力率改善装置
【課題】連続的に力率制御を行い、力率を理想状態の１に近づけ、且つ進み力率も調整可能な力率改善装置を提供するにある。
【解決手段】回転界磁型同期機１２と、この同期機１２の回転界磁に対して直流電力を供給することで同期機１２の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行うＡＰＦＲ装置１３と、同期機１２およびＡＰＦＲ装置１３を需要家負荷１に入り切りする遮断器１４とを有するものである。
【解決手段】回転界磁型同期機１２と、この同期機１２の回転界磁に対して直流電力を供給することで同期機１２の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行うＡＰＦＲ装置１３と、同期機１２およびＡＰＦＲ装置１３を需要家負荷１に入り切りする遮断器１４とを有するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力率改善装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、需要家における負荷力率改善装置においては、直列リアクトルを有する進相コンデンサが使用されている。このような力率改善装置としては、直列リアクトルとコンデンサを１セットとし最大容量分だけセットを準備し、負荷力率に応じて開閉器で並列接続する自動制御装置を備えた進相コンデンサ設備というものがある（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、この負荷力率改善に使用する例えば、高圧のコンデンサは、ＪＩＳ Ｃ ４９０２（１９９８）高圧および特別高圧進相コンデンサおよび付属機器として日本工業規格に定められ公知されている。同様に、低圧のコンデンサは、ＪＩＳ Ｃ ４９０１（２０００）低圧進相コンデンサとして日本工業規格に定められ知られている。
【０００４】
一方、需要家における負荷力率改善装置として、回転界磁型同期機を負荷と並列に接続して調相機として利用するロータリーコンデンサ方式および、ロータリーコンデンサとスタティックコンデンサとを組み合わせた方式もある。
【０００５】
ロータリーコンデンサおよびロータリーコンデンサとスタティックコンデンサとを組み合わせた力率改善装置は、高調波を出さない、力率を連続的に可変制御できる、そして遅れ力率から進み力率まで補償できるといった特性を有する。
【０００６】
従来ロータリーコンデンサは、電力供給側の系統電圧調整設備として利用されている。また水力発電機をロータリーコンデンサと同じ調相運転として利用している（例えば特許文献２参照）。
【０００７】
他方、主系統への落雷等の外乱により瞬低（瞬間的に電圧が低下）または瞬断（瞬間的な停電）が発生することがあり、電力・電子機器への悪影響が懸念されている。なお、瞬低において電圧の低下が著しい場合が瞬断に当たると考え、以降に述べる瞬低に関しては瞬断を含むものとする。
【０００８】
また、瞬低対策の一環として瞬低発生を検出するための瞬低検出装置がすでに市販されている。瞬低検出装置は予め設定した電力の低下量、瞬低時間を越える瞬低が発生した場合に高速で検出し、警報等の信号を出力するもので、事故の波及防止や瞬低復帰時の電源順次投入シーケンス等に用いられている。
【特許文献１】特開平１１−０４６４４５号公報
【特許文献２】特開平０５−０３８０５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した直列リアクトルとコンデンサを使用した進相コンデンサ設備においては、設備を段階的に切替えるため、連続的な力率調整ができなかった。
【００１０】
切替え段階を細かくすると、切替え制御が複雑になると共に、切替えのための開閉器の寿命が短くなる一方、切替え段階を大まかにすると、力率を１に近づけることが出来ないという課題があった。
【００１１】
また、進相コンデンサでは負荷側が遅れ力率の場合は調整できるが、進み力率の調整はできないことが課題であった。
【００１２】
一方、力率を改善しようとする店舗、事務所および工場などは夜間と昼間で負荷が大きく変化し、夜間特に深夜から早朝は低負荷になっている。そして、上述したロータリーコンデンサにより力率調整を行う場合、ロータリーコンデンサは回転機であるため、低負荷時でも、同期機の運転ロスが発生し、有効電力を消費する。
【００１３】
この場合力率改善による効果よりもロータリーコンデンサが運転していることの損失が大きいという問題があった。
【００１４】
他方、上述した力率改善装置において落雷等により主系統において瞬低が発生した場合にその瞬低時間（数ｍｓｅｃから数百ｍｓｅｃ）と瞬低発生時の需要家の負荷状況によっては電力復旧時に位相のずれが生じロータリーコンデンサが同期はずれを起こして設備に過電流が流れ設備の損傷に繋がる虞がある。
【００１５】
例えば、瞬断発生により主系統の電圧が低下（０になる）すると、需要家電圧も低下し、接続されたロータリーコンデンサへの電力供給も絶たれることになる。しかし、ロータリーコンデンサはその慣性力により電力供給が絶たれた後も回転を続けるため、ロータリーコンデンサは発電機として作用し、系統に対して電力を供給することになる。
【００１６】
また、ロータリーコンデンサは慣性力により回転しているため、その回転数は定格回転数に対して時間の経過と共に低下することになる。その結果、発生する電力は電圧・周波数も経過と共に低下し、位相のずれた定格外の電力となる。
【００１７】
このとき、瞬低時間経過後に電力が復帰することになるが、ロータリーコンデンサにより発生される電力との間に位相のずれが生じ、ロータリーコンデンサが同期はずれを起こすことが考えられる。
【００１８】
例えば、瞬断時間が短い場合（数ｍｓｅｃから数十ｍｓｅｃ程度）には瞬断時間における電圧の低下、位相のずれがそれほど大きくならない。その結果、瞬低時間経過後電力が復帰するとロータリーコンデンサがＡＰＦＲ装置により位相のずれを吸収し同期を回復することにより、電圧は定格電圧に戻る。また、電流についても復帰後に波形が乱れるが、こちらも徐々に安定していく。
【００１９】
しかし、瞬断時間が長かった場合（数百ｍｓｅｃ程度）には瞬断時間の間に電圧が大きく低下すると共に、位相も大きくずれる。その結果、瞬断時間経過後復帰してもＡＰＦＲ装置が追従できずに同期を取ることが出来なくなり、ロータリーコンデンサが同期はずれを生じ異常振動を発生する。電圧は徐々に定格電圧に戻るが、電流については安定することなく乱れ続けることになる。
【００２０】
なお、同期はずれが発生するか否かについては瞬低時間、低下量および需要家の負荷状態、すなわちロータリーコンデンサの力率改善装置としての負荷状態により決定され、瞬低時間が長く、低下率が大きく、需要家の負荷が大きくロータリーコンデンサの負荷が大きい場合に同期はずれが起こりやすくなる。
【００２１】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、連続的に力率制御を行い、力率を理想状態の１に近づけ、且つ進み力率も調整可能な力率改善装置を提供することを目的とする。
【００２２】
本発明の他の目的は、低負荷時には同期機を自動的に停止し、負荷が増すと自動的に同期機の運転を行う制御方式を採用した力率改善装置を提供するにある。
【００２３】
さらに、本発明の他の目的は、瞬低復帰後の同期機の同期はずれを防止し、過電流による設備の損傷を防止する力率改善装置を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明に係る力率改善装置は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、回転界磁型同期機と、この同期機の回転界磁に対して直流電力を供給することで上記同期機の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行うＡＰＦＲ装置と、上記同期機および上記ＡＰＦＲ装置を需要家負荷に入り切りする遮断器とを有するものである。
【００２５】
また、上述した課題を解決するために、請求項２に記載したように、上記ＡＰＦＲ装置への供給電圧を受電電圧から逓減する励磁変圧器を有するものである。
【００２６】
さらに、上述した課題を解決するために、請求項３に記載したように、直列リアクトルとコンデンサとを組み合わせた進相コンデンサと、この進相コンデンサを入り切りする開閉器と、この進相コンデンサ用開閉器を入り切りする制御信号を有するＡＰＦＲ装置と、上記同期機、上記ＡＰＦＲ装置および上記進相コンデンサを上記需要家負荷に入り切りする遮断器とを有するものである。
【００２７】
そして、上述した課題を解決するために、請求項４に記載したように、上記同期機の回転軸に直結したフライホイールを有するものである。
【００２８】
そしてまた、上述した課題を解決するために、請求項５に記載したように、上記同期機と上記フライホイールとの問に結合力を制御できる機能を持つクラッチ装置を有するものである。
【００２９】
また、上述した課題を解決するために、請求項６に記載したように、被力率改善回路の電流検出手段と、この電流検出手段で上記回転界磁型同期機を自動起動停止する制御回路を有するものである。
【００３０】
さらに、上述した課題を解決するために、請求項７に記載したように、上記流検出手段に限時特性をもたせたものである。
【００３１】
