JP2000201028A - 変成器用電力増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光電圧変成器等からの出力を高利得で増幅し
て、保護継電器などの負荷３３へ出力する電力増幅器３
１，３１ａが２重母線のそれぞれに設けられ、母線切換
え時に共通に前記負荷３３に接続される際に、両者の偏
差による過電流や負荷３３の誤動作を防止する。 【解決手段】 ＰＷＭインバータ回路４０，４０ａをそ
れぞれ備える前記電力増幅器３１，３１ａにおいて、電
力増幅器３１ａ側には、電源ライン５５，５６によっ
て、電力増幅器３１側の直流電源３４から電力を供給す
る。したがって、前記偏差によって交流側で発生する電
力の授受は、直流側でキャンセルされることになり、電
力増幅器３１，３１ａの過電圧や過負荷による故障を防
止することができるとともに、負荷３３の誤動作を防止
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力系統の保護継
電器に、光変成器等からの出力を増幅して入力するため
に好適に用いられる変成器用電力増幅器に関する。

【０００２】

【従来の技術】前記保護継電器には、従来では、巻線形
の計器用変圧器などの出力が与えられている。この変成
器の出力は、過電圧などが発生すると、保護継電器のト
ラップレベル以上となり、該保護継電器に保護継電動作
を行わせることができる。一方、電力系統の高圧化や電
力設備の設置スペースの削減などに伴い、ＧＩＳ（GasI
nsulated Switchgears ）と称される、不活性ガスを充
填したガス絶縁開閉装置が用いられるようになってきて
いる。このような設備では、従来からの巻線形の変圧器
を用いることは、スペース的に困難である。

【０００３】このため、近年、測定すべき系統電圧を容
量分割し、その分圧した電圧を電気光学素子に与え、そ
の電気光学素子による印加電圧に対応した屈折率変化か
ら、前記系統電圧を検出するようにした光電圧センサが
用いられるようになってきている。しかしながら、この
光電圧センサからの出力は、たとえば±５Ｖ程度であ
り、前記保護継電器をトラップするのに必要な電圧およ
び電流を得ることができず、このため電力増幅器を介在
する必要が生じる。

【０００４】電力増幅器には、半導体素子の線形域を使
用するいわゆるプッシュプルアンプと、非線形域を使用
するＰＷＭ（パルス幅変調）インバータアンプなどがあ
り、限られた収納盤内のスペースで、かつ高効率で大き
な増幅率を得ることができるＰＷＭインバータアンプ
が、光電圧変成器には使用される。

【０００５】図５は、光変成器出力の増幅に用いられ、
前記ＰＷＭインバータ回路１０を備える典型的な従来技
術の電力増幅器１の電気的構成を示すブロック図であ
る。この電力増幅器１は、入力端子２から入力され、た
とえば±５（Ｖ）の振幅を有する前記光変成器からの入
力信号ｖｉを、たとえば１１０／√３（Ｖ）の振幅に増
幅して、不足電圧リレー等の保護継電器などの負荷３へ
出力する。

【０００６】前記ＰＷＭインバータ回路１０は、直流電
源４からの電源ライン５，６間に、スイッチング素子ｔ
ｒ１，ｔｒ２から成る直列回路と、スイッチング素子ｔ
ｒ３，ｔｒ４から成る直列回路とが相互に並列に接続さ
れて構成されており、各スイッチング素子ｔｒ１〜ｔｒ
４にはまた、スイッチングによって発生する逆起電力を
吸収するために、図示しないダイオードが逆極性にそれ
ぞれ接続されている。対を成すスイッチング素子ｔｒ
１，ｔｒ４と、スイッチング素子ｔｒ３，ｔｒ２とは、
いずれか一方の対が導通駆動されているときには、いず
れか他方の対が遮断駆動され、各対が負荷３に対応した
パルス幅で交互に導通駆動されることによって、スイッ
チング素子ｔｒ１，ｔｒ２の接続点ｐ１およびスイッチ
ング素子ｔｒ３，ｔｒ４の接続点ｐ２から、交流の矩形
波パルスが出力される。

