不平衡補償装置と方法、電力供給回路
【課題】 負荷電流の増減に応じて不平衡を補償可能であり、しかも、過負荷にも強く、高調波を発生しない、価格や設置スペースの観点からも有利な不平衡補償装置とその方法、電力供給回路を提供する。
【解決手段】 電源１より電源インピーダンス２を介して単相負荷３に電力を供給する。単相負荷３による不平衡を補償するために、単相負荷３と並列に不平衡補償装置４が接続される。不平衡補償装置４は、デルタスター結線した変圧器５、励磁電流補償用コンデンサ６、２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２、ＬＣ回路８、から構成される。回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２は、固定子７１１，７２１と回転子７１２，７２２、駆動装置と制御装置を有する。回転子の回転位相を調整することにより、補償電流を調整する。
【解決手段】 電源１より電源インピーダンス２を介して単相負荷３に電力を供給する。単相負荷３による不平衡を補償するために、単相負荷３と並列に不平衡補償装置４が接続される。不平衡補償装置４は、デルタスター結線した変圧器５、励磁電流補償用コンデンサ６、２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２、ＬＣ回路８、から構成される。回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２は、固定子７１１，７２１と回転子７１２，７２２、駆動装置と制御装置を有する。回転子の回転位相を調整することにより、補償電流を調整する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源から電源インピーダンスを介して負荷に電力を供給する電力供給回路の負荷による不平衡電流を補償するための技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力系統は、３相回路とすることで、設備を効率よく利用できるようになっているが、３相の負荷電流の不平衡が大きくなると、設備の利用率が低下したり、近接する発電機に逆相電流が流れ込むなどの不具合を生じる。そこで、例えば、交流電気鉄道においては、３相電力系統から大容量かつ不平衡が顕著である単相電力を受電する際の電力系統側の不平衡を低減するために、スコット結線変圧器が用いられている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、スコット結線変圧器は、Ｍ座、Ｔ座両変圧器の２次側にそれぞれ負荷容量と力率とが同一である単相負荷を接続した場合にのみ３相側の電流が平衡するため、Ｍ座、Ｔ座両変圧器の負荷がアンバランスな場合には、３相側に不平衡分が残ってしまう。また、本質的に３相−２相変換用の変圧器であるため、そのＭ座変圧器およびＴ座変圧器の２次電圧は互いに９０°の位相差を有しており、これらＭ座、Ｔ座変圧器の２次巻線を直列接続しても単相３線方式として利用することができない。このように、スコット結線変圧器は、３相不平衡の充分な低減には負荷条件の制約が生じ、また、３相回路と単相回路とを連結する電気回路としては使いづらい面がある。
【０００４】
一方、３相回路と単相回路とを連結する回路として、スタインメッツ回路と称される構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。このスタインメッツ回路は、相順がＵＶＷである３相電源のＵ相−Ｖ相間にコンデンサを接続し、Ｖ相−Ｗ相間にリアクトルを接続し、Ｗ相−Ｕ相間に抵抗負荷を接続した回路構成を有している。そして、上記コンデンサおよびリアクトルのインピーダンスを抵抗のインピーダンスに応じた適切な値に設定することにより、３相回路に流れる相電流を平衡電流とすることができる。
【０００５】
しかし、負荷（抵抗のインピーダンス）が変動する場合には、それに応じてコンデンサやリアクトルのインピーダンスを調整する必要があるため、これらを可変にするためにサイリスタ制御を用いる方式や、ＧＴＯなどの自己消弧素子で構成される自励式インバータを用いるなどの方法が提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００６】
一方、従来、電力系統において電力調整を行うための装置として、固定子および回転子を有し、かつ、回転子の角度を調整するための駆動装置およびその制御装置を有する回転型位相調整機が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１０４９３０公報
【特許文献２】特開２００２−３３５６３１公報
【非特許文献１】「電気鉄道工学」、持永芳文著、エース出版
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、以上のような従来の不平衡補償方法の場合、サイリスタや自励式インバータなどに使われる自己消弧素子は、高速性などの制御性能は高い反面、過負荷の耐量は弱い。したがって、負荷変動（増減）が顕著な場合や、突入電流を有する負荷の場合には、負荷の最大電流に応じて不平衡補償装置の定格容量を決定する必要がある。その結果、装置容量が無駄に大きくなる傾向にあり、このことは、電力を安価に供給するための阻害要因となっている。また、自己消弧素子は、スイッチングにより制御を行っているために、高調波が発生する。したがって、高調波を低減するために別途、高調波抑制用の高調波フィルタを設ける必要があるなど、価格や設置スペースの観点からも改善が望まれる点があった。
【０００９】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、負荷電流の増減に応じて不平衡を補償可能であり、しかも、過負荷にも強く、高調波を発生しない、価格や設置スペースの観点からも有利な不平衡補償装置とその方法、電力供給回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記のような目的を達成するために、デルタスター結線した変圧器、励磁電流補償用コンデンサ、２個の回転型位相調整機、ＬＣ回路を使用して、回転型位相調整機の回転位相を調整することにより、補償電流を調整して、負荷による不平衡電流を補償できるようにしたものである。また、回転型位相調整機は、短時間の過負荷には耐えうるものであり、また、スイッチングによる調整ではないため、高調波を発生することもなく、価格や設置スペースの観点からも有利である。
【００１１】
すなわち、本発明の不平衡補償装置は、電源から電源インピーダンスを介して負荷に電力を供給する電力供給回路に接続され、負荷による不平衡電流を補償する不平衡補償装置において、デルタスター結線した変圧器、励磁電流補償用コンデンサ、２個の回転型位相調整機、ＬＣ回路を備えたことを特徴としている。ここで、２個の回転型位相調整機は、それぞれ、固定子および回転子を有し、かつ、回転子の角度を調整するための駆動装置およびその制御装置を有する。また、ＬＣ回路は、回転型位相調整機に接続されたコンデンサおよびリアクトルから構成される。この不平衡補償装置は、２個の回転型位相調整機の回転位相を調整することにより、補償電流を調整するように構成されている。
【００１２】
また、本発明の不平衡補償方法と電力供給回路は、上記の不平衡補償装置の特徴を、方法の観点、および不平衡補償装置を備えた回路の観点、からそれぞれ把握したものである。
【００１３】
このような特徴を有する本発明によれば、負荷による不平衡電流が顕著で、かつ大きさが変動しても、回転型位相調整機の回転位相の調整により、不平衡を補償する電流を発生させることができる。また、回転型位相調整機は、巻線型の誘導電動機と類似の構造であり、短時間の過負荷には耐えうる性質を有しているため、負荷変動（増減）が顕著な場合や、突入電流を有する負荷の場合には、過負荷の耐量を考慮した不平衡補償装置の設計を行うことにより、回転型位相調整機の容量を無駄に大きくする必要なく、安価に提供できる。また、調整のためにスイッチングを行うものでないため、高調波を発生せず、高調波抑制用のフィルタも不要である。この点も価格や設置スペースの点で有利となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、デルタスター結線した変圧器、励磁電流補償用コンデンサ、２個の回転型位相調整機、ＬＣ回路を使用して、回転型位相調整機の回転位相を調整することにより、補償電流を調整して、負荷電流の増減に応じて不平衡を補償可能であり、しかも、過負荷にも強く、高調波を発生しない、価格や設置スペースの観点からも有利な不平衡補償装置とその方法、電力供給回路を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下には、本発明を適用した複数の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００１６】
［第１の実施形態］
［構成］
図１は、本発明を適用した第１の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図である。この図１の電力供給回路においては、電源１より電源インピーダンス２を介して単相負荷３に電力を供給しているものとする。この単相負荷３による不平衡を補償するために、単相負荷３と並列に不平衡補償装置４が接続されている。
【００１７】
不平衡補償装置４は、デルタスター結線した変圧器５、励磁電流補償用コンデンサ６、２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２、ＬＣ回路８、から構成されている。ここで、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２は、固定子７１１，７２１および回転子７１２，７２２をそれぞれ有し、かつ、図示していないが、回転子７１２，７２２と同軸上に機械的に接続された駆動装置およびその制御装置を有しており、回転子７１２，７２２の位相角を調整できるようになっている。その結果、回転子７１２，７２２の回転位相に応じて、回転子７１２，７２２側の巻線に発生させる電圧の位相を調整できる。
