(57)【要約】本発明は、電力増幅回路に関し、特に既存の電力供給装置に直列共振または並列共振を利用して、共振時インダクタに増幅された共振電力を既存の変圧器を介して固定負荷に供給することができる増幅された共振電力を負荷に伝達する回路に関するものである。本発明による増幅された共振電力を負荷に伝達する回路を成す構成手段は、電圧または電流を発生して供給する電源部と、前記電源部から供給される電圧または電流を用いて増幅された共振電力を発生する電力増幅部と、前記電力増幅部で増幅された共振電力を変圧器を利用して負荷に伝達する電力伝達部とを有して構成されることを特徴とする。【選択図】図１
2009522996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅された共振電力を負荷に伝達する回路において、
電圧または電流を発生して供給する電源部と、前記電源部から供給される電圧または電流を用いて増幅された共振電力を発生する電力増幅部と、前記電力増幅部で増幅された共振電力を変圧器を利用して負荷に伝達する電力伝達部を有して構成されることを特徴とする増幅された共振電力を負荷に伝達する回路。
【請求項２】
前記電源部は、交流電圧電源、交流電流電源、直流電圧電源及び直流電流電源のうちのいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の増幅された共振電力を負荷に伝達する回路。
【請求項３】
前記電力増幅部は、前記変圧器の１次側インダクタと、前記１次側インダクタに並列または直列に接続されるコンデンサで構成されており、前記電源部から供給される電力を共振増幅して前記インダクタに保存することを特徴とする請求項１に記載の増幅された共振電力を負荷に伝達する回路。
【請求項４】
前記変圧器の１次側反射インピーダンスは、前記電力増幅部で共振が維持されるように小さな値を有し、さらに、反射インピーダンスＺ２１の構成内容である反射抵抗成分Ｒ２１の大きさが共振電力伝達変圧器１次側の等化誘導性リアクタンスＸＬ１の値以下であり、同時に、反射リアクタンス成分であるＸ２１の大きさは、共振電力伝達変圧器１次側の誘導性リアクタンスＸＬ１値の０．５倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の増幅された共振電力を負荷に伝達する回路。
【請求項５】
前記増幅された共振電力を負荷に伝達する回路は、負荷の消費電力を減少するために並列共振を利用して電力を増幅し、これを負荷に伝達することを特徴とする請求項１に記載の増幅された共振電力を負荷に伝達する回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力増幅回路とその伝達に関し、特に、既存の電力供給装置に直列共振または並列共振を利用して、共振時インダクタに増幅された共振電力を既存の変圧器を利用して固定負荷に供給することができる増幅された共振電力を負荷に伝達する回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生産電力を負荷に直接接続して供給する電力供給源装置として発電機が挙げられる。これは、発電電力を単純に変圧器を介して負荷に、適切な電圧あるいは電流に変換して供給する機能を有している。
【０００３】
すなわち、これまでは独立電源の電力が、負荷に直接電力を供給する主供給源として認識され、負荷が要求する消費電力を独立電源によって供給する方式を使用した。
【０００４】
上記のように、現在は独立電源が直接負荷が要求する電力を供給するだけで、独立電源から供給される電力を増幅し、増幅された電力を負荷に供給する方法は提案されていない。
【０００５】
