JP2020141555A - Ａｃネットワークにおける無効分損失を補償するための自動デバイス及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＣネットワークから供給される電圧の無効分について消費者ネットワークにおける損失を補償するための自動デバイス及び方法に関する。【解決手段】ＡＣネットワークから供給される電圧の無効分について消費者ネットワークにおける損失を補償するための自動デバイスは、磁気コア４、８、ＡＣネットワークに接続するための一次巻線及’び出力二次巻線、昇圧トランス３及び降圧トランス７とを備える。消費者ネットワークの誘導負荷１３が、降圧トランスの二次巻線に接続されるとき、電場強度ベクトルと磁場強度ベクトルとの間の角度の９０度への回復に起因して、二次巻線及び負荷における電流は、増加し、ｃｏｓφ因子は、減少する。それは、オートパラメトリック共振を所与とすると、降圧トランスの磁気コアの主ヒステリシスループへの振動エネルギーの移動を提供し、それによって消費者ネットワークにおける無効電圧分についての損失を補償する。【選択図】図３

Description

本発明は、電気工学に関し、特にＡＣネットワークにおける無効分損失を補償するための自動デバイス及び方法に関する。

本発明は、全負荷の２０％〜３０％に達することもある無効分についての損失を低減するために産業ＡＣネットワークにおいて適用可能である。

産業ＡＣネットワークにおける基本的損失は、無効分についての損失である。企業における非同期モータの不完全な作業負荷は、産業ＡＣネットワークにおける無効分についての損失の主な原因であり、それは、全負荷の２０％〜３０％に達することもある。エンジン、発電機及びネットワークの無効電力レベルは、全体として、消費者力率によって特徴付けられ、それは、ネットワークから実際に取得される全電力Ｓに対する消費される有効電力Ｐの比、すなわちｃｏｓ（φ）＝Ｐ／Ｓとして定義される。

ｃｏｓ（φ）力率が、１に近いほど、ネットワークから取得される無効電力の部分は、より小さい。誘導モータについては、ｃｏｓ（φ）は、約０．７であり、電気アーク炉及び溶接トランスについては、ｃｏｓ（φ）は、約０．４であり、ツール及び機械については、ｃｏｓ（φ）は、わずか０．５であり、したがって、ネットワーク電力の最も完全な使用は、無効電力分に対する補償がある場合にだけ可能である。

完全にｃｏｓ（φ）＝１までの無効電力に対する補償は、これが、過補償につながることもあるので（負荷の有効電力の変わりやすい大きさ及び他の偶然要因に起因して）、得策でないということに留意すべきである。一般に、目標は、ｃｏｓ（φ）＝０．９０〜０．９５である。

無効電力は、同期補償器、同期モータ、余弦キャパシタ、すなわちキャパシタユニットによって補償することができる。現在は、ＲＰＣキャパシタユニットが、無効電力を補償するために広く使用されており、それは、他の無効電力補償デバイスに勝る幾つかの利点を提示する。

無効電力補償は、個別式及び集中型とすることができる。前者の場合は、１つ又は幾つかの余弦キャパシタが、負荷と並列に接続され、一方後者の場合は、幾つかのキャパシタが、主配電盤に接続される。

個別式補償は、無効電力補償の最も容易で且つ最も安価な方法である。キャパシタ、又はキャパシタバンクの数は、負荷の数と合致し、各キャパシタは、それぞれの負荷の近くに、例えばモータに隣接して直接配置される。そのような補償は、一定の負荷についてだけ、例えば一定の軸速度を有する１つ又は幾つかの非同期モータについて、すなわちオン状態にある各負荷の無効電力が、時間とともにわずかに変わり、その補償のために接続されるキャパシタバンクの定格の変化を必要としない場合に、良好である。したがって、負荷の一定の無効電力レベル及び補償器それぞれの無効電力に起因して、個別式補償はまた、制御されない補償とも呼ばれる。

集中型補償は、主配電盤に接続される単一制御ユニットを使用する無効電力補償である。

集中型補償は、日中に力率の大きい変動を有する多数の負荷を備えるシステムにおいて、すなわち可変負荷、例えば単一企業に位置し、交互に接続される幾つかのモータについて使用される。そのようなシステムでは、個別式補償は、豊富な機器が、多数のキャパシタを必要とすることから、それが、あまりにも高価になり、過補償、すなわちネットワークにおける過電圧の出現が、あり得るので、受け入れられない。

集中型補償の場合は、キャパシタユニットは、特定の制御ユニット又は自動無効電力コントローラ並びにスイッチング及び保護機器、接触器及びヒューズを備える。もし消費者力率ｃｏｓ（φ）が、設定値から逸脱するならば、コントローラは、あるキャパシタバンクを接続する又は切り離す、すなわち補償は、段階的に成し遂げられる。それ故に、制御は、自動的であり、接続されるキャパシタの電力は、所与の瞬間に消費される無効電力に対応し、それは、ネットワーク中への無効電力の発生及びその中での過電圧の出現を排除する。

