JPH0679256B2 - 鉄共振形交流定電圧装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、鉄共振形交流定電圧装置に関するものであ
り、特に、交流入力電源電圧及び負荷の変動に対して、
出力電圧を常に一定に保つための、帰還ループに可飽和
磁心を用いた鉄共振形交流定電圧装置に関するものであ
る。

（従来の技術） 通信及び情報処理装置や計装制御装置においては、電源
を定電圧に維持することが重要である。このため、従来
より、種々の方式の定電圧装置が実用化され、使用され
ている。

第１図は、従来より最も一般的に使用されている鉄共振
形交流定電圧装置のブロック図である 共振用コンデンサー３と可飽和リアクトル５とよりなる
並列共振回路が、線形リアクトル２を介して入力（商
用）電源１に直列接続される。また、負荷10は前記並列
共振回路に並列に接続される。

前記並列共振回路が、入力電源１のある電圧および周波
数で共振しているとすると、共振用コンデンサー３およ
び可飽和リアクトル５の各分岐路に流れる電流I1Icは、
振幅が等しく、位相は反対となるので、その合成電流は
ほぼ零になる（ただし、電流高調波成分は無視する）。

そして、入力電源１の電圧が変動した場合は、前記並列
共振回路の合成電流が変動し、線形リアクトル２を通過
する電流およびその両端の電圧降下が変動し、これが補
償効果を生ずるので、前記並列共振回路に印加される電
圧、すなわち負荷10の印加電圧は、自動的にほぼ一定値
に保持される。

これは、良く知られているように、磁心の飽和現象を利
用する鉄共振形装置である。この装置は、使用部品が堅
ろうで、部品数も少く、さらに温度のストレスや妨害電
磁界に強いほど、数々の優れた特性を有するばかりでな
く、信頼度が高く、しかも安価であるため、電源装置等
として広く実用に供されている。しかし第１図の回路
は、前述のように並列共振回路を利用しているために、
その出力電圧が周波数に依存し、磁心の飽和などに伴な
う励磁電流の増加によって、歪が増えたり、効率が低下
したりするなどの問題を有している。

このような問題の対策として、第２図に示すように磁心
の飽和現象を利用する代りに、線形リアクトルを用いた
定電源装置が提案されている。図において、第１図と同
一の符号は、同一または同等部分をあらわしている。

線形リアクトル４とスイッチング回路７（例えば、トラ
イアックまたはサイリスタなど）との直列回路が、共振
用コンデンサー３に並列に接続される。出力電圧検出装
置９は負荷10に並列に接続され、出力（負荷）電圧に応
じて決められているスイッチング素子７のオン・オフ制
御信号を発生する。すなわち、出力電圧検出装置９の出
力信号に応じて、スイッチング回路７の点弧位相角を制
御することにより、線形リアクトル４の等価的リアクタ
ンスを可変制御する。

さらに具体的にいえば、負荷電圧が目標値よりも高いと
きは、点弧位相角を進めて線形リアクトル４に流れる電
流を増加させ、負荷電圧を低下させるように制御し、負
荷電圧が目標値よりも低いときは、その反対に制御す
る。

この方式は第１図の方式と異なり、周波数依存性がな
く、また波形の歪も少く、効率も高いことから最近急速
に実用に供されてきた。

第２図の回路においても、特に軽負荷時において、制御
回路の動作遅れを生じ、また前記動作点が過敏な位置に
あるため、出力（負荷）電圧にハンチング現象が発生し
易く、安定な動作を保証することが難しいという問題が
ある。

軽負荷時の動作の不安定を改改善するために、第３図に
示したように、ダミー抵抗11を軽負荷の時だけ負荷10と
並列に接続することが提案されている。同図において、
出力電圧検出装置9Aは軽負荷状態のとき制御信号を発生
し、スイッチング回路7Aを導通状態にする。その結果、
負荷電流が増加したのと同じ状態が作り出され、前述し
た第２図の欠点が改善される。

また、第４図に示すように、ダミー抵抗11の代りに、線
形リアクトル4Aを用いることも提案されている。

第３図の装置では、ダミー抵抗11で電力が消費されるた
め、効率が落ちるばかりでなく、ダミー抵抗11の入り切
りの際に出力電圧に過渡変動が生じるという問題があ
る。また、第４図の装置では、ダミー抵抗11による電力
消費の問題は無いが、第２図および第３図の場合と同様
に、線形リアクトル4Aを入り切りする際に過渡現象が生
じるという問題がある。

上記のほか第３図，第４図の場合には、ダミー抵抗11又
は線形リアクトル4Aを入り切りするための制御回路を別
途に設けることとなるので、制御回路の構造が複雑とな
り、コスト上昇と信頼度低下を招くという問題がある。

