JPS6013387B2 - 電力制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は直流電源で作動する電力制御装置の改良に関
し、特にブリッジ接続された固体スイッチを有するスイ
ッチング回路を改良したものである。

先づ、固体スイッチがサイリスタの場合について従来の
問題を述べる。

直列電源で作動する強制転流ィンバータや双方向通電性
ＤＣチョツパ制御装置（パィラテラルチョツパ）などに
おいて、サィリス外こ対する責務（再印柵電圧安、事故
電流など州側こ沙戦れる。

しヵ）して、再糊ｏ順電圧器欄・ことや、転流失敗時短
絡電流が小さい点で優れた先行発明として第１図ａのも
のが知られている。しかるに、この従来のものは、転流
コンデンサ６の電圧がサィクリックに転流を繰り返えす
毎に上昇し、ひいてはサィリスタに印加される電圧も過
大になる欠点があった。更に転流リアクトル４のィンダ
クタンスＬと負荷電流１との間の箸穣ェネルキＬ１体究
極的‘淀職鰍料欄失‘こなる欠点があった。

この従来の問題を更に下記に詳述する。第１図ａにおい
て、第ｎ回目の転流に先立ち、コンデンサ６の充電電圧
が図示極性にｖ６（ｎ）であったものと仮定する。

そして直流電源端子Ｐ‐第１リアクトル巻線４ａ−第１
サィリスタ２ａ−出力端子ＯＧを介して交流負荷７又は
直流負荷７′に負荷電流１を給電していたものと仮定す
る。さて、第１図ｂの動作波形において、時点ｔ，にお
いて消孤用サィリスタ３ａを点弧すると第１サィリスタ
２ａは逆バイアスされて消弧する。

負荷電流１はＰ−４ａ−３ａ−６−○，を通って流れる
。更にこの間、４ａ−３ａ−６一第１整流素子５ａ−４
ａからなる閉ループが形成され、コンデンサ電圧Ｖ６が
第１リアクトル巻線４ａにも印加され、コンデンサ電流
ｉ６及び第１リアクトル電流ｉ４ａは共に一迫増大して
後、初期電流値１に戻る。初期電流値１に戻った時点は
コンデンサ電圧ｖ６の絶対値がその初期充電電圧値ｖ６
（ｎ）と等しく且つ極性が図示極性と逆極性である時点
ｔ２と一致する。今、初期充電電圧値ｖ６（ｎ）が直流
電源端子間電圧Ｅに等しいか又は大きい値であったと仮
定する。

もし、ｖ６（ｎ）ＺＥであるものとすると、時点りこお
いて整流素子５ｂが導適する。しかるに第１リアクトル
巻線４ａには、まだ負荷電流１に相当する電流（ひいて
は著穣ェネルギ）が残存しているからコンデンサ６の電
圧ｖ６は引き続き図示逆極性に充電される。そして第１
リアクトル巻線４ｄ及びコンデンサ６の電流が零になっ
た時点ｔ３においてコンデンサ電圧ｖ６は最終値ｖ６（
ｎ＋１）＝ｖ６（ｎ）十△ｖ６に達する。この過充電分
△ｖ６はコンデンサ６の静電容易をＣとすると△ｖ６＝
１ ノＬＣ ……｛１１であ
る。

そして過充電期間（ら−ｔ２）は仏ｔ２）：？前
．・・．・脚 である。

そしてこの過充電期間中に整流素子５ｂの電流ｉ５ｂは
０から１へ追従増加する。ィンバータ（交流負荷７）で
あれば次に、第２サィリスタ２ｂを点孤し、負荷電流極
性が反転する。ＤＣチョッパ（直流負荷７′）であれば
第２サィリスタ２ｂを点弧しても負荷電流極性は通常変
化しない。次に消弧サィリスタ３ｂを点弧し、第２サイ
リスタ２ｂを消弧する。

この策（ｎ＋１）回目の転流時間において、前回過充電
分△ｖ６を上積みした充電電圧｛ｖ６（ｎ）＋△ｖ６｝
が、初期充電電圧になるので、転流を繰り返えす毎にコ
ンデンサ電圧はサィクリックに上昇して行く。上記の如
くして、コンデンサ電圧は極端に上昇し、つまるところ
にリフクトル蓄積ヱネルギ一芸Ｌ１２分が整流素子、リ
アクトル，コンデンサ，サイリスタ，その他の配線で損
失になり、これら諸損失とバランスするまで上昇する。

