JP3645767B2 - 直流電源装置及びシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直流電源装置及びシステムに関し、特にタップ切り替え順を設定可能な３相交流入力のタップ切り替え式直流電源装置及びそのシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば大規模なインバータエアコン方式の蓄電式空調システムにおいては、安価な余剰の深夜電力にて蓄電池に充電しておき、この蓄電池に蓄えられた電力によって空冷することが行われている。この場合、例えば３相交流入力タップ切り替え式直流電源装置が用いられることがあり、例えば特開昭６３−９１７１９号公報に示されるように、蓄電池の充電の程度に応じて充電電圧を調整する必要があるとき、直流出力電圧をきめ細かく調整することを目的として用いられる。
【０００３】
図６にはこの特開昭６３−９１７１９号公報記載の３相交流入力タップ切り替え式直流電源装置の制御回路図を示し、図３にはステップ制御回路部１３の動作説明図を示し、また図７にはタップ切り替えのステップ図（３タップ方式の場合）を示している。図６に示す様に、この従来の直流電源装置は、入力を商用３相交流（例えば２００Ｖ）とし、例えば各相３タップａ１〜ａ３，ｂ１〜ｂ３，ｃ１〜ｃ３付きの単巻星形結線の電源変圧器１を有する。また、電源変圧器１からの交流入力電圧を全波整流して直流電圧を出力する整流装置８、電源変圧器１の第１相のタップａ１〜ａ３、第２相のタップｂ１〜ｂ３、第３相のタップｃ１〜ｃ３に、それぞれ接続された半導体双方向性３端子サイリスタ２〜４，２’〜４’，２”〜４”を有する。
【０００４】
さらに、３端子サイリスタ２〜４，２’〜４’，２”〜４”の点弧装置５〜７，５’〜７’，５”〜７”、整流回路８の出力直流電圧を受ける例えば蓄電池である負荷１０を有する。さらにまた、整流装置８の出力電圧を検出して比較器１１に送る帰還電圧検出器９、帰還電圧検出器９の出力Ｅf と基準電圧Ｅr とを比較する比較器１１、比較器１１に基準電圧Ｅr を供給する基準電圧（例えば安定化された電圧を可変抵抗器にて分割した電圧）発生器１４を有する。また、比較器１１の出力を受けて、基準電圧Ｅr と帰還電圧Ｅf との偏差及びその極性（＋／−）を判別する偏差信号判別器１２を有する。
【０００５】
さらにまた、偏差信号判別器１２の出力信号（正または負）に応じて、電源変圧器１の３相タップａ１〜ａ３，ｂ１〜ｂ３，ｃ１〜ｃ３を、ステップ状に切り替えて出力電圧を調整するステップ制御回路１３を有する。また、ステップ制御回路１３の出力信号を受けて、点弧装置５〜７，５’〜７’，５”〜７”を制御する点弧制御回路１５を有して構成される。なお、３端子サイリスタ２〜４，２’〜４’，２”〜４”は、点弧装置５〜７，５’〜７’，５”〜７”により閉路状態あるいは開路状態となる。
【０００６】
例えば、いま、点弧制御によりサイリスタ３，４を開（オフ）とし、サイリスタ２を閉（オン）とすればタップａ１が選択される。タップａ２，ａ３についても、各々サイリスタ３，４を閉とし、他のサイリスタを開とすれば同様に選択できる。第２相のタップｂ１〜ｂ３、第３相のタップｃ１〜ｃ３についても全く同様に選択できる。負荷１０に供給される出力電圧は、電源変圧器１からの交流入力を整流装置８によって、全波整流した直流電圧である。この電圧は電源変圧器１のタップａ１〜ａ３，ｂ１〜ｂ３，ｃ１〜ｃ３の切り替えにより調整される。
【０００７】
次に、図６の３相交流入力タップ切り替え式直流電源装置の動作を説明する。図６において、整流装置８の出力電圧を帰還電圧検出器９にて検出した帰還電圧Ｅf と、基準電圧Ｅr とを比較器１１にて比較し、偏差信号判別器１２において偏差及び極性を判別する。このとき、（Ｅf −Ｅr ）が一定の制御値ΔＥを超過したときに、その極性に応じた信号電圧を次段のステップ制御回路１３に送る。
