(57)【要約】【課題】  供給電源又は負荷で発生する歪み及びノイズを低減すること及び力率を改善すること。【解決手段】  力率改善方法及び装置は、ダイナミックな無効特性を有する負荷に、ビット無効負荷を選択的に接続し、力率をダイナミックに改善する。電源配線系の歪みを低減する方法及び装置は、電力線の歪みを判定し、歪みに基づいて補正信号を生成し、補正信号に基づいて、電力線に対して選択的に電流を流し出し及び流し込む手段を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の負荷に接続される電力線における歪みを有する電気信号の歪みを低減させる歪み低減装置において、
電力線の上記歪みを有する電気信号のうちの少なくとも一部を所望の基準信号と比較して、補正信号を生成する電気回路と、
上記第１の負荷の予め定められた最大無効電力に基づく異なる値を持った選択可能な複数負荷を含み、上記歪みを有する電気信号に対して、電流を選択的に流し出し流し込む電気回路とを備える歪み低減装置。
【請求項２】
上記歪みは、高調波歪み、ノイズ、高スペクトルノイズ及び振幅変調のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１記載の歪み低減装置。
【請求項３】
上記歪みを有する電気信号の力率を略１に持っていく力率改善モジュールを更に備える請求項１記載の歪み低減装置。
【請求項４】
上記力率改善モジュールは、
上記電力線に接続された第１の負荷の無効電力を測定するセンサと、
上記第１の負荷に接続され、該第１の負荷の無効成分を打ち消す複数ビット無効負荷とを有することを特徴とする請求項３記載の歪み低減装置。
【請求項５】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、上記補正信号を、少なくとも１つの制御電流源に供給し、
上記制御電流源は、上記補正信号に基づいて、電流供給源を上記電力線に接続することを特徴とする請求項１記載の歪み低減装置。
【請求項６】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記補正信号を変調し、変調補正信号を、上記電流供給源を上記電力線に接続する少なくとも１つのスイッチに供給する変調器と、
上記変調補正信号をフィルタリングするフィルタとを有することを特徴とする請求項１記載の歪み低減装置。
【請求項７】
上記変調器は、パルス幅変調器、デルタ−シグマ変調器、パルスコード変調器、パルス密度変調器又はパルス位置変調器のうちのいずれかであることを特徴とする請求項６記載の歪み低減装置。
【請求項８】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
負の歪みに応じて、上記電力線に電流を選択的に流し込むプロセッサと、
正の歪みに応じて、上記電力線から電流を選択的に流し出すプロセッサとを有することを特徴とする請求項１記載の歪み低減装置。
【請求項９】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
正の歪みに応じて、上記電力線に電流を選択的に流し込むプロセッサと、
負の歪みに応じて、上記電力線から電流を選択的に流し出すプロセッサとを有することを特徴とする請求項１記載の歪み低減装置。
【請求項１０】
第１の負荷に接続される電力線における歪みを有する電流信号の歪みを低減させる歪み低減回路において、
上記歪みを有する電流信号が入力される第１の入力と、
基準信号が入力される第２の入力と、
上記第１の入力及び上記第２の入力に接続され、上記歪みを有する電流信号と上記基準信号を減算して、第１の補正信号を生成する減算器と、
上記第１の負荷の予め定められた最大無効電力に基づく異なる値を持った選択可能な複数負荷を含み、上記第１の補正信号に基づいて、上記歪みを有する電流信号に及びから、電流を選択的に流し込み流し出す回路とを備え、
上記歪みを有する電流信号の歪みを低減することを特徴とする歪み低減回路。
【請求項１１】
上記歪みは、高調波歪み、ノイズ、高スペクトルノイズ及び振幅変調のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１０記載の歪み低減回路。
【請求項１２】
上記歪みを有する電流信号の力率を略１に持っていく力率改善モジュールを更に備える請求項１０記載の歪み低減回路。
【請求項１３】
上記力率改善モジュールは、
上記電力線に接続された第１の負荷の無効電力を測定するセンサと、
上記第１の負荷に接続され、該第１の負荷の無効成分を打ち消す複数ビット無効負荷とを有する請求項１２記載の歪み低減回路。
【請求項１４】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記補正信号が供給され、負の歪みに応じた該補正信号に基づいて、正の電源から上記歪みを有する電流信号に電流を流し込む第１の制御電流源と、
上記補正信号が供給され、正の歪みに応じた該補正信号に基づいて、上記歪みを有する電流信号から負の電源に電流を流し出す第２の制御電流源とを有することを特徴とする請求項１０記載の歪み低減回路。
【請求項１５】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記補正信号が供給され、正の歪みに応じた該補正信号に基づいて、正の電源から上記歪みを有する電流信号に電流を流し込む第１の制御電流源と、
上記補正信号が供給され、負の歪みに応じた該補正信号に基づいて、上記歪みを有する電流信号から負の電源に電流を流し出す第２の制御電流源とを有することを特徴とする請求項１０記載の歪み低減回路。
【請求項１６】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記減算器の出力に接続され、上記補正信号の正の部分を判定する正の整流器と、
正の直流電源に接続され、負の歪みに応じて、上記歪みを有する電流信号に上記補正信号の正の部分を選択的に混合する第１の制御電流源と、
上記減算器の出力に接続され、上記補正信号の負の部分を判定する負の整流器と、
負の直流電源に接続され、正の歪みに応じて、上記歪みを有する電流信号に上記補正信号の負の部分を選択的に混合する第２の制御電流源とを有することを特徴とする請求項１０記載の歪み低減回路。
【請求項１７】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記減算器の出力に接続され、上記補正信号の正の部分を判定する正の整流器と、
正の直流電源に接続され、正の歪みに応じて、上記歪みを有する電流信号に上記補正信号の正の部分を選択的に混合する第１の制御電流源と、
上記減算器の出力に接続され、上記補正信号の負の部分を判定する負の整流器と、
負の直流電源に接続され、負の歪みに応じて、上記歪みを有する電流信号に上記補正信号の負の部分を選択的に混合する第２の制御電流源とを有することを特徴とする請求項１０記載の歪み低減回路。
【請求項１８】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記補正信号を変調して、変調補正信号を生成する変調器を有することを特徴とする請求項１０記載の歪み低減回路。
【請求項１９】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記変調補正信号が供給され、負の歪みに応じた該変調補正信号に基づいて、正の電源から上記歪みを有する電流信号に電流を流し込む第１のスイッチと、
上記変調補正信号が供給され、正の歪みに応じた該変調補正信号に基づいて、上記歪みを有する電流信号から負の電源に電流を流し出す第２のスイッチとを有することを特徴とする請求項１０記載の歪み低減回路。
【請求項２０】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記変調補正信号が供給され、正の歪みに応じた該変調補正信号に基づいて、正の電源から上記歪みを有する電流信号に電流を流し込む第１のスイッチと、
上記変調補正信号が供給され、負の歪みに応じた該変調補正信号に基づいて、上記歪みを有する電流信号から負の電源に電流を流し出す第２のスイッチとを有することを特徴とする請求項１０記載の歪み低減回路。
【請求項２１】
上記変調器は、パルス幅変調器、デルタ−シグマ変調器、パルスコード変調器、パルス密度変調器又はパルス位置変調器のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１８記載の歪み低減回路。
【請求項２２】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記減算器の出力と接続され、上記補正信号の正の部分を判定する正のトリガ比較器と、
上記減算器の出力に接続され、上記補正信号の負の部分を判定する負のトリガ比較器と、
上記正のトリガ比較器の出力及び上記負のトリガ比較器の出力に接続され、上記補正信号の正の部分と該補正信号の負の部分とのうちのいずれかをパルス幅変調する変調器と、
正の直流電源に接続され、上記歪みを有する電流信号に上記負の補正信号を選択的に混合する第１のスイッチと、
負の直流電源に接続され、上記歪みを有する電流信号に上記正の補正信号を選択的に混合する第２のスイッチとを有することを特徴とする請求項１０記載の歪み低減回路。
【請求項２３】
上記変調器は、パルス幅変調器、デルタ−シグマ変調器、パルスコード変調器、パルス密度変調器又はパルス位置変調器のうちのいずれかであることを特徴とする請求項２２記載の歪み低減回路。
【請求項２４】
変調信号をフィルタリングする少なくとも１つのフィルタを更に備える請求項２２記載の歪み低減回路。
【請求項２５】
処理手段を更に備え、
上記処理手段は、
上記歪みを有する電気信号をデジタル化する第１のアナログ／デジタル変換器と、
上記基準信号をデジタル化する第２のアナログ／デジタル変換器と、
上記デジタル化された歪みを有する電流信号から、上記デジタル化された基準信号をデジタルで減算して、デジタル化された第１の補正信号を生成するプロセッサとを有することを特徴とする請求項１０記載の歪み低減回路。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、35 U.S.C. $ 119(e)に基づいて、２００９年１月２６日に出願された米国仮特許出願番号61/206,051、発明の名称「POWER FACTOR AND HARMONIC CORRECTION METHODS」と、２００９年１月２６日に出願された米国仮特許出願番号61/206,072、発明の名称「ENERGY USAGE MONITORING WITH REMOTE DISPLAY AND AUTOMATIC DETECTION OF APPLIANCE INCLUDING GRAPHICAL USER INTERFACE」と、２０１０年１月２５日に出願された米国仮特許出願番号61/298,127、発明の名称「POWER FACTOR AND HARMONIC CORRECTION METHODS」と、２０１０年１月２５日に出願された米国仮特許出願番号61/298,112、発明の名称「ENERGY USAGE MONITORING WITH REMOTE DISPLAY AND AUTOMATIC DETECTION OF APPLIANCE INCLUDING GRAPHICAL USER INTERFACE」と、発明者Patrick A. Radaと発明者John H. Magnascoにより２０１０年１月２６日に出願された米国非仮特許出願代理人番号RADA-00201、名称「ENERGY USAGE MONITORING WITH REMOTE DISPLAY AND AUTOMATIC DETECTION OF APPLIANCE INCLUDING GRAPHICAL USER INTERFACE」との優先権の利益を主張し、これら全部は、引用することにより本願に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本願発明は、パワーエレクトロニクスに関するものである。より詳しくは、本願発明は、供給電源又は負荷で発生する歪み及びノイズを低減すること及び力率を改善することに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
