JP2008543253A

JP2008543253A - 電力の発電、送電、配電及び供給用のプリズム型電気コンバータ及びその製造方法

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Publication number: JP2008543253A
Application number: JP2008513388A
Authority: JP
Inventors: セバロス、ビセンテアートゥロメンドサ
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2008-11-27
Also published as: AP2007004230A0; EG24922A; BRPI0610754A2; IL187527A0; AU2006250142B2; IL187527A; US20080192522A1; CA2605349A1; EA200702293A1; ZA200710022B; MXPA05005770A; NZ564368A; KR20080018906A; AU2006250142A1; US7791916B2; CN101189691A; EP1887588A4; WO2006126868A1; EP1887588A1

Abstract

【課題】
【解決手段】本発明は、基本的に２つのシステム、即ち、磁気システム及び電気システムと、追加的な温度制御ないしは冷却システムとを含む、電流の発電、送電、配電及び供給用のプリズム型電気コンバータに関するものである。結果として、当該コンバータは、三相側を持つ。三相磁気回路は、磁気回路の基盤を形成する。二相側は、それらが構成する３つの磁気回路に形成される。より詳細には、本発明のコンバータは、円、楕円、十字形等の部分を持つ破断あるいは連続的なスパイラル・コラム形の磁性シリコン鋼コア、破断のスパイラル型コンバータであるエバンズ型コンバータあるいはウェスコード型コンバータあるいは接点を持ちコイルされたものを含む。本発明のコンバータの動作は、第三相を生成するための既存の２つの相のベクトル和を含む最も一般的に使用されているシステムに基づくものであるが、二相から六相を形成するように拡張され得る。プリズム接続ＥＴＯ−１２０−２／３及びＥＴＯ−２４０−２／３は、参照として使用され、欠けている相は、あらゆる層が、供給相に応じて生成される２つの供給相、即ち、相ａは、セクションａ１とａ２、相ｂは、セクションｂ１とｂ２、相ｃは、セクションｃ１とｃ２とから形成されることを示唆する。従って、相ａと相ｂがある場合、欠けている相は、ｃであり、相ｂと相ｃとがある場合、欠けている相はａであり、相ａと相ｃがある場合、欠けている相はｂであり、まだ存在しない相を生成する。このような方法で、あらゆる電圧レベルの三相アウトプットシステムが、電流を発電、送電、配電及び供給する全ての電気システムに使用可能である三相電圧が供給される。更に、プリズム型変換システムは、２つのワイヤーを有する二相のサプライから、三相、二相、あるいは単相のチャージに接続できる中性点を有する平衡な三相システムを得るのに使用することができ、従って、一般的使用ができない既存の電気コンバータに比べて並外れたものである。また、前記プリズム型接続ないしはシステムは、用途が制限されることはない。更に、前記電気コンバータは、以下の工程を含む新規的な方法で製造される。即ち、磁性コアの製造、三相を組み合わせるための積み重ね、パケットの形成、電力あるいは配電力を発生するための前記パケットのプレス、最終的な磁性コアの形成、そして最後に、前記磁性コアのアニーリングを含むものであり、それが、本発明のプリズム型コンバータを製造する新規な方法である。
【選択図】図６(ａ)

Description

本発明は、概略すると、電力の発電、送電、配電および供給に関するものである。より詳細には、本発明は、磁気システムと電気システムの２つのシステムで構成されたプリズム型コンバータに関するものである。また前記コンバータは三相側をもつものであるということに起因して冷却すなわち温度制御システムをも有する。磁気回路は三相磁気回路に基づくものであり、二相側は、それを形成する三つの磁気回路上に形成されている。即ち、任意の断面形状を有するコラム型、連続的あるいは定期的、円柱、又はシールドされたコア等のシリコン鋼磁気コアで構成される。また、本発明は、上記のものと同様であるが破断したエバンス型(Evans type)あるいは、接合箇所を有するコイルされたウエスコード型(Wescord
type)であっても良い。本発明の動作原理は、存在しない第三相を形成する２つの既存の相のベクトル和に基づくものであり、スコット型(Scott type)等の他の電気コンバータとは異なる。本発明のオープンデルタ、プリズム型は、３つの相が直流源からのデジタル通信を介して生成されることより、その変換のアウトプットとして第三相を生成する。

