(57)【要約】【課題】交流発電機と電力系統の間に設けた周波数変換装置に余分な電力変換装置を付加せずに交流発電機を始動できるようにして、装置のの大形化や部品数の増加を抑制することにある。【解決手段】ダイオード整流装置１２と直流コンデンサ５と複数のインバータ６で構成した周波数変換装置で交流発電機１の交流を電力系統８へ供給するが、電力系統８から交流発電機１へ始動用電力を供給する際は、一部のインバータ６が交流を直流に変換し、この直流を残余のインバータ６で交流に変換し、この交流を接続スイッチ２１を介して交流発電機１へ供給する。このとき残余のインバータ６と、これに対応している負荷変圧器７との間は開放スイッチ２２で切り離すと共に、該残余の負荷変圧器７の巻線を短絡スイッチ２３で短絡する。このとき前記一部の負荷変圧器７の電圧を加算した値と電力系統８の電圧とを、タップ付適合変圧器２４とタップ切替えスイッチ２５で適合させる。【選択図】        図１
2004364373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を直流電力に変換する第１電力変換装置と，複数の電力変換器で構成して直流電力を所望の電圧と周波数の交流電力に変換しまたはその逆の変換をする第２電力変換装置と，これら第１電力変換装置の直流側と第２電力変換装置の直流側とを結合する直流中間回路に接続した直流コンデンサと，で構成して交流発電機に接続している周波数変換装置と、
前記各電力変換器に別個に接続する変圧器であって、その出力電圧同士が加算となる接続で電力系統に接続されている複数の変圧器と、
前記各変圧器のうちの一部の前記変圧器を、その変圧器が属する電力変換器から切り離すと共に前記電力系統から除外する変圧器除外装置と、
この除外された一部の変圧器に対応している電力変換器を、前記交流発電機に接続する接続スイッチと、
前記交流発電機を前記周波数変換装置から切り離す電源スイッチと、
必要に応じて、残余の前記変圧器の出力電圧同士の加算値と前記電力系統の電圧とを適合させる電圧適合装置と、
を備えることを特徴とする周波数変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の周波数変換装置において、
前記変圧器除外装置は、前記一部の変圧器とそれに属する電力変換器との間を切り離す開放スイッチと、前記一部の変圧器の巻線を短絡する短絡スイッチと、で構成することを特徴とする周波数変換装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の周波数変換装置において、
前記電圧適合装置は、前記各変圧器と電力系統の間に挿入されたタップを設けた適合変圧器と、そのタップを切り換える第１タップ切替器で構成することを特徴とする周波数変換装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の周波数変換装置において、
前記電圧適合装置は、前記残余の変圧器にタップを設け、このタップを切り換える第２タップ切替器で構成することを特徴とする周波数変換装置。
【請求項５】
請求項１に記載の周波数変換装置において、
前記変圧器除外装置は、前記一部の変圧器とそれに属する電力変換器との間を切り離す開放スイッチと、前記一部の変圧器の巻線と前記の残余変圧器の巻線を結合する結合スイッチで構成することを特徴とする周波数変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流発電機からの交流電力を電力系統へ供給し、または電力系統からの交流電力で前記交流発電機を始動させることができる周波数変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は交流発電機から電力系統へ交流電力を供給しまたは電力系統を電源にして交流発電機を始動させる周波数変換装置の一般的な構成を示した主回路接続図である。この図６において、交流発電機１が発生する交流電力は、電源遮断器４と電源変圧器２を介して第１電力変換装置３へ与えられて直流電力に変換される。この直流電力は第２電力変換装置６で所望の電圧と周波数の交流電力に変換された後、負荷変圧器７と負荷遮断器９を経て電力系統８へ供給される。ここで第１電力変換装置３の直流側と第２電力変換装置６の直流側とを結合している直流中間回路には直流コンデンサ５が接続されており、これら第１電力変換装置３と直流コンデンサ５と第２電力変換装置６とで周波数変換装置を形成している。
