短絡電流を抑制できる電解加工用低電圧三相 PWM

短絡電流を抑制できる電解加工用
低電圧三相 PWM 整流器の検討
学生員
赤津龍太郎＊正員
中田篤史＊非会員
後藤昭弘＊上級会員
鳥井昭宏＊＊
正員
元谷卓＊＊
A Study on Low Voltage Three-phase PWM Rectifier Preventing a Short-circuit Current
for Electrochemical Machining
Ryutaro Akatsu*, Atsushi Nakata*, Akihiro Goto*, Akihiro Torii**, Suguru Mototani**
キーワード：短絡電流，電解加工
Keywords：short-circuit current, electrochemical machining
1.
す。Fig.1 の回路では，絶縁アンプを用いてコンデンサ電圧
まえがき
VC と出力電圧 VO を共に検出し，VL (Ldi/dt+ir)を差電圧によ
電解加工は，電極を N 側，加工対象物（ワーク）を P 側
って求めている。また，短絡時の過電流を検出するために，
としてその隙間に塩水など電解液を流しながら直流電圧を
N 側で出力電流 IO を，コンデンサ電流 IC をホール CT で検
かけて直流電流を流し，金属を加工する手法である。金属
出する。電解加工中の電圧・電流から等価的に求めた負荷
の加工時間は直流電流の大きさに比例するため，加工時間
を RO と定義する。
短縮には大電流を流す必要がある。また，高精度の加工を
Fig.2 に制御ブロック線図を示す。負荷側電圧 VO を電圧一
行うためには電極とワーク間の距離をできるだけ狭くする
定制御するため，ここでは AVR (Automatic Voltage Regulator)
必要があり，直流電圧が高いと放電による短絡が生じるた
と呼ぶこととする。また，負荷が変動すると LC 共振による
め，経験的に 40V 以下の直流電圧が用いられている。従っ
振動が発生するため，C に流れる電流を打ち消す制御によっ
て，電解加工用の直流電源には，低電圧・大電流が必要で
て振動を抑制する制御を行っている。さらに負荷が変動す
ある。40V 以下の低電圧であっても電極とワークとの間が
ると Ldi/dt によって出力電圧 VO が大きく変動するため，VL*
狭いため，1 回の加工工程で数回短絡することも珍しくない
を差電圧から推定して指令値に加算する制御を行っている。
(1)
。短絡が発生すると電極とワークの両方が損傷するため，
これらと相電圧の積を交流側線電流の指令値とし，電流フ
加工を中断し，破損した電極の交換及び加工途中のワーク
ィードバック制御を行う。これをここでは ACR(Automatic
を破棄して初めから再加工する必要がある。短絡時，直流
Current Regulator)と呼ぶこととする。ワークと電極の間で接
電源の電解コンデンサから瞬間的に大電流が流れることに
触や放電による短絡が生じたことを検出した場合，SW1 を
より，損傷が大きくなる。
オフさせて保護を行う。直流電流遮断用半導体 SW1 には
電鉄では，変電所の直流電源直下での短絡事故に備える
1200V の IGBT を使用することを考え，遮断時の直流リアク
ため，直流コンデンサとき電の間に直流リアクトルが挿入
トルのエネルギーを吸収できる CR スナバ(Cs,Rs)を使用す
され，短絡電流を抑制できるようになっている(2)。短絡電流
ることとする。本論文ではシミュレーションにて検討を行
抑制のために直流リアクトルを挿入すると，負荷急変時リ
う。回路定数を Table 1 に示す。
アクトルによる電圧降下や LC 共振による電圧振動が生じ
るため，新たにこれらを抑制する対策が必要であると，文
献[2]で述べられている。本論文では電鉄等で用いられてい
る技術を応用して電解加工用の短絡電流を抑制でき，電圧
振動と電圧降下を対策した低電圧出力用三相 PWM 整流器
について検討を行い，短絡時に半導体スイッチ(SW)を用い
て直流電流を遮断する方法を検討する。
2.
Fig.1. PWM rectifier main circuit.
回路構成
Fig.1 に回路構成を示す。Fig.1 の回路定数を Table 1 に示
Fig.2. Configuration of control.
＊
静岡理工科大学
〒437-8555 袋井市豊沢 2200-2
Shizuoka Institute of Science and Technology.,
2200-2, Toyosawa, Fukuroi 437-8555
＊＊
愛知工業大学
〒470-0392 豊田市八草町八千草 1247
Aichi Institute of Technology.,
1247 Yachigusa, Yakusa-Cho, Toyota 470-0392
Table 1. Circuit parameters.
3.
