JP2009505616A - 電圧安定化装置 - Google Patents

Abstract

変動する電源への接続に適合し、かつ電圧安定化によって利益をうる負荷を有する特定の選択された回路に供給する電圧を安定化するための電圧安定化装置。この装置はＰＷＭまたは位相角スイッチオートトランスを有しており、これは充分に小型で軽量なので分離した回路、すなわち負荷が電圧安定化によって利益を得る回路と、利益を得ない回路を有する標準電力消費ユニットに組み込まれる。前者はこの装置によって一定かつ低減された電圧で動作するように制御され、それ故に、装置に接続された電気器具のエネルギー消費の低減と寿命の増加を確かなものにするであろう。オートトランスの動作温度は、過熱が生じた場合にはオートトランスの出力電圧を一時的に増加させることによって制御される。

Description

発明の詳細な説明

本発明はエネルギー節約や電源に接続される電気器具の機能を向上させたり寿命を延長させたりする目的のために、所有物に対する電源電圧の制御に関するものであり、さらにそのような目的のための電圧安定化装置に関するものである。

世界の多くの場所では電力供給会社は電力を末端使用者に電圧許容範囲の最大の所で供給している。例えば、英国と世界の他の特定の場所では典型的な平均電源電圧は２４０Ｖ（ボルト）付近であり、ここで許容法定ヨーロッパ電圧範囲は２１６−２５２Ｖである。仮に２３０Ｖに供給電圧を低減しても消費者に悪い影響は与えないであろう。事実、電源を２３０Ｖに維持することによって得られる多くの利益がある。そのような利益は消費エネルギーのコスト低減と、期待される電気器具の寿命延長と、必要以上に高電圧なレベルで電気を供給することに起因する過度なＣＯ_２排出の削減を含むものである。電圧の５％低減はエネルギー消費では平均８％の低減を与える。

ヨーロッパで使用されるために現在生産されている殆どの電気製品は公称電圧２３０Ｖで動作するように設計されている。これらの製品をもっと高い電圧で動作させることは期待される動作寿命を減少させることになるだろう。２４０Ｖまたはそれを超えたレベルで主として供給される電圧では、電力を無駄にするばかりでなく、例えば電球やテレビジョンセットのような高価な消費者製品の寿命の予測値をひどく短縮するものである。

エネルギー節約と炭素排出削減は殆どの政府の最優先課題である。電力網への増加しつつある要求は、各国政府が新しい電力生産源を探していて、これは京都議定書のもとで同意したＣＯ_２排出削減に合わなければならない、ということを意味している。それ故に、特に家庭用と工業用施設のために、これに限ったことではないが、電圧安定化装置の広い採用は分布したエネルギー管理システムを喚起し、これは電力網に対する電力要求を低減し、電力供給所から生じる排出を削減するであろう。

それ故に、本発明の目的は電圧安定化装置を提供することであって、この装置は所有物に容易に取り付けることができ、かつ充分に小型であって、さらに製造者にとって高価ではないので、消費者にそのような装置を手に入れて使用することを勇気付けすることができる。電圧安定化装置はよく知られていて、電源に接続されているオートトランスで構成されており、さらに位相角またはパルス幅変調（ＰＷＭ）スイッチング手段を包含している。この手段はオートトランスを要求に応じて回路に繋いだり、切り離したりし、その結果、電気器具に供給される出力電圧を決定したり、制御したりするものである。ＰＷＭ制御は、オートトランスがスイッチされて回路に繋がったり、切り離されたりする時間の長さを変え、それによって、その出力電圧を制御するために使用される。電圧安定化装置は誘導性負荷をスイッチするために使用される。通常、損失の多いスナバー回路が誘導性負荷をスイッチするために使用されなければならない。しかし、軟スイッチング方法を電圧安定化装置の効率を改善するために使用することができる。そのような装置は１９９３年に行われたＡＰＥＣのＩＥＥＥ会議記録で刊行された“高電力ＰＷＭ交流制御器を実現する方法”と題したパサド・エヌ・エンジェテ氏による論文、および米国特許５７４７９７２号明細書に記載されている。これらの出版物は電源に接続され、ＰＷＭ制御器によってヨーロッパでは多分２３０Ｖの設定電圧を決めるように制御される“バック”構造でのオートトランスの使用について述べている。このオートトランスはもし高すぎれば電圧を設定点まで低減し、低すぎれば設定点までそれを増加することによって内部電圧を安定化するように使用される。米国特許第５７４７９７２号明細書で述べられている装置は入力電源の中に入れて所有物にそれを接続することによって実施される。その結果、その装置はボイラーや冷蔵庫などのような高度な誘導性負荷と同様に、電気調理器や電気シャワーのような主に抵抗性負荷を有する所有物への全電源を安定化する。

