JP4931698B2

JP4931698B2 - 電圧変動抑制装置

Info

Publication number: JP4931698B2
Application number: JP2007142162A
Authority: JP
Inventors: 弘章杉原
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2027-05-29
Also published as: JP2008301570A

Description

本発明は、交流電圧の振幅の変動を抑制する電圧変動抑制装置に関する。

近年、技術が進歩し、電力会社からは極めて高品質の電力の供給を受けることができるようになっている。しかし、電気炉や電気溶接機等の大電流を消費する設備が付近にある場合などには、需要家に供給される電力の電圧が変動し、照明器具やテレビ受像機のちらつき（フリッカ）が発生する場合がある。

このような電圧変動は、電灯線においてはΔＶ₁₀という指標で評価され、基準値以下に抑制されているものの、各種の条件によっては照明器具等のちらつきが感じられる場合がある。

このような電圧の変動を抑制する技術として、例えば電車内の電圧変動による蛍光灯のちらつきを抑える技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開平０６−２１７４０１号公報

ところで、照明器具のちらつきは、例えばインバータ点灯方式の照明器具を用いることによりある程度抑えることができる。しかしながらこの場合は、インバータ方式を採用した照明器具への交換が必要となる。また、照明器具に印加される電圧の変動がそもそも抑制されていないため、電圧の変動量や変動周期等の条件によっては十分なちらつき抑制効果を得られない場合もある。

また、ＣＶＣＦ（Constant-Voltage Constant-Frequency）等のように、交流電源から供給された交流電力を、一旦全て直流電力に変換し、その直流電力を再び交流電力に変換することにより、安定した振幅及び周波数の交流電圧を負荷装置に供給する方法もある。しかしこの場合は、大掛かりで高価な設備を設置する必要がある。

このため、交流電圧の振幅の変動を簡易に抑制することを可能とする技術が求められている。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、交流電圧の振幅の変動を簡易に抑制することができる電圧変動抑制装置を提供することを主たる目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、交流電圧を出力する柱上変圧器と負荷装置との間に介在され、前記柱上変圧器から出力された交流電圧の振幅の変動を抑制して前記負荷装置に供給する電圧変動抑制装置であって、複数のツェナーダイオードをそれぞれの順方向が逆向きになるように直列に接続してなる電圧リミッタ回路を有し、交流電圧を前記電圧リミッタ回路に印加して得られる交流電圧を出力する電圧調整部と、前記柱上変圧器から出力された交流電圧を、前記電圧調整部に印加する電圧入力部と、前記電圧調整部から出力される交流電圧を前記負荷装置に印加する電圧出力部と、を備え、前記電圧調整部は、第１〜第４のタップがコイル上に設けられた単巻変圧器を有し、前記第１のタップ及び前記第２のタップには、前記電圧リミッタ回路の一方の端子及び他方の端子が接続され、前記第１のタップ及び前記第３のタップの間には前記柱上変圧器が接続され、前記第１のタップ及び前記第４のタップの間には前記負荷装置が接続されることを特徴とする電圧変動抑制装置に関する。

このような態様によって、負荷装置に印加される交流電圧の振幅の変動を簡易に抑制することが可能となる。つまり、柱上変圧器から出力された交流電圧が電圧入力部によって電圧調整部に印加された場合に、電圧リミッタ回路を構成する各ツェナーダイオードの降伏電圧及び順方向電圧の一方向分の合計（以下、リミット電圧とも記す）を超える分の電圧がカットされるので、負荷装置にはリミット電圧以上の電圧が印加されることがない。このため、柱上変圧器から出力された交流電圧の振幅が変動している場合であっても、その変動を抑制して負荷装置に印加することが可能となる。また、ＣＶＣＦ等を用いる場合のように、柱上変圧器から供給された交流電力の全てを一旦直流電力に変換するような無駄な制御も不要であり、極めて簡易に、負荷装置に印加される交流電圧の振幅の変動を抑制することが可能となる。

