(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及びその突入電流抑制装置を提供することを目的とする。【解決手段】単相変圧器を用いて単相交流電源の電圧を昇降する回路において適用する突入電流抑制装置であって、前記変圧器に対して直列接続され、直流コンデンサが並列接続され、前記交流電源に対して交流電力を供給する電圧形電力変換器と、前記変圧器の一次電流を入力し、これと制御ゲインの積が前記変圧器の無負荷電流以下となるように前記電力変換器に対して電圧指令値を与える演算手段とを具備したもの。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相変圧器を用いて単相交流電源の電圧を昇降する回路において適用する突入電流抑制方法であって、前記変圧器に対して電圧形電力変換器を直列接続し、前記電力変換器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】
単相変圧器を用いて単相交流電源の電圧を昇降する回路において適用する突入電流抑制方法であって、前記変圧器に対して電圧形電力変換器を直列接続し、前記電力変換器を前記変圧器の無負荷電流以下になるように制御させることを特徴とする突入電流抑制方法。
【請求項３】
三相変圧器を用いて三相交流電源の電圧を昇降する回路において適用する突入電流抑制方法であって、前記変圧器の各相毎に電圧形電力変換器をそれぞれ直列接続し、前記各電力変換器をそれぞれ前記変圧器の各相毎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４】
三相変圧器を用いて三相交流電源の電圧を昇降する回路において適用する突入電流抑制方法であって、前記変圧器の各相毎に電圧形電力変換器をそれぞれ直列接続し、前記各電力変換器を前記各相の変圧器の無負荷電流以下になるように制御させることを特徴とする突入電流抑制方法。
【請求項５】
単相変圧器を用いて単相交流電源の電圧を昇降する回路において適用する突入電流抑制装置であって、
前記変圧器に対して直列接続され、直流コンデンサが並列接続され、前記交流電源に対して交流電力を供給する電圧形電力変換器と、
前記変圧器の一次電流を入力し、これと制御ゲインの積が前記変圧器の無負荷電流以下となるように前記電力変換器に対して電圧指令値を与える演算手段と、
を具備したことを特徴とする突入電流抑制装置。
【請求項６】
三相変圧器を用いて三相交流電源の電圧を昇降する回路において適用する突入電流抑制装置であって、
前記各相の変圧器に対してそれぞれ直列接続され、それぞれに直流コンデンサが並列接続され、前記三相交流電源に対して三相交流電力を供給する三相電圧形電力変換器と、
前記各相の変圧器の一次電流をそれぞれ入力し、これらと各制御ゲインの積が前記各相毎の変圧器の無負荷電流以下となるように前記各相の電力変換器に対して電圧指令値をそれぞれ与える演算手段と、
を具備したことを特徴とする突入電流抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧形電力変換器を用いた変圧器の突入電流抑制方法及び突入電流抑制装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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器などの保全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分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（非特許文献１参照）。
【０００６】
また、高速電流応答を有するＰＷＭ方式の電力変換器例えばインバータ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（非特許文献２参照）。
【非特許文献１】［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）］。
【非特許文献２】［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、Ｎ。．８３０］。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
また、非特許文献１の方式では、抑制抵抗を短絡除去する際に問題となる二次突入電流を防止できず、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。
【０００９】
さらに、非特許文献２の方式では、ＰＷＭ方式の電力変換器自身の容量（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。
【００１０】
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及びその突入電流抑制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】
