(57)【要約】【課題】エネルギー利用効率が高く、安価な電気システムを提供する。【解決手段】本発明の電気システムは、交流電源１から、整流器２を介して直流回路に直流電圧を給電し、この直流電圧を、インバータ４を介して交流負荷５に交流電力を給電する電気システムであり、交流負荷４からの回生電力を吸収するための電気二重層キャパシタ９が直流回路部に接続されている。第１スイッチ手段１１０及び第２スイッチ手段によって、電気二重層キャパシタ９を整流器２から抵抗器１００を介して初期充電する接続形態か、或いは、電気二重層キャパシタ９の電圧を低くする必要があるときの、抵抗器１００を介して電気二重層キャパシタ９を放電する接続形態か、或いは、交流負荷５からの回生電力によって電気二重層キャパシタ９の電圧が規定電圧以上となったときの、抵抗器１００を二重層キャパシタ９に並列に接続する接続形態か、を選択可能とされる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から、第１の電力変換装置を介して直流回路に直流電圧を給電し、前記直流電圧を第２の電力変換器を介して交流負荷に交流電力を給電する電気システムであって、前記交流負荷からの回生電力を吸収するための電気二重層キャパシタを前記直流回路部に接続した電気システムにおいて、
前記電気二重層キャパシタを前記第１の電力変換装置から抵抗器を介して初期充電する接続形態か、或いは、前記電気二重層キャパシタの電圧を低くする必要があるときの、前記抵抗器を介して前記電気二重層キャパシタを放電する接続形態か、或いは、前記交流負荷からの回生電力によって前記電気二重層キャパシタの電圧が規定電圧以上となったときの、前記抵抗器を前記二重層キャパシタに並列に接続する接続形態か、を選択可能とすることを特徴とする電気システム。
【請求項２】
前記各接続形態は、スイッチ手段によって切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電気システム。
【請求項３】
交流電源から、第１の電力変換装置を介して直流回路に直流電圧を給電し、前記直流電圧を第２の電力変換器を介して交流負荷に交流電力を給電する電気システムであって、前記交流負荷からの回生電力を吸収するための電気二重層キャパシタを前記直流回路部に接続した電気システムにおいて、
前記電気二重層キャパシタを前記第１の電力変換装置から抵抗器を介して初期充電する接続形態か、或いは、前記電気二重層キャパシタの電圧を低くする必要があるときの、前記抵抗器を介して前記電気二重層キャパシタを放電する接続形態か、或いは、前記交流負荷からの回生電力によって前記電気二重層キャパシタの電圧が規定電圧以上となったときの、前記抵抗器を第３の電力変換器を介して前記二重層キャパシタに並列に接続する接続形態か、を選択可能とすることを特徴とする電気システム。
【請求項４】
前記各接続形態は、スイッチ手段によって切り替えることを特徴とする請求項３に記載の電気システム。
【請求項５】
前記第３の半導体電力変換器はチョッパであることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
商用電源などの交流電源からの電力を受けて、整流器を介して直流電圧に変換し、この直流電圧をインバータを介して交流電圧に変換し、交流電動機などの交流負荷に給電する電気システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電源からの電力を受けて、整流器を介して直流電圧に変換し、この直流電圧をインバータを介して交流電圧に変換し、交流電動機などの交流負荷に給電する電気システムは、例えばエレベータ等に利用される。
【０００３】
図１０は、従来のこのような電気システムの一例を示すものであり、図１０は従来の第１の電気システムの回路構成を示す図である。図１０において、１は交流電源、１０は開閉器、２はダイオード２１の３相ブリッジで構成された整流器、３は電圧平滑キャパシタ初期充電回路、６はチョッパ６１、抵抗６２から成る回生電力吸収回路、４１は電圧平滑キャパシタ、４はトランジスタ等と環流ダイオードで構成された整流制御素子４２の３相ブリッジから成るインバータ、５は交流負荷である。この第１の電気システムは、商用電源などの交流電源１から整流器２で直流に変換し、この直流電圧をインバータ４で交流に変換して、交流負荷５に電力を供給する電気システムで、交流電源１及び交流負荷５が３相で、交流負荷５としては、電動機の場合で示している。この第１の電気システムにおいては、インバータ４の入力側には、電圧平滑キャパシタ４１が接続されており、この電圧平滑キャパシタ４１は交流電源電圧の尖頭値に充電されるので、直流電圧Ｖｄｃは、Ｖｄｃ≒√２Ｖａｃとなる。ここで、Ｖａｃは交流電源電圧値（実効値）である。電圧平滑キャパシタ初期充電回路３は、電圧平滑キャパシタ４１を初期充電する為の回路である。また開閉器１０は、この電気システムの運転をオン、オフさせるためのものである。この第１の電気システムは、整流器２を介して交流電源１側に電力回生できないので、電動機の制動時には電動機の制動電力を回収する必要がある。このため、直流回路部に回生電力吸収回路６を接続する。回生電力吸収回路６は、チョッパ６１と抵抗器６２を直列接続した回路構成で、抵抗器６２に制動電力を吸収させるものである。力行時はチョッパ６１をオフし、制動時はオンする制御を行い、抵抗器６２に制動電力を吸収させる。制動電力回収時の直流電圧（抵抗の両端電圧）は、√２Ｖａｃ以上にする。√２Ｖａｃ以下では、制動運転時でも、整流器から電力は抵抗器に流れ込むためである。制動電力Ｐｂは、
