JP4528886B2 - 電力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力制御装置に関するものである。

逆阻止能力を持たない、逆導通型の４つの素子を用いて順逆両方向の電流をゲート制御のみでＯＮ・ＯＦＦ可能であり、かつ電流を遮断した際のスナバエネルギーを、電荷の持つ静電エネルギーの形でコンデンサに蓄積し、ＯＮゲートが与えられた素子を通して負荷側に放出することでスナバエネルギーをロスなく回生できるスイッチ回路が提案されている（特許文献１参照）。このスイッチ回路は、電流順逆両方向制御が可能であり、スナバエネルギー回生スイッチと呼ばれている。
上述のスナバエネルギー回生スイッチを、誘導性負荷の磁気エネルギーの回生に応用したものを、特に、ＭＥＲＳ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｗｉｔｃｈ：磁気エネルギー回生スイッチ)と呼んでいる。特許文献１では、フルブリッジ型のＭＥＲＳの回路の態様を開示している。

ＭＥＲＳの逆阻止能力を持たない素子として、たとえばボディダイオードを内蔵したパワーＭＯＳＦＥＴや、ダイオードと逆並列接続したトランジスタなどの順方向制御が可能な素子が用いられている。ＭＥＲＳは、これらの半導体素子４つで構成されるブリッジ回路と、ブリッジ回路の正極と負極間に、磁気エネルギーを電荷の持つ静電エネルギーの形で吸収、放出するコンデンサを接続して構成される。そして、ＭＥＲＳは、これら４つの半導体素子のゲートを制御することで、電流をどちらの方向にも流すことが可能となっている。

また、ＭＥＲＳは、ブリッジ接続された４つの半導体素子のうち、対角線上に位置する（直接隣り合わない接続の位置にある）２つの半導体素子が１つのペアとなり、２つのペア間のＯＮ・ＯＦＦの切換動作を交流電源の周波数に同期して行い、一方のペアがＯＮの時は他方のペアがＯＦＦとなるように動作させる。コンデンサは、このＯＮ・ＯＦＦの切換タイミングに合わせて充放電を繰り返す。

そして、一方のペアにＯＦＦゲートが与えられ、他方のペアにＯＮゲートが与えられると、順方向に導通していた電流は他方のペアの第１のダイオード−コンデンサ−他方のペアの第２のダイオードという経路で流れ、コンデンサを充電する。すなわち、誘導性負荷の磁気エネルギーが、電荷の持つ静電エネルギーの形でコンデンサに蓄積される。誘導性負荷の磁気エネルギーは、コンデンサの電圧が上昇し、コンデンサを流れる電流が略ゼロになるまで、コンデンサに電荷の持つ静電エネルギーの形で蓄積される。コンデンサを流れる電流が略ゼロになるまでコンデンサの電圧が上昇すると、コンデンサの充電が完了する。この時点で他方のペアには既にＯＮゲートが与えられているため、ＯＮしている半導体素子を通してコンデンサの電荷が負荷側に放電され、コンデンサに電荷の持つ静電エネルギーの形で蓄積された磁気エネルギーが負荷側に戻される。

さらに、ＭＥＲＳは、４つの半導体素子のうち対角線上に位置する２つの半導体素子をペアとし、ペア２つのＯＮ・ＯＦＦのゲート位相を制御することで、ＭＥＲＳの出力電圧の大きさと電流の位相を任意に制御することが可能であり、これにより所望の力率を得ることができる（特許文献２参照）。
日本国特許第３６３４９８２号公報 日本国特許第３７３５６７３号公報

ところで、交流電源に接続された負荷が誘導性負荷の場合、内部のリアクタンスによって電流の位相が電源電圧の位相に対して遅れるため、交流電源の力率は低下する。力率が低いと、送電側から供給された電力の一部は、そのまま負荷側から送電側に戻されることとなる。すなわち、一部の電力は送電側と負荷側との間を送電線を通して単に行き来するに過ぎない無効電力となってしまう。そして、通常、送電線を通して電力を供給した場合、送電線通る際に電力損失が生じる。

近年、大気汚染や地球温暖化などの環境問題が特に深刻化してきており、環境問題への取り組みとして、消費エネルギー量の低減（省エネ）が盛んに図られるようになってきている。無駄な電力消費は地球温暖化や大気汚染の一因となるため、環境問題の解決を図る一策として、電力損失の低減が求められる。

これに対し、交流電源の力率を改善すれば、同じ電力量を送電する際の無効電力量が低減するため、送電線に流れる電流が少なくなり、そのため送電損失が低減する。交流電源の力率を改善するためには、負荷に供給する電圧を調整して負荷に流れる電流の位相を進めてやればよい。しかしながら、たとえば誘導性負荷が照明灯である場合には、照明灯が必要輝度を維持できるように電力を供給する必要があり、また交流電源の力率の調整による供給電圧の上昇によってかえって無駄な電力消費が増大するおそれがある。そのため、誘導性負荷が照明灯の場合には、交流電源の力率改善を目的として、単純に電流の位相を調整することができない。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の誘導性負荷が接続された交流電源の力率を改善するとともに、複数の誘導性負荷が照明灯である場合に調光を行うことに好適な技術の提供にある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様は電力制御装置であり、該電力制御装置は、誘導性負荷を一つまたは複数含む第１系統と交流電源との間に接続され、前記交流電源から前記第１系統の誘導性負荷に出力される電圧の大きさと電流の位相を調整する第１調整スイッチと、誘導性負荷を一つまたは複数含む第２系統と前記交流電源との間に接続され、前記交流電源から前記第２系統の誘導性負荷に出力される電圧の大きさと電流の位相を調整する第２調整スイッチと、前記第１調整スイッチを制御する第１調整部と、前記第２調整スイッチを制御する第２調整部と、前記第１調整部および前記第２調整部に対して電流位相の調整および電力の調整を指示する力率調整指示部と、を備え、前記力率調整指示部は、前記第１系統の誘導性負荷に流れる電流の位相を電源電圧の位相に対して進ませるように前記第１調整部に指示し、前記第２系統の誘導性負荷に流れる電流の位相を電源電圧の位相に対して遅らせるように前記第２調整部に指示することで、前記交流電源の力率を調整するように、前記第１調整部と前記第２調整部に指示することを特徴とする。

