JP4934224B2 - 自動電圧調整器およびトロイダル変圧器 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明
技術分野

本発明は自動電圧調整器及びトロイダル変圧器に関するもので、さらに詳細に説明すると、電圧レベルを精密に制御することができる自動電圧調整器及びこれに利用されるトロイダル変圧器に関するものである。
背景技術

トロイダル変圧器を利用した自動電圧調整器は多様な変圧器巻線を利用し具現することができる。しかしどの場合でも、出力電圧は１、２次コイルの巻線に従って決まるため、使用電圧に合うようにコイルを巻くようにし、あるいは複数の出力タップを置き、多様な電圧を出力するようになっている。

例えば、単捲変圧器は図１に図示されるように、主巻線（１００）に励磁される励磁巻線（２００）に複数のタップ（ａ、ｂ、ｃ）を置き多様なレベルの電圧を出力することができる。もし、主巻線（１００）に２２０Ｖの電圧が印加される時、主巻線（１００）両端に２０Ｖ電圧が印加され、励磁巻線（２００）のそれぞれのタップが５Ｖずつ減圧するように設計されたとすると、第１タップ（ａ）から２００Ｖ、第２タップ（ｂ）から２０５Ｖ、第３タップ（ｃ）からは２１０Ｖの電圧を出力端として出力することができる。

このように、従来の自動電圧調整器は偏差が大きく離散された出力電圧、例えば前述の例では５Ｖの偏差を持つ２００Ｖ、２０５Ｖ、２１０Ｖの出力電圧を選択的に出力するようになっており、使用者が使用する精密な電圧調整を制御できない実情であった。

このように、精密性が落ちる従来の自動電圧調整器は使用者に非常に大きな不便さを与えている。例えば、高層アパートの場合、受容側に提供される系統電圧が低い階と高い階の間に大きな偏差があり、節電のために減圧が要求される階と安定した電圧を提供するために昇圧を要する階とに区別されるようになり、その広い偏差を全て満足しながら精密に制御することができず使用者が非常に不便を感じている実情である。

これに対し、本発明は非常に精密な電圧レベルを提供して、適切な電圧を提供することができる自動電圧調整器である。

一方、従来の電力電子系統での自動電圧調整器が動作するためには主変圧器、励磁変圧器、検出変圧器、高感度実効値の検出回路、高速Ａ／Ｄ変換回路、トライアックスイッチング回路など複雑な多くの段階の構成を要する。
これにより高価な実験装備など、特殊な場合にのみ適用されるだけに高価であるので誰でも使用できる市場性を持つことができなかった。

このような複雑な装置は系統電圧の周波数及びレベルが相異している環境で正常に動作することができないため電力環境を考慮し、製品製作を別途に行わなければならなかった。

しかし、本発明は電力用半導体回路などを使わず、簡単な構造で構成されていて電力環境にかかわらず精密な電圧調整が可能である。

一方、従来の自動電圧調整器が偏差が大きな出力電圧レベルを選択的に出力するのは、２次コイルに固定的に形成されたタップから出力電圧を出力するからである。

また、このような技術的限界はトロイダルコアに対する巻線方式が非常に制限されて運営されて来たという点からその原因を知ることができる。現在、トロイダルコアは主巻線を巻き、そこに一定の厚さのコイルを巻きながら入出力タップを形成する方法で副巻線を形成している。もし、トロイダルコアの主巻線と励磁巻線の間に導通しないコイルが挿入されると、運営時に中間に挿入されたコイルに煙が発生するなどの問題があり、タップで互いに直列で連結される副巻線とこれらを励磁させる主巻線のみを巻いて使用している。

しかし、本発明はこのような従来のトロイダルコアの巻線方式を改善して多様なレベルの誘導電圧を出力することができるようにする。

発明が解決しようとする課題

本発明は前述の内容に着眼したことで、連続的な電圧レベルを出力することができるようにし、精密な電圧調整を可能にした自動電圧調整器及びトロイダル変圧器を提供するためのものである。

また本発明のもう一つの目的は、簡単な構造で多様な電力環境で運用可能な自動電圧調整器を提供することである。

課題を解決する手段

上記の目的は本発明の一つの様性による、入力端に印加された入力電圧を変換して出力端に出力する自動電圧器において、一端が上記の入力端に連結され、他の端が上記の出力端に連結される主巻線；上記の主巻線に励磁される主励磁巻線；上記の主励磁巻線の一端を基準電位及び上記の出力端のうち一つに選択的に連結する第１スイッチ部；上記の主巻線に励磁される複数の副励磁巻線；上記の複数の副励磁巻線を選択的に上記の主励磁巻線に選択的に直列で連結されるようにスイッチングし、一つ以上の副励磁巻線が上記の主励磁巻線の他の端に連結される場合、相互直列で連結され上記の主励磁巻線の他の端に直列で連結されるようにスイッチングする第２スイッチ部；上記主励磁巻線及び上記の副励磁巻線を選択的に連結することによって生成される直列連結の端を上記の基準電位及び上記の入力端のうち一つに選択的に連結する第３スイッチ部；及び上記の第１スイッチ部、上記第２スイッチ部、及び上記第３スイッチ部のスイッチング制御により上記の出力端に出力される出力電圧のレベルを調整する制御部を含むことを特徴とする自動電圧調整器によって達成されることができる。

ここで、上記入力端に入力される入力電圧のレベルを測定するレベル測定部を含み、上記の制御部は所定の目標電圧が上記レベル測定部で測定された入力電圧のレベルより大きい場合、上記の第１スイッチ部が上記の主励磁巻線の一端を上記の基準電位で連結するように制御し、上記の目標電圧と上記の測定されたレベル間の電圧差を補うように上記の第２スイッチ部を制御し、上記第３スイッチ部が上記の直列連結の端を上記入力端に連結するように制御し；上記の目標電圧が上記入力電圧のレベルより小さな場合、上記の第１スイッチ部が上記の主励磁巻線の一端を上記の出力端に連結するように制御し、上記電圧差を償うように上記第２スイッチ部を制御し、上記第３スイッチ部が上記の直列連結の端を上記の基準電位に連結するように制御するのが望ましい。

