JP2001075661A - 自動電圧制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大きなサージ電流、大きなサージ電圧の発生
がなく、負荷のアンバランスがあっても変圧器の相間バ
ランスがくずれることがなく、分路巻線の容量や容積が
大きくなることがなく、分路巻線による電力ロスが少な
く、スイッチ素子の制御が簡単にできる自動電圧制御装
置を提供する。 【解決手段】 分路巻線１４と直列巻線１６−１を別個
の鉄心に巻く構造とし、かつ分路巻線を単巻構造とし、
分路巻線の複数のタップから１つをスイッチ手段１８−
１〜１８−３により選択して任意の電圧を直列巻線によ
り構成されるトランスの２次巻線１６−２に供給して電
圧制御を行うようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動電圧制御装置
に関し、特に商用電源の電圧制御により消費電力を低減
させる節電機能及び／又は電圧の低下に対応して電圧を
補償する機能を有する自動電圧制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、この種の節電装置、電圧補償
装置あるいは電圧制御装置では、同一鉄心に巻かれた複
数の単巻部分を有するトランスを用いて、直列巻線や分
路巻線を構成し、分路巻線にタップを設け、サイリスタ
（ＳＣＲ）やリレーでタップを切り換え、任意の電圧を
選択することで電圧変換を行っていた。そのような例と
して、特開平６−１７８４６２号公報及び特開平８−１
９１５４２号公報に記載の装置などが知られている。し
かし、かかる構成では、タップを切るときに残留磁気の
放出による大きなサージ電流が流れ、タップを接続する
ときに瞬間的に大きなサージ電圧が発生する。かかる大
電流や高電圧はサイリスタなどを破壊する恐れがあるた
め、耐圧の高いサイリスタを用いるなどコスト増の原因
となっていた。さらにかかる従来の構成では、タップを
解放したとき、負荷のアンバランスがそのまま影響し
て、変圧器の相間バランスがくずれ、入出力電圧に異常
に高い電圧を発生させてしまうという危険性があった。

【０００３】かかる従来の装置では、相電圧のバランス
をとるため巻線の交互組み合わせを行っているが、中性
線をトランス内の巻線に取り込むと一方の相に多大な電
流が流れ込むことによりトランス自体が損傷する危険が
あるため、中性線を取り込まず、スルー状態にし、電圧
変換のみを行うようにしている。

【０００４】一方、他の従来の装置として実開平２−３
５４２６号公報に示されるものや、特開平８−３３５１
１９号公報に示されるものがある。これらの公報に記載
された装置では、分路巻線と直列巻線は、別個の鉄心に
巻かれている。したがって、前述のように両者を同一の
鉄心に巻いた場合に生じるサージ電圧、サージ電流、相
間のアンバランスなどの問題は生じない。しかし、分路
巻線（分路トランス）は複巻構造であり、分路巻線のＶ
Ａで表される容量が増加し、かつ容積も大きくなってし
まう。さらに、分路トランスが複巻構造であると、変換
効率が悪く、無負荷電流、負荷損失が多くなり、回路の
電力ロスが全体の５〜１０％にも達してしまう。これで
は電圧を制御して節電しようとする装置本来の目的に反
することとなる。また、実開平２−３５４２６号公報で
は分路トランスの２次側に複数の別個の巻線を設けてい
るので、巻線を切り換えるためのサイリスタなどのスイ
ッチ素子の数が多くなり制御が複雑になるという問題も
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明は
大きなサージ電流、大きなサージ電圧の発生がなく、負
荷のアンバランスがあっても変圧器の相間バランスがく
ずれることがなく、分路巻線の容量や容積が大きくなる
ことがなく、分路巻線による電力ロスが少なく、スイッ
チ素子の制御が簡単にできる自動電圧制御装置を提供す
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では分路巻線と直列巻線を別個の鉄心に巻く
構造とし、かつ分路巻線を単巻構造とし、分路巻線の複
数のタップから１つをスイッチ手段により選択して任意
の電圧を直列巻線により構成されるトランスの２次巻線
に供給して電圧制御を行っている。

