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JP7537813B2 - Jet fan drive power supply circuit system using 18-phase rectifier circuit with non-insulated transformer - Google Patents
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JP7537813B2 - Jet fan drive power supply circuit system using 18-phase rectifier circuit with non-insulated transformer - Google Patents

Jet fan drive power supply circuit system using 18-phase rectifier circuit with non-insulated transformer Download PDF

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Description

この発明は、道路トンネルのジェットファン駆動用のインバータの直流電源に用いる変圧器として非絶縁変圧器を用いた電源を採用することでコスト低減と小形化および変圧器損失の低減を実現したジェットファン駆動用電源回路システムに関するものである。
特にインバータが3台の場合にそれらの整流回路を組み合わせたジェットファン駆動用電源回路システムに関する。
This invention relates to a power supply circuit system for driving jet fans which achieves cost reduction, miniaturization, and reduction in transformer loss by adopting a power supply using a non-insulated transformer as the transformer used for the DC power supply of an inverter for driving jet fans in road tunnels.
In particular, the present invention relates to a power supply circuit system for driving a jet fan that combines rectifier circuits for three inverters.

道路トンネルにおいて、トンネル内の自動車の排出ガスを排気するには自然換気力や交通換気力だけでは不十分であり、トンネル内に設置されたジェットファンや排風機を用いた強制換気が行われている。
我が国ではいわゆる「縦流換気方式」による換気が多く採用されている。「縦流換気方式」とは、トンネル断面全体を換気ダクトとして利用する換気方式である。用いる換気装置としては、道路トンネルに沿った縦流方向の空気流を与えるジェットファン、及びトンネルの中間から空気を山頂などに引き出す大形の排風機があり、適切にこれらを組み合わせてトンネルの排気を行う。
In road tunnels, natural ventilation and traffic ventilation alone are insufficient to exhaust exhaust gases from automobiles inside the tunnel, so forced ventilation is carried out using jet fans and exhaust fans installed inside the tunnel.
In Japan, the so-called "longitudinal ventilation method" is widely used. The "longitudinal ventilation method" is a ventilation method that uses the entire cross section of the tunnel as a ventilation duct. The ventilation equipment used includes jet fans that create a longitudinal air flow along the road tunnel, and large exhaust fans that draw air from the middle of the tunnel to the top of the mountain, and these are appropriately combined to exhaust the air from the tunnel.

ジェットファンのモータは通常20kWから50kW程度、4極から8極、400V系の誘導電動機が多い。また排風機は100kwから500kw程度と容量が大きく、これも誘導電動機を使う場合が多い。Jet fan motors are usually around 20kW to 50kW, with 4 to 8 poles and 400V induction motors. Exhaust fans also have a larger capacity of around 100kW to 500kW and often use induction motors as well.

なお、道路トンネルでは、商用電源の電圧は400V系であり、6600Vから400Vへの降圧に用いられる降圧用変圧器は、照明などの他の電気設備と共用として変電所で準備される場合が多く、400V系のまま使用することができる環境にある。In road tunnels, the commercial power supply voltage is 400V, and the step-down transformers used to step down from 6,600V to 400V are often prepared at substations and shared with other electrical equipment such as lighting, meaning that the tunnels can be used as is at 400V.

ジェットファンは、短いトンネルであればトンネル入口か出口の1カ所に配設する構成例もあるが、長距離トンネルであれば、複数台のジェットファンを複数個所に配設することとなる。ここで、従来の縦流換気方式のジェットファンを用いた換気制御は、所望する換気量に応じてジェットファンごとにオンオフを切り替えて運転台数を変える台数制御が主流の時期があったが、近年は、インバータを用いた換気制御が注目されている。 In short tunnels, jet fans may be installed in one location, either at the entrance or exit, but in long-distance tunnels, multiple jet fans will be installed in multiple locations. Conventional ventilation control using jet fans in longitudinal ventilation systems was once dominated by control of the number of jet fans in operation by switching each one on and off depending on the desired ventilation volume, but in recent years, ventilation control using inverters has been attracting attention.

自動車トンネルは環境計測や安全確保のために様々な電子機器やAMラジオ放送などを実装しており、これらデリケートな電子機器はノイズに弱いので、インバータを用いる場合、そのEMI対策が極めて難しい。そのためジェットファンのインバータ駆動を実用化しているメーカは世界的にも少なく、我が国では数年前から本出願人等が数十ヶ所のトンネルに実用しているだけである。 Automobile tunnels are equipped with various electronic devices and AM radio broadcasts for environmental measurement and safety purposes, and since these delicate electronic devices are vulnerable to noise, it is extremely difficult to implement EMI countermeasures when using inverters. For this reason, there are only a few manufacturers worldwide that have put inverter-driven jet fans into practical use, and in Japan, only the applicant and others have been using them in several dozen tunnels for the past few years.

ジェットファンインバータ駆動のEMI対策には、インバータの出力側の高調波対策と、電源側の高調波対策が必要であるが、前者に関しては本発明者等が特開2013-069183号においてその対策を述べている。本発明は後者の電源側の高調波対策に関するものである。 EMI countermeasures for inverter-driven jet fans require measures against harmonics on the inverter output side and on the power supply side, and the inventors of the present invention have described the former measures in JP 2013-069183 A. The present invention is concerned with the latter measures against harmonics on the power supply side.

インバータは直流電源が必要であり通常PWMコンバータまたは整流回路が使われる。最近一般用途ではPWMコンバータが多用されているが、これは複雑、高価で寸法も大きく、かつ高周波スイッチングによるEMIが多いのでノイズを嫌う自動車トンネルには適していない。また損失も整流回路より2から3倍大きいので、回生制動を必要としない換気扇の駆動では本出願人等は整流回路を採用してきた。 Inverters require a DC power source, and usually a PWM converter or rectifier circuit is used. Recently, PWM converters have been widely used for general purposes, but they are complex, expensive, and large in size, and they generate a lot of EMI due to high-frequency switching, so they are not suitable for automobile tunnels, which are sensitive to noise. In addition, losses are two to three times greater than with rectifier circuits, so the applicants have adopted rectifier circuits for driving ventilation fans that do not require regenerative braking.

整流回路を採用する場合、一台の3相ブリッジ整流回路は、低次の第5,7,11,13、17,19次などの高調波が多いので、それを低減する多相整流回路の適用が不可欠である。
ジェットファンは一つのトンネルに数台から数十台が設置され、それらを2,3の電気室に分けて設置し、そのインバータから数百mから1km程度の長尺ケーブルを介してジェットファンを駆動する。その場合、同じ電気室のインバータは同じ周波数で運転するので、それらの所要直流電力は同じである。従って、いわゆる「組み合わせ多相整流回路」を構成し、高調波を低減することができる環境にある。そこで本出願人等はこれまで特許文献2の特開2018‐87423号にかかる「組み合わせ12相整流回路」(図15)、「単機12相整流回路」(図16)、「組み合わせ12相整流回路」と「単機12相整流回路」とを組み合わせた回路(図17)を採用して高調波を低減してきた。
When a rectifier circuit is used, a single three-phase bridge rectifier circuit produces a large number of low-order harmonics such as the 5th, 7th, 11th, 13th, 17th, and 19th harmonics, so it is essential to use a multi-phase rectifier circuit to reduce these harmonics.
Several to several dozen jet fans are installed in one tunnel, and they are installed in two or three electrical rooms, and the jet fans are driven from the inverters via long cables of several hundred meters to about 1 km. In this case, the inverters in the same electrical room operate at the same frequency, so the required DC power is the same. Therefore, it is an environment in which a so-called "combined multi-phase rectifier circuit" can be configured to reduce harmonics. Therefore, the applicants have adopted the "combined 12-phase rectifier circuit" (FIG. 15), "single 12-phase rectifier circuit" (FIG. 16), and a circuit combining the "combined 12-phase rectifier circuit" and the "single 12-phase rectifier circuit" (FIG. 17) in Patent Document 2, JP Patent Publication No. 2018-87423 to reduce harmonics.

特開2013-069183号公報JP 2013-069183 A 特開2018‐087423号公報JP 2018-087423 A JEM_TR201:2007,10頁図2JEM_TR201:2007, page 10 Figure 2

従来技術における一般的な絶縁変圧器を用いた「組み合わせ12相整流回路」では、図13に示すような一次側がΔで二次側がΔYの絶縁変圧器を使い、位相が15°進んだ電源U1,V1,W1と位相が15°遅れた電源U2,V2,W2を作る方法が普通である。しかし、絶縁変圧器は100%の自己容量を有するので大きく、高価となる。
そこで本発明者等は上記したように、道路トンネルで利用する商用電源の電圧は400V系のまま利用できるという環境条件を生かし、図15で示したように自己容量の少ない非絶縁変圧器による組み合わせ12相整流回路を提案してきた。
In the "combined 12-phase rectifier circuit" using a general insulating transformer in the prior art, it is common to use an insulating transformer with a primary side of Δ and a secondary side of ΔY as shown in Fig. 13 to create power sources U1, V1, and W1 with a 15° phase lead and power sources U2, V2, and W2 with a 15° phase lag. However, since the insulating transformer has a 100% self-capacity, it is large and expensive.
Therefore, as described above, the inventors have taken advantage of the environmental condition that the commercial power supply voltage used in road tunnels can be used as is at 400V, and have proposed a combined 12-phase rectifier circuit using a non-isolated transformer with low self-capacity, as shown in Figure 15.

