JP2013172633A - 自立運転可能電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部電源による自立起動であっても、平滑コンデンサへの突入電流を抑制することができる自立運転可能電源装置を提供する。
【解決手段】本発明の自立運転可能電源装置１は、負荷Ｙに並列接続された平滑コンデンサ３と、商用電源Ｚから供給される交流電圧を直流電圧に変換する第一電力変換器２と、第一電力変換器２と平滑コンデンサ３を並列接続させる第一電源ライン４と、第一電源ライン４上に配置された第一突入電流抑制回路４１と、商用電源Ｚ又は外部電源Ｘから供給される電力に基づいてエンジン６を起動させるスタータ５と、エンジン６により駆動される発電機７と、発電機７で発電された交流電圧を直流電圧に変換する第二電力変換器８１と、第二電力変換器８１と負荷Ｙとを並列接続させる第二電源ライン９と、を備え、第二電源ライン９は、第二突入電流抑制回路９１を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発電機を備えた自立運転機能付きの自立運転可能電源装置に関する。

負荷に電力を供給する電源装置の中には、商用電源からの電力と自身の発電機からの電力とを利用し、災害などの非常時には発電機からの電力のみで負荷に電力を供給する自立運転可能電源装置がある。その中でも、商用電源の交流電圧を直流電圧に変換して電力供給を行う電源装置では、負荷に供給する前に平滑コンデンサにより直流電圧を平滑している。ここで、平滑コンデンサが充電されていない場合、平滑コンデンサに電圧を印加すると突入電流が流れるおそれがある。このため、平滑コンデンサに対して突入電流抑制回路が配置されている。

平滑コンデンサを有する上記電源装置において、発電機は商用電源の交流電圧によって平滑コンデンサが充電された後に駆動されていた。つまり、発電機が発電した電圧は、充電された平滑コンデンサに印加されていた。これにより、発電機からの電圧印加に対しても、突入電流は発生しなかった。このように、通常運転のエンジン起動時において、発電機から負荷への電流はほとんど流れず、エンジンからみた発電機負荷は小さく、エンジン起動トルクにほとんど影響を与えない。発電機を備えた自立運転可能電源装置としては、例えば特開２００９−１３１０５６号公報（特許文献１）に記載されている。

特開２００９−１３１０５６号公報

しかしながら、災害時などの非常時において、商用電源からの電力供給が停止した場合、発電機を駆動するエンジンを起動させる電力を外部から供給されなければならない。自立運転（自立起動）では、外部電源からエンジンのスタータに電力が供給され、エンジンが起動して発電機が駆動する。

この際、商用電源からの電力供給が遮断されているため、平滑コンデンサには電荷がチャージされておらず、突入電流が流れるおそれがある。発電機から平滑コンデンサに突入電流が流れた場合、発電機起動トルク及びエンジン起動トルクが過大となり、ピーククランキング電力が過大となってしまう。特に大きなエンジンを備えるエンジン駆動式空調装置においては、上記エンジン起動トルクの過大が大きな問題となる。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、外部電源による自立起動であっても、平滑コンデンサへの突入電流を抑制することができる自立運転可能電源装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、自立運転可能電源装置であって、負荷に並列接続された平滑コンデンサと、商用電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する第一電力変換器と、前記第一電力変換器と平滑コンデンサを並列接続させる第一電源ラインと、前記第一電源ライン上に配置され、突入電流を抑制する第一突入電流抑制回路と、エンジンと、前記商用電源又は前記商用電源以外の外部電源から供給される電力に基づいて前記エンジンを起動させるスタータと、前記エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機で発電された交流電圧を直流電圧に変換する第二電力変換器と、前記第二電力変換器と前記負荷とを並列接続させる第二電源ラインと、を備え、前記第二電源ラインは、突入電流を抑制する第二突入電流抑制回路を備える。

請求項２に記載の発明は、自立運転可能電源装置であって、負荷に並列接続された平滑コンデンサと、商用電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する第一電力変換器と、前記第一電力変換器と平滑コンデンサを並列接続させる第一電源ラインと、前記第一電源ライン上に配置され、突入電流を抑制する突入電流抑制回路と、エンジンと、前記商用電源又は前記商用電源以外の外部電源から供給される電力に基づいて前記エンジンを起動させるスタータと、前記エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機で発電された交流電圧を直流電圧に変換する第二電力変換器と、前記第二電力変換器の出力を、前記第一電源ライン上における前記第一電力変換器と前記第一突入電流抑制回路との間に供給する第二電源ラインと、を備える。

