JP4932604B2

JP4932604B2 - 電圧補償装置

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Publication number: JP4932604B2
Application number: JP2007144391A
Authority: JP
Inventors: 善博畠山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2027-05-31
Also published as: JP2008299554A

Description

この発明は、電源である電力系統により負荷に供給する電圧が低下したとき、電圧低下分を補償する電圧を生成し、電力系統に加算して出力して負荷側の電圧を所定電圧に維持する電圧補償装置に関するものであり、特に電源電圧印加時に負荷への過大な突入電流を抑制した電圧補償装置に係る。

雷などにより電力系統の電圧が瞬時的に低下し、工場などの生産ライン機器の誤動作や一時運停等により、生産ラインに被害を被ることがある。このような電力系統の瞬時的電圧低下などの電圧変動を監視して、電圧低下を補償するための電圧補償装置として、交流電源に補償回路を直列接続し、この電源電圧を監視する電圧検出部および電源電圧に基づく給電制御を行う制御部と、前記補償回路をバイパスするための機械式の短絡スイッチを補償回路に備え、前記制御部が電源電圧が定常時には短絡スイッチを閉じて補償回路をバイパスし、前記電源電圧が低下時には短絡スイッチを開放することにより、補償回路からの補償電圧出力により電源電圧の低下を補償する技術が示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２８７１９３号公報

上記のような電圧補償装置は、短絡スイッチを閉路としたときに、負荷が例えば大容量のコンデンサを有する整流器負荷であった時には、短絡スイッチを構成する接点にコンデンサを充電するための大電流（例えば１０００Ａ）の突入電流が通電されることにより、接点の溶着などが発生するという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、負荷側に大容量のコンデンサを有する整流器負荷や、トランスなどを備え、電源電圧印加時に過大な突入電流が流れる負荷が接続されている場合にでも、短絡スイッチの接点に溶着などの支障が発生することのない過大な突入電流を抑制した電圧補償装置を提供する。

この発明は、電力系統と負荷との間に設置され、電力系統側Ａ極端子と負荷側Ａ極端子との間に接続される第１の開閉器と、第１の開閉器に並列にインバータと、このインバータに接続されたコンデンサとを備え、電力系統の電圧が所定電圧の場合には、第１の開閉器を介し、電力系統からの入力を直接前記負荷に供給し、電力系統の電圧が低下した場合には、コンデンサの蓄積エネルギに基づいて、インバータで低下電圧分を補償する電圧を生成させて電力系統電圧に加算して、負荷に供給する電圧を所定電圧に維持する電圧補償装置において、
電力系統側のＡ極端子につながる経路とＢ極端子につながる経路間には、入力電圧検出回路と、入力電力に基づいて制御電源を生成する制御電源回路と、制御電源回路からの制御電源が供給される制御回路と、制御回路により制御されインバータの入力端と負荷側Ｂ極端子間に接続される第２の開閉器と、前記電力系統Ａ極端子と前記インバータの入力端間に接続される第３の開閉器とが設けられており、電力系統からの電力が供給開始されたときに、第１の開閉器を開、及び第３の開閉器の開、第２の開閉器を閉とし、インバータから漸増させた交流電圧を前記負荷に出力するものである。

この発明に係る電圧補償装置は、電力系統と負荷との間に設置され、電力系統側Ａ極端子と負荷側Ａ極端子との間に接続される第１の開閉器と、第１の開閉器に並列にインバータと、インバータに接続されたコンデンサとを備え、電力系統の電圧が所定電圧の場合には、第１の開閉器を介し、電力系統からの入力を直接前記負荷に供給し、電力系統の電圧が低下した場合には、コンデンサの蓄積エネルギに基づいて、インバータで低下電圧分を補償する電圧を生成させて電力系統電圧に加算して、負荷に供給する電圧を所定電圧に維持するものにおいて、
電力系統側のＡ極端子につながる経路とＢ極端子につながる経路間には、入力電圧検出回路と、入力電力に基づいて制御電源を生成する制御電源回路と、制御電源回路からの制御電源が供給される制御回路と、この制御回路により制御されインバータの入力端と負荷側Ｂ極端子間に接続される第２の開閉器と、前記電力系統Ａ極端子と前記インバータの入力端間に接続される第３の開閉器とが設けられており、電力系統からの電力が供給開始されたときに、第１の開閉器を開、及び第３の開閉器を開、第２の開閉器を閉とし、インバータから漸増させた交流電圧を負荷に出力するので、電力系統から負荷に直接電力を供給する回路上の第１の開閉器への電流の突入を抑制しているので、開閉器接点の溶着を防止することが可能となるという効果がある。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における電圧補償装置を示すブロック図、図２は、電源投入時の動作を示すタイムチャートである。

