(57)【要約】【課題】受電設備の負荷・無負荷状態にかかわらず力率を常に１又は１に近い状態に保持し、受電設備の省電力、設備費用の低減、さらに回路の安全性・信頼性の高い、受電設備の力率調整システムを提供すること。【解決手段】少なくとも１つの変圧器２と、該変圧器の一次側に高圧の給電線１が接続され、該変圧器の二次側に電気機器６が接続されている受電設備の力率調整システムにおいて、該電気機器と該変圧器との間に設けられた開閉器１０と、該開閉器の該電気機器側で、該電気機器に並列に接続され、該電気機器の無効電流を超えない容量を有する低圧コンデンサ９と、該変圧器と該開閉器との間に並列に接続され、該変圧器の容量の１０％以下の容量を有する補助用低圧コンデンサ８と、該変圧器の一次側に並列に接続され、該変圧器の総容量の１０％以下の容量を有する高圧コンデンサ７とを備えたことを特徴とする。【選択図】図４
2004007956.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの変圧器と、該変圧器の一次側に高圧の給電線が接続され、該変圧器の二次側に低圧駆動の電気機器が接続されている受電設備の力率調整システムにおいて、
該電気機器と該変圧器との間に設けられた開閉器と、
該開閉器の該電気機器側で、該電気機器に並列に接続され、該電気機器の無効電流を超えない容量を有する低圧コンデンサと、
該変圧器の一次側に並列に接続され、該変圧器の総容量の１０％以下の容量を有する高圧コンデンサとを備えたことを特徴とする受電設備の力率調整システム。
【請求項２】
少なくとも１つの変圧器と、該変圧器の一次側に高圧の給電線が接続され、該変圧器の二次側に低圧駆動の電気機器が接続されている受電設備の力率調整システムにおいて、
該電気機器と該変圧器との間に設けた開閉器と、
該開閉器の該電気機器側で、該電気機器に並列に接続し、該電気機器の無効電流を超えない容量を有する低圧コンデンサと、
該変圧器と該開閉器との間に並列に接続し、該変圧器の容量の１０％以下の容量を有する補助用低圧コンデンサとを備えたことを特徴とする受電設備の力率調整システム。
【請求項３】
少なくとも１つの変圧器と、該変圧器の一次側に高圧の給電線が接続され、該変圧器の二次側に低圧駆動の電気機器が接続される受電設備の力率調整システムにおいて、
該電気機器と該変圧器との間に設けた開閉器と、
該開閉器の該電気機器側で、該電気機器に並列に接続し、該電気機器の無効電流を超えない容量を有する低圧コンデンサと、
該変圧器と該開閉器との間に並列に接続され、該変圧器の容量の１０％以下の容量を有する補助用低圧コンデンサと、
該変圧器の一次側に並列に接続され、該変圧器の総容量の１０％以下の容量を有する高圧コンデンサとを備えたことを特徴とする受電設備の力率調整システム。
【請求項４】
請求項１又は３に記載の受電設備の力率調整システムにおいて、該高圧コンデンサは、直列リアクトル付きコンデンサであることを特徴とする受電設備の力率調整システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の受電設備の力率調整システムにおいて、該電気機器が電動機である場合には、該低圧コンデンサへの導通を制御する補助開閉器を設け、前記開閉器が導通後、所定の遅延時間後に該補助開閉器を閉じるように構成することを特徴とする受電設備の力率調整システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重負荷時も、軽負荷時も、無負荷時も、変圧器の一次側の力率を１または１に近い進み力率とし、二次側で、１に近い遅れ力率に保つことを可能とする、受電設備の力率調整システムに属する。
【０００２】
【従来の技術】
電力需要家は、電気供給規程（電力会社が供給区域内の需要家に対し、電気の需給契約及び料金等に関し、経済産業省の承認を得て制定した規程）に基づいて受電設備の力率を改善する。
契約電力５０キロワット（ＫＷ）以上の需要家は、変圧器の一次側に、変圧器容量の１／５乃至１／３に相当する容量の高圧コンデンサを取り付け、契約容量５０キロボルトアンペア（ケイブイエイ：ＫＶＡ）未満の低圧需要家は、内線規程（社団法人日本電気協会　内線規程専門部会が経済産業省令に基づき、電灯、電動機、加熱装置などの電気機械器具などの施設及び使用に関して制定した規程）に基づき、負荷と並列に、低圧コンデンサを取り付ける。
【０００３】
一次側の力率を改善するため、図１に示すように、変圧器２の一次側に変圧器総容量の１／５乃至１／３に相当する１個又はＮ個の進相用高圧コンデンサ３を設け、電動機などの電気機器６が作動している昼間は、力率が１又は１に近い値を示し、夜間など、負荷が減少して軽負荷または無負荷になった時、高圧コンデンサの容量が相対的に過大となり、力率が著しく進んで電源電圧が上昇し、変圧器や高圧コンデンサなどの機器の劣化を早めている。
