JP6555594B2

JP6555594B2 - 非絶縁変圧器を用いたジェットファン駆動用電源回路システム

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Publication number: JP6555594B2
Application number: JP2016230385A
Authority: JP
Inventors: 隆夫川畑; 一郎中堀; 阿部　茂; 茂阿部; 村上　健一; 健一村上
Original assignee: Sohatsu Systems Laboratory Inc
Current assignee: Sohatsu Systems Laboratory Inc
Priority date: 2016-11-28
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2019-08-07
Anticipated expiration: 2036-11-28
Also published as: JP2018087423A

Description

この発明は、道路トンネルのジェットファン駆動用のインバータの直流電源に用いる変圧器として非絶縁変圧器を用いた電源を採用することでコスト低減と小形化を実現したジェットファン駆動用電源回路システムに関するものである。

道路トンネルにおいて、トンネル内の自動車の排出ガスの汚染物質を排気するには自然換気力や交通換気力による換気では不十分であり、トンネル内に設置されたジェットファンを用いた「縦流換気方式」による強制換気が行われている。
「縦流換気方式」とは、トンネル断面全体を換気ダクトとして利用する方式の換気方式であり、用いる換気装置としては、道路トンネル内の空気をトンネル外に押し出すジェットファン、道路トンネル内の空気を浄化する電気集塵機などがあり、適切にこれらを組み合わせてトンネルの入口から出口に向かう空気流を形成して排気する。

従来の「縦流換気方式」でのジェットファンモータは起動電流が定格電流の数倍の誘導モータである。トンネル用のジェットファンモータは通常２０ｋＷから５０ｋＷ程度、４極から８極、４００Ｖ系の誘導電動機で駆動されるものが多い。

ジェットファンは、短いトンネルであればトンネル入口か出口の１カ所に配設する構成例もあるが、長距離トンネルであれば、複数台のジェットファンを複数個所に配設することとなる。ここで、従来の縦流換気方式のジェットファンを用いた換気制御は、台数ごとにオンオフを切り替えて運転する台数制御で主流の時期があったが、近年は、インバータを用いた制御が注目されている。

インバータを用いてジェットファンを制御する場合、一般的には図２０に示すような回路構成が考えられる。
図２０に示す回路構成は、１２相ダイオード整流回路と呼ばれる。３相電源を変圧器により６相化し、ダイオードを用いてそれら入力を整流することで１２相電源となっている。図２０に示すような１２相ダイオード整流回路は、高効率、小形経済的で、電源の高調波電流が少ないという利点があり、優れた整流回路である。
図２０に示す１２相ダイオード整流回路１０の回路構成は、商用電源２０から絶縁変圧器３０を通って２系統に分かれ、交流リアクター４０を経て、整流器５０で整流されたのち、インバータ回路６０が並列接続されている。
なお、絶縁変圧器３０は、一次側が三相のデルタ接続、二次側が三相のデルタ・三相のスター接続となっており、出力が３０度の位相差を持つ２組の３相電源となっている。
図２０に示す１２相ダイオード整流回路には、それぞれ同電圧の３０度の位相差を持つ２組の３相電流を供給する必要がある。

なお、ジェットファンのインバータに対して外部の商用電源２０から供給される電圧は４００Ｖ系であり、ジェットファン駆動用の電源装置において、６６００Ｖから４００Ｖなどへの降圧用の変圧器は必要ではなく、４００Ｖ系のまま使用することができるという環境にある。

特許第５３００７７５号公報

しかし、上記従来の一般的なジェットファン駆動用のインバータ回路システムには以下のような問題がある。
第１はコストとサイズの問題である。
図２０に示す１２相ダイオード整流回路１０における絶縁変圧器３０において、その容量は通過電力の１００％となるので、６６００Ｖ→４００Ｖの降圧用の電圧変換を要する場合は価値があるが、上記したように、トンネルに対して外部の商用電源２０から供給される電圧は４００Ｖ系であり、同じ４００Ｖ系で駆動するジェットファン駆動用の電源変圧器において、高価な絶縁変圧器３０を使用することは不経済である。
ジェットファンの駆動用の電源として所望の電圧が、外部の商用電源２０の電圧と同じ例えば４００Ｖ系である場合、比較的安価で小形である非絶縁変圧器を用いて相互に３０度の位相差関係を持つ３相２系統の電源を得ることができれば、絶縁変圧器を用いた従来の一般的なジェットファン駆動用電源回路システムに代えて、非絶縁変圧器を用いたジェットファン駆動用電源回路システムを用いることができ、コスト低減、装置の小形化を図ることができる。

