JP6910243B2 - 母線切替制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば負荷母線を備えた負荷設備群において第１の電源系統と第２の電源系統とを切り替える際、負荷母線に接続された誘導電動機の機械的負荷および電気的損失を最小限に抑えることのできる母線切替制御装置に関する。

工場内の受電設備においては、例えば図１３に示すように第１の電源系統（主電源系統）Ａおよび第２の電源系統（予備電源系統）Ｂにそれぞれ遮断器ＣＢa,ＣＢbを介して接続された負荷母線Ｍを備える。この負荷母線Ｍに複数台の負荷、例えば３台の誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３がそれぞれ接続される。また負荷設備群の負荷母線Ｍに設けられた切替制御器２は、基本的には第１の電源系統Ａの不具合に起因して該第１の電源系統Ａの遮断器ＣＢaがオフ動作した際、第２の電源系統Ｂの遮断器ＣＢbをオン動作させる役割を担う。この切替制御器２による遮断器ＣＢbのオン制御により、複数台の誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３の運転が継続して行われる。ちなみに発電所の所内系統においては、例えば第１の電源系統Ａが起動用（商用系統）として、また第２の電源系統Ｂが常用（発電機系統）として運用される。そして発電設備の起動と発電機の系統連系操作が完了した後、第１の電源系統Ａから第２の電源系統Ｂへの切り替えが行われる。

ここで負荷母線Ｍに電力を供給する電力供給源の切替制御器２による切り替え、つまり第１の電源系統Ａから第２の電源系統Ｂへの切り替えは、一般的には母線切替と称される。そして切替制御器２を備えて構築される負荷設備群とその負荷母線等は、母線切替システム１と称される。特に母線切替システム１において重要な役割を担う切替制御器２は、母線切替制御装置とも称される。

ところで従来の切替制御器（母線切替制御装置）２による一般的な母線切り替えは、例えば特許文献１に開示されるように第１の電源系統Ａと第２の電源系統Ｂとの電圧差や位相差を監視し、電圧差および位相差が予め定めた許容範囲内にある時に第２の電源系統Ｂの遮断器ＣＢbをオン動作するタイミングを制御して行われている。また特許文献２には、母線切り替え時の電圧差と位相差に起因して誘導電動機に加わる電気的な損失や機械的な負荷を考慮して、誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３の寿命データに基づいて第２の電源系統Ｂの遮断器ＣＢbをオンするか否かを制御することが提唱されている。

ちなみに第２の電源系統Ｂと負荷母線Ｍとの間に電圧差や位相差がある状態で第２の電源系統Ｂの遮断器ＣＢbをオンすると（母線切り替えを行うと）、その位相差が１８０°のときに負荷母線Ｍに流れ込む突入電流が最大となる。また位相差が１２０°のときに第２の電源系統Ｂの遮断器ＣＢbをオンすると、誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３の回転軸に逆回転方向に加わる電気トルク（空隙トルク）が最大となる。このような母線切替時に誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３に加わる電気的および機械的な負荷は、誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３の耐用寿命を大きく損ねる要因となる。

特開平６−５４４４２号公報 特開２００７−９７３１６号公報

しかしながら特許文献１に開示される技術は、単に第２の電源系統Ｂと負荷母線Ｍとの間での電圧差、位相差、および使用電流の大きさが所定の許容範囲内にあるか否かにより母線切り替えの可否を判断しているに過ぎない。また特許文献２には、第２の電源系統Ｂと負荷母線Ｍとの電圧差および位相差に基づいて母線切替時に誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３に加わる電動機空隙トルクに応じて損なわれる誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３の機械的強度を算出することが開示される。特に特許文献２には、誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３の累計耐用寿命消費量を考慮して母線切り替えを実行するか否かを判定することで誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３に及ぼす電気的および機械的な負担を軽減することが開示されるに過ぎない。

即ち、特許文献１,２には、基本的には第２の電源系統Ｂと負荷母線Ｍとの間での電圧差や位相差に従い、予め定めた母線切り替え条件を満たす場合にのみ母線切り替えを実行することが開示されるに過ぎず、母線切り替えの際に如何に誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３にストレスを与えることなくこれを実行するかという点については何ら言及されていない。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、負荷母線に接続された誘導電動機に不本意な機械的ストレス等を与えることのない適切なタイミングで母線切り替えを実行することのできる母線切替制御装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る母線切替制御装置は、第１の電源系統および第２の電源系統のそれぞれに遮断器を介して接続された負荷母線と、この負荷母線に接続された複数台の誘導電動機とを備えた母線切替システムに適用するに好適なものである。特に本発明に係る母線切替制御装置は、前記第１の電源系統の遮断器のオフ動作時に前記第２の電源系統の遮断器を適切なタイミングでオン動作させて前記複数台の誘導電動機に機械的なストレス等を与えることなく電力を継続して供給するように構成される。

