(57)【要約】変化するレベルの無効電力を引き出す電力設備（３）用の自動力率補正システム（１）は、負荷（５）によって引き出される無効電力のレベルを示すことが可能な電力設備（３）の前記負荷（５）によって引き出される電力の電気パラメータを測定し、測定された前記電気パラメータによって示される無効電力のレベルを補償するためにコンデンサ（３２）の組み合わせを電力線（４）に結合する。特に、システム（１）は、引き出された電力の位相角を測定し、無効電力の測定されたレベルを補償するために電力線（４）へ接続するコンデンサ（３２）の組み合わせを計算する。
2005502938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変のレベルである可能性を持つ無効電力を含むＡＣ電力を引き出す負荷が結合される電力線を含む電気設備の力率補正を行うための力率補正装置であって、
（ａ）前記電力線に接続され、前記負荷によって引き出される電力の電気パラメータを測定するように動作する電力センサであって、前記パラメータが、前記負荷によって引き出される無効電力のレベルを示すことが可能である、電力センサと、
（ｂ）複数のリアクタンス・エレメントと、
（ｃ）前記リアクタンス・エレメントを、個別にまたは選択された組合せで、前記電力線に結合するように制御するスイッチング回路と、
（ｄ）前記センサおよび前記スイッチング回路にインターフェースされ、前記電気パラメータによって示される無効電力のレベルに応じて、前記スイッチング回路が前記リアクタンス・エレメントの適切な組合せを前記電力線へ結合するようにさせ、それにより、前記電気パラメータによって示される無効電力の前記レベルを実質的に補償するように動作するコントローラと
を備える力率補正装置。
【請求項２】
前記電気パラメータが、
（ａ）前記負荷によって引き出される電流のレベルに比例する値を含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電気パラメータが、
（ａ）前記負荷によって引き出される前記電力の電気位相角に比例する値を含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記リアクタンス・エレメントが、
（ａ）複数のコンデンサを含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記リアクタンス・エレメントが、
（ａ）最小容量値から最大容量値まで２のべき乗で変化する容量値のコンデンサの集合を含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記リアクタンス・エレメントが、
（ａ）各コンデンサがベース容量値の倍数である容量値を有する、複数のコンデンサを含み、
（ｂ）前記ベース容量値が、前記電力線の公称の線周波数および線電圧で実質的に１アンペアを引き出すリアクタンスを生じる容量値である、
請求項１に記載の装置。
【請求項７】
（ａ）前記コントローラが、特定の複数のポート端子によって形成されるデジタル・ポートを含み、
（ｂ）前記スイッチング回路が、前記リアクタンス・エレメントの各々を前記ポート端子のうちの特定のポート端子に結合するラッチング・エレメントを含み、
（ｃ）前記コントローラが、前記リアクタンス・エレメントのうちの選択されたリアクタンス・エレメントに対応するビット内容を有する複数ビット２進ワードを前記ポートへ書き込むことによって、前記リアクタンス・エレメントのうちの前記選択されたリアクタンス・エレメントを前記電力線に結合させる、
請求項１に記載の装置。
【請求項８】
（ａ）前記電気パラメータが、前記負荷によって引き出される電流のレベルを含み、
（ｂ）前記リアクタンス・エレメントが複数のコンデンサを含み、各コンデンサがベース容量値の倍数である容量値を有するものであり、
（ｃ）前記ベース容量値が、前記電力線の選択された公称線周波数および選択された公称線電圧で実質的に１アンペアを引き出すリアクタンスを生じる容量値であり、
（ｄ）前記コンデンサの集合が、前記ベース容量値から最大容量値まで２のべき乗で変化する容量値を有する、
請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記電気パラメータが更に、
（ａ）前記負荷によって引き出される前記電力の電気位相角に実質的に比例する第２の値を含む、
請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
（ａ）前記コントローラが、特定の複数のポート端子によって形成されるデジタル・ポートを含み、
（ｂ）前記スイッチング回路が、前記コンデンサの各々を前記ポート端子のうちの特定のポート端子へ結合するラッチング・エレメントを含み、
（ｃ）前記コントローラが、前記コンデンサの選択されたコンデンサに対応するビット内容を有する複数ビット２進ワードを前記ポートへ書き込むことによって、前記コンデンサの前記選択されたコンデンサを前記電力線に結合する、
請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
可変のレベルである可能性を持つ無効電力を含むＡＣ電力を引き出す負荷が結合される電力線を含む電気設備を力率補正するための方法であって、前記方法がリアクタンス・エレメントを用い、
（ａ）前記負荷によって引き出される電力の電気パラメータを自動的に測定するステップであって、前記電気パラメータは、前記負荷によって引き出される無効電力のレベルを示すことができるものである、ステップと、
（ｂ）前記リアクタンス・エレメントの適切な組合せを前記電力線へ自動的に結合し、それにより、前記電気パラメータによって示される無効電力の前記レベルを実質的に補償するステップと
を含む方法。
【請求項１２】
前記電気パラメータを測定する前記ステップが、
（ａ）前記負荷によって引き出される電流のレベルに実質的に比例する値を測定するステップを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
（ａ）前記負荷によって引き出される電流のレベルに実質的に比例する値を測定するステップと、