そこで、電力面で負荷に電力を供給する前に、所定の独立電源から供給される電力を増幅して負荷側に伝達するという産業上有用な技術を提供する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、既存の電力供給装置に直列共振または並列共振を利用して、共振時インダクタにＱ倍に増幅された共振電力を既存の変圧器を介して固定負荷に供給することにより、現在使用する電力供給装置の単純な機能を超えて、より多くの電力を負荷に供給できる、増幅された共振電力を負荷に伝達する回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するためになされた本発明による増幅された共振電力を負荷に伝達する回路を成す構成手段は、電圧または電流を発生して供給する電源部と、前記電源部から供給される電圧または電流を用いて増幅された共振電力を発生する電力増幅部と、前記電力増幅部で増幅された共振電力を変圧器を利用して負荷に伝達する電力伝達部とを有して構成されることを特徴とする。
【０００８】
また、前記電源部は、交流電圧電源、交流電流電源、直流電圧電源及び直流電流電源のうちのいずれか一つであることを特徴とする。
【０００９】
また、前記電力増幅部は、前記変圧器の１次側インダクタと、前記１次側インダクタに並列または直列に接続されるコンデンサで構成されており、前記電源部から供給される電力を共振増幅して前記インダクタに保存することを特徴とする。
【００１０】
また、前記変圧器の１次側反射インピーダンスは、前記電力増幅部で共振が維持されるように小さい値を有することを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付した図面を参照して本発明による増幅された共振電力を負荷に伝達する回路の作用、及び好適な実施例を詳細に説明する。
【００１２】
図１に示したように、本発明は電源電力を発生して供給する電源部１０と、前記電源部１０から供給される電源電力を共振させて増幅された共振電力を発生及び保存する電力増幅部２０と、前記電力増幅部２０で増幅された共振電力を負荷４０に伝達する電力伝達部３０を有して構成される。
【００１３】
前記電源部１０は一般的な独立電源を意味し、このような一般的な意味での独立電源は、変圧器等によって負荷側が要求する電圧に昇圧または降圧されて負荷に伝達される。しかし、本発明による前記電源部１０は、以下に述べる電力増幅部２０で電力を増幅するために要求される電流または電圧を供給する補助回路に過ぎず、負荷側に必要な電力を直接発生したり供給することはない。
【００１４】
前記電源部１０としての独立電源には、交流電源及び直流電源のいずれも含まれる。前記交流電源は、交流電圧電源及び交流電流電源の両方を含み、前記直流電源は、直流電圧電源及び直流電流電源の両方を含む。前記独立電源が直流電源の場合には、これをインバータを利用して交流に変換することも可能である。
【００１５】
前記電源部１０に接続される電力増幅部２０は、前記電源部１０から供給される電圧または電流を用いて増幅された共振電力を発生する。本発明では、前記増幅された共振電力は変圧器を介して負荷に伝達され、前記電力増幅部２０は、前記変圧器の１次側インダクタを利用して増幅された共振電力を発生し、増幅された共振電力を前記１次側インダクタに保存する。
【００１６】
すなわち、前記電力増幅部２０は、前記変圧器の１次側インダクタと、前記１次側インダクタに並列または直列に接続されるキャパシタで構成されており、前記電源部１０から供給される電力を共振増幅して前記インダクタに保存するようになる。
【００１７】
前記電力増幅部２０は、前記電源部１０にエネルギ蓄積素子である(Ｌ)インダクタ及び(Ｃ)コンデンサを加え、これを電源周波数に同期して直列共振、あるいは並列共振を生じさせて(Ｌ)及びＣに(Ｑ)倍の電源電力を増幅して蓄積する。電源電圧がＶｇの直列共振時にインダクタにＱ倍の電源電圧、すなわち、Ｑ*Ｖｇ［Ｖ］が印加され、インダクタを流れる共振電流Ｉ０によって直列共振電力Ｐｓは、Ｐｓ＝Ｑ*Ｖｇ*Ｉ０［Ｗ］が発生する。
