された整流器および逆変換器にお
ける、出力制御の基本的な方法は、いわゆる位相
制御であり、また逆変換器の動作過程における基
本プロセスとしての外部転流である。変換器の一
つの主分岐路から、次の分岐路への電流の転移、
すなわち転流は、外部電圧によつて達成される。
転流時間、すなわち電流の転位時間は、位相制御
の角度、電流の大きさ、および、電源側と負荷側
とのインピーダンス条件によつて決定される。半
導体変換器は、多くの場合、外部転流を伴う整流
器として用いられ、外部転流の動作とこれらの変
換器のその他の特性は普通に知られており、また
技術文献に詳細に記述されている。

内部転流をともなう整流器および逆変換器は、
外部転流をともなう類似の変換器と同じ基本的特
性をもつ。しかし電流転流は外部電圧の動作によ
つて自発的に進行するものではなく、変換器の補
助回路によつて強制されるものである。その理由
は、たとえば、逆変換器の交流側の受動負荷ある
いは、転流の時点における交流電圧の外部転流を
ひき起すことができない位相位置である。このこ
とは、むしろ、遊び電力の流れの方向によつてき
まる。外部転流は交流側が遊び電力を供給するこ
とができるとき（たとえば供給回路網）可能であ
り、内部転流はすべての他の場合（受動負荷、電
動機、しかし供給回路網もまた）に可能である
と、一般的に言うことができる。内部転流はすべ
ての形式の負荷に導入することができる。結局、
外部転流をもつ整流器または逆変換器が現在にお
いて広く用いられているのは、変換器がどのよう
に複雑となるか、および個々の価格がどのように
高価であるかの判断結果である。

内部転流作用をもつ整流器または逆変換器の最
も重要な実用的な応用は非同期電動機の駆動用の
電流逆変換器である。更に重要な応用は力率の補
償のための回路網における整流器または逆変換器
であり、また改善されたエネルギーパラメータを
もつ直流駆動である。

現実の整流器あるいは電流逆変換器は、異なつ
た補助転流回路に関係なく、一つの共通の特性を
有する。それは転流回路の全く相異なる解決法の
場合において実際的に同一の特性を有する転流プ
ロセスの特徴的方法である。そこで、説明のため
に「転流の度合い」（デイグリーオブコンミユテ
ーシヨン）の語を導入する必要がある。「転流の
度合い」は完全な転流の実行のために要求される
変換器の分岐路間（主および補助分岐路間）の転
移の数である。整流器および逆変換器における完
全な転流は、一つの主分岐路から次の主分岐路へ
と電流の完全な転移が包含され、実際には、この
ことは交流側の一つの相から次位の相への電流の
転移を意味する。

電流が一つの主分岐路から次の主分岐路へと直
接転移する直接転流、たとえば普通の外部転流は
この観点からすれば単一段階転流である。

電流が一つの主分岐路から次の主分岐路へ切替
わるとき最初に変換器の補助分岐路に転流する間
接転流は、少なくとも、２段階転流である。内部
転流作用をともなう電圧逆変換器および他の形式
の変換器、たとえばパルス変換器の場合、内部転
流は多くの場合下記の２段階で進行し、したがつ
て２段階転流である。

２段階転流の第１段階においては、主分岐路か
ら補助分岐路への転流が行われる。これは一般に
は転流キヤパシタ、リアクトル、および補助サイ
リスタを含む。２段階転流の第２段階は、補助分
岐路から次の分岐路（主分岐路）への転流が行わ
れる。たとえば、電圧逆変換器における復帰ダイ
オードへ、および、パルス変換器へ、または電流
逆変換器における次の相の主サイリスタへの転流
である。

内部転流作用をもつ電流逆変換器は現在非同期
電動機の回転の制御に広く用いられている。今日
知られ応用されているサイリスタを備えた電力回
路においては、転流プロセスは、２段階で進行さ
せられる。

第１段階においては主サイリスタから転流キヤ
パシタの補助回路への転流が行われる。（この場
合には、それによつてその相の負荷電流は変化し
ない）。第２段階においては転流キヤパシタの補
助回路から次の相への転流が行われる。相間の負
荷電流転移は第２段階においてのみ進行する。

