(57)【要約】広い範囲の既存の「調光できない」電気照明製品およびシステムを「調光できる」製品およびシステムに変更するために使用できる省エネルギー調光方法および装置を開示する。調光できない電気照明システムの例は、（ｉ）磁気安定器または特定の電子安定器のどちらかにより電力を供給される高圧および低圧放電灯、（ii）白熱電球、および（iii）電気照明システムのグループである。電圧ベクトル制御および無効電力制御の概念の統合された新しいアプローチに基づいて、照明システムに加えられる電圧は、照明システムの有効電力を扱わずに滑らかに変更できる。結果として、提案されたと調光装置および方法が汎用であって、広い範囲の「調光できない」電気照明システムの調光に対する省エネルギー調光アプローチとして使用できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と電灯との間に設けられる安定器により駆動されるタイプの上記電灯の調光制御を提供する装置であって、上記装置は、上記交流電源と上記安定器との間に直列に位置する補助電圧を挿入するための手段を備え、上記補助電圧は上記交流電源とは位相が異なり、上記供給電圧は上記安定器に加えられる電圧と上記補助電圧とのベクトル結合であり、上記安定器に加えられる上記電圧の大きさは、上記交流電源の上記電圧の大きさよりも小さく、上記装置は、上記電灯に加えられる上記電圧を変更する上起補助電圧を制御する手段をさらに備え、上起補助電圧の位相は上記装置を流れる電流から９０度または２７０度位相がずれた状態を維持し、上記補助電圧の大きさは、上記電灯に加えられる上記電圧を変更するために使用される装置。
【請求項２】
補助電圧を挿入する上記手段が、上記補助電圧を生成する電力変換器を含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
上記電力変換器が、高周波数でスイッチされて、出力として、パルス幅変調（ＰＷＭ）波形を生成する２つのスイッチを含むハーフブリッジインバータを備える請求項２に記載の装置。
【請求項４】
上記ハーフブリッジインバータのＰＷＭ出力がフィルタリングされて、上記補助電圧を提供する請求項３に記載の装置。
【請求項５】
上記補助電圧の大きさを制御するために、上記ハーフブリッジインバータの所望の直流リンク電圧を選択する手段が提供される請求項３に記載の装置。
【請求項６】
上記直流リンク電圧を、上記所望の値に維持する手段が提供される請求項５に記載の装置。
【請求項７】
上記直流リンク電圧を上記所望の値に維持するためと、上記補助電圧の位相を、上記電流の位相から９０度または２７０度ずれて維持するために、閉じられたループ制御スキームが使用される請求項６に記載の装置。
【請求項８】
上記電力変換器がフルブリッジ変換器である請求項２に記載の装置。
【請求項９】
上記装置が、さらにスイッチ手段を含み、それにより、調光制御が必要でないと、上記装置がバイパスでき、上記交流電源の電圧が直接上記安定器に加えられる請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
安定器経由で交流電源に接続された少なくとも１つのランプを備える電気照明システムであって、上記システムは、上記少なくとも１つのランプの調光制御を提供する手段をさらに備え、上記調光制御手段は、交流電源と補助電圧を挿入する上記安定器との間に直列に位置する手段を備え、上記補助電圧は上記交流電圧とは位相がずれ、それにより、上記供給電圧が上記安定器に加えられた電圧と上記補助電圧とのベクトル結合となり、それにより、上記安定器に加えられる上記電圧が、上記交流電源の上記電圧の大きさよりも小さく、上記ランプに加えられる上記電圧を変更する上記補助電圧を制御する手段をさらに備え、上記補助電圧は、上記調光制御手段を流れる電流の位相から９０度または２７０度ずれた状態を維持し、上記補助電圧の大きさが、上記ランプに加えられる上記電圧を変更するために使用されるシステム。
【請求項１１】
上記調光制御手段が、上記補助電圧を生成する電力変換器を備える請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
上記電力変換器が、高周波数でスイッチされて、出力として、パルス幅変調（ＰＷＭ）波形を生成する２つのスイッチを含むハーフブリッジインバータを備える請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
上記ハーフブリッジインバータのＰＷＭ出力がフィルタリングされて、上記補助電圧を提供する請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
上記補助電圧の大きさを制御するために、上記ハーフブリッジインバータの所望の直流リンク電圧を選択する手段が提供される請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
上記直流リンク電圧を、上記所望の値に維持する手段が提供される請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
上記直流リンク電圧を上記所望の値に維持するためと、上記補助電圧の位相を、上記電流の位相から９０度または２７０度ずれて維持するために、閉じられたループ制御スキームが使用される請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
上記電力変換器がフルブリッジインバータを備える請求項１１に記載のシステム。
【請求項１８】
