JP2014239646A - 高電圧インバータ - Google Patents
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Abstract
【課題】少数の部品で済み、高い信頼性を示し、また環境的危険性のない、直流電力を交流電力に変換する機能を有する高電圧インバータを提供する。
【解決手段】高電圧インバータは、各交流出力位相回路のために、三極管構造、四極管構造又は五極管構造の制御可能な第１及び第２の冷陰極電界放出電子管と、中心タップが２０KVを超える直流電位に接続された主変圧器巻線とを備える。制御可能な第１の冷陰極電界放出電子管は主変圧器巻線の第１の端部とグランドとの間で直列に接続され、第２の電子管は主変圧器巻線の第２の端部とグランドとの間で直列に接続されている。各交流位相出力回路は、主変圧器巻線の第１の端部及び第２の端部を順に交互にほぼグランドの電位に到達させるために第１及び第２の冷陰極電界放出電子管が交互に伝導するように電子管を制御する。
【選択図】図４
【解決手段】高電圧インバータは、各交流出力位相回路のために、三極管構造、四極管構造又は五極管構造の制御可能な第１及び第２の冷陰極電界放出電子管と、中心タップが２０KVを超える直流電位に接続された主変圧器巻線とを備える。制御可能な第１の冷陰極電界放出電子管は主変圧器巻線の第１の端部とグランドとの間で直列に接続され、第２の電子管は主変圧器巻線の第２の端部とグランドとの間で直列に接続されている。各交流位相出力回路は、主変圧器巻線の第１の端部及び第２の端部を順に交互にほぼグランドの電位に到達させるために第１及び第２の冷陰極電界放出電子管が交互に伝導するように電子管を制御する。
【選択図】図４
Description
本発明は、直流電力を交流電力に変換する機能を有するインバータ、特に、入力直流電圧が２０ＫＶを超える高電圧インバータに関する。
２０ＫＶを超える電圧で直流を交流電力に変換するための従来のインバータ技術には、水銀蒸気管と、個体素子とがある。両技術には、避止されることが望ましい欠点がある。
水銀蒸気管には、管内の水銀蒸気が周囲に漏れ出る場合に環境上の危険性があるという欠点がある。サイリスタ（例えば、シリコン制御整流器）のような固体素子には、多数並列接続の大きなバンクを含むという欠点がある。多数の並列接続装置を必要とするというコスト面及び複雑性を別にすると、装置ごとの故障率が同一であると仮定すれば、多数の部品装置のうちの１つが故障する確率は単一の装置が故障する確率を大幅に上回るため、信頼性は低下する。
ここに、少数の部品で済み、高い信頼性を示し、また環境的危険性のない、直流電力を交流電力に変換する機能を有する高電圧インバータの提供の要請がある。
発明の概要
本発明は、好ましい態様において、１以上の交流出力位相を有する、直流電力を交流電力に変換するための高電圧インバータを提供する。この高電圧インバータは、各交流出力位相のために、三極管構造、四極管構造又は五極管構造の第１及び第２の制御可能な冷陰極電界放出電子管を有する１つの交流入力位相回路を備える。各制御可能な陰極電界放出電子管は、２０ＫＶを超える高電圧直流電位への接続のための第１の入力ノードと、グランドへの接続のための第２の入力ノードとを有する。主変圧器巻線は第１の端部と、第２の端部と、中心タップとを有する。前記第１の制御可能な陰極電界放出電子管は、前記主変圧器巻線の第１の端部とグランドとの間で直列に接続され、また、前記第２の制御可能な陰極電界放出電子管は前記主変圧器巻線の第２の端部とグランドとの間で直列に接続されている。制御回路は、前記主変圧器巻線の第１の端部及び第２の端部が、交互に、ほぼグランドの電位に至るようにするために前記第１及び第２の両制御可能な陰極電界放出電子管が交互に伝導するように、両制御可能な陰極電界放出電子管を制御する。
本発明は、好ましい態様において、１以上の交流出力位相を有する、直流電力を交流電力に変換するための高電圧インバータを提供する。この高電圧インバータは、各交流出力位相のために、三極管構造、四極管構造又は五極管構造の第１及び第２の制御可能な冷陰極電界放出電子管を有する１つの交流入力位相回路を備える。各制御可能な陰極電界放出電子管は、２０ＫＶを超える高電圧直流電位への接続のための第１の入力ノードと、グランドへの接続のための第２の入力ノードとを有する。主変圧器巻線は第１の端部と、第２の端部と、中心タップとを有する。前記第１の制御可能な陰極電界放出電子管は、前記主変圧器巻線の第１の端部とグランドとの間で直列に接続され、また、前記第２の制御可能な陰極電界放出電子管は前記主変圧器巻線の第２の端部とグランドとの間で直列に接続されている。制御回路は、前記主変圧器巻線の第１の端部及び第２の端部が、交互に、ほぼグランドの電位に至るようにするために前記第１及び第２の両制御可能な陰極電界放出電子管が交互に伝導するように、両制御可能な陰極電界放出電子管を制御する。