本発明者が特許文献2(特開2018‐087423号)で提案してきた非絶縁変圧器による組み合わせ12相整流回路では、図15に示すように、3相電源U,V,Wから非絶縁の位相変圧器を用いて位相が15°進んだ電源U1,V1,W1と位相が15°遅れた電源U2,V2,W2を作る。そしてインバータ1の整流回路を電源U1,V1,W1に接続し、インバータ2の整流回路を電源U2,V2,W2に接続する。こうすることで整流回路1と整流回路2の第5,第7高調波が消去される(参考文献JEM_TR201:2007、10頁図2)。
なお、図15に示すシステムは、一般的な従来技術ではなく本出願人等の従来技術であり、非絶縁変圧器を用いた優れたものであるが、改善点があった。それはインバータ台数が奇数の場合に不経済となるという問題である。
In the combined 12-phase rectifier circuit using a non-insulated transformer proposed by the present inventor in Patent Document 2 (JP Patent Publication 2018-087423), as shown in Fig. 15, a non-insulated phase transformer is used to create power sources U1, V1, W1 with a phase lead of 15° and power sources U2, V2, W2 with a phase lag of 15° from three-phase power sources U, V, W. The rectifier circuit of inverter 1 is then connected to the power sources U1, V1, W1, and the rectifier circuit of inverter 2 is connected to the power sources U2, V2, W2. In this way, the fifth and seventh harmonics of rectifier circuit 1 and rectifier circuit 2 are eliminated (reference document JEM_TR201:2007, page 10, Figure 2).
The system shown in Fig. 15 is not a general prior art but a prior art of the present applicant and is an excellent system using a non-insulated transformer, but there is an issue that needs improvement: when the number of inverters is odd, it becomes uneconomical.

複数台のインバータで「組み合わせ多相整流回路」を構成し、高調波を低減する場合、インバータの台数が偶数2Nの場合はN組の「組み合わせ12相整流回路」を構成することができる。しかしインバータの台数が奇数2N+1の場合は一台余るのでその直流電源をどうするかが問題となる。
その一つの解決策として本発明者等は、図15に示すような非絶縁変圧器を用いた「組み合わせ12相整流回路」、図16に示すような非絶縁変圧器を用いた「単機12相整流回路」、および、図17に示すような「組み合わせ12相整流回路(図15)」と「単機12相整流回路(図16)」との組み合わせを提案している。これらの方式を採用する場合におけるインバータ台数と整流回路方式の組み合わせパターンを図18(a)に示す。
しかし、この「単機12相整流回路」は一台のインバータに2個のダイオードブリッジ50、位相変圧器30、2個の三相交流リアクトル40を要し、循環電流を抑える同相リアクトル41も必要となり、複雑なため経済性に問題がある。そのため、インバータ台数が奇数の場合には、さらなる改善の余地があり、より経済的な整流回路方式の開発が必要となっていた。
ここで、本発明者は、上記問題に鑑み、非絶縁変圧器による18相整流回路について着想を得て本発明を行った。
When configuring a "combined multi-phase rectifier circuit" with multiple inverters to reduce harmonics, if the number of inverters is an even number, 2N, it is possible to configure N sets of "combined 12-phase rectifier circuits." However, if the number of inverters is an odd number, 2N+1, there is one extra inverter, and the question arises as to what to do with its DC power supply.
As one solution to this problem, the present inventors have proposed a "combined 12-phase rectifier circuit" using a non-isolated transformer as shown in Fig. 15, a "single 12-phase rectifier circuit" using a non-isolated transformer as shown in Fig. 16, and a combination of a "combined 12-phase rectifier circuit (Fig. 15)" and a "single 12-phase rectifier circuit (Fig. 16)" as shown in Fig. 17. Combination patterns of the number of inverters and rectifier circuit systems when these systems are adopted are shown in Fig. 18(a).
However, this "single-unit 12-phase rectifier circuit" requires two diode bridges 50, a phase transformer 30, and two three-phase AC reactors 40 for one inverter, as well as an in-phase reactor 41 to suppress circulating current, making it complicated and economical. Therefore, when the number of inverters is odd, there is room for further improvement, and it has been necessary to develop a more economical rectifier circuit method.
In view of the above problems, the present inventor came up with the idea of an 18-phase rectifier circuit using a non-insulated transformer and developed the present invention.

非特許文献1のJEM_TR201:2007においても12相整流回路と24相整流回路は書かれているが、18相整流回路は書かれていない。パワーエレクトロニクス業界でも18相整流回路は周知ではない方式であり、実用された例もほぼ無いと考えられる。しかもその18相整流回路を絶縁変圧器ではなく、自己容量が小さくて経済的な非絶縁変圧器を用いて構成する新しい方式をトンネル換気用インバータの直流電源として発明した。 Non-patent document 1, JEM_TR201:2007, describes 12-phase and 24-phase rectifier circuits, but not 18-phase rectifier circuits. The 18-phase rectifier circuit is not well known even in the power electronics industry, and it is thought that there have been almost no examples of it being put to practical use. Moreover, a new method has been invented to configure the 18-phase rectifier circuit using an economical non-isolated transformer with small self-capacity rather than an isolated transformer, and this method is used as a DC power source for a tunnel ventilation inverter.

なお、従来技術にも具体的な実例はないが、絶縁変圧器を用いて組み合わせ18相整流回路を構成すると仮定した場合にも下記の問題が発生する。-20度、 0度、 +20度の位相差を有する三相電源を作成する場合の変圧器の巻線方法の具体的例は知られていないという問題である。発明者が敢えて想定すると、図19(a)に示すような千鳥結線になる。この想定した変圧器の各巻線電圧の比は図19(b)に示すものになる。
図19(b)のベクトル図は、U相の進み側U1のベクトル合成を示しており、遅れ側U3の図は省略している。相電圧を1.0 としてa, bを求めると、[数1]に示すようになる。
Although there is no concrete example in the prior art, the following problem occurs even if it is assumed that an 18-phase rectifier circuit is constructed using an insulating transformer. The problem is that no concrete example of a transformer winding method is known when creating a three-phase power supply with phase differences of -20 degrees, 0 degrees, and +20 degrees. If the inventor were to assume it, it would be a staggered connection as shown in Figure 19(a). The ratio of each winding voltage of this assumed transformer is shown in Figure 19(b).
The vector diagram in Figure 19(b) shows the vector composition of the leading side U1 of the U phase, and the diagram of the lagging side U3 is omitted. If a and b are found with the phase voltage set to 1.0, they are as shown in [Equation 1].

[数1]
acos(10)+bcos(50)=1.0
asin(10)=bsin(50)
この連立方程式より、a=0.884,b=0.201と求められる。
[Equation 1]
acos(10)+bcos(50)=1.0
asin(10)=bsin(50)
From this simultaneous equation, a=0.884 and b=0.201 are obtained.

これらの絶縁変圧器を用いた組み合わせ18相整流回路は図20に示す構成になる。
図20に示す絶縁変圧器を用いた組み合わせ18相整流回路において、3台のインバータの負荷がほぼ同じとすると、電源電流は第5,7,11,13次の高調波が消去され、歪みの少ない波形となる。
しかし、絶縁変圧器を用いて組み合わせ18相整流回路を構成すると仮定した場合、全容量の絶縁変圧器が必要となるので、この絶縁変圧器の重量、寸法、損失が大きく、不経済という欠点が生じてしまう。
A combined 18-phase rectifier circuit using these insulating transformers has the configuration shown in FIG.
In the combined 18-phase rectifier circuit using the insulating transformer shown in FIG. 20, if the loads of the three inverters are approximately the same, the 5th, 7th, 11th, and 13th harmonics of the power supply current are eliminated, resulting in a waveform with little distortion.
However, assuming that an 18-phase rectifier circuit is constructed using an isolation transformer, an isolation transformer of the full capacity is required, which results in a disadvantage that the isolation transformer is heavy, large in size, and has a large loss, making it uneconomical.

上記問題点に鑑み、発明者は、ジェットファンインバータの電源として、非絶縁変圧器による18相整流回路を提案して上記課題を解決した。
パワーエレクトロニクス業界では18相整流回路は周知ではない回路方式であり、実用例も無いと考えられるものであるところ、本発明は、その18相整流回路を用いつつ、かつ、絶縁変圧器ではなく、自己容量が小さくて経済的な非絶縁変圧器を用いて、トンネル換気用インバータの直流電源装置を提供することを目的とする。
In view of the above problems, the inventors have proposed an 18-phase rectifier circuit using a non-insulated transformer as a power source for a jet fan inverter, thereby solving the above problems.
The 18-phase rectifier circuit is a circuit method that is not well known in the power electronics industry, and it is believed that there are no practical examples of it. The object of the present invention is to provide a DC power supply device for a tunnel ventilation inverter that uses this 18-phase rectifier circuit, and that uses an economical non-isolated transformer with small self-capacity instead of an isolated transformer.

