JP4384883B2 - 電磁機器 - Google Patents

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本発明は、高速制御が可能な可変リアクタンス機能を有する電磁機器に関する。
可変リアクタンス機能をもつ電磁機器の制御巻線の直流電流の制御としては、図7に示すようなチョッパ回路を適用する制御装置が考えられる。
整流器31は、交流制御電源1の交流電圧を直流電圧に変換し、チョッパ回路32に入力直流電源電圧を供給するよう構成されている。チョッパ回路32は、IGBT34とダイオード35とを有している。チョッパ回路32は、IGBT34のコレクタを整流器31のP端子に接続し、IGBT34のエミッタとダイオード35のカソードとを接続し、ダイオード35のアノードを整流器31のN端子に接続して形成されている。
可変リアクタンス機器33は、磁心に交流巻線36と制御巻線37とを有している。可変リアクタンス機器33は、制御巻線37の一方の端子がIGBT34とダイオード35との間に接続され、制御巻線37の他方の端子が整流器31のN端子に接続されている。可変リアクタンス機器33は、制御巻線37の直流制御電流に応じて,交流巻線36のリアクタンスが変化する可変リアクタンス機能を有している(例えば、特許文献1、2参照)。
以下に、図7に示す電磁機器30の作用について説明する。
交流巻線36のリアクタンスを減少させる場合、制御指令回路(図示せず)からの信号に基づき、IGBT34とダイオード35からなるチョッパ回路32が制御巻線37の直流制御電流を増加させる。これにより、交流巻線36のリアクタンスが減少する。逆に、交流巻線36のリアクタンスを増加させる場合、チョッパ回路32が制御巻線37の直流制御電流を減少させる。これにより、交流巻線36のリアクタンスが増加する。
図8は、図7に示す電磁機器の制御装置について、(A)IGBTのゲート信号波形、(B)IGBTのコレクタ−エミッタ間電圧波形、(C)チョッパ回路の出力電圧波形を夫々示す図である。図8に示すように、チョッパ回路32の出力電圧平均値Eoは、オンオフの周期をT、オンの幅をT1、チョッパ回路32の入力直流電源電圧をEとすると、Eo=E×T1/Tでほぼ表される。
特開平9−330829 特開2003−68539
しかしながら、図7に示す電磁機器30では、以下の課題がある。
例えば、0.1秒以下で制御指令値にリアクタンスを調整する装置にするためには、制御巻線37の直流制御電流を0.1秒以下で増減させる必要がある。一般に制御巻線37の時定数をτとし、制御巻線37の抵抗をR、インダクタンスをL、直流電圧をEoとすると、電流Iは次式で与えられる。
I=Eo/R×{1−exp(−t/τ)}
ここで、τ=L/Rである。
この式から、たとえ時定数τが大きくても、Eoに比例して電流Iは増加するので、応答を速めたいときには、Eoを増加させればよいことは明らかである。
例えば、制御巻線37の抵抗R=0.1オーム、インダクタンスL=0.1Hとすると、時定数τは1秒である。定格電流を100Aとすると、定常状態では10V(100A×0.1オーム)の電圧が制御巻線37に印加されている。このとき、チョッパ回路32により105Vの電圧を制御巻線37に与えれば、0.1秒で100Aに到達させることができる。
次に、電流を減少させるときを考える。図7に示す電磁機器30の動作をやや詳しく述べると、チョッパ回路32のIGBT34がオンのとき、整流器31、IGBT34および制御巻線37を介して電流Iが流れる。次いで、IGBT34がオフのとき、制御巻線37の電流Iは、ダイオード35を介して還流する。定常状態では、IGBT34のオン期間T1の間に増加する電流とIGBT34のオフ期間(T−T1)の間に減少する電流とがつり合っている。IGBT34のオフ期間中に電流を減少させる要因は制御巻線37の抵抗分が主である。このため、IGBT34のオン期間T1を0にしても電流の減衰は少なく、電流が0になるには、制御巻線37の時定数τの約4倍の時間を要することになる。前述のτ=1秒の例では、約4秒の時間がかかることになる。
このように、図7に示す電磁機器30では、可変リアクタンス機能を有する可変リアクタンス機器33の直流制御電流を高速に減少させることができないため、高速制御ができないという課題があった。
