(57)【要約】【課題】単相回路であっても三相回路であっても簡便な構成で突入電流を抑制する突入電流抑制方法を提供すること。【解決手段】主変圧器１０２を用いて電源１０１の電圧を降圧する回路において適用する突入電流抑制方法であって、整合用変圧器１３４を介して電力変換器１３１を主変圧器１０２と直列接続し、電力変換器１３１を主変圧器１０２の制動抵抗として動作させる。また、電力変換器１３１の動作を停止する際に所定の時間をかけてその出力電圧を減少させる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変圧器を用いて電源電圧を降圧する回路において適用する突入電流抑制方法であって、整合用変圧器を介して電圧形インバータを前記変圧器と直列接続し、当該電圧形インバータを前記変圧器の制動抵抗として動作させることを特徴とする突入電流抑制方法。
【請求項２】
前記電圧形インバータの動作を停止する際に所定の時間をかけて当該電圧形インバータの出力電圧を減少させることを特徴とする請求項１に記載の突入電流抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変圧器の突入電流抑制方法に関し、特に、電圧形インバータを用いた突入電流抑制方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、工場などの電力需要施設では変電所からの電力を引き入れるための受電設備を構内に有している。受電設備には、電圧を下げるための受電端大型変圧器に加えて、電路における地絡事故時や短絡事故時に動作する遮断機などの保護設備が設置されている。また、施設規模が大きく構内に建物が複数ある場合には、受電端大型変圧器の下位に、複数の中型変圧器やそれに付随する遮断器を設けて回路的に独立させている。これにより、ひとつの建物を停電させる場合でも他の施設は十全に電力供給することが可能となっている。
【０００３】
しかしながら、大型変圧器や中型変圧器を無負荷で不用意に電源に接続（投入）すると、定格電流の数十倍の電流、すなわち突入電流が発生することが知られている。受電端大型変圧器の定格電流を超えた突入電流が生じると、第１に、構内回路外側直近に設けられている遮断器が誤作動し、構内総てが停電してしまうという問題点があった。これは、中型変圧器に対して突入電流が生じても起こりうる問題である。
【０００４】
また、構内全体の停電を引き起こさなかった場合であっても、電圧波形が大きく歪み、場合によっては構内の他の建物の機器を含めて誤作動の原因となる場合があった。例えば、総合病院や大学の研究機関など、停止してはいけない機器が動作している施設では、このような誤動作は許されない。
【０００５】
従来では、これらの問題を解決するために、単相回路では電源投入位相を調整する方法が用いられている。また、三相回路では、突入電流抑制抵抗を内蔵した変圧器が知られている（水野和宏ら「励磁突流抑制変圧器の開発」，電気学会静止器研究会資料，ＳＡ−９４−２９，（１９９４））。また、高速電流応答を有するＰＷＭ変換器を変圧器と並列接続し、突入電流を供給することで電源側における電圧瞬時低下などを抑制する方法も知られている（藤原勝次ら「並列形アクティブフィルタを用いた変圧器励磁突入電流補償回路」、平成１０年電気学会全国大会，Ｎｏ．８３０）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では以下の問題点があった。
すなわち、三相回路では、原理的に電源投入位相を調整しても、位相が１２０°ずつ相違している結果、必ず突入電流が生じるという問題点があった。
【０００７】
また、変圧器に抑制抵抗を内蔵させる方式では、抑制抵抗を短絡除去する際に問題となる二次突入を防止できず、防止するためには抵抗値を制限する必要があるという問題点があった。
【０００８】
また、並列形ＰＷＭ変換器を用いる方式ではＰＷＭ変換器自身の容量（Ｖ×Ａ）を大きくする必要があり経済的ではなく実用性が低いという問題点があった。
