JPH01310417A - 誘導負荷用省電力制御装置 - 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〕 本発明は省電力制御装置に関し、とくに、交流インダク
ションモータ等の誘導負荷用省電力制御装置に関する。

〔従来技術〕

従来、交流インダクションモータ、その他の誘導負荷の
省エネルギーを目的として、米国特許筒４，０５２，６
４８号および同４，３３７，６４０号において、インダ
クショ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。

これら電力制御装置では、サイリスタを交流ラインに接
続して誘導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、通借機器その他の
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ｇｗ圧から
とっているので、同期信号は電源電圧の波形歪みのだめ
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、力率の制御が不充分となったり、
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。これを解決することを目的として、
米国特許筒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。つぎに電力用半導体素子は過負荷耐
量が小さいために、Ｘ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、大形の放熱フィンが必要となり、装置全体
の小形化、低コスト化ができない欠点があった。

〔発明の目的〕

そこで、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、シかも、省エネルギー効果の高い誘
導負荷用省電力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省電力制御装
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の負荷の
省電力制御が可能な誘導負荷用省電力制御装置を提供す
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誘導負荷用省電力制御装置
を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

本発明の誘導負荷用省電力制御装置は交流ｉｌ電源に接
続された誘導負荷に流れる負荷電流を可変調整する交流
巻線と、前記交流巻線のインピーダンスを制御する制御
巻線を備えた可飽和リアクトルと、前記制御巻線に直流
制御電圧を供給する定電圧直流電源と、前記定電圧直流
電源と前記制御巻線との間に接続され、前記直流制御電
圧を可変調整する半導体スイッチ素子と、前記誘導負荷
の負荷状態に比例した出力電圧信号を発生する負荷状態
検出回路と、前記出力電圧信号に応答してパルス幅の異
なる高周波駆動信号を発生する高周波パルス幅制御回路
とを備え、前記半導体スイッチ素子が前記高周波駆動信
号に応答してオンオフして前記直流制御電圧を可変調整
し、前記交流巻線のインピーダンスを前記負荷状態に応
じて可変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実施例につき詳細に説明
する。

第１図において１本発明の望ましい実施例による誘導負
荷用省電力制御装置１０は交流電源１２と、インダクシ
ョンモータ等の誘導負荷１４との間に接続された可飽和
リアクトル１６を備える。可飽和リアクトル１６は交流
ラインに直列接続され、誘導負荷１４の負荷電流を可変
調整するための第１、第２交流巻線Ｌ６ａ、１６ｂと、
第１、第２交流巻線１６ａ。

１６ｂのインピーダンスを制御する制御者１＠　１６　
ｃとを備え、これら巻線は可飽和鉄心１６ｄ上に巻かれ
る。望ましくは、第１．第２交流巻線１６ａ、１６ｂの
インピーダンスは誘導負荷１４の負荷率に応じて、制御
巻線１６ｃの非励磁状態において５〜３０％の範囲の電
圧降下率をもたらすような値に設計される。その結果、
可飽和リアクトルのＶΔ容量を負荷ＶＡ容量の５〜３０
％の範囲内に設定できるため、可飽和リアクトルの著し
い小形軽量化と低コスト化が図れる。

交流電源１２には制御巻線１６ｃに直流制御電圧を供給
するための定電圧直流電源１８が接続される。定電圧直
流電源１８はＭの低圧（たとえば１２〜５０Ｖ）のスイ
ッチングレギュレータで構成しても良い。

定電正直［源１８とシ（御巻線１６ｃとの間にはトラン
ジスタからなる４に列の第１、第２半導体スインチ素子
２０．２２がシリーズ接続されており、後述の高周波駆
動倍量に応答してオンオフし、制御巻線１６ｃの直流制
御電圧を可変調整して第１．第２交流巻線１６ａ、１６
ｂのインピーダンスを誘導負荷１４の負荷状態に合わせ
て最適制御している。第１、第２半導体スイッチ素子２
０．２２の出力側にはダイオード２４および平滑用のイ
ンダクタンス２６とコンデンサ２８が接続されている。

第１．第２半導体スイッチ素子２０．２２のベースはそ
れぞれベースドライブ回路２７゜２９を介してトランス
３０．３２に接続されている。トランス３０．３２の一
端は定電托直流電＠１８に接続され、他端は高周波パル
ス幅制御回路３８の出力端に接続されている。符号３４
．３６はそれぞれダイオードを示す。

