JPH09507379A - バラスト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電力線電流の全体の高調波歪みが１０％以下でバラストが動作できるバラストのフィルタが設計される。１０％以下のTHDのとき、当該フィルタにより消費される電力は、相対的に低い。当該バラストの入力インピーダンスは、前端部フィルタの等価フィルタインピーダンスの２倍より大きくなく、当該等価フィルタインピーダンスの１．５分の１より小さくないように設計される。前記フィルタは、公称定格バラスト負荷条件下Ｂ−Ｈ曲線の非線形領域内で時には動作するコアを持つ変圧器を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 バラスト 技術分野 本発明は、公称定格バラスト負荷条件下では通常電力線からピーク振幅を持つ 交流電流を受けるためのバラスト入力部を持ち、当該バラスト入力部間で測定さ れるバラスト入力等価インピーダンスＺ_INにより特徴づけられ、さらにフィルタ 出力部と、コアを持つインダクタと、当該フィルタの前記出力部と前記インダク タの少なくとも一部とに結合されるキャパシタとを有し、前記バラスト入力部と 結合され、等価インピーダンスＺ_eqにより特徴づけられるフィルタを有するバラ ストに関し、当該コアは実質的な線形領域と実質的な非線形領域とを持つＢ−Ｈ 曲線により実質的に特徴づけられ、そのＢ−Ｈ曲線の非線形領域では実質的に均 一の磁束密度が前記コア全体にわたって存在し、前記公称定格バラスト負荷条件 下において前記交流電流の少なくともピーク振幅時には、そのＢ−Ｈ曲線の非線 形領域内で前記コアが動作される。 本発明はまた、バラスト入力部と、前記バラスト入力部間で測定されるバラス ト入力インピーダンスＺ_INと、フィルタ出力部を持ち等価インピーダンスＺ_eqに より特徴づけられ前記バラスト入力部に結合されるフィルタとを持つバラストを 動作する方法にも関し、当該方法は、公称定格バラスト負荷条件下では通常電力 線から前記バラスト入力部でピーク振幅を持つ交流電流を受ける工程と、前記フ ィルタを通って前記交流電流を流す工程であって当該フィルタがコアを持つイン ダクタとキャパシタとを含み、当該キャパシタは前記インダクタの少なくとも一 部と前記フィルタ出力部及びバラスト入力部のひとつと結合され、前記コアは実 質的な線形領域と実質的な非線形領域とを持つひとつのＢ−Ｈ曲線により実質的 に特徴づけられ、非線形領域内では実質的に均一な磁束密度が前記コア全体にわ たって存在し、前記公称定格バラスト負荷条件下において前記交流電流の少なく ともピーク振幅時にそのＢ−Ｈコアの前記非線形領域内に当該コアを維持する工 程とを含む。 背景技術 このようなバラスト及び方法は、米国特許公報4,672,522号から知られている 。一般に、バラスト内のフィルタは、全体の高調波歪みの総量を減らす為に機能 する。全体の高調波歪み(THD)は、通常電力線からバラストへ供給される電流に 存在する高調波歪みの総量を決めるために計算できそれを反映する言葉である。 電気バラストは、高調波を豊富に含むライン電流を流すことがよく知られている 。フィルタは、前記通常電力線から流れる前記高調波を制限するために電気バラ ストの前部端に設けられる。 多くの従来の電気バラストは、ＬＣローパスフィルタの使用を通じて約１４％ から１８％の範囲のTHDで動作する。一般公衆によるのと同様に工業用に最近課 せられる典型的要求は、バラストにより流れるライン電流THDを１０％以下にす ることである。 この低いTHDレベルに合わせるとき、従来のＬＣフィルタは、効率を犠牲にし て即ち電力を多く消費してそのローパスフィルタの減衰特性を増大させなければ ならない。 