JPS5910134B2 - 電力調整装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は三相低力率不平衡負荷および単相低力率負荷を
電源側からみて、力率改善および三相平衡化を計る装置
に関するものである。

一般に三相交流電力を供給している電路に、例えば低使
用率の溶接機等の単相低力率負荷をｌ台又は複数台、設
置あるいは制御した場合、また三相低力率負荷でも負荷
によつては必然的に三相不平衡負荷となる場合には、電
力系統の力率低下はもちろんのこと、三相交流電路には
不平衡電流が流れる。

また低力率負荷でなくても、サイリスタ等を用いた負荷
装置は制御によつては電力系統の力率低下を生じる。こ
のような現象は電力供給の立場からはきわめて好ましく
ないものであり、他の電気機器に悪影響をおよぼしたり
、電源の必要以上の容量の設備が要求される。その対策
として従来は力率改善には進相コンデンサあるいは調相
機が主として用いられているが、損失の増大、コンデン
サの形状が大きい、負荷変動に対する応答が悪い、補償
精度の限界等の問題があつてその使用条件は大きく制約
されてきた。

それに比べて本発明は適当な可制御スイッチと適当な電
流供給要素を使用することにより小型となり、またフィ
ードバックによる追従制御方式を採用しているため容易
に高い精度の補償ができる。また補償電流の目標値の計
算を電源周波数の半サイクルごとに行なつているため、
負荷変動に対する応答が非常に速い。以下本発明に係る
本装置の動作原理を述べる。

ａ、ｂ、ｃ三相の各相の電源電圧をｅａ、ｅｂ、ｅｃ各
相の負荷電流を１ａ、ｉｂ、ｉｃとする。電源電圧は１
２００ずつずれた正弦波であるから次の（ハ式のように
表わせる。Ｅ：最大値を示す ｅａ＝Ｅ５１ωを （１） ｅｂ■ＥＳ１ｎ（ωを−ｉπ） ｅｃ■ＥＳ１ｎ（ωを−ｉπ） 一方負荷電流には有効分（添字ｐ）と無効分（添字ｑ）
とが含まれるので（２）式のように表わせる。

ｉａ。

ｉａｐ＋ｉａｑｉｂ■ｉｂｐ＋ｉｂｑ ここで、各相の有効分１ａ，，ｉｂ，，ｉ０，は各相の
電源電圧Ｅａ，ｅｂ，ｅＯと各々同周波数かつ同位相の
正弦波のみである。

即ち、次の（３）式のように表わせる。

１ａＰ，ｂ，，。

，：最大値を示す―方ｔ無効分１ａｑラＩｂｑラＩｃｑ
はＥａツＥｂＦｅＣの各周波数または位相とは異なつた
成分、すなわち基本波無効分と高調波成分のすべての和
である。

まず無効電力を除去するには、負荷電流１ａ，ｉａ，ｉ
０に対して本装置から−１ａｑ，−１ｂ，，一ＩＯ，に
相当する補償電流を発生させて、各相にこれを加えてや
れば無効分１ａ，，ｉｂ，，ｉ０，は相殺されて有効分
１ａｐ，ｉｂ，，ｉ０，のみとなり無効電力が除去され
、電源力率は１に近くなる。すなわちＡ，ｂ，ｃ各相へ
の補償電流をＩ。ａ，ｉＯｂ，ｉｃｃとす相４（２）式
より次のように表わすことができる。ノ 次に負荷が三相平衡負荷であれば（３）式における各相
の有効電流の振幅の大きさ１ａＰ，Ｉｂ，，ＩＯ，は等
しいが、三相不平衡負荷では等しくない。

そこで三相平衡化を計るために、（５）式のように平均
値１，を作る。そして各相の補償電流を（３），（４）
，（５）式よりとしてやれば各相の負荷電流と補償電流
の和、すなわち三相交流電路に流れる電流（６）式より
ａ相について述べたが、他のＢ，ｃ相についても同様に
Ｂ，，ＩＯ，が算出される。