上記目的を達成するため、本発明にかかる道路トンネルのジェットファンをインバータ駆動する組み合わせ18相整流回路を用いたジェットファン駆動用電源回路システムは、 三相商用電源を六相に変換する非絶縁多相化変圧器であって、前記三相商用電源の位相を略20度進ませる進み回路要素と、前記三相商用電源の位相を略20度遅らせる遅れ回路要素を備えた非絶縁多相化変圧器と、前記三相商用電源の位相を維持したまま調整昇圧分だけ昇圧する調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器と、前記非絶縁多相化変圧器の出力および前記調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器の出力をもとに交流から直流に変換する3組のダイオード3相ブリッジ整流回路であって、前記非絶縁多相化変圧器からの前記進み位相三相電源と、前記非絶縁多相化変圧器からの前記遅れ位相三相電源と、前記調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器からの同相三相電源をそれぞれの交流入力とする3つのダイオード3相ブリッジ整流回路と、前記ダイオード3相ブリッジ整流回路の3つの直流出力電力を可変周波数・可変電圧の三相交流に変換する3組のインバータ回路を備えたものである。In order to achieve the above object, the present invention provides a jet fan drive power supply circuit system using a combined 18-phase rectifier circuit that drives a jet fan in a road tunnel via an inverter, a non-insulated multi-phase transformer that converts a three-phase commercial power supply into six phases, the non-insulated multi-phase transformer having a leading circuit element that leads the phase of the three-phase commercial power supply by approximately 20 degrees and a lag circuit element that lags the phase of the three-phase commercial power supply by approximately 20 degrees; an auto-winding step-up transformer for regulating step-up that boosts the three-phase commercial power supply by an amount of regulated step-up while maintaining the phase of the three-phase commercial power supply; and three sets of diode three-phase bridge rectifier circuits that convert AC to DC based on the output of the non-insulated multi-phase transformer and the output of the auto-winding step-up transformer for regulating step-up, the three sets of diode three-phase bridge rectifier circuits having as their AC inputs the leading-phase three-phase power supply from the non-insulated multi-phase transformer, the lag-phase three-phase power supply from the non-insulated multi-phase transformer, and an in-phase three-phase power supply from the auto-winding step-up transformer for regulating step-up, respectively; and three sets of inverter circuits that convert the three DC output powers of the diode three-phase bridge rectifier circuits into three-phase AC with variable frequency and variable voltage.

上記構成により得られた20度進み位相の電源U1,W1,V1と、位相が0度の同相の電源U2, V2, W2と、位相が20度遅れの電源U3, V3, W3をそれぞれダイオード3相ブリッジ整流回路で整流し、得られた3つの直流電源を3台のファン駆動用インバータに供給することができる。The power supplies U1, W1, and V1 obtained by the above configuration, which have a 20 degree lead phase, the power supplies U2, V2, and W2 which are in-phase and have a phase of 0 degrees, and the power supplies U3, V3, and W3 which have a phase lag of 20 degrees, are each rectified by a diode three-phase bridge rectifier circuit, and the three obtained DC power supplies can be supplied to three fan drive inverters.

なお、上記構成において、進み回路要素としては、1次相電圧に対して位相が進む方向に設けた変圧器巻線であり、その電圧が位相を20度進ませるものがある。同様に、遅れ回路要素としては、1次相電圧に対して位相が遅れる方向に設けた変圧器巻線であり、その電圧が位相を20度遅らせる構成とする。
このような1次相電圧に対して位相を進める方向および位相を遅らせる方向に変圧器巻線を設ける回路構成は、図4(a)、(b)に示す構成の非絶縁変圧器を用いて簡便に構成することができ、装置の小型化を図ることができる。
In the above configuration, the leading circuit element is a transformer winding arranged in a direction in which the phase leads the primary phase voltage, and the voltage of the winding advances the phase by 20 degrees.Similarly, the lag circuit element is a transformer winding arranged in a direction in which the phase lags the primary phase voltage, and the voltage of the winding delays the phase by 20 degrees.
A circuit configuration in which a transformer winding is provided in a direction that advances and delays the phase of such a primary phase voltage can be easily constructed using a non-isolated transformer having the configuration shown in Figures 4(a) and (b), making it possible to miniaturize the device.

ここで、前記調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器による前記調整昇圧分が、前記三相商用電源の電圧よりも略6.4%高いものとすることが好ましい。
図2に示す変圧器のベクトル図から判るように多相化変圧器で 1/cos(20) = 1.064 即ち、位相が±20度となると同時に電圧が6.4%上がるので、位相差0度の電圧もそれと電圧値を合わせるべく単巻きで6.4%上げるのである。
Here, it is preferable that the regulated step-up voltage provided by the auto-winding step-up transformer for regulating step-up is approximately 6.4% higher than the voltage of the three-phase commercial power supply.
As can be seen from the transformer vector diagram shown in Figure 2, in a polyphase transformer, 1/cos(20) = 1.064, in other words, when the phase becomes ±20 degrees, the voltage increases by 6.4%, so the voltage when the phase difference is 0 degrees is also increased by 6.4% with a single winding to match this voltage value.

つまり、図13に示す一次Δ、二次ΔYの絶縁変圧器を用いた従来技術において問題であった2組の3相電源の進み側と遅れ側の電圧のわずかな相違により生じる電流分担のアンバランスに対して、本発明によれば、三相商用電源の位相を略20度進ませる進み回路要素と、三相商用電源の位相を略20度遅らせる遅れ回路要素を用いて2組の3相電源の進み側と遅れ側の電圧を得るとともに、三相商用電源の位相を維持したまま調整昇圧分だけ昇圧する調整昇圧済の同相三相電源を生成する調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器の電圧を同じ値に合わせることにより、電流分担にアンバランスが発生しないよう考慮されている。In other words, in the conventional technology using a primary Δ, secondary ΔY insulating transformer as shown in FIG. 13, there was a problem of an imbalance in current sharing caused by a slight difference in voltage between the leading and lagging sides of two sets of three-phase power sources. According to the present invention, however, a leading circuit element that leads the phase of the three-phase commercial power source by approximately 20 degrees and a lagging circuit element that delays the phase of the three-phase commercial power source by approximately 20 degrees are used to obtain the leading and lagging voltages of two sets of three-phase power sources, and the voltage of the single-winding step-up transformer for regulating step-up, which generates a regulated and boosted in-phase three-phase power source that is boosted by the amount of regulated step-up while maintaining the phase of the three-phase commercial power source, is adjusted to the same value, thereby preventing an imbalance in current sharing.

さらに、前記調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器に接続する前記交流リアクトル値を前記非絶縁多相化変圧器に接続される前記交流リアクトル値に比して大きくするよう補償せしめることが好ましい。
前記調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器の自己容量は前記非絶縁多相化変圧器の自己容量より小さいので、その漏れインダクタンスも小さい。その漏れインダクタンスの差を補償することにより、進み位相三相電源、遅れ位相三相電源、同相三相電源の高調波電流が全て略同じとなり、18相化整流回路の原理が有効に作用して高調波を効果的に低減できる。
Furthermore, it is preferable to compensate for the AC reactor value connected to the auto-winding step-up transformer for regulating step-up so as to be larger than the AC reactor value connected to the non-insulated multi-phase transformer.
Since the self-capacity of the auto-winding step-up transformer for regulating step-up is smaller than the self-capacity of the non-isolated multi-phase transformer, its leakage inductance is also small. By compensating for the difference in leakage inductance, the harmonic currents of the leading phase three-phase power supply, lagging phase three-phase power supply, and in-phase three-phase power supply all become approximately the same, and the principle of the 18-phase rectifier circuit works effectively to reduce harmonics.

上記構成により、本発明のジェットファン駆動用電源回路システムは、非絶縁変圧器を用いることができ、絶縁変圧器を用いた場合に比べて安価で小形化をすることができる。
絶縁変圧器を用いた場合には問題となる、2組の3相電源の進み側と遅れ側の電圧のわずかな相違により電流分担に生じるアンバランスに対して、本発明では電圧を同じにできる。即ち、非絶縁多相化変圧器は構成が対象であるので20度進み位相電源と20度遅れ位相電源の電圧は原理上同じである。非絶縁多相化変圧器はその出力電圧が6.4%上昇するので、位相0度の電源は6.4%昇圧する単巻き昇圧変圧器により、3つの電圧を揃えている。また、漏れインダクタンスの相違も補償しているので電流分担にアンバランスが発生しないよう工夫している。
With the above-described configuration, the jet fan drive power supply circuit system of the present invention can use a non-insulated transformer, which can be made less expensive and smaller in size than when an insulating transformer is used.
When using an insulating transformer, there is a problem of imbalance in current sharing caused by a slight difference in voltage between the leading and lagging sides of two sets of three-phase power supplies. However, this invention can make the voltages the same. In other words, since the non-insulated multi-phase transformer is symmetrical in configuration, the voltages of the 20 degree leading phase power supply and the 20 degree lagging phase power supply are the same in principle. Since the output voltage of the non-insulated multi-phase transformer increases by 6.4%, the power supply with phase 0 degree is boosted by 6.4%, so the three voltages are made uniform by using an auto-step-up transformer. In addition, the difference in leakage inductance is also compensated for, so there is a design to prevent imbalance in current sharing.

