JP5294386B2 - 高調波抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は、高調波が電力系統に流出するのを抑制する高調波抑制装置に関するものである。

一般に、インバータやコンバータなどの電力変換装置を介して接続される工業電熱に利用される誘導加熱装置や電動機を電力系統に接続して運転する場合、電力系統から他の電気機器で発生した高調波が流入したり、誘導加熱装置や電動機に接続された電力変換装置から発生した高調波が増大されて流出し、電力系統に接続された他の電気機器を停止させたり破損させる問題がある。

ここで高調波とは５０Ｈz または６０Ｈz の電源周波数（基本波）の整数倍の成分であり、歪み率は下式のように、各整数倍の高調波成分毎に二乗し、更に各成分を加算した合計値の平方根を分子とし、分母は基本波として算出するものである。
歪み率ｋ＝｛√（Ｖ２^ ２＋・・＋Ｖn ^ ２) ｝／Ｖ１×１００％
但し Ｖ１: 基本波、Ｖ２：二次高調波、Ｖn ：n 次高調波

このような高調波が発生する原因としては、（１）電力系統が極端に不平衡である場合、（２）電力系統に電源周波数の奇数倍付近に共振周波数がある場合、（３）誘導加熱装置を設置する同一構内に他の大きな高調波発生源がある場合、（４）電力系統から大きな高調波が流入する場合などがある。

特にダイオード式若しくはサイリスタ式順変換器の場合、入力電圧に対して出力電流が非線形であるために高調波が発生するもので、一般に低力率（電流が大きい）である場合、頻繁なオンオフが繰り返される場合、電力系統のインピーダンスが大きい場合に顕在化するものである。このため、サイリスタ式順変換器を使用して高調波を抑制するには、高力率運転とするか、需要点を変電所付近に配置するなどして電力系統の配線インピーダンスを低減するか、連続運転として出力を絞ることが有効である。

このような高調波から電力機器を保護するために、電力系統から機器に流入する高調波成分を検出し、検出した高調波成分が一定割合以上の場合に、電動機などへの出力回路の全ての接点を開いて、進相用コンデンサを遮断して進相用コンデンサを保護する装置（特許文献１）がある。

しかしながらこの装置は、外部の電力系統から流入する高調波成分を検出して、電動機への出力を停止するものであり、電力変換装置から発生して電力系統へ流出する高調波を抑制することができず、また高調波成分を検出して、電動機をその都度停止させるので、再起動させる煩雑さがあった。

このため、図４に示すように例えば工業電熱に適用される誘導加熱装置では高調波フィルタ装置を設けて、電力変換装置から発生する高調波の外部電力系統への流出を抑制することが行なわれている。

この誘導加熱装置は、電力系統からの電源１に高圧受電盤２が接続され、この高圧受電盤２に高調波フィルタ３が接続されている。更にこの高調波フィルタ３に変換装置用電圧器４を介して高周波インバータ５が接続され、これに接続した高周波整合装置６を介して加熱コイル７が接続され、これらは制御装置８により運転制御されるようになっている。

前記高圧受電盤２は誘導加熱装置への電源通電・停止と故障発生時の電流遮断を行う装置で、短絡事故時に電流遮断するパワーヒューズ２１と電源の通電と停止に伴う開閉動作を行う遮断機２２とで構成されている。前記高調波フィルタ３は、高周波インバータ５から高調波電流が電力系統に流出しないように抑制する装置で、限流リアクトル３１、直列リアクトル３２、および高調波コンデンサ３３とから構成されている。高調波電流が所定値を超過した場合に異常信号（Ｄ）を制御装置８に出力するようになっている。

前記変換装置用電圧器４は、高周波インバータ５が所定の出力電圧を出力するために、高周波インバータヘの入力電圧を調整するもので、温度上昇や内部ガス圧異常などの信号（Ｅ）を制御装置８に出力する。

前記高周波インバータ５は、５０Ｈz または６０Ｈz の商用電源から任意の高周波電流を生成するための装置であり、交流／直流変換器である順変換器５１と、直流／交流変換器である逆変換器５２と直流リアクトル９とから構成されている。この高周波インバータ５は、制御装置８からの運転・停止信号（Ｆ）によって制御されており、高周波インバータが故障時に制御装置８に故障状態を伝える信号（Ｆ）を出力する。前記直流リアクトル９は、順変換器５１で生成する直流電圧に重畳するリプル成分を除去するとともに、逆変換器５２や加熱コイル７などの負荷破損時に生じる過電流の急激な流出を抑制する作用をなすものである。