【０００７】前記矩形波パルスは、複数段のＬＣ回路か
ら成るフィルタ７によって正弦波に復調された後、変圧
器８から出力端子２１，２２を介して出力され、スイッ
チ９を介して、前記負荷３へ供給される。

【０００８】前記変圧器８の２次側の出力電圧波形は、
フィードバック用の変圧器などから成る出力電圧検出回
路１１によってフィードバック用の帰還信号ｖｏとして
取出される。前記帰還信号ｖｏは、交流／直流変換器１
２において整流・平滑化された後、加算器１３で、交流
／直流変換器１４において直流変換された前記入力信号
ｖｉから減算され、こうして加算器１３からは、入力信
号ｖｉと帰還信号ｖｏとの誤差成分が出力される。

【０００９】前記加算器１３からの出力は、誤差増幅器
１５において所定のゲイン、たとえば１０倍に増幅され
た後、加算器１６に入力される。加算器１６にはまた、
基準電圧源１７で発生された基本デューティに対応した
基準直流電圧が与えられている。加算器１６は、前記基
準直流電圧に前記誤差増幅器１５からの出力電圧を加算
した後、乗算器１８へ出力する。乗算器１８は、前記入
力信号ｖｉに前記加算器１６からの出力を乗算して、制
御信号を作成し、駆動回路１９へ出力する。

【００１０】前記駆動回路１９は、前記入力信号ｖｉよ
りも充分高い周波数、たとえば入力信号周波数を商用周
波数である５０（Ｈｚ）または６０（Ｈｚ）とすると
き、数百（ｋＨｚ）の高周波で、かつ前記制御信号に対
応したパルス幅で、一対のスイッチング素子ｔｒ１，ｔ
ｒ４；ｔｒ３，ｔｒ２のゲートを導通／遮断駆動する。

【００１１】このようにして、負荷３の大きさや力率に
よって変化する出力電圧振幅を、帰還信号ｖｏとして入
力信号ｖｉに負帰還することによって、光変成器全体と
して、たとえばＪＥＣの１Ｔ級（定格にて比誤差が±１
％以内）、電力増幅器１の単体では、たとえば０．５級
（定格にて比誤差が±０．５％以内）の高精度で、入力
信号ｖｉを高効率に増幅した出力信号が作成されてい
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述のように構成され
る光変成器は、母線の各相に設けられている。したがっ
て、変電（開閉）所での母線接続方式のうち、２重母線
方式では、２つの母線にそれぞれ設けられる光変成器に
対して、母線切換え時には、保護継電器などの負荷３が
共通に接続される場合がある。図５において、もう一つ
の光変成器における電力増幅器の構成を、前述の電力増
幅器１の構成に添字ａを付して示す。図５の例では、電
力増幅器１側のスイッチ９が導通され、電力増幅器１ａ
側のスイッチ９ａが遮断されている。前記母線切換え時
には、一旦、これらのスイッチ９，９ａが共に導通され
た後、スイッチ９が遮断される。

【００１３】したがって、２つの電力増幅器１，１ａの
出力間に偏差がある場合には、フィードバックループの
負帰還動作によって、出力の高い側の電力増幅器の出力
がさらに高くなってゆき、低い側の電力増幅器の出力は
さらに低くなってゆく。これによって、最終的に２つの
電力増幅器間の差電圧を、２つの電力増幅器の内部イン
ピーダンスで割った電流が横流として生じることにな
る。これによって、出力の高い側の電力増幅器、たとえ
ば電力増幅器１では、電流が流出するために直流電源４
が過電流状態となり、出力の低い側の電力増幅器１ａで
は、電流が流れ込むために直流電源４ａが過電圧状態に
なり、これらの電力増幅器１，１ａの故障または負荷３
のミストリップを招くという問題がある。

