JP3761010B2 - 交流電力調整装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、装置負荷の交流電力や電圧を調整しながら力率改善用負荷の電圧も同時に調整することで、装置に低力率負荷が接続されている場合も電源の力率を常に１に保つことが可能な交流電力調整装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体スイッチを用い、一定平滑な直流を得ることなく直接に出力の交流電力を調整する従来の交流電力調整装置で、例えば誘導性負荷が接続されたことにより電源側の位相が遅れて力率が悪くなる場合は、コンデンサやスイッチ等で構成される、いわゆる進相コンデンサやそのバンクすなわち力率補償装置、または半導体スイッチと電解コンデンサ等で構成されるアクティブフィルタ等を電源に並列に接続することで、電源側の力率を補償するようにしている。
【０００３】
図９に従来例を示す。
すなわち、負荷４が接続された交流電力調整装置２の入力側、つまり電源１側に、交流電力調整装置２と並列に力率補償装置またはアクティブフィルタ３を接続して構成される。
このような構成において、交流電力調整装置２が例えば遅れ力率＝ｃｏｓφなる負荷４に電力を供給する場合、交流電力調整装置２の入力側の力率ＰＦは負荷力率以下、すなわち１＞ｃｏｓφ≧ＰＦ＞０である。このとき、力率補償装置またはアクティブフィルタ３は、電源電圧Ｖｉｎ，電源電流Ｉｉｎおよび交流電力調整装置入力電流Ｉ’ｉｎ等を検出しながら、ＶｉｎとＩｉｎの位相が等しくなるよう、電流Ｉｆを調整する。その結果、電源の力率は１となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の交流電力調整装置で電源の力率を１にするには、力率補償装置やアクティブフィルタを必要とする。そのため、力率補償装置を進相コンデンサとスイッチ等により構成されたコンデンサバンクとした場合は、
（１）負荷率に合わせた数個のコンデンサバンクを用意しなければならず、力率調整は用意したコンデンサバンク数分だけで段階的にしかできない。
（２）コンデンサバンクを機械スイッチやサイリスタスイッチにより開閉するため、過大な突入電流が流れるなど電源系統に悪影響を及ぼす。
（３）上記（２）項の過大な突入電流などを防止するため、スイッチ群とコンデンサバンクとの間に、突入電流防止用のリアクトルを挿入する必要がある。
（４）機械スイッチを使用している場合、開閉が頻繁に行なわれると接点不良が生じるため、定期的な保守点検が必要となる。
などの問題がある。
【０００５】
また、力率補償装置またはアクティブフィルタが半導体スイッチを使用した電子式の場合は、
（ａ）装置の接続用リアクトルや直流電源用の電解コンデンサが必要となり、装置の体積，重量が大きくなる。
（ｂ）寿命部品である電解コンデンサを用いるため、定期的なメンテナンスが必要である。
（ｃ）力率調整用（力調用）の変換装置を付加することとなり、システムがコスト高となる。
したがって、この発明の課題は、小型かつ低コストに入力力率を連続的に調整可能にすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、この発明では、複数の半導体スイッチを組み合わせ、交流電力を直接に変換することなく直接異なる交流電力へと変換し、複数の負荷に同時に異なる電力を供給可能な電圧変換回路を、１つの相を入出力共通とする２線または３線の単相若しくは３相の交流電源の残りの相に接続し、上記電圧変換回路により負荷への供給電力を調整することで、電源の力率をほぼ１に保つべく、上記負荷の少なくとも１つは力率調整のための負荷（力率調整用負荷）とし、残りを制御対象となる負荷（制御対象用負荷）とするものについて、上記電圧変換回路の電源が２線または３線の単相か３相か、また、出力として接続される負荷の数などに応じて、４つの具体的な構成を提案している。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の原理を示す構成図である。
同図に示すものは、半導体スイッチを複数個組み合わせることで、一定平滑の直流を得ることなく交流電力を直接に異なる交流電力へと変換し、単相交流電源１Ａの一方の相と制御対象となる負荷（制御対象用負荷）４Ａ，力率調整のための負荷（力率調整用負荷）４Ｂの２種類の負荷との間に、同時に異なる電力を供給できる電圧変換回路５を設置し、単相電源１Ａの他方の相を入出力共通として構成したものである。
【０００８】
このような構成において、電源電圧をＶｉｎ、負荷電圧をＶｏｕｔ（０≦Ｖｏｕｔ＜Ｖｉｎ）、力率調整用負荷電圧をＶｃ（０≦Ｖｃ１＜Ｖｃ２≦Ｖｉｎ）とし、これら３つの電圧を正弦波で同位相であるとする。また、負荷電流をＩｏｕｔ、力率調整用負荷電流をＩｃ（０≦Ｉｃ１＜Ｉｃ２）、電源電流をＩｉｎとする。このとき、制御対象用負荷が遅れ力率の場合、図２に示すように、負荷には負荷電圧Ｖｏｕｔより位相φ０だけ遅れた電流Ｉｏｕｔ（・）＝Ｉｏｕｔ∠（−φ０）が流れる（符号にドットを付してベクトル量を示す）。電源電流は、負荷電流Ｉｏｕｔと力率調整用負荷の電流Ｉｃのベクトル和で表わせるので、力率調整用負荷への印加電圧を零とすると、Ｉｃ（・）＝０となり、負荷電流と電源電流はスイッチング素子や配線での損失、リアクトル成分等を無視すると等しくなる。この電流をＩｉｎ０とすると、Ｉｉｎ０（・）＝Ｉｏｕｔ（・）となる。
【０００９】
ここで、制御対象用負荷が遅れ力率負荷なので、力率調整用負荷には容量性負荷、例えばコンデンサを接続し、Ｖｃ１（・）＝Ｖｃ１∠０なる電圧を印加すると、力率調整用負荷にはＩｃ１（・）＝Ｉｃ１∠（π／２）なる電流が流れる。その結果、電源電流Ｉｉｎ１はＩｉｎ１（・）＝Ｉｏｕｔ（・）＋Ｉｃ１（・）＝Ｉｉｎ１∠（−φ１）となり、力率調整用負荷にＶｃ１なる電圧を印加することで、電源電流の力率が調整される。さらに、Ｖｃ２（・）＝Ｖｃ２∠０（Ｖｃ１＜Ｖｃ２）なる電圧を力率調整用負荷に印加すると、力率調整用負荷にはＩｃ２（・）＝Ｉｃ２∠（π／２）なる電流が流れ、Ｉｉｎ２（・）＝Ｉｏｕｔ（・）＋Ｉｃ２（・）＝Ｉｉｎ２∠（−φ２）となり、力率が一層改善される。また、力率調整用負荷により大きな電圧を印加させることでＩｃが増加し、位相差φが遅れ領域から零を経過して進み領域まで変化することは容易に推測できる。以上より、装置の定格容量時における最大遅れ力率を補償できるように力率調整用負荷を決めておけば、負荷力率や電源の入力力率を検出し、これが常に零となるように電圧Ｖｃを調整することでＩｃの量を変化させ、コンデンサを可変容量コンデンサとして扱うことで、電源の力率（入力力率）を常に１に保つことが可能となる。
上記では、負荷に遅れ力率が接続された場合を想定して説明したが、進み負荷が接続される場合も、同様の原理で調整できることはいうまでもない。さらに、図３に示すように、電源が３相電源または単相３線電源１Ｂの場合も、同様の原理にもとづく動作が行なわれることは勿論である。
【００１０】
図４はこの発明の実施の形態を示す回路図、図５はその動作説明のための各部波形図である。
ダイオードＤ１のアノードとダイオードＤ２のカソードを接続した第１のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ３のアノードとダイオードＤ４のカソードを接続した第２のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ５のアノードとダイオードＤ６のカソードを接続した第３のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ７のアノードとダイオードＤ８のカソードを接続した第４のダイオードの直列回路とを並列接続して構成したブリッジ回路ＢＤのダイオードＤ１〜Ｄ８のすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８を接続し、第１のダイオードの直列回路の直列接続点には単相交流電源１Ａの一方の端子（第１相：Ｒ相）をリアクトルＬ１を介して、第２のダイオードの直列回路の直列接続点には単相交流電源１Ａの他方の端子（第２相：Ｓ相）および制御対象用負荷４Ａ，力率調整用負荷４Ｂの各一方の端子（第２相：Ｖ相）を、第３のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂの他方の端子（第１相：Ｕ２相）をリアクトルＬ３を介して、第４のダイオードの直列回路の直列接続点には負荷４Ａの他方の端子（第１相：Ｕ１相）をリアクトルＬ２を介して、ブリッジ回路のいわゆるＰＮ（正，負極）間にはコンデンサＣ１を並列に、制御対象用負荷４Ａおよび力率調整用負荷４Ｂには並列にコンデンサＣ２，Ｃ３をそれぞれ接続して構成される。なお、Ｒ相のリアクトルＬは省略し、Ｓ相にリアクトルを設けるようにしても良く、以下、同様である。
