Kobe University Repository

Kobe University Repository : Thesis
学位論文題目
Title
逆導通パワーデバイスによる高周波インバータと強力超
音波応用に関する研究
氏名
Author
畑中, 義博
専攻分野
Degree
博士（工学）
学位授与の日付
Date of Degree
1987-04-24
資源タイプ
Resource Type
Thesis or Dissertation / 学位論文
報告番号
Report Number
乙1084
URL
http://www.lib.kobe-u.ac.jp/handle_kernel/D2001084
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著作権法で認められている範囲内で、適切にご利用ください。
Create Date: 2017-03-30
神
戸
大
学
博
士
論
文
逆導通パ ワーデバ イスによる高周波 インバー タと
強力超音波応用 に関す る研 究
昭 和
畑
6
2年 3 月
中
義
博
F
ii
i
]巨頭 E
T
E喜:
闇
本論 文 は ､神 戸 大 学 工 学 部 電 気 工 学 科
丸橋
徹 教 授 お よび 中 岡 陸 地 助教 授 の
御 指叫 の も とに､ 昭和 4 9年 か ら 12年 間 に亙 り､強 力 超 音 波 励 振 源 と して の ､
逆 蒔通 パ ワーデ バ イス に よ る高周 波 イ ンバ ー タに関 して 研 究 して きた成 果 を ま と
め た もの で あ る｡
従 来 ､強 力超音 波 の 高周 波 電 源 に は ､真 空 管 や トラ ンジ ス タに よ る発 振 増 幅 器
が使 わ れ て い たが ､ S C Rが商 品化 され る と､ 高効 率 大 電 力 動 作 に お いて優 るサ
イ リス タ高周 波 インバ ー タ方 式 が実 用 され る よ うにな った｡強 力 超 音 波 応 用 に お
け るサ イ リス タ高周 波 インバ ー タの 適 用 に お いて は ､電 気 一概 械 一音 響 変 換 系 と
しての超 音 波 振 動子 系 に お け る負 荷 特 性 の把 握 ､ お よび ､ イ ンバ ー タ固持 の実 際
面 に即 した周 波 数 限 界 さ らに は転 流 重複 現 象 の解 析 な どが 重要 な 課 題 で あ った ｡
また､ 近 年 の 自己消 弧 素 子 の 開 発 ､進 展 に伴 い､従 来 の サ イ リス タ インバ ー タ
方 式 に加 えて ､出力 容 量 ､出 力 周 波 数 に応 じた電 力 用 半 群 体 素 子 に よ る高周 波 イ
ンバ ー タの 開発 が急 務 とな った｡
本 論文 で は､ これ らの 問題 に対 して ､強 力 超 音 波 応 用 に お け る数 KHzか ら数 十 K
Hzの用 途 に対 して は高速 サ イ リス タを用 いて ､ また､数 百 KHz以 上 の用 途 には S
IT (静 電 鼓等 トラ ンジ ス タ) の適 用 に よ り､高 周 波 インバ ー タの 改 良 お よび 開
発の ため の過 渡 ･定 常 特 性 解 析 並び に 回 祐 実 設 計 な どの 研 究 を行 って い る｡
第 1章 で は ､電 力 用 半 群 体 素 子 の歴 史 的 な技 術 背 景 の も とに ､強 力 は 音波 発 掘
装 置 と して の 高周 波 インバ ー タに 関 して ､従 来 方 式 直列 共 振 形 か ら逆 群 通 サ イ リ
ス タ方 式 に い た る研 究 上 の 問題 点 とその 技 術 的 発展 の 過 程 につ いて述 べて い る｡
さ らに ､近 年 の よ り一層 の 高周波 化 の 要 望 と自己消 弧 素 子 の発 展 に伴 う ､S IT
高周波 インバ ー タの 開発 につ いて述 べ た後 ､本 研 究 の 目的 お よび 概 要 につ いて触
れて い る｡
第 2章 で は ､ まず ､強 力 娼 音 波 振 動子 系 の電 気 一機 械 一音響 変 換 の 基本 原 理 に
基づ く負荷 等 価 回 指 を も とに ､逆 鞘 通 サ イ リス タ方 式 基本 形 高 周 波 インバ ー タに
関 して､無 次 元化 の 手 法 を群 人 した定常 特 性 解 析 に よ り､転 流 余 裕 時 間 との 関連
に おけ る発掘 動 作 域 お よび 発 振 周 波 数 限界 な ど を明 らか に して い る｡ さ らに､ 固
持投計前 段 で必要 ときれ るス イ ッチ ン グ素子 の 動 作責 務 ､人 ･出 力 波 形 評 価 お よ
び 諸特性 立 につ いて述 べ る と とも に ､実 験 結 果 よ りそ の理 論 を裏 付 け て い る｡
第 3章 で は､第 2章 で述 べ た逆 群 通 サ イ リス タ方 式 基 本 形 高 岡 波 インバ ー タの
/dtの軽 減 な どを 目的
発掘 周波数限 界 の 向上 お よび サ イ リス タオ ン電 流 上 昇 率 di
とす る､転流 重複現 象 を積 極 的 に取 入 れ た固 持 方 式 を検 討 して い る｡ す な わ ち ､
Ⅰ
逆 尊 通 サ イ リス タ方 式 改 良形 高周 波 インバ ー タの定 常特 性 解析 と評 価 を中心 に ､
転 流 重複 糾 問 の 大 小 に影 響 す る諸 因 子 と定 常 特 性 の 関 係 を明 らか に して い る｡ ま
た ､ 従 来 形 イ ンバ ー タ との特 性 比 較 よ り､ 改 良形 が強 力 超 音 波 振 動 子の よ うな回
指 の 尖 鋭 度 の 高 い負 荷 に適 して い る こ とを特 徴 付 け て い る｡
第 4葦 で は ､ 第 3章 の 逆 斗 通 サ イ リス タ方 式 改 良形 高 周 波 インバ ー タの安 定 動
作 の 組 点 か ら､ 起 動 時 お よび 負 荷 急 変 時 の 過 渡 特 性 解 析 と評 価 に焦 点 を絞 り､従
来 形 インバ ー タ との 特 性 比 較 ､ お よび 過 渡 特 性 と定 常 特 性 の 比較 よ り､転 流 余 裕
時 間 に よ る安 定 動 作 域 を提 案 す る と とも に ､代 表 的 無 次 元 化 固 持 パ ラ メー タに お
け る実 験 結 果 よ りそ の 諸 特 性 を明 らか に して い る｡
第 5葦 で は ､ 第 3葦 ､第 4章 で述 べ た逆 斗 通 サ イ リス タ方 式 改 良形 高周 波 イン
バ ー タの 発 振 周 波 数 限 界 を上 回 る､ 8 0KHzの 発 振 動作 が 可 能 な逆 i
#通 サ イ リス
タ方 式 新 形 高 周 波 インバ ー タ と して の 2倍 周 波 イ ンバ ー タを提 案 して い る｡ その
過 渡 ･定 常 特 性 解 析 よ り､従 来 の電 圧 形 ､ 電 流 形 の 欠 点 を改 善 す る折 中 形 と して
の 特 長 を明 らか に して い る｡
第 6章 で は ､ 数 百 KHz帯 の強 力 超 音 波 応 用 に対 応 す る静 電 誘 串 トラ ンジ ス タ方
式 新 形 高 周 波 インバ ー タの 開 発 に つ いて 述 べ て い る｡ これ は ､第 5章 で述 べ た逆
導 通 サ イ リス タ方 式 新 形 高 周 波 インバ ー タ と して の 2倍 周 波 インバ ー タの 利 点 を
いか しつ つ ､ そ の 欠 点 を S ITの 適 用 並 び に 回 指 構 成 の 適 切化 に よ り克 服 した も
の で あ る｡ そ の 過 渡 ･定 常 特 性 解 析 に お いて ､ゲ ー トパ ル ス幅 の 影 響 を厳 密 に考
慮 した特 性 数 値 解 析 よ り出 力 電 力 の速 応 制 御 法 を提 案 す る と と もに ､ そ の特 性 評
価 を ､理 論 と実 験 の 比 較 対 照 よ り行 って い る｡
第 7章 で は ､逆 鮮 通 パ ワ ーデ バ イス に よ る高周 波 インバ ー タの強 力 超 音 波 発 振
機 へ の 応 用 に 関 して ､ 今 まで述 べ た各 種 インバ ー タの 中 か ら逆 導 通 サ イ リス タ方
式 改 良形 高周 波 インバ ー タを取 りあげ ､強 力 超 音 波 振 動 子 の 負荷 特 性 解 析 に基 づ
き､ そ の 固相 実 設 計 を実 施 す る と とも に ､強 力 超 音 波 発 振 機 と しての 性 能 を ､ シ
ステ ム の駆 動 結 果 よ り評 価 検 討 して い る｡
第 8章 で は ､以 上 の 研 究 成 果 の絵 描 お よび 展 望 に つ い て述 べ て い る｡
Ⅱ
昔
と召
内容硬概
第 1章
序論
第 2章
逆 導 通 サ イ リス タ方 式 基 本 形 高 周 波 イ ン バ ー タ
･
コ
∵
3日:
2. 1 緒 言
- (5)
2.2
2.3
2.
3.
1
2.
3.
2
強 力 超 音 波 振 動 子 系 の電 気 回路 モデ ル
･
･
･
(6)
基 本 形 イ ンバ ー タ
･
･
･
(8)
回持株 成
- (8)
動作原理
･
･
･
(9)
2.4 定 常 特 性 解 析
･
･
･
く11)
2.
4.
1 定 常 周 期 解 と諸 特 性 量
-(ll)
2.
4.
2 波形評価
-(
1
4)
2.
4.
3 転流余裕時間
- (1
5)
2.
4.
4 周波数 限界
･
･
･
(1
6)
2.5 実 放 括 巣 と検 W'
- (17)
･
･
･
(1
8)
2.6 緒 言
第 3章
逆 gF通 サ イ リス タ方 式 改 良 形 高 周 波 イ ンバ ー タ
-
定常特性解析 -
3. 1 緒 言
- (1
9)
3.2 改 良形 イ ン バ ー タ
･
･
･
(20)
3.
2.
1 回持株 成
-(20)
3.
2.
2 動作原 理
-(20)
3.3 転 流 重 複 域 の 特 性 解 析
-(
21)
3.4 転 流 重 複 期 間 の 評 価
-(
25)
3.
4.
1 リア ク トル 比 の 影 響
･
･
･
(
25)
3.
4.
2 電 磁持 合度 の影響
･
･
･
(26)
3.
4.
3 無 次 元 化 周 波 数 ,無 次 元 化 負 荷 の 影 響
-(27)
3.5 従 来 形 イ ンバ ー タ との 特 性 比 較
･
･
･
(28)
･3.
5.
1 サ イ リス タ電 圧 / 電 流 責 務
-く28)
3.
5.
2 転 流余裕時 間
- (29)
3. 6 無 次 元 化 平 面 に お け る転 流 余 裕 時 間
･
･
･
(30)
3.7 実 験 結 果 と検 討
3. 8 結 言
- (30)
･
･
･
(
33)
(1)
付 録 1 各 モ ー ド周 期 解
･
･
･
(33)
付録 2
-(34)
第 4章
定常 諸特性 圭
逆 斗 通 サ イ リス タ方 式 改 良 形 高 周 波 イ ンバ ー タ
-
過 渡特 性 解析 -
4. 1 緒 言
-(
36)
4.2 起 動 時 の 動 作 解 析
･
･
･
(
36)
4. 3 従 来 形 イ ン バ ー タ との 特 性 比 較
-(39)
4.
3.1 サ イ リ ス タ電 圧 / 電 流 最 大 値
-(40)
4.
3.
2 サ イ リ ス タオ ン電 流 上 昇 率
-･
く
41)
4.
3.
3 転流余 裕 時 間
-く
41)
4.4 過 渡 特 性 と定 常 特 性 の 比 較
-(
42)
4.
4.1 サ イ リス タ電 圧 / 電 流 最 大 値
･
･
･
(42)
4.
4.
2 サ イ リス タオ ン電 流 上 昇 率
-(
44)
4.
4.
3 転 流 余 裕 時 間 に よ る安 定 動 作 域
-(44)
4.5 負 荷 急 変 時 の 動 作 解 析
-(
45)
4. 6 実 験 結 果 と検 討
-(
47)
4.7 結 首
･
･
･
(50)
第 5章
逆 等 通 サ イ リス タ方 式 新 形 高 周 波 イ ンバ ー タ
5. 1 緒 言
･
･
･
(51)
5. 2
-(51)
2倍 周 波 イ ンバ ー タ
5.
2.1 回 路 構 成
-(
51)
5.
2.
2 動作原理
-(5
2)
5. 3 動 作 解 析
-(
53)
5.4 定 常 諸 特 性
-(57)
5.
4.
1 直 流 リア ク トル の 効 果
-(
57)
5.
4.
2 キ ャパ シ タ ン ス比 の 影 響
-(59)
5.
4.
3 負荷話特性
-(
61)
5.
4.
4 周波数特性
-(61)
5. 5 過 渡 特 性
･
･
･
(
62)
5.6 過 渡 お よび 定 常 出 力 波 形
･
･
･
(
63)
5.7 結 言
-く64)
第 6章
静 電 誘 尊 トラ ン ジ ス タ方 式 新 形 高 周 波 イ ンバ ー タ
6. 1 緒 言
-(
65)
6. 2 主 回 路 構 成 と特 徴
-(
66)
(2)
6.3 回 路 動 作
-(
67)
6.4 状 態 方 程 式
･
･
･
(67)
6.5
･
･
･
(72)
ス イ ッチ ン グ モ ー ド
6.
5.
1 ゲ - トパ ル ス休 止 斯 間 を設 け た場 合
-(72)
6.
5.
2 ゲ ー トパ ル ス重 な り期 間 を設 け た 場 合
- (73)
6.6 定 常 特 性
-(73)
6.
6.1 ゲ ー トパ ル ス幅 の 影 響
･
･
･
(
73)
6.
6.
2 周 波数 特 性
･
･
･
(
75)
6.
6.
3 負荷 特 性
･
･
･
(
76)
6.7 過 渡 特 性
-(77)
6.8 括 首
･
･
･
(78)
静 電 訴 # トラ ン ジ ス タ ドラ イブ 回 路
付録
第 7章
- (80)
逆 導 通 サ イ リス タ方 式 改 良 形 高 周 波 イ ンバ ー タの 強 力 超 音 波 発 振 機
への応 用
7. 1 緒 言
･
･
･
(81)
7.2 強 力 措 音 波 ホ モ ジ ナ イザ の 負 荷 話 特 性
- (81)
7.
2.
1 強 力 超 音 波 ホ モ ジ ナ イザ の 構 成
･
･
･
(81)
7.
2.
2 油 深特 性
- (82)
7.
2.
3 ク リア ラ ン ス特 性
･
･
･
(83)
7.
2.
4 粘度特性
- (83)
7.
2.
5 周波数特性
- (84)
7.3 高 周 波 インバ ー タ躯 動 強 力 は 音 波 発 振 機 の 設 計
- (85)
7･
3.
1 設計概念
-(85)
7.
3.
2 設計デ ー タ
･
･
･
(86)
7･
3･
3 設計手順
･
･
･
(88)
7･
3･
4 数値 設計例
-(90)
7･4
高 周 波 インバ ー 夕空 勤 強 力 描 音 波 ホ モ ジ ナ イザ
･
･
･
(92)
7.
4.
1 設計装置
- (92)
7.
4.
2 実 放 結 果 と検 討
-(93)
7.5 括 言
第 8喜
-(96)
捨論
･
･
･
(97)
参考文献
(1
02)
･
･
･
研究業援
- (1
06)
謝辞
･
･
･
(111
)
(3)
第
序
1 章
言合
近年 ､ 高周 波 電 力応 用 の 一 環 と して ､強 力 超 音 波 お よび 講 等 加 熱 な どが 注 目 さ
れ て い る｡ これ ら高周 波 電 力 応 用 の 電 源 に は ､従 来 は真 空 管 あ る い は トラ ンジ ス
タに よ る発 振 増幅 器 が実 用 され て い た｡ しか し､真 空 管 発 振 増 幅 器 は効 率 が悪 く､
形 状 も大 き い し､保 守 設 備 負 が 高 くつ く｡ また トラ ンジ ス タ発 振 増 幅 器 は ､大 電
力 動 作 の点 で 問題 が あ った ｡ 195 7年 に ､ サ イ リス タが 商 品化 きれ る と､ 発 振
周 波数 限界 の制 約 は あ るが ､大 電 力 ､ 高効 率 動 作 に適 して い るサ イ リス タ イ ンバ
ー タ方 式 が広 く用 い られ る よ うにな り､ サ イ リス タの 高 耐 圧 ､大 電 流 化 並 び に高
速 化 が 進 ん だ ｡ 197 0年 代 に入 ると､ 自己消 弧 素 子 が相 次 いで 開発 さ れ ､ 高周
波 インバ ー タに多 大 な インパ ク トを与 え た｡
そ の後 の 自己消 弧 素 子 の 進 展 は ､従 来 真 空 管 が採 用 され て い た 100m 2以 上
の 高周 波領 域 へ の S IT (静 電 誘 導 トラ ンジ ス タ) あ るい は M OSFETの 代 替
z帯 の 比 較 的 低 周 波 大 電 力 領 域 に は ､従
を促 進 しつ つ あ る｡ これ に対 して ､数 KH
来 通 りの サ イ リス タ インバ ー タが実 用 に供 され ､ また ､数 KHZか ら数 十 KHzの 中 間
周 波数 領 域 で は ､ A - S C R (非 対 称 S C R) や GA T T (ゲ ー ト補 助 ター ンオ
フサ イ リス タ) な どの 高速 サ イ リス タお よび B P T (バ イポ ー ラ トラ ンジ ス タ)
が競 合 して い る｡
本 研 究 は ､ この よ うな電 力 用 半 導 体 素 子 の 歴 史 的 な 技 術 背 景 を も とに ､ 用 途 に
応 じた出力 周 波 数 ､ 出 力 電 力 の 高周 波 インバ ー タを開 発 しよ う とす るもの で あ る｡
本 論 文 で は､ 高 周 波 インバ ー タの 負 荷 と して強 力 招 音 波 振 動 子 系 (
1
)-(
3
)を考
t
2か ら数 十 KHzの 用 途 に対 して は ､ 高速 サ イ リス タに よ り､ また､数 百 川
え､数 Kl
Z以 上 の 用 途 に対 して は ､ S ITの 適 用 に よ り高性 能 高 周 波 イ ンバ ー タを実 現 し
て い る｡
従 来 ､ 高速 サ イ リス タを用 い た 高周 波 インバ ー タに は､ 直列 共 振 形 イ
ンバ ー タが広 く実 用 され て きた｡ これ は ､ 高 周 波 化 に伴 う回 持 株 成 素 子 の小 形 化
が可 脂 で ､ 比較 的広 い負 荷 範 囲 に お いて ､ 出 力 波 形 が 正 弦 波 に近 く､ 高効 率 動 作
が可 能 とい う理 由 に よ る｡
数 川 2か ら数 十 m Zの 中 間周 波 数 領 域 に お け る直 列 共 振 形 高周 波 インバ ー タに 関
して は ､ 196 2年 に ､ Thomp
son氏 に よ りサ イ リス タを用 い た 2KW , 10KH2
の 高周 波 インバ ー タ (4) (5) が発 表 され ､ そ の後 ､Okeke氏 や Revankar氏 らに よ
り､主 と して 高周 波 訪 韓 加 熱 の電 源
く6)- (8) と して 発 展
した｡ しか し､ サ イ リス
タを用 いた直列 あ るい は直 並 列 共 振 固持 で は ､負 荷 変 動 や周 波 数 制 御 に伴 うサ イ
リス タの 動 作 責 務 が厳 し く､ 固 持 設 計 お よび 安 定 動 作 が 難 しい と い う問 題 が あ っ
た｡ これ に対 して ､ サ イ リス タに逆 並 列 に 高速 ス イ ッチ ング ダ イオ ー ドを接 続 し
l
た逆 串 通 サ イ リス タ方 式 が 19 6 7年 に M apham氏 に よ り発 表
(9 )
され ､ サ イ リス
タの 動 作 責 務 の 緩 和 お よび 転 流 余 裕 時 間 の 増 大 に よ る転 流 安 定 度 の 向 上 が実現 し
た ｡ 19 7 0年 代 に入 る と､逆 蒔 通 サ イ リス タの 開発 と相 ま って ､ Revankar氏
や Rosenberg氏 らに よ り高周 波 誘 串 加 熱 へ の応 用 を 目的 とす る逆 叫 通 サ イ リス タ
方 式 高周 波 インバ ー タの 研 究 が 次 々に報 告
(10)- (13)･ (16) され ､逆 蒔 通 サ イ リス
タ方 式 が 中 間 周 波 数 領 域 に お け る主 流 とな った｡
一 方 ､強 力 娼 音 波 振 動 子 系 に逆 等 通 サ イ リス タ方 式 高周 波 インバ ー タを適 用 す
る場 合 ､従 来 そ の 動 特 性 に未 知 の 要 素 が 多 く､ 回 路 設 計 前 段 で必 要 とされ る特 性
評 価 が 充 分 明 らか に さ れ て い な か っ た｡特 に ､ 周 波数 限 界 との 関 連 に おけ る転 流
重 複 現 象 の解 析 は ､ 高周 波 電 力 応 用 に お け る重 要 な 課題 で あ った｡
本 論 文 で は ､ これ らの 問題 を解 決 す る ため に ､ まず 第 2章 に お いて ､強 力 招音
波 振 動 子 系 を負 荷 とす る逆 祥 通 サ イ リス タ方 式 高周 波 インバ ー タの 動特 性 を明 ら
か に した｡ (17)
(24)そ
して ､ ター ン オ フ タ イム との 関 連 に お け る実 用 安 定 動 作
域 を無 次 元 化 平 面 に提 示 し､ 回 路 設 計 基 準 を与 え るこ とに よ り､強 力 担 音 波応 用
へ の 道 を 開 い た｡
さ らに第 3章 に お いて ､ 周 波 数 限 界 向 上 の ため に ､転 流 重 複 朋 間 を根 極 的 に取
入 れ た回 指 方 式 を検 討 し､ 新 た に 開 発 した転 流 重 複 期 間 の厳 密 解析 法 を も とに､
定 量 的 な特 性 評 価 を実 施 した ｡
(25)- (31)以 上 の 研 究 に よ
り､ 中 間周 波 数領 域 に
お け る強 力 は 音 波 励 振 源 と して の 逆 畔 通 サ イ リス タ方 式 高周 波 インバ ー タの実 用
周 波 数 限 界 の 問題 ､ さ らに は 高周 波 化 に伴 うサ イ リス タの 動 作 責 務 の 問題 を解 決
した｡
高周 波 インバ ー タの 固持 設 計 に お いて ､回 路 素 子 や ス イ ッチ ン グ素 子 の定格 を
検 討 す る場 合 ､ 一 般 に は そ の 定 常 特 性 値 を も とに決 定 す る｡ しか し､逆祥 通 サ イ
リス タ方 式 高 周 波 インバ ー タの場 合 ､起 動 時 あ るい は負 荷 急 変 時の 退 場 状 態 に お
いて ､安 定 動 作 上 最 も厳 しい値 を と る こ とが あ る｡ さ らに ､起 動 時過 渡 動 作 に お
いて ､転 流 余 裕 時 間 が 異 常 に小 さ くな る こ とに よ る不 安 定 現 象 の 問題 が あ り､ そ
の ため の超 勤 回 指 ､ あ るい は ソ フ トス ター ト回 路 が必 要 で あ った｡ この過 渡特 性
解 析 に関 して は ､ Rosenberg氏 と Deuan氏 が ､ 高 岡 披 講 等 加 熟 へ の 応 用 を 目的 と
した限 られ た数 値 例 に お い て解 析 (
32)して い るが ､特 性 評 価 が不 充 分 で ､実 際 の
負 荷 に適 用 す るに は 問題 が あ った｡
第 4章 で は ､ この過 渡 状 態 に お け る不 安 定 問題 を解 決 す るため に､逆祥 通 サ イ
リス タ方 式 高周 波 インバ ー タの 過 渡 特 性 解 析 と特 性 評 価 (33)
(40
)を実 施
した｡
そ の結 果 ､過 渡 ･定 常 特 性 比 較 よ り､ そ の安 定 動 作 領 域 を提 案 す る と ともに ､設
計 基 準 を明 らか に した｡
高速 サ イ リス タを用 い た 2 石 形 高周 波 イ ンバ ー タの実 用 周 波 数 限 界 は､従 来約
2
40K
H
z
程 度 で あ り､ それ 以 上 の 出 力 周 波数 が 要求 され る用 途 に た い して は ､従
来 ､ 時分割 方 式 (42)-(44)が採 用 され た｡ 時 分 割 方 式 は､ サ イ リス タの 時 分 割 に
よ る群 通 お よび 負荷 分 担 に よ り､ サ イ リス タの ター ンオ フ タ イム に制 約 され ず に
出力 の 高周 波 化 お よび 大容 量 化 を実 現 す るもの で あ る｡ この 時分 割 方 式 の 採 用 に
よ り､ 高周 波 電 力応 用 の各 分 野 に お いて は ､一 段 と大 電 力 高周 波 化 が 促 進 され た｡
しか しなが ら､ 時分 割 方 式 は､ 時分 割 数 の 増 加 に伴 うス イ ッチ ング 素 子 数 の増 加
お よび 回指 構 成 が複雑 化 し､ そ の制 御 も難 しい｡
第 5章 で は､ これ らの 問題 に対 して ､逆 祥 通 サ イ リス タに よ る新 方 式 高周 波 イ
ンバ ー タと して ､2倍 周 波 高周 波 インバ ー タを開 発 し､ そ の 過 渡 ･定 常 諸特 性
5)
(4
(
47)を明 らか に した｡そ の結 果 ､サ イ リス タ インバ ー タの 回 指 の 簡 素 化 ､ ロ
ー コ ス ト化 を実 現 す る と と もに､ 従 来 の 2石 形 サ イ リス タ インバ ー タの周 波 数 限
界 を は るか に越 え る 80K
H
z,600Wの 出 力 を可 能 に した｡
H
z
付 近 で あ ったが ､
従 来 ､強 力 超 音波 振 動 子 の 共 振 周 波 数 帯 は ､ 15-50K
最 近 は微 細 加 工 物 の 超 音 波 洗 浄 用 と して数 百 K
H
z
帯 の 周 波 数 利 用 も検 討 され て い
る｡ また､ 高周 波 誘 導 加 熱 ､ レーザ ー あ るい は ス イ ッチ ング レギ ュ レー タ方 式 D
C- D Cコ ンバ ー タな どの 電 源 と して ､数百 K
H
2か ら 1M
H
zの 高 周 波 電 源 の 開 発 が
望 まれ て い る｡ これ ら高 周 波領 域 の 用途 に対 して は ､ ター ン オ フ タ イム の 制 約 の
あ るサ イ リス タ系 列 の ス イ ッチ ン グ素 子 で は対 応 が難 しい｡ これ まで に ､100
z
の 高出 力 高周 波 電 源 と して は ､ S ITお よび M OSFETを用 い た
mzか ら lMH
種 々の 回 路方 式 が絹 告 (48)-(52)され て い る｡ な か で も､ 高 出力 化 の租 点 か らは
､M OSFETの数 倍 の素 子 客 車 を有 す S IT高周 波 インバ ー タが 注 目され て い
る ｡ S IT高周波 インバ ー タに は ､電 圧 形 (48)(50)と電 流 形
(
49)が あ り､ それぞ
れ一 長 一短 が あ る｡ す な わち ､電 圧 形 の 場 合 ､串 通 損 失 が 小 さ い反 面 ､停 電 時 や
負 荷 短絡 時 の 保護 が難 し く､デ ッ ドタ イム を厳 密 に設 け ね ば な らな い｡ 一方 ､電
流 形 は ､過 電 流 保 護 が容 易 で あ る反 面 ､一 般 に､逆 耐 圧 の 関 係 上 ､ S ITに直 列
にダ イオ ー ドを接続 す る必 要 が あ り､導 通 損 失 も大 き い｡
第 6章 で は ､第 5章 で述 べ て い る新 方 式 高周 波 インバ ー タに S ITを適 用 す る
こ とに よ り､従 来 の電 圧 形 ､電 流 形 に対 して全 く新 しい固 持 構 成 の 2倍 周 波 S I
T高周 波 インバ ー タを開発 し､400K
H
zの 高周 波 出 力 を実 現 した ｡
く51) (
53)こ
れ は､電 圧 ､電 流 折 中 形 とも呼び う るもの で ､両 方 式 の特 長 を兼 ね備 え た もの と
な って い る｡ さ らに､パ ル ス幅 制 御 動 作 の影 響 を厳 密 に考 庶 した特 性 数 値 解析 を
明 らか にす るこ とに よ り､ 高周 波 出 力 電 力 の速 応 制 御 を実 現 して い る｡
強 力 超音 波 振 動 子系 の 高周 波 電 源 に､ 高 周 波 インバ ー タを適 用 す る場 合 ､従 来
電 気 端 に お け る超 音 波 振 動子 系 の入 力 負 荷特 性 が解 明 され て お らず ､そ の 設 計 法
も未 発 展 の 段 階 で あ っ た｡
3
第 7章 で は ､ 以 上 の 諸特 性 解 析 結 果 をふ まえて ､第 3章 ､ 第 4章 で述 べ た逆 群
通 サ イ リス タ方 式 改 良形 高 周 波 インバ ー タに よ る強 力 超 音 波 発 振 装 置 の実 設 計 お
よび シ ステ ム評 価 を行 っ た｡ まず ､電 気 一機 械 一音響 系 に お け る強 力 超 音 波 振 動
子 系 の 電 気 端 に お け る人 力 諸 特 性
(54) (
55)を分 析
した｡ そ の 負 荷 諸特 性 か ら求 め
た負 荷 等 価 回 定 数 に 基 づ くインバ ー タ回 指 の 設 計 手順 お よび 回 路 実 設 計 を明 らか
に した ｡ さ らに ､ 試 作 装 置 を製 作 し､ シ ステム の 有 効 性 を実 証 した｡
以 上 が本 論 文 の 主 題 の展 開 で あ るが ､そ の研 究 過 程 は ､ 高周 波 化 の歴 史 その も
の と言 え よ う｡最 近 の 高 周 波 半 群 体電 力 素 子 の 進 歩 は著 し く､今 後 益 々高周 波 化
が 促 進 され る と考 え られ るが ､本 研 究 が 高周 波 電 力 応 用 の 一 助 とな れ ば幸 いで あ
る｡
4
第
三
三 章
逆
高
i
# 通
周
波
サ
イ
イ
リ
ス
ニノ )ヾ -
タ
プヲ 式
基
本
型
タ
2. 1 緒 言
超 音 波 を エ ネル ギ ー と して利 用 す る強 力 娼 音 波 の 応 用 (
1)-く
3)と して は ､乳 化
分 散 ､ 洗 浄 ､ 溶 接 ､加 工 ､ 切 削 を は じめ と して ､ メ ッ キ お よび 集 塵 な ど多 岐 に わ
た って い る｡ な か で も ､ 乳 化 分 散 作 用 を利 用 した強 力 超 音 波 ホ モ ヅ ナ イザ 日日
2)
は ､ 最 近 省 エ ネル ギ ー 低 公 害 燃 料 と して の エ マ ル ジ ョン燃 料 を生 成 す る装 置 と し
て 関 心 が 高 い｡ 強 7]娼 音 波 ホ モ ジ ナ イザ は振 動 面 の キ ャ ビテ ー シ ヨン (空 洞 現 象 )
を ､ また洗 浄 機 は 洗 浄 液 中 の キ ャ ビテ ー シ ヨン を利 用 す る｡ この キ ャ ビテ ー シ ヨ
2の 比 較 的 低 い周 波 数 帯 で 発 生 し
ン は ､ 超 音 波 の 周 波数 帯 の 中 で も 15- 50KH
や す い｡ これ ら強 力 超 音 波 応 用 の 高 周 波 電 源 と して ､ 従 来 は 真 空 管 発 振 増 幅 器 が
用 い られ て い た｡ 真 空 管 発 振 増 幅 器 は ､数 KH2か ら数 百 KHzの 広 い周 波 数 帯 に お い
て ､大 電 力 高 周 波 発 掘 動 作 が 可 能 で あ る が ､ 効 率 が悪 く､ 形 状 も大 き い し､ 保 守
設 備 鼓 が 高 くつ くと い う欠 点 が あ っ た ｡ これ に対 して ､ 最 近 の電 力 用 半 導 体 素 子
2か ら数 十 KHzと い っ た 中 間 周 波 数 領 域 に お いて は ､真 空 管 発
の 進 展 に伴 い ､ 数 KH
掘 増 幅 器 に 代 って ､A -SCRや GA TTな どの 高 速 サ イ リス タお よび BP T を
用 い た 高 周 波 インバ ー タが 実 用 き れ る よ うに な っ た ｡
サ イ リス タ高 周 波 イ ンバ ー タ と して は ､ これ まで に 直 列 共 振 形 お よび そ の 改 良
ll)が ､主 と して 講 等 加 熱 用 の 高 周 波 電 源 と して 広 く実 用 さ れ て き た｡ 直
形 (4) (
列 共 振 形 の 場 合 ､ 高 周 波 化 に伴 い 回 持 株 成 素 子 の 小 形 化 ､ 高 効 率 動 作 が 可 能 で ､
比較 的 広 い負 荷 範 囲 に お い て 出 力 波 形 が 正 弦 波 に近 い とい う利 点 を有 す ｡ しか し､
負 荷 変 動 や 周 波 数 制 御 に伴 うサ イ リス タの 動 作 責 務 が 厳 し く､ 固 持 設 計 お よび 安
定 動 作 が難 しい とい う問 題 が あ っ た ｡ これ に対 して ､ 高 速 サ イ リス タに逆 並 列 に
高速 ス イ ッチ ン グ ダ イオ ー ドを接 続 した逆 等 通 サ イ リス タ方 式 直 列 共 振 形 高 周 波
インバ ー タ (12)
く
22) は ､ 直 列 共 振 形 の 特 長
に加 え て ､ 無 効 電 力 の 有 効 処 理 ､ 転
流 安 定 度 の 向 上 さ らに は ､ サ イ リス タ部 の 順 逆 尖 頭 電 圧 が 低 く､ 固 持 の 尖 鋭 度 の
高 い負 荷 に適 す な ど､種 々の 特 長 を有 す ｡
逆 叫 通 サ イ リス タ方 式 高 周 波 イ ンバ ー タの 固 持 解 析 と して は ､ Revankar氏 ら
が ､誇 称 加 熱 系 へ の 応 用 を 目的 と した ブ リ､
ソジ 形 の R-L負 荷 に お け る近 似 的 手
法 に よ る定 常 解 析 結 果 を報 告 (10)(1日 して い る｡ しか し､ 設 計 前 段 階 で 要 求 され
る この 種 の イ ンバ ー タの特 性 評 価 に 関 して は ､ ほ とん どな さ れ て お らず ､ さ らに ､
本 章 で 論 じて い る インバ ー タ回 路 の 転 流 余 裕 時 間 を考 牒 した安 定 動 作 域 の 検 討 ､
お よび 回 拷 設 計 法 な どは ､未 開 拓 の 分 野 で あ る｡
5
本 章 で は ､ 強 力 超 音 波 応 用 の 高周 波 電 源 と して適 して い る逆 i
#通 サ イ リス タ方
式 基 本 形 高周 波 イ ンバ ー タ (17)I (24)を取 りあげ ､ まず 電 気 一音 響 変 換 の基本 原
)(2) を蒔 いて い る｡ さ
理 か ら強 力 超 音 波 振 動 子 系 と して の 負 荷 等 価 回 指 モデ ル (1
らに ､ そ の 結 果 に基 づ き､設 計 前 段 階 で 必 要 な 諸 特 性 評 価 お よび 回路 設 計 基準 を
示 す と と も に ､実 験 に お いて 検 討 した結 果 につ いて説 明 を加 え て い る｡
2.2 確 7]超 音 波 振 動 子 系 の 電 気 回 指 モデ ル
強 力 担 音 波 振 動 子 系 は ､ 高 周 波 電 源 と しての 電 気 系 と､電 気 的 人 力 に よ って発
生 した横 械 振 動 を ､ 目的 とす る負
荷 に伝 達 す るため の カ プ ラを含 め
た機 械 系 ､ さ らに は治 体 や気 休 な
どの 媒 体 の 振 動 に よ る音 響 系 か ら
電 気系
故械系
F(
dyne)
青書系
音圧
P (L
Lb
ar)
宅庄
V(V)
力
モ涜
Ⅰ(
A)
速度 V (
C■
l
′S)
体は速度
横 械 インピーダ ンス
音y イン ピーダ ンス
な る｡ 従 って ､強 力 超 音 波 振 動 子
インビ-ダ ンス
ZくC
L
)
系 の解析 にお いて は､機械系 ､音
抵抗
RくQ)
W(
cI)
/S
Zb
(
dyne
/CJ
L
/S)
Za(F
Lb
ar
/
cd
I
}
/i)
横械抵 抗
音y抵抗
h(
d
y
n
e
/
c
d
L
/
S
)
ra(L
Lbar
/
C叶3
/
S)
響 系 の 物 理 的 動 作 ､ 状 態 を電 気 系
に 置 換 えて 考 察 す る必 要 が あ る｡
ma(
名
′C
14)
(H)
キ ャパ シ タン ス
コンプ ライア ンス
コンプラ イアンス
表 1は ､機 械 系 ､ 音 響 系 の 活 量 を
電 気 系 に類 推 す る場 合 の 対 応 を示
表 1 電 気 一機 械 一音 響 系 の対 応
す もの で あ る｡
)(2)は ､電 わ い形 振 動 子 と磁 わ い形 振 動 子 とに大 別 され る｡
強 力 娼 音 波 振 動 子 (1
電 わ い形 振 動 子 は ､電 界 を加 え る こ とに よ り､ また磁 わ い形 振 動 子 は ､磁 界 を加
え る こ とに よ りそ れぞ れ ひ ず み を生 じる こ とを利 用 す る｡従 って ､前 者 は電 圧 躯
勤 ､後 者 は電 流 駆 動 で あ るが ､ 一 般 に ､ 高 い周 波 数 領 域 で は電 わ い形 振 動 子 が ､
低 い周 波 数 領 域 で は磁 わ い形 拓 軌 子 が用 い られ る｡ な か で も ､電 わ い形 振 動 子 と
しての チ タン酸 鉛 系 セ ラ ミ ッ ク ス と金 属 ブ ロ ッ ク をボ ル ト締 め で一 体 化 したボ ル
ト締 め ラ ンジ ュバ ン振 動 子 は ､ 高効 率 ､ 高 出 力 電 力 用 と して開 発 され た もの で ､
超 音 波 ホ モ ジ ナ イザ や 超 音波 洗 浄 機 な どの 10- 5 0KHzの 周 波数 帯 で主 に使 用
古れ る.
