JP3319216B2 - 定電圧高調波吸収電源装置 - Google Patents

定電圧高調波吸収電源装置

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  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は安定した電力供給を維持
する定電圧高調波吸収電源装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、パワーエレクトロニクス技術の進
歩により、高調波を発生するインバータ技術を使用した
電気機器が増加している。高調波は電力系統全体に伝搬
し影響を与えるという特徴を持ち、特に高調波耐量の低
いリアクトルに重大な障害を与えるという事故が多発し
ている。また、電気機器は一般に定格電圧で最大効率、
最大能力を発揮するように設計されているが、必ずしも
電力系統全体で定格電圧に保たれておらず、特に工場な
ど時間帯によって変動する大口電力需要家付近では電圧
変動が激しいことが問題となっている。
【0003】以下に従来の高調波対策および電圧変動対
策設備について説明する。図8に従来の高調波対策およ
び電圧変動対策設備として広く使用されている高調波フ
ィルタおよび無効電力補償装置の一例を示す。51は出
力端子、52は電源インピーダンス(線路インピーダン
スも含む)、54は負荷を示す。第1のリアクトル55
とコンデンサ56は進相コンデンサの機能を持つ高調波
フィルタ57を構成している。第2のリアクトル61と
スイッチ手段62で無効電力補償装置60を構成してお
り、スイッチ手段62を位相制御することにより発生す
る無効電力を0から最大遅相無効電力まで連続的に発生
することができ、高調波フィルタ57と組み合わせるこ
とにより進相無効電力から遅相無効電力まで連続的に発
生することができる無効電力補償装置となる。
【0004】以上のように構成された高調波対策および
電圧変動対策設備である高調波フィルタと無効電力補償
装置について、以下にその動作について説明する。
【0005】まず、進相無効電力を発生させるときはス
イッチ手段62を導通させずに第1のリアクトル55と
コンデンサ56の直列回路として使用する。コンデンサ
56の容量を大きく設計してあるためこの時に最大進相
無効電力を発生する。
【0006】つぎにスイッチ手段62を位相制御し、あ
る期間だけスイッチ手段62を導通させると高調波フィ
ルタ57にかかる電圧が低下し、加えて第2のリアクト
ル61から遅相無効電力が供給されるため、進相無効電
力が減少する。
【0007】さらにスイッチ手段62の導通時間を長く
し高調波フィルタ57から発生する進相無効電力よりも
第2のリアクトル61の発生する遅相無効電力が大きく
なると、無効電力補償装置全体として遅相無効電力を発
生することになる。
【0008】また完全にスイッチ手段62を導通させる
と高調波フィルタ57と第2のリアクトル61との並列
回路となり、無効電力補償装置としては最大遅相無効電
力を発生する。
【0009】高調波フィルタとしては高調波フィルタ5
7が作用する。高調波フィルタの共振周波数を任意に設
定することにより、設定された周波数の高調波およびそ
の近傍の周波数を吸収できる。複数の高調波フィルタを
並列に接続することにより、数種類の共振周波数を持つ
高調波フィルタを実現することも可能である。この高調
波フィルタにより無効電力補償装置60から発生する高
調波および負荷54から発生する高調波を吸収すること
ができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では電源側に特にインピーダンスを設置してお
らず、電源インピーダンス52と高調波フィルタ57の
インピーダンスバランスが適当でないため、無効電力補
償装置60および負荷から発生する高調波が十分吸収さ
れず高調波が電源側に流出し、他の電気機器に悪影響を
与えるという問題点を有していた。
【0011】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、高調波フィルタの効果を最大限に発揮させ、負荷お
