(57)【要約】【課題】高速制御が可能な可変リアクタンス機能を有する電磁機器を提供する。【解決手段】第１可制御バルブデバイス１５および第１ダイオード１７、第２可制御バルブデバイス１６および第２ダイオード１８、ならびにコンデンサ１４は、整流器１１のＰＮ端子間に互いに並列に接続される。第１可制御バルブデバイス１５および第２可制御バルブデバイス１６は、整流器１１から順電流が流れるよう接続される。第１ダイオード１７は、整流器１１のＮ端子と第１可制御バルブデバイス１５との間に、アノードが整流器１１側になるよう接続される。第２ダイオード１８は、整流器１１のＰ端子と第２可制御バルブデバイス１６との間に、カソードが整流器１１側になるよう接続される。可変リアクタンス機器１３は、可変リアクタンス機能を有し、直流制御巻線２０の一方の端子が第１可制御バルブデバイス１５と第１ダイオード１７との間、他方の端子が第２可制御バルブデバイス１６と第２ダイオード１８との間に接続される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁心に交流巻線と直流制御巻線を有し、該直流制御巻線に通ずる直流電流の大きさに応じて該交流巻線のリアクタンスが変化する特性を有する可変リアクタンス機能を持つ電磁機器において、
前記直流制御巻線に直流電流を通ずる直流電源の正負端子ＰＮ間にコンデンサを接続し、
直流制御電源の正端子Ｐと前記直流制御巻線の第１の端子との間に第１の可制御バルブデバイスを直列に挿入し、前記直流制御巻線の第２の端子と直流制御電源の負端子Ｎとの間に第２の可制御バルブデバイスを直列に挿入し、且つ、第１、第２の可制御バルブデバイスが正端子Ｐから前記直流制御巻線を介して負端子Ｎに至る閉回路において順方向となるよう接続し、
さらに、直流制御電源の負端子Nと前記直流制御巻線の第１の端子との間に第１のダイオードを直列に挿入し、前記直流制御巻線の第２の端子と直流制御電源の正端子Pとの間に第２のダイオードを直列に挿入し、且つ、第１、第２のダイオードが正端子Ｐから前記直流制御巻線を介して負端子Ｎに至る閉回路において逆方向となるよう接続したことを特徴とする電磁機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速制御が可能な可変リアクタンス機能を有する電磁機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
可変リアクタンス機能をもつ電磁機器の制御巻線の直流電流の制御としては、図７に示すようなチョッパ回路を適用する制御装置が考えられる。
【０００３】
整流器３１は、交流制御電源１の交流電圧を直流電圧に変換し、チョッパ回路３２に入力直流電源電圧を供給するよう構成されている。チョッパ回路３２は、ＩＧＢＴ３４とダイオード３５とを有している。チョッパ回路３２は、ＩＧＢＴ３４のコレクタを整流器３１のＰ端子に接続し、ＩＧＢＴ３４のエミッタとダイオード３５のカソードとを接続し、ダイオード３５のアノードを整流器３１のＮ端子に接続して形成されている。
【０００４】
可変リアクタンス機器３３は、磁心に交流巻線３６と制御巻線３７とを有している。可変リアクタンス機器３３は、制御巻線３７の一方の端子がＩＧＢＴ３４とダイオード３５との間に接続され、制御巻線３７の他方の端子が整流器３１のＮ端子に接続されている。可変リアクタンス機器３３は、制御巻線３７の直流制御電流に応じて，交流巻線３６のリアクタンスが変化する可変リアクタンス機能を有している（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００５】
以下に、図７に示す電磁機器３０の作用について説明する。
交流巻線３６のリアクタンスを減少させる場合、制御指令回路（図示せず）からの信号に基づき、ＩＧＢＴ３４とダイオード３５からなるチョッパ回路３２が制御巻線３７の直流制御電流を増加させる。これにより、交流巻線３６のリアクタンスが減少する。逆に、交流巻線３６のリアクタンスを増加させる場合、チョッパ回路３２が制御巻線３７の直流制御電流を減少させる。これにより、交流巻線３６のリアクタンスが増加する。
【０００６】