従 って ､ 以後 強 力 超 音 波 振 動 子 と して ､電 わ い形 ボ ル ト締■
め ラ ンジ ュバ
ン振 動 子 を考 え､ そ の 電 気 回 路 モデ ル に つ いて述 べ る｡
一 般 に ､強 力 娼 音 波 振 動 子 と して の 電 わ い形 振 動 子 に ､交 流 電 界 を印加 した と
日
きの 起 励 力 お よび 電 流 の 電 気 一音 響 変 換 基 本 式 (1
2)
は下 式 で 与 え られ る｡
f
T=-Å寸+乞bひb
i=寸 d寸+Aか b
F :起 励 力
Å :力 係 数
･
･
･(I
)
- (2)
寸 :交 流 印加 電 圧
6
Ⅰ :電 流
Lrb
:振 動速度
Zb :振 動子 系 の機 械 イン ピーダ ンス
Yd :制動 ア ドミタン ス
屯那 賀
劇 馴馴馴馴鮎
.
P
L
J
で あ る｡ すなわ ち､(1)式 で は単位 の電 圧
に よって機械 振 動系 に誘起 きれ る力 で あ
l
り､(2)式 に おいて は振 動子 の単位 の 振 動
誓 .[
︰
.仕
ここで ､A は電 気系 と機械 系 の変 換係 数
速度 に よ って訴g
Fきれ る電 流 で あ り､ と
1:
A
もに同 じ値 と しての力係数 といわれ る｡
また Yd
は､振動 部 を制動 した状 態 で測 定
図 1 電 わ い形 振 動 子 系 等 価 回指
したア ドミタンスで､振 動 に関係 な く存 在 す る｡機 械 端 子 に音響 イン ピー ダ ン ス
Z.を接続 した ときの電 わ い形振 動 子 の等 価 回路 を図 1に示 す ｡ これ は､表 1を
も とに､速度 を電 流 に､起軸 力 を電圧 に
対応 させ るカ ー電 圧法 に よ り機械 振動子
Lb
IA
Cb
Rb
系 を電気 的 に表示 した もの で あ る｡ この
場合 の逆 起励 力 F'は､
卜
=え.
LTb
吉b
b
:A
T
SS/N
:
･
･
･(3)
芸三
三:
/
,f2
起刷力 と逆起 励力 との 関係 よ り､
良=一之.ひ b
x
･(
4)
aiX
a /x
2
･･
従 って ､ Lrb と V との 関係 は(1
)式 よ り､
けb=Å寸/ (乞i+えb
) -(5)
図 2 電 気 一音 響 変 換 負荷 等 価 回路
(5)式 をも とに電 気端 か らみ た ア ドミタン ス Y -は､
Y.
=Yd+AA/ (Za+Zb
)=Yd+ヤ D ｡
Yl:自由 ア ドミタンス
Ym ｡:動 ア ドミタンス =Yf
-Yd
- (6)
ここで ､ Yfは振動 郎 が 自由に振 動 す る状 態 で測定 したア ドミタンスで ､ Y.
"は
振 動誹 が振動 す るこ とに よ っての み存 在 す るア ドミタン スで あ る｡
変換 器の機械 系 は､一般 に一 つ の共振 周波 数 を有 す単一
-共 振系 と して駆 動 す る
ことが 多 い｡ すな わち ､強 力超 音波 振 動 子系 は ､その機 械系 の振 動 振幅 が 最大 と
な り､音響放 射系 に お いて キ ャ ビテ ー シ ヨンが托著 に現 わ れ る振 動 子 系 の 共 掘 周
波数 frの近 傍 で駆 動 す る｡機 械系 と しての超 音波 振動子 系 の機械 イン ピー ダ ン
は､その掘 動特 性 よ り等 価質 量 mい 等 価 ステ ィフネ ス Sb
お よび 等 価 抵 抗
ス Zb
rbか らな る単一 共振 系 と しての集 中 モデ ル と して下式 で表 せ る｡
Zb=rb+ju｡
mb+Sb
/ju｡
い ま､音響 放射 イン ピー ダ ンス Z▲を
Z.=r.+jxi
と考 え ると､音響 放 射系 の負荷 を含 め た機械 系 の全 イン ピー ダ ン スは､
7
えi+ Zb= (ri+ rb)
+ j (xi+ W omb- Sb/ U｡)
- (9)
U.
= (- Ⅹ.+√(Ⅹ.2+ 4mbSb))/ 2mb
- (1
0)
とな る｡ こ こで ､ U,は機 械 系 の 共 振 周波 数 で あ る ｡ (9)式 よ り､ 図 1の 等 価 回路
は ､ 電 気 端 か らみ た電 気 一音 響 変 換 負 荷 等 価 回指 と して 図 2の よ うに表 せ る｡従
って ､ 自由 ア ドミ タン ス Y-は
Yt= Yd+ Yb
}
｡
=jU｡Cd
/U｡)〉
+ 1/(R▲+ Rb+ j(X,+ U｡Lb- Cb
- (ll)
とな る｡(ll
)式 で表 され る電 わ い形 振 動 子 系 の ア
ドミタン ス周 波 数 軌 跡 は ､一 般 に図 3の よ うに表
され る｡
一 般 に ､ o rの 近 辺 で は ､電 わ い形振 動 子 系 の
電 気 端 か ら見 た等 価 回 路 は ､振 動 子 の 損 失 を無 視
す ると ､ 図 4(a)の よ うに表 せ る｡ こ こで Cdは制
動 キ ャパ シ タン ス を表 す ｡ ま た ､ R､ L､ C直 列
共 振 回 指 は ､振 動 の 反 作 用 と して の 動 ア ドミタン
.
),で は ､ L と C
ス を表 す 各 定 数 で あ る｡共 振 点 t
→
の 直 列 共 振 イ ン ピー ダ ン スがゼ ロ とな り､等 価 同
指 は 図 4(b)の よ うに表 せ る｡ また ､ この等 価回
図3
G
アドミタンス周 波 数 軌 跡
C)の よ うな R｡- C｡直 列 回 路 に置 換 え られ る｡ こ こで ､ Rm｡､ Cdと
指 は ､ 図 4(
R｡,C｡の 関 係 は ､
R.= R.
n
./(1+(2 7
Tj,cdR
.
n
｡)2)
･
･
･(12)
C｡=(1+(2 7
tf,cdRm｡)2)
･
Cd/(2 7
TfrcdR,
n
｡)2 ･
･
･
(1
3)
とな る｡
2.3 基 本 形 インバ ー タ
2.
3.1 回 指 構 成
図 5 に ､強 力 超 音 波 電 源 と して
の 逆 辞 通 サ イ リス タ方 式 基本 形 高
周 波 イ ンバ ー タ く15)
図4
(22)の主 回路 構 成
共 振 点 に おけ る負 荷 等 価 回路
と定 常 動 作 波 形 を示 す ｡逆 導 通 サ イ リス
タ方 式 と して ､ 高速 ス イ ッチ ング サ イ リス タ Thl,T h2に逆 並 列 にそれぞ れ 高
速 ス イ ッチ ング ダ イオ ー ドDl,D2が 接 続 され て い る｡ 図 5に お いて ､一点 鎖 線
8
で囲 まれ て い る R-C3は ､篭 わ い形 招 音
波振 動 子 系 の共 振 点 に お け る等 価 回 路 と
して の 出力 変 成 器 一 次 側 等 価 回路 定 数 を
vc
r
,
[
-Lc. vo
l
D
o
l
vL
T
h
h
.
示 す｡一 般 に ､強 力 超 音 波 振 動 子 系 の 共
振 点 に おけ る負 荷 等 価 回 招 定 数 は､ 高 イ
ン ピー ダ ン ス (高抵 抗 ) とな る｡ 一 方 ､
高周 波 インバ ー タの特 質 上 ､負 荷 定 数 は
低 イン ピー ダ ン ス (低 抵 抗 ) で あ る｡従
って ､ 出 力変 成 器 に よ りイン ピー ダ ン ス
変 換 を行 う必 要 が あ る｡ この場 合 ､ 出 力
変 成器 の巻 数 比 は小 さ く､二 次 側 の巻 数
が大 き くな るが ､ これ は結 果 的 に ､電 わ
い形 振動 子 の駆 動 条 件 と して の 高 出力電
圧堅 勤 を実 現 す る こ とに もな る｡
2.
3.
2 動 作原 理
回路 動 作 お よび 定 常 特 性 解 析 に お いて
図5
は ､以下 の 仮定 を設 け る｡
(1)
主 固持 構 成 と各 部 定 常 動 作 波 形
Thl,Th2,Dlお よび D2は理 想 ス イ ッチ ング 素 子 とす る｡
(
2) l
司路 構 成 受 動 素 子 お よび 配 線 に お け る損 失 分 ､ さ らに ､ 漂 遊 イン ダ ク タン
ス､漂 逝 キャパ シ タン スは無 視 し う る もの と し､ ス イ ッチ ング素 子 問 の 転
流 重複 相 聞 は考 庶 しな い｡
(3) 直流電 圧 源 E は ､ 内 部抵 抗 の な い可 変 定 電 圧 源 とす る｡
(4) 各 電 圧 ､電 流 の 正の方 向 を図 5 の よ うに定 め る｡
また､ 解析 に 際 して は ､ 回搾 設 計 に おけ る汎 用 性 を 目的 と して ､次 の無 次 元 化
lお よび人 を用 い る｡
パ ラメー タI
山 =27
tf｡√(LC),
入 =R/ 2√(L/ C)
- (14)
C=2C1C3
/(2Cl+C3
), Cl=C2, Cl/ C= a, C3
/ C= b
従 って ､山 は主 と して 出力 周 波 数 f｡を制 御 す る こ とに よ って変 化 す るパ ラ メー
タと しての制 御 変 数 ､ ま た人 は ､主 と して負 荷 変 動 時 に変 化 す るパ ラ メー タ と し
て の外 乱変 数 とみ な せ る｡無 次 元 化 パ ラ メー タを定 義 す るに あ た り､次 の 無次 元
化 基準 量 を定義 す る｡
イン ピー ダ ンス基 準 量 :2√(L/ C), 電 圧 基 堆 圭 :E
電 流 基 堆量 : I=E/ 2√(L/ C),
時 間基 準 量 : 1/チ｡=27
以 後 ､無 次元 化諸士 を区 別 す る記 号 と して サ フ ィック ス'を用 い る｡ また無 次 元
化 時 間 の記号 と して
Z= t/ 2 Tを用 い る｡
9
K
J
'
L
l.
0
逆 斗通 サ イ リス タ方 式 基 本 形 高周
波 インバ ー タの 固持動 作 は ､サ イ リ
ス タゲ ー ト トリガパ ル スが広 幅 あ る
いは狭幅 ゲ ー ト トリガ パ ル スか に よ
って異 な る｡ ここで､広 幅 ゲ ー ト ト
リガパ ル ス とは､従 来 の尖 頭 的ゲ ト トリガ パ ル ス と異な り､ 1つの サ
イクル に対 して､ 半 周 朋 の 間 ､一定
の矩 形 波 的ゲ ー トトリガ パ ル ス電 圧
をゲ ー ト､カ ソー ド間 に印加 す るこ
とを意 味 す る｡本 方 式 インバ ー タの
発振 動 作 に お いて は､ サ イ リス タに
→
o･
う
逆 方 向電 流 が流 れ るこ と､ す なわ ち
入
1
･
0
､ ダ イオ ー ドが斗 通 して サ イ リス タ
の逆 バ イア ス期 間 を生 じるこ とが､
最小 必 要条 件 とな る｡ この条 件 は､
i
'
o性
7 1
o
Psf
出力 電 流 の モー ド初 期 値 が
L｡
'
≧0
の条 件 で与 え られ る｡
i
,
｡
●≧ 0を満 たすパ ラメー タ関係 式
o
l
*
陳
≦21
t
禦
D.
E,
P 転読失敗領 域
は､後 述 (25)式 よ り､
2 k- 1≦ K
平
=√(
1-人2
)/〟
k=1,
2,
3-
･
･
･
(1
5)
と与 え られ る｡ 図 6(a)は､ (1
5)式
図6
定 常 発掘 動 作域 と出力電 流 波形
の不 等 式 の 関係 をLl一入 平面 に表 した もの で､ 図 6(b)は､各領 域 にお け る広幅
ゲ ー ト トリガ パル スの場 合 の定 常 出力 電 流 波 形 を示 す ｡図 6 に お いて ､ A の領 域
は ､ゲ ー トトリガ 周波数 と出力 周波数 が一 致 す る基本 波 振動 領 域 で､領 域 B は､
(1
5)式 k= 2に おけ る 3倍 周波 振動領 域 ､ さ らに領 域 Cは ､ k= 3に おけ る 5倍
周 波 振 動領 域 で あ り､以下 k=4,
5,
6･
･
･
に対 す る (2k- 1)倍周波振 動領 域 が
存 在 す る｡ しか し､実 際上 ､サ イ リス タ インバ ー タの場 合 は､ ター ンオ フ タイム
との 関連 に お け る転 流余 裕 時間 に よ って安定 動作 域 が制 限 され る｡従 って ､ k=
2以 上 の (2 k- I) 倍 周 波振 動領 域 で は､転流 余 裕 時間 も小 さ くその動作域 も
狭 い ため ､実 際 の動 作 域 と して は不 適 と言 え よ う｡
狭 幅 ゲ ー トトリガ パ ル スの 場合 の動 作域 は､ 図 6の広幅 ゲ ー トトリガパル スの
場 合 の動 作域 と比較 す る と､ 図 6A お よび Dの領 域 に おけ る動 作 は全 く同一 とな
る｡一 方 ､ B, C,E お よび Fの
山く√(1-人2)/ 2
10
の領 域 は､狭幅ゲ -
トい ノガ パ ル スの 場 合 は ､ い わ ゆ る 自然
転 流 域 で あ り､ 出 力電 流 波 形 が 不 連 続 な
休 止 朋 間 の あ るひ ず ん だ波 形 とな る｡ ま
た ､山 ,人 の値 に よ って は ､尖 頭 的 なパ
ル ス状 の 電 流 が流 れ た後 ､休 止 期 間 の 長
[
〒
≡
コ
唯 一
- t
l
. ■-
/
い領 域 とな る｡従 って ､実 際 の動 作 領 域
と して は､広 幅 ゲ ー ト トリガパ ル ス共 通
の動 作 域 と して ､ 図 6A のLL,入 領 域 で
躯 勤 す る｡本 章 で は､以 後 ､実 際 の騒 動
領 域 と しての
』
』
t
=･
･
･
- l
･L
)
)く√(1-人2)/山 く2
図 7 スイッチングモー ド
のil,入.
領 域 に焦 点 を絞 り､ 動 作 原 理 の
説 明 お よび 定常 特 性 解 析 を実 施 す る｡
固持 の定 常 動 作 は､図 7の ス イ ッチ ング モ ー ドに示 され る よ うに ､ T hlお よ
び Dlの順 で串 通 す るモ ー ド aと､ モー ド aの電 流 の 最 終 値 を初 期 値 と して Th2,
D2の順 で蒔 通 す るモ ー ドbに分 枝 きれ る｡定 常 状 態 で は ､ モ ー ド aお よび モ ー
ド bの 固持 動 作 を周 期 的 に繰 り返 す ｡
2.4 定常 特 性 解 析
2.
4.
1 定 常 周 朋 鰐 と話特 性 圭
定 常 特 性 解析 に あ た り､先 に示 した無 次 元 化 基 準 圭 を用 いて ､状 態 変 数 を無 次
元 化 す る｡
〔モ ー ド a)
i｡/ Ⅰ= i
,｡i
`,
ひcl/ E= L
rlJ ,
Lrc2/
E=Lr2.I,
けC3/ E=L
r3,+
ひcl/ E=けI
b+,
L
rc
2/ E=ひZb',
ひC3/ E= L
T3
b
`
〔モー ド b)
i
,a/ Ⅰ= i
,｡.∼,
各 モ ー ドの状 態 方 程 式 は ､次 の よ うに求 ま る｡
〔モー ド a)
47
t入ノ
1
1 -47
t/〟
1
1
47
7/
D
･
･
･ (1
6)
4Tl入 ′J
l
47
【′J
l
47
t/D
-7
t/2a1
1
0
0
- (17)
モ ー ド aお よび モ ー ド bの 各 電 圧 ､ 電 流 の 初 期 値 を ､ L
T.H O, i
,.'+0
,t
rbH 0お
よび
LbH 0の よ うに 表 す ｡ 各 モ ー ド初 期 値 は ､ 電 荷 圭 不 変 則 お よび 電 磁 則 不 変 則
か ら叫 か れ る定 常 状 態 お よび モ ー ド遷 移 条 件 ､ さ らに 回 指 の 対 称 性 の 条 件 か ら求
ま る｡ す な わ ち ､
(1) け2&'(Z)お よび L
llb*(2)に 関 して ､ モ ー ド遷 移 集 件 お よび 定 常 状 態 の 集 件
ひ2aH 0- 0.5= - 〈L
r2a'(0.
5)-0.5)
より
▲
∴
同 様 に して
(2)
･
･
･
(1
8)
L
T2 = 0= - ひ2.*(0.
5)+ 1
Ll l
bH 0= -
･
･
･
(1
9)
L
lIb+(0.
5)+ 1
L
l3■(2)に 関 して も ､ 回 指 の 対 称 性 お よび 定 常 状 態 の 条 件 よ り
=- け 3bH 0
LF
L3a
H0
モ ー ド遷 移 条 件 よ り
L
r3b'+0= L
r3&'(0.
5)
以 上 の 関 係 よ り､
L
T3&'+0= (2 a- 1)
(3)
i,
.'(2)に 関 して も 同 様 に
12
(LT24*十0- 0. 5) ･
･
･
(20)
Lo.''0=- i
,.bH0ゴ ー i
,｡..(0.
5)
･
･
･
(21)
とな る｡以上 の初期値 の 関係 式 か ら､各 モー ド定 常 周 朋解 は次 の よ うに求 ま る｡
L
r2.+(2)= けIb'(2)= (2 a+ 1/ 4 a) 十 e (- aZ)si
n(P z+ ￠1)
/ 2 a√ [(I-人 2)((1+ g)2+ h2)]
-･
(22)
'(Z)= L
T2b'(2)≡ (2 a- 1/ 4 a) - e (- az)si
n(β Z+ ￠1
)
ひ1▲
/ 2 al l(1-^ 2)((I+ g)2+ h2) ]
･
･
･
(23)
L
T3.∼(Z)ニーL
T3
b+(Z)= (2 a- 1/ 4 a) + e (- a2)si
n(P z+ ￠1)
/ 2 a√ [(1-人 2)くく1+ g)2+ h21 ]
-(24)
n(P z+ ￠2)
L..'(2)≡- i
,｡b'(2)= 2 e (- a2)si
-(25)
/√ [(1-人 2)i(1十 g)2+ h2〉]
こ
こ
で
g
=e (- 7(入/ll)cos(77/山 √
(11人 2) )
h= e (- 7
t入 /〟)si
nt7
t/A
l√ (11人 2) i
+g)√(1人 2)一
入 h)/i(I
+蛋)入 +√(1人 2)h])
￠1=t
anJl[くく1
￠2=t
an lt- h/(I+ ど)〉
t入/l
l, P = 2 7
t√ (
1
人 2)/〟
α= 2 7
また､負荷 出力電圧 は､
i
T｡書くZ)= LT3●(2)+入 ｡'(Z) よ り
i,
L
l..-(Z)= - L
r
｡b'(2)= (2 a- 1/ 4 a) +√くく2人 2/a)+(2a-1
/2a)2)
･
･
･(26)
/ √ [(1人 2)くく1
+8)2+h2)] e (- aZ)si
n(P z+ ￠3)
入 h)/-2入 (I
+g)+(2a-1
/2a)((1
十g)
￠3
=t
an-1[2人 h+(2all
/2a)((1
+i)√(1人 2)一
･入†√(1人 2)･h〉 ]
リアク トル電圧
L
lL書くZ)は
L
TLa'(a)= - L
FLb■(Z)≡ e (- α2)si
n(β Z+ ￠4) / √(11
人 2)((I
+g)2+h2〉
- (27)
4
'
4=t
anll
[〈√(1人 2)(1
十g)
+入 h)/〈一
入 (1
+A)-√(I人 2)h)]
以上 の定 常周 期解 よ り､実 際の 回指設計 の 目安 とな る結特 性 圭 を表 2に示 す｡ ま
.
x',入 - LD"x
'特 性 を
た､人 を変数 と して ､Kをパ ラメー タとす る九 一 i,Thn図 8に示 す｡ こ こで Kは(1
5)式 で定 義 して あ るが ､ これ は回指 の固有 角 周波 数 U
とインバ ー タ出力角周 波数 U｡との比
u/ U｡に相 当す る｡
図 8に お いて ､ K一 定 の場 合 は､人 の変 動 に対 して常 に
+≧i
.
D
n.x'
i
,Thmax
の関係 が成 り立 つ こ とがわ か る｡ また､人 が小 さ くな るに したが い ､LTh."x
■お
,
D
m.
x
'が急激 に増大 して お り､固持 設計 に お いて考 庶す べ き と言 え よ う｡
よび i
13
2.
4.
2 波 形 評価
人 ､出力 電圧 ､
電流波形評価 と し
て は ､(1)人 力電 流
2)
出力
リプル 率 (
電 流 ひ ず み率 お よ
人力電流平均値
ん●
JT
.
●
■
`
J
.
.
.(
.)
dL
サイリスタ電流平均値
′ー▲
●
I: lJ
'
. I)a.
サイリスタ電流最大値
Jr
▲
■
.
.
●
l
l
.
'
(
Z
.
)
出力電流実効値
∫.
.
"I J阿
1
0.
5〝
I
｡
-I
讐
.
(
讐 l
v
恥.
J
.
-P
,
a
.
.
.
l
Je
｢
▲
l
■
宇
F
●
●
l
J(
1-i,
)ul
2十8),
+h
J等
び (3)出 力 電 圧 ひ ず
ダイオード電流平均値
t
J
)
.
I
.
:
,
.
.
.I)dE
み 率 に 関 して そ れ
ダイオード電流最大値
Jp
_.
●
∫
.
.(
1.
)
ぞ れ 評 価 関 数 を求
人力電力
P
一
.
●
J
:1.
.(
Z)
a.
め ､ Kをパ ラ メー
出力電力
P.
+
1
0.
5-- I
.
'
)
帆.
.
.
I
警l
l
-叫.
.
.
-
(
l
ノ(
.
一
一
-1-)
.
,
)1(
2
I+E
)
一
十A,I
.
一
一一A
市Af-●.I
.
2
A
I
.
‥
i
.
.,
(
.)
dL
讐
t
o.
ト V
,
.
..
.
)
讐
p.
5-0
,
4
.
.
,
I
タ と した と きの ､
コンデンサ電圧最大値 〟
.
I
.
.
■
それ ぞ れ の山 ､人
V
叫◆
(
f
l
)
言誤
-(
忘 )ノ(
1
6
-)
-帝
,
)
入
{
く1.
l̀
i
ー
●
)
,
W
),
,
.
.(
z
J
,-0
`- 読
(
州
I,
-品
(
打一
〇
一
,
zL
-誌
(
2
汀-Q
.
'
に対 す る波 形 を評
偏 考
価 す る｡
人 力 電 流 リプ ル
率 (R ･F rmB:実
勅 使 リプ ル 率 ) は
表2
下 式 で 定 義 され る.
,
諸特性 量
R ･Frms■= √ (
(Id,m
S
'2-
Id'2)
/
Id')
- (
28)
図 9 に ･ K をパ ラ メ ー タ とす る入 - R ･F,hB特 性 を示 す ｡ 図 9に お いて ､ K一
定 とす る と､人 の 値 に よ って は R ･F,msが 急 増 す る領 域 が あ り､ 回 指 設 計 に お
ける
(
〟 ,入 ) の 選 定 に お い て は ､後 述 の
転 流 余 裕 時 間 との 関 連 に お いて ､掛 売余 裕
時間 を確 保 す る範 囲 で R ･FH n&を抑 え る
(( Ⅰ｡,hB'/ Il')2-
1)
I
D ･F l｡= √
言 .
H
下 式 で定 義 され る｡
H ･r T
次 に､ 出 力 電 流 ひ ず み率 (D ･F.
.) は
絹真
よ うに選 定 す べ き と言 え よ う｡
-(29) Il*:出 力 電 流 基 本 波 実 効 値
図 10に ､ K をパ ラ メ ー タ とす る入 -D ･
FI
O特 性 を示 す ｡ 図 10に お いて ､ K一 定
とす る と､人 が大 き くな るに つ れ D･F,
｡
0･
5
A8同
も増 加 の 傾 向 を示 して お り､ R ･F,E
様 に 回 路 設 計 に お いて注 意 を要 す ｡ また､
14
図 8 人I I
m
- -人
1･
0
'
, IDm.x'
特性
.
n.x
出力電 圧 ひ ず み率 (D ･Fvこ) は下 式 で定
義 され る｡
D ･Fvo=√くくV｡.hB'
/V｡1')2- 1)
-(30) Vl■:出力電 圧 基本 波 実 効値
図 11に K をパ ラ メー タとす る入 - D ･F
vo
特 性 を示 す ｡ 図
11は ､ 図 10と同 様 の
た い場 合 は ､ Kの値 を で き るだ け 1に近 付
▲
U
▲
U
2 (% )St
L
uir
･
t
Z
ー
け る､す な わち ､入 一 定 に お いて山 をで き
o
O
l
傾 向 を示 して い る｡
以 上 の人 ･出力 波 形 評 価 よ り､ 人 ･出力
の波 形 の ひ ずみ をで き るだ け小 さ く抑 制 し
るだけ大 き く選 定 す る必 要 が あ る｡
2.
4.
3 転 流 余裕 時 間
本 方 式 インバ ー タの定 常 安 定 動 作 に必 要
な条 件 は ､ サ イ リス タの転 流条 件 と考 え ら
れ る｡ これ は ､最 小 必 要 条 件 と して ､転 流
余裕時間
T｡
〉0
0.
5
-A
1.
0
図9 人-R ･F,...
特性
と い う集 件 で 与 え ら
れ る｡ しか し､ これ は実 質 的 に は使 用 す る
サ イ リス タの 固有 値 で あ る ター ン オ フ タ イ
ム T｡‖に よ り制 約 きれ る｡ す な わ ち ､
｡
‖(31
)
Z c=f｡･T c≧Z｡‖=f｡･T
が､
T ｡日に よ る安 定 動 作 条 件
とな る｡本
方 式 インバ ー タの Z cは ､ (25)式 に お
.
i
,
. '(zl) =0
より
.
-
Z c=0.5- Zl
,
(
%)
｡
l
h ･白
いて
Z c=0.5一山(7
t-￠2)/ 27
r√(1
-人2)≧Z｡‖
-(
32)
と与 え られ る｡ 図 12に Z｡日 を考 渡 した
山 一入 平面 に お け る基 本 波 振 動 領 域 の Z c
0･
5 ー
1
の分 布 を示 す ｡ 図 12に お いて ､ た と えば
Z｡1-=0.05の場合 ､ Z ｡= 0.05と
図 10 人 -D･F.
｡
特性
Zc=0.25の曲線 で囲 まれ る領 域 の 山
.人 の値 を回 路 設 計 に お いて 選定 す る必 要 が あ る｡
15
1･
0
O
.
d
︼
(
%).
･′h ･G .,
-
0
2
0
J
JOL ･1O
8J
UI
LL
ノ
P
1.
0
0.
5 --人
図 11 人-D ･Fv｡特性
a
e-0.
00
図 13 人 - f｡
.
A
.
X･T｡‖特性
0.
5
図 12
1.
0
一
入
Z｡
分布
2.
4.
4 周 波数 限界
サ イ リス タ定 格 値 と して の T｡ ‖ に よ り､安 定 に発 掘 し うる出 力 周 波 数 限界 f｡
m.xは ､
(3 2 ) 式 に お い て Z c= Z ｡tf
を そ の安 定 動 作 限 界 とす る と､下 式 に よ
って 与 え られ る｡
f｡
ma
x= (I-
(7
7 - ￠2) /
K7
日 /2T｡‖
･
･
･
(
3
3)
上 式 よ り､実 際 の 堅 動 領 域 と して の 基 本 波 振 動 領 域 に お け る入 -T｡
1.･f｡
mA
x
特 性 を 図 13 に示 す ｡
強 力 超 音 波 発 振 器 と して の 本 方 式 イ ンバ ー タの 回 指 設 計 に お いて は､ サ イ リス
mi
xを大 き く
タの T｡‖ お よび 強 力 超 音 波 振 動 子 系 の共 振 周 波 数 チ.の 関 係 上 ､ チ｡
16
と るため に は ､ K一 定 の場 合図 13 よ り人 を小 さ く選 定 す る必 要 が あ る｡ しか し､
この場 合 ､図 8 に示 され る よ うに ､LTh,
A
.
X
'も急 激 に増 加 す る｡ した が って ､固
持設 計 に お いて は ､強 力 超 音 波振 動 子 系 共 振 周 波 数 5.､ お よび その 変 動 幅 を考
.
"
渡 した f｡
x
と とも に､人 ･出力 電 力 お よび 波 形 評 価 ､ さ らに は ス イ ッチ ング素
子 の電 圧 ､電 流 責 務 な どの 因 子 を捻 合 的 に評 価 して
(
〟 ,入 ) を適宜 選 択 す べ き
と言 え よ う｡
2.5 実験 結 果 と検 討
図 14 お よび 図 15に ､基 本 波 振 動 領 域 に お け る各 部 定 常 動 作 波 形 (実 線 :哩
論 値 ,点 線 :
実験 値 ) を示 す ｡ 図 14 は ､ K を一定 と し､入 お よび 山 変 化 に よ る
各 部動 作 波 形 を示 す ｡ (3 3) 式 よ り､ K は ､
K= (1/ (1-2T｡= ･
f ｡m
a
x) ) ･ i (7
t- ￠2) / 7
日
l くK く2
稚1
3位
と与 え られ る｡回 路富
貴
Ⅴ㍍ -
計上 の Kの 目安 と して
vn:
は､諸条 件 を捻 合 的 に
検 討 す る と､ 1. 15
図 14 お よび 図 15 に
お いて ､理 論値 と実験
値 は､ ほ ぼ 10% 以 内
の誤差 で一致 して お り
天止dr
O
1
0
v
E
l
' 1
0
くK く1. 24の範
囲 が適 当 と言 え よ う｡
I---
-･
(34)
-1
V｡
●
1
0
1
i
｡
●2
0
_2
､解析 にお け る仮 定 を
A _0.
05
J
J10･eS
考 え ると､理 論 の 妥 当
^IO.
20
J
L
･01
82
入 _0.
50
〃･0･
72
図 14 各部定常動作波形 (
k
=1.
2)
性 を示 して い ると言 え
よ う｡図 14 に お いて ､ K一 定 の場 合 ､人 が小 さ いほ ど出 力 波 形 の ひ ず み が小 さ
く､逆 に分 割 コ ンデ ンサ お よび 負 荷 電 流 の 最大 値 が大 き くな って い る｡実 用 上 ､
強 力 超 音 波振 動 子 系 の負 荷 は ､ そ れ ほ ど波 形 ひ ず み を問題 と しな いが ､用 途 に応
じた負 荷 の特 性 も考 庶 して
(
〟 ,入 ) を選定 す べ き と言 え よ う｡
図 15は ､山 一定 に お いて人 を
1 くK く2
の 範 囲 で変 化 させ た と きの 各 郎
動 作波 形 を示 す ｡人 の変 化 は実 負 荷 に お け る負 荷変 動 と考 え られ るが ､ 図 15 に
お いて ､人 の変 化 と とも にサ イ リス タの転 流 余 裕 時 間 ､ お よび 出 力 電 圧 ､電 流 の
振幅 が大 き く変 化 して お り､ 回指 設 計 に お いて は注 意 を要 す る.
17
2.6 緒 言
r 一一一1
確i
A
iN
芙攻dl
V
n
'
..
形強 力超 音波振動 子系の高 n
本 章 で は 主 と して 電 わ い
0
v
･
.
1
周 波 電 源 と して ､ 逆 串 通 サ
イ リ ス タ方 式 基 本 形 高 周 波
O
Vc･
'
1
0
インバ ー タの定 常 特 性 解 析
を中心 に述 べ て きた｡以 下
に ､ 本 章 で 得 られ た結 果 に
v
b
･.
0 .,
｡
つ い て 要 約 す る｡
(I) 電 わ い 形 強力 は 音 波
-1
〇･う
i
｡●
振動子系 の負荷等 価回指 を
も とに ､ 無 次元 化 の 手 法 に
よ り定 常 同 朋 解 を求 め ､ 回
人0.
5
4
L o.
64
人
+
0
.
2
0
図 15 各部定常動作波形 (〝=
0.
7)
祐実 設計 に必 要 な諸特 性量
､ 波 形 評 価 さ らに サ イ リ ス タお よび 転 流 回 路 要 素 の 電 圧 お よ び 電 流 責 務 を 明 らか
に した｡
(2) 定 常 安 定 動 作 に 必 要 な 条 件 を ､ 無 次 元 化 パ ラ メ ー タ
(
〟 ,入 ) を 用 い て タ
ー ン オ フ タ イ ム と転 流 余 裕 時 間 の 関 係 よ り求 め ､山 一入 平 面 に 図 式 化 した ｡
(3) 定 常 安 定 動 作 条 件 よ り､ 周 波 数 限 界 J
入
｡m▲xを求 め ､
K をパ ラ メ ー タ とす る
-fob.x･T ｡‖ 特 性 を 明 示 した ｡ そ の 結 果 ､ サ イ リ ス タ定 格 と して の T ｡日 よ
り､ 実 用 周 波 数 限 界 が 求 め られ る よ う に な り､ 強 力 超 音 波 振 動 子 系 の 高 周 波 イン
バ ー タ固 持 設 計 へ の 指 針 を 示 し た ｡
(4) 基 本 波 振 動 の 定 常 安 定 動 作 域 に お け る
(
〟 ,入 ) 各 値 に お い て ､ 理 論 と実
験 結 果 との 比 較 対 照 よ り､ 本 理 論 の 正 当性 を実 証 し､ 回 路 設 計 に お い て 考 庶 す べ
き要 因 を指 摘 した ｡
/dtは
基 本 形 イ ンバ ー タの 場 合 ､ 理 論 値 と して の サ イ リス タオ ン電 流 上 昇 率 di
/dt軽 減 用 ア ノー ドリア ク トル
無 限 大 と な る｡ 従 って ､ 大 電 力 駆 動 の 場 合 は ､di
の 接 続 が 必 要 と な る｡ そ の 場 合 ､ ス イ ッ チ ン グ 素 子 の 転 流 重 複 現 象 が 無 視 で きな
くな る が ､ こ の 点 に 関 して は ､ 次 章 で 詳 述 す る｡
18
第
3 葦
逆
さ
尊 通
サ
イ
リ
ス
高
周 波
イ
ニ/ ノヾ -
タ 方
式
改
良
形
タ
定常特性解析
3. 1 緒 言
第 2葦 で述 べ た逆 好 適 サ イ リス タ方 式 基 本 形 高 周 波 インバ ー タ (17)
(24)の 場
合 ､ サ イ リス タに逆 並 列 に接 続 され るダ イオ ー ドの等 通 期 間 が転 流 余 裕 時 間 Tc
とな る｡ そ の定 常 動 作 に お いて ､ ダ イオ ー ドの斗 通 して い る期 間 中 に ､ 次 の サ イ
リス タが トリガ きれ る と､ ダ イオ ー ド電 流 の 最終 値 が サ イ リス タ電 流 の 初 期 値 と
な り､理 論 的 には d i/d tは無 限大 とな る｡従 って ､強 力 超 音 波 高 周 波 電 源 と
して ､大 電 力 動 作 さ せ る場 合 ､ ダ イオ ー ド電 流 がゼ ロ ク ロ スす る時 点 で 次 の サ イ
リス タを トリガ す るか ､ あ る い は d i/d t軽 減 用 の ア ノー ドリア ク トル を接 続
す る必 要 が あ る｡サ イ リス タに直 列 に リア ク トル が接 続 きれ る と､ ダ イオ ー ドか
らサ イ リス タへ の 転 流 は 瞬 時 には行 わ れ ず ､共 に好 適 す る転 流 立 社 期 間 (以後 †
uと略記 ) が存 在 す るよ うに な る｡ この Tu
の大 小 は ､ 高周 波 インバ ー タの 出 力 特
性 ､ す な わ ち ､Tc
や LTThmaⅩ, LThm.xさ らに は人 ･出 力 電 力 に も影 響 す る｡
Tuが存 在 す る場 合 の 回 路 解 析 に お いて は ､第 2章 で述 べ た よ うに ､ 固 持 パ ラ
メー タを指 定 しモ ー ド遷 移 条 件 や 定 常 動 作集 件 を適 用 して も ､状 態 変 数 の 解析 解
は定 式 的 に求 め るこ とが で きず ､ そ の解 析 は複 雑 とな る｡ これ まで に ､ M apham
氏 や Rosenberg氏 お よび Dewan民 らが ､Tu
を考 推 した固持 解析 に つ い て 報 告 (9)
(ll
)して い るが ､ いず れ も趣
く限 られ た数 値 例 に おけ るもの で ､Tu
の 緒特 性 に
与 え る影 響 に つ いて ､ 回指 実 設 計 の 観 点 か ら絵 描 的 に把 掘 す る こ とが大 きな 課題
で あ った｡
これ らの 問題 に対 して本 章 で は､ d i/d tの軽 減 の み な らず ､Tu
を穂極 的 に
利 用 す る逆 導 通 サ イ リス タ方 式 改 良形 インバ ー タ く25)I(
31
) (以 後 改 良形 インバ
ー タ と略 言
己) と して サ イ リス タに直 列 に リア ク トル を接 続 した回 路 方式 を考 え､
Tu
の 大 小 に関 係 す る因子 と定 常 諸 特 性 に対 す る影 響 を中心 に述 べ て い る｡
まず ､強力 超 音 波 用 高 周 波 電 源 の 回 路 実 設 計 の 観 点 よ り､Tu
の 解 析 手 法 (23)く
29)につ いて述 べ る と と もに ､ そ の 解 析 手 法 を も とに ､T
uの大 小 に影 響 す る要 因
を と りあげ ､ その大 小 が Tu
との 関連 に お いて ､ ス イ ッチ ング素 子 の動 作 責 務 ,
人 ･出 力 電 力 さ らに は Tc, f｡
T
B.Xな どに い か に影 響 す るか を､理 論 値 と実 験 結
果 との 比較 対 照 よ り定 量 的 に 明 らか に して い る｡ さ らに､従 来形 インバ ー タ と し
ての逆 阻 止 3嫡 子 サ イ リス タを用 い た コ ンデ ンサ分 割 形 直列 共 振 インバ ー タ (以
後 従 来 形 インバ ー タ と略 記 ) との特 性 比 較 (36)よ り､改 良形 インバ ー タの特 徴 を
19
位 置 付 け て い る｡
3.2 改 良形 インバ ー タ
3.
