JP2022526390A - 回路装置、電気分解装置、ならびに回路装置又は電気分解装置を動作させるための方法 - Google Patents

回路装置、電気分解装置、ならびに回路装置又は電気分解装置を動作させるための方法 Download PDF

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Abstract

第１のコイル（２）と第２のコイル（３）とを有する少なくとも１つのコイル装置（１）を含む回路装置おいて、前記第１のコイル（２）が前記回路装置（７）の整流器（８）の直流電圧側に接続され、前記第２のコイル（３）が前記回路装置（７）の電流源（１２）に接続され、前記第１のコイル（２）と前記第２のコイル（３）とが、両コイル（２，３）のそれぞれのコアを形成する前記コイル装置（１）の結合部品（４）を介して互いに結合されている。

Description

本発明は、第１のコイルと第２のコイルとを有する少なくとも１つのコイル装置を含む回路装置であって、第１のコイルが回路装置の整流器の直流電圧側に接続され、第２のコイルが回路装置の電流源に接続されている、回路装置に関する。さらに、本発明は、電気分解装置、ならびに回路装置又は電気分解装置を動作させるための方法に関する。
水素電気分解のような化学電気分解は、直流電流で作動するエレクトロライザを用いて実施される。工業規模で実施される電気分解の場合、直流電流は、例えば、他励式整流器を介して供給される。系統側の交流電圧をこのように整流すると、整流器の動作態様に基づいて高調波が発生し、それらの高調波は、交流系統及び／又は直流系統に負担をかけ得る。この負担を軽減する１つの可能性は、例えば、高パルス数のシステムによって達成することができ、このシステムでは、直流電流を発生させるために、複数の整流器が、交流系統電圧に対してそれぞれ位相をずらされて動作させられる。しかし、これは、直流側における問題をもたらし得る。というのは、個々の整流器によって生成される直流電圧の瞬時値が異なり、従って整流器間に循環電流が流れ得るからである。この問題を解決するためには、２つの整流器の間に直流相間リアクトル又は複数の直流リアクトルを使用するとよい。
さらに、直流側における高調波を回避するために、１つ以上の直流リアクトルを使用することも知られている。このような直流リアクトルは、例えば、それぞれ１つの整流器を含む各直流システムにおいて、使用することができる。直流システムごとに１つの直流リアクトルを使用することは、それぞれのコイルが大きな割合の鉄を必要とするという欠点を有する。というのは、直流リアクトルの鉄回路が、エレクトロライザを動作させるために生成される直流電流によって完全に予め飽和させられるからである。さらに、直流リアクトルごとに、もしくは使用される整流器ごとに必要とされる鉄量が生じる。
２つの直流システム間に接続される相間リアクトルもまた、非常に大きくなり得る。というのは、２つの直流システム間の位相ずれのために、直流相間リアクトルは２つの直流システム間の差電圧を吸収しなければならないからである。さらに、高調波の十分なフィルタリングを達成するためにも、システムのパルス数に応じて、異なる周波数に対する複数の相間リアクトルが必要となる場合がある。さらに、この場合に、これらの使用される相間リアクトルは、それぞれ大きな鉄心を必要とする。工業用電気分解の用途に必要とされる直流電流の高い電流強度のために、使用される相間リアクトルもしく直流リアクトルには高度の要求が課され、これは特に、リアクトルのかなりの大きさの鉄心、従ってかなりの寸法、かなりの重さ及び高いコストにもつながる。
本発明の課題は、直流リアクトルのための鉄の必要量を減らすことができる回路装置を提供することにある。
この課題は、本発明によれば、冒頭に述べた如き回路装置において、第１のコイルと第２のコイルとが、両コイルのそれぞれのコアを形成するコイル装置の結合部品を介して互いに結合されていることによって解決される。
回路装置の直流電圧コンバータの直流電圧側に接続された第１のコイルは、直流電流を平滑するための直流リアクトルとして使用され、若しくは直流電流を平滑するためのまたは直流電流に重畳された高調波を減衰させるための平滑装置として使用される。共通なコアとしての結合部品を介して第１のコイルに結合された第２のコイルは、相応に通電されるとき、補償コイルとして機能することができ、その結果、共通な結合要素内では、第２のコイルによって生成される磁束が、整流器によって生成される直流電流を導く第１のコイルよって生成される磁束を打ち消す。これは、第１のコイルによって生成される磁束の完全な補償、又は少なくとも部分的な補償をもたらす。この補償によって、直流電流の平滑のために必要なコイルのインダクタンスを減少させることなく、第１のコイル内の鉄の量を低減することができる。このようにして、第１のコイル内の鉄の割合が低減されたにも拘わらず、直流電流を平滑すること（もしくは高調波を減衰させること）ができる。