図１において、電圧補償装置１００は、電力系統１と負荷２との間に設けられる。負荷２は、整流器２ａを介して電源投入時に大電流が流れる大容量の整流器コンデンサ２ｂを有し、整流器コンデンサ２ｂには整流器負荷２ｃが接続されている。
電力系統１は、電源スイッチ１ａを介して電圧補償装置１００の電源側（電力系統側）Ａ極端子３と電源側（電力系統側）Ｂ極端子４に接続され、負荷２は負荷側Ａ極端子５と負荷側Ｂ極端子６に接続される。
電源側Ａ極端子３と負荷側Ａ極端子５との間には、第１の開閉器７が接続され、第１の開閉器７に並列に第３の開閉器１６とインバータ９と電流検出部１０が直列に接続されている。インバータ９にはコンデンサ１１が接続されている。電流検出部１０はインバータ９に流れる電流を検出する。

電源側Ａ極端子３につながる経路と電源側Ｂ極端子４につながる経路間には、電力系統１から入力された電圧を検出する入力電圧検出回路１２と、電力系統１から入力された電力に基づいて制御電源を生成する制御電源回路１３と、電力系統１から入力された電力に基づいてコンデンサ１１を充電する充電回路１４が接続されている。制御電源回路１３は、インバータ９の出力端にも接続されており、電力系統１が電圧低下をおこしたときにも電力供給を受けることができる。
負荷側Ａ極端子５と負荷側Ｂ極端子６につながる経路間には出力電圧を検出する出力電圧検出回路１５が接続されている。第２の開閉器８は、第３の開閉器１６とインバータ９の接続点つまりインバータの入力側と電源側Ｂ極端子４と負荷側Ｂ極端子６を接続する回路との間に接続されている。

制御回路１７は、制御電源回路１３から制御電源を得て、第１の開閉器７、第２の開閉器８、第３の開閉器１６を開閉制御すると共に、充電回路１４に働きかけコンデンサ１１を充電させる。また、コンデンサ１１の両端に接続されたコンデンサ電圧検出回路１８によりコンデンサ１１の電圧を検出する。
なお、第１の開閉器７、第３の開閉器１６は無励磁時開の接点を有している。

次に、この発明の実施の形態１における電圧補償装置１００の動作を、（１）制御回路起動動作、（２）ソフトスタート出力動作、（３）スルー出力動作、（４）電圧低下補償待機動作の順に説明する。なお、図２（ａ）〜（ｄ）のタイムチャートによって前記の（１）制御回路起動動作、（２）ソフトスタート出力動作をＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ６として説明する。

（１）制御回路起動動作
ＳＴＥＰ１
電源スイッチ１ａをオンにすると、制御電源回路１３が動作し、制御回路１７に制御電源を供給する。
ＳＴＥＰ２
制御回路１７は起動すると充電回路１４を制御し、インバータ９のコンデンサ１１を充電する。この時第２の開閉器８は開でも閉でもよい。第１の開閉器７および第３の開閉器１６は開としておく。
制御回路１７は、コンデンサ電圧検出回路１８の検出するコンデンサ１１の電圧が所定値（例えば６００Ｖ）になると、第２の開閉器８が開のときは閉じ、インバータ９を動作させ正弦波電圧を生成し、負荷２へ漸増させた交流電圧を出力するソフトスタート出力に移行する。

ここで以下の動作説明では、整流器負荷２ｃは電源投入時に通常動作前の高インピーダンス状態にあるものとする。つまり、負荷２の整流器コンデンサ２ｂに充電されたエネルギをほとんど消費しない状態にある。

（２）ソフトスタート出力動作
ＳＴＥＰ３
インバータ９は周知の方法によりコンデンサ１１の直流電圧を交流電圧に変換し出力電圧を０Ｖから徐々に大きくしていく。
ＳＴＥＰ４
これにより整流器２ａで直流に整流されコンデンサ２ｂの充電を開始する。
ＳＴＥＰ５
負荷２への充電電流は、コンデンサ１１の蓄積エネルギーにより生成されているので、コンデンサ１１の電圧は徐々に低下する。
ＳＴＥＰ６
ソフトスタート出力により、負荷２の整流器コンデンサ２ｂは緩やかに充電され、充電の為の大きな突入電流が流れることはない。