本発明によれば、複数の誘導性負荷が接続された交流電源の力率を改善するとともに、複数の誘導性負荷が照明灯である場合に調光を行うことができる。

ＭＥＲＳ組み込みシステムの基本構成を示す図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、制御部によるＭＥＲＳのスイッチング制御を説明するための図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、制御部によるＭＥＲＳのスイッチング制御を説明するための図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、制御部によるＭＥＲＳのスイッチング制御を説明するための図である。 図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、ＭＥＲＳ組み込みシステムの動作結果を説明するための図である。 ＭＥＲＳの他の態様を示す図である。 ＭＥＲＳの他の態様を示す図である。 実施形態１に係る照明制御装置の構成を示す概略図である。 第１調整部および力率調整指示部の概略構成を説明する機能ブロック図である。

ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８ 逆導通型半導体スイッチ、 Ｄ１、Ｄ２ ダイオード、 １０ ＭＥＲＳ組み込みシステム、 ２０ 交流電圧源、 ３０ 磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ）、 ３０ａ 第１ＭＥＲＳ、 ３０ｂ 第２ＭＥＲＳ、 ３２、３３、３４、３５、３６ コンデンサ、 ４０ 制御部、 ４０ａ 第１制御部、 ４０ｂ 第２制御部、５０ 誘導性負荷、 ６０、６０ａ〜６０ｆ 照明灯、 ７０ａ 第１調整部、 ７０ｂ 第２調整部、 ７２ａ 第１指示取得部、 ７２ｂ 第２指示取得部、 ８０ 力率調整指示部、 ８２ 位相比較部、 ８４ 輝度監視部、 ８６ 指示部、 ９０ａ 第１位相検出部、 ９０ｂ 第２位相検出部、 １００ 照明制御装置、 １１０ａ 第１照度センサ、 １１０ｂ 第２照度センサ。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（実施形態１）
本実施形態に係る照明制御装置は、本発明に係る電力制御装置を、照明灯の制御に用いたものである。より詳しくは、本実施形態に係る照明制御装置は、誘導性負荷を有する一つあるいは複数の照明灯を含む第１系統と交流電源との間に接続され、交流電源から第１系統の照明灯に出力される電圧の大きさと電流の位相を調整する第１調整スイッチと、誘導性負荷を有する一つあるいは複数の照明灯を含む第２系統と交流電源との間に接続され、交流電源から第２系統の照明灯に出力される電圧の大きさと電流の位相を調整する第２調整スイッチと、第１調整スイッチを制御する第１調整部と、第２調整スイッチを制御する第２調整部と、第１調整部および第２調整部に対して電流位相の調整および調光を指示する力率調整指示部と、を備える。調整スイッチは、たとえば磁気エネルギー回生スイッチ(Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｗｉｔｃｈ：ＭＥＲＳ)（以下、ＭＥＲＳと称する）である。

力率調整指示部は、第１系統の照明灯に流れる電流の位相を電源電圧の位相に対して進ませ、第２系統の照明灯に流れる電流の位相を電源電圧の位相に対して遅らせて、交流電源の力率を調整するとともに、第１系統の照明灯および第２系統の照明灯に出力される電圧を調整して第１系統の照明灯および第２系統の照明灯の輝度を調整するように、第１調整部と第２調整部に指示する。

まず、調整スイッチとしてのＭＥＲＳの構成および動作を説明する。本実施形態では、ＭＥＲＳを交流電圧源と誘電性負荷との間に直列に接続したＭＥＲＳ組み込みシステムを例に説明する。なお、ＭＥＲＳは交流電圧源に組み込むことで交流電源装置を構成することができ、また誘導性負荷に組み込むことでＭＥＲＳ組み込み負荷を構成することができる。

図１は、ＭＥＲＳ組み込みシステム１０の基本構成を示す図である。
図１において、ＭＥＲＳ組み込みシステム１０は、交流電圧源２０と、インダクタンスのある誘導性負荷５０を備える。交流電圧源２０と誘導性負荷５０との間には、ＭＥＲＳ３０が挿入されている。また、ＭＥＲＳ組み込みシステム１０は、ＭＥＲＳ３０のスイッチングを制御する制御部４０を備える。

ＭＥＲＳ３０は、順逆両方向の電流を制御可能であり、磁気エネルギーをロスなく負荷側に回生できる磁気エネルギー回生スイッチである。ＭＥＲＳ３０は、４つの逆導通型半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４にて構成されるブリッジ回路と、磁気エネルギーを電荷の持つ静電エネルギーの形で吸収するコンデンサ３２とを備える。

ブリッジ回路は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１と逆導通型半導体スイッチＳＷ４とが直列に接続され、逆導通型半導体スイッチＳＷ２と逆導通型半導体スイッチＳＷ３とが直列に接続され、それらが並列に接続されて形成されている。