請求項１に記載の発明によれば、第二突入電流抑制回路が発電機から平滑コンデンサへの突入電流を抑制する。これにより、外部電源による自立起動であっても、平滑コンデンサへの突入電流を抑制することができる。

請求項２に記載の発明によれば、１つの突入電流抑制回路で、外部電源による自立起動における平滑コンデンサへの突入電流を抑制することができる。つまり、請求項１の効果に加えて、部品点数の削減及び製造コストの削減が可能となる。

第一実施形態の自立運転可能電源装置の構成を示す構成図である。 第二実施形態の自立運転可能電源装置の構成を示す構成図である。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。実施形態では、コンプレッサＣを有するガスエンジン駆動式空調装置の電源装置を例にしている。つまり、ガス燃料のエンジン６によりコンプレッサＣ及び発電機７が駆動されるシステムであって、コンプレッサＣが空調の冷媒循環における圧縮機を構成し、発電機７と商用電源Ｚの電力が負荷に対して系統連系したマルチエネルギーシステムを構成している。このように、以下の実施形態では、ガスヒートポンプのハイパワーシステムにおける自立運転可能電源装置を例にしている。

＜第一実施形態＞
図１は第一実施形態の自立運転可能電源装置の構成を示す構成図である。第一実施形態の自立運転可能電源装置１は、主に、整流器２と、平滑コンデンサ３と、第一電源ライン４と、第一突入電流抑制回路４１と、スタータ５と、エンジン６と、発電機７と、コンバータ８と、第二電源ライン９と、第二突入電流抑制回路９１と、降圧トランスＡと、整流器Ｂと、を備えている。

整流器（「第一電力変換器」に相当する）２は、複数の整流素子２１からなるダイオードブリッジであり、商用電源Ｚ及び第一電源ライン４に接続されている。整流器２は、商用電源Ｚから供給される三相の交流電圧を直流電圧に変換して第一電源ライン４に出力する。

平滑コンデンサ３は、内部負荷Ｙと並列接続されているとともに、第一電源ライン４により整流器２と並列接続されている。平滑コンデンサ３は、供給される電力を平滑して内部負荷Ｙに供給する。内部負荷Ｙは、例えば、マイコン、バルブ、室外機補機、又は自立出力インバータである。一般に、内部負荷Ｙに加わる電圧（平滑コンデンサ３に加わる電圧）は、直流中間電圧と称される。

第一電源ライン４は、整流器２と平滑コンデンサ３とを並列接続させる配線である。第一電源ライン４の一方（ハイサイド）のライン４ａが平滑コンデンサ３の一方端子に接続され、他方（ローサイド）のライン４ｂが平滑コンデンサ３の他方端子に接続されている。

第一突入電流抑制回路４１は、平滑コンデンサ３への突入電流を抑制するための回路であり、第一電源ライン４のライン４ａ上に配置されている。具体的に、第一突入電流抑制回路４１は、抵抗４１１とスイッチ４１２とが並列接続されて構成されている。スイッチ４１２は、直流中間電圧が所定値以上となると、図示しないマイコン等からオン指令を受けてオンされる。つまり、直流中間電圧が所定値まで上がるまでは、抵抗４１１を介して平滑コンデンサ３が充電される。これにより、突入電流は抑制される。

スタータ５は、エンジン６を起動させる装置であって、降圧トランスＡ及び整流器Ｂを介して商用電源に接続されている。降圧トランスＡは電圧を下げるものであり、整流器Ｂは交流電圧を直流電圧に変換するものである。つまり、スタータ５は、商用電源から供給される電力（降圧されたＤＣ）により作動し、エンジン６を起動させる。また、スタータ５は、バッテリ等の外部電源Ｘが接続されると、当該外部電源Ｘから電力が供給される構成となっている。なお、実施形態ではバッテリ等の直流電源を外部電源Ｘとして使用しているが、独立したエンジン式発電機等の交流電源でもよい。交流電源を使用する場合は整流器を介して接続する。場合によっては、交流電源の整流器として整流器Ｂを使用しても良い。その場合は交流電源の電力を降圧トランスＡと整流器Ｂとの間に接続する。交流電源の電圧が高い場合には降圧トランスで降圧してから整流器に接続する。交流電源の電圧が商用電源に近い場合は降圧トランスＡと整流器Ｂを使用しても良い。その場合は交流電源の電力を降圧トランスＡと商用電源との間に接続する。

