(57)【要約】【課題】電動機の起動時に生じ得る電圧変動を補償する電圧変動補償装置に関し、より小形低廉で、電圧変動に対応し得る構成を提供する。【解決手段】計器用変圧器１と、変流器２と、半導体スイッチ１１、リアクトル１２およびコンデンサ１３からなる分路を複数含み、電動機Ｍと並列に接続された進相コンデンサ回路８と、上記スイッチ１１の開閉信号を出す制御手段９とで構成され、制御手段９が、変圧器１及び変流器２の出力より上記電圧変動値に対応した補償値を算出する補償値検出部４と、その出力から必要な進相コンデンサ段数を演算する演算部５と、電動機制御装置ＭＣから起動信号３を受ける起動信号受信部と、これと接続され起動信号３終了時から所定時間経過ごとに上記必要な進相コンデンサ投入段数を順次減算する減算部と、その出力に応じてスイッチ１１の開閉信号を出す投入指令部７とからなる電圧変動補償装置１０とする。【選択図】図１
2007104798.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１基の電動機負荷と電気的に接続され、前記電動機の起動時に配電線に発生する電圧変動を補償する電圧変動補償装置であって、
前記電動機負荷と電気的に接続された配電線の電圧を検出する計器用変圧器と、
負荷電流を検出する変流器と、
直列リアクトルと半導体スイッチと進相コンデンサとを直列接続した分路を複数含み、前記電動機負荷と並列に接続された進相コンデンサ回路と、
前記進相コンデンサ回路の半導体スイッチをオン／オフする信号を出力する制御手段と、
で構成され、
前記制御手段が、
前記計器用変圧器および前記変流器の出力より、前記配電線に発生する電圧変動値に対応した補償値を算出する補償値検出部と、
前記補償値検出部からの出力に応じて必要な進相コンデンサ投入段数を演算するコンデンサ投入段数演算部と、
前記コンデンサ投入段数演算部と電気的に接続され、前記電動機の起動期間に出力される起動信号を受信する起動信号受信部と、
前記起動信号受信部と電気的に接続され、前記電動機の起動信号終了時から任意の時間を経過するごとに必要な進相コンデンサ投入段数を１段分または複数段分ずつ順次減算していく減算部と、
前記減算部からの出力に応じて前記半導体スイッチをオン／オフする信号を出力する投入指令部と、
からなることを特徴とする電圧変動補償装置。
【請求項２】
前記補償値が、前記電動機負荷に発生する有効電力および無効電力を演算することにより算出されることを特徴とする請求項１に記載の電圧変動補償装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力容量が変動する電動機負荷と電気的に接続され、電動機の起動時に配電線に発生する電圧変動を、複数の進相コンデンサ回路をオン／オフして一定電圧に保つように動作する、コンデンサ開閉制御形の電圧変動補償装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
揚水機場などに設置されるポンプ用電動機は、起動するときに非常に大きな電力を必要とする一方、定常運転状態に移行すると使用電力はほとんど一定になる。従って、配電線の電圧降下は電動機の起動時に大きく変動し、定常状態ではほぼ一定の値となる。
【０００３】
しかし、電動機が定常運転状態であっても、電動機が運転し電力を消費している限り、電圧降下を生じることから、従来の電圧変動補償装置では、定常運転状態にあっても装置に設けた進相コンデンサを投入して電圧を昇圧させ、電動機が停止しているときと同じ電圧になるよう進相コンデンサ投入回路を選択、投入する操作を行っていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図４は、３台のポンプ用電動機を有する揚水機場設備において、ポンプ用電動機一台ごとに専用の進相コンデンサ回路８を設けた従来例に係る電圧変動補償装置５０の構成を示す図である。この例では、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３の各ポンプＭ１〜Ｍ３用電動機電流検出用の変流器２を各々設け、かつ配電線の電圧検出用の計器用変圧器１を共用としている。図中に示す変圧器Ｔは、構外の高圧受電点から揚水機場構内へ配電線を引き込む際に一般的に設けられるものである。また図中に示す各進相コンデンサ回路８は、それぞれ直列に接続された半導体スイッチ１１、直列リアクトル１２および進相コンデンサ１３を含み、前記電動機負荷と並列に接続された複数の分路（ここでは、８ａ〜８ｄの４群構成とされる）からなっている。図中の参照符号１４は公知の遮断器である。
上述したとおり、この従来例に係る電圧変動補償装置５０では、ポンプ用電動機一台ごとに設けられた各々の制御系（図示せず）は、ポンプが稼動している限り必要な容量分の進相コンデンサを投入し続ける構成となっている。これについては、次に図５を参照しながらより詳細に説明する。
