スイッチング方式の試験用交流電源の仕組みとパネル

試験用交流電源で最もよく使われるのがスイッチング方式であるため、エヌエフ回路設計ブロックのDP020ASを事例に解説を進める。

試験用交流電源の構造

評価や検査を目的としている試験用交流電源は電源品質のよい交流を発生させるだけではなく、試験に要求されるさまざまなことに対応できるようになっている。

下図にはエヌエフ回路設計ブロックのDP020ASのブロック図を示す。

入力は電力会社から供給される商用交流であり、出力はパネルなどから設定した電圧や周波数などの状態の交流が絶縁（アイソレーション）された形式で出力される。そのほかにも外部信号と連携して動作する仕組みもあり、評価や検査の環境を作るのに便利な機能を持っている。

試験用交流電源の前面パネル

試験用交流電源はさまざまな機能があるため、人が操作を行う前面パネルにはいくつかのキースイッチやダイヤルがある。最新の高機能な試験用交流電源では液晶パネルとソフトキーを使って設定を行うようになっている。

下図はエヌエフ回路設計ブロックのDP020ASの前面パネルを示す。

試験用交流電源の利用で最も基本的な設定は「電圧、電流、周波数」であるので、上記の製品では操作性をよくするために専用の設定キーが用意されている。

試験用交流電源の背面パネル

試験用交流電源の背面パネルには商用交流電源に接続する入力端子と試験対象に接続する出力端子がある。そのほかにも制御用の端子などがある。

背面端子にある電源入力端子および出力端子には感電事故の危険がある高電圧が印加されているので、使用する際には必ず樹脂製の端子カバーを取り付けるようにする。

試験用交流電源の機能

最近の試験用交流電源は多くの機能を持ってさまざまな試験に使えるようになっているが、最もよく使う用途は周波数と電圧を設定してひずみのない正弦波の交流電源を測定対象の機器に供給することである。下図に示すように高機能な試験用交流電源でよく使う機能は実線の範囲のみであるので、高度な使い方でなければ操作は容易である。

試験用交流電源に搭載されている拡張機能

ここではエヌエフ回路設計ブロックのDP020ASに搭載されている主な拡張機能を説明する。

① 出力波形の選択機能

試験用交流電源では多くの場合は正弦波の交流を使うが、試験によっては正弦波でない交流が必要になる場合がある。下図に示すように最近の試験用交流電源ではPCを使えば任意波形も可能になっている。

本体のみで設定できる波形は正弦波と正弦波の山と谷の部分が平たんになっているクリップ（飽和）正弦波である。クリップ正弦波を選んだ場合はクリップ率もしくはクレストファクタを設定する。

DP020ASではファンクションジェネレータなどを使って外部から波形信号を入力して出力することができる。

② 計測機能

試験用交流電源には交流出力の状態をモニタする機能がある。この機能は交流電源本体に実装された計測機能であるため、精密な計測が必要な場合は外部に校正されたパワーアナライザなどを接続することが望ましい。

③ リミッタ設定機能

リミッタ設定機能は試験用交流電源の出力を接続した機器や装置の許容範囲を超える電圧や電流が印加されて破損することを防ぐための機能である。リミッタ設定できる項目は下図のとおりである。

④ 外部制御機能

試験用交流電源をPCやPLCなどの外部機器で制御する場合に使う機能である。PCの場合は通信機能を使い、PLCの場合は通信機能もしくはコントロールI/O機能を使う。下図には外部制御機能を示す。

試験用交流電源を使って検査装置などを構築する場合は安全を確保するために、緊急停止機能を動作させる「SHUT DOWN 入力」を組み込むことを推奨する。この機能は無電圧接点があれば実現できるので、装置に緊急停止ボタンを取り付けるだけで実現できる。

試験用交流電源の主な仕様

ここではエヌエフ回路設計ブロックのDP020ASの主な仕様項目で解説する。

① 電圧・電流・周波数

試験用交流電源は出力電力容量の範囲で仕様にある電圧と電流の上限まで出力することができる。このため電圧値が最大の場合は出力容量の制限があり、仕様にある電流値の上限まで発生させることはできない。また、発生できる電圧値は動作モードや波形によって制限を受けるため注意が必要となる。

発生できる周波数範囲は動作モードによって異なる。DP020ASでは動作モードがACの場合は40Hz～1500Hz、ACHFの場合は40Hz～5000Hz、ACDCモードでは1Hz～1500Hzとなっている。

②ロードレギュレーション/ラインレギュレーション

試験用交流電源の安定性を示す重要な指標である。それぞれの定義は下記のようになっている。

DP020ASのロードレギュレーションを示す指標は出力電流変動という表現で示されている。

DP020ASのラインレギュレーションは入力電圧変動という表現で示されている。

±0.1 %以内 (typ.)

