JPH01114914A - 磁気制御形電力調整器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の対象〕 本発明は電力調整器に関し、とくに、抵抗負荷や誘導負
荷に供給される電力を調整する磁気制御形電力調整器に
関する。

〔従来技術〕

従来の電力調整器は入力電圧を位相制御により変えて電
圧を制御することが一般的である。これら電力調整器で
は、サイリスタにより負荷に供給される交流電圧を直接
位相制御するため、負荷電流が多くの高調波成分を含み
、この高調波電流が電力調整器の電力用コンデンサとリ
ニア・リアクトルに流入して、これら素子に異常音、振
動の発生および過熱、損傷等の障害をひき起こしていた
。しかも、高調波電流によって受電電源の波形に歪みが
発生して、コンピュータ等の情報機器やその他の制御装
置に多大の障害を与えていた。サイリスタは毎サイクル
において電圧に同期して点弧されているがサイリスタの
点弧のための同期信号は電源電圧からとっているので、
同期信号はこの波形歪みのために変動してしまうことが
あった。

このため負荷の状態によっては制御が不安定になったり
、場合によっては制御不能となってしまい、安全性なら
びに信頼性において問題があった。

これを解決することを目的として、高調波フィルターを
設けることが提案されているが、この装置では多数の大
容量のコンデンサ、リアクトル、ならびに抵抗を必要と
し、装置全体が大形化するとともに製造コストが極めて
高くついていた。つぎに負荷が誘導コイル等の誘導負荷
である場合、始動時には定格電流の６倍以上の大きい始
動電流が流れるために、電力用半導体素子の容量を誘導
負荷の定格容量の２〜４倍に相当するものを選択しなけ
ればならず、このため、半導体素子が高価となり、しか
もそのための制御回路も必然的に大形複雑化し、応答性
も悪かった。

さらに半導体素子としてサイリスタを用いた制御装置で
は主回路部分に大きな内部発生損失が生じて、主回路部
分の電力消費が大きくなるという欠点があった。とくに
、主回路部分には転流リアクトル、転流コンデンサで構
成される強制転流回路を必要とし、転流回路内で転流の
たびに移動するエネルギーに伴う損失が発生していた。

さらにこのほか、主回路スナバ回路における損失（抵抗
、ダイオード等）、平滑リアクトル、交流リアクトル等
の損失（鉄損、銅損等）、コンデンサ内部損失の発生等
による電力消費が大きかった。

〔発明の目的〕

そこで１本発明の目的は小形軽量にして安価な磁気制御
形電力調整器を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は正弦波交流波形への歪みを発生させ
ることのない磁気制御形電力調整器を提供することを目
的とする。

本発明の他の目的は過負荷耐量が大きく、安定性や信頼
性が高く、しがも保守点検が不要な磁気制御形電力調整
器を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

本発明の磁気制御形電力調整器は交流電源に接続される
１次巻線と負荷に接続される２次巻線と、前記２次巻線
と鎖交する磁束を可変制御して前記２次巻線の出力電圧
を可変する制御巻線を備えた磁気制御形電圧調整器と、
前記制御巻線に直流励磁電流を供給する直流励磁電源と
、前記制御巻線と前記直流励磁電源との間に接続され、
前記制御巻線に供給される前記直流励磁電流を制御する
半導体スイッチと、予じめ定められた電力を設定するた
めの電力設定信号を発生する電力設定器と、前記電力設
定信号に応答して、前記半導体スイッチの通流率を制御
して前記出力電圧を所定値に設定する制御回路とを備え
たことを特徴とする。

〔実施例〕

本発明の磁気制御形電力調整器の単相用の実施例につき
第１図を参照しながら説明する。

第１図において、本発明の磁気制御形電力調整器１０は
交流電源１２に接続される入力端１４．１６と、負荷１
８に接続される出力端２０．２２と、負荷１８に供給さ
れる出力電圧を調整する制御巻線２６を備えた磁気制御
形電圧調整器２４と、制御巻線２６に直流励磁電流を供
給する直流励磁［１１１Ｘ２８と、制御巻線２６と直流
励磁電源２８との間に接続され、制御巻線２６に供給さ
れる直流励磁電流を可変する半導体スイッチ回路３ｏと
。