そして、上述した課題を解決するために、請求項８に記載したように、上記電流検出手段にヒステリシス特性をもたせたものである。
【００３２】
そしてまた、上述した課題を解決するために、請求項９に記載したように、運転時間帯を設定するプログラマブルタイマを備え、このプログラマブルタイマで上記回転界磁型同期機を自動起動停止する制御回路を有するものである。
【００３３】
また、上述した課題を解決するために、請求項１０に記載したように、瞬間的な電圧の低下発生時にこれを検出して上記回転界磁型同期機への電力供給を停止し、上記回転界磁型同期機を停止させるように構成したものである。
【００３４】
さらに、上述した課題を解決するために、請求項１１に記載したように、瞬間的な電圧の低下発生時にこれを検出して上記回転界磁型同期機の再起動を行うように構成したものである。
【発明の効果】
【００３５】
本発明に係る力率改善装置によれば、受電端の電力を力率１の理想状態に制御することが可能となる。また、連続的な力率制御も可能となる。さらに、系統側に瞬時電圧低下が発生しても、負荷電圧の瞬時低下を防ぐことが可能となる。
【００３６】
また、過大な起動電流および脱調による起動不可能な状態を回避することが出来る。さらに、電力の損失を防止でき、効率のよい力率改善を行う事ができる。さらにまた、検出電流付近での電流変化に対して、過度に同期機を入り切りすることが無く制御することができる。そして、瞬低後の電力復帰時の、同期機の同期はずれを未然に防止することができ、過電流による設備損傷の防止および同期機の異常振動を防止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】
【００３７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３８】
図１は、本発明に係る力率改善装置の第一実施形態である基本系統図である。図１に示すように、内部に複数の負荷１（負荷１〜負荷ｎ）を有する需要家２には外部の図示しない電源からの電力供給を受ける受電端３が設けられ、この受電端３から需要家２内に向かって主電力供給線４が延びる。主電力供給線４は途中に主遮断器４ａが設けられ、この主遮断器４ａの下流において主電力供給線４は複数の副電力供給線５に分岐して各負荷１に接続される。また、副電力供給線５の各負荷１上流側にはそれぞれ副遮断器５ａが設けられる。そして、複数ある副電力供給線５のうちの一本は需要家２外に導かれ、力率改善装置１１に接続される。
【００３９】
力率改善装置１１は、例えばロータリーコンデンサ（ＲＣ）等の回転界磁型同期機１２（以下同期機と略す）と、この同期機１２の回転界磁を、直流電力を付与し同期機１２の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行うＡＰＦＲ（力率制御）装置１３と、同期機１２およびＡＰＦＲ装置１３を需要家負荷１に入り切りする遮断器１４（電磁接触器）とから構成される。
【００４０】
需要家２外に導かれた副電力供給線５は同期機１２に接続されると共に、同期機１２の上流側に遮断器１４が設けられる。また、この遮断器１４と同期機１２との間にＡＰＦＲ装置１３が接続される。
【００４１】
上記構成の力率改善装置１１（第一実施形態）において、需要家２は負荷１〜負荷ｎ迄の負荷１を使用しており、この結果負荷力率が理想の負荷力率より遅れている状態である場合、本発明による力率改善装置１１の遮断器１４を投入すると、同期機１２は無負荷の同期電動機として起動し同期速度に達する。
【００４２】
遮断器１４の投入と同時にＡＰＦＲ装置１３は同期機１２の界磁に対して直流の励磁を与える。このときの励磁量はＡＰＦＲ装置１３に設定された力率に対し実負荷の力率でフィードバック制御を行い設定力率となるよう制御される。
【００４３】
このように、系統に無負荷状態の同期機１２を接続して界磁電流を増減することにより、同期機１２に流れる電流の力率を制御できる。すなわち需要家負荷１の力率が遅れ状態であれば同期機１２に流れる電流を進み状態とすることで、受電端３の電力は力率１の理想状態に制御することが可能となる。
【００４４】
また、負荷１が工場の電動機負荷のように作業により負荷状態が変わり、その結果として、受電端３の力率を変更してしまうような場合でも、本方式によればＡＰＦＲ装置１３のフィードバック制御がリアルタイムに追従し、段階制御では得ることができない連続的な力率制御が可能となる。
【００４５】
さらに、工場における夜間状態のように大きな動力負荷が停止し、コンデンサを有する電子機器の負荷が主体となり、力率が進んで逆方向に力率低下した場合でも、励磁を調整することで同期機１２を遅れ状態とし、受電端３の電力は力率１の理想状態に制御することが可能となる。
【００４６】
図２は、本発明に係る力率改善装置の第二実施形態である系統図である。なお、第一実施形態に示す力率改善装置１１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４７】
第二実施形態では、力率改善装置２１を高圧または特別高圧に接続した場合を示す。力率改善装置２１は、例えばロータリーコンデンサ（ＲＣ）等の同期機１２と、この同期機１２の回転界磁を、直流電力を付与し同期機１２の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行うＡＰＦＲ装置１３と、同期機１２およびＡＰＦＲ装置１３を需要家負荷１に入り切りする遮断器１４（電磁接触器）と、高圧または特別高圧を所定の電圧に逓減する励磁用変圧器２２とから構成されており、励磁用変圧器２２は遮断器１４と同期機１２との間に接続されるＡＰＦＲ装置１３の上流側に設けられる。また、各負荷１上流側の副電力供給線５にも他の励磁用変圧器２３が設けられる。但し、力率改善装置２１に向かって分岐する副電力供給線５はこの他の励磁用変圧器２３の上流側で分岐する。
【００４８】
上記構成の力率改善装置２１（第二実施形態）において、需要家２は負荷１〜負荷ｎ迄の負荷１を使用しており、この結果負荷力率が理想の負荷力率より遅れている状態である場合、本発明による力率改善装置２１の遮断器１４を投入すると、同期機１２は無負荷の同期電動機として起動し同期速度に達する。
【００４９】
遮断器１４の投入と同時にＡＰＦＲ装置１３は同期機１２の界磁に対して直流の励磁を与える。このときの励磁量はＡＰＦＲ装置１３に設定された力率に対し実負荷の力率でフィードバック制御を行い設定力率となるよう制御される。さらに、励磁用変圧器２２が高圧または特別高圧の電圧を励磁に必要な電圧に逓減する。
【００５０】
このように、系統に無負荷状態の同期機１２を接続して界磁電流を増減することにより、同期機１２に流れる電流の力率を制御でき、この力率改善装置２１も第一実施形態に示す力率改善装置１１と同様の効果を得ることが出来る。
【００５１】
図３は、本発明に係る力率改善装置の第三実施形態である系統図である。なお、第一実施形態に示す力率改善装置１１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５２】
第三実施形態では、力率改善装置３１は、例えばロータリーコンデンサ（ＲＣ）等の同期機１２と、この同期機１２の回転界磁を、直流電力を付与し同期機１２の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行い、且つ直列リアクトルとコンデンサとを組み合わせた進相コンデンサ３２を入り切りする開閉器３３の制御信号を有するＡＰＦＲ装置１３と、同期機１２およびＡＰＦＲ装置１３を需要家負荷１に入り切りする遮断器１４（電磁接触器）とから構成される。なお、進相コンデンサ３２の容量は同期機１２の進相容量と同じとする。
【００５３】
上記構成の力率改善装置３１（第三実施形態）において、需要家２は負荷１〜負荷ｎ迄の負荷１を使用しており、この結果負荷力率が理想の負荷力率より遅れている状態である場合、本発明による力率改善装置３１の遮断器１４を投入すると、同期機１２は無負荷の同期電動機として起動し同期速度に達する。
【００５４】
遮断器１４の投入と同時にＡＰＦＲ装置１３は同期機１２の界磁に対して直流の励磁を与える。このときの励磁量はＡＰＦＲ装置１３に設定された力率に対し実負荷の力率でフィードバック制御を行い設定力率となるよう制御される。さらに力率調整のため進相電力容量が不足する場合は進相コンデンサ３２用開閉器３３を投入し進相容量を増加する。そして、進相コンデンサ３２投入後同期機１２の電流が負荷１の変化により遅れ側になったら進相コンデンサ３２用の開閉器３３を開き同期機１２のみで進相電力を供給する。
【００５５】
このように、系統に無負荷状態の同期機１２を接続して界磁電流を増減することにより、同期機１２に流れる電流の力率を制御できる。すなわち、需要家負荷１の力率が遅れ状態であれば同期機１２に流れる電流を進み状態とすることで、受電端３の電力は力率１の理想状態に制御することが可能となる。
【００５６】
また、負荷１が工場の電動機負荷のように作業により負荷状態が変わり、その結果として、受電端３の力率を変更してしまうような場合でも、本方式によればＡＰＦＲ装置１３のフィードバック制御がリアルタイムに追従し、段階制御では得ることができない連続的な力率制御が可能となる。
【００５７】
さらに、工場における夜間状態のように大きな動力負荷が停止し、コンデンサを有する電子機器の負荷が主体となり、力率が進んで逆方向に力率低下した場合でも、励磁を調整することで同期機１２を遅れ状態とし、受電端３の電力は力率１の理想状態に制御することが可能となる。
