圧延機用2セット直列接続サイリスタ静止レオナード装置のゲート・パルス制御 および無効電力減少制御

U.D.C.る21.313.2.077:る21.314.る3:54る.28 る21.31る.727:d21.374.33

圧延機用2セット直列接続サイリスタ静止レオナード装置の

ゲート･パルス制御および無効電力減少制御

Gate

Pulse

Controland

Reactive

Power

_Reduction

_{ControIwith2-Set}

SeriesConnectedThyristorStaticLeonardSystemforRollingMills

小

西

務*

Tsutomu Konishi

要

旨

わが国において他に例をみない一賞したアルミニウム圧延設備用電源として,いま製作中の総容量約14,000 kWのサイリスタ変換器を含む電気品のうちで,熱間仕上圧延機駆動用のサイリスタ静止レオナード装置2,900 kWは容量的にわが国の記録品であり,2セット直列接続方式を採用しており高度のサイリスタ制御技術が駆 使されている｡種々の問題点のうち本報では2セット直列接続サイリスタ変換器のゲート･パルス分配制御, および無効電力減少制御について考察し,問題点を解決し,試作装置による実験の結果,所望の性能が得られ たことを述べる｡

1.緒

言 従来の圧延機運転用静止レオナード装置には水銀整流器が用いら れていた(1)｡ところが,近年シリコン制御整流素子(以下サイリス タという)の容量増大,直並列運転技術の向上,保護方式の確立お よび高効率があいまって,大容量の静止レオナード装置にもサイリ スタ変換器が採用されるようになってきている(2)｡ 現在,この種装置の大形品は外国で稼動中のものがあるが(8),サ イリスタ変換器の2セット直列接続方式としてはいま製作中の装置 が世界的にも数少なく,国内では記録晶である｡ 本報では2セット直列接続サイリスタ変換器に関する技術的問題 点のうち,特に主回路におけるゲート･パルス分配および無効電力 減少制御について検討している｡これら装置の動作原理,回路構成 および実験結果についてとりまとめ報告する｡

2･2セット直列接続サイリスク変換器主回路

サイリスタ変換器および直流電動楼を2セットずつ交互に直列接 続して使用すると,電動機の負荷平衡が保たれ,サイリスタおよび 直流電動枚1セット当たりの電圧は全電圧の1/2ですみ,また両セ ットの交流電源電圧に30度の位相差を作ることにより_12相効果を i岩瀬

倉

Ml _M2 SCRi SCRl _SCR2 (A)実際の単線結線図

ギ

SCR主 出すことができるこなお,次章で取り扱うようi･こ無効電力減少制御 を行なうことができる｡しかしながら,両セットは独立して位相制 御されるので,電動機の負荷条件により主回路電流が断続すると電 流を継続して流せなくなる｡したがって,両サイリスタ変換器のゲ ート･パルス分配方法が問題となるこ 2･1ゲート･パルス分配方法の芳察 主回路は図l(A)に示すように互いに逆並列接続されたサイリス タ変換器および直流電動機がそれぞれ2セットずつ直列接続されて いるが,ここでは図1(B)に示すように正接続側だけに着目し,負 荷として直流電動機1台の場合について考察する｡ いま,主回路電流才｡が断続する場合を考える｡このような場合 ミ･こ,サイリスタ変換器SCRlおよぴSCR2に普通の3相全渡御御の ときと同様なゲート･パルスの与え方をしたのでは,常に主回路に 電流が流れるとは限らない｡なぜならば,SCRlおよぴSCR2のゲー ト･パルスは互いに独立に与えられているから,必ずしも両サイリ スタ変換器のパルスが同一時刻に与えられるとは限らない｡したが って,たとえある時刻にSCRlにゲート･パルスが与えられても, SCR2にゲート･パルスが与えられないならば,電流断続時にSCR2 ほ開回路状態を呈するので,主回路電流を流すことができない｡ したがって,もしある時刻にSCRlにゲート･パルスを与えるな Sしニーミ1

