JPH09260979A - 電力増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力系統の保護継電器の入力となる変成器出
力の増幅などの高精度な増幅動作が要求される電力増幅
器において、高効率化を図る。 【解決手段】 入力電圧Ｖｉに対して電力容量の主要部
分をスイッチング形増幅器２２によって増幅し、該スイ
ッチング形増幅器２２によって発生する誤差分をフィー
ドバック回路２４で検知して減算器２５によって前記入
力電圧Ｖｉから減算した差分電圧Ｖｄをプッシュプル形
増幅器２３の入力とし、これら２つの増幅器２２，２３
の出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２を加算して出力する。したが
って、トランジスタ３５，３６を飽和領域で使用して高
効率なスイッチング形増幅器２２によって前記電力容量
の主要部分を増幅し、トランジスタ４３，４４を不飽和
領域で使用して高精度な増幅が可能なプッシュプル形増
幅器２３によって前記電力容量の残余の部分を増幅す
る。こうして、高精度化および高効率化を図ることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば電力系統
の保護継電器に、変成器からの出力を増幅して入力する
ために好適に用いられる、高精度で高効率な電力増幅器
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は、前記変成器出力の増幅に用いら
れる典型的な従来技術の電力増幅器１の電気的構成を示
すブロック図である。この電力増幅器１は、いわゆるプ
ッシュプル形増幅器であり、オペアンプ２と、トランジ
スタ３，４と、分圧抵抗５，６と、トランス７とを備え
て構成されている。

【０００３】入力端子ｐ１，ｐ２間に印加される入力電
圧Ｖｉは、オペアンプ２の非反転入力端子に入力され
る。オペアンプ２の出力電圧は、トランジスタ３，４の
ベースに共通に入力されている。ＮＰＮ形のトランジス
タ３のコレクタへは、電源入力端子ｐ３，ｐ４に入力さ
れた所内電圧、たとえば１１０Ｖが、ＤＣ／ＤＣコンバ
ータ８において、一定の予め定める電源電圧、たとえば
＋３６Ｖに降圧されて入力されている。これに対して、
ＰＮＰ形のトランジスタ４のコレクタには、前記ＤＣ／
ＤＣコンバータ８から、たとえば−３６Ｖの電源電圧が
印加されている。

【０００４】したがって、オペアンプ２からの出力電圧
が正極側であるときには、トランジスタ３によって該オ
ペアンプ２の出力電流が電流増幅されて、トランス７の
１次巻線７ａに供給される。これに対して、オペアンプ
２からの出力電圧が負極側であるときには、該オペアン
プ２からの出力電流がトランジスタ４によって電流増幅
されて、前記１次巻線７ａに入力される。前記オペアン
プ２の反転入力端子には、このトランス７の１次巻線７
ａへの入力電圧が、分圧抵抗５，６によって分圧されて
負帰還されている。

【０００５】前記トランス７によって所定巻数比の電圧
に変換された出力電圧Ｖｏは、２次巻線７ｂから出力端
子ｐ５，ｐ６へ出力され、前記保護継電器などに入力さ
れる。このようにして、たとえば実効値が４．５Ｖ程度
の図４（ａ）で示す入力電圧Ｖｉに対して、最大値が１
１０Ｖ程度の図４（ｂ）で示す出力電圧Ｖｏに、高精度
に増幅を行うことができる。

【０００６】図５は、前記変成器出力を増幅する他の従
来技術の電力増幅器１１の電気的構成を示すブロック図
である。この電力増幅器１１は、いわゆるスイッチング
形増幅器であり、比較器１２と、三角波発生回路１３
と、インバータ１４と、トランジスタ１５，１６と、ト
ランス１７と、インダクタンス素子１８，１９と、コン
デンサ２０とを備えて構成されている。

【０００７】入力端子ｐ１，ｐ２へは、図６（ａ）にお
いて参照符α１で示すような入力電圧Ｖｉが与えられて
おり、この入力電圧Ｖｉは、比較器１２の一方の入力に
入力される。この比較器１２の他方の入力には、三角波
発生回路１３によって発生され、図６（ａ）において参
照符α２で示すように、所定電圧範囲を所定周期で掃引
する三角波が入力されている。

