成蹊大学理工学研究報告
J. Fac. Sci. Tech., Seikei Univ.
Vol.44 No.２ (2007) pp.1-4

超電導コイルとコンデンサの LC 共振を利用した系統電圧安定化装置の検討
川嶋

忍*1, 石郷岡

猛*2, 二ノ宮晃*3

Power System Voltage Stabilizer using LC Resonance Circuitwith Superconducting Coil and Capacitor
Shinobu KAWASHIMA*1 , Takeshi ISHIGOHKA*2 , Akira NINOMIYA*3
ABSTRACT：In late years the development of a device guaranteeing the voltage in the case of a
instantaneous voltage dip is demanded. And, in this article, I suggest a voltage security device of the newtype which using LC resonance circuit with superconducting coil and capacitor. This power system
voltagestabilizer detects a instantaneous voltage dip and a voltage change by a thing of a load sudden change
automatically and can hope that I guarantee the voltage during several cycles. Furthermore, this device
incorporates it in load and can expect movement of the repetition.
In this study, I demonstrated the effect of this device.
Keywords：instantaneous voltage dip, LC resonance circuit, superconducting coil（Received September 25, 2007）

１．はじめにまた，この装置を組み込む事により，負荷急変が起きた際の電圧変動の抑制も試みた。本研究ではこのLC並列

近年，半導体や精密機械の製造ラインなど極めて高い共振回路を用いた，系統電圧の安定化装置の可能性とい品質を要求される工場において，瞬時電圧低下（瞬低）う視点で研究を行った。

により電気機器が誤作動もしくは停止する影響を防ぐ装２．原 理

置の開発が求められている。半導体工場や情報産業等では，落雷などによる数ms～数十msの電圧低下ですら大きな悪影響を受け，それにより工場が停止すれば，数億円

本研究ではBi-2223/Agを使用した高温超電導コイルを規模の損失が発生する可能性があると言われている。こ用いる。これは液体窒素中(沸点77K)で超電導状態になる。のため，瞬時的な電圧の変化を抑制する装置の開発が求

この超電導コイルとコンデンサを互いに並列に接続し共められているのである。

振状態にすると，磁気エネルギーと静電エネルギーの２本研究では交直変換器の代わりに超電導コイルとコンつの状態でエネルギーが蓄えられる。超電導コイルを用デンサで構成されるLC並列共振を利用した，新しいタイいれば交流損を除いて抵抗がないので，理論的にはこのプの電圧安定化装置を提案する。本装置は，機械的な外LC共振回路に蓄えられるエネルギーの減衰時定数は極め部制御を必要とせず受動的に動作し，時間遅れなしで繰て長い。
図１に本方式の原理を示す。このLC共振回路にはエネり返しの動作が期待できる。

ルギー蓄積能力があるので，本装置を負荷端に設置すれば，瞬時電圧低下などによる電源変動や，負荷の急変に＊1：大学院電気電子工学専攻博士前期過程

伴う系統電圧の変化を抑制する事が出来るのではないか＊2：電気電子工学専攻教授(ishigoka@st.seikei.ac.jp)という考えに基づいている。

(Professor, Dept .of Electrical and Mechanical engineering)＊3：電気電子工学専攻助手－1－波数は約50Hzである。

図１

LC共振回路を用いた電圧安定化装置の原理図
図３

瞬時電圧低下再現実験回路（電源切り離し）

３．実験方法3．1

実験装置

表１と図２に，実験に使用した高温超電導コイルの仕様
値と写真を示す。
表１ 高温超電導コイルの仕様値
wire

Bi-2223/Ag tapeouter diameter

190mm

inner diameter

120mm

height46mm

number of turns

360

critical current

48A

inductance

23.2mH

図４

負荷急変再現実験回路

４．実験結果4．1

LC共振回路の共振特性と減衰特性

まず，予備実験として超電導コイルLC共振回路の共振特性を観測した。前述のように，超電導コイルのインダクタンスは23.2mH，コンデンサのキャパシタンスは418.37μF，超電導コイルにかかる電圧を50Vとした時の結果を図5として示す。同図から，共振周波数は50.8Hz，Q値は33.9であった。
250

impedance(Ω)

200

図２150
10050

高温超電導コイル

035

3．240455055
frequency(Hz)

図５

共振特性

本実験

実験は図３及び図５の２通りの回路で行い，それぞれの実験回路における本装置の特性を観測する。尚，図３は電源を切り離すことによる瞬時電圧低下の再現回路，
図４は負荷急変再現回路である。
超電導コイルのインダクタンスは23.2mH，コンデンサのキャパシタンスは418.37μFである。これより，共振周－2－6065

4．2

瞬時電圧低下再現実験結果

図３の回路で負荷を∞にして，電源を回路から切り離した時の結果を図６として示す。同図より，LC並列共振回路内に内部抵抗が発生している事が分かる。
8060voltage（V)40200-20 00.10.2