前記高周波整合装置６は、高周波インバータ５と加熱コイル７とのインピーダンス整合を図る装置で、これはインピーダンス整合を図るための高周波整合変圧器６１と、加熱コイル７の遅れ力率を進み力率に補償する複数台の力率調整コンデンサ６２とが設置され、これら構成要素の温度上昇や破損などの信号（Ｇ）を出力する。

前記加熱コイル７は、炉内に鉄等の金属材料を投入されたとき、高周波インバータ５から高周波電力を供給されることで、炉内の金属材料にうず電流を発生させ、うず電流と金属材料間に発生するジユール熱によって、金属材料を溶解・昇温させるもので、冷却水の温度上昇や冷却水の停止などの信号（Ｈ）を出力する。

前記制御装置８は、誘導加熱装置の運転・停止、出力調整、構成要素が破損あるいは定格を超過した運転条件になった場合に、誘導加熱装置を保護するもので、各種信号を処理するための演算装置（シーケンサ）や、誘導加熱装置に所定の運転をさせるためのプログラム（ソフトウエア）から構成される。

また高調波は５０Ｈz または６０Ｈz の商用電源の整数倍の成分であり、基本波が５０Ｈz の場合、５次の２５０Ｈz と、７次の３５０Ｈz が最も他の機器に影響を与えることから、高調波ガイドラインの規制で、６．６ＫＶ受電の場合、総合電圧歪み率を５％以下に抑制するように上記装置では、高調波フィルタ３が設けられている。

しかしながら、高調波ガイドラインに規制されていない３次の１５０Ｈz の高調波が流入した場合、これが高周波インバータ５で増大され、これが流出して電力系統に接続された他の電気機器を停止させたり破損させる問題がある。このため、３次の高調波を抑制させる機器を、高調波フィルタ３に設けるとすると、装置が大掛かりとなり、コストが１０倍程度増大し、しかも大きな設置スぺースが必要となる問題があった。
特開平４−３１２３２２号

本発明は上記問題を改善し、３次の高調波など、高調波ガイドラインに規制されていない高調波に対しても、簡単で安価な装置により、電力変換装置での高調波の増大を抑制し、発生する高調波の外部電力系統への流出を抑制することができる高調波抑制装置を提供するものである。

本発明の請求項１記載の高調波抑制装置は、受電盤に接続された高調波フィルタに、電力変換装置を介して、負荷に接続し、前記受電盤に高調波計測器を接続し、この高調波計測器からの高調波割合の信号を受けて、電力変換装置から負荷への出力の調整を行う制御装置を設け、この制御装置に、しきい値を変えた高調波比較手段を複数個設け、しきい値を一番低く設定した高調波比較手段で、計測された高調波割合が一番低く設定したしきい値以下の場合に初期設定値で運転継続信号を出力する初期設定値制御手段を設け、一番低く設定したしきい値を超過した場合に信号が出力されるしきい値を高く設定した高調波比較手段を設け、ここで高調波割合が次に高く設定したしきい値を超過した場合に、電力変換装置から負荷への出力を初期設定値より低下させる運転継続信号を出力する出力低下制御手段を設け、高調波割合が高く設定したしきい値以下の場合に、前回の判定で高く設定したしきい値をまだ超過していないと判定された時には、前記初期設定値制御手段に信号が出力され、前回の判定で高く設定したしきい値を超過していたと判定された時には、前記出力低下制御手段に信号が出力される継続判定手段を設けたことを特徴とするものである。

本発明の請求項２記載の高調波抑制装置は、請求項１において、負荷が加熱装置またはモータであることを特徴とするものである。更に本発明の請求項３記載の高調波抑制装置は、請求項１において、電力変換装置がインバータまたはコンバータであることを特徴とするものである。

本発明に係る請求項１記載の高調波抑制装置によれば、３次の高調波など、高調波ガイドラインに規制されていない高調波に対しても、しきい値の異なる複数の高調波比較手段を設けた簡単で安価な構造の高調波計測器で全体の高調波含有量を常時測定して、段階的に制御して頻繁に出力が変化するのを防止して安定した運転をさせて、高調波が更に拡大することを抑制し、高周波が流出して電力系統に接続された他の電気機器を停止させたり破損させたりするのを防止できる。また高調波抑制装置が制御プログラムによる場合、高調波含有量のしきい値設定や、高調波含有量がしきい値を超過した場合の制御方法などの処理は制御プログラムで自由に設定できるので、誘導加熱装置が設置される電力系統や同一系統の高調波流出量の状況によって任意に設定することができる。

