JP2007058676A - 進相電流による交流電圧制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源と負荷の間に直列接続して電流位相を進めることで電力制御する装置を提供する。
【解決手段】４個の逆導通半導体スイッチにて構成されるブリッジ回路と前記ブリッジ回路の直流端子に接続され、前記ブリッジの遮断時に磁気エネルギーを蓄積するコンデンサを接続する構成の磁気エネルギー回生双方向電流スイッチを、前記ブリッジ回路の交流端子を電源と負荷のあいだに直列接続して、電源電圧に同期した半導体スイッチの対角線上に位置する２組のペアの半サイクル毎のオン・オフにより、強制的に電流を進相化し、電源からの電流力率を進めて負荷の電圧を制御するとともに、前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチを介さずに前記交流電源に並列に接続された他の交流負荷に流れる遅れ力率の電流と、前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチによって位相が進められた前記交流負荷に流れる進み力率の電流とをあわせて、全体として電源電流の力率が１となるように、前記スイッチのオン／オフを制御する。
【選択図】図1

Description

本発明は、電気回路に直列接続して電流力率を進相方向に変化させて負荷電圧を制御する交流電圧制御装置に関する。

送電系統では、直列コンデンサ法による進相電力調整は、一部では、古くから使われてきたが、高次、低次の共振現象、遮断時に異常電圧が発生するなどの問題があった。進相電力調整装置ではサイリスタなどの半導体スイッチの大容量化にしたがって、サイリスタＡＣスイッチを使ってコンデンサのバンク制御やＡＣリアクトルに対してオンタイミングの遅れ位相制御がおこなわれている。これらは電源に並列接続する静止形無効電力補償装置SVC（Static Var Compensator）と呼ばれて、電力系統に多く使われている。

進相コンデンサは電力用コンデンサとも呼ばれて、フィルム・コンデンサであるが、長寿命でありサイズが大きく高価である。これを電解コンデンサで代替できれば小形になって廉価である。ダイオードを電解コンデンサと並列にして、２台を逆直列にすれば交流コンデンサとして使えることはわかっているが、さらに、半導体スイッチで切り替えて電解コンデンサを用いる提案がなされている（下記特許文献１参照）。特許文献１では、スイッチを４つ用いて電解コンデンサの極性問題を解決している。
しかし、単に電解コンデンサを利用するだけの目的であれば、図６に示すように、ダイオードと電解コンデンサを並列接続したものを２つ逆直列接続して使用すれば、前記発明と同じ効果をあげられる。

また、スナバーエネルギーを回生する電流順逆両方向電流スイッチを用いて、電流のオフ時、磁気エネルギーをコンデンサに回収し、次回オン時に負荷へと回生する無損失の理想スイッチが提案されている（特許文献２参照）。
さらには、特許文献３に示されているが、これを電源と負荷の間に直列接続して、半サイクル毎の電流方向の切り替え位相を電源より９０度進ませる制御をすれば電流の力率を自動的に1に改善することができるが、しかし、力率を1に改善した結果、負荷の電圧が電源電圧より上昇することで出力が増加するため、負荷によっては電圧が上昇し過電圧となって負荷を損傷するおそれもあり、そのため入力電圧を下げるトランスを必要としていた。
特開平７−１０４８７２号公報 特許第３６３４９８２号公報 特開２００４−２６０９９１号公報

従来、交流負荷の電圧を制御するには、遅らせてオン制御できるサイリスタ、トライアックなどのＡＣスイッチで電流の位相を遅らせる方法が一般的である。図２のようなＡＣトライアックスイッチのオン制御遅れで負荷電圧を下げる方向に制御はできるが、電圧を下げるにしたがって電流の位相も遅れて、力率が悪くなっていく欠点があった。
前記特許文献１では、単に小形化のため、電解コンデンサを用いて４つの半導体スイッチを同期して切り替えているのみで、積極的に電流の進相制御や負荷電圧を目標値になるように制御を行うことはできない。
上述のように、直列接続の進相コンデンサや前記特許文献２のスイッチなど、進相運転による直列制御では遅れ力率の負荷の改善を行うことにより、負荷電圧が電源電圧よりも上昇するが、そのままでは過電圧や過出力になるため、電源電圧を変圧器で下げるか、負荷の電圧定格を上げる必要もあった。

