(57)【要約】【課題】動作周波数による制限やリアクタンスによる電圧降下の増大を回避して高調波を低減できるようにすることるある。【解決手段】交流電源１とＶＶＶＦインバータ３の間に第１コイル２１を挿入し、これと磁気結合した第２コイル２２を交流電源１と第２負荷５の間に挿入する。第１コイル２１と第２コイル２２に磁気結合した第３コイル２３に第２電力変換器２５を接続し、制御回路３０が第１乃至第３コイル２１，２２，２３のいずれかに生じる基本波電圧成分を零にするように第２電力変換器２５を制御する。または、前記第１コイル２１と第２コイル２２と第３コイル２３とに磁気結合した第４コイル２４を設置し、制御回路３０が第４コイル２４に発生する基本波電圧成分を零にするように前記第２電力変換器２５を制御する。これら第１コイル２１と第２コイル２２は、これに生じる磁束を打ち消し合う極性で磁気結合させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも交流電源から第１電力変換器を介して電力の供給を受ける第１負荷と、該交流電源から電力の供給を受ける第２負荷とを備えた電力系統において、
前記交流電源と前記第１電力変換器の間に第１コイルを挿入し、
前記交流電源と前記第２負荷の間に前記第１コイルと磁気結合している第２コイルを挿入し、
これら第１コイルおよび第２コイルと磁気結合している第３コイルと、
この第３コイルに接続した第２電力変換器と、
当該第２電力変換器を制御して前記第１乃至第３コイルのいずれかに発生する基本波電圧成分を零にする制御回路と、
を備えることを特徴とする電力系統の高調波補償装置。
【請求項２】
少なくとも交流電源から第１電力変換器を介して電力の供給を受ける第１負荷と、該交流電源から電力の供給を受ける第２負荷とを備えた電力系統において、
前記交流電源と前記第１電力変換器の間に第１コイルを挿入し、
前記交流電源と前記第２負荷の間に前記第１コイルと磁気結合している第２コイルを挿入し、
これら第１コイルおよび第２コイルと磁気結合している第３コイルと、
これら第１コイルおよび第２コイルおよび第３コイルと磁気結合している第４コイルと、
前記第３コイルに接続した第２電力変換器と、
当該第２電力変換器を制御して前記第４コイルに発生する基本波電圧成分を零にする制御回路と、
を備えることを特徴とする電力系統の高調波補償装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電力系統の高調波補償装置において、
前記第１コイルと第２コイルは、それぞれが発生する磁束を打ち消し合う極性に磁気結合させることを特徴とする電力系統の高調波補償装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力変換装置が接続されている電力系統で、高調波により生じる電圧歪みを抑制できる電力系統の高調波補償装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トランジスタやサイリスタなどの半導体スイッチ素子で構成している電力変換装置が接続されている電力系統では、電力変換装置が動作する際に発生する高調波電流により電圧歪みを生じる。この電圧歪みを低減するために、従来はコンデンサとリアクトルを組み合わせたパッシブフィルタを設置したり、高調波を補償するアクティブフィルタを設置していた。これらは、電力系統自体の高調波を補償するのか、それとも電力系統に接続されている特定の負荷の高調波電圧だけを低減するのか等、目的によって使い分けをしている。
【０００３】
図６はアクティブフィルタにより特定の負荷の高調波電圧だけを低減する第１従来例を示した回路図である。この第１従来例回路において、交流電源１にはリアクトル２と、第１電力変換器として可変電圧可変周波数の交流電力を出力するインバータ（以下ではＶＶＶＦインバータと略記する）３を直列に接続し、このＶＶＶＦインバータ３に第１負荷としての誘導電動機４を接続することにより、誘導電動機４を所望の回転速度で駆動することができる。この交流電源１には更に第２負荷５を接続して電力系統が構成されている。
ＶＶＶＦインバータ３により誘導電動機４を可変速運転するときに発生する高調波により第２負荷５に電圧歪みを生じるが、この電圧歪みを抑制するために、第２負荷５の電源側にアクティブフィルタ６を設置する。このアクティブフィルタ６はＰＷＭインバータ６Ａと結合リアクトル６Ｂとで構成していて、ＰＷＭインバータ６Ａは当該電力系統の高調波電圧とは逆位相の電圧を発生し、これを結合リアクトル６Ｂを介して電力系統へ供給することで、第２負荷５に印加される電圧歪みを軽減する。
【０００４】
