JP2010226843A - 単相−ｎ相変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ｎ個の単相発電器を用いてｎ（ｎは、３以上の整数）相系統に連系の容易な単相−ｎ相変換装置を提供する。
【解決手段】単相−三相変換装置１２は、３個の単相発電器１６ａ〜１６ｃと、これら単相発電器１６ａ〜１６ｃの３個の単相出力が２次側に接続され、三相３線２００Ｖ系統３６出力に変換して１次側に供給する３系統のトランス１８と、を備えるように構成したので、ｎ（ｎ≧３）個単相発電器を用いてｎ（ｎは、３以上の整数）相系統への連系が容易である。
【選択図】図１

Description

この発明は、単相発電器のｎ個の単相出力を、ｎ（ｎは３以上の整数）相系統に連系（連結ともいう。）する単相−ｎ相変換装置に関する。

例えば、住宅用などに用いられる太陽電池モジュールとインバータを組み合わせた単相発電器を用いて公共（産業）用のｎ相の系統、例えば三相の交流電源に変換できれば利便である。

従来、三相の交流電源から２系統の単相の交流電源に変換する際には、例えば、スコットトランスが用いられる。このスコットトランスを単相から三相に変換するトランスとして使用することを考えてみても、２系統の単相側の負荷（単相発電器）が全く同一でないと三相側の電流が平衡しない。

また、三相の交流電源から単相の交流電源に変換する回路としてスタインメッツ回路が知られている。このスタインメッツ回路を単相から三相への変換回路として使用することを考えてみても、電圧調整機能がなく、系統連系に向かない。

さらに、特許文献１には、スタインメッツ回路の抵抗器をトランスの１次巻線に置き換え該トランスの２次巻線側に単相負荷を接続するように構成した三相−単相変換回路が提案されている。この三相−単相変換回路を単相から三相への変換回路として使用することを考えてみても、単相発電器の容量に応じて、コンデンサとインダクタを調節する必要があり、例えば、時々刻々に発電量が変化する太陽エネルギ等の自然エネルギを使用する発電器には不向きである。

特開２００３−２１９６４６号公報

この発明は、上述した課題を考慮してなされたものであり、ｎ個の単相発電器を用いてｎ（ｎは、３以上の整数）相系統に連系の容易な単相−ｎ相変換装置を提供することを目的とする。

この項では、理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。

この発明に係る単相―ｎ相変換装置は、以下の特徴（１）〜（９）を備える。

（１）ｎ（ｎは３以上の整数）個の単相発電器と、前記単相発電器のｎ個の単相出力が２次側に接続され、ｎ相系統出力に変換して１次側に供給するｎ系統のトランスと、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、単相発電器のｎ個の単相出力を、ｎ相系統出力に変換して１次側に供給するｎ系統のトランスを備えるように構成したので、単相発電器を用いてｎ（ｎは、３以上の整数）相系統への連系が容易である。

上記の特徴（１）を有する発明において、前記ｎ系統のトランスは、（２）分離されたｎ相分のコアを有する１つのトランスとして構成してもよく、（３）ｎ相の各相毎のコアを有するように構成してもよい。

（４）上記の特徴（１）を有する発明において、前記ｎ系統のトランスのｎ相系統出力側に、さらに進相コンデンサを挿入する構成とすることで、トランスによる遅れ力率を改善することができる。

（５）上記の特徴（１）を有する発明において、前記ｎ系統のトランスのｎ相系統出力側に、さらに待機電力カット装置を挿入する構成とすることで、ｎ相系統側で電力を使用しないとき等におけるトランスの損失を低減することができる。

（６）上記の特徴（４）を有する発明において、前記進相コンデンサの出力側に、さらに待機電力カット装置を挿入する構成とすることで、上記特徴（４）、（５）による効果を同時に達成することができる。

（７）上記の特徴（１）〜（６）のいずれかを有する発明において、前記ｎ系統のトランスのｎ相系統出力側のコイルに１次側電圧調整用のタップを設ける構成とすることで、ｎ相系統側に所望の電圧を得ることができる。

（８）上記の特徴（１）〜（７）のいずれかを有する発明において、前記ｎ相を三相とすることで、構成の簡単な、単相−三相変換装置を得ることができる。

（９）上記の特徴（１）〜（８）のいずれかを有する発明において、前記各単相発電器は、太陽電池と、この太陽電池の直流出力が供給されるインバータとから構成することで、例えば、住宅用などに用いられる単相発電器を用いても、例えば高出力である公共用などのｎ相の系統に容易に連系することができる。