力率の改善は、現在の電源供給システムの効率を向上させる重要な要素である。電力を消費する負荷、例えばモータを有する家電機器の無効成分の影響によって、位相のズレが、電力信号を構成する電流成分と電圧成分との間で発生する。交流電源システムの力率は、皮相電力に対する負荷に流れる有効電力の、値が０と１との間である比として定義される（０．５ｐｆ＝５０％ｐｆと、よく表される）。有効電力（Ｐ）は、特定の時間に仕事を行う回路の容量である。皮相電力（Ｓ）は、回路の電流と電圧との積である。
【０００４】
無効電力（Ｑ）は、Ｓの二乗とＰの二乗との差分の平方根として定義される。無効負荷が存在する、例えば、コンデンサ又はコイルを有する場合、負荷にエネルギが蓄積されることによって、電流波形と電圧波形との間に時間差が生じる。交流電圧の各周期において、負荷で消費されるエネルギに加えて、余分なエネルギが、電界又は磁界として負荷に一時的に蓄積され、そして、交流電圧の周期の後半のわずかな間に電力送電網に戻される。この直接電源と関係しない電力が浮き沈みによって、電力線の電流が増大する。したがって、低力率の回路は、有効電力における所定の電力量を伝えるため、高力率の回路よりも大きい電流を使用する。線形の負荷は、電流波形の形状を変化させないが、しかし、電圧と電流との間の相対的なタイミング（位相）を変化させる。通常、力率を改善する方法及び装置は、電力線に対して、既知の無効値を有する固定の補正用負荷を接続する。固定の容量の無効負荷は、インダクタンス特性を有する負荷又はその逆特性を有する負荷の無効効果を打ち消し、電力線の力率を向上させる。しかしながら、力率は、電力線に接続及び分離される負荷の性質の変化に起因して動的なので、固定の無効負荷は、単に、ある程度まで固定量毎に、電力線の力率を改善できるだけである。このため、より最近の技術成果としては、力率を改善するため、電力線に対して選択的に接続する、いくつかの固定無効負荷を有している。しかしながら、このようなシステムは、今までの電力線の力率の変化を打ち消すため、力率を絶えず監視して固定無効負荷を接続及び分離する操作者により監視することを要する。
【０００５】
電子機器の変化状況は、電力の配電に関して他の非効率性を導入している。個人の家電機器の更なる使用によって、機器に電力を供給し、ありふれたアイテム、例えばラップトップ、携帯電話機、カメラなどのバッテリを再充電する壁に取り付けられたＡＣ／ＤＣ変換器の使用が増大する。このようなアイテムが偏在することにより、ユーザは、「壁イボ（wall warts）」として知られているこれらの変換器のうちのいくつかを、電力系統に接続しなければならなかった。２つの最も一般的なＡＣ／ＤＣ変換器は、線形変換器とスイッチング式変換器として知られている。線形変換器は、降圧器を用いて、アメリカ合衆国の住宅において所望の電圧として利用可能な規格である１２０Ｖの電力を降圧する。ブリッジ整流器は電圧を調整する。ブリッジ整流器は、コンデンサに通常接続される。通常、このコンデンサは、容量が大きい。
【０００６】
コンデンサは、逆起電力を形成する。コンデンサは、充電及び放電されるように直流電圧に近い電圧を形成する。しかしながら、コンデンサは、充電しながら、交流電源の周期のうちの少しの間だけ、非線形ブリッジ整流器により電流を引き込む。結果として、電流波形は、電圧波形と一致せず、大きな高調波歪み成分を含む。全高調波歪み（ＴＨＤ）は、基本周波数の電力に対する全ての高調波成分の電力の合計である。このような高調波歪みは、電力網に影響を及ぼす。
【０００７】
スイッチング電源は、異なる原理で動作するが、更に電力配電網に高調波を送り込む。通常、スイッチモード電源は、アメリカ合衆国の住宅で利用可能な１２０Ｖの電圧を整流することによって動作する。逆起電力に対する整流する、例えば大きな平滑コンデンサは、高調波及び歪みを更に加える。また、多様な種類の線形又はスイッチモード集積回路が広範囲に亘って適応されると、電気ノイズを生成するシステムが引き起こされてしまう。更にまた、交流網の無効成分は力率を劣化させ、そして集積回路によって、高調波及びノイズが、電力線に影響を及ぼすことになる。これらの高調波は、電力信号の電流成分の高
調波歪みとして現れる。電力網は０ではないインピーダンスを有するので、電流成分に沿った歪みは、更に振幅歪みに変換する。出力振幅が、特定の状態の下で入力振幅の線形関数ではないとき、振幅歪みは、システム、サブシステム又は機器で生じる歪みである。また、他の好ましくない影響、例えば力率歪み及びエネルギ伝送の全体的な低減が形成される。このような影響は、効率を減少させ、配電の品質を低下させる。このため、必要なことは、力率を改善するだけではなく、電力線の歪みを低減又は削減することが可能であり、それによって配電における最大効率及び品質を可能とする方法及び装置である。結果として、全体としての消費エネルギを低減させることができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願が提供する発明は、電力網から負荷に亘る電力供給の効率及び品質を向上することを可能にする。当業者にとって明らかなように、本願に記載する方法及び装置は、最適ではない力率の原因となり、電力網に送り戻される歪み及びノイズの原因となる無効特性と非線形成分とを有する、多種多様な負荷に適用することができる。使用目的によっては、負荷は家庭の住宅である。負荷は、住宅内に電力を引き込む全家電機器からなる並列の組合せである。
【０００９】
住宅内のユーザが家電機器を動作及び停止するので、電力計までの送電網に対して、住宅は、可変無効特性と非線形特性とを有する１つの動的な負荷のようにみえる。都合が良いことに、本願が提供する発明は、従来技術の解決策の固有の欠点、例えば、高額なコスト、複数箇所における複雑な取り付け、上方又は下方に補償して力率を低下する固定力率改善補償、及び低性能を解決する。本願が提供する発明は、負荷の無効電力成分を動的に測定し、少なくとも１つの補正無効負荷を接続することによって、負荷に対して力率を改善することができる。
【００１０】
無効電力が変化すると、例えば洗濯機が動作すると、本願が提供する発明は、負荷の特性が変化したことを認識することができ、低力率の原因となっている負荷に対して他の補正無効負荷を接続及び分離することができる。更に、本願が提供する発明は、網によって負荷に供給される電力の歪み及びノイズを補正し、これによって電力の品質を向上することができる。本願が提供する発明は、歪み又はノイズなどを有する電気信号を基準信号と比較する。電気信号は、網によって負荷に供給される電力の電流成分とすることができる。基準信号は、負荷に供給される電力又は電圧波形と同期するが別々に合成される電力の、電圧成分から導出することができる。補正信号は、歪みを有する電気信号から基準信号を比較又は減算することによって導出される。補正信号は歪みを有する。電流を、補正信号に基づいて、歪みを有する電気信号に、流し出し又は流し込むことにより、歪みを低減する。都合が良いことに、本願が提供する発明は、ある時に住宅の全ての非線形負荷によって生じる歪みを補正することができる。本願が提供する発明は、事業者メータと住宅との間に接続することができる。結果として、本願が提供する発明は、住宅における家電機器の数、これら機器の配置、又はあらゆる他のパラメータを選ばない。また、力率又は歪みを悪化させることなく、所有する網の範囲内であらゆる他の負荷を追加することなく、必要に応じて歪み及び力率を改善するので、本願が提供する発明はエネルギ効率が良い。
【００１１】
発明の一態様において、歪みを有する電気信号の歪みを低減させる歪み低減方法は、歪みを有する電気信号の歪みを検出するステップと、歪みの要素に歪みを有する電気信号を混合するステップとを有する。いくつかの実施の形態において、検出するステップは、歪みを有する電気信号を基準信号と比較して差分信号を得るステップと、差分信号をスケーリングして歪みの要素を生成するステップとを有する。混合するステップは、歪みの要素が正の場合、歪みの要素を歪みを有する電気信号から減算するステップと、歪みの要素が負の場合、歪みの要素に歪みを有する電気信号を加算するステップとを有する。いくつか
の実施の形態において、減算するステップは、歪みの要素を歪みを有する電気信号が供給される第１の制御電流源に適用するステップであり、加算するステップは、歪みの要素を歪みを有する電気信号が供給される第２の制御電流源に適用するステップである。歪みの要素を第１の制御電流源に適用するステップは、正の電力信号に補正される力率を第１の制御電流源に適用するステップを更に有し、歪みの要素を第２の制御電流源に適用するステップは、負の電力信号に補正される力率を第２の制御電流源に適用するステップを更に有する。
【００１２】
いくつかの実施の形態において、混合するステップは、歪みの要素を変調するステップを有する。歪みの要素は、歪みの要素が負の場合に歪みを有する電気信号が加算され、歪みの要素が正の場合に歪みを有する電気信号から減算される。加算及び減算するステップは、歪みの要素を歪みを有する電気信号が供給される第１のスイッチに適用し、歪みの要素を歪みを有する電気信号が供給される第２のスイッチに適用することによって実現される。歪みの要素を変調するステップは、パルス幅変調、デルタ−シグマ変調、パルスコード変調、パルス密度変調又はパルス位置変調を含む。歪みの要素を第１のスイッチに適用するステップは、正の電力信号に補正される力率を第１の制御電流源に適用するステップを更に有し、歪みの要素を第２の制御電流源に適用するステップは、負の電力信号に補正される力率を第２の制御電流源に適用するステップを更に有する。都合が良いことに、変調技術を用いることによって、スイッチを効率的に制御することができる。いくつかの実施の形態において、アナログフィルタ又はデジタルフィルタを設けることによって、変調信号をフィルタリングすることができる。
【００１３】
いくつかの用途においては、電力網のインピーダンスは、電力網が電力を供給している負荷のインピーダンスよりも、ずっと低い。このような状況では、流し込む電流又は流し出す電流の方向が逆であることが必要であることが当業者によって明らかである。一例として、負の歪みは、電力線に電流を送り込む、すなわち流し込むことによって定期的に補正される。しかしながら、負荷のインピーダンスが電力網のインピーダンスより大きい場合、電流が負荷よりも電力網に送り込まれる。結果として、反対の機能が行われることになる。このような結果として、送電網に引き込まれる全電流波形の十分な歪み補正が実現される。
【００１４】
発明の他の態様において、電力線の歪みを低減する歪み低減方法は、力率が略１になるように、電力線の力率を改善するステップと、電力線の電流の一部を所望の基準信号と比較して補正信号を生成するステップと、補正信号に基づいて、電力線に対して電流を選択的に流し出し流し込むステップとを有する。力率を改善するステップは、あらゆる既知の力率改善方法又は本願に説明されるあらゆる方法とする。いくつかの実施の形態において、電流を選択的に流し出し流し込むステップは、補正信号を少なくとも１つの制御電流源に供給するステップを有し、制御電流源は、補正信号に基づいて電流源を電力線に接続する。あるいは、電流を選択的に流し出し流し込むステップは、補正信号を変調するステップと、変調補正信号を少なくとも１つのスイッチに供給するステップとを有し、スイッチは電流源を電力線に接続し、変調ノイズをフィルタリングする。補正信号を変調するステップは、パルス幅変調、デルタ−シグマ変調、パルスコード変調、パルス密度変調又はパルス位置変調のうちのいずれかである。
【００１５】
