JP7487312B2 - タップ数を減らしたパワーエレクトロニクス負荷時タップ切換器 - Google Patents

Description

技術分野
本開示は、誘導電力装置の分野に関し、特に可変の巻数比を有する変圧器に関する。

背景
磁気的に結合された２つの巻線を有する誘導電力装置の分野において、能動巻線サイズを可変にすることができ、したがって、異なる巻数比を得ることができるように、（通常、タップと呼ばれる）３つ以上の接続点を巻線のうちの１つに設けることが知られている。負荷時タップ切換器（ＯＬＴＣ）は、誘導電力装置の通電時に能動タップを再選択することを可能にする。

一例として、ＷＯ２００９１０５７３４Ａ２は、電圧源に接続されるように構成された入力端子と、入力端子に接続された第１の巻線と電力変換システムの出力端子に接続された第２の巻線とを有する変圧器とを含む電力変換システムを開示している。第１の巻線または第２の巻線のいずれかは、第１の巻線または第２の巻線を少なくとも２つの部分巻線に分割するように構成された少なくとも３つのタップを備える。少なくとも１つのタップスイッチは、少なくとも２つの部分巻線に接続され、制御回路によって制御される。この制御回路は、少なくとも１つのタップスイッチを制御することによって、変圧器の巻数比を制御するように構成されている。ＵＳ４２２０９１１Ａは、第１の回路と、巻線セグメントと、スイッチング回路とを備える変圧器を開示しており、巻線セグメントは、異なるサイズを有してもよい。類似の構造は、ＤＥ１０２０１２２０２１０５Ａ１に開示されている。

パワーエレクトロニクス部品、例えば半導体スイッチからＯＬＴＣを構築することは、魅力的な選択肢である。しかしながら、このようなＯＬＴＣの総装置コストは、設置される半導体部品の数量に強く依存する。ＯＬＴＣの汎用性を犠牲にすることなく、ＯＬＴＣの部品コストを制限することが課題である。特に、ユーザは、ＯＬＴＣが広範囲の利用可能な能動巻線サイズ（すなわち、広範囲の利用可能な巻数比）を提供する一方で、連続する巻線サイズが全範囲に対してわずかなステップで異なることを期待し得る。

概要
本発明の目的は、特定数の利用可能な能動巻線サイズを有し、限られた部品コストで実現することができるＯＬＴＣを提案することである。別の目的は、特定範囲の巻線サイズを実現することによって、特定範囲の巻数比を実現するためのタップ数を減らしたＯＬＴＣを提案することである。さらなる目的は、このようなＯＬＴＣを含む誘導電力装置を提案することである。

請求項１の発明は、上記の課題を解決するものである。従属請求項は、本発明の有利な実施形態を定義する。

誘導電力装置は、第１の回路と、少なくとも２つの巻線セグメントと、選択可能な組み合わせの巻線セグメントを第１の回路に直列に接続するように動作可能なスイッチング回路とを含む。第１の回路は、任意の機能または構造を有することができる。本発明の実施形態によれば、巻線セグメントの少なくともいくつかは、異なるサイズを有する。

巻線セグメントのいくつかが異なるサイズを有するため、連続する能動巻線サイズ間の最大ステップは、利用可能な能動巻線サイズの全範囲に対して小さく維持することができる。一例として、それぞれ１００および２００巻数のサイズを有する巻線セグメントの組み合わせは、１００巻数のステップを有する範囲［０，３００］をカバーする。同様に、巻線セグメントサイズＭ、２Ｍおよび４Ｍ（Ｍは、任意の整数である）を組み合わせることによって、ステップＭを有する範囲［０，７Ｍ］をカバーすることができる。

一般的に、請求項に使用される全ての用語は、本明細書で特に明記しない限り、当技術分野において通常の意味に従って解釈されるべきである。「要素、装置、部品、手段、ステップなど」への全ての言及は、特に明記しない限り、要素、装置、部品、手段、ステップなどの少なくとも１つのインスタンスを指すものとしてオープンに解釈されるべきである。

次に、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を例示として説明する。

一実施形態に係る誘導電力装置を示す概略回路図である。 図１に示す誘導電力装置に適切に使用される例示的なスイッチング回路、並びに巻線セグメントおよびタップを示す詳細図である。