また、上記目的は本発明の他の様相による、入力端に印加された入力電圧を変換して出力端に出力する自動電圧調整器において、主巻線；上記の主巻線の一端を上記入力端及び上記出力端のうち一つに連結する第１スイッチ部；上記の主巻線の他の端を上記の入力端及び上記出力端のうち一つに連結する第２スイッチ部；上記の主巻線に励磁され、一端が上記の出力端に連結される主励磁巻線；上記の主巻線に励磁される複数の副励磁巻線；上記の複数の副励磁巻線を選択的に上記の主励磁巻線に選択的に直列で連結されるようにスイッチングし、一つ以上の副励磁巻線が上記の主励磁巻線の他の端に連結される場合、相互直列で連結されて上記の主励磁巻線の他の端に直列で連結されるようにスイッチングする第３スイッチ部；及び上記第１スイッチ部、上記第２スイッチ部、及び上記第３スイッチ部のスイッチング制御により上記の出力端に出力される出力電圧のレベルを調整する制御部を含むことを特徴とする自動電圧調整器によって達成される。

ここで、上記の入力端に入力される入力電圧のレベルを測定するレベル測定部を含み、上記制御部は所定の目標電圧が上記レベル測定部で測定された入力電圧のレベルより大きい場合、上記の第１スイッチ部が上記の主巻線の一端を上記出力端に連結されるように制御し、上記の第２スイッチ部が上記の主巻線の他の端を上記の入力端に連結されるように制御し、上記の目標電圧と上記測定されたレベル間の電圧差を償うように第３スイッチ部をスイッチング制御し；所定の目標電圧が上記のレベル測定部で測定された入力電圧のレベルより大きい場合、上記第１スイッチ部が上記の主巻線の一端を上記の入力端に連結するように制御し、上記第２スイッチ部が上記の主巻線の他の端を上記の出力端に連結するように制御し、上記目標電圧と上記の測定されたレベル間の電圧差を償うように第３スイッチ部をスイッチング制御するのが望ましい。

上記の自動電圧調整器は使用者から上記の目標電圧を入力されるための使用者入力部を含み使用者の便義をはかることができる。

また、上記の主巻線はトロイダルコアに巻線され、上記の主励磁巻線は上記の主巻線を包むように巻線され、上記副励磁巻線は上記の主励磁巻線を包むように巻線され形成される。上記の巻線方式を変形し、上記の主巻線はトロイダルコアに巻線され、上記の主励磁巻線は上記の主巻線を包むように上記のトロイダルコアに巻線され、上記の複数の副励磁巻線のうち一部は上記の主励磁巻線と上記のトロイダルコアを分割して上記の主巻線を包むように巻線され、上記の複数の副励磁巻線の残りは上記の主巻線を包んでいる上記の主励磁巻線及び上記の一部の副励磁巻線を包むように巻線されるよう形成することが可能である。また、上記の複数の副励磁巻線の一部の巻線は第２のトロイダルコアに巻線されるようにすることもできる。

一方、上記の自動電圧調整器は上記の複数の副励磁巻線の励磁によって誘導される補助電圧の合計が上記の主巻線の両端に印加される電位より小さくすることにより別途の減圧用単捲変圧器を利用する意義を生かすことができる。

そして、上記の複数の副励磁巻線の励磁によって誘導される補助電圧のスイッチング制御により選択された合計は、上記の主巻線の両端に印加される電位より小さな電圧レベルで定数にあたる電圧レベルの表現を可能にさせることが望ましい。

また、上記の複数の副励磁巻線はそれぞれのターン数を組み合わせる時、加算されたターン数の最大値以下のすべての定数のターン数を現わすように巻線することができる。この場合、１［ｔｕｒｎ］単位で副励磁巻線によって直列で連結される巻線数を調整することができ、精密な電圧制御が可能になる。例えば、上記の複数の副励磁巻線のうち少なくとも一部は２^ｎ−１×１０^ｍ−１のターン数を持ち、ここでｎは１以上４以下の定数でｍは１以上の定数として選択することができる。

一方、上記の自動電圧調整器は上記の入力端及び上記の出力端をスイッチングするための第４スイッチ部を含み、上記の目標電圧と上記の入力電圧のレベルが所定許容範囲内の電圧差を持つ場合、上記の制御部は上記の入力電圧が上記の出力端でバイパスされるように上記の第４スイッチ部をターンオンしてバイパス経路を提供することが望ましい。

上記スイッチ部はリレーで具現することで様々な電力環境でも動作可能な回路を簡略に構成できる効果を得ることができる。

また、上記目的は本発明の他の様相による、入力端に印加された入力電圧を変換して出力端に出力する自動電圧調整器において、一端が上記の入力端に連結され他の端が上記の出力端に連結される主巻線；上記の主巻線に励磁されて一端が上記の出力端に連結される主励磁巻線；上記の主巻線に励磁される複数の副励磁巻線；上記の複数の副励磁巻線を選択的に上記の主励磁巻線の他の端を選択的に直列で連結されるようにスイッチングし、一つ以上の副励磁巻線が上記の主励磁巻線の他の端に連結される場合、相互が直列で連結されて上記の主励磁巻線の他の端に直列で連結されるようにスイッチングするスイッチ部；及び上記スイッチ部のスイッチング制御により上記出力端に出力される出力電圧のレベルを調整する制御部を含むことを特徴とする自動電圧調整器によって達成される。

