JP2008515362A - 電圧を制御する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、制御変圧器によって電源内の電圧を制御する装置に関する。この場合、３つだけの巻線タップを選択的に分離されたリアクトル巻線に接続することによって、その結果、５つの異なる電圧ステップが、全部で４つの切換要素で設定可能である。

Description

本発明は、電源内の電圧を制御する装置に関する。

現在普及しているメインエネルギー供給系の場合、一般に電圧が、それぞれの高電圧源又は中電圧源の中央中継点内の制御変圧器によって制御される。これに対して、それぞれの制御変圧器の制御巻線が、巻線タップを有する；中断なしでの隣り合った巻線タップ間の負荷の下での切り換えが、負荷時タップ切換器によって実施され得る。
これに対して適切な負荷時タップ切換器は、原理的に２つの種類に区分することができる：抵抗高速スイッチのタイプ及びリアクトルスイッチのタイプ。抵抗高速スイッチの場合、切換時に流れるループ電流を制限し、それに応じて巻線タップ間を迅速に切り換える、短期間だけ加負荷可能なオーミック切換抵抗が存在する。リアクトルスイッチの場合、誘導性の切換インピーダンスが設けられている。これによって、遅くて連続する切り換えが可能である。

しかしながら、この説明した高電圧源又は中電圧源の分野の電圧制御の場合、分散型エネルギー供給で配電変圧器を制御することは容易でない。
分散型エネルギー供給の場合の消費者に密接に関連する低電圧の制御に対しては、いわゆる「電圧レギュレータ」が、特に米国で使用されている。今日の多くの通常の「電圧レギュレータ」は、単相式であり、誘導性の切換インピーダンスを有し、リアクトル又はリアクトル巻線とも呼ばれ、そして電圧制御を5/8 ％ごとの32ステップで、すなわち＋／−10％の範囲内で可能にする。

この「電圧レギュレータ」の別の種類は、Auto-Booster（登録商標）である。これらの機器は、遙かにより簡単に構成されていて、昇圧制御を2.5 ％又は1.5 ％ごとの４ステップで、すなわち全体で＋10又は＋6 ％の範囲内で可能にする。

消費者に密接に関連した低電圧範囲内の電圧制御に対する別の試みが、国際特許第01/33308号明細書及び国際特許第03/044611 号明細書中に記されている。これらの両出願は、タップを数個だけ有する制御変圧器を設けるという一般的な概念に基づく。この場合、個々の部分巻線が、切換スイッチによってその都度選択的に接続される。この場合、部分巻線の隣り合ったタップの−加負荷の下での切換時に短期間発生する−短絡時のループ電流が、定格電流の範囲内に制限されなければならない程度に、制御変圧器が、高い漏れインピーダンスを有しなければならない。したがって、従来の負荷時タップ切換器の一般的な切換抵抗は省略できる。単巻変圧器及び分離巻線変圧器としての制御変圧器の構成に適さなければならないこの配置の場合、切換スイッチの多数の異なる構成が可能である。すなわち、抵抗接触なしに専ら主接触子を有する負荷時タップ切換器の負荷切換スイッチを切換スイッチとして使用することが提唱される。別の提唱によれば、切換スイッチは、多段式のカムスイッチとして構成されなければならない又は選択的にリレー若しくは制御ゲートの列から構成されなければならない又は専ら電気スイッチ、特にサイリスタスイッチの列からも構成されなければならない。この場合、可能な位置の数は、切換スイッチの必要な切換要素の数に一致する。

分離された主巻線及び制御巻線が、少なくとも分離巻線変圧器の場合になくてはならないことが、公知の従来の技術の場合の欠点である。タップの短絡電流が、定格電流の高さだけに達するように、各ステップの漏れインダクタンスを高くするため、短い漏れチャネルが必要になる。分離された短い制御巻線が、このことから得られる。この巻線は、変圧器の幅及び深さを増大させる。変圧器のコストに対するこの多大な経費は、多くの場合に省略される切換抵抗による利益を上回る。さらに、制御方法が困難になる；この公知の配置は、特に並列回路に対して適さない。
国際公開第01/33308号パンフレット 国際公開第 03/044611号パンフレット

本発明の課題は、可能な限り僅かな切換要素を有する配電変圧器及び電圧制御装置（「電圧レギュレータ」）に対する電圧を制御する簡単で安価な装置を提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の特徴を有する装置によって解決される。従属請求項は、本発明の特に好適なその他の構成に関する。