そこで、本発明者は、負荷電流の位相を積極的に進める制御を行い、進み力率にして負荷にかかる電圧を下げるとともに、無効電力補償対策を施していない他の交流負荷に流れる遅れ力率の電流と前記進み力率の電流とを合わせれば、全体として力率の改善にもなることに着眼した。
本発明は、上述のような事情に鑑みなされたものであり、系全体としての力率を改善しつつ、各負荷の負荷電圧を制御することを可能とする交流電圧制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、交流電源と交流負荷との間に挿入され、前記交流負荷にかかる負荷電圧を制御する交流電圧制御装置に関し、本発明の上記目的は、４個の逆導通型半導体スイッチにて構成されるブリッジ回路と前記ブリッジ回路の直流端子間に接続され、前記ブリッジのスイッチ遮断時に前記交流負荷の磁気エネルギーを回生するコンデンサとから成る磁気エネルギー回生双方向電流スイッチと、前記逆導通半導体スイッチのオン／オフを制御する位相制御装置と、前記交流電源に直列に接続され、電源電流の力率を計測する力率計とを具備し、
前記位相制御装置は、前記ブリッジ回路の対角線上に位置する二組のペアの逆導通型半導体スイッチのうち、一方のペアがオンの時は他方のペアをオフにするように制御し、かつ、電流の位相を強制的に進めるように前記スイッチのオン／オフを制御することにより、前記コンデンサに前記交流負荷のリアクタンス電圧分を補償する電圧を発生させ、前記交流負荷に印加される負荷電圧を制御するものであり、さらに、前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチを介さずに前記交流電源に並列に接続された他の交流負荷に流れる遅れ力率の電流と、前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチによって位相が進められた前記交流負荷に流れる進み力率の電流とをあわせて、全体として電源電流の力率が１となるように、前記力率計の出力をフィードバックして前記位相制御装置が前記スイッチのオン／オフを制御することを特徴とする交流電圧制御装置によって達成される。

また、本発明の上記目的は、コンデンサと逆導通半導体スイッチとを並列接続したものを２組逆直列接続して、ハーフブリッジ構成とし、前記ブリッジの各スイッチ遮断時に前記交流負荷の磁気エネルギーを前記並列接続されたコンデンサに回生する磁気エネルギー回生双方向電流スイッチと、前記逆導通半導体スイッチのオン／オフを制御する位相制御装置と、前記交流電源に直列に接続され、電源電流の力率を計測する力率計とを具備し、
前記各コンデンサの容量が、前記コンデンサと前記交流負荷のインダクタンスとで決まる共振周波数が前記交流電源の電源周波数より高くなるような値に設定されているとともに、
前記位相制御装置は、前記逆直列接続された二個の逆導通型半導体スイッチのうち、一方がオンの時は他方をオフにするように制御し、かつ、電流の位相を強制的に進めるように前記スイッチのオン／オフを制御することにより、前記コンデンサに前記交流負荷のリアクタンス電圧分を補償する電圧を発生させ、前記交流負荷に印加される負荷電圧を制御するものであり、さらに、前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチを介さずに前記交流電源に並列に接続された他の交流負荷に流れる遅れ力率の電流と、前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチによって位相が進められた前記交流負荷に流れる進み力率の電流とをあわせて、全体として電源電流の力率が１となるように、前記力率計の出力をフィードバックして前記位相制御装置が前記スイッチのオン／オフを制御することを特徴とする交流電圧制御装置によっても達成される。

さらに、本発明の上記目的は、前記コンデンサを電解コンデンサとすることによって効果的に達成される。

本発明に係る交流電圧制御装置を電源と交流負荷との間に直列に接続して、進みの位相でオン／オフすれば、負荷電流を進相電流にすることができる。また、電流を進相化することで、電源電圧よりも減少した電圧を負荷に印加することもでき、進相無効電力調整装置になる。

