(57)【要約】  節電交流ＡＣ直列電圧レギュレータは、ＡＣ高周波数ＨＦ直列電圧降圧電力レギュレータと、バイパス・コンタクタＫ１と、バイパス・コンタクタと並列に接続された双方向ＡＣ半導体デバイスＳ１と、制御回路とを備えている。入力ＡＣ主電源電圧Ｖｉｎが、指定及び設定された最適節電電圧、又はより低い選択された電圧ポイントを下回る状態の下で、制御回路は、低速バイパス・コンタクタと高速双方向ＡＣ半導体デバイスとの両方を遷移させ、次いで、ＡＣ高周波数ＨＦ直列電圧降圧電力レギュレータは、ＡＣ高周波数ＨＦ直列電圧降圧電力レギュレータの内部パワー・エレクトロニクス使用を節約するために切り替えて外される。この状態の下で、より低い入力ＡＣ主電源電圧が、コンタクタ・バイパス・システムによって電気的負荷に直接配電され、それゆえにより多くの節電を達成する。
2017518732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＣ出力電源のＡＣ出力電圧を調整するための節電交流（ＡＣ）直列電圧レギュレータであって、
ＡＣ入力電源のＡＣ入力電圧を降圧するためのＡＣ高周波数（ＨＦ）直列電圧降圧電力レギュレータ・トポロジと、
バイパス・コンタクタと、
前記バイパス・コンタクタと並列に接続された双方向ＡＣ半導体デバイスと、
前記ＡＣ入力電圧と、ＡＣ基準電圧と、前記ＡＣ出力電圧とを受け取り、前記バイパス・コンタクタ及び前記双方向ＡＣ半導体デバイスに対する駆動信号を生成するための制御回路と
を備え、
前記ＡＣ入力電圧が、選択された最適節電設定レベルを下回る状態の下で、前記制御回路は、前記状態を感知し、前記双方向ＡＣ半導体デバイスをアクティブにするため及び前記バイパス・コンタクタを遷移させるための駆動信号を生成して、前記双方向ＡＣ半導体デバイスが、最初に前記ＡＣ  ＨＦ直列電圧降圧電力レギュレータ・トポロジをバイパスし、次いで前記バイパス・コンタクタ接点が閉じ、前記ＡＣ  ＨＦ直列電圧降圧電力レギュレータ・トポロジと前記双方向ＡＣ半導体デバイスとを完全にバイパスするようにする、節電交流（ＡＣ）直列電圧レギュレータ。
【請求項２】
前記ＡＣ入力電圧が、選択された最適節電設定レベルを下回る前記状態の下で、前記バイパス・コンタクタ接点が閉じられた後に、前記ＡＣ入力電源が前記ＡＣ出力電源に直接接続された状態で、前記ＡＣ  ＨＦ直列電圧降圧電力レギュレータ・トポロジが切り離される、請求項１に記載の節電ＡＣ直列電圧レギュレータ。
【請求項３】
高負荷サージ又は障害電流の状態下で、前記制御回路は、前記状態を感知し、前記双方向ＡＣ半導体デバイスをアクティブにするため及び前記バイパス・コンタクタを遷移させるための駆動信号を生成して、前記双方向ＡＣ半導体デバイスが、最初に、前記節電ＡＣ直列電圧レギュレータのエレクトロニクスから離れるように前記の高負荷サージ又は障害電流をバイパスし、次いで前記バイパス・コンタクタ接点が閉じ、前記節電ＡＣ直列電圧レギュレータのエレクトロニクスと前記双方向ＡＣ半導体デバイスとから離れるように前記の高負荷サージ又は障害電流を完全にバイパスするようにする、請求項１に記載の節電ＡＣ直列電圧レギュレータ。
【請求項４】
前記バイパス・コンタクタは、常時閉（ＮＣ）バイパス・コンタクタである、請求項１に記載の節電ＡＣ直列電圧レギュレータ。
【請求項５】
前記ＡＣ  ＨＦ直列電圧降圧電力レギュレータ・トポロジは、
独立して制御可能な第１及び第２のＡＣ双方向スイッチと、
第１のパワー・インダクタと
を備えている、請求項１に記載の節電ＡＣ直列電圧レギュレータ。
【請求項６】
前記ＡＣ入力電源に戻らないようにＨＦスイッチング・エネルギーを取り除くための入力フィルタをさらに備えている、請求項１に記載の節電ＡＣ直列電圧レギュレータ。
【請求項７】
前記入力フィルタは、２つのコンデンサと２つのインダクタとを備えている、請求項６に記載の節電ＡＣ直列電圧レギュレータ。
【請求項８】
前記ＡＣ出力電圧に対して調整された平滑な電圧レベルを生成するためにＨＦ電圧リップルを平均化するための出力フィルタをさらに備えている、請求項１に記載の節電ＡＣ直列電圧レギュレータ。
【請求項９】
前記出力フィルタは、２つのコンデンサと２つのインダクタとを備えている、請求項８に記載の節電ＡＣ直列電圧レギュレータ。
【請求項１０】
過電流保護を達成するために前記制御回路への出力電流測定信号を生成するための電流変圧器をさらに備えている、請求項１に記載の節電ＡＣ直列電圧レギュレータ。
【請求項１１】
前記ＡＣ双方向スイッチに対するスイッチ駆動信号は、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号である、請求項５に記載のＡＣ直列電圧レギュレータ。
【請求項１２】
ＡＣ双方向スイッチのそれぞれは、１つ又は複数のパワー半導体デバイスを備えている、請求項５に記載の節電ＡＣ直列電圧レギュレータ。
【請求項１３】
前記パワー半導体デバイスは、バック・ツー・バック・ユニポーラＭＯＳＦＥＴパワー半導体デバイス、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、逆並列ＡＣスイッチとして接続されたゲート・ターン・オフ・サイリスタ（ＧＴＯ）、ＴＲＩＡＣ、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ、又はＡＣスイッチとして構成されたＳＣＲである、請求項１２に記載の節電ＡＣ直列電圧レギュレータ。
【請求項１４】