今までは、スコット及びオープンデルタと称される開発で１９世紀に発明されたような、二相あるいは三相電気コンバータなどが知られているが、現在の電気ネットワークは、電気溶融炉において三相から二相に供給することにしか使用できないうえ、図１に示すように、二相あるいは三相の逆の応用は不可能であるため、前記スコットシステムは、現在の電気ネットワークでは使用できない。前記オープンデルタシステムは、今でも使用されており、配電系統において三相電力を提供しているが、図２に示されるように、効率は僅かに５７．７％（Chester L. Dawes氏）である。

最後に、そのシステムは、不平衡な中性点電圧及び不平衡電流を提供するものである。

現在、二相あるいは三相電気コンバータは、低電圧の電気あるいは電子エンジン用のものしかない。最良の動作性能を備えているものは、電子型であるが、低電圧から低電圧への使用しかできないという制約があり、その使用は非常に高くつくうえ、その用途は、接続されたチャージの種類に依存するものである。

図５に示すようなプリズムと称される他の電気コンバータは、断面が任意形状のコラム型、連続的あるいはローリング、円柱、又はシールドされたコアであるシリコン鋼磁気コアで構成されるものの実用例であり、上記のものと同様であるが破断したエバンズ型(Evans type)あるいは、接続箇所のあるコイルされたウエスコード型(Wescord
type)であっても良い。

動作に関する本発明のコンバータの相違点は、存在しない第三相を生成するように２つの既存の相のベクトル和に基づくことである。即ち、プリズム型コンバータは、スコットあるいはオープンデルタなどの他の電気コンバータとは異なって、変換の結果として第三相を生成することである。というのは、例えば、この電気コンバータにおいては、電流源からデジタル通信を介して三つの相が作成されるためである。

従って、本発明の目的は、二相から三相へ、高電圧から高電圧へ、高電圧から中電圧へ、及び中電圧から低電圧へ又はその逆に変換する、新規で改良されたプリズム形電気コンバータを提供することにある。

本発明の他のより具体的な目的は、変換効率が改善されたプリズム型電気コンバータを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、あらゆる電気システムにおける電力の発電、送電、配電から供給に至るまで適用することができるプリズム型電気コンバータを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、本発明は、１つが磁気システムでもう１つが電気システムである２つのシステムで構成され、第三相側を持つため冷却あるいは温度制御システムを備えたプリズム型電気コンバータを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、コンバータの磁気回路が、三相磁気回路を基板として持ち、それを形成する３つの磁気回路において二相側をも有するものとすることである。

上述した目的及び、本発明が説明されるにつれて明らかになりかつ全ての電気システムにおいて発電、送電、配電から供給システムに至るまで使用可能であるため、ユニバーサル・コンバータであるプリズム型電気コンバータを満たし、電力によって完璧な効率である１００％にとても近い９８％までの高効率を提供し、相間及び相と中性点間の電圧が完全に平衡したプリズム型電気コンバータが満たす目的は、全ての電力が、スコットあるいはデルタ型電気コンバータを通すとより高く、その応用と、低電圧電気及び電子コンバータに共通するため、単相、二相、あるいは三相など、あらゆる種類のチャージに供給することである。

図３に示されるように世界各国で使用されている交流配電システムにおいて、３あるいは４スレッド三相線から三相中電圧の供給が得られることがわかる。

しかしながら、小都市、街、郊外及び地方では、三相線を使用することは、設置費用を賄うだけの使用者数がないため、電力会社にとっては有益でない。従って、ヨーロッパにおける国々やアメリカにおいては、選択肢は、二相二線網を設置して単相住宅用サービスを提供し、三相サービスが必要な場合、そのネットワークを形成するが、使用者に負担がかかり、三相電力は大きな需要があるため、最終需要家が支払うコストが高くなる。このシステムは、例えば特に効果的あるいは効率的であるが高価格なシステムによって補完しなければならないため、使用者のニーズを完全には満たすものではない。当該システムの一つは、メキシコのＣＦＥで使用されている、図２に示されるような２つの単相変圧器で使用された場合５７．７％だけが使用される低効率のパーセンテージで不平衡な三相サービスを提供するオープンデルタと呼ばれるシステムである。

