JP2006129571A - 電力変換装置の初期充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】充電回路の充電用スイッチなどの機器として低電圧定格の小形で安価な機器を使用することのできる電力変換装置の初期充電装置を提供することを課題とする。
【解決手段】電力変換器６の入力を主電源変圧器５を介して高電圧交流電源１に接続してなる電力変換装置において、高電圧交流電源１と主電源変圧器５の１次側との間に、電力変換器６を運転するときに投入される電源スイッチ２を挿入し、この電源スイッチ２と主電源変圧器５の直列回路に並列に、充電用変圧器７１と充電用スイッチ７２および限流抵抗７３とを直列接続して構成した充電回路７０を接続する。
【選択図】図１

Description

この発明は、交流電力を直流電力に変換するコンバータとこのコンバータから出力される直流電圧を平滑する平滑コンデンサとこの平滑コンデンサから供給される直流電力を交流電力に変換するインバータとで構成した電力変換器を備えた電力変換装置、特に高電圧の交流電源のもとで運転するために、電力変換器の入力側に交流電源の電圧を適正な電圧に変成する主電源変圧器を備えた電力変換装置の初期充電装置に関する。

コンバータにより整流された電圧を平滑コンデンサにより平滑した直流電力をインバータにより交流電力に変換して負荷を駆動するようにした電力変換装置を、数ｋＶ以上の高電圧の交流電源のもとで運転する場合は、通常、電力変換器の定格電圧は通常数ｋＶ以下と低いため、電力変換器の入力側に主電源変圧器を設け、この変圧器によりこの電源電圧を電力変換器の定格電圧まで降圧して電圧を電力変換器に加えるようにしている。

このような主電源変圧器を有する電力変換装置においては、運転を開始するために電源スイッチを投入したとき、主電源変圧器の初期励磁および電力変換器内の平滑コンデンサの初期充電のために過大な突入電流が流れ、構成機器を損傷する危険がある。

このような危険を回避するため、特許文献１に示すような初期充電装置が提案されている。図２はこの特許文献１に示された従来装置の構成を示す回路図である。

この図２において、１は高電圧の交流電源、２は電源スイッチ、１１は限流抵抗、５は主電源変圧器、６は、コンバータ６１、平滑コンデンサ６２およびインバータ６３により構成された電力変換器である。主電源変圧器５は、高電圧交流電源１の電圧をこの電圧より低い電力変換器６の定格電圧に変成して電力変換器６に与える。電力変換器６を運転する時に投入される電源スイッチ２と主電源変圧器５との間に限流抵抗１１とこれに並列に接続された短絡用スイッチ１２とにより構成された初期充電回路１０が挿入される。

このような構成においては、電力変換器６を運転するために短絡用スイッチ１２を開いた状態で電源スイッチ２を投入すると、高電圧交流電源１から主電源変圧器５および電力変換器６に電流が供給されるが、この電流は、主電源変圧器５および電力変換器６の平滑コンデンサ６２が初期状態であっても限流抵抗１１によって制限されるため、過大な突入電流とはならない。平滑コンデンサ６２の電圧が所定電圧まで充電され充電が終ったところで、短絡スイッチ１２を投入して通常運転に入る。

このような構成によれば、充電回路１０を構成する限流抵抗１１および短絡スイッチ１２の各機器が、高電圧の交流電源側に置かれるため、これらの機器は、絶縁の強化された高電圧規格のものを使用しなければならず、装置の大形化、価格アップの要因となる。また、短絡スイッチ１２には電力変換器６の主回路電流が継続して流れるため、電流容量の大きな連続定格のものを使用しなければならないので、これも大形化および価格の上昇を助長する。
特開２００２−３５４８３０号公報

この発明は、このような従来装置における不都合を解消して、限流抵抗などの充電回路を構成する機器として低電圧規格の小形で価格の安価な機器を使用することのできる電力変換装置の初期充電装置を提供することを課題とするものである。