具体的には本発明に係る母線切替制御装置は、
前記第１の電源系統の遮断器のオフ動作時における前記第２の電源系統の相電圧と前記負荷母線の相電圧との差ベクトルである合成電圧ベクトルの絶対値を計算する合成ベクトル計算手段と、
この合成ベクトル計算手段にて求められる合成電圧ベクトルの絶対値が最小となるタイミングを計算する最小タイミング計算手段と、
この最小タイミング計算手段にて求められた合成電圧ベクトルの絶対値が最小となるタイミングにて前記第２の電源系統の遮断器をオン動作させる遮断器投入制御手段と
を具備したことを特徴としている。

ちなみに前記合成ベクトル計算手段は、前記第２の電源系統の３相電圧および前記負荷母線の３相電圧をα-β変換または３相-２相変換により座標変換して前記第２の電源系統および前記負荷母線の電圧のα相成分Ｖαとβ相成分Ｖβとをそれぞれ求める第１の計算手段と、
これらのα相成分Ｖαとβ相成分Ｖβとから前記第２の電源系統の電圧絶対値Ｖｓと電圧位相θｓ、並びに前記負荷母線の電圧絶対値Ｖｍと電圧位相θｍとをそれぞれ求める第２の計算手段と、
これらの電圧絶対値Ｖｓ,Ｖｍと電圧位相θｓ,θｍとから前記第２の電源系統および前記負荷母線の実数成分Ｖss,Ｖsmと虚数成分Ｖcs,Ｖcmとをそれぞれ求める第３の計算手段と、
これらの実数成分Ｖss,Ｖsmと虚数成分Ｖcs,Ｖcmとから前記第２の電源系統の相電圧と前記負荷母線の相電圧との合成電圧ベクトルＶｒの絶対値を求める第４の計算手段と
を含んで構成される。

好ましくは第１の計算手段は、例えば前記第２の電源系統および前記負荷母線の３相における相電圧Ｖａ,Ｖｂ,Ｖｃが、電源周波数ｆでの角速度ωを
ω ＝ ２πf
として
Ｖａ ＝（√２／√３）sinωt
Ｖｂ ＝（√２／√３）sin(ωt−１２０)
Ｖｃ ＝（√２／√３）sin(ωt＋１２０)
として与えられるとき

としてα-β変換または３相２相変換した電圧のα成分Ｖαとβ相成分Ｖβとをそれぞれ計算するように構成される。

また前記第２の計算手段は、例えば前記第１の計算手段によりそれぞれ求められた前記第２の電源系統および前記負荷母線の各電圧のα相成分Ｖαとβ相成分Ｖβとから
Ｖ ＝ （Ｖα^２＋Ｖβ^２）^１／２
θ ＝ tan^―１（Ｖβ／Ｖα）
なる演算式に基づいて前記第２の電源系統Ｂの電圧絶対値Ｖｓと電圧位相θｓ、並びに前記負荷母線の電圧絶対値Ｖｍと電圧位相θｍとをそれぞれ算出するように構成される。

更に好ましくは前記第３の計算手段は、例えば前記第２の計算手段により求められた前記第２の電源系統の電圧絶対値Ｖｓと電圧位相θｓとに基づいて前記第２の電源系統の電圧の実数成分Ｖssと虚数成分Ｖcsとを
Ｖss ＝ Ｖs・sin（θｓ）
Ｖcs ＝ Ｖs・cos（θｓ）
として求めると共に、前記負荷母線の電圧絶対値Ｖｍと電圧位相θｍとに基づいて前記負荷母線の電圧の実数成分Ｖsmと虚数成分Ｖcmとを
Ｖsm ＝ Ｖｍ・sin（θｍ）
Ｖcm ＝ Ｖｍ・cos（θｍ）
として求め、
前記第４の計算手段は、前記第２の電源系統の相電圧と前記負荷母線の相電圧との合成電圧ベクトルＶｒの絶対値を
|Ｖｒ| ＝｛(Ｖcs−Ｖcm)^２＋(Ｖss−Ｖsm)^２｝^１／２
として算出するように構成される。

また前記第４の計算手段は、例えば前記第２の電源系統の電圧位相sin(θｓ−θｍ)および前記負荷母線の電圧位相cos(θｓ−θｍ)を
sin(θｓ−θｍ) ＝ sinθｓ×cosθｍ−cosθｓ×sinθｍ
cos(θｓ−θｍ) ＝ cosθｓ×cosθｍ−sinθｓ×sinθｍ
としてそれぞれ求め、これらの電圧位相sin(θｓ−θｍ),cos(θｓ−θｍ)から前記合成電圧ベクトルＶｒの位相差θｒを
θｒ ＝ tan^-１{sin(θｓ−θｍ)／cos(θｓ−θｍ)}
として算出するように構成される。

