JP4519545B2 - 可変インダクタンスを有するコイル装置の制御装置、コイルシステム、系統開閉部、及び、コイル装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、可変インダクタンスを有するコイル装置の制御装置、及び、電流を介して制御されるそのような可変インダクタンスを有するコイル装置を含むコイルシステムに関する。

本発明は、特に、インダクタンスの急速な変化を可能とする、可変インダクタンスを有するコイル装置の制御システムに関する。このような制御システムは、コイル装置のインダクタンス変化が電流によって誘導される予磁化によって達成され、また、並列接続された少なくとも二つの作用巻線が存在する場合に常に適用可能なものである。

本発明は、基本的には、交流電流の制御のために、電流制御の可能な可変インダクタンスが必要となる総ての用途に適用可能なものである。特に、本発明は、例えば図２に示されているように一つの制御巻線及び並列接続された二つの作用巻線を備えている、電流制御の可能な可変インダクタンス装置に適用可能なものである。

可変インダクタンスを有するコイル装置は、エネルギー技術や通信技術の分野に適用される。可変インダクタンスを有するコイルの本発明にとって適当な用途は、高周波帯域で行われるエネルギー伝送を変動する負荷要求に適合させるために、系統開閉部の領域に存在する。

そのような系統開閉部は、例えば、２００２年６月１１−１２日にドイツ国ブレーメンで開催された「ＣＩＰＳ２００２、統合電力システムに関する第２回国際会議（CIPS 2002, 2nd International Conference on Integrated Power Systems）」におけるＡ．ジャンセン（A. Jansen）らの「高電力レベルにおける高電力密度（High Power Densities at High Power Levels）」（非特許文献１）に記載され、また、ドイツ国特許出願第１０３２１２３４．５号明細書（特許文献１）にも記載されている。

このような可制御インダクタンスを実現するために、強磁性材料及びフェリ磁性材料の相対透磁率は、材料中の磁束密度と共に低下するという効果を利用することができる。この作用原理に基づいて、制御コイルの電流によって高透磁率のコイル鉄心の予磁化を行い、同じコイル鉄心上に巻装された作用巻線のインダクタンスを制御する方式のコイル装置が過去に数多く提案された。

米国特許第６，３１７，０２１号明細書（特許文献２）では、二つの作用巻線の並列回路を、これらの巻線によって発生させられた磁束を制御巻線のために利用するように設けることが提案されている。

ドイツ国特許出願第１０２６０２４６．８号明細書（特許文献３）は、作用巻線を巻装する２分割型のリング鉄心コイルと、リング鉄心コイルの鉄心の予磁化のために巻装された両リング鉄心コイルを包囲する制御巻線を備えている可変インダクタンスを有するコイル装置を提案している。

本発明は、特に、上述の特許文献２において参照されているような並列接続された２組の作用巻線を備えている電流制御型の可変インダクタンス装置に適用可能なものである。従って、以下の記載においては、インダクタンスという概念は、作用巻線、特に、上述のコイルの並列接続された作用巻線に関するものとする。

この種のコイル装置においては、制御巻線中の直流電流が鉄心全体の直流予磁化のために作用し、それによって作用巻線のインダクタンスが変化する。予磁化のための直流電流の方向が任意であることは明らかである。

この電流制御型の可変インダクタンス装置の主たる欠点は、鉄心の減磁時間が比較的長いことであり、このことから、低インダクタンスから高インダクタンスへのインダクタンス変化が緩慢に行われてしまうことになる。可変インダクタンス装置が、例えば系統開閉部の二次調整回路における交流電力用電気弁として用いられる場合、その慣性により高負荷から低負荷へと移行する負荷ステップの発生時にかなり大きな電圧過変動を生ずる。この電圧過変動は、従来の技術においては、クランプ回路によって受け止められる。しかし、このクランプ回路は、短絡電流のために多数の回路部品に大きなストレスを与える。

従って、過去においては、上述した方式の電流制御型の可変インダクタンス装置は、非常に緩慢なインダクタンス変化の下でしか動作することができず、即ち、最小値から最大値へのインダクタンス変化に数ミリ秒までの時間を要するという問題が存在する。
ドイツ国特許出願第１０３２１２３４．５号明細書 米国特許第６，３１７，０２１号明細書 ドイツ国特許出願第１０２６０２４６．８号明細書 ＣＩＰＳ２００２、統合電力システムに関する第２回国際会議（CIPS 2002, 2nd International Conference on Integrated Power Systems）におけるＡ．ジャンセン（A. Jansen）らの「高電力レベルにおける高電力密度（High Power Densities at High Power Levels）」