【０００７】すなわち本発明によれば、入力端子に供給
される入力電圧が印加される単巻で複数の出力電圧が得
られる分路巻線と、前記分路巻線の前記複数の異なる出
力電圧の１つを選択するスイッチ手段と、前記入力端子
と出力端子間に接続された１次巻線と、前記１次巻線の
鉄心に巻かれた２次巻線を有する直列トランスと、前記
スイッチ手段の出力を前記２次巻線に供給する手段と、
前記入力電圧を検出し、前記スイッチ手段のオン／オフ
動作を制御する制御信号を発生する制御手段とを、有す
る自動電圧制御装置が提供される。

【０００８】また本発明によれば、入力端子に供給され
る入力電圧が印加される単巻で複数の出力電圧が得られ
る分路巻線と、前記分路巻線の前記複数の異なる出力電
圧の１つを選択する第１スイッチ手段と、前記入力端子
と出力端子間に接続された１次巻線と、前記１次巻線の
鉄心に巻かれ、複数のタップのある２次巻線を有する直
列トランスと、前記２次巻線の複数のタップの１つを選
択して前記第１スイッチ手段の出力を供給する第２スイ
ッチ手段と、前記入力電圧を検出し、前記第１及び第２
スイッチ手段のオン／オフ動作を制御する制御信号を発
生する制御手段とを、有する自動電圧制御装置が提供さ
れる。

【０００９】また、前記スイッチ手段あるいは前記第１
スイッチ手段の出力を前記２次巻線に供給する際に同相
・逆相を切り換えるスイッチ手段を更に有することは、
本発明の好ましい態様である。

【００１０】さらに、前記分路巻線の出力電圧を前記２
次巻線に供給する部分にリアクトルが介在していること
は本発明の更に好ましい態様である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
ましい実施の形態について説明する。図１は本発明に係
る自動電圧制御装置の好ましい実施の形態としての単相
３線用の自動電圧制御装置のＲ相の回路部分を示す回路
図である。Ｒ相の入力端子１０とＲ相の出力端子２０の
間には直列巻線１６−１が挿入されている。この直列巻
線１６−１を１次巻線とすると、２次巻線１６−２が鉄
心１６−３を共通にして設けられている。２次巻線１６
−２には複数（本例では５つ）のタップが設けられてい
る。直列巻線１６−１と、２次巻線１６−２と、鉄心１
６−３は直列トランス１６を構成している。中性線の入
力端子１２は中性線の出力端子２２に直結されている。
入力端子１０と１２は、それぞれ単巻構造（単巻トラン
ス）の分路巻線１４の両端に接続されている。分路巻線
１４には中間タップが１つ設けられている。

【００１２】分路巻線１４の両端子と中間タップは、そ
れぞれスイッチ手段としてのサイリスタ１８−１，１８
−２，１８−３を介してリアクトル２４の双方の端子に
接続されている。リアクトル２４のタップはサイリスタ
２８−１，２８−２，２８−３，２８−４，２８−５を
介して直列トランス１６の２次巻線１６−２の各タップ
及び一方の端子に接続されている。直列トランス１６の
２次巻線１６−２の他方の端子はスイッチ手段としての
サイリスタ２６−１，２６−２を介してそれぞれ入力端
子１０と入力端子１２に接続されている。

【００１３】制御回路３０は、出力端子２０，２２に接
続され、出力端子２０，２２間の電圧を検出して必要と
する出力電圧が得られるように各スイッチ、すなわちサ
イリスタ１８−１〜１８−３，２８−１〜２８−５、２
６−１，２６−２のオン／オフ動作を制御する制御信号
を生成する。図２は、制御回路３０の内部構成を示すブ
ロック図である。図示されるように制御回路３０は所望
の出力電圧Ｖ５をユーザが設定するための基準電圧設定
部３２と、出力端子２０、２２間の出力電圧を検出する
出力電圧検出部３４と、これらからの信号を受け入れる
インターフェイス（Ｉ／Ｆ）３６と、インターフェイス
３６に接続されたＣＰＵ３８と、外部から制御パターン
を受け入れて記憶するメモリ４０と、ＣＰＵ３８の出力
信号により各サイリスタのオン／オフ制御をする制御信
号を生成する３つのサイリスタ制御信号生成部４２−
１，４２−２，４２−３とを有している。