半導体スイッチ回路３０の通流率を制御して負荷１８の
電力を制御する制御回路３４とを備える。

第１〜５図において、磁気制御形電圧調整器２４は主磁
束ループ路を構成する第１可飽和鉄心４２と、主磁束ル
ープ路の一部をバイパスさせるための磁気分路鉄心４４
とを有し、第１可飽和鉄心４２は巻鉄心からなる。

第１可飽和鉄心４２は１次巻線４８と、２次巻線５ｏを
備える。

第２〜３１１１！１において、第１可飽和鉄心４２は主
磁束ループ略を構成するセンター・レッグ５４とアウタ
ー・レッグ５６，５８を備える。センター・レッグ５４
は磁気分路鉄心４４により区分された第１コア部５４ａ
と第２コア部５４ｂを備える。さらに、センター・レッ
グ５４はアウター・レッグ５６，５８の外側に延びる延
長部、すなわち、第３コア部５４ｃを備える。センター
・レッグ５４は第１可飽和鉄心４２の上に配置されて、
固定具６０．６２で互いに固定されて一体化される。第
２．３．５［より明らかなように、磁気分路鉄心４４は
多枚数のケイ素鋼板を積層した断面Ｃ形状の鉄心からな
る。磁気分路鉄心４４の溝４４ａはセンター・レッグ５
４と磁気的に結合するように配置しである。磁気分路鉄
心４４の端部４４ｂ。

４４ｃは１次巻線４８と２次巻線５０との間で一定のエ
アギャップに相当する所要の厚みの間装物６４，６６を
挾んで第１可飽和鉄心４２のアウター・レッグ５６，５
８上に配置され、固定具６８．７０によってアウター・
レッグ５６，５８に固定されて、各鉄心は一体化される
。磁気分路鉄心６４は主磁束ループ路の磁束の一部を高
リラクタンスをなすギャップ（間装物６４，６６により
形成される）を介してアウター・レッグ５６，５８に分
路させて出力電圧を調整するとともに、高調波を減衰さ
せ、出力電圧の波形歪みを少なくするように機能する。

第２可飽和鉄心５２は磁気分路鉄心５４の下側において
、すなわち、１次巻線４８と２次巻線５ｏとの間でセン
ター・レッグ５４の第２コア部５４ｂの上部と第３コア
部５４ｃの下端部の上に配置されて、固定具７２．７４
によって各鉄心は一体化されて磁気的に結合さ九る。こ
のように、第２可飽和鉄心５２は第１可飽和鉄心４２の
下半部とオーバーラツプするように配置され、第１可飽
和鉄心の一部の磁気飽和状態を変化させて２次巻線５ｏ
に作用する１次巻線４８の磁束量を制御するとともに、
１次巻線４８の磁束を磁気分路鉄心４４にシフトさせる
ように機能する。１次巻＠４８および２次巻線５ｏなら
びに制御巻！Ｉ２６はそれぞ九センター・レッグ５４の
第１〜第３コア部５４ａ。

５４ｂ、５４ｃ上に巻かれて、はぼ同一平面内に配置さ
れる。さらに、各巻線の上面と下面は第２可飽和鉄心５
２の上面と第１可飽和鉄心４２の下面とにそれぞれ整列
するように配置される。センター・レッグ５４の第３コ
ア部５４ｃは第１可飽和鉄心４２の外側に延びていて、
ｍ御巻線２Ｇはセンター・レッグ５４の下端部５４ｃ上
に巻がれでいる。第２可飽和鉄心５２は２次巻線５０と
制御巻線２６を囲んでいる。第２，３図において、第２
可飽和鉄心５２の上部と下部はそれぞれ固定具７２．７
４によりセンター・レッグ５４とともに補助磁束ループ
路を構成し、制御巻線２６に直流励磁電流が供給された
ときに制御巻線２６の磁束の通路として機能する。

