JP4160325B2 - 転流コンデンサの充電装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば遮断器の転流用のコンデンサの充電装置に係り、特に転流用のコンデンサを短時間に充電できるようにした経済的でかつ小型でしかも応答の良好な転流コンデンサの充電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、この種の従来の転流コンデンサの充電装置の一構成例を示すブロック回路図である。
【０００３】
図４において、直流電源１の出力から、インバータブリッジ２により所定の周波数（例えば、２０ＫＨＺ〜５０ＫＨＺ）の交流を発生させ、変圧器３により昇圧および絶縁を行ない、整流器４により直流に変換し、リアクトル５により平滑化し、限流抵抗６を介して転流用のコンデンサ７を充電する。
【０００４】
また、転流用のコンデンサ７から、リアクトル９、遮断器１３、放電用のサイリスタ１０の要素で直列共振回路を構成し、主電源１５から、負荷１６、開閉器１４、遮断器１３の回路に流れている電流を、サイリスタ１０をオンすることによって、転流用のコンデンサ７からの共振電流により打ち消して電流のゼロ点を作り、遮断器１３を高速に遮断した後に、開閉器１４を開放する。
【０００５】
一方、転流用のコンデンサ７の充電制御は、転流用のコンデンサ７の電圧基準１７と、電圧検出器２４により検出した転流用のコンデンサ７の電圧Ｖ２４との偏差を、電圧制御回路１８で増幅して電流基準Ｖ１８とし、変圧器３の１次側電流を変流器８により検出し、整流回路１９で直流に変換して信号Ｖ１９とし、さらにこの信号Ｖ１９と電流基準Ｖ１８との偏差を電流制御回路２０で増幅した値と、三角波発生器２１からの出力とを、ＰＷＭ回路２２で比較することによりＰＷＭ信号とし、駆動回路２３を介してインバータブリッジ２のスイッチング素子をスイッチング制御により駆動する。
【０００６】
以上の制御回路により、電流マイナーループ付きの転流用のコンデンサ７の電圧制御ループを構成する。
【０００７】
さらに、サイリスタ１０のトリガーは、トリガー信号２５をトリガー回路２６へ入力し、変圧器１２により絶縁し、ダイオード１１を介して信号を入力するようにしている。
【０００８】
なお、限流抵抗６は、転流用のコンデンサ７がサイリスタ１０をオンした時に、共振によって逆電圧に充電され、整流器４の回路を通って放電する電流を制限するために設けているものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の転流コンデンサの充電装置においては、次のような解決すべき問題点がある。
【００１０】
すなわち、電圧検出器２４として、例えば５ＫＶ以上の耐電圧が必要であり、結果的に直流センサとしては高価なものになる。このため、直流センサを低価格で実現する手段の出現が望まれている。
【００１１】
また、転流用のコンデンサ７の充電電圧として、例えば２〜３ＫＶ程度必要であることから、整流器４の電圧定格としては、例えば５〜８ＫＶ程度の高圧の特殊な整流素子が要求される。
【００１２】
変圧器３を高周波で設計すると、整流器４としては高速ダイオードが必要となり、高価で損失が多くなる。
【００１３】
このため、高速ダイオードを使用しないでも済む、例えば数百ＨＺ以下での適用が望まれている。
【００１４】
さらに、リアクトル５は、低電流で高い電圧が巻線間に印加されることから、これに耐え得るようにするために寸法が大きくなる。このため、小型化が強く望まれている。
【００１５】
さらにまた、変圧器１２は、高耐電圧のために大型となり、光絶縁が望まれている。
【００１６】
本発明の目的は、特殊な整流素子や高価な電圧検出器を使用することなく、転流用のコンデンサを短時間に充電することが可能な極めて経済的でかつ小型でしかも応答の良好な転流コンデンサの充電装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１の発明の転流コンデンサの充電装置は、直流可変電圧を出力する直流可変電源手段と、直流可変電源手段からの出力を、スイッチング制御により所定周波数の交流に変換して出力する電流制御付きのインバータ手段と、インバータ手段からの出力を、変圧器を介してその２次側から整流器で直流に変換し転流用のコンデンサを充電する充電回路と、充電回路に備えた限流抵抗と、変圧器の１次側または３次側電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出された電流分に基づいて、充電回路の電圧降下分を補償するように、直流可変電源手段の電圧を調整する電圧降下分補償手段とを備えるようにしている。
【００２３】
従って、第１の発明の転流コンデンサの充電装置においては、変圧器１次側または３次側電流分による電圧降下を補償することにより、転流コンデンサの充電を早める。
【００２４】
すなわち、変圧器の１次側または３次側電流分に基づいて、充電回路の電圧降下分を補償するように直流可変電源手段の電圧を調整することにより、直流可変電源手段の電圧に、転流コンデンサの充電回路の電圧降下分を補償するため、転流コンデンサを短時間に充電することができる。
【００２５】
第２の発明の転流コンデンサの充電装置は、上記第１の発明の転流コンデンサの充電装置において、電圧降下分補償手段に、遅れ要素を備えるようにしている。
【００２６】
従って、第２の発明の転流コンデンサの充電装置においては、電圧降下補償電圧分を少なくして、時間で補償分を補なう。
【００２７】
すなわち、電圧降下分補償手段に遅れ要素を備えることにより、電圧降下補償電圧分を少なくし、電圧降下補償時間を短縮して、応答をより一層高めることができる。
【００３１】
第３の発明の転流コンデンサの充電装置は、上記第１の発明または第２の発明の転流コンデンサの充電装置において、変圧器の３次側電圧を整流して直流に変換した出力に充電回路の電圧降下分を補償した結果に基づいて、転流コンデンサの電圧をモニターする電圧モニタ手段を付加するようにしている。
