JP6338382B2 - コンデンサバンク - Google Patents

Description

本発明は、静電エネルギーを蓄積するコンデンサを多数、並列、直列、またはそれを組み合わせて接続したエネルギー貯蔵用コンデンサバンクに関する。

コンデンサバンクは、一般に静電エネルギーを蓄積するために使用される。図２は、従来のコンデンサバンクの回路図を示すものである。
図２は、要素コンデンサを直列、並列に接続して大きなエネルギーを蓄積する一つのコンデンサにしたもので、コンデンサバンクと呼ばれるものである。従来のコンデンサバンクは、要素コンデンサ１と結線２から構成される。
結線２は、要素コンデンサ１の端子を接続するもので、電流容量に応じた電線又は放電電流の電磁力に耐える平角の銅やアルミの母線である。また、この図にはその他に、出力端子３が示されている。
コンデンサバンクは外からは一つのコンデンサに見え、そのように扱うことが一般的である。

要素コンデンサ１は内部抵抗が小さく、電極間の漏れ電流が小さくなるようにした電解コンデンサや、さらに短時間に大電流を発生するためにフィルムコンデンサが使われるが、内部抵抗が小さいために、短絡・地絡事故時に大電流が流れて短時間にエネルギーを放出するので、結線２はジュール熱で温度上昇し、同時に想定外の電磁力が発生して破損し、切断されて気中アークとなって圧力が上昇して爆発的にエネルギーが放出する、所謂、コンデンサ短絡事故となって、大音響を発生して大事故となる。このようなコンデンサバンクは次のようにして使用する。
充電されたコンデンサバンクは出力端子３から電流を取り出すことで放電させて、電気エネルギーの充電／放電を行う。これを繰り返すことにより、電気エネルギーの貯蔵装置として、瞬間大電力を必要とする分野ではこれまでよく使われてきた。
高エネルギー粒子加速器分野では、パルス磁界を発生するための磁気エネルギー源としてコンデンサバンクが使われる。磁界のエネルギーをコンデンサバンクに充電／放電することで外部からの電源はそのロス分のみの補給で済むため、高繰り返し運転が可能になる。

例えば、下記特許文献１には、運転停止する際に半導体スイッチをオフすることで、コイルに蓄積された磁気エネルギーをコンデンサに回生し、次回それを使用することで、高い繰り返しの磁界制御電源が実現できるパルス電源装置が開示されている。
この発明は、磁気エネルギーを捨てずにコンデンサに回生して次回の運転エネルギーにするため、その磁気エネルギー分は充電する必要がない。そのため、高速繰り返しが可能で、コンデンサを充電するための高圧電源が不要などの利点が示されている。

特許第４３８２６６５号公報

以上のような従来のコンデンサバンクには、次のような解決すべき課題があった。
１．事故短絡の電流が大きくその電磁力も大きいので、結線２は電磁力に耐える構造にする必要がある。
２．または保護用にフューズを直列に入れて事故大電流を溶断して減流、遮断する場合は、フューズの信頼性、経年変化、保証される寿命の問題がある。
３．高繰り返しパルス利用の磁界発生装置用コンデンサバンクを磁気エネルギーの充電／放電時の電力の緩衝装置（以下「バッファ」という。）として使う場合は、事故電流を制限する直列のインダクタを接続することが考えられるが、電流の立ち上がり速度は下がる。
しかし、ピーク電流値はコンデンサバンクのキャパシタンスとインダクタンスで決まるサージ・インピーダンスで予想できるが、運転時の電流の数十倍にもなるので、給電線がその発熱と電磁力に耐えられない。
本発明は、上述のような問題に鑑み為されたものであり、コンデンサバンクの短絡事故時における短絡電流（事故電流）による大事故を防止することが可能なコンデンサバンクを提供することを目的とする。

本発明は、上述のような課題を解決するために、本発明に係るコンデンサバンクは次のような特徴を備える。すなわち、静電エネルギーを蓄積するコンデンサ（以下「要素コンデンサ」という。）を多数、並列、直列、またはそれを組み合わせて接続したエネルギー貯蔵用コンデンサバンクにおいて、前記各要素コンデンサにそれぞれ直列に抵抗器を接続することにより、前記コンデンサバンクの短絡時の短絡電流を制限することを特徴とする。