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、高速制御が可能な電磁機器を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明に係る電磁機器は、磁心に交流巻線と直流制御巻線を有し、該直流制御巻線に通ずる直流電流の大きさに応じて該交流巻線のリアクタンスが変化する特性を有する可変リアクタンス機能を持つ電磁機器において、前記直流制御巻線に直流電流を通ずる直流電源の正負端子PN間にコンデンサを接続し、直流制御電源の正端子Pと前記直流制御巻線の第1の端子との間に第1の可制御バルブデバイスを直列に挿入し、前記直流制御巻線の第2の端子と直流制御電源の負端子Nとの間に第2の可制御バルブデバイスを直列に挿入し、且つ、第1、第2の可制御バルブデバイスが正端子Pから前記直流制御巻線を介して負端子Nに至る閉回路において順方向となるよう接続し、さらに、直流制御電源の負端子Nと前記直流制御巻線の第1の端子との間に第1のダイオードを直列に挿入し、前記直流制御巻線の第2の端子と直流制御電源の正端子Pとの間に第2のダイオードを直列に挿入し、且つ、第1、第2のダイオードが正端子Pから前記直流制御巻線を介して負端子Nに至る閉回路において逆方向となるよう接続したことを特徴とする。
本発明に係る電磁機器は、単相に限らず、3相などの多相回路で構成されてもよい。多相の可変リアクタンス機器の各相直流制御巻線に対し、各相個別に直流制御回路を設けても、或いは各相直流制御巻線を直列もしくは並列に接続し一括して直流制御回路を設けてもよい。本発明に係る電磁機器の制御装置では、第1可制御バルブデバイスおよび第2可制御バルブデバイスは、例えば、IGBT、パワーMOSFET、GTOなどの半導体を用いた可制御バルブデバイスから成るのが好ましい。
また、本発明に係る電磁機器の制御装置では、第1可制御バルブデバイス、第2可制御バルブデバイス、第1ダイオードおよび第2ダイオードは、それぞれの電気的な特性を十分考慮し、組合せた場合の特性が合致する物を選定することが好ましい。可制御バルブデバイスとダイオードとを並列一体構造としたダイオード内蔵型可制御バルブデバイスなどの素子が一般に入手可能であるため、このような素子を使用してもよい。この場合、可制御バルブデバイスとダイオードとの組合せ特性が予め満たされており、設計および製作が容易となる。
本発明に係る電磁機器では、第1可制御バルブデバイスおよび第2可制御バルブデバイスがオンのとき、直流制御巻線に直流電圧Eが印加される。第1可制御バルブデバイスおよび第2可制御バルブデバイスがオフのとき、直流制御巻線には第1ダイオードおよび第2ダイオードを介してコンデンサを充電する向きの電流が流れる。このため、本発明に係る電磁機器では、第1可制御バルブデバイスおよび第2可制御バルブデバイスのオン期間はE、オフ期間は−Eの電圧が制御巻線に印加される。これにより、本発明に係る電磁機器は、立ち上げ、立ち下げのいずれの場合も直流制御電流を高速に変化させることができ、高速制御が可能である。
本発明に係る電磁機器は、交流巻線の端子を配電線路に対して並列に接続し電圧安定化装置として使用されてもよい。この場合、無効電力を調整することで、配電線の電圧を調整したり、一般の負荷を対象として電源または負荷の電圧や、力率を調整したりすることができる。
本発明に係る電磁機器は、交流巻線の端子を配電線路に対して直列に接続し電圧安定化装置として使用されてもよい。この場合、直列インピーダンスを変化させることにより、配電線の電圧を調整することができる。また、ループ系統を構成する線路に接続されて、位相調整器として電力潮流を制御することもできる。
本発明に係る電磁機器は、電磁機器が1相に対して複数の交流巻線を有する、変圧器として使用されてもよい。この場合、無効電力調整と変圧作用とを併せて行うことができる。
本発明によれば、高速制御が可能な電磁機器を提供することができる。
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図1乃至図6は、本発明の実施の形態の電磁機器を示している。
図1に示すように、本発明の電磁機器10は、整流器11とH型チョッパ回路12と可変リアクタンス機器13とを有している。
整流器11は、交流制御電源1の交流電圧を直流電圧に変換し、H型チョッパ回路12に入力直流電源電圧を供給するよう構成されている。
H型チョッパ回路12は、コンデンサ14と第1可制御バルブデバイス15と第2可制御バルブデバイス16と第1ダイオード17と第2ダイオード18とを有している。コンデンサ14は、整流器11のPN端子間に接続されている。第1可制御バルブデバイス15および第2可制御バルブデバイス16は、IGBTから成り、整流器11から順電流が流れるよう、IGBTのコレクタが整流器11のP端子側、エミッタが整流器11のN端子側にそれぞれ接続されている。
