JP4214467B2 - 周波数変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流発電機からの交流電力を電力系統へ供給し、または電力系統からの交流電力で前記交流発電機を始動させることができる周波数変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図6は交流発電機から電力系統へ交流電力を供給しまたは電力系統を電源にして交流発電機を始動させる周波数変換装置の一般的な構成を示した主回路接続図である。この図6において、交流発電機1が発生する交流電力は、電源遮断器4と電源変圧器2を介して第1電力変換装置3へ与えられて直流電力に変換される。この直流電力は第2電力変換装置6で所望の電圧と周波数の交流電力に変換された後、負荷変圧器7と負荷遮断器9を経て電力系統8へ供給される。ここで第1電力変換装置3の直流側と第2電力変換装置6の直流側とを結合している直流中間回路には直流コンデンサ5が接続されており、これら第1電力変換装置3と直流コンデンサ5と第2電力変換装置6とで周波数変換装置を形成している。
【0003】
第1電力変換装置3を、例えばIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などの半導体スイッチ素子とダイオードとの逆並列接続でなるスイッチング素子のブリッジ接続で構成するならば、パルス幅変調制御などによりこれらスイッチング素子のオン・オフを順次に制御することで、交流電力を直流電力に変換することができる。第2電力変換装置6も第1電力変換装置3と同様にスイッチング素子のブリッジ接続で構成していて、これらを同じくパルス幅変調制御することにより、直流電力を所望の電圧と周波数の交流電力に変換することができる。この周波数変換装置は、前述したようにスイッチング素子が構成要素になっているから、前述とは逆の動作,すなわち電力系統8からの交流電力を第2電力変換装置6で直流電力に変換し、この直流電力を第1電力変換装置3で交流電力に変換することもできるから、電力系統8からの交流電力で交流発電機1を始動させることが可能である。
【0004】
ところで周波数変換装置の容量は、交流発電機1と同じ容量が必要である。従って交流発電機1の容量が増大すると、それに伴って当該周波数変換装置の容量も大きくしなければならないが、半導体スイッチ素子の容量には限界があるから、周波数変換装置の容量を増大させたい場合は、複数組の電力変換装置を使用することになる。
図7は複数の電力変換装置により交流発電機の容量増大に対応している周波数変換装置の第1従来例を示した主回路接続図である。
2つの電力系統のうちの一方に複数の第1電力変換装置を設置し、これで変換した直流電力を直流コンデンサを介して複数の第2電力変換装置へ与えることにより、複数の当該第2電力変換装置は、これで変換された交流電力を他方の電力系統へ供給することになるから、2つの電力系統間に電圧差や位相差があっても、両電力系統を連係することができる周波数変換装置が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0005】
前記の特許文献1は、2つの電力系統の間に周波数変換装置を設置した場合であるが、いずれか一方の電力系統を交流発電機に置換すれば本発明の回路構成が得られる。この第1従来例回路では、交流発電機1,電源遮断器4,直流コンデンサ5,電力系統8および負荷遮断器9の名称・用途・機能は、図6で既述の一般例回路と同じである。しかし第1電力変換装置として3組のコンバータ3A,3B,3Cを使用し、第2電力変換装置として3組のインバータ6A,6B,6Cを使用していることと、これらに対応して3台の電源変圧器2A,2B,2Cと3台の負荷変圧器7A,7B,7Cを使用していることと、負荷遮断器9と電力系統8との間に適合変圧器11を挿入していることが、図6で既述の一般例回路とは異なっている。なお、3台の電源変圧器2A,2B,2Cの一次側巻線同士は直列に接続して、各電源変圧器が交流発電機1の電圧の3分の1ずつを分担し、3台の負荷変圧器7A,7B,7Cも同様に二次側巻線を直列に接続して、各負荷変圧器が合計した出力電圧の3分の1ずつを分担しており、各負荷変圧器の合計出力電圧と電力系統8の電圧とを適合させるために適合変圧器11を挿入している。
【0006】
【特許文献1】
