(57)【要約】    使用部品の小型、軽量化を行い、製作工数低減化を図ることができる交流発電機の横流補償装置を提供する。【解決手段】  交流発電機１と他の交流電源２が並列運転を行う場合に何らかの理由により交流発電機１の出力電圧が相対的に高くなると、両者の電源の間に横流が流れて変流器３が該横流を検出し、ホール素子６２を含む電流−電圧変換回路６０は該横流を電圧に変換する。一方、変圧器４１、４２および変圧器７４、７５は交流発電機の出力電圧を検出する。演算増幅器８１〜８９からなるベクトル演算回路１８はこれらの電圧のベクトル演算を行い、全波整流回路９０に横流の無効分を重畳した交流発電機１の出力電圧を供給し、全波整流回路９０は帰還電圧信号ｅをＡＶＲ（Automatic  Voltage  Regulator）へ出力する。ＡＶＲは横流の無効分を減少させるように交流発電機１の出力電圧を制御する。【選択図】        図１
2005312098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流発電機を他の交流電源と並列運転して前記交流発電機および前記交流電源の出力電圧が異なる場合に両者の間を流れる横流を補償する交流発電機の横流補償装置であって、
エアーギャップが設けられた磁性体コアと、前記磁性体コアに巻かれ、前記交流発電機の電流を検出する変流器の二次側電流を入力するコイルと、前記磁性体コアに設けられたエアーギャップ内に挿入され、前記コイルに流れている電流により、前記磁性体コアとエアーギャップとから成る磁気回路に生ずる磁束の作用によって交流電圧を発生するホール素子と、第１の演算増幅器から構成され、前記交流電圧を増幅して出力する増幅回路を備える電流−電圧変換回路と、
前記交流発電機の電圧を検出するＶ−Ｖ結線された２個の変圧器と、第２の演算増幅器から構成され、前記変圧器によって検出された二次側の電圧と前記電流−電圧変換回路の出力電圧とをベクトル加算して前記変圧器によって検出された前記交流発電機の帰還電圧成分である二次側電圧に、前記交流発電機の電流の無効成分のみを重畳したのと等価な値を算出するベクトル演算回路と、
前記ベクトル演算回路が取り出した前記交流発電機の帰還電圧成分および電流の無効成分を直流電圧に整流し、前記交流発電機の制御系における帰還電圧信号として出力する全波整流回路と、
を備えたことを特徴とする交流発電機の横流補償装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流発電機を他の交流電源と並列運転する場合に両電源間に流れる横流の無効成分を補償するために使用される交流発電機の横流補償装置に係り、特に小形・軽量化を図ることができる交流発電機の横流補償装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の横流補償装置５は、図７に示すように、交流発電機１と他の交流電源２とが並列運転し、安定した三相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）の交流電力を負荷側に供給する系統に、高圧タイプの変圧器４１、４２および高圧タイプの変流器３を介して接続される。横流補償装置５は、何らかの原因により、交流発電機１の電圧が変化して、交流発電機１と交流電源２との間に横流の無効成分が流れ、発電機の力率（Power  Factor、以下、ＰＦという。）が変動すると、交流発電機１のＰＦの変動に応じて大きさが変化する直流出力電圧ｅを発生させ、図示しない自動電圧調整装置（Automatic  Voltage  Regulator、以下、ＡＶＲという。）へ帰還電圧信号ｅとして供給するものである。そして、ＡＶＲは、帰還電圧信号ｅに基づいて交流発電機１の出力電圧を制御する。
【０００３】
交流発電機１のＲ相が変圧器４１の１次側の正極と接続され、Ｔ相が変圧器４２の１次側の負極と接続され、Ｓ相が変圧器４１の負極および４２の１次側の正極に接続される。変圧器４１の２次側の正極が横流補償装置５の入力端ＩｐPT1と接続される。変圧器４２の２次側の負極が横流補償装置５の入力端ＩｐPT3と接続される。変圧器４１の２次側の負極および４２の２次側の正極が横流補償装置５の入力端ＩｐPT2に接続される。
【０００４】
変流器３の１次側の入力端Ｋ、Ｌが、交流発電機１の三相交流出力線のうちのＳ相の線に挿入される。２次側の出力端ｋが、横流補償装置５の入力端ＩｐCT2に接続される。２次側の出力端ｌが接地され、且つ、横流補償装置５の入力端ＩｐCT1に接続される。
また、横流補償装置５の出力端ＯｐeaおよびＯｐebがＡＶＲの帰還電圧入力端に接続される。
【０００５】