0.30.4

図８

理論値算出

-40

この回路から算出した，電源切り離し後の負荷にかか-60-80る電圧 v R は次の式で表される。

time(s)

図６Vm cosθ cosωt +r 1 CVθ2cos− mLCR
1  r− +t 
 2L 2CR
vR = e 1  Csinωt  4Cω + LVm sinθ
 2r r2C L2− 2 − 4LCω  − R L R C


LC共振回路減衰特性

そして，図３の回路で負荷を200Ωとし，電源を切り離した時の結果を図７として示す。同図より３サイクル目の電圧最大値は電源切り離し前に比べると，40.0%減であった。

80

但 し ， 電 源 を 切 り 離 し た 時 の 電 源 の 位 相 は cos θ ，60voltage(V)402r  1  r 1  である。
 1+
−  +  LC LCR 4  L CR ω= 20000.050.10.150.2-20

そして，これらの結果から理論値を実測値に当てはめ-40たものが，図９である。理論値の内部抵抗の値を0.23Ω

-60とした時に実測値とほぼ一致した。

-80time(s)80

図７

負荷200Ω時の減衰特性

60

実測値

理論値0.120.1640

交流損による内部抵抗値の算出

voltage(V)

4．3

ここでLC共振回路の内部損失が，どの程度のものであるか，そしてそれは本装置の特性にどの程度の影響を及

20000.020.040.06

0.080.10.140.180.2-20

ぼしているかを理論値より考察する。図８の回路でスイ-40ッチをあるタイミングで開いた時，負荷端電圧の減衰特-60性を理論値と比較する。尚，LC並列共振回路内に交流損-80time(s)があるため，超電導コイルに抵抗ｒをおいた。
図９

理論値から内部抵抗値の算出

そして，図10にLC並列共振回路内の内部抵抗が０だった時の理論値を示す。同図より，スイッチ切り離し後３サイクル目の電圧最大値はスイッチ切り離し前と比べると，23.6％減であった。これより，内部抵抗の存在はLC－3－並列共振回路にとって無視できないものであると言える。

図11及び図12から，本安定化装置がある場合は，負荷端電圧の変動が抑制され，定常電圧の瞬時電圧低下は抑80制されている事が分かる。すなわち，本安定化装置があ60る場合は，負荷短絡後3サイクル目の電圧低下は12.4%で40あるのに対し，本安定化装置が無いと負荷短絡直後にvoltage(V)2021.9%も減衰してしまっている。

000.05

0.1

0.15

0.2

-20

５．むすび及び今後の展望-40-60以上，小規模な実験ではあるが高温超伝導コイルとコン-80time(s)図10デンサの並列共振回路を構成し，それを模擬電力系統に挿入して，瞬時電圧低下及び負荷急変時の負荷側の電圧変動

内部抵抗を0とした時の電圧特性が抑制される事を確認した。本装置は何ら変換器を介さず，4. 4

単純に超電導コイルとコンデンサを系統に並列に接続する

負荷急変再現実験結果

ことで，瞬時電圧低下及び負荷急変時の負荷電圧の変化を図４の回路で，スイッチを突発的に閉じ，その３サイ抑制する事が可能である。

クル後にスイッチを開いて負荷を急変させ，負荷端電圧（AB間の電圧）の電圧変動を観測した。そして，その結しかし，瞬低再現回路の実験結果より，超電導コイル内果を安定化装置がない場合と比較した。図11に安定化装で交流損による内部抵抗が無視できず，瞬時電圧低下保障置がある場合の負荷端電圧の変化を，図12に安定化装置装置として，このままでは実用化できるという所までは至がない場合の負荷端電圧の変化をそれぞれ示す。っていないが，今後交流損の低減に成功すれば実用化が可能であると思われる。

voltage(V)80

負荷急変に関しては，本安定化装置があると負荷端の負荷電圧60

電圧変動の抑制効果が，十分にある事を実験的に確認し40た。さらに，負荷急増の際，電源からの供給電流の急増20もかなり抑えることができる。

00.25-20交流損の低減などまだまだ課題はあるが，今後も更な0.30.350.40.45

る検討や実規模構成とその概念設計を行い，実用化への道筋を探っていきたい。

-40-60短絡抵抗端電圧-80

参考文献

time(s)

図11「超1) 石郷岡 猛，下地 広昭，西宮 幸希夫，二ノ宮 晃，

電圧変動特性（安定化装置あり）

電導コイルとコンデンサのLC共振を利用した交流型
80

SMESの可能性」，第74回2006年度春期低温工学・超負荷電圧60

電導学会講演概要集

voltage(V)40「高温超電導コイル2) 川嶋 忍，石郷岡 猛，二ノ宮 晃，

20
00.45
-20とコンデンサの並列共振回路を用いた系統電圧安定
0.50.550.60.65化装置」，平成19年電気学会全国大会講演論文集-40-60短絡抵抗端電圧-80time(s)

図12電圧変動特性（安定化装置なし）－4－