JP3395641B2 - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は電力変換装置に係わ
り、特に変換装置用変圧器を備えた電圧型自励変換装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】電圧型自励変換装置は、交流電圧源とし
て動作するため交流電源として利用されるが、交流電圧
に直流成分が重畳していると変換装置用変圧器を偏磁さ
せる問題があり、そのため各種の偏磁抑制対策が取られ
ている。
【0003】しかし、そのようにしても電力変換装置の
始動時には電圧印加開始位相によっては変圧器を飽和さ
せ、励磁突入過電流を発生させる可能性がある。このた
め変換装置用変圧器にはギャップを設けて残留磁束を小
さくする他、偏磁の発生しない電圧パターンとするなど
の対策がとられていた。対策の一例は特開平10−14247
号の電力変換装置に示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらここに示
された対策例では残留磁束が0となっているという前提
がされており、ギャップレスの変圧器のように残留磁束
がある場合には適用できない問題がある。残留磁束その
ものを検出して偏磁が発生しないように電圧印加位相を
調整すれば対策は可能であるが、停止状態にある変換装
置においては変換装置用変圧器の残留磁束を静的に高信
頼度で検出することは難しい。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、第一に
変換装置用変圧器のギャップをなくし、通常の変圧器が
使えるようにすることにある。第二に変換装置用変圧器
の利用磁束密度を高くできるようにすることにある。第
三に変圧器の磁束を検出するための特殊な装置を不要と
することにある。第四に電力変換装置始動時の変圧器へ
の励磁突入電流を防止することにある。第五に電力変換
装置の始動時間を短縮することにある。そのための手段
として、変換装置始動時における交流電圧を低減させ
る。低減量は50%以下とする。低減電圧で運転中の変
換装置用変圧器の励磁電流から変換装置用変圧器の磁束
を測定する。運転期間を整数サイクルとすることにより
磁束を運転開始時の残留磁束に復帰させる。電圧を零に
下げて磁束を保持する。正常に励磁したときの磁束が前
記測定磁束に等しくなる時点で正常の交流電圧で運転す
る。
【0006】本発明の作用は、変換装置始動時における
交流電圧を低減させることにより始動開始時の変換装置
用変圧器の励磁突入電流を防止する。低減量は50%以
下とすることにより変換装置用変圧器が飽和に至らない
ようにする。低減電圧で運転中の変換装置用変圧器の励
磁電流から変換装置用変圧器の磁束を測定できる。運転
期間を整数サイクルとすることにより磁束は運転開始時
の残留磁束に復帰される。電圧を零に下げることにより
磁束が一定値に保持される。正常に励磁したときの磁束
が前記測定磁束に等しくなる時点で正常の交流電圧で運
転することにより変換装置用変圧器は偏磁されずに励磁
される。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明の作用を詳細に説明する。
簡単化のため単相の場合で説明する。
【0008】残留磁束Φ(磁束は、変圧器の巻線巻数を
考慮した鎖交磁束で表わす)がある変圧器に実効値U,
位相θの交流電圧 u=√2×U×sin(ω×t+θ) …(1) をt=0から印加すると、変圧器の磁束φは、 φ=−(√2×U/ω){cos(ω×t+θ)−cosθ}+Φ …(2) となる。
【0009】ここで電圧を定格電圧に対する%、磁束を
定格電圧で励磁したときの磁束振幅に対する%で表わす
と、上の式は、 φ=−U{cos(ω×t+θ)−cosθ}+Φ …(3) となる。
【0010】この結果、残留磁束Φと電圧印加開始時の
位相による磁束Ucosθ が過渡項として加わってしま
い、例えばθが−π/2〜π/2ラジアンで、Φが正の
場合を考えると最大磁束は U(1+cosθ)+Φ …(4) となる。特にθ=0のときには、最大磁束は2U+Φと
なってしまい、定格電圧で励磁すると変圧器の磁束は飽
和レベルを大きく超え、過大な励磁突入電流が流れてし
まう。この関係を図2に示す。
【0011】このため従来、変換装置用変圧器では鉄心
にギャップを設け、残留磁束がほぼ零となるようにして
いた。しかしそのようにしても電力変換装置を100%
電圧で始動させると変換装置用変圧器は200%の磁束
まで励磁されてしまうことが分かる。このため励磁突入
電流を防止するには変換装置用変圧器を200%の磁束
でも過大な励磁電流が流れないように製作する必要があ
る。通常の変圧器は120%程度で飽和し始めるように
製作されるので、150%程度の励磁で過大な励磁電流
となる。このため従来の変換装置用変圧器は大きな鉄心
の変圧器としなければならなかった。
【0012】ギャップなしの通常の変圧器の場合には残
留磁束が残る。残留磁束は最大で80%程度である。変
換装置用変圧器に過大な励磁突入電流が流れないよう
に、磁束を150%以下にするものとすると 2U+Φ=2U+80≦150 …(5) より、始動時の交流電圧は35%以下にしなければなら