2.
1 回指構 成
図 16に ､強 力超 音 波 振 動 子 系 を負 荷 とす る従 来 形 イ ンバ ー タ と改 良形 インバ
ー タの 回 路 練 成 を比 較 して示 す ｡
(b) 改良形インバータ
(a)従来形インバータ
図 16 高周波インバータ
改 良形 イ ンバ ー タに お いて T hl
, T h2に 直列 に接 続 され る Ll
,L2は ､ d i
/d t軽 減 用 の み な らず ､転 流 リア ク トル の働 きも兼 ね る ｡ L l
, L2が接 続 きれ
る と､ 固 持 の転 流 動 作 に お いて ､ 回 路 パ ラ メー タに よ って は r
)1と T h2, D2と
T hlお よび T hlと T h2が 同 時 に群 通 す る転 流 重 複 モー ド (
25日
3日 が存 在 す る
よ うに な る｡
図 16(b)に お い て ､ L3が な くて も回 路 動 作 は可 能 で あ るが ､ ここで は L3を
接続 した場 合 の Ll
,L2との リア ク トル 比 の影 響 さ らに は ､ Llと L2の電 磁 結 合
度 の影 響 に つ いて も検 討 す る｡
3.
2.
2 動 作原理
回 指 の動 作 原 理 の説 明 お よび 解 析 に お いて は ､第 2章 で定 義 した無 次元 化 パ ラ
メー タ山 お よび人 を本 章 で も用 い る｡ た だ し､ この 場 合 の L に関 して は ､下記 の
通 り定 義 す る｡
L = Ll+L3, Ll= L2, Ll/ L= 々1
, L3/ L=ml
k=M /√ (LIL2) =M / Ll
k :電 磁 結 合 度
M :相 互 インダ ク タン ス
20
図 17に ､1
1,人 平 面 に お け
る発 振 動 作 域 と各 領 域 出 力 電 流
波 形 を､ また図 18に改 良形 イ
ンバ ー タの 図 17 aの領 域 に お
け る出 力電 流 の実 験 値 と理 論 値
の 比較 を示 す . 改 良形 インバ ー
タの場 合 ､ 図 17 eの領 域 は ､
回鞄 の定 常 動 作 に お いて T h1
- D lの 順 で群 通 した後 に､全
て の ス イ ッチ ング素 子 が オ フす
る休 止 期 間 が存 在 す る領 域 で あ
A.
5
→
l L0
る｡ また ､aの領 域 は ､図 18
の 波形 か らわ か る よ うに ､Th
1-
句
Dlと群通 し､Dl
が辞 退 し
と､Dlと Th2の転 流 重 複 モ ー
ドが存 在 す る領 域 で あ る｡
±こくl
L!
〟
J
や
√
J
L
-f了:予
l
o<
て い る間 に Th2を トリガ す る
J
L
>!
/
￠ト▲7
〃1 !
2
=
L
'
I
Lh
l
o
d
e2
8
.
｣
M
トo
A
d
el
L
l
l
(
釘
⊥上
〟
q
皇
)
_
1
<)
図 17
I
l,
ll;
iD
TL
in.o!
l
5
日
＼
.
i1
㌦
Y
Zu
.
Zl
,
Z
L
J
,
iD
.
t
l
i
7
J
√
＼
k
V
I
.
L
′
.
/
V
1
＼
一
距
＼
＼
ノ
ー
し
ノ
当
控置
l≡
喜
＼
転
/
＼
＼.
℃
/
h
'_
_
_
⊥
｣
L
発振動作域及び出力電流波形
:z
o:
zy t
.
l1
､
- 2.
O
図 18 転流重複時出力電流波形
21
.
Cの領 域 は ､Thlが群 通 して い る時 点 で Th2
を トリガ す る と､ まず Thlと T
h2の 転 流 重 複 モ ー ドが存 在 し､Thlの電 流 がゼ ロク ロ スす る時点 か ら､今度 は
Dlと Th2の 転 流 重 複 モ ー ドとな り､ Dlの電 流 が ゼ ロ とな る時点 か ら Th2の単
流 モ ー ドとな る領 域 で あ る｡
C お よび
eの領 域 は､ 出 力 電 流 と｡の波 形 に示 され るよ うに､波 形 の ひ ずみ が大
き く､ 同 一 出 力 に お いて aの 領 域 と比 較 す る と､サ イ リス タ電 圧 ,電 流 の尖同 値
が 大 き く､安 定 動 作上 問 題 が 多 いの で ､発 振 機 の実 際 の動 作 域 と して は a∼ bの
領 域 が 適 当 と言 え よ う｡
従 って ､ 本 章 で は ､実 際 動 作 域 と して の ダ イオ ー ドとサ イ リス タの転 流 重複 域 に
焦 点 を 当て て特 性 解 析 を行 う｡
3.3
転 流 重 複 域 の特 性 解 析
各 モ ー ドご との 無 次 元 化 状 態 方 程 式 は次 の よ うにな る｡
[Thl,D l単 流 モ ー ド]
入
I
1
-1
′8a
0
0
-1
′4b
0
0
入
1
1
-1
′8a
0
0
-1
′4b
0
0
t/〟
+47
-(35)
【Th2,D2
単 流 モ ー ド]
22
-(36)
【Dl
･Th2,D2･T hl; Thl
･T h2転 流 重 複 モ ー ド]
入
入
入
入
=-47t/〟(I+l･k々1)
m
(1
+
t
q1k々1
)
′
8
a (1
+
m1kQl)′8a
+47
t/
LLPl(1
+
ml
k々l
)
(I
+k
)
7)
-(
3
各 モ ー ド解 析 解 は ､各 モー ドご との初 期 値 を含 ん だ形 で表 され る｡ (付 録 1参
照)定 常 状 態 に お け る各 モー ド初 期 値 は ､始 動 時 に お け る初 朋 値 と して ､ リアク
トル電 流初 期 値
Ll
H0= i
,
2'
'0= O,各 コンデ ンサ電 圧 初 期 値
ひ1
日0=け2■
J3
日0= Oを与 え､ モ ー ド遷 移 条 件 に よ り､ モ ー ド最終 値 を次 モ ー
'o= 0. 5 ,t
ド初 朋 値 と して繰 り返 し計 算 を行 い､定 常 判 定 条 件 よ り定 常 値 を求 め た｡ そ の 場
合 の定 常 判 定 条 件 は ､ nサ イ クル 目 と (n +1) サ イクル 目の初 期 値 の変 動 が 1
%以 内 を も って定常 状 態 と判定 した｡
上 記計 算 方法 に お いて ､ これ まで課 題 ときれ て い たの は､ 転 流重 複 朋 聞 く以 後
Zuと略 記 )の計 算 方 法 で あ る｡ 図 19に､ 開発 した手 法 に よ る Zuの計 算 方 法
(
2
3)(
29)を示 す ｡
ダ イオ ー ドとサ イ リス タの Zuの 計 算 は､ サ イ リス タの トリガ 時点 よ り､ ダ イ
オー ドを流 れ る電 流 がゼ ロ とな る まで の期 間 と して計 算 し､電 流 ゼ ロ ク ロ スの判
定 は､ その電 流 の絶 対値 が 10
3以 下 を も ってゼ ロ と判 定
した ｡ 図 19(b)にそ
のゼ ロク ロ スポ イン トを求 め る場 合 の 直線 近似 法 を､ また そ の場 合 のゼ ロ ク ロ ス
ポ イン トの計算式 を (3 8) ∼ (4 0) に示 す ｡
23
.
.
;.
..
_
.I
.
(a)
フローチャート
(I
))
図 19 転流重視期間計算法
図 19(b) (1)の 場 合
Zo= (Zb- t+ Zbi
,.
'/i
,b'〉/ (1+ i.'/Lb*†
図 19(b) (2)の 場 合
Zo'= fZo+ Zbi
‥ソ Lb●〉/ tl十 と｡リ Lb●)
図 19(b) (3)の 場 合
j
.
.
∼
/i
パリ
Zo'= 〈Za+ Zo
/ (1+
24
i
,
.
'
/i
,C■)
直線近 似法
図 19(b)お よび 上式 におい̀て ､ (1)の場合 は L2●が負 に (Dl
･T h2転 流
重複 モー ド時 は正 に )反転 した時点 に おけ る第 1回 目の 直線 近 似 で ､その場 合 の
｣2■の絶 対値 が 10
3以下 にな
らな い場 合 は､第 1回 目のゼ ロ ク ロ スポ イン トに
おけ る i
,2'の正 負 に よ り､ (2) また は (3)の場 合 の 直線 近 似 を行 う｡
3. 4
転 流 重複期 間の 評価
3.
4.1 リア ク トル 比の影 響
リア ク トル比 々 1の大 小 に よる
Zuの変 化 ､な らび にそれ に伴 う
話特性 圭 の影 響 を図 20お よび 図
山=0.
2 1に示 す ｡図 20は ､
=1に お いて ､人
7, 1
(= 0,a
をパ ラメー タ と した場 合 の 々 1-
Zu,Zc特性 曲線 を示 す｡ 図 20
において ､ 々 1= 0で Zu= 0,Zc
は最小 とな り､ 々 1の増 加 に対 し
て Zu, Zcは単 調 増加 の傾 向 を示
す こ とが明 らか とな った｡逆 阻止
3端 子 サ イ リス タを用 いた従 来形
丘
●
インバ ー タの場合 ､ Zuの増加 は
d
.●
tZt
逆 に Zcの減 少 を表 したが､逆鮮
I
通 サ イ リス タ方式 と しての改 良形
= ･
インバ ー タの場合 は､ ダ イオー ド
とサ イ リス タの Zuの増加 は ､ Zc
の増加 につな が り､従 来 形 インバ
ー タに はな い大 きな特 質 と言 え よ
01
4
う｡す なわ ち ､fom▲xの向上 と言
う観点 か らは､改 良形 インバ ー タ
の場 合 ､
々 1= 1の 回指形態 (L3
= 0に相 当す る)が最 良で あ ると
言 え る｡ 図 2 1は ､山=0. 8,
人 =0 .2, 1
(= 0,a=1- 定
にお いて ､
々
lの比 を変化 させ た
場合 の諸特性 圭 の影 響 を示 す｡
(
10 0 0
0 .
0.
2
0^
-
0.
6
2-
0.
8
.
1.
0.
図 21 々
l
による諸特性の影響 (L
L=0.
8
2.
人=
0.
2,
k
=
0,
a
=1
)
25
同 園 よ り､ Zuの 増 加 に 伴 い ､ i
,T
bm… お よ び d i/
dtは 減 少 す る 反 面 ､L
TTbh.X
n■が 減少す る｡ P i
n
が 増 大 す る こ と が わ か る｡ また､ Z uの増 加 に対 しては､ P i
事
の 減 少 を 補償 す るに は ､ 人 力電 圧 を上 昇 さ せ れ ば よいが ､ そ の 場 合 は さ らに､
ひTh
m.
x
'が 上 昇 す る こ とに な る｡ 従 っ て ､ 々1の 比 を強 力 娼 音 波 励 振 源 回 指の設
イリス タ
TThm .xに 問 題 が な い 場 合 は ､ d i/
dt最小､ Zc最 大 と な る 々1= 1の 固 持
定 格t
形 態 と し､ T｡日 に お
け るチ ｡
m.x よ り も ､むし ろLTThb
.
Xに問 題が あ る場 合 は ､ d
i/d tも考 碇 し て々 1=0 . 1近 辺 で 固 持 設 計 すべ き と青え る｡
計 に お い て 決 定 す る場 合 ､ 強 力 超 音 波 振 動 子 系 の 定格 出 力 におい て ､ サ
3.
4.
2 電 磁 結 合度 の影 響
図22に ､
山=
0
o
に つ い て検 討 す る｡
2
lとL 2の 電 磁 結 合 度 kの 影 響
I
様 に こ こ で は ､ リア ク トルL
}叫 .nZ
リ ア ク トル 比 々lの 影 響 同
0
･
5
.7 ,a
= 1, 々1= 1に お い て ､人
を パ ラ メ ー タ とす る kの 大 小
に よ る Zu, Zcの 変 化 を 示 す
｡ 図 22よ り､ k に 関 して は
､ 各山 ,人 の 値 に 対 して Zu
お よび Zcが 最 大 とな る kの
値 が 0 くk く 1の 範 囲 に存 在
-∫
.
0
す る こ とが わ か る｡
図 2 3に ､入 = 0. 3
,〟
図 22
I
(-Z日,
0
Z｡特
性
ー
&
J
･
0
(JL=0.7.0,=1.a:1)
= 0. 7. 91- 1, a= 1
に お け る ､ kの 大 小 に よ る諸
特 性 の 影 響 を示 す ｡ 同 園 よ り
､ 理 論 上 k=0に お い て d i
/d tは最 小 とな り､k=+
1, - 1に お い て 無 限 大 とな
T
T
h
E
"Xに 関 して
る｡ ま た ､L
は､ k
=1で 最 大 , k=-1
で 最 小 値 を と る｡ 図 2 2 お よ
び 図 2 3 よ り､ kの 励 振 源 回
指 設 計 に お け る考 え方 と して
､厳密 に f
｡m.xの 関 係 上
Zc 図 23 kによる詣特性の影響 (F
L
=
0.
7,
人=
0.
3,Q
l
=
1
,
a
=
1
)
26
を大 き くと りたい場合 は ､b くk く1の範 囲 に おけ る Zc
が最大 とな る kの値 を
とるべ きと言 え よう｡ しか し､ k= 0に おけ る Zc
の値 と､ 最大 値 と しての Zcn.
xの差 は小 さ
く､従 って ､ d i/d tが最小 とな る k= 0に おいて設 計 す るの が無
難 と言 え よ う｡ これ は ､従来形 インバ ー タが ､ kをほぼ 1で設 計 す るの に対 して
大 きな差 異で あ り､逆串 通 サ イ リス タ方式 高岡 波 インバ ー タの固持 富
貴計 に おいて
注 意 すべ き点 と言 え よ う｡
3.
4.
3 無次元 化周 波数 ,無 次元 化負 荷 の影響
の大 小 に影 響 す る と ともに､ 直接 的
無 次元化パ ラメー タJ
1,人 の大小 は ､Zu
に各特 性 に影響 す る｡従 って .励 振源 の 回路設 計 に お いて は ､山 ,人 の値 をいか
に選定 す るかが重 要 とな る｡図 24か ら図 27は ､3.
4.
1お よび 3.
4.
2の結 果 を も
とに ､ 々1= 1お よび k= 0を採 用 し､ a = 1に お いて人 をパ ラメー タと した と
きの山 に対 す る詩特 性 を示 したもの で あ る｡
図 24は ､山一Zu,Zc
特性 を示 す｡同 国 よ り､入 一定 に お いて ､Zc
が最大
1- d i+
/dz特 性
とな る山 の値 が存 在 す るこ とが明 らか とな った｡ 図 25は ､J
/dzに関 して は､入_
の値 に よ って ､ d i'
/dzの 周波数 特 性 が 異
を示 す ｡ d i'
1-P｡+,P.
A●, Id■特性 を示 す ｡ 固持 の
な る特徴 を示 して い る｡図 26は ､J
b
'
=
損失分 をゼ ロ と仮定 す ると ､ P川'=P｡■で あ り､無次 元 化 にお いて は ､ P l
P川/ (E ･I) ≡ (E ･Id)/ (E ･I) = Id●とな る (付録 2参 照 ) ｡
,
図24 〟-Zu
,Zc
特性 くら=1 k
=
0,
a
=1
) 図 25
27
J
1
-di･
/dz特性
(P
l
=1
,
k
=
0,
a
=l
)
図 26 /
i-P.
∴
P｡･,Ⅰ ｡1寺性 図 27 J
L-LT
h
ma
/,ひT
如 Ⅹ+
特性 (Q
l
=1
,
k
=
0,
a
=1
)
図 26よ り､入 一定 の 場 合 は ､ P､b'は山 の 増加 に対 して一 様 に増 加 の傾 向 を
,
Th
mAx+,ひTh
n.x'示 す ｡ 図 26同様 に ､山
示 す こ とが わ か る｡ 図 27は ､山 一 i
の 増 加 に つ れ ､ そ れ ぞ れ LTh
.
z
L
.
X', けTh
m.x'も増 加 の 傾 向 を示 して い る｡
3.5 従 来 形 インバ ー タとの特 性 比 較
タの 高 周 波電 源 に関 して､ 図 17a∼
*u
t
u･Al
従 来 形 イ ンバ ー タ と改 良形 イ ンバ ー
4.
0
bの実 際 動 作 領 域 に お いて ､ 3 . 4的
の結 果 を も とに ､々1
= 1 (L 3= 0)
,k=0の 回 路 形 態 に お け る特 性 比較
に つ いて検 討 す る｡
3･
5.1 サ イ リス タ電 圧 /電 流 責 務
m.
x'は ､
サ イ リス タ電 圧 最 大 値 ひTh
々 1=
1, k= 0に お け る ひThl, ひTh
Zの 瞬 時値 の 式 か ら､ 付 録 (5 4) 式
の よ うに誘 辞 され る｡
改 良形 インバ ー タの 場 合 ､ サ イ リス
28
図 28 1
l-uT
h
ma
x
'
特性比較
タ順 方 向 阻 止 電 圧 は 単 流 モ ー ドに お いて の み 現 わ れ ､ ま た ､ 逆 方 向 電 圧 は ､ ダ イ
オ ー ド斗 通 に よ るダ イオ ー ド順 方 向 電 圧 降 下 分 の み しか 現 わ れ な い ｡ 従 って ､改
良 形 インバ ー タの 場 合 は ､従 来 形 イ ン バ ー タに お け る逆 耐 圧 を考 庶 す る必 要 が な
く､高 圧 ､ 高周 波 化 に適 して い る と言 え よ う｡
図 28に ､人 をパ ラ メ ー タ とす
る山一 LTThm.x`特 性 比 較 を示 す ｡ 両 方 式 と も に ､山 の 増 加 に た い して ､入 一 定 の
場 合 は ､ LrThm.x'に 関 す る変 化 は小 さ い｡ しか し､山 一 定 に お け る負 荷 変 動 ､ す
な わ ち ､人 の 変 動 に対 して は ､ 従 来 形 インバ ー タの 場 合 著 し く変 化 す るが ､ 改 良
形 インバ ー タの 場 合 は 小 さ い ｡ この 傾 向 は ､ サ イ リス タ電 流 最 大 値
して も ､ 同 様 の 結 果
(31)(
35)が 出 て
i.Thb
.
X
'に 関
い る｡ 従 って ､ 強 力 超 音 波 振 動 子 系 の よ うな
Q の 高 い負 荷 の 電 源 と して ､改 良 形 イ ンバ ー タが 適 して い る と言 え る .
3.
5.
2 転流余裕時間
で サ イ リス タ イ ンバ ー タを動 作 す る場
合 ､安 定 動 作 上 一 番 問 題 とな るの 主
よ､
サ イ リス タ定 格 と して の T ｡日 と言 え
よ う｡
日に 関 す る安 定 動 作 集 件 は
o･
L
D
ZI o･
強 力 超 音 波 発 振 機 の よ うな 高 周 波 帯
T ｡
､ 第 2葺 く3 1) 式 よ り､ Z｡‖ ≦ Zc
で あ る｡ 従 って ､ Zc= Z｡日が T｡日
に よ る動 作 限 界 を示 す ｡ 図 29に従 来
形 インバ ー タ と改 良 形 インバ ー タ両 方
式 の ､山一 Zc特 性 比 較 を示 す ｡ 同 園
に お いて ､山 の 比 較 的 小 さ い領 域 で は
､ 従 来 形 インバ ー タの 方 が ､ 改 良形 イ
ンバ ー タ よ りも Zcの 大 き い領 域 が あ
る｡ これ は ､入 一 定 に お いて ､山 を小
さ く､ す な わ ち ､F｡を下 げ て ゆ くと
､ l同 朋 中 に お け る休 止 朋 間 が 増 加 す
る こ とに よ る もの で あ る｡ この 場 合 ､
パ ル ス上 の 尖 頭 電 流 が流 れ る こ と を意 味 し､動 作 領 域 と して は ､好 ま し くな い ｡
一 方 ､山 の比 較 的大 き い領 域 に お いて は ､改 良形 イ ンバ ー タの 方 が ､従 来 形 イ ン
バ ー タに 比 べ て ､ Zcが大 き い ｡強 力 超 音 波 の 周 波 数 帯 が 15- 30KHzで あ り､
T｡= = 10 F
LSとす る と ､ Zc= 0. 15- 0. 30が 要 求 され る｡ 従 って ､ 改
良形 インバ ー タの 場 合 ､入 = 0. 1- 0.2,山 = 0. 7- 0. 9近 辺 に 選 定 す
る こ とが必 要 と嘗 え る｡
29
3.6 無 次 元 化 平面 に お け る転 流 余 裕 時 間
改 良形 インバ ー タ
の 無 次 元 化山 ,入 平
面 に お け る Zc分 布
を 図 3 0に示 す ｡実
=0,点 線
線 が Ql
が々
l
=1の 回 路 形
態 を示 す ｡ 同 一 の L
L
,人 の値 に お いて ､
,
u一入 全 域 に お いて
､
=1の 方 が Zc
々1
の 値 が大 きい こ とが
m.xの 観
わ か る ｡チ｡
点 か らは ､ 図 3 0に
お いて
=0の 場
0
･
5 →
々 1
入
川
合 ､ T｡‖ = 10J
l
sと仮 定 す る と､ Z
図30 Z｡
分布 (
k
=
0,
a
=1
)
C=0. 2 5 よ りf｡
A.X= 25mzとな るの に対 して ､ 々1= 1の場 合 ､I
l,人 の領 域 は限定 され るが
､約 30KH2の 発 振 が 可 能 で あ る こ とが わ か る｡ f｡
,
"xは T｡
r
fの小 さい高速 ス イ
ッチ ン グ サ イ リス タが 開発 きれ れ ば ､ さ らに向上 す る｡現 在 市 販 され て い る T｡f
-= 7. 5〟 Sの 高速 ス イ ッチ ング サ イ リス タを採 用 す れ ば ､ 40KH
2程度 は可 能
とな る｡ しか し､一 般 に ､ キ ャ ビテ ー シ ヨン現象 を利 用 す る超 音波 振 動 子 系 の周
波 数 帯 は ､ 20KHz付 近 が一 番 多 く用 い られ る点 を考 慮 す ると､余 裕 率 も考 えて
､人 を 0.2以下 に選 定 す る こ とに よ り､定 常 発振 動作 に お いて問題 な い と考 え
られ る｡
3.7 実験 結 果 と検 討
本 筋 で は､理 論 と実 験 結 果 との 比較 対 照 に つ いて述 べ る｡
図 3 1に山 =0. 5, k= 0 , 々1= 1お よび a= 1に お い て人 を変 化 させ た と
きの 改 良形 インバ ー タの各 部定 常 動 作 波 形 を示 す (実線 :理 論 値 ､点線 :実験値 )
｡ 各 実 測 波 形 は理 論 値 の傾 向 と よ く一 致 して い るが ､実 測値 が全 般 にや や小 さ 目
とな って い る｡
30
これは､理 姶解析 に お いて､ ス イッチ ング素子 の好適損 失 や ス イ ッチ ング ロ スを
劃FJ
H
T劃
JL LL 1
i霊﹄ ■
嘉 男
i
酎劃附
i■
一
以■
rJ
■
遍 _ _ ■讐
1
雷一遍i
]一
声
轟 義 J
rlJ
b
■ t ■ ']
■
L
L.
以 t J Id
r
F
]■ '.
﹄■
F
l
LT t 轡 iJt r J L JF r
LI
JJ ll
一t ﹃i L
l
■ t J_ I EM
﹃■_ ■
■Z
St J
I
i.' 慢 ■_
JjZ
と考 え られ る｡
!J
r
J JE ■I
串 I
lJ
L
IJ t
J
L
一﹃劃
■
'
h
r7
Z
竃
J
t
L
E
壌
J
■
{
}
一切無視 して い るため と考 え られ る｡ しか し､ その誤 差 も 10% 以 内 で 問題 な い
J
J
J
■
L
一
■'
一
訂 判一I
I
︼
だ I
伽
■ 鷺
﹃
肝
J Li iF
l ri_ I
■ } ■
JL
図 31 人変化による各部定常動作波形 (J
l=
0.
5,
k
:0,9
,
:1
,
実線 '
,理論値,
点線 ;実験値)
図 30の Zc分布 と対 照 して み ると､実 測波 形か らも ､山=0.5に おいて は､
人 が小 さ い程 Tc(Thl,Th之の逆 バ イア ス朋 間)が大 き くな って い る こ とが
わか る｡ その反面 ､出力電流 のひず みがや や大 き くな って い るが ､強 力超 音波 振
動子系 の実 際の動作 において は､出力電流 の ひ ずみ は ほ とん ど問題 には な らな い｡
3I
従 来 邦壬 一 一一 改 良 形
t
VT
己2
0
4
0
:
3
S
写
VTL2
2
d
T
6
6
.4
2
0
I
I
l2
v
1
0
.
1
I
L
-05
1
1
0
.
3
I
L
-0
.
5
A
-0
.
5
J
･
-0
.
5
図32 従来形と改良形の各部定常動作波形
図 3 2に ･ 々1= 1, k= 0にお け る従来 形 インバ ー タ と改良形 インバ ー タの同
一山
人 に おけ る各 部定 常 動作 波 形 の 比較 (実 線 :従 来 形 インバ ー タ､点線 :敬
良形 インバ ー タ) を示 す ｡図 3 2に お いて､人 がゼ ロに近 付 くに従 い､従来形 イ
ンバ ー タの場 合 は ､
LThh･xや LrThmAxが急 上 昇 す るの に対
して､改 良形 インバ ー
タの 場 合 は ､ その変 動 が比較 的小 さ く､ 図 28の特性 比較 の傾 向 とよ く一致 して
い る｡
32
3.8 結 首
本 章 で は ､転 流 重 複 現 象 を厳 密 に解 析 す る た め に ､新 た に 開 発 した解 析 手 法 に
よ り､ Zuの 緒 特 性 に 対 す る影 響 を分 析 す る と と も に ､ 従 来 形 イ ン バ ー タ と して
の逆 阻 止 3端 子 サ イ リス タに よ る直 列 共 振 形 イ ンバ ー タ と改 良 形 インバ ー タ と し
て の 逆 辞 退 サ イ リス タ方 式 インバ ー タ を托特 性 に お い て定 量 的 に比 較 す る こ と に
よ り､ 改 良形 インバ ー タの 特 賞 を明 確 に した ｡ 以 下 に ､ 本 章 で 得 られ た主 な 結 果
を要 約 す る｡
(1)
強 力 超 音 波 発 振 機 の 種 々の 特 性 に大 き く影 響 す る転 流 重 複 現 象 に 関 して ､
Zuを厳 密 に解 く解 析 手 法 を 開 発 した ｡ そ の 解 析 手 法 に 基 づ き ､ Zuの 大 小 に 影 響
す る要 因 と して の リア ク トル 比
々 1,
リア ク トル の 電 磁 結 合 度 kさ らに は無 次 元
化 回 路 パ ラ メ ー タ山 ,人 の 影 響 を 明 らか に した ｡
(2)
Q
々
1に 関 して は ､ 々 1を大 き くと る と Zuも増 し､ そ れ に伴 い Zcも増 加 し､
l
=1に お いて 最 大 に な る と と も に ､ d i/d tは最 小 とな る こ と を示 した ｡ そ
の 反 面 ､ Zuの 増 加 に伴 う人 ･出 力 電 力 の 減 少 ､ お よび LTThm.xの 上 昇 な どの 影 響
が定 量 的 に明 らか とな っ た｡ そ の 結 果 ､ T ｡ H との 関 連 に お い て ､ チ ｡n.xに余 裕
が あ る場 合 は ､ 々1= 0. 1近 辺 で ､ ま た強 力 超 音 波 振 動 子 系 共 振 周 波 数 fr
およ
び そ の 変 動 幅 か ら f ｡m.xを大 き く設 定 した い場 合 に は ､
= 1近 辺 で 回 路 設 計
々1
す べ き点 を指 摘 した ｡
0くk く1の あ る kの 値 に お い て ､ Zuお よび Zcが 最 大 に
(3) kに 関 して は ､
な る こ とを明 らか に す る と と も に ､ 諸 特 性 に与 え る影 響 に つ い て 定 量 的 に 検 討 し
た｡ そ の 結 果 ､従 来 形 イ ンバ ー タ と異 な り､ 改 良形 イ ンバ ー タの 場 合 は ､Zu,
Zcとも に大 き く､ d i/d tが 最 小 とな る k= 0で 設 計 す べ きで あ る こ と を提 案
した｡
(4)
改 良形 イ ンバ ー タの 特 覚 を ､ 従 来 形 イ ンバ ー タ との 特 性 比 較 よ り､定 立
的 に 明 らか に した ｡ そ の結 果 ､ 広 い負 荷 変 動 域 に お いて ､ 改 良 形 インバ ー タの 方
" X, i
,TbE
" xさ らに は d i/d tに お いて そ の
が従 来 形 インバ ー タ よ りも ､ LrThT
変 動 幅 が 小 さ く安 定 で あ り､ 強 力 超 音 波 振 動 子 系 の よ うな Q の 高 い負 荷 に 適 して
い る こ と を立 証 した ｡
(5)
改 良形 インバ ー タの 実 際 動 作 領 域 に お け る無 次 元 化 山 ,入 平 面 に お い て ､
=0 と 々 1=1に お け る Zc分 布 を明 らか に し､ 強 力 超 音 波 発 振 機 の 回 路 設 計
々1
に お け る指 針 を示 した｡
付 緑 I.
各 モ ー ド周 期 解
33
lT hl, Dl単 涜 モ ー ド]
i
.l'(2)= L
｡一(2)= e (- a Z) [i
,lHOcosP z- (2 (L
r2''0+ t
J3''0- I)
･
･
･
(
41)
L
rさくZ)≡ (1+ (2 a- 1) L
r2日0- ひ3''0)/ 2 a+ e (- α Z) [(け2'
'0
+t
J3''0- I)
cosβ Z/ 2 a+ (
入 (t
I2''0+ L
r3''0- 1)/ 2 a+ i
,1日0/4a)
+入 LlH0)sinβ Z/√ (11人 2) ]
sj
nβ Z]
･
･
･
(42)
L
r3'+0(2)≡ (2 a- 1) HTさく2)- L
T2''01 + L
T3日0
･
･
･
く43)
lD l･T h2, D2･T hl, T hl･T h2転 流 重 複 モ ー ド]
i
,1●(Z)= e (- aMz) [(LlH0+ i
,2''0)cosβ '
'i/ 2- (
入 (LlH0+
i
,2''0) / 2+ ひ2
日0+ L
r3
''0- 0. 5)〉si
nβ "Z/√ (く1+ml-k々1
〉/
2 1人2
)] i (LlH0+ ｣2日0)/ 2+ 27
TZ/ 山
々
1(1+ k)
･
･
･
(
4
4
)
i
,2'(2)= e (- a"Z) [ (LlH0+ LZH0)cosP〃 Z/ 2 - (入 (j
.lH0+
〉/
L2''0) / 2+ L
T2'
'0+ L
l3
''0- 0. 5)〉si
nβ "Z/√ くく1+ml-k々1
2 -人 2) 】 - (LlH0+ L2日0) / 2- 27
t2/ D
々
1(1+ k)
･
･
･
(45)
L
T3'(2)≡ (2 a- 1) (ひ2●(2)- Lr2''0〉 + L
r3''0
･
･
･
(46)
i
,
｡暮(2)≡ i
,1
'(2)+ L2'(2
:)
･
･
･
(47)
こ こで
a" = 4 7
t入 /〟 (1+m l- k 々1)
β 〃 =4
7
t
√ 〈(1+ml- k々1
)
/2-人 2〉/〟
(1+m l- k や1)
lT h2, D2単 流 モ ー ド]
i
,2`(2)= i
,｡■(2)= e (- a 2
;) lL2HOcosβ Z - (2 くけ2''0+ け3日0) +
入i
,2'
'0Isi
ne z/√ (1-人 2)]
･
･
･
(48)
ひ2'(2)≡ il+ (2 a- 1) け2''0+ ひ3''0) / 2 a+ e (- a z)[tL
r2HD
t
T3
''0)cosP z/ 2 a+ (
入 (ひ2.'0+ ひ3''0〉 / 2 a+ L2''0/ 4 a)sine
Z/ √ く1-人 2) 】
L
l3'(2)≡ (2 a- 1) くけ3'く2)- ひ2
''0〉 + L
r3日O
負荷出力電圧 t
T｡●(Z)は 各 モ ー ド共 通 で
L
l｡●(2)=入 L｡+(Z)+ L
r3
'(2)
付録
2. 定 常 諸 特 性 立
回 持 設 計 に お い て 重 要 な 定 常 諸 特 性 圭 を下 記 に 示 す ｡
(I) P.
A
+, P｡
書, IdI
.1書くZ)- L2*(2)〉 d z
P…'= E Id/ E I= Id+=∫ S(j
･
･
･
(52)
P｡●=入 l0,
E
"2'= 2人 rti. ｡2●(2)Z
･
･
･
(53)
34
く2) け T I D
.
X
'
t
TTh
b
▲
x+= l+ (山 々1/ 4 7
t) e (-a 2
:
也) [ta i
,1
日0+2β (ひ2日0+ 汁
/√ く1-人2) -β ilH0)sinβ zb]
- ￠n) / 27
t
√(
1-人2)
3
+
+0- 1+入 Ll
H0/2)
ここで
ZE
.=山 (7t
￠
- (54)
h
,
=t
an-1(2 (
入 LlH0+t
T2日0+t
T3'
'0- 1) / [i
,l
H0√ (1-
人2) 一入 〈2 くけ2'
'0+L
r3
'
'0- 1) +入 LlH
0〉/√
(I-人2)]
(3) d i'
/d z
d i'
/d z=-47
t(入 L2'+0+L
r
2'+0+ひ3
'
'0-0.5)/〟 (1+m l- k
+27
t/山 々 1 (1+ k)
(4) Zc
･
･
･
(55)
や l)
l
･
･
･
(56)
zl'=山 ( -￠'
)/ 2 7
t
√(
1-人2)
￠'
=t
an
- - [日.1
日0
√ (1-人2))/ 〈2 (け2日0+ L
l3
'
'0- 1) +入 Ll●
Zc=0.5-ZI
', L '(zl) =0,
7
t
I
+0〉 ]
35
第
4-章
高
逆
導
通
す
周
波
イ
ニ/ ノヾ -
イ
ー
} ス
タ ブヲ 式
改
良 形
タ
過渡特 性解析
4. 1 緒 言
強 力 超 音 波 高 周 波 電 源 と して の 逆 半 速 サ イ リス タ方 式 高 周 波 インバ ー タの 回 路
設 計 に お い て は ､ ます 第 - に 固 持 形 態 を設 計 す る上 に お いて ､ 定 常 特 性 解 析 (25)
-(
31)に
よ り転 流 重 複 期 間 の 話 特 性 に与 え る影 響 ､ な らび に強 力 娼 音 波 振 動 子 系
定 格 出 力 との 関 連 に お け る定 常 話 特 性 圭 を把 握 す る こ とが 重 要 で あ り､ この 点 に
関 して は 前 章 に お い て 詳 し く述 べ た ｡ 次 に ､ 強 力 超 音 波 励 振 源 の 安 定 動 作 とい う
披 点 か らは ､ 起 動 か ら定 常 状 態 ､ お よび 負 荷 急 変 時 に お け る過 渡 特 性 の 把 堀 が 重
要 とな る｡
逆 阻 止 3端 子 サ イ リ ス タを用 い た従 来 形 インバ ー タの 場 合 は ､ 起 動 か ら定 常
状 態 に 至 る過 渡 動 作 に お い て ､ インバ ー タの 安 定 動 作 に影 響 す る諸 特 性 垂 が 単 調
増 加 の 傾 向 を示 す ｡ 従 って ､繰 り返 し ピー ク値 と して の 尖 頭 値 的 な LTTbm.x,
hmaxさ らに
d i/d tな どに 関 して は ､ 定 常 値 を 参 考 に 回 掲 設 計 す れ ば 良 い｡ し
か し､ 逆 祥 通 サ イ リ ス タ方 式 と して の 改 良形 イ ンバ ー タの 場 合 は ､ け Thm.x,
hm… お よび
i
,T
i
,T
d i/d tな どの安 定 動 作 に影 響 す る諸 圭 が過 渡 動 作 に お い て 増 減 の
傾 向 を示 し､ 過 渡 時 に ピー ク 値 を有 す こ とが 明 らか とな っ た ｡ (32)
本 章 で は ､ 従 来 形 イ ンバ ー タ と改 良形 イ ンバ ー タの 過 塘 特 性 比 較
(41)
(37)に よ
り､
改 良形 イ ンバ ー タの 過 渡 特 性 に お け る特 質 を明 らか に す る と と も に ､強 力 超 音 波
発 振 機 の 固 持 設 計 の 租 点 よ り過 渡 一定 常 特 性 比 較 を実 施 し､ さ らに実 験 結 果 に よ
り検 討 を加 え て い る｡
4.2 起 動 時 の 動 作 解 析
回 招 動 作 の 説 明 お よび 解 析 に お い て は ､ 前 章 で 用 い た無 次 元 化 基 準 量 お よび 無 次
元 化 回 指 パ ラ メ ー タ山,人 を本 章 に お い て も採 用 す る｡
図 33に ､ 起 動 時 の 発
3(a)の 場 合 ､ 起 動 第 1サ イクル 目
振 動 作 原 理 と して の 出 力 電 流 波 形 を示 す ｡ 図 3
で
i
,1'
(
0.