【０００３】
第１電力変換装置３を、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの半導体スイッチ素子とダイオードとの逆並列接続でなるスイッチング素子のブリッジ接続で構成するならば、パルス幅変調制御などによりこれらスイッチング素子のオン・オフを順次に制御することで、交流電力を直流電力に変換することができる。第２電力変換装置６も第１電力変換装置３と同様にスイッチング素子のブリッジ接続で構成していて、これらを同じくパルス幅変調制御することにより、直流電力を所望の電圧と周波数の交流電力に変換することができる。この周波数変換装置は、前述したようにスイッチング素子が構成要素になっているから、前述とは逆の動作，すなわち電力系統８からの交流電力を第２電力変換装置６で直流電力に変換し、この直流電力を第１電力変換装置３で交流電力に変換することもできるから、電力系統８からの交流電力で交流発電機１を始動させることが可能である。
【０００４】
ところで周波数変換装置の容量は、交流発電機１と同じ容量が必要である。従って交流発電機１の容量が増大すると、それに伴って当該周波数変換装置の容量も大きくしなければならないが、半導体スイッチ素子の容量には限界があるから、周波数変換装置の容量を増大させたい場合は、複数組の電力変換装置を使用することになる。
図７は複数の電力変換装置により交流発電機の容量増大に対応している周波数変換装置の第１従来例を示した主回路接続図である。
２つの電力系統のうちの一方に複数の第１電力変換装置を設置し、これで変換した直流電力を直流コンデンサを介して複数の第２電力変換装置へ与えることにより、複数の当該第２電力変換装置は、これで変換された交流電力を他方の電力系統へ供給することになるから、２つの電力系統間に電圧差や位相差があっても、両電力系統を連係することができる周波数変換装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
前記の特許文献１は、２つの電力系統の間に周波数変換装置を設置した場合であるが、いずれか一方の電力系統を交流発電機に置換すれば本発明の回路構成が得られる。この第１従来例回路では、交流発電機１，電源遮断器４，直流コンデンサ５，電力系統８および負荷遮断器９の名称・用途・機能は、図６で既述の一般例回路と同じである。しかし第１電力変換装置として３組のコンバータ３Ａ，３Ｂ，３Ｃを使用し、第２電力変換装置として３組のインバータ６Ａ，６Ｂ，６Ｃを使用していることと、これらに対応して３台の電源変圧器２Ａ，２Ｂ，２Ｃと３台の負荷変圧器７Ａ，７Ｂ，７Ｃを使用していることと、負荷遮断器９と電力系統８との間に適合変圧器１１を挿入していることが、図６で既述の一般例回路とは異なっている。なお、３台の電源変圧器２Ａ，２Ｂ，２Ｃの一次側巻線同士は直列に接続して、各電源変圧器が交流発電機１の電圧の３分の１ずつを分担し、３台の負荷変圧器７Ａ，７Ｂ，７Ｃも同様に二次側巻線を直列に接続して、各負荷変圧器が合計した出力電圧の３分の１ずつを分担しており、各負荷変圧器の合計出力電圧と電力系統８の電圧とを適合させるために適合変圧器１１を挿入している。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−３２２２６０号公報（図１２，図１３）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述した図７の第１従来例回路は、図６の一般例回路と同様に、交流発電機１の発生電力を電力系統８へ送るために、３組のコンバータ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの合計容量と３組のインバータ６Ａ，６Ｂ，６Ｃの合計容量は、交流発電機１と同等またはそれ以上の容量であることが必要である。ところで３組のコンバータ３Ａ，３Ｂ，３Ｃは交流電力を直流電力に変換する整流器としての役割が主であることから、高価であって制御回路を備える必要があるスイッチング素子で構成する代わりにダイオードを使用すれば、回路構成を簡単にすることができる。更に、ダイオードの単体容量はスイッチング素子のそれよりも大幅に大きいことから、３組のコンバータ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの合計容量を１組のダイオード整流装置で賄うことも可能になるから、主回路構成を簡略化できて装置全体の小形化も可能になるし、価格も低下できる。しかしながら第１電力変換装置をダイオードで構成すると、逆変換動作ができないために、電力系統８からの交流電力で交流発電機１を始動させることができないという不具合がある。