特開平8−322260号公報(図12,図13)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前述した図7の第1従来例回路は、図6の一般例回路と同様に、交流発電機1の発生電力を電力系統8へ送るために、3組のコンバータ3A,3B,3Cの合計容量と3組のインバータ6A,6B,6Cの合計容量は、交流発電機1と同等またはそれ以上の容量であることが必要である。ところで3組のコンバータ3A,3B,3Cは交流電力を直流電力に変換する整流器としての役割が主であることから、高価であって制御回路を備える必要があるスイッチング素子で構成する代わりにダイオードを使用すれば、回路構成を簡単にすることができる。更に、ダイオードの単体容量はスイッチング素子のそれよりも大幅に大きいことから、3組のコンバータ3A,3B,3Cの合計容量を1組のダイオード整流装置で賄うことも可能になるから、主回路構成を簡略化できて装置全体の小形化も可能になるし、価格も低下できる。しかしながら第1電力変換装置をダイオードで構成すると、逆変換動作ができないために、電力系統8からの交流電力で交流発電機1を始動させることができないという不具合がある。
【0008】
図8は第1電力変換装置にダイオード整流装置を使用しても交流発電機を始動できる周波数変換装置の第2従来例を示した主回路接続図であって、この第2従来例回路が図7で既述の第1従来例回路と異なっているところは、3台の電源変圧器2A,2B,2Cを1台の電源変圧器2に統合し、3組のコンバータ3A,3B,3Cの代わりに1組のダイオード整流装置12を設置し、更に交流発電機1と直流コンデンサ5との間に、スイッチング素子で構成して交流発電機1を始動できる程度の小容量の始動用インバータ13と始動用遮断器14を備えることであり、これ以外は図7で既述の第1従来例と同じであるから、同じ部分の説明は省略する。
【0009】
ところで図8に図示の第2従来例回路は、ダイオード整流装置12の採用により3組のインバータを使用する第1従来例回路よりも小形化できるし、主回路構成の簡素化や部品点数の低減もできるのであるが、それでも交流発電機1を始動させるためだけに始動用インバータ13を別途に設置しなければならないので、装置の使用効率が良くないし、始動用インバータ13を設置することは、大幅な部品点数の削減を阻害し、装置を小形化できない欠点を有している。
そこでこの発明の目的は、交流発電機と電力系統の間に設けた周波数変換装置に余分な電力変換装置を付加せずに交流発電機を始動できるようにして、装置のの大形化や部品数の増加を抑制することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明の周波数変換装置は、
交流電力を直流電力に変換する第1電力変換装置と,複数の電力変換器で構成して直流電力を所望の電圧と周波数の交流電力に変換しまたはその逆の変換をする第2電力変換装置と,これら第1電力変換装置の直流側と第2電力変換装置の直流側とを結合する直流中間回路に接続した直流コンデンサと,で構成して交流発電機に接続している周波数変換装置と、前記各電力変換器に別個に接続する変圧器であって、その出力電圧同士が加算となる接続で電力系統に接続されている複数の変圧器と、前記各変圧器のうちの一部の前記変圧器を、その変圧器が属する電力変換器から切り離すと共に前記電力系統から除外する変圧器除外装置と、この除外された一部の変圧器に対応している電力変換器を、前記交流発電機に接続する接続スイッチと、前記交流発電機を前記周波数変換装置から切り離す電源スイッチと、必要に応じて、残余の前記変圧器の出力電圧同士の加算値と前記電力系統の電圧とを適合させる電圧適合装置と、を備える。
【0011】
前記変圧器除外装置は、前記一部の変圧器とそれに属する電力変換器との間を切り離す開放スイッチと、前記一部の変圧器の巻線を短絡する短絡スイッチと、で構成する。
前記電圧適合装置は、前記各変圧器と電力系統の間に挿入されたタップを設けた適合変圧器と、そのタップを切り換える第1タップ切替器で構成する。
前記電圧適合装置は、前記残余の変圧器にタップを設け、このタップを切り換える第2タップ切替器で構成する。
前記変圧器除外装置は、前記一部の変圧器とそれに属する電力変換器との間を切り離す開放スイッチと、前記一部の変圧器の巻線と前記の残余変圧器の巻線を結合する結合スイッチで構成する。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の第1実施例を表した主回路接続図である。この第1実施例回路では、交流発電機1からの交流電力は1組のダイオード整流装置12で直流電力に変換し、この直流電力を3組のインバータ6A,6B,6Cで交流電力に変換した後に、変換後の交流電力を3台の負荷変圧器7A,7B,7Cを使って電力系統8へ供給するのは、図8で既述の第2従来例回路の場合と同じである。
しかしながらこの第1実施例回路では、電力系統8からの交流電力で交流発電機1を始動する際は、一部の負荷変圧器として3台のうちの2台の負荷変圧器7A,7Bと、一部のインバータとしての3組のうちの2組のインバータ6A,6Bが、電力系統8からの交流電力を直流電力に変換する役割を有し、この直流電力を直流コンデンサ5へ出力する。残余のインバータとしてのインバータ6Cはこの直流電力を入力し、交流発電機1を始動させるのに適した電圧と周波数の交流電力に変換する役割を有する。
