JP7020386B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に電動機の速度制御機能と無効電力制御機能とを共に備えた電力変換装置に関する。

電力系統の安定化のために無効電力補償を行うことが要求される場合がある。このため、最近では、例えば特許文献１に開示されているように、電力用半導体を用いた無効電力補償装置が電力系統に適用されることが多くなっている。また、これとは別に、例えば特許文献２に開示されているように、インバータを用いた電力変換装置によって大形交流電動機を可変速駆動することが行われている。

特開２０１８－０９７４１０号公報 特開２０１７－０４６４０２号公報

従来、電動機駆動用の電力変換装置と無効電力補償装置とは、それぞれ別々の装置として構成されていた。また、電力変換装置は交流電動機の停止中は何ら活用されていなかった。もしも交流電動機の停止中の電力変換装置を無効電力補償装置として機能させることができるならば、システム全体としての部品点数を減らしてコストを低減することが期待できる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、無効電力補償装置としての機能を併せ持つ電動機駆動用の電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電力変換装置は３相交流電源から受け取った交流電力を周波数変換して交流電動機に供給する電力変換装置であって、少なくとも電力変換器と、第１の変圧器と、第１の開閉器と、第２の変圧器と、第２の開閉器と、制御装置とを備える。電力変換器は入力された交流電力をコンバータで直流電力に変換し、この直流電力をインバータで交流電力に変換して出力するように構成される。第１の変圧器は１次側を３相交流電源に接続され２次側を電力変換器の入力側に接続されている。第１の開閉器は電力変換器の出力側と交流電動機との間に設けられている。第２の変圧器は１次側を３相交流電源に接続され２次側を電力変換器の出力側に接続されている。第２の開閉器は第２の変圧器と電力変換器との間に設けられている。制御装置は電力変換器と第１の開閉器と第２の開閉器とを制御し、２つの制御モードを切換え可能に構成されている。その一方の制御モードは、第１の開閉器を閉じて第２の開閉器を開き、周波数変換された交流電力を電力変換器から交流電動機へ出力する電動機駆動モードである。もう一方の制御モードは、第１の開閉器を開いて第２の開閉器を閉じ、所定の無効電力基準に従った無効電力を電力変換器から３相交流電源へ出力する無効電力制御モードである。

制御装置は、電動機駆動モードから無効電力制御モードへの切換え時、第１の開閉器を開いた後に第２の開閉器を閉じても良い。

第１の変圧器と第２の変圧器とは独立して設けられても良い。この場合、電力変換装置は第３の開閉器をさらに備えても良い。第３の開閉器は３相交流電源と第２の変圧器との間に設けられる。さらに、その場合、制御装置は、電動機駆動モードから無効電力制御モードへの切換えでは、第２の開閉器を閉じ、第３の開閉器を開いた状態でインバータを低電圧から起動し、第３の開閉器の電源側と変圧器側の電圧が等しくなったら第３の開閉器を閉じても良い。

第１の変圧器と第２の変圧器とは１次巻線を共用しても良い。その場合、１次巻線の容量は第１の変圧器の２次巻線と第２の変圧器の２次巻線のうち大きい方の容量に合わせられても良い。

コンバータはダイオードコンバータであっても良く、インバータとはコンデンサを介して接続されても良い。その場合、制御装置は、無効電力制御モードでは、コンデンサに印加される電圧がコンバータの無負荷直流電圧以上の電圧になるようにインバータを制御しても良い。