（ｂ）リアクタンス・エレメントを前記電力線に結合するステップと、
（ｃ）前記測定するステップおよび前記結合するステップを繰り返し、それにより、電流の前記レベルが増加するまで、増加するレベルのリアクタンスを前記電力線へ結合するステップと、
（ｄ）その後に、電流の前記レベルが増加する直前の、前記電力線に結合されるリアクタンスのレベルへ戻すステップと
を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記結合するステップが、
（ａ）１または複数のコンデンサを前記電力線に結合するステップを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記結合するステップが、
（ａ）コンデンサの集合のうちの１または複数のコンデンサを前記電力線に結合するステップであって、前記コンデンサの集合は、最小容量値から最大容量値まで２のべき乗で変化する容量値を有するように構成される、ステップを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記結合するステップが、
（ａ）コンデンサの集合のうちの１または複数のコンデンサを前記電力線に結合するステップであって、各コンデンサがベース容量値の倍数である容量値を有するものであり、前記ベース容量値が、前記電力線の選択された公称線周波数および選択された公称線電圧で実質的に１アンペアを引き出すリアクタンスを生じる容量値である、ステップを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
（ａ）特定の複数のポート端子によって形成されるデジタル・ポートを含むコントローラと、リアクタンス・エレメントの各々を前記ポート端子のうちの特定のポート端子に結合するラッチング・エレメントを含むスイッチング回路とを提供するステップと、
（ｂ）前記コントローラが、前記リアクタンス・エレメントの前記適切な組合せに対応するビット内容を有する複数ビット２進ワードを前記ポートへ書き込むことによって、前記リアクタンス・エレメントの前記適切な組合せを前記電力線へ結合させるようにするステップと
を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記電気パラメータを測定する前記ステップが、
（ａ）前記負荷によって引き出される前記電力の電気位相角に実質的に比例する値を測定するステップを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
（ａ）前記負荷によって引き出される前記電力の電気位相角に実質的に比例する値を測定するステップと、
（ｂ）前記電力の前記電気位相角を最小にするために補償リアクタンス値を自動的に計算するステップと、
（ｃ）前記補償リアクタンス値と実質的に同等の前記リアクタンス・エレメントの適切な組合せを前記電力線に結合することを自動的に制御するステップと
を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
可変のレベルである可能性を持つ無効電力を含むＡＣ電力を引き出す負荷が結合される電力線を含む電気設備を力率補正するための方法であって、
（ａ）前記負荷によって引き出される電流のレベルに実質的に比例する電流値を自動的に測定するステップと、
（ｂ）選択された容量を有するコンデンサを前記電力線に結合するステップと、
（ｃ）前記測定するステップおよび前記結合するステップを繰り返し、それにより、前記電流のレベルが増加するまで、増加するレベルの容量を前記電力線へ結合するステップと、
（ｄ）その後に、前記電流のレベルが増加する直前の、前記電力線に結合される容量のレベルへ戻すステップと、
を含む方法。
【請求項２１】
前記結合するステップが、
（ａ）コンデンサの集合のうちの１または複数のコンデンサを前記電力線に結合するステップであって、前記コンデンサの集合は、最小容量値から最大容量値まで２のべき乗で変化する容量値を有する、ステップを含む、
請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記結合するステップが、
（ａ）コンデンサの集合のうちの１または複数のコンデンサを前記電力線に結合するステップであって、各コンデンサが、ベース容量値の倍数である容量値を有するものであり、前記ベース容量値が、前記電力線の選択された公称線周波数および選択された公称線電圧で実質的に１アンペアを引き出すリアクタンスを生じる容量値である、ステップを含む、
請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
可変のレベルである可能性を持つ無効電力を含むＡＣ電力を引き出す負荷が結合される電力線を含む電気設備を力率補正するための方法であって、
（ａ）前記負荷によって引き出される前記電力の電気位相角に実質的に比例する位相値を測定するステップと、
（ｂ）前記電力の前記電気位相角を最小にするために補償リアクタンス値を自動的に計算するステップと、
（ｃ）前記補償リアクタンス値と実質的に同等のリアクタンス値を生じるようにコンデンサの組合せを前記電力線に結合することを自動的に制御するステップと
を含む方法。
【請求項２４】
前記結合するステップが、
（ａ）コンデンサの集合のうちの１または複数のコンデンサを前記電力線に結合するステップであって、前記コンデンサの集合は、最小容量値から最大容量値まで２のべき乗で変化する容量値を有する、ステップを含む、
請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記結合するステップが、
（ａ）コンデンサの集合のうちの１または複数のコンデンサを前記電力線に結合するステップであって、各コンデンサが、ベース容量値の倍数である容量値を有するものであり、前記ベース容量値が、前記電力線の選択された公称線周波数および選択された公称線電圧で実質的に１アンペアを引き出すリアクタンスを生じる容量値である、ステップを含む、
請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