いくつかの用途においては、電力網のインピーダンスは、電力網が電力を供給している負荷のインピーダンスよりも、ずっと低い。このような状況では、流し込む電流又は流し出す電流の方向が逆であることが必要であることが当業者によって明らかである。一例として、負の歪みは、電力線に電流を送り込む、すなわち流し込むことによって定期的に補正される。しかしながら、負荷のインピーダンスが電力網のインピーダンスより大きい場合、電流が負荷よりも電力網に送り込まれる。結果として、反対の機能が行われることになる。このような結果として、送電網に引き込まれる全電流波形の十分な歪み補正が実現される。
【００１６】
動作中に、電気信号、例えば住宅に供給される電力の歪みを低減する。歪みは、高調波歪み、振幅歪み、ノイズ、高スペクトルノイズなどである。住宅に供給される電力は、電圧及び電流から構成される。通常、負荷に供給される電力の電流成分は、負荷の非線形性に起因した歪みが表れる。完全な正弦波、例えば電力の電圧成分と電流を比較することによって、歪みを確かめることができる。完全な正弦波は、基準信号としての役割を果たすことができる。電圧の正弦波が完全ではない場合、例えば振幅歪みが電圧の正弦波を歪めているとき、完全に近い正弦波を、電圧の正弦波に同期することによって局所的に生成することができる。
【００１７】
例えば、ゼロ交差変換をマーカーとして用いることで、完全に近い正弦波を生成することができる。基準信号を歪みを有する電気信号から減算することによって、補正信号を生成する。補正信号は歪みの要素を有する。歪みの正の部分を、住宅に電力を供給する電力線に供給される流れ出す電流に加える。流れ出す電流は、歪みに基づいて、電力線の外に電流を流し出す。同様に、歪みの負の部分を、住宅に電力を供給する電力線に供給される流し込む電流に加える。歪みが負のとき、流し出す電流は、歪みに基づいて、電力線の中に電流を流し込む。結果として、送電網から引き込まれる電流から歪みが除去される。
【００１８】
いくつかの実施の形態において、効率を高めるため、補正信号を変調してもよい。変調する方法は、例えばパルス幅変調、デルタ−シグマ変調、パルスコード変調、パルス密度変調又はパルス位置変調である。変調補正信号は、歪みに基づいて住宅に電力を供給する電力線の中に又は外に電流を導く能動スイッチ、例えばＭＯＳＦＦＴに供給される。
【００１９】
いくつかの実施の形態において、歪み低減方法は、力率を補正するステップを更に有する。ダイナミックは力率改善方法は、第１の負荷の無効電力を測定するステップと、無効電力から得られる力率を測定するステップと、第１の負荷に接続して力率の比を１に持っていく最適な補正無効負荷を判定するステップと、最適な補正無効負荷を第１の負荷に接続するステップと有する。最適な補正無効負荷を第１の負荷に接続するステップは、所望の精度の、ＭＳＢ及びＬＳＢを有する量子化レベルを選択するステップと、ＭＳＢ無効負荷を決定するステップと、ＬＳＢ無効負荷を決定するステップと、ＭＳＢ無効負荷とＬＳＢ無効負荷のうちのいずれかを第１の負荷と電気的に接続するスイッチであって、所望の精度を達成するのに要求されるあらゆるビットに関連するスイッチをオンにするステップと有する。通常、所望の精度は、力率の比の許容値を決定する。更に、量子化レベルは、ＭＳＢとＬＳＢとの間を、少なくとも１ビットから構成することができる。ＬＳＢ無効負荷と、ＭＳＢ無効負荷と、少なくとも１ビットから構成されるビット無効負荷との値を決定するステップは、第１の負荷の最大の無効成分を決定するステップを有する。ＭＳＢ無効負荷とＬＳＢ無効負荷と少なくとも１ビットから構成されるビット無効負荷とは、通常、コンデンサであり、スイッチ、能動スイッチ、ＭＯＳＦＦＴ、ＩＧＢＴトランジスタ、一対のＭＯＳＦＦＴ、一対のＩＧＢＴトランジスタ、ＴＲＩＡＣ、リレー、サイリスタ、及び一対のサイリスタのうちのいずれかを介して無効負荷と接続される。
【００２０】
いくつかの実施の形態において、無効電力は絶えず監視され、第１の負荷に接続されて無効電力を略０に持っていくとともに、力率を略１に持っていく新たな最適な補正無効負荷がダイナミックに決定される。
【００２１】
発明の他の態様において、歪みを有する電気信号の歪みを低減させる歪み低減装置は、歪みを有する電気信号の力率を略１に持っていく力率改善モジュールと、電力線の電流の部分を所望の基準信号と比較して補正信号を生成する減算器と、補正信号に基づいて、電力線に対して電流を選択的に流し出し流し込む電気回路とを備える。力率改善モジュールは、電力線に接続された第１の負荷の無効電力を測定するセンサと、第１の負荷に接続され第１の負荷の無効成分を打ち消す複数ビット無効負荷とを有する。いくつかの実施の形態において、電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、補正信号を、少なくとも１つの制御電流源に供給し、制御電流源は、補正信号に基づいて、電流供給源を電力線に接続する。あるいは、電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、補正信号を変調し、変調補正信号を、電流供給源を電力線に接続する少なくとも１つのスイッチに供給する変調器と、変調ノイズをフィルタリングするフィルタとを有する。変調器は、パルス幅変調、デルタ−シグマ変調、パルスコード変調器、パルス密度変調器又はパルス位置変調器である。動作中において、歪みを有する電気信号の歪みを低減させる歪み低減装置は、歪みを有する電流信号が入力される第１の入力と、基準信号が入力される第２の入力と、第１の入力及び第２の入力に接続され、歪みを有する電流信号を基準信号と比較して、第１の補正信号を生成する減算器と、第１の補正信号に基づいて、上記歪みを有する電流信号に及びから、第１の補正信号の正の部分と第１の補正信号の負の部分とを、歪みを有する電気信号と選択的に混合する回路とを備える。減算器は、アナログ回路、例えば一方の入力を他方の入力から減算するオペアンプとすることができる。あるいは、減算器は、デジタルシステム、例えば一方の変換ビットストリーム入力を他方の変換ビットストリーム入力からデジタルで減算することが可能なＡ／Ｄ変換器と、補正信号のアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器とすることができる。
【００２２】
いくつかの実施の形態において、選択的に混合する回路は、補正信号の正の部分を判定する減算器の出力と第１の制御電流源とに接続された正の整流器と、補正信号の負の部分を判定する減算器の出力と第２の制御電流源とに負の整流器とを有する。歪みを補正するため主要の電力線へ又はから電流を選択的に流し出し流し込むために、両方の制御電流源は、正の電源と負の電源とそれぞれ接続されている。動作中に、歪みが負のとき、補償する歪みに基づいて電流を電力線に流し込む。同様に、歪みが正のとき、電流を流し出すことで歪みを補償する。
【００２３】
あるいは、選択的に混合する回路は、補正信号の正の部分を判定する減算器の出力に接続された正のトリガ比較器と、補正信号の負の部分を判定する減算器の出力に接続された負のトリガ比較器と、変調器とすることができる。変調器は、パルス幅変調器、デルタ−シグマ変調器、パルスコード変調器、パルス密度変調器又はパルス位置変調器を含む、あらゆる有効な種類の変調器である。変調器は、補正信号の正の部分と補正信号の負の部分のうちのいずれかを変調する正のトリガ比較器の出力と負のトリガ比較器の出力とに接続することができる。いくつかの実施の形態において、第１のスイッチは、正のトリガ比較器に接続される。第１のスイッチは、補正信号の正の部分に基づいて負の直流電源から選択的に電流が供給され、それによって歪みを低減する。同様に、第２のスイッチは、補正信号の正の部分に基づいて正の直流電源から選択的に電流が供給され、それによって歪みを低減する。
【００２４】
いくつかの用途において、電力網のインピーダンスは、電力網によって電力が供給される負荷のインピーダンスよりもはるかに低い。このような状況では、流し込む電流又は流し出す電流の方向が逆であることが必要であることが当業者によって明らかである。一例として、負の歪みは、電力線に電流を送り込む、すなわち流し込むことによって定期的に補正される。しかしながら、負荷のインピーダンスが電力網のインピーダンスより大きい場合、電流が負荷よりも電力網に送り込まれる。結果として、反対の機能が行われることになる。電力線から電流を流し出すことによって、電流が反対方向に送り出される。
【００２５】
いくつかの実施の形態において、歪みを低減する歪み低減回路は、供給される電流と電圧との間の力率を略１に持っていく力率改善回路を更に備える。力率改善装置は、負荷の無効電力を決定する手段と、第１の負荷に接続して力率を略１に持っていくとともに無効電力を略０に持っていく最適な補正無効負荷を決定する手段と、最適な無効負荷を第１の負荷に接続する手段とを備える。いくつかの実施の形態において、最適な無効負荷を第１の負荷に接続する手段は、所望の精度の、ＭＳＢ及びＬＳＢを有する量子化レベルを選択する手段と、ＭＳＢ無効負荷を決定する手段と、ＬＳＢ無効負荷を決定する手段と、ＭＳＢ無効負荷とＬＳＢ無効負荷のうちのいずれかを第１の負荷と電気的に接続するスイッチであって、所望の精度を達成するのに要求されるあらゆるビットに関連するスイッチをオンにする手段とを備える。量子化レベルは、ＭＳＢとＬＳＢとの間を、少なくとも１ビットから構成することができる。ＭＳＢとＬＳＢとの間のビットを多くすると、力率改善の精度が高くなる、すなわち、１にほぼ近づくことになる。
【００２６】
ビット無効負荷は、通常、コンデンサであり、スイッチ、能動スイッチ、ＭＯＳＦＦＴ、ＩＧＢＴトランジスタ、一対のＭＯＳＦＦＴ、一対のＩＧＢＴトランジスタ、ＴＲＩＡＣ、リレー、サイリスタ、及び一対のサイリスタのうちのいずれかを介して無効負荷と接
続される。
【００２７】
都合が良いことに、このような装置は、家庭の住宅の規模で実行することができる。上述した装置及び回路は、安価に製造することができ、平均的な受託所有者がこれらの装置を入手することができる。先行技術の解決策は、通常、何れも産業上の用途を対称とした機器を含んでおり、したがって、より大きな電流容量の網の力率を改善する。結果として、これらは非常に大きく、何千ドルものコストがかかり、住宅用途には受け入れられない。他の解決手段は、単に力率を改善し、住宅内の個々の機器に適用しなければならない。更にまた、これらは、通常、十分に力率を補正しない固定コンデンサ力率改善ユニットであり、いくつかの例において力率を低下させてしまう。なお、他の解決手段は、中央制御ユニットが、個々の家電機器に取り付け手段により接続しなければならない力率及び高調波改善ユニットを駆動する装置である。また、このような装置は、純粋な抵抗性を有する負荷、例えば個々の家電機器で電流を引き込み及び浪費することで電流波形を補正しようとする。反対に、本願で実行される装置、回路及び方法は、通常、主要事業者メータと住宅の間に接続され、簡単に１つのステップでの取り付けを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態による力率改善回路のブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態による力率改善回路のブロック図である。
【図３Ａ】図３Ａは、力率が改善された歪みを有する信号の時間対振幅のグラフである。
【図３Ｂ】図３Ｂは、力率が改善された歪みを有する信号の時間対振幅のグラフである。
【図３Ｃ】図３Ｃは、力率が改善された歪みを有する信号の時間対振幅のグラフである。