第1ダイオード17は、整流器11のN端子と第1可制御バルブデバイス15との間に接続されている。第1ダイオード17は、アノードが整流器11のN端子、カソードが第1可制御バルブデバイス15のエミッタに接続されている。第2ダイオード18は、整流器11のP端子と第2可制御バルブデバイス16との間に接続されている。第2ダイオード18は、アノードが第2可制御バルブデバイス16のコレクタ、カソードが整流器11のP端子に接続されている。
第1可制御バルブデバイス15および第1ダイオード17、第2可制御バルブデバイス16および第2ダイオード18、ならびにコンデンサ14は、整流器11のPN端子間に互いに並列に接続されている。H型チョッパ回路12は、回路構成が概ねH型に形成されている。
可変リアクタンス機器13は、磁心に交流巻線19と直流制御巻線20とを有している。可変リアクタンス機器13は、直流制御巻線20の一方の端子が第1可制御バルブデバイス15と第1ダイオード17との間に接続され、直流制御巻線20の他方の端子が第2可制御バルブデバイス16と第2ダイオード18との間に接続されている。可変リアクタンス機器13は、直流制御巻線20に通ずる直流制御電流の大きさに応じて、交流巻線19のリアクタンスが変化する可変リアクタンス機能を有している。
なお、図1に示すように、可変リアクタンス機器13は、直交磁心を用いた可変リアクトルから成るが、これに限られず、磁心に交流巻線19と直流制御巻線20とを有し、直流制御巻線20に通ずる直流制御電流の大きさに対応して交流巻線19のリアクタンスが変化する可変リアクタンス機能を有していればよい。
次に、作用について説明する。
本発明による電磁機器10では、交流巻線19のリアクタンスを減少させる場合、制御指令回路(図示せず)からの信号に基づき、チョッパ回路12が直流制御巻線20の直流制御電流を増加させる。これにより、交流巻線19のリアクタンスが減少する。逆に、交流巻線19のリアクタンスを増加させる場合、チョッパ回路12が直流制御巻線20の直流制御電流を減少させる。これにより、交流巻線19のリアクタンスが増加する。
図2は、図1に示す電磁機器の制御装置について、(A)第1可制御バルブデバイスおよび第2可制御バルブデバイスのゲート信号波形、(B)第1可制御バルブデバイスおよび第2可制御バルブデバイスのコレクタ−エミッタ間電圧波形、(C)チョッパ回路の出力電圧波形を夫々示す図である。図2に示すように、本発明による電磁機器10では、第1可制御バルブデバイス15および第2可制御バルブデバイス16がオンのとき、直流制御巻線20に直流電圧Eが印加される。第1可制御バルブデバイス15および第2可制御バルブデバイス16がオフのとき、直流制御巻線20には第1ダイオード17および第2ダイオード18を介してコンデンサ14を充電する向きの電流が流れる。その結果、図2(C)に示すように、直流制御巻線20に印加される電圧波形は、出力電圧が±E、周期がTの方形波となる。このため、第1可制御バルブデバイス15および第2可制御バルブデバイス16のオン期間T1を変えることにより、その平均電圧Eoを−Eから+Eまで変えることができる。
図2(C)に示すように、本発明による電磁機器10では、第1可制御バルブデバイス15および第2可制御バルブデバイス16のオン期間T1はE、オフ期間(T−T1)は−Eの電圧が直流制御巻線20に印加される。これにより、本発明による電磁機器10は、立ち上げ、立ち下げのいずれの場合も直流制御電流を高速に変化させることができ、高速制御が可能である。
直流制御巻線20の電流が減衰するということは、換言すると、直流制御巻線20の蓄積エネルギーがチョッパ回路12に戻ることに他ならない。しかし、整流器11は、エネルギーを交流制御電源1に戻すことができない。このため、本発明による電磁機器10では、戻ってきたエネルギーを一時的に蓄積するためのコンデンサ14が設けられている。図7に示す電磁機器30でも、整流器31の後にコンデンサを入れる場合はあるが、IGBT34にかかるサージ電圧を抑制するためのものであって、動作上不可欠なものではない。しかし、図1に示す本発明による電磁機器10では、コンデンサ14は必要不可欠である。
なお、直流制御巻線20の電流が0になると第1ダイオード17および第2ダイオード18を流れる電流も0となる。したがって、直流制御巻線20に逆方向の電流が流れることはない。
図3に示すように、本発明による電磁機器10は、交流電源2、直列リアクトル3および負荷4を有する配電線路に対し、交流巻線19の端子を並列に接続し電圧安定化装置として使用することが出来る。この場合、無効電力を調整することで、配電線の電圧を調整したり、一般の負荷4を対象として電源または負荷の電圧や、力率を調整したりすることができる。