高圧コンデンサ設置によって、電力会社の送電線・配電線の力率が改善され、回路の電力損失が軽減できる場合でも、変圧器二次側の力率は改善されず、二次側の省電力効果はない。
【０００４】
他方、電気機器毎に低圧コンデンサを設置する場合は、内線規程により、電気機器の規約電流値（内線規程２０００年版８４７頁（番号３−７−３）「電動機の規約電流値）及び、低圧コンデンサの取付容量が規定され、低圧コンデンサ設置後の力率は１よりかなり低く、効果が少なく、不経済である。
内線規程２０００年版　４２４頁　３３３５節　低圧進相コンデンサ（抜粋）３３３５−２［低圧進相コンデンサの設置方法］（対応省令：第５９条）で具体的に、「低圧進相用コンデンサは、個々の負荷に取り付けること。（勧告）」とあり、注意書として「［注１］低圧の電動機、加熱装置などで、低力率のものは、力率改善のため進相用コンデンサを取り付けることを推奨する。」とある。
また、内線規程１９９５年版（別冊）九州電力株式会社供給区域内　２１頁　「３力率割引及び割増し（１）低圧電力の場合」には、「電気機器の力率をそれぞれの入力によって加重平均してえた値が８５％を上回る場合は、基本料金からその５％を割引し、８５％を下回る場合は、基本料金にその５％を割増しいたします。この場合電気機器の力率は、別表２（進相用コンデンサ取付容量基準表）の基準により所要の進相用コンデンサが取り付けてあるものについては９０％、取り付けてないものについては８０％、（中略）といたします。」、また、「ｂ不適正な容量のコンデンサを取り付けてある場合は、その力率は８０％とみなします。ただし、適正容量を上回る容量のコンデンサを取り付けてある場合は、力率を９０％として取り扱います。」と規定されている。
【０００５】
内線規程１９９５年版７０６頁（番号３−９）「低圧進相コンデンサ取付容量基準」を参考にすると、コンデンサ取付前０．２ＫＷ（低圧コンデンサ取付容量基準の最小負荷）の電動機の力率６０％は、取付容量基準に基づく低圧コンデンサ取付後も８０％以下と低く、５５ＫＷ（同基準の最大負荷）の電動機の力率はコンデンサ取付前８５％弱と高く、コンデンサ取付後９１％弱となる。
表の低圧コンデンサの容量は、全般的に必要値より低く、結果的に、低圧コンデンサ設置後の回路の力率は１よりかなり低く、効果が少ない。
かといって、電気機器の無効電流を越える容量の低圧コンデンサを設置すれば進み力率となり、機器を傷め、コンデンサがパンクするなどの不具合を生じる。
高圧需要家は低圧需要家と違い、低圧コンデンサ設置は推奨とされ、高圧コンデンサを設置すれば、低圧コンデンサを設置しなくてよい。一般に、低圧コンデンサを設置するより、高圧コンデンサを設置する方が割安であり、近年、高調波で低圧コンデンサがパンクするトラブルが発生し、このことも、低圧コンデンサ設置を敬遠する原因の一つといわれている。
【０００６】
図２に示すように、需要家の省電力を目的として、自動力率調整装置を設けることが行なわれる。
自動力率調整装置は変圧器二次側直近に設置し、低圧回路の力率を感知して電磁式又は電子式による自動操作で、低圧コンデンサをオンオフする機構である。力率の変化に対応し、力率が低ければ低圧コンデンサの容量を増し、力率が進めば、容量を減らして力率を調整する。これにより、変圧器の二次電流を軽減し、変圧器の損失を軽減し、変圧器に余裕ができる利点はあるが、省エネを目的としながら、無負荷時を含め、常時操作電源を消費し、変圧器以降の回路の力率を改善せず、省電力効果は少なく、故障すれば、継続的にコンデンサが閉回路又は開回路となり、力率は、常に進みか又は遅れとなり、電圧が上昇するか、変圧器が過負荷となって逆に電圧が降下するなど、現場が対応に苦慮することとなる。
しかも、自動力率調整装置は高価で、値段の割に効果が低い。
【０００７】
更に、半導体の普及に伴なって高調波が増大し、電源の歪み波と負荷の歪み波の共振による電源事故が多発し、その防止対策が社会問題となっている。
このような不安を解消するため、直列リアクトル付きのコンデンサが登場した。
直列リアクトル付きコンデンサは高調波に対し、一定の効果はあるが大型で、高価で、納期が長く、現状では、需要家のニーズを充たしているとはいえない。
【０００８】
直列リアクトル付き高圧コンデンサに代わり、従来割高といわれて敬遠された低圧コンデンサが、最も適合する商品として登場した。
直列リアクトル付き低圧コンデンサは小型で、変圧器二次直近に設置すれば、変圧器の一次コイル、二次コイルを経て侵入する高調波と接するため、合理的で安全な構成となり、耐久性も高いといわれる。