また、上記目的は本発明の他の様相による、入力端に印加された入力電圧を変換して出力端に出力する自動電圧調整器において、一端が上記入力端に連結されて他の端が上記の出力端に連結される主巻線；上記の主巻線に励磁されて一端が基準電位に連結される主励磁巻線；上記の主巻線に励磁される複数の副励磁巻線；上記複数の副励磁巻線を選択的に上記の主励磁巻線の他の端を選択的に直列で連結されるようにスイッチングし、一つ以上の副励磁巻線が上記の主励磁巻線の他の端に連結される場合、相互直列で連結されて上記の主励磁巻線の他の端に直列で連結されるようにスイッチングするスイッチ部；及び上記スイッチ部のスイッチング制御により上記の出力端に出力される出力電圧のレベルを調整する制御部を含むことを特徴とする自動電圧調整器によって達成される。

ここで、上記の主巻線はトロイダルコアに巻線され、上記の主励磁巻線は上記の主巻線を包むように巻線され、上記の副励磁巻線は上記の主励磁巻線を包むように巻線され形成されることが可能だ。そしてこれとは別に、上記の主巻線はトロイダルコアに巻線され、上記の主励磁巻線は上記の主巻線を包むように上記のトロイダルコアに巻線され、上記の複数の副励磁巻線の一部は上記の主励磁巻線と上記のトロイダルコアを分割して上記の主巻線を包むように巻線され、上記の複数の副励磁巻線のうち残りは上記の主巻線を包んでいる上記の主励磁巻線及び上記の一部の副励磁巻線を包むように巻線して形成されることもまた可能である。

上記の自動電圧調整器は上記の入力端に入力される入力電圧のレベルを測定するレベル測定部を含み、上記の制御部は、所定の目標電圧と上記の測定されたレベル間の電圧差を償うように上記スイッチ部をスイッチング制御する。

本発明の他の様相によるトロイダルコアを利用した変圧器において、上記のトロイダルコアに巻線され一端に入力電圧が印加され、他の端が出力端に連結される主巻線；上記の主巻線が巻線された上記のトロイダルコアに巻線され、上記の主巻線に励磁される主励磁巻線；上記主励磁巻線の上に巻線され、上記の主巻線によって励磁される複数の副励磁巻線；上記複数の副励磁巻線を選択的に上記の主励磁巻線に直列で連結するためのスイッチ部；及び上記スイッチ部のスイッチング動作を制御するための制御部を含むことを特徴とするトロイダル変圧器を利用して上記の目的を達成できる。

また、本発明の他の様相によるトロイダルコアを利用した変圧器において、上記のトロイダルコアに巻線され一端に入力電圧が印加され、他の端が出力端に連結される主巻線；上記の主巻線が巻線された上記トロイダルコアの一部に巻線され上記の主巻線に励磁される主励磁巻線；上記の主巻線に励磁される複数の副励磁巻線として一部は上記の主励磁巻線が巻線されない領域に巻線され残りは上記の主励磁巻線及び上記一部の副励磁巻線を包むように巻線される上記の複数の副励磁巻線；上記複数の副励磁巻線を選択的に上記の主励磁巻線に直列で連結するためのスイッチ部；及び上記スイッチ部のスイッチング動作を制御するための制御部を含むことを特徴とするトロイダル変圧器を利用して上記の目的を果たすことができる。

発明の効果

本発明によって使用者が必要とする電圧レベルが出力されるように精密な電圧制御が可能になり、節電動作及び電圧ブースターとしての多様な応用が精密に成される。特に、１［ｔｕｒｎ］に対応する電圧の大きさで入力電圧を変更することが可能だ。

また、本発明は簡単なリレースイッチング回路で構成され半導体スイッチング素子を排除することで、相異な系統環境に対しても適応し動作が可能で、別途の変更を要しない。

発明を実施のための最良の形態

以下、添付した図面を参照して本発明の実試例を具体的に説明する。

図２は本発明の第１実試例による自動電圧調整器（ＡＶＲ）の概略的な内部構成図である。

図２を参照すると、自動電圧調整器は主巻線（１）、主励磁巻線（２）、第１スイッチ部（３）、複数の副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）、第２スイッチ部（５ａ〜５ｄ）、第３スイッチ部（６）、第４スイッチ部（７）、レベル測定部（８）、入力部（９）、及び制御部（１０）を含み構成される。

主巻線（１）はその一端が電圧を入力する入力端（Ｌ１）の一端側に連結され、他の端が出力端（Ｌ２）に連結されている。例えば、本実試例で入力端（Ｌ１）に系統から入力される電位として基準電位（Ｎ）に対して２２０［Ｖ］の電圧が入力されたら、主巻線（１）の両端には１６［Ｖ］の電位が形成されるように主巻線（１）が巻線されている。

主励磁巻線（２）は主巻線（１）に励磁され、一端（２ａ）は出力端（Ｌ２）及び基準電位（Ｎ）のうち一つを選択して連結される。
本実試例で、主励磁巻線（２）は一端（２ａ）が出力端（Ｌ２）に連結される時２２０［Ｖ］の入力電圧に対して２０４［Ｖ］の電位が両端に形成されるように巻線されている。すなわち、主励磁巻線（２）の一端（２ａ）が出力端（Ｌ２）に連結される時、可極性の単巻変圧器の構成と同じになるように、主巻線（１）と主励磁巻線（２）の巻線方向が決定されていることに注意しなければならない。

第１スイッチ部（３）は主励磁巻線（２）の一端（２ａ）を出力端（Ｌ２）または基準電位（Ｎ）を選択的に連結されるようにスイッチング動作を行うものとし、スイッチング素子として知られる多様な半導体素子、リレーなどで具現されることができる。本実試例では様々な電力環境で利用できるようにすべてのスイッチ部をリレーを使って具現した。

複数の副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）は主巻線（１）に励磁され、第２スイッチ部（５ａ〜５ｄ）のスイッチング動作で選択的に主励磁巻線（２）の他の端に直列で連結される。副励磁巻線は主励磁巻線（２）の他の端に連結される単位で区別され多数でカウントされ、それぞれの副励磁巻線は主巻線（１）に励磁され誘導される誘導電圧が一定の大きさになるように巻線数が決定される。

