JP7009657B2

JP7009657B2 - 電力相損失の検知及び補償

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Publication number: JP7009657B2
Application number: JP2020564672A
Authority: JP
Inventors: タミール，オレン
Original assignee: フェイザーエルティディー
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2039-07-03
Also published as: JP2021515531A; WO2020008462A1; EP3776804A1; IL278256A; EP3776804B1; IL278256B; ES2924632T3; PL3776804T3; EP3776804A4

Description

本発明は、電力系統運転に関し、特には、三相電源に関する。

三相電源は、住居用又はビジネス用の顧客の場に、ほとんど又は全ての装置が三相のうちの一つの相のみを必要とする場合であっても、しばしば供給される。一つの相の不具合があった場合、三相装置は、普通は、その装置への全ての電力を遮断する三相リレーによって保護される。しかしながら、単相装置は、それらが、駆動している相に接続された場合、駆動し続けることができる。消費者が他の相から電力を受け取り続けても、損失した相に接続する装置は動作不能となる。損失した相は、不便さと経済的な損失をもたらす。

本発明は、三相電源の内の任意の相に、他の相のうちの一つ又は二つの相が損失した場合に、予備電力を供給することを可能とするシステム及び方法を供給する。

本発明の実施形態において、三相電源の各相の電流及び電圧レベルを計測する検知ユニット、３つの第１リレーと３つの予備リレーを有する切換ユニット、及び検知ユニットの計測結果を受け取り、計測結果から損失した相及び２つの残りの相のうちの負荷の少ない相を判定し、それに応じて切換ユニットを駆動して損失した相を切り離し負荷の少ない相を接続して、損失した相の替わりに予備電力を供給するように構成されたマイクロコントローラーを備えているシステムを供給する。

本発明は、三相電源の相の損失を検知して補償する相補償回路を供給し、相補償回路は、
前記三相電源の各相の電流及び電圧レベルを計測するように構成されたセンサーを含む、検知ユニットと、
３つの第１リレーと３つの予備リレーとを含む切換ユニットであって、各第１リレーは、通常時は閉じられて前記三相電源のそれぞれの相をそれぞれの相出力負荷ラインと接続させ、各予備リレーは、通常時は開いており、閉じられると、２つの出力負荷ラインを接続させる切換ユニットと、
前記検知ユニットから計測結果を受け取り、前記計測結果から損失した相及び予備相を判定し、それに応じて前記切換ユニットを駆動して前記損失した相をその出力負荷ラインから切り離し、前記予備相を前記損失した相の出力負荷ラインに接続して、前記損失した相の替わりに予備電力を供給する、マイクロコントローラーと、を備える。

本発明のいくつかの実施形態によれば、前記マイクロコントローラーは、第１リレーを開くことによって前記切換ユニットを駆動して前記損失した相を負荷から切り離し、予備リレーを閉じることによって前記残りの相を前記負荷に接続するように構成されている。

本発明のいくつかの実施形態によれば、直流（ＤＣ）電力ユニットは、前記三相電源を直流（ＤＣ）電力に変換して、電力を前記マイクロコントローラーに供給するように構成されている。

前記相補償回路において、前記予備相の決定は、２つの残りの相のそれぞれによって供給される電流を比較して、前記予備相を、負荷の少ない方の相として選択することを含む。

前記相補償回路において、前記予備相の決定は、残りの相の電流を予め設定された電流レベルと比較して、前記残りの相の前記電流が前記予め設定された電流レベルよりも小さい場合のみ、前記残りの相を前記予備相として選択することを含む。

前記相補償回路において、前記予備相の決定は、２つの残りの相のそれぞれによって供給される実際の電力を比較して、前記予備相を前記負荷の少ない方の相として選択することを含む。

前記相補償回路において、前記予備相の決定は、残りの相の実際の電力を、予め設定された実際の電力レベルと比較して、前記残りの相の前記実際の電力が前記予め設定された実際の電力レベルよりも小さい場合のみ、前記残りの相を前記予備相として選択することを含む。