【００５８】
さらにまた、進相コンデンサ３２とハイブリッド化使用することにより同期機１２の設備容量を下げることができ、同期機１２単独で設備する場合よりも設備費用で優れる。
【００５９】
ところで、上述した第三実施形態では、進相コンデンサ３２が１セットの場合を示したが、複数セット設備した場合、たとえばｎセット設備すると、同期機１２容量は全体必要容量の１／（ｎ＋１）となり、さらに設備費用面で有利となる。なお、進相コンデンサ３２の設置数が増すと切替え制御が複雑・高頻度となるので５セット以下が望ましい。
【００６０】
また、第三実施形態においても第二実施形態と同様に設備（高圧または特別高圧）することが可能であり、力率改善装置３１の接続点電圧は低圧、高圧および特別高圧を問わない。
【００６１】
図４は、本発明に係る力率改善装置の第四実施形態である系統図である。なお、第一実施形態に示す力率改善装置１１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６２】
第四実施形態では、力率改善装置４１は、例えばロータリーコンデンサ（ＲＣ）等の同期機１２と、この同期機１２の回転界磁を、直流電力を付与し同期機１２の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行うＡＰＦＲ装置１３と、同期機１２およびＡＰＦＲ装置１３を需要家負荷１に入り切りする遮断器１４（電磁接触器）と、同期機１２の回転軸４２に取り付けたフライホイール４３とから構成される。
【００６３】
上記構成の力率改善装置４１（第四実施形態）において、力率の調相に関する作用は、第一実施形態に示すものと同じである。ただし、同期機１２の回転軸４２に取り付けたフライホイール４３も常時同期速度で回転している。
【００６４】
そして、同期機１２回転軸４２上にフライホイール４３を取り付けたことにより、負荷１側で急激に大きな負荷が投入された場合や、系統側に落雷等による瞬時電圧低下が発生した場合、フライホイール４３の効果により負荷１側に瞬時電力を供給し、全体として負荷電圧の瞬時低下を防ぐことが可能となる。
【００６５】
この瞬時電圧低下補償動作により、近年急増している負荷としての、電子機器のメモリー（図示せず）の喪失や動作停止等を防止できる。
【００６６】
図５は、本発明に係る力率改善装置の第五実施形態である系統図である。なお、第四実施形態に示す力率改善装置４１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６７】
第五実施形態では、力率改善装置５１は、第四実施形態に示す力率改善装置４１の同期機１２とフライホイール４３の問に結合力を調整できる例えばパウダークラッチ等のクラッチ装置５２を設けたものである。
【００６８】
上記構成の力率改善装置５１（第五実施形態）において、力率の調相に関する作用は、第一実施形態に示すものと同じである。また、遮断器１４を投入して起動するとき、クラッチ装置５２は解放状態とし、同期機１２は無負荷で起動される。
【００６９】
同期機１２が同期速度に到達後、徐々にクラッチ装置５２の結合力が増加され、同期機１２が脱調しないようにフライホイール４３を同期機１２に結合される。そして、フライホイール４３も同期速度に到達すると完全に結合状態とされる。
【００７０】
上記構成の力率改善装置５１（第五実施形態）において、力率の調相および瞬時電圧低下に関する作用は、第四実施形態に示すものと同じである。また、起動時にフライホイール４３を除外し無負荷で起動することから、過大な起動電流および脱調による起動不可能な状態を回避することが出来る。
【００７１】
図６（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る力率改善装置の第六実施形態である系統図および制御回路図である。なお、第一実施形態に示す力率改善装置１１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００７２】
第六実施形態における力率改善装置６１は、例えばロータリーコンデンサ（ＲＣ）等の同期機１２と、この同期機１２の回転界磁を、直流電力を付与し同期機１２の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行うＡＰＦＲ装置１３と、同期機１２およびＡＰＦＲ装置１３を需要家負荷１に入り切りする遮断器１４（電磁接触器）とから構成される。また、主電力供給線４の主遮断器４ａ下流とＡＰＦＲ装置１３との間には力率を改善するフィーダーの電流が設定値以上になったら動作する、被力率改善回路の電流検出手段である電流検出リレー６２が設けられる。
【００７３】
上記構成の力率改善装置６１の制御方式（第六実施形態）において、力率改善装置の起動は、手動スイッチを入れて力率改善対象である負荷１〜負荷ｎ迄の合計電流が電流検出リレー６２の設定値以上になると、電流検出リレー６２の接点６２ａが動作し、同期機１２は回転を始める。
【００７４】
また、夜間等負荷電流が低下し、電流検出リレー６２が復帰すると、電流検出リレー６２の接点６２ａは復帰し、同期機１２は停止する。
【００７５】
このように負荷電流を検出して、負荷電流が小さい時は同期機１２を自動停止する制御方式を採用することにより、電力の損失を防止でき、効率のよい力率改善を行う事ができる。
【００７６】
図７（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る力率改善装置の第七実施形態である系統図および制御回路図である。なお、第六実施形態に示す力率改善装置６１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００７７】
第七実施形態における力率改善装置７１は、例えばロータリーコンデンサ（ＲＣ）等の同期機１２と、この同期機１２の回転界磁を、直流電力を付与し同期機１２の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行うＡＰＦＲ装置１３と、同期機１２およびＡＰＦＲ装置１３を需要家負荷１に入り切りする遮断器１４（電磁接触器）とから構成される。また、主電力供給線４の主遮断器４ａ下流とＡＰＦＲ装置１３との間には力率を改善するフィーダーの電流が設定値以上になったら動作する電流検出リレー６２が設けられると共に、手動の起動および停止スイッチの条件で動作する補助リレー７２および限時動作リレー７３と限時復帰動作リレー７４とから遮断器１４を操作する制御回路を構成する。
【００７８】
上記構成の力率改善装置７１の制御方式（第七実施形態）において、力率改善装置の起動は、手動スイッチを入れて力率改善対象である負荷１〜負荷ｎ迄の合計電流が電流検出リレー６２の設定値以上になると、電流検出リレー６２の接点６２ａが動作し限時動作リレー７３と限時復帰動作リレー７４とを同時に励磁する。
【００７９】
限時復帰リレーの接点６２ａは瞬時に動作するが、限時動作リレー７３の接点と直列に接続されて遮断器１４を駆動するので、同期機１２は設定時間経過後回転を始める。
【００８０】
また、夜間等負荷電流が低下し電流検出リレー６２が復帰すると、限時復帰リレーにより、同期機１２は設定時間経過後停止する。
【００８１】
このように負荷電流を検出して、負荷電流が小さい時は同期機１２を自動停止する制御方式を採用することにより、電力の損失を防止でき、効率のよい力率改善を行う事ができる。
【００８２】
また、本実施例のように電流検出リレー６２の動作および復帰に限時特性を与えることにより、検出電流付近での電流変化に対して、過度に同期機１２を入り切りすることが無く制御することができる。
【００８３】
図８（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る力率改善装置の第八実施形態である系統図および制御回路図である。なお、第六実施形態に示す力率改善装置６１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００８４】
第八実施形態における力率改善装置８１は、基本的に第六実施形態に示す力率改善装置６１と同一の構成を有するが、第六実施形態の力率改善装置６１が一つの電流検出リレー６２を有することに対し、第八実施形態の力率改善装置８１は設定値の異なる２つの電流検出リレー８２，８３を備える。また、上流側に配置される電流検出リレー８２の設定値は下流側に配置される電流検出リレー８３の設定値より大きく設定される。
【００８５】
上記構成の力率改善装置８１の制御方式（第八実施形態）において、力率改善装置８１の起動は、手動スイッチを入れて力率改善対象である負荷１〜負荷ｎ迄の合計電流が下流側電流検出リレー８３の設定値以上になると、下流側電流検出リレー８３の接点８３ａが動作する。このとき上流側電流検出リレー８２の接点８２ａは既に動作しており、同期機１２は回転を始める。
【００８６】
また、夜間等負荷１電流が低下し下流側電流検出リレー８３が復帰したとき、上流側電流検出リレー８２の接点８２ａは既に復帰しており、同期機１２は停止する。
【００８７】
このように負荷電流を検出して、負荷電流が小さい時は同期機１２を自動停止する制御方式を採用することにより、電力の損失を防止でき、効率のよい力率改善を行う事ができる。
【００８８】