可変負荷の下での無効電力に対する集中型補償によってエネルギー節約を提供する、ｎ−位相高電圧ネットワークにおける無効電力に対する集中型補償のためのデバイスは、例えば特許文献１において開示される。本デバイスは、３ｋＶ以上の電圧を有する高電圧電気ネットワークにおいて使用することができる。本デバイスは、無効電力レギュレータ、無効電力計、電圧トランス、その第１の端子が結合され且つ共通バスに接続されるｍ個の余弦キャパシタを各々含む、ｎ個の余弦キャパシタバンク、ｍ個の接触器を各々含む、ｎ個の接触器ブロックを備え、さらに、その第１の端子が結合され且つ共通バスに接続されるｋ個の同調余弦キャパシタを各々含む、ｎ個の同調余弦キャパシタバンク、ｋ個のスイッチを各々含む、ｎ個のスイッチブロック、コントローラ、ｎ個の信号高調波含有率アナライザを備え、ｎ個の同調キャパシタバンクの各々内の全キャパシタンスＣΣｂｐは、関係ＣΣｂｐ＝Ｃｋから選択され、ただしＣｋは、ｎ個の余弦キャパシタバンクの各々内の単一キャパシタのキャパシタンスであり、ｎ、ｍ、ｋ＞／＝１である。

本デバイスは、以下の通りに動作する。

ネットワークにおける負荷の変動並びに無効電力の性質及びレベルにおける関連する変動に際し、無効電力レギュレータは、無効電力計からの信号に応答してそれぞれの制御コマンドを生成し、それらを接触器ブロックの接触器に送り、制御コマンドに応答して、余弦キャパシタバンクからの余弦キャパシタそれぞれの組は、接触器の組に接続される。各位相についてトランスそれぞれの二次巻線に接続される余弦キャパシタの全リアクタンスは、降圧トランスによって高電圧ネットワーク中に変換され、それによって必要な無効電力補償を提供する。この場合、電圧共振が、消費者における負荷の性質の変動、及び降圧トランスそれぞれの巻線に接続され且つそれらと直列回路を形成する余弦キャパシタの全キャパシタンスの変動の両方に起因して生じる可能性がある。

直列回路における有効損失は、わずかであり、そのＱファクタは、Ｑ≧１０であるので、これは、余弦キャパシタ上の電圧の急上昇につながり、それらの故障を引き起こす可能性がある。

余弦キャパシタの直列共振及び過負荷を防止するために、アナライザは、降圧トランスそれぞれの巻線に接続される余弦キャパシタの組について信号の高調波含有率を絶えず分析している。分析結果に基づいて、望ましくない共振の周波数及びその電力が、決定される。コントローラは、アナライザから来る信号を評価し、もし評価結果が、望ましくない共振周波数から外れるように同調する（tuning out from）必要性を示すならば、制御コマンドが、位相の各々に接続される余弦キャパシタの全キャパシタンスについてコントローラから受け取る情報を考慮して生成される。制御コマンドは、同調余弦キャパシタブロックの同調余弦キャパシタそれぞれの組を対応するすでに接続された余弦キャパシタに接続するために、それぞれのスイッチブロックのスイッチに送られる。

本デバイスは、産業消費者の負荷によって異なる、誘導負荷のどんな変動においても無効分についての損失を柔軟に補償することができない。

変電所の高圧側の無効電力及びパルス幅変調電圧の逸脱に対する自動補償のためのシステムは、例えば特許文献２において開示される。変電所は、負荷に接続される二次巻線を有する電力トランス、及びネットワークへの接続のために設計される、余弦キャパシタバンクを有する入力端子を備える。

自動無効電力補償のためのシステムは、ブースタトランス及びＤＣリンクを有するコンバータを備え、それは、制御システムを有する再生整流器、誘導性−容量性フィルタ及びネットワークと同期する制御システムを有する電圧インバータ、並びに無効電力センサ及び負荷電圧逸脱センサを含み、ブースタトランスの二次巻線は、ＤＣリンクを有するサイリスタコンバータを介して負荷に接続される。

本システムでは、電力及びブースタトランスの一次巻線は、直列に且つネットワークに接続され、ネットワークの無効電力センサの出力は、パルス幅変調で作られているインバータ制御システムの制御入力に接続され、制御信号サインに応答してインバータ出力電圧の位相制御の方向を変えるように適合される。負荷電圧逸脱センサの出力は、パルス幅変調で作られているアクティブ整流器制御システムの制御入力に接続され、整流された電圧の最小レベルを制限するように適合される。ＤＣリンクは、その出力がアクティブ整流器制御システムの追加の制御入力に接続される、電流センサを含み、さらに、アクティブ整流器は、整流された電流としてその入力電流の位相を調節するように適合され、アクティブ整流器制御システムは、整流器モードにおけるその入力電流の位相のフィードフォワード制御及びインバータモードにおけるフィードバック制御を行うように適合される。