【０００５】
図５は、この従来例の場合における進相コンデンサのオン／オフに関するタイムチャートである。図５には、本例に係るＮｏ．１〜Ｎｏ．３の各ポンプＭ１〜Ｍ３用電動機がそれぞれ３相誘導電動機とされ、その起動が公知のコンドルファ法によって行われることが示されている。図５に示すとおり、従来例に係る構成では、起動終了後も定常運転状態で発生する電圧降下を補償するため、引き続き進相コンデンサの投入が維持される。
なお、図５には、起動信号終了後に力率調整（力調）用コンデンサが投入されるシーケンスについても示されている。一般に、電圧変動補償装置においては力調用コンデンサも投入され得る。
【０００６】
このように、従来の電圧変動補償装置は、起動時であるか定常状態であるかに関係なく、電動機が運転中である限り、電動機が停止しているときと同じ電圧になるよう、進相コンデンサを投入し続けていた。
【０００７】
ところで、電動機が起動時または定常状態で運転しているとき、電動機が停止しているときと同じ電圧まで昇圧させるには、無効電力に起因する電圧変動の他に有効電力に起因する電圧変動も併せて補償する必要がある。進相コンデンサによって電動機の起動時に生じ得る電圧変動を補償する本例の電圧変動補償装置でも、この点につき十分配慮すべきである。
【０００８】
ここで、電動機が運転状態にある時発生する電圧降下値は、次式（１）にて計算できる。
ΔＶ＝Ｐ×（％Ｒ×ｃｏｓθ＋％Ｘ×ｓｉｎθ）／（１０×１０６）      ・・・（１）
なお、ΔＶ：電圧降下値［％］、Ｐ：電動機の皮相電力［ＶＡ］、％Ｒ：配電線の抵抗分インピーダンス（１０ＭＶＡ当りの％）、ｃｏｓθ：電動機の力率、％Ｘ：配電線のリアクタンス分インピーダンス（１０ＭＶＡ当りの％）であり、ｓｉｎθは、電動機の力率より算出されるものである（θ＝ｃｏｓ−１θ）。
【０００９】
また、進相コンデンサにおける電圧上昇値は、次式（２）にて計算できる。
ΔＶＵＰ＝Ｑ×％Ｘ／（１０×１０６）      ・・・  （２）
なお、ΔＶＵＰ：電圧上昇値（％）、Ｑ：進相コンデンサ容量［ｖａｒ］、％Ｘ：配電線のリアクタンス分インピーダンス（１０ＭＶＡ当りの％）である。
（２）式は、（１）式においてコンデンサが供給する電力＝進み無効電力のみであることから導出されるものである。
【００１０】
例えば、定常運転状態の電動機の皮相電力Ｐ＝５００ｋＶＡ、力率０．８、配電線のインピーダンス％Ｒ＝５０および％Ｘ＝１００としたとき、電圧降下値ΔＶは、
ΔＶ＝５００×１０３×（５０×０．８＋１００×０．６）／（１０×１０６）
＝５［％］
と計算される。
【００１１】
ここで、電動機が発生している有効電力は次式（３）にて計算できる。
Ｗ＝Ｐ×ｃｏｓθ      ・・・  （３）
なお、Ｗ：電動機が発生している有効電力［Ｗ］、Ｐ：電動機の皮相電力［ＶＡ］であり、ｃｏｓθは、電動機の力率である。
【００１２】
従って、本例の電動機が発生している有効電力は、
Ｗ＝５００×１０３×０．８
＝４００×１０３［Ｗ］
＝４００［ｋＷ］
となる。つまり有効電力に起因する電圧降下値は上式（１）の（％Ｒ×ｃｏｓθ）の項より２％と計算される。
【００１３】
上述のとおり、従来の電圧変動補償装置では、電動機が停止しているときと同じ電圧になるよう進相コンデンサを投入することから、この定常状態における電圧降下を進相コンデンサで補償すると、
ΔＶＵＰ＝Ｑ×％Ｘ／（１０×１０６）＝５［％］より、
Ｑ＝５×（１０×１０６）／１００＝５００×１０３［ｖａｒ］
＝５００［ｋｖａｒ］
の容量が必要となる。
【００１４】
ここで、電動機が発生している無効電力は次式（３）にて計算できる。
Ｑ’＝Ｐ×ｓｉｎθ      ・・・  （３）
なお、Ｑ’：電動機が発生している無効電力［ｖａｒ］、Ｐ：電動機の皮相電力［ＶＡ］であり、ｓｉｎθは、電動機の力率より算出される（θ＝ｃｏｓ−１θ）。
【００１５】
従って、本例の電動機が発生している無効電力は、
Ｑ’＝５００×１０３×０．６
＝３００×１０３［ｖａｒ］
＝３００［ｋｖａｒ］
と計算される。つまり無効電力に起因する電圧降下値は、上式（１）の（％Ｘ×ｓｉｎθ）の項から３％となる。
【００１６】
つまり、上記の例では、電動機の定常運転状態において電圧変動補償装置が投入すべき進相コンデンサ容量は、変動がほとんどないにも関わらず、配電線での電圧降下を補償するため電動機が発生している無効電力を２００ｋｖａｒ上回る過進相状態としておかなければならない。これは有効電力に起因する電圧降下分２％を補償するため２００ｋｖａｒを投入することが必要となるからである。
【００１７】
一方、この電動機の起動時における電圧降下値ΔＶは、皮相電力Ｐ＝１，５００ｋＶＡ、力率０．６とすると、
