JP2015133883A - コンデンサバンク - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 コンデンサバンクは短絡事故時の放電電流を安全な範囲に減流するため,抵抗器を要素コンデンサに直結接続するが,高速制御の電圧型変換器の電圧源コンデンサの電圧を維持するには問題ない抵抗値を選択する。
【選択図】図1
Description
図2に、従来のコンデンサバンクの回路図を示す。
図2の従来のコンデンサバンクは、要素コンデンサ1と結線2から構成される。
また、この図にはその他に、出力端子3が示されている。
要素コンデンサ1は、直列,並列にして大きなエネルギーが蓄積する一つのコンデンサになるもので,コンデンサバンクと呼ばれる。また、出力は最終的に端子3に接続される。
結線2は、要素コンデンサ1の端子を接続するもので電流容量に応じた電線,または放電電流の電磁力に耐える平角の銅やアルミの母線である。
コンデンサバンクは外からは一つのコンデンサに見え,そのように扱うことが一般的である。
以上のコンデンサバンクは次のようにして使用する。
充電されたコンデンサバンクは端子3から電流を取り出すことで放電させて,電気エネルギーの充電・放電を行う。これを繰り返す。電気エネルギーの貯蔵装置として,瞬間大電力を必要とする分野ではこれまで良く使われてきた。高エネルギー粒子加速器分野ではパルス磁界を発生するための磁気エネルギー源としてコンデンサバンクが使われる。磁界のエネルギーをコンデンサバンクに充電,放電することで外部からの電源はそのロス分のみの補給で済むため,高繰り返し運転が可能になる。
図4は先行技術である「特許4382665」磁気エネルギーを回生する磁場パルス電源に,本発明のコンデンサバンクを追加したものである。この場合,外部AC電源に接続している低電圧電源は抵抗分の電圧のみ発生すればよい。これは先行技術で特許登録されている優れた考えである。図4では負荷として磁界コイルとコイル電流制御用のインバータ回路と直列接続した低電圧電源回路,さらに電圧源コンデンサと並列接続されるエネルギー源として減流抵抗器付コンデンサバンクを接続している。
1.事故短絡の電流が大きくその電磁力も大きいので,結線2は電流力に耐える構造にする必要がある。
2.または保護用にフューズを直列に入れて事故大電流を溶断して減流,遮断するが,フューズの信頼性,経年変化,保証される寿命の問題がある。
3.高繰り返しパルス利用の磁界発生装置用コンデンサバンクは磁気エネルギーの充電,放電時の電力のバッファーとして使われるが,その場合は事故電流を制限する直列のインダクタンスを接続することが考えられるが,電流の立ち上がり速度は下がる。しかし,ピーク電流値はコンデンサバンクのキャパシタンスとインダクタンスで決まるサージ・インピーダンスで予想できるが,運転時の電流の数十倍にもなるので,給電線がその発熱と電流力に耐えない。
〈構成1〉
要素コンデンサ1と結線2との間に接続して短絡電流をN倍,ここではN=10を想定している)以下なるように値の抵抗器5を個々の要素コンデンサの端子に直列接続して,それを構成するコンデンサバンクとする。
〈構成2〉
これら抵抗器5は要素コンデンサの端子に接続するコンデンサバンク。
〈構成3〉抵抗器5は正常運転時の発熱による温度上昇に耐える放熱も考慮した抵抗器とする。
〈具体例の効果〉
1.シンクロトロン型の高エネルギー粒子加速器では,磁界発生装置が粒子加速のため,磁界を直線的に数秒で立ち上げ,立ち下げる動作が高繰り返しされるが,その磁気エネルギーWの出し入れがその周期をTとするとその電力は概略P=W/Tである。