尚、前記最小タイミング計算手段については、例えば前記合成電圧ベクトルＶｒの位相差θｒがゼロとなるタイミングを前記合成電圧ベクトルＶｒの絶対値が最小となるタイミングとして求めるように構成することも好ましい。

具体的には前記最小タイミング計算手段は、前記合成電圧ベクトルＶｒの過去の位相差θｒと現在の位相差θｒとから、近似関数を用いて該位相差θｒがゼロとなるタイミングまでの到達時間Ｔrを予測するように構成する。そして前記遮断器投入制御手段については、前記最小タイミング計算手段が予測した到達時間Ｔrに前記遮断器の投入時間を加味して該遮断器の投入タイミングを決定するように構成することが好ましい。

尚、前記最小タイミング計算手段における前記到達時間Ｔｒの予測については、例えば１次近似関数または２次近似関数を用いて前記合成電圧ベクトルＶｒの位相差θｒがゼロとなるタイミングを予測して実行するようにすれば良い。

上述した構成の母線切替制御装置を備えた母線切替システムによれば、前記第２の電源系統の相電圧と前記負荷母線の相電圧との合成電圧ベクトルＶｒの絶対値が最小となるタイミング、換言すれば合成電圧ベクトルＶｒの位相差θｒがゼロとなるタイミングで第２の電源系統の遮断器をオン動作させることができる。従って第１の電源系統の遮断器がオフ動作した後、負荷母線に接続された複数台の電動機の機械的負荷および電気的損失を最小限に抑えるタイミングで母線切替を実行することができる。この結果、複数台の電動機に不本意な機械的負荷および電気的損失を与えることなく、その運転を継続させることが可能となる。

更に本発明に係る母線切替制御装置によれば、第２の電源系統の相電圧と前記負荷母線の相電圧との合成電圧ベクトルＶｒの絶対値を求め、その合成電圧ベクトルＶｒの絶対値が最小となるタイミングに基づいて前記第２の電源系統の遮断器をオン動作させるだけなので、その制御処理を簡便に実現できる。しかも上述した遮断器投入制御を行うだけで、負荷母線に接続された複数台の電動機の機械的負荷および電気的損失を最小限に抑えて第１の電源系統から第２の電源系統への母線切り替えを実行することができる。

本発明の基本的な技術思想を説明するための第２の電源系統の相電圧と負荷母線の相電圧との合成電圧ベクトルを示す図。 本発明の一実施形態に係る母線切替システム１に適用される母線切替制御装置２の概略的な構成を示す図。 ３相電源における相電圧のα-β変換を示す図。 第１の電源系統Ａの遮断器ＣＢａがオフした際の負荷母線Ｍの相電圧の変化を第２の電源系統Ｂの相電圧に対比して示す図。 第２の電源系統Ｂの相電圧と負荷母線Ｍの相電圧との合成電圧ベクトルＶｒの変化を示す図。 第２の電源系統Ｂの相電圧と負荷母線Ｍの相電圧との合成電圧ベクトルＶｒの絶対値の変化と位相差θｒの変化を示す図。 最小タイミング計算手段の構成例を示す図。 遮断器投入制御手段において遮断器の投入指令を発するタイミングを示す図。 合成電圧ベクトルＶｒの第１波が最大値となるときの合成電圧ベクトルＶｒと誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３に生じる各空隙トルクＴｅの様子を示す図。 合成電圧ベクトルＶｒの第１波が最小値となるときの合成電圧ベクトルＶｒと誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３に生じる各空隙トルクＴｅの様子を示す図。 合成電圧ベクトルＶｒの第２波が最大値となるときの合成電圧ベクトルＶｒと誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３に生じる各空隙トルクＴｅの様子を示す図。 合成電圧ベクトルＶｒの第２波が最小値となるときの合成電圧ベクトルＶｒと誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３に生じる各空隙トルクＴｅの様子を示す図。 母線切替システムの概略的な構成例を示す図。

以下、図面を参照して本発明に係る母線切替制御装置について説明する。

母線切替システム１は、基本的には前述した図１３に示す母線切替システム１と同様に構成される。従ってここでは、図１３に示した符号と同じ符号を付して本発明に係る母線切替システム１について説明する。

ここで本発明に係る母線切替システム１において特徴的な役割を果たす切替制御器（母線切替制御装置）２は、第１の電源系統Ａの遮断器ＣＢaのオフ動作時に、第２の電源系統Ｂの相電圧Ｖｓと負荷母線Ｍの相電圧Ｖｍとの合成電圧ベクトルＶｒを図１に示すように求め、特にこの合成電圧ベクトルＶｒの絶対値が時間経過に伴って変化することに着目して母線切り替えを実行することを特徴としている。具体的には切替制御器２は、合成電圧ベクトルＶｒの絶対値が最小となるタイミングを求め、このタイミングで第２の電源系統Ｂの遮断器ＣＢbをオン動作させることを特徴としている。

