(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、
入力電圧を充電する中間回路を有し、中間回路の電圧を自励素子でスイッチングして出力するチョッパ回路と、
負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、
負荷電流の指令値と前記負荷電流検出手段の検出値との偏差が無くなるように前記チョッパ回路の自励素子を制御する制御手段と、
電流指令値を発生する電流指令値発生手段とを備え、
前記制御手段は、前記入力電圧検出手段の検出結果が所定値より高いとき、前記電流指令値発生手段の電流指令値を負荷電流の指令値とするとともに、
前記入力電圧検出手段の検出結果が所定値以下のとき、前記負荷電流検出手段の検出値を負荷電流の指令値とすることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
交流の入力電圧を整流して直流電圧に変換する整流手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記チョッパ回路の出力電圧をアーク炉へ供給することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源装置に係り、特に直流アーク炉やプラズマアーク炉等のように電力系統の瞬時停止が大きな問題となる装置へ電源を供給するのに好適な電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
落雷等の事故による電力系統の瞬時停止は、電力を利用する様々な分野で問題となっている。例えば、製鋼業で溶解に用いられる直流アーク炉やプラズマアーク炉は、電力系統の事故で装置が停止すると、溶解中の鋼塊や電極が不良となって大きな損害が発生する恐れがある。
【０００３】
従来、直流アーク炉用又はプラズマアーク炉用の電源装置としては、サイリスタ素子を用いた他励変換方式の電源装置が採用されていた。図３は、従来のアーク炉用電源装置の概略構成を示す図である。三相交流の系統電圧１は、サイリスタ整流器３により直流の出力電圧Ｖｄｃに変換され、アーク炉電圧Ｖａｒｃとしてアーク炉６の電極６ａと炉６ｂとの間に印可される。サイリスタ整流器３の整流制御には、系統電圧１の位相が用いられている。５は回路抵抗である。このような他励変換方式の電源装置の場合、系統電圧１が低下すると、系統電圧１の低下に追従して電源装置の出力電圧Ｖｄｃが低下する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図４はアーク炉のアーク電流特性を示す図であって、直線Ｄは電源装置の出力特性、曲線Ａはアーク炉のアーク電流特性である。系統電圧１の低下により電源装置の出力電圧ＶｄｃがＶｄｃ１からＶｄｃ２へ低下すると、アーク炉６のアーク電流ＩｄはＩｄ１からＩｄ２へ低下する。アーク電流Ｉｄが低下して不安定領域に入ると、アーク炉６のアークが不安定になって消弧してしまう。アーク炉６のアークが消弧すると、アークを再点弧させる作業が必要となり、アーク炉６の操業効率を低下させる要因となる。
【０００５】
このため、通常運転時にアーク炉６のアーク電流Ｉｄが小さくなった場合は、電源装置の出力電圧Ｖｄｃを上げてアーク電流Ｉｄを増加し、アーク炉６のアークを維持させる。しかしながら、系統電圧１の瞬時停止が発生した場合は、電源装置の出力電圧Ｖｄｃを上げることができない。
【０００６】
図５は、従来のアーク炉用電源装置による系統電圧低下時のアーク電流の時間変化を説明する図である。図３に示した従来のアーク炉用電源装置では、図５に示すように、系統電圧１が低下するとアーク炉６のアーク電流Ｉｄが急激に低下する。
【０００７】
また、図３に示した従来のアーク炉用電源装置では、交流の系統電圧１をサイリスタ整流器３により整流して直流化しているが、サイリスタ整流器３の整流制御にも系統電圧１の位相が用いられている。従って、系統電圧１の瞬時停止が発生すると、サイリスタ整流器３は正常な整流動作が行えなくなり、装置の停止を余儀なくされていた。
【０００８】
なお、電源が回復した時にアークの再点弧を容易にする技術としては、例えば特開平７−２６３１３９号公報に記載のものがある。これは、蓄電池等に蓄えた電力により、アークの停止後所定期間内、制御整流素子のゲートへの制御信号の供給を維持するものであるが、アークの消弧を防止することはできない。
【０００９】
また、短時間の停電時に水銀灯等の放電灯の点灯を維持する技術が、特開平６−１６８７８８号公報に記載されている。これは、整流平滑回路とチョッパ回路を用い、整流平滑回路内の平滑コンデンサの容量を大きくし、入力電圧が無電圧になったことを検出してチョッパ回路を低電力供給状態に制御するものである。しかしながら、特開平６−１６８７８８号公報に開示された構成では、平滑コンデンサの電圧が低下してくると、チョッパ回路のスイッチングトランジスタの通流率が大きくなり、通流率が大きくなると平滑コンデンサからの放電も増加して、放電灯の点灯を維持できる期間が短くなる。
