∪.D.C.d21.3.O18.14.078

カ 率 の 自 動 制 御

小林栄二儲 樺井泰男舶 藤木勝美舶

Automatic Controlof Power Factor

By EijiKobayashi,Yasuo Sakuraiand KatsumiFujiki

HitachiResearch Laboratory and HitachiWorks,Hitachi.,Ltd-

Abstract

Automaticpowerfactor controIsystem of synchronous machines by means of

relayshaslongbeeninuse.However,thisrelaysystem hassomeincidentalshort-

comingssuchasthe defacement ofcontactor,breakdownsinherent toitsfunction

Onthe vibratingmachine,alonglagincontrollingtime,etC.Forthis reason,the

trendisrecently towards the adoption ofcontinuouscontroIsystem which11tilizes

rotating amplほer or magnetic amplifier.

The writers,in an effort of developing this new system,devised aniron core

type contin110uS pOWer factor detector,and,byits combinedusewith rotating am-

pli丘er orwith magnetic ampli丘er,eStablished the automatic power factor controI

system forsynchronousmotorsand theline powerfactorcontroIsystem using the

SynChronous condenser.

In this arヒicle,the studies of the detector are disclosed by way of the analysis

andthepracticalapplicationto synchronous motorsfordrivingWard--Leonardsystem

controlled winding machinesand to the powor facter controlof distributionline

thro11gh the use of smalトsized synchronous condenser.

[Ⅰ]捕 言荷に対する脱出回転力の増大と

次に送酉己

力使用の合理化を計り

線の負荷力率変動に伴なうカ率変動をこれに

19

同期電動機の力率を希望値に自動制御したり､或いは

同期調相磯のカ率を自動的に変化し線路力率を希望値に

保って有効適切な運転を行うことは既に行われているが

その制御方式は継電器による不連続(断続)制御方式が

多く用いられている(1)｡この方式は継電器接点の磨耗､

機械的振動による政損､制御の連れの長大等の欠点があ

る｡最近ほ各穫制御には継

型増幅機

器による方式に対し回転機

いは磁気増幅器による連統制御方式が採用さ

れる傾向iこある｡

筆者等は同期機のカ率制御を連続的に行うために鉄心

による特殊な力率変化検出装置を考案し､これと回転機

型増幅機或いは磁気増幅器と組合せることにより同期

動機の負荷変動に伴なうカ率 動を--■う室値Ⅰこ保ち過渡負

*

日立製作所日立研究所射

日立製作所日立工場

並列接続された同期調相磯の力率を変化することにより

一定値に自動制御することを行ったので､その概要の報

告を行う｡

[Ⅱ]鉄心型力寧変化検出装置

(り 原 理

第l図(a)ほその接続を､(b)ほ蝶理を示す｡変圧器

よりの電圧要素は移相器を通じて乃1エ〝1花に､変流若よ

りの電流要素は〝2にそれぞれ図示の極性で印加されて

いる｡,‡3エ均兄はそれぞれ出力線輪で整流器を通じて負

荷抵抗器ガ3右足3だに接続されている｡線路力率が所定

値の時に電圧､電流線輪に加わる電圧と電流の位相差が

90eになる如く移相器を 整する｡その時電圧線輪によ

i)生ずる磁束をそれぞれ¢1エ¢1g,電流線輪により生ず

る磁束をそれぞれ¢2エ¢2だとし両出力線輪を貫くそれら

754

第1図

Fig.1.

■､.二･一

検出装置の接続及び原理図

Connection and Principle Diagram

of Detector

の合成磁束をそれぞれ¢3エ¢3月 とすると線路力率が変化

すれば¢3ム≧¢3月 となり 〝3エ勒だ に生ずる電圧はカ率

変化により相異を生ず｡この出力直流電圧を回転機型増

幅機或いほ磁気増幅器の二つの差動界磁叉ほ励磁線輪に

与え(磁束差動型)､或いは両 庄を一皮び差 庄(電圧

差動型)にした後に一一つの界磁叉ほ線輪に与えて増幅し､

その出力にて同期磯の界磁を制御して力率の自動制御を

可能ならしめるものである(望)｡

(2)検出装置の解析

(A)検出感度

所定力率のとき〃3エ〟3_児を箕く磁束を(ね〟(¢3エ=¢3月〕

電圧 輪により与えられる磁束をそれぞれ¢1(中1エ=

¢1虎),¢2とせば､位相角変化α○に対し¢3の変化が最

大になる 中1と ¢2の関係を求めると､

¢3〟=/¢12+や22=g･‥‥‥…‥･‥･‥‥(1〕

¢3α=r/や12+¢22±2

¢2=∬中1とおけば

(1),(2)より

¢1¢3Sinαt イ2)

中3α-¢3朋=-ノ′ノや12(1十∬2±2∬Sinα)～尺‥‥(3二)

