(57)【要約】【課題】低コスト、高効率の交流電圧調整装置を提供する。【解決手段】半導体素子で構成された第一交流スイッチ４および第二交流スイッチ５を備え、電圧調整用の変圧器６の２次側を入力端子１ｂと出力端子３ｂの間に接続し、商用電源電圧の定格値を超えた上昇分を変圧器６の２次側で降下させて負荷２に供給する交流電圧調整装置において、第一交流スイッチ４および第二交流スイッチ５を用いて変圧器６の１次側の逆起電力を制御することにより、２次側に誘起電力を生じさせる。その結果、装置が軽量化し、製造コストが低くなり、また高効率であるため、より実用的な省エネルギー用の交流電圧調整装置が実現できる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された商用電源電圧がその定格値以上の場合、該定格値以下の電圧に降下させて負荷に供給する交流電圧調整装置において、前記商用電源を接続する一対の入力端子と、前記負荷を接続する一対の出力端子と、前記入力端子の一方と前記出力端子の一方を接続する共通のコモン線と、前記入力端子の他方と前記出力端子の他方との間に２次側を接続して前記商用電源電圧を降下させる変圧器と、前記負荷に供給する交流出力電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段により検出し、その検出出力に応じて前記変圧器の２次側に誘起電力が生じるようその１次側の逆起電力を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする交流電圧調整装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記入力端子の一方と前記変圧器の１次側との間に接続される第一交流スイッチと、前記変圧器の１次側と並列に接続される第二交流スイッチと、前記第一交流スイッチおよび前記第二交流スイッチに駆動信号を出力して前記両交流スイッチを制御する駆動回路と、該駆動回路に比較信号を出力する比較回路と、前記商用電源電圧の極性を検出するフリップフロップと、から構成され、前記第一交流スイッチおよび前記第二交流スイッチを制御することにより、前記変圧器の１次側の逆起電力を制御することを特徴とする請求項１に記載の交流電圧調整装置。
【請求項３】
前記第一交流スイッチは、二つの半導体素子から構成され、該二つの半導体素子の被制御端子間に、それぞれその導通方向とは逆方向にダイオードを接続し、前記二つの半導体素子の同一極の前記被制御端子同志を接続して構成したことを特徴とする請求項２に記載の交流電圧調整装置。
【請求項４】
前記第二交流スイッチは、二つの半導体素子から構成され、該二つの半導体素子はそれぞれの導通方向が互いに逆方向となるよう並列接続したことを特徴とする請求項２または３に記載の交流電圧調整装置。
【請求項５】
前記駆動回路は、前記比較回路からの前記比較信号と、前記商用電源電圧の極性を検出した前記フリップフロップからの検出信号とを受けて、前記第一交流スイッチおよび前記第二交流スイッチに前記駆動信号を出力することを特徴とする請求項２乃至４に記載の交流電圧調整装置。
【請求項６】
前記比較回路は、鋸波を発生する発信器と、任意の基準電圧を発生する基準電圧発生器と、該基準電圧と前記電圧検出手段からの前記検出出力との誤差を増幅する誤差増幅器と、前記発信器からの前記鋸波と前記誤差増幅器からの出力とを比較して前記比較信号を前記駆動回路に出力する比較器と、から構成されることを特徴とする請求項２乃至５に記載の交流電圧調整装置。
【請求項７】
前記商用電源電圧がその定格値以上になった際、前記商用電源電圧の正または負の半周期の前半は前記第一交流スイッチが導通し、後半は前記第二交流スイッチが導通することを特徴とする請求項２乃至６に記載の交流電圧調整装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流入力電圧となる商用電源電圧がその定格値を超えて上昇した際に少なくともその上昇分を降下させて、定格値またはそれより低い値の交流出力電圧を負荷に供給する交流電圧調整装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力会社が各需要家に商用電力を供給する際、各需要家の受電の状況により、各需要家の受電する商用電源電圧が変動する場合がある。例えば、１００Ｖ系では、１０１Ｖ±６Ｖの範囲で受電する電圧が変動する。したがって、例えば、負荷となる多くの照明灯を取り付けたスーパーマーケット、デパート、またはパチンコ店などで、受電する電圧がその定格値（例えば１００Ｖ）を超えて上昇すると、照明灯による消費電力量が増大してしまう。