可変のレベルである可能性を持つ無効電力を含むＡＣ電力を引き出す負荷が結合される電力線を含む電気設備の力率補正を行うための力率補正装置であって、
（ａ）前記電力線に結合され、前記負荷によって引き出される電力の電気パラメータを検出するように動作する電力センサ回路であって、前記電気パラメータは、前記電力の電圧と電流の位相関係を示すものである、電力センサ回路と、
（ｂ）複数のリアクタンス・エレメントと、
（ｃ）前記リアクタンス・エレメントを個別にまたは選択された組合せで前記電力線に結合するように制御可能なスイッチング回路と、
（ｄ）前記電力センサ回路および前記スイッチング回路にインターフェースされ、前記電気パラメータによって示される前記位相関係のレベルに応じて、前記スイッチング回路が前記リアクタンス・エレメントの適切な組合せを前記電力線へ結合するようにし、それにより、前記電気パラメータによって示される前記位相関係を最小にするように動作するコントローラと
を備える力率補正装置。
【請求項２７】
（ａ）前記電力センサが、前記電力の前記電圧および前記電流のそれぞれのゼロ交差点を検出し、
（ｂ）前記コントローラが、一連の前記それぞれのゼロ交差点を検出し、それらの間の時間間隔を測定し、それにより前記位相関係を決定する、
請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記リアクタンス・エレメントが、
（ａ）複数のコンデンサを含む、
請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
前記リアクタンス・エレメントが、
（ａ）最小容量値から最大容量値まで２のべき乗で変化する容量値のコンデンサの集合を含む、
請求項２６に記載の装置。
【請求項３０】
前記リアクタンス・エレメントが、
（ａ）各コンデンサがベース容量値の倍数である容量値を有する、複数のコンデンサを含み、
（ｂ）前記ベース容量値が、前記電力線の公称の線周波数および線電圧で実質的に１アンペアを引き出すリアクタンスを生じる容量値である、
請求項２６に記載の装置。
【請求項３１】
（ａ）前記コントローラが、特定の複数のポート端子によって形成されるデジタル・ポートを含み、
（ｂ）前記スイッチング回路が、前記リアクタンス・エレメントの各々を前記ポート端子のうちの特定のポート端子へ結合するラッチング・エレメントを含み、
（ｃ）前記コントローラが、前記リアクタンス・エレメントのうちの選択されたリアクタンス・エレメントに対応するビット内容を有する複数ビット２進ワードを前記ポートへ書き込むことによって、前記リアクタンス・エレメントのうちの前記選択されたリアクタンス・エレメントを前記電力線に結合させる、
請求項２６に記載の装置。
【請求項３２】
可変のレベルである可能性を持つ無効電力を含むＡＣ電力を引き出す負荷が結合される電力線を含む電気設備を力率補正するための方法であって、
（ａ）前記負荷によって引き出される前記電力の電圧と電流のそれぞれの一連のゼロ交差点を検出し、前記ゼロ交差点の間の時間間隔を測定し、前記時間間隔を前記位相角へスケーリングすることによって、前記電圧と前記電流の間の電気位相角に実質的に比例する位相値を測定するステップと、
（ｂ）前記電力の前記電気位相角を最小にするための補償リアクタンス値を自動的に計算するステップと、
（ｃ）前記補償リアクタンス値と実質的に同等のリアクタンス値を生じるためにコンデンサの組合せを前記電力線に結合することを自動的に制御するステップと
を含む方法。
【請求項３３】
前記結合するステップが、
（ａ）コンデンサの集合のうちの１または複数のコンデンサを前記電力線に結合するステップであって、前記コンデンサの集合は、最小容量値から最大容量値まで２のべき乗で変化する容量値を有する、ステップを含む、
請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記結合するステップが、
（ａ）コンデンサの集合のうちの１または複数のコンデンサを前記電力線に結合するステップであって、各コンデンサが、ベース容量値の倍数である容量値を有するものであり、前記ベース容量値が、前記電力線の選択された公称線周波数および選択された公称線電圧で実質的に１アンペアを引き出すリアクタンスを生じる容量値である、ステップを含む、
請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
（ａ）特定の複数のポート端子によって形成されるデジタル・ポートを含むコントローラと、前記コンデンサの各々を前記ポート端子のうちの特定のポート端子に結合するラッチング・エレメントを含むスイッチング回路とを提供するステップと、
（ｂ）前記コントローラが、前記コンデンサの前記適切な組合せに対応するビット内容を有する複数ビット２進ワードを前記ポートへ書き込むことによって、前記コンデンサの前記適切な組合せを前記電力線へ結合させるようにするステップと
請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
可変のレベルである可能性を持つ無効電力を含むＡＣ電力を引き出す負荷が結合される電力線を含む電気設備を力率補正するための方法であって、
（ａ）前記負荷によって引き出される前記電力の電圧と電流の間の電気位相角に実質的に比例する位相値を測定するステップであって、
（１）前記電圧と前記電流のそれぞれの一連のゼロ交差点を検出するステップと、
（２）前記ゼロ交差点の間の時間間隔を測定するステップと、
（３）前記時間間隔を前記位相角へとスケーリングするステップと
によって前記位相値を測定するステップと、
（ｂ）前記電力の前記電気位相角を最小にするための補償リアクタンス値を自動的に計算するステップと、
（ｃ）複数のコンデンサを提供するステップと、
（ｄ）特定の複数のポート端子によって形成されるデジタル・ポートを含むコントローラと、前記コンデンサを前記ポート端子のうちの特定のポート端子に結合するラッチング・エレメントを含むスイッチング回路とを提供するステップと、