スイッチング手段をさらに備え、それにより、調光制御が必要でないと、上記調光制御手段がバイパスでき、上記交流電源の電圧が上記安定器に直接加えられる請求項１０に記載のシステム。
【請求項１９】
上記安定器が磁気安定器である請求項１０に記載のシステム。
【請求項２０】
上記安定器が、上記安定器への交流入力電圧の減少により、光を調光できるタイプの電子安定器である請求項１０に記載のシステム。
【請求項２１】
複数のランプを含む請求項１０に記載のシステム。
【請求項２２】
安定器により駆動される電灯の調光制御を提供し、交流電源と上記安定器との間に補助電圧を挿入するステップを備え、上記補助電圧が上記交流電源の電圧から位相がずれ、それにより供給電圧は、上記安定器に加えられた電圧と上記補助電圧とのベクトル結合になり、上記補助電圧は上記安定器に供給される電流の位相から９０度または２７０度ずれて維持される方法。
【請求項２３】
上記補助電圧が電力変換器により生成される請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
上記電力変換器が、高周波数でスイッチされて、出力として、パルス幅変調（ＰＷＭ）波形を生成する２つのスイッチを含むハーフブリッジインバータを備える請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
ハーフブリッジインバータの出力をフィルタリングして、上記補助電圧を生成するステップをさらに含む請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
上記補助電圧の大きさが、上記ハーフブリッジインバータの直流リンク電圧を設定することにより制御される請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
上記直流リンク電圧の大きさを所望の値に維持するために制御手段が提供される請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
電力変換器がフルブリッジコンバータである請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、個々の電気ランプ、またはより一般的には、複数の個々のランプから形成される電気照明システムの調光制御を提供する装置および方法に関する。本発明は、特に単純な一般的目的および既存のランプにはめ込める煩わしくない調光システムに関し、使用しないときに、調光装置が、ランプの従来の制御に影響を持たないという意味で煩わしくない。
【背景技術】
【０００２】
広い範囲の異なるタイプのランプおよび照明システムが種々の異なる用途で使用されている。これらは、蛍光灯、高エネルギー放電灯、および放電灯を含む。しかし、そのようなランプの一般的な欠点は、一般論として、そのようなランプが調光不可能であると考えられていることであり、すなわち、それらのランプは固定出力を持つ傾向があり、特定の決められた明るさと強さとをもつ。一般的に、ライトが明るすぎたり、強すぎて不快になり、電力の浪費になりうるので、これは望ましくない。
【０００３】
美的理由および省エネの理由の両方のため、種々の試みが従来技術においてなされて、ランプの明るさが調整できるように、調光制御能力を持つそのようなランプを提供する。
【０００４】
既存の照明システム用の既存の調光方法は、白熱電球およびトライアック調光器と互換性のある放電灯用のトライアックベースの調光器、放電灯用の調光可能な電子安定器、および磁気安定器により駆動されるランプを調光するための本質的に異なる技術の範囲を含む。これらの従来技術を順に論じる。
【０００５】
エジソン型の白熱電球は、長い間使用されてきた。白熱電球は、内蔵調光機能を有しておらず、白熱電球の光の強さを制御するために、トライアック調光器が、図１（ａ）に示された調光装置として使用されてきた。トライアック調光器は、従来は、逆行性較正で接続された２つのサイリスタ、および本線電圧の関連する半分のサイクルで適切なサイリスタを始動させる遅れ角を制御できるトリガ回路からなる。図１（ｂ）に示されているように、遅れ始動角（α）を制御することにより、本線電圧の成分は、トライアック調光器の出力電圧として制御でき、白熱電球およびトライアックと互換性のあるコンパクト型蛍光灯（ＣＦＬ）に印加される。しかし、トライアック調光器を経由する本線入力電流は、調光器の出力電圧の形状に影響され、遅れ始動角が０でないとき、入力電流は、本線電圧の正弦曲線形状から逸脱し、電気系統の高調波となる。大電流高調波成分は、特に遅れ角が大きいとき、トライアック調光器により制御される照明システム固有の問題である。
【０００６】
図１（ｃ）は、トライアック調光器により制御される照明システムの電力フロー図である。トライアック調光器回路は、照明装置またはシステムの有効電力（Ｐ）および無効電力（Ｑ）の両方を扱わねばならない。したがって、その電圧電流（ＶＩ）定格は、照明システムの全電力を扱うのに十分大きくなくてはならない。トライアックベースの調光器の２つの例は、特許文献１および特許文献２に記載されている。
【０００７】
最近、蛍光灯および高輝度放電（ＨＩＤ）ランプなどの放電灯用の調光可能な電子安定器を使用する傾向が増えてきている。放電灯用の調光可能な電子安定器の概略は図２に示されている。調光可能な電子安定器は、通常、入力側に４つの接続線を持つ配置をし、２つの接続線は、交流本線の「ライブ」および「中性」用であり、他の２つは、通常１Ｖから１０Ｖの間で設定される直流調光レベル制御信号用である。
【０００８】
