JPH04503599A - 商用配電系統からの交流電圧を調整し制御する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 商用配電系統からの交流電圧を 調整し制御する方法および装置 本発明は、交流電圧を電子的に調整し制御する方法および装置に関する。考慮の 対象とする交流電圧は、商用電源系統において使用されている電圧である。ヨー ロッパにおける典型的な周波数は５０Ｈｚであり、米国およびその他の国におい ては例えば６０Ｈｚである。特定の特殊電源系統には４００Ｈｚという周波数が 使用される。しかしながら基本的には本発明は、設計に応じて零から１０ｋＨｚ までの周波数で使用可能な交流電圧の調整または制御に関する。その場合、商用 系統において、系統電圧の値は、常に零ないし５００　ＶｅｆＴの定格電圧値に ある。

従来、電力負荷用の交流電圧は、主として位相制御回路、インバータ回路、また は発振制御回路によって調整されている。しばしば使用される位相制御回路の場 合、位相の若干の部分が切り取られることによって電圧が調整され、したがって 電圧波形に欠落個所が生じるようになる。したがって、フーリエ変換から導出さ れる多くの高調波または高調波振動が誘起される。したがって、系統に、そのよ うな調整された電気負荷を接続した場合、電源系統の特性に悪影響を及ぼす好ま しくない系統反作用が生じる。電源系統の交流電圧正弦波形に、一部、高周波数 の高調波または高調波振動が重畳され、成る程度乱される。しかしながら、発電 所は、中央制御用に重畳された例えば１００Ｈｚないし２ｋＨｚの範囲の高い周 波数の交流電圧信号を使用している。しかしながら、そのように調整された装置 によって、この周波数帯域の過多の高調波が定格交流電圧の正弦波形に重畳され た場合、そのような制御信号が正しく検出されなくなり、したがって制御機能が 発揮できなくなる。従来、高調波は、高調波吸収回路によって充分に抑制されて いる。その場合、これは各相の装置の前に接続された直列接続のキャパシタンス およびインダクタンスからなる高価な直列共振回路である。しかしながら、高調 波および電圧波形における欠落個所は、無線通信のノイズ源を形成する。このノ イズの影響をなくすためにノイズフィルタが使用される。

位相制御の別の付随作用は、電流と電圧との位相角に応じて系統から取り出され る無効電流である。この無効電流が配電系統に不必要に負荷され、したがって、 この電流を限界値に保持する必要がある。したがって、特定の限界値から、可聴 周波数阻止装置を備えた高価な無効電流補償装置が使用される。その場合、この 補償装置は、本質的には並列に接続されたキャパシタンスと減結合インダクタン スとであり、これによって無効負荷がほぼ零にされる。さらに、取り出される無 効負荷を補償し得るようにするため、特別な無効負荷カウンタが設けられる。

公知の第２の形式の交流電圧調整は、オプションのサーボモータを備えた、いわ ゆる“ｖａｒｔａｃｓ”によって行われる。これは電気機械式の装置である。こ れは調整速度が極めて遅く、価格およびスペース上の理由から現在では使用され ていない。ただ実験室用には現在も使用されている。

さらに、交流電圧の調整にインバータを使用することができる。これは、先ず直 流電圧を形成し、換言すれば交流電圧を整流器およびコンデンサ回路によって処 理し、次にインバータによって調整可能な周波数を有する調整可能な単相または 三相の交流電圧を形成する装置である。

しかしながら、このようなインバータは、特に整流器・コンデンサ回路であるた め高調波を生じ、特定の限界以上は特別に設計された吸収回路によって高調波を 除去する必要がある。さらに、インバータは材料価格に関して比較的高価である 。

最後に、電子式の交流電圧スイッチについて言及する必要がある。これは、全波 整流回路およびトランジスタによって交流電圧を切換えることが可能な幾つかの 回路を有している。しかしながら、そのような交流電圧スイッチは、従来、単に リレー操作スイッチ代替品として使用されているにすぎない。

近年において配電系統の負荷が一般的にますます太きくなっている。したがって 、特に交流電圧調整によって誘起され系統に伝送される高調波に対する法的な許 容限度を、ますます厳しくすることが必要になった。各国においてそのような限 界値の決定を義務づける特別の委員会がある。これに関して、ヨーロッパにおい て専門家たちの間で知られているヨーロッパ規程ＥＮ６０５５５．１−３が認め られている。一般に種々の発電所の専門家は、電圧制御が位相制御原理に基づく 電子制御装置の数の増加に危惧の念を抱いている。

したがって、本発明の目的は、冒頭に述べた問題が解決されるようにした商用配 電系統からの交流電圧を調整し制御する方法および装置を提供することである。

特に、本発明による方法および装置は、系統から無効負荷をなくし、高調波の発 生を防止するようにした交流電圧の調整および制御を実施することが可能である 必要がある。

この目的は、入力電圧が、パルス幅変調およびこれに続く濾波によって、入力電 圧の包絡線内にある出力交流電圧に直接的に調整されることを特徴とする、商用 配電系統からの交流電圧を調整し制御する方法によって達成される。