2.この電力を電力系統に求めると受電電力のピーク値が大きく,かつ磁界を立ち下げ動作時は電力がマイナス,すなわち系統に返すことになるが,この回生電力は,電圧変動をもたらし,その対策に苦慮している。エネルギーのバッファーとして短絡事故の保護装置を内蔵した,本発明のコンデンサバンクを設置することにより電力系統の弱い(変電所から遠い場所)にもガン治療用の高エネルギー粒子加速器を設置することができ,かつ受電契約電力を低減することができる。
3.コンデンサバンクが電力のバッファーをすることにより加速器など繰り返し運転をする磁界発生装置は受電電力を増やすことなく,高繰り返し回数を多くすることが可能になり,生産性や運転効率があがる。
本コンデンサバンクの電圧型インバータへの接続では減流抵抗によるダンパー効果が期待できるので長距離ケーブルによる接続が可能である。
〈その他特有の効果2〉
請求項4にかかる部分であるが,電圧源型インバータ電源設備の電圧源コンデンサの電圧変動を低減するためのバッファー(緩衝装置)として請求項1,2に記載されたコンデンサバンクを並列接続する。
一般の電圧型インバータ電源では,コンデンサのエネルギー量を多くして,出力電力の脈動,変動でも電圧源コンデンサの電圧変動を5%以下にしなければ安定したPWM制御は期待できない。その場合,本コンデンサバンクをPWMインバータ電源に設置すれば,PWM制御にもとづくスイッチの高速ON/OFF電流は電圧型PWMインバータ内部の電圧源コンデンサに大部分が流れて,電圧安定化のための本コンデンサバンクにはPWMの高速なオン・オフ電流は流れない。なぜならその高周波電流はコンデンサのインピーダンスで分流するため減流抵抗付のコンデンサには抵抗のインピーダンスが効いてインピーダンス分流された結果,わずかしか流れなくなり,低周波の平均化した電流のみが流れる。コンデンサバンクが,負荷変動のバッファー(緩衝装置)としてのみ,働かせることができるので電流容量の少ない低周波電流用の電解コンデンサでも使用できる。接続にローパス・フィルターを介して接続すればコンデンサの減流抵抗に高周波電流が流れなくなり,抵抗の発熱は減少する。
〈その他特有の効果3〉
コンデンサバンクの要素コンデンサがフィルムコンデンサである場合,数秒に1回程度の充電放電では発熱はほとんどしないため結露対策が必要で,また,コンデンサバンクは乾燥のための換気や空調が不可欠であるが,コンデンサに個々に接続される直列抵抗が発熱してそれを空気冷却すれば,結露などを防止することができる。要素コンデンサの最大蓄積エネルギーを10kJ程度と想定すれば,それを1秒間隔で充電,放電すれば抵抗器には1kW程度の発熱になる。これは制限電流をN=10,定格の10倍とした設計の予想である。
〈その他特有の効果4〉
欠点として,本発明によると抵抗挿入による電力損失が当然あるが,それは例えば短絡電流を定格の10倍,すなわちN=10とすると常時の運転で抵抗での電圧低下は1/10であるからコンデンサバンクの電力は10%程度低下すると予想される。これは安全性とのトレードオフであり,コンデンサバンクの余裕をどれだけ与えるかの設計に関わる問題である。
図1に、本発明のコンデンサバンクの回路図を示す。
図1の回路は、多数の要素コンデンサ1と直列接続される抵抗器5,結線2とから構成される。また、図1は要素コンデンサが2直列で構成される例が示されているが,コンデンサの短絡事故時に減流作用があるので良く使われる構成である。
減流抵抗となる抵抗器5は、事故時に大電流が流れると逆起電力を発生して電流を減少される純抵抗である。抵抗体の板を薄く,または,抵抗体の線を細くして作られるが発熱して高温になると空気中や放射により冷却されるものである。それを要素コンデンサの端子に強固に接続にする。
結線2は、電線または金属平角線で要素コンデンサを結合するが,短絡事故時などの最大電流の電磁力,消費エネルギーによる発熱に耐えなければならない。
請求項3,4,5に関しては電圧型インバータの電圧源コンデンサのエネルギーを補助し,電圧を維持するために本発明のコンデンサバンクを使う場合である。