【０００９】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、単相回路であっても三相回路であっても簡便な構成で突入電流を抑制する突入電流抑制方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の突入電流抑制方法は、変圧器を用いて電源電圧を降圧する回路において適用する突入電流抑制方法であって、整合用変圧器を介して電圧形インバータを前記変圧器と直列接続し、当該電圧形インバータを前記変圧器の制動抵抗として動作させることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載の突入電流抑制方法は、請求項１に記載の突入電流抑制方法において、前記電圧形インバータの動作を停止する際に所定の時間をかけて当該電圧形インバータの出力電圧を減少させることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１の突入電流抑制方法を適用する基本回路構成（単相）を示した図である。図示したように、回路１００は、電源１０１と、主変圧器１０２と、突入電流抑制器１０３とにより構成されている。
【００１３】
突入電流抑制器１０３は、ＰＷＭ変換器である電力変換器１３１と、電力変換器１３１を駆動する直流電源１３２と、電力変換器１３１の出力側に設けたスイッチングリプル抑制用フィフタ（ＬＣフィルタ）１３３と、整合用変圧器１３４と、により構成されている。整合用変圧器は、電圧形インバータを電力系統と接続する際にお互いの電圧・電流定格を合わせるために用いられる変圧器である。図示したように、本発明では突入電流抑制器１０３を、整合用変圧器１３４を介して電源１０１と直列接続させている。
【００１４】
なお、直流電源１３２は、図示を省略するが、その直近にコンデンサを配し、予め充電して使用するものとする。また、この直流コンデンサに回生用変換器を接続し（図示省略）、主変圧器１０２の投入時に発生するエネルギーを電源１０１に回生させる。なお、ここでは、電力変換器１３１としてＰＷＭ変換器を用いるが、これに限らずあらゆる電圧形インバータを用いることができる。
【００１５】
実施の形態１では、主として計算機実験により検証を行うこととし、まず、突入電流を発生させるシステム（単相回路）を構築し、次に、本発明を適用した場合の実験結果について説明する。
【００１６】
主変圧器１０２としては、定格電圧Ｖ０＝２００［Ｖ］、定格電流３０［Ａ］、容量６０００［ＶＡ］の単相変圧器を用いることとした。図２は、この主変圧器１０２の特性を示した図表である。また、図３は、図２に示した主変圧器１０２から導くことのできる変換器定数を示した図表である。実験では、電力系統の電磁過渡現象をシミュレーションする世界標準ソフトウェアであるＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＣ（カナダのマニトバ　ＨＶＤＣ　リサーチセンター社製）を用いた。なお、実験では巻数抵抗は一次側と二次側で等しいと仮定し、突入電流減衰時間、飽和電圧、磁化電流、空心リアクタンスについては、図４に示した値を用いることとした。なお、簡便化のため、実験ではヒステリシスおよび残存磁束は考慮しないこととした。
【００１７】
電源１０１としては、電圧実効値Ｖｓを２００［Ｖ］、周波数を６０［Ｈｚ］とし、６０００［ＶＡ］をベースとした。電源側インピーダンスＬｓを５％とした。
【００１８】
まず、図１で、回路１００から突入電流抑制器１０３を取り除き、電源電圧位相を０°で主変圧器１０２を投入した場合（スイッチＳＷ１をＯＮした場合）の電源電圧と電流波形を測定した。図５にその結果を示す。図示したように、回路１００の電流ｉｓは最大で約３３０［Ａ］を記録しており、主変圧器１０２の定格電流３０［Ａ］の８倍程度の電流、すなわち、突入電流が発生する系であることが確認できた。なお、回路１００で電源電圧位相９０°で主変圧器１０２を投入した場合には、図示を省略するが、理論的に確かめられているように無負荷電流量のみ流れ、突入電流は発生しないことが確認できた。
【００１９】
次に、突入電流抑制器１０３の構成および作用を詳述する。図６は、電力変換器１３１の構成例を示した図であり、図７は、計算機実験に用いる回路定数を示した図表である。電力変換器１３１では、図８に示すような三角波比較方式ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を用いて出力電圧ｖａｂを得る。電力変換器１３１は、主変圧器１０２に流入する電流ｉｓを検出して、Ｋ倍のゲインを乗じて三角波ｖｔと比較する。これにより、電力変換器１３１の出力電圧ｖａｂ（図６参照）の平均値をＫ・ｉｓ［ＶＡ］にすることができる。このことは、突入電流抑制器１０３がＫ［Ω］の抵抗として動作することを意味する。なお、実際には回路１００では、ＬＣフィルタ１３３を用いてスイッチングに起因する成分を取り除いている。
