JPH0970179A - 電圧変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 必要とする出力電圧を、無段階で切換可能と
し、且つ正弦波に近い状態で得られるようにする。 【解決手段】 交流電源１２は主変圧器１１の一次巻線
１１ａに接続され、変圧器１９を介してインバータ回路
１４にも接続されている。直流電源１５を構成する位相
制御整流回路１８はサイリスタをブリッジ接続してな
り、コンデンサ１７およびインバータ主回路１６を介し
て補助変圧器１３の一次巻線１３ａに接続される。変圧
器１１，１３の二次巻線１１ｂ，１３ｂは直列にして出
力端子に接続される。出力電圧Ｅｏとその電流は検出手
段２０，２３により検出され、制御回路２２に入力され
る。制御回路２２は、交流電源１２の変動に対応してイ
ンバータ回路１４の制御を行って出力電圧Ｅｏを調整す
るので、無段階で常に正弦波に近い波形の出力電圧Ｅｏ
を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、変圧器の二次側の
交流出力を調整可能な構成を有した電圧変換装置に関す
る。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】例えば、交流電源から
所望の電圧の出力を負荷に供給する場合に、交流電源と
所望の電圧との比率に応じた巻線比の変圧器を介在させ
て行うことが一般的に行われている。ところが、負荷側
においては一定の電圧を供給する必要があるのに対し
て、交流電源は種々の原因によって電圧が変動する場合
がある。このような電源電圧の変動に対応して、従来で
は、例えば変圧器に複数のタップを設けてこれを切り換
えることによって、常に適切な電圧を負荷に供給できる
ようにしている。

【０００３】図５はこのようなタップ切り換えを電気的
に行うように、サイリスタ素子を用いて負荷時タップ切
換器を構成したものである。すなわち、このものは、変
圧器１の一次巻線１ａは交流電源２に接続され、二次巻
線１ｂは複数のタップ３ａ〜３ｆを備えるもので、共通
端子は出力端子Ａに接続され、各タップ３ａ〜３ｆはス
イッチ４ａ〜４ｆに接続されている。制御エレメントと
して正逆並列に接続したサイリスタペア５ａおよび５ｂ
はオンタイミングを位相制御することにより調整するも
ので、スイッチ４ａ，４ｃ，４ｅはサイリスタペア５ａ
を介して出力端子Ｂに接続され、スイッチ４ｂ，４ｄ，
４ｆはサイリスタペア５ｂを介して出力端子Ｂに接続さ
れている。

【０００４】上記構成において、変圧器１のタップ３ａ
を使用して出力電圧ｅ１を得ている状態からタップ３ｂ
を使用して出力電圧ｅ２を得る状態に切り換える動作に
ついて説明する。まず、切り換え前の状態では、スイッ
チ４ａがオンされており、サイリスタペア５ａが完全導
通状態となるように駆動制御されている。これによっ
て、出力端子Ａ，Ｂ間には、タップ３ａに対応した出力
電圧ｅ１が得られるようになっている。

【０００５】さて、上述の状態で、出力電圧ｅ２が得ら
れるタップ３ｂを出力端子Ｂに接続するために、スイッ
チ４ｂをオンし、この後、サイリスタペア５ｂを駆動制
御する。この場合、サイリスタペア５ｂに対する導通制
御は、図６に示すように、初めは導通角度を大きく設定
してサイクル中での導通時間を短くし、この後徐々に導
通時間が長くなるように導通角度を制御する。これによ
って、タップ３ａによる出力電圧ｅ１とタップ３ｂによ
る出力電圧ｅ２とが混在する状態で徐々に出力電圧ｅ２
となるようにして無段階で切り換えることができるよう
になる。

【０００６】なお、小規模のシステムにおいては、図７
に示すように、変圧器６の一次巻線６ａ側に直列に制御
エレメントとしてのサイリスタペア７およびコイル８を
接続した状態で交流電源２に接続する構成としたものが
ある。サイリスタペア７の導通角度を制御することによ
り変圧器６の二次巻線６ｂの出力電圧を制御しようとす
るものである。

【０００７】しかしながら、上述のような従来構成のも
のでは、いずれのものにおいても次のような不具合が生
ずる。すなわち、機械式の変圧器では、設定できる電圧
の値を無段階とすることができず、また、切換速度が遅
いので高速で電圧変動に対応することができないという
不具合がある。さらに、アークを伴う接点機構を有する
ため、メンテナンスの周期が短くなるなどの不具合もあ
る。そして、サイリスタ式の負荷時タップ切換変圧器に
おいては、無段階で切換動作を行うことはできるが、タ
ップ間の電圧切換を行う際には電圧波形が正弦波から大
きく変動してしまうという不具合がある。

