JP7165798B1

JP7165798B1 - 電圧出力装置

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Publication number: JP7165798B1
Application number: JP2021156957A
Authority: JP
Inventors: 周下和田; 南洋平野; 紀明白土
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2021-09-27
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2041-09-27
Also published as: JP2023047825A

Abstract

【課題】切換器を介して流れる交流電流の実効値が小さい電圧出力装置を提供する。【解決手段】電圧出力装置１では、第１直列変圧器５の２次巻線５２及び第２直列変圧器６の２次巻線６２を介して交流電圧が分路巻線４０の両端に印加される。分路巻線４０の両端から交流電圧が出力される。分路巻線４０の一端及び他端それぞれから第１直列巻線４１及び第２直列巻線４２が延びている。分路巻線４０、第１直列巻線４１及び第２直列巻線４２を含む単巻線の両端及び中途に第１タップＴ１、第２タップＴ２及び第３タップが接続されている。第１直列変圧器５の１次巻線５１及び第２直列変圧器６の１次巻線６１の一端は共通のタップに接続されている。１次巻線５１，６１の他端も共通のタップに接続されている。切換器７は、１次巻線５１，６１それぞれの一端又は両端の接続先を切換える。【選択図】図１

Description

本開示は電圧出力装置に関する。

特許文献１には、交流電圧を出力する構成が開示されている。特許文献１の構成では、第１直列変圧器及び第２直列変圧器が用いられる。第１直列変圧器及び第２直列変圧器それぞれは、１次巻線及び２次巻線を有する。単巻線の一端及び他端それぞれに第１接続線及び第２接続線が接続されている。第１接続線の中途に第１直列変圧器の２次巻線が配置されている。第２接続線の中途に第２直列変圧器の２次巻線が配置されている。単巻線の両端及び中途に複数のタップが設けられている。複数のタップ中の１つのタップが第１直列変圧器及び第２直列変圧器の１次巻線の一端に接続される。複数のタップ中の他のタップが第１直列変圧器及び第２直列変圧器の１次巻線の他端に接続される。

第１直列変圧器及び第２直列変圧器が有する２つの２次巻線を介して交流電圧が単巻線の両端に印加される。更に、単巻線の両端から交流電圧が外部に出力される。単巻線の両端に交流電圧が印加された場合、単巻線の２つのタップから第１直列変圧器及び第２直列変圧器の１次巻線の両端に交流電圧が印加される。これにより、第１直列変圧器及び第２直列変圧器は、単巻線の両端から外部に出力される交流電圧の実効値を調整する。

第１直列変圧器及び第２直列変圧器の１次巻線の一端及び他端に接続される２つのタップそれぞれは、切換器によって切換えられる。２つの２次巻線を介して出力される交流電圧の実効値は、第１直列変圧器及び第２直列変圧器それぞれの１次巻線の両端に印加される交流電圧に応じて異なる。切換器は、第１直列変圧器及び第２直列変圧器の１次巻線に接続される２つのタップそれぞれを切換えることによって、第１直列変圧器及び第２直列変圧器それぞれの１次巻線の両端に印加される交流電圧を変更する。

特開２００４－１８７３７４号公報

特許文献１では切換器を介して交流電流が流れる。しかしながら、特許文献１では、切換器を介して流れる交流電流の実効値は考慮されていない。

本開示は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、切換器を介して流れる交流電流の実効値が小さい電圧出力装置を提供することにある。

本開示の一態様に係る電圧出力装置は、分路巻線の一端及び他端それぞれから第１直列巻線及び第２直列巻線が延びている単巻変圧器と、１次巻線と、前記分路巻線の一端に接続される第１接続線の中途に配置される２次巻線とを有する第１直列変圧器と、１次巻線と、前記分路巻線の他端に接続される第２接続線の中途に配置される２次巻線とを有する第２直列変圧器と、前記分路巻線、第１直列巻線及び第２直列巻線を含む単巻線の両端及び中途に接続されている複数のタップと、前記第１直列変圧器及び第２直列変圧器それぞれの１次巻線の一端を、前記複数のタップ中の１つに接続し、前記第１直列変圧器及び第２直列変圧器それぞれの１次巻線の他端を前記複数のタップ中の１つに接続し、前記第１直列変圧器及び第２直列変圧器それぞれの１次巻線の一端又は両端の接続先を切換える切換器とを備え、前記第１直列変圧器及び第２直列変圧器が有する２つの２次巻線を介して、交流電圧が前記分路巻線の両端に印加され、前記分路巻線の両端から交流電圧が出力される。

上記の態様にあっては、分路巻線、第１直列巻線及び第２直列巻線を含む単巻線の両端及び中途に配置された複数のタップ中の２つから、交流電圧が、切換器を介して、第１直列変圧器及び第２直列変圧器それぞれの１次巻線の両端に印加される。このため、実効値が大きい交流電圧が、単巻線から切換器を介して、２つの１次巻線それぞれの両端に印加される。従って、切換器を介して流れる交流電流の実効値は小さい。この場合、切換器を耐電流性能が低い小型の部品によって構成することができる。

本開示の一態様に係る電圧出力装置では、前記第１直列変圧器の１次巻線及び２次巻線の巻数比は、前記第２直列変圧器の１次巻線及び２次巻線の巻数比と同じである。

上記の態様にあっては、切換器から第１直列変圧器及び第２直列変圧器それぞれの１次巻線の両端に交流電圧が印加された場合、第１直列変圧器及び第２直列変圧器それぞれの２次巻線は、分路巻線に印加される交流電圧の実効値を上昇又は低下させる。第１直列変圧器の１次巻線及び２次巻線の巻数の比は、前記第２直列変圧器の１次巻線及び２次巻線の巻数の比と同じである。このため、第１直列変圧器の２次巻線が上昇又は低下させる実効値の幅は、第２直列変圧器の２次巻線が上昇又は低下させる実効値の幅と同じである。

