JPH06205535A

JPH06205535A - 基準設定値追従制御による多機能交流電源装置

Info

Publication number: JPH06205535A
Application number: JP4351980A
Authority: JP
Inventors: Akira Sato; 昭（ほか１名）佐藤; Kazumori Ide; 萬盛井出
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-12-09
Filing date: 1992-12-09
Publication date: 1994-07-22

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】同一の電力供給回路で複数機能の運転を可能に
し、利用効率の向上をはかる交流電源装置を提供する。【構成】コンデンサＣと並列接続した制御リアクトルＸ
_L0の入力側に線形リアクトルＸ_L1を直列接続し、コンデ
ンサＣの両端から出力を得るよう電力供給回路１を構成
し、出力電圧の検出手段３、負荷電流の検出手段（４）
および無効電流を制御するサイリスタＳＣＲを備え、負
荷電流および出力電圧の変化に追従した無効電流制御を
行なう。基準電圧、基準電流、基準電力の可変は可変手
段６および７で行なう。また、定電流補償運転と定電力
補償運転は電源機能切り替え手段８で行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】電子機器あるいは電気機器の高性
能化の要求により、その電源として安定化電源の需要が
増大している。その主な用途を上げると次のようであ
る。 a)計測用電源 b)デジタル計算機用電源 c)通信用電源 d)電熱用電源 e)高圧用電源 f)電気化学用電源特に電熱用電源としてのアーク炉などでは負荷変動に対
する定電流電源の必要が高く、また計測用電源、デジタ
ル計算機用電源などの定電圧電源は安定精度が高く要求
されている。

【０００２】

【従来の技術】交流定電圧出力を得る方式として、従来
より知られている代表的なものに次のようなものがあ
る。 a)機械的駆動方式による誘導電圧調整器のモータ駆動 b)鉄共振による直列鉄共振形および並列鉄共振形 c)可飽和リアクトルによる直列制御形、並列制御形 d)サイリスタによる直列制御形、並列制御形これらは定電圧変圧器（ＣＶＴ）あるいは自動定電圧装
置（ＡＶＲ）として広く普及しているものであり、信頼
性の高い装置である。特にサイリスタによる並列制御形
の定電圧装置は入力電流波形および出力電圧波形がほぼ
正弦波であり、高力率、高効率など優れた特性を示す。
また、定電流源は通常出力電流を検出し、フィードバッ
ク制御を行うが、前記鉄共振による定電圧装置等は定電
流特性を持っているのでこれがそのまま利用されること
もある。サイリスタによる並列制御形の定電圧装置は出
力回路の無効電力制御によって出力電圧補償を行なって
いる。すなわち、コンデンサと制御リアクトルの並列回
路に流れる合成電流（以後、出力回路の無効電流）を調
節することで電圧補償を行なっている。前記出力回路の
無効電流の調整方法は一般に出力回路の電圧電流特性
（スロープリアクタンスＸ_S）に基づいて行なっている
為、定電圧補償は可能でも負荷への一定電流供給や一定
電力供給の補償を同時に可能にするものではない。ま
た、スロープリアクタンスＸ_Sに基づいた定電圧補償に
おいては補償利得に限界があり、ハンチング現象などの
不安定動作との関係が深い為、高精度な定電圧補償を期
待できない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】電源装置においては安
全性と軽量化は常に要求される問題点であるが、大容量
電源においては未解決の状態のものが多い。そこで、単
一機能の装置を多機能化することで利用効率を向上させ
る事が考えられる。利用効率の向上によって、機能単位
の軽量化を図ることができ、価格低下に寄与できる。定
電圧補償、定電流補償を実現する単一機能の装置は前記
先行する従来の技術においても見られるが、同じ電力供
給回路において定電圧補償、定電流補償、定電力補償が
実施でき、各補償運転における出力を可変できる装置は
前記先行する従来の技術では実現されていない。本発明
では同じ電力供給回路で異なった電源機能の達成を解決
するものであり、複数の電源機能を同じ電力供給回路で
実現し、装置の利用効率向上を図ると同時に出力特性の
改善を行なうことが課題である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、同一電力供給回
路に対する無効電力制御によって複数の電源機能を実現
する為に、本発明の多機能交流電源装置ではコンデンサ
Ｃと制御用リアクトルＸ_L0を並列に接続した出力回路の
入力側に線形リアクトルＸ_L1を直列に接続した電力供給
回路を備え、制御用リアクトルＸ_L0をトライアックある
いは逆並列接続したサイリスタで位相制御する事によっ
て、定電圧補償、定電流補償、定電力補償を行なってい
る。その為に、出力電圧検出および同期信号発生手段、
負荷電流検出手段、サイリスタ駆動手段、および点弧パ
ルス発生部、Ａ／Ｄ変換部、ＣＰＵ制御部から構成され
る位相制御手段を備え、さらに出力電圧や負荷電流を可
変する為の出力電圧可変手段、負荷電流可変手段を備
え、電源機能の切り替えを行う為の電源機能切り替え手
段を備えている。また、同一電力供給回路に対する無効
電力制御には、出力電圧や負荷電流あるいは出力電力の
過渡的な変化に追従した出力回路の無効電力制御方法
（特許出願平成４年１０３４４２号）による運転手段を
備え、マイクロコンピュータを用いて実施する事によっ
て前記各電源機能間の切り替えを可能にした。ただし、
無効電力制御では点弧位相決定に対して数値演算処理を
行なわず、単純な計数処理による事を特徴とする。