もし、非絶縁変圧器を用いた場合、絶縁変圧器を用いた場合に比べて、その自己容量が小さくなる。

次に、第２の問題は、絶縁変圧器の進み側と遅れ側の電圧の１％以下のわずかな差異でも電流分担に２０〜３０％ぐらいの大きなアンバランスが生じる問題である。
絶縁変圧器の２次側における、スター結線の誘起電圧は、デルタ結線の誘起電圧の１／√３であり、二次側のデルタ結線の誘起電圧とスター結線の誘起電圧の比は、１：１．７３２となるのが理想的である。

しかし、絶縁変圧器の巻き数は整数値しかあり得ないので、デルタ結線とスター結線のコイル電圧の比１．７３２を実現することは困難である。特に数十ｋＶＡ以上の絶縁変圧器ではターン数が３０から５０ターン程度以下になるので、デルタ結線とスター結線の電圧を同じにすることは極めて困難である。
如何に近しい比率となるように巻き線を調整しても、絶縁変圧器の巻き数は整数しかあり得ないので、１：１．７３２の比が得られず、進み側と遅れ側の電圧が微妙に異なってしまう（０．５〜１％程度の電圧偏差が生じる）。そのため、電流分担に２０％〜３０％の大きなアンバランスが生じてしまう。

また、第３の問題は、絶縁変圧器の出力において、上記のように電流分担に２０％〜３０％の大きなアンバランスが生じると、理想的な電流波形にならず、第５、第７高調波が残るという問題である。
上記の第２の問題で述べたように、絶縁変圧器の巻き数は整数しかあり得ないので、１：１．７３２の比が得られず、絶縁変圧器の出力電流において第５、第７高調波の残存の影響が大きく、電流波形の歪みが大きくなってしまう。

これら上記の問題点は、上記で前提としていた絶縁変圧器に代えて、非絶縁変圧器を用いて３０度の位相差を持つ２組の３相電源を生成することにより解消することができる。
非絶縁変圧器は、絶縁変圧器よりも安価で小形である。
また、非絶縁変圧器は、コイルの巻き数比を自在に調整できるため、３０度の位相差を持つ２組の３相電源を同電圧となるように調整可能である。
また、非絶縁変圧器を用いることにより３０度の位相差を持つ２組の３相電源を同電圧としたものが得られれば第５、第７高調波を抑制することができる。
しかし、非絶縁変圧器を用いた場合にも解決すべき課題が残る。
非絶縁変圧器は、非絶縁であるため、ダイオード３相ブリッジ整流回路で発生する電源周波数の３倍の周波数成分の同相電圧が、非絶縁変圧器を介して循環電流が流れてしまい、２組の３相電源を同電圧に維持できなくなる。

本発明は、上記問題点に鑑み、ジェットファンインバータの電源として、非絶縁変圧器を用いて相互に３０度の位相差関係を持つ２組の３相電源を得ることができるジェットファン駆動用電源回路システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のジェットファン駆動用電源回路システムは、三相商用電源を六相に変換する非絶縁多相化変圧器であって、前記三相商用電源の位相を略１５度進ませる進み回路要素と、前記三相商用電源の位相を略１５度遅らせる遅れ回路要素を備え、前記三相商用電源から略３０度の位相差となる進み位相三相電源と遅れ位相三相電源を生成する非絶縁多相化変圧器と、前記非絶縁多相化変圧器の出力を交流から直流に変換する２組のダイオード３相ブリッジ整流回路であって、前記非絶縁多相化変圧器の前記進み位相三相電源と前記遅れ位相三相電源に対して並列に接続したダイオード３相ブリッジ整流回路と、前記非絶縁多相化変圧器の前記進み位相三相電源出力と前記ダイオード３相ブリッジ整流回路の間に設けた、前記進み位相三相電源に対する三相交流リアクトルと同相リアクトルと、前記遅れ位相三相電源に対する三相交流リアクトルと同相リアクトルと、前記ダイオード３相ブリッジ整流回路に対して接続され、前記直流を可変周波数・可変電圧の三相交流に変換するインバータ回路を備えたジェットファン駆動用電源回路システムである。
ダイオード３相ブリッジ整流回路の交流側に設けた同相リアクトルにより同相電圧を抑制し、前記非絶縁多相化変圧器と前記ダイオード３相ブリッジ整流回路の間の循環電流を抑制することができる。

なお、上記構成において、進み位相三相電源に対する同相リアクトルに代えて、進み位相三相電源に対するダイオード３相ブリッジ整流回路の出力側とインバータ回路の間に設けた直流リアクトルとし、遅れ位相三相電源に対する同相リアクトルに代えて、遅れ位相三相電源に対するダイオード３相ブリッジ整流回路の出力側とインバータ回路の間に設けた直流リアクトルとすることができる。
このように、ダイオード３相ブリッジ整流回路の直流回路側に設けた直流リアクトルにより同相電圧を抑制し、非絶縁多相化変圧器とダイオード３相ブリッジ整流回路の出力間の循環電流を抑制することも可能である。