この方法を実施するための装置は、入力電圧の端子の間に少なくとも２つの交流 電圧スイッチング要素が設けられ、それらの間から出力電圧が取り出され、その 場合、これらのスイッチング要素をパルス幅変調のために交互に作動させること ができることを特徴としている。

この装置および方法は、損失を殆ど生ずることなく作動する。その場合、回路に 高調波が生じることなく、付随的な無効負荷が生じない。特殊な負荷（例えば蛍 光管装置）に対しては、変調による出力波形形態の特別な選択、さらに負荷の部 分的な高調波補償によって可能である。

本発明による電圧調整装置は、一般に交流電圧の調整に使用することができ、し たがって特に例えば自動電圧調整器および三相電圧調整器として使用することも できる。この装置は、例えば調光装置として、電動機の調整装置として、または 緩起動調整装置として適している。

この利点は、例えば蛍光管の場合、使用者にとって光度を殆ど判らないように減 少させることによって、エネルギーに対する経費を節減することにある。さらに 、動作電圧の減少によって、起動装置および蛍光管の寿命の長期化を考慮に入れ ることができる。さらに、高調波の抑制のために吸収回路を設ける必要がない。

そのほか、付属的な無効電流補償装置が不必要になり、換言すれば位相調整装置 に比較して一層小さな無効電流補償装置を使用することができる。

電気需要計画に対して、本発明による電圧調整装置は、広範囲に使用される場合 、エネルギーを節約し、系統負荷を最適化し、高調波に関してノイズのない系統 を得るのに寄与する。

次に、例示の本発明による装置の構成を概略図によって説明し、本発明による方 法の機能を、この図によって説明する。

図１は本発明による装置の原理図を示し、図２は図１における交流電圧切換スイ ッチの内部の構成を示し、 図３は全波整流回路を有する交流電圧切換スイッチの別の構成を示している。

図１は、本発明による装置の原理的な構成を示している。先ず、この図において 例えば並列に接続された２つのキャパシタンスＣと、これらの間に接続された１ つのインダクタンスＬとからなる、入力フィルタ１において、入力側の交流電圧 Ｕｉｎが濾波される。入力フィルタ１の次に、二方向切換要素２が、入力電圧の 端子の間に接続されている。この装置の作動基本概念は、切換要素２の内部にお ける特に接続された高速交流電圧切換要素による、交流電圧の直接的なパルス幅 変調である。このため、零から約５０Ｋｖ／ＫＶＡまでの任意の出力を調整する のに適した出力切換スイッチが設けられる。したがって、入力側の交流電圧Ｕ１ ｎが濾波され、次に、パルス幅変調を行う高速負荷切換スイッチ２に送られる。

パルス幅が変調されたこの信号が、後に接続された別のフィルタ３によって、再 び出力電圧Ｕｏｕｔの実際的にはりプルのない正弦波電圧に戻され、その値は零 と入力電圧Ｕｉｎの１００％との間にある。この装置の中枢部は、正および負の 入力電圧Ｕｉｎを処理することが可能であり交流電圧および任意の極性の直流電 圧を処理することが可能な切換要素２からなっている。

図２は、図１に比べて拡大され詳しく示された図によって、切換要素２、特に出 力切換スイッチ２の基本回路を示している。これは２つの交流電圧スイッチング 要素４．５を包含し、これらの間に出力電圧Ｕｏｕｔ用の端子が接続されており 、その場合、これらのスイッチング要素４．５は、パルス幅変調のため交互に作 動することが可能である。交流電圧スイッチング要素４．５は、この図において 、それぞれ逆並列に接続されたダイオードＤＩ、Ｄ２およびＤ３．Ｄ４を存する ２つの電力用半導体ＴＩ、Ｔ２およびＴ３．Ｔ４の逆直列接続回路からなってい る。切換要素２、特に上部のスイッチング要素４の半分だけを考え、第１の電力 用半導体Ｔ１が導通しているとき、電流は、入力電圧Ｕｉｎが正の場合に、この 第１の電力用半導体Ｔ１を通して流れ、一方において、この電力用半導体Ｔ１に 並列のダイオードＤ１を阻止し、さらに、ダイオードＤ２のしきい電圧を越えて 増加した場合、電力用半導体Ｔ２と並列に接続されたダイオードＤ２を通して流 れる。入力電圧ＵＩｎが負である場合、電力用半導体Ｔ１およびＴ２の作用が反 転される。電力用半導体Ｔ１が遮断された場合、入力電圧が正であるとき電力用 半導体Ｔ１が非導通状態になり、電力用半導体Ｔ１が非導通状態であるためダイ オードＤ２が不動作になる。入力電圧Ｕｌｎが負である場合、電力用半導体Ｔ１ とＴ２との作用が再び反転される。同様に構成された２つのスイッチング要素４ および５が、交流側において、それらの間に僅かなデッドタイムを置いて接続さ れる。

