JP2019022309A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運転中に温度を推定し、温度上昇による素子の破損を未然に防ぐことができる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、無効電力補償装置と、無効電力補償装置の動作状態を示す状態データを検出するセンサ群と、センサ群の出力に基づいて温度を計算し、計算した温度に応じて無効電力補償装置を制御する制御盤１４と、を具備する。無効電力補償装置のサイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘは、直列に接続される複数のサイリスタ２０１〜２０Ｎ、２１１〜２１Ｎを具備する。複数のサイリスタには、複数のスナバ回路２２１〜２２Ｎおよび分圧抵抗２４１〜２４Ｎと電圧検出器２６１〜２６Ｎの直列回路がそれぞれ並列に接続される。制御盤１４は、サイリスタの素子接合温度と、スナバ抵抗２８１〜２８Ｎの抵抗線温度と、分圧抵抗の抵抗線温度とを計算し、計算結果に応じてサイリスタバブルの運転を制御する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、熱による素子の破損を防ぐことができる電力変換装置に関する。

直流を交流に、交流を直流に、直流を直流に、又は交流を交流に変換する電力変換装置は、パワー半導体素子のスイッチング作用を利用する。例えば、電力変換装置は、多数のサイリスタが直列に接続されたサイリスタバルブを含む。サイリスタバルブを構成する各サイリスタには、スナバ回路が並列に設けられている。スナバ回路は、コンデンサと抵抗の直列回路からなり、サイリスタのオン・オフスイッチング時に生じるスパイク状の高電圧を抑制し、サイリスタの損傷を防ぐ。

サイリスタ等のパワー半導体素子は損失に伴い発生する熱により破損することがあるため、冷却装置が備えられている。しかし、冷却能力を超える発熱も起こり得るので、電力変換装置においては、半導体素子の温度を推定して、推定温度が閾値以上になると、装置を停止する等の処理が行われる。

特開２００５−１２４３８７号公報

従来の電力変換装置は、装置の運転中に運転状況を表すデータから素子の温度を推定してはいない。また、スナバ回路等の周辺回路の抵抗も発熱するが、従来の電力変換装置は、抵抗の温度を考慮していない。

本発明の目的は、運転中に素子の破損を引き起こす可能性のある温度上昇を検出し、素子の破損を未然に防ぐことができる電力変換装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、電力変換装置は、サイリスタ変換器と、サイリスタ変換器の動作状態を示す状態データを検出するセンサ手段と、センサ手段の出力に基づいて温度を計算し、計算した温度に応じてサイリスタ変換器を制御する制御手段とを、具備する。サイリスタ変換器のサイリスタバルブは、直列に接続される複数のサイリスタと、複数のサイリスタにそれぞれ並列に接続される複数のスナバ抵抗と、複数のサイリスタにそれぞれ並列に接続される複数の分圧抵抗と、を具備する。制御手段は、サイリスタの素子接合温度と、スナバ抵抗の抵抗線温度と、分圧抵抗の抵抗線温度とを計算する。

本発明によれば、運転中に運転状況に応じたデータに基づいて温度を推定し、推定温度に応じてサイリスタの動作を制御することにより、温度上昇による素子の破損を未然に防ぐことができる電力変換装置を提供することができる。

図１は第１実施形態に係る電力変換装置の一例を示す図である。 図２は第１実施形態に係る電力変換装置を構成する無効電力補償装置のサイリスタバルブの一例を示す図である。 図３は第１実施形態における順電圧及び逆電圧を検出する電圧検出器の一例を示す図である。 図４は第１実施形態における順電圧を検出する電圧検出器の一例を示す図である。 図５は第１実施形態におけるゲート制御装置の一例を示す図である。 図６は第１実施形態における電力変換装置に備えられた冷却配管の一例を示す図である。 図７は第２実施形態における電力変換装置に備えられた冷却配管の一例を示す図である。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１０の一例を示す図である。

電力変換装置６は、無効電力補償装置８、ゲート制御装置１０、センサ群１２、制御盤１４を備える。無効電力補償装置８は、図示しない光ファイバーケーブルなどによりゲート制御装置１０と接続される。 無効電力補償装置８は、三相交流電源２から供給される三相交流電力を直流電力に変換（整流とも称する）する機能と、三相交流電源２から供給される三相交流電力の無効電力を補償する機能を有する。ここでは、三相交流電力は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相で構成されているものとする。無効電力補償装置８は、サイリスタ制御リアクトル（ＴＣＲ：thyristor controlled reactor）方式を採用した静止型無効電力補償装置（ＳＶＣ：static var compensator)である。無効電力補償装置８は、サイリスタバルブ８Ｕ、８Ｖ、８Ｗ、８Ｘ、８Ｙ、８Ｚを交流スイッチとして開閉し、リアクトルＲ１〜Ｒ６に流れる電流を調整して、無効電力を補償する。

無効電力補償装置８は、ＵＸ相回路、ＶＹ相回路、及び、ＷＺ相回路をデルタ結線して構成される。ＵＸ相回路は、電力系統のＵＶ相間の無効電力を補償する。ＶＹ相回路は、電力系統のＶＷ相間の無効電力を補償する。ＷＺ相回路は、電力系統のＷＵ相間の無効電力を補償する。

ＵＸ相回路は、２つのサイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘ及び２つのリアクトルＲ１、Ｒ２で構成される。サイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘは電流が流れる方向が逆方向となる向きで並列に接続される。リアクトルＲ１、Ｒ２はサイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘに直列に接続される。

ＶＹ相回路は、２つのサイリスタバルブ８Ｖ、８Ｙ及び２つのリアクトルＲ３、Ｒ４で構成される。サイリスタバルブ８Ｖ、８Ｙは電流が流れる方向が逆方向となる向きで並列に接続される。リアクトルＲ３、Ｒ４はサイリスタバルブ８Ｖ、８Ｙに直列に接続される。