この満たされないニーズは、電子コンバータの適用に非常に選択的であり、現在は、単相配電変電所の費用が前記コンバータの費用に追加されなければならないため低電圧でしか使用されていない１５ＫＶＡ以上の電力の費用は高価格な容量コンバータの急増の原因となっている。

図４は配電システムの提案された解法を示すものであり、そのシステムは世界各国における問題を解消することができるものである。というのは、中電圧網は、２本の線で構成することができ、発電会社が拡張問題を解決することができるうえ、初めは、チャージは単相チャージであるが、従前の配電システムとは異なり、三相サービスを必要とする使用者は、当該コンバータから中電圧から低電圧までの適用において三相サービスを得ることが可能になるためである。

図１は、スコット及びオープンデルタと称される開発で最初に発明された二相から三相への電気コンバータの一つである、１９世紀後半に発明されたスコット接続を示すものである。このスコットシステムは、電気溶融炉において三相から二相に配電するためだけに使用されている現在のネットワークには適用できず、また二相から三相への逆の適用も不可能である。

図２は、配電システムにおいて三相電力を供給する現在使用されているオープンデルタ接続を示すものであるが、効率は５７．７％（Chester L. Dawes氏）である。図２は、中性点で不平衡電圧でありかつ不平衡電流であるオープンデルタ接続の図示レイアウトである。

図３は、交流電力を発電、送電、及び配電する現在一般的に使用されている配電システムを示すものであり、この交流配電システムは、世界各国で使用されており、通常の３あるいは４線における三相線からは、三相の中電圧サービスが得られることを示している。

図５は、コアの種類を示すものである。即ち、現在のプリズム型電気コンバータがどのように構成されているかを示すものであり、シリコン鋼磁性コアが示されている。このコアは、円形、楕円形、十字型等、如何なる断面形状のコラム型であっても良い。また、上記と同様であるが破断したエバンス型(Evans type)（図示略）、ウェスコード型(Wescord type)すなわち接合箇所のあるコイルを備えたロールしたものでも良い。その動作原理は、第三の存在しない相を形成するように既存の二相のベクトル和に基づくものであり、スコット型あるいはオープンデルタ型コンバータなどの他の電気コンバータとは異なり、その変換の結果として１つの三相を作成する。例えば、電気コンバータ（図示略）において、三つの相が、電流源からデジタル通信を通して作成される。以上、本発明のプリズム型電気コンバータに関連する電気コンバータの以前のデータだけについて説明した。

図４は、本発明のプリズム型電気コンバータの革新的な応用に関する考えられる、配電システムの提案された解決法としての電気システムを示すものであり、低電圧網は２線で構成されるものであるため、これは一般的問題を説明するものである。従って、チャージが単相チャージである場合、今までの配電システム（図示略）で、三相サービスを必要とするあらゆる使用者が、中電圧から低電圧を配電する際にこの提案されたコンバータの電気システムから三相サービスの供給を受けられるため、電力会社が、拡張問題を解決することになる。

