JP2004265102A

JP2004265102A - 電圧安定化装置

Info

Publication number: JP2004265102A
Application number: JP2003054279A
Authority: JP
Inventors: Fukatake Usui; 文兼武臼井
Original assignee: Tokico Technology Ltd
Current assignee: Tokico System Solutions Co Ltd
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-24

Abstract

【課題】入力電圧を安定化して出力する電圧安定化装置に関し、効率よく、かつ、リニアに出力電圧を制御できる電圧安定化装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、入力電圧を安定化して出力する電圧安定化装置において、貫通孔を有する円環状のコアに制御コイルが巻回されたトロイダルコイルと、トロイダルコイルの貫通孔に貫通され、前記入出力端子間で給電を行なう給電線と、出力端子の電圧を検出する電圧検出手段と、標準電圧を生成する標準電圧生成手段と、電圧検出手段で検出された検出電圧と標準電圧生成手段で生成された標準電圧とを比較する電圧比較手段と、電圧比較手段での比較結果、検出電圧と標準電圧とが一致するようにトロイダルコイルの制御コイルに供給する電流を制御する電流制御手段とを有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電圧安定化装置に係り、特に、入力電圧を安定化して出力する電圧安定化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
２００Ｖ商用電源では、定格として２００〔Ｖ〕が要求されており、通常は、定格を下回らないように２００〔Ｖ〕以上の電圧が印加されている。一方、２００〔Ｖ〕で駆動される負荷では、商用電源の電圧低下などを見込んで、通常２００〔Ｖ〕以下の電圧で駆動可能とされている。このため、負荷には、例えば、１９５〔Ｖ〕程度の電圧を印加すれば駆動し、それ以上の電圧を印加すると、無駄に消費されることになる。
【０００３】
このような無駄な電力消費を低減するために電圧安定化装置が開発されている。電圧安定化装置は、節電装置とも呼ばれ、商用電源を入力とし、入力された商用電源を所定の電圧、例えば、負荷の駆動電圧が１９５〔Ｖ〕程度であれば、１９７〔Ｖ〕程度に安定化して出力するものである。
【０００４】
図９は従来の電圧安定化装置のブロック構成図を示す。
【０００５】
従来の電圧安定化装置１０１は、トランス１１１、制御回路１１２から構成される。トランス１１１は、巻線１２１、巻線１２２、制御巻線１２３（制御コイル）がフェライトコア１２４に巻回された構成とされている。
【０００６】
制御回路１１２は、出力電圧Ｖｏｕｔを検出し、出力電圧Ｖｏｕｔが予め設定された所定の設定電圧Ｖ０より大きければ、巻線１２１、１２２により発生する磁束を抑圧する磁束が発生するように制御巻線１２３のタップを切り替えることにより、出力電圧Ｖｏｕｔが設定電圧Ｖ０より大きくならないように制御していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−７８０３５号公報（図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、従来のこの種の電圧安定化装置は、トランスの制御巻線のタップを切り替えることにより行なわれていた。
【０００９】
このため、トランスのタップ数により電圧の制御段数が決定されていた。通常トランスにはそれほど多くのタップを設定できないので、出力電圧の変化にリニアに応答できなかった。また、電流がトランスの巻線を通して出力されるため、トランスにより電力が損失され、効率が悪かった。