(57)【要約】【課題】三相配電系統において単相の重い負荷により生じる三相電圧不平衡状態を抑制する装置を提供する。【解決手段】配電線路に接続されたインバータの出力から各相に補償する電流を供給する装置とし，インバータ制御信号生成手段として，三相二相変換回路，回転座標逆相変換回路，逆相電圧ゼロ制御回路，二相三相変換回路とを具備する逆相電流指令信号値生成ユニットと，インバータの出力波形を制御するＰＷＭ駆動パルス生成ユニットとによって形成されるＰＷＭ信号生成手段を有する三相電圧不平衡抑制装置とした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相受電系統の受電端と負荷端との間に直列に二次巻線が接続された直列変圧器，該変圧器の一次巻線に接続されたＰＷＭインバータ，該インバータの入力側に接続された整流回路，該整流回路の入力側に二次巻線，上記受電端に一次巻線が接続された分路変圧器とによって主回路が形成された三相不平衡電圧抑制装置において，前記ＰＷＭインバータを駆動させるための信号生成手段として，三相電圧を二相に変換する三相二相変換回路，二相交流信号を直流信号に変換する回転座標逆相変換回路，三相が平衡していることを示している逆相電圧ゼロと前記受電系統電圧の検出逆相電圧との誤差信号を取り出す逆相電圧ゼロ制御回路，直流信号を交流信号に変換する二相三相変換回路とから構成される逆相電流指令信号値生成ユニットと，電流波形制御回路及びＰＷＭ制御回路で構成されるＰＷＭ駆動パルス生成ユニットとを具備したＰＷＭ信号生成手段を有するとともに，生成される逆相電流指令信号値を電流波形制御の基準信号値として用いるＰＷＭインバータの波形制御機能をもたせたことを特徴とする三相不平衡電圧抑制装置。
【請求項２】
前記直列変圧器が一次巻線に並列接続される短絡手段を具備する直列変圧器であり，該短絡手段がインバータ出力回路遮断手段と連動して作動する短絡手段であり前記両手段が同時に閉路することを防止した請求項１記載の三相不平衡電圧抑制装置。
【請求項３】
三相受電系統の受電端と負荷端との間に負荷に並列に接続されたＰＷＭインバータとによって主回路が形成された三相不平衡電圧抑制装置において，前記ＰＷＭインバータを駆動させるための信号生成手段として，三相電圧を二相に変換する三相二相変換回路，二相交流信号を直流信号に変換する回転座標逆相変換回路，三相が平衡していることを示している逆相電圧ゼロと前記受電系統電圧の検出逆相電圧との誤差信号を取り出す逆相電圧ゼロ制御回路，直流信号を交流信号に変換する二相三相変換回路とから構成される逆相電流指令信号値生成ユニットと，電流波形制御回路及びＰＷＭ制御回路で構成されるＰＷＭ駆動パルス生成ユニットとを具備したＰＷＭ信号生成手段を有するとともに，生成される逆相電流指令信号値を電流波形制御の基準信号値として用いるＰＷＭインバータの波形制御機能をもたせたことを特徴とする三相不平衡電圧抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，三相配電系統において単相重負荷の接続の為に生じる配電線路の電圧変動，三相電圧のバランスが崩れるのを抑制する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば数１００ｋＷ規模の三相受電設備と負荷を有する工場の構内では，受電端から負荷端への配電線路が長く，線路のインピーダンスと負荷電流変動により負荷端における電圧変動が大きい。とくに重い単相負荷が接続されると三相電圧のバランスが崩れ三相不平衡電圧が配電線路に現れることになる。これに対処して，図５に示すような従来の装置があったが，単相負荷側の電圧調整することは出来たが受電端には不平衡電流の影響を及ぼすものであった。
【０００３】
図５に示した従来の装置は，配電線路インピーダンス２と負荷電流とによって生じた電圧降下分を補うように負荷端３の電圧を上昇させるように構成された自動昇圧器である。自動昇圧器は昇圧タップを一次巻線６１に設けた変圧器の二次巻線６２が配電線路に直列に接続され，この接続点の電圧を検出する電圧検出駆動手段２０，２１，２２が内蔵されていて，所定電圧以下になったとき変圧器の一次巻線６１のタップを自動的に切換えて二次側に電圧を加えるように構成されている。負荷に近い位置に自動昇圧器が接続され検出電圧が所定電圧以下になったとき該昇圧器の一次巻線６１のタップを自動的に切換えて昇圧し，検出電圧が所定電圧を超えたとき該昇圧器の一次巻線６１のタップを自動的に元の位置に戻して電圧を下げるように作用する。
【０００４】
