説明

交流電圧制御装置

【課題】交流電源に接続される誘導性負荷の電圧を簡便な方法で調整する交流電圧制御装置を提供する。
【解決手段】交流電源と誘導性負荷の間に、コンデンサと交流スイッチ回路を並列接続した磁気エネルギー回生スイッチを接続し、交流電源の1周期中に2度あるコンデンサの電圧の略ゼロのタイミングで交流スイッチ回路をオンした後、コンデンサの充電・放電にかかる時間以上で、かつ、交流電源の半周期以内の予め設定した所定時間経過後(数ミリ秒)にオフにして、コンデンサに流れる電流を、予め設定した所定時間だけ交流スイッチ回路に迂回させる。所定時間の増減により、コンデンサのリアクタンス電圧を可変することで負荷電圧を調整する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、交流電源と負荷との間に接続される磁気エネルギー回生スイッチによる負荷電圧、電流を制御する装置に関する。
【背景技術】
【0002】
磁気エネルギー回生スイッチ(以下、MERSという。)を交流電源と負荷の間に挿入して、電流位相を進ませることで負荷電圧を制御できることは既に開示されている(例えば、特許文献1参照)。
前記のMERSは4個の逆導通型半導体スイッチで構成されており、4個のゲート制御信号発生が必要である。(以下、この態様のMERSをフルブリッジ型MERSという。)
これに対して、フルブリッジ型MERSの機能が一部制限されるが、逆導通型半導体スイッチを2個で構成可能な横ハーフ型の簡易MERS回路(以下、横ハーフ型MERSという。)があることは、既に公知となっている(例えば、特許文献2参照)。
横ハーフ型MERSは、磁気エネルギーを蓄積するコンデンサに、2個の逆導通型半導体スイッチを逆直列接続した回路を並列接続したものである。これは、すべての逆導通型半導体スイッチのゲートをオフにしても、コンデンサに電流が流れてしまい、完全に負荷電流を遮断できない欠点があるが、部品数がすくない利点があり、電圧制御、力率制御応用のMERSとしては問題ない。逆導通型半導体スイッチとしてパワーMOSFETを使用した横ハーフ型MERSは、2個の逆導通型半導体スイッチの逆直列に接続する向きを、パワーMOSFETのソース端子同士を接続すれば、共通のゲート電源で、この2個のパワーMOSFETのゲートを駆動できるので、回路は容易である。しかしながら、ゲート制御信号の位相制御が必要となっていた。
【特許文献1】特開2004−260991号公報
【特許文献2】特開2007−058676号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
交流スイッチ回路を構成する半導体スイッチ素子数が2個で、かつ、半導体スイッチ素子のゲート制御方法が簡易なものであれば、交流電圧制御装置として普及しているサイリスタやトライアックなどを用いた交流スイッチと同様に、横ハーフ型MERSは広く使われる交流スイッチとなり得る。特徴は、これまでのACトライアック装置に対して、進み電流にすることで交流電圧を調整する、いわば、トライアックに対する双対回路となる交流スイッチが実現できる。
【0004】
従来の4個の逆導通型半導体スイッチを用いたフルブリッジ型MERSの電流遮断機能を制限した横ハーフ型MERSのさらなる簡易版を用いて、その磁気エネルギーを回生する機能、電流位相の進み制御機能、可変キャパシタ機能などを利用できるようにすることで、磁気エネルギー回生スイッチ全体のさらなる利用範囲を広げようとするものである。
【0005】