エンジン６は、スタータ５、発電機７、及びコンプレッサＣに接続されている。エンジン６は、スタータ５により起動し、コンプレッサＣを駆動させ、駆動力に余力があるときに発電機７を駆動させる。本実施形態のエンジン６は、ガス燃料で駆動するガスエンジンであって、空調負荷に対応するための大きなエンジン（空調用エンジン）である。エンジン６は、例えば最高出力５６ｋＷ程度（又はそれ以上）のものである。発電機７は、エンジン６により駆動し発電する。

コンバータ８は、スイッチング回路部（「第二電力変換器」に相当する）８１と、ダイオード８２と、出力コンデンサ８３とで構成されている。スイッチング回路部８１は、発電機７及び第二電源ライン９に接続され、発電機７から供給される三相の交流電圧を直流電圧に変換する。スイッチング回路部８１は、複数のスイッチング素子（ここではトランジスタ）８１１と、複数のダイオード８１２で構成されている。スイッチング素子８１１は、マイコン等からの信号により制御（オン／オフ）される。

ダイオード８２は、第二電源ライン９のライン９ａ上に配置されている。ダイオード８２のアノード端子はスイッチング回路部８１の出力端（ハイサイド）に接続され、ダイオード８２のカソード端子は第二突入電流抑制回路９１に接続されている。出力コンデンサ８３は、スイッチング回路部８１に並列接続されたコンバータ出力用のコンデンサである。出力コンデンサ８３は、コンバータ８内に配置されている。出力コンデンサ８３の一方端子は第二電源ライン９のライン９ａに接続され、他方端子はライン９ｂに接続されている。出力コンデンサ８３は、コンバータ８の出力電圧を平滑している。

第二電源ライン９は、スイッチング回路部８１と、内部負荷Ｙ及び平滑コンデンサ３とを並列接続させる配線である。第二電源ライン９の一方（ハイサイド）のライン９ａが平滑コンデンサ３の一方端子に接続され、他方（ローサイド）のライン９ｂが平滑コンデンサ３の他方端子に接続されている。さらに具体的に、ライン９ａは、第一突入電流抑制回路４１と内部負荷Ｙの間に接続され、ライン９ｂは、整流器２と内部負荷Ｙの間に接続されている。ライン９ａはライン４ａと接続し、ライン９ｂはライン４ｂと接続しているともいえる。なお、ライン９ａは、内部負荷Ｙのハイサイド端子に直接接続されても良く、ライン９ｂは、内部負荷Ｙのローサイド（例えばＧＮＤ）端子に直接接続されても良い（すなわち、スイッチング回路部８１と内部負荷Ｙとを並列接続させる）。

第二突入電流抑制回路９１は、第二電源ライン９のライン９ａ上に配置されている。具体的に、第二突入電流抑制回路９１は、抵抗９１１とスイッチ９１２とが並列接続されて構成されている。スイッチ９１２は、第一突入電流抑制回路９１同様、直流中間電圧が所定値以上となると、図示しないマイコン等からオン指令を受けてオンされる。つまり、直流中間電圧が所定値まで上がるまでは、抵抗９１１を介して平滑コンデンサ３が充電される。第二突入電流抑制回路９１は、平滑コンデンサ３及び出力コンデンサ８３への突入電流を抑制することができる。

（通常時）
通常時の電源供給について説明する。自立運転可能電源装置１を起動させると、整流器２は、商用電源Ｚの電力を直流にして出力する。この際、平滑コンデンサ３には電荷がチャージされていない（充電されていない）状態であり、そのまま電圧を印加すると平滑コンデンサ３に突入電流が流れる。しかし、第一突入電流抑制回路４が機能し、平滑コンデンサ３が充電されるまでは抵抗４１１で電圧降下させて平滑コンデンサ３に電圧を印加するため、突入電流の発生が抑制される。そして、平滑コンデンサ３が充電されると、平滑コンデンサ３から内部負荷Ｙに平滑された直流電力が供給される。

