JP2010518798A - 変圧器の二次側に整流器エレメントのないａｃ−ｄｃコンバーター - Google Patents

変圧器の二次側に整流器エレメントのないａｃ−ｄｃコンバーター Download PDF

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Abstract

本装置は、少なくとも１つの整流器エレメント（Ｄ）と、少なくとも１つの変圧器（Ｔ）とを有する、直流電圧または直流電流を生成する装置である。この変圧器（Ｔ）は、１つの電源ケーブル（ＰＬ）のケーブル（ＰＬ１、ＰＬ２）を介して交流電圧電源（Ｑ）と接続される少なくとも１つの一次コイル（Ｗ１）と、負荷（Ｚ）に接続されている少なくとも１つの二次コイル（Ｗ２）とを有しており、二次コイル（Ｗ２）は磁束Φのガイドに働く付属の磁気フレーム（ＪＫ）に配置されている。発明に基づき、一次コイル（Ｗ１）は整流器エレメント（Ｄ）を介して交流電圧電源（Ｑ）と接続され、そのことにより、該当する極性の各交流電圧半波のために、電流Ｉ１が整流器エレメント（Ｄ）と一次コイル（Ｗ１）とを介して流れることができ、磁気フレーム（ＪＫ）を介して磁束Φを常に同じ方向に促している。
【選択図】図１０

Description

本発明は、直流電圧または直流電流を生成する、変圧器を装備した装置ならびに該当する方法に関するものである。
文献１の４７頁によれば、電気エネルギーの伝送経路の最初に、ジェネレータの電圧を伝送電圧に変換する機械変圧器がある。電源ノードにおいては、しばしば自動変圧調整器として実施される、いわゆる相互接続変圧器が使用される。分配変圧器は、中電圧電源からの消費装置の最終電源供給に働く（出力５０ｋＶＡ〜２５００ｋＶＡ、上電圧３．６〜２４ｋＶ、下電圧ほぼ４００Ｖ、最大１．１ｋＶ）。制御装置やコントロール装置に電源を供給するための小型変圧器は、主に、一相で製造される（出力は数ＶＡ〜数ｋＶＡ、上電圧は、ほぼ２３０／４００Ｖ）。
図３（文献１、５２頁、図３．４ならびに文献２を参照）は、無負荷運転の変圧器のベクトル図である。無負荷の変圧器に加わっている交流電圧Ｕ１は、変圧器の一次コイルによって励磁電流Ｉ１０を起こす。この励磁電流Ｉ１０は、磁化電流ＩＭと鉄損電流ＩＦＥという２つの電流から構成されている。交流電圧Ｕ１に９０°遅れる磁化電流ＩＭは、典型的にはコイルを巻いた複数の脚鉄または鉄心から作られている磁気フレーム内の磁束Φをもつ位相にある。鉄損電流ＩＦＥは、交流電圧Ｕ１をもつ位相にある。
交流電圧Ｕ１と鉄損電流ＩＦＥによる製品は、ヒステリシス損失および渦電流損失からなる鉄損を生じる。磁化電流ＩＭと一次コイルＷ１の巻き数Ｎ１による製品は、磁気回路を介して磁束Φｏを起こす最初の一次起磁力（磁位差）θ０を生じる。磁束Φ０は、変圧器の一次コイルＷ１と二次コイルＷ２と連結されており、これらの中で電圧Ｅ１およびＥ２を生成する。一次コイルで生じる電圧Ｅ１は、加えられている電圧Ｕ１と１８０°逆方向を向いており、電圧降下Ｉ１０ ＊Ｚ１（Ｚ１は一次コイルのインピーダンス）の分が減少する。電圧降下Ｉ１０ ＊Ｚ１は、電力変圧器の場合、端子電圧Ｕ１の０．３〜１％しかないため、以下の説明では無視される。従って、図３は無負荷運転における変圧器のベクトル図を簡略化したものである。
図１に示されているように、変圧器の二次コイルＷ２にインピーダンスＺが接続されている場合、二次コイルＷ２内で誘起された電圧Ｅ２が二次回路を介して起こす二次電流Ｉ２が二次コイルＷ２の中を流れる。
二次電流Ｉ２は、二次コイルのコイルＮ２によって二次側の起磁力θ２を形成し、これが、一次側で生成される電磁流Φｏに反作用して、これを相殺しようとする二次側の電磁流Φ２を生成する。これを回避するため、無負荷電流１１０に加えて、一次コイルＷ１のコイル内で追加的な一次起磁力θ１に作用し、追加的な一次磁束Φ１を生成する補流Ｉ２’が一次コイルＷ１の中を流れなければならない。それによって、結果的に両方の磁起力θ１およびθ２の均衡が生じ、磁束Φ１およびΦ２が解消する。補流Ｉ２’に該当する関係式は、Ｉ２’＝Ｉ２＊Ｎ２／Ｎ１である。結果として、図４に示されているように、一次起磁力θ０によって作用する電磁流Φ０が残る。
負荷電流Ｉ２およびＩ２’から生じる漏れ磁束は、適切な対策によって可能な限り低く保たれるため、以下の考察においては無視される。
図５においては、変圧器の抵抗誘導性負荷時に存在する量が示されている。負荷抵抗Ｚを通り抜ける二次電流Ｉ２の流れは、二次側端子電圧Ｕ２を生じる。この二次側端子電圧Ｕ２は、二次コイルＷ２の電気抵抗および漏れリアクタンスでの電圧降下のために、誘導一次電圧Ｅ１とともに磁化電流Φ０に９０°遅れる誘導二次電圧Ｅ２よりも小さい。
文献１の３．１０．１章、７２および７３頁では、接続した無負荷の変圧器を固定電源に接続した場合の経過が説明されている。
