JPH01305408A - 無効電力及び高調波電流補償装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の目的） （産業上の利用分野） 本発明は無効電力及び高調波電流等の障害電流の補償装
置に関わり、交流送電線から受電変圧器を介して工場内
交流母線を得、該交流母線を介して、無効電力変動及び
高調波電流等の障害電流の発生の激しい負荷に電力を供
給システムにおいて、効果的な無効電力補償、高調波電
流補償を行うための無効電力及び高調波電流補償装置に
関する。

（従来の技術） 近年、大容量のアーク炉設備が交流電源系統に接続され
運転されるようになった。周知のごとく、アーク炉は炉
中の溶解物の状態により急変動する無効電力を電源側に
発生させ、及び、電極の放電現象の変化に伴って電源側
に複雑に変化する高調波電流を発生させる。これら急変
動する無効電力は電源設描の利用率を低下させ、照明器
具のフリッカの原因になり、また、高調波電流は交流電
源系統の電圧波形を歪ませ、他の機器へ悪影響を与える
。このため、大容量のアーク炉等を設備する時には、そ
の設備に並置して無効電力補償装置及び、高調波電流吸
収用の受動フィルタを設置するなどして、無効電力変動
及び高調波電流対策を施す必要があり、第３図に示す様
な電力供給スシテム（三相交流電源系でおるが、単線結
線図にて表示する）を採用している。

即ち、同図において、１１は負荷のアーク炉設備であり
、炉１１Ｃの中に鉄等の溶解物１１１）が入れられ、そ
れに炉用変圧器１１Ａを介して電力供給を受けた電極１
１Ｂ゛から、放電により電流が流され加熱され溶解され
ている。９は無効電力補償回路でおり、アーク炉１１が
発生する遅れ無効電力に相当する進み無効電力を供給し
、電源系統から負荷を見た時の電源力率がほぼ１になる
ように調整する装置でおる。通常、無効電力補償回路９
は進相コンデンサ９Ｃ及びリアクトル９八とそれに接続
される逆並列接続サイリスタ９Ｂから構成されるが、サ
イリスタ９Ｂの導通角をアーク炉設備１１の発生する無
効電力の大ぎざに関連して調整することによりリアクト
ル９Ａの電流が制御され、進相コンデンサ９Ｃの作用と
相まって、アーク炉設備１１の発生無効電力（遅れ）と
等しい量の進みの無効電力を線９Ｄに発生する。従って
、交流母線８の点では無効電力は無くなり負荷の有効電
力だけが流れるようになる。

７はリアクトルとコンデンサよりなる同調形の受動フィ
ルタであり、アーク炉設備１１及び無効電力補償回路９
の発生する高調波電流のうち、特に有害な高調波成分を
吸収し、交流母線６の方へ有害な高調波電流が流れ出さ
ないようにするフィルタ回路でおる。１は送電線等の電
力供給源でおる。

３は送電線に存在するインピーダンスである。１と３を
含めて送電システム１Ａと称する。５は受電変圧器であ
り、送電システム１への電圧を受けそれを降圧し工場構
内の交流母線６に供給する。

送電システム１八から受電変圧器の方向を見た電源シス
テムを構内電源システム５０と称する。受電変圧器５は
通常、所定のインピーダンスを持つように設計されてい
る。

このように構成された電力供給システムでは、アーク炉
設備１１の発生する無効電力は無効電力補償回路９で補
償され、高調波電流がフィルタ回路７で吸収されること
から、交流母線６及び送電系１Ａにはアーク炉設（帖１
１が消費する有効電力しか流れず、従って電源設備の有
効作用に効果があり、フリッカ低減がはかれ、また高調
波電流に基づく障害を防止できるはずである。ところが
、現実にはこのシステムでは、次のような問題が起きて
いる。即ち、アーク炉設備１１の発生する高調波電流は
、その周波数成分が単一でなく、複雑に変化すること、
また、無効電力補償回路９それ自体もサイリスタ９Ｂの
スイッチ作用で複雑に変化する高調波電流を発生するこ
と、である。さらに言えば、アーク炉の電極短絡等で無
効電力が急峻に変動する場合などでは、サイリスタ９Ｂ
とりアクドル９Ａを基本構成とする無効電力補償回路で
は、サイリスタが自然転流で動作するため間欠的にしか
電流の流れを制御できず、これが原因して無効電力の補
償効果が低下する傾向がでてぎていること、である。