ない。この数字は変圧器の設計によっても異なる。鉄心
を大きめにすれば50%でも偏磁させずに済む。これか
ら、交流電圧Uを50%以下として始動させれば変圧器
に過大な励磁突入電流を発生させない。
【0013】上記のように交流電圧を低減して電力変換
装置を始動すればギャップ付きでない変換装置用変圧器
でも励磁突入電流を発生させない。また、変換装置用変
圧器の鉄心を通常の変圧器並みか、やや大きい程度にす
ることができる。
【0014】次に変圧器を励磁すれば励磁電流を測定す
ることにより特殊な磁束測定器を用いずに変圧器の磁束
を測定することができる。印加電圧と励磁電流の瞬時値
の関係から推定して測定することもできる。簡単で確実
な方法は1サイクルにおける励磁電流の平均値、すなわ
ち直流分を算出することである。鉄心の励磁特性が非線
形であっても励磁電流の平均値からテーブルを参照する
ことなどによって平均磁束Φ+U×cosθ を推定して測
定できる。この結果から変換器の出力電圧として既知で
あるU×cosθ を差し引いて残留磁束Φのみを求められ
る。
【0015】1サイクルだけ励磁すると、変圧器の磁束
はほぼ最初の残留磁束の値に戻るということにも着目す
る必要がある。1サイクルだけ低電圧で励磁することに
より残留磁束Φを測定することができるばかりでなく、
ほぼ最初の状態に戻すことができる。このことは整数サ
イクルの励磁でも同じである。
【0016】そこで残留磁束を測定した後、一旦交流電
圧を零とする。変圧器は残留磁束Φの状態で保持され
る。
【0017】もし変圧器を残留磁束などの過渡条件を発
生させずに、偏磁しないように励磁させた場合の磁束ψ
は ψ=−Ucos(ω×t+θ) …(6) である。交流電圧Uを100%電圧とすれば、残留磁束
Φは最大でも80%程度であるので、ψの値が残留磁束
Φに等しくなる時点Tがある。その時点Tから100%
の交流電圧Uを印加すれば実際の磁束φは φ=−U{cos(ω×t+θ)−cos(ω×T+θ)}+Φ =−Ucos(ω×t+θ) …(7) ∵ −Ucos(ω×T+θ)=Φ …(8) となり、ψと同じとなって偏磁のない状態で励磁するこ
とができる。以上の動作を図3に示す。
【0018】なお、変圧器の磁束は、他の検出手段を設
けてもよい。変圧器に電圧を印加して検出することによ
り信頼性の高い検出が可能である。励磁期間は、必ずし
も1サイクルとする必要がない。変換器により任意の波
形の電圧を発生できるので、磁束を推定できたら電圧波
形を制御して偏磁のない状態に以降させることも可能で
ある。再印加する電圧は、100%である必要はなく、
所要の電圧とすればよい。
【0019】本発明の実施例を図1に示す。
【0020】本実施例の構成・動作を説明する。電力変
換装置1において、制御信号発生器72は変換器11の
制御信号cを出力する。この制御信号は、図示していな
いが変換装置を動作させるための各種制御操作によって
発生されるものである。この制御信号は後に述べるよう
に偏磁抑制のための補正が行われた後、通常はそのまま
パルス幅変調器(PWM)75に入力される。パルス幅
変調器では前記信号cに従って変換器11のスイッチン
グ信号sを発生する。変換器11は、その信号sに従っ
て動作する。この結果、変換器11はほぼ制御信号cに
比例した電圧(基本波成分)を出力する。比例係数換算
を行えば制御信号cは変換器の出力電圧(基本波成分)
そのものであると見なせ、出力電圧の基本波成分の瞬時
値にほぼ等しい正弦波である。直流電源4は、変換器の
直流電圧源である。変換装置用変圧器2は変換器の出力
電圧により励磁される。遮断器3は、変換器を電力系統
45に連系させるためのスイッチであり、変換器の始動
時には開放されている。変換装置を始動させるときは、
最初、スイッチ81をyの位置にしておく。この結果、
制御信号cは、乗算器82によってb倍されてパルス幅
変調器に入力される。bは、変換装置用変圧器の初期励
磁電圧低減倍率であって、0.3 程度とする。変換器の
出力電圧はb倍に低減されるため、変換装置用変圧器は
残留磁束にかかわりなく偏磁突入電流が流れることがな
い。この状態で1サイクルの期間、変換器を動作させ
る。変流器51によって変換装置用の励磁電流を検出す
る。励磁検出器73で励磁電流の1サイクルにおける平
均値を求めることにより変換装置用変圧器の残留磁束の
値を求めることができる。さらにこの値から、偏磁しな
いで励磁したときに磁束がその値になる時刻Tを求める
ことができる。
【0021】1サイクルの時点からスイッチ81をzの
位置とする。変換器11の出力電圧は零となるため変換
装置用変圧器の磁束は一定値に保持される。この値は残
留磁束の値に等しい。このまま時刻Tまで待って、スイ
ッチ81をxの位置とする。時刻T以降、制御信号cは
そのままパルス幅変調器75に入力され、変換装置用変
圧器の磁束は偏磁のない励磁の状態となる。スイッチの
切換時刻Tは、交流電圧の位相を検出する位相検出器7
1からの位相信号と励磁検出器の信号とから切換時刻設
定器74で設定する。
【0022】変換装置用変圧器の交流側電圧は系統電圧
に等しくなるので、遮断器3を投入して系統に連系する
ことができる。以降は制御信号発生器72により変換器
を任意に制御すればよい。この結果、電力変換装置は2
サイクル以下で変換装置用変圧器を偏磁することなく運
