JP2006129573A - 電力変換装置の初期充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】充電回路の充電スイッチなどの機器として低電圧規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】低電圧の交流電源を充電用電源とし、この充電用電源から充電スイッチＳＷ２と充電抵抗Ｒとを介して充電電流を供給する充電回路１０とこの充電回路１０の電圧を高電圧交流電源１の電圧まで昇圧する充電用昇圧変圧器Ｔ２とにより電力変換装置３のコンバータ３１を介して平滑コンデンサ３２の初期充電を行う。
【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大容量の電力変換装置、特に高電圧の商用電源または原動機駆動発電機を電源とする高電圧交流電源のもとで電源変圧器なしで運転するようにした電力変換装置における電源投入時の前記平滑コンデンサの充電突入電流を抑制するための初期充電装置に関する。

近年、大容量の電力変換装置は、高電圧化され、交流電源から交流の数ｋＶの高電圧が、電源変圧器を介さずに直接加えられるようになってきた。

このような電力変換装置を起動して交流電源電圧を印加する際、平滑コンデンサを初期充電するために過大な突入電流が流れ、構成機器を損傷する恐れがある。このような平滑コンデンサの初期充電時の過大な突入電流を抑制する手段として従来から種々の初期充電装置が用いられている。

図３は、電力変換装置における初期充電装置の１つの従来例を示すものである。

この図３において、数ｋＶの高電圧交流電源１に電源スイッチＣＢ１を介して電力変換装置３が接続される。この電力変換装置３は交流電力を直流電力に変換するコンバータ３１、このコンバータの直流出力電圧を平滑する平滑コンデンサ３２および平滑コンデンサ３２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３３を備える。この電力変換装置３により交流電動機等の負荷４が駆動される。電源スイッチＣＢ１と電力変換装置３との間に、平滑コンデンサ３２の初期充電時の突入電流を抑制するために、充電スイッチＳＷ２と充電抵抗Ｒの直列回路とこの直列回路を短絡する短絡スイッチＳＷ３とからなる充電回路３０が設けられている。

このような構成においては、電力変換装置３の運転を開始するに当たって、電源スイッチＣＢ１を投入し、引き続き充電スイッチＳＷ２を投入する。これにより電力変換装置３に充電抵抗Ｒを介して高電圧交流電源１の電圧が加わり、コンバータ３１から平滑コンデンサ３２へ供給される直流の充電電流は充電抵抗Ｒによって制限されるので、初期充電時の突入電流が抑制される。所定の時間経過すると平滑コンデンサ３２の充電が完了するので、短絡スイッチＳＷ３を投入して充電スイッチＳＷ２と充電抵抗Ｒの直列回路を短絡し、次いで充電スイッチＳＷ２を遮断して充電抵抗Ｒを切り離し、通常運転を開始する。

このような構成によれば、充電回路３０を構成する充電スイッチＳＷ２、充電抵抗Ｒおよび短絡スイッチＳＷ３の各機器は、高電圧の交流電源電圧の加わる高電圧回路に置かれるので、絶縁の強化された耐電圧の高い高電圧規格のものを使用する必要があるので、装置が大形で価格の高いものとなる
また、短絡スイッチＳＷ３には電力変換装置３の主回路電流が継続して流れるので、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、大形で高価なものとなる不都合もある。

このような不都合を解消するため、短絡スイッチＳＷ３を省略した装置が、特許文献１により提案されている。この特許文献１に示された従来装置の構成を図４に示す。

図４における初期充電回路１０は、制御回路２０へ電力を供給する低電圧の単相交流電源１１に巻線抵抗を大きくして充電抵抗を兼用した充電用変圧器Ｔの１次側を接続し、この充電用変圧器Ｔの２次側を充電スイッチＳＷ２を介して電力変換装置３のコンバータ３１を構成する整流回路の交流側の２相に接続して構成される。主交流電源１に電源スイッチＳＷ１を介して電力変換装置３が接続され、この電力変換装置３に負荷４が接続される。