【図３Ｄ】図３Ｄは、低力率と歪みとを有する信号の時間対振幅のグラフ、及び歪み補正方法である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態による歪み低減回路のブロック図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態による変調回路を有する歪み低減回路のブロック図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態による変調回路を有する歪み低減回路のブロック図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態による変調回路と強調フィルタとを有する歪み低減回路のブロック図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態による変調回路と強調フィルタとを有する歪み低減回路のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下の説明では、多数の詳細と変形を、説明の目的として記載する。しかしながら、当業者にとって明らかなように、本願発明は、これらの特定の詳細を用いることなく実施可能である。他の具体例において、不必要な詳細により発明の説明を不明確にしないため、良く知られた構造及び装置をブロック図に示す。
【００３０】
力率改善方法及び装置
図１は、本願発明のある実施の形態当たりの力率改善回路（以下、ＰＦＣともいう。）ブロック図である。力率（以下、ＰＦともいう。）は、皮相電力に対する負荷に流れる有効電力の比として定義され、０から１の間の値である。また、力率は、例えば０．５の力率が５０％であるといったように、パーセントで表現してもよい。有効電力は、特定の時間に仕事を行う回路の仕事量である。
【００３１】
皮相電力は、回路における電流と電圧との積である。ほぼ値が０に近い力率を有する負荷は、有効な電力伝送量が同量である場合、ほぼ値が１に近い力率を有する負荷よりも多くの電流を引き込む。値が０に近い力率が低力率とみなされ、値が１に近い力率が高力率とみなされると、通常理解されている。特に、事業者積算電力計が、時間とともに消費される有効電力ではなく、時間とともに消費される皮相電力だけを記録するとき、すなわち場合は、力率を最適化し、力率を１の近くに導くことは非常に好ましい。基幹設備を最適化し、電力事業会社が需要家に伝送可能な有効エネルギを最大化するために、送電網ネットワークにおいて力率が良好であることが電力事業会社にとって好ましい。力率が良くない、例えば力率が０．９以下であると、電力線において過度の皮相電流損失が生じ、電流量がより高くなるのに起因して送電線網にストレスを与えてしまう。
【００３２】
図１の実施例において、力率改善回路１００は、負荷１２０によって表される住居又は住宅へ伝送される電力の力率を改善する。力率改善回路１００は、通常、ＡＣ１００Ｖ電力線１０１Ａと中性電力線（以下、中性線ともいう。）１０１Ｂとに接続される。力率改善回路１００は、標準的な電力メータ１０１と負荷１２０とに接続されている。多くの住宅には、全てが電力を消費する負荷に相当するいくつかの電子機器がある。通常、各負荷には、無効成分（reactive component）がある。無効成分は、通常、家庭で見られる非常に一般的な負荷、例えば洗濯機のモータ、乾燥機ＨＶＡＣユニット又は食器洗い器などのインダクタンス特性から生じる。これら全ての負荷を組合せは、事業者の電力メータ１０１にとっての単一の負荷１２０のように見える。しかしながら、それぞれの電子機器が動作又は停止させるように、電力メータ１０１で確認される負荷１２０の実際の無効成分は、ダイナミックに変化する。このため、ダイナミックな力率改善回路１００は、負荷１２０の力率をダイナミックに改善することができる。いくつかの実施の形態において、無効電力測定モジュール１０５は、絶縁されたダクト１０２の第１のセットと絶縁されたダクト１０３の第２のセットとにより、１１０Ｖ交流電力線（位相線ともいう。）１０１Ａと中性線１０１Ｂと電気的に接続されている。実施例に示すように、ダクト１０２からなる第１のセットは、１１０Ｖ交流電力線１０１Ａと接続された電線とすることができる。ダクト１０２の第１のセットは、負荷に伝送される電力の相電流成分を測定する。ダクト１０３の第２のセットは、１１０Ｖ交流電力線１０１Ａと中性線１０１Ｂとに亘って接続されており、相電圧を測定する。より低電圧の電子機器がコスト効率が良く、容易に設計することができるので、降圧変圧器１０３Ａを力率改善回路１００内に設けて、電圧の振幅を低下させて、その回路構成を簡単にしてもよい。無効電力測定モジュール１０５は、ダクト１０２及びダクト１０３によって負荷の無効電力を判定することができる。一例として、無効電力測定モジュール１０５は、プロセッサユニット、例えばアナログデバイスＡＤＥ７８７８とすることができる。更に、無効電力測定モジュール１０５は、外部プロセッサ１０７（以下、コントローラ１０７という。）と通信することができる。
【００３３】
いくつかの実施の形態において、負荷１２０の無効成分を補償するため、コントローラ１０７は、多数の異なる値を有する無効負荷（reactive loads）、例えば負荷１２０と並列接続されたコンデンサ１１０Ａ〜１１０Ｃ（以下、無効負荷１１０Ａ〜１１０Ｃ、または無効負荷１１０Ａ〜１１０Ｃともいう。）を選択的に接続する。二値処理回路（binary implementation）を用いて、無効負荷１１０Ａ〜１１０Ｃを負荷１２０に接続する。無効負荷１１０Ａ〜１１０Ｃの値を決定するためには、最初に、最小及び最大の無効電力補償範囲を確認することが有利である。二値処理回路において、力率改善回路１００の精度は、ビット又は量子化レベルにそれぞれ対応する無効負荷１１０Ａ〜１１０Ｃのうちの最低値の無効電力の半値と同程度とすることができる。
【００３４】
無効負荷１１０Ａ〜１１０Ｃのうちの最低値は、最低ビットの無効負荷及び所望の量子化レベルの最小構成要素である。力率改善回路１００の典型的な実施を、３つからなる量子化レベルに示す。換言すると、最も小さい無効負荷がＬＳＢ、すなわち最小桁ビットの無効負荷であり、最も大きい無効負荷がＭＳＢ、すなわち最大桁ビットの無効負荷である３ビットの無効負荷がある。力率改善回路１００の精度は、以下のように表すことができる。
ＥｒｒＭＡＸ＝ＬＳＢ／２
ここで、ＬＳＢが下記式によって最適な値が選択される。
ＬＳＢ＝ＶＡＲＭＡＸ／（２Ｎ−５）
ここで、ＶＡＲＭＡＸは補償すべき負荷１２０の最大無効電力値であり、Ｎは量子化のレベルである。量子化のレベルは、負荷１２０の無効部分の補償の精度に正比例していると評価することができる。コスト及び複雑度と所望の精度とのバランスがとれるように、所望の量子化レベルを決定してもよい。補償すべき負荷１２０の最小及び最大の無効電力の約５０サンプルのシミュレーションをテーブル１に示す。
【００３５】
【表１】
2015167468.tif 000003
【００３６】
補正無効電力値ＱＣＯＲＲは、以下のアルゴリズムにより決定される。
IF  （round（Ｑ／ＬＳＢ））＞（２Ｎ−１）
Then  ＱＣＯＲＲ＝ＬＳＢ×（２Ｎ−ｌ）
ELSE  ＱＣＯＲＲ＝ＬＳＢ×Round（Ｑ／ＬＳＢ）、ＶＡＲの全ての値
ここで、Ｑは、補償すべき負荷１２０の無効電力値である。
家庭電子機器が動作及び停止し、これら個々の無効負荷が負荷１２０内部に接続されているので、上記のように、負荷１２０の無効電力値はダイナミックに変化している。このため、無効電力測定モジュール１０５にとって、負荷１２０の無効電力を測定して無効電力をコントローラ１０７に送信することが有利である。この代わりとして、無効電力を即座に決定するためコントローラ１０７は負荷１２０と直接接続してもよい。Ｑがゼロ又は正である場合、負荷１２０の無効部分はインダクタンスである。あまり一般的ではないが、Ｑが負であることは、負荷１２０の無効部分がキャパシタンスであることを示す。テーブル２は、力率改善回路１００の精度に関する量子化の効果の具体例を示している。
【００３７】
【表２】
2015167468.tif 000004
【００３８】
一例として、単相２線配線構成において、消費される有効電力は、１０〜３０００Ｗとみなされ、負荷１２０の無効電力は、８〜２０００バールとみなされる。この実施例では、説明のために、力率を０．６７に固定する。テーブル２から分かるように、コスト及び複雑度を最小にするのに対して、２又は３ビット（すなわち、Ｎ＝２又はＮ＝３）における実施では、通常、力率を最適化して、ほぼ１に近づける。例えば、１１０Ｖ系統、例えば米国において、例えばテーブル２で示された具体例には、２つの無効ビットＱＬＳＢ、ＱＭＳＢと、その中間ビットＱとからなるリアクタンスは、以下のように計算される。
ＺＱＬＳＢ＝Ｕ２／ＱＬＳＢ＝１１０Ｖ２／２６６．７ＶＡＲ＝４５．３７Ω（全てキャパシタンス）
ＺＱ＝Ｕ２／Ｑ＝１１０Ｖ２／５３３．３ＶＡＲ＝２２．６８Ω（全てキャパシタンス）
ＺＱＭＳＢ＝Ｕ２／Ｑ＝１１０Ｖ２／１０６６．７ＶＡＲ＝１１．３４Ω（全てキャパシタンス）
【００３９】
図１からすると、コンデンサ１１０ＡがＬＳＢビット無効負荷であり、コンデンサ１１０ＣがＭＳＢビット無効負荷であるコンデンサ１１０Ａ〜１１０Ｃの各値は、以下のように計算される。
ＣＬＳＢ＝ｌ／（２πＦＺＱＬＳＢ）＝ｌ／（２π×６０Ｈｚ×４５．３７Ω）＝５８μＦ
Ｃ＝ｌ／（２πＦＺＱ）＝ｌ／（２π×６０Ｈｚ×２２．６８Ω）＝１１７μＦ
ＣＭＳＢ＝ｌ／（２πＦＺＱＭＳＢ）＝ｌ／（２π×６０Ｈｚ×１１．３４Ω）＝２３４μＦ
【００４０】
その結果、この実施例において、ＬＳＢビット無効負荷１１０Ａは５８μＦであり、ビット無効負荷１１０Ｂは１１７μＦであり、ＭＳＢビット無効負荷１１０Ｃは２３４μＦである。各ビット無効負荷１１０Ａ〜１１０Ｃは、スイッチ１０９Ａ〜１０９Ｃを介して、負荷１２０と並列に接続される。各スイッチ１０９Ａ〜１０９Ｃは、スイッチドライバ１０８Ａ〜１０８Ｃによって操作可能である。各スイッチドライバ１０８Ａ〜１０８Ｃは、コントローラ１０７によって順々に制御される。上記のように、コントローラ１０７は、補償すべき負荷１２０の無効電力を測定するか、無効電力測定モジュール１０５による測定情報が当該コントローラ１０７に送信される。コントローラ１０７は、メモリ１０６と接続することができる。この代わりとして、メモリ１０６は、コントローラ１０７と一体化してもよい。メモリ１０６は、補償すべき負荷１２０の最大無効電力の値と、ビット無効負荷１１０Ａ〜１１０Ｃの無効ビット値とを記憶することができる。これに加えて、ユーザ、例えば住宅所有者、住居の電飾消費特性に関する有効なデータを与えるため、メモリ１０６は、力率改善履歴を記憶することができる。したがって、コントローラ１０７
は、スイッチドライバ１０８Ａ〜１０８Ｃを選択的に動作させて、スイッチ１０９Ａ〜１０９Ｃをオン又はオフにすることができ、それによって、負荷１２０の無効電力がダイナミックに補償される。
【００４１】
いくつかの実施の形態において、コントローラ１０７は、通信モジュール１１４に接続される。通信モジュール１１４は、他の力率改善回路１００のユニットと通信することができる。また、ユーザ、例えば住居所有者に、力率改善回路１００の状態と力率改善回路１００が行っている補正量を通知するため、通信モジュール１１４は、ユーザ装置、例えばラップトップコンピュータ又は携帯電話機と通信することができる。
【００４２】
通信モジュール１１４は、無線モジュール１１４Ａによって無線で通信することができる。無線モジュール１１４Ａは、ローカルＷｉＦｉネットワーク、例えばＩＥＥＥ  ８０２．１１を使用するためのアンテナ１１４Ｂを有する。いくつかの実施の形態において、無線モジュール１１４Ａは、標準的な技術、例えばＣＤＭＡ又はＧＳＭによって携帯電話回線網で通信することができる。エネルギ使用に関する情報に基づいた決定をするために、ユーザ、例えば住居の所有者は、彼らのダイナミックな電力消費を追跡することができる。あるいは、通信モジュール１１４は、ＬＡＮ、シリアル、パラレル、ＩＥＥＥ１３９４Ｆｉｒｅｗｉｒｅ、又はあらゆる他の既知又は特定用途有線無線規格に接続することができるポート１１５により、有線ネットワークを介して通信することができる。更に、力率改善回路１００は、降圧変圧器１０４Ａを介して、１１０Ｖ交流電力線１０１Ａと中性線１０１Ｂとに接続された直流電源１０４を備える。直流電源１０４は、１１０Ｖ交流電力線１０１Ａから所望の直流電圧に電力を変換して、変換した電力を電気部品、例えば無効電力測定モジュール１０５、コントローラ１０７及び力率改善回路１００の中の残りのモジュールに供給することができる。