前記相補償回路において、前記マイクロコントローラーは、さらに、前記フロントパネルから前記予め設定されたレベルを受け取るように構成されている。

前記相補償回路において、前記マイクロコントローラーは、さらに、前記フロントパネルに、視覚的な及び／又は音声のユーザーアラートを、前記損失した相の表示として供給するように構成されている。

前記相補償回路において、前記マイクロコントローラーは、さらに、前記フロントパネルに、前記予備相の前記代替、電力消費及び前記電力消費と予め設定された最大／安全レベルとの差の一つ以上を供給するように構成されている。

三相電源の相の損失を検知して補償する方法であって、
前記三相電源の各相の電流及び電圧レベルを計測するように構成された検知ユニットを供給し、
３つの第１リレーと３つの予備リレーとを含む切換ユニット（３２）を供給し、各第１リレーは、通常時は閉じられて前記三相電源のそれぞれの相を出力負荷ラインと接続させ、各予備リレーは、通常時は開いて、閉じられると、２つの出力負荷ライン間の接続を形成し、
前記検知ユニットから計測結果を受け取り、前記計測結果から損失した相及び残りの相を判定し、それに応じて前記切換ユニットを駆動して前記損失した相を切り離し、前記残りの相を接続して、前記損失した相の替わりに予備電力を供給する、マイクロコントローラー（３４）を供給する。

様々な実施形態の以下の詳細な記載において、その一部を形成し、発明が実行される例示された特定の実施形態によって示される、以下の図面を参照する。
図１は、本発明の実施形態に係る、相補償回路を含む三相電源システムの模式図である。図２は、本発明の実施形態に係る、相補償回路の検知ユニットの模式図である。図３は、本発明の実施形態に係る、相補償回路の切換ユニットの模式図である。図４は、本発明の実施形態に係る、相補償回路の直流（ＤＣ）電源ユニットの模式図である。図５Ａは、本発明の実施形態に係る、直流（ＤＣ）電源ユニットの出力の電力波形のグラフである。図５Ｂは、本発明の実施形態に係る、直流（ＤＣ）電源ユニットの出力の電力波形のグラフである。図６は、本発明の実施形態に係る、相補償回路を含む他の三相電源システムの模式図である。図７は、本発明の実施形態に係る、相補償回路を含む他の三相電源システムの模式図である。

様々な実施形態の以下の詳細な説明において、他の実施形態が適用され、構造的な変化が、本発明の範囲から逸脱することなくなされることが理解される。

図１は、本発明の実施形態に係る、三相電源の相の損失を検知して補償する相補償回路２２を含む三相電源システム２０の模式図である。相補償は、一般には、図に示されるように、中性線を含む四線式構成によって、入力として、三相入力電力２４を受け取る。三相電力入力の相は、一般に、それぞれ、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相とされる。三相電力入力は、一般には、現場の発電機又は電力系統の発電機などの電動発電機によって供給される。

本発明の実施形態において、相補償回路２２は、複数の負荷２６に単相電力を供給する。すなわち、各個々の負荷２６は、Ｒ´、Ｓ´、Ｔ´とそれぞれ付されている出力相の一つによって駆動される。全ての負荷は、共通の中性線に接続されている。入力相（Ｒ、Ｓ又はＴ）の一つ又は二つが損失した場合、相補償回路２２は、予備の相を、損失した相の替わりに駆動するように切り換える。

相補償回路２２は、検知ユニット３０、切換ユニット３２及びマイクロコントローラー３４を備える。直流（ＤＣ）電源ユニット３６は、ＤＣ電力（Ｖ_ＤＣとして示される）をマクロコントローラに供給する。ディスプレイ、キーボード及び／又はスピーカーを含む、フロントパネル３８のようなユーザーインターフェースは、ユーザーに、状況の表示を供給し、同様に、さらに以下に示されるように、マイクロコントローラー３４の駆動構成を変更する手段を供給する。フロントパネルは、また、遠隔接続を供給し、離れたユーザーと相補償回路２２とを相互作用させる。

