JP2001145351A - 自動電圧調整器 - Google Patents

自動電圧調整器

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JP2001145351A JP2000249057A JP2000249057A JP2001145351A JP 2001145351 A JP2001145351 A JP 2001145351A JP 2000249057 A JP2000249057 A JP 2000249057A JP 2000249057 A JP2000249057 A JP 2000249057A JP 2001145351 A JP2001145351 A JP 2001145351A
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Shigeisa Imoto
成勲 井本
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 変圧器の巻線切換や極性切換を効率良くおこ
なって、応答が速く、高精度化や小型軽量化が容易で、
電源高調波電流や電磁障害を出さない、節電効果の高い
クリーンな高性能自動電圧調整器を提供する。 【解決手段】 巻線制御型変圧部WVCの入力側に電源
入力端子を接続し、変圧部WVCの出力側を前記入力端
子と出力端子との間に直列に接続し、出力端子の両端を
制御手段1の電圧検出部12の入力側に接続し、出力設
定部11の出力側と電圧検出部12の出力側を比較判定
部ECMPの入力側に接続し、比較判定部ECMPの出
力側を巻線制御部WCONTの入力側に接続し、巻線制
御部WCONTの出力側をスイッチ回路Sの各スイッチ
の駆動入力端子に接続して成る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、各種電気機器の電
圧または電流または電力を制御することによって、電源
の安定化、電流調整、電圧調整、電力調整、照度の調
整、動力の調整、電動機回転速度の調整、電動機トルク
の調整、温度調整、電池の充放電電流の調整、周波数変
換等の各種電気調整及び電気変換及び電圧調整による電
灯回路や動力回路の電気機器や動力設備の節電を行う電
圧調整装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来電圧調整器の技術方式は、主に摺動
式とサイリスタ位相制御式、チョッパー式、インバータ
式(以後スイッチング式と総称する)である。摺動式は
可動部分があるためメンテナンス頻度が高く、応答が遅
く、高精度化や小型軽量化が困難であり、スイッチング
式は電源高調波電流を発生し、周辺に対して電磁障害を
与え、装置効率や力率も悪い。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は自動
電圧調整器の新しい技術方式として、変圧器の巻線の切
換を効率良くおこなって、応答が速く、高精度化や小型
軽量化が容易で、電源高調波電流や電磁障害を出さない
高効率でクリーンな自動電圧調整器を提供しより多方面
に経済的効果をもたらすことを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明(請求項1に記載
の第1発明)の自動電圧調整器は、1次または2次側が
n個(n≧1)の複数の巻線から成る変圧器の複数巻線
側に巻線比を調整するための巻線切換スイッチ回路を接
続して巻線制御型変圧部を構成し、前記変圧部の入力側
を電源入力端子に接続し、前記変圧部の出力側両端を負
荷接続用出力端子の両端に接続し、あるいは前記変圧部
の出力側両端を前記入力端子と前記出力端子との間に直
列接続して、前記出力端子の両端をフィードバック制御
のために電圧検出部の入力側に接続し、出力設定部の出
力側と前記電圧検出部の出力側を比較判定部の入力側に
それぞれ接続し、前記比較判定部の出力側を巻線制御部
の入力側に接続し、前記巻線制御部の出力側を前記スイ