また、前記抵抗器の抵抗値（Ｒｃとする。）を、Ｒｃ＝Ｖｒ／（Ｎ×Ｉｒ）（Ｎは正数。ただし、前記要素コンデンサの運転時の最大電圧をＶｒ、運転時の最大電流をＩｒとする。）とすることにより、前記コンデンサバンクの短絡時の短絡電流を前記運転時の最大電流ＩｒのＮ倍以下に制限することを特徴とする。

本発明に係るコンデンサバンクによれば、コンデンサバンクの短絡事故時における短絡電流を運転時の最大電流ＩｒのＮ倍以下に抑えることができるので、大事故を未然に防ぐことができる。

本発明のコンデンサバンクの回路図の例を示す図である。 従来のコンデンサバンクの回路図の例を示す図である。 電圧源コンデンサをもつ電圧形インバータに本発明のコンデンサバンクを接続する場合の例を示す図である。 特許文献１に記載された磁気エネルギーを回生するパルス電源装置に、本発明のコンデンサバンクを並列に接続した例を示すものである。 コンデンサバンクの短絡時の電流のシミュレーション計算結果を示す図である。 本発明のコンデンサバンクを可逆ＤＣ−ＤＣブーストコンバータなどの可逆の電圧変換器を介して電圧形インバータに接続する場合を示す例である。 電圧源コンデンサをもつ電圧形インバータに本発明のコンデンサバンクを接続する場合の他の例を示す図である。

以下、本発明を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明のコンデンサバンクの回路図の例を示す図である。
図１の回路は、多数の要素コンデンサ１と直列接続される抵抗器５、結線２とから構成される。また、図１は要素コンデンサ１が２個直列に接続されて構成される例が示されているが、コンデンサの短絡事故時に減流作用があるので良く使われる構成である。

要素コンデンサ１は、ここでは２直列接続で多数並列に接続されていて、図２に示す従来のコンデンサバンクの個々の要素コンデンサ１に抵抗器（以下「減流抵抗」という。）５を直列接続したものになっている。
減流抵抗５は、事故時に大電流が流れると逆起電力を発生して電流を減少させる純抵抗である。抵抗体の板を薄く、または、抵抗体の線を細くして作られるが、通常の運転時に発熱して高温になると空気中や放射により冷却されるものである。それを要素コンデンサの端子に強固に接続にする。

結線２は、電線または金属平角線で構成され、要素コンデンサ１と結合するが、短絡事故時などの最大電流の電磁力、消費エネルギーによる発熱に耐えなければならない。
減流抵抗５の抵抗値Ｒｃを、要素コンデンサ１の運転時の最大電圧をＶｒ、運転時の最大電流をＩｒとした場合、Ｒｃ＝Ｖｒ／（Ｎ×Ｉｒ）（Ｎは正数）に設定すれば、要素コンデンサ１の短絡時の短絡電流を運転時の最大電流ＩｒのＮ倍以下に制限することができる。

次に、本発明に係るコンデンサバンクの応用について説明する。
すなわち、電圧形インバータの電圧源コンデンサのエネルギーを補充し電圧の変動を低く抑えるバッファとして本発明のコンデンサバンクを使う場合の例である。
図３は、ＡＣ電源７に接続されたコンバータ９に電圧源コンデンサ４を接続し、それを電圧形インバータ８にて交流に変換して負荷１０（ＬとＲの成分を含む。）に供給する回路に、コンデンサバンク６を電圧源コンデンサ４に並列に接続したものを示している。
図３の電圧形インバータ８では電圧源コンデンサ４を電圧源にして負荷１０のコイルＬに正または負の電圧を発生させて負荷１０のコイルＬの電流を増加、または減少させる。
電圧形インバータ８ではＰＷＭ（パルス幅変調）のオン・オフのｄｕｔｙで制御するが、負荷１０に電力を発生する力行運転では電圧源コンデンサ４の電圧は減少し、逆に負荷１０から電力を引き抜く回生運転では電圧源コンデンサ４の電圧は増加する。この増減を抑えるバッファとしてコンデンサバンク６を並列に接続する。

コンデンサバンク６は十分なエネルギーを貯蔵して負荷１０の運転エネルギーの変化を吸収して、電力系統（ＡＣ電源７）に接続されるコンバータ９側の電力変動を小さくするようにする。電力系統に回生しても電気料金の節約にはならない。電圧形コンバータ／インバータ内部にスイッチに近接して設置される電圧源コンデンサ４は負荷の高速変動用で、直流母線電圧変動を５％に維持するが、磁界コイルＬに必要なエネルギーが１［ＭＪ］を超えると、電圧源コンデンサ４はサイズが大きくなってスイッチの近くに置くことができない。インバータ８の外部に電力バッファ用としてコンデンサバンク６を配置するが、エネルギー量が１［ＭＪ］を超える容量になると、インバータ８内部での短絡事故発生が蓄積エネルギーで数［ＭＪ］のコンデンサバンクの大電流放電事故となるため、必ず保護装置が必要である。