図３のように、変圧器二次直近に低圧コンデンサを設けることにより、省電力効果の範囲が変圧器二次直近まで広がるが、１個又はＮ個の高圧コンデンサの場合と同じような使用法では、容量は変圧器容量の１／５乃至１／３と大きく、負荷が変動すれば力率が変動し、電圧変動を招く、また、軽負荷や無負荷時に低圧コンデンサが負荷となり、省電力と逆に作用する。
【０００９】
電動機は始動時、定格電流の数倍の始動電流が流れる。また、古くなって高調波を発生するようになった電動機は、始動時、始動電流と同じように、数倍の高調波を発生する。電気機器の運転に合わせて低圧コンデンサを接続する方式では、始動時、低圧コンデンサに通常の数倍の高調波が流れ込み、低圧コンデンサは、高調波によって大きな損失が発生し、温度が急上昇して劣化する。
高調波を抑制する目的で、直列リアクトル付き低圧コンデンサの設置を考えた場合、値段が高く、受注生産で納期が長く、現状では、余り利用されていない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記の諸問題を解決し、受電設備の負荷・無負荷に係らず、一次側の力率を、１又は１に近い進み力率に保持することを可能とすると共に、受電設備の変圧器二次側の省電力も達成し、更に、システム全体にかかる負担を軽くし、信頼性が高い力率調整システムを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明では、少なくとも１つの変圧器と、該変圧器の一次側に高圧の給電線が接続され、該変圧器の二次側に低圧駆動の電気機器が接続されている受電設備の力率調整システムにおいて、該電気機器と該変圧器との間に設けられた開閉器と、該開閉器の該電気機器側で、該電気機器に並列に接続され、該電気機器の無効電流を超えない容量を有する低圧コンデンサと、該変圧器の一次側に並列に接続され、該変圧器の総容量の１０％以下の容量を有する高圧コンデンサとを備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項１に係る発明により、電気機器に並列に接続された低圧コンデンサにより、各電気機器の無効電流による力率の遅れを改善し、低圧回路の省電力が達成できる。変圧器の一次側に設ける高圧コンデンサの必要容量は、低圧コンデンサで不足する容量を補うものであれば良く、１０％以下の容量とすることが可能となる。
電気機器の通電を制御する開閉器に連動して、低圧コンデンサが接続され、負荷が減れば低圧コンデンサの容量が減り、高圧コンデンサの容量を小さくして、軽負荷時や無負荷時の進み力率の発生を抑え、高調波の発生原因を除くことが可能となる。
低容量な高圧コンデンサは安価で、力率が安定して電圧変動も少なくなり、信頼性が向上し、安全で、優れた力率調整システムを提供することができる。
【００１３】
請求項２に係る発明では、少なくとも１つの変圧器と、該変圧器の一次側に高圧の給電線が接続され、該変圧器の二次側に低圧駆動の電気機器が接続されている受電設備の力率調整システムにおいて、該電気機器と該変圧器との間に設けた開閉器と、該開閉器の該電気機器側で、該電気機器に並列に接続し、該電気機器の無効電流を超えない容量を有する低圧コンデンサと、該変圧器と該開閉器との間に並列に接続し、該変圧器の容量の１０％以下の容量を有する補助用低圧コンデンサとを備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る発明により、請求項１に係る発明同様、電気機器に並列に接続した低圧コンデンサにより、各電気機器の無効電流による力率の遅れを改善し、低圧回路の省電力が達成できる。変圧器の二次側直近に設ける補助用低圧コンデンサの容量は、変圧器一次側の励磁電流の無効電流を打消すと共に、電気機器に並列に接続した低圧コンデンサで不足する容量を補うものであれば良く、１０％以下の低容量とすることが可能となる。
これにより、電気機器の通電を制御する開閉器に連動して低圧コンデンサの接続が制御され、負荷が減れば低圧コンデンサの容量が減り、また、補助用低圧コンデンサの容量は小さく、受電設備における進み力率の発生を抑え、高調波の発生原因を解消することが可能となる。
補助用低圧コンデンサの容量は小さいため、補助用低圧コンデンサは常に接続することが可能であり、従来のように、自動力率調整装置を用いて、回路内の力率に応じてコンデンサを開閉する機構が不要となり、安価で安全な、優れた力率調整システムを提供することができる。
【００１５】