(1)より

互¢1=

′ノ1十∬2'これを(3)に代入すれば

¢3α-¢3′〟=尺(小±sinα～1)…･(4〕これが最大なるための条件を求めると､

∬=1即ち rわ=¢2

が求まるへ即ち所定力率時に 圧､ 輪に生ずる

評 論 第34巻 第6号

磁束を等しく選べば検出量は最大になる｡このときの検

出感度ほ

¢3α-¢3ぴ

¢3～`=r/1±sinα～1‥･

となり､両〃3線輪の差としては､

ぶmax=l/ノ1十Sindピーーー/′i

･(5)

ーSlnα‥‥‥‥･･(6)

が得られる｡文一股に¢1キ(♪2の場合は

5=√+品sinαイi~｣1十∬2 s王nα‥(7)

となる｡

(B)線輪巻数の決定

検出感度を最大にするため ¢1=¢2=¢ とせば､所定

力率のときほ､

(声3=l//2¢

βⅠ=4･44′〟12¢×10｢8……‥=…‥‥･(8)

e2=4･44′〃22¢×10~8‥･‥‥･‥‥･‥･‥(9)

β3=4･44′7ま3/~きゃ×10-8‥‥･‥‥‥‥‥･(10)

となる｡所定力率時に両月3に相等しい

されるとすれば､

e3′{=ガ3g3祝 となり(10)より

J′､

Jト/.こ､

4･44′l//2¢

流オ3t`が要求

…………………･(11)

となり¢に適当な一定値を与えると〟3が求まる｡次に

(9)より

=4･44′2¢×10-8‥…‥‥‥‥‥･(12)

これに一定¢を与えるとプしが決定される｡ここでノJニ

変流 二次側より負荷を眺めたインピーダンスをヱ2,

次電流をブコ とすれば､

エコ 4.44′2中

一丁ご Jこ:XlO~軋‥･‥‥‥･･･…･(13)

となる｡負荷ガ3出力線輪〝3なるとき各種〝2に対す

るヱ2を求め､これより得た勾→旬日割塊と(13)式の交

点より 杓を求めることが出来る｡

次に(8),(9)式より､

-､､

-､二

JJこ JJ= =4･44′2(戸)く10~B‥ ‥‥‥･(14)

が得られこれiこβ1を与えると 〝1が求まり､逆に〝1を

与えるとβ1が求まる｡このようにして〃1′22〝3が求ま

る｡ここでほ磁束差動型のものについて述べたが 圧差

動型のものについても求めることが出来るが省略する｡

[Ⅲ]同期電動機の力寧制御二3)