第１図は、次々と転移する３相負荷のＲ相およ
びＳ相の電流、i_Rおよびi_Sの動作タイミングおよ
び転流キヤパシタにかかる電圧（U_CK）の動作タ
イミングを示す。Idは逆変換器の直流入力電流ま
たは整流器の直流出力電流、ΔUは転流キヤパシ
タ（C_K）にかかる電圧増加、γは転流角度、C_K
は転流キヤパシタ、L_Kは転流インダクタンスで
ある。第１図には、さらに２段階転流における逆
変換器の動作タイミングが示される。

２段階転流は第１図に示すように次のような特
徴的な間隔（characteristic interval）を有す
る。すなわち、 時間間隔t₀からt₁においては、主サイリスタか
ら対応する相の転流キヤパシタC_Kおよび対応す
るサイリスタへの転流が行われる。その分岐路の
固有なインダクタンスとdi／dtに関する可能な制
限インダクタンスのため、この間隔はマイクロ秒
のオーダー以内継続する。これが第１転流段階で
ある。

時間間隔t₁からt₂においては、負荷電流を０に
することによりキヤパシタの過励振が行われる。
この時間は、それぞれの図においてサイリスタの
保護時間t_v（サイリスタに負電圧が印加される）
として表される。

時間間隔t₂からt₃においては、キヤパシタC_Kの
電圧が転流相の瞬間合成電圧に等しくなる時点ま
で、負荷電流によりキヤパシタの正電圧値への過
励振が行われる。

時間間隔t₃からt₄においては、転流キヤパシタ
C_Kおよび補助サイリスタから成る補助回路の次
位の主サイリスタへの転流が行われる。これは交
流側の相間の電流転流と同一である。非同期電動
機に対しては、この時間はキヤパシタC_Kおよび
電動機の位相を転流する二つの分散インダクタン
スの振動周期の1/4倍の時間によつて大略決定さ
れる。キヤパシタの電圧は、電流により間隔t₃か
らt₄の間に電圧増加（ΔU）するが、該電圧増加
は転流が行われている相からキヤパシタC_Kへの
電力の移転に対応する。間隔t₃からt₄は第２転流
段階を形成する。２段階転流は非同期電動機と組
合わされた電流逆変換器に対して次の(a)〜(e)のよ
うな特徴を有する。この比較は他の形式の逆変換
器と関係づけることができないということに注意
せねばならない。それは単に３段階転流の逆変換
器における、このあとの比較の基礎として役立つ
のみである。

(a) 補助回路はむしろ簡単であり、補助サイリス
タなしでも使用することができる。

(b) 転流回路はサイリスタの遮断と負荷インダク
タンスからの電力の蓄積に役立つ。これが２段
階転流の基本的な特徴の一つである。両機能の
結合は転流回路を簡単にするが、転流キヤパシ
タに二つの異なつた機能を遂行させるという要
求が生ずる。

(c) 上記のｂ項から、転流キヤパシタは、主およ
び転流回路が電圧（C_Kの小なる値について、
時間間隔t₃〜t₄における第１図のＵの高い電圧
値）について、どのように設計されているかに
よつて決定される或る大きさの容量値を有する
ことになる。しかし、C_Kのより高い値に対し
ては変換器の入力における直流電流の調節の点
で総合した転流時間は増加し、逆変換器の周波
数範囲を制限することができる。

(d) ２段階転流においては、補助回路の電流は高
い容量値のために増加し、このことは素子の寸
法の点で好ましからざる結果を招く。

(e) 転流キヤパシタは負荷（電動機）の定数と直
接関係づけられ、転流プロセスは、他の電動機
が用いられると違つたものとなる。（機能の失
敗を生ずることさえあり得る）。これらの逆変
換器にとつては、転流回路は用いられる電動機
の容量に対応して決められるのが普通である。
この形式の逆変換器は、たとえば、より多くの
電動機を駆動するのには適していない。

２段階転流について第４図および第５図を用い
てさらに説明する。電流はＶ１を介して負荷のＲ
相へと流れ、負荷のＴ相およびＶ２を通つて流れ
る。サイリスタＶ１が消弧される時点t₀におい
て、補助消弧サイリスタＶ１１は次の主サイリス
タＶ３と相互に接続される。キヤパシタＣ１は第
４図に示された極性へ充電される。サイリスタＶ
１１が切替えられた後、電流はまずその通路をＶ
１経由からＶ１１およびＣ１経由に変えられる。
その過程はt₀期間内に終了し、その結果、時点t₂
迄、Ｃ１は負荷電流によつて過充電され、一方
で、t₁からt₂の間に切断された電圧はサイリスタ
Ｖ１に保持される。負荷の端子ＲおよびＳの間の
電圧の値U_SRへキヤパシタが丁度充電される時点
t₃において、該サイリスタは導通性となり、Ｒ相
の通路Ｖ１１，Ｃ１と負荷Ｓ相の通路Ｖ３の間の
転流が起こる。このようにして、t₃からt₄迄の時
間内に負荷における電流の転流が行われる。該キ
ヤパシタは充電され、この時間内では次の値にま
で過充電される。

