(57)【要約】【課題】  非線形負荷システムにおいて高調波電流を抑制して、電力を節約する。【解決手段】  ＡＣ電力制御システム（５６）は、非線形の機械的負荷（４０）を駆動する誘電電動機（３８）に、三相ＡＣ動作電圧を印加する。第１のローパスフィルタ（５４）は、分岐相導体（２８、３０、３２）と電動機に対するＡＣ電力の印加を制御する電力制御器（３６）との間に直列に接続される。電力制御器出力端子（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）の先でシャント接続されるＫＶＡＲ定格コンデンサ（Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６）と、誘導電動機の相の巻線（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）とは、電力制御器出力端子の先で第２のローパスフィルタ（５９）を形成する。第１のローパスフィルタおよび第２のローパスフィルタは、ローカルソースおよびリモートソースが生じさせるスプリアスノイズと高調波とに対して、電力制御器と誘導電動機とを絶縁して、電力生成源（１２）から誘導電動機（３８）への実質電力伝達効率を改善する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＣ電源（１２）の１以上の供給相（ΦＡ、ΦＢ、ΦＣ）からＡＣ電圧を受け取る１以上の供給入力端子（Ｆ１、Ｇ１、Ｈ１）と、ＡＣ誘導電動機（３８）の１以上の相の固定子巻線（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）へＡＣ電流を伝導する１以上の供給出力端子（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）とを備える電力制御システム（５６）であって、
前記制御システムの供給入力端子の１以上からＡＣ電圧を受け取る１以上の電力入力端子（Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３）と、前記制御システムの供給出力端子の１以上にＡＣ電流を伝導するべく電気的に接続されている１以上の電力出力端子（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）と、前記システムの供給出力端子（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）の１以上に対する前記ＡＣ電流の伝導を制御するべく前記電力入力端子（Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３）と電力出力端子（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）との間に結合されるスイッチング手段（４２、４４；４６、４８；５０、５２）とを有する電子電力制御器（３６）と、
前記供給入力端子（Ｆ１、Ｇ１、Ｈ１）の１以上に結合される１以上の入力端子と、前記電子制御器（３６）の１以上の電力入力端子（Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３）に結合される１以上の出力端子（Ｆ２、Ｇ２、Ｈ２）とを有する第１のローパスフィルタ回路（５４）と、
前記制御器の電力出力端子（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）の１以上の先で相−中性線間でシャント接続される１以上のコンデンサ（Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６）と
を備える、電力制御システム（５６）。
【請求項２】
各シャントコンデンサ（Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６）の容量値は、前記電力制御システムに接続される誘導電動機（３８）の１以上の相の固定子巻線（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）のインダクタンス値に応じて選択され、そのように接続された場合に組み合わせにより１以上の第２のローパスフィルタ回路（５９）を形成する
請求項１に記載の電力制御システム（５６）。
【請求項３】
各シャントコンデンサ（Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６）の容量値は、前記電力制御システムに接続される誘導電動機（３８）の１以上の相の固定子巻き線（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）のインダクタンス値に応じて選択され、そのように接続された場合に誘導電動機が示す実効負荷インピーダンスを、前記第１のローパスフィルタ回路がＡＣ電源（１２）に結合されると前記第１のローパスフィルタ回路（５４）の出力で示される実効ソースインピーダンス（ＺＳ）と同程度の電気インピーダンス（ＺＬ）に変換する