図７はリアクトルのみで電圧歪みを低減する第２従来例を示した回路図（例えば、特許文献１参照。）であって、船舶の推進軸のように回転速度の変動が大きい主軸で駆動される同期発電機１１が出力する交流電力を、ダイオード整流器１２と他励式インバータ１３で一定周波数の交流電力に変換する構成であるが、波形改善リアクトル１４を使用して負荷１５の高調波電圧を補償している。すなわち、波形改善リアクトル１４は１号コイル１４Ａと２号コイル１４Ｂの直列接続で構成しているが、１号コイル１４Ａの一端には他励式インバータ１３を接続し、２号コイル１４Ｂの一端には同期調相機１６を接続し、これら両コイルの他端同士を結合した結合点には負荷１５を接続する。これら両コイル１４Ａ，１４Ｂへ他励式インバータ１３と同期調相機１６が電流を流したときに、両コイル１４Ａ，１４Ｂはその磁束を強め合う極性で磁気結合されている。その結果、同期調相機１６のリアクタンスによる電圧降下分を補償して高調波電圧を低減することができる。なお符号１７は推進器、符号１８は主機であって、推進器１７と同期発電機１１を駆動する。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１５０８６６号公報（図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した第１従来例で使用する高調波電圧低減用のアクティブフィルタがパルス幅変調制御によるものである場合は、高調波の周波数よりも高い周波数のキャリア波によるパルス幅変調制御を行うことで、高調波を補償する電圧波形を出力する。それ故、高調波の周波数が高ければより一層高い周波数のキャリア波が必要になる。しかしキャリア周波数が高くなればそれに伴う損失が増大してしまう不具合があるし、キャリア周波数の高さには限界があるから、補償できる高調波の周波数範囲が制限されてしまう不都合もある。またパッシブフィルタによる高調波電圧を補償する場合に、図７に図示の電力系統のように周波数の変動範囲が大きい場合は、所望した性能が得られない欠点がある。また、同期調相機１６の初期過渡リアクタンスが大きい場合は、波形改善リアクトル１４自身のリアクタンスも大きくなるからその電圧降下も大きくなり、負荷変動に伴う電圧変動が大きくなる不具合を生じることになる。
【０００７】
そこでこの発明の目的は、動作周波数による制限やリアクタンスによる電圧降下の増大を回避して高調波を低減できるようにすることるある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明の電力系統の高調波補償装置は、
少なくとも交流電源から第１電力変換器を介して電力の供給を受ける第１負荷と、該交流電源から電力の供給を受ける第２負荷とを備えた電力系統で、
前記交流電源と第１電力変換器の間に第１コイルを挿入し、この第１コイルと磁気結合している第２コイルを前記交流電源と前記第２負荷の間に挿入し、これら第１コイルおよび第２コイルと磁気結合している第３コイルに第２電力変換器を接続し、この第２電力変換器を制御して前記第１乃至第３コイルのいずれかに発生する基本波電圧成分を零にする。
【０００９】
または、前記交流電源と第１電力変換器の間に第１コイルを挿入し、この第１コイルと磁気結合している第２コイルを前記交流電源と前記第２負荷の間に挿入し、これら第１コイルおよび第２コイルと磁気結合している第３コイルに第２電力変換器を接続し、これら第１コイルおよび第２コイルおよび第３コイルと磁気結合している第４コイルに発生する基本波電圧成分を、前記第２電力変換器を制御して零にする。
前記第１コイルと第２コイルは、それぞれが発生する磁束を打ち消し合う極性に磁気結合させる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施例を表した回路図である。この第１実施例回路における電力系統は、交流電源１と第１電力変換器としてのＶＶＶＦインバータ３と第１負荷としての誘導電動機４および第２負荷５で構成しているのは、図６で既述の従来例回路の場合と同じである。
本発明では、交流電源１とＶＶＶＦインバータ３の間に第１コイル２１を挿入し、交流電源１と第２負荷５の間に第２コイル２２を挿入するのであるが、第１コイル２１と第２コイル２２は磁気結合しており、交流電源１からＶＶＶＦインバータ３へ電流が流れる際に第１コイル２１に発生する磁束と、交流電源１から第２負荷５へ電流が流れる際に生じる磁束とは、互いに打ち消し合う極性に磁気結合している。これら第１コイル２１と第２コイル２２に磁気結合した第３コイル２３を設置するのであるが、この第３コイル２３の極性は任意である。
【００１１】
図２は図１の第１実施例回路に図示の第１乃至第３コイルを相互に磁気結合させる構造を表した構造図であって、第１コイル２１と第２コイル２２と第３コイル２３を、これらに共通の鉄心２０に巻き付けることで達成できる。この図２では第１コイル２１と第２コイル２２は同じ巻き方向になっているから、第１コイル２１に流れる電流の方向を第２コイル２２に流れる電流とは逆方向にして、それぞれの発生磁束が相互に打ち消し合う方向にしている。
交流電源１が交流発電機であるとすると、この発電機の初期過渡リアクタンスで発生する高調波の電圧降下分は、第１コイル２１を流れる高調波電流で第２コイル２２に誘起する電圧により補償され、第２コイル２２を介する電力系統の高調波を低減することができる。ここで第１コイル２１を流れる基本波電流をＩ1 とし、第２コイル２２を流れる基本波電流をＩ2 とし、第３コイル２３を流れる電流をＩ3 とし、第１コイル２１と第２コイル２２と第３コイル２３のインダクタンスをそれぞれＬ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 とすると、下記の数式１が成立する。但し、簡単のために各コイル間の磁気結合係数は１（すなわち漏れ磁束は零）と仮定する。