前記双方向ＡＣ半導体デバイスは、ＴＲＩＡＣであるか、又は、ＳＣＲ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、バック・ツー・バックＳＣＲ、ＴＲＩＡＣなどユニポーラ半導体デバイス構成がブリッジに挿入された４つの整流器から成る整流器のブリッジである、請求項１に記載の節電ＡＣ直列電圧レギュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、その開示の全体が参照により本明細書に組み込まれている、２０１４年６月３日に出願された米国仮特許出願第６２／００６，９００号と、２０１４年６月３日に出願された米国仮特許出願第６２／００６，９０１号と、２０１４年６月３日に出願された米国仮特許出願第６２／００６，９０６号と、２０１４年１０月１０日に出願された米国特許出願第１４／５１１，１８７号と、２０１４年１０月２８日に出願された米国特許出願第１４／５２５，２３０号と、２０１４年１２月１０日に出願された米国特許出願第１４／５６５，４４４号との優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般に、パワー・エレクトロニクスに関する。詳細には、本発明は、交流（ＡＣ：ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ  ｃｕｒｒｅｎｔ）電圧を調整するための方法とパワー・エレクトロニクスとに関する。より詳細には、本発明は、電力ユーザ設備又は負荷に配電される最適化されたＡＣ電圧を調整することによる節電（エネルギー節約）に関する。
【背景技術】
【０００３】
完全なＡＣ電圧レギュレータ（ＡＶＲ：ＡＣ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）を使用して、ＡＣ電圧レギュレータの入力において変化するＡＣ電圧であるか、高電圧、低電圧であるかにかかわらず、ＡＣ電圧レギュレータの出力に接続された負荷に配電されている出力ＡＣ電圧レベルを厳密に制御し、調整する。これは、伝統的には、様々な低周波数（ＬＦ：ｌｏｗ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）、一般的には５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ或いは他の周波数の電気主電源磁気構造（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｍａｉｎｓ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）によって行われてきている。これらの構造は、一般的に、様々な変圧器又は変圧器構成の中の特定の個別の変圧器電圧タップにおいてタップされる。それにもかかわらず、これらの構造はすべて、リレーなどの伝統的なＡＣスイッチング・デバイス、又は逆並列ＡＣスイッチとして接続されるシリコン制御整流器（ＳＣＲ：ｓｉｌｉｃｏｎ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）やゲート・ターン・オフ・サイリスタ（ＧＴＯ：ｇａｔｅ  ｔｕｒｎ  ｏｆｆ  ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）などの半導体デバイス、ＴＲＩＡＣ、例えば、整流器の間に接続されるＡＣスイッチとして構成される絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ：ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−ｇａｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ、ＳＣＲなどのＡＣスイッチを利用している。これらのＡＣスイッチは、電子制御回路によって選択され、アクティブにされて、選択された磁気変圧器構造タップを自動的に切り替え、それによって変圧器又は変圧器構成の巻数比を調整して、望まれるレベルにできるだけ近くなるように、ＡＣ出力電圧を制御する。
【０００４】
出力ＡＣ電圧を調整する別の伝統的な方法は、制御される電気モーターなどの電気機械式手段によって駆動される、電気機械的に調整される自動変圧器を使用するものである。この場合における電子制御は、入力電圧を感知し、次いで電気機械式手段を駆動して、出力接点を移動させて自動変圧器の巻数を調整し、それによって正しい巻数比を設定して出力ＡＣ電圧を望まれるレベルに固定する。これらの電気機械的に調整された自動変圧器デバイスもまた、一般的には５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ或いは他の周波数のＬＦ磁気構造であり、また一般にカーボン・ブラシを使用して、自動変圧器巻き線に対する移動する電気接点を作る。しかしながら、これらのブラシは、機械的摩耗を受け、そのため、頻繁なメンテナンスと取り換えとを必要とする。
【０００５】
より洗練された、完全に電子的なバージョンは、この場合にも、電圧レギュレータのＡＣ入力と、ＡＣ出力との間に直列に接続された、一般的には５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ或いは他の周波数のＬＦ主電源変圧器（ＬＦ  ｍａｉｎｓ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）を利用する。入力ＡＣ電圧レベルが変化すると、ＡＣ電圧レギュレータ電子制御が、入力電圧レベルを感知し、次いで、変化する入力ＡＣ電圧に対して追加して、又は変化する入力ＡＣ電圧から差し引いて、出力ＡＣ電圧を望ましく設定されたレベルに維持する、同相の正の差動ＡＣ電圧又は同相の負の差動ＡＣ電圧をセットアップする。この伝統的なアプローチは、その様々な形態において、依然として、一般的には５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ或いは他の周波数のＬＦ主電源周波数変圧器又はＬＦ磁気構造を使用している。一構成においては、パワー・エレクトロニクスは、ＬＦ主電源周波数を生成して、高周波数パルス幅変調（ＨＦ  ＰＷＭ：ｈｉｇｈ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｐｕｌｓｅ  ｗｉｄｔｈ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）手段によって入力ＡＣ電圧を補正し、入力ＡＣ主電源電圧を調整するこの同相の補正電圧は、ＬＦ変圧器の一次側に印加され、ＬＦ変圧器の二次側は、ＡＣ電力線の入力と出力との間に直列に接続される。しかし、たとえパワー・エレクトロニクスがより高いＰＷＭ周波数で動作するとしても、依然として磁気構造がこれらの構成において使用され、最終的な差動ＡＣ波形は、依然として、一般的には５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ、或いは他の周波数のＬＦ直列変圧器に印加され、それゆえに、ＬＦ変圧器又は磁気構造は、依然としてサイズと重さとについての不利益を有している。