【０００８】
図８は第１電力変換装置にダイオード整流装置を使用しても交流発電機を始動できる周波数変換装置の第２従来例を示した主回路接続図であって、この第２従来例回路が図７で既述の第１従来例回路と異なっているところは、３台の電源変圧器２Ａ，２Ｂ，２Ｃを１台の電源変圧器２に統合し、３組のコンバータ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの代わりに１組のダイオード整流装置１２を設置し、更に交流発電機１と直流コンデンサ５との間に、スイッチング素子で構成して交流発電機１を始動できる程度の小容量の始動用インバータ１３と始動用遮断器１４を備えることであり、これ以外は図７で既述の第１従来例と同じであるから、同じ部分の説明は省略する。
【０００９】
ところで図８に図示の第２従来例回路は、ダイオード整流装置１２の採用により３組のインバータを使用する第１従来例回路よりも小形化できるし、主回路構成の簡素化や部品点数の低減もできるのであるが、それでも交流発電機１を始動させるためだけに始動用インバータ１３を別途に設置しなければならないので、装置の使用効率が良くないし、始動用インバータ１３を設置することは、大幅な部品点数の削減を阻害し、装置を小形化できない欠点を有している。
そこでこの発明の目的は、交流発電機と電力系統の間に設けた周波数変換装置に余分な電力変換装置を付加せずに交流発電機を始動できるようにして、装置のの大形化や部品数の増加を抑制することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明の周波数変換装置は、
交流電力を直流電力に変換する第１電力変換装置と，複数の電力変換器で構成して直流電力を所望の電圧と周波数の交流電力に変換しまたはその逆の変換をする第２電力変換装置と，これら第１電力変換装置の直流側と第２電力変換装置の直流側とを結合する直流中間回路に接続した直流コンデンサと，で構成して交流発電機に接続している周波数変換装置と、前記各電力変換器に別個に接続する変圧器であって、その出力電圧同士が加算となる接続で電力系統に接続されている複数の変圧器と、前記各変圧器のうちの一部の前記変圧器を、その変圧器が属する電力変換器から切り離すと共に前記電力系統から除外する変圧器除外装置と、この除外された一部の変圧器に対応している電力変換器を、前記交流発電機に接続する接続スイッチと、前記交流発電機を前記周波数変換装置から切り離す電源スイッチと、必要に応じて、残余の前記変圧器の出力電圧同士の加算値と前記電力系統の電圧とを適合させる電圧適合装置と、を備える。
【００１１】
前記変圧器除外装置は、前記一部の変圧器とそれに属する電力変換器との間を切り離す開放スイッチと、前記一部の変圧器の巻線を短絡する短絡スイッチと、で構成する。
前記電圧適合装置は、前記各変圧器と電力系統の間に挿入されたタップを設けた適合変圧器と、そのタップを切り換える第１タップ切替器で構成する。
前記電圧適合装置は、前記残余の変圧器にタップを設け、このタップを切り換える第２タップ切替器で構成する。
前記変圧器除外装置は、前記一部の変圧器とそれに属する電力変換器との間を切り離す開放スイッチと、前記一部の変圧器の巻線と前記の残余変圧器の巻線を結合する結合スイッチで構成する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施例を表した主回路接続図である。この第１実施例回路では、交流発電機１からの交流電力は１組のダイオード整流装置１２で直流電力に変換し、この直流電力を３組のインバータ６Ａ，６Ｂ，６Ｃで交流電力に変換した後に、変換後の交流電力を３台の負荷変圧器７Ａ，７Ｂ，７Ｃを使って電力系統８へ供給するのは、図８で既述の第２従来例回路の場合と同じである。
しかしながらこの第１実施例回路では、電力系統８からの交流電力で交流発電機１を始動する際は、一部の負荷変圧器として３台のうちの２台の負荷変圧器７Ａ，７Ｂと、一部のインバータとしての３組のうちの２組のインバータ６Ａ，６Ｂが、電力系統８からの交流電力を直流電力に変換する役割を有し、この直流電力を直流コンデンサ５へ出力する。残余のインバータとしてのインバータ６Ｃはこの直流電力を入力し、交流発電機１を始動させるのに適した電圧と周波数の交流電力に変換する役割を有する。