③ 負荷力率

低力率の負荷を接続した場合でも正常に動作することを保証できるかを示す指標である。DP020ASの場合は「0～1」となっているので、負荷の力率に考慮する必要はない。試験用交流電源にコンデンサを負荷として接続した場合の電圧と電流の観測結果を下記に示す。

④ 温度係数

電子部品は温度によって特性が変化するため、試験用交流電源の出力も周囲温度に依存する。長時間にわたる試験では周囲温度の変化があるので温度係数を着目する必要がある。

DP020ASでは周波数確度が「±0.01% of set（23 ℃±5 ℃）」となっているため、周囲温度が18℃～28℃の範囲で使う場合は設定時の温度からの出力の変化の範囲を規定できる。

⑤ 保護機能

評価や検査を行う際に異常な状態が検出された場合、試験用交流電源に接続された機器や試験用交流電源を守るために保護機能が搭載されている。下図にはDP020ASに搭載されている保護機能を示す。

試験用交流電源と機器や装置の接続

出力が絶縁されている試験用交流電源を使って単相2線、単相3線、三相3線、単相4線の給電方式を実現する接続を示す。

① 単相2線

単相2線は日本では住宅やビルの100Vコンセントと同じになる。絶縁された単相出力の試験用交流電源と負荷は下図に示すように直接接続することができる。電力会社から供給される商用電源の場合はLo側が安全のために柱上トランスやキュービクル内のトランスで接地されているが、出力が絶縁されている試験用交流電源の場合ではLo側は接地されていない違いがある。

出力が絶縁されている試験用交流電源で単相2線の一端を接地する必要があれば、出力端子の1つと接地されているケース端子を配線で接続する。

負荷の消費電力が試験用交流電源1台で供給できる電力より大きい場合は、試験用交流電源が並列運転できる場合は下記のような配線を行って供給電力を増やすことができる。ただし並列運転できる台数には上限があるので確認する必要がある。また2台の試験用交流電源を同期運転させるための試験用交流電源間の配線と本体の設定が必要となる。

② 単相3線

単相3線を出力が絶縁されている2台の試験用交流電源を使って構築する場合は下図のようになる。単相3線の場合は2つの試験用交流電源の出力の位相が180度異なるように電源間の配線と設定をしなければならない。電力会社から供給される商用電源の場合はLo側が安全のために柱上トランスやキュービクル内のトランスで接地されているが、出力が絶縁されている試験用交流電源の場合ではLo側は接地されていない違いがある。

③ 三相3線

三相3線の給電を実現するには絶縁された出力を持つ試験用交流電源を3台使用する。それぞれの試験用交流電源の出力の位相が120度ずらすように電源間の配線と設定をしなければならない。電力会社から供給される三相3線の商用電源の場合は3相線のうち1本が安全のために柱上トランスやキュービクル内のトランスで接地されているが、出力が絶縁されている試験用交流電源の場合ではL1からL3までのすべての相が接地されていない違いがある。

④ 三相4線

三相3線と同じで絶縁された出力を持つ試験用交流電源を3台使用する。それぞれの試験用交流電源の出力の位相が120度ずらすように電源間の配線と設定しなければならない。電力会社から供給される三相4線の商用電源の場合は中性線が安全のために柱上トランスやキュービクル内のトランスで接地されているが、出力が絶縁されている試験用交流電源の場合では中性線Nが接地されていない違いがある。

試験用交流電源使用上の注意事項

試験用交流電源を使用する際には注意や事前の確認が必要なことがある。

① 感電防止

試験用交流電源からは大きなエネルギーが出力されるため、人が活線に触れた場合は事故を生じる危険がある。

日本電気協会では50V以上の電圧を「通常の人体状態において接触電圧が加わると、危険性が高い状態」と定めている。試験用交流電源では商用電源と同じ電圧を発生させる場合が多いので、感電事故が起きないようにしなければならない。