【０００６】
最適化されたＡＣ電圧が存在しており、この最適化されたＡＣ電圧は、一般的に、より低いレベルの電圧であり、或いは法制化されたＡＣ電圧許容帯域よりも低くさえもあり、また節電を目指している、保全電圧低減（ＣＶＲ：Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）又は電圧最適化として、当業界においてよく知られている。電圧が１パーセント低減されるごとにそれに比例しておよそ１パーセントのエネルギーが節約されるという節電が存在することは、電気産業界においてよく受け入れられているが、これは、明らかに用途及び負荷特有のものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、節電を最適化し、また最適な節電電圧レベルを上回る、エネルギーを浪費する高いＡＣ入力電圧から電気的負荷を保護するものである。十分なＡＶＲが使用される場合、入力主電源ＡＣ電圧が、選択された最適レベルを下回る場合に、十分なＡＶＲは、その内部パワー・エレクトロニクスを使用して、低い入力ＡＣ電圧を設定された調整された出力ＡＣ電圧に引き上げ続けるだけでなく、ＡＶＲは、設定された最適出力節電電圧レベルへと入力ＡＣ主電源電圧を増大させ、又は引き上げることになることを考慮すると、そのときには、十分なＡＶＲが低い主電源入力ＡＣ電圧を増大させ、又は引き上げるときに、入力電流、それゆえに入力電力が増大することになるので、節電は、低い入力主電源ＡＣ電圧の下で最適化されないであろう。本発明においては、入力ＡＣ主電源電圧が、指定され設定された最適節電電圧、又はより低い選択された電圧ポイントを下回る場合、電子制御は、コンタクタ・バイパスと並列に接続された高速の双方向ＡＣ半導体デバイスと組み合わされた低速のバイパス・コンタクタの両方を遷移させ、次いで、ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータ・パワー・エレクトロニクスは、ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータの内部パワー・エレクトロニクスの使用を節約するように、切り替えて外される。この状態の下では、より低い主電源電圧が、コンタクタ・バイパス・システムによって電気的負荷に直接配電され、それゆえに、全電圧を増大させるＡＶＲが使用される場合よりも多くの節電を達成する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
バイパス・コンタクタ、すなわち、並列接続された双方向ＡＣ半導体デバイス・システムと組み合わされた、本発明の好ましい実施例に従うようなＮＣコンタクタ・バイパス接点を使用して、負荷電流サージ又は障害電流サージに起因した電力サージからエレクトロニクスを保護することができる。本発明の単相バージョンだけが本明細書に記載されるが、当業者は、本発明の原理を、三相など、どのような多相のＡＣ電気システムにも適用することができる。さらに、たとえ電圧レギュレーションが、分路方法又は直列方法を用いて達成される可能性があるとしても、本発明の好ましい実施例は、直列電圧レギュレーション方法を使用する。様々な好ましい実施例に従って、米国特許出願第１４／５２５，２３０号及び米国特許出願第１４／５６５，４４４号に開示されるＨＦ直列ＡＣ降圧電圧レギュレータが、本発明において使用される。
【０００９】
本発明の実施例は、図面を参照して以下でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の様々な実施例による、バイパス・コンタクタと組み合わせて使用されているＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータのブロック図である。
【図２】本発明の様々な実施例による、ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータとバイパス・コンタクタとの一実施例の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の説明においては、入力ＡＣ電圧などの変動にもかかわらず、出力ＡＣ電圧を望ましいレベルに調整するための方法、システム、及び装置が、好ましい実例として説明される。追加及び／又は置換を含む修正が、本発明の範囲及び精神を逸脱することなく行われ得ることが、当業者には明らかであろう。本発明を曖昧にしないようにするために特定の詳細が省略される場合があり、本開示は、当業者が、過度の実験を行わずに本明細書における教示を実行することを可能にするように書かれている。
【００１２】
本発明の好ましい一実施例によれば、ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータは、図１に示されるようにバイパス・コンタクタと組み合わせて使用される。どのような磁化物のサイズもその動作周波数に大きく逆比例するので、本発明は、これを中央設計パラメータとしてアプローチされた。本発明の主要な目標は、これらの磁気構造のサイズと、重さと、コストとをかなり低減させる高周波数（例えば、１ｋＨｚから１０００ｋＨｚ）磁気構造だけを利用するＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータを使用し、またコンタクタ・バイパス接点と並列に接続された高速スイッチング双方向ＡＣ半導体デバイスと組み合わされたバイパス・コンタクタと組み合わせて機能する節電システムに組み込まれた節電システムを達成することである。
【００１３】