好ましい実施の形態に係る前述した高電圧インバータは、少数の部品で済み、高い信頼性を示し、また環境的危険性のない、直流電力を交流電力に変換する機能を有する。
図面には、同様の部分に同様の参照符号が付されている。
図１は、高電圧の直流電力を交流の電流に変換するための好ましい高電圧インバータ１０を示す。高電圧インバータ１０の出力は、好ましくは、１０ＫＶを超えまた毎秒約５０ないし４００サイクルの交流周波数を有する電圧を提供する。入力交流位相２０は、入力ノード２６とグランド２８との間に供給される高電圧の直流を交流に変換する。
以下の説明は、（１）本発明の高電圧インバータの交流入力位相、（２）位相同期と電力分配グリッドの位相監視及び電力均衡とを組み込んだ高電圧インバータ、及び（３）高電圧直流‐直流インバータの領域をカバーする。
１．交流入力位相
図１に示す入力交流位相２０は、三極管構造の制御可能な冷陰極電界放出電子管３０及び３２を含む。代わりに、これらの制御可能な陰極電界放出電子管は、当業者には明らかであるように、電気回路に対して適当な調整をする四極管構造又は五極管構造の電子管に置き換えることができる。図２は、好ましい三極管構造の制御可能な冷陰極電界放出電子管３８を示す。図２において、制御可能な陰極電界放出電子管３８は、円筒状のグリッド４２により取り巻かれた円筒状の陰極４０を含み、円筒状のグリッド４２はさらに円筒状の陽極４４により取り巻かれている。陰極４０、グリッド４２及び陽極４４は、これらの中心円筒軸線に沿って互いに軸対称に配列されている。制御可能な陰極電界放出電子管３８についてさらに詳細には、「High Voltage Switch Tube」と題して１９９０年８月２１に発行された米国特許第４，９５０，９６２号に見ることができる。前述の特許が開示する全ての事項は、参照により本明細書に組み入れられている。前述の特許に開示された回路の時定数は、図１に示す高電圧インバータ１０の出力に接続された前記変圧器の効果的使用を可能にする十分に高い切り替え速度を提供するように調整される。
図１に示す入力交流位相２０は、三極管構造の制御可能な冷陰極電界放出電子管３０及び３２を含む。代わりに、これらの制御可能な陰極電界放出電子管は、当業者には明らかであるように、電気回路に対して適当な調整をする四極管構造又は五極管構造の電子管に置き換えることができる。図２は、好ましい三極管構造の制御可能な冷陰極電界放出電子管３８を示す。図２において、制御可能な陰極電界放出電子管３８は、円筒状のグリッド４２により取り巻かれた円筒状の陰極４０を含み、円筒状のグリッド４２はさらに円筒状の陽極４４により取り巻かれている。陰極４０、グリッド４２及び陽極４４は、これらの中心円筒軸線に沿って互いに軸対称に配列されている。制御可能な陰極電界放出電子管３８についてさらに詳細には、「High Voltage Switch Tube」と題して１９９０年８月２１に発行された米国特許第４，９５０，９６２号に見ることができる。前述の特許が開示する全ての事項は、参照により本明細書に組み入れられている。前述の特許に開示された回路の時定数は、図１に示す高電圧インバータ１０の出力に接続された前記変圧器の効果的使用を可能にする十分に高い切り替え速度を提供するように調整される。
図１に示す高電圧インバータ１０は、好ましくは、図２及び前述の米国特許第４，９５０，９６２号に示された前述の制御可能な冷陰極電界放出電子管３８を使用する。これは、高電圧容量、高電流容量及び高散逸からなる制御可能な陰極電界放出電子管３８の諸特性の組み合わせによる。高電圧インバータ１０の電力発生ステーション及び送電線の適用のために、直流２０ＫＶを超える電圧（例えば、直流１００万Ｖ）で連続的に動作する制御可能な陰極電界放出電子管３８のような複数の電子管を構築することが可能でありかつ実際的である。送電の適用において、典型的な直流はキロアンペアの値域にある。図１に示す高電圧インバータ１０が電力発生ステーションとして使用される場合、電力発生ステーションの厳しい環境において連続的に動作するように設計されている限り、図１に示す高電圧インバータ１０において他の制御可能な冷陰極電界放出電子管の使用が可能である。
