JP2010016990A - 電力供給システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三相交流電力を供給する電源装置から、三相交流電力と単相交流電力とを同時に取り出しつつ、電圧不平衡率の上昇を抑制可能な電力供給システムを提供する。
【解決手段】電力供給システムは、三相交流電力を出力する電源２と、電源２の何れかの相の端子に接続され、その端子から単相交流電力を取り出す複数の単相出力用電源線（１０−１、１０−２、・・・、１０−ｎ）と、複数の単相出力用電源線のそれぞれに設けられ、対応する単相出力用電源線を接続または切断する複数の開閉器（６−１、６−２、・・・、６−ｎ）と、電源２の少なくとも２相間の線間電圧を測定する電圧計７と、測定された線間電圧から電圧不平衡率を算出し、その電圧不平衡率が所定の閾値以上になると、複数の開閉器（６−１、６−２、・・・、６−ｎ）のうちの少なくとも一つの開閉器を開放して、その開閉器に対応する単相出力用電源線を切断するコントローラ８とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力供給システム及びその制御方法に関する。より詳しくは、三相交流電源から三相出力と単相出力を取り出すことが可能な電力供給システム及びその制御方法に関する。

従来より、店舗、家庭、工事現場などにおいて小規模な自家用発電装置が利用されている。このような自家用発電装置では、発電機として三相交流発電機が使用される。しかし、自家用発電装置から供給される電力により動作させたい機器には、三相交流電力を入力とするものだけでなく、単相交流電力を入力とするものもある。そこで、三相交流発電機から、三相出力と単相出力を同時に取り出せるようにした発電機が開発されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００２−４４８５９号公報

しかし、特許文献１に記載された発電機では、単相出力と三相出力のそれぞれに掛かる負荷が変動し、特に、単相出力に掛かる負荷が著しく増加すると、場合によっては電圧不平衡率が高くなり、係る発電機から電力供給される機器の故障の原因となるおそれがあった。

上記の問題点に鑑み、本発明の目的は、三相交流電力を供給する電源装置から、三相交流電力と単相交流電力とを同時に取り出しつつ、電圧不平衡率の上昇を抑制可能な電力供給システム及びその制御方法を提供することにある。

請求項１に記載の形態によれば、本発明の一つの実施形態に係る電力供給システムが提供される。係る電力供給システムは、三相交流電力を出力する電源（２）と、電源（２）の何れかの相の端子に接続され、その端子から単相交流電力を取り出す複数の単相出力用電源線（１０−１、１０−２、・・・、１０−ｎ）と、複数の単相出力用電源線のそれぞれに設けられ、対応する単相出力用電源線を接続または切断する複数の開閉器（６−１、６−２、・・・、６−ｎ）と、電源（２）の少なくとも２相間の線間電圧を測定する電圧計（７）と、電圧計（７）により測定された線間電圧から電圧不平衡率を算出し、その電圧不平衡率が所定の閾値以上になると、複数の開閉器（６−１、６−２、・・・、６−ｎ）のうちの少なくとも一つの開閉器を開放して、その開閉器に対応する単相出力用電源線を切断するコントローラ（８）とを有する。
係る構成により、本発明に係る電力供給システムは、電圧不平衡率が上昇すると、単相交流出力側の負荷を強制的に抑制することができるので、三相負荷と単相負荷のバランスをとることができる。そのため、本発明に係る電力供給システムは、三相交流電力を供給する電源装置から、三相交流電力と単相交流電力とを同時に取り出しつつ、電圧不平衡率の上昇を抑制することができる。その結果、係る電力供給システムから電力供給を受ける機器の故障を防止することができる。

また請求項２の記載によれば、コントローラ（８）は、電圧不平衡率が大きくなるにしたがって、複数の開閉器（６−１、６−２、・・・、６−ｎ）のうち開放される開閉器の数が多くなるように、複数の開閉器（６−１、６−２、・・・、６−ｎ）を制御することが好ましい。

さらに請求項３の記載によれば、電源（２）に接続され、電源（２）から出力される三相交流電力の電力消費量を一定に保つ三相負荷装置（１２）をさらに有することが好ましい。
このような三相負荷装置を有することにより、係る電力供給システムは、三相負荷側の電力消費量が急激に変化することを防止できるので、単相負荷と三相負荷のバランスが急激にくずれて電圧不平衡率が上昇することを防止できる。

