JP2008527952A - 自動力率補正器 - Google Patents

Abstract

電流および電圧の各位相の位相角を感知し、電流の位相角を電圧の位相角に自動的に揃える、コンピュータ制御ソリッドステートスイッチング力率補正器。この力率補正は、電力ラインの周波数で更新され、多数の離散的な補正ステップを提供するように設計される。

Description

本発明は、力率補正（ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）に関する。より詳細には、本発明は、コンピュータ制御ソリッドステートスイッチング力率補正に関する。

力率補正用の様々な技術が提案されており、当技術分野でよく知られている。一般に、これらの従来のシステムおよび技術は、ただ１つの位相を感知し、コンタクタリレーを使用して、１度に３つの位相すべてをスイッチングする。

以下は必ずしも「従来技術」であるとは限らないが、読者は、一般的な背景資料として、以下の米国特許文献を参照されたい。これらの特許文献の各々は、それに含まれる資料のために、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

米国特許第４３５６４４０号は、時変、不平衡型の誘導性負荷を有することのある３または４線電力線へのデルタ結線スイッチトキャパシタアレイの結合を制御する、離散時間閉ループ力率補正器システムについて説明している。

米国特許第４４１７１９４号は、規制された電圧および周波数で電力を提供するように適合されたスイッチトキャパシタ制御誘導発電器を含む、発電器システムについて説明している。

米国特許第４４９３０４０号は、溶接電流のパルスを工作物に選択的に導電するための位相制御抵抗溶接回路と、その溶接回路の導電を制御するための制御回路とを含む、コンピュータ制御溶接装置について説明している。

米国特許第５１３４３５６号は、誘導性負荷に対する無効電力補償を決定し、提供する、システムおよび方法について説明している。

米国特許第５１８０９６３号は、高電圧電流をスイッチングするための光トリガソリッドステートスイッチおよび方法について説明している。

米国特許第５４７３２４４号は、導電要素の電圧変動に応答して第１の電流を生成するための容量性センサの配置を含む、ワイア、ケーブルなどの導電要素の電圧、電流、および電力レベルの非接触測定を実行するための装置について説明している。

電力システムにおいて力率を自動補正するための方法およびシステムを提供することが望ましい。特に、突入電流（ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ−ｒｕｓｈ）を除去するためにソリッドステートスイッチングを使用し、そのような突入電流を扱うのに必要とされるリアクタの必要性を排除することによって電気エネルギーを節約する、そのような方法およびシステムを提供することが望ましい。ひとたび設置された後は自動であるシステムにおいて、所望レベルへの頻繁な力率補正を提供することも望ましい。

したがって、本発明の一実施形態は、コンピュータ制御ソリッドステートスイッチング力率補正を提供する。

本発明の一実施形態は、ゼロ交差点またはゼロ交差点付近でスイッチングするソリッドステートスイッチを使用する力率補正を提供する。

さらに、本発明の一実施形態は、電流の位相角を感知し、各位相個別に必要に応じてキャパシタを追加または除去する力率補正を提供する。

また、本発明の一実施形態は、毎秒複数回スイッチングし、複数の補正ステップを使用する力率補正を提供する。

本発明の一実施形態は、突入電流を最小化し、それによって、この電流の突入に関連して必要とされるリアクタを排除する力率補正を提供する。

本発明の一実施形態は、自動的な力率補正を提供する。

本発明の一実施形態は、複数の位相を感知する力率補正を提供する。

本発明の付加的な利点およびその他の新規な特徴は、一部は以下の説明において説明され、一部は以下の事項の検討時に当業者に明らかとなり、または本発明の実施によって学習され得るであろう。本発明の利点は、添付の特許請求の範囲において特に指摘される手段および組み合わせを用いて実現され、達成される可能性がある。本発明のまた別の利点は、本発明を実施するのに最適な態様の１つの単なる例示として、本発明の好ましい実施形態を示し、説明する以下の説明から、当業者に容易に明らかとなるであろう。理解されるように、本発明は、その他の異なる実施形態を可能にし、いくつかの細部、特定の回路、および方法のステップは、本発明から逸脱することなく、変更が可能である。したがって、利点、図面、および説明は、本質的に例示的と見なされるべきであり、限定的と見なされるべきではない。