【００１０】
また、特開平６−１６８７８８号公報に記載の技術をアーク炉の電源装置に適用すると、アーク炉の電源装置では大きな容量の平滑コンデンサが必要であるのに、これをさらに通常の設計容量値より大きくしなければならない。また、アーク炉の場合は、図３に示したように、アーク電流が低下して不安定領域に入るとアークが不安定になって消弧してしまうので、安易にアーク電流を絞ることはアークを維持させるどころか消弧させる恐れがある。
【００１１】
本発明は、入力電圧の瞬時停止が発生したときに、ある程度量の出力電流を長く持続することのできる電源装置を提供することを目的とする。
【００１２】
本発明はまた、入力電圧の瞬時停止が発生したときに、アーク炉のアーク電流の急激な低下を防ぎ、アークの持続期間を長くすることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電源装置は、入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、入力電圧を充電する中間回路を有し、中間回路の電圧を自励素子でスイッチングして出力するチョッパ回路と、負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、負荷電流の指令値と負荷電流検出手段の検出値との偏差が無くなるようにチョッパ回路の自励素子を制御する制御手段と、電流指令値を発生する電流指令値発生手段とを備え、制御手段が、前記入力電圧検出手段の検出結果が所定値より高いとき、前記電流指令値発生手段の電流指令値を負荷電流の指令値とするとともに、入力電圧検出手段の検出結果が所定値以下のとき、負荷電流検出手段の検出値を負荷電流の指令値とするものである。
【００１４】
チョッパ回路は、コンデンサ等の中間回路に充電した電圧をスイッチングして裁断することにより、出力電圧を調整する電圧調整器である。このため、チョッパ回路の通常時の出力電圧は、スイッチングで裁断しない場合の最大出力電圧より小さい。これに対し、従来のサイリスタ整流器を用いた他励変換方式の電源装置では、電力を蓄える機能がなく、通常時の出力電圧は最大出力電圧にほぼ等しい。本発明では、チョッパ回路を用いることにより、入力電圧の瞬時停止が発生したときに、最大出力電圧が大きい分だけ出力電流をある程度量維持することができる。そして、制御手段は、負荷電流検出手段の検出値を負荷電流の指令値とすることにより、チョッパ回路の自励素子の通流率を制限し、チョッパ回路の運転を継続する。還流期間中は中間回路の電圧が低下しないため、出力電流の維持期間が長くなる。
【００１５】
なお、入力電圧が交流の場合には、交流の入力電圧を整流して直流電圧に変換する整流手段を備えることにより、チョッパ回路へ直流電圧を供給することができる。
【００１６】
本発明の電源装置の出力電圧をアーク炉へ供給すると、入力電圧の瞬時停止が発生したときに、アーク炉のアーク電流の急激な低下を防ぎ、アークの持続期間を長くすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。図１は、本発明の一実施の形態による電源装置の構成図である。本実施の形態は、電源装置の入力電圧として三相交流電圧を使用し、負荷としてアーク炉を接続した例を示している。電源装置は、ダイオード整流器２、直流リアクトル４、チョッパ回路１０、及び制御回路部１００を含んで構成されている。制御回路部１００は、比較器２０、電圧設定回路３０、パルス発生回路４０、電流制御回路５０、電流指令回路６０、電流検出回路７０、及びスイッチＳＷを含んで構成されている。
【００１８】
ダイオード整流器２は、三相交流の系統電圧１を整流して直流電圧に変換し、チョッパ回路１０へ供給する。チョッパ回路１０は、コンデンサ１１、自励素子１２、及び還流ダイオード１３を含んで構成され、直流電圧を調整する機能を持つ。中間回路であるコンデンサ１１は、ダイオード整流器２から供給された直流電圧を充電する。自励素子１２は、パルス発生回路４０からのパルスによりスイッチングし、中間回路から負荷であるアーク炉６へ通流する期間を調整する。自励素子１２の通流率をαとすると、出力電圧Ｖｄｃ、中間回路電圧Ｅｄｃ、アーク炉６のアーク電流Ｉｄ、及び回路抵抗５の抵抗値Ｒの間には、
Ｖｄｃ＝Ｅｄｃ×α
Ｉｄ＝Ｖｄｃ／Ｒ
の関係が成り立つ。ここで、自励素子１２のオン時の電圧降下は無視している。
【００１９】
自励素子１２がオフしている期間は、直流リアクトル４の逆起電力により、還流ダイオード１３を通して還流電流が流れる。このため、還流期間中は中間回路電圧Ｅｄｃが低下しない。
