JP2013106393A

JP2013106393A - 瞬低補償装置

Info

Publication number: JP2013106393A
Application number: JP2011247296A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Aikawa; 浩之相河
Original assignee: Shizuki Electric Co Inc
Current assignee: Shizuki Electric Co Inc
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2013-05-30

Abstract

【課題】蓄電部の充電初期に過電流が流れることを抑制することができる瞬低補償装置を提供する。
【解決手段】電源２からの交流電力を負荷３側に出力するスイッチング部４と、交流電力を直流電力に変換する変換部５と、直流電力により充電される蓄電部６と、スイッチング部４及び変換部５を制御する制御部７とを具備し、交流電力の電圧が低下した場合、制御部７により、スイッチング部４を遮断するとともに、蓄電部６の蓄電電力を交流電力に変換して負荷３側に出力するよう構成し、また、蓄電部６の充電を、所定時間Ｔ内で電力を供給する時間Ｔ１と電力を供給しない時間Ｔ２とを切り換えるとともに、所定時間Ｔ毎に切り換えを繰り返すことで行うよう構成した瞬低補償装置において、制御部７は、蓄電部６を充電するためにスイッチング部４及び変換部５を始動させてから所定時間Ｔ、蓄電部６に充電電流を流さない。
【選択図】図１

Description

この発明は、瞬間的に電源電圧が低下又は停電した場合に電圧を補償し負荷への電力供給に影響が出ないようにする瞬低（瞬時電圧低下）補償装置に関する。

落雷等によって瞬間的に電源電圧が低下又は停電した際に、設備の稼働に障害が出るのを防止する目的で、近年、生産設備等の重要な負荷設備において、瞬低補償装置が導入されている。

瞬低補償装置としては、入力（系統電源）と出力（負荷）との間に接続され、交互に導通（オン）することで系統電源からの交流電力を負荷に供給する交流スイッチ（逆並列接続したサイリスタ）と、瞬低時に直流電力を供給する蓄電部（例えば電気二重層コンデンサ）と、蓄電部からの直流電力を昇圧するチョッパ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）と、直流電力を交流電力に変換する変換器（インバータ）とから構成されたものが挙げられる（例えば特許文献１参照）。また、このような瞬低補償装置においては、インバータ及びチョッパをコンバータとして動作させることで、系統電源からの交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を蓄電部に供給できるように構成されている。

上記瞬低補償装置では、定常時においては、交流スイッチを介して系統電源からの交流電力を負荷に供給する。また、落雷等により系統電源に瞬間的に電圧低下又は停電が発生した場合には、交流スイッチを遮断（オフ）し、蓄電部の蓄電電圧（直流電圧）をチョッパ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）で昇圧し、さらにインバータで交流電圧に変換して交流電力を負荷に供給することにより瞬低時や停電時の電力供給を補償する。

特開２００２−１０５２８号公報

ところで、直列接続されたスイッチング素子（ＩＰＭ等の半導体素子）によって双方向のチョッパを構成した場合、蓄電部に充電電流を供給するにあたっては、予め設定した所定の周波数（スイッチング周波数）の１周期の間で、上記２つのスイッチング素子のオンオフを交互に切り換える、所謂スイッチング制御を行うが、従来、蓄電部を充電するために交流スイッチ、インバータ及びチョッパを始動させた直後の１周期目から蓄電部に充電電流を供給していた。

そのため、瞬低補償装置を新たに設置した場合や瞬低補償装置のメンテナンス後等で、蓄電部の蓄電電圧がほとんど無い状態においては、チョッパの両端電圧と蓄電部の蓄電電圧との電位差によって、図５に示すように、充電初期に大電流が流れることとなっていた。また、チョッパの構成部品である直流リアクトルのインダクタンスによっても大電流が流れるため、瞬低補償装置を構成する各部品（例えばスイッチング素子）に過電流による異常が発生する虞があった。