本明細書に組み込まれ、その一部を形成する添付の図面は、本発明の好ましい実施形態を例示している。すべてではないが、いくつかの代替実施形態が、以下の説明において説明される。

今から、本発明の好ましい実施形態を詳細に参照する。その実施形態の一例が添付の図面に示されている。

Ａ／Ｃ電力システムにおいて電圧と電流の位相角を揃える（ａｌｉｇｎ）ために、力率補正が使用される。力率補正は、電力システムのエネルギー効率を最大化する際に重要である。一般に、力率補正は、未使用電流を次のサイクルまでキャパシタに蓄えることによって達成される。力率補正における固定キャパシタの使用は、負荷が一定でないどのようなシステムにおいても著しい制限を有することが明らかにされた。調整可能キャパシタンス力率補正が試みられたが、従来システムはやはり、著しい難点をもっていた。例えば、従来システムは、３相電気システムのただ１つの位相だけを感知し、その後、単一位相からの情報だけに基づいてすべての位相を「補正」する。また、従来システムは一般に、電力スパイクを生成する傾向を有する電磁リレーを使用する。電磁リレーはまた、望ましくない熱、抵抗、および歪みをもたらす、接触点の消耗および損傷を受けやすい傾向がある。要するに、電磁リレーは、スイッチングキャパシタにおける使用に適していない。

本発明は、長時間有効で、保守回数が少ないまたは保守を必要としない、ユーザフレンドリなフルタイム力率補正を提供するために、コンピュータ化された電子スイッチング技術を使用する。本発明は、Ｙ構成またはデルタ構成をとる、５０Ｈｚおよび６０Ｈｚの、６９０、４８０、３０８、２４０、および２０８ボルトの３相電力システムと共に機能することができる。０から最大定格までの力率補正が、達成されることができる。本発明は、３つの位相すべての位相角を個別に感知し、各位相に単一の電圧位相対電流位相補正（ｖｏｌｔａｇｅ ｐｈａｓｅ ｔｏ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｈａｓｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）を適用するように設計される。本発明の本実施形態は、位相当たり２５６個もの増分ステップを用い、僅か０．１７ｋＶａｒずつ増加させながら、調整を行うことができる。増分ステップ数および調整量は、本発明の代替実施形態では、増加または減少させることができる。本発明は、コンピュータ化された電子技術によって、スイッチング過渡電流を最小化し、正確または正確に近いゼロ交差を提供する。