【０００８】比較器１２は、入力電圧Ｖｉが前記三角波
の電位以上であるか否かに対応してハイレベルまたはロ
ーレベルの出力を導出する。この比較器１２からの出力
は、トランジスタ１５のベースに与えられるとともに、
インバータ１４を介してトランジスタ１６のベースに与
えられる。トランジスタ１５，１６は、相互に同一極性
（図５の例ではＮＰＮ形）であり、コレクタはトランス
１７の１次巻線１７ａの一方の入力端と他方の入力端と
にそれぞれ接続され、エミッタは共通に接地されてい
る。前記トランス１７の１次巻線１７ａの中間タップに
は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８から、前記電源電圧、たと
えば＋３６Ｖが印加されている。

【０００９】これによって、トランス１７の１次巻線１
７ａには、図６（ｂ）において参照符α３で示すよう
な、前記入力電圧Ｖｉの振幅レベルに対応したデューテ
ィのパルスが入力されることになる。

【００１０】前記トランス１７の２次巻線１７ｂの２つ
の出力端は、それぞれインダクタンス素子１８，１９の
一方の入力端に接続されており、インダクタンス素子１
８，１９の他方の入力端は、共通に出力端子ｐ５に接続
されるとともに、コンデンサ２０の一方の入力端と接続
されている。前記２次巻線１７ｂの中間タップは、出力
端子ｐ６と接続されるとともに、前記コンデンサ２０の
他方の入力端と接続されている。

【００１１】したがって、インダクタンス素子１８，１
９およびコンデンサ２０は、フィルタ回路を構成し、前
記トランス１７の１次巻線１７ａに入力されたパルスの
デューティに対応して、図６（ｂ）において参照符α４
で示すように振幅が変化する出力電圧Ｖｏを発生する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来技術
の電力増幅器１，１１において、プッシュプル形の電力
増幅器１では、トランジスタ３，４が不飽和領域で使用
されるので、高精度な増幅動作を行うことができるけれ
ども、該トランジスタ３，４での電力消費が大きく、自
然冷却が不可能な程度に発熱が問題になるとともに、Ｄ
Ｃ／ＤＣコンバータ８の容量も大きくなってしまい、効
率が悪いという問題がある。

【００１３】また、スイッチング形の電力増幅器１１で
は、トランジスタ１５，１６は、飽和領域で使用される
ので、該トランジスタ１５，１６での電力消費が少な
く、高効率であるけれども、ＤＣ／ＤＣコンバータ８に
よる電源電圧の精度等に起因して、高い精度を確保する
ことが困難であるという問題がある。

【００１４】したがって、従来技術では、精度と効率と
のいずれを優先するかに対応して電力増幅器１と電力増
幅器１１とのいずれかが使用されている。

【００１５】本発明の目的は、高精度で、かつ高効率な
電力増幅器を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電力増幅器
は、増幅すべき入力信号が入力され、電力容量の主要部
分を負担することができるスイッチング形増幅器と、前
記電力容量の残余の部分を負担することができ、前記ス
イッチング形増幅器と出力に対して直列に接続されるプ
ッシュプル形増幅器と、前記スイッチング形増幅器およ
びプッシュプル形増幅器の合成出力電圧に対応したフィ
ードバック信号を発生するフィードバック信号発生回路
と、前記入力信号から前記フィードバック信号を減算し
た差分信号を前記プッシュプル形増幅器に入力信号とし
て与える減算手段とを含むことを特徴とする。

【００１７】上記の構成によれば、電力容量の主要部
分、たとえば９０％程度をスイッチング形増幅器に負担
させ、前記電力容量の残余の部分、すなわち１０％程度
をプッシュプル形増幅器に負担させる。また、プッシュ
プル形増幅器へは、減算手段において、フィードバック
信号発生回路から出力されたフィードバック信号を入力
信号から減算して作成された差分信号が入力されてお
り、これによってスイッチング形増幅器の誤差分が補償
されることになる。

【００１８】したがって、前記電力容量の主要部分をス
イッチング形増幅器に負担させることによって、高効率
化を図ることができるとともに、前記電力容量の残余の
部分をプッシュプル形増幅器に負担させることによっ
て、入力信号に対応した出力信号を高精度に得ることが
できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態について、
図１および図２に基づいて説明すれば以下のとおりであ
る。

【００２０】図１は、本発明の実施の一形態の電力増幅
器２１の電気的構成を示すブロック図である。本発明に
従う電力増幅器２１は、大略的に、入力電圧Ｖｉの増幅
にあたって、電力容量の大部分をスイッチング形増幅器
２２で負担し、残余の部分をプッシュプル形増幅器２３
で負担することによって、出力電圧Ｖｏを作成する。こ
のため、前記出力電圧Ｖｏを検知するためのフィードバ
ック回路２４が設けられているとともに、該フィードバ
ック回路２４によって発生されたフィードバック電圧Ｖ
ｆをプッシュプル形増幅器２３に負帰還するための減算
器２５が設けられている。