【００１８】
並列共振時、入力電流源ＩｇのＱ倍の電流、すなわち、Ｑ＊Ｉｇ［Ａ］がインダクタに印加され、インダクタ両端の電圧Ｖｐにより並列共振電力Ｐｐは、Ｐｐ＝ＱＩｇ＊Ｖｐ［Ｗ］が発生する。このように直列共振または並列共振を利用すれば、共振用インダクタには入力電力Ｐに比べてＱ倍の電力増幅がなされて蓄積される。なお、設計目的に応じて共振方法を選択することができる。この場合、インダクタで発生する電力は無効電力であるが、説明上、電力ＰｓまたはＰｐで示す。
【００１９】
前記電力増幅部２０により増幅された共振電力は、通常の変圧器で構成される電力伝達部３０を介して負荷４０に伝達される。
【００２０】
前記電力伝達部３０は、変圧器原理を使用して前記電力増幅部２０でＱ倍増幅された電力を負荷に伝達する。最も多くの電力を伝達するために、結合係数ｋは１に近くなるように設計することが好ましい。
【００２１】
直列共振時、変圧器の２次側電圧Ｖ２は、２次側電流Ｉ２がＩ２＝０の場合、変圧器原理に基づき、以下の式で表される。
【００２２】
Ｖ２＝ｋ＊Ｖ１／ｎ＝ｋ＊Ｑ＊Ｖｇ／ｎ＝（Ｑ／ｎ）＊ｋ＊Ｖｇ
【００２３】
ところが、変圧器の動作中は、変圧器の２次側に２次電流Ｉ２が流れ、このため、変圧器の２次側から１次側に反射インピーダンスＺ２１が反射されて１次側の共振発生を抑制する。
【００２４】
これにより、前記変圧器の１次側反射インピーダンスは、前記電力増幅部２０で共振を維持するために小さい値を有するように設計される。本発明では、上記共振による２次側電圧伝達式と、反射インピーダンスＺ２１を調節できる式を誘導して設計に使用することにより、増幅された共振電力を一般的な変圧器原理に基づいてそのまま負荷に伝達可能にする。
【００２５】
前記増幅された共振電力を変圧器原理によって受ける負荷４０は、変圧器１次側インダクタにＱ倍に増幅された電力を受ける回路であり、２次電流Ｉ２が０でない場合、変圧器反射インピーダンスによって変圧器１次側の共振が崩れる。
【００２６】
これを防止するために反射インピーダンスＺ２１の調節が必須であり、さらに、１次側の共振を維持できるように負荷抵抗値Ｒ０を最適に選定する必要がある。
【００２７】
上記のような構成を有する本発明による増幅された共振電力を負荷に伝達する回路の例を図２に示す。図２に示したように、一実施回路として増幅された共振電力を負荷に伝達する回路は、交流電圧電源Ｖｇ及び内部抵抗Ｒｇからなる電源部１０と、変圧器の１次側インダクタ(Ｌ１)と、これに直列に接続されるコンデンサ(Ｃ1)からなる電力増幅部２０と、変圧器からなる電力伝達部３０と、前記電力伝達部３０により増幅された共振電力を受ける負荷Ｒ０を有して構成されている。
【００２８】
図３は、３相同期発電機の等価回路である。ここで、ｊｘｓは発電機のリアクタンスであり、Ｒ１はインダクタの抵抗である。本発明は、単相発電等価回路を適用して回路にコンデンサを加え、共振を利用して電力を増幅した後、該共振電力を変圧器原理を利用して直接負荷に供給する方法であって、負荷を電源に直接接続する従来の方法に比べて、増幅された電力を負荷に伝達できる方法である。
【００２９】
図４A, 図４B は、発電機の単相等価回路に直列共振または並列共振を適用して電力を増幅する回路図であって、本発明の電源部１０及び電力増幅部２０を結合した回路図である。
【００３０】
図４A に示すように、直列共振を適用した回路において、クオリティーファクターＱｓは、コイルの抵抗Ｒ１を無視すればＱｓ＝ωＬ１／Ｒｇ（Ｒｇは電源の内部抵抗、Ｒ１はコイルの損失抵抗）となる。この場合、回路のＱｓは通常１０以上である。また、直列共振時、インダクタＬ１両端の電圧Ｖ１はＶ１＝Ｑｓ＊Ｖｇを満足し、ここで、インダクタＬ１に蓄積される電力Ｐ１は以下の式で表される。
【００３１】
Ｐ１＝Ｖ１＊Ｉ０＝Ｑｓ＊Ｖｇ＊Ｉ０＝Ｑｓ＊Ｖｇ２／Ｒｇ