ＷＺ相回路は、２つのサイリスタバルブ８Ｗ、８Ｚ及び２つのリアクトルＲ５、Ｒ６で構成される。サイリスタバルブ８Ｗ、８Ｚは電流が流れる方向が逆方向となる向きで並列に接続される。リアクトルＲ５、Ｒ６はサイリスタバルブ８Ｗ、８Ｚに直列に接続される。

ＵＸ相回路のリアクトルＲ１とＷＺ相回路のリアクトルＲ６が接続され、この接続点が電力系統のＵ相に接続されるＵ相端子Ｔａとなる。ＵＸ相回路のリアクトルＲ２とＶＹ相回路のリアクトルＲ３が接続され、この接続点が電力系統のＶ相に接続されるＶ相端子Ｔｂとなる。ＷＺ相回路のリアクトルＲ５とＶＹ相回路のリアクトルＲ４が接続され、この接続点が電力系統のＷ相に接続されるＷ相端子Ｔｃとなる。

図２は、本実施形態に係るＵＸ相回路のサイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘの構成の一例を示す構成図である。なお、ＶＹ相回路、ＷＺ相回路のサイリスタバルブ８Ｖ、８Ｙ；８Ｗ、８Ｚも同様に構成されているため、ここでは、代表してＵＸ相回路のサイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘについて説明する。

サイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘは、端子Ｔａから端子Ｔｂの向きに電流が流れるように直列に接続されたＮ個のサイリスタ２０_１、２０_２、…２０_Ｎ（任意のサイリスタはサイリスタ２０と称する）と、端子Ｔｂから端子Ｔａの向きに電流が流れるように直列に接続されたＮ個のサイリスタ２１_１、２１_２、…２１_Ｎ（任意のサイリスタはサイリスタ２１と称する）と、Ｎ個のスナバ回路２２_１，２２_２，２２_３，…，２２_Ｎ（任意のスナバ回路は、スナバ回路２２と称する）と、Ｎ個の分圧抵抗２４_１，２４_２，２４_３，…，２４_Ｎ（任意の分圧抵抗は、分圧抵抗２４と称する）と、Ｎ個の電圧検出器２６_１，２６_２，２６_３，…，２６_Ｎ（任意の電圧検出器は、電圧検出器２６と称する）とを備える。Ｎは２以上の整数である。
Ｎ個のサイリスタ２０_１〜２０_Ｎ、２１_１〜２１_Ｎは、全て直列に接続される。Ｎ個のサイリスタ２０とＮ個のサイリスタ２１は、個々に対応するように互いに逆並列に接続される。Ｎ個のスナバ回路２２は、Ｎ組の逆並列に接続されたサイリスタ２０，２１の各組に対応するように並列に接続される。スナバ回路２２は、コンデンサ３０と抵抗２８が直列に接続された構成である。Ｎ個の分圧抵抗２４_１〜２４_Ｎは、Ｎ個の電圧検出器２６_１〜２６_Ｎとそれぞれ直列に接続される。分圧抵抗２４_１〜２４_Ｎと電圧検出器２６_１〜２６_Ｎとがそれぞれ直列に接続されたＮ個の回路は、Ｎ個のサイリスタ２０_１〜２０_Ｎ、２１_１〜２１_Ｎとそれぞれ並列に接続される。

サイリスタ２０、２１は整流作用を有するスイッチング素子である。サイリスタ２０、２１は、ゲート制御装置１０から光ファイバーケーブルを介して供給されるゲートパルスＧＰに応じて駆動（点弧）する。サイリスタ２０、２１が駆動することにより、交流電力が直流電力に変換される。

分圧抵抗２４_１〜２４_Ｎは、サイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘの極間に加わる直流電圧成分を均一分圧するとともに、電圧検出器２６_１〜２６_Ｎに流れる電流の抑制の役割も兼ねている。

スナバ回路２２_１〜２２_Ｎは、サイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘの極間に加わる交流電圧成分を均一分圧すると共に、それぞれサイリスタ２０_１〜２０_Ｎ、２１_１〜２１_Ｎのターンオン及びターンオフ時にサイリスタ２０_１〜２０_Ｎ、２１_１〜２１_Ｎに加わる過渡的な電圧分担の不均一及び過電圧からサイリスタ２０_１〜２０_Ｎ、２１_１〜２１_Ｎを保護する。スナバ回路２２_１〜２２_Ｎは、それぞれサイリスタ２０_１〜２０_Ｎ、２１_１〜２１_Ｎに対して電力損失を低減させ、安定したスイッチングをさせるために設けられている。各スナバ回路２２_１〜２２_Ｎは、スナバ抵抗２８_１〜２８_Ｎ（任意のスナバ抵抗は、スナバ抵抗２８と称する）とコンデンサ３０_１〜３０_Ｎ（任意のコンデンサは、コンデンサ３０と称する）との直列接続回路からなる。

電圧検出器２６_１〜２６_Ｎは、それぞれサイリスタ２０_１〜２０_Ｎ、２１_１〜２１_Ｎに順電圧（サイリスタ２０_１〜２０_Ｎ、２１_１〜２１_Ｎに電流が流れる方向の電圧）が印加されると、ゲート制御装置１０にそれぞれ順電圧信号ＦＶ_１〜ＦＶ_Ｎを出力する。このようにして、電圧検出器２６_１〜２６_Ｎは、順電圧を検出する。

一部の電圧検出器、例えば３個の電圧検出器２６_１〜２６_３は、それぞれサイリスタ２０_１〜２０_３、２１_１〜２１_３に逆電圧（順電圧の極性と逆の電圧）が印加されると、ゲート制御装置１０に逆電圧信号ＲＶ_１〜ＲＶ_３をそれぞれ出力する。このようにして、電圧検出器２６_１〜２６_３は、逆電圧を検出する。即ち、３個の電圧検出器２６_１〜２６_３は、順電圧及び逆電圧の両方を検出する。