【００２１】前記スイッチング形増幅器２２は、比較器
３２と、三角波発生回路３３と、インバータ３４と、ト
ランジスタ３５，３６と、トランス３７と、インダクタ
ンス素子３８，３９と、コンデンサ４０とを備えて構成
されている。

【００２２】入力端子Ｐ１，Ｐ２へは、前記図６（ａ）
において参照符α１で示すような入力電圧Ｖｉが与えら
れており、この入力電圧Ｖｉは、比較器３２の一方の入
力に入力される。この比較器３２の他方の入力には、三
角波発生回路３３によって発生され、図６（ａ）におい
て参照符α２で示すように、所定電圧範囲を所定周期で
掃引する三角波が入力されている。

【００２３】比較器３２は、入力電圧Ｖｉが前記三角波
以上の電位であるか否かに対応してハイレベルまたはロ
ーレベルの出力を導出する。この比較器３２からの出力
は、トランジスタ３５のベースに与えられるとともに、
インバータ３４を介してトランジスタ３６のベースに与
えられる。トランジスタ３５，３６は、相互に同一極性
（図１の例ではＮＰＮ形）であり、コレクタはトランス
３７の１次巻線３７ａの一方の入力端と他方の入力端と
にそれぞれ接続され、エミッタは共通に接地されてい
る。前記トランス３７の１次巻線３７ａの中間タップに
は、電源入力端子Ｐ３，Ｐ４に入力された所内電圧、た
とえば１１０Ｖが、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８におい
て、一定の予め定める電源電圧、たとえば＋３６Ｖに降
圧されて入力されている。

【００２４】これによって、トランス３７の１次巻線３
７ａには、前記図６（ｂ）において参照符α３で示すよ
うな、前記入力電圧Ｖｉの振幅レベルに対応したデュー
ティのパルスが入力されることになる。

【００２５】前記トランス３７の２次巻線３７ｂの２つ
の出力端は、それぞれインダクタンス素子３８，３９の
一方の入力端に接続されており、インダクタンス素子３
８，３９の他方の入力端は、共通に出力端子Ｐ５に接続
されるとともに、コンデンサ４０の一方の入力端と接続
されている。前記２次巻線３７ｂの中間タップは、出力
端子Ｐ６と接続されるとともに、前記コンデンサ４０の
他方の入力端と接続されている。

【００２６】したがって、インダクタンス素子３８，３
９およびコンデンサ４０は、フィルタ回路を構成し、前
記トランス３７の１次巻線３７ａに入力されたパルスの
デューティに対応して、図６（ｂ）において参照符α４
で示すように振幅が変化する出力電圧Ｖｏ１を発生す
る。

【００２７】また、前記プッシュプル形増幅器２３は、
オペアンプ４２と、トランジスタ４３，４４と、分圧抵
抗４５，４６と、トランス４７とを備えて構成されてい
る。

【００２８】前記オペアンプ４２の非反転入力端子に
は、減算器２５において、入力端子Ｐ１，Ｐ２間に印加
される入力電圧Ｖｉから後述するフィードバック回路２
４によって発生されたフィードバック電圧Ｖｆが減算さ
れて作成された差分電圧Ｖｄが入力される。オペアンプ
４２の出力電圧は、トランジスタ４３，４４のベースに
共通に入力されている。ＮＰＮ形のトランジスタ４３の
コレクタへは、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ２８によって
発生された前記電源電圧、たとえば＋３６Ｖが入力され
ている。これに対して、ＰＮＰ形のトランジスタ４４の
コレクタには、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ２８から、た
とえば−３６Ｖの電源電圧が印加されている。

【００２９】したがって、オペアンプ４２からの出力電
圧が正極側であるときには、トランジスタ４３によって
該オペアンプ４２の出力電流が電流増幅されて、トラン
ス４７の１次巻線４７ａに供給される。これに対して、
オペアンプ４２からの出力電圧が負極側であるときに
は、該オペアンプ４２からの出力電流がトランジスタ４
４によって電流増幅されて、前記１次巻線４７ａに入力
される。前記オペアンプ４２の反転入力端子には、この
トランス４７の１次巻線４７ａへの入力電圧が、分圧抵
抗４５，４６によって分圧されて負帰還されている。前
記トランス４７によって、所定巻数比の電圧に変換され
た出力電圧Ｖｏ２は、２次巻線４７ｂから出力される。
このようにして、前記図４（ａ）で示す差分電圧Ｖｄに
対して、図４（ｂ）で示すように高精度に増幅された出
力電圧Ｖｏ２を得ることができる。