【０００５】

【作用】本発明の多機能交流電源装置は複数の電源機能
を有する。すなわち、入力電圧の変動に対する出力電圧
の一定維持および負荷の変動に対する出力電圧の一定維
持（定電圧補償機能）、負荷の変動に対する負荷電流の
一定維持（定電流補償機能）、負荷の変動に対する出力
電力の一定維持（定電力補償機能）ができる。例えば、
運転中に入力電圧が変動した場合、出力電圧は一時的に
変動して基準設定電圧の許容範囲から外れるが、変動し
た出力電圧は検出手段によって検出され、基準設定電圧
の許容範囲に戻るまで出力回路の無効電力を徐々に増加
あるいは減少することによって、出力電圧は基準設定電
圧に向かって徐々に回復し、最終的に基準設定電圧に復
帰する。また、負荷の変動によって出力電圧が変動した
場合も出力電圧は前記同様な制御過程を経て、基準設定
電圧に維持される。また、例えば、負荷の変動に対する
定電流補償動作および定電力補償動作についても、与え
た基準設定電流値および基準設定電力値に対し、検出さ
れた負荷電流および出力電力が許容範囲に戻るまで繰り
返し無効電力を調整する。したがって、定電圧補償運
転、定電流補償運転、定電力補償運転のいずれにおいて
も出力回路の無効電力を徐々に増加あるいは減少する事
によって、許容範囲を設けた基準値に維持することがで
きる。すなわち、出力電圧を制御の対象とした場合は定
電圧補償運転、負荷電流を制御の対象とすると定電流補
償運転、さらに出力電力を制御の対象とすると定電力補
償運転が実施できる。

【０００６】また、本発明の多機能交流電源装置は与え
られた基準設定値を追従する制御方法による無効電力制
御を取り入れている為、一定維持される出力電圧の変
更、一定維持される負荷電流の変更、さらに、一定維持
される出力電力の変更はそれぞれ目的とする基準設定値
を変更することによって滑らかに行なうことができる。
例えば運転中に出力電圧の変更を行なう場合は基準出力
電圧可変手段によって出力電圧の基準設定電圧の変更を
行なう。また、一定に維持される負荷電流の変更を行な
う場合は基準負荷電流可変手段によって負荷電流の基準
設定値の変更を行なう。さらに、出力で得られる一定電
力の変更には、前記基準出力電圧可変手段と基準負荷電
流可変手段の双方を用いて出力電力の基準設定値の変更
を行なう。すなわち、出力電圧と負荷電流の設定値を与
えることによって基準となる出力電力を得ている。した
がって、制御の限界内において前記各電源機能における
各出力は可変できる。

【０００７】また、本発明の多機能交流電源装置は与え
られた基準設定値を追従する制御方法による無効電力制
御を取り入れている為、前記各電源機能間の機能変更が
滑らかに行える。例えば、ある負荷変動範囲に対して定
電圧補償運転している電源を電源機能切り替え手段によ
って運転機能を変更する事により、同一負荷変動範囲に
対して定電流補償運転あるいは定電力補償運転に機能変
更することができる。

【０００８】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。第１図を用いて本発明の多機能交流電源装置の
回路構成全体について説明すると次のようである。本発
明は線形素子を用いたサイリスタによる並列制御形交流
定電圧装置を基本とする装置で、その電力供給回路はト
ライアックや逆並列接続したサイリスタで制御可能な線
形リアクトルＸ_L0とコンデンサＣを並列接続した出力回
路の入力側に線形リアクトルＸ_L1を直列接続した回路構
成であり、コンデンサＣの両端（ＯＱ端子）から出力を
得るようにしている。このような回路構成においては、
出力電圧を検出し、基準電圧との比較制御を行う事によ
って出力電圧を一定にできることは良く知られた技術で
ある。そこで、本発明では前記サイリスタによる並列制
御形交流定電圧装置での出力電圧検出に加え、負荷電流
の検出回路を設ける事によって定電流補償運転、定電力
補償運転を実現し、基準設定値追従制御方式（特許出願
平成４年１０３４４２号）による無効電力制御をマイク
ロコンピュータを用いて実施する事によって電源機能の
複合化および各機能における出力の可変を実現した。以
下に本発明の各機能における動作説明と、各機能を維持
するための出力回路の無効電力制御について説明する。

【０００９】本発明における電力供給回路（１）につい
て説明すると次のようである。すなわち、本発明の多機
能交流電源装置は線形素子を用いたサイリスタによる並
列制御形交流電源装置で、その電力供給回路（１）はト
ライアックや逆並列接続したサイリスタで制御可能な線
形リアクトルＸ_L0とコンデンサＣを並列接続した出力回
路の入力側に線形リアクトルＸ_L1を直列接続した回路構
成であり、コンデンサＣの両端（ＯＱ端子）から出力を
得るようにしている。

【００１０】次に、電圧検出手段および同期信号発生手
段（３）に対する具体的回路を第２図を参照しながら次
のように説明する。電圧検出では出力電圧を電圧検出用
トランス（Ｐ.Ｔ）によって降圧し、整流ブリッジによ
って全波整流している。全波整流波を抵抗ｒ1およびｒ2
によって分圧してから平滑用コンデンサＣ1によってリ
ップルを除去した直流電圧を得ている。この直流電圧を
ポテンションメータＶＲ1によって調整することによっ
て出力電圧の検出値（０〜５Ｖ）を得る。また、全波整
流波を抵抗ｒ3およびｒ4によって分圧し、これをインバ
ータＮＴ1に印加する事によって出力電圧のゼロクロス
付近において同期パルスを発生させている。尚、ダイオ
ードＤ1は逆流防止用、ツエナーダイオードＤ2は過電圧
保護用である。

【００１１】また、負荷電流検出手段に対する具体的回
路を第３図を参照しながら次のように説明する。負荷電
流を電流検出用トランス（Ｃ.Ｔ）によって交流電圧と
して検出し、整流ブリッジによって全波整流している。
全波整流波を抵抗ｒ5およびｒ6によって分圧してから平
滑用コンデンサＣ2によってリップルを除去した直流電
圧を得ている。この直流電圧をポテンションメータＶＲ
2によって調整することによって負荷電流の検出値（０
〜５Ｖ）を得る。

