JP6333236B2 - 制御変成器 - Google Patents

Description

本発明は、制御変成器、より正確に言うと、位相シフト変成器に関する。

位相シフト変成器又は直交方向制御変成器は、交流電力網の分野で電気負荷フローを目的通り制御する役割を果たす特殊な電力変成器である。

変成器の従来の用途、即ち、様々な電圧レベルへの交流電圧の変換と異なり、位相シフト変成器は、その名称が既に示している通り、電気導体を通る電力を目的通り調節するための移相器としての役割を果たす。例えば、二つの切換設備又は変電所の間に複数の配線が異なる経路で敷設されている場合、位相シフト変成器を用いて、如何にして伝送する電力を分割するかを調節することができる。典型的な用途は、存在する配線が異なる伝送容量を有する場合に得られる。

そのような位相シフト変成器の構成と制御手法が、非特許文献１に詳しく記載されている。そこに示された大きな処理能力の位相シフト変成器は、二つに分割されており、直列変成器と本来の制御のための励起変成器（分路変成器）とから構成され、それらにより、タップ切換器を用いて、所定の位相シフトに設定することができる。従来から使用されている三相交流の場合、外部導体毎に直列変成器と励起変成器、即ち、制御変成器の両方が配備されていた。その制御変成器において、相毎に、タップ切換器により、外部導体の電圧と比べてアースに対して９０°ずれた電圧にタップ切換し、前述した直列変成器において、ベクトル加算法を用いて、位相シフトした電圧に変換している。

そのような形式の、典型的には、位相シフト変成器のための負荷調節は、直交方向制御とも呼ばれ、標準的な変成器の順方向制御とは対照的である。その場合、位相シフト変成器を通る負荷フローは、同じく二つの方向に実現することができる。位相角の設定範囲は、設計に応じてずれる。その範囲は、典型的には、±１０°の範囲内に有り、特殊な実施形態では、３０°までとすることができる。その場合、例えば、非特許文献１の１９７頁に記載されている通り、異なる切換変化形態が可能である。９０°直交方向制御の外に、６０°又は３０°傾斜方向制御と呼ばれる別の方法も知られている。

６０°傾斜方向制御方法は、変成器コアの脚鉄の巻線部分により必要な励起電圧を発生させ、その電圧を主巻線の電圧にベクトル加算することに基づいている。その場合、位相シフトさせる度合いは、同じくタップ切換器によって設定することができる。一般的には変成器の動作形態の切換部が配備されていないので、そのような巻線の開閉部は、通常変成器タンクの内部に実装されている。電圧の無い状態で巻線の開閉部を変更することができる接続切換機器だけが配備されている。

従って、そのような変成器巻線の開閉部を内部に配備した周知の制御変成器は、構造的に、例えば、移相器としての用途や最も簡単な場合にエネルギー供給網の電圧を制御するための周知の順方向制御器としての用途などの変成器の一つの具体的な動作形態への設定だけが可能である。動作形態の切換は、この周知の制御変成器では規定されておらず、切換区間の最小限の負荷時に変成器の動作切換を行なうことが可能なようにスイッチ素子を制御することができないので、変成器の連続動作時において、著しく大きな負担でのみ可能である。

Ｋｒａｅｍｅｒ： Ｏｎ−Ｌｏａｄ Ｔａｐ−Ｃｈａｎｇｅｒｓ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ， ２０００， １９６頁以降 Ｄｅｍｉｒｃｉ， Ｔｏｒｒｅｙ， Ｄｅｇｅｎｅｆｆ， Ｓｃｈａｅｆｆｅｒ， Ｆｒａｚｅｒ： "Ａ ｎｅｗ ａｐｐｒｏｅａｃｈ ｔｏ ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｏｎ ｌｏａｄ ｔａｐ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ"， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ， Ｖｏｌ． １３， Ｎｒ． ３， Ｊｕｌｙ １９９８

以上のことから、本発明の課題は、同じ変成器の一方の順方向制御動作、即ち、電圧制御と他方の位相シフト動作、即ち、入出力電圧の位相位置の回転との間の動作切換を少ないスイッチ素子だけで簡単に行なうことが可能な制御変成器を提示することである。

本課題は、二つの対等な独立請求項の特徴を有する、半導体スイッチ素子を備えた制御変成器によって解決される。この場合、請求項１は、主巻線と制御巻線を備えた制御変成器に関し、請求項２は、開閉切換可能な予選択タップを更に備えた、そのような制御変成器に関する。