なお、上記構成において、進み回路要素としては、１次コイルに対して位相が進む方向に設けた２次コイルであり、１次コイルと２次コイルの比が位相を１５度進ませるものがある。同様に、遅れ回路要素としては、１次コイルに対して位相が遅れる方向に設けた２次コイルであり、１次コイルと２次コイルの比が位相を１５度遅らせるものがある。
このような１次コイルに対して位相を進める方向および位相を遅らせる方向に二次コイルを特定比率で設ける回路構成は、非絶縁変圧器を用いて簡便に構成することができ、装置の小型化を図ることができる。

次に、ジェットファンが停止モードで待機状態の際に生じる直流電圧上昇を抑制する工夫について述べる。
直流電圧上昇抑制手段としては複数のパターンがある。

第１のパターンは、直流電圧上昇抑制手段として、ダイオード３相ブリッジ整流回路の出力側の直流回路に設けた抵抗チョッパである。
ジェットファンが停止モードに移行すると、直流回路の直流電圧が所定上限電圧値を超えると抵抗チョッパがオンとなり、直流回路の直流電圧が所定下限電圧値を下がると抵抗チョッパがオフとなるように作動する。

第２のパターンは、直流電圧上昇抑制手段として、ダイオード３相ブリッジ整流回路の出力側の直流回路に並列に設けた抵抗負荷である。
ジェットファンが停止モードに移行すると、直流回路の直流電圧が上昇するがその直流電圧上昇を所定値で抑えるような抵抗負荷を設ける。

第３のパターンは、直流電圧上昇抑制手段として、非絶縁変圧器の出力側からインバータ回路の入力側の間に設けたスイッチとする構成である。
ジェットファンが停止モードに移行するとスイッチによってインバータに供給される電流を遮断することによってインバータ側に流れる直流電圧の上昇を抑制する。

第４のパターンは、直流電圧上昇抑制手段として、スイッチと、当該スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御をするインバータ周波数指令装置を備えた構成である。
インバータ周波数指令装置は、インバータに運転周波数を指令するとともに、スイッチのＯＮ／ＯＦＦの制御信号を送るものであり、インバータの周波数指令値が所定値以下になれば、インバータ周波数指令装置がスイッチをＯＦＦとする制御信号を出力し、スイッチをＯＦＦにする。

上記構成により、本発明のジェットファン駆動用電源回路システムは、非絶縁変圧器を用いることができ、絶縁変圧器を用いた場合に比べて安価で小形化をすることができる。
絶縁変圧器を用いた場合には問題となる、２組の３相電源の進み側と遅れ側の電圧の電流分担に生じる２０〜３０％ぐらいの大きなアンバランスがあるが、本発明のジェットファン駆動用電源回路システムでは、２組の３相電源の進み側と遅れ側の電圧を揃えやすく、電流分担にアンバランスが発生しない。
また、本発明のジェットファン駆動用電源回路システムに設ける同相リアクトルや直流リアクトルにより、非絶縁変圧器を経由して流れる循環電流を抑制することができる。
また、ジェットファンが停止モードで待機状態の際に生じる直流電圧の上昇を抑制する直流電圧上昇抑制手段を備えることにより、安全運転を行うことができる。

本発明のジェットファン駆動用電源回路システム１００における非絶縁多相化変圧器１２０を中心とした回路構成を示す図である。電圧の位相に注目したベクトル図である。相電圧に対し位相略１５度の進みと位相略１５度の遅れの電圧の関係を示した図である。非絶縁変圧器１２０の巻線のベクトル関係図を示す図である。略３０度の位相差の２組の３相電源のベクトル図を示す図である。本発明のジェットファン駆動用電源回路システムの構成例を示す図である。本発明のジェットファン駆動用電源回路システムの他の構成例を示す図である。３相ブリッジインバータにおける２レベルインバータを示す図である。３レベルインバータのＴＹＰＥ１を示す図である。３レベルインバータのＴＹＰＥ２を示す図である。第１のパターンにかかる直流電圧上昇抑制手段１７０ａを組み込んだジェットファン駆動用電源回路システム１００の装置構成を簡単に示す図である。第１のパターンにかかる直流電圧上昇抑制手段１７０ａを組み込んだ場合の印加電圧の制御効果を示す図である。第２のパターンにかかる直流電圧上昇抑制手段１７０ｂを組み込んだジェットファン駆動用電源回路システム１００の装置構成を簡単に示す図である。第２のパターンにかかる直流電圧上昇抑制手段１７０ｂを組み込んだ場合の印加電圧の制御効果を示す図である。第３のパターンにかかる直流電圧上昇抑制手段１７０ｃを交流側に組み込んだジェットファン駆動用電源回路システム１００の装置構成を簡単に示す図である。第３のパターンにかかる直流電圧上昇抑制手段１７０ｃを直流側に組み込んだジェットファン駆動用電源回路システム１００の装置構成を簡単に示す図である。第３のパターンにかかる直流電圧上昇抑制手段１７０ｃを組み込んだ場合の印加電圧の制御効果を示す図である。第４のパターンにかかる直流電圧上昇抑制手段１７０ｄを組み込んだジェットファン駆動用電源回路システム１００の装置構成を簡単に示す図である。第４のパターンにかかる直流電圧上昇抑制手段１７０ｄを組み込んだ場合の印加電圧の制御効果を示す図である。従来のインバータを用いてジェットファンを制御する場合の一般的な回路構成を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明のジェットファン駆動用電源回路システムの実施例を説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施例に示した具体的な用途、形状、個数などには限定されないことは言うまでもない。

