JPH011015A - 交流定電圧装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の対象〕 本発明はフリッカ−防ＩＥ装置あるいは定電圧装置とし
て有用な電源制御システムに関し、とくに、入力電源電
圧および負荷の変動に対して出力電圧を安定化させる交
流定電圧装置に関する。

〔従来技術〕

従来、米国特許第４，３３９，７０５号にｔ９いてサイ
リスタ・スイッチ方式のインダクタ回路の制御により電
源システムのフリッカ−を防止するとともに出力電圧を
安定化する定電圧装置が提案されている。この定電圧装
置では、サイリスタの位相制御によりインダクタ回路の
りアク（−ル内を流れる交流電圧を調整するため、リア
クトルを流れる電流が多くの高調波成分を含み、この高
調波電流が電力用コンデンサとリニア・リアクトルに流
入して、これら素子に異常音、振動の発生及び過熱損傷
等の障並列Ｆをひき起こしていた。しかも、高調波電流
によって受電電源電圧の波形に歪みが発生する。サイリ
スタは毎サイクルにおいて電圧に同期して点弧する必要
があるが、サイリスタの点弧のための同期信号は電源電
圧からとっているので、同期信号はこの波形歪みのため
に変動してしまう、このため負荷の状態によって制御が
不安定になったり、場合によっては制御不能となってし
まい、安全性ならびに信頼性において問題があった。

つぎに、交流電源にリニア・リアクトルと共振用コンデ
ンサを直列接続し、共振用コンデンサに可飽和リアクト
ルとスイッチング回路との直列回路を並列接続した鉄共
振形定電圧装置が提案されている。この定電圧装置にお
いて、各素子の寸法重量が比較的大きいために装置の構
造が大形イヒするとともに、製造コス１−が高いという
欠点があった。

しかも、このタイプの定電圧装置では人形のリニア・リ
アクトルや可飽和リアクトルに鉄損、銅損等の損失が生
じ、また共振用コンデンサに内部損失が発生する結果、
変換時のエネルギー損失が大きく、効率が悪かった。

〔発明の目的〕

そこで本発明は安全性、信頼性ならびに安定性に優れた
交流定電圧装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は大幅な小形軽量化と低価格化が実現
可能な交流定電圧装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的はエネルギー損失の少ない高効率の交
流定電圧装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は数ワットの小形機用のものから数１
０，０ＯＯＫＶΔの超大形機用のものまで並列２造可能
な超小形の交流定電圧装置を提供することを目的とする
。

本発明の他の［目的は電ｇ電圧波形に歪みを与えること
のない高精度の交流定電圧装置を提供することを目的と
する。

〔発明の構成〕

本発明による交流定電圧装置は励磁電流を供給するため
の直流制御電源と、直列接続された分路巻線および直列
巻線と前記励磁電流により出方電圧を調整する制御巻線
を備えた磁気制御形オートトランスと、該磁気制御形オ
ート１−ランスの出力電圧を検出する電圧検出回路と、
前記直流制御電源の出力端子間と前記制御巻線との間に
接続された半導体スイッチと、前記電圧検出回路の出力
信号に応答して前記制御巻線に供給される前記励磁電流
を制御して前記磁気制御形オートトランスの出力電圧を
安定化するための制御回路を備えたことを特徴とする。

〔実施例〕

以下１図面を参照して本発明を説明する。

第１図において、本発明の望ましい実施例による交流定
電圧’ｌ置１０は交流型並列１に接続された入力側並列
ａ、ｌｌｂと、負荷１２に接続された出力端１２ａ、１
２ｂと、磁気制御形オート１−ランス１４とを備える。

交流定電圧装置１０は直流制御電源１６と、磁気制御形
オートトランスの出力電圧を検出するための電圧検出回
路１８と、出力電圧に応じて制御信号を発生する制御回
路２０と、制御回路の出力信号に応答して励磁電流を磁
気制御形オートトランス１４に供給する半導体スイッチ
回路２１とを備える。