【００１４】本発明の目的は、２つの電力増幅器の並列
使用時における不所望な故障や誤動作を防止するように
した変成器用電力増幅器を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る変
成器用電力増幅器は、ＰＷＭインバータ回路を有し、出
力信号を入力側に負帰還するようにした高利得の変成器
用電力増幅器において、該変成器用電力増幅器を共通負
荷に２台並列接続する際には、前記ＰＷＭインバータ回
路の直流電源を共通にすることを特徴とする。

【００１６】上記の構成によれば、２つの電力増幅器を
それぞれ収納する収納盤同士が、相互に近接して配置さ
れている場合には、一方の電力増幅器から他方の電力増
幅器へ直流電源ラインを引回すだけで、２つの電力増幅
器間に偏差があっても、ＰＷＭインバータ回路の直流電
源が共通であるので、出力電圧の低い側のインバータ回
路を流れる電流が、必ず前記直流電源に還流されること
になり、２つの電力増幅器間を流れる横流による電力の
授受は、直流電源でキャンセルされることになる。

【００１７】したがって、前記直流電源が過電流や過電
圧になることはなく、電力増幅器の故障や負荷の誤動作
を防止することができる。

【００１８】また、請求項２の発明に係る変成器用電力
増幅器は、ＰＷＭインバータ回路を有し、出力信号を入
力側に負帰還するようにした高利得の変成器用電力増幅
器において、該変成器用電力増幅器を共通負荷に２台並
列接続する際には、前記ＰＷＭインバータ回路における
正負各電源ライン同士を相互に接続することを特徴とす
る。

【００１９】上記の構成によれば、２つの電力増幅器を
それぞれ収納する収納盤同士が、相互に近接して配置さ
れている場合には、２つの電力増幅器間に電源ラインを
引回し、ＰＷＭインバータ回路における正負各直流電源
ラインを相互に接続するだけで、２つの電力増幅器間に
偏差があっても、出力電圧の高い側のインバータ回路か
ら低い側のインバータ回路へ流れ込んだ電流が、前記電
源ラインを介して、必ず前記出力電圧の高い側のインバ
ータ回路に還流されることになり、２つの電力増幅器間
を流れる横流による電力の授受は、キャンセルされるこ
とになる。

【００２０】したがって、前記直流電源が過電流や過電
圧になることはなく、電力増幅器の故障や負荷の誤動作
を防止することができる。

【００２１】さらにまた、請求項３の発明に係る変成器
用電力増幅器は、前記出力信号と入力信号との間の誤差
増幅を行う誤差増幅器に関して、電力増幅器の内部イン
ピーダンスの変化を電圧降下分の２倍以内に制限する振
幅制限回路を設けることを特徴とする。

【００２２】上記の構成によれば、前記高利得の誤差増
幅器に関して、振幅制限回路を設けて振幅制限を行うの
で、前記横流を定格時の２倍以内に抑えることができ、
電力増幅器の故障や負荷の誤動作を防止することができ
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態について、
図１〜図３に基づいて説明すれば以下のとおりである。

【００２４】図１は、本発明の実施の一形態の電力増幅
器３１，３１ａの使用状態での電気的構成を示すブロッ
ク図である。これらの電力増幅器３１，３１ａは、２重
となっている母線の相互に対応する相にそれぞれ設けら
れる光変成器からの入力信号ＶＩ，ＶＩａを増幅した
後、スイッチ３９，３９ａを介して、保護継電器などの
負荷３３へ出力する。電力増幅器３１ａは、電力増幅器
３１とほぼ同様に構成されており、まず電力増幅器３１
について説明し、電力増幅器３１ａの対応する部分に
は、同一の参照符号に添字ａを付して示し、その説明を
省略する。

【００２５】前記光変成器からの入力信号ＶＩは、たと
えば±５（Ｖ）の振幅を有しており、電力増幅器３１
は、入力端子３２から入力されるこの入力信号ＶＩを、
ＰＷＭインバータ回路４０によって、たとえば１１０／
√３（Ｖ）の振幅に増幅して、前記負荷３３へ出力す
る。