詳細な説明
本発明の特定の実施形態を示す添付の図面を参照して、本発明をより完全に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、これらの実施形態は、限定的なものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が詳細で完璧となり、本発明の全ての特徴を当業者に完全に伝えるように、例示として提供される。同様の番号は、明細書の全体を通して同様の要素を指す。

図１は、一実施形態に従って、可変能動巻線サイズを有する誘導電力装置１を示す概略回路図である。誘導電力装置１は、図１の左側で誘導電力装置１から延び出す２つの接続端子を有する第１の回路２を備える。第１の回路２は、任意の機能および任意の構造を有してもよい。第１の回路２は、接続端子から電気エネルギーを受け取ってもよく、電気エネルギーを接続端子に供給してもよい。単純な実施形態において、第１の回路２は、一方では左右の上方接続端子を接続し、他方では左右の下方接続端子を接続するための２つの電線であってもよい。

第１の回路２の一対の対向端子は、スイッチング回路４を介して、全巻線５の連続部分である可変数の巻線セグメント３に接続されてもよい。この実施形態において、巻線セグメント３は、重ならない。全巻線５は、対向巻線６に磁気的に結合される。全巻線５と対向巻線６とは、変圧器の一次側または二次側のコイルであってもよい。一方の巻線における電流の変化が他方の巻線の両端に電圧を誘起する磁気結合（すなわち、誘導結合）は、全巻線５および対向巻線６を共通の軸にほぼ整列し、互いの近傍に配置することによって達成することができる。任意選択で、２本の垂直バーによって示すように、磁気結合は、巻線を共通の磁気コアに配置することによって強化することができる。

一例として、図示された対向巻線６の端点は、図１の右側で誘導電力装置１から延び出す接続端子に直接に接続されている。図示された実施形態の変形例において、対向巻線は、代わりに、第２の回路（図示せず）を介して、対応する接続端子に接続されてもよい。第１の回路２と同様に、第２の回路は、任意の構造を有してもよく、誘導電力装置１において任意の機能を果たしてもよい。特に、対向巻線６は、全巻線５と同様に、３つ以上のタップを有する巻線セグメントに構成されてもよい。その結果、選択可能な組み合わせの巻線セグメントを第２の回路に接続することができる。この目的のために、スイッチング回路４に類似するスイッチング回路を使用してもよい。

図１に示す実施形態において、巻線セグメント３は、４つである。第１の回路２が接続される巻線セグメント３の組み合わせは、予め設定された設計特性を有するではなく、誘導電力装置１の寿命中、特に誘導電力装置１の動作中に可変である。好ましくは、「負荷時」状態に応じて、組み合わせを変更することができる。接続された巻線セグメント３の組み合わせ、したがって、誘導電力装置１の能動巻線サイズは、スイッチング回路４を介して選択可能であり、スイッチング回路４は、選択可能な接続の巻線セグメント３のタップ７を介して、第１の回路２の一対の接続端子を選択可能な接続の巻線セグメント３に電気的に接続する役割を果たす。

図１に見られるように、巻線セグメント３は、同じ電流方向を有するという意味で、対向巻線６との磁気結合に対して同じ極性を有する。このことは、任意の巻線セグメント３の追加、すなわち、巻線セグメント３の上方タップを第１の回路２の上方接続端子に接合し、巻線セグメント３の下方タップを第１の回路２の下方接続端子に接合することによって、巻線セグメント３を第１の回路２に接続することが、磁気結合の全体に良い影響を与えることを意味する。

図１において、巻線セグメント３との接続に応じて、タップ７をいくつかの種類に分類することができる。例えば、第１種類のタップは、単一の巻線セグメントに接続し、第２種類のタップは、２つの連続する巻線セグメントの間に位置し、これらの巻線セグメントの両方に接続する。（Ｃ１）任意数の第１種類の連続タップが存在する場合、および（Ｃ２）第２種類の任意のタップの前におよび後に少なくとも１つの第１種類のタップが存在する場合、スイッチング回路４は、各巻線セグメント５を独立して含むまたは除外することができる。条件Ｃ２は、（Ｃ２′）第２種類のタップが孤立であること、すなわち、（Ｃ２″）第２種類のタップが連続しないことに相当する。