従来の横流補償装置５は、補助変流器６と、変圧器７１、７２、７３と、ＣＣＲ（横流補償調整抵抗器）（Cross-current  Compensation  Resistor）８と、全波整流回路９とから構成される。補助変流器６は、変流器３に直列に接続され、変流器３と併せて横流の変流を行い、変流器３のＣＴ（Current  Transformer）比に補助変流器６のＣＴ比を掛け合わせて、トータルとしてのＣＴ比を大きする。変圧器７１、７２、７３はスター−Δ結線の構成をなし、線間電圧から相電圧への変換を行う。ＣＣＲ８は補助変流器６によって変流された電流を流して、該電流に対応する電圧に変換する。全波整流回路９はダイオードＤ1およびＤ2、Ｄ3およびＤ4、Ｄ5およびＤ6の３本の直列回路を、極性を揃えて並列に接続し、端子Ｒ’2、Ｓ2、Ｔ2における電圧の平均値を出力する。
【０００６】
入力端ＩｐPT1が変圧器７１の１次側の正極と接続され、入力端ＩｐPT2が変圧器７２の１次側の正極と接続され、入力端ＩｐPT3が変圧器７３の１次側の正極と接続され、変圧器７１〜７３の１次側の負極が共通に接続される。変圧器７１の２次側の負極が変圧器７２の２次側の正極と接続され、変圧器７２の２次側の負極が変圧器７３の２次側の正極と接続され、変圧器７３の２次側の負極が変圧器７１の２次側の正極と接続され、変圧器７１〜７３の２次側の正極が、端子Ｒ2、Ｓ2、Ｔ2と接続される。端子Ｒ2には、ＣＣＲ８が接続され、端子Ｒ’2と接続される。端子Ｒ’2、Ｓ2、Ｔ2は、全波整流回路９の各上下アームのダイオード間に接続される。
【０００７】
また、入力端ＩｐCT1が補助変流器６の入力端Ｌと接続され、入力端ＩｐCT2が補助変流器６の入力端Ｋと接続される。補助変流器６の出力端ｌが、端子Ｒ’2と接続され、出力端ｋが、端子Ｒ2と接続される。全波整流回路９は、ダイオードＤ1、3、5のカソードが共通に出力端Ｏｐeaに接続され、ダイオードＤ2、4、6のアノードが共通に出力端Ｏｐebに接続される。
【０００８】
次に、横流補償装置５の動作を、図７〜図９を参照して説明する。
以下、複素ベクトルは括弧＜＞を付して表記する。例えば、複素ベクトルＡを＜Ａ＞と表記する。
【０００９】
変圧器７１〜７３の１次側において、入力端ＩｐPT1〜ＩｐPT3における線間電圧から相電圧への変換が行われる。すなわち、変圧器７１の正負極間の電圧 ＜Ｅ1＞を基準にして、変圧器７２〜７３の１次側の正負極間に以下のような電圧が現れる。
変圧器７１の正負極間の電圧：       ＜Ｅ1＞
変圧器７２の正負極間の電圧：  ａ2×＜Ｅ1＞
変圧器７３の正負極間の電圧：   ａ×＜Ｅ1＞
但し、ａ＝ｅｘｐ（ｊ×（２π／３））：（三相ベクトルオペレータ）
また、変圧器７１〜７３の２次側の正負極間において、位相は上述した値のままで、振幅に変圧器７１〜７３の変圧比を乗じた、下記のような電圧が現れる。
変圧器７１の正負極間の電圧：       ＜Ｅ2＞
変圧器７２の正負極間の電圧：  ａ2×＜Ｅ2＞
変圧器７３の正負極間の電圧：   ａ×＜Ｅ2＞
但し、｜＜Ｅ2＞｜／｜＜Ｅ1＞｜＝変圧器７１〜７３の変圧比
【００１０】
図８は、横流補償装置５の変圧器７１〜７３の２次側周辺の電圧の関係を示すベクトル図である。図７に示すように、端子Ｒ2とＳ2間の線間電圧は変圧器７１の正負極間の電圧であるため、＜Ｅ2＞となる。端子Ｓ2とＴ2間の線間電圧は変圧器７２の正負極間の電圧であるため、ａ2×＜Ｅ2＞となる。端子Ｔ2とＲ2間の線間電圧は変圧器７３の正負極間の電圧であるため、ａ×＜Ｅ2＞となる。以上より、変圧器７１〜７３の２次側周辺の電圧の関係を示すベクトル図は、図８に示すように、端子Ｒ2、Ｓ2、Ｔ2を頂点とする正三角形になる。
【００１１】
一方、交流発電機１を他の交流電源２と並列運転し、安定した三相ＲＳＴの交流電力を負荷側に供給している場合に、何らかの原因で交流発電機１の電圧が変化すると、交流発電機１と交流電源２との間に横流の無効成分が流れ、変流器３が交流発電機１のＳ相の電流＜Ｉs1＞を検出する。
【００１２】
変流器３は交流発電機１の電流＜Ｉs1＞を検出して、二次側電流＜Ｉs2＞を横流補償装置５内の補助変流器６に出力する。その二次側電流＜Ｉs2＞がＣＣＲ８に供給されて、ＣＣＲ８の両端に二次側電流＜Ｉs2＞と以下の関係にある電圧＜ｖ1＞を発生する。
＜ｖ1＞＝−ＣＣＲ×＜Ｉs2＞
【００１３】
そして、ＣＣＲ８において、端子Ｒ2における電圧＜Ｅ2＞と電圧＜ｖ1＞とがベクトル加算され、端子Ｒ’2に電圧＜Ｅ2＞＋＜ｖ1＞が現れる。つまり、電圧＜ｖ1＞が、上述したベクトル図の端子Ｒ2において加算され、全波整流回路９の入力端におけるベクトル図は、端子Ｒ’2、Ｓ2、Ｔ2を頂点とする三角形になる。
図８において、ＰＦ＝１．０のときのベクトル図を示している。ここで、ＰＦが１．０より遅れると、＜ｖ１＞がＲ２を中心として時計回りに回転する。すなわち、図８において＜ｖ１＞が「Ｌａｇ（遅れ）」と書いてある方へ回転する。すると、端子Ｒ’2、Ｓ2、Ｔ2を頂点とする三角形の面積が大きくなるため、全波整流回路９から出力される帰還電圧信号ｅの平均値が大きくなる。
また、ＰＦが１．０より進むと、＜ｖ１＞がＲ２を中心として反時計回りに回転する。すなわち、図８において＜ｖ１＞が「Ｌｅａｄ（進み）」と書いてある方へ回転する。すると、端子Ｒ’2、Ｓ2、Ｔ2を頂点とする三角形の面積が小さくなるため、全波整流回路９から出力される帰還電圧信号ｅの平均値が小さくなる。