%

うヰ

Gl しり 〔;i G4 D.C.九l. Eユ G2 G5 G皇 G岳 SCR2 G3 G6 (二i G占 (B)検討に用いる構成国 注)β0,β1,g2ほ瞬時値を表わす 図1 2セット直列接続サイリスタ静止レオナード主回路 * 日立製作所日立研究所工博

-5

-SCR 一い八 ゲバ ←ル ゲバ

l

N

_叩:八

_{ハアリ叩リアリリ}

Eユ /

_†

tll 11 _■

2I=

l 3 tl rl ll j l l l 】 b 11￣2 ､J l 卜＼■･2 【 '■2ll､＼2亡･1･､￣212 +

＼､

＼ l トJ9 1 t! l 2 t ll 3 4 ll ll

:(1)ゲ→′ヾル∴一揺三三≡志㌫ニ二三ユ

ー朋t (2)変圧器乃与E.勺三宝跡キミ:ま無税する 図2 _{2セット直列接続サイリスタ変換器の点弧波形} らこご,同時こSCR2にもゲート･パルスを与える必要がある｡この 場合,SCRlに与えるゲート･パルスを主パルス,SCR2のゲート･ パルスを補助パルスという｡補助パルスはこの場合のようにSCR2 こだけ必要なのではなく,SCR2に主パルスが与えられる場合には, 同時にSCRlに補助パルスが必要である｡ただし,補助パルスはど のサイリスタ素子に与えてもよいというわけではない｡ SCRl,SCR2の変換状態に制約はないが,いま一例としてSCRlが 順変換動作,SCR2が逆変換動作をしていて,主回路電流が断続して いる場合の整流回路の交流電圧波形,SCRlの出力電圧波形β1,SCR2 の出力電圧波形β2,2セット直列接続SCR出力電圧波形β0,および それぞれのサイリスタ変換器の主パルスおよび補助パルス,主回路 電流波形才αの概形を示すと図2のようになる｡同図からわかるよう に,主パルスが与えられたサイリスタ素子は,その後60度の期間が 補助パルスの印加期間であることがわかる｡この期問をそのサイリ スク素子の責任角ということにする｡ ニの場合,後述するようi･こ無効電力減少制御が行なわれるので, たとえばSCRlのゲート点弧角が一定,SCR2のゲート点孤角が可変 として運転される｡したがって,図2に示すように,SCRlのサイリ スタ素子のゲート･パルスGlおよぴG5が常にSCR2のサイリスク 素子のゲートG2′ぉよびGノに与えられるとは限らない｡SCR2の変 換器が要求される出力電圧を発生するのに必要な点弧角で運転して いるとき,たとえばSCRlのサイリスタ素子のゲートGlおよびG5 に与えられているゲート･/くルスは,SCR2のサイリスタ素子のう ち,そのゲート･パルスを責任角にもつサイリスタのゲートG2′お よぴG4′に補助パルスが与えられなければならない｡ 以上の事がらはSCRlおよぴSCR2のどのサイリスタ素子につ いてもいえることである｡したがって,一つのサイリスタ素子に着 目すると図2に示すように主パルスおよび補助パルスを合計して最 !l〔2 M ｢し 1】_1 Uハ ｢し S ＼1)l-■さ 11 .､ゝほ U⊥ ､+L ベ､21 ､＼.AV 叶2 山 IJI L ト〉_126 [n ■､し 亡J ＋ ＋ ･十 ＋ 注)Eo,El,E2は乎棚巨を麦ゴ)す 囲3 パルス分配回路の構成図 大4個のデート･パルスが与えられることになる｡ 2.2 ゲート･パルス分配同格 2.2.1構 成 従来の3相全波制御回路に用いられている主パルス供給用のゲ ート･パルス分配回路のはかに,補助パルスを供給する回路が必 要である.｡ただし,補助パルスは主パルスが与えられて60度以 内,すなわち責任角に供給しなければならない｡したがって,責任 句内のパルスを判断して補助パルスを与える回路が必要となる｡ 以上を考慮して,2セット直列接続サイリスタ変換器のゲート･ パルス分配回路を示すと図3のようである｡同国には正接続側だ :ナの構成が示されているが,逆接続側も全く同様であるので省略 してある｡ 2.2.2 _{動 作 原} 理 図3において,制御入力電圧β｡1の値に応じて,ある時刻ち(図 3参照)にAPPSllがパルスを発生したとすると,その/くルスは PAllにより増幅されて,SCRlのサイリスタ素子1およぴ5に与 えられる｡同時にリング･カウソクRClによりパルス･増幅器 PAll′のゲートが閃く｡この60度のゲート期間内に,もし制御電 圧g｡2に応じた時刻∼2i･こAPPS24が/くルスを発生したとすると, そのパルスは,SCR2のサイリスタ素子2および4にPA24′を通 じて主パルスが与えられると同時に,OR回路OR20を通して PAll′∼PA.6′に与えられる｡このときPAll′のみゲートが開かれ ているから,それを通し補助パルスがSCRlのサイリスタ素子1 および5に再び与えられる｡ 以上,特定のAPPSに例をとって主パルスの与え方,および補 助パルスのぞりとりを説明したが,同様のことは他のAPPSにつ いてもいえることであるので,これ以上の説明は省略する｡