調光可能な電子安定器は、本質的に、ランプへの電力の流れを制御する電力変換器である。従来の調光可能な電子安定器は、安定器インバータの周波数の切り替えを増やすことにより、ランプを調光する。ランプへの電流を制限するインダクタのインピーダンスは、動作周波数と共に増加し、それ故、ランプの出力は、インバータの周波数を制御することにより制御できる。
【０００９】
トライアック調光器と同様に、調光可能な電子安定器は、従来は、交流本線電圧および照明負荷の間に接続される。したがって、既存の調光可能な電子安定器は、照明負荷の最大電力（有効電力Ｐおよび無効電力Ｑの両方）を扱わねばならない。したがって、安定器の電力性能は、ランプの最大電力と、電子的損失との合計よりも高くなければならない。
【００１０】
図１（ｃ）および図３に示されているように、電力フロー図は、既存の調光装置または回路が、有効電力と無効電力との両方を扱う必要があることを示す。したがって、これらの方法に基づいた１つの調光装置を使用して、大きなグループまたはネットワークのランプから形成される照明システムを調光することは非経済的である。トライアック調光器は、典型的には数百ワットに限られ、調光可能な電子安定器は、通常、１つまたは１組のみの放電灯用に設計されている。
【００１１】
磁気安定器は電子安定器より長い歴史を持つ。磁気安定器は蛍光灯および高輝度放電（ＨＩＤ）ランプの両方に広く使用されてきた。高周波数（典型的には４０ｋＨｚより高い）で動作する電子安定器とは異なり、磁気安定器は本線の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）で動作する。
【００１２】
磁気安定器は、電子安定器に対していくつかの利点を持つ。これらの利点は、極度に高い信頼性および長寿命（典型的には交換なしに１５年より長い）、一時的な電圧変化（稲妻による）および都合の悪い動作環境（高温多湿等）に対する堅牢性を含む。特に、磁気安定器は、ＨＩＤランプの優れたランプアーク安定性能を提供し、それは、ＨＩＤランプが高周波数電子安定器と共に動作するとき、よく知られている音響共振の問題を有する。これは、ＨＩＤランプ市場が磁気安定器に占有されているためであり、磁気安定器は本線周波数で動作し、ＨＩＤランプアークの音響共振を引き起こさない。
【００１３】
大抵の磁気安定器の主な制限は、放電灯を調光できないことである。この問題の解決を試みるか、避けて通り、調光磁気安定器を提供するいくつかの技術が報告されている。
【００１４】
１つの従来の提案は、本線電圧の大きさの変更を達成する交流本線変圧器の開発を含む。論理的に、磁気安定器により駆動される放電灯は、本線電圧を下げるために本線変圧器を手動で開発することにより、調光できる。しかし、特に調光プロセスが、中央でまたは自動で制御されねばならないときには、これは、機械的解決法であって、適切な調光の解決法ではない。特許文献３は、放電灯の２段階調光システムを達成する２巻線自動変圧器の使用を記載している。２巻線は２つの別の電圧源を提供する。スイッチは、１組の巻線からの電圧、または直列に接続された２組の巻線からの全電圧のどちらかを選択するために使用される。そのような２段階調光システムは、複数のランプに使用できるけれども、調光レベルは段階的であって、連続的ではない。ペルソン（Ｐｅｒｓｓｏｎ）らの非特許文献１は、より複雑な変圧器を使用した複数段階の調光システムを提案した。
【００１５】
もう１つの可能性は、磁気安定器−放電灯システムに流れ込む電流を制御する外部電流制御電力回路の使用である。特許文献４および特許文献５は、放電灯システムにより駆動される磁気安定器に流れ込む入力電流の大きさを制御する外部電流制御電力回路の使用を開示している。そのようなアプローチは、本線周波数の入力電流の大きさを変化させることにより、ランプの電力を制御する。しかし、電流制御電力ステージであっても、照明負荷の有効電力および無効電力の両方を制御せねばならない。
【００１６】
代わりに、サイクロコンバータなどの交流−交流変換器が、安定器およびランプの両方からなる照明負荷に対する大きさを制御可能である本線周波数交流電圧をつくるために、原理上、使用できる。１つの実用的な交流−交流変換器（特許文献６）は、交流正弦電圧を、正弦波のエンベロープを持つ電圧パルスに刻む電力変換器を使用する。しかし、交流−交流電圧変換器のアプローチ（サイクロコンバータおよび特許文献６の変換器）は照明負荷用の正弦電圧を生成しない。結果として、プロセスの中でたくさんの高調波電流が生成され、電力線の高調波汚染問題に繋がる。加えて、図３の電力フローの図は、そのようなアプローチにより、交流−交流電圧変換器が、有効電力および無効電力の両方を扱う必要があるようになる。したがって、電力変換器の電力定格は、照明負荷の全電力よりも高くなければならない。
【００１７】
磁気安定器システムのインピーダンスを変更することによる調光磁気安定器が報告されてきた。特許文献７は、特に、調光プロセスが、中央または自動で制御されねばならないときの、磁気安定器の中のチョークとして２段階インダクタの使用を開示している。２段階インダクタは、直列に接続された２つのインダクタから成る。２つのインダクタのうち１つをバイパスできるスイッチにより、２段階インダクタのインダクタンスは段階的に変更できる。このアプローチの欠点は、連続した調光レベルが達成できないことである。
【００１８】
特許文献８は、限られた範囲内で連続して調光できる磁気安定器の可飽和リアクトル（インダクタ）の使用を記載している。余分な巻線をリアクトルに加え、この余分な巻線に直流電流を注入すると、リアクトルの磁気コアが飽和できる。したがって、磁気安定器の中のインダクタのインピーダンスを変更でき、ランプ電流が変更できる。しかし、この方法は、汎用の調光方法として、可飽和リアクトルになっていない既存の磁気安定器には利用できない。