【００３２】
従って、第３の発明の転流コンデンサの充電装置においては、変圧器出力の整流電圧から電圧降下分を補償した転流コンデンサの端子電圧相当を検出する。
【００３３】
すなわち、転流コンデンサのモニタ用として、変圧器の３次側の出力を整流して電圧降下分を補償することにより、高圧側より絶縁した信号を安価に得ることができる。
【００３７】
第４の発明の転流コンデンサの充電装置は、上記第１の発明または第２の発明の転流コンデンサの充電装置において、直流可変電源電圧が過電圧になったことを検出する過電圧検出手段を付加し、充電回路の電圧降下分の補償量に基づいて、過電圧検出手段における過電圧検出のレベルを可変設定するようにしている。
【００３８】
従って、第４の発明の転流コンデンサの充電装置においては、直流可変電源手段の過電圧検出を、電圧降下分の補償が大きい時には高く設定して安定に動作させる。
【００３９】
すなわち、直流可変電源電圧の過電圧検出のレベルを、転流コンデンサの充電回路の電圧降下分の補償量に応じて可変設定することにより、定常時に、安定な過電圧保護を行なうことができる。
【００４０】
第５の発明の転流コンデンサの充電装置は、直流可変電圧を出力する直流可変電源手段と、直流可変電源手段からの出力を、スイッチング制御により所定周波数の交流に変換して出力する電流制御付きのインバータ手段と、インバータ手段からの出力を、変圧器を介してその２次側から整流器で直流に変換し転流用のコンデンサを充電する充電回路と、充電回路に備えた限流抵抗と、転流コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段により検出された転流コンデンサの電圧とあらかじめ設定された転流コンデンサの設定電圧とに基づいて、充電回路の電圧降下分を補償するように、直流可変電源手段の電圧を調整する電圧降下分補償手段とを備えるようにしている。
【００４１】
従って、第５の発明の転流コンデンサの充電装置においては、転流コンデンサの検出電圧とあらかじめ設定された転流コンデンサの設定電圧とに基づいて、充電回路の電圧降下分を補償するように直流可変電源手段の電圧を調整することにより、直流可変電源手段の電圧に、転流コンデンサの充電回路の電圧降下分を補償するため、転流コンデンサの電圧をより一層高精度に制御することができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４３】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態による転流コンデンサの充電装置の構成例を示すブロック回路図であり、図４と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００４４】
図１において、直流電源１から、リアクトル２７、発振器であるＩＧＢＴ２９、ダイオード２８、コンデンサ３０からなる昇圧コンバータ部を、直流可変電源手段として構成している。
【００４５】
また、昇圧コンバータからの出力を、インバータブリッジ２でスイッチング制御により所定周波数の交流に変換して出力する、電流制御付きのインバータ手段を構成している。
【００４６】
さらに、コンデンサ３０を電源とするインバータブリッジ２からの出力を、リアクトル分３４を有する変圧器３の１次側に供給し、変圧器３の２次側から、前記図４と同じ構成により転流用のコンデンサ７を充電するようにしている。
【００４７】
一方、電圧基準ＶＤ*１７とコンデンサ３０の電圧を電圧検出器２４で検出した値との偏差を、電圧制御回路１８で増幅して信号Ｖ１８とし、電流検出器３３からの出力Ｖ３３と信号Ｖ１８との偏差を電流制御回路２０で増幅した値と、３角波発生器２１からの出力とをＰＷＭ回路２２で比較し、駆動回路２３によりＩＧＢＴ２９を駆動するようにしている。
【００４８】
また、変流器８により変圧器３の１次側電流を検出し（変圧器３の３次側電流を検出するようにしてもよい）、整流回路１９で直流に変換し、電圧降下補償回路４１を通して、遅れ回路４２（遅れ回路４２は、必要に応じて設ければよい）を介して電圧基準ＶＤ*１７に加算するようにしている。
【００４９】
一方、インバータブリッジ２の制御は、電流基準Ｉ*３５と、整流回路１９で検出した変圧器３の電流とを、比較器３６で比較してＰＷＭ信号とするようにしている。
【００５０】
そして、発振器３９で発振したＰＷＭよりも遅い周波数の極性切り替え回路４０により、駆動回路３７を介してインバータブリッジ２のスイッチング素子を駆動するようにしている。
【００５１】
また、転流用のコンデンサ７の電圧をモニターするため、変圧器３の３次側３１の電圧を、整流回路４３で直流に変換した出力から、整流回路１９からインバータ電流分を検出し補償回路４４を介した出力を減算し、フィルタ４５を介して電圧モニタ回路４６へ出力するようにしている。
【００５２】
さらに、転流用のコンデンサ７の放電用サイリスタ１０のトリガ用電源は、変圧器３の４次側３２の出力を、整流回路４８で直流に変換して得るようにしている。
【００５３】
そして、トリガ信号２５から光変換回路４７を介して光に変換し、光ファイバー４９で絶縁し、トリガ回路５０によりサイリスタ１０をオンさせるようにしている。
【００５４】
次に、以上のように構成した本実施の形態による転流コンデンサの充電装置の作用について説明する。
【００５５】
図１において、昇圧コンバータ部は、電流マイナーループ付き電圧制御部を構成している。
【００５６】
転流用のコンデンサ７の充電回路の電圧降下分を補償するように、変圧器３に電流が流れると、これを変流器８により検出し、電圧降下補償回路４１により昇圧コンバータ部の電圧を上昇させるように制御する。
【００５７】