周知のごとく、受動素子であるリアクトル、コンデンサ
からなる同調形の受動フィルタ回路７ではめる特定の周
波数の高調波電流にだけ吸収作用を示すから、複雑に変
化する高調波電流にはこの形式の受動フィルタ回路だけ
ではあまり効果が期待できない。ざらに、自然転流で動
作するサイリスタを用いた無効電力補償回路では、急峻
に変化する無効電力の補償に限界を生じている。事実、
多量の高周波電流゛が交流母線６に流れ電圧波形歪を発
生させ、他の機器に悪影響を与え、また、炉が急峻な無
効電力変動を示した場合などでは、フリッカ低減効果が
低下する傾向が見られていた。

しかし、このシステムは、主回路が比較的簡単になるた
め、コストが割安になる利点がある。

（発明が解決しようとする課題） 以上、第３図に示す構成の従来の電力供給シス・テムで
は、複雑に変化する高調波電流に対して十分に対処でき
ないこと、及び、急峻に変化する無効電力に対して期待
通りの効果が得られないことが分かった。

近年、交流電力系統の電力の品質向上が強く求められて
おり、そのためにも上記問題点を解決し、即ち、低コス
トで、任意の高調波電流に対処でき、急峻に変化する無
効電力においても良好なフリッカ低減が期待できるよう
な効果的な無効電力、高調波電流補償装置の開発が求め
られている。

本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので
、その目的はアーク炉等の負荷の発生する無効電力及び
高調波電流の補償を行う装置において、高調波電流の補
償を能動的に行う高調波電流補償回路を設け、複雑に変
動しながら発生する高調波電流に対し及び急峻な無効電
力変動に対しても十分な補償を可能とした無効電力及び
高調波電流補償装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の概要を第１図により説明する。即ち、第１図の
電源供給システムにおいて、受電変圧器５の２次側に接
続されて能動的に作用する高調波電流補償回路１００と
、受電変圧器の２次側に配置された受動形のフィルタ回
路７と無効電力補償回路９と、受電変圧器５と高調波電
流補償回路１００を結ぶ交流母線５Ａと受動フィルタ回
路７と無効電力補償回路９を結ぶ交流母線８との間に直
列挿入された交流リアクトル１２とを僅え、これら高調
波電流補償回路１００と交流リアクトル１２と受動フィ
ルタ回路７と無効電力補償回路９をあわせて無効電力及
び高調波電流補償装置２００により、複雑に変化しなが
ら発生する高調波電流及び急峻に変動する無効電力に対
して効率の良い補償を行う。

（作　用） 以上の無効電力及び高調波電流補償装置の作用を説明す
る。

まず、無効電力の補償については、アーク炉設備１１の
発生する無効電力変動の内、その量が大部分でおる変動
がゆるやかな無効電力成分についいては無効電力補償回
路９が効率よく補償作用を行う。一方、量的には僅かで
あるが変動が急峻な無効電力についてはサイリスタ９Ｂ
とりアクドル９Ａを基本構成とする無効電力補償回路９
は応動できず、その結果、変動が急峻な無効電力変動成
分はそのまま交流母線５Ｃの方へ流れ出す。

次に、高調波電流の補償については、アーク炉設価１１
の発生する複雑に変化する高調波成分及び無効電力補償
回路９がその動作上発生する高調波成分の内、高調波の
周波数が固定していて含有成分が多いものについては同
調形の受動フィルタ回路７がそれらを吸収するように設
計されており、この受動フィルタ回路７で効率の良い高
調波吸収が行われる。一方、量的にはさほど多くないが
その周波数が複雑に変化し受動フィルタ回路７では原理
的に吸収できな高調波成分はそのまま交流母線５Ｃの方
へ流れ出す。