図3の電圧型インバータでは電圧源コンデンサを電圧源にして負荷コイルに正または負の電圧を発生して負荷コイルの電流を増加,または減少させる。PWMのオン・オフのdutyで制御するが,負荷に電力を発生する力行運転ではコンデンサの電圧は減少し,逆に負荷に電力を引き抜く回生運転ではコンデンサの電圧は増加する。この増減を抑えるためにコンデンサバンクを併設する。コンデンサバンクは十分なエネルギーを貯蔵して負荷の運転エネルギーの変化を吸収して電力系統に接続するコンバータ側の電力変動を小さくするようにする。電力系統に回生しても電気料金の節約にはならない。電圧源コンバータインバータ内部にスイッチに近接して設置される電圧源コンデンサは負荷の高速変動用で,直流母線電圧変動が5%に維持するが,磁界発生コイルに必要なエネルギーが1[MJ]を越えるとコンデンサは,サイズが大きくなってスイッチの近くに置くことができない。インバータ外部に電力バッファー用コンデンサバンクを配置するが,エネルギー量が1[MJ]を越える容量になるとインバータ内部での短絡事故発生が蓄積エネルギー数[MJ]のコンデンサバンクの大電流放電事故となるため,必ず保護装置が必要である。
コンデンサバンクはその蓄積エネルギーの半分を放出すると電圧が7割に低下する。実施例2では,その電圧がそのまま電圧型インバータの最大出力電圧に関係するので,これを維持するためにコンデンサバンクとの間に,可逆双方向のDCDCブースト回路を入れることで,このコンデンサバンク放電による電圧源コンデンサ電圧低下の問題は解決するが,半導体スイッチの容量が増えるのでコンデンサのエネルギーを初めから大きく設定する場合との優劣を考慮するべきである。
2 結線
3 出力端子
4 電圧源コンデンサ
5 抵抗器Rc
6 コンデンサバンク
7 AC電源
8 インバータ
9 コンバータ
10 負荷(L+R)
11 可逆DCDCブースト回路
12 ローパス・フィルター
Claims (5)
- エネルギー蓄積用コンデンサバンクにおける直並列接続される個々の要素コンデンサにそのコンデンサの運転最大電流IrのN倍程度に短絡電流を制限するために抵抗器を直列接続するが,その値は運転最大電圧Vrとすると抵抗値R=Vr/(N×Ir)とする抵抗器を接続したことを特徴とするコンデンサバンク。
- 電圧型インバータにおける電圧源コンデンサの蓄積エネルギーを増加する目的で並列に接続するコンデンサバンクにおいて,請求項1に記載されたコンデンサバンクであることを特徴とするインバータ電源装置。
- 磁界発生コイルの駆動に使用される電圧型インバータのコイル電流の増加・減少の電力変動を減少させるバッファー(緩衝装置)として請求項1に記載されたコンデンサバンクをインバータの電圧源コンデンサに並列接続したことを特徴とする磁界発生コイルの駆動用電源設備。
- 電圧源型インバータ電源設備の電圧源コンデンサの電圧変動を減少させるためのバッファー(緩衝装置)として,エネルギー蓄積用コンデンサバンクを並列接続するが,そこにコンデンサバンクへの高周波電流流入を阻止するためにインダクタンスなどのローパス・フィルターを介して接続したことを特徴とする電源設備。
- 電圧源型インバータ電源設備の電圧源コンデンサの電圧変動を減少させるためのバッファー(緩衝装置)として請求項1に記載されたコンデンサバンクを並列接続するが,本発明のコンデンサバンクが負荷への充放電で電圧源コンデンサの電圧が変動する対策として可逆DCDCブーストアップコンバータなどの可逆の電圧変換器を介して接続して,電圧源型インバータ電源設備の電圧源コンデンサの電圧変動をアクティブに制御することを特徴とする電源設備。
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