【００１２】本実施例ではトライアックや逆並列接続し
たサイリスタを素子とする位相制御可能なソリッドステ
ートリレー（ＳＳＲ）によって無効電力制御を行なっ
た。第４図を用いて本発明のＳＣＲ駆動手段について説
明すると次のようである。パルス発生部で発生した点弧
位相制御用のパルスをインバータ（ＮＴ2）で反転しソ
リッドステートリレー（ＳＳＲ）の直流入力端子に印加
している。ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）の直流入
力端子のプラス端子に＋５Ｖをマイナス端子に制御信号
を印加し、制御信号をプルアップしているため、制御信
号がＯＦＦ状態のときソリッドステートリレーはＯＮ状
態となる。なを、本実施例で使用したソリッドステート
リレー（ＳＳＲ）はジェルシステム株式会社製のＡ５Ｓ
−２２５Ｎである。

【００１３】本発明では出力電圧の検出あるいは負荷電
流の検出用としてＣ.ＴやＰ.Ｔあるいはトランスジュー
サを用いて行うことができる。検出したアナログ量をマ
イクロコンピュータを用いた制御回路のＡ／Ｄ変換部で
デジタル量に変換し、基準電圧可変手段（６）および基
準電流可変手段（７）により設定された基準値と比較し
ながら適切な点弧角に近付けていくようにマイクロコン
ピュータで繰り返し処理を行なう事によって、定電圧補
償、定電流補償、定電力補償を行う。基準電圧可変手段
（６）、基準電流可変手段（７）および電源機能切り替
え手段（８）の具体的回路を第５図を参照しながら次の
ように説明する。基準設定は０Ｖから＋５Ｖまでの直流
電圧をＡ／Ｄ変換して対応する交流電圧や交流電流の基
準設定電圧値および基準設定電流値を得るようにした。
したがって、ポテンションメータ（ＶＲ3、ＶＲ4）を＋
５Ｖと接地端に接続して直流電圧を０Ｖから＋５Ｖまで
可変できるようにした。また、電源機能切り替え手段
（８）については２値状態の判断を行うものであるた
め、０Ｖか＋５ＶかをＡ／Ｄ変換することにした。そこ
で、トグルスイッチ（Ｓ）によって０Ｖと＋５Ｖの切り
替えができるようにした。

【００１４】本発明の制御の流れについて第１図を用い
て説明すると次のようである。電圧検出手段（３）によ
って検出された出力電圧の検出値（直流電圧０〜５Ｖ）
は点弧位相制御手段（２）上のＡ／Ｄ変換部に接続され
る。また、電流検出手段（４）によって検出された負荷
電流の検出値（（直流電圧０〜５Ｖ）もＡ／Ｄ変換部に
接続される。直流電圧の０Ｖから５Ｖに対応する出力電
圧や負荷電流はＡ／Ｄ変換部において１０ビットの分解
能でＡ／Ｄ変換され、ＣＰＵ制御部に入力される。ま
た、直流５Ｖを基準電圧可変手段（６）によって分圧し
た電圧および基準電流可変手段（７）によって分圧され
た電圧をそれぞれＡ／Ｄ変換部でデジタル量に変換する
ことによって基準出力電圧値、基準負荷電流値を得る。
また、基準出力電力値は前記基準出力電圧値と基準負荷
電流値の積から得る。さらに、電源機能切り替え手段
（８）の状態（ＯＮかＯＦＦ）によって定電力補償制
御、定電流補償制御の切り替えを行っている。また、出
力回路の無効電力制御は従来から良く知られている逆並
列接続されたサイリスタやトライアックで構成されてい
る位相制御可能なソリッドステートリレー（ＳＳＲ）に
よる点弧位相制御によって実施した。

【００１５】各運転機能の動作について説明すると次の
ようである。第６図から第１１図に示すベクトル図は本
発明の電力供給回路（１）における動作時の電圧・電流
ベクトル図にして、各電圧・電流ベクトル図は次のよう
な共通する特徴を有する。すなわち、ＯＱは出力電圧ベ
クトル（Ｖ0）、ＯＰは入力電圧ベクトル（Ｖ1）、ＱＰ
は入力側線形リアクトルの端子電圧ベクトル（ＶL）、
ＯＳは負荷電流ベクトル（Ｉ0）、ＯＲは入力電流ベク
トル（Ｉ1）、ＳＲはコンデンサと制御リアクトルＸL0
の並列回路に流れる合成電流ベクトル（出力回路の無効
電流）（ＩX）にして、入力側線形リアクトル端子電圧
ベクトルＱＰ（ＶL）は入力電流による線形リアクトル
での電圧降下であるため、入力電流ベクトルＯＲ（Ｉ
1）と入力側線形リアクトル端子電圧ベクトルＱＰ（Ｖ
L）は常に直交する関係にある。また、出力回路の無効
電流ＳＲ（ＩX）は出力電圧ベクトルＯＱ（Ｖ0）に対し
て常に直交する関係にある。ただし、以上の関係は鉄損
および銅損を無視した関係であるが、基本動作を説明す
るには支障ないものと考える。なを、出力回路における
無効電力制御は出力回路の無効電流（ＩX）の制御によ
って行なわれる為、出力回路の無効電力制御は無効電流
（ＩX）の制御によって説明する。

