JP2013090435A - 電圧変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】家庭用の商用電源等からの単相交流１００Ｖあるいは２００Ｖを三相交流２００Ｖで数ＫＷの大きさの出力に変換できる簡易な構成の電圧変換装置を提供する。
【解決手段】電圧変換装置１０は、単相交流１００Ｖ電源に接続されて過負荷状態になった時に通電を遮断するブレーカ２３と、ブレーカ２３に接続されて入力された単相交流１００Ｖを２２０Ｖに変圧する変圧器１７と、変圧器１７の出力端子が三相交流の入力端子の内の２端子に接続され、単相交流電圧を高出力の三相交流電圧に変換して三相交流２００Ｖ用の負荷装置２に出力する三相インバータ２１と、三相インバータ２１に接続される直流リアクトル２５とを備える。三相インバータ２１のキャリア周波数が最小の値に設定されており、変圧器１７と三相インバータ２１が単相交流１００Ｖ電源１及び負荷装置２と共通の接地線で接続されて接地されるようになっている。
【選択図】図４

Description

本発明は、単相交流電源からの単相交流電圧を三相交流電圧に変換して出力するための電圧変換装置に関する。

工場などに設けられている油圧ポンプ、クーリングタワー、エアコン、給水・排水ポンプ、フライス、旋盤等の汎用加工機、コンプレッサー、集塵機、農業機械、クレーン、シャッター等の負荷装置を駆動するための動力用の商用三相交流２００Ｖ電源については、低圧電力契約を行う必要がある。しかし、これら負荷装置が定常的にはあまり使用されない場合でも、使用に備えて電源を保持するために高額の低圧電力契約を行う必要があり、電力の使用頻度が低い割に電力料金の負担が大きくなっていた。これに対して、例えば特許文献１に示すように、家庭用の単相交流１００Ｖ電源等から供給を受けた単相交流電圧を倍電圧整流する単相倍電圧整流回路と、その出力直流電圧をスイッチングして三相交流２００Ｖに変換して、負荷装置である電気洗濯機やエアコン等の三相モータに供給するインバータ回路により構成されるインバータ装置が知られている。しかし、このインバータ装置においては、変換される三相交流２００Ｖ出力が１ＫＷ以下と小さいため、家庭用の低電力の負荷としては使用可能であるが、工場等における負荷装置の動力用のように数ＫＷを必要とする用途には使用できなかった。また、災害時のような非常時において使用される単相交流１００Ｖ出力用小型発電機が知られているが、これについても家庭用等では使用されているが、三相交流２００Ｖで駆動される工場等の動力用には使用できないという不便があった。

特開２００７−２４４１８３号公報

本発明は、上記問題を解決しようとするものであり、家庭用の商用電源や小型発電機からの単相交流１００Ｖあるいは２００Ｖを三相交流２００Ｖで数ＫＷの大きさの出力に変換して、工場等における種々の負荷装置に供給できる簡易な構成の電圧変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の特徴は、単相交流電源からの単相交流１００Ｖあるいは２００Ｖ入力を三相交流２００Ｖで数ＫＷの大きさの出力に変換して三相交流２００Ｖ用の負荷装置に出力できる電圧変換装置であって、単相交流電源に接続されて負荷装置が過負荷状態になった時に通電を遮断するブレーカと、ブレーカに接続されて単相交流電源から入力された単相交流電圧を２００Ｖより高い交流電圧に変圧する変圧器と、三相交流の各３つの入力端子と出力端子を有しており、変圧器の出力端子が３つの入力端子の内の２端子に接続され、変圧器からの単相交流電圧を三相交流２００Ｖに変換して出力端子から負荷装置に出力する三相インバータと、三相インバータに接続される直流リアクトルとを備え、三相インバータのキャリア周波数が最小の値に設定されており、三相インバータが単相交流電源及び負荷装置と共通の接地線で接続されて接地されるようになっていることにある。

本発明においては、単相交流電源にソケット等を介して変圧器が接続されることにより、単相交流１００Ｖ又は２００Ｖが変圧器によって２００Ｖを越えた単相交流電圧に変圧され、この変圧器の出力が三相インバータの３つの入力端子の内の２端子に接続されることにより、三相インバータにおいて三相交流２００Ｖで数ＫＷ程度の大きな電力が生成される。生成された三相電力が３つの出力端子から出力され、三相交流２００Ｖ用の負荷装置に供給される。ここで、変圧器の出力電圧を定格の２００Ｖより大きくすることにより、三相インバータからの出力電圧を定格２００Ｖに合わせることができる。また、三相インバータが単相交流電源及び負荷装置と共通の接地線で接続されて接地されるようになっているため、変圧器の交流出力が三相インバータで吸引されることによる三相インバータからの三相交流出力が低下する不具合が避けられる。さらに、三相インバータのキャリア周波数が最小の値に設定されていることにより、接続される負荷装置の安全が確保される。