本発明のジェットファン駆動用電源回路システムは、三相商用電源を六相に変換する非絶縁多相化変圧器を用い、当該非絶縁多相化変圧器において三相商用電源の位相を略１５度進ませる進み回路要素と、三相商用電源の位相を略１５度遅らせる遅れ回路要素を備え、進み回路要素と遅れ回路要素により、三相商用電源から略３０度の位相差となる進み位相三相電源と遅れ位相三相電源を生成するものである。さらに、非絶縁多相化変圧器の進み位相三相電源出力とダイオード３相ブリッジ整流回路の間に進み位相に対する同相リアクトルと、遅れ位相に対する同相リアクトルを設けることで同相電圧を抑制して両者を同電圧とし非絶縁多相化変圧器とダイオード３相ブリッジ整流回路の間の循環電流を抑制するものである。

まず、非絶縁多相化変圧器を中心とした回路構成を説明する。
図１は、本発明のジェットファン駆動用電源回路システム１００における非絶縁多相化変圧器１２０を中心とした回路構成を示す図である。
図１に示すように、入力電源として三相商用電源２００が用いられ、３つの入力線がそれぞれ、非絶縁多相化変圧器１２０のＵ相端子，Ｖ相端子，Ｗ相端子に接続されている。

ここで、非絶縁多相化変圧器１２０には、一次コイルとして、ＵＶ間のコイル１２１、ＶＷ間のコイル１２２、ＷＵ間のコイル１２３が設けられている。
非絶縁多相化変圧器１２０には、二次コイルとして、Ｕ相に対する進み回路要素１２４Ｕ１、Ｕ相に対する遅れ回路要素１２４Ｕ２、Ｖ相に対する進み回路要素１２４Ｖ１、Ｖ相に対する遅れ回路要素１２４Ｖ２、Ｗ相に対する進み回路要素１２４Ｗ１、Ｗ相に対する遅れ回路要素１２４Ｗ２が設けられている。

それぞれの進み回路要素１２４Ｕ１、進み回路要素１２４Ｖ１、進み回路要素１２４Ｗ１は、三相商用電源２００のそれぞれの相に対して位相を略１５度進ませる二次コイルとなっている。また、それぞれの遅れ回路要素１２４Ｕ２、遅れ回路要素１２４Ｖ２、遅れ回路要素１２４Ｗ２は、三相商用電源２００のそれぞれの相に対して位相を略１５度遅らせる二次コイルとなっている。

ここで、三相商用電源２００のそれぞれの相に対して位相を略１５度進ませる２次コイルの条件、位相を略１５度遅らせる２次コイルの条件について述べる。
一例として、Ｕ相のものを取り上げて説明する。Ｖ相、Ｗ相についても同様に考えれば良い。

図２は電圧の位相に注目したベクトル図である。巻線の誘起電圧は相電圧の１／√３となる。Ｕ相の相電圧１／√３に対し±１５度の関係になる電圧を作るための適切な大きさのＶＷの線間電圧をＵ相電圧に直角に加減すればよいことが判る。
この電圧は相電圧（１／√３）×ｔａｎ(15)＝０.２６７９／√３＝０.１５４７となる。
Ｕ相電圧にこの電圧を加算または減算すればＵ相に対し位相略１５度の進みと、位相略１５度の遅れの電圧が得られる。
この関係を３相について示すと図３のようになる。これを整理して非絶縁変圧器１２０の巻線のベクトル関係図を示すと図４（ａ）のようになり、これは前に示した図２に対応したものである。その結果、図５に示す６相のベクトル、即ち略３０度の位相差の２組の３相電源が得られる。なお、非絶縁変圧器１２０の巻線のベクトル関係図は、図４（ｂ）であっても良い。
各相に継ぎ足す電圧は単位法で０.１５４７であり、その電流は０.５であるので、この巻線の容量は０.１５４７×０.５＝０.０７７２５である。この巻線が６個あるので変圧器の自己容量は、０.０７７２５×６＝０.４６４１である。一方上に述べたように負荷電力の容量は１.７３２であるので、変圧器の自己容量は通過電力に対して０.４６４１／１.７３２＝０.２６８となり、自己容量はおよそ１／４程度となり装置を小型化できる。