発明の開示 本発明の目的は、相対的に高いバラスト効率を維持し、即ちバラストフィルタ の電力消費の実質的増大なしに、前記THDが減少できる改良されたバラストを提 供することである。 冒頭に述べられたバラストは、本発明によると、公称定格バラスト負荷条件下 では等価インピーダンスＺ_eqとバラストインピーダンスＺ_INとの間の関係が、0. 5≦Z_eq/Z_IN≦1.5のように可変することを特徴とする。 第２段落で述べられた方法は、本発明によると、0.5≦Z_eq/Z_IN≦1.5であるよ うに公称定格バラスト負荷条件下において等価インピーダンスＺ_eqとバラストイ ンピーダンスＺ_INとの間の関係を可変することを特徴とする。 前記交流電流の少なくともピーク振幅時にそのＢ−Ｈ曲線の非線形領域内で動 作するインダクタコアとの組み合わせにより、等価インピーダンスＺ_eqとバラス トインピーダンスＺ_INとの間の可変関係を通じてフィルタは、相対的に高いバラ スト効率を維持し、１０％以下の許容できるTHDレベルを保証するために充分な 高調波減衰を供給する。特に、前記バラスト入力インピーダンスＺ_INを前記等価 インピーダンスＺ_eqの２倍より大きくないように制限することにより、THDのレ ベルは、許容可能なレベルで維持される。バラスト入力インピーダンスＺ_INが等 価インピーダンスＺ_eqに近づき始めると、前記THDは継続して低くなる。当該バ ラストにより流れる前記交流電流の前記ピーク振幅時同様にそこに近づくレベル で、そのＢ−Ｈ曲線の非線形領域内で前記コアを動作することにより、バラスト 効率は、相対的に高いレベルで維持される。 好ましくは、キャパシタは前記バラスト入力部とフィルタ出力部との間に結合 される。他に、キャパシタはインダクタのタップと、フィルタ出力部及びバラス ト入力部の一つとの間に結合できる。 本発明によるバラストの好ましい実施例において、付加のインダクタ及び抵抗 は、THDのレベルを低くするために前記キャパシタと直列に接続される。 好ましくは、本発明による方法は、前記キャパシタを通って前記高調波の一部 を通すことにより高調波をフィルタリングする工程を含む。 図面の簡単な説明 第１図は本発明に従う部分的ブロック図とバラストの部分的電気回路図であり 、第２図は等価インピーダンスを決める際にとられるべき測定法を示す第１図の フィルタの電気回路図であり、第３図は公称励起下において発生される第１図の フィルタ内の変圧器コアのＢ−Ｈ曲線であり、第４図は短絡されたフィルタ出力 部を持つインダクタンスを通る電流に対するバラストフィルタインダクタンスを プロットしたものであり、第５図は公称励起下において基準等価フィルタインピ ーダンスに対するTHDをプロットしたものであり、第６図は公称励起下前記基準 等価フィルタインピーダンスに対してフィルタインダクタンスにより消滅される 電力をプロットしたものである。 発明を実施するための最良の形態 第１図を参照にして、バラスト１０はフィルタ２０、整流器３０及びインバー タ４０を有する。電圧Ｖ_Lであってライン電流Ｉ_Lをバラスト１０へ供給する通常 電力線はＡＣ源１１により表される。源１１は、バラスト１０の一組の入力端子 １２及び１３と接続される。フィルタ２０は、バラスト１０から前記通常電力線 に到達する電磁影響（EMI）をある程度除去するのに役立つ。フィルタを通った ＡＣ信号は、一組のフィルタ出力端子１４及び１５を通って、整流器３０に供給 される。典型的にはハーフブリッジ又はフルブリッジ型の何れかである整流器３ ０は、インバータ４０へいく可変ＤＣ信号を作る。