また、この時、電流検出部１０により、負荷２へ流れる電流を監視し、過度の電流が流れないように電圧上昇率を調整することで、より小さな充電電流で充電することも可能である。
コンデンサ１１の電圧が所定値（例えば３００Ｖ）以下に低下したときは、インバータ９の出力を停止し、充電回路１４により、コンデンサ１１を再度所定値（例えば６００Ｖ）まで充電し、ソフトスタート出力を再開する。
出力電圧検出回路１５の検出電圧が、所定電圧（例えばＡＣ２００Ｖ）になると、ソフトスタート出力を完了し、以下のインバータ９が０Ｖを出力するスルー出力動作に移行する。

（３）スルー出力動作
ソフトスタート出力完了後は、第２の開閉器８を開き、第３の開閉器１６を閉じ、インバータ９を０Ｖ出力（以下、スルー出力）する。つまり、電圧補償装置１００は、電力系統１の電圧に０Ｖを加算して出力する状態となる。
負荷２の整流器コンデンサ２ｂの充電が不十分であるときは、スルー出力により、補充電電流が流れる。この電流を電流検出部１０の出力で監視し、インバータ９の電流耐量に対応した値（例えば１００Ａ）を超えたときは、インバータ９をオフし、電流検出部１０の出力が所定値（例えば２５Ａ）を下回ったときは、インバータ９を再度スルー出力し補充電を再開する。

インバータ９のオフ、スルー出力の間欠動作により、負荷２の整流器コンデンサ２ｂは補充電され、やがて充電電流は低下する。
電流検出部１０の出力が第１の開閉器７の電流耐量に対応した値（例えば２０Ａ）を下回るとスルー出力を完了し、以下の電圧低下補償待機動作に移行する。

（４）電圧低下補償待機動作
スルー出力完了後は、第１の開閉器７を閉じ、充電回路１４を動作させ、コンデンサ１１の電圧が所定値（例えば６００Ｖ）になるまでコンデンサ１１を充電した後、入力電圧検出回路１２により、電力系統１からの入力電圧の電圧低下検出を開始する。
以後はコンデンサ１１の電圧を所定の範囲（例えば５００Ｖ〜６００Ｖ）になるように、充電回路１４を制御する。

電力系統１からの入力電圧が低下したときは、入力電圧検出回路１２により電圧低下を検出し、制御回路１７は第１の開閉器７を開制御し、充電回路１４による充電を停止し、入力電圧の低下分の電圧をインバータ９により生成し、負荷２へ出力する。制御電源回路１３は負荷側Ａ極端子５からも電力を得ることができるので、制御回路１７への制御電源供給を維持できる。
電力系統１からの入力電圧が復帰したとき、制御回路１７は入力電圧検出回路１２により正常復帰を検出し、インバータ９を０Ｖ出力し、第１の開閉器７を閉制御し、電圧低下補償待機動作に移行する。このとき第２の開閉器８は開、第３の開閉器１６は閉である。

以上のように、この発明の実施の形態１における電圧補償装置１００によれば、大容量の整流器コンデンサ２ｂを有する負荷２が接続されているときでも、ソフトスタート出力により負荷２内の整流器コンデンサ２ｂを緩やかに充電するので、過大な突入電流による、第１の開閉器７の接点が溶着するなどの支障が生じることがない。
また、出力にトランスが接続されたときには、電圧印加時の励磁突入電流が流れるが、ソフトスタート出力により、励磁突入電流を抑制することも可能である。

なお、第２の開閉器８の接点は無励磁時閉（ｂ接点）、第３の開閉器１６の接点は無励磁時開（ａ接点）とすることで、第２の開閉器８と記第３の開閉器１６は、ｃ接点をもつ１つの開閉器で構成することでき、部品点数の低減が可能である。
また、第２の開閉器８は、待機時の負荷２の整流器コンデンサ２ｂの充電電流のみを流せばよいので、通電容量の小さい開閉器とすることができる。電流検出部１０により、負荷への充電電流を監視し、電流が小さくなるようにインバータ９のソフトスタート出力を制御することで、さらに小さい容量の開閉器とすることができ、コスト、スペース的に有利である。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２における電圧補償装置１００ａを示すブロック図であり、この電圧補償装置１００ａは電力系統１と並列に設置された第１の負荷２と第２の負荷２１との間に設けられている。