図８は、図７に示す電磁機器の制御装置について、（Ａ）ＩＧＢＴのゲート信号波形、（Ｂ）ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧波形、（Ｃ）チョッパ回路の出力電圧波形を夫々示す図である。図８に示すように、チョッパ回路３２の出力電圧平均値Ｅｏは、オンオフの周期をＴ、オンの幅をＴ１、チョッパ回路３２の入力直流電源電圧をＥとすると、Ｅｏ＝Ｅ×Ｔ１／Ｔでほぼ表される。
【０００７】
【特許文献１】特開平９−３３０８２９
【特許文献２】特開２００３−６８５３９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図７に示す電磁機器３０では、以下の課題がある。
例えば、０．１秒以下で制御指令値にリアクタンスを調整する装置にするためには、制御巻線３７の直流制御電流を０．１秒以下で増減させる必要がある。一般に制御巻線３７の時定数をτとし、制御巻線３７の抵抗をＲ、インダクタンスをＬ、直流電圧をＥｏとすると、電流Ｉは次式で与えられる。
Ｉ＝Ｅｏ／Ｒ×｛１−ｅｘｐ（−ｔ／τ）｝
ここで、τ＝Ｌ／Ｒである。
この式から、たとえ時定数τが大きくても、Ｅｏに比例して電流Ｉは増加するので、応答を速めたいときには、Ｅｏを増加させればよいことは明らかである。
【０００９】
例えば、制御巻線３７の抵抗Ｒ＝０．１オーム、インダクタンスＬ＝０．１Ｈとすると、時定数τは１秒である。定格電流を１００Ａとすると、定常状態では１０Ｖ（１００Ａ×０．１オーム）の電圧が制御巻線３７に印加されている。このとき、チョッパ回路３２により１０５Ｖの電圧を制御巻線３７に与えれば、０．１秒で１００Ａに到達させることができる。
【００１０】
次に、電流を減少させるときを考える。図７に示す電磁機器３０の動作をやや詳しく述べると、チョッパ回路３２のＩＧＢＴ３４がオンのとき、整流器３１、ＩＧＢＴ３４および制御巻線３７を介して電流Ｉが流れる。次いで、ＩＧＢＴ３４がオフのとき、制御巻線３７の電流Ｉは、ダイオード３５を介して還流する。定常状態では、ＩＧＢＴ３４のオン期間Ｔ１の間に増加する電流とＩＧＢＴ３４のオフ期間（Ｔ−Ｔ１）の間に減少する電流とがつり合っている。ＩＧＢＴ３４のオフ期間中に電流を減少させる要因は制御巻線３７の抵抗分が主である。このため、ＩＧＢＴ３４のオン期間Ｔ１を０にしても電流の減衰は少なく、電流が０になるには、制御巻線３７の時定数τの約４倍の時間を要することになる。前述のτ＝１秒の例では、約４秒の時間がかかることになる。
【００１１】
このように、図７に示す電磁機器３０では、可変リアクタンス機能を有する可変リアクタンス機器３３の直流制御電流を高速に減少させることができないため、高速制御ができないという課題があった。
【００１２】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、高速制御が可能な電磁機器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係る電磁機器は、磁心に交流巻線と直流制御巻線を有し、該直流制御巻線に通ずる直流電流の大きさに応じて該交流巻線のリアクタンスが変化する特性を有する可変リアクタンス機能を持つ電磁機器において、前記直流制御巻線に直流電流を通ずる直流電源の正負端子ＰＮ間にコンデンサを接続し、直流制御電源の正端子Ｐと前記直流制御巻線の第１の端子との間に第１の可制御バルブデバイスを直列に挿入し、前記直流制御巻線の第２の端子と直流制御電源の負端子Ｎとの間に第２の可制御バルブデバイスを直列に挿入し、且つ、第１、第２の可制御バルブデバイスが正端子Ｐから前記直流制御巻線を介して負端子Ｎに至る閉回路において順方向となるよう接続し、さらに、直流制御電源の負端子Nと前記直流制御巻線の第１の端子との間に第１のダイオードを直列に挿入し、前記直流制御巻線の第２の端子と直流制御電源の正端子Pとの間に第２のダイオードを直列に挿入し、且つ、第１、第２のダイオードが正端子Ｐから前記直流制御巻線を介して負端子Ｎに至る閉回路において逆方向となるよう接続したことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る電磁機器は、単相に限らず、３相などの多相回路で構成されてもよい。多相の可変リアクタンス機器の各相直流制御巻線に対し、各相個別に直流制御回路を設けても、或いは各相直流制御巻線を直列もしくは並列に接続し一括して直流制御回路を設けてもよい。