第１図に示されてないが、整 流器３０により作られた電圧は、制限されるわけでないが、よく知られた技術で ある比較的安定したＤＣ電圧をインバータ４０の入力部へ供給するのに適切な電 圧ダブラ、アップコンバータ又はそのようなものを通じて昇圧できる。インバー タ４０は、制限されるわけでないが、電流を流すハーフブリッジ型ででき、ラン プ負荷５０を活性化するためにバラスト１０の一組の出力端子１８と１９との間 に交流信号を供給する。 フィルタ２０は、磁気コアと一組のインダクタＬ１及びＬ２を持つ変圧器Ｔと を含む。インダクタＬ１及びＬ２は、一般にスプリットチョーク又は結合インダ クタと呼ばれる。インダクタＬ１は、バラスト入力端子１２とフィルタ出力端子 １４との間に接続される。キャパシタＣ１，インダクタＬ３及び抵抗Ｒの直列の 組み合わせも、バラスト入力端子１２とフィルタ出力端子１４との間に接続され る。当該直列の組み合わせは、バラスト入力端子１２と接続される必要はない。 例えば、接続は、必要な減衰にある程度依存して、インダクタＬ１のタップへな されることもできる。キャパシタＣ１は、従ってインダクタＬ１の少なくとも一 部とフィルタ出力端子１４と結合されるように考慮されるべきである。インダク タＬ１及びＬ２をシングルインダクタとして、このシングルインダクタのタップ を一端とし、フィルタ出力端子１４を他端として接続されるキャパシタＣ１，イ ンダクタＬ３及び抵抗Ｒの直列の組み合わせを持つシングルインダクタとして設 計されることもできる。 インダクタＬ２は、バラスト入力端子１３とフィルタ出力端子１５との間に接 続される。キャパシタＣ２の一端は、インダクタＬ１，抵抗Ｒ及びフィルタ出力 端子１４がともに接合されている接合点と接続される。キャパシタＣ２の他端は 、インダクタＬ２及びフィルタ出力端子１５がともに接合されている接合点と接 続される。 インダクタＬ３は、バラスト１０からＡＣ源１１へ出るＥＭＩをある程度減衰 するために、キャパシタＣ１とともに役立つ。抵抗Ｒは、インダクタＬ３及びキ ャパシタＣ２により形成される共振回路のＱを低くするのに役立つ。 キャパシタＣ２とインダクタＬ１及びＬ２との組み合わせは、電力線電流Ｉ_L の３次の高調波の周りにちょうど調節される。インダクタＬ１及びキャパシタＣ １は、高次高調波を減衰するのに役立つ。キャパシタＣ２も、整流器３０により 発生される方形波波形の過渡時間をスローダウンする。フィルタ２０に見られる ように整流器３０により発生される他の高調波もインダクタＬ１によりフィルタ される。 ４０ワット、１２０ボルトの二つの直列に接続される蛍光ランプのランプ負荷 に対する典型的公称フィルタ部品の値は、抵抗Ｒは１／２ワットの３３オーム、 キャパシタＣ１は１．３μＦ、キャパシタＣ２は２．８μＦ、インダクタＬ３は ８２０μＨ及び変圧器Ｔは６９ワット、１２０ボルト、６０ヘルツを含む。 第２図を参照して、フィルタ２０は、等価インピーダンスＺ_eq＝Ｖ_oc／Ｉ_scに より定められることができる。電圧Ｖ_ocは、フィルタ出力端子１４及び１５間の 開放回路電圧である。電流Ｉ_scは、出力端子１４及び１５間に流れる短絡回路電 流である。ＡＣ源１１のものは、ＡＣ源１１の公称ライン電圧Ｖ_Lの１／４であ る。 第３図に示すように、フィルタ２０のスプリットチョーク／結合インダクタと 共働するコア、すなわちインダクタＬ１及びＬ２と共働するコアは、実質的に線 形領域"ａ"と実質的に非線形領域"ｂ"とを持つＢ−Ｈ曲線により実質的に特徴づ けられる。第４図に示されるように、インダクタＬ１及びＬ２のインダクタンス は、交流ライン電流Ｉ_Lのピーク振幅時及びその付近で非線形領域ｂ内で動作す るように設計される。