電圧最適化

2002年電気安全・品質・継続性規則に基づき、英国で宣言されている低電圧電力供給は現在230Vで、許容範囲は+10%から-6%です。これは、供給電圧が地域の状況に応じて理論的には216Vから253Vの間になる可能性があることを意味します。しかし、英国本土の国家送電網から供給される平均電圧は242Vです^{[ 1 ]。}これは、一般的なヨーロッパの電圧である218～222Vと比較したものです。（北アイルランドの平均供給電圧は約239V、アイルランド共和国では235Vです^{[ 2 ]}）。

英国向けに製造された古い電気機器は定格電圧が 240 V であり、ヨーロッパ大陸向けに製造された古い機器は定格電圧が 220 V でした (世界の主電源電圧を参照)。新しい機器は 230 V 用に設計する必要があります。古い建物では、さまざまな機器が混在している可能性があります。1995 年の電圧調和以降、EU 内で市場に出されたすべての機器は、230 V +/- 10% の範囲内の電圧で正常に動作する必要があります。220 V 定格の機器は、200 V まで正常に動作する必要があります。^{[ 3 ]}供給電圧を法定電圧範囲の下限に効率的に下げることで、電圧最適化技術は平均で約 13% のエネルギー節約を実現できます。

純粋な抵抗負荷の場合、電圧が高いほど消費電力も高くなります。電圧を下げると、抵抗負荷を使用する家庭用電化製品のエネルギー消費量には影響しませんが、電気ケトルやトースターなどの機器は、大気損失のため動作に時間がかかります。VOユニットを設置する主な商業的メリットは、ポンプやファンなどを動かすモーターなどの誘導負荷にあります。家庭では、電気料金を最大12%節約できる可能性があります。VOデバイスは、電力消費の節約を最大化するために電圧を最も効率的なレベルまで下げるため、電気ケトルが沸騰するのに少し時間がかかるなど、一部の動作に少し時間がかかることに気づくかもしれません。^{[ 4 ]}

冷蔵庫や冷凍庫にはサーモスタットが搭載されているため、電圧最適化による省エネ効果が得られないという誤解がよくあります。冷蔵庫や冷凍庫は、抵抗加熱装置とは全く異なる動作原理で動作します。抵抗加熱装置に高電圧をかけると、熱が発生し、本来の目的（加熱）に役立ちます。一方、冷蔵庫や冷凍庫に高電圧をかけると、やはり熱が発生しますが、本来の目的（冷却）には役立ちません。電圧最適化によってコンプレッサーモーターの出力がわずかに低下するため、冷蔵庫/冷凍庫のサーモスタットはモーターを少し長く作動させますが、全体としては、モーターの損失を大幅に低減しながら、モーターの作動時間をわずかに長くする効果があります。マンチェスター大学で行われた試験では、 電圧最適化によってモーターの損失が低減されたため、モーター温度が10℃低下することが示されました。

過電圧とは、機器が最も効率的に動作するように設計された電圧よりも高い電圧を指します。過電圧は、機器の寿命を縮め、性能向上を伴わずにエネルギー消費量を増加させる可能性があります。配線規則BS 7671の解説では、過電圧に関して次のような記述があります。「230V定格のランプを240Vで使用した場合、定格寿命の55%しか達成できない」（白熱ランプについて）、「230V定格の直線型機器を240V電源で使用すると、電流が4.3%増加し、エネルギー消費量がほぼ9%増加する」。

過電圧を回避するために様々な技術が利用できるが、適切な電圧を使用することで得られる省エネルギー効果が、そのために使用される機器内部でのエネルギー浪費によって相殺されないよう、効率的に実施する必要がある。信頼性も重要であり、サーボ制御可変オートトランスなどの電気機械装置に入力電力をフルに通すことには、潜在的な問題が内在している。

低電圧とは、機器が最も効率的に動作するように設計された電圧よりも低い電圧を指します。VO（電圧調整器）の設計において、遠隔地の電力使用者までの距離による電圧降下を考慮していない場合、機器の早期故障、起動失敗、モータ巻線の温度上昇、およびサービス停止につながる可能性があります。

