JP2017131022A - 直流高電圧発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】平衡度を改善し、設備容量を削減することのできる直流高電圧発生装置を提供する。【解決手段】３相交流電源１に接続される変圧器２と、変圧器２と接続され、交流を直流に変換するとともに昇圧する複数のコッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂと、を備える。コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂは並列接続されている。変圧器２の２次巻線２２の異なる相に、並列接続された２つのコッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂを接続する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、耐電圧試験等で使用される直流高電圧発生装置に関する。

電力用機器などの耐電圧試験をするために、直流高電圧発生装置が用いられる。この直流高電圧発生装置は、交流電源と、交流電源に接続された変圧器と、変圧器に接続された整流昇圧回路とからなり、当該整流昇圧回路に試験対象物が接続されて使用される。交流電源から変圧器を介して整流昇圧回路に電力供給され、整流昇圧回路で交流から直流に変換されるとともに昇圧され、直流高電圧及び直流高電流が試験対象に供給される。

従来から整流昇圧回路としては、コッククロフトウォルトン回路が用いられることが知られている。コッククロフトウォルトン回路は、多段に直列接続された一対のコンデンサ列と、それぞれの段を分離するダイオードとから構成され、交流の半周期でコンデンサを充電し、残りの半周期で充電されたコンデンサと交流電圧の合成電圧を発生させる。そして、この充電及び合成電圧の発生を複数段繰り返して直流高電圧を出力する。このコッククロフトウォルトン回路は単相交流入力であるため、交流電源に対して単相負荷となる。

特開平４−２９５２７７号公報

交流電源からコッククロフトウォルトン回路のコンデンサを充電する際、交流電源には著しく大きなスパイク電流が流れる場合がある。そのため、交流電源には当該電流に耐えうる容量が必要である。

交流電源が３相交流電源である場合、変圧器の単相にコッククロフトウォルトン回路を接続すると、不平衡負荷となる。そのため、３相交流電源は必要以上の電源容量が必要となる。すなわち、３相交流電源の１相分はコッククロフトフォルトン回路の容量より大きくする必要があり、残りの２相は不要設備となり、必要以上の設備容量を要するという問題があった。

本発明の実施形態に係る直流高電圧発生装置は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、平衡度を改善し、設備容量を削減することのできる直流高電圧発生装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本実施形態の直流高電圧発生装置は、次の構成を備えることを特徴とする。
（１）３相交流電源に接続される変圧器。
（２）前記変圧器と接続され、交流を直流に変換するとともに昇圧する複数のコッククロフトウォルトン回路。

第１の実施形態に係る直流高電圧発生装置の構成を示す回路図である。 第２の実施形態に係る直流高電圧発生装置の構成を示す回路図である。 第３の実施形態に係る直流高電圧発生装置の構成を示す回路図である。 第４の実施形態に係る直流高電圧発生装置の構成を示す回路図である。 第４の実施形態に係る直流高電圧発生装置のリップル電圧低減について説明するための図である。

［１．第１の実施形態］
［１−１．全体構成］
以下では、図１を参照しつつ、本実施形態に係る直流高電圧発生装置について説明する。図１は、本実施形態に係る直流高電圧発生装置の構成を示す回路図である。

直流高電圧発生装置は、電力用機器の耐電圧試験に用いられ、直流高電圧を発生させ、直流高電流を出力する。電力用機器としては、直流遮断器、交直変換器、変換器用変圧器、避雷器などが挙げられる。直流高電圧発生装置は、３相交流電源１と、変圧器２と、複数の整流昇圧回路３とを有する。３相交流電源１から変圧器２を介して整流昇圧回路３に電力供給され、整流昇圧回路３で交流から直流に変換されるとともに昇圧され、直流高電圧が試験対象に供給される。

３相交流電源１は、３相交流を変圧器２を介して整流昇圧回路３に供給する。３相交流電源１としては、商用の３相交流電源や、３相交流電源装置を使用することができる。

変圧器２は、１次巻線２１と２次巻線２２とを有する３相／２相変圧器であり、本実施形態では、スコット結線変圧器である。１次巻線２１は、３つの巻線が中性点Ｎで結合されたＹ結線であり、３相交流電源１の各相に接続されている。なお、Ｙ結線の中性点Ｎは接地されている。２次巻線２２は、位相が９０°異なる２つの単相巻線を有し、各相に整流昇圧回路３が接続されている。スコット結線変圧器は、２次巻線２２の各相に接続された負荷が等しいときは１次巻線２１の各相は平衡する。