また、ブレーカを設けたことにより、負荷装置が過負荷状態になったときには通電が確実に遮断されるため、負荷装置の安全が確保される。また、直流リアクトルを設けたことにより、三相インバータからの三相交流出力の力率を改善し、ノイズを低減でき、また一過性の過電流を抑制できるため、三相交流出力が安定化される。その結果、本発明においては、単相交流電源に電圧変換装置を接続することにより、単相交流１００Ｖあるいは２００Ｖ入力を三相交流２００Ｖで数ＫＷの大きさの出力に安定して変換することができるため、三相交流２００Ｖの低圧電力契約を行わなくても、工場等における三相交流２００Ｖ用のコンプレッサ、油圧ポンプ等の負荷装置を簡易かつ安価に駆動することができる。

また、本発明において、三相インバータに加えて変圧器も、単相交流電源及び負荷装置と共通の接地線で接続されて接地させることができる。これにより、変圧器の絶縁が低下した場合でも、電圧変換装置の安全が確保され、また出力電圧の低下が抑えられる。

本発明においては、家庭用等の単相交流電源からの単相交流出力を三相交流２００Ｖで数ＫＷの大きな電力に安定した状態で変換することができるので、このような電圧変換装置を利用することにより、三相交流２００Ｖ用で数ＫＷ容量の高電力の負荷装置を駆動させることができる。その結果、本発明においては、工場等で使用頻度の少ない三相交流２００Ｖ用のエアコン、油圧ポンプ等の負荷装置を駆動させるために、高額の三相交流２００Ｖの低圧電力契約を行わなくてもよいので、電力料金を大幅に低減できる。また、災害時等において、単相交流電力を発電する小型発電機を用いて、工場等における三相交流２００Ｖ用の負荷装置を簡易かつ安価に駆動させることができる。

本発明の一実施例である電圧変換装置の前面扉を開いた状態を示す正面図である。 同電圧変換装置を示す左側面図である。 同電圧変換装置の右側板を除いた状態を示す右側面図である。 同電圧変換装置の使用状態を説明するブロック図である。 変形例である電圧変換装置の使用状態を説明するブロック図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。図１、図２、図３は、一実施例である商用の単相交流１００Ｖ電源１からの電圧を三相交流２００Ｖで数ＫＷの三相電力に変換して工場等におけるコンプレッサ、油圧ポンプ等の動力用の負荷装置２に供給する電圧変換装置１０を正面図、左側面図及び右側面図（右側板を除く）により示したものである。以下、電圧変換装置１０の前後及び左右については、図１の前後及び左右に合わせるものとする。

電圧変換装置１０は、鉄製の薄板を加工した縦長の直方体であって、前面側が前面扉１２により開放可能にされた中空の箱状である装置本体１１を有しており、装置本体１１の底板１１ａの左右両側に設けた長尺のコの字状の一対の脚１３により、床面Ｇ上に載置されている。前面扉１２は、装置本体１１の右側板１１ｂ前縁に蝶番１２ａにより回転可能に片持ち支持されており、装置本体１１の前面を開閉可能としている。装置本体１１の底板１１ａ上には、鉄板の曲げ加工により形成されたＬ字状の取付台１４が載置されている。

取付台１４は、水平板１４ａと垂直板１４ｂを有しており、水平板１４ａの前側が直角に折り曲げられさらにその先端側が直角に折り返された補強部１４ｃを有している。取付台１４は、水平板１４ａが補強部１４ｃにて底板１１ａ上に載置されてボルト１４ｄにより固定されると共に、後縁側が底板１１ａ後縁側に設けたボス１５に支持されて水平にされている。また、取付台１４の垂直板１４ｂが、背面板１１ｃに近接して背面板１１ｃの四隅近傍に設けたボス１５に当接した状態でボルト１５ａ止めされて装置本体１１内に配設されている。そのため、取付台１４は、ボルト１４ｄ、ボルト１５ａを取り外すことにより、装置本体１１内に出し入れすることができる。

取付台１４の水平板１４ａ上には変圧器１７が載置されており、その下側が前後に設けたくの字状の固定部材１８により挟まれており、固定部材１８を水平板１４ａと変圧器１７側にそれぞれボルト１８ａ止めすることにより、変圧器１７が水平板１４ａに強固に固定されている。変圧器１７は、一次・二次電圧比が１００Ｖ／２２０Ｖと、二次側が定格電圧２００Ｖより１０％程度高くなるように設定されている。変圧器１７の上方には、三相交流２００Ｖ用インバータ２１（以下、三相インバータ２１と記す。）が垂直板１４ｂに固定されている。三相インバータ２１は、キャリア周波数が最低値になるように調整されている。