本発明に係る電力変換装置によれば、交流電動機の停止中は電力変換装置を系統の無効電力の制御に有効活用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の回路構成図である。 図１に示す電力変換装置の電動機駆動モードでの各開閉器の状態と制御装置内の各切換器の状態と電力の流れとを示す図である。 図１に示す電力変換装置の無効電力制御モードでの各開閉器の状態と制御装置内の各切換器の状態と電力の流れとを示す図である。 図１に示す電力変換装置により変圧器の励磁電流の突入を防止する場合の無効電力制御モードでの動作を示すタイムチャートである。 図１に示す電力変換装置による変圧器の励磁電流の突入の防止が不要な場合の無効電力制御モードでの動作を示すタイムチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の回路構成図である。 本発明の第２の実施形態の変形例に係る電力変換装置の回路構成図である。 図７に示す電力変換装置により変圧器の励磁電流の突入を防止する場合の無効電力制御モードでの動作を示すタイムチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置の回路構成図である。 図９に示す電力変換装置の電動機駆動モードでの各開閉器と制御装置内の各切換器の状態と電力の流れとを示す図である。 図９に示す電力変換装置の無効電力制御モードでの各開閉器と制御装置内の各切換器の状態と電力の流れとを示す図である。 図９に示す電力変換装置の変圧器の具体的な構成例を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る電力変換装置の回路構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、以下に示す実施形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数にこの発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．第１の実施形態
図１は本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の回路構成図である。第１の実施形態に係る電力変換装置は、商用の３相の交流電源１から受け取った交流電力を電力変換器３によって周波数変換して誘導電動機５に供給する電力変換装置である。電力変換器３は、ダイオードコンバータ３１、直流コンデンサ３３及びインバータ３２より構成される。電力変換器３に入力された交流電力はダイオードコンバータ３１で直流電力に変換される。ダイオードコンバータ３１から出力された直流電力は直流コンデンサ３３で平滑化され、インバータ３２により交流電力に変換されて電力変換器３から出力される。

交流電源１と電力変換器３とは、入力開閉器２と変圧器（第１の変圧器）２１とを介して接続されている。電力変換器３と誘導電動機５とは、出力開閉器（第１の開閉器）４を介して接続されている。また、交流電源１の出力側と電力変換器３の出力側とは電力ラインで接続され、そこには変圧器（第２の変圧器）２２が設置されている。変圧器２２と電力変換器３との間には、開閉器（第２の開閉器）６が設けられ、交流電源１と変圧器２２との間には、入力開閉器（第３の開閉器）８が設けられている。なおここで単純化のために変圧器２２の１次側（交流電源１側）と２次側（インバータ３２側）の位相差はないものとする。

電力変換器３及び各開閉器２，４，６，８は制御装置７によって制御される。電力変換器３のインバータ３２は電圧型のＰＷＭ変換器である。インバータ３２を構成するパワーデバイスは、制御装置７から与えられるゲート信号によりオンオフ制御されている。誘導電動機５には速度検出器１１が取り付けられており、この出力は制御装置７に与えられる。また、インバータ３２の出力側には電流検出器（インバータ出力電流検出器）１２が設けられ、この出力も制御装置７に与えられる。入力開閉器２の交流電源側には電圧検出器（電源電圧検出器）１４が設けられ、この出力も制御装置７に与えられている。

制御装置７は、電動機駆動モードと無効電力制御モードの２つの運転モードを有している。電動機駆動モードは、開閉器２，４を閉じて開閉器６，８を開き、周波数変換された交流電力を電力変換器３から誘導電動機５へ出力することによって誘導電動機５を可変速駆動する運転モードである。無効電力制御モードは、開閉器２，６，８を閉じて開閉器４を開き、所定の無効電力基準に従った無効電力を電力変換器３から交流電源１へ出力する運転モードである。制御装置７は、誘導電動機５を運転していないときは、運転モードを電動機駆動モードから無効電力制御モードへ切換えることによって、系統の力率を改善して電圧の安定化を図っている。以下、これら２つの運転モードを選択的に実現するための制御装置７の内部構成の例について説明する。

制御装置７には外部から速度基準が与えられる。外部から与えられた速度基準は減算器７１の第１入力に入力されている。減算器７１の第２入力には、速度検出器１１で得られる速度帰還が入力されている。減算器７１では第１入力と第２入力との差分が演算され、速度制御器７２に与えられる。速度制御器７２は例えばＰＩ制御器であって、速度基準に速度帰還が追従するようにトルク基準を出力する。トルク基準は除算器７３に入力され、別途設定された磁束基準で除算されることによってトルク電流基準に変換される。

トルク電流基準は切換器７４Ａの第１入力に入力されている。また、切換器７４Ａの第２入力には０が入力されている。切換器７４Ａの出力は減算器７５Ａの第１入力に入力されている。切換器７４Ａの切換え信号Ｓ７４Ａは後述する切換制御器８３によって操作される。