節電ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレーション・システムは、設定された最適な節電によって指定される出力電圧を上回る高いＡＣ入力電圧という状態の下で、設定された節電最適ＡＣ電圧まで、負荷に印加される出力ＡＣ電圧を低減させ、また調整するように設計される。完全なＡＶＲが使用されるシステムにおいては、最適な節電電圧を下回る低いＡＣ入力電圧の状態下では、入力電圧を増大させ、又は引き上げるように動作するために、エネルギーが内部で浪費されることになる。それは、低いＡＣ入力電圧をより高い設定レベルへと増大させ、又は引き上げて戻すことになるので、それは、負荷により、エネルギーを節約しないであろう。本発明は、最適な選択された出力電圧レベルより下の低いＡＣ入力電圧レベルの状態の下では、より低速なバイパス・コンタクタと並列に接続された高速な双方向ＡＣ半導体デバイスと組み合わされたバイパス・コンタクタを提供する。高速の双方向ＡＣ半導体デバイスと、バイパス・コンタクタとの両方が、制御エレクトロニクスによって遷移させられ、その結果、高速の双方向ＡＣ半導体デバイスは、最初にＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータをバイパスし、次いで、より低速のバイパス・コンタクタ接点が閉じ、また完全にＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータをバイパスし、またバイパス・コンタクタ接点と並列に接続された双方向ＡＣ半導体デバイスを含んでいる。電子制御は、ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータの内部パワー・エレクトロニクスのエネルギー使用が節約されるように、ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータを切り替えて外す。さらに、低いＡＣ主電源入力電圧が、負荷に対して直接に印加され、ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータ・パワー・エレクトロニクスのどのような電圧降下をも回避する。これは、低い入力ＡＣ主電源電圧が負荷に直接に印加されることにより、更なる節電を達成する。
【００１４】
ＡＣ主電源についての電圧を調整する２つのやり方が存在する。一方は、直列電圧レギュレーション方法によるものであり、この場合には、ＡＣ入力とＡＣ出力とが「切り離され」、単に、調整されていない入力ＡＣ電圧の間の差動電圧となる。指定され、固定された調整された出力ＡＣ電圧は、パワー・エレクトロニクスによって処理される。他方は、分路電流レギュレーション方法によるものであり、この場合には、主電源と分路して、又は並列に、指定された電流を注入することにより、ＡＣ電圧が変更され、またその電流のレベルは、高電圧電解コンデンサなどの内部ストレージ・デバイスとエネルギーを交換するパワー・エレクトロニクスによって注入され、又は吸収される。この分路電流レギュレーション方法は、それゆえに、主電源回線のインピーダンス又は抵抗へと指定された電流を駆動すること、或いは主電源回線のインピーダンス又は抵抗から指定された電流を吸収することにより、ＡＣ主電源回線電圧を制御する。
【００１５】
本発明においては、図１に示されるように、ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータは、上記で説明されるように、分路又は直列の電圧レギュレーション方法のいずれをも使用することができるが、本発明の好ましい実施例によれば、直列電圧レギュレーション方法は回線インピーダンスとは独立しているためにより予測可能であるので、ＨＦ  ＡＣ直列電圧レギュレーションが好ましい方法である。
【００１６】
世界的な電気システムにおいては、ユースポイント低電圧配電は、一般に、１１０／１２０  ＶＡＣ（ボルト交流電圧）、又は２２０／２３０／２４０  ＶＡＣのいずれかの下であるが、世界の大半は、低電圧配電電圧について公称１２０  ＶＡＣシステム又は２３０  ＶＡＣシステムに合わせて規格化している。さらに、規格化され、法制化された電気システム仕様と、とりわけ家庭内施設及び商用施設の配電盤に対して配電されるべき配電電圧レベル及び許容範囲とが、存在している。例えば、米国においては、家庭内施設及び商用施設についての規格配電電圧は、＋５％の最大値と、−５％の最小値との電圧許容範囲を有する１２０  ＶＡＣ（ＦＥＲＣ／ＮＥＲＣによって指定される）である。オーストラリア（ＡＳ６００３８によって指定される）、英国（ＥＮ５０１６０によって指定される）など、より高い電圧の２３０  ＶＡＣシステムにおいては、許容された電圧許容範囲は、＋１０％の最大値と、−６％の最小値として指定される。過電圧レベルはより高くすることができることが、一般に、当業界において受け入れられている。極端な限界として＋１０％の過電圧と、−１０％の不足電圧とが、依然として受け入れ可能である。しかしながら、米国における１２０  ＶＡＣやオーストラリア及び英国における２３０  ＶＡＣなど、公称の指定規格電圧に合わせて設計された、電子機器、及び電気器具、とりわけ電気モーターに印加されると、これらの極端な最大電圧は、追加的なより高い使用電圧のためにエネルギーを浪費するだけでなく、最適な性能を妨げることもある。モーター及び変圧器は、過熱し、使用寿命を短縮する可能性があり、また電気システムに接続された機器が恒久的に損傷を受ける可能性がある。
【００１７】
それゆえに、例えば、米国においては、公称１２０  ＶＡＣの電圧レンジで、＋５％の最大電圧は１２６  ＶＡＣになり、＋１０％の過電圧は１３２  ＶＡＣになり、−５％の最小値は１１４  ＶＡＣになり、−１０％の不足電圧は１０８  ＶＡＣになるが、米国における送電事業者及び配電事業者は、施設の配電盤に対して１１４  ＶＡＣの最小電圧を配電することになり、また家庭内施設における電気器具などの実際の負荷に対する１１０  ＶＡＣの最小値に関して推定される３．５％のさらなる電圧降下を可能にしていることが、当業界において一般に受け入れられている。
【００１８】
