自励式無効電力補償装置

【課題】単相電圧型コンバータをカスケード接続した自励式無効電力補償装置において、初期電源を投入した際に単相電圧型コンバータのコンデンサに流れる突入電流を抑制するために必要な充電抵抗を短絡するために必要な電磁接触器を、少ない回路構成を追加することで減らす。
【解決手段】電磁接触器の代わりに単相電圧型コンバータの上アームに充電抵抗と、それに並列にＩＧＢＴを取り付ける。電圧検出器は前記コンデンサの充電電圧を検出し、ある一定の時間が通過したら前記ＩＧＢＴをＯＮし、ＯＮ状態は自己保持される。単相電圧型コンバータのコンデンサからエネルギーを取り出す場合は前記ＩＧＢＴの還流ダイオードを前記コンデンサの放電電流が通る。前記コンデンサを充電する場合は前記ＩＧＢＴを介して前記コンデンサを充電する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無効電力を連続的に制御できる自励式無効電力補償装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図２を用いて従来技術を説明する。三相交流電源系統２００のそれぞれに本装置である自励式無効電力補償装置を接続するための電磁接触器１０３が接続されている。電磁接触器１０３のもう一端には充電抵抗５と、該充電抵抗５に並列に電磁接触器１０４が接続されている。充電抵抗５のもう一端にはインダクタ９が接続されている。インダクタ９のもう一端にはスター結線で任意数個カスケード接続された単相電圧型ＰＷＭコンバータ１が接続されている。単相電圧型ＰＷＭコンバータ１は図４に示すようになっており、還流ダイオード付きの半導体スイッチが４つフルブリッジ回路を成しており、半導体スイッチに並列に接続された還流ダイオード１２のカソード側にコンデンサ７の正極が接続され、半導体スイッチに並列に接続された還流ダイオード１４のアノード側にコンデンサ７の負極が接続されている構成となっている。
【０００３】
［非特許文献１］によれば、図４に示される単相電圧型ＰＷＭコンバータ１は該単相電圧型ＰＷＭコンバータ１を構成する４つの半導体スイッチのオン・オフを制御することによって、コンデンサ７の電圧およびコンデンサ７の逆極性の電圧および零電圧を出力することができる。
【０００４】
[非特許文献１]における従来技術の自励式無効電力補償装置は、図２のような構成にすることによって、出力電圧がマルチレベル化することで三相交流電源系統２００の電流の高調波成分が非常に少ない良好な波形を得ることができる。三相交流電源系統２００の無効電力は，電圧変動や安定性低下の原因となるので、従来技術の自励式無効電力補償装置を用いることで、三相交流電源系統２００の無効電力を制御し、良好な配電系統電圧を得ることが可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】吉井剣・井上重徳・赤木泰文：「６．６ｋＶトランスレス・カスケードＰＷＭＳＴＡＴＣＯＭ −三相２００Ｖ１０ｋＶＡミニモデルによる動作検証―」、電学論Ｄ１２７巻８号２００７年ｐ７８１〜ｐ７８８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術では、本自励式無効電力補償装置を三相交流電源系統２００に接続した際に、図２を構成する単相電圧型ＰＷＭコンバータ１を構成するコンデンサ７の群に突入電流が流れるのを防止するために、充電抵抗５を具備する必要があった。従来技術では、単相電圧型ＰＷＭコンバータ１群を構成する半導体スイッチをすべてＯＦＦにし、電磁接触器１０３をＯＮにする。コンデンサ７群を流れる突入電流は充電抵抗５によって抑制され、コンデンサ７群が十分充電されたのち、電磁接触器１０４をＯＮするというシーケンスが必要であった。このシーケンスは外部にＣＰＵを設けて制御をしなければならないという煩雑な手間があった。