【００４３】
いくつかの実施の形態において、スイッチ１０９Ａ〜１０９Ｃは、１つ以上のトランジスタとすることができる。トランジスタは、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタ、ＩＧＢＴトランジスタ、ＦＥＴトランジスタ、ＢＪＴトランジスタ、ＪＦＥＴトランジスタ、ＩＧＦＥＴトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ及び、他のあらゆる種類又はサブセットのトランジスタのうちのいずれかを組合せを含んでもよい。バイポーラトランジスタ及びＩＧＢＴトランジスタに関して、バイポーラトランジスタ又はＩＧＢＴトランジスタを選択する上で考慮すべき点は、オン状態及び駆動条件において、コレクタ−エミッタ間電圧がほぼ０であることである。更にまた、トランジスタは、通常、電流がドレインからソースに又はコレクタからエミッタに流れるという意味で一方向である。このため、負荷１２０に接続されるそれ自体のビット無効負荷を有する２つのトランジスタを、電流の流れる方向毎に１つずつ配置することは有利である。スイッチ１０９Ａ〜１０９Ｃとしてトランジスタを用いるときに他の実施上考慮すべき点は、トランジスタが更なる逆方向電圧に対する保護ダイオードを必要とすることである。例えば、トランジスタの定格が、１１０以上、すなわち２２０Ｖ交流である場合、最大エミッタ−ベース間電圧は約５〜１０Ｖである。結果として、エミッタと直列接続され、正弦波電圧が逆方向に印加される半分の期間中にトランジスタを保護するために、保護ダイオードを実装することが有利であるといえる。熱損失として失われるエネルギに起因して、トランジスタは１つ以上のヒートシンクが必要であるといえる。正弦波の半分の期間で導通状態のトランジスタによって浪費される電力が、以下のように近似される。
Ｐｏｗｅｒ＝ＵＣＥ×ＩＣＥ／２＝ＵＣＥ×（ＵＡＣ−ＵＣＥ）／（２×Ｚ）
例えば、半導体２Ｎ３７７３を用いる場合、オン状態において１０Ａのとき、ＵＣＥＳＡＴ＝２Ｖであり、米国の一般的な住宅用電力線は、ＵＡＣ＝１１０Ｖｏｌｔｓであり、Ｚ＝１０．５９Ωであり、トランジスタ毎の熱として浪費される電力は、以下のように近似することができる。
Ｐｏｗｅｒ＝２Ｖ×（１１０ＶＡＣ−２Ｖ）／（２×１０．５９）＝１０．２Ｗ  トランジスタ当たり
２ビットの無効電力改善システムでは、４つのトランジスタと、４つのコンデンサと、４つのパワーダイオードとを必要とする。スイッチ１０９Ａ〜１０９Ｃの熱として浪費する全電力は、以下のように近似することができる。
Ｐｏｗｅｒ＝２×１０．２Ｗ（ｂｉｔ２）＋２×５．１Ｗ（ｂｉｔ２＝ＬＳＢ）＝３０．６Ｗ
【００４４】
結果として、力率改善回路１００にコスト及び複雑さを加えることになるが、スイッチ１０９Ａ〜１０９Ｃをヒートシンクに接続させることが有利である。ＭＯＳトランジスタ及びＭＯＳＦＦＴトランジスタは、一般的に、低消費電力素子である。しかしながら、ＭＯＳトランジスタ及びＭＯＳＦＦＴトランジスタもまた、電流の向きが一方向であり、過大な逆電圧ＶＧＳからの保護を必要とする。正弦波の半分の期間で導通状態のＭＯＳ又はＭＯＳＦＦＴスイッチによって浪費される電力を、以下のように近似する。
Ｐｏｗｅｒ＝ＲＤＳ＿０Ｎ×ＩＤＳ／２＝（ＲＤＳ＿０Ｎ／２）×（ＵＡＣ／Ｚ）２ＲＤＳ＿０Ｎ＝０．１３Ω  ａｔ  １０Ａ  例えば、ＳＴ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ＳＴＦ２０Ｎ２０
ＵＡＣ＝１１０Ｖｏｌｔｓ  米国の一般的な住宅用電力線
Ｚ＝１０．５９Ωとすれば、ＭＯＳ又はＭＯＳＦＦＴスイッチの熱として浪費される電力は、以下のように近似することができる。
Ｐｏｗｅｒ＝０．１３Ω／２×（１１０ＶＡＣ／１０．５９Ω）２＝７．０１Ｗ
２ビットの無効電力改善システムでは、４つのトランジスタと、４つのコンデンサと、４つのパワーダイオードとを必要とする。ＭＯＳ又はＭＯＳＦＦＴスイッチの熱として浪費される全電力は、以下のように近似することができる。
Ｐｏｗｅｒ＝２×７．０１Ｗ（ｂｉｔ２）＋２×３．５Ｗ（ｂｉｔ２＝ＬＳＢ）＝２１．０Ｗ
【００４５】
スイッチ１０９Ａ〜１０９ＣにＭＯＳ又はＭＯＳＦＦＴ素子を用いると、約１／３が熱として浪費される電力が低減されるが、更に廃熱を分散させるためにヒートシンクを必要としてもよい。ＲＤＳ＿ＯＮが非常に低いＭＯＳ又はＭＯＳＦＦＴ素子は市販されているが、通常、これらの素子はコストが高い。
【００４６】
図２は、図１の力率改善回路１００に類似する本願発明のある実施の形態当たりの力率改善回路２００を示し、力率改善回路２００は、負荷２２０によって表される住居又は住宅へ伝送される電力の力率を改善する。力率改善回路２００は、通常、ＡＣ１００Ｖ電力線２０１Ａと中性線２０１Ｂとに接続される。力率改善回路２００は、標準的な電力メータ２０１と負荷２２０とに接続されている。いくつかの実施の形態において、無効電力測定モジュール２０５は、絶縁された接点２０２の第１の絶縁セットと絶縁された接点２０３の第２の絶縁セットとにより、１１０Ｖ交流電力線２０１Ａと中性線２０１Ｂと電気的に接続されている。実施例に示すように、ダクト１０２の第１のセットは、１１０Ｖ交流電力線２０１Ａと接続された電線とすることができる。接点２０２の第１のセットは、負荷に伝送される電力の相電流成分を測定する。接点２０３の第２のセットは、１１０Ｖ交流電力線２０１Ａと中性線２０１Ｂとに亘って接続されており、相電圧を測定する。より低電圧の電子機器がコスト効率が良く、容易に設計することができるので、降圧変圧器２０３Ａを、力率改善回路２００内に設けて、電圧の振幅を低下させて、その回路構成を簡単にしてもよい。一例として、無効電力測定モジュール２０５は、プロセッサユニット、例えばアナログデバイスＡＤＥ７８７８とすることができる。更に、無効電力測定モジュール２０５は、弛み又は過電圧状態をマイクロコントローラ２０７に送信することができる。
【００４７】
マイクロコントローラ２０７は、無効電力測定モジュール２０５に接続されている。マイクロコントローラ２０７は、複数のトライアックドライバ２０８Ａ、２０８Ｂに接続されている。トライアックドライバ２０８Ａ、２０８Ｂは、それぞれ複数のトライアック２０９Ａ、２０９Ｂを選択的に動作又は停止させる。本具体例では、１０ｍＡを用いて、トライアック２０９Ａ、２０９Ｂを動かす。しかしながら、他の駆動信号を用いて、その仕様に応じてトライアック２０９Ａ、２０９Ｂを動かしてもよい。トライアック、すなわち交流用の三極管は、ゲートを互いに接続することにより逆平行に接続された２つのサイリスタにほぼ相当する電子部品である。この結果、２方向に電流を導通することができ、これによって、極性がない電子スイッチとなる。電子スイッチは、ゲート電極に印加される正又は負の電圧によって動作することができる。動作すると、電子スイッチ素子は、電流が、保持電流として知られている特定の閾値以下に下がるまで、導通状態を維持する。結果として、トライアック２０９Ａ、２０９Ｂは、非常に便利な交流回路用のスイッチであり、ミリアンペアスケールの制御電流によって、非常に大きな電力の流れを制御することができる。トライアックは、サイリスタとして知られている、より大きく分類された部品に属していると通常理解されている。サイリスタは、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、静電誘導サイリスタ（ＳＩＴ）、ＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）、分散バッファ−ＧＴＯ（ＤＢ−ＧＴＯ）、集積ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）、ＭＯＳ合成静電誘導サイリスタ（ＣＳＭＴ）、逆導通サイリスタ（ＲＣＴ）、非対称ＳＣＲ（ＡＳＣＲ）、光動作ＳＣＲ（ＬＡＳＣＲ）、光トリガサイリスタ（ＬＴＴ）、ブレークオーバーダイオード（ＢＯＤ）、モディファイド陽極ゲートターンオフサイリスタ（ＭＡ−ＧＴＯ）、分散バッファゲートターンオフサイリスタ（ＤＢ−ＧＴＯ）、ベース抵抗制御サイリスタ（ＢＲＴ）、磁界制御サイリスタ（ＦＣＴｈ）及び光動作半電導性スイッチ（ＬＡＳＳ）を含むがこれに限定されない。当業者にとって明らかなように、図２の力率改善回路２００の実施の形態は、あらゆる既知又は特定用途のサイリスタを用いて、力率改善回路２００を実装するのに要求される特定の設計又は用途を実現するため、容易に補正することができる。
【００４８】
マイクロコントローラ２０７は、トライアックドライバ２０８Ａ、２０８Ｂによって、トライアック２０９Ａ、２０９Ｂをオン又はオフにする上記図１に記載されたアルゴリズムを実行することができる。都合が良いこととして、トライアックは低論理閾値を得ると、当該トライアックを有効とする。結果として、より小さく、よりコスト効率の良い部品を用いて、トライアックドライバ２０８Ａ、２０８Ｂとすることができる。オンのとき、低力率を補償するため、トライアック２０９Ａ、２０９Ｂは、ビット無効負荷２１０Ａ、２１０Ｂを、負荷２２０と並列接続する。状況に応じて、フィルタ２１２、２１３を実行して、トライアック２０９Ａ、２０９Ｂにより取り入れられるスイッチングノイズ又はハムを減らすようにしてもよい。
【００４９】
いくつかの実施の形態において、マイクロコントローラ２０７は、通信モジュール２１４と接続される。通信モジュール２１４は、いずれの力率改善回路２００と通信することができる。また、ユーザ、例えば住居所有者に、力率改善回路２００の状態と力率改善回路２００が行っている補正量を通知するため、通信モジュール２１４は、ユーザ装置、例えばラップトップコンピュータ又は携帯電話機と通信することができる。通信モジュール２１４は、ローカルＷｉＦｉネットワーク、例えばＩＥＥＥ８０２．１１を使用するためのアンテナ２１４Ｂを有する無線モジュール２１４Ａによって無線で通信することができる。また、ユーザが、彼らの住宅の消費エネルギを追跡し、知識に基づいた決定を行うために、携帯電話機を用いることができるように、無線モジュール２１４Ａは、携帯電話網、例えばＣＤＭＡ又はＧＳＭによって通信することができる。
【００５０】
あるいは、通信モジュール２１４は、ＬＡＮ、シリアル、パラレル、ＩＥＥＥ１３９４Ｆｉｒｅｗｉｒｅ、又はあらゆる他の既知又は特定用途有線無線規格に接続することができるポート２１５により、有線ネットワークを介して通信することができる。マイクロコントローラ２０７には、メモリモジュール２０６が接続されている。メモリモジュール２０６は、情報、例えば負荷１２０から予想可能な最大予想無効成分、力率改善回路２００の改善動作履歴又は力率改善回路２００によって収集又は使用されるあらゆる他の有効なデータを記憶することができる。更に、力率改善回路２００は、降圧変圧器２０４Ａを介して、１１０Ｖ交流電力線２０１Ａと中性線２０１Ｂとに接続された接続された直流電源２０４を備える。直流電源２０４は、１１０Ｖ交流電力線２０１Ａから所望の直流電圧に電力を変換して、変換した電力を電気部品、例えば無効電力測定モジュール２０５、マイクロコントローラ２０７及び力率改善回路２００の中の残りのモジュールに供給することができる。
【００５１】
当業者にとって明らかなように、図１及び図２にそれぞれの力率改善回路１００及び力率改善回路２００は、二相二線方式を示している。三相四線網構成による力率改善回路１００及び力率改善回路２００は、ビット無効負荷１１０Ａ〜１１ＯＣ、２１０Ａ〜２１０Ｂと、スイッチ１０９Ａ〜１０９Ｃと、トライアック２０９Ａ、２０９Ｂと、関連ドライバとの数を３倍にし、第１の位相線を第２の位相線に、第２の位相線を第３の位相線に、第３の位相線を第１の位相線に接続することを除いて、図１及び図２の実施例に従って実現される。中性線が利用可能な場合、スター結線を実装してもよい。すなわち、第１の位相線を中性線に、第２の位相線を中性線に、第３の位相線を中性線に接続してもよい。
【００５２】