請求項１に記載の電力制御システム（５６）。
【請求項４】
各シャントコンデンサ（Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６）はキロボルトアンペア無効電力の定格を有する
請求項１に記載の電力制御システム（５６）。
【請求項５】
前記第１のローパスフィルタ回路（５４）は、前記供給入力端子（Ｆ１、Ｇ１、Ｈ１）の１以上と前記電力入力端子（Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３）の１以上との間に接続される１以上のローパスＬＣフィルタ（Ｌ１、Ｃ１；Ｌ２、Ｃ２；Ｌ３、Ｃ３）を有する
請求項１に記載の電力制御システム（５６）。
【請求項６】
前記電子電力制御器（３６）は第１および第２のゲート制御スイッチ（４２、４４；４６、４８；５０、５２）を有し、各スイッチは制御ゲートを含み、前記第１および第２のゲート制御スイッチは前記ＡＣ電圧の各相について第１のノードと第２のノードとの間に互いに極性が反対になるように並列に接続されており、前記第１のノードは前記システムの供給入力端子（Ｆ１、Ｇ１、Ｈ１）のうちの１つに電気的に結合され、前記第２のノードは前記システムの供給出力端子（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）のうちの１つに電気的に結合されている
請求項１に記載の電力制御システム（５６）。
【請求項７】
ＡＣ電圧の１以上の相（ΦＡ、ΦＢ、ΦＣ）における電源（１２）からＡＣ誘導電動機（３８）の１以上の相の固定子巻線（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）へのＡＣ動作電圧の印加を、前記電動機が駆動している機械的負荷（４０）の電力要求を満たすように、制御する方法であって、各相について実行される、
前記ＡＣ電圧のうち選択される相（ΦＡ、ΦＢ、ΦＣ）と選択される電動機固定子巻線（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）との間にゲート制御スイッチ（４２、４４；４６、４８；５０、５２）を直列に結合する工程と、
前記ＡＣ電圧の各交番において前記ゲート制御スイッチ（４２、４４；４６、４８；５０、５２）を交互に伝導状態にトリガする工程と、
前記電動機の巻線における交番の前記ＡＣ電圧が第１のゼロクロスを通過する時点を始点として前記電動機の巻線における交番の対応するＡＣ電流が第２のゼロクロスを通過する時点を終点とする期間に比例する期間は、前記ＡＣ電圧の各交番において前記ゲート制御スイッチによる伝導を禁止する工程と、
前記ゲート制御スイッチを介して伝導される前記ＡＣ供給電圧をフィルタリングする工程と、
前記制御器の電力出力端子（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）のうちの１つの先で相−中性線間でコンデンサ（Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６）をシャント接続する工程と
を含み、
前記ゲート制御スイッチは、第１および第２の制御ゲートを備え、１つが前記スイッチおよび前記電動機に印加される前記ＡＣ電圧の各極性に対応し、
前記コンデンサの容量値は、前記複数の相の固定子巻線（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）のうちの１つのインダクタンス値に応じて選択され、そのように接続された場合に組み合わせにより第２のローパスフィルタ回路を形成する
ＡＣ動作電力の印加を制御する方法。
【請求項８】
前記シャントコンデンサ（Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６）の容量値を、前記複数の相の固定子巻き線（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）のうちの１つのインダクタンス値に応じて選択することにより、前記誘導電動機（３８）が示す電気インピーダンスを、前記第１のローパスフィルタ回路がＡＣ電源（１２）からＡＣ電圧を受け取ると前記第１のローパスフィルタ回路（５４）の出力で示される実効ソースインピーダンス（ＺＳ）と同程度の実効電気インピーダンス（ＺＬ）に変換する第２のローパスフィルタ回路（５９）を提供する工程
を含む、請求項７に記載の、ＡＣ動作電力の印加を制御する方法。
【請求項９】
電子制御器（３６）によって前記ゲート制御スイッチ（４２、４４；４６、４８；５０、５２）の動作を制御する工程と、さらに、前記ローパスフィルタ（５４）から出力される前記フィルタリング済電圧を動作電力として前記電子制御器に印加する工程と
を含む、請求項７に記載の、ＡＣ誘導電動機（３８）に対するＡＣ動作電力の印加を制御する方法。
【請求項１０】