【００１２】
【数１】
Ｌ1 ・Ｉ1 −Ｌ2 ・Ｉ2 ＝Ｌ3 ・Ｉ3 
この数式３を満足するようなＬ3 とＩ3 を求めれば、鉄心２０の中の基本波磁束は全て打ち消され、第１コイル２１と第２コイル２２による基本波電圧降下は補償されるが、これは電圧検出器３１で検出する基本波電圧が常に零ボルトになるように、制御回路３０で第２電力変換器２５を制御することで実現できる。
そのために、制御回路３０は電圧検出器３１と電圧調整器３２と電圧指令信号発生器３３とパルス幅変調器３４で構成していて、電圧調整器３２は電圧検出器３１で検出する電圧を電圧指令信号発生器３３で指令する値（すなわち零ボルト）に一致させるような制御信号をパルス幅変調器３４へ出力し、第２電力変換器２５はパルス幅変調器３４からのパルス信号に従って動作する。
【００１３】
図３は本発明の第１実施例回路の第１応用例を表した回路図であって、交流電源１，ＶＶＶＦインバータ３，誘導電動機４，第２負荷５，第１コイル２１，第２コイル２２，第３コイル２３第２電力変換器２５及び制御回路３０の名称・用途・機能は、図１で既述の第１実施例回路と同じであるが、制御回路３０が第１コイル２１の両端に接続されている点だけが異なっていて、この第１応用例回路では第１コイル２１の基本波電圧を零ボルトに制御する。
図４は本発明の第１実施例回路の第２応用例を表した回路図であって、交流電源１，ＶＶＶＦインバータ３，誘導電動機４，第２負荷５，第１コイル２１，第２コイル２２，第３コイル２３第２電力変換器２５及び制御回路３０の名称・用途・機能は、図１で既述の第１実施例回路と同じであるが、制御回路３０が第２コイル２２の両端に接続されている点だけが異なっていて、この第２応用例回路では第２コイル２２の基本波電圧を零ボルトに制御する。
【００１４】
図５は本発明の第２実施例を表した回路図であるが、この第２実施例回路は図１で既述の第１実施例回路に第４コイル２４が付加されているのが異なる点であり、これ以外はすべて同じであるから、同じ部分の説明は省略する。
この第２実施例回路で付加されている第４コイル２４は、第１コイル２１と第２コイル２２と第３コイル２３に磁気結合しており、これは図２に図示の鉄心２０に更に第４コイル２４を巻き付けることで実現できる。この第４コイル２４の両端には制御回路３０を接続している。このように構成することで、第１コイル２１と第２コイル２２と第３コイル２３のそれぞれに流れる電流で発生した磁束がこの第４コイル２４と鎖交することになる。よって前述と同様に、鉄心２０中の基本波磁束の全てが打ち消されて零となるように第２電力変換器２５を制御すればよい。
【００１５】
なお本発明では、説明した実施形態にとどまらず、要旨の変更の無い範囲で種々の実施形態、例えばＶＶＶＦインバータをＣＶＣＦインバータ等に変更できる等、さまざまな形態が考えられるのはいうまでもない。
【００１６】
【発明の効果】
従来のアクティブフィルタやパッシブフィルタと異なって、第１コイルと第２コイルに磁気結合している第３コイルの両端に第２電力変換器を接続して、これの基本波電圧を零に制御することにより、第１電力変換器で発生する高調波を低減することができるし、これと同時にリアクトルで生じる基本波電圧の電圧降下を補償するので、負荷変動に伴う電圧変動を防ぐことができる効果が得られる。また本発明における第２電力変換器が補償するのは基本波電圧であるから、キャリア周波数を高くすることが困難なために補償できる高調波の周波数範囲が制限されていた従来のアクティブフィルタとは異なって、基本波用のキャリア周波数を選定すればよいので、補償する周波数範囲が制限されない長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を表した回路図
【図２】図１の第１実施例回路に図示の第１乃至第３コイルを相互に磁気結合させる構造を表した構造図
【図３】本発明の第１実施例回路の第１応用例を表した回路図
【図４】本発明の第１実施例回路の第２応用例を表した回路図
【図５】本発明の第２実施例を表した回路図
【図６】アクティブフィルタにより特定の負荷の高調波電圧だけを低減する第１従来例を示した回路図
【図７】リアクトルのみのパッシブフィルタで電圧歪みを低減する第２従来例を示した回路図
【符号の説明】
１    交流電源
２    リアクトル
３    第１電力変換器としてのＶＶＶＦインバータ
４    第１負荷としての誘導電動機
５    第２負荷
６    アクティブフィルタ
６Ａ  ＰＷＭインバータ
６Ｂ  結合リアクトル
１１    同期発電機
１２    ダイオード整流器
１３    他励式インバータ
１４    波形改善リアクトル
１５    負荷
１６    同期調相機
２０    鉄心
２１    第１コイル
２２    第２コイル
２３    第３コイル
２４    第４コイル
２５    第２電力変換器
３０    制御回路
３１    電圧検出器
３２    電圧調整器
３３    電圧指令信号発生器
３４    パルス幅変調器
【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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