もし、L_R＝L_S＝Ｌであれば、 である。このようにして、キヤパシタの端子間の
最終的な電圧は、U_C＝U_SR＋ΔUであり、従つて
関連する電圧の瞬間値に依存する。

第１図における時点t₀とt₁の間の交差過程は補
助サイリスタへと消弧された主サイリスタ（例え
ば第４図のＶ１）と転流キパシタＶ１１，Ｃ１と
の間の転流を示している。従つて、これはその長
さがＶ１，Ｖ１１，Ｃ１の回路の寄生インダクタ
ンスによつて与えられる時間間隔である。実際の
スイツチオフ期間は時点t₁から計数される。

第１図における上段の時間経過は負荷のＲ相の
電流からＳ相の電流への転流を構成する。従つ
て、電流はまずＲ相を通つて負荷に引込まれ、そ
こで転流の間、Ｒ相とＳ相に分けられ、最終的
に、転流終了後、Ｓ相を通つて流れる。一方、Ｔ
相を通る流れは止まつており、転流するものは単
にサイリスタの上側グループのみ、すなわち奇数
番号のサイリスタである。

転流が行われる時点では、負荷端子の関連電圧
は第４図に示されるような極性を有する。キヤパ
シタがこの値U_SRへ充電される時迄、全部の電流
はＶ１１およびＣ１を通つてＲ相へ流れる。この
時点t₃（第５図）からＲ相とＳ相の間の転流が始
まる。

上記の諸特性は、そのうちの或るものはむしろ
好ましくないものであると考えられるが、２段階
転流のそれぞれの品質の制限内で、更に付加され
た回路の適用によつて、改善され得る。たとえ
ば、第１図における間隔t₁からt₂およびt₂からt₃
は、インダクタンスおよびさらに補助のサイリス
タによる補助過励振によつて減ずることができ
る。このことは、キヤパシタの値には影響を及ぼ
さず、変換器の周波数範囲は転流時間の減少によ
つて増大され得る。同様な装置はたとえば、米国
特許明細書第3980941号に記されている。

本発明の目的の一つは、これらの欠点を、主分
岐路における制御半導体素子の補助断路用分岐路
の動作のため断路の後に、交流側の電流はこの補
助断路用分岐路から補助蓄電分岐路へと転流さ
れ、その後、この補助蓄電分岐路の動作のため電
流は交流側のそれまでの位相から次位の位相へと
転移するという解決法によつて、高度に排除する
ことにある。

多くの見地から２段階転流より異なつた特性を
有している３段階転流の主たる特徴を説明できる
ように、２段階転流の周囲状況と特性を記した。
３段階転流の役割は、逆変換器の補助回路におい
て、転流回路の今までに共通の両機能、すなわ
ち、サイリスタの遮断を確実化する機能と負荷の
インダクタンスによつて電力を補助キヤパシタに
蓄積することを確実化する機能とが分離されると
いう転流プロセスを提供することにある。この両
機能を分離することによつて次の利点が得られ
る。

すなわち、サイリスタの遮断を確保する補助回
路は、サイリスタにおける電流の遮断のための条
件（定められた急勾配で０へ向つての電流の減少
および遮断特性の更新）を電力の蓄積および負荷
のインダクタンスに関係なく、満たすことができ
るように提案されている。負荷インダクタンスか
らの電力の蓄積を確保する補助回路は負荷からの
危険な過負荷電力なしで要求された方式によつ
て、蓄積できるように提案される。上記の両補助
回路の機能的分離については提案される回路を完
全に分離する必要はない。将来において、サイリ
スタの代りに、遮断可能なサイリスタまたは電力
トランジスタの応用が予想されるということは重
要なことである。３段階転流の場合に、単にサイ
リスタの遮断プロセスの完成のために、これらの
回路が役立つとき、サイリスタの遮断を確保する
補助回路は全く廃止することができる。素子の動
特性の改善、特に遮断時間の減少の改善にともな
い、該素子の寸法と構造は変るであろう。