本発明に係る電磁機器の制御装置では、第１可制御バルブデバイスおよび第２可制御バルブデバイスは、例えば、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＧＴＯなどの半導体を用いた可制御バルブデバイスから成るのが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る電磁機器の制御装置では、第１可制御バルブデバイス、第２可制御バルブデバイス、第１ダイオードおよび第２ダイオードは、それぞれの電気的な特性を十分考慮し、組合せた場合の特性が合致する物を選定することが好ましい。可制御バルブデバイスとダイオードとを並列一体構造としたダイオード内蔵型可制御バルブデバイスなどの素子が一般に入手可能であるため、このような素子を使用してもよい。この場合、可制御バルブデバイスとダイオードとの組合せ特性が予め満たされており、設計および製作が容易となる。
【００１６】
本発明に係る電磁機器では、第１可制御バルブデバイスおよび第２可制御バルブデバイスがオンのとき、直流制御巻線に直流電圧Ｅが印加される。第１可制御バルブデバイスおよび第２可制御バルブデバイスがオフのとき、直流制御巻線には第１ダイオードおよび第２ダイオードを介してコンデンサを充電する向きの電流が流れる。このため、本発明に係る電磁機器では、第１可制御バルブデバイスおよび第２可制御バルブデバイスのオン期間はＥ、オフ期間は−Ｅの電圧が制御巻線に印加される。これにより、本発明に係る電磁機器は、立ち上げ、立ち下げのいずれの場合も直流制御電流を高速に変化させることができ、高速制御が可能である。
【００１７】
本発明に係る電磁機器は、交流巻線の端子を配電線路に対して並列に接続し電圧安定化装置として使用されてもよい。この場合、無効電力を調整することで、配電線の電圧を調整したり、一般の負荷を対象として電源または負荷の電圧や、力率を調整したりすることができる。
【００１８】
本発明に係る電磁機器は、交流巻線の端子を配電線路に対して直列に接続し電圧安定化装置として使用されてもよい。この場合、直列インピーダンスを変化させることにより、配電線の電圧を調整することができる。また、ループ系統を構成する線路に接続されて、位相調整器として電力潮流を制御することもできる。
【００１９】
本発明に係る電磁機器は、電磁機器が１相に対して複数の交流巻線を有する、変圧器として使用されてもよい。この場合、無効電力調整と変圧作用とを併せて行うことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、高速制御が可能な電磁機器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図６は、本発明の実施の形態の電磁機器を示している。
図１に示すように、本発明の電磁機器１０は、整流器１１とＨ型チョッパ回路１２と可変リアクタンス機器１３とを有している。
【００２２】
整流器１１は、交流制御電源１の交流電圧を直流電圧に変換し、Ｈ型チョッパ回路１２に入力直流電源電圧を供給するよう構成されている。
【００２３】
Ｈ型チョッパ回路１２は、コンデンサ１４と第１可制御バルブデバイス１５と第２可制御バルブデバイス１６と第１ダイオード１７と第２ダイオード１８とを有している。コンデンサ１４は、整流器１１のＰＮ端子間に接続されている。第１可制御バルブデバイス１５および第２可制御バルブデバイス１６は、ＩＧＢＴから成り、整流器１１から順電流が流れるよう、ＩＧＢＴのコレクタが整流器１１のＰ端子側、エミッタが整流器１１のＮ端子側にそれぞれ接続されている。
【００２４】
第１ダイオード１７は、整流器１１のＮ端子と第１可制御バルブデバイス１５との間に接続されている。第１ダイオード１７は、アノードが整流器１１のＮ端子、カソードが第１可制御バルブデバイス１５のエミッタに接続されている。第２ダイオード１８は、整流器１１のＰ端子と第２可制御バルブデバイス１６との間に接続されている。第２ダイオード１８は、アノードが第２可制御バルブデバイス１６のコレクタ、カソードが整流器１１のＰ端子に接続されている。
【００２５】
