JPH01206419A - 自動力率制御装置 - 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〕 本発明は力率＋ｔｉｌ＋御装置に関し、とくに、交流イ
ンダクタンモータ等の誘導負荷用自動力率制御装置に関
する。

〔従来技術〕

従来、交流インダクタンモータ、その他の誘導負荷の省
エネルギーを目的として、米国特許第４，０５２，６４
８号および同４，３３７，６４０号において、インダク
タンモータの入力電圧を位相制御により変えて力率を改
善することが提案されている。

これら力率制御装置では、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
くの電磁波ノイズや高調波成分を含み、コンピュータ等
の情報機器や、通信機器その他の制御装置に多大な障害
を与えていた。さらに、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
（Ｒ号は市源電へ゛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をってしま
い、省エネルギー効果が不充分とをったり、あるいは力
率制御装置自体の安全性ならびに信頼性において問題が
あった８これを解決することを目的として、米国特許第
４，６０２，２００号には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Ｉ−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。つぎに電力用半導体素子は過負荷耐量が小さ
いために、誘導負荷の始動時のラッシュカレントにより
、しばしば破壊し、その都度負荷装置が停止して頻繁な
保守点検が必要であった。したがって、これを防ぐため
には大容量の電力用半導体素子と大きな制御電力とを必
要とし、不経済であり、電気的損失が大きいばかりでな
く、人形の放熱フィンが必要とをり、装置全体の小形化
、低コスト化できない欠点があった。

〔発明の目的〕

そこで１本発明の目的は電磁波ノイズや高調波成分の発
生が著しく少なく、しかも、省エネルギー効果の高い誘
導負荷用自動力率制御装置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て、安定性や信
頼性が高く、保守点検が不要な誘導負荷用自動力率制御
装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は熱損失が少なく、大形の放熱フィン
を不必要とし、しかも小さな制御電力で大容量負荷の力
率制御が可能な誘導負荷用自動力率制御装置を提供する
ことを目的とする。

本発明の他の目的は著しく小形軽量化され、従来の数分
の１の低コストで製造可能な自動力率制御装置を提供す
ることを目的とする。

〔発明の構成〕

本発明の第１実施例の自動力率制御装置は交流電源と誘
導負荷との間に接続される交流巻線を有するインダクタ
ンスと、前記インダクタンスの両端に接続されてバイア
ス電流を流す短絡回路と、前Ｖ！短絡回路に挿入され、
前記バイアス電流を可変する可変バイアス′ＦＩｉ源と
、前記誘導負荷の力率に比例した出力信号を出す力率検
出回路と、前記出力信号に応答したパルス幅の駆動信号
を発生する駆動信号発生器とを有する制御回路と、を備
え、前記可変バイアス電源が前記駆動信号に応答して前
記バイアス電流を可変し、前記インダクタンスのインピ
ーダンスを前記力率に応じて制御することを特徴とする
。

本発明の第２実施例の自動力率制御装置は交流電源と誘
導負荷との間に直列接続される１次巻線と前記誘導負荷
に並列接続される２次巻線とを備えた変圧器からなるイ
ンダクタンスと、前記２次巻線の一端に接続され、前記
２次巻線に可変バイアス電流を供給する可変バイアスｆ
ｆ１ｇと、前記誘導負荷の力率に比例した出力信号を出
す力率検出回路と、前記出力信号に応答したパルス幅の
駆動信号を発生する駆動信号発生器とを有する制御回路
と、を備え、前記可変バイアス電源が前記駆動信号に応
答して前記バイアス電流を可変し、前記インダクタンス
のインピーダンスを前記力率に応じて制御することを特
徴とする。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図において９本発明の望ましい実施例による誘導負
荷用自動力率制御装置１０は交流電源１２に接続される
入力端１４．１６と、誘導負荷１８に接続される出力端
２０．２２と、誘導負荷１８に供給される入力電圧を力
率に応じて可変調整するｆｆｉ流変圧変圧器なるインダ
クタンス２４と、インダクタンス２４の両端に接続され
た短絡回路２Ｇと、短絡回路２６に挿入された可変バイ
アス電ｉｌ！Ｘ２８と、力率検出回路３０からの力率に
比例した出力信号・に応答して可変バイアス電源２８の
直流出力電流を制御してインダクタンス２４のインピー
ダンスを可変する制御回路３２とを備える。

