JP2000172351A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 波形改善、力率改善、及び電圧調整機能を有
する交流電圧調整装置を低コストに製造することが困難
であった。 【解決手段】 交流電源１と負荷３との間のラインにト
ランス５の２次巻線１５を直列に接続する。トランス５
の１次巻線１４に双方向変換可能な第１の変換器を接続
する。第１の変換器の直流電源となるコンデンサＣｏと
電源端子２ａ、２ｂとの間に双方向変換可能な第２の変
換器を接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は小型化、低コスト化
を図ることができる交流電圧調整装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】交流電源電圧を調整して負荷に供給する
装置として、単巻トランス（単巻変圧器）、鉄共振型交
流電圧調整装置、コンバータとインバータとを組み合せ
た装置等が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、単巻トラン
スのみで電圧調整する場合には、入力電圧の変動によっ
て出力電圧も変動する。また、鉄共振型交流電圧調整装
置は大型、コスト高になるのみでなく、高い効率を得る
ことができない。また、コンバータとインバータとを組
み合せた装置は、コンバータ及びインバータの容量を負
荷容量又はこれ以上に構成するために大型且つコスト高
になる。

【０００４】そこで、本発明の目的は、小型化、低コス
ト化を図ることができる交流電圧調整装置を提供するこ
とにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し、上記
目的を達成するための本発明は、負荷に交流電力を供給
するための交流電源端子と、互いに電磁結合された第１
の巻線と第２の巻線とを有し、前記第２の巻線が前記交
流電源端子と前記負荷との間に接続されているトランス
と、直流電源として機能するコンデンサと、前記コンデ
ンサの直流電圧を交流電圧に変換し、この交流電圧を前
記第１の巻線に供給する第１の変換機能と前記交流電源
端子の交流電圧を直流電圧に変換して前記コンデンサを
充電する第２の変換機能とを有している変換器と、前記
負荷の電圧を所定値にするように前記変換器を制御する
制御回路とから成る交流電圧調整装置に係わるものであ
る。なお、請求項２に示すようにトランス側の電圧に基
づいてコンデンサを充電するための第３の変換機能、及
びコンデンサのエネルギーを電源に回生するための第４
の変換機能を有することが望ましい。また、請求項３に
示すように単巻トランス（単巻変圧器）を使用すること
ができる。また、請求項５に示すように、第１及び第２
のスイッチと第１及び第２のダイオードを第１の変換と
第２の変換で共用することができる。また、請求項６に
示すように第１及び第２のコンデンサの直列回路を設
け、ハーフブリッジ型変換器とすることができる。ま
た、請求項７に示すように波形改善を行うことが望まし
い。

【０００６】

【発明の効果】各請求項の発明によれば、トランスの第
２の巻線又は単巻トランスの巻線の一部には、交流電源
端子の電源電圧と負荷が要求している所望電圧との差が
印加されるのみであるので、トランス又は単巻トランス
の容量、及び変換器の容量を小さくすることができ、交
流電圧調整装置の小型化、低コスト化を図ることができ
る。請求項２の発明によれば、回生動作によって効率を
高めることができる。請求項３及び４の発明によれば、
単巻トランスを使用するので、装置の小型化、低コスト
化が達成される。請求項５及び６の発明によれば、ハー
フブリッジ型変換器構成となるので、小型化、低コスト
化が達成される。請求項７の発明によれば、第１及び第
２の変換又は第１、第２、第３及び第４の変換のみでな
く、これと同時に波形改善を達成することができる。

【０００７】

【実施形態及び実施例】次に、図面を参照して本発明の
実施形態及び実施例を説明する。

【０００８】

【第１の実施例】図１に示す第１の実施例の交流電圧調
整装置は、周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ、電圧が１０
０Ｖの商用交流電源１に接続された第１及び第２の交流
電源端子２ａ、２ｂと、負荷３が接続された第１及び第
２の出力端子４ａ、４ｂと、電圧調整用トランス５と、
双方向性変換器６と、第１及び第２の制御回路７、８
と、第１、第２及び第３の電圧検出器９、１０、１１
と、第１及び第２の電流検出器１２、１３とを有する。

【０００９】トランス（変圧器）５は互いに電磁結合さ
れた１次巻線（第１の巻線）１４と２次巻線（第２の巻
線）１５とを有し、負荷３に供給する電圧を調整する。
このトランス５の２次巻線１５は第１の電源端子２ａか
ら第１の出力端子４ａに至る一方の電源ライン１６に直
列に接続されている。１次巻線１４の一端は双方向性変
換器６に接続され、他端は第２の電源端子２ｂと第２の
出力端子４ｂとの間の他方の電源ライン１７に接続され
ている。

【００１０】双方向性変換器６はトランス５の１次巻線
１４に接続され且つ第１及び第２の電源端子２ａ、２ｂ
にも接続されており、更に図２に示すコンデンサＣｏを
有しており、第１及び第２の出力端子４ａ、４ｂ間の電
圧を所定値にするためにコンデンサＣｏの直流電圧を交
流電圧に変換してトランス５に供給する第１の変換機能
と、交流電源１の交流電圧を直流電圧に変換してコンデ
ンサＣｏに供給する第２の変換機能と、トランス５の電
圧を直流電圧に変換してコンデンサＣｏに供給する第３
の変換機能と、コンデンサＣｏの直流電圧を交流電圧に
変換して電源１に回生する第４の変換機能とを有する。
なお、双方向性変換器６の詳細は後で説明する。

【００１１】第１の制御回路７はライン１８、１９、２
０、２１の信号によって双方向性変換器６を制御する。
第２の制御回路８はライン２２、２３の信号によって双
方向性変換器６を制御する。第１及び第２の制御回路
７、８の詳細は後で説明する。

