(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相交流電力を出力する交流電源の負荷となる抵抗体と、
交流電源の各相と抵抗体との間に設けられ、交流電源から抵抗体に供給される電力を各相毎にスイッチング可能なスイッチング素子と、
交流電源から抵抗体に供給される電力を計測する電力計測手段と、
負荷となる容量を設定する容量設定手段と、
電力計測手段によって計測された電力と容量設定手段によって設定された容量とを比較し、電力計測手段によって計測される電力が、容量設定手段に設定される容量に一致するように、スイッチング素子をＰＷＭ制御する制御手段とを含むことを特徴とする可変負荷装置。
【請求項２】
３相交流電力を出力する交流電源の負荷となる抵抗体と、
交流電源の各相と抵抗体との間に設けられ、交流電源から抵抗体に供給される電力を各相毎にスイッチング可能なスイッチング素子と、
交流電源から抵抗体に供給される電力を計測する電力計測手段と、
負荷となる容量を設定する容量設定手段と、
電力計測手段によって計測された電力と容量設定手段によって設定された容量とを比較し、電力計測手段によって計測される電力が、容量設定手段に設定される容量に一致するように、スイッチング素子をＰＷＭ制御する制御手段とを含む可変負荷装置を、
電力供給装置を試験するための模擬負荷として使用することを特徴とする可変負荷装置の使用方法。
【請求項３】
３相交流電力を出力する交流電源の負荷となる抵抗体と、
交流電源の各相と抵抗体との間に設けられ、交流電源から抵抗体に供給される電力を各相毎にスイッチング可能なスイッチング素子と、
交流電源から抵抗体に供給される電力を計測する電力計測手段と、
負荷となる容量を設定する容量設定手段と、
電力計測手段によって計測された電力と容量設定手段によって設定された容量とを比較し、電力計測手段によって計測される電力が、容量設定手段に設定される容量に一致するように、スイッチング素子をＰＷＭ制御する制御手段とを含む可変負荷装置を、
商用電力系統と自家発電設備とを併用する際の逆潮防止用として使用することを特徴とする可変負荷装置の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力容量を変化させることができる可変負荷装置およびその使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、図８に示すような模擬負荷装置１が、発電機２などの試験のために使用されている。発電機２は、実際の使用状態では複数の需要家Ａ，需要家Ｂ，…，需要家Ｚから成る負荷３に対して電力を供給するけれども、発電機２の製造過程での各種試験などのためには模擬負荷装置１を用いる。模擬負荷装置１は、たとえば抵抗体であり、発電機２の容量に応じた電力を消費する。消費された電力は、熱として大気中に放散される。模擬負荷装置１の容量を大きくすると、発生する熱量も大きくなるので、模擬負荷装置１も大型化してしまう。また、模擬負荷装置１は抵抗体であり、発電機２の出力電圧と定格電力とに対応して抵抗値が決定される。したがって、単なる抵抗体を用いる模擬負荷装置１では、発電機２の容量が異なる場合に兼用することは困難であり、発電機２の容量に応じた模擬負荷装置１を１つ１つ用意しなければならない。また、種々の負荷状態で発電機２の試験を行うためにも、容量の異なる模擬負荷装置１を用意しなければならない。
【０００３】
図９は、サイリスタ方式の模擬負荷装置の大略的な構成を示す。サイリスタ方式の模擬負荷装置では、サイリスタ回路を位相角設定回路によって設定される位相角で抵抗体に電力が供給されるように位相制御する。たとえば、負荷に１００Ｖで１００Ａの電力を供給する場合を想定する。すなわち抵抗体は、１００Ｖ×１００Ａ＝１０ｋＷの容量を有し、１０ｋＷの発電機１の試験に負荷として用いることができるはずである。サイリスタ方式の模擬負荷装置で１０ｋＷの発電機２を試験する場合、負荷の容量は１０ｋＷ以下であることが望ましい。なぜなら、サイリスタ方式では後述するように、瞬間的に発電機２の能力より大きな負荷がかかる可能性があり、発電機２の電圧・周波数がともに低下してしまうおそれがあるからである。そのため、通常、発電機２を試験する場合には、サイリスタ方式で容量が可変であっても、発電機２の容量以下の模擬負荷装置１を用いる。しかも、複数種類の発電機２の試験では、複数の容量の負荷を用いる必要がある。このため、サイリスタ方式の模擬負荷装置も、複数の容量に対応して複数用意しなければならない。