請求項３に係る発明では、少なくとも１つの変圧器と、該変圧器の一次側に高圧の給電線が接続され、該変圧器の二次側に低圧駆動の電気機器が接続される受電設備の力率調整システムにおいて、該電気機器と該変圧器との間に設けた開閉器と、該開閉器の該電気機器側で、該電気機器に並列に接続し、該電気機器の無効電流を超えない容量を有する低圧コンデンサと、該変圧器と該開閉器との間に並列に接続され、該変圧器の容量の１０％以下の容量を有する補助用低圧コンデンサと、該変圧器の一次側に並列に接続され、該変圧器の総容量の１０％以下の容量を有する高圧コンデンサとを備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項３に係る発明により、上記請求項１及び２に係る発明同様、高圧コンデンサや補助用低圧コンデンサの各容量を、従来のものより格段に低く抑えることが可能であり、受電設備における進み力率の発生を抑え、高調波の発生原因を解消することが可能となる上、安くて安全な、優れた力率調整システムを提供することができる。
【００１７】
請求項４に係る発明では、請求項１又は３に記載した受電設備の力率調整システムにおいて、該高圧コンデンサは、直列リアクトル付きコンデンサであることを特徴とする。
【００１８】
請求項４に係る発明により、給電線を通じて外部から受電設備内に侵入しようとする高調波は、直列リアクトル付きコンデンサにより、効果的に排除できる。
直列リアクトル付き高圧コンデンサは同時に、需要家の電気設備で発生し、外部に流出しようとする高調波に対して、流出を抑制しようと作用する。
請求項１又は３に係る発明同様、高圧コンデンサの容量は、従来と比較して格段に小さく、本発明に用いる直列リアクトル付きコンデンサは、小型で安価な製品を使用することができる。
【００１９】
また、請求項５に係る発明では、請求項１乃至４のいずれかに記載の受電設備の力率調整システムにおいて、該電気機器が電動機である場合には、該低圧コンデンサへの導通を制御する補助開閉器を設け、前記開閉器が導通後、所定の遅延時間後に該補助開閉器を閉じるように構成することを特徴とする。
【００２０】
請求項５に係る発明により、電動機への導通から所定時間遅延して低圧コンデンサを接続するため、電動機の始動電流に対応して発生した高調波で、低圧コンデンサが損傷するのを防ぎ、信頼性の高い力率調整システムが提供できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、好適例を示して、本発明の構成、作用、効果を詳細に説明する。
図４は、本発明に係る受電設備の力率調整システムの概略図である。
２は受電設備に設けた変圧器で、変圧器２の一次側に、高圧コンデンサ７が、給電線１にパワーヒューズ付きの遮断器（図示せず）を介して接続されている。高圧コンデンサは、１個又はＮ個とし、必要な容量を確保する。
高圧コンデンサは、給電線を通じて外部より、受電設備内に高調波が侵入するのを防止するため、直列リアクトル付きコンデンサを使用することが望ましい。
【００２２】
変圧器２の二次側には、電動機Ｍなどの電気機器６が配置され、各電気機器６への配線には、導通を制御する開閉器１０が設置される。各開閉器１０の電気機器側には、電気機器６に並列に低圧コンデンサ９を設け、電気機器の動作中は常に、低圧コンデンサによって力率を改善し、電気機器と低圧コンデンサより電源側の無効電流を軽減するよう、構成されている。
なお、後述するように、インバーター機器は進み力率となるため、低圧コンデンサを接続しない。また、始動時に高調波を発生する電動機では、遅延回路を介して低圧コンデンサを接続する構成とする。
【００２３】
変圧器２の二次側直近に補助用低圧コンデンサ８を設け、漏電遮断器（図示せず）を介して、常時、閉状態で変圧器の二次側配線に接続する。
補助用低圧コンデンサ８は、変圧器一次側の無負荷電流の、遅れの無効電流を打消すことを、主目的とする。補助用低圧コンデンサ８の位置は、電気機器より電源側であり、補助用低圧コンデンサの無効電流が、変圧器の無負荷電流の無効分を超えても、問題はない。余った無効分は、低圧回路の、低圧コンデンサの容量不足による遅れ力率改善に有効であり、多少大きめにするのが、実用的である。結果的に、この位置の力率は、１の近似値となる。
高調波対策として、直列リアクトル付きコンデンサを補助用低圧コンデンサとして利用しても良いが、直列リアクトル付きコンデンサはコストが高く、また、変圧器の一次、二次巻線が緩衝材として働き、必ずしも、必要としない。
【００２４】
次に、低圧コンデンサ９、補助用低圧コンデンサ８、及び高圧コンデンサ７に係る適正容量について説明する。