本発明のジェットファン駆動用電源回路システム100における非絶縁多相化変圧器110を中心とした回路構成を示す図である。1 is a diagram showing a circuit configuration centered around a non-insulated multi-phase transformer 110 in a jet fan drive power supply circuit system 100 of the present invention. FIG. 電圧の位相に注目したベクトル図である。This is a vector diagram focusing on the phase of voltage. 相電圧に対し位相略20度の進みと位相略20度の遅れの電圧の関係を示した図である。13 is a diagram showing the relationship between a voltage having a phase lead of approximately 20 degrees and a voltage having a phase lag of approximately 20 degrees with respect to a phase voltage. FIG. 非絶縁変圧器110の巻線のベクトル関係図を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a vector relationship diagram of the windings of the non-isolated transformer 110. 略20度の位相差の2組の3相電源のベクトル図を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a vector diagram of two sets of three-phase power supplies with a phase difference of approximately 20 degrees. 本発明のジェットファン駆動用電源回路システムの構成例を示す図である。1 is a diagram showing a configuration example of a power supply circuit system for driving a jet fan according to the present invention; 3相ブリッジインバータにおける2レベルインバータを示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a two-level inverter in a three-phase bridge inverter. 3レベルインバータのTYPE1を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a three-level inverter TYPE 1. 3レベルインバータのTYPE2を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a three-level inverter TYPE 2. 入力電源電流とその周波数成分を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an input power supply current and its frequency components. 従来技術おける組み合わせ12相整流回路を用いて駆動した場合におけるジェットファン1台の整流回路に対する入力電源電流とその周波数成分を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an input power supply current and its frequency components to a rectifier circuit of one jet fan when driven by a combined 12-phase rectifier circuit in the prior art. 本発明の18相整流回路を用いて駆動した場合におけるジェットファン1台の整流回路路に対する入力電源電流とその周波数成分を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an input power supply current and its frequency components to a rectifier circuit of one jet fan when driven by the 18-phase rectifier circuit of the present invention. 従来技術における絶縁変圧器を用いた一般的な組み合わせ12相整流回路の構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a typical combined 12-phase rectifier circuit using an isolation transformer according to the prior art. 従来技術における絶縁変圧器を用いた一般的な単機12相整流回路の構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a typical single-machine 12-phase rectifier circuit using an isolation transformer according to the prior art. 特許文献2(特開2018‐087423号公報)に記載した非絶縁変圧器を用いた組み合わせ12相整流回路の構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a combined 12-phase rectifier circuit using a non-isolated transformer described in Patent Document 2 (JP 2018-087423 A). 特許文献2(特開2018‐087423号公報)に記載した非絶縁変圧器を用いた単機12相整流回路の構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a single-machine 12-phase rectifier circuit using a non-isolated transformer described in Patent Document 2 (JP 2018-087423 A). 特許文献2(特開2018‐087423号公報)に記載した従来技術による3台のインバータの直流電源方式を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a three-inverter DC power supply system according to the prior art described in Patent Document 2 (JP 2018-087423 A). (a)組み合わせ12相整流回路と単機12相整流回路を組み合わせた場合におけるインバータ台数と整流回路方式の組み合わせを示す図である。(b)本発明の組み合わせ18相整流回路と従来の組み合わせ12相整流回路及び単機12相整流回路を用いる場合におけるインバータ台数と整流回路方式の組み合わせを示す図である。1A is a diagram showing a combination of the number of inverters and the rectifier circuit type when a combined 12-phase rectifier circuit and a single 12-phase rectifier circuit are combined, and (b) is a diagram showing a combination of the number of inverters and the rectifier circuit type when a combined 18-phase rectifier circuit of the present invention is used, a conventional combined 12-phase rectifier circuit, and a single 12-phase rectifier circuit are used. 従来技術の絶縁変圧器を用いた組み合わせ18相整流回路を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a combined 18-phase rectifier circuit using an isolation transformer according to the prior art. 従来技術の絶縁変圧器を用いた組み合わせ組み合わせ18相整流回路を用いたジェットファン駆動用電源回路システム10を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a power supply circuit system 10 for driving a jet fan using a combined 18-phase rectifier circuit using an insulating transformer according to the prior art.

以下、図面を参照しつつ、本発明のジェットファン駆動用電源回路システムの実施例を説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施例に示した具体的な用途、形状、個数などには限定されないことは言うまでもない。Hereinafter, an embodiment of the power supply circuit system for driving a jet fan of the present invention will be described with reference to the drawings. However, it goes without saying that the scope of the present invention is not limited to the specific applications, shapes, numbers, etc. shown in the following embodiments.

図1は、本発明のジェットファン駆動用電源回路システム100における非絶縁多相化変圧器110を中心とした回路構成を示す図である。
図1に示すように、入力電源として三相商用電源200が用いられ、3つの入力線がそれぞれ、非絶縁多相化変圧器110のU相端子,V相端子,W相端子に接続されている。
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration centered around a non-insulated multi-phase transformer 110 in a power supply circuit system 100 for driving a jet fan according to the present invention.
As shown in FIG. 1 , a three-phase commercial power supply 200 is used as an input power supply, and three input lines are connected to a U-phase terminal, a V-phase terminal, and a W-phase terminal of a non-insulated multi-phase transformer 110, respectively.

ここで、非絶縁多相化変圧器110には、一次コイルとして、UV間のコイル111、VW間のコイル112、WU間のコイル113が設けられている。
非絶縁多相化変圧器110には、二次コイルとして、U相に対する進み回路要素114U1、U相に対する遅れ回路要素114U3、V相に対する進み回路要素114V1、V相に対する遅れ回路要素114V3、W相に対する進み回路要素114W1、W相に対する遅れ回路要素114W3が設けられている。
Here, the non-insulated multi-phase transformer 110 is provided with a coil 111 between UV, a coil 112 between VW, and a coil 113 between WU as primary coils.
The non-insulated multi-phase transformer 110 has, as secondary coils, a leading circuit element 114U1 for the U phase, a lag circuit element 114U3 for the U phase, a leading circuit element 114V1 for the V phase, a lag circuit element 114V3 for the V phase, a leading circuit element 114W1 for the W phase, and a lag circuit element 114W3 for the W phase.

18相整流回路を構成するには、位相が20度遅れのもの、位相差が0度のもの、位相が20度進みのものの3組の3相電源が必要である。
この変圧器の構造は図1に示すように三脚鉄心の3つの脚にΔ巻線を設け、その二次巻線としてセンタータップを有する巻線U1-U3,V1-V3,W1-W3を設ける。巻線U1-U3のセンタータップを図示のようにU相に接続すると端子U1には20°進み位相の電圧が得られ、端子U3には20°遅れ位相の電圧が得られる。
つまり、図1において、それぞれの進み回路要素114U1、進み回路要素114V1、進み回路要素114W1は、三相商用電源200のそれぞれの相に対して位相を略20度進ませる二次コイルとなっている。また、それぞれの遅れ回路要素114U3、遅れ回路要素114V3、遅れ回路要素114W3は、三相商用電源200のそれぞれの相に対して位相を略20度遅らせる二次コイルとなっている。
To configure an 18-phase rectifier circuit, three sets of three-phase power supplies are required: one with a phase delay of 20 degrees, one with a phase difference of 0 degrees, and one with a phase lead of 20 degrees.
This transformer has a Δ winding on each of the three legs of a three-legged core, and its secondary windings are U1-U3, V1-V3, and W1-W3, each with a center tap, as shown in Figure 1. When the center tap of winding U1-U3 is connected to the U phase as shown in the figure, a voltage with a 20° leading phase is obtained at terminal U1, and a voltage with a 20° lagging phase is obtained at terminal U3.
1, each of the lead circuit element 114U1, lead circuit element 114V1, and lead circuit element 114W1 is a secondary coil that leads the phase of each phase of the three-phase commercial power supply 200 by approximately 20 degrees. Also, each of the lag circuit element 114U3, lag circuit element 114V3, and lag circuit element 114W3 is a secondary coil that lags the phase of each phase of the three-phase commercial power supply 200 by approximately 20 degrees.

ここで、三相商用電源200のそれぞれの相に対して位相を略20度進ませる2次コイルの条件、位相を略20度遅らせる2次コイルの条件について述べる。
一例として、U相のものを取り上げて説明する。V相、W相についても同様に考えれば良い。
Here, the conditions for the secondary coil to advance the phase of each phase of the three-phase commercial power supply 200 by approximately 20 degrees and the conditions for the secondary coil to lag the phase by approximately 20 degrees will be described.
As an example, the U-phase will be described below, with the V-phase and W-phase being considered in the same manner.