また、本発明に係る交流電圧制御装置によれば、コンデンサの容量は負荷の磁気エネルギーを吸収する程度の容量でよく、直流の電解コンデンサが使用できる。このためコスト低減化に寄与できる。
進相電流は無効電力調整がされていない他の電力負荷の力率を改善するので、この進相電力調整装置を用いると電圧調整が出来るばかりでなく、進相コンデンサと同じ機能を持つことで入力電流が減少し、配電線での省エネルギーと電源容量を削減することに貢献する。

以下、本発明に係る交流電圧制御装置について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は本発明に係る交流電圧制御装置と、それを利用して系全体の力率を１にする制御の仕組みを説明するための図である。図１において、交流電源１には直列に力率計５が接続され、電源電流の力率を計測するとともに、後述の位相制御装置４にフィードバック信号を送る。力率計５は、４個のP−MOSFET、IGBTなどのオフすることの出来る逆導通型半導体スイッチ２１（ＳＷ１〜ＳＷ４）にて構成されるブリッジ回路と前記ブリッジ回路の直流端子間に接続され、前記ブリッジのスイッチ遮断時に交流負荷３ａの磁気エネルギーを回生するコンデンサ２２とから成る磁気エネルギー回生双方向電流スイッチ２の一方の交流端子に接続されている。位相制御装置４は前記４個の逆導通型半導体スイッチ２１の対向する２つをペアとして半サイクル毎に交互にオン・オフ制御するためのゲート信号を生成するものである。位相制御装置４は交流電源１の電圧の位相を検出し、力率計の出力が１に近づくように位相を進める働きを行う。

このスイッチは、負荷の進相または遅相の電流をいかなる位相でも遮断でき、また損失無く再接続できる電流双方向スイッチであるから、電源と負荷との間に直列に接続して、進みの位相でオン／オフすれば、進み力率の無効電圧を発生できるので、電源電圧と直列に接続すれば負荷電流を進み位相にすることができる。

なお、この回路には前記の磁気エネルギー回生双方向電流スイッチ２を介さずに、交流電源１に並列に接続される負荷３ｂも存在し、これに対しては無効電力調整がされていないので、電流は遅れ力率となる。従って、前記の負荷３ａに流れる進み力率の電流と、負荷３ｂの遅れ力率の電流とを合わせると全体として力率１の電流にすることができる。従って、回路内に存在する約半数の負荷に上記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチ２を接続し、残りの約半数の負荷は電源に直接接続すれば、負荷電圧を抑えつつ、回路全体として電流の力率の改善を行うことが可能となる。

図７に電圧のフェーザ図を示すが、本装置が、進相のリアクタンス電圧Ｖｃを発生し、電源電圧Ｖ_ｉｎよりも減少した電圧Ｖ_Ｒを負荷に印加することもできる進相電力調整装置になることを示している（（ｃ）図）。
具体的には、図７（ａ）は磁気エネルギー回生双方向電流スイッチ２に接続されていない負荷３ｂのフェーザ図を示しており、負荷電流は遅れ力率ｃｏｓφとなっている。
図７（ｂ）は磁気エネルギー回生双方向電流スイッチ２に接続された負荷３ａにおいて、位相制御装置４によって負荷３ａの電流力率が１になるように制御した場合を示している。図から分かるように、負荷のインダクタンス電圧Ｖ_Ｌがコンデンサ２２のリアクタンス電圧Ｖｃによって完全に補償されている。従って、負荷電圧Ｖ_Ｒは電源電圧Ｖ_ｉｎに等しくなり、負荷電圧を下げることはできない。
図７（ｃ）は図７（ｂ）の状態からさらに位相を進めて、負荷３ａの電流力率を進み力率ｃｏｓφにした場合を示している。こうすることにより、負荷電圧Ｖ_Ｒを下げるとともに、図７（ａ）の遅れ力率の電流と合わせて、全体として力率を１にするとともに、負荷電圧Ｖ_Ｒを下げることを実現可能としている。