（ｅ）前記コントローラが、前記コンデンサの前記適切な組合せに対応するビット内容を有する複数ビット２進ワードを前記ポートへ書き込むことによって、前記補償リアクタンス値と実質的に同等のリアクタンス値を生じるためにコンデンサの組合せを前記電力線に結合することを自動的に制御するステップと
を含む方法。
【請求項３７】
前記結合するステップが、
（ａ）コンデンサの集合のうちの１または複数のコンデンサを前記電力線に結合するステップであって、前記コンデンサの集合は、最小容量値から最大容量値まで２のべき乗で変化する容量値を有する、ステップを含む、
請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記結合するステップが、
（ａ）コンデンサの集合のうちの１または複数のコンデンサを前記電力線に結合するステップであって、各コンデンサが、ベース容量値の倍数である容量値を有するものであり、前記ベース容量値が、前記電力線の選択された公称線周波数および選択された公称線電圧で、選択された量の電流を引き出すリアクタンスを生じる容量値である、ステップを含む、
請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記結合するステップが、
（ａ）コンデンサの集合のうちの１または複数のコンデンサを前記電力線に結合するステップであって、各コンデンサが、ベース容量値の倍数である容量値を有するものであり、前記ベース容量値が、前記電力線の選択された公称線周波数および選択された公称線電圧で実質的に１アンペアを引き出すリアクタンスを生じる容量値である、ステップを含む、
請求項３６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力制御回路に関し、より詳細には、電力設備（ｐｏｗｅｒ  ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ）の力率（ｐｏｗｅｒ  ｆａｃｔｏｒ）の監視および補正のための改善されたシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力は非常に汎用性が高く便利なエネルギ源である。しかしながら、電気エネルギを発生して配電するのにはコストがかかり、これは電力の需要が高まると増大する傾向がある。この理由で、電力の送電および利用の効率を高め、逆に、電気エネルギの送達および使用における損失および浪費を低減することの要求が常にある。
【０００３】
交流電力は、電流と電圧の間の位相関係によって特徴付けられる。電圧に対する電流の遅れは誘導性（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ）負荷が優勢であることに起因し、電圧に対する電流の進みは容量性（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ）負荷に起因する。同相の関係は、抵抗性（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）負荷、または誘導性負荷と容量性負荷のバランスに起因する。電力回路の誘導性または容量性のリアクタンスの影響から、位相外れ電流は「皮相（ａｐｐａｒｅｎｔ）」または無効（ｒｅａｃｔｉｖｅ）電力となり、同相電流は「有効（ｒｅａｌ）」または抵抗性電力となる。電流と電圧の間の位相関係の通常使用される尺度は力率であり、これはそれらの間の位相角の余弦に等しい。力率は、その関係が実際上抵抗性のときは値１で最大になり、誘導性のときは正で１未満であり、容量性のときは負で１未満である。
【０００４】
電動機、変圧器などのような、容量性よりも誘導性負荷のタイプのものの方が多く電力線に接続される傾向がある。電力会社はしばしば産業電力の顧客に、それらの負荷が選択されたレベルよりも低い力率を駆動するときに、割増料金を課する。これを回避するために、産業ユーザはしばしば、力率補正コンデンサをそれらの誘導性負荷とともに電力線に接続して、力率を補償し経済的レベルに保持する。
【０００５】
住居電力設備では、消費される電気エネルギの大部分は、冷却、換気、空調、照明、場合によっては暖房である。通信、コンピュータ、娯楽デバイスなどにも、比較的少量のエネルギが使用される。住居および小企業設備で一般に使用される電力量計（ｗａｔｔ−ｈｏｕｒ  ｍｅｔｅｒ）は、有効電力と皮相電力とを区別しない。従って、皮相電力が顧客にとって有用な目的で実際に「消費」されなくても、顧客は両方の料金を課せられる。
【０００６】
大規模産業電力ユーザが利用可能な力率補正システムは有るが、住居および小企業顧客の力率を補正するための実際的または経済的なデバイスは無い。一般に、産業用の力率補正システムは、補償の対象とされる装置と結合され、その装置と協働して作動する。過去において、考慮され得る誘導性負荷ごとに力率補正デバイスを設置することは、居住用財産の所有者にとって実際的または経済的であるとは考えられていない。更に、住居内の誘導性負荷は、例えばサーモスタットの制御下で、ランダムな時間に作動される傾向がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の概要
本発明は、住居、アパート、小企業などの小規模電力設備の力率を補正するためのシステムを提供する。本発明のシステムは、一般に、電力線に選択的に結合される複数のリアクタンス・ユニットまたはコンデンサと、電力線に接続されたコンデンサが力率に好影響を与えたかどうかを判定するためのセンサ・ユニットとを含む。
【０００８】
概して、本発明は、電力設備の負荷によって引き出される無効電力のレベルを示すことが可能な、その負荷によって引き出される電力の電気パラメータを測定し、そして、測定された電気パラメータによって示される無効電力のレベルを実質的に補償するために、リアクタンス・エレメントの組合せを電力線に結合する。本発明は、測定した電流のレベルおよび測定した電流レベルへの補償リアクタンスの効果に専ら基づく第１の実施形態と、引き出された電力の位相角の測定に基づく第２の実施形態とに向けられたものである。
【０００９】