受電変圧器５の２次側と交流リアクトル１２を結ぶ交流
母線に設置された能動的に作用する高調波電流補償回路
１００では、無効電力補償回路９で補償しきれなかった
急峻に変化する無効電力変動成分及び受動フィルタ回路
７で補償しぎれなかった複雑に変化する高調波成分を障
害電流として電流検出器１０１で検出し、これを基に出
力線１０５に補償電流を発生し交流母線５八に注入する
。ここで、能動的に作用する高調波電流補償回路は原理
的にその応動速度が速く、急峻変化する無効電力の補償
も十分可能であり、また、複雑変化する高調波電流に対
しても高調波吸収効果を発揮する回路である。従って、
交流母線５Ｃを介して流れてくる障害電流は高調波電流
補償回路１００の発生する補償電流で打ち消されてしま
い、その結果交流母線５Ａ及び電流が受電変圧器５の１
次側に変換されて流れる交流母線４には障害電流が流れ
なくなり、アーク炉の発生する有効電力成分だけが流れ
るようになる。

このことから、工場構内電源システム５０から送電シス
テム１八に流れ出す無効電力の変動がなくなり、また、
高調波電流の流出を防止できることから、同一送電シス
テムに接続される地の送電系へのフリッカの波及及び電
圧波形歪の波及等を防止できる。

（実施例） 第１図に本発明による無効電力及び高調波電流補償装置
の一実施例を示す。前述の従来例の第３図と同一記号を
付しである要素は同じ作用を持つものであり、ここでは
説明を省略する。

第１図において、送電システム１Ａから工場構内電源シ
ステム５０へ受電変圧器５を介して電力供給を行うが、
工場構内５０の受電変圧器５の２次側とアーク炉設備１
１とを交流リアクトル１２を介して接続し、受電変圧器
５と交流リアクトル１２を結ぶ交流母線に能動的に作用
する高調波電流補償回路１００を設置する。また、アー
ク炉設備１１が接続される交流母線の交流リアクトル１
２よりに無効電力補償回路９を接続し、アーク炉設備１
１の電流と無効電力補償回路９の電流が合成されて流れ
る点に受動フィルタ回路７を設置する。このように構成
された無効電力補償回路９と受動フィルタ回路７及び能
動的に作用する高調波電流補償回路１００と交流リアク
トル１２を合わせたものを無効電力及び高調波電流補償
装置２００と称する。同図で、１０１は電流検出器（三
相分を検出）であり、アーク炉設設備１１の電流と無効
電力補償回路９の電流と受動フィルタ回路７の電流を合
成した電流を検出する。１０３は電圧検出器（三相分を
検出）であり線５Ｃの電圧を検出する。これら検出され
た電流、電圧は電流発生器１１０に導入される。電流発
生器１１０については後述する。高調波電流補償回路１
００は能動的に作用し、電流検出器１０１で検出した電
流の内、電源システムにとって障害となる電流成分につ
いては、その電流成分と丁度位相が逆で、しかも振幅が
同じの電流を補Ｒ電流として線１０５に発生する。この
ように回路を設置すると、線５Ｃに流れる障害電流と線
１０５に流れる補償電流が点５Ｂで合成されて打ち消し
合うから、従って、線冗及び線４には障害電流は流れな
くなる。

なあ、本発明を適用する電源システムにおいては障害電
流とは、アーク炉設備１１や無効電力補償回路９がその
動作原理上発生する複雑度イヒする高調波電流の内、受
動フィルタで補償しきれないでそのまま交流母線５Ａ及
び４に流れ出す成分や、及び、アーク炉設備１１の無効
電力変動の内、変動が急峻で無効電力補償回路９では補
償しきれずにそのまま交流母線５Ａ及び４に流れ出した
急峻無効電力変動成分などである。