そこで、本発明は、上記の課題を解消して、蓄電部の充電初期に過電流が流れることを抑制することができる瞬低補償装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の瞬低補償装置は、電源２から交流電力が供給され負荷３側に交流電力を出力するスイッチング部４と、このスイッチング部４から出力される交流電力を直流電力に変換する変換部５と、この変換部５から出力される直流電力により充電される蓄電部６と、上記スイッチング部４及び上記変換部５を制御する制御部７とを具備し、上記電源２から上記スイッチング部４に供給される交流電力の電圧が低下した場合、上記制御部７により、上記スイッチング部４を遮断するとともに、上記蓄電部６の蓄電電力を上記変換部５で交流電力に変換して負荷３側に出力するように構成し、また、上記蓄電部６の充電を、所定時間Ｔ内で電力を供給する時間Ｔ１と電力を供給しない時間Ｔ２とを切り換えるとともに、所定時間Ｔ毎に上記切り換えを繰り返すことで行うよう構成した瞬低補償装置において、上記制御部７は、上記蓄電部６を充電するために上記スイッチング部４及び変換部５を始動させてから所定時間Ｔ、上記蓄電部６に充電電流を流さないことを特徴としている。

この発明の瞬低補償装置によれば、蓄電部を充電するためにスイッチング部及び変換部を始動させてから所定時間、蓄電部に充電電流を流さないようにしているため、蓄電部の充電初期に、チョッパの両端電圧と蓄電部の蓄電電圧との電位差やチョッパの構成部品である直流リアクトルのインダクタンスによって、瞬低補償装置を構成する各部品（例えばスイッチング素子）に過電流が流れるのを抑制でき、異常が生じるのを防ぐことができる。

本発明に係る瞬低補償装置の実施形態を示す回路図である。チョッパ及び蓄電部を示す回路図である。蓄電部の充電初期におけるスイッチング素子のオンオフ状態を示す図である。蓄電部の充電時における電流の変化を示す図である。従来の蓄電部の充電時における電流の変化を示す図である。

以下、この発明の瞬低補償装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。この発明の瞬低補償装置１は、図１に示すように、系統電源２（以下、交流電源と称す）から交流電力が供給され負荷３側に交流電力を出力するスイッチング部４（逆並列接続したサイリスタ：以下、交流スイッチと称す）と、この交流スイッチ４から出力される交流電力を直流電力に変換する変換部５と、この変換部５から出力される直流電力により充電される蓄電部６（電気二重層コンデンサ）と、交流スイッチ４及び変換部５を制御する制御部７とを備えている。なお、変換部５は、蓄電部６からの直流電力を昇圧するチョッパ５Ａ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）と、直流電力を交流電力に変換する変換器５Ｂ（インバータ）とを備えている。また、チョッパ５Ａは、図２に示すように、直流リアクトルＬ、平滑コンデンサＣ、互いに直列接続された第１スイッチング素子Ｓ１と第２スイッチング素子Ｓ２（ＩＰＭ等の半導体素子）とを備えている。

そして、上記交流スイッチ４、変換器５Ｂ、チョッパ５Ａ、蓄電部６及び制御部７をそれぞれ接続することで瞬低補償装置１を構成している。具体的には、図１に示すように、交流スイッチ４は、交流電源２と負荷３との間に接続され、変換器５Ｂは、交流スイッチ４と負荷３との間から分岐した電力線に接続され、チョッパ５Ａは変換器５Ｂに、蓄電部６はチョッパ５Ａにそれぞれ接続されている。また、制御部７は、交流スイッチ４と、変換器５Ｂと、チョッパ５Ａとにそれぞれ接続されており、交流スイッチ４や変換器５Ｂのオンオフ切換の他に、チョッパ５Ａの構成部品である第１、第２スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のオンオフを行えるようになっている。また、制御部７は、電圧を検出する検出器を備えており、交流電源２と交流スイッチ４との間から分岐した電力線や、変換器５Ｂとチョッパ５Ａとの間から分岐した電力線と接続されることで、交流電源２の電源電圧や、変換器５Ｂとチョッパ５Ａの接続点の電圧を検出できるようになっている。