典型的な英国の住宅では、その消費ユニットは１００アンペアの遮断スイッチによって保護されているので、全ての回路への接続に適合したどの電圧安定化装置も１００アンペアの最大電流に合うように見積もられていなくてはならない。これは何か２４ｋＶＡのような定格を持つオートトランスを必要とし、これは物理的に非常に大きく、重く、かつ高価である。その重さは例えば３５キログラムを超えるかもしれないし、多くの場合、屋内施設で電圧レベルを制御するには値段が価値を上回ることだろう。それ故に、電圧安定器が効果的で、経済的に適切であるためには、その大きさと重さと価格が大いに低減されなければならない。

試験によって、幾つかの負荷、例えば、照明回路、冷蔵／冷凍器、モータやトランスを含む電気器具は電圧安定化によって大いに恩恵を得るが、一方において電気シャワー、浸水湯沸かし器、調理器のような抵抗性加熱負荷は電圧制御から恩恵が得られないということが分かった。電圧制御から恩恵を受ける負荷は所有物の基礎負荷の大部分を構成し、消費される大部分の電気エネルギー（ｋＷｈ）になる傾向にある。これらの負荷を有する回路の電圧制御はオートトランスの大きさを最小化する一方において最も良い節約を達成するであろう。電圧制御から恩恵の得られない負荷は、基礎負荷で必要とされるよりもずっと大きな電流として見積もられている回路網への所有物の接続を生じる短期間の尖塔負荷の大半を構成している。それ故に、電気調理器、電気シャワー、浸水湯沸かし器のような負荷を有する特有の回路は制御されないだろう。

オートトランスの大きさの削減は、電源への接続に適合したオートトランスを含む電圧安定化装置と、出力電圧を決定するためにオートトランスに接続される巡回スイッチ手段と、オートトランスの動作温度の変化に対応し、前記出力電圧を変化させ、その結果、前記動作温度を制御するための巡回スイッチ手段に接続される手段を与えることによって、本発明に従って達成される。

温度応答手段はオートトランスの温度を連続的に測定するのに適合したサーミスタであり、あるいはオートトランスのコア温度を評価するための温度モデル計算であり、そして前記温度が上昇したときにはスイッチ論理回路にオートトランスの出力電圧を上昇させることである。

この装置は出力電圧が電源の電圧に実質的に等しいときには、オートトランスをバイパスするように自動的に動作できるバイパススイッチを包含している。

この装置は屋内電気消費ユニットの中に含まれており、そこでは少なくとも二つの端子が与えられており、少なくともその内の一つは電力を電圧安定化によって恩恵を受ける一つ以上の回路に電力を供給するためであり、少なくとも他の一つは電圧安定化によって恩恵を受けることのない一つ以上の回路に電力を供給するためであり、かつ主電源と電圧安定化によって恩恵を受ける回路または回路の各々との間に接続されている装置である。

本発明の実施態様は、ここで単に例によって、付随する図を参考にして説明される。

この記述の目的に関して、この電圧安定化装置はヨーロッパ電力法のもとで要求される法定範囲である２３０Ｖ±１０％内で動作する変動する電源への接続に適合しており、さらに２３０Ｖの一定電圧がこの装置によって維持されるべきであることが想定されている。

さて、図１について説明すると、屋内消費ユニットは１０で表されており、そして出力生き端子と中性端子１２と１３をそれぞれに持つメータ１１から電気が供給されている。消費ユニット内で生き電源は二つの生き出力端子１４と１５、および中性出力端子１６を与えるために分割されている。ＭＣＢまたは他の安全装置１７は端子１４と１５の各々に対して電源の中に含まれている。端子１４と１６は、端子１４の場合には関連するＭＣＢ１７を介して、主分離スイッチ１８によって直接的に端子１２と１３に接続されている。

本発明にしたがって、出力端子１５はヒューズ１９を通って生き端子１２に、そしてこの実施態様では、装置２０を制御するために帰還を与えるための電圧測定ユニット２１に接続されている電圧制御装置２０に接続されている。電圧測定ユニット２１は、またヒューズ１９と電圧制御装置２０の間で装置２０にフィードフォワード制御を与えるためにも接続されるであろう。

図２について説明すると、電圧制御装置２０はスイッチ型オートトランス２２と、マイクロ制御器２３と、温度測定装置２４と、電圧測定装置２１とバイパススイッチ２６を包含している。