この図４の装置においては、電源スイッチＳＷ１を投入して電力変換装置３を主交流電源１に接続する前に、初期充電回路１０の充電スイッチＳＷ２を投入し、単相交流電源１１から充電用変圧器Ｔ、コンバータ３１の整流回路を介して平滑コンデンサ３２へ充電電流を供給する。このときの充電電流は、充電用変圧器Ｔの高抵抗の巻線によって制限されるため、平滑コンデンサ３２への突入電流が抑制される。平滑コンデンサ３２の充電が完了したところで、充電スイッチＳＷ２を遮断して初期充電回路１０を電力変換装置３から切り離す。

このように構成すれば、充電回路の短絡スイッチＳＷ３を省略できるが、充電用変圧器Ｔの２次電圧は平滑コンデンサ３２を所定の電圧に充電する必要があるため、主交流電源１の電圧と同じ電圧に昇圧されるので、主交流電源１が数ｋＶ以上の高電圧電源である場
合は、充電用変圧器Ｔの２次電圧も数ｋＶの高電圧となり、充電スイッチＳＷ２は、高電圧規格のものを使用することが必要となる。
特開平３−１２４２６９号公報

前記図４に示す従来装置においても、電力変換装置が数ｋＶ以上の高電圧交流電源のも
とで使用される場合は、充電スイッチが充電用変圧器の２次側に接続される関係で電力変換装置の電源電圧と同じ電圧が印加されるので、図３の従来装置と同様に高電圧規格のものを使用する必要があり、大形で価格の高いものとなる不都合は解消されないのである。

この発明は、このような不都合を解消するため、充電スイッチなどの充電回路を構成する機器に低電圧規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装置を高電圧交流電源に直接接続して運転するものにおいて、低電圧交流電源を充電用電源とし、この充電用電源から充電スイッチと充電抵抗とを介して充電電流を供給する充電回路とこの充電回路の電圧を前記高電圧交流電源の電圧まで昇圧して前記電力変換装置のコンバータの入力に加える充電用昇圧変圧器とを備えたことを特徴とするものである。

この発明においては、前記高電圧の交流電源を原動機駆動の高電圧の交流発電装置とすることができる。そして、この高電圧の交流発電装置の出力電圧を降圧して、低電圧の交流電源を形成し、この低電圧交流電源を前記の充電用電源としてもよい。

さらに、この発明においては、充電用昇圧変圧器の２次出力電圧を交流電源の規定電圧によって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、前記のように低電圧の交流電源を充電用電源とし、この充電用電源から充電スイッチ、充電抵抗および充電用昇圧変圧器を介して電力変換装置へ、平滑コンデンサの充電電流を供給するようにしているので、充電スイッチおよび充電抵抗に低電圧規格のものを使用することができる。したがって初期充電装置を小形にすることができるとともに、価格を低減にすることが可能となる。

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にこの発明を船舶の電気推進装置駆動用電力変換装置の初期充電装置に適用した実施例の構成を示す。

図１において、１は高電圧交流電源であり、高電圧の交流発電機ＧをディーゼルエンジンＤＥにより駆動して例えば電圧が６ｋＶの高電圧交流電力を発生するようにした原動機駆動発電装置から構成される。発電機Ｇの出力は電源遮断器ＣＢ１、運転スイッチＳＷ１を介して船舶の推進装置４の推進機Ｓを駆動する推進電動機Ｍを駆動する電力変換装置３へ供給される。発電機Ｇの出力は、また分岐遮断器ＣＢ２、降圧変圧器Ｔ１を介して４４０Ｖ程度の低電圧にして船内の各種動力負荷Ｌの接続された動力回線ＬＦへも供給される。