コンデンサ３２は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１と逆導通型半導体スイッチＳＷ３との接続点にある直流端子ＤＣ（Ｐ）と、逆導通型半導体スイッチＳＷ２と逆導通型半導体スイッチＳＷ４との接続点にある直流端子ＤＣ（Ｎ）とに接続されている。また、逆導通型半導体スイッチＳＷ１と逆導通型半導体スイッチＳＷ４との接続点にある一方の交流端子と、逆導通型半導体スイッチＳＷ２と逆導通型半導体スイッチＳＷ３との接続点にある他方の交流端子とには交流電圧源２０と誘導性負荷５０とが直列接続されている。

ＭＥＲＳ３０に配設された対角線上に位置する逆導通型半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２からなる第１のペアと、同じく対角線上に位置する逆導通型半導体スイッチＳＷ３、ＳＷ４からなる第２のペアが、交流電圧源２０の電源周波数に同期して交互にＯＮ・ＯＦＦされる。すなわち、片方のペアがＯＮのとき他方のペアはＯＦＦとなる。そして、たとえば第１のペアにＯＦＦゲートが与えられ、第２のペアにＯＮゲートが与えられると、順方向に導通していた電流が第２のペアの逆導通型半導体スイッチＳＷ３−コンデンサ３２−逆導通型半導体スイッチＳＷ４という経路で流れ、これによりコンデンサ３２が充電される。すなわち、回路の磁気エネルギーが電荷の持つ静電エネルギーの形でコンデンサ３２に蓄積される。

回路の磁気エネルギーは、コンデンサ３２の電圧が上昇して、コンデンサ３２を流れる電流（以下、コンデンサ電流という。）が略ゼロになるまでコンデンサ３２に蓄積され、コンデンサ電流が略ゼロになるまでコンデンサ３２の電圧が上昇すると、コンデンサ電流の遮断が完了する。この時点で第２のペアには既にＯＮゲートが与えられているため、ＯＮしている逆導通型半導体スイッチＳＷ３とＳＷ４を通してコンデンサ３２の電荷が誘導性負荷５０に放電され、コンデンサ３２に蓄積された静電エネルギーが誘導性負荷５０に戻される。（結果として、磁気エネルギーが誘導性負荷５０に戻される。）

電流のＯＮ・ＯＦＦ時、誘導性負荷５０にはパルス電圧が印加されるが、パルス電圧の大きさはコンデンサ３２の静電容量に応じて逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４と誘導性負荷５０のそれぞれの耐電圧許容範囲内とすることができる。また、ＭＥＲＳ３０には、従来の直列力率改善コンデンサと異なり、直流のコンデンサを用いることができる。逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４は、たとえばパワーＭＯＳＦＥＴからなり、それぞれゲートＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４を有する。逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４のチャネルには、それぞれボディダイオードが並列接続されている。

ＭＥＲＳ３０には、ボディダイオードに加えて、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４と逆並列にダイオードを加えてもよい。なお、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４としては、たとえばＩＧＢＴやダイオードを逆並列接続したトランジスタなどの素子を用いることもできる。

制御部４０は、ＭＥＲＳ３０の逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４のスイッチングを制御する。具体的には、ＭＥＲＳ３０のブリッジ回路における対角線上に位置する逆導通型半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２からなるペアのＯＮ・ＯＦＦ動作と、逆導通型半導体スイッチＳＷ３、ＳＷ４からなるペアのＯＮ・ＯＦＦ動作とを、一方がＯＮのとき他方がＯＦＦとなるように（ＯＮ・ＯＦＦ動作がペア間で相補的になるように）、半サイクル毎にそれぞれ同時に行うようゲートＧ１乃至Ｇ４に制御信号を送信する。

続いて、制御部４０によるＭＥＲＳ３０のスイッチング制御について詳細に説明する。図２（ａ）と（ｂ）、図３（ａ）と（ｂ）、図４（ａ）と（ｂ）は、制御部４０によるＭＥＲＳ３０のスイッチング制御を説明するための図である。

まず、コンデンサ３２に充電電圧がない状態で、制御部４０が逆導通型半導体スイッチＳＷ１とＳＷ２を同時にＯＮにした場合、図２（ａ）に示すように、電流は逆導通型半導体スイッチＳＷ３とＳＷ１を通る経路と、逆導通型半導体スイッチＳＷ２とＳＷ４を通る経路を流れ、並列導通状態となる。

次に、交流電圧源２０の電圧が反転する前の所定のタイミング、たとえば約２ミリ秒前に、制御部４０は逆導通型半導体スイッチＳＷ１とＳＷ２をＯＦＦにする。これにより、図２（ｂ）に示すように、電流は逆導通型半導体スイッチＳＷ３−コンデンサ３２−逆導通型半導体スイッチＳＷ４を通る経路を流れる。その結果、コンデンサ３２に磁気エネルギーが電荷の持つ静電エネルギーの形で吸収（コンデンサ３２は充電）される。本実施形態では、逆導通型半導体スイッチＳＷ１とＳＷ２をＯＦＦにするタイミングで、逆導通型半導体スイッチＳＷ３とＳＷ４をＯＮにしている。

コンデンサ３２の充電が完了すると、すなわちコンデンサ３２の電圧が所定値以上となると、コンデンサ電流は遮断される。そして、交流電圧源２０の電圧が反転すると、逆導通型半導体スイッチＳＷ３とＳＷ４は既にＯＮであり、またコンデンサ３２に充電電圧があるため、図３（ａ）に示すように、電流は逆導通型半導体スイッチＳＷ４−コンデンサ３２−逆導通型半導体スイッチＳＷ３を通る経路を流れる。そして、コンデンサ３２に電荷の持つ静電エネルギーの形で蓄積した磁気エネルギーが放出（コンデンサ３２は放電）される。

次に、コンデンサ３２の放電が終了すると、図３（ｂ）に示すように、電流は逆導通型半導体スイッチＳＷ１とＳＷ３を通る経路と、逆導通型半導体スイッチＳＷ４とＳＷ２を通る経路を流れ、並列導通状態となる。