第１のコイルと第２のコイルとを互いに結合する結合部品は、複数のコイルのそれぞれ１つのコアを形成し、具体的に言えば、第１のコイルのコイルコア及び第２のコイルのコイルコアを形成する。さらに、結合部品は、少なくとも部分的に、第１のコイルの巻回内部及び第２のコイルの巻回内部に延在することができる。結合部品を介して生成される両コイル間の結合は磁気結合であり、従って、回路装置の動作中に、第２のコイルによって生成される磁束は、第１のコイルによって生成される磁束に、その結合要素内において対抗することができる。
第２のコイル内に磁束を発生させるために、第２のコイルは回路装置の電流源に接続されている。この電流源は、第２のコイルの機能に基づいて、補償電流源とも呼ばれる直流電流源であってよい。補償電流源と第２のコイルの代わりに、原則的には、永久磁石の使用も可能である。しかしながら、電流源に接続された第２のコイルの使用は、有利に、第２のコイルを供給する直流電流を調整することを可能にし、その結果、第２のコイルによって生成される磁束の異なる強度もしくは補償の異なる強度を達成することができる。
本発明によれば、結合部品は、特にヨーク状に形成された鉄心とすることができる。結合部品を鉄心として形成することにより、第１のコイルと第２のコイルの磁気結合が可能になる。鉄心として形成される結合部品は、１つのピース又は複数のピースから成るとよい。鉄心のヨーク状の形成は、第１のコイルと第２のコイルとを、それぞれ、結合部品の１つの脚部に配置することを可能にする。回路装置におけるコイル装置の組み立てを容易にするためには、特に、結合部品が、Ｕ字形又は略Ｕ字形の要素と、Ｉ字形又は略Ｉ字形の要素とを含むとよい。これらの要素は、結合部品の閉じたヨークが生じるようにＵ字形要素の開口部上にＩ字形要素を配置することによって、ヨーク形状に組み立てることができる。
本発明による補償の提供は、鉄の量を大幅に削減することを可能にし、特に、補償磁束を考慮しない場合に飽和を回避するために必要とされるよりも少ない量の鉄を使用することを可能にする。従って、次のことをもたらすことができる。即ち、ヨーク状に形成された鉄心の鉄の量は、整流器によって生成される最大電流値による第１のコイルのコイルコアの完全飽和の場合よりも少なく、特にその半分よりも少なく規定することができる。第２のコイルによって生成される磁束を拒慮せずに、第１のコイルの直流電流によって生成される磁束が選択される。
コイル装置に関して、本発明によれば、コイル装置の第２のコイルは、コイル装置の第１のコイルよりも大きい巻数を有するとよい。これは、第１のコイルを通して流れる電流によって発生する磁束を補償するための第２のコイルを通る電流が、第１のコイルを通る電流よりも小さくできるという利点を有する。特に、工業的規模で使用されるエレクトロライザを動作させるために使用される回路装置では、非常に大きな直流電流が第１のコイルを通して流れ得るので、第２のコイルの巻数もしくは巻回の個数を増大することによって、第２のコイルに低い電流強度を有する直流電流を供給することができる。例えば、第１のコイルは、それぞれ、１００Ａから１ｋＡの間の電流強度を有する直流電流用に設計することができる。
本発明によれば、回路装置が複数の整流器と複数のコイル装置とを含み、複数のコイル装置の第１のコイルは、それぞれが複数の整流器の異なる１つに接続されているとよい。特に、回路装置の各整流器は、それぞれ１つのコイル装置の第１のコイルに接続することができ、従って、各整流器に対して１つのコイル装置が存在すると有利である。それゆえに、複数のコイル装置の第１のコイルによって、例えば複数の整流器を並列に動作させる場合に、生成される直流電流を平滑することができる。
さらに、本発明によれば、コイル装置の第２のコイルは、共通に、特に直列接続されて、電流源に接続されているとよい。これは、複数の整流器が並列に動作させられて、それぞれ第１のコイルに接続されている場合に、全てのコイル装置の第２のコイルが共通に電流源を介して給電できることを可能にする。第２のコイルが直列接続されている場合には、電流源によって生成される補償電流が、全ての第２のコイルを通して流れ、そこにおいて、補償に使用される磁束の発生に利用される。このようにして、本発明による回路装置の電流需要を有利に低減することができる。第１のコイルの巻数と第２の巻数の比は、コイル装置ごとに、同じであってもよいし、異なっていてもよい。複数の整流器を同じ出力電流強度で動作させる場合に、巻数及び／又は巻数比は、複数のコイル装置に対してそれぞれ同じにすることができる。複数の整流器を異なる出力電流強度で動作させる場合には、第２のコイルを通る補償電流を使用して、第１のコイルにおける電流によって生成される磁束の補償を生じさせることができるように、複数のコイル装置の巻数比を異ならせることができる。