【００１４】図３は、図２中のＣＰＵ３８の動作を説明
するフローチャートである。電源が投入されると、ＣＰ
Ｕ３８はまずステップＳ１でメモリ４０に記憶されてい
る制御パターンを読み取る。この制御パターンは、出力
電圧の目標値である基準電圧を中心にどの程度の入力電
圧がきたらどの程度電圧を降下させるか、あるいは上昇
させるかを与える数値の一覧の形をしている。すなわ
ち、図４に示すように、入力電圧の定格が１００Ｖのと
き基準電圧が９７Ｖであり、実際の入力電圧の範囲が８
７Ｖから９７Ｖの範囲であるときに、１Ｖきざみで制御
する場合、入力電圧と基準電圧の差の電圧だけ入力電圧
を上昇又は降下させるためのパターンが与えられてい
る。したがって、予想される入力電圧の範囲や、所望の
電圧調整幅に応じてこの制御パターンは任意に変更可能
である。図４において、入力電圧が基準電圧より高いと
きは、本発明の自動電圧制御装置は節電装置として動作
し、一方入力電圧が基準電圧より低いときは、電圧補償
装置として動作する。

【００１５】図５は、本発明の自動電圧制御装置の動作
原理を説明するため、図１のリアクトルやサイリスタを
省略した回路図である。なお、図１においてリアクトル
２４は分路巻線１４側と直列トランス１６の２次巻線１
６−２の間で緩衝装置の役割を担っている。すなわち、
後述するようにサイリスタのオン／オフにより生じるサ
ージ電圧をサイリスタの順方向と逆方向とで分岐し、そ
の方向でリアクタンスを通してタップのある中点から２
次巻線１６−２の方向に流れるようにすることにより減
少させることができるのである。しかし、かかるサージ
電圧が影響しないような場合は、リアクトル２４は省略
することができる。

【００１６】図５において、出力電圧Ｖ５は、入力電圧
Ｖ１に対して次式の関数で定められる。 Ｖ５＝Ｖ１±（Ｖ２・Ｖ４／Ｖ３） ここで、Ｖ２は直列巻線１６−１の電圧、Ｖ３は分路ト
ランス１４の出力電圧、Ｖ４は直列トランス１６の２次
巻線１６−２の電圧である。図５中、矢印Ｉ１，Ｉ２，
Ｉ３，Ｉ４はそれぞれある瞬間の電流の方向を示してい
る。今、図５に示すように、入力端子Ｒから直列巻線１
６−１と分路巻線１４へそれぞれ電流Ｉ１，Ｉ２が流れ
込むと、分路巻線１４には逆起電力が発生し、電流Ｉ２
とは逆方向の電流Ｉ３が流れ、タップを介して直列トラ
ンス１６の２次巻線１６−２へ流れ込む。

【００１７】一方、２次巻線１６−２では直列巻線１６
−１に流れる電流Ｉ１により２次電圧が誘起され、分路
巻線１４の方向に流れる電流Ｉ４が発生する。ここで電
流Ｉ３とＩ４は逆方向であり、両者の一部が相殺され
る。したがって、電圧Ｖ４は直列巻線の電圧Ｖ２により
本来生じる電圧より降下する。したがって、この２次巻
線１６−２の電圧により直列巻線１６−１の電圧Ｖ２は
減少し、よって出力電圧Ｖ５＝Ｖ１＋Ｖ２も低下する。
図５に示す構成は、入力電圧Ｖ１を低下させて出力電圧
Ｖ５とする場合のものであり、一方入力電圧Ｖ１を上昇
させて出力電圧Ｖ５とする場合には、電流Ｉ３とＩ４が
同方向となるように図１のサイリスタ２６−１，２６−
２を切り換えればよいのである。