【００１６】第６図は本発明の電力供給回路（１）の無
負荷時における電圧・電流ベクトル図にして、無負荷時
の定電圧補償動作を次のように説明する。すなわち、第
６図［ａ］のように入力電圧ＯＰ（Ｖ1）が出力電圧Ｏ
Ｑ（Ｖ0）よりも小さい時はＱＰなる入力線形リアクト
ル端子電圧（ＶL）によって出力電圧ＯＱ（Ｖ0）を一定
値に維持するために容量性無効電流として出力回路の無
効電流ＯＲ（ＩX）を流す。第６図［ｂ］のように入力
電圧ＯＰ（Ｖ1）が出力電圧ＯＱ（Ｖ0）と一致した場合
は出力回路の無効電流は流さない。また、第６図［ｃ］
のように入力電圧ＯＰ（Ｖ1）が出力電圧ＯＱ（Ｖ0）よ
り大きくなった時は出力電圧ＯＱ（Ｖ0）に対して出力
回路の無効電流ＯＲ'（ＩX'）なる誘導性無効電流を流
すことによって出力電圧ＯＱ（Ｖ0）を一定値に維持で
きる。

【００１７】第７図は本発明の電力供給回路（１）の抵
抗負荷時の電圧・電流ベクトル図にして、一定入力電圧
の基で負荷が変動した場合の定電圧補償動作を次のよう
に説明する。すなわち、負荷電流ＯＳ（Ｉ0）がＯＳ'
（Ｉ0'）に変化した場合、出力電圧ＯＱ（Ｖ0）を一定
値に維持するにはＱＰ'なる入力側線形リアクトルの端
子電圧（ＶL'）を必要とする。そのためにはＯＲ'なる
入力電流（Ｉ1'）を流すべくＳ'Ｒ'なる出力回路の無効
電流（ＩX'）（容量性無効電流）が必要になる。この
時、Ｐ点は入力電圧ＯＰ（Ｖ0）を半径とする円周上に
ある。負荷電流が増加し、ＯＳ"（Ｉ0''）になった場
合、Ｐ点は入力電圧一定の為、入力電圧ＯＰ（Ｖ1）を
半径とする円周上（９）を移動し、入力側線形リアクト
ルの端子電圧ＱＰ"（ＶL''）によって出力電圧ＯＱ（Ｖ
0）を一定値に維持できる。この時の出力回路の無効電
流はＳ"Ｒ"（ＩX''）となり、更に容量性の無効電流を
必要とする。したがって、負荷電流が増加した場合は出
力回路の無効電流として容量性の無効電流を増加させ、
負荷電流が減少した場合は出力回路の無効電流としての
容量性無効電流を減少させる事によって出力電圧ＯＱ
（Ｖ0）を一定値に維持できる。

【００１８】第８図は本発明の電力供給回路（１）の抵
抗負荷時の電圧・電流ベクトルにして、負荷時における
入力電圧変動に対する出力電圧の定電圧補償動作を次の
ように説明する。すなわち、一定負荷状態で入力電圧Ｏ
Ｐ（Ｖ1）がＯＰ'（Ｖ1'）へ変化した場合、出力電圧Ｏ
Ｑ（Ｖ0）を一定に保つにはＱＰ'なる入力側線形リアク
トルの端子電圧（ＶL'）を必要とする。そのためにはＯ
Ｒ'なる入力電流（Ｉ1'）を流すべくＳＲ'なる出力回路
の無効電流（ＩX'）が必要になる。また、入力電圧ＯＰ
（Ｖ1）がＯＰ"（Ｖ1”）へ変化した場合、出力電圧Ｏ
Ｑ（Ｖ0）を一定に保つにはＱＰ"なる入力側線形リアク
トルの端子電圧（ＶL”）を必要とする。そのためには
ＯＲ"なる入力電流（Ｉ1”）を流すべくＳＲ"なる前記
出力回路の無効電流（ＩX”）が必要になる。したがっ
て、入力電圧（Ｖ1）が下がった時は前記出力回路に容
量性無効電流を増加し、入力電圧（Ｖ1）が上がった時
は誘導性無効電流を増加すれば出力電圧（Ｖ0）は基準
設定電圧（Ｖref）に向かって調整される。このよう
に、負荷時の入力電圧変位に対して出力電圧の一定維持
は出力回路の無効電流を適切に調整することで可能とな
る。

【００１９】入力電圧と出力電圧が一致しない場合の負
荷時における定電圧補償動作は第９図を用いて次のよう
に説明する。負荷電流がＯＳ（Ｉ0）からＯＳ'（Ｉ0'）
に変化した場合、出力電圧を一定に保つには入力側線形
リアクトルの端子電圧ＱＰ（ＶL）を必要とし、入力電
圧と出力電圧が等しい場合と同様にＰ点が入力電圧ＯＰ
（Ｖ1）を半径とする円周上（９-A）を移動するように
出力回路の無効電流を増減することによって出力電圧Ｏ
Ｑ（Ｖ0）を一定電圧に維持できる。さらに、出力電圧
が入力電圧より大きい場合も同様に出力回路の無効電流
を増減することによって出力電圧の定電圧性を維持でき
る。以上のような、入力電圧ＯＰ（Ｖ1）と出力電圧Ｏ
Ｑ（Ｖ0）が一致しない状態においても負荷電流が増加
した場合は出力回路の無効電流として容量性無効電流を
増加させ、負荷電流が減少した場合は出力回路の無効電
流として容量性無効電流を減少させることによって出力
電圧を一定値に維持できる。