そして、この発明にしたがって、この低電圧の動力回線ＬＦから充電スイッチＳＷ２、充電抵抗Ｒおよび充電用昇圧変圧器Ｔ２を介して電力変換装置３のコンバータ３１の入力に給電される。充電用昇圧変圧器Ｔ２は、動力回線ＬＦの低い電圧を高電圧交流電源１の電圧と等しい電圧（６ｋＶ）まで昇圧する。

このような装置の運転は、次のように行われる。

高電圧交流電源１が起動され、所定の電圧（６ｋＶ）まで立ち上げられたところで、電源遮断器ＣＢ１と分岐遮断器ＣＢ２を順次投入する。これにより高電圧交流電源１から降圧変圧器Ｔ１を介して低電圧（４４０Ｖ）の電力が動力回線ＬＦへ給電される。このとき、運転スイッチＳＷ１と充電スイッチＳＷ２は両方とも開いている。

電力変換装置３の運転開始の前に平滑コンデンサ３２の初期充電を行うため、運転スイッチＳＷ１の投入に先立って、充電スイッチＳＷ２を投入する。これにより充電抵抗Ｒ、充電用昇圧変圧器Ｔ２を介して動力回線ＬＦから充電回路電力１０、電力変換装置３のコンバータ３１を通じて平滑コンデンサ３２が充電され、所定の電圧に達したところで、図示しない制御装置により自動的に充電スイッチＳＷ２を遮断し、運転スイッチＳＷ１を投入して電力変換装置３の運転を開始する。平滑コンデンサ３２を充電する際は、充電抵抗Ｒにより平滑コンデンサ３２への充電電流が制限され、突入電流が抑制され、過大となることはない。

電力変換装置３は、運転スイッチＳＷ１の投入によって、高電圧交流電源１から交流電力を得て、これをコンバータ３１により直流電力に変換し、平滑コンデンサ３２で平滑にした直流電力をインバータ３３で負荷である推進装置４の要求する周波数および電圧の交流電力に変換して推進用電動機Ｍを可変速駆動する。この推進用電動機Ｍにより推進機Ｓが可変速駆動され船舶の航行速度が制御される。

このように、この発明においては、平滑コンデンサ３２の充電回路１０の充電スイッチＳＷ２は、動力回線ＬＦのような低電圧電源側に接続されるため、低電圧仕様の小形で安価な汎用の電磁接触器のようなスイッチが使用できる。また、充電回路１０を構成する充電スイッチＳＷ２，充電用昇圧変圧器Ｔ２は、平滑コンデンサ３２の初期充電が行われる極めて短時間の間しか通電されないので、短時間定格のものを使用でき、充電回路を構成する各機器を小形で安価にすることができる。

なお、上述の充電回路１０による平滑コンデンサ３２への初期充電においては、充電電流が充電抵抗Ｒの抵抗値および平滑コンデンサ３２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３２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３２の充電電圧が最終充電電圧値よりは小さい所定の電圧レベルに達したことを例えば電圧センサによる検出信号やタイマなどにより検知した時点で充電スイッチＳＷ２の遮断および運転スイッチＳＷ１の投入を行い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、運転スイッチＳＷ１を投入したときに、平滑コンデンサ３２の充電電圧が高電圧交流電源１の規定電圧に対応して決ま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から電力変換装置３に低い充電電圧の平滑コンデンサ３２を再充電するための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３２に流れる再突入電流により平滑コンデンサ３２の性能劣化がより促進されたり、高電圧交流電源１を構成する発電機ＧおよびディーゼルエンジンＤＥの制御動作が影響を受けたりするという問題があるので、特に船舶用電気システムでは原動機駆動発電装置や電力変換装置などの小型化が要請されることから、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、図１の実施例装置において、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、運転スイッチＳＷ１を投入したときに、平滑コンデンサ３２の充電電圧が高電圧交流電源１の規定電圧に対応して決まる規定充電電圧と同じ電圧になるようにしておく。具体的には、充電回路１０による平滑コンデンサ３２への初期充電における最終充電電圧が上記の規定充電電圧に対して例えば約５〜１０％程度高い電圧となるように充電用昇圧変圧器Ｔ２の２次出力電圧を高く設定しておき、初期充電の終了制御としては、平滑コンデンサ３２の充電電圧が規定充電電圧とほぼ等しい電圧に達した時点で充電スイッチＳＷ２の遮断および運転スイッチＳＷ１の投入を行い、初期充電を終了させる。