【０００３】
しかし、照明灯などの消費電力は供給された電圧の二乗に比例するため、負荷に供給する電圧を下げることにより節電効果が得られる。そこで、商用電源電圧の定格値を超えた場合、電圧を定格値あるいはそれ以下に降下させて負荷に供給する手段として、サイリスタによる変圧器のタップ切替方式、トランジスタ制御による電圧調整器などが知られている。
【０００４】
サイリスタによる変圧器のタップ切替方式は、主に照明装置等に用いられている。しかし、各タップの巻線間のステップ数に応じた急変電圧が生じるため、電圧調整は段階的となり、照明器具にちらつきが生じてしまう。
【０００５】
また、トランジスタ制御による電圧調整器は、一般に１０〜２０ｋＨｚの高周波でトランジスタのスイッチングを行っており、高周波フィルターを必要とする。しかし、トランジスタのスイッチング損失および高周波フィルターでの損失が大きいため、効率が悪く装置が大型になってしまう。
【０００６】
さらに、この種の交流電圧調整装置として、例えば特開２００１−１４５３５０号公報に記載のものが知られている。この文献に記載の交流電圧調整装置では、トランスに複数のタップを設け、タップの切り替えにより商用電源電圧を調整して出力している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記文献のような交流電圧調整装置では、タップの数に比例して、タップの切替手段が必要になるため、装置が複雑且つ大型になるとともに、製造コストが高くなるなどの問題が生じてしまう。
【０００８】
本発明は、このような従来技術が有していた問題を解決しようとするものであり、電圧調整用の変圧器の２次側を入力端子と出力端子の間に接続し、１組のトランジスタおよびダイオードで構成された第一交流スイッチと、１組のサイリスタで構成された第二交流スイッチとで、前記変圧器の１次側の逆起電力を制御することにより、２次側に誘起電力を生じさせる。その結果、商用電源電圧の定格値を超えた上昇分を変圧器の２次側で降下させ、常に定格値以下の電圧を負荷に供給する。
【０００９】
これにより、本発明では、装置が軽量化し、製造コストが低くなり、また高効率であるため、より実用的な省エネルギー用の交流電圧調整装置が実現できる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、入力された商用電源電圧がその定格値以上の場合、該定格値以下の電圧に降下させて負荷に供給する交流電圧調整装置において、前記商用電源を接続する一対の入力端子と、前記負荷を接続する一対の出力端子と、前記入力端子の一方と前記出力端子の一方を接続する共通のコモン線と、前記入力端子の他方と前記出力端子の他方との間に２次側を接続して前記商用電源電圧を降下させる変圧器と、前記負荷に供給する交流出力電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段により検出し、その検出出力に応じて前記変圧器の２次側に誘起電力が生じるようその１次側の逆起電力を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の前記制御手段は、前記入力端子の一方と前記変圧器の１次側との間に接続される第一交流スイッチと、前記変圧器の１次側と並列に接続される第二交流スイッチと、前記第一交流スイッチおよび前記第二交流スイッチに駆動信号を出力して前記両交流スイッチを制御する駆動回路と、該駆動回路に比較信号を出力する比較回路と、前記商用電源電圧の極性を検出するフリップフロップと、から構成され、前記第一交流スイッチおよび前記第二交流スイッチを制御することにより、前記変圧器の１次側の逆起電力を制御することを特徴とする。
【００１２】