【００２０】第１０図は一定入力電圧において負荷を変
化させた時の電圧・電流の変化を示すベクトル図にし
て、負荷の変化に対する定電流補償動作を次のように説
明する。出力電圧ＯＱ（Ｖ0）がＯＱ'（Ｖ0'）に変化し
た場合、負荷電流ＯＳ（Ｉ0）を一定値に維持するため
には入力側線形リアクトルの端子電圧Ｑ'Ｐ（ＶL'）が
必要となる。そのためには入力電流ＯＲ'（Ｉ1'）を流
すべく誘導性の無効電流をＳＲ'（ＩX'）が流れること
によって負荷電流ＯＳ（Ｉ0）を一定値に維持できる。
したがって、負荷の変化に対して負荷電流を一定値に維
持する為の出力回路における無効電流の調節には一定の
規則性がある。すなわち、負荷の変動によって出力電圧
ＯＱ（Ｖ0）が下がった場合、出力回路の無効電流は容
量性無効電流を減少し誘導性無効電流を増加すればよ
く、また、逆に負荷の変動によって出力電圧ＯＱ（Ｖ
0）が上がった場合、出力回路の無効電流は誘導性無効
電流を減少し容量性無効電流を増加すればよい。

【００２１】負荷の変化に対する定電力補償動作は第１
１図を用いて次のように説明される。出力電圧ＯＱ（Ｖ
0）がＯＱ'（Ｖ0'）に変化した場合、負荷の消費電力
（電流と電圧の積）が一定値を維持するためには入力側
線形リアクトル端子電圧Ｑ'Ｐ’（ＶL'）が必要にな
る。そのためには入力電流ＯＲ'（Ｉ1'）を流すべく誘
導性の無効電流Ｓ'Ｒ'（ＩX'）と出力電圧ＯＱ（Ｖ0）
の下がった分だけ負荷電流を増加することによって出力
電力を一定値に維持できる。したがって、負荷の変化に
対して出力電力を一定に維持するための出力回路の無効
電流の調節には規則性がある。すなわち、負荷抵抗が減
少した場合、出力回路の無効電流を容量性無効電流から
誘導性無効電流へと切り替え、負荷抵抗が増加した場
合、出力回路の無効電流を誘導性無効電流から容量性無
効電流へと切り替えていけば出力電力を一定に保持でき
る。したがって、負荷時の定電流補償動作および定電力
補償動作を実現するには負荷電流の検出を必要とし、負
荷電流の変位に応じた出力回路の無効電流制御によって
定電流補償動作を実現し、負荷電流と出力電圧の積（出
力電力）の変位に応じて出力回路の無効電流制御を行う
ことにより定電力補償動作を実現できる。

【００２２】定電圧補償機能、定電流補償機能、および
定電力補償機能を維持するための出力回路の無効電力制
御は前記したように規則性がある。その無効電力制御の
規則性とは、定電圧補償機能、定電流補償機能、および
定電力補償機能を維持する際に、いずれの場合も各基準
設定値を越えた時、誘導性無効電流を増加することによ
って各基準設定値に復帰させることができ、各基準設定
値以下になった時、容量性無効電流を増加させることに
よって再び各基準設定値の状態に復帰させることができ
ることである。本発明における電力供給回路（１）では
この無効電力制御の規則性にしたがって出力回路の無効
電力を制御している。したがって、定電圧補償において
は出力電圧の変化に対して複雑な数値演算処理を行なっ
てサイリスタの点弧位相角を決定する様な方法を用いて
いない。すなわち、出力電圧を一定値に維持する為の前
記無効電力制御の規則性を基にして、無効電流を徐々に
増加あるいは減少する事によって、出力電圧を目標とす
る基準設定値に復帰させている。この制御方法は基準設
定値追従制御（特許出願平成４年１０３４４２号）にお
ける無効電力制御方法と一致する。

【００２３】以上の説明により負荷時あるいは無負荷時
の定電圧補償、定電流補償、定電力補償の維持は本発明
の電力供給回路（１）における制御用リアクトルＸ_L0に
流れる誘導性無効電流を適切に制御することで実現で
き、本発明の各電源機能は出力電圧と負荷電流の変位に
対し、前記無効電力制御の規則性に基づいたデジタル制
御によって達成している。

【００２４】トライアックや逆並列接続したサイリスタ
（ＳＣＲ）あるいはこれらを素子とするソリッドステー
トリレー（ＳＳＲ）等の半導体スイッチング素子を用い
たリアクトルの点孤位相制御範囲は点孤角９０度から１
８０度までであり、流れる電流の大きさは点孤角が９０
度の時最大で１８０度に近づくにしたがって小さくな
り、点孤角１８０度で電流は流れなくなることは従来か
ら良く知られている。そこで、出力電圧や負荷電流の変
位に応じて誘導性無効電流が少ないときには点孤角を９
０度に近づけ、誘導性無効電流が多いときは点孤角を１
８０度に近づけるような制御を行う。したがって、点孤
角を９０度に近づけるとコンデンサＣと制御用リアクト
ルＸ_L0との並列回路における合成電流は容量性無効電流
として最低になる。また、点孤角を１８０度に近づける
と容量性無効電流として最大となる。

【００２５】第１２図はＡ／Ｄ変換された各アナログ量
（出力電圧、負荷電流、基準出力電圧、基準負荷電流）
の状態に基づき適切な出力回路の無効電流を得るための
点弧位相角が定められ、出力電圧から得られる同期信号
パルス（１２）を基準として位相制御用の点弧パルス
（１４）が作られる様子を示したタイミングチャートで
ある。第１２図を用いて点弧パルス（１４）が作られる
様子を次のように説明する。前記したように出力電圧を
電圧検出用トランス（Ｐ.Ｔ）によって降圧した交流電
圧を全波整流した波形（１１）をインバータＮＴ1に加
える事によって出力電圧のゼロクロス点に同期したパル
ス（１２）を得ている。この同期パルス（１２）は出力
電圧のゼロクロス点を中心にしたパルス幅を持ち、出力
電圧が低いときはパルス幅が広く、出力電圧が高くなる
にしたがってパルス幅は狭くなる。そこで、この同期パ
ルスを点弧位相制御手段（２）上のパルス発生部に入力
し、同期パルス幅を測定し、同期パルスの半分のパルス
幅を持つゼロクロスパルス（１３）を発生する。このゼ
ロクロスパルス（１３）の立ち下がりエッジを出力電圧
のゼロクロス点として点弧位相角の基準点とした。した
がって、点弧パルス（１４）は基準点ｔ0からｔ1までを
点弧位相角としてＯＦＦレベルの電圧を発生し、ｔ1に
なったらＯＮレベルの電圧を発生するようにした。ゼロ
クロスパルス（１３）の立ち下がりエッジで点弧パルス
（１４）は初期化されＯＦＦレベルの電圧となり、この
動作が再び繰り返される。

