JP2007089327A - 交流電圧制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置の容積や規模、重量の増加、価格上昇を抑制して、三相４線式の交流電圧の３相の電圧のうちいずれか２相のそれぞれの相電圧を降圧または昇圧して出力する交流電圧制御装置を提供する。
【解決手段】 トランスＴＲの一次コイルに三相４線式の交流電圧の３相の電圧のうちいずれか２相の相間電圧を入力する。一次コイルＰに磁気結合された二次コイルＳ１１は、入力端Ｒ１からＲ相の電圧を受電し出力端Ｒ２に電圧を伝達し、一次コイルＰに磁気結合された二次コイルＳ１２は、入力端Ｓ１からＳ相の電圧を受電し出力端Ｓ２に電圧を伝達する。一次コイルＰに２相の相間電圧が印加されるとき、二次コイルＳ１１に発生する電圧と二次コイルＳ１２に発生する電圧とがそれぞれ相互に逆相の状態で、二次コイルＳ１１自身が接続される入力端Ｒ１及び出力端Ｒ２の間、二次コイルＳ１２自身が接続される入力端Ｓ１及び出力端Ｓ２の間に印加される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、交流電圧制御装置に関するものであり、特に、三相４線式の交流電圧の３相の電圧のうちいずれか２相の相間電圧を入力し、中性点に対する２相のそれぞれの相電圧を降圧または昇圧して出力する交流電圧制御装置に関するものである。

商用電力から負荷に供給される交流電圧は、電気方式毎にまた国毎に様々であり、例えば、単相２線式１００／２００Ｖ、単相２線式２２０Ｖ、単相３線式１００／２００Ｖ、三相３線式２００Ｖ、三相４線式１００／２００Ｖ、三相４線式２２０Ｖ／３８０Ｖ等がある。また、供給電圧は常に一定ではなく当然に変動することを前提として、その変動許容範囲が関係法令によって規定されている。したがって、供給電圧によって駆動される機器側では、各種電気方式・電圧に対応して、このような電圧変動を吸収し、これらの電圧範囲での動作を保証することが求められる。供給電圧がこのような幅を持っているのは、一日のうちでも朝昼夕では電圧変動が生じ、また、地域によっても電力事情の差異により供給電圧の維持が困難であるという理由によるものである。

一方、機器は、特殊な機器を除けば標準電圧から５％ないし１０％程度低い電圧でも十分に動作可能な機器がほとんどであり、また、供給電圧の降圧によって省エネ効果が期待できる。したがって、負荷に供給される供給電圧を降圧させ、かつ、安定化させる技術が注目されている。

かかる状況において、単相２線式あるいは単相３線式の交流電源入力に対し、トランスと電圧振幅調整器とを用いて降圧または昇圧させた交流出力電圧を得る交流電圧制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−８３３７８号公報

しかしながら、上述した特許文献１にあっては、半導体スイッチで構成された電圧振幅調整器（交流チョッパ）を介して同相で振幅の異なる電圧に変換する必要があり、装置の容積や規模、あるいは装置の複雑度が増加するとともに、機器の価格が上昇するといった問題点があった。

また、上述した特許文献１は、三相３線式の交流電源を入力して、降圧または昇圧した正相および逆相の２線分の交流電圧を出力する交流電圧制御装置を開示し、中立出力端を除く２つの出力端で同時に降圧あるいは昇圧された交流電源を出力させるために、中立入力端および中立出力端を除く他の２対の入力端および出力端の間に、それぞれ別個にトランスを配置している。つまり、特許文献１が開示する交流電圧制御装置は、２線分の電圧を制御するために２つのトランスを必要としている。

この種の交流電圧制御装置においてトランスは、装置内の比較的大きな空間を占有し、またトランス自体も重い。このため、２つのトランスを使用することで、装置の容積や規模、重量が増加し、ひいては機器の価格上昇を招くという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、装置の容積や規模、重量の増加、価格上昇を抑制して、三相４線式の交流電圧の３相の電圧のうちいずれか２相のそれぞれの相電圧を降圧または昇圧して出力する交流電圧制御装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明に係る交流電圧制御装置は、第一の相、第二の相、第三の相および中性点を有する三相４線式の交流電圧の３相の電圧のうちいずれか２相の相間電圧を入力し、該中性点に対する該２相のそれぞれの相電圧を降圧または昇圧して出力する交流電圧制御装置において、前記２相の相間電圧が印加される一次コイルと、該２相のうち一方の相の電圧を入力する第１の入力端から受電し第１の出力端に電圧を伝達する該一次コイルに磁気結合された第１の二次コイルと、該２相のうち他方の相の電圧を入力する第２の入力端から受電し第２の出力端に電圧を伝達する該一次コイルに磁気結合された第２の二次コイルと、を有するトランスを備え、前記一次コイルに前記２相の相間電圧が印加されるとき、前記第１の二次コイルに発生する電圧と前記第２の二次コイルに発生する電圧とがそれぞれ相互に逆相の状態で、該二次コイル自身が接続される前記入力端及び前記出力端の間に印加されることを特徴とする。