磁束基準は磁束電流変換器７３Ａにも与えられる。磁束電流変換器７３Ａの出力である磁束電流基準は切換器７４Ｂの第１入力に入力されている。また、切換器７４Ｂの第２入力には後述される可変リミッタ９５の出力が入力されている。切換器７４Ｂの出力は減算器７５Ｂの第１入力に入力されている。切換器７４Ｂの切換え信号Ｓ７４Ｂは後述する切換制御器８３によって操作される。

また、磁束基準は除算器７３の出力であるトルク電流基準とともにすべり演算器８０にも与えられる。すべり演算器８０では磁束基準とトルク電流基準とから導電動機のすべりｓが演算される。このすべりｓは加算器８１によって速度帰還に加算され、インバータ３２の出力周波数が算出される。この出力周波数が積分器８２で積分されることによって誘導電動機５の入力端子電圧の基準位相θＭが得られる。

積分器８２の出力である基準位相（第１の基準位相）θＭは切換器７４Ｃの第１入力に入力されている。また、切換器７４Ｃの第２入力には後述されるＰＬＬ制御器８４の出力である基準位相（第２の基準位相）θＳが入力されている。切換器７４Ｃの出力は後述する３相―２相変換器７９及び２相―３相変換器７７に対して基準位相θとして与えられる。切換器７４Ｃの切換え信号Ｓ７４Ｃは後述する切換制御器８３によって操作される。

電圧検出器１４で検出された交流電源１の電圧はＰＬＬ制御器８４に与えられる。ＰＬＬ制御器８４はフェーズロックドループを使用した位相同期回路であり、交流電源１の電圧に同期した基準位相θＳを出力する。ここで交流電源１の電圧位相と同相分がｑ軸、それと直交する成分がｄ軸となるように基準位相θＳを定めるものとする。基準位相は切換器７４Ｃの第２入力に入力されている。

また、電圧検出器１４で検出された交流電源１の電圧は実効値検出回路８５にも与えられる。実効値検出回路８５は交流電源１の電圧の実効値を検出する。実効値検出回路８５の出力は除算器８６の第２入力に入力される。除算器８６の第１入力には外部で設定された無効電力基準が入力される。除算器８６では、無効電力基準が交流電源１の電圧の実効値で割り算されることによって無効電流基準に変換される。

除算器８６から出力される無効電流基準は系統側電圧をベースとした無効電流基準である。これにゲイン回路８７において変圧器２２の巻線比を考慮したゲインを乗じることによって、変圧器２２の２次側電圧をベースとした無効電流基準が得られる。

ゲイン回路８７の出力である無効電流基準は可変リミッタ９５に入力される。可変リミッタ９５は無効電流基準のリミット値を規定する。可変リミッタ９５は、入力された無効電流基準がリミット値の範囲内である場合は、入力された無効電流基準と等しい値を出力し、入力された無効電流基準がリミット値の範囲を超える場合には、可変リミッタ９５はリミット値を出力する。可変リミッタ９５の出力は切換器７４Ｂの第２入力に入力されている。可変リミッタ９５のリミット値を変化させるリミット変更信号Ｓ９５は後述する切換制御器８３によって操作される。

電流検出器１２で検出された３相の出力電流は３相―２相変換器７９に与えられる。３相―２相変換器７９はこの３相電流を後述する切換器７４Ｃの出力である基準位相θで互いに直交する２軸の成分に変換する。基準位相θを適切に選定することによって、この２軸の電流成分を、トルク電流帰還であるｑ軸電流帰還と、これと直交する磁束電流帰還であるｄ軸電流帰還とにすることができる。

３相―２相変換器７９の一方の出力であるｑ軸電流帰還は減算器７５Ａの第２入力として与えられ、第１入力と第２入力との差分が減算器７５Ａからｑ軸電流制御器７６Ａに与えられる。ｑ軸電流制御器７６Ａは例えばＰＩ制御器であって、ｑ軸電流帰還が切換器７４Ａの出力に追従するようにｑ軸電圧指令を出力する。

３相―２相変換器７９のもう一方の出力であるｄ軸電流帰還は減算器７５Ｂの第２入力として与えられ、第１入力と第２入力との差分が減算器７５Ｂからｄ軸電流制御器７６Ｂに与えられる。ｄ軸電流制御器７６Ｂは例えばＰＩ制御器であって、ｄ軸電流帰還が切換器７４Ｂの出力に追従するようにｄ軸電圧指令を出力する。