5)〉0の ため ､ この 時 点 で Th2を トリガ す る と ､ T hlと T h2の 転 流
重 複 モ ー ドとな る｡ この 転 流 重 複 期 間 中 に
Ll
'が ゼ
ロ ク ロ ス しな い と､ 図 33(a
i
,1●
が 発 散 して し ま い ､ D lの 斗 通 期 間 と して の Zcが ゼ ロ とな り転 流
失 敗 す る こ とに な る｡ 従 って ､ 図 33(b)の よ うに ､i
,1書
が 転 流 重 複 期 間 中 にゼ
)の よ うに
ロ ク ロ ス す る こ とが 過 渡 発 振 動 作 に お け る最 小 必 要 条 件 とな る｡
36
*
(b) 11収束
図33 過渡電流の発散と収束
改 良形 インバ ー タの場 合 ､起 動第 1サ イクル 目に お いて ､ 図 3 3(b)の よ うに
Ll'が収 束 す る と､後 の定 常 状 態 に至 る まで の過 渡 状 態 は､ ほ ぼ Zc〉 0の条 件
を満 たす ｡過 渡 計 算 に お け る起動 第 1サ イ クル 目 Zc〉 0の判 定 は ､ Thlと Th
2の転 流 重複 期 間中 L l
書く-
1× 10 3と した｡
過 渡 計算 手 法 は ､前 章 付 録 (4 1) ∼ (5 0)式 を も とに ､起 動 時初 期 値 と し
て L l'+0= L2''0= O ,LT2''0= 0 . 5お よび ひ3''0= Oを与 え ､ モー ド遷移 条
件 に よ り繰 り返 し計 算 を行 い､一定 の刻 み幅 ご とに必 要 諸 量 を全 て打 ち 出 す 方 法
に よ り過 渡諸 特 性 卓 を求 め た｡
各発 振 動作 域 に お け る動 作原 理 , ス イ ッチ ング形 態 は前 章 で述 べ たの とほ ほ 同
一 とな るが､ 図 17 Cの領 域 は ､過 渡 独 特 の ス イッチ ン グ形 態 を示 し複 雑 とな る｡
図 34 にその ス イ ッチ ング形態 に よ る境 界 を､ また図 3 5 (a)(b)にそ れぞ れ の
領 域 に お け る出 力 電流 波 形 を
示 す｡
すな わ ち ､ 図 34 clの領
域 は､ 図 35(a)の 出 力電 流
波形 に示 され るよ うに､起動
初朋 の サ イクル に は ､ T hl
と Th2の転 流 領 域 が存 在 す
るが ､定 常 状態 に お いて は ､
Thlと D 2あ るい は Th2と
Dl
の転 流 領 域 の み が存 在 し
0.
8
0
､過糖 と定 常 状 態 で ス イ ッチ
ング形態 が逢 う｡
図 34
37
0.
1
0.
2
0.
3
0.
4
0.
5
= =E
Z
!
Th-Th転読重複過渡発掘動作域
0.
6
4
02
れ
S
V
0.
5
1.
0
1.
5
2.
0
2.
5
.
5→Z
4
.
0
3
0)
.
0′
b
4
1
JF
2
o
0
2
1
*
o
W▼
4
2
0
廿
は
叩一
V
20
*
hl
仰▲
Y
(a) Cl
領域 (
入=
0.
1,〃=1
.
0
4)
0
.
5
1
.
0
1.
5
2
.
02
.
6
4
0
2
1
★0
V
2
1
♯
o
2
l 4
-
(b) C2
領域 (
入=
0.
1,〃=1
.
l
l
)
Bl
35 Thl
-Th2
転流重複過渡動作波形
また､ 図 3 4 C 2の領 域 は､図 3 5(b)に示 され るよ うに､過 渡 ,定 常状態 ともに
Th1-Th2
転 流 重 複 域 が 存 在 す る｡
38
過 渡 安 定 動 作 に お いて は 二 サ イ リス タ定 格 との 関 連 に お い て特 に繰 り返 し ピー
ク値 と して の け Thh. X ､i
, h.Xお よび d i/d tな どが重 要 で あ り､ 高周 波 サ イ
T h
リス タ インバ ー タに お い て は ､ T｡日 との 関 連 に お け る Tcが 問 題 とな る｡従 って ､
過 渡解 析 に お いて は ､起 動 か ら定 常 状 態 に至 る各 半 サ イクル ､各 モ ー ドご とに上
記 特 性 丑 を打 ち出 し､各 半 サ イクル ご との 比 較 に お いて ､ け Thm.x, LThn&xお よ
/dzに関 して は そ の最 大 値 を､ また Zcに関 して は最 小 値 を､過 渡 安 定
び d i'
動 作 上 一 番厳 しい値 と しての 過 渡 値 と した ｡
4.3 従 来 形 インバ ー タとの特 性 比 較
r
'
へ
●
一
･
-
強 力 超 音 波 用 高周 波
ンバ ー タ と従 来 形 イン
I
o
? uzI
電 源 と しての 改 良形 イ
バ ー タに関 して ､実 際
⊂ノ
2
0
駆 動 領 域 に おけ る過 渡
諸特 性 比較 につ いて述
べ る｡従 来 形 インバ ー
タの 場 合 ､起動 か ら定
0.
20
常 状態 に至 る過 渡状 態
に お いて ､各 特 性 圭 が
徐 々に単 調 増加 の傾 向
0.15
を示 す ｡従 って ､4.
2節 で定 義 した過 渡値
1
2
う
1
2
う
4
ー
5
6
5
6
nt
he
yele
は､ i
,Thh.X , LrThm.x
お よび d i/d tに関
して は過 渡 値 =定 常 値
とな り､ 回 指 設 計 に お
いて は定 常 値 よ り繰 り
返 しピー ク値 を検 討 す
れ ば 良 い｡ しか し､改
良形 イ ンバ ー タの 場 合
､ 各特 性 垂 が増 減 の傾
向 を示 す の で ､過 渡 値
→
を把 掘 して 回路 設計 す
るこ とが重 要 とな る｡
4
.Z｡
過渡応答
図 36 Zu
39
nt
he
yele
1
う
2
4
5
6
_
十nt
hc
yc
le
図37 L
T
ThD.X
',iThE
B&X
'
過渡応答
図 3 6に 冬山 ,人 に お け る Zu, Zcの 過 渡応 答 を ､ また図 3 7に
ThE
b.X'
の過 渡 応 答 を示 す ｡ 図 3 6よ り､改 良形
i
.Th机.x
', 汁
インバ ー タの場 合 ､ Zcに関 して
は ､起 動 第 1サ イクル 日が 最 小 とな り､過 渡 安 定 動 作 上一 番厳 しい値 と して の過
渡 値 とな る｡ 以下 ､改 良形 イ ンバ ー タ と従 来 形 イ ンバ ー タの過 渡 諸 特 性 に お け る
過 渡 値 に関 して定 量 的 に比 較 検 討 した結 束 につ いて述 べ る｡
4.
3.
1 サ イ リス タ電 圧 /電 流 最大 値
両 方 式 インバ ー タの サ イ リス タ電 圧 お よび 電 流 最 大 値 の 過 渡値 tITh.
"x
', i,Th
▲
x
.に関 して ､山 ,入 各 値 に お い て計 算 した結 果 を も とに比 較 検 討 す る｡
図 38に ､人 をパ ラ メー タ とす る山一 LTThm▲x*特 性 を､ また図 39に山一LTh
m
40
バ ー タの場合 ､人 が小 さ い程 初 朋 サ
改良形 インバ- タ
T
l
占 ^ー
に おけ る計 算結 果 よ り､改 良形 イン
従栗形 インバー タ
4
特 性 を示 す｡起動 時の特性 解析
m ■x'
tノ
イクル に過 渡値 が現 わ れ るこ とが 明
らか とな った｡図 3 8お よび 図 3 9
に おいて ､従来 形 インバ ー タの場 合
は､実 際躯 動領 域 と して の 自然 ∼ 臨
界転流 域 内 で は､ LrThmAx'お よび i
,
r
-N
入 -0.
5
;
=
=
=
=･
入 一0.
7
"x
■過渡値 は入 一定 に おいて 出力
Th.
周 波数 が変化 して も､ ほ とん ど一 定
で あ るこ とがわ か る｡ また､定常 特
島
性 比較 と同様 の傾 向 と して ､人 がゼ
ロに近付 くに伴 い､従 来形 インバ ー
｡.
.
6 ｡.
7 0.
8 ｡･
.
, .I
.
o
L
■
l'
J
h
D
図38 L
L- ひT .
X
■
過渡特性
.Thm
タに おいて は著 し く LlThm.x書,i
ンバ ー タに お いて は大 き く変 化 せ ず
･過渡特性 比較 に お いて も改 良形 イ
wX
*
eulLl+
x
●が急 増 す るの に対 して改 良形 イ
従荒形 インバータ
改良形 インバー タ
ラ
ンバ ー タは安定 と言 え る｡
4･
3･
2 サ イ リス タオ ン電 流上 昇率
図 4 0に両方 式 インバ ー タの d i
'/d z過渡 値 のLL,入 平面 に お け る
分布 を示 す ｡同 図 に おいて改 良形 イ
ンバ ー タの場 合 は ､LL,人 の広 い領
域 にわ た って 18-60とい う安 定
な値 を示 す｡一 方 ､従 来形 インバ ー
タの場合 は､人 がゼ ロに近 付 くに従
い､著 しい上 昇 を示 し､安定 動 作上
問題 が多 い｡
4.
3.
3 転流余裕 時 間
図 4 1に両 方式 インバ ー タの Zc
過渡値 のLl,入 平面 におけ る分 布 を
示 す ｡ Zcは改 良形 インバ ー タの場 合
ダ イオー ド群通期 間で あ り､従来 形
図39
〃 - LTbt
"x
'
過渡特性
インバ ー タの場 合 は､休 止期 間 を含 む逆 バ イア ス期 間 よ り､ それぞ れ過 渡 計算 に
おいて求 め る｡
41
0.
5
一
･
十人
1.
0
図 41 Zc
分布
両 方 式 イ ンバ ー タに ､ Z ｡‖ ≦ Z cな る安 定 動 作 粂 件 を適 用 して 考 え る と､ た とえ
は 強 力 超 音 波 振 動 子 系 共 振 同 波 数 fr= 18K
H
z,使 用 す る高 速 ス イ ッチ ング サ イ
リス タ T｡.= 10F
LSとす る と ､ Z｡ff=0. 18≦Zcとな る｡従 って ､今 山
=0. 9 ,人 = 0. 1に 選 定 した場 合 ､ 改 良形 イ ンバ ー タの 場 合 Zc=0.2な
の で 発 振 可 鵬 とな るが ､ 従 来 形 インバ ー タの 場 合 は ､ Zc=0. 16とな るの で
､ 起 動 第 1サ イクル 目 に お い て 転 流 失 敗 して 発 振 不 可 能 とな る こ とが わ か る｡
図 4 1に お い て ､ 同 一 山 ,人 の 値 に おけ̀ る Zcの 値 を比 較 す る と ､山 ,人 の 広
い筒 域 に わ た って 改 良形 インバ ー タの Zcの 方 が大 き く､ Zc過 禎 値 に 関 して も改
良 形 イ ンバ ー タの 方 が 有 利 な こ とが わ か る｡
4.4
過 渡 特 性 と定 常 特 性 の 比 較
前 説 に お け る従 来 形 イ ンバ ー タ との 過 渡 諸 特 性 比 較 よ り､改 良 形 インバ ー タの
安 定 動 作 に影 響 す る諸 特 性 垂 が 過 渡 時 に 増 減 す る こ とが 明 らか とな った ｡本 節 で
は ､ 第 3章 との 関 連 に お い て ､ そ れ らの 特 性 圭 が定 常 値 と過 渡 値 に お い て どの 程
度 異 な るか を定 量 的 に 明 らか に す る こ と に よ り､ 発 振 機 回 指 実 設 計 に お け る資 料
とす る こ と を 目的 とす る｡
4.
4.
1 サ イ リス タ電 圧 / 電 流 最 大 値
nax
'の山 一入 平 面 に お け る分 布 の 過 渡 -定 常 特 性 比 較 を示 す ｡ 同
図 42に LrTh.
園 よ り､ 改 良形 イ ンバ ー タの 全 発 振 可 能 領 域 に お い て ､ 同一 山 ,人 の 値 で 比較 し
42
た場 合 ､ LT,hh.X■過 渡 値 の カ
が定 常 値 よ りも大 き い こ とが
わ か る｡ 過 渡 値 と定 常 値 の 差
は ､人 が 小 さ い領 域 程 そ の 差
の大 き い傾 向 を示 して い る｡
強 力 超 音 波 発 振 機 の場 合 ､一
般 に Zc,人 ･出 力 電 力 お よ
び 繰 り返 し ピー ク値 な どの 関
係 よ り､山 ,人 を選 定 す る場
合 ､0.1≦ 入 ≦0.3,0
. 6≦山 ≦ 0. 9
近辺の 山
,人 を 選定 す る こ とが 多 い ｡
そ の 場 合 ､ 図 4 2 よ り､ この
領 域 に お い て は 過 渡 値 と定 常
値 の 差 が 大 きい こ とが 示 され
て お り､ 固 持 設 計 に お い て 注
意 を要 す ｡ また ､ T h-T h
分布過渡-定常特性比較
図 42 ひThM x'
転流重複領 域 に おいて は､過
渡 値 の山 の 変 化 に対 す る上 昇
率 が大 き い こ とが示 され て い
る｡ しか し､ いず れ に せ よ改
良形 イ ンバ ー タの T 也- T h
転 流 重 禎 領 域 を除 け ば ､山 一
入 発 振 可 能 動 作 域 の 広 い領 域
に お いて ､電 源 電 圧 の 2倍 程
度にL
TThm.xの 値 が抑 え られ
るこ とが 図 42 よ り明 らか と
な った｡
図 4 3に図 4 2同 様 ､無 次
元 化 パ ラ メー タ山 ,入 平 面 に
X
'分 布 の 過 渡 一
おけ る LThhi
定 常 特 性 比 較 を示 す ｡ 図 4 2
0･
う
ー
入
1･
0
同様 に ､人 の比 較 的 大 き い領
域 に お け る両 値 の差 は小 さ い
図 43
｡ しか し､実 際 の 固 持 設 計 領
43
L
Tbt
" /分布過渡一定常特性比較
域 に お け る両 値 の差 が 比 較 的大 きい ので ､ L
rTh
mlx同様 注 意 を 要 す ｡i
,
Th
haX+の
単流 モー ド中 に現 わ れ る が ､人 が 0. I
よ り小 さい領 域 付近 では転 流 重 複モー ド中
に現 れ る傾 向 を示 す ｡
過 渡計 算 に お い て ､ 一般 に LTh
mi
x'は､
わ
4.
4.
2 サ イ リス タ オ ン電 流 上 昇率
d
iリ dzの 過 渡 計 算 に お
いて は､初 別 使 の関 係 上 ､超
1.
2
動 第 1サ イク ル 目の 値 が最 小
しての 最大 値 は ､山-人 の値
を
にL
面
dz
関
示
.6の
dz過
が
､J
_
く 1
に よ って 異な る傾 向
図 44
示 す｡
L一入 平
に おけ
分布 に
す る過
渡 一定 常 特 性 比 較 を
す ｡同
図 よ り､山 ≦ 0
領域に
お いて は d iリ
渡値 と
る d i+
/
定 常値 の差 は 小 さ い
0 . 6､
人
｡
ー
･ 千 I-
とな る ｡ d i'/dz過 渡 値 と
l≧
0.
近辺 に
お いて は その 差 が大 きい こ と
が示 され て い る｡ 高
速ス イ ッ
チ ング サ イ リ ス タの d i/d
0･
う
tの 一般 的 な 定 格 は 50- 2
00 [A/〃 S]程 度 で あ り
､ 々 1= 1,k=0の 改 良形
ー
入
1･
0
図 44 di.
/dz分布過渡 一定常時性比較
インバ ー タの 回 路 形態 に お いて は､ 数Kw以 下 の強 力 超 音波 発振機 と して ははは
全 域 に お いて 上 限値 以 内 に納 まる｡
4
.
4.
3
転 流余 裕 時 間 に よ る安 定動作 域
図 4 5に､山,入 平 面 に おけ るZcに よ る過 渡 一定 常 安定 動 作 域 の比較 を示 す
｡ 図 4 5は､ 改 良 形 イ ンバ ー タの起 動 第 1サ イクル 目に おけ るZc〉 0の条 件 に
域であ り､実 際の サ イ リス タ定格 と して の T｡日を考慮 した場
c≧ Z
に よ って狭 め られ る｡同園 に おいて 山 く√
合 の安定 動 作 域 は Z
よ る発 振可 能 動 作
｡日
(1-人 2) /2 の休 止期 間 が存 在 す る自然 転 流動作 域に お いて は､ Zc過渡 値
と定常 値 は全 く等 くなるこ とが示 されて い る｡ この領 域 は ､ Zcの値 が 大 き く､
チ｡
.
A,xの 関係 か らは有 効 な領 域 とい え るが､電 源電 圧一 定 に おい て人 ･出力電力
てのL
TTb
m.
が小 さ く､従 って人 力 電 圧 を上 昇 させ た場 合 ､ ピー ク繰 り返 し値 とし
maxの 上 で 問 題 が あ り､定常 軌作 領 域 と して は適 さな い｡
xや i
.Th
44
しか し､電 源電 圧 一定 で発 振
機 の負 荷 変 動 時 に一 時 的 に同
領 域 で動 作 させ る場合 は ､安
定 な転 流動 作 が確 保 され る領
入 ≦0.3の領 域 は ､Zc
過渡
d.
-
域 とな る｡ 図 45に お いて ､
値 と定 常 値 の差 が大 き く､特
に発振 機 固持設 計 に お いて は
考E
tLな ければ な らな い｡ す
な わ ち ､定 常 値 を も とに ､入
=0.12,山=0. 85に
お いて T‥ =10〃S,強 力
娼 音波 振 動子 系 共 振周 波 数 f
r=25K
H
z,余 裕 率 をみ て ､
出力 周波 数 限 界 f｡n.x= 2 8
0･
5
K
H
zとす ると ､ Z H =0.2
8で定 常 発 振可 蛇 と考 え られ
→
入
1･
0
図 45 Zc
による過渡,定常安定動作域
るが､過 渡値 Zc=0.21の
ため ､起動 第 1サ イクル 日で 発掘 不 服 とな る｡従 って ､発 振 機 回 路 設 計 に お いて
は､過 渡 値 Zc
分 布 を も とに山 ,人 の選 定 をす る必 要 が あ る｡
4.5 負 荷 急 変 時 の動 作解 析
改 良形 インバ ー タの起 動 か ら定 常 状 態 に至 る過 渡 動 作 に関 して ､ これ まで に種
々の特性 量 を定 量 的 に検 討 したが ､本 節 で は負 荷 急変 時 と して ､定 常 動 作 中 事
こ､
人 がゼ ロ にな る負 荷 増 給 現 象 を ､各山 ,人 に お け る計 算 波 形 よ り解 析 す る｡
図 4 6 ,図 4 7お よび 囲 4 8に､定 常 動 作 中 に負 荷 短 絡 した場 合 の過 渡 動 作 各
帥波 形 の計 算 値 を示 す ｡ そ れぞ れ 山=0.6,0.8お よび 0 . 95- 定 ,入 =
0. 1共通 の 定常 状 態 に お いて ､人 がゼ ロ とな った時 の 各 辞波 形 を示 す ｡ 負 荷 娼
給 の現 象 は ､強 力超 音 波 発 振機 に お いて ､実 際上 は負 荷 駆 動 中 に お け る結 線 接 触
に よる故 障 あ るい は操 作 ミス と考 え られ る｡改 良形 インバ ー タに よ る発 振 機 の場
合 ､各 国 よ り安 定 動 作 に影 響 す る諸 特 性 圭 が ､負 荷 短 絡 に よ って著 し く急 変 す る
ことな く安 定 に動 作 す るこ とが明 らか とな った｡特 に Zc
に注 目す ると､負 荷 増
給 に よ りむ しろ Zc
が増 加 して お り､
T ｡Hの 関係 に お け る転 流 条 件 に お いて安 定
な動 作 が確認 され る｡
45
入
◆
O
do
_
_
_
J⊃J
コ.
j
v
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L
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0
L
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L
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2
二
1
1
人
Ul
I
I
(U
l
●
J
O
JJ
む
む
図 46 負荷短絡時過渡動作波形 (L
E
=
0.
6
)
I
.
5
vc
:こと
= ゝ
2
.
0
- i
/ ( ＼ ) / ｢
＼
＼〉 /
図47 負荷短絡時過渡動作波形 (J
L=0 .8)
_
16
2
.
5
{
＼
3
.
0
一
一
一Z
J
l
図48 負荷短絡時過渡動作波形 (J
L
=
0.
9
5
)
以上の現 象 は､改 良形 インバ ー タに よ る発振機 の場合 ､負 荷増給 故 障 に おいて も､
負荷 か らダ イオ- ドを通 して電源 に至 る婦 道 ル ー プが構 成 されて い るため に､サ
イ リス タ電圧 ,電 流 さ らには出力 電圧 ,電 流 が突 発 的 に急 増 して素子 や振 動子 を
破壊 す るとい う事 故 を回避 しう るこ とを示 し､強 力は 音波 発振機 と しての適性 を
再確認 す るもので あ る｡
4.6 実験結 果 と検 討
本節 に おいて は､以上 の理 論解析 を実 験 結果 よ り比較 検 討 す る｡
図 49に従 来形 インバ ー タと改 良形 インバ ー タの理 論 お よび 実測 に よ る各部過
渡 動作波 形の比較 を示す｡本 解析 に おいて は､サ イ リス タや ダ イオー ドの準通 損
失 や配線 におけ る漂遊損失 を無視 して い るの で ､特 に人 の小 き い領 域 に おけ る実
験 値 と理論値 の誤差が若干大 き くな る傾 向 を示 す｡ しか し､そ の誤差 も数 %以 内
で あ り､理論値 と実験結果 の傾 向 は よ く一致 して い る｡
47
4
■
2
h
m
▲
Ⅴ
0- 4 2
2
★h
m
▲
V
"
U
.
l
2
三
0.
5
二二
_
二
1
.
52
.
O
2
.
5て
=
_
_
I
1
.
0
一
･
･
･
一
2
1
1
4
3
0
1
.
I 2
l
1
0
〃
0
1
1
図 49 過渡動作波形 (
入=
0.
1
,
p:
0.
8
)
48
Z
図 49(a)の従来 形 インバ ー タの各 部動 作 波形 よ り､
Th.
n…
i
,Th.
" x■ ( L｡m.x'
)や
､L
r
■が過 渡動作 に お いて単 調増 加 して ゆ く傾 向 が わ か る｡ また ､ Tc過 渡 値 に
関 して も､ サ イ リス タ最小 逆バ イア ス期 間 は､起動 第 1サ イクル 目に現 わ れて い
る｡一方 ､改 良形 インバ ー タの場 合 は､図 4 9(b)に示 され るよ うに､起 動 か ら
定常 に至 る過渡状態 に お いて ､安 定 動 作 に影響 す る各特 性 値 が増減 す る様 子 が示
されて い る｡ な お､ ダ イオ ー ド辞 退 期 間 と して の Tc過 渡 値 は､や は り従来 形 イ
ンバ ー タ同様 に､起 動第 1サ イクル 目に現 わ れて い る｡
図 5 0(a)(b)に改 良形 インバ ー タの過 渡 一定 常 特性比 較 と して の理 論 お よび 実
験 波形 を示 す｡人 の値 の小 さいほ ど起動 か ら定常 状態 に至 る まで 時間 が かか るが ､
入 = 0. 1の場 合 で も改 良形 インバ ー タの場合 ほ ぼ 10サ イクル 以 内 に おいて定
常状態 と判定 され る｡ 図 5 0(b)に お いて も､群 通損 失等 の 関係 上若 干 の 誤差 は
見 られ るが ､理論値 お よび 実 測 値 の波 形 比較 に お いて､その傾 向 は よ く一致 して
お り､本章 に おけ る過 渡特 性解析 結 果 の妥 当性 を立証 して い る｡
(b) 実験波形
入=
0.
1,〟=
0.
5
2)
図 50 過渡動作波形 (
49
4.7
緒言
サ イ リス タ インバ ー タ発 振 機 に お け る強 力 は 音 波 振 動 子 系 の躯 動 に お いて は､
起 動 時 に お け る安 定 動 作 が 重 要 な 問題 で あ る｡ 本 章 で は強 力 超 音 波 発 振機 と して
の 従 来 形 インバ ー タ と改 良形 インバ ー タの 過 渡 諸 特 性 を理 論 お よび 実 験 の両 面 よ
り解 析 した結 果 ､ 次 の よ うな結 論 が 得 られ た｡
(1) 無 次 元 化 パ ラ メー タ山 ,入 各 値 に よ る計 算 お よび実 験 結 果 よ り､転 流余 裕
時 間 に 関 して は､ 従 来 形 インバ ー タお よび 改 良形 インバ ー タの 両 方 式 と もに ､起
動 第 1サ イクル 日が転 流 動 作 上 一 番 厳 しい値 と しての最 小 値 を示 す こ とを明 らか
に した｡ 従 って ､強 力 超 音 波 振 動 子 系 の共 振 周 波 数 お よび サ イ リス タ T｡ 日 との
関 連 に お け る周 波 数 限 界 に 関 して は ､起 動 第 1サ イクル 日 Zc過 渡 値 を考 庶 す べ
き点 を指 摘 した｡
(2) 強 力 超 音 波 振 動 子 系 特 有 の 共 振 周 波 数 近 傍 に お け る負 荷 イン ピー ダ ン スの
急 変 ､ あ る い は ､負 荷 短 絡 の 故 障 に お いて ､改 良形 インバ ー タは ､定 常 特 性 比較
同 様 に ､従 来 形 インバ ー タ よ り LrThm.x,
LThm" お よび
d i/d tな どの繰 り返
し ピー ク値 過 渡 諸 特 性 に お いて安 定 で あ るこ とを定 量 的 に明 らか に した｡
(3) 強 力 超 音 波 発 振 機 と して 種 々の特 性 に お いて適 して い る改 良形 インバ ー タ
に つ いて ､安 定 動 作 上 重 要 な 繰 り返 しピー ク値 と して の
LThn.x, t
ITh.
n" お よび
d i/d tに 関 して ､無 次 元 化 山 一入 平 面 発 振 可 能 領 域 に お け る分 布 を過 渡値 と
定 常 値 を 比 較 して 囲 示 した｡ そ の結 果 ､人 の大 き い領 域 に お いて は両 値 の 差 は小
さ く問題 とな らな いが ､入_
の比 較 的 小 さ い
入 ≦0.2
の 領 域 に お いて は その
差 が大 き く､ 回 路 実 設 計 に お いて十 分 考 慮 す べ きで あ る こ とを指 摘 した｡
(
4) 高周 波 インバ ー タの安 定 動 作 上 特 に影 響 の 大 きい Tor rとの 関連 に おけ る Z
cに関 して ､ 回 路 実 設 計 に重 要 な 役 割 を果 す無 次 元 化山 一大 平 面 発 振可 臆動 作 域
に お け る分 布 を過 渡 値 ､定 常 値 と も に比 較 しな が ら示 した｡ その結 果 ､ Zcに よ
る転 流 安 定 動 作 領 域 を明 らか に した ｡ Zc分 布 に 関 して も､入 ≦ 0. 3の領 域 に
お い て過 渡 値 と定 常 値 の 差 が大 き く､実 例 に よ り回指 設 計 指 針 を示 した｡
(5) 上 記 諸 特 性 に関 して ､各 部 過 渡 動 作 波 形 に お け る理 論 値 と実 測 値 の 比較 検
討 に よ り､理 論 解 析 の 安 当性 を確 認 した ｡
50
第
5 章
逆
高
可算 通
周
波
サ
イ
イ
リ
タ 方
ス
ニ/ ノヾ -
式
新
形
タ
5. 1 緒 言
高 周 波 イ ンバ ー タの 大 電 力 応 用 に お い て は ､ ス イ ッチ ン グ 素 子 の 電 力 定 格 の み
な らず ､d i/d I,dv/dtさ らに は 出 力 周 波 数 限 界 (f｡m.x) な どが 特 に 問
題 とな る｡
電圧形
(7)
(13)
お よび 電 流 形 イ ンバ ー タ く6) (14日
15)
の 両 方 式 と も に ､ これ ら
の 用 途 に広 く活 用 され て い るが ､ 一 般 に電 圧 形 の 場 合 は ､ d v/d tお よび 人 力
直 流 電 流 の リプ ル 率 が 著 し く大 き い ｡ 一 方 ､ 電 流 形 の 場 合 ､ d i/d tが 大 き く
､特 別 の 起 動 回 指 が 必 要 な どの 問 題
(6)が あ
る｡ さ らに ､ サ イ リス タ高 周 波 イ ン
" xが あ る｡
バ ー タ共 通 の 問 題 と して ､ ター ン オ フ タ イム 定 格 との 関 係 に お け る f｡.
時分 割 方 式
(
42日 43)を採 用 す れ ば ､ 動 作 周 波 数 範 囲 を大
き くとれ ､ 大 電 力 化 も 同
時 に可 能 とな るが ､ ス イ ッチ ン グ 素 子 の 増 加 に 伴 い ､ 回 指 構 成 が 複 雑 とな り信 頼
性 も低 下 す る｡
第 2章 か ら第 4章 に お い て は ､電 圧 形 高 周 波 イ ンバ ー タの 一 方 式 と して ､ 2石
形 逆 等 通 サ イ リス タ方 式 高 周 波 イ ンバ ー タに つ い て 述 べ た が ､ そ の 場 合 の 実 用 F
｡E
A&Xは約 4 0K
t
l
2とな る｡ 特 に ､ 負 荷 パ ラ メ ー タに よ っ て は ､ 起 動 時 過 渡 動 作 に
お い て ､転 流 余 裕 時 間 が著 し く小 さ くな り､ f｡mH が 低 下 す る場 合 が あ る ｡
(
40)
従 って ､強 力 描 音 波 応 用 等 に お い て ､ 招 音 波 振 動 子 系 の 共 振 周 波 数 とサ イ リス タ
イ ンバ ー タの f｡m.xとの 関 係 に お け る余 裕 度 の観 点 か らは ､ 起 動 時 過 渡 動 作 を含
め た転 流 余 裕 時 間 の 大 きな 回 指 方 式 が 望 ま しい ｡
本 章 で 述 べ る逆 等 通 サ イ リス タ方 式 新 形 高 周 波 イ ンバ ー タ (以 後 新 形 インバ ー
タ と鴨 記 )
(45日 47)は ､ 従 来 の
2石 形 サ イ リス タ イ ンバ ー タの f 川 .xを は るか に
2出 力 周 波 数 を可 能 に した 2倍 周 波 イ ンバ ー タ (45)I (47)で あ る｡ ま
越 え る 80KH
た ､電 圧 形 と電 流 形 の 折 中 形 と して の 利 点 を活 か した 回 路 構 成 に よ り､電 圧 形 と
電 流 形 の欠 点 を改 善 して い る｡
5.2 2倍 周 波 インバ ー タ
5.
2.
1 回指構成
図 5 1に新 形 イ ンバ ー タ と して の 2倍 周 波 イ ンバ ー タの 主 回 指 構 成 を示 す ｡ ス
イ ッチ ン グ素 子 の 構 成 は ､ 従 来 の 逆 群 通 サ イ リス タ方 式 と同 様 の 構 成 で あ るが ､
A
s
y
m
m
e
t
ri
c
alS
CR)と 高 速 ス イ ッチ ング
逆 群 通 サ イ リス タの 代 りに ､ASCR (
51
ダ イオ - ドの 逆 並 列 接 続 を採 用 して い る｡
A S C R は ､従 来 の 逆 祥 通 サ イ リス タ また
は 高速 ス イ ッチ ング サ イ リス タに 比 べ て ､
同 一 の 電 力 定 格 に対 して T｡ 日が極 め て 小
さ く､ d i/d tお よび d v/d t耐 量 に お
い て もす ぐれ て い る (RCA杜S731
0N:尖 頭
噸 素 子電 圧 8 0 0V ,実 効 順 電 流 4 0A で
T｡ ‖ 2 . 8 〃 S, d i/d t2 0 0 0A/
〃 S, d v/d t5 5 0 V/〃 S) ｡新 形 イ
ンバ ー タの特 徴 を下 記 に示 す ｡
(1) 出 力 変 成 器 を中 点 タ ップ 構 成 とす る
こ とに よ り､ 出 力 周 波 数 f｡が ､ ゲ ー ト ト
図 51 主回柁構成
の 2倍 とな りf｡ .
naxが飛 躍
リガ周 波 数 fL
的 に向 上 で き る｡ さ らに ､ コンデ ンサ C1
,
C2を介 した出 力 変 成 器 の接 続 に よ り直流 偏 髄 の 問題 が な く大 電 力化 に適 す ｡
く
2) 電 流 形 と電 圧 形 の折 中 形 と して の Ldインプ ッ ト構 成 (図 5 1に お いて ､ L
d
は電 流 形 に比 べ て小 さ く設 計 ) に よ り､ 人 力 直 流 電 流 リプル 率 を大 幅 に軽 減 で
き る｡ しか も､電 流 形 の よ うな特 別 な 起 動 回 路 (
6)は不要 で あ る｡
(3) d i/d tも広 い負 荷 変 動 域 に お いて著 し く小 さ く転 流 余 裕 時間 も大 きい｡
5.
2.
2 動作原 理
図 5 2 に ､ 各 ス イ ッチ ン グ素 子 の オ ン ,オ フ に よ るス イ ッチ ング モ ー ドを示 す ｡
起 動 時過 渡 動 作 に お いて ､ A S CR l くA Slと略 記 ) を トリガ す る前 に電 源 E
が投 入 きれ る と､ 図 5 2 モ ー ド a で示 され る よ うに ､ Eか ら Ldを通 して C1, C
2が 初 朋 充 電 きれ る｡初 期 充 電 完 了 後 A Slが トリガ され る と､ モー ド bに示 され
る よ うに ､ Clの 電 荷 に よ り Cl
- Ll-A Sl(Dl) - C3と い うル ープ お よび E
- Ld - Ll-A Sl(D l) - C3- C2に振 動 電 流 が流 れ る｡ 次 に A SC R 2 (A
S2と略 記 ) が トリガ きれ る場 合 ､ モー ド bの ス イッチ ング素 子 を流 れ る振動 電
流 の 正 負 に よ り､下 記 の 3つ の 転 流 動 作 が起 りう る｡
(1) A S2(A Sl) 単 流 転 流 動 作
した後 ､Dl電 流
モー ド bに お い て A Sl, D lの順 に導 通
LDlが ゼ ロ とな る と､全 て の ス イ ッチ ン グ 素子 が オ フの休 止 モ
ー ドとな る｡ この 時 点 で A S2が い )ガ され る と ､ A Sと, D 2の順 に等 通 す るモ
ー ド C の 単 流 モ ー ドとな る｡
(2) D l･A S2 (D Z･A S l) 重 流 転 流 動 作
モ ー ド b に お いて ､ A Slを流
れ る振 動 電 流 が ゼ ロ ク ロ ス して D lが導 通 して い る時点 に お いて ､ A S2を トリガ
52
す る と ､ D lと A S2が 同 時 に
鮮 通 す る重 流 モ ー ドとな る｡
この モ ー ドで Dlの 電
流i.Dl
がゼ ロ とな れ ば ､ この 時 点 か
らA S2の 単 流 モ ー ドに移 行
す る｡
(3) A Sl･A S2重 流 転 流
動作
モ - ド(a) 初 朋 充 電 ,
休止モI r
モ ー ド bに お い て ､
A Slの 電 流
モ ー ド(
b)A
Sl又 は Dl
_
4流 モ ー ド
上人sl
がゼ ロク ロ
スす る前 に A S2が トリガ き
れ る と ､ A Slと A S2が 同 時
に群 通 す る重 流 モ ー ドとな る
｡ 本 方 式 イ ンバ ー タの 転 流 余
裕 時 間 は ､ A Sに 逆 並 列 に 接
C) A
S2又 はD
2
モ ー ド(
杜淀 モ ー ド
続 され て い るダ イオ ー ドの 好
d) Dt.
▲S
2
モ ー ド(
J
L式 モ ー ド
適 に よ る逆 バ イ ア ス期 間 で 与
え られ る｡ 従 って ､ この 場 合
､ この モ ー ドの 後 に LASlが
ゼ ロ ク ロ ス しな い と転 流 失 敗
す る｡
モ - ド(
e) A
SI
.
1
53
図 53に上 記 各 転 流 動 作 に
j
Lは モ ー ド
お け る ス イ ッチ ン グ 素 子 の 電
sh
.
D
2
モー J
{(f) A
正統モー ド
B]
52 スイッチングモー ド
流 と出 力電 流 の 関 係 を示 す ｡
図 53に示 さ れ る よ うに
新 形 インバ ー タで は ､チ
｡は fL
の 2倍 とな る｡
ld
ll
5.3 動 作 解 析
12
第 2章 ∼ 第 4章 同 様 に
解 析 お よび 回 路 設 計 に お
10
け る汎 用 性 を 目的 と して
､ 次 に示 す基 準 量 で 無 次
元 化 した無 次 元 化 パ ラ メ
a)単流 転流
(
(b)
Dl.
AS2,
D
2.