ここで、三相４線式とは、周知のとおり、位相が互いに１２０°（２π／３ラジアン）異なる三相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）の交流電圧がそれぞれ供給される３本の線と、中性点に接続される中性線あるいはグランドに接続された中線点のグランド電位とを使って交流電力を負荷側に伝達する電気方式を言う。本発明における交流電圧制御装置の典型的な使用状態では、交流電圧制御装置は、上記三相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）のうち任意に選択される２相（Ｒ相とＳ相、Ｓ相とＴ相、またはＲ相とＴ相）の相間電圧を入力し、中性点に対する当該２相のそれぞれの相電圧を降圧または昇圧して、出力端側に接続される負荷に電力を供給する。

上記の交流電圧制御装置において、前記２相のうち前記一方の相の電圧が前記一次コイルの一端及び前記第１の二次コイルの一端に印加され、該２相のうち前記他方の相の電圧が該一次コイルの他端及び前記第２の二次コイルの一端に印加されるとき、前記中線点に対する前記２相のそれぞれの相電圧を降圧して出力することができる。

また、上記の交流電圧制御装置において、前記２相のうち前記他方の相の電圧が前記一次コイルの一端及び前記第２の二次コイルの一端に印加され、該２相のうち前記一方の相の電圧が該一次コイルの他端及び前記第１の二次コイルの一端に印加されるとき、前記中線点に対する前記２相のそれぞれの相電圧を昇圧して出力することができる。

上記の交流電圧制御装置において、前記一次コイルへの前記２相の相間電圧の印加を停止し前記一次コイルを短絡し、または、前記一次コイルへ前記２相の相間電圧を印加することを選択する第１のスイッチをさらに有する構成とすることができる。

また、上記の交流電圧制御装置において、前記一次コイルに印加する電圧の極性を逆に接続する第２のスイッチをさらに有する構成とすることができる。

さらに、上記の第１のスイッチ及び／又は第２のスイッチを備える交流電圧制御装置において、前記第一の相、前記第二の相、もしくは前記第三の相と前記中性点との間の電圧、または前記第一の相、前記第二の相、もしくは前記第三の相のいずれか２相の相間電圧を取得し、該取得した電圧と自己が有する基準電圧とを比較し、該比較結果に基づき、前記第１のスイッチ及び／又は前記第２のスイッチを切り替える構成とすることができる。

本発明に係る交流電圧制御装置においては、一次コイルの両端間に三相交流のうち２相間（例えばＲ相とＳ相間）の電圧、すなわち相間電圧が印加されると、その相間電圧に基づいて、一次コイルと第１の二次コイルとの巻数比、一次コイルと第２の二次コイルとの巻数比に応じた起電力が、第１の二次コイル、第２の二次コイルにそれぞれ誘起される。ここで、第１の二次コイルは、上記２相のうち一方の相（例えばＲ相）の電圧を入力する第１の入力端から受電し第１の出力端に電圧を伝達し、第２の二次コイルは上記２相のうち他方の相（例えばＳ相）の電圧を入力する第２の入力端から受電し第２の出力端に電圧伝達するものであり、一次コイルに上記２相の相間電圧が印加されるとき、第１の二次コイルに発生する電圧と第２の二次コイルに発生する電圧とがそれぞれ相互に逆相の状態で、二次コイル自身が接続される入力端及び出力端の間に印加されるようにしている。したがって、一方の相の電圧が第１の二次コイルに誘起される電圧によって降圧させられるときは、他方の相の電圧も、第２の二次コイルに誘起される電圧によって降圧させられる。逆に、一方の相の電圧が第１の二次コイルに誘起される電圧によって昇圧させられるときは、他方の相の電圧も、第２の二次コイルに誘起される電圧によって昇圧させられる。このようにして、一次コイルと、一次コイルにそれぞれ磁気結合された第１および第２の二次コイルとを有するトランス一つだけで、三相４線式の交流電圧の３相の電圧のうちいずれか２相の相電圧を降圧または昇圧して出力することができる。

例えば、上記２相のうち一方の相の電圧が一次コイルの一端及び第１の二次コイルの一端に印加され、上記２相のうち他方の相の電圧が当該一次コイルの他端及び第２の二次コイルの一端に印加されるとき、交流電圧制御装置は、中線点に対する上記２相のそれぞれの相電圧を降圧して出力する。

また、例えば、上記２相のうち他方の相の電圧が一次コイルの一端及び第２の二次コイルの一端に印加され、上記２相のうち一方の相の電圧が当該一次コイルの他端及び第１の二次コイルの一端に印加されるとき、交流電圧制御装置は、中線点に対する上記２相のそれぞれの相電圧を昇圧して出力する。

一次コイルへの上記２相の相間電圧の印加を停止し一次コイルを短絡し、または、一次コイルへ上記２相の相間電圧を印加することを選択する第１のスイッチを設けた場合、２相のそれぞれの相電圧を降圧または昇圧させる必要が無いときには一次コイルへの相間電圧の印加を停止して一次コイルを短絡し、負荷への相電位の伝達をスルーする一方、各相電圧を降圧または昇圧させる必要があるときには一次コイルへ相間電圧を印加し、上記２相の各相の相電圧を降圧または昇圧して出力することができるので、電圧の変動に応じた電圧制御（降圧または昇圧）のオン／オフが容易である。

一次コイルに印加する電圧の極性を逆に接続する第２のスイッチを備える場合、第２のスイッチによって一次コイルに印加する相間電圧の極性を逆にすると、第１の二次コイルおよび第２の二次コイルに誘起される起電力の向きが共に反転する。したがって、入力電圧の変動に応じて第２のスイッチを切り替えることにより、降圧動作から昇圧動作に、あるいはその逆に切り替えることが可能となる。