この課題を解決するため、この発明は、交流電力を直流電力に変換するコンバータとこのコンバータから出力される直流電圧を平滑する平滑コンデンサとこの平滑コンデンサから供給される直流電力を交流電力に変換するインバータとにより構成された電力変換器を主電源変圧器を介して高電圧交流電源に接続してなる電力変換装置において、前記高電圧交流電源と前記主電源変圧器との間に前記電力変換器を運転するときに投入される電源スイッチを挿入し、この電源スイッチと前記主電源変圧器との直列回路に並列に充電用変圧器と充電用スイッチおよび限流抵抗とを直列接続して構成した充電回路を接続したことを特徴とするものである。

そして、この発明においては、充電用変圧器の２次出力電圧を、電源の規定電圧で決まる平滑コンデンサの規定充電電圧よりも高い電圧に設定するのがよい。

この発明においては、前記のように構成するので、高電圧交流電源から主電源変圧器をバイパスしてその２次側に充電スイッチをおよび限流抵抗を接続した充電用変圧器を介して主電源変圧器の２次側に充電電圧を加えるようにしているので、この電圧により電力変換器の平滑コンデンサの初期充電電流および主電源変圧器の初期励磁電流を同時に供給することができるとともに、その大きさを限流抵抗により制限し、初期充電に伴う突入電流を抑制することができる。そして充電電流が高電圧交流電源から供給されるにもかかわらず充電回路を構成する充電用スイッチおよび限流抵抗は充電用変圧器の低電圧の２次側に挿入されるため、低電圧規格のものを使用することができ、装置を小形でかつ安価に構成することができる。

以下に図に示すこの発明の実施例について説明する。

図１は、この発明による電力変換装置の初期充電装置の回路構成図である。

図１において、１は高電圧交流電源であり、高電圧の商用電源または高電圧の交流発電機をディーゼルエンジン等の原動機で駆動するようにした原動機駆動発電装置等で構成される。高電圧交流電源１の出力には電力変換器６を運転するときに投入される電源スイッチ２と高電圧の交流電源電圧を電力変換器６の低電圧の定格電圧に変成する主電源変圧器５を介して電力変換器６が接続される。電力変換器６は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ６１、このコンバータ６１から出力される直流電圧を平滑する平滑コンデンサ６２およびこの平滑コンデンサ６２から供給される直流電力を交流電力に変換して図示しない交流負荷に供給するインバータ６３から構成される。

７１は充電用変圧器であり、これの２次側に充電スイッチ７２と限流抵抗７３の直列回路を接続して充電回路７０を構成する。この充電回路７０は、電源スイッチ２と主電源変圧器５との直列回路に並列に接続される。充電用変圧器７1は、高電圧交流電源１の電圧を電力変換器６の定格の入力電圧に降圧して主電源変圧器５の２次側の電力変換器６の入力へ加える。

次にこのように構成された電力変換装置の初期充電装置の動作を説明する。

電力変換器６を運転するために電源スイッチ２を投入するのに先立って、充電用スイッチ７２を投入する。これにより高電圧交流電源１から主電源変圧器５をバイパスして充電用変圧器７１を含む充電回路７０を介して主電源変圧器５の２次側より電力変換器６の入力側に充電電圧が加えられる。この電圧により、主電源変圧器５が２次側から初期励磁されるとともに、電力変換器６のコンバータ６１を介して平滑コンデンサ６２に充電電流が供給される。このとき充電回路７０に流れる電流は、限流抵抗７３によって制限されているので、主電源変圧器５および平滑コンデンサ６２に突入する電流が抑制され、過大となることはない。平滑コンデンサ６２の電圧が所定の電圧になって充電が完了したところで、電源スイッチ２を投入した後、充電用スイッチ７２を遮断して通常の運転を開始する。

このように、この装置においては、電力変換器６の運転開始のために電源スイッチ２を投入する以前に、充電回路７０を介して高電圧交流電源１により電力変換器６の平滑コンデンサ６２だけでなく、主電源変圧器５が２次側から初期励磁されているため、主電源変圧器５の１次電圧は高電圧交流電源１の電圧と同位相でほぼ同じ電圧となっているので、電源スイッチ２を投入したときの主電源変圧器５の初期励磁突入電流を抑制することができ、円滑に起動できる。