変電所の高圧側に接続されるブースタトランスは、中間ＤＣリンクを有する電圧振幅及び位相コンバータによって制御される。インバータは、負荷から供給される。無効電力補償の個別段階は、ネットワーク余弦キャパシタのバンクである。ＲＬ負荷の高インダクタンスにおいては、インバータは、進み位相がキャパシタのアクションを補完する状態で動作し、低インダクタンスにおいては、それは、遅れ位相が個別段階によりアクションを無効化する状態で動作する。

しかしながら、従来のデバイスは、産業消費者の負荷によって異なる、誘導負荷のどんな変動においても無効分についての損失を柔軟に補償することができない。

ロシア国特許第２５６１１９２号明細書 ロシア国特許第２４７５９１７号明細書

Kushnir及びB. A. Fersman、Theory of Nonlinear Electric Circuits、Svyaz’、Moscow1974年、375頁

本発明の目的は、ＡＣネットワークから供給される電圧の無効分について消費者ネットワークにおける損失を補償するための自動デバイスを提供することであり、それは、無効分損失に対する柔軟な補償を確実にし、誘導負荷の大きさのどんな変動においても損失を全電力消費量のわずか２％に低減する。

本発明のさらなる目的は、ＡＣネットワークから供給される電圧の無効分について消費者ネットワークにおける損失を補償するための方法を提供することである。

本目的は、ＡＣネットワークから供給される電圧の無効分について消費者ネットワークにおける損失を補償するための自動デバイスであって、
磁気コア並びに、磁気コア上に配置される、ＡＣネットワークに接続するための一次巻線及び出力二次巻線を備える、供給される電圧の値を１０キロボルト〜１００キロボルトまで増加させるための昇圧トランスと、
磁気コア並びに、磁気コア上に配置される、昇圧トランスの二次巻線と同一であり且つ昇圧トランスの二次巻線と反対に接続される一次巻線、及び昇圧トランスの一次巻線と同一である二次巻線を備える、前記昇圧トランスによって供給される電圧を消費者に供給される電圧に等しい値まで低減するための降圧トランスとを備え、
昇圧トランスの反対に接続される二次巻線及び降圧トランスの一次巻線は、第二電圧高調波発生回路を形成し、それは、電圧が、ＡＣネットワークから昇圧トランスに供給されるとき、前記トランスの巻線及び磁気コアに第二電圧高調波を発生させ、その結果ＡＣネットワークの外部電圧振動の周波数は、前記第二電圧高調波発生回路において２倍になり、それによってオートパラメトリック共振をその中に発生させ、電磁場強度の振動が、降圧トランスの磁気コアの小さいヒステリシスループ上に生じ、
消費者ネットワークの誘導負荷が、降圧トランスの二次巻線に接続されるとき、電場強度ベクトルＥと磁場強度ベクトルＨとの間の角度の９０度への回復に起因して、二次巻線及び負荷における電流は、増加し、ｃｏｓφ因子は、減少し、それは、オートパラメトリック共振を所与とすると、降圧トランスの磁気コアの主ヒステリシスループへの振動エネルギーの移動を提供し、それによって消費者ネットワークにおける無効電圧分についての損失を補償する、自動デバイスにおいて達成される。

ＡＣネットワークにおける供給される電圧は、１２０Ｖ、又は２２０Ｖ、又は３８０Ｖである。

好ましくは、本デバイスはさらに、降圧トランスの二次巻線と直列に接続される、電場強度ベクトルＥと磁場強度ベクトルＨとの間の位相角の自動調整を加速させるための負荷抵抗を備える。

好ましくは、負荷抵抗値は、約１００オーム〜２００オームである。

本目的はまた、ＡＣネットワークから供給される電圧の無効分について消費者ネットワークにおける損失を補償するための方法において、
請求項１に記載の、ＡＣネットワークから供給される電圧の無効分について消費者ネットワークにおける損失を補償するための自動デバイスであって、
供給される電圧の値を１０キロボルト〜１００キロボルトまで増加させるための昇圧トランス、及び前記昇圧トランスによって出力される電圧を消費者に供給される電圧に等しい値まで低減するための降圧トランスを備え、昇圧トランスの反対に接続される二次巻線及び降圧トランスの一次巻線は、第二電圧高調波発生回路を形成する、自動デバイスを使用するステップと、
請求項１に記載の自動補償損失デバイスをＡＣネットワークに接続するステップと、自動補償損失デバイスを使用して、
昇圧トランスによって、ＡＣネットワークから消費者に供給される電圧を１０キロボルト〜１００キロボルトまで増加させるステップと、次いで
降圧トランスによって、昇圧トランスによって出力される電圧を消費者に供給される電圧に等しい値まで低減するステップであって、
ＡＣネットワークから昇圧トランスに電圧を供給するとき、第二電圧高調波が、前記第二電圧高調波発生回路において発生し、その結果ＡＣネットワーク電圧の振動周波数ωが、前記第二高調波発生回路において２倍になり、周波数２ωを有するオートパラメトリック共振が、その中に発生し、電磁場強度振動が、降圧トランスの磁気コアの小さいヒステリシスループ上に生じる、ステップと、
降圧トランスの二次巻線を消費者ネットワークの誘導負荷に接続し、電場強度ベクトルＥと磁場強度ベクトルＨとの間の角度の９０度への回復によって、二次巻線及び負荷における電流を増加させ、ｃｏｓφ因子を減少させるステップであって、それは、オートパラメトリック共振を所与とすると、降圧トランスの磁気コアの主ヒステリシスループへの振動エネルギーの移動を提供し、それによって消費者ネットワークにおける無効電圧分についての損失を補償する、ステップとを含む、方法によっても達成される。