無負荷運転時の変圧器の電圧方程式は、ｕ１＝Ｒ１ｉ１＋Ｌ１ ｄｉ１／ｄｔである。正弦関数の過渡電流ｕｌ（ｔ）＝ √２ＵN ｓｉｎ（ωｔ）をもつ一次微分方程式の静的解は
Φｓｔａｔ（ｔ）＝ ΦN １／Ｚ0（Ｒ1 sin（ωｔ）− Ｘ1 ｃｏｓ（ωｔ））または、
Φｓｔａｔ（ｔ）＝ ΦN ｓｉｎ（ωｔ− Φ0）およびｔａｎψ0 ＝（Ｘ1／Ｒ1）である。
しかし、接続直後の磁束はゼロ、Φ（０）＝０でなければならないため、静的項以外に、この解は、揮発性部分または補整部を含んでいる。すなわち、Φ（t）＝ ΦＳＴＡＴ（ｔ） ＋ΦN Ｘ1／Ｚ0 * e−t/τとなる。
補整部分ΦN *Ｘ１／Ｚ0 * ｅ−t/τは、時定数τにより減衰し、その際、τ= L１／Ｒ１となる。
Ｒ1 ≪Ｘ1 のため、第一半波後の最大値は、静的磁束のおよそ２倍に達する（Φmax ≒２ * ΦN）。
文献３（http://www.eek.ee.ethz.ch/student/fachpraktikum-mavt/anleitungten/TR.pdfを参照）によれば、変圧器を電源に接続した場合、二次側に負荷が接続されていない場合、ブレーカーが自動的に作動することがある。文献３によれば、電圧Ｕ１と磁束Φとの間にある位相差により、磁束Φがちょうどゼロである最大電圧時点または最小電圧時点で変圧器をオンにすることが有利である。つまり、磁束Φは、保存された磁気エネルギーとつながっているため、急激に変化することはできないが、これに対して、電圧のゼロ点でオンにした場合、磁束Φは最大値ΦＭＡＸではなく、同じくΦ＝０で始まり、半波後には最大±２Φ、すなわち電圧時間積によって規定される全磁束量まで上昇する。それによって、鉄心は、それに応じて、高い磁化電流ＩＭをもった飽和状態になる。文献１、７３頁に説明されているように、短時間後には補整プロセスが減衰し、変圧器は静止状態に移行する。
以下の考察のためには、これらの起動障害を何らかの方法により回避することが重要であり、この場合、適合する対策が文献３に説明されている（例えば、半導体スイッチによる最大電圧での時間的に正確な起動）。
文献１、１頁によれば、電気エネルギーの変換には、整流器および変圧器を用いる。交流から交流への変換は、変圧器によって行われる。交流から直流への変換は、整流器によって行われる。これらの確定事項から、整流器は必ず変圧器の後に接続すること、つまり、整流器は変圧器の二次側に準備されていることが基本となる。すなわち、最初に変圧器によって交流電圧が変換され、その次に整流器によって整流されることになる。
さまざまな用途、例えば、抵抗溶接技術または直流電流装置などに使用する場合には、低い電圧での高い電流が必要となる。逆のケースの場合、例えば、埃フィルター装置では、高い電圧での少ない直流電流が必要とされる。交流電流を大きな直流電流に変換するためには、特別に冷却した半導体が必要である。高い電圧は、半導体側で深刻な絶縁不良を引き起こし、半導体の阻止電圧に対する要求が高くなる。半導体へ高負荷または過圧などの異常が及ぼす作用により、時々、半導体に故障が生じ、この故障が、ひいては半導体グループ全体の故障につながる可能性がある。それによって、手前に取り付けられている変圧器のコストに匹敵するような非常に高い出費の生じるおそれがある。
様々な用途への使用とユーザー個々の要求に対応するため、整流に働く多様な種類の半導体がさらに必要であり、これらの半導体は、それぞれ、電気エネルギーの変換に働くユニット列の最終部分を形成している。様々な半導体モジュールの数が多くなることに伴って、製造コスト、保管コスト、販売コスト、メンテナンスコストも高くなる。
Andreas Kremser, Grundzuege elektrischer Maschinen und Antriebe,Teubner Verlag, Stuttgart, 1997 R. Oberholzer, Konstruktion elektrischer Maschinen, I. Transformatoren, Zentralschweizerisches Technikum, Luzern, 1979 Betriebsverhalten eines Transformators (Versuch TR), D-ITET, Professur fuer Leistungselektronik und Messtechnik, Fachgruppe Antriebs- und Magnetlagertechnik der ETH Zuerich
本発明の課題は、直流電圧または直流電流の生成に働く装置を作成し、前述した欠点を防止する方法を提供することにある。
とくに、電気エネルギーの変換がとりわけ有利に実現可能であるような、直流電圧または直流電流の生成に働く装置を開発する必要がある。
さらに、電源から１つまたは複数の位相ケーブルを介して与えられる電気エネルギーの変換が有利に実現可能であるような、直流電圧または直流電流の生成に働く装置を開発しなければならない。