図１は、本発明の本実施形態の主要部分を示すシステムブロック図を示しており、この実施形態では、３相主線電力（ｔｈｒｅｅ−ｐｈａｓｅ ｍａｉｎ ｌｉｎｅ ｐｏｗｅｒ）１００が、降圧変圧器１０１に接続される。３相主線電力１００は、デルタ構成またはＹ構成のどちらかをとることができる。降圧変圧器１０１は、１２０ＶＡＣ電力１０８を提供する。１２０ＶＡＣ電力１０８は、電源１０２に提供される。電源１０２は、本実施形態では、コントローラ１０３とコンピュータまたはプロセッサ１０４とに給電するために、５ＶＤＣ電力１０９を提供する。電流センサ１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃが、３相主線電力１００の位相に接続され、各位相は、それに接続される電流センサ１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃを有する。電流センサ１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃは、３相主線電力１００の各位相において測定される電流信号の位相を識別する。各電流センサ１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃは、電流信号１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃを、コントローラ１０３に提供する。電圧信号１１１が、電源１０２からコントローラ１０３に送られる。この電圧信号１１１は、主線電力１００からの電圧のＡＣ位相情報を含む。コントローラ１０３は、受け取った電圧信号１１１と受け取った電流位相信号１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃとを処理し、主線電力１００の各位相について、方形波電圧信号１１２と方形波電流信号１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃとを生成する。この本実施形態では、これらの信号１１２、１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃは方形波であるが、代替的に想定される実施形態では、これらの信号は、のこぎり波、三角波、正弦波などを含むが、これらに限定されない、その他の検出可能な波形とすることができる。これらの信号１１２、１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃは、コントローラ１０３によって、処理用のコンピュータ１０４に提供される。コンピュータ１０４は、信号１１２、１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃの位相角を処理し、比較する。コンピュータ１０４は、各電流成分の位相角が電圧の位相角より遅れているか、それとも進んでいるかを識別する。主線電力位相１００の各々について位相角の進みまたは遅れがコンピュータ１０４によって識別された場合、コンピュータ１０４は、キャパシタの１つまたは複数の組１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃを入り（ｉｎ）または切り（ｏｕｔ）にスイッチングするように、スイッチのバンクＳＣＲ Ａ１０６ａ、ＳＣＲ Ｂ１０６ｂ、およびＳＣＲ Ｃ１０６ｃに命令する。本発明の本実施形態では、各ＳＣＲ１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃは、１つまたは複数のＳＣＲの８つの組を含み、それによって、各位相Ａ、Ｂ、およびＣについて、キャパシタの最大で８つの異なる組をオンまたはオフにスイッチングすることが可能である。また、本実施形態では、各スイッチＳＣＲ Ａ１０６ａ、ＳＣＲ Ｂ１０６ｂ、およびＳＣＲ Ｃ１０６ｃは、８つのキャパシタまたはキャパシタの組のバンク１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃに接続される。ここでは、キャパシタの各バンク１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃは、キャパシタンス値が増加する様々なキャパシタンスをもつキャパシタから構成される。例えば、キャパシタの典型的なバンク１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃは、キャパシタの８つの組について、比較的小さなキャパシタンスを有するキャパシタの組と、第１の組のキャパシタンス値の２倍のキャパシタンス値を有する第２の組と、第２の組のキャパシタンス値の２倍のキャパシタンス値を有する第３の組と、以下同様に８組のキャパシタを含む。このようにして、主線電力１００の各位相について、選択され得る最大で２５６通りの異なるキャパシタンスの組み合わせまたはステップが存在する。キャパシタのバンク１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃは各々、主線電力１００の単一位相を受け取り、電流の位相角が電圧の位相角に揃えられた３相電力を提供する。したがって、本発明は、電圧信号と電流信号の間の位相差によって引き起こされる電気エネルギーの損失を最小化する。典型的なＡＣ電力は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚで動作し、したがって、本発明の本実施形態では、補正は、キャパシタのバンク１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃに接続されたスイッチ１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃに対するコンピュータ１０４の命令によって行われ、それによって、サイクル当たり少なくとも１回、または毎秒５０回もしくは６０回、電流信号および電圧信号の位相角を補正する。代替実施形態では、電力位相の位相角に対する補正は、より高い頻度またはより低い頻度で行われることができ、電力を効率的な調整（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）に至らせるために必要とされることができる。センサ１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃは、３相主線電力１００の電流成分を感知し、特徴付けるように適合される。一般に、これは、電流位相角の感知を含む。コントローラ１０３は、コンピュータ１０４によって処理され、比較され得る波形に、センサ信号を変換する。コンピュータ１０４は、位相角比較を実行し、３相電力１００の各位相についてキャパシタンスの選択を制御する。上で述べられたように、スイッチ１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃは、コンピュータ１０４から制御信号を受け取り、電流の位相角シフトを達成して、それによって、電流を電圧に揃えるために、キャパシタの組１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃを望ましくオンまたはオフにする。