その場合、電力用半導体Ｔ１．Ｔ２およびＴ３．Ｔ４を介して供給された制御電 圧ＵｃｏｎまたはＵ　ｃ　ｏ　ｎ本によって制御が行われる。したがって、切換 スイッチの作用が行われる。ダイオードＤ１〜Ｄ４は、電力用半導体Ｔ１〜Ｔ４ （電力用ＭＯ９電界効果トランジスタまたは絶縁ゲー）ＢＴ）の構成要素である 場合があるが、図示のように外部に個別に設けることもできる。変調された交流 電圧Ｕｍｏｄの波形が、図１に概略的に示されている。パルスのオンオフ比率の 選択によって、同じ波形形態の一定のつり合いのとれた出力電圧Ｕｏｕｔを形成 することができ、その場合、電圧の値は常に入力電圧Ｕｉｎの包絡線の内部にあ る。ただ１つの半周期だけ変調され、そのときにパルス幅が変えられる場合、出 力電圧Ｕｏｕｔが所定の任意の波形形態を有することができる。特に、負荷が非 直線特性を有する場合、この使用は、場合によっては起り得る高調波を補償する ために重要である。

図３は、同様に同じ目的に使用可能な別の装置を示している。正および負の入力 電圧Ｕｌｎに対して、全波整流回路Ｄ５およびＤ６によって電力用半導体Ｔ５お よびＴ６に処理用の直流電圧が常に供給される。したがって、交流電圧スイッチ ング要素４．５は、それぞれ１つの全波整流回路Ｄ５およびＤ６を包含し、その 交流電圧入力端子が、交流電圧スイッチング要素４，５の端子を形成し、それら の直流電圧出力端子の間に電力用半導体要素Ｔ５およびＴ６が接続されている。

　図２または図３に示す回路に対する２つの交流電圧スイッチング要素４゜５は 、工業生産されるハイブリッドモジュールによって形成されることが特に好まし い。

本発明によれば、交流電圧がパルス幅変調によって相応に調整されることによっ て、充分に正弦波状の出力ないし電流波形を得ることが可能になる。原理的に、 この方法および装置の実施は、零から１０ｋ）Ｉｚの間の領域において可能であ る。その場合、電圧は、パルスのオン期間およびオフ期間の変化に応じて、入力 電圧Ｕｉｎの包絡線内において任意の波形をたどることができる。

特表千４−５０３５９９　（４） 頴 」 二 〇 レー 口− 国際調査報告 国際調査報告

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．商用配電系統からの交流電圧を調整し制御する方法において、入力電圧（Ｕ ｉｎ）が、パルス幅変調およびこれに続く濾波によって、入力電圧（Ｕｉｎ）の 包絡線内にある出力交流電圧（Ｕｏｕｔ）に直接的に調整されることを特徴とす る、商用配電系統からの交流電圧を調整し制御する方法。
2. ２．同一の波形形態のつり合いのとれた所定の出力電圧（Ｕｏｕｔ）が形成され るように、所定のパルスオンオフ比によって、入力電圧（Ｕｉｎ）が調整される ことを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. ３．出力電圧（Ｕｏｕｔ）が任意の所定の波形形態を有するように、半周期にわ たるパルス幅の変化によって、入力電圧（Ｕｉｎ）が調整されることを特徴とす る、請求項１記載の方法。
4. ４．請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の方法を実施するための装置にお いて、入力電圧（Ｕｉｎ）の端子の間に少なくとも２つの交流電圧スイッチング 要素（４，５）が設けられ、それらの間から出力電圧（Ｕｏｕｔ）が取り出され 、その場合、これらのスイッチング要素（４，５）をパルス幅変調のために交互 に作動させることができることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記 載の方法を実施するための装置。
5. ５．交流電圧スイッチング要素（４，５）が、それぞれ逆並列に接続されたダイ オード（Ｄ１，Ｄ２；Ｄ３，Ｄ４）を有する２つの電力用半導体（Ｔ１，Ｔ２； Ｔ３，Ｔ４）の逆直列接続回路からなることを特徴とする、請求項４記載の装置 。
6. ６．交流電圧スイッチング要素（４，５）がそれぞれ１つの全波整流回路（Ｄ５ ，Ｄ６）を包含し、その交流電圧入力端子が交流電圧スイッチング要素（４，５ ）の端子を形成し、これらの直流電圧出力端子の間にそれぞれ１つの電力用半導 体要素（Ｔ５；Ｔ６）が接続されていることを特徴とする、請求項４記載の装置 。
7. ７．２つの交流電圧スイッチング要素（４，５）が、工業生産されるハイブリッ ドモジュールを形成していることを特徴とする、請求項４ないし６のいずれかに 記載の装置。