次に電流発生器１１０の一例を第２図で説明する。

１０２．１０４は前述の電流検出、電圧検出の信号線で
あり高調波電流検出回路１１１に導入される。高調波電
流検出回路１１１の中では、検出電流値の中から電流の
基本波成分を除去し、電源システムにとって障害を与え
るいわゆる障害電流成分を取り出し、それを位相反転し
て障害電流補償指令ｉ　ＨＵＲ−ｉ　１１ＷＲとして出
力する。１１２は電流制御回路であり、後述の主回路部
１１０Ｂが障害電流補償指令ｉ　ＨＵＲ−ｉ　１１ＷＲ
で指示された電源、即ち障害電流補償電流１間〜ｉＨ−
を発生するよう作用する回路である。１１５は後述の主
回路部１１０Ｂのゲート制御回路でおる。ｌｌ０Ｂは主
回路部であり、通常はゲートターンオフサイリスタ（Ｇ
ＴＯ）などをスイッチング素子として用いた三相ＰＷＭ
インバータ等で構成され、前述のゲート制御回路１１５
の信号で素子を点弧制御すると、所期の電流を線１０５
に発生することができる。１２０は直流電源、１２４は
変圧器でおる。変圧器１２４の線１０５は前述の交流母
線５Ａに接続される。このように構成した電流発生器１
１０テハ、障害電流補償指令ｉ　ＨＵＲ〜ｉ　ＩＩＩＪ
ＲＧ、：対して、遅れなしに障害電流補償電流ｉ　ＨＵ
〜ｉ　ＩＩＩ／Ｉを線１０５の所に発生することができ
る。

第１図、第２図を用いて本発明実施例の作用を説明する
。

第１図において、まず、無効電力の補償については、ア
ーク炉設備１１の発生する無効電力変動の内、その母が
大部分である変動がゆるやかな無効電力成分は無効電力
補償回路９が効率よく補償作用を行うため、従ってゆる
やかに変動する無効電力成分は交流母線５Ｃには流れな
い。一方、母面には僅かであるが変動が急峻な無効電力
成分はサイリスタ９Ｂとりアクドル９Ａを基本桶成とす
る無効電力補償回路９では応動できず、その結果、変動
が急峻な無効電力成分はそのまま交流母線５Ｃの方へ流
れ出す。この時、アーク炉設備の発生する有効電力に関
してはその成分は無効電力補償回路９と受動フィルタ回
路７はなんら作用を施さないからそのまま交流母線５Ｃ
に流れる。

次に、高調波電流の補償については、アーク炉設備１１
の発生する複雑に変化する高調波成分及び無効電力補償
回路９がその動作上発生する高調波成分の内、高調波の
周波数が固定していて含有量が多いものについては同調
形フィルタ回路７がそれらを吸収するように設計されて
おり、この受動フィルタ回路７で効率の良い高調波吸収
が行われるため、含有量が多く周波数が固定している高
調波成分は交流母線５Ｃの方へ流れ出すことはない。

一方、量的にはさほど多くないがその周波数が複雑に変
化し受動フィルタ回路７では原理的に吸収できない高調
波成分はそのまま交流母線５Ｃの方へ流れ出す。

従って、受電変圧器５の２次側と交流リアクトル１２を
結ぶ交流母線の５０には、量は僅かであるが変動が急峻
な無効電力成分と、アーク炉設備の発生する有効電力成
分、及び、量的にはさほど多くないがその周波数が複雑
に変化し受動フィルタ回路７では原理的に吸収できない
高調波成分が合成されて流れている。

受動変圧器５の２次側と交流リアクトル１２の間の交流
母線５Ａと５０の間に設置された能動的に作用する高調
波電流補償回路１００では、交流母線５Ｃに流れる電流
が電流検出器１０１で検出され、電流発生器１１０に導
かれる。

第２図に移って、前述の検出電流は高調波電流検出回路
１１１に入力され、その中で基本波成分が除去され、障
害電流成分のみが取り出され、障害電流補償指令ｉ　Ｈ
ＵＲ−ｉ　ＨＷＲが出力される。指令ｉ　ＩＩＵＲ〜ｉ
　ＨＷＲは電流制御回路１１２に与えられるが、主回路
部１１０Ｂは指令ｉ　ＨＵＲ−ｉ　ＨＷＲで指令された
電流、即ち、障害電流補償電流１ＨＵ−ｉ開を出力し、
それが第１図の線１０５を通して点５Ｃに戻され、前述
の交流母線５Ｃに流れ電流と合成される。