【０００４】
図１０は、図９に示すサイリスタ方式の模擬負荷装置で負荷の容量を変更可能な原理を示す。サイリスタ回路では、交流電力の全波形のうち、位相角設定回路で設定される位相角に対応する期間は負荷電流を遮断し、位相角に対応する期間が経過してからサイリスタを導通させ、塗りつぶして示すような負荷電流を抵抗体に供給する。たとえば位相角α＝９０度のときには、０度から１８０度までの正弦波の半分だけ負荷電流が流れる。位相角αをより大きくすれば、負荷電流が流れる期間が短くなり、容量を小さくすることができる。位相角αをより小さくすれば、負荷電流が流れる期間が長くなり、容量を大きくすることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図９に示すようなサイリスタ方式の模擬負荷装置は、サイリスタ回路の位相制御によって、１台で複数の負荷容量を実現可能である。しかしながら、たとえば図１０でα＝９０度の場合について示すように、負荷電流が流れる期間は半分でも、発電機としては１８０度分の負荷電流を供給し得るように、負荷容量の２倍が必要となる。このように、図９に示すようなサイリスタ方式の模擬負荷装置では、大容量の負荷で小容量を模擬することが可能なように見えても、電源容量の問題があり、大容量の模擬負荷装置で小容量の発電機の試験のために連続した負荷変化を模擬することは実質的には不可能である。
【０００６】
図８に示すような模擬負荷装置１で、数１０本の負荷抵抗を内蔵し、それぞれに対応するスイッチのＯＮ／ＯＦＦによって負荷抵抗の容量を段階的に変化させる方式も考えられる。しかしながら、このような方式では負荷の変化は段階的となり、細かな負荷変化を模擬することは不可能である。
【０００７】
さらに、図８に示す模擬負荷装置１や図９に示すサイリスタ方式の模擬負荷装置５は、発電機２の試験のためにのみしか使用していない。このため需要が限られ、量産化によるコストダウンを図ることも困難である。
【０００８】
本発明の目的は、種々の状態で負荷の模擬などを行うことができる可変負荷装置およびその使用方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、３相交流電力を出力する交流電源の負荷となる抵抗体と、
交流電源の各相と抵抗体との間に設けられ、交流電源から抵抗体に供給される電力を各相毎にスイッチング可能なスイッチング素子と、
交流電源から抵抗体に供給される電力を計測する電力計測手段と、
負荷となる容量を設定する容量設定手段と、
電力計測手段によって計測された電力と容量設定手段によって設定された容量とを比較し、電力計測手段によって計測される電力が、容量設定手段に設定される容量に一致するように、スイッチング素子をＰＷＭ制御する制御手段とを含むことを特徴とする可変負荷装置である。
【００１０】
本発明に従えば、交流電源と負荷となる抵抗体との間にはスイッチング素子が設けられ、制御手段によってＰＷＭ制御が行われる。制御手段は、容量設定手段に設定される容量値の電力が抵抗体に供給されるように、計測手段の計測結果に基づいてスイッチング素子を制御する。スイッチング素子による電力調整がＰＷＭ制御によって行われるので、負荷側と電源側の容量を同じにすることができ、抵抗体の電力容量を上限とする範囲で、負荷の容量を変更することができる。
【００１１】
さらに本発明は、３相交流電力を出力する交流電源の負荷となる抵抗体と、
交流電源の各相と抵抗体との間に設けられ、交流電源から抵抗体に供給される電力を各相毎にスイッチング可能なスイッチング素子と、
交流電源から抵抗体に供給される電力を計測する電力計測手段と、
負荷となる容量を設定する容量設定手段と、
電力計測手段によって計測された電力と容量設定手段によって設定された容量とを比較し、電力計測手段によって計測される電力が、容量設定手段に設定される容量に一致するように、スイッチング素子をＰＷＭ制御する制御手段とを含む可変負荷装置を、
電力供給装置を試験するための模擬負荷として使用することを特徴とする可変負荷装置の使用方法である。