Ｐｂ＝ＶCH2／Ｒ          （１）
となる。ここでＲは抵抗器６２の抵抗値であり、ＶCHはチョッパ６１の出力電圧である。
制動電力の大きさに応じて、ＶCHの大きさをチョッパ６１によって調整する。図１０の第１の電気システムは、制動電力を交流電源に回生出来ない電気システムであるが、回路構成が簡単で、最も安いシステムであり、広く普及している。
【０００４】
図１１は、従来の第１の電気システムにおけるチョッパ回路の構成を示す図である。図１１は、チョッパ６１の代表的な回路構成を示したものであり、図１１において、６１０はスイッチング素子、６１１は電流平滑インダクタ、６１２は入力電圧平滑キャパシタ、６１３は電流還流ダイオード、６１４は出力電圧平滑キャパシタである。回生電力吸収回路６は、スイッチング素子６１０のオンオフ制御を通じて、電流平滑インダクタ６１１に貯えられるエネルギーを調整し、抵抗器６２で消費される電力を調整する。図１０の第１の電気システムは、安価なシステムであるが、負荷の制動電力を抵抗器６２で消費するので、省エネルギー化の観点からは問題のあるシステムでもあった。
【０００５】
図１２は、従来の第２の電気システムの回路構成を示す図である。この第２の電気システムは、第１の電気システムの整流器２に用いるダイオード２１を、インバータ４で用いたトランジスタ等と環流ダイオードで構成された整流制御素子４２に変更し、さらに電圧平滑キャパシを付加した回路構成とし、整流器２を整流制御器７としたもので、交流電源１に電力を戻せる電気システムである。このシステムでは、交流電源１と整流制御器７の間に、フィルタ８が介装されている。なお、図１２において、図１０と同一の符号番号の構成は、同じ構成要素を示している。この第２の電気システムは、交流負荷（交流電動機）５の制動運転が頻繁にある場合に、広く採用されている電気システムである。このシステムは、整流制御器７により、交流負荷（交流電動機）５の制動運転時の制動電力を交流電源１に回生し、省エネルギー化を図ったものである。しかし、第２の電気システムは、第１の電気システムと比較すると、整流器２に代えて、整流制御器７を設ける必要があること、及び、整流制御器７の交流電源１への高調波電流流出の抑制のため、交流電源１と整流制御器７の間に、フィルタ８を挿入する必要があることから、第２の電気システムは第１の電気システムに比べ費用が大きく嵩むシステムとなっている。このため、エネルギー利用効率の観点からは、第１の電気システムは第２の電気システムに比べて劣るものの、安価であることから第１の電気システムは広く普及している。
【０００６】
第１の電気システムの省エネルギー化を図った電気システムとして、図１３に示す第３の電気システムが提案されている。この第３の電気システムに関しては、例えば、特許文献１（特開２００２−２１８６５３号公報）に類似例が記載されている。図１３において、図１０と同一の符号番号は図１０と同じ構成要素を示している。第３の電気システムにおいて、９は電気二重層キャパシタからなる蓄電装置である。この第３の電気システムでは、交流負荷（交流電動機）５からの制動電力を電気二重層キャパシタ９に蓄電し、次の交流負荷（交流電動機）５の力行運転で消費させて、省エネルギー化を図ったシステムである。
【０００７】
図１４は、従来の第３の電気システムの代表的な動作例を説明するための図である。以下、第３の電気システムの代表的な動作例について説明する。図１４において、上段、中段、下段に示されているのは、それぞれ、インバータ４から交流負荷（交流電動機）５に供給する電力、電気二重層キャパシタ９が供給する電力、電気二重層キャパシタ９の電圧であり、横軸は時間軸である。
１）力行運転開始前（図１４の時刻Ｔ1の時点）、電気二重層キャパシタ９の電圧は所定値（図１４のＶc1）に充電されているとする。
２）Ｔ1で力行運転を開始する。Ｔ2で力行電力が最大Ｐpmaxとなり、力行運転終了のＴ3まで続く。
３）整流器２の出力電圧Ｖdcより電気二重層キャパシタ電圧Ｖc1が高いので、整流器２からの給電はなく、電気二重層キャパシタ９が力行電力を給電する。即ち、電気二重層キャパシタ９は放電する。この放電によって、電気二重層キャパシタ９の電圧がＶc1から減少してゆく。
４）力行運転終了時のＴ3まで電気二重層キャパシタ９は放電する。Ｔ3時点での電気二重層キャパシタ９の電圧は最小値ＶCminになるが、この電圧は整流器２の出力電圧Ｖdc以上に保たれるよう電気二重層キャパシタ９の容量が選定されている。
５）Ｔ4から交流負荷（交流電動機）５の制動運転が始まり、制動電力によって、電気二重層キャパシタ９は充電され、制動運転が終わるＴ5まで電圧は上昇する。Ｐbmaxは最大制動電力を示している。
６）制動運転が終わるＴ5では、電気二重層キャパシタ９の電圧はＶC5となる。ＶC5の電圧は、電気二重層キャパシタ９の最大許容電圧以下になるよう電気二重層キャパシタ９の容量が選定されている。
７）Ｔ6で再度力行運転が始まり、電気二重層キャパシタ９から力行電力が給電され、力行運転が終わるＴ7では、ＶC7まで低下する。
８）Ｔ8で再制動運転が始まる。回生電力が電気二重層キャパシタ９に充電され電気二重層キャパシタ９の電圧は上昇。制動運転終了のＴ9でＶC1になる。
【０００８】
図１４に示される運転動作例では、力行運転と制動運転とによる電気二重層キャパシタ９の充放電電圧が釣合っているおり、且つ電気二重層キャパシタ９でインバータ４の電力を給電、吸収し、電力量が釣合っている場合で示してあるが、実際の運転ではこのようには釣合わない場合が多い。