上記第１スイッチ及び／又は第２スイッチを備える交流電圧制御装置においてスイッチの切り替えを自動化することは、所定の供給電圧を安定して供給するうえで有益である。そこで、第一の相、または、第二の相、もしくは第三の相と中性点との間の電圧、または第一の相、第二の相、もしくは第三の相のいずれか２相の相間電圧を取得し、取得した電圧と自己が有する基準電圧とを比較し、比較結果に基づき、第１スイッチ及び／又は第２スイッチを切り替えるようにすると、入力される電圧を監視しながら、電圧制御（降圧または昇圧）のオン／オフを自動化することが可能となる。

上記した本発明の目的および利点並びに他の目的および利点は、以下の実施の形態の説明を通じてより明確に理解される。もっとも、以下に記述する実施の形態は例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。

以下、この発明に係る交流電圧制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る交流電圧制御装置１０の模式的構成を示す図である。この交流電圧制御装置１０は、第一の相、第二の相、第三の相および中性点を有する三相４線式の交流電圧の３相の電圧のうちいずれか２相の相間電圧を入力する入力端Ｒ１、入力端Ｓ１を入力側に備え、中性点に対する２相のそれぞれの相電圧を降圧または昇圧して出力する出力端Ｒ２、出力端Ｓ２を出力側に備えている。なお、入力端Ｎ１、出力端Ｎ２がグランドに接続されることにより、入力端Ｎ１、出力端Ｎには中性点の電位が与えられ、上記２相の相電圧に対する基準電位を提供する。

図２は、三相４線式の交流電源１に交流電圧制御装置１０を接続して使用する例を示す模式的構成を示す図である。図２に示す三相４線式の交流電源１は、位相が互いに１２０°（２π／３ラジアン）異なる三相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）の交流電圧（例えば公称電圧２２０Ｖ）がそれぞれ供給される３本の線から選択された２本の線（図示の例ではＲ相とＳ相）を使って、交流電力を負荷側に伝達する電気方式を示している。この方式では、交流電圧制御装置１０の例えば入力端Ｒ１には、Ｒ相の交流電圧（ベクトルＥ_Ｒで示す）が入力され、入力端Ｓ１には、入力端Ｒ１に入力されるＲ相の交流電圧から１２０°（２π／３ラジアン）位相が進んだＳ相の交流電圧（ベクトルＥ_Ｓで示す）が入力される。なお、電源１側の中性点はグランドに接続されており、同じくグランドされている入力端Ｎ１、出力端Ｎ２には当該中性点の電位（グランド電位）が与えられる。そして、出力端Ｒ２、Ｓ２からは、入力端Ｒ１、Ｓ１に入力されるＲ相、Ｓ相の交流電圧（ベクトルＥ_Ｒ、ベクトルＥ_Ｓ）に対し、出力端Ｎ２の電位を基準として所定の電圧振幅値に調整された交流電圧が出力される。

図１を参照して、交流電圧制御装置１０は、トランスＴＲと、スイッチＳＷ１とを備えている。
トランスＴＲは、一次コイルＰと、当該一次コイルＰに磁気結合された第１の二次コイルＳ１１および第２の二次コイルＳ１２とを有する。トランスＴＲの一次コイルＰの一端（黒丸印で示す巻き始め）は入力端Ｒ１に接続され、他端（巻終わり）はスイッチＳＷ１の基点ｔ１に接続されている。また、トランスＴＲにおける第１の二次コイルＳ１１の一端（黒丸印で示す巻き始め）は、入力端Ｒ１に接続され、他端（巻終わり）は出力端Ｒ２に接続されている。一方、第２の二次コイルＳ１２の一端（黒丸印で示す巻き始め）は、出力端Ｓ２に接続され、他端（巻終わり）は入力端Ｓ１に接続されている。つまり、第２の二次コイルＳ１２は、入力端Ｓ１と出力端Ｓ２との間に第１の二次コイルＳ１１とは巻き始めを逆にして接続されている。
スイッチＳＷ１は、切替接点ｕ１、ｕ２を有する１回路２接点のスイッチであり、スイッチＳＷ１の切替接点ｕ１は入力端Ｒ１に接続され、切替接点ｕ２は入力端Ｓ１に接続されている。なお、スイッチＳＷ１は、半導体素子などを用いた電子的スイッチを想定しているが、機械的な切替スイッチであってもよい。

上述のとおりトランスＴＲに示されている黒丸印は、一次コイルＰ並びに第１および第２の二次コイルＳ１１、Ｓ１２の巻き始め側を示し、したがって、これら黒丸印は相互誘導によってそれぞれのコイルに誘起される誘起電圧の向き（極性）を示している。すなわち、一次コイルＰの黒丸側に正となる向きの電圧が印加された場合には、相互誘導によって、第１の二次コイルＳ１１、第２の二次コイルＳ１２に、その黒丸側が正となる向きの電圧がそれぞれ誘起され、一次コイルＰの黒丸側に負となる向きの電圧が印加された場合には、第１の二次コイルＳ１１、第２の二次コイルＳ１２の黒丸側も負となる向きの電圧が誘起されることを示している。