【００１２】
本発明に従えば、スイッチング素子によるＰＷＭ制御によって抵抗体で消費する電力を変更し、負荷の容量を変更することができるので、発電機などの模擬負荷として用いるときに、発電機として必要な電源容量を増大させることなく容易に小容量の負荷を実現することができる。
【００１３】
さらに本発明は、３相交流電力を出力する交流電源の負荷となる抵抗体と、
交流電源の各相と抵抗体との間に設けられ、交流電源から抵抗体に供給される電力を各相毎にスイッチング可能なスイッチング素子と、
交流電源から抵抗体に供給される電力を計測する電力計測手段と、
負荷となる容量を設定する容量設定手段と、
電力計測手段によって計測された電力と容量設定手段によって設定された容量とを比較し、電力計測手段によって計測される電力が、容量設定手段に設定される容量に一致するように、スイッチング素子をＰＷＭ制御する制御手段とを含む可変負荷装置を、
商用電力系統と自家発電設備とを併用する際の逆潮防止用として使用することを特徴とする可変負荷装置の使用方法である。
【００１４】
本発明に従えば、可変負荷装置は、抵抗体で消費する電力をスイッチング素子のＰＷＭ制御で、容量設定手段に設定する容量に従って容易に変更することができる。このような可変負荷装置を商用電力系統と自家発電設備とを併用する際に用い、自家発電設備からの電力が過剰になって商用電力系統側に流出する逆潮流が生じようとするときに、負荷の容量を増大し、過剰な電力を吸収して逆潮流を有効に防止することができる。
【００１５】
図１は、本発明の実施の一形態としての可変負荷装置１０の概略的な構成を示す。可変負荷装置１０は、制御部１１によって設定される容量で、発電機１２の模擬負荷装置として利用することができる。可変負荷装置１０には、制御部１１のほかに、抵抗体としての負荷１３と、交流電力調整機１４と、負荷電流検出用の変流器１５と、負荷電圧検出用の変圧器１６と、変流器１５および変圧器１６からの検出出力に基づいて、電流計測および電圧計測をそれぞれ行い、電圧と電流との積として電力値を算出する演算部１７とが含まれる。制御部１１は、演算部１７が算出する電力値と、外部入力信号端子１８を介して外部のコンピュータ装置などから与えられる容量値とを比較し、演算部１７で算出される電力値が外部から入力される容量値と一致するように、交流電力調整機１４を制御するための入力信号を与える。
【００１６】
図２は、図１に示す交流電力調整機１４の内部構成を示す。ＰＷＭ制御回路２０は、スイッチング素子であって、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるＩＧＢＴ２１，２２，２３，２４，２５，２６の各ゲート電極を駆動し、負荷１３に対して供給する電力のパルス幅変調（ＰＷＭ）制御を行う。ＰＷＭ制御回路２０が制御を行うための指令は、図１の制御部１１から与えられる。図１では説明の便宜上簡略化して示すけれども、本実施形態の可変負荷装置１０は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相から成る３相交流電力に対して可変な負荷となる。負荷１３と３相の交流電源Ｕ，Ｖ，Ｗ相配線との間には、それぞれ一対のＩＧＢＴ２１，２２；２３，２４；２５，２６が介在し、負荷１３に供給される負荷電流をＰＷＭでスイッチング制御する。本実施形態では、スイッチング素子としてＩＧＢＴ２１〜２６を用いているので、高速でスイッチングして、負荷容量を連続的に変化させることができる。なお、スイッチング素子としては、ゲートターンオンサイリスタ（ＧＴＯ）など、他の素子を用いることもできる。また、３相の全部でスイッチングするのではなく、２相でスイッチングしても、同様の効果を得ることができる。
【００１７】
図３は、図２に示すようなＰＷＭ制御で、負荷１３の容量が電源側に対して増大しないことを示す。ＰＷＭ制御では、仮に負荷１３に対して１００Ｖの電圧で１００Ａの電流が供給され、電源の電圧が２００Ｖであるとすると、電源側での電流は５０Ａとなり、変成器作用をもっていることが示されている。すなわち、ＰＷＭ制御を行えば、図９に示すようなサイリスタ方式とは異なり、電源側の電流は、電圧に容量を換算した電流となり、負荷側よりも電源側の電圧が高いときには電流を小さくすることができる点で大きく異なっている。