高調波 とは、50 Hz (または 60 Hz)の主電源の基本周波数の倍数となる電流および電圧波形のことです 。高調波は、コンピュータ機器の電源、可変速ドライブ、放電灯などの非線形負荷によって発生します。「三重」高調波 (第 3 次高調波の奇数倍) は、三相電力システムで相電圧が平衡しておらず、中性線が加わることで発生し、無駄な電流が流れます。^{[ 5 ]}

全高調波歪みとして知られる高調波レベルが高くなりすぎると、高感度電子機器の損傷^{[ 5 ]}や高電圧変圧器の効率低下^{[ 6 ]}などの影響が生じる可能性があります。電源で高調波を減衰させるか、高調波の発生を防ぐことで、電気負荷の効率を向上させることができます。一部の電圧最適化デバイスも高調波を抑制し、電気系統における高調波成分に関連する損失を低減します。

過渡現象とは、電圧が大きく、非常に短時間で、破壊的な影響を及ぼす可能性のある現象です。その原因としては、落雷、モーター、変圧器、電気駆動装置などの大型電気負荷の切り替え、電力供給と需要のバランスを取るための電源切り替えなどが挙げられます。過渡現象は通常、わずか数千分の1秒または百万分の1秒しか持続しませんが、電子システムに損傷を与え、データ損失、機器部品の劣化、機器寿命の短縮を引き起こす可能性があります。一部の電圧最適化装置には、過渡現象保護機能が搭載されています。

工業用および商業用施設には三相電力が供給されます。相間の不均衡は、モーターや既存の配線の発熱などの問題を引き起こし、エネルギーの無駄な消費につながります。^{[ 7 ]}一部の電圧最適化装置は、建物の電力供給のバランスを改善し、損失を減らし、三相誘導モーターの寿命を延ばすことができます。

電力低下とは、電圧が一時的に低下する現象で、ほとんどの場合は短時間（300ミリ秒未満）ですが、場合によってはそれ以上続くこともあります。電力低下は、コンタクタやリレーが誤動作して機械が停止するなど、機器に様々な問題を引き起こす可能性があります。低電圧耐性技術には、無停電電源装置（UPS）、低電圧直流制御回路へのコンデンサの使用、可変速ドライブの直流バスへのコンデンサの使用などがあります。電圧最適化対策によって電圧が低下しすぎて、機器が電力低下の影響を受けやすくなることがないよう注意が必要です。

電力供給の力率とは、供給電力の実効電力と皮相電力の比率のことです。これは、供給地点で使用される有効電力を、消費される総電力で割った値です。後者には使用できない電力も含まれるため、力率が1であることが望ましいとされています。力率が低いということは、電力供給会社が消費者の請求書に記載されるよりも多くのエネルギーを実際に供給していることを意味し、電力供給会社は力率が低い場合に料金を請求することが認められています。

無効電力とは、使用できない電力のことです。電気系統では仕事はしませんが、コンデンサの充電やインダクタの磁界周辺に磁場を発生させるために使用されます。プロセスを実行するのに十分な有効電力を供給するためには、無効電力を生成し、回路を通して分配する必要があります。機器のリアクタンスが増加するため、電圧の上昇に伴って無効電力は大幅に増加します。したがって、電圧最適化によってこれを補正することで、無効電力の削減と力率の改善につながります。

三相誘導電動機は、おそらく最も一般的な三相負荷であり、冷凍、ポンプ、空調、コンベア駆動装置などのさまざまな機器で使用されているほか、より明白な用途にも使用されています。過電圧と三相不平衡が交流電動機の定格低下に及ぼす影響はよく知られています。^{[ 7 ]}過大な過電圧は鉄心の飽和を引き起こし、渦電流によるエネルギーの浪費とヒステリシス損失の増加につながります。過大な電流を流すと、銅損による過剰な発熱が発生します。過電圧による電動機への追加的なストレスは、電動機の寿命を縮めます。^{[ 8 ]}