すなわち−ｍ御巻線２６の磁束はセンター・レッグ５４
の第２コア部５４ｂを部分的に磁気飽和させ、もって１
次巻線４８の磁束を主磁束ループから磁気分路鉄心４４
を介してアウター・レッグ５６，５８にシフトさせる。

第１，２図において、制御巻線２６に直流励磁電流が供
給されないときは、１次巻線４８により生じた磁束がセ
ンター・レッグ５４からアウター・レッグ５６，５８を
通過して、センター・レッグ５４に循還する。このとき
、１次巻線４８の生ずる磁束は２次巻線と鎖交して、２
次巻線５０に最大の出力電圧が生ずる。

つぎに、制御巻線２６に直流励磁電流が供給されると、
第２可飽和鉄心５２はセンター・レッグ５４の第２．第
３コア部５４ｂ、５４ｃとともに磁気飽和されるため、
１次巻線４８の生ずる磁束は磁気分路鉄心４４にシフト
される。このとき、磁束は第１コア部５４ａ、アウター
・レッグ５６゜５８および磁気分路鉄心４４を介して循
還し、２次巻線５０と鎖交しないため、２次巻線の出力
電圧は最小となる。制御巻線２６に供給される直流励磁
電流を徐々に少なくすると、それに応じて２次巻線の出
力端出力電圧は徐々に上昇する。このように、センター
・レッグ５４の第２、第３コア部５４ｂ、５４ｏの磁気
飽和状態を可変制御することにより、１次巻線４８と２
次巻線５０の磁気結合状態を変化させて磁気分路鉄心４
４にシフトされる１次巻線４８の磁束を制御し、出力端
の出力電圧を可変制御できる。

第１図にもどって、直流励磁電ＷＸ２８は磁気制御形電
圧調整器２４の１次側に接続された変圧ｍ８０と、変圧
器８０の出力側に接続されて交流電流を直流出力電流に
変換する整流器８２を備え、この直流出力電流はコンデ
ンサ８４によって平滑され、制御巻線２６の直流励磁電
流工として用いられる。

半導体スイッチ回路３０は半導体スイッチ８８とドライ
ブ・トランジスタ８９とを備え、この半導体スイッチ８
８は整流器８２の直流出力端子間に直流励磁電流Ｉを制
御するために接続される。半導体スイッチ８８としては
トランジスタやサイリスタを使用することができる。

第１図において、半導体スイッチ８８はインバーテツド
ダーリントン回路を形成する第１と第２の制御用トラン
ジスタ８８ａ、８８ｂを備える。

ここで、インバーテツドダーリントン回路とは、ＰＮＰ
型トランジスタとＮＰＮ型トランジスタを相補的に接続
した回路を云う、すなわち、第１の制御用トランジスタ
８８ａのベース電流を制御するために第２の制御用トラ
ンジスタ８８ｂがインバーテツドダーリントン接続され
、インバーテツドダーリントン回路を形成している。ド
ライブ・トランジスタ８９のコレクタは抵抗Ｒ１，Ｒ２
を介して第１トランジスタ８８ａのコレクタ側に接続さ
れる。第２トランジスタ８８ｂのベースは抵抗Ｒ１，Ｒ
２の接合点に接続される。トランジスタ８９のエミッタ
は抵抗Ｒ３を介して零電位に接続され、トランジスタ８
９のベースは制御回路３４により駆動される。直流励磁
電流工を供給される制御巻線２６には電流吸収回路９０
が並列接続されている。電流吸収回路９０としてはコン
デンサが用いられる。この電流吸収回路９０は半導体ス
イッチ８８がオフ時に整流器８２の直流出力電流と直流
励磁電流との飛電流分を吸収する作用をする。電流吸収
回路８８と並列に電圧制限素子９２が接続される。この
電圧制御素子９２は励磁電圧が電圧制限素子９２により
制限される電圧に達すると導通し、半導体スイッチ８８
と電流吸収回路９０に過電圧が加わらないようにするた
めに設けられる。電圧制限素子９２として定電圧ダイオ
ードを用いた場合の実施例が第１１ｊｌに示されている
。第１図において、電流吸収回路９０としてのコンデン
サと半導体スイッチ８８との間に逆流防止用ダイオード
９４が挿入されている。ダイオード９４は半導体スイッ
チ８８のオン時にコンデンサ９０からの放電電流がこの
半導体スイッチ８８を介して流れるのを阻止する。これ
により半導体スイッチ８８として用いら九る例えば図示
の如きトランジスタなどの素子の破壊の危険性を防止す
る。