なお、遅れ回路４２は、電圧降下補償分の電圧値を減少させて、時間分で補償量を確保するために挿入している。
【００５８】
インバータブリッジ２の制御は、例えば４０ＫＨＺ程度の高速スイッチングを行ない、変圧器３の１次電流を、変圧器３のリアクトル分３４により平滑化して制御し、インバータブリッジ２の出力周波数は、例えば４００ＨＺ程度の矩形波状（本例では、台形波状）として供給することにより、変圧器３の鉄心としては、一般のけい素鋼板を使用することができ、整流器４としても、低速用の整流素子を使用することができる。
【００５９】
図２は、転流用のコンデンサ７の電圧Ｖ７、コンデンサ３０の電圧Ｖ３０、整流回路１９の出力電圧Ｖ１９の動作波形を示す図である。
【００６０】
時刻ｔ１においては、変圧器３の１次側電流が波形Ｖ１９に示すように流れ、転流用のコンデンサ７の電圧Ｖ７は上昇を始め、コンデンサ３０の電圧Ｖ３０は電圧降下分を補償ために電圧を上げている。
【００６１】
時刻ｔ２においては、整流回路１９の出力電圧Ｖ１９が減少し始めるが、遅れ回路４２を挿入しているため、コンデンサ３０の電圧Ｖ３０は遅れて下がりはじめる。
【００６２】
時刻Ｔ３においては、転流用のコンデンサ７の電圧Ｖ７は、充電が完了している。
【００６３】
また、転流用のコンデンサ７の電圧をモニターするため、変圧器３の３次側３１の電圧を整流回路４３で直流に変換し、補償回路４４により電圧降下分を差し引いて、モニタ電圧を求めている。
【００６４】
さらに、転流用のコンデンサ７の放電用サイリスタ１０のトリガ用電源は、転流用のコンデンサ７が充電完了した時点で確立していれば十分であるので、変圧器３の４次側３２の電圧を整流して得ている。
【００６５】
上述したように、本実施の形態による転流コンデンサの充電装置では、インバータブリッジ２の直流電源電圧を制御することによって、転流用のコンデンサ７の電圧を間接的に制御し、比較的低周波のインバータ出力を変圧器３に供給し、この変圧器３を介してその２次側から整流器４で直流に変換し、限流抵抗６を介して転流用のコンデンサ７を充電するようにしているので、従来のように特殊な整流素子や高価な電圧検出器を使用することなく、転流用のコンデンサ７を短時間に充電することができ、極めて経済的でかつ小型でしかも応答の良好な転流コンデンサの充電装置を得ることが可能となる。
【００６６】
また、矩形波状（台形波状）の４００ＨＺ程度の電流を変圧器３に注入するようにしているので、整流器４として低速用のものを使用することができ、変圧器３の鉄心としても安価なけい素鋼板を利用することが可能となる。
【００６７】
さらに、昇圧コンバータ部の電圧に、転流用のコンデンサ７の充電回路の電圧降下分を加算回路で補償（加算）するようにしているので、転流用のコンデンサ７を短時間に充電することが可能となる。
【００６８】
また、電圧降下補償回路４１に遅れ回路４２を挿入するようにしているので、上記電圧降下補償電圧分を少なくし、電圧降下補償時間を短縮して、応答をより一層高めることが可能となる。
【００６９】
さらに、転流用のコンデンサ７のモニタ用として、変圧器３の３次側３１の出力を整流して電圧降下分を補償するようにしているので、高圧側より絶縁した信号を安価に得ることが可能となる。
【００７０】
また、変圧器３の４次側３２から、サイリスタ１０のトリガ電源を取るようにしているので、トリガ電源を別個に設ける必要がないため、安価な回路を構成することが可能となる。さらに、トリガ電源電圧を高い精度で生成することが可能となる。
【００７１】
（変形例）
本実施の形態による転流コンデンサの充電装置において、転流用のコンデンサ７の充電回路に限流抵抗６を設けないような場合には、前述したような転流コンデンサ７の充電回路の電圧降下分を補償する必要がないことから、前記電圧降下補償回路４１、遅れ回路４２、補償回路４４を省略することができる。
【００７２】
そして、このような場合には、転流用のコンデンサ７の電圧をモニターするために、変圧器３の３次側３１の電圧を、整流回路４３で直流に変換した出力を、フィルタ４５を介して電圧モニタ回路４６へ出力するように構成することが可能である。
【００７３】
（第２の実施の形態）
図３は、本実施の形態による転流コンデンサの充電装置の要部構成例を示すブロック回路図であり、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００７４】
図３において、前記昇圧コンバータ部に、昇圧コンバータ部の電圧が過電圧になったことを検出する過電圧検出回路６２を設けている。
【００７５】
さらに、前記転流コンデンサ７の充電回路の電圧降下分の補償量に基づいて、過電圧検出回路６２における過電圧検出の設定レベルを可変設定するようにしている。
【００７６】
すなわち、比較器５１により、直流電源５３から抵抗５４で設定した電圧よりも、コンデンサ３０の電圧を抵抗５２で比較して高くなると、フォトカプラ５５をオンさせて、過電圧検出回路６２を動作させるようにしている。
【００７７】
また、電圧降下補償回路４１から遅れ回路４２の出力を、レベル検出器５８によりレベル検出し、電圧降下補償値が大きい時には、フォトカプラ５９をオンさせて、抵抗６１を直流電源５３に接続し、過電圧の設定レベルを過渡的に上げるようにしている
なお、図３において、５６は抵抗、５７は抵抗、６０は抵抗をそれぞれ示している。
【００７８】
次に、以上のように構成した本実施の形態による転流コンデンサの充電装置の作用について説明する。
【００７９】
前述した第１の実施の形態による転流コンデンサの充電装置においては、電圧降下補償回路４１がある場合、昇圧コンバータ部の電圧が過渡的に高くなり、定常時の過電圧保護を適正に設定することができないことも考えられる。
【００８０】
この点、本実施の形態による転流コンデンサの充電装置においては、比較器５１により、直流電源５３から抵抗５４で設定した電圧よりも、コンデンサ３０の電圧が抵抗５２で比較して高くなると、フォトカプラ５５をオンさせて、過電圧検出回路６２を働かせる。