また、発明に基づく装置によって、形態差異の少ない半導体整流器を広い使用領域で用いることができるべきである。
それに加え、本半導体整流器は、負荷側の故障に対してより良く保護されるべきである。
この課題は、請求項１または１３に提示されている特徴を有する装置および方法によって解決される。本発明の有利な実施形態は、その他の請求項の中に示されている。
発明に基づく解決方法は、変圧器の多様な構造および出力に適用することが可能である。例えば、ＥＩ、ＵＩまたは３ＵＩの金属板型が使用される。
発明に基づく解決方法には、多くの利点がある。直流電圧の生成は簡単な方法で行われ、そのために有利な変圧器特性、すなわち、これまでは欠点と見なされていた起動特性を利用する。さらに、とりわけ有利であるのは、半導体整流器が変圧器によってユーザー側から分離されており、それによって、１つには半導体整流器の保護が向上すること、もう１つは半導体整流器が有利に選択可能なことである。とくに、半導体整流器はわずかな種類に標準化することができる。というのも、一次側は常に同一または同じような状態によって支配されており、ユーザーの要求には変圧器のコイルエレメントの寸法や配線を選択することで適合させることができるからである。さらに、二次側で生成される直流電圧の量および極性は、単純な方法、すなわちギヤ比の切換えによって、またはコイルの極性反転によって、問題なく調整可能である。
発明に基づく解決方法は、さらに、各出力領域においても有利に用いることができる。非常に高い出力領域においては、パワーエレクトロニクスの製造コストおよびとりわけメンテナンスコストを大幅に縮小することができる。
以下に、本発明を図に基づいて詳しく説明する。
一次コイルＷ１が交流電圧電源Ｑと接続され、二次コイルＷ２が負荷Ｚと接続されている変圧器Ｔである。 スイッチＳによって変圧器Ｔの一次コイルＷ１にパルス直流電圧Ｕ１を供給するブリッジ整流器ＧＲを有する、図１の変圧器Ｔである。 図２のブリッジ整流器ＧＲによって供給されるパルス直流電圧である。 図２のスイッチＳが閉じた後の、静止状態へ移行する二次電圧Ｕ２である。 無負荷時における図１の変圧器Ｔのベクトル図を簡略化した図である。 負荷時における図１の変圧器Ｔの起磁力θ０、θ１、θ２である。 抵抗誘導性負荷時における図１の変圧器Ｔのベクトル図を簡略化した図である。 図１の変圧器Ｔと、制御可能な整流器エレメントＤとを有する、発明に基づく装置である。この装置により、同一極性の交流電圧半波Ｕ１がスイッチＳを介して変圧器Ｔの一次コイルＷ１に供給される。 一次電圧Ｕ１と磁化電流ＩＭと補流Ｉ２’から構成され、正の半波において伝達される一次電流Ｉ１の経過である。 一次電流Ｉ１に対応する二次電圧Ｕ２と二次電流Ｉ２の経過である。 ２つの変圧器Ｔ１、Ｔ２を有する発明に基づく装置である。これらの一次コイルＷ１１、Ｗ１２は、整流器エレメントＤ１、Ｄ２を介して、それぞれ交流電圧電源Ｑと接続され、二次コイルＷ２１またはＷ２２は、関連する半波のために、負荷Ｚの中に交互に送られる二次電流Ｉ２が負荷Ｚを介して同じ方向へ流れるように、負荷Ｚと接続されている。 同一の鉄心に取り付けられている２つの一次コイルＷ１１、Ｗ１２をもつ変圧器Ｔ１Ｐ２を有する、発明に基づく装置である。一次コイルＷ１１、Ｗ１２は、該当する極性の各交流電圧半波によって、一次電流Ｉ１が一次コイルＷ１１、Ｗ１２のそれぞれに交互に流されるように、整流器エレメントＤ１またはＤ２を介して交流電圧電源Ｑと接続されており、一次電流Ｉ１は、磁気フレームＪＫを介して関連する磁束Φを常に同じ方向に促している。 ３つの一次コイルＷ１Ｒ、Ｗ１Ｓ，Ｗ１Ｔと、二次コイルＷ２Ｒ、Ｗ２Ｓ、Ｗ２Ｔをもつ変圧器Ｔ３Ｐ１を有する、発明に基づく装置である。一次コイルＷ１Ｒ、Ｗ１Ｓ、Ｗ１Ｔの第一の端部は、関連する整流器エレメントＤＲまたはＤＳまたはＤＴを介して、それぞれ位相Ｒ、Ｓ、Ｔと接続され、第二の端部が三相交流配線ＰＬ３の中性線０と接続されている。二次コイルＷ２Ｒ、Ｗ２Ｓ、Ｗ２Ｔは、これらの二次コイルの中に交互に送られる二次電流Ｉ２Ｒ、Ｉ２ＳおよびＩ２Ｔが負荷Ｚを介して常に同じ方向へ流れるように、負荷Ｚと接続されている。 位相角制御によって調整される一次電圧Ｕ１とそれに対応する一次電流Ｉ１の経過である。 図１１ａの一次電流Ｉ１に対応する二次電圧Ｕ２と二次電流Ｉ２の経過である。 図１０の変圧器Ｔ３Ｐ１の一次コイルＷ１Ｒ，Ｗ１Ｓ、Ｗ１Ｔにおいて、位相角制御によって調整される一次電流Ｉ１Ｒ、Ｉ１Ｓ、Ｉ１Ｔの経過である。 図１０の負荷抵抗Ｚを介する電圧ＵＺの経過である。 ３つの一次コイルペアＷ１１Ｒ、Ｗ１２ＲまたはＷ１１Ｓ、Ｗ１２ＳまたはＷ１１Ｔ、Ｗ１２Ｔと、二次コイルＷ２Ｒ、Ｗ２Ｓ、Ｗ２Ｔをもつ変圧器Ｔ３Ｐ２を有する、発明に基づく装置である。一次コイルペアＷ１１Ｒ、Ｗ１２ＲまたはＷ１１Ｓ、Ｗ１２ＳまたはＷ１１Ｔ、Ｗ１２Ｔの第一の端部は、関連する整流器エレメントＤＲ１、ＤＲ２またはＤＳ１、ＤＳ２またはＤＴ１、ＤＴ２を介して位相Ｒ、Ｓ、Ｔとそれぞれ接続され、第二の端部は三相交流配線ＰＬ３の中性線０と接続されている。二次コイルＷ２Ｒ、Ｗ２Ｓ、Ｗ２Ｔは、それぞれの二次コイルの中に交互に送られる二次電流Ｉ２Ｒ、Ｉ２ＳおよびＩ２Ｔが負荷Ｚを介して常に同じ方向へ流れるように、負荷Ｚと接続されている。 図１３の変圧器Ｔ３Ｐ２の一次コイルＷ１１Ｒ，Ｗ１２ＲまたはＷ１１Ｓ、Ｗ１２ＳまたはＷ１１Ｔ、Ｗ１２Ｔにおける、位相角制御によって調整される一次電流Ｉ１Ｒ１、Ｉ１Ｓ１、Ｉ１Ｔ１、Ｉ１Ｒ２、Ｉ１Ｓ２、Ｉ１Ｔ２の経過である。 図１３の負荷抵抗Ｚを介する電圧ＵＺの経過である。