特に、前記コアは、公称定格バラスト負荷条件下において 交流ライン電流Ｉ_Lのピーク振幅時に、その非線形領域内で動作する。公称定格 バラスト負荷条件下における前記コアにより消費される電力損失は、従って最小 化される。 第４図に示されるように、ミリアンプのＲＭＳライン電流に対するミリヘンリ のインダクタンスのプロットは、負荷のない条件下、即ちバラスト１０へのラン プ負荷５０の接続なしに、１２０ボルトでの５９ワットのバラストインダクタン ス（即ちインダクタＬ１及びＬ２の組み合わせ）に基づく。前記インダクタンス を通って流れる電流が約１００ミリアンプを越えて増大するとき、このＢ−Ｈ曲 線の非線形領域内の動作が始まる。 これと対照的に、スプリットチョーク／結合インダクタを持つ従来のバラスト フィルタは、公称定格バラスト負荷条件下のとき、当該コアのＢ−Ｈ曲線の非線 形領域よりむしろ実質的に線形領域内で動作する。従来のフィルタで不所望の電 力損失がなされる。 第５図を参照して、フィルタ２０の基準等価インピーダンスに対する電力線電 であり、ここでＩ₁は基本周波数における電流Ｉ_Lの成分であり、ｎは１より大き る。フィルタ２０の基準等価インピーダンスは、Z_eq/Z_INの比として定められる 。 第５図に示されるフィルタ２０の基準等価インピーダンスとTHDとの関係は、 近似的に27.3cm³のコア容積を持つ変圧器Ｔを持つ公称定格６９ワットのバラス トに基づく。近似的に１６パーセント又はそれ以下のTHDを維持するために、フ ィルタ２０の基準等価インピーダンスは、０．５と等しいか又は大きい。電流Ｉ_L が増大するにつれてインダクタＬ１及びＬ２により消減する損失を制限すると き、この比は、好ましくは１．５以上ではない。第６図に示されるように、27.3 cm³のコア容積を持つ変圧器Ｔを持つ公称定格６９ワットバラストに対して、イ ンダクタＬ１及びＬ２により消減する電力は、基準等価フィルタインピーダンス がそれぞれ０．５と１．５であるとき、約３．２ワットと約６ワットとの間の範 囲である。 少なくとも電流Ｉ_Lのピーク振幅時又はその付近のとき、インダクタＬ１及び Ｌ２と共働するコアのＢ−Ｈ曲線の非線形領域内での動作により、等価インピー ダンスＺ_eqとバラスト入力インピーダンスＺ_INとの間の関係は、0.5≦Z_eq/Z_IN（ 基準等価フィルタインピーダンス）のように変化する。この比の所望の上限を越 えると、即ち１．５以上の値を越えると、インダクタＬ１及びＬ２と共働して不 所 望の高い電力損失になる。 THDとフィルタ２０により消滅する電力との間の決められたバランスは、フィ ルタ２０の基準等価インピーダンスを０．５と１．５を含んでその間の範囲に制 限することにより達成される。THDのレベルは、数個の電力設備により最近課せ られる１０％又はそれ以下の範囲に適合するために、基準等価フィルタインピー ダンスの最小値を上げることによりさらに制限できる。さらに特には、６９ワッ トの公称定格バラストに対して、基準等価フィルタインピーダンスは、THDが１ ０％又はそれ以下に維持できるように少なくとも０．６５しかし１．５より大き くない値にセットできる。 公称定格バラスト負荷条件での相対的に低い誘導電力損失と低いTHDの有利な 組み合わせは、（１）電流Ｉ_Lのピーク振幅時又はその付近でその非線形領域内 で実質的に変圧器の全コアを動作し、（２）インダクタＬ１の少なくとも一部と フィルタ出力端子１４との間にキャパシタＣ１をカップリングすることにある程 度基づく。 容易に理解されるように、本発明はフィルタ２０による電力消費の許容可能な レベルでTHDのフィルタリングのための改良された方法及び装置を供給すること である。