ｑ軸電圧指令とｄ軸電圧指令とはともに２相―３相変換器７７に与えられる。２相―３相変換器７７は切換器７４Ｃの出力である基準位相θを用いてｑ軸電圧指令及びｄ軸電圧指令を３相の電圧指令に変換し、この３相の電圧指令をＰＷＭ制御器７８に与える。ＰＷＭ制御器７８はインバータ３２の各相の出力電圧が与えられた３相の電圧指令となるように、インバータ３２の各パワーデバイスに対してＰＷＭ変調されたゲート信号を供給する。

切換制御器８３には、監視入力として、電圧検出器１４で検出された交流電源１の電圧、ＰＬＬ制御器８４の出力である基準位相θＳ、積分器８２の出力である基準位相θＭ、２相―３相変換器７７の出力である３相の電圧指令がそれぞれ入力される。３相の電圧指令はインバータ３２の基本波電圧出力に相当する信号である。

切換制御器８３には、図示されない上位からの信号、あるいは制御装置７等に備えられた図示されない機器からの信号が入力される。この信号により指示される後述の運転モードに応じて、切換制御器８３は、開閉器４に与える開閉操作信号Ｓ４、開閉器６に対する開閉操作信号Ｓ６、及び開閉器８に対する開閉操作信号Ｓ８をそれぞれ切換える。また、切換制御器８３は、制御装置７の内部では、運転モードに応じて、切換器７４に与える切換え信号Ｓ７４Ａ、切換器７４Ｂに与える切換え信号Ｓ７４Ｂ、切換器７４Ｃに与える切換え信号Ｓ７４Ｃ、可変リミッタ９５に与えるリミット変更信号Ｓ９５をそれぞれ切換える。

次に、各運転モードの実現方法について説明する。図２は、電動機駆動モードでの各開閉器２，４，６，８と制御装置７内の各切換器７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃの状態と電力の流れとを示す図である。電動機駆動モードの期間は、開閉器２，４は閉じられ、開閉器６，８は開かれる。無効電力制御モードから電動機駆動モードへの切換え時には、開閉器６，８を開いてから開閉器４を閉じる。なお、入力開閉器２は基本的には常時閉じられている。電動機駆動モードでは、交流電源１に変圧器２１及び電力変換器３を介して誘導電動機５が接続される。なお、開閉器８は閉でもよいが、変圧器２２の無負荷損失の削減のため、開閉器８は開いたほうが好ましい。

電動機駆動モードの期間は、各切換器７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃに与えられる切換え信号Ｓ７４Ａ，Ｓ７４Ｂ，Ｓ７４Ｃは各切換器７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃの出力が第１入力を選択するように設定される。よって、この期間は、除算器７３の出力であるトルク電流基準が切換器７４Ａを介して減算器７５Ａの第１入力に与えられる。また、この期間は、磁束電流変換器７３Ａの出力である磁束電流基準が切換器７４Ｂを介して減算器７５Ｂの第１入力に与えられる。また、この期間は、誘導電動機５の入力端子電圧の基準位相θＭが基準位相θとなり、基準位相θＭが切換器７４Ｃを介して２相―３相変換器７７と３相―２相変換器７９とに与えられる。上記のように、電動機駆動モードにおいては、電力変換器３は誘導電動機５を与えられた速度基準に追従するように可変速駆動することができる。

図３は、無効電力制御モードでの各開閉器２，４，６，８と制御装置７内の各切換器７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃの状態と電力の流れとを示す図である。無効電力制御モードの期間は、開閉器２，６，８は閉じられ、開閉器４は開かれる。電動機駆動モードから無効電力制御モードへの切換え時には、インバータ３２をゲートブロックし、開閉器４を開いてから開閉器６，８を閉じる。

無効電力制御モードの期間は、各切換器７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃに与えられる切換え信号Ｓ７４Ａ，Ｓ７４Ｂ，Ｓ７４Ｃは各切換器７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃの出力が第２入力を選択するように設定される。よって、この期間は、切換器７４Ａの出力は０となる。また、この期間は、可変リミッタ９５の出力が切換器７４Ｂを介して減算器７５Ｂの第１入力に与えられる。また、この期間は、交流電源１の電圧に同期した基準位相θＳが基準位相θとなり、基準位相θＳが切換器７４Ｃを介して２相―３相変換器７７と３相―２相変換器７９とに与えられる。

