JP2009528010A5 - - Google Patents

Description

タップ切換器の汎用入力デバイス

発明の分野
本発明は、タップ切換器の信号変換システムに関し、具体的には、同じ装置で様々に異なる信号レベルを受信することができる電子式信号変換デバイスに関する。

発明の背景
高電圧技術の分野では、使用される様々な高電圧装置のための一致した世界共通基準がない。その結果、国ごとに国内基準が比較的多く存在し、このことは現在、高電圧装置の製造者にとって困難な課題となっている。このような状況は、高電圧タップ切換装置の分野において特に顕著である。
例えば業務用の変圧器におけるタップ設定を変更するために使用されるタップ切換器は、制御及び監視のために入力信号を利用する。公知のタップ切換器は、制御のための電気機械的接点を利用する。

ユーザは、通常、所有する装置（例えば変圧器）をタップ切換器のモータドライブに接続する。デジタル信号は、タップ切換器の機能を制御及び監視する有効な手段である。デジタルの分野では、「１」及び「０」は全電圧（オン）又はゼロ電圧（オフ）の状態を表す。高電圧の用途では、これらの２つの状態は通常、例えば５０〜６０Ｈｚ、定格電圧１１０〜２４０Ｖ±１５％のＡＣ、又は定格電圧２４〜４８Ｖ±１０％のＤＣによって表される。従来のモータドライブでは、これがユーザにより選択され、その場合、モータドライブは、電気機械的接点を切り換えるために特定の電圧との接点となる特別な装置を装備しなければならない。従って、異なる電圧レベルには異なる装置が必要となる。
上述の各電圧レベル及び構成は、個々に設計するのは比較的容易であるが、異なる形態を全体として組み合わせるのは容易でない。例えば、この問題は次のように説明できる。（タップ切換器は）有効信号が受信された時にのみ作動されなくてはならないが、有効信号レベルが上述のように広範囲に亘る場合、２２０ＶＡＣに相当する妨害信号が、例えば別の電圧方式における有効信号レベルとなる可能性が極めて高い。従って、信号の正確な認識が重要な問題となる。

加えて、デジタル入力（Ｄｌ）が、比較的低い電圧レベルで機能するように構成され、（比較的低い電圧レベルで）数ｍＡの電流を消費する場合には、それよりも高い電圧では、相応して比較的大きな量のエネルギーが散逸する。更に、通常ＤＩは、過電圧に対して絶縁され保護されていなくてはならない。時にシステムは、比較的短い時間で比較的大量の電流を消費することが必要とされる場合がある。これは、エネルギー的に経済的なＤｌについて特に言える。より大きな電流は、デジタル出力（ＤＯ）がリレーである場合、酸化物の燃焼の原因となる。
更に、信号は、比較的高い解像度を有する適切なデジタル信号に変換されなくてはならない。
加えて、従来の制御システムは、電気機械的接点を利用するものであり、この接点は、応用できる電圧レベルでは制限されるが、不都合なことに機械的な摩耗及び裂傷にも曝される。

従って、ここで所望されるのは、スイッチヤード内で一般的に発生する一般的な電圧の全ての形態を、タップ切換器用の同じ装置によって正確に処理するシステムと方法である。
更に望まれるのは、タップ切換器の制御のための電気機械的接点の使用を低減及び／又は排除するシステムと方法を提供することである。
また更に望まれるのは、遠隔地からでもタップ切換器の監視及び診断にフレキシブルなアプローチを提供するシステムと方法を提供することである。

発明の概要
上記の及び他の課題は、ユーザ装置とタップ切換器のモータドライブとの接続として使用される、多電圧（汎用）デジタル入力信号を認識及び許容することができるシステムの提供によって解決される。１つの有利な実施形態では、このシステムは、約１０Ｖ〜３９０ＶのＡＣ又はＤＣ電圧を許容することができる。加えて、電子機器への電力は、入力信号自体から得られる（自家電力式解決策）。よって、システムが多くの異なる電圧レベルを許容することができるので、従来の様々な形態であった装置は単一の解決策へと縮小される。
このことは、装置製造者及びユーザの両方にとって明らかな利点をもたらす。例えば、この汎用入力システムによって、製造者は一種類のユニットの製造体制を整えるだけでよく、ユーザも特定の電圧レベルに専用の、様々なシステム及びシステム部品を保存しなくてよい。