前提として、図４に示す回路において、低圧コンデンサ９、補助用低圧コンデンサ８、高圧コンデンサ７を設けない場合を想定し、電圧２００Ｖ、出力０．２ＫＷ、１．５ＫＷ、５．５ＫＷ、１５ＫＷ、３０ＫＷ、５５ＫＷの６組の電動機につき、有効電流、無効電流、皮相電力、及び力率の変化を表１に示す。
【００２５】
【表１】
2004007956.tif 000003
【００２６】
表１は、低圧コンデンサ、補助用低圧コンデンサ、及び高圧コンデンサなど、力率を改善する手段を講じない状態を示す。このような場合、回路全域で、ほぼ同じ値の、遅れ力率となる。電動機の力率は、低圧コンデンサを接続しても変わらず、接続する低圧コンデンサの容量の大小により、接続点より電源側の、回路の力率が変化する。電動機の力率は、０．２ＫＷでは６０％、５５ＫＷでは、低圧コンデンサを設置する前に約８５％あり、一般に、出力が大きいほど、高い。当然、力率改善の効果は、低容量の機器では軽減率に、大容量の機器では、軽減値を期待することになる。
【００２７】
内線規程では一般需要家に対し、低圧コンデンサ取付基準表に基づくコンデンサの選定を求めている。内線規程の基準表に従い、低圧コンデンサ９を、図４の回路構成にした場合の、低圧コンデンサの容量、低圧コンデンサを設置した時の、無効電流（無効電流の差）、皮相電流（皮相電力）の変化、電力の軽減率、及び力率の各状態を、表２に示す。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
表２から、低圧コンデンサを電気機器に並列に接続し、力率が７３〜９１％程度に改善され、皮相電力も、約７〜１８％程度軽減していることが分かる。
しかし、表２の力率改善では、内線規程による十分な力率割引は受けられない。電気機器の無効電流を超えるコンデンサの挿入は、電圧変動や高調波発生を誘起するので、力率改善目標を９３％として、低圧コンデンサの容量を算出する方法と、容量決定の考え方、低圧コンデンサによる無効電流（軽減無効電流）、皮相電流、皮相電力、軽減電力、電力の軽減率、及び力率の各状態を、表３に示す。
【００３０】
【表３】
2004007956.tif 000005
【００３１】
表３により、本発明に係る低圧コンデンサの設置により、力率を９０％前後に改善し、皮相電力を７〜３２％改善し、内線規程に基づく場合より、省電力効果が大きいことが分かる。出力５５ＫＷの電動機では、皮相電流は、表１で２３０Ａ、表２で２１５Ａ、表３で２１０Ａとなり、皮相電力が８０ＫＶＡから、７５ＫＶＡ、７３ＫＶＡと、軽減値、軽減率とも、効果が高いことを示す。
【００３２】
これだけ効果をあげながら、本発明の低圧コンデンサは、電気機器の無効電流を超えることがないよう、改善後の力率を９３％に設定しながら、例えば、内線規程に基づく容量の２倍という答えが出た場合は、基準表の５／３以内に抑えるなどの注意を払っているので、電気機器の負荷が軽い場合でも、進み力率を生じることはない。
重要なことは、基準表に基づいて低圧コンデンサを設置しても、７３〜９１％、加重平均で力率９０％以上を確保できること。内線規程で承認されているただし書きにより、電気機器の無効電流を超えない範囲の適切な容量のコンデンサを選定して取り付ければ、電動機が軽負荷で使用されている時など、９５％以上の力率を確保することも容易なことである。
【００３３】
力率改善目標９３％未満で、低圧コンデンサを選定する場合
有効電流・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（ａ）
力率改善前の皮相電流・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（ｂ）
力率改善前の無効電流・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（ｃ）
力率改善後の皮相電流＝（ａ）÷０．９３・・・・・・・・・・・・（ｄ）
力率改善後の無効電流＝（ｄ）二乗と（ａ）二乗の差の平方根・・・（ｅ）
低圧コンデンサ容量＝（ｃ）と（ｅ）の差÷０．０４３５３（μＦ）
２πｆＣＥ２／√３×１０６＝０．０４３５３
有効電力＝√３×有効電流×０．２（ＫＶ）
無効電力＝√３×無効電流×０．２（ＫＶ）
無効電流＝皮相電流の二乗と有効電流の二乗の差の平方根
皮相電流＝有効電流の二乗と無効電流の二乗の和の平方根
力率＝有効電流÷皮相電流×１００
【００３４】
【表４】
2004007956.tif 000006
【００３５】
次に、本発明に係る、低圧コンデンサに加えて、変圧器の一次側に、変圧器総容量の１０％未満の高圧コンデンサを加えた方式を、表４に示す。