パルス幅制御回路３８は起動用高周波駆動信号と、負荷
状態検出回路４０からの負荷状態に比例した出力電圧信
号に応答したパルス幅の運転用高周波Ｍｔｈ信号・を発
生する。負荷状態検出回路４０は１例として、誘導負荷
１４の入力電圧の位相を検出する変圧器ＰＴと、負荷電
流を検出する電流変圧器ＣＴを備えるものとして図示さ
れている。第２図より明らかなように、変圧器ＰＴから
の電圧信号ａとＷ流変圧器ＣＴからの電流信号すはそれ
ぞれ演算増幅器からなる波形成形回路４２．４４によっ
て矩形波信吐ｃ、ｄに変換される。ついで、矩形波信号
ｃ、ｄはＮＯＲ回路または演算増幅器からなる位相比較
器４６により位相比較され、位相差に比例したパルス信
号ｅを出力する。パルス信号ｅは抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３
とコンデンサＣ１を備えたローパス・フィルタ兼起動タ
イマー４８により直流の出力電圧信号ｆに変換される。

抵抗Ｒ２，Ｒ３は直流信号ｆのリップルを減らすための
分圧抵抗として作用する。抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の
時定数は誘導負荷１４の起動時に予じめ定められた負荷
状態、すなオ〕ち、力率０゜８に対応した基準電圧より
も低いレベルの出力電圧を一定時間強制的に発生させる
ように設定される。その結果、誘導負荷１４の起動時に
可飽和リアクトル１６が一定時間完全飽和されて、誘導
負荷１４は最大の入力電圧で起動される。誘導負荷１４
の負荷率が高いときは入力電圧と負荷ｍ流どの位相差が
小さいため、出力電圧信号は低レベルにあり８反対に、
負荷率が低いときは入力電圧と負荷電流との位相差が大
きくなって出力電圧信号は高レベルとなる。このように
、出力電圧信号ｆは負荷率に比例して変化する。

誘導負荷１４の入力電圧と負荷電流との位相差を予じめ
定めたレベル（すなわち、力率が０．８となるレベル）
に設定するために、可変抵抗等からなる基準電圧設定回
路５０が高周波パルス幅制御回路３８の入力側に接続さ
れる。すなわち、基準電圧設定回路５０は、たとえば、
１！Ｉ導負荷１４の力率が常に０．８となるべく制御さ
れるように、力率０．８に相当する基準電圧信号ｇを高
周波パルス幅制御回路３８に入力する。抵抗５２は制御
回路３８のゲイン調整用抵抗である。

高周波パルス幅制御回路３８は１例として、テキサス・
インスツルメンツ社製のＴＬ４９４　（パルス幅制御方
式コントローラ）または日本電気■製のμＰＣ４９４（
スイッチング・レギュレータ用コントロール回路）等、
相等品で構成される。これらＩＣチップはスイッチング
レギュレータのコントロールＩＣとして大量にしかも極
めて低コストで市場で入手できるので有利である。

第１図において、制御回路３８は定電圧直流電源１８に
接続されて電力を供給される。制御回路３８は抵抗５６
．コンデンサ５８を介して電源１８に接続されたランプ
信号発生用発振器６０と、誤差増幅器６２とを備える１
発振器６０の発振周波数は外付けの抵抗５６とコンデン
サ５８によって決定される。誤差増幅器６２のマイナス
入力端は基４！！電圧設定回路５０に接続され、一方、
プラス入力端はローパス・フィルター兼起動タイマー４
８に接続される。出力電圧信号ｆと基準電圧信号ｇとは
誤差増幅器６２で比較され、その差に比例したコントロ
ール電圧信号りが出力される。

コントロール電圧信号りは出力電圧信号ｆに比例して変
化する。このコントロール塩）ｆＭ号りはＰＷＭコンパ
レータ６４に供給され、そこで発振器６０からのランプ
信号ｉと比較されて高周波ＰＷＭｍ号Ｊに変換される。

高周波ＰＷＭ信号Ｊは出力コン１−ロール回路６６に供
給される。

誘導負荷１４の起動時にはローパス・フィルター兼起動
タイマー４８からの出力電圧信号ｆがＲ１，Ｃ１で定ま
る一定時間低レベルにあるため。

コントロール電圧信号りは低レベルにある。したがって
、出力トランジスタＱｌ、Ｑ２の出力はデユーティサイ
クルが最大とな４起動用高周波駆動信号として半導体ス
イッチ素子２０．２２を最大のデユーティサイクルで駆
動し、可飽和リアクトル１６を完全飽和させて誘導負荷
１４の入力電圧を最大にする。一定時間経過後、高周波
パルス幅制御回路３８は誘導負荷１４の負荷状態、すな
わち、力率に応じて変化するコントロール電圧信号りに
応答して運転用高周波駆動信号な出力する。