よって、大型な電磁接触器１０４を安価な手間で省略し、かつＣＰＵによる制御によって充電抵抗５を短絡する手間を省略したいという要望があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、単相フルブリッジコンバータが三相スター結線で任意数個カスケード接続されて構成された電力変換器の、前記三相スター結線の各相それぞれにおける任意数個のうちのひとつの前記半導体スイッチ群において、上アームの還流ダイオード１２のカソードにコンデンサ１０１の正極が接続され、前記コンデンサ１０１の負極に抵抗５が接続され、該抵抗５のもう一端に前記還流ダイオード１４のアノードに接続され、前記抵抗５に並列に、コレクタが前記コンデンサ１０１の負極に接続されるように還流ダイオード付きＩＧＢＴ６が接続され、前記コンデンサ１０１の正極と該コンデンサ１０１の負極が入力され前記コンデンサ１０１の両端の電圧にあるゲインを掛けた電圧を出力する電圧検出器１０が接続され、該電圧検出器１０の出力にダイオード３１のアノードが接続され、該ダイオード３１のカソードにＮＰＮ型トランジスタ４１のベースとダイオード３２カソードが接続され、前記ＮＰＮ型トランジスタ４１のエミッタに抵抗２３が接続され、該抵抗２３のもう一端に前記コンデンサ１０１の負極が接続され、前記ＮＰＮ型トランジスタ４１のコレクタにＰＮＰ型トランジスタ４２のベースが接続され、該ＰＮＰ型トランジスタ４２のエミッタと前記コンデンサ１０１の正極との間に抵抗２５が接続され、前記ダイオード３２のアノードに前記ＰＮＰ型トランジスタ４２のコレクタが接続され、一次側と二次側が絶縁されており一次側に発光ダイオードが搭載されていて前記一次側の発光ダイオードのアノードに前記ＰＮＰ型トランジスタ４２のコレクタが接続され、コンデンサ１０１の負極が前記発光ダイオードのカソードに接続され、二次側に受光素子が搭載されていて該受光素子が半導体スイッチとなっているオプトカプラが接続され、該半導体スイッチの上段には前記コンデンサ１０１が接続されて、該半導体スイッチの下段には前記半導体スイッチのＯＮおよびＯＦＦ状態に応じて前記ＩＧＢＴ６を駆動するための電圧を出力するゲートアンプ２６が接続され、該ゲートアンプ２６の出力が前記ＩＧＢＴ６のゲートに接続されている回路を具備することである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明を具備することによって、電磁接触器よりも小型なＩＧＢＴで充電抵抗５を従来技術の性能をそれほど損ねることなく、安価な部品を追加することによって、さらにＣＰＵの制御を介さずに実現することが可能である点である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図３の一部である本発明の構成の説明図である。（実施例１）
【図２】従来技術を説明した図である。
【図３】本発明の構成の全体を説明した図である。
【図４】従来技術および本発明の構成の一部を説明した図である。
【図５】本発明の詳細な回路構成一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
自励式無効電力補償装置において、大型な電磁接触器を安価な手間で省略し、かつＣＰＵによる制御によって充電抵抗５を短絡する手間を省略するという問題を、本発明を具備することによって、電磁接触器よりも小型なＩＧＢＴ６で充電抵抗５を従来技術の性能をそれほど損ねることなく、安価な部品を追加することによって、さらにＣＰＵの制御を介さずに実現することが可能にした。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明を説明した図である。図１は図３の一部である。従来技術では図２に示すように、自励式無効電力制御装置を電源投入した際に単相電圧型ＰＷＭコンバータ１群が具備するコンデンサ７へ流れる初期充電電流を抑制するための抵抗５が、インダクタ９