第１図の実施例において、インダクタンス２４は鉄心３
４に巻装された小巻数の１次巻線または交流巻線；３６
と、大巻数の２次巻線３８を備えた電流変圧器からなる
ものとして図示されているが、望ましくは１次巻線と２
次巻線の巻数比は１：５〜１：１０の範囲で選択される
。

第２，３図の力率検出回路３０において、変圧器ＰＴか
らの正弦波の電圧信号・ａは演算増幅器により成る増幅
器５２に供給され、同様に変流器ＣＴからの正弦波の電
流信号すは同様に演算増幅器より成る増幅器５４に供給
される。増幅器５２．５４は、大きな増幅率を有し、１
４号ａおよびｂをそれぞれ矩形波に変換して信号Ｃおよ
びｄを出力する。ついで、信号ＣおよびｄはＮＯＲ回路
５６に供給され、信号Ｃおよびｄの位相差０と等しいパ
ルスｅを出力する。このパルスｅは抵抗とコンデンサか
らなるローパス・フィルタ５８を介して直流電圧信号ｆ
に変換される。この直流電圧信号ｆは制御回路３２の駆
動信シ）発生器５０に供給される。

第１図にもどって、インダクタンス２４の２次巻線３８
の両端に短絡回路２６が接続されており、可変バイアス
電源２８と並列に大きい値の抵抗Ｒ１が接続されている
。これは可変バイアス電１１Ｊ２２８が破損したときに
インダクタンス２４の２次側が開路状態とをって２欣巻
線に高電圧が誘起されるのを防ぐためである。可変バイ
アス電源２８はインダクタンス２４の２次巻線：３８の
交流出力端に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ４からなる
ブリッジダイオードと平滑用コンデンサＣとを備え、２
次巻線３８に誘起された交流電流ｊ１を直流出力電流に
変換する直流変換回路４０と、直流変換回路４０の直流
出力端に接続されたパワートランジスタまたはパワーＭ
ＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチ４２からなる直流電流可
変素子と、ドライブトランジスタ４４とを備える。半導
体スイッチ４２のコレクタはダイオードＤＩ、Ｄ２の接
続端に接続され、エミッタは抵抗Ｒ２を介してダイオー
ドＤ３．Ｄ４の接続端に接続されている。半導体スイッ
チ４２のベースは起動抵抗Ｒ３を介してコレクタに接続
され、さらに抵抗Ｒ４を介してドライブトランジスタ４
４のコレクタに接続されている。起ｆｉＪ抵抗Ｒ３は負
荷１８の起動時に半導体スイッチ４２がオンして自動的
に短絡回路２６を短絡させてインダクタンス２４のイン
ピーダンスを最小として負荷１８に起動電流が流れるよ
うにする役目を果たす、ドライブトランジスタ４４のコ
レクタはダイオードＤ２の出力端に接続され、ドライブ
トランジスタ４４のエミッタはダイオードＤ３．Ｄ４の
接続端に接続されており、ベースはフォトダイオード４
５とＬＥＤ４７からなるフ第１−カプラ４９を介して制
御回路３２の出力端に接続されている。平滑コンデンサ
Ｃと並列にツェナーダイオード等の電圧制限素Ｔ−４６
が接続されている。この電圧制限素子４６は、とくに、
誘導負荷１８の入力電圧に異常が発生したことにより短
絡回路２６内の電圧が電圧制限素子４６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４２と平滑コ
ンデンサＣに過ｆ！！圧が加わらないようにしている。