【００１１】
ここで図５に示すように、出力電圧指令および力率調整指令とキャリアの比較によって得られるＰＷＭ１およびＰＷＭ２の信号と、電源電圧に同期しているＳ２，Ｓ３のオン信号との排他的論理和よりＳ７，Ｓ５のオン信号を発生させるとともに、これらの反転信号をＳ８，Ｓ６のオン信号として発生させる。ここに、出力電圧指令は負荷が要求する電圧値に、力率調整指令は電源の力率が１となる電圧値にそれぞれ調節された量である。このようにして得られた信号により、各スイッチング素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）をオン，オフする。例えば、電源電圧が正の区間において、図５の如くＳ１，Ｓ４をオンする。このとき、Ｓ７をオンさせると電源１Ａ→Ｄ１→Ｓ７→Ｌ２→制御対象用負荷４Ａ→電源１Ａの経路で制御対象用負荷４Ａに電圧が印加される。また、Ｓ５がオンすると、電源１Ａ→Ｄ１→Ｓ５→Ｌ３→力率調整用負荷４Ｂ→電源１Ａの経路で力率調整用負荷４Ｂに電圧が印加される。
【００１２】
次に、Ｓ７がオフしてＳ８がオンすると、負荷のエネルギーはＬ２→負荷４Ａ→Ｓ４→Ｄ８の経路で、また、Ｓ５がオフしてＳ６がオンするとＬ３→力率調整負荷４Ｂ→Ｓ４→Ｓ６の経路で環流する。このとき、Ｓ７やＳ５のスイッチオフに伴い電源からＳ７，Ｓ５およびＳ４間の配線インダクタンスに蓄えられるエネルギーは、Ｃ１がスナバ回路として動作して吸収するため、ＩＧＢＴへ過大なサージ電圧が印加されるのを抑制できる。また、Ｓ１およびＳ４が導通しているため、Ｃ１は第１のダイオードの直列点と第２のダイオードの直列点間に接続されていることとなり、Ｌ１とＣ１によりＬＣフィルタが構成され、電源側へのスイッチング周波数に起因する高周波の流出を抑える働きをする。このような動作を電源１Ａの周波数より十分高い周波数で繰り返すことにより、制御対象用負荷４Ａおよび力率調整負荷４Ｂには図５に示されるような、電源電圧と同相の正弦波をチョッピングした波形が印加され、これが負荷４Ａおよび力率調整負荷４Ｂの両端ではＬ２とＣ２、およびＬ３とＣ３で構成されるフィルタで正弦波化された電圧となり、それぞれ負荷に供給される。
【００１３】
次いで、電源１Ａの電圧が負の期間においては、正の期間と同様Ｓ３とＳ２をオンの状態でＳ８およびＳ６のオン，オフを電源１の周波数より十分高い周波数で繰り返すことにより、図５のような電圧波形が得られ、負荷４Ａおよび力率調整負荷４Ｂ端ではＬ２とＣ２、Ｌ３とＣ３で構成されるフィルタによって正弦波となり、それぞれ印加される。負の期間においてもコンデンサＣ１はスナバとフィルタの役目を果たす。以上の動作を行なうことで、負荷４Ａに遅れ力率負荷，例えば誘導正負荷が接続されているならば、負荷４Ａの電流は電源１Ａの位相より遅れた正弦波の電流が、また、力率調整負荷４Ａに進み力率負荷，例えばコンデンサが接続されていれば電源１Ａの位相より進んだ正弦波の電流が流れる。これらの電流は正の期間にはＤ１を、負の期間にはＤ２を経由して電源１Ａより流れるので、上記と同様の動作によって電源１Ａの電流は遅れ電流と進み電流の合成となり、進み電流量が適当ならば電源１Ａの力率を１に保つことができる。なお、以上は負荷が誘導性の場合を想定したが、負荷が容量性の場合には力率調整負荷２に誘導性の負荷を接続することで、同様な効果が得られることになるのはいうまでもない。
【００１４】
図６にこの発明の第３の実施の形態を示す。ここでも単相電源を前提としており、図４とはスイッチング素子が逆並列接続されたダイオードの直列回路が１組追加され、その出力にＬＣフィルタを介して力率調整負荷４Ｂ１が接続された点で相違している。
すなわち、ダイオードＤ１のアノードとダイオードＤ２のカソードとを接続した第１のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ３のアノードとダイオードＤ４のカソードとを接続した第２のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ５のアノードとダイオードＤ６のカソードとを接続した第３のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ７のアノードとダイオードＤ８のカソードとを接続した第４のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ９のアノードとダイオードＤ１０のカソードとを接続した第５のダイオードの直列回路とを、それぞれ並列接続して構成されるブリッジ回路ＢＤのＤ１〜Ｄ１０のダイオードのすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１０を接続し、第１のダイオードの直列回路の直列接続点には単相交流電源１Ａの一方の端子（第１相：Ｒ相）をリアクトルＬ１を介して、第２のダイオードの直列回路の直列接続点には単相交流電源１Ａの他方の端子（第２相：Ｓ相）および制御対象用負荷４Ａ，力率調整用負荷４Ｂ（容量性または誘導性）および４Ｂ１（誘導性または容量性）の各一方の端子（第２相：Ｖ相）を直接、第３のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂの他方の端子（第１相：Ｕ２）をリアクトルＬ３を介して、第４のダイオードの直列回路の直列接続点には負荷４Ａの他方の端子（第１相：Ｕ１）をリアクトルＬ２を介して、第５のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂ１の他方の端子（第１相：Ｕ３）をリアクトルＬ４を介して、ブリッジ回路ＢＤのいわゆるＰＮ（正，負極）間にはコンデンサＣ１を、負荷４Ａ，力率調整用負荷４Ｂおよび４Ｂ１にはそれぞれコンデンサＣ２，Ｃ３，Ｃ４を並列に接続して構成されている。
【００１５】
このような構成において、力率調整用負荷４Ｂには容量性負荷が、力率調整用負荷４Ｂ１には誘導性負荷がそれぞれ接続された場合について説明する。
制御対象用負荷４Ａおよび力率調整用負荷４Ｂへ電圧を印加する動作は、図４の場合と同様である。また、力率調整用負荷４Ｂ１に電圧を印加する動作も同様であるが、電源１の力率によって変化する力率調整指令とキャリアとの比較によって得られるＰＷＭ信号によりスイッチＳ９，Ｓ１０をオン，オフすることで、電圧を印加する。こうすることで、制御対象用負荷４Ａに誘導性または容量性の負荷が、また、負荷率によって進み力率から遅れ力率へ変わるような負荷やその逆の負荷など、どのような性質の負荷が接続されていても、力率調整用負荷４Ｂ，４Ｂ１への印加電圧を調整することで、力率の調整が可能となる。例えば、軽負荷時は電源力率が進み力率となり、負荷をとることで遅れ力率に移行する場合、軽負荷時は力率調整用負荷４Ｂの印加電圧を零とし、力率調整用負荷４Ｂ１に電圧を印加すると、制御対象用負荷４Ａが進み電流、力率調整用負荷４Ｂ１が遅れ電流をとるので、図２に示した原理にもとづき力率調整用負荷４Ｂ１の印加電圧を適当に調節し遅れ電流量を調節することで、電源の力率を１にできる。さらに、制御対象用負荷４Ａの負荷率が増加し力率１となれば、力率調整用負荷４Ｂ１の印加電圧を零とすると、力率調整用負荷４Ｂおよび４Ｂ１の電流も零となり、電源力率は図２に示した原理にもとづき制御対象用負荷４Ａの力率同様１になる。さらに、制御対象用負荷４Ａの負荷率が上がり遅れ力率になれば、力率調整用負荷４Ｂ１の電圧を零に保ちながら力率調整用負荷４Ｂに電圧を印加すると、制御対象用負荷４Ａは進み電流をとり、図２に示した原理にもとづき電源１の力率は１に調整される。このように、この例では負荷にどのような負荷が接続されても常に力率を１に近づけるように調節することが可能となる。
【００１６】
図７にこの発明の第４の実施の形態を示す。この例は３相電源または単相３線電源を前提とするもので、入出力共通線を３相または単相３線電源の１線とし、その残りの相に電圧変換回路を２回路接続して構成する。以下、３相電源の例について説明する。