【００１２】第１の電圧検出器９は第１及び第２の出力
端子４ａ、４ｂ間の電圧を検出し、この検出値をライン
９ａによって第１の制御回路７に送る。

【００１３】第２の電圧検出器１０は第１及び第２の電
源端子２ａ、２ｂ間の電圧を正弦波の状態で検出し、こ
の検出信号をライン１０ａで第１の制御回路７に送り、
ライン１０ｂで第２の制御回路８に送る。

【００１４】第３の電圧検出器１１は双方向性変換器６
に含まれているコンデンサＣｏの電圧を検出し、この検
出値をライン１１ａによって第２の制御回路８に送る。

【００１５】第１の電流検出器１２は負荷３に流れる電
流Ｉ1 を検出し、この検出値をライン１２ａによって第
２の制御回路８に送る。

【００１６】第２の電流検出器１３は双方向性変換器６
の波形補償電流を検出し、この検出値をライン１３ａに
よって第２の制御回路８に送る。

【００１７】次に、図１の双方向性変換器６の詳細を図
２を参照して説明する。この双方向性変換器６は、トラ
ンジスタから成る第１、第２、第３、第４、第５及び第
６のスイッチＱ1 、Ｑ2 、Ｑ3 、Ｑ4 、Ｑ5 、Ｑ6 と、
第１、第２、第３、第４、第５及び第６のダイオードＤ
1 、Ｄ2 、Ｄ3 、Ｄ4 、Ｄ5 、Ｄ6 と、電源用コンデン
サＣｏと、第１及び第２のフィルタ用コンデンサＣ1 、
Ｃ2 と、第１及び第２のフィルタ用リアクトル（インダ
クタンス素子）Ｌ1 、Ｌ2 とを備えている。第１及び第
２のスイッチＱ1 、Ｑ2 の第１の直列回路と第３及び第
４のスイッチＱ3 、Ｑ4 の第２の直列回路と第５及び第
６のスイッチＱ5 、Ｑ6 の第３の直列回路は電源用コン
デンサＣｏにそれぞれ並列に接続されている。第１〜第
６のダイオードＤ1 〜Ｄ6 は第１〜第６のスイッチＱ1
〜Ｑ6 に逆方向並列に接続されている。第１及び第２の
スイッチＱ1 、Ｑ2 の相互接続点Ｐ1 は下側の電源ライ
ン１７に接続されている。第３及び第４のスイッチＱ3
、Ｑ4 の相互接続点Ｐ2 は第１のリアクトルＬ1 を介
して１次巻線１４の一端に接続されている。第１のフィ
ルタ用コンデンサＣ1 は１次巻線１４に並列に接続され
ている。即ち、コンデンサＣ1 の一端と１次巻線１４の
一端は第１のリアクトルＬ1 を介して第２の接続点Ｐ2
にそれぞれ接続され、コンデンサＣ1 の他端と１次巻線
１４の他端は下側電源ライン１７を介して第１の接続点
Ｐ1 に接続されている。従って、第１〜第４のスイッチ
Ｑ1 〜Ｑ4 はコンデンサＣｏを直流電源としたブリッジ
型の第１の変換器を構成している。この第１の変換器
は、コンデンサＣｏの直流電圧を交流電圧に変換してト
ランス５に供給し、負荷電圧を調整する前述した第１の
変換機能とトランスの交流電圧を直流電圧に変換してコ
ンデンサＣｏに供給する前述の第３の変換機能とを有す
る。

【００１８】第５及び第６のスイッチＱ5 、Ｑ6 の相互
接続点Ｐ3 はフィルタ用の第２のリアクトルＬ2 を介し
て第１の電源端子２ａに接続されている。第２のフィル
タ用コンデンサＣ2 は電源１に対して並列に接続されて
いる。なお、コンデンサＣ2の一端は一方の電源ライン
１６に接続されていると共に第２のリアクトルＬ2 を介
して第３の接続点Ｐ3 に接続され、またコンデンサＣ2
の他端は他方の電源ライン１７を介して第１の接続点Ｐ
1 に接続されている。第５及び第６のスイッチＱ5 、Ｑ
6 と第５及び第６のダイオードＤ5 、Ｄ6 は第１及び第
２のスイッチＱ1 、Ｑ2 と第１及び第２のダイオードＤ
1 、Ｄ2 を伴なってブリッジ型の第２の変換器を構成す
るものである。第２の変換器は、電源１の交流電圧を直
流電圧に変換してコンデンサＣｏを充電する前述した第
２の変換機能と、コンデンサＣｏの直流電圧を交流電圧
に変換して電源１に回生する前述した第４の変換機能を
有する。従って、第１及び第２のスイッチＱ1 、Ｑ2 と
第１及び第２のダイオードＤ1 、Ｄ2 は第１及び第２の
変換器で共用されている。第１及び第２のフィルタ用コ
ンデンサＣ1 、Ｃ2 と第１及び第２のリアクトルＬ1 、
Ｌ2 は第１〜第６のスイッチＱ1 〜Ｑ6 のオン・オフに
よる高調波成分を除去するように設定されている。

