JP2000112546A - 電源ネットワ―クを安定させるための方法及び制御装置 - Google Patents

電源ネットワ―クを安定させるための方法及び制御装置

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JP2000112546A
JP2000112546A JP11284535A JP28453599A JP2000112546A JP 2000112546 A JP2000112546 A JP 2000112546A JP 11284535 A JP11284535 A JP 11284535A JP 28453599 A JP28453599 A JP 28453599A JP 2000112546 A JP2000112546 A JP 2000112546A
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transformer
network
power supply
voltage
phase
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Shripad Tambe
タンベ シュリッパット
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ABB AB
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/18—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • H02J3/1892—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks the arrangements being an integral part of the load, e.g. a motor, or of its control circuit

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  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
  • Ac-Ac Conversion (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】ネットワーク上でインターフェアランスリアク
ションを避けるために、電気システムの無効電力におけ
る変動に対して電源ネットワークを安定させること。 【解決手段】少なくとも１つのトランス（３）を有す
る、特にアーク炉（５）の電気システムの無効電力の変
動に対して、電源ネットワークを安定させる方法であっ
て、前記少なくとも１つのトランス（３）は、少なくと
もほぼ１に等しい値を有する基本周波数の力率を生じる
スイッチングシーケンスにおいて、電源ネットワーク側
で、スイッチオン及びスイッチオフされる。又、この方
法を実施するための制御装置を開示する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、請求項１のプリア
ンブルに記載された電気システムの無効電力の変動に対
して電源ネットワークを安定させるための方法、及び請
求項６のプリアンブルに記載された電気システムの制御
装置に関する。特に、本電気システムは、アーク炉であ
る。
【０００２】
【従来の技術】パワーエレクトロニクスにおける一般的
な問題は、公衆電源ネットワーク上で生じ、同じネット
ワークの他の加入者のじゃまをする無効成分の発生であ
る。これは、特に無効電力が時間と共に変化する場合で
あり、その結果、例えば、いわゆるフリッカー（照明器
具の明るさの変動）としてみることができるネットワー
クの電圧変動が発生する。このような電圧変動は、例え
ば、アークにおける不規則な、制御されない変化の結果
としてアーク炉において生じる。
【０００３】したがって、無効負荷における変動を安定
させようとする電源ネットワークを安定させるためのい
ろいろな装置が知られている。従来の方法の一つは、無
効電力を補償するために、変化する負荷の関数としてト
リガする角度を変えることである。
【０００４】例えば、米国特許第5,463,653号は、それ