本発明の課題は、更に、電気機械的接点の使用を排除することによって達成され、このような接点は電子機器の使用によって置き換えられる。機械的な故障の影響を受けやすい電気機械的接点の数を低減及び／又は排除することによって、システムの信頼性が向上する。
電子機器により、更に、特に遠隔地から行われるネットワーク接続を介した監視及び診断が著しく改善される。加えて、プログラミング及び設定も、電子システムによって遠隔地から行うことができる。

例えば、入力チャネルは、マイクロプロセッサのソフトウェア内で処理される様々に異なる電圧を有する電子機器を利用する。論理の「０」又は論理の「１」が区別されるレベルが、ソフトウェア内で設定及び制御される。
この用途については、以下の条件及び定義が適用される。

本明細書で使用される「データ」という用語は、あらゆる印、信号、マーク、記号、ドメイン、記号セット、表現、及び情報を表す他のあらゆる物理的形態を意味し、恒久的なものであるか又は一時的なものであるか、目に見えるか、聞こえるか、音響的なものであるか、電気的なものであるか、磁気的なものであるか、電磁気的なものであるか、又は明示されるかどうかは関係がない。この「データ」という用語は、１つの物理的な形態で所定の情報を表示するのに使用される場合、異なる物理的形態の同じ所定の情報の全ての表現を包含する。
本明細書で使用される「ネットワーク」という用語は、インターネットを含む全ての種類のネットワーク及びインターネットワークを含み、何らかの特定のネットワーク又はインターネットワークに限定されることはない。

本明細書で使用される「結合された」、「〜に結合された」及び「〜と結合された」といった用語はそれぞれ、２つ以上のデバイス、装置、ファイル、プログラム、メディア、コンポーネント、ネットワーク、システム、サブシステム及び／又は手段間の関係を意味し、（ａ）直接接続、或いは１つ以上の他のデバイス、装置、ファイル、プログラム、メディア、コンポーネント、ネットワーク、システム、サブシステム又は手段を介した接続、（ｂ）直接的な通信関係、或いは１つ以上の他のデバイス、装置、ファイル、プログラム、メディア、コンポーネント、ネットワーク、システム、サブシステム又は手段を介した通信関係、及び／又は（ｃ）１つ以上の何らかのデバイス、装置、ファイル、プログラム、メディア、コンポーネント、ネットワーク、システム、サブシステム又は手段の動作が、全体的に又は部分的に、１つ以上の他の何らかのデバイス、装置、ファイル、プログラム、メディア、コンポーネント、ネットワーク、システム、サブシステム又は手段の動作に依存している機能的関係のうちの、一又は複数任意の１つ以上を構成している。

１つの有利な実施形態では、タップ切換器の信号変換システムが提供され、本システムは、タップ切換器のモータドライブを駆動させるための入力信号と、入力信号を受信し、その入力信号に対応するデジタル信号を出力するための電子式電圧変換デバイスとを備える。
このシステムでは、出力デジタル信号がタップ切換器のモータドライブを制御し、接続されたタップ切換器を、入力信号又は他の一般的な制御タスク、例えばモータドライブの作動阻止、モータドライブの外部緊急停止又はｎ番目の位置への移行（タップの選択）に基づいて、選択されたタップへ移動させることができる。このシステムでは更に、電子式電圧変換デバイスが、約１０Ｖ〜約３９０Ｖに亘る様々な入力信号電圧を受信することができ、単一の電子式電圧変換デバイスを異なる入力信号電圧レベルで使用することができる。

別の有利な実施形態によるタップ切換器のための信号変換システムは、タップ切換器のモータドライブを駆動させる入力信号と、入力信号を受信してその入力信号に対応するデジタル信号を出力する電子式電圧変換デバイスとを備えている。電子式電圧変換デバイスは、過電圧からの保護及び電圧整流を提供する電圧保護器及び電圧整流器と、入力信号の電圧レベルが増大した時に電流負荷を供給する電流コントローラとを有している。電子式電圧変換デバイスは、基準電圧を提供する電圧レギュレータと、入力信号の周波数及び負荷サイクルを変換するための電圧−負荷コンバータとを更に有する。このシステムは、受信した信号を処理するための処理ユニットを更に備えている。このシステムでは、出力デジタル信号がタップ切換器のモータドライブを制御し、接続されたタップ切換器を、入力信号又は他の一般的な制御タスク、例えばモータドライブの作動阻止、モータドライブの外部緊急停止及びｎ番目の位置への移行（タップの選択）に基づく選択されたタップへと移動させることができる。