図2は電圧の位相に注目したベクトル図である。
図2(a)は、三相電源入力を非絶縁変圧器(位相差±20度)に通し、0度に対する電圧調整は特に行わない場合のベクトル図である。
図2(b)は、三相電源入力を非絶縁変圧器(位相差±20度)に通し、0度に対する調整昇圧を行って三相電圧を得た場合のベクトル図である。
図2(a)、図2(b)において、U相の相電圧1に対し±20度の関係になる電圧を作るための適切な大きさのVWの線間電圧をU相電圧に直角に加減すればベクトル図が作成できる。
このベクトル図において、Xは、相電圧1に対してtan(20)=0.364となる。
U相に対する位相略20度の進みの電圧OU1と、位相略20度の遅れの電圧OU3はともに、1/cos20=1.064と計算される。
そこで、U相の電圧を約6.4%高した電圧をOU2とすれば、OU2=OU1=OU3となり、U相の電圧不均衡が解消されることが分かる。
本発明のジェットファン駆動用電源回路システム100では、調整昇圧用の単巻き変圧器を設けてU相電圧を6.4%上げて位相0度の電圧を調整昇圧する。
他のV相、W相でも同様のことが言える。
FIG. 2 is a vector diagram focusing on the phase of the voltage.
FIG. 2A is a vector diagram in which a three-phase power supply input passes through a non-isolated transformer (phase difference ±20 degrees) and no particular voltage adjustment is made to 0 degrees.
FIG. 2B is a vector diagram showing a case where a three-phase voltage is obtained by passing a three-phase power supply input through a non-isolated transformer (phase difference of ±20 degrees) and adjusting and boosting it relative to 0 degrees.
In Figures 2(a) and 2(b), a vector diagram can be created by adding or subtracting a VW line voltage of an appropriate magnitude perpendicular to the U phase voltage to create a voltage that is in a ±20 degree relationship with the U phase phase voltage 1.
In this vector diagram, X is tan(20) = 0.364 for a phase voltage of 1.
Voltage OU1 leading the U-phase by approximately 20 degrees and voltage OU3 lagging the U-phase by approximately 20 degrees are both calculated as 1/cos20=1.064.
Therefore, if the voltage obtained by increasing the U-phase voltage by approximately 6.4% is taken as OU2, then OU2 = OU1 = OU3, and it is clear that the voltage imbalance in the U-phase is eliminated.
In the jet fan driving power supply circuit system 100 of the present invention, a single-winding transformer for adjusting and stepping up is provided to increase the U-phase voltage by 6.4% and adjust and step up the voltage at phase 0 degree.
The same is true for the other V and W phases.

この関係を3相について示すと図3のようになる。これを整理して非絶縁変圧器110の巻線のベクトル関係図を示すと図4(a)のようになる。
0度位相の電圧U,V,Wは単巻き変圧器で6.4%昇圧し、U2,V2,W2とする。これら3セットの3相電源のベクトル図を図5に示す。即ち、略20度の位相差の18相ベクトルが得られることが判る。なお、非絶縁変圧器110の巻線のベクトル関係図は、同じ機能の六角変圧器を用いた図4(b)のベクトル図であっても良い。六角変圧器の動作はやや複雑であるが両者は同じ機能である。
This relationship for three phases is shown in Figure 3. By rearranging this, a vector relationship diagram of the windings of the non-insulated transformer 110 is shown in Figure 4(a).
The voltages U, V, and W at 0 degree phase are boosted by 6.4% by an autotransformer to become U2, V2, and W2. The vector diagram of these three sets of three-phase power sources is shown in FIG. 5. That is, it can be seen that 18 phase vectors with a phase difference of approximately 20 degrees are obtained. Note that the vector relationship diagram of the windings of the non-isolated transformer 110 may be the vector diagram of FIG. 4(b) using a hexagonal transformer with the same function. Although the operation of the hexagonal transformer is somewhat complicated, both have the same function.

このように本発明のジェットファン駆動用電源回路システム100では、位相略20度の3組の3相電源を作成することにより、組み合わせ18相整流回路を用いたジェットファン駆動用電源回路システムを構成する。In this way, in the power supply circuit system 100 for driving a jet fan of the present invention, three sets of three-phase power supplies with a phase of approximately 20 degrees are created, thereby forming a power supply circuit system for driving a jet fan using a combined 18-phase rectifier circuit.

次に、本発明のジェットファン駆動用電源回路システム100の構成全体および各構成要素を詳しく説明する。
図6は、本発明のジェットファン駆動用電源回路システム100の回路構成例である。図6の構成例はダイオード3相ブリッジ整流回路130の交流側に三相交流リアクトル140-1,140-2,140-3を設けた構成となっている。
Next, the overall configuration and each of the components of the jet fan driving power supply circuit system 100 of the present invention will be described in detail.
6 shows an example of the circuit configuration of the jet fan drive power supply circuit system 100 of the present invention. The configuration example of Fig. 6 is configured such that three-phase AC reactors 140-1, 140-2, and 140-3 are provided on the AC side of a diode three-phase bridge rectifier circuit 130.

本発明のジェットファン駆動用電源回路システム100は、図6に示すように、3相商用電源200、非絶縁変圧器110、調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器120、ダイオード3相ブリッジ整流回路130、三相交流リアクトル140-1,140-2,140-3,インバータ回路160を備えたものとなっている。As shown in Figure 6, the power supply circuit system 100 for driving a jet fan of the present invention comprises a three-phase commercial power supply 200, a non-isolated transformer 110, a single-winding step-up transformer 120 for regulated step-up, a diode three-phase bridge rectifier circuit 130, three-phase AC reactors 140-1, 140-2, 140-3, and an inverter circuit 160.

商用電源200は、受電設備としては特に限定されないが、長距離道路トンネル内にはジェットファン400のみならず多数の照明設備や防災設備などがあり大容量の電力を必要とするため、電気事業者から直接、特別高圧ないしは高圧で受電し、施設内の装置向けに変圧して電気を供給するものである。後述するように、商用電源200の電圧は、トンネル設備である本発明のジェットファン駆動用電源回路システムに供給される段階で 既に、400V、440V、460V等のいわゆる400V系に降圧されている。 The commercial power source 200 is not particularly limited as a power receiving facility, but since a long-distance road tunnel requires a large amount of power due to the presence of not only the jet fan 400 but also numerous lighting and disaster prevention facilities, it receives power directly from the electric utility at extra high or high voltage and transforms it to supply electricity to the equipment in the facility. As will be described later, the voltage of the commercial power source 200 is already stepped down to a so-called 400V system, such as 400V, 440V, or 460V, when it is supplied to the power supply circuit system for driving the jet fan of the present invention, which is the tunnel facility.

次に、非絶縁変圧器110は、非絶縁変圧器110として、分かりやすくシンボルを用いて表示されているが、図2に詳述した構成例と同様のものである。ここでの説明は省略する。Next, the non-isolated transformer 110 is shown using a symbol for easy understanding as the non-isolated transformer 110, but it is the same as the configuration example detailed in Figure 2. Explanation of it will be omitted here.

調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器120は、三相商用電源の位相を維持したまま調整昇圧分だけ昇圧した同相三相電源を生成するものである。
本発明のジェットファン駆動用電源回路システム100では、18相整流回路を用いるため、図1に示したように、進み回路要素114U1、進み回路要素114V1、進み回路要素114W1を設けて、U相、V相、W相の位相をそれぞれ略20度進ませる二次コイルとし、また、遅れ回路要素114U3、遅れ回路要素114V3、遅れ回路要素114W3を設けて、U相、V相、W相の位相をそれぞれ略20度遅らせる二次コイルとするが、各相の電圧に対して、上記で得られたように6.4%高い電圧となってしまうところ、この差違を抑えるために、各相の位相0度の入力電圧について電圧調整用の昇圧を行う。調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器120を設けることにより、各相の入力電圧を6.4%昇圧する。
The auto-winding step-up transformer 120 for regulated step-up generates an in-phase three-phase power supply that is stepped up by an amount of regulated step-up while maintaining the phase of the three-phase commercial power supply.
In the power supply circuit system 100 for driving a jet fan of the present invention, an 18-phase rectifier circuit is used, and as shown in Fig. 1, a lead circuit element 114U1, a lead circuit element 114V1, and a lead circuit element 114W1 are provided to form a secondary coil that leads the phases of the U phase, V phase, and W phase by approximately 20 degrees, and a delay circuit element 114U3, a delay circuit element 114V3, and a delay circuit element 114W3 are provided to form a secondary coil that delays the phases of the U phase, V phase, and W phase by approximately 20 degrees, but since the voltage of each phase is 6.4% higher than the voltage obtained above, in order to suppress this difference, the input voltage of the phase 0 degree of each phase is boosted for voltage adjustment. By providing an auto-winding boost transformer 120 for voltage adjustment, the input voltage of each phase is boosted by 6.4%.

このように、非絶縁変圧器110とともに、調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器120を設けることにより、18相整流回路で得られる電圧が図5のようにバランスの取れたものとなる。In this way, by providing a single-winding step-up transformer 120 for regulated step-up together with the non-isolated transformer 110, the voltage obtained by the 18-phase rectifier circuit becomes balanced as shown in Figure 5.