よび無効電力補償装置から発生する高調波を効率的に吸
収し、負荷にかかる電圧を安定化することにより、負荷
に対し安定した電力供給を維持する定電圧高調波吸収電
源装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の定電圧高調波吸
収電源装置は、負荷と電源側出力端子との間に直列に第
1のリアクトルを備え、前記負荷と前記第1のリアクト
ルとの接続点に、前記負荷に対して並列に高調波フィル
タを備えるとともに、前記接続点に、前記負荷に対して
並列に無効電力補償装置を備え、所望の周波数にて前記
第1のリアクトルのインピーダンスが前記高調波フィル
タのインピーダンスより高くなるものである。
【0013】また、無効電力補償装置が、負荷と第1の
リアクトルとの接続点に負荷に対して並列に接続された
第2のリアクトルと、この第2のリアクトルに直列に接
続された高調波フィルタと、この高調波フィルタと並列
に前記第2のリアクトルに接続された第3のリアクトル
と、この第3のリアクトルに直列に接続されたスイッチ
手段とからなるものである。
【0014】
【作用】この構成により、高調波フィルタの効果を最大
限に発揮させ、負荷および無効電力補償装置から発生す
る高調波を効率的に吸収し、負荷にかかる電圧を安定化
することにより、負荷に対し安定した電力供給を維持す
る定電圧高調波吸収電源装置を提供することができる。
【0015】
【実施例】
(実施例1)以下本発明の第1の実施例について、図面
を参照しながら説明する。
【0016】図1において、1は出力端子、2は電源イ
ンピーダンス、3は第1のリアクトル、4は負荷を示
す。第4のリアクトル5とコンデンサ6により進相コン
デンサの機能を持つ、第1の高調波フィルタ7を、第5
のリアクトル43と第2のスイッチ手段44で無効電力
補償装置10を形成している。
【0017】以上のように構成された定電圧高調波吸収
電源装置について、その動作を説明する。まず負荷4に
かかっている電圧を無効電力補償装置10により定格電
圧に設定する。無効電力による電圧の制御方法を簡単な
モデルで説明する。図2において30は電源、31は電
源リアクタンス、Iは電流、VGは電源電圧、VRは負荷
端電圧を表す。なお、説明を簡単にするため、全ての抵
抗分は無視し、負荷4は切り離して考えることとする。
【0018】まず負荷端の電圧VRが定格値より低い場
合、無効電力補償装置10を進相無効電力発生動作(コ
ンデンサ動作)させる。ここでZxは電源リアクタンス
31(抵抗分を無視しているため)、Zsvc無効電力補
償装置10のリアクタンスを表す。この場合無効電力補
償装置10は進相無効電力発生動作をしているので、Z
svcは電源30側から見て容量リアクタンスとなるため
【0019】
【数1】
【0020】で使用することとなり電源電圧VGより電
流Iの位相が90°進む。電源リアクタンス31ではZ
xが誘導リアクタンスとなるためVGと逆位相の電圧Zx
・Iが生じ、電圧、電流のベクトル図は図3のようにな
る。結果として負荷端の電圧V Rは上昇する。
【0021】次に、負荷端の電圧が定格値より高い場合
には、無効電力補償装置10を遅相無効電力発生動作
(リアクトル動作)させる。この場合Zsvcは電源30
側からみて誘導リアクタンスとなり、電源電圧VGより
電流Iは90°位相が遅れる。また電源リアクタンス3
1ではZxが誘導リアクタンスのため、電源電圧VGと同
位相の電圧Zx・Iが生じ、電圧、電流のベクトル図は
図4のようになる。結果として負荷端の電圧VRが降下
することがわかる。
【0022】以上のように無効電力により電圧を制御す
るが、この際無効電力補償装置10から高調波が発生す
る。無効電力補償装置10および負荷4から発生する高
調波は、電源30側と高調波フィルタ7側に分流する。
第1のリアクトル3(インピーダンスZL[n])と高
調波フィルタ7(インピーダンスZF[n])のインピ
ーダンスバランスは発生する高調波を高調波フィルタで
効率的に吸収するよう
【0023】
【数2】
【0024】に設定している。ただしnは高調波次数を