【００１１】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、単相変圧器を用いて単相交流電源の電圧を昇降する回路において適用する突入電流抑制方法であって、前記変圧器に対して電圧形電力変換器を直列接続し、前記電力変換器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である。
【００１２】
前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、単相変圧器を用いて単相交流電源の電圧を昇降する回路において適用する突入電流抑制方法であって、前記変圧器に対して電圧形電力変換器を直列接続し、前記電力変換器を前記変圧器の無負荷電流以下になるように制御させることを特徴とする突入電流抑制方法である。
【００１３】
前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、三相変圧器を用いて三相交流電源の電圧を昇降する回路において適用する突入電流抑制方法であって、前記変圧器の各相毎に電圧形電力変換器をそれぞれ直列接続し、前記各電力変換器をそれぞれ前記変圧器の各相毎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である。
【００１４】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、三相変圧器を用いて三相交流電源の電圧を昇降する回路において適用する突入電流抑制方法であって、前記変圧器の各相毎に電圧形電力変換器をそれぞれ直列接続し、前記各電力変換器を前記各相の変圧器の無負荷電流以下になるように制御させることを特徴とする突入電流抑制方法である。
【００１５】
前記目的を達成するため、請求項５に対応する発明は、単相変圧器を用いて単相交流電源の電圧を昇降する回路において適用する突入電流抑制装置であって、前記変圧器に対して直列接続され、直流コンデンサが並列接続され、前記交流電源に対して交流電力を供給する電圧形電力変換器と、前記変圧器の一次電流を入力し、これと制御ゲインの積が前記変圧器の無負荷電流以下となるように前記電力変換器に対して電圧指令値を与える演算手段とを具備したことを特徴とする突入電流抑制装置である。
【００１６】
前記目的を達成するため、請求項６に対応する発明は、三相変圧器を用いて三相交流電源の電圧を昇降する回路において適用する突入電流抑制装置であって、前記各相の変圧器に対してそれぞれ直列接続され、それぞれに直流コンデンサが並列接続され、前記三相交流電源に対して三相交流電力を供給する三相電圧形電力変換器と、前記各相の変圧器の一次電流をそれぞれ入力し、これらと各制御ゲインの積が前記各相毎の変圧器の無負荷電流以下となるように前記各相の電力変換器に対して電圧指令値をそれぞれ与える演算手段とを具備したことを特徴とする突入電流抑制装置である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、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及びその突入電流抑制装置を提供することを目的とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。図１は、本発明の第１の実施形態の突入電流抑制方法及び突入電流抑制装置を説明するための概略構成図である。これは、単相交流電源（Ｕｓ）１と、主変圧器(ＴＲ０)２と、突入電流抑制器３とにより構成されている。
【００１９】
突入電流抑制器３は、単相交流電源１と主変圧器２の間に直列に接続されたＰＷＭ方式の電圧形電力変換器３１例えば電圧形インバータと、電力変換器３１を駆動するためのものであって電力変換器３１に並列に接続された直流コンデンサ（図示しない）を含む直流電源３２と、電力変換器３１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：インダクタンスＬｒとコンデンサＣｒと抵抗Ｒｒからなるもの）４と、単相交流電源１と主変圧器２の間に直列に接続された電源側スイッチＳＷ０及び変換器側スイッチＳＷ１から構成されている。なお、Ｚｓは系統の線路上のインピーダンスである。
【００２０】
直流電源３２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２の投入時に発生するエネルギーを交流電源１に回生させる。なお、ここでは、電力変換器３１としてＰＷＭ方式の電力変換器を用いるが、これに限らずあらゆる電圧形の電力変換器を用いることができる。
【００２１】
