JP2011030365A - 電力変換装置，電力変換方法及び電力変換装置の初期充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置において初期充電の効率の向上を可能とすることにある。
【解決手段】交流電源から主トランスの一部をなす前記電源側の巻線を介して、前記巻線を介しての位相を補正し、電力変換装置の平滑コンデンサに初期充電し、前記主トランスの一部をなす前記電源側の巻線を介して、前記電力変換ユニットで可変周波数に変換するように構成した。
【効果】本発明では、初期充電において、トランスのリアクタンス成分での電圧と電流の位相のずれによって生じる力率の低下を防止して、初期充電の効率を向上することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置，電力変換方法及び電力変換装置の初期充電方法に関する。

この電力変換装置は一般に交流電源を直流に整え平滑コンデンサで平滑してから所定の周波数に変換するものである。平滑コンデンサは投入前に初期充電されている必要がある。充電しない状態で投入すると交流電源を平滑コンデンサで短絡することになり、過電流が発生して機器の破損を招く恐れがあるからである。この初期充電は、一般的に、電流制限用の抵抗器等を利用して電圧を印加することで充電電流を抑制して平滑コンデンサに充電を行う。平滑コンデンサに十分な電圧が印加されると通常運転が可能となる。この過電流による機器の破損を防ぐための初期充電においては、トランスを介して交流電源から平滑コンデンサに電流を供給する技術が知られている。この技術は例えば、特開２００２−３４５２５８号公報に記載されている。

特開２００２−３４５２５８号公報

上記背景技術では、初期充電回路にトランスを利用していたのでトランスのリアクタンス成分によって交流回路部分の電圧と電流の位相にずれが生じ、力率が低下するために無効電流が発生していた。この無効電流により初期充電回路での電圧降下が増大し、初期充電電圧が不足することや初期充電回路に必要とされる電源及び部品容量が大きくなり、コスト負担が増加するという問題があった。

本発明の目的は、初期充電の効率を向上が可能な、電力変換装置，電力変換方法及び電力変換装置の初期充電方法を提供することにある。

上記目的を速成するために、本発明では、交流電源からトランスを介して、位相を補正し、電力変換装置の平滑コンデンサに初期充電するように構成した。

本発明では、初期充電において、トランスのリアクタンス成分での電圧と電流の位相のずれによって生じる力率の低下を防止して、初期充電の効率を向上することができる。

本発明の一実施例を示す構成図である。 ２レベルインバータユニットの一例構成図である。 ３レベルインバータユニットの一例構成図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 図４の実施例におけるインバータユニットの一例構成図である。 図４の実施例におけるインバータユニットの一例構成図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。

図１に全体構成を示し、図２及び図３にインバータユニットの一例として、それぞれ３相２レベルインバータユニット，３相３レベルインバータユニットを示す。

図１においては主電源（商用交流電源）１，主開閉器１１，コンタクタ１０，進相コンデンサ８，電流制限抵抗器９，トランス３，３相のインバータユニット４，３相交流電動機１３から構成されている。

図２の３相２レベルインバータユニットは、３相全波ダイオード整流器５，平滑コンデンサ７，ＰＷＭインバータ回路６で構成されており、入力された３相交流電圧１５を３相の可変周波数電圧１６として出力する。まず最初に３相全波ダイオード整流器５によって３相交流電圧１５が整流され、直流電圧１４に変換される。直流電圧１４は平滑コンデンサ７によって平滑された後、ＰＷＭインバータ回路６により２レベルの３相の可変周波数電圧１６に変換され、３相交流電動機１３を駆動する。

図３の３相３レベルインバータユニットはＰＷＭコンバータ回路１７，平滑コンデンサ７，ＰＷＭインバータ回路６で構成されている。まずＰＷＭコンバータ回路１７によって３相交流電圧１５が整流され、直流電圧１４に変換される。直流電圧１４は平滑コンデンサ７によって平滑された後、ＰＷＭインバータ回路６により３レベルの３相の可変周波数電圧１６に変換され、３相交流電動機１３を駆動する。

このような３相インバータユニットにおいて、平滑コンデンサ７は主開閉器１１の投入前に初期充電されている必要がある。充電しない状態で主開閉器１１を投入すると主電源（商用電源）１を平滑コンデンサ７で短絡することになり、過電流が発生して機器の破損を招く恐れがある。図１の構成例では、主開閉器１１の投入前にコンタクタ１０を投入し、電流制限用の電流制限抵抗器９を通じて電圧を印加することで充電電流を抑制して平滑コンデンサ７に初期充電を行う。平滑コンデンサ７及び電流制限抵抗器９で決まる時定数の数倍の時間が経過した後は平滑コンデンサ７には十分な電圧が印加されており、その後はコンタクタ１０を遮断して主開閉器１１を投入することで通常運転となる。このように初期充電を行うことで過電流による機器の破損を防ぐことが可能となる。