検知ユニット３０は、図２を参照して以下に詳細に記載されるように、相補償回路２２の入力時に、各入力相の電流及び電圧レベルを計測し、それらのレベルを示す信号をマイクロコントローラー２４に供給する。ネットワーク上のどこかの相で、例えば、電力サージによって、一つの相の損失があると、電圧降下が検知ユニット３０で検知され、次に、その電圧レベルがマイクロコントローラー３４に供給される。マイクロコントローラー３４は、相が損失したことを判定し、切換ユニット３２を駆動して不良の（損失した）相との連結を解除する。同時に、マイクロコントローラー３４は、残った二つの駆動している相の一つを選択し、不良の相に接続されている負荷２６に予備の電力を供給する。マイクロコントローラー３４は、残りの二つの相（すなわち、まだ電力を供給している相）の電流レベルを比較し、負荷の少ない方の相を選択することで、予備の相としてどの相を選択するかを判定する。あるいは、判定は、ランダムであってもよく、又は、電圧と電流の積としての、実際の電力の計算に基づいてもよい。

予備の電力を供給する相の選択後、マイクロコントローラー３４は、切換ユニット３２を駆動し、損失した相の代替として選択された予備の相を接続する。マイクロコントローラーは、また、選択された予備の相の電流及び／又は電力使用を、予め設定された安全なレベルと比較して、予め設定されたレベルを超えていない場合のみ、選択された相を予備として接続してもよい。相に対する予め設定された安全レベルは、フロントパネル３８を用いてユーザーによって設定されてもよい。

相の損失が判定されると、マイクロコントローラー３４は、フロントパネル３８に、視覚的及び／又は音声でユーザーアラートを供給してもよい。加えて、マイクロコントローラー３４は、選択された予備相が損失した相の代替であることを視覚的に表示し、さらに、電力消費量や電力消費量と予め設定された安全レベルとの差のような付加的な状況情報を供給してもよい。

マイクロコントローラー３４は、内部又は外部メモリー及び切換ユニットを駆動するデジタル出力を含む任意の処理システムである。一般に、マイクロコントローラーは、また、検知ユニット３０の信号を受信するアナログ－デジタル（Ａ／Ｄ）入力を含む。代表的なマイクロコントローラーは、Ａｔｍｅｌ（登録商標）のＡＴｍｅｇａ３２８Ｐ－ＡＵである。

図２は、本発明の実施形態に係る、検知ユニット３０の詳細を示す模式図である。検知ユニット３０は、３つの電流センサー５０を有し、それぞれは、三相入力電力の一つの入力相の電流を計測するように構成されている。検知ユニット３０は、また、３つの電圧センサー６０を含み、それぞれは、三相入力電力の一つの入力相の電圧を計測するように構成されている。一つの実施形態において、電流及び電圧センサーは、アナログ信号を、Ａ０～Ａ５で示される、マイクロコントローラー３４のアナログ－デジタル（Ａ／Ｄ）入力に供給する。代表的な電流センサーは、ＮｕｖｏｔｅｍＴａｌｅｍａ変流器である。代表的な電圧センサーは、ＮａｎｊｉｎｇＺｅｍｉｎｇＥｌｅｃｔｏｒｎｉｃｓＣｏ．のＺＭＰＴ１０１ＢＵｌｔｒａ－ｍｉｃｒｏ変圧器である。

あるいは、センサーのいずれか又は両方の形式は、それぞれ電流及び電圧をサンプリングしてマイクロコントローラー３４にデジタル信号を供給するＡ／Ｄコンバーターを含んでもよい。Ｒ、Ｓ及びＴの三相は、検知ユニットから切換ユニット３２に送られる。