低圧回路の力率は、それぞれの電気機器と並列に接続された低圧コンデンサで、或る程度改善されており、高圧コンデンサの容量は、低圧コンデンサの容量不足による、力率の遅れを補償すれば足り、１０％以下で負荷時の遅れを補償し、軽負荷時または無負荷時に、高圧コンデンサの容量が相対的に大きくなるが、従来の方式と比べて、その容量は、極端に小さく、力率の変動も少なく、課題とするほどのことはない。高圧コンデンサには、外部から侵入しようとする高調波を阻止し、内部で発生した高調波の流出を防ぐ役割があり、直列リアクトル付きとすることが、望ましい。
【００３６】
【表５】
2004007956.tif 000007
【００３７】
次に、本発明に係る、低圧コンデンサに加え、変圧器の二次側直近に、変圧器容量の１０％未満の容量の低圧コンデンサ（本発明では「補助用低圧コンデンサ」という）を設置する方式を、表５に示す。
補助用低圧コンデンサの目的は、変圧器の無負荷電流の遅れの無効分を打消すことである。変圧器の無負荷電流は、変圧器電流の３〜６％以内で、補助用低圧コンデンサの容量も、それぞれの変圧器容量の３〜６％で足りる。補助用低圧コンデンサを取り付ける位置は、力率が多少進んでも、問題のない位置であり、余った無効分は、低圧回路の容量不足による力率の遅れを解消するのに有効で、実用的には、厳密にこだわらない。補助用低圧コンデンサは常時閉回路で、利用率が高く、容量は小さくても、予想外に効果が高いことが、実証されている。
【００３８】
【表６】
2004007956.tif 000008
【００３９】
次に、本発明に係る、機器と並列に低圧コンデンサを接続する方式に加えて、変圧器一次側に、変圧器総容量の１０％未満の高圧コンデンサを、それぞれの変圧器の二次側直近に変圧器容量の１０％未満の補助用低圧コンデンサを設置する例を、表６に示す。
コンデンサの容量は、回路全域で確保すれば良く、対応が楽で、効果が大きい。
【００４０】
【表７】
2004007956.tif 000009
【００４１】
【表８】
2004007956.tif 000010
【００４２】
次に、低圧コンデンサを用いずに、高圧コンデンサ又は、補助用低圧コンデンサのみにより、力率を改善する従来例を、表７，８に示す。
ただし、高圧コンデンサ又は、補助用低圧コンデンサの値は、最大負荷時に力率１になるように設定する。具体的には、高圧コンデンサや補助用低圧コンデンサは、変圧器総容量の１／５〜１／３とするか、負荷を調べて選定する。最大負荷時に力率が１になるので、軽負荷時や無負荷時に力率が進み、力率計の針が振り切れる。自動力率調整器などは、高価だが効果が少なく、本発明のように、特別な操作電源を消費せずに効果を生む方式が、望まれる。
高圧コンデンサと補助用低圧コンデンサを比べた場合、補助用低圧コンデンサは多少小刻みに機器が選定できる利点がある。この方式では、一次側の力率は改善できても、二次側の力率改善に寄与せず、省電力と無縁である。
電気機器の利用が減少する夜間は、半導体負荷の割合が増加する時間帯と重なり、社会のためにも、自分のためにも、システムとしての力率調整が望まれる。
【００４３】
【表９】
2004007956.tif 000011
【００４４】
表９は、少しずつ進みの無効分を増やしていくと、どうなるかを試算している。この表のように、無理して過大なコンデンサを使わない限り、課題が発生しない。
つまり、低圧コンデンサの無効分の増加は、回路の無効分を減少させ、これが逆転する場合（表９の括弧内の数字）は、トラブルが発生する。また、皮相電力（電流）及び力率の変化は、低圧コンデンサの容量の増加と共に、改善効果が減少し、費用対効果も限界がある。表９の場合は、低圧コンデンサとして４００μＦを選定するのが適正と判断される。
【００４５】
本発明の力率調整システムは、電気機器に並列に接続する低圧コンデンサの利点を最大限に活用すると共に、該低圧コンデンサでは不足する力率の遅れを、補助用低圧コンデンサ又は高圧コンデンサを用いることにより、各々の欠点を補完しながら、力率調整システム全体として、バランスのとれた回路を実現するものである。
【００４６】
図４に示すように、低圧コンデンサ、補助用低圧コンデンサ、及び高圧コンデンサを組み合わせる場合には、高圧コンデンサは、無負荷電流の遅れを改善し、低圧側の遅れ力率をカバーするための、小容量のコンデンサと言える。仮に、変圧器の容量が小さく、適切な高圧コンデンサが市場にない場合には、市場にある最低容量の高圧コンデンサを設置することが望ましい。
また、補助用低圧コンデンサは、変圧器の無負荷電流の遅れ力率を改善することを主目的とした、常時閉回路の低圧コンデンサと言える。容量は無負荷電流値と同等以上とする。