このような問題を解決するために、線形リアクトルの代
わりに可飽和リアクトルを用いることが提案されてい
る。例えば特開昭59−132013号公報では、第２図の線形
リアクトル４の代わりに可飽和リアクトルを用い、この
可飽和リアクトルの両端に得られた交流電圧を整流する
ようにした直流定電圧装置が記載されている。この場
合、より優れた定電圧特性を得るためには、可飽和リア
クトルのBH特性はなるべく角型であるのが望ましく、そ
うすれば可飽和リアクトルの両端に現れる交流電圧は正
弦波から矩形波に近付くが、直流定電圧装置では交流電
圧を整流して直流化するので、矩形波に近いほうがむし
ろ望ましい。

第５図は、第２図の線形リアクトル４の代わりに可飽和
リアクトル５を用いた交流定電圧装置の例である。当然
のことながら、交流定電圧装置の場合には出力波形はな
るべく歪みの少ない正弦波でなければならない。しかし
第５図の例では、磁心が単一種の可飽和磁性材料で作ら
れるので、定電圧特性を良くするためにはなるべく角型
に近いBH特性の磁心を用いなければならないが、そうす
ると出力交流波形が正弦波から矩形板の方へ歪んでしま
い、一方、波形歪みを低減するために角型の傾斜の緩い
磁心を用いると、定電圧特性が悪くなることにより、出
力交流波形の歪み低減と定電圧特性とを実用上十分な程
度に両立させることは事実上不可能であった。

（発明の目的） 本発明の目的は、波形歪みが少なく、しかも定電圧特性
も優れた正弦波出力電圧を発生することができ、さら
に、帰還ループを介することにより周波数依存性を除去
するとともに、従来例のように、ダミー抵抗やリアクト
ルを挿入することなしに、軽負荷時のハンチング現象を
抑止できるようにし、高信頼度と低コストを両立させる
ことのできる交流定電圧装置を提供することにある。

（発明の概要） 前記の目的を達成するために本発明は、入力電源と直列
に接続された線形リアクトルおよび共振用コンデンサー
と、前記共振用コンデンサーと並列に接続され、かつ帰
還ループを有する複合可飽和リアクトルとで構成された
交流定電圧回路において、前記複合可飽和リアクトルと
して、互いに異なる飽和特性を有する複数の磁心を組合
せて得られる複合飽和特性を有する可飽和リアクトルを
用い、前記可飽和リアクトルに流れる電流を負荷または
出力電圧に応じて帰還制御するように構成した点に特徴
がある。

（実施例） 以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第６図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。図において、第５図と同一の符号は、同一または同
等部分をあらわしている。第５図と対比すれば明らかな
ように、この実施例は、第５図の交流定電圧装置におけ
る単一の飽和特性磁心を用いた可飽和リアクトル５の代
りに、飽和特性の異る複数の（図では、２個の）可飽和
リアクトルを直列接続し、これらの個々の磁気飽和特性
を総合したものとして得られる固有かつ特有の複合飽和
特性を呈する複合可飽和リアクトル5Xを利用するように
したものである。

いま、入力電源１の電圧が上昇したり、あるいは負荷10
が減少したりして出力電圧が上昇した場合には、電圧検
出器９は前記電圧上昇を検出し、スイッチング素子７を
オン・オフ制御する信号を出力する。すなわち、直列接
続可飽和リアクトル5,5Aにさらに直列接続されたスイッ
チング素子７の導通角を制御し、可飽和リアクトル5,5A
に流れる電流を増加させる。このようにして、線形リア
クトル２に流れるリアクタンス分電流（遅れ電流）を増
やす結果、出力または負荷電圧は低下する。

また反対に、入力電源の電圧が下降したり、あるいは負
荷10が増加したりしたために、出力電圧が低下した場合
には、電圧検出器９は前記電圧低下値を検出し直列可飽
和リアクトル5,5Aに流れる電流を減らすような制御信号
をスイッチング素子７に供給する。このようにして、線
形リアクトル２に流れるリアタンス分電流（遅れ電流）
を減らす。その結果、コンデンサー電流の割合が相対的
に増加して出力電圧が上昇する。

上述のようにして、出力電圧が安定化され、交流定電圧
が実現される。この場合、直列接続された可飽和リアク
トル５、5Aの各磁心のBH特性（飽和開始点や傾斜など）
を、所望の正弦波特性や定電圧特性に応じて適当に選ぶ
ことにより、これら複数の可飽和リアクトルの複合飽和
特性（飽和開始点や飽和傾斜など）を最適に設定するこ
とが可能であるので、出力交流波形の正弦波からの歪み
を低減すると共に、実用上十分な定電圧特性を持たせる
ことができ、さらに軽負荷から重負荷までの定電圧制御
をより円滑に行なうことができる。