図１は、一次コイルＷ１が交流電圧電源Ｑと接続され、二次コイルＷ２が負荷Ｚと接続されている変圧器Ｔを示している。この変圧器の機能性は、図３、４および５を使って冒頭で説明されている。以下に述べる発明を理解するためには、一次電流Ｉ１が主として磁化電流ＩＭと二次電流Ｉ２の補整に働く補流Ｉ２’からなり、これらの電流は位相整合に関して異なっていることを強調している図７のベクトル図がとくに重要である。
図２は、スイッチＳを閉じた後に、図２ａに示されているパルス直流電圧Ｕ１を変圧器Ｔの一次コイルＷ１に供給するブリッジ整流器ＧＲを有する、図１の変圧器Ｔを示している。
図２ｂには、一次側に印加されたパルス直流電圧Ｕ１を用いて、二次側で同様にパルス電圧Ｕ２が生成され、これらの直流電圧部分が、インダクタンスＬ１と一次コイルＷ１の抵抗Ｒ１に応じて変化する時定数τ＝Ｌ１／Ｒ１によって減衰していくことが示されている。
従って、図２に示された装置により、負荷側では、利用可能な直流電圧を生成できないことが明らかである。
図６は、図１の変圧器Ｔと、整流器エレメントＤとを有する発明に基づく装置を示し、この装置により、スイッチＳが閉じられている場合には、同一極性の交流電圧半波Ｕ１が変圧器Ｔの一次コイルＷ１に供給される。このことから、半波が該当する極性である間は、一次電流Ｉ１が整流器エレメントＤと一次コイルＷ１を介して送られ、この一次電流Ｉ１は、磁化電流ＩＭと二次電流Ｉ２の補整に働く補流Ｉ２’とが互いに相殺することによってゼロになる。この時点（Ｉｌ＝０）の後、整流器エレメントＤは、該当する極性の次の半波が始まるまで電流を阻止し、次の半波が始まると電流を流す。
制御可能な整流器エレメントＤが準備されている場合は、伝達される半波の位相をゲートで制御するか、個々の半波が定期的または必要に応じて完全に放出されるように、ＣＴＲＬコントロールユニット(図１０を参照)を使って制御することができる。このことにより、エネルギーの放出および／または伝達された半波と半波との間にあるギャップを制御することが可能となり、例えば、変圧器Ｔに保存されている磁気エネルギーＷを完全に供給することが可能になるなど、変圧器Ｔを適切な作動状態にすることができる。
交流電圧半波Ｕ１は、その範囲内で整流器エレメントＤによって通されているが、整流器エレメントＤから電流によって電流が流されない１半波長の間隔が自然にあいている。
しかし、整流器エレメントＤが電流を通さず、一次コイルが中断されている間、変圧器にまだ保存されている磁場エネルギーＷは、主として、鉄の磁場エネルギーＷＦＥとエアギャップの磁場エネルギーＷδから構成され（Ｗ＝１／２∫Ｈ＊Ｂ＊ΔＶ≒ ＷFE＋Ｗδ＝ＨFE ＊ＢFE ＊ＶFE＋１／２Ｈδ ＊Ｂδ ＊Ｖδ）、次の整流器エレメント作動時に、再び実質的に起動過程が始まるまで、二次コイルＷ２によって削減される。
磁束密度Ｂは一定であり、エアギャップおよびフェライト内でほぼ同じ量を有している（Ｂ≒ＢＦＥ≒Ｂδ）。磁界強度Ｈは一定ではなく、エアギャップにおいては、フェライト内よりも係数μｒだけ大きい。
従って、二次コイルＷ２をもつ磁気フレームＪＫは、この状態においては保存スロットルとなる。本発明に基づいて実施することのできる保存スロットルの場合、フェライト心の磁気回路は、しばしばエアギャップｄによって中断される。保存スロットルに保存されたエネルギーは、次に、ほぼ完全にこのエアギャップｄの中に入る。鉄心Ｋは、磁界のガイドにのみ働く。エアギャップｄは、磁束密度Ｂの減少に作用する。このことは、鉄心材料を飽和状態にすることで回避され、高磁化の場合でも直線のインダクタンス経過を可能にする。
図７ａは、一次電圧Ｕ１と、磁化電流ＩＭと補流Ｉ２’とからなり、正の半波において伝達される一次電流Ｉ１の経過を示している。図７ａには、磁化電流ＩＭと補流Ｉ２’とがｔ０の時点で互いに相殺し、それによって、一次電圧Ｕ１がπの時点でゼロを通る前に、一次電流Ｉ１がｔ０の時点でゼロになることを示している。従って、一次電圧Ｕ１がゼロを通過する前に、整流器エレメントＤがすでに電流を阻止しているため、一次電圧Ｕ１の半分の周期時間より多くの時間を、磁気システムの応力緩和のために使用することができる。このｔ０時点およびそれに伴う装置の特性は、さらに、該当するエアギャップｄの大きさによって影響される。