【０００８】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、交流電源を基準として必要とする出力
電圧を無段階で切り換えることができ、しかも正弦波に
近い状態で得ることができるようにした電圧変換装置を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の電圧変換装置
は、一次巻線が交流電源に接続される主変圧器と、この
主変圧器の二次巻線に得られる交流出力を調整するため
の直流電源と、この直流電源を調整用交流出力に変換し
て前記主変圧器の二次巻線に得られる交流出力に加算し
て負荷に供給するインバータ回路と、前記負荷への交流
出力の電圧を検出する電圧検出手段と、前記負荷への交
流出力の電流を検出する電流検出手段と、前記電圧検出
手段および電流検出手段の検出出力に基づいて前記負荷
に対して供給すべき交流出力と実際の交流出力との差の
値を補うように前記インバータ回路を駆動制御する制御
手段とを設けて構成したところに特徴を有する。

【００１０】上記構成によれば、交流電源を主変圧器で
変換して得られる出力電圧が交流電源の電圧変動によっ
て変動する場合でも、その出力電圧を電圧検出手段およ
び電流検出手段により検出してこれに基づいて所望の出
力電圧となるようにインバータ回路を駆動制御するの
で、常に負荷に必要な出力電圧を安定に得ることができ
るようになる。

【００１１】また、本発明の電圧変換装置は、前記イン
バータ回路による調整用交流出力を前記主変圧器の二次
巻線に得られる交流出力に加算するための補助変圧器を
設け、前記補助変圧器の一次巻線を前記インバータ回路
の調整用交流出力側に接続すると共に二次巻線を前記主
変圧器の二次巻線に直列に接続して構成することもで
き、これによって、出力電圧の調整範囲を広くすること
ができるようになる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施例につ
いて図１および図２を参照して説明する。電気的構成を
示す図１において、主変圧器１１は一次巻線１１ａに交
流電源１２が接続されており、二次巻線１１ｂの出力端
子間に交流出力Ｅｔを出力する。補助変圧器１３は一次
巻線１３ａ側にインバータ回路１４が接続され、二次巻
線１３ｂにインバータ出力Ｅｉを出力するようになって
いる。主変圧器１１および補助変圧器１３の各二次巻線
１１ｂおよび１３ｂは直列に接続され、その両端子が出
力端子Ａ，Ｂとされており、合成された交流出力Ｅｏを
得るようになっている。

【００１３】インバータ回路１４は、直流電源回路１５
とインバータ主回路１６とを備えたもので、直流電源回
路１５は、コンデンサ１７，位相制御整流回路１８およ
び直流電源用変圧器１９から構成されている。位相制御
整流回路１８は、スイッチング素子として例えばサイリ
スタ１８ａ〜１８ｄをブリッジ接続してなるもので、各
サイリスタ１８ａ〜１８ｄは後述するようにして所定の
タイミングでトリガ信号が与えられるようになってい
る。そして、位相制御整流回路１８は、直流電源用変圧
器１９を介して交流電源１２に接続されており、交流電
源１２の交流出力をサイリスタ１８ａ〜１８ｄの導通角
度を制御することによって所望の電圧に変換してコンデ
ンサ１７に与えるようになっている。

【００１４】インバータ主回路１６は、スイッチング素
子として例えばサイリスタ１６ａ〜１６ｄをブリッジ接
続してなる一般的なもので、各サイリスタ１６ａ〜１６
ｄへのトリガ信号は後述するようにして与えられるよう
になっている。そして、インバータ主回路１６は、直流
電源としてのコンデンサ１７側から与えられる直流電圧
をトリガ信号によって設定された交流出力として補助変
圧器１３に出力するようになる。

【００１５】出力端子Ａ，Ｂ間には電圧検出用の変成器
２０が接続され、その出力端子側に電圧計２１が接続さ
れて電圧検出手段が構成されている。この電圧計２１に
よる出力電圧Ｅｏの検出出力は制御手段としての制御回
路２２に入力されるようになっている。また、出力端子
Ａに接続される出力ラインには変流器２３が設けられて
おり、電流計２４により出力電流が検出されるようにな
っており、その検出電流出力は制御回路２２に入力され
るようになっている。