ッチ回路の各スイッチの駆動入力端子に接続してなるも
のである。
【0005】かかる構成においては、通電中に効率良く
かつ瞬時に複数の巻線の組合せが変えられるので巻線制
御型変圧部の出力電圧が自由に変えられ、出力電圧が容
易に調整できる。電圧検出部においては、出力電圧の瞬
時値や実効値、平均値、積分値、微分値、波形データ等
をリアルタイムに検出できるので低速応答から高速応答
までの各種電圧検出が可能である。出力設定部において
は、ポテンショメータや可変抵抗、固定抵抗またはソフ
トウェアーによる設定、リモート設定としてアナログ信
号やディジタル信号、シリアルデータ通信、パラレルデ
ータ通信、通信ネックワークによる設定等が可能であ
る。比較判定部においては、サーボ機構の制御方式同様
に目標値とフィードバック値の差を演算しその差が最小
になるように複数の巻線の組合せを決定し、その差の大
きさに相当した巻線の組合せを一度で決定したり、PI
D制御方式(Pは比例制御、Iは積分制御、Dは微分制
御)に基づいて決定したり、シーケンス制御方式や曖昧
制御方式や予測制御方式に基づいて決定する。構成とし
てはアナログ回路、ディジタル回路、A/D変換回路、
CPU回路やコンピュータとソフトゥアーの組合せが考
えられる。巻線制御部においては、比較判定部で決定さ
れた巻線組合せデータを基に巻線切換スイッチ回路の各
スイッチを駆動する。この場合、各スイッチの切換動作
時に巻線短絡が起こらないようにデットタイム(すべて
のスイッチが開放状態)をもって各スイッチを駆動す
る。デットタイムが大きすぎると出力電圧の瞬断や不安
定現象が起こるので最適値を選ぶ必要がある。また、切
り替え動作による変圧器へのストレスや切り替えサージ
が最小になるように電圧または電流波形の位相に同期し
て切り替えタイミングを調整する。巻線制御部の構成と
してはハードウェアー回路による方法またはソフトウェ
アーによる方法がある。
【0006】また、請求項2記載の発明に係わる自動電
圧調整器は、請求項1記載の自動電圧調整器において、
電流検出手段または電流抑制インピーダンスをn個の複
数巻線の各巻線回路に挿入し、または電流検出手段を電
源入力端子側に設置し、または電流抑制用インピーダン
スを通して巻線制御型変圧部や出力端子を電源入力端子
に接続する。このような電流検出手段によって、通電中
の回路短絡や過電流や負荷短絡が発生した時にリアルタ
イムの電流検出で巻線切換スイッチ回路のスイッチを開
放状態にして巻線切換スイッチ回路と変圧器を保護する
ことができる。また、このような電流抑制用インピーダ
ンスによって、通電中の回路短絡や過電流や負荷短絡が
発生した時にその過電流を抑制して巻線切換スイッチ回
路と変圧器を保護することができる。
【0007】また、請求項3記載の発明に係わる自動電
圧調整器は、請求項1記載の自動電圧調整器において、
巻線制御型変圧部として、巻線比が固定の変圧器の1次
側にn個(n≧1)のタップ付き単巻または複巻変圧器
の出力を、該n個のタップの切換スイッチ回路を通して
接続してなるものである。
【0008】また、請求項4記載の発明に係わる自動電
圧調整器は、請求項1記載の自動電圧調整器において、
巻線制御型変圧部を単巻変圧器で構成したものであり、
単巻変圧器の1次側に極性切換スイッチ回路を接続して
なるものである。かかる構成においては、非常にシンプ
ルな構成で3段階の電圧調整が可能である。
【0009】
【実施例】次に本発明の実施例について、図面を用いて
詳細に説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は
本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内
で種々改変することができるものである。
【0010】第1実施例の自動電圧調整器は第1発明の
実施例であり、図1−(a)に示すように、1次側が3
個(n=3)の巻線で2次側が1個の巻線からなる変圧
器TR1の1次側に巻線切換スイッチ回路Sを接続して