図６(ａ)は、本発明のプリズム型コンバータ（プリズム接続）すなわちＥＴＯ−１２０−２／３の電気システムを、プリズム接続の正確な詳細と共にベクトル的に説明するものであり、これは、同図に示すように、１２０°の電気角度で接続され二相から三相に変換するプリズム・コンバータであることを意味する。その相は、２つのセクションで形成されるものであり、例えば、相ａは、セクションａ１とａ２、相ｂは、セクションｂ１とｂ２、相cは、セクションｃ１とｃ２で構成される。一般的に相は、ａ、ｂ、あるいはｃのどれでもよく、図６において、相ａと相ｂとで相ｃを形成している。相ｃ１のセクションは、ａ１とｂ１とで形成され、相ｃ２のセクションは、ａ２とｂ２とで形成されている。相ｃが形成される時、ａはｓ１、ｂはｓ２そしてｃはｓ３のように、対応する相で形成される。これらの相から得られる角度変位は、典型的な三相システムにおける場合と同様に、１２０°Ｅ（電気角度）であり、相間及び相と中性点との間で対称電圧を発生させる。例えば、メキシコでは、給電電圧は、１３,２００、２３,０００あるいは３４,５００ボルトであることがあり、最も一般的な出力は、ｓ１とｓ２との間で２２０ボルト、ｓ２とｓ３との間で２２０ボルト、ｓ１とｓ３との間で２２０ボルト、そして、ｓ１とｎとの間で１２７ボルト、ｓ２とnとの間で１２７ボルト、及びｓ３とnとの間で１２７ボルトである。インプット電圧値は、二相側において、どのような通常あるいは特別用途の数値あるいは特殊数値であっても良く、三相側において、どのような通常あるいは特別用途の数値であっても良い。

図６(ｂ)は、プリズム接続ＥＴＯ−２４０−２／３を示すものであり、図６(ａ)の場合と同様に作動するが、この場合、２つのインプットベクトルの角度変位が２４０°Ｅ（電気角度）である点において異なる。

図７(ａ)及び図７(ｂ)は、本発明のプリズム型コンバータのプリズム型電気接続ＥＴＯ−２４０−２／３のコアコイルの配置を示すものであり、それぞれ、コラム型のコアとシールドされたウエスコード・コア(Wescord core)の応用を示すものである。巻き線は、以下の平衡システムのインプット電圧の式に基づいて図６(ａ)と図６(ｂ)において説明した方法で接続された３つのセクション、即ち２つの中電圧セクションと１つの低電圧セクションと、で構成されている。

PENT = 2Vphase Iphase
但し、PENT=電圧インプット（ワット）、Vphase=相電圧（ボルト）、Iphase=相電流（アンペア）である。

そして、以下のアウトプット電圧式に従がう。
PSAL =
3Vphase Iphase
但し、PENT=電圧インプット（ワット）、Vphase=相電圧（ボルト）、Iphase=相電流（アンペア）である。

図８は、本発明のプリズム型コンバータのプリズム・システムの考えられる物理的配置を示すものである。

最後に、図９は、本発明のプリズム型コンバータの外部の物理的実例を示すものであり、当該コンバータは、以下のように製造される。磁性コアが、従前どおり製造される。即ち、破断コラムのコアが、カットあるいはロールシートを使って作成され、コアのデザインによってそのカットは、９０°あるいは４５°とされる。切り込みが入れられた後、図５に示すように、スター、デルタあるいはプレーンの形状に形成され、三相が形成されるように積層される。この種のコアは、僅かなカットで連続的な形状に製造することも可能であり、それらは、セクションの形状が決定されるとスパイラル・コアである。当該形状は、円、ステップ、楕円、十字などの形であり、３つの円形のパッケージは、完璧にコンパクトな巻き線で形成され、この段階が完了すると、配電電圧、あるいはより高い電圧に従って設計された望ましい形になるようにプレスされ、最終的に、図５に示されるような最終的なコアが製造される。この過程において、分子グリッドを変化させ、磁気損失を引き起こす機械的作用力が、機械加工中に生じる。その損失は、コアをアニーリング処理することによって軽減される。

エバンス・コア(Evans core)は、同様のものであるが、対応するコイルが装着された後、２つの組立半体を形成する切断部を有する。

他の現在普及している方法は、メジャー・ハーネス及びマイナー・ハーネスと呼ばれる４つの破断シートのパッケージで構成されるロールあるいはウエスコード(Wescord)と称される方法である。即ち、円形の部分は、カットの後、ワインディング、コンパクティング、及びプレッシングで最終的な形になり、磁気損失を最小限に抑えるためにアニーリング処理を行う。それらは、本発明のプリズム型コンバータを作るのに用いられる三相磁気回路を形成する幾つかの磁気コアである。