【００２６】前記ＰＷＭインバータ回路４０は、直流電
源３４からの電源ライン３５，３６間に、スイッチング
素子ＴＲ１，ＴＲ２から成る直列回路と、スイッチング
素子ＴＲ３，ＴＲ４から成る直列回路とが相互に並列に
接続されて構成されており、各スイッチング素子ＴＲ１
〜ＴＲ４にはまた、スイッチングによって発生する逆起
電力を吸収するために、図示しないダイオードが逆極性
にそれぞれ接続されている。対を成すスイッチング素子
ＴＲ１，ＴＲ４と、スイッチング素子ＴＲ３，ＴＲ２と
は、いずれか一方の対が導通駆動されているときには、
いずれか他方の対が遮断駆動され、各対が負荷３３に対
応したパルス幅で交互に導通駆動されることによって、
スイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ２の接続点Ｐ１およびス
イッチング素子ＴＲ３，ＴＲ４の接続点Ｐ２から、交流
の矩形波パルスが出力される。

【００２７】前記矩形波パルスは、複数段のＬＣ回路か
ら成るフィルタ３７によって正弦波に復調された後、変
圧器３８から出力端子５１，５２を介して出力され、前
記スイッチ３９を介して、前記負荷３３へ供給される。

【００２８】前記変圧器３８の２次側の出力電圧波形
は、フィードバック用の変圧器などから成る出力電圧検
出回路４１によってフィードバック用の帰還信号ＶＯと
して取出される。前記帰還信号ＶＯは、交流／直流変換
器４２において整流・平滑化された後、加算器４３で、
交流／直流変換器４４において直流変換された前記入力
信号ＶＩから減算され、こうして加算器４３からは入力
信号ＶＩと帰還信号ＶＯとの誤差成分が出力される。

【００２９】前記加算器４３からの出力は、誤差増幅器
４５において所定のゲイン、たとえば１０倍に増幅され
た後、加算器４６に入力される。加算器４６にはまた、
基準電圧源４７で発生された基本デューティに対応した
基準直流電圧が与えられている。加算器４６は、前記基
準直流電圧に前記誤差増幅器４５からの出力電圧を加算
した後、乗算器４８へ出力する。乗算器４８は、前記入
力信号ＶＩに前記加算器４６からの出力を乗算して、制
御信号を作成し、駆動回路４９へ出力する。

【００３０】前記駆動回路４９は、前記入力信号ＶＩよ
りも充分高い周波数、たとえば入力信号周波数を商用周
波数である５０（Ｈｚ）または６０（Ｈｚ）とすると
き、数百（ｋＨｚ）の高周波で、かつ前記制御信号に対
応したパルス幅で、一対のスイッチング素子ＴＲ１，Ｔ
Ｒ４；ＴＲ３，ＴＲ２のゲートを導通／遮断駆動する。

【００３１】このようにして、負荷３３の容量によって
変化する出力電圧振幅を、帰還信号ＶＯとして入力信号
ＶＩに負帰還することによって、光変成器全体として、
たとえばＪＥＣの１Ｔ級（定格にて比誤差が±１％以
内）、電力増幅器３１の単体では、たとえば０．５級
（定格にて比誤差が±０．５％以内）の高精度で、入力
信号ＶＩを高効率に増幅した出力信号が作成されてい
る。

【００３２】注目すべきは、この図１で示す例では、電
力増幅器３１ａには、直流電源が設けられておらず、電
力増幅器３１側の直流電源３４から、電源ライン５５，
５６を介して、給電されることである。これによって、
前述の母線切換えのためにスイッチ３９，３９ａが共に
導通された際に、２つの電力増幅器３１，３１ａ間に偏
差があり、変圧器３８，３８ａの２次側で横流が発生し
ても、直流電源３４が共通であり、横流による電力の授
受は、この直流側でキャンセルされることになる。した
がって、該直流電源３４が過電圧や過負荷となることは
なく、電力増幅器３１，３１ａの故障を防止することが
できるとともに、負荷３３の誤動作を防止することがで
きる。

