JP2007318828A - 複合電力システム - Google Patents

Abstract

【課題】単相電力系統と電動機との間で授受される電力のバランスを保つ必要性を解消し、柔軟性及び信頼性を高めた複合電力システムを提供する。
【解決手段】単相電力系統１０と、Ｙ結線された各相巻線を有する多相電動機５０と、前記各相巻線に交流出力端子が接続されたインバータ４０と、このインバータ４０を介して電動機５０との間で電力を授受する直流電圧部３０と、スイッチング素子２１，２２を直列に接続して構成され、この直列回路の両端が直流電圧部３０の両端に接続されるアーム部２０とを備え、単相電力系統１０の一方の端子が前記巻線同士の接続点に接続され、他方の端子がスイッチング素子２１，２２同士の接続点に接続された電力システムにおいて、直流電圧部３０に、この直流電圧部３０との間で電力を授受する第三の電源または負荷７０を接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、単相電力系統、多相電動機及び電力変換器を備え、多相電動機の巻線の中性点の電位変動を利用して単相電力系統との間の電力の授受を調整する電力システムに関し、特に、第三の電源または負荷を接続可能として電力の高度利用を実現する複合電力システムに関するものである。

図７は、単相電力系統による電動機駆動システムの従来技術を示しており、特許文献１に記載されている。
図７において、１０は単相電力系統、２０はＩＧＢＴ等の２個の半導体スイッチング素子２１，２２を直列接続したアーム部、３０は電圧平滑用コンデンサ３１からなる直流電圧部、４０は半導体スイッチング素子４１〜４６を三相ブリッジ接続してなるインバータ、５０は三相の電動機である。また、アーム部２０、直流電圧部３０及びインバータ４０によって電力変換器１００が構成されている。

ここで、電動機５０の巻線はＹ結線されており、単相電力系統１０の一端は、前記Ｙ結線の結合部（電動機中性点）に接続されている。また、単相電力系統１０の他端は、前記アーム部２０におけるスイッチング素子２１，２２同士の接続点に接続されている。

アーム部２０及びインバータ４０は何れもＰＷＭ制御されるものであり、これによって単相電力系統１０と電動機５０との間で電力の授受が行われる。
より具体的に述べれば、まず電動機５０の制御は、一般に知られているようなインバータ４０の制御によって行われ、インバータ４０の線間電圧及び電流による電力の制御によってインバータ４０と電動機５０との間で電力を授受する。

一方、単相電力系統１０の制御に関しては、電動機５０にゼロ相電流、つまり各相につき波形が共通となる成分の電流が流れても、電動機５０の動作には原理的に影響がないことを利用している。すなわち、インバータ４０の上アームスイッチング素子を全て導通させ、または下アームスイッチング素子を全て導通させてゼロ電圧ベクトルを出力させると、インバータ４０の３つの上下アーム部は、等価的に、零電圧ベクトルの比でスイッチング動作する一つのアーム部と見なすことができ、このアーム部と前記アーム部２０とからなるコンバータにより、単相電力系統１０と多相の電動機５０との間で駆動電力または回生電力の授受を可能としている。
言い換えれば、インバータ４０のスイッチングによって変化する電動機５０の中性点電位と、アーム部２０のスイッチングによって変化するアーム部２０の出力電位との差を適切に操作することにより、単相電力系統１０と電動機５０との間で電力の授受を制御することができる。
また、単相電力系統１０の出力側に通常も受けられるリアクトルを電動機５０の漏れインダクタンスによって代用することができ、これによって部品数の一層の減少、回路構成の簡略化を可能としている。

次に、図８は特許文献１に記載された他の従来技術であり、前記アーム部２０の代わりに、直流電圧部３０の電圧をコンデンサ６１，６２によって分圧する分圧部６０を用いた例である。この場合、コンデンサ６１，６２同士の接続点に単相電力系統６０の一端が接続される。
この構成では、コンデンサ６１，６２の容量が大きければ、コンデンサ６１，６２同士の接続点の電位はほぼ一定の値となるため、電力変換器１１０によって単相電力系統１０に印加される電圧は、電動機５０の中性点電位によって操作されることになる。

上述した図７，図８のような回路構成により、単相電力系統１０と電動機５０との間で双方向の電力授受を制御することができる。すなわち、単相電力系統１０の電力により電動機５０を駆動し、図示しない電動機負荷に機械動力を与えることもできるし、逆に電動機５０を発電機として動作させてその発電電力を単相電力系統１０に回生することも可能である。