なお、得られる電圧は図２、図３から判るように、元のＵ相の相電圧１／√３に対し新たな二つの相電圧０−Ｕ１及び０−Ｕ２は下記［数１］となり、約３.５％高くなる。

しかし、トンネルのジェットファン駆動ではケーブルの長さが数百メートル以上と長く、その電圧降下が大きいので、インバータの電源電圧が少し高めになることは問題ではなく、かえって都合が良い場合もあり得る。

次に、本発明のジェットファン駆動用電源回路システムの回路の構成全体を説明する。
図６は、本発明のジェットファン駆動用電源回路システムの回路の構成例である。図６はダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の交流側に同相リアクトル１４０を設けた構成となっている。
図７は、本発明のジェットファン駆動用電源回路システムの回路の他の構成例である。図７はダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の直流側に直流リアクトル１４１を設けた構成となっている。
図６と図７は、同相リアクトル１４０と直流リアクトル１４１の構成要素を除けば、他の構成要素は同じであるため、他の構成要素については図６を中心に説明する。

本発明のジェットファン駆動用電源回路システム１００は、図６に示すように、３相商用電源２００、改良型の非絶縁変圧器１２０、ダイオード３相ブリッジ整流回路１３０、同相リアクトル１４０、三相交流リアクトル１５０、インバータ回路１６０を備えたものとなっている。

商用電源２００は、受電設備としては特に限定されないが、長距離道路トンネル内にはジェットファン４００のみならず多数の照明設備や防災設備などがあり大容量の電力を必要とするため、電気事業者から直接、特別高圧ないしは高圧で受電し、施設内の装置向けに変圧して電気を供給するものである。後述するように、商用電源２００の電圧は、トンネル設備である本発明のジェットファン駆動用電源回路システムに供給される段階で既に、４００Ｖ、４４０Ｖ、４６０Ｖ等のいわゆる４００Ｖ系に降圧されている。

次に、非絶縁変圧器１２０は、改良型の非絶縁変圧器１２０として、分かりやすくシンボルを用いて表示されているが、図２に詳述した構成例と同様のものである。

次に、ダイオード３相ブリッジ整流回路１３０は、交流電圧を直流電圧に変換するものである。
この例では、図６、図７に示すように、ダイオード３相ブリッジ整流回路１３０として、進み位相三相電源と遅れ位相三相電源のそれぞれを入力とするダイオード３相ブリッジ整流回路を２つ並列に備えた構成となっている。

次に、同相リアクトル１４０は、ダイオード３相ブリッジ整流回路１３０に発生する電源周波数の３倍の周波数成分の同相電圧を低減するものである。
図６における同相リアクトル１４０と交流リアクトル１５０の設置個所は、それらをダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の交流側（入力側）に置いた構成である。
つまり、非絶縁多相化変圧器１２０の進み位相の三相電源出力とダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の間に、進み位相に対応する同相リアクトル１４０と三相交流リアクトル１５０の直列接続回路を設け、同様に、非絶縁多相化変圧器１２０の遅れ位相の三相電源出力とダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の間に、遅れ位相に対応する同相リアクトル１４０と三相交流リアクトル１５０の直列接続回路を設けた構成である。
このように、同相リアクトル１４０が、進み位相側のダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の交流側と、遅れ位相側のダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の交流側の２か所に設けられていることにより、進み位相側の電圧と遅れ位相側の電圧を同電圧にするものである。進み位相と遅れ位相の電源間で電圧不均衡が生じた場合にダイオード３相ブリッジ整流回路１３０に発生する電源周波数の３倍の周波数成分の同相電圧が非絶縁変圧器を経由して循環電流が流れてしまうことを抑制する作用がある。

三相交流リアクトル１５０は、ダイオード３相ブリッジ整流回路１３０のダイオード３相ブリッジ整流回路などで生じる高調波を抑制するものである。
なお、三相交流リアクトル１５０のリアクタンスは限定されないが、例えば、電源電流波形を改善するため３％から５％程度のリアクトルとすることができる。
また、ここでは図示を省略するが、π形などのＥＭＩフィルタを三相交流リアクトル１５０と直列に設ける場合もあり得る。

一方、図７の構成は、同相リアクトル１４０の代わりに、直流リアクトル１４１を設けたものである。直流リアクトル１４１の設置個所は、ダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の直流側（出力側）となっている。
つまり、非絶縁多相化変圧器１２０の進み位相側の三相電源のダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の出力側とインバータ回路１６０の間に、進み位相に対応する直流リアクトル１４１を接続し、非絶縁多相化変圧器１２０の遅れ位相側の三相電源のダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の出力側とインバータ回路１６０の間に、遅れ位相に対応する直流リアクトル１４１を接続したものである。