従って上記従来装置にあってはコンデンサ電圧上昇を抑
制するには、リアクトル，消弧サィリスタ，コンデンサ
，整流素子などに故意に損失発生要素を設ける必要があ
る。

なお、又、上記コンデンサ電圧上昇を防止する方法とし
て、第１図ｂの時点ら前後、即ち第１リアクトル巻線４
ａの電流が初期電流１内外で残存している期間中に第２
サィリスタ２ｂを点弧すると共に第１リアクトル巻線４
ａと第２リアクトル巻線４ｂとを結合して置き、上記２
ｂの点弧により第３リアクトル４ｂ側へ転流せしめ、上
記残存蓄積エネルギーを整流素子５ロー第２サィリスタ
ー２ｂ−第２リアクトル巻線４ｂとを通る閉ループで短
絡する方法がある。

しかし、このような方法を用いた場合、上記短総電流が
サィリスタ２と整流素子５に流れ、この余分な電流によ
り上記素子の電流負担が増大する。しかも、この箸積ェ
ネルギ短絡電流を減少させるには、やはり回路損失とし
て消費させねばならない。更に又、上託りアクトル巻線
４ａ，４ｂを結合させると、この従釆実施例では後述の
ように、サィリスタ２ａ，２ｂに印加される電圧が倍加
されるという欠点を生じる。このように従来装置はｌａ
コンデンサ電圧上昇と２ａ著触れギチ１２分蝋燭生と３
ａサイリスタ印加電圧上昇との問題がある。

あるいはｌｂ蓄積ネルギム１２分の損殺生と２ｂサイリ
スタ印加電圧の倍加との問題を生じる。さて、上記従来
例は、固体スイッチがサィリスタである場合であった。

第１図ａにおいて、固体スイッチ２ａ，２ｂがトランジ
スタやゲート夕−ンオフサイリスタなど、自己ＯＦＦ形
スイッチ素子の場合転流コンデンサ６や消弧サィリスタ
３ａ，３ｂは不要である。この場合、転流コンデンサの
電圧上昇に代って、固体スイッチ２ａの自己ＣＦＦ時の
サ−ジ電圧として問題が表われる。他方、リアクル４ａ
，４ｂ撒くと、靴り群や弟などスイッチング責務が厳し
くなる。

又、少しの直列固体スイッチ同時導通現象（ターンオフ
遅れによるＯＮ状態重りや故障時）時に短絡電流抑制作
用がなくなる。このため、直列リアクトルはスイッチン
グ回路の信頼性向上やスイッチング責務軽減の観点から
設けることが望まれる。この発明は、リアクトルを直列
に設ける固体スイッチによる電力制御装置の改良を目的
とし、そのスイッチング責務の軽減を目的とする。以下
先づ固体スイッチとしてサイリスタを用いた場合につい
て第２図乃至第４図の実施例に従がし・回路動作を詳述
する。

第２図ａはこの発明の一実施例を示す接続図で、同図に
おいてｌａ・ｌｂは直流電源でＰは直流電源第１電位端
子（正極側端子）、Ｎは直流電源第２電位端子（負極側
端子）である。２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂは一対の双方向
通電端子Ａ，，Ａ２と一対の単方向通電端子Ｄ，，Ｄ２
とを有し、これら端子間にフリツジ接続されて４アーム
のサイリスタブリツジを構成するサィリスタ、４ａは上
記サイリスタプリツジの一方の単方向通電端子Ｄ．と上
記直流電源第１電位端子Ｐとの間に接続された第１リア
クトル巻線、４ｂは上記サィリスタブリッジの他方の単
方向通電端子Ｄ２と上記直流電源第２電位端子Ｎとの間
に接続された第２リアクトル巻線、５ａは上記サィリス
タブリッジの一方の双方向通電端子（変動電位出力端子
）Ａ，と上記第１電位端子Ｐとの間に接続された第１整
流素子、５ｂは上記双方向通電端子Ａ，と上記第２電位
端子Ｎとの間に接続された第２整流素子、６は上記一対
の双方向通電端子Ａ，，ん間に接続された転流コンデン
サ、７，７‘は負荷、８ａは上記第２整流素子５ｂに直
列接続され、上記第１リアクトル巻線４ａと磁気結合さ
れる第１結合巻線、８ｂは上記第１整流素子５ａに直列
接続され、上記第２リアクトル巻線４ｂと磁気結合され
る第２結合巻線である。