【００８１】
この場合、電圧降下補償回路４１から遅れ回路４２を介した出力を、レベル検出器５８によりレベル検出し、電圧降下補償値が大きい時には、フォトカプラ５９をオンさせて、抵抗６１を直流電源５３に接続し、過電圧検出の設定レベルを過渡的に上げる。
【００８２】
このようにすることにより、定常時に、安定な過電圧保護を行なうことができる。
【００８３】
上述したように、本実施の形態による転流コンデンサの充電装置では、昇圧コンバータ部の電圧の過電圧検出のレベルを、転流用のコンデンサ７の充電回路の電圧降下分の補償量に応じて可変設定するようにしているので、定常時に、安定な過電圧保護を行なうことが可能となる。
【００８４】
（その他の実施の形態）
尚、本発明は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形して実施することが可能である。
例えば、前記図１に示す第１の実施の形態では、転流コンデンサ７の電圧を直接検出していないが、これに限らず、転流コンデンサ７の電圧を電圧検出器等により直接検出し、この直接検出した検出電圧と、あらかじめ設定された転流コンデンサ７の設定電圧との誤差（偏差）を増幅して出力を得、当該出力を、前記電圧降下補償回路４１、遅れ回路４２からの出力に代えて、前記電圧制御回路１８に入力するように、電圧降下分補償手段を構成するようにしてもよい。
【００８５】
以上のような構成とすることにより、転流コンデンサ７の電圧をより一層高精度に制御することが可能となることは言うまでもない。
【００８６】
また、各実施の形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合には組み合わせた作用効果を得ることができる。
さらに、上記各実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより、種々の発明を抽出することができる。
例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題（の少なくとも一つ）が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果（の少なくとも一つ）が得られる場合には、この構成要件が削除された構成を発明として抽出することができる。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、インバータ手段の直流電源電圧を制御することによって、転流用のコンデンサ電圧を間接的に制御し、比較的低周波の矩形状のインバータ出力を変圧器に供給するようにしているので、特殊な整流素子や高価な直流電圧検出器を使用することなく、転流用のコンデンサを短時間に充電することが可能な極めて経済的でかつ小型でしかも応答の良好な転流コンデンサの充電装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による転流コンデンサの充電装置の第１の実施の形態を示すブロック回路図。
【図２】同第１の実施の形態の転流コンデンサの充電装置における動作を説明するための波形図。
【図３】本発明による転流コンデンサの充電装置の第２の実施の形態を示すブロック回路図。
【図４】従来の転流コンデンサの充電装置の一構成例を示すブロック回路図。
【符号の説明】
１…直流電源
２…インバータブリッジ
３…変圧器
４…整流器
５…リアクトル
６…限流抵抗
７…転流用のコンデンサ（転流コンデンサ）
８…変流器
９…リアクトル
１０…サイリスタ
１１…ダイオード
１２…変圧器
１３…遮断器
１４…開閉器
１５…主電源
１６…負荷
１７…電圧基準
１８…電圧制御回路
１９…整流回路
２０…電流制御回路
２１…３角波発生器
２２…ＰＷＭ回路
２３…駆動回路
２４…電圧検出器
２５…トリガ信号
２６…トリガ回路
２７…リアクトル
２８…ダイオード
２９…発振器（ＩＧＢＴ）
３０…コンデンサ
３１…変圧器３の３次側
３２…変圧器３の４次側
３３…電流検出器
３４…リアクトル分
３５…電流基準
３６…比較器
３７…駆動回路
３９…発振器
４０…極性切り替え回路
４１…電圧降下補償回路
４２…遅れ回路
４３…整流回路
４４…補償回路
４５…フィルタ
４６…電圧モニタ回路
４７…光変換回路
４８…整流回路
４９…光ファイバー
５０…トリガ回路
５１…比較器
５２…抵抗
５３…直流電源
５４…抵抗
５５…フォトカプラ
５６…抵抗
５７…抵抗
５８…レベル検出回路
５９…フォトカプラ
６０…抵抗
６１…抵抗
６２…過電圧検出回路。
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば遮断器の転流用のコンデンサの充電装置に係り、特に転流用のコンデンサを短時間に充電できるようにした経済的でかつ小型でしかも応答の良好な転流コンデンサの充電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、この種の従来の転流コンデンサの充電装置の一構成例を示すブロック回路図である。
【０００３】
図４において、直流電源１の出力から、インバータブリッジ２により所定の周波数（例えば、２０ＫＨＺ〜５０ＫＨＺ）の交流を発生させ、変圧器３により昇圧および絶縁を行ない、整流器４により直流に変換し、リアクトル５により平滑化し、限流抵抗６を介して転流用のコンデンサ７を充電する。
【０００４】
また、転流用のコンデンサ７から、リアクトル９、遮断器１３、放電用のサイリスタ１０の要素で直列共振回路を構成し、主電源１５から、負荷１６、開閉器１４、遮断器１３の回路に流れている電流を、サイリスタ１０をオンすることによって、転流用のコンデンサ７からの共振電流により打ち消して電流のゼロ点を作り、遮断器１３を高速に遮断した後に、開閉器１４を開放する。