この発明によれば、単相発電器を用いてｎ（ｎは、３以上の整数）相系統への連系が容易である。

この発明の一実施形態に係る単相−三相変換装置が組み込まれた電力変換システムの構成ブロック図である。 上記の電力変換システムの一例の回路図である。 三相の各相毎にコアを有する３個のトランスの説明図である。 三相各相で分離した３つのコアを内蔵する１個のトランスの説明図である。 １次側である三相３線２００Ｖ系統に電圧調整用のタップを設けたトランスの説明図である。 進相コンデンサの説明に供される電力変換システムの構成図である。 図７Ａは電流の電圧に対する遅れ力率の説明図、図７Ｂは進相コンデンサにより改善された力率の説明図である。

以下、この発明に係る単相−ｎ（ｎは３以上の整数）相変換装置の一実施形態について図面を参照して説明する。以下、理解の便宜のために、ｎ相を三相として説明する。

図１は、この実施形態に係る単相−三相変換装置１２が組み込まれた電力変換システム１０の構成ブロック図である。ここで、単相−三相変換装置１２は、それぞれ単相３線２００Ｖ系統を出力する３個の単相発電器１６ａ〜１６ｃと、３系統の単相３線２００Ｖ系統を三相３線２００Ｖ系統に変換する単相−三相トランス１８と、進相コンデンサ２０と、待機電力カット装置２２とから構成される。なお、進相コンデンサ２０と待機電力カット装置２２は、コスト、電源品質等を考慮し、必要に応じて挿入配置する構成にすればよい。

電力変換システム１０は、上記構成の単相−三相変換装置１２と、この単相−三相変換装置１２及び（又は）三相３線２００Ｖ系統の工業用（公共用）三相系統電源１５から電力が供給される負荷（三相負荷）１４とから構成される。

図２は、電力変換システム１０の一例の回路図である。図２の回路図では、図１中の進相コンデンサ２０（詳細については後述する。）と、待機電力カット装置２２（詳細については後述する。）とを省略して描いている。

図２から分かるように、単相発電器１６ａ〜１６ｃは、それぞれ、太陽電池３０ａ〜３０ｃと単相インバータ３２ａ〜３２ｃとから構成される。太陽電池３０ａ〜３０ｃのプラス側Ｐとマイナス側Ｎとの間に現れる直流出力が、単相インバータ３２ａ〜３２ｃによりそれぞれ単相３線２００Ｖ系統３４ａ〜３４ｃに変換され、それぞれ３線２４（Ｕ−０−Ｗ）を介してトランス１８ｒ〜１８ｔの２次側のコイルに供給される。

上記の単相３線２００Ｖ系統３４ａ〜３４ｃがそれぞれトランス１８ｒ、１８ｓ、１８ｔにより三相３線２００Ｖ系統３６に変換され、それぞれトランス１８ｒ、１８ｓ、１８ｔの１次側コイルに現れる。

上記の単相三線２００Ｖ系統３４ａ〜３４ｃは、単相インバータ３２ａ〜３２ｃの出力にそれぞれ０相に対するＵ相とＷ相との間に１００Ｖの交流電圧を発生する。

三相３線２００Ｖ系統３６は、トランス１８ｒ、１８ｓ、１８ｔの１次側にそれぞれ２００Ｖの交流電圧（相電圧）Ｖｒｓ、Ｖｓｔ、Ｖｔｒを発生する。Ｓ相は、予め系統側で接地されている。なお、単相インバータ３２ａ〜３２ｃの接地Ｅは、系統側に対して非接地であり、トランス１８の２次側コイルのセンタータップは、浮いた状態でよい。これにより、トランス１８の２次側コイルのセンタータップ０Ｖは、接地される。

トランス１８の１次側コイルに発生した相電圧Ｖｒｓ、Ｖｓｔ、Ｖｔｒに対して三相のΔ結線（Ｙ結線でもよい。）の負荷１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）がそれぞれ接続される。この場合、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相にそれぞれ線電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔが流れる。

同様に、負荷１４ａ、１４ｂ、１４ｃに対して工業用三相系統電源１５の各相の三相３線２００Ｖ系統の工業用三相系統電源１５ａ、１５ｂ、１５ｃから３線２６ｄを通じて電力が供給される。

すなわち、負荷１４ａ、１４ｂ、１４ｃに対して単相−三相変換装置１２の系統と、工業用三相系統電源１５の系統とから並列的に電力が供給されて系統連系がなされる。

なお、トランス１８は、図３に示すように、三相の各相毎にコア１９ｒ、１９ｓ、１９ｔを有する３個のトランス１８ｒ、１８ｓ、１８ｔで構成してもよく、図４に示すように、三相各相で分離した３つのコア１９を内蔵する１個のトランス１８として構成してもよい。