【０００９】
図１５は、図１４の動作例とは異なる従来の第３の電気システムの動作例を説明するための図である。以下、図１５の動作について説明する。
図１５において、最上段、第２段目、第３段目、最下段に示されているのは、それぞれ、インバータ４から交流負荷（交流電動機）５に供給する電力、整流器２が供給する電力、電気二重層キャパシタ９が供給する電力、電気二重層キャパシタ９の電圧であり、横軸は時間軸である。
１）Ｔ1で力行運転開始後、Ｔ21で電気二重層キャパシタ９の電圧がＶdcまで低下し、Ｔ２１以後は、力行電力は整流器２から給電され、電気二重層キャパシタ９からの放電は停止する。
２）Ｔ21からＴ3までは整流器から力行電力は給電される。
３）Ｔ3からＴ8までは図１４の動作例と同じである。
４）Ｔ8からの制動電力量が図１４の動作例より大きいため、電気二重層キャパシタ９の電圧上昇も大きくなる。図１５の動作例では、Ｔ81で電気二重層キャパシタ９の電圧が許容最大値ＶCmaxに達してしまう場合で示してある。Ｔ81の時点以後は、電気二重層キャパシタ９の電圧が許容最大電圧以上なっているため、これ以上の電力は吸収出来なくなるので、インバータ４の制動運転を停止する。
【００１０】
以上の第３の電気システムの動作例からみて、第３の電気システムの実使用に当たっては、
１）電気二重層キャパシタ９を初期充電する
２）回生制動電力吸収中に電気二重層キャパシタ９の電圧が過電圧にならないようにする
３）安全の為に必要な時に、電気二重層キャパシタ９の電圧を放電できるようにする
点に留意しなくてはならない。以上を踏まえた上で、第３の電気システムを改良したものとして、図１６に示される第４の電気システムが提案されている。図１６において、図１０乃至図１３と同じ符号番号の構成要素は同じものを示している。
【００１１】
図１６において、９１は電気二重層キャパシタ９を直流回路に接続する開閉器で、９２は電気二重層キャパシタ９の初期充電回路で、この初期充電回路９２は初期充電用電源９２１と初期充電用充電回路９２２とで構成される。９３は電気二重層キャパシタ９の電圧を放電する放電回路で、開閉器９３１と放電抵抗９３２とを直列接続して構成される。９４は、電気二重層キャパシタ９の過電圧抑制回路で、開閉器９４１と抵抗器９４２とを直列接続して構成される。同図で、９３の回路と９４の回路とは同じ回路構成であるが、機器容量は異なる。すなわち、９３の放電回路の抵抗器９３２は電気二重層キャパシタの放電時間から決まり、９４の過電圧抑制回路の抵抗器９４２は、インバータ４の制動電力が吸収できる容量から決まり、抵抗値と抵抗容量はそれぞれ異なる。
【００１２】
図１６に示される第４の電気システムの動作の概略について次に説明する。第４の電気システムにおいて、電気二重層キャパシタ９の初期充電は、開閉器９１、９３１，９４１を“開”の状態で、初期充電用電源９２１と初期充電用充電回路９２２とで行う。初期充電後の通常運転は、開閉器９３１，９４１を”開“の状態にして、開閉器９１を”閉“にして、電気二重層キャパシタ９を直流回路部に接続して行う。回生運転中、電気二重層キャパシタ９が規定電圧に達したら、開閉器９４１を”閉”にして抵抗器９４２を電気二重層キャパシタ９に接続して、回生電力を抵抗器９４２に吸収ささせて電気二重層キャパシタが過電圧にならないようにする。次に安全のため電気二重層キャパシタの充電電圧を放電させる場合は、開閉器９１、９４１を”開“の状態にして電気二重層キャパシタ９を直流回路から切り離し、開閉器９３１を”閉“にして、抵抗器９３２と電気二重層キャパシタ９を接続して、電気二重層キャパシタ９を放電する。
【００１３】
図１６に示した第４の電気システムでは、電気二重層キャパシタ９の初期充電回路９２２によって、電気二重層キャパシタ９の初期充電電圧値は自由に設定できるので、図１４または図１５に示した力行運転開始直前（図１４及び図１５の時刻Ｔ1）のＶc1に充電できる。図１６の電気システムによれば、図１４または図１５に示した運転ができる。
【００１４】
図１７は、電気二重層キャパシタ９の初期充電電圧値が整流器２の出力電圧の場合について、図１４に対応した別の運転例である。以下、図１７の動作について説明する。
【００１５】
最初の力行運転が始まる時刻Ｔ1では、電気二重層キャパシタ電圧はＶdc  であるので、力行運転が始まっても、図１４またはず１５のように、電気二重層キャパシタ９からの給電はなく、インバータ４への給電は、整流器２からとなる。回生運転が始まるＴ4までは、電気二重層キャパシタ電圧はＶdcである。回生運転が始まる時刻Ｔ4以降は、図１４または図１５と類似の運転となるので詳述は省略する。