本開示の一態様に係る電圧出力装置では、前記分路巻線の中途に中性線が接続されており、前記分路巻線の一端から前記中性線の接続点までの前記分路巻線の巻数は、前記分路巻線の他端から前記中性線の接続点までの前記分路巻線の巻数と同じである。

上記の態様にあっては、分路巻線の一端から中性線の接続点までの分路巻線の巻数は、単巻線の他端から中性線の接続点までの分路巻線の巻数と同じである。このため、分路巻線の一端及び中性線から出力される交流電圧の実効値は、分路巻線の他端及び中性線から出力される交流電圧の実効値と同じである。

本開示の一態様に係る電圧出力装置では、前記切換器は、オン又はオフに切換わる複数の切換スイッチ回路を有し、前記複数の切換スイッチ回路それぞれは、２つのサイリスタ又はトライアックを有する。

上記の態様にあっては、サイリスタ及びトライアックは半導体素子である。切換スイッチ回路は、一又は複数の半導体素子によって構成されるので小型である。結果、切換器も小型である。

本開示の一態様に係る電圧出力装置では、前記複数のタップには、前記単巻線の一端及び他端それぞれに接続されている第１タップ及び第２タップと、前記単巻線の中途に接続されている第３タップとが含まれ、前記単巻線に関して、前記第１タップから前記第３タップまでの巻数は、前記第２タップから前記第３タップまでの巻数の半分である。

上記の態様にあっては、第１タップから第３タップまでの巻線が、第２タップから第３タップまでの巻線の半分であるので、共通の間隔で交流電圧の実効値を調整することができる。

上記の態様によれば、切換器を介して流れる電流が小さい。

本実施の形態における電圧出力装置の回路図である。切換器の要部構成を示すブロック図である。切換スイッチ回路の回路図である。交流電圧の実効値を低下させる方法の説明図である。交流電圧の実効値を上昇させる方法の説明図である。切換器の出力電圧の実効値の説明図である。第１直列変圧器及び第２直列変圧器の電圧調整量の例を示す図表である。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
図１は、本実施の形態における電圧出力装置１の回路図である。まず、電圧出力装置１の動作を説明する。電圧出力装置１は、交流電源２の両端に接続されている。電圧出力装置１は第１負荷３１の一端に接続されている。第１負荷３１の他端は第２負荷３２の一端に接続されている。第２負荷３２の他端は電圧出力装置１に接続されている。第１負荷３１及び第２負荷３２間の接続ノードも電圧出力装置１に接続されている。

交流電源２は交流電圧を電圧出力装置１に出力する。交流電源２が出力する交流電圧は、交流電圧の実効値を、例えば、６６００［Ｖ］から低下させることによって生成される交流電圧である。交流電圧に関して、実効値は（振幅値）／√２で表される。交流電源２から電圧出力装置１に入力される交流電圧の実効値は、例えば２１０［Ｖ］近傍の値であり、変動する。電圧出力装置１は、交流電源２から入力された交流電圧の実効値を、一定の目標値、例えば２１０［Ｖ］に調整し、実効値が調整された交流電圧を出力する。電圧出力装置１は、第１負荷３１及び第２負荷３２それぞれに交流電圧を印加する。

第１負荷３１及び第２負荷３２それぞれは電気機器である。交流電圧が第１負荷３１に印加された場合、第１負荷３１に交流電力が供給される。交流電圧が第２負荷３２に印加された場合、第２負荷３２に交流電力が供給される。

次に、電圧出力装置１の具体的な構成を説明する。電圧出力装置１は、単巻変圧器４、第１直列変圧器５、第２直列変圧器６、切換器７及び計測変圧器８を備える。単巻変圧器４は、分路巻線４０、第１直列巻線４１及び第２直列巻線４２を有する。単巻変圧器４では、分路巻線４０の一端から第１直列巻線４１が延びている。分路巻線４０の他端から第２直列巻線４２が延びている。分路巻線４０、第１直列巻線４１及び第２直列巻線４２によって１つの巻線が構成されている。分路巻線４０、第１直列巻線４１及び第２直列巻線４２を含む単巻線は、図示しない磁性体に巻き付けられている。

電圧出力装置１は、更に、第１タップＴ１、第２タップＴ２及び第３タップＴ３を備える。第１タップＴ１は、単巻線の一端に接続されている。第２タップＴ２は単巻線の他端に接続されている。第３タップＴ３は単巻線の中途に接続されている。単巻線の一端は第１直列巻線４１の一端である。単巻線の他端は第２直列巻線４２の一端である。分路巻線４０の一端には、第１接続線Ｇ１の一端が接続されている。分路巻線４０の他端には、第２接続線Ｇ２の一端が接続されている。第１接続線Ｇ１及び第２接続線Ｇ２の他端間に交流電源２が接続されている。

第１直列変圧器５は１次巻線５１及び２次巻線５２を有する。第１直列変圧器５では、例えば、環状の磁性体に１次巻線５１及び２次巻線５２は巻き付けられている。第１直列変圧器５の２次巻線５２は、第１接続線Ｇ１の中途に配置されている。第２直列変圧器６は１次巻線６１及び２次巻線６２を有する。第２直列変圧器６では、例えば、環状の磁性体に１次巻線６１及び２次巻線６２は巻き付けられている。第２直列変圧器６の２次巻線６２は、第２接続線Ｇ２の中途に配置されている。第１直列変圧器５の１次巻線５１の一端及び他端それぞれは、第２直列変圧器６の１次巻線６１の一端及び他端に接続されている。

以下では、第１直列変圧器５の１次巻線５１の一端と、第２直列変圧器６の１次巻線６１の一端との間の接続ノードを第１ノードと記載する。第１直列変圧器５の１次巻線５１の他端と、第２直列変圧器６の１次巻線６１の他端との間の接続ノードを第２ノードと記載する。第１ノード及び第２ノードは切換器７に各別に接続されている。第１タップＴ１、第２タップＴ２及び第３タップＴ３も切換器７に各別に接続されている。