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、効率よく、かつ、リニアに出力電圧を制御できる電圧安定化装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁性体からなる環状のコアと、コアに巻回された制御コイルと、コアの貫通孔に貫通して設けられた給電線と、給電線の電圧を検出し、その検出電圧と予め定められた所定の電圧との差分電圧に応じて制御コイルに供給する電流を制御することにより給電線の入力電圧を所定の電圧に制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、給電線の電圧を検出し、その検出電圧と所定の電圧との差分電圧に応じてコアの制御コイルに供給する電流を制御することにより、出力電圧を安定化させることができる。また、本発明によれば、コアの制御コイルへの電流をリニアに制御することにより、リニアに出力電圧を制御できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例のシステム構成図を示す。
【００１４】
電圧安定化装置１１の入力端子Ｔｒｉｎ、Ｔｔｉｎには、例えば、単相３線式、２００Ｖの商用電源１２の電圧線Ｌｒ、Ｌｔから電圧が印加される。電圧安定化装置１１は、商用電源１２から印加された入力電圧を安定化して、出力端子Ｔｒｏｕｔ、Ｔｔｏｕｔから出力する。
【００１５】
例えば、商用電源１２は、定格として２００〔Ｖ〕が要求されており、通常は、定格を下回らないように２００〔Ｖ〕以上の電圧を印加している。一方、２００〔Ｖ〕で駆動される負荷１３では、商用電源１２の電圧低下などを見込んで、通常２００〔Ｖ〕以下の駆動可能とされている。このため、負荷１３には、例えば、１９５〔Ｖ〕程度の電圧を印加すれば駆動し、それ以上の電圧を印加すると、無駄に消費されることになる。
【００１６】
電圧安定化装置１１は、節電装置として作用し、商用電源１２からの入力電圧を１９７〔Ｖ〕程度で安定化して出力することにより、負荷１３への無駄な電流供給を低減して節電を図ることが可能な構成とされている。
【００１７】
なお、負荷１４は出力端子Ｔｒｏｕｔと接地電位とされた接地線Ｌｎとの間に接続され、負荷１５は出力端子Ｔｔｏｕｔと接地線Ｌｎとの間に接続されており、負荷１４及び負荷１５は、各々定格１００〔Ｖ〕で駆動される。
【００１８】
図２は電圧安定化装置１１のブロック構成図を示す。
【００１９】
電圧安定化装置１１は、給電線２１、２２、磁性体からなる環状のコア３１と当該コア３１に巻回された制御コイル３２とからなるトロイダルコイル２３、制御回路２４から構成されている。
【００２０】
給電線２１は、一端が入力端子Ｔｒｉｎに接続され、他端が出力端子Ｔｔｏｕｔに接続されている。給電線２１は入力端子Ｔｒｉｎと出力端子Ｔｒｏｕｔとの間でコア３１の貫通孔３３を貫通している。また、給電線２２も同様に入力端子Ｔｔｉｎと出力端子Ｔｔｏｕｔとの間でコア３１の貫通孔３３を貫通している。
【００２１】
トロイダルコイル２３は、トロイド状（ドーナッツ状）のコア３１に制御コイル３２を巻回した構成とされている。コア３１は、フェライトなどの磁性体をトロイド状（ドーナッツ状）に一体成形したものであり、制御コイル３２で発生した磁束をコア３１に閉じ込めることができる構造とされたものである。給電線２１、２２はこのトロイダルコイル２３の貫通孔３３を貫通している。このトロイダルコイル２３は、漏洩磁束が小さいため、効率よく給電線２１、２２に流れる電流を制御できる。
【００２２】
ここで、給電線２２と給電線２１とは互いの極性を反対にするために、両電線それぞれの給電方向が逆方向となるようにコア３１を貫通している。例えば、給電線２１は、一端が入力端子Ｔｒｉｎに接続されており、他端がトロイダルコイル２３の貫通孔３３の矢印Ａ１方向側に挿入され、矢印Ａ２方向側から延出され、出力端子Ｔｒｏｕｔに接続される。また、給電線２２は、一端が入力端子Ｔｔｉｎに接続されており、他端がトロイダルコイル２３の貫通孔３３の矢印Ａ２方向側に挿入され、矢印Ａ１方向側から延出され、出力端子Ｔｔｏｕｔに接続される。
【００２３】
制御回路２４は、出力端子Ｔｒｏｕｔと出力端子Ｔｔｏｕｔとの間に発生する電圧を検出して、検出電圧に応じてトロイダルコイル２３の制御コイル３２に供給する電流を制御することにより、出力端子Ｔｒｏｕｔと出力端子Ｔｔｏｕｔとの間に発生する電圧を制御する。例えば、制御回路２４は、検出電圧が予め定められた所定の電圧（以下、標準電圧という）より大きいときには、給電線２１、２２に流れる電流が低減するようにトロイダルコイル２３が励磁されるように制御コイル３２に供給される電流を制御し、検出電圧が標準電圧より小さいときには、トロイダルコイル２３の制御コイル３２を短絡するように制御する。ここで、標準電圧とは、給電線２１，２２より給電される電力により作動する負荷の駆動電圧に基づいて任意に決定される電圧であり、例えば、負荷の駆動電圧が１９５〔Ｖ〕程度であり、給電線２１，２２より給電される電力の電圧が２００〔Ｖ〕である場合には、１９５〔Ｖ〕から２００〔Ｖ〕未満の任意の電圧（例えば１９７〔Ｖ〕）が標準電圧として設定される。