【００１９】図１の第１の制御回路７は図３に示すよう
に基準正弦波発生器３０、減算器３１、コンパレータ３
２、三角波発生器３３、ＮＯＴ回路３４、及び第１及び
第２の波形整形回路３５、３６を有し、図５に示すよう
に動作する。基準正弦波発生器３０は、ライン１０ａに
よって図１の入力電圧検出器１０に接続されており、電
源１の電圧に同期して電源１と同一周波数（５０Ｈｚ又
は６０Ｈｚ）の基準正弦波電圧Ｅ1 を図５に示すように
発生する。減算器３１の一方の入力端子は基準正弦波発
生器３０に接続され、この他方の入力端子はライン９ａ
によって図１の出力電圧検出器９に接続されている。こ
の結果、減算器３１は基準正弦波電圧Ｅ1 と出力検出電
圧Ｅ2 との誤差電圧Ｅ3 を発生する。減算器３１と三角
波発生器３３とに接続されたコンパレータ３２は、図５
に示すように誤差電圧Ｅ3 と三角波電圧Ｅ4 とを比較し
てＰＷＭ（パルス幅変調）波形から成る２値の出力Ｅ5
を発生する。三角波発生器３３は電源１の周波数よりも
十分に高い繰返し周波数（例えば２０ｋＨｚ）で三角波
電圧Ｅ4 を発生する。コンパレータ３２の出力Ｅ5 は波
形整形回路３５を介してライン１８、２１に送出され、
第１及び第４のスイッチＱ1 、Ｑ4 の制御に使用され
る。コンパレータ３２に接続されたＮＯＴ回路３４はコ
ンパレータ３２の出力Ｅ5 を反転して図５に示す出力Ｅ
6 を発生する。ＮＯＴ回路３４の出力Ｅ6 は波形整形回
路３６を介してライン１９、２０に送られる。波形整形
回路３５、３６はコンパレータ３２の出力Ｅ5 のパルス
幅及びＮＯＴ回路３４の出力Ｅ6 のパルス幅を僅かに狭
くして周知の休止期間（デッドタイム）を得るためのも
のである。図３のライン１８、１９、２０、２１は図２
の第１〜第４のスイッチＱ1 〜Ｑ4 の制御端子（ベー
ス）に接続される。第１〜第４のスイッチＱ1 〜Ｑ4 が
図５のＥ5 、Ｅ6 の信号に基づいてオン・オフ制御され
ると、コンデンサＣｏの直流電圧が交流電圧に変換され
てトランス５の１次巻線１４に供給され、２次巻線１５
に電圧調整するための電圧が得られ、電源１の電圧に２
次巻線１５の調整電圧が加算されて負荷３に供給され
る。２次巻線１５の電圧は出力電圧検出器９の出力に基
づいて帰還制御されているので、負荷電圧を所定電圧値
に保つことができる。なお、トランス５において電源１
の電圧と同相の電圧が加算されると負荷電圧は電源電圧
よりも高くなり、逆相の電圧が加算されると、負荷電圧
は電源電圧よりも低くなる。

【００２０】第１〜第４のスイッチＱ1 〜Ｑ4 と第１〜
第４のダイオードＤ1 〜Ｄ4 から成る第１の変換器は、
上記のインバータ機能（第１の変換機能）の他にコンバ
ータ機能（第４の変換機能）も有する。即ち、コンデン
サＣｏの電圧を第１〜第４のスイッチＱ1 〜Ｑ4 で交流
に変換した電圧のピーク値が、トランス５の２次巻線１
５に電源１に基づいて印加された電圧によって１次巻線
１４側に発生した電圧のピーク値よりも低い時には、１
次巻線１４、第１のリアクトルＬ1 、第３のダイオード
Ｄ3 、コンデンサＣｏ、第２のダイオードＤ2 の第１の
閉回路、及び１次巻線１４、第１のダイオードＤ1 、コ
ンデンサＣｏ、第４のダイオードＤ4 、リアクトルＬ1
の第２の閉回路でコンデンサＣｏの充電が生じる。

【００２１】図１の第２の制御回路８は図４に示すよう
に基準正弦波電圧発生器４０と、乗算器４１と、基準電
圧源４３と、第１の減算器４４と、比例積分器４５と、
第２の減算器４６と、第３の減算器４７と、コンパレー
タ４９と、三角波発生器５０と、ＮＯＴ回路５１と、２
つの波形整形回路５２、５３とから成る。基準正弦波発
生器４０はライン１０ｂによって図１の入力電圧検出器
１０に接続されており、電源１の正弦波交流電圧に同期
して図６に示す所定振幅の基準正弦波電圧Ｅ0 を発生
し、これを乗算器４１に送る。基準電圧源４３は、図２
のコンデンサＣｏの目標電圧に相当する基準電圧を発生
する。第１の減算器４４は基準電圧源４３と直流電圧検
出ライン１１ａとに接続され、基準電圧源４３の基準電
圧と図１の電圧検出器１１から得られたコンデンサＣｏ
の検出電圧との差の信号即ち誤差出力を発生する。比例
積分器４５は、オペアンプ４５ａと３つの抵抗４５ｂ、
４５ｃ、４５ｄと１つのコンデンサ４５ｅとから成り、
第１の減算器４４の出力に所定のゲインを乗算し且つ積
分し、コンデンサＣｏの電圧を一定に制御するための電
圧制御信号を発生する。なお、この比例積分器４５は電
源１の周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）以下の周波数に
応答するように構成されている。従って、比例積分器４
５から出力する電圧制御信号は緩慢に変化する信号であ
って、スイッチＱ1 〜Ｑ4 のオン・オフに基づく高調波
成分を含まない。乗算器４１は、図６に示す基準正弦波
電圧Ｅ0 に比例積分器４５から得られた電圧制御信号を
乗算して図６に示す電圧Ｅ11を出力する。即ち、乗算器
４１は、基準正弦波電圧Ｅ0 の振幅を電圧制御信号で変
調するものであり、直流電圧の制御情報と基準正弦波情
報との両方を有する正弦波電圧Ｅ11を発生する。第２の
減算器４６の一方の入力端子は乗算器４１に接続され、
この他方の入力端子はライン１２ａによって図１の第１
の電流検出器１２に接続されている。従って、この第２
の減算器４６は、乗算器４１から得られた正弦波電圧Ｅ
11から第１の電流検出器１２から得られた負荷電流に対
応する信号Ｅ12を減算して保証指令信号Ｅ13を出力す
る。図６では負荷３に流れる電流の波形に対応する検出
信号Ｅ12が一例として説明的に方形波電圧で示されてい
るので、第２の減算器４６から得られる補償指令信号Ｅ
13は正弦波のピーク及びこの近傍に凹状部を有する電圧
波形となる。なお、負荷電流検出信号Ｅ12が図６の方形
波以外の波形になった場合、又は、負荷電流検出信号Ｅ
12と基準正弦波との間に位相差が生じた場合においても
図６と同様な補償動作が生じる。第３の減算器４７の一
方の入力端子は第２の減算器４６の出力端子に接続さ
れ、他方の入力端子はライン１３ａによって第２の電流
検出器１３に接続されている。従って、この第３の減算
器４７は第２の減算器４６から得られた補償指令信号Ｅ
13と第２の電流検出器１３から得られた実際の補償電流
を示す検出信号Ｅ14との差を示す信号Ｅ15を出力する。
今、補償指令信号Ｅ13に近い補償が実行されていると仮
定すれば、図６に示すように補償電流検出信号Ｅ14は補
償指令信号Ｅ13に近い波形を有する電圧となる。コンパ
レータ４９は第３の減算器４７から得られた誤差信号Ｅ
15と三角波発生器５０から得られた三角波電圧Ｅ16とを
比較して図６に示す２値の出力電圧Ｅ17を発生する。三
角波発生器５０は交流電源１の電圧の周波数（例えば５
０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）よりも十分に高い繰返し周波数
（例えば２０ｋＨｚ）で三角波電圧Ｅ16を発生する。図
６では三角波電圧Ｅ16が低い繰返し周波数で説明的に示
されている。誤差信号Ｅ15と三角波電圧Ｅ16との比較は
両波形の中心値を一致させた状態で行われ。コンパレー
タ４９の出力Ｅ17は図６に示す２値信号となる。この実
施例では、コンパレータ４９の出力Ｅ17は第１の波形整
形回路５２を介してライン２３に送られ、第５のスイッ
チＱ5 の制御信号として使用され、コンパレータ４９の
出力Ｅ17の反転信号を形成するＮＯＴ回路５１の出力Ｅ
18は第２の波形整形回路５３を介してライン２４に送ら
れ、第６のスイッチＱ6 の制御信号として使用される。
従って、以下の説明において、Ｅ17、Ｅ18を制御信号と
呼ぶこともある。第１の波形整形回路５２はコンパレー
タ４９の出力Ｅ17のパルス幅を僅かに狭くするものであ
り、第２の波形整形回路５３はＮＯＴ回路５１の出力Ｅ
18のパルス幅を僅かに狭くするものである。第１及び第
２の波形整形回路５２、５３は、第５及び第６のスイッ
チＱ5 、Ｑ6 がキャリアの蓄積（ストレージ）作用によ
って同時にオンになることを防ぐための働きを有する。

