JP6027145B2 - 自然続流可能な交流チョッパ主電気回路構造 - Google Patents

Description

本発明は、交流電気のチョッパ電圧制御技術に関し、特に自然続流可能な交流チョッパ主電気回路構造に関する。

図１を参照する。交流チョッパは市販電気の電圧を変更する最有効な技術である。交流チョッパが行われた電気に電気誘導性負荷を接続させるとき、誘導抵抗が発生するので、チョッパスイッチがオフされるときに続流を実現しなければならない。従来の続流実施方法はいずれも、交流チョッパスイッチの後ろに続流効果を奏する電子スイッチを並列接続させることにより続流を実現する。すなわち、チョッパスイッチ回路の具体的な構造がどのように変わっても、チョッパスイッチ１の後ろの電気回路に続流スイッチ２を並列接続させなければならない。チョッパスイッチと続流スイッチはいずれもＩＧＢＴスイッチ部品を採用し、ＩＧＢＴスイッチ部品をオン及びオフさせるときには一定の時間が掛かる。続流スイッチ２がオンされることによってチョッパ電気回路の後部が短絡されることを防止するため、チョッパ電子スイッチと続流電子スイッチの制御信号を非常に正確に制御しなければならない。また、チョッパ電子スイッチがオフされる時刻と続流電子スイッチがオンされる時刻との間に「休憩時間」と俗称される間隔時間を設けなければならない。この「休憩時間」が存在するので、チョッパ電子スイッチがオフされるとき、早い続流を実現することができず、交流チョッパの周波数を向上させることも制限される。また、三相交流のチョッパを行うとき、チョッパ電子スイッチと続流電子スイッチの制御信号の位相も正確に制御しなければならない。

本発明の目的は、従来の交流チョッパ主電気回路構造の問題を解決するため、続流スイッチを設けなくても自然続流を実現できる交流チョッパ主電気回路構造を提供することにある。本発明の主電気回路構造は、２つの誘導コイルと２つのダイオードとが接続されたことにより、自然続流を実現し、かつチョッパ電子スイッチがオフされる瞬間に早期の続流を実現することができるので、自然続流を制御するいずれかの交流チョッパ主電気回路構造を設けなくてもよい。

本発明が上記の問題を解決するため採用する技術方法は下記のとおりである。
本発明の自然続流の交流チョッパ主電気回路構造は、市販電気の電源に接続される交流チョッパ主電気回路１と誘導負荷２とを含み、その特徴は下記のとおりである。前記交流チョッパ主電気回路１は、チョッパスイッチモジュールと、誘導コイルＬ１、Ｌ２と、ダイオードＤ１、Ｄ２と、コンデンサーＣとを含む。誘導コイルＬ１とＬ２の一端は互いに接続されて接続点になり、当該接続点はコンデンサーＣの一端に接続される。誘導コイルＬ１の他端はダイオードＤ１の負極に直列接続され、誘導コイルＬ２の他端はダイオードＤ２の正極に直列接続される。チョッパスイッチモジュールの出力端はダイオードＤ１の正極とダイオードＤ２の負極との間との接続点に接続され、チョッパスイッチモジュールの入力端とコンデンサーの他端はそれぞれ市販電気の電源に接続される。負荷２の両端はコンデンサーＣの両端に接続される。誘導コイルＬ１、Ｌ２とダイオードＤ１、Ｄ２とが接続されることにより、密閉型還流回路が形成される。該還流回路は、チョッパスイッチがオフされるとき、２つの誘導コイルの自然続流を実現することができる。

本発明は下記の技術方法を更に採用することができる。

前記誘導コイルＬ１、Ｌ２は、中空コイル、磁心コイル又は鉄芯コイルである。

前記チョッパスイッチモジュールの入力端とコンデンサーの他端はそれぞれ、単相電気回路の電圧線と中性線に接続される。

前記交流チョッパ主電気回路１は、チョッパスイッチモジュール３と、誘導コイルＬ１−１、Ｌ１−２、Ｌ２−１、Ｌ２−２、Ｌ３と、ダイオードＤ１、Ｄ２と、コンデンサーＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４とを含む。ダイオードＤ１の正極とダイオードＤ２の負極とは互いに接続され、ダイオードＤ１の負極と誘導コイルＬ１−１、Ｌ１−２とは直列接続され、ダイオードＤ２の正極と誘導コイルＬ２−１、Ｌ２−２とは直列接続される。誘導コイルＬ１−２とＬ２−２の一端が接続されて形成される接続点は、コンデンサーＣ３の一端に接続される。誘導コイルＬ３の一端はコンデンサーＣ３の一端に接続され、誘導コイルＬ３の他端はコンデンサーＣ４の一端に接続される。誘導コイルＬ２-１とＬ２−２との間の接続点はコンデンサーＣ１の一端に接続され、誘導コイルＬ１-１とＬ１−２との間の接続点はコンデンサーＣ２の一端に接続される。チョッパスイッチモジュール３の出力端は、ダイオードＤ１の正極とダイオードＤ２の負極との間の接続点に接続される。チョッパスイッチモジュールの入力端とコンデンサーＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の他端の接続点とはそれぞれ、市販電気の電源に接続される。負荷２の両端はコンデンサーＣ４の両端に接続される。