４つの例示的な巻線セグメント３．１、３．２、３．３および３．４の詳細図を含む図２において、巻線セグメント３．１と３．２との間に配置された第２のタップおよび巻線セグメント３．３と３．４との間に配置された第５のタップは、第２種類のタップである。第１のタップ、第３のタップ、第４のタップおよび第６のタップは、第１種類のタップである。

スイッチング回路４が選択された巻線セグメントの組み合わせを接続するためのタップを選択する方法は、選択された巻線セグメントの端点のタップの種類、および選択された組み合わせのうち、他の選択された巻線セグメントに対する選択された巻線セグメントの位置に依存する。

任意の単一の巻線セグメント３を接続するために、当該セグメントの上方タップおよび下方タップを第１の回路２の一対の接続端子にそれぞれ接続する。

第２種類のタップによって接続された２つの巻線セグメントの組み合わせの接続は、第１の巻線セグメント３．１および第２の巻線セグメント３．２を参照して示されている。このような巻線セグメントは、隣接する巻線セグメントと呼ぶことができる。第１の巻線セグメント３．１の上方タップおよび第２の巻線セグメント３．２の下方タップに対応する外側端点は、第１の回路２の接続端子にそれぞれ接続される。第１の巻線セグメント３．１と第２の巻線セグメント３．２との間の共通タップは、接続端子に接続されない。

２つの隣接しない巻線セグメントの組み合わせの接続は、第２の巻線セグメント３．２および第３の巻線セグメント３．３を参照して示される。これを達成するために、第２の巻線セグメント３．２の上方タップは、第１の回路２の第１の接続端子に接続され、第３の巻線セグメント３．３の下方タップは、第１の回路２の第２の接続端子に接続される。さらに、巻線セグメント３．２および３．３が隣接しないため、第２の巻線セグメント３．２の下方タップは、第３の巻線セグメント３．３の上方タップに接続される。これらの接続によって、第２の巻線セグメント３．２および第３の巻線セグメント３．３は、第１の回路２の接続端子の間に効果的に直列に接続される。これらの巻線セグメントは、能動巻線を構成する。

完全な全巻線５を接続するために、外側端点を接続し、第２の巻線セグメント３．２と第３の巻線セグメント３．３との間の相互接続を確立すること、すなわち、第２の巻線セグメント３．２の下方タップを第３の巻線セグメント３．３の上方タップに接続することによって、充分である。外側端点は、第１の巻線セグメント３．１の上方端点および第４の巻線セグメント３．４の下方端点に対応する。

これらの実施例を研究した当業者は、４つの巻線セグメント３．１、３．２、３．３および３．４の任意の他の組み合わせを接続する方法を理解するであろう。また、当業者は、上述したように、巻線セグメントが条件Ｃ１およびＣ２を満たすタップを備える限り、任意の選択可能な組み合わせの巻線セグメントを直列に接続するためのタップ接続を決定することができるであろう。

引き続き図２を参照して、スイッチ８の配列を含むスイッチング回路４の例示的な回路レイアウトを説明する。図２には示されていないが、必要に応じて、コントローラが、スイッチング回路４に設けられてもよく、またはそれに接続されてもよい。このコントローラは、接続される巻線セグメントの選択された組み合わせに基づいて、スイッチ８を制御する。

スイッチ８は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）またはサイリスタ（シリコン制御整流器、ＳＣＲ）などの半導体スイッチ、または機械スイッチであってもよい。スイッチ８の定格電圧は、スイッチングインパルス過電圧（ＳＩ）および点灯インパルス過電圧（ＬＩ）に耐えるものであり、定格電流は、システムの定格短絡（ＳＣ）電流を満たすものである。スイッチ８は、一連の相互接続されたハーフブリッジまたはフリップハーフブリッジとして構成されてもよい。ハーフブリッジの一方側（例えば、負荷側）は、タップに接続され、他方側（例えば、ソース側）は、第１の回路２の接続端子または連続ハーフブリッジ間の相互接続のいずれかに接続される。一実施形態において、スイッチ８の配列は、以下の条件、すなわち、（Ｃ３）巻線セグメント（すなわち、一対の連続タップ）にわたって、直列接続され、独立して制御可能２つのスイッチが存在することと、（Ｃ４）巻線セグメントにわたる２つのスイッチ間の直列接続において、第１の回路の接続端子または非隣接巻線セグメントにサービスを提供するスイッチの相互接続が存在することとを満たす。