【0013】
従って第2従来例回路に図示の始動用インバータ13を別途に設置しなくても、交流発電機1を始動させることができるのであるが、そのために、インバータ6Cが出力する交流電力を交流発電機1へ供給する回路を開閉するための接続スイッチ21と、インバータ6Cと負荷変圧器7Cとの接続を開閉するための開放スイッチ22と、負荷変圧器7Cを回路から切り離すためにその一方の巻線を短絡する短絡スイッチ23と、各負荷変圧器と電力系統8との電圧を適合させるために両者間に設けたタップ付適合変圧器24およびこれのタップを切り換えるタップ切替えスイッチ25とを備えている。
【0014】
図1の第1実施例回路をこのように構成することで、交流発電機1から電力系統8へ交流電力を送出する場合は、電源遮断器4と開放スイッチ22をオンにし、且つ接続スイッチ21と短絡スイッチ23をオフにすると共に、タップ切替えスイッチ25は3台の負荷変圧器7A,7B,7Cの電圧が直列に加算された場合の電圧に適したタップを選択する。これで当該周波数変換装置は前述の動作をすることができる。
また、電力系統8からの交流電力で交流発電機1を始動させる場合は、電源遮断器4と開放スイッチ22はオフにすると共に、接続スイッチ21と短絡スイッチ23をオンにする。このときタップ付適合変圧器24は2台の負荷変圧器7A,7Bへ電力を供給するが、負荷変圧器7Cは除外されるから、タップ切替えスイッチ25は、2台の負荷変圧器の巻線が直列接続された場合の電圧に適合したタップを選択する。
【0015】
なお図示は省略しているが、負荷変圧器7A,7Bの巻線にタップを設けると共に、このタップを切り換える装置を備えるならば、2台の負荷変圧器を使用する場合(すなわち交流発電機1を始動する場合)の電圧と、3台の負荷変圧器を使用する場合(すなわち交流発電機1が電力を送出する場合)の電圧を、これらのタップを切り換えることで同じ値にすることができるから、タップ切替えスイッチ25を省略できるし、更にタップが付属している適合変圧器24を省略することも可能になる。
図2は図1で既述の第1実施例回路における開放スイッチと短絡スイッチの部分を三線で表した部分回路図である。この図2において、負荷変圧器7Cのインバータ6C側の巻線はスター接続にしているが、短絡スイッチ23はこの巻線を短絡する。負荷変圧器7Cの他方の巻線が例えばデルタ接続であるならば、他の負荷変圧器7A,7Bの巻線と直列に接続にした状態でデルタ接続が形成されるように接続がなされるのであるが、この部分の図示は省略している。
【0016】
図3は本発明の第2実施例を表した主回路接続図であるが、この第2実施例回路も、電力系統8からの交流電力を一部の負荷変圧器としての2台の負荷変圧器7A,7Bと一部のインバータとしての2組のインバータ6A,6Bで直流電力に変換して直流コンデンサ5へ出力する。この直流電力は残余のインバータとしてのインバータ6Cで交流電力に変換して交流発電機1を始動させるのは、図1で既述の第1実施例回路の場合と同じである。しかしこの第2実施例回路では、残余の負荷変圧器としての負荷変圧器7Cを、連絡スイッチ31で負荷変圧器7Bに接続することと、タップ付適合変圧器24とタップ切替えスイッチ25を省略しているところが、第1実施例回路とは異なっている。
【0017】
すなわち電力系統8からの交流電力で交流発電機1を始動させる際は、開放スイッチ22がオフになって、インバータ6Cは負荷変圧器7Cから切り離されるが、負荷変圧器7Bのインバータ側巻線と負荷変圧器7Cのインバータ側巻線は連絡スイッチ31で接続されるから、3台の負荷変圧器7A,7B,7Cの電力系統8側の電圧加算値は変わらない。従って3台の負荷変圧器と電力系統8との間に電圧を適合させるための変圧器を挿入する必要はない。
図4は図3で既述の第2実施例回路における開放スイッチと連絡スイッチの部分を三線で表した部分回路図である。この図4において、負荷変圧器7Bと7Cのインバータ側の巻線はスター接続にしているが、連絡スイッチ31はこの巻線同士を接続する。負荷変圧器7Bと7Cの他方の巻線が例えばデルタ接続であるならば、他の負荷変圧器7Aの巻線と直列に接続にした状態でデルタ接続が形成されるように接続がなされるのであるが、この部分の図示は省略している。
【0018】
図5は本発明の第3実施例を表した主回路接続図である。この第3実施例回路は、3台の負荷変圧器7A,7B,7Cの電圧加算値と電力系統8の電圧とが異なる場合に、適合変圧器11を両者間に挿入して電圧の適合を図るところが図3で既述の第2実施例回路とは異なるが、これ以外はすべて同じであるから、この第3実施例回路の説明は省略する。
【0019】