図２は、本発明の本実施形態の力率制御方法のトップレベルフローチャートを示している。電流と電圧の位相角を比較する方法の本実施形態は、プログラム可能なコンピュータ装置１０４において実行される。典型的なそのようなコンピュータ１０４は、プロセッサと、ダイナミックおよびスタティックメモリと、磁気ディスクドライブなどの長期記憶装置と、キーボードおよび／またはマウスなどの入力装置と、ＣＲＴまたはフラットパネルディスプレイなどの表示装置と、プリンタなどの出力装置などを含む。しかし、代替実施形態では、コンピュータは、専用の入力装置、表示装置、または出力装置をもたないスタンドアロン処理ユニットとすることができる。また、大抵、本発明で使用されるコンピュータ装置は、専用回線、電話回線、無線ＲＦリンクなどを介して他のコンピュータ利用装置（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｄｅｖｉｃｅ）と通信するため、ネットワークインタフェースを備える。本方法は、Ｐａｓｃａｌプログラミング言語でコード化され、標準的なパーソナルコンピュータ上で実行されるようにコンパイルされる。この方法の代替実施形態は、代替言語またはアセンブリもしくはマシンコードで書かれてもよく、本発明の概念から逸脱することなく、特定目的のコンピュータ利用装置上で実行されることができる。本発明は、排他的にではないが一般に、変数およびパラメータの初期化２０１で開始する。その後、ユーザは、電流の受け取った位相角と電圧の受け取った位相角の間の比較のための値およびトリガ点を変更２０２する機会を与えられることができる。各電流の位相角と電圧の位相角の間の比較２０３が行われる。比較の結果、初期化２０１または変更２０２の際に設定されたパラメータトリガまたは閾値を超える差があった場合、ＳＣＲは、キャパシタの適切な組をオンまたはオフのどちらかにスイッチングするように設定２０４される。この比較２０３のステップは、電流と電圧の位相角を受け取るステップと、電流と電圧の位相角の間の差を計算するステップと、電流と電圧の位相角の間の差の量についての値を生成するステップとを含む。差の値は、ステップ２０１で初期化またはステップ２０２で変更された値および／またはトリガ点と比較される。その後、電流および電圧の位相角およびその他の測定を含む値、ならびにトリガ点を含む変数およびパラメータは、ユーザに対して表示２０５されることができる。継続するために、このプロセスは、ユーザが値を変更する機会を与えられる値変更ステップ２０２に復帰することによって反復２０６する。いくつかの代替構成では、値変更ステップ２０２および値表示ステップ２０５は、動作中に実行されない。これらのステップ２０２および２０５は、これらの代替実施形態では、診断またはシステム管理者保守の際にだけ実行される。

本発明の本実施形態の上記の説明は、発明者に現在知られる本発明の最良の形態を例示し、説明する目的で提示された。網羅的であること、または開示された通りの形態に本発明を限定することは意図されていない。上記の教示に照らして、明らかな変更または変形が可能であり、予見可能である。本発明のこの実施形態は、本発明の原理およびその実際的応用例の最良の例示を提供し、それによって、当業者が、様々な実施形態で、また企図される特定の使用にとって適した様々な変更を施して、本発明を作成し、使用することが可能になるように、選択され、説明された。公平、法的、および公正に与えられた広さに従って特許請求の範囲が解釈された場合に、添付の特許請求の範囲内にあるそのようなすべての変更および変形は、本発明の範囲内にあると見なされるべきである。

本発明の本実施形態の主要部分を示すシステムブロック図である。 本発明の本実施形態の力率制御方法のトップレベルフローチャートである。

Claims (19)