次に、ダイオード3相ブリッジ整流回路130は、交流電圧を直流電圧に変換する整流回路である。
この例では、図6に示すように、ダイオード3相ブリッジ整流回路130として、調整昇圧済みの入力三相電源と、進み位相三相電源と、遅れ位相三相電源のそれぞれを入力とするダイオード3相ブリッジ整流回路を3つ備えた構成となっている。
Next, the diode three-phase bridge rectifier circuit 130 is a rectifier circuit that converts AC voltage into DC voltage.
In this example, as shown in FIG. 6 , the diode three-phase bridge rectifier circuit 130 is configured to include three diode three-phase bridge rectifier circuits each having an regulated and boosted input three-phase power supply, a leading phase three-phase power supply, and a lagging phase three-phase power supply as inputs.

次に、交流リアクトル140-1,140-2,140-3について述べる。
図6の構成例では、非絶縁多相化変圧器110の進み位相の三相電源出力とダイオード3相ブリッジ整流回路130の間に進み位相に対応する三相交流リアクトル140-1を設け、同様に、非絶縁多相化変圧器110の遅れ位相の三相電源出力とダイオード3相ブリッジ整流回路130の間に、遅れ位相に対応する三相交流リアクトル140-3を設け、さらに、調整昇圧した入力三相電圧に対応する三相交流リアクトル140-2を設けた構成である。
Next, the AC reactors 140-1, 140-2, and 140-3 will be described.
In the configuration example of FIG. 6 , a three-phase AC reactor 140-1 corresponding to a leading phase is provided between the leading phase three-phase power supply output of the non-insulated multi-phase transformer 110 and the diode three-phase bridge rectifier circuit 130, and similarly, a three-phase AC reactor 140-3 corresponding to a lagging phase is provided between the lagging phase three-phase power supply output of the non-insulated multi-phase transformer 110 and the diode three-phase bridge rectifier circuit 130, and further a three-phase AC reactor 140-2 corresponding to the regulated and boosted input three-phase voltage is provided.

三相交流リアクトル140-1,140-2,140-3は、ダイオード3相ブリッジ整流回路130で生じる高調波を抑制するものである。
なお、三相交流リアクトル140-1,140-2,140-3のリアクタンス値は限定されないが、例えば、電源電流波形を改善するため3%から5%程度のリアクトルとすることができる。
The three-phase AC reactors 140-1, 140-2, and 140-3 suppress harmonics generated in the diode three-phase bridge rectifier circuit 130.
The reactance values of three-phase AC reactors 140-1, 140-2, and 140-3 are not limited, but may be, for example, about 3% to 5% in order to improve the power supply current waveform.

ここで、漏れインダクタンスの違いを補償する工夫について述べる。
本発明の組み合わせ18相整流回路では、0位相の調整昇圧用の単巻き変圧器120の漏れインダクタンスが、非絶縁多相化変圧器110の漏れインダクタンスに比べて小さいので高調波電流が多くなり、不均衡となれば高調波は残存し得る。
そこで、調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器120に接続する交流リアクトル140-2の値を非絶縁多相化変圧器110に接続される交流リアクトル140-1および交流リアクトル140-3の値に比して大きくし、調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器120の漏れインダクタンスを補償する。
Here, a method for compensating for the difference in leakage inductance will be described.
In the combined 18-phase rectifier circuit of the present invention, the leakage inductance of the zero-phase regulated step-up autotransformer 120 is smaller than the leakage inductance of the non-isolated multi-phase transformer 110, so that the harmonic current increases, and if an imbalance occurs, harmonics may remain.
Therefore, the value of AC reactor 140-2 connected to auto-step-up transformer 120 for regulating step-up is made larger than the values of AC reactors 140-1 and 140-3 connected to non-isolated multi-phase transformer 110, thereby compensating for the leakage inductance of auto-step-up transformer 120 for regulating step-up.

調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器120に接続する交流リアクトル140-2の値をどの程度大きくすれば良いか、以下検討する。
例えば、60Hz, 440v, 50kw電動機 (直流電力は60kw,整流回路の交流定格電流は83.6A)を用いる場合について検討する。
非絶縁多相化変圧器110の二次巻線の電圧は、440/1.732のtan(20)=0.364となる。これより巻線電圧は92.47v、電流定格は83.6Aである。
従って単位インピーダンスZpu=92.47/83.6=1.106である。
単位インダクタンスLpuは、Zpu/ω=1.106/377=2.93mHとなる。
従って、非絶縁多相化変圧器110の漏れインダクタンスLaを3%と仮定するとLa=2.93×0.03=88μHとなる。
The following will consider how large the value of AC reactor 140-2 connected to auto-winding step-up transformer 120 for regulated step-up should be.
For example, consider the case where a 60 Hz, 440 V, 50 kW motor (DC power is 60 kW, and the rectifier circuit's AC rated current is 83.6 A) is used.
The voltage of the secondary winding of the non-isolated multi-phase transformer 110 is tan(20) of 440/1.732 = 0.364. This results in a winding voltage of 92.47 V and a current rating of 83.6 A.
Therefore, the unit impedance Zpu = 92.47/83.6 = 1.106.
The unit inductance Lpu is Zpu/ω=1.106/377=2.93 mH.
Therefore, if the leakage inductance La of the non-insulated multi-phase transformer 110 is assumed to be 3%, then La = 2.93 x 0.03 = 88 μH.

次に、調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器120の電圧は(440/1.732)×0.064=16.258v、電流定格は83.6Aである。
従って、単位インピーダンスZpu=16.258/83.6=0.194である。
単位インダクタンスは、Lpu=Zpu/ω=0.194/377=0.000516H=516μHとなる。
従って、調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器120の漏れインダクタンスLbを3%と仮定するとLb=16μHとなる。
Next, the voltage of the auto-step-up transformer 120 for regulating step-up is (440/1.732)×0.064=16.258V, and the current rating is 83.6A.
Therefore, the unit impedance Zpu = 16.258/83.6 = 0.194.
The unit inductance is Lpu = Zpu/ω = 0.194/377 = 0.000516H = 516 μH.
Therefore, assuming that the leakage inductance Lb of the regulated step-up auto-step-up transformer 120 is 3%, Lb=16 μH.

このように、非絶縁多相化変圧器110の漏れインダクタンスLaと調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器120の漏れインダクタンスLbとの間には72μHの差がある。
例えば、整流回路に必要な交流インダクタンスLsを260μHとすることを想定すると、非絶縁多相化変圧器110に接続する交流リアクトル140-1および交流リアクトル140-3はLs=260-88= 172μHでよいが、調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器120の交流リアクトル140-2は Ls=260-16=244μHとなるように72μH高くなるよう補償すれば良い。
In this way, there is a difference of 72 μH between leakage inductance La of non-insulated multi-phase transformer 110 and leakage inductance Lb of auto-winding step-up transformer 120 for regulated step-up.
For example, assuming that the AC inductance Ls required for the rectifier circuit is 260 μH, AC reactor 140-1 and AC reactor 140-3 connected to non-isolated multi-phase transformer 110 may have Ls = 260 - 88 = 172 μH, while AC reactor 140-2 of auto-winding step-up transformer 120 for regulated step-up may be compensated for to be 72 μH higher, so that Ls = 260 - 16 = 244 μH.

このように、非絶縁多相化変圧器110に接続する交流リアクトル140-1および交流リアクトル140-3に対して、調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器120の交流リアクトル140-2を大きくなるよう補償することにより、3つの整流回路の交流インダクタンスを揃えると高調波が同じになり高調波を効率良く低減できる。In this way, by compensating for the AC reactor 140-2 of the single-winding step-up transformer 120 for regulated step-up so that it is larger than the AC reactor 140-1 and AC reactor 140-3 connected to the non-insulated multi-phase transformer 110, the AC inductances of the three rectifier circuits are aligned, and the harmonics become the same, allowing the harmonics to be efficiently reduced.