更に、軽負荷の場合に、可飽和リアクトル5,5Aに流れる
電流を増やすと、前記可飽和リアクトル5,5Aがそれぞれ
に固有の飽和特性にしたがって飽和する。それ故に、可
飽和リアクトル5,5Aの複合飽和特性によって決まる複合
等価リアクタンスを、線形リアクトルを使用した時より
も更に小さくすることが出来、軽負荷時に可飽和リアク
トル５、5Aに流れる電流を連続的に、しかも、より大き
な値にまで制御することができる。

したがって、ダミー抵抗やリアクトルを別に追加挿入す
ることなしに、ハンチング現象を抑制すると共に、良好
な定電圧特性と実質上の正弦波出力電圧波形とを同時に
得ることができる。

第７図は、本発明の他の実施例を示すブロック図であ
る。図において、第６図と同一の符号は、同一または同
等部分をあらわしている。

第７図は可飽和リアクトル5,5Aすなわち複合可飽和リア
クトル5Xの合成リアクタンスを流れる電流を制御する手
段としてのスイッチング回路７の代りに、制御巻線８付
きの可飽和リアクトル12を用いたものである。

制御用の可飽和リアクトル12は、前記可飽和リアクトル
５および5Aと直列に接続され、可飽和リアクトル12の鉄
心（磁気回路）には制御巻線８が巻回されている。前記
制御巻線８に電圧検出装置９からの帰還電流を流すこと
によって、可飽和リアクトル12のインダクタンスが可変
制御されるので、可飽和リアクトル５および5Aに流れる
電流を調整することができる。

この実施例によれば、トライアックやサイリスタなどの
スイッチング素子が不要となり、帰還ループ系の信頼度
は更に向上する。

第８図は、第７図の可飽和リアクトル5A,12を含む回路
部分の変形例を示す回路図である。図において、第７図
と同一の符号は、同一または同等部分をあらわしてい
る。

第８図の変形例では、第７図の可飽和リアクトル5Aは、
互いに並列接続された１対の可飽和リアクトル5A1およ
び5A2に分割され、それぞれ交流の半波分（πだけ位相
を異にする）ずつが流れるように、ダイオードD1,D2が
直列接続される。さらに、それぞれの可飽和リアクトル
5A1,5A2には制御巻線C1,C2が設けられ、各制御巻線C1,C
2は直列接続される。

前記制御巻線C1,C2には出力電圧検出装置９からの帰還
電流が供給されるので、前記帰還電流に応じて可飽和リ
アクトル5,5A1,5A2に流れる電流および、それらの飽和
状態が制御されることは明らかである。この構成によれ
ば、第７図の回路構成に比べて制御感度を向上できると
いう効果がある。

第９図は、本発明の変形実施例を示す回路図であり、第
６図において、１つの可飽和リアクトル５を線形リアク
トル４で置換したものに相当する。これによっても、第
６図の装置とほぼ同等の作用効果が達成されることは明
らかである。

第10図は、本発明に用いるのに好適な複合飽和特性を実
現できる複合可飽和リアクトルの具体的構成例を示す概
略側面図である。鉄心20は、透磁率μを異にする数種の
（図では、２種の）並列磁路20A,20Bよりなり、前記鉄
心20に共通の巻線21が施される。したがってこの構成
は、２つの可飽和リアクトルを並列接続したものと等価
になる。なお、この場合並列磁路20A,20Bの断面形状や
寸法などは、巻線21を流れる電流の増加に伴なって透磁
率μの大きい方から順に飽和するように選定されるのが
望ましい。これにより、複合飽和特性の飽和開始点や飽
和傾向（傾斜度）を所望に応じて最適に設定し、前述の
各実施例と同等の作用効果が実現できることは明らかで
ある。

第11図は、本発明に用いるのに好適な複合飽和特性を実
現できる複合可飽和リアクトルの具体的構成の他の例を
示す概略側面図である。鉄心20には、少なくとも１個所
にくさび状の切れ目23が設けられている。この構成も、
第10図と同様に、２つの可飽和リアクトルを並列接続し
たものと等価である。巻線21に流れる電流がある値にま
で、増加すると、鉄心20の一部が飽和し始め、電流の一
層の増加に伴なって飽和部分が増大する。これにより、
第６図と同等の作用効果が実現できる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、つぎ
のような効果が達成される。