【００３２】
ただし、ここでＩ０＝Ｖｇ／Ｒｇ（Ｉ０は共振電流）
【００３３】
さらに、直列共振時、電源電力Ｐｇは、Ｐｇ＝Ｖｇ＊Ｉ０＝Ｖｇ２／Ｒｇを満足する。よってＰ１＝Ｑｓ＊Ｐｇとなる。上記式は、直列共振時、インダクタ(Ｌ１）両端に入力電力のＱｓ倍の電力が印加されることを示す。
【００３４】
図４Bは、並列共振を適用した回路であって、並列共振時も直列共振時と同様に、インダクタ両端にＱ倍の電力増幅がなされる。これは、前記直列共振を適用した回路で説明したのでその説明は省略する。
【００３５】
図５は、本発明の電力伝達部３０で使用する変圧器の等価回路である。
【００３６】
電力伝達部３０として変圧器が理想的な場合は、入力電力Ｐ１が２次側に損失なく伝達されるので、２次側電力Ｐ２はＰ１と同じである。しかし、結合係数ｋと巻線比ｎを適用すると次のように表わされる。ただし、コイルの抵抗を無視した場合である。
【００３７】
Ｖ２＝ｋ＊Ｖ１／ｎ
Ｉ２＝ｋ＊ｎ＊Ｉ１
Ｐ２＝Ｖ２＊Ｉ２＝ｋ２＊Ｐ１
【００３８】
しかし、電源の内部抵抗Ｒｇがあり、２次側に負荷抵抗Ｒ０が接続されていて２次側の電流Ｉ２が０でない場合は、反射インピーダンスＺ２１が１次側に結合され、反射インピーダンスＺ２１は、Ｚ２１＝−（ＳＭ）２／Ｚ２２＝Ｒ２１＋ｊＸ２１［Ω］で表わすことができる。
【００３９】
図６A, 図６B は、図４Aの直列共振により増幅された共振電力を図５に示された変圧器原理に基づいて変圧器の２次側に増幅された共振電力を伝達する場合の変圧器の１次側及び２次側の等化回路である。
【００４０】
図６Bに示したように、変圧器２次側等価回路においてＩ１は１次側電流、Ｚ１２は相互インダクタンスである。
【００４１】
図６Aを参照すれば、１次側電源回路を直列共振回路で構成し、２次側回路に負荷を接続すれば、反射インピーダンスＺ２１が１次側共振回路に生じる。ここで、前記反射インピーダンスＺ２１が１次側共振回路にほとんど影響を与えないように設計すれば、１次側共振回路は持続的に共振を維持するようになる。このように、共振により増幅された電力は変圧器原理に基づいて２次側回路に伝達され、負荷に増加された電力を供給することができる。
【００４２】
以下、上記の本発明を証明するための実験例を詳細に説明する。
【００４３】
図７は、実際の実験に使用された変圧器の実物である。フェライトコアに巻線を巻いて３４８ｍＨを１次側及び２次側に使用するので、巻線比ｎを１に維持するように設計し、直列共振を利用した。ここで、コイルのＤＣ抵抗は２．８Ωであり、結合係数はｋ＝０．７４２である。
【００４４】
なお、図７の実験用変圧器においては内部インピーダンスが５０ΩのTektronix CFG２８０信号発生器を交流電源として使用し、直列共振周波数は３０４ＫＨｚとした。電圧測定器は、Tektronix TDS２２０オシロスコープを使用した。
【００４５】
図８は、本発明に適用される電源電力増幅及び伝達実験回路の等価回路であり、図９A,   
【００４６】
図９Bは、上記図８の実験で使用した等価回路を１次側等価回路と２次側等価回路に分けて示したものである。
【００４７】
図９Aの１次側等化回路における等価抵抗ＲＴは、Ｒｇ＋Ｒ１＋Ｒ２１で表される。ここで、負荷Ｒ０が接続されるとき、回路のクオリティーファクターＱｓはＱｓ＝ＸＬ１／ＲＴで表されるので、反射インピーダンスＲ２１が小さいほど電力増幅に有利である。
【００４８】
それ故、回路設計時、１次側回路に反射インピーダンスＺ２１を最小化して共振を維持すれば、増幅された共振電力は２次側の電圧及び電流として変圧器原理に従って２次側にそのまま伝達される。よって、直列共振による１次側の増幅された電圧はＱｓ＊Ｖｇ、２次側電圧Ｖ２はＶ２＝（Ｑｓ／ｎ）＊ｋ＊Ｖｇとなる。なお、結合係数ｋが１であり、巻線比ｎが１である場合、２次側電圧Ｖ２は、電源電圧ＶｇのＱｓ倍に増幅されて２次側に印加される。