【特許文献１】特開２００２−２１８６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記のような第４の電気システムは、電気二重層キャパシタ９で制動電力を吸収して、吸収した制動電力を力行運転電力に再利用して、省エネルギーが図れる電気システムであるが、次のような課題がある。すなわち、１）電気二重層キャパシタ９の初期充電回路９２、２）安全のための電気二重層キャパシタ９の放電回路９３、３）電気二重層キャパシタ９の過電圧抑制回路９４の各回路が必要となり、安価にシステムを組むことができない。第４の電気システムは、ベースとなる電気システムは交流電源１側に整流制御器７を用いない安価なものであるが、上記のような各回路が必要となり、結局は高価なものとなってしまう、という課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、交流電源から、第１の電力変換装置を介して直流回路に直流電圧を給電し、前記直流電圧を第２の電力変換器を介して交流負荷に交流電力を給電する電気システムであって、前記交流負荷からの回生電力を吸収するための電気二重層キャパシタを前記直流回路部に接続した電気システムにおいて、前記電気二重層キャパシタが前記第１の電力変換装置から抵抗器を介して初期充電される接続形態か、或いは、前記電気二重層キャパシタの電圧を低くする必要があるときの、前記抵抗器を介して前記電気二重層キャパシタを放電する接続形態か、或いは、前記交流負荷からの回生電力によって前記電気二重層キャパシタの電圧が規定電圧以上となったときの、前記抵抗器を前記二重層キャパシタに並列に接続する接続形態か、を選択可能とすることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電気システムにおいて、前記各接続形態は、スイッチ手段によって切り替えることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項３に係る発明は、交流電源から、第１の電力変換装置を介して直流回路に直流電圧を給電し、前記直流電圧を第２の電力変換器を介して交流負荷に交流電力を給電する電気システムであって、前記交流負荷からの回生電力を吸収するための電気二重層キャパシタを前記直流回路部に接続した電気システムにおいて、前記電気二重層キャパシタが前記第１の電力変換装置から抵抗器を介して初期充電される接続形態か、或いは、前記電気二重層キャパシタの電圧を低くする必要があるときの、前記抵抗器を介して前記電気二重層キャパシタを放電する接続形態か、或いは、前記交流負荷からの回生電力によって前記電気二重層キャパシタの電圧が規定電圧以上となったときの、前記抵抗器を第３の電力変換器を介して前記二重層キャパシタに並列に接続する接続形態か、を選択可能とすることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項４に係る発明は、請求項３に記載の電気システムにおいて、前記各接続形態は、スイッチ手段によって切り替えることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項５に係る発明は、請求項３又は請求項４に記載の電気システムにおいて、前記第３の半導体電力変換器はチョッパであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の実施の形態に係る電気システムによれば、電気システム運転開始時、整流器２の出力電圧を利用して電気二重層キャパシタ９を初期充電するので、初期充電専用に初期充電回路を設ける必要がない。また、本実施形態の電気システムによれば、従来の第４の電気システムにおいて必要であった過電圧抑制回路の抵抗器と放電回路の抵抗器とを兼用する構成であるので、従来に比べ抵抗器１個を減らすことができる。また、本実施形態の電気システムによれば、電気二重層キャパシタ９、抵抗器１００（１５０）、直流回路との間にスイッチ手段を設けた構成となっているので、初期充電動作、通常運転動作、放電動作及び過電圧抑制動作の各動作を、スイッチ手段の切り替えのみによって簡単に実現することができる。電気二重層キャパシタが規定電圧以上に充電されるような場合には、スイッチ手段によって、回生電力を吸収できる容量の上記抵抗器が電気二重層キャパシタに並列に接続されるので、電気二重層キャパシタ電圧が過電圧にさらされることはない。また、従来必須であったインバータ入力の電圧平滑用キャパシタの初期充電回路が不要となり、機器部品の価格低減が図れる。また、本発明の実施の形態によれば、ベースとなる電気システムとしては交流電源１側に整流制御器７を用いない安価なものを用いつつも、電気二重層キャパシタ、スイッチ手段、抵抗器、チョッパといった簡単な回路を付加するのみで、エネルギーを効率的に利用することができる電気システム実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る電気システムの回路構成を示す図である。図１において、１は交流電源、１０は開閉器、２は図１０に示される第１の電気システムにおける整流器２と同様のものであり、ダイオードの３相ブリッジで構成されている。また、４は図１０に示される第１の電気システムにおけるインバータ４と同一の構成でありトランジスタ等と環流ダイオードで構成された整流制御素子の３相ブリッジ等で構成されている。また、インバータ４には、第１の電気システム同様、電圧平滑キャパシタが整流制御素子の３相ブリッジと並列に介装されている。５は、交流電動機などの交流負荷であり、９は電気二重層キャパシタである。交流電源１と開閉器１０との間、開閉器１０と整流器２との間、インバータ４と交流負荷（交流電動機）５との間の三相結線構造については、図１においては略記して示した。
【００２４】
図１において、１００は抵抗器、１１０は第１スイッチ手段、１２０は第２スイッチ手段２であり、図示するように、第１スイッチ手段１１０はａ１からｂ１又はｃ１を、第２スイッチ手段１２０はａ２からｂ２又はｃ２を選択可能に構成される。本発明のスイッチ手段の構成は、図１に示した第１スイッチ手段１１０などのように端子が３つのからなる回路切換スイッチの例で示したが、電流開閉器などの一般に広く使用されている開閉器を用いて、第１スイッチ手段１１０、第２スイッチ手段１２０を構成しても良い。