【００１３】
従って第２従来例回路に図示の始動用インバータ１３を別途に設置しなくても、交流発電機１を始動させることができるのであるが、そのために、インバータ６Ｃが出力する交流電力を交流発電機１へ供給する回路を開閉するための接続スイッチ２１と、インバータ６Ｃと負荷変圧器７Ｃとの接続を開閉するための開放スイッチ２２と、負荷変圧器７Ｃを回路から切り離すためにその一方の巻線を短絡する短絡スイッチ２３と、各負荷変圧器と電力系統８との電圧を適合させるために両者間に設けたタップ付適合変圧器２４およびこれのタップを切り換えるタップ切替えスイッチ２５とを備えている。
【００１４】
図１の第１実施例回路をこのように構成することで、交流発電機１から電力系統８へ交流電力を送出する場合は、電源遮断器４と開放スイッチ２２をオンにし、且つ接続スイッチ２１と短絡スイッチ２３をオフにすると共に、タップ切替えスイッチ２５は３台の負荷変圧器７Ａ，７Ｂ，７Ｃの電圧が直列に加算された場合の電圧に適したタップを選択する。これで当該周波数変換装置は前述の動作をすることができる。
また、電力系統８からの交流電力で交流発電機１を始動させる場合は、電源遮断器４と開放スイッチ２２はオフにすると共に、接続スイッチ２１と短絡スイッチ２３をオンにする。このときタップ付適合変圧器２４は２台の負荷変圧器７Ａ，７Ｂへ電力を供給するが、負荷変圧器７Ｃは除外されるから、タップ切替えスイッチ２５は、２台の負荷変圧器の巻線が直列接続された場合の電圧に適合したタップを選択する。
【００１５】
なお図示は省略しているが、負荷変圧器７Ａ，７Ｂの巻線にタップを設けると共に、このタップを切り換える装置を備えるならば、２台の負荷変圧器を使用する場合（すなわち交流発電機１を始動する場合）の電圧と、３台の負荷変圧器を使用する場合（すなわち交流発電機１が電力を送出する場合）の電圧を、これらのタップを切り換えることで同じ値にすることができるから、タップ切替えスイッチ２５を省略できるし、更にタップが付属している適合変圧器２４を省略することも可能になる。
図２は図１で既述の第１実施例回路における開放スイッチと短絡スイッチの部分を三線で表した部分回路図である。この図２において、負荷変圧器７Ｃのインバータ６Ｃ側の巻線はスター接続にしているが、短絡スイッチ２３はこの巻線を短絡する。負荷変圧器７Ｃの他方の巻線が例えばデルタ接続であるならば、他の負荷変圧器７Ａ，７Ｂの巻線と直列に接続にした状態でデルタ接続が形成されるように接続がなされるのであるが、この部分の図示は省略している。
【００１６】
図３は本発明の第２実施例を表した主回路接続図であるが、この第２実施例回路も、電力系統８からの交流電力を一部の負荷変圧器としての２台の負荷変圧器７Ａ，７Ｂと一部のインバータとしての２組のインバータ６Ａ，６Ｂで直流電力に変換して直流コンデンサ５へ出力する。この直流電力は残余のインバータとしてのインバータ６Ｃで交流電力に変換して交流発電機１を始動させるのは、図１で既述の第１実施例回路の場合と同じである。しかしこの第２実施例回路では、残余の負荷変圧器としての負荷変圧器７Ｃを、連絡スイッチ３１で負荷変圧器７Ｂに接続することと、タップ付適合変圧器２４とタップ切替えスイッチ２５を省略しているところが、第１実施例回路とは異なっている。
【００１７】
すなわち電力系統８からの交流電力で交流発電機１を始動させる際は、開放スイッチ２２がオフになって、インバータ６Ｃは負荷変圧器７Ｃから切り離されるが、負荷変圧器７Ｂのインバータ側巻線と負荷変圧器７Ｃのインバータ側巻線は連絡スイッチ３１で接続されるから、３台の負荷変圧器７Ａ，７Ｂ，７Ｃの電力系統８側の電圧加算値は変わらない。従って３台の負荷変圧器と電力系統８との間に電圧を適合させるための変圧器を挿入する必要はない。
図４は図３で既述の第２実施例回路における開放スイッチと連絡スイッチの部分を三線で表した部分回路図である。この図４において、負荷変圧器７Ｂと７Ｃのインバータ側の巻線はスター接続にしているが、連絡スイッチ３１はこの巻線同士を接続する。負荷変圧器７Ｂと７Ｃの他方の巻線が例えばデルタ接続であるならば、他の負荷変圧器７Ａの巻線と直列に接続にした状態でデルタ接続が形成されるように接続がなされるのであるが、この部分の図示は省略している。
【００１８】