巻線制御型変圧部WVCを構成し、変圧部WVCの入力
側に電源入力端子を接続し、変圧部WVCの出力側(変
圧器TR1の2次側)を前記入力端子と負荷接続用出力
端子との間に直列に接続し、前記出力端子の両端を制御
手段1の電圧検出部12の入力側に接続し、出力設定部
11の出力側と電圧検出部12の出力側を比較判定部E
CMPの入力側に接続し、比較判定部ECMPの出力側
を巻線制御部WCONTの入力側に接続し、巻線制御部
WCONTの出力側をスイッチ回路Sの各スイッチの駆
動入力端子に接続する。
【0011】図1−(a)において、スイッチS1〜S
6の開閉状態を変えることによって変圧器TR1の変圧
比(=e1÷e2)を下記の7通りに変えることができ
る。 W1÷W0、W2÷W0、(W1+W2)÷W0、W3
÷W0 (W1+W3)÷W0、(W2+W3)÷W0、(W1
+W2+W3)÷W0 また、巻線を短絡状態にする(例えばスイッチS1とS
2のみを閉成状態とし他は開放状態にする)ことによっ
て変圧比をゼロとしe2=0とすることができるので変
圧器TR1の2次電圧e2を8通りに可変し、出力電圧
e3(=e1−e2又は=e1+e2)を調整すること
ができる。この場合、変圧器TR1の1次側巻線の巻線
数nに対し、巻線の巻数W1を最小単位としてW2=2
×W1、W3=2×W2、−−−−、Wn=2×Wn−
1とした場合は1/2の制御分解能が得られる。電源
変動や負荷変動による電圧変動分をe2の調整によって
補償した場合、非常に高効率、小型軽量の直列変圧器方
式の可変巻線比型安定化電源が構成でき、スイッチング
式とは違って、制御中に電圧波形を変えないので電源高
調波電流を発生せず特別なフィルタも必要とせず無効電
力も無く高力率である。次に通電中の巻線切換スイッチ
回路Sの動作を図面を用いて詳細に説明する。図1−
(a)において、スイッチS1とS2、S3とS4、S
5とS6はそれぞれ対になって動作する。過電流発生時
等の保護動作のときはすべてのスイッチが開放状態とな
り、また変圧比をゼロとするときはスイッチS1とS2
のどちらも閉成状態またはスイッチS3とS4のどちら
も閉成状態またはスイッチS5とS6のどちらも閉成状
態となるが、その他の動作(以後、通常動作と称する)
時はスイッチS1が閉成状態のときはS2は開放状態、
スイッチS1が開放状態のときはS2は閉成状態であ
り、同様にS3とS4、S5とS6もそれぞれ相反する
動作状態となる。制御手段1とスイッチ回路Sの開閉動
作に遅れやバラツキがあるため通常動作のスイッチの切
換時には巻線回路に短絡現象が発生するので図8−
(c)のタイムチャートに示すように、スイッチの開か
ら閉または閉から開の状態に転移するときにデッドタイ
ムt1を設ける。この制御方法によって短絡現象をなく
すことができるが、短絡電流が問題ないほど小さいとき
はデットタイムをゼロとしても構わない。一組のスイッ
チS1とS2の駆動回路の実施例を図9−(c)に示
す。図9−(d)は、図9−(c)においてスイッチS
1とS2をパワーMOS−FETで入れ替えたものであ
る。このような自己ターンオフ機能を備えた半導体スイ
ッチによって巻線の切換を行った場合、マイクロ秒オー
ダのスピードで切り換えることができるので切換時の過
渡現象を抑制することができ、また電磁障害も出ない。
また調整の必要なときだけ切り換え動作をするので、ス
イッチ損失が小さい。他の実施例として、図1−(b)
に示すように巻線切換スイッチ回路Sと電源入力端子の
間に極性切換回路PSを接続し、変圧器TR1の2次電
圧e2の極性を自動的に変えることによって、2倍の制
御分解能すなわち1/(2×2)の制御分解能が得ら
れ、出力電圧e3(=e1±e2)もより高分解能で調
整できる。スイッチPS1とPS2の制御方法もスイッ
チS1とS2の制御と同様にデットタイムを設ける。他
の実施例として、図2−(a)に示すように変圧器TR
1の2次側が3個(n=3)の巻線で1次側が1個の巻
線からなる変圧器TR1の2次側に巻線切換スイッチ回
路Sを接続して巻線制御型変圧部WVCを構成する。こ