図２は本発明の一実施形態を示すもので、母線切替制御装置（以下、切替制御器と称す）２の概略的な構成を示している。この切替制御器２による母線切替制御は、例えばコンピュータ・プログラム（以下、「ソフトウェア」という。）での処理手順として実現され、第１の電源系統Ａの遮断器ＣＢaのオフ動作を検出することで開始される。

この切替制御器２を構成するソフトウェアは、概略的には図２に示すように合成ベクトル計算手段３、最小タイミング計算手段４、および遮断器投入制御手段５からなる３段階の処理手順として実現される。合成ベクトル計算手段３は、電源周波数ｆよりも十分に高いサンプリング周波数ｆｓで第２の電源系統Ｂの相電圧と負荷母線Ｍの相電圧との合成電圧ベクトルＶｒの絶対値を逐次計算する演算手段からなる。また最小タイミング計算手段４は、合成ベクトル計算手段３により逐次求められる合成電圧ベクトルＶｒの絶対値の系列から、その絶対値が最小となるタイミングを求める予測演算手段からなる。そして遮断器投入制御手段５は。最小タイミング計算手段４にて求められた合成電圧ベクトルＶｒの絶対値が最小となるタイミングで第２の電源系統Ｂの遮断器ＣＢbをオン動作させる制御手段からなる。

ちなみに合成ベクトル計算手段３は、図３に示すように先ず第２の電源系統Ａの相電圧および負荷母線Ｍの相電圧を、例えばα-β変換または３相-２相変換により座標変換し、これによって第２の電源系統Ａおよび負荷母線Ｍの各相電圧のα相成分Ｖαとβ相成分Ｖβとをそれぞれ求める第１の計算手段３ａを備える。

具体的には第１の計算手段３ａは、第２の電源系統Ｂおよび負荷母線Ｍの各相の相電圧Ｖａ,Ｖｂ,Ｖｃが、電源周波数ｆでの角速度ωを
ω ＝ ２πf
として
Ｖａ ＝（√２／√３）sinωt
Ｖｂ ＝（√２／√３）sin(ωt−１２０°)
Ｖｃ ＝（√２／√３）sin(ωt＋１２０°)
として与えられるとき

として、α-β変換した第２の電源系統Ｂおよび負荷母線Ｍの各電圧のα成分Ｖαとβ相成分Ｖβとをそれぞれ計算するように構成される。このα-β変換による３相電圧のα成分Ｖαおよびβ相成分Ｖβの計算手法については、従来より良く知られる通りである。

また合成ベクトル計算手段３は、第１の計算手段３ａにて求められた第２の電源系統Ａおよび負荷母線Ｍの各相電圧のα相成分Ｖαとβ相成分Ｖβとから第２の電源系統Ｂの電圧絶対値Ｖｓと電圧位相θｓ、並びに負荷母線Ｍの電圧絶対値Ｖｍと電圧位相θｍとをそれぞれ求める第２の計算手段３ｂを備える。

この第２の計算手段３ｂは、
Ｖ ＝ （Ｖα^２＋Ｖβ^２）^１／２
θ ＝ tan^-１（Ｖβ／Ｖα）
なる演算式に基づいて第２の電源系統Ｂのα相成分Ｖαとβ相成分Ｖβとから該予備電源Ｂの電圧絶対値Ｖｓと電圧位相θｓを計算すると共に、負荷母線Ｍのα相成分Ｖαとβ相成分Ｖβとから該負荷母線Ｍの電圧絶対値Ｖｍと電圧位相θｍをそれぞれ算出する役割を担う。

また合成ベクトル計算手段３は、第２の計算手段３ｂにて求められた第２の電源系統Ａおよび負荷母線Ｍの電圧絶対値Ｖｓ,Ｖｍと電圧位相θｓ,θｍとから第２の電源系統Ｂおよび負荷母線Ｍの実数成分Ｖss,Ｖsmと虚数成分Ｖcs,Ｖcmとをそれぞれ求める第３の計算手段３ｃを備える。

具体的には第３の計算手段３ｃは、第２の計算手段３ｂにて求められた第２の電源系統Ａの電圧絶対値Ｖｓと電圧位相θｓとに基づいて該第２の電源系統Ｂの相電圧の実数成分Ｖssと虚数成分Ｖcsとを
Ｖss ＝ Ｖs・sin（θs）
Ｖcs ＝ Ｖs・cos（θs）
として求める。更に第３の計算手段３ｃは、上述した第２の電源系統Ｂの相電圧の実数成分Ｖssと虚数成分Ｖcsに併せて、負荷母線Ｍの電圧絶対値Ｖｍと電圧位相θｍとに基づいて負荷母線Ｍの相電圧の実数成分Ｖsmと虚数成分Ｖcmとを
Ｖsm ＝ Ｖｍ・sin（θm）
Ｖcm ＝ Ｖｍ・cos（θm）
として求める。