分路巻線４０の一端には、第１出力線Ｈ１の一端が接続されている。分路巻線４０の他端には、第２出力線Ｈ２の一端が接続されている。分路巻線４０の中途には中性線Ｑの一端が接続されている。分路巻線４０に関して、第１出力線Ｈ１の接続点から中性線Ｑの接続点までの巻数は、第２出力線Ｈ２の接続点から中性線Ｑの接続点までの巻数と同じである。なお、２つの巻数は実質的に同じあればよい。従って、２つの巻数の差が設計上の誤差の範囲内である場合、２つの巻数は同じである。中性線Ｑは接地される。

第１出力線Ｈ１及び中性線Ｑの他端間に第１負荷３１が接続されている。第２出力線Ｈ２及び中性線Ｑの他端間に第２負荷３２が接続されている。計測変圧器８は１次巻線８１及び２次巻線８２を有する。計測変圧器８では、例えば、環状の磁性体に１次巻線８１及び２次巻線８２は巻き付けられている。１次巻線８１の一端及び他端それぞれは、第１出力線Ｈ１及び第２出力線Ｈ２の中途に接続されている。２次巻線８２の両端は切換器７に各別に接続されている。

各構成部の作用を説明する。切換器７は、第１ノードを第１タップＴ１、第２タップＴ２及び第３タップＴ３中の１つに接続する。切換器７は、更に、第２ノードを第１タップＴ１、第２タップＴ２及び第３タップＴ３中の１つに接続する。切換器７は、第１ノード及び第２ノードの一方又は両方の接続先を切換える。

交流電源２は、第１直列変圧器５の２次巻線５２及び第２直列変圧器６の２次巻線６２に交流電圧を出力する。２次巻線５２，６２を介して分路巻線４０の両端に交流電圧が印加される。これにより、第１タップＴ１、第２タップＴ２及び第３タップＴ３中の２つから、切換器７を介して、１次巻線５１，６１それぞれの両端に交流電圧が印加される。１次巻線５１，６１それぞれの両端に交流電圧が印加された場合、２次巻線５２，６２から分路巻線４０に出力される交流電圧の実効値が変更される。

切換器７は、第１ノード及び第２ノードの一方又は両方の接続先を変更することによって、２次巻線５２，６２それぞれの両端に印加される交流電圧を変更する。これにより、２次巻線５２，６２から分路巻線４０に出力される交流電圧の実効値が種々の値に変更される。

２次巻線５２，６２が分路巻線４０の両端に交流電圧を印加した場合、分路巻線４０の両端から第１負荷３１及び第２負荷３２に交流電圧が出力される。前述したように、分路巻線４０の一端から中性線Ｑの接続点までの分路巻線４０の巻数は、分路巻線４０の他端から中性線Ｑの接続点までの分路巻線４０の巻数と同じである。このため、第１出力線Ｈ１及び中性線Ｑを介して第１負荷３１に印加される交流電圧の実効値は、第２出力線Ｈ２及び中性線Ｑを介して第２負荷３２に印加される交流電圧の実効値は同じである。

分路巻線４０の両端から出力された交流電圧は、計測変圧器８の１次巻線８１の両端に印加される。これにより、計測変圧器８の２次巻線８２から切換器７に交流電圧が出力される。１次巻線８１の巻数は２次巻線８２の巻数よりも多い。このため、計測変圧器８では、交流電圧の実効値を低下させる。２次巻線８２から出力される交流電圧の実効値は、１次巻線８１の両端に印加された交流電圧の実効値を所定数で除算することによって算出される。所定数は（１次巻線８１の巻数）／（２次巻線８２の巻線）で表される。

切換器７は、計測変圧器８の２次巻線８２の両端から出力された交流電圧の実効値に基づいて、分路巻線４０の両端から出力された交流電圧の実効値を算出する。切換器７は、算出した実効値に基づいて、第１ノード及び第２ノードの一方又は両方の接続先を切換える。これにより、１次巻線５１，６１それぞれの両端に印加する交流電圧が変更される。結果、２次巻線５２，６２から分路巻線４０に出力する交流電圧、即ち、分路巻線４０の両端から出力される交流電圧の実効値が変化する。１次巻線５１，６１それぞれの両端に印加する交流電圧と、２次巻線５２，６２から分路巻線４０に出力される交流電圧との関係については後述する。

以上のように、切換器７は、分路巻線４０の両端から出力される交流電圧の実効値に応じて、第１ノード及び第２ノードの一方又は両方の接続先を切換える。これにより、切換器７は、分路巻線４０の両端から出力される交流電圧の実効値を目標値に調整する。

次に、切換器７の構成を説明する。図２は切換器７の要部構成を示すブロック図である。切換器７は、制御部７０、駆動部７１、６つの切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３、接続スイッチ回路Ｅ，Ｆ及び抵抗Ｒを有する。制御部７０は、駆動部７１と、計測変圧器８の２次巻線８２の両端とに各別に接続されている。

切換スイッチ回路Ａ１，Ｂ１は第１タップＴ１に接続されている。切換スイッチ回路Ａ２，Ｂ２は第２タップＴ２に接続されている。切換スイッチ回路Ａ３，Ｂ３は第３タップＴ３に接続されている。切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３それぞれは、更に、第１ノードに接続されている。切換スイッチ回路Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３それぞれは、更に、第２ノードに接続されている。接続スイッチ回路Ｅは第１ノード及び第２ノード間に接続されている。接続スイッチ回路Ｆは抵抗Ｒに直列に接続されている。接続スイッチ回路Ｆ及び抵抗Ｒを含む直列回路は、第１ノード及び第２ノード間に接続されている。