本発明の交流電圧制御装置では電流Ｉより９０度進んだリアクタンス電圧Ｖｃを発生するので外部電源の供給は不要であり、コンデンサ電圧は自動的に発生する。コンデンサの容量Ｃは、負荷３ａの磁気エネルギーを吸収する程度の容量でよく、直流の電解コンデンサが使用できる。コンデンサ容量が相対的に小さい場合、コンデンサの電流は断続するが、断続しても問題ない。すなわち、コンデンサ電圧が半サイクル毎にゼロとなるのが、本装置の特徴である。よって、これはインバータとは呼ばず、スイッチと呼ぶべきであろう。

この進相化交流電圧制御装置を用いると、進相コンデンサを直列インピーダンスとしたのと電圧制御機能を持つことで、進相電流は他の電力負荷の力率をあわせて改善するので送配電線の電流が減り、配電線での省エネルギーと受電トランスなどの電源容量を削減することに貢献する。

図１の４つの対向する２つのペア（SW1，SW3）と（SW2、SW4）に着目すると、これらのペアは半サイクル毎に同時にオン／オフを切り替えるが、例えばSW3がオフした後、電流はSW2の寄生ダイオードを流れるので、SW2のオンが遅れても動作に問題ない。本スイッチのこの特徴をさらに生かすと、後に説明するように、コンデンサの容量が相対的に小さい場合、オンするスイッチは不要であることがわかる。

図４は図１における磁気エネルギー回生双方向電流スイッチ２の部分を簡略化した回路を示すものである。これは、コンデンサが半サイクル以内に毎回全放電する条件でのみ可能なものである。具体的には、コンデンサＣと負荷のインダクタンスＬとで決まる共振周波数ｆが電源周波数ｆ_０より高い場合、すなわち、
（数１）
ｆ＝１／２π√ＬＣ＞ｆ_０
に相当する。結果としてコンデンサが１個増えて２個になるが、スイッチが半分の２個になるので、コスト的には有利である。

これを図３を用いてさらに詳しく説明すると、スイッチSW3がオフになると、電流は図３の矢印のようにコンデンサに流れ込むが、この電流はSW2の寄生ダイオードを通して流れるので、スイッチSW2のオン／オフに無関係である。回路にコンデンサが直列に挿入され、コンデンサの容量が小さいと、電流が４分の１サイクル以内でコンデンサの充電が終わり、さらに４分の１サイクル以内で電流が逆転して放電して電圧がゼロとなる。すなわち、はじめは電流がダイオードを通じて流れて、やがて電流が逆転するとすでにオンしている半導体スイッチを流れ、電圧がゼロになるまで流れて、電圧は逆転しない。コンデンサ電流が断続して、この場合、コンデンサ電流がスイッチもダイオードもなしで自然に断続するので、片側のスイッチを省略できることがわかる。電流が図の逆の場合、反対側で同じことが行われるから、図３の場合を双方向の電流に対処するように拡張すると、図４に示すような回路となり、コンデンサを２つ(等しい容量)に分けて右側と左側を半サイクル毎に交互に使うことで、図１の磁気エネルギー回生双方向電流スイッチとほぼ同じ機能が果たせる。これは図１の回路においてコンデンサ部分で横に切ったハーフブリッジ・タイプにあたる。しかし、図1ではできたが、図４の回路ではゲート信号を全オフにしても負荷電流を遮断することができないなどの一部の機能に制約が生じる。

図５は、サイリスタのオン位相遅れによってリアクトル電流の位相を制御する無効電力制御装置TCR（Thyristor Controlled Reactor）の双対回路を示すものである。すなわち、本装置は、コンデンサに並列についている半導体スイッチがオン／オフを同期して行う（片方がオンのときは他方がオフとなる。）ことによって、コンデンサの機能を制御していることがわかる。図４はよく見ると、図５の変形例でもある。

さらに、図６は、コンデンサに並列にダイオードを追加した図５の変形例であり、機能は同じであるが、直流電圧が生じてバイアスされるため、直流コンデンサが使える。ここでは予想外にダイオードには電流が流れない不思議な動作をする。このように、本回路を基礎回路として進相電流制御のさまざまな用途に発展してゆくと思われる。