更に合成ベクトル計算手段３は、第３の計算手段３ｃにて求められた第２の電源系統Ｂおよび負荷母線Ｍの実数成分Ｖss,Ｖsmと虚数成分Ｖcs,Ｖcmとから第２の電源系統Ｂの相電圧と負荷母線Ｍの相電圧との合成電圧ベクトルＶｒの絶対値（両相電圧の差ベクトルの絶対値）を求める第４の計算手段３ｄを備える。ちなみに第４の計算手段３ｄは、例えば
|Ｖｒ| ＝｛(Ｖcs−Ｖcm)^２＋(Ｖss−Ｖsm)^２｝^１／２
として合成電圧ベクトルＶｒの絶対値を算出するように構成される。

ここで上述した合成電圧ベクトルＶｒの絶対値に基づく切替制御器２の処理機能について更に説明する。第１の電源系統Ａの遮断器ＣＢａがオフすると、負荷母線Ｍに対する第１の電源系統Ａからの電源供給が途絶える。すると負荷母線Ｍには誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３等の負荷が接続されていることから、該負荷母線Ｍの相電圧は図４において実線Ｐで示すように徐々に減衰し、またその相電圧の位相変化も次第に緩くなる。これに対して第２の電源系統Ｂの相電圧は、第２の電源系統Ｂが正常であるので図４において点線Ｑで示すように一定に保たれる。

従って第２の電源系統Ｂおよび負荷母線Ｍの相電圧とその電圧位相に時間的なずれが生じる。そして第２の電源系統Ｂの相電圧と負荷母線Ｍの相電圧との合成電圧ベクトルＶｒは、図５にそのベクトル変化の軌跡を示すように、第１の電源系統Ａの遮断器ＣＢａがオフした時点からスパイラル状の軌跡を描いて変化する。

換言すれは第２の電源系統Ｂの相電圧と負荷母線Ｍの相電圧との合成電圧ベクトルＶｒの絶対値は、例えば図６(ａ)に示すように第１の電源系統Ａの遮断器ＣＢａのオフ動作時からの時間経過に伴って変化する。また同時に第２の電源系統Ｂの相電圧と母線系統Ｍの相電圧との位相差θｒは図６(ｂ)に示すように変化する。

尚、第２の電源系統Ｂの相電圧と母線系統Ｍの相電圧との位相差θｒについて簡単に説明すると、第２の電源系統Ｂの電圧位相は
sin(θs−θm) ＝ sinθs×cosθm−cosθs×sinθm
として示され、また負荷母線Ｍの電圧位相は、
cos(θs−θm) ＝ cosθs×cosθm−sinθs×sinθm
として示される。従って合成電圧ベクトルＶｒの位相差θｒは、
θｒ ＝ tan^-１{sin(θs−θm)／cos(θs−θm)}
として計算することができる。

そこで本発明に係る母線切替システムにおいては、前述したように合成電圧ベクトルＶｒの絶対値が最小となるタイミングで母線切替制御を実行するように構成される。等価的には本発明に係る母線切替システムは、第２の電源系統Ｂの相電圧と母線系統Ｍの相電圧との位相差θｒがゼロとなるタイミングで母線切り替えを実行するように構成される。この母線切り替えタイミングは、図５に示す合成電圧ベクトルＶｒの軌跡上において×印として示される。

このような母線切り替えを実行する上で最小タイミング計算手段４は、上述した合成ベクトル計算手段３により求められた合成電圧ベクトルＶｒの絶対値が最小となるタイミングを計算する。即ち、最小タイミング計算手段４は、合成電圧ベクトルＶｒの絶対値が、例えば図６(ａ)に示すように第１の電源系統Ａの遮断器ＣＢａのオフ動作時からの時間経過に伴って変化することから、その変化特性に基づいて合成電圧ベクトルＶｒの絶対値が最小となるタイミングを求めている。或いは最小タイミング計算手段４は、等価的には第２の電源系統Ｂの電圧と母線系統Ｍの電圧との位相差θｒがゼロ（０）となるタイミングを、合成電圧ベクトルＶｒの絶対値が最小となるタイミングとして求めている。

具体的には最小タイミング計算手段４は、例えば図７にその処理手順を示すように、第２の電源系統Ｂの相電圧の位相θｓを検出する＜ステップＳ４ａ＞と共に、負荷母線Ｍの相電圧の位相θｍを検出する＜ステップＳ４ｂ＞。そしてこれらの相電圧の位相θｓ,θｍに基づいて合成電圧ベクトルＶｒの位相差θｒを計算する＜ステップＳ４ｃ＞。その上で合成電圧ベクトルＶｒの位相差θｒの変化に基づいて、その位相差θｒがゼロ（０）となるまでの時間（揃速時間）を近似式を用いた予測演算により算出する＜ステップＳ４ｄ＞。