【００１８】
なお、このような構成の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２は、既存の構成である（例えば、特許文献２参照）。また、ＬＣ回路８は、２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の回転子７１２，７２２間に接続されており、コンデンサ８１とリアクトル８２から構成されている。
【００１９】
［作用］
以下には、図２〜図５を参照して、本実施形態の不平衡補償装置４による不平衡補償の作用について説明する。
【００２０】
［不平衡補償の基本原理］
図２は、単相負荷を３相平衡化する不平衡補償の原理を説明するための原理図である。この図２に示す不平衡補償の原理は、従来方法と同様であるが、本発明による不平衡補償装置４の作用を説明するため、便宜上説明する。
【００２１】
まず、図２に示す不平衡補償の原理図において、単相負荷３で消費する負荷電流ＩRは力率１とする。負荷電流ＩRに対して不平衡補償装置４で発生する補償電流ＩCと補償電流ＩLの大きさが１／√３となるようにコンデンサ（Ｃ）４１とリアクトル（Ｌ）４２のインピーダンスを決める。図３は、この場合の各部の電圧、電流を示すベクトル図である。
【００２２】
図３に破線で示すように、負荷電流ＩRは、抵抗負荷でＷ相とＵ相の線間に接続されているので線間電圧ＶW−ＶUに同位相となり、補償電流ＩLは、誘導性負荷でＶ相とＷ相の線間に接続されているのでＶV−ＶWに９０度遅れとなり、補償電流ＩCは、容量性負荷でＵ相とＶ相の線間に接続されているのでＶU−ＶVに９０度進みとなる。
【００２３】
この場合、それぞれの電流は、次の式（１）で表される。なお、この式（１）においては、負荷電流ＩRを大きさ１として相対表示している。
【数１】
【００２４】
次に、電源インピーダンス２に流れる電源側の３相の電流ＩU〜ＩWは次の式（２）で表される。
【数２】
【００２５】
すなわち、電源インピーダンス２に流れる電源側の３相の電流ＩU〜ＩWは、いずれも、単相負荷電流ＩRに対して、大きさが１／√３で力率１の正相電流となる。図３においては、これらの電流ＩU〜ＩWを、太い実線で示している。
【００２６】
［回転型位相調整機による補償電流の調整］
本実施形態の不平衡補償装置４においては、２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の回転位相を調整することにより、補償電流ＩCと補償電流ＩLを調整することができる。以下には、このような補償電流の調整について説明する。
【００２７】
まず、図１において、励磁電流補償用コンデンサ６は、２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２における合計の励磁電流をキャンセルするものである。この励磁電流補償用コンデンサ６により、２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２は、励磁電流を補償されているものとし、この部分の説明は省略する。
【００２８】
次に、第１の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１の回転位相（１次側に対する２次側の位相）をθ１、第２の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７２の回転位相をθ２とする。両者の１次電圧ＶU，ＶV，ＶWに対して両者の位相θ１，θ２を図４のように設定すると、２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の２次側の電圧差は、図４の（Ａ），（Ｂ）に示すように、１次電圧と同相であり、電圧差の大きさは、回転位相θ１，θ２に応じて大小に調整することができる。
【００２９】
ここで、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の２次側には、図１に示すように、Ｕ相にはコンデンサ８１が、Ｖ相にはリアクトル８２がそれぞれ接続されており、図４に示す２次側の電圧差がこれらの端子間に印加される。その結果、Ｕ相には電圧差より９０°進んだ電流が、Ｖ相には電圧差より９０°遅れた電流がそれぞれ流れる。また、Ｗ相は開放されており、電流が流れない。
【００３０】
２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の１次側電流は合成されて、変圧器５を介して電源側に接続される。この場合、変圧器５はデルタスター結線されているため、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２が接続されるスター結線側のＵ相電流は電源側のＵＶ相間に、スター結線側のＶ相電流は電源側のＶＷ相間に、それぞれ注入されることになる。これは、図２、図３について説明した不平衡補償の原理に対応する。
【００３１】
すなわち、２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の回転位相θ１，θ２の調整により、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の２次側の電圧差を調整できることになり、その結果として、補償電流ＩC，ＩLの大きさを、前記（１）式の関係を満たすよう調整できることになる。図５は、このような回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の回転位相θ１，θ２と２次側の電圧差の関係を示すグラフである。
【００３２】
［効果］
以上のような本実施形態の不平衡補償装置４によれば、次のような効果が得られる。
【００３３】
まず、単相負荷３による不平衡が顕著で、かつ大きさが変動しても、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の回転位相θ１，θ２の調整により、不平衡を補償する補償電流ＩC，ＩLを発生させることができる。
【００３４】
また、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２は、巻線型の誘導電動機と類似の構造であり、短時間の過負荷には耐えうる性質を有している。したがって、負荷変動（増減）が顕著な場合や、突入電流を有する負荷の場合には、過負荷の耐量を考慮した不平衡補償装置の設計を行うことにより、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の容量を無駄に大きくする必要なく、安価に提供できる。また、調整のためにスイッチングを行うものでないため、高調波を発生せず、高調波抑制用のフィルタも不要である。この点も価格や設置スペースの点で有利となる。
【００３５】
なお、交流電気鉄道などでは、単相負荷３が単純な抵抗負荷でなく、回生となる場合がある。このような場合には、負荷電流の位相が１８０度反転することから、ＬＣ回路８のコンデンサ８１とリアクトル８２を入れ替えることによって、補償電流も１８０度反転するので、不平衡を補償するという意味では、単相負荷３が単純な抵抗負荷である場合と同一の作用、効果を得ることができる。
【００３６】
［補償電流基準の算出方法］
図６は、第１の実施形態の補足説明として、図１に示す不平衡補償装置４の補償電流基準を算出するための逆相電流検出回路を示すブロック図である。この図６に示すように、母線電圧より位相検出回路４０１によって電圧の位相δを検出し、母線電圧に同期したｃｏｓ（ωｔ＋δ），ｓｉｎ（ωｔ＋δ）の信号を出力する。一方、３相分の負荷電流と位相検出回路４０１からの信号により、逆相分算出回路４０２によって逆相電流を算出して、この逆相電流を不平衡補償装置４の補償電流基準とする。
【００３７】
このような方法で補償電流基準を算出することにより、負荷電流中の逆相電流成分を補償することができる。すなわち、図１に示す不平衡補償装置４は、逆相電流を補償しているのと等価である。これは、図２において、不平衡補償装置４側から発生する電流のベクトル図を作成すると逆相電流となっていることからも確認できる。したがって、一般的な不平衡を含む負荷に対して、負荷電流より図６に示すような逆相電流検出回路によって逆相成分を検出し、これを不平衡補償装置の補償電流基準とすることで、負荷電流中の逆相電流成分を補償することができる。
【００３８】
［第２の実施形態］
図７は、本発明を適用した第２の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図である。この図７に示す第２の実施形態において、図１に示す第１の実施形態と異なる点は、不平衡補償装置４と単相負荷３の接続点が、変圧器５Ａの電源側ではなく、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２と同一母線のＷ相に接続されている点である。すなわち、単相負荷３は、変圧器５ＡのＷ相と中性点の間に接続されている。なお、他の部分の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００３９】
このような構成を有する本実施形態において、単相負荷３が変圧器５ＡのＷ相と中性点の間に接続されていること、および変圧器５Ａがデルタスター結線されていることに着目すると、単相負荷３は、変圧器５Ａの電源側ではＵＷ相間に接続されているのと等価であるから、不平衡補償装置４の作用は第１の実施形態と同一である。
【００４０】
したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００４１】
［第３の実施形態］
