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電力変換の応用
長岡技術科学大学 電気系
近藤 正示
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１ 直流と交流
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直流か？ 交流か？
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交直論争
• 19世紀末，欧米の広域の配電網を構築する
には，交流と直流のどちらが適しているか？
• トーマス・エジソン ＝ 直流，
• ニコラ・テスラ
＝ 交流
• 1886年，ナイアガラ瀑布発電所に交流システ
ムが採用された。（32km, 1万V ） なぜ？
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２ インバータ回路
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直流から交流を作る
ハーフ・ブリッジ・インバータ
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フル・ブリッジ・インバータ
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インバータ回路
(a) 単相ブリッジ・インバータ
(b) 三相ブリッジ・インバータ
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３ 交流の扱い方
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交流電力：有効電力と無効電力（１）
• 有効電力：
• 無効電力：
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交流の電力
• 入る電力 [W]は，
[W]
• 電圧と電流（歪あり）
v(t )  2V sin(t )

i (t )   2 I k sin(kt   k )
k 1
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電力の計算

•
p(t )  2 VI k sin(t ) sin(kt   k )
k 1

 VI k cos(k  1)t   k   cos(k  1)t   k 　(1)
k 1
•
1
Pav 
T
T
0
p(t )dt  VI1 cos 1　(2)
• k = 1 のときの(1)式を丁寧に計算すると，
p (t ) k 1  VI1 cos 1  cos(2t  1 )
 VI1 cos 1 (1  cos 2t )  VI1 sin 1 sin 2t　 Preal (t )  Pimag (t ) (3)
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実電力 Preal と虚電力 Pimag
p(t ) k 1  VI1 cos 1  cos(2t  1 )
 VI1 cos 1 (1  cos 2t )  VI1 sin 1 sin 2t　 Preal (t )  Pimag (t ) (3)
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有効電力と無効電力（２）
• 有効電力：
1秒間のエネルギーの平均移動量 [J/s]=[W]
エネルギー消費量。
つまりお金が取れる！
• 無効電力：
電源・負荷の間を行ったり来たりする電力。
つまりお金が取りにくい。
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３．２ 電力の流れる向き
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電力の複素数表示（単相）
複素電力 の計算は，電圧を複素共役にする
∗
なお，複素電圧
∗
，電流
∗
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電力の複素数表示（二相）
二相の電圧，電流を複素数で表して，
，
複素電力の計算は，電圧を複素共役にする
∗
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直流および交流電力の流れる向き
片方を複素共役にする理由：
*
v
 i  (v  j  v  ) * (i  j  i  )
 (v  j  v  )  (i  j  i  )

 (v i  v  i  )  j (v i   v  i )
P  jQ  V
 i　j *
E  V j
 V
jL
 VE sin 
V (V  E cos  )
　j
L
L
 VE sin  V ( E cos   V )


j L
L
 j
(4)
(4)
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交流電力の流れる向き
• 位相の進んでいるほうから遅れているほうへ
有効電力が流れる。
• 位相が同じなら，振幅の大きいほうから小さ
いほうへ遅れ位相の無効電力が流れる。
• 送電・配電系統では，位相を調整して電力の
流れる向きを調整する。（振幅ではない！）
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４ 交流電源への応用
４．１ 無効電力とその補償
４．２ 有効電力の変動の抑制
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コンデンサ入力ダイオード整流回路
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高調波無効電力の問題
• コンデンサ入力型
ダイオード整流回路の
とがった電流は，
電圧を歪ませる！
• 歪んだ電圧は，系統に
並列につながった装置加わり，
高調波損失を発生する。
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無効電力の補償（アクティブフィルタ）
負荷電流 iL が次式のとき
iL  iP  iQ
外から i AF を流して iQ を打ち消す。
iS  iL  i AF

 iP  iQ  i AF

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アクティブフィルタの回路
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力率改善回路
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昇圧チョッパによる入力電流
（実電流）の正弦波化
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４．２ 有効電力の変動の抑制
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無停電電源装置（UPS）
絶対にダウンできない銀行や鉄道会社のコン
ピュータでは，単機500kVA程度のUPSを多数並
列接続して，冗長システム構成をとる。
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電力の平準化
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揚水発電所
関西電力の大河内発電所，兵庫県
(高低差 394m，最大128万kW)
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蓄電池による電力貯蔵
レドックスフロー電池（容量1MW×5時間），住友電気工業，2012年
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電気自動車
H21年に四国電力が導入した電気自動車（160km/一充電）
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