【００１９】
特許文献９は、放電灯システムの調光目的のために電流を絞るキャパシタの使用を記載している。スイッチできるキャパシタは放電灯にまたがって接続される。調光が必要になると、あるランプの電流が、そのランプからキャパシタに迂回するように、キャパシタのスイッチがオンになる。この方法で、ランプの電流、すなわちランプの電力および光の強度が、段階的に制御できる。しかし、連続した調光レベルはこの方法では達成できない。
【特許文献１】米国特許第４，４３７，０４３号
【特許文献２】米国特許第５，７５７，１４５号
【特許文献３】米国特許第６，２７１，６３５号
【特許文献４】米国特許第６，５３８，３９５号
【特許文献５】米国特許第６，１２１，７３４号
【特許文献６】米国特許第４，３５０，９３５号
【特許文献７】米国特許第５，３８９，８５７号
【特許文献８】米国特許第５，４３２，４０６号
【特許文献９】米国特許第５，９４９，１６９号
【非特許文献１】”Ａ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｖｓ．  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｂａｌｌａｓｔ  ｆｏｒ  ｐｏｗｅｒ  ｇａｓ−ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ＵＶ  ｌａｍｐｓ”、ＲａｄＴｅｃｈ’９８、Ｃｈｉｃａｇｏ、ページ１〜９、１９９８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
蛍光灯（低圧放電灯）市場では、電子安定器が、従来の調光できない磁気安定器に置き換わってきている。高周波数（典型的には２０ｋＨｚ以上）で動作すると、電子安定器は蛍光灯のちらつき効果を取り除くことができ、本線周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）で動作する磁気安定器よりも高い効果を達成する。したがって、電子安定器により駆動される蛍光灯は、磁気安定器により駆動されるランプと比較すると、同じ光出力に関してより少ないエネルギーしか使用しない。しかし、電子安定器の１つの弱点は、比較的短い寿命である。磁気安定器は、通常、交換せずに１０年以上動作するけれども、そのような長い寿命を持つ電子安定器が存在するのはまれである。磁気安定器が調光可能にできると、その長寿命、高信頼性、およびエネルギー節約の組み合わされた特性は、そのような「調光可能な磁気安定器」を、蛍光灯などの低圧放電灯に対する魅力的な解決法にする。
【００２１】
高輝度放電（ＨＩＤ）灯などの高圧ランプ市場では、まだ、磁気安定器が、電子安定器よりも信頼できるオプションと考えられている。この理由は、ＨＩＤランプが、１ｋＨｚより高い周波数で動作するとき、音響共振に苦しむ可能性があるからである。音響共振は、種々の形の共振を引き起こしうるランプ管の中での電流圧力の変化のためである。音響共振を避けるために、ＨＩＤランプは、通常、低周波数（１ｋＨｚ未満）またはとても高い周波数（３５０−７００ｋＨｚより上）で動作する。ＨＩＤランプと共に使用するように勧められている電子安定器もあるけれども、ランプの特性は時間と共に変化し、ランプの使用時間による影響が著しくなると、ランプの安定性が保証されない。ＨＩＤランプ用の電子安定器を開発する努力をますます増やしていても、磁気安定器が、その著しく高いランプアーク性能、安定器の高い信頼性、および低コストのために、ＨＩＤランプ市場をまだ占有している。稲妻に対する堅牢性および高信頼性が、考慮のための重要な基準であるアウトドア照明用途（街路灯など）では、特に市場を占有している。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明により、交流本線電源と電灯との間に設けられる安定器により駆動されるタイプの上記電灯の調光制御を提供する装置が提供され、上記装置は、上記本線電源と上記安定器との間に直列に位置する補助電圧を挿入するための手段を備え、上記補助電圧は上記本線電源とは位相が異なり、上記供給電圧は上記安定器に加えられる電圧と上記補助電圧とのベクトル結合であり、上記安定器に加えられる上記電圧は、上記本線電源の上記電圧の大きさよりも小さく、上記装置は、上記電灯に加えられる上記電圧を変更する上起補助電圧を制御する手段をさらに備え、上起補助電圧は上記装置を流れる電流から９０度または２７０度位相がずれた状態を維持し、上記補助電圧の大きさは、上記電灯に加えられる上記電圧を変更するために使用される。この後の特性は、調光制御装置が無効電力のみを扱うことを保証する利点があり、これにより、上記調光制御装置での有効電力損失を最小にする。
【００２３】
好ましい実施の形態では、上記装置は、高周波数で、出力としてパルス幅変調（ＰＷＭ）波形を生成するようにスイッチされる２つのスイッチを含むハーフブリッジインバータを備える。好ましくは、上記ハーフブリッジインバータのＰＷＭ出力は、高い正弦波特性を備えた補助電圧を提供するためにフィルタリングされる。この実施の形態では、上記補助電圧の大きさを制御するために、上記ハーフブリッジインバータ用の所望の直流リンク電圧を選択する手段が提供される。特に、上記直流リンク電圧を上記所望の値に維持し、上記装置に流れる電流の位相から９０度または２７０度ずれた上起補助電圧の位相を維持する手段が提供される。例えば、上記直流リンク電圧を上記所望の値に維持し、上記電流から９０度または２７０度ずれた上起補助電圧の位相を維持するために、閉じられたループの制御スキームが使用できる。
【００２４】