本発明者らは、巻線セグメント３が条件Ｃ１およびＣ２を満たすタップ７を有すると仮定すると、スイッチング回路４が、条件Ｃ３およびＣ４を満たす場合、任意の選択可能な組み合わせの巻線セグメント３を能動巻線として第１の回路２の接続端子に接続するためのタップ接続を実現することができることを認識した。

８つの独立して制御可能なスイッチ８．１、８．２、８．３、．．．、８．８が図２に示される方法で接続された場合、スイッチング回路４は、条件Ｃ３およびＣ４を満たす。上記の実施例２を実現するために、スイッチ８．１、８．４、８．６および８．７を閉合し、残りのスイッチを開放する。上記の実施例３を実現するために、スイッチ８．２、８．４、８．５および８．７を閉合し、残りのスイッチを開放する。上記の実施例４を実現するために、スイッチ８．１、８．４、８．５および８．８を閉合し、残りのスイッチを開放する。

スイッチング回路４は、より多くの数の巻線セグメント３にサービスを提供するために、以下のように拡張することができる。第２種類のタップによって接続された２つのさらなる巻線セグメントを全巻線５の下端に追加すると仮定する。このような状況において、スイッチング回路４は、図２に示すスイッチング回路４の上方半分または下方半分に類似する４つのスイッチのさらなるグループによって拡張され、拡張前に図２のスイッチング回路４の下方半分に対応するスイッチに相互接続されてもよい。拡張後、追加された２つの巻線セグメントにサービスを提供するスイッチは、第１の回路２の下方接続端子に接続される。したがって、拡張スイッチング回路４は、それぞれ４つのスイッチを含む３つのグループを備え、第１のグループは、第１の回路２の上方接続端子に接続され、第３のグループは、第１の回路２の下方接続端子に接続され、第２のグループは、第１のグループおよび第３のグループに相互接続される。この拡張手順を繰り返すことによって、所望のサイズのスイッチング回路４を得ることができる。

なお、巻線セグメント３の数が偶数であり、タップが条件Ｃ１およびＣ２を満たす場合、これまで説明したスイッチング回路４は、部品コストの面で準最適な回路解決策に相当する。奇数個の巻線セグメント３にサービスを提供するために、最適でない様式で配置される部品で、説明した回路を拡張する必要がある。以下の表１から、タップと巻線セグメントとの比は、１、３および５に等しいＮに対して増加することが分かる。このような混合配置は、本発明の範囲に含まれる。さらに、必要に応じて、条件Ｃ１およびＣ２を満たすタップを備えていない巻線セグメント３と協働するように、スイッチング回路４を修正してもよい。

特定のケースＭ＝１およびＮ_０＝－１において、ステップは、１である。Ｎに関するスケーリング挙動は、表１に示される。

Ｎ個の巻線セグメントに対するタップの数は、ｑ（Ｎ）＝３floor（Ｎ／２）＋２mod（Ｎ，２）である。

図２に示す実施形態の例示的な実装形態において、誘導電力装置１は、１６個のステップと、一相当たりに６個のタップ７と、８個のパワーエレクトロニクススイッチ８とを有する。サイリスタは、２×３０×Ｖ_ステップという合計定格電圧を有するスイッチとして使用され、Ｖ_ステップは、１つのステップによって分けられた巻線セグメントの組み合わせに対応する電圧差である。装置１の定格短絡電流は、３秒間に２０ｋＡである。