表す。負荷4および無効電力補償装置10より発生する
ある次数nの高調波電流をI[n]として電源30側に
流れる高調波電流IL[n]および高調波フィルタ側に
流れる電流IF[n]を計算すると
【0025】
【数3】
【0026】
【数4】
【0027】となる。ここで
【0028】
【数5】
【0029】と仮定するとILFはそれぞれ
【0030】
【数6】
【0031】
【数7】
【0032】となり、発生したある次数の高調波電流が
高調波フィルタ7に吸収され電源30側には流出しない
ことがわかる。
【0033】このように本実施例によれば出力端子1と
負荷4の間に第1のリアクトル3を設け、その接続点に
第1の高調波フィルタ7と無効電力補償装置10を設け
ることにより、負荷4に定格電圧で高調波含有率の少な
い安定した電力供給を維持することができ、同時に系統
全体に悪影響を与える高調波電流を電力に系統側に流出
しないようにすることができる。
【0034】また無効電力補償装置10自身が発生する
高調波を抑えようとすると、無効電力補償装置10の第
5のリアクトル43が大きくなり装置の大型化を招く
が、本構成により無効電力補償装置10から発生する高
調波も高調波フィルタ7で吸収するため、装置の小型化
が可能となる。
【0035】なお、第1の実施例において、無効電力補
償装置10のかわりに従来公知である図5や図6のよう
な無効電力補償装置40,41を使用してもよいことは
言うまでもない。
【0036】なお、45,47はリアクトル、46はコ
ンデンサである。 (実施例2)以下本発明の第2の実施例について図面を
参照しながら説明する。
【0037】図7において図1の構成と異なっているの
は無効電力補償装置の部分であり、高調波発生量の少な
い構成の無効電力補償装置を使用している点にある。本
実施例において、21は第2のリアクトルであり、第6
のリアクトル22と第2のコンデンサ23により進相コ
ンデンサの機能を持つ第2の高調波フィルタ24を構成
している。第2のリアクトル21と第3のリアクトル1
1とスイッチ手段12と第2の高調波フィルタ24とで
高調波低減形無効電力補償装置20を構成している。な
お、第3のリアクトル11とスイッチ手段12とで無効
電力補償装置の機能を果たしている。
【0038】上記のように構成された定電圧高調波吸収
電源装置について以下その動作について説明する。まず
負荷4にかかっている電圧を第1の実施例同様無効電力
補償装置20により定格電圧に設定する。本実施例にお
いて無効電力補償装置20の発生する高調波は少なく、
主に負荷4から発生する高調波は、電源30側と高調波
フィルタ7側に分流する。第1の実施例の場合は負荷4
と無効電力補償装置10の両方から発生する高調波につ
いて電源側と高調波フィルタのインピーダンスバランス
を最適化したが、本実施例においては無効電力補償装置
20からほとんど高調波を発生しないため、第1のリア
クトル3(インピーダンスZL[n])と第1の高調波
フィルタ7(インピーダンスZF[n])のインピーダ
ンスバランスは負荷4で発生する高調波を高調波フィル
タで効率的に吸収するよう(数2)に設定している。た
だしnは高調波次数を表す。本実施例においても第1の
実施例同様におもに負荷4で発生した高調波は第1の高
調波フィルタ7で吸収され電源30側には流出しないこ
とがわかる。
【0039】以上のように無効電力補償装置として低高
調波タイプの無効電力補償装置20を用いることにより
高調波の大部分が負荷から発生する高調波となるため、
第1のリアクトル3と第1の高調波フィルタ7のインピ
ーダンスバランスをより最適化することができる。
【0040】また第1の実施例同様に第3のリアクトル
11およびスイッチ手段12から発生する高調波は第2
の高調波フィルタ24に吸収され、発生する高調波が多
くなっても問題がないため、第3のリアクトル11を小
型化することができる。
【0041】(実施例3)本実施例の特長は第1の実施
例または第2の実施例のリアクトルの少なくとも1つを
それぞれ所望の漏れリアクタンスを持つ変圧器の巻線で
構成したことにある。
【0042】以上のように構成された定電圧高調波吸収