つぎに、この交流電圧制御装置１０の動作について説明する。なお、以下の説明において引用する各交流電圧の記号は、記号上のドットの有無にかかわらず、原則としてすべて電圧ベクトルを示している。
まず、図１において、スイッチＳＷ１の基点ｔ１が切替接点ｕ１に接続されている状態（以下「第１の状態」という。）において、入力端Ｒ１、Ｓ１にそれぞれＲ相、Ｓ相の交流電圧が印加された場合を考える。このとき、トランスＴＲの一次コイルＰは、スイッチＳＷ１を通じて短絡状態にあり、一次コイルＰにはＲ相、Ｓ相間の電圧が印加されない。したがって、この一次コイルＰに磁気結合された第１の二次コイルＳ１１および第２の二次コイルＳ１２には何ら起電力が発生せず、入力端Ｒ１と出力端Ｒ２との間、入力端Ｓ１と出力端Ｓ２との間は、共にスルー状態となり、入力されたＲ相、Ｓ相の電圧がそのまま出力される。

したがって、いま、入力端Ｒ１、Ｓ１に入力されるＲ相、Ｓ相の交流電圧をＥ_Ｒ、Ｅ_Ｓとし、出力端Ｒ２、Ｓ２から出力される交流電圧をＥ_Ｒ’、Ｅ_Ｓ’とすると、第１の状態において、

である。

つぎに、スイッチＳＷ１が切替接点ｕ２に接続されている状態（以下「第２の状態」という。）において、入力端Ｒ１、Ｓ１にそれぞれ交流電源電圧が印加された場合を考える。
このとき、トランスＴＲの一次コイルＰの他端は、スイッチＳＷ１を通して入力端Ｓ１に接続されている。したがって、入力端Ｒ１、Ｓ１にそれぞれ入力されるＲ相、Ｓ相の交流電圧の差電圧、すなわち次式に示す相間電圧Ｅ_ＳＲが、入力端Ｓ１の電圧（相電圧Ｅ_Ｓ）を基準としてトランスＴＲの一次コイルＰの両端に印加されることになる。

トランスの一次コイルＰ並びに第１の二次コイルＳ１１および第２の二次コイルＳ１２の巻装状態から明らかなとおり、一次コイルＰの巻き始め（黒丸側）を正として電圧が印加されたとき、第１の二次コイルＳ１１、第２の二次コイルＳ１２には、第１の二次コイルＳ１１、第２の二次コイルＳ１２の巻終わり電位を基準として巻き始め（黒丸側）を正とする電圧が発生する。

いま、トランスＴＲの一次コイルＰの巻数をｎ１とし、第１の二次コイルＳ１１の巻数および第２の二次コイルＳ１２の巻数を共にｎ２とすると、第１の二次コイルＳ１１に発生する電圧Ｅ_ＲＣは、入力端Ｓ１の電圧（相電圧Ｅ_Ｓ）を基準として以下のとおり示される。

ここで、

であり、Ｎは、第１の二次コイルＳ１１の巻数と第２の二次コイルＳ１１の巻数を同じに設定した場合の、一次コイルの巻数との二次コイルとの巻数比を示している。

また、第２の二次コイルＳ１２に発生する電圧Ｅ_ＳＣは、入力端Ｓ１の電圧（相電圧Ｅ_Ｓ）を基準として以下のとおり示される。

したがって、第２の状態において、出力端Ｒ２、出力端Ｓ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｒ’、Ｅ_Ｓ’は、式（３）、（５）を用いて以下のとおり示される。

ここで（１−Ｎ）＜１、Ｎ＜１であり、通常は（１−Ｎ）＞Ｎである。

図３、図４は、上記式（６）により示される入力端Ｒ１、Ｓ１に入力されるＲ相、Ｓ相の交流電圧Ｅ_Ｒ、Ｅ_Ｓと、出力端Ｒ２、Ｓ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｒ’、Ｅ_Ｓ’との関係を示すベクトル図である。
図３に示すように、出力端Ｒ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｒ’は、入力端Ｒ１に入力される交流電圧Ｅ_Ｒと二次コイルＳ１１で発生する電圧Ｅ_ＲＣとの和となり、また、出力端Ｓ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｓ’は、入力端Ｓ１に入力される交流電圧Ｅ_Ｓと二次コイルＳ１２で発生する電圧Ｅ_ＳＣとの和となる。そして、二次コイルＳ１１で発生する電圧Ｅ_ＲＣと二次コイルＳ１２で発生する電圧Ｅ_ＳＣとは互いに逆相で入力端−出力端間に印加される関係にあるため、ベクトル図上トランスＴＲの一次コイルＰに入力される相間電圧Ｅ_ＳＲに対し電圧Ｅ_ＲＣは逆相の関係に、電圧Ｅ_ＳＣは同相の関係にあるように示される。
さらに、図４を参照すると、出力端Ｒ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｒ’は、入力端Ｒ１に入力される交流電圧Ｅ_Ｒの（１−Ｎ）倍の電圧と入力端Ｓ１に入力される交流電圧Ｅ_ＳのＮ倍の電圧との和となり、また、出力端Ｓ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｓ’は、入力端Ｓ１に入力される交流電圧Ｅ_Ｓの（１−Ｎ）倍の電圧と入力端Ｒ１に入力される交流電圧Ｅ_ＲのＮ倍の電圧との和となることがわかる。換言すると、交流電圧制御装置１０は、入力端Ｒ１に入力される交流電圧Ｅ_Ｒおよび入力端Ｓ１に入力される交流電圧Ｅ_Ｓをそれぞれ（１−Ｎ）：Ｎに分配し、Ｒ相の電圧成分（１−Ｎ）・Ｅ_ＲとＳ相の電圧成分Ｎ・Ｅ_Ｓとの合成電圧、Ｓ相の電圧成分（１−Ｎ）・Ｅ_ＳとＲ相の電圧成分Ｎ・Ｅ_Ｒとの合成電圧を、出力端Ｒ２、Ｓ２からそれぞれ出力するものである。