これにより、運転スイッチＳＷ１を投入したときに、平滑コンデンサ３２の実際の充電電圧と規定充電電圧との差を１％以下の小さな値にできるので、高電圧交流電源１から電力変換装置３に平滑コンデンサ３２を再充電するために再突入電流が流れ込んでもその大きさは極めて小さく抑制されており、平滑コンデンサ３２などの性能劣化の促進が防止され、また高電圧交流電源１を構成する発電機ＧおよびディーゼルエンジンＤＥの制御動作への影響を抑制することができる。
［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の実施例装置において、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、運転スイッチＳＷ１を投入したときに、平滑コンデンサ３２の充電電圧が高電圧交流電源１の規定電圧に対応して決まる規定充電電圧よりも例えば約５〜１０％程度高い電圧となるようにしておく。具体的には、充電回路１０による平滑コンデンサ３２への初期充電における最終充電電圧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昇圧変圧器Ｔ２の２次出力電圧を高く設定しておき、初期充電の終了制御としては、平滑コンデンサ３２の充電電圧が規定充電電圧よりも例えば約５〜１０％程度高い電圧に達した時点で充電スイッチＳＷ２の遮断および運転スイッチＳＷ１の投入を行い、初期充電を終了させるようにする。

これにより、運転スイッチＳＷ１を投入したときに、平滑コンデンサ３２の実際の充電電圧は規定充電電圧よりも例えば５〜１０％程度高くなるので、高電圧交流電源１から電力変換装置３に向って平滑コンデンサ３２を再充電するための再突入電流が流れ込むことはなく、平滑コンデンサ３２などの性能劣化の促進が防止され、高電圧交流電源１を構成する発電機ＧおよびディーゼルエンジンＤＥの制御動作の影響を再突入電流抑制方式２に比べてより抑制することができる。

なお、本方式では、運転スイッチＳＷ１を投入したときに、電力変換装置３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、「充電用昇圧変圧器Ｔ２→運転スイッチＳＷ１→分岐遮断器ＣＢ２→降圧変圧器Ｔ１→充電スイッチＳＷ２→充電抵抗Ｒ→充電用昇圧変圧器Ｔ２」および「充電用昇圧変圧器Ｔ２→運転スイッチＳＷ１→電源遮断器ＣＢ１→発電機Ｇ→電源遮断器ＣＢ１→分岐遮断器ＣＢ２→降圧変圧器Ｔ１→充電スイッチＳＷ２→充電抵抗Ｒ→充電用昇圧変圧器Ｔ２」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充電抵抗Ｒによって抑制されるので、過大な循環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運転スイッチＳＷ１および充電スイッチＳＷ２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、発電機Ｇ、降圧変圧器Ｔ１および充電用昇圧変圧器Ｔ２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充電抵抗Ｒの負担も無視することができる。また、電力変換装置３は変圧器を介さないで高電圧交流電源１に直接接続して運転されるものであって、充電回路１０は平滑コンデンサ３２の初期充電のみを行なうものであるので、初期充電終了制御において充電スイッチＳＷ２を遮断した後に運転スイッチＳＷ１を投入するようにしてもよく、このようにすれば、運転スイッチＳＷ１および充電スイッチＳＷ２の両方が閉じているラップ期間がなくなるので、上記のような循環電流は流れなくなる。

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３２を高電圧交流電源１の規定電圧に相応して決ま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３２など電力変換装置３の構成部品としては、少なくとも上記のような高い電圧に対応することができる電圧定格の部品を用いることが必要である。