ダイオードＤ１１のアノードとダイオードＤ１２のカソードとを接続した第１のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ１３のアノードとダイオードＤ１４のカソードとを接続した第２のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ１５のアノードとダイオードＤ１６のカソードとを接続した第３のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ１７のアノードとダイオードＤ１８のカソードとを接続した第４のダイオードの直列回路とを、それぞれ並列接続して構成されるブリッジ回路ＢＤ１のＤ１１〜Ｄ１８のダイオードのすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１８を接続し、ダイオードＤ２１のアノードとダイオードＤ２２のカソードとを接続した第５のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ２３のアノードとダイオードＤ２４のカソードとを接続した第６のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ２５のアノードとダイオードＤ２６のカソードとを接続した第７のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ２７のアノードとダイオードＤ２８のカソードとを接続した第８のダイオードの直列回路とを、それぞれ並列接続して構成されるブリッジ回路ＢＤ２のＤ２１〜Ｄ２８のダイオードのすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２８を接続し、第１のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源１Ｂの一方の端子（第１相：Ｒ相）をリアクトルＬ５を介して、第２のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源１Ｂの残る２つの端子の一方の端子（第２相：Ｓ相）と３相の制御対象用負荷４Ａ１および力率調整用負荷４Ｂ２（容量性または誘導性），４Ｂ３（誘導性または容量性）の各一方の端子（第２相：Ｖ相）を直接、第３のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂ２の他方の端子（第１相：Ｕ２相）をリアクトルＬ７を介して、第４のダイオードの直列回路の直列接続点には３相の制御対象用負荷負荷４Ａ１の残る２つの端子の一方の端子（第１相：Ｕ１相）をリアクトルＬ６を介して、ブリッジ回路ＢＤ１のいわゆるＰＮ（正，負極）間にはコンデンサＣ５を、力率調整用負荷４Ｂ２には並列にコンデンサＣ７を、３相の制御対象用負荷４Ａ１のＵ１相とＶ相間にコンデンサＣ６を、第５のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源１Ｂの残る端子（第３相：Ｔ相）をリアクトルＬ９を介して、第６のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源１Ｂの第２相（Ｓ相）および力率調整用負荷４Ｂ３，３相の制御対象用負荷４Ａ１の各一方の端子（第２相：Ｖ相）を直接、第７のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂ３の他の端子（Ｗ２相）をリアクトルＬ１１を介して、第８のダイオードの直列回路の直列接続点には３相の制御対象用負荷４Ａ１の残る端子（Ｗ１相）をリアクトルＬ１０を介して、ブリッジ回路ＢＤ２のいわゆるＰＮ（正，負極）間にはコンデンサＣ９を、力率調整用負荷４Ｂ３には並列にコンデンサＣ１１を、３相の制御対象用負荷４Ａ１のＷ１相とＶ相間にはコンデンサＣ１０をそれぞれ接続して構成される。
【００１７】
このような構成において、３相電源１Ｂの第１相−第２相（Ｒ−Ｓ）と、３相の制御対象用負荷４Ａ１の第１相−第２相（Ｕ１−Ｖ）を単相電源と考えると、図４の回路と全く同様の動作により、ブリッジ回路ＢＤ１は３相の制御対象用負荷４Ａ１と力率調整用負荷４Ｂ２の電力調整を行なう。同様に、３相電源１Ｂの第３相−第２相（Ｔ−Ｓ）と、３相の制御対象用負荷４Ａ１の第１相−第２相（Ｗ１−Ｖ）を単相電源と考えると、図４の回路と全く同様の動作により、ブリッジ回路ＢＤ２は３相の制御対象用負荷４Ａ１と力率調整用負荷４Ｂ３の電力調整を行なう。その結果、Ｒ相の電流とＴ相の電流は負荷力率によらず常に力率１の状態で流れるようになる。このとき、入力の３相の電流の総和は零となるので、Ｒ相の電圧を基準として、Ｒ相電流をＩｒ（・）＝Ｉｒ∠０、Ｔ相電流をＩｔ（・）＝Ｉｔ∠（−４π／３）とおけば、Ｓ相電流ＩｓはＩｓ（・）＝−（Ｉｒ（・）＋Ｉｔ（・））＝Ｉｓ∠（−２π／３）となってＳ相の電圧と同相となり、Ｓ相も力率１とすることができる。よって、この実施例では２つの出力線間電圧を調整することで、３相の入力力率を常に１となるように動作する。
なお、以上では３相電源について説明したが、単相３線電源の場合も上記と同様に入力力率を調整することができるのは勿論である。
【００１８】
図８はこの発明による第５の実施の形態を示す回路図である。これも、３相電源または単相３線電源を前提とするもので、入出力共通線を３相または単相３線電源の１線とし、その残りの相に電圧変換回路を２回路接続している。以下、３相電源の例について説明する。
ダイオードＤ１１のアノードとダイオードＤ１２のカソードとを接続した第１のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ１３のアノードとダイオードＤ１４のカソードとを接続した第２のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ１５のアノードとダイオードＤ１６のカソードとを接続した第３のダイオードの直列回路と、ダイオードのアノードＤ１７とダイオードＤ１８のカソードとを接続した第４のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ１９のアノードとダイオードＤ２０のカソードとを接続した第５のダイオードの直列回路とをそれぞれ並列接続して構成されるブリッジ回路ＢＤ３のダイオードＤ１１〜Ｄ２０のすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ２０を接続し、ダイオードＤ２１のアノードとダイオードＤ２２のカソードとを接続した第６のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ２３のアノードとダイオードＤ２４のカソードとを接続した第７のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ２５のアノードとダイオードＤ２６のカソードとを接続した第８のダイオードの直列回路と、ダイオードのアノードＤ２７とダイオードＤ２８のカソードとを接続した第９のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ２９のアノードとダイオードＤ３０のカソードとを接続した第１０のダイオードの直列回路とをそれぞれ並列接続して構成されるブリッジ回路ＢＤ４のダイオードＤ２１〜Ｄ３０のすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ３０を接続し、第１のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源１Ｂの一方の端子（第１相：Ｒ相）を直接またはリアクトルを介して、第２のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源１Ｂの残る２つの端子の一方の端子（第２相：Ｓ相）と３相の制御対象用負荷４Ａ１および力率調整用負荷４Ｂ２（容量性または誘導性），４Ｂ４（誘導性または容量性）の各一方の端子（第２相：Ｖ相）を直接、第３のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂ２の他方の端子（第１相：Ｕ２）をリアクトルＬ７を介して、第４のダイオードの直列回路の直列接続点には３相の制御対象用負荷４Ａ１の残る２つの端子の一方の端子（第１相：Ｕ１相）をリアクトルＬ６を介して、第５のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂ４の他方の端子（第１相：Ｕ３）をリアクトルＬ８を介して、ブリッジ回路ＢＤ３の正，負極間には並列にコンデンサＣ５を、力率調整用負荷４Ｂ４には並列にコンデンサＣ８を、力率調整用負荷４Ｂ２には並列にコンデンサＣ７を、３相の制御対象用負荷４Ａ２の第１相（Ｕ１相）と第２相（Ｖ相）間にはコンデンサＣ６を、第６のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源１Ｂの残る端子（第３相：Ｔ相）をリアクトルＬ９を介して、第７のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源の第２相（Ｓ相）と力率調整用負荷４Ｂ３（容量性または誘導性），４Ｂ５（誘導性または容量性）および３相の制御対象用負荷４Ａ１の各一方の端子（Ｖ相）を直接、第８のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂ３の他方の端子（Ｗ２）をリアクトルＬ１１を介して、第９のダイオードの直列回路の直列接続点には３相の制御対象用負荷４Ａ１の残る端子（第３相：Ｗ１）をリアクトルＬ１０を介して、前記第１０のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂ５の他方の端子（Ｗ３）をリアクトルＬ１２を介して、ブリッジ回路ＢＤ４の正，負極間にはコンデンサＣ９を、力率調整用負荷４Ｂ３，４Ｂ５には並列にそれぞれコンデンサＣ１１，Ｃ１２を、３相の制御対象用負荷４Ａ１の第３相（Ｗ１相）と第２相（Ｖ相）間にはコンデンサＣ１０をそれぞれ接続して構成される。