第２図ｂは上記第２図ａの動作を説明するための動作波
形図である。

次に動作を説明する。

第２図において、電源ｌａ−第１リアクトル巻線４ａ−
第１サィリスタ２ａ−負荷７を通る経路■に負荷電流１
が通電していたものとすると、これを消弧するのに先立
ち、図示極性にコンデンサ６が充電されている。

この初期充電電圧をｖ８（ｎ）とする。次に消弧サイリ
スタ３ａを時点しで点弧すると、第１サィリスタ２ａが
逆バイアスされると共に、負荷電流１は第１電位入力端
子Ｐ−第１リアクトル巻線４ａ−第１消弧サィリスタ３
ａ一転流コンデンサ６一出力端子○，の経路■へ移る。

そしてこれと共に、Ｐ一４ａ−３ａ−６−第１整流素子
５ａ一第２結合巻線８ｂ−Ｐを通る閉ループが形成され
、コンデンサ６の電圧は第１リアクトル巻線４ａと第２
結合巻線８ｂとに分圧印加され、コンデンサ６の電流ｉ
６は増加していく。コンデンサ６の電圧がゼロを通過し
て逆極性になった時、コンデンサ６の電流は波高値を通
過する。引き続き、コンデンサ６は負荷電流１と巻線４
ａ，８ｂの箸積ヱネルギの放出である巻線８ｂに電流と
の和により図示と逆樋性に充電されていくと共に、第１
サィリスタ２ａの電圧もｈ煩方向に増大して行く。回路
損失を無視すれば、コンデンサ電圧の絶対値が初期値ｖ
６（ｎ）に等しく且つ極性が逆極性になった時点ｔ２で
コンデンサ電流ｉ６及び第１リアクトル巻線電流ｉ４ａ
が初期値１に戻り、第１整流素子５ａが非導通になる。
勿論この時、結合巻線８ｂの電流も、そのェネルギの放
出に伴って零に戻る。今もし、ｖ６（ｎ）≧Ｅ（但しＥ
は直流電源入力端子Ｐ−Ｎ間電圧）であれば上記時点ｔ
２で第１整流素子５ａがＯＦＦになると共に第２整流素
子５ｂ及び第１結合巻線８ａが通電し、負荷電流は経略
■へ移る。

そしてこの時のコンデンサ電圧ｖ６（ｎ＋１）＝い（ｎ
）である（損失無視）。他方、もしｖ６（ｎ）くＥであ
るか、又は損失のためにｉ４ａ＝ｉ６が１に戻った時点
りこおけるコンデンサ電圧ｖ６（ｔ２）がね（ら）＜Ｅ
ならば引き続きコンデンサ６が負荷電流１で充電されｖ
６＝Ｅに達した時点ｒ２【実際上ｖ６（ｎ）±Ｅになる
ので、Ｌとｒ２との大差はない。従って第２図では特に
区別していない１において第２整流素子５ｂと第１結合
巻線８ａとが通電して、負荷電流１が経路■へ移る。こ
こで、この発明では第１リアクトル巻線４ａと第１結合
巻線８ａとを結合してあるので、リーケージインダクタ
ンスを無視すると、リアクトル巻線４ａの電流ｉ４ａは
即座に結合巻線８ａへ鞍流することができる。

その後、結合巻線８ａに継承されたりアクトル著積ェネ
ルギ換言すればリアクトルの電流は負荷へ放出され有効
利用される。従って前記従来の実施例のように続充電期
間（ｔ′２−ｔ３）を生じない。そして、追加充電△ｖ
６も生じない。従って上記時点らやｔ２′で転流現象を
完了する。そして、このコンデンサ電圧最終値は起動初
期値ｖ６（０）＝Ｅからスタートさせると、やはりｖ６
（ｎ）＝ｖ６（ｎ＋１）＝Ｅになる。第２図ｂはこのリ
ーケージを無視した原理動作波形を示す。もし第１リア
クトル巻線４ａと結合巻線とのり‐ケ‐ジィンダクタン
スカミそであれぱ芸々でだけの続充電期間（ら−ｔ３）
を生じ、△ｖ６＝１ノ亥ただけ追加過充電される。この
発明では、実際上々＜＜ｕこできるから追加過充電電圧
△ｖ６が４・さし、。