図２は、電力変換器３１の主回路を示す図であり、直流電源（初期電圧ＶＤＣを得るための直流コンデンサを含む）３２に、次のようなブリッジ回路が接続された設物である。ブリッジ回路は、半導体素子Ｓ１とダイオードＤ１の並列回路、半導体素子Ｓ２とダイオードＤ２の並列回路、半導体素子Ｓ３とダイオードＤ３の並列回路、半導体素子Ｓ４とダイオードＤ４の並列回路を接続したものである。各半導体素子Ｓ１〜Ｓ４は、それぞれゲート端子ｇ１〜ｇ４を備えており、これらには図３で示す、ＰＷＭ制御器６と演算手段５からなる制御回路により制御されるようになっていてる。
【００２２】
ＰＷＭ制御器６は、三角波信号を発生する信号発生器Ｖｔと、変圧器の一次電流ｉｓと制御ゲインＫ／２を積算する定数器７１と、変圧器の一次電流ｉｓと制御ゲイン−Ｋ／２を積算する定数器７２と、信号発生器Ｖｔの出力と定数器７１の出力を入力して両者の比較か信号を出力する比較器Ｃ１と、信号発生器Ｖｔの出力と定数器７２の出力を入力して両者の比較か信号を出力する比較器Ｃ２と、電力変換器の動作を停止する動作停止信号と比較器Ｃ１の出力の論理積を取るアンド回路Ａ１と、電力変換器の動作を停止する動作停止信号と比較器Ｃ２の出力の論理積を取るアンド回路Ａ２と、アンド回路Ａ１の出力を入力して信号を反転して得られる信号をゲート端子ｇ２に出力するインバータＩ１と、アンド回路Ａ２の出力を入力して信号を反転して得られる信号をゲート端子ｇ４に出力するインバータＩ２とからなっている。なお、ゲート端子ｇ１、ｇ３には、アンド回路Ａ１の出力、アンド回路Ａ２の出力が与えられる。
【００２３】
演算手段５は、変圧器２の一次電流ｉｓを図示しない電流検出器で検出し、この検出電流と、これと制御ゲインＫの積が、変圧器の無負荷電流以下となるように電力変換器の出力に対して電圧指令値を与えるものである。演算手段５は、これ以外に電力変換器を変圧器２の制動抵抗つまり突入電流をなくすように作用するものであってもよい、
主変圧器２としては、図４、図５に示す定格のものを使用する。巻数比１：１、無負荷電流Ｉ０が０．２０［Ａ］、無負荷損Ｐ０が２５．０［Ｗ］、負荷損Ｐｓが１１６．０［Ｗ］、負荷試験電圧Ｖｓが２．６［％］である。また、励磁コンダクタンスｇ０が０．６２５［ｍｓ］、励磁サセプタンスｂ０が０．７８１［ｍｓ］、励磁アドミタンスＹ０が１．０［ｍｓ］、巻線抵抗が０．１２９［Ω］、漏れリアクタンスが０．１１４［Ω］、飽和電圧が１．２５［ｐｕ］である。
【００２４】
図１の回路定数としては、電源電圧実効値Ｖｓが２００［Ｖ］、直流コンデンサ容量Ｃが７６０［μＦ］、直流コンデンサ初期電圧ＶＤＣが２７０［Ｖ］、フィルタコンデンサ容量Ｃｒが０．１［μＦ］、フィルタインダクタ容量Ｌｒが１０［ｍＨ］、フィルタ抵抗値Ｒｒが１５［Ω］、ＰＷＭ変換器動作時間ｔが０．５［ｓ］である。
【００２５】
いま、図１において、突入電流抑制器３を取り除き、電源電圧位相を０°で主変圧器２をスイッチＳＷ０、ＳＷ１を共に投入した場合の電源電圧ＶＴの波形と変圧器２の一次電流ｉｓの波形シミュレーション結果を図７に示している。この図から明らかなように、主変圧器投入によって突入電流が発生していることが判る。
【００２６】
図８は、図１において、突入電流抑制器３を取り除き、電源電圧位相１８０°で、電源電圧ＶＴが０［Ｖ］で主変圧器２を投入した場合の主変圧器２の波形を示している。この図から明らかなように、主変圧器投入によって突入電流が発生していることが判る。
【００２７】
以下このように構成された図１の回路の作用効果を説明する。図１のようにスイッチＳＷ０、ＳＷ１が共に開路状態では、変圧器２には一次電流ｉｓが流れない。
【００２８】
この状態で、スイッチＳＷ０を閉路すると、交流電源１−スイッチＳＷ０−リアククトルＬｒ−直流電源３２−変圧器２の経路で、直流電源３２に有する直流コンデンサが充電される。この充電状態は、直流電源３２の電圧ＶＤＣが、交流電源１の電圧ＶＳと同じになるまで続けられる。
【００２９】
この直流コンデンサの充電が完了すると、スイッチＳＷ０、ＳＷ１が共に閉路されると、変圧器２の一次電流ｉｓが流れるが、一次電流ｉｓが演算手段５に入力され、また演算手段５に変圧器２の無負荷電流値が入力され、演算手段５の内部で、一次電流ｉｓと制御ゲインＫとの積に応じて電力変換器３１の出力電圧を制御するように、電力変換器３１に対して電圧指令値が与えられる。この結果、変圧器２による突入電流を抑制できる。
【００３０】
図９は、前述した第１の実施形態における突入電流抑制シミユレーション波形を示す。
【００３１】
図中、ＶＴは交流電源電圧であり、ｉＳは変圧器２の一次電流であり、ＶＯＵＴは電力変換器３１の出力電圧であり、ＶＤＣは電力変換器３１の入力電圧（直流コンデンサの電圧）であり、ＶＴｒは変圧器２の２次側電圧（出力電圧）を示す波形図である。
【００３２】