また、本実施例のように電流検出リレー８２，８３の動作および復帰にヒステリシス特性を与えることにより、検出電流付近での電流変化に対して、チャタリングにより過度に同期機１２を入り切りすることが無く制御することができる。
【００８９】
図９（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る力率改善装置の第九実施形態である系統図および制御回路図である。なお、第六実施形態に示す力率改善装置６１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００９０】
第九実施形態における力率改善装置９１は、基本的に第六実施形態に示す力率改善装置６１と同一の構成を有するが、第六実施形態の力率改善装置６１が電流検出リレー６２を有することに対し、第九実施形態の力率改善装置９１は、同期機１２を運転する時間を設定するプログラマブルタイマ９２を主回路に備える。
【００９１】
このプログラマブルタイマ９２は、デイリータイマまたはウイークリータイマと呼ばれている物で、負荷１の増減が時間によって決定されている工場設備などの時間にあわせて同期機１２の運転時間帯が設定される。
【００９２】
上記構成の力率改善装置９１の制御方式（第九実施形態）において、力率改善装置の起動は、手動スイッチを入れて力率改善対象である負荷１〜負荷ｎの負荷１が増加する時間になると運転を開始し、負荷１が低下する夜間には同期機１２の運転を停止する。
【００９３】
このように負荷１が増える時間帯を設定して運転し、負荷１が小さい時間帯は同期機１２を自動停止することにより、電力の損失を防止でき、効率のよい力率改善を行う事ができる。
【００９４】
なお、上述した第六〜第八実施形態に適用した負荷電流検出方式の応用例として、本願発明は負荷電力検出方式とすることも可能であると共に、制御をデジタル化、ソフト化することも含まれる。また、第六〜第八実施形態に適用した負荷１の実電流検出方式と、第九実施形態に適用した運転時間帯を設定するタイマとを組み合わせることも本発明に含まれる。
【００９５】
図１０は、本発明に係る力率改善装置の第十実施形態である系統図である。なお、第一実施形態に示す力率改善装置１１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００９６】
第十実施形態における力率改善装置１０１は、基本的に第一実施形態に示す力率改善装置１１と同一の構成を有するが、同期機１２の上流側に設置された力率改善装置用の開閉器３３の上流側に瞬低（瞬間的な電圧の低下）検出装置１０２を設置し、この瞬低検出装置１０２が瞬低検出時に制御信号により力率改善装置用の開閉器３３を開くように構成したものである。なお、瞬低検出装置１０２の設置位置については主系統における瞬低を検出可能な位置であれはよく、本実施例に限定するものではない。
【００９７】
そして、第十実施形態における力率改善装置１０１は、受電端３の主系統側に瞬低が発生した場合、この瞬低を瞬低検出装置１０２が検出し、予め設定された瞬低時間や電圧の低下量等を超えた場合に制御信号により力率改善装置用開閉器３３を速やかに開き、同期機１２への電力供給を停止するように構成される。
【００９８】
このように瞬低発生時に速やかに同期機１２への電力供給を停止して同期機１２を停止することで瞬低後の電力復帰時の、同期機１２の同期はずれを未然に防止することにより、過電流による設備損傷の防止および同期機１２の異常振動を防止することが可能となる。
【００９９】
図１１は、本発明に係る力率改善装置の第十一実施形態である系統図である。なお、第十実施形態に示す力率改善装置１０１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１００】
第十一実施形態における力率改善装置１１１は、基本的に第十実施形態に示す力率改善装置１０１と同一の構成を有するが、同期機１２の上流側に設置された力率改善装置用の開閉器３３の上流側に設置された瞬低検出装置１０２が、瞬低検出時に制御信号によりＡＰＦＲ装置１３に対して再起動命令を出し、ＡＰＦＲ装置１３により同期機１２の再起動を行うように構成したものである。なお、瞬低検出装置１０２の設置位置については主系統における瞬低を検出可能な位置であれはよく、本実施例に限定するものではない。
【０１０１】
そして、第十一実施形態における力率改善装置１１１は、受電端３の主系統側に瞬低が発正した場合、この瞬低を瞬低検出装置１０２が検出し、予め設定された瞬低時間や電圧の低下量等を超えた場合に制御信号によりＡＰＦＲ装置１３は同期機１２の再起動を行う。このとき、瞬低検出装置１０２からの再起動命令を受けたＡＰＦＲ装置１３は同期機１２の界磁に対しての励磁を停止する。
【０１０２】
瞬低時問後に電力が復帰することにより同期機１２は始動時と同様に無負荷の誘導電動機として起動し同期速度・定格回転数に達した後同期機１２の界磁に対して直流の励磁を与えることにより同期機１２が復旧する。
【０１０３】
このように瞬低発生時に速やかにＡＰＦＲ装置１３が同期機１２に対して再起動を行うことにより、瞬低復帰時に位相のずれが生じている状況においては、励磁を切ることで同期機１２を誘導電動機として位相のずれの影響を受けることなく起動し、同期速度に達することが可能となる。そして、同期速度に達したのち励磁を与えることにより、始動時と同様に同期機１２を復旧することができる。
【０１０４】
以上により瞬低復旧時においても始動時と同様に同期はずれを起こすことなく同期機１２を復旧することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明に係る力率改善装置の第一実施形態を示す基本系統図。
【図２】本発明に係る力率改善装置の第二実施形態を示す系統図。
【図３】本発明に係る力率改善装置の第三実施形態を示す系統図。
【図４】本発明に係る力率改善装置の第四実施形態を示す系統図。
【図５】本発明に係る力率改善装置の第五実施形態を示す系統図。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明に係る力率改善装置の第六実施形態を示す系統図および制御回路図。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明に係る力率改善装置の第七実施形態を示す系統図および制御回路図。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明に係る力率改善装置の第八実施形態を示す系統図および制御回路図。
【図９】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明に係る力率改善装置の第九実施形態を示す系統図および制御回路図。
【図１０】本発明に係る力率改善装置の第十実施形態を示す系統図。
【図１１】本発明に係る力率改善装置の第十一実施形態を示す系統図。
【符号の説明】
【０１０６】
１ 負荷
２ 需要家
１１，２１，３２，４１，５１，６１，７１，８１，９１，１０１，１１１ 力率改善装置
１２ 回転界磁型同期機
１３ ＡＰＦＲ装置
１４ 遮断器
２２ 励磁変圧器
３２ 進相コンデンサ
３３ 開閉器
４３ フライホイール
５２ クラッチ装置
６２，８２，８３ 電流検出リレー（被力率改善回路の電流検出手段）
９２ プログラマブルタイマ
１０２ 瞬低検出装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力率改善装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、需要家における負荷力率改善装置においては、直列リアクトルを有する進相コンデンサが使用されている。このような力率改善装置としては、直列リアクトルとコンデンサを１セットとし最大容量分だけセットを準備し、負荷力率に応じて開閉器で並列接続する自動制御装置を備えた進相コンデンサ設備というものがある（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、この負荷力率改善に使用する例えば、高圧のコンデンサは、ＪＩＳ Ｃ ４９０２（１９９８）高圧および特別高圧進相コンデンサおよび付属機器として日本工業規格に定められ公知されている。同様に、低圧のコンデンサは、ＪＩＳ Ｃ ４９０１（２０００）低圧進相コンデンサとして日本工業規格に定められ知られている。
【０００４】
一方、需要家における負荷力率改善装置として、回転界磁型同期機を負荷と並列に接続して調相機として利用するロータリーコンデンサ方式および、ロータリーコンデンサとスタティックコンデンサとを組み合わせた方式もある。
【０００５】
ロータリーコンデンサおよびロータリーコンデンサとスタティックコンデンサとを組み合わせた力率改善装置は、高調波を出さない、力率を連続的に可変制御できる、そして遅れ力率から進み力率まで補償できるといった特性を有する。
【０００６】
従来ロータリーコンデンサは、電力供給側の系統電圧調整設備として利用されている。また水力発電機をロータリーコンデンサと同じ調相運転として利用している（例えば特許文献２参照）。
【０００７】
他方、主系統への落雷等の外乱により瞬低（瞬間的に電圧が低下）または瞬断（瞬間的な停電）が発生することがあり、電力・電子機器への悪影響が懸念されている。なお、瞬低において電圧の低下が著しい場合が瞬断に当たると考え、以降に述べる瞬低に関しては瞬断を含むものとする。
【０００８】