【００２０】
図８に示したブロックのｇ１〜ｇ４が図６に示したｇ１〜ｇ４に接続される。主変圧器１０２は無負荷状態であるので、鉄心が飽和した場合に、無負荷電流Ｉ０（図２参照）を超えないように電力変換器１３１の出力電圧ｖｏｕｔを出力すべく制御ゲインＫを決定する。なお、Ｓ１は図６の電力変換器１３１の運転停止を制御する信号を入力する。
【００２１】
実施の形態１では、無負荷電流Ｉ０を超えないようにゲインを決定しているため、モデル化した主変圧器１０２の定格電流を０．３［Ａ］として変圧器定数を決定した整合用変圧器１３４を用いる。整合用変圧器の定数を図９に示す。
【００２２】
以上のようにして、計算機実験を行った。電源電圧ｖｓが０［Ｖ］となるｔ＝０．０１６７［ｓ］でＳＷ１を閉じ、主変圧器１０２を電源１０１に投入した。結果を図１０に示す。図５と比較すると明らかなように、投入直後に突入電流は発生しておらず定常状態となっていることが確認できる。しかしながら、電力変換器１３１の動作を急に停止した時点で二次突入が発生し２［Ａ］程度の電流が流れていることがわかった。
【００２３】
二次突入を防止し、電圧位相の急激な変化を防止するために、電力変換器１３１の出力電圧を５０［ｍｓ］の時間をかけて減少させてみた。具体的には、ｔ＝０．１［ｓ］経過後から５０［ｍｓ］をかけて出力電圧ｖｏｕｔを減少させ、ｔ＝０．１５［ｓ］で電力変換器１３１の動作を停止した。図１１に結果を示す。主変圧器１０２を電源１０１に投入した瞬間は最大で約０．１７［Ａ］の電流が流れるが、１周期後には約０．１２［Ａ］となり定常状態を維持し、電源電圧にも影響を及ぼしていないことが確認できる。また、５０［ｍｓ］の時間をかけて電力変換器１３１の出力電圧ｖｏｕｔを減少させているため、二次突入も発生していないことが確認できた。突入電流抑制器１０３の動作を完全に停止すると、無負荷電流として回路１００に０．２８［Ａ］の電流が流れ、一次二次とも突入電流が抑制されることが確認できた。
【００２４】
次に、この計算機実験結果から、突入電流抑制器１０３の容量を求める。図１０に示した結果では、電力変換器１３１の出力電圧ｖｏｕｔの最大値は１７０［Ｖ］であった。また、電流ｉｓの最大値は０．１７［Ａ］であった。よって、電力変換器１３１のピーク値容量Ｐｐｅａｋは、
Ｐｐｅａｋ＝１７０×０．１７＝２８．９［ＶＡ］
となる。したがって、突入電流抑制器１０２の実効値容量は約１５［ＶＡ］となる。よって、主変圧器１０２の容量６０００［ＶＡ］に対して、１／４００の容量の突入電流抑制器１０２で突入電流を抑制できたことになる。
【００２５】
以上、実施の形態１の突入電流抑制方法によれば、簡便な構成で、単相回路の突入電流を抑制することが可能であることが明らかになった。
【００２６】
［実施の形態２］
実施の形態２では、三相回路についての突入電流抑制方法について説明する。なお、実施の形態２では、特に断らないかぎり、実施の形態１と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２７】
図１２は、実施の形態２の突入電流抑制方法を適用する基本回路構成（三相）を示した図である。図示したように、回路２００は、回路１００を三相分組合せた構成とし、一次側をΔ結線として電源１０１と接続している。実施の形態２では、三相電源電圧の線間電圧実効値を２００［Ｖ］、周波数を６０［Ｈｚ］として、１００００［ＶＡ］をベースとしている。なお、単相回路１００と同様に、電源側インピーダンスＬｓを５％とした。
【００２８】
まず、突入電流の発生を確認するために、図１２で、回路２００から突入電流抑制器１０３を除き、ａ相電圧位相０°で主変圧器１０２（Ｔｒａ、Ｔｒｂ、およびＴｒｃ）を電源１０１（ｖｓａ、ｖｓｂ、ｖｓｃ、）に投入し電源電圧と電流波形を測定した。図１３にその結果を示す。図示したように、ａ相で最大約３３０［Ａ］の電流が流れ、ｂ相にキルヒホッフの法則を満たすために−３３０［Ａ］の電流が流れて、単相の場合と同様に、定格電流の１０倍以上の突入電流が流れる系であることが確認できた。なお、回路１００は、対称であるので、どの相で主変圧器１０２を電源１０１に投入しても同様の結果を得る。また、前述したように、位相が各相間で１２０°ずれているのでいずれかの相で必ず突入電流が発生する。
【００２９】