【００２２】第１、第２、第５及び第６のスイッチＱ1
、Ｑ2 、Ｑ5 、Ｑ6 から成る第２の変換器は、電源１
の交流電圧のピーク値がコンデンサＣｏの電圧Ｖ0 より
も高い時には交流・直流変換器として機能し、コンデン
サＣｏを充電すると共に電源端子２ａ、２ｂを流れる電
流の波形を改善する。また、コンデンサＣｏの電圧Ｖ0
が電源１の電圧よりも高い時には、スイッチＱ1 、Ｑ2
、Ｑ5 、Ｑ6 の第２の変換器は直流・交流変換器とし
て機能し、コンデンサＣｏの直流電圧を交流電圧に変換
して電源１に回生する。第１及び第２のスイッチＱ1 、
Ｑ2 を第１及び第２の変換器で兼用するために、図３の
三角波発生器３３と図４の三角波発生器５０とは同期し
て三角波を発生する。また、図４のコンパレータ４９は
この正入力端子に三角波発生器５０の出力を入力させ、
負入力端子に減算器４７の出力を入力させている。な
お、２つの三角波発生器３３、５０の同期動作の代り
に、いずれか一方のみを設け、これを第１及び第２の制
御回路７、８で兼用することができる。また、図４のコ
ンパレータ４９の入力を図３と逆にする代りに、ライン
２３を第６のスイッチＱ6 に接続し、ライン２４を第５
のスイッチＱ5 に接続することができる。

【００２３】次に、スイッチＱ1 、Ｑ2 、Ｑ5 、Ｑ6 か
ら成る第２の変換器の動作を詳しく説明する。電源１の
電圧の正の半サイクル期間中の図６のｔ1 〜ｔ2 期間で
は、第５のスイッチＱ5 がオン、第６のスイッチＱ6 が
オフになるので、電源１、第２のリアクトルＬ2 、第５
のダイオードＤ5 （又は第５のスイッチＱ5 ）、コンデ
ンサＣｏ、第２のダイオードＤ2 から成る閉回路が形成
され、コンデンサＣｏの充電電流が流れる。電源１の電
圧の正の半サイクル期間中の図６のｔ2 〜ｔ3 期間では
第５のスイッチＱ5 がオフ、第６のスイッチＱ6 がオン
になり、電源１、第２のリアクトルＬ2 、第６のスイッ
チＱ6 及び第２のダイオードＤ2 の閉回路が形成され
る。これにより、図６に示す補償電流検出信号Ｅ14に相
当する補償電流を第１の変換器から交流電源端子２ａ、
２ｂに供給することができ、負荷３の電流Ｉ1 の無効電
流成分及び高調波電流成分を除去することができる。従
って、コンデンサＣ2 の接続点Ｐ5 、Ｐ6 よりも電源側
の電流は、実質的に有効電流及び基本波電流のみとな
り、力率改善、及び電流の波形改善が達成され、電力損
失及び高調波ノイズが少なくなる。なお、ｔ2 〜ｔ3 期
間に第１のスイッチＱ1 もオンになると、この期間には
電源１、第２のリアクトルＬ2 、第５のダイオードＤ5
、第１のスイッチＱ1 の閉回路が形成されるために、
この回路によっても補償電流が供給される。また、負の
サイクル中のｔ4 〜ｔ5 期間には、第５のスイッチＱ5
がオン状態になり、第６のスイッチＱ6 がオフ状態にな
る。この結果、電源１、第１のダイオードＤ1 、第５の
スイッチＱ5 、第２のリアクトルＬ2 から成る閉回路が
形成され、入力電流の波形改善、力率改善のための補償
電流が流れる。なお、図６のｔ5 〜ｔ6 期間に第２のス
イッチＱ2 がオン状態の時には、電源１、第２のスイッ
チＱ2 、第６のダイオードＤ6 、第２のリアクトルＬ2
から成る閉回路も形成され、これによって波形改善、力
率改善の補償電流が供給される。図６の負のサイクル期
間中のｔ5 〜ｔ6 においては、第５のスイッチＱ5 がオ
フ、第６のスイッチＱ6 がオンになる。この結果、電源
１、第１のダイオードＤ1 、コンデンサＣｏ、第６のダ
イオードＤ6 （又は第６のスイッチＱ6 ）、第２のリア
クトルＬ2 から成る閉回路が形成され、コンデンサＣｏ
が充電される。