平滑コンデンサ３が充電された後に、商用電源から降圧トランスＡ及び整流器Ｂを介して供給された電力によりスタータ５が作動する。スタータ５は、商用電源Ｚからの電力に基づいてエンジン６を起動させる。エンジン６によりコンプレッサＣ及び発電機７が駆動する。発電機７で発電された電力は、スイッチング回路部８１で直流に変換され、出力コンデンサ８３により平滑されて内部負荷Ｙ及び平滑コンデンサ３に供給される。つまり、商用電源Ｚ及び発電機７により直流中間電圧が形成される。エンジン６が起動する際、平滑コンデンサ３はすでに充電されているため、第二突入電流抑制回路９１のスイッチ９１２はオン（接続）となっている。

（非常時）
次に非常時における電源供給について説明する。災害時など、商用電源Ｚからの電力供給が絶たれた場合（以下、非常時の場合と称する）、自立運転可能電源装置１にバッテリ等の外部電源Ｘを接続すると、スタータ５に対して電力が供給される。つまり、本実施形態では、商用電源Ｚなしに自立運転可能電源装置１を起動させることができる。非常時の場合、平滑コンデンサ３は、充電されない状態で電荷を放出して自立運転可能電源装置１の起動前の状態となる。つまり、非常時の場合、平滑コンデンサ３は、電荷がない状態となっている。

ここで、外部電源Ｘから電力供給を受けたスタータ５がエンジン６を起動し、発電機７を駆動した場合、発電機７が発電した電力が平滑コンデンサ３に供給される。この際、オン指令を受けていない第二突入電流抑制回路９では、スイッチ９１２がオフ（遮断）状態であるため、抵抗９１１を介して平滑コンデンサ３及び出力コンデンサ８３に電圧が印加される。これにより、非常時の場合に外部電源Ｘの電力によりエンジン６が起動した場合でも、平滑コンデンサ３への突入電流の発生は抑制される。また、本実施形態によれば、第二突入電流抑制回路９１がスイッチング回路部８１と出力コンデンサ８３の間に配置されているため、出力コンデンサ８３への突入電流発生も抑制できる。

発電機７により発電された電力により平滑コンデンサ３が充電されると、内部負荷Ｙに電力が供給され、作動したマイコン等からスイッチ９１２にオン指令が送信される。なお、コンプレッサＣの駆動は空調を作動させない場合は不要であるため、非常時に空調を用いなければ、エンジン６の駆動力を発電機７に集中させることができる。また、直流中間電圧には、内部負荷Ｙだけでなく外部負荷（図示せず）も接続することができる。例えば、第一電源ライン４からインバータ及び出力端子を介して外部負荷に接続する。つまり、自立運転可能電源装置１は、発電機７で発電した電力を外部負荷に供給することができる。

このように、本実施形態によれば、非常時における外部電源Ｘからの電力によりエンジン６を起動する場合であっても、平滑コンデンサ３への突入電流の発生を抑制することができる。そして、エンジン６起動時において、発電機７から直流中間電圧への電流はほとんど流れず、エンジン６からみた発電機７の負荷は小さく、エンジン６の起動トルクへの影響を確実に抑えることができる。

＜第二実施形態＞
図２は第二実施形態の自立運転可能電源装置の構成を示す構成図である。第二実施形態の自立運転可能電源装置１０は、第一実施形態とは主に第二電源ライン９の接続先が異なっている。これにより、第二実施形態は、第二突入電流抑制回路９１及び出力コンデンサ８３を省いた構成となっている。したがって、両者の異なっている部分のみを説明し、他の部分は同符号を付して説明を省略する。

第二電源ライン９のライン９ａは、第一電源ライン４における整流器２と第一突入電流抑制回路４１との間に接続されている。ライン９ｂは、平滑コンデンサ３の他方端子に接続されている。ライン９ｂは、第一電源ライン４のライン４ｂ、平滑コンデンサ３の他方端子と内部負荷の間、又は内部負荷のローサイド（例えばＧＮＤ）端子に接続されても良い。