本目的はまた、ＡＣネットワークから供給される電圧の無効分について消費者ネットワークにおける損失を補償するための自動デバイスにおいて、三相ＡＣネットワークの各位相について、
３つのリムを有する磁気コア並びにＡＣネットワークそれぞれの位相に接続するための、各リムにそれぞれ配置される３つの一次巻線、及び３つの出力二次巻線を備える、供給される電圧を１０キロボルト〜１００キロボルトまで増加させるための昇圧トランスと、
前記昇圧トランスによって出力される電圧を消費者に供給される電圧に等しい値まで低減するための降圧トランスであって、前記降圧トランスは、３つのリムを有する磁気コア、並びに前記昇圧トランスの３つの二次巻線と同一であり且つ昇圧トランスの前記二次巻線と反対に接続される、各リムにそれぞれ配置される３つの一次巻線、及び昇圧トランスの前記一次巻線と同一である３つの二次巻線を備える、降圧トランスとを備え、
昇圧トランスの反対に接続される二次巻線及び降圧トランスそれぞれの一次巻線は、３つの第二電圧高調波発生回路を形成し、それは、電圧が、ＡＣネットワークから昇圧トランスに供給されるとき、前記トランスの巻線及びコアに第二電圧高調波を発生させ、その結果ＡＣネットワークの外部電圧振動の周波数は、前記第二高調波電圧発生回路において２倍になり、オートパラメトリック共振が、その中に発生し、電磁場強度振動が、降圧トランスコアの小さいヒステリシスループ上に生じ、
消費者ネットワークの誘導負荷が、降圧トランスの二次巻線に接続されるとき、電場強度ベクトルＥと磁場強度ベクトルＨとの間の角度の９０度への回復に起因して、二次巻線及び負荷における電流は、増加し、ｃｏｓφ因子は、減少し、それは、オートパラメトリック共振を所与とすると、降圧トランスの磁気コアの主ヒステリシスループへの振動エネルギーの移動を提供し、それによって消費者ネットワークにおける無効電圧分についての損失を補償する、自動デバイスによっても達成される。

好ましくは、本デバイスはさらに、電場強度ベクトルＥと磁場強度ベクトルＨとの間の位相角の自動調整を加速させるための３つの負荷抵抗を備え、各負荷抵抗は、降圧トランスそれぞれの二次巻線と直列に接続され、負荷抵抗値は、約１００オーム〜２００オームである。

本デバイスは、無効分損失に対する柔軟な補償を確実にし、産業において実際に会うどんな誘導負荷変動についても損失をＡＣネットワークからの全電力消費量のわずか２％まで低減する。

誘導負荷を備える機器、例えば電気駆動装置、ファンを有する企業における本デバイスの使用の期待される経済効果は、１年当たりの企業による電力消費のコストの２０％〜３０％である可能性がある。

本発明は、添付の図面を参照して好ましい実施形態の記述によってさらに説明される。

普通の共振及びパラメトリック共振それぞれにおける振幅変動曲線を示す図である。 オートパラメトリック共振再生のための電気回路である。 本発明による、ＡＣネットワークから供給される電圧の無効分について消費者ネットワークにおける損失を補償するための自動デバイスを示す図である。 本発明による第二電圧高調波を発生させるための電気回路である。 第二電圧高調波発生回路の動作において形成される、降圧トランスの磁気コアの小さいヒステリシスループ及び大きいヒステリシスループを示す図である。

本発明の理論的基礎
本発明は、オートパラメトリック共振の現象に依拠する。

物理学において知られている３つのタイプの共振があり、普通の共振、パラメトリック共振、及びオートパラメトリック共振である。普通の共振は、外力の周波数が、システムの固有周波数に等しいときに生じる。普通の共振においては、周波数とともに振幅の段階的変化が、観察され、それは、共振曲線（曲線Ｉ）の滑らかな上昇及び次いで降下を引き起こす（図１）。普通の共振においては、振幅の無制限の増加が、Ｒ＝０における理想的システムにおいてだけ理論的に可能である。

パラメトリック共振は、システムのパラメータ変調周波数ω及び固有周波数Ωが等しい場合だけでなく、また他のそれらの比の場合にも、例えば１／２、１、３／２、２、・・・の場合に生じる。パラメータ変調及び振動の励起に費やされるエネルギーの源は、外力である。パラメトリック共振（曲線ＩＩ）においては、励起は、厳しく制限された周波数範囲において生じ、振幅の劇的な階段状変化は、この範囲の境界において起こる（図１）。パラメトリック共振の場合、システムの線形性を所与とすると、振動の振幅は、同様に減衰を有するシステムにおいて無限に成長することになる。

