JP2002325458A

JP2002325458A - 定電流装置

Info

Publication number: JP2002325458A
Application number: JP2001226620A
Authority: JP
Inventors: Toshio Kataoka; 敏男片岡
Original assignee: Shinei Sangyo KK
Current assignee: Shinei Sangyo KK
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-07-26
Publication date: 2002-11-08

Abstract

(57)【要約】【課題】軽量コンパクトでかつ直流・交流を問わず広
い範囲で定電流を発生し、また運用コストの低減が可能
な電流装置を提供すること。【解決手段】電力周波数の交流電圧を入力され直流電
圧を出力する整流器と、出力された直流電圧により流れ
る電流の経路を高周波スイッチングして交流電圧を出力
する高周波インバータと、交流巻線と前記交流巻線に磁
気結合する直流巻線とを有し、高周波インバータにより
出力された交流電圧より流れる電流の経路として前記交
流巻線が挿入されている過飽和リアクトル型磁気増幅器
とを具備し、出力が、過飽和リアクトル磁気増幅器の交
流巻線を流れる交流電流である。電力周波数の交流電圧
を一度整流し、これを高周波スイッチングすることによ
り高周波電圧を得る。この電圧による電流を過飽和リア
クトル磁気増幅器の交流巻線に流すことにより、瞬時電
源変動に対しても高精度、高安定な電流出力を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、制御された電流出
力を発生する定電流装置に係り、特に、オゾン発生用の
高周波交流電源やマグネトロンに供給する高圧直流定電
流電源のほか、一般に瞬時の受電や負荷その他の変動に
対しても高い安定度を必要とする各種の定電流電源に適
する定電流装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６〜８は、従来から用いられている代
表的な定電流装置の回路の一例である。図６はオゾン発
生器用電源として用いられる高圧高周波交流定電流装置
を示し、また、図７はマグネトロン用電源として永い間
用いられてきた高圧直流定電流電源装置でを示すもので
ある。

【０００３】図６において、１１はフィルタ、１２は制
御回路、１３は高周波高電圧トランス、１４はオゾン発
生器、１５はシャフトを示す。

【０００４】図６ではサイリスタＳ1 〜Ｓ6 を用いて交
流電力を一度直流電力に変換し、更にサイリスタＳ7 〜
Ｓ10により、ブリッジ・インバータを構成して、１ｋＨ
ｚ程度の矩形波交流を発生させ、昇圧トランスにより７
ｋＶ程度に昇圧してオゾン発生器に定電流を供給してい
る。この回路方式の場合は、出力容量の10倍（変圧器換
算で５倍）程度の容量を持つインダクタンス（リアクト
ルともいう）Ｌをインバータの入力側に接続し、サイリ
スタＳ1 〜Ｓ6 の位相角制御により電流を制御してい
る。なお、オゾン発生器は電気的な等価回路で表すと、
ガラス電極の静電容量Ｃ1 と放電空隙の等価容量Ｃ2 の
直列回路となり、更に放電時の放電電圧がほぼ一定値に
保たれる性質から放電空隙間に一種のアバランシェダイ
オード（ツェナーダイオードの高圧版）の双方向接続回
路を等価容量Ｃ2 と並列に接続した構成と等価になる。