従って、本発明の課題は、インダクタンス変化のプロセスを加速し、それによりクランプ回路を不要とし、それに関連して部品へ高ストレスを与えることを回避することである。

この課題は、請求項１に記載のコイル装置の制御装置、及び、請求項９に記載のコイル装置の制御方法によって解決される。本発明は、また、請求項７に記載のコイルシステム、及び、そのようなコイル装置を用いる請求項８に記載の系統開閉部をも提案するものである。

要約すると、本発明は、従来の技術に対して相当に加速されたインダクタンス変化を可能とする、電流制御可能なインダクタンス装置の特別な制御に関するものである。本発明による制御は、強磁性又はフェリ磁性の鉄心に少なくとも一つの制御巻線及び少なくとも二つの作用巻線を巻装したコイル装置に適用することができる。加速されたインダクタンス変化は、特殊な回路部において発生させられる減磁用逆電圧パルスによって達成される。

本発明によれば、コイル装置のインダクタンスを変化させるために、制御巻線に制御電流を供給する回路が設けられる。付加的に、コイル装置のインダクタンスの変化、特に、増大変化を加速するために、逆電圧パルスを発生して制御巻線に印加する減磁回路が設けられる。逆電圧パルスというのは、その極性が制御電流の極性とは逆であるパルスのことを意味する。例えば、制御電流がある特定の方向に見て正であるとすれば、電圧パルスはその特定の方向に見て負であり、その逆のことも妥当する。そこで、次に、負電圧パルスについて説明する。逆極性（制御電流に対して）の電圧パルスを印加することにより高電圧値を有するコイル装置の鉄心が減磁される。減磁時間は電圧パルスの振幅に逆比例するので、理論的には任意の短い遮断時間が実現可能である。しかし、逆電圧パルスの時間幅及び振幅には、短すぎるパルスでは遮断プロセスを完了させることができず、また、長すぎるパルスでは望ましくない新たな投入プロセスを引き起こしてしまうという点で自ずから限界がある。

従って、本発明によれば、電圧パルスの時間幅及び振幅の少なくとも一方が調整される。特に、電圧パルスの時間幅及び振幅の少なくとも一方が、逆電圧パルスの印加直前に制御巻線に供給されていた制御電流に応じて調整される。従って、正確なパルス時間幅は、可変インダクタンス装置に流れていた制御電流の連続監視によって導出されることになる。その場合、逆電圧パルスの時間幅は、実際の電流レベルによって決定される。しかし、固定パルス幅が望ましい適用分野もあり得る。

本発明は、以下の考察及び認識に基づくものである。ここで問題としている並列接続された二つの作用巻線を備えているコイル装置においては、一方の作用巻線の磁束が他方の作用巻線を貫通しないので、両作用巻線は、並列接続されたリアクトル対のように振る舞う。各リアクトル（作用巻線）の磁束は、制御巻線を貫通する。しかし、磁束は、制御巻線を反対方向に貫通する。両作用巻線は同一ターン数を持ち、また、同一電圧が供給されるので、両磁束の大きさは等しく、従って、制御巻線の合成磁束はゼロである。そのため、制御巻線は、作用巻線に印加される電気信号に対して電気的に中性である、即ち、電気的に相互作用をしない。それに対して、並列接続された両作用巻線は、制御巻線の各交番信号に対して短絡された二次巻線のように作用する。

図１は、投入速度及び遮断速度の説明に適当なパラメータの説明のために用いられる電流制御型の可変インダクタンス装置の等価回路を示すものである。図１において、Ｒｐは制御巻線の抵抗を示し、Ｒｓは二つの作用巻線（又は二次巻線）の直列抵抗を示す。それ（抵抗Ｒｓ）は、並列接続された作用巻線の抵抗測定値の４倍に等しい。ｎは、作用巻線に対する制御巻線の巻数比である。Ｌｃは、制御巻線のインダクタンスを示す。Ｖｃは、直流電圧である。スイッチＳが閉じられると、磁化電流の増加に対して次式

が成立する。

ここで、電流の変化率に着目すると、それは磁界の変化率にも対応するので、

と定義される。

当業者の認識によれば、抵抗Ｒｓの値が小さいと、インダクタンス変化が最大値から最小値へと変化する投入プロセスが緩慢に行われる。他方、高効率の観点からは、抵抗Ｒｓは小さい値のものでなければならない。従って、投入プロセスを加速するためには、抵抗Ｒｐを小さくするか、電圧Ｖｃを高くすればよい。しかし、抵抗Ｒｐがｎ^２・Ｒｓより小さくなると直ちに、最初に述べた対策が有効になる。しかしながら、投入速度の加速のために最も効果的な方式及び態様は、電圧Ｖｃを高めることである。