1. （Ａ）ＡＣ電力ラインを受け、センサ出力を生成するセンサと、
   （Ｂ）センサ出力を受け取って、電流成分の位相角を表す波形および電圧成分の位相角を表す波形を生成する、コントローラと、
   （Ｃ）前記電流成分波形および前記電圧成分波形を受け取り、前記電流成分波形と前記電圧成分波形を比較し、制御信号を生成するコンピュータと、
   （Ｄ）前記コンピュータから前記制御信号を受け取り、１つまたは複数の選択信号からなる組を生成するスイッチと、
   （Ｅ）ＡＣ電力ラインおよび前記１つまたは複数の選択信号を受け取り、一般に電圧の前記位相角が電流の前記位相角に揃えられたＡＣ出力電力信号を生成するキャパシタの１つまたは複数の組からなるバンクと、
   を備える力率補正用システム。
2. 前記コンピュータが、前記受け取ったＡＣ電力ラインの周波数以上のレートで、前記制御信号を生成する請求項１に記載の力率補正用システム。
3. 前記スイッチが、各々が選択信号を生成する８つのスイッチからなるグループをさらに含む請求項１に記載の力率補正用システム。
4. キャパシタの１つまたは複数の組からなる前記バンクが、キャパシタの８つの組をさらに含む請求項１に記載の力率補正用システム。
5. キャパシタの前記８つの組が各々異なるキャパシタンス値を有する請求項４に記載の力率補正用システム。
6. 前記コンピュータがデジタルプロセッサをさらに含む請求項１に記載の力率補正用システム。
7. 前記ＡＣ電力ラインの第２の位相を受け取る第２のセンサをさらに備える請求項１に記載の力率補正用システム。
8. 前記コンピュータから第２の制御信号を受け取り、１つまたは複数の選択信号からなる第２の組を生成する第２のスイッチをさらに備える請求項１に記載の力率補正用システム。
9. 前記ＡＣ電力ラインの前記第２の位相および１つまたは複数の選択信号の前記第２の組を受け取るキャパシタの第２のバンクをさらに備える請求項８に記載の力率補正用システム。
10. 前記ＡＣ電力ラインの第３の位相を受け取る第３のセンサをさらに備える請求項７に記載の力率補正用システム。
11. 前記コンピュータから第３の制御信号を受け取り、１つまたは複数の選択信号からなる第３の組を生成する第３のスイッチをさらに備える請求項８に記載の力率補正用システム。
12. 前記ＡＣ電力ラインの前記第３の位相および１つまたは複数の選択信号の前記第３の組を受け取るキャパシタの第３のバンクをさらに備える請求項１１に記載の力率補正用システム。
13. 前記ＡＣ電力ラインを受け取り、標準の１２０ＶＡＣ電力ラインを生成する降圧変圧器をさらに備える請求項１に記載の力率補正用システム。
14. 前記１２０ＶＡＣ電力ラインを受け取り、前記コントローラおよび前記コンピュータを給電するのに適した電力信号を生成する電源をさらに備える請求項１３に記載の力率補正用システム。
15. 前記コンピュータが、電流と電圧の位相角を比較するためのプログラムをさらに含む請求項１に記載の力率補正用システム。
16. 前記プログラムが、
    （１）データ値を初期化するステップと、
    （２）電流位相角情報を受け取るステップと、
    （３）電圧位相角情報を受け取るステップと、
    （４）前記電流位相角情報を前記電圧位相角情報と比較するステップと、
    （５）前記電流位相角情報と前記電圧位相角情報の比較が閾値を超えるかどうかを決定するステップと、
    （６）１つまたは複数のキャパシタをＡＣ電力ラインに電気的に接続または切断するスイッチを前記決定に基づいて設定するステップと、
    を含む方法をさらに含む請求項１５に記載の力率補正用システム。
17. 前記方法が前記データ値を変更するステップをさらに含む請求項１６に記載の力率補正用システム。
18. 前記方法が情報をユーザに表示するステップをさらに含む請求項１６に記載の力率補正用システム。
19. 前記方法が電流位相角情報を受け取る前記ステップと、電圧位相角情報を受け取る前記ステップと、比較するステップとを反復するステップをさらに含む請求項１６に記載の力率補正用システム。

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