【０００８】
すなわち、
｜Ｅf −Ｅr ｜≧ΔＥ
のとき、ステップ制御回路１３に信号を送り続け、Ｅf ＞Ｅr ならば正（＋）信号が、また、Ｅf ＜Ｅr ならば負（−）信号がステップ制御回路１３に加えられる。さらに、
｜Ｅf −Ｅr ｜＜ΔＥ
ならば、ステップ制御回路１３への信号は消滅する。すなわち、ΔＥは不動作帯を示す。この不動作帯幅をタップの密度に対して適正に選ぶことにより、安定したタップ切り替え動作を行わしめることが可能となる。
【０００９】
ステップ制御回路１３は偏差信号判別器１２の極性判別（正または負）の信号出力に応じて、電源変圧器１の３相タップａ１〜ａ３，ｂ１〜ｂ３，ｃ１〜ｃ３をステップ状に切り替える。
【００１０】
従って、各相毎のタップの数が図６に示すように３タップであれば、図７に示すように、昇圧過程ならばステップ１→２→３→４→……→７と、段階を踏んで昇圧方向に順次切り替えて行く。また、降圧過程ならば逆の順序となる。このタップ切り替えは、ステップ制御回路１３の出力信号により点弧制御回路１５が３端子サイリスタ２〜４，２’〜４’，２”〜４”の点弧装置５〜７，５’〜７’，５”〜７”を作動させることによって行われる。
【００１１】
このとき、図３に示すように１ステップ移行する毎に、偏差信号判別器１２の出力が判別、検知２１，２４，２５され、偏差信号判別器１２の出力が存在すればその極性に応じ、負の場合はタップ昇圧ステップ（制御回路）２２、正の場合はタップ降圧ステップ（制御回路）２３の方向にさらに１ステップ進む。偏差信号判別器１２の出力２４，２５が零になれば、タップ現状保持命令２６によりタップ切り替えの信号は停止し、その状態が保持される。
【００１２】
なお、衛星通信システム地球局における大電力増幅器内の電源装置においては、別の１例として、電源変圧器１の入力電源電圧部に設けられた入力電源電圧検出器にて検出した電圧を、帰還電圧の代わりに制御電圧として用い、同様の動作により入力電源電圧変動に対する出力電圧の安定化を図っている。これら電源電圧や負荷変動に対するタップ切り替えによる変圧器の二次電圧安定化技術は、エ−ス出版発行の「電気機器と演習（佐野一雄著）８９ペ−ジ」にも記述されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特開昭６３−９１７１９号公報記載の３相交流入力タップ切り替え式直流電源装置は、きめ細かい電圧調整が可能であり、単独の使用においては充分な機能・性能を具備している。しかしながら、例えば衛星通信システム地球局等においては、信頼性及び保守性を考慮し、例えば電源装置を現用２台＋予備１台の３台構成とする等、複数の機器にて１つのシステムを構成するのが通常である。従ってこの場合、当該３相交流入力タップ切り替え式直流電源装置には、システムが大規模になりすぎる問題点がある。すなわち、複数の電源装置において同一相のタップが制御され、特定の相の電流が増大する可能性があるため、例えば衛星通信システム等においては、通常給電部に接続設置される無停電電源装置について、通常不必要なほど大容量のものが必要となる可能性がある。
【００１４】