【０００５】
一方、転流用のコンデンサ７の充電制御は、転流用のコンデンサ７の電圧基準１７と、電圧検出器２４により検出した転流用のコンデンサ７の電圧Ｖ２４との偏差を、電圧制御回路１８で増幅して電流基準Ｖ１８とし、変圧器３の１次側電流を変流器８により検出し、整流回路１９で直流に変換して信号Ｖ１９とし、さらにこの信号Ｖ１９と電流基準Ｖ１８との偏差を電流制御回路２０で増幅した値と、三角波発生器２１からの出力とを、ＰＷＭ回路２２で比較することによりＰＷＭ信号とし、駆動回路２３を介してインバータブリッジ２のスイッチング素子をスイッチング制御により駆動する。
【０００６】
以上の制御回路により、電流マイナーループ付きの転流用のコンデンサ７の電圧制御ループを構成する。
【０００７】
さらに、サイリスタ１０のトリガーは、トリガー信号２５をトリガー回路２６へ入力し、変圧器１２により絶縁し、ダイオード１１を介して信号を入力するようにしている。
【０００８】
なお、限流抵抗６は、転流用のコンデンサ７がサイリスタ１０をオンした時に、共振によって逆電圧に充電され、整流器４の回路を通って放電する電流を制限するために設けているものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の転流コンデンサの充電装置においては、次のような解決すべき問題点がある。
【００１０】
すなわち、電圧検出器２４として、例えば５ＫＶ以上の耐電圧が必要であり、結果的に直流センサとしては高価なものになる。このため、直流センサを低価格で実現する手段の出現が望まれている。
【００１１】
また、転流用のコンデンサ７の充電電圧として、例えば２〜３ＫＶ程度必要であることから、整流器４の電圧定格としては、例えば５〜８ＫＶ程度の高圧の特殊な整流素子が要求される。
【００１２】
変圧器３を高周波で設計すると、整流器４としては高速ダイオードが必要となり、高価で損失が多くなる。
【００１３】
このため、高速ダイオードを使用しないでも済む、例えば数百ＨＺ以下での適用が望まれている。
【００１４】
さらに、リアクトル５は、低電流で高い電圧が巻線間に印加されることから、これに耐え得るようにするために寸法が大きくなる。このため、小型化が強く望まれている。
【００１５】
さらにまた、変圧器１２は、高耐電圧のために大型となり、光絶縁が望まれている。
【００１６】
本発明の目的は、特殊な整流素子や高価な電圧検出器を使用することなく、転流用のコンデンサを短時間に充電することが可能な極めて経済的でかつ小型でしかも応答の良好な転流コンデンサの充電装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１の発明の転流コンデンサの充電装置は、直流可変電圧を出力する直流可変電源手段と、直流可変電源手段からの出力を、スイッチング制御により所定周波数の交流に変換して出力する電流制御付きのインバータ手段と、インバータ手段からの出力を、変圧器を介してその２次側から整流器で直流に変換し転流用のコンデンサを充電する充電回路と、充電回路に備えた限流抵抗と、変圧器の１次側または３次側電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出された電流分に基づいて、充電回路の電圧降下分を補償するように、直流可変電源手段の電圧を調整する電圧降下分補償手段とを備えるようにしている。
【００２３】
従って、第１の発明の転流コンデンサの充電装置においては、変圧器１次側または３次側電流分による電圧降下を補償することにより、転流コンデンサの充電を早める。
【００２４】
すなわち、変圧器の１次側または３次側電流分に基づいて、充電回路の電圧降下分を補償するように直流可変電源手段の電圧を調整することにより、直流可変電源手段の電圧に、転流コンデンサの充電回路の電圧降下分を補償するため、転流コンデンサを短時間に充電することができる。
【００２５】
第２の発明の転流コンデンサの充電装置は、上記第１の発明の転流コンデンサの充電装置において、電圧降下分補償手段に、遅れ要素を備えるようにしている。
【００２６】
従って、第２の発明の転流コンデンサの充電装置においては、電圧降下補償電圧分を少なくして、時間で補償分を補なう。
【００２７】
すなわち、電圧降下分補償手段に遅れ要素を備えることにより、電圧降下補償電圧分を少なくし、電圧降下補償時間を短縮して、応答をより一層高めることができる。
【００３１】
第３の発明の転流コンデンサの充電装置は、上記第１の発明または第２の発明の転流コンデンサの充電装置において、変圧器の３次側電圧を整流して直流に変換した出力に充電回路の電圧降下分を補償した結果に基づいて、転流コンデンサの電圧をモニターする電圧モニタ手段を付加するようにしている。
【００３２】
従って、第３の発明の転流コンデンサの充電装置においては、変圧器出力の整流電圧から電圧降下分を補償した転流コンデンサの端子電圧相当を検出する。
【００３３】
すなわち、転流コンデンサのモニタ用として、変圧器の３次側の出力を整流して電圧降下分を補償することにより、高圧側より絶縁した信号を安価に得ることができる。
【００３７】
第４の発明の転流コンデンサの充電装置は、上記第１の発明または第２の発明の転流コンデンサの充電装置において、直流可変電源電圧が過電圧になったことを検出する過電圧検出手段を付加し、充電回路の電圧降下分の補償量に基づいて、過電圧検出手段における過電圧検出のレベルを可変設定するようにしている。
【００３８】
従って、第４の発明の転流コンデンサの充電装置においては、直流可変電源手段の過電圧検出を、電圧降下分の補償が大きい時には高く設定して安定に動作させる。
【００３９】
すなわち、直流可変電源電圧の過電圧検出のレベルを、転流コンデンサの充電回路の電圧降下分の補償量に応じて可変設定することにより、定常時に、安定な過電圧保護を行なうことができる。
【００４０】