また、瞬低対策の一環として瞬低発生を検出するための瞬低検出装置がすでに市販されている。瞬低検出装置は予め設定した電力の低下量、瞬低時間を越える瞬低が発生した場合に高速で検出し、警報等の信号を出力するもので、事故の波及防止や瞬低復帰時の電源順次投入シーケンス等に用いられている。
【特許文献１】特開平１１−０４６４４５号公報
【特許文献２】特開平０５−０３８０５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した直列リアクトルとコンデンサを使用した進相コンデンサ設備においては、設備を段階的に切替えるため、連続的な力率調整ができなかった。
【００１０】
切替え段階を細かくすると、切替え制御が複雑になると共に、切替えのための開閉器の寿命が短くなる一方、切替え段階を大まかにすると、力率を１に近づけることが出来ないという課題があった。
【００１１】
また、進相コンデンサでは負荷側が遅れ力率の場合は調整できるが、進み力率の調整はできないことが課題であった。
【００１２】
一方、力率を改善しようとする店舗、事務所および工場などは夜間と昼間で負荷が大きく変化し、夜間特に深夜から早朝は低負荷になっている。そして、上述したロータリーコンデンサにより力率調整を行う場合、ロータリーコンデンサは回転機であるため、低負荷時でも、同期機の運転ロスが発生し、有効電力を消費する。
【００１３】
この場合力率改善による効果よりもロータリーコンデンサが運転していることの損失が大きいという問題があった。
【００１４】
他方、上述した力率改善装置において落雷等により主系統において瞬低が発生した場合にその瞬低時間（数ｍｓｅｃから数百ｍｓｅｃ）と瞬低発生時の需要家の負荷状況によっては電力復旧時に位相のずれが生じロータリーコンデンサが同期はずれを起こして設備に過電流が流れ設備の損傷に繋がる虞がある。
【００１５】
例えば、瞬断発生により主系統の電圧が低下（０になる）すると、需要家電圧も低下し、接続されたロータリーコンデンサへの電力供給も絶たれることになる。しかし、ロータリーコンデンサはその慣性力により電力供給が絶たれた後も回転を続けるため、ロータリーコンデンサは発電機として作用し、系統に対して電力を供給することになる。
【００１６】
また、ロータリーコンデンサは慣性力により回転しているため、その回転数は定格回転数に対して時間の経過と共に低下することになる。その結果、発生する電力は電圧・周波数も経過と共に低下し、位相のずれた定格外の電力となる。
【００１７】
このとき、瞬低時間経過後に電力が復帰することになるが、ロータリーコンデンサにより発生される電力との間に位相のずれが生じ、ロータリーコンデンサが同期はずれを起こすことが考えられる。
【００１８】
例えば、瞬断時間が短い場合（数ｍｓｅｃから数十ｍｓｅｃ程度）には瞬断時間における電圧の低下、位相のずれがそれほど大きくならない。その結果、瞬低時間経過後電力が復帰するとロータリーコンデンサがＡＰＦＲ装置により位相のずれを吸収し同期を回復することにより、電圧は定格電圧に戻る。また、電流についても復帰後に波形が乱れるが、こちらも徐々に安定していく。
【００１９】
しかし、瞬断時間が長かった場合（数百ｍｓｅｃ程度）には瞬断時間の間に電圧が大きく低下すると共に、位相も大きくずれる。その結果、瞬断時間経過後復帰してもＡＰＦＲ装置が追従できずに同期を取ることが出来なくなり、ロータリーコンデンサが同期はずれを生じ異常振動を発生する。電圧は徐々に定格電圧に戻るが、電流については安定することなく乱れ続けることになる。
【００２０】
なお、同期はずれが発生するか否かについては瞬低時間、低下量および需要家の負荷状態、すなわちロータリーコンデンサの力率改善装置としての負荷状態により決定され、瞬低時間が長く、低下率が大きく、需要家の負荷が大きくロータリーコンデンサの負荷が大きい場合に同期はずれが起こりやすくなる。
【００２１】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、連続的に力率制御を行い、力率を理想状態の１に近づけ、且つ進み力率も調整可能な力率改善装置を提供することを目的とする。
【００２２】
本発明の他の目的は、低負荷時には同期機を自動的に停止し、負荷が増すと自動的に同期機の運転を行う制御方式を採用した力率改善装置を提供するにある。
【００２３】
さらに、本発明の他の目的は、瞬低復帰後の同期機の同期はずれを防止し、過電流による設備の損傷を防止する力率改善装置を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明に係る力率改善装置は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、回転界磁型同期機と、この同期機の回転界磁に対して直流電力を供給することで上記同期機の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行うＡＰＦＲ装置と、上記同期機および上記ＡＰＦＲ装置を需要家負荷に入り切りする遮断器とを有するものである。
【００２５】
また、上述した課題を解決するために、請求項２に記載したように、上記ＡＰＦＲ装置への供給電圧を受電電圧から逓減する励磁変圧器を有するものである。
【００２６】
さらに、上述した課題を解決するために、請求項３に記載したように、直列リアクトルとコンデンサとを組み合わせた進相コンデンサと、この進相コンデンサを入り切りする開閉器と、この進相コンデンサ用開閉器を入り切りする制御信号を有するＡＰＦＲ装置と、上記同期機、上記ＡＰＦＲ装置および上記進相コンデンサを上記需要家負荷に入り切りする遮断器とを有するものである。
【００２７】
そして、上述した課題を解決するために、請求項４に記載したように、上記同期機の回転軸に直結したフライホイールを有するものである。
【００２８】
そしてまた、上述した課題を解決するために、請求項５に記載したように、上記同期機と上記フライホイールとの問に結合力を制御できる機能を持つクラッチ装置を有するものである。
【００２９】
また、上述した課題を解決するために、請求項６に記載したように、被力率改善回路の電流検出手段と、この電流検出手段で上記回転界磁型同期機を自動起動停止する制御回路を有するものである。
【００３０】
さらに、上述した課題を解決するために、請求項７に記載したように、上記流検出手段に限時特性をもたせたものである。
【００３１】
そして、上述した課題を解決するために、請求項８に記載したように、上記電流検出手段にヒステリシス特性をもたせたものである。
【００３２】
そしてまた、上述した課題を解決するために、請求項９に記載したように、運転時間帯を設定するプログラマブルタイマを備え、このプログラマブルタイマで上記回転界磁型同期機を自動起動停止する制御回路を有するものである。
【００３３】
また、上述した課題を解決するために、請求項１０に記載したように、瞬間的な電圧の低下発生時にこれを検出して上記回転界磁型同期機への電力供給を停止し、上記回転界磁型同期機を停止させるように構成したものである。
【００３４】
さらに、上述した課題を解決するために、請求項１１に記載したように、瞬間的な電圧の低下発生時にこれを検出して上記回転界磁型同期機の再起動を行うように構成したものである。
【発明の効果】
【００３５】
本発明に係る力率改善装置によれば、受電端の電力を力率１の理想状態に制御することが可能となる。また、連続的な力率制御も可能となる。さらに、系統側に瞬時電圧低下が発生しても、負荷電圧の瞬時低下を防ぐことが可能となる。
【００３６】
また、過大な起動電流および脱調による起動不可能な状態を回避することが出来る。さらに、電力の損失を防止でき、効率のよい力率改善を行う事ができる。さらにまた、検出電流付近での電流変化に対して、過度に同期機を入り切りすることが無く制御することができる。そして、瞬低後の電力復帰時の、同期機の同期はずれを未然に防止することができ、過電流による設備損傷の防止および同期機の異常振動を防止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】
【００３７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３８】
図１は、本発明に係る力率改善装置の第一実施形態である基本系統図である。図１に示すように、内部に複数の負荷１（負荷１〜負荷ｎ）を有する需要家２には外部の図示しない電源からの電力供給を受ける受電端３が設けられ、この受電端３から需要家２内に向かって主電力供給線４が延びる。主電力供給線４は途中に主遮断器４ａが設けられ、この主遮断器４ａの下流において主電力供給線４は複数の副電力供給線５に分岐して各負荷１に接続される。また、副電力供給線５の各負荷１上流側にはそれぞれ副遮断器５ａが設けられる。そして、複数ある副電力供給線５のうちの一本は需要家２外に導かれ、力率改善装置１１に接続される。
【００３９】
力率改善装置１１は、例えばロータリーコンデンサ（ＲＣ）等の回転界磁型同期機１２（以下同期機と略す）と、この同期機１２の回転界磁を、直流電力を付与し同期機１２の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行うＡＰＦＲ（力率制御）装置１３と、同期機１２およびＡＰＦＲ装置１３を需要家負荷１に入り切りする遮断器１４（電磁接触器）とから構成される。
【００４０】