２のべき乗は、巻線セグメント３の最適なサイズ分布に対応し得る。実際に、自然数がバイナリ数のベクトル空間として見なされる場合、各整数が固有のバイナリ展開を有するため、２のべき乗は、基底を構成する。さらなる有用な実施形態は、誘導電力装置１を提供し、巻線セグメントのサイズは、一連の２の連続べき乗だけでなく、１つ以上の冗長要素、例えば、集合Ｓ＝｛１，２，３，４，８｝内の巻線セグメントサイズ３を含む。集合Ｓ＼｛３｝に含まれる全ての整数、すなわち、［０，１５］は、集合Ｓにも含まれる。しかしながら、いくつかの整数は、Ｓの要素の点で、非一意な表現を有する。５は、５＝１＋４＝２＋３であるため、その一例である。誘導電力装置１の場合、これは、巻線セグメントの２つの選択可能な組み合わせのいずれかによって、所望の能動巻線サイズを得ることができる実装形態に対応する。これは、独立して考慮すると、構造的冗長性を示唆する。しかしながら、巻線セグメント３がこのサイズ分布または同様のサイズ分布を有する誘導電力装置１は、設計上の制約または他の考慮事項によって正当化され得、本発明の全ての特徴が満たされる限り、誘導電力装置１は、実施形態にとどまる。

本開示の特徴は、主に、いくつかの実施形態を参照して上記で説明されている。しかしながら、当業者によって容易に理解されるように、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲において、上記で開示されるもの以外の他の実施形態も同様に可能である。

Claims (11)

1. 可変能動巻線サイズを有する誘導電力装置（１）であって、
   第１の回路（２）と、
   複数の巻線とを備え、
   前記複数の巻線の各々は、連続して形成された少なくとも２つの巻線セグメント（３）を含み、
   前記誘導電力装置（１）は、さらに、
   選択可能な組み合わせの前記巻線セグメントを前記第１の回路に直列に接続するように動作可能なスイッチング回路（４）を備え、
   前記巻線セグメントのうちの少なくとも２つは、異なるサイズを有し、
   前記少なくとも２つの巻線セグメントは、対向巻線（６）に磁気的に結合された全巻線（５）の連続部分として形成され、
   前記巻線セグメントは、前記磁気結合に対して同じ極性を有し、
   前記巻線セグメントは、前記全巻線の連続タップ（７）の間に配置され、
   前記タップは、単一の巻線セグメントに接続する複数の第１種類のタップと、連続する巻線セグメントの間に配置され、これらの巻線セグメントの両方に接続する複数の第２種類のタップとを含み、
   前記複数の第２種類のタップは、連続しない、ことを特徴とする、誘導電力装置。
2. 前記巻線セグメントは、重ならない、請求項１に記載の誘導電力装置。
3. 前記スイッチング回路は、前記選択可能な組み合わせの前記巻線セグメントの各々を前記第１の回路の一対の接続端子に接続するように構成される、請求項１または２のいずれか一項に記載の誘導電力装置。
4. 前記スイッチング回路は、各巻線セグメントを独立して含むまたは除外するように動作可能なスイッチ（８）の配列を含む、請求項３に記載の誘導電力装置。
5. 前記配列中の前記スイッチは、サイリスタなどの半導体スイッチまたは機械スイッチである、請求項１～４のいずれか一項に記載の誘導電力装置。
6. 前記スイッチング回路は、少なくとも１つのハーフブリッジ配置を含む、請求項４から５のいずれか一項に記載の誘導電力装置。
7. 前記スイッチング回路は、
   巻線セグメントにわたって、直列接続され、独立して制御可能な２つのスイッチが存在することと、
   巻線セグメントにわたる２つのスイッチ間の前記直列接続において、前記第１の回路の接続端子または非隣接巻線セグメントにサービスを提供するスイッチの相互接続が存在することとを満たす、請求項３から５のいずれか一項に記載の誘導電力装置。
8. 前記スイッチング回路は、負荷時タップ切換器である、請求項３から７のいずれか一項に記載の誘導電力装置。
9. 前記巻線セグメントの前記サイズは、２の連続べき乗を含む一連の因子に比例する、請求項１～８のいずれか一項に記載の誘導電力装置。
10. 前記巻線セグメントの前記サイズは、２の連続べき乗に比例する、請求項９に記載の誘導電力装置。
11. 前記誘導電力装置は、変圧器である、請求項１～１０のいずれか一項に記載の誘導電力装置。

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