【０００５】図７はマグネトロンの製造、試験設備に永
年使用されてきた高圧直流定電流装置の回路方式を示し
たものである。負荷となるマグネトロンは電子レンジな
どの高周波加熱に広く用いられていて、その代表的な直
流電圧電流特性は図８に示すようになっていて、一定電
圧を越すとオゾン発生器と同様に急激に電流が流れ出
す。従って、このような特性を持つマグネトロンの品質
を確保するためには瞬時安定精度の高い定電流電源が必
要であり、従来は受電変動の瞬時安定性に優れた鉄共振
型定電圧装置と租、密調整用のスライダック２段で電流
調整を行ってきた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図６に示すような従来
の回路構成には次のような問題がある。（１）サイリスタの位相角制御によって電流制御を行っ
ているため、入力交流電流波形に多くの高調波電流を発
生する。この種の装置は、単体容量が数１０ｋＷから数
１００ｋＷと大容量のため、高調波電流の発生が同一給
配電系に接続された他の機器の正常動作に悪影響を及ぼ
すことがある。（２）Ｓ1 〜Ｓ6 による順変換、Ｓ7 〜Ｓ10による逆変
換を通じて電流制御を行っているため、高周波とはい
え、直流電流平滑用リアクトル（インダクタンスＬ）の
容量が大きく装置全体が大型で重くなる。（３）位相角制御のため電流制御範囲が広いとはいえ
ず、制御の直線性が良くなく、高精度を得るのは困難と
なる。（４）幅広い容量範囲に対応するには個別の設計、生
産、検査保守が必要で、ユニットの互換性に乏しい。

【０００７】また、図７に示したような信頼性の高い鉄
共振型定電圧装置にも次のような問題がある。（１）装置全体が重く、大きい。また鉄芯の飽和を利用
する電圧調整方式のため、発熱が大きく、大容量には不
適である。（２）１％の電源周波数変動に対して１．３〜１．５％
の出力電圧変動を発生するため、周波数変動の大きい地
域では使用困難となる。（３）入力交流電流波形は、サイリスタ制御方式よりは
良いが、歪電流が多くなる。（４）鉄共振とスライダックの組み合わせのため、コン
ピュータによる複数試験台の遠隔制御がやや困難とな
る。（５）数１０年前の旧式技術であり、２１世紀の設備に
ふさわしくない。

【０００８】本発明は、上記した事情を考慮してなされ
たもので、軽量コンパクトでかつ直流・交流を問わず広
い範囲で定電流を発生し、また運用コストの低減が可能
な電流装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明は、電力周波数の交流電圧を入力され直流電
圧を出力する整流器と、前記出力された直流電圧により
流れる電流の経路を高周波スイッチングして交流電圧を
出力する高周波インバータと、交流巻線と前記交流巻線
に磁気結合する直流巻線とを有し、前記高周波インバー
タにより出力された交流電圧により流れる電流の経路と
して前記交流巻線が挿入されている過飽和リアクトル型
磁気増幅器とを具備し、出力が、前記過飽和リアクトル
磁気増幅器の前記交流巻線を流れる交流電流であること
を特徴とする（請求項１）。

【００１０】すなわち、電力周波数の交流電圧を一度整
流し、これを高周波スイッチングすることにより高周波
電圧を得る。この電圧による電流を過飽和リアクトル磁
気増幅器の交流巻線に流すことにより、瞬時電源変動に
対しても高精度、高安定な電流出力を得ることができ
る。ここで、過飽和リアクトル磁気増幅器の大きさは、
扱う周波数が電力周波数に比べ非常に高いため小型・軽
量化できる。

【００１１】また、本発明の好ましい実施態様として、
請求項１記載の電流装置は、前記出力の交流定電流を検
出する電流検出回路と、前記検出された交流定電流の大
きさを基準値と比較する比較回路とをさらに具備し、前
記比較の結果により前記過飽和リアクトルの前記直流巻
線に流れる電流を制御する。これにより、さらに高精
度、高安定な電流出力を得ることができる。

【００１２】また、本発明の好ましい実施態様として、
請求項１記載の定電流装置において、前記高周波インバ
ータは、前記高周波スイッチングの周波数が４００Ｈｚ
ないし５００ｋＨｚである。４００Ｈｚ程度の周波数で
あれば電力周波数である５０Ｈｚに対して８倍の周波数
であり、過飽和リアクトル磁気増幅器の大きさもこれに
応じて相当に小型化でき実用性を増すことができる。ま
た、５００ｋＨｚを超えると過飽和リアクトル磁気増幅
器のコアの物理的性質により発熱が問題となり得るの
で、実用的に５００ｋＨｚ以下が望ましい。さらに、実
際的には、上記スイッチング周波数は１ｋＨｚないし５
０ｋＨｚの範囲が好ましい。これは、さらに十分な小型
化が実現できかつ過飽和リアクトル磁気増幅器のコア材
選択の幅が広がるからである。