ΔＶ＝１，５００×１０３×（５０×０．６＋１００×０．８）／（１０×１０６）
＝１６．５［％］
と計算される。
【００１８】
従って、起動時における電圧降下を進相コンデンサで補償すると、
ΔＶＵＰ＝Ｑ×％Ｘ／（１０×１０６）＝１６．５［％］より、
Ｑ＝１６．５×（１０×１０６）／１００＝１，６５０×１０３［ｖａｒ］
＝１，６５０［ｋｖａｒ］
の容量が必要となる。
【００１９】
以上をまとめると、例えば上記の電動機においては、起動時および定常運転状態に発生する電圧降下を補償するには、１，６５０ｋｖａｒの進相コンデンサ容量を有する電圧変動補償装置が必要（電動機１基当たり）となる。
【００２０】
しかるに、揚水機場に設置されるポンプ用電動機は複数台設置されるのが通例であり、例えば上記電動機が３台設置された揚水機場において、電動機各々に電圧変動補償装置を設置するとすると、総容量合計１，６５０×３＝４，９５０ｋｖａｒもの膨大な進相コンデンサ容量を有する設備となる。
【００２１】
また、複数台のポンプ用電動機が互いに同時始動しないと言う条件を付けたとしても、例えば３台のポンプ用電動機であれば、最大の電圧変動が、２台の電動機が定常状態で１台が始動する状況の下で発生し、これを補償するには、５００×２＋１，６５０＝２，６５０ｋｖａｒと膨大な容量の進相コンデンサを有する設備が必要となる。
【００２２】
ここで、上記コンデンサ開閉制御方式の電圧変動補償装置では、コンデンサを複数の容量群に分割し、例えば容量に１・２・４・８の重み付けを行うことにより４コンデンサ群の容量組み合わせで１５段階制御（４群１５段制御）を行い、それによってコンデンサ容量を１段ずつ半導体スイッチによってオン／オフするよりもコンデンサの群数およびコンデンサ電流の開閉スイッチ数を低減することが行われ得る（図５参照）。なお、例えば１・２・４・８の重み付けにて４群１５段制御した場合には、コンデンサ電流の開閉スイッチ数が４個で済むものが、１５段等容量制御の場合には１５個必要となるほか、スイッチ周辺の回路数も増えるため、コストが上昇するのは自明である。
しかしながら、かかる構成の下では、コンデンサ総容量が大きくなると重み付けが大きい回路のコンデンサ電流が大きくなり、開閉する半導体スイッチが高価または入手困難となる。
【００２３】
例えば、上記２，６５０ｋｖａｒに近い１５段制御容量２，７００ｋｖａｒの場合、これを重み付けしながら４群に分けたとすると、それぞれ１８０／３６０／７２０／１，４４０ｋｖａｒの容量群となり、この場合、大容量となる１，４４０ｋｖａｒを開閉できる半導体スイッチが入手困難あるいは非常に高価となる。
【特許文献１】特開平９−１９１５７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
従って本発明は、上記課題を解決し、少なくとも１基の電動機負荷と電気的に接続され、該電動機の起動時に配電線に発生する電圧変動を補償する電圧変動補償装置に関し、より低コストかつ省スペースで電圧変動対策を実現する新規なシステムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題を解決すべく種々検討を重ねた結果、本発明者は、以下の構成を備えた電圧変動補償装置とすることで上記課題を解決可能なことを見い出し、本発明を完成した。
本発明は、実際に電動機電流が流れ出て起動を開始する直前から、起動が終了し定常運転状態に移行する時点までの期間電動機の制御装置より出力される起動信号を受信し、起動信号終了後任意の時間が経過するごとに、起動時にコンデンサ投入段数演算回路にて算出した必要な進相コンデンサ投入段数を順次１段分（または複数段分）ずつ減算していく減算回路を持った制御手段を備え、
それにより、起動終了後任意の時間が経過するごとに、投入していた進相コンデンサを順次オフとし、最終的に進相コンデンサ投入量をゼロまで減少させることで、複数台の電動機に対して一台分の補償容量で対応可能な電圧変動補償装置を提供するものである。本発明によれば、より低コストかつ省スペースで電圧変動対策を実現することが可能となる。
ここで、進相コンデンサ投入量は１段分（または複数段分）ずつ減少するので、配電線に発生する電圧変動は大きな値とはならず、他の需要家への影響は少ない。また定常運転時に発生する電圧降下は電圧変動補償装置における進相コンデンサ投入量が減少することにより徐々に増加するが、電力会社配電線には定常的な負荷容量に起因する電圧変動を補償し、定電圧で供給するための自動電圧調整装置が設置されるのが通例であり、設置された自動電圧調整装置が応答可能な間隔で、電圧変動補償装置の進相コンデンサ投入量を減少させるのであれば、この場合の電圧変動は自動的に調整されることが期待できる。
【００２６】