サイリスタバルブに含まれるサイリスタの数が多い場合は、複数のサイリスタモジュールを直列に接続してサイリスタバルブを構成してもよい。この場合、各サイリスタモジュールは、図２に示すように、直列接続の複数のサイリスタからなる。

ゲート制御装置１０は、制御盤１４から受信する各種信号及びサイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘから受信した順電圧信号ＦＶ_１〜ＦＶ_Ｎ若しくは逆電圧信号ＲＶ_１〜ＲＶ_３に基づいて、ゲートパルスＧＰを生成する。ゲート制御装置１０は、ゲートパルスＧＰを、光ファイバーケーブルを介して各サイリスタ２０_１〜２０_Ｎ、２１_１〜２１_Ｎに出力して、各サイリスタ２０_１〜２０_Ｎ、２１_１〜２１_Ｎを駆動させる。これにより、サイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘは、電力変換動作を行う。

センサ群１２は、サイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘの運転状況を検出するように種々の箇所に設置された種々のセンサからなる。センサ群１２の出力は、制御盤１４に入力される。制御盤１４は、サイリスタ２０、２１の素子接合温度と、スナバ抵抗２８の抵抗線温度と、分圧抵抗２４の抵抗線温度を計算する。一例として、センサ群１２は、運転状況として、後述する冷却水の入水温度、バルブ電圧、サイリスタに流れる電流（素子電流）等を検出する。

制御盤１４は、例えば計算部１４ａ、制御部１４ｂから構成されるが、計算部１４ａと制御部１４ｂが一体として構成されてよい。

計算部１４ａは、センサ群１２の出力であるサイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘの運転状況に基づいてサイリスタ２０、２１の素子接合温度、スナバ抵抗２８の抵抗線温度、分圧抵抗２４の抵抗線温度を計算する。

制御部１４ｂは、ゲート制御装置１０と各種信号の送受信をして、サイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘの電力変換の制御及び監視をする。また、制御部１４ｂは、計算部１４ａによる計算結果に応じてサイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘの運転を制御する。

例えば、計算部１４ａによって計算されたサイリスタ２０_１〜２０_Ｎ、２１_１〜２１_Ｎの素子接合温度、スナバ抵抗２８_１〜２８_Ｎの抵抗線温度、分圧抵抗２４_１〜２４_Ｎの抵抗線温度の少なくともいずれかが閾値を超えた場合、制御部１４ｂは、ゲート制御装置１０に高温検知信号ＨＴを送り、ゲート制御装置１０からサイリスタ２０_１〜２０_Ｎ、２１_１〜２１_ＮへのゲートパルスＧＰの供給を停止させ、サイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘの運転を停止させる。ここで、サイリスタ２０、２１の素子接合温度の閾値と、スナバ抵抗２８の抵抗線温度の閾値と、分圧抵抗２４の抵抗線温度の閾値とは、必ずしも同じ値ではない。

なお、ゲート制御装置１０は、サイリスタ２０、２１の素子接合温度、スナバ抵抗２８の抵抗線温度、分圧抵抗２４の抵抗線温度の上昇を防止できればよく、サイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘの運転の停止に限らず、どのような制御をしても良い。例えば、逆電圧が印加されないようにサイリスタのゲートにゲートパルスを供給し続ける軽負荷運転を行っても良い。

図３は、順電圧及び逆電圧を検出する電圧検出器２６_１の構成の一例を示す図である。なお、電圧検出器２６_２、２６_３の構成についても、電圧検出器２６_１の構成と同様であるため、説明を省略する。

電圧検出器２６_１は、ツェナーダイオードＤＺＦ，ＤＺＲと、発光素子ＬＦ，ＬＲと、抵抗ＲＤとを備えている。

ツェナーダイオードＤＺＦは、分圧抵抗２４_１と直列に接続されている。ツェナーダイオードＤＺＦは、順電圧により流れる電流を阻止する方向に取り付けられている。ツェナーダイオードＤＺＦは、電圧検出器２６_１に順電圧が印加されると、発光素子ＬＦを発光させるための電圧を印加する。ツェナーダイオードＤＺＦは、順電圧による電流が過大になると（過電流が流れると）、この電流を流す方向に導通する。これにより、ツェナーダイオードＤＺＦは、発光素子ＬＦを過大な電流から保護する。

発光素子ＬＦは、電圧検出器２６_１に順電圧が印加されると、発光する。発光素子ＬＦは、発光すると、順電圧信号ＦＶ_１をゲート制御装置１０に出力する。発光素子ＬＦは、例えば、発光ダイオード（LED, light-emitting diode）である。

ツェナーダイオードＤＺＲは、ツェナーダイオードＤＺＦと逆向きに、ツェナーダイオードＤＺＦと直列に接続されている。即ち、ツェナーダイオードＤＺＲは、逆電圧により流れる電流を阻止する方向に取り付けられている。ツェナーダイオードＤＺＲは、電圧検出器２６_１に逆電圧が印加されると、発光素子ＬＲを発光させるための電圧を印加する。ツェナーダイオードＤＺＲは、逆電圧による電流が過大になると（過電流が流れると）、この電流を流す方向に導通する。これにより、ツェナーダイオードＤＺＲは、発光素子ＬＲを過電流から保護する。

発光素子ＬＲは、電圧検出器２６_１に逆電圧が印加されると、発光する。発光素子ＬＲは、発光すると、逆電圧信号ＲＶ_１をゲート制御装置１０に出力する。発光素子ＬＲは、例えば、発光ダイオードである。