3.無効電力減少制御

普通の1セットのサイリスタ変換器では,ゲート制御に基づく電 流の遅れおよび転流の重なり角により無効電力を生ずる｡これが交

流回路に電圧降下を発生するので設備が大形になると問題となる｡

無効電力を減少させるためのサイリスタ変換器の接続方法には種々

考えられるが,圧延機駆動用主電動機のように,二重電機子構造の ものや,2台の直流電動機を直結して使用するときにはサイリスタ ら-1 り

圧延機用2セット直列接続サイリスタ静止レオナード装置のゲート･パルス制御および無効電力減少制御

427 ∨′′T二￣戸すに一訂 1)こ 0.04 0.03 亡J 三 0･02 'てゝ 0.01 1.00 _{仇95 0.90 0.85 0.80} /' _/ / _/ / ′ / / _/ / / _′

粁ノ

///

仏′′一

//一′

√昏 0〉 _10凸 200 30p 40d 重なり角(u) 図4 _{サイリスタ電流の実効値係数} 1)ユ 巳 n P-0 l ‖ ‖

:!plrrl

1 日 ￠i

〆変

￠ A P三 百 Pl l l Rml _l l l_l/R / // / 盲｢＼l -1 ビ＼ J土 1-COSフ1- P′､ノ王･)｡-0 Ed Pr.･′pa Ed 1 1-CO5α｡ ) 0 eJ ed Edリ Ed＋eユ Ei.)豆芯 ELl十ed Eふ) ヒム _Eしl) 図5 3相全波制御回路の力率特性 変換器2セット直列接続方式が有用である｡そのおもな理由は,変 圧器,リアクタ,整流器の費用増加がほとんどなく,そのうえ直流 電圧の脈動を少なくできるなどの特長を有するからである｡ 3･】1セット･サイリスク変換器の力率特性 3相全波制御サイリスタ変換器の力率は次のようにして求められ る｡まず,負荷直流電圧Eィは

&=旦㌘伽s号cos(α＋計βr-2β′‥･‥･(1)

ここに,lち:電源の相電圧 〝:転流の重なり角 α:制御角(順変換時) gr:抵 抗 降 下 β′:サイリスタ順方向降下 電源の線電流ちは

ム=J喜んノi二晰

ここに,ん:直流電流の平均値 ￠(〟,α):〝とαにより定まる関数(図4参照) 電源からみた皮相電力j㌔は 氏=ノす鴨ム ゆえに,力率cos甲ほ

cosp=書芸霊蒼二世地

鳥

3COS言cos(α＋号)

打

ノ1二言すて両

‥(2) …(3) ‖(4) ‥(5) 以上は,3相全波制御サイリスタ変換器の力率の解析を示してい るが,力率特性をグラフ表示する場合には次のような取り扱い方が 有用であろう｡まず,順変換運転について考える｡ 負荷時直流電圧Edは, &=(且才OCOS(Y-g∬)-(β′＋2g′) ‥.(6)