前記交流チョッパ主電気回路は三相電気回路に応用される。

前記チョッパスイッチモジュールは１個のＩＧＢＴトランジスタと１個のブリッジ整流回路で構成される。

前記チョッパスイッチモジュールは２個のＩＧＢＴトランジスタで構成される。

本発明による発明の効果は次のとおりである。
（１）自然続流を実現することにより、チョッパスイッチがオフされるときに早期に続流させることができるので、専用の続流スイッチを採用することより続流の効果を向上させることができる。
（２）チョッパ主電気回路構造が簡単であるので、従来の技術と比較してみると、本発明は続流の効果を奏する電子スイッチを無くすことができ、チョッパ電気回路の安定性を向上させることができる。
（３）負荷の電流が突然変化・断流されることが発生しないので、負荷の交流電圧波形が正弦波に非常に接近する。したがって、任意の性質を有する様々な負荷の交流チョッパ電圧調節に応用することができ、通用型交流チョッパ装置を生産することができる。
（４）本発明の技術を採用することにより、出力電流を大範囲に調節できる低電圧大電流発生装置を生産することができる。
（５）本発明の技術を採用することにより、自動電圧安定機能付きの交流・直流電源を生産することができる。

従来の技術の電気回路を示す図である。 本発明の第一実施方式に係る電気回路を示す図である。 本発明の第一実施方式において、市販電気が交流チョッパスイッチモジュールを通過した後に形成される電流iの波形を示す図である。 本発明の第一実施方式において、ダイオードＤ１、誘導コイルＬ１を通過したチョッパ電流ｉ１の波形を示す図である。 本発明の第一実施方式において、誘導コイルＬ１を通過した続流電流ｉ１２の波形を示す図である。 本発明の第一実施方式において、ダイオードＤ２、誘導コイルＬ２を通過したチョッパ電流ｉ２の波形を示す図である。 本発明の第一実施方式において、誘導コイルＬ２を通過した続流電流ｉ２１の波形を示す図である。 本発明の第二実施方式に係る電気回路を示す図である。 本発明の第三実施方式に係る電気回路を示す図である。 本発明の第三実施方式に係る交流電圧の波形を示す図である。 本発明の第四実施方式に係る交流電圧の波形を示す図である。

以下、図面と実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。

（第一実施方式）
図２〜図７に示すとおり、本発明の自然続流の交流チョッパ主電気回路構造は、市販電気の電源に接続される交流チョッパ主電気回路１と誘導負荷２とを含み、その特徴は下記のとおりである。前記交流チョッパ主電気回路１は、チョッパスイッチモジュール３と、誘導コイルＬ１、Ｌ２と、ダイオードＤ１、Ｄ２と、コンデンサーＣとを含む。誘導コイルＬ１とＬ２の一端は互いに接続されて接続点になり、当該接続点はコンデンサーＣの一端に接続される。誘導コイルＬ１の他端はダイオードＤ１の負極に直列接続され、誘導コイルＬ２の他端はダイオードＤ２の正極に直列接続される。チョッパスイッチモジュール３の出力端はダイオードＤ１の正極とダイオードＤ２の負極との間との接続点に接続され、チョッパスイッチモジュール３の入力端とコンデンサーの他端はそれぞれ市販電気の電源に接続される。負荷２の両端はコンデンサーＣの両端に接続される。誘導コイルＬ１、Ｌ２とダイオードＤ１、Ｄ２とが接続されることにより、密閉型還流回路が形成される。該還流回路は、チョッパスイッチがオフされるとき、２つの誘導コイルの自然続流を実現することができる。

ダイオードＤ１とＤ２の作用により、誘導コイルＬ１は市販電気の正の部分に対応するチョッパ電流ｉ１のみを通過させる。市販電気の正の半周期において、チョッパスイッチがオフされるたびに、誘導コイルＬ１と、誘導コイルＬ２と、ダイオードＤ１及びＤ２とで構成される回路により続流を実現する。