また、これらの従来技術の利点としては、以下のものが挙げられる。
ａ．単相電力系統１０との電力の授受に関して電流を正弦波化できるため、力率が高い。
ｂ．高力率の回生コンバータ付きインバータとして、電力変換器１００，１１０の構成部品の数が少ない。
ｃ．回生コンバータにおいて通常は必要となるリアクトルを、電動機５０の漏れインダクタンスにより代用させることによって不要化できる。

特開平１０−３３７０４７号公報（請求項１，２，４、段落［００１９］〜［００２１］，［００２６］、図２〜図４、図８等）

前述した従来技術では、単相電力系統１０と電動機５０との間で授受する電力を、供給側と被供給側とで常に一致させなくてはならない。この条件が満たされない場合、直流電圧部３０の電圧が過大または過小となり、システムが機能しなくなる。このようなことは、特に小規模電力系統に本装置を適用し、電動機５０を発電機として動作させて単相電力系統１０に電力を供給する場合において、単相電力系統１０に接続される負荷の電力が発電機の能力を超えるような状況で特に問題となる。

そこで本願の解決課題は、単相電力系統と電動機との間で授受される電力のバランスを保つ必要性を解消し、柔軟性及び信頼性を高めた複合電力システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、単相電力系統と、Ｙ結線された各相巻線を有する多相電動機と、前記各相巻線に交流出力端子が接続されて前記多相電動機に交流電圧を印加するインバータと、前記インバータを介して前記多相電動機との間で電力を授受する直流電圧部と、複数のスイッチング素子を直列に接続して構成され、かつ、前記スイッチング素子の直列回路の両端が前記直流電圧部の両端に接続されるアーム部と、を備え、前記単相電力系統の一方の端子が前記各相巻線同士の接続点に接続され、他方の端子が前記スイッチング素子同士の接続点に接続されてなる電力システムにおいて、
前記直流電圧部に、この直流電圧部との間で電力を授受する第三の電源または負荷を接続したものである。

単相電力系統と、Ｙ結線された各相巻線を有する多相電動機と、前記各相巻線に交流出力端子が接続されて前記多相電動機に交流電圧を印加するインバータと、前記インバータを介して前記多相電動機との間で電力を授受する直流電圧部と、複数のコンデンサを直列に接続して構成され、かつ、前記コンデンサの直列回路の両端が前記直流電圧部の両端に接続される分圧部と、を備え、前記単相電力系統の一方の端子が前記各相巻線同士の接続点に接続され、他方の端子が前記コンデンサ同士の接続点に接続されてなる電力システムにおいて、
前記直流電圧部に、この直流電圧部との間で電力を授受する第三の電源または負荷を接続したものである。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載した複合電力システムにおいて、
第三の電源が、直流電源または交流電源と、この電源から前記直流電圧部へ電力を供給する極性に接続された１個以上のダイオードと、を備えていることを特徴とする。

請求項４に記載した発明は、請求項３に記載した複合電力システムにおいて、
前記直流電圧部の直流電圧を上下させることにより第三の電源からの流入電力を調整するものである。

請求項５に記載した発明は、請求項１または２に記載した複合電力システムにおいて、
第三の電源または負荷が、直流電源または交流電源と、この電源と前記直流電圧部との間に接続された能動的電力変換器と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、単相電力系統と多相電動機との間で授受する電力が一致しない場合でも第三の電源または負荷が不足電力または余剰電力を供給または消費するような複合電力システムを構成することができ、電力システムとしての柔軟性及び信頼性を高めることができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、請求項１に係る発明に相当する。図１において、図７と同一の構成要素には同一の符号を付してあり、以下では異なる部分を中心に説明する。

図１の実施形態が図７と異なる部分は、直流電圧部３０（電圧平滑用コンデンサ３１）の両端に第三の電源または負荷７０を接続した点である。なお、この第三の電源または負荷７０としては、直流電圧部３０との間で直流電力を授受可能であればいかなる構成であっても良い。

上記構成により、単相電力系統１０と電動機５０の間で授受される電力が等しくなくなったとしても、その差分を第三の電源または負荷７０により調整することで直流電圧部３０の電圧が過大または過小になるのを防止することができる。
例えば、電動機５０を発電機として用い、単相電力系統１０に電力を供給するモードで動作する場合、単相電力系統１０に接続される負荷の全消費電力が発電機の発電可能な電力を超えたら、第三の電源７０から不足分の電力を供給することができる。逆に、単相電力系統１０に接続される負荷の全消費電力が発電機の供給電力を下回り、発電機が余剰の電力を発生する場合には、この余剰電力を第三の電源７０に回生したり、または第三の負荷７０としてのバッテリーに余剰電力を蓄積することもできる。
あるいは、第三の負荷７０として単なる直流負荷（インバータ、ヒータなど）を接続し、電動機５０または単相電力系統１０からの余剰電力によってこれらの直流負負荷を動作させることも可能である。