制御量１１ｉ３２は変圧器Ｔ’Ｔからの電圧の移相と変
流器ＣＴからの電流の位相に応答して誘導負荷１８の力
率に比例した出力電圧信号ｆを発生する力率検出回路３
０と、三角波基準信号ｇを発生する二角波発振器からな
るノみや信号発生器４８と、出力信号ｆと二角波Ｊ、ｃ
準信号ｇとを比較して、その差に比例したパルス幅の駆
動パルス信号りをドライブトランジスタ４４のベースに
供給する差動増幅器からなる駆動信号発生器５０とを備
える。

第１図において、誘導負荷１８が起動されると、短絡回
路２６には可変バイアス電源２８により可変調整された
バイアス電流ｉ、が流れる。インダクタンス２４の１次
巻ｖＡ３６に流れる交流出力電流１゜と２次巻線３８に
流れるバイアス電流１１とにより鉄心３４が飽和して、
インダクタンス２４のインピーダンスを大幅に減少させ
て、交流出力電流１０が流れる。

反対にバイアス電流１１が少なくなると、インダクタン
ス２４のインピーダンスが増加して交流出力ｆｆｉ流１
０が減少し、誘導負荷１８の入力電圧が減少する。第４
図の電圧電流波形図より明らかなように、力率検出回路
３０の出力信号・ｆは誘導負荷１８の負荷率が小さいと
き、すなわち、力率が悪いときに高レベルとをり、負荷
率の上昇につれて力率も上昇して出力信号ｆは低レベル
とをる。駆動信号発生器５０は出力信号ｆが高レベルの
とき、小さなパルス幅の駆動パルスｈを発生させ、出力
信号ｆのレベルが小さくなるにつれて大きなパルス幅の
駆動パルスｈを発生する。駆動パルスｈのパルス幅が小
さいとき、すなわち、負荷率が小さいときは半導体スイ
ッチ４２の通流率は小さいため、バイアスｊＡＩ／ｌｉ
、は少なくなってインダクタンス２４のインピーダンス
を上昇させて交流出力電流１゜を減少させ、誘導負荷１
８の入力電圧を低下させる。負荷率がを人するにつれて
ｒｌ動パルスｈのパルス幅が大きくなり、このとき半導
体スイッチ４２の通流率が大きくなってバイアス電流１
１は増大するため、インダクタンス２４のインピーダン
スが低下して交流出力電流１０が増大し、誘導負荷１８
の入力電圧が上昇する。このように、短絡回路２６の可
変バイアス電源２８の通流率が力率に応答した制御回路
３２の駆動信号により制御されてバイアス電流ｉ、が調
整される。その結果、インダクタンス２４のインピーダ
ンスが調整されて誘導負荷１８の入力電圧と交流出力電
流１゜が可変され、電圧が誘導負荷１８の力率に応答し
て自動的にかつ連続的に調整される。

」；記実施例においてインダクタンス２４は１次巻線と
２次巻線とを有するものとして説明したが、インダクタ
ンスは鉄心と１２の交流巻線のみを備え、このインダク
タンスの交流巻線を交流電源と誘導負荷との間で直列接
続して、短絡回路を交流巻線の両端に直接接続しても良
い、さらに、可変バイアス’ＩＮのダイオードは全波整
流形のブリッジダイオードとして示したが、第５図に示
すように、半波整流形として短絡回路内に直流のバイア
ス電流が流れるように構成しても良いことは云うまでも
ない。