図８は、本発明を適用した第３の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図である。この図８に示す第３の実施形態において、図１に示す第１の実施形態と異なる点は、不平衡補償装置４と単相負荷３の接続点が、変圧器５Ａの電源側ではなく、ＵＶ相とＶＷ相に追加された負荷用の巻線５１，５２を介して接続されている点である。なお、他の部分の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００４２】
図９は、このような構成を有する本実施形態の不平衡補償の原理を説明するための原理図であり、また、図１０は、図９に示す各部の電圧、電流を示すベクトル図である。図９において、単相負荷３には電源側のＵＶ相の線間電圧とＶＷ相の線間電圧が直列に印加されており、合成電圧はＵＷ相と同一位相である。したがって、負荷電流は、ＵＷ相に接続した場合と同一位相となることに着目すると、不平衡補償装置４の作用は第１の実施形態と同一である。
【００４３】
したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。また、本実施形態によれば、変圧器５Ａにおいて単相負荷３へ電力供給する巻線５１，５２は独立に設けられているため、単相負荷３に適した任意の大きさの電圧を供給することができる。
【００４４】
［第４の実施形態］
図１１は、本発明を適用した第４の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図である。この図１１に示す第４の実施形態において、図１に示す第１の実施形態と異なる点は、単相負荷３Ａは、抵抗のみでなくリアクトルが並列接続されており、いわゆる力率の悪い負荷となっている点である。一方、不平衡補償装置４側のＬＣ回路８Ａには、コンデンサ８１およびリアクトル８２に加えて、Ｗ相に追加のコンデンサ８３が設けられている。なお、他の部分の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００４５】
このような構成を有する本実施形態において、単相負荷３Ａが変化する場合に、力率はほぼ一定であるものとする。すなわち、負荷電流の有効電力成分と無効電力成分の比率はほぼ一定であるものとする。
【００４６】
一方、不平衡補償装置４は、基本的には、第１の実施形態について前記（１）式で説明したように、負荷電流に対して一定の比率で補償電流ＩCとＩLを発生させるように動作する。この場合に、本実施形態においては、図１１に示すように、ＬＣ回路８Ａに負荷の力率補償用のコンデンサ８３が追加されているが、このコンデンサ８３のインピーダンスを適切に設定しておけば、コンデンサ８３による補償電流も負荷の大きさに応じて調整することができる。
【００４７】
すなわち、図１１に示すＬＣ回路８Ａにおいて、ある大きさの単相負荷３Ａに対して無効電力成分をキャンセルするようにコンデンサ８３の容量を設定すると、単相負荷３Ａが変化した場合、ＬＣ回路８Ａは、コンデンサ８１とリアクトル８２により負荷の有効電力成分の不平衡分を補償し、かつ、コンデンサ８３により負荷の無効電力成分を補償するように動作する。
【００４８】
したがって、本実施形態によれば、負荷の力率が悪い場合でも、第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００４９】
なお、ここでは、負荷が遅れ力率の場合を例に説明したが、負荷が進み力率の場合でも、力率補償用のコンデンサ８３を力率補償用のリアクトルに置き換えることによって同等の作用、効果が得られる。
【００５０】
［第５の実施形態］
図１２は、本発明を適用した第５の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図である。この図１２に示す第５の実施形態において、図１に示す第１の実施形態と異なる点は、ＬＣ回路８Ｂが、２組のコンデンサ８４，８６およびリアクトル８５，８７を有しており、これらの８４，８６およびリアクトル８５，８７が、回転型位相調整機７１，７２における回転子７１２，７２２間ではなく、固定子７１１，７２１と回転子７１２，７２２の間にそれぞれ接続されている点である。
【００５１】
すなわち、一方の回転型位相調整機７１における固定子７１１と回転子７１２の間に、１組のコンデンサ８４およびリアクトル８５が接続され、他方の回転型位相調整機７２における固定子７２１と回転子７２２の間に、もう１組のコンデンサ８６およびリアクトル８７が接続されている。なお、他の部分の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００５２】
図１３は、このような構成を有する本実施形態における補償電流調整の原理を説明するベクトル図である。以下には、この図１３のベクトル図を用いて、第１の実施形態と異なる作用を説明する。
【００５３】
回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１の回転位相をθ１、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７２の回転位相をθ２とする。それぞれの固定子−回転子（１次−２次）間の電圧差分は、図１３の（Ａ）、（Ｂ）に示すように発生する。その結果、ｕ相の１次−２次間には、コンデンサ８４，８６が接続されているので、電圧差分より９０度進んだ電流が流れ、ｖ相の１次−２次間には、リアクトル８５，８７が接続されているので、電圧差分より９０度遅れた電流が流れる。
【００５４】
この場合、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２への合成電流は図１３の（Ｃ）に示すようになり、ｕ相にはＶｕに９０度進んだ電流が流れ、ｖ相にはＶｖに９０度遅れた電流が流れ、これらの大きさは回転位相θ１，θ２で調整できる。これ以降は、変圧器５がデルタスター結線されていることより、第１の実施形態と同じ原理で不平衡を補償することができる。
【００５５】
したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００５６】
［第６の実施形態］
図１４は、本発明を適用した第６の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図である。この図１４に示す第６の実施形態において、図１に示す第１の実施形態と異なる点は、ＬＣ回路８に加えて、リアクトル９１とコンデンサ９２から構成されるＬＣ回路９が追加されている点である。なお、他の部分の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００５７】
このような構成を有する本実施形態の作用は次の通りである。
【００５８】
まず、図１４において、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の補償量が小さい場合、すなわち、図５で基準からの回転位相が小さい場合には、２次側で発生する電圧差が小さいので、ＬＣ回路８にはほとんど電流が流れない。その結果、不平衡補償装置４全体において、ｕ相にはＬＣ回路９のリアクトル９１による遅れ電流、ｖ相にはＬＣ回路９のコンデンサ９２による進み電流、が支配的になる。この調整によれば、単相負荷３が交流電気鉄道などで回生（有効電力を負荷側から電源側に逆送）しているような場合に不平衡を補償することができる。
【００５９】
一方、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の補償量が大きい場合、すなわち、図５で基準からの回転位相が大きい場合には、２次側で発生する電圧差が大きいので、ＬＣ回路８には大きな電流が流れる。ＬＣ回路８の容量をＬＣ回路９の容量より充分大きくしておけば、不平衡補償装置４全体において、ｕ相には回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２とＬＣ回路８による進み電流、ｖ相には遅れ電流、が支配的になる。この調整によれば、単相負荷３が力行しているような場合に不平衡を補償することができる。
【００６０】
また、単相負荷３が回生から力行の間を連続的に変化するような場合でも、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の回転位相θ１，θ２の調整で、不平衡補償を連続的に行うことができる。
【００６１】
したがって、本実施形態によれば、単相負荷が力行から回生の範囲で変化しても、第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００６２】
［第７の実施形態］
図１５は、本発明を適用した第７の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図である。この図１５に示す第７の実施形態は、図１４に示す第６の実施形態の変形例であり、第６の実施形態と異なる点は、図１４に示す追加のＬＣ回路９と励磁電流補償用コンデンサ６が、コンデンサ６３，９４とリアクトル９３から構成された１つの励磁電流補償用コンデンサ兼ＬＣ回路９Ａとしてまとめられている点である。ここで、リアクトル９３の容量は、リアクトル９１の容量−コンデンサ６１の容量（線間から相に換算したもの）、コンデンサ９４の容量は、コンデンサ９２の容量＋コンデンサ６２の容量（線間から相に換算したもの）である。なお、他の部分の構成は、第６の実施形態と同様である。
【００６３】
このような構成を有する本実施形態の不平衡補償装置４において、１つの励磁電流補償用コンデンサ兼ＬＣ回路９Ａにまとめられたリアクトル９３およびコンデンサ６３，９４は、図１４に示す第６の実施形態の不平衡補償装置４でも固定の値であり、合成した値は図１４示す第６の実施形態の不平衡補償装置４でも同様である。したがって、本実施形態の不平衡補償装置４の作用は、実質的に、第６の実施形態と同様である。