【００１３】また、本発明の好ましい実施態様として、
請求項１記載の定電流装置は、前記出力が１次側に入力
される変圧器をさらに具備し、前記変圧器の２次側を新
たな出力とする。電圧としてさらに高圧の出力を発生す
るものである。

【００１４】また、本発明は、電力周波数の交流電圧を
入力され直流電圧を出力する整流器と、前記出力された
直流電圧により流れる電流の経路を高周波スイッチング
して交流電圧を出力する高周波インバータと、前記出力
された交流電圧が１次側に入力され２次側に昇圧された
交流電圧を出力する変圧器と、交流巻線と前記交流巻線
に磁気結合する直流巻線とを有し、前記変圧器により出
力された交流電圧により流れる電流の経路として前記交
流巻線が挿入されている過飽和リアクトル型磁気増幅器
と、前記過飽和リアクトル型磁気増幅器の前記交流巻線
を流れる交流電流を整流する整流回路とを具備し、出力
が、前記整流回路により整流された直流電流である（請
求項５）。

【００１５】すなわち、電力周波数の交流電圧を一度整
流し、これを高周波スイッチングすることにより高周波
電圧を得る。この電圧を昇圧しその出力による電流を過
飽和リアクトル磁気増幅器の交流巻線に流すことによ
り、瞬時電源変動に対しても高精度、高安定な電流出力
を得ることができる。この定電流装置は、この電流出力
を整流し直流出力を行う。ここで、過飽和リアクトル磁
気増幅器の大きさは、扱う周波数が電力周波数に比べ非
常に高いため小型・軽量化できる。

【００１６】また、本発明の好ましい実施態様として、
請求項５記載の定電流装置において、前記変圧器は、２
次側に複数の交流電圧を出力し、前記複数の交流電圧に
より流れる電流の経路のうち前記過飽和リアクトル型磁
気増幅器が挿入されていないものによる電流を整流する
第２の整流回路と、前記第２の整流回路により整流され
た直流電圧と前記整流回路により整流された直流電圧と
を加算する加算回路とをさらに具備し、前記加算された
直流電圧による直流電流を新たな出力とする。この場
合、過飽和リアクトル型磁気増幅器は、変圧器の複数の
２次側出力のうち一部の出力側に挿入され、電流容量と
して小さなものとすることができる。したがって、さら
に小型化に適する。

【００１７】また、本発明の好ましい実施態様として、
請求項５記載の定電流装置は、前記高周波インバータ
は、前記高周波スイッチングの周波数が４００Ｈｚない
し５００ｋＨｚである。これは、すでに述べたものと同
様である。

【００１８】また、本発明の好ましい実施態様として、
請求項１記載の定電流装置において、前記整流器は、前
記電力周波数の交流電圧として３相交流のうちの１相が
入力され、かつ互いに異なる相が入力される３つの整流
器からなり、かつ前記３つの整流器の出力が並列に接続
されて前記直流電圧を出力する。これにより３相交流を
入力として利用できる。

【００１９】また、本発明の好ましい実施態様として、
請求項５記載の定電流装置において、前記整流器は、前
記電力周波数の交流電圧として３相交流のうちの１相が
入力され、かつ互いに異なる相が入力される３つの整流
器からなり、かつ前記３つの整流器の出力が並列に接続
されて前記直流電圧を出力する。これも同様である。

【００２０】また、本発明は、請求項１記載の定電流装
置を複数具備し、前記複数の定電流装置の出力が並列に
接続されていることを特徴とする（請求項１０）。これ
により、ビルデングブロック構成を用いて、広い容量範
囲に対して設計、生産性の向上を図ることができる。さ
らに、定電流装置全体としての故障率を低減して高い信
頼性を確保でき、部品の互換性を確保し、保守、運用コ
ストの低減を図ることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照しながら説明する。