そこで、本発明は、フルブリッジ型MERSの4個の逆導通型半導体スイッチの素子数を2個に減らすとともに、より簡易なゲート制御方法の採用により、逆導通型半導体スイッチのみならず、他の自己消弧型の半導体素子の利用をも可能とした新たな態様の磁気エネルギー回生スイッチによる交流電圧制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、交流電源と負荷との間に挿入され、負荷電圧を増減させる制御を行う、可変リアクタンス電圧発生機能を備えた交流電圧制御装置であって、本発明の上記目的は、2個の逆導通型の電界効果トランジスタ(以下、FETという。)の第一のFETのソースと第二のFETのソースを接続した逆直列接続にて構成される交流スイッチ回路と、交流スイッチ回路と並列に接続され、交流スイッチ回路の電流遮断時の磁気エネルギーを蓄積するコンデンサとから成る可変リアクタンス電圧発生回路と、第一および第二のFETの各ゲートに制御信号を与えて、交流スイッチ回路のオン/オフ制御を行う制御手段と、コンデンサ電圧が略ゼロとなるタイミングを検出し、制御手段に対して交流スイッチ回路のオン信号を送るコンデンサ電圧ゼロ検出回路と、を備えるとともに、
制御手段は、オン信号の受信タイミングで交流スイッチ回路の2個のFETを同時にオンした後、予め設定した所定時間経過後に2個のFETを同時にオフすることにより電流遮断時の磁気エネルギーをコンデンサに回生させてリアクタンス電圧を発生させるものであり、所定時間の増減によってリアクタンス電圧を可変させ、負荷電圧の増減を調節することを特徴とする交流電圧制御装置によって達成される。
【0007】
また、本発明の上記目的は、交流スイッチ回路を、ダイオード・ブリッジと、該ダイオード・ブリッジの直流端子間に接続した1個のGTOサイリスタ、IGBT、IEGT、GCTサイリスタ、またはパワーMOSFETなどの自己消弧型の半導体スイッチとから成る交流スイッチ回路で置き換えること、或いは、1個のトライアック、または逆並列接続の2個のサイリスタから成る交流スイッチ回路で置き換えることによっても達成される。
【0008】
さらに、本発明の上記目的は、可変リアクタンス電圧発生回路において、抵抗とコイルを並列接続して構成したサージ吸収回路をコンデンサに直列に挿入することによって効果的に達成される。
【発明の効果】
【0009】
本発明に係る交流電圧制御装置によれば、交流スイッチ回路を構成する半導体スイッチの素子数を減らすことができるとともに、交流電源の電圧の位相を検出し、それに同期してスイッチングを行う必要がなくなるので、回路を簡略化できる。また、1つのゲート制御回路(後述)で、2個のFETを同時にオン/オフするのでゲートパルス発生回路(後述)も簡略化できる。また、交流スイッチ回路を構成する半導体スイッチの素子として、トライアックやサイリスタ等を利用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
以下、本発明に係る最良の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【0011】
本発明は、交流電源と負荷の間に、コンデンサと交流スイッチ回路を並列接続した磁気エネルギー回生スイッチを接続し、電流の1サイクル中に2度あるコンデンサ電圧がゼロのタイミングで交流スイッチ回路を数mSオンして、コンデンサ電流を交流スイッチ回路にバイパスして、リアクタンス電圧を減少させることで負荷電圧を調整するものである。従って、従来のフルブリッジ型MERSおよび従来の横ハーフ型MERSのように、電源電圧に同期したパルスで逆導通型半導体スイッチのゲートをオン/オフを制御する必要がない。
【0012】
図2(A)は、典型的な横ハーフ型MERSのシミュレーション回路を示している。
図2(B)は、図2(A)のシミュレーション回路においてゲート制御信号の位相を100度進めた場合のシミュレーション結果を示している。図2(B)のより詳しくは、電源電流負荷電流、ゲート制御信号、コンデンサ電圧、電源電圧および負荷電圧を示している。図2(B)を見ると、コンデンサ電圧がゼロになった時点から逆導通型半導体スイッチに電流が流れはじめており、コンデンサが短絡され、所定時間経過後に逆導通型半導体スイッチがオフされることで、回生電流によりコンデンサにリアクタンス電圧が発生し、負荷電圧が減少することが分かる。その後電源電圧の極性が逆転して、コンデンサ電圧が減少して再びゼロになると、また逆導通型半導体スイッチをオンしてコンデンサに電流を流さないように短絡する。この場合、ゲート制御信号により導通電気角の進み指令は100度であるが、実際に導通している時間(逆導通型半導体スイッチに電流が流れている時間)は3.98mSである。