すなわち、副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）それぞれは例えば、主励磁巻線（２）の両端に２０４［Ｖ］がかかる時２^ｎ−１［Ｖ］（ｎ＝１，２，３，４）の電位がそれぞれ誘導されるように巻線される。図に示されるように、副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）は第２スイッチ部（５ａ〜５ｄ）に１：１対応してスイッチングされ、一つ以上の副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）が直列で連結される時、副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）相互間にも直列で連結される。
副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）が直列で連結されない時、第２スイッチ部（５ａ〜５ｄ）はバイパスされるようにスイッチング操作される。副励磁巻線は加算される時多様な電圧レベルを表現し巻線されるように調整ができるので、例えば２の倍数、３の倍数に対応する電圧レベル、及びこれらに付け加えて多様な電圧レベルを作るように１［Ｖ］または２［Ｖ］が付加された組み合わせで形成することができる。

一方、副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）は誘導電圧の大きさを基準にして巻線されるのではなく、巻線数を基準に区別され形成されることに注意しなければならない。例えば、図３に図示されるように多数の副励磁巻線（４ａ〜４ｐ）が２^ｎ−１×１０^ｍ−１（ここで、ｎは１〜４の定数でｍは１以上の定数）によって、１，２，４，８，１０，２０，４０，８０，１００，２００，４００，８００，１０００，２０００，４０００，８０００［ｔｕｒｎｓ］で構成される。これにより、第２スイッチ部（５ａ〜５ｐ）の選択されたスイッチングによって１〜１６６６５［ｔｕｒｎｓ］を選択的に主励磁巻線（２）の他端（２ｂ）に連結することができるようになる。これは１〜１６６６５［ｔｕｒｎｓ］で形成できる誘導電圧を主励磁巻線（２）に誘導された電圧に付け加えることができることを意味し、１［ｔｕｒｎ］単位まで精密に調整が可能なので、これに対応する電圧レベルで精密に調整できる効果がある。

誘導電圧の大きさは入力電圧によって可変的であるが、一定の入力電圧に対しては定数で表現される電圧レベルに対しては巻線数を対応して実験的に決めることができ、補正しなければならない電圧の大きさに対応して巻線数を選択的に直列連結されるようにして入力電圧を適正に補正することができる。

以上にように、副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）はスイッチングされる単位によってカウントが可能であり、それぞれ誘導電圧の大きさあるいは巻線数を基準に形成され、これらを組み合わせて形成される。

第２スイッチ部（５ａ〜５ｄ）は複数の副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）を選択的に主励磁巻線（２）の他端（２ｂ）に接続させるためのスイッチング動作をさせ、具体的にそれぞれの副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）に対してスイッチング動作をさせる４端子リレー（５ａ〜５ｄ）で具現される。

例えば、リレー（５ａ〜５ｄ）は副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）を絶縁する方式（以下、「バイスパスモード」とする）と副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）を上記の主励磁巻線（２）の他端（２ｂ）に連続的に直列で連結して副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）に誘導された電圧の分だけ出力電圧を加算させる方式（以下、「加算モード」とする）でスイッチング動作する。

第３スイッチ部（６）は主励磁巻線（２）の他端（２ｂ）またはここに直列で連結される一つ以上の副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）の末端（６ａ）を入力端（Ｌ１）及び基準電位（Ｎ）のうち一つを選択的に連結するためのものである。

注目すべきことは、第１スイッチ部（３）と第３スイッチ部（６）が連動してスイッチングされるという点である。すなわち、第１スイッチ部（３）が主励磁巻線（２）の一端（２ａ）を基準電位（Ｎ）に連結する時、第３スイッチ部（６）は主励磁巻線（２）の他端（２ｂ）またはこれに直列で連結された副励磁巻線の末端（６ａ）を入力端（Ｌ１）に連結し、一方第１スイッチ部（３）が主励磁巻線（２）の一端（２ａ）を出力端（Ｌ２）に連結する時、第３スイッチ部（６）は主励磁巻線（２）の他端（２ｂ）またはここに直列で連結された副励磁巻線（４ａ^〜４ｄ）の末端（６ａ）を基準電位（Ｎ）に連結する。これによって、主巻線（１）と主励磁巻線（２）の相対的巻線方向が変更されて加極性が減極性にあるいは減極性が加極性に変わるため、入力電圧に対する昇圧及び減圧が全て可能になる。

第４スイッチ部（７）は入力端（Ｌ１）を出力端（Ｌ２）と直接連結するか絶縁するためのもので、入力電圧を変えず出力しようとする時、入力電圧をバイパスする経路を提供する。

レベル測定部（８）は入力端（Ｌ１）により入力される電圧のレベルを測定するためのもので尖頭値または実効値を測定して出力する。

入力部（９）は使用者が出力する目標電圧を入力するためのもので、アップダウンキーのような入力スイッチが形成されたパネル、リモートコントロール命令を受信するための受信装置等多様に具現される。目標電圧はデフォルトあるいは以前に使用者が入力して保存した値や、運転中新しく更新される値となる。

制御部（１０）はレベル測定部（８）で測定された入力電圧の大きさと目標電圧を比較して、入力電圧の大きさが目標電圧となるように第１〜４スイッチ部がスイッチング制御動作をする。

制御部（１０）の動作を中心に図２に開始された自動電圧調整器の全般的な運用に対して目標電圧及び入力電圧の大きさによって区分して説明する。

ｉ）目標電圧と入力電圧が一致する場合：

入力電圧がそのまま出力されるように制御する。したがって、制御部（１０）は第４スイッチ部（７）をターンオンして入力電圧がそのまま主巻線（１）をバイパスして出力端（Ｌ２）に出力されるように制御する。