このように、直流リアクトル１４１が、進み位相側のダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の直流側と、遅れ位相側のダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の直流側の２か所に設けられていることにより、進み位相側と遅れ位相側の直流電圧を同電圧にするものである。進み位相と遅れ位相の直流電圧間で電圧不均衡が生じた場合にダイオード３相ブリッジ整流回路１３０に発生する電源周波数の３倍の周波数成分の同相電圧が非絶縁変圧器を経由して循環電流が流れてしまうことを抑制する作用がある。

図６に示したダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の交流側に設けた同相リアクトル１４０でも、図７に示したダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の直流側に設けた直流リアクトル１４１でも、ダイオード３相ブリッジ整流回路１３０に発生する電源周波数の３倍の周波数成分の同相電圧の不均衡に起因する循環電流を抑制する効果が得られる。
なお、三相交流リアクトル１５０は、図６同様、ダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の入力側に設けておけば良い。

インバータ回路１６０は、整流された直流を、可変周波数・可変電圧の三相交流に変換する装置である。

次に、インバータ回路１６０の回路例を幾つか示す。
図８は最もよく使われる３相ブリッジインバータで２レベルインバータとも言われる。
直流回路電圧をＥｄとした場合、相電圧はＥｄ／２、−Ｅｄ／２の２レベルである。２０ｋｗから５０ｋｗ程度のジェットファン駆動にはＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）が適しているので以下全てのインバータはＩＧＢＴを用いた例で描いている。

図９は３レベルインバータ（ＮＰＣインバータとも言う）のＴＹＰＥ１である。この回路は同じ定格のＩＧＢＴを用いた場合、２レベルインバータに比べて２倍の直流電圧に対応でき、出力電圧も２倍になる。インバータの相電圧は、Ｅｄ／２、０、−Ｅｄ／２の３レベルとなるので、２レベルインバータに比し、高調波の少ない優れた出力電圧波形が得られる。

図１０は３レベルインバータのＴＹＰＥ２である。この回路は２レベルインバータと同じ直流電圧にしか対応できないという欠点のため、ほとんど実用された例がないが、出力電圧はＴＹＰＥ１と同様の３レベルとなる。

本発明のジェットファン駆動用電源回路システム１００では、インバータ回路１６０として、図８のインバータ回路１６０ａ、図９のインバータ回路１６０ｂ、図１０のインバータ回路１６０ｃのいずれのものであっても適用することができる。

以上が、本発明のジェットファン駆動用電源回路システム１００の概要である。
なお、本発明のジェットファン駆動用電源回路システム１００は、トンネルのジェットファンを駆動する用途が想定される。
つまり、トンネルのジェットファン駆動用の電力は、実際には長距離道路トンネルなど長距離にわたって使用される場合があり、電力が長尺ケーブルを介してジェットファンに供給される。

長尺ケーブルは特に限定されないが、単芯ＣＶケーブル、多芯ＣＶケーブル、単芯ＣＶケーブルを３本撚りあわせたＣＶＴ、さらに、シールドケーブルもあり得る。

ジェットファンは、トンネル内の空気を換気する機器であり、誘導モータが組み込まれたものであり、本発明ではジェットファンの構造などは特に限定されず、インバータ駆動により運転できるものであれば多様なジェットファンを適用することができる。ジェットファンは、長距離道路トンネル内に適切な間隔で配設されている。トンネルが長距離になれば多数のジェットファンが配設されることもあり得る。

実施例２にかかるジェットファン駆動用電源回路システム１００の構成例を示す。
実施例２にかかるジェットファン駆動用電源回路システム１００の構成例は、ジェットファンが停止モードで待機状態の際に生じる直流電圧上昇を抑制する直流電圧上昇抑制手段を備えた構成である。
直流電圧上昇抑制手段以外は、実施例１で上記に説明した構成要素と同様であるので、ここでは説明を省略する。

直流電圧上昇抑制手段１７０として複数パターンがあり得る。
第１のパターンは、直流電圧上昇抑制手段１７０ａが、直流回路に設けた抵抗チョッパである構成である。ジェットファン４００が停止モードに移行すると、直流電圧が所定上限電圧値を超えると直流電圧上昇抑制手段１７０ａである抵抗チョッパがオンとなり、直流電圧が所定下限電圧値を下がると直流電圧上昇抑制手段１７０ａである抵抗チョッパがオフとなるものである。