【００３０】スイッチング形増幅器２２およびプッシュ
プル形増幅器２３の出力側は、直列に接続されており、
したがって出力端子Ｐ５，Ｐ６間へは、前記出力電圧Ｖ
ｏ１，Ｖｏ２が相互に加算された出力電圧Ｖｏが出力さ
れ、前記保護継電器などに入力される。前記出力電圧Ｖ
ｏはまた、フィードバック信号発生回路であるフィード
バック回路２４の分圧抵抗２６，２７によって分圧され
て、前記フィードバック電圧Ｖｆとして、オペアンプ４
２に負帰還される。

【００３１】上述のように構成された電力増幅器２１に
おいて、スイッチング形増幅器２２およびプッシュプル
形増幅器２３の増幅率をＡとするとき、フィードバック
回路２４のゲインは、１／Ａとされる。すなわち、分圧
抵抗２６，２７の抵抗値をそれぞれＲ２６，Ｒ２７とす
るとき、Ｒ２７／（Ｒ２６＋Ｒ２７）＝１／Ａとされ
る。したがって、スイッチング形増幅器２２の入出力特
性は、 Ｖｏ１＝ＡＶｉ＋ΔＶ …（１） となる。ただし、ΔＶは、誤差分である。したがってこ
の出力電圧Ｖｏ１によるフィードバック電圧Ｖｆは、 Ｖｆ＝（ＡＶｉ＋ΔＶ）／Ａ …（２） となる。

【００３２】これに対して、プッシュプル形増幅器２３
への入力電圧である前記差分電圧Ｖｄは、前記式２か
ら、 Ｖｄ＝Ｖｉ−（ＡＶｉ＋ΔＶ）／Ａ＝−ΔＶ／Ａ …（３） となり、 Ｖｏ２＝ＡＶｆ＝−ΔＶ …（４） となる。

【００３３】したがって、合成出力電圧Ｖｏは、 Ｖｏ＝Ｖｏ１＋Ｖｏ２＝ＡＶｉ＋ΔＶ−ΔＶ＝ＡＶｉ …（５） となり、前記誤差分ΔＶが補償されることが理解され
る。

【００３４】このように、本発明に従う電力増幅器２１
では、電力容量の主要部分、たとえば９０％程度をスイ
ッチング形増幅器２２によって負担させ、残余の部分、
すなわち１０％程度をプッシュプル形増幅器２３によっ
て負担させる。したがって、スイッチング形増幅器２２
によって高効率化を図り、電力消費を抑えて、発熱量を
減少することができるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ
２８の容量を小さく抑えることができる。また、プッシ
ュプル形増幅器２３によって、前記スイッチング形増幅
器２２の誤差分を補償し、入力電圧Ｖｉに対して、高精
度な出力電圧Ｖｏを得ることができる。こうして、高効
率化および高精度化を両立することができる。

【００３５】図２は、上述のように構成される電力増幅
器２１の一使用例である保護継電系統を説明するための
図である。この使用例では、前記電力増幅器２１は、変
成器出力の増幅に用いられている前記変成器は、センサ
部５１と、光電変換回路５２とを備えて構成されてい
る。

【００３６】前記センサ部５１は、ＧＩＳ（Gas Insula
ted Switchgears ）と称されるガス絶縁開閉装置に関し
て用いられる。前記ガス絶縁開閉装置は、導体５３およ
び図示しない開閉装置等を不活性ガスＳＦ₆ などを充填
したタンク５４内に設けることによって、通常の空気絶
縁に比べて、省スペース化を図ることができるようにし
た装置である。したがって、前記導体５３と、前記タン
ク５４内に設けた電極５５とによって、参照符Ｃｃで示
されるように、浮遊のコンデンサが形成されることにな
る。したがって、このコンデンサＣｃと接地電位との間
に分圧コンデンサＣｄを介在し、その分圧比と分圧コン
デンサＣｄの端子電圧とから導体５３の電位を測定する
ことができる。