垂直板１４ｂの三相インバータ２１の左隣上側には、ブレーカ２３が取り付けられている。ブレーカ２３は、後述する入力コード２９と変圧器１７の間に設けられて、入力側からの供給電力が過負荷状態になったときに通電を遮断するものであり、また電圧変換装置１０が使用されていない状態では、装置の安全のために電気的接続を遮断できるようになっている。また、ブレーカ２３と重なり合った状態で、直流リアクトル２５が垂直板１４ｂに取り付けられている。直流リアクトル２５は、三相インバータ２１に接続されており、三相インバータ２１の出力の力率の改善、ノイズの低減、一過性の過電流の抑制等に寄与し、出力を安定化させるものである。垂直板１４ｂにおいてブレーカ２３の下側には、装置本体１１内に配線される多数のリード線を中継する中継端子部２７が取り付けられている。上述したように、取付台１４は装置本体１１内から取り出すことができるので、取付台１４に重量の重い変圧器１７や、三相インバータ２１等を組みつけた後に、装置本体１１内に挿入することができ、また故障等の際には、ボルト１４ｄ，１５ａを緩めて装置本体１１外に取り出して処理することができる。そのため、電圧変換装置１０の組み立てや保守等において便利である。

装置本体１１の左側板１１ｄの後方下端側には、単相交流１００Ｖ電源１に接続されるコンセント２９ａが取り付けられた入力コード２９が固定されるコード固定部３１が設けられている。左側板１１ｄのコード固定部３１横の左右中央には、出力コンセント３３が取り付けられており、三相交流２００Ｖ用のコンプレッサ等負荷装置２の入力用コード３３ａのコンセント（図示しない）が接続されるようになっている。左側板１１ｄの上端側の中央には、電圧変換装置１０の動作をオンとオフとリセットに切り替える入力切替スイッチ３５が取り付けられている。入力切替スイッチ３５の下側の左側板１１ｄ内面には、変圧器１７、三相インバータ２１等の接地端子を接続する接地コードをまとめる接地部３７が取り付けられている。

装置本体１１内におけるブレーカ２３、変圧器１７、三相インバータ２１及び直流リアクトル２５等と、単相交流１００Ｖ電源１及び負荷装置２の接続状態について、図１、図３及び図４により説明する。単相交流１００Ｖ電源１に接続される入力コード２９は、コード固定部３１を経て装置本体１１内に延設されて、入力切替スイッチ３５に接続され、入力切替スイッチ３５の出力側がコード２９ｂによりブレーカ２３の入力端子に接続されている。ブレーカ２３の出力側はコード２９ｂにより中継端子部２７を経て変圧器１７の一次端子に接続される。変圧器１７の二次端子は、コード２９ｃにより中継端子部２７を経て三相インバータ２１の２相の入力端子Ｒ，Ｓに接続される。三相インバータ２１の三相出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗからのコード２９ｄは出力コンセント３３に接続される。

ここで、入力コード２９の接地線２９ｅ（図において点線で示す）は、接地部３７に接続され、接地部３７から変圧器１７と三相インバータ２１と出力コンセント３３の接地端子にそれぞれ接続されている。これにより、負荷装置２の入力用コード３３ａが出力コンセント３３に接続されると、単相交流１００Ｖ電源１と、変圧器１７と三相インバータ２１と負荷装置２とが共通の接地線によって接続されるため、これらのいずれかにおいて接地線がアースされることにより、全体がアースされることになる。なお、変圧器１７については、絶縁が十分に確保されているような場合は、必要に応じて接地線２９ｅに接続しないことも可能である。

上記構成の実施例においては、単相交流１００Ｖ電源１に入力コード２９がコンセント２９ａによって接続されることにより、単相交流１００Ｖが変圧器１７によって２００Ｖを越えた単相交流電圧に変圧され、この変圧器１７の出力が三相インバータ２１の２端子Ｒ，Ｓに入力される。さらに、三相インバータ２１の出力側三端子Ｕ，Ｖ，Ｗからは、三相交流２００Ｖが出力され、出力コンセント３３を通して入力用コード３３ａにより負荷装置２に供給される。ここで、変圧器１７の出力電圧が定格電圧２００Ｖより１０％程度高く設定されていることにより、三相インバータ２１からの出力電圧を２００Ｖに合わせることができ、さらに三相インバータ２１により三相２００Ｖの出力を１〜３ＫＷ程度まで高めることができる。また、単相交流１００Ｖ電源１と、変圧器１７と三相インバータ２１と負荷装置２とが共通の接地線によって接続されていずれかで接地されているため、変圧器１７の電力出力が三相インバータ２１で吸引されることにより、電力出力が低下することが防止され、また変圧器１７の絶縁が不十分な状態でも電圧変換装置１０の安全が確保される。さらに、三相インバータ２１のキャリア周波数が最小値に設定されていることにより、接続される負荷装置２の安全が確保される。