このように、帰還電圧信号ｅの平均値の大小により、横流の無効成分の量および方向（遅れまたは進み）が測定される。
【００１４】
そして、帰還電圧信号ｅがＡＶＲに入力される。ＡＶＲは、帰還電圧信号ｅが上昇すると、交流発電機１の出力電圧を下げるような制御を行い、また、帰還電圧信号ｅが下降すると、交流発電機１の出力電圧を上げるような制御を行う。以上の動作により、図９に示すように、交流発電機１の出力電圧ＶGが上昇して交流発電機１の電流の無効分が増加すると、交流発電機１の出力電圧ＶGを低下させるように制御し、また、交流発電機１の出力電圧ＶGが下降して交流発電機１の電流の無効分が減少すると、交流発電機１の出力電圧ＶGを上昇させるように制御することにより、横流が補償されることになる。
【００１５】
しかしながら、上述した、従来の横流補償装置５は、回路が単純であるが、以下のような問題がある。すなわち、ＣＣＲ８の抵抗値を小さくする必要があるので、ＣＣＲ８の両端に発生する電圧＜ｖ１＞の値を大きくするために、補助変流器６の２次側の電流＜Ｉs2＞を大きくする必要がある。そのため、変流器３および補助変流器６の外形寸法および重量が大きくなってしまうという問題があった。また、従来の横流補償装置５は、変圧器７１〜７３を使用しており、つまり、変圧器を３台使用しているのだが、変流器３および補助変流器６共々、鉄心を使った部品であり、相当大きく重いので、装置内におけるこれらの部品の取り付け時には工数を要し、装置の製作面においての工数低減化を図ることができないという問題もあった。  
【００１６】
上述したように、横流補償装置５においては、変流器や変圧器や抵抗器の部品の大きさや重量が大きいという問題がネックとなっており、これを解決する横流補償装置として、例えば、特許文献１に、単相方式にて、磁気回路６−１とホール素子６−２とを用いた電流−電圧変換回路６および演算増幅器等を用いたベクトル演算回路８によって、補助変流器６およびＣＣＲ８を置き換えて小型化を図ることができる横流補償装置が記載されている。しかし、単相整流においては、三相整流より整流時のリップルが大きく、平滑化用のコンデンサの容量が大きくなるために、結果的に発電機の出力電圧ＶGの検出時間遅れが大きくなり、電圧制御の応答速度が遅くなってしまうという問題があった。
【特許文献１】特願平１１−６２１４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、使用部品の小型、軽量化を行い、製作工数低減化を図ることができる交流発電機の横流補償装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、応答速度を遅くすることなく電圧制御を行うことができる交流発電機の横流補償装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、この発明では、以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、交流発電機を他の交流電源と並列運転して前記交流発電機および前記交流電源の出力電圧が異なる場合に両者の間を流れる横流を補償する交流発電機の横流補償装置が、エアーギャップが設けられた磁性体コアと、前記磁性体コアに巻かれ、前記交流発電機の電流を検出する変流器の二次側電流を入力するコイルと、前記磁性体コアに設けられたエアーギャップ内に挿入され、前記コイルに流れている電流により、前記磁性体コアとエアーギャップとから成る磁気回路に生ずる磁束の作用によって交流電圧を発生するホール素子と、第１の演算増幅器から構成され、前記交流電圧を増幅して出力する増幅回路を備える電流−電圧変換回路と、前記交流発電機の電圧を検出するＶ−Ｖ結線された２個の変圧器と、第２の演算増幅器から構成され、前記変圧器によって検出された二次側の電圧と前記電流−電圧変換回路の出力電圧とをベクトル加算して前記変圧器によって検出された前記交流発電機の帰還電圧成分である二次側電圧に、前記交流発電機の電流の無効成分のみを重畳したのと等価な値を算出するベクトル演算回路と、前記ベクトル演算回路が取り出した前記交流発電機の帰還電圧成分および電流の無効成分を直流電圧に整流し、前記交流発電機の制御系における帰還電圧信号として出力する全波整流回路とを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、交流発電機の横流補償装置が、変流器によって取り出された横流を変圧器によって検出された電圧とベクトル演算するために、小型であり、且つ、軽量な磁気回路とホール素子とを組み合わせた電流−電圧変換回路を設けて、演算増幅器から構成されるベクトル演算回路によって無効成分のみを重畳したのと等価な値を算出する構成としたため、ＣＣＲと大きくて重い補助変流器とを用いて電流―電圧変換を行っている従来の交流発電機の横流補償装置に比して、大幅な小型化、軽量化を図ることが可能となる。また、ベクトル演算回路を演算増幅器によって構成するため、回路構成上の工夫により、大きくて重い変圧器等の鉄心を使用した部品の使用を抑制して、装置全体の小型、軽量化を図ることが可能になる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、交流発電機の横流補償装置は、小型、軽量な電流−電圧変換回路を使用して交流発電機の電流を電圧に変換し、信号の処理は演算増幅器により行うように構成したため、次のような優れた効果を有する。