【００１９】
このような構成において、３相電源１Ｂの第１相−第２相（Ｒ−Ｓ）と、３相の制御対象用負荷４Ａ１の第１相−第２相（Ｕ１−Ｖ）を単相電源と考えると、図６の回路と全く同様の動作により、ブリッジ回路ＢＤ３は３相の制御対象用負荷４Ａ２および力率調整用負荷４Ｂ２，４Ｂ４の電力調整を行なう。同様に、３相電源１Ｂの第３相−第２相（Ｔ−Ｓ）と、３相の制御対象用負荷４Ａ１の第１相−第２相（Ｗ１−Ｖ）を単相電源と考えると、図６の回路と全く同様の動作により、ブリッジ回路ＢＤ４は３相の制御対象用負荷４Ａ１および力率調整用負荷４Ｂ３，４Ｂ５の電力調整を行なう。その結果、Ｒ相の電流とＴ相の電流は負荷力率によらず常に力率１の状態で流れるようになる。このとき、入力の３相の電流の総和は零となるので、Ｒ相の電圧を基準として、Ｒ相電流をＩｒ（・）＝Ｉｒ∠０、Ｔ相電流をＩｔ（・）＝Ｉｔ∠（−４π／３）とおけば、Ｓ相電流ＩｓはＩｓ（・）＝−（Ｉｒ（・）＋Ｉｔ（・））＝Ｉｓ∠（−２π／３）となってＳ相の電圧と同相となり、Ｓ相も力率１とすることができる。よって、この実施例でも２つの出力線間電圧を調整することで、３相の入力力率を常に１となるように動作する。
なお、以上では３相電源について説明したが、単相３線電源の場合も上記と同様に入力力率を調整することができるのは勿論である。
【００２０】
【発明の効果】
この発明によれば、単相または単相３線若しくは３相交流電源のいずれかの電源のうち、或る１つの相を入出力共通とし、半導体スイッチを複数個組み合わせて一定平滑の直流にすることなく交流電力を直接異なる交流電力へと変換し、複数の負荷に同時に異なる電力を供給できる電圧変換回路を用いて負荷の力率調整を行なうことにより、力率調整のための複数のコンデンサバンクが不要となり、コンデンサバンクを形成するための設備も不要となるので、設備の大幅な縮小が可能となり保守点検が不要になるという利点が得られる。また、力率調整を電子式の力率補償装置やアクティブフィルタを用いる従来方式に対しては、負荷の電力をコントロール変換器の他に電解コンデンサ等を持つ新たな変換器を設ける必要がないので、システムの小形化，メンテナンスフリー化，低コスト化を実現できる、などの利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電源が単相の場合のこの発明の原理を示す構成図である。
【図２】 図１における入出力電流を示すベクトル図である。
【図３】 電源が３相または単相３線の場合のこの発明の原理を示す構成図である。
【図４】 この発明の実施の形態を示す回路図である。
【図５】 図４の動作を説明するための各部波形図である。
【図６】 この発明の別の実施の形態を示す回路図である。
【図７】 この発明のさらに別の実施の形態を示す回路図である。
【図８】 この発明の他の実施の形態を示す回路図である。
【図９】 従来例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ…電源、２…電力調整装置、３…力率補償装置またはアクティブフィルタ、４，４Ａ，４Ｂ，４Ａ１，４Ｂ１，４Ｂ２，４Ｂ３，４Ｂ４，４Ｂ５…負荷、５…電圧変換回路、Ｓ１〜Ｓ３０…半導体スイッチ、Ｄ１〜Ｄ３０…ダイオード、Ｃ１〜Ｃ１２…コンデンサ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、装置負荷の交流電力や電圧を調整しながら力率改善用負荷の電圧も同時に調整することで、装置に低力率負荷が接続されている場合も電源の力率を常に１に保つことが可能な交流電力調整装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体スイッチを用い、一定平滑な直流を得ることなく直接に出力の交流電力を調整する従来の交流電力調整装置で、例えば誘導性負荷が接続されたことにより電源側の位相が遅れて力率が悪くなる場合は、コンデンサやスイッチ等で構成される、いわゆる進相コンデンサやそのバンクすなわち力率補償装置、または半導体スイッチと電解コンデンサ等で構成されるアクティブフィルタ等を電源に並列に接続することで、電源側の力率を補償するようにしている。
【０００３】
図９に従来例を示す。
すなわち、負荷４が接続された交流電力調整装置２の入力側、つまり電源１側に、交流電力調整装置２と並列に力率補償装置またはアクティブフィルタ３を接続して構成される。
このような構成において、交流電力調整装置２が例えば遅れ力率＝ｃｏｓφなる負荷４に電力を供給する場合、交流電力調整装置２の入力側の力率ＰＦは負荷力率以下、すなわち１＞ｃｏｓφ≧ＰＦ＞０である。このとき、力率補償装置またはアクティブフィルタ３は、電源電圧Ｖｉｎ，電源電流Ｉｉｎおよび交流電力調整装置入力電流Ｉ’ｉｎ等を検出しながら、ＶｉｎとＩｉｎの位相が等しくなるよう、電流Ｉｆを調整する。その結果、電源の力率は１となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の交流電力調整装置で電源の力率を１にするには、力率補償装置やアクティブフィルタを必要とする。そのため、力率補償装置を進相コンデンサとスイッチ等により構成されたコンデンサバンクとした場合は、
（１）負荷率に合わせた数個のコンデンサバンクを用意しなければならず、力率調整は用意したコンデンサバンク数分だけで段階的にしかできない。
（２）コンデンサバンクを機械スイッチやサイリスタスイッチにより開閉するため、過大な突入電流が流れるなど電源系統に悪影響を及ぼす。
（３）上記（２）項の過大な突入電流などを防止するため、スイッチ群とコンデンサバンクとの間に、突入電流防止用のリアクトルを挿入する必要がある。
（４）機械スイッチを使用している場合、開閉が頻繁に行なわれると接点不良が生じるため、定期的な保守点検が必要となる。
などの問題がある。
【０００５】
また、力率補償装置またはアクティブフィルタが半導体スイッチを使用した電子式の場合は、
（ａ）装置の接続用リアクトルや直流電源用の電解コンデンサが必要となり、装置の体積，重量が大きくなる。
（ｂ）寿命部品である電解コンデンサを用いるため、定期的なメンテナンスが必要である。
（ｃ）力率調整用（力調用）の変換装置を付加することとなり、システムがコスト高となる。
したがって、この発明の課題は、小型かつ低コストに入力力率を連続的に調整可能にすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、この発明では、複数の半導体スイッチを組み合わせ、交流電力を直接に変換することなく直接異なる交流電力へと変換し、複数の負荷に同時に異なる電力を供給可能な電圧変換回路を、１つの相を入出力共通とする２線または３線の単相若しくは３相の交流電源の残りの相に接続し、上記電圧変換回路により負荷への供給電力を調整することで、電源の力率をほぼ１に保つべく、上記負荷の少なくとも１つは力率調整のための負荷（力率調整用負荷）とし、残りを制御対象となる負荷（制御対象用負荷）とするものについて、上記電圧変換回路の電源が２線または３線の単相か３相か、また、出力として接続される負荷の数などに応じて、４つの具体的な構成を提案している。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の原理を示す構成図である。
同図に示すものは、半導体スイッチを複数個組み合わせることで、一定平滑の直流を得ることなく交流電力を直接に異なる交流電力へと変換し、単相交流電源１Ａの一方の相と制御対象となる負荷（制御対象用負荷）４Ａ，力率調整のための負荷（力率調整用負荷）４Ｂの２種類の負荷との間に、同時に異なる電力を供給できる電圧変換回路５を設置し、単相電源１Ａの他方の相を入出力共通として構成したものである。
【０００８】
このような構成において、電源電圧をＶｉｎ、負荷電圧をＶｏｕｔ（０≦Ｖｏｕｔ＜Ｖｉｎ）、力率調整用負荷電圧をＶｃ（０≦Ｖｃ１＜Ｖｃ２≦Ｖｉｎ）とし、これら３つの電圧を正弦波で同位相であるとする。また、負荷電流をＩｏｕｔ、力率調整用負荷電流をＩｃ（０≦Ｉｃ１＜Ｉｃ２）、電源電流をＩｉｎとする。このとき、制御対象用負荷が遅れ力率の場合、図２に示すように、負荷には負荷電圧Ｖｏｕｔより位相φ０だけ遅れた電流Ｉｏｕｔ（・）＝Ｉｏｕｔ∠（−φ０）が流れる（符号にドットを付してベクトル量を示す）。電源電流は、負荷電流Ｉｏｕｔと力率調整用負荷の電流Ｉｃのベクトル和で表わせるので、力率調整用負荷への印加電圧を零とすると、Ｉｃ（・）＝０となり、負荷電流と電源電流はスイッチング素子や配線での損失、リアクトル成分等を無視すると等しくなる。この電流をＩｉｎ０とすると、Ｉｉｎ０（・）＝Ｉｏｕｔ（・）となる。