【００２４】
次に制御回路２４について詳細に説明する。
【００２５】
図３は制御回路２４のブロック構成図を示す。
【００２６】
制御回路２４は、アイソレ−タ４１、標準電圧生成回路４２（電圧生成手段）、コンパレータ４３、レギュレータ４４、サージサプレッサ４５から構成される。
【００２７】
アイソレ−タ４１は、トランスなどから構成され、制御回路２４と入力端子Ｔｒｉｎ、Ｔｔｉｎ側とのアイソレーションをとる。アイソレータ４１を通して得られた電圧は、標準電圧生成回路４２及びコンパレータ４３に印加される。
【００２８】
標準電圧生成回路４２は、アイソレ−タ４１を通して得られた電圧から標準電圧を生成してコンパレータ４３に印加する。ここで、標準電圧とは、前述のとおり出力電圧を決定するための設定電圧であり、外部から操作によって自在に設定可能とされている。
【００２９】
また、コンパレータ４３は、アイソレ−タ４１を通して得られた電圧と標準電圧生成回路４２で得られた標準電圧との差に応じた電圧を出力する。コンパレータ４３から出力された電圧は、レギュレータ４４に供給される。
【００３０】
レギュレータ４４は、コンパレータ４３からの電圧が正極性のときには、コンパレータ４３の出力電圧をレギュレートして出力する。また、レギュレータ４４には、スイッチ回路が内蔵されており、コンパレータ４３の出力電圧が負極性のときには、スイッチ回路を制御してトロイダルコイル２３の制御コイル３２の両端を短絡する。レギュレータ４４でレギュレートされた電圧は、トロイダルコイル２３を構成する制御コイル３２の両端に印加される。
【００３１】
なお、レギュレータ４４の出力端子間、すなわち、トロイダルコイル２３を構成する制御コイル３２の両端には、サージサプレッサ４５が接続されている。サージサプレッサ４５は、レギュレータ４４の出力電圧に重畳されるサージ電圧を抑圧する。サージサプレッサ４５としては、例えば、ダイオードによるクランプ回路、コンデンサ、抵抗によるアブソーバ、ダイオード、コンデンサ、抵抗によるクランプ回路、バリスタなどを用いた回路が考えられる。サージサプレッサ４５によりレギュレータ４４の出力電圧のサージ電圧を抑圧することにより出力電圧がサージ電圧により変動することを防止できるため、出力電圧をさらに安定化できる。
【００３２】
制御コイル３２は、レギュレータ４４から印加された電圧により流れる電流が制御される。よって、制御コイル３２に流れる電流が制御されることによりコア３１に発生する磁束が制御される。そして、コア３１により生じる磁束により、コア３１の貫通孔３３を貫通する給電線２１、２２の出力端子Ｔｒｏｕｔ、Ｔｔｏｕｔに発生する出力電圧が標準電圧になるように制御される。
【００３３】
次に電圧安定化装置１１の動作を説明する。
【００３４】
図４は電圧安定化装置１１の動作波形図、図５は出力電圧が設定電圧より大きい場合の電圧安定化装置１１の動作説明図を示す。なお、図４（Ａ）、図５（Ａ）は電圧安定化装置１１への入力電圧Ｖｉｎ、図４（Ｂ）、図５（Ｂ）はコンパレータ４３の差分出力電圧、図４（Ｃ）、図５（Ｃ）はレギュレータ４４の出力電圧、図４（Ｄ）、図５（Ｄ）は出力端子Ｔｒｏｕｔ、Ｔｔｏｕｔ間に発生する出力電圧を示している。また、図５に示す波形は実効値を示している。
【００３５】
図４（Ａ）、図５（Ａ）に示すように入力電圧Ｖｉｎが設定電圧Ｖ０より大きくなると、アイソレータ４１の出力電圧が標準電圧より大きくなる。アイソレータ４１の出力電圧が標準電圧より大きくなると、コンパレータ４３は図４（Ｂ）、図５（Ｂ）に示されるようにアイソレータ４１の出力電圧と標準電圧との差分に応じた電圧を出力する。
【００３６】
レギュレータ４４は、図４（Ｂ）、図５（Ｂ）に示すような差分電圧を図４（Ｃ）、図５（Ｃ）に示すように位相反転して増幅し、制御電圧Ｖｃｎｔを生成し、トロイダルコイル２３の制御コイル３２に印加する。トロイダルコイル２３は、図４（Ｃ）、図５（Ｃ）に示すような制御電圧Ｖｃｎｔにより駆動され、給電線２１、２２の電圧を降下させる。これによって、出力端子Ｔｒｏｕｔ、Ｔｔｏｕｔ間に発生する出力電圧Ｖｏｕｔを図４（Ｄ）、図５（Ｄ）に示すように標準電圧に近似した所定の電圧Ｖ０に維持できる。