図１に見られるように、パラメトリック共振曲線ＩＩは、ほとんど長方形の形状及び小さい幅を有し、それはまた、パラメータ変調係数を変えることによってある範囲内で多かれ少なかれ任意に調整することもできる。

普通の共振においては、共振曲線高さは、完全に（共振周波数に同調されるとき）損失の大きさに依存し、一方パラメトリック共振においては、共振曲線は、損失の存在下でさえも長方形の形状を有する。

パラメトリック共振の一例は、公園のブランコである。振動の範囲は、もし人が、最高点において膝を曲げ、ブランコが最低点を通過するときに膝を真っすぐにするならば、特に強く成長する。これは、パラメトリック共振の最もよく知られた例であり、その場合振動の成長は、外部効果によるよりもむしろ振動システムパラメータの周期的変動によって引き起こされる。この場合、膝を曲げること及び真っすぐにすることは、その上に人がいるブランコである、物理的振り子の換算長さ（reduced length）を周期的に変化させる（変調する）。

パラメトリック共振とともに、オートパラメトリック共振の現象があり、それにおいては、振動エネルギーは、システムそれ自体から来るものであり、外部効果は、制御因子だけである。

オートパラメトリック共振システムの一例は、２つの同一の反対に接続される振動回路である。システムの主要特徴は、回路における振動位相の自動調整である。

オートパラメトリック共振は、図２に描写される回路において観察することができる。

回路の主要部分は、真空管発生器Ｌであり、周波数ωに同調されるその回路はさらに、周波数２ωを有する可変起電力源を有するコイル、及びバンクＩＩＩからの直流電流によって磁化される鉄磁気コアを有するインダクタＩＩを備える。

レオスタットＲによってバイアス電流を調整することによって、回路内の電流に応じてインダクタンスの最大変化のモードが、見出されてもよい。回路の発生器部分のフィードバックＭは、固有振動が、起こるはずがないが、しかし発生器の振動システムが、非常に低い減衰を有するように設定される。発生器は、フィードバックを変えることによって非常に都合よく調整することができる。

システム減衰、インダクタＩＩにおける磁化及び変調周波数２ωの電圧の振幅の適切な選択において、特徴的なＵ字形の共振曲線を有するオートパラメトリック振動が、システム内に出現する。それ故に、インダクタＩＩの強磁性磁気コアは、ヒステリシスのおかげで、インダクタンスの変調、すなわちオートパラメトリック共振への移行を提供する。オートパラメトリック共振曲線の形状は、パラメトリック共振曲線（図１）のそれと合致する。

インダクタンスを変調するために上記の回路において使用される強磁性磁気コアの代わりに、キャパシタンスの変調もまた、その誘電率が電場強度とともに大きな変化を受ける、強誘電体を有するキャパシタを使用することによって成し遂げることができる。

上記のことは、主ネットワークと消費者との間の電圧無効分ｃｏｓ（φ）についての損失を補償するための自動デバイスの創出のための理論的基礎として受け取られており（振動回路を備える、自由度２を有するパラメトリックシステムとの類推によって）、この目的のために、Ｍａｎｌｅｙ−Ｒｏｗｅ定理（関係（１）が、以下で与えられる）に従ってオートパラメトリックシステムを形成する２つのトランスを使用することが、提案されている。

トランスの１つは、供給される電圧の値を１０キロボルト〜１００キロボルトまで増加させるための昇圧トランスであり、それは、磁気コア並びに、磁気コア上に配置される、ＡＣネットワークに接続するための一次巻線及び出力二次巻線を備え、一方もう１つのトランスは、昇圧トランスからの電圧を消費者に供給される値まで低減するための降圧トランスであり、それは、磁気コア並びに、磁気コア上に配置される、昇圧トランスの二次巻線と同一であり且つ昇圧トランスの二次巻線と反対に接続される一次巻線、及び昇圧トランスの一次巻線と同一である二次巻線を備える。

昇圧トランスの反対に接続される二次巻線及び降圧トランスの一次巻線は、ＡＣ電圧の外部振動の周波数が、２倍になり、オートパラメトリック共振の発生をその中に提供する、回路を形成する。

高電圧巻線である、昇圧及び降圧トランス巻線の反対の接続のおかげで、ネットワークから供給される電圧の第二高調波が、出現し、それは、「増幅を伴う降圧変換」モードにおけるＭａｎｌｅｙ−Ｒｏｗｅ定理に従って、負荷が、降圧トランスの低電圧巻線に接続されるとき、オートパラメトリック共振の出現を提供する。

自励（オートパラメトリック）モードへの回路の移行は、ｃｏｓ（φ）に比例する。

オートパラメトリックシステムにおける自動位相調整のプロセスは、Ｍａｎｌｅｙ−Ｒｏｗｅ関係（１）（例えば１、２を参照）、

から当然の結果として生じ、ただし、
ω１ − ＡＣネットワークの信号の周波数、
ω２ − ＡＣネットワークの最初の周波数の２倍に等しい周波数、
Ｐ_ｍｎ − 周波数ｍω_１ ＋ ｎω_２を有する振動の電力、
ｍ及びｎ − 整数。