ｉｉ）目標電圧が入力電圧より低い場合：

制御部（１０）は入力電圧を減圧して出力されるように第１〜４スイッチ部（３，５，６，７）を制御する。

具体的に、制御部（１０）は第４スイッチ部（７）をターンオフし、主励磁巻線（２）の一端（２ａ）が出力端（Ｌ２）に連結されるように第１スイッチ部（３）を制御し、主励磁巻線（２）の他端（２ｂ）または、ここに直列で連結された一つ以上の副励磁巻線の末端（６ａ）が基準電位（Ｎ）に連結されるように第３スイッチ部（６）を制御する。

一方、制御部（１０）はレベル測定部（８）で測定された入力電圧のレベルと目標電圧間の差を償うように第２スイッチ部（５ａ〜５ｄ）のリレー（５ａ〜５ｄ）を選択的に加算モードに切り替えることで精密な電圧調整が可能になる。

４個の副励磁巻線が２２０［Ｖ］入力時２^ｎ−１［Ｖ］（ｎ＝１，２，３，４）の電位がそれぞれ誘導されるように巻線されていて、入力電圧が２２０［Ｖ］、目標電圧が２１５［Ｖ］の場合を例として説明する。

この状態で第２スイッチ部（５ａ〜５ｄ）のリレー（５ａ〜５ｄ）が全てバイパスモードに設定されるならな出力端（Ｌ２）の電圧は２０４［Ｖ］になるので、出力電圧を目標電圧として合わせるならば副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）を選択的に加算モードに変換しなければならない。

２１５［Ｖ］は次のような組み合せで出力されることができる：

２０４［Ｖ］＋８［Ｖ］＋２［Ｖ］＋１［Ｖ］＝２１５［Ｖ］

従って、８［Ｖ］，２［Ｖ］，１［Ｖ］にそれぞれ対応する第４副励磁巻線（４ｄ）、第２副励磁巻線（４ｂ）、第１副励磁巻線（４ａ）をアクティブにするために、制御部（１０）は第４リレー（５ｄ）、第２リレー（５ｂ）、第１リレー（５ａ）を加算モードにスイッチングし、第３リレー（５ｃ）はバイパスモードにスイッチングする。これにより、２１５［Ｖ］の目標電圧に合うように入力電圧を減圧出力して節電効果を得ることができる。

ここで注目しなければならない点は、副励磁巻線を選択的に組合せることによって１，２，３，４，，，，，１４，１５［Ｖ］のうちで選択する、すなわち１５個のオプションを得ることができ、この例で定数として設定される２０４〜２１９［Ｖ］の範囲の目標電圧を全てカバーできるという点である。このような精密な電圧調整が可能なので、目標電圧に非常に効果的な電圧を得ることが可能であり、実際に利用される各国別系統の入力電圧を考慮する時、入力電圧が変更されても、目標電圧を基準にして最大１［Ｖ］誤差の範囲内で出力電圧を調整することが可能である。

一方、上記の例で、４個の副励磁巻線が１，２，４，８［ｔｕｒｎｓ］分がそれぞれ巻線されているとしたら、出力電圧は２０４［Ｖ］に１〜１５［ｔｕｒｎｓ］に対応する誘導電圧を加えて出力することができるようになる。したがって、最大１５［ｔｕｒｎｓ］に対応する誘導電圧が出力できる電圧の上限を決定する。巻線数または多数の副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）を基準にする場合、実際には多様な巻線を持つ副励磁巻線を形成することが可能だ。例えば、図３に図示されるように、多数の副励磁巻線（４ａ〜４ｐ）が２^ｎ−１×１０^ｍ−１（ここで、ｎは１〜４の定数で、ｍは１以上の定数）によって、１，２，４，８，１０，２０，４０，８０，１００，２００，４００，８００，１０００，２０００，４０００，８０００［ｔｕｒｎｓ］で構成され、１〜１６６６５［ｔｕｒｎｓ］を選択的に直列に連結することが可能であるので１６６６５［ｔｕｒｎｓ］に対応する誘導電圧を付加することができる。

一般的に、副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）によって加算される電圧は主巻線（１）両端にかかる電圧をカバーすることが望ましいが、これと同じにできるのであれば入力電圧のバイパスのための第４スイッチ部（７）を省略することが可能になる。

注目することは、先に実験的に誘導電圧に対応する巻線数を決めることで補正を要する誘導電圧のレベルに合わせて巻線数を選択的に、直列に連結して目標電圧を出力することができるという点である。

この時、調整可能な電圧の精密度は１［Ｖ］単位ではなくて、１［ｔｕｒｎ］に対応する電圧なので精密度は更に向上することになる。

図２に図示されていないが、出力電圧のレベルを測定して目標電圧に一番近接するように第２スイッチ部（５ａ〜５ｄ）を制御して適正な巻線数を直列に連結するようにすることが可能だ。

ｉｉｉ）目標電圧が入力電圧より高い場合：

入力電圧を目標電圧に昇圧しなければならない。

よって、制御部（１０）は入力電圧が昇圧されて出力されるように第１〜４スイッチ部（３，５，６，７）を制御する。

具体的には、制御部（１０）は第４スイッチ部（７）をターンアップし、主励磁巻線（２）の一端（２ａ）が基準電位（Ｎ）に連結されるように第１スイッチ部（３）を制御し、主励磁巻線（２）の他端（２ｂ）またはここに直列連結された一つ以上の副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）の末端（６ａ）が入力端（Ｌ１）に連結されるように第３スイッチ部（６）を制御する。

一方、制御部（１０）はレベル測定部（８）で測定された入力電圧のレベルと目標電圧間の差を償うように第２スイッチ部（５ａ〜５ｄ）のリレー（５ａ〜５ｄ）を選択的に加算モードに切り替えることで精密な電圧調整が可能になる。

４個の副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）が２２０［Ｖ］入力時２^ｎ−１［Ｖ］（ｎ＝１，２，３，４）の電位がそれぞれ誘導されるように巻線されていて、入力電圧が２２０［Ｖ］、目標電圧が２３４［Ｖ］の場合、すなわち１４［Ｖ］の昇圧が必要な場合を例として説明する。