ダイオードＤ１とＤ２の作用により、誘導コイルＬ２は市販電気の負の部分に対応するチョッパ電流ｉ２のみを通過させる。市販電気の負の半周期において、チョッパスイッチがオフされるたびに、誘導コイルＬ２と、ダイオードＤ２及びＤ１と、誘導コイルＬ１とで構成される回路により続流を実現する。

前記誘導コイルＬ１、Ｌ２は、中空コイル、磁心コイル又は鉄芯コイルである。

前記チョッパスイッチモジュールの入力端とコンデンサーの他端はそれぞれ、単相電気回路の電圧線と中性線に接続される。

（第二実施方式）
図８に示すとおり、本発明の第二実施方式と第一実施方式が類似する。両者の相違点は、第二実施方式が三相チョッパ電圧制御の電気回路構造に応用されることにある。すなわち、各相のチョッパスイッチの後ろに自然続流の交流チョッパ主電気回路が接続されるが、ここでは詳述しない。

（第三実施方式）
図９〜図１０に示すとおり、前記交流チョッパ主電気回路１は、チョッパスイッチモジュール３と、誘導コイルＬ１−１、Ｌ１−２、Ｌ２−１、Ｌ２−２、Ｌ３と、ダイオードＤ１、Ｄ２と、コンデンサーＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４とを含む。ダイオードＤ１の正極とダイオードＤ２の負極とは互いに接続され、ダイオードＤ１の負極と誘導コイルＬ１−１、Ｌ１−２とは直列接続され、ダイオードＤ２の正極と誘導コイルＬ２−１、Ｌ２−２とは直列接続される。誘導コイルＬ１−２とＬ２−２の一端が接続されて形成される接続点Ａは、コンデンサーＣ３の一端に接続される。誘導コイルＬ３の一端はコンデンサーＣ３の一端に接続され、誘導コイルＬ３の他端はコンデンサーＣ４の一端に接続される。誘導コイルＬ２-１とＬ２−２との間の接続点はコンデンサーＣ１の一端に接続され、誘導コイルＬ１-１とＬ１−２との間の接続点はコンデンサーＣ２の一端に接続される。チョッパスイッチモジュール３の出力端は、ダイオードＤ１の正極とダイオードＤ２の負極との間の接続点に接続される。チョッパスイッチモジュール３の入力端とコンデンサーＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の他端たちの接続点とはそれぞれ、市販電気の電源に接続される。負荷２の両端はコンデンサーＣ４の両端に接続される。

誘導負荷２にかかる交流電圧の波形の辺縁を平坦にし、誘導負荷の電圧正弦波の形状をより綺麗にするため、自然続流の交流チョッパ主電気回路中に、或いは自然続流の交流チョッパ主電気回路と負荷との間にフィルタ部品（濾波部品）を更に設け、各誘導コイルを二段に分けた後、その二段の間に濾波コンデンサーを更に設け、かつ自然続流の交流チョッパ主電気回路と負荷との間にＬＣ電気回路（Ｃ３、Ｃ４及びＬ３で構成される）を直列接続させることができる。図１０のＵＡ、ＵＢはそれぞれ、図９の電気回路中のＡ点とＢ点の交流電圧波形に対応する。ＵＡの波形が正弦波に近似しているが、波形の辺縁に鋸歯状になっている。ＬＣ電気回路で濾波を行うことにより、ＵＢの波形の辺縁がより円滑になり、正常の正弦波の波形に近似するようになる。負荷にかかる交流電圧の波形を更に改善するため、自然続流の交流チョッパ主電気回路と負荷との間に多数のＬＣ電気回路を直列接続させることにより、多重の濾波を行うことができる。

（第四実施方式）
図１１に示すとおり、本発明の第四実施方式と第三実施方式が類似する。両者の相違点は、本実施方式の自然続流の交流チョッパ主電気回路と負荷との間に直列接続される１つのＬＣ電気回路が、三相チョッパ電圧制御の電気回路構造に応用されることにあるが、ここでは詳述しない。

上述した４つの実施方式における、チョッパスイッチモジュール３の具体的な実施方式として、１個のＩＧＢＴトランジスタと１個のブリッジ整流回路で構成されるチョッパスイッチモジュール３を用いるか、或いは２個のＩＧＢＴトランジスタで構成されるチョッパスイッチモジュール３を用いることができる。

上述した具体的な実施例は、本発明の好適な実施例にしか過ぎないものであるため、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれることは勿論である。