図１は、本発明に係る交流電圧制御装置を用いた無効電力補償及び負荷電圧の制御の実施例を示すものであるが、磁気エネルギー回生スイッチを、電源と負荷との間に直列接続して、電流導通の半サイクル毎の交互のオン・オフの位相を進めることで進相電流を発生する。オン／オフのゲート信号は電源電圧より位相を検出して位相制御装置４でつくり、半導体スイッチに絶縁して送る。ここでは光信号で駆動するフォトリレーを使用している。ゲート信号は電源電圧のＲとＣの一次遅れによりゼロ交差信号から作られ、部品数は２０程度と簡単になっている。

コンデンサの容量リアクタンスXcは負荷のリアクタンスX_Lに対して大きくても小さくても効果は発生するが、本発明はコンデンサ容量を小さくできることが特徴である。ちなみに、X_LとXcが同じ程度であると、電圧波形がサイン形状になるので高調波が少ない。コンデンサ容量が小さい場合、コンデンサの電圧は高くなる傾向にある。位相の進み制御により負荷電圧は、増加から減少まで変化させることができるので、負荷電圧に応じてフィードバック制御することも考えられる。

図１に基づくモデル例では、負荷３ａ及び３ｂは100V−0.21A、遅れ力率約0.7のファンモータで、インダクタンスは１Hで、抵抗分は333Ω、コンデンサは2.2μＦである。実際、電流が進み力率0.7になって、負荷電圧もスイッチ無しの場合と同じ電圧で安定に運転することができている。

図８にシミュレーション波形を示す。図８（ａ）に示すようにスイッチ無しの電流は遅れ力率0.7であるが、本スイッチで95度進みのオン／オフを行わせた結果、図に示すように電流は進み力率0.7になっている。電流のRMS値（実効値）は同じである。このように、電流波形は歪むが進相電流を発生することから、他の機器の電流力率を改善することができる。さらに、磁気エネルギー回生スイッチを用いない同種の負荷と入力電流を足し合わせる事により、２台分併せて、送電端から見て、力率１が実現できる。図８（ｂ）〜（ｄ）は図４の回路のシミュレーション図である。

本装置を用いて、交流負荷の電圧を減少させながら、進相電流を発生させることができる。ランプ負荷など無誘導の負荷でも、電圧を減少させて使用する場合に効果がある。本装置は電流進み制御で電圧を下げるので、進相電流が発生する。これは電力線の総合力率を改善することに役立つ。その実施例として、単相100Vのシステムで100W電球を用い、必要な明るさを減じて70Wにする場合、本装置を用いて進相力率0．7の制御による電圧減少で行えば、進み電流が100√（1−0.7²）＝約70VA分、0.7Aの進相電流が得られる。この電流は、他の遅れ電力負荷と合わせて力率改善となって送配電のジュール・ロスの低減になる。また、電圧減少により電球の寿命が伸びることも考えられる。

また、図１に示すように、遅れ力率cosφの２台ペアのファン（交流負荷３ａ及び３ｂ）の１台（３ａ）にだけ本装置を接続し、その２台のファンの入力電圧がそれぞれ同じ電圧になるように電流の位相を進めるように制御するとファン２台の電流の合成で力率が1になり、入力電流が改善以前のcosφ倍に減少して送配電線のジュール損が減少する。

以上の例のように、本装置を用いて電力制御をすると、電圧を調整する際に、電流の進相制御が可能になる。従来の静止コンデンサではできなかった進相量が半導体スイッチのオン／オフゲート位相で連続的かつ高速に制御できるため、機器の負荷状態に応じた高速制御による多彩な応用が考えられる。

上記ではオン／オフの幅を半サイクルの広幅で説明したが、図１の場合、PWM化することにより高調波の対策ができることは言うでもない。また、本明細書では、単相での利用を説明したが、三相への展開は当然考えられ、その場合、高調波の内、３次調波はデルタ結線により自動的に消すことが可能である。