ローカル電力アイランド（ｌｏｃａｌ  ｐｏｗｅｒ  ｉｓｌａｎｄ）配電ネットワークの上のそれぞれの家庭内施設又は商用施設に対する１２０  ＶＡＣの公称電圧からの許容された電圧許容範囲内の指定されたレンジの電圧を配電するには、電線とシステム導体の電気抵抗に起因して配電ネットワークの物理的電線に沿って直列に起こる電圧降下のために、ローカル電力アイランド配電ネットワークへの入力においてより高い電圧を必要とする。それゆえに、一般的には、配電ネットワークのローカル電力アイランドの変電所に近い施設は、より高い最大電圧レンジを観測し、またローカル電力アイランド配電ネットワークにさらに沿って、そのレンジ内のより低い電圧を観測することになる。例えば、米国においては、電圧レンジは、公称１２０  ＶＡＣのローカル電力アイランド配電ネットワークの場合に１２６  ＶＡＣ以上から１１４  ＶＡＣ以下まで変化する可能性がある。同様に、オーストラリアや英国など、公称２３０  ＶＡＣの国々では、電圧レンジは、公称２３０  ＶＡＣのローカル電力アイランド配電ネットワークの場合に、ローカル電力アイランド変電所における２５３  ＶＡＣ以上から配電ネットワークに沿った２１６  ＶＡＣ以下まで変化する可能性がある。
【００１９】
すべての家庭内施設及び商用施設に対する配電された主電源ＡＣ電圧の許容範囲を最小にするように、ローカル電力アイランド配電ネットワークに大きな投資が行われてきている。しかし、これは、家庭内施設及び商用施設に加えられる増大する使用、及び複雑な電子的負荷と、ＬＶ配電ネットワーク全体で変化する負荷及び力率とに起因して、さらに難しくなってきている。例えば米国においては、今や、産業使用よりも多くの家庭内電気使用及び商用電気使用が存在している。私的な家庭内施設又は商用施設の所有者が、専用の電力を購入し、設置し、生成することができる（例えば、家庭内太陽光発電（ＰＶ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）の設置の場合）多数の国々において、法制化された固定価格買取制度（ＦＩＴ：Ｆｅｅｄ  Ｉｎ  Ｔａｒｉｆｆ）と結合された、私的な家庭内及び商用の配電されるエネルギー生成（ＤＥＧ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｅｎｅｒｇｙ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）の最近の分断的な出現に伴って、電力は、ローカル電力アイランド配電ネットワークの上に与えられて戻される可能性があり、電力システムの複雑さと、電圧レンジの不安定性、特に過電圧を劇的に増大させている。
【００２０】
電気機器及び電子機器と、電気器具、とりわけ電気モーターは、具体的には、米国及び他の１２０  ＶＡＣの国々における１２０  ＶＡＣ、オーストラリア、英国及び他の２３０  ＶＡＣの国々における２３０  ＶＡＣなど、公称の指定された標準電圧において動作するように設計される。公称設計標準電圧を超過する電圧は、接続された電気機器及び電子機器に損傷を与えるだけでなく、必要以上のエネルギーの消費を引き起こす可能性もある。それゆえに、性能を最適化し、また最大の節電を実現する最適な電圧が、一般に存在している。
【００２１】
図１を参照する。この実例においては、ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータの出力に対する最適な節電電圧が、公称主電源電圧−５％となるように選択されて、通常の機器性能を達成し、節電を最大にする。このようにして、節電設定された電圧は、公称１２０  ＶＡＣシステムの場合に１１４  ＶＡＣとし、また公称２３０  ＶＡＣシステムの場合に２２０  ＶＡＣとすることができ、又は他のより低い節電電圧が選択される可能性があり、これは、概念を明確に示す単なる実例にすぎず、また他の節電最適化電圧が、ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータの出力のために明らかに指定される可能性がある。例えば、本発明においては、ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータだけが、直列のバイパス・コンタクタと組み合わせて機能することを必要とされ、またＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータの出力電圧は、公称１２０  ＶＡＣシステムの場合には１１４  ＶＡＣの節電レベルに設定され、また２３０  ＶＡＣシステムの場合には２２０  ＶＡＣの節電レベルに設定され、そのようにして極端な電圧又は過電圧の状態の下では、ＨＦ  ＡＣ  ＡＶＲ電圧レギュレータは、負荷への出力電圧を、選択された設定節電最適化電圧に保持する。
【００２２】
入力ＡＣ主電源電圧が、節電設定電圧（例えば、公称１２０  ＶＡＣシステムの場合の１１４  ＶＡＣ、及び公称２３０  ＶＡＣシステムの場合の２２０  ＶＡＣ）を下回る状態の下では、完全なＡＶＲが使用されると、完全なＡＶＲは、内部電力を使用して、低い入力主電源ＡＣ電圧を増大させるか又は引き上げるだけでなく、本発明ほどはエネルギーを節約しない。本発明の様々な実施例によれば、制御エレクトロニクスが、入力ＡＣ主電源電圧が節電設定電圧を下回っていることを感知すると、制御エレクトロニクス、すなわちバイパス・コンタクタがアクティブにされ、またＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータのパワー・エレクトロニクスがスイッチオフされ、内部パワー・エレクトロニクスのエネルギー消費を節約する。この状態の下では、低い主電源ＡＣ入力電圧が負荷に直接に印加され、電圧降下と、回路内で接続されたままであったＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータのパワー・エレクトロニクスの使用とを最小限にしている。図１に示されるように、低い入力主電源ＡＣ電圧が、バイパス・コンタクタを通して負荷に直接に印加されることによって、更なる節電が達成される。