本発明の他の課題並びにその特定の特徴及び利点は、以下の図面及び添付の詳細な説明により、更に明らかとなる。

発明の詳細な説明
添付図面では、全図を通じて同様の参照番号が対応する構造を指す。
図１は、ユーザ入力信号２０、電子式電圧変換デバイス１００、コントローラ３０及びタップ切換器のモータドライブ４０を備えたシステム１０を概略的に示す。

ユーザ入力信号２０は、約１０Ｖ〜約３９０Ｖ±１０〜１５％のＡＣ又はＤＣ及び５０〜６０ＨｚのＡＣという範囲に亘る、実質的に全ての一般的な工業用入力信号を含むことができる。これは、システム１０が、ほぼ万能な入力を含み且つ全ての一般的な工業用信号レベルの受信が可能であるデバイスを提供することになるため、非常に望ましい。これによって、ユーザは、ユーザの異なるスイッチングの用途の各々に使用できる単一のシステムのみに精通し、そのため部品だけを保管すればよい。
ユーザ入力信号２０は、電子式電圧変換デバイス１００に結合され、この電圧変換デバイス１００は、信号をコントローラ３０へ出力する前に、信号を受信及び変換するために設けられている。電子式電圧変換デバイス１００は、上述のように約１０Ｖ〜約３９０Ｖ±１０〜１５％のＡＣ又はＤＣ及び５０〜６０ＨｚのＡＣの範囲内のユーザ入力信号２０を受信及び変換することのできる、汎用入力能を有する。電子式電圧変換デバイス１００については、図２及び３を参照して詳細に説明する。

コントローラ３０は電子式電圧変換デバイス１００に結合しており、ユーザ入力信号２０に対応する変換された出力信号を受信する。続いてコントローラ３０は、受信信号を「解読」又は解釈し、タップ切換器のモータドライブ４０を作動させ、これにより、例えば変圧器におけるタップの設定を変更する。コントローラ３０は、これらに限定されないが、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）及びこれらの組み合わせを備えることができると考えられる。
タップ切換器のモータドライブ４０は、例えば、タップの切換又は他の一般的な制御タスク、例えばモータドライブの動作の阻止、モータドライブの外部緊急停止又はｎ番目の位置への移行（タップの選択）を実施するために、業界で一般的に使用されているような、いずれかの典型的なモータ駆動ユニットを備えることができる。

図２及び３に示すように、この有利な実施形態の電子式電圧変換デバイス１００は、通常、電圧防護／整流部１１０、電流制御部１２０、電圧レギュレータ１３０、電圧−負荷コンバータ１４０及びトランスミッタ１５０を備えている。
電圧防護／整流部１１０は、受信したユーザ入力信号２０の過電圧に対する保護並びに整流を行う。過電圧保護は、例えば、過電圧の状況が生じた場合に、あらゆる過剰電圧を遮断し、装置の損傷を防止するために接地されるバリスタ１１２を備えることができる。

バリスタ１１２は電圧整流器１１４（図３）に結合し、この電圧整流器１１４は、ユーザ入力信号２０を変換するための殆ど全ての市販の整流器を含むことができる。受信した信号はこの段階で整流されるが、フィルタリングはされないことに注意されたい。
電圧保護／整流部１１０は、電流制御部１２０に結合している。この電流制御部１２０は、過電流からシステム１０を保護するために設けられている。例えば、ユーザ入力信号２０は約１０Ｖ〜約３９０Ｖ±１０〜１５％のＡＣ又はＤＣ及び５０〜６０ＨｚのＡＣで変動し得るので、ユーザ入力信号２０の電圧レベルが高くなるほど、関連する電流も大きくなる。このプロセスに対処するため、電流制御部１２０が電流負荷を監視して、測定電流が約０．４ｍＡに達したら、数マイクロ秒の間に電流制御部１２０によって電流負荷が生成又は形成され、回路電流全体の制御が維持される。

電流制御部１２０は、電圧レギュレータ１３０に更に結合している。ここで、信号電圧は、必要に応じて操作され変更される。例えばシステム１０は、電子機器を運転する電力が受信信号から供給されるので、自家電力システムと言うことができる。これは、ユーザのスイッチヤードに配置されるタップ切換装置へ電力を供給しなくてはならないことは必ずしも都合が良いわけではないため、極めて望ましい。
この特定の実施形態では、電圧レギュレータ１３０は信号を受信し、システム１０によって更に使用され得る基準電圧１６０を生成する。１つの有利な実施形態では、電圧レギュレータ１３０を直列レギュレータから構成することが考えられる。