ミル､巻上機等時間的に甚しく変動する負荷に使用さ

れる同期電動機のカ を自動制御して､負荷の大さ如何

にかかわらず力率を100%に保つようにすることは 動

力 率 の･白755

磯の大いさを軽減するのに役立つ｡その理由は､元 カ､

くの如き間数負荷に対しては､負荷一週期の自乗平均

kVAを定格kVAとして定格出力を決定するため､或

るkWに於いて力率が100%になるように励磁電流を

国憲しておくと､その点以上ほ遮れカ率､以~Fは進み力率

となってともに大部分力率の悪い点で運転されることに

なり機械の寸法が大きくなる｡所が力率制御を行えばこ

の弊は除かれる｡即ち経済設計に於いては定格kWで力

率100%の励磁を与えた場合ほ､脱出回転力は150%

程度であるが､巻上機等では200～250%が要求される｡

ために短絡比の大きい機械とするか､予め過励磁するか

にしなければならない､いずれにしても機械寸法が大に

なる｡然るに負荷に応じて励磁を制御すると負荷の増加

につれて自動的に脱出回転力も大きくなるため､機械と

しては経済設計の大さで十分であることになり､この点

に於いても経済的である｡

第2図は 用同期 動機負荷の一例で､負荷及び

それにともなう力率､入力kVAの変化を示す｡励磁は

定格出力に於いて力率100%の場合である｡この負荷一

週期に於ける自乗平均kWは590kWであるがkVA

ほ670kVAとなり kWほkVAの88%となる｡この

ような場合に無負荷に近い状態まで完全に力率制御する

とせば約90%の機械で済むことになる｡換言すれば通

常の方法でほ平均力率約90%で運転していることにな

り､力率制御を行って始めて同期機の特長を発揮出来る

ことになる｡この場合励磁 流も変動するので回転子側

の容量も白菜平均で計算すると約90%となる｡前述の

脱出回転力を附与するために通常の方法でほ経済設計よ

り15%許り余裕をとらねばならぬので両方考慮すれば

この例のように休止時間の比較的大きい負荷に対しては

電気的部分を20%位小さく設計し得ることになる｡

ここで問題になるのは､無負荷状態で励磁が自動的に

極小の値におかれているときに､次に負荷が急激にかか

った際の脱調の危険性についてである｡これに対して考

えられる対策は､(1)回 増巾器の速応性にまつこと､

(2)一定負荷以下に於いて制御の精度をおとすか或いほ

制御の範囲外とすること等が考えられるが､実際では同

期機の瞬間脱出回転力ほ定常脱出回転力より著しく大き

く､その間に回転増幅器が追従制御するので脱調のおそ

れほない｡

次にワードレオナード式巻上磯用発

機の力率自動制御に既

機駆動同期電動

検出装置と回転型増幅器(HT

D)とを用いた例を示す｡第3図ほ回路を示す｡

電動機仕様 出 力 800kW

電 圧 3,300V

極 数 8 回転数 900r.p.m,

第2図

Fig.2.

負荷週期に於け る カ率変化曲線

Variation of Power Factor_ina Duty Cycle

第3図

Fig.3.

ご∴

ノ‥..

.､､

同期電動機のカ率制御系

P.F.ControISystem of Synchronous

Motor

ガーぴ `好

尻グノ玖ク ノ望ク ノ瑚■ ノ湘

負 荷 (%ト

第4図 800kW同期電動横の力率制御特性

Fig.4.Characteris亡ic Curve of Power Factor

Controlling of800kW Synchronous

Motor

木棋ほ配電線力率改善の目的を含めてカ率進み80%

に制御するようになっている｡基準力率ほ前記検出装置

の移相器によって任意に選与≡することが出来る｡第4図

はその静特性を示す｡部分負荷から過負荷i･′こ至るまでよ

く力率制御が行われていることがわかる｡

756

l

⊥諷相槌川㈲〃 検

出

装置

移相

】

.J

廼気増巾着

第5図

Fig.5.

同期詞相磯による線路力率の制御系

ControISystem of Line P.F.by

Synchronous Condenser

[Ⅳ]同期調相磯による線路力率の自動制御

送配電線の負荷変動にともなう線路力率の変動を､そ

れに並列接続された調相磯を既述の検出装置と磁気増幅

器によって連続制御を行い線路力率を一定値に保つ実験

例について述べる｡業5図に回路を嘉す｡

線路力率の変動を 相磯による自動制御で例えば約

1/10以下に抑制することが要求されたとする｡即ち線

路力率が10%変化したときこれを1%以下におさえた

いとすれば制御係数 1/10以下に

する必要がある｡したがって全系の入力出力間の力率増

幅度を9以上に保つことが要求される｡第5図供試回路

の各機器の増幅度(或いは変換係数)は実測によれば､

検:出装置=

調相磯=

0.09(A)

10(%)

11(%)

0.1(A)

=:α1

=α3

したがって磁気増幅器に要求される増幅度α2は

0.09

打､×αjX

α｡≧10

11

0.1≧9

となり､電流増幅度として約10以上のものを必要とす

る｡

第6図はこのようにして構成された制御系の静特性を

示し､

遅 カt

無制御時力率

制御時力率

無制御時力率

制御時力率

90 95 100

99.2 99.5 100

進 み

91 95 100

99.6 99.9 100

となり所期の目的が達せられている｡

ガ

儲

進み

選れ

制御蹄カ年

ヽ-､

第6 図

Fig.6.

ガ.財 ガ ガノ挽7J紗

エ∴ノ

負 荷 力 率

､､､･･､∴､･､･ノ

遅れ

線路力率自動:制御時の静特性

Static Character ofLine P.F.Control

第7図 通 過 函 数 波 形

Fig.7.Wave Form ofTransferFunction

第8図

Fig.8.

K蔑pfI王道11er氏の自動制御安定度判別図

K翫)fmii11er's Discrimination Diagram

Of Stabilityin Automatic ControISystem

次に動上特性の検討を行う｡第7図オシログラムは検出

器の入力が単位函数的に変化した場合の調相磯界磁電流

∫ダまでの変化を嘉す｡即ち通過函数汲形ほ約0･04秒

の死時間(′1)後0.5砂の時定数(r)をもった汲形を▲

力.率 の 自 動 制 御 757

第9 図

Fig.9.

