(57)【要約】【課題】受電電力の最大値を抑制し、受電機器の小型化を図ることを可能とした電力変換装置を提供する。【解決手段】入力に設けられた交流遮断器２を介して交流電圧を直流に変換する整流器コンバータ４と、この整流器コンバータ４の出力電圧を平滑するための直流コンデンサ５と、この平滑された直流電圧を所望の電流パターンに変換してコイル負荷８に給電する電力変換器６と、直流コンデンサ５の初期充電を行うための初期充電手段とで構成し、初期充電手段の初期充電電圧値を、整流器コンバータ４が通常出力する電圧値に所定の回生加算分ΔＶを加えた値より大きくする。【選択図】図１
2008136257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力に設けられた交流遮断器を介して交流電圧を直流に変換する整流器コンバータと、
この整流器コンバータの出力電圧を平滑するための直流コンデンサと、
この平滑された直流電圧を所望の電流パターンに変換してコイル負荷に給電する電力変換器と、
前記直流コンデンサの初期充電を行うための初期充電手段と
を具備し、
前記初期充電手段の初期充電電圧値を、前記整流器コンバータが通常出力する電圧値に所定の回生加算分ΔＶを加えた値より大きくしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記所定の回生加算分ΔＶは、
前記直流コンデンサの容量をＣ、前記コイル負荷のインダクタンスをＬ、前記整流器コンバータの出力電圧をＶo、前記電流パターンの最下値をＩo、前記電流パターンのピーク値から最下値までの変化量をΔＩとしたとき、ΔＶ＝{(Ｌ/Ｃ)×（ΔＩ２＋２×ΔＩ×Ｉo）＋Ｖo２}1/２であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記初期充電手段は、
交流を入力とする低圧遮断器と、
この低圧遮断器に直列に接続された限流抵抗と、
低圧を高圧に昇圧する昇圧変圧器と、
この昇圧変圧器の２次側に接続された初期充電用整流器コンバータと
を具備してなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記初期充電手段は、
可変電圧を得ることが可能なサイリスタコンバータまたは自己消弧型素子を用いた自励コンバータを具備してなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コイル負荷に電力を給電するための電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
所定の周期でコイル負荷に電流を供給する電力変換装置として、自己消弧型半導体素子を用いた自励式コンバータとチョッパを組み合わせた構成が知られている（例えば特許文献１参照。）。この電力変換装置は、コイル負荷側から見れば一定の電圧を発生する電圧源であるので、コイル負荷への供給電流を減少させたときに生ずる回生エネルギーは直流リンク部に蓄電されず交流系統側に回生される。
【０００３】
一方、サイリスタを用いた他励式のサイリスタコンバータとチョッパを用いた電力変換装置において、直流リンク部にコンデンサを持ち、上記の電流減少時の回生エネルギーをこの直流コンデンサに蓄え、このエネルギーを次のサイクルの電流供給のエネルギーとして用いる技術が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
上記の特許文献２に記載されているような電力変換装置においては、入力に通電電流を制御することが可能な他励式コンバータを用いているが、低コスト化あるいは高信頼性化を目的としてこの他励式コンバータを整流器コンバータに置き換えることも可能である。
【０００５】
このように、入力側の交直変換器を整流器コンバータとした場合、初期運転時に交流系統から直流コンデンサに過大な電流が流れることを防止するために、初期充電回路を設け、その初期充電回路で予め直流コンデンサを充電しておくようにする。
【０００６】
このときの初期充電の電圧値Ｖｉは、例えば整流器コンバータの入力電圧Ｖａｃに系統母線の電圧変動１０％増を勘案し、以下のようになる。
【０００７】
Ｖｉ＝Ｖａｃ×１．３５×１１０％＝Ｖｏ×１．１・・・（１）
ただし、Ｖｏは系統母線電圧が定格電圧のときの整流器コンバータの出力電圧である。また、整流器コンバータや配線等による電圧降下は省略している。
【特許文献１】特開平１１−２３３２９８号公報（全体）