公式（１）に基づくと、反対に接続される巻線を有する回路における振動位相調整は、「増幅を伴う降圧変換」モードにおいて自動的に生じることになる（例えば非特許文献１を参照）。

好ましい実施形態の記述
ＡＣネットワーク２から供給される電圧の無効分について消費者ネットワークにおける損失を補償するための自動デバイス１（図３）は、供給される電圧値を１０キロボルト〜１００キロボルトまで増加させるための昇圧トランス３を備える。

昇圧トランス３は、磁気コア４並びに、磁気コア４上に配置される、ＡＣネットワーク２に接続するための一次巻線５、及び出力二次巻線６を備える。

図３は、接続される結合磁気回路を有する三相昇圧トランス３を示し、この実施形態におけるトランス３の磁気コア４は、３つのリム４’、４’’、４’’’を備え、その上に３つの一次巻線５’、５’’、５’’’が、ＡＣネットワークの各位相Ａ、Ｂ、Ｃについてそれぞれ配置され、出力二次巻線６’、６’’、６’’’が、各位相についてそれぞれ配置される。非結合磁気回路を有する三相トランス（図示せず）が、使用されてもよい。

デバイス１はさらに、昇圧トランス３によって出力される電圧を消費者に供給される電圧に等しい値まで低減するための降圧トランス７を備える。降圧トランス７は、磁気コア８並びに、磁気コア８上に配置される、昇圧トランス３の二次巻線６と同一であり且つ昇圧トランス３の二次巻線６と反対に接続される一次巻線９、及び昇圧トランス３の一次巻線５と同一である二次巻線１０を備える。

図３は、結合磁気回路を有する三相降圧トランス７を示し、それの磁気コア８は、この実施形態では、３つのリム８’、８’’、８’’’を備え、その上に３つの一次巻線９’、９’’、９’’’が、ＡＣネットワークの各位相Ａ、Ｂ、Ｃについてそれぞれ配置され、出力二次巻線１０’、１０’’、１０’’’が、各位相についてそれぞれ配置される。非結合磁気回路を有する三相トランス（図示せず）が、使用されてもよい。

昇圧トランス３の反対に接続される二次巻線６及び降圧トランス７の一次巻線９は、各位相において、第二電圧高調波発生回路１１を形成し（図４）、それにおいて、電圧が、ＡＣネットワーク２から昇圧トランス３に供給されるとき、第二電圧高調波が、トランス３及び７の磁気コア及び巻線に発生し、その結果ＡＣネットワーク２の外部振動の周波数は、第二電圧高調波発生回路１１において２倍になり、オートパラメトリック共振の発生をその中に提供し、電磁場強度振動が、降圧トランス磁気コアの小さいヒステリシスループ１２上に生じる（図５）。

消費者ネットワークの誘導負荷１３、例えば電気モータが、降圧トランス７の二次巻線１０に接続されるとき（図３）、電場強度ベクトルＥと磁場強度ベクトルＨとの間の角度の９０度への回復に起因して、二次巻線１０及び誘導負荷１３における電流は、増加し、ｃｏｓφ因子は、減少し、それは、オートパラメトリック共振を所与とすると、降圧トランス７の磁気コアの主ヒステリシスループ１４への振動エネルギーの移動を確実にし、それによって消費者ネットワークにおける電圧無効分についての損失を補償する。

ＡＣネットワークにおける供給される電圧は、１２０Ｖ、又は２２０Ｖ、又は３８０Ｖである。

本デバイスはさらに、降圧トランスの各二次巻線の回路内に約１００オーム〜２００オームの値を有する負荷抵抗１５を備え、負荷抵抗１５は、電場強度ベクトルＥと磁場強度ベクトルＨとの間の位相角の自動調整を加速させるように設計される。

ＡＣネットワークから供給される電圧の無効分について消費者ネットワークにおける損失を補償する方法は、三相ＡＣネットワーク２の観点から開示される。

本方法は、三相ＡＣネットワーク２から供給される電圧の無効分について消費者ネットワークにおける損失を補償するための自動デバイス１を使用して実施される。

自動損失補償デバイス１は、ＡＣネットワーク２に接続され、この目的を達成するために、昇圧トランス３の巻線５’、５’’、５’’’の端子は、ネットワーク２それぞれの位相Ａ、Ｂ、Ｃに接続され、ＡＣネットワークから消費者に供給される電圧は、１０キロボルト〜１００キロボルトに至るまで増やされる。

次いで、昇圧トランス３によって出力される電圧は、消費者に供給される電圧に等しい値、例えば３８０Ｖまで降圧トランス７によって低減される。

電圧が、ＡＣネットワーク２から昇圧トランス３に供給されるとき、第二電圧高調波が、第二電圧高調波発生回路１１において発生し、その結果ＡＣネットワークの外部電圧振動の周波数ωは、第二電圧高調波発生回路１１において２倍になり、周波数２ωを有するオートパラメトリック共振の発生をその中に提供する。そして、電磁場強度振動が、降圧トランス磁気コアの小さいヒステリシスループ１２上に生じる。