本発明によれば、電流源が制御可能で、特に整流器として構成されていること、及び／又は１つ又は複数の整流器が制御可能で、及び／又は３相整流器として、特にＢ６整流器として構成されていることが提案されている。電流源が制御可能であることによって、１つもしくは複数の第２のコイルによってそれぞれ生成される磁束も調節可能であるので、第２のコイルの補償機能を、１つ又は複数の整流器の実際の運転に適合させることができる。整流器として構成された電流源は、例えば、回路装置の１つ又は複数の整流器と同じ電力系統を介して給電することができる。３相整流器もしくはＢ６ブリッジ整流器として有利に構成されている１つ又は複数の整流器の可制御性は、該整流器を介して生成される全電流を調整することを可能にし、従って、例えば、回路装置に接続されている電気分解装置の動作を制御することを可能にする。
本発明の好ましい実施形態において、１つ又は複数の整流器は、それぞれ交流電圧側が回路装置の少なくとも１つの変圧器の２次巻線に接続されている。複数の整流器を含む回路装置では、交流電圧側に供給される交流電圧に関して位相ずれが、２次巻線間において存在する。交流電圧側に供給される交流電圧の周期に関して位相をずらされて動作させられる２次巻線の個数は、回路装置のパルス数を決定する。変圧器は、例えば１次側もしくは交流電圧側に供給される３相電圧、特に電力系統の中間電圧又は高電圧を、２次巻線に生じるより低い電圧を有する３相交流電圧に変換することができる。２次巻線に生じるこの３相交流電圧は、引き続いて、各２次巻線に接続されている整流器を介して直流電圧に変換することができ、もしくは２次巻線を介して出力される対応する３相交流電流を、整流器を介して直流電流に変換することができる。
本発明による電気分解装置は、本発明による回路装置を含み、回路装置の１つ又は複数の第１のコイルが電気分解装置の少なくとも１つのエレクトロライザに接続されている。例えば、複数のコイル装置の第１のコイルは、少なくとも１つのエレクトロライザを動作させるための高い全電流を得るために、並列に接続されている。例えば、複数の第１のコイルは、それぞれ、１００Ａから１ｋＡの間の電流強度を有する直流電流に対して設計することができ、従って、全電流は、第１のコイルを通して流れる電流の合計からもたらされる。
本発明による回路装置について上述したすべての利点及び構成は、本発明による電気分解装置に相応に当てはまる。
本発明による回路装置又は本発明による電気分解装置を動作させるための本発明による方法では、少なくとも１つのコイル装置の第１のコイルと第２のコイルとが、次のように通電される。即ち、少なくとも共通な結合要素内において、第２のコイルによって生成される磁束が第１のコイルによって生成される磁束に対抗するように通電される。その結果、第１のコイルのコイルコアとして作用する結合要素の部分において、第１のコイルによって生成される磁束の完全な補償又は少なくとも部分的な補償を達成することができる。第１のコイルを通して電流強度Ｉ１を有する電流が流れ、第１のコイルがｎ個の巻回（巻数ｎ）を有し、第２のコイルがｍ個の巻回（巻数ｍ）を有する場合には、第２のコイルを通して流れる電流に対して、電流強度Ｉ２＝Ｉ１（ｎ／ｍ）を設定することができ、Ｉ１及びＩ２の電流方向は、第２のコイルによって生成される磁束が、第１のコイルによって生成される磁束に、少なくとも共通な結合要素内で対抗するように選択される。
本発明によれば、１つ又は複数の整流器によって生成される実効直流電流と、電流源によって生成される補償直流電流とが、共通の相対目標電流設定に基づいて調節される。
前記目標電流設定は、例えば、回路装置の遮断状態に対応する０％値と、回路装置による最大直流電流出力に対応する１００％値との間にある。少なくとも１つのコイル装置の第１のコイルの巻数ｎと、第２のコイルの巻数ｍとの間の一定の巻数比において、それぞれ生成される磁束は、実効電流もしくは補償電流の対応する電流強度に直接比例するので、整流器と同様に回路装置の電流源も容易に制御することが可能になる。
本発明による回路装置及び本発明による電気分解装置に関して上述したすべての利点及び実施形態は、本発明による方法に対しても同様に当てはまる。