【００１６】制御回路２２は、インバータ回路１６の各
サイリスタ１６ａ〜１６ｄおよび移相制御整流回路１８
の各サイリスタ１８ａ〜１８ｄのトリガ信号を生成して
与えるもので、後述するように電圧計２１および電流計
２４からの検出信号に基づいてトリガ信号を生成する。

【００１７】次に、本実施例の作用について図２も参照
して説明する。主変圧器１１は、交流電源１２により一
次巻線１１ａに供給される交流電圧を二次巻線１１ｂ側
に交流出力Ｅｔとして出力する。また、インバータ回路
１４においては、変圧器１９を介して制御整流回路１８
に与えられる交流入力に対して、制御回路２２により各
サイリスタ１８ａ〜１８ｄにトリガ信号を所定のタイミ
ングで与えることにより所定の直流電源電圧となるよう
に制御している。これによって、コンデンサ１７には所
定の直流電源電圧Ｅｄを設定している。

【００１８】そして、制御回路２２により、インバータ
主回路１６の各サイリスタ１６ａ〜１６ｄにトリガ信号
を与えることにより所定の交流出力を生成して補助変圧
器１３を介して交流出力Ｅｉとして出力するようにな
る。

【００１９】これにより、出力端子Ａ，Ｂ間には、出力
電圧Ｅｏとして、主変圧器１１の交流出力Ｅｔと補助変
圧器１３の交流出力Ｅｉとを加算した出力が得られるよ
うになる。この場合、２つの交流出力ＥｔおよびＥｉ
は、電圧の値と位相とを考慮すると、図２に示すよう
に、各交流出力Ｅｔ，Ｅｉをベクトルとして取り扱った
場合の合成ベクトルが出力電圧Ｅｏとして得られること
になる。

【００２０】一方、出力端子Ａ，Ｂ間から出力される出
力電圧Ｅｏは、変成器２０を介して電圧計２１により検
出されており、さらに、出力端子Ａ，Ｂ間に負荷が接続
された状態ではその負荷に通電されている電流の値が変
流器２３を介して電流計２４により検出されている。こ
れら、電圧計２１および電流計２４により実際の出力電
圧Ｅｏの電圧値および位相を検出することができ、制御
回路２２においては、このような検出結果に基づいて、
あらかじめ設定されている標準出力電圧に対する差を求
め、実際の出力電圧Ｅｏを標準出力電圧に一致させるよ
うにインバータ主回路１６の各サイリスタ１６ａ〜１６
ｄにトリガ信号を与えるようになっている。

【００２１】したがって、例えば、交流電源１２の電圧
が変動する場合でも、このとき出力端子Ａ，Ｂ間に発生
する出力電圧Ｅｏを検出して標準出力電圧となるように
制御回路２２によりインバータ回路１４を駆動制御する
ことにより、常に標準出力電圧に相当する出力電圧を得
ることができる。この場合、交流電源１２の電圧変動が
長期的に渡る場合と、瞬時的に発生する場合があるが、
そのいずれについても応答時間の範囲内で対応して制御
することができる。

【００２２】また、出力電圧Ｅｏの調整可能な範囲とし
ては、図２にも斜線領域として示しているように、交流
電源１２から主変圧器１１により二次巻線１１ｂに得ら
れる交流出力Ｅｔに対して、インバータ回路１４により
得られる最大電圧の範囲内で、電圧値および位相の値の
調整が可能な構成となっている。したがって、位相の歪
みについても加算する交流出力Ｅｉを調整することによ
って正弦波あるいはそれに近い波形の出力電圧として得
ることができるようになる。

【００２３】なお、インバータ回路１４を用いないで出
力電圧Ｅｏを得ようとする場合には、補助変圧器１３の
一次巻線１３ａを短絡した状態とすることにより、二次
巻線１３ｂに流れる電流により一次巻線１３ａに発生す
る電圧をキャンセルする。したがって、例えば、短絡動
作のためのスイッチング素子やリレースイッチなどを接
続した構成としておくことによりこのように実施するこ
とができる。

【００２４】このような本実施例によれば、交流電源の
変動に対応してタップ切り換えといった切り換え動作を
行うことなく、無段階で且つ正弦波に近い波形の出力電
圧を常に標準出力電圧に対応して得ることができ、さら
には機械式スイッチを用いない構成であるからメンテナ
ンスインターバルを長くすることができるようになる。
そして、本実施例によれば、インバータ回路１４の容量
を負荷容量のＥｉ／Ｅｏ程度に小さくすることができ、
負荷容量に対応するインバータ回路を用いる構成のもの
に比べて全体の小形化を図ることができるようになる。

