JPH01310419A - 誘導負荷用無効電力制御装置 - 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〕 本発明は無効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無効電力制御装置に関す
る。

〔従来技術〕

従来、電気炉等の誘導負荷の無効電力を補償することを
目的として、未開特許第４，３３９，７０５号および同
４，１４３，３１５号および同４，１２１．１５０号に
おいて、リアクトルをサイリスタによって位相制御する
方式が提案されている。

これら無効電力制御装置では、サイリスタにより交流電
圧を直接位相制御するため、負荷電流が多くのｆｆｌ磁
波成分を含み、この高調波電流が無効電力制御装置の電
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
電源電圧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な障害を与えていた。

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、米国
特許第４，６０２，２００号には高調波フィルターを設
けることが提案さ九ているが、この１ＩｌｉＷｔ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
ぎにインダクションモータや誘導コイルの始動時には誘
導負荷の定格電流の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も用いた制御装置で
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）、コンデンサー内部損失の発生
等による電力消費が大きかった。しかも、現在、サイリ
スタ装置として３３ＫＶ、単器容量百数十ＭＶＡ程度の
ものまで実用化されており、今後、ますます大容量化、
高圧化されていく傾向にあるが、サイリスタ装置でさら
に大容量化、高圧化された無効電力補償装置を実現する
のは困望であった。

〔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
生が著しく少ない誘導負荷用無効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無効電力制御
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、人形の放熱フィン
を不必要とし、しかも小さな制御電力で大容量の負荷の
無効電力制御が可能な誘導負荷用無効電力制御装置を提
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無効電力制御装置は交流電源に接続
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、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
無効電力に比例した出力電圧信号を発生する無効電力検
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無効電力に応じ
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、本発明の望ましい実施例による誘導負
荷用無効電力制御装置１０は交流型１１ｆｉ１２と、イ
ンダクタ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１６ａ、Ｌ６
ｂ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巻線１６ｃ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の無効電力に応じて、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ＶＡ容量を負荷ＶΔ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は市販の低圧（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。

定電正直流電１９ｉｌ１８と制御巻線１６ｃとの間には
トランジスタからなる並列の第１、第２半導体スイッチ
素子２０．２２がシリーズ接続されており、後述の高周
波駆動信号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、
１６ｂのインピーダンスを誘導負荷１４の無効電力に合
わせて最適制御している。第１、第２半導体スイッチ素
子２０．２２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
の一端は定電圧直流電源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は無効電力検出回路４０からの無
効電力に比例した出力電圧信号に応答したパルス幅の高
周波駆動信号を発生する。無効電力検出回路４ｏ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。変圧器ＰＴからの電圧信
号ａと電流変圧器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
俳号ｃ、ｄに変換される。ついで、矩形波俳号ｃ、ｄは
無効電力発生器４６により位相比較され、無効電力に比
例したパルス信号ｅを出力する。パルス信号ｅは抵抗Ｒ
１，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
定められた無効電力に対応した基４！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の無効電
力が小さいときは出力電圧信号ｆは低レベルにあ番へ反
対に、無効電力が大きいときは出力電圧信号ｆは高レベ
ルとなる。このように、出力電圧信号ｆは無効電力に比
例して変化する。

予じめ制御したい無効電力に設定するために、可変抵抗
等からなるＪ＆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、基僧電圧設定回路５０は、たとえば、誘導負
荷１４の無効電力が常に制御レベルに近づくべく制御さ
れるように、予じめ設定された無効電力に相当する基準
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）または口本電気圏製の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Ｉ’Ｃ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０
発振器６０の発振局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＠器６２のマイナス
入力端は基ｉｌｌ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。このコントロール電圧信号りは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ＰＷＭ信号ｊに変換される。

高周波ＰＷＭ信号Ｊは出力コントロール回路６６に供給
される。

出力コントロール回路６６は立ち上がりエツジで１−リ
ガがかかるＤタイプ・フリップ・フロップ６８と、ＮＯ
Ｒ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６８
ａ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２ｇが変
化するようになっている。Ｄタイプ・フリップ・７０ツ
ブの出力にとＰＷＭ信号ＪはＮＯＲゲート７０．７２に
供給され、出力トランジスタＱｌ。

Ｑ２はそ九ぞれ駆動信号Ｑ、ｍを発生する。

第４図の電圧波形図において、無効電力検出回路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
無効電力が大きいときに高レベルとなり、無効電力の下
降につれて出力信号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。

Ｑ２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２０．２２のオンタイムが少なくなって
制御電圧Ｖａｏが低くなり、交流巻線１６ａ、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。無効電力が小さくなるにつれて駆動信号１
１．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１
４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。その結果、無効電力が予じめ設定されたレベルに
制御される。

以上、無効電力検出回路４０は特開昭５９−１５０３４
９号、同６０−６８７７号、および同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、本発明による無効電力制御装
置はっぎのような効果をもたらす。

（１）可飽和リアクトルのインピーダンスが誘導負荷の
無効電力に応じて自ｖノ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無効電力に応答して制
御され、誘導負荷の大幅な無効電力の改善が図れる。

（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２大形で
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、装置全体の寸法重量が著
しく低減されるため、無効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。

（６）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Ｉ−ルと組み合わせて高電圧、大容量の無効
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無効電
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１本発明の
無効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図は本発明による無効電力制御装置の望ましい実施
例の結線図、第２図は第１図の無効電力検出回路４ｏ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
３８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方との関係を示
す波形図をそれぞれ示す。 １６・・・・・・・・・可飽和リアクトル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・・・・・・・・
無効電力検出回路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゛−４８ Ｏ 惰３図 Ｍ４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）前記誘導負荷の無効電力に比例した出力電圧信号
   を発生する無効電力検出回路と、 （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無効電力に応じて可変制
   御することを特徴とする誘導負荷用無効電力制御装置。 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、予じめ定められた無効電力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
   誘導負荷用無効電力制御装置。 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無効電力に比例した出力電圧信号
   を出力する無効電力検出回路と、 （ｅ）予じめ定められた無効電力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無効電力に応じて可変制
   御することを特徴とする誘導負荷用無効電力制御装置。 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、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３項記載の誘導負荷用無効電力制御装置。