上記タップの切替えを無接点スイッチで行う方式のものや，昇圧タップに通電する電流と降圧タップに通電する電流の比率を無接点スイッチの導通位相を変化させる事によって調整する方式の装置も試みられた。これらは何れも三相不平衡電圧の原因となっている逆相電流を是正する効能が無いので配電系統の変電所における変圧器利用率が低下する欠点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記の欠点を改良した，三相不平衡電圧の発生原因そのものに着眼して対応する作用を発揮させて，電圧の変動とともに三相不平衡を抑制する装置を提供しようとすることが本発明の目的である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
三相不平衡電圧をその発生原因となっている逆相電流を検出し，この逆相電流成分に相当するものを各相に対して，インバータで直流を電源として位相及び電圧値を生成して，負荷に対し直列接続された変圧器の二次巻線に注入し補償しようとするのが解決の道筋である。三相不平衡の信号を直流成分に変換し基準ゼロ（三相平衡の状態）と比較して逆相電圧を取り出し処理する第１段階，この第１段階の為に用いられる三相二相変換回路，及び回転座標逆相変換回路は公知の手段である。上記直流成分の該逆相電圧信号を交流に変換する第２段階，この第２段階の為に用いられる逆相電圧ゼロ制御回路，二相三相変換回路は公知の手段である。これら公知の手段を用いて，時々刻々変化する逆相電流値から生成される指令信号値を抽出しつつ，自動制御の基準信号値に置き換えて該指令信号値を用い，前記インバータをフィードバック制御させるようにした着想が，この発明による実施形態を実現させ，ＰＷＭ駆動パルス生成ユニットと，逆相電流指令信号値生成ユニットとを組み合わせて新しい機能を生み出した。
【０００７】
請求項１に関しては，三相受電系統の受電端と負荷端との間に直列に二次巻線が接続された直列変圧器の一次巻線にＰＷＭインバータによって負荷不平衡の原因となっている電流を給電する考え方に着眼して構成した。該インバータの入力側に接続された整流回路，該整流回路の入力側に二次巻線，上記受電端に一次巻線が接続された分路変圧器とによって主回路が形成された三相不平衡電圧抑制装置とした。前記ＰＷＭインバータを駆動させるために，不平衡状態の三相電圧を検出し，三相電圧を二相に変換する三相二相変換回路，二相交流信号を直流信号に変換する回転座標逆相変換回路，三相が平衡していることを示している逆相電圧ゼロと前記受電系統電圧の検出逆相電圧との誤差信号を取り出す逆相電圧ゼロ制御回路，直流信号を交流信号に変換する二相三相変換回路とを具備し生成される逆相電流指令信号値を基準信号値としたＰＷＭ信号生成手段を有することを特徴とする三相不平衡電圧抑制装置とした。
【０００８】
請求項２に関しては，前記直列変圧器が一次巻線に並列接続される短絡手段を具備する直列変圧器とし，該短絡手段が，インバータ出力回路遮断手段と連動して作動する短絡手段であって，インバータ出力回路の閉路状態と短絡手段の閉路状態が同時に起こることを防止し，作動する短絡手段である三相不平衡電圧抑制装置とした。
【０００９】
請求項３に関しては，三相受電系統の受電端と負荷端との間に負荷に並列に出力側が接続されるＰＷＭインバータによって主回路が形成された三相不平衡電圧抑制装置とした。前記ＰＷＭインバータを駆動させるために，不平衡状態の三相電圧を検出し，三相電圧を二相に変換する三相二相変換回路，二相交流信号を直流信号に変換する回転座標逆相変換回路，三相が平衡していることを示している逆相電圧ゼロと前記受電系統電圧の検出逆相電圧との誤差信号を取り出す逆相電圧ゼロ制御回路，直流信号を交流信号に変換する二相三相変換回路とを具備し生成される逆相電流指令信号値を基準信号値としたＰＷＭ信号生成手段を有することを特徴とする三相不平衡電圧抑制装置とした。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に，本発明による実施の形態を説明する。図１の本発明による実施形態における全体構成を示す回路図において，１の受電端で三相電力を受けて，２の線路インピーダンスを通電した電力が３の負荷端の供給される配電系統において，例えば単相の大電流負荷など種々の負荷が接続される。４の直列変圧器は，その一次巻線４１と二次巻線４２および短絡手段４３から構成される。
【００１１】