１０キロアンペアの直流（最大である現代の高電圧直流送電線の約５倍）を想定しかつ図２及び前記米国特許第４，９５０，９６２号に示された制御可能な陰極電界放出電子管３８の使用を想定すると、陰極４０と、グリッド４２と陽極４４との間のそれぞれの間隔はある幾何学的要求に一致するであろう。典型的には、例えば、陽極４４からグリッド４２までの間隔対グリッド４２から陰極４０までの間隔は、約１０対１である。このような間隔の選択は、本開示に基づき、当業者には明らかであろう。陽極４４は、温度制御のための液冷ジャケットの内面をなすように形成することができる。陰極４０及びグリッド４２もまた必要があれば冷却することができる。極端な実施の形態として、現実的な適用のいかなるものよりも高い５ギガワットの容量をもつインバータは、コンパクトなサイズに対して相当の電力取扱容量の組み合わせを示す。これは、既存技術装置のサイズの一部であり、これらの装置はほとんどがサイリスタ及び水銀蒸気管である。
図１において、入力ノード２６とグランド２８との間にあらわれる前記直流入力電圧は２０ＫＶを超える。交流入力位相２０は前記したように制御可能な陰極電界放出電子管３０及び３２を備え、これらの陽極３０ａ及び３２ａはグランド２８に接続されている。制御可能な陰極電界放出電子管３０の陰極３０ｂは、主変圧器巻線４８の上端として示された第１の端部に接続されている。同様に、制御可能な陰極電界放出電子管３２の陰極３２ｂは、主変圧器巻線４８の下端として示された第２の端部に接続されている。制御可能な陰極電界放出電子管３０及び３２のグリッド３０ｃ及び３２ｃが同期回路に接続されており、グリッド３０ｃのための前記同期回路は抵抗器５０とコンデンサ５２とを有し、また、グリッド３２ｃのための前記同期回路は抵抗器５４とコンデンサ５６とを有する。両抵抗器５０及び５４の一端が、主変圧器巻線４８の中心タップ４８ａに接続されている。加えて、抵抗器５８とｐ‐ｎダイオード６０とが制御可能な陰極電界放出電子管３０に関連付けられ、これらは逆電圧阻害機能を果たす。同様に、抵抗器６２とｐ‐ｎダイオード６４とが制御可能な陰極電界放出電子管３２に関連付けられ、これらは逆電圧阻害機能を果たす。良く知られているように、ｐ‐ｎダイオードは他のタイプの一方向電流バルブと置き換えることができる。
本発明に係る高電圧インバータの重要な設計的考察が変圧器１９（図１）の設計に払われる。従来のインバータ回路と異なり、変圧器１９は、高電圧での動作のために構築される、ステップダウン又は場合により１：１変圧器とされよう。
また、変圧器を必要としないインバータ技術がある。変圧器を除外することは、コストを削減しまたインバータの迅速な製造のために望ましいことであるが、安全面の観点から、絶縁のための変圧器の存在は望ましいばかりでなく、義務的であることが多い。使用すべき技術の決定は、電力会社又は該電力会社の任意の建設技術者により行われるであろう。
２．位相同期、及び、選択的に、電力分配グリッドの位相監視及び電力均衡を有するインバータ
図１に示す高電圧インバータ１０の単一位相である交流入力位相回路２０とは対照的に、代わりのインバータは、３つの交流入力位相回路８６、８８及び９０を有する図３に示す高電圧インバータ７０のような多位相の交流入力位相回路を備えるものとすることができる。本発明に係る代わりの複数のインバータは、例えば６又は１２の交流出力位相のような他の数の交流出力位相を備える。電力分配グリッドに対して要求される種々の位相の同期と、このようなグリッドに接続されない場合における位相間の位相角分離とを確保するための適当な位相制御回路が以下に示されている。0
図１に示す高電圧インバータ１０の単一位相である交流入力位相回路２０とは対照的に、代わりのインバータは、３つの交流入力位相回路８６、８８及び９０を有する図３に示す高電圧インバータ７０のような多位相の交流入力位相回路を備えるものとすることができる。本発明に係る代わりの複数のインバータは、例えば６又は１２の交流出力位相のような他の数の交流出力位相を備える。電力分配グリッドに対して要求される種々の位相の同期と、このようなグリッドに接続されない場合における位相間の位相角分離とを確保するための適当な位相制御回路が以下に示されている。0