の場合も、図1−(a)の場合と同じ説明と効果があて
はまる。他の実施例として、図2−(b)に示すように
巻線制御型変圧部WVCの入力側(変圧器TR1の1次
側)と電源入力端子の間に極性切換回路PSを接続し、
巻線制御型変圧部WVCの出力電圧e2の極性を自動的
に変えることによって、2倍の制御分解能すなわち1/
(2×2)の制御分解能が得られ、図1−(b)の場
合と同様の説明があてはまる。他の実施例として、図3
−(a)に示すように図2−(a)の構成における巻線
制御型変圧部WVCの出力側を電源入力端子と出力端子
から取り外して極性切換回路PSの入力側に接続し、極
性切換回路PSの出力側を変圧器TR2の1次側に接続
し、変圧器TR2の2次側を電源入力端子と出力端子の
間に接続する。このような構成においては、出力電圧の
調整分解能とリニアリティの改善及びスイツチ回路の電
圧を大きくし電流を小さくすることができるので出力電
流の大容量化が容易となる。他の実施例として、図3−
(b)に示すように、図3−(a)の構成において極性
切換回路PSを巻線制御型変圧部WVCの入力側に接続
する。この場合も、図3−(a)の場合と同じ説明と効
果があてはまる。他の実施例として、図5−(a)に示
すように、図1−(a)において巻線制御型変圧部WV
Cを、1次側に3個(n=3)のタップT1、T2、T
3を設けた変圧器TR3の1次側にタップ切換スイッチ
回路2を接続したタップ制御型変圧部TVCと入れ替え
て成る。このような構成においては、制御精度によって
は切換スイッチの数を減らすことができる。図8−
(b)に示すようにタップ切換用の巻線制御部WCON
Tの実施例としては、デコード回路5によって複数タッ
プの内の1個のみが閉成状態となるようにし短絡現象が
発生しないように遅延回路4を設ける。スイッチの動作
タイミングは図8−(c)の示すタイミングとなる。他
の実施例として、図5−(b)に示すようにタップ切換
スイッチ回路2と電源入力端子の間に極性切換回路PS
を接続し、変圧器TR3の2次電圧e6の極性を自動的
に変えると、図5−(a)の場合の2倍の制御分解能が
得られる。他の実施例として、図7−(a)に示すよう
に図3−(a)において変圧器TR1をTR3に、巻線
切換スイッチ回路Sをタップ切換スイッチ回路2にそれ
ぞれ入れ替えたものである。このような構成において
は、制御精度によっては切換スイッチの数を減らすこと
ができる。他の実施例として、図7−(b)に示すよう
に図2−(a)において変圧器TR1をTR3に、巻線
切換スイッチ回路Sをタップ切換スイッチ回路2にそれ
ぞれ入れ替えたものである。このような構成において
は、制御精度によっては切換スイッチの数を減らすこと
ができる。他の実施例として、図8−(a)に示すよう
に変圧器TR3の2次側がタップ付きで変圧器TR3の
2次側にタップ切換スイッチ回路2の入力側を接続し、
タップ切換スイッチ回路2の出力側の両端を出力端子に
接続して成る。
【0012】第2実施例の自動電圧調整器は、第2発明
の実施例であり、図4に示すように、電流検出手段CT
を電源入力端子と巻線制御型変圧部WVCの入力側の間
に設け、巻線制御型変圧部WVCの出力側を出力端子に
接続し、電流検出手段CTの出力側を制御手段1の電流
検出部13の入力側に接続し、出力端子の両端を制御手
段1の電圧検出部12の入力側に接続し、制御手段1の
巻線制御部WCONTの出力側をスイッチ回路Sの各ス
イッチの駆動入力端子に接続する。
【0013】このような構成においては、電流検出手段
CTは、電流変成器や磁気センサ、抵抗器によって実施
することができ、負荷の過電流対策のみの場合は電流検
出手段CTは出力端子側に設置する。この場合、変圧器
3の1次巻線が1個で2次巻線が12個であるから1/
12(=1/4095)の電圧調整分解能が得られ、
広範囲かつ高精度の電圧調整が可能である。巻線切換ス
イッチ回路Sの各スイツチS1〜S24は、通電中に同
時に切り換えることができ、効率良く出力電圧調整がで