【００３３】また注目すべきは、誤差増幅器４５，４５
ａは、たとえば図２で示すように、差動増幅器を用いた
反転増幅器において、帰還抵抗と並列にダイオードを接
続し、このダイオードの順電圧や、ツェナダイオード接
続した場合にはツェナ電圧を用いて、図３で示すよう
に、該誤差増幅器４５，４５ａの入力に対して、出力を
所定レベルで制限している。

【００３４】これによってもまた、前記横流を制限する
ことができる。この場合、前記制限値は、電力増幅器３
１，３１ａの定格出力電圧を１１０／√３＝６３．５Ｖ
ｒｍｓとし、定格負荷を３０ＶＡとし、内部インピーダ
ンスを７％とするとき、たとえば前記内部インピーダン
スの２倍の±１４％とすると、電力増幅器３１，３１ａ
内のＰＷＭインバータ回路４０，４０ａの出力間の差電
圧は、 ６３．５Ｖｒｍｓ×２８％＝１７．８Ｖｒｍｓ となり、内部インピーダンスは、 ６３．５Ｖｒｍｓ² ×０．０７／３０ＶＡ＝９．４Ω となり、横流は、 １７．８Ｖｒｍｓ／９．４Ω／２＝０．９５Ａｒｍｓ となり、前記定格時の電流（３０／６３．５＝０．４７
２Ａｒｍｓ）のほぼ２倍に制限されることになる。

【００３５】本発明の実施の他の形態について、図４に
基づいて説明すれば以下のとおりである。

【００３６】図４は、本発明の実施の他の形態の電力増
幅器３１，３１ｂの使用状態を示すブロック図である。
この図４で示す例では、一方の母線側の電力増幅器３１
に対して、他方の母線側の電力増幅器３１ｂも全く同様
の構成とされ、対応する部分には同一の参照符号に添字
ａを付して示す。注目すべきは、この図４で示す例で
は、電源ライン３５，３６が、電源ライン５５，５６に
よって、それぞれ対応する電源ライン３５ａ，３６ａと
接続されていることである。

【００３７】このように構成することによって、２つの
電力増幅器３１，３１ｂ間に偏差があっても、出力電圧
の高い側のインバータ回路から低い側のインバータ回路
へ流れ込んだ電流が、前記電源ライン５５，５６を介し
て、必ず前記出力電圧の高い側のインバータ回路に還流
されることになり、２つの電力増幅器３１，３１ｂ間を
流れる横流による電力の授受は、キャンセルされること
になる。

【００３８】したがって、前記直流電源３４，３４ａが
過電流や過電圧になることはなく、電力増幅器３１，３
１ｂの故障や負荷３３の誤動作を防止することができ
る。

【００３９】

【発明の効果】請求項１の発明に係る変成器用電力増幅
器は、以上のように、ＰＷＭインバータ回路を有し、出
力信号を入力側に負帰還するようにした高利得の変成器
用電力増幅器において、該変成器用電力増幅器を共通負
荷に２台並列接続するにあたって、一方の電力増幅器か
ら他方の電力増幅器へ直流電源ラインを引回し、ＰＷＭ
インバータ回路の直流電源を共通にする。

【００４０】それゆえ、２つの電力増幅器間に偏差があ
っても、出力電圧の低い側のインバータ回路を流れる電
流が、必ず前記直流電源に還流されることになり、２つ
の電力増幅器間を流れる横流による電力の授受は直流電
源でキャンセルされ、該記直流電源が過電流や過電圧に
なることはなく、電力増幅器の故障や負荷の誤動作を防
止することができる。

【００４１】また、請求項２の発明に係る変成器用電力
増幅器は、以上のように、ＰＷＭインバータ回路を有
し、出力信号を入力側に負帰還するようにした高利得の
変成器用電力増幅器において、該変成器用電力増幅器を
共通負荷に２台並列接続するにあたって、２つの電力増
幅器間に電源ラインを引回し、ＰＷＭインバータ回路に
おける正負各電源ライン同士を相互に接続する。