そして、わずかの損失（事そＦ相当）で、この過充電の
集積（サイクリック上昇）を防止できる。即ち、故意に
過充電を防止するための抵抗などを必要としない。そし
て損失自体がわずかになる。又、この発明においては、
第２図ａに点線矢印で示すようにリアクトル巻線４ａと
４ｂとを結合し、同一磁心に巻き回することができ、リ
アクトル類を一体化できる。この場合、Ｐ−４ａ−３ａ
−６−５ａ−８ｂ−Ｐなる転流コンデンサバィパス反転
ル−プのィンダクタンスＬとして第１リアクトル巻線４
ａの巻線ィンダクタンスＬ４ａ、第１結合巻線６ｂの巻
線インダクタンスＬ３ｂ、相互インダクタンスＭ４ａ−
８ａの合成値Ｌ＝Ｌａ＋２Ｍ４ａ−え十Ｌａが作用する
ので同一転流ィンダクタンス所要値Ｌに対して、各巻線
の巻数が軽減される。従って結合巻線を設けても、上記
一体化と相まってかえって小型化できる。本案では、転
流期間（ち一ｔ２）中、ｌｂ−ｌａ一４ａ‐３ａ‐６−
電圧阻止中サイリスタ２ｂ−４ｂ−ｌｂのループに関し
、コンデンサ電圧ｖ６とりアクトル巻線電圧ｖ４ａとｖ
４ｂ≠ｖ８ｂとが互いに相殺する。

即ち（ｖ４ａ＋ｖ４ｂ）＝ｖ６であるから電圧阻止中サ
ィリスタ２ｂの印加電圧はｖ２ｂ＝Ｅ−（ｖ４ａ十ｖ４
ｂ）＋ｖ６＝Ｅとなり、リアクトル４ａと４ｂとの結合
の有無に関係ない。従って前記のように４ａと４ｂとを
結合し、一体につくることができる。これに対し、従釆
の実施例では、４ａと４ｂを結合すると同上ループに関
して、ｖ４ａ＝ｖ４ｂ＝−ｖ８（但しｖ６＞０）となる
。

そして、転流期間（ち−ら）の後半（ｖ６く０．ｖ４ａ
＝ｖ４ｂく０）において電圧阻止中サィリスタ２ｂの電
圧はｖ２ｂ＝Ｅ−（ｖ４ａ十ｖ４ｂ）＋ｖ６＝Ｅ−ｖ６
！Ｅ十ｌｖ６ｌとなる。そしてその波高値はＥ＋ｖ６（
ｔ２）＝Ｅ＋ｖ６（ｎ＋１）となる。元々コンデンサ電
圧ｖ６が高電圧に上昇してｖ６（ｎ十１）＞Ｅなので、
極めて高い過電圧がサイリスタ２ｂ，２ａに印加される
。４３と４ｂとを結合すると、上記問題を生じるので、
従釆の第１図ａでは４ａと４ｂとを磁気結合（同一滋心
、一体化）することができない。

第３図はこの発明の他の一実施例を示し、リアクトル巻
線４及びその結合巻線８を共通にして、三相フリツジ接
続回路を形成したものである。

図図において、Ｒ，Ｓ，Ｔは夫々三つの変動出力電位端
子である。この第３図例における各相毎の１回毎の転流
期間中の転流動作は、回路現象としては前記第２図例と
同じであるから説明は省略する。以上、この発明の回路
及び動作を先に説明した。

次にこの発明に用いるリアクトル装置について第４図の
一実施例で説明する。

この発明に用いるリアクトル装置は少なくとも一つのコ
イル｛４ａ，８ａ｝又は｛４ｂ，８ｂ｝間のり−ケージ
インダクタンスを小さくするか又妙なくとも主サイリス
タ２の夕‐オン瓢制のための所定リーケージィンダクタ
ンスにまで軽減することが要求される。

鉄心やフェライトなどの磁心、あるいはオーブン磁路の
コアを用いる場合は、上託り‐ケージインダクタンス比
率を小さくでき、結合係数を所要値にすることが容易で
ある。しかし、大容量の装置や高周波の装置では、磁心
入りは高価になったり、騒音の原因となったり、造りに
くし、などの問題点を生じることがある。

かかる場合には、空心リアクトル装置が望ましい。勿論
、比較的小容量装置では磁心入りでもよい。しかしなが
ら結合リアクトル装置はリーケージィンダクタンスを微
小にすることが困難であった。

この発明の第４図実施例は、リーケージインダクタンス
の小さい結合ＩＪァクトル装置の巻線形態を提供するも
ので同図ａに示すようにテープ又はリボン状又は帯状の
導（銅、アルミ）帯又は薄板導（銅、アルミ）条を絶縁
膜又は総緑テ−プ（図示せず）をはさんで複導帯コイル
を形成する。