出力コントロール回路６６は立ち上がりエツジでトリガ
がかかるＤタイプ・フリップ・フロップ６８と、ＮＯＲ
ゲート７０．７２および出力トランジスタＱｌ、Ｑ２か
らなり、その出力特性が第３図に示される。Ｄタイプ・
フリップ・フロップ６８は出力コントロール端子６８ａ
を備え、２つの出力トランジスタＱｌ、Ｑ２のトランジ
ション領域をさけるため、ＰＷＭコンパレータ６４から
のパルスの立ち上がりに同期して、出力の状態が変化す
るようになっている。Ｄタイプ・フリップ・フロップの
出力にとＰＷＭ信号ｊはＮＯＲゲート７０．７２に供給
され、出力トランジスタＱ　ｌ　ｅＱ２はそれぞれ駆動
信号Ｑ、ｍを発生する。

第４図の電圧波形図において、負荷状態検出回路４０の
出力信号ｆとコントロール電圧信号りは誘導負荷１４の
負荷率が小さいとき、すなわち、力率が悪いときに高レ
ベルとなり、負荷率の上昇につれて力率も上昇して出力
信号ｆとコントロール電圧信号りは低レベルとなる。高
周波パルス幅制御回路３８の出力トランジスタＱｌ、Ｑ
２はコントロール電圧信号りが低レベルのとき、デユー
ティサイクルの大きな高周波駆動信号を発生させ、コン
トロール電圧信号りのレベルが大きくなるにつれて駆動
信号のデユーティサイクルが小さくなる。コントロール
電圧信号りがスレッシュホールド電圧を超えると、出力
トランジスタＱｌ、Ｑ２の出力のデユーティサイクルは
０％となる。出力トランジスタＱｌ、Ｑ２の出力のデユ
ーティサイクルが小さくなると、半導体スイッチ素子２
０．２２のオンタイムが少なくなって制御電圧Ｖｃｏが
低くなり、交流＠１ｌｌ１６ａ、１６ｂのインピーダン
スを上昇させて誘導負荷１４の入力電圧を低下させる。

負荷率が増大するにつれて駆動信号１１．ｍのデユーテ
ィサイクルが大きくなり、このとき半導体スイッチ素子
２０．２２のオンタイムが大きくなって制御電圧は増大
するため、可飽和リアクトル１６のインピーダンスが低
下して誘導負荷１４の入力電圧が上昇する。このように
、高周波パルス幅制御回路３８の出力トランジスタＱｌ
、Ｑ２の出力のパルス幅はコントロール電圧信号りが大
きくなるにつれて狭くなり、可飽和リアクトル１６のイ
ンピーダンスが調整されて誘導負荷１４の入力電圧と負
荷電流が自動的にかつ連続的に調整される。

以上、負荷状態検出回路２２は力率検出回路からなるも
のとして説明したが、負荷状態検出回路２２は公知のた
とえば米国特許箱４，１１７，４０８号に開示された負
荷信号発生装置もしくは米国特許箱４，３６９，４０３
号等に開示された負荷電流検出回路あるいは特開昭６１
−８６８０号に開示された無効電力・直流信号変換器に
より構成しても良い。

〔発明の効果〕

以上より明らかなように１本発明による省電力制御装置
はつぎのような効果をもたらす。

（］）可飽和リアクトルのインピーダンスが誘導負荷の
負荷状態に応じて自動的にしかも連続的に瞬時制御され
るため、負荷電流と入力電圧が負荷状態に応答して制御
され、誘導負荷の大幅な省エネルギー効果が得られる。

（２）負荷電流の制御が可飽和リアクトルにより行なわ
れ、電源ラインにおける交流電圧を直接スイッチングす
ることがないため、電磁波ノイズの発生が少なく、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
ピュータ等の情轢機器や通信機器、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、大形で
高価な大容量の高調波フィルタを省略でき、借頼性と安
全性の向上を図れるとともに、大幅な小形軽量化が図れ
る。

（４）半導体スイッチ素子は直接に電源ラインの交流電
圧を制御せず、可飽和リアクトルの低圧低電力のスイッ
チング制御回路で高周波スイッチングされるため、半導
体スイッチ素子およびその他の電子部品の著しい小容量
化と大幅な低コスト化が図れ、回路設計も容易となる。

（５）可飽和リアクトルの電圧降下率は５〜３０％の範
囲のものが使用可能なため、可飽和リアクトルのＶＡ容
量は極めて小さいものでよく、装置全体のべｒ法重量が
著しく低減されるため、省電力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。