抵抗ＲＤは、発光素子ＬＦ，ＬＲに流れる電流を抑制する。これにより、抵抗ＲＤは、発光素子ＬＦ，ＬＲに、発光させるための所定の電流を流す。

図４は、順電圧を検出する電圧検出器２６_４の構成の一例を示す図である。なお、電圧検出器２６_５〜２６_Ｎの構成についても、電圧検出器２６_４の構成と同様であるため、説明を省略する。

電流検出器２６_４は、図３に示す電圧検出器２６_１において、ツェナーダイオードＤＺＲ及び発光素子ＬＲを取り除いた構成である。

ツェナーダイオードＤＺＦは、発光素子ＬＦと逆の極性の電圧が印加されることを防止する。その他の点は、電圧検出器２６_４は、図３に示す電圧検出器２６_１と同様の構成である。

図５は、ゲート制御装置１０の構成の一例を示す図である。

ゲート制御装置１０は、多数決回路４２と、サイリスタ故障検出回路４４と、ゲート制御回路４６とを備えている。

多数決回路４２は、３個の電圧検出器２６_１〜２６_３から出力された逆電圧信号ＲＶ_１〜ＲＶ_３を受信する。多数決回路４２は、受信した逆電圧信号ＲＶ_１〜ＲＶ_３の演算結果を逆電圧信号ＲＶとして、サイリスタ故障検出回路４４及びゲート制御回路４６に出力する。多数決回路４２は、２個以上の逆電圧信号ＲＶ_１〜ＲＶ_３を受信した場合、逆電圧信号ＲＶを「１」にして出力する。多数決回路４２は、１個以下の逆電圧信号ＲＶ_１〜ＲＶ_３を受信した場合、逆電圧信号ＲＶを「０」にして出力する。即ち、過半数（２分の１を超える数）の電圧検出器２６_１〜２６_３から逆電圧信号を受信した場合、多数決回路４２は、「１」を示す逆電圧信号ＲＶを出力する。そうでない場合、多数決回路４２は、「０」を示す逆電圧信号ＲＶを出力する。

サイリスタ故障検出回路４４は、電圧検出器２６_１〜２６_Ｎからそれぞれ出力された順電圧信号ＦＶ_１〜ＦＶ_Ｎ及び多数決回路４４から出力された逆電圧信号ＲＶを受信する。サイリスタ故障検出回路４４は、順電圧信号ＦＶ_１〜ＦＶ_Ｎ及び逆電圧信号ＲＶに基づいて、サイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘのサイリスタ２０_１〜２０_Ｎ、２１_１〜２１_Ｎのそれぞれの故障検出信号ＮＧ_１〜ＮＧ_Ｎを検出する。サイリスタ故障検出回路４４は、順電圧信号ＦＶ_１〜ＦＶ_Ｎ及び逆電圧信号ＲＶに基づいて、サイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘのサイリスタ２０、２１を駆動するために用いる順電圧集約信号ＦＶをゲート制御回路４６に出力する。

ゲート制御回路４６には、サイリスタ２０、２１を導通させる信号である位相制御オンタイミング信号ＯＮ、ゲートパルスＧＰの出力を抑止するゲートブロックＧＢ、転流する他相の位相制御オンタイミング信号ＴＯＮ、サイリスタ素子故障検出回路２２から出力された順電圧集約信号ＦＶ、多数決回路４２から出力された逆電圧信号ＲＶ、及び制御盤１４の制御部１４ｂからの高温検知信号ＨＴが入力される。

ゲート制御回路４６は、位相制御オンタイミング信号ＯＮ及び順電圧集約信号ＦＶに基づいて、ゲートパルスＧＰを生成する。ゲート制御回路４６は、生成したゲートパルスＧＰをサイリスタバルブ８Ｕの各サイリスタ２０_１〜２０_Ｎ、２１_１〜２１_Ｎに出力する。これにより、ゲート制御回路４６は、各サイリスタ２０_１〜２０_Ｎ、２１_１〜２１_Ｎを点弧させる。ゲート制御回路４６は、ゲートパルスＧＰを出力後、サイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘの転流失敗を検出すると、転流失敗信号ＣＦＤを出力する。ゲート制御回路４６は、ゲートブロックＧＢ、転流する他相の位相制御オンタイミング信号ＴＯＮ、及び逆電圧信号ＲＶに基づいて、ゲートパルスＧＰの出力を停止する。また、ゲート制御回路４６は、制御部１４ｂからの高温検知信号ＨＴに応答して、サイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘの運転を停止させる、あるいは逆電圧が印加されないようにサイリスタのゲートにゲートパルスを供給し続ける軽負荷運転を行う。 電力変換装置６はサイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘを構成するサイリスタ２０、２１、抵抗２４、２８等の素子の損失に伴って生じる熱を処理するための冷却装置を備える。サイリスタはヒートシンクによって冷却される。抵抗２４、２８としては水冷抵抗器が用いられ、抵抗線自身が冷却される。冷却媒体は、空気、水、代替フロン等があり、例えば、水が用いられる。図６は電力変換装置６が備える冷却水の配管系統の一例を示す。図６は、一例として、サイリスタバルブ８Ｕの冷却水配管系統を示す。サイリスタバルブ８Ｖ、８Ｗ、８Ｘ、８Ｙ、８Ｚの配管系統も同様な構造である。
ヒートシンク６２_１〜６２_Ｎ＋１（任意のヒートシンクは、ヒートシンク６２と称する）は、サイリスタ２０_１〜２０_Ｎの両側に配置される。ヒートシンク６２_１〜６２_Ｎ＋１の注水口は枝管を介して冷却水入側母管６８に接続され、ヒートシンク６２_１〜６２_Ｎ＋１の出水口は枝管を介して冷却水出側母管７０に接続される。