また本発明の請求項４の記載によれば、本発明の他の形態に係る、三相交流電力を出力する電源（２）と、電源（２）の何れかの相の端子に接続され、その端子から単相交流電力を取り出す複数の単相出力用電源線（１０−１、１０−２、・・・、１０−ｎ）と、複数の単相出力用電源線のそれぞれに設けられ、対応する単相出力用電源線を接続または切断する複数の開閉器（６−１、６−２、・・・、６−ｎ）と、電源（２）の少なくとも２相間の線間電圧を測定する電圧計（７）とを有する電力供給システムの制御方法が提供される。係る制御方法は、電圧計により測定された線間電圧から電圧不平衡率を算出するステップと、電圧不平衡率が所定の閾値以上になると、複数の開閉器のうち少なくとも一つの開閉器を開放して、その開閉器に対応する単相出力用電源線を切断するステップとを有する。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、図面を参照しつつ本発明の一つの実施形態に係る電力供給システムについて詳細に説明する。係る電力供給システムは、三相交流電源から三相交流出力と単相交流出力とを同時に取り出しつつ、電圧不平衡率を算出し、その電圧不平衡率が大きくなると、単相交流出力に接続可能な機器を制限して、その電圧不平衡率の上昇を抑制するものである。

図１に、本発明の実施形態に係る電力供給システム１の概略構成図を示す。電力供給システム１は、三相交流電源装置２と、トランス３と、ブレーカ４及び５と、複数の開閉器６−１、６−２、・・・、６−ｎ（ｎは自然数）と、電圧計７と、コントローラ８とを有する。

三相交流電源装置２は、三相交流電力を供給する電源装置であり、例えば三相交流発電機を有する。そして三相交流電源装置２は、三相３線式により、三相交流電力（例えば、各線間電圧２００Ｖの交流電力）を供給する。なお、三相交流電源装置２は、別個に設けられた三相交流発電機から供給された三相交流電力を中継して、スター結線、デルタ結線など公知の回路により三相交流電力を出力するものであってもよい。

ブレーカ４は、三相交流電源装置２のu相、v相、w相の各相に接続された各電源線に設けられ、漏電や過負荷が生じたときにそれら電源線を開放し、三相交流電源装置２から出力される三相交流電力を遮断する。そして、ブレーカ４の各相の出力側端子には、三相交流電力を入力とする少なくとも一つの三相負荷装置１２（例えば、空調装置、ポンプなど）が接続される。また、ブレーカ４の出力側端子のうち、u相、v相、w相のうちの何れか２相に対応する端子から、単相出力用電源線９が分岐される。単相出力用電源線９はトランス３に接続される。そして単相出力用電源線９はu相、v相、w相のうちの何れか２相間の単相交流電力をトランス３へ伝達する。本実施形態では、単相出力用電源線９はu相とw相に対応する端子に接続され、u相とw相間の線間電圧を単相交流出力として取り出す。

トランス３は、三相交流電源装置２から取り出された単相交流電力の電圧を所定の電圧（例えば、１００Ｖ）に変換して出力する。そして、トランス３の出力側端子には、ブレーカ５が接続される。ブレーカ５は、漏電や過負荷が生じたときにトランス３から出力される交流電力を遮断する。さらに、ブレーカ５の出力側端子には、トランス３から出力された所定電圧の交流電力を単相負荷装置（例えば、電灯、コンピュータ、オーディオ機器、電話機、冷蔵庫など）に供給するための単相出力用電源線１０が接続される。さらに、単相出力用電源線１０は、ｎ本（ｎは２以上の自然数）の電源線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｎに分岐され、それぞれに単相負荷装置１１−１、１１−２、・・・、１１−ｎが接続可能となっている。
各電源線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｎには、それぞれ開閉器６−１、６−２、・・・、６−ｎが設置され、それら開閉器は、コントローラ７からの制御信号に応じて開閉し、各電源線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｎを接続または切断する。

電圧計７は、三相交流電源装置２から出力される各相間の線間電圧を逐次測定し、その測定値をコントローラ８へ送信する。
コントローラ８は、ＣＰＵなどの演算ユニットと、ＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリと、通信インターフェースと、その周辺回路を有し、演算ユニット上で動作するプログラムにしたがって電力供給システム１の各部を制御する。
特に、コントローラ８は、三相交流電源装置２、電圧計７及び各開閉器６−１、６−２、・・・、６−ｎと通信可能に接続される。そしてコントローラ８は、電圧計７から各相間の線間電圧の測定値を受信し、その測定値に基づいて、各開閉器に対して開閉を指示する制御信号を送信する。またコントローラ８は、電力供給システム１から電力供給される単相負荷装置などが故障を発生しそうな場合等の異常時には、三相交流電源装置２を停止させる。

