電圧変動対策
電力系統や工場内配電では負荷の投入・遮断、モータ起動、太陽光の出力変動、系統インピーダンスの変動などにより電圧が時間的に上下する。これにより照明のちらつき、制御装置のリセット、インバータのトリップ、リレーの誤動作、過熱・寿命低下などの不具合が生じる。したがって電圧変動対策は、系統側・配電設計・機器設計・運用監視の4層で多面的に実装し、規格試験で検証することが重要である。
用語と評価指標
電圧変動は短時間のサグ（0.1～0.9 pu、数 ms～1 min）、スウェル（>1.1 pu）、瞬時電圧低下・短時間停電、長期の電圧偏差、点灯ちらつき（flicker：Pst・Plt）などに区分する。設計では目標入力範囲（例：AC 85～265 V）と許容一時低下時間（ride-through）、機器の誤動作境界（UVLO/ブラウンアウト点）、電圧変動率（%）を定義する。計測はクラスAの電力品質アナライザでIECに準拠して行い、イベント波形・統計（95パーセンタイル）・個別事象の時刻相関を記録する。
主な原因
- 大容量モータやコンプレッサの直入れ起動、アーク溶接機やスポット溶接のパルス負荷
- 昇降機・クレーン等の反復起動、EV充電の突入、ヒーターのサイクル制御
- 弱い系統・短絡容量不足、変圧器タップ不適合、配線の過長・細線による電圧降下
- 無効電力の急変、コンデンサ開閉や共振、分散電源（PV・風力）の出力揺らぎ
- 雷・地絡・再閉路等の系統事象、近隣需要家の大負荷投入
系統・受配電レベルの対策
- AVR/オンロードタップ切替（OLTC）による一次側目標電圧の保持、SVRで末端補償
- 無効電力補償：分路コンデンサ＋直列リアクトル、SVC/STATCOMで動的な無効電力供給
- 電圧サグ対策機器：DVR（Dynamic Voltage Restorer）、ダブルコンバージョンUPS、瞬低補償電源（高応答インバータ＋蓄電）
- フィーダ分割・重要負荷の専用フィーダ化、並列運転の負荷分担調整、トランス容量の適正化
- 需要家協調：大負荷の投入スケジュール化、ソフトスタータ/VFD使用の系統ルール化
配線・設備設計での低減策
電圧降下はおおむねΔV[%]≈100×I×(R cosφ+X sinφ)/Vで評価できる。主幹・幹線は余裕断面を選定し、配線長を最小化、ループインピーダンスを下げる。配電はスター配線で分岐ごとの電圧降下を独立化し、デイジーチェーンを避ける。トランスは短絡電圧%と負荷プロファイルから過渡降下をチェックし、タップ設定を見直す。起動電流の大きい負荷はソフトスタータやVFDを標準化し、同時起動を避ける。コンデンサ開閉はリアクトル付きで共振を回避し、開閉タイミングを調整する。
機器（電源・制御）設計の耐性強化
- 広入力AC/DCとPFC：AC 85～265 V対応、低ライン時のスイッチング損失・熱設計と制御余裕を確保
- ホールドアップ設計：エネルギ式よりCを算出（P t＝0.5 C (V1^2−V2^2) → C＝2P t/(V1^2−V2^2)）。整流後バスのV1（通常）、V2（最低許容）から必要バルク容量・ボルト耐圧を決める
- ブラウンアウト/UVLO：入力検出とリセット監視で不完全動作領域を避ける。ディレーティングを仕様化
- DCバス設計：プリチャージ、インラッシュリミット（NTC/PTC/ソフトスタート）、ORing FETや理想ダイオードで電源切替時のディップを抑制
- 制御安定化：入出力変動に対する位相余裕・利得余裕、アクティブダンピング、電流制御帯域の適正化
- モジュール選定：ドロッパとスイッチングの組合せ、LDOは余裕電圧と熱、DCDCはトランジェント応答指標（負荷過渡ΔVと回復時間）で評価
運用・保全と監視
PQメータ（IEC 61000-4-30）を要所に設置し、イベントトリガ（サグ/スウェル/瞬断）と時刻同期で原因設備を特定する。負荷プロファイルを日・週・季節で可視化し、需要ピークや同時投入を回避する運用ルールを整備する。UPS・DVR・STATCOM等は劣化指標（内部抵抗、コンデンサESR、バッテリSOH）を点検し、ファームウェアはしきい値や復帰ロジックをログに基づき最適化する。設備更新時は短絡容量・インピーダンスを再計算し、余裕を再確認する。
規格試験と適合性評価
- 電圧ディップ耐性：IEC 61000-4-11（AC入力機器）、-4-34（高電流設備）、-4-29（DC入力）で試験
- フリッカ：IEC 61000-4-15の指標でPst・Pltを評価、照明・映像装置ではユーザ体感も考慮
- EMCとの両立：高調波・THD低減（PFC/フィルタ）と電圧安定化の両立を設計審査で確認
- 信頼性：HALT/HASSやラインディップ再現試験で誤動作・ソフトリセット・ラッチアップを摘出し、しきい値とリトライ戦略を調整
簡易計算と設計チェックの要点
- 配線降下：DCはΔV≈I R、三相はΔV[%]式でcosφ・sinφを含め算定。電圧降下限度（例：幹線3%、分岐5%）を守る
- ホールドアップ：負荷P、保持時間t、V1・V2からCを算定。安全率と温度特性、リプル電流許容を加味
- 突入・順序投入：起動電流をソフトスタート化し、電源シーケンス（タイマ/ENピン）でピーク重畳を回避
- 設定値：UVLOは最低動作電圧＋余裕、過電圧は耐圧とディレーティングから設定し、ヒステリシスでチャタリング防止
- フェールセーフ：入力低下時は安全側に停止し、復電時のラッシュ・誤動作を抑える再起動条件を明文化
現場実装のベストプラクティス
- 重要負荷をUPSやDVRで局所保護し、系統対策と二段構えにする
- モータ・溶接等は専用フィーダ、必要ならトランス分離で影響を局在化
- 配電盤で電圧・電流・無効電力を常時監視し、閾値逸脱を通知・ログ化
- 設備増設時は短絡容量・電圧降下の再評価を必須プロセス化
- 設計審査で入力ディップ波形を想定し、回路・ファーム・運用の整合を確認
補足：計測・単位・部品選定の勘所
電圧は計測点で結果が変わるため、母線・末端・負荷端の三点で同時記録しインピーダンスを逆算する。耐圧や絶縁は規定温度でのディレーティングを前提に選定し、コンデンサはリプルと寿命曲線で余裕を確保する。ねじ締結部や端子圧着の接触抵抗も降下要因である。必要な耐圧・容量の選定では、仕様電圧に対して10～20%の設計余裕を持たせるとともに、実測データで周期的に見直す。単位系・基本量の復習にはボルトの定義と換算を参照するとよい。