また前記電圧調整部は、第１〜第４のタップがコイル上に設けられた単巻変圧器を有し、前記第１のタップ及び前記第２のタップには、前記電圧リミッタ回路の一方の端子及び他方の端子が接続され、前記第１のタップ及び前記第３のタップの間には前記柱上変圧器が接続され、前記第１のタップ及び前記第４のタップの間には前記負荷装置が接続されるので、交流電源から出力される交流電圧の振幅の上限値と、リミット電圧と、負荷装置に印加する交流電圧の振幅の上限値と、が一致していなくても、負荷装置に印加される交流電圧の振幅の変動を簡易に抑制することが可能となる。

また、前記コイル上の各タップの位置は、前記第１のタップから前記第３のタップまでのコイルの巻線数と、前記第１のタップから前記第２のタップまでのコイルの巻線数と、前記第１のタップから前記第４のタップまでのコイルの巻線数と、の比が、前記柱上変圧器から出力される交流電圧の振幅の上限値と、前記電圧リミッタ回路を構成する各ツェナーダイオードの降伏電圧及び順方向電圧の一方向分の和と、前記負荷装置に印加する交流電圧の振幅の上限値と、の比に対応するように設定されるようにしても良い。
このような態様によって、柱上変圧器から出力される交流電圧の振幅の上限値と、リミット電圧と、負荷装置に印加する交流電圧の振幅の上限値と、の比に応じて、最適に電圧変動抑制装置を設計することが可能となる。

また、前記電圧出力部はローパスフィルタを有し、前記電圧調整部から出力される交流電圧を、前記ローパスフィルタを介して前記負荷装置に印加するようにしてもよい。
このような態様によって、負荷装置に印加される交流電圧から高周波成分を除去することができ、負荷装置の誤作動等を防止することが可能となる。

また前記負荷装置は、照明器具であってもよい。
このような態様によって、インバータ方式を採用した照明器具への交換等を行なわなくても、照明器具のちらつき感を防止することが可能となる。

その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための最良の形態の欄、及び図面により明らかにされる。

交流電圧の振幅の変動を簡易に抑制することができる。

本発明に係る電圧変動抑制装置を用いた電気回路１０００の一実施形態を図１に示す。本実施形態においては、フリッカ低減装置１００が電圧変動抑制装置に相当する。
フリッカ低減装置１００は、交流電源８００と負荷装置７００との間に介在され、交流電源８００から出力された交流電圧の振幅の変動を抑制して負荷装置７００に供給する。

交流電源８００は、例えば定格１００ボルトの商用電源であり、５０ヘルツあるいは６０ヘルツの周波数の交流電圧を出力する。交流電源８００は、交流電力を生成する発電機によって構成されても良いし、高圧電力を低圧電力に変換する柱上変圧器等の変圧器によって構成されても良い。

なお、電力会社によって発電所等から供給される交流電力は、振幅や周波数などの変動が少なく、高品質であるが、例えば近所に電気炉や電気溶接機などの大電流を消費する設備を持つ工場などがある場合には、図１の（Ａ）点に示すように、交流電圧の振幅が変動する場合がある。変動周期は様々であるが、数ヘルツから数十ヘルツ程度の場合が多い。また振幅の変動幅は、電灯線においては規定値以下に抑えられているが，お客様構内においては、１〜２ボルト程度の場合もある。

負荷装置７００は、交流電力を消費する装置である。負荷装置７００は例えば蛍光灯などの照明器具によって構成される。また負荷装置７００は、例えばテレビ受像機やラジオ受信機などのような電気製品によって構成されても良い。これらの負荷装置７００に入力される交流電圧の振幅が変動すると、蛍光灯やテレビの画面のちらつきが発生する。一般的に、交流電圧の振幅の変動周期が１０ヘルツ程度の場合に、ちらつき感が大きいことが知られている。

フリッカ低減装置１００は、電圧入力部１２０と、電圧調整部１１０と、電圧出力部１３０と、を備える。
電圧入力部１２０は、交流電源８００から出力された交流電圧を電圧調整部１１０に印加する。図１に示す例では、電圧入力部１２０は抵抗部１２１を有して構成される。抵抗部１２１は、電気回路１０００を流れる電流が過大にならないように制限する。抵抗部１２１は例えばコイルや抵抗素子により構成される。

電圧調整部１１０は、複数のツェナーダイオード１１２をそれぞれの順方向が逆向きになるように直列に接続してなる電圧リミッタ回路１１１を有し、交流電源８００から出力された交流電圧を電圧リミッタ回路１１１に印加して得られる交流電圧を出力する。