より詳細には、本発明の力率補正システムの第１の実施形態は、設備によって引き出される電流レベルを連続的に測定する。電流の増加が検出されると、電力負荷が作動したと推定される。コンデンサ・ユニットが電力線に接続され、電流が再び測定される。電流レベルが増加した場合は、コンデンサ・ユニットが力率に好影響を与えていないと判定され、コンデンサが接続解除される。他方、コンデンサを接続することにより測定した電流が減少した場合は、追加の容量が電力線に接続される。このプロセスは、電流が再び上昇するまで繰り返され、その時点で、最も最近接続されたコンデンサが接続解除される。
【００１０】
電力設備内で負荷によって引き出された電流を測定するときに、本発明は、いくつかの電流測定値を時間にわたって平均化し、選択された電流差の変化が選択された時間間隔より短い時間間隔で測定されない限り、補償動作を行わない。従って、この手法は、システムを、引き出された電流の小さい変動に比較的影響を受けないようにすることによって、スイッチング過渡現象を低減する。好ましい実施形態では、本発明は、公称電力線周波数および電圧で約１アンペアの電流を引き出すであろうリアクタンスを生じるであろう、多数のベース・コンデンサの容量の増分を補償することに基づく。ベース・コンデンサは、６０ヘルツの線周波数および１１０ボルトの公称電圧をもつ電力設備に対して２２マイクロファラッドである。
【００１１】
本発明は、ベース容量と２のべき乗とを乗算した値に変化する値をもつコンデンサの集合を与えることによって、補償を行うコンデンサ組合せに到達する速度を最大化する。コンデンサの集合は、１、２、４、８、．．．、１２８にベース容量を乗算したものを含む。この手段によって、力率補正は、測定した電流レベルが増加するまで補償容量の値を２倍にしていくことによって、初期補正へ迅速に到達する。２進表記では、この初期補正は「最上位桁」を表す。このプロセスは、同じく「最下位桁」を満たす、最適な組合せが決定されるまで、２倍ではなく増分することによって、継続する。
【００１２】
本発明の代表的な設備は、１〜１２８までの２のべき乗と２２マイクロファラッドのベース・キャパシタンスを乗算した範囲で変化する値をもつ８つの補償コンデンサの集合を含む。補償コンデンサは電力線上のラッチング・スイッチを介して接続される。ラッチング・スイッチは、マイクロプロセッサやマイクロコントローラなどのコントローラの８ビット出力ポートにインターフェースされる。この手段によって、コントローラは、適切な２進ワード、即ち、そのビット内容が接続または接続解除すべきコンデンサの組合せに対応する２進ワードを出力ポートへ書き込むことによって、電力線上のコンデンサの２５６の組合せの何れかを接続することができ、また、コンデンサの何れかまたは全部を接続解除することができる。
【００１３】
本発明の第２の、即ち、位相ベースの実施形態では、電流および電圧の双方とそれらの間の位相関係が連続的に測定される。位相角をほぼ０に低下させる補償容量値の量が計算される。次いで、感知された誘導性負荷を補償するために、補償容量値にほぼ等しいコンデンサの組合せが電力線に接続される。本発明の第２の実施形態は、同じコンデンサの集合と、一般に第１の実施形態と同じ装置とを使用する。従って、第２の実施形態は、容量値がベース容量の倍数であるコンデンサの集合を使用し、その結果として、公称線周波数および電圧で約１アンペアの電流を引き出すであろうリアクタンスを生じる。コンデンサの集合はまた、値が２のべき乗とベース容量とを乗算した値に変化する。
【００１４】
本発明の他の目的および利点は、説明および例として、本発明のいくつかの実施形態が示されている添付の図面と関連した以下の説明から明らかになろう。
図面は、本明細書の一部を構成し、本明細書の例示的な実施形態を含み、その様々な目的および特徴を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
発明の詳細な説明
要求されたように、本発明の詳細な実施形態をここに開示する。ただし、開示される実施形態は、様々な形態で実施できる本発明の単なる例を示すものにすぎないことを理解されたい。従って、本明細書で開示される特定の構造および機能の詳細は限定のためのものではなく、単に特許請求の範囲の基礎として、および適当に詳細が示された実質的に任意の構造で本発明を様々に使用するための教示を当業者に行うための代表的な基礎として、解釈すべきである。
【００１６】
図面をより詳細に参照すると、参照番号１は全体的に装置を示し、参照番号２は、電力線４からランダムな時間に可変レベルの無効電力を引き出す電力設備３（図２）の力率を自動的に補正するための方法を示す。一般に、本発明は、電力設備３の負荷５（図２）によって引き出される無効電力のレベルを示すことが可能な、負荷５によって引き出される電力の電気パラメータを測定し、その測定された電気パラメータによって示される無効電力のレベルを実質的に補償するために、リアクタンス・エレメント６の組合せを電力線４に結合する。
【００１７】
図１を参照すると、力率補正装置１は、電流感知回路１０を含み、その出力が電流スケーリング回路１１によって処理され、電流アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１２へ入力される。電流感知回路１０は、例えば、従来タイプのクランプオン型の電流センサとすることができ、ＡＣ電力導体の集合に電磁的に結合し、そこを通る電流を測定する。電流スケーリング回路１１は、電圧または電流分割器ネットワークとすることができ、これにより、測定されたレベルを、電流ＡＤＣ１２に入力するために都合のよい範囲に下げる。電流ＡＤＣ１２の出力は、電力線４を流れる電流の測定されたレベルに比例する２進値を有するデジタルワードである。
【００１８】
