(57)【要約】      （修正有）【課題】回転機の力率を回転数など運転領域全体に渡り改善して出力を向上させる。直列コンデンサに代わって、磁気エネルギーを回生して、これを安定に行うこと。【解決手段】回転機と電源、もしくは発電機と負荷との間にスナバエネルギー回生双方向電流スイッチを直列接続し、スイッチを位相にあわせて、オン・オフをすることにより、磁気エネルギーをコンデンサに蓄積し、その電圧を電源電圧に足すことにより、リアクタンス電圧を補償して、流れる電流の波形制御や力率改善をすることができる。 【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流回転機と電源、もしくは発電機の場合は負荷との間に、スナバエネルギー回生双方向電流スイッチを直列接続し、前記電源の電圧位相、もしくは回転機の回転位相にあわせてスイッチをオン・オフする制御回路備え、回転機電流のオン・オフを半周期に１回もしくは複数回おこなうことで、電流の磁気エネルギーをエネルギー蓄積コイルに貯め、その電圧で回転機のリアクタンス電圧を直列補償することで、電流の波形や力率を変化させることを特徴とする電力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【００１】本発明は、電動機を電源に、もしくは、発電機を負荷に接続する際、半導体デバイスで構成された磁気エネルギー回生スイッチを直列接続して、電源電圧の位相に同期してオフさせて、磁気エネルギーを蓄積し、電圧位相に同期してオンさせて電源電圧に足して供給することで、あたかも直列コンデンサと同じ効果で、電動機電流の力率を改善、または電流を増やし、もしくは発電機の場合、出力電圧を増加する制御に関する。
【背景技術】
【００２】電動機や発電機は磁気と電流との相互作用により電気と機械とのエネルギー変換を行なうが、高速回転になると電流の周波数が上がり、漏れインダクタンスなどの電流を遅らせる要素の存在によるリアクタンス電圧が発生し、電流が減少することにより、回転機トルクが減少し、結局、電動機や発電機の出力が減少する問題があった。【００３】従来のインダクタンスのある負荷の力率改善には、直列にコンデンサを入れてこのリアクタンス電圧を相殺させることが良く知られ、一部実施されている（例えば、電力送電線における直列コンデンサ補償）。【００４】しかし、コンデンサ容量が大きくなること、不安定が起きる恐れがあるため、あまり普及していない。【００５】電流を任意のタイミングで遮断、そのときの磁気エネルギーを蓄積コンデンサに蓄積して、次回オンで、負荷に回生できるスナバエネルギー回生双方向電流スイッチがある（特許文献１参照。）。【００６】このスイッチは、４つの電流制御デバイスを図１のように全波整流構成に接続し、スナバエネルギー蓄積コンデンサをＤＣ発生端子に接続すれば、交流電流端子の電流双方向の無損失スイッチとなるものである。
【特許文献１】特許公開２０００−３５８３５９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００７】  電動機や発電機など電気・機械エネルギー変換機器では、高周波動作域での力率を改善して電流を増やすため、従来の直列コンデンサ方式によるリアクタンス電圧を補償できるが、交流用コンデンサは直流用に比べ高価でサイズがおおきく、また周波数に合わせた容量を選ぶことや、高調波振動や電気・機械の連成問題など予期せぬ不安定が出る可能性から、特殊な領域以外、採用されなかった。【００８】この直列コンデンサの役目を半導体スイッチとコンデンサのサイズの小型な価格の安い直流コンデンサで代用できれば、かつ周波数によらず不安定も制御できる力率補償装置となって回転機の電気機械変換出力を増大させることができる。
【課題を解決するための手段】
【００９】  電流を遮断し、そのときの磁気エネルギーをスナバエネルギー蓄積コンデンサに蓄積して、次回オンで、負荷に回生できるスナバエネルギー回生双方向電流スイッチ（特許文献１参照。）は電動機と電源の間、もしくは発電機や負荷との間に直列接続することで、電圧位相、または回転の位相にタイミングを合わせて、電流の磁気エネルギーをコンデンサに蓄積し、放電すると、直列コンデンサと同じ効果が得られる。
【発明の効果】
【０１０】  力率改善用直列コンデンサの役目を半導体スイッチとコンデンササイズが小型の直流電解コンデンサで代用でき、かつ電圧周波数に同期したオン・オフ制御により、常に電流力率を１に維持でき、高調波共振など不安定も起こりにくい。（周波数によらない、直列コンデンサ作用）【０１１】電動機の場合、リアクタンス電圧が磁気エネルギー回生スイッチにより自動的に作り出されて、電源と直列に接続されるので、その分、電源電圧を低くすることができる。（電源電圧を低減作用）【０１２】電動機、もしくは発電機の高速または高周波領域での運転時、このスイッチで電流力率を１に制御することにより、リアクタンス電圧が自動的に補償されるので、電動機においてはトルクの増大や、回転スピードの増大の効果がある。（高速領域でのトルク増大作用）【０１３】発電機においては出力電圧の増大の効果があるので、おなじ出力の場合、電流が下がる分、銅損が減り、効率が上昇するといえる。（発電機の損失低減作用）