図３において、電圧補償装置１００ａの制御回路１７には起動モードを設定する起動モードスイッチ２０が接続されている。負荷投入スイッチ２２は前記第２の負荷２を投入する。そして、前述した実施の形態１で示した図１の負荷２をこの実施の形態２では第１の負荷とし、この第１の負荷２は第１の整流器２ａ、第１の整流器コンデンサ２ｂ、第１の整流器負荷２ｃを有している。なお、図３の第２の負荷２１には第２の整流器２１ａ、第２の大容量の整流器コンデンサ２１ｂ、第２の整流器負荷２１ｃを有している。その他の部分は実施の形態１と同じである。

次に、この発明の実施の形態２における電圧補償装置１００ａの動作について説明する。
この実施形態２においては、複数の整流器負荷の投入が同時でないときを想定しており、第２の負荷２１が第１の負荷２の投入より時間をおいて負荷投入スイッチ２２により投入される。ここでは、１つの負荷を後で投入するときを示しているが、複数の負荷と複数の負荷投入スイッチがあり、複数の時間遅れをもって投入されてもよい。

一連の負荷投入が完了するまでは、起動モードスイッチ２０は起動モード設定にしておく。制御回路１７は起動モードスイッチ２０が起動モード設定のときは、前記スルー出力動作において、電流検出部１０の出力が第１の開閉器７の電流耐量に対応した値（例えば２０Ａ）を下回ったときでも、前記電圧低下補償待機動作に移行せず、起動モードスイッチ２０が起動モード設定でなくなるまで前記スルー出力動作を継続する。

次に、オペレータ等が負荷投入スイッチ２２を投入すると、第２の負荷２１の第２の整流器コンデンサ２１ｂを充電する為の充電電流が流れ、電流検出部１０の出力がインバータ９の電流耐量に対応した値（例えば１００Ａ）を超えたときは、インバータ９をオフし、第３の開閉器１６を開き、第２の開閉器８を閉じ、前記ソフトスタート出力動作を開始する。

ソフトスタート出力動作が完了すると前記スルー出力動作に移行し、前記スルー出力動作が完了しても、起動モードスイッチ２０が起動モード設定でなくなるまで、前記電圧低下補償待機動作に移行しない。
負荷の投入が完了すると、オペレータ等が起動モードスイッチ２０を起動モード設定でない設定にすることにより、電圧補償装置１００ａは前記電圧低下補償待機動作に移行する。

以上のように、この発明の実施の形態２における電圧補償装置１００ａによれば、複数の大容量の整流器コンデンサを有する負荷が接続され、投入される時間が複数あるときでも、起動モードスイッチ２０により、起動モードであることを設定することで、スルー出力動作を継続させることができ、第１の開閉器７に過大な電流を流すことがなく、第１の開閉器７の接点が溶着するなどの支障が生じることがないという効果がある。なお起動モードスイッチ２０によるスルー出力動作は複数の整流器負荷の場合で述べたが１台の負荷であってもよい。

この発明は、電力系統から供給される電圧が雷などにより瞬時の電圧低下した場合、支障が発生する電気機器を保護する電圧補償装置に利用可能である。

実施の形態１における電圧補償装置を示すブロック図である。電源投入時の電圧補償装置の動作を示すタイムチャートである。実施の形態２における電圧補償装置を示すブロック図である。

符号の説明

１電力系統、２負荷、３電源側Ａ極端子、４電源側Ｂ極端子、
５負荷側Ａ極端子、７第１の開閉器、８第２の開閉器、９インバータ、
１０電流検出部、１１コンデンサ、１２入力電圧検出回路、１３制御電源回路、
１４充電回路、１５出力電圧検出回路、１６第３の開閉器、１７制御回路、
１８コンデンサ電圧検出回路、２０起動モードスイッチ、
１００，１００ａ電圧補償装置。

