はじめに

多くの電子機器や電気機器はコンセントや分電盤から電力会社が供給する商用交流電源を使っている。このためさまざまな電源条件で電子機器や電気機器が正常に動作することを確認することは必須となる。また電子機器や電気機器から不要なノイズが発生していないかを確認する規格試験には安定した基準となるひずみやノイズのない交流電源が必要となる。そのほかにもさまざまな試験用途に交流電源装置は使われている。

今回の記事では試験用交流電源の基礎から用途までを紹介する。また今回の記事執筆ではさまざまな試験用交流電源を1960年代から作り続けているエヌエフ回路設計ブロックの協力を頂いた。

試験用交流電源にはさまざまな製品はあるが、今回の記事では広く使われているスイッチング方式の下記の製品を主に解説することにした。

図1. 今回の記事で解説する試験用交流電源装置（エヌエフ回路設計ブロック、DP020AS）

交流電源装置とは

交流信号源と交流電源の違い

ファンクションジェネレータのような交流を発生できる交流信号源と、試験のために電子機器や電気機器を駆動するための交流電源の違いは下図に示すとおりである。交流信号源のファンクションジェネレータは伝送路を経由して信号を送るために使われるもので、交流の電気エネルギーを供給するためのものではないことが判る。

図2. 交流信号源と交流電源の違い

さまざまな交流電源

下図に示すように電子回路を使った交流電源には安定した電圧や周波数を得るための交流安定化電源、電源周波数を変換するための周波数変換交流電源、さまざまな試験を目的として校正・試験用電源がある。

図3. 代表的な交流電源装置

注）

電池を搭載したポータブル交流電源は通常は非常用電源として使われるが、出力が低ノイズである特長に注目してオーディオ分野などで安定化交流電源として使われることがある。

今回の記事では試験用交流電源について解説する。

校正用交流信号発生器は幅広い範囲で電圧や電流を発生することができるが、目的は電気計器（メータ）やデジタルマルチメータなどの電子測定器の性能を確認するための発生器であるため試験用交流電源とは使用する目的は異なる。下図には代表的な校正用交流信号発生器が発生できる交流の電圧と電流の範囲は限定されているため機器や装置を駆動するためのものではないことが判る。

図4. 校正用交流発生器の電圧と電流の発生範囲（横河計測、2558A）

リニア方式とスイッチング方式の試験用交流電源装置

下図に示すように試験用交流電源には真空管時代からあるリニア方式と1970年代後半から登場したインバータ技術を使ったスイッチング方式の2種類が存在する。

図5. 市場にあるリニア方式とスイッチング方式の交流電源装置

リニア方式の試験用交流電源は広帯域までの製品があるため周波数帯域ごとに区分されることが多い。但し高い周波数まで対応できるリニア方式の電源は発生できる容量は制約される。大容量化しやすいスイッチング方式の試験用交流電源は発生できる周波数範囲が数ｋHzまでのため、発生容量ごとに区分されることが多い。

リニア方式とスイッチング方式の交流電源の特長の比較は下記に示す。過去にはスイッチング方式はリニア方式に比べて波形品位がよくないと言われていたが、最近の試験用交流電源ではスイッチング方式でも高い波形品位を実現している。

リニア方式の試験用交流電源

リニア方式の試験用交流電源装置の実際の製品は下図のようになる。

図6. リニア方式の試験用交流電源（エヌエフ回路設計ブロック）

リニア方式の試験用交流電源は広帯域であるため幅広い用途で使われている。最近ではスイッチング方式の試験用の波形品位がよくなり低ノイズ化が実現されるようになったため、リニア方式の狭帯域の交流電源装置はスイッチング方式に置き換えられるようになってきている。

スイッチング方式の試験用交流電源

パワー半導体やインバータ装置の進化によって高効率なスイッチング方式の試験用交流電源が作られるようになってきた。

スイッチング方式の試験用交流電源装置の実際の製品は下図のようになる。

図7. スイッチング方式の試験用交流電源（エヌエフ回路設計ブロック）

コンパクト型の試験用交流電源には出力が複数のプラグ形状に対応した電源コンセントとなっており、直接電源プラグを接続できる製品があるため、テレビなどの小型の電子機器の試験では配線が容易になる。