図７ｂは、一次電流Ｉ１に対応する二次電圧Ｕ２と二次電流Ｉ２の経過を示している。これらは、常に同じ極性のパルスを形成し、冒頭で説明した最大±２Φという磁束量のために倍の値にまで上昇する。
図８は、２つの変圧器Ｔ１、Ｔ２を有する発明に基づく装置を示している。それらの一次コイルＷ１１、Ｗ１２は、整流器エレメントＤ１、Ｄ２を介して、それぞれ交流電圧電源Ｑと接続され、二次コイルＷ２１またはＷ２２は、関連する半波のために、負荷Ｚの中に交互に流される二次電流Ｉ２が負荷Ｚを介して同じ方向へ流れるように、負荷Ｚと接続されている。本実施形態における両方の整流器エレメントＤ１、Ｄ２は、この半導体エレメントであり、その際、これらのエレメントのマイナス極が、関連する一次コイルＷ１１またはＷ１２と接続され、プラス極が電源ケーブルＰＬの異なるケーブルＰＬ１またはＰＬ２と接続されている。従って、整流器エレメントＤ１、Ｄ２は、一次コイルＷ１１、Ｗ１２を介して交互に一次電流Ｉ１を流し、それによって、二次側で生成されるパルスが、正しい極性で負荷Ｚに供給され、同じ極性のパルス列を補完する。極性交換が一次側または二次側で様々な方法で実施可能であることは、同業者には明らかであり、第一または第二の極性をもつ同じ方向のパルスを問題なく生成することができる。ギヤ比を変更し、それに伴って生成された直流電圧量を変更するためには、一次コイルおよび／または二次コイルにタッピングを取り付けることができ、これらのタッピングで一次電圧を供給したり、二次電圧を減らしたりすることができる。
図９は、同一の鉄心に取り付けられている２つの一次コイルＷ１１、Ｗ１２をもつ変圧器Ｔ１Ｐ２を示している。一次コイルＷ１１、Ｗ１２は、それぞれの一次電流が該当する極性の各交流電圧半波によって交互に、各一次コイルＷ１１、Ｗ１２に流されるように、整流器エレメントＤ１またはＤ２を介して交流電圧電源Ｑと接続されており、一次電流Ｉ１は、磁気回路または磁気フレームＪＫを介して関連する磁束Φを常に同じ方向に促している。両方の制御可能な整流器エレメントＤ１とＤ２は、陽極または陰極を使って、電源ケーブルＰＬの第一ケーブルＰＬ１と接続され、陰極または陽極を使って、関連する一次コイルＷ１１またはＷ１２の端部と接続されており、一次コイルのもう片方の端部は共に、電源供給ケーブルＰＬの第二ケーブルＰＬ２と接続されている。図８の解決方法と比較すると、本発明の実施形態の場合、さらに必要となるのは磁化フレームＪＫのみである。これに対し、図８の解決方法では出力損失が減少する。図８の解決方法は、さらに、流れている一次電流Ｉ１間のギャップが明らかに小さくなった状態でも実施可能であるが、このギャップは制御可能な整流器エレメントＤが準備されている場合は、電気的に制御することができる。
三相交流システムの場合は、本発明をとりわけ簡単かつ有利に利用できる。図１０は、３つの一次コイルＷ１Ｒ、Ｗ１Ｓ，Ｗ１Ｔと、二次コイルＷ２Ｒ、Ｗ２Ｓ、Ｗ２Ｔをもつ変圧器Ｔ３Ｐ１を示している。一次コイルＷ１Ｒ、Ｗ１Ｓ、Ｗ１Ｔの第一の端部が、関連する整流器エレメントＤＲまたはＤＳまたはＤＴを介して、関連する位相Ｒ、Ｓ、Ｔとそれぞれ接続され、第二の端部が三相交流配線ＰＬ３の中性線０と接続され、二次コイルＷ２Ｒ、Ｗ２Ｓ、Ｗ２Ｔは、これらの二次コイルに交互に流される二次電流Ｉ２Ｒ、Ｉ２ＳおよびＩ２Ｔが負荷Ｚを介して常に同じ方向へ流れるように、負荷Ｚと接続されている。整流器エレメントＤＲまたはＤＳまたはＤＴのそれぞれは、その陽極が三相交流配線ＰＬ３の位相Ｒ、Ｓ、Ｔと接続され、その陰極が関連する一次コイルＷ１Ｒ、Ｗ１Ｓ、Ｗ１Ｔと接続され、その制御電極ｃｌＲ、ｃｌＳ、ｃｌＴがＣＴＲＬコントロールユニットの関連するアウトプットと接続され、例えば位相角制御によって実施可能である。二次コイルＷ２Ｒ、Ｗ２Ｓ、Ｗ２Ｔは並列に接続され、同じ極性のパルスを負荷Ｚに伝達する。パルスは、手前に接続されているフィルター回路ＳＳの中で平滑にされる。このフィルター回路は、例えば、負荷Ｚに直列に接続されているフィルターチョークＬＳおよび／または負荷Ｚに並列に接続されている負荷コンデンサを有している。
図１１ａは、位相角制御が取り付けられている上述した装置のいずれか１つに関して、位相角制御によって調整される一次電圧Ｕ１とそれに対応する一次電流Ｉ１の経過を示している。これによれば、整流器エレメントＤＲまたはＤＳまたはＤＴは、すでに電圧Ｕ１の該当する半波の開始時に始まっているのではなく、制御信号を受信した後で、つまり遅延Ｐを伴って電流を通し始める。図１１ｂは、図１１ａの一次電流Ｉ１に対応する二次電圧Ｕ２と二次電流Ｉ２の経過を示している。
図１２ａは、図１０の変圧器Ｔ３Ｐ１の一次コイルＷ１Ｒ，Ｗ１Ｓ、Ｗ１Ｔでの、位相角制御によって調整される一次電流Ｉ１Ｒ、Ｉ１Ｓ、Ｉ１Ｔの経過を示している。図１２ｂは、図１０の負荷抵抗Ｚを介する電圧ＵＺの経過を示している。