【００４９】
２次側電流Ｉ２は、Ｉ２＝ｋ＊ｎ＊Ｉ１であるので、ｎ＝１、ｋ＝１の場合、Ｉ２＝Ｉ１となる。ここで、Ｉ１は１次側の共振電流として２次側にそのまま伝達される。
【００５０】
結果的に２次側に伝達された電力Ｐ２は、以下の式を満足する。
【００５１】
Ｐ２＝Ｖ２＊Ｉ２＝（Ｑｓ／ｎ）＊ｋ＊Ｖｇ＊ｋ＊ｎ＊Ｉ１＝Ｑｓ＊ｋ２＊Ｖｇ＊Ｉ１＝Ｑｓ＊ｋ２＊Ｐ１
【００５２】
前記式の意味は、回路の２次側に伝達される電力Ｐ２はｋ＝１の場合、共振時の入力電力のＱｓ倍の電力が２次側に伝達されることを意味し、負荷に電力を供給する主供給源は、電力増幅部により増幅された共振電力になり、電源部は、共振を維持するためのトリガー（補助）回路として認識することができる。
【００５３】
図９A, 図９Bのように構成された実験回路の負荷抵抗Ｒ０を１７０Ｋ［Ω］と仮定する場合、反射インピーダンスＺ２１は以下の式を満足する。
【００５４】
Ｚ２１＝−（ＳＭ）２／Ｚ２２＝１．４３−ｊ５．６＊（１０）−３［Ω］＝Ｒ２１＋ｊＸ２１［Ω］
【００５５】
ここで、Ｒｇ＝５０［Ω］、Ｒ０＝１７０［ＫΩ］、ＸＬ１＝６６５［Ω］、ＸＬ２＝６６５［Ω］、ｋ＝０．７４２、ｎ＝１と仮定する。
【００５６】
前記式より、反射インピーダンスＲ２１＝１．４３［Ω］と内部抵抗Ｒｇ＝５０［Ω］に比べて非常に小さいので、回路のＱｓに与える影響が小さく、反射される容量性リアクタンスＸ２１も５．６＊（１０）−３［Ω］と１次側回路の誘導性リアクタンス６６５［Ω］より非常に小さいので、共振を一定に維持することができる。
【００５７】
次の表１は、内部抵抗Ｒｇ＝５０［Ω］、１Ｖの大きさを有する電源電圧の共振回路を利用して負荷Ｒ０に供給される可用電力を実測したものである。ここで結合係数はｋ＝０．７４２を適用した実測値である。しかし、結合係数ｋが１の場合、Ｖ２＝Ｖ１となり、負荷の供給電力は表２のとおりである。ただし、負荷の供給電力算出時、Ｒ０＞＞ＸＬ２であるのでＸＬ２は無視した。
【００５８】
【表１】
2009522996.tif 000003
ここで、Ｖｇ＝１［Ｖ］、ｋ＝０．７４２、ｎ＝１
【００５９】
前記表１において、電源電圧Ｖｇは１Ｖであるので、回路のＱｓ値と１次側インダクタＬ１に印加される電圧Ｖ１との大きさが同じである。よって、２次側に伝達される電圧Ｖ２はＶ２＝ｋ＊Ｖ１である。
【００６０】
さらに、Ｉ２＝０の場合、１次回路のクオリティーファクターＱｓは、Ｑｓ＝ＸＬ１／（Ｒｇ＋Ｒ１）＝６６５［Ω］／５２．８［Ω］＝１２．５９を満足する。ただし、Ｒｇは電源の内部抵抗５０［Ω］であり、Ｒ１は１次コイルの直流抵抗２．８［Ω］である。
【００６１】
このとき、負荷抵抗Ｒ０が１［MΩ］の場合はＩ２＝０の場合と同様であるのでＱｓが理論値である１２．５９になるはずであるが、実測値は表１のように８．９７である。これはコイルの直流抵抗値以外にもコイルの高周波による抵抗値が印加されてＱｓ値を減少させたものと判断される。
【００６２】
結果的に、これを１次回路の有効抵抗Ｒｅｆｆとしてその値を計算すれば、Ｒｅｆｆ＝ＸＬ１／Ｑｓ＝６６7［Ω］／８．９７＝７４．１［Ω］となる。
【００６３】
このように、実験回路は、電源の内部抵抗Ｒｇ＝５０［Ω］でＲｅｆｆ＝７４．１［Ω］として動作するものと判断される。表１に示すように、負荷抵抗Ｒ０の変化によるＱｓはＱｓ＝ＸＬ１／（Ｒｅｆｆ＋Ｒ２１）と一致することがわかる。
【００６４】
前記表１において、負荷抵抗Ｒ０が１．２［kΩ］の場合、反射インピーダンスＲ２１は２０２．８９［Ω］であり、電圧増幅度は約２．４倍である。よって、このように設計された回路で負荷抵抗Ｒ０を大きくすれば、反射インピーダンスＺ２１は、反射インピーダンスＲ２１が小さくなるので減少し、クオリティーファクターＱｓは増加することが、表１の実測値から判断できる。
【００６５】