次に、インバータ回路160を説明する。
インバータ回路160は、整流された直流を、可変周波数・可変電圧の三相交流に変換する装置である。
インバータ回路160の回路例を幾つか示す。
図7は最もよく使われる3相ブリッジインバータで、2レベルインバータとも言われる。
直流回路電圧をEdとした場合、相電圧はEd/2、-Ed/2の2レベルである。20kwから50kw程度のジェットファン駆動にはIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)が適しているので、以下全てのインバータはIGBTを用いた例で描いている。
図8は3レベルインバータ(NPCインバータとも言う)のTYPE1である。この回路は同じ定格のIGBTを用いた場合、2レベルインバータに比べて2倍の直流電圧に対応でき、出力電圧も2倍になる。インバータの相電圧は、Ed/2、0、-Ed/2の3レベルとなるので、2レベルインバータに比し、高調波の少ない優れた出力電圧波形が得られる。
図9は3レベルインバータのTYPE2である。この回路は2レベルインバータと同じ直流電圧にしか対応できないという欠点のため、ほとんど実用された例がないが、出力電圧はTYPE1と同様の3レベルとなる。
本発明のジェットファン駆動用電源回路システム100では、インバータ回路160として、図7のインバータ回路160a、図8のインバータ回路160b、図9のインバータ回路160cのいずれのものであっても適用することができる。
Next, the inverter circuit 160 will be described.
The inverter circuit 160 is a device that converts rectified direct current into three-phase alternating current with variable frequency and voltage.
Several examples of the inverter circuit 160 are shown below.
Figure 7 shows the most commonly used three-phase bridge inverter, which is also called a two-level inverter.
If the DC circuit voltage is Ed, the phase voltage has two levels: Ed/2 and -Ed/2. Since IGBTs (insulated gate bipolar transistors) are suitable for driving jet fans of about 20 kW to 50 kW, all of the following inverters are illustrated as examples using IGBTs.
Figure 8 shows a three-level inverter (also called an NPC inverter) type 1. When using IGBTs with the same rating, this circuit can handle twice the DC voltage compared to a two-level inverter, and the output voltage is also twice as high. The phase voltage of the inverter has three levels, Ed/2, 0, and -Ed/2, so an excellent output voltage waveform with fewer harmonics can be obtained compared to a two-level inverter.
9 shows a three-level inverter, TYPE 2. This circuit has the disadvantage that it can only handle the same DC voltage as the two-level inverter, so there are few examples of it being put to practical use, but the output voltage is three levels, just like TYPE 1.
In the jet fan driving power supply circuit system 100 of the present invention, the inverter circuit 160 may be any of the inverter circuit 160a in FIG. 7, the inverter circuit 160b in FIG. 8, and the inverter circuit 160c in FIG.

次に、本発明のジェットファン駆動用電源回路システム100の優れた技術的効果を検証しておく。
図6に示した18相整流回路を用いて、ジェットファン3台(60Hz, 440v, 50kw電動機、直流電力60kw, 整流回路の交流定格電流は83.6A)に適用する。また、従来技術として図13に示した従来の組み合わせ12相整流回路を用いて同じジェットファン2台に適用したものを比較対象として取り上げて、シミュレーションにより両者の技術的効果を比較検討する。
Next, the excellent technical effects of the jet fan driving power supply circuit system 100 of the present invention will be verified.
The 18-phase rectifier circuit shown in Fig. 6 is applied to three jet fans (60 Hz, 440 V, 50 kW motor, DC power 60 kW, rectifier circuit AC rated current 83.6 A). In addition, a conventional combined 12-phase rectifier circuit shown in Fig. 13 is used as a conventional technique and applied to two of the same jet fans, and the technical effects of both are compared by simulation.

図10は、入力電源電流とその周波数成分を示す図である。つまり、ジェットファンの整流回路の前段に非絶縁変圧器による作用がない場合にダイレクトに入力される電源電流とその周波数成分を示している。
図10(a)はジェットファン1台に対する入力電源電流波形であり、図10(b)はその入力電源電流の周波数成分を示すFFT画像である。FFTは波高値である。図10(b)のFFT画像では高調波を拡大するため基本波をカットしている。基本波は実効値で81.4A、ピーク値で105.5Aである。
図10(b)のFFT画像に示すように、入力電流に含まれる高調波には、第5,7,11、13、17,19次、‥‥‥の全てのものが含まれている。
10 is a diagram showing the input power supply current and its frequency components, that is, the power supply current and its frequency components that are directly input when there is no action of a non-insulated transformer in front of the rectifier circuit of the jet fan.
Figure 10(a) shows the input power supply current waveform for one jet fan, and Figure 10(b) is an FFT image showing the frequency components of the input power supply current. FFT is the peak value. In the FFT image of Figure 10(b), the fundamental wave has been cut to expand the harmonics. The fundamental wave has an effective value of 81.4 A and a peak value of 105.5 A.
As shown in the FFT image of FIG. 10(b), the harmonics contained in the input current include all of the 5th, 7th, 11th, 13th, 17th, 19th, . . . harmonics.

次に、図11は、従来技術おける組み合わせ12相整流回路を用いて駆動した場合におけるジェットファンの整流回路路に対する入力電源電流とその周波数成分を示す図である。
図11(a)は従来技術おける組み合わせ12相整流回路を経て得られるジェットファン1台分の入力電源電流波形であり、図11(b)はジェットファン1台分についての電源電流の周波数成分を示すFFT画像である。FFTは波高値である。図11(b)のFFT画像でも高調波を拡大するため基本波をカットしている。基本波は実効値で77.4A、ピーク値で109.1Aである。
従来技術における組み合わせ12相整流回路を用いて駆動すると、図11(a)に示すように電源電流波形の歪みが改善される。図11(b)に示すように、第5次,7次等の高調波が消去されていることが判る。
Next, FIG. 11 is a diagram showing an input power supply current and its frequency components to a rectifier circuit of a jet fan when driven by a combination 12-phase rectifier circuit in the prior art.
Fig. 11(a) shows the input power supply current waveform for one jet fan obtained through a combined 12-phase rectifier circuit in the prior art, and Fig. 11(b) is an FFT image showing the frequency components of the power supply current for one jet fan. FFT is the peak value. In the FFT image of Fig. 11(b), the fundamental wave has also been cut to expand the harmonics. The fundamental wave has an effective value of 77.4 A and a peak value of 109.1 A.
When driven using a combinational 12-phase rectifier circuit according to the prior art, the distortion of the power supply current waveform is improved as shown in Fig. 11(a). As shown in Fig. 11(b), it can be seen that the fifth, seventh, and other harmonics are eliminated.

次に、図12は、本発明の18相整流回路を用いて駆動した場合におけるジェットファンの整流回路に対する入力電源電流とその周波数成分を示す図である。
図12(a)は本発明の18相整流回路を経て得られるジェットファン1台分の入力電源電流波形であり、図12(b)はジェットファン1台分についての電源電流の周波数成分を示すFFT画像である。FFTは波高値である。図12(b)のFFT画像でも高調波を拡大するため基本波をカットしている。基本波は実効値で81.4A、ピーク値で115.1Aである。
本発明の18相整流回路を用いて駆動すると、図12(a)に示すように電源電流波形が一段と良好な低歪の電流となっていることが判る。図12(b)に示すように、第5次,7次だけでなく第11次、第13次等の高調波も消去されていることが判る。
Next, FIG. 12 is a diagram showing the input power supply current and its frequency components to the rectifier circuit of a jet fan when driven by the 18-phase rectifier circuit of the present invention.
Fig. 12(a) shows the input power supply current waveform for one jet fan obtained through the 18-phase rectifier circuit of the present invention, and Fig. 12(b) is an FFT image showing the frequency components of the power supply current for one jet fan. FFT is the peak value. In the FFT image of Fig. 12(b), the fundamental wave has also been cut to expand the harmonics. The fundamental wave has an effective value of 81.4 A and a peak value of 115.1 A.
When driven using the 18-phase rectifier circuit of the present invention, the power supply current waveform becomes a current with much better distortion, as shown in Fig. 12(a).As shown in Fig. 12(b), it can be seen that not only the 5th and 7th harmonics but also the 11th, 13th harmonics are eliminated.

なお、本発明のジェットファン駆動用電源回路システム100は、トンネルのジェットファンを駆動する用途が適用されるが、多くの場合100mから1000mを超える長尺ケーブルを介してジェットファンに供給される。
長尺ケーブルは特に限定されないが、単芯CVケーブル、多芯CVケーブル、単芯CVケーブルを3本撚りあわせたCVT、さらに、シールドケーブルもあり得る。
ジェットファンは、トンネル内の空気を換気する機器であり、誘導モータが組み込まれたものであり、将来的には永久磁石を用いたPMSMモータもあり得るが、本発明ではジェットファンの構造などは特に限定されず、インバータ駆動により運転できるものであれば多様なジェットファンを適用することができる。ジェットファンは、長距離道路トンネル内に適切な間隔で配設されている。トンネルが長距離になれば多数のジェットファンが配設される。
The jet fan driving power supply circuit system 100 of the present invention is used to drive a jet fan in a tunnel, and in many cases power is supplied to the jet fan via a long cable of 100 m to over 1000 m.
The long cable is not particularly limited, but may be a single-core CV cable, a multi-core CV cable, a CVT in which three single-core CV cables are twisted together, or even a shielded cable.
A jet fan is a device for ventilating the air inside a tunnel, and is equipped with an induction motor. In the future, a PMSM motor using a permanent magnet may also be used, but the structure of the jet fan is not particularly limited in the present invention, and various jet fans can be applied as long as they can be driven by an inverter. Jet fans are installed at appropriate intervals in long-distance road tunnels. The longer the tunnel, the more jet fans will be installed.