スナバ抵抗２８_１〜２８_Ｎを構成する水冷抵抗器６４_１〜６４_Ｎ（任意の水冷抵抗器は、水冷抵抗器６４と称する）の注水口は枝管を介して冷却水入側母管６８に接続され、水冷抵抗器６４_１〜６４_Ｎの出水口は枝管を介して冷却水出側母管７０に接続される。分圧抵抗２４_１〜２４_Ｎを構成する水冷抵抗器６６_１〜６６_Ｎ（任意の水冷抵抗器は、水冷抵抗器６６と称する）の注水口は枝管を介して冷却水入側母管６８に接続され、水冷抵抗器６６_１〜６６_Ｎの出水口は枝管を介して冷却水出側母管７０に接続される。このように、ヒートシンク６２_１〜６２_Ｎ＋１、水冷抵抗器６４_１〜６４_Ｎ、水冷抵抗器６６_１〜６６_Ｎは、冷却水入側母管６８と冷却水出側母管７０との間に並列に配置される。そのため、冷却水入側母管６８に注入された冷却水は、ヒートシンク６２_１〜６２_Ｎ＋１、水冷抵抗器６４_１〜６４_Ｎ、水冷抵抗器６６_１〜６６_Ｎに対して並列に注入される。ヒートシンク６２_１〜６２_Ｎ＋１、水冷抵抗器６４_１〜６４_Ｎ、水冷抵抗器６６_１〜６６_Ｎの各々から排出された冷却水は冷却水出側母管７０を介して図示しない冷却部に供給される。冷却部で冷却された冷却水は冷却水入側母管６８に供給され、冷却水が循環される。

次に、サイリスタ２０や抵抗器６４、６６の破壊を防ぐために、サイリスタバルブ８Ｕの運転状況からサイリスタ２０の素子接合温度、抵抗器６４、６６（あるいは抵抗２８、２４）の抵抗線温度を推定し、モニタする動作を説明する。

（１）サイリスタ２０の素子接合温度の計算
計算部１４ａは、サイリスタ２０の素子接合温度Ｔ_ｖｊを、センサ群１２から取得したデータを基に以下の式で計算する。
Ｔ_ｖｊ＝（Ｒ_ｔｈｙ＋Ｒ_ｆｉｎ）Ｐ_ｔｈｙ＋Ｔ_ｔｉｎ （１）
ここで、Ｔ_ｔｉｎは各サイリスタに隣接するヒートシンク６２_１〜６２_Ｎ＋１の注水口に設置されたセンサにより検出される冷却水の入水温度（℃）である。

また、Ｒ_ｔｈｙはサイリスタ２０の熱抵抗で、Ｒ_ｆｉｎはヒートシンク６２の熱抵抗であり、それぞれ以下の式で表せる。Ｒ_ｔｎはサイリスタの熱抵抗であり、Ｒ_ｆｎはヒートシンクの熱抵抗であり、τ_ｔｎ、τ_ｆｎは時定数である。熱抵抗の単位はＫ／Ｗである。

しかし、これらの熱抵抗は、用品毎に決定される定数であり、実際には（２）式、（３）式を用いて計算せずに、定数を用いてもよい。

（１）式のＰ_ｔｈｙは素子損失である。この素子損失は、サイリスタにおける通電ロスＰ_ｃｎｄ、ターンオンロスＰ_ｓｗｏｎ、ターンオフロスＰ_{ｓｗｏｆｆ}を用いて以下の式で計算される。

Ｐ_ｔｈｙ＝Ｐ_ｃｎｄ＋Ｐ_ｓｗｏｎ＋Ｐ_{ｓｗｏｆｆ} （４）
ここで、Ｐ_ｃｎｄ、Ｐ_ｓｗｏｎ、Ｐ_{ｓｗｏｆｆ}はそれぞれ以下の式で計算される。

Ｐ_ｃｎｄ＝Ｕ_ｔｏ×Ｉ_ＴＡＶ＋Ｒ_ｔｏ×Ｉ² _ＴＲＭＳ （５）
Ｐ_ｓｗｏｎ＝ 0.02Ｐ_ｃｎｄ (di/dt ≦ 2 A/μs) （６）
＝ 0.035Ｐ_ｃｎｄ (di/dt ＞ 2 A/μus)

（５）式においてＵ_ｔｏはスレッショルド電圧（Ｖ）、Ｉ_ＴＡＶは平均電流（Ａ）、Ｒ_ｔｏはスロープ抵抗（Ω）、Ｉ_ＴＲＭＳは実効値電流（Ａ）である。スレッショルド電圧Ｕ_ｔｏ、スロープ抵抗Ｒ_ｔｏは既知であり、平均電流Ｉ_ＴＡＶ、実効値電流Ｉ_ＴＲＭＳはサイリスタに直列に接続された電流センサにより検出される。（６）式においてdi/dtは素子電流の時間微分である。（７）式においてＱ_ｒｒは逆回復電荷（μＱ）、Ｖ_Ｓはバルブ電圧（Ｖ）、αは制御角（°）、ｆは周波数（Ｈｚ）、Ｎはサイリスタの直列数である。サイリスタの直列数Ｎ、逆回復電荷Ｑ_ｒｒ、制御角α、周波数ｆは既知であり、バルブ電圧Ｖ_Ｓは電圧検出器２６により検出される。

計算部１４ａは、（１）式に基づいてサイリスタ２０〜２０_Ｎの素子接合温度Ｔ_ｖｊを計算する。

素子損失Ｐ_thyは（４）式の代わりに以下の式で求めることもできる。

Ｐ_ｔｈｙ＝（Ｕ_ｔ＋Ｒ_ｔ×Ｉ_ｔｈｙ）×Ｉ_ｔｈｙ （８）
ここで、Ｉ_ｔｈｙはサイリスタに流れる電流（素子電流）（Ａ）、Ｕ_ｔは実際の素子損失に合うように選定したスレッショルド電圧（Ｖ）であり、Ｒ_ｔは実際の素子損失に合うように選定したスロープ抵抗（Ω）である。スレッショルド電圧Ｕ_ｔ、スロープ抵抗Ｒ_ｔは（５）式〜（７）式を（４）式に代入して計算した結果と、（８）式の計算結果が一致するように選定された既知の値であり、素子電流Ｉ_ｔｈｙはサイリスタに設置されたセンサにより検出される。