切換器７４Ａの出力はトルク電流基準相当であり、インバータ３２のｑ軸電流制御ループにおいてｑ軸電流基準になる。インバータ３２の出力電圧位相と交流電源１の電圧位相は同期しているので、無効電力制御モードの期間は、インバータ３２から出力されるｑ軸電流成分、即ち有効電流成分は０となる。また、無効電力制御モードの期間は、可変リミッタ９５の出力であるリミット処理された無効電流基準が、インバータ３２のｄ軸電流制御ループにおいてｄ軸電流基準になる。インバータ３２の出力電圧位相と交流電源１の電圧位相は同期しているので、インバータ３２から出力されるｄ軸電流成分は無効電流成分となる。よって、無効電力制御モードにおいてインバータ３２が出力する有効電流であるｑ軸電流は０となり、無効電流であるｄ軸電流はリミット処理された無効電流基準となる。

ここで、無効電力制御モードにおける可変リミッタ９５の動作についてタイムチャートを用いて説明する。図４は、励磁電流の突入を防止する場合の無効電力制御モードでの動作を示すタイムチャートである。図５は、励磁電流の突入の防止が不要な場合の無効電力制御モードでの動作を示すタイムチャートである。

無効電力制御モードでは、開閉器２（ＣＢ２）は常時閉じられ、開閉器４（ＣＢ４）は常時開かれ、開閉器６（ＣＢ６）は常時閉じられている。変圧器２２の励磁電流の突入を防止する場合、図４に示すように、開閉器８（ＣＢ８）は初めは開かれている。そして、時刻ｔ１においてインバータ３２をデブロック（ＤＥＢ）するとともに、時刻ｔ３にかけて可変リミッタ９５の制限値を０から徐々に第１リミット値まで増加させる。第１リミット値は変圧器２２の励磁電流レベルより少し大きい値に設定されている。この操作に伴いインバータ３２の出力電圧は増加していく。

そして、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの間の時刻ｔ２にてインバータ３２の出力電圧と変圧器２２の２次側（インバータ側）の巻線電圧とが等しくなると、そのタイミングで開閉器８を閉じる。このようにすることで変圧器２２はインバータ３２により徐々に励磁が行われるので励磁電流の突入を抑制することができる。

その後の時刻ｔ４から時刻ｔ６にかけて、可変リミッタ９５の制限値を第１リミット値から徐々に第２リミット値まで増加させる。第２リミット値はインバータ３２の定格電流レベルに設定されている。なお、可変リミッタ９５のリミット値の変化率は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの変化率のほうが時刻ｔ４から時刻ｔ６までの変化率よりも小さいことが望ましい。なお、時刻ｔ３と時刻ｔ４の間隔はゼロでもよい。

そして、時刻ｔ４から時刻ｔ６までの間の時刻ｔ５以降、可変リミッタ９５のリミット値がゲイン回路８７の出力値を超えると、可変リミッタ９５の出力値は入力値に等しくなる。ゆえに、これ以降は、インバータ３２の出力電流、すなわち、無効電流は、ゲイン回路８７の出力である無効電流基準に追従するようになる。

一方、変圧器２２の励磁電流の突入の防止が不要である場合、図５に示すように、開閉器８はインバータ３２を運転する前に閉じられている。そして、時刻ｔ７においてインバータ３２をデブロック（ＤＥＢ）するとともに、時刻ｔ９にかけて可変リミッタ９５の制限値を０から徐々に第２リミット値まで増加させる。この操作に伴いインバータ３２の出力電圧は増加していく。この場合、インバータ３２のデブロック直後からインバータ３２は変圧器２２の２次電圧換算で交流電源１と等しい電圧を出力する。

そして、時刻ｔ７から時刻ｔ９までの間の時刻ｔ８以降、可変リミッタ９５のリミット値がゲイン回路８７の出力値を超えると、可変リミッタ９５の出力値は入力値に等しくなる。ゆえに、これ以降は、インバータ３２の出力電流、すなわち、無効電流は、ゲイン回路８７の出力である無効電流基準に追従するようになる。

以上のように、無効電力制御モードにおいては、電力変換器３は無効電力基準にしたがって無効電力を出力し、無効電力の補償を行うことができる。なお、電力変換器３が消費する損失分は変圧器２１を介してダイオードコンバータ３１から供給される。