ここで、線５Ｃに流れる障害電流成分と電流発生器１１
０の出力電流、即ち障害電流補償電流とが、娠幅は等し
く位相が丁度逆になっているから、これら電流成分同士
が互いに打ち消し合い、交流母線５Ａ及び４には負荷の
有効電力成分しか流れなくなる。従って、受電点交流母
線４及び受電変圧器５の２次側直後の交流母線５Ａの所
では、アーク炉等の発生する無効電力変動の影響が完全
に除去されてあり、その結果、無効電力変動に起因する
フリッカは発生しなくなる。及び、アーク炉や無効電力
補償回路が発生する高調波電流も交流母線４及び５Ａの
所では完全に除去されており、その結果、高調波電流に
起因する電圧歪は発生しなくなる。

以上、本発明の無効電力及び高調波電流補償装置を備え
た電源設備であれば、フリッカや電圧歪を安定に効率良
く補償しえることから、電源システムの電力品質の維持
、改善に多大の効果がおることが理解できよう。

（発明の効果〕 以上の発明から明かなように、第１図のように、アーク
炉設備１１に近接して無効電力補償回路９を設置し、ア
ーク炉設備１１と無効電力補償回路９の電流が合成され
て流れる点に受動形フィルタ回路７を設置し、さらに、
アーク炉設価１１と無効電力補償回路９と受動形フィル
タ回路７の電流が合成されて流れる交流母線と受電変圧
器５の２次側のとの間に交流リアクトル１２を直列挿入
し、受電変圧器の２次□側と交流リアクトル１２とを結
ぶ交流母線に能動的に作用する高調波電流補償回路１０
０を設置した形式の、無効電力補償回路９と受動フィル
タ回路７と交流リアクトル１２と能動的高調波電流補償
回路１００とより構成される無効電力及び高調波電流補
償装置２００では次のような効果が得られる。即ち、 （１）アーク炉設備の発生する無効電力変動の内、その
ほとんどはゆるやかな変動を示す成分であり、残りの僅
かな成分が急峻な変動を示す。

サイリスタとりアクドルよりなる自然転流を原理とする
無効電力補償回路９は応動は遅いが製作コストが安い利
点があり、それに対してＧＴＯ等の素子を用いた能動的
に作用する高調波電流補償装置１００は応動は速いが製
作コストが高くつく欠点がある。従って、システムとし
ては負荷の発生する無効電力のほとんどを無効電力補償
回路９で補償させ、できるだけ高調波電流補償回路１０
０の容量を少なくした方がコストが安くなる。

本構成のシステムでは、変動はゆるやかでおるがその発
生量が多い無効電力成分に関しては大容量化が容易で製
作コストの安い無効電力補償回路９に補償を分担させ、
一方、変動は急峻であるがその発生量が少ない無効電力
成分に関してのみコストの高い能動的に作用する高調波
電流補償回路１００に補償を分担させる方式となってい
るので、従って、本システムを採用することにより、ゆ
るやかな無効電力変動に加えて急峻な無効電力変動を発
生する負荷であっても効率の良い無効電力補償を行うこ
とができる。しかも、無効電力補償のほとんどをコスト
の安いサイリスタとりアクドルよりなる無効電力補償回
路９に分担させ、無効電力補償回路９では補償しきれな
い残りの急峻な変動を示す無効電力だけを能動的に作用
する高調波電流補償回路１００で補償するので製作コス
トの高い高調波電流補償回路の容量を極力小さくできる
ので、低コストの装置が実現できる。

（２）アーク炉設備及び無効電力補償回路の発生する高
調波電流の内、そのほとんどは高調波の周波数が固定し
た成分であり、残りが周波数が複数に変化する成分であ
る。

受動フィルタ回路７は固定した周波数にのみフィルタ効
果を示し、変化する周波数に対してはフィルタ効果が全
く得られないが、反面、製作コストが安い利点がある。

それに対してＧＴＯ等の素子を用いた高調波電流補償回
路１００は複雑に変化する高調波成分に対して効率の良
い補償が行われるがコスト的には高い。従って、システ
ムとしては、できるかぎりの高調波成分を受動フィルタ
回路で吸収させ、受動フィルタで対応できない高調波成
分だけを高調波電流補償回路１００で補償するとコスト
が安くなる。