【００１８】
図４は、図７に示すような模擬負荷装置１を、スイッチで複数の容量に切換える場合を（ａ）で、本実施形態のようにＰＷＭ制御を用いて容量を連続的に変更する場合を（ｂ）で比較して示す。（ａ）に示すようなスイッチ切換式でも、外部入力信号に基づいて負荷の大きさを切換えることは可能であるけれども、出力は段階的にしか変化させることができない。また、機械的なスイッチを用いるときには切換速度が遅くなってしまう。サイリスタのようなスイッチング素子を用いて切換えを行えば、切換速度を速めることはできるけれども、段差を小さくして切換えの段数を多くしようとすれば、多くのスイッチング素子を必要としてしまう。（ｂ）に示すように、ＰＷＭ制御を用いれば、連続的な出力変化が可能となり、（ａ）に示すような段階的な負荷変動となるのを回避することができる。
【００１９】
図５は、３相交流の１つの相について、図９に示すようなサイリスタ回路６による位相制御を行う場合を（ａ）に示し、本実施形態のようなＰＷＭ制御を行う場合を（ｂ）に示す。サイリスタによる位相制御の場合、電圧（電流）が急激に立上がる部分があり、波形は高調波を含んだ形になる。また、他の相でサイリスタが導通するときには、その影響が逆極性側に現れる。一方（ｂ）に示すＰＷＭ制御では、交流電源の周波数に比べて非常に短い周期でスイッチングを繰返し、電線のインダクタンス分やリアクタンス分などによって平滑化され、波形は高調波をほどんど含まなく、元の電源電圧波形と近くなる。たとえば、スイッチングの周波数は１６ｋＨｚ程度である。
【００２０】
一般に、電気設備を使用することによって発生する高調波電流の抑制が求められている。通産省・資源エネルギ庁では、社団法人日本電気協会の電気用品調査委員会の高調波専門部会が検討した結果に基づいて、平成６年５月２６日付で「家電・汎用品高調波抑制対策ガイドライン」、「高圧又は、特別高圧で受電する需要家の高調波抑制対策ガイドライン」を制定している。このガイドラインで、電圧形ＰＷＭ制御や電流形ＰＷＭ制御を用いる自励３相ブリッジ回路や自励単相ブリッジ回路では、換算係数Ｋが０となり、高調波発生機器としての等価容量が０となって高調波を発生しない機器とみなせることが示されている。このようにＰＷＭ制御の場合には、電圧（電流）は連続変化し、高調波が発生しない。このため高調波対策は不要である。次の表１は、高調波ガイドラインのうちで、自励単相ブリッジと、サイリスタ方式を用いる交流電力調整装置との部分を抽出して示す。
【００２１】
【表１】
0004560167.tif 000002
【００２２】
図６は、図８に示すサイリスタ方式の模擬負荷装置と、本実施形態の可変負荷装置１０とで、入力と出力との間の電流および電圧の波形の違いを比較して示す。図６（ａ）は、サイリスタによる位相制御での、入力波形を示す。細い実線は入力電圧Ｖｉｎの波形を示し、太い実線は入力電流Ｉｉｎの波形を示す。入力電圧Ｖｉｎは正弦波の波形であるけれども、入力電流Ｉｉｎは、設定された位相角だけ遅れてから急激に立上がる波形である。図６（ｂ）に示すように、出力電圧Ｖｏｕｔと出力電流Ｉｏｕｔの波形は、（ａ）に示す入力電流Ｉｉｎの波形に対応し、設定された位相角だけ遅れてから急激に立上がる波形となる。このようなサイリスタ制御では、負荷に供給される電力は、１周期間で積分すれば小さくなるけれども、瞬間的には大きくなる。このため、電源の容量は位相角の大きな所に負荷の定格容量をとるほど、大きな容量を必要とする。位相角が９０度のところで定格電流をとるとすると、電源容量は負荷容量の２倍必要となる。
【００２３】
図６（ｃ）は、ＰＷＭ制御の場合の入力波形を示す。細い実線は入力電圧Ｖｉｎの波形を示し、太い実線は入力電流Ｉｉｎの波形を示す。ＰＷＭ制御では、入力電圧Ｖｉｎの波形は変わらず、負荷容量に応じて入力電流Ｉｉｎの振幅が変化する。図６（ｄ）は、ＰＷＭ制御の場合の出力波形を示す。出力波形では、負荷容量に応じて、出力電圧Ｖｏｕｔと出力電流Ｉｏｕｔの振幅が変化するけれども、波形は変化しない。すなわちＰＷＭ制御の場合、直接電力を調整しているため、出力電圧Ｖｏｕｔの低いところで負荷の定格電流をとっても、電源から流れる入力電流Ｉｉｎは電源電圧Ｖｉｎに容量換算した電流となる。
【００２４】