制御部７０は、例えばマイクロコンピュータである。制御部７０は、処理を実行する処理素子と、コンピュータプログラムが記憶されている記憶部とを有する。処理素子は例えばＣＰＵ(Central Processing Unit)である。制御部７０の処理素子は、記憶部に記憶されているコンピュータプログラムを実行することによって種々の処理を実行する。制御部７０は、駆動部７１に指示して、切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３及び接続スイッチ回路Ｅ，Ｆそれぞれをオン又はオフに切換えさせる。従って、制御部７０は、駆動部７１を通じて、切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３及び接続スイッチ回路Ｅ，Ｆそれぞれをオン又はオフに切替える。

切換スイッチ回路Ａ１がオンである場合、切換スイッチ回路Ａ１を介して交流電流が流れることが可能である。切換スイッチ回路Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３及び接続スイッチ回路Ｅ，Ｆそれぞれがオンである場合、切換スイッチ回路Ａ１と同様に作用する。切換スイッチ回路Ａ１がオフである場合、切換スイッチ回路Ａ１を介して電流が流れることはない。切換スイッチ回路Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３及び接続スイッチ回路Ｅ，Ｆそれぞれがオフである場合、切換スイッチ回路Ａ１と同様に作用する。

切換スイッチ回路Ａ１の構成を説明する。図３は切換スイッチ回路Ａ１の回路図である。切換スイッチ回路Ａ１は第１サイリスタ９１及び第２サイリスタ９２を有する。第１サイリスタ９１のアノードは第２サイリスタ９２のカソードに接続されている。第１サイリスタ９１のカソードは、第２サイリスタ９２のアノードに接続されている。第１サイリスタ９１のアノード及び第２サイリスタ９２のカソード間の接続ノードは第１タップＴ１に接続されている。第１サイリスタ９１のカソード及び第２サイリスタ９２のアノード間の接続ノードは第１ノードに接続されている。第１サイリスタ９１及び第２サイリスタ９２のゲートは駆動部７１に接続されている。

駆動部７１は、第１サイリスタ９１及び第２サイリスタ９２のゲートの電圧を一定のオン電圧に上昇させることによって、切換スイッチ回路Ａ１をオンに切替える。ここで、ゲートの電圧の基準電位は、例えば、交流電源２に直接に接続されている第２接続線の電位である。オン電圧は正値である。切換スイッチ回路Ａ１がオンである場合、第１タップＴ１から入力された電流は、第１サイリスタ９１を介して第１ノードへ流れる。同様の場合において、第１ノードから入力された電流は第２サイリスタ９２を介して第１タップＴ１に流れる。

駆動部７１は、第１サイリスタ９１及び第２サイリスタ９２のゲートの電圧を一定のオフ電圧に低下させることによって、切換スイッチ回路Ａ１をオフに切替える。オフ電圧は、オン電圧未満である。オフ電圧は例えば０［Ｖ］である。切換スイッチ回路Ａ１がオフである場合、第１サイリスタ９１及び第２サイリスタ９２それぞれを介して電流が流れることはない。

切換スイッチ回路Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３及び接続スイッチ回路Ｅ，Ｆそれぞれは、切換スイッチ回路Ａ１と同様に構成されている。駆動部７１は、切換スイッチ回路Ａ１と同様に、切換スイッチ回路Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３及び接続スイッチ回路Ｅ，Ｆそれぞれをオン又はオフに切替える。

なお、切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３及び接続スイッチ回路Ｅ，Ｆそれぞれは、第１サイリスタ９１及び第２サイリスタ９２の代わりに、トライアックを有してもよい。トライアックは、３つの端子を有し、第１サイリスタ９１が第２サイリスタ９２によって構成される回路と同様に作用する。

以上のように、切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３及び接続スイッチ回路Ｅ，Ｆそれぞれは、一又は複数の半導体素子によって構成される。このため、切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３及び接続スイッチ回路Ｅ，Ｆそれぞれは、例えば、一又は複数のメカリレーによって構成される回路と比較して小型である。従って、切換器７も小型である。

切換器７の詳細な動作を説明する。切換器７が動作を停止している場合、図２に示す接続スイッチ回路Ｅのみがオンである。制御部７０は、切換器７を作動させる場合、３つの切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３中の１つと、３つの切換スイッチ回路Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３中の１つとをオンに切替える。これにより、第１ノード及び第２ノードそれぞれは、第１タップＴ１、第２タップＴ２及び第３タップ中の１つに接続される。その後、制御部７０は接続スイッチ回路Ｅをオフに切替える。ここで、第１ノードの接続先が第２ノードの接続先とは異なる場合、第１直列変圧器５の１次巻線５１及び第２直列変圧器６の１次巻線６１に交流電圧が印加される。これにより、分路巻線４０の両端に印加される交流電圧の実効値が変更される。

制御部７０は、切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の中でオンである切換スイッチ回路を変更する場合、接続スイッチ回路Ｆをオンに切替える。その後、制御部７０は、オンである切換スイッチ回路をオフに切替える。接続スイッチ回路Ｆがオンである場合、１次巻線５１，６１それぞれについて、電流が一端から抵抗Ｒを介して他端へ流れる。これにより、１次巻線５１，６１に蓄えられているエネルギーが消費される。結果、１次巻線５１の一端又は他端の電圧の絶対値が異常な値に上昇することが防止される。

次に、制御部７０は、３つの切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３中の１つと、３つの切換スイッチ回路Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３中の１つとをオンに切替える。その後、制御部７０は、接続スイッチ回路Ｆをオフに切替える。第１ノードの接続先が第２ノードの接続先と異なる場合、再び、１次巻線５１，６１それぞれの両端に交流電圧が印加される。これにより、分路巻線４０の両端に印加される交流電圧の実効値が変更される。第１ノードの接続先が第２ノードの接続先と一致している場合、１次巻線５１，６１それぞれへの交流電圧の印加は停止する。

