(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正側超電導コイルの正極からアノード端子に配線接続された正側放電ダイオードと、
前記正側超電導コイルと接地されたコイル中点を介して直列接続された負側超電導コイルの負極からアノード端子に配線接続された負側放電ダイオードと、
前記コイル中点から分岐点までは共通に配線し、分岐点から正側及び負側各々に分岐するように配線した共通配線手段と、
前記正側放電ダイオードのアノード端と前記正側共通配線の間に接続され、低圧の励磁電圧出力手段と正側チョッパ用半導体スイッチから成る直列回路と、
前記負側放電ダイオードのアノード端と前記負側共通配線の間に接続され、低圧の励磁電圧出力手段と前記正側チョッパ用半導体スイッチとは逆極性の負側チョッパ用半導体スイッチから成る直列回路と、
前記正側及び負側放電ダイオードのカソード端と前記正側及び負側共通配線の間に夫々接続された正側及び負側の平滑コンデンサと、
前記正側及び負側の平滑コンデンサに印加される直流電圧を夫々交流電圧に変換する正側及び負側の電圧型インバータと、
前記正側及び負側の電圧型インバータの出力を電源系統に連系する系統連系変圧器と
を備え、
前記正側及び負側超電導コイルの励磁モードにおいては、前記正側及び負側チョッパ用半導体スイッチをオンし、前記励磁電圧出力手段によって前記正側及び負側超電導コイルを励磁し、
前記正側及び負側超電導コイルの還流モードにおいては、前記正側及び負側チョッパ用半導体スイッチをオンし、前記励磁電圧出力手段の出力をゼロとして、前記コイル中点から前記分岐点までの共通配線に流れる電流が正側及び負側で打ち消しあうように還流させ、
前記正側及び負側超電導コイルの放電モードにおいては、前記励磁電圧出力手段の出力をゼロとし、前記正側及び負側チョッパ用半導体スイッチを昇圧チョッパとしてオンオフ動作させ、前記正側及び負側の電圧型インバータ及び前記系統連系変圧器を介して電源系統に電力を供給するようにしたことを特徴とする超電導コイル用電力変換装置。
【請求項２】
前記正側及び負側超電導コイルと前記正側及び負側放電ダイオードの間にバランスリアクトルを設け、
前記バランスリアクトル、前記放電ダイオード、前記励磁電圧出力手段及び前記チョッパ用半導体スイッチで構成される放電・励磁回路を正負夫々複数個並列接続したことを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル用電力変換装置。
【請求項３】
前記励磁電圧出力手段は、
励磁用交流電源から給電される励磁用変圧器と、
この励磁用変圧器の出力を整流するダイオードコンバータと、
このダイオードコンバータの出力を平滑する励磁用平滑コンデンサと、
この励磁用平滑コンデンサの直流出力をオンオフ制御する励磁用半導体スイッチと、
前記励磁用平滑コンデンサ及び前記励磁用半導体スイッチの出力側に接続され、前記チョッパ用半導体スイッチと同極性を有する還流ダイオード
を具備し、
前記還流ダイオードの両端をその出力としたことを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル用電力変換装置。
【請求項４】
前記励磁電圧出力手段は、
励磁用交流電源からＡＣ半導体スイッチを介して給電される励磁用変圧器と、
この励磁用変圧器の出力を整流するダイオードコンバータと、
このダイオードコンバータの出力を平滑する励磁用平滑コンデンサと、
を具備し、
前記励磁用平滑コンデンサの両端をその出力としたことを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル用電力変換装置。
【請求項５】
前記励磁電圧出力手段は、
励磁用交流電源から給電される励磁用変圧器と、
この励磁用変圧器の出力を制御して直流を出力するサイリスタコンバータと、
このサイリスタコンバータの出力側に並列に接続され、前記チョッパ用半導体スイッチと同極性を有する還流ダイオード
を具備し、
前記還流ダイオードの両端をその出力としたことを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル用電力変換装置。
【請求項６】
前記励磁電圧出力手段は、
励磁用交流電源から給電される励磁用変圧器と、
この励磁用変圧器の出力を制御して直流を出力する自励電流型コンバータと、