また、図4に示すように、本発明による電磁機器10は、交流電源2および負荷4を有する配電線路に対し、交流巻線19の端子を直列に接続し電圧安定化装置として使用することが出来る。この場合、直列インピーダンスを変化させることにより、配電線の電圧を調整することができる。また、ループ系統を構成する線路に接続されて、位相調整器として電力潮流を制御することもできる。
さらに、図5に示すように、本発明による電磁機器10は、可変リアクタンス機器13が1相に対して2つの交流巻線19を有すれば、変圧器として使用される。この場合、交流電源2および直列リアクトル3を有する回路に対し一方の交流巻線19の端子を接続し、負荷4を有する回路に対し他方の交流巻線19の端子を接続して使用される。これにより、本発明による電磁機器10は、無効電力調整と変圧作用とを併せて行うことができる。なお、可変リアクタンス機器13の1相に対する交流巻線19の数が3つ以上であっても、同様に無効電力調整と変圧作用と併せ持つ制御装置として機能する。
図3乃至図5に示すように、本発明による電磁機器10は、H型のチョッパ回路12からなる直流制御電流回路と、直流制御電流に応じて交流巻線19のリアクタンスが変化する可変リアクタンス機器13とを組合せて高速動作を実現したものである。このため、適用する可変リアクタンス機器13の交流巻線19は、目的とする制御機能に応じて種々変化する事が明らかである。
なお、図1に示す電磁機器の制御装置の、第1可制御バルブデバイス15、第2可制御バルブデバイス16、第1ダイオード17および第2ダイオード18を、図6に示すように可制御バルブデバイスとダイオードとを並列一体構造としたダイオード内蔵型可制御バルブデバイス21で構成してもよい。この場合、可制御バルブデバイスのゲート信号入力の有無により、可制御バルブデバイスとダイオードとに使い分けて、本発明による電磁機器10を構成することができる。また、可制御バルブデバイスとダイオードとの組合せ特性が予め満たされており、設計および製作が容易となる。
本発明の実施の形態の電磁機器を示す回路図である。 図1に示す電磁機器の制御装置の(A)第1可制御バルブデバイスおよび第2可制御バルブデバイスのゲート信号を示す波形図、(B)第1可制御バルブデバイスおよび第2可制御バルブデバイスのコレクタ−エミッタ間電圧を示す波形図、(C)チョッパ回路の出力電圧を示す波形図である。 図1に示す電磁機器を並列に接続した電圧安定化装置を示す回路図である。 図1に示す電磁機器を直列に接続した電圧安定化装置を示す回路図である。 図1に示す電磁機器を使用した変圧器を示す回路図である。 図1に示す電磁機器の第1可制御バルブデバイス、第2可制御バルブデバイス、第1ダイオードおよび第2ダイオードの変形例を示す回路図である。 電磁機器の構成例を示す回路図である。 電磁機器の構成例における(A)IGBTのゲート信号を示す波形図、(B)IGBTのコレクタ−エミッタ間電圧を示す波形図、(C)チョッパ回路の出力電圧を示す波形図である。
符号の説明
1 交流制御電源
2 交流電源
3 直列リアクトル
4 負荷
10 本発明の電磁機器
11 整流器
12 H型チョッパ回路
13 可変リアクタンス機器
14 コンデンサ
15 第1可制御バルブデバイス
16 第2可制御バルブデバイス
17 第1ダイオード
18 第2ダイオード
19 交流巻線
20 直流制御巻線
21 ダイオード内蔵型可制御バルブデバイス
30 電磁機器の例
31 整流器
32 チョッパ回路
33 可変リアクタンス機器
34 可制御バルブデバイス
35 ダイオード
36 交流巻線
37 直流制御巻線





Claims (1)

  1. 磁心に交流巻線と直流制御巻線を有し、該直流制御巻線に通ずる直流電流の大きさに応じて該交流巻線のリアクタンスが変化する特性を有する可変リアクタンス機能を持つ電磁機器において、
    前記直流制御巻線に直流電流を通ずる直流電源の正負端子PN間にコンデンサを接続し、
    直流制御電源の正端子Pと前記直流制御巻線の第1の端子との間に第1の可制御バルブデバイスを直列に挿入し、前記直流制御巻線の第2の端子と直流制御電源の負端子Nとの間に第2の可制御バルブデバイスを直列に挿入し、且つ、第1、第2の可制御バルブデバイスが正端子Pから前記直流制御巻線を介して負端子Nに至る閉回路において順方向となるよう接続し、
    さらに、直流制御電源の負端子Nと前記直流制御巻線の第1の端子との間に第1のダイオードを直列に挿入し、前記直流制御巻線の第2の端子と直流制御電源の正端子Pとの間に第2のダイオードを直列に挿入し、且つ、第1、第2のダイオードが正端子Pから前記直流制御巻線を介して負端子Nに至る閉回路において逆方向となるよう接続したことを特徴とする電磁機器。
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