両機能の分離によつて、電動機または逆変換器
を直接接続することに懸念することはもはや必要
でないことは明白であるが、その理由はサイリス
タの遮断を確保する転流回路は負荷の最大電流
（その変換器の公称負荷）およびサイリスタのパ
ラメータに対して提案されているからである。し
かし補助の蓄電回路は電動機の対応するパラメー
タに適合させねばならない。実際問題としてこの
ことは特に制御ループの調整に帰着する。それ故
３段階転流の逆変換器はまたより多くの電動機を
駆動するのに、適している。

２段階転流から３段階転流への変化は逆変換器
の補助転流分岐路の回路解決法に対していくつか
共通の結果を有する。それらは次のように述べる
ことができる。すなわち、２段階転流で動作して
いる逆変換器において、転流キヤパシタC_Kは第
１図において、t₁からt₂の間隔がサイリスタの非
接続時間に相当するように減少する。このように
してコンデンサは実際に10％迄減少される。更に
配置を考慮することなしでは、このことはキヤパ
シタを、したがつてサイリスタを高い過電圧に導
き、その結果、電圧損傷が起り得る。その容量の
減少により逆変換器の補助回路の第１の機能、す
なわちサイリスタの遮断を最適にすることを可能
にしている。補助回路の第２の機能である蓄積回
路の実用化は他の一つの補助変換器により達成可
能である。実際には整流器、最も頻繁には逆変換
器に適合して接続されているブリツジ接続のダイ
オード整流器に帰着する。２段階転流の原理は逆
変換器の異なつた形式のものに対して実質的に共
通であるから、３段階転流は、基本的特性におい
て、補助回路の相異なる具体的解決法と共通であ
る。

３段階転流の原理は、RSTの３相負荷に対し
て、添付の第２図および第３図に示されている。
第２図は３段階転流の説明用回路図を示す。第３
図は３相負荷RSTのＲ，Ｓ相における電流i_R，i_S
の動作タイミング図である。第２図および第３図
における素子は第１図におけると同じ参照符号を
有する。

３段階転流は次の段階で進行する。すなわち、
第１段階、間隔t₀からt₁においては、主サイリス
タT₁から補助サイリスタ、インダクタンスおよ
び転流キヤパシタC_Kへの転流が行われる。第２
図のインダクタンスL_Vは分岐路の固有のインダ
クタンスおよび速い電流変動に対し制限するイン
ダクタンスを表す。

第２段階、間隔t₂からt₃においては、キヤパシ
タC_K（転流キヤパシタ）の分岐路から、蓄電キヤ
パシタCdの補助分岐路への転流が行われる。キ
ヤパシタCdは整流器のあとに位置する直流用キ
ヤパシタである。

第３段階、間隔t₃からt₄においては、補助キヤ
パシタCdの補助分岐路からサイリスタT₂の主分
岐路へ、実質的には一つの交流位相から次位の位
相へ、の転流が行われる。

次のことに注意すべきである。すなわち３段階
転流の逆変換器のある形式のものは間隔t₂からt₃
とt₃からt₄が重なり、その結果相から相への転流
はt₂の時に既に達成されている。実質的に異なる
第２段階および第３段階の持続時間（実際には約
20マイクロ秒および数1000マイクロ秒である）の
ために、このプロセスは転流にとつて実質的なも
のではない。

２段階転流と比べることによつて位相間の電流
の転移、すなわち補助キヤパシタにおける負荷エ
ネルギーの蓄積は補助遮断回路が断路とされる第
３段階で達成されることは明らかである。このこ
とは既に先に述べた負荷エネルギーの蓄積から遮
断回路が独立していることを示す。補助蓄電回路
は主としてブリツジ接続に調整された、直流側に
て大容量の直流蓄電キヤパシタCdに接続されて
いる、整流器によつて表される。補助遮断回路の
特定の相互接続に対しては蓄電整流器の数多くの
異なつた接続が可能である。たとえば遮断回路と
蓄電回路は部分的に統一することができ、蓄電整
流器は同様に遮断機能を果すことができる。