１ 交流チョッパ主電気回路
２ 誘導負荷
３ チョッパスイッチモジュール
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ１−１、Ｌ１−２、Ｌ２−１、Ｌ２−２、Ｌ３ 誘導コイル
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４ コンデンサー
ｉ１ チョッパ電流
ｉ２ チョッパ電流
Ａ 接続点

Claims (7)

1. 商用電源に接続される交流チョッパ主電気回路（１）と誘導負荷（２）とを含む自然続流の交流チョッパ主電気回路構造において、
   前記交流チョッパ主電気回路（１）は、チョッパスイッチモジュール（３）と、誘導コイル（Ｌ１、Ｌ２）と、ダイオード（Ｄ１、Ｄ２）と、コンデンサー（Ｃ）とを含み、
   誘導コイル（Ｌ１）と（Ｌ２）の一端は互いに接続されて接続点になり、当該接続点はコンデンサー（Ｃ）の一端に接続され、
   誘導コイル（Ｌ１）の他端はダイオード（Ｄ１）の負極に直列接続され、誘導コイル（Ｌ２）の他端はダイオード（Ｄ２）の正極に直列接続され、
   チョッパスイッチモジュール（３）の出力端はダイオード（Ｄ１）の正極とダイオード（Ｄ２）の負極との間との接続点に接続され、チョッパスイッチモジュール（３）の入力端とコンデンサーの他端はそれぞれ商用電源に接続され、
   負荷（２）の両端はコンデンサー（Ｃ）の両端に接続される、ことを特徴とする自然続流の交流チョッパ主電気回路構造。
2. 前記誘導コイル（Ｌ１、Ｌ２）は、中空コイル、磁心コイル又は鉄芯コイルであることを特徴とする請求項１に記載の自然続流の交流チョッパ主電気回路構造。
3. 前記チョッパスイッチモジュールの入力端とコンデンサーの他端はそれぞれ、単相電気回路の電圧線と中性線に接続されることを特徴とする請求項１に記載の自然続流の交流チョッパ主電気回路構造。
4. 商用電源に接続される交流チョッパ主電気回路（１）と誘導負荷（２）とを含む自然続流の交流チョッパ主電気回路構造において、
   前記交流チョッパ主電気回路（１）は、チョッパスイッチモジュール（３）と、誘導コイル（Ｌ１−１、Ｌ１−２、Ｌ２−１、Ｌ２−２、Ｌ３）と、ダイオード（Ｄ１、Ｄ２）と、コンデンサー（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）とを含み、
   ダイオード（Ｄ１）の正極とダイオード（Ｄ２）の負極とは互いに接続され、ダイオード（Ｄ１）の負極と誘導コイル（Ｌ１−１、Ｌ１−２）とは直列接続され、ダイオード（Ｄ２）の正極と誘導コイル（Ｌ２−１、Ｌ２−２）とは直列接続され、
   誘導コイル（Ｌ１−２）と（Ｌ２−２）の一端が接続されてなる接続点はコンデンサー（Ｃ３）の一端に接続され、
   誘導コイル（Ｌ３）の一端はコンデンサー（Ｃ３）の一端に接続され、誘導コイル（Ｌ３）の他端はコンデンサー（Ｃ４）の一端に接続され、
   誘導コイル（Ｌ２-１）と（Ｌ２−２）との間の接続点はコンデンサー（Ｃ１）の一端に接続され、誘導コイル（Ｌ１-１）と（Ｌ１−２）との間の接続点はコンデンサー（Ｃ２）の一端に接続され、
   チョッパスイッチモジュール（３）の出力端はダイオード（Ｄ１）の正極とダイオード（Ｄ２）の負極との間の接続点に接続され、チョッパスイッチモジュール（３）の入力端とコンデンサー（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）の他端の接続点とはそれぞれ商用電源に接続され、
   負荷（２）の両端はコンデンサー（Ｃ４）の両端に接続されることを特徴とする自然続流の交流チョッパ主電気回路構造。
5. 前記交流チョッパ主電気回路（１）は三相電気回路に応用されることを特徴とする請求項１又は４に記載の自然続流の交流チョッパ主電気回路構造。
6. 前記チョッパスイッチモジュール（３）は１個のＩＧＢＴトランジスタと１個のブリッジ整流回路で構成されることを特徴とする請求項１又は４に記載の自然続流の交流チョッパ主電気回路構造。
7. 前記チョッパスイッチモジュール（３）は２個のＩＧＢＴトランジスタで構成されることを特徴とする請求項１又は４に記載の自然続流の交流チョッパ主電気回路構造。