マイクロ制御器２３はスイッチ論理回路２５とパルス幅変調（ＰＷＭ）／位相角制御ユニット２７を包含している。スイッチ論理回路はその装置を適用するのに適切な電圧設定点を表す信号を作るように設計され、その信号はオートトランス２２の巡回スイッチを制御するためにＰＷＭユニット２７に供給される。

以上に説明したように、電圧安定化装置は一定の予め決めた電圧（設定点）を回路に供給するのに適合している。その回路は消費単位の端子１５に回路的に接続され、電圧安定化によって恩恵を受けるものである。電圧安定化から恩恵を受けない回路は端子１４で電源に直接接続される。

安定化回路から引かれる電流は通常は３アンペアか、それよりも少ない範疇にあるが、同時に使用される電気器具の数によって変化するものである。２４時間のうちの約３０％の期間は、需要は通常０．５アンペア程度の低さであり、これはテレビや‘待機’モードにある他の電気製品のようなものによって引かれるものである。他の６５％の時間は負荷が普通１アンペアと４アンペアの間であるが、１時間あるいはその位の短い期間では、この需要は２０アンペアの範疇まで増加する。例えば、これは洗濯機や回転式乾燥機が使用されているような時である。多分、４０アンペアまでの突発的な需要が２４時間のうちの１５分位の非常に短い期間にありうるということもまた知られている。

このような理由から、オートトランス２２は電源回路の最大定格、例えば１００アンペアであり得るようなものより、むしろ言わば２０アンペアの基礎負荷用に見積もられるかも知れない。即ち、２０アンペアを連続的に供給することのできる５ｋＶＡオートトランスを生産するために、再構成された単層５００ＶＡの絶縁トランスから導出することができる。そのような装置は小型で、かつ３．５ｋｇ位の重さであって、それ故に充分に小さく軽いので標準の消費ユニットに梱包することができる。このようなトランスはまた生産するにも比較的安価である。

以上に述べたように、電圧安定化装置への需要が２０アンペアを超えるようなときやそのような環境ではオートトランスは熱くなり始めるだろう。この目的のために、サーミスタのような温度感知素子が与えられる。これはマイクロ制御器２３のスイッチ論理回路２５を介してオートトランスと帰還ループで接続されている。この結果、オートトランスの巡回スイッチは温度が上昇したときには出力電圧を上昇するように調整され、その結果オートトランスのストレスを減少させ、かつ冷却できるようにしている。電圧設定点は徐々に増加するようにして、電圧が上昇した時に動作している電気器具の性能に認知し得るほどの変化を起こすことのないようにしている。もう一つの方法として、温度モデルをオートトランスのコアの温度を評価するために使用することができる。評価された温度は、前に説明したように、オートトランスの巡回スイッチ動作を調整するために同じ方法で使用することができる。これはオートトランスのストレスを減少させて冷却できるようにする仕組みを与えるものである。

負荷が重いときにはオートトランスの温度は、電圧設定点がスイッチ論理回路によって実質的に入力電圧に一致するレベルにまで増加されるようなレベルにまで増加することがある。この点で、スイッチ論理回路は自動的にバイパススイッチ２６を操作して、その結果オートトランスがサーミスタ２４または温度モデルによって充分に冷却されたことが検知されるまでオートトランスを回路から切り離すことになる。

見積もられた負荷を想定し、過剰な負荷が与えられるような稀な場合にこの方法でオートトランスを制御することによって温度制御なしでそのような重い負荷に持ちこたえることが要求されるよりもずっと小さく、安価なトランスを与えることが可能であるということが充分に理解されるであろう。これは屋内施設に使用される種類の標準消費ユニット内に容易に収納できる小型、軽量かつ安価なトランスの採用を可能にするものである。そのような消費ユニットによって電圧安定化から恩恵を受ける回路に供給される電圧に対する制御はエネルギー消費において大きなコスト削減に帰着し、そのような装置を具備した消費ユニットの付加的なコストを上回るものである。次に、全面的な低減電圧での電力の消費は電力網への全削減電力要求と発電所からのＣＯ_２排出の削減に貢献するものである。

本発明を今まで述べられた詳細に限定することは意図されていない。例えば、説明された種類の小型電圧安定化装置は消費ユニットの外側に、並べて配置されることがあり、それ故に既存の消費ユニットにその中の回路に微小な調整をして接続されるべき装置として利用されるかも知れない。その結果、電源回路を二つの部分に分けて、一つは電圧安定化によって恩恵を受けない回路のものであり、もう一つは電圧安定化によって恩恵を受ける回路のものであり、ここで低減された定電圧はエネルギーを節約し、電気器具の寿命を延ばすものである。

