JP2019154202A

JP2019154202A - 三相交流給電システムおよび三相交流給電システムの制御方法

Info

Publication number: JP2019154202A
Application number: JP2018039906A
Authority: JP
Inventors: 信吾渡邊; Shingo Watanabe
Original assignee: NEC Platforms Ltd
Current assignee: NEC Platforms Ltd
Priority date: 2018-03-06
Filing date: 2018-03-06
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2038-03-06
Also published as: JP7136568B2

Abstract

【課題】電源システムを停止することなく商用三相の電流バランスを改善する三相交流給電システムを提供する。【解決手段】三相交流給電システムでは、ＲとＳの線間、ＳとＴの線間、ＴとＲの線間、それぞれに第１、第２、第３の負荷を接続する。また、ＲとＳの線間、ＳとＴの線間、ＴとＲの線間、それぞれに第１、第２、第３の電流調整手段を接続する。３つの電流調整手段の出力は、連結してインバータに入力し、インバータの交流電圧出力を第４の負荷に入力する。出力電圧制御手段は、Ｒ、Ｓ、Ｔの各給電線の電流をモニタし、各線間に流れる線間電流と平均値とを算出する。そして、この平均値より大きな電流の流れている線間に接続する電流調整手段の出力電流を減少させ、平均値より小さな電流の流れている線間に接続する電流調整手段の出力電流を増加させるように制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、三相交流給電システムおよび三相交流給電システムの制御方法に関する。

三相交流には、単相交流より電力の輸送効率や利用効率がよいなどのメリットがある。近年の電源システムでは、使用する電力の増加に対応して、単相交流ではなく三相交流を用いることが多くなっている。上記のメリットがある三相交流であるが、複数の交流電力（例えば、ＡＣ２００Ｖ）受電で動作するシステムの場合、複数のユニットを組み合わせた結果、三相の電流バランスが不平衡となってしまう事が有る。

このような不平衡を改善するための技術が開発されている。例えば、特許文献１には、複数の受電端子が、接続先の給電線を個々に切り替えられるようにして、各相の電流の不平衡を改善する技術が開示されている。この技術では、受電端子と給電線の間にリレーを配置して、給電線の切り替えを可能としている。さらに、それぞれの相に接続する負荷の組み合わせを最適化したテーブルを予め記憶しておき、接続する機器の組み合わせに応じて、バランスが良くなるような接続の組み合わせを選択可能にしている。

特開平０７−０３１０５８号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、接続の切り替えを行う場合は、電源システムを停止しなければならないという問題があった。また、最適化された組み合わせで接続を行っても、各機器の消費電力が動的に変化すると、最適なバランスが保てるとは限らないという問題があった。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、電源システムを停止することなく商用三相の電流バランスを改善する三相交流給電システムを提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の三相交流給電システムでは、ＲとＳの線間、ＳとＴの線間、ＴとＲの線間、それぞれに第１、第２、第３の負荷を接続する。また、ＲとＳの線間、ＳとＴの線間、ＴとＲの線間、それぞれに第１、第２、第３の電流調整手段を接続する。３つの電流調整手段の出力は、連結してインバータに入力し、インバータの交流電圧出力を第４の負荷に入力する。出力電圧制御手段は、Ｒ、Ｓ、Ｔの各給電線の電流をモニタし、各線間に流れる線間電流と平均値とを算出する。そして、この平均値より大きな電流の流れている線間に接続する電流調整手段の出力電流を減少させ、平均値より小さな電流の流れている線間に接続する電流調整手段の出力電流を増加させるように制御する。

本発明の効果は、電源システムを停止することなく商用三相の電流バランスを改善する三相交流給電システムを提供できることである。

第１の実施形態の三相交流給電システムを示すブロック図である。第２の実施形態の三相交流給電システムを示すブロック図である。第２の実施形態の三相交流給電システムの動作を示すフローチャートである。第２の実施形態の三相交流給電システムの制御動作を示すフローチャートである。第３の実施形態の三相交流給電システムを示すブロック図である。第３の実施形態の三相交流給電システムの動作を示すフローチャートである。第３の実施形態の三相交流給電システムの制御動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお各図面の同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態三相交流給電システムを示すブロック図である。三相交流給電システムは、Ｒ相の交流を給電する第１の給電線Ｒと、Ｓ相の交流を給電する第２の給電線Ｓと、Ｔ相の交流を給電する第３の給電線Ｔとを有する。また、第１の電流調整手段２ａと、第２の電流調整手段２ｂと、第３の電流調整手段２ｃとを有する。さらに、インバータＩＮＶと、出力電圧制御手段１と、第1の負荷Ｌ１と、第２の負荷Ｌ２と、第３の負荷Ｌ３と、第４の負荷Ｌ４とを有する。