上記課題を解決可能な本発明の電圧変動補償装置は、（１）少なくとも１基の電動機負荷と電気的に接続され、前記電動機の起動時に配電線に発生する電圧変動を補償する電圧変動補償装置であって、
前記電動機負荷と電気的に接続された配電線の電圧を検出する計器用変圧器と、負荷電流を検出する変流器と、直列リアクトルと半導体スイッチと進相コンデンサとを直列接続した分路を複数含み、前記電動機負荷と並列に接続された進相コンデンサ回路と、前記進相コンデンサ回路の半導体スイッチをオン／オフする信号を出力する制御手段と、
で構成され、
前記制御手段が、前記計器用変圧器および前記変流器の出力より、前記配電線に発生する電圧変動値に対応した補償値を算出する補償値検出部と、前記補償値検出部からの出力に応じて必要な進相コンデンサ投入段数を演算するコンデンサ投入段数演算部と、前記コンデンサ投入段数演算部と電気的に接続され、前記電動機の起動期間に出力される起動信号を受信する起動信号受信部と、前記起動信号受信部と電気的に接続され、前記電動機の起動信号終了時から任意の時間を経過するごとに必要な進相コンデンサ投入段数を１段分または複数段分ずつ順次減算していく減算部と、前記減算部からの出力に応じて前記半導体スイッチをオン／オフする信号を出力する投入指令部と、からなることを特徴とするものである。
【００２７】
また本発明の電圧変動補償装置は、上記（１）の電圧変動補償装置に関し、（２）前記補償値が、前記電動機負荷に発生する有効電力および無効電力を演算することにより算出されることを特徴とするものである。
【００２８】
なお、本明細書において「起動」とは、実際に電動機電流が流れ出して起動を開始する直前から起動が終了し定常運転状態に移行する時点までを指すものとする。
「起動信号」とは、実際に電動機電流が流れ出して起動を開始する直前から起動が終了し、定常運転状態に移行する時点までの期間、電動機の制御装置より出力される信号のことを指すものとする。また、この起動信号が出力され始めてから終了するまでの期間を起動期間という。
「減算引き外し」とは、減算回路からの出力に基づき、起動終了後任意の時間が経過するごとに、投入していた進相コンデンサを半導体スイッチの開閉により順次オフとする操作のことを指すものとする。
「負荷電力演算期間」とは、上記起動信号の出力が開始された時点から、定常状態移行後、進相コンデンサの減算引き外しが完了する時点までの期間を指すものとする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、ポンプ用電動機の制御装置から出力される起動信号を利用することによって、ある電動機の起動終了後、定常状態で投入中の進相コンデンサを順次オフとして最終的に投入コンデンサ数をゼロにし、この電動機の起動に供された一台分の補償容量をもつ進相コンデンサ回路を、別の電動機の起動時には、あたかもその電動機専用の補償装置のごとく動作し得る状態にすることを可能とする電圧変動補償装置を提供することができる。すなわち本発明によれば、複数台の電動機に対して一台分の補償容量で対応可能な電圧変動補償装置を提供できる。
このように、本発明によれば、より低コストかつ省スペースで電圧変動対策を実現する新規なシステムを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、添付図面に基づき、本発明の電圧変動補償装置の一実施形態につき説明する。図１は本発明の一実施形態を説明する制御ブロック図、図２は本発明の一実施形態の制御シーケンスを表したタイムチャートを示す図、図３は実際に本発明装置を３台のポンプ用電動機が設けられた揚水機場に設置した状態を説明する図である。なお、先の従来技術の欄で説明した構成要素と同じものについては同一の参照符号を付すものとする。
本実施形態ではポンプ用電動機は３相誘導電動機を用い、その起動は、図２に示すとおり公知のコンドルファ法によって行われる。
【００３１】
［構成］
まず始めに、本実施形態に係る電圧変動補償装置の概略構成を、図１に基づき説明する。
図１に示すとおり、本実施形態に係る電圧変動補償装置１０は、配電線の電圧を検出する計器用変圧器１と、ポンプＭ用電動機に流れる電流を検出する変流器２と、上記計器用変圧器１の出力、変流器２の出力、およびポンプ制御装置ＭＣから出力される起動信号３を受けて上記配電線に発生し得る電圧変動値に対応した補償値を算出する補償値検出回路４と、該補償値から必要な進相コンデンサ投入段数を演算するコンデンサ投入段数演算回路５と、ポンプ制御装置ＭＣから出力される起動信号３を受信すると共に、起動信号終了時から任意の時間が経過するごとに、先に求められた必要な進相コンデンサ投入段数を順次減算して行く起動信号受信および減算回路６と、起動信号受信および減算回路６からの出力に応じて半導体スイッチを開閉する信号を作成する投入指令回路７と、それぞれ直列に接続された半導体スイッチ１１、直列リアクトル１２および進相コンデンサ１３からなる分路を複数含み、上記電動機負荷と並列に接続された進相コンデンサ回路８（分路８ａ〜８ｄ）とからなっている。本実施形態では、補償値検出回路４、コンデンサ投入段数演算回路５、起動信号受信および減算回路６、並びに投入指令回路７から制御手段９を構成している。また本実施形態では、進相コンデンサ回路８は４群で構成され、分路８ａ〜８ｄを有している。