以上のように、制御部７０は、切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３及び接続スイッチ回路Ｆを各別にオン又はオフに切替える。これにより、１次巻線５１，６１それぞれの両端に印加されている交流電圧の変更と、１次巻線５１，６１それぞれの両端への交流電圧の印加の停止とが実現される。制御部７０は、切換器７の動作を停止させる場合、接続スイッチ回路Ｅをオンに切替える。その後、制御部７０は、切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３及び接続スイッチ回路Ｆをオフに切替える。なお、制御部７０は、切換器７内で過電流が発生した場合も接続スイッチ回路Ｅをオフに切替える。

次に、１次巻線５１，６１それぞれの両端に印加する交流電圧と、２次巻線５２，６２から分路巻線４０に出力する交流電圧との関係を説明する。図４は、交流電圧の実効値を低下させる方法の説明図である。図４において、破線の矢印は電流の向きを示し、プラス及びマイナスは極性を示す。切換スイッチ回路Ａ１，Ｂ３がオンである場合、第１直列変圧器５の２次巻線５２及び第２直列変圧器６の２次巻線６２は、交流電源２から入力された交流電圧の実効値を低下させる。

交流電源２が出力している交流電圧について、基準電位が第２接続線Ｇ２の電位である第１接続線Ｇ１の電圧が正である場合、第１直列変圧器５の２次巻線５２では、電流は、交流電源２側から分路巻線４０側へ流れる。一方で、電流は切換スイッチ回路Ａ１及び第１ノードの順に流れ、１次巻線５１では、電流は第１ノード側（左側）から第２ノード側（右側）へ流れる。第１直列変圧器５について、２次巻線５２の極性は交流電源２側であり、１次巻線５１の極性は第１ノード側である。従って、２次巻線５２は、交流電源２側の一端の電位を基準として、分路巻線４０側の一端の電位を低下させる。結果、２次巻線５２は、交流電源２のプラス側の一端の電位を低下させる。

交流電源２が出力している交流電圧について、基準電位が第２接続線Ｇ２の電位である第１接続線Ｇ１の電圧が正である場合、第２直列変圧器６の２次巻線６２では、電流は、分路巻線４０側から交流電源２側へ流れる。一方で、電流は切換スイッチ回路Ａ１及び第１ノードの順に流れ、１次巻線６１では、電流は第１ノード（左側）から第２ノード（右側）へ流れる。第２直列変圧器６について、２次巻線６２の極性は分路巻線４０側であり、１次巻線６１の極性は第１ノード側である。従って、２次巻線６２は、交流電源２側の一端の電位を基準として、分路巻線４０側の一端の電位を上昇させる。従って、２次巻線６２は、交流電源２のマイナス側の一端の電位を上昇させる。

交流電源２が出力している交流電圧について、基準電位が第２接続線Ｇ２の電位である第１接続線Ｇ１の電圧が負である場合、図４において、電流の向きは反転し、プラスの極性はマイナスの極性に反転し、マイナスの極性はプラスの極性に反転する。従って、第１直列変圧器５の２次巻線５２では、電流は、分路巻線４０側から交流電源２側へ流れる。一方で、１次巻線５１では、第２ノード側（右側）から第１ノード側（左側）へ流れる。結果、２次巻線５２は、交流電源２側の一端の電位を基準として、分路巻線４０側の一端の電位を上昇させる。従って、２次巻線５２は、交流電源２のマイナス側の一端の電位を上昇させる。

また、交流電源２が出力している交流電圧について、基準電位が第２接続線Ｇ２の電位である第１接続線Ｇ１の電圧が負である場合、第２直列変圧器６の２次巻線６２では、電流は、交流電源２側から分路巻線４０側へ流れる。一方で、１次巻線６１では、第２ノード（右側）から第１ノード（左側）へ流れる。従って、２次巻線６２は、交流電源２側の一端の電位を基準として、分路巻線４０側の一端の電位を低下させる。結果、２次巻線６２は、交流電源２のプラス側の一端の電位を低下させる。

以上のことから、切換スイッチ回路Ａ１，Ｂ３がオンである場合、交流電源２のプラス側の一端の電位が低下し、交流電源２のマイナス側の一端の電位が上昇する。このため、２次巻線５２，６２から分路巻線４０に出力さされる交流電圧の実効値は低下する。

１次巻線５１，６１及び２次巻線５２，６２それぞれを介して流れる電流に関して、切換スイッチ回路Ａ１，Ｂ２がオンである場合の電流の向きは、切換スイッチ回路Ａ１，Ｂ３がオンである場合の電流の向きと同じである。更に、切換スイッチ回路Ａ２，Ｂ３がオンである場合の電流の向きは、切換スイッチ回路Ａ１，Ｂ３がオンである場合の電流の向きと同じである。従って、切換スイッチ回路Ａ１，Ｂ２又は切換スイッチ回路Ａ２，Ｂ３がオンである場合、２次巻線５２，６２から分路巻線４０に出力さされる交流電圧の実効値は低下する。

第１直列変圧器５の１次巻線５１及び２次巻線５２の巻数比は、第２直列変圧器６の１次巻線６１及び２次巻線６２の巻数比と同じである。なお、２つの巻数比は実質的に同一であればよい。２つの巻数比の差が設計上の誤差の範囲内である場合、２つの巻数比は同一である。

（１次巻線５１の巻数）／（２次巻線５２の巻数）、即ち、（１次巻線６１の巻数）／（２次巻線６２の巻数）をｋで表す。切換器７が１次巻線５１，６１それぞれの両端に印加する共通の交流電圧の実効値をＹで表す。この場合、２次巻線５２，６２それぞれが低下させる実効値の幅はＹ／ｋで表される。例えば、実効値Ｙが４２０［Ｖ］であり、かつ、巻数比ｋが５６である場合、１次巻線５１，６１それぞれが低下させる実効値の幅は７．５［Ｖ］である。実効値Ｙは、切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の中でオンである切換スイッチ回路を変更することによって変更される。