この１ａＰ，Ｉｂ，，。，が有効電流配分回路１０に導
かれ、ここで有効電流の平均化が行なわれ、Ａ，ｂ，ｃ
相それぞれに対してＩ，Ｓｌｎ（１）Ｔ，Ｉ，Ｓｌｎ（
ωｔ−百π），１，ｓ１ｎ（ωｔ−了π）が得られる。
これらの信号は各相の比較点１１において、検出器７か
らの負荷電流１ａ，ｉｂ，ｉ０との差、（Ｉ石ＳｌｎＯ
）ｔ−１ａ），−ＩＯ）が形成され、この差を補償電流
の目標値ＩｃａｒＦｉＣｂｒ′Ｉｃｃｒとして比較点１
３において補償電流検出器１２からの補償電流実際値１
。ａ，１０ｂ，ｉ００と比較される。比較点１３におい
て形成された制御偏差は比較点１５に導かれ、ここで補
償電流発生装置が相電流を発生する構成になつているた
め、線電流の相電流への変換を行ない、その信号がパル
ス幅変調回路１６に導かれ、ここにおいて発生されたパ
ルス幅変調波信号を可制御スイツチの制御信号として用
いる。

第２図、第３図は第１図をさらに具体化した本装置の一
実施例である。

第２図が本発明の補償電流発生装置で、第３図が第２図
の装置を制御する制御回路である。

ここでは、まず第２図に示された抵抗器あるいはシヤン
ト等の検出器７により負荷電流１ａ，ｉｂ，１０を、ま
た変圧器８により電源電圧Ｅａ，ｅｂ，ｅＯを検出し、
それらの信号を用いて第３図に示される乗算器１７、積
分器１８、サンプル・ホールド回路１９、ゼロクロスタ
イミング・シグナル発生回路２０により（３）式に示さ
れる各相負荷電流の基本波有効電流の振幅の大きさ１ａ
Ｐ，Ｉｂ，，ＩＯ，を作る。この回路構成は第１図の有
効電流算出回路９の一実施例で、電源電圧ｅ＝ＥＳｌｎ
ωｔに対して負荷電流１１は一般にフーリエ展開によつ
て１１−ＢＳｌｎ．ωｔ＋ＣｃＯｓ（ｉ）ｔ＋Σ＜．Ｂ
ｎｓｌｎｎＯ）ｔ＋ＣｎＣＯＳｎＣｌ）ｔ）にて表わさ
れる基本波有効分ＢＳｌｎωｔの振幅の大きさＢを算出
するものである。

こうして求めた１ａＰ，Ｉｂ，，ＩＯ，を加算器２１に
加えて（５）式に相当する平均化したＩ，を求める。こ
こは第１図の有効電流配分回路１０の一実施例である。
ωＩｐと各相電源電圧Ｅａ，ｅｂ，ｅＯから乗算器２２
により（７）式に示されるＩ，Ｓｌｎ（ｌ）Ｔ，，ｓｌ
ｎ）を求め、これらと各相の負荷電流１ａ，ｉｂ，ｉ０
との差をとり、（７）式に相当する各相の補償電流１Ｃ
ａ，ｉ０ｂ，ｉ０６の信号を作る。

但し負荷電流に零相分がなければＩａ＋Ｉｂ＋ＩＯ−０
なので２相のみの電流検出でよい。ここでは第３図に示
すように三相の電流検出を行なつている。この各相の補
償電流の信号１ｃａ，ｉ０ｂ，ｉ００を制御の目標値１
ｃａ，，ｉｃｂｒ，ｉｃ０，と定め、第１図可制御スイ
ツチ２の一実施例である自励インバータのスイツチング
を行ない、実際の補償電流を作る。

この場合には自励インバータが補償電流ａ相→ｂ相、ｂ
相→ｃ相、ｃ相→ａ相へと各相間に流す構成になつてい
るので、ＩＯａｒ，ｉＯｂ，，，ｉＯ。，という線電流
の形からＩｃａｂｒ）Ｉｃｂｃｒ）Ｉｃｃａｒという相
電流の形に変換しなければならない。線電流と相電流の
関係より次の（８）式が成立つ。また補償電流と第１図
の電流供給要素３の一実施例である直流リアクトルＬ。
を流れる電流１。との関係は（９）式が成立つ。（８）
，（９）式よりＩＣａｂｒ，ｉＣｂＯ，，ｉＣＯａｒは
次のようになる。