本発明の短絡大電流を制限する減流抵抗付コンデンサを要素コンデンサとすれば、事故時も運転最大電流のＮ倍以下の電流であり、エネルギーは減流抵抗が吸収し継続時間も短いので保護のための装置は無くてもよいか、著しく軽減される。

図３の負荷１０は誘導性の磁界コイルではなく、一般的なＬ、Ｒを含む負荷の場合でも電圧形（ＰＷＭ）インバータの電圧源コンデンサ４と負荷電力平準化用コンデンサバンク６を短絡電流制限用抵抗で接続することがある。このとき、コンデンサバンクを短絡電流制限用抵抗付にすれば、保護装置なしに短絡電流が運転最大電流のＮ倍以下になるので、比較的長く細いケーブルやインダクタンスのある電線で接続することができる。

本説明では減流抵抗が純抵抗であることを想定しているが、抵抗には若干のインダクタンスＬがあっても、振動（角速度ω）しない程度、すなわちωＬが抵抗値より低ければ問題ない。さらに、積極的に、電圧形インバータ８の電圧源コンデンサ４の電圧変動対策として、本発明のコンデンサバンク６を接続して用いることで電圧変動が低減できれば、ＰＷＭ制御のための高速電流充放電用フィルムコンデンサと電圧維持のためのエネルギー蓄積用電解コンデンサにするなど使い分けることができる。
もちろん、電解コンデンサではなく、電気２重層コンデンサやリチウム電池のような２次電池でも同じ効果がある。粒子ビーム加速器電源やスポット溶接等、１秒間に数回のパルス負荷の繰り返し運転の場合には、エネルギー蓄積コンデンサがＡＣ電源７からの入力電力変動を平均化するので好ましく、合わせてコンバータ９の容量も小さくすることができる。

連続パルス運転では、これまでの減流抵抗では発熱や損失の問題が生じる恐れがある。その時、この減流抵抗に直列に電圧源コンデンサ４からの高周波電流の流入、すなわちＰＷＭ変調周波数の高周波電流の流入を阻止するローパス・フィルタ（Low Pass Filter）があれば、電圧変動を補償する低周波成分電流のみが通過するので損失が小さくなってさらに良い。この図３の例では、出力端子３に接続するケーブルにインダクタンスを持たせたローパス・フィルタ１２が設けられている。

図４は特許文献１の図５に記載された磁気エネルギーを回生するパルス電源装置に、本発明のコンデンサバンクを並列に追加したものである。この場合、外部ＡＣ電源（不図示）に接続している低電圧電源は抵抗Ｒの分の電圧のみ発生すればよい。これは特許文献１の発明の優れた考えである。図４では、負荷として磁界コイルＬと磁界コイル電流制御用のインバータ８とを直列接続した低電圧電源回路、さらに電圧源コンデンサ４と並列接続されるエネルギー源として減流抵抗器付コンデンサバンク６を接続している。

特許文献１の図５から明らかなように、インダクタンス（本発明における磁界コイルに相当）に流れる電流の向きは常に一定である。
すなわち、（本出願の）図４において、スイッチＳ１及びＳ２が同時にＯＮになった場合は、電圧源コンデンサ４の＋側からスイッチＳ２を通って磁界コイルの上方向から下方向に向かって電流が流れ、スイッチＳ１を通って電圧源コンデンサ４の−側に戻る。
一方、スイッチＳ１及びＳ２が同時にＯＦＦになった場合は、磁界コイルの上方向から下方向に向かって流れている電流は、左下のダイオードを通して電圧源コンデンサ４の＋側に入り、右上のダイオードを通って磁界コイルの上方向から下方向に向かって流れる。この時に電圧源コンデンサ４には磁気エネルギーが蓄積される。このようにして、負荷１０である磁界コイルには常に一定方向に電流が流れる。

図５は、コンデンサバンクの短絡時の電流のシミュレーション計算結果を示す図である。図５からわかるように、減流抵抗があれば外部短絡、内部短絡が起きても最大電流の１０倍以下の電流になる。