好ましくは、スイッチ手段が提供され、それにより、調光制御が必要なくなり、上記本線電源の電圧が直接安定器に加えられると、装置をバイパスできる。
【００２５】
もう１つの形態から分かるように、本発明は、安定器経由で交流本線電源に接続された少なくとも１つのランプを備える電気照明システムを提供し、上記システムは、上記少なくとも１つのランプの調光制御を提供する手段をさらに備え、上記調光制御手段は、本線電源と補助電圧を挿入する上記安定器との間に直列に位置する手段を備え、上記補助電圧は上記本線電圧とは位相がずれ、それにより、上記供給電圧が上記安定器に加えられた電圧と上記補助電圧とのベクトル結合となり、それにより、上記安定器に加えられる上記電圧の大きさが、上記本線電源の上記電圧の大きさよりも小さく、上記ランプに加えられる上記電圧を変更する上記補助電圧を制御する手段をさらに備え、上記補助電圧は、上記調光制御手段を流れる電流の位相から９０度または２７０度ずれた状態を維持し、上記補助電圧の大きさが、上記ランプに加えられる上記電圧を変更するために使用される。
【００２６】
また別の形態から分かるように、本発明は、安定器により駆動される電灯の調光制御を提供する方法も提供し、交流電源と上記安定器との間に補助電圧を挿入するステップを備え、上記補助電圧が上記交流電源の電圧から位相がずれ、それにより供給電圧は、上記安定器に加えられた電圧と上記補助電圧とのベクトル結合になり、上記補助電圧は上記安定器に供給される電流の位相から９０度または２７０度ずれて維持される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、添付の図を参照して発明の実施の形態を説明する。
【００２８】
本発明は、少なくともその好ましい形では、磁気安定器または電子安定器のどちらかにより電源供給される蛍光灯またはＨＩＤ放電灯などの電子照明システム用の高度にエネルギーの効率的な、かつ煩わしくない調光方法および装置を提供する。この方法および装置は、既存の「煩わしくない」磁気安定器ランプシステムを、有効エネルギーを節約する「煩わしい」磁気安定器に変える。提案された調光方法は、照明システムの有効電力を扱うことなしに、安定器ランプシステムに入手可能な電圧を制御することにより、有効エネルギーを節約する調光機能を達成する。本発明の背後にある概念は、新しく統合された電圧ベクトル制御および無効電力制御概念である。
【００２９】
以下に続く発明を実施するための最良の形態から分かるように、照明システムに流れる無効電力を制御することにより、提案された調光装置は、制御可能な電圧ベクトルを本線電圧に挿入する。安定器ランプシステムに入手可能な得られた電圧はこのようにして制御できる。好ましい実施の形態では、調光方法および装置は、無効電力のみを扱うことにより、最小の電力損失を達成する。したがって、提案された調光装置の電力定格は、照明システムの全電力定格よりもかなり小さくなりうる。これにより、提案された調光装置が、高出力照明システムまたは照明装置のグループを調光できるようになる。本発明のもう１つの効果は、煩わしくない特性である。安定器ランプシステムは、たとえ提案された調光装置が動作していなくても、通常、全出力（すなわち調光しない状態）でも機能する。
【００３０】
提案された方法、および装置は、個々の放電灯または街路灯などのＨＩＤランプのネットワークを調光するために使用できる。これは、屋内用にも野外用にも使用できる。
【００３１】
図４（ａ）は、本発明の実施の形態にかかる統合された電圧ベクトル制御および無効電力制御概念の基本的概念を示す。照明システムを調光するために、照明負荷に入力できる交流電圧は、照明負荷の有効電力を処理する必要なしに、変化する。Ｖｓは交流本線電圧ベクトルであり；Ｖａは調光装置により挿入される補助電圧ベクトルであり；ＶＬは、負荷用に関して得られる電圧ベクトルである。Ｉａは調光装置の電流ベクトルであり、補助電圧に対して垂直を維持する（すなわち、Ｖａの位相に対して９０度または２７０度）。ＩLは負荷電流であり、Ｉａに等しい。
【００３２】
本発明の実施の形態の電力フロー図は図４（ｂ）に示される。無効電力制御回路を使用して、補助電圧ベクトルＶａを挿入することにより、供給電圧ベクトルＶｓと補助電圧ベクトルＶａとのベクトル差である得られる電圧ＶLは、制御できる。Ｖａの生成が無効電力Ｑを扱うことにより実行されるので、調光装置は、論理的に、照明負荷のどの有効電力Ｐも扱わない。調光装置の唯一の実効損失のみが、調光装置の電力回路内の導電損失およびスイッチング損失である。多くの実験例の計測において後に示すように、調光装置の全損失は、典型的には、調光プロセスで節約されたランプの電力の１０％未満である。例えば、放電灯の１５０Ｗのランプ電力が８０Ｗに調光されると、ランプの電力の減少は７０Ｗであり、調光装置は７Ｗ未満消費するだけである。結果として、この例では、６３Ｗの有効エネルギー節約が達成される。
【００３３】
図４（ｃ）は、本発明の実施の形態の等価回路を示す。電力ネットワーク理論に基づいて、Ｖｘは、送電ネットワークの送電端に関する制御された交流電圧源である。このＶｘは、フィルタインダクタＬFによりフィルタリングされる前の交流電圧（インバータブリッジにより生成される）に等価である。補助電圧Ｖａ（Ｖｘのフィルタリングされたバージョン）は、ネットワークの受信端である。Ｖｘの大きさおよび位相シフトδは制御できる。回路に供給される有効電力Ｐおよび無効電力Ｑは、以下のように示される。
【数１】
2007534109.tif 000003
【数２】
2007534109.tif 000004
ω＝２πｆ、ｆは本線周波数、δは電圧ベクトルＶａとＶｘとの間の角度である。