本発明による二つの実施構成において普遍的な考えは、機能に関して順方向制御器としても、移相器、即ち、傾斜方向制御器としても簡単に設定できるように、別の電気接続線とそれらの接続線を開閉するための別の半導体スイッチ素子とによって、半導体スイッチ素子を備えた制御変成器を更に改善構成することである。

半導体スイッチ素子を備えたモジュール式制御変成器は、基本的に非特許文献２により既に知られている。それは、順方向制御のために使用することが可能であり、更に、以下で再度説明する。

以下において、図面に基づき実施例により本発明を詳しく説明する。

順方向制御器として動作する周知の制御変成器の図 ２７ステップの６０°傾斜方向制御器としての本発明による第一の制御変成器の図 線形予選択タップを備えた６０°傾斜方向制御器としての本発明による第二の制御変成器の図 幾つかの符号を図２に追加して図示した図 図２と４の本発明による制御変成器の実施例のベクトル図

図１は、従来技術で提案されている、ここでは、三つの別個の部分巻線Ｗ１．．．Ｗ３を備えた下位電圧巻線１と上位電圧巻線２から成る三相制御変成器を図示しており、これらの巻線には、ここでは、三つの個別モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３から成るモジュール式タップ切換器が接続されている。全ての相は同様に構成されている。

第一のモジュールＭ１は、第一の部分巻線Ｗ１とその両側の二つのブリッジ経路とから構成され、各ブリッジ経路は、二つの半導体スイッチ素子から成る直列接続部から構成される。直列に接続された二つのスイッチ素子の間には、それぞれ中間タップが配備されている。

ここでは、これらの個々の半導体スイッチ素子は、以下の図面でも同様に、単純なスイッチとして模式的にのみ図示されている。それらは、実際には、並列に接続されたサイリスタ対、ＩＧＢＴ又はそれ以外の半導体スイッチ素子から構成される。それらは、それぞれそのような複数の個々の半導体スイッチ素子の直列又は並列接続から構成することもできる。この一方の中間タップは、中性点３と電気的に接続されている。この他方の中間タップは、第二のモジュールＭ２の中間タップと接続されている。この第二のモジュールＭ２は、同様に構成されており、同じく部分巻線Ｗ２とそれぞれ二つの半導体スイッチ素子から成る二つの直列接続部とから構成される。同様に、各直列接続部の間には、又もや中間タップが配備されている。一方の中間タップと第一のモジュールＭ１との接続形態は既に説明しており、第二の中間タップ自体は、第三のモジュールＭ３の中間タップと接続されている。

この第三のモジュールＭ３も、同様に構成されている。それは、又もや部分巻線Ｗ３と、半導体スイッチ素子から成る二つの直列接続部と、それらの間に有る中間タップとから構成される。この第三の、ここでは、最後のモジュールＭ３のこれまで未だ言及していない中間タップは、上位電圧巻線２の終端と電気的に接続されている。

ここで述べた三つのモジュールＭ１．．．Ｍ３は、各部分巻線Ｗ１．．．Ｗ３のサイズだけが異なる。第二のモジュールＭ２の部分巻線Ｗ２は、例えば、第一のモジュールＭ１の部分巻線Ｗ１の三倍の巻線数を有する。第三のモジュールＭ３の部分巻線Ｗ３は、例えば、第一のモジュールＭ１の部分巻線Ｗ１の六倍又は九倍の巻線数を有する。ここに図示されている、この制御変成器は、全部で２１個の電圧ステップにより電圧を制御する従来の順方向制御器として動作する。これらの個々の部分電圧は、個々の巻線部分Ｗ１．．．Ｗ３の異なる開閉形態又はブリッジ形態により得られる。

図２は、２７個の電圧ステップを実現可能な６０°傾斜方向制御器としての本発明による第一の制御変成器を図示している。ここでは、それぞれ電気接続線Ｌ１とＬ２が更に配備されている。これらの接続線Ｌ１の各々には、電子スイッチ素子Ｓ１が配備されている。この場合、接続線Ｌ１の各々は、各相のモジュールＭ３の中間タップをそれぞれ隣の相の主巻線２の終端と接続している。それぞれ別の電子スイッチ素子Ｓ２が配備された別の接続線Ｌ２は、それぞれその接続線のモジュールＭ３の中間タップをそれ自身の相の主巻線２の終端と接続している。全ての三相の主巻線２の終端も、接続線Ｌ１により、所謂「環状線」として互いに電気的に接続されており、この「環状線」内に有る各相のスイッチ素子Ｓ１とＳ２は、それらの開閉位置に応じて電気接続部を形成するか、それに代わって、それらに対応する相のそれらに対応するモジュールＭ３の各中間タップとの電気接続部を形成する。追加される電圧ベクトルの位相位置は、変成器の脚鉄、即ち、隣の相によって与えられる。その結果、６０°の位相角が得られる。