図２に、この発明の第２の実施例を示す。

この実施例は、船舶における船内動力用の補助発電装置２が設けられた例である。補助発電装置２はディーゼルエンジンＤＥ２により低電圧、たとえば４４０Ｖの補助発電機Ｇ２を駆動して発電を行うもので、遮断器ＣＢ２、回線選択スイッチＳＷ６を介して船内の動力配電回線ＬＦに接続し、この回線に接続された図示しない動力負荷Ｌに給電する。

なお、主配電回線ＭＦと動力配電回線ＬＦは連系変圧器Ｔ１、連系スイッチＳＷ４，ＳＷ５を介して接続される。これにより、推進装置４を駆動するため、高電圧交流電源である主発電装置１が運転されているときに、連系スイッチＳＷ４、ＳＷ５を投入してやると、主発電装置１から変圧器Ｔ１を介して低電圧電力を動力配電回線ＬＦへ給電することができる。

補助発電装置２が運転されているときは、この補助発電機２から動力配電回線ＬＦへ給電を行うために、連系スイッチＳＷ４、ＳＷ５を遮断して動力配電回線ＬＦを主配電回線ＭＦから切り離す。

このように主発電装置１および補助発電装置２のいずれからも給電可能にされた低電圧の動力配電回線ＬＦから電力変換装置３の平滑コンデンサ３２の初期充電を行うために動力配電回線ＬＦと主配電回線ＭＦとの間に充電スイッチＳＷ２、充電抵抗Ｒ、充電用昇圧変圧器Ｔ２からなる充電回路１０を接続する。これにより、実施例１の場合と同様に、電力変換装置３の運転を開始する前に、充電スイッチＳＷ２を投入して低電圧の動力配電回線ＬＦから充電抵抗Ｒ、充電用昇圧変圧器Ｔ２、電力変換装置３のコンバータ３１を介して平滑コンデンサ３２を充電する。平滑コンデンサ３２が所定の電圧に達したところで、充電スイッチＳＷ２を遮断し、運転スイッチＳＷ１を投入し、電力変換装置３を運転する。

この実施例２においても、充電回路１０の充電スイッチＳＷ２および充電抵抗Ｒは低電圧の動力配電回線ＬＦに接続されるため、低電圧規格の機器を使用することができるので、充電回路を小形かつ安価に構成することが可能となる。

また、この実施例２においても、運転スイッチＳＷ１を投入したときの再突入電流を抑制するために、例えば、上述の実施例１における再突入電流抑制方式１および再突入電流抑制方式２とそれぞれ同様な２通りの方式を適用することができる。

この発明の実施例１を示す回路構成図である。 この発明の実施例２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。 他の従来装置を示す回路構成図である。

符号の説明

１：原動機駆動高電圧発電装置（高電圧電源装置）
２：原動機駆動低電圧発電装置（低電圧電源装置）
３：電力変換装置
１０：充電回路
SW２：充電スイッチ
Ｒ：充電抵抗
Ｔ２：充電用昇圧変圧器
３２：平滑コンデンサ

Claims (4)

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装置を高電圧交流電源に直接接続して運転するものにおいて、低電圧交流電源を充電用電源とし、この充電用電源から充電スイッチと充電抵抗とを介して充電電流を供給する充電回路とこの充電回路の電圧を前記高電圧交流電源の電圧まで昇圧して前記電力変換装置のコンバータの入力に加える充電用昇圧変圧器とを備え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記載のものにおいて、前記高電圧交流電源を原動機駆動の高電圧の交流発電装置としたことを特徴とする電力変換装置の初期充電装置。
3. 請求項２記載のものにおいて、前記高電圧の交流発電装置の出力電圧を降圧して、低電圧の交流電源を形成し、この低電圧交流電源を前記の充電用電源としたことを特徴とする電力変換装置の初期充電装置。
4. 請求項１ないし３の何れかに記載のものにおいて、充電用昇圧変圧器の２次出力電圧を交流電源の規定電圧によって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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