尚、上述したタイミングの算出は、第２の電源系統Ｂおよび負荷母線Ｍの相電圧の検出が、その電源周波数ｆよりも十分に高いサンプリング周波数ｆsの下で実行されることから、例えば第２の電源系統Ｂおよび負荷母線Ｍの相電圧から所定のサンプリング周期毎に求められる合成電圧ベクトルＶｒの変化を一次近似処理または二次近似処理し、その変化を予測（推定）することにより行われる。そしてこの予測演算により、第１の電源系統Ａの遮断器ＣＢａがオフしたタイミングを基準として合成電圧ベクトルＶｒの位相差θrがゼロとなるタイミングまでの到達時間Ｔrが予測される。

そして遮断器投入制御手段５においては、上述した如く求められた合成電圧ベクトルＶｒの絶対値が最小となるタイミングにおいて遮断器ＣＢｂをオン動作させるための投入指令を発する。この投入指令は、例えば図８に示すように遮断器ＣＢｂの動作応答時間ｔcb、並びに該遮断器投入制御手段５における演算処理時間ｔryを見込んだタイミングで遮断器投入制御手段５から発せられる。換言すれば遮断器投入制御手段５は、遮断器ＣＢｂをオン動作させるタイミングから遮断器ＣＢｂの動作応答時間ｔcbと遮断器投入制御手段５における演算処理時間ｔryを遡ったタイミングｔdryで投入指令を発生する。

この結果、第１の電源系統Ａの遮断器ＣＢａがオフした後、第２の電源系統Ｂの電圧位相と負荷母線Ｍの電圧位相とが等しくなったタイミング、即ち、合成電圧ベクトルＶｒの絶対値の差が最小となり、その位相差がゼロ（０）となるタイミングで第２の電源系統Ｂの遮断器ＣＢｂがオンにされる。従ってこの遮断器ＣＢｂがオンとなったタイミングにおいて第２の電源系統Ｂかせ供給される電力の相電圧の位相が、負荷母線Ｍの相電圧の位相と等しくなる。これ故、負荷母線Ｍに接続された複数台の誘導電動器ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３に機械的な負荷を加えることがなく、また電気的な損失を招来することなく誘導電動器ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３に対する電力供給を継続させることが可能となる。しかも特許文献１,２等に示されるような誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３の寿命等を考慮することなく母線切替を安定に実行することができる。

また本発明によれば、第２の電源系統の相電圧と前記負荷母線の相電圧との合成電圧ベクトルＶｒの絶対値が最小となるタイミングを求め、このタイミングで第２の電源系統Ｂの遮断器ＣＢｂをオン動作させるだけである。従って簡易に、しかも信頼性良く母線切替を実行することができ、その制御も簡単である等の効果が奏せられる。

次に上述した如く第１の電源系統Ａと第２の電源系統Ｂとに対する母線切替を行う母線切替システム１についての検証例について説明する。この母線切替システム１は、図１３に示したシステム構成を有し、負荷母線Ｍに３台の誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３を接続したモデルとして構築される。そしてこの検証は、第１の電源系統Ａにおいて残留電圧１００％の系統事故が発生し、これに伴って遮断器ＣＢａがオフ動作した際の遮断器ＣＢｂに対する投入指令を発生する過程をシミュレーションしたものである。尚、誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３には任意の容量を与え、その負荷率がそれぞれ１００％であるものとした。

このような条件下において第１の電源系統Ａの遮断器ＣＢａがオフした後の合成電圧ベクトルＶｒを求め、図６に示すように合成電圧ベクトルＶｒの変化に伴う第１波の最大値Ｖｒmax１と最小値Ｖｒmin１とそれぞれを計算した。また同様に合成電圧ベクトルＶｒの第２波の最大値Ｖｒmax２と最小値Ｖｒmin２とをそれぞれ計算した。

その上で合成電圧ベクトルＶｒの第１波が最大値Ｖｒmax1となるタイミング（ケース１）、および合成電圧ベクトルＶｒの第１波が最小値Ｖｒmin1となるタイミング（ケース２）において第２の電源系統Ｂの遮断器ＣＢｂをオンさせた際の誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３の空隙トルクＴｅを求めた。更に合成電圧ベクトルＶｒの第２波が最大値Ｖｒmax２となるタイミング（ケース３）、および合成電圧ベクトルＶｒの第２波が最小値Ｖｒmin２となるタイミング（ケース４）において第２の電源系統Ｂの遮断器ＣＢｂをオンさせた際の誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３の空隙トルクＴｅを求めた。次表１は、上述した各ケース１,２,３,４における計算結果を示している。