第５の発明の転流コンデンサの充電装置は、直流可変電圧を出力する直流可変電源手段と、直流可変電源手段からの出力を、スイッチング制御により所定周波数の交流に変換して出力する電流制御付きのインバータ手段と、インバータ手段からの出力を、変圧器を介してその２次側から整流器で直流に変換し転流用のコンデンサを充電する充電回路と、充電回路に備えた限流抵抗と、転流コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段により検出された転流コンデンサの電圧とあらかじめ設定された転流コンデンサの設定電圧とに基づいて、充電回路の電圧降下分を補償するように、直流可変電源手段の電圧を調整する電圧降下分補償手段とを備えるようにしている。
【００４１】
従って、第５の発明の転流コンデンサの充電装置においては、転流コンデンサの検出電圧とあらかじめ設定された転流コンデンサの設定電圧とに基づいて、充電回路の電圧降下分を補償するように直流可変電源手段の電圧を調整することにより、直流可変電源手段の電圧に、転流コンデンサの充電回路の電圧降下分を補償するため、転流コンデンサの電圧をより一層高精度に制御することができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４３】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態による転流コンデンサの充電装置の構成例を示すブロック回路図であり、図４と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００４４】
図１において、直流電源１から、リアクトル２７、発振器であるＩＧＢＴ２９、ダイオード２８、コンデンサ３０からなる昇圧コンバータ部を、直流可変電源手段として構成している。
【００４５】
また、昇圧コンバータからの出力を、インバータブリッジ２でスイッチング制御により所定周波数の交流に変換して出力する、電流制御付きのインバータ手段を構成している。
【００４６】
さらに、コンデンサ３０を電源とするインバータブリッジ２からの出力を、リアクトル分３４を有する変圧器３の１次側に供給し、変圧器３の２次側から、前記図４と同じ構成により転流用のコンデンサ７を充電するようにしている。
【００４７】
一方、電圧基準ＶＤ*１７とコンデンサ３０の電圧を電圧検出器２４で検出した値との偏差を、電圧制御回路１８で増幅して信号Ｖ１８とし、電流検出器３３からの出力Ｖ３３と信号Ｖ１８との偏差を電流制御回路２０で増幅した値と、３角波発生器２１からの出力とをＰＷＭ回路２２で比較し、駆動回路２３によりＩＧＢＴ２９を駆動するようにしている。
【００４８】
また、変流器８により変圧器３の１次側電流を検出し（変圧器３の３次側電流を検出するようにしてもよい）、整流回路１９で直流に変換し、電圧降下補償回路４１を通して、遅れ回路４２（遅れ回路４２は、必要に応じて設ければよい）を介して電圧基準ＶＤ*１７に加算するようにしている。
【００４９】
一方、インバータブリッジ２の制御は、電流基準Ｉ*３５と、整流回路１９で検出した変圧器３の電流とを、比較器３６で比較してＰＷＭ信号とするようにしている。
【００５０】
そして、発振器３９で発振したＰＷＭよりも遅い周波数の極性切り替え回路４０により、駆動回路３７を介してインバータブリッジ２のスイッチング素子を駆動するようにしている。
【００５１】
また、転流用のコンデンサ７の電圧をモニターするため、変圧器３の３次側３１の電圧を、整流回路４３で直流に変換した出力から、整流回路１９からインバータ電流分を検出し補償回路４４を介した出力を減算し、フィルタ４５を介して電圧モニタ回路４６へ出力するようにしている。
【００５２】
さらに、転流用のコンデンサ７の放電用サイリスタ１０のトリガ用電源は、変圧器３の４次側３２の出力を、整流回路４８で直流に変換して得るようにしている。
【００５３】
そして、トリガ信号２５から光変換回路４７を介して光に変換し、光ファイバー４９で絶縁し、トリガ回路５０によりサイリスタ１０をオンさせるようにしている。
【００５４】
次に、以上のように構成した本実施の形態による転流コンデンサの充電装置の作用について説明する。
【００５５】
図１において、昇圧コンバータ部は、電流マイナーループ付き電圧制御部を構成している。
【００５６】
転流用のコンデンサ７の充電回路の電圧降下分を補償するように、変圧器３に電流が流れると、これを変流器８により検出し、電圧降下補償回路４１により昇圧コンバータ部の電圧を上昇させるように制御する。
【００５７】
なお、遅れ回路４２は、電圧降下補償分の電圧値を減少させて、時間分で補償量を確保するために挿入している。
【００５８】
インバータブリッジ２の制御は、例えば４０ＫＨＺ程度の高速スイッチングを行ない、変圧器３の１次電流を、変圧器３のリアクトル分３４により平滑化して制御し、インバータブリッジ２の出力周波数は、例えば４００ＨＺ程度の矩形波状（本例では、台形波状）として供給することにより、変圧器３の鉄心としては、一般のけい素鋼板を使用することができ、整流器４としても、低速用の整流素子を使用することができる。
【００５９】
図２は、転流用のコンデンサ７の電圧Ｖ７、コンデンサ３０の電圧Ｖ３０、整流回路１９の出力電圧Ｖ１９の動作波形を示す図である。
【００６０】
時刻ｔ１においては、変圧器３の１次側電流が波形Ｖ１９に示すように流れ、転流用のコンデンサ７の電圧Ｖ７は上昇を始め、コンデンサ３０の電圧Ｖ３０は電圧降下分を補償ために電圧を上げている。
【００６１】
時刻ｔ２においては、整流回路１９の出力電圧Ｖ１９が減少し始めるが、遅れ回路４２を挿入しているため、コンデンサ３０の電圧Ｖ３０は遅れて下がりはじめる。
【００６２】
時刻Ｔ３においては、転流用のコンデンサ７の電圧Ｖ７は、充電が完了している。
【００６３】