図３および図４から明らかなとおり、第２の状態において、二次コイルＳ１１で発生する電圧Ｅ_ＲＣは入力端Ｒ１に入力されるＲ相の交流電圧Ｅ_Ｒと同位相ではないため、出力端Ｒ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｒ’の位相は入力端Ｒ１に入力されるＲ相の交流電圧Ｅ_Ｒの位相と一致しないが、振幅は入力端Ｒ１に入力されるＲ相の交流電圧の振幅よりも小さくなる。すなわち、入力端Ｒ１の交流電圧が降圧されている。同様に、出力端Ｓ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｓ’についても、その位相は入力端Ｓ１に入力されるＳ相の交流電圧の位相と一致しないが、その振幅は入力端Ｓ１に入力されるＳ相の交流電圧の振幅よりも小さく、よって降圧されている。

なお、トランスＴＲの巻数比Ｎを適宜調整することにより、出力端Ｒ２、Ｓ２からそれぞれ出力される交流電圧の振幅を調整できることは、上記式（６）並びに図３および図４から明らかである。なお、巻数比Ｎに依存して出力される交流電圧の位相の進みや遅れの程度も当然変わることになる。しかしながら、交流電圧制御装置１０の入力端Ｒ１、Ｓ１に、三相４線式の交流電源から３相のうちのいずれか２相の相間電圧を入力し、出力端Ｒ２、Ｓ２に伝達するとき、出力端Ｒ２−Ｎ２間、または出力端Ｓ２−Ｎ２間に接続される負荷は通常は電灯負荷であることから、交流電圧制御装置１０において出力電圧の振幅制御が保証されれば装置としての必要条件を満たすものであり、出力電圧の位相に進みや遅れが生じても特に問題とはならない。

図５は、第２の状態（降圧の場合）における、入力端Ｒ１、Ｓ１に入力される交流電圧Ｅ_Ｒ、Ｅ_Ｓと、出力端Ｒ２、Ｓ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｒ’、Ｅ_Ｓ’の電圧波形である。図示のとおり、第２の状態においてＲ相、Ｓ相の電圧振幅は共に小さくなり、降圧されている。

［第２の実施の形態］
図６は、第２の実施の形態に係る交流電圧制御装置１１の模式的構成を示す図である。交流電圧制御装置１１は、図１に示す交流電圧制御装置１０に電圧監視回路ＶＳを付加したものに相当する。電圧監視回路ＶＳの一端は、入力端Ｒ１に接続され、他端は入力端Ｎ１に接続されている。本実施態様におけるスイッチＳＷ１は、電圧監視回路ＶＳからの制御信号によって切り替えられる電子的スイッチが好ましいが、機械的スイッチを用いても良い。なお、交流電圧制御装置１１において、図１に示す交流電圧制御装置１０と同一の構成部分には同一符号を付している。

この実施の形態においては、出力端Ｒ２，Ｓ２から出力される交流電圧の降圧制御は、電圧監視回路ＶＳによって行われる。すなわち、電圧監視回路ＶＳは、Ｒ相の電圧値（入力端Ｒ１−Ｎ１間の電圧値）をモニタし、このモニタ電圧と所定の基準電圧との差電圧に基づいて、スイッチＳＷ１を切り替えていく。定性的な説明をすると、モニタ電圧が基準電圧よりも大きく、かつ差電圧の絶対値が所定のしきい値を超える場合には、降圧が必要であり、スイッチＳＷ１が切替接点ｕ２に切り替えられ、一次コイルＰの他端が入力端Ｓ１に接続される。そして、その後モニタ電圧が低下し、モニタ電圧と基準電圧との差電圧の絶対値がしきい値よりも小さくなったとき、あるいはモニタ電圧と基準電圧との差電圧の絶対値がしきい値よりも小さい状態にあるときは、スイッチＳＷ１は切替接点ｕ１に切り替えられ、一次コイルＰの他端はその一端と短絡状態とされ、入力端に入力される交流電圧がそのまま出力端から出力される。

以上のとおり、交流電圧制御装置１１によれば、電圧監視回路ＶＳによってモニタされるモニタ電圧と基準電圧との差電圧（絶対値）に基づいてスイッチＳＷ１を切替制御することにより、三相４線式の交流電源に対して三相の電圧のうちいずれか２相のそれぞれの相電圧を適宜に制御（降圧）できる。