前記誘導電動機（３８）が示す電気インピーダンスを、前記第１のローパスフィルタ回路がＡＣ電源（１２）からＡＣ電圧を受け取ると前記第１のローパスフィルタ回路（５４）の出力で示される実効ソースインピーダンス（ＺＳ）との間で実質的に均衡が取れている実効インピーダンス（ＺＬ）に変換するべく、前記相の固定子巻き線（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）のインダクタンス値に応じて前記シャントコンデンサ（Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６）の容量値を選択する工程
を含む、請求項７に記載の、ＡＣ誘導電動機に対するＡＣ動作電力の印加を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してＡＣ配電システムに関し、特にＡＣ誘導電動機に対するＡＣ動作電力の印加を制御するＡＣ電力制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡＣ配電線では、高調波電流、バックグラウンドノイズ、およびスパイクインパルスノイズ等のスプリアスノイズ信号が発生する。こういったノイズ信号は、電源、配電ネットワーク、ネットワークに結合されるローカル／リモートな負荷、落雷および配電設備の誤動作が原因で生じ得る。公共的に配電されるＡＣ供給電流は、純粋なサイン波ではなく、接続される装置の適切な動作に対して干渉を生じる高調波を含む。また、能動負荷からノイズおよびスイッチング過渡現象が入り込み得る。一例を挙げると、分岐に負荷として電子調光器とランプとを設けると、調光器は光強度を下げるために６０ＨｚのＡＣ電力波形を高周波において「チョッピングする」。この結果、高調波および高周波ノイズが配電導体に発生する。
【０００３】
こういったノイズは、時間に対して一定ではなく、配電ネットワークの中でも部分毎に異なる。また、通常のＡＣ配電ネットワークはさまざまな電気負荷デバイスに対して配電している。負荷はそれぞれ、ノイズおよび高調波電流の大部分を配電線に戻し得るので、電力波形にひずみが生じてしまう。負荷および制御デバイスが異なるとひずみの種類および程度も異なり、このようにして生じたひずみは配電ネットワークから電力供給を受けている装置および機械の動作に干渉し得る。
【０００４】
機械が利用する電力の量と機械自身は、配電システム内に生じる波形のひずみの影響を受け得る。このようなひずみを除去または制御することによって、消費電気エネルギーのコストを大幅に削減し得るとともに、機械の故障、および修理または交換に関するコストを削減し得る。このため、ＡＣ配電システムにおいて高調波ひずみを緩和および抑制することによって、産業消費者は大きくエネルギーコストを削減することができる。
【０００５】
ＡＣ配電システムの分野では、線形電気負荷とは定常状態動作において印加電圧のサイクルを通じて電源に対して本質的に一定のインピーダンスを示す負荷デバイスを指す。線形負荷の一例を挙げると、一定の（時不変の）機械的負荷に対してトルクを与えるＡＣ誘導電動機がある。非線形負荷とは、入力ＡＣサイン波のサイクルを通じて不連続的に電流を引き込む負荷またはインピーダンスが変化する負荷を指す。産業用配電システムにおける非線形負荷の例を挙げると、アーク照明、溶接機械、可変周波数駆動コンバータ電源、スイッチング電源、および時変機械的負荷に対してトルクを与える誘導電動機がある。
【０００６】
配電システムにおいて非線形負荷が生成する高調波電流は、その発生源である非線形負荷から流出して、配電システムの電源に向かう。配電システムに高調波電流が注入されると、三相接地４ワイヤシステムにおいて変圧器が過熱してしまうと共に大きい中性電流が発生してしまう。高調波電流が配電システム内を流れると、各高調波について電圧降下が生じて、配電バスに接続されている負荷すべてに印加される印加電圧の波形にひずみが発生する。
【０００７】
電圧波形の高調波ひずみは、ＡＣ誘導電動機の性能に影響を及ぼし、電動機の磁気回路において高調波磁束を誘導する。このような高調波磁束によって、電動機の磁気コアにおいて熱がたまるとともに損失がさらに発生する。この結果、電力伝達効率が落ちる。誘導加温現象は通常、高調波電流の二乗に比例して大きくなる。誘導電動機は、供給電圧にひずみが生じると高調波電流による加温の影響で破損または劣化し得る。逆相高調波電流は電動機のトルク出力を低減する。こういった影響が組み合わさると、電力伝達効率が低下して、電動機はオーバーヒートして且つ焼損してしまう可能性がある。
【０００８】
電動機の巻線における高調波磁束は、発生原因である高調波ひずみの数または次数に応じて、正相、逆相または零相である。正相高調波磁場（磁束）は、同期磁場の方向に回転する。逆相高調波磁束は同期磁場と反対に回転するので、トルクが減少して電流に対する要求は全体的に大きくなる。零相高調波磁束は回転磁場を生成しないが、電動機磁気回路を流れるので固定子巻線においてさらに熱を発生させる。
【０００９】