【００２４】第５及び第６のスイッチＱ5 、Ｑ6 のオン
・オフはコンデンサＣｏの電圧を一定に保つように帰還
制御され且つ第２の電流検出器１３による補償電流の検
出と第１の電流検出器１２による負荷電流の検出に基づ
いて帰還制御されているので、コンデンサＣｏの電圧を
一定に保ちつつ力率改善及び波形改善の補償電流の供給
を行うことができる。

【００２５】本実施例の電源装置は電源１の電圧を昇圧
して負荷に供給する第１の電圧調整と、電源１の電圧を
降圧して負荷に供給する第２の電圧調整とのいずれも実
行することができる。第１の電圧調整時には、第１、第
２、第５及び第６のスイッチＱ1 、Ｑ2 、Ｑ5 、Ｑ6 と
第１、第２、第５及び第６のダイオードＤ1 、Ｄ2 、Ｄ
5 、Ｄ6 の第２の変換器によって電源１の電圧がＡＣ−
ＤＣ変換され、コンデンサＣｏが充電され、このコンデ
ンサＣｏの電圧を第１〜第４のスイッチＱ1 〜Ｑ4 の第
１の変換器が交流に変換してトランス５に供給する。上
記第２の電圧調整時には、トランス５で電源１の電圧を
低下させて負荷３に供給する。このために、変換器６か
らトランス５に電源１の電圧と逆相の電圧が供給され
る。なお、電源１の電圧が高い時には、トランスの巻線
１５が１次側となり、巻線１４が２次側となり、巻線１
４に誘起する電圧も高くなる。この巻線１４の電圧が第
５及び第６のスイッチＱ5 、Ｑ6 と第５及び第６のダイ
オードＤ5 、Ｄ6 とを含む第２の変換器によって充電さ
れたコンデンサＣｏの電圧よりも高い時には、第１の変
換器がＡＣ−ＤＣ変換器として動作し、巻線１４の電圧
が直流電圧に変換され、コンデンサＣｏが充電される。
更に、コンデンサＣｏの電圧は第２の変換器で交流電圧
に変換されて電源１に回生される。

【００２６】上述から明らかなように本実施例のトラン
ス５には調整電圧のみが印加され、また双方向性変換器
６には負荷３の電流の全部が流れず、電圧調整のための
電流、力率及び波形改善のための補償電流のみが流れ
る。このため、双方向性変換器６を小型、軽量、低コス
トに構成することができる。例えば、トランス５による
電圧調整範囲が負荷３の定格電圧の１０％であれば、双
方向性変換器６の電力容量を負荷３の定格容量の１／１
０にすることができる。また、電圧制御系を有し且つ電
源周波数に同期して基準正弦波を形成しているので、電
源電圧変動、周波数変動に対して負荷電圧を高精度に定
電圧化することができる。また、双方向変換器６によっ
て昇圧及び降圧の両方の動作が可能であるので、電圧調
整範囲が大きくなる。また、電源１の電圧が高い場合に
は回生によって電圧を下げるので、効率の高い電源装置
となる。

【００２７】

【第２の実施例】次に、図７を参照して第２の実施例の
交流電圧調整装置を説明する。但し、図７及び後述する
図８〜図１３において図１〜図６と実質的に同一部分に
は同一の符号を付してその説明を省略する。また、第２
〜第８の実施例において第１の実施例と実質的に同一の
ものは図示を省略し、図１〜図６を参照する。図７の第
２の実施例の電圧調整装置は、双方向性変換器６ａに新
たに第７及び第８のスイッチＱ7 、Ｑ8 と第７及び第８
のダイオードＤ7 、Ｄ8 を付加し、第７及び第８のスイ
ッチＱ7 、Ｑ8 の直列回路を一対のライン１６、１７間
に接続し、第７及び第８のスイッチＱ7 、Ｑ8 の接続点
をライン１７に接続し、第７及び第８のダイオードＤ7
、Ｄ8 を第７及び第８のスイッチＱ7 、Ｑ8 に並列に
接続した他は第１の実施例と同様に構成されている。即
ち、第２の実施例では、第１の変換器が第１〜第４のス
イッチＱ1 〜Ｑ4 と第１〜第４のダイオードＤ1 〜Ｄ4
で構成され、第２の変換器が第５〜第８のスイッチＱ5
〜Ｑ8 と第５〜第８のダイオードＤ5 〜Ｄ8 とで構成さ
れ、第１及び第２の変換器が互いに独立している。な
お、第７のスイッチＱ7 は図６の信号Ｅ18に基づいて制
御され、第８のスイッチＱ8 は信号Ｅ17に基づいて制御
される。また、図７の双方向性変換器６ａの制御回路は
図１の第２の制御回路８に第７及び第８のスイッチＱ7
、Ｑ8 を制御するための出力ラインを付加した他は図
１と同一に構成されている。この第２の実施例によって
も第１の実施例と同一の効果を得ることができる。