（１）互いに飽和特性の異なる複数の磁心を用いて、所
望の定電圧特性、正弦波性が得られるような可飽和リア
クトルの複合飽和特性（飽和開始点や飽和傾斜など）を
実現するようにしたので、簡単な構成でありながら定電
圧特性と正弦波特性とを両立させることができる。すな
わち、出力交流波形の正弦波からの歪みを低減すると共
に、実用上十分な定電圧特性を持たせることができ、さ
らに軽負荷から重負荷までの定電圧制御をより円滑に行
なうことができるので、特に交流用の定電圧装置として
有用である。

（２）第２図の帰還ループを有する従来技術に比べる
と、軽負荷時等の制御特性が改善され、ハンチングを起
す恐れがなくなる。

（３）第３図および第４図の従来装置に較べると制御回
路が簡単であり、ダミー抵抗やダミーインダクタンスが
不要となるため、電力消費が少く、したがって高効率で
あり、さらに高信頼度および大巾なコスト低減の実現が
期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図はそれぞれ従来の鉄共振を利用した
定電圧装置の構成を示すブロック図、第６図は本発明の
一実施例のブロック図、第７図は本発明の他の実施例の
ブロック図、第８図は第７図の可飽和リアクトルを含む
回路部分の変形例を示す回路図、第９図は本発明の変形
実施例を示す回路図、第10図は本発明に用いるのに好適
な可飽和リアクトルの具体的構成例を示す概略側面図、
第11図は本発明に用いるのに好適な可飽和リアクトルの
具体的構成の他の例を示す概略側面図である。 １……入力電源、２……線形リアクトル、３……共振用
コンデンサー、4,4A……線形リアクトル、5,5A,12……
可飽和リアクトル、7,7A……スイッチング回路、７……
制御巻線、9,9A……出力電圧検出装置、10……負荷、5X
……複合可飽和リアクトル、20……鉄心、20A,20B……
並列磁路、21……巻線、23……切れ目

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電源に直列接続された線形リアクトル
   （２）およびコンデンサー（３）と、前記コンデンサー
   に並列接続され、飽和特性の異なる複数の可飽和リアク
   トル（５、5A）を組合わせて得られる複合飽和特性を有
   する複合可飽和リアクトル（5X）およびスイッチング回
   路（７）の直列接続回路と、前記コンデンサーの両端子
   間にあらわれる出力電圧を検出する電圧検出装置（９）
   とを具備し、 スイッチング回路（７）は前記電圧検出装置（９）の検
   出電圧を入力され、前記検出電圧が高いほど、複合可飽
   和リアクトル（5X）に流れる電流が大となるようにオン
   ・オフ制御されることを特徴とする鉄共振形交流定電圧
   装置。
2. 【請求項２】前記複合可飽和リアクトル（5X）は、飽和
   特性の異なる複数の可飽和リアクトル（５、5A）を直列
   に接続して構成されたことを特徴とする前記特許請求の
   範囲第１項記載の鉄共振形交流定電圧装置。
3. 【請求項３】前記複合可飽和リアクトル（5X）は、飽和
   特性の異なる複数の並列磁路（20A、20B）よりなる鉄心
   （20）と、前記鉄心に共通に巻回された巻線（21）とよ
   りなることを特徴とする前記特許請求の範囲第１項また
   は第２項記載の鉄共振形交流定電圧装置。
4. 【請求項４】前記複合可飽和リアクトル（5X）は、少な
   くとも１つのくさび状切れ目（23）を有する鉄心（20）
   と、前記鉄心に巻回された巻線（21）とよりなることを
   特徴とする前記特許請求の範囲第１項ないし第３項のい
   ずれかに記載の鉄共振形交流定電圧装置。
5. 【請求項５】交流電源に直列接続された線形リアクトル
   （２）およびコンデンサー（３）と、前記コンデンサー
   に並列接続された複数の、互いに飽和特性を異にし、か
   つ直列に接続された可飽和リアクトル（５、5A、12）
   と、前記コンデンサーの両端子間にあらわれる出力電圧
   を検出する電圧検出装置（９）と、前記可飽和リアクト
   ルの少なくとも１つ（12）に巻回された制御巻線（８）
   とを具備し、 前記可飽和リアクトルの少なくとも１つ（12）は、前記
   電圧検出装置（９）の検出電圧により、前記検出電圧が
   高いほど、可飽和リアクトル（５、5A、12）に流れる電
   流が大となるように、その制御巻線（８）に流れる電流
   が制御されることを特徴とする鉄共振形交流定電圧装
   置。
6. 【請求項６】前記制御巻線を有する可飽和リアクトル
   （5A1、5A2）は、互いに対をなすように並列に接続さ
   れ、πだけ位相の異なる半波分の交流がそれぞれ導通さ
   れることを特徴とする前記特許請求の範囲第５項に記載
   の鉄共振形交流定電圧装置。