きる。また巻線W1〜W12の各出力側とスイッチSの
間に12組の整流回路と平滑回路をそれぞれの巻線に挿
入した場合は高性能な可変型直流電源が構成でき、スイ
ッチSの出力側に一組の整流回路と平滑回路を接続して
も直流電源が構成できる。
【0014】第3実施例の自動電圧調整器は、第3発明
の実施例であり、図11−(a)に示すように、図7−
(a)において、極性切換回路PSを撤去しタップ付変
圧器TR3を単巻変圧器TR5に置き換えて成る。この
ような構成においては、装置の低コスト、小型軽量化が
可能である。電圧バランスのとれていない単相三線式の
R相とT相にそれぞれ設置して電圧調整した場合は電圧
バランスのとれた電圧が得られ、出力電圧を95Vや9
7Vに調整した場合は電灯回路の節電効果も得られる。
他の実施例として、図11−(b)に示すように単相三
線式回路に本発明の自動電圧調整器を接続してR相とT
相の出力電圧を常に適正値に調整することによつて電灯
回路の節電効果が得られる。
【0015】第4実施例の自動電圧調整器は、第4発明
の実施例であり、図6−(a)に示すように、図3−
(b)において巻線制御型変圧部WVCを取り除いて成
る。このような構成においては、出力電圧e3がe3=
e1+e6、e3=e1、e3=e1−e6と3段階調
整が簡単かつ効率良くできる。他の実施例として、図6
−(b)に示すような構成においてスイッチPS1、P
S2を切り換えることによって電圧e6の極性を変える
ことができる。他の実施例として、図6−(c)に示す
ような構成においては図6−(e)のタイムチャートに
示すように、数kHz〜数十kHzの速さでスイッチP
S1とPS2を交互に開閉することによって高周波変調
すると、変圧器TR4の出力電圧e7は高周波電圧にな
り変圧器TR4を小さくすることができる。また、図6
−(d)に示すようにTR4の出力側に復調回路9と交
流フィルタを設けることによって入力電源電圧と同様の
波形電圧が得られる。また、図6−(c)の構成におい
てTR4の出力側に整流回路と平滑回路を設けると直流
電圧が得られる。図6−(c)と図6−(d)の構成に
おいては、出力電圧の大きさは変調側のデットタイムを
調整したり、変調側または復調側のPWM(パルス幅変
調)制御またはPPM(パルス位相変調)制御によって
調整することができる。復調回路9の回路91は図10
−(a)の半導体スイッチ回路で代用できる。また、図
6−(a)の構成において、変圧器TR2の出力側を入
力端子から切り離し、変圧器TR2の出力側両端を出力
端子の両端に接続しても図6−(c)と図6−(d)と
同様の効果が得られる。本発明全体を通して、図9−
(a)に示すようなスイッチSWの回路は図9−(b)
に示す自己ターンオフ型半導体スイッチのパワーMOS
−FET回路に置き換えることができ、その他に図10
に示すような各種の半導体スイッチ回路や接点スイッチ
との併用回路に置き換えることができ、単相用電圧調整
器3台または三相変圧器を使用することによって三相電
源にも活用でき、出力側に整流回路と平滑回路を接続す
ることによって直流電源が構成できる。又、単相三線式
回路に接続しても同様の効果がある。本発明全体を通し
て、出力電流をフィードバックして電圧調整すると定電
流装置となり、出力電力をフィードバックして電圧調整
すると定電力装置となり、負荷がヒータの場合は温度信
号をフィードバックして電圧調整すると温度コントロー
ラとなり、負荷がモータ応用装置の場合は回転速度、回
転トルク、位置信号、圧力、風力、流量等の各種物理信
号をフィードバックして電圧調整すると各種モータコン
トローラとなり、負荷が電池の場合は電池の電流や温度
をフィードバックして電圧調整すると電池充電器とな
る。
【0016】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の自動電圧
調整器は、いずれの場合も応答が速く、高精度化や小型
軽量化が容易で、電源高調波電流や電磁障害を出さない
高効率でクリーンな電圧調整が可能であり、あらゆる電