降圧トランス７の二次巻線１０’、１０’’、１０’’’は、消費者ネットワークの誘導負荷１３に接続され、その間に電場強度ベクトルＥと磁場強度ベクトルＨとの間の角度の９０度への回復のおかげで、二次巻線１０’、１０’’、１０’’’及び負荷１３における電流を増加させ、ｃｏｓφ因子を低減させ、それは、オートパラメトリック共振を所与とすると、降圧トランス７の磁気コアのヒステリシスの主ループ１４への振動エネルギーの移動を確実にし、それによって消費者ネットワークにおける電圧の無効分についての損失を補償する。

ＡＣネットワークから供給される電圧の無効分について消費者ネットワークにおける損失を補償するための本自動デバイスは、無効分についての損失に対する柔軟な補償を提供し、誘導負荷のどんな変動においても損失を全電力消費量のわずか２％まで低減するために使用することができ、誘導負荷、例えば電気モータ、ファンを備える機器を有する企業における本デバイスの使用の経済効果は、１年当たりのこの企業による電力消費のコストの２０％〜３０％に達する可能性がある。

１ 自動デバイス
２ ＡＣネットワーク
３ 昇圧トランス
４ 磁気コア
４’ リム
４’’ リム
４’’’ リム
５ 一次巻線
５’ 一次巻線
５’’ 一次巻線
５’’’ 一次巻線
６ 二次巻線
６’ 二次巻線
６’’ 二次巻線
６’’’ 二次巻線
７ 降圧トランス
８ 磁気コア
９ 一次巻線
９’ 一次巻線
９’’ 一次巻線
９’’’ 一次巻線
１０ 二次巻線
１０’ 二次巻線
１０’’ 二次巻線
１０’’’ 二次巻線
１１ 第二電圧高調波発生回路
１２ 小さいヒステリシスループ
１３ 誘導負荷
１４ 主ヒステリシスループ
１５ 負荷抵抗

Claims (11)