と電磁接触器１０３の間に必要であり、さらに該抵抗５を短絡するための電磁接触器１０４が必要であったが、図３に示すように、本発明では、抵抗５は図１に示されるような接続箇所に搭載され、電磁接触器１０４は必要ない。
【００１２】
図１に示す本発明を具備した単相電圧型ＰＷＭコンバータ８は、図３に示すようにスター結線上にカスケード接続された単相電圧型ＰＷＭコンバータ１群の各相のどこかにひとつ搭載されていればよい。
【００１３】
図５は図１の詳細な回路図例である。抵抗５は本発明が電源初期投入された際に、コンデンサ１０１を流れる突入電流を抑制するとともに、コンデンサ１０１の電圧をコンデンサ１０１のキャパシタンスと抵抗５の抵抗値による時定数で徐々に増加させる機能を持つ。抵抗２１と抵抗２２は徐々に増加するコンデンサ１０１の電圧を分圧し、検出する機能を持つ。抵抗２２の両端の電圧がダイオード３１のフォワードドロップ電圧とＮＰＮ型トランジスタ４１のＯＮ電圧を超えた場合、ＮＰＮ型トランジスタ４１がＯＮをし、４１のコレクタに電流が流れるため、ＰＮＰ型トランジスタ４２がＯＮをし、ＰＮＰ型トランジスタ４２のコレクタに流れる電流はダイオード３２を介して、ＮＰＮ型トランジスタ４１をＯＮしつづける。
【００１４】
抵抗２５はＰＮＰ型トランジスタ４２を過電流から保護するためのものである。抵抗２３はＮＰＮ型トランジスタ４１を安定に動作させるために設置されるものである。
【００１５】
オプトカプラ２４は高耐電圧のフォトカプラや高耐電圧フォトＭＯＳリレーを応用することが可能であるが、ここではフォトカプラを一例に説明する。ＰＮＰ型トランジスタ４２がＯＮすると、ＰＮＰ型トランジスタ４２のコレクタを流れる電流はオプトカプラ２４の一次側に入力され、オプトカプラ２４の二次側がＯＮする。オプトカプラ２４のエミッタにはツェナーダイオード２６２のカソードと抵抗２６１の一端が接続され、ツェナーダイオード２６２のアノードと抵抗２６１のもう一端はＩＧＢＴ６のエミッタに接続されている。ＩＧＢＴ６のゲートにツェナーダイオード２６２のカソードが接続されている。ツェナーダイオード２６２の降伏電圧は約１５Ｖほどであり、該ＩＧＢＴ６のゲートを駆動するには十分な電圧を確保するものとする。ここで、オプトカプラ２４の二次側のコレクタとコンデンサ１０１の正極の間に接続された抵抗２４１は、ツェナーダイオードを過電流から保護するために接続される。
【００１６】
抵抗５はコンデンサ１０１を充電する時定数を決定するので、本発明を具備した単相電圧型ＰＷＭコンバータ８群や単相電圧型ＰＷＭコンバータ１群が過電圧で壊れない範囲であれば、抵抗値を調整することでＩＧＢＴ６がいつＯＮするかのタイミングを設計することができる。
【００１７】
また、ダイオード３１を直列に追加したり、抵抗２２の抵抗値を変えたりすることでもＩＧＢＴ６をＯＮするタイミングを設計することができる。これにより、コンデンサ１０１が十分に充電されてからＩＧＢＴ６をＯＮすることが可能である。このため、結果的にＩＧＢＴ６はコンデンサ７が充電されている期間だけＯＦＦし、あとはＯＮを保持し続けることが可能である。
【００１８】
以上のような構成にすると、本発明である自励式無効電力補償装置が電圧を出力し、コンデンサ１０１から電力を取り出す場合にはＩＧＢＴ６の還流ダイオードを電流が流れ、逆にコンデンサ１０１に電力をため込む場合はＯＮ状態を保持されたＩＧＢＴ６を介して電流が流れて、コンデンサ１０１が充電される。これは、本発明が従来技術を損ねずに保持していることに他ならない。
【００１９】
電磁接触器は大型であり、それに比べＩＧＢＴは単相電圧型ＰＷＭコンバータ１を構成するＩＧＢＴと同程度の定格の容量のものを用意すれば良いのであり、小型化することができる。また、ＮＰＮ型トランジスタ４１やＰＮＰ型トランジスタ４２やダイオード３１やダイオード３２などその他の部品は小電圧で駆動されるのでそれほど大きな体積は必要ない。よって、本発明は、従来技術と比較して、従来の機能を損ねることなく小型化装置全体の小型化が期待されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明は、無効電力を連続的に制御できる自励式無効電力補償装置に適用できるものである。