【００２５】また、本実施例によれば、インバータ回路
１４により得られる調整用交流出力を補助変圧器１３を
用いて出力するように構成しているので、インバータ回
路１４を主系統から絶縁した状態とすることができ、対
地絶縁を軽減することができるので系統に発生する種々
のサージ電圧からインバータ回路１４を保護することが
でき、さらには高圧の交流電源１２を用いる場合でも柔
軟に対応することができると共に、調整可能な領域の変
更も可能となり、汎用性が高くなり適用範囲を拡大する
ことができるようになる。

【００２６】図３は本発明の第２の実施例を示すもの
で、第１の実施例と異なるところは、補助変圧器１３を
設けない構成としたところである。すなわち、インバー
タ回路２５は、インバータ主回路１６の交流出力端子を
直接主変圧器１１の二次巻線１１ｂに直列に接続する構
成としたものである。

【００２７】この構成の場合には、インバータ回路２５
の出力端子を直接出力端子Ａ，Ｂ側に接続する構成とし
ているので、インバータ主回路１６のサイリスタ１６ａ
〜１６ｄを常に駆動している必要があるが、適切なトリ
ガ信号を与えて駆動している状態においては、直流電源
１５の出力の位相と電圧値とを制御することにより調整
用交流出力Ｅｉとして出力することができるようにな
る。

【００２８】したがって、第１の実施例と同様にして、
交流電源の変動に対応してタップ切り換えといった切り
換え動作を行うことなく、無段階で且つ正弦波に近い波
形の出力電圧を常に標準出力電圧に対応して得ることが
できるようになり、この場合に、補助変圧器を用いない
構成とすることにより、簡便で安価な構成とすることが
でき、交流電源１２の電源電圧が低い場合などには好適
となるものである。

【００２９】図４は本発明の第３の実施例を示すもの
で、第１の実施例と異なるところは、三相の系統に適用
したところである。すなわち、三相の交流電源２６に接
続される主回路２７は三相の主変圧器２８の一次巻線２
８ａ，２８ｂ，２８ｃに接続されている。三相交流電源
２６には調整電源用の変圧器２９を介してインバータ回
路３０が接続されている。インバータ回路３０は、直流
電源回路としての位相制御整流回路３１およびコンデン
サ３２と、インバータ主回路３３とから構成されてい
る。インバータ主回路３３の各アームの出力端子は補助
変圧器３４の一次巻線３４ａ，３４ｂ，３４ｃに接続さ
れている。主変圧器２８の二次巻線２８ｄ，２８ｅ，２
８ｆは、それぞれ補助変圧器３４の二次巻線３４ｄ，３
４ｅ，３４ｆを直列に接続した状態で出力端子Ａ，Ｂ，
Ｃに接続されている。

【００３０】なお、図中には示していないが、この構成
においても、第１の実施例と同様にして電圧検出手段，
電流検出手段のそれぞれに対応する構成が設けられると
共に、これらの検出出力に基づいて位相制御整流回路３
１およびインバータ主回路３３の各サイリスタを駆動制
御する制御手段としての制御回路が設けられている。そ
して、このような第３の実施例によっても、第１の実施
例と略同様の作用効果を得ることができるようになる。

【００３１】本発明は、上記実施例にのみ限定されるも
のではなく、以下のように変形あるいは拡張できる。イ
ンバータ回路は、サイリスタ以外に、ＧＴＯを用いたＰ
ＷＭインバータや、あるいはトランジスタインバータ、
さらにはＦＥＴ，ＩＧＢＴなどを用いたインバータ回路
を利用することもできる。位相制御整流回路は必要に応
じて設ける構成とすることができる。電圧検出手段およ
び電流検出手段は、交流出力の電圧および電流が検出可
能なものであれば他に一般的に使用されるものを用いれ
ば良い。電圧検出手段による電圧検出は、主変圧器１１
の出力を検出するように配設する構成としても良い。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電圧変換
装置によれば、次のような効果を得ることができる。す
なわち、請求項１記載の電圧変換装置によれば、交流電
源から主変圧器を介して得られる交流出力が所望の出力
電圧に対してずれている場合に、インバータ回路による
交流出力を加算して所望の出力電圧を得ることができる
ようになる。したがって、タップ切り換えを行うことな
く無段階で電圧変動に対応できると共に、出力電圧の波
形を常に正弦波に近いものとして得ることができる。ま
た、インバータの容量を負荷容量よりも小さくすること
ができ、全体の小形化を図ることができるようになる。