この初期充電装置における充電用変圧器７１は、平滑コンデンサ６２の充電容量があればよいので、主電源変圧器５に比べて充分小さな容量となる。また充電用スイッチ７２および限流抵抗７３は主電源変圧器５の２次側の電圧と同じ電圧が加わるので、耐電圧の低い、低電圧仕様の構成でよいことになる。したがって、充電回路７０は容量の小さい充電用変圧器７１と耐電圧の低い低電圧定格の充電用スイッチ７２および限流抵抗７３を使用することができるので、装置が小形でかつ価格の安価なものとなる。

なお、上述の充電回路７０による平滑コンデンサ６２への初期充電においては、充電電流が限流抵抗７３の抵抗値および平滑コンデンサ６２の容量に基づいてほぼ決まる時定数でもって時間的に減少していくとともに平滑コンデンサ６２の充電電圧が最終充電電圧値に向って飽和するようにして時間的に上昇していく。このため、実際には初期充電時間を極力短くすることが求められることから、初期充電の終了制御としては、平滑コンデンサ６２の充電電圧が最終充電電圧値よりは小さい所定の電圧に達したことを例えば電圧センサまたはタイマなどにより検知した時点で電源スイッチ２を投入した後、充電用スイッチ７２を遮断して初期充電を終了させることになる。

一方、高電圧交流電源１の電圧が所定の電圧に規定されている場合、電源スイッチ２を投入したときに、平滑コンデンサ６２の充電電圧が高電圧交流電源１の規定電圧に対応する規定充電電圧よりも低い電圧であれば、高電圧交流電源１から主電源変圧器５に向って電力変換器６内の低い充電電圧の平滑コンデンサ６２を再充電するため再び突入電流が流れ込むことになる。そして、このような再突入電流が電力変換装置の運転立上げ毎に発生することによって、平滑コンデンサ６２に流れる再突入電流により平滑コンデンサ６２の性能劣化がより促進されたり、主電源変圧器５の巻線に流れる再突入電流によって発生する電磁力による電磁機械的な衝撃に起因して主電源変圧器５の性能劣化がより促進されたりするという問題があるので、再突入電流の大きさを極力抑制するか、再突入電流が発生しないようにすることが望ましい。

このような再突入電流を抑制するために、この発明においては、次のような再突入電流抑制方式を適用することができる。
［再突入電流抑制方式１］
再突入電流を抑制するための第１の方式は、前記図1に示す実施例の装置において、高電圧交流電源１の電圧が所定の電圧に規定されている場合、電源スイッチ２を投入するときに、平滑コンデンサ６２の充電電圧が高電圧交流電源１の規定電圧に対応する規定充電電圧になるようにしておく。そして、より具体的には、充電回路７０による平滑コンデンサ６２への初期充電における最終充電電圧値が上記の規定充電電圧に対して高い電圧、例えば約５〜１０％程度高い電圧となるように充電用変圧器７１の２次出力電圧を設定しておき、初期充電の終了制御としては、平滑コンデンサ６２の充電電圧が規定充電電圧とほぼ同じ電圧（規定充電電圧に対する差が＋−１％程度）に達した時点で電源スイッチ２を投入した後に充電用スイッチ７２を遮断して初期充電を終了させるようにする。

これにより、電源スイッチ２を投入したときには、平滑コンデンサ６２の実際の充電電圧が規定充電電圧とほぼ同じになり、その差異が１％程度以内と極めて小さいので、高電圧交流電源１側から電力変換器６に向って平滑コンデンサ６２を再充電するために突入電流が流れ込んでもその大きさは極めて小さくなり、平滑コンデンサ６２や主電源変圧器５などの性能劣化の促進を防止することができる。