次に、図２は本発明の第２実施形態を示す構成図であり、請求項２に係る発明に相当する。
この実施形態は、図８の構成に第三の電源または負荷７０を接続した例であり、この場合にも、単相交流電源１０と電動機５０との間で授受される電力が一致しない時に、その差分の電力を第三の電源または負荷７０との間で授受することにより、直流電圧部３０の電圧が過大または過小になるのを防止することができる。

次いで、図３，図４は、上述した第三の電源または負荷７０の具体例を示すもので、請求項３に係る発明に相当している。
図３に示すように、第三の電源または負荷７１として、直流電源７１１と、この直流電源７１１から直流電圧部３０へ電力を供給する極性に接続されたダイオード７１２とからなる構成が考えられる。図３の如く直流電源７１１にダイオード７１２を直列接続する以外に、図４に示す第三の電源または負荷７２のように、三相交流電源７２１にダイオードブリッジ７２２を接続して構成しても良い。
なお、図３，図４では、第三の電源または負荷７１，７２が実質的に電源として構成されているため、以下ではこれらを単に第三の電源７１，７２と呼ぶものとする。

ここで、電動機５０と単相電力系統１０との間の電力の授受においては、一方が発電し、他方が電力消費をすることとなる。この場合、発電電力が消費電力を下回ると、直流電圧部３０の電圧が低下する。
このとき、第三の電源７１，７２が図３，図４のような構成であれば、直流電圧部３０の電圧が第三の電源７１，７２の直流電圧を下回った場合に自動的に第三の電源７１，７２から電力が流入する。このとき、直流電圧部３０の電圧は、第三の電源７１，７２の電圧よりも若干低い電圧、具体的には、第三の電源７１，７２における内部インピーダンスとダイオードとによる電圧降下分だけ低い電圧にクランプされる。従って、直流電圧部３０の電圧低下による保護機能を作動させる判定電圧を、第三の電源７１，７２の直流電圧よりも十分に低く設定しておけば、発電電力と消費電力との不整合に起因する保護機能の動作を回避することができ、システムの運転を継続することが可能となる。

次に、請求項４に係る発明の実施形態は、以上に述べたことを積極的に利用して、第三の電源からの流入電力を調整可能にしたものである。
すなわち、単相電力系統１０及び電動機５０の電力は、図１，図２における電力変換器１００，１１０によって制御可能であるため、一方の消費電力に他方の発電電力を一致させるように電力変換器１００，１１０を制御することにより、直流電圧部３０の電圧を目標値に維持することが可能である。この目標値を第三の電源７１，７２の直流電圧よりも高く設定しておけば、第三の電源７１，７２内のダイオードが逆バイアスされるため、第三の電源７１，７２からの流入電力はゼロとなる。

また、一方の消費電力よりも他方の発電電力を小さい値に制限すると、直流電圧部３０の電圧が目標値よりも低下し、第三の電源７１，７２内のダイオードが順バイアスとなった時点で第三の電源７１，７２から電力が流入するようになる。この流入電力は、消費電力に対する発電電力の不足分に一致する。このような動作は、直流電圧部３０の電圧目標値を故意に第三の電源７１，７２の直流電圧よりも低い値に設定することによっても可能である。

図５，図６は、請求項５に係る発明の実施形態に相当するものであり、図１，図２における第三の電源または負荷７０の他の具体例を示している。
図５，図６に示すように、第三の電源または負荷７３，７４において、直流電圧部３０との間で電力を授受するために、能動的電力変換器７３２，７４２を介して直流電源７３１または三相交流電源７４１を接続して構成することもできる。ここで、能動的電力変換器７３２，７４２は、内蔵されたスイッチング素子のオンオフ動作により、直流電源７３１と直流電圧部３０との間の直流−直流変換、または、三相交流電源７４１と直流電圧部３０との間の交流−直流変換を行う電力変換器である。なお、三相交流電源７４１の代わりに単相交流電源を用いても良い。

具体的には、例えば単相電力系統１０の電力により電動機５０を駆動するシステムにおいて、図５の第三の電源または負荷７３として、能動的電力変換器７３２としてのチョッパ回路と直流電源７３１としてのバッテリーとを用い、通常は単相電力系統１０から得た電力を直流電圧部３０、上記チョッパ回路を介してバッテリーに供給することによりバッテリーを充電し、単相電力系統１０の停電時には、バッテリーに蓄えられた直流電力を用いて電動機５０に給電するような、いわゆる無停電電源装置としての機能を持たせることが可能である。