【0013】
結局、コンデンサ電圧がゼロ時に逆導通型半導体スイッチをオンにしてコンデンサ電流をバイパスし、電流をバイパスする時間の調整で横ハーフ型MERSの動作を制御することができることが分かる。このようにすることにより、逆導通型半導体スイッチのゲートを制御するために電源電圧の位相を検出する必要がなくなるという利点があり、これが本発明の大きな特長である。
【0014】
図3は、図2と同じ回路定数で交流スイッチ回路をコンデンサに並列接続して、それをコンデンサ電圧がゼロになった時点から、3.98mSの時間だけコンデンサを短絡した後に交流スイッチ回路をオフする動作が、図2の磁気エネルギー回生動作と等価であること示している。これらより、これまでより簡単で、電源電圧の位相を検出せずに、コンデンサ電圧がゼロの時点でコンデンサを短絡導通させる交流スイッチ回路をオンにして、コンデンサ電圧を制御する、新しい横ハーフ型MERSの制御方法が生まれる。
【0015】
また、逆直列接続された2個の逆導通型半導体スイッチを、まったく同時に逆導通型半導体スイッチのゲートをオン/オフするので、ゲート制御回路が1つで済む利点があるが、さらに重要なのは、パワーMOSFETをこの逆導通型半導体スイッチに使った場合、逆導通時にもゲートがオンになっているので、寄生ダイオードのみの通電よりも導通抵抗が小さくなる同期整流動作となり、導通損失を最小にすることが可能で、交流スイッチ回路の導通損失を少なくできる利点がある。
図4は、このコンデンサ電圧がゼロの時点で半導体スイッチ素子をオンする交流スイッチ回路を、ダイオード・ブリッジと、1個のGTOサイリスタ、IGBT、IEGT、GCTサイリスタ、またはパワーMOSFETなどの自己消弧型の半導体スイッチで構成しても、この制御方法では可能であることを示している。半導体スイッチの素子数が1個で、横ハーフ型MERSと等価な動作が可能であることは、ゲート制御回路も1つでよくなり、部品点数も少なくなり、交流電圧制御装置の小形化の利点が生じる。
【実施例】
【0016】
図1は、特許請求の範囲の請求項1に係る実施例(以下、実施例1という)を示している。パワーMOSFETを逆導通型半導体スイッチとして使用し、2個のパワーMOSFET、S1およびS2を、互いのソース端子を接続するように逆直列接続にして、2つのドレイン端子間に磁気エネルギーを蓄積するコンデンサ2を接続する。パワーMOSFET、S1およびS2のソース−ゲート間にはゲートパルス発生回路5aが接続され、ゲート制御回路5bによってパワーMOSFETのゲートのオン/オフのタイミングが制御される。なお、特許請求の範囲の請求項1における“制御手段”は、ゲートパルス発生回路5aとゲート制御回路5bの両方の機能を有するものである。コンデンサ電圧がゼロとなるタイミングを検出し、その検出信号をゲート制御回路に送るのはコンデンサ電圧ゼロ検出回路6である。
【0017】
ゲート制御回路5bはコンデンサ電圧ゼロ検出回路6からの信号を受けて、パルスのスタート・タイミングを決定する。設定されたパルス幅の時間は3.98mSで、この間MERSコンデンサCを短絡させる。
【0018】
図3(A)は、実施例1の図1のシミュレーション回路を回路定数と共に示している。交流電源は実効電圧=200Vrms、電源周波数f=50Hz、負荷は抵抗分R=100Ω、インダクタンス成分L=120mH(内部抵抗3Ω)で、高力率のリアクトル安定器型水銀灯を想定している。そのため、負荷と並列に力率改善コンデンサCpF=25マイクロFを接続している。
【0019】