【００３４】
式（１）および（２）から、電圧ベクトル生成および無効電力制御概念がどのように調光回路で電力の損失を最小にするかが分かる。式（１）は、δを０に維持することにより、ｓｉｎδが０であり、このＰは０に等しいことを示す。したがって、調光回路は電力フローの有効電力を消費しない。式（２）は、無効電力Ｑおよび補助電圧ベクトルＶａが、Ｖｘの大きさを制御することにより調整できることを示す。Ｖｘの大きさは、以下でさらに説明するように閉じたループの制御スキーム内のインバータブリッジの直流リンク電圧Ｖｄｃを調整することにより制御できる。
【００３５】
好ましくは、以下に説明するように、ハーフブリッジ較正を持つ電圧源インバータは、２つのキャパシタから供給される直流側と共に、本発明のこの実施の形態に使用される。インバータのキャパシタ電圧は、直流電圧設定を調整することにより、閉じたループ制御回路により制御できる。閉じたループ回路は、この遷移状態の間に一時的にδを変更する。δが正であると、キャパシタ電圧は増加し、負であると減少する。角度δは、定常状態におけるキャパシタ電圧調整の後で、０を維持する。
【００３６】
図５（ａ）は、どの調光機能も持たない磁気安定器駆動放電灯システムの典型的なベクトル図を示す（ベクトルは本線周波数から反時計回りに回転するように思われる。）。この場合、Ｖｘは単純にＶLに等しい。磁気安定器が大きなインダクタまたはチョークから成り、ランプアークは抵抗として表すことができるので、回路は高度に誘導的である。したがって、負荷電流ＩLは、位相角度φだけ供給電圧Ｖｓより遅れる。図５（ｂ）は、本発明の実施の形態の調光装置が含まれると、ベクトル図を示す。調光装置は、（多くの電力を消費せずに）電圧ベクトルＶａをシステムに挿入する。照明システムに入力できる得られた負荷電圧は、滑らかに（より小さくして）変更できる。結果として、ランプの電力は、電圧ベクトル概念により制御できる。図５（ａ）（調光装置なし）と図５（ｂ）（調光装置あり）とを比較すると、補助電圧ベクトルＶａを本線電圧ベクトルＶｓへ挿入すると、得られた電圧ＶLの大きさは減少する。したがって、磁気安定器駆動照明システムは、より少ない電流ＩLを有し、ランプの電力を減らすことができる。
【００３７】
Ｉａおよび負荷電流ＩLは図５（ｂ）では等しい。図５（ｂ）の考慮から、負荷に加えられた電圧の大きさは、概ね、補助電圧の大きさおよび／または位相を変更することにより制御できる。しかし、大いに好ましいのは、調光装置の中で電力損失を最小にするために、電流のベクトルに垂直になるように、補助電圧のベクトルを維持することであり、それ故、調光装置（Ｉａ＝ＩL）に入る電流ベクトルは、調光装置により生成される補助電圧ベクトル（Ｖａ）の位相から９０度または２７０度ずれた状態を好ましくは維持すべきである。ベクトルＩａおよびＶａが、互いに垂直なので、調光装置は論理的には有効電力を消費しない。実際には、調光装置は、調光装置の中の導電損失、スイッチング損失、および磁気損失のために、ほんのわずかな量の電力を消費する。しかし、調光装置の中の全電力損失は、全体で節約できるランプの電力の一部分（典型的には１０％未満）である。
【００３８】
図６は本発明の実施の形態にかかる調光装置の電力電子回路の概略を示す。この装置は、調光回路が始動されないとき、通常は閉じている（Ｎ．Ｃ．）バイパススイッチＳｍ（リレーまたは接触器等の電気機械的スイッチ）を含む。この非動作モード（リレーが閉じられているとき）では、Ｉａは調光回路をバイパスし、Ｖａは０である。それ故、提案された調光装置は調光される電子照明システムには煩わしくない。調光装置が始動すると、Ｓｍは開き、Ｉａが調光回路に流れ込む。
【００３９】
この実施の形態の調光装置の回路は、トーテムポール電力電子スイッチＳ１およびＳ２の組を備えたハーフインバータブリッジから成る。２つのキャパシタ（Ｃ１およびＣ２）は、直流リンクバルクキャパシタおよびエネルギー貯蔵キャパシタとして機能する。２つのフリーホイーリングダイオードＤ１およびＤ２と、スイッチング動作Ｓ１およびＳ２とにより、直流電圧は、調光装置が始動されると、２つの直接接続されたキャパシタＣ１およびＣ２の中に集められる。Ｃ１およびＣ２にまたがる直流電圧は、ハーフインバータブリッジのための直流電圧源となる。ハーフインバータブリッジの中の２つの電力電子スイッチＳ１およびＳ２は、高品質正弦成分を持つＰＷＭ電圧波形を生成するために、正弦パルス幅変調（ＰＷＭ）スキームで高周波数でスイッチされる。次に、ＰＷＭ電圧波形は、ＰＷＭ電圧波形中の高周波数電圧高調波がフィルタリングされるように、インダクタＬおよびキャパシタＣを備えた低域通過フィルタによりフィルタリングされる。次に、フィルタリングされた電圧は、高品質正弦波電圧であり、調光装置により生成される補助電圧Ｖａである。
【００４０】
図１２に示されているように、フルブリッジインバータは、ハーフブリッジインバータを置き換えるためにも使用できる。しかし、ハーフブリッジインバータは、フルブリッジインバータの電力電子装置の半分の数を使用するので、より費用効率のいい解決法である。小電力用途（例えば２ｋＶａ未満）に関しては、ハーフブリッジインバータで十分である。しかし、大電力用途では、フルブリッジインバータの方が適している。
【００４１】
始動時に、調光回路は、通常は閉じているバイパススイッチＳｍを開けることにより、その動作を開始する。照明負荷の調光レベルは、閉じられたループの制御スキームを使用して調整できる。調光レベルは、ハーフブリッジインバータの直流リンク電圧（Ｖｄｃ）の基準レベルを設定することにより決定できる。このＶｄｃ基準が、例えば０に設定されと、調光回路により生成されるＶａの大きさは０になる。Ｖｄｃ基準があるレベルに設定されると、このＶｄｃは、インバータの直流リンク電圧になり、補助電圧Ｖａの大きさに影響する。