ASl皇 涜 転 結 (C)
ASl･
AS2重 流 転 涜
図 53 各転流動作における電流波形
ー タ を用 い て解 析 す る｡
53
電圧基準生
ES=E, 電 流 基 隼 量
電力基準量
PS=E878,
無次元 化負荷抵抗
こ こで
Ts
=1/f l
山 =27
Tfl
√ (LC)
無 次元 化 周 波 故
無次元化電 流
時 間基 準 丑
ZB= 2√ (L/C)
イン ピー ダ ン ス基 埠 圭
無次元 化時間
18=E/ 2√ (L/C)
入 = n2R/2√ (L/C)
Z= t/T&
=fl･i, 無 次 元 化 電 圧
i
,'(2)= L(t)/
Ⅰ ‥
L=Ll=L2,
々d=Ld
/L,
無 次元 化 電 力
1/C= 1/Cl+ 1/C3,
p=C/Cl,
l
t
T'(Z)= ひくt
)/ES
P◆ = P/PB
Cl=C2
q= C/C3
n :巻数比 = n .
/n2= nlb/n2
起 動 か ら定 常 に 至 る過 渡 動 作 に お いて は ､ ス イ ッチ ン グ モ ー ド遷 移 の 判定 を ､A
Sあ るい は ダ イオ ー ドを流 れ て い る電 流 の 正 負 に よ って行 う｡
図 52に示 され る各 ス イ ッチ ン グモ ー ドは ､次 の 4つの 無 次元 化状 態 方程 式 で
代 表 さ れ る｡
(I) モ ー ド a
ASl,AS2オ フ休 止 モ ー ド
0
0
p′4
0
0
p′4
十4 7
7/(々 d山)
-(57)
(
2) モ ー ド b ASlまた は Dl単 流 モー ド
54
0
0
0
p′4
0
0
0
p′4
0
0
0
0
-1
′々 d
-1
′々 d
0
+4 7
t/くせ d山
(3) モ ー ド c
4人′々 d
-･
(58)
)
A S2ま た は D2単 流 モ ー ド
0
0
0
p′4
0
0
0
0
-1′々 d
-]
/々 d
55
0
4人′々 d
+
4
7
1
/
(
々
d
l
l
)
(4) モ ー ド d
モー ドf
DlとA S2重 流 モ ー ド,モ ー ド e
- (59)
A Slと A SZ亜 流 モ ー ド
D2と A Sl重 流 モ ー ド
0
0
0
p′4
0
0
0
0
-1
′々 d
-1
′々 d
0
1
0
-1
56
4人′々 d
2人
q′4
0
0
p′4
q′4
q′4
+47
t/
(P d山 )
2人′々 d
2人 ′々 d
一
入
一
入
一
入
入
- (60)
各 モ ー ドに お け る出 力電 流 i
,O
+,出 力 電 圧 L
r吉お よび A S l,A S2の 各 電 圧 L
r
^S
!
. Ll^S左は次 式 で表 され る｡
し:=n(2L3-i
,
;-i
,
圭
),
各 モー ド共 通
モ ー ド a､ モ ー ド b
モ ー ドa､モー
ド
c
L
T.
'=入
j
.
言/ n 2
･
･
･
(61)
L
T
^
S
茎=n Lr吉+ t
rc
さ+t
Tc
'
3
L
r
As
‡=n ひ.
'+ L
r
c
‡-けC
'
3
･
･
･
(62)
･
･
･
(63)
各 モー ドの状 態 方 程 式 は ､ 4次 ル ンゲ ク ッ タ数 値 解 析 法 に よ り解 析 した｡ 起 動 時
過 渡 動 作 の 計 算 に お いて は ､超 勤 初 期 値 と して ､
け clH 0= L
Tc2''0= 0
.5と し､
他 の初 期 値 は全 てゼ ロ と した｡ モ ー ド遷 移 の 判 定 を 自動 的 に計 算 器 で行 い ､起 動
か ら定 常 状 態 まで繰 り返 し計 算 を実 施 ｡定 常 状 態 の 判 定 は ､ nサ イクル 日の電 圧
初 期 値 Lrcl (A)∼+0と (n+1) サ イクル 日の Lrcl(A.日
日 0を比 較
し､ そ の変 動 分
の絶 対値 が 1%以 内 を もっ て定 常 状 態 と した｡
5.4
定常詰特性
5.
4.
1 直流 リア ク トル の 効 果
電 流形 インバ ー タに お いて は､人 力 の 直流 リア ク トル Ldは非 常 に大 きな 値 で
､従 って ､人 力 直 流電 流 i
,
dは ､ リプル 率 の極 め て小 さ い直 流 とな る｡ 一 方 ､電
圧 形 インバ ー タの 場 合 は ､ Ldが な いの で Ldの リプル 率 は大 き くな るが ､電 涜 形
の よ うな特 別 の起 動 回指 は不 要 で あ る｡
57
して ､必 要 最 小 限 の Ldを接 続 す るこ と
に よ り両 方 式 の 特 質 を活 か して い る｡ す
な わ ち ､ Ldの大 小 は ､ リプル 率 , d i/
l
0
d I,人 力 電 力 P .
hさ らに は foE
" Xな ど
. ∼.
1n.
J
H
d･
I
0 p
▲
新 形 インバ ー タで は ､両 方 式 の 折 中形 と
に大 き く影 響 す る｡ こ こで は ､ Ldと L
の リア ク トル 比
や d
の 大 小 に よ る定 常 話
特 性 の 影 響 (た だ し ､山=
0.
5
3,p
=
0.
3
3
,n
=
0.
25)に つ いて 述 べ る｡
0.1 1
10 100 1000
々dに対 す る P… ',人 力 直 流 電 流 平 均 値
Q
d
ー
図 54は､人 をパ ラ メ ー タ と した時 の
図 54 9｡
-Pl
∴
ld
'
特性
Id事の特 性 を衰 して い る｡ な お､ 無 次 元
A'と Id'は等 しいの で
化 に お いて は P .
､ 以 後 P.A'で 代 表 して 表 す ｡ 図 54に
お い て 々dの 小 さ い領 域 で は ､ P .h'が非
常 に小 さ く､バ ワ が 入 りに くい｡
の
々 d
A'ほ ほほ 直 線 的 に増
増 加 に従 って ､ P.
加 す るが ､ 5 0 ≦ 々dの 領 域 で は PID■は
ほ ぼ 飽 和 して 増 加 しな い こ とが 明 らか と
な った｡
図 5 5 は ､ 同様 にパ ラ メー タ人 に お け
ー
る 々 dに対 す る A Sの オ ン電 流 上 昇 率 d
i'/d zの 特 性 を示 して い る｡ 々d- P ,
n●
特 性 同 様 に ､ 々 dの小
さ い領 域 で は P
図 55
々d-
Qd
di
■
/ dz鴨性
d
の 増 加 に 伴 い d i'
/dzは ほ ぼ 直線 的 に増 加 す るが ､ 々d= 10- 10 0付 近 で
は ほ ぼ 飽 和 して い る｡ こ こで ､ d i/d t定 格 [A/〟 S] と無 次 元 化 d iり dz
の関 係式 は
d i/d I lA/I
LS] = d i'/d z ･E/2√(
L/C)･f l･ 10-6 ･
･
･
(
64)
とな る｡ また ､ Ldの 大 小 は ､ i
,dの リプ ル率 に大 き く影 響 す る ｡ j
Jdの平均 値 リ
プ ル 率 R ip [% ] は下 式 で定 義 され る｡
R ip l% ] = (i
,d
m.x'- i
,d
m川') / IdX I0 O
･
･
･
(65)
こ こで i
,dm.
x'お よび i
,d
m▲
n+は そ れぞ れ 直流 電 流 の最 大 値 お よび 最 小値 を示 す｡
図 5 6 に ､人 をパ ラ メー タ と した と きの 々dに対 す る R ip% を示 す ｡電圧 形 イ
ンバ ー タで は 々 d
=0 と考 え られ るが ､図 5 6に お いて ､
の小 さ い範 囲 で は R
々 d
i
Pが著 し く大 き くな る ｡ R ip低 減 の 械 点 か らは ､ Qdを 10 0 0以上 に と るこ
58
とが 望 ま しい が ､ これ は Ld
の大 型 化 ,
80
々 dの 選 定
ポ
n
nl
重 圭 化 に つ な が る｡ 従 って ､
いて 最 適 な
々 dの 値
ー 6
0
に 関 して は ､ 他 の 諸 特 性 値 との 関 連 に お
を設 計 す べ き と言 え
よ う｡
4
0
サ イ リス タ イ ンバ ー タの 高 周 波 イ ンバ
ー タ応 用 に お い て は ､ 特 に ,T｡ 日 に よ
って 制 約 き れ る f｡bH が 問 題 とな る｡ こ
こで ､ 固 持 の 転 流 余 裕 時 間 Tcの 無 次 元
化 値 を Zcとす る と､ 新 形 イ ンバ ー タで
は A Sの T｡ 日 を考 慮 した f｡h" と Zc
の
1
関 係 は 下 式 で 表 せ る｡
図 56
上 式 に よ りf
･
･
･
(
6
6)
m
｡ .xを機 討 す
る場 合 ､
々d
1
0Q+色3000
も-R ip特性
4
'け
oL
O
山
(J ｡/2)･T. rr≦Zc
f ｡t
b
.
X=2Zc
/T｡Er
1
0
入-0.
75
あ る い は他 の 回 指 パ ラ メー タに よ って ､
7
ノ
o
O
Z｡の 値 が どの よ うに変 化 す るか 把 掘 す
る こ とが 重 要 とな る｡ 図 57は ､人 をパ
ラ メ ー タ と した と きの
々
Jに対 す る Z｡の
関 係 を表 して い る｡ 同 図 に お いて ､
の 小 さ い範 囲 で は
々 dの 大 小
増 減 が 大 きい が ､50≦
Q d
に よ る Zc
の
0.2
0.
1
zcも ほ ぼ 一 定 とな る こ とが 判 明 した ｡
以上 の
1
々 dの 範 囲 で は
々 dの 大 小 に対 す
1
0
1
000
1
00
ー RJ
図 57 P
J
-Zc
特性
る諸 特 性 を捻 合 的 に考 庶 す る と ､
々 dの 遺 定
に 関 して は ､
Ldの 大 型 化 ,重 量 化 を抑 制 しつ つ ､ リプ ル 率 の 低 減 効 果 が あ り､ しか もバ ワ の
入 りや す い 々d=50- 100付 近 が 最 適 と言 え よ う｡
5.
4.
2 キ ャパ シ タン ス比 の 影 響
々 d同 様
に キ ャパ シ タ ン ス の 比 C/ C1=C/ C2= Pお よび C/ C3= qの 大 小
は ､定 常 諸 特 性 に大 き く影 響 す る｡ な お ､ p+q
=lな の で ､ こ こで は pの 大 小
0.
5
3, 々d
:
5
0,n
=
0.
2
5
)に つ い て 述 べ る｡
に よ る諸 特 性 の 影 響 (た だ し山=
新 形 インバ ー タで は ､ 原 理 的 に は C3が な くて も イ ンバ ー タ動 作 は可 能 で あ る
が ､ Clと C2との 関 係 に お け る C3
の 大 小 は ､Pl
h`, d i+
/dz,A Sの 電 圧 最
大 値 Lr^sM'さ らに は Zc
に も影 響 す る｡ 従 って ､C3を適 当な 値 に 選 定 す れ ば ､ 高
周 波 イ ンバ ー タ と して 良好 な 特 性 を発 揮 し う る｡
A■を 表 して い る｡ 図 58の 各
図 58は ､ パ ラ メ ー タ人 に お け る p に 対 す る P.
59
人 に お いて ､ p の 増 加 に伴 い ､ Pl
. +
0.
7
は一 様 に上 昇 して い る｡ 従 来 の 逆 素 子
3端 子 サ イ リス タを用 いた従 来 形 イン
バ ー タで は ､ Cl
, C2の 値 を C3に対
p
*
i
n
O･
6
†o･
5
して か な り大 き くと り､ C1, C2を電
0.
4
源 分 割 E/2に置換 えて い る｡ 新 形 イ
0.
ラ
ンバ ー タで Cl
,C2の値 を大 き くと る
､ また は C3値 を小 さ くす る こ とは p
をゼ ロ に近 付 け る こ とに な る｡ そ の場
0.
2
0.
1
合 ､ 図 5 8 よ り P.
A+が大 幅 に減 少 し
0
てバ ワ が 入 りに く くな るの で ､ 従 来 の
電 源 分 割 的 な C1, C2の 設 計 は適 さな
う 乃 K)
0 0 0
㍉
い｡
図 5 9 は ､ パ ラ メー タ人 に お け る p
に対 す る d iリ d zを表 して い る｡ 図
5 8の
P-P..■特 性 同様 に ､
p の増
て い る｡特 に ､ p が 1付 近 で は ､人 の
値 に よっ て は ､ d i'/d zが急 上 昇 し
て お り､設 計 の 際 p=0.9- 1.0
付 近 は避 け るべ き と言 え よ う ｡ A Sの
に 関係 す る｡ 高周 波 インバ ー タで は チ
｡
1
.I
,
動 作 責 務 は ､ Eの み な らず f｡に密 接
o･
う
図 59
pl
ー
p-d i'
/ dz特性
E
.
a
Xの 関 係 上 Zcが大 き い方 が望 ま し
い が ､ これ は ､ A Sの 動 作 責 務 との 関
係 に お い て考 渡 しな け れば な らな い｡
図 60にパ ラ メー タ人 に お け る p に
対 す る Z｡の特 性 を示 す ｡ 同 園 で p ≦
0.7で は ､
p の 増 減 に対 す る Z｡の
変 化 は小 さ い｡ しか し､人 の値 に よ っ
ては
､p〉0.7の あ る範 囲 で Z｡が跳 躍
す る現 象 が 認 め られ る ｡ Z｡が 跳 躍 し
て も他 の 諸 特 性 は跳 躍 して お らず ､ こ
れ は Z｡固 有 の現 象 で あ る｡ 従 って ､
この 跳 躍 現 象 は ､f｡." xとの 関 係 に お
60
0
0.
5
1
.
.
.
.
･
.
･
.
一 p
図 60
p -zc
l
引ま
L
L
ノ仁
ノ
12.0
0 0
加 に伴 い ､一 様 に d i'/d zは上 昇 し
いての み 考 慮 す れ ば よ いが ､
`この よ うな領 域 の 回 路 設 計 は避 け るべ き と言 え よ う｡
以 上 の pに対 す る定 常 削 毒性 を総 合 的 に考 慮 す る と ､ pを選定 す る場 合 P.
B･
が比較 的 大 き く､ASの 動 作 責 務 に お いて Ⅴ^sM'
, d i+/d zが小 さ く､ しか も
Z｡の大 きい 0.3≦ p ≦0.7の 範 囲 が 適 して い る と言 え よ う｡
5.
4.
3 負 荷 話特 性
回拍 設 計 に お いて と
ま､負 荷
変 動 に対 す る諸特 性 の 変 化 を
把 掘 す る必 要 が あ る｡ 図 6 1
に ､山=0.
53, 々d=50,p=0.
6
25に お け る人 に
7お よびn=0.
対 す る d i'
/d z, Ⅴ ^S仙●,
P lb
',Zcお よび R ip % の
特 性 を示 す ｡ 図 6 1に お いて
､人 の 増 加 に伴 い d i'/d z
, Zcお よび V^sN■は上 昇 し
て い るが ､0.375≦入 付
近 で飽 和 して い る｡ 一 方 ､ R
0
ip% お よび P.
h'は､ そ れ
ぞ れ入 = 0. 2 5付 近 で そ れ
0
･
25
図 61 負荷特性
ぞ れ最 小 お よび 最 大 とな る こ
とが 明 らか とな った｡従 って
､固持 設 計 に お いて人 を選 定
す る場 合 ､人 力電 力 が 大 きい
割 に d i'/d zお よび VAsM*
の AS動 作 責 務 が比 較 的 ゆ る
や か で ､ しか も R ip% が小
さ く Zc
の大 き い
0.l≦九
≦0.3の範 囲 で設 計 す るの
が適 当 と言 え よ う｡
5.
4.
4 周波数特性
回搾 設 計 に お いて は ､負 荷
諸特 性 同様 に､周 波 数 の 変 動
に対 す る定 常 諸特 性 の影 響 を
図 62 周波数特性
把 握 して お く必 要 が あ る｡
61
0
･
i_, 入〇
･
75
図 62に ､入 =
0.
2
5, 々 d=50,p:0.33お よび n=0.25に お け る山 に対 す る d i'/d z ,
V▲S"',p.
b', Z cお よび R ip% を表 す ｡ 図 62に お いて ､J
lの増 加 に比 例 し
b'お よび
て R ip% が 減 少 して い る｡ 一 方 ､ VAs"',P.
Z cは
､山 の 増 加 に対 し
て 上 昇 傾 向 を示 して い る｡ す な わ ち ､ わ ず か の 周 波 数 変 動 に対 して ､各特 性 値 の
変 化 が 著 しい こ と を表 し､ 動 作 績 域 と して は適 さな い｡ ま た ､0.3≦山 の領 域
で は R ip% お よび d i'/d zが 急 上 昇 して い る｡
従 って ､ 以 上 の 周 波 数 特 性 を捻 合 的 に考 慮 す る と､ 回 指 設 計 に お いて は
､0.
3 ≦山≦0.8の 範 囲 の山 を選 択 し､動 作 周 波 数 範 囲 も この 範 囲 に限定 す べ きと
言 え よ う｡
5.5 過 渡 特 性
図 6 3に ･山=
0･
5
3, や d=50,
p=0.
67お よび n=0.
25に お いて ､
0.
5
人 をパ ラ メー タ とす る起 動 時 過
渡 動 作 に お け る Z c過 渡 応 答 を
示 す ｡ 図 6 3の 各人 の 値 に お い
て ､定 常 状 態 の Z cの値 と､ 過
渡 動 作 に お け る Z cの 最 小 値
.
h
Zc
川 に お いて は ､ か な りの 隔 た
りが あ る こ とが わ か る｡ 従 って
､定 常 状 態 に お け る Z ｡に よっ
て f｡E
b.Xを計 算 して負 荷 を騒 動
した場 合 ､ 起 動 時 過 渡 動 作 に お
い て転 流 失 敗 す る場 合 も考 え ら
5 - ∩l
c
yc
l
司o
れ る｡
図 64は ､ 過 渡 動 作 に お け る
Z
図 63 Zc過渡応答
｡の 跳 躍 現 象 を ､ A S お よび
ダ イオ ー ドを流 れ る電 流 に よ って説 明 す るもの で あ る｡ 図 64の過 渡 動 作波 形 に
お いて ､ Z=2.
5で は A S2の 電 流 LAs2*= i
,
さは まだゼ ロ ク ロ ス して いな い｡ こ
の 時 点 で A S lを トリガ す る と A SZと A Slが 同 時 に導 通 す る重 流転 流 モー ドと
な り､ そ の 後 Z =2.
52で
i
,
芸が ゼ ロク ロ ス した後 D2が Z c=0.1
9の 期 間串 通 す る
｡ 一 方 ､ Z =3.
0に お い て A S2を トリガ した と きは ､ す で に D lは Z=2.
83の 時
=
点 で 辞 通 して お り､ Z c 0.
38の 期 間 等 通 す る こ とにな る｡ す な わ ち ､ A S電 流
l
が ､ トリガ リング の 半 周 朋 の 間 にゼ ロ ク ロ ス しな い と A Sl
･A S2重 流転 流 モ ー
62
ドとな り､ この 場 合 の Zcu小 さ い｡
と こ ろが ､ トリガ リング の 半 周 期 の
間 にゼ ロ ク ロ ス し､A Sl･D2
ある
いは AS2･Dl
の 重 流 転 流 モ ー ドが
存 在 す る場 合 は ､ Z｡は跳 躍 して大 き
くな る｡ 一 方 ､ A S電 流 が い )ガ リ
ング の 半 同朋 にゼ ロ ク ロ ス して ダ イ
オ ー ドが鮮 通 した場 合 で も､ そ の 半
周 期 中 にダ イオ ー ド電 流 が再 び ゼ ロ
ク ロスす る と休 止 モ ー ドとな り､
こ
の 場 合 の Z'も小 さ い｡
す な わち ､ Z｡の 跳 躍 現 象 は ､ A S
l･D2
あ るい は AS2･Dlの 重 流 転
流 モ ー ドが存 在 す るか否 か の 塩 兼 集
件 に お いて発 生 す る こ とが 明 らか と
な った｡
図 64 過渡動作波形におけるZ｡
の跳躍
5. 6 過 渡 お よび 定 常 出力 波 形
v
o
■
0
1
寧
事
『
璽
F
g
1
.
5
*
過 渡 ･定 常 特 性 解 析 結 果 よ り､
新 形 インバ ー タの 最 適 な固 持 パ ラ
メー タの 範 囲 と して ､0.3≦山
.
5
,
'
u
T
iiii
ij
i京
_
≦0.8, 0. 1≦ 入 ≦0.3
r
J
Ll{r
JK
J■T
I
滞超訂正'
ii
i
1 L糧E
JL
l
50≦ 々d≦ 100お よび 0
k
T
等曇等璽聖 ii
i
i毒亘妻
. 3 ≦ p ≦ 0. 7が あげ られ る｡
f
o可O
K
Hz
以 上 の結 果 をふ まえ､種 々の 固 持
(
a)定
f
0
8
0K
Hz
常
出
力
披
形
パ ラ メー タの実 験 結 果 の 中 か ら､
代表 的 回 路 パ ラ メー タと して ､山
= 0.52, 1.04, 人=0
J
;
:
.
j
l
l
I
『
■
迫
il
Ll■Fl
.25, 々d=50お よび p=
0.33に おけ る過 渡 お よび 定 常
出力電 圧 波 形 を図 65に示 す ｡ そ
{㍍謂■儀IM1
1
1
4!
L
Y ii!
,
r l
l
ri
!
最j
JJ
れぞ れ の 出 力電 圧 波 形 に お いて ､
f
o
壬
1
4
0K
Hz
(
b
)過
理 論値 と実 測 値 の傾 向 は よ く一 致
渡
出
力
波
形
図 65 過渡および定常出力電圧波形
して い る｡ ただ し､ 固持 バ ラ メ-
63
タの 値 に よ って は ､ 特 に人 が 0. 1よ りも小 さ い領 域 で は ､ 両 値 の 誤 差 が や や 大
き くな る傾 向 が あ る｡ これ は ､ 数 値 解 析 に お け る定 常 判 定 の 打 ち 切 り誤 差 な どが
影 響 して い る も の と考 え られ る｡ しか し､ そ の 誤 差 も 10% 以 下 で あ り､解 析 結
果 の 有 効 性 は裏 付 け られ た と考 え る｡ また ､ 図 65(
a)子｡=80Mzの 出 力 電 圧
波 形 の ひ ず み が大 き い が ､ これ は 固 持 を F
｡
=4 0KHzで 設 計 し､ そ の 回 路 パ ラ メ
ー タ に お い て 出 力 周 波 数 だ け 上 げ た た め で あ る ｡F｡
=80KHzの 場 合 は ､山=2
7
tjL
√(LC)､
入 =n2R/2√ (L/C) の 関 係 よ り､L/Cの 比 を変 え る
こ と な く､√ (LC)の 値 を l/2とす れ ば ､ 々 dの 比 は大 き くな るが ､11お よ
び人 は J
｡
=4 0KHzの 場 合 と変 らな い の で ､ ほ ぼ 同 様 の 出力 波 形 が 得 られ る｡
5.7 緒 言
本 章 で は ､ 新 形 イン バ ー タ と しての 2倍 周 波 イ ンバ ー タの 過 渡 お よび 定 常 諸特
性 に つ い て ､ 回 路 設 計 の 技 術 的 観 点 か ら検 討 した ｡ そ の 結 果 ､A - S CR あ るい
は 高 速 ス イ ッ チ ング サ イ リス タを用 い た 2石 形 インバ ー タで も ､ 8 0KHzまで の
大 電 力 高 周 波 発 掘 が 可 能 で あ り､強 力 超 音 波 ､ 高 周 波 誘 祥 加 熱 あ るい は ス ィ ､
ソチ
ング レギ ュ レー タ方 式 DC-DCコ ンバ ー タな どの 電 源 と して の 今 後 の展 望 を聞
い た｡
新 形 イ ンバ ー タは ､ コ ンデ ン サ C1,C2を 介 した 出 力 変 成 器 の 接 続 に よ り､直
流 偏 磁 の 問 題 が な いの で ､ 大 容 量 自 己 消 弧 デ バ イ スの 適 用 に よ る､ 一 層 の 大 電 力
高 周 波 化 に も有 用 で あ る｡ この 点 に 関 して は 次 章 で の ぺ る｡
64
第
6 章
言争 電
誘
導
高
波
イ
周
ト ラ
ニ/ ジ
ニ/ ノヾ -
ス
タ ブヲ 式
新
形
タ
6. 1 緒 言
強 力 超 音 波 の 高周 波電 源 と して ､ 高速 ス イ ッチ ング サ イ リス タあ るい はAI
SCR
を用 い た新 形 インバ ー タにつ いて第 5章 で述 べ た｡ サ イ リス タを用 い た 高周 波 イ
ンバ ー タの 場 合 ､電 力 定格 の みな らず ､d i/dt,dv/d t､特 に T｡flに よ
り動 作 周 波 数 が限定 され る｡ これ は ､ 固持 方 式 に も よ るが ､前 章 で述 べ た よ うに
2石 形 で は 80KHz程 度 が 出 力周 波 数 の 限 界 とな る｡
従 来 の強 力超 音波 振 動 子 の 共 振 周 波 数 帯 は ､ 15- 50KH2付 近 で あ った が ､
最 近 は ､微 細 加 工物 の超 音 波 洗 浄 用 と して ､数 百 KH2帯 の 周 波 数 利 用 も具 体 的 に
検 討 され て い る｡ さ らに､ この よ うな強 力 超 音 波 応 用 の み な らず ､ 高周 波 誘 斗 加
熱 , レーザ ー あ るいは ､ ス イ ッチ ング レギ ュ レー タ方 式 D CIDC コ ンバ ー タな
どの電 源 (48)A (52)と して ､近 年 インバ ー タの 動作 周 波 数 は益 々高 周 波 化 の 傾 向
に あ る｡
100KHzか ら 1MHZの 大電 力 高 周 波 電 源 と して は ､SI
Tお よび MOSFETを用 い た
種 々の 回招方 式 が報 告
(
48)I (52)され て い る｡ な か で も ､ 高出 力化 の 枕 点 か
らは
､ MOSFE
Tの数 倍 の 素 子容 量 を有 す SI
T高周 波 インバ ー タが注 目され て い る｡
SI
T高周 波 インバ ー タは ､電 圧 形 (48)(50)と電 流 形 (49)に大 別 きれ る｡電 圧 形
の場 合 ､叫 通 損 失 が小 さ い反 面 ､停電 時 や負 荷 矩 絡 時 の 保 津 が 難 し く､デ ッ ドタ
イム を厳密 に設 けな けれ ば な らな い｡ 一 方 ､電 流 形 は ､過 電 流 保 護 が寄 島 で あ る
反 面 ､一 般 に逆耐 圧 の関 係 上 ､SI
Tに直列 に ダ イオ ー ドを接 続 す る必 要 が あ り､
しか も鮮 通 損 失 も大 きい｡ この よ うに ､電 圧 形 ,電 流 形 とも に､ そ れぞ れ一 長 一
短 が あ るが ､ その短 所 を改 良 す る制 御 方式 も具 体 的 に検 討
(
49)され て い る｡
これ ら従 来 の電 圧 形 ,電 流 形 に対 して ､本 章 で 提 案 す る静電 誘 斗 トラ ンジ ス タ
方 式新 形 高周 波 インバ ー タ (以 後 SI
T新 形 インバ ー タ と略 記 ) は ､ 前 章 で述 べ た
サ イ リス タに よ る 2倍 周波 インバ ー タの利 点 を活 か しつ つ ､ そ の欠 点 をSI
Tの 適
用 ､並び に固 持構 成 の適 切 化 に よ り克 服 した もの で あ る｡ す なわ ち ､電 圧 ･電 流
T
折 中形 と して ､両 方 式 の特 長 を兼 ねそ な え た もの とな って い る｡本 章 で は ､SI
新 形 インバ ー タの過 渡 お よび 定 常 特 性 に関 し､パ ル ス幅 制御 動 作 の 影 響 を厳 密 に
考 慮 した特 性数 値 解 析 を明 らか に して い る｡ さ らに､ 電 圧 ･電 流 折 中形 と して の
特 性 評 価 を､理 論 と実験 の 比較 対 照 よ り行 って い る｡
65
6.2 主 回指構 成 と特 徴
図 66(a)に､電 圧 ･電
流 折 中 形 と しての SI
T新 形
インバ ー タの主 回招 構 成 を
､ 図 6 6(b)に 30 0W ,
4 0 0KHzに おけ る各部 定
常 動 作波 形 を示 す｡既 に報
SCRを用 い た新 形
告 したÅ-
インバ ー タの 場 合 ､ d i/
dt
.
の 抑 制 と､転 流余裕 時
(
a
)主回托構
成
間 を大 き くと るため に ､ASCRに直列 に ア ノー ドリア
D
ug
s
:
1寵
ク トル を接 続 した｡ しか し
2
L
L
s
/di
y
1
0
0
V
/di
v
50
0
V
/di
1
0
v
A
/
d
i
v
岳転
､SI
Tを用 い た新 形 インバ
ー タの場 合 は ､転 流 余 裕 時
5
A
/di
v
間 の 問題 はな い｡ む しろ､
直列 に リア ク トル を接 続 す
る と､Sl
Tの ドレイン電流
を強 制 的 に オ フす る際 ､ リ
ア ク トル エ ネル ギ等 横 に伴
うスパ イク電 圧 が発生 す る
b
)各
部定常
動作波形
図 66 S汀新形 イ
ン
バ
ータ主回
指構成
と
定常動作波形
(
｡従 って ､極 力 配 線 にお け る インダ ク タンス を小 さ くす る必 要 が あ る｡SI
T新形
インバ ー タの特 徴 は､次 の とお りで あ る｡
(1) 電 流 形 と同 じ人 力 に直流 リア ク トル (以 後 Ldと略記 ) を もつ構 成 で あ りな
Tの よ うな逆 耐 圧 の な い 自己 ター ンオフデ バ イスを用 い るこ とが で きる
が ら､Sl
Tl, 2同 時蒔 通 領 域 か ら､同 時 オ フ領 域 まで ､ どの動作領 域 で
｡ すな わち ､SI
も躯 動 で き､広 い領 域 で のパ ル ス幅 制御 が可 能で あ る｡
(2) 電 流 形 の場 合 ､一 般 に数 百 m Hの Ldの接 続 に よ りほぼ定電 流 源 を実現 して
T新 形 インバ ー タで は リア ク トル 比 (後述 表 2
い るが ､Sl
参 照 )の適 当な選
々 d
定 に よ り､数 m Hの Ldに よ り､電 圧 形 よ りは るか に人 力 直流電流 の リプル率 を
軽 減 で きる｡
(3) 停 電 ,負 荷矯絡 時 の過 電 流 保護 が容 易 で あ る｡
(4) 出力 周 波 数 が､ゲ ー ト トリガ 周 波数 の 2倍 とな るの で､従 来 のSI
Tインバ ー
タよ りも周 波 数 限界 が拡大 で きる｡
66
6.3 回指 動作
固持 の ス イ ッチ ング動
Tl,2 (Sl,
作 は ､SI
S2と以後 略記 ) ,ダ イ
オー ドD lお よび D2の オ
ン ,オ フに よ り大 別 して
下記 の よ うな 3つの主 モ
モー ドa
. S lま た は D 1
単涜 モー ド
モー ドb
モ ー ド cI S l･
･D 2
重涜 モー ド
モ ー ド C2 S 2 ･D l
重涜モー ド
S 2 または D 2
単式 モ - ド
ー ド､ お よび 図 67に示
す よ うな サ ブモー ドに分
類 され る｡す な わち ､
(Ⅰ)
単流 動 作 モ- ド
Slまたは D l, SZま
たは D2のみ辞退 す るモ
ー ド｡
(
Ⅰ) 重流動作 モー ド
Slと D2, SZと D lま
たは Slと S2が同時 に祥
通 す るモー ド｡ た だ し､
Slと S2が 同時 に鮮通 す
るモー ドは ､ S lと S2の
モ ー ドC3 S 1 ･S 2
重読 モー ド
ゲ ー ト同時逆バ イアス期
モー ドd
休止 モー ド
図 67 スイッチングモー ド
間 と してのデ ッ ドタイム
を設 けた ときは存 在 しな い｡
(Ⅱ)
休止 モー ド
Sl, S2, D lお よび D2の全 て の ス イ ッチ ング素子 が オ フ
す るモー ド｡休 止 モー ドは､ パ ル ス幅 制御 時 に お いて ､ Slと S2が共 にゲ ー ト逆
バ イアスされて い る期 間 中､ あ るいはパル ス幅 制御 を しな い場 合 ､デ ッ ドタイム
期 間中 のみ に起 りう るモー ドで あ る｡各 ス イ ッチ ング モ ー ド遷 移 の詳 細 は次章 で
述 べ る｡
6.4 状態方程 式
特性 解 析 に際 し､各 ス イッチ ング素子 は理想 ス イ ッチ と し､ また､出力変成 器
は理想変圧 器 とす る｡ 回路状態 変数 と して の各電圧 ,電 流 の 正 の方 向 を図 66(a
)の ように定 め る｡
67
図 6 6(a)の 負 荷 に お い て ､ R｡- C｡は電 わ い形 超 音 波 振 動 子 の 共 振 点 に お け る
等 価回路定数 (
7) (磁 わ い形 で は R｡-L｡) を示 し ､L｡は整 合 用 リア ク トル (敬
わ い形 で は C｡が 整 合 用 コ ン デ ン サ ) を意 味 す る｡
解 析 に お い て は ､ 表 3に 示 す よ うな 無 次 元 化 基 準 量 で無 次 元 化 した無 次 元 化 パ
ラ メ ー タ を 用 い る｡
蓑3
[基准量]
電圧
E.=E, 電 流
無次元化パラメータ
F.=E/ 2√ (L/C) , 電 力 P.=E..I.
T.= 1/ jI
インピ-ダンス Z.= 2√ (L/C), 時 間
[無次元化真]
周 波 故 山 =2T
EfL
√ (LC) , 時 間 Z= t/ T‥
負 荷 抵抗 入 =n2R./ 2√ (L′C) , 電 圧 L
r'
(
2)こけ(I
)/E.
電流
L●(∼)= i
,
(t
)/ ー‥
電 力 P●=P/Ps,
ここ で
j L:トリガ 間 波 数 =J ./ 2, f｡:出 力 周 波 数
A :巻 致 比 = nl
.
/ n2=nl
b/ n2
P○:出 力 電 力 =2人 rJ(L○
●)adz
[定 n ]
L=n2L.+L3. C=CIC./ くC.+n2cl) , Cl=C2,
々d=Ld/ L, せ｡=n2L./L . Q3-L3
/ L, pl=C/ C1,
p2= n2C/C.0, 々｡+ 々3= 1. pl+p2= 1
kl= (〟/4 m) (々d十4々Lo十 やdQo/L3
), k2= (々｡/ 々3)- 1
k3= 1/ e 3, k4=2 Q./ Qd, k8=Llや○/ 7
1, kg=2n
図 67に 示 す 各 ス イ ッチ ング サ ブ モ ー ドは ､次 の 4つ の 無 次 元 化 状 態 方 程 式 で 表
さ れ る｡
(I)
モ ー ドa
S lま た は D l単 流 モ ー ド
0
0
0
k2′kl
0
0
pl
/u
0
0
p17
t
0
0
-k3′kl -k9′kl
68
/
.
u
-pl/u
0
2p去7
t/lln
-p27
t/
〟
-1
く
10′kl
k10′2kl
- (67)
(I)
モ ー ドb
SZま た は D 2単 流 モ ー ド
0
0
0
pl 7
7/〟
0
0
0
0
p17
t/l
l
-p17
t/〟
0
0
0
2p27
t/
J
ln
-p27
【′
山n
く
2
′kl
-k3
′kl l
-k9′l
く
1 -klO′kl
kl
O′2kl
k6′k4 k5′k4
k9′21
く
4 k1
0/2k4
-k1
0′4k4
- (68)
69
(Ⅱ)
モ- ドc I
Sl
･D2重 流 モ ー ド,
モー ド C 3
Sl ･S2重 涜 モー ド
モー ド C 2
S2･Dl重涜 モー ド
0
0
0
p_
17
t/〟
0
0
0
p1 7
t/〟
0
0
0
2p27
(/山 n
0
0
0
0
k3
′k8
k2/k8
kg′k8
k10′k8
-pl7
t/〟
0
-p27
(′〟 n
0 .
-k10′2k8
-(69)
70
(
l
V)
モー ドd
休止モー ド
0
0
0
pl7
t/〟
0
0
0
p17
t/〟
0
0
0
2p27
一′
山n
･
･
･
(70)
各 モー ドの出力電 流 i
,
吉,出 力電圧 ひ:お よび S l,S2
の 各電 圧 ひ.!, L
rSさは次式
で表わせ る｡
各 モー ド共通
i
,
.
'
=n(2i
,
3-i
,
‡
-i
,
茎
)- (71) LT言=(入 /n2)i
,
.
+
+ひ
C
;-(72)
モー ド a, b
L
lS
!
,L
T8
さ=1- (山 々 d/
47
t)(di
d
'/d2) ･
･
･
(73)
モー ド d
L
T
B
f=(I-(山 々芸/47
7)(di
岩/dz)- Lrc茎+
t
rs芝=tll(山
LrcH
/2
-(
7
4
)
々芸
/
47
t)
起 動 か ら定常 状態 に至 る過渡 動作 を含 め て ､各 モー ドご との状態 方 程式 は ､ 4
次ル ンゲ ク ツ タ数値解 析 法 に よ り求め た｡起 動 初朋値 は､ゲ ー ト トリガパ ル ス を
加 えてか ら電源 を印加 す る起動手 順 よ り､全 てゼ ロ と した｡定常 状 態 の判定 は ､
け cT
の nサ イクル 日と
(n+1)サ イクル 目の初期値 を比較 し､そ の変 動 分 の絶
対値 が ､ 0.5% 以内 を も って定常状 態 と した｡ モー ド遷 移 の具 体例 を次 に述 べ
る｡
7I
6.5 ス イ ッチ ン グ モー ド
パ ル ス幅 を考 庶 したSI
Tの ス イ ッチ ング
動 作 は複 雑 とな る｡ す な わ ち､ 起 動 か ら
定 常 に至 る過 渡 動 作 に お い て ､ 各 ス イ ッ
チ ング モ ー ドは ､ Lrsl,L
rB2あ るい は Ll
｢TF
, ｣2の 正 負 に よ り自然 に モ ー ド遷 移 す る
場 合 と､パ ル ス幅 の オ ン ,オ フ時 点 に お
いて強 制 的 に モ ー ド遷 移 す る場 合 とが あ
る｡ また強 制 的 に モ ー ド遷 移 す る場 合 で
0
も､ 図 68に示 す よ うな Sl
･S2同 時ゲ
- ト逆 バ イア ス (約 40V) 期 間 と して の
Zdを設 け た場 合 と ､ Sl, S2同 時 ゲ ー ト
V品
2
図 68 ZdとZ
,Q
順 バ イ ア ス (約 0.