（１）各構成部品が小形になり、プリント基板上に搭載可能な部品を選定することが可能になる。
（２）この結果、横流補償装置の組立、配線作業等に要する工数が大幅に低減でき、演算増幅器等のコストが安いことも相俟って、横流補償装置のコストダウンを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は本実施形態における横流補償装置５０の構成を示す図である。この図において、横流補償装置５０は、図７に示す従来の横流補償装置５と同様に、交流発電機１と他の交流電源２とが並列運転し、安定した三相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）の交流電力を負荷側に供給する系統に、変圧器４１、４２および変流器３を介して接続され、横流補償装置５と同様の動作を行う。
【００２１】
横流補償装置５０は、ベクトル演算回路１８と、電流−電圧変換回路６０と、変圧器７４、７５と、半固定抵抗であるＣＣＲ８０と、全波整流回路９０とから構成される。
尚、横流補償装置５０は、従来における横流補償装置５に比して、以下の点が異なる。すなわち、変圧器７１〜７３が変圧器７４、７５に変更され、ベクトル演算回路１８が新設されている。また、補助変流器６が電流−電圧変換回路６０に変更され、全波整流回路９が全波整流回路９０に変更されているところが異なる。
【００２２】
電流−電圧変換回路６０は、磁性体コア６１と、磁性体コア６１のエアーギャップ内に挿入されたホール素子６２と、磁性体コア６１に巻かれたコイル６３と、演算増幅器６４（第１の演算増幅器）と、抵抗Ｒ641〜643とから構成される。
【００２３】
コイル６３が横流補償装置５０の入力端ＩｐCT1およびＩｐCT2と接続される。ホール素子６２の一方の端が抵抗Ｒ642を介して演算増幅器６４の反転入力端子に接続される。ホール素子６２の他方の端が抵抗Ｒ641を介して演算増幅器６４の非反転入力端子に接続される。演算増幅器６４の出力端子が抵抗Ｒ643を介して反転入力端子に接続されると共に、電流−電圧変換回路６０の出力端Ｏｐivc１に接続される。演算増幅器６４の非反転出力端子が抵抗Ｒ644を介して電流−電圧変換回路６０の出力端Ｏｐivc2に接続される。
上記のように、演算増幅器６４および抵抗Ｒ641〜644により、差動増幅回路Ａｐd1（増幅回路）が構成される。
【００２４】
出力端Ｏｐivc1がＣＣＲ８０の抵抗体の一方の端子に接続される。出力端Ｏｐivc2が抵抗体の他方の端子に接続されると共に制御回路（本実施形態においては、横流補償装置５０）の零ボルト（０Ｖ）に接続される。ＣＣＲ８０のスライダ端子がベクトル演算回路１８の入力端Ｉｐvcaに接続される。尚、図中の「０Ｖ」が付された接地記号は、横流補償装置５０の制御回路の零ボルト（０Ｖ）基準電位に接続されることを示す。
【００２５】
一方、横流補償装置５０の入力端ＩｐPT1が変圧器７４の１次側の正極と接続され、入力端ＩｐPT3が変圧器７５の１次側の負極と接続され、入力端ＩｐPT2が変圧器７４の負極および７５の１次側の正極に接続される。変圧器７４の２次側の正極がベクトル演算回路１８の入力端ＩｐVC1に接続され、変圧器７５の２次側の負極がベクトル演算回路１８の入力端ＩｐVC3に接続され、変圧器７４の２次側の負極および７５の２次側の正極がベクトル演算回路１８の入力端ＩｐVC2に接続される。
【００２６】
ベクトル演算回路１８は演算増幅器８１〜８９（第２の演算増幅器）と、抵抗Ｒ801〜828とから構成される。
ベクトル演算回路１８の入力端ＩｐVC1が抵抗Ｒ803を介して制御回路の零ボルトに接続されると共に抵抗Ｒ804を介して演算増幅器８２の非反転入力端子に接続され、出力端子が抵抗Ｒ805を介して反転入力端子に接続される。入力端ＩｐVC2が抵抗Ｒ806を介して制御回路の零ボルトに接続されると共に抵抗Ｒ807を介して演算増幅器８３の非反転入力端子に接続され、出力端子が抵抗Ｒ808を介して反転入力端子に接続される。入力端ＩｐVC3が抵抗Ｒ809を介して制御回路の零ボルトに接続されると共に抵抗Ｒ810を介して演算増幅器８４の非反転入力端子に接続され、出力端子が抵抗Ｒ811を介して反転入力端子に接続される。
上記のように、演算増幅器８２および抵抗Ｒ804、805により非反転増幅回路Ａｐni1が構成され、演算増幅器８３および抵抗Ｒ807、808により非反転増幅回路Ａｐni2が構成され、演算増幅器８４および抵抗Ｒ810、811により非反転増幅回路Ａｐni3が構成される。
尚、非反転増幅回路Ａｐni1〜3の利得が互いに等しくなるように、Ｒ804、805、807、808、810、811の抵抗値が決定される。