図６は、本発明のコンデンサバンク６を可逆ＤＣ−ＤＣブーストコンバータ１１などの可逆の電圧変換器を介して電圧形インバータ８に接続する場合を示す例である。
これは、可逆ＤＣ−ＤＣブーストコンバータ１１によって電圧源コンデンサ４の電圧変動をアクティブに制御して、電圧形インバータ８の制御能力を安定化させる請求項６の実施例である。
コンデンサバンク６はその蓄積エネルギーの半分を放出すると電圧が７割に低下する。コンデンサバンク６の電圧がそのまま電圧形インバータ８の最大出力電圧に関係するので、これを維持するためにコンデンサバンク６との間に、可逆双方向のＤＣ−ＤＣブーストコンバータ１１を入れることで、このコンデンサバンク６の放電による電圧源コンデンサ４の電圧低下の問題は解決するが、半導体スイッチの容量が増えるので、電圧源コンデンサ４のエネルギーを初めから大きく設定する場合との優劣を考慮するべきである。

図７は、電圧源コンデンサ４をもつ電圧形インバータ８に本発明のコンデンサバンク６を接続する場合の他の例を示す図である。図７が図３と違う点は、コンバータ９の接続点を変えた点である。高周波でオン・オフするＰＷＭ制御電圧形インバータ８の前後にローパス・フィルタ１２を接続してある。この回路では、ＬＲ負荷１０を間欠動作させる場合、ＡＣ電源７からの電力を平滑化することができる。例えば、加速器関連でも粒子加速用の高周波発振器の電源などでは１秒のオーダーの間隔でのパルス運転である。大容量のコンデンサバンクが入力電力のバッファの効果を発揮して、定常的に損失分のみ、電源系統から入力することができるので受電電力のピークを緩和することができる。

図３、４、６、７では、一般的なＬＲ負荷又は磁界コイルを負荷として説明したが、一般の直流入力の三相出力の電圧形インバータ、交流入力の単相、三相出力の電圧形インバータのすべてに展開できるものであって、高周波電流の充放電を行う電圧源コンデンサは高周波電流耐量の大きいものが必要なので、エネルギー容量の比較的小さいフィルムコンデンサなどを用い、一方、負荷のパルス運転への電力動揺のバッファとしてのコンデンサは、エネルギー容量の大きな低周波電流用のコンデンサバンクを用いるなど、役割を分けることができる。そのとき、大容量の電力動揺のバッファとして本発明のコンデンサバンクを用いれば、大きい短絡事故を回避することができる。

本発明のコンデンサバンクには出力端子３付近での短絡事故に対して短絡電流が定格の１０倍程度（Ｎ＝１０の場合）で抑えられるが、図５に示す計算結果のように、抵抗なしの場合、短絡電流が抵抗ありの場合の４倍以上大きくなり、電磁力は電流の２乗に比例するので電線に及ぼす電磁力は１６倍にもなって、電線等の衝撃的破壊は免れないが、本発明のコンデンサバンクは減流抵抗による減少効果があるので短絡事故時も電線等は健全である。
〈応用例の効果〉
１．シンクロトロン型の高エネルギー粒子加速器では、磁界発生装置が粒子加速のため、磁界を直線的に数秒で立ち上げ、立ち下げる動作が高繰り返しされるが、その磁気エネルギーＷの出し入れがその周期をＴとするとその電力は概略Ｐ＝Ｗ／Ｔである。
２．この電力を電力系統に求めると受電電力のピーク値が大きく、かつ磁界を立ち下げ動作時は電力がマイナス、すなわち系統に返すことになるが、この回生電力は、電圧変動をもたらし、その対策に苦慮している。エネルギーのバッファとして、短絡事故の保護装置を内蔵した本発明のコンデンサバンクを設置することにより、電力系統の弱い（変電所から遠い）場所にもガン治療用の高エネルギー粒子加速器を設置することができ、かつ受電契約電力を低減することができる。
３．コンデンサバンクが電力のバッファをすることにより加速器など繰り返し運転をする磁界発生装置は受電電力を増やすことなく、高繰り返し回数を多くすることが可能になり、生産性や運転効率があがる。