【００３２】
図１に示すとおり、本実施形態では、ポンプＭ用電動機の制御装置ＭＣから起動信号３が出力されると、起動信号３は起動信号受信および減算回路６で受信された後、まず補償値検出回路４に入力される。
ここで、起動信号３は、図２に示すとおり、実際にポンプＭ用電動機に電流が流れる直前にポンプ制御装置ＭＣより出力されるものである。本実施形態に係る制御手段９では、この起動信号３を得た後直ちに演算処理を行って、実際にポンプＭ用電動機に電流が流れるよりも先に、ポンプＭ用電動機の発生する有効電力および無効電力の検出回路（補償値検出回路）を起動するよう構成されている（図２のシーケンスおよび後段の説明参照）。このように、本実施形態によれば、ポンプ制御装置ＭＣより出力される起動信号３を利用して、起動期間中にポンプＭ用電動機の発生する有効電力および無効電力の検出を行い、ポンプ起動時の電圧降下を確実に抑えることが可能になっている。
【００３３】
［動作］
次に、上記構成からなる本実施形態の電圧変動補償装置の動作につき説明する。以下、複数のポンプを同時始動しないという条件の下で説明を進めることとする。
はじめに、ポンプＭの制御装置ＭＣから起動信号３が出力されると、制御手段９は、上記のとおりこの信号を起動信号受信および減算回路６で受信した後、起動信号３を補償値検出回路４に入力する。この起動信号３は、図２に示すとおり、ポンプ起動時における過渡状態が終了し、定常状態に移行するまでポンプ制御装置ＭＣから出力される。
補償値検出回路４は、起動信号３を受けて、計器用変圧器１の出力および変流器２の出力から、配電線に発生する電圧変動値に対応した必要な補償値を算出する。求められた補償値は、コンデンサ投入段数演算回路５に送出される。コンデンサ投入段数演算回路５では、得られた補償値に基づき、必要な進相コンデンサ投入段数を演算する。
【００３４】
ここで、上記補償値および必要な進相コンデンサ投入段数を求めるに当たって必要な、電動機が運転状態にある時発生する電圧降下値ΔＶ、進相コンデンサにおける電圧上昇値ΔＶＵＰ、および進相コンデンサ容量Ｑ等の算出法については、従来技術の欄で示した上式（１）、（２）等を適宜用い得る。
なお、複数のポンプを同時始動しないという条件の下では、１基のポンプ用電動機に係る（起動時および定常状態における）皮相電力Ｐ、電圧降下値ΔＶ、進相コンデンサにおける電圧上昇値ΔＶＵＰ、進相コンデンサ容量Ｑおよび電動機の力率等の各値（従来技術の欄参照）は予測がつくため、予めこれらの値を制御手段９の内または外に備えた不図示のメモリに記憶しておき、起動信号３を検出したら直ちにメモリを参照しながらコンデンサ投入段数演算回路５の出力を得るように構成しても良い。
そのほか、上記補償値および必要な進相コンデンサ投入段数を求めるに当たっては、まずポンプ用電動機に発生する有効電力および無効電力を演算し、その後、従来技術の欄で示した数式等に基づいて上記補償値や必要な進相コンデンサ投入段数を求める構成にしても良い。
【００３５】
起動時においては、必要な進相コンデンサ投入段数が求まれば、それに基づいて必要な段数のコンデンサを投入すべく、投入指令回路７から直接、各半導体スイッチ１１に対してスイッチ開閉信号が送信される。
【００３６】
ポンプ起動時における過渡状態が終了し、ポンプ制御装置ＭＣより出力される起動信号３が終了すると、次に、起動信号受信および減算回路６において、起動信号終了時から任意の時間が経過するごとに、先に演算された必要な進相コンデンサ投入段数を順次減算して行く処理が行われる。
【００３７】
上記したとおり、従来知られた一般的な構成では、電動機が定常運転状態に移行した後発生するほぼ一定の有効電力および無効電力に起因する電圧降下を、電動機が停止している時の電圧に補償すべく、定常状態移行後も引き続き進相コンデンサ投入を維持して過進相状態のままとしているが、本発明では、電圧降下を補償するコンデンサ容量を算出する制御手段を備え、起動信号の終了時に、強制的に進相コンデンサ投入容量を段階的に減算することを開始するようにした。この投入コンデンサ段数を任意の時間（例えば１分）経過後に１段分（または複数段分）ずつ減算して投入中のコンデンサを徐々にオフして行くことにより、最終的にコンデンサ投入量をゼロまで減少させる。