【００２７】
一方、ベクトル演算回路１８の入力端Ｉｐvcaが抵抗Ｒ801を介して演算増幅器８１の非反転入力端子に接続され、出力端子が抵抗Ｒ802を介して反転入力端子に接続される。
上記のように、演算増幅器８１および抵抗Ｒ801、802により非反転増幅回路Ａｐni4が構成される。
【００２８】
また、演算増幅器８５の非反転入力端子が抵抗Ｒ812を介して制御回路の零ボルトに接続されると共に抵抗Ｒ813を介して演算増幅器８２の出力端子に接続される。演算増幅器８５の反転入力端子が抵抗Ｒ815を介して出力端子に接続されると共に抵抗Ｒ814を介して演算増幅器８１の出力端子に接続される。演算増幅器８５の出力端子が出力端Ｏｐvc1に接続されると共に、抵抗Ｒ816を介して演算増幅器８６の反転入力端子に接続される。演算増幅器８６の出力端子が出力端Ｏｐvc2に接続されると共に、抵抗Ｒ817を介して反転入力端子に接続される。非反転入力端子が抵抗Ｒ818を介して制御回路の零ボルトに接続される。
上記のように、演算増幅器８５および抵抗Ｒ812〜815により減算回路Ｃａs1が構成され、演算増幅器８６および抵抗Ｒ816〜818により反転増幅回路Ａｐi1が構成される。
【００２９】
また、演算増幅器８３の出力端子が出力端Ｏｐvc3に接続されると共に抵抗Ｒ819を介して演算増幅器８７の反転入力端子に接続される。演算増幅器８７の出力端子が出力端Ｏｐvc4に接続されると共に抵抗Ｒ820を介して反転入力端子に接続される。非反転入力端子が抵抗Ｒ821を介して制御回路の零ボルトに接続される。
上記のように、演算増幅器８７および抵抗Ｒ819〜821により反転増幅回路Ａｐi2が構成される。
【００３０】
また、演算増幅器８８の反転入力端子が抵抗Ｒ822を介して演算増幅器８１の出力端子に接続されると共に、抵抗Ｒ825を介して演算増幅器８４の出力端子に接続される。演算増幅器８８の非反転入力端子が抵抗Ｒ824を介して制御回路の零ボルトに接続される。演算増幅器８８の出力端子が出力端Ｏｐvc5に接続されると共に、抵抗Ｒ823を介して反転入力端子に接続される。演算増幅器８９の反転入力端子が抵抗Ｒ826を介して演算増幅器８８の出力端子に接続される。演算増幅器８９の出力端子が出力端Ｏｐvc6に接続されると共に、抵抗Ｒ827を介して反転入力端子に接続される。非反転入力端子が抵抗Ｒ828を介して制御回路の零ボルトに接続される。
上記のように、演算増幅器８８よび抵抗Ｒ822〜825により加算回路Ｃａa1が構成され、演算増幅器８９および抵抗Ｒ826〜828により反転増幅回路Ａｐi3が構成される。
【００３１】
全波整流回路９０はダイオードＤ11〜16から構成される。全波整流回路９０において、ダイオードＤ11〜16のアノードは、ベクトル演算回路１８の出力端Ｏｐvc1〜Ｏｐvc6に各々接続され、カソードは共通に結線され、ＡＶＲの帰還電圧入力端に接続される。
【００３２】
次に、本実施形態における横流補償装置５０の動作を図１〜図６を参照して説明する。図２において交流発電機１の出力電圧の中性点を基準とした相電圧を示し、図３において各相電圧の中性点を基準としたベクトル図を示す。ここで、交流発電機１の出力電圧の各相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）が平衡しているものとする。この場合、Ｓ相の相電圧＜ＥS＞は、Ｒ相の相電圧＜ＥR＞に前述した三相ベクトルオペレータａ2＝ｅｘｐ（ｊ×（４π／３））を乗じて、位相を（４π／３）ラジアン回転させた電圧であり、Ｔ相の相電圧＜ＥT＞は、Ｒ相の相電圧＜ＥR＞に三相ベクトルオペレータａ＝ｅｘｐ（ｊ×（２π／３））を乗じて、位相を（２π／３）ラジアン回転させた電圧である。
以後、上述した交流発電機１の出力電圧のベクトルを基準にして動作を説明する。
【００３３】
先ず、非反転増幅回路Ａｐni1は、三相交流出力線のうちのＲ相の線から変圧器４１および７４を介して、Ｒ803によって制御回路の零ボルトを基準として電圧を入力する。
このとき、図４に示すように、ベクトル演算回路１８の入力端ＩｐVC1〜3が、抵抗Ｒ803、806、809によって制御回路の零ボルトを中点としてスター結線されている。前述したように、交流発電機１の出力電圧の各相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）が平衡していることより、入力端ＩｐVC1〜3を頂点とする三角形が正三角形となるので、制御回路の零ボルトである該三角形の中点が仮想中性点となり、該仮想中性点（制御回路の零ボルト）が交流発電機１の中性点とみなされる。したがって、上述したＲ相の相電圧＜ＥR＞を非反転増幅回路Ａｐni1に入力したことになる。そして、非反転増幅回路Ａｐni1は、電圧＜ＥR＞と同相の電圧＜Ｅ2＞を出力する。よって、非反転増幅回路Ａｐni1の出力の電圧を＜Ｖｏni1＞とすると、以下のような式となる。
＜Ｖｏni1＞＝＜Ｅ2＞ 
＜Ｅ2＞＝Ｋ1×＜ＥR＞  