図１３は、３つの一次コイルペアＷ１１Ｒ、Ｗ１２ＲまたはＷ１１Ｓ、Ｗ１２ＳまたはＷ１１Ｔ、Ｗ１２Ｔと、二次コイルＷ２Ｒ、Ｗ２Ｓ、Ｗ２Ｔをもつ変圧器Ｔ３Ｐ２を示している。一次コイルペアＷ１１Ｒ、Ｗ１２ＲまたはＷ１１Ｓ、Ｗ１２ＳまたはＷ１１Ｔ、Ｗ１２Ｔの第一の端部が、関連する整流器エレメントＤＲ１、ＤＲ２またはＤＳ１、ＤＳ２またはＤＴ１、ＤＴ２を介して位相Ｒ、Ｓ、Ｔとそれぞれ接続され、第二の端部が三相交流配線ＰＬ３の中性線０と接続され、二次コイルＷ２Ｒ、Ｗ２Ｓ、Ｗ２Ｔは、これらの二次コイルへ交互に流される二次電流Ｉ２Ｒ、Ｉ２ＳおよびＩ２Ｔが負荷Ｚを介して常に同じ方向へ流れるように、負荷Ｚと接続されている。
一次コイルのペアＷ１１Ｒ、Ｗ１２ＲまたはＷ１１Ｓ、Ｗ１２ＳまたはＷ１１Ｔ、Ｗ１２Ｔは、直列に接続され、連結ポイントで三相交流ケーブルＰＬ３の中性線０と接続されている。これに対して、一次コイルＷ１１Ｒ、Ｗ１２ＲまたはＷ１１Ｓ、Ｗ１２ＳまたはＷ１１Ｔ、Ｗ１２Ｔのもう一方の端部は整流器エレメントＤＲ１、ＤＲ２またはＤＳ１、ＤＳ２またはＤＴ１、ＤＴ２を介して、三相交流ケーブルＰＬ３の関連する位相Ｒ、Ｓ、Ｔと接続さ位相Ｒ、Ｓ、Ｔと接続されている。互いに関連する一次コイルと二次コイルＷ１１Ｒ、Ｗ１れ、その際、第一の整流器エレメントＤＲ１またはＤＳ１またはＤＴ１の陽極と、第二の整流器エレメントＤＲ２またはＤＳ２またはＤＴ２の陰極が、三相交流ケーブルＰＬ３の関連する２Ｒ、Ｗ２ＲまたはＷ１１Ｓ、Ｗ１２Ｓ、Ｗ２ＳまたはＷ１１Ｔ、Ｗ１２Ｔ、Ｗ２Ｔは、その際、磁気フレームの個別の鉄心ＫＲ、ＫＳ、ＫＴにそれぞれ配置されている。基本的に、三相交流変圧器Ｔ３Ｐ２は、上述の装置に使用されているように、一相変圧器Ｔ１Ｐ２から構成されることも可能である。
図１３に示されている装置の場合、好ましくは、制御可能な整流器エレメントＤＲ１、ＤＲ２、ＤＳ１、ＤＳ２、ＤＴ１、ＤＴ２のそれぞれが、１つの半波のために、３つの位相Ｒ、Ｓ、Ｔのそれぞれに電流を通すことにより、常に６つのパルスが伝達される。
図１４ａは、図１３の変圧器Ｔ３Ｐ２の一次コイルＷ１１Ｒ，Ｗ１２ＲまたはＷ１１Ｓ、Ｗ１２ＳまたはＷ１１Ｔ、Ｗ１２Ｔにおける、位相角制御によって調整される一次電流Ｉ１Ｒ１、Ｉ１Ｓ１、Ｉ１Ｔ１、Ｉ１Ｒ２、Ｉ１Ｓ２、Ｉ１Ｔ２の経過を示している。
図１４ｂは、図１３の負荷抵抗Ｚを介する電圧ＵＺの経過を示し、すでにかなりの範囲が平滑になっている。
直流電圧または直流電流の生成に働く装置は、少なくとも１つの整流器エレメント、好ましくは、サイリスタまたはトライアックなどの制御可能な整流器エレメントと、少なくとも１つの一次コイルおよび少なくとも１つの二次コイルをもつ、少なくとも１つの変圧器とを有している。
一相または多相の電源ケーブルの導線を介して交流電圧電源と接続されている、少なくとも１つの一次コイルと、負荷と接続されている、少なくとも１つの二次コイルとは、磁束Φのガイドに働く磁気フレームに配置されており、この磁気フレームは、少なくとも１つの磁気回路を形成する、該当する数のヨークと鉄心とを有した周知の任意構造において実施されている。
発明に基づき、少なくとも１つの一次コイルが、整流器エレメントを介して交流電圧電源と接続されていることにより、一次電流Ｉ１は、該当する極性の各交流電圧半波のために整流器エレメントと一次コイルとを介して導通可能であり、磁化フレームまたはその中の磁気回路によって磁束Φを常に同じ方向に促す。
該当する極性の各半波によって、変圧器または一次コイルが、場合によって制御可能な半導体エレメントにより電源と接続されることにより、静的機械または変圧器の、同じ極性の２つの半波間に生じる完全または部分的な応力緩和に応じて、少なくともほぼ始動電流に該当する一次電流を流すことができる。つまり、磁気コイルまたは鉄ならびにエアギャップに保存されているエネルギーは、使用されない半波が生じている間、変圧器が半波の伝達前の状態に戻っている場合に供給される。
エアギャップに保存されている磁気エネルギーは無効電力を大きくするが、ほとんど損失なく再供給される。それとは反対に、エアギャップの寸法を選ぶことによって、鉄を介して発生する磁界強度ＨＦＥならびにその結果として常に生じる残留磁気ＢＲに、希望する形で影響を与えることができる。エアギャップを使用した場合に、磁界強度の需要が上昇し、それに伴って磁化電流が上昇すると、変圧器の特性曲線は短くされるか、または直線化される。従って、エアギャップと磁化電流との間には相互作用が存在し、この相互作用が変圧器の始動およびシャットダウンにも有利に影響する。
発明に基づく方法
整流器エレメントとしてダイオードを使用する場合、交流電圧半波のゼロ点のすぐ後に、この整流器エレメントが接続される。磁束Φは、Φ＝０ではじまり、半波後に最大±２Φ、すなわち電圧時間積によって規定される全磁束量まで上昇する。このことから、二次回路で測定される量も倍増する。これに応じて高い磁化電流ＩＭを有する鉄心を飽和状態にするために、エアギャップのサイズを適切に決めることができる。同じ極性の半波と半波との間に距離があるため、変圧器は、変圧器の一般的な作動で静止と呼ばれる状態には移行しない。