素子損失Ｐ_ｔｈｙの計算は（８）式を用いれば、（４）〜（７）式を用いる場合よりも計算に必要なデータが少なくて済む。
（２）抵抗器６４、６６の抵抗線温度の計算
計算部１４ａは、抵抗器６４、６６_Ｎの抵抗線温度Ｔ_ｒをセンサ群１２から取得したデータを基に以下の式で計算する。 Ｔ_ｒ＝Ｒ_ｒ・Ｐ_ｒ＋Ｔ_ｒｉｎ （９）
ここで、Ｔ_ｒｉｎは抵抗器６４、６６の注水口に設置されたセンサにより検出される冷却水の温度である。

Ｒ_ｒは抵抗器６４、６６の熱抵抗であり、以下の式で表せる。熱抵抗の単位はＫ／Ｗである。

Ｐ_ｒは抵抗線に発生する損失のことであり、スナバ抵抗器６４の温度を計算する場合には、スナバ抵抗の損失（スナバ損失）Ｐ_ｓｎｂを、分圧抵抗器６６の温度を計算する場合には、分圧抵抗の損失Ｐ_ｖｄを用いる。

しかし、熱抵抗Ｒ_ｒも用品毎に決定される定数であり、実際には（１０）式を用いて計算せずに、定数が用いられる。

なお、スナバ損失Ｐ_ｓｎｂ、分圧損失Ｐ_ｖｄは、それぞれ以下の式で表せる。

fは周波数、Ｃ_ｓｎｂはスナバ回路のコンデンサの容量、Ｖ_Ｓはバルブ電圧、Ｎはスナバ回路の直列数、Ｒ_ｖｄは分圧抵抗（Ω）である。周波数ｆ、スナバ回路のコンデンサの容量Ｃ_ｓｎｂ、スナバ回路の直列数Ｎは既知であり、バルブ電圧Ｖ_Ｓはサイリスタバブルに設置されたセンサにより検出される。 計算部１４ａは、（９）式に基づいて抵抗器６４_１〜６４_Ｎ、６６_１〜６６_Ｎの抵抗線温度Ｔ_ｒを計算する。
計算部１４ａで計算された温度は、制御部１４ｂに供給される。制御部１４ｂは、計算部１４ａによって計算されたサイリスタ２０_１〜２０_Ｎの素子接合温度、スナバ抵抗２８_１〜２８_Ｎの抵抗線温度、分圧抵抗２４_１〜２４_Ｎの抵抗線温度の少なくともいずれかが閾値を超えた場合、熱の発生が少なくなるようにサイリスタバルブ８Ｕの動作を制御する。例えば、サイリスタバルブ８Ｕの運転を停止、あるいは逆電圧が印加されないようにサイリスタ２０_１〜２０_Ｎのゲートにゲートパルスを供給し続ける軽負荷運転を行う。サイリスタの各種特性、例えばタ―ンオフタイムや耐電圧は、そのサイリスタの温度に依存しており、温度が所定値以上となると設計性能を維持できなくなる。サイリスタの発熱量は、その通電電流に依存しており、過負荷等により温度が閾値を越えた場合、通電電流を速かに下げることが必要である。

このように実施形態によれば、サイリスタバルブ８Ｕの運転中に運転状況を表すデータに基づいて素子接合温度、抵抗線温度を計算し、温度上昇をモニタすることができる。従って、温度が閾値以上になると、運転を制御し、サイリスタ、抵抗器の破損を未然に防ぐことができる。なお、温度の計算は（１）式、（９）式に限らず、他の同様な式を用いてもよい。
［第２実施形態］
第１実施形態は、ヒートシンクと水冷抵抗器が並列に接続される冷却配管を用いた。温度の計算は、冷却配管の経路に応じている。図６とは異なる経路の冷却配管を用いる第２実施形態を説明する。第２実施形態では、図７に示すように、ヒートシンクと水冷抵抗器が直列に接続される。

図７は、２つのサイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘを冷却する部分の冷却配管を示す。サイリスタバルブ８Ｖ、８Ｙとサイリスタバルブ８Ｗ、８Ｚはサイリスタバルブ８Ｕ、８Ｘと同様であるので、図示は省略する。

サイリスタバルブ８Ｕにおいて、図６の実施形態と同様に、ヒートシンク６２_１〜６２_Ｎ＋１がサイリスタ２０_１〜２０_Ｎの両側に配置される。ヒートシンク６２_１〜６２_Ｎ＋１の注水口は枝管を介して冷却水入側母管６８に接続され、ヒートシンク６２_１〜６２_Ｎ＋１の出水口は水冷抵抗器７２_１〜７２_Ｎ＋１の注水口に接続される。水冷抵抗器７２_１〜７２_Ｎ＋１の出水口は枝管を介して冷却水出側母管７０に接続される。水冷抵抗器７２は全てが同じ抵抗値ではなく、１つおきに異なる抵抗値を有する。奇数番目の水冷抵抗器７２_１、７２_３、…は独立している２つの抵抗線７６、７８ａを含み、偶数番目の水冷抵抗器７２_２、７２_４、…は１つの抵抗線７８ｂを含む。抵抗線７６が分圧抵抗２４を構成し、２つの抵抗線７８ａ、７８ｂの直列接続がスナバ抵抗２８を構成する。