本発明のジェットファン駆動用電源回路システム100を導入するメリットとしては、以下にまとめることができる。
(1)パワーエレクトロニクス業界で注目されなかった18相整流回路に関し、非絶縁変圧器と調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器を用いた「組み合わせ18相整流回路」を提供することにより、整流回路の高調波問題を経済的に解決した。
(2)組み合わせ18相整流回路では、必要な二つの変圧器の自己容量の和が通過容量の約21%と小さいので、小型・経済的となり、また変圧器における損失も小さくなる。
(3)ジェットファン駆動ではケーブルの長さが1000mを超える場合も少なくないが、その場合、全負荷時のケーブル電圧降下は15vから20vにもなり、電動機の端子電圧が低下して電流が増大すると云う不具合が生ずる。本発明の非絶縁変圧器では電圧が電源電圧より6.4%高いので、インバータの直流電圧が高くなり、その結果出力電圧も6.4%高く出来るので電動機の端子電圧低下を補償するようにインバータ出力電圧を高めることが出来て都合が良い。
(4)ジェットファンの台数が3,5,7,9台などの奇数の場合、その内の3台を18相整流回路にすると、残りは0,2,4,6台となり、それ等は組み合わせ12相整流回路にすれば良いので、不経済な図16に示した「非絶縁変圧器を用いた単機12相整流回路」を使うのは、図18(b)に示すようにインバータ台数が1台の場合だけとなり、全システムを経済的に設計できる。
(5)6台や9台の場合は、組み合わせ12相整流回路を使うことも出来るが、全てを18相整流回路とすれば、高調波が少なくなるだけ有利となる。
The advantages of introducing the jet fan drive power supply circuit system 100 of the present invention can be summarized as follows.
(1) Regarding 18-phase rectifier circuits that had not attracted much attention in the power electronics industry, we have provided a "combined 18-phase rectifier circuit" that uses a non-isolated transformer and an auto-step-up transformer for regulated step-up, thereby economically resolving the harmonic problems of rectifier circuits.
(2) In the combined 18-phase rectifier circuit, the sum of the self-capacity of the two required transformers is small, at approximately 21% of the through-capacity, making it compact and economical, and also reducing losses in the transformer.
(3) In jet fan drive, the cable length often exceeds 1000m, in which case the cable voltage drop at full load can reach 15V to 20V, causing a problem that the terminal voltage of the motor drops and the current increases. In the non-insulated transformer of the present invention, the voltage is 6.4% higher than the power supply voltage, so the DC voltage of the inverter is higher, and as a result, the output voltage can also be increased by 6.4%, which is convenient because it is possible to increase the inverter output voltage to compensate for the drop in the terminal voltage of the motor.
(4) If there are an odd number of jet fans, such as 3, 5, 7, or 9, and three of them are made into an 18-phase rectifier circuit, the remaining fans will be 0, 2, 4, or 6, which can be combined into a 12-phase rectifier circuit. Therefore, the uneconomical "single-unit 12-phase rectifier circuit using a non-isolated transformer" shown in Figure 16 will only be used when there is one inverter, as shown in Figure 18 (b), and the entire system can be designed economically.
(5) In the case of six or nine units, a combined 12-phase rectifier circuit can be used, but using an 18-phase rectifier circuit for all is advantageous as it reduces harmonics.

以上、本発明のジェットファン駆動用電源回路システムの構成例における好ましい実施例を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。 The above illustrates and describes a preferred embodiment of the configuration of the power supply circuit system for driving a jet fan of the present invention. However, it will be understood that various modifications are possible without departing from the technical scope of the present invention.

本発明のジェットファン駆動用電源回路システムは、長距離道路トンネル用の換気制御システム、特に、長距離道路トンネル内に設置した複数のジェットファンをインバータ駆動で制御する換気制御システムなどに適用することができる。The power supply circuit system for driving a jet fan of the present invention can be applied to a ventilation control system for a long-distance road tunnel, in particular a ventilation control system that controls multiple jet fans installed in a long-distance road tunnel using inverter drive.

100 ジェットファン駆動用電源回路システム
110 商用電源 電源変圧器
110 非絶縁多相化変圧器
120 調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器
130 ダイオード3相ブリッジ整流回路
140 3相交流リアクトル
160 インバータ回路
200 商用電源
300 ケーブル
400 ジェットファン
REFERENCE SIGNS LIST 100 Jet fan drive power supply circuit system 110 Commercial power supply Power supply transformer 110 Non-insulated multi-phase transformer 120 Auto-winding step-up transformer for regulated step-up 130 Diode three-phase bridge rectifier circuit 140 Three-phase AC reactor 160 Inverter circuit 200 Commercial power supply 300 Cable 400 Jet fan

Claims (4)

インバータにより道路トンネルのジェットファンを駆動するジェットファン駆動用電源回路システムであって、
三相商用電源を六相に変換する非絶縁多相化変圧器であって、前記三相商用電源の位相を略20度進ませる進み回路要素と、前記三相商用電源の位相を略20度遅らせる遅れ回路要素を備えた非絶縁多相化変圧器と、
前記三相商用電源の位相を維持したまま調整昇圧分だけ昇圧する調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器と、
前記非絶縁多相化変圧器の出力および前記調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器の出力をもとに交流から直流に変換する3組のダイオード3相ブリッジ整流回路であって、前記非絶縁多相化変圧器からの前記進み位相三相電源と、前記非絶縁多相化変圧器からの前記遅れ位相三相電源と、前記調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器からの同相三相電源をそれぞれの交流入力とする3つのダイオード3相ブリッジ整流回路と、
前記ダイオード3相ブリッジ整流回路の3つの直流出力電力を可変周波数・可変電圧の三相交流に変換する3組のインバータ回路を備えたものであることを特徴とする組み合わせ18相整流回路を用いたジェットファン駆動用電源回路システム。
A jet fan driving power supply circuit system for driving a jet fan in a road tunnel by an inverter, comprising:
a non-insulated multi-phasing transformer for converting a three-phase commercial power supply into a six-phase power supply, the non-insulated multi-phasing transformer including a leading circuit element for leading the phase of the three-phase commercial power supply by approximately 20 degrees and a delay circuit element for delaying the phase of the three-phase commercial power supply by approximately 20 degrees;
an auto-winding step-up transformer for adjusting step-up, which steps up the voltage by an amount of step-up adjustment while maintaining the phase of the three-phase commercial power source;
three sets of diode three-phase bridge rectifier circuits for converting AC to DC based on the output of the non-isolated multi-phase transformer and the output of the auto-winding step-up transformer for regulating step-up, the three diode three-phase bridge rectifier circuits having as their AC inputs the leading phase three-phase power supply from the non-isolated multi-phase transformer, the lagging phase three-phase power supply from the non-isolated multi-phase transformer, and an in-phase three-phase power supply from the auto-winding step-up transformer for regulating step-up;
A power supply circuit system for driving a jet fan using a combined 18-phase rectifier circuit, comprising three sets of inverter circuits for converting the three DC output powers of the diode three-phase bridge rectifier circuit into three-phase AC with variable frequency and variable voltage.
前記非絶縁多相化変圧器の前記進み回路要素が電源の相電圧に対して位相が進む方向に電圧を直角に加えるように設けた変圧器巻線であり、その巻線電圧が位相を20度進ませるものであり、
前記非絶縁多相化変圧器の前記遅れ回路要素が電源の相電圧に対して位相が遅れる方向に電圧を直角に加えるように設けた変圧器巻線であり、その巻線電圧が位相を20度遅らせるものであり、
上記により得られる位相が電源に対して±20度の二組の三相電源を用いて18相整流を構成したことを特徴とする請求項1に記載のジェットファン駆動用電源回路システム。
The leading circuit element of the non-insulated multi-phase transformer is a transformer winding provided to apply a voltage at right angles to a phase leading direction relative to a phase voltage of a power source, and the winding voltage leads the phase by 20 degrees;
The delay circuit element of the non-insulated multi-phase transformer is a transformer winding provided to apply a voltage at right angles in a direction in which the phase is delayed relative to the phase voltage of the power source, and the winding voltage delays the phase by 20 degrees;
2. The power supply circuit system for driving a jet fan according to claim 1, wherein 18-phase rectification is configured using two sets of three-phase power supplies, the phase of which is ±20 degrees relative to the power supply.
前記調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器による前記調整昇圧分が、前記三相商用電源の電圧よりも略6.4%高いものとしたことを特徴とする請求項1または2に記載の組み合わせ18相整流回路を用いたジェットファン駆動用電源回路システム。A power supply circuit system for driving a jet fan using a combined 18-phase rectifier circuit as described in claim 1 or 2, characterized in that the regulated boost provided by the single-winding boost transformer for regulated boost is approximately 6.4% higher than the voltage of the three-phase commercial power supply. 前記調整昇圧用の単巻き昇圧変圧器に接続する交流リアクトル値を、前記非絶縁多相化変圧器に接続される交流リアクトル値に比して大きくし、前記進み位相三相電源と前記遅れ位相三相電源と前記同相三相電源の高調波電流が略同じになるように補償せしめたことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の組み合わせ18相整流回路を用いたジェットファン駆動用電源回路システム。


4. A power supply circuit system for driving a jet fan using a combination 18-phase rectifier circuit as claimed in any one of claims 1 to 3, characterized in that an AC reactor value connected to the auto-step-up transformer for regulating step-up is made larger than an AC reactor value connected to the non-insulated multi-phase transformer, and compensation is performed so that harmonic currents of the leading phase three-phase power supply, the lagging phase three-phase power supply, and the in-phase three-phase power supply are approximately the same.


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