５は分路変圧器であり該分路変圧器の一次巻線５１及び分路変圧器の二次巻線５２で構成される。該二次巻線に整流回路６が接続され三相交流が直流電力に変換される。該直流電力は，ＰＷＭインバータ７の入力側に接続されて三相交流電力に変換されて直列変圧器４の一次巻線４１に接続される。ＰＷＭインバータ７を形成しているスイッチング素子の制御極にはＰＷＭ信号発生手段８からＰＷＭ駆動パルスが供給されて配電系統に対し補償するよう各相毎に調整された電力がＰＷＭインバータ７から直列変圧器４の一次巻線４１に供給され三相平衡電圧を抑制する。
【００１２】
ＰＷＭ信号発生手段８はＰＷＭ駆動パルス生成ユニット９と逆相電流基準信号値生成ユニット１０とで構成される。電流検出器１１が配電系統の負荷電流を検出し，ＰＷＭ信号発生手段８にフィードバックされて三相不平衡の原因である不平衡電流がゼロに近づく方向に，ＰＷＭインバータ７が出力するように制御される。
【００１３】
ＰＷＭ駆動パルス生成ユニット９は，電流波形制御回路９１とＰＷＭ制御回路９２とで形成される。該ＰＷＭ駆動パルス生成ユニット９は，基準電圧信号が所定の基準値であるならば公知の考え方そのものであるが，この基準電圧信号に置き替わって，配電系統の時々刻々変化する逆相電流値から生成される指令信号値が逆相電流指令信号値生成ユニット１０から供給されるようにした着想が，この発明による実施形態を実現させた。ＰＷＭ駆動パルス生成ユニット９に対して，逆相電流指令信号値生成ユニット１０を組み合わせて新しい機能を生み出した。
【００１４】
逆相電流指令信号値生成ユニット１０は，受電端から負荷に至る間の線路インピ−ダンスと負荷電流で生じた時々刻々の三相不平衡電圧を下記の変換処理で直流信号を得て，三相平衡状態であることを意味する直流ゼロと比較した後，下記の変換処理で交流信号を得て，別に検出した逆相電流値と比較しインバータで作り出す補償電流値を指令する指令信号値を作るように動作する。詳細は以下に述べる。
【００１５】
三相検出電圧が公知の三相二相変換回路１０１で二相交流に変換された出力信号は，公知の回転座標逆相変換回路１０２で変換されて，この変換出力である直流信号として抽出される。
【００１６】
抽出された該直流信号は直流ゼロ電圧（三相が平衡した状態）と比較され逆相電圧ゼロ制御回路１０３の出力として三相不平衡分を補償するための補償電流信号が直流信号で得られる。
【００１７】
該直流出力信号を公知の二相三相変換回路１０４で変換して得られる交流信号を電流指令信号値として取り出す。該電流指令信号値と，ＰＷＭインバータ７の出力電流の電流検出器１１が得た逆相電流値とを比較して，この出力信号を前記ＰＷＭ駆動パルス生成ユニット９へ供給する。
【００１８】
ＰＷＭ駆動パルス生成ユニット９は，従来から一般的に用いられた公知のインバータ波形制御で出力電力を調整する電流波形制御回路９１とＰＷＭ制御信号回路９２とから形成されているが，相違点は，例えば図６に示した公知の定電圧制御（説明は後述する）などの基準となる基準電圧信号ＶＳに対して，変動している検出電圧ＶＤとの誤差信号をゼロにするフィードバック制御でＰＷＭインバータ出力を定電圧制御していたが，この基準電圧信号ＶＳを用いないで本発明の着眼点は刻々と変動する三相不平衡の原因をなす逆相電圧値から，生成される電流指令信号値を用いる点である。該電流指令信号値とＰＷＭインバ−タ出力電流から検出した逆相電流値との誤差をゼロに近づけるようにフィードバック制御することが新規なポイントである。
【００１９】
図６の従来例は定電圧制御ＰＷＭインバータにより定電圧の電源を得る装置を構成する回路図である。図６では，受電端１に接続された変圧器Ｔの二次側に整流器６を接続し交流電力を直流に変換する，この直流を定電圧制御しながら交流に変換するのがＰＷＭインバータ７であり，そのスイッチング素子の制御極に供給されるＰＷＭ駆動パルスが電流波形制御回路９１とＰＷＭ制御回路９２とによって生成される。定電圧基準電圧信号ＶＳに対して，変動している検出電圧ＶＤとの誤差信号をゼロにするフィードバック制御でＰＷＭインバータ出力を定電圧制御していた。
【００２０】
図１に示した直列変圧器の一次巻線４１に並列接続される短絡手段作動の時系列について図１と図２を用いて説明する。インバータ出力回路遮断手段４４の開閉スイッチＲ２がＰＷＭインバータ７と直列変圧器４との間に挿入されていて前記短絡手段４３の開閉スイッチＲ１が閉路するＴ２の時点はその直前Ｔ１の時点から開閉スイッチＲ２は開いていることが条件１である。次に，開閉スイッチＲ１が開いたＴ３時点の直後Ｔ４時点に開閉スイッチＲ２を閉路する，即ち，開閉スイッチＲ１とＲ２が同時に閉路であることは禁止，これが条件２である。以上の条件で高速に開閉することが益々要求されてきた為，図１に示したスイッチは動作の理解を容易にする為に可動接点で示したが，無接点スイッチング素子で構成される。
【００２１】