遮断時は、スイッチＳは、通常、オープン（又は高抵抗状態）である。磁界は、電流がｎ^２・Ｒｓによって減少するのと同じ速度で減少する。即ち、

に従って減少する。

当業者の理解によれば、効率を考慮して抵抗Ｒｓは小さくされなければならないので、変化速度、即ち、変化率は小さい。

式（２）は、急速遮断（インダクタンスの増大）のために本発明に利用される他の可能性を示唆するものである。負の電圧Ｖｃを印加することによって、可変インダクタンスの減磁をほぼ任意の速度で強制的に行わせることができる。実際上重要なことは、磁化電流ｉ_Ｌがゼロになったら直ちに逆電圧パルスを遮断することである。

この認識から、実際上、逆電圧パルスに対する最適な時間幅が導出される。即ち、式（１）においてｉ_Ｌ(t)＝０とおくことにより、その時間ｔが、

として求められる。

式（４）において、電圧Ｖｃは、逆電圧パルスによって形成されるので、負の値を持っていることに注意すべきである。実際上、逆電圧パルスの正確な時間幅は、可変インダクタンスの制御電流の連続監視、及び、逆電圧パルスの印加直前の制御電流の検知によって導出することができる。

本発明の他の特徴及び利点は、好ましい実施の形態について、図面を参照して行う以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

図２は、可変インダクタンスを有するコイル装置を制御するための本発明に係る回路例を示すものである。図２において、コイル装置は、全体的に符号１０により示されている。コイル装置１０は、制御巻線１２、及び、並列接続された二つの作用巻線１４，１６を含んでいる。通常運転時は、コイル装置１０は従来型の制御回路１８を介して制御される。制御回路１８は、スイッチＳ１を介してコイル装置１０に接続される。具体的には、制御回路１８を有するコイル装置１０は、例えば、系統開閉部の二次調整回路に内蔵される。

図２の回路の入力端２０にインダクタンスの急速遮断（即ち、インダクタンスの急速増大）を要求する信号が入力されると、図２に全体的に符号２２により示されている減磁回路が作動する。可変インダクタンスの急速遮断は、例えば、開閉プロセスに際して電圧の大きな過変動の到来が検知されたときに必要なものである。

減磁回路２２は、例えば、単安定マルチバイブレータによって実施される単一パルス発生器２４を含んでいる。単一パルス発生器２４の出力信号は、スイッチＳ１を切り換える単一パルスであり、この切換によって制御巻線１２を制御回路１８から分離して負電圧−Ｕに接続する。負電圧−Ｕは、コイル装置の鉄心の減磁を加速するために、単一パルスの発生時間中だけ制御巻線１２に印加される。

本発明によれば、上記制御パルスの時間幅は、好ましいことに、切換の直前に制御巻線に流されていた制御電流の大きさに応じて決定される。この制御電流は、抵抗Ｒ１を介して検知され、単一パルス発生器２４に伝達される。それによって、単一パルス発生器２４は、パルス幅を調整する。

図２に示されている抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ２は、高周波阻止フィルタとして用いられているものである。作用巻線１４及び１６の接続端子は、Ｐ１及びＰ２により示されている。

図３は、可変インダクタンスを有するコイル装置を制御する本発明の実施の形態の変形例に係る装置の接続図を示すものである。図２の回路要素に対応する要素には同一符号を付して、再度の説明は省略する。

図３の実施の形態においては、単一パルス発生器２４によって調整される逆電圧パルスのパルス幅は固定的に与えられる。そうすることによって、コイル装置１０は、固定的に設定された時間幅だけスイッチＳ１を介して負電圧−Ｕに接続される。しかし、この実施の形態では、負電圧−Ｕの大きさが、逆電圧パルスの印加直前に制御巻線１２に流れていた制御電流に応じて決定される。そのため、コンデンサＣ１が、コイル装置の制御巻線１２に流れていた制御電流に比例する電圧に充電される。その結果、逆電圧パルス、即ち、減磁パルスは、コイル装置の予磁化がより強ければ、より大きな値を与えられる。ダイオードＤ９は、コンデンサＣ１の逆充電を阻止するためのものである。制御巻線１２に流れる電流は、抵抗Ｒ１を介して検知される。

以上に説明した明細書の記載、図面及び特許請求の範囲に開示された特徴は、種々の構成における本発明の実施のために単独でも任意の組合せでも用いることができる。

従来の技術による電流制御型可変インダクタンス装置の等価回路図である。 本発明の第１の実施の形態に係るコイル装置の制御装置の接続図である。 本発明の第２の実施の形態に係るコイル装置の制御装置の接続図である。