あるいは別の例として、電動機５０を発電機として動作させて単相電力系統１０に電力を給電するシステムにおいて、図６の第三の電源または負荷７４として、能動的電力変換器７４２としてのＰＷＭコンバータと三相交流電源７４１としての商用電源とを用い、発電電力が単相電力系統１０に接続される負荷の消費電力よりも大きい場合には、余剰の電力を直流電圧部３０、上記ＰＷＭコンバータを介して商用電源に送電することにより売電し、逆に発電電力だけでは負荷の消費電力を賄えない場合には、商用電源の交流電力をＰＷＭコンバータを介して負荷に供給することにより不足電力を補うような動作を実現することができる。

更に別の例としては、第三の電源または負荷として、能動的電力変換器としてのインバータを介して別の電動機を接続すれば、単相電力系統１０または電動機５０から電力を得て上記インバータを介して別の電動機を駆動することも可能になる。

この請求項５に係る発明の実施形態では、上述した三つの例以外にも、能動的電力変換器の動作により直流電圧部３０との間で直流電力を授受可能な電源または負荷であれば、図１，図２における第三の電源または負荷７０として用いることができる。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。 本発明の第２実施形態を示す構成図である。 図１，図２における第三の電源または負荷の具体例を示す構成図である。 図１，図２における第三の電源または負荷の具体例を示す構成図である。 図１，図２における第三の電源または負荷の具体例を示す構成図である。 図１，図２における第三の電源または負荷の具体例を示す構成図である。 特許文献１に記載された従来技術の構成図である。 特許文献１に記載された従来技術の構成図である。

符号の説明

１０：単相電力系統
２０：アーム部
２１，２２，４１〜４６：半導体スイッチング素子
３０：直流電圧部
３１：電圧平滑用コンデンサ
４０：インバータ
５０：電動機
６０：分圧部
６１，６２：コンデンサ
７０〜７４：第三の電源または負荷
１００，１１０：電力変換器
７１１，７３１：直流電源
７１２：ダイオード
７２１，７４１：三相交流電源
７２２：ダイオードブリッジ
７３２，７４２：能動的電力変換器

Claims (5)

1. 単相電力系統と、
   Ｙ結線された各相巻線を有する多相電動機と、
   前記各相巻線に交流出力端子が接続されて前記多相電動機に交流電圧を印加するインバータと、
   前記インバータを介して前記多相電動機との間で電力を授受する直流電圧部と、
   複数のスイッチング素子を直列に接続して構成され、かつ、前記スイッチング素子の直列回路の両端が前記直流電圧部の両端に接続されるアーム部と、を備え、
   前記単相電力系統の一方の端子が前記各相巻線同士の接続点に接続され、他方の端子が前記スイッチング素子同士の接続点に接続されてなる電力システムにおいて、
   前記直流電圧部に、この直流電圧部との間で電力を授受する第三の電源または負荷を接続したことを特徴とする複合電力システム。
2. 単相電力系統と、
   Ｙ結線された各相巻線を有する多相電動機と、
   前記各相巻線に交流出力端子が接続されて前記多相電動機に交流電圧を印加するインバータと、
   前記インバータを介して前記多相電動機との間で電力を授受する直流電圧部と、
   複数のコンデンサを直列に接続して構成され、かつ、前記コンデンサの直列回路の両端が前記直流電圧部の両端に接続される分圧部と、を備え、
   前記単相電力系統の一方の端子が前記各相巻線同士の接続点に接続され、他方の端子が前記コンデンサ同士の接続点に接続されてなる電力システムにおいて、
   前記直流電圧部に、この直流電圧部との間で電力を授受する第三の電源または負荷を接続したことを特徴とする複合電力システム。
3. 請求項１または２に記載した複合電力システムにおいて、
   第三の電源が、
   交流電源または直流電源と、この電源から前記直流電圧部へ電力を供給する極性に接続された１個以上のダイオードと、を備えていることを特徴とする複合電力システム。
4. 請求項３に記載した複合電力システムにおいて、
   前記直流電圧部の直流電圧を上下させることにより第三の電源からの流入電力を調整することを特徴とする複合電力システム。
5. 請求項１または２に記載した複合電力システムにおいて、
   第三の電源または負荷が、
   交流電源または直流電源と、この電源と前記直流電圧部との間に接続された能動的電力変換器と、を備えていることを特徴とする複合電力システム。

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