JP3220984B2 - 整流型可飽和リアクトル - Google Patents

整流型可飽和リアクトル

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は電気回路に用いられる整流素子に関するも
のである。
〔従来の技術〕
通常、電気回路で整流素子として用いられるものはダ
イオードである。これはよく知られているようにシリコ
ンやゲルマニウムの結晶中に不純物をドープしてN型半
導体、P型半導体をつくりそれを接合して構成されてい
る。第7図にそれを示す。
P型半導体はシリコン、ゲルマニウムなどの半導体結
晶に正孔を作るアルミなどの不純物を混入させて作る。
N型半導体は、同様にアンチモン等自由電子が増える
不純物を混入させて作る。それらを第7図のように接合
すると、図中、矢印の方向には電流が極めて流れやすい
が、逆方向にはほとんど電流を流さない特性を示す。こ
れを整流と言う。物理的詳細についてはあまりに広く知
られており、教科書も数多く出版されているので、以上
で説明は止める。
第7図中、(10)は導体、(11)はP型半導体、(1
2)はN型半導体である。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来利用されている半導体ダイオードについての問題
点は一般に以下のように言われている。
1)高価である。2)サージ電圧に対して弱い。3)
電流容量の限界が低い。
この発明は上記のような半導体整流素子の問題点を解
消するためになされたもので、低コストで耐サージ特性
にすぐれ、電流容量の大きい整流素子を得ることを目的
とする。
〔課題を解決するための手段〕
この発明による整流素子は回路に流れる電流によっ
て、磁性体中に磁化力を発生するようにしてあり、その
磁性体の飽和磁束がその利用されている回路でその整流
素子に印加される電圧の時間積分値より大きく設計して
ある。また、整流特性を良くするために磁性体の磁気回
路にカット等は入れず、出来る限り急激なBの変化があ
るヒステリシス特性を得るようにする。
〔作用〕
この発明における整流作用は磁性体のヒステリシス特
性を利用することによって達成される。
〔発明の実施例〕
この発明の一実施例を図を用いて説明する。第1図は
整流型可飽和リアクトルを組み込んだ回路を示してい
る。C1は主コンデンサーバンクで図のように充電してあ
り、Th1ののサイリスター、SRの整流型可飽和リアクト
ルを通して負荷インダクターL1に電流がI1の方向に流れ
る。D1はクローバダイオードであり、負荷インダクター
L1に流れる電流を直流化する。C2は転流コンデンサーバ
ンクであり、図のように充電してある。L2は電流波形調
整用のインダクター、Th2はサイリスターであり、これ
らを転流回路と呼ぶ。
第2図はこの回路の運転例の一つであり、SRの電流波
形を示している。まず最初にこの運転例を説明する。
時刻OでサイリスターTh1を閉にする。すると電流が
流れ始めピークに達する。すると、主コンデンサーバン
クC1の電圧が反転を始めるのでクローバダイオードD1
自動的に閉(時刻t1)になり、D1→Th1→SR→L1→D1
ように循環電流が流れ始め、電流の時間変化率は下が
る。
次に時刻t2でサイリスターTh2を閉じると、転流コン
デンサーバンクC2からの電流が主に整流型可飽和リアク
トルSRに流れ、SR電流は急激に下がる。時刻t3〜t4の間
整流型可飽和リアクトルSRが整流を行ない、転流コンデ
ンサーバンクC2が放電により電圧が反転すれば、再度SR
電流は増大し、もとにもどる。
以下、この整流型可飽和リアクトルSRによる整流作用
について、その理論的根拠を述べる。第3図に整流型可
飽和リアクトルSRの一実施例を示す。強磁性体であるケ
イ素鋼板をドーナッツ状に巻き上げ、鉄心を作る。次に
電流を流す導体を図の様に作る。すると電流による磁化
力Hはほぼ軸対称になり、以下の式で与えられる。
ここで、ISRは電流、γは中心導体からの距離。鉄心
にはヒステリシス特性があり、その一例を第4図の上に
示す。横軸は磁化力Hであり、式(1)で与えられる。
たて軸は磁束密度Bであり、これは鉄心に使われる材料
によって変る。
Hは式(1)からわかるように、整流型可飽和リアク
トルSRの構造が決まると、電流で一意的に決まるので、
第4図の横軸Hは電流と考えてよい。鉄心の断面にわた
ってBを積分すれば、鉄心の磁束Φを求めることができ
る。回路方程式を考えると、Φはインダクタンスと電流
で書くことができる。
以上を式で書くと、式(2)を得る。
Φ=∫・d∝LSR・ISR ……(2) ここで面積分は鉄心の断面について行い、LSRはイン
ダクタンス、ISRは電流である。
したがって、第4図の傾きがインダクタンスに対応す
ることがわかり、傾きが大きいとインダクタンスが大き
いことになる。
以上より、鉄心のヒステリシス特性と整流型可飽和リ
アクトルSRの電流波形を結びつけて説明を行う。第4図