ここに,且｡｡=旦∠亘鴨

方

β∬=旦ズん=転流リアクタンス降下

_7r 方=転流リアクタンス 有効電力凡は, 凡=(且7｡COSα-βJ)ん 皮相電力氏は, E7 E三 Pa ≡捷 璧; 善式 Jト､ ぺビ ニ旨垂 ￣･丁･Fこ EO=El÷E: El 車=≡: ′￣￣■■￣￣￣￣

リ

E2/ / / / / / / ′ _/ //0 / / //一例御入力 / / /Eセ / _____.._ノ / / E■1 P=E'1＋E∫2 図6 2セット直列接続サイリスタ変換券 の出力電圧特性

見=旦ノi二宮亭て打&｡ん≡ス且｡｡ん

₃

ここに,ス=旦ノi二両て打

₃ ゆえに,リアクティプ電力汽は, 乃=ノ椰￣ ノ師 ‥‥….‥.(8) ‖(9)

去(cosα一昔)2‥･(10)

ここに,+㌔:無 効 電 力 f㌔:ひずみ電力 インバータ運転の場合には,有効電力P′r,リアクティプ電力P′′, は次のようになる｡ P′r=(一月doCOSr＋β∬)ん.‥ ..(11) P′∫=ス&0ん

÷ぐosr一意)2‥

=(12) 以上の結果を,皮相電力見で正規化し,グラフ表示すると図5の ようになる｡ 同園に示されているように,順変換運転時には制御の余裕角α0と 転流リアクタンス降下β∬｡のために力率凡加/たに限界が存在し,ま たインバータ運転の場合には転流の余裕角roと転流リアクタンス 降下により力率P′r椚/為に限界が存在する｡すなわち, 几桝

COSα0一岩

凡

旦ノi二面てホ誘

3 p′r和

一COSro＋岩

氏

旦ノi二両て打両

3 .,.(13) …‖(14) 3･2 _{対称な2セット直列接続サイリスク変換器の力率特性} 前節で求めた1セット･サイリスタ変換器の力率特性のグラフ表 示は,2セット直列接続サイリスタ変換器の場合に拡張できる｡い ま転流リアクタソス降下が同一であるとし,制御が対称の2セット 直列接続サイリスタ変換器の力率特性について考える｡ 図1において,電圧β0,♂1,β2の平均値をそれぞれ軌,包,且2,とす る｡いま,図るに示すように,サイリスタ変換器SCRlが順変換器 として一定電圧且1を出し,SCR2が順逆変換器として可変電圧E2 (7) _{を出し,結局負荷にほ,} 包=包＋E2. ‥(15) -7

-＼ ヽ ＼＼r ヽ-一 ＼､P■ ＼ 1) ■･･･≦::･･コ･････････････････-････---･-●-0 0.5 IJl -1 -0.5 ヱL 2Pま 国7 対称な2一ヒット直列接続サイリスタ変換器の力率特性 APPSll Mell OR20 Gl APPSll APPS16 PA′11 Gl

トー20ms→

(A) ゲートノミルスが4個の場合 宮戸二 1.0 10 ＼￣こ⇒

至宝'†

琵輔;

-1.0 -0.5 注)α.=5白,γJ=25ロ 0 0.5 ･---▼1一正規化有効電力 図8 力率特性の計算例

卜一20ms一一→

(B)ゲートパルスが3個の場合 図9 _{ゲート･パルス分配回路実験結果} なる電圧を供給する場合を考える.｡この場合の力率特性は前節の説 明から明らかなように,図7の右側の分枝(A)に示すようになる｡ この分枝の特定の点昂,ろおよび残の座標(∬0,yO),(∬1,肌)お よぴ(∬2,y2)の値はそれぞれ次のようになる｡ただし,2セット直 列接続サイリスタ変換器の交流電源電圧は等しいとし,かつ