シミュレーション結果
とを検討した。直流リアクトルがあるため，負荷変動時に
は振動が生じる問題があることを示した。シミュレーショ
ワークと電極間の距離を定め，出力電圧 VO を 40V にして
電解液を流した時のモデルを検討する。50%負荷から 100%
ンで検討した結果，VL 補償と振動抑制制御を行うことで出
力電圧を負荷変動時でも短時間で一定電圧に制御すること
負荷にステップ的に変化したとき（RO：0.2Ω→0.1Ω）を検
が可能で，短絡時にも保護できることが確認できた。しか
討した。Fig.3(a)に負荷電流波形 IO，Fig.3(b)にコンデンサ電
圧波形 VC，Fig.3(c)に出力電圧波形 VO を示す。Fig.3(a)に示
し，かなり大型の直流リアクトルとスナバ C が必要になる
ことも明らかになった。今後はリアクトルとコンデンサの
すように，電流が変化すると直流リアクトルの Ldi/dt と巻線
小型化についての検討と実機による検証を行う予定であ
抵抗 r による電圧降下が生じ，Fig.3(c)に示すように出力電
る。
圧 VO は VL による電圧降下のため出力が急激に低下する。
本研究の一部は，総合科学技術・イノベーション会議の
Fig.2 の差電圧補償制御が行われているため，Fig.3(b)に示す
SIP「革新的設計生産技術」
（管理法人：NEDO）によって実
ようにコンデンサ電圧波形は，直ちに電圧降下分を補償し
施されました。ここに記して深く感謝いたします。
た波形となっている。しかし，LC 共振によって約 18.4ms
周期(54Hz) の振動が生じている。コンデンサ電流の逆位相
の電圧を発生させ，振動抑制制御を行った結果，出力電圧
VO は約 100ms 程度で定常状態になっていることがわかる。
(a) Output current waveform.
よって，短絡電流抑制のために直流リアクトルを挿入した
結果，電圧振動と電圧降下が発生するが，制御で対策でき
ることを示すことができた。
次に，ワークと電極間が狭すぎたため，電解液を流す前
(b) Capacitor voltage waveform.
に放電による短絡が生じたと仮定した場合の半導体 SW に
よる直流遮断について検討する。実機では出力電圧 VO(40V)
の下限を設けて，出力電圧低下異常で短絡を検出する予定
である。電圧で検出して早期に遮断すれば，電流が小さい
(c) Output voltage waveform.
ため遮断が容易(スナバ CR 値を小さくできる)となるからで
Fig.3. DC current and voltage waveforms in the case of load-changing.
ある。しかし，直流リアクトル挿入によって短絡電流を抑
制できること，短絡を出力電圧 VO で検出できること，500A
で過電流保護して直流電流を SW1 で遮断したときに必要な
スナバコンデンサ CS と抵抗 RS を検討することをまとめて示
すために，負荷 RO を∞Ω→1mΩに変化させ，負荷側短絡を
模擬した。ホール CT は 3µs の 1 次遅れを用いて検出遅れを
(a) Output current waveform.
模擬し，過電流は 500A を越えた場合で SW1 を OFF するま
での時間を検討する。Fig.4(a)に短絡時の負荷電流波形 IO，
Fig.4(b)に出力電圧波形 VO，Fig.4(c)に SW 電圧 VSW を示す。
500A を越えたとき SW1 を OFF するが，Fig.4(a)に示すよう
に電流検出時の遅れの影響により，実際は 528A で保護がか
かる。また，t=Li/V から原理的には 2.5ms で 500A に達する
(b) Output voltage waveform.
が，制御追従性によるコンデンサ電圧 VC の電圧降下，過電
流検出時の遅れ等で実際には 3.13ms 程度の時間を要するこ
とがわかった。ここでは無負荷から短絡で検討したが，通
常の負荷から過負荷となって 500A で SW1 を遮断する場合
でも同値の直流リアクトルに蓄えられたエネルギーによる
サージ電圧が発生する。かなり大きな CR スナバ(RS は 1Ω，
(c) SW voltage waveform.
Cs は 3300µF)を用いても遮断時には 526V 程度のピーク電圧
Fig.4. DC current and voltage waveforms in the case of load-short.
が生じることも明らかになった。
4.
文
まとめ
(1)
電解加工用の短絡電流を抑制できる低電圧出力用三相
PWM 整流器について検討を行い，直流リアクトルを用いて
電流制限を行い，半導体 SW で直流短絡電流を遮断するこ
(2)
献
荒井，葉石，高鷲：
「電解加工の研究-短絡検出と電流遮断」，電気加
工学会誌, Vol.8, No.15, pp.29-43, (1974-1975)
長谷，小西，奥井：
「電気車負荷の特性を考慮した直流変電所用 PWM
コンバータの電圧制御方式」，日本機械学会交通・物流部門大会講演
論文集，Vol.12, pp.91-94, (2003)

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