JP2015133883A5 - - Google Patents
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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関する。
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は、従来のコンデンサバンクの回路図を示すものである。
図2は、要素コンデンサを直列、並列に接続して大きなエネルギーを蓄積する一つのコンデンサにしたもので、コンデンサバンクと呼ばれるものである。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。
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又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。また、この図にはその他に、出力端子3が示されている。
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。
図2は、要素コンデンサを直列、並列に接続して大きなエネルギーを蓄積する一つのコンデンサにしたもので、コンデンサバンクと呼ばれるものである。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。
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又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。また、この図にはその他に、出力端子3が示されている。
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や、さらに短時間に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。このような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出力端子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。これを繰り返すことにより、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よく使われてきた。
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。
充電されたコンデンサバンクは出力端子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。これを繰り返すことにより、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よく使われてきた。
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。
例えば、下記特許文献1には、運転停止する際に半導体スイッチをオフすることで、コイルに蓄積された磁気エネルギーをコンデンサに回生し、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パルス電源装置が開示されている。
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、その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で、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。
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、その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で、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。
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は電磁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、遮断する場合は、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を磁気エネルギーの充電/放電時の電力の緩衝装置(以下「バッファ」という。)として使う場合は、事故電流を制限する直列のインダクタ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磁力に耐えられない。
本発明は、上述のような問題に鑑み為されたものであり、コンデンサバンクの短絡事故時における短絡電流(事故電流)による大事故を防止することが可能なコンデンサバンクを提供することを目的とする。
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は電磁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、遮断する場合は、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を磁気エネルギーの充電/放電時の電力の緩衝装置(以下「バッファ」という。)として使う場合は、事故電流を制限する直列のインダクタ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磁力に耐えられない。
本発明は、上述のような問題に鑑み為されたものであり、コンデンサバンクの短絡事故時における短絡電流(事故電流)による大事故を防止することが可能なコンデンサバンクを提供することを目的とする。
本発明は、上述のような課題を解決するために、本発明に係るコンデンサバンクは次のような特徴を備える。すなわち、静電エネルギーを蓄積するコンデンサ(以下「要素コンデンサ」という。)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おいて、前記各要素コンデンサにそれぞれ直列に抵抗器を接続することにより、前記コンデンサバンクの短絡時の短絡電流を制限することを特徴とする。
また、前記抵抗器の抵抗値(Rcとする。)を、Rc=Vr/(N×Ir)(Nは正数。ただし、前記要素コンデンサの運転時の最大電圧をVr、運転時の最大電流をIrとする。)とすることにより、前記コンデンサバンクの短絡時の短絡電流を前記運転時の最大電流IrのN倍以下に制限することを特徴とする。
本発明に係るコンデンサバンクによれば、コンデンサバンクの短絡事故時における短絡電流を運転時の最大電流IrのN倍以下に抑えることができるので、大事故を未然に防ぐことができる。
以下、本発明を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は、本発明のコンデンサバンクの回路図の例を示す図である。
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1が2個直列に接続されて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。
図1は、本発明のコンデンサバンクの回路図の例を示す図である。