本発明の目的は、効率的な３相交流入力タップ切り替え式直流電源装置及びシステムを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明による直流電源装置は、商用３相交流を受電する電源変圧器の星状出力結線の各相にそれぞれ複数のタップを設け、前記各相のタップを一定の順序にて切り替えることによって出力直流電圧を制御する直流電源装置であって、前記切り替えられた各相のタップ出力を整流して出力直流電圧に変換する整流手段と、前記出力直流電圧と基準電圧とを比較することにより前記各相のタップを切り替え・制御するタップ切り替え手段と、前記一定の順序をスクランブルする切り替え順序変更手段とを含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明による直流電源システムは、複数の直流電源装置にて構成されるシステムであって、前記切り替え順序変更手段の各々がそれぞれ異なる順序にて前記一定の順序を制御することを特徴とし、また、前記複数の直流電源装置の前記切り替え順序変更手段が、前記商用３相交流のそれぞれの相電流が平衡するように前記一定の順序を制御することを特徴とする。
【００１７】
本発明の作用は次の通りである。３端子サイリスタ点弧装置と点弧制御回路との間に、タップ切り替え順を設定するスイッチ（スクランブル）回路を設けている。このスイッチ回路は、点弧制御回路から３端子サイリスタへのタップ切り替え信号の信号路を、変更（スクランブル）する機能を有し、設定によってタップ切り替え順を変更可能としている。従って、複数の電源装置を用いたシステムにおいて、タップ切り替え順を互いに排反となるようにスイッチ回路を設定することにより、各電源装置間において同一相のタップ制御を回避し、システムとしての特定の相の電流の増大を防ぐ。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明による直流電源装置の実施例の構成を示すブロック図であり、図２〜７と同等部分は同一符号にて示している。図１において、本発明による直流電源装置は、入力を商用３相交流（例えば２００Ｖ）とし、例えば各相３タップａ１〜ａ３，ｂ１〜ｂ３，ｃ１〜ｃ３付きの単巻星形（スター）結線の電源変圧器１を有する。また、電源変圧器１からの交流入力電圧を全波整流して直流電圧を出力する整流装置８、電源変圧器１の第１相のタップａ１〜ａ３、第２相のタップｂ１〜ｂ３、第３相のタップｃ１〜ｃ３に、それぞれ接続された半導体双方向性３端子サイリスタ２〜４，２’〜４’，２”〜４”を有する。
【００１９】
さらに、３端子サイリスタ２〜４，２’〜４’，２”〜４”の点弧装置５〜７，５’〜７’，５”〜７”、整流回路８の出力直流電圧を受ける例えば蓄電池である負荷１０を有する。さらにまた、整流装置８の出力電圧を検出して比較器１１に送る帰還電圧検出器９、帰還電圧検出器９の出力Ｅf と基準電圧Ｅr とを比較する比較器１１、比較器１１に基準電圧Ｅr を、供給する基準電圧（例えば安定化された電圧を可変抵抗器にて分割した電圧）発生器１４を有する。また、比較器１１の出力を受けて、基準電圧Ｅr と帰還電圧Ｅf との偏差、及びその極性（＋／−）を判別する偏差信号判別器１２を有する。
【００２０】
さらにまた、偏差信号判別器１２の出力信号（正または負）に応じて、電源変圧器１の３相タップａ１〜ａ３，ｂ１〜ｂ３，ｃ１〜ｃ３を、ステップ状に切り替えて出力電圧を調整するステップ制御回路１３を有する。また、ステップ制御回路１３の出力信号を受けて、点弧装置５〜７，５’〜７’，５”〜７”を制御する点弧制御回路１５を有する。さらにまた、点弧制御回路１５から点弧装置５〜７，５’〜７’，５”〜７”への３端子サイリスタ２〜４，２’〜４’，２”〜４”のタップ切り替え信号路を、変更（スクランブル）するスイッチ（スクランブル）回路１６を有して構成される。
【００２１】
なお、３端子サイリスタ２〜４，２’〜４’，２”〜４”は、点弧装置５〜７，５’〜７’，５”〜７”により閉路状態あるいは開路状態となる。例えば、いま、点弧制御によりサイリスタ３，４を開（オフ）とし、サイリスタ２を閉（オン）とすればタップａ１が選択される。タップａ２，ａ３についても、各々サイリスタ３，４を閉とし、他のサイリスタを開とすれば同様に選択できる。第２相のタップｂ１〜ｂ３、第３相のタップｃ１〜ｃ３についても全く同様に選択できる。負荷１０に供給される出力電圧は、電源変圧器１からの交流入力を整流装置８によって、全波整流した直流電圧である。この電圧は電源変圧器１のタップａ１〜ａ３，ｂ１〜ｂ３，ｃ１〜ｃ３の切り替えにより調整される。