図２に負荷電力演算期間として示すとおり、本発明において実際に制御手段９で配電線電圧および負荷電流を制御するのは、起動信号３の出力開始時点から、定常状態移行後における進相コンデンサの減算引き外しが完了するまでの間である。
【００３８】
ところで本発明の場合も、定常状態に移行した直後は、電動機が定常運転状態に移行した後発生するほぼ一定の電圧降下を補償すべく、引き続き進相コンデンサ投入を維持して過進相状態としているが（図２参照）、このときにおける進相コンデンサ投入段数は起動時に必要とされる進相コンデンサ投入段数に比べて格段に少ない。
【００３９】
従って、起動信号終了後、一定時間ごとに投入段数を１段分ずつ減算しても短期間に進相コンデンサ投入量をゼロまで減少させることができる。つまり特定の電動機の起動終了後に別の電動機を起動する際の待ち時間はさして長いものとはならない。
【００４０】
なお、本実施形態では、進相コンデンサ投入量は１段分ずつ減少するので、配電線に発生する電圧変動は大きな値とはならず、他の需要家への影響は少ない。また定常運転時に発生する電圧降下は電圧変動補償装置における進相コンデンサ投入量が減少することにより徐々に増加するが、電力会社配電線には定常的な負荷容量に起因する電圧変動を補償し、定電圧で供給するための自動電圧調整装置が設置されるのが通例であり、設置された自動電圧調整装置が応答可能な間隔で電圧変動補償装置の進相コンデンサ投入量を減少させるのであれば、この場合の電圧変動は自動的に調整されることが期待できる。
【００４１】
上記した例に係る電動機であれば（従来技術の欄参照）、電動機一台分に必要な電圧変動補償装置容量１，６５０ｋｖａｒのうち、定常運転時における必要コンデンサ投入量は５００ｋｖａｒであり、４群１５段制御（容量に１・２・４・８の重み付けを行うとすると、それぞれ１１０／２２０／４４０／８８０［ｋｖａｒ］の容量群となる）とした場合、これに最も近い進相コンデンサ容量５５０ｋｖａｒは５段分に相当するので、５段の減算で進相コンデンサ投入量はゼロとなり、減算を１分ごととしても起動終了後５分間で、減算引き外しが完了する。
上述の条件で計算した場合、定常運転時５００ｋｖａｒ、起動時１，６５０ｋｖａｒとなり、従来の制御を行なった場合、３台のポンプでは２，６５０ｋｖａｒの設備が必要となる。これを本発明の制御方式とした場合、ポンプ１台の起動時に発生する電圧変動補償容量のみの１，６５０ｋｖａｒでよい。進相コンデンサ容量が２，６５０ｋｖａｒの場合、４群１５段制御に構成したときの最大の容量は、従来例では１，４４０ｋｖａｒとなるが、本発明では８８０ｋｖａｒで従来例と比べ約６０％の容量となり、一般産業向け仕様品が適用可能となった。
【００４２】
このように、本実施形態によれば、電動機の制御装置から出力される起動信号を利用することによって、１台の電動機の起動終了後、定常状態で投入中の進相コンデンサを順次オフして最終的に投入コンデンサ数をゼロにすることができ、それにより、定常状態となった電動機の起動に供された一台分の補償容量をもつ進相コンデンサ回路を、他の電動機の起動時には、あたかもその電動機専用の補償装置のごとく動作可能な状態にすることを可能とする電圧変動補償装置を提供できる。
従って、本発明によれば、複数台の電動機に対して一台分の補償容量で対応可能な電圧変動補償装置を提供することが可能なことがわかる。
【実施例】
【００４３】
以下では、上述した制御系を有する本発明の電圧変動補償装置を適用して実際に３台のポンプ用電動機を有する揚水機場設備を構成した一例につき説明する。図３に、本発明の電圧変動補償装置を適用してなる揚水機場設備の一実施例を示す。本実施例においても、図２に示す制御シーケンスが同様に適用される。また図３に示した構成では、制御手段９として先に図１で説明したものを用い得る。
なお本実施例でも、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３の各ポンプＭ１〜Ｍ３用電動機はそれぞれ３相誘導電動機を用い、その起動は、図２に示す如く公知のコンドルファ法によって行われるものとする。
【００４４】
図３においては、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３の各ポンプＭ１〜Ｍ３用電動機電流検出用の変流器２を各々設け、かつ配電線の電圧検出用の計器用変圧器１を共用とし、各ポンプ制御装置ＭＣ１〜ＭＣ３より各々出力されるポンプ起動信号３を電圧変動補償装置１０の制御手段９に供給する構成となっている。なお、図中に示す変圧器Ｔは、構外の高圧受電点から揚水機場構内へ配電線を引き込む際に一般的に設けられるものである。また図中に示す進相コンデンサ回路８は、それぞれ直列に接続された半導体スイッチ１１、直列リアクトル１２および進相コンデンサ１３を含み、上記各ポンプＭ１〜Ｍ３用電動機と並列に接続された複数の分路（８ａ〜８ｄ）からなっている。本実施例でも、進相コンデンサ回路８は４群からなるものとしている。図中の参照符号１４は、公知の遮断器である。