整流昇圧回路３は、交流を直流に変換するととともに、昇圧する回路であり、直流高電圧を生成する。整流昇圧回路３は、コッククロフトウォルトン回路であり、２次巻線２２の各相には、それぞれ１つずつコッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂが接続されている。

コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂは、同じ構成である。コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂは、複数のコンデンサ及びダイオードからなり、コンデンサとダイオードを組み合わせて多段直列接続した回路である。具体的には、コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂは、複数のコンデンサＣ１１〜Ｃ１ＮをＮ（Ｎは自然数）段に直列接続した縦続回路Ｓ１と、複数のコンデンサＣ２１〜Ｃ２ＮをＮ段に直列接続した縦続回路Ｓ２とを並列接続し、これらのコンデンサＣ１１〜Ｃ１Ｎ、Ｃ２１〜Ｃ２Ｎのそれぞれの接続点には、ダイオードＤ１〜Ｄ２Ｎが接続されて分離されている。

コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂは、２次巻線２２の交流電圧の半周期でコンデンサを充電し、残りの半周期で充電されたコンデンサと交流電圧の合成電圧を発生させる。これを複数段繰り返して直流高電圧を生成する。

例えば、コッククロフトウォルトン回路３ａで説明すると、２次巻線２２の単相交流出力を受けると、その交流の半周期で、コンデンサＣ１１、ダイオードＤ１、２次巻線２２の単相分とで構成される閉回路において、コンデンサＣ１１が充電される。そして、次の半周期で、コンデンサＣ１１、２次巻線２２の単相分、コンデンサＣ２１及びダイオードＤ２で構成される閉回路において、コンデンサＣ１１の電圧と２次巻線２２の単相交流との合成電圧がコンデンサＣ２１に充電される。このように縦続回路Ｓ１、Ｓ２のコンデンサが順次充電され、コンデンサＣ２Ｎまで充電されると、１つのコンデンサ電圧をＥとした場合、１つの回路３ａ、３ｂに２Ｎ個のコンデンサがあるので、２Ｎ×Ｅの直流高電圧が出力される。

コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂでは、交流電圧の半周期ごとの電圧変動が発生し、最終段のコンデンサＣ２Ｎでは交流１周期に同期したリップル電圧が発生する。交流電圧の半周期は充電期間であり、残りの半周期が放電期間であるので、当該放電により電圧変動が発生するからである。

コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂは互いに並列に接続されており、各回路３ａ、３ｂの電流が合成されて当該回路３ａ、３ｂに接続された試験対象に合成電流が出力される。

［１−２．作用］
３相交流電１の３相交流は、スコット結線された変圧器２により直交２相交流に変換され、一方の単相交流がコッククロフトウォルトン回路３ａに、他方の単相交流がコッククロフトウォルトン回路３ｂに供給される。コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂは、コンデンサＣ１１〜Ｃ１Ｎ，Ｃ２１〜Ｃ２Ｎによって単相交流を直流に整流し、各段のコンデンサＣ１１〜Ｃ１Ｎ，Ｃ２１〜Ｃ２Ｎによって昇圧し、互いの回路３ａ、３ｂの直流出力を合成して試験対象に出力する。

一方、各コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂの駆動電流は、直交２相交流電源である２次巻線２２に流れる。すなわち、各コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂの負荷電流は、スコット結線された変圧器２によって３相交流に変換され、３相交流電源１に流れる負荷電流は平衡する。また、３相交流電源１の各相に駆動電流が分流するので、変圧器２に１つのコッククロフトウォルトン回路を接続した場合と比べて駆動電流は小さくて済み、３相交流電源１の容量は単相負荷のときより小さくすることができる。

［１−３．効果］
（１）本実施形態の直流高電圧発生装置は、３相交流電源１に接続される変圧器２と、変圧器２と接続され、交流を直流に変換するとともに昇圧する複数のコッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂと、を備えるようにした。

複数のコッククロフトフォルトン回路３ａ、３ｂを変圧器２に接続するようにしたので、単相負荷、すなわち変圧器２に１つのコッククロフトウォルトン回路を接続する場合と比べて平衡度を改善することができる。さらに、３相交流電源１の利用率が向上するので３相交流電源１の設備容量を小さくすることができる。