更に、この装置は他の国では当然であるような種々の異なった電圧レベルで構成され、運用されることがあり得る。

電力節減を与えるのと同様に、電圧制御装置は安定化する装置にあるレベルの力率補正も与える。鉄製の回路での磁束密度は電圧に比例し、磁束密度が高くなればなるほど、回路における鉄損は高くなる。それ故に、電圧を低減することによって磁束密度が低減し、対応して鉄損が低減されるであろう。これは回路の力率が改善されることに帰着するものである。力率の改善は配電、送電、発電会社に利益をもたらすであろう。

本発明による電圧安定化装置がどのようにして屋内消費ユニットに組み込まれるかを示す図である。 屋内消費ユニットに組み込まれた電圧安定化装置のブロック回路ダイヤグラムである。

Claims (18)

1. 電源への接続に適合したオートトランスと、出力電圧を決定するためにオートトランスに接続される巡回スイッチ手段と、オートトランスの動作温度の変化に対応し、前記出力電圧を変化させ、それで前記動作温度を制御するための巡回スイッチ手段に接続される手段を含む電圧安定化装置。
2. 巡回スイッチ手段がパルス幅変調または位相角制御によって動作する請求項１に記載の電圧安定化装置。
3. オートトランスが供給される回路の最大電流定格というよりもむしろ供給される回路の基礎負荷用に見積もられる請求項１または請求項２に記載の電圧安定化装置。
4. 基礎負荷が供給される回路の最大電流定格の４分の１よりも大きくないようにオートトランスが見積もられる請求項３に記載の電圧安定化装置。
5. オートトランスが５０アンペアよりも大きくない一定電流を供給するように見積もられる請求項１〜４のいずれか一項に記載の電圧安定化装置。
6. オートトランスが２０アンペアより大きくない一定電流を供給するように見積もられる請求項１〜５のいずれか一項に記載の電圧安定化装置。
7. 巡回スイッチ手段がスナバー回路を必要としないスイッチ電気負荷用のパルス幅変調または位相角制御装置を含むマイクロ制御器を包含する請求項１〜６のいずれか一項に記載の電圧安定化装置。
8. 巡回スイッチ手段のデューティサイクルが前記出力電圧のための設定点を決定するために調整が可能な請求項１〜７のいずれか一項に記載の電圧安定化装置。
9. 温度応答手段がサーミスタあるいは温度モデルであって、オートトランスの動作温度を連続的に評価、または測定または評価し、前記温度が増加したときにはスイッチ論理回路にオートトランスの設定点を増加するのに適合した請求項１〜８のいずれか一項に記載の電圧安定化装置。
10. 巡回スイッチ手段が予め定められた期間に亘って徐々に設定点を増加し、その結果出力電圧を上昇するように構成された請求項８に記載の電圧安定化装置。
11. 出力電圧が電源の電圧に実質的に等しいとき、自動的にオートトランスを回避するように動作可能なバイパススイッチを含む請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電圧安定化装置。
12. 巡回スイッチ手段のデューティサイクルがオートトランスの出力電圧の測定によって変調される請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電圧安定化装置。
13. 巡回スイッチ手段のデューティサイクルがオートトランスの入力電圧の測定によって変調される請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電圧安定化装置。
14. 所有物用の主電源に接続され、そこでは少なくとも二組の出力端子が与えられ、その内の少なくとも一つは負荷が電圧安定化によって恩恵を受けない一つ以上の回路に電源を供給し、そして電圧安定化装置が主電源と負荷が前記電圧安定化から恩恵を受ける回路との間に接続されるとき少なくとも他のもう一つの回路の負荷は電圧安定化によって恩恵を受けるのに適合した消費単位と組み合わせた電圧安定化装置。
15. 一個のケースに収められた消費ユニット内に含まれ、かつ電圧安定化装置によって安定化されない回路のための少なくとも一個のＭＣＢと電圧安定化装置によって安定化される回路のための少なくとも一個のＭＣＢを含む請求項１４による組み合わせ。
16. 電圧安定化装置が電圧安定化によってその負荷が恩恵をうける全ての回路または各々の回路の最大電流定格よりも基盤負荷用に見積もられる請求項１４または１５に記載の組み合わせ。
17. 主電源が単相である請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の組み合わせ。
18. 主電源が３相である請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の組み合わせ。

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