上記接続状態によれば、第一突入電流抑制回路４１が第二突入電流抑制回路９１の役割を兼ねることとなり、第二突入電流抑制回路９１を配置する必要がなくなる。また、上記接続状態によれば、平滑コンデンサ３が出力コンデンサ８３の役割をも兼ねるため、出力コンデンサ８３も省くことができる。

第二実施形態において、非常時の場合、スイッチング回路部８１からの直流電圧が、電荷がない状態の平滑コンデンサ３に印加するまでに、第一突入電流抑制回路４１を介すこととなり、第一突入電流抑制回路４１により突入電流が抑制される。また、スイッチング回路部８１から出力された直流電圧は、平滑コンデンサ３で平滑された後に内部負荷Ｙに印加されるため、コンバータ８内に出力コンデンサ８３を配置する必要もなくなる。

このように、第二実施形態の自立運転可能電源装置１０によれば、第一実施形態と同様の効果が発揮される上、部品点数削減が可能となり、製造コストの削減が可能となる。

なお、本発明は、上記第一実施形態及び第二実施形態に限られない。例えば、整流器２は、コンバータでもスイッチング素子を用いたものでも良い。また、突入電流抑制回路４１、９１のスイッチ４１２、９１２は、スイッチング素子を用いて構成しても良い。この場合、スイッチング素子は、直流中間電圧が所定値以上となった場合にオン指令を受けてオンする。

また、上記実施形態では、直流中間電圧がおよそ３００Ｖであり、内部負荷Ｙには１２〜１５Ｖ程度にまで降圧されて供給される。また、例えばウォータポンプ等の外部負荷には、インバータを介して交流電圧が提供される。また、外部電源Ｘが自立運転可能電源装置１、１０に常時接続されている構成であっても良い。この場合、災害時に、手動でスタータ５の電源ライン（図示せず）を商用電源Ｚから外部電源Ｘに切り替えることで上記同様の作用が発揮される。

１、１０：自立運転可能電源装置、
２：整流器（第一電力変換器）、 ３：平滑コンデンサ、
４：第一電源ライン、 ４１：第一突入電流抑制回路（突入電流抑制回路）、
５：スタータ、 ６：エンジン、 ７：発電機、
８：コンバータ、 ８１：スイッチング回路部（第二電力変換器）、
８２：ダイオード、 ８３：出力コンデンサ、
９：第二電源ライン、 ９１：第二突入電流抑制回路、
Ｘ：外部電源、 Ｙ：内部負荷、 Ｚ：商用電源

Claims (2)

1. 負荷に並列接続された平滑コンデンサと、
   商用電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する第一電力変換器と、
   前記第一電力変換器と平滑コンデンサを並列接続させる第一電源ラインと、
   前記第一電源ライン上に配置され、突入電流を抑制する第一突入電流抑制回路と、
   エンジンと、
   前記商用電源又は前記商用電源以外の外部電源から供給される電力に基づいて前記エンジンを起動させるスタータと、
   前記エンジンにより駆動される発電機と、
   前記発電機で発電された交流電圧を直流電圧に変換する第二電力変換器と、
   前記第二電力変換器と前記負荷とを並列接続させる第二電源ラインと、
   を備え、
   前記第二電源ラインは、突入電流を抑制する第二突入電流抑制回路を備える自立運転可能電源装置。
2. 負荷に並列接続された平滑コンデンサと、
   商用電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する第一電力変換器と、
   前記第一電力変換器と平滑コンデンサを並列接続させる第一電源ラインと、
   前記第一電源ライン上に配置され、突入電流を抑制する突入電流抑制回路と、
   エンジンと、
   前記商用電源又は前記商用電源以外の外部電源から供給される電力に基づいて前記エンジンを起動させるスタータと、
   前記エンジンにより駆動される発電機と、
   前記発電機で発電された交流電圧を直流電圧に変換する第二電力変換器と、
   前記第二電力変換器の出力を、前記第一電源ライン上における前記第一電力変換器と前記第一突入電流抑制回路との間に供給する第二電源ラインと、
   を備える自立運転可能電源装置。

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