Claims

電力系統と負荷との間に設置され、前記電力系統側Ａ極端子と負荷側Ａ極端子との間に接続される第１の開閉器と、この第１の開閉器に並列にインバータと、このインバータに接続されたコンデンサとを備え、前記電力系統の電圧が所定電圧の場合には、前記第１の開閉器を介し前記電力系統からの入力を直接前記負荷に供給し、前記電力系統の電圧が低下した場合には、前記コンデンサの蓄積エネルギに基づいて、前記インバータで低下電圧分を補償する電圧を生成させて前記電力系統電圧に加算して、前記負荷に供給する電圧を所定電圧に維持する電圧補償装置において、
この電圧補償装置の電力系統側のＡ極端子につながる経路とＢ極端子につながる経路間には、電力系統から入力する電圧を検出する入力電圧検出回路と、この入力電力に基づいて制御電源を生成する制御電源回路と、この制御電源回路からの制御電源が供給される制御回路と、この制御回路により制御され前記インバータの入力端と負荷側Ｂ極端子間に接続される第２の開閉器と、前記電力系統Ａ極端子と、前記インバータの入力端間に接続される第３の開閉器とが設けられており、前記電力系統からの電力が供給開始されたときに、前記第１の開閉器を開、及び第３の開閉器を開、前記第２の開閉器を閉とし、前記インバータから漸増させた交流電圧を前記負荷に出力することを特徴とする電圧補償装置。
前記電力系統側のＡ極端子につながる経路とＢ極端子につながる経路間には加えて、前記電力系統から入力する電力に基づいて前記コンデンサを充電する充電回路と、前記コンデンサの両端に接続されコンデンサの電圧を検出するコンデンサ電圧検出回路と、前記負荷への出力電圧を検出する出力電圧検出回路とを備え、前記制御回路は、前記電力系統から電力を供給されているとき、前記コンデンサ電圧検出回路が検出するコンデンサ電圧が所定値より低い場合には、前記充電回路を動作させて前記コンデンサの電圧が所定値になるよう充電した後に、前記インバータから前記負荷に漸増させた交流電圧を出力することを特徴とする請求項１に記載の電圧補償装置。
前記制御回路は、前記出力電圧検出回路の検出電圧が、所定値となるまで、前記インバータから前記負荷へ交流電圧の漸増出力を継続し、前記出力電圧検出回路の検出電圧が前記所定値以上になったときには、前記インバータの出力を停止し前記第１の開閉器を閉路するよう制御することを特徴とする請求項２に記載の電圧補償装置。
前記制御電源回路は、前記電力系統の電圧が低下したときに、前記インバータの出力の電力に基づいて電源を生成するよう制御することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電圧補償装置。
加えて前記インバータの出力端と前記負荷側Ａ極端子との間に設けられ前記インバータの通電電流を検出する電流検出部を備え、
前記制御回路は、前記インバータから前記負荷へ交流電圧の漸増出力完了後に、前記第３の開閉器を閉じ、前記インバータに０Ｖ出力させ、前記インバータを０Ｖ出力している間に、前記電流検出部の出力が第１の所定電流値を超えたときは前記インバータをオフさせるとともに、前記電流検出部の出力が第１の所定電流値より小さい値の第２の所定電流値を下回ったときは、再度前記インバータに０Ｖ出力させ、前記電流検出部の出力が第２の所定電流値より小さい値の第３の所定電流値を下回るまで前記インバータの０Ｖ出力を継続し、前記電流検出部の出力が前記第３の所定電流値を下回った後に、前記第１の開閉器を閉じることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電圧補償装置。
前記第２の開閉器と前記第３の開閉器とを一体的に構成して、前記第２の開閉器を無励磁時閉、前記第３の開閉器を無励磁時開に形成させたことを特徴とする請求項５に記載の電圧補償装置。
前記第２の開閉器の通電容量は、前記第３の開閉器の通電容量より小さいことを特徴とする請求項５に記載の電圧補償装置。
前記制御回路は起動モードを設定する起動モードスイッチを有し、この起動モードスイッチが起動モード設定のときは、前記インバータの０Ｖ出力動作において、前記電流検出部の出力が第３の所定電流値以下のときに、前記コンデンサの蓄積エネルギーに基づいて前記インバータで電圧低下分を補償する電圧を生成させ、前記電力系統の電圧に加算して前記負荷に供給される電圧を所定電圧に維持する動作に移行することなく、前記インバータの０Ｖ出力動作を継続し、
前記電流検出部の出力が前記第１の所定電流値を超えたときは、前記インバータをオフし、前記第３の開閉器を開き、前記第２の開閉器を閉じ、前記インバータから前記負荷へ漸増させた交流電圧の出力動作を開始し、前記起動モードスイッチが起動モード設定でないときは、前記インバータの０Ｖ出力動作において、前記電流検出部の出力が前記第３の所定電流値を下回ったときには、電圧低下補償待機動作に移行することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の電圧補償装置。