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1が2個直列に接続されて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1は、ここでは2直列接続で多数並列に接続されていて、図2に示す従来のコンデンサバンクの個々の要素コンデンサ1に抵抗器(以下「減流抵抗」という。)5を直列接続したものになっている。
減流抵抗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せる純抵抗である。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、通常の運転時に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。
減流抵抗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せる純抵抗である。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、通常の運転時に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構成され、要素コンデンサ1と結合するが、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。
減流抵抗5の抵抗値Rcを、要素コンデンサ1の運転時の最大電圧をVr、運転時の最大電流をIrとした場合、Rc=Vr/(N×Ir)(Nは正数)に設定すれば、要素コンデンサ1の短絡時の短絡電流を運転時の最大電流IrのN倍以下に制限することができる。
減流抵抗5の抵抗値Rcを、要素コンデンサ1の運転時の最大電圧をVr、運転時の最大電流をIrとした場合、Rc=Vr/(N×Ir)(Nは正数)に設定すれば、要素コンデンサ1の短絡時の短絡電流を運転時の最大電流IrのN倍以下に制限することができる。
次に、本発明に係るコンデンサバンクの応用について説明する。
すなわち、電圧形インバータの電圧源コンデンサのエネルギーを補充し電圧の変動を低く抑えるバッファとして本発明のコンデンサバンクを使う場合の例である。
図3は、AC電源7に接続されたコンバータ9に電圧源コンデンサ4を接続し、それを電圧形インバータ8にて交流に変換して負荷10(LとRの成分を含む。)に供給する回路に、コンデンサバンク6を電圧源コンデンサ4に並列に接続したものを示している。
図3の電圧形インバータ8では電圧源コンデンサ4を電圧源にして負荷10のコイルLに正または負の電圧を発生させて負荷10のコイルLの電流を増加、または減少させる。
電圧形インバータ8ではPWM(パルス幅変調)のオン・オフのdutyで制御するが、負荷10に電力を発生する力行運転では電圧源コンデンサ4の電圧は減少し、逆に負荷10から電力を引き抜く回生運転では電圧源コンデンサ4の電圧は増加する。この増減を抑えるバッファとしてコンデンサバンク6を並列に接続する。
すなわち、電圧形インバータの電圧源コンデンサのエネルギーを補充し電圧の変動を低く抑えるバッファとして本発明のコンデンサバンクを使う場合の例である。
図3は、AC電源7に接続されたコンバータ9に電圧源コンデンサ4を接続し、それを電圧形インバータ8にて交流に変換して負荷10(LとRの成分を含む。)に供給する回路に、コンデンサバンク6を電圧源コンデンサ4に並列に接続したものを示している。
図3の電圧形インバータ8では電圧源コンデンサ4を電圧源にして負荷10のコイルLに正または負の電圧を発生させて負荷10のコイルLの電流を増加、または減少させる。
電圧形インバータ8ではPWM(パルス幅変調)のオン・オフのdutyで制御するが、負荷10に電力を発生する力行運転では電圧源コンデンサ4の電圧は減少し、逆に負荷10から電力を引き抜く回生運転では電圧源コンデンサ4の電圧は増加する。この増減を抑えるバッファとしてコンデンサバンク6を並列に接続する。
コンデンサバンク6は十分なエネルギーを貯蔵して負荷10の運転エネルギーの変化を吸収して、電力系統(AC電源7)に接続されるコンバータ9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。電圧形コンバータ/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4は負荷の高速変動用で、直流母線電圧変動を5%に維持するが、磁界コイルLに必要なエネルギーが1[MJ]を超えると、電圧源コンデンサ4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8の外部に電力バッファ用としてコンデンサバンク6を配置するが、エネルギー量が1[MJ]を超える容量になると、インバータ8内部での短絡事故発生が蓄積エネルギーで数[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制限する減流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倍以下の電流であり、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の負荷10は誘導性の磁界コイルではなく、一般的なL、Rを含む負荷の場合でも電圧形(PWM)インバータの電圧源コンデンサ4と負荷電力平準化用コンデンサバンク6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運転最大電流のN倍以下になるので、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が純抵抗であることを想定しているが、抵抗には若干のインダクタンスLがあっても、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、電圧形インバータ8の電圧源コンデンサ4の電圧変動対策として、本発明のコンデンサバンク6を接続して用いることで電圧変動が低減できれば、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。粒子ビーム加速器電源やスポット溶接等、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、合わせてコンバータ9の容量も小さくすることができる。
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。粒子ビーム加速器電源やスポット溶接等、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、合わせてコンバータ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では発熱や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4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の流入を阻止するローパス・フィルタ(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の例では、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12が設けられている。