電圧リミッタ回路１１１は、複数のツェナーダイオード１１２をそれぞれの順方向が逆向きになるように直列に接続して構成され、各ツェナーダイオード１１２の降伏電圧及び順方向電圧の一方向分の和の値（リミット電圧）を超える電圧が印加された場合には、超えた分の電圧をカットして出力する。各ツェナーダイオードは、順方向が逆向きになるように接続されていればどのような向きに接続しても良い。例えば図１に示すように、２つのツェナーダイオード１１２のアノード同士を接続する向きに接続しても良いし、カソード同士を接続する向きに接続しても良い。また、２つ以上のツェナーダイオード１１２を直列に接続する場合には、向きの異なる各ツェナーダイオード１１２を順不同に接続してもよい。

電圧調節部１１０を設けることにより、図１に示すように、交流電源８００から出力される交流電圧の振幅が変動している場合であっても（（Ａ）点の電圧）、電圧調整部１１０からは、リミット電圧に応じて定まる電圧を超える電圧がカットされて出力されるので（（Ｂ）点の電圧）、振幅変動を抑制することができる。

この場合、電圧リミッタ回路１１１の両端子間の電圧は、交流電源８００の両端子間の電圧と異なることになるが、抵抗部１２１を設けることによって、その電圧の差を吸収することができる。この場合、抵抗部１２１には、電圧リミッタ回路１１１の両端子間の電圧と交流電源８００の両端子間の電圧との差と、抵抗部１２１の抵抗値とにより定まる電流が流れる。

電圧出力部１３０は、電圧調整部１１０から出力される交流電圧を負荷装置７００に印加する。本実施形態に係るフリッカ低減装置１００においては、電圧出力部１３０は、ローパスフィルタ１３１を有して構成される。そして電圧出力部１３０は、電圧調整部１１０から出力される交流電圧を、ローパスフィルタ１３１を介して負荷装置７００に印加する。

これにより、電圧調整部１１０から出力される交流電圧に含まれる高周波成分を除去して負荷装置７００に供給することが可能となる（図１の（Ｃ）点の波形）。より具体的には、電圧調整部１１０から出力される交流電圧は正弦波のピークが平坦となっているため、第三高調波を主に含む高調波となるが、ローパスフィルタ１３１によってこの第三高調波をカットすることができる。この場合、ローパスフィルタ１３１は、基本波を通過させ第三高調波を阻止するように、カットオフを第二高調波程度に設定すると良い。
なお、本実施形態に係るローパスフィルタ１３１は、図４に一例を示すように、ＬＣローパスフィルタとして構成することができる。
もちろん電圧出力部１３０は、ローパスフィルタ１３１を有しない構成としてもよく、この場合は、電圧出力部１３０は、電圧調整部１１０から出力される交流電圧を直接、負荷装置７００に印加する。

ところで、図１に示したフリッカ低減装置１００においては、電圧リミッタ回路１１１を構成するツェナーダイオード１１２は２個であるが、より多くのツェナーダイオード１１２を用いて電圧リミッタ回路１１１を構成しても良い。その様子を図２に示す。
図２に示すフリッカ低減装置１１０においては１０個のツェナーダイオード１１２を用いて電圧リミッタ回路１１１を構成している。このようにすることにより、降伏電圧が低く、許容損失の小さなツェナーダイオード１１２を用いて電圧リミッタ回路１１１を構成することが可能となる。

例えば、市販のツェナーダイオード１１２の降伏電圧は最大でも５０ボルト程度であるが、交流電源８００が定格１００ボルトの商用電源である場合には、所望のリミット電圧は１３０ボルトから１４０ボルト程度である。また、市販のツェナーダイオード１１２の許容損失は、連続で１ワット程度、間欠でも数百ワットから１キロワット程度である。

このため、電圧リミッタ回路１１１を構成するツェナーダイオード１１２の数を増やすことにより、所望のリミット電圧を得ると共に、各ツェナーダイオード１１２の損失が許容値以内に収まるようにすることができる。