三相回路の場合の回路定数を図１４に示した値として、計算機実験を行った。なお、実験では、回路構成を三相とし、図１４に示した回路定数以外は実施の形態１と同様とし、ａ相の電圧位相０°の時、三相同時に主変圧器１０２を電源１０１に投入した。結果を図１５に示す。図１３と比較すると明らかなように、投入直後に突入電流は発生しておらず定常状態となっていることが確認できる。しかしながら、電力変換器１３１の動作を急に停止した時点で二次突入が発生し３［Ａ］程度の電流が流れていることがわかった。
【００３０】
二次突入を防止し、電圧位相の急激な変化を防止するために、実施の形態１と同様に、電力変換器１３１の出力電圧を５０［ｍｓ］の時間をかけて減少させ二次突入の防止を試みた。結果を図１６に示す。電源１０１に投入した瞬間は、最大で０．１２［Ａ］程度の電流が流れるが、定常状態では０．０８［Ａ］程度の電流となる。電力変換器１３１の動作を完全に停止すると、無負荷電流として０．２８［Ａ］の電流が流れ、一次二次とも突入電流が電力変換器１３１によって抑制されていることがわかる。
【００３１】
次に、この計算実験結果から、三相回路の場合の突入電流抑制器１０３の容量を求める。電力変換器１３１の出力電圧最大値は、１相当たり約１２０［Ｖ］である。また、電流ｉｓの最大値は０．１２［Ａ］である。よって、電力変換器１３１のピーク値容量Ｐｐｅａｋは、
Ｐｐｅａｋ＝１２０×０．１２＝１４．４［ＶＡ］
となる。したがって、電力変換器１３１の１台あたりの実効値容量は約７．２［ＶＡ］であり、三相一括すると、２２［ＶＡ］となる。よって、主変圧器１０２の容量１００００［ＶＡ］に対して、１／４５４の容量の突入電流抑制器１０２で突入電流を抑制できたことになる。
【００３２】
以上実施の形態２の突入電流抑制方法によれば、三相回路であっても、簡便な構成で、突入電流を抑制することが可能であることが明らかになった。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の突入電流抑制方法によれば、単相回路であっても三相回路であっても簡便な構成で突入電流を抑制する突入電流抑制方法を提供することができた。また、主変換器容量の数百分の１の容量で突入電流抑制を可能とした。すなわち、整合用変圧器の容量を主変圧器容量の数百分の１とすることができ、経済的な突入電流抑制方法を提供できたといえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の突入電流抑制方法を適用する基本回路構成（単相）を示した図である。
【図２】実施の形態１の主変圧器の特性を示した図表である。
【図３】図２に示した主変換器から導くことのできる変換器定数を示した図表である。
【図４】突入電流減衰時間、飽和電圧、磁化電流、空心リアクタンスを示した図表である。
【図５】構築した単相回路モデルを用いた数値実験で、突入電流が発生する様子を確認する図である。
【図６】実施の形態１の電力変換器の構成例を示した図である。
【図７】実施の形態１の計算器実験に用いる回路定数を示した図表である。
【図８】実施の形態１の電力変換器の信号生成構成ブロックを示した図である。
【図９】実施の形態１の整合用変圧器の定数を示した図表である。
【図１０】実施の形態１の突入電流抑制方法を用い、主変換器を電源に投入した際の電流電圧の変化の様子を示した図である。
【図１１】実施の形態１の突入電流抑制方法を用い、主変換器を電源に投入し、定常後、突入電流抑制器を緩やかに減衰させた際の電流電圧の変化の様子を示した図である。
【図１２】実施の形態２の突入電流抑制方法を適用する基本回路構成（三相）を示した図である。
【図１３】構築した三相回路モデルを用いた数値実験で、突入電流が発生する様子を確認する図である。
【図１４】三相回路の場合の回路定数を示した図表である。
【図１５】実施の形態２の突入電流抑制方法を用い、主変換器を電源に投入した際の電流電圧の変化の様子を示した図である。
【図１６】実施の形態２の突入電流抑制方法を用い、主変換器を電源に投入し、定常後、突入電流抑制器を緩やかに減衰させた際の電流電圧の変化の様子を示した図である。
【符号の説明】
１０１　電源
１０２　主変圧器
１０３　突入電流抑制器
１３１　電力変換器（電力形ＰＷＭ変換器）
１３２　駆動電源
１３３　ＬＣフィルタ
１３４　整合用変圧器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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