繚路力率自動制御時の動特性

Dynamic Character of Line

P.F.Con亡rol

示している｡したがって､

≠2 ～1+r O.04+0.5

gl ≠1 0.04=13.5

となる｡文一･方第6図静特性の遅れの部分の制御係数忍

ほ1/12～1/10を示しているのでその平均の1/11をと

ると､ガ×100=-I-XlOO≒9 が求まる｡11

この両値を第8図に示すK弘pfrn山1er氏の安定度判

別図面(4-上に求めると安定域に存在するであろうことが

予知される｡第9図オシログラムは線路力率が100%よ

り急激に連れ90%に変化したときの過渡特性を示し､

臨界制動的な変化をし振動を行わずに99%の力率に回

復制御されていることが見られる｡即ちK氏の判定法

で予知した如く実験的にも安定域に存在する良好な自動

制御が行われていることを知ることが出来る｡

[Ⅴ]結 言

鉄心の磁束変化によりカ率変化を連続的に検出する装

置を提唱し､次にこれと回転機型増幅器或いほ磁気増幅

器による巻上機用同期電動機のカ率自動制御及び線路力

率変動を同期調相磯を制御することにより一定値に保つ

白動制御方式の実施例について述べた｡

最後にこの研究を行うに当り御指導を賜った目立工場

後藤部長､目立研究所今尾主任研究員に､又種々御助言

或いは御動力を頂いた泉､山本両 村山､田附両係長

及び青田､金子､近野の諸氏に厚く御礼を申し上げる次

第である｡

参 考 文 献

(4)

ぎ紅麹∫釘髄篭鞄･登改新菓第385621号

和島:自動電圧調整器293(昭4)

特許出願中

桜井､小林:電気三学会東京支部連合大会

論文集4.20(昭26･11)

K.KiipfⅡ直11er:Uber die Dynamik der

selbstt三itigen verstarkungsregler.E･N･T･

5,459(1928)

益 江 紀 書

昇 降 機 減 速 装 置

二重巻線型二速度誘導電動機により､昇降機の城連判

御を行うに当り､誘導電動機が籠型回転子の場合は､一

次側を高速側より低速側に切換えたとき減速制動が急激

にかゝ.り､乗籠に衝撃を与えて乗心地を害することがあ

るっ本案は図面に示すように巻線型二次回転子とし､二

次回路に減速リアクターを挿入してなるもので減速に当

り一次側を高圧側より低圧側に切換えた場合､ニ次誘堪

電圧の周波数が滑りに比例して変化する現象を利用し､

自動的にリアクターのリアクタンスを制御して制動力を

調整せんとするものである｡制動当初の周波数高きとこ

ろでは挿入リアクターのリアクタンス大なるため､制動

は制限されて衝撃を緩和し､速度低下と共に周波数減少

しリアクターのリアクタンスも減少するため､高速より

一23

一次

二次

高圧 低圧

勇==一 ▲て

リア/

巷栢■巻線丁戸㌔一

ll ー‡∴

短絡

l

間接触星

低速への減速制御が極めて円滑迅速に行われる｡やがて

低速の同期速度に達したときリアクターを接触器により

短絡して減速制御を終了するものである0

(滑 川)

最近萱鼓された日立製作所の特許及び賛用新案

194434

1944.35

194436

194437

194438

開閉器接触部の冷却装置

回転型送油式電力 断器

亀戸工場

多賀工場

千 原 錦 吾

特 許

実用新案

実用新案

194439

393050

393051

393052

393053

393054

393055

393056

393057

393058

393059

393060

393061

393062

393063

393064

393065

393066

393067

393068

回転型送油式多重切電力遮断器ドラグラインにおけるけん引ロープ保護装置

カ ← ポ ン パ イ ル抵抗装置

裁定回転数f旨京装置

戸閉機械における尿運動記

液体膨脹式スプリンクラーヘッド感温部硝子讃

気機関車主回路つなぎ箱

遮 装 置

水電解糟の保護装置

水 電解稽保護装置

二軍輌に共用し得る速度計装置

真空掃除用 ハンドル

真

真

空掃除器のl吸込口

空 掃 除 器

子顕微鏡又ほその墳似装置の試料を交換する装置

蝶型弁急閉鎖防止装置

歯軍用高周汲表面傑人誘導子

最大負荷表示器の指針復帰装置

力 率 積 算 計

火花衝合熔接磯に於ける恰揆面加圧装置

傘 型 発

熔接棒送給速度制御装置

周 汲 数 測 定 装 置

日立工場

亀有工場

日立工場

日立コニ場

亀有工場

亀有工場

日立工場

多賀工場

日立工場

日立工場

多賀工場

多賀工場

多賀工場

多賀工場

中 央研究所

日立羊場

亀有工場

多賀工場

日立工場

日立コニ場

日立工場

多賀工場

多賀工場

小 林 哲 郎

滑 川 清

安 井 厚

田 中 貞之助

田 中 貞之助

久保沢稔､金子栄､林 照 一

小 堀

小 林 邦

滝

永

永

i竃

大大山近木深小黒

ll`■√lll■l

井 英

井 英

貞

津津家

間藤

卓

卓正

大村 博栖 俊野 正

木 隆

ト･J:∴ミ..さ､田中 貞之

水 越 正

〈裏地蔑十田 沢

威

平

夫

夫

郎

郎遥郎一

_LJ.

房

郎介

助

義

正

郎

阜

27.5.15

27.5.16