図１１は、第１のパターンにかかる直流電圧上昇抑制手段１７０ａを組み込んだジェットファン駆動用電源回路システム１００の装置構成を簡単に示す図である。
図１２は、第１のパターンにかかる直流電圧上昇抑制手段１７０ａを組み込んだ場合の直流電圧の制御効果を示す図である。図１２に示すように、直流電圧が所定値以上になると抵抗チョッパがＯＮとなり電圧上昇が抑制される。一方、直流電圧が所定値以下になると抵抗チョッパがオフとなり電圧が上昇する。このように、ある一定幅のレンジで電圧の上昇下降が繰り返される。

第２のパターンは、直流電圧上昇抑制手段１７０ｂが、インバータ回路１６０に対して並列に設けた抵抗負荷の場合である。
図１３は、第１のパターンにかかる直流電圧上昇抑制手段１７０ｂを組み込んだジェットファン駆動用電源回路システム１００の装置構成を簡単に示す図である。
図１４は、第１のパターンにかかる直流電圧上昇抑制手段１７０ａを組み込んだ場合の直流電圧の制御効果を示す図である。図１４に示すように、並列に抵抗負荷が設けられているので、直流電圧が増加しても直流電圧上昇抑制手段１７０ｂである負荷抵抗と分圧されるので電圧上昇が抑制される。

第３のパターンは、直流電圧上昇抑制手段１７０ｃが、非絶縁変圧器の出力側からインバータ回路の入力側の間に設けたＯＮ／ＯＦＦのスイッチであり、ジェットファン４００が停止モードに移行すると直流電圧上昇抑制手段１７０ｃであるＯＮ／ＯＦＦのスイッチにより電流を遮断する構成となっている。
スイッチの設置個所としては、ダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の交流側に設けるパターンと、直流側に設けるパターンがある。

図１５は、直流電圧上昇抑制手段１７０ｃであるスイッチをダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の交流側に組み込んだジェットファン駆動用電源回路システム１００の装置構成を簡単に示す図である。
図１６は、直流電圧上昇抑制手段１７０ｃであるスイッチをダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の直流側に組み込んだジェットファン駆動用電源回路システム１００の装置構成を簡単に示す図である。
図１５、図１６のいずれもの構成においても、直流電圧が所定値よりも上昇すると直流電圧上昇抑制手段１７０ｃであるＯＮ／ＯＦＦのスイッチが作動し、循環電流を遮断することができ、過電流が流れることを防止することができる。
図１７は、第３のパターンにかかる直流電圧上昇抑制手段１７０ｃを組み込んだ場合の直流電圧の制御効果を示す図である。図１７に示すように、直流電圧が所定値以上になるとＯＮ／ＯＦＦのスイッチにより電流が遮断されて電圧上昇が抑制される。

第４のパターンは、直流電圧上昇抑制手段１７０ｄが、非絶縁変圧器の出力側からインバータ回路の入力側の間に設けたＯＮ／ＯＦＦのスイッチと、当該スイッチにＯＮ／ＯＦＦ制御信号を送るインバータ周波数指令装置の組み合わせである。
ジェットファン４００が停止モードに移行し、インバータ周波数指令装置によりインバータの周波数が所定値以下（例えば１０Ｈｚ以下）になるように指令を出すと、スイッチ停止信号を出す。スイッチが当該スイッチ停止信号に従ってＯＦＦとなり循環電流を遮断する構成となっている。
スイッチの設置個所としては、第３のパターンと同様、ダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の交流側に設けるパターンと、直流側に設けるパターンがある。

図１８は、直流電圧上昇抑制手段１７０ｄであるスイッチ及びインバータ周波数指令装置を組み込んだジェットファン駆動用電源回路システム１００の装置構成を簡単に示す図である。
図１８の例では、図１５と同様、スイッチをダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の交流側に組み込んだジェットファン駆動用電源回路システム１００の装置構成となっているが、図１６のように、スイッチをダイオード３相ブリッジ整流回路１３０の直流側に組み込んだジェットファン駆動用電源回路システム１００の装置構成も可能である。
図１９は、第４のパターンにかかる直流電圧上昇抑制手段１７０ｄを組み込んだ場合の直流電圧の制御効果を示す図である。図１９に示すように、インバータ周波数指令装置がインバータの周波数を所定値以下にすると、スイッチ停止信号を出し、スイッチがＯＦＦとなって電流が遮断されて電圧上昇が抑制される。

以上、本発明のジェットファン駆動用電源回路システムの構成例における好ましい実施例を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。

本発明のジェットファン駆動用電源回路システムは、長距離道路トンネル用の換気制御システム、特に、長距離道路トンネル内に設置した複数のジェットファンをインバータ駆動で制御する換気制御システムなどに適用することができる。