ここで、コントローラ８は、各開閉器を開放するか否かを決定するための基準として、三相交流電源装置２から出力される三相交流電力の電圧不平衡率を用いる。電圧不平衡率が高くなり、各相の電圧や相間の位相差が均等でなくなると、電力供給システム１から電力供給を受ける三相負荷装置または単相負荷装置が故障する可能性が高くなるためである。
また、特に電力供給システム１に接続される単相負荷装置が増え、電力供給システム１に掛かる単相負荷と三相負荷のバランスがくずれると、電圧不平衡率が大きくなる。そこで、コントローラ８は、電圧不平衡率が大きくなるにつれて、開閉器６−１、６−２、・・・、６−ｎのうち、開放される開閉器の数が多くなるように各開閉器を制御して、強制的に単相負荷を減らす。これにより、コントローラ８は、電圧不平衡率の上昇を抑制する。

コントローラ８は、下記の式に基づいて電圧不平衡率ｋを算出する。

ここで、E₁、E₂は、それぞれ正相電圧、逆相電圧である。また、E_uv、E_vw、E_wuは、それぞれ、u相−v相間、v相−w相間、w相−u相間の線間電圧である。
あるいは、コントローラ８は、上記（１）式の代わりに、下記の式を用いて近似的に電圧不平衡率ｋを算出してもよい。

ただし、関数max(a,b,c)は、変数a、b、cのうち、最大値を出力する関数であり、関数ave(a,b,c)は、変数a、b、cの平均値を出力する関数である。
さらにまた、コントローラ８は、上記（２）式において、関数max()及び関数ave()の入力変数を、単相交流出力を取り出す２相間の線間電圧（本実施形態では、E_wu）と、それ以外の何れか一方の線間電圧の二つとしてもよい。この場合には、電圧計７は、電圧不平衡率の算出に利用する二つの線間電圧だけを測定すればよい。

図２に、コントローラ８による各開閉器の制御動作のフローチャートを示す。
コントローラ８は、電圧計７から各線間電圧の測定値を受信すると、電圧不平衡率ｋを算出する（ステップＳ１０１）。次に、コントローラ８は、電圧不平衡率ｋが第１の閾値Th1以上か否か判定する（ステップＳ１０２）。第１の閾値Th1は、負荷機器によってはその電圧不平衡によって悪影響が生じる可能性がある値であり、例えば、１％に設定される。そしてステップＳ１０２において、電圧不平衡率ｋが第１の閾値Th1以上の場合、コントローラ８は、各電源線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｎのうち、最も電圧不平衡に敏感な機器を接続するための少なくとも一つの電源線上に設けられた開閉器を開放する（ステップＳ１０３）。一方、電圧不平衡率ｋが第１の閾値Th1未満の場合、コントローラ８は、全ての開閉器を閉じ、何れの電源線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｎからも単相交流出力を取り出せるようにする（ステップＳ１０８）。その後、コントローラ８は、処理を終了する。

ステップＳ１０３の後、コントローラ８は、電圧不平衡率ｋが第２の閾値Th2以上か否か判定する（ステップＳ１０４）。第２の閾値Th2は、第１の閾値Th1よりも大きな値であり、例えば、３％に設定される。そして電圧不平衡率ｋが第２の閾値Th2未満の場合、コントローラ８は、処理を終了する。一方、ステップＳ１０４において、電圧不平衡率ｋが第２の閾値Th2以上の場合、コントローラ８は、ステップＳ１０３で切断されなかった電源線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｎのうち、少なくとも一つの電源線上に設けられた開閉器を開放する（ステップＳ１０５）。

その後、コントローラ８は、電圧不平衡率ｋが第３の閾値Th3以上か否か判定する（ステップＳ１０６）。第３の閾値Th3は、第２の閾値Th2よりも大きな値であり、また、これ以上電圧不平衡率が高くなると、電力供給システム１に接続される負荷装置が故障する可能性が高くなる限界値、例えば、５％に設定される。そして電圧不平衡率ｋが第３の閾値Th3未満の場合、コントローラ８は、処理を終了する。一方、ステップＳ１０６において、電圧不平衡率ｋが第３の閾値Th3以上の場合、コントローラ８は、三相交流電源装置２を停止して、電力供給を停止する（ステップＳ１０７）。なお、ステップＳ１０７において三相交流電源装置２が停止した後は、操作部（図示せず）を介した手動操作により、三相交流電源装置２を復旧して、電力供給を再開するようにしてもよい。
コントローラ８は、電力供給システム１が動作している間、上記のステップＳ１０１〜Ｓ１０８の処理を繰り返す。

なお、コントローラ８は、上記の手順とは異なる手順により、各開閉器の開閉を決定してもよい。例えば、コントローラ８は、各開閉器の開放順序を定めた参照テーブルを記憶しておく。そしてコントローラ８は、電圧不平衡率ｋが所定の閾値（例えば、上記の閾値Th1）を超えると、参照テーブルを参照して、開放順序の最も高い開閉器を開放する。その後、コントローラ８は、電圧不平衡率が所定値（例えば、0.05％）上昇する度に、または、電圧不平衡率が所定値以下になるまで、参照テーブルに記載された開放順序にしたがって開閉器を順次開放していくようにしてもよい。
さらに別の制御手順として、各電源線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｎを流れる電流を電流計により測定する。そしてコントローラ８は、参照テーブルにより定められた開放順序の代わりに、各電源線に流れる電流値が最も高い方から順に、対応する開閉器を開放するようにしてもよい。