需要家２外に導かれた副電力供給線５は同期機１２に接続されると共に、同期機１２の上流側に遮断器１４が設けられる。また、この遮断器１４と同期機１２との間にＡＰＦＲ装置１３が接続される。
【００４１】
上記構成の力率改善装置１１（第一実施形態）において、需要家２は負荷１〜負荷ｎ迄の負荷１を使用しており、この結果負荷力率が理想の負荷力率より遅れている状態である場合、本発明による力率改善装置１１の遮断器１４を投入すると、同期機１２は無負荷の同期電動機として起動し同期速度に達する。
【００４２】
遮断器１４の投入と同時にＡＰＦＲ装置１３は同期機１２の界磁に対して直流の励磁を与える。このときの励磁量はＡＰＦＲ装置１３に設定された力率に対し実負荷の力率でフィードバック制御を行い設定力率となるよう制御される。
【００４３】
このように、系統に無負荷状態の同期機１２を接続して界磁電流を増減することにより、同期機１２に流れる電流の力率を制御できる。すなわち需要家負荷１の力率が遅れ状態であれば同期機１２に流れる電流を進み状態とすることで、受電端３の電力は力率１の理想状態に制御することが可能となる。
【００４４】
また、負荷１が工場の電動機負荷のように作業により負荷状態が変わり、その結果として、受電端３の力率を変更してしまうような場合でも、本方式によればＡＰＦＲ装置１３のフィードバック制御がリアルタイムに追従し、段階制御では得ることができない連続的な力率制御が可能となる。
【００４５】
さらに、工場における夜間状態のように大きな動力負荷が停止し、コンデンサを有する電子機器の負荷が主体となり、力率が進んで逆方向に力率低下した場合でも、励磁を調整することで同期機１２を遅れ状態とし、受電端３の電力は力率１の理想状態に制御することが可能となる。
【００４６】
図２は、本発明に係る力率改善装置の第二実施形態である系統図である。なお、第一実施形態に示す力率改善装置１１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４７】
第二実施形態では、力率改善装置２１を高圧または特別高圧に接続した場合を示す。力率改善装置２１は、例えばロータリーコンデンサ（ＲＣ）等の同期機１２と、この同期機１２の回転界磁を、直流電力を付与し同期機１２の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行うＡＰＦＲ装置１３と、同期機１２およびＡＰＦＲ装置１３を需要家負荷１に入り切りする遮断器１４（電磁接触器）と、高圧または特別高圧を所定の電圧に逓減する励磁用変圧器２２とから構成されており、励磁用変圧器２２は遮断器１４と同期機１２との間に接続されるＡＰＦＲ装置１３の上流側に設けられる。また、各負荷１上流側の副電力供給線５にも他の励磁用変圧器２３が設けられる。但し、力率改善装置２１に向かって分岐する副電力供給線５はこの他の励磁用変圧器２３の上流側で分岐する。
【００４８】
上記構成の力率改善装置２１（第二実施形態）において、需要家２は負荷１〜負荷ｎ迄の負荷１を使用しており、この結果負荷力率が理想の負荷力率より遅れている状態である場合、本発明による力率改善装置２１の遮断器１４を投入すると、同期機１２は無負荷の同期電動機として起動し同期速度に達する。
【００４９】
遮断器１４の投入と同時にＡＰＦＲ装置１３は同期機１２の界磁に対して直流の励磁を与える。このときの励磁量はＡＰＦＲ装置１３に設定された力率に対し実負荷の力率でフィードバック制御を行い設定力率となるよう制御される。さらに、励磁用変圧器２２が高圧または特別高圧の電圧を励磁に必要な電圧に逓減する。
【００５０】
このように、系統に無負荷状態の同期機１２を接続して界磁電流を増減することにより、同期機１２に流れる電流の力率を制御でき、この力率改善装置２１も第一実施形態に示す力率改善装置１１と同様の効果を得ることが出来る。
【００５１】
図３は、本発明に係る力率改善装置の第三実施形態である系統図である。なお、第一実施形態に示す力率改善装置１１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５２】
第三実施形態では、力率改善装置３１は、例えばロータリーコンデンサ（ＲＣ）等の同期機１２と、この同期機１２の回転界磁を、直流電力を付与し同期機１２の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行い、且つ直列リアクトルとコンデンサとを組み合わせた進相コンデンサ３２を入り切りする開閉器３３の制御信号を有するＡＰＦＲ装置１３と、同期機１２およびＡＰＦＲ装置１３を需要家負荷１に入り切りする遮断器１４（電磁接触器）とから構成される。なお、進相コンデンサ３２の容量は同期機１２の進相容量と同じとする。
【００５３】
上記構成の力率改善装置３１（第三実施形態）において、需要家２は負荷１〜負荷ｎ迄の負荷１を使用しており、この結果負荷力率が理想の負荷力率より遅れている状態である場合、本発明による力率改善装置３１の遮断器１４を投入すると、同期機１２は無負荷の同期電動機として起動し同期速度に達する。
【００５４】
遮断器１４の投入と同時にＡＰＦＲ装置１３は同期機１２の界磁に対して直流の励磁を与える。このときの励磁量はＡＰＦＲ装置１３に設定された力率に対し実負荷の力率でフィードバック制御を行い設定力率となるよう制御される。さらに力率調整のため進相電力容量が不足する場合は進相コンデンサ３２用開閉器３３を投入し進相容量を増加する。そして、進相コンデンサ３２投入後同期機１２の電流が負荷１の変化により遅れ側になったら進相コンデンサ３２用の開閉器３３を開き同期機１２のみで進相電力を供給する。
【００５５】
このように、系統に無負荷状態の同期機１２を接続して界磁電流を増減することにより、同期機１２に流れる電流の力率を制御できる。すなわち、需要家負荷１の力率が遅れ状態であれば同期機１２に流れる電流を進み状態とすることで、受電端３の電力は力率１の理想状態に制御することが可能となる。
【００５６】
また、負荷１が工場の電動機負荷のように作業により負荷状態が変わり、その結果として、受電端３の力率を変更してしまうような場合でも、本方式によればＡＰＦＲ装置１３のフィードバック制御がリアルタイムに追従し、段階制御では得ることができない連続的な力率制御が可能となる。
【００５７】
さらに、工場における夜間状態のように大きな動力負荷が停止し、コンデンサを有する電子機器の負荷が主体となり、力率が進んで逆方向に力率低下した場合でも、励磁を調整することで同期機１２を遅れ状態とし、受電端３の電力は力率１の理想状態に制御することが可能となる。
【００５８】
さらにまた、進相コンデンサ３２とハイブリッド化使用することにより同期機１２の設備容量を下げることができ、同期機１２単独で設備する場合よりも設備費用で優れる。
【００５９】
ところで、上述した第三実施形態では、進相コンデンサ３２が１セットの場合を示したが、複数セット設備した場合、たとえばｎセット設備すると、同期機１２容量は全体必要容量の１／（ｎ＋１）となり、さらに設備費用面で有利となる。なお、進相コンデンサ３２の設置数が増すと切替え制御が複雑・高頻度となるので５セット以下が望ましい。
【００６０】
また、第三実施形態においても第二実施形態と同様に設備（高圧または特別高圧）することが可能であり、力率改善装置３１の接続点電圧は低圧、高圧および特別高圧を問わない。
【００６１】
図４は、本発明に係る力率改善装置の第四実施形態である系統図である。なお、第一実施形態に示す力率改善装置１１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６２】
第四実施形態では、力率改善装置４１は、例えばロータリーコンデンサ（ＲＣ）等の同期機１２と、この同期機１２の回転界磁を、直流電力を付与し同期機１２の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行うＡＰＦＲ装置１３と、同期機１２およびＡＰＦＲ装置１３を需要家負荷１に入り切りする遮断器１４（電磁接触器）と、同期機１２の回転軸４２に取り付けたフライホイール４３とから構成される。
【００６３】
上記構成の力率改善装置４１（第四実施形態）において、力率の調相に関する作用は、第一実施形態に示すものと同じである。ただし、同期機１２の回転軸４２に取り付けたフライホイール４３も常時同期速度で回転している。
【００６４】
そして、同期機１２回転軸４２上にフライホイール４３を取り付けたことにより、負荷１側で急激に大きな負荷が投入された場合や、系統側に落雷等による瞬時電圧低下が発生した場合、フライホイール４３の効果により負荷１側に瞬時電力を供給し、全体として負荷電圧の瞬時低下を防ぐことが可能となる。
【００６５】
この瞬時電圧低下補償動作により、近年急増している負荷としての、電子機器のメモリー（図示せず）の喪失や動作停止等を防止できる。
【００６６】
図５は、本発明に係る力率改善装置の第五実施形態である系統図である。なお、第四実施形態に示す力率改善装置４１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６７】
第五実施形態では、力率改善装置５１は、第四実施形態に示す力率改善装置４１の同期機１２とフライホイール４３の問に結合力を調整できる例えばパウダークラッチ等のクラッチ装置５２を設けたものである。
【００６８】