図３は、発明の実施形態に係る、切換ユニット３２の詳細を示す模式図である。切換ユニット３２は、３つの第１リレー１０２、１１２及び１２２を備え、それぞれの第１リレーは、通常は閉じられて、三相電源のそれぞれの相を出力負荷ラインに接続している。すなわち、例えば、リレー１０２は、入力ライン１０４に接続し、相Ｒを出力ライン１０６に伝え、リレー１１２は、入力ライン１１４に接続し、相Ｓを出力ライン１１６に伝え、リレー１２２は、入力ライン１２４に接続し、相Ｔを出力ライン１２６に伝える。各第１リレーは、また、それぞれ入力１０８、１１８及び１２８で示される、一つ以上の制御入力を含む。制御入力は、一般には、マイクロコントローラー３４のデジタル出力から受け取られる。各制御入力の第１の機能は、それぞれの相が損失した場合、すなわち、マイクロコントローラーが、所定の相が十分な電圧をもはや供給できなくなったと判定した場合に、対応するリレーを開かせることである。

切換ユニット３２は、また、３つの予備リレー１３２、１４２及び１５２を備え、各予備リレーは通常開いている。予備リレー１３２は、閉じられると、相Ｒの出力ライン１０６を相Ｓの出力ライン１１６に接続する。予備リレー１４２は、閉じられると、相Ｓの出力ライン１１６を相Ｔの出力ライン１２６に接続する。予備リレー１５２は、閉じられると、相Ｔの出力ライン１２６を相Ｒの出力ライン１０６に接続する。

予備の相が、損失した相を補償するために必要とされると、マイクロコントローラー３４は、損失した相の第１リレーを開き、損失した相の出力ラインと選択された予備の相の出力ライン間を接続する予備リレーを閉じる。例えば、相Ｒが損失すると、マイクロコントローラーは、リレー１０２を開いて、出力ライン１０６（Ｒ´）から相Ｒを切り離し、リレー１３２とリレー１４２のいずれかを閉じ、相Ｓと相Ｔのいずれか一つを出力ライン１０６に接続する。上記のように、マイクロコントローラーは、駆動しているどの相が負荷がより少ないかに基づいて、すなわち、駆動している相のどれがより多くの余剰の容量を有しているかに基づいて、駆動している相のどれを、損失した相の出力ラインに接続するかを判定する。

いくつかの実施形態において、リレーは、オムロン株式会社のＧ９ＴＡ－Ｋ１ＡＴＨＧｅｎｅｒａｌＰｕｒｐｏｓｅＲｅｌａｙのような、ラッチングリレーであってもよい。そのようなリレーは、一般に、特別な制御ラインが、各リレー（図示されず）に供給されて、駆動開始時に、リレーを既知の状態にリセットすることを必要とする。

図４は、本発明の実施形態に係る、ＤＣ電力ユニット３６の模式図である。電力ユニット３６は、三相入力電力２４の相と中性線を受け取り、電力を整流して、マイクロコントローラー３４を駆動するために供給されるＤＣ電圧Ｖ_ＤＣを発生する。整流回路は、三相ダイオードブリッジ７０又は回路整流用の他の既知の受動又は能動回路を含む。

図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の実施形態に係る、電力波形のグラフであり、図５Ａは、三相入力相Ｒ、Ｓ及びＴを示し、図５Ｂは、ＤＣ電力ユニット３６によって生成された整流されたＤＣ波形を示す。一つの相が降下すると、その他が補償して整流されたＤＣ波形をマイクロコントローラーに供給する。