初期充電はコンタクタ１０がＯＮとなった際に初期充電用電源２によって行われ、電流制限抵抗器９で制限された電流が平滑コンデンサ７を充電する。初期充電回路に流れる電流はトランス３の励磁電流（無効電流）も含まれるが、この電流は進相コンデンサ８による逆位相の無効電流によって打ち消されるため、初期充電回路に発生する無効電力の総和は減少している。この結果、初期充電回路の容量を無効電力の減少分だけ低減することが可能となる。回路容量が低減されることで回路が小型となるため、実装が容易となり、コストも低減できる。

トランスのリアクタンス成分によって交流回路部分の電圧と電流の位相にずれが生じ、力率が低下するために無効電流が発生しており、初期充電回路での電圧降下が増大し、初期充電電圧が不足することや初期充電回路に必要とされる電源及び部品容量が大きくなるという問題があり、使用率の低い回路でありながら装置が大型化し、実装が困難かつコスト負担が増加していたが、進相コンデンサ８を設けることにより、小型，軽量，低コストで、電力効率が改善できる。

図４に多重インバータ装置の構成例を、図５及び図６にそれぞれ一般的な単相２レベルセルユット，単相３レベルセルユニットを示す。多重インバータ装置は、単相セルユニットを直列に多段接続する構成となっており、この構成によって単体のセルユニットよりも高電圧の出力を可能とするものである。

多重インバータ装置においても、平滑コンデンサに初期充電を必要とすることは図１に示すインバータ回路と同様である。初期充電を行わずに主開閉器１１をオンすると、各セルユニット内の平滑コンデンサ７に過大な電流が流れ、素子・部品を破損する可能性がある。

多重インバータ装置での初期充電動作を説明する。まずコンタクタ１０をオンし、トランス３の２次巻線からそれぞれのセルユニットに３相交流電圧１５を供給する。セルユニット内の３相全波ダイオード整流器（整流回路）５によって３相交流電圧１５は直流電圧１４に変換され、この直流電圧１４が平滑コンデンサ７を充電する。このとき、電流制限用の電流制限抵抗器９によって平滑コンデンサ７に流れる電流が制限されるため、機器を破損することなく充電を行うことができる。図４では進相コンデンサ８はトランス３の１次側においてデルタ結線となっているが、スター結線でも本発明の効果は得られる。またトランス３の２次側巻線がスター巻線や千鳥巻線となり、他の２次側巻線と位相差がある構成でも同様に本初期充電方式は適用可能である。

各セルユニットの平滑コンデンサ７を充電後、コンタクタ１０をＯＦＦし、主開閉器１１をＯＮすることでインバータ装置の運転を開始する。平滑コンデンサ７によって平滑された直流電圧１４はＰＷＭインバータ回路（変換回路）６により任意の可変周波数電圧に変換される。このようにして変換された出力電圧を直列接続加算した３相の可変周波数電圧１６が出力され、３相交流電動機１３を駆動する。なお、進相コンデンサ８に代えて力率改善回路を用いても良い。力率改善回路では電流・電圧を検出して、予めこの所定の力率となるように位相を自動的に調整する。また、進相コンデンサ８として可変コンデンサを用いても良い。これによって、位相の調整が可能となる。同様に、進相コンデンサ８をいくつか並列に接続し、これらを選択できるように各々にスイッチを設けても良い。

以上のように、初期充電回路内に力率改善用設備を設けることでトランスのリアクタンス成分によって発生する無効電流を打ち消し、力率を改善した回路構成とすることで、初期充電回路に使用される電源、素子等の部品容量を低減し、部品コスト削減及び、回路部品を小型化することが可能となる。

１ 主電源
２ 初期充電用電源
３ トランス
４ インバータユニット
５ ３相全波ダイオード整流器
６ ＰＷＭインバータ回路
７ 平滑コンデンサ
８ 進相コンデンサ
９ 電流制限抵抗器
１０ コンタクタ
１１ 主開閉器
１３ ３相交流電動機
１４ 直流電圧
１５ ３相交流電圧
１６ 可変周波数電圧
１７ ＰＷＭコンバータ回路
３０〜３８ 単相セルユニット

Claims (6)

1. 交流電源から所定の可変周波数電圧を生成する電力変換装置において、平滑コンデンサと、主トランスを有し、初期充電として前記平滑コンデンサに印加するよう前記トランスと交流電源とを接続し、前記トランスによる前記初期充電の位相を補正する位相補正手段を有することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置において、前記位相補正手段は、進相コンデンサで構成されることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２記載の電力変換装置において、前記進相コンデンサは、前記交流電源と前記トランスの間で回路を構成して接続されることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項２記載の電力変換装置において、前記交流電源と前記トランスは３つの線で接続され、前記３つの線のうちの２つの線を組として、３組のそれぞれで進相コンデンサが設けられることを特徴とする電力変換装置。
5. 交流電源からトランスを介して、平滑コンデンサに初期充電する電力変換方法であって、前記トランスを介しての位相を補正して、初期充電を行い、前記交流電源あるいはそれと異なる交流電源からの電力を電力変換装置のユニットで可変周波数に変換する電力変換方法。
6. 交流電圧を直流電圧に変換し平滑コンデンサで平滑された電圧を所定の可変周波数電圧に変換する方法であって、交流電源にトランスを接続し、前記トランスを介しての位相を補正し、前記平滑コンデンサに印加して初期充電をする電力変換装置の初期充電方法。

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