サイリスタバルブ８Ｘにおいて、図６の実施形態と同様に、ヒートシンク６２_１〜６２_Ｎ＋１がサイリスタ２０_１〜２０_Ｎの両側に配置される。ヒートシンク６２_１〜６２_Ｎ＋１の注水口は枝管を介して冷却水入側母管６８に接続され、ヒートシンク６２_１〜６２_Ｎ＋１の出水口は水冷抵抗器７２_１〜７２_Ｎ＋１の注水口に接続される。水冷抵抗器７２_１〜７２_Ｎ＋１の出水口は枝管を介して冷却水出側母管７０に接続される。水冷抵抗器７２は全てが同じ抵抗値ではなく、１つおきに異なる抵抗値を有する。偶数番目の水冷抵抗器７２_２、７２_４、…は独立している２つの抵抗線７６、７８ａを含み、奇数番目の水冷抵抗器７２_３、７２_５、…は１つの抵抗線７８ｂを含む。抵抗線７６が分圧抵抗２４を構成し、２つの抵抗線７８ａ、７８ｂの直列接続がスナバ抵抗２８を構成する。冷却経路の数はサイリスの数より１つ多いので、水冷抵抗器がある流路と無い流路とのバランスを取るために、最初と最後の水冷抵抗器７２_１、７２_Ｎ＋１のいずれか一方はダミー抵抗線８０を含む。このように、ヒートシンク６２_１〜６２_Ｎ＋１と水冷抵抗器７２_１〜７２_Ｎ＋１の直列接続が、冷却水入側母管６８と冷却水出側母管７０との間に並列に配置される。

図６の場合、冷却水入側母管６８から供給された冷却水がヒートシンク６２_１〜６２_Ｎ＋１、水冷抵抗器６４_１〜６４_Ｎ、６６_１〜６６_Ｎに対して並列に注入されるが、図７の場合は、冷却水入側母管６８から供給された冷却水が水冷抵抗器６４_１〜６４_Ｎ＋１、６６_１〜６６_Ｎ＋１に直に注入されず、ヒートシンク６２_１〜６２_Ｎ＋１内で水温が上昇した冷却水が水冷抵抗器６４_１〜６４_Ｎ＋１、６６_１〜６６_Ｎ＋１に注入される。このため、スナバ抵抗２８、分圧抵抗２４の抵抗線温度を計算する際は、冷却水の温度の上昇分を考慮する必要がある。

第２実施形態においては、計算部１４ａは、ヒートシンク６２_１〜６２_Ｎ＋１内の水温上昇分ΔＴを計算し、その結果を用いて（９）式を補正して抵抗線温度を計算する。

冷却水の温度の上昇分ΔＴは以下の式で計算される。

ΔＴ＝Ｐ／（ρ×ｃ×Ｑ) （１３）
Ｐは発熱量、Ｑは冷却水の流量（Ｌ／min）、ρは冷却水の密度（ｋｇ／ｍ）、cは冷却水の比熱（ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ））である。発熱量は素子損失Ｐ_thyが用いられる。冷却水の流量Ｑはセンサ群１２により検出され、冷却水の密度ρ、冷却水の比熱cは、既知である。

計算部１４ａは、（９）式の入水温度Ｔ_ｒｉｎをＴ_ｒｉｎ＋ΔＴと置き換えて、スナバ抵抗２８、分圧抵抗２４の抵抗線温度を計算する。なお、計算部１４ａは、サイリスタ２０、２１の素子接合温度を図６の場合と同様に（１）式により計算する。
図７では、ヒートシンクと水冷抵抗器とを直列に接続する際、ヒートシンクを冷却水入側母管６８に接続し、ヒートシンクを介した冷却水を水冷抵抗器に注入したが、ヒートシンクと水冷抵抗器の接続を逆にしてもよい。すなわち、水冷抵抗器を冷却水入側母管６８に接続し、水冷抵抗器を介した冷却水をヒートシンクに注入してもよい。

この場合、計算部１４ａは、発熱量としては抵抗線に発生する損失Ｐ_ｒを用いて（１３）式により冷却水の温度上昇分ΔＴを計算し、（１）式の入水温度Ｔ_ｔｉｎをＴ_ｔｉｎ＋ΔＴと置き換えて、サイリスタ２０の素子結合温度を計算する。なお、計算部１４ａは、スナバ抵抗２８、分圧抵抗２４の抵抗線温度を図６の場合と同様に（９）式により計算する。 第２実施形態は１つのヒートシンクと１つの水冷抵抗器からなる直列接続が並列に接続される冷却配管の例を示したが、配管の例は任意である。例えば、冷却水入側母管６８からヒートシンク、ヒートシンク、水冷抵抗器、水冷抵抗器が直列に接続されてもよい。いずれの場合も、（１３）式の温度上昇を計算し、それに基づいて（１）式または（９）式の入水温度を補正すれば、素子接合温度、抵抗線温度を計算することができる。
これにより、図７のように、冷却水がヒートシンクと水冷抵抗器に一斉に注入されず、ヒートシンクあるいは水冷抵抗器により冷却水の温度が上昇した場合でも、（１）式、（９）式により、素子接合温度あるいは抵抗線温度を正しく計算することができる。 上述した実施形態によれば、（１）式、（９）式を用いた計算をすることで、サイリスタの素子接合温度、及び抵抗の抵抗線温度を推定できる。また、サイリスタの素子接合温度、抵抗線温度を監視し、サイリスタバルブの運転制御を行うことで、サイリスタ、抵抗の破損を未然に防ぐことができる。また、ヒートシンクと水冷抵抗器が直列に接続している冷却配管構成であっても、冷却水の温度の上昇分を（１３）式で計算し、その結果を用いることでサイリスタの素子接合温度、及び抵抗線の温度を計算することができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

６…電力変換装置、８…無効電力補償装置、１０…ゲート制御装置、１２…センサ群、１４…制御盤、２０、２１…サイリスタ、２２…スナバ回路、２４…分圧抵抗、２６…電圧検出器、２８…スナバ抵抗、３０…コンデンサ、６２…ヒートシンク、６４，６６，７２…水冷抵抗器。