上記構成の力率改善装置５１（第五実施形態）において、力率の調相に関する作用は、第一実施形態に示すものと同じである。また、遮断器１４を投入して起動するとき、クラッチ装置５２は解放状態とし、同期機１２は無負荷で起動される。
【００６９】
同期機１２が同期速度に到達後、徐々にクラッチ装置５２の結合力が増加され、同期機１２が脱調しないようにフライホイール４３を同期機１２に結合される。そして、フライホイール４３も同期速度に到達すると完全に結合状態とされる。
【００７０】
上記構成の力率改善装置５１（第五実施形態）において、力率の調相および瞬時電圧低下に関する作用は、第四実施形態に示すものと同じである。また、起動時にフライホイール４３を除外し無負荷で起動することから、過大な起動電流および脱調による起動不可能な状態を回避することが出来る。
【００７１】
図６（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る力率改善装置の第六実施形態である系統図および制御回路図である。なお、第一実施形態に示す力率改善装置１１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００７２】
第六実施形態における力率改善装置６１は、例えばロータリーコンデンサ（ＲＣ）等の同期機１２と、この同期機１２の回転界磁を、直流電力を付与し同期機１２の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行うＡＰＦＲ装置１３と、同期機１２およびＡＰＦＲ装置１３を需要家負荷１に入り切りする遮断器１４（電磁接触器）とから構成される。また、主電力供給線４の主遮断器４ａ下流とＡＰＦＲ装置１３との間には力率を改善するフィーダーの電流が設定値以上になったら動作する、被力率改善回路の電流検出手段である電流検出リレー６２が設けられる。
【００７３】
上記構成の力率改善装置６１の制御方式（第六実施形態）において、力率改善装置の起動は、手動スイッチを入れて力率改善対象である負荷１〜負荷ｎ迄の合計電流が電流検出リレー６２の設定値以上になると、電流検出リレー６２の接点６２ａが動作し、同期機１２は回転を始める。
【００７４】
また、夜間等負荷電流が低下し、電流検出リレー６２が復帰すると、電流検出リレー６２の接点６２ａは復帰し、同期機１２は停止する。
【００７５】
このように負荷電流を検出して、負荷電流が小さい時は同期機１２を自動停止する制御方式を採用することにより、電力の損失を防止でき、効率のよい力率改善を行う事ができる。
【００７６】
図７（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る力率改善装置の第七実施形態である系統図および制御回路図である。なお、第六実施形態に示す力率改善装置６１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００７７】
第七実施形態における力率改善装置７１は、例えばロータリーコンデンサ（ＲＣ）等の同期機１２と、この同期機１２の回転界磁を、直流電力を付与し同期機１２の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行うＡＰＦＲ装置１３と、同期機１２およびＡＰＦＲ装置１３を需要家負荷１に入り切りする遮断器１４（電磁接触器）とから構成される。また、主電力供給線４の主遮断器４ａ下流とＡＰＦＲ装置１３との間には力率を改善するフィーダーの電流が設定値以上になったら動作する電流検出リレー６２が設けられると共に、手動の起動および停止スイッチの条件で動作する補助リレー７２および限時動作リレー７３と限時復帰動作リレー７４とから遮断器１４を操作する制御回路を構成する。
【００７８】
上記構成の力率改善装置７１の制御方式（第七実施形態）において、力率改善装置の起動は、手動スイッチを入れて力率改善対象である負荷１〜負荷ｎ迄の合計電流が電流検出リレー６２の設定値以上になると、電流検出リレー６２の接点６２ａが動作し限時動作リレー７３と限時復帰動作リレー７４とを同時に励磁する。
【００７９】
限時復帰リレーの接点６２ａは瞬時に動作するが、限時動作リレー７３の接点と直列に接続されて遮断器１４を駆動するので、同期機１２は設定時間経過後回転を始める。
【００８０】
また、夜間等負荷電流が低下し電流検出リレー６２が復帰すると、限時復帰リレーにより、同期機１２は設定時間経過後停止する。
【００８１】
このように負荷電流を検出して、負荷電流が小さい時は同期機１２を自動停止する制御方式を採用することにより、電力の損失を防止でき、効率のよい力率改善を行う事ができる。
【００８２】
また、本実施例のように電流検出リレー６２の動作および復帰に限時特性を与えることにより、検出電流付近での電流変化に対して、過度に同期機１２を入り切りすることが無く制御することができる。
【００８３】
図８（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る力率改善装置の第八実施形態である系統図および制御回路図である。なお、第六実施形態に示す力率改善装置６１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００８４】
第八実施形態における力率改善装置８１は、基本的に第六実施形態に示す力率改善装置６１と同一の構成を有するが、第六実施形態の力率改善装置６１が一つの電流検出リレー６２を有することに対し、第八実施形態の力率改善装置８１は設定値の異なる２つの電流検出リレー８２，８３を備える。また、上流側に配置される電流検出リレー８２の設定値は下流側に配置される電流検出リレー８３の設定値より大きく設定される。
【００８５】
上記構成の力率改善装置８１の制御方式（第八実施形態）において、力率改善装置８１の起動は、手動スイッチを入れて力率改善対象である負荷１〜負荷ｎ迄の合計電流が下流側電流検出リレー８３の設定値以上になると、下流側電流検出リレー８３の接点８３ａが動作する。このとき上流側電流検出リレー８２の接点８２ａは既に動作しており、同期機１２は回転を始める。
【００８６】
また、夜間等負荷１電流が低下し下流側電流検出リレー８３が復帰したとき、上流側電流検出リレー８２の接点８２ａは既に復帰しており、同期機１２は停止する。
【００８７】
このように負荷電流を検出して、負荷電流が小さい時は同期機１２を自動停止する制御方式を採用することにより、電力の損失を防止でき、効率のよい力率改善を行う事ができる。
【００８８】
また、本実施例のように電流検出リレー８２，８３の動作および復帰にヒステリシス特性を与えることにより、検出電流付近での電流変化に対して、チャタリングにより過度に同期機１２を入り切りすることが無く制御することができる。
【００８９】
図９（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る力率改善装置の第九実施形態である系統図および制御回路図である。なお、第六実施形態に示す力率改善装置６１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００９０】
第九実施形態における力率改善装置９１は、基本的に第六実施形態に示す力率改善装置６１と同一の構成を有するが、第六実施形態の力率改善装置６１が電流検出リレー６２を有することに対し、第九実施形態の力率改善装置９１は、同期機１２を運転する時間を設定するプログラマブルタイマ９２を主回路に備える。
【００９１】
このプログラマブルタイマ９２は、デイリータイマまたはウイークリータイマと呼ばれている物で、負荷１の増減が時間によって決定されている工場設備などの時間にあわせて同期機１２の運転時間帯が設定される。
【００９２】
上記構成の力率改善装置９１の制御方式（第九実施形態）において、力率改善装置の起動は、手動スイッチを入れて力率改善対象である負荷１〜負荷ｎの負荷１が増加する時間になると運転を開始し、負荷１が低下する夜間には同期機１２の運転を停止する。
【００９３】
このように負荷１が増える時間帯を設定して運転し、負荷１が小さい時間帯は同期機１２を自動停止することにより、電力の損失を防止でき、効率のよい力率改善を行う事ができる。
【００９４】
なお、上述した第六〜第八実施形態に適用した負荷電流検出方式の応用例として、本願発明は負荷電力検出方式とすることも可能であると共に、制御をデジタル化、ソフト化することも含まれる。また、第六〜第八実施形態に適用した負荷１の実電流検出方式と、第九実施形態に適用した運転時間帯を設定するタイマとを組み合わせることも本発明に含まれる。
【００９５】
図１０は、本発明に係る力率改善装置の第十実施形態である系統図である。なお、第一実施形態に示す力率改善装置１１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００９６】
第十実施形態における力率改善装置１０１は、基本的に第一実施形態に示す力率改善装置１１と同一の構成を有するが、同期機１２の上流側に設置された力率改善装置用の開閉器３３の上流側に瞬低（瞬間的な電圧の低下）検出装置１０２を設置し、この瞬低検出装置１０２が瞬低検出時に制御信号により力率改善装置用の開閉器３３を開くように構成したものである。なお、瞬低検出装置１０２の設置位置については主系統における瞬低を検出可能な位置であれはよく、本実施例に限定するものではない。
【００９７】