〈その他特有の効果１〉
本コンデンサバンクの電圧形インバータへの接続では減流抵抗によるダンパー効果が期待できるので長距離ケーブルによる接続が可能である。
〈その他特有の効果２〉
請求項５にかかる部分であるが、電圧形インバータ電源装置の電圧源コンデンサの電圧変動を低減するためのバッファとして本発明に係るコンデンサバンクを並列接続する。
一般の電圧形インバータ電源では、電圧源コンデンサのエネルギー量を多くして、出力電力の脈動、変動でも電圧源コンデンサの電圧変動を５％以下にしなければ安定したＰＷＭ制御は期待できない。その場合、本発明に係るコンデンサバンクをＰＷＭインバータ電源に設置すれば、ＰＷＭ制御にもとづくスイッチの高速ＯＮ／ＯＦＦ電流は電圧形ＰＷＭインバータ内部の電圧源コンデンサに大部分が流れて、電圧安定化のための本発明に係るコンデンサバンクにはＰＷＭの高速なオン・オフ電流は流れない。
なぜなら、その高周波電流はコンデンサのインピーダンスで分流するため、減流抵抗付の要素コンデンサには抵抗のインピーダンスが効いてインピーダンスで分流された結果、わずかしか流れなくなり、低周波の平均化した電流のみが流れる。コンデンサバンクが、負荷変動のバッファとしてのみ働かせることができるので、電流容量の少ない低周波電流用の電解コンデンサでも使用できる。接続にインダクタ等のローパス・フィルタを介して接続すれば、コンデンサの減流抵抗に高周波電流が流れなくなり、抵抗の発熱は減少する。

これまで本発明のコンデンサバンクとして大電流放電用フィルムコンデンサを想定して説明してきたが、出力端子で短絡すると大電流が流れる電気二重層コンデンサや各種の２次電池であるリチウムイオン電池、鉛蓄電池などの場合に適用しても有効である。この場合、エネルギー貯蔵装置付きインバータ電源装置となる。抵抗器を直列に接続することで電力ロスにはなるが、短絡事故電流回避の効果のため、設置場所を選ぶ必要がなく、防爆設備が不要などの利点もある。
〈その他特有の効果３〉
コンデンサバンクの要素コンデンサがフィルムコンデンサである場合、数秒に１回程度の充電／放電では発熱はほとんどしないため結露対策が必要で、また、コンデンサバンクを乾燥させるための換気や空調が不可欠であるが、コンデンサに個々に接続される直列抵抗が発熱してそれを空気冷却すれば、結露などを防止することができる。要素コンデンサの最大蓄積エネルギーを１０ｋＪ程度と想定すれば、それを１秒間隔で充電／放電すれば抵抗器は１ｋＷ程度の発熱になる。これは制限電流を定格の１０倍（Ｎ＝１０）とした設計の予想である。
〈その他特有の効果４〉
欠点として、本発明によると抵抗挿入による電力損失が当然あるが、それは例えば短絡電流を定格の１０倍とすると、正常運転時では抵抗器での電圧低下は１／１０であるからコンデンサバンクの電力は１０％程度低下すると予想される。これは安全性とのトレードオフであり、コンデンサバンクの余裕をどれだけ与えるかの設計に関わる問題である。

１ 要素コンデンサ
２ 結線
３ 出力端子
４ 電圧源コンデンサ
５ 抵抗器Ｒｃ
６ コンデンサバンク
７ ＡＣ電源（電力系統）
８ インバータ
９ コンバータ
１０ 負荷（Ｌ＋Ｒ）、磁界コイル負荷
１１ 可逆ＤＣ−ＤＣブーストコンバータ
１２ ローパス・フィルタ

Claims (2)

1. 電圧形インバータを用いた電圧形インバータ電源装置であって、
   前記電圧形インバータの電圧源コンデンサに、静電エネルギーを蓄積するコンデンサ（以下「要素コンデンサ」という。）に直列に抵抗器を接続したものを多数、並列、直列、又はそれを組み合わせて接続したエネルギー貯蔵用コンデンサバンク（以下「コンデンサバンク」という。）を並列に接続するとともに、
   前記コンデンサバンクの一方の出力端子に直列に接続したインダクタを介して、前記コンデンサバンクを前記電圧源コンデンサに接続することにより、前記インダクタと前記抵抗器を直列に接続したことによるローパス・フィルタとして機能させ、前記コンデンサバンクへの高周波電流の流入を阻止することを特徴とする電圧形インバータ電源装置。
2. 前記抵抗器の抵抗値（Ｒｃとする。）を、Ｒｃ＝Ｖｒ／（Ｎ×Ｉｒ）（Ｎは正数。ただし、前記要素コンデンサの運転時の最大電圧をＶｒ、運転時の最大電流をＩｒとする。）とすることにより、前記コンデンサバンクの前記出力端子間の短絡事故時の短絡電流を前記運転時の最大電流ＩｒのＮ倍以下に制限することを特徴とする請求項１に記載の電圧形インバータ電源装置。