旦､/i二抑=ス(≒1)

3

∬0=去(cosα0一若)

左(cosα0一岩)2

∬1=‡(cosα0一芸)･‥

yl=Jl-÷(cosα0一芸)

一り､ノ

蒜

一 一 〇 α 一

1京レ孔

二 二 り】 ○山-∬ ”y とする｡ (16) (17) (18) (19) O 1 2 2 (

′■■-吉(cosro一芸)2〕‥……･‥(22)

次に,SCRlが順逆変換器として可変電圧E′1を,SCR2が道変換 器として一定電圧g2を出す場合を考える｡この場合,2セット直 列接続サイリスタ変換器の力率特性をグラフ表示すると,図7の左 1.0 旦こ 2Pa 側の分枝(B)のようになる｡点P′｡,P′.の座標(〆0,〆0),(∬′1,〆1)は 次のようになる｡

∬′0=一去(c叫′0一岩)‥･･…

…･(23)

吉(cosro一意)2…･…･(叫

∬′1ン‡(cosro一芸)･

‥‥…(25)

y′1=J弓(cosro一岩)2･…･･･

…･(26) /′￣￣l＼ ( 以上,図7の力率特性曲線吊ろP′1は,(17)∼(26)式から明らか なように転流リアクタンス降下βェ｡をパラメータとして幾つかの曲 線で表わされる｡ いま,例としてα｡=5ウ,r｡=25つ,βJ｡/Ed｡=0,3,5,10%として力 率特性の計算結果をグラフ表示すると図8のようになる｡

4.実

験

結

果

4.1ゲート･パルス分配回路

ゲート･パルス分配回路は,動作原理どおりに確実に動作するこ

とが必要である.｡そこで,図3の回路において回路各部の波形をシ ンクロスコープにより測定した｡ただし,自動パルス移相器APPSll とサイリスタ変換器SCRlの素子のゲートGlの波形を基準にして, 他の波形を4現象シンクロスコープにより観測した｡その結果の写 真を図9に示す｡図上叱11はリソグ･カウンタ出力,OR20はOR 回路出九PA′11はパルス増幅器出力を示す｡ ら+ 叫

圧延機用2セット直列接続サイリスタ静止レオナード装置のゲートパルス制御および無効電力減少制御

429

響

分警芸重苦慧警≡ヲ警芸芸ご芸這孟二三賢空と宕表置では,次のよう

Pl ご朝増 Pb ユ+i 0

-1 甲卜†lトヘト､ 王〕2 Ⅰつ0 1･0 -0･5 0 0.5 1.0

:;;G≡艶,γ｡=23｡→正規化有効咄

図10 力率特性の論理値と計算値 SCRl側の制御入力は一定であるが,SCR2側の引ilj御入力が可変で あるためゲート･パルスは移相される｡したがって,SCR2例の制 御入力の値の違いにより,同図(A)に示すようにGlのゲート･パ ルスが4個の場合のはかに,同国(B)のように1個が重なって,あ たかも3個になる場合がある｡また,同何に示されていないが2個 が重なって,ちょうど2一郎こなる場合がある｡ 以上の結果,ゲート･分配回路が止常に動作し,各サイリスタ素 子のゲートに所望のゲート･パルスが与えられることがわかる｡ 4.2 無効電力減少制御 装置を試作し実験した｡実験には150kW,440V直流電動機を用 いた｡力率の測定は電源変圧器の一次側で行ない,変圧器の無負荷 励磁損失を除外した｡実測結果について,有効電力およびリアクテ ィプ電力を正規化して示すと図10の×印のようになる｡実験条件 と同一条件における理論値を同図ヒに示す｡この結果,理論値と実 験値は比較的近似しているといえよう〔〕