【００２３】
引き続き図１を参照する。ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレーションは、分路方法又は直列方法のいずれかによって達成することができるが、直列方法が、本発明の好ましい実施例において使用される。本発明の様々な実施例によれば、任意のＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータが、バイパス・コンタクタと並列に使用されて、節電高周波数ＡＣ電圧レギュレーション・システムを作り出すことができる。
【００２４】
図２を参照する。ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータの好ましい実施例のうちのいくつかは、これらに限定されないが、米国特許出願第１４／５２５，２３０号及び米国特許出願第１４／５６５，４４４号に開示されるようなＨＦ  ＡＣ直列降圧電圧レギュレータのトポロジを含んでいる。双方向ＡＣスイッチＱ１及びＱ２を有するＨＦ直列ＡＣ降圧電圧レギュレータは、第１４／５２５，２３０号特許出願の中で説明され、また本明細書においても再び図２に示されている。さらに、ＨＦフィルタ・コンポーネントが追加されて、入力及び出力においてＨＦ（例えば、１ｋＨｚ〜１，０００ｋＨｚ）スイッチング周波数を抑制し、フィルタをかける。入力にフィルタ・バイパス・コンデンサＣ１及びＣ２を有するフィルタ・インダクタＬ１及びＬ２と、出力にフィルタ・バイパス・コンデンサＣ３及びＣ４を有するフィルタ・インダクタＬ４及びＬ５とが、ある。コンデンサＣ２及びＣ３は、使用されるコンポーネントと、動作周波数とに応じて、省略されてもよい。インダクタＬ３は、ＨＦ（例えば、１ｋＨｚから１，０００ｋＨｚ）で動作するように設計されているパワー・インダクタである。
【００２５】
ＡＣスイッチング・デバイスＱ１及びＱ２は、アナログ回路、混合アナログ回路、又はデジタル回路、ただし一般的には、ＤＳＰ若しくはマイクロプロセッサの信号処理を伴うデジタル制御回路のいずれかを通して、電子制御の下でＨＦ（例えば、１ｋＨｚから１，０００ｋＨｚ）においてスイッチングする。制御エレクトロニクスからの出力は、ＨＦ（例えば、１ｋＨｚから１，０００ｋＨｚ）によって変調されたＰＷＭ変調を用いてＡＣ半導体デバイスを駆動し、また一般的に５０Ｈｚ又は６０Ｈｚである、ＬＦ主電源ＡＣ電圧入力に沿った各ＨＦポイントにおいて、制御エレクトロニクスは、十分に広い幅の特定のパルスを生成してＡＣスイッチＱ１及びＱ２を駆動して、パワー・インダクタＬ３と組み合わせて負の差動電圧を生成し、それゆえに、入力ＡＣ電圧に沿った各ポイントにおける出力電圧を、内部制御基準によって設定される望ましい値に降圧し、調整する。
【００２６】
例えば、制御が２５，０００Ｈｚの設計周波数でスイッチングしている場合には、４０マイクロ秒ごとに、一般的には５０Ｈｚ又は６０Ｈｚである入力主電源ＬＦ電圧の振幅が、設定された内部電圧基準に対して、そのポイントにおいて、降圧され、低減させられる。このようにして、４０マイクロ秒ごとに、回路は、入力ＡＣ電圧を降圧して、望ましい設定出力ＡＣ電圧を調節し、また調整する。
【００２７】
入力フィルタは、コンデンサＣ１及びＣ２と、フィルタ・インダクタＬ１及びＬ２とを備えている。出力フィルタは、コンデンサＣ３及びＣ４と、フィルタ・インダクタＬ４及びＬ５とを備えている。代わりに、ＨＦフィルタ要素の様々な組合せを使用して、この実例では２５，０００ＨｚなどであるＨＦにおいてスイッチングするＡＣ双方向半導体スイッチのＨＦスイッチング周波数にフィルタをかけ、ＨＦスイッチング周波数をバイパスすることができる。
【００２８】
本明細書に開示される回路とその説明は、明確にするために簡略化され、また様々な他の回路構成及びデバイスが、本発明の原理を適用する際に使用される可能性がある。例えば、双方向ＡＣスイッチは、半導体デバイスであり、また様々な回路構成から成る可能性があるが、これらのスイッチは、当業界において一般的に使用されるようなＡＣ双方向半導体スイッチとしての役割を依然として果たしている。そのような双方向ＡＣ半導体スイッチは、例えば、これらに限定されないが、ＳＣＲ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなど、ブリッジの中に挿入されるユニポーラ半導体デバイス構成、又は制御された双方向ＡＣ半導体スイッチ・デバイスを作り出すことができるＰＷＭ駆動制御と同じ効果のために使用される任意の他の半導体デバイスを有する４つの整流器から成る整流器ブリッジとすることができる。また、バック・ツー・バック（ｂａｃｋ  ｔｏ  ｂａｃｋ）若しくは逆並列のＳＣＲ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、ＲＢ−ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどの整流器を有する、又は整流器を有さない、当業界において使用される他の半導体ＡＣスイッチの構成及びデバイス、任意の他のバック・ツー・バック若しくは逆並列の双方向ＡＣ半導体のデバイス又は構成、或いはこれらに限定されないが、ＧａＮ、ＳｉＣなど、将来の他の類似した新しい半導体デバイスは、本発明の代替的な実施例のうちのいくつかである。
【００２９】
引き続き図２を参照する。電子制御回路によって駆動されるＡＣ双方向半導体スイッチＱ１及びＱ２と組み合わせて、ＨＦ（例えば、１ｋＨｚ〜１，０００ｋＨｚ）パワー・インダクタＬ３を利用するＨＦ直列降圧ＡＣ電圧レギュレータは、入力ＡＣ電圧を低減させ、また設定された望ましい最適節電レベルに対してＡＣ出力電圧を調整することができる新規のトポロジを作り出す。さらに、このＨＦ直列降圧ＡＣ電圧レギュレータは、降圧・インダクタ（パワー・インダクタＬ３）の両端の差動電力を処理して、調整された出力ＡＣ電圧まで入力を低減させるだけでよい。この構成は、総出力電力に対してはるかに低い消費電力を有する。降圧・インダクタは、差動入力ＡＣ電圧を調節して、望ましい最適節電設定レベルまで出力ＡＣ電圧を低減させるために必要とされる電力を処理するだけでよい。