なお、この実施の形態では、電圧監視回路ＶＳを入力端Ｒ１−Ｎ１間に接続し、Ｒ相の電圧をモニタする構成としているが、この接続に限られるものではなく、入力端Ｓ１−Ｎ１間に接続し、Ｓ相の電圧をモニタする構成としても良く、またＲ相とＳ相の両方の電圧をモニタしても良い。さらに、電圧監視回路ＶＳによって、三相４線式の交流電源１（図２）の、Ｒ相とＳ相との間、Ｓ相とＴ相との間、Ｔ相とＳ相との間、Ｔ相と中性点との間の電圧を別途モニタし、スイッチＳＷ１を切替制御するようにしても良い。

［第３の実施の形態］
図７は、第３の実施の形態に係る交流電圧制御装置２０の模式的構成を示す図である。交流電圧制御装置２０は、図１に示す交流電圧制御装置１０に、トランスＴＲの一次コイルＰの入力端Ｒ１，Ｓ１間への接続極性を切り替えるためのスイッチＳＷ２を付加したものに相当する。なお、交流電圧制御装置２０において、図１に示す交流電圧制御装置１０と同一の構成部分には同一符号を付している。

上記の第１、第２の実施の形態では、省エネ効果を増大させるために交流電源電圧を降圧させた降圧出力を負荷に供給していた。一方、電力事情のあまりよくないビルなどにおいては、供給電圧の低下によって機器の動作が不安定になることがある。このような場合には、逆に、交流電源電圧を昇圧させる必要がある。そこで、交流電源電圧の降圧および昇圧の両者の機能を備えた装置として実現したものが、図７に示す交流電圧制御装置である。

図７において、スイッチＳＷ２の基点ｖ１が切替接点ｗ１に接続され、基点ｖ２が切替接点ｗ２に接続されている状態は、第１の実施の形態（図１）と同じ状態の接続となる。すなわち、ＳＷ１の基点ｔ１が切替接点ｕ１に接続されているとき、入力されたＲ相、Ｓ相の交流電圧がそのまま出力端Ｒ２，Ｓ２から出力される。一方、ＳＷ１の基点ｔ１が切替接点ｕ２に接続されているとき、入力されたＲ相、Ｓ相の交流電圧が上記（６）式で示される交流電圧Ｅ_Ｒ’、Ｅ_Ｓ’に降圧され、出力端Ｒ２、Ｓ２から出力される。この詳しい動作は、第１の実施の形態における第１の状態および第２の状態のときの動作と同様なので、ここでの詳しい説明は省略する。

つぎに、スイッチＳＷ１の基点ｔ１が切替接点ｕ２に接続されているときに、スイッチＳＷ２の基点ｖ１が切替接点ｗ２に接続され、基点ｖ２が切替接点ｗ１に接続されている状態（以下「第３の状態」という）を考える。この状態では、トランスＴＲの一次コイルＰの入力端Ｒ１，Ｓ１間への接続状態は、第１の実施の形態とは極性が逆であり、したがって一次コイルＰの両端に入力されるＲ相、Ｓ相の交流電圧の差電圧、すなわち相間電圧Ｅ_ＳＲは、入力端Ｓ１の電圧（相電圧Ｅ_Ｓ）を基準として上記式（２）とは極性が逆になる。よって、第３の状態において、第１の二次コイルＳ１１に発生する電圧Ｅ_ＲＣは、入力端Ｓ１の電圧（相電圧Ｅ_Ｓ）を基準として以下のとおり示される。

また、第３の状態において、第２の二次コイルＳ１２に発生する電圧Ｅ_ＳＣは、入力端Ｓ１の電圧（相電圧Ｅ_Ｓ）を基準として以下のとおり示される。

である。

したがって、第３の状態において、出力端Ｒ２、出力端Ｓ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｒ’、Ｅ_Ｓ’は、式（７）、（８）を用いて以下のとおり示される。

図８、図９は、上記式（９）により示される入力端Ｒ１，Ｓ１に入力されるＲ相、Ｓ相の交流電圧Ｅ_Ｒ、Ｅ_Ｓと、出力端Ｒ２，Ｓ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｒ’、Ｅ_Ｓ’との関係を示すベクトル図である。
図８に示すように、出力端Ｒ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｒ’は、入力端Ｒ１に入力される交流電圧Ｅ_Ｒと二次コイルＳ１１で発生する電圧Ｅ_ＲＣとの和となり、また、出力端Ｓ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｓ’は、入力端Ｓ１に入力される交流電圧Ｅ_Ｓと二次コイルＳ１２で発生する電圧Ｅ_ＳＣとの和となる。そして、二次コイルＳ１１で発生する電圧Ｅ_ＲＣと二次コイルＳ１２で発生する電圧Ｅ_ＳＣとは互いに逆相で入力端−出力端間に印加される関係にあるため、ベクトル図上トランスＴＲの一次コイルＰに入力される相間電圧Ｅ_ＳＲに対し電圧Ｅ_ＲＣは同相の関係に、電圧Ｅ_ＳＣは逆相の関係にあるように示される。
さらに、図９を参照すると、出力端Ｒ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｒ’は、入力端Ｒ１に入力される交流電圧Ｅ_Ｒの（１＋Ｎ）倍の電圧と入力端Ｓ１に入力される交流電圧Ｅ_Ｓの−Ｎ倍の電圧との和となり、また、出力端Ｓ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｓ’は、入力端Ｓ１に入力される交流電圧Ｅ_Ｓの（１＋Ｎ）倍の電圧と入力端Ｒ１に入力される交流電圧Ｅ_Ｒの−Ｎ倍の電圧との和となることがわかる。換言すると、交流電圧制御装置２０は、入力端Ｒ１に入力される交流電圧Ｅ_Ｒおよび入力端Ｓ１に入力される交流電圧Ｅ_Ｓをそれぞれ（１＋Ｎ）倍し、Ｒ相の電圧成分（１＋Ｎ）・Ｅ_ＲとＳ相の逆極性電圧成分−Ｎ・Ｅ_Ｓとの合成電圧、Ｓ相の電圧成分（１＋Ｎ）・Ｅ_ＳとＲ相の逆極性電圧成分−Ｎ・Ｅ_Ｒとの合成電圧を、出力端Ｒ２、Ｓ２からそれぞれ出力するものである。