そして、第十実施形態における力率改善装置１０１は、受電端３の主系統側に瞬低が発生した場合、この瞬低を瞬低検出装置１０２が検出し、予め設定された瞬低時間や電圧の低下量等を超えた場合に制御信号により力率改善装置用開閉器３３を速やかに開き、同期機１２への電力供給を停止するように構成される。
【００９８】
このように瞬低発生時に速やかに同期機１２への電力供給を停止して同期機１２を停止することで瞬低後の電力復帰時の、同期機１２の同期はずれを未然に防止することにより、過電流による設備損傷の防止および同期機１２の異常振動を防止することが可能となる。
【００９９】
図１１は、本発明に係る力率改善装置の第十一実施形態である系統図である。なお、第十実施形態に示す力率改善装置１０１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１００】
第十一実施形態における力率改善装置１１１は、基本的に第十実施形態に示す力率改善装置１０１と同一の構成を有するが、同期機１２の上流側に設置された力率改善装置用の開閉器３３の上流側に設置された瞬低検出装置１０２が、瞬低検出時に制御信号によりＡＰＦＲ装置１３に対して再起動命令を出し、ＡＰＦＲ装置１３により同期機１２の再起動を行うように構成したものである。なお、瞬低検出装置１０２の設置位置については主系統における瞬低を検出可能な位置であれはよく、本実施例に限定するものではない。
【０１０１】
そして、第十一実施形態における力率改善装置１１１は、受電端３の主系統側に瞬低が発正した場合、この瞬低を瞬低検出装置１０２が検出し、予め設定された瞬低時間や電圧の低下量等を超えた場合に制御信号によりＡＰＦＲ装置１３は同期機１２の再起動を行う。このとき、瞬低検出装置１０２からの再起動命令を受けたＡＰＦＲ装置１３は同期機１２の界磁に対しての励磁を停止する。
【０１０２】
瞬低時問後に電力が復帰することにより同期機１２は始動時と同様に無負荷の誘導電動機として起動し同期速度・定格回転数に達した後同期機１２の界磁に対して直流の励磁を与えることにより同期機１２が復旧する。
【０１０３】
このように瞬低発生時に速やかにＡＰＦＲ装置１３が同期機１２に対して再起動を行うことにより、瞬低復帰時に位相のずれが生じている状況においては、励磁を切ることで同期機１２を誘導電動機として位相のずれの影響を受けることなく起動し、同期速度に達することが可能となる。そして、同期速度に達したのち励磁を与えることにより、始動時と同様に同期機１２を復旧することができる。
【０１０４】
以上により瞬低復旧時においても始動時と同様に同期はずれを起こすことなく同期機１２を復旧することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明に係る力率改善装置の第一実施形態を示す基本系統図。
【図２】本発明に係る力率改善装置の第二実施形態を示す系統図。
【図３】本発明に係る力率改善装置の第三実施形態を示す系統図。
【図４】本発明に係る力率改善装置の第四実施形態を示す系統図。
【図５】本発明に係る力率改善装置の第五実施形態を示す系統図。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明に係る力率改善装置の第六実施形態を示す系統図および制御回路図。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明に係る力率改善装置の第七実施形態を示す系統図および制御回路図。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明に係る力率改善装置の第八実施形態を示す系統図および制御回路図。
【図９】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明に係る力率改善装置の第九実施形態を示す系統図および制御回路図。
【図１０】本発明に係る力率改善装置の第十実施形態を示す系統図。
【図１１】本発明に係る力率改善装置の第十一実施形態を示す系統図。
【符号の説明】
【０１０６】
１ 負荷
２ 需要家
１１，２１，３２，４１，５１，６１，７１，８１，９１，１０１，１１１ 力率改善装置
１２ 回転界磁型同期機
１３ ＡＰＦＲ装置
１４ 遮断器
２２ 励磁変圧器
３２ 進相コンデンサ
３３ 開閉器
４３ フライホイール
５２ クラッチ装置
６２，８２，８３ 電流検出リレー（被力率改善回路の電流検出手段）
９２ プログラマブルタイマ
１０２ 瞬低検出装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転界磁型同期機と、この同期機の回転界磁に対して直流電力を供給することで上記同期機の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行うＡＰＦＲ装置と、上記同期機および上記ＡＰＦＲ装置を需要家負荷に入り切りする遮断器とを有することを特徴とする力率改善装置。
【請求項２】
上記ＡＰＦＲ装置への供給電圧を受電電圧から逓減する励磁変圧器を有する請求項１記載の力率改善装置。
【請求項３】
直列リアクトルとコンデンサとを組み合わせた進相コンデンサと、この進相コンデンサを入り切りする開閉器と、この進相コンデンサ用開閉器を入り切りする制御信号を有するＡＰＦＲ装置と、上記同期機、上記ＡＰＦＲ装置および上記進相コンデンサを上記需要家負荷に入り切りする遮断器とを有する請求項１または２記載の力率改善装置。
【請求項４】
上記同期機の回転軸に直結したフライホイールを有する請求項１、２または３記載の力率改善装置。
【請求項５】
上記同期機と上記フライホイールとの問に結合力を制御できる機能を持つクラッチ装置を有する請求項４記載の力率改善装置。
【請求項６】
被力率改善回路の電流検出手段と、この電流検出手段で上記回転界磁型同期機を自動起動停止する制御回路を有する請求項１〜５のいずれかに記載の力率改善装置。
【請求項７】
上記電流検出手段に限時特性をもたせた請求項６記載の力率改善装置。
【請求項８】
上記電流検出手段にヒステリシス特性をもたせた請求項６または７記載の力率改善装置。
【請求項９】
運転時間帯を設定するプログラマブルタイマを備え、このプログラマブルタイマで上記回転界磁型同期機を自動起動停止する制御回路を有する請求項８記載の力率改善装置。
【請求項１０】
瞬間的な電圧の低下発生時にこれを検出して上記回転界磁型同期機への電力供給を停止し、上記回転界磁型同期機を停止させるように構成した請求項１〜９のいずれかに記載の力率改善装置。
【請求項１１】
瞬間的な電圧の低下発生時にこれを検出して上記回転界磁型同期機の再起動を行うように構成した１〜９のいずれかに記載の力率改善装置。
【請求項１】
回転界磁型同期機と、この同期機の回転界磁に対して直流電力を供給することで上記同期機の力率を設定力率に自動的に保つ制御を行うＡＰＦＲ装置と、上記同期機および上記ＡＰＦＲ装置を需要家負荷に入り切りする遮断器とを有することを特徴とする力率改善装置。
【請求項２】
上記ＡＰＦＲ装置への供給電圧を受電電圧から逓減する励磁変圧器を有する請求項１記載の力率改善装置。
【請求項３】
直列リアクトルとコンデンサとを組み合わせた進相コンデンサと、この進相コンデンサを入り切りする開閉器と、この進相コンデンサ用開閉器を入り切りする制御信号を有するＡＰＦＲ装置と、上記同期機、上記ＡＰＦＲ装置および上記進相コンデンサを上記需要家負荷に入り切りする遮断器とを有する請求項１または２記載の力率改善装置。
【請求項４】
上記同期機の回転軸に直結したフライホイールを有する請求項１、２または３記載の力率改善装置。
【請求項５】
上記同期機と上記フライホイールとの問に結合力を制御できる機能を持つクラッチ装置を有する請求項４記載の力率改善装置。
【請求項６】
被力率改善回路の電流検出手段と、この電流検出手段で上記回転界磁型同期機を自動起動停止する制御回路を有する請求項１〜５のいずれかに記載の力率改善装置。
【請求項７】
上記電流検出手段に限時特性をもたせた請求項６記載の力率改善装置。
【請求項８】
上記電流検出手段にヒステリシス特性をもたせた請求項６または７記載の力率改善装置。
【請求項９】
運転時間帯を設定するプログラマブルタイマを備え、このプログラマブルタイマで上記回転界磁型同期機を自動起動停止する制御回路を有する請求項８記載の力率改善装置。
【請求項１０】
瞬間的な電圧の低下発生時にこれを検出して上記回転界磁型同期機への電力供給を停止し、上記回転界磁型同期機を停止させるように構成した請求項１〜９のいずれかに記載の力率改善装置。
【請求項１１】
瞬間的な電圧の低下発生時にこれを検出して上記回転界磁型同期機の再起動を行うように構成した１〜９のいずれかに記載の力率改善装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２１９２５６（Ｐ２００９−２１９２５６Ａ）
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６０５７９（Ｐ２００８−６０５７９）
【出願日】平成２０年３月１１日（２００８．３．１１）
【出願人】（３９００１４５６８）東芝プラントシステム株式会社 (273)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１１日（２００８．３．１１）
【出願人】（３９００１４５６８）東芝プラントシステム株式会社 (273)
【Ｆターム（参考）】
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