【００２８】

【第３の実施例】図８に示す第３の実施例の電圧調整装
置は、図２の双方向性変換器６から第３及び第４のスイ
ッチＱ3 、Ｑ4 と第３及び第４のダイオードＤ3 、Ｄ4
とを除去し、コンデンサＣｏの代りに２つの分圧用コン
デンサＣｏa 、Ｃｏb の直列回路を設け、２つのコンデ
ンサＣｏa 、Ｃｏb の相互接続点を電源ライン１７に接
続した他は図２と同一に構成したものである。従って、
図８の双方向性変換器６ｂの第１の変換器は第１及び第
２のスイッチＱ1 、Ｑ2 と第１及び第２のダイオードＤ
1 、Ｄ2 とから成り、周知のハーフブリッジ構成であ
り、また第２の変換器は第５及び第６のスイッチＱ5 、
Ｑ6 と第５及び第６のダイオードＤ5 、Ｄ6 から成り、
周知のハーフブリッジ構成である。図８の第１及び第２
のスイッチＱ1、Ｑ2 は図５の制御信号Ｅ5 、Ｅ6 に基
づいて制御され、第５及び第６のスイッチＱ5 、Ｑ6 は
図６の制御信号Ｅ17、Ｅ18に基づいて制御される。この
ため、図８の双方向性変換器６ｂの制御回路は図１の第
１の制御回路７の出力ライン２０、２１を有さない他は
図１の制御回路と同一に構成されている。

【００２９】この第３の実施例によっても第１の実施例
と同様な効果を得ることができる。

【００３０】

【第４の実施例】図９に示す第４の実施例の電圧調整装
置は、第１の実施例のトランス５を単巻トランス５ａに
置き換えた他は図１〜図６の第１の実施例と同一に構成
されている。この単巻トランス５ａの巻線６０はタップ
６３によって第１の部分６１と第２の部分６２に分割さ
れている。巻線６０の一端は第１のフィルタ用コンデン
サＣ1 の一端及び第１のリアクトルＬ1 に接続されてい
る。巻線６０の他端はコンデンサＣ1 の他端及び電源ラ
イン１７に接続されている。タップ６３は出力端子４ｂ
に接続されている。従って、第１のフィルタ用コンデン
サＣ1 に得られる第１の変換器の交流出力電圧が巻線６
１に印加される。巻線６０の第２の部分６２は電源ライ
ン１７に直列に接続されているので、図１及び図２の２
次巻線１５と同様に機能する。図９の第４の実施例にお
いてトランス５ａ以外は第１の実施例と同一に構成され
ているので、第４の実施例と同一の効果を有する。ま
た、単巻トランス５ａを使用することによって大型化、
低コスト化を図ることができる。

【００３１】

【第５の実施例】図１０の第５の実施例は図７の第２の
実施例のトランス５を図９と同一の単巻トランス５ａに
変形した他は第２の実施例と同一に構成したものであ
る。従って、図１０の第５の実施例の電圧調整装置によ
っても第１及び第４の実施例と同様な効果を得ることが
できる。

【００３２】

【第６の実施例】図１１に示す第６の実施例の電圧調整
装置は、第１の実施例の双方向性変換器６にトランス７
０を付加した他は第１の実施例と同一に構成したもので
ある。トランス７０は電磁結合された第１及び第２の巻
線７１、７２を有し、第１の巻線７１は電源端子２ａ、
２ｂ間に接続され、第２の巻線７２はコンデンサＣ2 に
並列接続されている。この第６の実施例によっても第１
の実施例と同一の効果が得られる。

【００３３】

【第７の実施例】第７の実施例の電圧調整装置は、図１
２に示すように図４の第２の制御回路８を変形した第２
の制御回路８ａを設けた他は第１の実施例と同一に構成
されている。図１２の第２の制御回路８ａは図４の第２
の制御回路８から第２の減算器４６を省き、この代りに
加算器８０を設け、この加算器８０に第１の電流検出器
１２の出力ライン１２ａと第２の電流検出器１３の出力
ライン１３ａとを接続し、減算器４７の一方の入力端子
を加算器８０に接続し、他方の入力端子を乗算器４１に
接続した他は図４と同一に構成されている。図１２の第
７の実施例では、加算器８０から補償後の入力電流波形
が出力され、減算器４７において目標正弦波信号Ｅ11と
加算器８０の出力との差が求められる。従って、第７の
実施例によっても第１の実施例と同一の効果を得ること
ができる。

【００３４】

【第８の実施例】図１３は第８の実施例の３相の電圧調
整装置を示す。この装置は３相交流電源１ａに接続され
た第１、第２及び第３の電源端子２ａ、２ｂ、２ｃと、
３相の負荷３ａと、出力端子４ａ、４ｂ、４ｃ、３相構
成のトランス５ｂ、３相構成の双方向性変換器６ｄを有
し、更に図示されていない第１及び第２の制御回路と、
電流検出器と、３相出力電圧検出器と、直流電圧検出器
と、電源電圧検出器とを有する。