例えば、交流電源８００から出力される交流電圧が定格１００ボルト（ピーク１４１ボルト）であり、負荷装置７００の負荷が１００ワット（力率１）の場合を例に具体的に説明する。なお、電源装置８００の内部インピーダンスと抵抗部１２１の抵抗値とを合わせて１オームとする。

この場合、負荷装置７００に流れる電流は１アンペア（ピーク１．４アンペア）であり、負荷インピーダンスは１００オームとなる。

図２に示すフリッカ低減装置１００のように、１０個のツェナーダイオード１１２で電圧リミッタ回路１１１が構成されている場合には、降伏電圧が２７ボルト（最小２４ボルト、最大３０ボルト）のツェナーダイオード１１２を用いることにより、５直列でリミット電圧を１３５ボルトとすることができる。

また、交流電源８００から出力される交流電圧のピーク時において、１オームの抵抗に流れる電流は６アンペアとなる（電圧降下が６ボルト（１４１ボルト−１３５ボルト）であるため）。そのうち１．４アンペアは負荷装置７００に流れるため、電圧リミッタ回路１１１には４．６アンペアの電流が流れる。実効値換算では３．３アンペアとなるので、電圧リミッタ回路１１１における消費電力は３３０ワットとなる。

ただし、通流は交流電源８００から出力される交流電圧が１３５ボルト以上の間のみであり、全期間の２５％程度である。このため、電圧リミッタ回路１１１における消費電力は、時間平均をとれば８３ワットとなる。

８３ワットを５個のツェナーダイオード１１２で分担すれば、１個当たり１７ワットとなる。この程度の規格のツェナーダイオード１１２を用いれば、容易に電圧リミッタ回路１１１を構成することが可能である。例えば、サージ吸収用として流通している電力用ツェナーダイオードを用いることが可能である。

なお、ツェナーダイオード１１２の降伏電圧には±１０％程度のばらつきがあるため、電圧リミッタ回路１１１を構成するツェナーダイオード１１２の数が少ない場合には、所望のリミット電圧を得るためには、所望の降伏電圧を有するツェナーダイオード１１２を選別しなければならない。しかしながら、電圧リミッタ回路１１１を構成するツェナーダイオード１１２の数が多い場合には、各ツェナーダイオード１１２の組み合わせを考慮することにより、より容易にそして正確にリミット電圧を定めることが可能となる。

また、本実施形態にかかる電圧調整部１１０は、図３に示すような構成によっても実現することができる。
すなわち、電圧調整部１１０は、第１〜第４のタップがコイル上に設けられた単巻変圧器１１３を有し、第１のタップ及び第２のタップには、電圧リミッタ回路１１１の一方の端子及び他方の端子が接続され、第１のタップ及び第３のタップの間には交流電源８００が接続され、第１のタップ及び第４のタップの間には負荷装置７００が接続される。
これにより、交流電源８００から出力される交流電圧の上限値と、リミット電圧と、負荷装置７００に印加する交流電圧の上限値と、が一致していなくても、負荷装置７００に印加される交流電圧の振幅の変動を簡易に抑制することが可能となる。

例えば、電灯線の最低電圧は実効値で９５ボルト程度（ピークで１３５ボルト程度）であるため、このときにも電圧の変動を抑制するためには、リミット電圧は１３５ボルト付近に設定にする必要がある。ところが、電圧リミッタ回路１１１に用いるツェナーダイオード１１２の降伏電圧は、１３５ボルトとは限らない。
一方で、交流電源８００から出力される交流電圧の振幅をカットすると、負荷装置７００に印加される電圧が低下するため、負荷装置７００の規格に適合しない場合もある。

そこで、電圧調整部１１０を図３に示すような構成にすることによって、交流電源８００から出力される交流電圧の上限値と、リミット電圧と、負荷装置７００に印加する交流電圧の上限値と、が一致していなくても、負荷装置７００に印加される交流電圧の振幅の変動を簡易に抑制することを可能とすることができるのである。

ここで、単巻変圧器１１３のコイル上の各タップの位置は、第１のタップから第３のタップまでのコイルの巻線数と、第１のタップから第２のタップまでのコイルの巻線数と、第１のタップから第４のタップまでのコイルの巻線数と、の比が、交流電源８００から出力される交流電圧の振幅の上限値と、リミット電圧と、負荷装置７００に印加する交流電圧の振幅の上限値と、の比に対応するように設定すると良い。