産業配電システムは、接続されている機械およびデバイスにＡＣ動作電力を供給するが、接続されている機械およびデバイスはＡＣ電圧波形に多少の高調波ひずみを生じさせる。基本周波数の各高調波は、正相か、逆相か、または零相かに応じて、および基本周波数に対する割合に応じて、電動機の性能および温度上昇に関して悪影響を及ぼし得る。同様に、公益事業供給者が電気サービスに対して課金するエネルギーコストも上昇させる。電力会社は、生成した電流を顧客が効率よく使用するかどうかに関わらず、ピーク時に必要と思われる需要量（ｋＶＡ：キロボルトアンペア皮相電力）を満たすのに十分なだけの量を生成しなければならない。ｋＷ（真に有効な電力）のｋＶＡ（皮相電力）に対する比率は、負荷力率と呼ばれる。多くの電力会社では、顧客の総負荷力率が低い場合にはペナルティを課す。
【００１０】
非線形負荷が設けられている場合には、皮相電力が有効電力よりも大きくなり得る。非線形負荷は高調波電流を生成して、該高調波電流は分岐配電変圧器を介して配電ネットワークに戻る。高調波電流は、負荷に与えられる基本電流のＲＭＳ値に加えられるが、利用され得る電力は供給しない。総合力率の定義を用いると、真に有効な電力ｋＷは本質的に基本（６０Ｈｚの）ＡＣ波形の電力のみで、皮相電力ｋＶＡのＲＭＳ値の方が大きくなっているのは高調波電流成分が存在するためである。
【００１１】
ｋＷ／ｋＶＡの力率が低いのは、電動機負荷端子において電圧−電流間の位相差が大きいためであるか、あるいは、含まれている高調波が多いまたはひずみが生じている／不連続な電流波形のためであり得る。負荷電流位相角差が許容不可能なレベルになると思われるのは、誘導電動機の固定子巻線が高い誘導インピーダンスを示すのが理由であると思われる。電流波形のひずみもまた、トルクを非線形負荷に与えている誘導電動機によって生じるものである。負荷が不連続な状態で誘導電動機が動作すると、または、負荷が非線形であると、高調波電流が大きくなり、電動機の性能が劣化すると共に力率が低下する。
【００１２】
ＡＣ誘導電動機用の従来の制御器は、力率の測定結果に基づいて、電動機に配電される電力量を制御するためのフィードバック信号を生成する。このような制御信号は、比較的高い力率および良好な電力伝達効率での動作のために十分な回転子のすべり（ｓｌｉｐ）を維持することを目的として、負荷が軽い時に電動機に与えられる平均電力を低減するべく時折調整される。
【００１３】
従来の制御器の動作に関してはさまざまな問題が持ち上がっている。特に、非線形負荷に与えられる電力を制御する場合に問題が生じている。例えば、地下部分から流体をくみ上げるために用いられるポンピングユニット（ポンプジャッキ）を駆動するＡＣ誘導電動機の動作については複雑な電力制御要素が考えられる。そういったポンピングユニットには、１ポンピングサイクル毎に２回、ポンピングロッド、流体柱の重量負荷、および反対の平衡重りによって交互に負荷がかかる。さらに、１ポンピングサイクル毎に２回、対抗する負荷は均衡を取るので、電動機は１サイクル毎に２回負荷がない状態となる。ピーク最小値とピーク最大値との間で常に機械的負荷が変化するので、電動機の最適効率および最適コスト効率を維持するべく配電される電力を常時調節しなければならない力率制御システムにおいては制御が非常に難しくなってしまう。
【００１４】
現在では、ＡＣ誘導電動機に供給されるＡＣ電力を制御するための従来の制御器にサイリスタスイッチが利用される。サイリスタは高速でオン／オフ切り替え動作（高速ｄｖ／ｄｔ）を実行することができ、ピーク電圧が高く、スイッチング周波数が高いので、電力制御器の供給側の入力電流には、高周波のスイッチング過渡現象によってひずみが生じる。このため、誘導電動機に配電されるＡＣ電力で高調波成分が増加してしまう。また、分岐配電回路に伝導されてくるリモートソースからのスプリアスノイズおよび高調波電流が、制御器自身の適切なスイッチング動作と干渉を起こし、電力制御に損失が発生する。
【００１５】
このようなことが要因で、分岐負荷の力率が下がるだけでなく、電動機の動作と干渉を生じて配電分岐を通じて配電ネットワークへと高調波電流を注入してしまう。さらに、制御器で生じる高調波ひずみによって、配電分岐の負荷電流のＲＭＳ値が大きくなり、このＲＭＳ値に基づいて公共サービス料金が決まるので、顧客のエネルギーコストが増加してしまう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
電動機の固定子巻線に対するＡＣ電力の印加を制御するために高速スイッチング回路を利用する電子制御器から動作電力を受け取る従来のＡＣ誘導電動機の動作効率および性能を向上させるべく、改善された電力制御システムを提供する。該制御システムは、トルク負荷が軽い状態とトルク負荷を全定格にした状態とで非線形機械的負荷を駆動するべく高効率で動作し、リモートソースからの高調波電流を抑制し、制御器が生成する高調波電流を抑制し、負荷が生成する高調波電流を抑制する。
【００１７】