実用の装置における一例を示すと，図１の直列変圧器４は系統電圧６６００Ｖに於いて使用する場合，一次巻線４１に対して略５００Ｖのとき，二次巻線４２に略６００Ｖに巻線比が設定されていて負荷端で検出電圧が６０００Ｖで三相が平衡している条件のとき，インバータ出力が５００Ｖに調節され二次電圧６００Ｖが直列に印加されて配電線路電圧６６００Ｖに出力調整される。インバータ出力に異常が生じても配電線路には停電という最悪の事態を避ける為に，前記短絡手段４３の開閉スイッチＲ１が閉路して二次巻線４２の短絡と等価回路となるので，配電線路には電圧６０００Ｖが給電される。
【００２２】
図３に示した本発明の第２の実施例について説明すると，１の受電端で三相電力を受けて，２の線路インピーダンスを通電した電力が３の負荷端に供給される配電系統において，単相の重い負荷が接続されたとき三相不平衡電圧を生じるので不平衡電流分を補償する電流をインバータから配電線路に加えるとき，請求項１に述べた直列変圧器の二次巻線を接続する部分を削除して，負荷に並列にインバータの出力側を接続点Ｐで直接接続することによって目的が達成された。
【００２３】
図４に本発明による第３の実施例に於いて，三相インバータの出力を配電線路に接続する部分を詳細に示した。三相電力の受電端１から線路インピーダンス２を有する負荷端３で単相重負荷による三相不平衡が生じた電圧を電圧検出器ＶＫによって検出し，既に説明した逆相電流指令信号値生成ユニット１０で電流指令値を抽出し，該電流指令値とＰＷＭインバータの出力電流検出器１１の逆相電流値とを比較して，この信号を前記ＰＷＭ駆動パルス生成ユニット９へ供給し，図１における場合と同様に制御回路が作用し補償電流分をインバータ出力端ＵＶＷから電線路との接続点Ｐを通じて電線路に戻すようにし不平衡を抑制する。この場合にはインバータ７の直流電源としては配電線路との接続点Ｐから取込んだ交流がダイオードＤ１〜Ｄ６によって整流されコンデンサＣの端子間電圧として貯えられる直流電力を用いる。コンデンサＣとリアクトルＬによって平滑された直流をコンデンサＣに貯えている，図４の実施例では，分路変圧器と直列変圧器を省いて省資源型の経済的な装置として提供できる。
【００２４】
このようにして図３，図４に示した実施例では，変圧器の設置空間を節約できるばかりでなく，インバータを構成する半導体スイッチング素子技術の進歩が，配電線路に電気絶縁を介せず直接接続を可能にしたので，変圧器の部材と製作の工数が削除出来た。
【発明の効果】
本発明によれば従来に於けるトランスタップ切替え式の場合のようなステップ電圧が発生することに起因する瞬時電圧変動が生じない。不平衡電圧抑制の機能を有するので，三相配電系統に重い単相負荷が接続されたとき，変電所側の機器の利用率を低下させないようにして電圧の大きい変動を与えない装置が提供できるので工業的価値が大きい。さらに直列変圧器の削除を可能とした実施例では，より安価に本装置を提供できる経済効果も大きくした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施形態における全体構成を示す回路図。
【図２】本発明による実施形態における短絡手段作動の時系列図。
【図３】本発明による第２の実施形態における全体構成を示す回路図。
【図４】本発明による第３の実施形態における要部を示す回路図。
【図５】従来の装置回路図。
【図６】従来の定電圧制御ＰＷＭインバータの構成回路図。
【符号の説明】
１    受電端
２    線路インピーダンス
３    負荷端
３０  出力端
３１，３２，３３  負荷
４    直列変圧器
４１  直列変圧器の一次巻線
４２  直列変圧器の二次巻線
４３  短絡手段
４４  インバータ出力回路遮断手段
５    分路変圧器
５１  分路変圧器の一次巻線
５２  分路変圧器の二次巻線
６    整流回路
７    ＰＷＭインバータ
８    ＰＷＭ信号生成手段
９    ＰＷＭ駆動パルス生成ユニット
１０    逆相電流指令信号値生成ユニット
１１    電流検出器
９１    電流波形制御回路
９２    ＰＷＭ制御回路
１０１  三相二相変換回路
１０２  回転座標逆相変換回路
１０３  逆相電圧ゼロ制御回路
１０４  二相三相変換回路
Ｃ    コンデンサ
Ｄ    ダイオード
Ｌ    リアクトル
Ｑ１〜Ｑ６  半導体スイッチング素子
Ｐ    インバータ出力と電線路との接続点
Ｒ１，Ｒ２  開閉スイッチ
【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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