第１可制御バルブデバイス１５および第１ダイオード１７、第２可制御バルブデバイス１６および第２ダイオード１８、ならびにコンデンサ１４は、整流器１１のＰＮ端子間に互いに並列に接続されている。Ｈ型チョッパ回路１２は、回路構成が概ねＨ型に形成されている。
【００２６】
可変リアクタンス機器１３は、磁心に交流巻線１９と直流制御巻線２０とを有している。可変リアクタンス機器１３は、直流制御巻線２０の一方の端子が第１可制御バルブデバイス１５と第１ダイオード１７との間に接続され、直流制御巻線２０の他方の端子が第２可制御バルブデバイス１６と第２ダイオード１８との間に接続されている。可変リアクタンス機器１３は、直流制御巻線２０に通ずる直流制御電流の大きさに応じて、交流巻線１９のリアクタンスが変化する可変リアクタンス機能を有している。
【００２７】
なお、図１に示すように、可変リアクタンス機器１３は、直交磁心を用いた可変リアクトルから成るが、これに限られず、磁心に交流巻線１９と直流制御巻線２０とを有し、直流制御巻線２０に通ずる直流制御電流の大きさに対応して交流巻線１９のリアクタンスが変化する可変リアクタンス機能を有していればよい。
【００２８】
次に、作用について説明する。
本発明による電磁機器１０では、交流巻線１９のリアクタンスを減少させる場合、制御指令回路（図示せず）からの信号に基づき、チョッパ回路１２が直流制御巻線２０の直流制御電流を増加させる。これにより、交流巻線１９のリアクタンスが減少する。逆に、交流巻線１９のリアクタンスを増加させる場合、チョッパ回路１２が直流制御巻線２０の直流制御電流を減少させる。これにより、交流巻線１９のリアクタンスが増加する。
【００２９】
図２は、図１に示す電磁機器の制御装置について、（Ａ）第１可制御バルブデバイスおよび第２可制御バルブデバイスのゲート信号波形、（Ｂ）第１可制御バルブデバイスおよび第２可制御バルブデバイスのコレクタ−エミッタ間電圧波形、（Ｃ）チョッパ回路の出力電圧波形を夫々示す図である。図２に示すように、本発明による電磁機器１０では、第１可制御バルブデバイス１５および第２可制御バルブデバイス１６がオンのとき、直流制御巻線２０に直流電圧Ｅが印加される。第１可制御バルブデバイス１５および第２可制御バルブデバイス１６がオフのとき、直流制御巻線２０には第１ダイオード１７および第２ダイオード１８を介してコンデンサ１４を充電する向きの電流が流れる。その結果、図２（Ｃ）に示すように、直流制御巻線２０に印加される電圧波形は、出力電圧が±Ｅ、周期がＴの方形波となる。このため、第１可制御バルブデバイス１５および第２可制御バルブデバイス１６のオン期間Ｔ１を変えることにより、その平均電圧Ｅｏを−Ｅから＋Ｅまで変えることができる。
【００３０】
図２（Ｃ）に示すように、本発明による電磁機器１０では、第１可制御バルブデバイス１５および第２可制御バルブデバイス１６のオン期間Ｔ１はＥ、オフ期間（Ｔ−Ｔ１）は−Ｅの電圧が直流制御巻線２０に印加される。これにより、本発明による電磁機器１０は、立ち上げ、立ち下げのいずれの場合も直流制御電流を高速に変化させることができ、高速制御が可能である。
【００３１】
直流制御巻線２０の電流が減衰するということは、換言すると、直流制御巻線２０の蓄積エネルギーがチョッパ回路１２に戻ることに他ならない。しかし、整流器１１は、エネルギーを交流制御電源１に戻すことができない。このため、本発明による電磁機器１０では、戻ってきたエネルギーを一時的に蓄積するためのコンデンサ１４が設けられている。図７に示す電磁機器３０でも、整流器３１の後にコンデンサを入れる場合はあるが、ＩＧＢＴ３４にかかるサージ電圧を抑制するためのものであって、動作上不可欠なものではない。しかし、図１に示す本発明による電磁機器１０では、コンデンサ１４は必要不可欠である。
【００３２】
なお、直流制御巻線２０の電流が０になると第１ダイオード１７および第２ダイオード１８を流れる電流も０となる。したがって、直流制御巻線２０に逆方向の電流が流れることはない。
【００３３】
図３に示すように、本発明による電磁機器１０は、交流電源２、直列リアクトル３および負荷４を有する配電線路に対し、交流巻線１９の端子を並列に接続し電圧安定化装置として使用することが出来る。この場合、無効電力を調整することで、配電線の電圧を調整したり、一般の負荷４を対象として電源または負荷の電圧や、力率を調整したりすることができる。
【００３４】