【００２５】
以上のように構成された本発明の第１の実施形態に係る電気システムの動作について以下説明する。まず、電気二重層キャパシタ９の初期充電動作について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係る電気システムにおける電気二重層キャパシタ９の初期充電動作説明図である。図２は、電気二重層キャパシタ９の初期充電を行う時の第１スイッチ手段１１０，第２スイッチ手段１２０の動作位置を示している。
【００２６】
図２に示すように、電気二重層キャパシタ９の初期充電動作では、第１スイッチ手段１１０はｃ１側に、第２スイッチ手段１２０はｃ２側に接続する。本実施形態の電気システムでは、電気二重層キャパシタ９の初期充電は次のようにして行われる。すなわち、開閉器１０を開の状態で、図２の回路構成にした後、開閉器１０を閉にすると、交流電源１、整流器２、第１スイッチ手段１１０、抵抗器１００を介して充電回路が形成され、電気二重層キャパシタ９が充電される。
【００２７】
次に、第１の実施形態に係る電気システムでの通常運転動作を行う場合について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態に係る電気システムにおける通常運転動作説明図である。図３は、図１の電気システムで運転を行う場合の第１スイッチ手段１１０及び第２スイッチ手段１２０の位置関係を示している。すなわち、通常運転動作においては、第１スイッチ手段１１０はｂ１側に、又第２スイッチ手段１２０はｃ２側に接続される。第１の実施形態に係る電気システムでの通常運転動作においては、図１３に示される従来の第３の電気システムと同じ回路構成となり、その動作も第３の電気システムの箇所で説明したような動作を行う。
【００２８】
次に、安全のために電気二重層キャパシタ９の充電電圧を放電させる場合について説明する。図４は、本発明の第１の実施形態に係る電気システムにおける電気二重層キャパシタ９の放電動作の説明図である。電気二重層キャパシタ９の放電動作にあたっては、図４に示すように、まず開閉器１０は開の状態にして、第１スイッチ手段１１０はｃ１側に、また第２スイッチ手段１２０はｂ２側に接続する。  本実施形態の電気システムにおいて、図４に示される回路が構成されると、電気二重層キャパシタ９は抵抗１００を通って放電され、本実施形態の電気システムの安全が達成される。
【００２９】
次に、回生動作中の電気二重層キャパシタ９の過電圧抑制するための各スイッチ手段の動作（動作位置）について示す。図５は、本発明の第１の実施形態に係る電気システムにおける電気二重層キャパシタの過電圧抑制動作説明図である。
【００３０】
図３に示されるような回路構成にて本電気システムを運転しているときに、電気二重層キャパシタ９の電圧が許容最大電圧に達したら（図１４のＴ81の動作点）、第２スイッチ手段１２０をｃ２側からｂ２側に切り替える。このように切り替えられると、抵抗器１００が電気二重層キャパシタ９に並列接続され、インバータ４からの回生電力は抵抗器１００で消費され、電気二重層キャパシタ９の過電圧が抑制される。電気二重層キャパシタ電圧を検出するための手段、この検出電圧と電気二重層キャパシタの許容最大電圧との比較手段及び許容最大電圧を超えたら、スイッチ手段１２０をｂ２側の切換える手段等は従来周知の方法を用いることができるので、ここでの詳述は省略する。
【００３１】
次に抵抗器１００の抵抗値について説明する。抵抗器１００の抵抗値は、回生運転中に電気二重層キャパシタ９の電圧が許容最大電圧ＶCmaxに達したら、この抵抗器で最大回生電力Ｐbmaxを吸収される必要があることから、抵抗値Ｒは次のように選定する。
Ｒ≦ＶCmax２／Ｐbmax       （２）
また抵抗器１００の容量は、所用回生電力を吸収することができる容量（例えば、図１２のＴ81〜Ｔ9間に発生する電力量）に選定する。整流器２の電力はインバータ４の容量に見合った容量に選定されているので、上記のように選択した抵抗値で電気二重層キャパシタ９を充電しても整流器２に過負荷をかけることにはならない。また、電気二重層キャパシタ９の放電に対しても特に問題ならない。
【００３２】
さて、本発明の第１の実施形態に係る電気システムの回路構成では、図１０に示す従来の第１の電気システムで必須回路であった電圧平滑用キャパシタ初期充電回路３を図示していない。従来の第１の電気システムでは、初期状態においてインバータ４の入力電圧として、初期充電回路が必要になるが、本実施形態の電気システムでは、インバータ４の入力電圧は、電気二重層キャパシタ９を利用することができる。電気二重層キャパシタ電圧がほぼゼロの場合から運転する場合に、電気二重層キャパシタ９を初期充電動作で充電すると、インバータ４の入力電圧も、電気二重層キャパシタ９の電圧に比例して増えるので、本実施形態の電気システムでは、図１０で示した従来の第１の電気システムで用いる電圧平滑用キャパシタ初期充電回路３は不要となる。
【００３３】
次に本発明の第２の実施形態に係る電気システムについて説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る電気システムの回路構成を示す図であり、図１の第１の実施形態に係る電気システムと同様の構成については同じ符号番号を付している。図６において、１５０は抵抗器で、これは図１の第１の実施形態に係る電気システムにおける抵抗器１００と対応するものである。また図６において、１３０は第３スイッチ手段３であり、１４０はチョッパである。このチョッパ１４０は図１１に示したチョッパ６１と同じものである。図示するように、第３スイッチ手段１３０はａからｂ又はｃを選択可能に構成される。