第１のローパスフィルタが、複数の相の分岐導体と電力制御器との間に直列で接続される。ＫＶＡＲ（キロボルトアンペア無効電力）コンデンサが、中性点に対して電力制御器の複数の出力端子の先でシャント接続される。ＫＶＡＲコンデンサの値は、制御器の複数の出力端子の先で第２のローパスフィルタを形成するべく、固定子巻線の誘導リアクタンス値に応じて調整される。第１のローパスフィルタおよび第２のローパスフィルタは、ローカルソースおよびリモートソースによって生じるスプリアスノイズおよび高調波から電力制御器および誘導電動機を絶縁すると共に、電力生成源から誘導電動機への実質電力伝達効率を改善する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】非線形負荷の要求に応じて誘導電動機に印加される動作電力を動的に調整するためのＡＣ電力制御器の配線を示す簡略電気回路図である。
【００１９】
【図２】図１に示す電力制御システムから動作電力を供給されている、ポンプジャッキ／サッカーロッドポンプシステムとして図示されている、非線形負荷を示す概略図である。
【００２０】
【図３】図２に示すポンプジャッキ／サッカーロッドポンプシステムが生じさせる通常の誘導電動機のトルク負荷およびサッカーロッドのストローク変位を示す図である。
【００２１】
【図４】図２の誘導電動機の動作が制御されている場合に代表的な相の固定子巻線で発生する通常の電圧波形と電流波形とを示す図である。
【００２２】
【図５】保護ケース内で制御システムの構成要素をどのように物理的に配置するかを示す正面斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１を参照しつつ説明すると、従来のＡＣ配電ネットワーク１０は、高圧ＡＣ電源１２から逓降配電変圧器１４へ電力を供給する。配電変圧器は、従来の三相配電ブレーカ１８、２０および２２を有する配電パネル１６に対して、低減電圧レベルで給電を行う。基本周波数が６０Ｈｚで線間電圧が４８０ＶＡＣ（相−中性線間の電圧は２７７ＶＡＣ）のＡＣ電力が、複数の相のＡＣ導体２８、３０および３２ならびに共有中性導体３４を含む４導体共有中性分岐回路２６を介して伝導される。
【００２４】
三相ＡＣ電力は、分岐回路の導体を介して、電子電力制御器３６の入力端子Ｎ１、Ｎ２およびＮ３に対して印加される。電力制御器３６は、出力端子Ｍ１、Ｍ２およびＭ３を介して、三相誘導電動機３８の入力端子Ｓ１、Ｓ２およびＳ３へと、ＡＣ電力を制御して印加する。電動機３８は、トルク−電力伝達関係に基づいて、機械的負荷４０に機械的に結合されている。電力制御器３６は、機械的負荷の瞬時電力需要を感知して、印加電力波形の各半周期において負荷の需要を動的に満たすように自らの電力出力を調整する。ＡＣ誘導電動機３８に印加されるＡＣ電力は、非線形負荷の需要を満たすべく、必要に応じて、自動的に増減される。
【００２５】
電力制御器３６は、米国特許第６，４００，１１９号（発明の名称：省エネルギー電動機制御器、本特許は参照により本願に組み込まれる）に説明されているように構成されるのが好ましい。当該特許の明細書に記載されているように、第１および第２のゲート制御スイッチ（シリコン制御整流器）４２および４４、４６および４８、ならびに５０および５２は、印加ＡＣ電圧の各相において、極性が反対になるように、並列に接続されている。トリガ生成器は、誘導電動機の相の固定子巻線のそれぞれにおいてＡＣ電圧波形およびＡＣ電流波形でゼロクロスイベントが感知されるタイミングに応じて、ＳＣＲスイッチの各ゲートにトリガ制御信号を結合する。
【００２６】
各相の第１および第２のＳＣＲスイッチは、印加ＡＣ電圧の各交番において交互に伝導状態にトリガされて、ゼロクロスイベントに対応する連続した第１および第２の遮断の間の時間差を継続的な基準時間と比較することによって決まる、ＡＣ電圧ゼロクロスと対応するＡＣ電流ゼロクロスとの間で測定される時間差に比例する長さの期間において交互に伝導状態が禁止される。
【００２７】
図４を参照しつつ説明すると、ΦＡ波形の各半周期におけるＡＣ電圧ゼロクロスと対応するＡＣ電流ゼロクロスとの間で測定される時間差は、瞬時負荷需要を示す。電力制御器３６は、この時間差を感知して、印加ＡＣ波形の次の半周期において、負荷需要電力レベルに動的に合わせるように自らの出力を調整する。制御器３６の各電力相における高速スイッチ回路４２および４４、４６および４８、ならびに５０および５２は、測定される時間差に比例して、ＡＣ誘導電動機３８に印加されるＡＣ電力を交互に伝導／遮断する。
【００２８】
このような構成とすることによって、電動機に印加される電力は、負荷４０の瞬時電力需要に合うように、必要に応じて、各相である半周期から次の半周期にかけて自動的に増減される。各相の電流は、先行する半周期において電圧波形のゼロクロスと電流波形のゼロクロスとの間で測定される位相差に比例する長さの期間にわたって、遮断される。このため、電力調整は３つの相、ΦＡ、ΦＢおよびΦＣで連続して行われるので、電流が遮断されるのは一度に１つの相に限られる。
【００２９】