この自励電流型コンバータの出力側に並列に接続され、前記チョッパ用半導体スイッチと同極性を有する還流ダイオード
を具備し、
前記還流ダイオードの両端をその出力としたことを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル用電力変換装置。
【請求項７】
前記励磁電圧出力手段は、
励磁用交流電源から給電される励磁用変圧器と、
この励磁用変圧器の出力を制御して直流を出力する自励電圧型コンバータと、
この自励電圧型コンバータの出力を平滑する励磁用平滑コンデンサと
を具備し、
前記励磁用平滑コンデンサの両端をその出力としたことを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は交流系統に連系して直流電源から交流電力を供給する超電導コイル用電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、超電導状態に保持されたコイルに電流を還流させて蓄え、このエネルギーを電力変換装置を介して交流電源系統と授受するように構成された分散電源システムが実用化されている。この電力変換装置は系統電圧との電圧差と位相差を制御して，無効電力補償やフリッカ抑制の負荷平準化を行うことが可能となる。また、落雷等による瞬時停電時に，需用家への交流電力の供給を維持することが可能となる。
【０００３】
超電導コイル用電力変換装置は、コイルにエネルギーを蓄える励磁（充電）モード、エネルギーが蓄えられた状態で保持する還流モード及びコイルからのエネルギーを取り出す放電モードがある。これ等の３種類のモードの選択が可能なように、電圧型インバータとコイルに対して正側及び負側の２組のチョッパ回路を用い、比較的簡単に超電導コイル用電力変換装置を構成する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特許第２５４３３３６号公報（第１−３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示された手法によれば、従来のサイリスタ変換器に代えて自励式電圧型変換器を用いることにより、コイル電流の大小に拘らず交流系統への融通電力に応じた定格容量の装置構成とすることができ、更に同一回路を用いてコイルへの放電と励磁が可能であるという特長がある。しかしながら、この方式ではコイルの電位が充電と放電で極性が逆となるためコイルおよび電力変換装置の必要耐圧が直流電圧の約２倍となり、コイルの容量を大きくすることが困難であるという欠点があった。これに対し、放電回路と励磁回路を別構成とすることも考えられるが、回路を別構成とした分電力変換装置の外形が大きくなるばかりでなく、コイルへの充放電容量を大きくするために並列構成を用いたときに部分的に過大な電流が流れてしまう等の問題があった。
【０００５】
本発明は、上記の問題点に鑑みて為されたものであり、比較的簡単な回路構成で大電力を出力することが可能な超電導コイル用電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記前記目的を達成する為、本発明の超電導コイル用電力変換装置は、正側超電導コイルの正極からアノード端子に配線接続された正側放電ダイオードと、前記正側超電導コイルと接地されたコイル中点を介して直列接続された負側超電導コイルの負極からアノード端子に配線接続された負側放電ダイオードと、前記コイル中点から分岐点までは共通に配線し、分岐点から正側及び負側各々に分岐するように配線した共通配線手段と、前記正側放電ダイオードのアノード端と前記正側共通配線の間に接続され、低圧の励磁電圧出力手段と正側チョッパ用半導体スイッチから成る直列回路と、前記負側放電ダイオードのアノード端と前記負側共通配線の間に接続され、低圧の励磁電圧出力手段と前記正側チョッパ用半導体スイッチとは逆極性の負側チョッパ用半導体スイッチから成る直列回路と、前記正側及び負側放電ダイオードのカソード端と前記正側及び負側共通配線の間に夫々接続された正側及び負側の平滑コンデンサと、前記正側及び負側の平滑コンデンサに印加される直流電圧を夫々交流電圧に変換する正側及び負側の電圧型インバータと、前記正側及び負側の電圧型インバータの出力を電源系統に連系する系統連系変圧器とを備え、前記正側及び負側超電導コイルの励磁モードにおいては、前記正側及び負側チョッパ用半導体スイッチをオンし、前記励磁電圧出力手段によって