次の表２は、図８の共振型等価回路における結合係数ｋをｋ＝１とした場合の値を計算式として表示した。
【００６６】
【表２】
2009522996.tif 000004
ここで、Ｖｇ＝１［Ｖ］、ｋ＝１、ｎ＝１
【００６７】
前記表２において、結合係数ｋ＝１の場合、負荷抵抗Ｒ０の変化によって反射インピーダンスＲ２１が変化するので、表１及び表２において、Ｒ０が各々１．２［ＫΩ］、また、８７０［Ω］の場合はｋ＝０．７４２の場合に比べて負荷Ｒ０に供給される可用電力が減少することが分かる。
【００６８】
これは、共振電力を伝達する回路の設計方法において、反射インピーダンスＺ２１に使用されるパラメータである結合係数ｋ、負荷抵抗Ｒ０、巻線比ｎ、及び、回路のリアクタンスＸＬ１が関係することにその原因がある。
【００６９】
次の表３は、電源電圧にＲ０を直接接続した場合と、同一の１Ｖ電源電圧に図８に示した実験回路の増幅電力に負荷を接続した場合、負荷Ｒ０に供給される可用電力の大きさを比較したものである。図１０は、電源電圧に負荷を直接接続して電力を供給する方式である。ここで、Ｒ０＞＞Ｒｇであるので電源の内部抵抗Ｒｇは無視した。
【００７０】
【表３】
2009522996.tif 000005
【００７１】
表１において、直列共振時ＱＳが６．５６で維持される回路は、負荷抵抗Ｒ０が１０Ｋ［Ω］の場合、負荷に供給される可用電力は、電源に直接接続した場合に比べて、表３のように、ｋ＝０．７４２の場合は２４．２倍、ｋ＝１の場合は３１．５８倍の電力供給が可能であると判断される。これは、負荷に供給電力が増幅されたもので、既存の電力供給方式に比べて供給電力はＱＳ２倍以上に増加する。
【００７２】
次に、並列共振を使用した電源電力増幅の供給回路について実験結果に基づいて説明する。
【００７３】
家庭に供給される電力は、最も近い変圧器によって６．６［ＫＶ］が印加され、この電圧がさらに家庭用の単相２２０［Ｖ］に降圧されて家庭用負荷に電力が供給される。
【００７４】
図１１は、これに対する等価回路を示したものである。負荷抵抗Ｒ０は１［Ω］を目標とし、回路のＱｐは８．５８にして設計した。また、電源抵抗は無視した。
【００７５】
ここで、変圧器の１次側電圧は６．６［ＫＶ］であり、２次側電圧は２２０［Ｖ］である。さらに、この場合、変圧器の結合係数ｋを１と仮定すれば、巻線比ｎは、ｎ＝Ｖ１／Ｖ２＝６．６［ＫＶ］／２２０［Ｖ］＝３０である。家庭で使用する負荷抵抗を１［Ω］とした。
【００７６】
この際、負荷に２２０［Ｖ］を印加するために、図１１の２次側リアクタンスの大きさを負荷抵抗値の１％、すなわち０．０１０５［Ω］とすれば負荷抵抗に２２０［Ｖ］が印加される。また、１次側リアクタンスＸＬ１と２次側リアクタンスＸＬ２は巻線比の２乗に比例するので、ＸＬ１＝ｎ２ＸＬ２＝３０２（０．０１０５）＝９．４４［Ω］である。ここで、反射インピーダンスＺ２１は、Ｚ２１＝−（ＳＭ）２／Ｚ２２＝０．１−ｊ０．０１［Ω］と１次側回路に与える影響はほとんど無い。
【００７７】
それ故、１次側に電力増幅の用途で並列共振回路を、図１２のように並列共振を利用した電力増幅回路に適用して増幅された共振電力を２次側に伝達することができる。
【００７８】
ここで、１次側コイルの抵抗ＲＬ１を１［Ω］と仮定すれば、回路のＱｐは、Ｑｐ＝-ＸＬ１／Ｒｅｆｆ＝９．４４［Ω］／１．１［Ω］＝８．５８である。ただし、Ｒｅｆｆ＝ＲＬ１＋Ｒ２１である。また、並列共振により表現される抵抗Ｒ１は、Ｒ１＝ＲｅｆｆＱ２＝１．１［Ω］＊（８．５８）２＝８１［Ω］である。ただし、電源の内部抵抗は無視した。
【００７９】
図１３は、図１２の電圧源等価回路を電流源等価回路に変更した回路図である。
【００８０】