この場合、制御部（１０）は１４［Ｖ］の電圧が主巻線（１）の両端にかかる電圧１６［Ｖ］が、主励磁巻線（２）によって誘導される電圧２０６［Ｖ］に加わえるように第２スイッチ部（５ａ〜５ｄ）を制御する。すなわち、誘導電圧が１［Ｖ］である第１副励磁巻線（４ａ）を除いた弟２〜４副励磁巻線（４ｂ〜４ｄ）を加算モードになるように第２〜４リレー（５ｂ〜５ｄ）をスイッチングすることで、１４［Ｖ］を追加することができる。

一方、図３に図示されるように多数の副励磁巻線（４ａ〜４ｐ）が２^ｎ−１×１０^ｍ−１（ここで、ｎは１〜４の定数で、ｍは１以上の定数）によって、１，２，，，，４０００，８０００［ｔｕｒｎｓ］で構成される場合、１４［Ｖ］に対応することで実験的に明らかになった巻線数の分が直列で連結されるように選択的に第２スイッチ部（５ａ〜５ｐ）がスイッチング制御することが可能だ。

また、実験的に誘導電圧と巻線数があらかじめ決まっていない場合にも、出力電圧のレベルを測定してこの値をフィードバックして適正な巻線数を追跡する方式で直列に連結される巻線数を増減することが可能だ。

以上のように、本発明の自動電圧調整器は節電が必要な環境だけではなく、電力供給環境が劣悪な環境で入力電圧が電気製品の正格電圧に及ばない時にも、自動で入力電圧を昇圧して正格電圧を提供することができる。

本発明は第１スイッチ部（３）及び第３スイッチ部（６）のスイッチングによって出力電圧の昇圧または減圧を選択することができ、第２スイッチ部（５ａ〜５ｄ）のスイッチングによって昇圧及び減圧の幅を１［Ｖ］または１［ｔｕｒｎ］に対応する誘導電圧レベルに調整することが可能だ。

図４は本発明の第２実試例による自動電圧調整器の概略的な内部構成図である。図４に示された自動電圧調整器は図２に示されたものと非常に類似したものを肉眼で簡単に比較、確認することができる。

よって、図２に示した自動電圧調整器と共通の部分は等しい図面符号で表示し、図４を参照してこれと区別する差異を中心に本発明の第２実試例による自動電圧調整器を説明することにする。

図４を参照すると、主巻線（１）は入力端（Ｌ１）及び出力端（Ｌ２）に固定的に連結されていない。具体的には、第５スイッチ部（１１ａ、１１ｂ）のスイッチング動作によって、主巻線（１）の一端（１ａ）は入力端（Ｌ１）及び出力端（Ｌ２）のうち一つに連結され、他端（１ｂ）また入力端（Ｌ１）及び出力端（Ｌ２）のうち一つに連結される。

一方、主励磁巻線（２）の他端（２ｂ）またはこれに直列で連結される一つ以上の副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）の末端が固定的に基準電位（Ｎ）に連結されている。

すなわち、図２では第１及び第３スイッチ部（６）が出力端（Ｌ２）を中心に主巻線（１）及び主励磁巻線（２）の相対的巻線方向が転換されるようにしたが、本実試例では第５スイッチ部（１１ａ、１１ｂ）の両端を入力端（Ｌ１）及び出力端（Ｌ２）のうち一つに互いに交差するように連結することでこれを代替している。

具体的には、主巻線（１）の一端（１ａ）を入力端（Ｌ１）に、他端（１ｂ）を出力端（Ｌ２）に連結すると、出力端（Ｌ２）で見られた主巻線（１）と主励磁巻線（２）の巻線方向が等しくなり、入力電圧が減圧されて出力される。一方、主巻線（１）の一端（１ａ）を出力端（Ｌ２）に、他端（１ｂ）を入力端（Ｌ１）に連結すると、出力端（Ｌ２）で見られた主巻線（１）と主励磁巻線（２）の巻線方向が相異になり入力電圧が昇圧されて出力される。

このように、出力端（Ｌ２）で見られた巻線方向が相対的に変更されて昇圧及び減圧のうち一つが発生することは、単巻変圧器の入力端（Ｌ１）に印加される入力電圧が出力端（Ｌ２）に減圧されて現われる構成で、出力端（Ｌ２）に入力電圧を印加することで入力端（Ｌ１）で昇圧された電圧を得ることができることと同じである。

よって、第１及び第２実試例は昇圧または減圧を選択するスイッチング方式を変更したもので、電圧差を償う方式及びその大きさを決める方式などでは等しく適用することができる。

図５ａ〜５ｃは本発明の実試例によるトロイダル変圧器の巻線方式を説明するための概略図である。

図５ａを参照すると、図２ないし図４の主巻線（１）をトロイダルコアに巻いている。

図５ｂを参照すると、主巻線（１）がトロイダルコアに巻かれた状態で主励磁巻線（２）を形成するようにコイルを巻いている。

図５ｃを参照すると、主励磁巻線（２）上に２^ｎ［Ｖ］にあたる補助電圧が形成されるようにそれぞれに対応する副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）を形成するようにコイルを巻いている。

前述のように、従来のトロイダル変圧器は主巻線（１）上に主励磁巻線（２）を巻きながら、相異した電圧レベルの誘導電圧を得ることができるようにタップを抜くことにより昇圧及び減圧の程度が固定され非常に制限的であった。

しかし本発明のトロイダル変圧器は主励磁巻線（２）上に再び副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）を形成し、これらを組み合わせて主励磁巻線（２）を選択的に加圧することで、従来よりはるかに選択の幅が広がった多様なレベルの出力電圧を得ることができるようになる。

もし副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）の巻線数が多くなり、コアの断面積が非常に大きくなる場合、特定副励磁巻線の巻線は別途のコアに巻線して上記の回路に代入しても同じ効果を得ることができる。