力率改善コンデンサCpfが存在しない低力率の負荷の場合、MERSコンデンサCの静電容量の値は、負荷のインダクタンスLのリアクタンスとの電源周波数との共振条件よりも小さくすることが、電流の極性が反転したことに伴うMERSコンデンサCの放電の後に、MERSコンデンサCの電圧がゼロに達して逆導通型半導体スイッチのスイッチングを無電圧、無電流でスイッチングするためには不可欠である。ここではMERSコンデンサCの静電容量=10マイクロFとした。
なお、図3(A)のシミュレーション回路では、負荷の力率を改善するために、負荷と並列に力率改善コンデンサCpfが接続されているが、問題なく動作する。
【0020】
図3(B)は、図3(A)のシミュレーション結果を示している。その結果、交流電源電圧(入力電圧)が200Vrmsに対して、負荷電圧は200Vrmsから162Vrmsへと減少している。
本発明では、コンデンサ電圧がゼロの時を検出して、交流スイッチ回路をオンするが、そのオン時間と負荷電圧の関係を以下に示す。
オン時間1mS 負荷電圧 83Vrms
2ms 114Vrms
3ms 141Vrms
4ms 162Vrms
5ms 178Vrms
6ms 188Vrms
7ms 194Vrms
【0021】
図4は、特許請求の範囲の請求項2に係る実施例(以下、実施例2という)を示している。交流スイッチ回路をダイオード・ブリッジと、1個の自己消弧型の半導体スイッチを組み合わせたもので実現している。コンデンサ電圧がゼロになる時点で、自己消弧型の半導体スイッチのゲートにゲート制御信号を送出して自己消弧型の半導体スイッチをオンし、コンデンサ電圧をクランプする。実施例1と同じように、所定時間後に自己消弧型の半導体スイッチのゲートにゲート制御信号を送出して自己消弧型の半導体スイッチをオフにすると、コンデンサにリアクタンス電圧が発生する。
【0022】
図4の場合、ダイオード・ブリッジが逆電流を阻止するので、自己消弧型の(オン/オフできる)半導体素子であればよく、逆導通のGTOサイリスタ、IGBT、IEGT、GCTサイリスタ、パワーMOSFETなども使うことができる。
【0023】
図5は、特許請求の範囲の請求項3の実施例(以下、実施例3という)を示している。実施例1の2個の逆直列接続されたパワーMOSFETにて構成される交流スイッチ回路の代わりに、1個のトライアックによる交流スイッチ回路を、コンデンサに並列接続して、コンデンサ電圧がゼロの時点でトライアックをオンにして、コンデンサ電圧を発生させないように短絡する、またはオンしないことによりコンデンサにリアクタンス電圧を発生させて、負荷電圧をステップ的にではあるが、増減するのが最も簡単な交流電圧制御装置である。
【0024】
図6は、図5の回路のシミュレーション回路(図6(A))と、シミュレーション結果(図6(B))を示している。負荷電圧(出力電圧)は200Vrmsから55Vrmsにステップ的に急変しているが、コンデンサを直列挿入するという簡単な制御であるものの、コンデンサ電圧がゼロの時点でトライアックをオンすることに注意すれば、このような制御は可能である。光結合素子などによる絶縁型のトライアックによるソリッドステート・リレー(SSR)にゼロ交差スイッチ機能のあるものを利用できる。例えば、扇風機などの小形モータの出力制御や蛍光灯の調光などは、連続可変ではなくステップ的に可能になるので、用途に応じては、これも利用可能である。
【産業上の利用可能性】
【0025】
これまで提案されたMERSは、電流遮断時の電流の持つ磁気エネルギーをコンデンサに蓄積し、損失無く負荷に回生する磁気エネルギー回生スイッチであって、新しい態様、および制御方法を備えるものである。従来の交流スイッチであるサイリスタやトライアックと異なり、並列接続されるコンデンサにより、電流を断続せずに電圧制御が可能である。