1. ＡＣネットワークから供給される電圧の無効分について消費者ネットワークにおける損失を補償するための自動デバイスであって、
   磁気コア並びに、前記磁気コア上に配置される、前記ＡＣネットワークに接続するための一次巻線及び出力するための二次巻線を備える、前記供給される電圧の値を１０キロボルト〜１００キロボルトまで増加させるための昇圧トランスと、
   磁気コア並びに、前記磁気コア上に配置される、前記昇圧トランスの前記二次巻線と同一であり且つ前記昇圧トランスの前記二次巻線と反対に接続される一次巻線、及び前記昇圧トランスの前記一次巻線と同一である二次巻線を備える、前記昇圧トランスによって出力される電圧を消費者に供給される電圧に等しい値まで低減するための降圧トランスとを備え、
   前記昇圧トランスの前記反対に接続される二次巻線及び前記降圧トランスの一次巻線は、第二電圧高調波発生回路を形成し、それは、電圧が、前記ＡＣネットワークから前記昇圧トランスに供給されるとき、前記昇圧トランス及び前記降圧トランスの巻線並びに磁気コアに第二電圧高調波を発生させ、その結果前記ＡＣネットワークの外部電圧振動の周波数は、前記第二電圧高調波発生回路において２倍になり、それによってオートパラメトリック共振をその中に発生させ、電磁場強度の振動が、前記降圧トランスの前記磁気コアの小さいヒステリシスループ上に生じ、
   前記消費者ネットワークの誘導負荷が、前記降圧トランスの前記二次巻線に接続されるとき、電場強度ベクトルＥと磁場強度ベクトルＨとの間の角度の９０度への回復に起因して、前記二次巻線及び前記誘導負荷における電流は、増加し、ｃｏｓφ因子は、減少し、それは、前記オートパラメトリック共振を所与とすると、前記降圧トランスの前記磁気コアの主ヒステリシスループへの振動エネルギーの移動を提供し、それによって前記消費者ネットワークにおける無効電圧分についての損失を補償する、自動デバイス。
2. 前記ＡＣネットワークにおける前記供給される電圧は、１２０Ｖ、又は２２０Ｖ、又は３８０Ｖである、請求項１に記載の自動デバイス。
3. 前記降圧トランスの前記二次巻線と直列に接続される、電場強度ベクトルＥと磁場強度ベクトルＨとの間の位相角の自動調整を加速させるための負荷抵抗をさらに備える、請求項１に記載の自動デバイス。
4. 負荷抵抗値は、約１００オーム〜２００オームである、請求項３に記載の自動デバイス。
5. ＡＣネットワークから供給される電圧の無効分について消費者ネットワークにおける損失を補償するための方法において、
   ＡＣネットワークから供給される電圧の無効分について消費者ネットワークにおける損失を補償するための、請求項１に記載の自動デバイスであって、
   前記供給される電圧の値を１０キロボルト〜１００キロボルトまで増加させるための昇圧トランス、及び前記昇圧トランスによって供給される電圧を前記消費者に供給される電圧に等しい値まで低減するための降圧トランスを備え、前記昇圧トランスの反対に接続される二次巻線及び前記降圧トランスの一次巻線は、第二電圧高調波発生回路を形成する、自動デバイスを使用するステップと、
   請求項１に記載の自動デバイスを前記ＡＣネットワークに接続するステップと、前記自動デバイスによって、
   前記昇圧トランスによって、前記ＡＣネットワークから前記消費者に供給される電圧を１０キロボルト〜１００キロボルトまで増加させるステップと、次いで
   前記降圧トランスによって、前記昇圧トランスによって出力される電圧を前記消費者に供給される電圧に等しい値まで低減するステップであって、
   前記ＡＣネットワークから前記昇圧トランスに電圧を供給するとき、第二電圧高調波が、前記第二電圧高調波発生回路において発生し、その結果前記ＡＣネットワーク電圧の振動周波数ωは、前記第二電圧高調波発生回路において２倍になり、周波数２ωを有するオートパラメトリック共振が、その中に発生し、一方電磁場強度振動が、前記降圧トランスの前記磁気コアの小さいヒステリシスループ上に生じる、ステップと、
   前記降圧トランスの前記二次巻線を前記消費者ネットワークの誘導負荷に接続し、電場強度ベクトルＥと磁場強度ベクトルＨとの間の角度の９０度への回復によって、前記二次巻線及び前記誘導負荷における電流を増加させ、ｃｏｓφ因子を減少させるステップであって、それは、前記オートパラメトリック共振を所与とすると、前記降圧トランスの前記磁気コアの主ヒステリシスループへの振動エネルギーの移動を提供し、それによって前記消費者ネットワークにおける無効電圧分についての損失を補償する、ステップとを含む、方法。
6. 前記ＡＣネットワークにおける前記供給される電圧は、１２０Ｖ、又は２２０Ｖ、又は３８０Ｖである、請求項５に記載の方法。
7. 電場強度ベクトルＥと磁場強度ベクトルＨとの間の位相角の自動調整を加速させるために負荷抵抗を使用するステップをさらに含み、前記負荷抵抗は、前記降圧トランスの前記二次巻線と直列に接続される、請求項５に記載の方法。
8. 前記負荷抵抗は、約１００オームである、請求項７に記載の方法。
9. ＡＣネットワークから供給される電圧の無効分について消費者ネットワークにおける損失を補償するための自動デバイスにおいて、三相ＡＣネットワークの各位相について、
   ３つのリムを有する磁気コア並びに前記ＡＣネットワークそれぞれの位相に接続するために各リム上にそれぞれ配置される３つの一次巻線、及び３つの出力のための二次巻線を備える、前記供給される電圧を１０キロボルト〜１００キロボルトまで増加させるための昇圧トランスと、
   前記昇圧トランスによって出力される電圧を消費者に供給される電圧に等しい値まで低減するための降圧トランスであって、前記降圧トランスは、３つのリムを有する磁気コア、並びに前記昇圧トランスの３つの前記二次巻線と同一であり且つ前記昇圧トランスの前記二次巻線と反対に接続される、各リム上にそれぞれ配置される３つの一次巻線、及び前記昇圧トランスの前記一次巻線と同一である３つの二次巻線を備える、降圧トランスとを備え、
   前記昇圧トランスの前記反対に接続される二次巻線及び前記降圧トランスそれぞれの一次巻線は、３つの第二電圧高調波発生回路を形成し、それらは、電圧が、前記ＡＣネットワークから前記昇圧トランスに供給されるとき、前記昇圧トランス及び前記降圧トランスの巻線並びにコアに第二電圧高調波を発生させ、その結果前記ＡＣネットワークの外部電圧振動の周波数は、前記第二電圧高調波発生回路において２倍になり、オートパラメトリック共振が、その中に発生し、電磁場強度振動が、降圧トランスコアの小さいヒステリシスループ上に生じ、
   前記消費者ネットワークの誘導負荷が、前記降圧トランスの前記二次巻線に接続されるとき、電場強度ベクトルＥと磁場強度ベクトルＨとの間の角度の９０度への回復に起因して、前記二次巻線及び前記誘導負荷における電流は、増加し、ｃｏｓφ因子は、減少し、それは、前記オートパラメトリック共振を所与とすると、前記降圧トランスの前記磁気コアの主ヒステリシスループへの振動エネルギーの移動を提供し、それによって前記消費者ネットワークにおける無効電圧分についての損失を補償する、自動デバイス。
10. 電場強度ベクトルＥと磁場強度ベクトルＨとの間の位相角の自動調整を加速させるための３つの負荷抵抗をさらに備え、各負荷抵抗は、前記降圧トランスそれぞれの二次巻線と直列に接続される、請求項９に記載のデバイス。
11. 負荷抵抗値は、約１００オーム〜２００オームである、請求項１０に記載のデバイス。