【００４２】
ハーフブリッジインバータにより生成されるＰＷＭ電圧は＋０．５Ｖｄｃと−０．５Ｖｄｃとのピーク間の大きさを有する。閉じられたループの制御では、本線電圧ベクトルＶｓと補助電圧ベクトルＶａとの間の位相角は、（１）実際の直流リンク電圧Ｖｄｃが基準設定にしたがって調整される方法、および（２）Ｉａ（＝ＩＬ）がＶａの位相から９０度または２７０度ずれた状態である方法により制御される。状態（１）はＶａの大きさを決定する。状態（２）は、調光回路が、照明システムの無効電力（Ｑ）のみを扱うことを確実にする。この方法で、調光回路の電力定格は、照明システムの電力定格よりかなり小さい。結果として、低コスト調光回路が、「調光不可能な」照明システムを調光するために開発できる。
【００４３】
図７は、調光装置に関する電圧ベクトルおよび無効電力制御スキームのブロック図を示す。図６を参照して説明したように、通常は閉じている（Ｎ．Ｃ．）電気機械的スイッチ（リレーまたは接触器）は、調光回路が始動されていないと、スイッチをバイパスするために使用される。一旦調光回路が始動されると、Ｎ．Ｃ．スイッチは、図７に示されるように回路に接続される。１つのセンサ（典型的には信号変圧器）は、Ｖｓの位相が得られるように、本線電圧を感知するために使用される。もう１つのセンサは、調光回路の中のインバータブリッジの直流リンク電圧Ｖｄｃを検出するための直流電圧センサ（典型的には分圧器）である。調光制御は、直流電圧（Ｖｄｃ）基準の形で制御される。比較器が、Ｖｄｃ基準とＶｄｃフィードバック信号との間の誤り信号を得るために使用される。誤り信号は、誤り補正器に入力されるか、または、典型的には、比例積分（ＰＩ）コントローラに入力され、そこで位相シフト信号を生成する。入力としての、本線電圧の位相シフト信号および位相基準により、補助電圧ベクトルＶａが、Ｖｄｃ基準レベルにおいて直流リンク電圧Ｖｄｃを維持するために本線電圧ベクトルＶｓにより適切に位相シフトされるように、フェーズロックループが使用されて、電力スイッチＳ１およびＳ２へのパルス幅変調（ＰＷＭ）ゲート信号を生成する。要求される基準レベルにＶｄｃを維持することにより、調光回路における有効電力の実際の消費はなくなる。したがって、この制御スキームは、補助電圧ベクトルＶａが調光回路の入力電圧Ｉａに対して垂直である自動的な特性をもつ。すなわち、提案された制御スキームにより、調光回路が、無効電圧のみを扱うことにより、必要な補助電圧ベクトルを生成することが保証される。したがって、調光回路の電力定格は、照明負荷の無効電力にしたがい、照明負荷の全電力にしたがわずに設計できる。
【００４４】
提案された調光方法および装置は、実験用のプロトタイプで試験してきており、磁気安定器により駆動されるいくつかの放電灯は調光に成功した。図８は、実験設定のブロック図を示す。放電灯の範囲に関して、図６に示されているように、調光装置は、磁気安定器放電灯システムに接続される。
【００４５】
新しい調光概念を確かめるために試験が実施される。Ｖｄｃに関する基準設定を増やすことにより、直流リンク電圧は、補助電圧Ｖａを生成するために、異なるレベルに調整される。本線電圧は５０Ｈｚで２２０Ｖであった。本線電圧Ｖｓ、補助電圧Ｖａ、照明負荷に入力される得られる電圧（ＶLoad）、および負荷電流ＩL（Ｉａに等しい）が計測される。照明負荷により消費される全入力電力（ＰLoad）および新しい調光装置の中の全電力損失も計測される。
【００４６】
図９（ａ）−（ｅ）は、磁気安定器により駆動される１５０Ｗ高圧ナトリウム放電灯の計測値を示す。このシステムは新しい調光装置により調光した。
【００４７】
図９（ａ）は、バイパスリレースイッチＳｍが通常閉じられていて、調光回路が始動していないときに計測されたＶｓ、Ｉａ、Ｖａ、およびＶLoad（ＶL）を示す。ランプは全出力で動作し、Ｓｍが閉じられているので、ＶLoadがＶｓに等しく、Ｖａは０であることが分かる。
【００４８】
図９（ｂ）はバイパスリレーが開いていて、調光回路がとても小さな（ほとんど０）調光設定で始動されたときの計測値を示す。Ｖａは７Ｖであって、ＶｓがほとんどＶLoadと同じであることが分かる。ランプはほとんど最高出力で動作している。
【００４９】
図９（ｃ）は、ナトリウム放電灯が全出力の約７５％に調光されたときの計測値を示す。補助電圧は約２０Ｖであって、ＶLOADは現在１９８Ｖである。図９（ａ）および図９（ｂ）の負荷電流Ｉａと比較して、図９（ｃ）の負荷電流Ｉａは減少し、ランプ電力の減少と、提案された調光原理の減少を確認する。図９（ｃ）から、ＶａとＩａは、互いに９０度位相がずれていることに注意するのは重要であり、調光装置は、本質的に無効電力のみを扱う。全ランプ出力の５０％および３０％に調光されたランプ出力の試験結果は、各々図９（ｄ）および図９（ｅ）に記録されている。
【００５０】
図９（ａ）から（ｅ）までから、（ｉ）大きさの増加する電圧ベクトルＶａは、照明負荷に関して得られた電圧ＶLOADを減少させ、（ii）ＶａおよびＩａは９０度位相がずれている。図９（ｆ）は、照明負荷（磁気安定器およびナトリウム放電灯の両方を含む）の実際の有効電力消費（Ｐ）の計測値を示す。積分された電圧ベクトル制御および調光目的のための無効電力制御概念は、実際に確認され、示される。
【００５１】