【００６４】
本実施形態によれば、第６の実施形態と同等の効果を得ることができる。また、本実施形態によれば、ＬＣ回路９と励磁電流補償用コンデンサ６を１つの励磁電流補償用コンデンサ兼ＬＣ回路９Ａとしてまとめた分だけ、不平衡補償装置４の構成要素の数は、第６の実施形態より少なくできるため、不平衡補償装置４の構成をより簡略化できる。したがって、価格や設置スペースの観点からより有利である。
【００６５】
［第８の実施形態］
図１６は、本発明を適用した第８の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図である。この図１６に示す第８の実施形態は、図１に示す第１の実施形態の変形例であり、第１の実施形態と異なる点は、単相負荷３に替わって、スコット結線変圧器３１、Ｍ座負荷３２、Ｔ座負荷３３が接続されている点である。
【００６６】
このような構成を有する本実施形態においては、スコット結線変圧器３１を接続していることから、負荷の配分と力行か回生かで補償方法が異なる。したがって、以下には、本実施形態の補償方法について、これらの組み合わせ毎に説明する。
【００６７】
（１）Ｍ座力行負荷のみの場合：
回路構成が等価であるため、第１、第４、第５の実施形態における補償方法をそのまま適用可能である。
【００６８】
（２）Ｍ座負荷＋Ｍ座回生がある場合：
第６、第７の実施形態の補償方法により、回生にも対応可能である。
【００６９】
（３）Ｍ座負荷とＴ座負荷がバランスしている場合：
スコット結線変圧器３１により３相平衡されるので、不平衡補償装置４は、出力ゼロとなるよう、図５における基準よりの回転位相を０度として待機すればよい。
【００７０】
（４）Ｔ座力行負荷のみの場合：
負荷を次のように考える。スコット結線変圧器の１次側電流は、Ｔ座負荷電流による分をＩTとすると、Ｍ座負荷電流ＩMがあるものと仮定した場合の３相平衡電流Ｉ１と次の関係で示される。
ＩT ＝ ＩT＋ＩM−ＩM＝Ｉ１−ＩM
ここで、Ｉ１は３相平衡電流であるから補償する必要はなく、−ＩMについて補償すればよい。すなわち、Ｍ座に回生電流が流れているものとして補償する。この対応方法については上記（２）で説明した通りである。
【００７１】
（５）Ｔ座負荷＋Ｔ座回生がある場合：
上記（４）で述べたのと同様、Ｔ座の回生電流を、３相平衡となる電流分＋Ｍ座の負荷電流で表現することができるので、Ｍ座の負荷電流分について補償すればよい。
【００７２】
（６）一般化：
以上の（１）〜（５）より、Ｍ座とＴ座に力行負荷＋回生負荷が混在する場合を一般化してまとめると、スコット結線変圧器のＴ座の電流を基準に１次電流が３相平衡するに必要なＭ座の電流成分を算出し（実際にはＴ座の電流値そのもの）、この値と実際にＭ座に流れている電流の差分を補償電流の基準とすればよい。
【００７３】
図１７は、このような補償電流基準を算出するための電流差分検出回路を示すブロック図である。以下の表１は、これらの電流、すなわち、Ｔ座電流、Ｍ座電流、および補償電流の組み合わせの一例を示している。なお、この表１中の値は、電流の大きさの比率のみを示しており、無単位の値である。
【００７４】
【表１】
【００７５】
したがって、本実施形態によれば、スコット結線変圧器を用いた負荷に対し、負荷が力行から回生の範囲で変化しても、第６の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００７６】
［他の実施形態］
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な変形例が実施可能である。例えば、本発明は、不平衡電流を生じる各種の負荷に対して電力を供給する各種の構成の電力供給回路に同様に適用可能であり、同様に優れた効果が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図。
【図２】図１に示す不平衡補償装置において、単相負荷を３相平衡化する不平衡補償の原理を説明するための原理図。
【図３】図２に示す各部の電圧、電流を示すベクトル図。
【図４】図１に示す不平衡補償装置における補償電流調整の原理を説明するためのベクトル図。
【図５】図１に示す回転型位相調整機の回転位相と２次側の電圧差の関係を示すグラフ。
【図６】図１に示す不平衡補償装置の補償電流基準を算出するための逆相電流検出回路を示すブロック図。
【図７】本発明を適用した第２の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図。
【図８】本発明を適用した第３の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図。
【図９】図８に示す不平衡補償装置における不平衡補償の原理を説明するための原理図。
【図１０】図９に示す各部の電圧、電流を示すベクトル図。
【図１１】本発明を適用した第４の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図。
【図１２】本発明を適用した第５の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図。
【図１３】図１２に示す不平衡補償装置における補償電流調整の原理を説明するためのベクトル図。
【図１４】本発明を適用した第６の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図。
【図１５】本発明を適用した第７の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図。
【図１６】本発明を適用した第８の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図。
【図１７】図１６に示す不平衡補償装置の補償電流基準を算出するための電流差分検出回路を示すブロック図。
【符号の説明】
【００７８】
１…電源
２…電源インピーダンス
３，３Ａ…単相負荷
３１…スコット結線変圧器
３２…Ｍ座負荷
３３…Ｔ座負荷
４…不平衡補償装置
５，５Ａ…変圧器
６…励磁電流補償用コンデンサ
６１〜６３…コンデンサ
７１，７２…回転型位相調整機（ＲＰＳ）
８，８Ａ，８Ｂ，９，９Ａ…ＬＣ回路
８１，８３，８４，８６，９２，９４…コンデンサ
８２，８５，８７，９１，９３…リアクトル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源から電源インピーダンスを介して負荷に電力を供給する電力供給回路の負荷による不平衡電流を補償するための技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力系統は、３相回路とすることで、設備を効率よく利用できるようになっているが、３相の負荷電流の不平衡が大きくなると、設備の利用率が低下したり、近接する発電機に逆相電流が流れ込むなどの不具合を生じる。そこで、例えば、交流電気鉄道においては、３相電力系統から大容量かつ不平衡が顕著である単相電力を受電する際の電力系統側の不平衡を低減するために、スコット結線変圧器が用いられている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、スコット結線変圧器は、Ｍ座、Ｔ座両変圧器の２次側にそれぞれ負荷容量と力率とが同一である単相負荷を接続した場合にのみ３相側の電流が平衡するため、Ｍ座、Ｔ座両変圧器の負荷がアンバランスな場合には、３相側に不平衡分が残ってしまう。また、本質的に３相−２相変換用の変圧器であるため、そのＭ座変圧器およびＴ座変圧器の２次電圧は互いに９０°の位相差を有しており、これらＭ座、Ｔ座変圧器の２次巻線を直列接続しても単相３線方式として利用することができない。このように、スコット結線変圧器は、３相不平衡の充分な低減には負荷条件の制約が生じ、また、３相回路と単相回路とを連結する電気回路としては使いづらい面がある。
【０００４】
一方、３相回路と単相回路とを連結する回路として、スタインメッツ回路と称される構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。このスタインメッツ回路は、相順がＵＶＷである３相電源のＵ相−Ｖ相間にコンデンサを接続し、Ｖ相−Ｗ相間にリアクトルを接続し、Ｗ相−Ｕ相間に抵抗負荷を接続した回路構成を有している。そして、上記コンデンサおよびリアクトルのインピーダンスを抵抗のインピーダンスに応じた適切な値に設定することにより、３相回路に流れる相電流を平衡電流とすることができる。
【０００５】
しかし、負荷（抵抗のインピーダンス）が変動する場合には、それに応じてコンデンサやリアクトルのインピーダンスを調整する必要があるため、これらを可変にするためにサイリスタ制御を用いる方式や、ＧＴＯなどの自己消弧素子で構成される自励式インバータを用いるなどの方法が提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００６】
一方、従来、電力系統において電力調整を行うための装置として、固定子および回転子を有し、かつ、回転子の角度を調整するための駆動装置およびその制御装置を有する回転型位相調整機が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１０４９３０公報
【特許文献２】特開２００２−３３５６３１公報
【非特許文献１】「電気鉄道工学」、持永芳文著、エース出版
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、以上のような従来の不平衡補償方法の場合、サイリスタや自励式インバータなどに使われる自己消弧素子は、高速性などの制御性能は高い反面、過負荷の耐量は弱い。したがって、負荷変動（増減）が顕著な場合や、突入電流を有する負荷の場合には、負荷の最大電流に応じて不平衡補償装置の定格容量を決定する必要がある。その結果、装置容量が無駄に大きくなる傾向にあり、このことは、電力を安価に供給するための阻害要因となっている。また、自己消弧素子は、スイッチングにより制御を行っているために、高調波が発生する。したがって、高調波を低減するために別途、高調波抑制用の高調波フィルタを設ける必要があるなど、価格や設置スペースの観点からも改善が望まれる点があった。