（ｅ）低電圧、小容量の半導体スイッチ素子と小形の可
飽和リアクトルと組み合わせて高電圧、大容量の電力制
御が可能なため、安全で信頼性が高く、シかも、交流ラ
インに高調波成分を発生させることなく極めて安価な電
子部品で従来不可能であった大容量負荷の省電力制御が
可能となるため、実用上の効果が大きい。

（７）大きな負荷容量に対して小形の可飽和リアクトル
と微小電力（消費電力に対して１〜１．５％）のスイッ
チング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）可飽和リアクトル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、したがって、本発明の
省電力制御装置は広範囲の負荷装置に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による省電力制御装置の望ましい実施例
の結線図、第２図は第１図の負荷状態検出回路４０の電
圧波形図、第３図は第１図の高周波パルス幅制御回路３
８の出力特性を示す波形図、および第４図はコントロー
ル電圧信号と出カドランシスターの出力との関係を示す
波形図をそれぞれ示す。 １６・・・・・・可飽和リアク１ヘル １８・・・・・・・・・定電圧直流電源２０．２２・・
・・・・・・半導体スイッチ素子３８・・・・・・・・
高周波パルス幅制御回路４０・・・・・・・・・負荷状
態検出回路４８・・・・・・・・ローパス・フィルター
兼起動タイマー特許出願人　アレックス電子工業株式会
社第　１　図 ○