【０００９】
ここで、制御対象用負荷が遅れ力率負荷なので、力率調整用負荷には容量性負荷、例えばコンデンサを接続し、Ｖｃ１（・）＝Ｖｃ１∠０なる電圧を印加すると、力率調整用負荷にはＩｃ１（・）＝Ｉｃ１∠（π／２）なる電流が流れる。その結果、電源電流Ｉｉｎ１はＩｉｎ１（・）＝Ｉｏｕｔ（・）＋Ｉｃ１（・）＝Ｉｉｎ１∠（−φ１）となり、力率調整用負荷にＶｃ１なる電圧を印加することで、電源電流の力率が調整される。さらに、Ｖｃ２（・）＝Ｖｃ２∠０（Ｖｃ１＜Ｖｃ２）なる電圧を力率調整用負荷に印加すると、力率調整用負荷にはＩｃ２（・）＝Ｉｃ２∠（π／２）なる電流が流れ、Ｉｉｎ２（・）＝Ｉｏｕｔ（・）＋Ｉｃ２（・）＝Ｉｉｎ２∠（−φ２）となり、力率が一層改善される。また、力率調整用負荷により大きな電圧を印加させることでＩｃが増加し、位相差φが遅れ領域から零を経過して進み領域まで変化することは容易に推測できる。以上より、装置の定格容量時における最大遅れ力率を補償できるように力率調整用負荷を決めておけば、負荷力率や電源の入力力率を検出し、これが常に零となるように電圧Ｖｃを調整することでＩｃの量を変化させ、コンデンサを可変容量コンデンサとして扱うことで、電源の力率（入力力率）を常に１に保つことが可能となる。
上記では、負荷に遅れ力率が接続された場合を想定して説明したが、進み負荷が接続される場合も、同様の原理で調整できることはいうまでもない。さらに、図３に示すように、電源が３相電源または単相３線電源１Ｂの場合も、同様の原理にもとづく動作が行なわれることは勿論である。
【００１０】
図４はこの発明の実施の形態を示す回路図、図５はその動作説明のための各部波形図である。
ダイオードＤ１のアノードとダイオードＤ２のカソードを接続した第１のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ３のアノードとダイオードＤ４のカソードを接続した第２のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ５のアノードとダイオードＤ６のカソードを接続した第３のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ７のアノードとダイオードＤ８のカソードを接続した第４のダイオードの直列回路とを並列接続して構成したブリッジ回路ＢＤのダイオードＤ１〜Ｄ８のすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８を接続し、第１のダイオードの直列回路の直列接続点には単相交流電源１Ａの一方の端子（第１相：Ｒ相）をリアクトルＬ１を介して、第２のダイオードの直列回路の直列接続点には単相交流電源１Ａの他方の端子（第２相：Ｓ相）および制御対象用負荷４Ａ，力率調整用負荷４Ｂの各一方の端子（第２相：Ｖ相）を、第３のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂの他方の端子（第１相：Ｕ２相）をリアクトルＬ３を介して、第４のダイオードの直列回路の直列接続点には負荷４Ａの他方の端子（第１相：Ｕ１相）をリアクトルＬ２を介して、ブリッジ回路のいわゆるＰＮ（正，負極）間にはコンデンサＣ１を並列に、制御対象用負荷４Ａおよび力率調整用負荷４Ｂには並列にコンデンサＣ２，Ｃ３をそれぞれ接続して構成される。なお、Ｒ相のリアクトルＬは省略し、Ｓ相にリアクトルを設けるようにしても良く、以下、同様である。
【００１１】
ここで図５に示すように、出力電圧指令および力率調整指令とキャリアの比較によって得られるＰＷＭ１およびＰＷＭ２の信号と、電源電圧に同期しているＳ２，Ｓ３のオン信号との排他的論理和よりＳ７，Ｓ５のオン信号を発生させるとともに、これらの反転信号をＳ８，Ｓ６のオン信号として発生させる。ここに、出力電圧指令は負荷が要求する電圧値に、力率調整指令は電源の力率が１となる電圧値にそれぞれ調節された量である。このようにして得られた信号により、各スイッチング素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）をオン，オフする。例えば、電源電圧が正の区間において、図５の如くＳ１，Ｓ４をオンする。このとき、Ｓ７をオンさせると電源１Ａ→Ｄ１→Ｓ７→Ｌ２→制御対象用負荷４Ａ→電源１Ａの経路で制御対象用負荷４Ａに電圧が印加される。また、Ｓ５がオンすると、電源１Ａ→Ｄ１→Ｓ５→Ｌ３→力率調整用負荷４Ｂ→電源１Ａの経路で力率調整用負荷４Ｂに電圧が印加される。
【００１２】
次に、Ｓ７がオフしてＳ８がオンすると、負荷のエネルギーはＬ２→負荷４Ａ→Ｓ４→Ｄ８の経路で、また、Ｓ５がオフしてＳ６がオンするとＬ３→力率調整負荷４Ｂ→Ｓ４→Ｓ６の経路で環流する。このとき、Ｓ７やＳ５のスイッチオフに伴い電源からＳ７，Ｓ５およびＳ４間の配線インダクタンスに蓄えられるエネルギーは、Ｃ１がスナバ回路として動作して吸収するため、ＩＧＢＴへ過大なサージ電圧が印加されるのを抑制できる。また、Ｓ１およびＳ４が導通しているため、Ｃ１は第１のダイオードの直列点と第２のダイオードの直列点間に接続されていることとなり、Ｌ１とＣ１によりＬＣフィルタが構成され、電源側へのスイッチング周波数に起因する高周波の流出を抑える働きをする。このような動作を電源１Ａの周波数より十分高い周波数で繰り返すことにより、制御対象用負荷４Ａおよび力率調整負荷４Ｂには図５に示されるような、電源電圧と同相の正弦波をチョッピングした波形が印加され、これが負荷４Ａおよび力率調整負荷４Ｂの両端ではＬ２とＣ２、およびＬ３とＣ３で構成されるフィルタで正弦波化された電圧となり、それぞれ負荷に供給される。
【００１３】
次いで、電源１Ａの電圧が負の期間においては、正の期間と同様Ｓ３とＳ２をオンの状態でＳ８およびＳ６のオン，オフを電源１の周波数より十分高い周波数で繰り返すことにより、図５のような電圧波形が得られ、負荷４Ａおよび力率調整負荷４Ｂ端ではＬ２とＣ２、Ｌ３とＣ３で構成されるフィルタによって正弦波となり、それぞれ印加される。負の期間においてもコンデンサＣ１はスナバとフィルタの役目を果たす。以上の動作を行なうことで、負荷４Ａに遅れ力率負荷，例えば誘導正負荷が接続されているならば、負荷４Ａの電流は電源１Ａの位相より遅れた正弦波の電流が、また、力率調整負荷４Ａに進み力率負荷，例えばコンデンサが接続されていれば電源１Ａの位相より進んだ正弦波の電流が流れる。これらの電流は正の期間にはＤ１を、負の期間にはＤ２を経由して電源１Ａより流れるので、上記と同様の動作によって電源１Ａの電流は遅れ電流と進み電流の合成となり、進み電流量が適当ならば電源１Ａの力率を１に保つことができる。なお、以上は負荷が誘導性の場合を想定したが、負荷が容量性の場合には力率調整負荷２に誘導性の負荷を接続することで、同様な効果が得られることになるのはいうまでもない。
【００１４】
図６にこの発明の第３の実施の形態を示す。ここでも単相電源を前提としており、図４とはスイッチング素子が逆並列接続されたダイオードの直列回路が１組追加され、その出力にＬＣフィルタを介して力率調整負荷４Ｂ１が接続された点で相違している。
すなわち、ダイオードＤ１のアノードとダイオードＤ２のカソードとを接続した第１のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ３のアノードとダイオードＤ４のカソードとを接続した第２のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ５のアノードとダイオードＤ６のカソードとを接続した第３のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ７のアノードとダイオードＤ８のカソードとを接続した第４のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ９のアノードとダイオードＤ１０のカソードとを接続した第５のダイオードの直列回路とを、それぞれ並列接続して構成されるブリッジ回路ＢＤのＤ１〜Ｄ１０のダイオードのすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１０を接続し、第１のダイオードの直列回路の直列接続点には単相交流電源１Ａの一方の端子（第１相：Ｒ相）をリアクトルＬ１を介して、第２のダイオードの直列回路の直列接続点には単相交流電源１Ａの他方の端子（第２相：Ｓ相）および制御対象用負荷４Ａ，力率調整用負荷４Ｂ（容量性または誘導性）および４Ｂ１（誘導性または容量性）の各一方の端子（第２相：Ｖ相）を直接、第３のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂの他方の端子（第１相：Ｕ２）をリアクトルＬ３を介して、第４のダイオードの直列回路の直列接続点には負荷４Ａの他方の端子（第１相：Ｕ１）をリアクトルＬ２を介して、第５のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂ１の他方の端子（第１相：Ｕ３）をリアクトルＬ４を介して、ブリッジ回路ＢＤのいわゆるＰＮ（正，負極）間にはコンデンサＣ１を、負荷４Ａ，力率調整用負荷４Ｂおよび４Ｂ１にはそれぞれコンデンサＣ２，Ｃ３，Ｃ４を並列に接続して構成されている。
