JP2015133883A - コンデンサバンク - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換器のエネルギー源となるコンデンサバンクに短絡事故時に放電電流を減流するがエネルギー損失と安全性のバランスを考慮した設計を行いたい。
【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

本発明は、静電エネルギーを蓄積するコンデンサを多数，並列，直列，またはそれを組み合わせて接続したエネルギー貯蔵用コンデンサバンクにかかわる。

コンデンサバンクは、一般に静電エネルギーを蓄積するために使用される。
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。

要素コンデンサ１は内部抵抗が小さく，電極間の漏れ電流が小さくなるようにした電解コンデンサ，さらに短時間の大電流を発生するためにフィルムコンデンサが使われるが内部抵抗が小さいために短絡，地絡事故時に大電流が流れて短時間にエネルギーを放出するので結線２はジュール熱で温度上昇し，同時に想定外の電磁力が発生して破損し，切断されて気中アークとなって圧力が上昇して爆発的にエネルギーが放出する，所謂，コンデンサ短絡事故となって，大音響を発生して大事故となる。
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。

「特許４３８２６６５」 既に特許登録されている「特許４３８２６６５」では，コイルの蓄積された磁気エネルギーを運転停止する際、半導体スイッチをオフすることでコンデンサに回生する。 次回，それを使用することで，高い繰り返しの磁界制御電源が実現できることが開示されている。

この発明は，磁気エネルギーを捨てずにコンデンサに回生して次回の運転エネルギーにするため，磁気エネルギー分は充電する必要がない。そのため，高速繰り返しが可能，コンデンサを充電するための高圧電源が不要などの利点が示されている。
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。

以上のような従来のコンデンサバンクには、次のような解決すべき課題があった。
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。

本発明は以上の点を解決するために、次のような構成を採用する。
〈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。

本発明のコンデンサバンクには端子３付近での短絡事故に対して短絡電流が定格の１０倍程度で抑えられるが，図５に示す計算結果のように抵抗なしの場合，短絡電流が４倍以上大きくなり，電流力は電流の２乗に比例するので電線に及ぼす電流力は１６倍にもなって，電線等の衝撃的破壊は免れないが，本発明のコンデンサバンクは減少効果があるので短絡事故時も電線等は健全である。
〈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。

〈その他特有の効果１〉
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。

これまで本発明のコンデンサバンクとして大電流放電用フィルムコンデンサを想定して説明してきたが，出力端子で短絡すると大電流が流れる電気二重層コンデンサや各種の２次電池であるリチウムイオン電池，鉛蓄電池などの場合に適用しても有効である。この場合，エネルギー貯蔵装置付きインバータ電源となっている。抵抗器を直列に接続することで電力ロスにはなるが，短絡事故電流回避の効果のため，設置場所を選ばなくなる，防爆設備が不要などの利点もある。
〈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。

以下、本発明を図の具体例を用いて詳細に説明する。

以下の説明で、実施例１は構成１に対応し、実施例２は構成２に対応する。
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。

要素コンデンサ１１は、ここでは２直列接続で多数並列に接続されていて，従来のコンデンサバンクに個々の要素コンデンサに減流抵抗を直列接続している。
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。

以上のコンデンサバンクはまた次のようにして使用する。
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。

本発明の短絡大電流を減流する抵抗付コンデンサを要素コンデンサとすれば，事故時も運転最大電流のＮ倍の電流であり，エネルギーは減流抵抗が吸収し継続時間も短いので保護のための装置は無くてもよいか，著しく軽減される。

図３には、請求項４に関わる実施例がある。負荷は磁界コイルでは無く，ＬＲの一般負荷の場合でもＰＷＭインバータの電圧源コンデンサと負荷電力平準化用コンデンサバンクを短絡電流制限用抵抗で接続することがある。このとき，コンデンサバンクを短絡電流制限用抵抗付にすれば保護装置なしに短絡電流がＮ倍であれば，比較的長く細いケーブルやインダクタンスのある電線で接続することができる。

本説明では減流抵抗を純抵抗であると想定したが抵抗には若干のインダクタンスＬが有っても振動（角速度ω）しない程度，すなわちωＬが抵抗値より低ければ問題ない。さらに積極的に，電圧型インバータの電圧源コンデンサの電圧変動対策として，本発明のコンデンサバンクを接続して用いることで電圧変動は低減できれば，ＰＷＭ制御のための高速電流充放電用フィルムコンデンサと電圧維持のためのエネルギー蓄積用電解コンデンサにするなど使い分けることができる。もちろん，電解コンデンサではなく電気２重層コンデンサやリチウム電池のような２次電池でも同じ効果があるのでよい。粒子ビーム加速器電源やスポット溶接など１秒間に数回のパルス負荷の繰り返し運転の場合にはエネルギー蓄積コンデンサがＡＣ電源７からの入力電力変動を平均化するので好ましく，合せてコンバータ９の容量も小さくすることができる。

連続パルス運転ではこれまでの減流抵抗器は発熱，損失の問題が生じる恐れがある。その時，この限流抵抗に直列に電圧源コンデンサの高周波電流の流入，すなわちＰＷＭ変調周波数の高周波電流を阻止するローパス・フィルター（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）があれば，電圧変動を補償する低周波成分電流のみが通過するので損失が小さくなってさらに良い。この図３では出力端子３に接続するケーブルにインダクタンスを持たせたローパス・フィルターが書いてある。

図５に短絡時の電流をシミュレーション計算によって示すが制限抵抗があれば外部短絡，内部短絡を起きても最大電流のＮ倍以下の電流である。

図６に本発明の抵抗付コンデンサバンクを電圧型インバータに接続するが，電圧源コンデンサの電圧変動をアクティブに制御して，電圧源インバータの制御能力を安定化させる請求項５の実施例である。
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。

図７は図３のコンバータの接続点を変えた回路である。高周波でオン・オフするＰＷＭ制御電圧源インバータの前後にローパス・フィルターを接続してある。この回路では，負荷のＬＲ負荷を間欠動作させる場合，ＡＣ電源からの電力が平滑化することができる。例えば，加速器関連でも粒子加速用の高周波発振器の電源などでは１秒のオーダーの間隔でのパルス運転である。大容量のコンデンサバンクが入力電力のバッファーの効果を発揮して，定常的に損失分のみ，電源系統から入力することができるので受電電力のピークを緩和することができる。

図３，４，６，７では，磁場コイルを負荷として説明したが一般の直流入力の三相出力の電圧型インバータ，交流入力の単相，三相出力の電圧型インバータのすべてに展開できるものであって，高周波電流の充放電を行う電圧源コンデンサは高周波電流耐量のおおきいものが必要なので，エネルギー容量は比較的小さいフィルムコンデンサなどをもちいて，負荷のパルス運転への電力動揺のバッファーとしてのコンデンサはエネルギーが大容量の低周波電流用のコンデンサバンクを用いるなど，役割を分けることができる。そのとき，大容量の電力動揺のバッファーとして本発明のコンデンサバンクをもちいれば，大きい短絡事故を回避することができる。

本発明のコンデンサバンクの回路図 従来のコンデンサバンクの回路図 電圧源コンデンサをもつ電圧型インバータ 本発明のコンデンサバンクを使った電力変換設備の回路図 短絡時の電流のシミュレーション計算結果 本発明の抵抗付コンデンサバンクを電圧型インバータに接続するが，電圧源コンデンサの電圧変動をアクティブに制御して，電圧源インバータの制御能力を安定化させる請求項５の実施例 図３のコンバータの接続点を変えた回路

１ 要素コンデンサ
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

Images