前記正側及び負側超電導コイルを励磁し、前記正側及び負側超電導コイルの還流モードにおいては、前記正側及び負側チョッパ用半導体スイッチをオンし、前記励磁電圧出力手段の出力をゼロとして、前記コイル中点から前記分岐点までの共通配線に流れる電流が正側及び負側で打ち消しあうように還流させ、前記正側及び負側超電導コイルの放電モードにおいては、前記励磁電圧出力手段の出力をゼロとし、前記正側及び負側チョッパ用半導体スイッチを昇圧チョッパとしてオンオフ動作させ、前記正側及び負側の電圧型インバータ及び前記系統連系変圧器を介して電源系統に電力を供給するようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、比較的簡単な回路構成で大電力を出力することが可能な超電導コイル用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】
【０００８】
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】
【０００９】
以下、図１乃至図３を参照して本発明の実施例１に係る超電導コイル用電力変換装置について説明する。図１は本発明の実施例１に係る超電導コイル用電力変換装置の回路構成図である。
【００１０】
超電導コイル１Ａ及び１Ｂは直列に接続され、超電導コイル１Ａの正極側は放電・励磁回路２Ａ１及び２Ａ２を介して平滑コンデンサ３Ａに接続されている。平滑コンデンサ３Ａには電圧型インバータ４Ａの直流端が接続され、電圧型インバータ４Ａの３相交流端は系統連系変圧器５を介して電源系統に接続されている。同様に、超電導コイル１Ｂの負極側は放電・励磁回路２Ｂ１及び２Ｂ２を介して平滑コンデンサ３Ｂに接続されて、平滑コンデンサ３Ｂには電圧型インバータ４Ｂの直流端が接続され、電圧型インバータ４Ｂの３相交流端は系統連系変圧器５を介して電源系統に接続されている。
【００１１】
超電導コイル１Ａ及び１Ｂの中点は、接地インピーダンス６を介して接地され、平滑コンデンサ３Ａ及び電圧型インバータ４Ａの直流端の負側及び平滑コンデンサ３Ｂ及び電圧型インバータ４Ｂの直流端の正側に接続されている。この部分の配線は正側と負側の共通ラインを形成しているが、超電導コイル１Ａ及び１Ｂの中点から分岐点Ｐまでは配線を共通にし、分岐点Ｐからは正側と負側に分岐して配線している。
【００１２】
尚、超電導コイル１Ａ及び１Ｂの周辺には、過電流保護用の遮断器や過電圧保護用の短絡器等が設けられているが、ここではその図示を省略している。
【００１３】
放電・励磁回路２Ａ１と放電・励磁回路２Ａ２は並列回路を形成している。同様に放電・励磁回路２Ｂ１と放電・励磁回路２Ｂ２は並列回路を形成している。従って放電・励磁回路２Ａ１と放電・励磁回路２Ｂ１の構成について以下説明する。
【００１４】
放電・励磁回路２Ａ１は超電導コイル１Ａの正極側に直列に接続されたバランスリアクトル２１Ａと、このバランスリアクトル２１Ａと直列に接続され、平滑コンデンサ３Ａの正極側に電流を流す方向に接続された放電用ダイオード２２Ａと、バランスリアクトル２１Ａと放電用ダイオード２２Ａの中点から共通ラインに向かって接続された励磁回路２３Ａとこの励磁回路２３Ａに直列に接続されたチョッパ用半導体スイッチ２４Ａとで構成されている。上記構成において、バランスリアクトル２１Ａは、放電・励磁回路２Ａ１とこれと並列に接続された放電・励磁回路２Ａ２の電流バランスを維持するために設けられたものである。従って、並列接続を行なわず、放電・励磁回路２Ａを単独で用いる場合はこれを省くことが可能である。
【００１５】
同様に、放電・励磁回路２Ｂ１も超電導コイル１Ａの正極側からバランスリアクトル２１Ｂ、放電用ダイオード２２Ｂを介して平滑コンデンサ３Ｂの負側に接続し、バランスリアクトル２１Ｂと放電用ダイオード２２Ｂの中点から共通ラインに向かって接続された励磁回路２３Ｂとこの励磁回路２３Ｂに直列に接続されたチョッパ用半導体スイッチ２４Ｂを有している。ここで、チョッパ用半導体スイッチ２１Ａとチョッパ用半導体スイッチ２１Ｂは共通ラインに対して逆極性となっている。このことは、チョッパ用半導体スイッチと放電用ダイオード等を含むスタックを構成する場合、正側のスタックと負側のスタックが共通ラインに対して勝手違いの構造となることを示している。
【００１６】
以下、励磁回路２３Ａの内部構成について、図１及び図２を参照して説明する。図２は励磁回路２３Ａの回路構成図である。