本発明のさらなる利点及び詳細は、図面からもたらされる。
図１は、本発明による回路装置のコイル装置を示す概略図である。 図２は、本発明による電気分解装置の回路接続を示す概略図である。
図１には、本発明による回路装置のコイル装置１が示されている。コイル装置１は、第１のコイル２と第２のコイル３とを有する。さらに、コイル装置１は結合部品４を含む。結合部品４は、Ｕ字形の要素５と、ほぼＩ字形の要素６とからなり、このＩ字形要素６は、Ｕ字形要素５上に、結合部品４の全体形状がヨーク状になるように配置されている。第１のコイル２は、結合部品４を介して、第２のコイル３と結合されている。さらに、結合部品４は、それぞれ第１のコイル２及び第２のコイル３のコアを形成する。
第１のコイル２はｎターン（即ち、巻数ｎ）を有し、第２のコイル３はｍターン（即ち、巻数ｍ）を有する。第１のコイル２及び第２のコイル３のターンの図示の個数は、例示として純粋に概略的に理解するべきである。例えば、第１のコイル２は、１００Ａから１ｋＡの間の電流強度を有する直流電流に対して設計することができ、第２のコイル３は、巻数比ｎ／ｍに従って、より小さい電流強度用に設計することもできる。
結合部品４を介して第１のコイル２と第２のコイル３とを結合することにより、第１のコイル２を流れる電流Ｉ１によって結合部品４内に生成される磁束ФＤＣは、第２のコイル３を流れる電流Ｉ２によって生成される磁束ФＫＯＭＰによって、完全に又は部分的に補償することができる。この補償は、電流Ｉ１の平滑に関して、その特性に大きな影響を与えることなく、第１のコイル２の内部における鉄の量を有利に低減することを可能にする。
図２には、本発明による回路装置７が示されている。回路装置７は、４つのコイル装置１と、４つの整流器８とを含む。この場合に、各整流器８の直流電圧側には、それぞれ、コイル装置１の第１のコイルが接続されている。さらに、回路装置７は、２つの変圧器９を含み、各変圧器９は、それぞれ、１つの１次巻線１０と２つの２次巻線１１とを有する。変圧器９の１次巻線１０は、例えば電力系統に接続されており、この電力系統は、例えば中間電圧又は高電圧の電力系統である。各変圧器９の２次巻線１１は、それぞれ互いに、例えば３０°の位相ずれを有することができる。さらに、変圧器９は、１次巻線１０が互いに１５°の位相ずれを有するように動作させることができ、その結果、図示の回路装置７は、全体として２４のパルス数を生じる。
２次巻線１１から出力される３相の交流電流は、整流器８によって直流電流に変換され、その直流電流は、それぞれ電流Ｉ１として、コイル装置１の第１のコイル２を通って流れる。直流リアクトルとして作用する、コイル装置１の第１のコイル２によって、電流Ｉ１の、もしくは電流Ｉ１の合計から生じる全直流ＩＧＥＳの平滑化が行われる。第１のコイル２によって電流Ｉ１に基づいて結合要素４内で生成される磁束は、コイル装置１の第２のコイル３を流れる電流Ｉ２によって完全に又は部分的に補償することができる。コイル装置１の第２のコイル３は直列に接続されて、電流Ｉ２を発生する電流源１２に接続されている。
回路装置７は、少なくとも１つのエレクトロライザ１３を含む電気分解装置の構成要素であり、少なくとも１つのエレクトロライザ１３は、電流Ｉ１の合計として生じる全直流ＩＧＥＳによって給電される。
同じ大きさの電流Ｉ１の場合には、複数のコイル装置４において、それぞれ、第１のコイルの巻数ｎと第２のコイルの巻数ｍとの巻数比ｎ／ｍに関して、同じ巻数比ｎ／ｍを使用することができる。このようにして、コイル装置１を通じて、全ての第２のコイル３を流れる電流Ｉ２によって、各第１のコイル２によって生成される磁束ФＤＣのそれぞれ同じ補償が達成される。直列接続された第２のコイル３を流れる電流Ｉ２によってそれぞれ生成される磁束ФＫＯＭＰによる磁束ФＤＣの完全な又は部分的な補償は、各第１のコイル２内の鉄の割合の低減を、そのインダクタンスを維持しながら可能にし、その結果、整流器８によって生成される直流電流Ｉ１もしくは全電流ＩＧＥＳを平滑する際に、第１のコイル２内の鉄の割合の低減にもかかわらず悪影響が生じない。
回路装置７を、もしくは回路装置７を含む電気分解装置を、本発明による方法で動作させる場合に、電流Ｉ１及びＩ２の符号は、コイル装置１の第１のコイル２及び第２のコイル３が次のように通電されるように、選択される。即ち、少なくともそれぞれ共通な結合要素４内において、第２のコイル３によってそれぞれ生成される磁束が、第１のコイル２によってそれぞれ生成される磁束に対抗するように通電されるように、選択される。整流器８によって生成された実効直流電流ＩＧＥＳと、電流源１２によって生成される補償電流Ｉ２とは、それぞれ同じ巻数比ｎ／ｍの場合に、互いに比例するので、電流Ｉ２による補償と同様に、実効直流電流もしくは全直流電流ＩＧＥＳの電流強度も、相対的な目標電流設定に基づいて共通に調節することができる。この場合に、目標電流設定は、例えば回路装置の遮断状態に相当する０％と、回路装置による最大直流電流出力に対応する１００％との間の値とすることができる。