転を開始できる。
【0023】励磁検出器73は、変流器52で検出した
変換装置用変圧器の交流側の電流も入力している。これ
は、変換装置用変圧器が偏磁しないように常時、直流側
電流と交流側電流との差から励磁電流を検出して偏磁抑
制制御を行うためであり、励磁検出器73の出力信号は
制御信号発生器72への補正信号ともなっている。
【0024】なお、以上の説明では電力変換装置1が電
力系統に連系して運転するものとして説明したが、負荷
に交流電圧を加える場合でも同様に動作できる。この場
合は遮断器3は最初から投入しておいてもよい。最初の
1サイクルの運転は、制御信号cをb倍するものとした
が、この期間は変換器が系統と切り離されて単独で動作
するため、任意の基準信号としてもよい。制御信号の大
きさによらずに正確な励磁を行うことができるようにな
る。例えば周波数を高くしてやることもできる。この場
合、電圧を低減しないことも可能であり、また磁束検出
時間を短縮できる特徴がある。
【0025】図4は、本発明の他の実施例であり、電力
変換装置は、複数の変換器により多重接続で構成されて
いる。多重接続した場合、変換器のスイッチング周波数
は低くする。上記の説明では変換器が理想的な正弦波形
を発生できるものとして説明したが、実際の電圧波形は
矩形波のパルス列である。スイッチング周波数が低くな
るとパルス数が少なくなり、磁束波形も理想的な波形か
らずれてくる。そのため変換器ごとに切換時間を調整で
きるようにしている。
【0026】図5は、本発明のまた他の実施例であり、
三相の場合である。この場合は、互いに直交したαβ座
標のような二相に変換し、2組の単相として扱うことに
より同様に動作することができる。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、一般の変圧器と同様の
変換装置用変圧器を採用し、始動時の励磁突入電流を発
生することなく変換装置を始動できる電力変換装置を提
供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を説明するための図。
【図2】変換装置用変圧器の励磁開始時の磁束を説明す
る図。
【図3】本発明による変換装置用変圧器の励磁開始時の
磁束を説明する図。
【図4】本発明の他の実施例を説明するための図。
【図5】本発明のまた他の実施例を説明するための図。
【符号の説明】
1…電力変換装置、2…変換装置用変圧器、3…遮断
器、4…直流電源、6…変成器、81…スイッチ、11
…変換器、45…電力系統、51,52…変流器、71
…位相検出器、72…制御信号発生器、73…励磁検出
器、74…切換時刻設定器、75…パルス幅変調器、8
2…乗算器。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】直流を交流に変換する変換器と、該変換器
    のスイッチング信号を発生するパルス幅変調器と、該パ
    ルス幅変調器へ制御信号を出力する制御信号発生器と、
    前記変換器の出力で励磁される変圧器を備えた自励電
    圧型電力変換装置において該電力変換装置が、前記制御信号を所定の期間、所定の
    値に切替えて前記パルス幅変調器に出力するスイッチ手
    段を備え、始動時の1サイクルまたは整数サイクルの期
    間に、前記制御信号を定格電圧の50%以下の 交流電圧
    に設定して前記変圧器の残留磁束を測定し、該残留磁束
    の測定後、前記制御信号を交流電圧を零に保持し、前記
    変圧器を偏磁せずに励磁した場合の磁束が前記残留磁束
    に等しい時点から定格電圧で運転することを特徴とする
    電力変換装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の電力変換装置において、
    前記電力変換装置の始動時に、前記制御信号を定格電圧
    の30%以下の交流電圧に設定することを特徴とする電
    力変換装置。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の電力変換装置において、
    前記変圧器の残留磁束を、励磁電流の1サイクルの間の
    平均値を用いて測定することを特徴とする電力変換装
    置。
  4. 【請求項4】請求項1に記載の電力変換装置において、
    前記電力変換装置が多重接続した複数の変換器と、該複
    数の変換器にスイッチング信号を与える複数のパルス幅
    変調器と、該複数のパルス幅変調器のそれぞれに所定の
    制御信号を与える複数のスイッチ手段とを備えている
    とを特徴とする電力変換装置。
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JP5955644B2 (ja) * 2012-05-21 2016-07-20 株式会社東芝 インバータゲート制御回路および当該インバータゲート制御回路を備えたインバータ電源装置
JP6430230B2 (ja) * 2014-12-18 2018-11-28 株式会社日立製作所 電力変換装置及び電力変換装置の制御方法
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