第６図において、制御回路３４は負荷１８への投入電力
の設定値を久方するための電力設定１１１００と負？Ｊ
１８に供給される実際の電力を検出する電力検出器１０
２とを備える。電力検出１１１０２は、図示されていな
いが、公知の変圧器と変流量からの電圧信号と電流信号
がら電力信号を発生する回路を備える。電力設定信号は
抵抗Ｒ４を介して比較器１０４のプラス入力端に供給さ
れ、一方、電力検出信号はレベル調整用の可変抵抗Ｒ５
および抵抗Ｒ６を介して比較器１０４のマイナス入力端
に供給される。比岐器１０４は電力の設定値と検出電力
との偏差に対応した比較信号Ｃ１゜Ｃ１’　を抵抗Ｒ７
を介して後段の比較器１０５のプラス入力端に供給する
。

比較器１０５のマイナス入力端には三角波発生器１０６
の三角波信号Ｓ１が供給される。第７図に示すように、
比較信号Ｃ１，ａｔ’　と三角波信号Ｓ１は比較器１０
５で比較されて、その偏差値に比例したパルス幅の出力
信号が出力端子１０８に出力される。

つぎに、第１図の磁気制御形電力調ａ器の作用を第７図
の電圧電流波形図を参照しながら説明する。

整流器８２の直流出力電流工はいかなる場合でも制御巻
線２６の励磁電流工′の所要値よりル大きくなるように
回路定数が選ばれる。半導体スイッチ８８がオンのとき
には整流器８２の直流出力電流工はこの半導体スイッチ
８８によって分路され、励磁電流工′は減少してゆく、
つぎに、半導体スイッチ８８がオフすると、ｌｌ流器出
力電電流は増加してゆきながら制御巻線２６に流入する
。制御巻線２６のインダクタンスのために励磁電流工′
は徐々にしか増大できないため、差電流分Ｉ−Ｉ’は電
流吸収コンデンサ９０に流入する。このようにして、励
磁電流工′は半導体スイッチ８８のペース信号によって
目捧値に保たれるように瞬時値制御される。