【００４５】
上記構成からなる本実施例の電圧変動補償装置の動作については、上記実施形態において説明したものと基本的に同じである。複数のポンプを同時始動しないという条件の下では、各ポンプＭ１〜Ｍ３の制御装置ＭＣ１〜ＭＣ３の何れかから起動信号が出力されると、制御手段９内では、まず、この信号を起動信号受信および減算回路６が受け取った後、起動信号３を補償値検出回路４に入力する。なお、本実施例でも、この起動信号３は、ポンプ起動時における過渡状態が終了し、定常状態に移行するまでポンプ制御装置より出力される（図２参照）。
補償値検出回路４は、起動信号３を受けて、計器用変圧器１の出力および変流器２の出力から、配電線に発生し得る電圧変動値に対応した必要な補償値を算出する。求められた補償値は、コンデンサ投入段数演算回路５に送信される。コンデンサ投入段数演算回路５では、得られた補償値に基づき、必要な進相コンデンサ投入段数を演算する。
ここで、上記補償値および必要な進相コンデンサ投入段数を求めるに当たって必要な、電動機が運転状態にある時発生する電圧降下値ΔＶ、進相コンデンサにおける電圧上昇値ΔＶＵＰ、および進相コンデンサ容量Ｑ等の算出法については、従来技術の欄で示した上式（１）、（２）等を適宜用い得る。
【００４６】
本実施例では、上記補償値および必要な進相コンデンサ投入段数は、以下に説明する具体的な要領で算出される。
【００４７】
まず、ポンプ用電動機を起動する場合には、上式（１）より求まる電圧降下ΔＶが発生する。このとき、電動機の有効電力Ｗ、無効電力Ｑ’をポンプ電流と回路電圧から演算することにより、電圧降下ΔＶが算出される。
本実施例では、上式（１）に示す有効電力と無効電力による電圧降下の合計分を、進相コンデンサより供給される進相無効電流によって補償する方式を採っている。すなわち本実施例では、起動時における電圧降下を進相コンデンサの投入によって補償することから、上式（１）の電圧降下値ΔＶが直ちに、進相コンデンサにおける電圧上昇値ΔＶＵＰに相当する関係となる。
従って、補償値検出回路４では、電圧降下値ΔＶまたは進相コンデンサにおける電圧上昇値ΔＶＵＰを補償値として算出している。
なお、（１）式の電圧降下は、Ｐ×ｃｏｓθ×％Ｒの（有効電力の）項とＰ×ｓｉｎθ×％Ｘの（無効電力の）項の和である。入力された電圧と電流から有効電力、無効電力を算出する方式は既に別装置あるいは従来知られた電圧変動補償装置で使用されており、本発明の電圧変動補償装置でも同じ方式で電力を演算後、インピーダンスを乗算して電圧降下を求めることができる。
【００４８】
ここで、進相コンデンサにおける電圧上昇値ΔＶＵＰが上式（２）より求まることを利用すれば、起動時に必要な進相コンデンサ容量および進相コンデンサ投入段数を算出することが可能である。従って、コンデンサ投入段数演算回路５では、上記補償値および上式（２）により、起動時に必要な進相コンデンサ容量および進相コンデンサ投入段数を算出している。
【００４９】
起動時においては、必要な進相コンデンサ投入段数が求まれば、それに基づいて必要な段数の進相コンデンサを投入すべく、投入指令回路７から直接、各半導体スイッチ１１に対してスイッチ開閉信号が送信される。
【００５０】
ここで、進相コンデンサの投入は、進相電流による電圧上昇を与えることに相当する。
このように、本実施例によれば、進相コンデンサに流れる進相電流により上式（１）に示す電圧降下ΔＶを補償することが可能となる。
【００５１】
ポンプ起動時における過渡状態が終了し、ポンプ制御装置より出力される起動信号３が終了すると、次に、起動信号受信および減算回路６において、起動信号終了時から任意の時間が経過するごとに、先に演算された必要な進相コンデンサ投入段数を順次減算して行く処理が行われる。投入指令回路７では、この起動信号受信および減算回路６からの出力に応じた半導体スイッチ１１開閉信号が作成され、定常状態においても未だ投入されていた進相コンデンサは、この投入指令回路７からの指令に基づいて順次オフとされる（減算引き外し）。投入コンデンサ数は、図２に示すとおり最終的にゼロとなる。
【００５２】
なお、ポンプ用電動機一台ごとに専用の進相コンデンサ回路を設けた従来例に係る図４を参照すると、図４においても、各ポンプＭ１〜Ｍ３用電動機電流検出用の変流器２を各々設け、かつ配電線の電圧検出用の計器用変圧器１を共用とする点は本実施例と同ようである。しかしながら、従来例に係る電圧変動補償装置５０の制御系ではポンプ起動信号を利用しておらず、ポンプ用電動機一台ごとに設けられた各々の制御系は、ポンプが稼動している限り、進相コンデンサを投入し続ける点が本実施例の場合と相違する。