電源装置の動作はリアクタンスの作用を変圧器巻線の漏
れリアクタンスの作用に置き換える以外は既に記述した
第1の実施例および第2の実施例と同様であるので省略
する。
【0043】以上のように本実施例によれば、第1の実
施例または第2の実施例のリアクトルの少なくとも1つ
をそれぞれ所望の漏れリアクタンスをもつ変圧器で構成
することにより簡単な構成で所望の定格電圧、定格電流
のコンデンサおよびスイッチ手段を使用することができ
る。また、電力系統との絶縁性を高めると共に、特高系
統などの様々な電力系統に対応することができる。
【0044】なお、第1の実施例、第2の実施例、第3
の実施例ともに、単相回路にも多相回路にも適用可能で
あることはいうまでもない。
【0045】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると負荷に、安定した歪みのない電力供給を維持で
き、電力系統側には悪影響を与える高調波電流を流出し
ない、無効電力補償装置を小型化できるという優れた定
電圧高調波吸収電源装置を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例における定電圧高調波吸
収電源装置の接続図
【図2】本発明の第1の実施例における無効電力制御に
よる電圧制御方法の説明図
【図3】本発明の第1の実施例における無効電力制御に
よる電圧制御方法説明のためのベクトル図
【図4】本発明の第1の実施例における無効電力制御に
よる電圧制御方法説明のためのベクトル図
【図5】本発明の第1の実施例において使用できる無効
電力補償装置の一例を示す図
【図6】本発明の第1の実施例において使用できる無効
電力補償装置の一例を示す図
【図7】本発明の第2の実施例における定電圧高調波吸
収電源装置の接続図
【図8】従来の電圧変動対策装置と高調波対策装置の接
続図
【符号の説明】
1 出力端子 2 電源インピーダンス(線路インピーダンスを含
む) 3 第1のリアクトル 4 負荷 5 第4のリアクトル 6 コンデンサ 7 第1の高調波フィルタ 10 無効電力補償装置 11 第3のリアクトル 12 スイッチ手段 20 無効電力補償装置 21 第2のリアクトル 22 第6のリアクトル 23 第2のコンデンサ 24 第2の高調波フィルタ 30 交流電源 31 電源リアクタンス(線路インピーダンスを含む) 40,41 無効電力補償装置 43 第5のリアクトル 44 第2のスイッチ手段 45,47 リアクトル 46 コンデンサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05F 1/70 H02J 3/01 H02J 3/12 H02J 3/18

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 負荷と電源側出力端子との間に直列に第
    1のリアクトルを備え、前記負荷と前記第1のリアクト
    ルとの接続点に、前記負荷に対して並列に高調波フィル
    タを備えるとともに、前記接続点に、前記負荷に対して
    並列に無効電力補償装置を備え、所定の周波数にて前記
    第1のリアクトルのインピーダンスが前記高調波フィル
    タのインピーダンスより高くなる定電圧高調波吸収電源
    装置。
  2. 【請求項2】 無効電力補償装置が、負荷と第1のリア
    クトルとの接続点に負荷に対して並列に接続された第2
    のリアクトルと、この第2のリアクトルに直列に接続さ
    れた第2の高調波フィルタと、この第2の高調波フィル
    タと並列に前記第2のリアクトルに接続された第3のリ
    アクトルと、この第3のリアクトルに直列に接続された
    スイッチング手段とからなる請求項1記載の定電圧高調
    波吸収電源装置。
  3. 【請求項3】 リアクトルの内少なくともひとつが、所
    望のリアクタンスを持つ変圧器である請求項1または2
    記載の定電圧高調波吸収電源装置。
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