図３は、線形予選択タップを備えた６０°傾斜方向制御器としての本発明による第二の制御変成器を図示している。この場合、予選択タップは、それぞれ各モジュールＭ３によって、主巻線２と開閉接続可能な各相の部分巻線Ｗ３により構成される。言い換えると、モジュールＭ３は、ここでは、予選択タップとして動作し、この実施例でモジュールＭ２とＭ１により実現された本来の電圧制御には関与しない。ここでも、それぞれ電気接続線Ｌ１とＬ２が配備されている。接続線Ｌ１の各々には、第一の実施例と全く同様に、電子スイッチ素子Ｓ１が配備されている。ここでは、接続線Ｌ１の各々は、各相のモジュールＭ２の中間タップを前述した通りそれぞれ主巻線の終端と接続するのではなく、それぞれ別の相のモジュールＭ３の中間タップと接続している。ここでは、同じくそれぞれ別の電子スイッチ素子Ｓ２が配備された別の接続線Ｌ２は、それぞれその接続線のモジュールＭ２の中間タップをそれ自身の相の各モジュールＭ３の中間タップと接続している。ここでも、全ての三相のモジュールＭ３の中間タップは、接続線Ｌ１により、又もや所謂「環状線」として互いに電気的に接続されており、この「環状線」内に有る各相のスイッチ素子Ｓ１とＳ２は、それらの開閉位置に応じて電気接続部を形成する。

基本的に既に説明した図２の実施構成を図示している図４には、個々の相に生じる全電圧Ｕ_ａ，Ｕ_ｂ及びＵ_ｃと、主巻線２を介して降下する電圧Ｕ_２と、更に、それぞれ各相の対応するモジュールＭ１．．．Ｍ３から構成される制御部分を介して降下する電圧Ｕ_Ｕ２，Ｕ_Ｖ２，Ｕ_Ｗ２とに関する符号が補充されている。

図５は、位相シフトを図解した上記に対応するベクトル図を図示している。ここでは、部分巻線Ｗ１，Ｗ２及びＷ３を介した部分電圧から成る制御電圧として生じる電圧Ｕ_Ｖ２と、更に、図４に表示された電圧Ｕ_２とが図示されている。この結果として、位相シフトされた電圧Ｕ_ａ＝Ｕ_２＋Ｕ_Ｖ２が得られる。この場合、φは、位相回転角、即ち、Ｕ_２の位相位置をシフトさせる角度を表す。

全体として、ここで示された前述したトポロジーの制御変成器は、変成器内の巻線比率を速く変更することが、そのため、変成器の伝達比率を速く変更することが可能である。

この場合、前記の前提条件の一つは、正しい時点で半導体スイッチを駆動できるように電流及び電圧の位相位置を検出することである。本発明に基づく前述した線Ｌ１とＬ２及びそれらの線に挿入された所謂切換スイッチとして動作する各相のスイッチＳ１とＳ２の拡張、並びに半導体タップ切換器の制御部に既に存在する、電流及び隣の相の位相位置に関する情報の活用によって、制御変成器の連続動作時において、主巻線と制御巻線の巻線開閉部の切換を行なうことができ、そのため、同じ変成器の順方向制御動作（電圧制御）と位相シフト動作（入出力電圧の位相位置の回転）の間を切り換えることが可能となっている。

ここでは、個々の半導体スイッチ素子が単純なスイッチとして模式的にのみ図示されている。それらは、実際には、並列に接続されたサイリスタ対、ＩＧＢＴ又はそれ以外半導体スイッチ素子から構成される。それらは、それぞれそのような複数の個々の半導体スイッチ素子の直列接続又は並列接続から構成することもできる。

Claims (3)