【００３５】双方向性変換器６ｄは図２の第１の実施例
の単相回路を３相回路に変形したものであって、第１及
び第２の変換器９１、９２とコンデンサＣｏに大別でき
る。第１の変換器９１は３相ブリッジ型変換器であっ
て、第１、第２、第３、第４、第５及び第６のスイッチ
Ｑ1 、Ｑ2 、Ｑ3 、Ｑ4 、Ｓ1 、Ｓ2 と、第１、第２、
第３、第４、第５及び第６のダイオードＤ1 、Ｄ2 、Ｄ
3 、Ｄ4 、Ｄ11、Ｄ12と、３つのフィルタ用リアクトル
Ｌ1a、Ｌ1b、Ｌ1cと、３つのフィルタ用コンデンサＣ1
a、Ｃ1b、Ｃ1cとから成る。第１及び第２のスイッチＱ1
、Ｑ2 の相互接続点はリアクトルＬ1aを介してトラン
ス５ｂの第１の１次巻線１４ａに接続されている。第３
及び第４のスイッチＱ3 、Ｑ4 の相互接続点はリアクト
ルＬ1bを介して第２の１次巻線１４ｂに接続されてい
る。スイッチＳ1 、Ｓ2 の相互接続点はリアクトルＬ1c
を介して第３の１次巻線１４ｃに接続されている。３つ
のフィルタ用コンデンサＣ1a、Ｃ1b、Ｃ1cは３つのリア
クトルＬ1a、Ｌ1b、Ｌ1cの出力端の相互間にそれぞれ接
続されている。第２の変換器９２は３相ブリッジ型変換
器であって、スイッチＱ5 、Ｑ6 、Ｑ7 、Ｑ8 、Ｓ3 、
Ｓ4 と並列ダイオードＤ5 、Ｄ6 、Ｄ7 、Ｄ8 、Ｓ13、
Ｓ14と、３つのフィルタ用リアクトルＬ2a、Ｌ2b、Ｌ2c
と、３つのフィルタ用コンデンサＣ2a、Ｃ2b、Ｃ2cとか
ら成る。第２の変換器９２のスイッチ回路は図７の第２
の変換器にスイッチＳ3 、Ｓ4 とダイオードＤ13、Ｄ14
を付加した周知の３相ブリッジ回路である。スイッチＱ
5 、Ｑ6 の相互接続点はリアクトルＬ2aを介して第１の
電源端子２ａに接続されている。スイッチＱ7 、Ｑ8 の
相互接続点はリアクトルＬ2bを介して第２の電源端子２
ｂに接続されている。スイッチＳ3 、Ｓ4の相互接続点
はリアクトルＬ2cを介して第３の電源端子２ｃに接続さ
れている。３つのフィルタ用コンデンサＣ2a、Ｃ2b、Ｃ
2cは３つのリアクトルＬ2a、Ｌ2b、Ｌ2cの一方の端子の
相互間にそれぞれ接続されている。また、コンデンサＣ
ｏは第１及び第２の変換器９１、９２の直流ライン９
３、９４間に接続されている。トランス５ｂの２次巻線
１５ａ、１５ｂ、１５ｃは電源端子２ａ、２ｂ、２ｃと
出力端子４ａ、４ｂ、４ｃとの間に接続されている。３
つの１次巻線１４ａ、１４ｂ、１４ｃの一方の端子は相
互に接続されている。

【００３６】図１３には、図１の第１の制御回路７、第
２の制御回路８、出力電圧検出器９、１０、直流電圧検
出器１１、電流検出回路１２、１３に相当するものが示
されていないが、図１３の装置にも３相構成にした点を
除いてこれ等と実質的に同一のものが設けられている。

【００３７】この第８の実施例によっても第１の実施例
と同一の効果を得ることができる。

【００３８】

【変形例】本発明は上述の実施例に限定されるものでな
く、例えば次の変形が可能なものである。 （１） 図７、図１０に回路にも図１１のトランス７０
に相当するものを設けることができる。 （２） 図７、図１１の回路においてもトランス５の代
りに図９に示す単巻トランス５ａを設けることができ
る。また、図１３のトランス５ｂを単巻トランス構成に
することができる。 （３） スイッチＱ1 〜Ｑ8 、Ｓ1 〜Ｓ4 を電界効果ト
ランジスタ（ＦＥＴ）、絶縁ゲート型バイポーラトラン
ジスタ（ＩＧＢＴ）等の半導体スイッチとすることがで
きる。 （４） ダイオードＤ1 〜Ｄ8 、Ｄ11〜Ｄ14をスイッチ
Ｑ1 〜Ｑ8 、Ｓ1 〜Ｓ4 の内蔵ダイオードとすることが
できる。この様に内蔵ダイオードとする場合には、スイ
ッチＱ1 〜Ｑ8 ，Ｓ1 〜Ｓ4 を絶縁ゲート型電界効果ト
ランジスタ又は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ
（ＩＧＢＴ）で構成することが望ましい。 （５） 第１の変換器のスイッチＱ1 〜Ｑ4 の制御形
式、及び第２の変換器のスイッチＱ5 〜Ｑ8 の制御形式
を変えることができる。例えば、第１の変換器の第１及
び第２のスイッチＱ1 、Ｑ2 を２０ｋＨｚの高い繰返し
周波数でオン・オフし、第３のスイッチＱ3 を電源１の
交流電圧の正の半サイクルで連続的にオン、負の半サイ
クルで連続的にオフとし、第４のスイッチＱ4 を第３の
スイッチＱ3 と逆にオン・オンすることができる。第２
の変換器の第７及び第８のスイッチＱ7 、Ｑ8 をスイッ
チＱ3 、Ｑ4 と同様に交流電圧の正の半波と負の半波に
対応させてオン・オフすることができる。 （６） 基準正弦波発生器３０、４０のいずれか一方を
省いて第１及び第２の制御回路７、８で共用することが
できる。 （７） リアクトルＬ2 、Ｌ1a、Ｌ1b、Ｌ1cの代りに巻
線１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃのリーケージインダク
タンスを使用することができる。また、図１１に示すよ
うに電源側にトランス７を設ける場合には巻線７２のリ
ーケージインダクタンスをリアクトルＬ2 の代りに使用
することができる。 （８） 単巻トランス５ａを使用する時に巻線６０の一
部にコンデンサＣ1 を接続し、巻線６０の残部を端子２
ｂ、４ｂ間に接続することができる。 （９） 第１の実施例を示す図２及びその他の実施例を
示す図７、図８、図１１においてコンデンサＣ2 のライ
ン１６に対する接続点Ｐ5 をトランス５と出力端子４ａ
との間に移すことができる。この場合にはトランス５で
調整された電圧に基づいてコンデンサＣｏが充電される
ことになる。なお、図１３の３相回路の場合にもコンデ
ンサＣ2a、Ｃ2b、Ｃ2cの接続箇所をトランス５ｂと出力
端子４ａ、４ｂ、４ｃとの間に移すことができる。ま
た、図９及び図１０の回路の場合にはコンデンサＣ2 の
接続点Ｐ6 を単巻トランス５ａと出力端子４ｂとの間に
移すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の電圧調整装置を示すブロック図
である。