【０００９】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、負荷電流の増減に応じて不平衡を補償可能であり、しかも、過負荷にも強く、高調波を発生しない、価格や設置スペースの観点からも有利な不平衡補償装置とその方法、電力供給回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記のような目的を達成するために、デルタスター結線した変圧器、励磁電流補償用コンデンサ、２個の回転型位相調整機、ＬＣ回路を使用して、回転型位相調整機の回転位相を調整することにより、補償電流を調整して、負荷による不平衡電流を補償できるようにしたものである。また、回転型位相調整機は、短時間の過負荷には耐えうるものであり、また、スイッチングによる調整ではないため、高調波を発生することもなく、価格や設置スペースの観点からも有利である。
【００１１】
すなわち、本発明の不平衡補償装置は、電源から電源インピーダンスを介して負荷に電力を供給する電力供給回路に接続され、負荷による不平衡電流を補償する不平衡補償装置において、デルタスター結線した変圧器、励磁電流補償用コンデンサ、２個の回転型位相調整機、ＬＣ回路を備えたことを特徴としている。ここで、２個の回転型位相調整機は、それぞれ、固定子および回転子を有し、かつ、回転子の角度を調整するための駆動装置およびその制御装置を有する。また、ＬＣ回路は、回転型位相調整機に接続されたコンデンサおよびリアクトルから構成される。この不平衡補償装置は、２個の回転型位相調整機の回転位相を調整することにより、補償電流を調整するように構成されている。
【００１２】
また、本発明の不平衡補償方法と電力供給回路は、上記の不平衡補償装置の特徴を、方法の観点、および不平衡補償装置を備えた回路の観点、からそれぞれ把握したものである。
【００１３】
このような特徴を有する本発明によれば、負荷による不平衡電流が顕著で、かつ大きさが変動しても、回転型位相調整機の回転位相の調整により、不平衡を補償する電流を発生させることができる。また、回転型位相調整機は、巻線型の誘導電動機と類似の構造であり、短時間の過負荷には耐えうる性質を有しているため、負荷変動（増減）が顕著な場合や、突入電流を有する負荷の場合には、過負荷の耐量を考慮した不平衡補償装置の設計を行うことにより、回転型位相調整機の容量を無駄に大きくする必要なく、安価に提供できる。また、調整のためにスイッチングを行うものでないため、高調波を発生せず、高調波抑制用のフィルタも不要である。この点も価格や設置スペースの点で有利となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、デルタスター結線した変圧器、励磁電流補償用コンデンサ、２個の回転型位相調整機、ＬＣ回路を使用して、回転型位相調整機の回転位相を調整することにより、補償電流を調整して、負荷電流の増減に応じて不平衡を補償可能であり、しかも、過負荷にも強く、高調波を発生しない、価格や設置スペースの観点からも有利な不平衡補償装置とその方法、電力供給回路を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下には、本発明を適用した複数の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００１６】
［第１の実施形態］
［構成］
図１は、本発明を適用した第１の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図である。この図１の電力供給回路においては、電源１より電源インピーダンス２を介して単相負荷３に電力を供給しているものとする。この単相負荷３による不平衡を補償するために、単相負荷３と並列に不平衡補償装置４が接続されている。
【００１７】
不平衡補償装置４は、デルタスター結線した変圧器５、励磁電流補償用コンデンサ６、２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２、ＬＣ回路８、から構成されている。ここで、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２は、固定子７１１，７２１および回転子７１２，７２２をそれぞれ有し、かつ、図示していないが、回転子７１２，７２２と同軸上に機械的に接続された駆動装置およびその制御装置を有しており、回転子７１２，７２２の位相角を調整できるようになっている。その結果、回転子７１２，７２２の回転位相に応じて、回転子７１２，７２２側の巻線に発生させる電圧の位相を調整できる。
【００１８】
なお、このような構成の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２は、既存の構成である（例えば、特許文献２参照）。また、ＬＣ回路８は、２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の回転子７１２，７２２間に接続されており、コンデンサ８１とリアクトル８２から構成されている。
【００１９】
［作用］
以下には、図２〜図５を参照して、本実施形態の不平衡補償装置４による不平衡補償の作用について説明する。
【００２０】
［不平衡補償の基本原理］
図２は、単相負荷を３相平衡化する不平衡補償の原理を説明するための原理図である。この図２に示す不平衡補償の原理は、従来方法と同様であるが、本発明による不平衡補償装置４の作用を説明するため、便宜上説明する。
【００２１】
まず、図２に示す不平衡補償の原理図において、単相負荷３で消費する負荷電流ＩRは力率１とする。負荷電流ＩRに対して不平衡補償装置４で発生する補償電流ＩCと補償電流ＩLの大きさが１／√３となるようにコンデンサ（Ｃ）４１とリアクトル（Ｌ）４２のインピーダンスを決める。図３は、この場合の各部の電圧、電流を示すベクトル図である。
【００２２】
図３に破線で示すように、負荷電流ＩRは、抵抗負荷でＷ相とＵ相の線間に接続されているので線間電圧ＶW−ＶUに同位相となり、補償電流ＩLは、誘導性負荷でＶ相とＷ相の線間に接続されているのでＶV−ＶWに９０度遅れとなり、補償電流ＩCは、容量性負荷でＵ相とＶ相の線間に接続されているのでＶU−ＶVに９０度進みとなる。
【００２３】
この場合、それぞれの電流は、次の式（１）で表される。なお、この式（１）においては、負荷電流ＩRを大きさ１として相対表示している。
【数１】
【００２４】
次に、電源インピーダンス２に流れる電源側の３相の電流ＩU〜ＩWは次の式（２）で表される。
【数２】
【００２５】
すなわち、電源インピーダンス２に流れる電源側の３相の電流ＩU〜ＩWは、いずれも、単相負荷電流ＩRに対して、大きさが１／√３で力率１の正相電流となる。図３においては、これらの電流ＩU〜ＩWを、太い実線で示している。
【００２６】
［回転型位相調整機による補償電流の調整］
本実施形態の不平衡補償装置４においては、２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の回転位相を調整することにより、補償電流ＩCと補償電流ＩLを調整することができる。以下には、このような補償電流の調整について説明する。
【００２７】
まず、図１において、励磁電流補償用コンデンサ６は、２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２における合計の励磁電流をキャンセルするものである。この励磁電流補償用コンデンサ６により、２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２は、励磁電流を補償されているものとし、この部分の説明は省略する。
【００２８】
次に、第１の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１の回転位相（１次側に対する２次側の位相）をθ１、第２の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７２の回転位相をθ２とする。両者の１次電圧ＶU，ＶV，ＶWに対して両者の位相θ１，θ２を図４のように設定すると、２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の２次側の電圧差は、図４の（Ａ），（Ｂ）に示すように、１次電圧と同相であり、電圧差の大きさは、回転位相θ１，θ２に応じて大小に調整することができる。
【００２９】
ここで、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の２次側には、図１に示すように、Ｕ相にはコンデンサ８１が、Ｖ相にはリアクトル８２がそれぞれ接続されており、図４に示す２次側の電圧差がこれらの端子間に印加される。その結果、Ｕ相には電圧差より９０°進んだ電流が、Ｖ相には電圧差より９０°遅れた電流がそれぞれ流れる。また、Ｗ相は開放されており、電流が流れない。
【００３０】
２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の１次側電流は合成されて、変圧器５を介して電源側に接続される。この場合、変圧器５はデルタスター結線されているため、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２が接続されるスター結線側のＵ相電流は電源側のＵＶ相間に、スター結線側のＶ相電流は電源側のＶＷ相間に、それぞれ注入されることになる。これは、図２、図３について説明した不平衡補償の原理に対応する。
【００３１】