例示の装置１はまた、電圧感知回路１４、電圧スケーリング回路１５、および電圧アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１６を含むことができる。電圧感知回路１４は、好ましくは、電力線４上に直接に接続され、分圧器ネットワークなどのスケーリング回路１５を含み、電圧ＡＤＣ１６による処理のために、感知された電圧を所望されるレベルへスケーリングする。電流感知回路１０と電圧感知回路１４との接続の手法は、電力線４を流れる電力の位相を測定するための基礎を形成する。電流感知回路１０は電力線４に電磁的に結合され、従って、その読み取りは、電力線４を流れる電流の値を追跡する。他方、電圧感知回路１４は電力線４に導電的に接続され、従って、電力線上の電圧の影響を受ける。電圧感知エレメント１４、１５および１６は、装置１の第１の実施形態では存在する必要はない。クランプオン型の電流センサ１０は、それが本来誘導性なので、それ自体の小さい位相シフトを追加させ、このため、位相の決定に若干の誤差をもたらすことがある。しかしながら、そのようなシフトは一定であり、以下で詳述するように、測定のスケーリングステップによってマスキングすることができる。あるいは、ホール効果に基づく電流センサなどのような、誘導性の結合を必要としない他のタイプの電流感知エレメントを使用することもできる。電流感知回路１０および電圧感知回路１４はまた、好ましくは半波長整流器を組み込む。
【００１９】
電流ＡＤＣ１２および電圧ＡＤＣ１６（存在する場合）は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラなどとすることができるコントローラ２０のポートに、インターフェースされる。例示のコントローラ２０は、プログラムおよび固定データを記憶するフラッシュ・プログラマブルＲＯＭ（読取り専用メモリ）２２と、一時的データを記憶するＲＡＭ（読取り／書込みメモリ）２４を含む。コントローラ２０は、いくつかの知られているタイプの埋込み型のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラなどの何れかによって実施することができる。コントローラ２０は、例えば、Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．（マイクロチップ・テクノロジー社）（ｗｗｗ．ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ．ｃｏｍ．）製のＰＩＣ１６Ｆ８７Ｘシリーズのマイクロコントローラの１つとすることができる。コントローラ２０はパラレル・ポート２６を含み、分割器２８およびソリッド・ステート・リレーまたはラッチング・スイッチ３０の集合を介して、コンデンサ・バンク６の複数のコンデンサ３２へインターフェースされる。
【００２０】
図２は、コンデンサ・バンク６の詳細、およびコントローラ０のポート２６へのバンク６のコンデンサ３２のインターフェースの様式を示す。ポート２６は、Ｐ０〜Ｐ７で示される８つのビット３６を有するものとして示されている。各ビット３６はラッチング・スイッチ３０を介して特定のコンデンサ３２へ接続される。コンデンサ３２は、２のべき乗または２倍で変化する値（１×Ｃ）から（１２８×Ｃ）を有するものとして示されている。値「Ｃ」は、電力線４の公称線周波数および線電圧で約１アンペアの電流を引き出す容量性リアクタンスを形成する容量の値として選択される。「Ｃ」の値は、６０ヘルツの線周波数および１１０ボルトの公称ＡＣ線電圧に対して２２マイクロファラッドである。あるいは、「Ｃ」の値は、補正の所望され分解能の度合いに応じて、１／２アンペア、１／４アンペアなどのような何らかの他の電流値を引き出すように決定することもできる。そのような場合において、コンデンサ３２に対して好都合な２進スイッチング制御を行うために、コンデンサ・バンク６のコンデンサ３２の値を２の倍数によって変化させることがなおも望ましいであろう。
【００２１】
そのようなコンデンサ３２の集合の使用によって、装置１の補償の分解能は、１アンペアの補正になる。図２に示される様式で作動する例示のコンデンサ・バンク６のコンデンサ３２の集合は、「Ｃ」の増分において、０から２５５に「Ｃ」を乗算した任意の容量値を提供することができる。コントローラ２０は、ポート２６に２進ワードを単に書き込むだけであり、そのワードの２進内容が、電力線４へ結合する必要があると決定されたコンデンサ３２に対応する。分割器２８は、トライアック、ＳＣＲなどのようなソリッド・ステート・リレー３０を動作させるためにの駆動電流および分離を提供する。リレーまたはスイッチ３０、または分割器２８は好ましくはラッチング機能を有し、それにより、ポート２６へ書き込まれた作動の最も最近の状態が、コントローラ２０からの新しいワードによって変更されるまで、維持される。装置１は、論理１がスイッチ３０を作動させる正論理か、または論理０がスイッチ３０を作動させる負論理かの何れかを使用するようにセットアップすることができる。
【００２２】
コンデンサ３２およびそのラッチング・スイッチ３０の各集合は電力線４上に接続される。図示されるコンデンサ・バンク６の物理的な実施形態では、ラッチング・スイッチ３０とコンデンサ３２との集合は、並列に接続し、単に、好ましくは設備３の配電箱（図示せず）の近傍にある電力設備３の従来のコンセントへ差し込むことができる。図２には機器５を示し、機器５は、それぞれの機器スイッチ３８によって電力線４へ接続される。
【００２３】
図３は本発明の力率補正の方法２の電流レベルに基づく実施形態４４の主ルーチンを示す。電流型の方法４４は、電力施設３の負荷５によって引き出される無効電力を補償するための連続的近似手法である。一般には、電流を測定し、以前に測定した電流レベルと比較する。その差が大きい場合、コンデンサ３２は、電流が増加するまで作動する。その時点で、方法４４では、引き出される電流を増加させた容量レベルの直前の容量レベルへ戻す。方法４４は、電力線４に接続される或る容量（キャパシタンス）が負荷５によって引き出される誘導性電力を補償し、従って、引き出される電流の合計を低減する、ということに基づく。最適な容量レベルを超えると、位相角は容量性になり、電流レベルが増加するようになる。従って、プロセス４４は最適の容量レベルへ戻る。
【００２４】