ぞれの二次コイルがサイリスタとフリーホイール制御ル
ープに接続されている統計的ＶＡＲ補償器（ＳＶＣ）を
開示している。このサイリスタは、負荷の変化するイン
ピーダンスと無関係に、できる限り一定の無効電力を得
るために、可変トリガ角でトリガされる。
【０００５】これに対して、米国特許第5,155,740号
は、無効電力がアーク炉の検出された無効電力の関数と
して制御されるようにされているＤＣアーク炉のための
フリッカー補償装置を開示している。この補償装置は複
雑で、従って比較的高価である。
【０００６】
【発明の概要】従って、本発明の目的は、複雑性がな
く、ネットワーク上でこのインターフェアランスリアク
ションを避けるために、電気システムの無効電力におけ
る変動に対して電源ネットワークを安定させるための新
規な方法及び制御装置を提供することである。この目的
は、請求項１の特徴を有する方法、及び請求項６の特徴
を有する制御装置によって達成される。
【０００７】本発明の他の目的は、トランスの大きさを
減少し、したがって、その製造コストを減少することで
ある。この目的は、請求項８の特徴を有する装置によっ
て達成される。
【０００８】本発明による方法において、基本周波数の
力率をネットワーク電流の関数として、全ての時間少な
くとも１にほぼ等しく保つことができるようなスイッチ
ングシーケンスが用いられる。これは、基本周波数の無
効電力が常に少なくともほぼゼロであり、変動がネット
ワークに殆ど影響を与えないことを意味している。この
場合、ネットワーク電流は、その極値に関して少なくと
もほぼ対照的にスイッチオン及びスイッチオフされる。
ネットワーク電圧の極値までそれぞれ伸びる電圧セグメ
ントがトランスの一次巻線に加えられる。この場合、正
又は負のサイクルの電圧セグメントが反対の数学符号を
伴って、次のサイクルにおいて繰返される。
【０００９】本方法の好適な実施形態において、電圧の
セグメントが少なくとも一つの一次巻線に与えられ、互
いに１２０度移相された３相システムが用いられる。全
ての電圧セグメントの合計は、１つの相の全ての電圧値
の１００％を生じる。本方法の他の好適な実施形態にお
いて、一次巻線を介して与えられる電圧セグメントはパ
ルス幅変調されている。これは、電源及び電源に接続さ
れた敏感な装置に負のリアクションを生じる相対的高調
波を防止する。
【００１０】本方法を実施するための本発明による制御
装置の１つの好適な実施形態において、一次巻線は３つ
の一次コイル或いはコイルシステムからなっており、そ
れらの各々は、電源ネットワークの１つの相に接続され
る。各々のコイル或いは各々のコイルシステムは、フリ
ーホイール制御ループに接続されるのが好ましい。
【００１１】他の好適な実施形態において、１つの一次
コイル或いは１つの一次コイルシステムのみがが設けら
れる。そして１つの一次コイル或いは１つの一次コイル
システムは、スイッチ素子によって与えられる各相入力
を有する、それに与えられる３つの相を有している。更
に、各々の相との干渉を防ぐための手段が設けられる。
このような手段は、例えばネットワークコンミュテータ
である。
【００１２】本発明の好適な実施形態において、全ての
一次巻線は、同じ二次巻線に接続される。この場合、こ
れらの二次巻線は、単一コイルか、或いは一つのコイル
システムを有することができる。これによって、炉のト
ランスの大きさを減少することができ、その結果、その
製造コストを大幅に減少することができる。更に、本発
明による方法は、ＤＣ及びＡＣのアーク炉の双方に対し
て用いられる。本発明の完全な理解及び本発明の多くの
利点は、図面を参照して、以下の詳細な説明によって理
解されるであろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】図面をとおして、同じ参照番号
は、同一或いは対応する部分を示している。図面を参照
して、図１ａ及び図１ｂは、炉のトランス３とスイッチ
装置２を介してＡＣネットワーク１に接続されている、
少なくとも１つの第１電極４を有するアーク炉５を示し
ている。第２の電極８は、このアーク炉５の底部領域に
配置されている。アーク炉５には溶融されるべき物質が
供給されている。アーク炉が動作している場合、アーク
７は、第１電極４の下端と溶融されるべき物質の表面間
に生じる。図１ａに示されたアーク炉は、交流で動作さ