また、副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）は主励磁巻線（２）が巻かれていない領域にも形成することができる。すなわち、主励磁巻線（２）を巻線するときトロイダルコアの一部領域にのみ形成されるようにし、残りの領域に副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）の一部を巻くようする。
そして、その次の外郭に層を構成するように残り副励磁巻線を巻くことが可能になる。もし、十分な断面積を確保することができない時、特定の副励磁巻線（４ａ〜４ｄ）は別途のコアに巻線することが可能である。

今まで本発明のいくつかの実試例を図示して説明したが、本発明が属する技術分野の通常の知識を持つ当業者であれば本発明の原則や精神から脱せず本実試例を変形する可能性があることが分かるはずである。発明の範囲は添付した請求項とその均等物によって決めることができる。

図１は従来の単巻変圧器で励磁巻線の複数のタップから複数の電圧レベルを出力することを説明するための概略的な回路図；

図２は本発明の第１実試例による自動電圧調整器（ＡＶＲ）の概略的な内部構成図；

図３は１［ｔｕｒｎ］に対応する電圧単位で出力電圧を調整可能な自動電圧調整器（ＡＶＲ）の変形例；

図４は本発明の第２実試例による自動電圧調整器の概略的な内部構成図；及び

図５ａ、５ｂ、５ｃは本発明の実試例によるトロイダル変圧器の巻線方式を説明するための概路図である。

Claims (21)