選択的に、本発明に係る多位相の高電圧インバータは、これが接続される電力分配グリッドに位相監視及び電力均衡を組み込むことができ、前記電力均衡はほとんど瞬時の態様で（例えば、１００万分の１秒で）生じる。
図３Ａはこのような高電圧インバータ７０を示し、いま述べたように、インバータ７０は電力分配グリッドに対して、またこのようなグリッド上の電力均衡に対しては選択的に、同期を行う。高電圧インバータ７０は出力端であるＹ字形接続の巻線７１ａを有する出力変圧器７１を備える。これに代えて、デルタ接続巻線を用いることができる。
図１に示す高電圧インバータ１０のような単一受電直流高電圧源から３位相交流出力を発生させるためには、互いに１２０度の位相の不一致がある３つのクロック信号（図示せず）を生じさせることが必要である。これらの信号は、前記出力に取り付けられた前記電力分配グリッド７２に対して同期された位相でなければならない。このような電力分配グリッド７２は、図３Ａにブロック図として示されている。電力分配グリッド７２は、図３Ｂにさらに詳細に示されている。
図３Ｂは、複数の電力発生装置７２ａと、複数の変電所７２ｂと、複数のユーザ７２ｃとを示す。図３Ａに示す高電圧インバータ７０は、１以上の電力発生装置７２ａを実装することが可能である。複数の変電所７２ｂは分配線７２ｄを通してユーザ７２ｃに対して電気エネルギを送る。これらのいくつかにのみ番号が付されている。
図３Ｂは、複数の電力発生装置７２ａと、複数の変電所７２ｂと、複数のユーザ７２ｃとを示す。図３Ａに示す高電圧インバータ７０は、１以上の電力発生装置７２ａを実装することが可能である。複数の変電所７２ｂは分配線７２ｄを通してユーザ７２ｃに対して電気エネルギを送る。これらのいくつかにのみ番号が付されている。
前記電力分配グリッド７２に対する位相同期を行うため、位相変換器７４、７６及び７８が、電力分配グリッド７２に取り付けられた各位相についての負荷と位相角とを連続的に監視する。例えば、複数の電流監視装置が前記分配グリッドの電力均衡に比例する複数の制御信号を提供する。監視回路８０が、電力分配グリッド７２の複数の交流入力位相回路の瞬間的な状態に対応する１組の３つの信号を生成する。これらの信号はホストコンピュータ８２に送られ、前記ホストコンピュータにおいて、前記信号がデジタル化され、次の使用のために複数の分離バッファ（図示せず）に送られる。
ホストコンピュータ８２は、以下に説明するように、様々な制御回路のための複数の構成要素を含む出力インターフェース回路８４を有し、交流入力位相回路８６，８８及び９０のそれぞれのための位相角を設定する。以下にさらに説明するように、出力インターフェース回路８４は、各位相のための各交流入力位相回路を通過可能であるエネルギの量を選択的に制御することができる。
図３Ａに示す高電圧インバータ７０が電力分配グリッドに接続されていない場合、ホストコンピュータ８２は、出力インターフェース回路８４が複数の信号を複数の交流入力位相回路８６，８８及び９０に送信するようにさせ、各位相角を互いに１２０度異なるように設定する。出力インターフェース回路８４は、これらの信号を制御ライン８６ａ、８６ｂ、８８ａ、８８ｂ及び９０ａ、９０ｂを通して前記複数の交流入力位相回路に送信する。
他方、図３Ａに示す高電圧インバータ７０が電力配分グリッド７２に接続されている場合、デフォルトモードのホストコンピュータ８２は、出力インターフェース回路８４が複数の信号を複数の交流入力位相回路８６、８８及び９０に送信するようにさせ、電力分配グリッド７２の複数の位相に対して複数の交流入力位相回路８６、８８及び９０を同期させる。
本発明の好ましい形態によれば、制御回路は、前記グリッドの位相負荷の複数の変化に応答して前記３つの位相にわたって受電エネルギを迅速に分配するように使用されることが望まれる。これは、前記電力分配グリッドのメンテナンス及び前記グリッド上の機器防護にとり大きな便益となり得る。
複数の交流出力位相に対する電力の分配への急速な変化は、高電圧インバータ７０（図３Ａ）により達成することができる。ホストコンピュータ８２は、以下に説明するように、様々な制御のための複数の構成要素を含む出力インターフェース回路８４を有し、各位相のための各交流入力位相回路を通過し得るエネルギ量を制御する。前記したように、位相変換器７４，７６及び７８は電力分配グリッド７２に取り付けられた各位相の負荷と位相角とを連続的に監視し、これにより、前記電力分配グリッド上の前記３つの交流入力位相回路のそれぞれの間の位相負荷の差を決定することができる。