フィリップスマスタカラー（ＣＤＭ−Ｔ  １５０Ｗ／８３０）１５０Ｗメタルハライドランプは、フィリップス磁気安定器（ＢＳＮ  １５０Ｌ  ４０７  Ｉ  ＴＳ）により駆動される。図１０（ａ）は、調光レンジにわたって照明負荷の有効電力消費の計測値を示す。同じ調光レンジにわたって、新しい調光装置の中で消失する実際の電力損失は、図１０（ｂ）に記録され、プロットされている。ランプ出力が１５０Ｗから約９２Ｗに減少（すなわち５８Ｗの電力節約）しても、調光装置は６Ｗ未満しか消費しない。これは、５２Ｗの実際の電力節約になる。すなわち、調光装置は、節約されたランプ電力の約１０％しか消費しない。
【００５２】
１５０Ｗナトリウム放電灯および１５０Ｗメタルハライドランプに基づく結果は、少なくとも好ましい実施の形態では、本発明は、通常は「調光できない」照明システムを調光する高度にエネルギー効率のよい方法であることを確かめた。調光装置も試験されて、２つの従来の磁気安定器により駆動される２組の２ｘ３６Ｗ  Ｔ８  蛍光灯を、全ランプ出力の１００％から約４０％まで調光するのに成功した。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、フィリップス磁気安定器により電力を供給される２Ｘ３６Ｗ  Ｔ８  ランプシステム（１つのランプはフィリップスＴＬＤ  ３６Ｗ／３３  白色であって、もう１つはＴＬＤ  ３６Ｗ／５４  昼光色）の中の全ランプ電力の計測値を示し、２Ｘ３６Ｗランプシステムは、提案された調光器により調光される。全負荷時には、ランプシステムは約７０Ｗを消費する。全出力の１００％から４０％（３０Ｗ）の調光範囲内では、調光器内での全損失は２Ｗ未満である。
【００５３】
上に記載された実施の形態では、補助電圧の生成に別のエネルギー源は必要ない。しかし、所望ならば、図１３に示されているように、補助エネルギー源が使用できる。補助エネルギー源が交流電圧であると、Ｖｘを生成するために交流−交流電力変換器を使用してＶｘを生成できる。補助エネルギー源が直流電圧であると、直流−交流電力変換器（ハーフブリッジ電力インバータまたはフルブリッジ電力インバータ）を使用してＶｘを生成できる。
【００５４】
本発明は、電子安定器が安定器への交流入力電圧を減らすことにより調光できるタイプであれば、放電灯用の特定の電子安定器にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１（ａ）】従来技術のトライアックベースの調光器の動作を示す図
【図１（ｂ）】従来技術のトライアックベースの調光器の動作を示す図
【図１（ｃ）】従来技術のトライアックベースの調光器の動作を示す図
【図２】従来技術の調光可能な電子安定器を示すブロック図
【図３】従来技術による磁気安定器システムの調光制御用の交流−交流変換器の使用を示すブロック図
【図４（ａ）】本発明の実施の形態にかかる装置を示すブロック図
【図４（ｂ）】本発明の実施の形態にかかる負荷のグループを示し、電力フローを示す概略図
【図４（ｃ）】本発明の実施の形態にかかる等価な回路を示す図
【図５（ａ）】本発明の調光制御装置を使用しないで磁気安定器により駆動される放電灯システムのベクトル図
【図５（ｂ）】本発明の調光制御装置を使用して磁気安定器により駆動される放電灯システムのベクトル図
【図６】本発明の実施の形態にかかる調光制御装置の電力電子回路を示す概略図
【図７】本発明の実施の形態で使用する閉じられたループの制御システムを示す図
【図８】実験の設定を示すブロック図
【図９（ａ）】実験結果を示す図
【図９（ｂ）】実験結果を示す図
【図９（ｃ）】実験結果を示す図
【図９（ｄ）】実験結果を示す図
【図９（ｅ）】実験結果を示す図
【図９（ｆ）】実験結果を示す図
【図１０（ａ）】１つの実験例における電圧に対する負荷の有効電力消費の計測値を示す図
【図１０（ｂ）】計測値を示す図
【図１１（ａ）】もう１つの実験例における電圧に対する負荷の有効電力消費の計測値を示す図
【図１１（ｂ）】調光制御装置における全電力損失の計測値を示す図
【図１２】補助電圧を生成するフルブリッジインバータを使用する代わりの実施の形態を示す図
【図１３】別のエネルギー源が補助電圧に使用される代わりの実施の形態を示す図
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図１（ｃ）】
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【図２】
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【図３】
2007534109.tif 000009
【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図４（ｃ）】
2007534109.tif 000012
【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９（ａ）】
2007534109.tif 000018
【図９（ｂ）】
2007534109.tif 000019
【図９（ｃ）】
2007534109.tif 000020
【図９（ｄ）】
2007534109.tif 000021
【図９（ｅ）】
2007534109.tif 000022
【図９（ｆ）】
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【図１０（ａ）】
2007534109.tif 000024
【図１０（ｂ）】
2007534109.tif 000025
【図１１（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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