【特許文献２】特開平１１−８０９６号公報（全体）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、入力側の交直変換器を整流器コンバータとし、出力側の電力変換器であるチョッパによってコイル負荷に所望のパターンの電流を供給する電力変換装置において、従来のような初期充電装置を設けた場合、その運転自体には問題はないが、運転初期における受電電力が増大し、設備の受電容量が過大となってしまうという問題があった。またこの現象に伴い、受電機器に必要とされる瞬時電力が増大し、受電機器が大型化する恐れもあった。これは、コイル負荷に所定の変化するパターンの電流を供給し、電流減少時の回生電力を直流コンデンサに蓄えて電流の増大時に再びこれを利用する場合に生じる問題である。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するために為されたもので、その目的は、受電電力の最大値を抑制し、受電機器の小型化を図ることを可能とした電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、入力に設けられた交流遮断器を介して交流電圧を直流に変換する整流器コンバータと、この整流器コンバータの出力電圧を平滑するための直流コンデンサと、この平滑された直流電圧を所望の電流パターンに変換してコイル負荷に給電する電力変換器と、前記直流コンデンサの初期充電を行うための初期充電回路とを具備し、前記初期充電回路の初期充電電圧値を、前記整流器コンバータが通常出力する電圧値に所定の回生加算分ΔＶを加えた値より大きくしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、受電電力の最大値を抑制し、受電機器の小型化を図ることを可能とした電力変換装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１３】
以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置を図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明実施例１に係る電力変換装置の回路構成図である。
【００１４】
交流母線１を有する交流系統から、交流遮断器２及び整流器用変圧器３を介し、整流器コンバータ４に交流電力が供給される。整流器コンバータ４は通常、ダイオードをブッリッジ接続して構成するが、この整流器コンバータ４の出力は直流コンデンサ５で平滑されてチョッパ回路６に供給され、チョッパ回路６の出力は直流リアクトル７を介して電磁石コイル８に供給される。チョッパ回路６は、ダイオードを逆並列接続した正側の自己消弧型素子６Ａ、ダイオードを逆並列接続した負側の自己消弧型素子６Ｂ、負側の自己消弧型素子６Ｂの正極から正側の自己消弧型素子６Ａの正極に接続されたダイオード６Ｃ及び負側の自己消弧型素子６Ｂの負極から正側の自己消弧型素子６Ａの負極に接続されたダイオード６Ｃから構成されている。そして、電磁石コイル８に流れる電流を検出する電流検出器９で検出される電流が所望の電流となるように、図示しないチョッパ制御部から自己消弧型素子６Ａ及び自己消弧型素子６Ｂはオンオフ制御されている。尚、チョッパ回路６は、必ずしも図１に示した回路である必要はなく、例えばインバータ回路のような電力変換器を適用しても良い。
【００１５】
一方、低圧商用電源１０から、遮断器１１、限流抵抗１２、昇圧変圧器１３を介して初期充電用整流器コンバータ１４に交流電力が供給される。この初期充電用整流器コンバータ１４もダイオードをブリッジ接続して構成する。そして、初期充電用整流器コンバータ１４の出力は直流コンベンサ５を充電するように接続されている。これらの、遮断器１１、限流抵抗１２、昇圧変圧器１３及び整流器コンバータ１４で構成される回路を初期充電回路と呼称する。この実施例１の初期充電回路は、限流抵抗１２によって初期充電用整流器コンバータ１４の出力電流を制限し、直流コンデンサ５を定電流充電する。そして、充電が完了した時点で遮断器１１を開放する。
【００１６】
上記の構成における動作について、図２を参照して以下に説明する。図２は、図１に示した電力変換装置の動作シミュレーションを行ったときの各部の波形を示したものである。
【００１７】
このシミュレーションは、図２（ａ）に示したように時刻ｔ＝Ｔ０から負荷電流最下値０Ａからのピーク値Ｉｄ＝１．２ｋＡ、周期０．３３ｓの三角波を電磁石コイル８に供給するという条件で行っている。そして、従来との比較が容易なように、直流コンデンサ５への初期充電電圧を、（１）式に従って、Ｖｉ＝１．１×Ｖｏとした場合のシミュレーションを行っている。
【００１８】
図２（ｂ）はこの条件における直流コンデンサ５の両端電圧Ｖｉｎの時間推移を示している。図２（ｂ）に示したようにコンデンサ電圧Ｖｉｎは負荷電流Ｉｌｏａｄが減少するときに上昇する。これは、電磁石コイル８に蓄えられていたエネルギーが直流コンデンサ５に回生移行するためで、その大きさは回路や電磁石コイルの抵抗分による損失を無視すると概略以下となる。
【００１９】
１/２×Ｃ×(Ｖo＋ΔＶ)２−１/２×Ｃ×Ｖo２＝１/２×Ｌ×(Ｉo＋ΔＩ)２−１/２×Ｌ×Ｉo２  ・・・(２)