無負荷時には多少力率が進むことも予想されるが、図１や表７、又は図３や表８の場合と比較して、図４の場合は、コンデンサの容量が小さいため、その影響は極めて少ない。
【００４７】
図７に、低圧コンデンサ、補助用低圧コンデンサ、及び高圧コンデンサを組み合わせて力率調整システムを設計する場合の、各コンデンサの容量を決定するためのフローチャートを示す。
ステップＦ１では、電気機器の無効電流の９０％（なお、９０％に限らず、９０〜９５％程度の範囲で指定可能）に相当する容量を、低圧コンデンサの容量として指定する。
次に、ステップＦ２で該当する全ての電気機器に関し、低圧コンデンサの容量を算出する。
ステップＦ３では、電気機器が軽負荷時でも、進み力率が発生しない値（例えば、９５％以下）となるように設定されている。このステップは、ステップＦ２の前にあっても良いが、後述するステップＦ１１の後には、必ず確認として入れることが望ましい。低圧コンデンサが過大容量となる（例えば、９５％を超える）場合は、ステップＦ４へ進み「エラー」扱いとする処理を行う。
【００４８】
ステップＦ５では、Ｆ２で算出された値に近い（又は該算出値を超えない範囲で）、市販されている低圧コンデンサの製品の中から、適切なものを選択する。選択に際しては、別途、製品コンデンサのデータベース（ＤＢ）を作成しておき、そのＤＢの中から条件にあったコンデンサ製品を選択するようにする。
次に、ステップＦ６で、補助用低圧コンデンサを利用するか否かが選択され、補助用低圧コンデンサを利用する場合には、ステップＦ７へ進む。
【００４９】
ステップＦ７では、変圧器二次側の力率を、１近くかつ１を超えない範囲（例えば、９５％程度）で、補助用低圧コンデンサの容量を決定し、該容量を満足するコンデンサ製品を選定する。なお、ステップＦ７における、低圧コンデンサの評価は、Ｆ５で選定されたコンデンサ製品の容量を基に算出される。
【００５０】
次に、ステップＦ８では、高圧コンデンサを利用するか否かが選択され、高圧コンデンサを利用する場合には、ステップＦ９へ進む。本発明に係る受電設備の力率調整システムでは、補助用低圧コンデンサ又は高圧コンデンサのいずれかを利用することが、望ましいことから、ステップＦ６で補助用低圧コンデンサが利用されない場合には、必ず、高圧コンデンサを利用するよう設定することも可能である。
ステップＦ９では、変圧器一次側の力率が１又は１に近い状態（例えば、１以上）となるように、変圧器二次側の総容量に対して不足する容量を高圧コンデンサの容量として設定し、該当する容量に近い（該容量を超えても良い）コンデンサ製品を選定する。ここでも、変圧器二次側の総容量を算出する際には、ステップＦ５及びＦ７で選定されたコンデンサ製品の容量が利用される。
【００５１】
ステップＦ１０では、高圧コンデンサについては変圧器の総容量に対して１０％以内（好ましくは、３〜６％の範囲内）か、補助用低圧コンデンサについては各変圧器の容量の１０％以内（好ましくは、３〜６％の範囲内）かが検証され、受電設備の無負荷又は軽負荷時に進み力率が顕著に発生しないよう、抑制される。
ステップＦ１０において、上記条件が満たされない場合には、補助用低圧コンデンサ又は高圧コンデンサの容量を軽減するため、電気機器に並列に接続される低圧コンデンサの容量をより最適化するため、ステップＦ１１により、低圧コンデンサの電気機器の無効電流に対する比率を１％程度上昇させ、再度、ステップ２からの作業を繰り返す。
【００５２】
図７のフローチャートは、コンピュータにプログラムすることにより、各処理を自動的に実行することが可能であり、各ステップの順序や条件についても、必要に応じて適宜変更することが可能であることは、言うまでもない。
【００５３】
次に、本発明に係る受電設備の力率調整システムの他の実施例を、図５に示す。
１は、図４と同様に、高圧電源部となる給電線であり、４ａは、照明用単相変圧器、６ａは、照明器具などの電気機器である。照明器具などは、遅れ力率が小さく、あるいは、インバーターなどにより進み力率が発生する場合もあるため、むしろ、低圧コンデンサは設置しない。
４ｂ、４ｃは、動力用の三相変圧器、６ｂは電動機などの電気機器である。７は高圧コンデンサ、８ａ，８ｂ，８ｃは補助用低圧コンデンサを示す。９ｂは、電動機６ｂに並列に接続された低圧コンデンサである。なお、図５においても、変圧器の二次側の配線には、図４に示すような開閉器が存在するが、ここでは省略されている。
このように、負荷の種類は多様化し、力率改善の方法も多様化している。注意点は、電気機器の特性を理解し、効果を狙って力率を進めすぎないことである。電気機器が回路に適合しなければ、逆に、トラブルが発生することもある。
【００５４】