トランス１８を使用する目的は、第１に、単相発電器１６ａ、１６ｂ、１６ｃを構成する単相インバータ３２ａ、３２ｂ、３２ｃから該単相インバータ３２ａ、３２ｂ、３２ｃの出力側を見たときに、単相３線２００Ｖ系統３４が３つあるように見せるためである。第２に、１次側（工業用三相系統電源１５側）と２次側（単相３線２００Ｖ系統３４ａ〜３４ｃ側）とを絶縁し、電位の不整合を解消するためである。なお、三相３線２００Ｖ系統３６は、図２に示すように、一般的にＳ相が接地されている。第３に、第１の目的と重複するが、１００Ｖ−０Ｖ−１００Ｖとして単相３線２００Ｖ系統３４の電圧を作るためである。

図５に示すように、トランス１８は、１次側である三相３線２００Ｖ系統３６側（単に、系統側ともいう。）に電圧調整用のタップ５１（２００Ｖ用）、５２（２０５Ｖ用）、５３（２１０Ｖ用）を設けることが好ましい。

２次側である単相発電器１６ａ〜１６ｃ側（単に、単相発電器側ともいう。）からトランス１８を介して１次側の三相３線２００Ｖ系統３６側（単に、系統側ともいう。）に電力を送り込みたいとき、トランス１８のインピーダンスが大きければ大きいほど、系統側電圧よりも単相発電器側の電圧を高くする必要があり、このとき、単相発電器１６ａ〜１６ｃ側の電圧が高くなりすぎると、単相発電器１６ａ〜１６ｃ側の系統側電圧上昇保護機能によって入力制限がかかり、電力変換システム１０の定格出力に対する実出力が低下するおそれがある。

工業用三相系統電源１５の各相の工業用三相系統電源１５ａ、１５ｂ、１５ｃの電圧は、一般的に２００Ｖよりも高い（２１０Ｖ位）場合が多い。そこで、工業用の電圧に合わせたタップ５２（２０５Ｖ用）、５３（２１０Ｖ用）等を設けて、単相発電器１６ａ〜１６ｃに連系する系統側の電圧仕様に対応させることが好ましい。

なお、通常のトランスは、負荷による電圧降下分を見込んで１次側より２次側の方が少し高い電圧になるように設計されるが、この単相−三相変換装置１２のトランス１８は、エネルギが２次側から１次側に流れるので、２次側の単相発電器１６ａ〜１６ｃの電圧上昇分を考慮して、１次側２００Ｖ、２次側１９８Ｖ程度の巻線比に設計している。

次に、進相コンデンサ２０の作用効果について図６をも参照して説明する。単相発電器１６ａ〜１６ｃに用いられている単相インバータ３２ａ〜３２ｃは、力率が１となる制御を行っており、トランス１８の２次側である単相３線２００Ｖ系統３４のＵ−０−Ｗの相間電圧と相電流の位相が揃った状態になっている。しかし、インダクタンス性を有するトランス１８を介するため、トランス１８の１次側、すなわち三相３線２００Ｖ系統３６側では、遅れ力率となり力率が低下する。

この力率の低下を是正するために、図６に示すように、待機電力カット装置２２に接続される３線２６ｂ（図１も参照）と、トランス１８の１次側に接続される３線２６ａ（図１も参照）との間に進相コンデンサ２０を挿入している。進相コンデンサ２０は、Ｒ相とＳ相の間、Ｓ相とＴ相との間、及びＲ相とＴ相との間に、それぞれ、突入防止用のインダクタＬと進相用コンデンサＣの直列回路で挿入している。

力率については、資源エネルギ庁の「電力品質確保に係る系統連系技術要件ガイドライン」（平成１６年１０月１日）による指針があり、単相発電器１６ａ〜１６ｃ側の系統から見て進み力率０．９５以上とする必要がある。

実際には、図７Ａに示すように、トランス１８を介することで電圧に対して電流の位相が位相θｄだけ遅れる。そこで、進相コンデンサ２０を設けることで、力率を改善し、図７Ｂに示すように、進み力率１〜０．９５の範囲内で位相θａのように補正する。なお、電圧−電流位相差は、上記ガイドラインによれば、±１８゜｛１８゜＝ＣＯＳ^-1（０．９５）＝１８゜｝まで許容される。