図５は、交流電圧の実効値を上昇させる方法の説明図である。図５において、破線の矢印は電流の向きを示し、プラス及びマイナスは極性を示す。切換スイッチ回路Ａ３，Ｂ１がオンである場合、第１直列変圧器５の２次巻線５２及び第２直列変圧器６の２次巻線６２は、交流電源２から入力された交流電圧の実効値を上昇させる。

交流電源２が出力している交流電圧について、基準電位が第２接続線Ｇ２の電位である第１接続線Ｇ１の電圧が正である場合、第１直列変圧器５の２次巻線５２では、電流は、交流電源２側から分路巻線４０側へ流れる。一方で、電流は切換スイッチ回路Ｂ１及び第２ノードの順に流れ、１次巻線５１では、電流は第２ノード側（右側）から第２ノード側（左側）へ流れる。従って、２次巻線５２は、交流電源２側の一端の電位を基準として、分路巻線４０側の一端の電位を上昇させる。結果、２次巻線５２は、交流電源２のプラス側の一端の電位を上昇させる。

交流電源２が出力している交流電圧について、基準電位が第２接続線Ｇ２の電位である第１接続線Ｇ１の電圧が正である場合、第２直列変圧器６の２次巻線６２では、電流は、分路巻線４０側から交流電源２側へ流れる。一方で、電流は切換スイッチ回路Ｂ１及び第２ノードの順に流れ、１次巻線６１では、電流は第２ノード側（右側）から第１ノード側（左側）へ流れる。従って、２次巻線６２は、交流電源２側の一端の電位を基準として、分路巻線４０側の一端の電位を低下させる。結果、２次巻線６２は、交流電源２のマイナス側の一端の電位を低下させる。

交流電源２が出力している交流電圧について、基準電位が第２接続線Ｇ２の電位である第１接続線Ｇ１の電圧が負である場合、図５において、電流の向きは反転し、プラスの極性はマイナスの極性に反転し、マイナスの極性はプラスの極性に反転する。従って、第１直列変圧器５の２次巻線５２では、電流は、分路巻線４０側から交流電源２側へ流れる。一方で、１次巻線５１では、第１ノード側（左側）から第２ノード側（右側）へ流れる。結果、２次巻線５２は、交流電源２側の一端の電位を基準として、分路巻線４０側の一端の電位を低下させる。従って、２次巻線５２は、交流電源２のマイナス側の一端の電位を低下させる。

また、交流電源２が出力している交流電圧について、基準電位が第２接続線Ｇ２の電位である第１接続線Ｇ１の電圧が負である場合、第２直列変圧器６の２次巻線６２では、電流は、交流電源２側から分路巻線４０側へ流れる。一方で、１次巻線６１では、第１ノード（左側）から第２ノード（右側）へ流れる。従って、２次巻線６２は、交流電源２側の一端の電位を基準として、分路巻線４０側の一端の電位を上昇させる。結果、２次巻線６２は、交流電源２のプラス側の一端の電位を上昇させる。

以上のことから、切換スイッチ回路Ａ３，Ｂ１がオンである場合、交流電源２のプラス側の電位が上昇し、交流電源２のマイナス側の電位が低下する。このため、２次巻線５２，６２から分路巻線４０に出力さされる交流電圧の実効値は上昇する。

１次巻線５１，６１及び２次巻線５２，６２それぞれを介して流れる電流に関して、切換スイッチ回路Ａ２，Ｂ１がオンである場合の電流の向きは、切換スイッチ回路Ａ３，Ｂ１がオンである場合の電流の向きと同じである。更に、切換スイッチ回路Ａ３，Ｂ２がオンである場合の電流の向きは、切換スイッチ回路Ａ３，Ｂ１がオンである場合の電流の向きと同じである。従って、切換スイッチ回路Ａ３，Ｂ１又は切換スイッチ回路Ａ３，Ｂ１がオンである場合、２次巻線５２，６２から分路巻線４０に出力さされる交流電圧の実効値は上昇する。

２次巻線５２，６２それぞれが上昇させる実効値の幅は、Ｙ／ｋで表される。例えば、実効値Ｙが４２０［Ｖ］であり、かつ、巻数比ｋが５６である場合、１次巻線５１，６１それぞれが上昇させる実効値の幅は７．５［Ｖ］である。実効値Ｙは、切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の中でオンである切換スイッチ回路を変更することによって変更される。

次に、切換器７が出力する交流電圧の実効値について説明する。図６は切換器７の出力電圧の実効値の説明図である。図６では、分路巻線４０の両端に印加される電圧を入力電圧と記載している。Ｘは入力電圧の実効値を示す。切換器７が１次巻線５１，６１それぞれの両端に印加する交流電圧を出力電圧と記載している。前述したように、出力電圧の実効値はＹで表される。また、２次巻線５２，６２それぞれが上昇又は低下させる実効値の幅はＹ／ｋで表される。

前述したように、分路巻線４０に関して、第１出力線Ｈ１の接続点から中性線Ｑの接続点までの巻数は、第２出力線Ｈ２の接続点から中性線Ｑの接続点までの巻数と同じである。従って、第１出力線Ｈ１及び中性線Ｑを介して第１負荷３１に出力する交流電圧の実効値はＸ／２［Ｖ］である。第２出力線Ｈ２及び中性線Ｑを介して第２負荷３２に出力する交流電圧の実効値もＸ／２［Ｖ］である。

第１直列巻線４１及び第２直列巻線４２それぞれは、入力電圧の実効値Ｘを上昇させる。第１直列巻線４１及び第２直列巻線４２それぞれの巻数は、（分路巻線４０の巻数）／２で表される。従って、第１直列巻線４１及び第２直列巻線４２それぞれが上昇させる実効値の上昇幅はＸ／２［Ｖ］である。従って、単巻線の両端から出力される交流電圧の実効値は２・Ｘである。「・」は積を表す。