上記瞬低補償装置１は、定常時においては、交流スイッチ４を交互に導通（オン）して交流電源２からの交流電力を負荷３に供給する。また、落雷等により交流電源２からの交流電力が電圧低下すると、制御部７の制御により、交流スイッチ４を遮断するとともに蓄電部６の蓄電電圧（直流電圧）をチョッパ５Ａで昇圧し、さらに変換器５Ｂで交流電圧に変換して交流電力を負荷３に供給することにより瞬低時の電力供給を補償する。

さらに、上記瞬低補償装置１では、定常時に、変換部５をコンバータ運転することによって、交流スイッチ４から出力される交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を蓄電部６に供給する。なお、蓄電部６へ直流電力を供給するにあたっては、所定時間Ｔ内で電力を供給する時間Ｔ１と電力を供給しない時間Ｔ２とを切り換えるとともに、所定時間Ｔ毎に上記切り換えを繰り返すことで行う。

具体的には、制御部７の制御によって、予め設定された所定の周波数（スイッチング周波数）の１周期Ｔ内で、第１、第２スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のオンオフを交互に切り換える、すなわち、スイッチング周波数の１周期Ｔ内で、電力を供給する時間Ｔ１と電力を供給しない時間Ｔ２とを切り換えるとともに、周期毎にその切り換えを繰り返すことで、蓄電部６に直流電力（充電電流）を供給する（所謂スイッチング制御）。なお、図２において、上側に位置された第１スイッチング素子Ｓ１をオンとし、下側に位置された第２スイッチング素子Ｓ２をオフとした場合に蓄電部６に充電電流が供給され、第１スイッチング素子Ｓ１をオフとし、第２スイッチング素子Ｓ２をオンとした場合には蓄電部６への充電電流の供給は行われない。

また、蓄電部の蓄電電圧が予め設定している設定値より小さい場合、例えば、瞬低補償装置１を新たに設置した場合や、瞬低補償装置１のメンテナンス後等、蓄電部６の蓄電電圧がほとんど無い場合においては、蓄電部６を充電するために交流スイッチ４、変換器５Ｂ及びチョッパ５Ａを始動（充電開始）させてから、スイッチング周波数の１周期Ｔの間は、蓄電部６への充電電流の供給は行わず、それ以降に、スイッチング周波数の１周期Ｔ内で、電力を供給する時間Ｔ１と電力を供給しない時間Ｔ２とを切り換えるとともに、周期毎にその切り換えを繰り返すことで、充電電流の供給を行い、蓄電部６の充電を行う。

具体的には、図３に示すように、蓄電部６を充電するために交流スイッチ４、変換器５Ｂ及びチョッパ５Ａを始動させてから、スイッチング周波数の１周期Ｔの間は、第１スイッチング素子Ｓ１をオフ、第２スイッチング素子Ｓ２をオンとして蓄電部６への充電電流の供給は行わず、２周期以降、各周期内で第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２のオンオフを繰り返すことで、蓄電部６への充電電流の供給を行う。なお、２周期以降は、図３に示すように、１周期のうちの前半に第１スイッチング素子Ｓ１のオン時間Ｔ１を設け、後半に第２スイッチング素子Ｓ２のオン時間Ｔ２を設ける制御を行う。

そして、上記制御によれば、図４に示すように、充電初期に、チョッパ５Ａの両端電圧（平滑コンデンサＣの電圧）と蓄電部６の蓄電電圧との電位差及び直流リアクトルＬのインダクタンスによって過電流が流れることを抑制することができ、瞬低補償装置１の構成部品、例えば第１、第２スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の過電流による異常を防ぐことができる。