力率改善回路１００及び力率改善回路２００は、あらゆる無効負荷により、全最大改善可能値まで独立して補償することができる。一例として、３つの位相線の間に接続された３００〜６００ＶＡＲの空気圧調整ユニットと、第２の位相線と中性線の間に接続された１００〜４００ＶＡＲの洗濯機と、第３の位相と中性線の間に接続された１００〜２５００ＶＡＲの乾燥機とによる特性を全て、最大の改善可能な無効電力値まで完全に改善する。
【００５３】
歪み改善方法及び装置
力率が完全に補償されないことは、電気回路網において改善する最も共通した弱点である。もう１つの及びより共通した欠点及び問題の原因は、非線形負荷と、入手可能であるが完全ではない電源アダプタを有する電子機器が広範囲に配置されることに起因した電力線の歪みである。通常、電源アダプタの設計において特別な労力が全く払われないとき、交流電力信号は、通常、まず正弦波の全周期に亘って全波整流され、そして、大容量のコンデンサによって粗くフィルタリングされ、絶縁されたＤＣ／ＤＣ電源の電子回路によって、例えば集積回路に供給される。
【００５４】
このような入手可能な非エナジースターの電子機器は、網に戻る高調波電流を発生する。この結果により、電流波形が、正弦波というよりはむしろ先端を切り取ったような形の放物形状に近づく。歪みは、電力、ノイズ又は他の形態の歪みを吸収及び反射する負荷１２０、２２０における種々の特性の結果として生じる高調波歪みから構成することができる。
【００５５】
図３Ａは、歪みを有する電力信号を改善する力率の、時間に対する振幅のグラフ３００を示している。第１の軸３２０はミリ秒単位での時間を示し、第２の軸３１０は、電流と電圧との両方の振幅を示す一般的な振幅スケールである。電圧Ｕ（ｔ）３３０は、正確な６０Ｈｚとして現れる。しかしながら、電流ｉＴｏＴ（ｔ）は、もはや対応する正弦波に類似していないという点において非常に歪んでいる。図３Ｂは、同様に、時間軸４２０と振幅軸４１０とを有するグラフ４００を示している。電圧波形４３０は、正確な正弦波をしっかり追従している。しかしながら、電流波形４４０は非常に歪んでいる。住宅では、標準的な抵抗型負荷に加えて広範囲に分布した低品質電源アダプタの頻繁な使用によって、電流波形４４０には、正弦波と一部類似しているがそれでも大きな歪みが表れる。図３Ｃは、同様に、時間軸５２０と振幅軸５１０とを有するグラフ５００を示している。図３Ｃでは、１つ以上の大きい無効負荷、例えば空調ユニット又は乾燥機ユニットの導入によって、電流波形５３０は、更により大きく電圧波形５４０に対して歪む。最終的に、一般的な電流波形６３０に対する電圧波形６４０のグラフ６００を図３Ｄに示す。
【００５６】
大きい無効負荷、抵抗型負荷及びＡＣ／ＤＣ電源アダプタが、電流波形６３０での重大な歪みの原因になるだけでなく、更に、電流波形６３０と電圧波形６４０との間に位相ズレ６７０が生じる。この例では、歪みは、歪んだ電流波形６３０のピーク６６０として示される。この例では、０．６７の力率に対応した位相ズレ６７０が、約３０度である。歪みを改善するため、最初に力率を改善することが有利である。力率の改善は、図１及び図２において上述した方法又は装置又はあらゆる他の便利な方法によって達成することができる。補正信号６５０は、歪んだ電流波形６３０とほとんど正確な正弦波の近似電圧波形（図示せず）とを比較することによって導かれる。補正信号６５０は、電流波形６３０の範囲内で歪みの係数を有する。係数は１でよいが、係数は、電流波形６３０の所望の振幅比を達成するあらゆる必要な被乗数であってもよい。一例として、被乗数は、電圧を電流に又は電流を電圧に変換する係数であってもよい。補正信号６５０は、選択的に電流信号６３０に供給され、この結果として、非常に低減又は削減された歪みを有する補正電流信号の電圧波形６４０となる。
【００５７】
図４は、図３Ｄに記載された抑制又は削減回路８００を示すブロック図である。抑制又は削減回路８００は、事業者の電力メータ８０１と負荷８４０との間に接続される。負荷８４０は、あらゆる負荷であってよいが、この応用例及び例においては、居住用の住宅である。負荷８４０は、事業者の電力メータ８０１にとって１つの負荷８４０のように見える住宅の範囲内の全ての電子機器から構成される。電子機器が住宅の範囲内で起動及び停止し、それによってこれらの個々の負荷が負荷８４０と接続及び分離されるので、負荷８４０の特性がダイナミックに変化する。力率改善回路８７５は、電力線８３３の力率をほぼ１に改善する。プロセッサ８１０は、電力線８３３を検知することによって電流を検出することができる。この典型的な実施の形態において、プロセッサ８１０はアナログ素子である。しかしながら、当業者にとって明らかなように、デジタル処理に代えてもよい。また、プロセッサ８１０は、電力線８３３と中性線８３４との間を検知することによって電圧を検出することができる。また、電力線８３３は、位相線ともいう。この典型的な実施において、プロセッサ８１０は２つの差動入力を有する。各入力は、乗算器（Ｇｌ）８１２及び乗算器（Ｇ２）８１３と接続されている。乗算器（Ｇｌ）８１２及び乗算器（Ｇ２）８１３は、抑制又は削減回路８００における特定用途又は実施に対して望まれる又は要求されるあらゆる係数によって、電流又は電圧をスケーリングすることができる。乗算器（Ｇｌ）８１２は、電力線８３３から電流を入力する。この実施の形態において、乗算器（Ｇ２）８１３は、検知電圧を電流信号に変換する。電圧と電流との両方は、それぞれのＲＭＳ値によってスケーリングされる。乗算器（Ｇｌ）８１２及び乗算器（Ｇ２）８１３は、標準的なアナログオペアンプ又は他のあらゆる有効な回路とすることができる。
【００５８】
乗算器（Ｇｌ）８１２及び乗算器（Ｇ２）８１３の出力は、減算器８１４に供給される。いくつかの実施の形態において、減算器８１４は、乗算器（Ｇｌ）８１２及び乗算器（Ｇ２）８１３のスケーリングされた２つの出力を比較し、それによって補正信号、例えば図３Ｄの補正信号６５０を導出する。都合が良いことに、単一の減算器８１４を用いることによって、両方の入力を１つの電流に変換することができる。しかしながら、同様にして、両方の入力を１つの電圧に変換してもよい。いくつかの実施の形態において、処理を制御しシステム制御、例えば動的挙動、安定性、ゲイン余裕、位相余裕などを最適化するループゲイン及びループフィルタブロック８２１を有することが好ましい。減算器８１４は、歪みを有する全電流を基準信号から減算するか、基準信号を歪みを有する全電流から減算することによって、全電流を基準信号と比較することができる点に留意する必要がある。特定の実施又は用途の要求に適合するような構成としてもよい。結果として、補正信号は、全電流の歪みに対して正比例又は反比例してもよい。
【００５９】
補正信号は、歪みを有する全電流に混合されて、歪みが非常に低減又は削減された補正電流信号、例えば図３Ｄの電圧波形６４０が形成される。図４に示す実施の形態において、ループゲイン及びループフィルタブロック８２１の出力は、負の整流器８１５と正の整流器８２２に供給される。負の整流器８１５は、第１の制御電流源８３１に接続され、正の整流器８２２は、第２の制御電流源８３２に接続される。特定の用途、例えば図４の例において、電力メータ８０１から下流の配線網のインピーダンスは、負荷８４０と比較して非常に小さいインピーダンスとしてもよい。結果として、負の歪みを補正するため電流を引き込むと、この電流が、負荷８４０よりもむしろ送電網の方に供給される。結果として、歪みが増幅される。このため、図４の実施の形態では、負の歪みに応じて電力線８３３からの電流を流し出し、正の歪みに応じて電力線８３３からの電流を流し込む。送電網及び負荷８４０のインピーダンスの不平衡によって、選択的に電流を流し込んで流し出すことで、歪みを補正する。歪み成分が全電流に対する減算であることを意味する補正信号が負のとき、正の整流器８２２は、第２の制御電流源８３２をオンにする。第２の制御電流源８３２は、負の直流電源８５２に接続されている。第２の制御電流源８３２がオンになると、電流が電力線８３３から流し出す。送電線網のインピーダンスが負荷８４０のインピーダンスより低い実施の形態において、電流が負荷８４０よりも送電線網から流し出すことで、負荷８４０に対して加算作用を起こす。補正信号が全電流に対する加算であることを意味する補正信号が正のとき、負の整流器８１５は、第１の制御電流源８３１をオンにする。
【００６０】
第１の制御電流源８３１は、正の直流電源８５１に接続されている。第１の制御電流源８３１がオンであるとき、電流が正の直流電源８５１から電力線８３３に供給される。更にまた、送電線網のインピーダンスが負荷８４０より低い適用例では、電流が負荷８４０ではなく送電網に流し込むことによって、負荷８４０に対して減算作用を起こす。動作中において、電力線８３３内への補正信号に基づいて選択的に電流を流し出すか流し込むことによって、補正信号、例えば補正信号６５０を、歪みを有する電流信号、例えば図３Ｃの電流波形６３０に混合する。補正信号の正の部分と補正信号の負の部分との一部が、第１及び第２の制御電流源８３１、８３２に選択的に供給される。プロセッサ８１０が電圧を電流と継続的に比較し、補正信号を継続的に導出するので、このような補正信号の供給が、負荷８４０の変化とともに変化する電力線８３３の歪み成分のようにダイナミックに行われる。この代わりとして、プロセッサ８１０は、プロセッサ８１０自身の基準信号を生成して、歪み電流信号を比較してもよい。
【００６１】
例えば、アメリカ合衆国における電力は、６０Ｈｚで供給される。したがって、プロセッサ８１０内部の６０Ｈｚのファンクションジェネレータは、正確な正弦波を発生させて歪んだ電気信号と比較し、これによって、補正信号を導出することができる。この代わりとして、ほぼ正確な基準信号を導出するために、フェーズロックループを実装して、電圧のゼロ交差時間を追跡してもよい。上述したように、減算器８１４は、全電流の歪みに正比例又は反比例する補正信号を生成してもよい。減算器８１４が歪みに正比例する補正信号を生成する場合、歪みが正の部分になると、これに応じて電力線８３３から電流を流し出さなければならない。同様にして、歪みが負の部分になると、電力線８３３の中に電流を流し込まなければならない。また、逆も当てはまる。補正信号が全電流における歪みに逆比例している実施の形態では、補正信号が負の部分になると、電力線８３３から電流を流し出さなければならない。同様に、補正信号が正の部分になると、電力線８３３の中に電流を流し込まなければならない。
【００６２】
図４に示す実施の形態が、広く利用可能でコスト効率の良い構成部品を用いているとはいえ、制御電流源８３１、８３２は非常にエネルギ効率が良くないことが理解される。正の直流電源８５１が２５０Ｖ、電力線８３３の瞬時電圧が１５０Ｖ、補正信号の電流が１０Ａならば、浪費され、熱で無駄に失われる電力が数百Ｗになる可能性がある。
【００６３】
このため、図５にモジュレータ９２０を備える歪み低減回路９００を示す。図４に示す抑制又は削減回路８００と同様、歪み低減回路９００は、事業者の電力メータ９０１と負荷９４０との間に接続される。負荷９４０は、あらゆる負荷であってよいが、この応用例及び例においては、居住用の住宅である。負荷９４０は、事業者の電力メータ９０１にとって１つの負荷９４０のように見える住宅の範囲内の全ての電子機器から構成される。力率改善回路９７５は、電力線９３３の力率をほぼ１に改善する。力率改善回路９７５は、図１又は図２又は他の有効な力率改善回路と一致してもよい。上述したように、負荷９４０の特性は、ダイナミックに変化する。プロセッサ９１０は、電力線９３３を検知することによって電流を検出することができる。この典型的な実施の形態において、プロセッサ９１０はアナログ素子である。しかしながら、当業者にとって明らかなように、デジタル処理に代えてもよい。また、プロセッサ９１０は、電力線９３３と中性線９３４との間を検知することによって電圧を検出することができる。この典型的な実施において、プロセッサ９１０は２つの差動入力を有する。各入力は、乗算器（Ｇｌ）９１２及び乗算器（Ｇ２）９１３と接続されている。乗算器（Ｇ２）９１３は、図４の乗算器（Ｇ２）８１３と同じように、電圧を電流信号に変換することができ、乗算器（Ｇ２）９１３を簡略化した方法で示す。乗算器（Ｇｌ）９１２及び乗算器（Ｇ２）９１３は、標準的なアナログオペアンプ又は他のあらゆる有効な回路とすることができる。乗算器（Ｇｌ）９１２及び乗算器（Ｇ２）９１３の出力は、減算器９１４に供給される。いくつかの実施の形態において、減算器９１４は、乗算器（Ｇｌ）９１２及び乗算器（Ｇ２）９１３のスケーリングされた２つの出力を比較し、それによって補正信号、例えば図３Ｄの補正信号６５０を導出する。いくつかの実施の形態において、この補正信号を換算係数と乗算することが望ましい場合がある。一例として、ループゲインフィルタには、図４に示すような同様の処理の制御が含まれ、いくつかの実施の形態において、ループゲインフィルタは、補正信号を電流８１１のＲＭＳ値に混合する。