Claims (8)

1. 複数のサイリスタバルブを具備する無効電力補償装置と、
   前記無効電力補償装置の動作状態を示す状態データを検出するセンサ手段と、
   前記センサ手段の出力に基づいて温度を計算し、計算した温度に応じて前記無効電力補償装置を制御する制御手段と、を具備する電力変換装置であって、
   前記サイリスタバルブは、
   直列に接続される複数のサイリスタと、
   前記複数のサイリスタにそれぞれ並列に接続される複数のスナバ抵抗と、
   前記複数のサイリスタにそれぞれ並列に接続される複数の分圧抵抗と、を具備し、
   前記制御手段は、前記複数のサイリスタの素子接合温度と、前記複数のスナバ抵抗の抵抗線温度と、前記複数の分圧抵抗の抵抗線温度とを計算する電力変換装置。
2. 前記複数のサイリスタを冷却する複数のヒートシンクと、
   前記複数のスナバ抵抗と前記複数の分圧抵抗を構成する複数の水冷抵抗器と、をさらに具備し、
   前記制御手段は、
   前記複数のサイリスタの熱抵抗と、前記複数のヒートシンクの熱抵抗と、前記複数のサイリスタの素子損失と、前記複数のヒートシンクに注入される冷却水の入水温度とに基づいて、前記複数のサイリスタの素子接合温度を計算し、
   前記複数のスナバ抵抗の熱抵抗と、前記複数のスナバ抵抗に生じる損失と、前記複数のスナバ抵抗を構成する複数の水冷抵抗器に注入される冷却水の入水温度とに基づいて、前記複数のスナバ抵抗の抵抗線温度を計算し、
   前記複数の分圧抵抗の熱抵抗と、前記複数の分圧抵抗に生じる損失と、前記複数の分圧抵抗を構成する複数の水冷抵抗器に注入される冷却水の入水温度とに基づいて、前記複数の分圧抵抗の抵抗線温度を計算する請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記複数の水冷抵抗器は、前記複数のスナバ抵抗を構成する複数の第１水冷抵抗器と、前記複数の分圧抵抗を構成する複数の第２水冷抵抗器と、を具備し、
   前記複数のサイリスタバルブの各々は、前記複数の第１水冷抵抗器と、前記複数の第２水冷抵抗器と、前記複数のシートシンクと、を具備し、
   前記複数の第１水冷抵抗器と、前記複数の第２水冷抵抗器と、前記複数のヒートシンクは、冷却水の入側端部と冷却水の出側端部との間に並列に配置される請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記複数のスナバ抵抗の各々は第１抵抗と第２抵抗に分割され、
   前記複数の水冷抵抗器は、前記複数の分圧抵抗と前記複数のスナバ抵抗の第１抵抗を構成する複数の第１水冷抵抗器と、前記複数のスナバ抵抗の第２抵抗を構成する複数の第２水冷抵抗器と、を具備し、
   前記複数のサイリスタバルブの各々は、前記複数の第１水冷抵抗器と、前記複数の第２水冷抵抗器と、前記複数のシートシンクと、を具備し、
   前記複数のヒートシンクは、前記複数の第１水冷抵抗器または前記複数の第２水冷抵抗器と直列に接続され、
   前記複数のヒートシンクと前記複数の第１水冷抵抗器、または前記複数の第２水冷抵抗器との直列回路は、冷却水の入側端部と冷却水の出側端部との間に並列に配置される請求項１または請求項２記載の電力変換装置。
5. 前記複数のヒートシンクから排出された冷却水は、前記複数の第１水冷抵抗器または前記複数の第２水冷抵抗器に注入される請求項４記載の電力変換装置。
6. 前記複数の第１水冷抵抗器または前記複数の第２水冷抵抗器から排出された冷却水は前記複数のヒートシンクに注入される請求項４記載の電力変換装置。
7. 前記制御手段は、前記複数のサイリスタの素子接合温度と、前記複数のスナバ抵抗の抵抗線温度と、前記複数の分圧抵抗の抵抗線温度の少なくとも１つが閾値以上の場合、前記無効電力補償装置を停止、あるいは低負荷運転する請求項１乃至請求項６のいずれか一項記載の電力変換装置。
8. 複数のサイリスタバルブを具備する無効電力補償装置と、
   前記無効電力補償装置の動作状態を示す状態データを検出するセンサ手段と、
   前記センサ手段の出力に基づいて温度を計算し、計算した温度に応じて前記無効電力補償装置を制御する制御手段と、を具備し、
   前記サイリスタバルブは、
   直列に接続される複数のサイリスタと、
   前記複数のサイリスタにそれぞれ並列に接続される複数のスナバ抵抗と、
   前記複数のサイリスタにそれぞれ並列に接続される複数の分圧抵抗と、を具備し、
   前記複数のサイリスタは複数のヒートシンクにより冷却され、
   前記複数のスナバ抵抗は複数の第１水冷抵抗器により構成され、
   前記複数の分圧抵抗は複数の第２水冷抵抗器により構成される電力変換装置の温度モニタ方法であって、
   前記複数のサイリスタの熱抵抗と、前記複数のヒートシンクの熱抵抗と、前記複数のサイリスタの素子損失と、前記複数のヒートシンクに注入される冷却水の入水温度とに基づいて前記複数のサイリスタの素子接合温度を計算し、
   前記複数のスナバ抵抗の熱抵抗と、前記複数のスナバ抵抗に生じる損失と、前記複数の第１冷却抵抗器の冷却水の入水温度とに基づいて、前記複数のスナバ抵抗の抵抗線温度を計算し、
   前記複数の分圧抵抗の熱抵抗と、前記複数の分圧抵抗に生じる損失と、前記複数の第２水冷抵抗器の冷却水の入水温度とに基づいて、前記複数の分圧抵抗の抵抗線温度とを計算する温度モニタ方法。

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