１００ジェットファン駆動用電源回路システム
１１０商用電源電源変圧器
１２０非絶縁変圧器
１３０ダイオード３相ブリッジ整流回路
１４０同相リアクトル
１５０３相交流リアクトル
１６０インバータ回路
１７０直流電圧上昇抑制手段
２００商用電源
３００ケーブル
４００ジェットファン

Claims

インバータにより道路トンネルのジェットファンをインバータ駆動するジェットファン駆動用電源回路システムであって、
三相商用電源を六相に変換する非絶縁多相化変圧器であって、前記三相商用電源の位相を略１５度進ませる進み回路要素と、前記三相商用電源の位相を略１５度遅らせる遅れ回路要素を備え、前記三相商用電源から略３０度の位相差となる進み位相三相電源と遅れ位相三相電源を生成する非絶縁多相化変圧器と、
前記非絶縁多相化変圧器の出力を交流から直流に変換する２組のダイオード３相ブリッジ整流回路であって、前記非絶縁多相化変圧器の前記進み位相三相電源と前記遅れ位相三相電源に対して並列に接続したダイオード３相ブリッジ整流回路と、
前記非絶縁多相化変圧器の前記進み位相三相電源出力と前記ダイオード３相ブリッジ整流回路の間に設けた、前記進み位相三相電源に対する三相交流リアクトルと同相リアクトルと、前記遅れ位相三相電源に対する三相交流リアクトルと同相リアクトルと、
出力側が並列接続された２組の前記ダイオード３相ブリッジ整流回路に対して接続され、前記直流を可変周波数・可変電圧の三相交流に変換するインバータ回路を備え、
前記同相リアクトルにより同相電圧を抑制し、前記非絶縁多相化変圧器と前記ダイオード３相ブリッジ整流回路の間の循環電流を抑制するものであることを特徴とするジェットファン駆動用電源回路システム。
前記進み位相三相電源に対する同相リアクトルに代えて、前記進み位相三相電源に対する前記ダイオード３相ブリッジ整流回路の出力側と前記インバータ回路の間に設けた直流リアクトルと、
前記遅れ位相三相電源に対する同相リアクトルに代えて、前記遅れ位相三相電源に対する前記ダイオード３相ブリッジ整流回路の出力側と前記インバータ回路の間に設けた直流リアクトルを備え、
前記直流リアクトルにより同相電圧を抑制し、前記非絶縁多相化変圧器と前記ダイオード３相ブリッジ整流回路の出力間の循環電流を抑制するものであることを特徴とする請求項１に記載のジェットファン駆動用電源回路システム。
前記非絶縁多相化変圧器の前記進み回路要素が１次コイルに対して位相が進む方向に設けた２次コイルであり、前記１次コイルと前記２次コイルの巻き線比が位相を１５度進ませるものであり、
前記非絶縁多相化変圧器の前記遅れ回路要素が１次コイルに対して位相が遅れる方向に設けた２次コイルであり、前記１次コイルと前記２次コイルの巻き線が位相を１５度遅らせるものであることを特徴とする請求項１または２に記載のジェットファン駆動用電源回路システム。
前記ジェットファンが停止モードの待機状態の際に生じる直流電圧上昇を抑制する直流電圧上昇抑制手段を備え、
前記直流電圧上昇抑制手段が、前記ダイオード３相ブリッジ整流回路の出力側の直流回路に設けた抵抗チョッパであり、前記ジェットファンが前記停止モードに移行すると、前記直流回路の直流電圧が所定上限電圧値を超えると前記抵抗チョッパがオンとなり、前記直流回路の直流電圧が所定下限電圧値を下がると前記抵抗チョッパがオフとなるものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のジェットファン駆動用電源回路システム。
前記ジェットファンが停止モードの待機状態の際に生じる直流電圧上昇を抑制する直流電圧上昇抑制手段を備え、
前記直流電圧上昇抑制手段が、前記ダイオード３相ブリッジ整流回路の出力側の直流回路に並列に設けた抵抗負荷であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のジェットファン駆動用電源回路システム。
前記ジェットファンが停止モードで待機状態の際に生じる直流電圧上昇を抑制する直流電圧上昇抑制手段を備え、
前記直流電圧上昇抑制手段が、前記非絶縁多層化変圧器の出力側から前記インバータ回路の入力側の間に設けたスイッチであり、前記ジェットファンが前記停止モードに移行すると、前記スイッチにより電流を遮断するものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のジェットファン駆動用電源回路システム。
前記インバータに運転周波数を指令するとともに、前記スイッチのＯＮ／ＯＦＦの制御信号を送るインバータ周波数指令装置を備え、
前記インバータの周波数指令値が所定値以下になれば、前記インバータ周波数指令装置が前記スイッチをＯＦＦとする制御信号を出力し、前記スイッチをＯＦＦにすることを特徴とする請求項６に記載のジェットファン駆動用電源回路システム。