図１３に示された等価回路における共振時の回路の共振電流Ｉ０は、Ｉ０＝Ｖ１／Ｒ１＝６［ＫＶ］／８１［Ω］＝０．０８１５［ＫＡ］であり、１次リアクタンスＸＬ１に流れる電流は、電流源Ｉ０、０．０８１５［ＫＡ］のＱＰ倍に当たる０．６９９［ＫＡ］の循環電流が流れ、１次リアクタンス両端には６．６［ＫＶ］が印加される。結果的に、このときの並列共振電力Ｐ１Ｒは、Ｐ１Ｒ＝Ｖ１＊ＱＰ＊Ｉ０＝６．６［ＫＶ］＊０．６９９［ＫＡ］＝４，６１３．４［ＫＷ］である。
【００８１】
しかし、図１１の等価回路で変圧器１次側リアクタンスＸＬ１に印加される電流は、コイルの抵抗、ＲＬ１を無視すれば、Ｉ１＝Ｖ１／ＸＬ１＝６［ＫＶ］／９．４４［Ω］＝０．６９９［ＫＡ］である。これにより、１次側リアクタンスＸＬ１に印加される電力Ｐ１は、Ｐ１＝Ｖ１＊Ｉ１＝６．６［ＫＶ］＊０．６９９［ＫＡ］＝４，６１３．４［ＫＷ］である。
【００８２】
よって、並列共振時の共振電力Ｐ１Ｒ、４，６１３．４［ＫＷ］と非共振時の電力Ｐ１、４，６１３．４［ＫＷ］の大きさが同一であり、変圧器により負荷側に伝達される。しかし、電源電力においては、非共振時の電源電力はＰ１＝４．６１３．４［ＫＷ］の電力を発生する必要があるが、図１３の等価回路における並列共振時の電源電力Ｐｇは、Ｐｇ＝Ｖ１＊Ｉ０＝６．６［ＫＶ］＊０．０８１５［Ａ］＝０．５４［ＫＷ］で、非共振時の電源電力Ｐ１電力の１／Ｑｓを発生しても良いので、発電機の容量を考慮すればその分電力が増幅されたわけである。この場合、直列共振を使用しても同じ効果が得られる。
【００８３】
本発明を適用すれば、既存方式に比べて負荷の消費電力を節減することができる。以下、本発明を家庭で使用する電気機器の消費電力を減らせる分野に適用した例を理論的に提示し、その実験結果に基づいて説明する。
【００８４】
一般的な電気機器は、家庭の２２０［Ｖ］に変圧器を利用して１次側の２２０［Ｖ］を所望の電圧に降圧した後、これをＡＣまたはＤＣに切り替えて負荷に供給する。この例として、定格出力が６［Ｖ］、０．３［Ａ］の出力を有する機器を選んで説明する。
【００８５】
ここで、負荷の等価抵抗Ｒ０はＲ０＝Ｖ２／Ｉ２＝６［Ｖ］／０．３［Ａ］＝２０［Ω］である。負荷Ｒ０に９９％の電圧を印加するために、ＸＬ２は０．２［Ω］とされた。ここで、巻線比ｎは、ｎ＝Ｖ１／Ｖ２＝２２０［Ｖ］／６［Ｖ］＝３６．７であり、１次側リアクタンスＸＬ１はＸＬ１＝ｎ２＊ＸＬ２＝３６．７２＊０．２［Ω］＝２６９［Ω］である。
【００８６】
また、反射インピーダンスＺ２１はＺ２１＝−（ＳＭ）２／Ｚ２２＝２．７−ｊ０．０２７［Ω］であり、１次側コイル、Ｌ１の抵抗ＲＬ１を４０[Ω]とすれば、反射インピーダンス、Ｚ２１が１次回路に与える影響は小さい。このような変圧器の等価回路を図１４に示し、電源の内部抵抗は無視した。
【００８７】
図１４において、負荷抵抗Ｒ０、２０［Ω］に６［Ｖ］電圧を供給するために必要な１次側電流Ｉ１は、１次コイルの抵抗、ＲＬ１を無視すれば、Ｉ１＝Ｖ１／ＸＬ１＝２２０［Ｖ］／２６９［Ω］≒８１８［ｍＡ］である。
【００８８】
それ故、負荷抵抗Ｒ０を動作させるための実際消費電力は、図１４に示された変圧器１次側の電圧２２０［Ｖ］と電流８１８［ｍＡ］になる。
【００８９】
図１４の等価回路を電流源等価回路に変更し、並列共振型で構成したものが図１５に示されている。
【００９０】
図１５において、電源の内部抵抗は無視した。並列共振を利用して提示した上記等価回路でＱｐは、Ｑｐ＝ＸＬ１／（ＲＬ１＋Ｒ２１）＝２６９［Ω］／（４０＋２．７）［Ω］≒６．３である。また、１次側回路抵抗Ｒ１は、Ｒ１＝（ＲＬ１＋Ｒ２１）＊Ｑｐ２＝４２．７＊６．３２≒１６９４．７［Ω］である。
【００９１】
よって、この場合、１次側電流Ｉ１は共振電流Ｉ０と同一であり、Ｉ０＝Ｖ１／Ｒ１＝２２０［Ｖ］／１６９４．７［Ω］≒１２９．８［ｍＡ］である。結果的に、共振時の１次側リアクタンス、ＸＬ１に流れる電流ＩＱは、ＩＱ＝Ｑｐ＊Ｉ０＝６．３＊１２９．８［ｍＡ］≒８１８［ｍＡ］である。
【００９２】