前記複数の出力交流位相の均衡のために、ホストコンピュータ８２内の単一のコンピュータプログラムが以下のアルゴリズムを実行する。
１．前記した及び前記分配グリッドの電力均衡に関する全３つのバッファ内の位相値を検査する。
２．これらの値が等しい場合、出力インターフェース回路８４が、１２０度の位相で分離された同一の複数の信号を前記３つの出力ステージのそれぞれに送るようにさせる。
３．複数の前記入力バッファ値が等しくない場合、前記３つのバッファが等しい値をもつまで複数の低い値を有する１又は複数のバッファに増大させるエネルギ量を送る。
１．前記した及び前記分配グリッドの電力均衡に関する全３つのバッファ内の位相値を検査する。
２．これらの値が等しい場合、出力インターフェース回路８４が、１２０度の位相で分離された同一の複数の信号を前記３つの出力ステージのそれぞれに送るようにさせる。
３．複数の前記入力バッファ値が等しくない場合、前記３つのバッファが等しい値をもつまで複数の低い値を有する１又は複数のバッファに増大させるエネルギ量を送る。
前記したアルゴリズムは、多数のプログラム言語のうちの任意の１つで実行することができる。前記言語の選択は、前記ホストコンピュータ及びオペレーティングソフトの選択により決定される。また、このアルゴリズムは、一連の従来と同様の負のフィードバック制御回路として、ファームウエアで実行することができる。本開示に基づいて当業者には明らかであろうこのようなファームウエアのための数多くの適切なトポロジーが存在する。ディジタルコンピュータによりこのシステムを実行することがより一層容易であるが、ファームウエア様式でそれを実行するとより信頼性が高い。
図４は、図３Ａに示す高電圧インバータ７０の交流入力位相回路８６を実行する一つの回路を示す。図４において、調整回路９４は、図３Ａに示す出力インターフェース回路８４から制御ライン８６ａで１つの制御信号を受信する。同様に、調整回路９６が、図３Ａに示す出力インターフェース回路８４から制御ライン８６ｂで１つの制御信号を受信する。両調整回路９４及び９６は、好ましくは、互いに対称であり、したがって、本明細書では調整回路９４のみの説明をする。
調整回路９４はノード９８及び１００に接続されている。図５は、図４の調整回路９４を示すが、両ノード９８及び１００に関して、図４に示されたものとは水平に反対の方向に向けられている。これは、図５に示す調整回路９４の動作が、便宜上、左から右へ分析され得るようにするためである。
図５に示す調整回路９４は、低電圧電力供給に見られる標準的なＦＥＴ（電界効果トランジスタ)電流調整器と幾分類似している。調整回路９４により対処される問題は、この設計のために考えられる電圧又は電流の領域で動作することが可能である個体素子又は従来の真空管装置が存在しないということである。したがって、スイッチング装置１０２は、好ましくは、三極管構造、四極管構造又は五極管構造の制御可能な冷陰極電界放出電子管からなる。スイッチング装置１０２は、図２に示され、またさらに前述の米国特許第４，９５０，９６２号に記載されているように、幾何学的構造を有する。代わりに、スイッチング装置１０２は、サイリスタのような高電圧半導体装置を備えるものであってもよい。制御管１１２は、必要とされる様々な種類の部品を減らすためにスイッチング装置１０２と同様に組み入れられ、あるいは比較的低い電圧及び電流の要求をもつ装置により組み入れられる。
図５に示す調整回路９４において、次の動作の説明は、図４に示す入力ノード２６上に正電圧源を想定する。抵抗器１０４は、スイッチング装置１０２のグリッドのためのバイアス電圧を定め、直列電流調整器として機能する。スイッチング装置１０２は機能的にこの回路内のＦＥＴに類似している。スイッチング装置１０２から流れる電流は、分流抵抗器１０６を横切る電圧を高めるために分流抵抗器１０６を経て流れる。この電圧は、抵抗器１０８及び１１０を有する分圧器を通して供給される。制御管１１２のグリッド１１２ａは抵抗器１０８及び１１０の接合点に接続されている。制御電圧は、抵抗器１０８の他の側、すなわち制御ライン８６ａに付与される。分流抵抗器１０６の電圧及び制御ライン８６ａの基準電圧間の比が制御管１１２の伝導度を定め、次いで制御可能なスイッチング装置（陰極電界放出電子管１０２）の伝導を制御する。コンデンサ１１４は、抵抗器１０８が、前記回路がゼロ交差点に至るまで伝導状態にあることを確保するように時定数を定める。制御ライン８６ａにおける基準電圧の値と、抵抗器１０８及び１１０の抵抗値とを調整することにより、複数の異なる電流調整モードを実行することができる。前記したように、制御ライン８６ａの前記基準電圧は、図３Ａに示す出力インターフェース回路８４により与えられる。