電圧レギュレータ１３０は、電圧−負荷コンバータ１４０に結合している。電圧−負荷コンバータは、入力信号の周波数及び負荷サイクルを変換する。また、前記入力信号は、約０．５ＫＨｚ〜約５ＫＨｚの範囲の周波数に変換される。この段階では、受信した信号は、限定するものではないが、例えば約１．５ＫＨｚの、比較的低い周波数の信号に更に変換することができる。この信号は更に、約５０％〜約９９％の変動する負荷サイクル、及び通常少なくとも８ビットの解像度を有することができる。ＤＣ電流は比較的低く、通常約４０μＡの範囲にあることに注意されたい。
１つの有利な実施形態では、電圧−負荷コンバータ１４０はトランスミッタ１５０に結合している。受信信号が電子式電圧変換デバイス１００によって適切に変更された後で、トランスミッタ１５０は、解読及び処理を行うコントローラ３０に当該信号を出力することができる。

特定の有利な実施形態では、電子式電圧変換デバイスはオプトトランスミッタを含む。トランスミッタ１５０は、例えば、有利には電流消費量の比較的小さい光結合デバイスを含むことができる。その出力信号は、ユーザ入力信号２０に対応するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を更に含むことができる。このようにして、実質的にすべての市販の入力を、特定の電圧入力信号に基づくデバイスを特に選択する必要なく、電子式電圧変換デバイス１００に結合することができる。加えて、システム１０は、完全に電子的であって、現存のシステムで一般的に利用される電気機械的な接点が実質的に省略されており、それにより、電気機械的接点に生じることが知られている磨滅及び裂傷によるシステムの故障の可能性が低減される。
加えて、システム１０が完全に電子式であることにより、例えば、ネットワーク接続（図示しない）を介したシステム１０の監視が容易になる。

図４は、図１〜３を参照して説明した有利な実施形態のフローチャートを例示している。
まず、システム１０は、タップ切換器の所望の作動に対応する入力信号を受信する（２０２）。システム１０は、受信信号を監視し、その受信信号が閾値電圧レベルを超えるかどうかを判定する（２０４）。受信信号が閾値レベルを超えていれば、過電圧保護部が過剰電圧を散逸させ（２０６）、よってシステムに対する損傷が防止される。

上述したように、過電圧保護部は、システムから過剰電圧を隔離するバリスタを備えることができる。過電圧防護が逆時間遅延特性を有することにより、電圧が急激に上昇すると、過電圧防護が比較的迅速にシステムから過剰電圧を遮断することができる。
受信した信号が閾値を超えていない場合又は過剰電圧があってもシステムから除かれた後で、残りの信号が整流される（２０８）。

次に、システムは、受信信号電流が閾値を超えるかどうかを判定する（２１０）。超えている場合、システムは電流負荷を生成して信号電流を制限する（２１２）。図１〜３に関連させて説明したように、この閾値は約０．４ｍＡとすることができる。前記電流負荷は、約０．１ｍＡ〜約２ｍＡの範囲の電流で生成される。電流が閾値を超えていない場合又はシステムが電流負荷によって電流を制限した場合、システムは、信号の電圧調整を行う（２１４）。この方式では、電子機器に電力供給するための外部電源又は個別の電源が不要となるように、システムが使用する基準電圧を発生させることができる。
続いてシステムは受信信号の周波数を所望の周波数に変換することができる（２１６）。上述のように、１つの有利な実施形態では、周波数は約１．５ＫＨｚに変換される。

信号周波数が変換された後で、システムは、変更された信号をコントローラに送信することができる（２１８）。続いてシステムは、信号を変換又は解読し（２２０）、タップ切換装置に対して行うべき適正な動作を決定する。これが決定された後、タップ切換器が作動されて所望の動作が行なわれる（２２２）。
この説明は、主にタップ切換装置の制御に関するものであるが、システムは完全に電子式であるので、タップ切換装置及びコントローラ自体の監視が可能であると考えられる。このようにして、システムに対する監視及び診断の可能性が極めて拡大され、例えば装置から遠隔してネットワーク接続を介して行なうことができる。

図４において、様々な機能及び方法の連続するステップを説明し図示したが、この順番は、単に有利な一実施形態の例示として提示しているのであり、示された具体的な順番でこの機能を実施する必要はない。更に、上記のいずれのステップも移動させることができ、及び／又は任意の別のステップと組み合わせることができる。加えて、用途に応じて、ここで説明した機能の全部又は任意の部分を利用することが有利であり得る。