磁気制御形オートトランス１４は入力側並列ａ、ｌｌｂ
に接続された分路巻線２２と２次側に接続された直列者
ｓ２４と、制御端子２６．２８に接続された制御巻線３
０．３２を備える。

第２図において、磁気制御形オートトランス１４は第１
メイン・レッグ３８と、第２メイン・レッグ４０と、第
１、第２メイン・レッグ３８゜４ｏの中間部に設けられ
たシャント・レッグ４２を備えた積層ケイ素鋼板からな
る。第１メイン・レッグ３８には分路巻線２２と直列巻
線２４が設けられ、シャント・レッグ４２には制御巻線
３０．３２が取付けられる。

シャント・レッグ４２は可変リラクタンス部４１として
作用し、ブリッジ部４２ａ、４２ｂを備える。そのため
、制御磁束通路４４は閉ループとなっていて、主磁束通
路４６から分離されるため、主磁束通路４６に悪影響を
与えない、したがって、主磁束通路４６はシャン１−・
レッグ４２が完全に励磁された場合にも制御磁束通路４
４による歪みの影響を受けない。このようにして、制御
巻線３０．３２が一部または完全に付勢された場合でも
オートトランス１４の出力である正弦波交流波形の歪み
が生じない。

第１および第２メイン・レッグ３８，４０の断面積は互
いに等しくなるように選ばれ、シャント・レッグ４２の
断面積はメイン・レッグの５０％以下となるように選ば
れる。シャント・レッグ４２の断面積が５０％以トにな
ると、制御巻線において余分のアンペアターンを必要と
し、鉄心の体積や重量もかさむため非効率である。制御
巻線３０．３２は後述のように非励磁の状態から完全励
磁状態まで変化するように励磁電流が制御されてシャン
ト・レッグ４２のリラクタンスを変化させる。このとき
１分路巻線２２および直列巻線２４により誘導された磁
束の一部がシャント・レッグ４２を介して主磁束通路４
Ｇから点線４８．５０で示す如く分流される。

このように、制御巻線３０．３２の励磁電流を制御する
ことにより、主磁束通路４６からの分流磁束の量を可変
してオートトランス１４の出力端１４ａ、１４ｂの電圧
を調節することができる。前述したように、シャント・
レッグの断面積はサイド・レッグの断面積の５０％以下
に選ばれるために、制御巻線に必要な電力は負荷電力の
およそ百分の１ですむ、すなわち、ｔｏＯＫＶＡの容量
のオートトランスの出力を常に最大に維持するためには
およそ１ＫＶＡの電力の励磁ｆｌｔ流が消費されるため
、損失が極めて少ない。

第１図に戻って、直流制御電源１６はオートトランス１
４の出力端に接続された変圧器６０と、変圧器６０の出
力側に接続された全波整流器６２と平滑コンデンサ６４
を備える。整流器６２の直流出力端子には電圧検出回路
１８が接続される。電圧検出回路１８は整流器６２の直
流出力端子に１８された分圧抵抗６６．６８と、オペア
ンプからなる電圧比較器７０とを備える６分圧抵抗６６
．６８からとり出された入力電圧は抵抗７１とツェナー
ダイオード７３からなる基準電圧回路７２の基準電圧と
比較されて、比較器７０の出力側から出力電圧が制御回
路２０に送られる。制御回路２０は整流器６２の直流出
力端子に接続された基準電源回路７４を備える。

基準電源回路７４は抵抗７６とコンデンサ７８との直列
回路と、ジャンクション８２にコンデンサと並列接続さ
れたツェナーダイオード８０からなる。制御回路２０は
ダーリン！−ン傍続されたトランジスタ８４．８６と。

三角波発振器８８と、比較器７０の出力電圧と三角波発
振器８８の三角波形出力とを比較して、トランジスタ８
６のベースにパルス巾の異なる駆動パルスを出力する差
動増巾器９０を備える。トランジスタ８４．８６のコレ
クターは基準電源回路７４のジャンクション８２に接続
され、トランジスタ８４のオン・オフによって半導体ス
イッチ回路２１を制御する。