また請求項２記載の高調波抑制装置によれば、電力変換装置により出力が制御される負荷が加熱装置またはモータにおいて、高調波の拡大を抑制することができる。更に請求項３記載の高調波抑制装置によれば、電力変換装置としてインバータまたはコンバータに適用することにより、高調波の拡大を抑制することができる。

以下本発明の実施の一形態を図１および図２を参照して詳細に説明する。図１において誘導加熱装置は、電力系統からの電源１に高圧受電盤２が接続され、この高圧受電盤２に高調波フィルタ３が接続されている。更にこの高調波フィルタ３に変換装置用電圧器４を介して高周波インバータ５が接続され、これに接続した高周波整合装置６を介して加熱コイル７が接続され、これらは制御装置８により運転制御されるようになっている。

前記高圧受電盤２の遮断機２２にはこれと直列に計器用変流器２３が設けられ、パワーヒューズ２１と遮断機２２との間に計器用変圧器２４が設けられている。この計器用変流器２３と計器用変圧器２４は、高調波計測器１０に接続され、計器用変流器２３からの電流信号（Ａ）と計器用変圧器２４からの電圧信号（Ｂ）とから、高調波計測器１０で高調波含有量を測定して、この信号（Ｃ）を制御装置８に出力するようになっている。

更に高調波計測器１０に第１の高調波比較手段１１Ａが接続され、ここで低いしきい値Ａが設定されている。第１の高調波比較手段１１Ａは初期設定値制御手段１２を介して運転継続手段１３に接続され、計測された高調波含有量の割合がしきい値Ａ未満の時に初期設定値制御手段１２に信号が出力されるようになっている。更に第１の高調波比較手段１１Ａには、第２の高調波比較手段１１Ｂが接続され、ここに前記しきい値Ａより高いしきい値Ｂが設定されている。この第２の高調波比較手段１１Ｂは出力低下制御手段１４を介して運転継続手段１３に接続されている。計測された高調波含有量の割合がしきい値Ｂを越える時に、第２の高調波比較手段１１Ｂから出力低下制御手段１４に信号が出力されるようになっている。

更に、第２の高調波比較手段１１Ｂには継続判定手段１５が接続され、計測された高調波含有量の割合がしきい値Ｂ未満の時に継続判定手段１５に信号が出力されるようになっている。

継続判定手段１５は、初期設定値制御手段１２と出力低下制御手段１４に接続され、この継続判定手段１５では、計測された高調波含有量の割合が前回の判定で高く設定したしきい値Ｂをまだ超ええていないと判定された時には、初期設定値制御手段１２に信号が出力されるようになっている。また計測された高調波含有量の割合が前回の判定で高く設定したしきい値Ｂを越えていたと判定された時には、出力低下制御手段１４に信号が出力されるようになっている。なお運転継続手段１３は高調波計測器１０に接続されて、高調波含有量の割合を常時計測して制御を繰り返して行なうようになっている。

上記構成の高調波抑制装置は、高調波計測器１０で測定した高調波含有量の割合の信号（Ｃ）を第１の高調波比較手段１１Ａに出力して、ここで予め設定されているしきい値Ａと比較し、しきい値Ａが例えば４％の時、高調波計測器１０で測定した高調波含有量の割合の信号（Ｃ）が３．８％であれば、初期設定値制御手段１２に信号が出力され、ここから運転継続信号を運転継続手段１３に出力して、初期設定値で高周波インバータ５の運転が継続される。

高調波含有量の割合の信号（Ｃ）が６．２％であれば、第１の高調波比較手段１１Ａから第２の高調波比較手段１１Ｂに信号が出力され、このしきい値Ｂ（６．０％）を超過したので、出力低下制御手段１４に信号が出力され、ここで初期設定値より例えば１０％低下させた運転継続信号が運転継続手段１３に出力され、高周波インバータ５の出力が低下する。

高調波含有量の割合の信号（Ｃ）が５．２％であれば、継続判定手段１５に信号が出力され、前回の判定で高く設定したしきい値Ｂをまだ超過していないと判定された時には、初期設定値制御手段１２に信号が出力されて初期設定値で高周波インバータ５の運転が継続される。また高調波含有量の割合が、前回の判定で高く設定したしきい値Ｂを超過していたと判定された時には、再び出力低下制御手段１４に信号が出力され高周波インバータ５は出力が低下したまま運転が継続される。