【００２６】また、マイクロコンピュータを用いたソフ
トウエアによる点弧位相角決定は前記無効電力制御の規
則性に基づいて行なわれている。すなわち、出力電圧お
よび負荷電流の変位に応じて点弧角を９０度から１８０
度の範囲で増加あるいは減少する事によって出力電圧お
よび負荷電流が基準値内に定まるように適節な点弧角を
得ている。なお、点弧角増減ステップは９０度から１８
０度を６３０等分したステップ幅を最小ステップ幅（約
０.１４３度）としている。したがって、ソフトウエア
では点弧位相角を求める複雑な数値演算は行なわず、出
力電圧および負荷電流の変位に応じたステップ幅で点弧
位相角の増減を行なっている。なを、出力電圧および負
荷電流の検出と点弧位相角の更新は１ミリ秒以下の高速
で繰り返し処理しているため、負荷の急変や入力電圧の
急変に追随できる。

【００２７】第１３図の流れ図を用いてマイクロコンピ
ュータを用いたソフトウエアによる繰り返し制御の様子
を次のように説明できる。初期値として設定する値は点
孤位相角初期値、電圧変動許容範囲、定電流動作におけ
る電流変動許容範囲であり、電流と電圧の許容範囲から
電力の許容範囲を算出する。これが終わった後、出力回
路の無効電流を調節するための点弧位相角制御の繰り返
し処理に入る。繰り返し処理の中では出力電圧および負
荷電流のＡ／Ｄ変換入力、基準電圧、基準電流のＡ／Ｄ
変換入力を行い点孤角の増減ステップを定めている。次
いで設定した基準負荷電流以内では定電圧制御を実施す
るか否かの判断（１５）を行い、基準負荷電流として設
定した負荷電流になったところで機能切り替え手段
（８）の状態によって定電力制御と定電流補償制御のい
ずれかに移行するかの判断（１６）を行なう。また、定
電圧補償制御、定電流補償制御、定電力補償制御のいず
れにおいても出力電圧、負荷電流、出力電力が許容差内
であるかどうかの比較（１７）（１８）（１９）を行
い、許容差内であれば点孤角の変更は行わず、許容差以
上の時には出力電圧、負荷電流、出力電力の基準値と運
転中の出力電圧、負荷電流、出力電力とを比較（２０）
（２１）（２２）し、前記規則性に基づいた点弧位相角
の増減を行なっている。前記無効電力制御の規則性に基
づき、いずれの場合も基準値より出力電圧、負荷電流、
出力電力が小さいときは点孤位相角を１ステップ増加
し、基準値より出力電圧、負荷電流、出力電力が大きい
ときは点孤位相角を１ステップ減少させ、繰り返し処理
の最後で点弧位相角の更新を行なっている。点弧位相角
の更新にはパルス発生部の設定レジスタを更新する事に
よって行なっている。したがって、点孤位相角は出力電
圧や負荷電流の変化に追随しながら常に適切な点孤位相
角でトライアックやサイリスタを点孤することができる
と共に、基準出力電圧、基準負荷電流の変更あるいは電
源機能の変更に実時間で対応できる特徴を持つ。

【００２８】本発明の多機能交流電源装置について次の
ような回路素子および回路条件の基で運転した結果につ
いて説明する。なを、以下の運転実施例は本発明の一具
体例にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものでは
ない。運転実施例の回路定数は商用周波数５０［HZ］に
おいて次のようである。入力側リアクトル（Ｘ_L1）のリアクタンスＸ_L1 ＝１１.７［Ω］制御用リアクトル（Ｘ_L0）のリアクタンスＸ_L0 ＝８.５［Ω］コンデンサＣの静電容量Ｃ＝３００［μF］尚、点弧位相制御手段（２）にはジャパンシステムデザ
イン株式会社製のＶ２５Ｂ−２０ＣＰＵボードを利用し
た。

【００２９】入力電圧の変動に対する出力電圧の定電圧
補償機能について第１４図の無負荷時における定電圧運
転実施例（電圧特性）を基に説明すると次のようであ
る。本実施例は出力電圧の定格基準値を１００［Ｖ］と
した場合の入力電圧に対する出力電圧特性である。入力
電圧を０［Ｖ］から上げていくと、入力電圧が２０
［Ｖ］付近で急激な出力電圧の上昇が見られ、２２
［Ｖ］で出力電圧は定格値である１００［Ｖ］に達す
る。この時、入力電流は最大値を示す。さらに入力電圧
を上昇させても出力の定電圧性は保持され、入力電圧が
基準出力電圧１００［Ｖ］に達したところで入力電流は
最低となる。さらに入力電圧を上昇させても定電圧性は
保持されるが、入力電流は徐々に増加する。入力電圧が
１３０［Ｖ］を越えると出力電圧の定電圧性が悪くな
り、電圧が上昇する。また、入力電圧の降下時にも全く
同様な特性となる。このように、本発明では入力電圧が
２２［Ｖ］から１３０［Ｖ］まで広範囲にわたって出力
電圧の変動率がほぼ０の定電圧特性を示す。