ノ これらの変換は第３図の加算器２７，３５で行なつてい
る。

これらの補償電流目標値の信号Ｉｃａｂｒ）Ｉｃｂｃｒ
ラＩｃｃａｒを第１図７ゞ）Ｌ／ス幅変調回路１６の一
実施例として第３図３８の部分に示すように三相三角波
発振器３２と比較器３３および点弧パルス発生器３４の
組合せでパルス幅変調波信号を発生させ、この信号で自
励インバータを作動させる。すると電流の形で直流リア
クトルに蓄えられているエネルギーによつてパルス幅変
調された補償電流が作り出される。この電流に第１図の
フイルタ５の一実施例として第２図に示すような、三相
フイルタ５をかけてパルス幅変調のキヤリアを除去すれ
ば求める補償電流１。ａ，ｉ０ｂ，１００が得られる。
第３図の回路では補償精度を向上させるために、さらに
補償電流１。ａ，ｉｃｂ，１０。をフイードバツクして
補償電流の目標値ＩｃａｒＦｉｃｂｒ９ｌｃｃｒと比較
し１偏差が小さくなるように第４図に示すように追従制
御系を組んでいる。また直流リアクトルの電流１。

はリアクトル等の損失のため徐々に減少する。そこでＩ
。

を一定値に保つために、ＩＯについても第５図のような
フイードバツク制御系を組んである。ここで、リアクト
ル電流の目標値１。

ｒは、補償量が飽和して不足しないようにＩｃａｒ，ｉ
Ｏｂｒ，！。。，のピーク値の最大値よりも幾分大きい
値にセツトされる。ＩＯの制御系はＩ。ａｒ，ｉｃｂ，
，ｌＯ。，の制御系に比べて応答がずつと遅くてよいの
で二つの制御系が混在しても干渉する心配はほとんどな
い。なお、第４図、第５図のＧｌＳ，Ｇ２Ｓは制御系の
安定のための要素である。本装置は以上説明してきた回
路の他にも、その動作周波数帯域や要求される性能に応
じた様々な回路で実現することができる。

例えば、可制御スイツチは必ずしも上に述べた自励イン
バータでなくともよく、電流供給要素にエネルギーが出
し入れできる可制御スイツチならよい。

電流供給要素はリアクトルでなくとも、受動的エネルギ
ーを蓄積できるものであればよい。また補償周波数範囲
が比較的低ければ、パルス幅変調でなく半サイクルに１
回ないしは数回の転流動作をする可制御スイツチおよび
その制御回路でもよい。さらに制御方式は追従制御やフ
イードバツクでなくとも、フイードフオワードでもかま
わないものである。

以上のように、本発明は、１台の装置で三相不平衡負荷
および単相負荷の三相平衡化機能と、低力率負荷の力率
改善機能の二つの機能を合わせ持）つているため、従来
の三相平衡化機能のみを持つた装置、あるいは力率改善
機能のみを持つた装置を用いて三相平衡化と力率改善の
二つの目的を達成しようとした場合に比べ、小型でかつ
経済的である。

また、従来の力率改善装置は基本波のみの補償によつて
力率改善を計つているが、本発明は基本波はもちろんの
こと、高調波も含めた補償を追従制御方式で行つている
ため、高い精度の力率改善ができるなど、従来の装置で
は実現できない効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本装置の概略を示すプロツク線図、第２図は
、本装置の一実施例を示す補償電流発生装置の構成図、
第３図は、第２図を制御するための制御回路の接続図、
第４図は、補償精度を向上させるためのフイードバツク
制御系のプロツク線図、第５図は、リアクトル電流を一
定値に保つためのフイードバツク制御系のプロツク線図
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 三相低力率不平衡負荷または単相低力率負荷を有す
   る三相交流電路に並列接続されたエネルギー蓄積素子を
   持ち、このエネルギーを自由に出し入れできる可制御ス
   イッチと、前記負荷に流れる負荷電流から、三相交流電
   路の周波数の半サイクルごとに、無効電流成分を算出す
   る無効電力算出回路と、上記回路から導出される有効電
   力成分を前記電路に平衡せしめるための有効電力配分回
   路と、これら二つの回路から導出された補償電流目標値
   信号に従つて前記可制御スイッチを追従制御するための
   パルス幅変調回路とを有し、前記負荷を電源側からみて
   三相平衡せしめ、かつ力率改善を計ることを特徴とする
   電力調整装置。