【００３３】請求項２記載の電圧変換装置によれば、出
力電圧と交流電源との間に位相のずれがある場合でも、
これに対応してインバータ回路を駆動制御することによ
り位相のずれを是正した出力電圧を得ることができる。

【００３４】請求項３記載の電圧変換装置によれば、イ
ンバータ回路の交流出力を補助変圧器を介して出力する
ので、インバータ回路の容量と交流電源の規模との差が
ある場合でも補助変圧器を介することでこれを補うこと
ができるようになり、交流出力に幅を持たせた構成とす
ることができるようになる。

【００３５】請求項４記載の電圧変換装置によれば、直
流電源として交流電源から整流回路を介して調整用電圧
の範囲内の小容量の構成で給電するので、簡単且つコン
パクトな構成で安価に成し得る。

【００３６】請求項５記載の電圧変換装置によれば、位
相制御整流回路により直流電源の電圧を制御して加算す
ることができるようになり、インバータ回路による電圧
調整を簡単に行えるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す電気的構成図

【図２】出力電圧の調整可能範囲を示す作用説明図

【図３】本発明の第２の実施例を示す図１相当図

【図４】本発明の第３の実施例を示す図１相当図

【図５】従来例を示す図１相当図

【図６】タップ切換え時の出力電圧の波形図

【図７】異なる従来例を示す図１相当図

【符号の説明】

１１は主変圧器、１２は交流電源、１３は補助変圧器、
１４はインバータ回路、１５は直流電源回路、１６はイ
ンバータ主回路、１７はコンデンサ、１８は位相制御整
流回路、１９は直流電源用変圧器、２０は変成器（電圧
検出手段）、２１は電圧計、２２は制御回路（制御手
段）、２３は変流器（電流検出手段）、２４は電流計、
２５はインバータ回路、２６は三相交流電源、２８は主
変圧器、３０はインバータ回路、３１は位相制御整流回
路、３２はコンデンサ、３３はインバータ主回路、３４
は補助変圧器である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一次巻線が交流電源に接続される主変圧
   器と、 この主変圧器の二次巻線に得られる交流出力を調整する
   ための直流電源と、 この直流電源を調整用交流出力に変換して前記主変圧器
   の二次巻線に得られる交流出力に加算して負荷に供給す
   るインバータ回路と、 前記負荷への交流出力の電圧を検出する電圧検出手段
   と、 前記負荷への交流出力の電流を検出する電流検出手段
   と、 前記電圧検出手段および電流検出手段の検出出力に基づ
   いて前記負荷に対して供給すべき交流出力と実際の交流
   出力との差の値を補うように前記インバータ回路を駆動
   制御する制御手段とを具備したことを特徴とする電圧変
   換装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、設定交流出力に対して
   前記電圧検出手段および電流検出手段から得られる実際
   の交流出力の電圧差および位相差を判定してこれらの差
   の値を補正するように前記インバータ回路を駆動制御す
   るように構成されていることを特徴とする請求項１記載
   の電圧変換装置。
3. 【請求項３】 前記インバータ回路による調整用交流出
   力を前記主変圧器の二次巻線に得られる交流出力に加算
   するための補助変圧器を備え、 前記補助変圧器の一次巻線を前記インバータ回路の調整
   用交流出力側に接続すると共に二次巻線を前記主変圧器
   の二次巻線に直列に接続して構成したことを特徴とする
   請求項１または２記載の電圧変換装置。
4. 【請求項４】 前記直流電源は、直流電源用変圧器，整
   流回路およびコンデンサを備えた構成とされ、前記交流
   電源を前記直流電源用変圧器を介して得られる交流出力
   を前記整流回路により整流して前記コンデンサの端子間
   に得るように構成されていることを特徴とする請求項１
   ないし３のいずれかに記載の電圧変換装置。
5. 【請求項５】 前記整流回路は、整流動作を制御可能な
   スイッチング手段を備え前記直流電源の電圧値を調整可
   能に構成された位相制御整流回路であることを特徴とす
   る請求項４記載の電圧変換装置。