そのため、本発明に係る交流電圧制御装置を、蛍光灯、水銀灯またはナトリウム灯などの誘導性負荷をもつ放電灯に適用すると、連続調光が可能になる。具体的には、例えば、図3(A)のようなシミュレーション回路を例にとれば、ゲートパルス発生回路の最後段のモノステーブル・マルチバイブレータ回路の時定数設定を可変抵抗器等で変化させることによって、パワーMOSFETのオン時間を調整することにより、放電灯の連続調光行うことができる。
【0026】
また、本発明に係る交流電圧制御装置によって、接続する交流負荷として、純抵抗性負荷の場合は、負荷電圧を制御することによって、負荷電流が進相電流となるので、同じ系統に接続されている他の遅相電流負荷と併せて、力率改善の効果が期待できる。また、接続する交流負荷が、誘導性負荷、例えば、誘導電動機の場合は、負荷電圧を上昇させることも減少させることも可能なので、簡易に電動機の出力を制御する電動機制御システムへの応用も考えられる。
【0027】
従来のフルブリッジ型MERSでは、4個の逆導通型半導体スイッチのそれぞれのゲートを駆動しなければならなかったが、本発明(実施例1、図1)では、逆導通型半導体スイッチが2個になる横ハーフ型MERSを、さらにコンデンサ電圧がゼロの時点を検出してコンデンサを交流スイッチ回路で短絡することにより、交流電源の電圧位相の検出が不要となった。
【0028】
本方式は、簡単な共通接地のゲートパルス発生回路が使え、同時に2個の逆導通型半導体スイッチをオンさせている。パワーMOSFETの場合、逆導通時にゲートをオンすると寄生ダイオード導通よりも導通抵抗が小さくなるので、導通損失がさらに減少する。
【0029】
以上では単相回路で説明したが、この新しい態様の横ハーフ型MERSを各相に挿入することで三相交流にも当然応用できる。相毎に制御することで、三相の不平衡電圧時の対応も可能である。この場合、スター・デルタ変換による電流三次高調波が消滅するなどの効果もある。従って、本発明に係る交流電圧制御装置を三相交流等の多相交流電源の各相に挿入することにより、不平衡電圧を解消する多相交流電源安定化システムを実現することができる。また、本発明に係る交流電圧制御装置を三相交流電源の各相に挿入し、スター・デルタ変換によって電流三次高調波を消滅させる高調波発生防止システムを実現することも可能である。
【0030】
負荷が力率改善済みである場合、本発明に係る交流電圧制御装置によって、負荷電圧を増加させることが出来なくなるが、負荷電圧を下げる方向にのみ使用するのであれば、力率改善コンデンサCpfを負荷側に入れて力率を改善するとよい。
【0031】
また、本発明に係る交流電圧制御装置は、コンデンサ入力回路になるため、交流電源側からの高調波の流入がある場合に備え、サージ吸収回路を付加するとよい。サージ吸収回路の例は、図7に示すがL−Rの並列回路をコンデンサに直列に入れるとよい。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】本発明係る磁気エネルギー回生スイッチによる交流電圧制御装置の実施例1の構成を示すブロック図である。
【図2】従来の横ハーフ型磁気エネルギー回生スイッチの動作をシミュレーションするモデル(A)とその結果(B)を示す図である。
【図3】本発明の実施例1の動作をシミュレーションするモデル(A)とその結果(B)を示す図である。
【図4】請求項2にかかる本発明の実施例2の交流電圧制御装置の構成(一部のみ)を示すブロック図である。(A)パワーMOSFETを1個用いた場合(B)逆導通のGTOサイリスタを1個用いた場合
【図5】交流スイッチ回路をトライアックで構成した本発明の交流電圧制御装置の実施例3の構成(一部のみ)を示すブロック図である。
【図6】図5に示す実施例3のシミュレーションモデル(A)とその結果(B)を示す図である。
【図7】コンデンサに直列に挿入するサージ吸収回路の一例を示す図である。
【符号の説明】
【0033】
1 電界効果トランジスタ(FET) S1、S2
2 磁気エネルギー蓄積コンデンサ
3 負荷
4 交流電源
5 制御手段
5a ゲートパルス発生回路