すなわち、２個の回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の回転位相θ１，θ２の調整により、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の２次側の電圧差を調整できることになり、その結果として、補償電流ＩC，ＩLの大きさを、前記（１）式の関係を満たすよう調整できることになる。図５は、このような回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の回転位相θ１，θ２と２次側の電圧差の関係を示すグラフである。
【００３２】
［効果］
以上のような本実施形態の不平衡補償装置４によれば、次のような効果が得られる。
【００３３】
まず、単相負荷３による不平衡が顕著で、かつ大きさが変動しても、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の回転位相θ１，θ２の調整により、不平衡を補償する補償電流ＩC，ＩLを発生させることができる。
【００３４】
また、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２は、巻線型の誘導電動機と類似の構造であり、短時間の過負荷には耐えうる性質を有している。したがって、負荷変動（増減）が顕著な場合や、突入電流を有する負荷の場合には、過負荷の耐量を考慮した不平衡補償装置の設計を行うことにより、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の容量を無駄に大きくする必要なく、安価に提供できる。また、調整のためにスイッチングを行うものでないため、高調波を発生せず、高調波抑制用のフィルタも不要である。この点も価格や設置スペースの点で有利となる。
【００３５】
なお、交流電気鉄道などでは、単相負荷３が単純な抵抗負荷でなく、回生となる場合がある。このような場合には、負荷電流の位相が１８０度反転することから、ＬＣ回路８のコンデンサ８１とリアクトル８２を入れ替えることによって、補償電流も１８０度反転するので、不平衡を補償するという意味では、単相負荷３が単純な抵抗負荷である場合と同一の作用、効果を得ることができる。
【００３６】
［補償電流基準の算出方法］
図６は、第１の実施形態の補足説明として、図１に示す不平衡補償装置４の補償電流基準を算出するための逆相電流検出回路を示すブロック図である。この図６に示すように、母線電圧より位相検出回路４０１によって電圧の位相δを検出し、母線電圧に同期したｃｏｓ（ωｔ＋δ），ｓｉｎ（ωｔ＋δ）の信号を出力する。一方、３相分の負荷電流と位相検出回路４０１からの信号により、逆相分算出回路４０２によって逆相電流を算出して、この逆相電流を不平衡補償装置４の補償電流基準とする。
【００３７】
このような方法で補償電流基準を算出することにより、負荷電流中の逆相電流成分を補償することができる。すなわち、図１に示す不平衡補償装置４は、逆相電流を補償しているのと等価である。これは、図２において、不平衡補償装置４側から発生する電流のベクトル図を作成すると逆相電流となっていることからも確認できる。したがって、一般的な不平衡を含む負荷に対して、負荷電流より図６に示すような逆相電流検出回路によって逆相成分を検出し、これを不平衡補償装置の補償電流基準とすることで、負荷電流中の逆相電流成分を補償することができる。
【００３８】
［第２の実施形態］
図７は、本発明を適用した第２の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図である。この図７に示す第２の実施形態において、図１に示す第１の実施形態と異なる点は、不平衡補償装置４と単相負荷３の接続点が、変圧器５Ａの電源側ではなく、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２と同一母線のＷ相に接続されている点である。すなわち、単相負荷３は、変圧器５ＡのＷ相と中性点の間に接続されている。なお、他の部分の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００３９】
このような構成を有する本実施形態において、単相負荷３が変圧器５ＡのＷ相と中性点の間に接続されていること、および変圧器５Ａがデルタスター結線されていることに着目すると、単相負荷３は、変圧器５Ａの電源側ではＵＷ相間に接続されているのと等価であるから、不平衡補償装置４の作用は第１の実施形態と同一である。
【００４０】
したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００４１】
［第３の実施形態］
図８は、本発明を適用した第３の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図である。この図８に示す第３の実施形態において、図１に示す第１の実施形態と異なる点は、不平衡補償装置４と単相負荷３の接続点が、変圧器５Ａの電源側ではなく、ＵＶ相とＶＷ相に追加された負荷用の巻線５１，５２を介して接続されている点である。なお、他の部分の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００４２】
図９は、このような構成を有する本実施形態の不平衡補償の原理を説明するための原理図であり、また、図１０は、図９に示す各部の電圧、電流を示すベクトル図である。図９において、単相負荷３には電源側のＵＶ相の線間電圧とＶＷ相の線間電圧が直列に印加されており、合成電圧はＵＷ相と同一位相である。したがって、負荷電流は、ＵＷ相に接続した場合と同一位相となることに着目すると、不平衡補償装置４の作用は第１の実施形態と同一である。
【００４３】
したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。また、本実施形態によれば、変圧器５Ａにおいて単相負荷３へ電力供給する巻線５１，５２は独立に設けられているため、単相負荷３に適した任意の大きさの電圧を供給することができる。
【００４４】
［第４の実施形態］
図１１は、本発明を適用した第４の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図である。この図１１に示す第４の実施形態において、図１に示す第１の実施形態と異なる点は、単相負荷３Ａは、抵抗のみでなくリアクトルが並列接続されており、いわゆる力率の悪い負荷となっている点である。一方、不平衡補償装置４側のＬＣ回路８Ａには、コンデンサ８１およびリアクトル８２に加えて、Ｗ相に追加のコンデンサ８３が設けられている。なお、他の部分の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００４５】
このような構成を有する本実施形態において、単相負荷３Ａが変化する場合に、力率はほぼ一定であるものとする。すなわち、負荷電流の有効電力成分と無効電力成分の比率はほぼ一定であるものとする。
【００４６】
一方、不平衡補償装置４は、基本的には、第１の実施形態について前記（１）式で説明したように、負荷電流に対して一定の比率で補償電流ＩCとＩLを発生させるように動作する。この場合に、本実施形態においては、図１１に示すように、ＬＣ回路８Ａに負荷の力率補償用のコンデンサ８３が追加されているが、このコンデンサ８３のインピーダンスを適切に設定しておけば、コンデンサ８３による補償電流も負荷の大きさに応じて調整することができる。
【００４７】
すなわち、図１１に示すＬＣ回路８Ａにおいて、ある大きさの単相負荷３Ａに対して無効電力成分をキャンセルするようにコンデンサ８３の容量を設定すると、単相負荷３Ａが変化した場合、ＬＣ回路８Ａは、コンデンサ８１とリアクトル８２により負荷の有効電力成分の不平衡分を補償し、かつ、コンデンサ８３により負荷の無効電力成分を補償するように動作する。
【００４８】
したがって、本実施形態によれば、負荷の力率が悪い場合でも、第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００４９】
なお、ここでは、負荷が遅れ力率の場合を例に説明したが、負荷が進み力率の場合でも、力率補償用のコンデンサ８３を力率補償用のリアクトルに置き換えることによって同等の作用、効果が得られる。
【００５０】
［第５の実施形態］
図１２は、本発明を適用した第５の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図である。この図１２に示す第５の実施形態において、図１に示す第１の実施形態と異なる点は、ＬＣ回路８Ｂが、２組のコンデンサ８４，８６およびリアクトル８５，８７を有しており、これらの８４，８６およびリアクトル８５，８７が、回転型位相調整機７１，７２における回転子７１２，７２２間ではなく、固定子７１１，７２１と回転子７１２，７２２の間にそれぞれ接続されている点である。
【００５１】
すなわち、一方の回転型位相調整機７１における固定子７１１と回転子７１２の間に、１組のコンデンサ８４およびリアクトル８５が接続され、他方の回転型位相調整機７２における固定子７２１と回転子７２２の間に、もう１組のコンデンサ８６およびリアクトル８７が接続されている。なお、他の部分の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００５２】
図１３は、このような構成を有する本実施形態における補償電流調整の原理を説明するベクトル図である。以下には、この図１３のベクトル図を用いて、第１の実施形態と異なる作用を説明する。
【００５３】
回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１の回転位相をθ１、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７２の回転位相をθ２とする。それぞれの固定子−回転子（１次−２次）間の電圧差分は、図１３の（Ａ）、（Ｂ）に示すように発生する。その結果、ｕ相の１次−２次間には、コンデンサ８４，８６が接続されているので、電圧差分より９０度進んだ電流が流れ、ｖ相の１次−２次間には、リアクトル８５，８７が接続されているので、電圧差分より９０度遅れた電流が流れる。