分路巻線４０、第１直列巻線４１及び第２直列巻線４２を含む単巻線に関して、第１タップＴ１から第３タップＴ３までの巻数は（単巻線の巻数）／３で表される。単巻線に関して、第２タップＴ２から第３タップＴ３までの巻数は（単巻線の巻数）・２／３で表される。

従って、切換スイッチ回路Ａ１，Ｂ３又は切換スイッチ回路Ａ３，Ｂ１がオンである場合、出力電圧の実効値Ｙは２・Ｘ［Ｖ］である。切換スイッチ回路Ａ２，Ｂ３又は切換スイッチ回路Ａ３，Ｂ２がオンである場合、出力電圧の実効値Ｙは４・Ｘ／３［Ｖ］である。切換スイッチ回路Ａ１，Ｂ２又は切換スイッチ回路Ａ２，Ｂ１がオンである場合、出力電圧の実効値Ｙは２・Ｘ／３［Ｖ］である。

図７は、第１直列変圧器５及び第２直列変圧器６の電圧調整量の例を示す図表である。電圧調整量は、２次巻線５２，６２それぞれが上昇又は低下させる実効値の幅を示す。電圧調整量が正である場合、２次巻線５２，６２それぞれは、分路巻線４０の両端に印加される交流電圧の実効値を上昇させる。電圧調整量が負である場合、２次巻線５２，６２それぞれは、分路巻線４０の両端に印加される交流電圧の実効値を低下させる。

切換スイッチ回路Ａ１，Ｂ３、切換スイッチ回路Ａ２，Ｂ３又は切換スイッチ回路Ａ１，Ｂ２がオンである場合、２次巻線５２，６２それぞれは、分路巻線４０の両端に印加される交流電圧の実効値を低下させる。切換スイッチ回路Ａ２，Ｂ１、切換スイッチ回路Ａ３，Ｂ２又は切換スイッチ回路Ａ３，Ｂ１がオンである場合、２次巻線５２，６２それぞれは、分路巻線４０の両端に印加される交流電圧の実効値を上昇させる。

切換スイッチ回路Ａ１，Ｂ１、切換スイッチ回路Ａ２，Ｂ２又は切換スイッチ回路Ａ３，Ｂ３がオンである場合、出力電圧の実効値Ｙは０［Ｖ］である。２次巻線５２，６２それぞれは、交流電源２が出力した交流電圧の実効値を変更することはない。図７では、オン状態の切換スイッチ回路として、切換スイッチ回路Ａ２，Ｂ２、及び、切換スイッチ回路Ａ３，Ｂ３の記載を省略している。

図７には、入力電圧の実効値Ｘが２１０［Ｖ］であり、かつ、巻数比ｋが５６である場合の電圧調整量が示されている。切換スイッチ回路Ａ１，Ｂ３又は切換スイッチ回路Ａ３，Ｂ１がオンである場合、出力電圧の実効値Ｙは４２０［Ｖ］である。このとき、２次巻線５２，６２それぞれについて、分路巻線４０の両端に印加される交流電圧の実効値の電圧調整量の絶対値は７．５［Ｖ］である。全体の電圧調整量の絶対値は１５［Ｖ］である。

切換スイッチ回路Ａ２，Ｂ３又は切換スイッチ回路Ａ３，Ｂ２がオンである場合、出力電圧の実効値Ｙは２８０［Ｖ］である。このとき、２次巻線５２，６２それぞれについて、分路巻線４０の両端に印加される交流電圧の実効値の電圧調整量の絶対値は５［Ｖ］である。全体の電圧調整量の絶対値は１０［Ｖ］である。切換スイッチ回路Ａ１，Ｂ２又は切換スイッチ回路Ａ３，Ｂ２がオンである場合、出力電圧の実効値Ｙは１４０［Ｖ］である。このとき、２次巻線５２，６２それぞれについて、分路巻線４０の両端に印加される交流電圧の実効値の電圧調整量の絶対値は２．５［Ｖ］である。全体の電圧調整量の絶対値は５［Ｖ］である。

以上のことから、入力電圧の実効値Ｘが２１０［Ｖ］である場合、２次巻線５２，６２全体は５［Ｖ］間隔で交流電圧の実効値を調整することができる。巻数比ｋが６４である場合において、入力電圧の実効値Ｘが２４０［Ｖ］であるときも、２次巻線５２，６２全体は５［Ｖ］間隔で交流電圧の実効値を調整することができる。巻数比ｋが８０である場合において、入力電圧の実効値Ｘが３００［Ｖ］であるときも、２次巻線５２，６２全体は５［Ｖ］間隔で交流電圧の実効値を調整することができる。

切換器７の制御部７０には、計測変圧器８の２次巻線８２の両端から交流電圧が入力される。制御部７０は、計測変圧器８の２次巻線８２の両端から入力された交流電圧の実効値に基づいて、分路巻線４０の両端から出力されている交流電圧の実効値を算出する。制御部７０は、算出した実効値に基づいて、６つの切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の中から、オンである切換スイッチ回路を変更する。

制御部７０は、オンである切換スイッチ回路を変更することによって、分路巻線４０の両端に印加されている交流電圧の実効値の上昇及び低下を行うことができる。制御部７０は、オンである切換スイッチ回路を変更することによって、実効値の上昇幅及び低下幅を調整することができる。制御部７０は、分路巻線４０の両端から出力されている交流電圧の実効値が目標値となるように、６つの切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の中から、オンである切換スイッチ回路を変更する。