この状態を図３で説明すると、計測された高調波含有量の割合がしきい値Ａを超過しても初期状態で運転し、しきい値Ａ未満に下がっても初期状態で運転する。計測された高調波含有量の割合がしきい値Ｂを超過すると出力低下制御手段１４により出力が低下した運転となる。この出力を低下させた状態で運転していて、高調波含有量の割合がしきい値Ｂ〜しきい値Ａの間に下がっても、前回の判定で高く設定したしきい値Ｂを超過していたので、出力が低下したままの運転が継続される。この後、高調波含有量の割合がしきい値Ａ未満に下がってきた時には、初期状態での運転に復帰する。

つまり、しきい値Ｂを一旦超過してから下がってきた時に、直に初期状態での運転に復帰すようにすると、頻繁に切換動作が繰り返されるので、出力が低下したままの運転を継続することにより高周波インバータ５の出力が頻繁に変化するのを防止して安定した運転を行なうことができる。

このように、しきい値の異なる第１、第２の高調波比較手段１１Ａ、１１Ｂを設け、更に第２の高調波比較手段１１Ｂに、初期設定値または初期設定値より低い運転継続信号を出力する継続判定手段１５を接続することにより、段階的に制御して高周波インバータ５の出力が頻繁に変化するのを防止して安定した運転を行なうことができる。

なお上記説明では負荷が加熱コイル７の場合について示したが、モータなど電力変換装置に接続した機器であれば他のものにも適用することができる。また上記説明では電力変換装置が高周波インバータ５の場合について示したが、コンバータでも良い。

図２に示す高調波抑制装置は制御プログラムによって容易に制御することができるが、回路で構成しても良い。制御プログラムによる場合、高調波含有量のしきい値設定や、高調波含有量がしきい値を超過した場合の制御方法（何％出力を何分絞る) といった処理は制御プログラムで自由に設定できるので、誘導加熱装置が設置される電力系統や同一系統の高調波流出量の状況によって任意に設定することができる。

本発明の実施の一形態による高調波抑制装置を設けた誘導加熱装置の回路図である。 図１の制御装置に設けた高調波抑制装置の回路図である。 図２の高調波抑制装置の動作を説明する説明図である。 従来の高調波フィルタを設けた誘導加熱装置の回路図である。

１ 電源
２ 高圧受電盤
３ 高調波フィルタ
４ 変換装置用電圧器
５ 高周波インバータ
６ 高周波整合装置
７ 加熱コイル
８ 制御装置
９ 直流リアクトル
１０ 高調波計測器
１１ 高調波比較手段
１１Ａ 第１の高調波比較手段
１１Ｂ 第２の高調波比較手段
１２ 初期設定値制御手段
１３ 運転継続手段
１４ 出力低下制御手段
１５ 継続判定手段
２１ パワーヒューズ
２２ 遮断機
２３ 計器用変流器
２４ 計器用変圧器
３１ 限流リアクトル
３２ 直列リアクトル
３３ 高調波コンデンサ
５１ 順変換器
５２ 逆変換器
６１ 高周波整合変圧器
６２ 力率調整コンデンサ

Claims (3)

1. 受電盤に接続された高調波フィルタに、電力変換装置を介して、負荷に接続し、前記受電盤に高調波計測器を接続し、この高調波計測器からの高調波割合の信号を受けて、電力変換装置から負荷への出力の調整を行う制御装置を設け、この制御装置に、しきい値を変えた高調波比較手段を複数個設け、しきい値を一番低く設定した高調波比較手段で、計測された高調波割合が一番低く設定したしきい値以下の場合に初期設定値で運転継続信号を出力する初期設定値制御手段を設け、一番低く設定したしきい値を超過した場合に信号が出力されるしきい値を高く設定した高調波比較手段を設け、ここで高調波割合が次に高く設定したしきい値を超過した場合に、電力変換装置から負荷への出力を初期設定値より低下させる運転継続信号を出力する出力低下制御手段を設け、高調波割合が高く設定したしきい値以下の場合に、前回の判定で高く設定したしきい値をまだ超過していないと判定された時には、前記初期設定値制御手段に信号が出力され、前回の判定で高く設定したしきい値を超過していたと判定された時には、前記出力低下制御手段に信号が出力される継続判定手段を設けたことを特徴とする高調波抑制装置。
2. 負荷が加熱装置またはモータであることを特徴とする請求項１記載の高調波抑制装置。
3. 電力変換装置がインバータまたはコンバータであることを特徴とする請求項１記載の高調波抑制装置。