【００５４】
この場合、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２への合成電流は図１３の（Ｃ）に示すようになり、ｕ相にはＶｕに９０度進んだ電流が流れ、ｖ相にはＶｖに９０度遅れた電流が流れ、これらの大きさは回転位相θ１，θ２で調整できる。これ以降は、変圧器５がデルタスター結線されていることより、第１の実施形態と同じ原理で不平衡を補償することができる。
【００５５】
したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００５６】
［第６の実施形態］
図１４は、本発明を適用した第６の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図である。この図１４に示す第６の実施形態において、図１に示す第１の実施形態と異なる点は、ＬＣ回路８に加えて、リアクトル９１とコンデンサ９２から構成されるＬＣ回路９が追加されている点である。なお、他の部分の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００５７】
このような構成を有する本実施形態の作用は次の通りである。
【００５８】
まず、図１４において、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の補償量が小さい場合、すなわち、図５で基準からの回転位相が小さい場合には、２次側で発生する電圧差が小さいので、ＬＣ回路８にはほとんど電流が流れない。その結果、不平衡補償装置４全体において、ｕ相にはＬＣ回路９のリアクトル９１による遅れ電流、ｖ相にはＬＣ回路９のコンデンサ９２による進み電流、が支配的になる。この調整によれば、単相負荷３が交流電気鉄道などで回生（有効電力を負荷側から電源側に逆送）しているような場合に不平衡を補償することができる。
【００５９】
一方、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の補償量が大きい場合、すなわち、図５で基準からの回転位相が大きい場合には、２次側で発生する電圧差が大きいので、ＬＣ回路８には大きな電流が流れる。ＬＣ回路８の容量をＬＣ回路９の容量より充分大きくしておけば、不平衡補償装置４全体において、ｕ相には回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２とＬＣ回路８による進み電流、ｖ相には遅れ電流、が支配的になる。この調整によれば、単相負荷３が力行しているような場合に不平衡を補償することができる。
【００６０】
また、単相負荷３が回生から力行の間を連続的に変化するような場合でも、回転型位相調整機（ＲＰＳ）７１，７２の回転位相θ１，θ２の調整で、不平衡補償を連続的に行うことができる。
【００６１】
したがって、本実施形態によれば、単相負荷が力行から回生の範囲で変化しても、第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００６２】
［第７の実施形態］
図１５は、本発明を適用した第７の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図である。この図１５に示す第７の実施形態は、図１４に示す第６の実施形態の変形例であり、第６の実施形態と異なる点は、図１４に示す追加のＬＣ回路９と励磁電流補償用コンデンサ６が、コンデンサ６３，９４とリアクトル９３から構成された１つの励磁電流補償用コンデンサ兼ＬＣ回路９Ａとしてまとめられている点である。ここで、リアクトル９３の容量は、リアクトル９１の容量−コンデンサ６１の容量（線間から相に換算したもの）、コンデンサ９４の容量は、コンデンサ９２の容量＋コンデンサ６２の容量（線間から相に換算したもの）である。なお、他の部分の構成は、第６の実施形態と同様である。
【００６３】
このような構成を有する本実施形態の不平衡補償装置４において、１つの励磁電流補償用コンデンサ兼ＬＣ回路９Ａにまとめられたリアクトル９３およびコンデンサ６３，９４は、図１４に示す第６の実施形態の不平衡補償装置４でも固定の値であり、合成した値は図１４示す第６の実施形態の不平衡補償装置４でも同様である。したがって、本実施形態の不平衡補償装置４の作用は、実質的に、第６の実施形態と同様である。
【００６４】
本実施形態によれば、第６の実施形態と同等の効果を得ることができる。また、本実施形態によれば、ＬＣ回路９と励磁電流補償用コンデンサ６を１つの励磁電流補償用コンデンサ兼ＬＣ回路９Ａとしてまとめた分だけ、不平衡補償装置４の構成要素の数は、第６の実施形態より少なくできるため、不平衡補償装置４の構成をより簡略化できる。したがって、価格や設置スペースの観点からより有利である。
【００６５】
［第８の実施形態］
図１６は、本発明を適用した第８の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図である。この図１６に示す第８の実施形態は、図１に示す第１の実施形態の変形例であり、第１の実施形態と異なる点は、単相負荷３に替わって、スコット結線変圧器３１、Ｍ座負荷３２、Ｔ座負荷３３が接続されている点である。
【００６６】
このような構成を有する本実施形態においては、スコット結線変圧器３１を接続していることから、負荷の配分と力行か回生かで補償方法が異なる。したがって、以下には、本実施形態の補償方法について、これらの組み合わせ毎に説明する。
【００６７】
（１）Ｍ座力行負荷のみの場合：
回路構成が等価であるため、第１、第４、第５の実施形態における補償方法をそのまま適用可能である。
【００６８】
（２）Ｍ座負荷＋Ｍ座回生がある場合：
第６、第７の実施形態の補償方法により、回生にも対応可能である。
【００６９】
（３）Ｍ座負荷とＴ座負荷がバランスしている場合：
スコット結線変圧器３１により３相平衡されるので、不平衡補償装置４は、出力ゼロとなるよう、図５における基準よりの回転位相を０度として待機すればよい。
【００７０】
（４）Ｔ座力行負荷のみの場合：
負荷を次のように考える。スコット結線変圧器の１次側電流は、Ｔ座負荷電流による分をＩTとすると、Ｍ座負荷電流ＩMがあるものと仮定した場合の３相平衡電流Ｉ１と次の関係で示される。
ＩT ＝ ＩT＋ＩM−ＩM＝Ｉ１−ＩM
ここで、Ｉ１は３相平衡電流であるから補償する必要はなく、−ＩMについて補償すればよい。すなわち、Ｍ座に回生電流が流れているものとして補償する。この対応方法については上記（２）で説明した通りである。
【００７１】
（５）Ｔ座負荷＋Ｔ座回生がある場合：
上記（４）で述べたのと同様、Ｔ座の回生電流を、３相平衡となる電流分＋Ｍ座の負荷電流で表現することができるので、Ｍ座の負荷電流分について補償すればよい。
【００７２】
（６）一般化：
以上の（１）〜（５）より、Ｍ座とＴ座に力行負荷＋回生負荷が混在する場合を一般化してまとめると、スコット結線変圧器のＴ座の電流を基準に１次電流が３相平衡するに必要なＭ座の電流成分を算出し（実際にはＴ座の電流値そのもの）、この値と実際にＭ座に流れている電流の差分を補償電流の基準とすればよい。
【００７３】
図１７は、このような補償電流基準を算出するための電流差分検出回路を示すブロック図である。以下の表１は、これらの電流、すなわち、Ｔ座電流、Ｍ座電流、および補償電流の組み合わせの一例を示している。なお、この表１中の値は、電流の大きさの比率のみを示しており、無単位の値である。
【００７４】
【表１】
【００７５】
したがって、本実施形態によれば、スコット結線変圧器を用いた負荷に対し、負荷が力行から回生の範囲で変化しても、第６の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００７６】
［他の実施形態］
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な変形例が実施可能である。例えば、本発明は、不平衡電流を生じる各種の負荷に対して電力を供給する各種の構成の電力供給回路に同様に適用可能であり、同様に優れた効果が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図。
【図２】図１に示す不平衡補償装置において、単相負荷を３相平衡化する不平衡補償の原理を説明するための原理図。
【図３】図２に示す各部の電圧、電流を示すベクトル図。
【図４】図１に示す不平衡補償装置における補償電流調整の原理を説明するためのベクトル図。
【図５】図１に示す回転型位相調整機の回転位相と２次側の電圧差の関係を示すグラフ。
【図６】図１に示す不平衡補償装置の補償電流基準を算出するための逆相電流検出回路を示すブロック図。
【図７】本発明を適用した第２の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図。
【図８】本発明を適用した第３の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図。
【図９】図８に示す不平衡補償装置における不平衡補償の原理を説明するための原理図。
【図１０】図９に示す各部の電圧、電流を示すベクトル図。
【図１１】本発明を適用した第４の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図。
【図１２】本発明を適用した第５の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図。
【図１３】図１２に示す不平衡補償装置における補償電流調整の原理を説明するためのベクトル図。
【図１４】本発明を適用した第６の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図。