その際、一次電流Ｉ１または磁化電流ＩＭおよび補流Ｉ２’の合計がゼロになる限り、ダイオードは導通している。一次電流Ｉ１の０点後にダイオードが阻止するため、第二の半波は伝達されないことから、パルス直流が伝達される。二次側では、常に同じ極性を有する、二次電流Ｉ２と二次電圧Ｕ２の半波が結果として生じる。
発明に基づいて、分離されている磁気回路を介して、半波が両方とも伝達され、負荷に送られるのが好ましい。それぞれ半分の電流しか通さない２つの部分変圧器が、正しい位相で相互に接続される場合、パルス直流への２つのパルス列によってお互いを補完し合う。しかし、部分変圧器を介して伝達されるのは同一方向の半波だけであることから、定格電流の半分だけが部分変圧器内に流れ込み、同じ導体断面での損失（Ｐｖ＝（１／２）∧２＊Ｒ）は１／４しか発生しない。従って、２つの部分変圧器の定格出力の合計は、これに対応する通常の変圧器の定格出力よりも小さい。
それに対して、２つのパルス間のギャップが十分に大きい場合には、２つの部分変圧器の代わりに、１つの半波を正しい極性で伝達する２つの一次コイルを有する変圧器を１つだけ用いることができる。
発明に基づく解決方法は、多相システムでも、とりわけ有利に利用可能である。その際、位相を介して伝達できるのは、１つまたは２つの半波だけである。そのため、二次側では、リップルの極めて低下した電圧が生じる。

Claims (13)

  1. 少なくとも１つの整流器エレメント（Ｄ）と、少なくとも１つの変圧器（Ｔ）とを有し、前記変圧器（Ｔ）が少なくとも１つの電源ケーブル（ＰＬ）のケーブル（ＰＬ１、ＰＬ２）を介して交流電圧電源（Ｑ）と接続される少なくとも１つの一次コイル（Ｗ１）と、負荷（Ｚ）に接続されている少なくとも１つの二次コイル（Ｗ２）とを有しており、前記二次コイル（Ｗ２）は磁束Φのガイドに働く付属の磁気フレーム（ＪＫ）に配置されている、直流電圧または直流電流を生成する装置であって、前記一次コイル（Ｗ１）が前記整流器エレメント（Ｄ）を介して前記交流電圧電源（Ｑ）と接続されていることにより、該当する極性の各交流電圧半波のために、一次電流Ｉ１が前記整流器エレメント（Ｄ）と前記一次コイル（Ｗ１）とを介して供給可能であり、前記磁気フレーム（ＪＫ）によって磁束Φを常に同じ方向に促すことを特徴とする、直流電圧または直流電流を生成する装置。
  2. ２つの一次コイル（Ｗ１１、Ｗ１２）が、該当する極性の各交流電圧半波によって、それぞれの前記一次電流Ｉ１が、交互に、前記一次コイル（Ｗ１１、Ｗ１２）のそれぞれに流されるように、整流器エレメント（Ｄ１またはＤ２）を介して前記交流電圧電源（Ｑ）と接続され、変圧器（Ｔ１Ｐ２）の同一の前記磁気フレーム（ＪＫ）に配置されており、それぞれの前記一次電流Ｉ１が、前記磁気フレーム（ＪＫ）を介して関連する磁束Φを常に同じ方向に促していることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  3. ２つの前記一次コイル（Ｗ１１、Ｗ１２）が、前記整流器エレメント（Ｄ）を介して前記交流電圧電源Ｑとそれぞれ接続され、個別の磁気フレーム（ＪＫ１、ＪＫ２）に配置されていること、両方の前記磁気フレーム（ＪＫ１、ＪＫ２）の１つに配置されている二次コイル（Ｗ２１またはＷ２２）が、関連する半波のために、前記負荷（Ｚ）の中に交互に流される二次電流Ｉ２が前記負荷（Ｚ）を介して同じ方向へ流れるように、前記負荷（Ｚ）と接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  4. ａ）前記一次コイル（Ｗ１１、Ｗ１２）の第一端部が、異なる極性の前記整流器エレメント（Ｄ１またはＤ２）を介して前記電源供給ケーブル（ＰＬ）の前記第一ケーブル（ＰＬ１）と接続され、前記一次コイル（Ｗ１１、Ｗ１２）の第二端部が、前記電源供給ケーブル（ＰＬ）の前記第二ケーブル（ＰＬ１）と接続されていること、または、
    ｂ）前記一次コイル（Ｗ１１、Ｗ１２）の第一端部と前記一次コイル（Ｗ１１、Ｗ１２）の第二端部とが、同一極性の前記整流器エレメント（Ｄ１またはＤ２）を介して、前記電源供給ケーブル（ＰＬ）の異なるケーブル（ＰＬ１またはＰＬ２ならびにＰＬ２またはＰＬ１）と接続されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の装置。