【００１５】
このような構成において、力率調整用負荷４Ｂには容量性負荷が、力率調整用負荷４Ｂ１には誘導性負荷がそれぞれ接続された場合について説明する。
制御対象用負荷４Ａおよび力率調整用負荷４Ｂへ電圧を印加する動作は、図４の場合と同様である。また、力率調整用負荷４Ｂ１に電圧を印加する動作も同様であるが、電源１の力率によって変化する力率調整指令とキャリアとの比較によって得られるＰＷＭ信号によりスイッチＳ９，Ｓ１０をオン，オフすることで、電圧を印加する。こうすることで、制御対象用負荷４Ａに誘導性または容量性の負荷が、また、負荷率によって進み力率から遅れ力率へ変わるような負荷やその逆の負荷など、どのような性質の負荷が接続されていても、力率調整用負荷４Ｂ，４Ｂ１への印加電圧を調整することで、力率の調整が可能となる。例えば、軽負荷時は電源力率が進み力率となり、負荷をとることで遅れ力率に移行する場合、軽負荷時は力率調整用負荷４Ｂの印加電圧を零とし、力率調整用負荷４Ｂ１に電圧を印加すると、制御対象用負荷４Ａが進み電流、力率調整用負荷４Ｂ１が遅れ電流をとるので、図２に示した原理にもとづき力率調整用負荷４Ｂ１の印加電圧を適当に調節し遅れ電流量を調節することで、電源の力率を１にできる。さらに、制御対象用負荷４Ａの負荷率が増加し力率１となれば、力率調整用負荷４Ｂ１の印加電圧を零とすると、力率調整用負荷４Ｂおよび４Ｂ１の電流も零となり、電源力率は図２に示した原理にもとづき制御対象用負荷４Ａの力率同様１になる。さらに、制御対象用負荷４Ａの負荷率が上がり遅れ力率になれば、力率調整用負荷４Ｂ１の電圧を零に保ちながら力率調整用負荷４Ｂに電圧を印加すると、制御対象用負荷４Ａは進み電流をとり、図２に示した原理にもとづき電源１の力率は１に調整される。このように、この例では負荷にどのような負荷が接続されても常に力率を１に近づけるように調節することが可能となる。
【００１６】
図７にこの発明の第４の実施の形態を示す。この例は３相電源または単相３線電源を前提とするもので、入出力共通線を３相または単相３線電源の１線とし、その残りの相に電圧変換回路を２回路接続して構成する。以下、３相電源の例について説明する。
ダイオードＤ１１のアノードとダイオードＤ１２のカソードとを接続した第１のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ１３のアノードとダイオードＤ１４のカソードとを接続した第２のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ１５のアノードとダイオードＤ１６のカソードとを接続した第３のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ１７のアノードとダイオードＤ１８のカソードとを接続した第４のダイオードの直列回路とを、それぞれ並列接続して構成されるブリッジ回路ＢＤ１のＤ１１〜Ｄ１８のダイオードのすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１８を接続し、ダイオードＤ２１のアノードとダイオードＤ２２のカソードとを接続した第５のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ２３のアノードとダイオードＤ２４のカソードとを接続した第６のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ２５のアノードとダイオードＤ２６のカソードとを接続した第７のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ２７のアノードとダイオードＤ２８のカソードとを接続した第８のダイオードの直列回路とを、それぞれ並列接続して構成されるブリッジ回路ＢＤ２のＤ２１〜Ｄ２８のダイオードのすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２８を接続し、第１のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源１Ｂの一方の端子（第１相：Ｒ相）をリアクトルＬ５を介して、第２のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源１Ｂの残る２つの端子の一方の端子（第２相：Ｓ相）と３相の制御対象用負荷４Ａ１および力率調整用負荷４Ｂ２（容量性または誘導性），４Ｂ３（誘導性または容量性）の各一方の端子（第２相：Ｖ相）を直接、第３のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂ２の他方の端子（第１相：Ｕ２相）をリアクトルＬ７を介して、第４のダイオードの直列回路の直列接続点には３相の制御対象用負荷負荷４Ａ１の残る２つの端子の一方の端子（第１相：Ｕ１相）をリアクトルＬ６を介して、ブリッジ回路ＢＤ１のいわゆるＰＮ（正，負極）間にはコンデンサＣ５を、力率調整用負荷４Ｂ２には並列にコンデンサＣ７を、３相の制御対象用負荷４Ａ１のＵ１相とＶ相間にコンデンサＣ６を、第５のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源１Ｂの残る端子（第３相：Ｔ相）をリアクトルＬ９を介して、第６のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源１Ｂの第２相（Ｓ相）および力率調整用負荷４Ｂ３，３相の制御対象用負荷４Ａ１の各一方の端子（第２相：Ｖ相）を直接、第７のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂ３の他の端子（Ｗ２相）をリアクトルＬ１１を介して、第８のダイオードの直列回路の直列接続点には３相の制御対象用負荷４Ａ１の残る端子（Ｗ１相）をリアクトルＬ１０を介して、ブリッジ回路ＢＤ２のいわゆるＰＮ（正，負極）間にはコンデンサＣ９を、力率調整用負荷４Ｂ３には並列にコンデンサＣ１１を、３相の制御対象用負荷４Ａ１のＷ１相とＶ相間にはコンデンサＣ１０をそれぞれ接続して構成される。
【００１７】
このような構成において、３相電源１Ｂの第１相−第２相（Ｒ−Ｓ）と、３相の制御対象用負荷４Ａ１の第１相−第２相（Ｕ１−Ｖ）を単相電源と考えると、図４の回路と全く同様の動作により、ブリッジ回路ＢＤ１は３相の制御対象用負荷４Ａ１と力率調整用負荷４Ｂ２の電力調整を行なう。同様に、３相電源１Ｂの第３相−第２相（Ｔ−Ｓ）と、３相の制御対象用負荷４Ａ１の第１相−第２相（Ｗ１−Ｖ）を単相電源と考えると、図４の回路と全く同様の動作により、ブリッジ回路ＢＤ２は３相の制御対象用負荷４Ａ１と力率調整用負荷４Ｂ３の電力調整を行なう。その結果、Ｒ相の電流とＴ相の電流は負荷力率によらず常に力率１の状態で流れるようになる。このとき、入力の３相の電流の総和は零となるので、Ｒ相の電圧を基準として、Ｒ相電流をＩｒ（・）＝Ｉｒ∠０、Ｔ相電流をＩｔ（・）＝Ｉｔ∠（−４π／３）とおけば、Ｓ相電流ＩｓはＩｓ（・）＝−（Ｉｒ（・）＋Ｉｔ（・））＝Ｉｓ∠（−２π／３）となってＳ相の電圧と同相となり、Ｓ相も力率１とすることができる。よって、この実施例では２つの出力線間電圧を調整することで、３相の入力力率を常に１となるように動作する。
なお、以上では３相電源について説明したが、単相３線電源の場合も上記と同様に入力力率を調整することができるのは勿論である。
【００１８】
図８はこの発明による第５の実施の形態を示す回路図である。これも、３相電源または単相３線電源を前提とするもので、入出力共通線を３相または単相３線電源の１線とし、その残りの相に電圧変換回路を２回路接続している。以下、３相電源の例について説明する。