上記絶縁膜はアルミ導帯であればアルマイト処理したア
ルミ導帯表面酸化被覆を利用できる。又、銅帯であれば
銅線（丸線、平角線）と同様の絶縁膜の他、竜着塗装法
などによる絶縁膜を利用できる。又、絶縁テープにはマ
イラーテープ、マイカテープなど各種のものを利用でき
る。リード線は前者導帯端部にあらかじめＩＪ−ド導帯
板などを接合しておく。上記同図ａの如く巻かれた複導
帯コイルはドーナツ形又は筒形の形状になる。

このようにして、リーケージィンダクタンスの極めて小
さいリアクトルコィルが得られる。他方、高周数の装置
では、渦電流による損失と過熱が問題となる。

第４図ｂは筒状コイルの断面図でコイル４，８を貫通す
る磁束０ｉを発生し、この導帯貫通磁束ぐｉのために渦
電流が導帯端部（帯の両側部位）Ａ，Ｂに多く流れ、こ
の部位を過熱させる。これに対して２分割断面図第４図
ｃのようにコイル両端部（両磁極面部）に、磁界を整え
るための整磁板ｇａ，９ｂを設ける。

この整磁板の中央部に穴があってもよく、要はコイル端
部近傍に磁性体があればよい。上記磁整板９ａ，ｇｂは
磁性粉末を混入した磁性混和物、例えばェポキシ系レジ
ンやゴム材に鉄粉やフェライト粉末を混入したものなど
を用いることができる。

又、板状ないし厚みの薄いドナツ状のフェライトコアを
用いてもよい。上記同図ｃのようにすれがその断面磁束
線図は同図ｄの◇ｏのように整磁板を仲介した磁束パス
を通り導体（導帯）貫通磁束が減少する。

これにより、瓶電流ひいてはコイルの過熱を防止できる
。そして、空心、滋心を問わず第４図ａの如き導帯コィ
ィルにすればリーケージィンダクタンス軽減に効果が大
きい。そしてひいては、前述この発明の動作を行う結合
リアクトル装置として有効である。

又固体スイッチ２が自己ＯＦＦ型の場合も、自己ＯＦＦ
時のサージェネルギが軽減されると共に、固体スイッチ
２と整流素子５との間の電流の移りかわりが行われる。

尚自己ＯＦＦ形スイッチ素子２の場合は、消弧サィリス
タ３や転流コンデンサが不要なことは言うまでもない。
以上この発明によれば、帯状導体の重ね巻きをした結合
リアクトルを用いることにより、固体スイッチの責務が
軽減される効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは従来装置の一例を示す回路構成及びその
動作波形図、第２図ａ，ｂはこの発明の一実施例を示す
回路構成図及びその動作波形図、第３図はこの発明の他
の実施例を示す回路構成図、第４図はこの発明に用いる
リアクトル装置のコイル構造概念図である。 図中Ｐは電流電源第１電位端子、Ｎは直流電源第２電位
端子、２ａ乃至２ｆは固体スイッチ素子、４ａ，４ｂは
リアクトル巻線、５ａ乃至５ｆは整流素子、７は負荷、
８ａ，８ｂは結合巻線、Ａ，，Ａ２は双方向通電端子、
Ｄ，，Ｄ２は単方向通電端子で、０は変動電位出力端子
である。 なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。第４図 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 少なくとも１つの双方向通電端子と少なくとも一対
   の単方向通電端子とを有しこれら端子間に順方向直列接
   続された少なくとも２アームの固体スイツチ直列体と、
   上記単方向通電端子の一方の端子と直流電源第１電位端
   子との間に接続された第１リアクトル巻線、及び上記単
   方向通電端子の他方の端子と直流電源第２電位端子との
   間に接続された第２リアクトル巻線とを有し、更に上記
   双方向通電端子は上記固体スイツチ直列体の両固体スイ
   ツチのスイツチングにより変動電位を与える変動電位出
   力端子であって、上記出力端子と上記直流電源第１電位
   端子との間に接続された第１整流素子及び上記出力端子
   と上記直流電源第２電位端子との間に接続された第２整
   流素子とを備え、更に上記第２整流素子に直列接続され
   少なくとも上記第１リアクトル巻線に磁気結合された第
   １結合巻線と、上記第１整流素子に直列接続され少なく
   とも上記第２リアクトル巻線に磁気結合される第２結合
   巻線を設け、上記リアクトル巻線と結合巻線とは夫々帯
   状導体を重ねて巻くことを特徴とする電力制御装置。