リモートソースからの高調波電流は、同一のＬＣフィルタ部を３つ有する第１のローパスフィルタ５４によって抑制される。これら３つのＬＣフィルタ部はそれぞれ、制御器３６の入力端子Ｎ１、Ｎ２およびＮ３および、分岐配電導体２８、３０および３２と直列に接続されている。制御器３６および誘導電動機３８、ならびに分岐配電回路２６のフィルタリング済み側に接続され得るほかの構成要素はすべて、配電ネットワーク１０のほかの相またはほかの分岐に設けられるリモートデバイスが生成する外部ノイズおよびスプリアス信号から絶縁されている。
【００３０】
ローパスフィルタ部はそれぞれ、相の導体（２８、３０および３２）および相−中性線間でシャント接続されるコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２およびＣ３）と直列に接続されているインダクタ（Ｌ１、Ｌ２およびＬ３）を有する。第１のローパスフィルタ５４の各ＬＣ部は、配電基本周波数（６０Ｈｚ）までのＤＣからカットオフ周波数（例えば３００Ｈｚ）までについては非常に減衰が低く、第１１次高調波以上までの高調波成分を含むカットオフ周波数を超えるほかの信号はすべて大きく減衰させる。
【００３１】
第１のローパスフィルタ回路５４の各部は、３００Ｈｚ以上の信号に対してインピーダンスおよび減衰が大きく、ＤＣから５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの範囲のＡＣ配電周波数についてはインピータンスが低いとともに減衰または損失が非常に小さいコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２およびＣ３）およびインダクタ（Ｌ１、Ｌ２およびＬ３）を有するのが好ましい。ローパスフィルタ５４の各部は、カットオフ周波数において４０：１以上の高周波減衰比を実現するので、制御器３６および当該制御器３６に接続される構成要素は外部ノイズおよびスプリアス高周波信号から絶縁される。
【００３２】
６０ＨｚのＡＣ電力を配電してカットオフ周波数を３００Ｈｚとする場合には、各コンデンサＣ１、Ｃ２およびＣ３の値は３μＦとするのが好ましく、それぞれの定格電圧は６００ＶＡＣで、各インダクタＬ１、Ｌ２およびＬ３の値は０．８６ｍＨとするのが好ましい。各インダクタＬ１、Ｌ２およびＬ３は、定格が５６アンペア、４０ｈｐ、４８０ＶＡＣ、６０Ｈｚの鉄芯ラインリアクターで構成されるのが好ましい。このような構成とすることによって６０ＨｚのＡＣ供給電力は実質的に減衰されることなく通過することができるので、制御器３６にはクリーン且つフィルタリング済みの三相ＡＣ電流および電圧が６０Ｈｚで配電される。
【００３３】
本発明の重要な特徴によると、クリーン且つフィルタリング済みのＡＣ電流は、動作電力として、第１のローパスフィルタ５４から電力制御器３６の内部電源へと供給される。このため、ノイズを発生させるリモートソースからの干渉が抑制され、マイクロプロセッサ、コンパレータ、トリガ回路および安定した電圧レベルを必要とするほかの構成要素が安定して動作することが保証される。また、第１のローパスフィルタ５４が双方向に動作するので、電力制御器３６のスイッチング部の動作または誘導電動機３８によって生じ得る高調波およびその他のノイズ信号は、減衰および抑制されるので、配電ネットワーク１０には注入されない。
【００３４】
誘導電動機３８の力率が改善されると共に、機械的負荷が非線形である場合に誘導電動機の動作によって生じる高調波電流の影響は、制御器の出力端子Ｍ１、Ｍ２およびＭ３の先で中性点とシャント接続されているＫＶＡＲ（キロボルトアンペア無効）コンデンサＣ４、Ｃ５およびＣ６によって抑制される。ＫＶＡＲコンデンサの値は、電力制御器の出力端子Ｍ１、Ｍ２およびＭ３と誘導電動機の入力端子Ｓ１、Ｓ２およびＳ３との間に直列で第２のローパスＬＣフィルタ部を実現するべく固定子巻線の相Ｗ１、Ｗ２およびＷ３のインダクタンス値に応じて選択される。
【００３５】
第２のローパスＬＣフィルタ５９の各部は、配電基本周波数（６０Ｈｚ）までのＤＣからカットオフ周波数（例えば３００Ｈｚまたは第５次高調波）までについては非常に減衰が低く、第１１次高調波以上までの高調波成分を含むカットオフ周波数を超えるほかの信号はすべて大きく減衰させる。
【００３６】
ＫＶＡＲコンデンサＣ１、Ｃ２およびＣ３は２つの目的を実現するために設けられる。具体的に言うと、誘導電動機３８の力率を改善することと、電動機が発生させる高調波電流の逆流を抑制すると同時に誘導電動機３８に流入する電流をフィルタリングすることとを目的とする。第２のローパスフィルタ５９は、制御器が発生させた高調波が誘導電動機３８に注入されないようにするとともに、誘導電動機が発生させた高調波電流が制御器３６および配電ネットワーク１０に注入されないようにする。
【００３７】
実際の電力伝達効率は、第１のローパスフィルタ５４および第２のローパスフィルタ５９のインピーダンス変換効果によって改善される。第１のローパスフィルタ５４は、主に誘導性である電源インピーダンスを、第１のローパスフィルタ５４の通過帯域内で均衡ＬＣインピーダンスとして機能する実効ソースインピーダンスＺＳに変換する。第２のローパスフィルタ５９は、誘導電動機３８の非常に誘導性の入力インピーダンスに対して同じ効果を持つ。第２のローパスフィルタ５９は、誘導電動機のインピーダンスを、第２のローパスフィルタ５９の通過帯域内で均衡ＬＣインピーダンスとして機能する実効負荷インピーダンスＺＬに変換する。