ダイオードＤ１１のアノードとダイオードＤ１２のカソードとを接続した第１のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ１３のアノードとダイオードＤ１４のカソードとを接続した第２のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ１５のアノードとダイオードＤ１６のカソードとを接続した第３のダイオードの直列回路と、ダイオードのアノードＤ１７とダイオードＤ１８のカソードとを接続した第４のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ１９のアノードとダイオードＤ２０のカソードとを接続した第５のダイオードの直列回路とをそれぞれ並列接続して構成されるブリッジ回路ＢＤ３のダイオードＤ１１〜Ｄ２０のすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ２０を接続し、ダイオードＤ２１のアノードとダイオードＤ２２のカソードとを接続した第６のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ２３のアノードとダイオードＤ２４のカソードとを接続した第７のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ２５のアノードとダイオードＤ２６のカソードとを接続した第８のダイオードの直列回路と、ダイオードのアノードＤ２７とダイオードＤ２８のカソードとを接続した第９のダイオードの直列回路と、ダイオードＤ２９のアノードとダイオードＤ３０のカソードとを接続した第１０のダイオードの直列回路とをそれぞれ並列接続して構成されるブリッジ回路ＢＤ４のダイオードＤ２１〜Ｄ３０のすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ３０を接続し、第１のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源１Ｂの一方の端子（第１相：Ｒ相）を直接またはリアクトルを介して、第２のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源１Ｂの残る２つの端子の一方の端子（第２相：Ｓ相）と３相の制御対象用負荷４Ａ１および力率調整用負荷４Ｂ２（容量性または誘導性），４Ｂ４（誘導性または容量性）の各一方の端子（第２相：Ｖ相）を直接、第３のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂ２の他方の端子（第１相：Ｕ２）をリアクトルＬ７を介して、第４のダイオードの直列回路の直列接続点には３相の制御対象用負荷４Ａ１の残る２つの端子の一方の端子（第１相：Ｕ１相）をリアクトルＬ６を介して、第５のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂ４の他方の端子（第１相：Ｕ３）をリアクトルＬ８を介して、ブリッジ回路ＢＤ３の正，負極間には並列にコンデンサＣ５を、力率調整用負荷４Ｂ４には並列にコンデンサＣ８を、力率調整用負荷４Ｂ２には並列にコンデンサＣ７を、３相の制御対象用負荷４Ａ２の第１相（Ｕ１相）と第２相（Ｖ相）間にはコンデンサＣ６を、第６のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源１Ｂの残る端子（第３相：Ｔ相）をリアクトルＬ９を介して、第７のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源の第２相（Ｓ相）と力率調整用負荷４Ｂ３（容量性または誘導性），４Ｂ５（誘導性または容量性）および３相の制御対象用負荷４Ａ１の各一方の端子（Ｖ相）を直接、第８のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂ３の他方の端子（Ｗ２）をリアクトルＬ１１を介して、第９のダイオードの直列回路の直列接続点には３相の制御対象用負荷４Ａ１の残る端子（第３相：Ｗ１）をリアクトルＬ１０を介して、前記第１０のダイオードの直列回路の直列接続点には力率調整用負荷４Ｂ５の他方の端子（Ｗ３）をリアクトルＬ１２を介して、ブリッジ回路ＢＤ４の正，負極間にはコンデンサＣ９を、力率調整用負荷４Ｂ３，４Ｂ５には並列にそれぞれコンデンサＣ１１，Ｃ１２を、３相の制御対象用負荷４Ａ１の第３相（Ｗ１相）と第２相（Ｖ相）間にはコンデンサＣ１０をそれぞれ接続して構成される。
【００１９】
このような構成において、３相電源１Ｂの第１相−第２相（Ｒ−Ｓ）と、３相の制御対象用負荷４Ａ１の第１相−第２相（Ｕ１−Ｖ）を単相電源と考えると、図６の回路と全く同様の動作により、ブリッジ回路ＢＤ３は３相の制御対象用負荷４Ａ２および力率調整用負荷４Ｂ２，４Ｂ４の電力調整を行なう。同様に、３相電源１Ｂの第３相−第２相（Ｔ−Ｓ）と、３相の制御対象用負荷４Ａ１の第１相−第２相（Ｗ１−Ｖ）を単相電源と考えると、図６の回路と全く同様の動作により、ブリッジ回路ＢＤ４は３相の制御対象用負荷４Ａ１および力率調整用負荷４Ｂ３，４Ｂ５の電力調整を行なう。その結果、Ｒ相の電流とＴ相の電流は負荷力率によらず常に力率１の状態で流れるようになる。このとき、入力の３相の電流の総和は零となるので、Ｒ相の電圧を基準として、Ｒ相電流をＩｒ（・）＝Ｉｒ∠０、Ｔ相電流をＩｔ（・）＝Ｉｔ∠（−４π／３）とおけば、Ｓ相電流ＩｓはＩｓ（・）＝−（Ｉｒ（・）＋Ｉｔ（・））＝Ｉｓ∠（−２π／３）となってＳ相の電圧と同相となり、Ｓ相も力率１とすることができる。よって、この実施例でも２つの出力線間電圧を調整することで、３相の入力力率を常に１となるように動作する。
なお、以上では３相電源について説明したが、単相３線電源の場合も上記と同様に入力力率を調整することができるのは勿論である。
【００２０】
【発明の効果】
この発明によれば、単相または単相３線若しくは３相交流電源のいずれかの電源のうち、或る１つの相を入出力共通とし、半導体スイッチを複数個組み合わせて一定平滑の直流にすることなく交流電力を直接異なる交流電力へと変換し、複数の負荷に同時に異なる電力を供給できる電圧変換回路を用いて負荷の力率調整を行なうことにより、力率調整のための複数のコンデンサバンクが不要となり、コンデンサバンクを形成するための設備も不要となるので、設備の大幅な縮小が可能となり保守点検が不要になるという利点が得られる。また、力率調整を電子式の力率補償装置やアクティブフィルタを用いる従来方式に対しては、負荷の電力をコントロール変換器の他に電解コンデンサ等を持つ新たな変換器を設ける必要がないので、システムの小形化，メンテナンスフリー化，低コスト化を実現できる、などの利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電源が単相の場合のこの発明の原理を示す構成図である。
【図２】 図１における入出力電流を示すベクトル図である。
【図３】 電源が３相または単相３線の場合のこの発明の原理を示す構成図である。
【図４】 この発明の実施の形態を示す回路図である。
【図５】 図４の動作を説明するための各部波形図である。
【図６】 この発明の別の実施の形態を示す回路図である。
【図７】 この発明のさらに別の実施の形態を示す回路図である。
【図８】 この発明の他の実施の形態を示す回路図である。
【図９】 従来例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ…電源、２…電力調整装置、３…力率補償装置またはアクティブフィルタ、４，４Ａ，４Ｂ，４Ａ１，４Ｂ１，４Ｂ２，４Ｂ３，４Ｂ４，４Ｂ５…負荷、５…電圧変換回路、Ｓ１〜Ｓ３０…半導体スイッチ、Ｄ１〜Ｄ３０…ダイオード、Ｃ１〜Ｃ１２…コンデンサ。
Claims (4)
- 第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードとを接続した第１のダイオードの直列回路と、第３のダイオードのアノードと第４のダイオードのカソードとを接続した第２のダイオードの直列回路と、第５のダイオードのアノードと第６のダイオードのカソードとを接続した第３のダイオードの直列回路と、第７のダイオードのアノードと第８のダイオードのカソードとを接続した第４のダイオードの直列回路とをそれぞれ並列接続して構成されるブリッジ回路の前記第１〜第８ダイオードのすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子を接続し、前記第１のダイオードの直列回路の直列接続点には単相交流電源の一方の端子を直接またはリアクトルを介して、前記第２のダイオードの直列回路の直列接続点には前記単相交流電源の他方の端子と制御対象用負荷および力率調整用負荷の各一方の端子を直接またはリアクトルを介して、前記第３のダイオードの直列回路の直列接続点には前記力率調整用負荷の他方の端子をリアクトルを介して、前記第４のダイオードの直列回路の直列接続点には前記制御対象用負荷の他方の端子をリアクトルを介して、前記ブリッジ回路の正，負極間にはコンデンサを並列に、前記制御対象用負荷および力率調整用負荷にはコンデンサを並列に、それぞれ接続することを特徴とする交流電力調整装置。