∴  ＜Ｖｏni1＞＝Ｋ1×＜ＥR＞ ・・・・・（式１）
ここで、（式１）より、＜Ｖｏni1＞と＜ＥR＞とが同相であることが示される。
また、Ｋ1は、交流発電機１と非反転増幅回路Ａｐni1の出力端との間の全ての利得の積を示す定数である。具体的に、変圧器４１、４２、７４、７５の変圧比、図４において、線間電圧を相電圧に変換する比等の積を示す。
【００３４】
また、上記と同様に、非反転増幅回路Ａｐni2は、三相交流出力線のうちのＳ相の線から変圧器４１、４２、７４および７５を介して、Ｒ806によって仮想中性点電位を基準としてＳ相の相電圧＜ＥS＞（＝電圧ａ2×＜ＥR＞）を入力し、電圧ａ2×＜ＥR＞と同相の電圧ａ2×＜Ｅ2＞を出力する。よって、非反転増幅回路Ａｐni2の出力の電圧を＜Ｖｏni2＞とすると、以下のような式となる。  
＜Ｖｏni2＞＝ａ2×＜Ｅ2＞ 
ａ2×＜Ｅ2＞＝Ｋ1×＜ＥS＞
∴  ＜Ｖｏni2>＝Ｋ1×＜ＥS＞ ・・・・・（式２）
ここで、（式２）より、（式１）と同様に、＜Ｖｏni2＞と＜ＥS＞とが同相であることが示される。
また、Ｋ1は、交流発電機１と非反転増幅回路Ａｐni2の出力端との間の全ての利得の積を示す定数である。ここで、非反転増幅回路Ａｐni1〜3の利得が互いに等しくなるように設定されるため、（式１）におけるＫ1と同一の定数となる。
【００３５】
また、上記と同様に、反転増幅回路Ａｐni3は、三相交流出力線のうちのＴ相の線から変圧器４１、４２、７４および７５を介して、Ｒ809によって仮想中性点電位を基準としてＴ相の相電圧＜ＥT＞（＝電圧ａ×＜ＥR＞）を入力し、電圧ａ×＜ＥR＞と同相の電圧ａ×＜Ｅ2＞を出力する。よって、非反転増幅回路Ａｐni3の出力の電圧を＜Ｖｏni3＞とすると、以下のような式となる。
＜Ｖｏni3＞＝ａ×＜Ｅ2＞ 
ａ×＜Ｅ2＞＝Ｋ1×＜ＥT＞
∴  ＜Ｖｏni3＞＝Ｋ1×＜ＥT＞ ・・・・・（式３）
ここで、（式３）より、（式１）、（式２）と同様に、＜Ｖｏni3＞と＜ＥT＞とが同相であることが示される。
また、Ｋ1は、交流発電機１と非反転増幅回路Ａｐni3の出力端との間の全ての利得の積を示す定数である。ここで、非反転増幅回路Ａｐni1〜3の利得が互いに等しくなるように設定されるため、（式１）におけるＫ1と同一の定数となる。
【００３６】
一方、交流発電機１を他の交流電源２と並列運転し、安定した三相ＲＳＴの交流電力を負荷側に供給している場合に、何らかの原因で交流発電機１の電圧が変化すると、交流発電機１と交流電源２との間に横流が流れ、変流器３が交流発電機１のＳ相の電流＜Ｉs1＞を検出して、二次側電流＜Ｉs2＞をコイル６３に出力する。そして、二次側電流＜Ｉs2＞によって、磁性体コア６１とエアーギャップとからなる磁気回路に生ずる磁束中の作用によってホール素子６２に交流電圧が発生し、該交流電圧が差動増幅回路Ａｐd1により増幅され、ＣＣＲ８０によって分圧調整されて、非反転増幅回路Ａｐni4に入力される。非反転増幅回路Ａｐni4は入力した電圧を増幅し、電流＜Ｉs1＞と同相の電圧＜ｖ2＞を出力する。よって、非反転増幅回路Ａｐni4の出力の電圧を＜Ｖｏni4＞とすると、以下のような式となる。尚、電流＜Ｉs1＞のＰＦが１．０の場合は、電圧＜ＥS＞と電流＜Ｉs1＞とが同相になる。
＜Ｖｏni4＞＝＜ｖ2＞
＜ｖ2＞＝Ｋ2×＜Ｉs1＞
∴  ＜Ｖｏni4＞＝Ｋ2×＜ＩS1＞ ・・・・・（式４）
ここで、（式４）より、＜Ｖｏni4＞と＜ＩS1＞とが同相であることが示される。
また、Ｋ2は、変流器３のＣＴ比、差動増幅回路Ａｐd1および非反転増幅回路Ａｐni4の利得、ＣＣＲ８０における分圧比等、発電機の電流Ｉs1と非反転増幅回路Ａｐni4の出力端との間の全ての利得の積を示す定数である。
【００３７】
そして、減算回路Ｃａs1において、抵抗Ｒ813に非反転増幅回路Ａｐni1から電圧＜Ｖｏni1＞が入力し、抵抗Ｒ814に非反転増幅回路Ａｐni4から電圧＜Ｖｏni4＞が入力する。減算回路Ｃａs1は、電圧＜Ｖｏni4＞から電圧＜Ｖｏni1＞を減算し、以下のように減算結果の電圧＜Ｖｏs1＞をダイオードＤ11および反転増幅回路Ａｐi1に出力する。
＜Ｖｏs1＞＝＜Ｅ2＞−＜ｖ2＞・・・・・（式５）
但し、減算回路Ｃａs1の抵抗Ｒ812〜815を以下のように設定する。
（Ｒ812＝Ｒ813、Ｒ814＝Ｒ815）
【００３８】
そして、反転増幅回路Ａｐi1が、入力した信号、つまり電圧＜Ｖｏs1＞の極性の反転を行い、（式５）より、以下のように電圧＜Ｖｏi1＞をダイオードＤ12に出力する。
＜Ｖｏi1＞＝−（＜Ｅ2＞−＜ｖ2＞）・・・・・（式６）
但し、反転増幅回路Ａｐi1の利得を１に設定する。
【００３９】
一方、非反転増幅回路Ａｐni2は、前述した（式２）に示す電圧＜Ｖｏni2＞をダイオードＤ13および反転増幅回路Ａｐi2に出力する。
そして、反転増幅回路Ａｐi2が、入力した信号、つまり電圧＜Ｖｏni2＞の極性の反転を行い、（式２）より、以下のように電圧＜Ｖｏi2＞をダイオードＤ14に出力する。
＜Ｖｏi2＞＝−（ａ2×＜Ｅ2＞）・・・・・（式７）