いずれにせよ、電気的部分は、エンフォールディング電気サーキット（スパイラル・コラム、エバンズ等)あるいはエンフォールディング磁気システム（シールドされたウェスコード、スパイラルシールド、破断シールド等）の相のそれぞれのための３つのコラムで製造されている。当該コイルは、二相あるいは三相の電圧それぞれが必要とする巻数を考慮したワインディングで生成されており、各相のワインディングは、図７(ａ)及び図７(ｂ)のように、二相側には各相に２つのセクション、三相の部分には各相に1つのセクションで形成される。

そして、如何なる二相電圧あるいは三相高電圧、中電圧、あるいは低電圧で使用可能であり、断熱材の種類に従って温度限度を超さない電気導体において標準的な電流密度も使用可能である。この場合、国際基準に従って世界各国で一般的に使用されている磁性ワイヤー、プレート、シート、及び断熱材が使用可能である。

従って、配電の分野における当該発明は、配電ネットワークにおける設置機器の３３％を節約し、二相線の使用者数がより多いうえ、利益は、必要とする人々に三相サービスを提供できる中規模の地域あるいは国等どこにでも及ぶため、発電会社にとって重要な利益となる。この利益は、電力の送電及び発電にも及ぶ。

図１は、１９世紀後半に発明されたスコット接続法を示すものである。図２は、１９世紀後半に発明されたオープンデルタ接続法を示すものである。図３は、交流電力を発電、送電及び配電する一般的な交流電気配電システムを示すものである。図４は、本発明のプリズム型電気コンバータが適用される電気システムを示すものである。図５(ａ)は、現在実用されているコアの種類を示すものである。すなわち、現在のプリズム電気コンバータを構成するものである。図５(ｂ)は、現在実用されているコアの種類を示すものである。すなわち、現在のプリズム電気コンバータを構成するものである。図５(ｃ)は、現在実用されているコアの種類を示すものである。すなわち、現在のプリズム電気コンバータを構成するものである。図５(ｄ)は、現在実用されているコアの種類を示すものである。すなわち、現在のプリズム電気コンバータを構成するものである。図６(ａ)は、本発明のプリズム型コンバータ（プリズム接続）の電気システムすなわちＥＴＰ−１２０−２／３をベクトル的に示すものである。図６(ｂ)は、本発明のプリズム接続ＥＴＯ−２４０−２／３を示すものである。図７(ａ)は、本発明のプリズム型コンバータのコイルのプリズム型ＥＴＯ−２４０−２／３電気接続のコアを示すとと共に、コラムとシールドされたウェスコード・コアへの適用を示すものである。図７(ｂ)は、本発明のプリズム型コンバータのコイルのプリズム型ＥＴＯ−２４０−２／３電気接続のコアを示すとと共に、コラムとシールドされたウェスコード・コアへの適用を示すものである。図８は、本発明のプリズム型コンバータのプリズムシステムの可能な物理的配列を示すものである。図９は、本発明のプリズム型コンバータの外部物理的な実例を示すものである。