第１の負荷Ｌ１は、第１の給電線Ｒと第２の給電線Ｓとの線間に接続されている。第２の負荷Ｌ２は、第２の給電線Ｓと第３の給電線Ｔとの線間に接続されている。第３の負荷Ｌ３は、第３の給電線Ｔと第１の給電線Ｒとの線間に接続されている。

第１の電流調整手段２ａは、第１の給電線Ｒと第２の給電線Ｓとの線間に接続されている。第２の電流調整手段２ｂは、第２の給電線Ｓと第３の給電線Ｔとの線間に接続されている。第３の電流調整手段２ｃは、第３の給電線Ｔと第１の給電線Ｒとの線間に接続されている。なお、以降の説明では、インバータＩＮＶを、単にＩＮＶと記すように、各部の名称を符号だけで略記する場合がある。

３つの電流調整手段２の出力は、例えば連結して、インバータＩＮＶに入力される。ＩＮＶは交流電圧を出力し、その出力は第４の負荷Ｌ４に入力される。

出力電圧制御手段１は、Ｒ、Ｓ、Ｔの各給電線の電流を電流モニタＡ１、Ａ２、Ａ３でそれぞれモニタし、各線間に流れる線間電流と３つの線間電流の平均値を算出する。そして、この平均値より大きな電流の流れている線間があれば、当該線間に接続する電流調整手段２の出力電流を減少させるように制御する。一方、この平均値より小さな電流の流れている線間があれば、当該線間に接続する電流調整手段２の出力電流を増加させるように制御する。以上のような、動作により、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の電流値を均等に近づけていくことができる。

（第２の実施形態）
本実施形態では、三相交流給電システムの具体的な構成と動作について説明する。図２は、第２の実施形態の三相交流給電システムを示すブロック図である。三相交流給電システムは、Ｒ相の交流を給電する第１の給電線Ｒと、Ｓ相の交流を給電する第２の給電線Ｓと、Ｔ相の交流を給電する第３の給電線Ｔとを有する。また、ＡＣ／ＤＣコンバータa２０ａと、ＡＣ／ＤＣコンバータｂ２０ｂと、ＡＣ／ＤＣコンバータｃ２０ｃとを有する。さらに、インバータ３０と、出力電圧制御手段４０とを有する。そして、ＲとＳの線間Ｒ−Ｓには、ユニットａ１０ａとＡＣ／ＤＣコンバータａ２０ａが並列に接続されている。ＳとＴの線間Ｓ−Ｔには、ユニットｂ１０ｂとＡＣ／ＤＣコンバータｂ２０ｂが並列に接続されている。ＴとＲの線間には、ユニットｃ１０ｃとＡＣ／ＤＣコンバータｃ２０ｃが並列に接続されている。本実施形態では、第１の実施形態の電流調節手段を、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０とダイオードｄとの組み合わせにより構成している。ＡＣ／ＤＣコンバータ２０の出力電圧が低下するとダイオードｄに流れる電流は減少し、出力電圧が上昇するとダイオードｄに流れる電流は増加する。なお、上記ではダイオードｄを用いたが、抵抗を用いることも可能である。

それぞれのＡＣ／ＤＣコンバータ２０は、交流電圧を直流電圧に変換する。そして、本実施形態のＡＣ／ＤＣコンバータ２０では、出力する直流電圧は、所定の範囲内で、所望の値に調整できるようになっている。出力電圧の調整は、出力電圧制御信号にしたがって実行する。

３つのＡＣ／ＤＣコンバータ、２０ａ、２０ｂ、２０ｃの出力は、ダイオードｄ１、ｄ２、ｄ３を介した後に連結し、インバータ３０に入力する。インバータは交流電圧（例えば実効値２００Ｖ）を出力し、その出力をユニット１０ｄに入力する。なお図２では、各線間に接続するユニット１０を１つずつとしているが、複数であっても良い。

電流モニタ５０ａ、５０ｂ、５０ｃはＲ、Ｓ、Ｔの各給電線の電流をモニタする。

出力電圧制御部４０は、線間電流計算部４１と、出力電圧制御信号生成部４２とを有する。線間電流計算部４１は、給電線Ｒ、Ｓ、Ｔの電流値から、各線間に流れる線間電流と、３つの線間電流の平均値とを算出する。