本発明の装置は、特に例えば2.5 ％のステップ、すなわち全体で５ステップ内の＋／−５％の狭い制御範囲を有する配電変圧器の制御に対して提供される。本発明の装置は、液冷式変圧器及び空冷式変圧器の双方に対して適している。これらの特別な利点は、それぞれの配電変圧器の寸法が最小限に拡張するだけで済みかつ高い使用性及び運転信頼性が得られる点にある。このことは、本発明の装置が切換機器として構想されることによって実現される。この切換機器では、負荷時タップ切換器の機械式に移動するタップ選択器又は負荷タップ選択器が省略される。さらに本発明の装置は、ほとんど複雑でなく、特に構造要素及び切換要素が少ししかない。さらに以下でさらに説明する５つの選択可能な電圧ステップを有する構成に対しては、例えば４つの切換要素しか必要でない。これらの切換要素は、特に好ましくは逆並列されたそれぞれのサイリスタ対として又は真空切換セルとしても構成され得る。

以下に、本発明を図面に基づいて例示的にさらに詳しく説明する。

図１中には、第１の本発明の装置が概略的に示されている。制御変圧器の主巻線１が示されている。主巻線１の巻線端部２が、制御変圧器の分離された制御巻線３の中心に接続されている。この制御巻線３は、ここでは３つの分離されたタップＡ１．．．Ａ３を有する。タップＡ１及びＡ３はそれぞれ、制御巻線３の向き合っている端部に存在する。タップＡ２は、制御巻線３の正確に中心に存在する。主巻線１の巻線端部２が、この中心に接続されている。タップＡ１とタップＡ２との間及びタップＡ２とタップＡ３との間の有効な巻線長さがそれぞれ、ここでは主巻線１の有効長さの５％に相当するように、制御巻線３が定められている。

タップＡ１．．．Ａ３の各々が、切換要素、ここでは真空開閉器Ｖ１．．．Ｖ３に接続されている。制御巻線３の第１巻線端部に対するタップＡ１に接続されている第１真空開閉器Ｖ１の出力部及び制御巻線３の中心のタップＡ２に接続されている第２真空開閉器の出力部が、リアクトル巻線４の両端部に接続されている；これらの両端部に対して並列に、もう１つの切換要素、ここでは真空開閉器Ｖ４が、これらの両出力部間に配置されている。制御巻線３の別の端部に対するタップＡ３に接続されている第３の真空開閉器Ｖ３の出力部が、第１真空開閉器Ｖ１の出力部に電気接続されている。リアクトル巻線４の中心が、導線（シャント）に接続されている。このため、タップ５が、リアクトル巻線４に設けられている。

したがってこの例の場合の電圧は、真空開閉器Ｖ１．．．Ｖ４を適切に操作することによって＋／−５％の範囲内で2.5 ％のステップごとに制御可能である。 図２は、それぞれの真空開閉器Ｖ１．．．Ｖ４の位置に応じた５つの異なる可能な電圧ステップの表を図１中に示された例に対して示す。この場合、ｃは、閉じられている位置（「閉」）を意味する。ｏは、それぞれのスイッチの開いた位置にある。
全部で５つの電圧ステップが、これらの４つの真空開閉器によって調整可能であることが分かる。このことは、タップＡ２にある電圧に対して前後の＋／−５％のそれぞれがタップＡ１及びＡ３で取り出し可能であり、さらにその半分つまり2.5 ％がリアクトル巻線４を適切に切り換えることによって重畳され得ることによって実現される。

非常に簡単な操作シーケンスが、「より高い」電圧又は「より低い」電圧の切換方向に関係なく簡単な接続又は遮断によって得られるので、真空開閉器Ｖ１．．．Ｖ４の制御が、簡単に、例えばカムスイッチによって可能である。

図３は、図２中の表に示されているように図１中に示されかつ上述された個々の電圧ステップの場合の回路の真空開閉器Ｖ１．．．Ｖ４の異なる位置を示す。

図４は、負荷側を制御する電圧制御装置の構成要素としての本発明の配置を示す。入力電圧Ｕ_S が、主巻線１に印加されていることが分かる。この主巻線１の端部が、制御巻線３の中心のタップに接続されている。このタップは、示されたタップＡ２である。また、タップＡ１及びＡ３が、主巻線の５％ずつの巻線間隔で制御巻線３の両端部に設けられている。示されたリアクトル巻線４と同様に、真空開閉器Ｖ１．．．Ｖ４の位置及び機能は既に説明した。さらにここでは、負荷側の電流変換器６及び電圧変換器７が示されている。したがって、負荷の電流及び電圧の実際値を公知の方法で算出することができる。このとき、ここでは示さなかった公知の制御装置によって、目標値と実際値とが比較される。その結果、「より高い」方向又は「より低い」方向への必要な制御について決断が下される。このため、真空開閉器Ｖ１．．．Ｖ４の切換状態が、図２中に示されたように適切に変更される。これらの真空開閉器Ｖ１．．．Ｖ４が、カム制御によって制御される場合、切換カムが、方向に応じた操作に対して極めて簡単に72°だけ回転される。