は上に鉄心のヒステリシス特性、下に整流型可飽和リア
クトルSRの電流波形を示している。図中の番号1〜5は
それぞれ対応している。
サイリスターTh1を閉にすると整流型可飽和リアクト
ルSRに電流が流れ始め、そして鉄心は飽和する。これは
1に対応する。次に転流回路を動作させ(Th2を閉とす
る)整流型可飽和リアクトルSRの電流を減少させるとヒ
ステリシス特性より、2で示された部分のトラジェクト
リーを示す。これよりわかるように、この時の傾きは小
さく、したがって、整流型可飽和リアクトルSRの実効的
インダクタンスは極めて低いので、転流回路からの電流
は大部分ここに流れる。
Hが負になると(したがって、電流も負になるが)ヒ
ステリシス曲線は急激に変化し、図のようになる。これ
は3で示されている。これは前に述べたように回路的に
は実効的インダクタンスが極めて大きくなったことに対
応するので、整流型可飽和リアクトルSRに流れる電流は
極めてゆっくり変化し、ほぼ一定のようになる。またこ
の時の負の電流ΔIは整流型可飽和リアクトルSRの特性
で決まり、我々が実験した場合(後述)で〜10Aのオー
ダである。放電によって転流回路の極性が変ると、図中
4で示されたように変化する。その後再度鉄心が飽和さ
れるまでは、ほぼ一定の正の電流(〜10Aオーダ)を取
り、その後は外部回路でで決まる時定数で電流がもとに
もどる。
以上のように、通電電流(〜10kAのオーダ)に比べて
ΔIは極めて小さく、これは整流素子のリーク電流と考
えられるので、整流型可飽和リアクトルSRは全体として
整流素子として働くことがわかる。
第5図、及び第6図に我々が行なった実験の電流波形
を示す。実験回路は第1図の回路であり、C1は3.5kV,55
0kjのバンク,L1は2mHのインダクタンス、C2は5kV,45kj,
L2は130μHであり、第5図はC1を3.5kV,C2を4.1kVに充
電した時の、L1電流とSR電流の波形である。転流回路を
閉にするとSR電流が減少し、整流してからもとにもどっ
ていることがわかる。一方、L1電流は転流回路から流れ
込む電流によって一時的に少し増大する。
第6図はSR電流・電圧の電流ゼロ付近を拡大して見た
ものであり、SR電流波形が第4図の波形に似ていること
がわかり、以上述べている理論が実証されたことがわか
る。
なお、上記実施例では、鉄心として同軸上に巻いたケ
イ素鋼板のみを用いたが、アモルファス合金、フェライ
トなどを用いても良い。また、形状の異なる鉄心を並用
してして整流特性を良くすることも良い。
また磁性体に電圧が印加されるので、磁性体の両面、
側面を絶縁することが必要になる。
〔発明の効果〕
以上のように、この発明によれば鉄心のヒステリシス
特性を整流作用として用いているので、サージ電圧に強
くコストの安い、電流容量の大きな整流素子を得ること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明である整流型可飽和リアクトルを組み
込んだ回路、第2図はそれの電流波形図、第3図は整流
型可飽和リアクトルの一実施例を示す構成図、第4図は
整流作用を説明するための鉄心のヒステリシス特性と電
流を模式的に示した特性図、第5図、及び第6図は我々
の行なった実験の例の波形図、第7図は従来用いられた
半導体整流素子ダイオードを示す図である。 図において、C1は主コンデサーバンク、Th1,Th2はサイ
リスター、SRは整流型可飽和リアクトル、D1はクローバ
ダイオード、C2は整流コンデンサーバンク、L2はインダ
クタである。 なお、各図中、同一符号は同一、あるいは相当部分を示
す。
フロントページの続き (72)発明者 池田 和郎 兵庫県神戸市兵庫区浜山通6丁目1番1 号 三菱電機エンジニアリング株式会社 神戸事業所内 (56)参考文献 特開 平2−161508(JP,A) 特開 昭59−145516(JP,A) 特開 昭59−8304(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01F 29/14,30/00,37/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】中心導体の周りに磁性体を配置し、その磁
    性体は導体に流れる電流によって飽和され、電流がほと
    んどゼロ以下になったときその磁性体の比透磁率が大き
    くなり、急激にインダクタンスが大きくなる様にした可
    飽和リアクトルにおいて、電流ゼロ付近で印加される電
    圧の時間積分値よりも磁性体の飽和磁束の方が大きいこ
    とを特徴とする可飽和リアクトル。
  2. 【請求項2】中心導体電流のリターン電流の流れる導体
    を、中心導体付近に配置したことを特徴とする特許請求
    の範囲第1項記載の可飽和リアクトル。
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