ある瞬時での半導体スイッチ８８の通流率αはオン時間
をＴｏｎ、周期をＴとすると、 Ｔｏｎ α＝　　□ と表わすことができ、励磁電流工′の平均値Ｉ’　ａｖ
は、整流器出力Ｉの平均値１ａｖとすると Ｉ’　ａｖ＝ａ′１１ａｖ なる関係にある。すなわち、平均値としてみると、整流
鼎出カ電流工のうち励磁にはαＩａｖだけ流れ、半導体
スイチ８Ｂには残りの（１−α）Ｉａｖが分流している
ことが分かる。このように半導体スイッチ８Ｂは制御回
路３４の出力端子１０８に現われる出力信号に応答する
ドライブ・トランジスタ８９によりオン・オフされて、
制御巻ｓ２６に供給される直流励磁電流Ｉ′を制御する
。このとき、第７図の波形Ｐ１′の如く出力端子１０８
の出力信号のパルス幅が狭くなると半導体スイッチ８８
の通流率が小さくなって励磁電流の分流率が小さくなる
。したがって、制御巻線２６に供給される制御電流Ｉ′
が多くなって、磁気制御形電圧調整器２４のセンター・
レッグ５４の第２コア部の磁気飽和度が高くなる。この
とき、第２図において２次巻線５０と鎖交する１次巻線
４８の磁束量が少なくなって、電圧調整器２４の出力電
圧が降下して負荷１８への供給電力が低下する。つぎに
出力端子１０８の出力信号のパルス巾が第７図の波形Ｐ
１のように大きくなると半導体スイッチ８８の通流率が
大きくなって励磁電流工′が減少してセンター・レッグ
５４ｂの磁気飽和度が小さくなる。このとき、２次巻線
５０と鎖交する１次巻線４８の磁束量が増加して電圧調
整器２４の出力電圧が上昇して負荷１８への供給電力が
増加する。このように、制御回路３４は出力端子１０８
の出力信号を介して半導体スイッチ８８の通流率を制御
することにより励磁電流Ｉ゛を制御し、もって、電圧調
整器２４から負荷１Ｂに供給される出力電圧を可変して
負荷１８の電力を制御する。このとき、負荷１８への供
給電力は電力検出器１０２で検出されて、電力検出信号
と電力設定信号とが比較器１０４で比較され、偏差値が
ある間は抵抗Ｒ７を介してｃｉ、ａｔ’が後段の比較器
１０５に供給されて比較器１０５から出力信号ＰＬ、Ｐ
Ｌ’から出力端子１０８に出力される。

したがって、負荷１８への供給電力は電力設定塁１００
で設定したレベルに常に維持される。

〔発明の効果〕

以上より明らかなように１本発明による磁気制御形電力
調ａ１１ａはつぎのような効果をもたらす。

（１）本発明の磁気制御形電力調整器は過負荷耐量が大
きい。

（２）電力調整が磁気制御形電圧調整鼎で得られるため
、低電圧で小電力の励磁電流で出力電圧の制御が可能と
なり、制御回路の構成が非常に簡単となり、大幅な低価
格化と小形化が図れる。

（３）低電圧、小容量の半導体スイッチで電圧調整器の
制御巻線の励磁電流を制御するため、安全で信頼性が高
く、シかも、極めて安価な電子部品で安定化した大容量
の電力調整が得られるため、実用上の効果が大きい。

（４）本発明の電力調整器では交流電圧の位相制御方式
をとらないため、電圧波形に歪みを発生させたり、ノイ
ズを発生させないため、コンピュータや計ｇ４ｆｌｌ制
御装置にＦａ害を与えない。

（５）本発明の電力調整器では大きな負荷容量に対して
小電力の制御同略の採用を可能として、エネルギー損失
を最小としたため、電力調整器の大第１図は本発明の磁
気制御形電力調整器の望ましい実施例の結線図、第２図
は第１図の磁気制御形電圧調整鼎の１例を示す平面図、
第３図は第２図の電圧調整器の側面図、第４図は第２図
の電圧調整器の底面図、第５図は第２図のＶ−Ｖ線の断
面図、第６図は第１図の制御回路の具体例、第７図は第
１図の各種信号の電圧電流波形図をそれぞれ示す。

２４・・・・・・・・・電圧調整器 ２８・・・・・・・・・直流励磁電源 ３０・・・・・・・・・半導体スイッチ回路３４・・・
・・・・・・制御回路 １００・・・・・・・・・電力設定器 １０２・・・・・・・・・電力検出器 特許出願人　株式会社　ハイテク研究所尾４凹 ：ｇ７５図 第乙凹