【００３４】
以上のように構成された本発明の第２の実施形態に係る電気システムの動作について以下説明する。まず、電気二重層キャパシタ９の初期充電動作について説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る電気システムにおける電気二重層キャパシタの初期充電動作説明図である。図７は、電気二重層キャパシタ９の初期充電を行う時の第３スイッチ手段１３０の動作位置を示している。すなわち、電気二重層キャパシタ９の初期充電動作時は、第３スイッチ手段１３０がｃ側に接続され、チョッパ１４０の作動は停止する。
【００３５】
電気二重層キャパシタ９の初期充電は次のようにして行われる。開閉器１０を開の状態で、図７に示すような第３スイッチ手段の接続とし、開閉器１０を閉にすると、交流電源１、整流器２、電気二重層キャパシタ９、スイッチ手段１３０、抵抗１５０を介して充電回路が形成され、電気二重層キャパシタ９が充電される。
【００３６】
次に、第２の実施形態に係る電気システムでの通常運転動作を行う場合について説明する。図８は、本発明の第２の実施形態に係る電気システムにおける通常運転動作説明図である。図８は、図６の第２実施形態の電気システムで通常運転を行う場合の第３スイッチ手段１３０の位置を示している。すなわち、通常運転動作においては、第３スイッチ手段１３０はｂ側に接続される。チョッパ１４０の作動は停止する。第２の実施形態に係る電気システムでの通常運転動作においては、図１３に示される従来の第３の電気システムと同じ回路構成となり、その動作も第３の電気システムの箇所で説明したような動作を行う。
【００３７】
次に、回生動作中の電気二重層キャパシタ９の過電圧抑制するための回路構成について示す。この場合の回路構成は、図８に示したものと同じとなる。図８に示した回路構成では、抵抗器１５０とチョッパ１４０の直列回路が電気二重層キャパシタ９に並列に接続された回路構成になっているので、運転中に、電気二重層キャパシタ９の電圧が許容最大電圧に達したら（図１５のＴ81の動作点）、チョッパ１４０作動させて、抵抗器１５０でインバータ４からの回生電力を消費させて、電気二重層キャパシタ９が過電圧にならないようにする。インバータ４からの回生電力の大きさと抵抗値で消費される電力とが等しくなるようにチョッパ１４０で、抵抗器１５０の消費電力を制御する。
【００３８】
次に、安全のために電気二重層キャパシタ９の充電電圧を放電し下げる時の開閉器１０、第３スイッチ手段１３０の動作（動作位置）について示す。図９は、本発明の第２の実施形態に係る電気システムにおける電気二重層キャパシタ９の放電動作説明図である。図９に示すように、第３スイッチ手段１３０はｂ側に接続する。電気二重層キャパシタ９の放電動作では、まず開閉器１０は開の状態にして、スイッチ手段１３０はｂ側に接続する。そしてチョッパ１４０をオンして、電気二重層キャパシタ９の電圧を抵抗器１５０を介して放電する。
【００３９】
図６に示す第２の実施形態に係る電気システム、第１の実施形態に係る電気システムの場合と同様に、図１０に示す従来の第１の電気システムで必須回路であった電圧平滑用キャパシタ初期充電回路３は不要である。
【００４０】
以上の通り、本発明の実施の形態に係る電気システムによれば、電気システム運転開始時、整流器２の出力電圧を利用して電気二重層キャパシタ９を初期充電するので、初期充電専用に初期充電回路を設ける必要がない。
【００４１】
また、本実施形態の電気システムによれば、従来の第４の電気システムにおいて必要であった過電圧抑制回路の抵抗器と放電回路の抵抗器とを兼用する構成であるので、従来に比べ抵抗器１個を減らすことができる。
【００４２】
また、本実施形態の電気システムによれば、電気二重層キャパシタ９、抵抗器１００（１５０）、直流回路との間にスイッチ手段を設けた構成となっているので、初期充電動作、通常運転動作、放電動作及び過電圧抑制動作の各動作を、スイッチ手段の切り替えのみによって簡単に実現することができる。電気二重層キャパシタが規定電圧以上に充電されるような場合には、スイッチ手段によって、回生電力を吸収できる容量の上記抵抗器が電気二重層キャパシタに並列に接続されるので、電気二重層キャパシタ電圧が過電圧にさらされることはない。
【００４３】
また、従来必須であったインバータ入力の電圧平滑用キャパシタの初期充電回路が不要となり、機器部品の価格低減が図れる。
【００４４】
また、本発明の実施の形態によれば、ベースとなる電気システムとしては交流電源１側に整流制御器７を用いない安価なものを用いつつも、電気二重層キャパシタ、スイッチ手段、抵抗器、チョッパといった簡単な回路を付加するのみで、エネルギーを効率的に利用することができる電気システム実現することができる。
【００４５】