出力電圧制御信号生成部４２は、算出された線間電流と平均値とを比較して、その差に基づいて、各ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御する出力電圧制御信号を生成する。そして、出力電圧制御部４０は、生成した出力電圧制御信号４８を、それぞれのＡＣ／ＤＣコンバータに送信して、各ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御する。

上記の制御において、出力電圧制御信号生成部４２は、平均値より大きな線間電流が流れている線間があれば、当該線間に接続するＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を低下させるような出力電圧制御信号を生成する。一方、この平均値より小さな線間電流が流れている場合は、当該線間に接続するＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を上昇させる出力電圧制御信号４８を生成する。

次に、三相交流給電システムの動作について説明する。図３は、三相交流給電システムの動作を示すフローチャートである。まず、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の電流値を測定する（ｓｔｅｐ１）。次に、測定した各相の電流値を用いて線間電流と、３つの線間電流の平均値とを計算する（ｓｔｅｐ２）。次に、各線間電流と平均値とに基づいて、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０ａの出力電圧を制御する（ｓｔｅｐ３）。

この定義済み処理、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０ａの出力電圧を制御、を図４のフローチャートに示す。まず、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０ａの入力であるＲ−Ｓ相の線間電流が平均値よりも大きいか判定する（ｓｔｅｐ３１）。平均値よりも大きい場合は（ｓｔｅｐ３１＿Ｙｅｓ）、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０ａの出力電圧を低下させる制御を行う（ｓｔｅｐ３２）。一方、Ｒ−Ｓ相の線間電流が平均値より大きくなかった場合は（ｓｔｅｐ２１＿Ｎｏ）、Ｒ−Ｓ相の線間電流が平均値より小さいか判定する（ｓｔｅｐ３３）。Ｒ−Ｓ相の線間電流が平均値より小さい場合は（ｓｔｅｐ３３＿Ｙｅｓ）、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０ａの出力電圧を上昇させる制御を行う（ｓｔｅｐ３４）。なお、ｓｔｅｐ３１とｓｔｅｐ３３の順番は逆であっても良い。

図３の、Ｓ−Ｔ相に対応するＡＣ／ＤＣコンバータ２０ｂの制御（ｓｔｅｐ４）、Ｔ−Ｒ相に対応するＡＣ／ＤＣコンバータ２０ｃの制御（ｓｔｅｐ５）も、ｓｔｅｐ３と同様にして行う。

ここで再び図３のフローチャートについて説明する。ｓｔｅｐ３、４、５の処理により、３つの線間電流が平均値に近付くように制御される。そして、ｓｔｅｐ３，４、５の処理が完了したら、ｓｔｅｐ１に戻り、同様の制御を繰り返す。この動作を繰り返すことによって、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の電流値を均等に近づけることができる。なおｓｔｅｐ３、４、５の順番は、順不同で良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、三相交流の各層の電流が均等となるように調整することができる。

（第３の実施形態）
ＡＣ／ＤＣコンバータには、複数台を同時に使用した時、互いの電流バランスを均等化するための電流バランス回路を備えたものがある。本実施形態では、電流バランス回路を備えたＡＣ／ＤＣコンバータを用いた場合の、三相の均等化方法について説明する。

図５は本実施形態の三相交流給電システムを示すブロック図である。なお、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の線間に直接接続する負荷については、第２の実施形態と同様なため、図示を省略している。

３台のＡＣ／ＤＣコンバータ６０ａ、６０ｂ、６０ｃは、それぞれが電流バランス回路６１ａ、６１ｂ、６１ｃを備えている。ＡＣ／ＤＣコンバータ６０ａ、６０ｂ、６０ｃは、それぞれＲ−Ｓ相、Ｓ−Ｔ相、Ｔ−Ｒ相に接続している。それぞれの直流電圧出力は合流してインバータ３０に入力する。

本実施形態の出力信号制御部４０は、線間電流計算部４１と調整信号生成部４３とを備えている。第２の実施形態では、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧によって電流を制御したが、本実施形態では、電流バランス回路によって出力電流を制御する。

通常の電源の並列使用では、電流バランス信号を用いて、複数のＡＣ／ＤＣコンバータが同一の電流を流すように動作する。一方、本実施形態では、個々のＡＣ／ＤＣコンバータに、独立に調整信号を入力することによって、それぞれのＡＣ／ＤＣコンバータの出力電流を制御する。すなわち、計算された線間電流が平均値よりも大きい線間に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータの出力電流を減少させるように制御し、平均値よりも線間電流が小さい線間に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータの出力電流を増加させるように制御する。そのために、電流バランス回路６１ａ、６１ｂ、６１ｃは、それぞれが調整信号４９ａ、４９ｂ、４９ｃに応じで、出力電流を増減する。