【００３７】
また、レギュレータ４４は、出力電圧が低下し、設定電圧より小さくなると、内蔵されたスイッチ回路をオンして、トロイダルコイル２３の制御コイル３２の両端を短絡し、給電線２１、２２の電圧を降下させることなく、出力する。
【００３８】
図６に電圧安定化装置１１を用いた場合の時間に応じた電圧特性図を示す。
【００３９】
本実施例の電圧安定化装置１１を用いることにより、図６に白抜で示す棒グラフのように入力電圧Ｖｉｎが設定電圧Ｖ０より大きい場合には、図６に斜線で示す棒グラフのように出力電圧Ｖｏｕｔを設定電圧Ｖ０に安定化させることができる。また、図６に白抜で示す棒グラフのように入力電圧Ｖｉｎが設定電圧Ｖ０より小さい場合でも、トロイダルコイル２３の制御コイル３２の両端が短絡されることにより、図６に斜線で示す棒グラフのように出力電圧Ｖｏｕｔを入力電圧Ｖｉｎ程度に維持できる。
【００４０】
本実施例によれば、入力電圧Ｖｉｎが設定電圧Ｖ０より大きい場合には、出力電圧の検出電圧と標準電圧との差分電圧に応じてトロイダルコイル２３の制御コイル３２に供給する電流を制御し、出力電圧を所定の電圧Ｖ０に安定化させることができる。これによって、負荷１３〜１５での電力の無駄な損失を低減でき、効率を向上させることができる。また、本実施例によれば、トロイダルコイル２３の制御コイル３２への電流をリニアに制御することにより、リニアに出力電圧を制御できる。
【００４１】
また、本実施例では、制御回路２４は、入力電圧Ｖｉｎを検出し、この入力電圧Ｖｉｎが標準電圧になるような制御電圧Ｖｃｎｔを求め、トロイダルコイル２３の制御コイル３２に制御電圧Ｖｃｎｔを印加することにより、出力電圧Ｖｏｕｔを標準電圧に調整しているが、入力電圧Ｖｉｎではなく出力電圧Ｖｏｕｔに基づき、この出力電圧Ｖｏｕｔが標準電圧になるような制御電圧Ｖｃｎｔを求め、トロイダルコイル２３の制御コイル３２に制御電圧Ｖｃｎｔを印加することにより、出力電圧Ｖｏｕｔを標準電圧に調整してもよい。ただし、出力電圧Ｖｏｕｔから制御電圧Ｖｃｎｔを求める方法では、出力電圧Ｖｏｕｔが標準電圧よりずれた後に、当該出力電圧Ｖｏｕｔを標準電圧に制御することになるめ、電圧を安定化させるための制御が後追いとなることとなるため、あまり好ましくない。これに対し、本実施例のように、入力電圧Ｖｉｎから制御電圧Ｖｃｎｔを求める方法では、出力電圧Ｖｏｕｔが標準電圧になるように制御を行なうことができるため、その分、出力電圧Ｖｏｕｔが標準電圧とずれてしまうことを低減でき、かつ、出力電圧Ｖｏｕｔを標準電圧に保つための制御回路２４の構成も簡略化することができる。
【００４２】
なお、本実施例では、設定電圧に対して出力電圧が高い場合に、給電線２１、２２の逆方向の電流が増加するようにトロイダルコイル２３の制御コイル３２に電流を供給し、給電線２１、２２を励磁し、給電線２１、２２に流れる電流を低減し、出力電圧を一定に保持し、設定電圧に対して出力電圧が低い場合には、トロイダルコイル２３の制御コイル３２の両端を短絡し、給電線２１、２２に流れる電流を低減させることなく出力するようにしたが、設定電圧に対して出力電圧が低い場合に、給電線２１、２２の順方向の電流が増加するようにトロイダルコイル２３の制御コイル３２に電流を流し、給電線２１、２２を励磁し、給電線２１、２２に流れる電流を増加させ、出力電圧を一定に保持するようにしてもよい。
【００４３】
図７は出力電圧が設定電圧より小さい場合の電圧安定化装置１１の動作説明図を示す。なお、図７（Ａ）はアイソレ−タ４１の出力電圧、図７（Ｂ）はコンパレータ４３の差分出力電圧、図７（Ｃ）はレギュレータ４４の出力電圧、図７（Ｄ）は出力端子Ｔｒｏｕｔ、Ｔｔｏｕｔ間に発生する出力電圧を示している。また、図７に示す波形は実効値を示している。
【００４４】
出力電圧が設定電圧より小さい場合には、図７（Ａ）に示すようにアイソレータ４１の出力電圧が標準電圧Ｖ０より小さくなり、コンパレータ４３は図７（Ａ）に示されるアイソレータ４１の出力電圧と標準電圧Ｖ０との差分に応じた図７（Ｂ）に示すような電圧を出力する。
【００４５】