なお、本発明のスイッチ手段の構成は、図１に示した第１スイッチ手段１１０などのように端子が３つのからなる回路切換スイッチの例で示したが、電流開閉器などの一般に広く使用されている開閉器を用いて、第１スイッチ手段１１０、第２スイッチ手段１２０、第１スイッチ手段１３０を構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電気システムの回路構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る電気システムにおける電気二重層キャパシタの初期充電動作説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る電気システムにおける通常運転動作説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る電気システムにおける電気二重層キャパシタの放電動作説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る電気システムにおける電気二重層キャパシタの過電圧抑制動作説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る電気システムの回路構成を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る電気システムにおける電気二重層キャパシタの初期充電動作説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る電気システムにおける通常運転動作・回生動作の説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る電気システムにおける電気二重層キャパシタ放電動作説明図である。
【図１０】従来の第１の電気システムの回路構成を示す図である。
【図１１】従来の第１の電気システムにおけるチョッパ回路の構成を示す図である。
【図１２】従来の第２の電気システムの回路構成を示す図である。
【図１３】従来の第３の電気システムの回路構成を示す図である。
【図１４】従来の第３の電気システムの代表的な動作例を説明するための図である。
【図１５】図１４の動作例とは異なる従来の第３の電気システムの動作例を説明するための図である。
【図１６】従来の第４の電気システムの回路構成を示す図である。
【図１７】図１４の動作例とは異なる従来の第３の電気システムの動作例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４７】
1・・・交流電源、２・・・整流器、２１・・・ダイオード、３・・・電圧平滑キャパシタ初期充電回路、４・・・インバータ、４１・・・電圧平滑キャパシタ、５・・・交流負荷（交流電動機）、６・・・回生電力吸収回路、６１，１４０・・・チョッパ、６１０・・・スイッチング素子、６１１・・・電流平滑インダクタ、６１２・・・チョイッパ入力電圧平滑用キャパシタ、６１３・・・電流還流ダイオード、６１４・・・チョッパ出力電圧平滑用キャパシタ、６２・・・抵抗器、７・・・整流制御器、８・・・フィルタ、９・・・電気二重層キャパシタ、１０・・・開閉器、９１・・・開閉器、９２・・・初期充電回路、９２１・・・初期充電用電源、９２２・・・初期充電用充電回路、９３・・・放電回路、９３１・・・開閉器、９３２・・・放電抵抗、９４・・・過電圧抑制回路、９４１・・・開閉器、９４２・・・抵抗器、１００・・・抵抗器、１１０・・・第１スイッチ手段、１２０・・・第２スイッチ手段、１３０・・・第３スイッチ手段、１５０・・・抵抗器
【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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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年12月19日(2006.12.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から、第１の電力変換装置を介して直流回路部に直流電圧を給電し、前記直流電圧を第２の電力変換装置を介して交流負荷に交流電力を給電する電気システムであって、前記交流負荷からの回生電力を吸収するための電気二重層キャパシタを前記直流回路部に接続した電気システムにおいて、
該第１の電力変換装置と該第２の電力変換装置との間には、
該第１の電力変換装置と該第２の電力変換装との間を直接接続する第１線路と、
一方端が該第１の電力変換装置と接続される第２線路と、
一方端が該第２の電力変換装置と接続される第３線路と、
一方端が該第３線路と接続され線路中に抵抗器を有する第４線路と、
スイッチ手段間の中継線路となる第５線路と、
一方端が該第１線路と接続され第６線路と、
一方端が該第１線路と他方端が第３線路と接続され線路中に電気二重層キャパシタを有する該第７線路と、からなる線路群が設けられ、
該線路群の間には、線路群該第２線路と該第５線路とを接続する接続形態か、該第２線路と該第３線路とを接続する接続形態かを選択可能とする第１スイッチ手段と、
該第４線路と該第５線路とを接続する接続形態か、該第４線路と該第６線路とを接続する接続形態かを選択可能とする第２スイッチ手段と、が設けられ、
該電気二重層キャパシタの初期充電においては、該第１スイッチ手段では該第２線路と該第５線路とを接続する接続形態とし、該第２スイッチ手段では該第４線路と該第５線路とを接続する接続形態とし、
電気システムの通常運転動作においては、該第１スイッチ手段では該第２線路と該第３線路とを接続する接続形態とし、該第２スイッチ手段では該第４線路と該第５線路とを接続する接続形態とし、
該電気二重層キャパシタの放電においては、該第１スイッチ手段では該第２線路と該第５線路とを接続する接続形態とし、該第２スイッチ手段では該第４線路と該第６線路とを接続する接続形態とし、