れ、一方、図１ｂのアーク炉は、直流で動作される。図
１ｂから分かるように、ＤＣアーク炉の場合、ＡＣ信号
をＤＣ信号に変換するために、整流器９が炉のトランス
３と第１電極４の間に配置されている。
【００１４】図２は本発明による制御装置の第１の実施
形態を示す。この制御装置において、炉のトランスの一
次ステージと共に、本発明の本質であるスイッチ装置の
一部が示されている。３辺の制御閉ループに３つの相入
力Ｒ、Ｓ、Ｔが設けられている。第１の一次巻線１１が
第１の相入力Ｒと第２の相入力Ｓ間に設けられ、且つ第
１のスイッチ素子１０がそれに続いて直列に設けられて
いる。第１のフリーホイール制御ループ１２が第１の一
次巻線１１と並列に配列されている。同じ素子が第２の
相入力Ｓと第３の相入力Ｔ間ばかりでなく、第３の相の
入力と第１の相の入力間にも配置されている。すなわ
ち、第２と第３の一次巻線１１’、１１”、第２と第３
のスイッチ素子１０’、１０”、及び第２と第３のフリ
ーホイール制御ループ１２’、１２”がそれぞれ配置さ
れる。
【００１５】この例において、一次巻線１１、１１’、
１１”は、トランスに通常用いられるようなコイルであ
るが、この場合、複数のコイルを有するコイルシステム
を用いることもできる。フリーホイール制御ループ１
２、１２’、１２”の各々は、この例においては、２つ
のフリーホイールダイオードから形成されるが、他の従
来用いられている手段を採用してもよい。スイッチ素子
１０、１０’、１０”は高速双方向スイッチ、すなわち
比較的短いスイッチング時間を有する従来のサイリスタ
である。好ましいスイッチ素子は、例えばＧＴＯ(Gate
Turn-Off Thyristor:ゲートターンオフサイリスタ)、Ｉ
ＧＣＴ(Integrated Gate Commutated Thyristor:一体化
ゲート転流型サイリスタ)、ＩＧＢＴ(Insulated Gate B
ipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジス
タ)或いは前記素子に匹敵するか、又は短いスイッチン
グ時間を有する素子である。同じ特性データを有する素
子が制御ループの各辺に用いられることが好ましく、そ
の結果３つの辺は同じ構成になる。
【００１６】図３ａと図３ｂから分かるように、全ての
３つの一次巻線１１、１１’、１１”は、動作的に同じ
二次巻線１３に接続される。一次巻線１１と同様に、二
次巻線１３は、コイルを有することもできるし、コイル
システムを有することもできる。ＡＣ負荷を有するＡＣ
アーク炉の場合、二次巻線１３は図３ａに示されるよう
に、第１電極４に直接接続されている。ＤＣアーク炉の
場合（図３ｂ参照）、整流器９が二次巻線１３と第１電
極４の間に接続される。
【００１７】本発明による方法は、図１−図３に示され
た実施形態を参照して、以下に説明される。３相正弦波
入力信号が、少なくともほぼ１の値を有する基本周波数
力率を常に生じるスイッチングシーケンスにおける高速
スイッチ素子１０、１０’、１０”によってスイッチオ
ン及びスイッチオフされる。この目的のために、正弦波
入力電圧は、一次巻線１０、１０’、１０”に与えられ
る電圧セグメントに細分割される。
【００１８】図４ａは、時間の関数として、一次巻線１
０、１０’、１０”を介して印加される電圧値を示す。
正弦波曲線は３相入力信号を示し、暗い部分は３つの一
次巻線１０、１０’、１０”を介して印加される電圧セ
グメントを示す。第１の一次巻線１０を介して印加され
る第１の正電圧のセグメントＵ１は、最小値から入力ネ
ットワーク電圧の極値に相当する最大値へ上昇する。こ
の第１の正電圧のセグメントＵ１は、第３の負電圧のセ
グメントＵ１’において、負のサイクル部分に同一のペ
ンダントを有する。第２及び第３の一次巻線１０’、１
０”をそれぞれ介して印加される第２及び第３の正及び
負電圧のセグメントＵ２、Ｕ２’及びＵ３、Ｕ３’が同
様にある。
【００１９】ここで説明されたように、１つのセグメン
トの電圧値は、次のセグメントがスタートする前に少な
くともほぼゼロに降下する。この場合、全ての電圧セグ
メントの合計は単相入力信号の少なくともほぼ１００％
になる。
【００２０】図４ｂは、時間の関数として関連ネットワ
ーク電流の値を示す。この場合、正弦波曲線は、入力側
のスイッチされない電流信号に相当し、暗い部分を有す