また、図４に示すように、本発明による電磁機器１０は、交流電源２および負荷４を有する配電線路に対し、交流巻線１９の端子を直列に接続し電圧安定化装置として使用することが出来る。この場合、直列インピーダンスを変化させることにより、配電線の電圧を調整することができる。また、ループ系統を構成する線路に接続されて、位相調整器として電力潮流を制御することもできる。
【００３５】
さらに、図５に示すように、本発明による電磁機器１０は、可変リアクタンス機器１３が１相に対して２つの交流巻線１９を有すれば、変圧器として使用される。この場合、交流電源２および直列リアクトル３を有する回路に対し一方の交流巻線１９の端子を接続し、負荷４を有する回路に対し他方の交流巻線１９の端子を接続して使用される。これにより、本発明による電磁機器１０は、無効電力調整と変圧作用とを併せて行うことができる。なお、可変リアクタンス機器１３の１相に対する交流巻線１９の数が３つ以上であっても、同様に無効電力調整と変圧作用と併せ持つ制御装置として機能する。
【００３６】
図３乃至図５に示すように、本発明による電磁機器１０は、Ｈ型のチョッパ回路１２からなる直流制御電流回路と、直流制御電流に応じて交流巻線１９のリアクタンスが変化する可変リアクタンス機器１３とを組合せて高速動作を実現したものである。このため、適用する可変リアクタンス機器１３の交流巻線１９は、目的とする制御機能に応じて種々変化する事が明らかである。
【００３７】
なお、図１に示す電磁機器の制御装置の、第１可制御バルブデバイス１５、第２可制御バルブデバイス１６、第１ダイオード１７および第２ダイオード１８を、図６に示すように可制御バルブデバイスとダイオードとを並列一体構造としたダイオード内蔵型可制御バルブデバイス２１で構成してもよい。この場合、可制御バルブデバイスのゲート信号入力の有無により、可制御バルブデバイスとダイオードとに使い分けて、本発明による電磁機器１０を構成することができる。また、可制御バルブデバイスとダイオードとの組合せ特性が予め満たされており、設計および製作が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態の電磁機器を示す回路図である。
【図２】図１に示す電磁機器の制御装置の（Ａ）第１可制御バルブデバイスおよび第２可制御バルブデバイスのゲート信号を示す波形図、（Ｂ）第１可制御バルブデバイスおよび第２可制御バルブデバイスのコレクタ−エミッタ間電圧を示す波形図、（Ｃ）チョッパ回路の出力電圧を示す波形図である。
【図３】図１に示す電磁機器を並列に接続した電圧安定化装置を示す回路図である。
【図４】図１に示す電磁機器を直列に接続した電圧安定化装置を示す回路図である。
【図５】図１に示す電磁機器を使用した変圧器を示す回路図である。
【図６】図１に示す電磁機器の第１可制御バルブデバイス、第２可制御バルブデバイス、第１ダイオードおよび第２ダイオードの変形例を示す回路図である。
【図７】電磁機器の構成例を示す回路図である。
【図８】電磁機器の構成例における（Ａ）ＩＧＢＴのゲート信号を示す波形図、（Ｂ）ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧を示す波形図、（Ｃ）チョッパ回路の出力電圧を示す波形図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    交流制御電源
２    交流電源
３    直列リアクトル
４    負荷
１０  本発明の電磁機器
１１  整流器
１２  Ｈ型チョッパ回路
１３  可変リアクタンス機器
１４  コンデンサ
１５  第１可制御バルブデバイス
１６  第２可制御バルブデバイス
１７  第１ダイオード
１８  第２ダイオード
１９  交流巻線
２０  直流制御巻線
２１  ダイオード内蔵型可制御バルブデバイス
３０  電磁機器の例
３１  整流器
３２  チョッパ回路
３３  可変リアクタンス機器
３４  可制御バルブデバイス
３５  ダイオード
３６  交流巻線
３７  直流制御巻線
【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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