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）交流電源に接続された誘導負荷に流れる負荷
   電流を可変調整する交流巻線と、前記交流巻線のインピ
   ーダンスを制御する制御巻線を備えた可飽和リアクトル
   と、 （ｂ）前記制御巻線に直流制御電圧を供給する定電圧直
   流電源と、 （ｃ）前記定電圧直流電源と前記制御巻線との間に接続
   され、前記直流制御電圧を可変調整する半導体スイッチ
   素子と、 （ｄ）前記誘導負荷の負荷状態に比例した出力電圧信号
   を発生する負荷状態検出回路と、 （ｅ）前記出力電圧信号に応答してパルス幅の異なる高
   周波駆動信号を発生する高周波パルス幅制御回路とを備
   え、 前記半導体スイッチ素子が前記高周波駆動信号に応答し
   てオンオフして前記直流制御電圧を可変調整し、前記交
   流巻線のインピーダンスを前記負荷状態に応じて可変制
   御することを特徴とする誘導負荷用省電力制御装置。 ２、前記高周波パルス幅制御回路がランプ信号発生用発
   振器と、予じめ定められた負荷状態に対応した基準電圧
   を設定するための基準電圧設定回路と、前記基準電圧と
   前記出力電圧信号とを比較してコントロール電圧信号を
   出す誤差増幅器と、前記ランプ信号と前記コントロール
   電圧信号とを比較して高周波ＰＷＭ出力信号を発生する
   ＰＷＭコンパレータと、前記高周波ＰＷＭ出力信号に応
   答して前記駆動信号を発生する出力コントロール回路と
   を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   誘導負荷用省電力制御装置。 ３、（ａ）交流電源に接続された誘導負荷に流れる負荷
   電流を可変調整する交流巻線と、前記交流巻線のインピ
   ーダンスを制御する制御巻線とを備え、前記交流巻線が
   前記誘導負荷の軽負荷時で５〜３０％の電圧降下率を有
   する可飽和リアクトルと、 （ｂ）前記制御巻線に直流制御電圧を供給する定電圧直
   流電源と、 （ｃ）前記定電圧直流電源と前記制御巻線との間に接続
   され、前記直流制御電圧を可変調整する半導体スイッチ
   素子と、 （ｄ）前記誘導負荷に供給される交流電圧と前記負荷電
   流の位相差を検出して負荷状態に比例した出力電圧信号
   を出力する負荷状態検出回路と、 （ｅ）前記定電圧直流電源に接続され、前記出力電圧信
   号に応答してパルス幅の異なる高周波駆動信号を発生す
   る高周波パルス幅制御回路とを備え、 前記半導体スイッチ素子が前記高周波駆動信号に応答し
   てオンオフして前記直流制御電圧を可変調整し、前記交
   流巻線のインピーダンスを前記位相差に応じて可変制御
   することを特徴とする誘導負荷用省電力制御装置。 ４、前記高周波パルス幅制御回路がランプ信号発生用発
   振器と、予じめ定められた負荷状態に対応した基準電圧
   を設定するための基準電圧設定回路と、前記基準電圧と
   前記出力電圧信号とを比較してコントロール電圧信号を
   出す誤差増幅器と、前記ランプ信号と前記コントロール
   電圧信号とを比較して高周波ＰＷＭ出力信号を発生する
   ＰＷＭコンパレータと、前記高周波ＰＷＭ出力信号に応
   答して前記駆動信号を発生する出力コントロール回路と
   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
   誘導負荷用省電力制御装置。 ５、（ａ）交流電源に接続された誘導負荷に流れる負荷
   電流を可変調整する交流巻線と、前記交流巻線のインピ
   ーダンスを制御する制御巻線を備えた可飽和リアクトル
   と、 （ｂ）前記交流電源に接続され、前記制御巻線に直流制
   御電圧を供給する定電圧直流電源と、 （ｃ）前記定電圧直流電源と前記制御巻線との間に接続
   され、前記直流制御電圧を可変調整する半導体スイッチ
   素子と、 （ｄ）前記誘導負荷に供給される交流電圧と前記負荷電
   流の位相差を検出して負荷状態に比例した出力電圧信号
   を出力する位相差検出回路と、 （ｅ）予じめ定められた位相差に対応した基準電圧を設
   定する基準電圧設定回路と、 （ｆ）前記出力電圧信号と前記基準電圧との差に応答し
   てパルス幅の異なる高周波駆動信号を発生する高周波パ
   ルス幅制御回路とを備え、 前記半導体スイッチ素子が前記高周波駆動信号に応答し
   てオンオフして前記直流制御電圧を可変調整し、前記交
   流巻線のインピーダンスを前記位相差に応じて可変制御
   することを特徴とする誘導負荷用省電力制御装置。 ６、前記高周波パルス幅制御回路がランプ信号発生用発
   振器と、前記基準電圧と前記出力電圧信号とを比較して
   コントロール電圧信号を出す誤差増幅器と、前記ランプ
   信号と前記コントロール電圧信号とを比較して高周波Ｐ
   ＷＭ出力信号を発生するＰＷＭコンパレータと、前記高
   周波ＰＷＭ出力信号に応答して前記駆動信号を発生する
   出力コントロール回路とを備えたことを特徴とする特許
   請求の範囲第５項記載の誘導負荷用省電力制御装置。 ７、（ａ）交流電源に接続された誘導負荷に流れる負荷
   電流を可変調整するための直列接続された第１および第
   ２交流巻線と、前記第１および第２交流巻線のインピー
   ダンスを制御する制御巻線を備えた可飽和リアクトルと
   、 （ｂ）前記制御巻線に直流制御電圧を供給する定電圧直
   流電源と、 （ｃ）前記定電圧直流電源と前記制御巻線との間に接続
   され、前記直流制御電圧を可変調整する半導体スイッチ
   素子と、 （ｄ）前記誘導負荷に供給される交流電圧と前記負荷電
   流の位相差を検出して負荷状態に比例した出力パルスを
   発生する位相比較器と、前記出力パルスを直流の出力電
   圧信号に変換するローパス・フィルター兼起動タイマー
   を備えた負荷状態検出回路と、 （ｅ）予じめ定められた位相差に対応した基準電圧を設
   定する基準電圧設定回路と、 （ｆ）前記起動タイマーに応答して前記可飽和リアクト
   ルを一定時間完全飽和するための起動用高周波駆動信号
   と、前記一定時間経過後に前記出力電圧信号と前記基準
   電圧との差に応答してパルス幅の異なる運転用高周波駆
   動信号を発生する高周波パルス幅制御回路とを備え、 前記半導体スイッチ素子が前記誘導負荷の起動時に前記
   起動用高周波駆動信号に応答して前記直流制御電圧を最
   大に調整して前記可飽和リアクトルを前記一定時間飽和
   させ、ついで、前記運転用高周波駆動信号に応答して前
   記第１および第２交流巻線のインピーダンスを前記位相
   差に応じて可変制御することを特徴とする誘導負荷用省
   電力制御装置。 ８、前記高周波パルス幅制御回路がランプ信号発生用発
   振器と、前記基準電圧と前記出力電圧信号とを比較して
   コントロール電圧信号を出す誤差増幅器と、前記ランプ
   信号と前記コントロール電圧信号とを比較して高周波Ｐ
   ＷＭ出力信号を発生するＰＷＭコンパレータと、前記高
   周波ＰＷＭ出力信号に応答して前記駆動信号を発生する
   出力コントロール回路とを備えたことを特徴とする特許
   請求の範囲第７項記載の誘導負荷用省電力制御装置。