２．第２の実施形態
図６は本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の回路構成図である。この図において、第１の実施形態のものと共通する要素には同一の符号が振られている。以下の説明では、第１の実施形態で既に説明した構成については省略し、第２の実施形態に特有の構成について説明する。

第２の実施形態では、ダイオードコンバータ３１の出力である直流電圧を検出する直流電圧検出器３４が電力変換器３に設けられている。また、制御装置７には、直流電圧検出器３４で検出された電圧と所定の電圧基準との差分を演算する減算器８８と、この差分を最小にするためのｑ軸電流基準を出力する電圧制御器８９とが設けられている。電圧制御器８９の出力は切換器７４Ａの第２入力に与えられる。

第２の実施形態では、無効電力制御モードの期間は、切換器７４Ａは第２入力として０ではなく、電圧制御器８９の出力であるｑ軸電流基準を選択する。ここで、例えば減算器８８に与えられる電圧基準を、ダイオードコンバータ３１の無負荷直流電圧以上の電圧に設定する。このようにすれば、直流コンデンサ３３に印加される電圧が設定された電圧基準に追従するようにインバータ３２が回生運転され、電力変換器３内の電力損失分に見合う有効電流が交流電源１からインバータ３２に流入することになる。直流電圧がダイオードコンバータ３１の無負荷直流電圧以上に保たれるので、ダイオードコンバータ３１を経由して電流が電力変換器３に供給されることはない。第２の実施形態によれば、ダイオードコンバータ３１および変圧器２１による無効電力の消費を抑えることができる。

また、電力変換器３の直流電圧が交流電源１の電源変動にかかわらず一定に保たれるので、より安定に無効電力補償を行うことができる。さらに、第２の実施形態の構成では無効電力制御モードでは開閉器２を解放することができるため、変圧器２１の無負荷損失分が削減可能である。

＜第２の実施形態の変形例＞
第２の実施形態の変形例として、図７に示すように減算器８８と電圧制御器８９の間に切換器９４Ｄを設けてもよい。切換器９４Ｄの第１入力には０、切換器９４Ｄの第２入力には減算器８８の出力が接続される。そして、切換器９４Ｄの出力は電圧制御器８９の入力に接続される。切換制御器８３からの切換え信号Ｓ９４Ｄによって切換器９４Ｄから出力される信号が選択される。

図７に示す第２の実施形態の変形例では、次の手順で無効電力補償モードを開始することで変圧器２２の励磁電流の抑制が可能である。なお、電動機駆動モードにおける動作は第１の実施形態や第２の実施形態と同様である。

電動機駆動モードから無効電力補償モードへの切換え時には、インバータ３２をゲートブロックし開閉器４を開いてから開閉器６を閉じ、その後に開閉器８を閉じる。無効電力補償モードの期間は、各切換器７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃに与えられる切換え信号Ｓ７４Ａ，Ｓ７４Ｂ，Ｓ７４Ｃは、各切換器７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃの出力が第２入力を選択するように設定される。また、初期段階において切換器９４Ｄに与えられる切換え信号Ｓ９４Ｄは、切換器９４Ｄの出力が第１入力である０を選択するように設定される。よって、無効電力補償モードの切換初期の期間は、切換器７４Ａの出力は０となる。

図８を用いて第２の実施形態の変形例の動きを詳細に説明する。図８は、図４と同じく、励磁電流の突入を防止する場合の無効電力制御モードでの動作を示すタイムチャートである。ただし、図８では、切換器９４Ｄの切換え信号Ｓ９４Ｄのグラフと電力変換器３の直流電圧のグラフとが追加されている。時刻ｔ２で開閉器８が閉じられるまでの動きは図４に示す動きと同様である。これにより、第２の実施形態の変形例によっても変圧器２２の励磁電流の突入の抑制が可能であることが分かる。

電力変換器３の直流電圧はダイオードコンバータ３１の出力電圧となっている。時刻ｔ２で開閉器８を閉とした後、時刻ｔ３ａにて、切換制御器８３は切換え信号Ｓ９４Ｄにより切換器９４の出力を第１入力から第２入力に切換える。これにより、インバータ３２のｑ軸電流指令は直流電圧が電圧基準に追従するように出力されるようになり、時刻ｔ３ａ以降、直流電圧は直流電圧基準相当の電圧に近づいていく。そして、時刻ｔ３ｂにて、直流電圧はほぼ直流電圧基準相当の電圧となる。