半導体スイッチ回路２１は整流器６２の直流出力端子に
接続された半導体スイッチ８８と、電流吸収コンデンサ
９２と、ダイオード９４とを備える。半導体スイッチ８
８はたとえばトランジスタからなり、そのベースにトラ
ンジスタ９０がダーリントン接続されている。半導体ス
イッチ８８は整流器６２の直流出力電流の一部を分流す
ることを可能にする。整流器６２から励磁電流を供給さ
れる制御巻線３０．３２には電流吸収コンデンサ９２が
、ｌｆｔ列接続されている。このコンデンサ９２は半導
体スイッチ８８がオフ時に′Ｍ流器６２の直流出力ｆ！
１流と励磁電流との停電流分を吸収するのに役立つ。半
導体スイッチ８８は後述のように通流率制御され、これ
により励磁電流が調整される。この場合に通流率制御は
オートトランス１４の出力型ＩＣの検出値とそれの＋１
標値との偏差奈なくすように制御回路２０により制御さ
れる。コンデンサ９２と半導体スイッチ８８との間には
逆流防市川ダイオード９４が接続される。ダイオード９
４は半導体スイッチ８８のオン時にコンデンサ９２から
の放電電流がこの半導体スイッチ８８を介して流れるの
を防止する。これにより半導体スイッチ８８として使用
される、たとえば、図示の如きトランジスタ８８の素子
の破壊を防止する。

電流吸収コンデンサ９２と並列にツェナーダイオード等
の電圧制限素子９５が接続される。この電圧制限素子９
５は励磁電圧が電圧制限素７−９５により制限される電
圧に達すると導通し、半導体スイッチ８８と電流吸収コ
ンデンサ９２に過電圧が加わらないようにするために設
けられる。

つぎに、第３図に示す各部の電圧電流波形例を参照しな
がら動作を説明する。

整流器６２の直流出力電流工□はいかなる場合でも制御
巻線の励磁電流Ｉ２の所要値よりも大きくなるように回
路定数が選ばれる。半導体スイッチ８８がオンのときに
は整流器６２の直流出力電流工、はこの半導体スイッチ
８８によって分路され、励磁電流Ｔ２は減少してゆく、
つぎに、半導体スイッチ８８がオフすると、整流器出力
電流■１は増加してゆきながら制御巻線３０．３２に流
入する。制御巻線のインダクタンスのために励磁＠Ａｒ
Ｚは徐々にしか増大できないため、停電流分Ｉ□−ｈは
電流吸収コンデンサ９２に流入する。このようにして、
励磁電流工、は半導体スイッチ８８のベースに加えられ
る制御信号８４ａによって目標値に保たれるように瞬時
値制御される。

アンプ７０のマイナス入力側に加えられた入力電圧（オ
ートトランス１４の出力型ｌ［に比例する）とプラス入
力側に加えられたＪ、ｃ市電圧とが比較されて、出カフ
０ａが生ずる。第３図の波形７０ａ、８８ａとはアンプ
９０で比較されて、パルスＤＯａが出力される。このパ
ルス９０ａはトランジスタ８６のベースに供給され、ト
ランジスタ８４．８６は制御信号８４ａを出力する。こ
の制御信号８４ａのパルス中はオートトランス１４の出
力電圧に応答した値を有する。

ある瞬時での半導体スイッチ８８の通流率αはオン時間
をＴ　ｏ　ｎ　、周期をＴとすると、 ｏｎ と表わすことができ、励磁電流Ｉ２の平均値Ｉ、ａｖは
、整流器出力Ｉ、の平均値■工ａＶとすると Ｔ　Ｚ　ａ　Ｖ　＝（Ｚ　’　Ｔ　ｈ　ａ　Ｖなる関係
にある。すなオ）ち、平均値としてみると、整流器出力
電流ＩＬのうち励磁にはα並列ａｖだけ’ｔｌｉ６ｈ、
スイッチ８日には残りの（１−α）ｒ工ａｖが分流して
いることが分かる。このように半導体スイッチ８８はオ
ートトランスの出力電圧に応答してオン・オフされて、
この出力電圧が一定のレベルに保持されて安定化される
。