【００６４】
ループフィルタの出力は、モジュレータ９２０に供給される。この典型的な実施の形態において、モジュレータ９２０は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）である。しかしながら、ＰＷＭ、デルタシグマ変調、ＰＣＭ、パルス密度変調、パルス位置変調、若しくはあらゆる他の既知又は特定用途変調方式を含むが、これに限定されるものではなく、特定の実施及び設計制約要求の通りに、あらゆる方法又は方式の変調を実行してもよい。モジュレータ９２０は、乗算器９１５から生成された補正信号が正のとき論理レベルがＨｉｇｈの信号を送り、この補正信号が負のとき論理レベルがＬｏｗの信号を送る、正のトリガ比較器９２２と負のトリガ比較器９２３とを有する。いくつかの実施の形態において、Ｌｏｗの論理レベルは、負の値とすることができる。パルスジェネレータ９２１は、三角波を発生し、三角波は、組合せ論理回路９２５によって、正のトリガ比較器９２２から出力された補正信号の正の部分に合成され、また、負のトリガ比較器９２３から出力された負の部分に合成される。結果として、正の部分と負の部分とが分離されたＰＷＭ補正信号が生成される。組合せ論理回路９２５は、ＰＷＭ補正信号の正の部分を第１の制御スイッチ９３２に選択的に供給する。第１の制御スイッチ９３２は、負の直流電源９５２に接続されている。また、組合せ論理回路９２５は、ＰＷＭ補正信号の負の部分を第２の制御スイッチ９３１に選択的に供給する。第２の制御スイッチ９３１は、正の直流電源９５１に接続されている。
【００６５】
動作中に、制御スイッチ９３１、９３２は、ＰＷＭ補正信号が正か負かによって決定されるＰＷＭ補正信号によって選択的に制御される。いくつかの実施の形態において、正のＰＷＭ補正信号は、電力線９３３で補正すべき歪みが負であることを示し、反対も同様である。電力線９３３で負の歪みを補正するため、第２の制御スイッチ９３１は、ＰＷＭ補正信号の負の部分に基づいてオンとなる。
【００６６】
第２の制御スイッチ９３１がオンのとき、第２の制御スイッチ９３１は、ＰＷＭ補正信号に基づいて、正の直流電源９５１を電力線９３３に接続する。
【００６７】
図５の実施の形態では、事業者の電力メータ９０１（及び下流の送電網）のインピーダンスが負荷９４０より低いインピーダンスを有する実施の形態を示す。結果として、正の歪みを負のＰＷＭ補正信号によって補正しようとする場合、電力線９３３から流し出される電流は、負荷９４０よりもむしろ送電網から流れ出すことになる。結果として、歪みが増大することになる。このため、負荷９４０のインピーダンスが、事業者の電力メータ９０１から下流の送電網のインピーダンスよりも大きい用途では、正のＰＷＭ補正信号を用いて正の歪みを補正し、負のＰＷＭ補正信号を用いて負の歪みを補正する。
【００６８】
いくつかの実施の形態において、変調信号をフィルタリングすることは有利である。このため、フィルタ９３７を含む。同様に、電力線９３３の正の歪みを補正するため、第１の制御スイッチ９３２は、ＰＷＭ補正信号の負の部分に基づいてオンとなる。第１の制御スイッチ９３２がオンのとき、第１の制御スイッチ９３２は、ＰＷＭ補正信号に基づいて、電力線９３３から負の直流電源９５２に電流を流し出す。結果として、歪みが、電力線９３３の電流から十分に減少する。また、第２のフィルタ９３８は、電力線９３３からＰＷＭノイズをフィルタリングするため有利である。正の直流電源９５１と負の直流電源９５２とのそれぞれは、あらゆる過電流又は低電流状態をプロセッサ９１０に送信するため、電流制限及びセンサモジュール９３５、９３６を有する。
【００６９】
図６は、他の実施の形態の歪み補正回路１０００を示す。また、歪み補正回路１０００は、事業者の電力メータ１００１と負荷１０４０との間に、単相二線の配電方式での電力線１０３３及び中性線１０３４と接続されている。負荷１０４０は、無効特性を有する１つの負荷１０４０のように見える住宅の範囲内の、全ての家電機器と他の電子機器とから構成される。この実施の形態では、電流は、プロセッサユニット１２００により測定される。力率改善回路１２７５は、上述したように、電力線１０３３の力率を改善することができる。プロセッサユニット１２００は、電流及び電圧測定モジュール１２０２を有する。また、メモリモジュール１２０１は、ＲＭＳ及び歪みの計算を実行する。電流及び電圧測定モジュール１２０２は、デジタル処理モジュールとすることができる。いくつかの実施の形態において、電流及び電圧測定モジュール１２０２は、データ、例えば振幅、位相及び歪みを、数値演算をデジタルで実行可能なデジタルビット列に変換する１つ以上のアナログ／デジタル変換器を有する。また、プロセッサユニット１２００は、メモリモジュール１２０１を有してもよい。メモリモジュール１２０１は、ダイナミックな高調波補正に関する情報、例えば補正が最も有効な時刻を記憶することができる。
【００７０】
ユーザが使用エネルギに関する情報に基づいた決定をできるようにするため、メモリモジュール１２０１は、取り外して、機器、例えばコンピュータに差し込むことができる。この代わりとして、プロセッサユニット１２００は、通信モジュール（図示せず）を有する。通信モジュールは、有線により、例えばＬＡＮケーブルによりインターネットと接続されるか、若しくは便利な標準規格、例えばＩＥＥＥ８０２．１１又はブルートゥースによる無線で接続されている。更にまた、通信モジュールは、携帯電話の標準規格、例えばＧＳＭ又はＣＤＭＡによって通信することができる。プロセッサユニット１２００と一体の保護モジュール１２０３は、あらゆる故障状態、例えば過電圧、過電流及び過温度において、歪み補正回路１０００の電源を切ることができる。このような故障状態をメモリモジュール１２０１に記憶することができる。
【００７１】
プロセッサユニット１２００は、電力線１０３３内の歪みを有する全電流を計算し、基準信号を発生することができる。デジタル／アナログ変換器は、全電流を示すデジタルビット列及び基準信号をアナログ波形に変換することができる。図４及び図５の実施の形態と同様に、減算器により、全電流信号を基準信号から減算することができる。この代わりとして、プロセッサユニット１２００は、全電流を基準信号からデジタルで減算し、これによってデジタル補正信号を生成することができる。また、プロセッサユニット１２００は、あらゆる便利な既知又は特定用途手段の変調により、デジタル補正信号を変調することができる。そして、変調補正信号を、全電流内の歪みを補正するために、電力線１０３３に対して電流を流し込むか流し出すかどうかを決定することによって、第１のトランジスタ１０３１又は第２のトランジスタ１０３２に選択的に供給する。
【００７２】
第１及び第２のトランジスタ１０３１、１０３２は、変調補正信号によってオンになったときに、正の直流電源１０５１から電力線１０３３に電流を流し込むか、負の直流電源１０５２により電力線１０３３から電流を流し出すスイッチとして動作する。いくつかの実施の形態において、第１のトランジスタ１０３１及び第２のトランジスタ１０３２からそれぞれＰＷＭノイズをフィルタリングするため、第１のフィルタ１０３７と第２のフィルタ１０３８とを有することは有利である。
【００７３】
図７は、図４、図５及び図６の発明における更なる詳細な実施の形態を示す。力率改善及び歪み補正モジュールは、事業者の電力メータ１３０１と等価特性負荷１３４０との間に接続されている。負荷１３４０は、起動及び停止する住宅の中の家電機器として変化するダイナミックな負荷を表現したものである。正の直流電源１３５１は、位相線１３３３及び中性線１３３４全体に亘って存在するあらゆるノイズ及び高調波をフィルタリングする任意の低域通過フィルタ１３０３を有する。送電網１３０２からの交流電流は、ブリッジ整流器１３０４によって整流され、平滑コンデンサ１３０５に供給される。力率改善回路モジュール１３５１は、より小さい理想的な力率に補正する。力率改善回路モジュール１３０６は、図１、図２及び付随的な説明で説明される方法又は装置のうちのいずれも用いることができる。第１のスイッチング回路１３３１は、プロセッサユニット１３１０に接続された第１のトランジスタ１３０８Ａを有する。プロセッサユニット１３１０は、変調信号を用いることにより、トランジスタ１３０８Ａを駆動する。トランジスタ１３０８Ａは、図５及び図６の前の実施の形態に記載されているように、補正信号に応じて、正の直流電源１３０６から位相線１３３３に電流を供給する。任意の低域通過フィルタ１３０９Ａは、変調信号をフィルタリングする。電流制限及びセンサ１３１０Ａは、過電流状態をプロセッサユニット１３１０に通知することができる。電流制限及びセンサ１３１０Ａは、抵抗器に相当するが、過電流状態を検知するセンサモジュールであってもよい。更に、正の直流電源１３０６は、反転電源コンデンサ１３０７を介して負の力率改善回路モジュール１３５２に接続される。平滑コンデンサ１３０７は、正の直流電源１３０６により供給される電力に比例した負の直流電力を供給する。負の力率改善回路モジュール１３５２は、図１及び図２に記載された方法及び装置に基づいて、位相線１３３３における力率を改善する。負の力率改善回路モジュール１３５２は、第２のスイッチング回路１３３２と接続されている。第２のスイッチング回路１３３２は、図５及び図６の実施の形態に記載されているように、プロセッサユニット１３１０から、変調補正信号を受信する第２のスイッチングトランジスタ１３０８Ｂを有する。プロセッサユニット１３１０は、スケーリング乗算器Ｇ１及びＧ２を有する。この実施の形態では、スケーリング乗算器Ｇ２は、電圧電流変換器に接続されている。減算器は、前の実施の形態に記載されているように、一方の電圧信号をもう一方の電圧信号と比較して補正信号を導出する。
【００７４】
変調器は、減算器の出力に接続されており、補正信号を変調する。この実施の形態において、ＰＷＭが示されている。しかしながら、あらゆる既知の又は特定用途の変調スキームを用いるようにしてもよい。いくつかの実施の形態において、ループフィルタは、処理と、最適化システム制御、例えば動的挙動、安定性、ゲイン余裕、位相余裕とを制御するため、減算器と変調器との間に接続されている。更にまた、外部のプロセッサユニットが、電流測定、電圧測定、ＲＭＳ及び歪みの計算を分担し、メモリ、例えばＲＡＭ又はＲＯＭを有してもよい。
【００７５】