整流器８は、３相整流器として構成されている。例えば、整流器８は、Ｂ６ブリッジ整流器として構成することができる。電流源１２は、整流器として実施することもできる。例えば、電流源１２は、変圧器９の１次巻線１０に接続されている電力系統を介して給電することもできる。整流器８と同様に電流源１２も制御可能に構成することができる。
４つの整流器８を有する回路装置７の図示は、単なる一例である。異なる個数の整流器８及び／又は異なる個数の変圧器９を使用することもできる。
本発明は、好適な実施例によってより詳細に説明してきたが、本発明は開示された例によって制限されず、本発明の保護範囲から逸脱することなく、当業者によって他の変形例を導き出すことができる。
１ コイル装置
２ 第１のコイル
３ 第２のコイル
４ 結合部品
５ Ｕ字形要素
６ Ｉ字形要素
７ 回路装置
８ 整流器
９ 変圧器
１０ １次巻線
１１ ２次巻線
１２ 電流源
１３ エレクトロライザ

Claims (10)

  1. 第１のコイル（２）と第２のコイル（３）とを有する少なくとも１つのコイル装置（１）を含む回路装置であって、
    前記第１のコイル（２）が前記回路装置（７）の整流器（８）の直流電圧側に接続されるとともに、前記第２のコイル（３）が前記回路装置（７）の電流源（１２）に接続され、
    前記第１のコイル（２）と前記第２のコイル（３）が、両コイル（２，３）のそれぞれのコアを形成する前記コイル装置（１）の結合部品（４）を介して、互いに結合されている、
    回路装置。
  2. 前記結合部品（４）が、鉄心、特にヨーク状に形成された鉄心であることを特徴とする請請求項１記載の回路装置。
  3. 前記コイル装置（１）の前記第２のコイル（３）が、前記コイル装置（１）の前記第１のコイル（２）よりも多い巻数を有することを特徴とする請求項１又は２記載の回路装置。
  4. 前記回路装置が、複数の整流器（８）と複数のコイル装置（１）とを含み、
    複数の前記コイル装置（３）の前記第１のコイル（２）が、それぞれ、複数の前記整流器（８）のうちの異なる１つに接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回路装置。
  5. 前記コイル装置（１）の前記第２のコイル（３）が、共通に、特に直列接続で、前記電流源（１２）に接続されていることを特徴とする請求項４記載の回路装置。
  6. 前記電流源（１２）が制御可能であり、特に整流器として構成されていること、及び／又は、１つ又は複数の前記整流器（８）が制御可能に構成されていること、及び／又は１つ又は複数の前記整流器（８）が３相整流器として、特にＢ６ブリッジ整流器として構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の回路装置。
  7. １つ又は複数の前記整流器（８）の交流電圧側が、前記回路装置（７）の少なくとも１つの変圧器（９）の２次巻線（１１）にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の回路装置。
  8. 前記回路装置（７）の１つ又は複数の前記第１のコイル（２）が、電気分解装置の少なくとも１つのエレクトロライザ（１３）に接続されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の回路装置（７）を含む電気分解装置。
  9. 少なくとも１つの前記コイル装置（１）の前記第１のコイル（２）と前記第２のコイル（３）とは、前記第２のコイル（３）によって生成された磁束が少なくとも共通な前記結合要素（４）内で前記第１のコイル（２）によって生成された磁束に対抗するように通電されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の回路装置（７）又は請求項８記載の電気分解装置を動作させるための方法。
  10. １つの又は複数の前記整流器（８）によって生成される実効直流電流と、前記電流源（１２）によって生成される補償直流電流とが、共通の相対目標電流設定に基づいて調節されることを特徴とする請求項９記載の方法。

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