レギュレータ４４は、図７（Ｂ）に示す出力電圧波形を増幅した図７（Ｃ）に示すような電圧を生成し、出力する。トロイダルコイル２３は、図７（Ｃ）に示すような電圧により駆動され、給電線２１、２２に流れる電流を上昇させる。これによって、出力端子Ｔｒｏｕｔ、Ｔｔｏｕｔ間に発生する出力電圧は図７（Ｄ）に示すように設定電圧Ｖｏｕｔ０に保たれる。
【００４６】
図８は本変形例の電圧安定化装置１１を用いた場合の時間に応じた電圧特性図を示す。
【００４７】
本変形例の電圧安定化装置１１を用いることにより、図６に梨地で示す入力電圧Ｖｉｎが設定電圧Ｖ０より大きい場合には、図６に斜線で示すように出力電圧を設定電圧Ｖ０で安定化させることができる。また、図６に梨地で示す入力電圧Ｖｉｎが設定電圧Ｖ０より小さい場合でも、給電線２１、２２がトロイダルコイル２３により、出力電圧が増加する方向に励磁されることにより、図６に斜線で示すように出力電圧を設定電圧Ｖ０で安定化させることができる。
【００４８】
本実施例によれば、出力電圧が設定電圧より大きいときには、出力電圧を低減させ、出力電圧が設定電圧より小さいに出力電圧を増加させて、出力電圧を所定値に常に一定に保持できる。
【００４９】
なお、本実施例では、単相三線式のものに本発明の電圧安定化装置を適用した場合について説明をしているが、本発明を適用できるものは単相三線式に限られるものではなく、例えば、単相二線式や三相三線式のものに本発明の電圧安定化装置を適用できることは言うまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
上述の如く、本発明によれば、出力端子の電圧を検出し、その検出電圧が標準電圧と一致するように制御コイルに供給する電流を制御することにより、出力電圧を安定化させることができる。
【００５１】
また、本発明によれば、制御コイルへの電流をアナログ的に変化させることができるので、従来技術に示されるタップ式による出力電圧の制御に比べて、より一定に保たれた出力電圧を得ることができるなどの特長を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のシステム構成図である。
【図２】電圧安定化装置１１のブロック構成図である。
【図３】制御回路２４のブロック構成図である。
【図４】出力電圧が設定電圧より大きい場合の電圧安定化装置１１の動作波形図である。
【図５】出力電圧が設定電圧より大きい場合の電圧安定化装置１１の動作説明図である。
【図６】電圧安定化装置１１を用いた場合の時間に応じた電圧特性図である。
【図７】出力電圧が設定電圧より小さい場合の電圧安定化装置１１の動作説明図である。
【図８】本変形例の電圧安定化装置１１を用いた場合の時間に応じた電圧特性図である。
【図９】従来の電圧安定化装置１１のブロック構成図である。
【符号の説明】
１１電圧安定化装置、１２単相３相式商用電源、１３〜１５負荷
２１、２２給電線、２３トロイダルコイル、２４制御回路
３１コア、３２制御コイル、３３貫通孔
４１アイソレ−タ、４２標準電圧生成回路（電圧生成手段）
４３コンパレータ
４４レギュレータ、４５サージサプレッサ

Claims

磁性体からなる環状のコアと、
前記コアに巻回された制御コイルと、
前記コアの貫通孔に貫通して設けられた給電線と、
前記給電線の電圧を検出し、その検出電圧と予め定められた所定の電圧との差分電圧に応じて前記制御コイルに供給する電流を制御することにより前記給電線の入力電圧を所定の電圧に制御する制御手段とを有することを特徴とする電圧安定化装置。
前記制御手段は、前記検出電圧が前記所定の電圧より大きいときには、前記給電線の出力電圧が前記所定の電圧になるように前記制御コイルに供給される電流を制御し、
前記検出電圧が前記所定の電圧より小さいときには、前記制御コイルを短絡することを特徴とする請求項１記載の電源安定化装置。
前記制御手段は、所定の電圧を生成する電圧生成手段と、
前記電圧生成手段で生成された所定の電圧と前記検出電圧との差分電圧を生成する比較手段と、
前記比較手段で生成された差分電圧に応じた電圧を前記コアの制御コイルに印加する印加電圧制御手段とからなることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか一項記載の電圧安定化装置。
前記制御手段により検出される給電線の電圧は、前記給電線の入力電圧であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の電圧安定化装置。