こうして、システム１０は、タップ切換器のスイッチヤード内で一般に使用される一般的な様々な電圧の全てを正確に処理するための、完全に統合された単一の解決策を提供する。加えて、システム１０によって、有利なことに、タップ切換器の制御のための電気機械的接点の使用が排除され、それによりシステム全体の信頼性が向上する。最後に、システム１０は、遠隔地からであっても、タップ切換器の監視及び診断に極めてフレキシブルに対応できる。

以上、特定の材料及び組成等を参照して本発明について説明したが、可能な構成又は特徴を全て利用することを意図しているわけではなく、当業者には、多数の他の修正及び変形例が存在することが明らかであろう。

本発明の有利な一実施形態のブロック図である。 図１に基づくブロック図である。 図１に基づくブロック図である。 図２に基づくフローチャートである。

Claims (18)

1. タップ切換器のモータドライブを駆動するための入力信号を受信して、当該入力信号に対応するデジタル信号を出力するための電子式電圧変換デバイスを備え、
   前記出力デジタル信号が、前記入力信号に基づいて前記タップ切換器のモータドライブを制御し、且つ
   前記電子式電圧変換デバイスが、約１０Ｖ〜約３９０Ｖの異なる入力信号電圧を受信できることにより、前記異なる入力信号の電圧レベルに単一の電子式電圧変換デバイスを使用することができる、信号変換システム。
2. 前記電子式電圧変換デバイスが、ＡＣ及びＤＣ両方の入力信号を変換することができる、請求項１に記載の信号変換システム。
3. 前記電子式電圧変換デバイスが、電圧保護器及び電圧整流器を備えている、請求項１に記載の信号変換システム。
4. 前記電圧保護器がバリスタを含む、請求項３に記載の信号変換システム。
5. 前記電子式電圧変換デバイスが電流コントローラを含む、請求項１に記載の信号変換システム。
6. 前記電流コントローラが、電圧が増大する際に所定の時間に亘って電流負荷を増加させる、請求項５に記載の信号変換システム。
7. 前記電流負荷が、約０．１ｍＡ〜約２ｍＡの範囲の電流で生成される、請求項６に記載の信号変換システム。
8. 前記電子式電圧変換デバイスが電圧レギュレータを含む、請求項１に記載の信号変換システム。
9. 前記電圧レギュレータが直列レギュレータを含む、請求項８に記載の信号変換システム。
10. 前記電子式電圧変換デバイスが、前記入力信号の周波数及び負荷サイクルを変換するための電圧−負荷コンバータを含む、請求項１に記載の信号変換システム。
11. 前記入力信号が約０．５ＫＨｚ〜約５ＫＨｚの範囲の周波数に変換される、請求項１０に記載の信号変換システム。
12. 前記電子式電圧変換デバイスがオプトトランスミッタを含む、請求項１に記載の信号変換システム。
13. 前記オプトトランスミッタが、パルス幅変調を利用する、請求項１２に記載の信号変換システム。
14. 前記出力信号を解読又は解釈し、タップ切換器のモータドライブ４０を作動させ、これにより、変圧器におけるタップの設定を変更する処理ユニットを更に備えている、請求項１に記載の信号変換システム。
15. 前記処理ユニットの処理デバイスが、ＣＰＵ、ＦＰＧＡ、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１４に記載の信号変換システム。
16. タップ切換器のモータドライブを駆動するための入力信号を受信し、当該入力信号に対応するデジタル信号を出力するための電子式電圧変換デバイスであって、
    電圧防護及び電圧整流を提供する電圧保護器及び電圧整流器、
    前記入力信号の電圧レベルが増大する際に電流負荷を提供する電流コントローラ、
    基準電圧を提供する電圧レギュレータ、及び
    前記入力信号の周波数及び負荷サイクルを変換する電圧−負荷コンバータ、
    を備えた電子式電圧変換デバイスと、
    前記受信した信号を処理する処理ユニットと、
    を備え、
    前記出力デジタル信号が、前記入力信号に基づいて、前記タップ切換器のモータドライブを選択されたタップに制御する、信号変換システム。
17. 前記電子式電圧変換デバイスが、約１０Ｖ〜約３９０Ｖの異なる入力信号電圧を受信することができることにより、異なる入力信号電圧レベルに単一の電子式電圧変換デバイスを使用することができる、請求項１６に記載の信号変換システム。
18. 前記入力信号が、前記モータドライブの動作の阻止、前記モータドライブの外部緊急停止、ｎ番目の位置への移行及びこれらの組み合わせからなる群から選択される制御タスクを含む、請求項１６に記載の信号変換システム。