5.結

ロ いま製作中の圧延設備用電気品のうち,熱間仕上圧延機あるいは 冷間圧延機駆動用電源は,2台の直流電動機,あるいは1台の二重 電政子構造の直流電動機と,2セットのサイリスタ変換器とを交互 直列接続した大容量静【上レオナード装置である｡種々の技術的問題 のうち,特に2セット向列接続サイリスタ変換器のゲート･パルス な特長がある｡ (1)負荷平衡が保たれるr, (2)電源位相を30度ずらせて12柿効果がもたせられる｡) (3)一方を順変換,他方を順逆変換運転することにより,無効 電力減少制御ができる｡ (4)サイリスタ変換器および向流電動機単基当たりの分担電圧 が全回路電圧の1/2ですむ｡ 以上から,この方式は大容量設備に適する｡ 次に,ゲート･パルス分配および無効電力減少制御の問題を検-トJ￣ して次の事項が明らかになった｡ (1) 2セット直列接続サイリスタ変換器に二机､て,一方の変換 器の各アームの1デイリスタ素子群ほ,ゲート･パルスが印 加されて後60度を責任角とし,その間に他方の変換器のゲ ート･パルスを分配しなければならない｡したがって,各 アームのサイリスタ素子群は電源の一一周期に最大合計4仰 のゲート･/くルスが印加される｡ (2)ゲート･パルスの分配はリング･カウンタにより確実に行 なうことができる｡ (3) 2セット直列接続サイリスタ変換器のうち,一方を順刻灸 運転(十E),他方を順逆変換運転(±E)することにより, 全回路糾力に2月､∼0の電圧が得られるr)このようにゲー ト制御することにより無効′這力が約半減する｡ (4)最大あるいは最小電圧のときの無効電力を減少させるには 制御の進み角α｡および転流余裕角r｡をできるだけ′J＼さく 選び,また転流リアクタソス降下g.′ごを小さくするとよい｡ (5)力率特性の舛論値と実験値は比較的一致した〔こ､ 以上,本研究の遂行に当たり口立製作所日立工場の【渕係各位から 種々のご指導とご援助を待た｡特に,口立製作所R立工場宅｢札 斎 藤の両氏および｢I立研究所の久保口二l氏のご援助は大きいし)ここに厚 くお礼申し上げる｡ 参 男 文 献 前川,小野口:日立評論38,1131(昭31-9) 小西:日立評論48,681(旧41-6) R.Cushman:Electronics38,110(1965-10) Vol.49 _{日 立}

_評

_論

目 次 l題 目 ･サイリスタを用いた誘導電動樺の速度制御方式 ･抽 浸 絶 縁 紙 の コ ロ _ナ 劣 化 ･最 近 の デ ィ ー ゼ ル 発 _{電 械} ･蒸気タービン･テポジットの飽和蒸気による除去 ･高 速 軌 道 試 験 中 マ _ヤ 34 ･最近の水道用ならびにかんがい用ポンプ設備のウォータ ハンマ対策 ･NU-8A 形 搬 送 電 信 装 置 ･書 状 区 分 機 ･ユー ロ ピ ウ ム付活希土類けい光体の発行と 励起スペクトル No.5 ･275kV OF ケ ー ブ ル 用 接 続 祈 の _諸 特 性 ■電子顕微鏡特集 ･日 立1,000kW 電子顕微鏡の構造お エ び 性 能 ･普及形超 高圧 電 子 麒徴鏡HUⅣ200の開 発 ･HU-11D 形 日 立 電 子 顕 微 鏡 の 諸特性 ･超 高 圧 電 子 顕 微 鏡 の 金 属 学 へ の 応 用 ･電子顕微鏡的観察に基づくglucoeo-6-phosphatase の活性局生部位に関する研究 ･電子顕微鏡の位相差コ ント ラ スト と 分解能 発 行所 日 立 _{評 論 社} 取次店 _{株式会社 オーム社書店} 東京都千代田区丸の内1丁目4番地 振 替 口 _{座 東 京71824番} 東京都千代田区神田錦町3丁目1番地 振 替 口 座 東 京20018番

-9

-√∼)〔ノ.ノ､-′〉(ノ)1〉.し′′′′､ノ(.ノき′ノ′.〉√･)r〉(J､(ノー/･′)(′)∼ゝし〉-〉-ノ､

(