【００４２】それゆえ、２つの電力増幅器間に偏差があ
っても、出力電圧の高い側のインバータ回路から低い側
のインバータ回路へ流れ込んだ電流が、前記電源ライン
を介して、必ず前記出力電圧の高い側のインバータ回路
に還流されることになり、２つの電力増幅器間を流れる
横流による電力の授受はキャンセルされ、該直流電源が
過電流や過電圧になることはなく、電力増幅器の故障や
負荷の誤動作を防止することができる。

【００４３】さらにまた、請求項３の発明に係る変成器
用電力増幅器は、以上のように、出力信号と入力信号と
の間の誤差増幅を行う高利得の誤差増幅器に関して、電
力増幅器の内部インピーダンスの変化を電圧降下分の２
倍以内に制限する振幅制限回路を設ける。

【００４４】それゆえ、前記横流を定格時の２倍以内に
抑えることができ、電力増幅器の故障や負荷の誤動作を
防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光変成器出力の増幅に用いられる本発明の実施
の一形態の電力増幅器の使用状態での電気的構成を示す
ブロック図である。

【図２】図１で示す電力増幅器における誤差増幅器の一
構成例を示すブロック図である。

【図３】図２で示す誤差増幅器の特性を示すグラフであ
る。

【図４】本発明の実施の他の形態の電力増幅器の使用状
態での電気的構成を示すブロック図である。

【図５】光変成器出力の増幅に用いられる典型的な従来
技術の電力増幅器の使用状態での電気的構成を示すブロ
ック図である。

【符号の説明】

３１，３１ａ，３１ｂ 電力増幅器 ３２，３２ａ 入力端子 ３３，３３ａ 負荷 ３４，３４ａ 直流電源 ３７，３７ａ フィルタ ３８，３８ａ 変圧器 ３９，３９ａ スイッチ ４０，４０ａ ＰＷＭインバータ回路 ４１，４１ａ 出力電圧検出回路 ４２，４２ａ；４４，４４ａ 交流／直流変換回路 ４３，４３ａ；４６，４６ａ 加算器 ４５，４５ａ 誤差増幅器 ４７，４７ａ 基準電圧源 ４８，４８ａ 乗算器 ４９，４９ａ 駆動回路 ５１，５１ａ；５２，５２ａ 出力端子 ５５，５６ 電源ライン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5J091 AA01 AA21 AA27 AA41 CA55 CA56 FA01 FA14 GP02 HA02 HA19 HA35 HA38 HA39 KA00 KA20 KA26 KA41 KA42 KA57 MA13 TA01 TA02 UW01 UW10 5J092 AA01 AA21 AA27 AA41 CA55 CA56 FA01 FA14 HA02 HA19 HA35 HA38 HA39 KA00 KA20 KA26 KA41 KA42 KA57 MA13 TA01 TA02

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＰＷＭインバータ回路を有し、出力信号を
   入力側に負帰還するようにした高利得の変成器用電力増
   幅器において、 該変成器用電力増幅器を共通負荷に２台並列接続する際
   には、前記ＰＷＭインバータ回路の直流電源を共通にす
   ることを特徴とする変成器用電力増幅器。
2. 【請求項２】ＰＷＭインバータ回路を有し、出力信号を
   入力側に負帰還するようにした高利得の変成器用電力増
   幅器において、 該変成器用電力増幅器を共通負荷に２台並列接続する際
   には、前記ＰＷＭインバータ回路における正負各電源ラ
   イン同士を相互に接続することを特徴とする変成器用電
   力増幅器。
3. 【請求項３】前記出力信号と入力信号との間の誤差増幅
   を行う誤差増幅器に関して、電力増幅器の内部インピー
   ダンスの変化を電圧降下分の２倍以内に制限する振幅制
   限回路を設けることを特徴とする請求項１または２記載
   の変成器用電力増幅器。