【００３０】
主電源ＡＣ入力電圧が、選択された最適節電設定レベルを下回る状態の下では、制御エレクトロニクスは、入力ＡＣ主電源電圧を感知し、バイパス・コンタクタＫ１、並びにそのバイパス・コンタクタＫ１と並列に接続された双方向ＡＣ半導体デバイスＳ１を遷移させ、次いで、直列降圧ＡＣ電圧レギュレータ・パワー・エレクトロニクスを切り離す。高速双方向ＡＣ半導体デバイスＳ１は、最初に、ＨＦ直列降圧ＡＣ電圧レギュレータをバイパスし、次いで、より低速のバイパス・コンタクタＫ１接点が閉じ、ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータを完全にバイパスし、またバイパス・コンタクタＫ１と並列に接続された双方向ＡＣ半導体デバイスＳ１を含んでいる。
【００３１】
第１に、電子制御は、ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータを切り替えて外し、このＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータは、ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータの内部パワー・エレクトロニクスのエネルギー使用を節約する。第２に、低いＡＣ主電源入力電圧が負荷に直接に印加され、ＨＦ  ＡＣ電圧レギュレータのパワー・エレクトロニクスの電圧降下をバイパスして、更なる節電を達成する。
【００３２】
図２に示される双方向ＡＣ半導体デバイスＳ１は、ＴＲＩＡＣである。しかしながら、双方向ＡＣ半導体デバイスはまた、ＳＣＲ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、バック・ツー・バックＳＣＲ、ＴＲＩＡＣなどのブリッジに挿入されるユニポーラ半導体デバイス構成、又はバイパス・コンタクタＫ１と並列に接続された、制御される双方向ＡＣ半導体スイッチ・デバイスを作り出すことができるドライブ制御と同じ効果のために使用される任意の他の双方向ＡＣ半導体デバイスを有する４つの整流器から成る整流器ブリッジとすることもできる。回路及び用途に応じて、当業者は、ゼロ電圧スイッチングの、又は任意の他の制御されたタイミングのいずれかと、双方向ＡＣ半導体デバイスのガルバニックの絶縁されたスイッチング又は絶縁されないスイッチングを設計することができる。バック・ツー・バックＳＣＲ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなど、当業界において使用される他の半導体ＡＣスイッチの構成及びデバイス、任意の他のバック・ツー・バック双方向ＡＣデバイス、或いは任意の他の類似した、また絶縁された手段又は絶縁されていない手段によってスイッチされるデバイスは、本発明の様々な実施例である。
【００３３】
引き続き図２を参照する。直列電流制限抵抗Ｒ１が、必要に応じて双方向ＡＣ半導体デバイスＳ１と直列に接続されて、双方向ＡＣ半導体デバイスＳ１を通して流れる電流を制限する。しかしながら、直列電流制限抵抗Ｒ１は、双方向ＡＣ半導体デバイスの仕様及び寸法と、バイパス・コンタクタ接点の定格と、設計されたサージ電流とに応じて省略されることもある。バイパス・コンタクタＫ１接点が、制御エレクトロニクスの下で開かれるか又は閉じられるときに、高速の双方向ＡＣ半導体デバイスＳ１も、より低速のコンタクタ遷移と共にアクティブにされる。バイパス・コンタクタＫ１接点を閉じるときには、双方向ＡＣ半導体デバイスＳ１を含むエレクトロニクスは、完全にバイパスされる。開くときには、バイパス・コンタクタＫ１接点は、バイパス・コンタクタＫ１接点が完全に開くまで、バイパス電流を流し続ける双方向ＡＣ半導体デバイスＳ１によって保護され、それにより電流の中断からコンタクタ接点を保護する。
【００３４】
負荷サージ又は障害負荷電流のいずれかからの高い電流サージの状態の下では、双方向ＡＣ半導体デバイスＳ１と組み合わされたバイパス・コンタクタＫ１は、制御エレクトロニクスが電流サージを検出し、高速な双方向ＡＣ半導体デバイスをアクティブにし、バイパス・コンタクタ接点を閉じることにより、これらの高い電流サージをバイパスする。また、バイパス・コンタクタＫ１と、双方向半導体デバイスＳ１との両方は、より低速なコンタクタ接点が閉じて、双方向ＡＣ半導体デバイスを含むエレクトロニクスからのサージ電流を安全にバイパスする前に、高いサージ電流を取るように規定され、またそのような大きさにされる。ひとたびサージが通過すると、又は、サージがバイパス・コンタクタＫ１の閉じられた接点を通じて安全に継続し、外部の標準バックアップ・ブレーカをトリガする場合に、制御エレクトロニクスは、通常の電力を検出し、起動ルーチンを開始してユニットを通常の動作に戻す。
【００３５】
双方向ＡＣ半導体デバイスは、電気機械的バイパス・コンタクタなしで使用され得ることが、当業者には明らかであろう。しかしながら、どのような双方向ＡＣ半導体デバイスも、電気機械的バイパス・コンタクタの金属−金属の接点よりも、通過する電流に伴うはるかに高い消費電力を常に有する。図２に示されるＳ１とＫ１との組合せの代わりに双方向ＡＣ半導体デバイスだけを使用することは、本発明の代替的な一実施例である。
【００３６】
図２に示されるバイパス・コンタクタＫ１は、望まれる用途に応じて、常時閉（ＮＣ：ｎｏｒｍａｌｌｙ  ｃｌｏｓｅ）接点、又は常時開（ＮＯ：ｎｏｒｍａｌｌｙ  ｏｐｅｎ）接点とすることができることに注意すべきである。本発明においては、バイパス・コンタクタＫ１のコンタクタ接点の好ましい実施例は、常時閉（ＮＣ）であり、また電子制御は、エネルギーを与えること（開かれた接点）、又はエネルギーを与えないこと（閉じられた接点）により、コンタクタ接点を開閉することができる。ＮＣ接点を使用する理由は、バイパス・コンタクタＫ１がバイパス・コンタクタであるためと、また入力電力が不足するか、又はユニット・エレクトロニクスが故障した場合には、コンタクタが非アクティブにされ、バイパス接点が閉じられることになるためである。まず第１に、入力電力の障害又は中断の場合に、ユニットとそのパワー・エレクトロニクスとは完全にバイパスされ、入力電力が再開するときには、コンタクタ・バイパスは、ＮＣコンタクタ・バイパス接点に起因して既に実施されており、また制御エレクトロニクスは、制御エレクトロニクスによる指定された期間の後に、起動ルーチンを開始してユニットを通常の動作に戻すことができる。