7V)期 間 と しての Z々
を設 け た場 合 とで は ス イ ッチ ング 時点 に お け る動 作 が全 く異 な る｡
6.
5.1 ゲ ー トパ ル ス休 止 期 間 を設 け た場 合
(1) 0
<
Zく(
0.
5Zd) a.単 流 モ ー ドの 場 合
Z=0で S lが ター ンオ ン して
斗 通 して い る間 に ､ S2の 電 圧 ひB
芸が負 にな った場 合 は､ そ の 時点 か ら Sl
･D2
重 流 モ ー ドに移 行 す る｡ 一 方 ､Z=0で D lが斗 通 して い る単 流 モ ー ドの場合 は
､ D lの電 流 と して の i
｣ がゼ ロク ロスす る時 点 か ら Slの 単流 モ ー ドとな る｡
b.
垂 流 モー ドの 場 合
S l･D2同 時導 適 量 流 モ ー ドに お いて ､ D2電 流 と し
J
茎が ゼ ロ ク ロ スす る場 合 は ､ そ の 時点 で Sl単 流 モー ドに移 行 す る｡
ての i
(2) Z
=(
0.
5Zd
)
a .単 流 モ ー ドの 場 合
｣;
(
0.
5Zd
)
>
0の Sl導 通 時 に､
S lゲ ー ト逆 バ イア ス に よ り S lオ フ ｡ D2が 一 日 (
0.
5Zd
)を初 期 値 と して斗 通 す
る単 流 モー ドとな る｡一 方 ､ L‡
(
0.
5Zd
)
<
0で D lが畔 適 時 は､ モ ー ド遷 移 はな く
そ の ま ま D lが串 通 す る｡
b. 重流 モ ー ドの場 合
Sl
･D2重 流 モ ー ドの場 合 は ､ S lはZ
=(
0.
5Z
d
)でゲ
し
き
) を初 期 値 とす る D
昌
一
ー ト逆 バ イ ア スに よ りオ フ し､ そ の 時点 に お け る (L
2の 単 流 モ ー
ドに移 行 す る｡
(
3) (
0.
5Zd
)
<Z
<
0.
5
Dlまた は DZ導 通 の 単 流 モー ドに お いて ､ i
,
T(=i
,
D
T)
または i
,
左(= i
,
Dを)が ゼ ロ クロ スす る時 点 で ､全 て の ス イ ッチ ング葉子 が オ ブ
す る休 止 モ ー ドとな る｡ゼ ロ ク ロ ス しな い場 合 は ､ Z=
0.
5まで ､ D lまた は D2は
そ の ま ま単流 モ ー ドと して 祥 通 し続 け る｡
Dl導 通 の単 流 モ ー ドの場 合 は ､ S2タ
ー ンオ ン に よ り D lは オ フ し､ - i
,7
(
0.
5
)= i
,
さ(
0)を初 期値 とす る S2の単 流 モー
(
4)Z
=
0｡
5
a｡単 流 モ ー ドの 場 合
72
ドとな る｡一方 ､D2
串 通 の単 流 モー Fの場合 は ､Z
:
0.
5に お いて S2がゲ ー ト順
バ イアスされて もモー ド遷移 はな く､ D2は その ま ま単 流 モー ドと して祥 通 し続
け る｡
b.
休止 モー ドの場合
全 て の ス イ ッチ ング素 子 オ フの休 止 モ ー ドで ､S2
が
トリガ きれ ると､ゼ ロを初期 値 とす る S2の単 流 モー ドとな る｡
6.
5.
2 ゲ ー トパ ル ス重 な り期 間 を設 け た場 合
(
1
)0
<
Z
<
Z々
Sl
,SZ共 にゲ ー ト順バ イア スの重 な り期 間 Z々に おいで は､
重 流 モ ー ドとな る｡
単流 モー ドは存 在 せず ､ Sl･D2,SZ･D2あ るい は Sl･S2
従 って､ モー ド遷 移 す る場合 は ､ この 3つの重流 モ ー ド間 で行 わ れ る｡
(2) Z
=
Z々
Z=
0で Slが トリガ きれ た場 合 は ､Z
=
Z々で S2がゲ ー ト逆 バ イア ス
く
Z々)
<
0の場 合 は､モ ー ド遷移 はな く､ その ま ま D2が串
され る｡ この 時点 で iさ
通 し続 け る (D2･Sl重 流 モー ド)｡一方 ､｣さ(
ZP)
>0の場 合 は ､ S2は オ フす
3
(
Z々)を初期 値 とす る Slの単 流 モ ー ドに移 行 す る｡
ると同時 に ､ L'
(
3)Z々<
Z
<
0.
5 a.単流 モ ー ドの場合
Sl蒔 通 単流 モー ドに お いて S2の ド
レイン ･ソー ス間電 圧 LTsさが 負 にな った場 合 は､その 時点 か ら Sl･D2重流 モー
ドとな る｡
b.
重流 モー ドの場合
Sl･D2重 流 モー ドの場 合 ､Z
=
0.
5に お いて S2が ト
が祥 通 して い るため に S2は ター ンオ ンせ ず ､従 って ､ モ ー ド
リガ されて も ､D2
遷移 は起 こ らな い｡
な お､ 回指の対称 性 か ら､上記 固持 動 作 に おいて ､ Slを S2に､ また Dlを D2
に置換 えて も､同様 の ス イッチ ング モ ー ド遷移 が行 われ る｡
6.6 定 常特性
6.
6.
1 ゲ ー トパ ル ス幅 の影 響
電圧 ･電 流折 中形 と してのSI
T
新 形 インバ ー タで は ､ Sl
,S2同
時ゲ ー ト逆 バ イアス期 間 と しての
Zd
(電 流形 は不可 ) あ るいは､
Sl
,S2同時ゲ ー ト順バ イアス期
間 と しての Z 々 (電圧 形 は不可 )
の両方 の投定 が可 能 で あ る｡ ここ
で は ､ Z d , Z 々パ ル ス幅 の定常
諸特 性 に対 す る影響 につ いて検 討
0.
5 0.
1 0.
う OB
2 0.
10 0.1 0.
2 0.
う 0.
4 0.
5
一
一
一
一lZd
Z 々一
図 69
す る｡
73
Z 4,ZQの影響
図 6 9に ､山 ,人 等 の
無 次 元 化 パ ラ メ ー ター 定
に お い て ､ Zd , Z pを
変 化 した と きの 出 力 電 力
P;,SI
T電 圧 最 大 値 Vs
孟
お よび 電 流 最 大 値 Tsまを
示 す ｡ ま た ､ 図 70に ､
Z々,Zdを そ れ ぞ れ (a)
ZP=
0.
02,
(
b)Z々=
0.
2
5
,(C)Z 々=0.
32,(
d)Zd
･
0.
2
5と した と きの 各 部
定 常 動 作 波 形 を示 す ｡ 図
69に お い て Zdの 増 加
に 伴 い､ P;
, Vs
孟お よ
U I.三は一 様 に 減 少 して
い る｡ 一 方 ､Z々の 増 加
に対 して は ､Zp=
0.
25
付 近 まで は ､ ほ とん ど各
特 性 値 の変 化 は な く､0.
25を超 え る と急 激 に 各 特
性 値 が 一 様 に 上 昇 して い
る｡ これ は ､ 図 7 0(b)
Z 々=
0.
2
5の i
J;,i
,
さの
波 形 に お い て ､Sl
,S2
(C) Z々=0. 32
の ゲ ー ト トリガ パ ル ス を
Z =0-0.
25の 期 間 重 ね
て も､ そ の 期 間 中 D lが
斗 通 して い る た め に ゲ ー
ト順 バ イア スの 効 果 が な
く､ Z
や=0の 場 合 と変
りな い ため で あ る｡ す な
わ ち ､ Z Pの 効 果 は ､ Z
Q=0の ｣;の 波 形 に お
いて ､ Slが ゲ ー ト トリ
ガ さ れ る以 前 に D lが 祥
74
通 す るような固持パ ラメー タの場合 は ､Dl
の導 通 が始 まる時点 か ら､
Sl
のゲ ー
トトリガ 時点 までの期 間 ZDlよ りも大 きな Z 々の場 合 に お いて有効 で あ り､ Z 々
･ZDlにおいて は Z々の影響 はな い｡一方 ､ S lゲ ー トい Jガ 以 前 に Dlが串 通 し
な い ような回 路パ ラ メー タの場合 は ､Z々を設 け るこ とに よ り､ P.
+
,V.孟お よ
び Ⅰ8
孟は一様 に上 昇 す る｡
=0か ら Dl電 流
Z や同様 に Zdに関 して も , Zd=0の LTの波 形 に お いて ､Z
い がゼ ロクロスす るまで の期 間 ZD2よ りも Zdが大 きい場 合 の み Zdを設 け る効
果 が あ り､ ZdくZD2の場 合 ､その影 響 はな い｡
以上 の Zd. Z 々変 化 に よ る出力電 力特 性 をも とに､パ ル ス幅 制 御 用 ICを用
いた実 用回持 (付録参 照 ) に よ る出力 電 力 の速 応 制御 が可 能 とな る｡そ の場 合 ､
,∫.
まの増 減 の傾 向 は一致 し
図 69の特 性 曲線 よ り､ P.
+の増減 の傾 向 と ､ V.
丘
て お り､安定 制 御 の披点 よ り都合 が よい｡な お､以 降 の定 常 托特性 のデ ー タは､
数値解析 に おいて Zdを0.
03に設 定 して調 べ た｡
6.
6.
2 周波数 特性
ラメー タとす るA
l-p吉特性 を示 す ｡ リ
p ▲
図 7 1に入 一定 に お いて 々d(Ld/L)をパ
4★
o
無次元化 に おけ る周 波数 は山 とな る｡
アク トル 比 々 dに おいて 々d=0が電 圧 形
, 々d≧1
000が電流 形 , 々dが数 十 か ら数
百 は､電圧 形 と電 流 形の折 中形 と言 え よ
う｡図 7 1の 山 一P.
'特 性 よ り､各 パ ラ
山=0.7付近 で は
メー タ 々 dにお いて も､
P;は最大 とな り効率 よ く電 力変換 され
る｡ 々 dが30以上 の場 合 ､Alの広 い領 域
l-po'特 性
図7 1 l
において 々 dの大 小 に よ る P;の差異 は小
0
図 72は､同様 に 々 dをパ ラメー タと
p)
がわか る｡
0
人 ･出力電 力 には あ ま り影響 がな いこ と
Ri は ー う
と電流形 を比較 した場合 ､ 々 dの大 小 は
1
｡
さ く､従 って ､ 々 d ≧30に お いて折 中形
p% を
す る山 に対 す る平均値 リプル 率 Ri
示 す｡ また､図 73に ､山 ,人 等 のパ ラ
メー ター定 に おいて ､ 々dの み を(a)々d=
1,
(b)々d
=30,
(C)々d=200と した ときの
0.
0
1 -.〟
図 72 山一Ri
p
特性
各 部定常動作 波形 を示 す｡
75
2
ナS
O
O
4
2
0
J
･
･
★d
く振 れ ､ そ の 結 果 図 7 2 に納 ま らな い
け
々d=0の 電 圧 形 の場 合 ､ 図 73(a)に示
,
芸が マ イナ ス まで 大 き
され る よ うに ､i
程 リプ ル 率 が 著 し く大 き くな る｡ 一 方
々 d
≧1
000の電 流 形 で
は ､数 百mHの 人 力 直 流 リア ク トル Ldの
接 続 に よ り､ リプル 率 は極 め て 小 さ く
､厳 密 に Ldの値 を考 慮 した数 値 解 析 を
しな くて も､ 近 似 的 に定 電 流 源 とみ な
して差 し支 えな い こ とが わ か る ｡々d
=
30お よび 200の 折 中 形 で は 山 ≦0.
7の 使
20 t
L
ノO L
^0 0 0
"0 5 ｡ づ 10 0 -｡
め .･
･
J
苫
h
u ■
､図 7 2 に お いて
品
山 ≧0.
7の 鏡 域 で は図 7 3(b)(C)に も示
現
従 って ､ 以 上 の 特 性 よ り､ 々 dが数 十
÷
0
制 しな が ら､ 高 周 波 大 電 力 の 供給 が可
くノ
.
L
tL
Jl
トル の 小 型 軽 量化 お よび リプ ル 率 を抑
｡
な い し数 百 の 折 中 形 で は ､ 直 流 リア ク
･
gN
さ れ る よ うに比 較 的小 さ い｡
≡
域 で は リプ ル 率 が や や大 き くな るが ､
能 とな る｡
6.
6.
3 負荷特性
無 次 元 化 に お け る負 荷 は人 で表 わ さ
れ る｡ 図 74に ､ 々 d =1
00,山 =0.
7に
仙
お け る負 荷 話 特 性 を示 す ｡
[
･=.｡隼
ノ0
0 仁
★
.L
▲｢0
★o
h
u
▲｢
I
図 73 定常動作波形
図 74 負荷話特性
76
同 国 よ り､入 =0.1
5付近 で出 力電 力 P:は最 大 とな り･ その 時 リプル奉 お よび SI
T
の電圧 の 最大 値 V.
まも最 小 とな るこ とが わ か る｡広 い負 荷 変 動 に お いて も､ リプ
孟お よび Is志が ､負 荷変 動 に伴 いやや大 き
ル率 は 3%以 内 と極 め て小 さいが ､ Ⅴ&
く変 化 す るので注意 を要 す ｡
6.7 過渡 特性
高速 ス イッチ ングサ イ リス タあ
SCRな どの 高周波 インバ
るいはAー タに おけ る周波数 限界 は､主 と
して T｡日に よって 限定 され る｡
ー
言
1
い
0
10
.
5
1
.
0
1
.
5
2
.
0
2
.
5
3
.
0う
.
5
Lrg
*s 1
1
1
- a
すなわち､素 子 の T ｡‖定 格 値 よ
りも､固持 の転流余裕 時間 T｡が
E
大 きい ことが ､安定 動作 の必 要 条
件 にな る｡ この T'は､サ イ リス
≡≡≡
莞
喜
(a)z P= 0 . 0 2
タに逆 並列 にダ イオー ドが接 続 さ
れ る方式 で は､ダ イオー ドの# 通
期 間 と して､実験 お よび 計算 に お
いて求 め られ る｡
起動 時過 渡動作 におけ る T｡の
(
b
)
Z
P
=
0
.
3
2
値 は､サ イクル毎 に変 化 し､一 般
に定 常値 よ りも小 さ い｡従 って ､
サ イ リス タを用 いた高周 波 インバ
ー タの場 合 は､実 質 的 には起動 時
過渡動作 に おけ る Tcの最 小値 に
よって周波数 限界 が 限定 され て し
ま う｡
u
s
*
s1
* 2
い 0
-1
T高周 波 インバ ー タの
一 方 ､SI
場合 は､サ イ リス タの よ うな ､ ア
ノー ド,カ ソー ド間逆バ イア ス期
間 と しての T｡は必 要 と しな いの
で､起動 時過渡 動作 におけ るサ イ
(C)Z d= 0 ･ 2 5
リス タ方式の よ うな周波 数 限界 は
図 75 起動時過渡動作波形
問題 とな らな い｡
77
図 75(a)∼ (C)に ､ 々 d =200､山 =
0.
75,
人 =0.11
5に お いて ､ そ れ ぞ れ
(a)Z 々=0.
02,
(b)Z々=0.
32,くC)
z d
=0.
25に おけ る起 動 時過 渡 動 作
波 形 を示 す ｡ 々 d =200の 場 合 は､ い
ず れ の動 作 波 形 に お い て も ､S
I
Tお
よび ダ イオ ー ド電 流 と して の
i
.
1
は
4=200
､人 力 直 流 リア ク トル Ldの 作 用 に
(a) 々
よ り徐 々に増加 して ゆ き､数 十 サ イ
クル 後 に はば定 常 値 と判 定 され る｡
1の
一 方 ､ 図 76の P d=30お よび 0.
起 動 時 過 渡 動 作 波 形 に お いて は､起
T電 流 が
動 5- 6 サ イ クル後 に ､SI
最 大 とな り､定 常 値 よ りも大 きなSI
T電 流 の 最大 値 が発 生 す る こ とが わ
か る.
(b)々4
=3 0
Tの
一 般 に ､ 回 路設 計 に お い て SI
電 流 お よび 電 圧 の 最 大 定 格 を検 討 す
る場 合 ､定 常 値 を も とに そ の 最 大 定
Tの耐 圧 ､ あ る いは
格 を検 討 してSI
並列 接 続 個 数 等 を決 定 す る｡ しか し
､同 じ折 中 形 で も 々 dが数 十 以 下 と
い う比 較 的 小 さな値 の 場 合 は ､ p d
= Oの電 圧 形 の起 動 時過 膿 動 作 と同
様 に ､過 渡 値 の検 討 も必 要 と言 え よ
う｡
図 76 起動時過渡動作波形
6. 8 結 言
本 章 で は､電 圧 ･電 流 折 中 形 と し
て のSI
T新 形 インバ ー タを提 案 す る と とも に､ そ の過渡 並 び に定 常諸 特 性 を中心
に述 べ た｡ そ の結 果 ､ 次 の よ うな こ とが 明 らか とな った｡
(1)Sl
T同 時ゲ ー ト逆 バ イア ス期 間 Zd､ お よび 同 時ゲ ー ト順 バ イア ス期 間 Z 々と
して の パ ル ス幅 を考 放 した過 渡 ･定 常 特 性 解析 よ り､ Zd ,Z 々変 化 に よ る出力
電 力 の影 響 を定 量 的 に明 らか に した｡
78
(2) Z 々制御 に よるパ ル ス幅 制御 の効 果 は ､Sl
Tに逆 並列 にダ イオ ー ドが接続 き
る場合 ､SI
Tがゲ ー ト トリガ きれ る以前 に逆並 列 ダ イオ- ドの群 通 が始 ま る時点
か らSI
Tのゲ ー トトリガ までの期 間 ZDlよ りも大 きい Z 々に お いて有 効 で あ る｡
Zd制御 の場 合 は ､ Z = 0に お け るSI
Tの トリガ 時点 に お いて､逆 並 列接続 ダ イオ
ー ドが祥 通 して い る場 合 ､ Z = 0か らダ イオー ド電 流 がゼ ロ ク ロ スす るまでの期
間 ZD2よ りも Zdが大 きい場 合 の み有 効 とな る｡
(3) 出力電 力の周波数特 性 に お いて ､直流 リア ク トル 比
々 d
が数 十 な い し数 百 の
折 中形 と 々d≧1000の電 流 形 を比 べ ると ､ 々d≧30に お いて は ､ 々dの大 小 は出 力
電力 に あ ま り影響 しな い｡
(
4) 数 百 m Hの直流 リア ク トル Ld を接続 す る電 流 形 に比 べ ､折 中形 で は ､ 々 d
=30-200に適定 す るこ とに よ り赦m Hの Ldで人 力 直流 電 流 の リプル 率 を軽 減 で
きる｡
(5) 過渡 特性 にお いて ､ 々dが数十 の折 中形 の場 合 ､電 圧 形 同様 にSI
Tお よび ダ
イオー ド電流 の最大 値 に関 して､起 動 数 サ イクル後 に定 常 値 よ りも大 きい過 塘値
の発生 が確認 され た｡従 って ､素 子 の最大 定格 を決 め る回指 設 計 に お いては､過
渡値の検 討 を要 す｡
SI
T新 形 インバ ー タの超 音波洗浄 横 の応 用 に おいて は､出力 に関 して は､振動
子 の材質 ,形 状 に よ る制約上 ､現状 に お いて はせ いぜ い数 百 KHzで数 百 W で あ る
｡従 って､現 在 は ､2SK180を 2個用 いた回指 で構成 して い るが ､今後 は､誘 鮮加
熱 への応用 も考渡 して ､SI
Tの並列接 続 に よ り数 Kw , 1MH
zの出力 を検討 した
い｡
79
付録
静 電 誘 斗 トラ ン ジ ス タ ドラ イブ 回 祐
CN2
(a)
s ITパ ワ ー ユ ニ ッ ト用 ドラ イブ 回 路 (東 北 金 属 )
.
I
l
I
▲▲▲▲
I
0
笥
l
1
1
4
う
2
1
■
7
6
う
8
2
1
SGうう24
15
6
■
(b)
パ ル ス幅 制 御 用 ゲ ー ト信 号 回 路
80
E∃ ri
l堅∃
逆
領事 通
サ
イ
リ
ス
タ
プヲ 式
改
良
形
高
周
波
イ
ニノ )ヾ -一 夕
の
弓翁 力
走宣 音
波
発
掘
機
へ
の
応
用
7. 1 緒 言
第 2章 か ら第 6章 で は ､強 力 超 音 波 励 振 源 と して の 種 々の 固 持 方 式 に 関 して 述
べ て き た ｡ 本 章 で は ､ こ れ らの 回 路 方 式 の 中 か ら､ 第 3章 ､ 第 4葦 で 述 べ た改 良
形 インバ ー タの 強 力 超 音 波 発 振 機 へ の 具 体 的 応 用 に つ い て 述 べ る｡ 強 力 趨 音 波 発
振 機 の 回 路 実 設 計 に 関 して は ､ 振 動 子 系 電 気 端 に お け る入 力 負 荷 特 性 に未 知 の 要
素 が 多 く､ 発 振 機 と して の 高 周 波 イ ンバ ー タの 動 特 性 が 十 分 解 明 され て お らず そ
の吉
集計 法 も未 発 屈 の 段 階 で あ る｡
高 周 波 イ ンバ ー タの 動 特 性 に 関 して は ､第 3章 か ら第 6章 に お い て ､ 従 来 形 イ
ンバ ー タ との 特 性 比 較 を しな が ら､ 種 々の 回 路 設 計 資 料 を与 え た ｡
本 章 で は ､ まず 初 め に ､強 力 超 音 波 の 具 体 的 応 用 と して の 強 力 超 音 波 ホ モ ジ ナ
イザ (1)(2) に 関 して ､ そ の 入 力 負 荷 特 性
(54日
)を 明 らか に す る と と も に ､ 第 3
55
章 ､ 第 4章 の 解 析 結 果 に 基 づ く改 良 形 イ ンバ ー タに よ る発 振 機 の 回 路 実 設 計 法 (
3
9)につ い て 述 べ て い る｡
ま た ､ そ の 固 持 実 設 計 法 を も とに試 作 発 振 機 を製 作 し､
強 力 超 音 波 ホ モ ジ ナ イザ を駆 動 して 改 質 燃 料 を生 成 す る と と も に ､ そ の 効 果 を分
析 検 討 して い る｡
7.2 強 力 超 音 波 ホ モジ ナ イザ の負 荷 諸 特 性
7.
2.
1 強 力 娼 音 波 ホ モ ジ ナ イザ の 構 成
強力超音波発振機 の回路設計 に
お いて は ､負 荷 状 態 で の 電 気 端 か
ら見 た機 械 系 の 共 振 点 に お け る負
荷 等 価 固 持 定 数 を 測 定 し､ そ の 値
を も とに イ ンバ ー タ各 回 指 定 数 を
○●
C▲11
■t
o
r 芸.
1
三r
.;.
'
三光 :
,!
∃
設 計 す る必 要 が あ る｡ 従 って ､強
力超 音波 振 動子系 の負荷特性 や周
波数特性
な る｡
(54) (55)
の 把 堀 が重 要 と
強 力 担音 波応 用 の一例 と
(a)
(b)
図 77 走
塁音波ホモジナイザ と負荷特性測定回田
して の 超 音 波 ホ モ ジ ナ イザ の 構 成
を図 77(a)に示 す ｡
81
超 音 波 ホ モ ジ ナ イザ に は 次 の よ うな用 途 が あ る｡
(a) 繊 /液 系 分 散 :エ マ ル ジ ョン燃 料 (燃料 油 と水 等 の 混 合 乳 化 燃 料 )､乳 液等
の分 散乳化 処理
(b) 回 / 塘 系 分 散 :チ タン ホ ワ イ ト､感 光 材 料 ､低 質 燃 料 等 の 分 散 処理
(C) 化学 反応 促 進 :油 脂 頬 の精 製 ､脱 色 等
そ の 負 荷 変 動 要 因 と して は ､ 図 7 7 に示 す 油 深 D(mm),ク リア ラ ン スC(mn),粘
cst)お よび 圧 力 な どの 変 化 が考 え られ る｡ こ こで は ､ これ らの負 荷 変 動 を
度 V(
電 気 端 入 力 負 荷 特 性 と して負 荷 ア ドミタン スの 変 化 を測定 す る こ とに よ り､発振
機 へ の 影 響 を分 析 す る｡ 負 荷 諸 特 性 の 測 定 法 と して は ､ 図 7 7(b)に示 す定 電 流
)A-B,BCの電 圧 位 相 差 測 定 ,
(2)A8,BCの電
測 定 法 を 採 用 した｡ す な わ ち ､(1
圧 測 定 ,(3)電 流 測 定
これ ら各 電 圧 ,電 流 お よび 位 相 差 よ りア ドミ タン スを算 出
した｡
7.
2.
2 液凍特性
図 78に 娼 音 波 ホ モ ジ ナ イザ の繕 深 Dmmを変 化 させ た場 合 の電 気 端 子 に お け る
負 荷 ア ドミタン スの 変 化 を示 す ｡媒 質 と して A 重 油 を用 い､温度 ､粘 度 ､圧 力 ､
cmm､発 振 機 の f｡kH
zを一 定 と して D を変 化 させ た もの で あ る｡従 来 ､超 音波 ホ
モ ジ ナ イザ の Dの 変 化 は そ れ ほ ど問題 ときれ て いな か ったが ､ 図 78よ り Dの変
化 に よ り大 巾 に負 荷 ア ドミタン スが変 化 す るこ とが 明 らか とな っ た｡ 同 園 よ り､
D が 3 2mmお よび 4 2mmのポ イン トが 負 荷 共 振 点 とな って い る｡従 って､ エ マル
ジ ョン燃 料 お よび 重 油 改 質 シ ステ ム な どに お いて ､ 発 振 機 の 出 7]周 波 数 -定 時 に
Dが変 化 した場 合 ､ 共 振 点 を は ず れ て効 率 が悪 くな り強 力 超 音 波 振 動 子 に余 分 な
負 担 を か け る こ とに な る｡
の
4
2
岩︺ -
6
4
2
芸 叫︺
Y八 6 〃｣卜 ･
︹t
6
︹.
0
1
-一 一 ･
Gl
ms
l
]
図 7 8 泊涜特性
82
すな わ ち ､振 動 子 自体 の招 集 分 に よ り発 熟 し､ひ い て は振 動 子破 壊 を招 く恐 れ が
あ る｡従 って ､ D を一定 に保 つ よ うに流 量 制 御 す るか ､ また は Dが変 化 す るご と
に その 共 振 周 波数 を追 尾 す る必 要 が あ る｡
LL
1
7.
2,
3 ク リア ラ ン ス特 性
8(T
n
m)
■
ヽ
一
㌦
･
F
l
tノ
n
フ
I
-+
I
I
1
-′
､
＼
野
.
措
一.
､
●
音波 の性 質 上 ､液 体 中 で は必 ず何 等 か の 吸 収
ー,
L
r
L
一
｢
●
動 作 に よ り乳 化 あ るいは分 散 す る｡ これ は娼
4
ラン ス をで き るだ け小 さ く して媒 質 を大 振 幅
(
∽日).
内
-
超 音 波 ホ モ ジ ナ イザ (
日(
2)の場 合 ､ ク リア
作 用 に よ り波 の進 行 に従 い招 音 波 の 強 さが減
′
′
るため で あ る｡ しか し､乳 化 分 散 す る媒 賃 の
ノ
一
Y
一
ヽ
＼
●
o
＼
l
衰 し､同 時 に放 射圧 も低 下 す るこ とを考 凍 す
種 頬 (重 油 ,圧 延 油 ,感 光 材 ,乳 酒 な ど) お
よび 粘 度 の 高低 に よ って は､ あ ま りク リア ラ
1
ン スが小 さす ぎ ると媒 質 の流 れ が 阻 害 きれ る
1
G(ms) )
図 79 クリアランス特性
ことにな る｡従 って ､媒 質 の種 類 に も よ るが
､ 1- 5mm程 度 が 適 当 と言 え よ う｡
一
図 79に媒 質 に A 重油 を用 い､諸 条 件 を ほぼ 一定 と LCmmを変 化 させ た場 合 の
負荷 ア ドミタン ス実 測 例 を示 す ｡ 同 国 よ り､ Cの わ ずか な変 異 に よ り負 荷 ア ドミ
タン スが大 巾 に変 動 す る こ とが 明 らか とな った｡ 図 77(a)の シ ステ ム構 成例 で
は ､初 め に ク リア ラ ン ス を設 定 して しまえば 形 状 的 に一 定 とな り変 動 す る こ とは
な いが ､超音 波 洗 浄横 の よ うな 場合 は ､洗 浄 す る物 体 の有 無 に よ り大 き く変 動 す
るの で注 意 を要 す｡
7.
2.
4 粘度 特 性
超 音波 ホ モジ ナ イザ の乳 化 あ るいは分 散 させ る媒 質 と して 重 油 お よび 水 / 重 油
を考 え た場 合 ､粘 度 の 変 化 に影 響 す る因 子 と しては 度 ､乳 化 度 ､水 分 比 率 お よび
使 用 重油 の種 精 な どが考 え られ る｡ デ ィーゼ ル エ ンジ ンあ るい はボ イラバ ー ナ に
おいて ､最 良の燃 焼 状 態 を保 持 す るため に は､油 の耗 化 ､到 達 ､分 散 お よび 分 布
の 4集件 に適 した噴 射形 態 を と る必 要 が あ る｡ 一 般 に､ 低 質 重 油 ほ ど粘 度 が 高 く
な る傾 向 が あ り､適性 粘 度 とす るため に は高退 加 熱 す る必 要 が あ る｡
図 80には 度 以外 の 詩 集 件 を一 定 と した と きのほ 度 変 化 に よ る電 気 鳩 か らみ た
粘度 特 性 を示 す ｡同 図 は､媒 質 と して C重 油 使 用 ､ 出 J]周 波 数 f｡を88oCに お け
8512H之に固定 し､ 36-92oCまで加 熱 ､温 度 変 化 させ た場 合 の 負 荷
る共 掘 周 波数 1
ア ドミタン スの変 化 を示 す ｡ 図 80に お いて Vは toCに お け る動 粘 皮(
c
st
)を示
す ｡一 般 に動粘 度 とは度 の 関 係 は一 定 の 関 係 が あ る｡ 図 80に お いて ､共 振 点 が
88oCと64oCの 2点 に表 わ れ て い る｡
83
図 80 粘度特性
液 漢 ･ ク リア ラ ン ス特 性 に お いて も共 振 点 は 1点 で はな か っ たが ､ そ の 場 合制 動
ア ドミ タン ス Ydは ほぼ 一 定 で ､ 勤 ア ドミタン ス Ymの み が変 化 して い た｡ しか し､
hと とも に Ydも変 化 す る こ とが明 らか とな った｡
粘 度 特 性 の 場 合 は ､ YE
7.
2.
5 周波数特性
招 音 波 ホ モジ ナ イザ は ､ 分 散 工 具場 面 の キ ャ ビテ ー シ ヨン現 象 (空 洞現 象 ) ち
利 用 して 乳 化 分 散 をす る｡ そ の キ ャ ビテ ー シ ヨン は ､ シ ステ ム の駆 動状 態 に おけ
る機 械 系 の 共 振 周 波 数 に お い て頗 著 とな る｡従 って ､発 振 機 の 固 持 設 計 に お いて
は ､ 負 荷 状 態 に お け る周 波 数 特 性 よ りア ドミタン スル ー ブ を求 め ､そ れ か ら共振
点 に お け る等 価 国 指定 数 を も とめ る必 要 が あ る｡
図 8 1に一定 負 荷 状 態 (媒 質 B重 油 ､ 混 合 水 分 10% ､ 流量 1々/mi
n､粘 度
約 15c
st
､ ク リア ラ ン ス 3mm､摘 採 3 0mm) に お け る周 波 数 特 性 を示 す｡ E
g
]8
1に お いて共 振 周 波数 は 1
8547H2,共 振 点 に お け る動 ア ドミタン ス Ymo = 7.8
m
S､ 制 動 ア ドミタン ス Yd= 5.8m
S｡ これ らの 値 を も とに(1
2)お よび (
1
3
)
式よ
り求 め た共 振 点 に お け る負 荷 等 価回 指 定 数 は ､ R｡= 8 2 . 4 E
2, C｡= 0 . 13
9 〃Fとな る｡
一 般 に ､強 力 超 音 波 振 動 子 系 励 振 源 の 共 振 の鋭 さ Q は ､動 ア ドミタン スル ープ
､f2
､半 値幅 △
の原 点 か ら直 径 に対 して 4 50方 向 に相 当す る象 限周 波 数 を fl
f=f2-jl,共 振 周 波 数 f,とす る と
Q=
5,
/Af
･
･
･
(76)
84
8
一｣空5
} 0(
舶)
/ 一一
′O
7
I
.
フ
(
s
T
:
)
爪
tT
l
J憲::…21
/I
8蒜4
J
W
ー､
､JP
2う9
､
､
r1
8454
ヽ
＼
I
∫
∫
∫
う
2
1
0
′
/
5
+
5
0
/
/
'
1
8
_ー /
､1
8575 1
85号5/
-1
1
1
8.
う
1
8.
4
1
a5
1
8.
6
1
8.
7
1+fo【
Ⅰ
Ⅰ
2
:
)
一十 G(
ms)
図 81 周波数特性
と与 え られ る｡ この Q は ､ 電 わ い形 振 動 子 の 方 が 磁 わ い形 振 動 子 に比 べ て 高 く､
Qの 高 い程 ､機 械 系 の損 失 も小 さ くな り効 率 も 良 くな る｡ しか し､ Qが 高 い こ と
は図 8 1に も示 され る よ うに ､ 共 振 点 近 傍 に お いて負 荷 ア ドミタン スが大 巾 に変
動 す る｡従 って ､発 振 機 の 回 指 設 計 に お いて は ､共 振 点 近 傍 に お け る負 荷 変 動 に
よ り､ ス イ ッチ ング素 子 あ るい は振 動 子 の破 壊 を生 じな い よ うに各 回 路 素 子 を厳
密 に選定 す る必 要 が あ る｡ (76)式 よ り図 8 1に お いて Q を求 め る と､約 6 18 と
な り､非 常 に尖 鋭度 の 高 い こ とが わ か る｡
7.3 高 岡波 インバ ー タ駆 動 強 力 超 音 波 発 振 機 の 設 計
7.
3.1 設 計概 念
強 力超 音 波 発 振 機 に限 らず ､読 替 加 熱 系 の 高 周 波 電 源 に関 して も､ サ イ リス タ
高周 波 インバ ー タの体 系 的 な 固 持 設 計 法 は 明 らか に きれ て お らず ､一 部 直 列 イ ン
バ ー タにわ ず か に論 じ られ て い る程 度 で あ る ｡
く6) (
7)本 節 で は､
この よ うな現 状
を踏 まえて強 力 超 音 波 発 振 機 の 固 相 実 設 計 に つ いて述 べ る｡強 力 超 音 波 応 用 と し
ての 超 音推 ホ モ ジ ナ イザ の 回路 設 計 に 際 して は ､設 計 仕 様 と して次 の よ うな 点 が
あげ られ る｡
(1) 負 荷 条 件
用 途 :エ マル ジ ョ ン燃 料 ､感 光 材 料 な どの乳 化分 散 あ る い は重 油 ス ラ ッジ成 分 の
粉砕等
媒 質 :A , Bあ るい は C重油 ,ガ ソ リン､水 等
流 量 :総 流 量 [々/mi
n]
85
粘 度 :重 油 加熱 温度 に お け る粘 度 [cst]
形 状 :ク リアラ ン ス
[
m
m1 ,液深 [
m
m]
(2) 超 音 波 ホ モジ ナ イザ お よび ス イ ッチ ング 素 子 定 格
定格出力
PolV] ､電 源 電圧
E[
V]､ 振 動 子 系 共 振 周波 数 f,[Hz]
サ イ リス タお よび ダ イオ ー ド定 格 :ター ンオ フ タ イム
サ イ リス タ電圧 ,電 流繰 り返 しピー ク値
オ ン電 流 上 昇率
ToH [J
IS]
L
rTh
m.x[V] , i,Tbmax[A]
d i/d t [
A/ 〟 S] ,オ フ電 圧 上 昇率
サ イ リス タ平 均順 電 流
i.T
ha
v [A ]
dv/d t [Ⅴ/〃S]
,ダ イオ ー ド平 均 順電 流
ダ イオ ー ド繰 り返 しピー ク電 圧 お よび 電 流
LDa
v[
A]
L
rDmax[
V], i
,
Dmax[
A]
(3) 回 路 パ ラ メー タ
山 =27
tfo√(
L
C),入 =R/ 2√(
L
/C) , 々
I
=Ll
/L=L2
/L,m =L3
/L
a= Cl/C = Cz/C, b= C3/C ,
k =Llと L2
電磁結合度 ,
n=nl
/n2=出力 変 成 器 巻 数 比
設 計 仕 様 の与 え方 には種 々の方 式 が考 え られ るが 強 力 超 音 波 あ るいは誘導加 熱 の
よ うな 電 力 用 高周 波 インバ ー タの場 合 は､ 使 用 す る高速 ス イ ッチ ング サ イ リス タ
の 定 格 に左 右 きれ る要 素 が大 きい｡従 って ､ こ こで は､強 力 超 音波 振 動 子系 の定
格 出 力 P｡お よび 振 動 子 系 共振 周 波 数 fr
との 関係 に お いて ､ 使 用 す る高速 ス イ ッ
チ ン グ サ イ リス タの安定 動 作 に必 要 な 諸定 格 を満 足 す る ように ､ 回搾 パ ラ メー タ
お よび 出力 変 成 器 巻 数比 を設 計 す る方 式 とす る｡
7.