【００１８】次に図１の自動電圧制御装置の具体的動作
について図６と共に説明する。図６は図１中の各サイリ
スタのオン／オフ動作により入力電圧をどのように上昇
又は降下させるかを示している。まず、図４において説
明したように、入力電圧Ｖ１が基準電圧Ｖrefより高い
ときは、本発明の自動電圧制御装置は節電装置として動
作させるためにサイリスタ２６−２がオンとなりサイリ
スタ２６−１はオフとなる。一方、入力電圧Ｖ１が基準
電圧Ｖrefより低いときは、電圧補償装置として動作さ
せるため、サイリスタ２６−１がオンとなりサイリスタ
２６−２はオフとなる。図６の（Ａ）は電圧補償装置と
して動作させる場合（サイリスタ２６−１がオン、サイ
リスタ２６−２はオフ）のものであり、図６の（Ｂ）は
節電装置として動作させる場合（サイリスタ２６−２が
オン、サイリスタ２６−１はオフ）のものである。

【００１９】図６において、２つの表中、サイリスタ１
８−１〜１８−３がオンとあるのは、該当のサイリスタ
のみがオン（導通状態）であり、他のサイリスタがオフ
（非導通）状態であることを示し、同様にサイリスタ２
８−１〜２８−５がオンとあるのは、該当のサイリスタ
のみがオン（導通状態）であり、他のサイリスタがオフ
（非導通）状態であることを示している。したがって、
例えば、図６の（Ａ）中、サイリスタ１８−３がオンで
サイリスタ２８−３がオンであれば、８Ｖの電圧上昇が
行われる。図６の（Ｂ）におけるマイナス符号は電圧の
下降を意味している。図６からわかるように、本実施の
形態では、上昇時には０Ｖから１０Ｖまで１Ｖきざみの
制御が可能であり、同様に下降時にも０Ｖから−１０Ｖ
まで１Ｖきざみの制御が可能である。

【００２０】図３のフローチャートに戻り、ステップＳ
１でパターンを読み取った後、ステップＳ２で基準電圧
Ｖrefを読み取る。次いでステップＳ３で出力電圧Ｖ５
を読み取る。その後ステップＳ４で出力電圧Ｖ５が基準
電圧Ｖrefより高いか否かを判断し、ＹＥＳならステッ
プＳ５でパターンに従って電圧の下降の制御を行う。一
方ＮＯならステップＳ６で出力電圧Ｖ５が基準電圧Ｖre
fより低いか否かを判断し、ＹＥＳならステップＳ７で
パターンに従って電圧の上昇の制御を行う。一方ＮＯな
らステップＳ４へ戻る。ステップＳ５又はＳ７を終了す
ると、ステップＳ８にて出力電圧Ｖ５が基準電圧Ｖref
に等しいか否かを判断し、ＹＥＳならリターンする。一
方ＮＯならステップＳ４へ戻り電圧制御を継続する。

【００２１】図３のフローチャートと図６の制御のため
のサイリスタのオン／オフの態様からわかるように、フ
ローチャートのステップＳ５とＳ７では図６の態様で制
御が行われるのである。すなわち今、出力電圧Ｖ５が１
０５Ｖであり、基準電圧Ｖref＝９７Ｖより８Ｖ高いも
のとすると、図６の（Ｂ）中の「−８Ｖ」分の電圧下降
が必要であり、サイリスタ２６−２がオンとなって下降
モードになり、さらにサイリスタ１８−１、２８−３が
オンとなる。この結果、出力電圧Ｖ５は低下し、１０４
Ｖに近づく。そうすると、今度は「−７Ｖ」分の電圧下
降が必要であり、サイリスタ２６−２がオンのままで、
サイリスタ１８−１、２８−３をオフとし、同時にサイ
リスタ１８−２、２８−５をオンとする。このように、
「−８Ｖ」→「−７Ｖ」→「−６Ｖ」→「−５Ｖ」→
「−４Ｖ」→「−３Ｖ」→「−２Ｖ」→「−１Ｖ」→
「０Ｖ」の順番で出力電圧Ｖ５と基準電圧Ｖrefの差が
なくなるまでサイリスタのオン／オフ制御を順次行う。
電圧を上昇させる場合も同様である。