図８は、電流を流し込み、流し出す経路に、それぞれ、電圧及び電流のスパイクによって発生した変化を滑らかにしフィルタリングするコイル１３６１、１３６２を含む他の実施の形態を示す。第１及び第２のスイッチングトランジスタ１３０８Ａ、１８０３Ｂは、コイル１３６１、１３６２を準線形ランプでそれぞれ充電し、どちらか一方のトランジスタ１３０８Ａ、１８０３Ｂがオフになったとき、充電電流が準線形で０に向かって減少する。フリーホイールダイオード１３６３は、急激に遮断する電流を回避して、コイルの影響によって破壊を伴う高電圧スパークを回避するのに必要である。第２のフリーホイールダイオード１３６４は、第２のコイル１３６２と並列接続される。形成された電流波形は、交互に上下動するような形に類似し、より簡単なフィルタ１３０９Ａ、１３０９Ｂを可能にする。いくつかの実施の形態において、コイル１３６１、１３６２は、フィルタ１３０９Ａ、１３０９Ｂの中に一体化される。都合の良いことに、電流が流し込み、流し出す経路の損失が減少する。いくつかの実施の形態において、コンデンサは、フリーホイールダイオード１３６３、１３６４によって、あらゆる損失エネルギを再利用するために、並列接続となるように含まれるようにしてもよい。図８の実施の形態において、コイル１３６１、１３６２は、スイッチングトランジスタ１３０８Ａ、１３０８Ｂと低域通過フィルタ１３０９Ａ、１３０９Ｂとの間にそれぞれ接続されている。使用目的によっては、コイル１３６１、１３６２を直接負荷１３４０に接続させないようにし、送電網１３０２から測定されるインピーダンスが向上するようにするため、コイル１３６１、１３６２を、力率改善回路モジュール１３５１、１３５２とトランジスタ１３０８Ａ、１３０８Ｂとの間に接続させることは有利である。
【００７６】
本願発明は、当該発明の構成及び作用の原理の理解を容易にするため、詳細を具体化した特定の実施の形態によって説明した。特定の実施の形態及びその詳細において、この中で引用することは、本文書に添付される特許請求の範囲を制限することを意図するものではない。当業者にとって容易に明らかであるように、特許性級の範囲によって定義される発明の精神と範囲から逸脱することなく、他の多様な変形例を、説明するのに選択された実施の形態から構成することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年6月1日(2015.6.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に接続される電力線における歪みを有する電気信号の歪みを低減させる歪み低減装置において、
電力線の上記歪みを有する電気信号のうちの少なくとも一部を所望の基準信号と比較して、補正信号を生成する電気回路と、
上記歪みを有する電気信号に対して、電流を選択的に流し出し流し込むための選択可能な複数の負荷を含む電気回路とを備える歪み低減装置。
【請求項２】
上記歪みは、高調波歪み、ノイズ、高スペクトルノイズ及び振幅変調のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１記載の歪み低減装置。
【請求項３】
上記歪みを有する電気信号の力率を略１に持っていく力率改善モジュールを更に備える請求項１記載の歪み低減装置。
【請求項４】
上記力率改善モジュールは、
上記電力線に接続された第１の負荷の無効電力を測定するセンサと、
上記第１の負荷に接続され、該第１の負荷の無効成分を打ち消す上記選択可能な複数の負荷とを有することを特徴とする請求項３記載の歪み低減装置。
【請求項５】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、上記補正信号を、少なくとも１つの制御電流源に供給し、
上記制御電流源は、上記選択可能な複数の負荷の少なくとも1つを有し、上記補正信号に基づいて、電流供給源を上記電力線に接続することを特徴とする請求項１記載の歪み低減装置。
【請求項６】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記選択可能な複数の負荷の少なくとも1つを有し、上記補正信号を変調し、変調補正信号を、上記電流供給源を上記電力線に接続する少なくとも１つのスイッチに供給する変調器と、
上記変調補正信号をフィルタリングするフィルタとを有することを特徴とする請求項１記載の歪み低減装置。
【請求項７】
上記変調器は、パルス幅変調器、デルタ−シグマ変調器、パルスコード変調器、パルス密度変調器又はパルス位置変調器のうちのいずれかであることを特徴とする請求項６記載の歪み低減装置。
【請求項８】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記選択可能な複数の負荷の少なくとも1つを有し、負の歪みに応じて、上記電力線に電流を選択的に流し込むプロセッサと、
上記選択可能な複数の負荷の少なくとも1つを有し、正の歪みに応じて、上記電力線から電流を選択的に流し出すプロセッサとを有することを特徴とする請求項１記載の歪み低減装置。
【請求項９】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記選択可能な複数の負荷の少なくとも1つを有し、正の歪みに応じて、上記電力線に電流を選択的に流し込むプロセッサと、
上記選択可能な複数の負荷の少なくとも1つを有し、負の歪みに応じて、上記電力線から電流を選択的に流し出すプロセッサとを有することを特徴とする請求項１記載の歪み低減装置。
【請求項１０】
上記選択可能な複数の負荷がコンデンサ、インダクタ、抵抗、トランジスタと非線形構成要素の中の何れかからなることを特徴とする請求項１記載の歪み低減装置。
【請求項１１】
上記電力線に接続する上記負荷から見て、上記複数の選択可能な負荷は、並列、直列または並列と直列の混合の中の何れで接続されていることを特徴とする請求項１記載の歪み低減装置。
【請求項１２】
上記選択可能な複数の負荷のうちの少なくとも1つに上記選択的に流し出し流し込む電流の切り替えは、電力網のサイクルより遅いことを特徴とする請求項１記載の歪み低減装置。
【請求項１３】
上記選択可能な複数の負荷のうちの少なくとも1つに上記選択的に流し出し流し込む電流の切り替えは、電力網のサイクルより速いことを特徴とする請求項１記載の歪み低減装置。
【請求項１４】
負荷に接続される電力線における歪みを有する電流信号の歪みを低減させる歪み低減回路において、
上記歪みを有する電流信号が入力される第１の入力と、
基準信号が入力される第２の入力と、
上記第１の入力及び上記第２の入力に接続され、上記歪みを有する電流信号と上記基準信号を減算して、第１の補正信号を生成する減算器と、
選択可能な複数の負荷を含み、上記第１の補正信号に基づいて、上記歪みを有する電流信号に及びから、電流を選択的に流し込み流し出す回路とを備え、
上記歪みを有する電流信号の歪みを低減することを特徴とする歪み低減回路。
【請求項１５】
上記歪みは、高調波歪み、ノイズ、高スペクトルノイズ及び振幅変調のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１４記載の歪み低減回路。
【請求項１６】
上記歪みを有する電流信号の力率を略１に持っていく力率改善モジュールを更に備える請求項１４記載の歪み低減回路。
【請求項１７】
上記力率改善モジュールは、
上記電力線に接続された第１の負荷の無効電力を測定するセンサと、
上記第１の負荷に接続され、上記選択可能な複数の負荷とを有する請求項１６記載の歪み低減回路。
【請求項１８】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記補正信号が供給され、負の歪みに応じた該補正信号に基づいて、正の電源から上記歪みを有する電流信号に電流を流し込む第１の制御電流源と、
上記補正信号が供給され、正の歪みに応じた該補正信号に基づいて、上記歪みを有する電流信号から負の電源に電流を流し出す第２の制御電流源とを有することを特徴とする請求項１４記載の歪み低減回路。
【請求項１９】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記補正信号が供給され、正の歪みに応じた該補正信号に基づいて、正の電源から上記歪みを有する電流信号に電流を流し込む第１の制御電流源と、
上記補正信号が供給され、負の歪みに応じた該補正信号に基づいて、上記歪みを有する電流信号から負の電源に電流を流し出す第２の制御電流源とを有することを特徴とする請求項１４記載の歪み低減回路。
【請求項２０】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記減算器の出力に接続され、上記補正信号の正の部分を判定する正の整流器と、
正の直流電源に接続され、負の歪みに応じて、上記歪みを有する電流信号に上記補正信号の正の部分を選択的に混合する第１の制御電流源と、
上記減算器の出力に接続され、上記補正信号の負の部分を判定する負の整流器と、
負の直流電源に接続され、正の歪みに応じて、上記歪みを有する電流信号に上記補正信号の負の部分を選択的に混合する第２の制御電流源とを有することを特徴とする請求項１４記載の歪み低減回路。
【請求項２１】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記減算器の出力に接続され、上記補正信号の正の部分を判定する正の整流器と、
正の直流電源に接続され、正の歪みに応じて、上記歪みを有する電流信号に上記補正信号の正の部分を選択的に混合する第１の制御電流源と、
上記減算器の出力に接続され、上記補正信号の負の部分を判定する負の整流器と、
負の直流電源に接続され、負の歪みに応じて、上記歪みを有する電流信号に上記補正信号の負の部分を選択的に混合する第２の制御電流源とを有することを特徴とする請求項１４記載の歪み低減回路。
【請求項２２】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記補正信号を変調して、変調補正信号を生成する変調器を有することを特徴とする請求項１４記載の歪み低減回路。
【請求項２３】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記変調補正信号が供給され、負の歪みに応じた該変調補正信号に基づいて、正の電源から上記歪みを有する電流信号に電流を流し込む第１のスイッチと、
上記変調補正信号が供給され、正の歪みに応じた該変調補正信号に基づいて、上記歪みを有する電流信号から負の電源に電流を流し出す第２のスイッチとを有することを特徴とする請求項２２記載の歪み低減回路。
【請求項２４】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記変調補正信号が供給され、正の歪みに応じた該変調補正信号に基づいて、正の電源から上記歪みを有する電流信号に電流を流し込む第１のスイッチと、
上記変調補正信号が供給され、負の歪みに応じた該変調補正信号に基づいて、上記歪みを有する電流信号から負の電源に電流を流し出す第２のスイッチとを有することを特徴とする請求項２２記載の歪み低減回路。
【請求項２５】
上記変調器は、パルス幅変調器、デルタ−シグマ変調器、パルスコード変調器、パルス密度変調器又はパルス位置変調器のうちのいずれかであることを特徴とする請求項２２記載の歪み低減回路。
【請求項２６】
上記電流を選択的に流し出し流し込む電気回路は、
上記減算器の出力と接続され、上記補正信号の正の部分を判定する正のトリガ比較器と、
上記減算器の出力に接続され、上記補正信号の負の部分を判定する負のトリガ比較器と、
上記正のトリガ比較器の出力及び上記負のトリガ比較器の出力に接続され、上記補正信号の正の部分と該補正信号の負の部分とのうちのいずれかをパルス幅変調する変調器と、
正の直流電源に接続され、上記歪みを有する電流信号に上記負の補正信号を選択的に混合する第１のスイッチと、
負の直流電源に接続され、上記歪みを有する電流信号に上記正の補正信号を選択的に混合する第２のスイッチとを有することを特徴とする請求項１４記載の歪み低減回路。
【請求項２７】
上記変調器は、パルス幅変調器、デルタ−シグマ変調器、パルスコード変調器、パルス密度変調器又はパルス位置変調器のうちのいずれかであることを特徴とする請求項２６記載の歪み低減回路。
【請求項２８】
変調信号をフィルタリングする少なくとも１つのフィルタを更に備える請求項２６記載の歪み低減回路。
【請求項２９】
処理手段を更に備え、
上記処理手段は、
上記歪みを有する電気信号をデジタル化する第１のアナログ／デジタル変換器と、
上記基準信号をデジタル化する第２のアナログ／デジタル変換器と、
上記デジタル化された歪みを有する電流信号から、上記デジタル化された基準信号をデジタルで減算して、デジタル化された第１の補正信号を生成するプロセッサとを有することを特徴とする請求項１４記載の歪み低減回路。