なお、瞬低補償装置１の点検後や瞬低補償後等、蓄電部６の蓄電電圧がある程度保持されている場合もある。この場合、平滑コンデンサＣの設定電圧と蓄電部６の蓄電電圧の差が大きいとき、すなわち、蓄電部６の蓄電電圧が小である場合には、第１スイッチング素子Ｓ１のオン時間Ｔ１を小（例えば、１周期Ｔの０から１／２までの時間）からはじめ、平滑コンデンサＣの設定電圧と蓄電部６の蓄電電圧の差が小さいとき、すなわち、蓄電部６の蓄電電圧が大である場合には、第１スイッチング素子Ｓ１のオン時間Ｔ１を大（例えば、１周期Ｔの１／２以上の時間）からはじめても良い。この場合においては、過電流の発生を抑制しながらも、充電完了までにかかる時間をより短縮することができる。なお、この場合においても、蓄電部６を充電するために交流スイッチ４、変換器５Ｂ及びチョッパ５Ａを始動させてから、スイッチング周波数の１周期Ｔは、蓄電部６に充電電流を供給せず、それ以降、１周期のうちの前半に第１スイッチング素子Ｓ１のオン時間Ｔ１を設け、後半に第２スイッチング素子Ｓ２のオン時間Ｔ２を設けるといった制御を行う。蓄電部６の蓄電電圧を把握する方法としては、例えば、制御部７と蓄電部６とを接続し、制御部７で把握するように構成しても良いし、別途、電圧検出手段（図示しない）を設けても良い。

以上に、この発明の具体的な実施形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施例においては、蓄電部６として、電気二重層コンデンサが用いられていたが、電解コンデンサ、リチウムイオンキャパシタ等種々のものを用いることができる。また、図３において、蓄電部６の蓄電電圧の増加に伴い、充電電流の供給時間Ｔ１も増加させていたが、平滑コンデンサＣの設定電圧と蓄電部６の蓄電電圧の差が小さく、第１スイッチング素子Ｓ１のオン時間Ｔ１を充電初期から大としている場合等、これ以上、充電電流の供給時間を増やす必要の無い場合には、蓄電部６の蓄電電圧の増加に合わせて、第１スイッチング素子Ｓ１のオン時間Ｔ１を増加する必要は無く、一定値を保つようにしても良い。

１・・瞬低補償装置、２・・系統電源（交流電源）、３・・負荷、４・・スイッチング部（交流スイッチ）、５・・変換部、６・・蓄電部、７・・制御部、Ｔ・・所定時間（スイッチング周波数の１周期）、Ｔ１・・電力を供給する時間、Ｔ２・・電力を供給しない時間

Claims

電源（２）から交流電力が供給され負荷（３）側に交流電力を出力するスイッチング部（４）と、このスイッチング部（４）から出力される交流電力を直流電力に変換する変換部（５）と、この変換部（５）から出力される直流電力により充電される蓄電部（６）と、上記スイッチング部（４）及び上記変換部（５）を制御する制御部（７）とを具備し、上記電源（２）から上記スイッチング部（４）に供給される交流電力の電圧が低下した場合、上記制御部（７）により、上記スイッチング部（４）を遮断するとともに、上記蓄電部（６）の蓄電電力を上記変換部（５）で交流電力に変換して負荷（３）側に出力するように構成し、また、上記蓄電部（６）の充電を、所定時間（Ｔ）内で電力を供給する時間（Ｔ１）と電力を供給しない時間（Ｔ２）とを切り換えるとともに、所定時間（Ｔ）毎に上記切り換えを繰り返すことで行うよう構成した瞬低補償装置において、上記制御部（７）は、上記蓄電部（６）を充電するために上記スイッチング部（４）及び変換部（５）を始動させてから所定時間（Ｔ）、上記蓄電部（６）に充電電流を流さないことを特徴とする瞬低補償装置。