スイッチング方式の試験用交流電源は大型化できるため、消費電力が大きな業務用空調装置などの試験にも対応できる。

電力会社から供給される商用交流電源

多くの電子機器や電気機器は電力会社から供給される商用電源を使っている。電力会社の発電所は主な需要地である都市近くにある場合もあるが、多くの水力発電所や原子力発電所は都市から離れた場所にある。そのため遠距離の送電が必要となり、送電損失を減らすために高圧による送電が行われる。住宅などへの配電を行う際には安全を考慮して交流600V以下の低圧で供給するようになっている。下図には発電から配電までの仕組みを示す。

図8. 発電所から住宅や工場までの送配電の仕組み

電力会社から供給される電力の種類

電力会社から一般の住宅や商店など電力消費が大きくない需要家には単相の交流が提供される。日本では単相2線の100Vと単相3線の200Vの供給が行われている。住宅にある洗濯機などの家電やPCなどの情報機器はコンセントから供給される100Vが使われる。大型エアコンやIHクッキングヒータなどは消費電力が大きいので200Vが使われる。

図9. 単相2線と単相3線の仕組み

注）柱上トランスの出力電圧は需要家までの配電線の損失を考慮して電圧が高くなっている。

工場やビルなどは電力需要が大きいので三相の電力が供給される。工場やビルの規模によって電力会社から供給される電圧は異なる。

単相と三相の違いについては下図に示す。

表2. 単相交流と三相交流の比較

	単相交流	三相交流
波形
メリット	・取扱いがしやすい ・2本の配線でコストが安い	・3本の配線で効率的にエネルギーを伝送できる ・三相から単相を作り出すことができる ・モータを駆動する回転磁界を作り出せる
主な用途	消費電力が少ない住宅や小規模な工場やビルへの配電	発電所から変電所までの電力会社の送電や電力消費量の多い工場やビルへの配電

出典：第1回　単相電力計と電力基礎知識（横河計測）
https://tmi.yokogawa.com/jp/library/resources/measurement-tips/single-phase-power-measurement-digital-power-meter-wt300e-basics1/

三相交流の結線

三相の結線には三相3線（Δ結線）と三相4線（スター結線）の2種類がある。日本では主に三相3線が使われており、海外では三相4線が使われている。三相4線に対応した海外の機器や装置を日本国内で使用する場合は三相トランスを使って三相3線を三相4線に変換する。

図10. 三相3線と三相4線の結線

三相3線は配線数が少ないため配線コストを下げるメリットはあるが、動力専用の使い方になるため工場などで使われる。三相4線は中性点があるため、単相利用と三相利用を同じシステムで作ることができる。このため大きなビルやデータセンターなどでは三相4線が使われるようになってきた。

世界の商用電源

日本で住宅に供給されている単相二線の商用電源は主に100Vの交流電圧で周波数は東日本では50Hz、西日本では60Hzとなっている。下図に示すように海外では国よって供給される電圧は異なっている。

日本では電力が安定して供給されているが、海外では電圧変動や停電（瞬低含む）などの電源品質は改善されてきたが日本より悪い地域はある。

電子機器や電気機器を製造するメーカは仕向け地の電源の電圧と周波数で機器が安全かつ正常に動くことを保証しなければならない。

航空機や艦船で使われる交流電源

電源の小型軽量が要求される航空機や艦船（軍艦や巡視船など）には400Hzの交流電源が使われている。最近の航空機ではより軽量化するために発電装置の機械的な仕組みを簡素化した可変周波数発電機が搭載される場合がある。

400Hzの交流電源は航空機以外に小型軽量が求められるグラインダ（電動工具）でも使われる場合がある。一般の商用電源で動作するグラインダと区別するため、高周波グラインダと呼ばれている。