る方形波曲線はそれぞれの相に対するそれぞれの電圧セ
グメントに関連するネットワーク電流に相当する。従っ
て、ＩＲは第１の相におけるネットワーク電流を示し、
ＩＳは、第２の相におけるネットワーク電流を示し、そ
してＩＴは、第３の相におけるネットワーク電流を示
す。図４ａと図４ｂから分かるように、正弦波ネットワ
ーク電流は、その極値に関して対称的にスイッチオン及
びスイッチオフされる。結果的に、基本周波数ネットワ
ーク電流ＩＲ、ＩＳ及びＩＴは、実効電圧を有して同相
であるので、基本周波数の力率は１に等しい。図２に示
されたフリーホイール回路１２、１２’、１２”は、こ
の場合、スイッチ・オフ・プロセス中に生じる極端に高
い電圧を防ぐ。
【００２１】図５ａは、二次巻線を横切る電圧値を示
す。これらは、一次巻線に印加された電圧セグメントに
本質的に相当する。図５ｂは、整流器９の下流電圧を示
す。もし、二次巻線を横切る電圧セグメントの合計が入
力信号の１００％に達しないならば、一次巻線を介して
印加される電圧セグメントは、力率を少なくともほぼ１
に変更するために、パルス幅変調されなければならな
い。これは図５ｃに示されている。本方法の好適な１つ
の変形において、パルス幅変調は、原則的に、高調波を
避け、或いは少なくともそれらを減少するために行なわ
れる。
【００２２】図６は、アーク炉のための、本発明による
制御装置の第２の実施形態を示す。３つの分離した一次
巻線システムの代わりに、二次巻線１３に動作的に接続
された１つの一次巻線システム１１のみがある。この一
次巻線システム１１は、その両側で、各々の場合、一つ
の相の入力或いは相の出力Ｒ、Ｓ、Ｔにそれぞれ関連し
ている、３つの並列に接続されたスイッチ素子１０、１
０’、１０”に接続されている。この場合、少なくとも
１つのネットワークコンミュテータ１５がスイッチ素子
１０、１０’、１０”と相の入力或いは相の出力間に配
列され、そしてネットワークコンミュテータ１５がコン
ミュテーション及び各々の相とのインターフェアランス
相互作用を防止する。この制御ユニット及び／又はトラ
ンスは上述され、図３ａと図３ｂに示されるようにスイ
ッチングシーケンスで再びスイッチオン及びスイッチオ
フされるので、図５に示された電圧が、再び二次巻線を
横切って存在する。。
【００２３】明らかに、本発明のいろいろな変更及び変
形が上述の教示に照らして可能である。従って、特許請
求の範囲内で、本発明が特にここに説明したもの以外で
も実施されることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）電源に接続され、本発明による制御装置
を有するＡＣアーク炉の概略図を示す。 （ｂ）本発明による制御装置を有するＤＣアーク炉の概
略図を示す。
【図２】本発明の第１の実施形態による、電源ネットワ
ーク側の制御装置の一部を示す。
【図３】（ａ）ＡＣ負荷に接続され、図２に示された回
路の第１の変形のトランスの一次および二次巻線の概略
を示す。 （ｂ）ＤＣ負荷に接続され、図２に示された回路の第２
の変形のトランスの一次および二次巻線の概略を示す。
【図４】（ａ）一次巻線を横切る電圧のグラフを示す。 （ｂ）ネットワーク電流のグラフを示す。
【図５】（ａ）二次巻線を横切る出力電圧のグラフを示
す。 （ｂ）整流器から下流の出力電圧のグラフを示す。 （ｃ）印加された電圧セグメントのパルス幅変調を示
す。
【図６】本発明の第２の実施形態による、電源ネットワ
ーク側にある制御装置の一部を示す。
【符号の説明】
１ 電源ネットワーク ２ スイッチ装置 ３ 炉のトランス ４ 第１電極 ５ アーク炉 ６ 溶融されるべき物質 ７ アーク ８ 第２電極 ９ 整流器 １０ 第１のスイッチ素子 １０’ 第２のスイッチ素子 １０” 第３のスイッチ素子 １１ 第１の一次巻線 １１’ 第２の一次巻線 １１” 第３の一次巻線 １２ 第１のフリーホイール制御ループ １２’ 第２のフリーホイール制御ループ １２” 第３のフリーホイール制御ループ １３ 二次巻線 １４ 負荷 １５ ネットワークコンミュテータ Ｒ 第１の相の入力 Ｓ 第２の相の入力 Ｔ 第３の相の入力 Ｕ１ 第１の正電圧のセグメント Ｕ１’ 第１の負電圧のセグメント Ｕ２ 第２の正電圧のセグメント Ｕ２’ 第２の負電圧のセグメント Ｕ３ 第３の正電圧のセグメント Ｕ３’ 第３の負電圧のセグメント ＩＲ 第１の相におけるネットワーク電流 ＩＳ 第２の相におけるネットワーク電流 ＩＴ 第３の相におけるネットワーク電流