図６は、本実施形態の三相給電システムの動作を示すフローチャートである。まず、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の電流値を測定する（ｓｔｅｐ１０１）。次に、測定した各相の電流値を用いて線間電流と、３つの線間電流の平均値とを計算する（ｓｔｅｐ１０２）。次に、各線間電流と平均値とに基づいて、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０ａの出力電流を制御し（ｓ１０ｔｅｐ３）、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０ｂの出力電流を制御し（ｓｔｅｐ１０４）し、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０ｃの出力電流を制御する（ｓｔｅｐ１０４）。そして、ｓｔｅｐ１０１に戻る。電流制御の詳細については次項で述べる。

図７は、図６のｓｔｅｐ１０３の定義済み処理を示すフローチャートである。まず、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０ａの入力であるＲ−Ｓ相の線間電流が平均値よりも大きいか判定する（ｓｔｅｐ１０３１）。平均値よりも大きい場合は（ｓｔｅｐ１０３１＿Ｙｅｓ）、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０ａの出力電流を減少させる制御を行う（ｓｔｅｐ１０３２）。一方、Ｒ−Ｓ相の線間電流が平均値より大きくなかった場合は（ｓｔｅｐ１０３１＿Ｎｏ）、Ｒ−Ｓ相の線間電流が平均値より小さいか判定する（ｓｔｅｐ１０３３）。Ｒ−Ｓ相の線間電流が平均値より小さい場合は（ｓｔｅｐ１０３３＿Ｙｅｓ）、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０ａの出力電流を増加させる制御を行う（ｓｔｅｐ１０３４）。なお、ｓｔｅｐ１０３１とｓｔｅｐ１０３３の順番は逆であっても良い。以上の動作によって、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の電流値を均等に近づけることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、第２の実施形態と同様に、電源システムを停止することなく、三相交流の各層の電流が均等となるように調整することができる。

上述した第１乃至第３の実施形態の処理を、コンピュータに実行させるプログラムおよび該プログラムを格納した記録媒体も本発明の範囲に含む。記録媒体としては、例えば、磁気ディスク、磁気テープ、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ、などを用いることができる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上記実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