（２）本実施形態では、コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂが並列接続されており、合成した直流出力を試験対象に供給できるので、変圧器２に１つのコッククロフトウォルトン回路を接続する場合と比べて、各回路３ａ、３ｂの容量が小さくて済む。すなわち、従来のように、１つのコッククロフトウォルトン回路のみが変圧器に接続されていた場合、当該回路単体のみで試験対象への出力を負担しなければならないが、本実施形態では、当該出力を、複数の当該回路で分担できるので、単相負荷に比べてコッククロフトフォルトン回路単体の容量を小さくすることができる。従って、当該回路３ａ、３ｂの駆動電流も小さくなるので３相交流電源１の設備容量を大幅に低減することができる。

また、３相交流電源１からコッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂのコンデンサを充電する際、当該電源１には著しく大きなスパイク電流が流れる場合があるため、３相交流電源１は当該電流に耐えうる容量が必要であるが、コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂ自体の容量を小さくできるので、３相交流電源１の設備容量を削減することができる。

（３）本実施形態では、変圧器２を３相／２相変圧器とし、当該変圧器の２次巻線２２の異なる相に、並列接続された２つのコッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂを接続した。

これにより、３相交流電源１の各相は例えば１２０°ずつ異なるので、コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂが異なる位相で駆動されることになる。そのため、各回路３ａ、３ｂの出力する位相も異なる。従って、各回路３ａ、３ｂの出力に含まれるリップル電圧・電流は、異なる位相となる。ここで、各回路３ａ、３ｂは出力に伴い当該回路３ａ、３ｂのコンデンサ電圧が低下するが、各回路３ａ、３ｂの出力位相が異なり、しかも各回路３ａ、３ｂが並列接続されて各出力が合成される。そのため、各回路３ａ、３ｂの充放電期間を重ねることができ、各回路３ａ、３ｂからの出力に伴う電圧低下が抑制され、リップル電圧を低減させて平滑な直流電圧を得ることができる。

特に、コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂは、等負荷とし、３相／２相変圧器２は、直交する２相の２次巻線２２を有するスコット結線変圧器とした。

これにより、各コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂが異なる位相で駆動されるため、各コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂから試験対象物に出力される電圧のタイミングがずれるので、リップル電圧を低減させることができる。また、コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂを等負荷とし、変圧器２をスコット結線変圧器としたので、３相交流電源１の負荷電流は平衡する。

［２．第２の実施形態］
［２−１．構成］
第２の実施形態について、図２を用いて説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態と基本構成は同じである。よって、第１の実施形態と異なる点のみを説明し、第１の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

図２は、第２の実施形態に係る直流高電圧発生装置の構成を示す図である。第２の実施形態では、コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂは、ダイオード４及びコンデンサ５を介して並列接続されており、各回路３ａ、３ｂの直流出力は、コンデンサ５に蓄電され、当該コンデンサ５から試験対象に直流高電圧が供給される。

具体的には、並列接続されたコッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂの間には、一方のコッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂから他方のコッククロフトウォルトン回路３ｂ、３ａへの出力を規制するダイオード４と、コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂに並列接続され、試験対象に直流出力を供給するコンデンサ５と、が設けられている。

更に詳細には、ダイオード４は、コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂのコンデンサＣ２１〜Ｃ２Ｎからなる出力側の縦続回路に、それぞれ逆接続されており、回路３ａ、３ｂの直流出力が、他方の回路３ａ、３ｂ及び試験対象に直接出力されない。その代わり、コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂのコンデンサＣ２１〜Ｃ２Ｎからなる出力側の縦続回路にコンデンサ５が接続されており、各回路３ａ、３ｂの電力はコンデンサ５に蓄電される。すなわち、回路３ａ、３ｂの直流出力はコンデンサ５で合成される。ここでは、コンデンサ５は、コンデンサ５１〜５Ｎが直列接続された列である。そして、コンデンサ５は、試験対象と接続されており、蓄積された電力を試験対象に供給する。

［２−２．作用・効果］
このように、各回路３ａ、３ｂ間に逆接続されたダイオード４が配置されているので、一方の回路３ａ、３ｂに他方の回路３ｂ、３ａから電流が流れ込むことがない。

