JP5727561B2 - 変圧装置 - Google Patents
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Description
一方、高周波トランスは、寄生容量の影響が回避できず、設計上の困難性がある。
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
Zin=(Zc1 2/Zc2 2)・R=k・R
となる。ここで、kは定数となる。入力インピーダンスZinは、負荷の抵抗値Rに比例し、これにより、負荷の抵抗値に関わらず、入力電圧に比例した出力電圧が得られる。すなわち、一定の変圧比(1/k)1/2で入力電圧を出力電圧に変換する変圧装置が得られる。この変圧装置は、分布定数回路を2段階に接続したものである。従って、従来の変圧器のような巻線や鉄心等を必要としない画期的な形態となり、変圧器の軽量化及び、それに伴う低コスト化を実現することができる。さらに、高周波トランスで課題となる寄生容量、漏れ磁界発生の問題も解消され、低損失な変圧器を実現できる。
この場合、高周波でスイッチングを行っている環境を利用して分布定数型の変圧装置を活用することができる。
この場合、ケーブルの特性インピーダンスを、第1変換器及び第2変換器のそれぞれのインピーダンスとすることができる。
この場合、電力ケーブルを変圧装置として利用することができる。
この場合、例えば周波数が10MHzであればλ/4が数mとなり、ケーブルでの実現が現実的に容易になる。また、1MHzであればλ/4が数十mとなるが、配電線の電力ケーブルと一体化すれば実現が可能である。
<分布定数回路による変圧装置>
次に、本発明の一実施形態に係る分布定数回路による変圧装置について説明する。
図1は、分布定数回路による変圧装置100を示す接続図である。図において、変圧装置100を構成するのは、第1変換器101と,その終端に接続された第2変換器102である。第1変換器101及び第2変換器102としては、例えばシース付きの単心ケーブル(CV)を用いることができる。前段の第1変換器101は、入力される電源の周波数fに対してλ/4の長さを有する(λは波長)。また、第1変換器101の終端に接続される後段の第2変換器102も、入力される電源の周波数fに対してλ/4の長さを有する。
Zin=Zc1 2/Zin’、Zin’=Zc2 2/Rであるから、
Zin=Zc1 2/(Zc2 2/R)
=(Zc1 2/Zc2 2)R
となる。(Zc1 2/Zc2 2)は定数であるから、これを定数kと置くと、
Zin=k・R
となる。
Vin 2/Zin=Vout 2/R
となる。これを変形すると、
(Vout 2/Vin 2)=R/Zin=k
となる。従って、
(Vout/Vin)=k1/2
となり、一定の変圧比k1/2が得られる。
この変圧装置は、分布定数回路を2段階に接続したものである。従って、従来の変圧器のような巻線や鉄心等を必要としない画期的な形態となり、変圧器の軽量化及び、それに伴う低コスト化を実現することができる。さらに、高周波トランスで課題となる寄生容量、漏れ磁界発生の問題も解消され、低損失な変圧器を実現できる。
図2は、かかる変圧装置1の一例を示す回路図である。図において、変圧装置1は、交流電源2と、負荷Rとの間に設けられている。変圧装置1は、一対のキャパシタC1,C2と、一対のインダクタL1,L2と、4つのスイッチSr1,Sr2,Sb1,Sb2と、これらのスイッチSr1,Sr2,Sb1,Sb2のオン/オフを制御するスイッチング制御部3とを備えている。スイッチング制御部3のスイッチング周波数は、例えば1MHz程度である。なお、スイッチング周波数は1MHz以上が好ましいが、1MHz未満でも可能である。
また、一対のインダクタL1,L2は、接続点P2において互いに直列に接続されている。そして、その直列体の両端に、キャパシタC1,C2を介した入力電圧Vmが印加され、入力電流Imが流れる。負荷Rには、スイッチSr2,Sb2のいずれかがオンのとき電流が流れる。ここで、負荷Rに印加される電圧をVout、変圧装置1から負荷Rに流れる出力電流をIoutとする。
一方、図4の(a)は、図2における4つのスイッチSr1,Sr2,Sb1,Sb2のうち、下側にある2つのスイッチSb1,Sb2がオンで、上側にある2つのスイッチSr1,Sr2がオフであるときの、実体接続の状態を示す回路図である。また、図4の(b)は、(a)と同じ回路図を、階段状に書き換えた回路図である。
図6は、変圧の中間段階での電圧Vm、電流Imをそれぞれ表す波形図である。これは実際には、スイッチングによるパルス列によって構成され、全体として図示のような波形となる。
また、図7は、上が、変圧装置1からの出力電圧、下が、出力電流をそれぞれ表す波形図である。図5,図7の対比により明らかなように、電圧は1/4に変圧され、それに伴って、電流は4倍となる。
図8は、分布定数回路による変圧装置100と、図2に示した変圧装置1とを、組み合わせた回路図である。図において、図2に示した変圧装置1におけるキャパシタ段と、インダクタ段との間に、変圧装置100が介挿されている。このようにして、2種類の変圧装置1,100の変圧機能を組み合わせることにより、変圧比の広範囲な設計が可能となる。
また、交流電源2が仮に直流電源に置き換わったとしても、変圧装置100には、変圧装置1の前段のスイッチングによるスイッチング波形が入力されるので、使用可能である。
2 交流電源
3 スイッチング制御部
4 スイッチ装置
100 変圧装置
C1,C2 キャパシタ
L1,L2 インダクタ
Sb1,Sb2 スイッチ
Sr1,Sr2 スイッチ
P1,P2 接続点
R 負荷
Claims (3)
- 周波数fの交流電源と、抵抗値Rの負荷との間に設けられる、分布定数型の変圧装置であって、周波数fにおける波長をλとして、
分布定数回路を2段に接続して成り、
前記交流電源に接続され、第1段の分布定数回路を成すものであって、特性インピーダンスがZ C1 であり、芯線を一方の電路とし、その周りにあるシースを他方の電路とする長さλ/4の第1の単心ケーブルで構成される第1変換器と、
前記第1変換器の終端と前記負荷との間に設けられ、第2段の分布定数回路を成すものであって、特性インピーダンスがZ C2 であり、芯線を一方の電路とし、その周りにあるシースを他方の電路とする長さλ/4の第2の単心ケーブルで構成される第2変換器と、
を備え、
前記第1変換器の各電路と前記第2変換器の各電路とをそれぞれ互いに繋ぎ、芯線側の電路とシース側の電路との相互絶縁を確保した接続部分が存在し、
前記第1変換器の入力端から見た入力インピーダンスZinが、Zin=(ZC1 2/ZC2 2)・Rである変圧装置。 - スイッチングを行う回路と、当該回路内に介挿された請求項1に記載の変圧装置とを含む変圧装置。
- 前記交流電源の周波数は、少なくとも1MHzである請求項1又は請求項2に記載の変圧装置。
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