図５は本発明の第３実施例を表した主回路接続図である。この第３実施例回路は、３台の負荷変圧器７Ａ，７Ｂ，７Ｃの電圧加算値と電力系統８の電圧とが異なる場合に、適合変圧器１１を両者間に挿入して電圧の適合を図るところが図３で既述の第２実施例回路とは異なるが、これ以外はすべて同じであるから、この第３実施例回路の説明は省略する。
【００１９】
【発明の効果】
交流発電機からの交流電力を周波数変換装置を介して電力系統へ供給すると共に、電力系統からの交流電力で交流発電機を始動できるようにするためには、従来はこの交流発電機を始動させるためだけの電力変換装置を、周波数変換装置に別途に付加していたので、装置の回路構成が複雑になるし、装置全体も大形化してしまう不都合があった。
これに対して本発明では、周波数変換装置を構成する第２電力変換装置としての複数のインバータのうちで、一部のインバータには電力系統からの交流電力を直流電力に変換する動作をさせると共に、残余のインバータにはこの直流電力を所望の電圧と周波数の交流電力に変換する動作をさせ、これにより得られた交流電力で交流発電機を始動させるように、回路の接続と開放が行えるスイッチを備えている。
【００２０】
このような回路構成にすることで、交流発電機を始動させるときにのみ使用していた始動用インバータを省略することができるので、主回路構成が簡素化されるし、部品点数も削減できて装置が小形化できる効果が得られる。更に、装置の使用効率が向上するなどの効果も合わせて得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を表した主回路接続図
【図２】図１で既述の第１実施例回路における開放スイッチと短絡スイッチの部分を三線で表した部分回路図
【図３】本発明の第２実施例を表した主回路接続図
【図４】図３で既述の第２実施例回路における開放スイッチと連絡スイッチの部分を三線で表した部分回路図
【図５】本発明の第３実施例を表した主回路接続図
【図６】交流発電機から電力系統へ交流電力を供給しまたは電力系統を電源にして交流発電機を始動させる周波数変換装置の一般的な構成を示した主回路接続図
【図７】複数の電力変換装置により交流発電機の容量増大に対応している周波数変換装置の第１従来例を示した主回路接続図
【図８】第１電力変換装置にダイオード整流装置を使用しても交流発電機を始動できる周波数変換装置の第２従来例を示した主回路接続図
【符号の説明】
１                    交流発電機
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ  電源変圧器
３                    第１電力変換装置
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ      第１電力変換装置としてのコンバータ
４                    電源遮断器
５                    直流コンデンサ
６                    第２電力変換装置
６Ａ，６Ｂ，６Ｃ      第２電力変換装置としてのインバータ
７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ  負荷変圧器
８                    電力系統
９                    負荷遮断器
１１                    適合変圧器
１２                    ダイオード整流装置
１３                    始動用インバータ
１４                    始動用遮断器
２１                    接続スイッチ
２２                    開放スイッチ
２３                    短絡スイッチ
２４                    タップ付適合変圧器
３１                    連絡スイッチ
【図１】
2004364373.tif 000003
【図２】
2004364373.tif 000004
【図３】
2004364373.tif 000005
【図４】
2004364373.tif 000006
【図５】
2004364373.tif 000007
【図６】
2004364373.tif 000008
【図７】
2004364373.tif 000009
【図８】
2004364373.tif 000010