さらに、本発明の前記第一交流スイッチは、二つの半導体素子から構成され、該二つの半導体素子の被制御端子間に、それぞれその導通方向とは逆方向にダイオードを接続し、前記二つの半導体素子の同一極の前記被制御端子同志を接続して構成したことを特徴とする。また、本発明の前記第二交流スイッチは、二つの半導体素子から構成され、該二つの半導体素子はそれぞれの導通方向が互いに逆方向となるよう並列接続したことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の前記駆動回路は、前記比較回路からの前記比較信号と、前記商用電源電圧の極性を検出した前記フリップフロップからの検出信号とを受けて、前記第一交流スイッチおよび前記第二交流スイッチに前記駆動信号を出力することを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明の前記比較回路は、鋸波を発生する発信器と、任意の基準電圧を発生する基準電圧発生器と、該基準電圧と前記電圧検出手段からの前記検出出力との誤差を増幅する誤差増幅器と、前記発信器からの前記鋸波と前記誤差増幅器からの出力とを比較して前記比較信号を前記駆動回路に出力する比較器と、から構成されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明では、前記商用電源電圧がその定格値を超えて上昇した際に、前記商用電源電圧の正または負の半周期の前半は前記第一交流スイッチが導通し、後半は前記第二交流スイッチが導通することを特徴とする。
【００１６】
上記の構成によれば、装置が軽量化し、製造コストが低くなり、また高効率であるため、より実用的な省エネルギー用の交流電圧調整装置が実現できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１乃至図５に基づいて説明する。図１は、本発明による交流電圧調整装置の回路構成図、図２は、第一交流スイッチおよび第二交流スイッチのタイミングチャート、図３は、比較器から出力される比較信号のタイミングチャート、図４は、交流出力電圧の電圧波形、図５は、本発明の交流電圧調整装置の動作説明用回路図である。
【００１８】
まず、本発明による交流電圧調整装置の回路構成を図１に基づいて説明する。交流電圧調整装置は、交流入力電源となる商用電源Ｐを接続する入力端子１ａ、１ｂと、負荷２を接続する出力端子３ａ、３ｂと、第一交流スイッチ４および第二交流スイッチ５と、電圧調整用の変圧器６と、フィルター７と、から構成されている。入力端子１ａと出力端子３ａは、共通のコモン線Ｙで接続されている。また、入力端子１ｂと出力端子３ｂとの間には、変圧器６の２次側が接続されており、且つ２次側の巻き始めの一端が出力端子３ｂに接続されている。さらに、入力端子１ａと変圧器６の１次側の巻き始めの一端との間には、第一交流スイッチ４と、フィルター７を構成するリアクトルＬ２とが直列に接続されており、また、変圧器６の１次側の巻き終わりの一端は、入力端子１ｂに接続されている。また、変圧器６の１次側と並列に第二交流スイッチ５が接続されており、フィルター７を構成するコンデンサＣが第二交流スイッチ５と並列に接続されている。
【００１９】
さらに、第一交流スイッチ４および第二交流スイッチ５には、それぞれ駆動回路８が接続されている。また、駆動回路８には、フリップフロップ９と、発信器１１、基準電圧発生器１２、誤差増幅器１３、および比較器１４からなる比較回路１０とが接続されている。また、出力端子３ａ、３ｂ間には、電圧検出手段１５が接続されている。
【００２０】
商用電源Ｐから５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源電圧（例えば１００Ｖ）が入力端子１ａ、１ｂ間に供給される。また、負荷２は抵抗ＲとリアクトルＬ１から構成され、出力端子３ａ、３ｂに接続される。
【００２１】
第一交流スイッチ４は、二個のトランジスタＱ１、Ｑ２、および二個のダイオードＤ１、Ｄ２から構成される。トランジスタＱ１のコレクタ、エミッタ間に、ダイオードＤ１をその導通方向とは逆方向に接続する。同様に、トランジスタＱ２のコレクタ、エミッタ間に、ダイオードＤ２をその導通方向とは逆方向に接続する。そして、トランジスタＱ１、Ｑ２のそれぞれのエミッタ同志を接続し、第一交流スイッチ４を構成する。また、トランジスタＱ１、Ｑ２のそれぞれのベースには、駆動回路８が接続される。
【００２２】
第二交流スイッチ５は、二個のサイリスタＳＣＲ１、ＳＣＲ２から構成され、それぞれの導通方向が互いに逆方向になるように並列接続して構成される。また、サイリスタＳＣＲ１、ＳＣＲ２のそれぞれのゲートには、駆動回路８が接続される。さらに、サイリスタＳＣＲ１、ＳＣＲ２のカソードはそれぞれ変圧器６の１次側の巻き終わり、巻き始めの一端と接続される。
【００２３】
電圧調整用の変圧器６は、１次側の巻き始めと２次側の巻き始めが互いに反対側に位置するように構成されている。また、１次側の巻線と２次側の巻線は、所定の巻数比となるよう構成されている。フィルタ７は、リアクトルＬ２およびコンデンサＣから構成され、電圧の脈動を縮小させ、高周波成分を除去することができる。