図６は、本発明の実施形態に係る、相補償回路を含む別の三相電力システムの模式図である。示されるように、マイクロコントローラー３４は、制御ラインを出力し、切換ユニット３２のリレーを制御する。マイクロコントローラーは、図２を参照して上記されたものよりも多くの入力を受け取るように構成されている。図６に示されるように、マイクロコントローラーは、上記したように電源２０２と、どの相が損失したかを示す相電圧計測器２０４の出力を受け取る。マイクロコントローラーは、また、中性不良検知器２０６の出力を受け取る。中性不良検知器２０６は、切換ユニット３２の全てのリレーを開くべきであるとの判定に適用され、損失した中性線による損傷を防止する。中性線がフローティング状態の中性不良の場合、三相コントローラーは、その相を切る。また、マイクロコントローラーは、相電流計測器２０８の出力を受け取る。予備相の任意の電流が、各相に対して予め設定された値を上回る場合、２つの高電流の相は、第２相が降下した場合、予備として使用されない。

図７は、本発明の実施形態に係る、相補償回路を含む別の三相電源システムの模式図である。示されるように、マイクロコントローラー３４は、制御ラインを出力し、切換ユニット３２のリレーを制御する。マイクロコントローラーは、図２を参照して上記されたものよりも多くの入力を受け取るように構成されている。図７に示されるように、マイクロコントローラーは、上記したように電源２０２と、どの相が損失したかを示す相電圧計測器２０４との出力を受け取る。マイクロコントローラーは、また、中性不良検出器２０６の出力を受け取る。中性不良検出器２０６は、切換ユニット３２に全てのリレーを開くべきであるとの判定に適用され、損失した中性線による損傷を防止する。また、マイクロコントローラーは、相電流計測器２０８の出力を、デジタルアナログコンバータ２１０を介して受け取る。予備の相の任意の電流が、各相に対して予め設定された値を上回る場合、２つの高電流の相は、第２相が降下した場合、予備として使用されない。

本発明のシステムは、例えば、住居、船、航空機など、又は、三相電源を受け取る任意のシステムに一体化されてもよい。本発明のシステムは、電力会社、三相発電機、又は他の三相電源などの任意の三相電源に接続されることがわかる。

三相のうちの一つ又は二つが正常に働かない場合、負荷は、動いている相が供給できるよりも多くの電力を要求することがわかる。そのような場合、三相回路ブレーカーは、通常、過負荷によって電気回路を遮断する。フロントパネルのアラートが、回路ブレーカーが駆動される前に、ユーザーに差し迫った過負荷を通知し、ユーザーは、電気機器を接続解除し、動いている相にユーザーの要求を供給することを可能にする。

相補償回路のマイクロコントローラーは、一つ以上のマイクロプロセッサー、中央処理装置（ＣＰＵ）、コンピューティングシステム、マイクロコントローラー、デジタル信号処理装置、ＦＰＧＡ等を示す処理装置である。データ保存媒体、又はコンピューターで読み取り可能な媒体は、プロセッサーによって読み取られたデータ（例えば、命令）の供給に関与する任意の媒体を参照できる。そのような媒体は、多くの形状をとり、それに限定されないが、非揮発性媒体、揮発性媒体、及び伝送媒体を含む。データを保存するために記載されたフォーマットは、表、関連データベース、オブジェクトベースのモデル及び又は分散したデータベースを含む、他のフォーマットを含んでもよい。加えて、データは、データとアクセスする装置から局所的又は離れて保存されてもよい。ソフトウェアは、プログラム可能なプロセッサー又はコンピューターのようなデータ処理装置によって実行されるために、またはその動作を制御するために、機械が読み取り可能な記憶装置のような情報担体または伝搬信号に具体的に埋め込まれてもよく、または１つのサイトで複数のコンピューター上で実行されるように配置されてもよく、または複数のサイトに分散されてもよい。システム及びプロセスに関係する方法のステップは、再配置可能であり、及び／又は、一つ以上のステップは、ここに記載された、同じ、又は同様の結果を達成するために省略されてもよい。上記記載された実施形態は、例によって示され、本発明は、特別に示されて上記されたものに限定されない。むしろ、本発明の範囲は、前述の記載を読んで当業者が思いつく従来の技術に開示されていない変更及び改造を含む。本発明の教示から逸脱しない変更及び改造は、当業者に明確である。そのような変更及び改造は、本発明と添付された請求項の範囲内である。

