JP5497642B2 - 超電導電力変換器 - Google Patents
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Description
図1は、本発明に係る超電導電力変換器の基本構成単位となる半素子1を示す図である。図2は、半素子1において実現される第1の状態(状態1)と第2の状態(状態2)とを示す図である。
図3は、上述のような半素子1を用いて構成される超電導電力変換器10の構成を模式的に示す図である。
本実施の形態においては、超電導電力変換器10において実現される直流→交流変換、すなわち直流電流を入力し、負荷3において交流電流を取り出す態様について説明する。
また、超電導状態にある第1超電導素子2A、2A’における電圧降下はゼロであるので、第2超電導素子2B、2B’と、負荷3とにおける電圧降下は等しくなり、次の関係が成り立つ。
また、第2超電導素子2B、2B’、および負荷3における消費電力をそれぞれ、WB、WB’、WZとすると、以下の各式が得られる。
WB’=iB’2RB (4)
Wz=iz 2Rz (5)
従って、第2超電導素子2Bと負荷3との消費電力比は、(2)(3)(5)式より、次式のようになる。
同様に、第2超電導素子2B’と負荷3との消費電力比は、次式のようになる。
また、半素子1X、1Yが図4(b)に示す第2の状態をとるときは、次の関係が成り立つ。
−iZRZ=iARA=iA’RA (9)
さらに、非超電導状態にある第2超電導素子2A、2A’、および負荷3における消費電力をそれぞれ、WA、WA’とすると、次式が得られる。
ここで、(9)式が成り立つためにはiZ≦0がみたされることが必要である。これは、第1の状態においては負荷3では接続点Qから接続点Pに向けて電流が流れるのに対して、第2の状態においては、負荷3では接続点Qから接続点Pに向けて電流が流れることを意味している。
すなわち、原理的には、超電導素子2の断面積Sを小さくし、長さLを長くすれば、いわゆる形状効果にて、抵抗Rはそれらの関数としていくらでも大きな値を取り得る。従って、超電導電力変換器10に接続しようとする負荷3に応じて、Rz≪RA、RBという要件をみたす超電導素子2を用意することが可能である。例えば、BSCCO−2223、BSCCO−2212、YBCO、MgB2のような高温超電導材料は、半導体的、絶縁体的であり比抵抗が大きいことが知られているので、これらの材料にて超電導素子2を構成することが好ましい。もちろん、超電導特性の向上その他の目的で、これらの超電導材料に銀、金、銅、アルミニウム、あるいはそれらの合金、またはステンレスなどの常電導金属が付与されていてもよい。
本実施の形態においては、超電導電力変換器10を用いて実現される交流→直流変換、すなわち交流電流を入力し、負荷3において直流電流を取り出す態様について説明する。
本実施の形態においては、超電導電力変換器10を用いて実現される位相変換、すなわち交流電流を入力し、負荷3において異なる位相の交流電流を取り出す態様について説明する。
本実施の形態においては、超電導電力変換器10を用いて実現される周波数変換、すなわち交流電流を入力し、負荷3において異なる周波数の交流電流を取り出す態様について説明する。
上述の各実施の形態においては、2個の超電導素子2を並列させた半素子1を用いて超電導電力変換器10を構成する場合について説明したが、さらに多くの超電導素子を並列させて半素子を構成し、係る半素子を用いて構成された装置により、さらに高度な電力変換を実現する態様であってもよい。
本実施の形態においては、上述のような半素子101を備える装置によって実現される直流→三相交流変換、すなわち直流電流を入力し、負荷3において互いに位相が2π/3ずつ異なる三相交流電流を取り出す態様について説明する。
スイッチSSによる超電導素子2における超電導状態から非超電導状態への遷移、あるいは逆向きの遷移を実現させるための態様としては、上述した外部から磁場を印加を行うほかに、いくつかの物理現象を応用することが可能である。その一つとして、不可逆磁界を境に量子化磁束が等速運動を行うことで電圧が発生する現象を利用することが可能である。また、粒界弱結合の磁場による超電導・非超電導遷移を利用する態様であってもよい。
2、2A、2B、2A’、2B’、2C、2E、2F、2G21〜26 超電導素子
3 負荷
4 半導体ダイオード
10、20 超電導電力変換器
30 電気回路網
P 接続点
Q 接続点
SS、SS1〜SS4、SS11〜SS16 スイッチ
T、T’ 共通端子
V1 直流電源
V2 交流電源
Claims (2)
- 複数の超電導素子が並列に配置されてなるとともに、前記複数の超電導素子の一方側の端子が共通化されてなり、
前記複数の超電導素子の少なくとも1つが超電導状態となるとともに残りの前記超電導素子の少なくとも1つが非超電導状態となるように前記複数の超電導素子のそれぞれを超電導状態と非超電導状態との間でスイッチングするスイッチング手段、
を備える半素子、
を2つ備え、
一方の半素子を第1の半素子とし、他方の半素子を第2の半素子とするときに、
前記第1と第2の半素子の間に負荷を接続するとともに前記第1と第2の半素子のそれぞれの共通化された前記端子の間に電源電圧を印加するようになっており、
前記複数の超電導素子のそれぞれの断面積がSであるとともに長さがLであり、かつ、非超電導状態における抵抗値がRであり、比抵抗がρであるとするとき、前記Rの値が
R=(L/S)ρ
なる関係式で定まるとともに前記Rの値は前記負荷の抵抗値より大きく、
前記スイッチング手段は、前記負荷の同一の接続端子に接続される、前記第1の半素子に備わる前記超電導素子と前記第2の半素子に備わる前記超電導素子との少なくとも一方が非超電導状態となるように、スイッチングを行うようになっており、
前記電源電圧の種別と前記負荷において取り出そうとする電流の種別との組み合わせに応じて定まるタイミングにて前記スイッチング手段によるスイッチングを行うことにより、前記第1と第2の半素子に対する前記負荷の接続の仕方を同じとしつつ、前記電源電圧と前記負荷との間における電力変換として、直流から交流への変換、交流から直流の変換、位相変換、あるいは周波数変換のいずれかを、選択的に実行可能である、
ことを特徴とする超電導電力変換器。 - 請求項1に記載の超電導電力変換器であって、
前記スイッチング手段が、磁場、磁場印加角度、電圧、温度、電流、光の少なくとも1つの変動に応じて前記超電導素子を超電導状態と非超電導状態との間でスイッチングさせる、
ことを特徴とする超電導電力変換器。
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