Claims

磁気システム、電気システムおよび及び冷却システムからなる、電力を発電、送電、配電及び供給するためのプリズム型電気コンバータであって、前記コンバータは三相回路を備えるものであるため、磁気回路は、３つの磁気回路によって形成された三相回路及び二相回路に基づくものであり、前記コンバータは、二相から三相に変換する１２０°及び２４０°の電気角度でベクトル的に接続（ＥＴＯ−１２０−２／３とＥＴＯ−２４０−２／３との間）されているため上記のように特徴付けられ、相が、２つのセクションによって形成され、即ち、相ａがセクションａ１とａ２、相ｂがセクションｂ１とｂ２、相ｃがセクションｃ１とｃ２とで形成され、相ｃ１のセクションがａ１とｂ１とで形成され、相ｃ２のセクションがａ２とｂ２とで形成されるように、生成された相が、相ａ、ｂあるいはｃのいずれでもよく、相ｃのセクションが形成される時、対応する相である相ａとｓ１、相ｂとｓ２、相ｃとｓ３が生成され、そして、それらの相の角度変位は、１２０°Ｅ(電気角度)及び２４０°Ｅ(電気角度)であり、相の間及び相と中性点との間で対称電圧を生成し、その上、ｓ１とｓ２との間、ｓ２とｓ３との間、ｓ１とｓ３との間、ｓ１とｎとの間、ｓ２とｎとの間、及びｓ３とｎとの間で給電電圧及びアウトプット電圧を生成し、またインプット電圧の値は、二相側あるいは三相側における通常あるいは特別な用途のための任意の数値であっても良い。
前記電気コンバータは、円、楕円あるいは十字、スパイラルあるいは９０°あるいは４５°で破断した形状であれ任意の形状のセクションを持つコラム型であり得るシリコン鋼磁気コアで形成されている、請求項１に記載の電気コンバータ。
前記電気コンバータは、スパイラル型コンバータと類似するが破断したエバンズ型コンバータ（Evans type converter）からなる、請求項１に記載の電気コンバータ。
前記電気コンバータは、ウエスコード型(Wescord type)コンバータあるいはロール型であるが接続箇所のあるコンバータからなる、請求項１に記載の電気コンバータ。
動作原理が、２つの相のベクトル和によって、存在しない第三相を生成するものである、請求項１に記載の電気コンバータ。
前記電気変換は、二相から六相に拡張することができるものである、請求項１に記載の電気コンバータ。
前記生成された相は、インプットされたいずれかの相に依存する、請求項６に記載の電気コンバータ。
二線からなる二相インプットから、如何なる三相、二相あるいは単相チャージに接続するために、ユーザーが、中性点を有する平衡な三相システムを得ることを可能にする、請求項１に記載の電気コンバータ。
前記電気コンバータは、発電機、エンジン、電気溶解炉、電気設備及び他の特殊な電気機器等の汎用アプリケーションである、請求項１に記載の電気コンバータ。
前記電気コンバータは、１ＶＡ以下から数百ＭＶＡまで、如何なる電圧においても、三相のコアの磁場配位であるレベル、デルタ、スターにおいて独立して変換する、請求項１に記載の電気コンバータ。
前記電気システムが、各相に対して１つずつの、３つのコラムからなる、請求項１に記載の電気コンバータ。
電力を発電、送電、配電及び供給するプリズム型電気コンバータを製造する方法であって、
ａ）磁気コアを製造するステップと、
ｂ）積み重ねてスター、デルタ、レベルあるいは連続的（スパイラル、円、段階、楕円、十字）に設定した三相を形成するステップと、
ｃ）コンパクト・ワインディングの手法でパッケージを生成するステップと、
ｄ）配電電圧あるいは電圧に応じてプレスして形を作成するステップと、
ｅ）最終的な磁気コアを作成するステップと、
ｆ）加工中に機械的力で分子グリッドが変化した場合、核(nucleus)をアニーリングするステップと、
を有する前記コンバータの製造方法。
破断したコラム型のコアが、ロール・シートを４５°あるいは９０°の角度であるいは連続的スパイラルに切断することによって形成される、請求項１２に記載のコンバータの製造方法。
磁気核(magnetic nucleus)が、破断した核(broken nucleus)を有するエバンズ型(Evans type)の核(nucleus)で形成される、請求項１２に記載のコンバータの製造方法。
コイルをカットし、コンパクトにした後、円形のセクションを形成するメジャー・ハーネス及びマイナー・ハーネスと呼ばれる４つの破断シート・パッケージからなるウェスコード核(Wescord nucleus)で磁気核が形成され、それらが最終的な形にするためにプレスされ、損失を最低限にするためにアニーリング処理が行われる、請求項１２に記載のコンバータの製造方法。
電気部分が、エンフォルディング電気回路あるいはエンフォルディング磁気回路のそれぞれの相に１つずつ、３つのコラムで形成される、請求項１２に記載のコンバータの製造方法。
二相あるいは三相の各電圧に応じた巻数に応じてコイルが作成される、請求項１２に記載のコンバータの製造方法。
二相の部分には各相に２つのセクション、及び三相の部分には各相に１つのセクションが、各相に作成される、請求項１７に記載のコンバータの製造方法。