図８および図９から明らかなとおり、第３の状態において、二次コイルＳ１１で発生する電圧Ｅ_ＲＣは入力端Ｒ１に入力されるＲ相の交流電圧Ｅ_Ｒと同位相ではないため、出力端Ｒ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｒ’の位相は入力端Ｒ１に入力されるＲ相の交流電圧Ｅ_Ｒの位相と一致しないが、振幅は入力端Ｒ１に入力されるＲ相の交流電圧の振幅よりも大きく、よって昇圧されている。一方、出力端Ｓ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｓ’についても、その位相は入力端Ｓ１に入力されるＳ相の交流電圧Ｅ_Ｓの位相と一致しないが、その振幅は入力端Ｓ１に入力されるＳ相の交流電圧の振幅よりも大きく、よって昇圧されている。

図１０は、第３の状態（昇圧の場合）における、入力端Ｒ１、Ｓ１に入力される交流電圧Ｅ_Ｒ、Ｅ_Ｓと、出力端Ｒ２、Ｓ２から出力される交流電圧Ｅ_Ｒ’、Ｅ_Ｓ’の電圧波形である。図示のとおり、Ｒ相、Ｓ相の電圧振幅は共に大きくなり、昇圧されていることがわかる。

［第４の実施の形態］
図１１は、第４の実施の形態に係る交流電圧制御装置２１の模式的構成を示す図である。交流電圧制御装置２１は、図７に示す交流電圧制御装置２０に電圧監視回路ＶＳを付加したものに相当し、電圧監視回路ＶＳからの制御信号によって、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がそれぞれ切り替えられるように構成されている。なお、交流電圧制御装置２１において、図７に示す交流電圧制御装置２０と同一の構成部分には同一符号を付している。

この実施の形態においては、出力端Ｒ２、Ｓ２から出力される交流電圧の降圧制御は、電圧監視回路ＶＳによって行われる。すなわち、電圧監視回路ＶＳは、Ｒ相の電圧値（入力端Ｒ１−Ｎ１間の電圧値）をモニタし、このモニタ電圧と所定の基準電圧との差電圧に基づいて、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２を切り替えていく。

モニタ電圧が基準電圧よりも大きく、かつ差電圧の絶対値が所定のしきい値を超える場合には、降圧が必要であり、スイッチＳＷ１の基点ｔ１が切替接点ｕ２に切り替えられ、またスイッチＳＷ２では基点ｖ１が切替接点ｗ１に、基点ｖ２が切替接点ｗ２に切り替えられ、一次コイルＰの一端（黒丸側）が入力端Ｒ１に、他端が入力端Ｓ１に接続される。そして、その後モニタ電圧が低下し、モニタ電圧と基準電圧との差電圧の絶対値がしきい値よりも小さくなったときは、スイッチＳＷ１の基点ｔ１は切替接点ｕ１に切り替えられ、一次コイルＰの両端が短絡される。

一方、モニタ電圧が基準電圧よりも小さく、かつ差電圧の絶対値が所定のしきい値を超える場合には、昇圧が必要であり、スイッチＳＷ１の基点ｔ１が切替接点ｕ２に切り替えられ、またスイッチＳＷ２では基点ｖ１が切替接点ｗ２に、基点ｖ２が切替接点ｗ１に切り替えられ、一次コイルＰの一端（黒丸側）が入力端Ｓ１に、他端が入力端Ｒ１に接続される。その後モニタ電圧が上昇し、モニタ電圧と基準電圧との差電圧の絶対値がしきい値よりも小さくなったときは、スイッチＳＷ１の基点ｔ１は切替接点ｕ１に切り替えられ、一次コイルＰの両端が短絡される。

なお、モニタ電圧と基準電圧との差電圧の絶対値がしきい値よりも小さい状態にあるときは、スイッチＳＷ１の基点ｔ１が切替接点ｕ１に接続されるように制御する。この状態のときの動作は、既に説明した第１の状態の動作と同様であり、入力端Ｒ１と出力端Ｒ２との間、入力端Ｓ１と出力端Ｓ２との間は、共にスルー状態となり、入力端Ｒ１、Ｓ１に入力された交流電圧がそのまま出力端Ｒ２、Ｓ２に出力される。
このようにして、交流電圧制御装置２１は、電源電圧の変動に応じてスイッチＳＷ１および／またはスイッチＳＷ２を切り替えることにより、適正な降圧または昇圧した出力電圧を出力することができる。