第５図は本発明による自動力率制御￥２１＋′７１０’
の第２実施例を示し、第１図と同様の部品には同様の符
号を用いである。

第５図において、短絡回路２６′の直流変換回路４０′
はダイオードＤ５からなる半波整流回路からなり、ダイ
オードＤ５の出力側に抵抗Ｒ１゜コンデンサＣ１および
過電圧防止素子４６力匂η列に接続されている。バイア
スｔａｉｌ／２２８’は起動抵抗Ｒ４，Ｒ５によりＯＮ
されるダーリントン＃′ｊ１続されたトランジスタから
なる半導体スイッチ６０．６２と、半導体スイッチ６２
のベースにコレクタが接続され、エミッタが２次巻線３
８の１端に接続されたドライブトランジスタ６４を備え
る。ドライブ１−ランジスタロ４のベースはフォトダイ
オード６ＧとＬ　ＥＤ　Ｇ　８からなるフォトカプラ７
０を介して駆動信号発生器５０の出力端に接続されてい
る。この構成により、交流型ｇ１２が投入されて負荷電
流ｉが流れると、これに比例した電流が短絡回路２６′
内に流れ、ダイオードＤ５により直流変換され、コンデ
ンサＣ１により平滑されて直流出力電流とをる。この直
流出力電流は起動抵抗Ｒ４，Ｒ５によりオンされた半導
体スイッチ６０．６２を介して２次巻線２３８に流入す
る。このとき、インダクタンス２４の鉄心３４は短絡型
＜ｔｉ工により飽和されるため、インダクタンス２４の
インピーダンスは小さく、シたがって、誘導負荷１８へ
は起動電流が支障なく流れる。＃ｌｔ導負荷１８の起動
後、トランジスタ６４のオンオフは第１実施例で説明し
た如く、誘導負荷１８の力率に応じて最適に制御される
。その他は第１図の実施例と同様なため、詳細な説明は
省略する。

第６図は本発明による自動力率制御装置１０″の第コ３
尖ｍ例を示すもので、第１図の実施例と同様な部品につ
いては同様な符号が用いられる。第６図の実施例におい
て、電流変圧器２４の２次巻線３８は並列回路７２を介
して誘導負荷１８と並列に接続され、この４ｐ列回路７
２にバイアス電源２８″が挿入されている。この構成に
より、２次巻ｇ３Ｂを流れるバイアス電流を可変バイア
ス！ｇ２８”により誘導負荷１８の力率に応じて制御し
ている。その他の構成は第１実施例と同様であるため、
詳細な説明を省略する。

以１−１力率検出回路の１例が示されたが、力率検出回
路３０は公知のたとえば特開昭筒５９−６６１斗に開示
された力率検出回路もしくは米国特許筒４，１１７，４
０８号等に開示された負荷信号発生回路から構成しても
良い。

Ｃ発明の効果） 以上より明らかなように、本発明による自動力率制御装
置はつぎのような効果をもたらす。

（１）誘導負荷の入力電圧が力率に応じて自動的にしか
も連続的に瞬時制御され、すなわち負荷率の減少に比例
して負荷なハミが減少されるため、誘導負荷が常に高い
力率で駆動され、大幅な省エネルギー効果が得られる。

（２）入力電圧の制御がインダクタンスの端子に接続さ
れた可変バイアス電源により行なわれ、電源ラインにお
ける交流″？１１ｈ−を直接位相制御することがないた
め、電磁波ノイズの発生が少なく、また、負荷電流に含
まれる高調波成分が少ない、したがって、コンピュータ
等の情報機器や通信機器。

その他の制御装置に与える障害が極めて少ない。

（３）電磁波ノイズや高調波成分が少ないため１人形で
高価な大容量の高調波フィルタを省略でき、信頼性と安
全性の向−Ｌ−を図れるとともに、大幅な小形軽量化が
図れる。

（４）半導体スイッチは直接に電源ラインの交流ミノｉ
を制御せず、インダクタンスのバイアス電流を制御する
ため、半導体スイッチと制御回路の著しい小容量化と大
幅な低コスト化が図れ、回路設計も容易とをる。また。