例えば、各回路３ａ、３ｂは異なる位相で駆動するので、回路３ａが充電期間中で、回路３ｂが出力期間中である場合、回路３ａの電圧が低く、回路３ｂの電圧が高いので、ダイオード４がないと、回路３ａに回路３ｂの出力電流が流れる。そのため、各回路３ａ、３ｂは、変圧器２に単体のコッククロフトウォルトン回路を接続する場合と比べて、耐電圧特性を高くする必要がある。

しかし、ダイオード４を設けたことで、各回路３ａ、３ｂは分離されるので、単体のコッククロフトウォルトン回路と同じ耐電圧特性で設計することができる。一方、回路３ａ、３ｂを分離した代わりに、コンデンサ５を設けて、各回路３ａ、３ｂの直流出力を合成する。これにより、大容量の直流出力を試験対象に供給することができる。

［３．第３の実施形態］
［３−１．構成］
第３の実施形態について、図３を用いて説明する。第３の実施形態は、第１の実施形態と基本構成は同じである。よって、第１の実施形態と異なる点のみを説明し、第１の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

図３は、第３の実施形態に係る直流高電圧発生装置の構成を示す図である。第３の実施形態では、変圧器２をスコット結線変圧器に代えて、６巻線の３相変圧器とした。すなわち、１次巻線２１は第１の実施形態と同様であるが、２次巻線２２をデルタ結線としている。

コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂは２次巻線２２の異なる２相に接続されている。ここでは、回路３ａはｖ相に接続され、回路３ｂはｗ相に接続されている。

［３−２．作用・効果］
本実施形態では、変圧器２は、デルタ結線された２次巻線２２を有する３相変圧器とし、２次巻線２２の異なる相に各コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂを接続するようにした。

これにより、各回路３ａ、３ｂが異なる位相で駆動され、２次巻線２２の異なる２相に駆動電流が流れるので、１相にのみコッククロフトウォルトン回路を接続する場合と比べて平衡度を改善することができる。

特に、２次巻線２２がデルタ結線にされているから、デルタ結線内で電流が循環し、各相の負荷電流を他の相からも供給するため平衡度は更に改善される。本実施形態では、ｖ相に接続された回路３ａには、ｕ−ｗ−ｖからも電流が供給される。ｗ相に接続された回路３ｂも同様である。

さらに、他相から電流が供給される分、コッククロフトウォルトン回路が単相接続される場合より、小さな駆動電流で済む。そのため、デルタ結線する２次巻線２２の太さを細くできるなど、設備コストを低コスト化することができる。

また、各回路３ａ、３ｂの出力は１２０°ずつ位相がずれるので、第１の実施形態と同様、リップル電圧を低減することができる。

［４．第４の実施形態］
［４−１．構成］
第４の実施形態について、図４を用いて説明する。第４の実施形態は、第３の実施形態と基本構成は同じである。よって、第３の実施形態と異なる点のみを説明し、第３の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

図４は、第４の実施形態に係る直流高電圧発生装置の構成を示す図である。第４の実施形態では、変圧器２は、３相変圧器であり、デルタ結線された２次巻線２２を複数有している。２つのコッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂは、各２次巻線２２の３相のうち１相に逆位相で接続されている。ここでは、回路３ａ、３ｂともｖ相に接続されている。

［４−２．作用・効果］
コッククロフトウォルトン回路３ａ、３ｂは、交流１周期に充電と放電とが入れ替わる。すなわち、交流の半周期でコンデンサに充電し、残りの半周期でコンデンサ電圧を持ち上げて昇圧し、高電圧にする。回路３ａ、３ｂが逆位相で接続されているので、一方が放電期間（出力期間）のときに、他方がコンデンサを充電する充電期間となる。

すなわち、３相交流電源１の半周期に、充電期間と放電期間が同時に現れるので、試験対象への直流出力に伴う回路３ａ又は回路３ｂの電圧低下時間が半周期となり、図５に示すように、リップル電圧を更に低減することができる。また、一方の充電期間中に、他方が放電するので、出力電圧を向上させることができる。

［５．その他の実施形態］
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態、その変形及び下記の実施形態は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

（１）第１乃至第４の実施形態では、コッククロフトウォルトン回路を２つとしたが、３つ以上でも良い。例えば、第３の実施形態の２次巻線２２の３つの相に、それぞれコッククロフトウォルトン回路を接続することで、３相電流が平衡するので、３相交流電源１を平衡することができる。また、第４の実施形態において、残りのｕ相、ｗ相も逆位相で接続するようにし、計６つのコッククロフトウォルトン回路としても良い。これにより、３相交流電源１を平衡することができる。