【００１７】
図１におけるバランスリアクトル２１Ａと放電用ダイオード２２Ａの中点から共通ラインに向かって励磁回路２３Ａ内の還流ダーオード２３１とチョッパ用半導体スイッチ２４Ａで構成された直列回路が接続されている。そして、還流ダーオード２３１の両端には、以下のように励磁電圧が印加される。
【００１８】
励磁電源からの交流を励磁用変圧器２２２で降圧し、その２次出力をダイオードコンバータ２３３に供給する。ダイオードコンバータ２３３の直流出力は、励磁用平滑コンデンサ２３４で平滑され、励磁用半導体スイッチ２３５を介して還流ダーオード２３１の両端に励磁電圧を印加する。ここで、還流ダイオー２３１の極性は、チョッパ用半導体スイッチ２１Ａをオンしたときに電流が流れる方向の極性となっている。ここではこれを同極性と呼ぶ。
【００１９】
尚上記において励磁用変圧器２２２は並列に用いられる放電・励磁回路の励磁用変圧器と１次巻線を共通にして一体化しても良い。
【００２０】
以下、図３を参照して本発明の超電導コイル用電力変換装置の動作について説明する。
【００２１】
図３（ａ）は励磁（充電）モードの動作説明図である。励磁回路２３Ａは図示の電圧ｅを励磁用半導体スイッチ２３５のオンオフ動作により調整して還流ダイオード２３１の両端に励磁電圧を印加する。このとき、チョッパ用半導体スイッチ２４Ａをオン状態にしておけば、図１（ａ）に矢印で示したルートで超電導コイル１Ａに電流が流れ、超電導コイル１Ａは励磁される。尚、ここで励磁に要する時間は、多重雷等の影響を考慮しても、比較的長い時間で行っても問題ないので、低圧電源を用いて励磁を行うことが可能となる。
【００２２】
図３（ｂ）は還流モードの動作説明図である。この還流モードにおいては、超電導コイル１Ａの電流は、還流ダイオード２３１及びチョッパ用半導体スイッチ２４Ａを介して図３（ｂ）に矢印で示したループを還流する。このとき、励磁回路の励磁用半導体スイッチ２３５はオフ状態にあり、チョッパ用半導体スイッチ２４Ａはオン状態を維持している。
【００２３】
図３（ｂ）は、正側の放電・励磁回路２Ａ１における還流モードの説明図であるが、負側の放電・励磁回路２Ｂ１の還流モードを合わせて考える。前述したように、放電・励磁回路２Ｂ１においては、チョッパ用半導体スイッチ２４Ｂが共通ラインに対して逆極性となるように構成されている。従って、超電導コイル１Ｂに流れる還流電流は、図３（ｂ）の方向とは逆方向となる。このことは、図１に示した共通ラインの分岐点Ｐ点から超電導コイル１Ａ及び１Ｂの中点に流れ込む電流が互いに打ち消しあってゼロとなることを示している。従って、分岐点Ｐを構造上適切な位置に選定すれは、還流モードにおいて大電流が流れる電流経路の長さを最短にすることが可能となる。
【００２４】
図３（ｃ）は放電モードの動作説明図である。励磁用半導体スイッチ２３５がオフ状態で、チョッパ用半導体スイッチ２４Ａをオンオフ動作させると、超電導コイル１Ａの両端の電圧は昇圧されて平滑コンデンサ３Ａを充電する。そして、電圧型インバータ４Ａを動作させることによって、超電導コイル１Ａに蓄えられていたエネルギーは電圧型インバータ４Ａを介して電源系統に回生される。
【００２５】
以上の各運転モードにおいて、超電導コイル１Ａ、チョッパ用半導体スイッチ２４Ａ励及び励磁用半導体スイッチ２３５は何れも高圧の片極性であるため、双極性の構成を有する超電導コイル用電力変換装置に対して電圧定格を小さくすることが可能となる。また、共通ラインに対し、正側及び負側が逆極性となるように構成したので、対地耐圧を大きくとる必要がない。従って本発明の超電導コイル用電力変換装置は大容量化に好適である。
【実施例２】
【００２６】
図４に本発明の実施例２に係る超電導コイル用電力変換装置の励磁回路の回路構成図を示す。この実施例２の各部について、図２の実施例１に係る超電導コイル用電力変換装置の励磁回路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、還流ダイオード２３１及び励磁用半導体スイッチ２３５を省いた点、また、励磁用変圧器２３２の入力側にＡＣスイッチ２３６を設けた点である。
【００２７】
図２における励磁用半導体スイッチ２３５は、低圧の直流部に設けられているが、回路電圧は低圧ではないため回路の絶縁耐圧は大きい。これに対し、本実施例のように、励磁電流を、励磁用変圧器２３２の１次側で調整し、この１次側の電圧を低圧に選定しておけば、ＡＣスイッチ２３６の絶縁耐圧を低く抑えることが可能となる。また、ダイオードコンバータ２３３が還流ダイオードの機能を兼ねることができるので、還流ダイオード２３１を省くことが可能となる。