以上説明してきたように、本発明に係る電力供給システムは、三相交流電源装置から三相交流電力だけでなく、単相交流電力も供給する。そして係る電力供給システムは、三相交流電源装置から出力される三相交流電力の電圧不平衡率を逐次算出し、電圧不平衡率が大きくなるほど、単相負荷装置へ電力供給する複数の電源線に設けられた開閉器のうち、開放される開閉器の数を多くして、強制的に単相負荷を減らす。これにより、係る電力供給システムは、電圧不平衡率の上昇を抑制して、電力供給システムに接続される負荷装置の故障を防止することができる。

なお、上述してきた実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。例えば、三相交流電源装置は、三相４線式により、三相交流電力を供給するものであってもよい。この場合、単相交流電力を、u相、v相、w相の各相の何れかと零相間で取り出すようにしてもよい。
また、三相負荷装置１２の一つとして、三相交流電力の消費量を一定に保つ装置を接続してもよい。この装置は、例えば、ブレーカ４の出力側端子に接続され、三相負荷装置に三相交流電力を伝達する三相出力用電源線を流れる電流値を測定する電流計と、可変抵抗器と、制御回路とを有する。そして制御回路は、電流計により測定された電流値が一定となるように、可変抵抗器の抵抗値を調節することで、三相交流電力の消費量を一定に保つ。このような装置を三相出力用電源線に接続することにより、電力供給システムは、三相負荷側の電力消費量が急激に変化することを防止できるので、単相負荷と三相負荷のバランスが急激にくずれて電圧不平衡率が上昇することを防止できる。

以上のように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。

本発明の実施形態に係る電力供給システムの概略構成図である。 各開閉器の制御動作のフローチャートである。

符号の説明

１ 電力供給システム
２ 三相交流電源装置
３ トランス
４、５ ブレーカ
６−１、６−２、・・・、６−ｎ 開閉器
７ 電圧計
８ コントローラ
９、１０、１０−１、１０−２、・・・、１０−ｎ 単相出力用電源線
１２ 三相負荷装置

Claims (4)

1. 三相交流電力を出力する電源（２）と、
   前記電源（２）の何れかの相の端子に接続され、当該端子から単相交流電力を取り出す複数の単相出力用電源線（１０−１、１０−２、・・・、１０−ｎ）と、
   前記複数の単相出力用電源線のそれぞれに設けられ、対応する単相出力用電源線を接続または切断する複数の開閉器（６−１、６−２、・・・、６−ｎ）と、
   前記電源（２）の少なくとも２相間の線間電圧を測定する電圧計（７）と、
   前記電圧計（７）により測定された前記線間電圧から電圧不平衡率を算出し、該電圧不平衡率が所定の閾値以上になると、前記複数の開閉器（６−１、６−２、・・・、６−ｎ）のうちの少なくとも一つの開閉器を開放して、当該開閉器に対応する前記単相出力用電源線を切断するコントローラ（８）と、
   を有することを特徴とする電力供給システム。
2. 前記コントローラ（８）は、前記電圧不平衡率が大きくなるにしたがって、前記複数の開閉器（６−１、６−２、・・・、６−ｎ）のうち開放される開閉器の数が多くなるように、前記複数の開閉器（６−１、６−２、・・・、６−ｎ）を制御する、請求項１に記載の電力供給システム。
3. 前記電源（２）に接続され、前記電源から出力される三相交流電力の電力消費量を一定に保つ三相負荷装置（１２）をさらに有する、請求項１または２に記載の電力供給システム。
4. 三相交流電力を出力する電源（２）と、前記電源（２）の何れかの相の端子に接続され、当該端子から単相交流電力を取り出す複数の単相出力用電源線（１０−１、１０−２、・・・、１０−ｎ）と、前記複数の単相出力用電源線のそれぞれに設けられ、対応する単相出力用電源線を接続または切断する複数の開閉器（６−１、６−２、・・・、６−ｎ）と、前記電源（２）の少なくとも２相間の線間電圧を測定する電圧計（７）とを有する電力供給システムの制御方法であって、
   前記電圧計（７）により測定された前記線間電圧から電圧不平衡率を算出するステップと、
   前記電圧不平衡率が所定の閾値以上になると、前記複数の開閉器（６−１、６−２、・・・、６−ｎ）のうちの少なくとも一つの開閉器を開放して、当該開閉器に対応する前記単相出力用電源線を切断するステップと、
   を有することを特徴とする電力供給システムの制御方法。

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