【符号の説明】
【００２１】
１単相電圧型ＰＷＭコンバータ
１０電圧検出器
１１単相電圧型ＰＷＭコンバータを構成する半導体スイッチであり、例えばＩＧＢＴ
１２単相電圧型ＰＷＭコンバータを構成する半導体スイッチであり、例えばＩＧＢＴ
１３単相電圧型ＰＷＭコンバータを構成する半導体スイッチであり、例えばＩＧＢＴ
１４単相電圧型ＰＷＭコンバータを構成する半導体スイッチであり、例えばＩＧＢＴ
２１抵抗
２２抵抗
２３抵抗
２４オプトカプラ
２５抵抗
２６ゲートアンプ
２６１抵抗
２６２ツェナーダイオード
３１ダイオード
３２ダイオード
４１ＮＰＮ型トランジスタ
４２ＰＮＰ型トランジスタ
５充電抵抗
６ＩＧＢＴ
７コンデンサ
８本発明を具備した単相電圧型ＰＷＭコンバータ
９インダクタ
１０１コンデンサ
１０３電磁接触器
１０４電磁接触器
２００三相交流電源系統
３００三相系統負荷

【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流電源系統があって、該三相交流電源系統の三相それぞれにＡ接点で動作する電磁接触器の一端が接続され、それぞれの前記電磁接触器のもう一端にインダクタが接続され、該インダクタのもう一端に、還流ダイオードが並列接続された半導体スイッチが単相フルブリッジ接続された４つの半導体スイッチ群と該半導体スイッチ群の上アームの還流ダイオードのカソード（１２）にコンデンサの正極（７）が接続され、該コンデンサ（７）の負極が前記半導体スイッチ群の下アームの還流ダイオードのアノード（１４）に接続されて構成される単相フルブリッジコンバータが三相スター結線で任意数個カスケード接続されて構成された電力変換器の、前記三相スター結線の各相それぞれにおける任意数個のうちのひとつの前記半導体スイッチ群において、
上アームの還流ダイオード（１２）のカソードにコンデンサ（１０１）の正極が接続され、前記コンデンサ（１０１）の負極に抵抗（５）が接続され、該抵抗（５）のもう一端に前記還流ダイオード（１４）のアノードに接続され、前記抵抗（５）に並列に、コレクタが前記コンデンサ（１０１）の負極に接続されるように還流ダイオード付きＩＧＢＴ（６）が接続され、前記コンデンサ（１０１）の正極と該コンデンサ（１０１）の負極が入力され前記コンデンサ（１０１）の両端の電圧にあるゲインを掛けた電圧を出力する電圧検出器（１０）が接続され、該電圧検出器（１０）の出力にダイオード（３１）のアノードが接続され、該ダイオード（３１）のカソードにＮＰＮ型トランジスタ（４１）のベースとダイオード（３２）カソードが接続され、前記ＮＰＮ型トランジスタ（４１）のエミッタに抵抗（２３）が接続され、該抵抗（２３）のもう一端に前記コンデンサ（１０１）の負極が接続され、前記ＮＰＮ型トランジスタ（４１）のコレクタにＰＮＰ型トランジスタ（４２）のベースが接続され、該ＰＮＰ型トランジスタ（４２）のエミッタと前記コンデンサ（１０１）の正極との間に抵抗（２５）が接続され、前記ダイオード（３２）のアノードに前記ＰＮＰ型トランジスタ（４２）のコレクタが接続され、一次側と二次側が絶縁されており一次側に発光ダイオードが搭載されていて前記一次側の発光ダイオードのアノードに前記ＰＮＰ型トランジスタ（４２）のコレクタが接続され、コンデンサ（１０１）の負極が前記発光ダイオードのカソードに接続され、二次側に受光素子が搭載されていて該受光素子が半導体スイッチとなっているオプトカプラが接続され、該半導体スイッチの上段には前記コンデンサ（１０１）が接続されて、該半導体スイッチの下段には前記半導体スイッチのＯＮおよびＯＦＦ状態に応じて前記ＩＧＢＴ（６）を駆動するための電圧を出力するゲートアンプ（２６）が接続され、該ゲートアンプ（２６）の出力が前記ＩＧＢＴ（６）のゲートに接続されている回路を具備することを特徴とする電力変換器。

【図１】