但し、反転増幅回路Ａｐi2の利得を１に設定する。
【００４０】
一方、そして、加算回路Ｃａa1において、抵抗Ｒ825に非反転増幅回路Ａｐni3から電圧＜Ｖｏni3＞が入力し、抵抗Ｒ822に非反転増幅回路Ａｐni4から電圧＜Ｖｏni4＞が入力する。加算回路Ｃａa1は、電圧＜Ｖｏni3＞と電圧＜Ｖｏni4＞とを加算し、以下のように、加算結果の極性を逆にして、電圧＜Ｖｏa1＞をダイオードＤ15および反転増幅回路Ａｐi3に出力する。
＜Ｖｏa1＞＝−（ａ×＜Ｅ2＞＋＜ｖ2＞）・・・・・（式８）
但し、加算回路Ｃａa1の抵抗Ｒ822、823、825を以下のように設定する。
（Ｒ822＝Ｒ823＝Ｒ825）
そして、反転増幅回路Ａｐi3が、入力した信号、つまり電圧＜Ｖｏa1>の極性の反転を行い、（式８）より、以下のように電圧＜Ｖｏi3＞をダイオードＤ16に出力する。
＜Ｖｏi3＞＝（ａ×＜Ｅ2＞＋＜ｖ2＞）・・・・・（式９）
但し、反転増幅回路Ａｐi3の利得を１に設定する。
【００４１】
そして、全波整流回路９０内のダイオードＤ11〜16に入力された各電圧が足し合わされて、帰還電圧信号ｅとしてＡＶＲへ出力される。
【００４２】
ここで、全波整流回路９０は互いに逆の極性の電圧を交互に出力する。
全波整流回路９０内のダイオードＤ11〜16に供給される電圧のうち、電圧＜Ｖｏi1＞および＜Ｖｏi2＞は、反転増幅回路Ａｐi1およびＡｐi2の出力の電圧なので極性が反転している。また、電圧＜Ｖｏa1＞は、加算回路Ｃａa1が加算結果の極性を反転して出力した電圧なので、極性が反転している。つまり、電圧＜Ｖｏi1＞および＜Ｖｏi2＞ならびに＜Ｖｏa1＞は、極性が反転している電圧ということになる。
【００４３】
これに対し、電圧＜Ｖｏs1＞および＜Ｖｏni2＞は、極性を反転させる過程を経ていないので極性が反転していない。また、電圧＜Ｖｏi3＞は、反転増幅回路Ａｐi3によって電圧＜Ｖｏa1＞の極性を反転している電圧であるが、極性が反転された電圧＜Ｖｏa1＞の極性をまた反転することとなり、電圧＜Ｖｏi3＞は極性が反転していない電圧となる。つまり、電圧＜Ｖｏs1＞および＜Ｖｏni2＞ならびに＜Ｖｏi3＞は、極性が反転していない電圧ということになる。
【００４４】
次に、極性が反転していない電圧について、全波整流回路９０の入力端における電圧のベクトル図について説明する。
図５に極性が反転していない電圧＜Ｖｏs1＞および＜Ｖｏni2＞ならびに＜Ｖｏi3＞の電圧のベクトル図を示す。次に、交流発電機1の電流が流れていない無負荷状態の場合のベクトル図は、電圧＜Ｅ2＞と、a×＜Ｅ2＞と、a2×＜Ｅ2＞とからなる正三角形をなす。これらのベクトル図を突き合わせると、電圧＜Ｖｏs1＞および＜Ｖｏni2＞ならびに＜Ｖｏi3＞のベクトル図は、電圧＜Ｖｏni2＞を底辺とする正三角形に比して、頂点が−＜ｖ2＞だけシフトした三角形になることがわかる。このベクトル図は、図８に示す、従来の横流補償装置５におけるベクトル図と相似であるため、本実施形態における横流補償装置５０は、従来の横流補償装置５と動作原理が同一となり、同様に横流を補償することができることになる。
【００４５】
次に、極性が反転している電圧について、全波整流回路９０の入力端における電圧のベクトル図について説明する。
図６に極性が反転している電圧＜Ｖｏi1＞および＜Ｖｏi2＞ならびに＜Ｖｏa1＞の電圧のベクトル図を示す。次に、交流発電機1の電流が流れていない無負荷状態の場合のベクトル図は、電圧−＜Ｅ2＞と、−a×＜Ｅ2＞と、−a2×＜Ｅ2＞とからなる正三角形をなす。これらのベクトル図を突き合わせると、電圧＜Ｖｏi1＞および＜Ｖｏi2＞ならびに＜Ｖｏa1＞のベクトル図は、電圧＜Ｖｏi2＞を底辺とする正三角形に比して、頂点が−＜ｖ2＞だけシフトした三角形になることがわかる。このベクトル図は、図５に示す、極性が反転していない電圧についての電圧のベクトル図と逆位相の関係にあり、図８に示す、従来の横流補償装置５におけるベクトル図と相似であるため、本実施形態における横流補償装置５０は、従来の横流補償装置５と動作原理が同一となり、同様に横流を補償することができることになる。
以上により、全波整流回路９０が、極性が反転している電圧と極性が反転していない電圧とを交互にＡＶＲに出力することによって、横流を補償することができる。
尚、図５および図６は、交流発電機１の出力の電流＜Ｉs1＞のＰＦが１．０の場合のベクトル図を示す。
【００４６】
上記実施形態によれば、交流発電機１と他の交流電源２とが並列運転を行っている際に両者の出力電圧の均衡が崩れた場合に両者間に流れる横流の無効分を横流補償装置５０が以下のようにして補償することができる。すなわち、変流器３によって検出した横流を、ホール素子６２や演算増幅器６４によって構成された電流−電圧変換回路６０によって電圧に変換する。そして、該電圧を、変圧器４１、４２によって検出した交流発電機１の出力の電圧と、演算増幅器８１〜８９によって構成されたベクトル演算回路１８によってベクトル加算して、全波整流回路９０によって該電圧の平均値をＡＶＲに出力する。そして、ＡＶＲが交流発電機１を横流が少なくなるように制御を行う。