また、転流用のコンデンサ７の電圧をモニターするため、変圧器３の３次側３１の電圧を整流回路４３で直流に変換し、補償回路４４により電圧降下分を差し引いて、モニタ電圧を求めている。
【００６４】
さらに、転流用のコンデンサ７の放電用サイリスタ１０のトリガ用電源は、転流用のコンデンサ７が充電完了した時点で確立していれば十分であるので、変圧器３の４次側３２の電圧を整流して得ている。
【００６５】
上述したように、本実施の形態による転流コンデンサの充電装置では、インバータブリッジ２の直流電源電圧を制御することによって、転流用のコンデンサ７の電圧を間接的に制御し、比較的低周波のインバータ出力を変圧器３に供給し、この変圧器３を介してその２次側から整流器４で直流に変換し、限流抵抗６を介して転流用のコンデンサ７を充電するようにしているので、従来のように特殊な整流素子や高価な電圧検出器を使用することなく、転流用のコンデンサ７を短時間に充電することができ、極めて経済的でかつ小型でしかも応答の良好な転流コンデンサの充電装置を得ることが可能となる。
【００６６】
また、矩形波状（台形波状）の４００ＨＺ程度の電流を変圧器３に注入するようにしているので、整流器４として低速用のものを使用することができ、変圧器３の鉄心としても安価なけい素鋼板を利用することが可能となる。
【００６７】
さらに、昇圧コンバータ部の電圧に、転流用のコンデンサ７の充電回路の電圧降下分を加算回路で補償（加算）するようにしているので、転流用のコンデンサ７を短時間に充電することが可能となる。
【００６８】
また、電圧降下補償回路４１に遅れ回路４２を挿入するようにしているので、上記電圧降下補償電圧分を少なくし、電圧降下補償時間を短縮して、応答をより一層高めることが可能となる。
【００６９】
さらに、転流用のコンデンサ７のモニタ用として、変圧器３の３次側３１の出力を整流して電圧降下分を補償するようにしているので、高圧側より絶縁した信号を安価に得ることが可能となる。
【００７０】
また、変圧器３の４次側３２から、サイリスタ１０のトリガ電源を取るようにしているので、トリガ電源を別個に設ける必要がないため、安価な回路を構成することが可能となる。さらに、トリガ電源電圧を高い精度で生成することが可能となる。
【００７１】
（変形例）
本実施の形態による転流コンデンサの充電装置において、転流用のコンデンサ７の充電回路に限流抵抗６を設けないような場合には、前述したような転流コンデンサ７の充電回路の電圧降下分を補償する必要がないことから、前記電圧降下補償回路４１、遅れ回路４２、補償回路４４を省略することができる。
【００７２】
そして、このような場合には、転流用のコンデンサ７の電圧をモニターするために、変圧器３の３次側３１の電圧を、整流回路４３で直流に変換した出力を、フィルタ４５を介して電圧モニタ回路４６へ出力するように構成することが可能である。
【００７３】
（第２の実施の形態）
図３は、本実施の形態による転流コンデンサの充電装置の要部構成例を示すブロック回路図であり、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００７４】
図３において、前記昇圧コンバータ部に、昇圧コンバータ部の電圧が過電圧になったことを検出する過電圧検出回路６２を設けている。
【００７５】
さらに、前記転流コンデンサ７の充電回路の電圧降下分の補償量に基づいて、過電圧検出回路６２における過電圧検出の設定レベルを可変設定するようにしている。
【００７６】
すなわち、比較器５１により、直流電源５３から抵抗５４で設定した電圧よりも、コンデンサ３０の電圧を抵抗５２で比較して高くなると、フォトカプラ５５をオンさせて、過電圧検出回路６２を動作させるようにしている。
【００７７】
また、電圧降下補償回路４１から遅れ回路４２の出力を、レベル検出器５８によりレベル検出し、電圧降下補償値が大きい時には、フォトカプラ５９をオンさせて、抵抗６１を直流電源５３に接続し、過電圧の設定レベルを過渡的に上げるようにしている
なお、図３において、５６は抵抗、５７は抵抗、６０は抵抗をそれぞれ示している。
【００７８】
次に、以上のように構成した本実施の形態による転流コンデンサの充電装置の作用について説明する。
【００７９】
前述した第１の実施の形態による転流コンデンサの充電装置においては、電圧降下補償回路４１がある場合、昇圧コンバータ部の電圧が過渡的に高くなり、定常時の過電圧保護を適正に設定することができないことも考えられる。
【００８０】
この点、本実施の形態による転流コンデンサの充電装置においては、比較器５１により、直流電源５３から抵抗５４で設定した電圧よりも、コンデンサ３０の電圧が抵抗５２で比較して高くなると、フォトカプラ５５をオンさせて、過電圧検出回路６２を働かせる。
【００８１】
この場合、電圧降下補償回路４１から遅れ回路４２を介した出力を、レベル検出器５８によりレベル検出し、電圧降下補償値が大きい時には、フォトカプラ５９をオンさせて、抵抗６１を直流電源５３に接続し、過電圧検出の設定レベルを過渡的に上げる。
【００８２】
このようにすることにより、定常時に、安定な過電圧保護を行なうことができる。
【００８３】
上述したように、本実施の形態による転流コンデンサの充電装置では、昇圧コンバータ部の電圧の過電圧検出のレベルを、転流用のコンデンサ７の充電回路の電圧降下分の補償量に応じて可変設定するようにしているので、定常時に、安定な過電圧保護を行なうことが可能となる。
【００８４】
（その他の実施の形態）
尚、本発明は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形して実施することが可能である。
例えば、前記図１に示す第１の実施の形態では、転流コンデンサ７の電圧を直接検出していないが、これに限らず、転流コンデンサ７の電圧を電圧検出器等により直接検出し、この直接検出した検出電圧と、あらかじめ設定された転流コンデンサ７の設定電圧との誤差（偏差）を増幅して出力を得、当該出力を、前記電圧降下補償回路４１、遅れ回路４２からの出力に代えて、前記電圧制御回路１８に入力するように、電圧降下分補償手段を構成するようにしてもよい。