【００３０】負荷の変動に対する出力電圧の定電圧補償
機能について第１５図の負荷時における定電圧運転実施
例（負荷特性）を基に説明すると次のようである。本実
施例における基準出力電圧値は１００［Ｖ］、基準負荷
電流値は８［Ａ］とした。負荷抵抗を変化させ、負荷電
流を増加させると負荷抵抗Ｒ0まで出力電圧は１００
［Ｖ］を保持し、負荷抵抗Ｒ0以下ではほぼ基準負荷電
流値８［Ａ］の定電流特性を示し、短絡時には基準出力
電圧を入力側線形リアクトル（ＸL1）のリアクタンスＸ
Lで除した値に相当する約８.５［Ａ］の電流値となる。
なお、負荷抵抗Ｒ0は基準出力電圧を負荷電流基準値で
除した値と等しくなる。

【００３１】負荷の変動に対する出力電力の定電力補償
機能について第１６図の定電力運転実施例（定電力特
性）を基に説明すると次のようである。本実施例におけ
る出力電圧の基準出力電圧値は１００［Ｖ］、基準負荷
電流値は３［Ａ］である。負荷抵抗を変化させ、負荷電
流を増加させると負荷抵抗Ｒ1まで出力電圧は１００
［Ｖ］を保持し、負荷抵抗Ｒ1からＲ2までは電力消費が
一定となるような特性が得られる。負荷抵抗Ｒ2からさ
らに抵抗を低くすると、無制御状態の垂下特性となり、
短絡時には基準出力電圧を入力側線形リアクトル（ＸL
1）のリアクタンスＸLで除した値に相当する約８.５
［Ａ］の電流が流れる。

【００３２】入力電圧の変動に対する出力電圧の可変定
電圧補償機能を第１７図の可変定電圧運転実施例（可変
定電圧特性）に基づいて説明すると次のようである。本
実施例は基準出力電圧値（８０Ｖ、９０Ｖ、１００Ｖ、
１１０Ｖ）をパラメータにした入力電圧に対する出力定
電圧特性（２３−Ｃ、２３−Ｂ、２３、２３−Ａ）であ
り、一定入力電圧において出力電圧の滑らかな調整が可
能である。

【００３３】負荷の変動に対する負荷電流の可変定電流
補償機能を第１８図の可変定電流運転実施例（可変定電
流特性）に基づいて説明すると次のようである。本実施
例は基準負荷電流値（３Ａ、５Ａ、６Ａ、８Ａ）をパラ
メータにした負荷の変化に対する定電流特性であり（２
５−Ｃ、２５−Ｂ、２５−Ａ、２５）、負荷を増加し、
各負荷電流が基準設定値になると定電流特性としての垂
下特性を示し、最後に制御の限界に達したところで定電
流性を失う。基準負荷電流値３Ａの負荷特性（２５−
Ｃ）を例にすると、負荷電流が３Ａになったところ（負
荷抵抗としてはＲ3になったところ）から定電流補償運
転となり、負荷抵抗がＲ4になったところで定電流性を
失う。

【００３４】負荷の変動に対する出力電力の可変定電力
補償機能を第１９図の可変定電力運転実施例（可変定電
力特性）に基づいて説明すると次のようである。本実施
例は入力電圧１００［Ｖ］において出力電圧の基準値を
１００［Ｖ］として、出力電力の基準値を３００
［Ｗ］、４００［Ｗ］、５００［Ｗ］、６００［Ｗ］と
変えて実施した結果である（２７、２７−Ａ、２７−
Ｂ、２７−Ｃ）。出力電力が大きくなるに連れて定電力
補償範囲が狭くなるが、いずれの場合も良好な定電力特
性を示す。

【００３５】負荷の変動に対する出力電圧の可変定電圧
補償機能を第２０図の負荷時における可変定電圧運転実
施例（電圧可変負荷特性）に基づいて説明すると次のよ
うである。本実施例は入力電圧１００［Ｖ］一定値にお
いて出力電圧の基準値を８０［Ｖ］、９０［Ｖ］、１０
０［Ｖ］、１１０「Ｖ］として、実施した負荷特性試験
の結果である（２５−Ｆ、２５−Ｅ、２５、２５−
Ｄ）。いずれの場合も良好な定電圧性を示している。こ
の結果から一定負荷抵抗において滑らかな出力電圧の調
整が可能であり、出力電圧波形がほぼ正弦波の状態で電
力調整できる。

【００３６】さて、本発明では以上に説明した定電圧補
償運転、定電流補償運転、定電力補償運転の各電源機能
の運転ができ、運転動作中にこれら三つの電源機能を切
り替え、定電圧補償運転、定電流補償運転、定電力補償
運転の間の滑らかな変更ができる。第２１図を用いてこ
れらの運転状況を説明する。負荷抵抗Ｒ5〔Ω〕におい
て定電力補償運転中（動作点Ａ）に出力電力の変更を行
なうと、Ｒ5〔Ω〕の抵抗線に沿って動作点が移動し、
Ａ’点に達する。次いで、定電圧補償運転機能（Ｂー
Ｂ'）、定電流補償運転機能（Ｄ-Ｄ'）、定電力補償運
転機能（ＣーＣ'）の各動作へ移行できる。同様に、定電
圧補償運転中、あるいは定電流補償運転中に電力変更を
行なって、新たに定電圧補償運転、定電流補償運転、定
電力補償運転へ切り替えることができる。なを、電力供
給回路（１）の回路定数によって制御の下限（２８）と
制御の上限（２９）があり、この範囲内での運転機能変
更が自由に行える。