図９から明らかなように、突入電流が抑制されている。これは、電力変換器３１が制動抵抗として動作するからである。これは、変圧器の一次電流ｉＳと電力変換器３１の出力電圧ＶＯＵＴとが同相であることから、明らかである。この場合、制御ゲインは１［ＫΩ］に固定し、演算手段５において変圧器２の一次電流ｉｓは変圧器の無負荷電流以下になるように、電力変換器３１の出力電圧指令が演算されており、一次電流ｉｓが大きくなると電力変換器３１の出力電圧が下がり、一次電流ｉｓが小さくなると電力変換器３１の出力電圧が上がるようになる。突入電流が打ち消された後、電力変換器３１の出力電圧ＶＯＵＴが徐々に減少している。図１０も、図９と同様に図１の実施形態の突入電流が打ち消される状況を確認するための実験結果を示している。
【００３３】
以上述べた第１の実施形態によれば、本出願人が先に出願した先願発明（特願２００２−２６９４６５）において、例えば図１の交流電源１と電力変換器３２の間及び主変圧器２の間に接続していた整合用変圧器を用いないようにしたので、突入電流を効果的に抑制でき、突入電流抑制装置を大幅に小型化できる。さらに、整合用変圧器によって生じる損失や漏れインダクタンスを無くすことができるので、電力変換器３２の制御性を大幅に向上できる。しかも、突入電流を抑制しながら主変圧器２を交流電源に投入できる。さらに、制御ゲインを予め設定し二次突入電流を抑制できる。また、制御ゲインに対する電力変換器容量を検討し制御ゲインを決定できる。
【００３４】
さらに、制御ゲインを予め設定し二次突入電流を抑制できる。また、制御ゲインに対する電力変換器容量を検討し制御ゲインを決定できる。
【００３５】
図１１は、本発明の突入電流抑制方法及び突入電流抑制装置の第２の実施形態を説明するための概略構成図である。前述の第１の実施形態とは、三相回路に構成したものである。すなわち、三相交流電源１と、三相主変圧器(例えばΔ結線した変圧器)２と、三相の電圧形電力変換器３１と、各電力変換器の各直電源３２各々独立した直流コンデンサが接続され、電力変換器３１の制御回路も各相毎にゲート信号が与えられるように例えばＰＷＭ方式の制御回路と、各相の変圧器２の一次電流ｉＳａ、ｉＳｂ、ｉＳｃをそれぞれ入力し、これらと各制御ゲインＫの積が各相毎の変圧器２の無負荷電流以下となるように各相の電力変換器３１に対して電圧指令値をそれぞれ与える演算手段(図示せず)とから構成されている。
【００３６】
この場合も、前述した実施形態と同様な作用効果が得られる。図１２は、図１１の突入電流抑制器がない場合の、各部のシミュレーション波形を示し、また図１３は図１１の突入電流抑制器がない場合の各部の実験結果を示す波形である。この場合は、各相の波形は、１２０°ずつずれているが、主変圧器２を交流電源１に投入するとことで突入電流が発生している。
【００３７】
図１４は、図１１の突入電流抑制器がある場合の、各部のシミュレーション波形（ここではａ相のみを示している）を示し、また図１５は図１１の突入電流抑制器がある場合の各部の実験結果を示す波形である。この図から明らかなように、例えばａ相の変圧器２を、交流電源１に投入しても突入電流が抑制されていることがわかる。なお、図１４は、制御ゲインＫ＝１［ｋΩ］、直流コンデンサ容量５１３［μＦ］とした場合のシミュレーション結果を示す。シミュレーション波形は上から、受電端電圧ＶＴａｂ、主変圧器一次側電流ｉＳａ、ＰＷＭ変換器出力電圧Ｖｏｕｔａ、直流コンデンサ電圧ＶＤＣａ、主変圧器印加電圧ＶＴｒａｂを示している。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の突入電流抑制装置及び突入電流抑制方法の第１の実施形態を説明するための概略構成図。
【図２】図１のＰＷＭ方式の電圧形変換器の主回路を示す図。
【図３】図１のＰＷＭ方式の電圧形変換器の制御回路を示す図。
【図４】図１の主変圧器の試験結果を示す図。
【図５】図１の主変圧器の定数を示す図。
【図６】図１の回路定数を示す図。
【図７】図１における電力変換器が存在しない場合の突入電流発生時のシミュレーション波形図。
【図８】図１における電力変換器が存在しない場合であって電源電圧位相１８０°で主変圧器を投入した場合の変圧器の電圧波形図。
【図９】図１における突入電流が発生した時のシミュレーション波形図。
【図１０】図１における突入電流が発生した時の実験結果を示す波形図。
【図１１】本発明の突入電流抑制装置及び突入電流抑制方法の第２の実施形態を説明するための概略構成図。
【図１２】図１１における電力変換器が存在しない場合の突入電流発生時のシミュレーション波形図。
【図１３】図１１における電力変換器が存在しない場合であって主変圧器を投入した場合の変圧器の電圧波形図。
【図１４】図１１における突入電流が発生した時のシミュレーション波形図。
【図１５】図１１における突入電流が発生した時の実験結果を示す波形図。
【符号の説明】
【００３９】
１…三相交流電源、２…主変圧器、２…三相主変圧器、３…突入電流抑制器、４…スイッチングリプル抑制用フィフタ、５…演算手段、６…ＰＷＭ制御器、３１…電圧形電力変換器、３２…直流電源、７１…定数器、７２…定数器。
【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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