【００２２】前述のような諸般の事情から、本発明の実
施形態では、交流定電流装置の場合は図１、直流定電流
装置の場合は図２の回路の組み合わせを選ぶこととし
た。いずれの場合も共通している点は、入力交流電流が
ほぼ正弦波で、１／４から全負荷時の力率が９７％以上
の高力率整流回路１を用いて安定な直流電圧源を作る。
この電圧源を用いて矩形波インバータ２により電源周波
数より十分高い周波数の交流を発生させる。

【００２３】この高周波交流電圧源を用いて高周波磁気
増幅器３を動作させ、定電流制御を行う方式であり、図
１の例では磁気増幅器を昇圧変圧器４の前段（１次巻線
側）に接続している。一方、図２では昇圧変圧器４の後
段（２次巻線側）に接続しているが、これらはいずれの
側に接続しても、動作上は変わらず、巻線比率と生産上
の便宜の問題にすぎない。

【００２４】図２の高力率整流器１にはいわゆる昇圧ア
クティブフィルタ形や、ＬＣ形、更に単相、３相など複
数の回路方式があるが、本発明の構成要素のひとつに過
ぎず、その形式には拘らない。２のインバータは自己消
弧形の半導体としてＩＧＢＴ，電力用ＭＯＳ・ＦＥＴで
構成し、駆動回路は通常のデッドタイム付２相パルスで
Ａ−Ｄ、Ｂ−Ｃの組み合わせで交互に駆動し、５０％−
△（△＝デッド・タイム）のデューティをもつ矩形波を
発生させる。

【００２５】具体例を図３に示す。図３中の左のブロッ
クは単相入力昇圧・アクティヴフィルタ回路の構成例で
あり、この直流出力側にブリッジインバータの具体例を
示した。インバータの交流出力側に接続された可飽和リ
アクトル形磁気増幅器と定電流制御回路の詳細は図４中
の３および５に示した。図３で、１ブロックを基本モジ
ュールとし、これをｎ個並列に接続するとｎ個の並列運
転が可能になる。

【００２６】図４は本願発明の基本部分となる高周波磁
気増幅器およびその制御回路の一例を示したものであ
る。磁気増幅器の電気的容量は出力容量に等しいので、
図６のリアクトルＬの容量に較べて約１／５に、また、
図７の鉄共振形定電圧装置に較べると１／１０以下に小
型、軽量化される。

【００２７】図４の定電流制御回路ではシャントＳＨの
両端の電圧降下を検出したのち小容量のダイオード・ブ
リッジＤＢで整流しフィルタで平滑したのち、Ｔｒ１、
Ｔｒ２による差動増幅器で基準電圧ＶＲと比較し、誤差
信号をＴｒ３で増幅して磁気増幅器（可飽和リアクト
ル）の直流巻線Ｎd を制御する。交流巻線Ｎａに流れる
交流電流Ｔａは等アンペア・ターンの法則に従ってＩa ＝（Ｎd ／Ｎa ）・Ｉd ＋Ｉex …（１）となる。Ｉexは、直流制御電流Ｉd がゼロの時の交流巻
線Ｎa に流れる鉄芯の励磁電流であるが、磁性材料と周
波数および磁束密度の選定により定格電流の１％以下に
設計することも容易である。従って可飽和リアクトル型
磁気増幅器は５の閉ループ制御回路を用いず単に直流巻
線に一定の直流電流を流しているだけで、±１％以下の
定電流精度が得られる上に、図４の閉ループ自動制御系
を加えることで、±０．１％以下の定電流精度を保つこ
とが可能になる。

【００２８】これらの実施形態におけるもう一つの特徴
は、定電流装置の性質を利用してｎ個の並列接続を簡単
に行える点にある。すなわち、電力容量の広範囲の要求
に対して、一品料理による設計、生産、検査、保守、運
用の非効率を避け、一機種の基本設計をｎ個並列運転に
より広い容量範囲に適用して設計、生産性等を向上させ
ることができる。図３にその具体的一例を示した。