以上説明したように、本発明によれば、トランスを１つ使用するだけで、三相４線式の交流電源の３相の電圧のうちいずれか２相それぞれの相電圧の振幅制御（昇圧／降圧）を実現することができ、交流電圧制御装置自身の容積、規模および重量の増加と、機器の価格の上昇とを抑制することができる。

なお、上記の実施の形態において、電圧監視回路によって電圧値をモニタし、モニタ電圧と所定の基準電圧との差電圧に基づいてスイッチの切り替えを制御する例を説明したが、電圧以外の情報、例えば温度を監視する回路によって温度をモニタして、モニタ温度と所定の基準値との差に基づいてスイッチの切り替えを制御することも可能である。さらには、こうした監視回路の制御信号によらずに、手動によりスイッチを切り替えることも可能である。
また、交流電圧制御装置の一部を等価回路または素子に置換することその他の細部構成の変更は、特許請求の範囲を逸脱しない限度において適宜実施可能であることは勿論である。

本発明を適用した第１の実施の形態に係る交流電圧制御装置の模式的構成を示す図である。 三相４線式の交流電源に交流電圧制御装置を接続して使用する例を示す模式的構成を示す図である 入力端Ｒ１、Ｓ１に入力される交流電圧と出力端Ｒ２、Ｓ２から出力される交流電圧との関係を示すベクトル図である。 入力端Ｒ１、Ｓ１に入力される交流電圧と出力端Ｒ２、Ｓ２から出力される交流電圧との関係を示す別のベクトル図である。 入力端Ｒ１、Ｓ１に入力される交流電圧と出力端Ｒ２、Ｓ２から出力される交流電圧の電圧波形である。 本発明を適用した第２の実施の形態に係る交流電圧制御装置の模式的構成を示す図である。 本発明を適用した第３の実施の形態に係る交流電圧制御装置の模式的構成を示す図である。 入力端Ｒ１、Ｓ１に入力される交流電圧と出力端Ｒ２、Ｓ２から出力される交流電圧との関係を示すベクトル図である。 入力端Ｒ１、Ｓ１に入力される交流電圧と出力端Ｒ２、Ｓ２から出力される交流電圧との関係を示す別のベクトル図である。 入力端Ｒ１、Ｓ１に入力される交流電圧と出力端Ｒ２、Ｓ２から出力される交流電圧の電圧波形である。 本発明を適用した第４の実施の形態に係る交流電圧制御装置の模式的構成を示す図である。

符号の説明

１０，１１，２０，２１ 交流電圧制御装置
Ｒ１，Ｓ１ 入力端
Ｒ２，Ｓ２ 出力端
ＳＷ１，ＳＷ２ スイッチ
ＴＲ トランス
Ｐ 一次コイル
Ｓ１１，Ｓ１２ 二次コイル
ＶＳ 電圧監視回路

Claims (6)

1. 第一の相、第二の相、第三の相および中性点を有する三相４線式の交流電圧の３相の電圧のうちいずれか２相の相間電圧を入力し、該中性点に対する該２相のそれぞれの相電圧を降圧または昇圧して出力する交流電圧制御装置において、
   前記２相の相間電圧が印加される一次コイルと、該２相のうち一方の相の電圧を入力する第１の入力端から受電し第１の出力端に電圧を伝達する該一次コイルに磁気結合された第１の二次コイルと、該２相のうち他方の相の電圧を入力する第２の入力端から受電し第２の出力端に電圧を伝達する該一次コイルに磁気結合された第２の二次コイルと、を有するトランスを備え、
   前記一次コイルに前記２相の相間電圧が印加されるとき、前記第１の二次コイルに発生する電圧と前記第２の二次コイルに発生する電圧とがそれぞれ相互に逆相の状態で、該二次コイル自身が接続される前記入力端及び前記出力端の間に印加されることを特徴とする交流電圧制御装置。
2. 前記２相のうち前記一方の相の電圧が前記一次コイルの一端及び前記第１の二次コイルの一端に印加され、該２相のうち前記他方の相の電圧が該一次コイルの他端及び前記第２の二次コイルの一端に印加されるとき、前記中線点に対する前記２相のそれぞれの相電圧を降圧して出力することを特徴とする請求項１に記載の交流電圧制御装置。
3. 前記２相のうち前記他方の相の電圧が前記一次コイルの一端及び前記第２の二次コイルの一端に印加され、該２相のうち前記一方の相の電圧が該一次コイルの他端及び前記第１の二次コイルの一端に印加されるとき、前記中線点に対する前記２相のそれぞれの相電圧を昇圧して出力することを特徴とする請求項１に記載の交流電圧制御装置。
4. 前記一次コイルへの前記２相の相間電圧の印加を停止し前記一次コイルを短絡し、または、前記一次コイルへ前記２相の相間電圧を印加することを選択する第１のスイッチをさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の交流電圧制御装置。
5. 前記一次コイルに印加する電圧の極性を逆に接続する第２のスイッチをさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の交流電圧制御装置。
6. 前記第一の相、前記第二の相、もしくは前記第三の相と前記中性点との間の電圧、または前記第一の相、前記第二の相、もしくは前記第三の相のいずれか２相の相間電圧を取得し、該取得した電圧と自己が有する基準電圧とを比較し、該比較結果に基づき、前記第１のスイッチ及び／又は前記第２のスイッチを切り替えることを特徴とする請求項４又は５に記載の交流電圧制御装置。
   

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