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）交流電源に接続される１次巻線と負荷に接続
   される２次巻線と、前記２次巻線と鎖交する磁束を可変
   制御して前記２次巻線の出力電圧を可変する制御巻線を
   備えた磁気制御形電圧調整器と、 （ｂ）前記制御巻線に直流励磁電流を供給する直流励磁
   電源と、 （ｃ）前記制御巻線と前記直流励磁電源との間に接続さ
   れ、前記制御巻線に供給される前記直流励磁電流を制御
   する半導体スイッチと、 （ｄ）予じめ定められた電力を設定するための電力設定
   信号を発生する電力設定器と、 （ｅ）前記電力設定信号に応答して、前記半導体スイッ
   チの通流率を制御して前記出力電圧を所定値に設定する
   制御回路と、を備えた磁気制御形電力調整器。 ２、前記半導体スイッチが前記直流励磁電源の前記整流
   器の直流出力端子間に接続されて、前記直流励磁電流の
   一部を前記半導体スイッチに分流させたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の磁気制御形電力調整器。 ３、前記半導体スイッチに並列に電流吸収回路が接続さ
   れたことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の磁気
   制御形電力調整器。 ４、前記半導体スイッチに並列に電圧制限素子が接続さ
   れたことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の磁気
   制御形電力調整器。 ５、前記制御回路が前記電力設定信号に応答したパルス
   巾の出力信号を発生する出力信号発生回路を備えたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の
   磁気制御形電力調整器。 ６、前記磁気制御回路が前記負荷への供給電力を検出し
   て検出電力信号を発生するための電力検出器と、前記電
   力設定信号と前記検出電力信号との偏差に比例したパル
   ス幅の出力信号を発生する出力信号発生回路を備えたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載
   の磁気制御形電力調整器。 ７、前記磁気制御形電圧調整器が主磁束ループ路とこの
   ループ路の一部をバイパスさせるためのエアギャップを
   備えた少くとも１つの磁気分路鉄心と、この磁気分路鉄
   心により区分された第１および第２コア部とを備えた鉄
   心と、前記第１コア部に巻装された前記１次巻線と、前
   記第２コア部に巻装された前記２次巻線とを備え、前記
   制御巻線が、前記第２コア部の少くとも一部の磁気飽和
   状態を変えて、前記１次巻線により生成された前記磁束
   を前記主磁束ループ路から前記磁気分路鉄心に分路させ
   ることにより前記２次巻線と鎖交する前記磁束を制御し
   て前記出力電圧を調整することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項または第２項記載の磁気制御形電力調整器。 ８、前記鉄心がセンター・レッグとアウター・レッグを
   有する第１巻鉄心と、前記センター・レッグに磁気結合
   された第２巻鉄心とを備え、前記センター・レッグが前
   記第１巻鉄心の外方に延びる第３コア部を備え、前記制
   御巻線が前記第３コア部に巻装されたことを特徴とする
   特許請求の範囲第７項記載の磁気制御形電力調整器。 ９、前記第１巻鉄心と前記センター・レッグとを固定す
   る第１の固定具と、前記第２巻鉄心と前記センター・レ
   ッグとを固定する第２の固定具とをさらに備えたことを
   特徴とする特許請求の範囲第８項記載の磁気制御形電力
   調整器。 １０、前記センター・レッグの一方の側に前記第１巻鉄
   心が配置され、前記センター・レッグの他方側に前記第
   ２巻鉄心が配置されたことを特徴とする特許請求の範囲
   第８項記載の磁気制御形電力調整器。 １１、前記１次巻線と、前記２次巻線と、前記制御巻線
   とがほぼ同一平面内に配置されたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１０項記載の磁気制御形電力調整器。 １２、前記センター・レッグの前記第２、第３コア部と
   前記第２巻鉄心が補助磁束ループ路を形成し、前記補助
   磁束ループ路が前記制御巻線により磁気飽和されること
   を特徴とする特許請求の範囲第８項記載の磁気制御形電
   力調整器。 １３、前記第１次巻線と、前記２次巻線と、前記制御巻
   線とが前記センター・レッグと前記第１および第２巻鉄
   心との厚み内にほぼ配置されたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１２項記載の磁気制御形電力調整器。