最近、古くなった電動機から発生する高調波で低圧コンデンサがパンクする事例が見られる。高調波は、電流が通常の数倍流れる始動時に発生するため、電流が安定するまで待って低圧コンデンサを負荷と並列に接続すると、効果的に低圧コンデンサの損傷を防ぐことができる。その回路を図６に示す。
図６の（ａ）は負荷回路、（ｂ）は操作回路を示す。電動機６ｂに並列に設けられた低圧コンデンサ９ｂは、タイマー用接点２６を介して接続されている。
なお、図６（ａ）及び（ｂ）に示された２１は配線用遮断器、２２は継電器用接点、２３は手動又は自動用接点、２４は継電器、そして、２５はタイマーを意味する。特に、点線で囲まれた部分は、低圧コンデンサを遅れて閉じるための遅延回路を構成する部分である。
【００５５】
図６の動作は、手動又は自動用接点２３を作動させると、継電器２４が動作し、継電用接点２２が閉じる。図６（ａ）の継電用接点２２が閉じることにより、電動機６ｂが通電され、始動を始める。この際、高調波を発生するが、低圧コンデンサは、まだ閉じていないため、損傷を防止することが可能となる。
他方、図６（ｂ）の継電用接点２２は、タイマー２５を作動させ、所定時間経過後、タイマー用接点２６を閉じる。
低圧コンデンサを遅延回路を設けて閉じる機構については、図６のものに限らず、種々の電気又は電子回路を適用することが可能であることは、言うまでもない。
【００５６】
一般の動力設備（例えば、図５に示す６ｂ）では従来どおり、内線規程に従って低圧コンデンサ（９ｂ）を設置する。内線規程に従うというのは、内線規程の付表に示された値の低圧コンデンサを設置する場合と、電気機器の無効電流（電力）を超えない範囲で低圧コンデンサを設置する場合の双方を含む。
ただし、電気機器と並列に設置した低圧コンデンサだけで力率を１にすることはできず、不足分の補償を、変圧器直近の補助用低圧コンデンサ８ｂと高圧コンデンサ７に期待する。
【００５７】
また、インバーターモーター（図５において、電動機９ｃ，９ｄとインバーター操作盤１１で構成される）は、消費電力を削減するが力率は悪く、力率改善による省電力効果は大きい。回路構成により、インバーターと並列リアクトル１３、或いは直列リアクトル１２を設置し、インバーター設置による進み力率を遅らせて力率を改善する。インバーターが多い回路では、一般のモーターと比べて力率が進むので、特に、本発明のように高圧コンデンサの容量を削減する意義は、重要である。
【００５８】
【発明の効果】
以上の説明のように、本発明によれば、受電設備の負荷・無負荷状態に依存せず力率を常に１又は１に近い状態に保持することを可能とすると共に、受電設備の変圧器二次側の省電力も達成し、さらには、システム全体に懸かる費用コストを抑えながら回路の安全性・信頼性は高い、受電設備の力率調整システムを提供することができる。
また、本発明においては、力率調整のためのコンデンサを分散して配置し、安全かつ高い効率を追及することが可能となる。
例えば、補助用低圧コンデンサ、高圧コンデンサの容量は全て、従来のものと比較して小さく、故障しても影響が波及する不安は少なく、しかも、修理・設置に際しては、一斉に設備を止める必要が無く、可能な場所から順次施工することが可能となる。
さらに、変圧器の一次、二次の負荷軽減による省電力効果と、変圧器に余力が生まれる経済効果は大きい。その上、変圧器の容量を削減すると無負荷損（鉄損）が減る代り、逆に負荷損（銅損）が増して、損失が増える場合があるが、変圧器二次側直近に補助用低圧コンデンサを設置する方法では、銅損を増すことなく鉄損のみ軽減する効果が期待でき、本発明はより優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の高圧コンデンサによる力率調整を示す図
【図２】従来の自動力率調整装置による力率調整を示す図
【図３】従来の低圧コンデンサによる力率調整を示す図
【図４】本発明に係る力率調整システムの概略を示す図
【図５】本発明に係る力率調整システムの他の実施例を示す図
【図６】低圧コンデンサに係る遅延回路の構成を示す図
【図７】本発明に係るコンデンサ容量の決定プロセスを説明するフローチャート
【符号の説明】
１　給電線
２　変圧器
３　高圧コンデンサ
４　自動力率調整装置
５　高圧コンデンサに代わる低圧コンデンサ
６　電動機などの電気機器
７　高圧コンデンサ
８　補助用低圧コンデンサ
９　低圧コンデンサ
１０　開閉器
１１　インバーター操作盤
１２　直列リアクトル
１３　並列リアクトル
【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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