【００２２】
本発明の実施例の動作を説明する。整流装置８の出力電圧を帰還電圧検出器９にて検出した帰還電圧Ｅf と基準電圧Ｅr とを比較器１１にて比較し、偏差信号判別器１２において、偏差及び極性（正；＋／負；−）が判別される。また、（Ｅf −Ｅr ）が一定の制御値ΔＥを超過したときに、その極性に応じた信号電圧を次段のステップ制御回路１３に送る。
【００２３】
すなわち、
｜Ｅf −Ｅr ｜≧ΔＥ
のとき、ステップ制御回路１３に信号を送り続け、Ｅf ＞Ｅr ならば正信号が、また、Ｅf ＜Ｅr ならば負信号がステップ制御回路１３に加えられる。さらに、
｜Ｅf −Ｅr ｜＜ΔＥ
ならば、ステップ制御回路１３への信号は消滅する。すなわち、ΔＥは不動作帯（デッドバンド）を示す。この不動作帯幅をタップの密度に対して適正に選ぶことにより、安定したタップ切り替え動作を行わしめることが可能となる。
【００２４】
ステップ制御回路１３は、偏差信号判別器１２の極性判別（正あるいは負）の信号出力に応じて、電源変圧器１の３相タップａ１〜ａ３，ｂ１〜ｂ３，ｃ１〜ｃ３をステップ状に切り替え、各相のタップａ１〜ａ３，ｂ１〜ｂ３，ｃ１〜ｃ３を昇圧（過程）方向あるいは降圧（過程）方向に制御する。このタップ切り替えは、ステップ制御回路１３の出力信号により、点弧制御回路１５が３端子サイリスタ２〜４，２’〜４’，２”〜４”の点弧装置５〜７，５’〜７’，５”〜７”を作動させることによって行われる。
【００２５】
ステップ制御回路１３の動作を図３により説明する。図３において、タップ切り替えが１ステップ移行する毎に、偏差信号判別器１２の出力が判別、検知２１，２４，２５される。また、偏差信号判別器１２の出力が存在すればその極性に応じ、負の場合は、タップ昇圧ステップ（制御回路）２２、正の場合は、タップ降圧ステップ（制御回路）２３の方向にさらに１ステップ進む。偏差信号判別器１２の出力２４，２５が零になれば、タップ現状保持命令２６により、タップ切り替えの信号は停止し、その状態が保持される。
【００２６】
さて、いま１システムにつき、本発明による直流電源装置を３台使用する場合を考える。この時、第１の電源装置において、スイッチ回路１６のスクランブル設定を図２（ａ）のように設定したとすると、昇圧過程あるいは降圧過程は、図４（ａ）（図７と同じ）に示すステップとなる。なおこの場合、図１の実施例に示すように電源変圧器１の各相毎３タップの場合を示し、昇圧過程ならばステップ１→２→３→４→……→７と段階を踏んで昇圧方向に順次切り替わる。また、降圧過程ならば逆の順序となる。
【００２７】
さらに、第２の電源装置のスイッチ回路１６を図２（ｂ）のように設定したとすると、点弧制御回路１５からの信号は、信号路が切り替えられるため、タップ切り替え順は図４（ｂ）となる。同様に、第３の電源装置のスイッチ回路１６を図２（ｃ）のように設定したとすると、タップ切り替え順は図４（ｃ）となる。このように、スイッチ（スクランブル）回路１６を設けることにより、負荷変動等の要因によって、タップ切り替えがなされた場合、３台の電源装置のタップ選択は、互いに排反となるように（スクランブル）制御されるため、システムとしての給電部における各相の総合電流が平衡する。
【００２８】
また、相間の電流が不平衡となった場合、中線に漏れ電流が生じるが、本発明によりシステム給電部において、各相の漏れ電流が相殺することにより安全性を向上させるという相乗的な効果も実現できる。
【００２９】