  5. 変圧器（Ｔ３Ｐ１）が３つの一次コイル（Ｗ１Ｒ、Ｗ１Ｓ、Ｗ１Ｔ）を有し、それぞれの第一の端部が、関連する整流器エレメント（ＤＲまたはＤＳまたはＤＴ）を介して三相交流ケーブル（ＰＬ３）の位相（Ｒ、Ｓ、Ｔ）と接続され、それらの第二の端部が前記三相交流配線（ＰＬ３）の中性線（０）と接続されていること、前記変圧器（Ｔ３Ｐ１）が前記一次コイル（Ｗ１Ｒ、Ｗ１Ｓ、Ｗ１Ｔ）と磁気的に連結している二次コイル（Ｗ２Ｒ、Ｗ２Ｓ、Ｗ２Ｔ）を有し、前記二次コイル（Ｗ２Ｒ、Ｗ２Ｓ、Ｗ２Ｔ）の中に交互に送られる二次電流Ｉ２Ｒ、Ｉ２ＳおよびＩ２Ｔが負荷（Ｚ）を介して常に同じ方向へ流れるように、前記二次コイル（Ｗ２Ｒ、Ｗ２Ｓ、Ｗ２Ｔ）が前記負荷（Ｚ）と接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  6. 前記変圧器（Ｔ３Ｐ１）が３つの一次コイルのペア（Ｗ１１Ｒ、Ｗ１２ＲまたはＷ１１Ｓ、Ｗ１２ＳまたはＷ１１Ｔ、Ｗ１２Ｔ）を有し、それぞれの第一の端部が、関連する整流器エレメント（ＤＲ１、ＤＲ２またはＤＳ１、ＤＳ２またはＤＴ１、ＤＴ２）を介して前記三相交流ケーブル（ＰＬ３）の前記位相（Ｒ、Ｓ、Ｔ）と接続され、それらの第二の端部が前記三相交流ケーブル（ＰＬ３）の前記中性線（０）と接続されていること、前記変圧器（Ｔ３Ｐ１）が前記一次コイル（Ｗ１Ｒ、Ｗ１Ｓ、Ｗ１Ｔ）と磁気的に連結している前記二次コイル（Ｗ２Ｒ、Ｗ２Ｓ、Ｗ２Ｔ）を有し、前記二次コイル（Ｗ２Ｒ、Ｗ２Ｓ、Ｗ２Ｔ）の中に交互に送られる前記二次電流Ｉ２Ｒ、Ｉ２Ｓ、Ｉ２Ｔが前記負荷（Ｚ）を介して常に同じ方向へ流れるように、前記二次コイル（Ｗ２Ｒ、Ｗ２Ｓ、Ｗ２Ｔ）が前記負荷（Ｚ）と接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  7. 互いに連結されている前記一次コイルと前記二次コイル（Ｗ１Ｒ、Ｗ２ＲまたはＷ１Ｓ、Ｗ２ＳまたはＷ１Ｔ、Ｗ２Ｔ）または（Ｗ１１Ｒ、Ｗ１２ＲまたはＷ１１Ｓ、Ｗ１２ＳまたはＷ１１Ｔ、Ｗ１２Ｔ）が、前記磁気フレームの鉄心（ＫＲまたはＫＳまたはＫＴ）にそれぞれ配置されていることを特徴とする、請求項６または７に記載の装置。
  8. １つまたは複数の前記磁気フレーム（ＪＫ）が、好ましくは、少なくとも１つのヨークまたは１つの前記鉄心、１つのエアギャップ（ｄ）を有し、好ましくは、前記鉄心の磁界強度が規定値を超過しないように、前記エアギャップ（ｄ）が選択されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
  9. 前記整流器エレメント（Ｄ）または前記整流器エレメント（Ｄ１、Ｄ２もしくはＤＲまたはＤＳまたはＤＴもしくはＤＲ１、ＤＲ２またはＤＳ１、ＤＳ２またはＤＴ１、ＤＴ２）が、コントロールユニット（ＣＴＲＬ）と接続されている制御入力（ｃｌ、ｃｌＲ、ｃｌＳ、ｃｌＴ）を有し、伝達される同一極性半波の位相がゲートでコントロールされるように、および／または、個々の同一極性半波が定期的または必要に応じて伝達されないように、前記コントロールユニット（ＣＴＲＬ）によって制御可能であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
  10. 前記整流器エレメント（Ｄ）または前記整流器エレメント（Ｄ１、Ｄ２もしくはＤＲまたはＤＳまたはＤＴもしくはＤＲ１、ＤＲ２またはＤＳ１、ＤＳ２またはＤＴ１、ＤＴ２）のそれぞれが、制御可能な半導体、好ましくはサイリスタまたはトライアックであることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
  11. 前記二次コイル（Ｗ２）または前記二次コイル（Ｗ２１、Ｗ２２またはＷ２Ｒ、Ｗ２Ｓ、Ｗ２ＴまたはＷ１Ｒ、Ｗ２ＲまたはＷ１Ｓ、Ｗ２ＳまたはＷ１Ｔ、Ｗ２Ｔ）が、少なくとも１つの構成部品、場合によっては、直列につながれた１つのスロットル（Ｌ３）および／または前記負荷（Ｚ）に並列につながれた１つの負荷コンデンサ（ＣＳ）を有する、アクティブまたはパッシブなフィルターカイロ（Ｓ）を介して前記負荷（Ｚ）と接続されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
  12. １つの前記変圧器（Ｔ、．．．）または複数の前記変圧器（Ｔ、．．．）のギヤ比が変更可能であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
  13. 各前記整流器エレメント（Ｄ１、Ｄ２もしくはＤＲまたはＤＳまたはＤＴもしくはＤＲ１、ＤＲ２またはＤＳ１、ＤＳ２またはＤＴ１、ＤＴ２）が、同一極性半波を定期的または必要に応じて、関連する前記一次コイル（Ｗ１、．．．）に供給し、前記一次コイルが関連する前記二次コイル（Ｗ２）によって前記負荷（Ｚ）に正しい極性で供給されることを特徴とし、とくに、１つまたは多相の前記交流電圧電源（Ｑ）に接続され、電気エネルギー変換のために、少なくとも１つの前記整流器エレメント（Ｄ１、Ｄ２もしくはＤＲまたはＤＳまたはＤＴもしくはＤＲ１、ＤＲ２またはＤＳ１、ＤＳ２またはＤＴ１、ＤＴ２）と、少なくとも１つの前記変圧器（Ｔ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ１Ｐ２、Ｔ３Ｐ１、Ｔ３Ｐ２）とを有する、請求項１〜１２の１つに記載の装置を用いて、直流電圧または直流電流を生成する方法。
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