【図１５】本発明を適用した第７の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図。
【図１６】本発明を適用した第８の実施形態に係る電力供給回路を示す構成図。
【図１７】図１６に示す不平衡補償装置の補償電流基準を算出するための電流差分検出回路を示すブロック図。
【符号の説明】
【００７８】
１…電源
２…電源インピーダンス
３，３Ａ…単相負荷
３１…スコット結線変圧器
３２…Ｍ座負荷
３３…Ｔ座負荷
４…不平衡補償装置
５，５Ａ…変圧器
６…励磁電流補償用コンデンサ
６１〜６３…コンデンサ
７１，７２…回転型位相調整機（ＲＰＳ）
８，８Ａ，８Ｂ，９，９Ａ…ＬＣ回路
８１，８３，８４，８６，９２，９４…コンデンサ
８２，８５，８７，９１，９３…リアクトル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源から電源インピーダンスを介して負荷に電力を供給する電力供給回路に接続され、負荷による不平衡電流を補償する不平衡補償装置において、
デルタスター結線した変圧器と、
励磁電流補償用コンデンサと、
固定子および回転子を有し、かつ、回転子の角度を調整するための駆動装置およびその制御装置を有する２個の回転型位相調整機と、
前記回転型位相調整機に接続されたコンデンサおよびリアクトルから構成されるＬＣ回路を備え、
前記２個の回転型位相調整機の回転位相を調整することにより補償電流を調整するように構成されている、
ことを特徴とする不平衡補償装置。
【請求項２】
前記負荷は単相負荷であり、当該単相負荷に対して並列に接続されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の不平衡補償装置。
【請求項３】
前記負荷は単相負荷であり、
前記デルタスター結線した変圧器における２次側の特定の相に前記単相負荷が接続されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の不平衡補償装置。
【請求項４】
前記負荷は単相負荷であり、
前記デルタスター結線した変圧器は、負荷用の巻線を有し、ここに前記単相負荷が接続されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の不平衡補償装置。
【請求項５】
前記ＬＣ回路は、前記２個の回転型位相調整機の回転子間に接続されている、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の不平衡補償装置。
【請求項６】
前記ＬＣ回路は、前記コンデンサおよび前記リアクトルに加えて、追加のコンデンサまたはリアクトルを備えている、
ことを特徴とする請求項５に記載の不平衡補償装置。
【請求項７】
前記ＬＣ回路は、前記回転型位相調整機における前記固定子と前記回転子の間にそれぞれ接続された２組のコンデンサおよびリアクトルを有する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の不平衡補償装置。
【請求項８】
前記ＬＣ回路に加えて、前記回転型位相調整機の固定子側に、コンデンサとリアクトルから構成される追加のＬＣ回路が設けられている、
ことを特徴とする請求項５に記載の不平衡補償装置。
【請求項９】
前記追加のＬＣ回路は、前記励磁電流補償用コンデンサと共に１つの回路にまとめられている、
ことを特徴とする請求項８に記載の不平衡補償装置。
【請求項１０】
前記負荷に流れる負荷電流より逆相電流分を検出する逆相電流分検出回路を備え、
前記逆相電流分を補償電流の基準として不平衡補償を行うように構成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の不平衡補償装置。
【請求項１１】
前記負荷は、スコット結線変圧器とそのＴ座およびＭ座にそれぞれ接続されたＴ座負荷およびＭ座負荷であり、
前記Ｍ座負荷および前記Ｔ座負荷の負荷電流値の差分を補償電流の基準として不平衡補償を行うように構成されている、
ことを特徴とする請求項１、請求項５乃至請求項１０のいずれかに記載の不平衡補償装置。
【請求項１２】
電源から電源インピーダンスを介して負荷に電力を供給する電力供給回路の負荷による不平衡電流を補償する不平衡補償方法において、
デルタスター結線した変圧器と、
励磁電流補償用コンデンサと、
固定子および回転子を有し、回転子には角度を調整できるように駆動装置およびその制御装置を備えた２個の回転型位相調整機と、
前記回転型位相調整機に接続されコンデンサおよびリアクトルを備えたＬＣ回路を使用して、
前記２個の回転型位相調整機の回転位相を調整することにより補償電流を調整する、
ことを特徴とする不平衡補償方法。
【請求項１３】
電源から電源インピーダンスを介して負荷に電力を供給する電力供給回路において、
請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の不平衡補償装置、
を備えたことを特徴とする電力供給回路。
【請求項１】
電源から電源インピーダンスを介して負荷に電力を供給する電力供給回路に接続され、負荷による不平衡電流を補償する不平衡補償装置において、
デルタスター結線した変圧器と、
励磁電流補償用コンデンサと、
固定子および回転子を有し、かつ、回転子の角度を調整するための駆動装置およびその制御装置を有する２個の回転型位相調整機と、
前記回転型位相調整機に接続されたコンデンサおよびリアクトルから構成されるＬＣ回路を備え、
前記２個の回転型位相調整機の回転位相を調整することにより補償電流を調整するように構成されている、
ことを特徴とする不平衡補償装置。
【請求項２】
前記負荷は単相負荷であり、当該単相負荷に対して並列に接続されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の不平衡補償装置。
【請求項３】
前記負荷は単相負荷であり、
前記デルタスター結線した変圧器における２次側の特定の相に前記単相負荷が接続されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の不平衡補償装置。
【請求項４】
前記負荷は単相負荷であり、
前記デルタスター結線した変圧器は、負荷用の巻線を有し、ここに前記単相負荷が接続されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の不平衡補償装置。
【請求項５】
前記ＬＣ回路は、前記２個の回転型位相調整機の回転子間に接続されている、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の不平衡補償装置。
【請求項６】
前記ＬＣ回路は、前記コンデンサおよび前記リアクトルに加えて、追加のコンデンサまたはリアクトルを備えている、
ことを特徴とする請求項５に記載の不平衡補償装置。
【請求項７】
前記ＬＣ回路は、前記回転型位相調整機における前記固定子と前記回転子の間にそれぞれ接続された２組のコンデンサおよびリアクトルを有する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の不平衡補償装置。
【請求項８】
前記ＬＣ回路に加えて、前記回転型位相調整機の固定子側に、コンデンサとリアクトルから構成される追加のＬＣ回路が設けられている、
ことを特徴とする請求項５に記載の不平衡補償装置。
【請求項９】
前記追加のＬＣ回路は、前記励磁電流補償用コンデンサと共に１つの回路にまとめられている、
ことを特徴とする請求項８に記載の不平衡補償装置。
【請求項１０】
前記負荷に流れる負荷電流より逆相電流分を検出する逆相電流分検出回路を備え、
前記逆相電流分を補償電流の基準として不平衡補償を行うように構成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の不平衡補償装置。
【請求項１１】
前記負荷は、スコット結線変圧器とそのＴ座およびＭ座にそれぞれ接続されたＴ座負荷およびＭ座負荷であり、
前記Ｍ座負荷および前記Ｔ座負荷の負荷電流値の差分を補償電流の基準として不平衡補償を行うように構成されている、
ことを特徴とする請求項１、請求項５乃至請求項１０のいずれかに記載の不平衡補償装置。
【請求項１２】
電源から電源インピーダンスを介して負荷に電力を供給する電力供給回路の負荷による不平衡電流を補償する不平衡補償方法において、
デルタスター結線した変圧器と、
励磁電流補償用コンデンサと、
固定子および回転子を有し、回転子には角度を調整できるように駆動装置およびその制御装置を備えた２個の回転型位相調整機と、
前記回転型位相調整機に接続されコンデンサおよびリアクトルを備えたＬＣ回路を使用して、
前記２個の回転型位相調整機の回転位相を調整することにより補償電流を調整する、
ことを特徴とする不平衡補償方法。
【請求項１３】
電源から電源インピーダンスを介して負荷に電力を供給する電力供給回路において、
請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の不平衡補償装置、
を備えたことを特徴とする電力供給回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００６−２０４０９（Ｐ２００６−２０４０９Ａ）
【公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１９４９６８（Ｐ２００４−１９４９６８）
【出願日】平成１６年６月３０日（２００４．６．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月３０日（２００４．６．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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