電圧出力装置１では、分路巻線４０、第１直列巻線４１及び第２直列巻線４２を含む単巻線の両端及び中途に配置された第１タップＴ１、第２タップＴ２及び第３タップＴ３中の２つから、交流電圧が切換器７を介して１次巻線５１，６１それぞれの両端に印加される。このため、実効値が大きい交流電圧が、単巻線から切換器７を介して１次巻線５１，６１それぞれの両端に印加される。交流電圧が伝播する導線の抵抗値は一定であるため、交流電圧の実効値が大きい場合、交流電流の実効値は小さい。従って、切換器７を介して流れる交流電流の実効値は小さい。この場合、切換器を耐電流性能が低い小型の部品によって構成することができる。交流電流に関して、実効値は（振幅値）／√２で表される。単巻線の巻数が多い程、単巻線が出力する交流電圧の実効値は大きいので、切換器７を介して流れる交流電圧の実効値は小さい。

また、第１直列変圧器５の１次巻線５１及び２次巻線５２の巻数比は、第２直列変圧器６の１次巻線６１及び２次巻線６２の巻数比と同じであるため、第１直列変圧器５の２次巻線５２が上昇又は低下させる実効値の幅は、第２直列変圧器６の２次巻線６２が上昇又は低下させる実効値の幅と同じである。

なお、第１直列巻線４１及び第２直列巻線４２それぞれの巻数は（分路巻線４０の巻数）／２に限定されない。また、第１直列巻線４１の巻数は第２直列巻線４２の巻数と異なっていてもよい。この場合であっても、単巻線の両端から出力される交流電圧の実効値は、分路巻線４０の両端から出力される交流電圧の実効値よりも大きい。このため、切換器７を介して流れる交流電流の実効値は小さい。

また、第３タップＴ３の位置は、第１タップＴ１から第３タップＴ３までの巻数が（単巻線の巻数）／３で表される位置に限定されない。ただし、第３タップＴ３の位置は、第１タップＴ１から第３タップＴ３までの巻数が（単巻線の巻数）／２で表される位置とは異なっていることが好ましい。第１タップＴ１から第３タップＴ３までの巻数が（単巻線の巻数）／２で表される位置に第３タップＴ３が配置されている場合、切換器７が出力することができる出力電圧の実効値の数が少ない。

切換器７では、制御部７０は、分路巻線４０の両端から出力される交流電圧の実効値ではなく、交流電源２が出力した交流電圧の実効値に応じて、６つの切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の中でオンである切換スイッチ回路を変更してもよい。この場合、計測変圧器８の１次巻線８１の一端及び他端それぞれは、交流電源２の一端及び他端に接続される。また、交流電圧の実効値を検出する構成は、変圧器を用いた構成に限定されない。

単巻線の中途に接続されるタップの数は、１に限定されず、２以上であってもよい。単巻線の中途に接続されるタップの数が増えた場合、切換器７が有する切換スイッチ回路の数も増える。また、切換スイッチ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３及び接続スイッチ回路Ｅ，Ｆそれぞれは、一又は複数のメカリレーによって構成されもよい。

開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１電圧出力装置、２交流電源、４単巻変圧器、５第１直列変圧器、６第２直列変圧器、７切換器、８計測変圧器、３１第１負荷、３２第２負荷、４０分路巻線、４１第１直列巻線、４２第２直列巻線、５１，６１，８１１次巻線、５２，６２，８２２次巻線、７０制御部、７１駆動部、９１第１サイリスタ、９２第２サイリスタ、Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３切換スイッチ回路、Ｅ，Ｆ接続スイッチ回路、Ｇ１第１接続線、Ｇ２第２接続線、Ｈ１第１出力線、Ｈ２第２出力線、Ｑ中性線、Ｒ抵抗、Ｔ１第１タップ、Ｔ２第２タップ、Ｔ３第３タップ

Claims

分路巻線の一端及び他端それぞれから第１直列巻線及び第２直列巻線が延びている単巻変圧器と、
１次巻線と、前記分路巻線の一端に接続される第１接続線の中途に配置される２次巻線とを有する第１直列変圧器と、
１次巻線と、前記分路巻線の他端に接続される第２接続線の中途に配置される２次巻線とを有する第２直列変圧器と、
前記分路巻線、第１直列巻線及び第２直列巻線を含む単巻線の両端及び中途に接続されている複数のタップと、
前記第１直列変圧器及び第２直列変圧器それぞれの１次巻線の一端を、前記複数のタップ中の１つに接続し、前記第１直列変圧器及び第２直列変圧器それぞれの１次巻線の他端を前記複数のタップ中の１つに接続し、前記第１直列変圧器及び第２直列変圧器それぞれの１次巻線の一端又は両端の接続先を切換える切換器と
を備え、
前記第１直列変圧器及び第２直列変圧器が有する２つの２次巻線を介して、交流電圧が前記分路巻線の両端に印加され、
前記分路巻線の両端から交流電圧が出力される
電圧出力装置。
前記第１直列変圧器の１次巻線及び２次巻線の巻数比は、前記第２直列変圧器の１次巻線及び２次巻線の巻数比と同じである
請求項１に記載の電圧出力装置。
前記分路巻線の中途に中性線が接続されており、
前記分路巻線の一端から前記中性線の接続点までの前記分路巻線の巻数は、前記分路巻線の他端から前記中性線の接続点までの前記分路巻線の巻数と同じである
請求項２に記載の電圧出力装置。
前記切換器は、オン又はオフに切換わる複数の切換スイッチ回路を有し、
前記複数の切換スイッチ回路それぞれは、２つのサイリスタ又はトライアックを有する
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電圧出力装置。
前記複数のタップには、前記単巻線の一端及び他端それぞれに接続されている第１タップ及び第２タップと、前記単巻線の中途に接続されている第３タップとが含まれ、
前記単巻線に関して、前記第１タップから前記第３タップまでの巻数は、前記第２タップから前記第３タップまでの巻数の半分である
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電圧出力装置。