第４図は本発明による交流定電圧装置１０の他の実施例
を示し、第１図と同一部品には同一符号を、そして類似
部品には同一符号にアポストロフィ（′）を付けである
。

この実施例では、直流型ｇ１６′がトランス６０の代わ
りに、オートトランス１４の２次側に接続された変流器
１００と交流リアクトル１０２とから構成される。変流
器１００は負荷ｆ！！流に依存した電流成分を取り出し
。

交流リアクトル１０２は負荷電圧に依存した電圧成分を
とり出す、これら固成分を′！３流器６２によりベクト
ル合成して直流出力電流とし、この電流を制御巻線３０
．３２の励磁電流として用いる。？！流器の直流出力電
流に含まれる電圧依存成分と電流依存成分とにより、負
荷の投入１ｇ断などの急激な負荷変動時に直流出力電流
の変化によって応答性よくその負荷変動を補償させるこ
とができる。

以！・、本発明について用相用のオートトランス１４の
例として説明したが、」−述のオートトランスを３相結
線して３相交流電源に接続することもできる。さらに、
励磁′Ｉ？１流を制御するための半導体スイッチまたは
可飽和リアクトルを直流電ｇｉ６．１６’の９：ｉ流器
の交流入力側に設けても良い。

しかも、励ｍｔａ流はオートトランスの入力側から変圧
器および整流器を介して取り出しても良い、なお、交流
リアクトル１０２の代わりに抵抗を用いても良い。

〔発明の効果〕

以上より明らかなように１本発明による交流定電圧装置
はつぎのような効果をもたらす。

（１）電圧調整器が磁気制御形オートトランス構造をし
ているため、電圧調整器を著しく小形軽量、低価格化す
ることができる。たとえば、オートトランスの直列巻線
の出力を２ｖに設定し、１次電圧を２００Ｖ、２次電圧
を２０２Ｖとなるように分路巻線と直列巻線との巻数比
を選択すると、５０ＫＶΔの負荷容量の電圧調整器を約
０．４５ＫＶΔの自己容量のオートトランスで構成でき
る。このとき１分路巻線に流れる電流は極めて少ないの
で、銅断面積も小さくてよいし、銅損が少なくなる。な
お、自己容量が１００分の１以下になるために、鉄心の
使用量も少なくなり、鉄損も少ない６分路巻線は共通で
漏れ磁束がないから、電圧変ジノ率が良い。

（２）大きな負荷容量の交流定電圧装置が１００分の１
以下の自己容量の磁気制御形オートトランスで制御でき
るため、オートトランスのシャント・レッグの断面積を
小さくでき、したがって、低電圧で小電力の励磁電流で
出力電圧の制御が可能となり、回路構成が非常に簡単と
なり、大幅な低価格化と小形化が図れる。

（３）低電圧、小容量の半導体スイッチを磁気制御形オ
ー１へトランスの制御巻線と組み合わせて高電圧（たと
えば１万ポル１〜以」−）、人容駄の電圧制御が可能な
ため、安全で信頼性が高く、シかも、極めて安価な電子
部品で従来不可能であった高電圧の交流電源から安定化
した大容量の定電圧が得られるため、実用」−の効果が
大きい。

（４）本発明の定電圧装置では交流電圧の位相制御方式
をとらないため、受電電ＦＩＸ電圧波形に歪みを発生さ
せたり、ノイズを発生させない。

（５）大きな負荷容量に対して小さな自己容量のオート
トランスと小電力の制御回路の採用を可能として、エネ
ルギー損失を最小としたため、定電圧装置の大幅な高効
率化が図れる。

（６）本発明の定電圧装置をフリッカ−防止装置として
利用する場合は磁気制御形オートトランスの巻線比を入
力電圧に対して出力電圧が並列０％となるように設定す
ることにより、誘導電気炉や人形誘導モータの投入。