3.
2 設 計デ ー タ
第 3葺 お よび第 4葦 に お いて ､強 力 超 音 波 発 振 機 の 回躍 設 計 に必 要 な諸 賃料 を
提 示 した が ､ こ こで は さ らに具 体 的 な 設 計 デ ー タを補 足 説 明 す る｡
(1) 人 ･出力 電 力 との 関連 に おけ る L,C,R
(52)式 お よび (
53)式 に お いて ､回指 の損 失 分 を考 慮 して効 率 符とす ると､
P.+= 7
7P､
n'= 7
7･2√ (L/C)･Pth/ E2
∴
･
･
･
(77)
√(L/C)=P｡*E2/(2符P,
A
)= 7
7EZ･pl
n*/ (2Po)
=(7
TEZ/2P｡) [(27
rZul
Z
/山 91- i
,
芝'Ozu
l
)+(2al
l/7
t)･
(L
r
さ
く
0.
5)-t
J芸(Zul)‡]
こ こで (1
4)式 よ り
√(L
C)=J
l/ 27
tf｡
･
･
･
(
7
8)
従 って､両 式 よ り
L= くilE2符PI
B
*
)/(4=7
tf.p.) , C=山 p｡/ (符7
tf｡E2p.
h*)
人
R= 2 √ (L/ C)
-(
7
9)
の よ うに L,C,Rが求 ま る｡
な お ､ こ こで P ln'は､選定 した山 ､人 の値 に よ り Zuを考 慮 して計算 よ り求 め
るわ け で あ るが ､ 図 8 2に､改 良形 インバ ー タ発掘 横 のJ
J
.
､入 平面 にお け る P lh
書の 分 布 を示 す ｡
86
(2) サ イ リス タ電 流 平 均 値
超 音 波 振 動 子 系 の定 格 出 7]
電力
との関 連 に お いて ､ サ イ リス タ平
均 順電 流定 格 と しての サ イ リス タ
電 流 平均 値 ITh.V'が必要 とな る
｡ 高速 ス イ ッチ ング サ イ リス タと
高速 ス イ ッチ ングダ イオー ドを逆
並列 に接続 した方 式 と して の 逆 尊
通 サ イ リス タ方 式 の 場 合 ､ IThav
'は ､ Thlまた は Th2番 通 期 間
におけ る i
.
!また は
Lさの平 均 値 と
して下 式 で与 え られ る｡
〈7
TZu2/(山 々1)-0.
5
i
,
茎
'
Ozu
)+(aD/7
t)(ひき(Zl)
-L
r
き'0〉)
こ こで L‡
(Zl
)= 0
IThiV`=
0･
5
--人
1･
0
図 82 P川+
分布
- (80)
.
4
.
うう
図 83に改 良形 インバ ー タの特 性 上 ､実 際 に
選定 され る こ との 多 い入 ≦0.
3,0.
6≦山 ≦0.
9
5の範 囲 に お け る IThAv■の 分 布 を示 す ｡
(3) コンデ ンサ電 流 実効 値 ,転 流 リア ク ト
ル電 流実 効低
回指 素 子 と して の コ ンデ ンサ Cl,C2お よ
び 転 流 リア ク トル Ll,L2の 電流 実 効 値 Icl
.
ラ
.
2
75
.､
±､
二
妻妾
葦 萱
享
至 芸 …
…;ラ
＼-ーJ
メ ･
1
75
,2,m8'お よび IL1
,2.ms'はそ れぞ れ下 式 で与
え られ る｡
〈
0.
5･
L4
Si
,O
'2(Z)dZ〉 ･
･
･
(
81
)
l Ll
.2,m8
* √ t∬∼
いく
Z
)
2d
Z〉 - (82)
Icl
,2.
ms'= √
=
0.
1
図 8 4お よび 図 85に､入 ≦0.
3,0.
6≦山 ≦
0.
95の範 囲 に お け る Icl.2 h
S
'お よび
日
日 h8
ILl,2
図 83
0.
2
0.
ラ
.
･
.
･
･
.
十人
tTH v'
分布
書の分布 を示 す｡
発掘 機 の 回指設 計 に お いて は､安 定 動 作 の規 点 よ り過 渡 値 と して の LThmax,
uThm.x, d i/d tお よび T ｡ 日 を考 癒 し､定常 定 格 出 力 の 観 点 か ら P.
‥ P｡,
Id,Ⅰ｡.
,
n
‥ V｡… &,lThav,Icl,2,msお よび ILl.2,h8等 の定 常 値 を検 討 す る｡
87
7.
3.
3 設計手順
以上 の設計デ ー タ
≡:
:三 t
:
･I
.
_
享
…三
三
一̀
･
÷
指 実 設 計 に お け る手
帽 に つ い て 述 べ る｡
)] 等
[ステ ップ (1
価 固 持 定 数 R｡,C｡
の算 出
強力超音波ホモジナ
イザ の使 用 目的 (エ
マル ジ ョン燃 料 生 成
,重 油 中 ス ラ ッジ 成
分 の粉 砕 な ど) に お
け る負 荷 条 件 (重 油
0.1
2→0
.
3
入
0.
-
図 84
Icl,2,ms'
o･1
図 85
そ一入
0･
う
0
IL1.2,hS
+
分布
の 種 頬 ,流 量 ,粘 度 , ク リア ラ ン ス ,液 潔 な ど) に お いて ､ 周波 数 ア ドミタンス
を測 定 す る と とも に ､i,に おけ る制 動 ア ドミタン ス
軌 跡 を測 定 ｡共 振 周 波 数 fr
Ydお よび 動 ア ドミタ ン ス Ym｡よ り､ 負 荷 等 価 回指 定 赦 R｡, C｡を算 出 す る｡
2)
] 娼 音 波 ホ モ ジ ナ イザ 定 格 , ス イ ッチ ング素 子 制約 条 件 の 指定
[ステ ップ (
強 力 担 音 波 ホ モ ジ ナ イザ の 定 格 出 力 は ､処 理 流 量 に 比 例 す る｡従 って ､定 格 出 力
P｡川 ]を決 定 す るに は ､厳 密 な 処 理 流 量 と所 要 電 力 の 関 係 を把 掘 す る必 要 が あ る｡
しか し､可 能 処 理 流 量 に 関 して は ､ 流 体 の様 相 ､ ク リア ラ ン スさ らに は押 し込 み
圧 力 な どの 諸 因 子 に よ って変 化 し､ そ の 関 係 を厳 密 に把掘 す るこ とは難 しい｡燃
料 改 質 シ ステ ム (36)
(38) に お いて は ､概 算
と して 1.
5-3.
0々/
mi
n･
K
uと考 え られ
る｡ イ ンバ ー タ出 力 周 波 数 f｡は原 則 と して チ.に等 しいが ､ f｡
.
b
l
Xに関 して は､
2倍 程 度 に考 え る｡ また､電 源 電 圧 E は可 変 電 圧 源
負 荷 変 動 幅 を考 庶 して t｡の 1.
とす る｡
ス イ ッチ ング 素 子 に関 し､特 に 高速 ス イ ッチ ン グサ イ リス タの 制約 条 件 と して
は ､市 販 の 高 速 ス イ ッチ ン グ サ イ リス タに お け る T｡ 日 と電 流 ,電 圧 耐 量 との 関
係 に お いて ､ T. (-の下 限 ､ さ らに ひ Thm.x, i,Th.
nix, d i/d tお よび d v/d
tの 上 限 が 制 約 され る｡ また効 率 符は ､約 0.
8程 度 で あ り､ 符を仮 定 す る｡ な お
､ ダ イオ ー ド定 格 に 関 して は ､ 尖 預 使 お よび 平 均 値 の 各 特 性 値 が ､固持 の特 性 上
サ イ リス タの 特 性 値 以 上 に は な りえず ､従 って ､ サ イ リス タ制 約 集 件 に準 じて考
え る｡
3)] 回 指 パ ラ メー タの 決 定 , ス イ ッチ ング素 子 の 選定
[ステ ップ (
88
上記 定格 出力 ､ ス イ ッチ ング素子 制約 条 件 の も とに固持 パ ラメー タ山 ,入 , L ,
Cお よび Rを設計 す ると ともに､ サ イ リス タ,ダ イオー ドを遺定 す る｡
固持パ ラメー タ決定 ､ スイ ッチ ング素 子選 定 に おけ る設 計 フ ローチ ャー トを図
8 6に示 す ｡図 8 6 にお いて まず ､ ステ ップ (2)に おいて求 め た E お よび f｡よ り､
サ イ リス タの制約集 件 の中の け Th,
A.X
お よび
T ｡日を考 妊
して山 ､人 を選 定 す る｡
.
1-1.
2)を考 旺 して 山
この場 合 ､ LlThm.xに関 して は図 45よ り Zc=Z｡ HX(1
,人 を選定 す る｡山 ,人 を選定 した ら√ (LC)を算 出す る ととも に(78)式 お よび 図
82を参考 に して√(L/C)を求 め る｡ √ (L/C)の算 出 よ り
まるので ､ Ⅰお よび 図 43を参 考 に して ､
Ⅰ=E/ 2 √(L/C)が求
L Thm.
xが制 約 値 以 内 か どうか をチ ェ
ックす る｡制約 値 以 内で な い場 合 は､ ステ ップ (2)に も どって E の値 を変更 す る
か､ または山 ,人 の値 を再 選定 す る ｡
LThhaX
が制約 値 以 内の場 合 は､次 に d
i/
d tを同様 にチ ェ ックす る｡ LTh,AiX,d i/d tが選定 した山 ,人 の値 にお いて
79)式 よ り､ L,C
制約値 以内 の場 合 は､ (
お よび Rが求 まると ともに ､
▲x, d
i/d t,
LTh.
"
T ｡fr
, LrThm
,
(
お よび 図 8 3 lTh
.
V
■か ら得 られ る ITい Vをも とにサ イ リス
タお よび ダ イオー ドの素 子 を選定 す る｡
[ステ ップ (
4)
] 巻数 比決定 ,イン ピー ダ
ンス変換
図 87に出力 変成器 に よ るイン ピーダ ン ス
変 換の フ ロー チ ャー トを示 す ｡ ステ ップ (2
)で求め た R と 符か ら概 算 され る損 失抵 抗
分
rよ り､巻数 比 nを下 式 に よ り求 め る｡
n=nl
/n2=√ く
くR- r)/R｡〉 =√ (
R'
/R｡)
-(
83)
この nをも とに､ イン ピーダ ン ス変 換 に よ
お よび Cとの関
り､C｡の l次側換算値 C3
1
=C2,さ らに は a､ bの値
係 に おけ る C
を下式 よ り求 め る｡
C3=C｡
/n2, cl=C2=CC3
/2 (
C3-C)
- (84)
ただ し
a=Cl
/C=C2/C,b=C3
/C
[ステ ップ (5)] コンデ ンサ ､ リアク トル
定格
89
図 86 J
L,入 スイッチング素子
選定フローチャー ト
p.b', Td', LTh
m.
x', けTh
,
A
.X', Zc, d i'/d zお よび ITblV●な どの計 算
に お い て は ､J
J,入 . 々i
,kが 決 定 して い る場 合
､a, bの 値 に よ って そ れ ぞ れ の 値 は変 化 しな い
t
n.
x
-は a , bの 値 に よ って そ
｡ と こ ろが ､ LTl.2
b<o
c
の 大 小 が 変 化 す る し､ ま た a, bの 値 も0<a,
と範 囲 が 広 い｡ 従 って ､ LTl.2
miX`に 関 して は ､
a, bの 値 が決 定 した時 点 で (42)式 よ り算 出 す る
｡ この
.2
.
日x'お よび (81)式 Icl
.2.nB'よ り Lll
LTl
A.
X=L
r2
miXお よび Ic2H" を求 め ､電 力 用 高 周 波
コ ンデ ンサ を選 定 す る｡ ま た ､ 転 流 リア ク トル に
関 して は ､ (82)式 よ り転 流 リア ク トル を流 れ る平
2を考 庶 して リ ､
ソツ 線
均 電 流 を求 め ､ 余 裕 率 約 1.
の 太 さ を 決 定 す る｡
i7 回指定致決定
図f
フローチャー ト
7.
3.
4 数値 設計例
7.
3.
3で 述 べ た設 計 手 順 に従 って ､ 回 路 実 設 計 を行 う｡ 設 計 仕 様 と して 下 記 項 目
を 指 定 す る｡
[負 荷 条 件 ]
目的 :エ マ ル ジ ョン燃 料 生 成 ,
流 量 :約 1々/m in,
燃料
:B重 油 ,
粘度 '
.約 15cs I,
水 分 :約 10%
ク リア ラ ン ス :3mm
液 深 :30mm , 加 圧 :大 気圧
[ス テ ップ (1)]
図 8 1よ り
共 振 点 に お け る各 定 数
S.= 18547Hz,Yh｡=7.8m S,Yd｡=5.a lm s,
R.
"= 128Q,Cd=0.0498L
LF,R｡=82.4Q
C｡=0. I391
1F
[ス テ ップ(2)]
超 音 波 ホ モ ジ ナ イザ 定 格 ､ ス イ ッチ ン グ素 子 制 約 条 件
P｡=600W､f｡=F.= 】8547Hz､
ホ モ ジ ナ イザ定 格
E= 100- 150v可 変
ス イ ッチ ング 素 子 制 約 条 件
i
,
T h.
"
[ステ ップ (
3)]
x
T｡日≧ 10L
LS, ひTh
mix≦700V,
≦50A, d i/d t≦ 100A/〟 S, 7
1≧0.8
回 路 パ ラ メー タの 決 定 ､ ス イ ッチ ング 素 子 選 定
Zc=S｡･T｡lr× 1. 1=0.204
お よび 図 45を参 照 して
こ こで
E= 120V とす る と図 42
山 =0.85,人 = 0. 15を 遺 定 ｡ この 時 ､ L
TTも
ha
x=L
rTh
h.X●･E=237V｡11=0.85,人 = 0. 15よ り図 82に お い て
P … *= 0. 34と求 ま る｡ 従 って ､(78)式 よ り 材を 0. 8と仮 定 す る と
√(L
/
C)=0.
3
4×0.
8×1
2
02/(
2×6
0
0)=3.
2
6 1=1
2
0
/
2×3.
2
6=1
8.
4
90
図 43を も とに 1Th
.
n
.xをチ ェ ッ ク す る と入 =0. 15,山 = 0.85で
j
JTh
t
h
a
X.= 1.9
∴i
,Th
max= i
,Th
mlx'･I=34.
96<50A
次 に 図 44を も とに d i/d tを チ ェ ッ ク す る と入 = 0. 15,1
1= 0. 85で
∴ d i/d t= (d i'
/dI) ･I･f.
･10
d i'/d z=24.5
6
=8.
3
6
A
/J
JS<1
00^/J
JS √(LC)=l
l/
27
tj ｡=7.294×10-6
∴(
79)式 よ り
L=23.
7F
LH,
C=2.
24〟F,
R=0.
98E
2
サ イ リス タ を選 定 す る場 合 の 定 格 値 と して 図 83よ り入 =0. 15,J
l=0.8
5に て
ITh.
V+=0.
32 ∴ ITいV= ITh.
V+ ･Ⅰ=0
.
32×1
8.
4=5.
80A
上 値 を ダ イオ ー ド選 定 に お いて も準 用 す る｡
[ス テ ップ (
4)
] 巻 数 比 決 定 , イ ン ピー ダ ン ス変 換
2次 側 R｡= 82.L
IE
2,
とす る と
1枚 側 R=0.98E
2, 損 失 抵 抗 rを 0. 18Q
R'=0.98-0. 18=0.8E
2 従 って (
83)式 よ り nは
n=√ (
0.
8
/
8
2.
4)=0.
0985,
nl : n2= l :1
0.1
5
n=0.
0985よ り C｡の 1次 側 換 算 値 C3お よび Cl=C2は (
84)式 よ り
C3= C｡
/n2=0.
1
3
9/(0.
0985)2=1
4.
33〃F,
∴
Cl=C2=1.
33〃F
a=Cl
/C=Cz/C=0.
594, b=6.
397
[ス テ ップ (
5
)
] コ ンデ ンサ , リア ク トル 定 格
コ ンデ ン サ お よび リア ク トル 定 格 は ､ 図 84お よび 図 85に お い て入 =0. 15,
Ll=0.85よ り
従 って
Ic.
ms`= 0.75,
Ic.
.
"=TcH"
IL,mS'= 0. 94
■ ･Ⅰ=0
.
75×1
8.
40=1
3.
BOA,
IL,
mB= TL" bS ' ･T=0
.
94×1
8.
4=1
7.
30A とな る｡ ま た ､ a=0.594 ,人 = 0. 15,山 =0.
85, や
I
= 1, k= 0に お い て L
Tc
m.
x'を算 出 す る と､ L
Tc
E
b
lX'=1.1
84
∴
L
Tc
.
n
▲x=t
Pc
m.x'･E= 1. 184×1
20= 142. 1V
とな る｡
以 上 の 回 指実 設 計 例 を ま とめ る と､
[岡 持 定 数 お よび パ ラ メ ー タ]
々
)
=1, k= 0, a=0.594, b= 6.397,山 = 0.85,
人 =0. 15,L=Ll=LZ= 23.7J
IH,C=2. 24〃F,
Cl=C2= 1.33〃F, n= 0.0985
[サ イ リス タ定 格 ]
m.
x=237 V , LTh.
n
ax=34.96A, ITい,= 5. 8A ,
L
TTh
d i/d t=8.36A/ 〟 S, T｡ ‖= 10〃 S
[コ ンデ ン サ定 格 ]
ひc
max= 142. 1v ,
Ic.
ms= 13.8A
l転 流 リア ク トル 定 格 ]
tL.
.
"= 17.3A
91
各 ス イ ッチ ング 素 子 ､ 固 持 素 子 の 選 定 ,設 計 に お いて は ､上 記 各 値 に余 裕 率 をか
け て 選 定 す れ ば よ い｡
7.4 高周 波 インバ ー タ駆 動 強 力超 音 波 ホ モ ジ ナ イザ
7.
4.
1 設計装置
上 記 固 持 設 計 例 に従 い ､定 格 出 力 6 0 0W ､出 力 周 波 数 18. 5KH2に お け る
強 力 摺 音 波 ホ モジ ナ イザ の 発 振 機 と しての 改 良形 インバ ー タに おけ る各 ス ィ､
ソチ
ン グ素 子 定 格 を次 の よ うに選 定 す る｡
LTht
"x≦42 [A] , T｡日 ≦ 10 [F
LS]
d i/d t≦ 10 [A / F
LS] , LTh.
V≦ 7 [A ]
けTh
m… ≦ 284 [Ⅴ] ,
ダ イオ ー ド定 格 値 は ､改 良 形 インバ ー タの特 性 よ り上 記 以 下 で よ いが ､余 裕 をみ
て サ イ リス タ定 格 に準 じて選 定 す る｡ 従 って ､上 記 定 格 値 を も とに ､高速 ス イッ
チ ング サ イ リス タと して 東 芝 SH1
6F1
3(T｡ff=1
0I
LS､ L
rTh
ma
x=300V､ i
,Th.
V
=1
6A､ d i/d t=1
00A/J
LS) を ､ ま た 高速 ス イ ッチ ング ダ イオ ー ドと して三
S20B40R(定 格 ピー ク繰 り返 し逆 電 圧 400V､定 格 最 大 順 電 流 5
0A) を選定
社電機H
した｡
図 8 8 に ､超 音 波 ホ モ ジ ナ イザ 燃 料 改 質 シ ステ ム試 作 装 置 と発 振機 回路
を示 す ｡ 出 力 変 成 器 は 高 周 波 トラ ン ス と しての電 力 用 フ ェラ イ トコ ア を用 い ､ I
次 側 巻 数 nl= 10七､ 2次 側 巻 数 n2= 100tと した｡ 転 流 コ ンデ ンサ Cl=C2
は ､ 高 周 波 に お け る誘 電 損 失 の少 な い電 力 用ポ リエ ステ ル フ ィル ム コ ンデ ンサ を
用 い ､ ま た ､配 線 に は 高 周 波 用 リ ッツ線 を採 用 した｡
l
･
1
LF
◆ CF 工 C,
D1
千
ち′
払
D
う
I
J
1
-L2 2
C1
-C211･
)(
J
J
F)
'
C
′
-0.
047(
仰 )
R -20(
a)
t
で 1･
0(
ml
り
cF51000UI
F)
nl
･1
0(t)
n2
-100(t)
図 88 試作装置と強力娼苗波発振機
92
Th1
車
Th
謹
千
7.
4.
2 実与
貧結 果 と検 討
燃 料 を生 成 し､ そ の 効 果 を評 価 ､検 討 し
郎 動 作 波 形 を示 す ｡ ま た ､ 図 90お よび
図 9 1に E = 10 0 V お よび E = 8 0 V
数 特 性 を示 す｡
図 90に お いて 共 振 周 波 数 は 1
8.
53KHz
って い る｡ 本 実 験 に お い て は ､ 人 力 電 圧
わ乱
8.
49KH2とな
で あ り､ 図 9 1に お い て は 1
‰ 仏笹
に おけ る人 ･出 力 電 力 お よび 効 率 の 周 波
B.抑‰ 慧
た｡ 図 8 9に ､ E = 12 0V に お け る各
仙 乳
図 8 8 に よ る試 作 シ ステ ム に よ り改 質
上 昇 に 伴 い､共 振 周 波 数 も上 昇 の 傾 向 を
示 した｡ これ は ､ 振 動 子 の 特 性 と も考 え
られ るが ､入 力 電 力 の 大 小 に よ る流 体 中
図 89 各部動作波形
(
E
=1
2
0
V,f｡
=1
8.
5
4
川2,
2
0〃S/
di
v)
キ ャ ビテー シ ヨンの 影 響 も あ り､ 一 概 に
は論 じ られ な い ｡ しか し､ いず れ に せ よ図 90お よび 図 9 1の 周 波 数 特 性 よ り人
力 電圧 一定 に お いて は ､ 共 振 周 波 数 に お いて著 し く人 ･出 力電 力 お よび 効 率 が上
昇 して い る こ とが わ か る｡本 実 験 シ ス テ ム に お いて は 手 動 に よ りサ イ リス タ トリ
ガ周 波 数 を変化 さ せ た が ､ 実 シ ステ ム に お いて は上 記結 果 か らも共 振 周 波 数 を 自
動 的 に追 尾 制 御 す る必 要 が あ り､ 今 後 の 検 討 課題 で あ る｡
図 90 人 ･L
I
1
力電力の周波数特性(
E
=1
0
0
V)図 9 1 人 ･出7]
電J]
の周波数特性(
E
=
8
0
V)
93
図 92に ､機 械 的 に ミキ シ ン グ処 理
した改 質 燃 料 と､改 良形 イ ンバ ー タ
堅 動 強 力 超 音 波 ホ モ ジ ナ イザ に よ る
改 質 エ マ ル ジ ョン燃料 を示 す ｡ エ マ
ル ジ ョン燃 料 の燃 焼 に お いて は ､燃
料 の 微 粒 化 が燃 焼 効 率 の 向 上 お よび
公 害 源 と して の NOxの 低 減 に つ な が
る｡
(36) (38)この 微 粒 化
滴 形 エ マル ジ ョン (36)
(
a)
機械的処理
は ､油 中 水
(38)
の場合､
(
b)
超音波1
･
t
シ"
ナ
イ
サ
'
'
処理
図f
)'
j 改 門 エ マ ル ン :lン損 料
燃 焼 に お け る水 の爆 発 的 気 化 に よ り
実 現 す る もの で ､ その ため に は ､油
中 水 滴 の 粒 子 が均 一 に微 粒 化 さ れ る
必 要 が あ る｡ 図 92よ り､機 械 的 ミ
キ シ ング処 理 よ りも改 良形 インバ ー
タ騒 動 強 力 超 音 波 ホ モジ ナ イザ 処 理
の 方 が ､ よ り均 一 に微 粒 化 され て い
る様 子 が わ か る｡
図 9 3 は ､ 同 じ燃 料 改 質 シ ステ ム
(a) 処理前ス
ラ
ッ
シ
ー
成分
に お いて ､燃 料 と して 低 質 C 重 油 を
(I
)) 処理後
図 93 重油の改質
用 い ､重 油 中 に含 まれ て い る ス ラ ッ
ジ 成 分 の粉 砕 を実 施 した場 合 の 処 理
前 後 を比較 した もの で あ る｡ 近 年 ､舶 用 燃料 に お け る重 油 の低 質 化 傾 向 は著 しい｡
本 シ ステ ム を低 質 重 油 改 質 シ ステ ム と して実 際 に駆 動 す る場 合 には ､実 際面 に即
した改 良 を加 えね ば な らな いが ､低 質 重 油 改 質 シ ステ ム と して も応 用 可 能 で あ る
こ とが ､本 実 験 結 果 に お いて証 明 され た｡改 賃 前 C 重 油 の顕 微 鏡 写 真 に お いて は､
図 93(a)に示 され る よ うな ス ラ ッジ 成 分 が多 く存 在 して お り､ 良好 な燃 焼 を阻
害 す るが ､摺 音 波 処理 す る こ とに よ りス ラ ッジ成 分 が粉 砕 ､微 細 化 され効 率 的燃
焼 が実 現 す る｡
以 上 の 回 路 実 設 計 に よ る試 作 装 置 の 駆 動 に よ り､燃 料 改 質 シ ス テ ム と して の有
効 性 を確 認 した が ､今 後 の 検 討 課題 と して次 の よ うな点 が指 摘 され る｡
まず 第 1に ､ 最 適 な 共 振 点 追 尾 制 御 方 式 の検 討 が あげ られ る｡本 章 で明 らか に
した種 々の 負 荷 特 性 に お け る負 荷 変 動 に お いて ､一 般 に はプ ロセ ス制 御 に よる負
荷 一 定 制 御 が行 わ れ るが ､強 力 超 音 波 振 動 子 系 の 共 振 の 尖 鋭 度 が非 常 に大 きいの
で ､小 幅 の 負 荷 変 動 に お いて も負 荷 イン ピー ダ ン スの 変 動 さ らに は効率 の低下 を
生 じる恐 れ が あ る｡
94
図 94に ､共 振 点 追 尾 制 御 の ブ ロ ッ ク図 を示 す ｡ す な わ ち ､強 力 超 音波 振 動 子 系
の 共振 周 波 数 に お いて は ､振 動 子 人 力電 圧 V.と振 動 速 度 けは同 相 と考 え られ る
の で ､振 動子 振 動速度 に同相 の情 報 を ピ ック ア ップ検 出 器 に よ り検 出 す るか ､ あ
るいは ､振 動速 度 と一 定 の位 相 関 係 に あ る電 気 的 な 立 を検 出 し､ 位相 補 正 す る こ
とに よ り､ V C 0 (Volt
age Contr
oll
ed Oscill
at
or) の 発掘 周 波 数 を制 御 し
て共振 周 波 数 を追尾 制 御 す るもの で あ る｡
≡
…
≡
図 94 共振点追尾制御ブロック図
第 2の 問 題 と して ､処 理 流 量 増 大 に対 処 す るため の定 格 出 力 の増 大 が あげ られ
る｡ 図 95に､ 高 出 力 対 応 と して の 群 間位 相 差 制 御 方 式 を示 す ｡改 良形 インバ ー
タをユ ニ ッ トインバ ー タと して ､数 台の インバ ー タを人力 側 で並 列 に接 続 し､出
力 側 で 出 力変 成 器 に よ り直列 接 続 す るもの で あ る｡ さ らに ､ ユ ニ ッ トイ ンバ ー タ
間 の群 間 位 相 差 角 を､負 荷 の 変 動 に応 じて制 御 す るこ とに よ り､強 力 招 音波 振 動
子 の定 振幅 制 御 も可 能 とな る｡
T
h1
圭
T
hう
r:群rptl位相差角
i
干
ト
リ
T
℡
ガ
h
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2
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千
l
舶 MMi
.
呈
rー
裡廷FF.
｢
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℡
ガパルス
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1
ー
図 95 群間位相差制御方式
㌃
℡V
l
t㌦
∩[
[
T
人
∩ ｢｢
｢｢
l
共 振 点 追 尾 制 御 と群 間 位 相 差 制 御 は ､個 別 に制 御 す るの で は な く､連 係 して制御
す べ きで あ り､今 後 の 検 討 課 題 と言 え る｡
7.5 緒 言
本 章 に お いて は､強 力 超音 波 振 動 子 系 の 入 力 負 荷 特 性 を明 らか に す ると ともに ､
強 力 超 音 波 発 振 機 の 固 持 実 設 計 法 を提 案 し､ そ の 試 作 装 置 の駆 動 に よ り効 果 を確
認 した｡ 本 章 で得 られ た結 果 を要 約 す る｡
(1) 電 気 端 入 力 負 荷 特 性 と して ､ 強 力 超 音 波 ホ モ ジ ナ イザ に お け る液 探 ､ ク リ
ア ラ ン ス ､ お よび 粘 度 変 化 時 の負 荷 ア ドミタン スの 挙 動 を分 析 す る と ともに､実
験 結 果 よ り､ そ れぞ れ の 共 振 特 性 を明 らか に した｡
(2) 強 力 L
g音 波 振 動 子 系 に お け る周 波数 特 性 と して の ア ドミタン ス軌 跡 を示 す
と とも に ､共 振 点 に お け る等 価 回 路 定 数 を も とめ ､強 力 超 音波 発 振機 回路設 計 の
指 針 を示 した ｡
(3) 強 力 超 音 波 発振 機 と して の 改 良形 インバ ー タの 定 常 諸 特 性 お よび 過 渡 話 特
性 を も と に､定 格 人 ･出 力 との 関 係 に お いて定 常 諸 特 性 値 を､ また､安 定 動 作 の
規 点 よ り､過 渡 特 性 値 を採 用 して ､実 負 荷 を考 慮 した体 系 的 な強 力 超 音 波 発振 機
固 持 設計 法 を提案 した｡
(4) 固 持 実 設 計 法 に基 づ き､強 力 超 音 波 ホ モ ジ ナ イザ の発 振 機 を魁 作 し､ その
試 作 装 置 に よ り燃 料 改 質 シ ステ ム を躯 動 して そ の 効 果 を分 析 検 討 した｡そ の結 果 ､
本 シ ステ ムの 有 効 性 を立 証 した｡
(5) 本 シ ステ ム具 現 化 に お け る問題 点 と して ､共 振 点 追 尾 制 御 お よび 群 間位相
差 制 御 方 式 の 適 用 を示 し､実 シ ステ ム へ の 展 望 を開 い た｡
96
8 葦
第
結
富合
回 路 の 尖 鋭 度 の 高 い負 荷 に対 して も､安 定 性 の 高 い逆 導 通 パ ワーデ バ イ ス方 式
高周 波 インバ ー タに 関 して ､無 次 元 化 の 手 法 を鮮 人 した特 性 解 析 に基 づ き､ そ の
動特 性 を明 らか にす るこ とに よ り､強 力 担 音 波 発 振機 へ の応 用 を 目的 と した改 良
お よび 開 発 の 研究 を行 った｡ 特 性 解 析 に お け る無 次 元 化 の 手 法 の 祥 人 は ､解 析 解
の 汎 用 性 を確 保 す ると同 時 に ､ 固 持 設 計 に おけ る 自由度 を保 証 した ｡以 下 に ､本
研 究 で得 られ た成 果 を示 す ｡
まず初 め に ､逆 導 通 サ イ リス タ方 式 基 本 形 高 周 波 イ ンバ ー タを､強 力 娼 音 波 の
高周 波 電 源 に適 用 す るため に ､ そ の定 常 諸特 性 を解 析 し次 の 成 果 を得 た｡
(1) 電 わ い形強 力 超 音 波 振 動 子 系 の 負 荷 等 価 同 指 に基 づ き､ 基 本 形 イ ンバ ー タ
の定 常 同朋 解 を求 め ､回 路 実 設 計 に必 要 な 諸 特 性 量 ､波 形 評 価 さ らに は ス イ ッチ
ング素子 の電 圧 ､電 流 責 務 を明 らか に した｡
(2) サ イ リス タの ター ンオ フ タ イム と､ 回 指 の転 流 余 裕 時 間 Zcとの 関 係 に おけ
る定 常 安 定 動 作 域 を､無 次 元 化パ ラ メー タ(
〟 ,入 )平 面 に 図式 化 した ｡
(
3)(
2)の結 果 に基 づ き､定 常 安 定 動 作 域 に お け る(
〟 ,入 )の 値 よ り､ Zcさ らに
は実 用 周 波 数 限界 J
が求 め られ る よ うに な り､強 力 担 音 波 高 周 波 電 源 と して
｡m .x
の 回 路 設 計 に お け る指針 を示 した｡
基本 形 インバ ー タで は ､一 般 に､ サ イ リス タが トリガ きれ る時 点 に お いて ､ サ
イ リス タ電 流 の 初 期 値 が存 在 す るため に ､理 論 値 と して の d i/d tは無 限大 と
な る｡従 って ､大 電 力 駆 動 の場 合 は ､ d i/d t軽 減 用 の ア ノ- ドリア ク トル の
接続 が必 要 とな る｡ ア ノー ドリア ク トル が 接 続 され ると､転 流 時 に ス イ ッチ ン グ
素 子 間 の転 流 重 複 現 象 が存 在 す る よ うにな り､ そ の 朋 間 Zuの大 小 が ､定 常 諸 特
性 に大 き く影 響 す る よ うに な る｡
従 って ､次 に ､ d i/d tの軽 減 お よび 周 波 数 限 界の 向 上 を 目的 と して ､ サ イ
リス タに直列 に ア ノー ドリア ク トル を接 続 した逆 祥 通 サ イ リス タ方 式 改 良形 イン
バ - 夕を考 え､ そ の定 常 諸 特 性 の 解 析 を通 して ､次 の よ うな成 果 が得 られ た｡
(4) 転 流 重複 現 象 を厳 密 に解 析 す る手 法 を開 発 し､ そ の 解 析 手 法 に よ り､ Zuの
大 小 に影 響 す る要 因 と して の リア ク トル 比 々1(Ll/L) , リア ク トル の電 磁 結
合度 kさ らに は無 次 元 化 パ ラ メー タ山 ,人 の 諸 特 性 に対 す る影 響 を明 らか に した｡
=
そ の結 果 ､ 々1を大 き くと る と Zuが増 加 し､ そ れ に伴 い Zcも増 え､ 々1 1に お
いて最 大 とな り､ d i/d tは最 小 とな る こ とが 明 らか とな った｡ そ の 反 面 ､ Zu
の増加 は ､人 ･出力 電 力 の 減 少 並 び に サ イ リス タ電 圧 の 最 大 値 tTThmaxの 上 昇 を
伴 う こ とを定 量 的 に示 した｡
97
(5) (4)の結 果 か ら､強 力 超音 波 発 振 機 の 回拍 設 計 に お い て ､
との 関連 に お
T ｡tI
いて f om.xに余 裕 が あ る場 合 は ､ 々1= 0 . 1近 辺 で ､ また､ 担音 波 振 動子 系共
振 周 波 数 t.お よび そ の変 動 幅 か ら fo
m.xを大 き く設 定 した い場 合 は､ 々l=
l近 辺 で 設 計 す べ き点 を提案 した｡
(
6) kに関 して は ､0くk く1の あ る値 で Zuお よび Zcが最大 とな るこ とを明
らか にす る と と も に ､諸 特 性 へ の影 響 を定 量 的 に検 討 した｡ そ の結 果 ､改 良形 イ
ンバ ー タの kの 設 計 に お いて は ､従 来 形 イ ンバ ー タ とは 異 な り､Zu,Zcともに
大 き く､ d i/d tが最 小 とな る k= 0で設 計 す べ き点 を指 摘 した｡
(7) 従 来 形 インバ ー タ との 特 性 比 較 よ り､改 良形 インバ ー タの 方 が､強 力 超音
波 振 動 子 系 の よ うな Q の 高 い負 荷 に対 して も､広 い負 荷 変 動 域 に お いて ､ LTThm.