図７は、本発明の実施の他の形態の構成を示す。本実施形態では、図１に示す可変負荷装置１０を、商用電力系統３０と自家発電設備３１とを併用する際の逆潮防止用に使用する。商用電力系統３０と自家発電設備３１とを併用することによって、信頼性が高い電力供給を行うことができるけれども、使用する負荷３２の容量が変動し、自家発電設備３１の発電量が負荷３２で使用する電力量より大きくなってしまう場合が有り得る。自家発電設備３１の発電量が過剰になると、商用電力系統３０側に流出するおそれがある。このような逆潮流は商用電力系統３０にとって好ましくないので、厳重に注意して避ける必要がある。本実施形態の可変負荷装置１０を接続し、自家発電設備３０からの発電電力が過剰になるときには、過剰分を消費させて、逆潮流を防ぐことができる。逆潮流となる過剰分の消費は、たとえば自家発電設備３０の電力の超過分を表すデータを外部入力信号端子１８を介して図１の制御部１１に入力し、交流電力調整機１４でのＰＷＭ制御で、過剰分を吸収させることで行うことができる。また、商用電力系統３０側に流出しようとする電力を直接測定し、その電力が０になるように制御部１１に対してフィードバックを行って、逆潮流を防ぐようにすることもできる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、交流電源から負荷に供給する電力を、スイッチング素子のＰＷＭ制御によって、容量設定手段に設定された値と一致するように制御することができるので、１つの可変負荷装置で多くの負荷容量を実現することができる。負荷容量の変化は、スイッチング素子のＰＷＭ制御によって行うので、サイリスタによる位相角制御の場合のような実質的に容量が増大する問題はなく、負荷容量の変更も容易に行うことができる。
【００２６】
さらに本発明によれば、発電機などの発電設備を試験する際に用いる模擬負荷装置としてＰＷＭ制御によって負荷容量を変更することができる可変負荷装置を用いるので、発電機などに実質的な電力容量の増大を要求することなく、小容量の負荷を実現することができる。また、容量設定手段に設定する値に従って負荷容量を変えることができるので、発電設備の負荷の需要の変化のパターンを種々設定して、発電設備の試験を行うことができる。
【００２７】
さらに本発明によれば、ＰＷＭ制御で負荷容量を容易に変化させることができる可変負荷装置を商用電力系統と自家発電設備とを併用する際の逆潮防止用として使用するので、自家発電設備の発電能力が増大して逆潮が生じようとする際に、可変負荷装置の負荷容量を増大させて過剰な電力を吸収し、逆潮流を有効に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の可変負荷装置１０の概略的な電気的構成を示すブロック図である。
【図２】図１の交流電力調整機１４の概略的な構成を示すブロック図である。
【図３】本実施形態で、負荷側と電源側との電力容量の関係を示す図である。
【図４】従来の多段式の切換えによる容量変化と、本実施形態の容量変化とを比較して示すグラフである。
【図５】従来のサイリスタ制御による電圧波形に比べて、本実施形態によるＰＷＭ制御による電圧波形で高調波が改善されている状態を示すグラフである。
【図６】従来からのサイリスタ制御の場合の入出力波形と本実施形態のＰＷＭ制御の入出力波形とを比較して示すグラフである。
【図７】本発明の実施の他の形態として、図１に示す可変負荷装置１０を逆潮防止に使用する例を示すブロック図である。
【図８】模擬負荷装置を用いて発電機の試験を行う状態を示す簡略化したブロック図である。
【図９】  サイリスタ方式の模擬負荷装置の大略的な構成を示す図である。
【図１０】  図９のサイリスタ方式の模擬負荷装置で位相制御によって負荷容量を変更する状態を示す波形図である。
【符号の説明】
１０  可変負荷装置
１１  制御部
１２  発電機
１３  負荷部
１４  交流電力調整機
１７  演算部
１８  外部入力信号端子
２０  ＰＷＭ制御回路
２１〜２６  ＩＧＢＴ
３０  商用電力系統
３１  自家発電設備
【図１】
0004560167.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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