【発明を実施するための最良の形態】
【０１４】磁気エネルギーを回生する双方向電流スイッチを回転機と電源または、負荷との間に直列接続して、電源の電圧位相、もしくは、回転機の位置にあわせた位相信号でオン・オフする。このとき、コンデンサの容量は回転機の磁気エネルギーを蓄積できるように選ぶことが第一であるが、そのほか、容量を大きくすると電圧波形が変化するので、システムの要求により選択するべきである。パルス的に電流を急変させるには、小容量コンデンサを用い、ゆっくり変化させるには、大容量コンデンサがよい。
【実施例】  図１はこの発明の原理実証のための実験回路を示したものである。【０１５】５０ヘルツ７０Ｖの交流電源３と隈取コイル型冷却ファンモータ４が磁気エネルギー回生スイッチを介して接続してある。【０１６】ファンモータ４は１００Ｖ５０ヘルツ、０．２アンペアの定格でおよそ自己インダクタンスが０．７ヘンリー、直流抵抗は１５０オームである。【０１７】磁気エネルギー回生スイッチはこの実施例では光結合半導体リレーが使えるため、これを４つ、図１のように、逆導通ダイオードとともに接続して、光結合半導体リレーのオン・オフのためのＬＥＤ電流は、電源電圧３から直接、コンデンサ０．４７マイクロファラッドを介した電流でおこなっている。エネルギー蓄積コンデンサ２は２００Ｖの４７マイクロファラッドの電解コンデンサである。【０１８】図２のスイッチ・オンオフ信号９で電源電圧の９０度進んだ位相でスイッチ１とスイッチ４をオンすることにより、図２に示すように交流電源電圧に蓄積コンデンサ２の電圧が足されることにより、コイル電流は急速に上昇する。位相が約１８０度進んだときに、２つのスイッチをオフして、逆のスイッチゲートＧ２とスイッチゲートＧ３をオンすれば、蓄積コンデンサ２の電圧がマイナスに足されることにより、コイル電流は急速に下降する。【０１９】このように電源電圧に位相を９０度進めてコンデンサ電圧を足した結果、コイル電流の振幅は増加する。このとき、蓄積コンデンサの電圧はコイル電流の磁気エネルギーを回生することから供給を受けているので補う必要は無く、コイル電流が力率１の状態になるまで、コンデンサ電圧は上昇する。【０２０】電流波形は三角波のように見えるが、蓄積コンデンサの容量を大きくしたためで、容量が小さいとパルス状の波形になる。【０２１】電流が増えた結果、ファン４の回転数が上昇し、定格１００Ｖのスイッチ無しの回転数に電源電圧７０Ｖで達しているが、すなわち、３０Ｖ分の電圧をこの磁気エネルギー回生スイッチが発生させたわけで、その電圧は負荷の磁気エネルギーを回生することから発生している。
【産業上の利用可能性】
【０２２】電動機の力率を磁気エネルギー回生スイッチで改善することができるので、電源電圧を低くしても、おなじ電流が流すことができ、とくにＤＣブラシレスモータの場合、高速域で大きい出力出せるようになる。【０２１】発電機の場合、このスイッチを直列接続して電流の力率を改善すれば発電機の漏れリアクタンスの電圧降下が補償されることにより高電圧が出力できる。風力発電のように風とともに発電機の出力が変わったり、周波数が変わる場合、直列コンデンサは共振条件が満足しないため過補償になったりして困っているが、このスイッチを用いれば、自動的に力率を補償し、発電機の出力電圧が高くなった分、損失が減少する。
【図面の簡単な説明】
【０２２】
【図１】隈取コイル型誘導モータ・ファンに磁気エネルギー回生スイッチを直列接続して、同期した信号でスイッチを切り替えることで電流の力率が改善して、７０Ｖの電圧で１００Ｖ相当の回転数になることを示すモデル実験回路図
【図２】図１の回路の電源電圧、電流波形などを説明する図
【符号の説明】
【０２３】１光結合半導体リレースイッチ（制御ＬＥＤ電流３ｍＡ、ＤＣ電流１．３Ａ−２００Ｖ）
２エネルギー蓄積コンデンサ（４７マイクロファラッド、２００Ｖ）
３電源（７０Ｖ）
４隈取コイル型誘導モータ（５０ヘルツ１００Ｖ  ０．２Ａ、０．７Ｈ，１５０オーム）
５位相信号発生回路（０．４７マイクロファラッドとダイオード）
６電源電圧波形
７モータの電圧波形
８電流波形
９スイッチ・オンオフ信号
【図１】
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【図２】
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