例えば、周波数５０Ｈｚで、突入防止用インダクタンスＬのインピーダンスを進相用コンデンサＣのインピーダンスの６％に設定すると、相電流２０［Ａ］、遅れ力率０．７、位相差４５゜、相電圧２００［Ｖ］、相電流２０［Ａ］、皮相電力１２［ｋＶＡ］、無効電力８．５［ｋｖａｒ］と仮定すると、電源の周波数が５０［Ｈｚ］の場合、Ｃ＝４２３［μＦ］、Ｌ＝１．４［ｍＨ］と計算することができる。

次に、図１を参照して、待機電力カット装置２２の作用効果について説明する。この実施形態に係る待機電力カット装置２２は、三相の３線２６ｂと３線２６ｃの各線に配されるスイッチ（開閉器）２３と、このスイッチ２３をオンオフ（開閉）するマイクロコンピュータ等の制御器２５から構成される。

なお、待機電力カット装置２２の電源｛制御器２５及びスイッチ２３の各コイル（不図示）に供給される電源｝は、同図に示すように、工業用三相系統電源１５のうちの二相、例えばＳ相とＴ相とから取っている。

この待機電力カット装置２２は、単相発電器１６ａ〜１６ｃが発電していないときに、トランス１８の待機電力（工業用三相系統電源１５の電力がトランス１８の１次側で消費される損失電力。）をカットするために、トランス１８の１次側に接続される進相コンデンサ２０の工業用三相系統電源１５側の３線２６ｂと工業用三相系統電源１５が接続される三相負荷の３線２６ｃとの間に挿入される。このように構成すれば、進相コンデンサ２０により発生する待機電力もカットすることができる。

この場合、制御器２５は、単相発電器１６ｃを構成する太陽電池３０ｃの出力電圧、電流、電力等を検知し、これらの値が基準値（閾値）以下や未満の値のとき、対応するスイッチ２３を開いて、トランス１８の１次側で発生する電力をカットするように制御することができる。なお、太陽電池３０ａ〜３０ｃを使用しているので、制御器２５には、カレンダ時計内蔵のタイマ、いわゆるソーラータイマを用いて、地域情報を登録しておき、日の出、日の入りの時刻またはその前後に開閉する（簡単に言えば、夜は開き、昼は閉じる。）ように構成することもできる。なお、リレースイッチ２３は、同時に開閉する。

上述した実施形態によれば、以下の構成を有し、その構成による以下に説明する特有の作用効果を奏する。

１．単相発電器１６ａ〜１６ｃをトランス１８を介してｎ（ｎは、３以上の整数）相系統に連系することを特徴とした電力変換システム１０である。

２．トランス１８は各相で別体でもよく（図３）、一体でもよい（図４）。コアは分離形でも一体形でもよい。

３．トランス１８の三相３線２００Ｖ系統側（１次側）はΔ結線でもＹ結線でもよい。

４．トランス１８の系統側（１次側）に電圧調整用タップ５１〜５３（図５）を設けることが好ましい。

５．トランス１８の単相発電器１６ａ〜１６ｃ側は各巻線が独立になっている（図２等）。

６．単相発電器１６ａ〜１６ｃの出力形式が単相３線式の場合は、トランス１８の単相発電器１６ａ〜１６ｃ側の各巻線Ｕ−０−Ｗ（図２）には、センタータップ（０［Ｖ］：図２）を設ける。

７．トランス１８の単相発電器１６ａ〜１６ｃ側の巻線にセンタータップを設ける場合には、各巻線のセンタータップ０を接地してもよい（図２）。

８．センタータップを接地する場合、タップ同士を結線し、一括で接地しても（図２）各々を個別に接地してもよい。

９．単相発電器１６ａ〜１６ｃはｎ（上記実施例ではｎ＝３）台を一組とし、ｎ台（一組）毎に増設することができる。

１０．大容量電力変換システムを構築する場合、単相発電器一組と、単相発電器一組の容量に合わせたトランス一台を１：１で接続しサブシステムとし、サブシステムを増設してシステムとしてもよい。

１１．大容量電力変換システムを構築する場合、単相発電器をｍ組用意し、単相発電器ｍ組の容量に合わせたトランス一台とｍ：１で接続するシステムとしてもよい。

１２．単相−三相変換装置１２を運転しない場合、スイッチ２３を有する待機電力カット装置２２を設けておき、スイッチ２３を開くことで切り離してもよい。これによりトランス１８の待機電力をカットすることができる。