5b ゲート制御回路
6 コンデンサ電圧ゼロ検出回路

【特許請求の範囲】
【請求項1】
交流電源と負荷との間に挿入され、負荷電圧を増減させる制御を行う、可変リアクタンス電圧発生機能を備えた交流電圧制御装置であって、該交流電圧制御装置は、
2個の逆導通型の電界効果トランジスタ(以下、FETという。)の第一のFETのソースと第二のFETのソースを接続した逆直列接続にて構成される交流スイッチ回路と、前記交流スイッチ回路と並列に接続され、前記交流スイッチ回路の電流遮断時の磁気エネルギーを蓄積するコンデンサとから成る可変リアクタンス電圧発生回路と、
前記第一および第二のFETの各ゲートに制御信号を与えて、前記交流スイッチ回路のオン/オフ制御を行う制御手段と、
前記コンデンサ電圧が略ゼロとなるタイミングを検出し、前記制御手段に対して前記交流スイッチ回路のオン信号を送るコンデンサ電圧ゼロ検出回路と
を備えるとともに、
前記制御手段は、前記オン信号の受信タイミングで前記交流スイッチ回路の2個のFETを同時にオンした後、予め設定した所定時間経過後に前記2個のFETを同時にオフすることにより電流遮断時の磁気エネルギーを前記コンデンサに回生させてリアクタンス電圧を発生させるものであり、前記所定時間の増減によって前記リアクタンス電圧を可変させ、前記負荷電圧の増減を調節することを特徴とする交流電圧制御装置。
【請求項2】
前記交流スイッチ回路を、
ダイオード・ブリッジと、該ダイオード・ブリッジの直流端子間に接続した1個のGTOサイリスタ、IGBT、IEGT、GCTサイリスタ、またはパワーMOSFETなどの自己消弧型の半導体スイッチとから成る交流スイッチ回路で置き換えたことを特徴とする請求項1に記載の交流電圧制御装置。
【請求項3】
前記2個のFETにて構成される前記交流スイッチ回路を、1個のトライアック、または逆並列接続の2個のサイリスタから成る交流スイッチ回路で置き換えたことを特徴とする請求項1に記載の交流電圧制御装置。
【請求項4】
前記可変リアクタンス電圧発生回路において、抵抗とコイルを並列接続して構成したサージ吸収回路を前記コンデンサに直列に挿入したことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の交流電圧制御装置。
【請求項5】
前記負荷が蛍光灯、水銀灯またはナトリウム灯などの誘導性負荷を持つ放電灯であり、請求項1乃至4のいずれかに記載の交流電圧制御装置によって前記放電灯の明るさを制御することを特徴とする照明制御システム。
【請求項6】
前記負荷が誘導性負荷を持つ電動機であり、請求項1乃至4のいずれかに記載の交流電圧制御装置によって前記電動機の回転を制御することを特徴とする電動機制御システム。
【請求項7】
請求項1乃至4のいずれかに記載の交流電圧制御装置を三相交流等の多相交流電源の各相に接続した、不平衡電圧を解消する多相交流電源安定化システム。
【請求項8】
請求項1乃至4のいずれかに記載の交流電圧制御装置を三相交流の各相に接続し、スター・デルタ変換によって電流三次高調波を消滅させることを特徴とする高調波発生防止システム。

【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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【公開番号】特開2010−104185(P2010−104185A)
【公開日】平成22年5月6日(2010.5.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−275061(P2008−275061)
【出願日】平成20年10月27日(2008.10.27)
【特許番号】特許第4457162号(P4457162)
【特許公報発行日】平成22年4月28日(2010.4.28)
【出願人】(507149648)株式会社MERSTech (22)
【Fターム(参考)】