【発明の効果】
交流発電機からの交流電力を周波数変換装置を介して電力系統へ供給すると共に、電力系統からの交流電力で交流発電機を始動できるようにするためには、従来はこの交流発電機を始動させるためだけの電力変換装置を、周波数変換装置に別途に付加していたので、装置の回路構成が複雑になるし、装置全体も大形化してしまう不都合があった。
これに対して本発明では、周波数変換装置を構成する第2電力変換装置としての複数のインバータのうちで、一部のインバータには電力系統からの交流電力を直流電力に変換する動作をさせると共に、残余のインバータにはこの直流電力を所望の電圧と周波数の交流電力に変換する動作をさせ、これにより得られた交流電力で交流発電機を始動させるように、回路の接続と開放が行えるスイッチを備えている。
【0020】
このような回路構成にすることで、交流発電機を始動させるときにのみ使用していた始動用インバータを省略することができるので、主回路構成が簡素化されるし、部品点数も削減できて装置が小形化できる効果が得られる。更に、装置の使用効率が向上するなどの効果も合わせて得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を表した主回路接続図
【図2】図1で既述の第1実施例回路における開放スイッチと短絡スイッチの部分を三線で表した部分回路図
【図3】本発明の第2実施例を表した主回路接続図
【図4】図3で既述の第2実施例回路における開放スイッチと連絡スイッチの部分を三線で表した部分回路図
【図5】本発明の第3実施例を表した主回路接続図
【図6】交流発電機から電力系統へ交流電力を供給しまたは電力系統を電源にして交流発電機を始動させる周波数変換装置の一般的な構成を示した主回路接続図
【図7】複数の電力変換装置により交流発電機の容量増大に対応している周波数変換装置の第1従来例を示した主回路接続図
【図8】第1電力変換装置にダイオード整流装置を使用しても交流発電機を始動できる周波数変換装置の第2従来例を示した主回路接続図
【符号の説明】
1 交流発電機
2,2A,2B,2C 電源変圧器
3 第1電力変換装置
3A,3B,3C 第1電力変換装置としてのコンバータ
4 電源遮断器
5 直流コンデンサ
6 第2電力変換装置
6A,6B,6C 第2電力変換装置としてのインバータ
7,7A,7B,7C 負荷変圧器
8 電力系統
9 負荷遮断器
11 適合変圧器
12 ダイオード整流装置
13 始動用インバータ
14 始動用遮断器
21 接続スイッチ
22 開放スイッチ
23 短絡スイッチ
24 タップ付適合変圧器
31 連絡スイッチ
Claims (5)
- 交流電力を直流電力に変換する第1電力変換装置と,複数の電力変換器で構成して直流電力を所望の電圧と周波数の交流電力に変換しまたはその逆の変換をする第2電力変換装置と,これら第1電力変換装置の直流側と第2電力変換装置の直流側とを結合する直流中間回路に接続した直流コンデンサと,で構成して交流発電機に接続している周波数変換装置と、
前記各電力変換器に別個に接続する変圧器であって、その出力電圧同士が加算となる接続で電力系統に接続されている複数の変圧器と、
前記各変圧器のうちの一部の前記変圧器を、その変圧器が属する電力変換器から切り離すと共に前記電力系統から除外する変圧器除外装置と、
この除外された一部の変圧器に対応している電力変換器を、前記交流発電機に接続する接続スイッチと、
前記交流発電機を前記周波数変換装置から切り離す電源スイッチと、
必要に応じて、残余の前記変圧器の出力電圧同士の加算値と前記電力系統の電圧とを適合させる電圧適合装置と、
を備えることを特徴とする周波数変換装置。 - 請求項1に記載の周波数変換装置において、
前記変圧器除外装置は、前記一部の変圧器とそれに属する電力変換器との間を切り離す開放スイッチと、前記一部の変圧器の巻線を短絡する短絡スイッチと、で構成することを特徴とする周波数変換装置。 - 請求項1または請求項2に記載の周波数変換装置において、
前記電圧適合装置は、前記各変圧器と電力系統の間に挿入されたタップを設けた適合変圧器と、そのタップを切り換える第1タップ切替器で構成することを特徴とする周波数変換装置。 - 請求項1または請求項2に記載の周波数変換装置において、
前記電圧適合装置は、前記残余の変圧器にタップを設け、このタップを切り換える第2タップ切替器で構成することを特徴とする周波数変換装置。 - 請求項1に記載の周波数変換装置において、
前記変圧器除外装置は、前記一部の変圧器とそれに属する電力変換器との間を切り離す開放スイッチと、前記一部の変圧器の巻線と前記の残余変圧器の巻線を結合する結合スイッチで構成することを特徴とする周波数変換装置。
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