次に、交流電圧源２０の電圧が反転する前の所定のタイミングで、制御部４０は逆導通型半導体スイッチＳＷ３とＳＷ４をＯＦＦにする。これにより、図４（ａ）に示すように、電流は逆導通型半導体スイッチＳＷ１−コンデンサ３２−逆導通型半導体スイッチＳＷ２を通る経路を流れる。その結果、コンデンサ３２に磁気エネルギーが電荷の持つ静電エネルギーの形で吸収される。本実施形態では、逆導通型半導体スイッチＳＷ３とＳＷ４をＯＦＦにするタイミングで、逆導通型半導体スイッチＳＷ１をＳＷ２をＯＮにしている。

コンデンサ３２の充電が完了するとコンデンサ電流は遮断され、そして交流電圧源２０の電圧が反転すると、逆導通型半導体スイッチＳＷ１とＳＷ２は既にＯＮであり、またコンデンサ３２に充電電圧があるため、図４(ｂ)に示すように、電流は逆導通型半導体スイッチＳＷ２−コンデンサ３２−逆導通型半導体スイッチＳＷ１を通る経路を流れる。そして、コンデンサ３２に電荷の持つ静電エネルギーの形で蓄積した磁気エネルギーが放電される。コンデンサ３２からの放電が終了すると、図２（ａ）に示す並列導通状態となり、以後これを繰り返す。このように、ＭＥＲＳ３０は、ペア２組間の逆導通型半導体スイッチを、交互に導通状態にすることにより、双方向に電流を流すことができる。

上述のようなＭＥＲＳ３０のスイッチング制御により、次のような効果が得られる。図５（ａ）乃至（ｄ）は、ＭＥＲＳ組み込みシステム１０の動作結果を説明するための図である。図５（ａ）は、ＭＥＲＳ３０が組み込まれていない場合の電源電圧と電流の波形を示し、図５（ｂ）は、ＭＥＲＳ３０が組み込まれた場合の電源電圧、電流、負荷電圧の波形を示している。また、図５（ｃ）はコンデンサ電圧と逆導通型半導体スイッチＳＷ１を流れる電流の波形を示し、図５（ｄ）は逆導通型半導体スイッチＳＷ１がＯＮになるタイミングを示している。

図５（ａ）に示すように、ＭＥＲＳ３０が組み込まれていない場合、誘導性負荷５０の影響により、電流の位相が電源電圧の位相よりも遅れている。そのため交流電圧源２０の力率は略１より小さい。一方、交流電圧源２０と誘導性負荷５０との間にＭＥＲＳ３０を直列に挿入した場合には、図５（ｂ）に示すように電流の位相を進ませることができるため、交流電圧源２０の力率を略１とすることが可能である。

すなわち、ＭＥＲＳ３０は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４の対角線上のペア２組のゲート位相を調整することで、誘導性負荷５０の磁気エネルギーをコンデンサ３２に電荷の持つ静電エネルギーの形で蓄えて、電流の位相を進ませ、これにより交流電圧源２０の力率を略１にすることが可能である。また、ＭＥＲＳ３０は、電流の位相を進ませるだけでなく、電流の位相を任意に制御することが可能であり、これにより任意に力率を調整することができる。さらに、誘導性負荷５０の磁気エネルギーを電荷の持つ静電エネルギーの形でコンデンサ３２に貯え、電荷の持つ静電エネルギーの形で蓄えた磁気エネルギーを誘導性負荷５０に戻すことにより、負荷電圧を無段階に増減させることが可能である。

また、図５（ｃ）および図５（ｄ）に示すように、逆導通型半導体スイッチＳＷ１がＯＮになるタイミングでは、コンデンサ電圧は略ゼロ［Ｖ］であり、逆導通型半導体スイッチＳＷ１を流れる電流は、並列導通時に逆導通型半導体スイッチＳＷ１のダイオードを流れる電流である。逆導通型半導体スイッチＳＷ１がＯＦＦになるタイミングにおいてもコンデンサ電圧は略ゼロ［Ｖ］である。すなわち、逆導通型半導体スイッチＳＷ１は、ゼロ電圧、ゼロ電流でスイッチングされており、そのためスイッチングによる損失を減らすことができる。他の３つの逆導通型半導体スイッチＳＷ２乃至ＳＷ４については、逆導通型半導体スイッチＳＷ１と同期してスイッチングしているため、同様の結果となる。

コンデンサ３２の充放電する時間は、誘導性負荷５０とコンデンサ３２との共振周期の半周期分であり、スイッチング周期が誘導性負荷５０とコンデンサ３２との共振周期より長い時には、ＭＥＲＳ３０は、常にゼロ電圧ゼロ電流スイッチング、すなわちソフトスイッチングが可能である。

ＭＥＲＳ３０に用いられるコンデンサ３２は、従来の電圧型インバータと異なり、回路にあるインダクタンスの磁気エネルギーを電荷の持つ静電エネルギーの形で蓄積するためだけのものである。そのため、コンデンサ容量を従来の電圧型インバータの電圧源コンデンサに比べて著しく小さくできる。コンデンサ容量は、誘導性負荷のインダクタンスとの共振周期がスイッチング周期より短くなるように選定する。

また、ＭＥＲＳ３０をゲートパルス発生装置として用いた場合、各ＭＥＲＳ３０に固有のＩＤナンバーを付与することができ、これを用いて外部からの制御信号を受信して各ＭＥＲＳ３０を制御することができる。たとえば、インターネットなどの通信回線を利用して無線で制御信号を送り、ＭＥＲＳ３０を無線制御できる。