【００２９】さらににｎ＋１個の予備方式の採用によ
り、装置全体の信頼性を向上させることが可能になる。

【００３０】一般に稼働率ａ（不稼働率ｂ＝１−ａ）の
システムがｎ＋１台動作中に１台故障し、ｎ台稼動して
いれば良いシステムの稼働率ａ０はａ0 ＝aｎ・［１＋ｎ（１−ａ）］ …（２）で表すことが出来る。今、仮に１年間連続（８７６０
時）運転に対して、平均１回故障が発生し、その障害修
理に平均８．７６時間を必要とするサブ・システム（モ
ジュール）があったとすると、ｎ＋１予備方式の稼働率
は、表１のように算出される。すなわち、６＋１予備で
は単体の故障率が２％、１０＋１予備では５％、１４＋
１予備でも１０％、程度に障害率が低下する。実在のサ
ブシステムの故障率は０．９９９よりもかなり良いの
で、ｎ＋１予備構成のシステムの信頼性はずっと高いも
のになる。

【表１】

【００３１】以上述べたように、これらの実施形態によ
れば、交流定電流装置、直流定電流装置で全く独自の回
路構成を採ってきた従来の回路構成を、統一設計するこ
とが可能になる。更に個別の効果を整理すると、次のよ
うに要約される。（１）入力交流電流波形をほぼ正弦波に保ち、力率を１
に近づけることができ、高調波抑制の規制値をクリアで
きる。（２）広い入力電圧、周波数範囲をカバーし、輸出も可
能になる。（３）定電流制御範囲はほぼ０から全負荷まで直線性を
保って連続制御でき、精度０．１％は瞬時電圧変動に対
して保持可能となる。（４）高周波磁気増幅器の使用により、装置全体は従来
方式に較べ１／２〜１／５程度の小型、軽量化が達成さ
れる。（５）本発明装置のビルディング・ブロック化（モジュ
ール化）により、交流出力、直流出力を問わず、広い容
量範囲の定電流装置を提供可能になる。更に、ｎ＋１予
備方式を採ることにより装置の信頼性の向上を図ること
が出来る。また、予備品の共通化と装置のモジュール単
位による互換性が確保され、運用コストの低減が図られ
る。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
電力周波数の交流電圧を一度整流し、これを高周波スイ
ッチングすることにより高周波電圧を得、この電圧によ
る電流を過飽和リアクトル磁気増幅器の交流巻線に流
し、瞬時電源変動に対しても高精度、高安定な電流出力
を得ることができる。過飽和リアクトル磁気増幅器の大
きさは、扱う周波数が電力周波数に比べ非常に高いため
小型・軽量化できる。

【００３３】また、本発明によれば、定電流装置を複数
具備し、この複数の定電流装置の出力が並列に接続され
ているので、これにより、ビルデングブロック構成を用
いて、広い容量範囲に対して設計、生産性の向上を図る
ことができる。さらに、定電流装置全体としての故障率
を低減して高い信頼性を確保でき、部品の互換性を確保
し、保守、運用コストの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る交流定電流装置の構成例（オゾン
発生器用）を示す回路図。