1. 半導体スイッチ素子と、相毎の主巻線（２）及び複数の部分巻線（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）から成る制御巻線とを備えた電圧制御用制御変成器であって、
   相毎に、直列接続された複数のモジュール（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）が配備され、
   各モジュール（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）が、それぞれ制御巻線の一つの部分巻線（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）とその両側に並列接続された二つのブリッジ経路とから構成され、
   各ブリッジ経路が、それぞれ二つの半導体スイッチ素子から成る直列接続部から構成され、
   各ブリッジ経路の直列に接続された前記二つの半導体スイッチ素子の間には、それぞれ一つの中間タップが配備され、
   これらの部分巻線（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）が、異なる巻線数を有し、
   各モジュール（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）の二つの中間タップの一方の中間タップが、それぞれ隣のモジュールの中間タップと接続され、
   各モジュール（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）のうちの最初のモジュール（Ｍ１）の残る他方の中間タップが、中性点（３）と電気的に接続され、各モジュール（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）のうちの最後のモジュール（Ｍ３）の残る他方の中間タップが制御変成器の主巻線（２）の終端と電気的に接続されている、
   制御変成器において、
   各相には、追加の接続線（Ｌ１）が配備され、これらの接続線（Ｌ１）の各々には、電子スイッチ素子（Ｓ１）が挿入されていることと、
   前記追加の接続線（Ｌ１）の各々が、それに対応する相の前記最後のモジュール（Ｍ３）の中間タップをそれぞれ隣の相の主巻線（２）の終端と電気的に接続していることと、
   各相には、別の接続線（Ｌ２）が配備され、これらの接続線には、それぞれ別の電子スイッチ素子（Ｓ２）が挿入されていることと、
   前記の別の接続線（Ｌ２）の各々が、それぞれ前記最後のモジュール（Ｍ３）の中間タップをそれ自身の相の主巻線（２）の終端と接続していることと、
   を特徴とする制御変成器。
2. 半導体スイッチ素子と、相毎の主巻線（２）、予選択タップ巻線（Ｗ３）及び複数の部分巻線（Ｗ１，Ｗ２）から成る制御巻線とを備えた電圧制御用制御変成器であって、
   相毎に、直列接続された複数のモジュール（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）が配備され、
   一つの最後のモジュール（Ｍ３）が、予選択タップ巻線（Ｗ３）とその両側に並列接続された二つのブリッジ経路とから構成され、
   最初のモジュール（Ｍ１）及び別のモジュール（Ｍ２）が、それぞれ制御巻線の一つの部分巻線（Ｗ１，Ｗ２）とその両側の二つのブリッジ経路とから構成され、
   各ブリッジ経路が、それぞれ二つの半導体スイッチ素子から成る直列接続部から構成され、
   各ブリッジ経路の直列に接続された二つの半導体スイッチ素子の間には、それぞれ一つの中間タップが配備され、
   これらの部分巻線（Ｗ１，Ｗ２）が、異なる巻線数を有し、
   各モジュール（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）の二つの中間タップの一方の中間タップが、それぞれ隣のモジュールの中間タップと接続され、
   各モジュール（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）のうちの前記最初のモジュール（Ｍ１）の残る他方の中間タップが、中性点（３）と電気的に接続され、各モジュール（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）のうちの前記最後のモジュール（Ｍ３）の残る他方の中間タップが制御変成器の主巻線（２）の終端と電気的に接続されている、
   制御変成器において、
   各相には、追加の接続線（Ｌ１）が配備され、これらの接続線（Ｌ１）の各々には、電子スイッチ素子（Ｓ１）が挿入されていることと、
   前記追加の接続線（Ｌ１）の各々が、各相の前記別のモジュール（Ｍ２）の中間タップをそれぞれ別の相の前記最後のモジュール（Ｍ３）の中間タップと接続していることと、
   各相には、別の接続線（Ｌ２）が配備され、これらの接続線には、それぞれ別の電子スイッチ素子（Ｓ２）が挿入されていることと、
   前記の別の接続線（Ｌ２）が、それぞれ前記別のモジュール（Ｍ２）の中間タップをそれ自身の相のそれぞれの前記最後のモジュール（Ｍ３）の中間タップと接続していることと、
   を特徴とする制御変成器。
3. 当該の電子スイッチ素子（Ｓ１，Ｓ２）が、それぞれ逆並列に接続されたサイリスタ対、ＩＧＢＴ又はそれ以外の半導体スイッチ素子であるか、或いはそれぞれそのような複数の個々の半導体スイッチ素子の直列接続又は並列接続から構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の制御変成器。

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