蓄積回路の主な特徴は電流が減少していく相
（第２図および第３図ではＲ相）に対して、蓄電
キヤパシタCdが第３転流段階において整流器の
直流側に直列に接続されていることである。それ
の電圧は相における電流に反して動作し、新らし
い相に対して内部転流をひき起す（第２図第３転
流段階）。蓄電キヤパシタCdが無限小の値に近づ
いた極限では、それの相互接続は転流位相へとと
り入れられる対抗電圧に等しい。この対抗電圧
は、その相における電流の転流の実現のために、
負荷が外部転流を可能とするか否かにかかわらず
用いることのできる、付加転流電圧と呼ぶことが
できる。それ故に、３段階転流における蓄積の可
能性は直流蓄電キヤパシタCdの蓄積の可能性に
かかつているが、２段階転流では転流の進行にお
いて転流キヤパシタの過励振が典型的である。故
に、このことは常に交番的キヤパシタに関してい
る。それぞれの転流において、電力の或る量がキ
ヤパシタCdに蓄積され、該電力は電流の大きさ
および転流の継続時間に比例する。

電力のつり合いを得るためには蓄電キヤパシタ
−Cdから同じ電力を移動することが必要である。
たとえばより小さい出力のときキヤパシタから抵
抗への放電、または制御変換器を通つて供給回路
網へと電力の移動の可能性がある。この移動の方
法は、３段階転流の原理にとつては本質的なもの
ではなく、もちろん、実際には、このことは電力
の移動のために要求される電力および電子回路に
対する一層の要求をともなつて逆変換器の全体の
複雑化を招く。

主変換器の出力に関連して、蓄電キヤパシタか
ら移動した電力の大きさは、３段階転流におい
て、それぞれ逆変換器または電流整流器の一つの
重要なパラメータである。移動した電力の大きさ
に影響を与える主な外部条件は、負荷インダクタ
ンスの中に蓄積された電力の大きさである。

これが、非同期電動機および同期電動機、更に
は回路網で表される負荷にとつて、第２図におけ
る等価回路において内部で誘起される電圧と直列
に接続されている、負荷の漂遊インダクタンスに
おける蓄積された電力であるということは理論か
らみちびかれる。３段階転流の逆変換器の回路網
への接続は、小さな漂遊インダクタンスのために
非常に小さな転流角度と蓄積電力の原因となり、
たとえば２〜６電気度である。転流角の大きさは
蓄電キヤパシタCdの電圧の大きさに制御され得
る。このようにして転流プロセスに影響を与え
る。

非同期電動機においては、比較的大きい漂遊イ
ンダクタンスのために、転流角度は５〜20電気度
である。このことは、より大なる蓄積電力に対応
し、電動機の性質に応じ、電動機のみかけの出力
に関し約４〜15％に達する。

３段階転流はある負荷の形式にのみ適用される
という限定はない、しかも電流逆変換器または整
流器によつて起り得る、異なつた形式の負荷に用
いることができる。３段階転流の主な特徴は補助
回路の機能的分離であり、その結果サイリスタの
断路プロセスと相間の内部転流が両方共最適化さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は２段階転流の逆変換器の動作タイミン
グを示す図、第２図は本発明による３段階転流を
説明するための回路図、第３図は本発明による３
段階転流における３相負荷の二つの相の動作タイ
ミングを示す図、第４図は従来形の２段階転流を
行う回路の回路図、および第５図は第４図の回路
の動作タイミングを示す図である。 Cd……蓄電キヤパシタ、C_K……転流キヤパシ
タ、Id……逆変換器の直流入力電流または整流器
の直流出力電流、i_R……Ｒ相の電流、i_S……Ｓ相
の電流、γ……転流角度、L_K……転流インダク
タンス、L_V……分岐路の固有なインダクタンス、
T₁……Ｒ相主サイリスタ、T₂……Ｓ相主サイリ
スタ、t_V……サイリスタの保護時間、ΔU……転
流キヤパシタにかかる電圧増加、U_CK……転流キ
ヤパシタの電圧。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の位相から第２の位相へ電流を転流する
   整流器および電流逆変換器の３段階転流の方法で
   あつて、 該第１の位相の電流を閉塞し、同時に該電流を
   補助断路用分岐路へ移動する段階、 該電流を該補助断路用分岐路から補助蓄電分岐
   路へ移動し、転流エネルギーを該補助蓄電分岐路
   へ蓄積する段階、および 該電流を該補助蓄電分岐路から該第２の位相へ
   転流する段階、 を具備する整流器および電流逆変換器の３段階転
   流の方法。