調整回路９４は、それぞれの出力位相間の電力均衡を、前記３つの交流出力位相にわたる非常に高度の平均電力、例えば前記３つの交流出力位相にわたる平均電力の少なくとも約１パーセントに容易に調整することができる。これは、加えて、前記したように、図３Ａに示す高電圧インバータ７０の巻線７１aに対して出力の位相を同期させることである。
図３Ａに示す交流入力位相回路８６のみを先に詳細に説明したが、図３Ａに示す交流入力位相回路８８及び９０は好ましくは交流入力位相回路８６とまったく同一であり、したがって交流入力位相回路８８及び９０の詳細な説明は必要でない。しかし、出力インターフェース回路８４からの制御信号を制御ライン８８ａ及び８８ｂにおいて受信するのではなく、入力位相８８が出力インターフェース回路８４からノード８８ａ及び８８ｂにおいて制御信号を受信し、同様に、交流入力位相回路９０が出力インターフェース回路８４から制御ライン９０ａ及び９０ｂにおいて制御信号を受信することに注意されるべきである。
３．高電圧直流‐直流インバータ
図６は、図１に示す交流入力位相回路２０と同様な交流入力位相回路１２２を有する高電圧直流‐直流インバータ１２０を示し、したがって同様の部品に共通の番号を付して交流入力位相回路２０に同じものを使う。直流‐直流インバータ１２０は、入力ノード１２４に、グランド１２６に対して正の直流入力を有する。変圧器１２８は、中心タップ１３０ａを有する主変圧器巻線１３０を備える。図示のように相互接続された複数のｐ‐ｎダイオード又は複数の他の一方向電流バルブ１３６を有する全波ブリッジ整流器１３４を備える第２の巻線が、交流電圧を交流‐直流変換すなわち交流‐直流コンバータに供給する。整流器１３４の出力極性は、図示のｐ‐ｎダイオードの極性を逆にすることにより、逆にすることができる。全波整流器１３４の出力は、図示のように相互接続されたコンデンサ１３７，１３８とインダクタ１４０とを備えるフィルタ回路１３５によってフィルタにかけられる。全波ブリッジ整流器１３４とフィルタ回路１３５とが交流‐直流変換を提供する。フィルタ回路１３５の出力ノード１４２が、入力ノード１２４における直流電圧とは異なる直流電圧を与える。交流‐直流変換を行うための他の回路は、本開示に基づき、当業者には明らかであろう。
図６は、図１に示す交流入力位相回路２０と同様な交流入力位相回路１２２を有する高電圧直流‐直流インバータ１２０を示し、したがって同様の部品に共通の番号を付して交流入力位相回路２０に同じものを使う。直流‐直流インバータ１２０は、入力ノード１２４に、グランド１２６に対して正の直流入力を有する。変圧器１２８は、中心タップ１３０ａを有する主変圧器巻線１３０を備える。図示のように相互接続された複数のｐ‐ｎダイオード又は複数の他の一方向電流バルブ１３６を有する全波ブリッジ整流器１３４を備える第２の巻線が、交流電圧を交流‐直流変換すなわち交流‐直流コンバータに供給する。整流器１３４の出力極性は、図示のｐ‐ｎダイオードの極性を逆にすることにより、逆にすることができる。全波整流器１３４の出力は、図示のように相互接続されたコンデンサ１３７，１３８とインダクタ１４０とを備えるフィルタ回路１３５によってフィルタにかけられる。全波ブリッジ整流器１３４とフィルタ回路１３５とが交流‐直流変換を提供する。フィルタ回路１３５の出力ノード１４２が、入力ノード１２４における直流電圧とは異なる直流電圧を与える。交流‐直流変換を行うための他の回路は、本開示に基づき、当業者には明らかであろう。
図６に示す高電圧直流‐直流インバータ１２０は、以下に述べるようにまた実施の形態により、図７に示すように、高電圧直流送電線１５０にわたる高電圧直流電力を直流‐交流インバータ１５２に分配するように使用されるインバータ１２１となるように変更される。高電圧直流送電線１５０にこのように接続されるときは、インバータ１２１により前記グリッドに与えられる電力を調節することが望ましい。このため、図７に示す電力供給回路が用いられる。