【実施例３】
【００２８】
図５に本発明の実施例３に係る超電導コイル用電力変換装置の励磁回路の回路構成図を示す。この実施例３の各部について、図２の実施例１に係る超電導コイル用電力変換装置の励磁回路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３が実施例１と異なる点は、ダイオードコンバータ２３３に代えサイリスタコンバータ２３７を設けた点、これに伴い、励磁用平滑コンデンサ２３４及び励磁用半導体スイッチ２３５を省いた点である。
【００２９】
このようにダイオードコンバータ２３３に代え、励磁電流の制御が可能なサイリスタコンバータ２３７を適用することにより、励磁用平滑コンデンサ２３４及び励磁用半導体スイッチ２３５を省くことが可能となり、回路構成が簡単となる。
【実施例４】
【００３０】
図６に本発明の実施例４に係る超電導コイル用電力変換装置の励磁回路の回路構成図を示す。この実施例４の各部について、図５の実施例３に係る超電導コイル用電力変換装置の励磁回路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４が実施例３と異なる点は、サイリスタコンバータ２３７に代え、自励式電流型コンバータ２３８を設けた点である。
【００３１】
実施例３に示したサイリスタコンバータ２３７を用いた励磁回路の場合、励磁電流が微小となったときの制御性は必ずしも良いとは言えない。これに対し、本実施例のように自励式のコンバータを用いれば、必要となる励磁電流範囲において制御特性が改善される。
【実施例５】
【００３２】
図７に本発明の実施例５に係る超電導コイル用電力変換装置の励磁回路の回路構成図を示す。この実施例５の各部について、図５の実施例３に係る超電導コイル用電力変換装置の励磁回路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５が実施例３と異なる点は、サイリスタコンバータ２３７に代え、自励式電圧型コンバータ２３９及び励磁用平滑コンデンサ２３４を設けた点である。
【００３３】
この実施例によれば、実施例４の場合と同様に制御特性が改善されるばかりでなく、自励式電圧型コンバータ２３９は、モータ駆動装置などに広く使用されている標準化されたインバータ装置等を流用することが可能となる。また、自励式電圧型コンバータ２３９に用いられるフライホイールダイオードの容量を適切に選定すれば、還流ダイオード２３１を省くことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施例１に係る超電導コイル用電力変換装置の回路構成図。
【図２】本発明の実施例１に係る超電導コイル用電力変換装置の励磁回路の回路構成図。
【図３】本発明の実施例１に係る超電導コイル用電力変換装置の動作説明図。
【図４】本発明の実施例２に係る超電導コイル用電力変換装置の励磁回路の回路構成図。
【図５】本発明の実施例３に係る超電導コイル用電力変換装置の励磁回路の回路構成図。
【図６】本発明の実施例４に係る超電導コイル用電力変換装置の励磁回路の回路構成図。
【図７】本発明の実施例５に係る超電導コイル用電力変換装置の励磁回路の回路構成図。
【符号の説明】
【００３５】
１Ａ、１Ｂ  超電導コイル
２Ａ１、２Ａ２、２Ｂ１、２Ｂ２  放電・励磁回路
３Ａ、３Ｂ  平滑コンデンサ
４Ａ、４Ｂ  電圧型インバータ
５  系統連系変圧器
６  接地インピーダンス
２１Ａ、２１Ｂ  バランスリアクトル
２２Ａ、２２Ｂ  放電用ダイオード
２３Ａ、２３Ｂ  励磁回路
２４Ａ、２４Ｂ  チョッパ用半導体スイッチ
２３１  還流ダイオード
２３２  励磁用変圧器
２３３  ダイオードコンバータ
２３４  励磁用平滑コンデンサ
２３５  励磁用半導体スイッチ
２３６  ＡＣ半導体スイッチ
２３７  サイリスタコンバータ
２３８  自励式電流型コンバータ
２３９  自励式電圧型コンバータ
【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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