- 第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードとを接続した第１のダイオードの直列回路と、第３のダイオードのアノードと第４のダイオードのカソードとを接続した第２のダイオードの直列回路と、第５のダイオードのアノードと第６のダイオードのカソードとを接続した第３のダイオードの直列回路と、第７のダイオードのアノードと第８のダイオードのカソードとを接続した第４のダイオードの直列回路と、第９のダイオードのアノードと第１０のダイオードのカソードとを接続した第５のダイオードの直列回路とをそれぞれ並列接続して構成されるブリッジ回路の前記第１〜第１０ダイオードのすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子を接続し、前記第１のダイオードの直列回路の直列接続点には単相交流電源の一方の端子を直接またはリアクトルを介して、前記第２のダイオードの直列回路の直列接続点には前記単相交流電源の他方の端子と制御対象用負荷および第１，第２の力率調整用負荷の各一方の端子を直接またはリアクトルを介して、前記第３のダイオードの直列回路の直列接続点には前記第１の力率調整用負荷の他方の端子をリアクトルを介して、前記第４のダイオードの直列回路の直列接続点には前記制御対象用負荷の他方の端子をリアクトルを介して、前記第５のダイオードの直列回路の直列接続点には前記第２の力率調整用負荷の他方の端子をリアクトルを介して、前記ブリッジ回路の正，負極間にはコンデンサを並列に、前記制御対象用負荷および第１，第２の力率調整用負荷にはコンデンサを並列に、それぞれ接続することを特徴とする交流電力調整装置。
- 第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードとを接続した第１のダイオードの直列回路と、第３のダイオードのアノードと第４のダイオードのカソードとを接続した第２のダイオードの直列回路と、第５のダイオードのアノードと第６のダイオードのカソードとを接続した第３のダイオードの直列回路と、第７のダイオードのアノードと第８のダイオードのカソードとを接続した第４のダイオードの直列回路とをそれぞれ並列接続して構成される第１ブリッジ回路の前記第１〜第８ダイオードのすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子を接続し、第９のダイオードのアノードと第１０のダイオードのカソードとを接続した第５のダイオードの直列回路と、第１１のダイオードのアノードと第１２のダイオードのカソードとを接続した第６のダイオードの直列回路と、第１３のダイオードのアノードと第１４のダイオードのカソードとを接続した第７のダイオードの直列回路と、第１５のダイオードのアノードと第１６のダイオードのカソードとを接続した第８のダイオードの直列回路とをそれぞれ並列接続して構成される第２ブリッジ回路の前記第９〜第１６ダイオードのすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子を接続し、前記第１のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源または単相３線電源の一方の端子（第１相）を直接またはリアクトルを介して、前記第２のダイオードの直列回路の直列接続点には前記３相交流電源または単相３線電源の残る２つの端子の 一方の端子（第２相）と３相または単相３線の制御対象用負荷の一方の端子（第２相）および第１の力率調整用負荷の一方の端子を直接またはリアクトルを介して、前記第３のダイオードの直列回路の直列接続点には前記第１の力率調整用負荷の他方の端子をリアクトルを介して、前記第４のダイオードの直列回路の直列接続点には前記３相または単相３線の制御対象用負荷の残る２つの端子の一方の端子（第１相）をリアクトルを介して、前記第１ブリッジ回路の正，負極間には並列にコンデンサを、前記第１の力率調整用負荷には並列にコンデンサを、前記３相または単相３線の制御対象用負荷の第１相と第２相間にはコンデンサを、前記第５のダイオードの直列回路の直列接続点には前記３相交流電源または単相３線電源の残る端子（第３相）を直接またはリアクトルを介して、前記第６のダイオードの直列回路の直列接続点には前記３相交流電源または単相３線電源の第２相と第２力率調整用負荷および前記３相または単相３線の制御対象用負荷の各一方の端子（第２相）を直接またはリアクトルを介して、前記第７のダイオードの直列回路の直列接続点には前記第２の力率調整用負荷の他方の端子をリアクトルを介して、前記第８のダイオードの直列回路の直列接続点には３相または単相３線の制御対象用負荷の残る端子（第３相）をリアクトルを介して、前記第２ブリッジ回路の正，負極間には並列にコンデンサを、前記第２の力率調整用負荷には並列にコンデンサを、前記３相または単相３線の制御対象用負荷の第３相と第２相間にはコンデンサを、それぞれ接続することを特徴とする交流電力調整装置。
- 第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードとを接続した第１のダイオードの直列回路と、第３のダイオードのアノードと第４のダイオードのカソードとを接続した第２のダイオードの直列回路と、第５のダイオードのアノードと第６のダイオードのカソードとを接続した第３のダイオードの直列回路と、第７のダイオードのアノードと第８のダイオードのカソードとを接続した第４のダイオード直列回路と、第９のダイオードのアノードと第１０のダイオードのカソードとを接続した第５のダイオードの直列回路とをそれぞれ並列接続して構成される第１ブリッジ回路の前記第１〜第１０ダイオードのすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子を接続し、第１１のダイオードのアノードと第１２のダイオードのカソードとを接続した第６のダイオードの直列回路と、第１３のダイオードのアノードと第１４のダイオードのカソードとを接続した第７のダイオードの直列回路と、第１５のダイオードのアノードと第１６のダイオードのカソードとを接続した第８のダイオードの直列回路と、第１７のダイオードのアノードと第１８のダイオードのカソードとを接続した第９のダイオードの直列回路と、第１９のダイオードのアノードと第２０のダイオードのカソードとを接続した第１０のダイオードの直列回路とをそれぞれ並列接続して構成される第２ブリッジ回路の前記第１１〜第２０ダイオードのすべてにそれぞれ逆並列にスイッチング素子を接続し、前記第１のダイオードの直列回路の直列接続点には３相交流電源または単相３線電源の一方の端子（第１相）を直接またはリアクトルを介して、前記第２のダイオードの直列回路の直列接続点には前記３相交流電源または単相３線電源の残る２つの端子の一方の端子（第２相）と３相または単相３線の制御対象用負荷の一方の端子（第２相）および第１，第２の力率調整用負荷の各一方の端子を直接またはリアクトルを介して、前記第３のダイオードの直列回路の直列接続点には前記第１の力率調整用負荷の他方の端子をリアクトルを介して、前記第４のダイオードの直列回路の直列接続点には前記３相または単相３線の制御対象用負荷の残る２つの端子の一方の端子（第１相）をリアクトルを介して、前記第５のダイオードの直列回路の直列接続点には前記第２の力率調整用負荷の他方の端子をリアクトルを介して、前記第１ブリッジ回路の正，負極間には並列にコンデンサを、前記第１，第２の力率調整用負荷には並列にコンデンサを、前記３相または単相３線の制御対象用負荷の第１相と第２相間にはコンデンサを、前記第６のダイオードの直列回路の直列接続点には前記３相交流電源または単相３線電源の残る端子（第３相）を直接またはリアクトルを介して、前記第７のダイオードの直列回路の直列接続点には前記３相交流電源または単相３線電源の第２相と第３，第４の力率調整用負荷の各一方の端子および前記３相または単相３線の制御対象用負荷の一方の端子を直接またはリアクトルを介して、前記第８のダイオードの直列回路の直 列接続点には前記第３の力率調整用負荷の他方の端子をリアクトルを介して、前記第９のダイオードの直列回路の直列接続点には前記３相または単相３線の制御対象用負荷の残る端子（第３相）をリアクトルを介して、前記第１０のダイオードの直列回路の直列接続点には前記第４の力率調整用負荷の他方の端子をリアクトルを介して、前記第２ブリッジ回路の正，負極間には並列にコンデンサを、前記第３，第４の力率調整用負荷には並列にコンデンサを、前記３相または単相３線の制御対象用負荷の第３相と第２相間にはコンデンサを、それぞれ接続することを特徴とする交流電力調整装置。
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