図７において、インバータ１２１の出力ノード１４２は、例えば直流‐交流インバータ１５２への送電のため、高電圧直流送電線１５０に直流電力を与える。変換器１５４は、高電圧直流送電線１５０における電流及び電圧の一方又は双方に関する信号を監視回路１５６に送信する。次に、監視回路１５６は、前記グリッドにおける電流及び電圧の一方又は双方に関する信号をホストコンピュータ１５８内のバッファに送信する。出力インターフェース回路１６０は、インバータ１２１に線１２１ａ及び１２１ｂを通して制御信号を与え、高電圧直流送電線１５０に分配される電力を安定させる。
前記したように、図６に示す高電圧直流‐直流インバータ１２０は、高電圧直流送電線１５０への接続のために図７に示すインバータ１２１となるように変更される。特に、インバータ１２１は、図３Ａに示す高電圧インバータ７０の交流入力位相回路８６のための図４に示すような交流入力回路を有するものとすることができる。図５に関連する図４の調整回路９４の前記説明は、変圧器１９に与えられた電流の調整に関して適用される。出力制御のこのプロセスは、図４及び図５に関して記載されたものと直接的に類似している。しかし、図７に示す前記高電圧直流‐直流インバータのために次の追加の制限が適用される。高電圧直流送電線線１５０上の電圧は、前記送電線上の電圧を制御するために監視され、これは、交流電力分配グリッド（例えば、図３ｂ）に相互接続されるときの交流電流の監視及び交流電流の制御と対照的である。
前記したところでは、少数の部品を有することが可能であり、高い信頼性を示し、また環境的危険性のない、直流電力を交流電力に変換する機能を有する高電圧インバータが述べられている。
本発明を図示の方法により特定の実施形態に関して説明したが、当業者には数多くの修正及び変更が思い浮かぶであろう。したがって、添付の請求の範囲は、当然に、本発明の真の範囲及び精神に含まれるような全てのこのような修正及び変更をカバーすることを意図している。
Claims (11)
- 直流入力電力を３以上の交流出力位相回路に、各出力位相回路の個々の電流制御により、変換するための高電圧インバータであって、
ａ）１つの交流入力位相回路を有する各交流出力位相回路であって
i）三極管構造、四極管構造又は五極管構造の制御可能な第１及び第２の冷陰極電界放出電子管と、
ii）第１の端部、第２の端部、及び中心タップを有する主変圧器巻線とを備え、
iii）前記中心タップが２０ＫＶを超える直流電位に接続されており、
iv）前記制御可能な第１の冷陰極電界放出電子管が前記主変圧器巻線の第１の端部とグランドとの間で直列に接続され、かつ、前記制御可能な第２の冷陰極電界放出電子管が前記主変圧器巻線の第２の端部とグランドとの間で直列に接続されており、また、
v）各制御可能な冷陰極電界放出電子管の伝導状態が前記主変圧器巻線を介して２０ＫＶを超える電位の直流電力を交流電力に変換するように制御され、前記制御可能な第１及び第２の冷陰極電界放出電子管が、前記主変圧器巻線の第１の端部がほぼ前記グランドの電位に、次いで前記主変圧器巻線の第２の端部がほぼ前記グランドの電位に交互に至るようにするために交互に伝導する、各交流出力位相回路と、
ｂ）各交流入力位相主巻線のためにこれに結合された関連する交流出力位相回路の各第２の変圧器巻線であって、各主変圧器巻線と関連する第２の変圧器巻線とが多位相変圧器を形成する、各第２の変圧器巻線と、
ｃ）各位相の電流を調整するための手段であって、
i）各交流出力位相回路における負荷を決定するための手段と、
ii）前記決定手段に応答して各出力位相回路の電流のレベルを制御するための変調回路であって、前記制御可能な第１の冷陰極電界放出電子管と前記主変圧器巻線との間で直列に接続された制御可能な第３の冷陰極電界放出電子管と、前記制御可能な第２の冷陰極電界放出電子管と前記主変圧器巻線との間で直列に接続された制御可能な第４の冷陰極電界放出電子管とを有する調整回路とを含む、高電圧インバータ。 - ａ）前記高電圧インバータは、複数の電力発生器とユーザに電力を分配するための複数の変電所とを有する電力分配グリッドに複数の前記交流出力位相回路を接続するための手段と、
ｂ）複数ある個々の出力位相回路間の電力均衡を調整するための電流調整手段とを含む、請求項１に記載の高電圧インバータ。 - 前記制御可能な第１、第２、第３及び第４の冷陰極電界放出電子管は、それぞれ、
ａ）細長い円筒状の冷陰極と、
ｂ）細長い円筒状の陽極と、
ｃ）前記陰極と前記陽極との間に配置されたゲートとして機能する円筒状のグリッドとを備え、
ｄ）前記細長い円筒状の陽極は、前記細長い冷陰極及び前記円筒状のグリッドと軸対称でありかつ前記細長い円筒状の冷陰極及び前記円筒状のグリッドを取り巻いている、請求項１に記載の高電圧インバータ。 - ａ）前記制御可能な第１の冷陰極電界放出電子管は、前記主変圧器巻線の第１の端部とグランドとの間に接続された唯一の制御可能な冷陰極電界放出電子管であり、