該電気二重層キャパシタの過電圧抑制においては、該第１スイッチ手段では該第２線路と該第３線路とを接続する接続形態とし、該第２スイッチ手段では該第４線路と該第６線路とを接続する接続形態とすることを特徴とする電気システム。
【請求項２】
交流電源から、第１の電力変換装置を介して直流回路部に直流電圧を給電し、前記直流電圧を第２の電力変換装置を介して交流負荷に交流電力を給電する電気システムであって、前記交流負荷からの回生電力を吸収するための電気二重層キャパシタを前記直流回路部に接続した電気システムにおいて、
該第１の電力変換装置と該第２の電力変換装置との間には、
該第１の電力変換装置と該第２の電力変換装との間を直接接続する第１線路と第２線路と、
一方端が該第２線路と接続され線路中に電気二重層キャパシタを有する第３線路と、
一方端が該第１線路と接続され他方端が第2線路と接続され線路中にチョッパと抵抗器を有する第４線路と、
一方端が該第４線路中の該チョッパと該抵抗器との間に接続される第５線路と、
一方端が該第１線路と接続され第６線路と、からなる線路群が設けられ、
該線路群の間には、線路群該第３線路と該第５線路とを接続する接続形態か、該第３線路と該第６線路とを接続する接続形態かを選択可能とするスイッチ手段と、が設けられ、
該電気二重層キャパシタの初期充電においては、該スイッチ手段を該第３線路と該第５線路とを接続する接続形態とし、
電気システムの通常運転動作においては、該スイッチ手段を該第３線路と該第６線路とを接続する接続形態とし、
該電気二重層キャパシタの放電時及び過電圧抑制時においては、該チョッパを動作させることを特徴とする電気システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、交流電源から、第１の電力変換装置を介して直流回路部に直流電圧を給電し、前記直流電圧を第２の電力変換装置を介して交流負荷に交流電力を給電する電気システムであって、前記交流負荷からの回生電力を吸収するための電気二重層キャパシタを前記直流回路部に接続した電気システムにおいて、該第１の電力変換装置と該第２の電力変換装置との間には、該第１の電力変換装置と該第２の電力変換装との間を直接接続する第１線路と、一方端が該第１の電力変換装置と接続される第２線路と、一方端が該第２の電力変換装置と接続される第３線路と、一方端が該第３線路と接続され線路中に抵抗器を有する第４線路と、スイッチ手段間の中継線路となる第５線路と、一方端が該第１線路と接続され第６線路と、一方端が該第１線路と他方端が第３線路と接続され線路中に電気二重層キャパシタを有する該第７線路と、からなる線路群が設けられ、該線路群の間には、線路群該第２線路と該第５線路とを接続する接続形態か、該第２線路と該第３線路とを接続する接続形態かを選択可能とする第１スイッチ手段と、該第４線路と該第５線路とを接続する接続形態か、該第４線路と該第６線路とを接続する接続形態かを選択可能とする第２スイッチ手段と、が設けられ、該電気二重層キャパシタの初期充電においては、該第１スイッチ手段では該第２線路と該第５線路とを接続する接続形態とし、該第２スイッチ手段では該第４線路と該第５線路とを接続する接続形態とし、電気システムの通常運転動作においては、該第１スイッチ手段では該第２線路と該第３線路とを接続する接続形態とし、該第２スイッチ手段では該第４線路と該第５線路とを接続する接続形態とし、該電気二重層キャパシタの放電においては、該第１スイッチ手段では該第２線路と該第５線路とを接続する接続形態とし、該第２スイッチ手段では該第４線路と該第６線路とを接続する接続形態とし、該電気二重層キャパシタの過電圧抑制においては、該第１スイッチ手段では該第２線路と該第３線路とを接続する接続形態とし、該第２スイッチ手段では該第４線路と該第６線路とを接続する接続形態とすることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
また、請求項２に係る発明は、交流電源から、第１の電力変換装置を介して直流回路部に直流電圧を給電し、前記直流電圧を第２の電力変換装置を介して交流負荷に交流電力を給電する電気システムであって、前記交流負荷からの回生電力を吸収するための電気二重層キャパシタを前記直流回路部に接続した電気システムにおいて、該第１の電力変換装置と該第２の電力変換装置との間には、該第１の電力変換装置と該第２の電力変換装との間を直接接続する第１線路と第２線路と、一方端が該第２線路と接続され線路中に電気二重層キャパシタを有する第３線路と、一方端が該第１線路と接続され他方端が第2線路と接続され線路中にチョッパと抵抗器を有する第４線路と、一方端が該第４線路中の該チョッパと該抵抗器との間に接続される第５線路と、一方端が該第１線路と接続され第６線路と、からなる線路群が設けられ、該線路群の間には、線路群該第３線路と該第５線路とを接続する接続形態か、該第３線路と該第６線路とを接続する接続形態かを選択可能とするスイッチ手段と、が設けられ、該電気二重層キャパシタの初期充電においては、該スイッチ手段を該第３線路と該第５線路とを接続する接続形態とし、電気システムの通常運転動作においては、該スイッチ手段を該第３線路と該第６線路とを接続する接続形態とし、該電気二重層キャパシタの放電時及び過電圧抑制時においては、該チョッパを動作させることを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】削除
【補正の内容】