【００２４】
駆動回路８は、フリップフロップ９からの検出信号と、比較回路１０からの比較信号１７とを受けて、第一交流スイッチ４を構成するトランジスタＱ１、Ｑ２のベース、および第二交流スイッチ５を構成するサイリスタＳＣＲ１、ＳＣＲ２のゲートにそれぞれ駆動信号を出力する。フリップフロップ９は、入力端子１ａ、１ｂ間に接続され、商用電源電圧の極性を検出し、その検出信号を駆動回路８に出力する。
【００２５】
比較回路１０は、所定の周波数の鋸波１６（図３参照）を発生する発信器１１と、任意の基準電圧を発生する基準電圧発生器１２と、基準電圧発生器１２からの基準電圧と電圧検出手段１５で検出した交流出力電圧との誤差を増幅する誤差増幅器１３と、発信器１１からの鋸波１６と誤差増幅器１３からの出力とを比較する比較器１４と、から構成される。
【００２６】
次に、交流電圧調整装置の回路動作を図１乃至図５に基づいて説明する。商用電源Ｐとして６０Ｈｚ、単相１００Ｖ（定格値）の商用電源電圧を用い、出力端子３ａ、３ｂに６０Ｈｚ、単相１００Ｖの交流出力電圧を出力する場合についての動作を説明する。
【００２７】
以下、商用電源電圧が定格値１００Ｖを超えた場合（例えば１０５Ｖ）について説明する。この時、出力端子３ａ、３ｂには定格値１００Ｖを超える交流出力電圧（例えば１０５Ｖ）が出力され、電圧検出手段１５でその交流出力電圧を検出し、さらに整流回路（図示せず）で直流電圧に変換した後、誤差増幅器１３に入力される。電圧検出手段１５で検出した交流出力電圧と、基準電圧発生器１２で発生される所定の値に調整された基準電圧との誤差を誤差増幅器１３で増幅し、その結果を比較器１４に出力する。
【００２８】
さらに、発信器１１で発生される所定の周波数の鋸波１６と、誤差増幅器１３からの出力とを、比較器１４で比較させる。そして、鋸波１６の立ち上がり部分と基準電圧との共通領域における期間Ｔ１をローレベル、それ以外の期間Ｔ２をハイレベルとする比較信号１７（図３参照）を駆動回路８に出力する。また、フリップフロップ９にて商用電源電圧の極性を検出し、その検出信号を駆動回路８に出力する。
【００２９】
図３乃至図５から明らかなように、商用電源電圧の最初の正の半周期において、期間Ｔ１では、駆動回路８からの駆動信号を受けて、第一交流スイッチ４のトランジスタＱ２のみがオン状態を保持する。この時、トランジスタＱ２がオンすると、変圧器６の１次側には商用電源電圧の１０５Ｖが逆起電力Ｖ１（実線の矢印方向を正とする）として発生する。今、変圧器６の巻数比を例えば１０（１次巻線）：１（２次巻線）とすると、変圧器６の２次側には１０．５Ｖの誘起電力Ｖ２（実線の矢印方向を正とする）が発生する。その結果、期間Ｔ１において、出力端子３ａ、３ｂには１０５Ｖから誘起電力Ｖ２を差し引いた９４．５Ｖの交流出力電圧が出力される。
【００３０】
また、期間Ｔ２では、トランジスタＱ２がオフし、第二交流スイッチ５のサイリスタＳＣＲ１がオン状態を保持する。この時、トランジスタＱ２がオフし、サイリスタＳＣＲ１がオンすると、変圧器６の１次側には逆起電力Ｖ１が発生しなくなるため、期間Ｔ２においては、出力端子３ａ、３ｂには１０５Ｖの商用電源電圧が出力される。その結果、出力端子３ａ、３ｂには、図４に示す電圧波形を有する交流出力電圧が出力される。したがって、商用電源電圧の正の半周期の全期間（Ｔ１、Ｔ２）において、出力端子３ａ、３ｂには、定格値１００Ｖの交流出力電圧が出力されることになる。
【００３１】
次に、商用電源電圧の負の半周期において、期間Ｔ１では、駆動回路８からの駆動信号を受けて、第一交流スイッチ４のトランジスタＱ１のみがオン状態を保持する。この時、トランジスタＱ１がオンすると、変圧器６の１次側には商用電源電圧の１０５Ｖが逆起電力Ｖ３（破線の矢印方向を正とする）として発生し、変圧器６の２次側には１０．５Ｖの誘起電力Ｖ４（破線の矢印方向を正とする）が発生する。（図５参照）その結果、期間Ｔ１において、出力端子３ａ、３ｂには１０５Ｖから誘起電力Ｖ４を差し引いた９４．５Ｖの交流出力電圧が出力される。
【００３２】