これまで本機能を半導体スイッチとしてP−MOSFETを例として説明したが、IGBT、GTOなど、オフ可能なスイッチならば同様に可能である。

本発明に係る交流電圧制御装置と、それを利用して系全体の力率を１にする制御の仕組みを説明するための図である。 サイリスタＡＣスイッチによる電圧制御と電圧電流の関係を示す図である。 スイッチSW3オフ直後の電流の流れを示す図である。 直流コンデンサを用いた簡略化した構成を示す図である。 本スイッチを最も簡略化した構成を示す図である。 直流コンデンサにさらに外付けダイオードを接続した構成を示す図である。 電圧制御のフェーザ図を示す図である。 実施例の電流、電圧のシミュレーション波形を示す図である。

符号の説明

１ 交流電源
２ 磁気エネルギー回生双方向電流スイッチ
３ 交流負荷
４ 位相制御装置
５ 力率計
２１ 逆導通型半導体スイッチ
２２ コンデンサ

Claims (3)

1. 交流電源と交流負荷との間に挿入され、前記交流負荷にかかる負荷電圧を制御する交流電圧制御装置であって、該交流電圧制御装置は、
   ４個の逆導通型半導体スイッチにて構成されるブリッジ回路と前記ブリッジ回路の直流端子間に接続され、前記ブリッジのスイッチ遮断時に前記交流負荷の磁気エネルギーを回生するコンデンサとから成る磁気エネルギー回生双方向電流スイッチと、
   前記逆導通半導体スイッチのオン／オフを制御する位相制御装置と、
   前記交流電源に直列に接続され、電源電流の力率を計測する力率計とを具備し、
   前記位相制御装置は、前記ブリッジ回路の対角線上に位置する二組のペアの逆導通型半導体スイッチのうち、一方のペアがオンの時は他方のペアをオフにするように制御し、かつ、電流の位相を強制的に進めるように前記スイッチのオン／オフを制御することにより、前記コンデンサに前記交流負荷のリアクタンス電圧分を補償する電圧を発生させ、前記交流負荷に印加される負荷電圧を制御するものであり、さらに、
   前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチを介さずに前記交流電源に並列に接続された他の交流負荷に流れる遅れ力率の電流と、前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチによって位相が進められた前記交流負荷に流れる進み力率の電流とをあわせて、全体として電源電流の力率が１となるように、前記力率計の出力をフィードバックして前記位相制御装置が前記スイッチのオン／オフを制御することを特徴とする交流電圧制御装置。
   
2. 交流電源と交流負荷との間に挿入され、前記交流負荷にかかる負荷電圧を制御する交流電圧制御装置であって、該交流電圧制御装置は、
   コンデンサと逆導通半導体スイッチとを並列接続したものを２組逆直列接続して、ハーフブリッジ構成とし、前記ブリッジの各スイッチ遮断時に前記交流負荷の磁気エネルギーを前記並列接続されたコンデンサに回生する磁気エネルギー回生双方向電流スイッチと、
   前記逆導通半導体スイッチのオン／オフを制御する位相制御装置と、
   前記交流電源に直列に接続され、電源電流の力率を計測する力率計とを具備し、
   前記各コンデンサの容量が、前記コンデンサと前記交流負荷のインダクタンスとで決まる共振周波数が前記交流電源の電源周波数より高くなるような値に設定されているとともに、
   前記位相制御装置は、前記逆直列接続された二個の逆導通型半導体スイッチのうち、一方がオンの時は他方をオフにするように制御し、かつ、電流の位相を強制的に進めるように前記スイッチのオン／オフを制御することにより、前記コンデンサに前記交流負荷のリアクタンス電圧分を補償する電圧を発生させ、前記交流負荷に印加される負荷電圧を制御するものであり、さらに、
   前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチを介さずに前記交流電源に並列に接続された他の交流負荷に流れる遅れ力率の電流と、前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチによって位相が進められた前記交流負荷に流れる進み力率の電流とをあわせて、全体として電源電流の力率が１となるように、前記力率計の出力をフィードバックして前記位相制御装置が前記スイッチのオン／オフを制御することを特徴とする交流電圧制御装置。
   
3. 前記コンデンサが電解コンデンサである請求項１又は２に記載の交流電圧制御装置。

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