【図２】図１の双方向性変換器を含む主回路部分を詳し
く示す回路図である。

【図３】図１の第１の制御回路を示すブロック図であ
る。

【図４】図１の第２の制御回路を詳しく示す回路図であ
る。

【図５】図３の各部の状態を原理的に示す波形図であ
る。

【図６】図４の各部の状態を原理的に示す波形図であ
る。

【図７】第２の実施例の電圧調整装置の主回路部分を示
すブロック図である。

【図８】第３の実施例の電圧調整装置の主回路部分を示
す回路図である。

【図９】第４の実施例の電圧調整装置の主回路部分を示
すブロック図である。

【図１０】第５の実施例の電圧調整装置の主回路部分を
示す回路図である。

【図１１】第６の実施例の電圧調整装置の主回路部分を
示す回路図である。

【図１２】第７の実施例の電圧調整装置の第２の制御回
路を図４と同様に示す回路図である。

【図１３】第８の実施例の３相電圧調整装置の主回路部
分を示す回路図である。

【符号の説明】

５ トランス ６ 双方向性変換器 ７ 第１の制御回路 ８ 第２の制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H007 AA02 AA08 CA01 CB04 CB05 CC03 CC12 CC32 DA03 DA06 DB01 DC02 DC05 EA02 5H420 BB12 BB18 CC04 DD03 EA11 EA29 EA45 EB09 EB15 EB38 FF03 FF07 FF11 FF22 FF25 NB04 NB12 NB19 NB24

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 負荷に交流電力を供給するための交流電
   源端子と、 互いに電磁結合された第１の巻線と第２の巻線とを有
   し、前記第２の巻線が前記交流電源端子と前記負荷との
   間に接続されているトランスと、 直流電源として機能するコンデンサと、 前記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換し、この交
   流電圧を前記第１の巻線に供給する第１の変換機能と前
   記交流電源端子の交流電圧を直流電圧に変換して前記コ
   ンデンサを充電する第２の変換機能とを有している変換
   器と、 前記負荷の電圧を所定値にするように前記変換器を制御
   する制御回路とから成る交流電圧調整装置。
2. 【請求項２】 前記変換器は、更に、前記２次巻線の電
   圧に基づいて前記第１の巻線に誘起された交流電圧を直
   流電圧に変換して前記コンデンサを充電する第３の変換
   機能と、前記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換し
   て前記交流電源端子に回生する第４の変換機能とを有し
   ていることを特徴とする請求項１記載の交流電圧調整装
   置。
3. 【請求項３】 負荷に交流電力を供給するための交流電
   源端子と、 巻線の１部が前記交流電源端子と前記負荷との間に接続
   されている単巻トランスと、 直流電源として機能するコンデンサと、 前記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換し、この交
   流電圧を前記単巻トランスの前記巻線に供給する第１の
   変換機能と前記交流電源端子の交流電圧を直流電圧に変
   換して前記コンデンサを充電する第２の変換機能とを有
   している変換器と、 前記負荷の電圧を所定値にするように前記変換器を制御
   する制御回路とから成る交流電圧調整装置。
4. 【請求項４】 前記変換器は、更に、前記巻線の電圧に
   基づいて前記巻線の交流電圧を直流電圧に変換して前記
   コンデンサを充電する第３の変換機能と、前記コンデン
   サの直流電圧を交流電圧に変換して前記交流電源端子に
   回生する第４の変換機能とを有していることを特徴とす
   る請求項３記載の交流電圧調整装置。
5. 【請求項５】 前記変換器は、前記コンデンサに並列に
   接続された第１及び第２のスイッチの第１の直列回路と
   第３及び第４のスイッチの第２の直列回路と第５及び第
   ６の第３の直列回路と、前記第１、第２、第３、第４、
   第５及び第６のスイッチに逆方向並列に接続された第
   １、第２、第３、第４、第５及び第６のダイオードとを
   有し、 前記制御回路は前記第１、第２、第３及び第４のスイッ
   チを前記第１の変換機能及び前記第３の変換機能を得る
   ことができるように制御し、また、前記第１、第２、第
   ５及び第６のスイッチを前記第２の変換機能及び前記第
   ４の変換機能を得ることができるように制御するもので
   あることを特徴とする請求項１又は２又は３又は４記載
   の交流電圧調整装置。
6. 【請求項６】 前記コンデンサは第１及び第２のコンデ
   ンサの直列回路であり、前記変換器は、前記第１及び第
   ２のコンデンサの直列回路に並列に接続された第１及び
   第２のスイッチの第１の直列回路と、第３及び第４のス
   イッチの第２の直列回路と、前記第１、第２、第３及び
   第４のスイッチに逆方向並列に接続された第１、第２、
   第３及び第４のダイオードとを有し、前記第１及び第２
   のコンデンサの相互接続点と前記第１及び第２のスイッ
   チの相互接続点との間に前記第１の変換の出力を発生
   し、前記第１及び第２のコンデンサの相互接続点と前記
   第３及び第４のスイッチの相互接続点との間に前記第２
   の変換のため交流電圧が入力するものである請求項１又
   は２又は３又は４記載の交流電圧調整装置。
7. 【請求項７】 前記制御回路は前記交流電源端子の交流
   電流の波形を改善するように前記変換器を制御するもの
   である請求項１乃至６のいずれかに記載の交流電圧調整
   装置。