【００２０】
比較器２０は、系統電圧１を検出して、検出結果を電圧設定回路３０からの設定値と比較する。そして、比較器２０は、系統電圧１が設定電圧より高い場合はスイッチＳＷの接点を電流指令回路６０側へ接続し、設定電圧以下の場合はスイッチＳＷの接点を電流検出回路７０側へ切り替える。
【００２１】
電流指令回路６０は、アーク炉６のアーク電流Ｉｄの指令値を発生する。電流検出回路７０は、アーク炉６のアーク電流Ｉｄを検出する。通常運転時は、スイッチＳＷの接点が電流指令回路６０側へ接続され、電流制御回路５０には、電流指令回路６０の指令値と電流検出回路７０の検出値との偏差が入力される。電流制御回路５０は、入力の偏差が無くなるように、パルス発生回路４０を介してチョッパ回路１０の自励素子１２を制御する。
【００２２】
系統電圧１が低下した場合、系統電圧１が電圧設定回路３０の設定値に到達するまでは、スイッチＳＷの接点が電流指令回路６０側へ接続されている。中間回路電圧Ｅｄｃは、系統電圧１の低下と共に低下する。電流制御回路５０は、チョッパ回路１０の自励素子１２の通流率αを大きくして、アーク電流Ｉｄを一定に保つ。通流率αが大きくなるため、中間回路電圧Ｅｄｃが低下する。
【００２３】
系統電圧１が低下して電圧設定回路３０の設定値に到達した時、比較器２０はスイッチＳＷの接点を電流指令回路６０側から電流検出回路７０側へ切り替える。これにより、電流制御回路５０は、電流検出回路７０の検出値をアーク電流Ｉｄの指令値とし、入力の偏差が無くなるためチョッパ回路１０の自励素子１２の通流率αを一定に保つ。通流率αは、この時の中間回路電圧Ｅｄｃと出力電圧Ｖｄｃの比率（α＝Ｖｄｃ／Ｅｄｃ）となる。
【００２４】
系統電圧１が低下して電圧設定回路３０の設定値に到達した後、チョッパ回路１０は、中間回路電圧Ｅｄｃと出力電圧Ｖｄｃの比率を保持し、運転を継続する。還流期間中は中間回路電圧Ｅｄｃが低下しないため、アーク電流Ｉｄを維持する期間が長くなる。
【００２５】
図２は、本発明の電源装置による系統電圧低下時のアーク炉のアーク電流の時間変化を説明する図である。従来のアーク炉用電源装置では、図５に示すように系統電圧１が低下するとアーク電流Ｉｄが急激に低下していたのに対し、本発明では、図２に示すように系統電圧１が低下してもアーク電流Ｉｄは緩やかに低下し、ある程度量のアーク電流を長く維持することができる。
【００２６】
以上説明した実施の形態によれば、ダイオード整流器２を用いて系統電圧１の整流を行い、チョッパ回路１０が自励素子１２を用いてスイッチングを行うことにより、整流やスイッチングの制御に系統電圧１の位相を利用する必要がない。従って、系統電圧１に瞬時停止が発生したとき、従来のように装置の運転が停止することはない。なお、本発明の整流手段はダイオード整流器２に限らず、交流電圧を直流電圧に変換できるものであればよい。また、直流電圧が直接入力される場合は、整流手段は必要ない。
【００２７】
本発明の電源装置は、アーク炉に限らず、電源の瞬時停止が大きな問題となる様々な装置へ電源を供給する際に利用することができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の電源装置によれば、チョッパ回路を用い、入力電圧が低下したときに制御手段が負荷電流の検出値を負荷電流の指令値とすることによって、ある程度量の出力電流を長く持続することができる。
【００２９】
本発明の電源装置でアーク炉へ電流を供給すると、入力電圧の瞬時停止が発生したときに、アーク炉のアーク電流の急激な低下を防ぎ、アークの持続期間を長くすることができる。従って、アーク炉のアーク停止事故の発生頻度を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態による電源装置の構成図である。
【図２】  本発明の電源装置による系統電圧低下時のアーク炉のアーク電流の時間変化を説明する図である。
【図３】  従来のアーク炉用電源装置の概略構成を示す図である。
【図４】  アーク炉のアーク電流特性を示す図である。
【図５】    従来のアーク炉用電源装置による系統電圧低下時のアーク電流の時間変化を説明する図である。
【符号の説明】
１…系統電圧、２…ダイオード整流器、４…直流リアクトル、５…回路抵抗、６…アーク炉、１０…チョッパ回路、１１…コンデンサ、１２…自励素子、１３…還流ダイオード、２０…比較器、３０…電圧設定回路、４０…パルス発生回路、５０…電流制御回路、６０…電流指令回路、７０…電流検出回路、１００…制御回路部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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