なお、本実施例においては、例えば負荷変動等に対する出力電圧を安定化するため、整流装置８の出力電圧を検出する帰還電圧検出器９を用いた場合を示したが、電源変圧器１の入力部に入力電源電圧検出器を用いて、同様の動作を実現できる。
【００３０】
さらに、電源変圧器１の各相のタップ数を４に増やした場合の実施例について説明する。上述と同様に、第１の電源装置において、スイッチ回路１６の設定を図２（ａ）のように設定したとき、昇圧過程あるいは降圧過程を図５（ａ）とする。なお、昇圧過程ならばステップ１→２→３→４→……→１０と、段階を踏んで昇圧方向に順次切り替わる。また、降圧過程ならば逆の順序となる。
【００３１】
また、第２の電源装置のスイッチ回路１６を図２（ｂ）のように設定したとすると、点弧制御回路１５からの信号は信号路が切り替えられるため、タップ切り替え順は、図５（ｂ）となる。同様に、第３の電源装置のスイッチ回路１６を図２（ｃ）のように設定したとすると、タップ切り替え順は図５（ｃ）となる。
【００３２】
なお、本発明の実施例においては、電源変圧器１の各相に設けたタップの数に関して、３あるいは４の場合について説明したが、この数に限定されないことはいうまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、電源装置を複数使用するシステムにおいて、（無停電）電源装置の容量を適正なものとすることができ、システムの小型化が可能となる効果がある。すなわち、複数の電源装置におけるタップ切り替え順を、排反となるように（スクランブル）制御し、システムとして各相の電流を平衡化している。また、中線（第０相；接地；電源変圧器のスター接続の中心点、通常日本では接地される）に流れる漏れ電流（不平衡電流；０相電流）を低減することにより、安全性の向上が図れる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のブロック図である。
【図２】本発明の実施例のスイッチ回路の説明図である。
【図３】本発明の実施例のステップ制御回路の説明図である。
【図４】本発明の実施例のステップ制御の説明図である。
【図５】本発明の他の実施例のステップ制御の説明図である。
【図６】従来の直流電源装置のブロック図である。
【図７】従来の直流電源装置のステップ制御の説明図である。
【符号の説明】
１ 電源変圧器
２，３，４，２’，
３’，４’，２”，
３”，４” サイリスタ
５，６，７，５’，
６’，７’，５”，
６”，７” 点弧回路
８ 整流回路
９ 帰還電圧検出器
１０ 負荷
１１ 比較器
１２ 偏差信号制御器
１３ ステップ制御回路
１４ 基準電圧発生器
１５ 点弧制御回路
１６ スイッチ回路

Claims (3)

1. 商用３相交流を受電する電源変圧器の星状出力結線の各相にそれぞれ複数のタップを設け、前記各相のタップを一定の順序にて切り替えることによって出力直流電圧を制御する直流電源装置であって、前記切り替えられた各相のタップ出力を整流して出力直流電圧に変換する整流手段と、前記出力直流電圧と基準電圧とを比較することにより前記各相のタップを切り替え・制御するタップ切り替え手段と、前記一定の順序をスクランブルする切り替え順序変更手段とを含むことを特徴とする直流電源装置。
2. 請求項１記載の直流電源装置を複数個使用して構成される直流電源システムであって、前記複数の直流電源装置の前記切り替え順序変更手段がそれぞれ異なる順序にて前記一定の順序を制御することを特徴とする直流電源システム。
3. 前記切り替え順序変更手段の各々は、前記商用３相交流のそれぞれの相電流が平衡するように前記一定の順序を制御することを特徴とする請求項２記載の直流電源システム。

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