【００２２】図７はサイリスタの動作状況を示す電圧波
形図である。サイリスタの切り換えのタイミングは、そ
の特性を生かして、現在オンとなっているサイリスタを
オフとする制御信号（オフ命令）を受けるとターンオフ
電圧が発生し、完全に解放させた状態で回路の残留磁気
による電流と解放電流が流れたときに発生する電圧のタ
イミングに対して同期をとり、上限２６０Ｖで次のタッ
プに切り換えるよう次のタップのサイリスタをオンとす
る（オン命令）。オフ命令からオン命令までの時間は
０．５〜１ｍｓ程度である。このような動作により、サ
イリスタの切り換え時に生じる突入電流は出力電圧には
影響を与えることがなく、さらに各サイリスタの耐圧を
低く抑えることができる。

【００２３】上記実施の形態では、分路巻線１４の複数
の出力電圧を選択的に直列トランス１６の２次巻線１６
−２へ供給するサイリスタ１８−１〜１８−３の他に、
２次巻線のタップを選択するためのサイリスタ２８−１
〜２８−５が設けられているが、後者を設けることによ
り図６で説明したようにきめ細かい電圧調整ができる。
しかし、サイリスタ２８−１〜２８−５を省略し、リア
クトル２４のタップを直接２次巻線１６−２の一方の端
子（図１でサイリスタ２８−５が接続されている端子）
に接続してもよい。この場合、図６の（Ａ）、（Ｂ）に
おいて２８−５がオンの場合と同様となる。このように
リアクトル２４のタップを直接２次巻線１６−２に接続
する場合は、分路巻線１４に設けるタップの数を増やす
ことで、ある程度の細かい出力電圧Ｖ５の調整が可能と
なる。

【００２４】また、上記実施の形態では本発明の自動電
圧制御装置は節電装置として動作し、一方入力電圧が基
準電圧より低いときは、電圧補償装置として動作すると
して説明したが、節電装置と電圧補償装置のいずれか一
方の動作のみでよい場合は、動作切り換え用のサイリス
タ２６−１，２６−２は不要であり、これらの代わりに
必要とする動作に応じて直接結線しておけばよい。な
お、上記実施の形態は、単相３線式の場合のＲ相につい
て説明したが、中性線Ｎを共通化して図１と同様の回路
を２つ組み合わせると図８のような構成となる。なお図
８では巻線部分は×印にて簡略して表現している。さら
に本発明は単相３線式のみならず、単相２線式や、３相
３線式や３相４線式などの電源回路に利用することがで
きる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、分
路巻線と直列巻線を分離して別個の鉄心に巻く構成と
し、かつ分路巻線を単巻き構造とし、その複数の出力電
圧を選択的に直列巻線の２次巻線に供給する構成とした
ので、大きなサージ電流、大きなサージ電圧の発生がな
く、負荷のアンバランスがあっても変圧器の相間バラン
スがくずれることがなく、分路巻線の容量や容積が大き
くなることがなく、分路巻線による電力ロスが少なく、
スイッチ素子の制御が簡単にできるという効果を奏す
る。また、直列巻線の２次巻線にもタップを設けスイッ
チ素子により分路巻線の出力電圧を供給するタップを選
択する構成とすることにより、よりきめ細かい電圧調整
が可能となる。この場合、スイッチ素子を複数設け、タ
ップ切り換えにより電圧を少しずつ変化させているの
で、１つのスイッチ素子にかかる電圧は少なく、耐圧の
低いものを用いることができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る自動電圧制御装置の好ましい実施
の形態の回路図である。