遮断時における約１０％の電圧変動を１〜２％以内に自
動制御できる。この場合、電力用のりアクドルとコンデ
ンサを用いないため、従来にない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による望ましい実施例の交流定電圧装置
、第２図は第１図の磁気制御形オートトランスの具体例
、第３図は第１図の電流電圧波形図、第４図は本発明の
交流定電圧装置の第２実施例をそれぞれ示す。 １３・・・・・・・・・整流器 １４・・・・・・・・・磁気制御形オートトランス１６
・・・・・・・・・直流制御電源 １８・・・・・・・・・電圧検出回路 ２０・・・・・・・・制御回路 ２１・・・・・・・半導体スイッチ 尾２図 Ｌ３凹

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）交流電源に接続される１次側と、負荷に接続
   される２次側と、該負荷に供給される出力電圧を可変す
   る制御巻線と、直列接続された分路巻線および直列巻線
   とを備えた磁気制御形オートトランスと、（ｂ）前記制
   御巻線に直流励磁電流を供給するための直流制御電源と
   、（ｃ）前記制御巻線と前記直流制御電源との間に接続
   され、前記制御巻線に供給される前記直流励磁電流を制
   御して前記出力電圧を調整する半導体スイッチと、 （ｄ）前記オートトランスの出力電圧と基準電圧とを比
   較し、差電圧に比例した出力信号を発生する電圧検出回
   路と、（ｅ）前記出力信号に応答して、前記半導体スイ
   ッチの通流率を制御して前記オートトランスの出力電圧
   を一定値に調整する制御回路と、を備えた交流定電圧装
   置。 ２、前記磁気制御形オートトランスが磁気的に結合され
   た第１メイン・レッグおよび第２メイン・レッグと、前
   記第１メイン・レッグに巻かれた前記分路巻線および前
   記直列巻線と、前記制御巻線により制御される可変リラ
   クタンス部を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の交流定電圧装置。 ３、前記磁気制御形オートトランスの可変リラクタンス
   部は前記第１メイン・レッグと前記第２メイン・レッグ
   の中間部に結合されたシャント・レッグからなることを
   特徴とする特許請求の範囲第２項記載の交流定電圧装置
   。 ４、前記直流制御電源は前記オートトランスに接続され
   た変成器と、前記変成器に接続された整流器を備えたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載
   の交流定電圧装置。 ５、前記直流制御電源が前記オートトランスに接続され
   た、負荷電流に依存する電流成分をとり出す変流器と、
   該変流器と前記制御巻線の間に接続された整流器からな
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項
   記載の交流定電圧装置。 ６、前記直流制御電源が、さらに前記オートトランスと
   前記直流制御電源の前記整流器の入力側に接続された、
   負荷電圧に依存する電圧成分をとり出す回路素子を備え
   、前記電流成分と前記電圧成分とをベクトル合成したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の交流定電圧
   装置。 ７、前記半導体スイッチが前記直流制御電源の前記整流
   器の直流出力端子間に接続されて、前記直流出力電流の
   一部を前記半導体スイッチに分流させたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第４項または第５項記載の交流定電圧
   装置。 ８、前記半導体スイッチに並列に電流吸収回路が接続さ
   れたことを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の交流
   定電圧装置。 ９、直列に接続された分路巻線および直列巻線と、可変
   リラクタンス部と、該可変リラクタンス部を制御する制
   御巻線とを備えた磁気制御形オートトランスと、負荷電
   圧に依存した成分を取り出す交流リアクトルと負荷電流
   に依存した成分を取り出す電力用変流器と、両成分をベ
   クトル合成した電流を前記制御巻線に供給する整流器を
   備えた直流制御電源と、前記直流制御電源の整流器に接
   続されていて該整流器の直流出力電流を制御する半導体
   スイッチと、基準電圧と負荷電圧を検出して差電圧に応
   じた出力信号を出す電圧検出回路と、前記出力信号に応
   答して前記半導体スイッチの導通状態を制御して前記制
   御巻線に供給される直流出力電流を可変調整する制御回
   路と、を備えた交流定電圧装置。