その結果、本実施例においては、電圧変換装置１０を用意することにより、工場等で使用頻度の少ない三相交流２００Ｖ用のエアコン、油圧ポンプ等の負荷装置２を駆動させるために商用三相交流２００Ｖの低電力契約を行わなくても、家庭用の単相交流１００Ｖ電源１を利用することにより、三相交流２００Ｖで３ＫＷ程度までの高電力用の負荷装置２を駆動させることができるため、電力料金を大幅に低減することができる。また、この電圧変換装置１０は、比較的小型で軽量であるため、持ち運びにも便利であり、またコストも安価であるため容易に購入が可能である。

なお、上記実施例においては、電圧変換装置１０を単相交流１００Ｖの商用電源に適用した場合について説明されているが、商用電源に代えて単相交流１００Ｖを発電する小型発電機に適用することもできる。例えば、災害時等において単相交流１００Ｖを発電する小型発電機に電圧変換装置１０を適用することにより、工場等の三相交流２００Ｖ用のエアコン、油圧ポンプ等の負荷装置２を駆動させることができる。

つぎに、上記実施例の変形例について図５により説明する。
本変形例においては、上記単相交流１００Ｖ電源１に代えて、単相２００Ｖ出力の単相交流２００Ｖ電源３としたものであり、それに伴い上記変圧器１７に代えて、一次・二次電圧比が２００Ｖ／２２０Ｖの変圧器３９とした。上記単相交流１００Ｖ電源１は、家庭用の商用単相交流電源の単三端子の１００Ｖ端子とニュートラル端子を接続して用いるものであるが、単相交流２００Ｖ電源３としては、家庭用の商用単相交流電源の単三の２つの１００Ｖ端子を接続するようにしたものである。そのため、入力コード２９のコンセント２９ｇが、上記コンセント２９ａに代えて、２つの１００Ｖ端子に接続できるような構造のものに変更されている。その他の構成については上記実施例と同様である。

これにより、変形例では、単相交流２００Ｖ電源３から単相交流２００Ｖが出力され、変圧器３９により単相交流２２０Ｖに昇圧されて三相インバータ２１に入力される。ここで、変圧器３９に入力される交流入力は電流容量が大きいため、三相インバータ２１からの出力も最大８ＫＷ程度にまで高められる。その結果、変形例においては、上記実施例に比べてさらに高い電力の負荷装置を駆動することが可能になる。なお、変形例においては、単相交流２００Ｖ電源については、商用単相交流電源を使用しているが、これに代えて、小型の単三２００Ｖ発電機を使用することも可能である。

なお、上記実施例における装置本体の形状や装置本体内の変圧器、三相インバータ、ブレーカ等の規格や配置については電圧変換装置の性能により異なるものであり、実施例に限られるものではない。その他、上記実施例や変形例については一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することができる。

１０…電圧変換装置、１１…装置本体、１７，３９…変圧器、２１…三相インバータ、２３…ブレーカ、２５…直流リアクトル、２９…入力コード、２９ｅ…接地線。

Claims (2)

1. 単相交流電源からの単相交流１００Ｖあるいは２００Ｖ入力を三相交流２００Ｖで数ＫＷの大きさの出力に変換して三相交流２００Ｖ用の負荷装置に出力できる電圧変換装置であって、
   前記単相交流電源に接続されて前記負荷装置が過負荷状態になった時に通電を遮断するブレーカと、該ブレーカに接続されて前記単相交流電源から入力された単相交流電圧を２００Ｖより高い交流電圧に変圧する変圧器と、三相交流の各３つの入力端子と出力端子を有しており、前記変圧器の出力端子が該３つの入力端子の内の２端子に接続され、該変圧器からの単相交流電圧を三相交流２００Ｖに変換して該出力端子から前記負荷装置に出力する三相インバータと、該三相インバータに接続される直流リアクトルとを備え、前記三相インバータのキャリア周波数が最小の値に設定されており、前記三相インバータが前記単相交流電源及び負荷装置と共通の接地線で接続されて接地されるようになっていることを特徴とする電圧変換装置。
2. 前記三相インバータに加えて前記変圧器も、前記単相交流電源及び負荷装置と共通の接地線で接続されて接地されることを特徴とする請求項１に記載の電圧変換装置。

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