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも１つのトランス（３）を有する
    電気システムの無効電力の変動に対して、電源ネットワ
    ークを安定させる方法であって、 前記少なくとも１つのトランス（３）は、少なくともほ
    ぼ１に等しい値を有する基本周波数の力率を生じるスイ
    ッチングシーケンスにおいて、電源ネットワーク側で、
    スイッチオン及びスイッチオフされることを特徴とする
    方法。
  2. 【請求項２】ネットワーク電流がその極値に関して少な
    くともほぼ対称的にスイッチオン及びスイッチオフされ
    ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】入力電圧の電圧セグメント（Ｕ１、Ｕ
    １’、Ｕ２、Ｕ２’、Ｕ３、Ｕ３’）が前記少なくとも
    １つのトランス（３）の一次巻線（１１、１１’、１
    １”）を介して印加され、その場合に各々の電圧セグメ
    ントは、入力電圧の少なくともほぼ極値まで伸びること
    を特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】前記で圧セグメントはパルス幅変調されて
    いることを特徴とする請求項１又は３に記載の方法。
  5. 【請求項５】一次巻線を介して印加される電圧セグメン
    トは、互いに１２０度移相されていて、その場合１つの
    セグメントの電圧値は、次のセグメントが開始する前に
    少なくともほぼゼロに降下していることを特徴とする請
    求項３に記載の方法。
  6. 【請求項６】一次及び二次巻線（１１、１１’、１
    １”、１３）を有する少なくとも１つのトランス（３）
    を有し、請求項１ないし５の何れか一つに記載された方
    法を行なうための電気システムの制御装置であって、電
    源ネットワーク側に配列された少なくとも１つのスイッ
    チ素子（１０、１０’、１０”）は、前記一次巻線（１
    １、１１’、１１”）に動作的に接続され、前記スイッ
    チ素子は、スイッチングシーケンスが少なくともほぼ１
    の値を有する基本周波数の力率の導く場合に、スイッチ
    ングシーケンスにおいてスイッチオフされることを特徴
    とする制御装置。
  7. 【請求項７】前記少なくとも１つのスイッチ素子（１
    ０、１０’、１０”）は、ＧＴＯ、ＩＧＣＴ、ＩＧＢＴ
    又はこれらの素子に匹敵するか、或いはそれらより短い
    スイッチング時間を有する素子であることを特徴とする
    請求項６に記載の制御装置。
  8. 【請求項８】全ての一次巻線（１１、１１’、１１”）
    は、同じ二次巻線（１３）に動作的に接続されているこ
    とを特徴とする請求項６に記載の装置。
  9. 【請求項９】３辺の制御閉ループを形成する、３つの一
    次巻線システム（１１、１１’、１１”）及び３つのス
    イッチ素子（１０、１０’、１０”）が設けられ、各々
    の場合に１つの一次巻線システム及び関連するスイッチ
    素子は、３相ネットワーク電源の１つの相（Ｒ，Ｓ，
    Ｔ）に接続されていることを特徴とする請求項６乃至８
    の何れか１つに記載の制御装置。
  10. 【請求項１０】３相ネットワーク電源に接続されること
    ができる単一の一次巻線（１１）が設けられ、その場
    合、前記一次巻線システムは、少なくとも３つのスイッ
    チ素子（１０、１０’、１０”）にネットワーク電源側
    で接続され、各々のスイッチ素子は、各々の場合に前記
    ネットワーク電源の１つの相（Ｒ、Ｓ、Ｔ）に接続され
    ることを特徴とする請求項６乃至８の何れか１つに記載
    の制御装置。
JP11284535A 1998-10-05 1999-10-05 電源ネットワ―クを安定させるための方法及び制御装置 Pending JP2000112546A (ja)

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