【図２】本発明に係る直流定電流装置の構成例（マグネ
トロン用）を示す回路図。

【図３】本発明に係る交／直流定電流装置の主要部のビ
ルディング、ブロック（モジュール）によるｎまたはｎ
＋１予備構成例を示す回路図。

【図４】可飽和リアクトル型高周波磁気増幅器とその制
御回路の構成例を示す回路図。

【図５】図２のマグネトロン用直流定電流装置における
マグネトロン特性と磁気増幅器の制御特性の関係を示す
図。

【図６】従来のオゾン発生用交流定電流装置の回路構成
例を示す回路図。

【図７】従来のマグネトロン試験装置用直流定電流装置
の回路構成例を示す回路図。

【図８】マグネトロンの代表的な電圧、電流特性例を示
す回路図。

【符号の説明】

１…高力率整流器２…矩形波インバータ３…高周波
磁気増幅器４…昇圧変圧器５…定電流制御回路６
…整流回路（加算機能付き）７…負荷８…電流検出
点９…負荷

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5H007 AA06 BB00 CA01 CB05 CC03 CC05 CC09 CC12 DA05 DB02 DC02 EA01 5H730 AA04 AA15 AS04 AS14 BB27 BB82 BB85 CC02 CC04 DD03 DD32 EE06 EE46 EE59 EE76 FD31 FG01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電力周波数の交流電圧を入力され直流電
圧を出力する整流器と、前記出力された直流電圧により流れる電流の経路を高周
波スイッチングして交流電圧を出力する高周波インバー
タと、交流巻線と前記交流巻線に磁気結合する直流巻線とを有
し、前記高周波インバータにより出力された交流電圧に
より流れる電流の経路として前記交流巻線が挿入されて
いる過飽和リアクトル型磁気増幅器とを具備し、出力が、前記過飽和リアクトル磁気増幅器の前記交流巻
線を流れる交流電流であることを特徴とする定電流装
置。
【請求項２】前記出力の交流定電流を検出する電流検
出回路と、前記検出された交流定電流の大きさを基準値
と比較する比較回路とをさらに具備し、前記比較の結果により前記過飽和リアクトルの前記直流
巻線に流れる電流を制御することを特徴とする請求項１
記載の定電流装置。
【請求項３】前記高周波インバータは、前記高周波ス
イッチングの周波数が４００Ｈｚないし５００ｋＨｚで
あることを特徴とする請求項１記載の定電流装置。
【請求項４】前記出力が１次側に入力される変圧器を
さらに具備し、前記変圧器の２次側を新たな出力とすることを特徴とす
る請求項１記載の定電流装置。
【請求項５】電力周波数の交流電圧を入力され直流電
圧を出力する整流器と、前記出力された直流電圧により流れる電流の経路を高周
波スイッチングして交流電圧を出力する高周波インバー
タと、前記出力された交流電圧が１次側に入力され２次側に昇
圧された交流電圧を出力する変圧器と、交流巻線と前記交流巻線に磁気結合する直流巻線とを有
し、前記変圧器により出力された交流電圧により流れる
電流の経路として前記交流巻線が挿入されている過飽和
リアクトル型磁気増幅器と、前記過飽和リアクトル型磁気増幅器の前記交流巻線を流
れる交流電流を整流する整流回路とを具備し、出力が、前記整流回路により整流された直流電流である
ことを特徴とする定電流装置。
【請求項６】前記変圧器は、２次側に複数の交流電圧
を出力し、前記複数の交流電圧により流れる電流の経路のうち前記
過飽和リアクトル型磁気増幅器が挿入されていないもの
による電流を整流する第２の整流回路と、前記第２の整
流回路により整流された直流電圧と前記整流回路により
整流された直流電圧とを加算する加算回路とをさらに具
備し、前記加算された直流電圧による直流電流を新たな出力と
することを特徴とする請求項５記載の定電流装置。
【請求項７】前記高周波インバータは、前記高周波ス
イッチングの周波数が４００Ｈｚないし５００ｋＨｚで
あることを特徴とする請求項５記載の定電流装置。
【請求項８】前記整流器は、前記電力周波数の交流電
圧として３相交流のうちの１相が入力され、かつ互いに
異なる相が入力される３つの整流器からなり、かつ前記
３つの整流器の出力が並列に接続されて前記直流電圧を
出力することを特徴とする請求項１記載の定電流装置。
【請求項９】前記整流器は、前記電力周波数の交流電
圧として３相交流のうちの１相が入力され、かつ互いに
異なる相が入力される３つの整流器からなり、かつ前記
３つの整流器の出力が並列に接続されて前記直流電圧を
出力することを特徴とする請求項５記載の定電流装置。
【請求項１０】請求項１記載の定電流装置を複数具備
し、前記複数の定電流装置の出力が並列に接続されてい
ることを特徴とする定電流装置。