図３を参照すると、ステップ４８で、すべての変数を初期設定し、ステップ５０で、以前に測定した高および低の電流レベル（ＨおよびＬ）を必要に応じてスケーリングする。例えば、ステップ５０で、以前の低および高のレベルを、考慮すべき最小増分を規定するために設定することができる。ステップ５２で、図４を参照しながら詳述するように、電流ＡＤＣ１２をサンプリングする。テスト５４で、得られた平均電流値ＡＤＣを以前の低（Ｌ）と比較する。ＡＤＣが、スケーリングされた以前の低よりも低い場合、ステップ５５で、以前の低Ｌを電流平均値に設定し、プロセスはステップ５０、５２および５４を繰り返すためにループして戻る。テスト５６で、平均ＡＤＣが以前の高Ｈを超える場合、ステップ５８で設定遅延間隔を観測し、ステップ６０で、電流ＡＤＣ１２を再びサンプリングする。テスト６２で、何れかのコンデンサ３２が現在作動していることが判定された場合、６４で、ポート２６に０ワード（００００００００）を書き込むことによってそのようなコンデンサ３２のスイッチを切り、最小電流発見ステップ６６（図５）において、測定される電流が増加するまで、コンデンサ３２を電力線４と並列になるように連続的にスイッチを戻す。
【００２５】
図４を参照すると、ＡＤＣサンプリング・ルーチン５２／６０が示されている。ステップ７０で、負荷５によって電力線４を介して引き出される電流に比例する電流値を、選択された回数だけサンプリングする。電流をサンプリングする回数は、コントローラ２０の速度およびプロセス４４の全体的処理要件に依存する。ステップ７０で生成したサンプルの集合から、ステップ７２で、最高ピークＨおよび最低ピークＬを選択する。ピークとは、電力線４上の電流の波形の正弦波ピークをさす。また、ステップ７４で、サンプルの集合の平均値を計算し、「ＡＤＣ」として記憶する。ステップ７６で、ルーチン５２／６０は、変数Ｈ、ＬおよびＡＤＣとともに呼出しプロセス４４に戻る。その後、「ＡＤＣサンプリング（ｓａｍｐｌｅ  ＡＤＣ）」と示されるすべてのプロセス・ステップは、ステップ５２／６０を参照して詳述した様式で機能することになる。
【００２６】
図５は、機器５によって引き出される電流の影響下で電力線４の力率を実際に補正するためのルーチン６６を示す。ステップ８０で、ルーチン６６の変数を初期設定し、その後に、初期電流最小化ループ８２へ進む。８４でのテストで、コンデンサ３２のすべてのコンデンサが試行されたかどうかを判定する。図２に示される値をもつコンデンサ３２のすべてを循環することはありそうもない。バンク６の最高値のコンデンサ３２は、１２８×２２マイクロファラッドの値を有し、従って、無効電流の１２８アンペアの補正を表す。住居電力設備の大部分は１００アンペアの供給を超えない。８４で、ループ・カウントを超えなかった場合、８６で、設定遅延を観測し、その後、以前にステップ５２および６０を参照して詳述した「ＡＤＣサンプリング」ステップ８８へ進む。テスト９０で、測定した電流が減少したかどうかを判定する。そうであれば、ステップ９２で、容量を２倍にし、ループ８２を繰り返す。ループ８２の第１の発生時に、ステップ９２で、最低値（１×Ｃ）が電力線４に接続されることに留意されたい。
【００２７】
テスト９０で、電流が減少しないと判定された場合、即ち、電流が増加する場合、９６でのテストで、第１のコンデンサ増分（１×Ｃ）のみが試行されたかどうかを判定する。そうであれば、ステップ９８で、容量値（１×Ｃ）を分離（接続解除）し、ステップ１００で、電流ＡＤＣ１２をサンプリングし、ステップ１０２で、ルーチン６６は呼出しプロセス４４へ戻る。（１×Ｃ）以外の何れかのコンデンサ３２が接続されている場合、ステップ１０６で、その値を１／２にして、テスト９０で電流が増加する前の以前のレベルの容量に戻し、Ｃ１の値（１／２にする前の容量値に等しい）を保存し、最終電流最小化ループ１０８へ入る。
【００２８】
ループ１０８の各ラウンドで、１１２で、現在の容量値がループ８２から得られる容量値よりも低いかどうかを判定するテストを行う。そうであれば、設定遅延１１４を待ち、ステップ１１６での電流ＡＤＣ１２のサンプリング、および１１８での電流減少ステップを実行する。テスト１１８で、測定した電流が減少しているとされた場合、ステップ１２０で、容量値を「Ｃ」の値だけ増分する。テスト１１８で、電流レベルが減少していないとされた場合、ステップ１２２で、容量値を減分し、ステップ１２４で、電流レベルをサンプリングし、１２６で、ルーチン６６は呼出しプロセス４４へ戻る。１１２でのテストが「偽」に戻るまでループ１０８が繰り返す場合、ルーチン６６も１２６で戻る。なぜなら、測定した電流を増大させることなく、ループ１０８を通して補償用の容量の最大値が試行されているからである。
【００２９】
図６は本発明の力率補正方法の代替例である位相に基づく実施形態１３０を示す。プロセス１３０は、電力設備３のランダムに作動する機器５によって生じる電力線４の位相シフトの変化するレベルを測定することが可能であり、電力の無効位相関係を補償するためにコンデンサ３２の組合せを決定し、その組合せを電力線４に結合させて、電力線４の位相関係を、実質的に抵抗性の、または少なくとも最小化された位相角へと戻す。
【００３０】
プロセス１３０は、概して、電圧波形と電流波形のゼロ交差点の間に時間間隔があれば、その時間間隔のシーケンスを検出および測定することによって、位相を測定する。これは、位相を測定するためのよく知られている技法であり、そのような計数形検波器（ｚｅｒｏ  ｃｒｏｓｓｉｎｇ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）（図示せず）用の回路の様々な構成は、当業者なら思い付くであろう。そのような計数形検波器の回路は、電流および電圧感知回路１０〜１６（図１）とともに装置１で使用することもできる。しかしながら、プロセス１３０は、電流および電圧感知回路１０〜１６のみで実施することもできる。
【００３１】
位相に基づく力率補正プロセス１３０は、プロセス４４と同様に始まり、ステップ１３４で変数の初期設定、ステップ１３６で以前に決定されたＨおよびＬ電流測定値のスケーリング、およびステップ１３８で電流ＡＤＣ１２のサンプリングが行われる。ステップ１３８は、プロセス４４に関連して説明したＡＤＣサンプリングステップ５２と実質的に同様である。テスト１４０および１４２は、プロセス４４のテスト５４および５６と同様であり、現在の測定した電流のレベルが以前に測定した電流のレベルと著しく異なるかどうかを判定する。テスト１４０で、現在の測定した電流レベルが以前の低ピークＬよりも低いとされた場合、ステップ１４１で、Ｌ値を新しいＡＤＣ電流値と置換し、ステップ１３６および１３８を繰り返す。テスト１４２で、ＡＤＣ値が以前に測定した高ピークＨよりも大きくないとされた場合、ステップ１３６および１３８を繰り返す。図示のプロセス１３０において、テスト１４０および１４２で、測定した電流レベルにおける選択された変化が検出されない限り、プロセス１３０は力率を補正する試みを行わない。