図4は特許文献1の図5に記載された磁気エネルギーを回生するパルス電源装置に、本発明のコンデンサバンクを並列に追加したものである。この場合、外部AC電源(不図示)に接続している低電圧電源は抵抗Rの分の電圧のみ発生すればよい。これは特許文献1の発明の優れた考えである。図4では、負荷として磁界コイルLと磁界コイル電流制御用のインバータ8とを直列接続した低電圧電源回路、さらに電圧源コンデンサ4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6を接続している。
特許文献1の図5から明らかなように、インダクタンス(本発明における磁界コイルに相当)に流れる電流の向きは常に一定である。
すなわち、(本出願の)図4において、スイッチS1及びS2が同時にONになった場合は、電圧源コンデンサ4の+側からスイッチS2を通って磁界コイルの上方向から下方向に向かって電流が流れ、スイッチS1を通って電圧源コンデンサ4の−側に戻る。
一方、スイッチS1及びS2が同時にOFFになった場合は、磁界コイルの上方向から下方向に向かって流れている電流は、左下のダイオードを通して電圧源コンデンサ4の+側に入り、右上のダイオードを通って磁界コイルの上方向から下方向に向かって流れる。この時に電圧源コンデンサ4には磁気エネルギーが蓄積される。このようにして、負荷10である磁界コイルには常に一定方向に電流が流れる。
すなわち、(本出願の)図4において、スイッチS1及びS2が同時にONになった場合は、電圧源コンデンサ4の+側からスイッチS2を通って磁界コイルの上方向から下方向に向かって電流が流れ、スイッチS1を通って電圧源コンデンサ4の−側に戻る。
一方、スイッチS1及びS2が同時にOFFになった場合は、磁界コイルの上方向から下方向に向かって流れている電流は、左下のダイオードを通して電圧源コンデンサ4の+側に入り、右上のダイオードを通って磁界コイルの上方向から下方向に向かって流れる。この時に電圧源コンデンサ4には磁気エネルギーが蓄積される。このようにして、負荷10である磁界コイルには常に一定方向に電流が流れる。
図5は、コンデンサバンクの短絡時の電流のシミュレーション計算結果を示す図である。図5からわかるように、減流抵抗があれば外部短絡、内部短絡が起きても最大電流の10倍以下の電流になる。
図6は、本発明のコンデンサバンク6を可逆DC−DCブーストコンバータ11などの可逆の電圧変換器を介して電圧形インバータ8に接続する場合を示す例である。
これは、可逆DC−DCブーストコンバータ11によって電圧源コンデンサ4の電圧変動をアクティブに制御して、電圧形インバータ8の制御能力を安定化させる請求項6の実施例である。
コンデンサバンク6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。コンデンサバンク6の電圧がそのまま電圧形インバータ8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6との間に、可逆双方向のDC−DCブーストコンバータ11を入れることで、このコンデンサバンク6の放電による電圧源コンデンサ4の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、電圧源コンデンサ4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。
これは、可逆DC−DCブーストコンバータ11によって電圧源コンデンサ4の電圧変動をアクティブに制御して、電圧形インバータ8の制御能力を安定化させる請求項6の実施例である。
コンデンサバンク6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。コンデンサバンク6の電圧がそのまま電圧形インバータ8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6との間に、可逆双方向のDC−DCブーストコンバータ11を入れることで、このコンデンサバンク6の放電による電圧源コンデンサ4の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、電圧源コンデンサ4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、電圧源コンデンサ4をもつ電圧形インバータ8に本発明のコンデンサバンク6を接続する場合の他の例を示す図である。図7が図3と違う点は、コンバータ9の接続点を変えた点である。高周波でオン・オフするPWM制御電圧形インバータ8の前後にローパス・フィルタ12を接続してある。この回路では、LR負荷10を間欠動作させる場合、AC電源7からの電力を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、一般的なLR負荷又は磁界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形インバータ、交流入力の単相、三相出力の電圧形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大きいものが必要なので、エネルギー容量の比較的小さいフィルムコンデンサなどを用い、一方、負荷のパルス運転への電力動揺のバッファとしてのコンデンサは、エネルギー容量の大きな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として本発明のコンデンサバンクを用いれば、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には出力端子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(N=10の場合)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、短絡電流が抵抗ありの場合の4倍以上大きくなり、電磁力は電流の2乗に比例するので電線に及ぼす電磁力は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流抵抗による減少効果があるので短絡事故時も電線等は健全である。
〈応用例の効果〉
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。
〈応用例の効果〉
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形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5にかかる部分であるが、電圧形インバータ電源装置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として本発明に係るコンデンサバンクを並列接続する。
一般の電圧形インバータ電源では、電圧源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、本発明に係る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電流は電圧形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発明に係る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、減流抵抗付の要素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で分流された結果、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。接続にインダクタ等のローパス・フィルタ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。