気制御に活用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1発明の第1実施例の全体を示す電気回路図
である。
【図2】第1発明のその他の実施例の全体を示す電気回
路図である。
【図3】第1発明のその他の実施例の全体を示す電気回
路図である。
【図4】第2発明の第2実施例の全体を示す電気回路図
である。
【図5】第3発明の第3実施例の全体を示す電気回路図
である。
【図6】第4発明の第4実施例の全体を示す電気回路図
である。
【図7】第3発明のその他の実施例の全体を示す電気回
路図である。
【図8】第3発明のその他の実施例の全体を示す電気回
路図である。
【図9】本発明のスイッチ回路を示す電気回路図であ
る。
【図10】本発明の交流スイッチを示す電気回路図であ
る。
【図11】第3発明の第3実施例の全体を示す電気回路
図である。
【符号の説明】
1はハードウェアーまたはソフトウェアーから成る制御
手段 S,PS,2は有接点スイッチや半導体スイツチから成
るスイッチ回路 TR1〜TR6は変圧器 3はトラジスタ、FET他の半導体スイッチまたはバッ
ファ回路 4は遅延回路 5はデコーダ回路 6は有接点スイッチの電磁コイルや半導体スイツチ駆動
入力部 7はCPU、A/D変換器、カウンタ、レジスタ等のデ
ィジタル回路 8は論理反転回路 9は復調回路 CTは各種電流検出手段

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1次側または2次側がn個(n≧1)の
    複数巻線から成る変圧器に、該n個の複数巻線を任意に
    組み合わせて任意の数だけ直列接続ができるように構成
    した巻線切換スイッチ回路を接続した巻線制御型変圧部
    の入力側を電源入力端子に接続し、前記変圧部の出力側
    両端を負荷接続用出力端子の両端に接続し、あるいは前
    記変圧部の出力側両端を前記入力端子と前記出力端子と
    の間に直列接続し、出力電圧の現在値をリアルタイムに
    検出するために前記出力端子の両端を電圧検出部の入力
    側に接続し、出力電圧の目標値を設定する出力設定部の
    出力側と前記電圧検出部の出力側を、前記目標値と前記
    現在値の差を演算し該電圧差が最小になるように前記巻
    線切換スイッチ回路の新しい動作状態を決定する比較判
    定部の入力側にそれぞれ接続し、前記比較判定部の出力
    側を、前記スイッチ回路の各スイッチの切換時短絡防止
    のデットタイムをもち及び電圧波形または電流波形の任
    意のタイミングで前記各スイッチを駆動する巻線制御部
    の入力側に接続し、前記巻線制御部の出力側を前記スイ
    ッチ回路の各スイッチの駆動入力端子に接続してなるこ
    とを特徴とする自動電圧調整器。
  2. 【請求項2】 動作中の回路短絡と過電流発生から前記
    変圧部を保護するために電流検出手段または電流抑制イ
    ンピーダンスを前記n個の複数巻線の各巻線回路に挿入
    し、あるいは入力電源の全電流を検出できるように前記
    入力端子に接続して成ることを特徴とする請求項1記載
    の自動電圧調整器。
  3. 【請求項3】 請求項1の巻線制御型変圧部として、巻
    線比が固定の変圧器と、1次側または2次側にn個(n
    ≧1)のタップを設けた単巻または複巻変圧器に、該n
    個のタップの切換スイッチ回路を接続し、該出力側を前
    記変圧器の1次側に接続して前記変圧器の2次出力電圧
    をより調整しやすく構成したことを特徴とする請求項1
    又は2記載の自動電圧調整器。
  4. 【請求項4】 請求項1の巻線制御型変圧部を、単巻変
    圧器の1次側に極性切換スイッチ回路を接続して構成し
    たことを特徴とする請求項1又は2記載の自動電圧調整
    器。
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