【図２】図１中の制御回路３０の内部構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】図２中のＣＰＵ３８の動作を説明するフローチ
ャートである。

【図４】図１の回路の電圧制御のパターンを示す図であ
る。

【図５】本発明の自動電圧制御装置の動作原理を説明す
るため、図１のリアクトルやサイリスタを省略した回路
図である。

【図６】図１中の各サイリスタのオン／オフ動作により
入力電圧をどのように上昇又は降下させるかを示す図で
ある。

【図７】サイリスタの動作状況を示す電圧波形図であ
る。

【図８】中性線Ｎを共通化して図１と同様の回路を２つ
組み合わせて単相３線式用の自動電圧制御装置を構成し
た場合の回路図である。

【符号の説明】

１０ Ｒ相の入力端子 １２ 中性線（Ｎ）の入力端子 １４ 分路巻線 １６ 直列トランス １６−１ 直列巻線 １６−２ ２次巻線 １６−３ 鉄心 １８−１，１８−２，１８−３，２８−１，２８−２，
２８−３，２８−４，２８−５ サイリスタ（スイッチ
手段） ２０ Ｒ相の出力端子 ２２ 中性線（Ｎ）の出力端子 ２４ リアクトル ２６−１，２６−２ サイリスタ（同相・逆相を切り換
えるスイッチ手段） ３０ 制御回路（制御手段） ３６ インターフェイス（Ｉ／Ｆ） ３８ ＣＰＵ ４２−１，４２−２，４２−３ サイリスタ制御信号生
成部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 横山 智 東京都目黒区祐天寺１丁目４番10号 有限 会社睦電気製作所内 (72)発明者 高橋 功 東京都大田区新蒲田２丁目21番４号 ジャ パンアグリード株式会社内 Ｆターム(参考） 5H420 BB12 CC04 DD03 EA29 EA31 EB13 EB26

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力端子に供給される入力電圧が印加さ
   れる単巻で複数の出力電圧が得られる分路巻線と、 前記分路巻線の前記複数の異なる出力電圧の１つを選択
   するスイッチ手段と、 前記入力端子と出力端子間に接続された１次巻線と、前
   記１次巻線の鉄心に巻かれた２次巻線を有する直列トラ
   ンスと、 前記スイッチ手段の出力を前記２次巻線に供給する手段
   と、 前記入力電圧を検出し、前記スイッチ手段のオン／オフ
   動作を制御する制御信号を発生する制御手段とを、 有する自動電圧制御装置。
2. 【請求項２】 前記スイッチ手段の出力を前記２次巻線
   に供給する際に同相・逆相を切り換えるスイッチ手段を
   更に有する自動電圧制御装置。
3. 【請求項３】 入力端子に供給される入力電圧が印加さ
   れる単巻で複数の出力電圧が得られる分路巻線と、 前記分路巻線の前記複数の異なる出力電圧の１つを選択
   する第１スイッチ手段と、 前記入力端子と出力端子間に接続された１次巻線と、前
   記１次巻線の鉄心に巻かれ、複数のタップのある２次巻
   線を有する直列トランスと、 前記２次巻線の複数のタップの１つを選択して前記第１
   スイッチ手段の出力を供給する第２スイッチ手段と、 前記入力電圧を検出し、前記第１及び第２スイッチ手段
   のオン／オフ動作を制御する制御信号を発生する制御手
   段とを、 有する自動電圧制御装置。
4. 【請求項４】 前記第１スイッチ手段の出力を前記第２
   スイッチ手段を介して前記２次巻線に供給する際に同相
   ・逆相を切り換える第３スイッチ手段を更に有する自動
   電圧制御装置。
5. 【請求項５】 前記分路巻線の出力電圧を前記２次巻線
   に供給する部分にリアクトルが介在している請求項１か
   ら４のいずれか１つに記載の自動電圧制御装置。