また、充電用変圧器の２次出力電圧を平滑コンデンサの規定充電電圧より例えば５〜１０％高い電圧に設定することにより、平滑コンデンサの所定電圧までの充電時間を短縮することができるため、電力変換装置の運転のための立上げを速くすることができる。
［再突入電流抑制方式２］
再突入電流を抑制するための第２の方式は、図１に示す実施例の装置において、高電圧交流電源１の電圧が所定の電圧に規定される場合、電源スイッチ２を投入するときに、平滑コンデンサ６２の充電電圧が高電圧交流電源１の規定電圧に対応する規定充電電圧よりも例えば約５〜１０％程度高い電圧になるようにする。具体的には、充電回路７０による平滑コンデンサ６２への初期充電における最終充電電圧値が上記の規定充電電圧に対して例えば約１０〜１５％程度高い電圧、すなわち前記再突入電流抑制方式１における最終充電電圧値よりさらに高い電圧となるように充電用変圧器７１の２次電圧を選択しておき、初期充電の終了制御としては、平滑コンデンサ６２の充電電圧が規定充電電圧よりも例えば約５〜１０％程度高い電圧レベルに達した時点で電源スイッチ２を投入した後に、充電用スイッチ７２を遮断して初期充電を終了させるようにする。

これにより、電源スイッチ２を投入したときに、平滑コンデンサ６２の実際の充電電圧は規定充電電圧よりも５〜１０％程度高いので、高電圧交流電源１側から電力変換器６に向って平滑コンデンサ６２を再充電するための突入電流が流れ込むことはなく、平滑コンデンサ６２や主電源変圧器５などの性能劣化が促進されることを前記再突入電流抑制方式１に比べてより充分に防止することができる。

なお、本方式では、電源スイッチ２を投入したときに、主電源変圧器５の２次側，すなわち電力変換器６の入力側の電圧が規定電圧よりも高い電圧となっているので、「充電用変圧器７１→充電用スイッチ７２→限流抵抗７３→主電源変圧器５→電源スイッチ２→充電用変圧器７１」および「充電用変圧器７１→充電用スイッチ７２→限流抵抗７３→主電源変圧器５→電源スイッチ２→高電圧交流電源１→充電用変圧器７１」という２つの回路を循環電流が流れるが、いずれの回路の循環電流も限流抵抗７３によって抑制されるので、過大な突入電流が流れることはない。また、いずれの回路の循環電流も、初期充電の終了制御中に電源スイッチ２および充電用スイッチ７２の両方が閉じている、約０．５秒以下程度の短いラップ期間中のみ流れるものであるため、高電圧交流電源１、主電源変圧器５、および充電用変圧器７１に影響を及ぼすことはなく、また、循環電流が流れることによる限流抵抗７３の負担も無視することができる。

なお、上述の再突入電流抑制方式１、２のうち、特に再突入電流抑制方式２では、平滑コンデンサ６２を高電圧交流電源１の規定電圧に相応する規定充電電圧よりも例えば約５〜１０％程度高い電圧まで初期充電することになるため、平滑コンデンサ６２など電力変換器６の構成部品としては、少なくとも上記のような高くなった電圧に対応することのできる電圧定格の部品を用いることが必要である。

この発明の実施例を示す回路構成図である。 従来装置を示す回路構成図である

符号の説明

１：高電圧交流電源
２：電源スイッチ
５：主電源変圧器
６：電力変換器
６２：平滑コンデンサ
７０：充電回路
７１：充電用変圧器
７２：充電用スイッチ
７３：限流抵抗

Claims (2)

1. 交流電力を直流電力に変換するコンバータとこのコンバータから出力される直流電圧を平滑する平滑コンデンサとこの平滑コンデンサから供給される直流電力を交流電力に変換するインバータとにより構成された電力変換器を主電源変圧器を介して高電圧交流電源に接続してなる電力変換装置において、前記高電圧交流電源と前記主電源変圧器との間に前記電力変換器を運転するときに投入される電源スイッチを挿入し、この電源スイッチと前記主電源変圧器との直列回路に並列に充電用変圧器と充電用スイッチおよび限流抵抗とを直列接続して構成した充電回路を接続したことを特徴とする電力変換装置の初期充電装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置の初期充電装置において、充電用変圧器の２次出力電圧を電源の規定電圧で決まる平滑コンデンサの規定充電電圧よりも高い電圧に設定したことを特徴とする電力変換装置の初期充電装置。
   
   

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