インダクタンスの鉄心を飽和させるための別電源も必要
としない。

（５）インダグタンスのアンペアターンは極めて小さい
ので、インダクタンスは極めて小形のものでよく、％Ｉ
ｉｖ！、全体の寸法重量が著しく低減されるため、自動
力率制御装置が著しく小形軽量化されるとともに大幅な
コストダウンが可能である。たとえば、３φ２００Ｖ３
０ＫＪＩｌ導モータ用のインダクタンスは僅かに３個の
１．７７ＫＶＡの小容量の電流変圧器を用いて入力電圧
を２００ｖ〜１７０ｖの１５％の範囲で制御可能である
。

（ｅ）低電圧、小容量の半導体スイッチと小形のインダ
クタンスと組み合わせて高電ノ［、大容量の負荷の力率
制御が可能なため、安全で倍頼性が高く、シかも、極め
て安価な電子部品で従来不可能であった大容量の負荷の
力率制御が可能とをるため、実用上の効果が大きい。

（７）大きな負荷容置に対して小形のインダクタンスと
微小電力（消費電力に対して１〜１．５％）の制御回路
の採用を可能として、電気損失と発熱を最小としたため
、大幅な高効率化が図れる。

（８）インダクタンスの交流巻線の過負荷耐量が極めて
大きく、誘導負荷の起動時のラッシュカレントにより交
流巻線が断線することがない、しかも、インダクタンス
の短絡回路のバイアス電源には電圧制限素子が挿入され
ているため、バイアス電源の電圧制御素子を破損させる
ことがなく、安全性ならびに僧頼性が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による自動力率制御装置の望ましい第１
実施例の結線図、第２図は第１図の力率検出回路の具体
例、第３図は第２図の電圧波形図、第４図は第１図の電
圧電流波形図、第５図は本発明の自動力率制御装置の第
２実施例の結線図、および第６図は本発明の自動力率制
御装置の第３実施例をそれぞれ示す。 ２４・・・・・・・・・インダクタンス２６．２６’・
・・・・・・・・短絡回路２８．２８’・・・・・・・
・・バイアス電源３０・・・・・・・・・力率検出回路 ３２・・・・・・・・・制御回路 特許出願人　株式会社ハイテク研究所 幕ｌ凹 尾２図 、ノ Ｊ 本３図 Ｏ 秦４図 第５図 ρ′ 尾乙凹