それ故、変圧器２次側に伝達される電圧Ｖ２と電流Ｉ２は、変圧器の結合係数ｋ＝１、巻線比ｎ＝３６．７であるので、Ｖ２＝Ｖ１／ｎ＝２２０［Ｖ］／３６．７≒６［Ｖ］と、Ｉ２＝ｎ＊ＩＱ＝３６．７＊８１８［ｍＡ］≒３０［Ａ］で負荷に伝達されるので、負荷が要求する定格電圧と電流によって動作可能である。
【００９３】
しかし、負荷が使用する消費電力は、変圧器１次側に誘導される電力に起因するので、実際の消耗電力は、変圧器１次側で使用される電圧及び電流に起因する。そこで、図１４の等価回路のように共振を使用しない場合には、変圧器１次側に流れる電流、Ｉ１は約８１８［ｍＡ］であり、図１５の並列共振時の１次側に流れる電流、Ｉ０は約１２９．８［ｍＡ］であって、このとき回路には２２０［Ｖ］の同一電圧が印加されており、並列共振を使用して電力を負荷に供給する場合、共振なしで伝達した場合に比べて約６．３倍、すなわちＱｐ倍ほど電力消費を減少させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
上記のような構成と作用、及び好適な実施例を有する本発明の増幅された共振電力を負荷に伝達する回路によれば、発電電力に比べてＱ倍高い共振電力を負荷に伝達するために、電力供給源側に必ず共振が生じるようにし、負荷に電力を伝達するために用いられる変圧器回路は、その反射インピーダンスが共振を維持する値の範囲に設定することにより、負荷の主電力供給源が発電機ではなく、共振電力が主電力供給源として作用して、増幅された共振電力を負荷に伝達できるという効果がある。
【００９５】
すなわち、電力供給装置である電源（発電機等）は、共振電力を発生するための補助回路として見なされ、実際負荷に伝達される電力は、並列または直列共振回路により増幅された共振電力であるので、負荷の唯一の直接電力供給源である発電機を利用する方式に比べて、著しく増幅された共振電力を使用できるという効果があり、負荷面で負荷消費電力を減少することができるという効果がある。
【００９６】
上記のように、本発明は電力応用分野に有用に活用できるという効果がある。
【００９７】
前記の内容は本発明の望ましい構成を開示したものであって、本発明が属する分野の当業者であれば、添付された請求範囲に記載した本発明の思想及び要旨を逸脱しない範囲で本発明に対する修正及び変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の実施例による回路ブロック図。
【図２】本発明の実施例による直列共振を利用した増幅された共振電力を負荷に伝達する回路図。
【図３】本発明の実施例による３相同期発電機の等化回路図。
【図４Ａ】本発明の実施例による直列共振と並列共振の等化回路図。
【図４Ｂ】本発明の実施例による直列共振と並列共振の等化回路図。
【図５】本発明の実施例による変圧器の等化回路図である。
【図６Ａ】本発明の実施例による直列共振時、負荷のある変圧器の等化回路図。
【図６Ｂ】本発明の実施例による直列共振時、負荷のある変圧器の等化回路図。
【図７】本発明の実施例で使用される変圧器の例示図。
【図８】本発明の実施例による電源電力増幅及び伝達実験回路の等化回路図。
【図９】本発明の実験で使用される回路の等化回路図。
【図１０】本発明の実験による電源電圧と負荷が直接接続された回路図。
【図１１】本発明の実験による電力伝達用最終変圧器の等化回路図。
【図１２】本発明の実験による電力伝達共振型電圧源の等化回路図。
【図１３】本発明の実験による電力伝達共振型電流源の等化回路図。
【図１４】本発明の実験による家庭用電気機器の電力伝達変圧器の等化回路図。
【図１５】本発明の実験による負荷消費電力を減少するための家庭用電気機器の電力伝達共振型電流源の等化回路図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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