特には、０．５より小さくなく１．５より大きくないフィルタ２０の基 準等価インピーダンス（Z_eq/Z_IN）を維持することにより、THDの許容可能なレベ ルが達成できる。THDが１０％又はそれ以下で維持されるべきとき、最小レベル ０．５を越える必要に応じて、フィルタ２０の基準等価インピーダンスは増大す る。 上述したことから明らかなことが有効に得られ、本発明の範囲から離れること なしに上記構成で変更がなされるならば、上述したこと且つ関連する図に含まれ る全てのことは明らかに説明され制限されないだろうということがわかるだろう 。 クレームはここに述べられた、本発明の全ての一般的且つ特徴をカバーしよう とすることは、理解されるべきである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．公称定格バラスト負荷条件下では、通常電力線からピーク振幅を持つ交流電 流を受けるためのバラスト入力部を持ち、 当該バラスト入力部間で測定されるバラスト入力等価インピーダンスＺ_INにより 特徴づけられ、 さらにフィルタ出力部と、コアを持つインダクタと、当該フィルタの前記出力部 と前記インダクタの少なくとも一部とに結合されるキャパシタとを有し、前記バ ラスト入力部と結合され、等価インピーダンスＺ_eqにより特徴づけられるフィル タを有するバラストであり、 当該コアは実質的な線形領域と実質的な非線形領域とを持つＢ−Ｈ曲線により実 質的に特徴づけられ、そのＢ−Ｈ曲線の非線形領域では実質的に均一な磁束密度 が前記コア全体にわたって存在し、公称定格バラスト負荷条件下において前記交 流電流の少なくともピーク振幅時には、そのＢ−Ｈ曲線の前記非線形領域内で前 記コアが動作されるバラストにおいて、 前記等価インピーダンスＺ_eqと前記入力インピーダンスＺ_INとの間の関係が、0. 5≦Z_eq/Z_IN≦1.5であることを特徴とするバラスト。 ２．前記キャパシタが前記バラストの前記入力部と前記フィルタの前記出力部と の間に結合される請求項１に記載のバラスト。 ３．前記キャパシタと直列に接続される付加のインダクタ及び抵抗をさらに有す る請求項１に記載のバラスト。 ４．前記キャパシタと直列に接続される付加のインダクタ及び抵抗をさらに有す る請求項２に記載のバラスト。 ５．バラスト入力部と、前記バラスト入力部間で測定されるバラスト入力インピ ーダンスＺ_INと、フィルタ出力部を持ち等価インピーダンスＺ_eqにより特徴づけ られ前記バラスト入力部に結合されるフィルタとを持つバラストを動作する方法 であり、 公称定格バラスト負荷条件下では通常電力線から前記バラスト入力部でピーク振 幅を持つ交流電流を受ける工程と、 前記フィルタを通って前記交流電流を流す工程であって、当該フィルタがコアを 持つインダクタとキャパシタとを含み、当該キャパシタは前記インダクタの少な くとも一部と前記フィルタ出力部及びバラスト入力部のひとつと結合され、前記 コアは実質的な線形領域と実質的な非線形領域とを持つひとつのＢ−Ｈ曲線によ り実質的に特徴づけられ、実質的に均一な磁束密度が前記非線形領域では前記コ ア全体にわたって存在し、 前記公称定格バラスト負荷条件下では前記交流電流の少なくともピーク振幅時に そのＢ−Ｈコアの前記非線形領域内に当該コアを維持する工程とを含む方法にお いて、 前記公称定格バラスト負荷条件下では0.5≦Z_eq/Z_IN≦1.5で前記等価インピーダ ンスＺ_eqと前記入力インピーダンスＺ_INとの間の関係を可変することを特徴とす る方法。 ６．前記キャパシタを通って高調波の一部を通過させることにより、当該高調波 をフィルタリングする工程をさらに含む請求項５に記載の方法。