本コンデンサバンクの電圧形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5にかかる部分であるが、電圧形インバータ電源装置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として本発明に係るコンデンサバンクを並列接続する。
一般の電圧形インバータ電源では、電圧源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、本発明に係る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電流は電圧形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発明に係る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、減流抵抗付の要素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で分流された結果、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。接続にインダクタ等のローパス・フィルタ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装置となる。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、設置場所を選ぶ必要がなく、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、コンデンサバンクを乾燥させる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/放電すれば抵抗器は1kW程度の発熱になる。これは制限電流を定格の10倍(N=10)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倍とすると、正常運転時では抵抗器での電圧低下は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。
〈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、コンデンサバンクを乾燥させる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/放電すれば抵抗器は1kW程度の発熱になる。これは制限電流を定格の10倍(N=10)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倍とすると、正常運転時では抵抗器での電圧低下は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。
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(電力系統)
8 インバータ
9 コンバータ
10 負荷(L+R)、磁界コイル負荷
11 可逆DC−DCブーストコンバータ
12 ローパス・フィルタ
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(電力系統)
8 インバータ
9 コンバータ
10 負荷(L+R)、磁界コイル負荷
11 可逆DC−DCブーストコンバータ
12 ローパス・フィルタ
Claims (6)
- 静電エネルギーを蓄積するコンデンサ(以下「要素コンデンサ」という。)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おいて、
前記各要素コンデンサにそれぞれ直列に抵抗器を接続することにより、前記コンデンサバンクの短絡時の短絡電流を制限することを特徴とするコンデンサバンク。 - 前記抵抗器の抵抗値(Rcとする。)を、Rc=Vr/(N×Ir)(Nは正数。ただし、前記要素コンデンサの運転時の最大電圧をVr、運転時の最大電流をIrとする。)とすることにより、
前記コンデンサバンクの短絡時の短絡電流を前記運転時の最大電流IrのN倍以下に制限することを特徴とする請求項1に記載のコンデンサバンク。 - 電圧形インバータを用いた電圧形インバータ電源装置であって、前記電圧形インバータの電圧源コンデンサに請求項1又は2に記載のコンデンサバンクを並列に接続したことを特徴とする電圧形インバータ電源装置。
- 前記電圧形インバータが負荷に供給する電流の方向が一方向であることを特徴とする請求項3に記載の電圧形インバータ電源装置。
- 前記コンデンサバンクの一方の出力端子に直列に接続したインダクタを介して、前記コンデンサバンクを前記電圧源コンデンサに接続することにより、前記インダクタと前記電圧源コンデンサとによるローパス・フィルタとして機能させ、前記コンデンサバンクへの高周波電流の流入を阻止することを特徴とする請求項3に記載の電圧形インバータ電源装置。
- 可逆DC−DCブーストコンバータなどの可逆の電圧変換器を介して、前記コンデンサバンクを前記電圧源コンデンサに接続することにより、前記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可能とすることを特徴とする請求項3に記載の電圧形インバータ電源装置。
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JP2014014898A JP6338382B2 (ja) | 2014-01-11 | 2014-01-11 | コンデンサバンク |
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JP2014014898A JP6338382B2 (ja) | 2014-01-11 | 2014-01-11 | コンデンサバンク |
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JP2015133883A JP2015133883A (ja) | 2015-07-23 |
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Family
ID=53900686
Family Applications (1)
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JP2014014898A Active JP6338382B2 (ja) | 2014-01-11 | 2014-01-11 | コンデンサバンク |
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JP4929771B2 (ja) * | 2006-03-20 | 2012-05-09 | 株式会社安川電機 | 電気二重層コンデンサを備えた電力変換装置および蓄電装置 |
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2014
- 2014-01-11 JP JP2014014898A patent/JP6338382B2/ja active Active
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