本構成のシステムでは、周波数が固定した高調波成分に
関してはそのほとんどを大容量化が容易で製作コストの
安い受動フィルタ回路７に吸収を分担させ、一方、受動
フィルタ回路７では原理的に対応が不可能な高調波成分
のみをコストの高い高調波電流補償回路１００に吸収を
分担させる形になっており、従って、本システムを採用
することにより、固定周波数で発生する高調波電流に加
えて複雑に変化する高調波電流を発生する負荷であって
も効率の良い高調波電流補償を行うことができる。しか
も、高調波電流補償のほとんどをコストの安いリアクト
ルとコンデンサよりなる同調形の受動フィルタ回路７に
分担させ、受動フィルタ回路７では原理的に補償しきれ
ない残りの複雑に変化する高調波電流だけを能動的に作
用する高調波電流補償回路１００で補償するので製作コ
ストの高い高調波電流補償回路１００の容ｉを極力小さ
くできるので、低コストの装置が実現できる。

（３）本発明では、能動的に作用する高調波電流補償回
路１００と受動フィルタ回路７及び無効電力補償回路９
を交流リアクトル１２を介して配置している。このため
交流リアクトル１２の持つインピーダンスが作用して高
調波電流補償回路１００と、受動フィルタ回路７及び無
効電力補償回路９との干渉が阻止され、個々の要素が最
大限の効果で作動できるようになり、効率のよい無効電
力及び高調波電流補償装置が実現できる。

（４）本発明では、アーク炉のように急変動する無効電
力及び複雑に変化する高調波電流を発生する負荷であっ
ても、交流母線４及び受電変圧器５の直後の交流母線５
Ａには有効電力成分しか流れなくなるから、フリッカや
高調波電流の影響が送電システム１Ａ介して外部へ波及
することを防止でき、及び、工場構内の他の分岐母線５
Ｄへのフリッカや高調波電流の影響も防止できる。

（５）本発明では、交流母線４及び受電変圧器５には負
荷の発生する有効電流成分しか流れなくなるから、従っ
て、無効電力が無くなった分だけ電源設備の利用率が向
上する。

以上述べたように、本発明に基づく無効電力及び高調波
電流補＠装置では、アーク炉などが発生する急変動する
無効電力、及び複雑に変化゛する高調波電流等を安定に
効率良く、しかも低コストで補償できるので、電力品質
の向上に有効でおることが明かである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の無効電力及び高調波電流補償装置を適
用した電源システムを示す図、第２図は第１図中の電流
発生器１１０の具体例を示す図、第３図は従来から用い
られている無効電力補償装置を適用した電源システム図
である。 １・・・送電線 ３・・・送電線インピーダンス ２００・・・無効電力及び高調波電流補償装置１００・
・・高調波電流補償回路 ５・・・受電変圧器 ７・・・受動フィルタ回路 ９・・・無効電力補償回路 １１・・・アーク炉設備　　　１１Ａ・・・炉用変圧器
１１Ｂ・・・電極　　　　　　１１Ｃ・・・炉１２・・
・交流リアクトル 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　第子丸　健

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 送電線と１次側が該送電線に接続された受電変圧器と、
   該受電変圧器の２次側が変動する無効電力及び高調波な
   どの障害電流を発生する負荷に接続される電源供給シス
   テムの前記無効電力及び高調波電流を補償する装置にお
   いて、前記受電変圧器の２次側と負荷をつなぐ交流母線
   に前記無効電力を補償する無効電力補償回路を接続し、
   前記負荷の電流と前記無効電力補償回路の電流が合成さ
   れて流れる前記交流母線に受動形フィルタを接続し、前
   記負荷及び前記無効電力補償回路及び前記受動形フィル
   タの電流が合成されて流れる交流母線と前記受電変圧器
   の２次側との間に直列に挿入される交流リアクトルと、
   前記交流リアクトルと前記受電変圧器の２次側とを結ぶ
   交流母線に前記高調波電流を能動的に補償する高調波電
   流補償回路を接続することを特徴とする無効電力及び高
   調波電流補償装置。