時刻ｔ３ｃにおいて、切換制御器８３は開閉器２に対する開閉操作信号Ｓ２を開放に切換え、これにより開閉器２が開となる。時刻ｔ３ｃ以降の動きは図４に示す動きと同様である。なお、時刻ｔ３ａ以降、直流電圧がダイオードコンバータ３１の出力電圧を越えた後はインバータ３２の回生動作（ｑ軸電流指令による）によって、電力変換器３の損失分は賄われることになる。第２の実施形態の変形例によれば、無効電流補償モードにおいて、変圧器２２の励磁電流の突入の抑制が可能であるとともに、開閉器２を解放することができるため変圧器２１の無負荷損失分が削減可能である。

３．第３の実施形態
図９は本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置の回路構成図である。この図において、第１の実施形態のものと共通する要素には同一の符号が振られている。以下の説明では、第１の実施形態で既に説明した構成については省略し、第３の実施形態に特有の構成について説明する。

第３の実施形態では、第１の実施形態で用いられている２台の変圧器２１，２２が１台の変圧器２３に集約されている。また、これに伴い第１の実施形態で用いられている開閉器８は省略されている。

変圧器２３は１次巻線を共用する電動機駆動用変圧器（第１の変圧器）２３ａと無効電力制御用変圧器（第２の変圧器）２３ｂとで構成されている。電動機駆動用変圧器２３ａは第１の実施形態で用いられている変圧器２１に相当し、両者の２次巻線の容量は一致している。無効電力制御用変圧器２３ｂは第１の実施形態で用いられている変圧器２２に相当し、両者の２次巻線の容量は一致している。一方、誘導電動機５の速度制御と無効電力制御とは同時には行わないので、共用される１次巻線の容量は電動機駆動用変圧器２３ａの２次巻線と無効電力制御用変圧器２３ｂの２次巻線のうち大きい方の容量に合わせることができる。よって、第１の実施形態に比較すれば、第３の実施形態は変圧器を小型化かつ安価に実現できるという利点がある。

第３の実施形態における各運転モードの実現方法については第１の実施形態のそれと同様であるので説明を省略する。図１０は、第３の実施形態における電動機駆動モードでの各開閉器２，４，６と制御装置７内の各切換器７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃの状態と電力の流れとを示す図である。電動機駆動モードの期間は、開閉器２，４は閉じられ、開閉器６は開かれる。無効電力制御モードから電動機駆動モードへの切換え時には、インバータ３２のゲートブロック後に開閉器６を開いてから開閉器４を閉じる。

図１１は、第３の実施形態における無効電力制御モードでの各開閉器２，４，６と制御装置７内の各切換器７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃの状態と電力の流れとを示す図である。無効電力制御モードの期間は、開閉器２，６は閉じられ、開閉器４は開かれる。電動機駆動モードから無効電力制御モードへの切換え時には、インバータ３２のゲートブロック後に開閉器４を開いてから開閉器６を閉じる。

図１２は、変圧器２３の具体的な構成例である。この例では、変圧器２３は１２パルス変圧器として構成されている。ただし、変圧器２３の構成はこれには限定はされず、２４パルス、３６パルス、さらなる多重パルスにも適用可能である。

４．第４の実施形態
図１３は本発明の第４の実施形態に係る電力変換装置の回路構成図である。この図において、第３の実施形態のものと共通する要素には同一の符号が振られている。第４の実施形態は、第３の実施形態と第２の実施形態の特徴部分との組み合わせに相当する。第４の実施形態の動作とその効果については、第３の実施形態と第２の実施形態との組み合わせの動作とその効果に等しいのでその説明は省略する。

５．その他の実施形態
例えば、各実施形態における速度検出器１１は、位置検出器であっても良い。その場合は位置を微分して速度を求めれば良い。また、速度検出器を設けずに速度を演算によって間接的に求めるようにしても良い。

また、各実施形態においては、電動機駆動モードから無効電力制御モードに切換える説明のみを行ったが、制御の手順を逆にすれば、無効電力制御モードから電動機駆動モードに切換えることが可能なことは明らかである。