（２）第１の実施形態では、変圧器２としても３相／２相変圧器をスコット結線変圧器としたが、直交する２相の２次巻線を有するウッドブリッジ結線変圧器や、直交する２相の２次巻線を有するルーフ・デルタ結線変圧器としても良い。ウッドブリッジ結線変圧器は、１次巻線がＹ結線であり、２次巻線が２つのデルタ巻線を背中合わせに接続した変圧器である。ルーフ・デルタ結線変圧器は、１次巻線はＹ結線であり、２次巻線は２つの相の巻線を直列に接続したＡ座と、デルタ結線でＡ座との位相差が９０度のＢ座とから構成される変圧器である。これらの変圧器であっても、駆動されるコッククロフトウォルトン回路が異なる位相で出力するので、リップル電圧を低減させることができる。また、ウッドブリッジ結線変圧器であれば、スコット結線変圧器より利用率が高く変圧器の小型化が可能である。また、汎用の電力用変圧器のタップを用いて変形ウッドブリッジ結線とすることも可能であり、専用変圧器を設計しなくても良い。ルーフ・デルタ結線変圧器であれば、単相側巻線が絶縁されているため、コッククロフトウォルトン回路に逆位相でも接続可能である。そのため、直流負荷に応じて接続位相を変えることも可能である。また、単相側巻線が互いに絶縁されているため、コッククロフトウォルトン回路への接続を容易に解除することが可能で、必要な直流出力電流が小さい場合に単相側の接続を容易にコッククロフトウォルトン回路の並列数を減らすことが容易である。

１ ３相交流電源
２ 変圧器
２１ １次巻線
２２ ２次巻線
３ 整流昇圧回路
３ａ、３ｂ コッククロフトウォルトン回路
４ ダイオード
５ コンデンサ
５１〜５Ｎ コンデンサ
Ｃ１１〜Ｃ１Ｎ コンデンサ
Ｃ２１〜Ｃ２Ｎ コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ２Ｎ ダイオード
Ｓ１、Ｓ２ 縦続回路

Claims (9)

1. ３相交流電源に接続される変圧器と、
   前記変圧器と接続され、交流を直流に変換するとともに昇圧する複数のコッククロフトウォルトン回路と、を備えること、
   を特徴とする直流高電圧発生装置。
2. 前記複数のコッククロフトフォルトン回路は、並列接続されていること、
   を特徴とする請求項１記載の直流高電圧発生装置。
3. 前記変圧器は、３相／２相変圧器又は３相変圧器であり、
   前記３相／２相変圧器又は前記３相変圧器の２次巻線の異なる相に、前記コッククロフトウォルトン回路が接続されていること、
   を特徴とする請求項１又は２記載の直流高電圧発生装置。
4. 前記コッククロフトウォルトン回路は、等負荷であり、
   前記３相／２相変圧器は、直交する２相の２次巻線を有するスコット結線変圧器であること、
   を特徴とする請求項３記載の直流高電圧発生装置。
5. 前記３相／２相変圧器は、直交する２相の２次巻線を有するウッドブリッジ結線変圧器であること、
   を特徴とする請求項３記載の直流高電圧発生装置。
6. 前記３相／２相変圧器は、直交する２相の２次巻線を有するルーフ・デルタ結線変圧器であること、
   を特徴とする請求項３記載の直流高電圧発生装置。
7. 前記変圧器は、デルタ結線された２次巻線を有する３相変圧器であり、
   前記２次巻線の異なる相に前記コッククロフトウォルトン回路が接続されていること、
   を特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の直流高電圧発生装置。
8. 前記変圧器は、デルタ結線された２次巻線を複数有する３相変圧器であり、
   ２つの前記コッククロフトウォルトン回路が、各前記２次巻線の３相のうち１相に逆位相で接続されていること、
   を特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の直流高電圧発生装置。
9. 並列接続された前記コッククロフトウォルトン回路の間には、
   一方の前記コッククロフトウォルトン回路から他方の前記コッククロフトウォルトン回路への出力を規制するダイオードと、
   前記コッククロフトウォルトン回路に並列接続され、試験対象に直流出力を供給するコンデンサと、が設けられていること、
   を特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の直流高電圧発生装置。

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