上述のＭＥＲＳ組み込みシステム１０では、ＭＥＲＳ３０は４つの逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４で形成されるブリッジ回路と、ブリッジ回路の直流端子ＤＣ（Ｐ）とＤＣ（Ｎ）との間に接続されたコンデンサ３２とからなる構成であったが、ＭＥＲＳ３０は次のような構成であってもよい。

図６および図７は、ＭＥＲＳ３０の他の態様を示す図である。
図６に示すＭＥＲＳ３０は、上述の４つの逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４と１つのコンデンサ３２とからなるフルブリッジ型のＭＥＲＳ３０に対して、２つの逆導通型半導体スイッチと２つのダイオード、および２つのコンデンサで構成される縦型のハーフブリッジ型となっている。

より詳細には、この縦型ハーフブリッジ構造のＭＥＲＳ３０は、直列に接続された２つの逆導通型半導体スイッチＳＷ５、ＳＷ６と、この２つの逆導通型半導体スイッチＳＷ５、ＳＷ６と並列に設けられた、直列に接続された２つのコンデンサ３３、３４と、この２つのコンデンサ３３、３４それぞれと並列に接続された２つのダイオードＤ１、Ｄ２と、を含んでいる。

図７に示すＭＥＲＳ３０は、横型のハーフブリッジ型である。横型のハーフブリッジ型ＭＥＲＳは、２つの逆導通型半導体スイッチと２つのコンデンサで構成されている。
より詳細には、この横型のハーフブリッジ構造ＭＥＲＳ３０は、第１の経路上に直列に設けられた逆導通型半導体スイッチＳＷ７およびコンデンサ３５と、第１の経路と並列な第２の経路上に直列に設けられた逆導通型半導体スイッチＳＷ８およびコンデンサ３６と、第１、第２の経路に対して並列に結線された配線と、を含んでいる。

続いて、本実施形態に係る照明制御装置について説明する。本実施形態に係る照明制御装置は、本発明に係る電力制御装置を、照明灯の制御に用いたものである。図８は、実施形態１に係る照明制御装置の構成を示す概略図である。

図８に示すように、本実施形態の照明制御装置１００は、照明灯６０ａ乃至６０ｃと交流電圧源２０との間に第１ＭＥＲＳ３０ａを設け、照明灯６０ｄ乃至６０ｆと交流電圧源２０との間に第２ＭＥＲＳ３０ｂを設けた構成である。照明灯６０は、誘導性負荷を有する照明灯または誘導性負荷に接続された照明灯である。誘導性負荷を有する照明灯としては、たとえば放電灯などが挙げられる。放電灯は、たとえば蛍光灯、水銀灯、ナトリウム灯、またはネオン灯である。また、誘導性負荷に接続された照明灯としては、誘導性負荷を持たない白熱灯、ＬＥＤなどの光源にリアクトルを接続したものが挙げられる。本実施形態では、照明灯６０に放電灯を用いた場合を例に説明する。また、照明灯６０の数は特に限定されず、第１ＭＥＲＳ３０ａおよび第２ＭＥＲＳ３０ｂのそれぞれに対して少なくとも一つの照明灯６０が接続されていればよい。

また、照明制御装置１００は、第１ＭＥＲＳ３０ａのゲート位相角を制御して第１ＭＥＲＳ３０ａの出力電圧の大きさと電流の位相を調整するための第１調整部７０ａを備える。また、照明制御装置１００は、第２ＭＥＲＳ３０ｂのゲート位相角を制御して第２ＭＥＲＳ３０ｂの出力電圧の大きさと電流の位相を調整するための第２調整部７０ｂを備える。さらに、照明制御装置１００は、第１調整部７０ａおよび第２調整部７０ｂに電流位相の調整および調光を指示する力率調整指示部８０と、照明灯６０ａ乃至６０ｃに流れる電流の位相を検出する第１位相検出部９０ａと、照明灯６０ｄ乃至６０ｆに流れる電流の位相を検出する第２位相検出部９０ｂとを備える。具体的には、第１位相検出部９０ａおよび第２位相検出部９０ｂは、交流電圧源２０の電圧の位相に対する電流の位相を検出する。

さらに、照明制御装置１００は、照明灯６０ａ乃至６０ｃの輝度を検知するための第１輝度検知手段として、照明灯６０ａ〜６０ｃの照射範囲の照度を検出する第１照度センサ１１０ａを備える。また、照明制御装置１００は、照明灯６０ｄ乃至６０ｆの輝度を検知するための第２輝度検知手段として、照明灯６０ｄ乃至６０ｆの照射範囲の照度を検出する第２照度センサ１１０ｂを備える。第１照度センサ１１０ａおよび第２照度センサ１１０ｂの数は特に限定されず、各系統に１以上あればよい。

本実施形態の照明制御装置１００では、照明灯６０ａ乃至６０ｃを含む第１系統と、照明灯６０ｄ乃至６０ｆを含む第２系統とが同一の交流電源である交流電圧源２０に並列に接続されている。

図９は、第１調整部７０ａ、第２調整部７０ｂ、および力率調整指示部８０の概略構成を説明する機能ブロック図である。
図９に示すように、第１調整部７０ａは、第１ＭＥＲＳ３０ａの逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４（図示されない）のゲートＧ１乃至Ｇ４（図示されない）に制御信号を送信し、第１ＭＥＲＳ３０ａの出力電圧の大きさを調整するとともに、同時に電流の位相を調整する第１制御部４０ａを備える。また、第１調整部７０ａは、力率調整指示部８０の後述する指示部８６から指示信号を受信し、第１制御部４０ａに送信する第１指示取得部７２ａを備える。