1. 入力端に印加された入力電圧を変換して出力端に出力する自動電圧調整器において、
   一端が上記の入力端に連結され、他の端が上記の出力端に連結される主巻線；
   上記の主巻線に励磁される主励磁巻線；
   上記の主励磁巻線の一端を基準電位及び上記の出力端のうちの一つに選択的に連結する第１スイッチ部；
   上記の主巻線に励磁される複数の副励磁巻線；
   上記の複数の副励磁巻線を選択的に上記の主励磁巻線に直列に連結するようにスイッチングし、一つ以上の副励磁巻線が上記の主励磁巻線の他の端に連結される場合、相互直列で連結され、上記の主励磁巻線の他の端に直列で連結されるようにスイッチングする第２スイッチ部；
   上記の主励磁巻線及び上記の副励磁巻線を選択的に連結することによって生成される直列連結の端を上記の基準電位及び上記の入力端のうちの一つに選択的に連結する第３スイッチ部；及び
   上記の第１スイッチ部、上記の第２スイッチ部、及び上記の第３スイッチ部のスイッチング制御により上記の出力端に出力される出力電圧のレベルを調整する制御部を含むことを特徴とする自動電圧調整器。
2. 上記の入力端に入力される入力電圧のレベルを測定するレベル測定部を含み、
   上記制御部は
   所定の目標電圧が上記のレベル測定部で測定された入力電圧のレベルより大きい場合、上記の第１スイッチ部が上記主励磁巻線の一端を上記の基準電位で連結するように制御し、上記の目標電圧と上記の測定されたレベル間の電圧差を補償するように上記第２スイッチ部を制御し、上記第３スイッチ部が上記の直列連結の端を上記入力端に連結するように制御し；
   上記の目標電圧が上記の入力電圧のレベルより小さい場合、上記第１スイッチ部が上記の主励磁巻線の一端を上記の出力端に連結するように制御し、上記の電圧差を償うように上記の第２スイッチ部を制御し、上記の第３スイッチ部が上記の直列連結の端を上記の基準電位に連結するように制御することを特徴とする、請求項１に記載の自動電圧調整器。
3. 入力端に印加された入力電圧を変換して出力端に出力する自動電圧調整器において、
   主巻線；
   上記の主巻線の一端を上記入力端及び上記出力端の中の一つに連結する第１スイッチ部；
   上記の主巻線の他の端を上記入力端及び上記出力端の中の一つに連結する第２スイッチ部；
   上記の主巻線に励磁され、一端が上記出力端に連結される主励磁巻線；
   上記の主巻線に励磁される複数の副励磁巻線；
   上記複数の副励磁巻線を選択的に上記の主励磁巻線に直列で連結されるようにスイッチングし、一つ以上の副励磁巻線が上記の主励磁巻線の他の端に連結される場合、相互直列に連結され上記の主励磁巻線の他の端に直列で連結されるようにスイッチングする第３スイッチ部；及び
   上記の第１スイッチ部、上記第２スイッチ部、及び上記第３スイッチ部のスイッチング制御により上記出力端に出力される出力電圧のレベルを調整する制御部を含むことを特徴とする自動電圧調整器。
4. 上記の入力端に入力される入力電圧のレベルを測定するレベル測定部を含み、
   上記制御部は、
   所定の目標電圧が上記レベル測定部で測定された入力電圧のレベルより大きい場合、上記第１スイッチ部が上記主巻線の一端を上記の出力端に連結するように制御し、上記第２スイッチ部が上記の主巻線の他の端を上記入力端に連結するように制御し、上記の目標電圧と上記の測定されたレベル間の電圧差を償うように第３スイッチ部をスイッチング制御し；
   所定の目標電圧が上記のレベル測定部で測定された入力電圧のレベルより大きい場合、上記第１スイッチ部が上記主巻線の線の一端を上記入力端に連結するように制御し、上記第２スイッチ部が上記の主巻線の他の端を上記出力端に連結するように制御し、上記目標電圧と上記測定されたレベル間の電圧差を償うように第３スイッチ部をスイッチング制御することを特徴とする、請求項３に記載の自動電圧調整器。
5. 使用者から上記の目標電圧を入力されるための使用者入力部を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の自動電圧調整器。
6. 上記の主巻線はトロイダルコアに巻線され、
   上記の主励磁巻線は上記の主巻線を包むように巻線し、
   上記の副励磁巻線は上記の主励磁巻線を包むように巻線し形成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の自動電圧調整器。
7. 上記の主巻線はトロイダルコアに巻線され、
   上記の主励磁巻線は上記の主巻線を包むように上記トロイダルコアに巻線され、
   上記複数の副励磁巻線のうち一部は上記の主励磁巻線と上記トロイダルコアを分割して上記の主巻線を包むように巻線し、上記の複数の副励磁巻線のうちの残りは上記の主巻線を包んでいる上記主励磁巻線及び上記一部の副励磁巻線を包むように巻線して形成することを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の自動電圧調整器。
8. 上記の複数の副励磁巻線の一部の巻線は第２のトロイダルコアに巻線されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の自動電圧調整器。
9. 上記の複数の副励磁巻線の励磁によって誘導される補助電圧の合計は上記の主巻線の両端に印加される電位より小さいことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の自動電圧調整器。
10. 上記の複数の副励磁巻線の励磁によって誘導される補助電圧のスイッチング制御により選択された合計は、上記の主巻線両端に印加される電位より小さな電圧レベルで定数にあたる電圧レベルの表現を可能にすることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の自動電圧調整器。
11. 上記の複数の副励磁巻線はそれぞれのターン数を組み合わせる時、加算されたターン数の最大値以下のすべての定数のターン数を表すように巻線されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の自動電圧調整器。
12. 上記複数の副励磁巻線のうち少なくとも一部は２ｎ−１×１０ｍ−１のターン数を持ち、ここでｎは１以上４以下の定数であり、ｍは１以上の定数として選択されることを特徴とする、請求項１１に記載の自動電圧調整器。
13. 上記のスイッチ部はリレーで具現されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の自動電圧調整器。
14. 上記の入力端及び上記出力端をスイッチングするための第４スイッチ部を含み、
    上記の目標電圧と上記入力電圧のレベルが所定許容範囲内の電圧差を持つ場合、上記の制御部は上記入力電圧が上記の出力端でバイパスとなるように上記第４スイッチ部をターンオンすることを特徴とする、請求項２または４に記載の自動電圧調整器。
15. 入力端に印加された入力電圧を変換して出力端に出力する自動電圧調整器において、
    一端が上記の入力端に連結され、他の端が上記出力端に連結される主巻線；
    上記の主巻線に励磁されて一端が上記出力端に連結される主励磁巻線；
    上記の主巻線に励磁される複数の副励磁巻線；
    上記の複数の副励磁巻線を選択的に上記の主励磁巻線の他の端に選択的に直列連結されるようにスイッチングし、１つ以上の副励磁巻線が上記の主励磁巻線の他の端に連結される場合、相互直列に連結されて上記の主励磁巻線の他の端に直列連結されるようにスイッチングするスイッチ部；及び
    上記スイッチ部のスイッチング制御により上記の出力端に出力される出力電圧のレベルを調整する制御部を含むことを特徴とする、自動電圧調整器。
16. 入力端に印加された入力電圧を変換して出力端に出力する自動電圧調整器において、
    一端が上記入力端に連結され、他の端が上記出力端に連結される主巻線；
    上記の主巻線に励磁され一端が基準電位に連結される主励磁巻線；
    上記の主巻線に励磁される複数の副励磁巻線；
    上記の複数の副励磁巻線を選択的に上記の主励磁巻線の他の端に選択的に直列連結されるようにスイッチングし、１つ以上の副励磁巻線が上記の主励磁巻線の他の端に連結される場合、相互直列で連結され、上記の主励磁巻線の他の端に直列で連結されるようにスイッチングするスイッチ部；及び
    上記スイッチ部のスイッチング制御により上記の出力端に出力される出力電圧のレベルを調整する制御部を含むことを特徴とする自動電圧調整器。
17. 上記の主巻線はトロイダルコアに巻線され、
    上記の主励磁巻線は上記の主巻線を包むように巻線され、
    上記の副励磁巻線は上記の主励磁巻線を包むように巻線され形成されることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の自動電圧調整器。
18. 上記の主巻線はトロイダルコアに巻線され、
    上記の主励磁巻線は上記の主巻線を包むように上記トロイダルコアに巻線され、
    上記の複数の副励磁巻線中一部は上記の主励磁巻線と上記のトロイダルコアを分割して上記の主巻線を包むように巻線し、上記の複数の副励磁巻線のうち残りは上記の主巻線を包んでいる上記の主励磁巻線及び上記の一部の副励磁巻線を包むように巻線して形成されることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の自動電圧調整器。
19. 上記入力端に入力される入力電圧のレベルを測定するレベル測定部を含み、
    上記の制御部は、所定の目標電圧と上記の測定されたレベル間の電圧差を償うように上記スイッチ部をスイッチング制御することを特徴とする、請求項１５または１６に記載の自動電圧調整器。
20. トロイダルコアを利用した変圧器において、
    上記のトロイダルコアに巻線され一端に入力電圧が印加され、他の端が出力端に連結される主巻線；
    上記の主巻線に巻線された上記のトロイダルコアに巻線され、上記の主巻線に励磁される主励磁巻線；
    上記主励磁巻線上に巻線され、上記の主巻線によって励磁される複数の副励磁巻線；
    上記の複数の副励磁巻線を選択的に上記の主励磁巻線に直列で連結するためのスイッチ部；及び
    上記スイッチ部のスイッチング動作を制御するための制御部を含むことを特徴とするトロイダル変圧器。
21. トロイダルコアを利用した変圧器において、
    上記のトロイダルコアに巻線され一端に入力電圧が印加され、他の端が出力端に連結される主巻線；
    上記の主巻線が巻線された上記のトロイダルコアの一部に巻線され、上記の主巻線に励磁される主励磁巻線；
    上記の主巻線に励磁される複数の副励磁巻線で、一部は上記の主励磁巻線が巻線されない領域に巻線され、残りは上記の主励磁巻線及び上記の一部の副励磁巻線を包むように巻線される上記の複数の副励磁巻線；
    上記の複数の副励磁巻線を選択的に上記の主励磁巻線に直列で連結するためのスイッチ部；及び
    上記のスイッチ部のスイッチング動作を制御するための制御部を含むことを特徴とするトロイダル変圧器。

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