そして図９(ａ)(ｂ)は、合成電圧ベクトルＶｒの第１波が最大値（１.７２pu）となるときの合成電圧ベクトルＶｒと誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３に生じる各空隙トルクＴｅの様子を示している。また図１０(ａ)(ｂ)は、合成電圧ベクトルＶｒの第１波が最小値（０.３５pu）となるときの合成電圧ベクトルＶｒと誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３に生じる各空隙トルクＴｅの様子を示している。

更に図１１(ａ)(ｂ)は、合成電圧ベクトルＶｒの第２波が最大値（１.５９pu）となるときの合成電圧ベクトルＶｒと誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３に生じる各空隙トルクＴｅの様子を示している。そして図１２(ａ)(ｂ)は、合成電圧ベクトルＶｒの第２波が最小値（０.４５pu）となるときの合成電圧ベクトルＶｒと誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３に生じる各空隙トルクＴｅの様子を示している。

これらのシミュレーション結果に示されるように、特に図１０(ａ)(ｂ)および図１２(ａ)(ｂ)それぞれ示されるように合成電圧ベクトルＶｒの絶対値が最小となるタイミングで第２の電源系統Ｂの遮断器ＣＢｂをオンさせることで誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３に生じる各空隙トルクＴｅが負（マイナス）となることを極力防ぐことができる。従って上述した母線切替制御によれば誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３に機械的な負荷を加えることなく、また電気的な損失を招くことなる母線切替を実行することが可能であることが示される。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここでは第１の電源系統Ａの遮断器ＣＢａがオフした際の第２の電源系統Ｂの遮断器ＣＢｂをオン動作させる際の制御動作について説明したが、遮断器ＣＢｂがオフした際に遮断器ＣＢａをオンさせる場合にも本発明を同様に適用可能なことは言うまでもない。またここでは負荷母線Ｍに３台の誘導電動機ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３を接続した電源設備を例に説明したが、負荷母線Ｍに接続する誘導電動機ＩＭの数は特定されないことも言うまでもない。

更に第２の電源系統Ｂの相電圧と負荷母線Ｍの相電圧との合成電圧ベクトルＶｒの絶対値の計算手法についても、従来より種々提唱されている手法を適宜採用可能である。また合成電圧ベクトルＶｒの第３波が最小となるとき遮断器ＣＢｂをオンさせることも可能である。但し、この場合には遮断器ＣＢａのオフ時から遮断器ＣＢｂをオンさせるまでの所要時間が長くなることが否めない。従って、好ましくは合成電圧ベクトルＶｒの絶対値の第１波の変化の様子からその変化特性を求め、この変化特性に基づいて合成電圧ベクトルの絶対値の第２波が最小となるタイミングを求めて母線切替制御を実行することが望ましいと言える。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ 母線切替システム
２ 切替制御器（母線切替制御装置）
３ 合成ベクトル計算手段
３ａ 第１の計算手段
３ｂ 第２の計算手段
３ｃ 第３の計算手段
３ｄ 第４の計算手段
４ 最小タイミング計算手段
５ 遮断器投入制御手段
Ａ 第１の電源系統
Ｂ 第２の電源系統
Ｍ 負荷母線
ＣＢa,ＣＢb 遮断器
ＩＭ１,ＩＭ２,ＩＭ３ 誘導電動機

Claims (9)

1. 第１の電源系統および第２の電源系統のそれぞれに遮断器を介して接続された負荷母線と、この負荷母線に接続された誘導電動機とを備えた母線切替システムに設けられ、前記第１の電源系統の遮断器のオフ動作時に前記第２の電源系統の遮断器をオン動作させる母線切替制御装置であって、
   前記第１の電源系統の遮断器のオフ動作時における前記第２の電源系統の相電圧と前記負荷母線の相電圧との合成電圧ベクトルの絶対値を計算する合成ベクトル計算手段と、
   この合成ベクトル計算手段にて求められる合成電圧ベクトルの絶対値が最小となるタイミングを計算する最小タイミング計算手段と、
   この最小タイミング計算手段にて求められた合成電圧ベクトルの絶対値が最小となるタイミングにて前記第２の電源系統の遮断器をオン動作させる遮断器投入制御手段と
   を具備したことを特徴とする母線切替制御装置。
2. 前記合成ベクトル計算手段は、前記第２の電源系統の３相電圧および前記負荷母線の３相の相電圧をα-β変換または３相-２相変換により座標変換して前記第２の電源系統および前記負荷母線の電圧のα相成分Ｖαとβ相成分Ｖβとをそれぞれ求める第１の計算手段と、
   これらのα相成分Ｖαとβ相成分Ｖβとから前記第２の電源系統の電圧絶対値Ｖｓと電圧位相θｓ、並びに前記負荷母線の電圧絶対値Ｖｍと電圧位相θｍとをそれぞれ求める第２の計算手段と、
   これらの電圧絶対値Ｖｓ,Ｖｍと電圧位相θｓ,θｍとから前記第２の電源系統および前記負荷母線の実数成分Ｖss,Ｖsmと虚数成分Ｖcs,Ｖcmとをそれぞれ求める第３の計算手段と、
   これらの実数成分Ｖss,Ｖsmと虚数成分Ｖcs,Ｖcmとから前記第２の電源系統の相電圧と前記負荷母線の相電圧との合成電圧ベクトルＶｒの絶対値を求める第４の計算手段と
   を含む請求項１に記載の母線切替制御装置。
3. 第１の計算手段は、前記第２の電源系統および前記負荷母線の各３相の相電圧Ｖa,Ｖb,Ｖcが、電源周波数ｆでの角速度ωを
   ω ＝ ２πf
   として
   Ｖａ ＝（√２／√３）sinωt
   Ｖｂ ＝（√２／√３）sin(ωt−１２０)
   Ｖｃ ＝（√２／√３）sin(ωt＋１２０)
   として与えられるとき
   