【００３７】

【発明の効果】同じ回路構成において複数機能の運転を
可能とする本発明は交流安定化電源として常に要求され
ている軽量化の一端を解決するものであり、利用効率の
向上は価格低下に貢献できる。また、マイクロコンピュ
ータを用いたデジタル制御方式は長時間運転などで現れ
るドリフトの影響を低減できるものであり、安全性を向
上させることができるとともに、無停電電源装置（ＵＰ
Ｓ）との結合も容易になり、総合的な電源装置を構築で
きる。前記無効電力の規則的な制御方法は基本的にマイ
クロコンピュータによる数値演算処理を行なわない為、
高速デジタル制御を可能とし、前記各電源機能を高精度
に安定化できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の全体構成図にして電力供給回路構成と
制御ブロック図。

【図２】電圧検出手段および同期信号発生手段に対する
具体的な回路図。

【図３】電流検出手段に対する具体的な回路図。

【図４】サイリスタ駆動手段に対する具体的な回路図。

【図５】基準電圧可変手段、基準電流可変手段および運
転機能切り替え手段に対する具体的回路図。

【図６】無負荷時における電圧・電流ベクトル図にして
定電圧動作を示す。

【図７】基準入力電圧において負荷を変化させた時の電
圧・電流の変化を示すベクトル図にして定電圧動作を示
す。

【図８】一定負荷において入力電圧を変化させた時の電
圧・電流の変化を示すベクトル図にして定電圧動作を示
す。

【図９】規準入力電圧より大きな入力電圧において負荷
を変化させた時の電圧・電流の変化を示すベクトル図に
して定電圧動作を示す。

【図１０】基準入力電圧において負荷を変化させた時の
電圧・電流の変化を示すベクトル図にして定電流動作を
示す。

【図１１】基準入力電圧において負荷を変化させた時の
電圧・電流の変化を示すベクトル図にして定電力動作を
示す。

【図１２】点弧パルス発生のタイミングチャート。

【図１３】本発明の制御ソフトの流れ図。

【図１４】本発明の具体的実施例を示す無負荷時電圧特
性。

【図１５】本発明の具体的実施例を示す負荷時定電圧特
性。

【図１６】本発明の具体的実施例を示す負荷時定電力特
性。

【図１７】本発明の具体的実施例を示す無負荷時可変定
電圧特性。

【図１８】本発明の具体的実施例を示す負荷時可変定電
流特性。

【図１９】本発明の具体的実施例を示す負荷時可変定電
力特性。

【図２０】本発明の具体的実施例を示す負荷時可変定電
圧特性。

【図２１】本発明の電源機能切り替え動作を示す説明
図。

【符号の説明】

１本発明の電力供給回路。２マイクロコンピュータを用いた点弧位相制御手段。３電圧検出手段。４電流検出回路。５サイリスタ（ＳＣＲ）駆動手段。６基準電圧可変手段。７基準電流可変手段。８電源機能切り替え手段。９入力電圧を半径とする円弧。１０入力電圧が変動した場合のＰ点の移動軌跡。１１出力電圧の全波整流波形。１２出力電圧のゼロクロス付近で発生する同期パル
ス。１３出力電圧のゼロクロス点にて立ち下がるゼロクロ
スパルス波形。１４サイリスタのゲートに加える点弧パルス。１５負荷電流の比較を行なう。１６運転機能切り替えの判断を行なう。１７出力電力が基準設定値の許容範囲内であるか比
較。１８負荷電流が基準設定値の許容範囲内であるか比
較。１９出力電圧が基準設定値の許容範囲内であるか比
較。２０出力電力が基準設定値より大きいか小さいか比
較。２１負荷電流が基準設定値より大きいか小さいか比
較。２２出力電圧が基準設定値より大きいか小さいか比
較。２３無負荷時の入力電圧に対する出力電圧の定電圧特
性。２４無負荷時の入力電圧に対する入力電流の変化の様
子。２５負荷の変化に対する出力電圧の定電圧特性。２６負荷の変化に対する出力電力の定電力特性。２７負荷の変化に対する出力電力の定電力特性。２８本発明の制御範囲下限を示す曲線。２９本発明の制御範囲上限を示す曲線。ＸL1 入力側線形リアクトル。ＸL0 出力回路の制御用線形リアクトル。Ｃ出力回路のコンデンサ。Ｐ.Ｔ出力電圧検出用トランス。Ｃ.Ｔ負荷電流検出用トランス。Ｖref 基準出力電圧。Ｖ0 出力電圧。Ｖ1 入力電圧。Ｉ0 負荷電流。Ｉ1 入力電流。ＩX 出力回路の無効電流Ｏ、Ｑ入力端子。Ｏ、Ｐ出力端子。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コンデンサＣと制御用リアクトルＸ_L0を
並列に接続した出力回路の入力側に線形リアクトルＸ_L1
を直列に接続した電力供給回路（１）を備え、制御用リ
アクトルＸ_L0をトライアックあるいは逆並列接続したサ
イリスタで位相制御する事によって、出力の定電圧補
償、定電流補償、定電力補償を行なう多機能交流電源装
置。
【請求項２】出力電圧検出および同期信号発生手段
（３）、負荷電流検出手段（４）、サイリスタ駆動手段
（５）、および点弧パルス発生部、Ａ／Ｄ変換部、ＣＰ
Ｕ制御部から構成される点弧位相制御手段（２）を備え
た多機能交流電源装置。
【請求項３】出力電圧や負荷電流を可変する為に出力
電圧可変手段（６）、負荷電流可変手段（７）を備え、
電源機能を切り替える為に電源機能切り替え手段（８）
を備えていることを特徴とする多機能交流電源装置。
【請求項４】出力電圧や負荷電流あるいは出力電力の
過渡的な変化に追従した出力回路の無効電力制御方法
（特許出願平成４年１０３４４２号）による運転手段を
備え、計数処理により制御リアクトルＸ_L0の点弧位相決
定が行われることを特徴とする多機能交流電源装置。