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）交流電源と誘導負荷との間に接続される交流
   巻線を有するインダクタンスと、 （ｂ）前記インダクタンスの両端に接続されてバイアス
   電流を流す短絡回路と、 （ｃ）前記短絡回路に挿入され、前記バイアス電流を可
   変する可変バイアス電源と、 （ｄ）前記誘導負荷の力率に比例した出力信号を出す力
   率検出回路と、前記出力信号に応答したパルス幅の駆動
   信号を発生する駆動信号発生器とを有する制御回路と、
   を備え、 （ｅ）前記可変バイアス電源が前記駆動信号に応答して
   前記バイアス電流を可変し、前記インダクタンスのイン
   ピーダンスを前記力率に応じて制御することを特徴とす
   る自動力率制御装置。 ２、前記インダクタンスが前記交流巻線の巻数に対して
   大きな巻数の２次巻線を備えた電流変圧器からなり、前
   記短絡回路が前記２次巻線の両端に接続されたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の自動力率制御装置
   。 ３、前記可変バイアス電源が前記短絡回路内の交流電流
   を直流電流に変換するダイオードと、前記ダイオードの
   直流出力端に接続され、前記直流電流をオンオフする半
   導体スイッチと、前記駆動信号に応答して前記半導体ス
   イッチをオンオフ駆動するドライブトランジスタとを備
   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
   項記載の自動力率制御装置。 ４、前記短絡回路が前記可変バイアス電源と並列に接続
   された抵抗を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第
   ３項記載の自動力率制御装置。 ５、前記可変バイアス電源が前記半導体スイッチと並列
   に接続された電圧制限素子を備えたことを特徴とする特
   許請求の範囲第２項または第３項記載の自動力率制御装
   置。 ６、前記制御回路が基準信号発生器と、前記基準信号発
   生器からの基準信号と前記力率検出回路からの前記出力
   信号とを比較して、その差に比例したパルス幅の前記駆
   動信号を発生する増幅器と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項記載の自動力率制御装
   置。 ７、（ａ）交流電源と誘導負荷との間に直列に接続され
   る１次巻線と、１次巻線の巻数に対して大きな巻数比の
   ２次巻線とを有する電流変圧器と、 （ｂ）前記電流変圧器の２次巻線の両端に接続されてバ
   イアス電流を流す短絡回路と、 （ｃ）前記短絡回路に挿入され、前記バイアス電流を可
   変する可変バイアス電源と、 （ｄ）前記誘導負荷の入力電圧と負荷電流との位相差に
   比例した出力信号を出す力率検出回路と、前記出力信号
   に応答したパルス幅の駆動信号を発生する駆動信号発生
   器とを有する制御回路と、を備え、 （ｅ）前記可変バイアス電源が前記駆動信号に応答して
   前記バイアス電流を可変し、前記１次巻線のインピーダ
   ンスを前記位相差が小さくなる方向に制御することを特
   徴とする自動力率制御装置。 ８、前記可変バイアス電源が前記短絡回路内の交流電流
   を直流電流に変換するダイオードと、前記ダイオードの
   直流出力端に接続され、前記直流電流をオンオフする半
   導体スイッチと、前記駆動信号に応答して前記半導体ス
   イッチをオンオフ駆動するドライブトランジスタとを備
   えたことを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の自動
   力率制御装置。 ９、前記短絡回路が前記可変バイアス電源と並列に接続
   された抵抗を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第
   ８項記載の自動力率制御装置。 １０、前記可変バイアス電源が前記半導体スイッチと並
   列に接続された電圧制限素子を備えたことを特徴とする
   特許請求の範囲第８項または第９項記載の自動力率制御
   装置。 １１、前記制御回路が基準信号発生器と、前記基準信号
   発生器からの基準信号と前記力率検出回路からの前記出
   力信号とを比較して、その差に比例したパルス幅の前記
   駆動信号を発生する増幅器とを備えたことを特徴とする
   特許請求の範囲第７項または第８項記載の自動力率制御
   装置。 １２、（ａ）交流電源と誘導負荷との間に接続される交
   流巻線を有するインダクタンスと、 （ｂ）前記インダクタンスの両端に接続されてバイアス
   電流を流す短絡回路と、 （ｃ）前記短絡回路に挿入され、前記バイアス電流を可
   変する可変バイアスと、 （ｄ）前記誘導負荷の力率に比例した出力信号を出す力
   率検出回路と、前記出力信号に応答したパルス幅の駆動
   信号を発生する駆動信号発生器とを有する制御回路と、
   を備え、 （ｅ）前記可変バイアス電源が前記短絡回路をオンオフ
   するための半導体スイッチと、前記誘導負荷の起動時に
   前記半導体スイッチを自動的にオンするための起動抵抗
   とを備え、前記誘導負荷の起動後に前記可変バイアス電
   源が前記駆動信号に応答して前記バイアス電流を可変し
   、前記インダクタンスのインピーダンスを前記力率に応
   じて制御することを特徴とする自動力率制御装置。 １３、（ａ）交流電源と誘導負荷との間に直列接続され
   る１次巻線と前記誘導負荷に並列接続される２次巻線と
   を備えた変圧器からなるインダクタンスと、 （ｂ）前記２次巻線の一端に接続され、前記２次巻線に
   可変バイアス電流を供給する可変バイアス電源と、 （ｃ）前記誘導負荷の力率に比例した出力信号を出す力
   率検出回路と、前記出力信号に応答したパルス幅の駆動
   信号を発生する駆動信号発生器とを有する制御回路と、
   を備え、 （ｄ）前記可変バイアス電源が前記駆動信号に応答して
   前記バイアス電流を可変し、前記インダクタンスのイン
   ピーダンスを前記力率に応じて制御することを特徴とす
   る自動力率制御装置。