符号の説明

１０ コイル装置
１２ 制御巻線
１４，１６ 作用巻線
１８ 制御回路
２０ 入力端
２２ 減磁回路
２４ 単一パルス発生器
Ｒｐ 制御巻線の抵抗
Ｒｓ 二つの作用巻線の直列抵抗
Ｌｃ 制御巻線のインダクタンス
Ｓ，Ｓ１ スイッチ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ 抵抗
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
Ｐ１，Ｐ２ 作用巻線の接続端子
ｎ 作用巻線に対する制御巻線の巻数比
ｎ^２・Ｒｓ 一次側（制御巻線側）に換算された両作用巻線の総抵抗（直列抵抗）

Claims (8)

1. それぞれ鉄心上に巻装された少なくとも一つの制御巻線（１２）及び並列接続された二つの作用巻線（１４，１６）を含む、可変インダクタンスを有するコイル装置（１０）の制御装置であって、
   前記コイル装置（１０）のインダクタンスを変化させるために前記制御巻線（１２）に制御電流を供給する制御回路（１８）と、
   前記コイル装置（１０）のインダクタンスの変化を加速するために、入力端に入力される所定の要求信号に応じて、逆電圧パルスを発生して前記制御巻線（１２）に印加する減磁回路（２２）と、
   前記制御回路（１８）の出力電圧から負電圧に切替えることにより、前記逆電圧パルスを生成する電子スイッチ（Ｓ１）と、
   前記電子スイッチ（Ｓ１）を前記負電圧に切替えるタイミングを指定する単一パルス信号を生成する単一パルス発生器（２４）と、を備え、
   前記減磁回路（２２）は、前記逆電圧パルスを前記制御巻線（１２）に印加する前の前記制御電流を検知する手段（Ｒ１）と、その検知結果に応じて前記逆電圧パルスの時間幅および振幅の少なくとも一方を調整する調整手段（２４；Ｒ２，Ｒ３）と、を備え、
   前記逆電圧パルスの時間幅は、前記単一パルス発生器（２４）のパルス幅を変更することによって調整され、
   前記逆電圧パルスの振幅は、前記負電圧の値を前記調整手段にて変更することによって調整されることを特徴とする、可変インダクタンスを有するコイル装置（１０）の制御装置。
2. 前記減磁回路（２２）は、前記逆電圧パルスを前記制御巻線（１２）に印加する前の前記制御電流を検知する手段（Ｒ１）と、その検知結果に応じて電圧パルスを調整する手段（２４；Ｒ２，Ｒ３）と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 電圧パルスを調整する前記手段（２４）は、前記制御電流に応じてパルスの時間幅を調整することを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 電圧パルスを調整する前記手段（Ｒ２，Ｒ３）は、前記制御電流に応じてパルスの振幅を調整することを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. 前記電子スイッチ（Ｓ１）により前記負電圧に切替えた場合、前記制御回路（１８）は前記コイル装置（１０）から電気的に分離されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. それぞれ鉄心上に巻装された少なくとも一つの制御巻線（１２）及び並列接続された二つの作用巻線（１４，１６）を含む、可変インダクタンスを有するコイル装置（１０）と、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の、前記コイル装置（１０）の制御装置と、
   を備えていることを特徴とするコイルシステム。
7. それぞれ鉄心上に巻装された少なくとも一つの制御巻線（１２）及び複数の作用巻線（１４，１６）を含む、可変インダクタンスを有するコイル装置（１０）の制御方法において、
   前記コイル装置（１０）のインダクタンスを変化させるために、制御回路（１８）にて前記制御巻線（１２）に制御電流を供給し、
   前記コイル装置（１０）のインダクタンスの変化を加速するために、所定の要求信号に応じて、減磁回路（２２）にて逆電圧パルスを発生させて前記制御巻線（１２）に印加し、
   電子スイッチ（Ｓ１）にて、前記制御回路（１８）の出力電圧から負電圧に切替えることにより、前記逆電圧パルスを生成し、
   単一パルス発生器（２４）にて、前記電子スイッチ（Ｓ１）を前記負電圧に切替えるタイミングを指定する単一パルス信号を生成し、
   前記減磁回路（２２）は、前記逆電圧パルスを前記制御巻線（１２）に印加する前の前記制御電流を検知するとともに、その検知結果に応じて前記逆電圧パルスの時間幅および振幅の少なくとも一方を調整し、
   前記逆電圧パルスの時間幅は、前記単一パルス発生器（２４）のパルス幅を変更することによって調整され、
   前記逆電圧パルスの振幅は、前記負電圧の値を前記減磁回路（２２）にて変更することによって調整されることを特徴とするコイル装置の制御方法。
8. 電圧パルスの印加中に前記制御電流を遮断することを特徴とする請求項７に記載の方法。

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