飽和を引き起こすほどの過電圧を避けることは効率を低下させないため^{[ 9 ]}、鉄損と銅損を減らすことで大幅なエネルギー節約が可能になります。ただし、定格電圧（例えば400V）用に設計されたモーターは、飽和することなく供給制限（±10%）内の通常の電圧変動に対応できるはずなので、これは大きな問題にはならないでしょう。

誘導電動機への電圧を下げると、滑りが増加するため、電動機の回転速度にわずかな影響が出ますが、回転速度は主に電源周波数と極数によって決まります。電動機の効率は、適切な負荷（通常75%）と設計電圧において最適となり、この電圧からわずかに変動すると効率はわずかに低下します。変動が大きいほど、効率への影響は大きくなります。

負荷が非常に軽いモーター（25%未満）や小型モーターは、電圧を下げることで最も恩恵を受ける。^{[ 9 ]}

可変速ドライブ（VSD）で駆動されるモーターの場合、入力電圧が低下すると、VSDからの出力電圧も比例して低下し、モーターの消費電流が減少し、結果として消費電力も減少します。しかし、モーターが高負荷（80%以上）で運転されている場合、電圧の低下はトルクの低下につながり、結果としてモーターの消費電流と消費電力が増加します。

照明負荷が長時間使用される場合、照明機器の省エネルギーは非常に価値があります。電圧が低下すると、白熱灯の消費電力と光出力が大幅に減少し、寿命が長くなります。これは、電気技師ガイドからの前の抜粋で示されています。光出力の減少が消費電力の減少を上回るため、照明のエネルギー効率（発光効率）が低下します。 ^{[ 10 ]}

しかし、抵抗式またはリアクティブ式バラストを備えたシステムなど、他のタイプの照明も電力品質の向上から恩恵を受けることができます。蛍光灯と放電灯は白熱灯よりも効率的です。従来の磁気バラストを備えた蛍光灯は消費電力が削減されますが、ランプからのルーメン出力も減少します。最新の電子バラストを備えた蛍光灯は、ほぼ同じ電力を使用し、同じ光を提供します。^{[ 3 ]}

電圧を下げて同じワット数を供給するには、より大きな電流が必要となり、ケーブル損失が増加します。しかし、照明コントローラーとバラストは高レベルの高調波歪みを発生させる原因となりますが、これは一部のタイプの電圧オプティマイザでフィルタリングでき、照明コントローラーの必要性を減らすことができます。^{[ 3 ]} よくある懸念は、一部の照明が低電圧で点灯しなくなることです。しかし、電圧最適化の目的は単に電圧を可能な限り下げることではなく、最も効率的に動作するように設計されたサービスレベル電圧にすることであるため、これは起こらないはずです。

ヒーターは消費電力が少なくなるが、発熱量も少なくなる。温度調節機能付きの暖房器具や給湯器は、運転中の消費電力は少なくなるが、必要な出力を得るためには1時間あたりの運転時間が長くなるため、節約にはつながらない。

スイッチング電源は従来と同じ電力を使用しますが、これを実現するためにわずかに大きな電流を消費し、ケーブル損失がわずかに増加し、電流増加によってMCBがトリップするリスクがわずかに高まります。

一般的な100ワットの白熱電球の効率は1ワットあたり17.5ルーメン（l/W）以下であり、定格電圧では1750ルーメンの光量しか得られません。一方、一般的な最新のLED電球の効率は1ワットあたり約150ルーメンであり、同じ光量を得るのに必要な電力は12ワット以下です。ランプの再定格式によると、白熱電球の電圧を10%下げると、電力（したがってエネルギー）は約16%減少し、光量も約31%減少します。

したがって、白熱電球の電圧を10%下げる電圧最適化装置を使用すると、エネルギー消費量は16%、光出力は31%削減され、光量はわずか1210ルーメン、消費電力は84ワットになります。白熱電球を同程度の光出力を持つLED電球に交換すれば、消費電力はより効果的に削減され、12ワットまで抑えられます。さらに、光出力が大幅に低下するため、電圧最適化装置を使用せずに75ワットの白熱電球（17.5 L/Wを仮定すると1312.5ルーメン）に交換すれば、より大きな節約効果が得られます。また、1210ルーメンしか必要ない場合は、LED電球を8Wに小型化することも可能です。