例えば、降伏電圧が５０ボルトのツェナーダイオード１１２を用いて、交流電源８００から出力される交流電圧を１３５ボルトでクリップし、定格１００ボルトの負荷装置７００に定格（ピークで１４１ボルト）で供給する場合には、第１のタップから第３のタップまでのコイルの巻線数と、第１のタップから第２のタップまでのコイルの巻線数と、第１のタップから第４のタップまでのコイルの巻線数と、の比が、１３５：５０：１４１となるような位置にそれぞれタップを設ける。

なお、この場合、あらかじめ複数のタップを設けた単巻変圧器１１３を用意し、電源電圧や使用するツェナーダイオードの特性、負荷装置７００の特性に応じて、適当なタップを適宜選択するようにしてもよい。これにより、電源電圧やツェナーダイオードの特性、負荷装置７００の特性等が様々に異なっても、１種類の単巻変圧器１１３を製造しておくだけで対応することが可能となる。このため、単巻変圧器１１３を安価に製作することが可能となり、より安価なフリッカ低減装置１００を実現することが可能となる。

以上、本実施形態に係るフリッカ低減装置１００について説明したが、本フリッカ低減装置１００によれば、負荷装置７００に印加される交流電圧の振幅の変動を簡易に抑制することが可能となる。

なお、上記実施の形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。

本実施の形態に係るフリッカ低減装置を含む電気回路の構成例を示す図である。本実施の形態に係るフリッカ低減装置を含む電気回路の構成例を示す図である。本実施の形態に係るフリッカ低減装置を含む電気回路の構成例を示す図である。本実施の形態に係るローパスフィルタの構成例を示す図である。

符号の説明

１００フリッカ低減装置
１１０電圧調整部
１１１電圧リミッタ回路
１１２ツェナーダイオード
１１３単巻変圧器
１２０電圧入力部
１２１抵抗部
１３０電圧出力部
１３１ローパスフィルタ
７００負荷装置
８００交流電源
１０００電気回路

Claims

交流電圧を出力する柱上変圧器と負荷装置との間に介在され、前記柱上変圧器から出力された交流電圧の振幅の変動を抑制して前記負荷装置に供給する電圧変動抑制装置であって、
複数のツェナーダイオードをそれぞれの順方向が逆向きになるように直列に接続してなる電圧リミッタ回路を有し、交流電圧を前記電圧リミッタ回路に印加して得られる交流電圧を出力する電圧調整部と、
前記柱上変圧器から出力された交流電圧を、前記電圧調整部に印加する電圧入力部と、
前記電圧調整部から出力される交流電圧を前記負荷装置に印加する電圧出力部と、
を備え、
前記電圧調整部は、第１〜第４のタップがコイル上に設けられた単巻変圧器を有し、
前記第１のタップ及び前記第２のタップには、前記電圧リミッタ回路の一方の端子及び他方の端子が接続され、
前記第１のタップ及び前記第３のタップの間には前記柱上変圧器が接続され、
前記第１のタップ及び前記第４のタップの間には前記負荷装置が接続される
ことを特徴とする電圧変動抑制装置。
請求項１に記載の電圧変動抑制装置であって、
前記コイル上の各タップの位置は、
前記第１のタップから前記第３のタップまでのコイルの巻線数と、前記第１のタップから前記第２のタップまでのコイルの巻線数と、前記第１のタップから前記第４のタップまでのコイルの巻線数と、の比が、前記柱上変圧器から出力される交流電圧の振幅の上限値と、前記電圧リミッタ回路を構成する各ツェナーダイオードの降伏電圧及び順方向電圧の一方向分の和と、前記負荷装置に印加する交流電圧の振幅の上限値と、の比に対応するように設定される
ことを特徴とする電圧変動抑制装置。
請求項１に記載の電圧変動抑制装置であって、
前記電圧出力部はローパスフィルタを有し、前記電圧調整部から出力される交流電圧を、前記ローパスフィルタを介して前記負荷装置に印加することを特徴とする電圧変動抑制装置。
請求項１に記載の電圧変動抑制装置であって、
前記負荷装置は、照明器具であることを特徴とする電圧変動抑制装置。