１出力電圧制御手段
２電流調整手段
２０ＡＣ／ＤＣコンバータ
３０インバータ
４０出力電圧制御部

Claims

三相交流電圧を供給するための第１の給電線と、第２の給電線と、第３の給電線と、
前記第１の給電線と前記第２の給電線の線間に接続された第１の負荷と、
前記第２の給電線と前記第３の給電線の線間に接続された第２の負荷と、
前記第３の給電線と前記第１の給電線の線間に接続された第３の負荷と、
前記第１の給電線と前記第２の給電線の線間に接続された第１の電流調整手段と、
前記第２の給電線と前記第３の給電線の線間に接続された第２の電流調整手段と、
前記第３の給電線と前記第１の給電線の線間に接続された第３の電流調整手段と、
前記第１の電流調整手段の出力電流と、前記第２の電流調整手段の出力電流と、前記第３の電流調整手段の出力電流とをそれぞれ制御する出力電流制御手段と、
前記第１の電流調整手段の出力電流と、前記第２の電流調整手段の出力電流と、前記第３の電流調整手段の出力電流とを入力されて交流電圧を出力するインバータと、
前記インバータに接続された第４の負荷と
を有し、
前記出力電流制御手段は、
前記第１の給電線と前記第２の給電線と前記第３の給電線の、３つの線間電流をモニタし、
前記３つの線間電流の平均より大きな電流の流れている線間に接続する電流調整手段の出力電流を減少させ、前記３つの線間電流の平均より小さな電流の流れている給電線に接続する前記電流調整手段の出力電流を増加させるように、前記第１の電流調整手段の出力電流と、前記第２の電流調整手段の出力電流と、前記第３の電流調整手段の出力電流とを制御する
ことを特徴とする三相交流給電システム。
前記第１の電流調整手段、前記第２の電流調整手段、前記第３の電流調整手段のそれぞれが、
出力電圧調整機能を備えたＡＣ／ＤＣコンバータと出力側に配置された抵抗素子とを有している
ことを特徴とする請求項１に記載の三相交流給電システム。
前記抵抗素子がダイオードである
ことを特徴とする請求項２に記載の三相交流給電システム。
前記第１の電流調整手段、前記第２の電流調整手段、前記第３の電流調整手段のそれぞれが、
電流バランス回路を備えたＡＣ／ＤＣコンバータを有している
ことを特徴とする請求項１に記載の三相交流給電システム。
三相交流電圧を供給するための第１の給電線と、第２の給電線と、第３の給電線と、を有する三相給電システムの制御方法であって、
第１の負荷を前記第１の給電線と前記第２の給電線の線間に接続し、
第２の負荷を前記第２の給電線と前記第３の給電線の線間に接続し、
第３の負荷を前記第３の給電線と前記第１の給電線の線間に接続し、
第１の電流調整手段を前記第１の給電線と前記第２の給電線の線間に接続し、
第２の電流調整手段を前記第２の給電線と前記第３の給電線の線間に接続し、
第３の電流調整手段を前記第３の給電線と前記第１の給電線の線間に接続し、
前記第１の電流調整手段の出力電流と、前記第２の電流調整手段の出力電流と、前記第３の電流調整手段の出力電流とをそれぞれ制御し、
前記第１の電流調整手段の出力電流と、前記第２の電流調整手段の出力電流と、前記第３の電流調整手段の出力電流とをインバータに入力し、
前記インバータの出力を第４の負荷に接続し
前記第１の給電線と前記第２の給電線と前記第３の給電線の、３つの線間電流をモニタし、
前記３つの線間電流の平均より大きな電流の流れている線間に接続する電流調整手段の出力電流を減少させ、前記３つの線間電流の平均より小さな電流の流れている給電線に接続する前記電流調整手段の出力電流を増加させるように、前記第１の電流調整手段の出力電流と、前記第２の電流調整手段の出力電流と、前記第３の電流調整手段の出力電流とを制御する
ことを特徴とする三相交流給電システムの制御方法。
前記第１の電流調整手段、前記第２の電流調整手段、前記第３の電流調整手段のそれぞれが、
出力電圧調整機能を備えたＡＣ／ＤＣコンバータと出力側に配置された抵抗素子とを有している
ことを特徴とする請求項５に記載の三相交流給電システムの制御方法。
前記抵抗素子がダイオードである
ことを特徴とする請求項６に記載の三相交流給電システムの制御方法。
前記第１の電流調整手段、前記第２の電流調整手段、前記第３の電流調整手段のそれぞれが、
電流バランス回路を備えたＡＣ／ＤＣコンバータを有している
ことを特徴とする請求項１に記載の三相交流給電システムの制御方法。
三相交流電圧を供給するための第１の給電線と、第２の給電線と、第３の給電線と、
前記第１の給電線と前記第２の給電線の線間に接続された第１の負荷と、
前記第２の給電線と前記第３の給電線の線間に接続された第２の負荷と、
前記第３の給電線と前記第１の給電線の線間に接続された第３の負荷と、
前記第１の給電線と前記第２の給電線の線間に接続された第１の電流調整手段と、
前記第２の給電線と前記第３の給電線の線間に接続された第２の電流調整手段と、
前記第３の給電線と前記第１の給電線の線間に接続された第３の電流調整手段と、
前記第１の電流調整手段の出力電流と、前記第２の電流調整手段の出力電流と、前記第３の電流調整手段の出力電流とをそれぞれ制御する出力電流制御手段と、
前記第１の電流調整手段の出力電流と、前記第２の電流調整手段の出力電流と、前記第３の電流調整手段の出力電流とを入力されて交流電圧を出力するインバータと、
前記インバータに接続された第４の負荷と
を有する三相交流制御システムの制御プログラムであって、
前記第１の給電線と前記第２の給電線と前記第３の給電線の、３つの線間電流をモニタするステップと、
前記３つの線間電流の平均より大きな電流の流れている線間に接続する電流調整手段の出力電流を減少させ、前記３つの線間電流の平均より小さな電流の流れている給電線に接続する前記電流調整手段の出力電流を増加させるように、前記第１の電流調整手段の出力電流と、前記第２の電流調整手段の出力電流と、前記第３の電流調整手段の出力電流とを制御するステップと
を有することを特徴とする三相交流給電システムの制御プログラム。
前記第１の電流調整手段、前記第２の電流調整手段、前記第３の電流調整手段のそれぞれが、
出力電圧調整機能を備えたＡＣ／ＤＣコンバータと出力側に配置された抵抗素子とを有している
ことを特徴とする請求項９に記載の三相交流給電システムの制御プログラム。