【００３８】
最大電力伝達定理によると、電力伝達が最大になり得るのは負荷インピーダンスＺＬが電源インピーダンスＺＳに等しくなるように制限される場合である。三相且つ４０ＨＰの誘導電動機が６０Ｈｚ、４８０ＶＡＣの三相電力で動作する場合に最適な力率改善および電力伝達効率を実現するためには、各ＫＶＡＲコンデンサＣ４、Ｃ５およびＣ６の値は５μＦであるのが好ましく、定格電圧は６００ＶＡＣである。ＫＶＡＲ力率改善コンデンサＣ４、Ｃ５およびＣ６の値は、電動機の力率が改善し、ローパスフィルタ効果が得られ、最適電力伝達が実現されるように選択されるのが好ましい。
【００３９】
固定子巻線インダクタＷ１、Ｗ２およびＷ３と接続されているＫＶＡＲコンデンサＣ４、Ｃ５およびＣ６が第２のローパスフィルタ回路５９を定めている。これらの第２のフィルタ部は、非常に誘導性の電動機負荷を、第１のローパスフィルタ５４が電力制御器への入力において与える実効ソースインピーダンスＺＳと同程度の均衡実効負荷インピーダンスＺＬに変換する。所与の誘導電動機に対してＫＶＡＲ力率改善コンデンサＣ４、Ｃ５およびＣ６の値を慎重に選択することによって、電動機が示す負荷インピーダンスが変換されるので、変換後の負荷インピーダンスＺＬが変換後のソースインピーダンスＺＳにどのくらい近いかに比例して電力伝達が改善される。
【００４０】
図５に示すように、ローパスフィルタ回路５４、電力制御器３６およびＫＶＡＲコンデンサＣ４、Ｃ５およびＣ６は共通の保護ケース５５内に封入されている。冷気ヒートシンク（不図示）は、保護ケースの裏面にある鉄芯ラインリアクタＬ１、Ｌ２およびＬ３に熱的に結合されている。
【００４１】
誘導電動機３８は、定格が４０ｈｐの従来の三相誘導電動機である。６０Ｈｚで４８０ＶＡＣ（相線−中性線間）のＡＣ電力が、三相固定子巻線Ｗ１、Ｗ２およびＷ３に印加される。固定子巻線Ｗ１、Ｗ２およびＷ３は、Ｙ字型巻線構成で接続され、互いから１２０度だけ対称的に離間されている固定子スロットに配置されている。固定子巻線Ｗ１、Ｗ２およびＷ３に流れる三相交流によって生成される回転磁束場に磁気的に結合されているかご型回転子Ｒによって、回転トルクが伝達される。回転子Ｒは、負荷４０に結合されている出力ドライブシャフト５８にトルクを伝達する。負荷４０は、非線形の機械的負荷であってもよく、例えば、図２に示すようなビーム型ポンピングユニット６０であってもよい。
【００４２】
図２を参照しつつ説明すると、本発明に係る電力制御システム５６は、三相分岐電力線２６からＡＣ動作電力を受け取る。電力制御システム５６は、ＡＣ動作電力を制御してビーム型ポンピングユニット６０に与える。ポンピングユニットは、ポンプジャッキと呼ばれることもあり、サッカーロッド６２と穴降下ポンプとを往復運動させる。ポンプはサッカーロッドの上向きストローク毎に流体を引き上げて、石油（流体）Ｆは下向きストロークでポンプに流れ込み、上向きストロークで井戸の先端のフィッティングに生成され、ポンプサイクルが繰り返される。
【００４３】
ポンピングユニット６０は、従来のウォーキングビーム６６とホースヘッド６８とを含むウォーキングビーム型ポンプジャッキ６４を有する。ウォーキングビーム６６は、ピボット７２でＡ字型フレーム７０に実装される。つりあいおもり７４およびクランクアーム７６は、ＡＣ誘導電動機３８によってギヤーボックス７８を介して駆動される。誘導電動機の回転子Ｒは電力伝達シャフト５８によってギヤーボックス７８に機械的に結合されている。ワイヤーラインハンガー８０は、短いケーブル８２によってホースヘッド６８に取り付けられている。ハンガー８０の下端は、サッカーロッド６２に固定されている。サッカーロッド６２の磨かれた部分は、表面井戸先端フィッティング８４を過ぎて、井戸先端から生産用管ストリング８６を介して地下の貯留層へと延伸するサッカーロッドストリングに接続されている。
【００４４】
従来のタイマー制御ユニット８８が、内部ポンピングサイクルタイマー８８に動作電力を与えるべく、４８０ＶＡＣで６０Ｈｚの三相電力のうちの一相に接続されている。内部タイマーは、既知の貯留層充てん速度に応じて設定されており、第１の所定のポンプＯＮ期間にはポンピングユニット６０のポンピングサイクル動作を自動的に稼動させ、所定のポンプＯＦＦ期間には制御器３６に対して印加されるＡＣ電力を遮断する。タイマー制御ユニット８８は、内部タイマーおよび接触器経電回路に対して１１０ＶＡＣで６０Ｈｚの動作電力を与える逓降変圧器を含む。
【００４５】