商用交流電源の電源品質

電力会社が供給する商用交流電源は下図に示す責任分界点までは電力会社が電源品質を保証する。

図11. 電力会社から供給される電源品質を規定する責任分界点

出典：九州電気保安協会、関東電気保安協会、電力会社が公開している資料を元に作成

住宅や工場の中のコンセントや分電盤での電力品質は住宅や工場内に置かれた機器や配線の影響を受けるため責任分界点より電力品質は悪化することがある。

商用交流電源の品質の構成

商用交流電源の品質を規定するのは電圧、周波数、ノイズ、波形ひずみなどがあり、下図に示すように電力会社に起因するものと、住宅や工場にある設備や雷などの自然現象によるものがある。

図12. 電力品質を構成する要素

出典：電力品質とその限度値（雪平謙二 電力中央研究所 電気設備学会誌 2005年10月）

具体的な電源品質を阻害する要因はさまざまであるが、下記に主なものを示す。これらの要因が組み合わされて電源品質が決まる。

商用交流電源を使う電子機器や電気機器は多少の電源品質の劣化があっても動作が異常にならないように設計されている。しかし2010年に発生した中部電力の四日市火力発電所で発生した事故によって生じた0.07秒間の電圧低下により三重県内にある半導体工場のクリーンルームの空調が停止して大きな損害が発生した事故ように、電源品質悪化は企業にとって事業へのリスクとなる。最近の半導体工場では瞬時電圧低下に対処するために、瞬低補償装置を導入している。

実際のコンセントの電源品質

日本では電力会社は責任分界点で電気事業法施行規則第38条に定められている標準電圧の維持範囲（101±6V、202±20V）で供給している。住宅や工場内の実際の分電盤やコンセントの電圧は住宅や工場に設置された機器や配線の影響を受けるため電圧の変動範囲は責任分界点とは異なる場合がある。下図は実際の工場内にあるコンセントを観測した結果である。

図13. 実際の工場内の100Vコンセントの電圧変動

図から判るように人が活動する日中は電圧が低く、人の活動のない夜間は電圧が高いことが判る。

評価や検査で使われる交流電源装置

再現性が求められる評価や検査では測定対象を駆動する電源品質が優れていることが要求される。そのため商用電源をそのまま使うのではなく試験用交流電源装置を使うことが必要となる。

下表には商用交流電源と試験用交流電源の電源品質の違いを示す。

試験用交流電源に要求されること

試験用交流電源は評価や検査に要求される電圧、周波数、波形を指定された相数で安定して発生できることが要求される。またPCなどの外部の機器との連携動作も求められる。

図14. 試験用交流電源への主な要求

また、試験用交流電源には大型なものがあるため、点検や修理は設置された場所で行われる。このため点検や修理を迅速に行うためには電源メーカのサービス体制が充実していることが求められる。試験用交流電源を使って行う規格試験ではメーカからのソフトウェア供給や問い合わせ対応も重要になる。

【コラム】 古くからあり現在でも使われ続けている交流電源機器

最近の高性能な交流電源機器はインバータ技術を使ったものとなっているが、工場などの現場には古くから現在まで使われている下記に示すような交流電源機器がある。これらの電源機器はいずれもインバータ電源に比べて構造がシンプルなため信頼性が高い特長がある。古くからある電源機器でもよく理解して使えば効果的である。

① 摺動型単巻トランス

現在でも学校の実験室から工場まで幅広く使われている交流電圧を変えることができる交流電源機器である。摺動型単巻トランスは1934年に米国のGeneral Radio社が特許を取得して「Variac」という商品名で販売されたことが起源となっている。日本では「スライダック」や「ボルトスライダー」など製造したメーカの商標で呼ばれることが多い。

図15. 摺動型単巻トランスの原理と特長

② 鉄共振型トランス

1938年にジョセフ・ソーラ（Joseph Sola）が発明したトランスとコンデンサだけで作られた交流電圧を安定させることができる電源機器である。電源事情がよくない国や大きな設備があり電源が不安定な工場内などで使われている。また波形ひずみやノイズを低減する効果も期待できる。

図16. 鉄共振型トランスの原理と特長

③ サイリスタ交流安定化電源

サイリスタとトランスを使って電圧変動を補正する機能を持った電源機器である。インバータ電源に比べて安価であるため、現在でも交流電源の電圧安定化のために使われている。

図17. サイリスタ交流安定化電源