【００８５】
以上のような構成とすることにより、転流コンデンサ７の電圧をより一層高精度に制御することが可能となることは言うまでもない。
【００８６】
また、各実施の形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合には組み合わせた作用効果を得ることができる。
さらに、上記各実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより、種々の発明を抽出することができる。
例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題（の少なくとも一つ）が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果（の少なくとも一つ）が得られる場合には、この構成要件が削除された構成を発明として抽出することができる。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、インバータ手段の直流電源電圧を制御することによって、転流用のコンデンサ電圧を間接的に制御し、比較的低周波の矩形状のインバータ出力を変圧器に供給するようにしているので、特殊な整流素子や高価な直流電圧検出器を使用することなく、転流用のコンデンサを短時間に充電することが可能な極めて経済的でかつ小型でしかも応答の良好な転流コンデンサの充電装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による転流コンデンサの充電装置の第１の実施の形態を示すブロック回路図。
【図２】同第１の実施の形態の転流コンデンサの充電装置における動作を説明するための波形図。
【図３】本発明による転流コンデンサの充電装置の第２の実施の形態を示すブロック回路図。
【図４】従来の転流コンデンサの充電装置の一構成例を示すブロック回路図。
【符号の説明】
１…直流電源
２…インバータブリッジ
３…変圧器
４…整流器
５…リアクトル
６…限流抵抗
７…転流用のコンデンサ（転流コンデンサ）
８…変流器
９…リアクトル
１０…サイリスタ
１１…ダイオード
１２…変圧器
１３…遮断器
１４…開閉器
１５…主電源
１６…負荷
１７…電圧基準
１８…電圧制御回路
１９…整流回路
２０…電流制御回路
２１…３角波発生器
２２…ＰＷＭ回路
２３…駆動回路
２４…電圧検出器
２５…トリガ信号
２６…トリガ回路
２７…リアクトル
２８…ダイオード
２９…発振器（ＩＧＢＴ）
３０…コンデンサ
３１…変圧器３の３次側
３２…変圧器３の４次側
３３…電流検出器
３４…リアクトル分
３５…電流基準
３６…比較器
３７…駆動回路
３９…発振器
４０…極性切り替え回路
４１…電圧降下補償回路
４２…遅れ回路
４３…整流回路
４４…補償回路
４５…フィルタ
４６…電圧モニタ回路
４７…光変換回路
４８…整流回路
４９…光ファイバー
５０…トリガ回路
５１…比較器
５２…抵抗
５３…直流電源
５４…抵抗
５５…フォトカプラ
５６…抵抗
５７…抵抗
５８…レベル検出回路
５９…フォトカプラ
６０…抵抗
６１…抵抗
６２…過電圧検出回路。
Claims (5)
- 直流可変電圧を出力する直流可変電源手段と、
前記直流可変電源手段からの出力を、スイッチング制御により所定周波数の交流に変換して出力する電流制御付きのインバータ手段と、
前記インバータ手段からの出力を、変圧器を介してその２次側から整流器で直流に変換し転流用のコンデンサを充電する充電回路と、
前記充電回路に備えた限流抵抗と、
前記変圧器の１次側または３次側電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出された電流分に基づいて、前記充電回路の電圧降下分を補償するように、前記直流可変電源手段の電圧を調整する電圧降下分補償手段と、
を備えて成ることを特徴とする転流コンデンサの充電装置。 - 前記請求項１に記載の転流コンデンサの充電装置において、
前記電圧降下分補償手段に、遅れ要素を備えて成ることを特徴とする転流コンデンサの充電装置。 - 前記請求項１または請求項２に記載の転流コンデンサの充電装置において、
前記変圧器の３次側電圧を整流して直流に変換した出力に前記充電回路の電圧降下分を補償した結果に基づいて、前記転流コンデンサの電圧をモニターする電圧モニタ手段を付加して成ることを特徴とする転流コンデンサの充電装置。 - 前記請求項１または請求項２に記載の転流コンデンサの充電装置において、
前記直流可変電源電圧が過電圧になったことを検出する過電圧検出手段を付加し、
前記充電回路の電圧降下分の補償量に基づいて、前記過電圧検出手段における過電圧検出のレベルを可変設定するようにしたことを特徴とする転流コンデンサの充電装置。 - 直流可変電圧を出力する直流可変電源手段と、
前記直流可変電源手段からの出力を、スイッチング制御により所定周波数の交流に変換して出力する電流制御付きのインバータ手段と、
前記インバータ手段からの出力を、変圧器を介してその２次側から整流器で直流に変換し転流用のコンデンサを充電する充電回路と、
前記充電回路に備えた限流抵抗と、
前記転流コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された転流コンデンサの電圧とあらかじめ設定された転流コンデンサの設定電圧とに基づいて、前記充電回路の電圧降下分を補償するように、前記直流可変電源手段の電圧を調整する電圧降下分補償手段と、
を備えて成ることを特徴とする転流コンデンサの充電装置。
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