サイリスタ開閉コンデンサ方式(TSC)

 

 

　サイリスタ開閉コンデンサ方式（Thyristor Switched Capacitors）とは，サイリスタのスイッチングにより系統に接続するか否かを動的に切り替えられる電力用コンデンサのことであり，その回路構成は下記の図1のように説明できる．

 

図1.サイリスタ開閉コンデンサ方式（TSC）の回路構成

 

 

　図1を簡単に言ってしまえば，スイッチ付きのコンデンサである．ただし，単純にスイッチでコンデンサを系統に繋げると，スイッチの瞬間に莫大な突入電流が流れてしまうので，それを抑制するために図1の真ん中に示すように直流リアクトルが挿入される．また，実際のスイッチはTCRのときと同様，逆方向のサイリスタ２つの並列で達成される．

　それでは実際どのようなタイミングでコンデンサの開閉がなされているのか，流れる電流も追いながら説明していこう．

 

図2.TSCにかかる電圧と流れる電流

 

 

　図2は，TSCに流れる電流波形を示している．①のサイリスタは正の電流を流し，②のサイリスタは負の電流を流す．この例では②のサイリスタを点弧してからいずれのサイリスタの点弧も止めているので，いずれのサイリスタもターンオフしたままとなる．これはコンデンサが系統から切り離された状態と言える．

　それでは，TCRの無効電流を調整したときのように，TSCにおいても点弧角（サイリスタをONするタイミング）を連続的に調整することで無効電流の量を連続的に制御することはできるだろうか？答えはNoである．コンデンサを系統に接続するかしないか，２択しかないのである．どういうことか，次の図3で詳細を追ってみよう．

 

図3.TSCの点弧のタイミングと電流

 

 

　図3に示すように，①のサイリスタが消弧した瞬間にすかさず②のサイリスタを点弧している．逆に②のサイリスタが消弧すれば，そのタイミングで①のサイリスタを点弧する．それらのタイミングにおける電流量は電流の向きが変わる瞬間なので当然\(0\)である．これをもし①のサイリスタの消弧と②のサイリスタの点弧のタイミングを変えて両方ターンオフしている時間を作ったらどうだろうか？結論を言ってしまえば，次の点弧の際に莫大な突入電流が発生してしまう．点弧の瞬間におけるコンデンサの電圧と系統の電圧が異なるためである．このようなことから，必ず一方の消弧と他方の点弧は同じ瞬間となるため，TSCがオンしているときは図3に示すように無効電流が常時流れている状態（単純に電力用コンデンサが常時接続されている状態）となる．また，点弧をやめると，単純に電流が一切流れない．このように，TSCにおいてはキャパシタは連続的な調整はできず，1か0かである．

　ここで，上記の図3からわかる重要なポイントとして，サイリスタに要求される耐圧が系統電圧よりもかなり高いという点である．どういうことか，次の図4で示そう．

 

図4.TCRの無効電力制御（無効電力消費を抑えた場合）

 

 

　この図4は，サイリスタが最後に消弧（ターンオフ）してから，\(\frac{1}{4}\)周期後にサイリスタにかかる電圧\(V_{SW}\)が系統電圧をはるかに超える値になることを示している．

　どういうことかというと，サイリスタが消弧するときは電流量\(I=0\)のときなので電圧はピークのときであり，コンデンサにかかる電圧\(V_{C}\)も消弧の瞬間にピークを迎え，その後系統から切り離されるのでその電圧を保持する．一方でサイリスタの系統側は交流電圧が依然として与えられているので反対の極性へと変化していく．するとサイリスタにかかる電圧\(V_{SW}\)は交流の波高値の２倍以上に達してまた\(0V\)付近に戻りということを繰り返すようになる．このようにサイリスタを消弧した後のサイリスタの耐圧はかなりシビアになるということを覚えておく必要がある．

　それでは，次にTSCが実際の系統にどのように接続されるのか紹介する．接続方法の一例を次の図5に示す．

 

図5.TSCの接続例

 

 

　図5の左側は，TSCが変圧器を介して系統に接続されている簡略図であり，右側はその一例（\(Y\)-\(\Delta\)結線の変圧器の\(\Delta\)巻線側に\(\Delta\)結線のTSCを接続）を表している．TCRのときと違って，TSCの場合は電流の直流成分が\(0\)なので\(\Delta\)結線だけでなく，次の図6に示すように\(Y\)結線も考えられる．

 

図6.\(Y\)結線（左）と\(\Delta\)結線（右）

 

 

　この図6の左側は\(Y\)結線の一例である．この場合では電源側から直流リアクトル→電力用コンデンサ→サイリスタ→GNDの順になっている．勿論サイリスタと電力用コンデンサの位置を変えてもよい．それはおのおのの絶縁耐力などに依存して選べばよい．

 

　いままでの話をまとめよう．TSCというのは，スイッチ付きの電力用コンデンサであった．ただTCRと違い，スイッチの点弧角を調整することによる無効電流の連続的な調整はできず，コンデンサをつなげる/繋げないの２択しかない．よってキャパシタンスは段階的な値しか取れない（接続するコンデンサの数を切り替える）．そこで一般的には次の記事に述べるように，TCRと組み合わせることによって連続的な無効電力調整を達成する手法がとられるので，次にその方式について説明していこう．

 

 

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