試験用交流電源を使う場合は下記の点を考慮する必要がある。

• 安全のため試験用交流電源と接続した機器や装置のケースは接地を取る
• 電圧が印加されている金属部分に人が触れないように絶縁物でカバーをする
• 感電の危険がある作業を行う場合に作業者は絶縁用ゴム手袋などの絶縁用保護具を装着する
• 感電の恐れのある場所に人が立ち入らないように掲示をする

② 負荷特性の把握

試験用交流電源に接続した機器や装置に電源を投入した時に大きな突入電流が発生して電源の保護機能が動作して電源供給が停止する場合がある。ほかにもモータへの電源供給を停止した時にモータの回転が停止するまでモータが発電機として動作して試験用交流電源に電圧を印加する場合がある。このように負荷の特性を十分理解して電源装置と接続することが求められる。

③ 配線ケーブルの選択

試験用交流電源出力に機器や装置を接続する場合は配線による電圧降下の影響を少なくするために適切な電線を選ぶ必要がある。

下図に示すように試験用交流電源と接続する機器や装置までの距離および出力電流によってケーブルを選択することが必要である。

10kHz以上の交流を取り扱う場合は表皮効果や近接効果の影響を少なくするために細い絶縁電線を複数撚り合わせたリッツ電線を使用する。

配線の引き回しや機器の配置

試験用交流電源と測定器を用いて機器や装置の試験や検査を行う環境を構築する場合は誘導、伝導、放射のノイズの影響を受けること考慮する必要がある。下図にどのように影響を受けるかを示す。

試験用交流電源を使う場合のノイズ対策はインバータ装置のノイズ対策と同じである。日本電機工業会が2011年に発行した「インバータの上手な使い方 電気ノイズ予防対策について」の一部を下記に抜粋する。

試験用交流電源の設置上の注意点

試験用交流電源は人が持って運べる大きさから、ラックに組み込んだ大型の製品まで存在するため設置する際の注意点がある。

接地の確保

試験用交流電源を使った測定環境を構築する場合は安全やノイズ低減を目的として接地を取る必要がある。

大容量の試験用交流電源装置の場合は他の測定器が使う接地とは別に電源専用の接地を取った方がよい場合がある。

搬入作業

重量があるラックに実装された試験用交流電源を搬入する場合は下記の点についてあらかじめ検討して準備が必要である。

下記に示すように大型の試験用交流電源の場合は重量があるので、搬入経路や設置場所の床荷重を超えないことを確認する必要がある。

地震対策

重量がある試験用交流電源は地震によって転倒した場合や机や棚から落下した場合は大きな被害が発生する可能性があるので地震対策が必要である。ラックに実装された試験用交流電源は転倒防止金具やキャスタを固定する道具を使うことを勧める。また机の上に置いて使う小型の試験用交流電源は机や棚からの落下を防ぐためにバンドで固定することが望ましい。

分電盤からの商用電源の配線

中型から大型の試験用交流電源では分電盤から商用電源の供給を受けることになるため、分電盤の容量を超えないことをあらかじめ確認する必要がある。また分電盤から試験用交流電源装置までの配線作業には電気工事士の資格が必要なので資格を持った作業者の確保も搬入前に行う必要がある。

【コラム】 広帯域の交流信号を使うときに使われるリニア電源

試験用交流電源は商用電源と同じ周波数で利用する場合が多いが、圧電素子や高周波リアクトルなどの部品の評価をする場合は1kHz以上の周波数の交流が必要となる。

スイッチング方式の試験用交流電源は効率がよいが、直流から広帯域までの信号を取り扱うことはできない。そのためリニア方式のバイポーラ増幅器を使った交流電源が利用される。

電波法では10kHz以上の周波数を利用する通信設備や医療や工業などで利用する通信以外の設備を利用する場合は総務省総合通信局への設置許可申請と許可が必須である。違反した場合は罰則があるため、高周波利用設備に該当するかを事前に確認する必要がある。

詳しくは総務省の下記のホームページに書かれている。