【００５３】
図２に示す、本実施例における進相コンデンサのオン／オフに関するタイムチャートによれば、本実施例では、起動終了より一定時間（１分）経過するごとに、１段ずつ進相コンデンサ投入量を減少させている。
【００５４】
他方、図５に示す従来例の場合は、起動時における進相コンデンサ投入は本実施例と同様であるが、起動終了後も定常運転状態で発生する電圧降下を補償すべく、引き続き進相コンデンサ投入が維持される。
【００５５】
本実施例によれば、１台のポンプ（例えばＮｏ．１のポンプ）の起動終了後、コンデンサの減算引き外し完了後は（図２参照）、図３に示す進相コンデンサ回路８を他の（例えばＮｏ．２以降の）ポンプの起動に使用することができる。第２番目以降に起動させるポンプの起動シーケンスも、第１番目に起動させたポンプの場合と何ら変わるところがない。
このように、複数のポンプを同時始動しないという条件の下では、進相コンデンサ回路８を１台分の容量で構成することができ、本実施例に係る電圧変動補償装置は、コスト面、スペース面で非常に有利なものとなる。
【００５６】
［変形例］
以上、本発明につき一実施形態等を用いて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態等に記載の構成に限定されず、種々の設計変更が可能である。
【００５７】
例えば、上記実施例では、進相コンデンサ回路８を１台分の容量で構成したが、コンデンサ容量に適宜余裕を持たせてもよい。これにより、１台の電動機が定常運転状態に移行後、第２の電動機が投入中の進相コンデンサを順次オフする段階にあっても、第３の電動機を、第２の電動機に投入中のコンデンサ容量がゼロになる前に起動させることが可能となる。
【００５８】
本発明が適用される用途についても、揚水機場に何ら限定されない。本発明は、例えば電動機等の誘導性負荷が複数並列接続される設備に容易に適用し得るものである。
ポンプ用電動機の形式についても、３相誘導電動機に何ら限定されないほか、その起動法についても、上記例で挙げたコンドルファ法のほか、既知の始動方式を適宜、単独または複数組み合わせて用いることが可能である。
【００５９】
定常状態に移行後、順に減算引き外しを行ってゆくコンデンサの段数に関しても、上記各例では１段ずつとしたが、系統側に設けられた自動電圧調整装置の能力等に応じて、複数段を減算引き外しして行くような構成としても構わない。
減算引き外しを実施する時間間隔についても、上記各例では例えば１分ごととしたが、厳密に一定時間ごととする必要は無く、任意の時間が経過するごとに操作が行われる形であればそれで構わない。
補償値または必要な進相コンデンサ投入段数の具体的な算出要領についても、上記各例に記載のものに一切限定されず、既知の手法を適宜採用し得る。
【００６０】
このように、本発明は上記実施形態等に記載の構成に限定されるものではなく、当業者であれば、以上に開示された基本的技術思想および教示に基づき、種々の変形例を想到できることは自明である。
【００６１】
以上に説明したとおり、本願発明は、少なくとも１基の電動機負荷と電気的に接続され、該電動機の起動時に配電線に発生する電圧変動を補償する電圧変動補償装置に関し、複数の電動機に対し一台分の補償容量で対応可能な電圧変動補償システムを提供し、それにより低コストかつ省スペースで電圧変動対策を実現する、新規かつ有用なるものであることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一実施形態を説明する制御ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態の制御シーケンスを表わしたタイムチャートを示す図である。
【図３】本発明装置を３台のポンプ用電動機が設備された揚水機場に設置した状態を説明する図である。
【図４】ポンプ用電動機一台ごとに電圧変動補償装置を設置する従来装置の様子を示す図である。
【図５】従来の実施例におけるタイムチャートである。
【符号の説明】
【００６３】
Ｍ、Ｍ１〜Ｍ３  ポンプ
ＭＣ、ＭＣ１〜ＭＣ３  ポンプ制御装置
Ｔ  変圧器
１  計器用変圧器
２  変流器
３  起動信号
４  補償値検出回路
５  コンデンサ投入段数演算回路
６  起動信号受信および減算回路
７  投入指令回路
８  進相コンデンサ回路
８ａ〜８ｄ  分路
９  制御手段
１０  電圧変動補償装置
１１  半導体スイッチ
１２  リアクトル
１３  進相コンデンサ
１４  遮断器
５０  電圧変動補償装置
【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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