タイマー制御ユニット８８はさらに、制御器３６に対して印加されるＡＣ電力を自動的に遮断してポンプＯＦＦ制御信号９０に応じてポンプＯＦＦサイクルについてタイマーをリセットする回路を含む。ポンプＯＦＦ制御信号は、ドリルホール内で流体が一時的に枯渇または消耗されると生成される。ポンププランジャーによるハンマーのような衝撃は、磨かれたロッド６２の上端にあるワイヤーラインハンガー８０に設けられる従来の流体衝撃センサによって感知される。ポンピング動作は、貯留層がドリルホールを生産レベルまで再び満たすまで停止される。
【００４６】
図３を参照しつつ説明すると、波形９２および９４はそれぞれ、誘導電動機負荷量の代表的な値とポンプストローク変位の代表的な値を示す。通常のポンピング動作において、ポンピングユニットは固定速度で、例えば１分当たり６．６ストロークサイクル（ピークツゥピークのストローク期間は９秒）という速度でポンピングを行う。サッカーロッド負荷が与える電動機トルク負荷量９２は、時間の複素非線形関数であり、正および負の傾斜のランプ関数を含み、リンギング関数または振動関数を含む。
【００４７】
これらのトルク波形成分は、４つの別々の負荷の相で生じる。ポンプは、正の傾斜の負荷に応じて流体をくみ上げ、つりあいおもり７４が上側死点を遷移するので高い方のトルクレベルでリンギングまたは振動が発生するストロークのピークで負荷の傾斜ゼロを遷移する。ポンプ負荷は続いて、ストロークの底に向かって負の傾斜の負荷に従って遷移する。その後、トルク負荷波形は、つりあいおもり７４が下側死点を遷移するので低い方のトルクレベルでリンギングまたは振動が発生するストロークの底で傾斜ゼロを遷移する。
【００４８】
このような非線形の機械的負荷の変動によって、制御器３６の動作に干渉し得る強力な高調波電流が生じ、配電分岐を介して配電ネットワークに注入され得る。この結果、それに基づいて公共使用料金が決まる、配電分岐の負荷電流のＲＭＳ値が大きくなるので、顧客のエネルギーコストが増加してしまう。電力制御システム５６は、電力制御器３６内のサイリスタスイッチの高速スイッチング動作によって、または、誘導電動機３８が与える非線形の機械的負荷によって生じ得るこれらの高調波電流を低減または抑制する。
【００４９】
私設稼動井戸に設けられる電力制御システム５６に対して多様なフィールド試験が行われた。試験結果は表１および表２にまとめられている。
【００５０】
表１および表２にまとめられている動作データは、同じ誘導電動機３８およびポンピングユニット６０に対して実行された２つの別々の試験について２ヶ月間を間に挟む別々の日に記録された記録から抜き出された。最初の試験は、電動機が当初の時点で修理する必要があり動作状態が悪くベアリングに問題があった状況で行われた。２回目の試験は、同じ電動機の修理が完了して新しいベアリングが取り付けられ、動作状態が良いことが証明された後で、同じ電動機に対して２ヵ月後に行われた。フィールド試験用のポンピングユニットに取り付けられた誘導電動機３８は、定格が三相、４８０ボルト、６０ＨｚのＡＣである４０ｈｐの誘導電動機であった。該電動機は、フィールド試験が行われた時点で１５年間使用されてきたウォーキングビーム型のポンピングユニット６０に接続された。
【００５１】
試験が行われた井戸は、試験の前の１５年間、共通して石油、水、ガスを生産し、電力を消費していた。フィールド試験で使用されたポンピングユニット６０は、頻繁に発生する雷雨の際の落雷が原因の大きなスパイクおよび電力サージを経験している、規格外の４ワイヤ三相分岐配電ライン２６の端部に設けられた。分岐電力線はすべて開放され、変圧器１４から公共サービスポールまでは絶縁がないとした。
【００５２】
これらのフィールド試験において用いられたデータロガーは、Ｒｕｓｔｒａｋ  Ｒａｎｇｅｒ  Ｍｏｄｅｌ  １２３１Ａレコーダであった。データロガーレコーダは、公共サービスポールのキロワット時間メータの表示と一致する表示を反映するべく較正された。較正の仕様についてはメーカーと話し合いが持たれた。記録が取られている間のログサイクルでは中断が生じなかった。
【００５３】
表１および表２に示す記録データは、制御システム５６を有する場合と有さない場合の誘導電動機３８の性能を示している。制御システム５６が取り付けられた場合も取り付けられない場合も電圧は変わらないが、制御システム５６が設けられると電流は低減し、無効電力が小さくなり、実質消費電力が小さくなり、電動機の力率がいくらか改善されていることに注目されたい。
【００５４】
第３次および第５次の高調波電流ひずみは、制御システムが取り付けられない場合には５．０ＴＨＤから７．０ＴＨＤであり、制御システムが取り付けられる場合には平均で約３．０ＴＨＤから４．０ＴＨＤであった。このことから、制御システム５６の機能は効果を奏したことが分かる。また、誘導電動機３８の三相の電流値の大きさは厳密に平衡をとるように設定され、取り付けられる制御システム５６によって安定化される。
【表１】
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【表２】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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