   

   として前記第２の電源系統および前記負荷母線の各電圧のα成分Ｖαとβ相成分Ｖβとをそれぞれ計算するものである請求項２に記載の母線切替制御装置。
4. 前記第２の計算手段は、前記第１の計算手段によりそれぞれ求められた前記第２の電源系統および前記負荷母線の各電圧のα相成分Ｖαとβ相成分Ｖβとから、
   Ｖ ＝ （Ｖα^２＋Ｖβ^２）^１／２
   θ ＝ tan^―１（Ｖβ／Ｖα）
   なる演算式に基づいて前記第２の電源系統の電圧絶対値Ｖs,Ｖmおよび前記負荷母線の電圧位相θs,θmをそれぞれ算出するものである請求項２に記載の母線切替制御装置。
5. 前記第３の計算手段は、前記第２の計算手段により求められた前記第２の電源系統の前記第２の電源系統の電圧絶対値Ｖsと電圧位相θsとに基づいて前記第２の電源系統の電圧の実数成分Ｖssと虚数成分Ｖcsとを
   Ｖss ＝ Ｖs・sin（θs）
   Ｖcs ＝ Ｖs・cos（θs）
   として求めると共に、前記負荷母線の電圧絶対値Ｖmと電圧位相θmとに基づいて前記負荷母線の電圧の実数成分Ｖsmと虚数成分Ｖcmとを
   Ｖsm ＝ Ｖｍ・sin（θm）
   Ｖcm ＝ Ｖｍ・cos（θm）
   として求め、
   前記第４の計算手段は、前記第２の電源系統の相電圧と前記負荷母線の相電圧との合成電圧ベクトルＶｒの絶対値を
   |Ｖｒ| ＝｛(Ｖcs−Ｖcm)^２＋(Ｖss−Ｖsm)^２｝^１／２
   として算出するものである請求項２に記載の母線切替制御装置。
6. 前記第４の計算手段は、前記第２の電源系統の電圧位相sin(θs−θm)および前記負荷母線の電圧位相cos(θs−θm)を
   sin(θs−θm) ＝ sinθs×cosθm−cosθs×sinθm
   cos(θs−θm) ＝ cosθs×cosθm−sinθs×sinθm
   としてそれぞれ求め、これらの電圧位相sin(θs−θm),cos(θs−θm)から前記合成電圧ベクトルＶｒの位相差θｒを
   θｒ ＝ tan^-１{sin(θs−θm)／cos(θs−θm)}
   として算出するものである請求項２に記載の母線切替制御装置。
7. 前記最小タイミング計算手段は、前記合成電圧ベクトルＶｒの位相差θrがゼロとなるタイミングを前記合成電圧ベクトルＶｒの絶対値が最小となるタイミングとして求めるものである請求項６に記載の母線切替制御装置。
8. 前記最小タイミング計算手段は、前記合成電圧ベクトルＶｒの過去の位相差θrと現在の位相差θrとから、近似関数を用いて該位相差θrがゼロとなるタイミングまでの到達時間Ｔrを予測するものであって、
   前記遮断器投入制御手段は、前記最小タイミング計算手段が予測した到達時間Ｔｒに前記遮断器の投入時間を加味して該遮断器の投入タイミングを決定するものである請求項６に記載の母線切替制御装置。
9. 前記最小タイミング計算手段における前記到達時間Ｔｒの予測は、１次近似関数または２次近似関数を用いて前記合成電圧ベクトルＶｒの位相差θrがゼロとなるタイミングを予測して実行するものである請求項８に記載の母線切替制御装置。

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