また、第２調整部７０ｂは、第２ＭＥＲＳ３０ｂの逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４（図示されない）のゲートＧ１乃至Ｇ４（図示されない）に制御信号を送信し、第２ＭＥＲＳ３０ｂの出力電圧の大きさを調整するとともに、同時に電流の位相を調整する第２制御部４０ｂを備える。また、第２調整部７０ｂは、力率調整指示部８０の後述する指示部８６から指示信号を受信し、第２制御部４０ｂに送信する第２指示取得部７２ｂを備える。

力率調整指示部８０は、第１位相検出部９０ａから電流の位相情報を取得し、また第２位相検出部９０ｂから電流の位相情報を取得して、各系統の照明灯６０に流れる電流の位相を比較し、比較結果を指示部８６に送信する位相比較部８２を備える。また、力率調整指示部８０は、第１照度センサ１１０ａの検知結果と第２照度センサ１１０ｂの検知結果を取得して、各系統の照明灯６０の輝度を監視し、監視結果を指示部８６に送信する輝度監視部８４を備える。輝度監視部８４は、照明灯６０の輝度と光照射領域の照度とを対応付けた輝度照度対応テーブルを保持している。また、輝度監視部８４は、図示しないパラメータ保持部を備え、予め規定された照明灯の必要輝度値を保持している。ここで、前記「必要輝度値」は、照明灯６０が設置された領域において必要とされる輝度の下限値と上限値とを含む所定の幅を持った値であり、照明灯６０が設置された場所に応じて適宜設定され、この値は実験的に求めることができる。必要輝度値に上限を設けることで、照明灯６０の輝度の過度の上昇を防ぎ、無駄な電力消費を削減できる。

さらに力率調整指示部８０は、位相比較部８２から受信した情報に基づいて、あるいは輝度監視部８４から受信した情報に基づいて、第１調整部７０ａおよび第２調整部７０ｂに電流位相の調整および調光を指示する指示部８６を備える。

続いて、照明制御装置１００の動作について説明する。
たとえば、まず、力率調整指示部８０は、第１系統に流れる電流の位相を電源電圧の位相に対して進み位相とするとともに、第１系統に含まれる照明灯６０ａ乃至６０ｃの輝度が必要輝度値を満たすように、第１調整部７０ａに第１ＭＥＲＳ３０ａの調整を指示する。次に、力率調整指示部８０は、照明灯６０ａ乃至６０ｃに流れる電流の位相情報を第１位相検出部９０ａから取得し、交流電圧源２０の力率を１とし、もしくは１に近づけるために、第２系統に流れる電流の位相を電源電圧の位相に対して遅れ位相とするよう第２調整部７０ｂに指示する。

続いて、力率調整指示部８０は、第２系統の照明灯６０ｄ乃至６０ｆの照射範囲の照度値を第２照度センサ１１０ｂから受信し、輝度照度対応テーブルを参照して、その照度値を照明灯６０ｄ乃至６０ｆの輝度値に変換する。ここで、たとえば照明灯６０ｄ乃至６０ｆの輝度値が必要輝度値の下限未満であった場合、力率調整指示部８０は、照明灯６０ｄ乃至６０ｆの輝度を上げて必要輝度値とするように第２調整部７０ｂに指示する。第２調整部７０ｂは、力率調整指示部８０からの指示を受けて、照明灯６０ｄ乃至６０ｆの輝度が上がるように第２ＭＥＲＳ３０ｂの出力電圧の大きさを増大させるが、これにともない電流の位相が進み方向に変化する。そのため、交流電圧源２０の力率が低くなる。

力率調整指示部８０は、照明灯６０ｄ乃至６０ｆに流れる電流の位相情報を第２位相検出部９０ｂから取得し、交流電圧源２０の力率が１とし、もしくは１に近づくように、第１系統に流れる電流の位相を遅れ方向に調整する。照明灯６０ａ乃至６０ｆの輝度値が必要輝度値の上限より大きい場合には、照明灯６０ｄ乃至６０ｆの輝度を下げ、これにより第２系統の電流の位相が遅れ方向に変化するため、第１系統の電流の位相を進み方向に調整する。照明制御装置１００は、このようにして、交流電圧源２０の力率を改善することができ、また好ましくは１に近づけることができ、さらに好ましくは１にすることができる。また、それとともに、照明制御装置１００は、第１系統の照明灯６０ａ乃至６０ｃおよび第２系統の照明灯６０ｄ乃至６０ｆの輝度を必要輝度値に調整することができる。

なお、第１および第２輝度検知手段としては、たとえば照明灯６０に出力される電圧を検知する電圧計であってもい。この場合には、パラメータ保持部に必要輝度値に対応する必要電圧値を保持しておき、第１電圧計および第２電圧計でそれぞれ第１系統および第２系統に出力される電圧を検知し、上限電圧値と下限電圧値の範囲で照明灯６０の輝度を調整してもよい。

照明制御装置１００は、各照明灯６０の点灯状態においては、たとえば定期的に以下の制御を行う。すなわち、力率調整指示部８０が照明灯６０ａ乃至６０ｃに流れる電流の位相情報を第１位相検出部９０ａから取得する。また、同様に第２位相検出部９０ｂから照明灯６０ｄ乃至６０ｆに流れる電流の位相情報を取得する。そして、位相比較部８２が、照明灯６０ａ乃至６０ｃと照明灯６０ｄ乃至６０ｆのそれぞれに流れる電流の位相を比較して、比較結果を指示部８６に送信する。