【００３７】
本明細書において開示される実施例は、汎用コンピューティング・デバイス若しくは専用コンピューティング・デバイス、コンピュータ・プロセッサ、マイクロコントローラ、又は、これらに限定されないが、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ：ｄｉｇｉｔａｌ  ｓｉｇｎａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）と、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔｓ）と、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ：ｆｉｅｌｄ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙｓ）と、本開示の教示に従って構成され、又はプログラムされる他のプログラマブル・ロジック・デバイスとを含む電子回路を使用して、実装することができる。汎用コンピューティング・デバイス若しくは専用コンピューティング・デバイス、コンピュータ・プロセッサ、又はプログラマブル・ロジック・デバイスの中で実行されるコンピュータ命令又はソフトウェア・コードは、本開示の教示に基づいて、ソフトウェア又は電子技術に熟練した実行者によって、簡単に準備される可能性がある。
【００３８】
本発明についての上記説明は、例証及び説明の目的のために提供されている。徹底的であること、又は本発明を開示された通りの形態に限定することは、意図していない。多数の修正形態及び変形形態が当業者に明らかであろう。
【００３９】
実施例は、本発明の原理と、その実用的な応用例とを最もよく説明するために選択され、説明されており、それによって、他の当業者が、様々な実施例について、また企図される特定の使用に対して適合される様々な修正形態を用いて、本発明を理解することを可能にしている。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲とそれらの均等物とによって規定されることが意図される。
【図１】
2017518732.tif 000003
【図２】
2017518732.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成29年2月21日(2017.2.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
図２に示されるバイパス・コンタクタＫ１は、望まれる用途に応じて、常時閉（ＮＣ：ｎｏｒｍａｌｌｙ  ｃｌｏｓｅ）接点、又は常時開（ＮＯ：ｎｏｒｍａｌｌｙ  ｏｐｅｎ）接点とすることができることに注意すべきである。本発明においては、バイパス・コンタクタＫ１のコンタクタ接点の好ましい実施例は、常時閉（ＮＣ）であり、また電子制御は、エネルギーを与えること（開かれた接点）、又はエネルギーを与えないこと（閉じられた接点）により、コンタクタ接点を開閉することができる。ＮＣ接点を使用する理由は、バイパス・コンタクタＫ１がバイパス・コンタクタであるためと、また入力電力が不足するか、又はユニット・エレクトロニクスが故障した場合には、コンタクタが非アクティブにされ、バイパス接点が閉じられることになるためである。まず第１に、入力電力の障害又は中断の場合に、ユニットとそのパワー・エレクトロニクスとは完全にバイパスされ、入力電力が再開するときには、コンタクタ・バイパスは、ＮＣコンタクタ・バイパス接点に起因して既に実施されており、また制御エレクトロニクスは、制御エレクトロニクスによる指定された期間の後に、起動ルーチンを開始してユニットを通常の動作に戻すことができる。
バイパス・システムは、明確に説明されるように、追加された並列半導体スイッチング・デバイスをそれぞれが有する１つ又は複数のコンタクタを備えることができる。本明細書において示され、説明されるバイパス・システムは、本発明の原理を例証するためのものであり、他の代替的なバイパス・システムが、コンタクタの用途及び選択に応じて使用されてもよい。代替的なコンタクタ・システムにおいては、コンタクタは、本明細書に詳細に示され、説明されるバイパス・システムと同じ動作原理を達成するように制御エレクトロニクスによってコンタクタの開路インパルスと閉路インパルスが駆動される、ＮＣ又は駆動される分路インパルス・コンタクタとすることができる。
図２を参照する。さらに、低いバイパス電流の場合には、バイパス電流が、アクティブ回線におけるＬ１及びＬ４やさらに戻り回線におけるＬ５及びＬ２などの電磁干渉（ＥＭＩ：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）フィルタ・インダクタを通して流れ、またＥＭＩフィルタ・インダクタによって許容されるので、バイパス・システムは、単一のバイパス・コンタクタを使用することができる。重いバイパス電流の場合には、２つのバイパス・コンタクタを使用することができ、一方は、ＥＭＩフィルタ・インダクタＬ１とＬ４とをバイパスし、また戻りの重いバイパス電流の場合には、第２のバイパス・コンタクタを使用して、インダクタＬ５とＬ２とを同時にバイパスすることができる。図面及び説明に示されるように、電流制限抵抗を有するか又は電流制限抵抗を有さずに、半導体スイッチング・デバイスと並列のバイパス接点を有する１つ又は複数のコンタクタの原理を逸脱することなく、用途に応じて他のバイパスのシステム及び方法が可能である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2017518732.tif 000005
【国際調査報告】
2017518732.tif 000006
2017518732.tif 000007