また、期間Ｔ２では、トランジスタＱ１がオフし、第二交流スイッチ５のサイリスタＳＣＲ２がオン状態を保持する。この時、トランジスタＱ１がオフし、サイリスタＳＣＲ２がオンすると、変圧器６の１次側には逆起電力Ｖ３が発生しなくなるため、期間Ｔ２においては、出力端子３ａ、３ｂには１０５Ｖの商用電源電圧が出力される。その結果、出力端子３ａ、３ｂには、図４に示す電圧波形を有する交流出力電圧が出力される。したがって、商用電源電圧の負の半周期の全期間（Ｔ１、Ｔ２）において、出力端子３ａ、３ｂには、定格値１００Ｖの交流出力電圧が出力されることになる。
【００３３】
ここで、商用電源電圧がその定格値を超えた上昇分、すなわち、電圧検出手段１５で検出する交流出力電圧の値に応じて、誤差増幅器１３からの出力が変化するため、比較器１４からの比較信号１７が変化し、期間Ｔ１および期間Ｔ２の比も変化する。その結果、第一交流スイッチ４および第二交流スイッチ５に出力される駆動信号も変化し、各交流スイッチの導通比が変化する。その結果、商用電源電圧がその定格値を超えた場合、上記の動作を繰り返すことにより、負荷２には常に定格値１００Ｖを供給することができる。
【００３４】
次に、商用電源電圧が定格値１００Ｖを維持している、あるいは、定格値１００Ｖよりも所定の値だけ低い場合、駆動回路８からの駆動信号を受け、第二交流スイッチ５のみが動作する。すなわち、商用電源電圧の正の半周期ではサイリスタＳＣＲ１がオン状態を保持し、負の半周期ではサイリスタＳＣＲ２がオン状態を保持する。その結果、変圧器６の１次側には逆起電力Ｖ１およびＶ３が発生しないため、入力端子１ａ、１ｂに入力された商用電源電圧がそのまま出力端子３ａ、３ｂに出力される。
【００３５】
以上は、商用電源電圧がその定格値１００Ｖを超えて１０５Ｖに変動した際に、変圧器６により定格値の上昇分を降下させて、定格値１００Ｖを負荷２に供給する場合について説明した。さらに、基準電圧発生器１２で発生する基準電圧の大きさを調整することにより、例えば、商用電源電圧がその定格値２００Ｖを超えて２０５Ｖに変動した場合、上記の実施例と同様に、変圧器６により定格値の上昇分を降下させて、定格値２００Ｖを負荷２に供給することも可能である。
【００３６】
また、一般の家電製品では、入力する商用電源電圧は定格値１００Ｖ±１０Ｖ、すなわち９０Ｖ〜１１０Ｖの範囲で使用することが可能である。したがって、負荷２として一般の家電製品を用い、節電の目的で本発明の交流電圧調整装置を使用する場合、例えば、商用電源電圧がその定格値１００Ｖを超えて１０５Ｖに変動した際に、変圧器６により定格値の上昇分を降下させて、負荷２に９８Ｖの交流出力電圧を供給することも可能である。つまり、期間Ｔ１を上記実施例よりも少し長くし、期間Ｔ２を上記実施例よりも少し短く設定することにより、負荷２に９８Ｖの交流出力電圧を供給することができる。
【００３７】
以上、本発明の一実施例について説明したが、その他の態様でも実施し得るものである。例えば、第一交流スイッチを構成する半導体素子として、ＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。以上、本発明を種々説明したが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の交流電圧調整装置では、従来のように、変圧器に複数のタップを設けてタップの切り替えを行ったり、高周波で交流スイッチをスイッチングすることなく、商用電源電圧がその定格値を超えて上昇した際にその上昇分を降下させて、定格値またはそれに近い値の交流電圧を交流出力電圧として負荷に出力することができる。その結果、装置が軽量化し、製造コストが低くなり、また高効率であるため、より実用的な省エネルギー用の交流電圧調整装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の交流電圧調整装置の回路構成図。
【図２】図１の回路動作を説明するための各交流スイッチのタイミングチャート。
【図３】同じく比較信号のタイミングチャート。
【図４】同じく交流出力電圧の電圧波形。
【図５】同じく動作説明用回路図。
【符号の説明】
Ｐ　　商用電源
１ａ、１ｂ　入力端子
２　　負荷
３ａ、３ｂ　出力端子
４　　第一交流スイッチ
５　　第二交流スイッチ
６　　変圧器
７　　フィルター
８　　駆動回路
９　　フリップフロップ
１０　比較回路
１１　発信器
１２　基準電圧発生器
１３　誤差増幅器
１４　比較器
１５　電圧検出手段
１６　鋸波
１７　比較信号
【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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