指示部８６は、この比較結果に基づいて、たとえば第１系統の照明灯６０ａ乃至６０ｃに流れる電流の位相を電源電圧の位相に対して進ませるように、第１調整部７０ａに指示する。一方、指示部８６は、第２系統の照明灯６０ｄ乃至６０ｆに流れる電流の位相を、電源電圧の位相に対して遅らせるように、第２調整部７０ｂに指示する。たとえば、交流電圧源２０に接続された第１系統に流れる電流の位相の進み量と、同じ交流電圧源２０に接続された第２系統に流れる電流の位相の遅れ量を同量にする。これにより、交流電圧源２０における力率を改善することができ、好ましくは１に近づけることができ、さらに好ましくは１とすることができる。

ここで、第１系統の電流の位相と第２系統の電流の位相を調整して、交流電圧源２０の力率を１近傍に近づけた際に、照明灯６０の輝度が過度に増大し、無駄な電力の消費量が増大してしまうおそれがある。そのため、力率調整指示部８０は第１照度センサ１１０ａおよび第２照度センサ１１０ｂの検知結果から導出される照明灯６０ａ乃至６０ｆの輝度が所定値を超えた場合には、交流電圧源２０の力率が１近傍でなくてもよいこととし、照明灯６０の輝度が所定値以下となるように調整を行うようにしてもよい。なお、この場合であっても、第１系統の電流の位相と第２系統の電流の位相とを互いに逆相とすることで、交流電圧源２０の力率を改善できる。

また、通常、照明灯６０は、経年劣化などにより電極が劣化し、電流が流れにくくなって輝度が低下していく。そこで、力率調整指示部８０の輝度監視部８４は、第１系統の照明灯６０ａ乃至６０ｃの照射範囲の照度値を第１照度センサ１１０ａから受信し、また第２系統の照明灯６０ｄ乃至６０ｆの照射範囲の照度値を第２照度センサ１１０ｂから受信する。そして、それぞれの照度値から、それぞれの照明灯６０ａ乃至６０ｆの輝度値を導出し、パラメータ保持部に保持された照明灯の必要輝度値と比較する。

たとえば、比較の結果、第２系統の照明灯６０ｄ乃至６０ｆの輝度が必要輝度を下回っていたとする。この場合、輝度監視部８４は指示部８６に対し、第２調整部７０ｂに輝度の増加を指示するように信号を送信する。指示部８６は、輝度監視部８４から指示を受けると、第２調整部７０ｂに照明灯６０ｄ乃至６０ｆの輝度を増加させるように指示を送信する。指示部８６から指示を受けた第２調整部７０ｂは、照明灯６０ｄ乃至６０ｆの輝度を増加させるように、第２ＭＥＲＳ３０ｂのゲート位相角を制御して、第２ＭＥＲＳ３０ｂの出力電圧の大きさを増加させる。これにより、各照明灯６０の輝度が増加する。

一方、第２系統の照明灯６０ｄ乃至６０ｆの輝度を増大させるために第２ＭＥＲＳ３０ｂの出力電圧の大きさを増加させると、それにともない第２系統に流れる電流の位相も変化する。そこで、力率調整指示部８０は、位相比較部８２にて第１系統および第２系統の電流の位相を比較し、第２系統の電流の位相の変化量に合わせて、第１系統の電流の位相を変化させるように第１調整部７０ａに指示する。これにより、照明灯６０の輝度を調整するとともに、交流電圧源２０における力率を調整することができる。

なお、照明制御装置１００は、以下のような構成であってもよい。すなわち、第１ＭＥＲＳ３０ａおよび第２ＭＥＲＳ３０ｂに対して個別にアクセスできるように固有のアドレスを設定する。そして、インターネット、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）などのネットワークを介して有線、無線通信によって、力率調整指示部８０が第１調整部７０ａおよび第２調整部７０ｂに電流位相の調整および調光を指示する構成である。

以上説明した構成による作用効果を総括すると、本実施形態に係る照明制御装置１００では、交流電圧源２０に、照明灯６０ａ乃至６０ｃを含む第１系統と照明灯６０ｄ乃至６０ｆを含む第２系統とが接続されている。そして、各系統にはそれぞれ第１ＭＥＲＳ３０ａおよび第２ＭＥＲＳ３０ｂが接続され、力率調整指示部８０が、第１系統に流れる電流の位相を電源電圧の位相に対して進ませ、たとえば第２系統の電流の位相を第１系統の電流の位相の進み量と同量だけ遅らせるように制御する。これにより、第１系統および第２系統が接続された交流電圧源２０における力率を調整することができ、その結果、交流電圧源２０における力率が向上して、送電損失を低減することができる。

また、各系統の電流の位相を調整するとともに、各系統に含まれる照明灯６０の輝度を監視し、各照明灯６０の輝度が必要輝度を満たすように、ＭＥＲＳ３０の出力電圧の大きさを調整している。すなわち、各照明灯６０の輝度が必要輝度を満たす範囲内で、各系統の電流の位相を調整することで、交流電圧源２０の力率を改善しつつ、照明灯６０の調光を行うことができる。

また、従来、進相コンデンサを用いて力率を改善する方法が実用化されているが、進相コンデンサはサイズが大きく高価である。一方、本実施形態の照明制御装置１００では、照明灯６０と交流電圧源２０との間にＭＥＲＳ３０を組み込むだけである。そして、ＭＥＲＳ３０の構成は簡単でサイズが小さく、価格は安価であるため、照明制御装置１００を簡単に設けることができるとともに、その導入コストを非常に低く抑えることができる。

また、ＭＥＲＳ３０の逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４が故障した場合は、交流電圧源２０と照明灯６０とが導通状態となるだけであり、ＭＥＲＳ３０の故障によって照明灯６０が点灯不能な状態に陥ることはない。そのため、既存の交流電圧源２０と照明灯６０との間にＭＥＲＳ３０を組み込んでも、それによる安全性の低下などの問題は生じにくい。