１３．リレースイッチ２３の制御は、単相発電器１６ａ〜１６ｃの出力電圧、電流、電力などを見て、基準値以下や未満のとき、スイッチ２３を開く制御とする。単相発電器１６ａ〜１６ｃが太陽光発電器（図２参照）の場合には、カレンダ時計内蔵のタイマを用いてもよく、地域情報の登録をしておき、日の出、日の入りの時刻またはその前後にスイッチ２３を開閉する制御とする。

１４．なお、電力を監視してスイッチ２３の開閉制御を行う場合、トランス１８の２次側に供給される総発電電力が、トランス１８の損失を下回るときにスイッチ２３を開くようにしてもよい。

１５．電力の監視方法は、全ての単相発電器１６ａ〜１６ｃを個別に監視して合計してもよく、トランス１８に入力する点で一括に監視してもよい。一台の単相発電器１６ａの出力を監視し、その出力をｎ（上述の実施例では、３）倍してもよい。

１６．電圧を監視してスイッチ２３を閉じる場合、太陽電池３０ａ〜３０ｃ（単相発電器１６ａ〜１６ｃ）の入力電圧が一定以上になったらスイッチ２３を閉じるようにしてもよい。

１７．トランス１８の単相発電器１６側と系統側の電圧−電流の位相関係が変化する場合、進相コンデンサ２０を用いて力率を改善することができる。

１８．トランス１８で単相発電器１６側と系統側が絶縁されているので、例えば単相発電器１６（太陽電池）側で地絡しても、問題となることがない。

１９．単相発電器１６ａ〜１６ｃの１相が壊れても電流が減るが稼働する。もし、この際の不平衡をきらうのであれば、０相電流を検出して不平衡を検出し、リレースイッチ２３を開くようにしてもよい。

この発明は、上述した課題を考慮してなされたものであり、ｎ個の単相発電器を用いてｎ（ｎは、３以上の整数）相系統に連系の容易な単相−ｎ相変換装置を提供することを目的とする。

以上説明したように、上述した実施形態に係る単相−三相変換装置１２は、３個の単相発電器１６ａ〜１６ｃと、これら単相発電器１６ａ〜１６ｃの３個の単相出力が２次側に接続され、三相３線２００Ｖ系統３６出力に変換して１次側に供給する３系統のトランス１８と、を備えるように構成したので、ｎ（ｎ≧３）個単相発電器を用いてｎ（ｎは、３以上の整数）相系統への連系が容易である。

なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…電力変換システム １２…単相−三相変換装置
１４…負荷（三相負荷） １５…工業用三相系統電源
１６ａ〜１６ｃ…単相発電器 １８…トランス
２０…進相コンデンサ ２２…待機電力カット装置
２３…スイッチ ２５…制御器

Claims (9)

1. ｎ（ｎは３以上の整数）個の単相発電器と、
   前記単相発電器のｎ個の単相出力が２次側に接続され、ｎ相系統出力に変換して１次側に供給するｎ系統のトランスと、
   を備えることを特徴とする単相−ｎ相変換装置。
2. 請求項１記載の単相−ｎ相変換装置において、
   前記ｎ系統のトランスは、分離されたｎ相分のコアを有する１つのトランスとして構成される
   ことを特徴とする単相−ｎ相変換装置。
3. 請求項１記載の単相−ｎ相変換装置において、
   前記ｎ系統のトランスは、ｎ相分のｎ個のトランスとして構成される
   ことを特徴とする単相−ｎ相変換装置。
4. 請求項１記載の単相−ｎ相変換装置において、
   前記ｎ系統のトランスのｎ相系統出力側に、さらに進相コンデンサを挿入した
   ことを特徴とする単相−ｎ相変換装置。
5. 請求項１記載の単相−ｎ相変換装置において、
   前記ｎ系統のトランスのｎ相系統出力側に、さらに待機電力カット装置を挿入した
   ことを特徴とする単相−ｎ相変換装置。
6. 請求項４記載の単相−ｎ相変換装置において、
   前記進相コンデンサの出力側に、さらに待機電力カット装置を挿入した
   ことを特徴とする単相−ｎ相変換装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の単相−ｎ相変換装置において、
   前記ｎ系統のトランスのｎ相系統出力側のコイルに１次側電圧調整用のタップを設ける
   ことを特徴とする単相−ｎ相変換装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の単相−ｎ相変換装置において、
   前記ｎ相は、三相である
   ことを特徴とする単相−ｎ相変換装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の単相−ｎ相変換装置において、
   前記各単相発電器は、太陽電池と、この太陽電池の直流出力が供給されるインバータとから構成される
   ことを特徴とする単相−ｎ相変換装置。

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