Claims

三相電源の相の損失を検知して補償する相補償回路であって、
前記三相電源の各相の電流及び電圧レベルを計測するように構成されたセンサーを含む、検知ユニットと、
３つの第１リレーと３つの予備リレーとを含む切換ユニットであって、各第１リレーは、通常時は閉じられて前記三相電源のそれぞれの相をそれぞれの相出力負荷ラインと接続させ、各予備リレーは、通常時は開いており、閉じられると、２つの出力負荷ラインを接続させる切換ユニットと、
前記検知ユニットから計測結果を受け取り、前記計測結果から損失した相及び予備相を判定し、それに応じて前記切換ユニットを駆動して前記損失した相をその出力負荷ラインから切り離し、前記予備相を前記損失した相の出力負荷ラインに接続して、前記損失した相の替わりに予備電力を供給する、マイクロコントローラーと、を備え、
前記予備相の決定は、２つの残りの相のそれぞれによって供給される電流を比較して、前記予備相を、負荷の少ない方の相として選択することを含む、相補償回路。
前記マイクロコントローラーは、第１リレーを開くことによって前記切換ユニットを駆動して前記損失した相を負荷から切り離し、予備リレーを閉じることによって残りの相を前記負荷に接続するように構成されている、請求項１の相補償回路。
前記三相電源を直流（ＤＣ）電力に変換して、電力を前記マイクロコントローラーに供給するように構成されている直流（ＤＣ）電源ユニットをさらに備える、請求項１の相補償回路。
前記予備相の決定は、残りの相の電流を予め設定された電流レベルと比較して、前記残りの相の前記電流が前記予め設定された電流レベルよりも小さい場合のみ、前記残りの相を前記予備相として選択することを含む、請求項１の相補償回路。
前記マイクロコントローラーは、さらに、フロントパネルから前記予め設定されたレベルを受け取るように構成されている、請求項４の相補償回路。
前記予備相の決定は、２つの残りの相のそれぞれによって供給される実際の電力を比較して、前記予備相を前記負荷の少ない方の相として選択することを含む、請求項１の相補償回路。
前記予備相の決定は、残りの相の実際の電力を、予め設定された実際の電力レベルと比較して、前記残りの相の前記実際の電力が前記予め設定された実際の電力レベルよりも小さい場合のみ、前記残りの相を前記予備相として選択することを含む、請求項１の相補償回路。
前記マイクロコントローラーは、さらに、フロントパネルに、視覚的な及び／又は音声のユーザーアラートを、前記損失した相の表示として供給するように構成されている、請求項１の相補償回路。
前記マイクロコントローラーは、さらに、フロントパネルに、前記予備相の代替、電力消費及び前記電力消費と予め設定された最大／安全レベルとの差の一つ以上を供給するように構成されている、請求項１の相補償回路。
前記マイクロコントローラーが相を切る中性不良を検出した場合、損失した中性線による損傷を防止する中性不良検出器をさらに備える、請求項１の相補償回路。
三相電源の相の損失を検知して補償する方法であって、
前記三相電源の各相の電流及び電圧レベルを計測するように構成された検知ユニットを供給し、
３つの第１リレーと３つの予備リレーとを含む切換ユニット（３２）を供給し、各第１リレーは、通常時は閉じられて前記三相電源のそれぞれの相を出力負荷ラインと接続させ、各予備リレーは、通常時は開いて、閉じられると、２つの出力負荷ライン間の接続を形成し、
前記検知ユニットから計測結果を受け取り、前記計測結果から損失した相及び予備相を判定し、それに応じて前記切換ユニットを駆動して前記損失した相を切り離し、前記予備相を接続して、前記損失した相の替わりに予備電力を供給する、マイクロコントローラー（３４）を供給し、
前記予備相の決定は、２つの残りの相のそれぞれによって供給される電流を比較して、前記予備相を、負荷の少ない方の相として選択することを含む、方法。