,LTbm-xお よび d i/d tな どの特 性 に お い て変 動 幅 が小 さ く安 定 で あ るこ と
x
を立 証 した｡
(8) 改 良形 インバ ー タ実 際騒 動 領 域 に お け る無 次 元 化山 ,入 平面 に おいて ､
々1
= Oと 々 1= 1に お け る Zc
分 布 を明 らか に す る こ とに よ り､強 力 超音 波 発 振 機 の
回拍 富
貴計 に お け る指 針 を与 え た｡
強 力 超 音 波 発 振 機 の 安 定 動 作 とい う枚 点 か らは ､起 動 か ら定 常 状 態 に至 る過 渡
状 態 お よび 負 荷 急 変 時 に お け る過 渡 特 性 の 把 帽 が重 要 とな る｡従 って ､次 に､従
来 形 インバ ー タ と改 良 形 インバ ー タの 過 渡 特性 の 比較 さ らに改 良形 インバ ー タの
過 渡 一定 常 特 性 比 較 を理 論 お よび 実 験 の両 面 よ り定 量 的 に解 析 した結 果 ､次 の よ
うな結 論 が得 られ た｡
(9) 強 力 超 音 波 振 動 子 系 の 共 振 周 波 数 と ､
1との 関連 に おけ る f om▲xに関 し
T ｡-
て は､ 起 動 第 1サ イクル 目の Zc
を考 慮 すべ きで あ る｡
(1
0) 強 力 超 音 波 振動 子 系 特 有 の 共 振 点 近 傍 に お け る負荷 イ ン ピー ダ ン スの急 変
お よび 負 荷 短 絡 に対 して も､ 改 良 形 イ ンバ ー タは従 来 形 インバ ー タ よ り LTThmax
, i
,Th机.xお よび
d i/d tな どの繰 り返 しピー ク値 の過 渡 特 性 に お いて安 定 であ
る｡
(ll) 起 動 時 の安 定 動 作 上 重 要 な ､
､無 次 元 化
LThmiX, L
TTht
Aixお よび
d i/d tに関 して
(
〟 ,入 )平 面 上 に､過 渡 値 と定 常 値 の 分 布 を比較 して示 した｡ その
結 果 ､人 の 大 きい領 域 は ､過 渡値 と定 常 値 の差 は小 きいが ､人 が 0.2よ り小 さ
い領 域 で は そ の差 が大 き く､ 回 路実 設 計 に お いて は十 分 考 膿 す る必 要 が あ る｡
(1
2) 強 力 娼 音 波 発 振 機 の f omAxの 枚 点 に お いて は ､特 に問題 とな る ､
の 関 連 に お け る Zcに 関 して ､ 無 次 元 化
tと
T ｡f
(
J
1,人 )平 面 上 に過 渡 値 お よび定 常 値
に よ る転 流 安 定 動 作域 を明 らか にす
の 分 布 を比 較 して 図示 した｡ そ の結 果 ､Zc
る と と も に､実 験 結 果 よ りそ の 諸 特 性 を裏 付 け た｡
高周 波 インバ ー タの 大 電 力 応 用 に お いて は､ ス イ ッチ ング 素子 の電 力 定格 の み
98
な らす ､ d i/d t, d v/d t,特 に T｡ 日 との 関連 に お け る f
o
mu が 問題 とな
る｡電 圧 形 お よび 電 流 形 インバ ー タの 両 方 とも に広 く活 用 され て い るが ､そ れぞ
れ一 長 一 短 が あ る｡2石 形 高 周 波 インバ ー タの 場 合 ､実 用 f om… は約 40K
H
zと
な る｡強 力 超 音 波 振 動 子 系 の よ うな 回 路 の 尖 鋭 度 の 高 い負 荷 の 場 合 は ､振 動 子 系
の共 振 周 波 数 と インバ ー タ f omAxとの 関 係 に お いて 余 裕 度 の大 きな 固 持 方 式 が 望
ま しい｡ この械 点 か ら､ 時 分 割 方 式 高 周波 インバ ー タは ､ 動 作 周 波 数 を大 き くと
れ ､ 同 時 に大 電 力化 に も適 して い るが ､ ス イ ッチ ング 素 子 数 の 増 加 に伴 い ､ 回 路
が 複 雑 に な り､ 信頼 性 も低 下 す る｡従 って ､ 次 に ､ 固 持 構 成 の簡 単 な 2石 形 サ イ
I
J
z出 力 周 波 数 を可 能 に した 2倍 周 波 イ ン
リス タ インバ ー タで あ りな が ら ､ 8 0K
バ ー タと しての 逆 畔 通 サ イ リス タ方 式 新 形 インバ ー タを開 発 した｡ そ の 過 渡 ･定
常 特 性 解析 を通 して ､電 圧 形 イ ンバ ー タと電 流 形 インバ ー タの 折 中 形 と して の利
点 を明 らか に す る こ とに よ り､ 次 の よ うな 結 論 が得 られ た｡
(1
3) 出 力 変 成器 を中 点 タ ップ構 成 とす る こ とに よ り､ 出 力 周波 数 f
o
が､ゲ ー
の 2倍 とな り､ 2石 形 高 周 波 インバ ー タの実 用 周 波 数 限 界 を
ト トリガ 周 波 数 ft
一挙 に 80K
H
2まで 向上 で きた｡
(1
4) リア ク トル 比 々d (Ld/L ) を 50- 100に選 定 す れば ､電 流 形 イ ンバ
ー タに比 べ て は るか に小 さ い数 mHの 人 力 直 流 ]
)ア ク トル Ldで ､ 直 流 人 力 電 流
の リプ ル 率 お よび d i/d tを電 圧 形 インバ ー タよ りも は るか に小 さ く抑 制 で き
るこ とを立 証 し､小 型軽 量 化 を実 現 した｡
(1
5) 人 ･出 7]
電 力 に関 して は ､ 々 dの 増 加 に従 い ､ ほ ぼ 直線 的 に増 加 す るが ､
の値 が 50以 上 に な る と､ ほぼ 飽 和 す る こ とが 明 らか とな った｡ また ､Zcに
々 d
の 増 減 が大 きいが ､
関 して は ､ 々 dの 比較 的 小 さい領 域 で も 々 dの 大 小 に よ る Zc
々 d
が 50以上 の範 囲 で は ､Zcも はば 一 定 とな る こ とが判 明 した｡従 って ､ (
1
4)
の結 果 も踏 まえて ､新 形 インバ ー タの
々 d
は ､50- 100が最 適 と言 え る｡
(1
6) キ ャパ シ タン ス比 p (C/Cl) の 選 定 は ､定 常 諸 特 性 に大 き く影 響 す るが ､
組 合 的 に その影 響 を考 蔵 す る と､人 ･出 力 電 力 が 比 較 的 大 き く､ サ イ リス タの 動
naXお よび d i/d tが小 さ く､ しか も Zc
の 大 き い 0. 3≦
作責 務 に お いて LrThT
p ≦0.7の 範 囲 が適 して い る｡
(1
7) 無 次 元 化 パ ラ メー タ
数 特 性 を検 討 した結 果 ､ 人
(
〟 ,入 )の 選定 に お いて は ､ 負 荷 諸 特 性 お よび 周 波
･出 力 電 力 が大 きい別 に d v/d tお よび LTThm.xな ど
が大 き くリプ ル 率 の 小 さ い
の サ イ リス タ動 作 責 務 が 比 較 的 緩 や か で ､ しか も Zc
0.1≦入 ≦0.3,0.3≦
山 ≦0.8の 範 囲 が適 当で あ る｡
(1
8) 起 動 か ら定 常 状 態 に至 る過 渡 特 性 解 析 よ り､過 渡 状 態 に お け る Zc
の跳躍
現象 が 明 らか とな った｡ これ は ､ サ イ リス タとダ イオ ー ドの 重流 転 流 モ ー ドが存
在 す るか否 か の 臨界 条 件 に お いて 発 生 す る こ とを示 した｡ この 跳 躍 現 象 を発 生 す
99
る臨 界 集 件 は ､定 常 状 態 に お け る 々 d , pお よび
(
〟 ,入 ) の組 み 合 わ せ に よ る
限 られ た領 域 に お いて も発 生 す るが ､ この よ うな 領 域 で の 回 路 設計 は避 け るべ き
で あ る｡
従 来 の 強 力 超 音 波 応 用 に お け る共 振 周 波 数 帯 は ､ 15- 5 0KH2付 近 で あ った
が ､ 最 近 は微 細 加 工物 の 洗 浄 用 と して ､ 数 百 KHz帯 の 周 波 数 利 用 も検 討 され て い
る｡ また ､ 高周 波 誘 導 加 熱 や レー ザ ー な どの 高周 波 電 源 と して ､ 高 周 波 インバ ー
タの 動 作 周 波 数 は ､ 近 年 益 々高周 波 化 の 傾 向 に あ る ｡ASCRや GATTな どの 高速 サ イ
mixは ､ 2石 形 新 形 イ
リス タを用 い た高 周 波 インバ - タの 場 合 ､ T｡ 1パこよ る fo
ンバ ー タに お い て は ､ 8 0KHz程 度 で あ る｡従 って ､ 10 0KHz以 上 の 高周 波 応 用
に対 して は ､ 自 己消 弧 形 デ バ イ スの 適 用 が不 可 欠 とな る｡
10 0KHzか ら lM H 2の大 電 力 高周 波 電 源 と して は ､SI
Tや MOSFETを用 いた種
々の 回 指 方 式 が 報 告 さ れ て い るが ､ 高 出 力 化 の観 点 か らは ､MOSFETの数 倍 の素 子
容 量 を有 す SI
T高周 波 インバ ー タが注 目 さ れ て い る｡ この よ うな 技 術 的背 景 の も
T方 式 新 形 高 周 波 インバ ー タを開 発 した｡
とに ､ 次 に ､ 出 力 周 波 数 4 0 0KH2の SI
その 過 渡 ･定 常 特 性 解 析 を通 して ､ 次 の よ うな結 論 が得 られ た｡
(1
9)SI
T同 時 逆 バ イア ス期 間 Z d お よび 同 時 順 バ イア ス期 間 Z 々と して のパ ル ス
Z響 を
幅 を考 慮 した過 渡 ･定 常 特 性 解 析 よ り､ Z d,Z 々変 化 に よ る出 力電 力 の宕
定 量 的 に 明 らか に した｡
(20) (1
9)の 結 果 よ り､ Z 々制 御 に よ るパ ル ス幅 制 御 の効 果 は ､SI
Tに逆 並列 にダ
イオ ー ドが 接 続 さ れ る場 合 ､SI
Tがゲ ー ト トリガ され る以 前 に逆 並列 ダ イオー ド
が等 通 す る よ うな 回 路 パ ラ メー タに お いて は ､ ダ イオ ー ドの 串 通 が始 ま る時点 か
Tのゲ ー ト トリガ まで の 期 間 Zt
)
1よ りも大 き い Z 々に お いて有 効 で あ る｡
ら ､SJ
Zd制 御 の場 合 ､ Z=0か らダ イオ ー ド電 流 が ゼ ロ ク ロ スす る まで の 期 間 Zt
)
2よ
りも Zdが大 きい場 合 の み 有 効 とな る｡
(21) 出 力 電 力 の 周 波 数 特 性 に お いて ､ 直 流 リア ク トル 比 々d (Ld/L)が数 十 な
T方 式 新 形 インバ ー タ と ､ 々 d ≧ 10 0 0 の SI
T方 式
い し数 百 の 折 中 形 と して の SI
電 流 形 インバ ー タを比 べ る と ､ 々d≧30に お いて は ､
々 dの 大 小 は出 力 電 力 に ほ
とん ど影 響 しな い｡
(22) 過 渡 特 性 に お いて ､
々 d が数 十 の 折 中 形 の場 合 ､SI
T方 式 電 圧 形
インバ ー タ
Tお よび ダ イオ ー ド電 流 の 最 大 値 に関 して ､ 起 動 数 サ イクル 後 に定
と同 様 に ､SI
常 値 よ りも大 きい過 渡 値 の 発 生 が確 認 され た｡従 って ､素 子 の 最 大 定 格 を決 め る
回 路 設 計 に お いて は ､ 過 渡 値 の 検 討 を要 す ｡
SI
T新 形 インバ ー タの 超 音 波 応 用 に お け る出 力 容 量 に関 して は､強 力 担 音 波 振 動
1
2で数 百 W 程度 で
子 の 材 質 ､ 形 状 に よ る制 約 上 ､現 状 に お いて はせ い ぜい数 百 K1
あ る｡ しか し､ 担 音 波 応 用 に 限 定 せ ず ､ 高 周 波 誘 導 加 熱 にお け る数 k
U,1HHzの
10 0
応 用 も､ 今後SI
T新 形 インバ ｣ タの 特 質 を活 か す応 用 と して検 討 した い｡
最後 に ､ これ まで に述 べ た逆 群 通 パ ワーデ バ イ ス方 式 高周 波 イ ンバ ー タの 中 か
ら､逆 群 通 サ イ リス タ方 式 改 良形 インバ ー タを と りあげ ､強 力 超 音 波 発 振 横 へ の
具 体 的応 用 と して ､強 力 超 音 波 ホ モ ジ ナ イザ 酌掘 源 の 回 拍 実 設 計 を検 討 し､ 次 の
成 果 が得 られ た｡
(23) 電 気 端 入 力 負 荷特 性 と して ､強 力 超 音 波 ホ モ ジ ナ イザ に お け る液 深 ､ ク リ
ア ラ ン ス お よび 粘 度 変 化 時 の 負 荷 ア ドミタン スの 挙 動 を分 析 す る と と もに ､実 験
結 果 よ り､そ れぞ れ の 共振 特 性 を明 らか に した｡ また ､超 音 波 振 動 子 系 に お け る
等 価 回 指 定 数 に基 づ くl
司指 設 計 の 考 え方 を提 案 した｡
(24) 強 力 娼 音波 発 振 機 と して の 改 良形 イ ンバ ー タの 過 渡 ･定 常 特 性 解 析 結 果 に
基 づ き､定 格 出 力 に 関 して は定 常 諸 特 性 値 を､安 定 動 作 の 枕 点 か らは過 渡 特 性 値
を設計 値 と して採 用 す る と とも に ､実 負 荷 を考 癒 した体 系 的 な強 力 超 音 波 発 振 横
の 回 路実 設 計 法 を提 案 した｡
(25) (24)で 明 らか に した固 相 実 設 計 法 に基 づ き､強 力 超 音 波 ホ モ ジ ナ イザ シ ス
テ ム を試 作 し､燃 料 改質 シ ステ ム を騒 動 して そ の 効 果 を分 析 した結 果 ､強 力 招 音
波 の効 果 を確 認 す る と と もに ､ シ ステ ム 設計 の有 効 性 を立 証 した｡
近 年 ､強 力 超 音 波 応 用 は､ 乳 化 分 散 ､洗 浄 ､溶 接 ､加 工 ､ さ らに は集 塵 な ど､
その 用途 は益 々拡 が る傾 向 に あ る｡ 中 で も､乳 化分 散 作 用 を利 用 す る超 音 波 ホ モ
ジ ナ イザ は ､舶 用 デ ィーゼ ル 発電 機 に お け るエ マ ル ジ ョン燃 料 生 成 に よ る水 混 入
分 重油 の 節 約 ､燃 焼 効 率 の 向上 さ らに は低 NOx燃 焼 を実 現 した り､低 質 重 油 に
含 まれ る ス ラ ッジ成 分 を粉 砕 して改 質 す る装 置 と して脚 光 を浴 び て い る｡ 今 後 ､
陸上 火 力 発 電 ボ イラへ の 適 用 に よ る低 公 害 化 さ らに は舶 用 デ ィー ゼ ル エ ンジ ンへ
の適 用 に よ る省 エ ネル ギ効 果 な どが期 待 され ､ そ の 強 力超 音 波 発 振 機 と して の 本
研 究 成 果 の意 義 は有 用 と考 え る｡
逆 鮮 通 パ ワーデ バ イス方 式 高 周 波 インバ ー タは ､強 力 超 音 波 の 高 周 波 電 源 と し
ての み .
な らす ､ 高周 波 誘 導 加 熱 の分 野 に お い て も注 目 され て い る｡従 来 ､ 高周 波
インバ ー タは､ 高周 波 誘 導 加 熱 の 分 野 で先 行 して発 展 して き た｡ そ の 動 作 周 波 数
は ､数 KH2か ら数 十 川 Zが多 いが ､最 近 は数 百 KH2､ 数 KUの 出 力 も検 甜 され て い る
｡ その場 合 ,
SI
T新 形 インバ ー タをユ ニ ッ トイ ンバ ー タ と して ､出力 側 で 何 台 か 直
列 接続 し､ ユ ニ ッ トインバ ー タ間 の ゲ ー ト位 相 角 を制 御 す る群 間 位相 差 制 御 方 式
の適 用 に よ る高 出 力 化 も期 待 で き る｡
高周 波 インバ ー タの発展 は ､ 高周 波 化 の歴 史 で も あ り､今 後 ､ 益 々高周 波 化 お
よび 高出 力 化 が促 進 きれ る と考 え られ るが ､負 荷 に応 じた最 適 なパ ワ ーデ バ イス
お よび 回搾 方 式 の検 討 な ど､ パ ワー エ レク トロニ ク ス技 術 の よ り一 層 の 進 展 が望
まれ る｡
10 I
参
考
:
文 :献
(1) 実 舌 ･菊 地 ･能 本 :超 音 波 技 術 便 覧 , E
l刊 工 業 新 聞社 (昭 4 3)
(2) 石 渡 ･谷 沢 ･谷 村 :超 音 波 固持 , 日刊 工 業 新 聞 社 (昭46)
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p.249 (1962)
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43,
N o.5,p.
481, (1977)
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44,No.1,p.85 (1978)
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ot.IGA - 3,p.176, (1967)
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.IECI-21,No.
4,p.228
(1974)
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E.PESC76 R eco∫d,p.73
(I976)
(1
2) 丸 橋 ,中 岡 ,宇 野 : r
逆導 通 サ イ リス タに よ る電 圧 駆 動 形 インバ ー タの離
散 使 時 間 系 モデ ル につ いて ｣ , 自動 制 御 連 合 講 演 ,
p.301 (昭 50)
(13) 丸 橋 ,中 岡 ,宇 野 ,ベ トソ ン : r
逆導 通 サ イ リス タに よ る電 圧 駆動 形 式 の
(3)
直列 共 振 形 インバ ー タの 定 態 安 定 動 作 域 につ いて ｣∴ 電 気 関 係学 会 関西支
那 連 大 , G 62 (昭 50)
(14) 中 岡 ,武 者 ,丸 橋 : r
誘 斗 加 熱 用 電 流 形 高周波 ブ リ､
ソジ インバ ー タの
O1
.98-B,N o.11,
転 流 余 裕 時 間一 定 制御 系 ｣ ,電 気 学 会 論 文 誌 ,V
p.942 (昭 53)
102
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.IEC I-25,No.2
(1978)
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.I氏C 1- 24,No.1 (1977)
(1
5)
(1
7) 相 中 ,中 岡 ,丸 橋 : ｢超 音 波 ホ モジ ナ イザ励 振 源 回 持 ｣ ,舶 用機 関 学 会
秋 季 学術 講演 ,I10,p.101 (昭 52)
(1
8) 畑 中 ,中 岡 ,丸 橋 : r
動 力 用 超 音波 振 動 子 系 励 振 用 逆 串 通 サ イ リス タ方 式
高周波 インバ ー タ｣ ,電 気 学 会 電 子 装 置 ･制 御 変 換 装 置 合 同 研 究会 賃 料 ,
(1
9)
EDD-78-71･PCC-78-17 (昭53)
畑 中 ,中 岡 ,丸 橋 : r
逆 蒔 通 サ イ リス タ方 式 コ ンデ ンサ分 割 形 高周 波 イ ン
)｣ ,電 気 学 会 全 国 大会 ,648,p.786 (昭53)
バ ー タ (Ⅰ
(20) 畑 中 : r
動 力用 強 力超 音 波 励 振源 回 路 -
サ分割 形 高 周 波 インバ の定 常 特 性 解 析 -
逆等通 サ イ t
Jス タ方 式 コ ンデ ン
｣
.海技 大 学 校研 究 報告 ,
V
Ol.2 1 (昭 53)
(21
) 畑 中 ,中 岡 ,丸橋 : r
逆 導 通 サ イ リス タ方 式 コ ンデ ンサ分 割 形 高周 波 イン
バ ー タ (Ⅱ)｣ ,電 気 学 会 関西 支 那 連 大 ,GlIl く昭 53)
(22) 畑 中 ,中 岡 ,丸 橋 : ｢動 力用 超 音 波 ホ モ ジ ナ イザ 励 振 源 回 路 ｣ ,舶 用 機 関
Ot
.13,No.7,p.60 (昭 53)
学 会 誌 ,V
(23) 畑中 ,中 岡 ,丸橋 : ｢逆 導 通 サ イ リス タ方 式 コ ンデ ンサ分 別 形 高周 波 イン
バ ー タ (Ⅳ ) ｣ ,電 気 学 会全 国大 会 ,424,p.
509 (昭 54)
(
2
4
) 畑 中 ,中 岡 ,丸橋 : r
動 力用 超 音 波 電 源 用 逆 g
F通 サ イ リス タ方 式 直列 共 振
形 インバ ー タとその 定 常特 性 解 析 ｣ ,電 気 学 会 論 文 誌 ,V
Ol.99- B ,
No.4,p.221 (昭54)
(25) 畑 中 : r
動 力 用強 力 超 音 波 励 振 源 固 持 -
逆 蒔 通 サ イ リス タ方式 コ ンデ ン
サ分 割 形 高周 波 インバ ー タの 転 流 重 複 期 間 の影 響 ｣ ,海 技 大 学 校 研究 報 告
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.22 (昭 54)
(26) 畑 中 ,中岡 ,丸 橋 :r
動 力 用 超 音 波 ホ モジ ナ イザ 励振 源 の 近 似 解析 と設 計
｣,舶 用 機 関学 会 春 季 学術 講 演 ,106,p.
49 (昭 54)
(
2
7) 畑 中 ,中 岡 ,丸橋 : r
逆串通サ イt
)ス タ方 式 高周 波 インバ ー タの 定 常 特 性
解析 -
転 流 重複 期 間 の影 響 -
｣ ,電 気 学 会 制 御 変 換 装 置研 究 会 資 料 ,
PCC-79-13, (昭 54)
103
(28) 畑 中 ,中 岡 ,丸 橋 : ｢逆 ¥ 通 サ イ リス タ方 式 コ ンデ ンサ分 割 形 高周 波 イン
バ ー タの 転 涜 重 複 期 間 の 影 響 ｣ ,電 気学 会 論 文 誌 ,VOl
.9 9- B ,N o.
5, p.34 3 (昭 54)
(29) 中 岡 ,丸 橋 ,畑 中 : r
転 流 余 裕 時 間 / 角 一 定 制 御 装 置 を含 む電 圧 形 高周波
インバ ー タ系 の 記 述 関 数 解 析 ｣ ,電 気 学 会 論 文 誌 ,VOl.99- B ,N o.
6 , p.6 3 (昭 5 4)
(30) 畑 中 .中 岡 ,丸 橋 ,西 村 : ｢動 力 用 超 音 波 励 振 源 に つ いて -
回路 -
最 適励振 源
｣ ,舶 用 機 関 学 会 秋 季 学 術 講 演 , 2 0 3, p.2 7 (昭 54)
(31) Y.
Hat
anaka,
M.
Nakaoka,
T.
Mar
uhashi,
M.
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(32) S.
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CANADA (19 7 4)
(33) 畑 中 ,中 岡 ,丸 橋 ,西 村 : r
動 力 用 は 音 波 電 源 用逆 準 通 サ イ リス タ方 式 高
周 波 イ ンバ ー タの 過 渡 解 析 ｣ ,電 気 学 会 制 '
m 変 換 装 置 研 究 会 資 料 ,PCC
- 7 9 - 4 3 (昭 5 4)
(34) 畑 中 ,西 村 ,中 岡 ,丸橋 : r
サ イ リス タに よ る動 力 用 旭音 波 を利 用 したホ
H.15,
モ ジ ナ イザ 励 振 源 の 近 似 解 析 と設 計 ｣ ,舶 用 機 関学 会 誌 ,V〔
N o.1, p.3 4 (昭 5 5)
(35)Y.
Hatanaka,
M.
Nakaoka,
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Coll
ege,N o.2 3 (19 8 0)
(36) 畑 中 ,中 岡 ,丸 橋 ,西 村 : ｢燃 料 改 質 を 目的 とす る動 力 用 超 音 波 励 振 源 一
一最 適 励 振 源 方 式 の検 討 -
｣ ,舶 用 機 関学 会 誌 ,VOl.15 ,N o.4 ,
p.3 2 6 (昭 5 5)
(37) 畑 中 ,中 岡 ,丸 橋 ,西 村 : ｢燃 料 改 質 用 超 音 波 励 振 源 の安 定 動 作 につ いて
(過 渡 諸特 性 ) ｣ ,舶 用 機 関学 会 春 季学 術 講 演 , 2 0 2, p.3 3 (昭 55)
(38) 畑 中 ,中 岡 ,丸 橋 ,西 村 : r
燃 料 改 質 用 超 音 波 励 振 源 の安 定 動 作 ｣ ,舶 用
機 関学 会 誌 ,VOl.15 ,N o.12 (昭 5 5)
(39) Y.
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M.
Nakaoka,
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M.
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10 4
(4
0) 畑 中 ,中 岡 ,丸 橋 ,西 村 : r
逆 串 通 サ イ リス タ方 式 高 周 波 イ ンバ ー タの 過
渡 諸 特 性 と動 力 用 超 音 波 励 振 源 の 設 計 ｣ ,電 気 学 会 論 文 誌 ,VOl.10 1-
B,4 9 (昭 56)
(41) Y.
Hat
anaka,
M.
Nakaoka.
T.
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M.
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, 120 (19 8 1)
く42) 中 岡 ,村 上 ,西 村 , ｢時 分 剤 形 高 周 波 イ ンバ ー タ回 指 と特 性 解 析 ｣ ,
電 気 学 会 論 文 誌 ,VOl.94 - B, N o.3 , p.I 1 (昭 4 9)
r
電 流 制 御 形 時 分 割 高 岡 波 イ ンバ ー タの 準 安 定 動 作 パ
ラ メ ー タ領 域 に つ い て ｣ ,電 気 学 会 論 文 誌 ,VOl.lo o- B, N o.2 ,
(43) 中 岡 ,丸 橋 ,西 村 ,
p .124 (昭 5 5)
(44) M.
Nakaoka,
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Y.
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M.
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(45) Y.
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JNTELEC83Congr
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(46) 渡 辺 , ｢高 周 波 イ ンバ ー タ｣ ,電 気 学 会 誌 ,VOl.9 8 ,4 0 8 (昭 53)
(47) 畑 中 ,中 岡 ,丸 橋 : ｢中 点 タ ップ 形 高 周 波 イ ンバ ー タの 過 渡 ･定 常 特 性 解
析 ｣ ,電 気 学 会 論 文 誌 ,VOl.105- B ,N o.12 , p.100 1
(昭 60)
金 属 棒 解 用 SI
T高 周 波 イ ンバ ー タの 開 発 ｣ ,電 気 学
(48) 荻 原 ,木 村 ,出 崎 , r
会 半 導 体 電 力 変 換 装 置 研 究 会 資 料 , SP C- 8 3- 2 5 (昭 58)
(49) 沢 栄 ,赤 木 ,難 波 江 ,
｢
SI
Tを 用 い た電 流 形 高 周 波 講 等 加 熱 装 置 ｣ ,電 気
学 会 半 媒 体 電 力 変 換 装 置 研 究 会 資 料 , SP C- 85- 5 7 (昭 60)
(50) 金 ,中 岡 ,丸 橋 ,
r静 電 誘 串 形 トラ ン ジ ス タを用 い た誘 # 加 熱 用 高 周 波 イ
ンバ ー タ とそ の 特 性 に つ い て ｣ ,電 気 学 会 半 導 体 電 力 変 換 装 置 研 究 会 資 料
SP C- 86- 14 (昭 6 1)
中 点 タ ップ 形 S IT高 周 波 イ ンバ ー タの 特 性 ｣ ,
(51) 畑 中 ,中 岡 ,丸 橋 : r
昭 6 1 電 気 学 会 全 大 ,N o.5 19 (昭 6 1)
(52) 朝 枝 ,義 ,桑 原 ,
r誘 ¥ 加 熱
･レー ザ ー 電 源 シ ステ ム 用 の 高周 波 イ ンバ ー
タ技 術 ｣ , 昭 60電 気 ･情 報 関 連 学 会 連 大 , 6- 6, 1-13 7 (昭 6 0)
T高 岡 波 イ ンバ ー タ とそ の 過 渡 ･定 常
(53) 畑 中 ,中 岡 ,丸 橋 : ｢2倍 周 波 形 SI
特 性 解 析 ｣ ,電 気 学 会 論 文 誌 ,VOl.1 10-D , N o.3 (昭 62)
10 5
研 究 業
糸完
1.
学術論文
(1
) 畑中 ,中岡,丸橋
動力用超音波電源用逆鞘通サイリスタ方式直列共振形インバータとその定常特性解析
電気学会論文誌 ,Vot.
998,N
o.
4,P.
2
21(
昭544)
く
2) 畑中 ,中岡,丸橋 ,西村
サイリスタによる動力用超音波を利用 したホモジナイザ励振源の近似解析 と設計
5,日
0.
1,P.
34 (
昭551
)
日本舶用機関学会誌 ,Vol.1
(
3) 畑中 ,中岡,丸橋 ,西村
燃料改質を目的 とする動力用超音波励振源 ,一 叢適励振源方式の検討
一
1
5,日
0.
4,P.
3
24 (
昭554)
日本舶用機関学会誌 ,Vo1.
(
4) Y.
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4
9,N
o.
3,P.
21
7(1
98
0)
(
5) 畑中 ,中岡,丸橋 ,西村
燃料改質用は音波励振源の安定動作､一 過渡諸特性の解析
一
日本船用機関学会誌 ,Vol
.
1
5,H
o.
1
2,P.
91
5(
昭55-1
2)
(
6) 畑中 ,中岡,丸橋 ,西村
燃料改質用娼音波軌振源の負荷特性
日本舶用機関学会誌 ,Vol.
1
6,N
o.
6,P.
4
8
0(
昭566)
(
7) 畑中,中岡,丸橋 ,西村
逆串通サ イリスタ方式高周波 インバータの過渡諸特性と動力用超音波励振源の設計
ot
B,N
o.
8,P.
4
83(
昭568)
電気学会論文誌 ,Vol.l
(
8) 畑中,中岡,丸橋
中点 タップ形高周波インバータの過渡･
定常特性解析
電気学会論文誌 ,Vol
.
1
058
,N
o.
1
2,P.
1
001(
昭60-1
2)
(
9) 畑中,中岡,丸橋
2倍周波形 S IT高周波 インバータとその過渡 ･定常特性解析
電気学会論文誌 ,Vol
.
1
07D,
N
o.
3,
掲載予定 (
昭623)
106
2. 電気学会研究開発 ノー ト
(1
) 畑中.中岡,丸橋
動力用超音波振動子系の入力負荷特性
ol
.
9
8臥 N
o.
3,P.
31
1(
昭5
33)
電気学会論文誌 ,V
(
2) 畑中,中岡,丸橋
動力用超音波ホモジナ イザの入力負荷特性
ol
.
9
88,N
o.
7,P.
6
5
0(昭5
37)
電気学会論文誌 ,V
(
3) 畑中,中岡,丸橋
逆鞘通サイリスタ方式コンデンサ分別形高周波インバータの転流重複期間の影響
電気学会論文誌 ,V
o1
.
9
98,N
o.
5,P.
3
4
3(
昭5
45
)
(
4) 中岡.丸橋,畑中
転流余裕時間/角一定制御装置を含む電圧形高周波 インバータ系の記述関数解析
電気学会論文誌 ､V
ol
.
9
91
臥 N
o.
6.P.
41
1(昭5
46)
(
5) 柵中
逆尊通サイリスタ方式中点タップ形高周波 インバータ
電気学会論文誌 ,V
ot
.
1
0
3B.N
o.
7,P.
5
0
5(
昭5
87)
3. 研究報告官論文
(1
) 畑中,中岡,丸橋
群間位相差制御方式直列形インバータ
海技大学校研究報告 ,V
ol
.
2
0.P.
4
9(
昭5
23
)
(
2) 畑中
動力用強力超音波剛掘源回拍
一 逆群通サイリスタ方式コンデンサ分割形高岡波 インバータの特性解析
-
海技大学校研究報告 ,〉
ot
.
21,P.
1
9(
昭5
33)
(
3) 畑中
動力用強力超音波励振源回和
一 逆叫通サイリスタ方式コンデンサ分割形高周波インバータの転流重複期間の影響
海技大学校研究報告 ,V
o1
.
2
2,P.
2
7(昭5
43)
(
4) Y.
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9
8
0)
107
一
(
5) 畑中
動力用強7]
超音波励振源回路
-
Ldインプッ ト形逆主
暮通サ イリスタ方式高周波 インバー タ
ー
海技大学校研究報告 ,Vol
.
26,P.
39 (
昭581
3)
4. ほ術賃料
(1
) 畑中 ,大西
超音波ホモジナ イザによる乳化燃料油の生成 と特性
日本船用機関学会誌 ,〉ol.
1
8,日0.
4,P.
352 (
昭584)
(
2) 畑中
燃料油処理用ハ イバワ超音波励振源の一方式について
日本舶用機関学会誌 ,Vot.
20,No.
5,ド.
323 (
昭6
05)
5. 学術講演
5.
1 国際会議での口頭発表論文
uhashi,Y.
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)M.Nakaoka,T.Mar
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Recor
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1
983(
Tok
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J
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an)
108
5.
2 シンポジウム.研究会での口頭発表論文
(1
) 畑中 ,中岡 ,丸橋
動力用招音波振動子系励振用逆鞘通サイリスタ方式高周波 インバー タ
電気学会電子装置 ,
制御変換装置合同研究会資料 ,
P
C
C･
7
81
7, (昭5
39)
(
2) 畑中 ,中岡,丸橋
逆導通サイリスタ方式高周波 インバー タの定常特性解析
電気学会制御変換装置 ,
パワーエ レク トロニクス研究会合同研究会資料
P
C
C7
91
3(昭5
42
)
(
3) 畑中,中岡 ,丸橋 ,西村
動力用超音波電源用逆導通サイリスタ方式高周波 インバータの過渡解析
電気学会制御変換装置研究会資料 ,P
C
C1
7
94
3(
昭5
41
1
1
)
(
4) 中岡 ,丸橋 ,畑中
大電力用強力超音波発生用静止電力変換装置の現状 と問題点
電気学会全国大会シンポジウム ,S
86, (
昭5
64
)
5.
3 学会での一般講演発表論文
(1
) 柵中 ,近藤 ,中岡 ,丸橋
逆導通方式 コンデンサ分割形高周波 インバー タ(I)
電気学会全国大会 .6
7
7,P
.
8
5
0(昭5
2)
(
2) 畑中 ,中岡 ,丸橋
担音波ホモジナイザ励振源回路
日本舶用機関学会秋季学術講演 ,1
1
0,ド.
1
01(
昭5
2)
(
3) 畑中,中岡,丸橋
逆導通サ イリスタ方式コンデ ンサ分別形高周波 インバー タ(Ⅲ)
電気学会全国大会 ,6
4
8,P.
7
8
6(昭5
3
)
(
4) 畑中 ,中岡 ,丸橋
逆串通サイリスタ方式 コンデ ンサ分割形高周波 インバー タ(孤)
電気関係学会関西支那連合大会 ,Gl
l
l(
昭5
3
)
(
5) 畑中 ,中岡,丸橋
動力用超音波ホモジナ イザ励振源の近似解析 と設計
0
6,P.
4
9く昭5
4
)
日本舶用機関学会春季学術講演 ,1
109
(
6) 畑中,中岡,丸橋
逆専通サイリスタ方式コンデンサ分別形高周波インバータ(
Ⅳ)
電気学会全国大会 ,4
24､P.
5
09 (
昭5
4)
(
7) 畑中,中岡,丸橋,西村
動力用超音波励振源について
一最適励振源回路 -
03,P.
2
7 (昭54)
日本舶用機関学会秋季学術講演 ,2
(
8) 畑中,中岡,丸橋,西村
逆蒔通サイリスタ方式コンデンサ分割形高周波インバータ(Ⅵ)
電気学会全国大会 ,4
62,P,
5
43(
昭55)
(
9) 畑中,中岡,丸橋,西村
燃料改質用娼音波励振源の安定動作について
02,P.
33(昭55)
日本船用機関学会春季学術講演 ,2
(
1
0
) 畑中,中岡,丸橋 ,西村
燃料改質用超音波励振源の負荷特性
06,ド.
67 (昭5
5)
日本船用機関学会秋季学術講演 ,2
(ll
) 畑中,中岡,丸橋,西村
逆#通サイリスタ方式コンデンサ分割形高周波 インバータ(
Ⅶ)
電気学会全国大会 ,4
9
3,P.
58
6(
昭5
6)
(
1
2
) 畑中,大西
趨音波ホモジナ イザによる乳化燃料油の生成 と特性について
06,P.
75(昭5
7)
日本舶用税関学会秋季学術講清 ,2
(1
3) 畑中
ハイバワ超音波励振源の一方式について
0
9,ド.
9
3(
昭5
9)
日本舶用機関学会秋季学術講演 ,2
(
1
4
) 畑中
AS
CR
方式中点タップ形高周波インバータのスナバの影響
電気関係学会関西支那連合大会 ,G
32
9,Gl1
5(昭59)
(】
5) 畑中,中岡,丸橋
中点 タップ形 SIT高周波インバータの特性
電気学会全国大会 ,51
9,P.
602(
昭61
)
(1
6) 畑中,中岡,丸橋
2倍周波形 SIT高周波インバータの特性
電気関係学会関西支部連合大会 ,G
324,
Glll(
昭61
)
110
E
Eij Ef:
本 論 文 を ま とめ るに 際 して ､ 長 年 の 間 ､御 魚 心 な 御 指 導 お よび 御 鞭 た つ を 暢 っ
た ､神 戸 大 学 工 学 部 電 気 工 学 科
丸橋
徹 教 授 ､並 び に 中 岡 睦 放 助 教 授 に厚 く御
礼 を 申 し上 げ ます ｡ ま た ､種 々の 御 検 討 を戴 い た 神 戸 大 学 工 学 部 電 気 工 学 科
井 健 次 敦 授 ､ 並 び に神 戸 大 学 工 学 部 計 測 工 学 科
荒
北 村 新 三 教 授 に深 く感 謝 致 し ま
す ｡ さ らに ､種 々御 討 論 戴 い た神 戸 大 学 工 学 詐 電 気 工 学 科 ､ 各 救 授 の 方 々に敬 意
を表 します ｡
ま た ､本 研 究 を遂 行 す るに あ た り暖 か い励 ま しの御 青 葉 お よび 御 助 言 を裁 い た
大 阪大 学
西 村 正 大 邸 名 誉 教 授 お よび 神 戸 商 船 大 学 機 関学 科
に東 京 商 船 大 学 棟 閲科
武 田幸 男 教 授 並 び
手 塚 俊 一 教 授 に深 甚 な る謝 意 を表 し ます .
さ らに､ 本 研 究 の 実 際両 に お け る応 用 に関 して ､種 々御 討 論 裁 い た ､ 担 音 波 工
業株式会 社
渡 辺 哲 哉 社 長 ､ 石 渡 昭 一 常 務 お よび 谷 沢 公 彦 部 長 並 び に社 鼻 の 方 々
に感 謝 致 します ｡
この 研 究 は ､著 者 の 属 す る海 技 大 学 校 関 係 各 位 の 御 理 解 ､御 支 持 の 燭 物 で あ り
論 文 作 成 に あ た り､ 御 支 援 戴 い た 片 上 圭 四 郎 校 長 ､ 中 村
峻 機 関科長 ､近 藤 和 隆
教 授 お よび 大 西 正 幸 助 教 授 に心 か らの 感 謝 の 意 を表 します ｡
な お ､本 研 究 の 一 郎 は ､ 兵 庫 県 科 学 技 術 振 興 財 団 の 御 助 成 の 下 に行 わ れ た もの
で あ る こ と を付 記 し､ こ こ に感 謝 致 し ます ｡
111