ｂ）前記制御可能な第２の冷陰極電界放出電子管は、前記主変圧器巻線の第２の端部とグランドとの間に接続された唯一の制御可能な冷陰極電界放出電子管であり、
ｃ）前記制御可能な第３の冷陰極電界放出電子管は、前記制御可能な第１の陰極電界放出電子管と前記主変圧器巻線との間に直列に接続された唯一の制御可能な冷陰極電界放出電子管であり、
ｄ）前記制御可能な第４の冷陰極電界放出電子管は、前記制御可能な第２の陰極電界放出電子管と前記主変圧器巻線との間に直列に接続された唯一の制御可能な冷陰極電界放出電子管である、請求項１に記載の高電圧インバータ。 - 前記各第２の変圧器巻線が、前記各第２の変圧器巻線上に少なくとも１０ＫＶの電圧を生じさせるように設定されている、請求項１に記載の高電圧インバータ。
- 出力電流制御を有する高電圧直流‐直流コンバータであって、
ａ）交流入力位相回路であって、
i）三極管構造、四極管構造又は五極管構造の制御可能な第１及び第２の冷陰極電界放出電子管と、
ii）第１の端部、第２の端部、及び中心タップを有する主変圧器巻線とを備え、
iii）前記中心タップが２０ＫＶを超える直流電位に接続されており、
iv）前記制御可能な第１の冷陰極電界放出電子管が前記主変圧器巻線の第１の端部とグランドとの間で直列に接続され、かつ、前記制御可能な第２の冷陰極電界放出電子管が前記主変圧器巻線の第２の端部と前記グランドとの間で直列に接続されており、また、
v）各制御可能な陰極電界放出電子管の伝導状態が前記主変圧器巻線を介して２０ＫＶを超える電位の直流電力を交流電力に変換するように制御され、前記制御可能な第１及び第２の冷陰極電界放出電子管が、前記主変圧器巻線の第１の端部がほぼ前記グランドの電位に、次いで前記主変圧器巻線の第２の端部がほぼ前記グランドの電位に交互に至るようにするために交互に伝導する、交流入力位相回路と、
ｂ）前記主変圧器巻線に結合された第２の変圧器巻線を備える出力交流位相回路と、
ｃ）前記第２の変圧器巻線からの出力電圧を出力直流高電圧に変換するための交流‐直流整流器と、
ｄ）前記高電圧直流の送電線に供給される前記直流‐直流コンバータの出力電力を調整するための手段であって、
i）前記出力高電圧直流における電圧及び電流を決定するための手段と、
ii）前記決定手段に応答して、前記直流‐直流コンバータの出力の電力レベルを制御するための調整回路であって、前記制御可能な第１の冷陰極電界放出電子管と前記主変圧器巻線との間で直列に接続された第３の制御可能な冷陰極電界放出電子管と、前記制御可能な第２の陰極電界放出電子管と前記主変圧器巻線との間で直列に接続された第４の制御可能な冷陰極電界放出電子管とを備える調整回路とを含む、高電圧直流‐直流コンバータ。 - ａ）前記制御可能な第１の冷陰極電界放出電子管は、前記主変圧器巻線の第１の端部とグランドとの間に接続された唯一の冷陰極電界放出電子管であり、
ｂ）前記制御可能な第２の冷陰極電界放出電子管は、前記主変圧器巻線の第２の端部とグランドとの間に接続された唯一の制御可能な冷陰極電界放出電子管であり、
ｃ）前記制御可能な第３の冷陰極電界放出電子管は、前記制御可能な第１の陰極電界放出電子管と前記主変圧器巻線との間に直列に接続された唯一の制御可能な冷陰極電界放出電子管であり、
ｄ）前記制御可能な第４の冷陰極電界放出電子管は、前記制御可能な第２の陰極電界放出電子管と前記主変圧器巻線との間に直列に接続された唯一の制御可能な冷陰極電界放出電子管である、請求項６に記載の高電圧直流‐直流コンバータ。 - 前記調整回路が、前記各出力位相回路の電流のレベルを連続可変の態様で制御する、請求項１ないし５何れかに記載の高電圧インバータ。
- 前記調整回路が、前記直流‐直流コンバータの出力の電力レベルを連続可変の態様で制御する、請求項６または７に記載の高電圧直流−直流コンバータ。
- 複数ある個々の出力位相回路間の電力均衡を、前記複数の交流出力位相回路間の平均電力の少なくとも１パーセント程度調整するための電流調整手段を含む、請求項２に記載の高電圧インバータ。
- 前記直流‐直流コンバータの出力電力を、平均電力レベルの少なくとも１パーセント程度制御するための制御手段を含む、請求項６に記載の高電圧直流−直流コンバータ。
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