本実施形態の照明制御装置１００は、配電系統、受電盤、配電盤単位で適用することが可能であり、同一配電系統、受電盤、あるいは配電盤に接続されている複数の照明灯６０の１つの系統に流れる電流を進み位相、他の系統に流れる電流を遅れ位相とすることで、配電系統、受電盤、あるいは配電盤単位で力率を１ないしは１近傍に近づけることができる。照明制御装置１００は、たとえば高速道路、自動車専用道路、あるいは一般道などの既設の照明灯に適用することができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

たとえば、上述の実施形態では、第１系統と第２系統にそれぞれ第１ＭＥＲＳ３０ａと第２ＭＥＲＳ３０ｂとを設けたが、たとえば第１系統のみにＭＥＲＳ３０を設ける構成であってもよい。この場合、照明灯６０内の電気的なリアクタンス成分により、第２系統に流れる電流の位相には遅れが生じるため、この遅れ量に応じた量だけ第１系統に流れる電流の位相を進ませることで、交流電圧源２０における力率を改善することができ、好ましくは１に近づけることができ、さらに好ましくは１とすることができる。

また、上述の実施形態では交流電圧源２０に第１系統と第２系統が接続された構成としたが、系統の数は特に限定されず、さらに多数の系統が交流電圧源２０に接続されていてもよい。その場合には、それら複数の系統の電流の位相を調整して、交流電圧源２０の力率が向上するように制御する。

Claims (8)

1. 誘導性負荷を一つまたは複数含む第１系統と交流電源との間に接続され、前記交流電源から前記第１系統の誘導性負荷に出力される電圧の大きさと電流の位相を調整する第１調整スイッチと、
   誘導性負荷を一つまたは複数含む第２系統と前記交流電源との間に接続され、前記交流電源から前記第２系統の誘導性負荷に出力される電圧の大きさと電流の位相を調整する第２調整スイッチと、
   前記第１調整スイッチを制御する第１調整部と、
   前記第２調整スイッチを制御する第２調整部と、
   前記第１調整部および前記第２調整部に対して電流位相の調整および電力の調整を指示する力率調整指示部と、
   を備え、
   前記力率調整指示部は、前記第１系統の誘導性負荷に流れる電流の位相を電源電圧の位相に対して進ませるように前記第１調整部に指示し、前記第２系統の誘導性負荷に流れる電流の位相を電源電圧の位相に対して遅らせるように前記第２調整部に指示することで、前記交流電源の力率を調整するように、前記第１調整部と前記第２調整部に指示することを特徴とする電力制御装置。
2. 前記第１調整スイッチおよび前記第２調整スイッチは、少なくとも２つの逆導通型半導体スイッチと、磁気エネルギーを電荷の持つ静電エネルギーの形で蓄積して回生するためのコンデンサと、を有し、前記第１調整スイッチおよび前記第２調整スイッチのゲート位相を制御することで、前記誘導性負荷に出力する電流の位相を調整することを特徴とする請求項１に記載の電力制御装置。
3. 前記第１系統の誘導性負荷に流れる電流の位相を検出する第１位相検出部と、
   前記第２系統の誘導性負荷に流れる電流の位相を検出する第２位相検出部と、
   を更に備え、
   前記力率調整指示部は、前記第１位相検出部および前記第２位相検出部の検出結果に応じて、前記第１系統の誘導性負荷および前記第２系統の誘導性負荷に流れる電流の位相を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の電力制御装置。
4. 前記誘導性負荷は、照明灯であり、
   前記第１系統の照明灯の輝度を検知する第１輝度検知手段と、
   前記第２系統の照明灯の輝度を検知する第２輝度検知手段と、
   を更に備え、
   前記力率調整指示部は、前記第１輝度検知手段および前記第２輝度検知手段の検知結果に応じて、前記第１系統の照明灯および前記第２系統の照明灯の輝度を調整することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力制御装置。
5. 前記誘導性負荷は、照明灯であり、
   前記力率調整指示部は、前記照明灯の輝度が所定値を超えた場合には、前記第１系統の照明灯および前記第２系統の照明灯の輝度を前記所定値以下に調整することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力制御装置。
6. 前記第１調整スイッチおよび前記第２調整スイッチは、
   ４つの逆導通型半導体スイッチで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、磁気エネルギーを電荷の持つ静電エネルギーの形で蓄積して回生するためのコンデンサと、を有し、
   前記調整部は、前記逆導通型半導体スイッチのゲートに制御信号を送り、前記ブリッジ回路の対角線上に位置する２つの逆導通型半導体スイッチからなるペア２組のうち、一方のペアがＯＮの時に他方のペアがＯＦＦとなるように、各ペアの逆導通型半導体スイッチのＯＮ・ＯＦＦ切換を前記交流電源の周波数に同期して行うことで、前記照明灯に供給する負荷電力量を調整することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力制御装置。
7. 前記第１調整スイッチおよび前記第２調整スイッチは、
   直列に接続された２つの逆導通型半導体スイッチと、
   前記２つの逆導通型半導体スイッチと並列に設けられた、直列に接続された２つのコンデンサと、
   前記２つのコンデンサそれぞれと並列に接続された２つのダイオードと、
   を含む縦型のハーフブリッジ構造を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力制御装置。
8. 前記第１調整スイッチおよび前記第２調整スイッチは、
   第１の経路上に直列に設けられた逆導通型半導体スイッチおよびコンデンサと、
   前記第１の経路と並列な第２の経路上に直列に設けられた逆導通型半導体スイッチおよびコンデンサと、
   前記第１、第２の経路に対して並列に結線された配線と、
   を含む横型のハーフブリッジ構造を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力制御装置。

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