以上のように、ホール素子６２や演算増幅器６４等を使用した構成をとったため、小型化、軽量化が困難な、変圧器、変流器等の鉄心を使用した部品の使用を抑えて、小型化、軽量化を図りながら横流の補償を行うことができる。
【００４７】
尚、従来の横流補償装置５においては、ベクトル演算において必要な三相交流の各相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）の相電圧を取り出すために、変圧器７１〜７３を用いて線間電圧から相電圧への変換を行っていた。しかし、本実施形態における横流補償装置５０において、ベクトル演算回路１８の回路上の工夫により、変圧器７４、７５を使用する構成とすることができ、使用変圧器数を削減し（３個→２個）、装置のさらなる小型化、軽量化を行うことができる。
【００４８】
また、従来の横流補償装置５において、ＣＣＲ８の抵抗値を小さくする（例えば、１〜２Ω）必要があるので、太い巻線を使用し、外形寸法が大きくなってしまうという問題があった。しかし、本実施形態における横流補償装置５０において、ＣＣＲ８０は演算増幅器８１の入力抵抗であるので、抵抗値１０ｋΩ〜５０ｋΩ、許容電力１／４Ｗ程度に設定することが可能になり、大幅な小型化、軽量化を行える。また、電流−電圧変換回路６０の負荷は演算増幅器８１の非反転入力端子なので、電流消費は殆どなく、電流−電圧変換回路６０の出力電流を１ｍＡ以下に設定することができる。また、トランス７４、７５についても、負荷が演算増幅器８２〜８４の非反転入力端子なので、電流消費は殆どなく、容量を０．０５ＶＡ以下に設定することができる。
【００４９】
次に、各構成部品の小形化の一例を示す。
すなわち、従来回路の主要構成部品である、補助変流器６が体積１００×７０×６０（ｍｍ）、重量１．５ｋｇであり、また変圧器７１〜７３が体積４３×４２×３５（ｍｍ）×３個、重量１６０ｇ×３個であり、さらに、ＣＣＲ８が体積８１×１３×２１（ｍｍ）、重量３０ｇであるのに対し、これらに相当する本発明の主要構成品は、電流−電圧変換回路６０が体積２０×２０×３０（ｍｍ）、重量１７ｇであり、また、変圧器７４、７５が体積２９×２９×２６（ｍｍ）×２個、重量１００ｇであり、さらに、ＣＣＲ８０が体積７×７×５（ｍｍ）、重量１ｇである。以上のように、本実施形態においては、横流補償装置５０が弱電用部品と集積回路とから構成されるため、小型化、軽量化を推進することができる。
【００５０】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での設計変更も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態における横流補償装置５０の構成を示す図である。
【図２】同実施形態における交流発電機１の相電圧を示す図である。
【図３】同実施形態における交流発電機１の相電圧の関係を示すベクトル図である。
【図４】同実施形態における抵抗Ｒ803、806、809からなるスター結線回路を示す図である。
【図５】同実施形態における横流補償装置５０内の全波整流回路９０周辺において、極性が反転していない電圧の関係を示すベクトル図である。
【図６】同実施形態における横流補償装置５０内の全波整流回路９０周辺において、極性が反転している電圧の関係を示すベクトル図である。
【図７】従来における横流補償装置５の構成を示す図である。
【図８】従来における横流補償装置５内の全波整流回路９周辺の電圧の関係を示すベクトル図である。
【図９】ＡＶＲの交流発電機１の電流の無効分による、交流発電機１の出力電圧ＶGの補償特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  交流発電機
２  交流電源
３  変流器
４１、４２、７１、７２、７３、７４、７５  変圧器
５、５０  横流補償装置
６  補助変流器
８、８０  ＣＣＲ（横流補償調整抵抗器）（Cross-current  Compensation  Resistor）
９  全波整流回路
１８  ベクトル演算回路
６０  電流−電圧変換回路
６１  磁性体コア
６２  ホール素子
６３  コイル
６４  演算増幅器（第１の演算増幅器）
８１〜８９  演算増幅器（第２の演算増幅器）
９０  全波整流回路
【図１】
2005312098.tif 000003
【図２】
2005312098.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005312098.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005312098.tif 000009
【図８】
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【図９】
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