図５は、電圧制御装置の入力（ソース）側を制御する本発明の配置を示す。

図６は、ここでは切換要素として逆並列接続されたサイリスタ対Ｔｈ１．．．Ｔｈ４を有する別の本発明の配置を示す。

本発明の範囲内では、説明した切換要素は、上述したように真空開閉器によっても実現可能であり、機械式スイッチ又はサイリスタスイッチによっても実現可能である。ここで示されたサイリスタスイッチによる構成には、本発明の配置の全体がなんらかの機械式に移動する操作要素なしに完全に静的なスイッチを構成する利点がある。サイリスタスイッチＴｈ１．．．Ｔｈ４を制御するため、図２中に示された表は、当業者によって例えば容易に電気式制御論理に変換可能である。

本発明の範囲内では、３つより多いタップが制御巻線３に設けられ、これらの追加のタップの各々が同様に適切な切換要素によって切換可能であることによって、図１中に示された切換配置をカスケード式に拡張することが可能である。ここでは追加のタップＡ４を１つだけ有するこれに対する例が、図７中に示されている。本発明のこのような実施形の場合、全てのタップＡ１．．．Ａ４間の巻線長さがそれぞれ、等しいように、例えば主巻線１の巻線長さの５％であるように、制御巻線３が寸法決めされている。当業者は、−図２中に示された表のような−対応する状態表を本発明にしたがって実現可能な追加の電圧段だけを適切に補充することが容易に可能である。

本発明の第１の装置の概略的な回路配置を示す。 個々の切換要素の位置に応じたこの装置の場合に実現可能な電圧ステップの表である。 これらの電圧ステップの場合の個々の切換要素のそれぞれの位置を示す。 電圧制御装置（「電圧レギュレータ」）の負荷側の電圧を制御する本発明の別の装置を示す。 電圧制御装置（「電圧レギュレータ」）の一次側の電圧を制御する本発明の別の装置を示す。 別に構成された切換要素を有する本発明の別の装置を示す。 拡張した切換配置を有する本発明の別の装置を示す。

符号の説明

１ 主巻線
２ 巻線端部
３ 制御巻線
４ リアクトル巻線
５ タップ
６ 電流変換器
７ 電圧変換器
Ａ１ タップ
Ａ２ タップ
Ａ３ タップ
Ｖ１ 真空開閉器
Ｖ２ 真空開閉器
Ｖ３ 真空開閉器
Ｖ４ 真空開閉器

Claims (5)

1. 制御変圧器によって電源内の電圧を制御する装置にあって、
   この場合、各相内の制御変圧器が、主巻線及びタップを有する分離された制御巻線を有し、
   及びこの場合、個々のタップが、切換要素によって切換可能でありかつ導線に接続可能である装置において、
   制御巻線（３）は、３つのタップ（Ａ１．．．Ａ３）を有すること、
   第１タップ（Ａ１）及び第３タップ（Ａ３）がそれぞれ、制御巻線（３）の１つの巻線端部に配置されていて、第２タップ（Ａ２）が、制御巻線（３）の巻線の中心に正確に配置されていること、
   主巻線（１）の端部が、第２タップ（Ａ２）に接続されていること、
   第１タップ（Ａ１）と第２タップ（Ａ２）との間の巻線長さ及び第２タップ（Ａ２）と第３タップ（Ａ３）との間の巻線長さがそれぞれ、主巻線（１）の巻線長さのＸ％であり、この場合、Ｘは、自然数であること、
   第１タップ（Ａ１）は、第１切換要素（Ｖ１，Ｔｈ１）の入力部に電気接続していて、第２タップ（Ａ２）は、第２切換要素（Ｖ２，Ｔｈ２）の入力部に電気接続していて、第３タップ（Ａ３）は、第３切換要素（Ｖ３，Ｔｈ３）の入力部に電気接続していること、 第１切換要素（Ｖ１，Ｔｈ１）の出力部及び第２切換要素（Ｖ２，Ｔｈ２）の出力部がそれぞれ、リアクトル巻線（４）の両端部のうちの１つの端部に接続していること、
   第３切換要素（Ｖ３，Ｔｈ３）の出力部が、第１切換要素（Ｖ１，Ｔｈ１）の出力部に電気接続されていること、
   もう１つの切換要素（Ｖ４，Ｔｈ４）が、リアクトル巻線（４）に対して並列に配置されていること、
   及びリアクトル巻線（４）の中心が、導線に正確に接続されていることを特徴とする装置。
2. Ｘの値は、５であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 真空開閉器（Ｖ１．．．Ｖ４）が、切換要素として設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 半導体スイッチ、特にサイリスタ（Ｔｈ１．．．Ｔｈ４）が、切換要素として設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
5. 可能な電圧ステップの数を増やすための制御巻線（３）は、別の切換要素（Ｖ５，Ｔｈ５）を１つずつ有する１つ又は多数の追加のタップ（Ａ４）を備え、タップ（Ａ４）はそれぞれ、カスケードに接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。

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