ΔＶ＝{(Ｌ/Ｃ)×（ΔＩ２＋２×ΔＩ×Ｉo）＋Ｖo２}1/２  ・・・(３)
ここで、Ｌは電磁石コイル８のインダクタンス、Ｃは直流コンデンサ５の容量、Ｖｏは整流器コンバータ４の出力電圧、Ｉoは電流パターンの最下値、ΔＩは電流パターンのピーク値から最下値までの変化量である。尚、この図２（ｂ）においては、系統母線の電圧を定格電圧としているため運転初期時に直流電圧が１．１×ＶｏからＶｏに落ち込んでいるが、系統母線の電圧が１０％増加していればこのような落ち込みはない。
【００２０】
図２（ｃ）に整流器コンバータ４に与えられる有効電力Ｐと無効電力Ｑの時間推移を、また図２（ｄ）に系統交流電流ＩｓｓＲの時間推移を示す。系統交流電流ＩｓｓＲは整流器コンバータ４の入力電流と比例した電流である。
【００２１】
図２（ｃ）及び（ｄ）に示したように、負荷電流通電パターンの２サイクル目及び３サイクル目においては、有効電力Ｐ、無効電力Ｑ及び系統交流電流ＩｓｓＲは、負荷電流が増大してピーク電流Ｉｄとなる近傍でのみ間歇的に繰り返し発生している。そしてその継続期間、大きさ共小さい。これは、定常状態において整流器コンバータ４から供給すべき電流は、電磁石コイル６と直流コンデンサ５の間でエネルギーのやりとりを行う際の損失分を補充するだけの電流あるいは電力のみで良いためである。
【００２２】
これに対し、負荷電流通電パターンの時刻ｔ＝Ｔ０から始まる１サイクル目の系統交流電流ＩｓｓＲは上記の２サイクル及び３サイクル目に比して通電期間が長く、且つ有効電力Ｐ、無効電力Ｑ共その通電期間内でのピーク値が２倍近くに増大している。この理由は、前述したように、直流コンデンサ５の初期充電電圧Ｖｏが通常の電圧であるため、上記（３）式に示したΔＶの電圧を直流コンデンサ５に充電するための電力が１サイクル目において要求されるためである。
【００２３】
従って、図１に示した回路構成において、直流コンデンサ５の初期充電電圧をＶｏではなく、（Ｖｏ＋ΔＶ）と同等、あるいはこれより若干高い値に充電しておけば、１サイクル目の系統交流電流ＩｓｓＲ、有効電力Ｐ及び無効電力Ｑを、２サイクル目以降と同等に小さくすることが可能となる。尚、ここで若干高い値とは、耐圧が問題にならない程度の電圧を意味する。
【００２４】
以上説明したように、初期充電回路の出力電圧を整流器コンバータ４の通常の出力電圧に比べてΔＶと同等、あるいはこれ以上高くしておけば、整流器コンバータ４の受電容量を小さく抑え、且つ小型化を図ることが可能となる。ここで通常の出力電圧とは、回生電力がない場合に整流器コンバータ４が出力する電圧を意味する。
【実施例２】
【００２５】
図２は、本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、初期充電用整流器コンバータ１４に代えてサイリスタコンバータ１４Ａを設けた点である。また、このサイリスタコンバータ１４Ａを用いることによって、入力側の遮断器１１及び限流抵抗１２は不要となる。
【００２６】
サイリスタコンバータ１４Ａの入力電圧を適切に選定し、初期充電時にサイリスタコンバータ１４Ａを位相制御して直流コンデンサ５を定電流で充電し、充電が完了したときサイリスタコンバータ１４Ａをゲートブロックするようにすれば、実施例１の初期充電回路と同等の動作を行うことが可能となる。
【００２７】
また、サイリスタコンバータ１４Ａに代え、自己消弧型素子を用いた自励式コンバータを用いても良い。自励式コンバータを用いれば、入力力率を制御することも可能となる。
【００２８】
尚、以上述べた実施例１及び実施例２において、初期充電回路の充電電流は自由に選定することが可能である。従って、実用に差し支えない範囲で初期充電時間を長くとって充電電流を小さく抑えれば、その受電電力を整流器コンバータ４の受電電力に対して無視できるほど小さくすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図。
【図２】本発明の実施例１に係る電力変換装置のシミュレーション動作説明図。
【図３】本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図。
【符号の説明】
【００３０】
１  交流母線
２  交流遮断器
３  整流器用変圧器
４  整流器コンバータ
５  直流コンデンサ
６  チョッパ回路
６Ａ、６Ｂ  自己消弧型素子
６Ｃ、６Ｄ  ダイオード
７  直流リアクトル
８  電磁石コイル
９  電流検出器
１０  低圧商用電源
１１  遮断器
１２  限流抵抗
１３  昇圧変圧器
１４  初期充電用整流器コンバータ
１４Ａ  サイリスタコンバータ
【図１】
2008136257.tif 000003
【図２】
2008136257.tif 000004
【図３】
2008136257.tif 000005