【００３７】前記コンデンサＣｄの端子電圧は、コンデ
ンサＣｆ１および抵抗Ｒ１から成るハイパスフィルタを
介して、光電圧センサＳ１に印加されるとともに、同様
にコンデンサＣｆ２と抵抗Ｒ２とから成るハイパスフィ
ルタを介して、光電圧センサＳ２に印加される。光電圧
センサＳ１，Ｓ２は、ポッケルス素子を備えて構成され
ており、出力光は、印加される電界にリニアに対応し
て、その透過光量が変化する。

【００３８】これらの光電圧センサＳ１，Ｓ２には、そ
れぞれ光電変換回路５２から光ケーブル５６を介して、
予め定める一定光量の光が入射されており、前記ポッケ
ルス効果による光量変化が、前記光ケーブル５６を介し
て光電変換回路５２によって検知される。光電変換回路
５２からの微少な出力電圧、たとえば実効値で４．５Ｖ
程度の出力電圧が前記電力増幅器２１に入力され、たと
えば最大値で１１０Ｖ程度の出力電圧に増幅される。こ
の電力増幅器２１からの出力電圧は、たとえば遮断器の
トリップ指令を出力する不足電圧リレーへの入力信号な
どとして使用される。

【００３９】このような変成器出力の増幅には、たとえ
ば０．１％程度の精度が要求されるのに対して、本発明
に従う電力増幅器２１では、そのような高い精度を確保
することができるとともに、高効率化を図ることがで
き、制御盤内における放熱の構成などを削減することが
できる。

【００４０】本発明は、上述のような変成器出力に限ら
ず、高調波を検知し、その高調波に対応した逆電圧を電
力系統に流込む、いわゆるアクティブフィルタ等の、高
精度で、かつ高効率な増幅動作が要求される他の用途に
も好適に実施することができる。また、安定した出力電
圧が要求される電源回路としても好適に使用することが
できる。

【００４１】

【発明の効果】本発明に係る電力増幅器は、以上のよう
に、電力容量の主要部分、たとえば９０％程度をスイッ
チング形増幅器に負担させ、前記電力容量の残余の部
分、すなわち１０％程度をプッシュプル形増幅器に負担
させ、かつ前記スイッチング形増幅器およびプッシュプ
ル形増幅器の合成出力電圧に対応したフィードバック信
号を入力信号から減算した差分信号を前記プッシュプル
形増幅器に入力信号として与え、スイッチング形増幅器
の誤差分を補償する。

【００４２】それゆえ、前記電力容量の主要部分をスイ
ッチング形増幅器に負担させることによって、高効率化
を図ることができるとともに、前記電力容量の残余の部
分をプッシュプル形増幅器に負担させることによって、
入力信号に対応した出力信号を高精度に得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態の電力増幅器の電気的構
成を示すブロック図である。

【図２】図１で示す電力増幅器の一使用例である保護継
電系統を説明するための図である。

【図３】典型的な従来技術の電力増幅器の電気的構成を
示すブロック図である。

【図４】プッシュプル形増幅器の動作を説明するための
波形図である。

【図５】他の従来技術の電力増幅器の電気的構成を示す
ブロック図である。

【図６】スイッチング形増幅器の動作を説明するための
波形図である。

【符号の説明】

２１ 電力増幅器 ２２ スイッチング形増幅器 ２３ プッシュプル形増幅器 ２４ フィードバック回路（フィードバック信号発生
回路） ２５ 減算器（減算手段） ２６ 分圧抵抗 ２７ 分圧抵抗 ２８ ＤＣ／ＤＣコンバータ ３２ 比較器 ３３ 三角波発生回路 ３５ トランジスタ ３６ トランジスタ ３７ トランス ３８ インダクタンス素子 ３９ インダクタンス素子 ４０ コンデンサ ４２ オペアンプ ４３ トランジスタ ４４ トランジスタ ４５ 分圧抵抗 ４６ 分圧抵抗 ４７ トランス ５１ センサ部 ５２ 光電変換回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】増幅すべき入力信号が入力され、電力容量
   の主要部分を負担することができるスイッチング形増幅
   器と、 前記電力容量の残余の部分を負担することができ、前記
   スイッチング形増幅器と出力に対して直列に接続される
   プッシュプル形増幅器と、 前記スイッチング形増幅器およびプッシュプル形増幅器
   の合成出力電圧に対応したフィードバック信号を発生す
   るフィードバック信号発生回路と、 前記入力信号から前記フィードバック信号を減算した差
   分信号を前記プッシュプル形増幅器に入力信号として与
   える減算手段とを含むことを特徴とする電力増幅器。