また、各実施形態においては変圧器２２の１次側と２次側で位相差のないものとして説明したが、位相差がある場合はＰＬＬ制御器８４あるいは電圧検出器１４により位相差分を補正することで同様な効果を得ることができる。

また、各実施形態における電動機駆動モードでのインバータ３２の制御はベクトル制御で説明したが、Ｖ／ｆ一定制御であっても良い。

また、各実施形態においては誘導電動機で説明したが、電動機駆動モードでの制御回路を同期電動機用の制御回路に置き換えれば、同期電動機駆動用電力変換器においても同様な効果を得ることができる。

１：交流電源 ２：入力開閉器 ３：電力変換器 ４：出力開閉器（第１の開閉器）
５：誘導電動機 ６：開閉器（第２の開閉器） ７：制御装置
８：入力開閉器（第３の開閉器） １１：速度検出器 １２：電流検出器
１４：電圧検出器 ２１：変圧器（第１の変圧器） ２２：変圧器（第２の変圧器）
２３：三巻線変圧器 ２３ａ：電動機駆動用変圧器（第１の変圧器）
２３ｂ：無効電流制御用変圧器（第２の変圧器） ３１：ダイオードコンバータ
３２：インバータ ３３：直流コンデンサ ３４：直流電圧検出器
７１、７５Ａ、７５Ｂ、８８：減算器 ７２：速度制御器 ７３、８６：除算器
７３Ａ：磁束電流変換器 ７４Ａ、７４Ｂ、７４Ｃ、９４Ｄ：切換器
７６Ａ、７６Ｂ：電流制御器 ７７：２相―３相変換器 ７８：ＰＷＭ制御器
７９：３相―２相変換器 ８０：すべり演算器 ８１：加算器 ８２：積分器
８３：切換制御器 ８４：ＰＬＬ制御器 ８５：実効値検出回路 ８７：ゲイン回路
８９：電圧制御器

Claims (7)

1. ３相の交流電源から受け取った交流電力を周波数変換して交流電動機に供給する電力変換装置において、
   入力された交流電力をコンバータで直流電力に変換し、この直流電力をインバータで交流電力に変換して出力する電力変換器と、
   １次側を前記交流電源に接続され２次側を前記電力変換器の入力側に接続された第１の変圧器と、
   前記電力変換器の出力側と前記交流電動機との間に設けられた第１の開閉器と、
   １次側を前記交流電源に接続され２次側を前記電力変換器の出力側に接続された第２の変圧器と、
   前記第２の変圧器と前記電力変換器との間に設けられた第２の開閉器と、
   前記電力変換器と前記第１の開閉器と前記第２の開閉器とを制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記第１の開閉器を閉じて前記第２の開閉器を開き、周波数変換された交流電力を前記電力変換器から前記交流電動機へ出力する電動機駆動モードと、
   前記第１の開閉器を開いて前記第２の開閉器を閉じ、所定の無効電力基準に従った無効電力を前記電力変換器から前記交流電源へ出力する無効電力制御モードと、
   を切換え可能に構成されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第１の変圧器と前記第２の変圧器とは独立して設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１の変圧器と前記第２の変圧器とは１次巻線を共用している
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記１次巻線の容量は、前記第１の変圧器の２次巻線と前記第２の変圧器の２次巻線のうち大きい方の容量に合わせられている
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記コンバータはダイオードコンバータであり、
   前記コンバータと前記インバータとはコンデンサを介して接続され、
   前記制御装置は、前記無効電力制御モードでは、前記コンデンサに印加される電圧が前記コンバータの無負荷直流電圧以上の電圧になるように前記インバータを制御する
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記制御装置は、前記電動機駆動モードから前記無効電力制御モードへの切換え時、前記第１の開閉器を開いた後に前記第２の開閉器を閉じる
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記電力変換装置は、前記交流電源と前記第２の変圧器との間に設けられた第３の開閉器をさらに備え、
   前記制御装置は、前記電動機駆動モードから前記無効電力制御モードへの切換えでは、前記第２の開閉器を閉じ、前記第３の開閉器を開いた状態で前記インバータを起動し、前記第３の開閉器の電源側と変圧器側の電圧が等しくなったら前記第３の開閉器を閉じる
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。

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