【００３２】
テスト１４２が真とされた場合、ステップ１４４での設定遅延の後に、ステップ１４６で電流ＡＤＣ１２をサンプリングし、図７を参照て詳述する「位相発見」ルーチン１５０へ入る。テスト１５４で判定されるように、位相発見ルーチン１５０で位相が容量性であると判定される場合、プロセス１３０は、ステップ１５６で、測定された位相角を最小限にするためにコンデンサ３２の組合せを計算し、ステップ１５８で、必要に応じて位相を補正するためにコンデンサをオフにする。実際には、ステップ１５６および１５８は、機器５がオフにされて、電気設備３がコンデンサ・バンク６によって過剰補正される場合に必要になることがある。テスト１６０で示されるように、ルーチン１５０で位相が誘導性であると判定される場合、プロセス１３０は、ステップ１６２で、位相を補正するために必要なコンデンサ３２の組合せを計算し、ステップ１６４で、ステップ１６２から判定されたコンデンサ３２の組合せをオンにする。
【００３３】
図７を参照すると、位相発見ルーチン１５０は、ステップ１７０で、センサ１４および１０によって測定された電圧および電流が０になるのを待ち、次いで、ステップ１７２で、ＡＤＣ１６および１２によって電圧と電流の両方をサンプリングする。テスト１７４、１７６および１７８において、プロセス１５０は、テスト１７４で、電圧と電流が同時に０と交差するかを判定し、テスト１７６で、最初に電圧が０ボルトと交差するかを判定し、テスト１７８で、最初に電流が０アンペアと交差するかを判定する。選択された時間窓内で、電圧と電流が実質的に同時に０と交差する場合、ステップ１８０で、電力線４の位相関係が抵抗性であると判定され、ステップ１８２で、プロセスは戻り、テスト１５４および１６０へ「ノー」の答えを与える。
【００３４】
テスト１７６で、最初に電圧が０と交差することが判定された場合、ステップ１８６で、位相関係が誘導性であると判定され、位相タイマを始動させる。位相タイミング・ループ１８８中では、ステップ１９０で、電流ＡＤＣ１２を介して電流のサンプリングを繰り返すが、これは、テスト１９２で電流が０と交差したと判定されるまで繰り返される。その時点で、ステップ１９４で、位相タイマ値を得て、力率（ｐｈａｓｅ  ｆａｃｔｏｒ）へスケーリングする。力率は、必要とされる位相補正が誘導性補正か容量性補正かを示す。力率はまた、ステップ１９６でスケーリングされるように、必要とされる補正の値に比例する。その後、ルーチン１５０はステップ１９８でプロセス１３０へ戻る。
【００３５】
同様に、テスト１７８で、最初に電流が０と交差したと判定された場合、ステップ２００で、位相関係が容量性であると判定し、位相タイマを始動させる。位相タイマループ２０２は、ステップ２０４で、電圧ＡＤＣ１６を介して電圧のサンプリングを繰り返すものであり、テスト２０６で電圧が０と交差したと示されるまで繰り返す。ステップ２０８で、ステップ２１０で最終タイマ値を力率へとスケーリングし、これをステップ１９６で補正容量値へとスケーリングする。次いで、１９８で、ルーチン１５０はプロセス１３０へ戻る。
【００３６】
プロセス４４および１３０は、サポート・ルーチン５２、６６および１５０とともに、継続するプロセスであり、連続的に、電力線４の電流または電流と位相の関係を測定し、使用されるハードウェアおよびソフトウェアの分解能内で、検出される如何なる非抵抗性力率も補償するためにコンデンサ３２の組合せを電力線４へ結合する。プロセス４４および１３０は、装置１が電源切断されるか又は中断された場合、自動始動し、初期設定の入力を必要としない。装置１はバックアップ・バッテリを必要としないが、電源（図示せず）を使用して電力線４からその動作電力を得ることができる。ソリッド・ステート・リレー／ラッチ３０は、それへの動作電力が中断された場合に、リレー３０が開き、装置１の残部に供給される電力が装置１を動作させられるときにのみ、補正コンデンサ３２が結合されるように好ましく構成される。従って、装置１は本質的にフェイル・セーフである。
【００３７】
本発明のいくつかの形態を本明細書に示し、説明したが、本発明は、説明し、図示した特定の形態および部品の構成に限定されるものではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明を実施する自動力率補正システムの主要な構成要素を示すブロック図である。
【図２】図２は、自動力率補正システムのコンデンサ・バンクを示すブロック図である。
【図３】図３は、自動力率補正システムの主電流ベースのルーチンのプロセス・ステップを示す流れ図である。
【図４】図４は、電力設備によって引き出される電流を測定するための本発明のルーチンのプロセスステップを示す流れ図である。
【図５】図５は、本発明による力率を補正するための増分電流ベースのルーチンのプロセス・ステップを示す流れ図である。
【図６】図６は、電力設備によって引き出される電力の直接位相測定に基づく本発明の自動力率補正システムの代替的な実施形態を示す流れ図である。
【図７】図７は、本発明の代替的な位相ベースの実施形態内の位相測定用のルーチンのステップを示す流れ図である。
【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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【図６】
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【図７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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