TWI625034B - Transformer - Google Patents

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TWI625034B TW103128453A TW103128453A TWI625034B TW I625034 B TWI625034 B TW I625034B TW 103128453 A TW103128453 A TW 103128453A TW 103128453 A TW103128453 A TW 103128453A TW I625034 B TWI625034 B TW I625034B
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Nobuo Shiga
Kenichi Hirotsu
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Kyohei Yamada
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Abstract

一種設在頻率f的交流電源、與電阻值R之負載之間之分布常數型的變壓裝置；其中：把頻率f之波長作為λ，具備有：連接交流電源之長度λ/4的第1變換器、以及設在第1變換器的終端與負載之間之長度λ/4的第2變換器。這樣的變壓裝置為小型輕量化，以往的變壓器般的線圈或鐵心等是沒有必要的。

Description

變壓裝置
本發明有關變壓裝置。
於商用交流之輸配電系統，廣泛使用變壓器。在用戶之近旁，廣泛使用有例如把6600V(50Hz或是60Hz)變壓成200V之桿上變壓器(參閱非專利文獻1)。這樣的桿上變壓器，係作為導線之粗的線圈捲繞在鐵心，具有相應的重量。還有，更進一步包含絕緣油、箱件的話，例如為直徑40cm、高度80cm的型式，是具有200kg左右的重量。
另一方面，朝著實現乃是次世代的電力系統之智慧電網(smart grid)，進行著SST(Solid-State Transformer，固態變壓器)的研究。SST方面，廣泛使用高頻變壓器(例如，參閱非專利文獻2。)。
〔先前技術文獻〕 〔非專利文獻〕
[非專利文獻1] 中部電力首頁、「桿上變壓器」、 [online]、[平成25年7月19日檢索]、網際網路<URL：http：//www.chuden.co.jp/e-museum/guide/3floor/exhibit_c23.html>
[非專利文獻2] Falcones, S.: et al., Power and Energy Society General Meeting, 2010 IEEE, pp. 1-8, Minneapolis, July 2010
以往的桿上變壓器不輕，從而，處理並不容易。還有，足以收納其外形尺寸大小的安裝空間，是有必要在桿上。
另一方面，高頻變壓器無法迴避寄生電容的影響，有設計上的困難性。
鑒於相關以往的問題點，本發明其目的為提供一種小型輕量，不必要有以往之變壓器般的磁耦合或電磁感應、互電感用的線圈或鐵心等之劃時代的次世代之變壓裝置。
本發明乃是一種設在頻率f的交流電源、與電阻值R之負載之間之分布常數型的變壓裝置；其中：把頻率f之波長作為λ，具備有：連接前述交流電源之長度λ/4的第1變換器、以及設在前述第1變換器的終端與前述負載之間之長度λ/4的第2變換器。
經由使用作為電力用的變壓器之本發明的變壓裝置，不用了包含線圈或鐵心等之以往的變壓器。從而，可以實現變壓器飛躍性的小型輕量化及隨之的低成本化。
1‧‧‧變壓裝置
2‧‧‧交流電源
3‧‧‧切換控制部
4‧‧‧切換裝置
100‧‧‧變壓裝置
101‧‧‧第1變換器
102‧‧‧第2變換器
C1、C2‧‧‧電容
L1、L2‧‧‧電感
Sb1、Sb2‧‧‧切換器
Sr1、Sr2‧‧‧切換器
P1、P2‧‧‧連接點
R‧‧‧負載
〔圖1〕為表示分布常數電路的變壓裝置之連接圖。
〔圖2〕為表示其他構成的變壓裝置之電路圖。
〔圖3〕(a)為表示圖2之4個切換器中，位於上側之2個切換器為開啟(on)，位於下側之2個切換器為關閉(off)時之實體連接的狀態之電路圖。(b)為把與(a)相同的電路圖予以階段狀改寫之電路圖。
〔圖4〕(a)為表示圖2之4個切換器中，位於下側之2個切換器為開啟(on)，位於上側之2個切換器為關閉(off)時之實體連接的狀態之電路圖。而且，(b)為把與(a)相同的電路圖予以階段狀改寫之電路圖。
〔圖5〕為分別表示對圖2的變壓裝置之輸入電壓及輸入電流之波形圖。
〔圖6〕為分別表示圖2的變壓裝置之在變壓的中間階段之電壓及電流之波形圖。
〔圖7〕為分別表示來自圖2的變壓裝置之輸出電壓及輸出電流之波形圖。
〔圖8〕為組合了於圖1所示之變壓裝置、與圖2之變壓裝置之電路圖。
〔實施方式之要旨〕
作為本發明的實施方式之要旨，至少包含以下者。
(1)此乃是一種設在頻率f的交流電源、與電阻值R之負載之間之分布常數型的變壓裝置；其中：把頻率f之波長作為λ，具備有：連接前述交流電源之長度λ/4的第1變換器、以及設在前述第1變換器的終端與前述負載之間之長度λ/4的第2變換器。
在上述般的變壓裝置中，令第1變換器的阻抗為Zc1、第2變換器的阻抗為Zc2的話，輸入阻抗Zin成為：Zin=(Zc1 2/Zc2 2)．R=k．R。在此，k為常數。輸入阻抗Zin係與負載的電阻值R成比例，經此，無關於負載的電阻值，得到與輸入電壓成比例之輸出電壓。亦即，得到以一定的變壓比(1/k)1/2把輸入電壓變換成輸出電壓之變壓裝置。該變壓裝置係2階段連接分布常數電路者。從而，成為沒有必要有以往之變壓器般的繞線或鐵心等之劃時代的形態，可以實現變壓器的輕量化及隨之的低成本化。更進一步，也消解掉在高頻變壓器成為課題之發生寄生電容、漏磁場之問題，可以實現低 損失的變壓器。
(2)還有，變壓裝置亦可包含進行切換的電路、以及被介插在該電路內之(1)之變壓裝置。
該場合，利用以高頻進行切換的環境，可以活用分布常數型的變壓裝置。
(3)還有，在(1)之變壓裝置中，前述第1變換器及前述第2變換器，是可以藉由纜線來構成。
該場合，可以把纜線的特性阻抗，作為第1變換器及第2變換器之各自的阻抗。
(4)還有，(3)之變壓裝置中，前述纜線係可以與配電線的電力纜線一體化。
該場合，可以把電力纜線作為變壓裝置來利用。
(5)還有，(3)或是(4)之變壓裝置中，前述交流電源的頻率，期望至少為1MHz。
該場合，例如頻率為10MHz的話，λ/4變成數m，在纜線的實現變成逼真地容易。還有，為1MHz的話，λ/4變成數十m，但與配電線的電力纜線一體化的話，是可以實現。
〔詳細的實施方式〕 <分布常數電路的變壓裝置>
接著，說明有關本發明有關一實施形態之分布常數電路之變壓裝置。
《基本構成》
圖1為表示分布常數電路的變壓裝置100之連接圖。圖中，構成變壓裝置100的是，第1變換器101，以及連接該終端之第2變換器102。作為第1變換器101及第2變換器102，係可以使用例如附護套之單心纜線(CV)。前段的第1變換器101，係相對於所輸入的電源的頻率f，具有λ/4的長度(λ為波長)。而且，連接第1變換器101的終端之後段的第2變換器102，也相對於所輸入的電源的頻率f，具有λ/4的長度。
在此，令第1變換器101及第2變換器102之各自的特性阻抗為Zc1及Zc2、從第1變換器101之輸入端所見之輸入阻抗為Zin、從第2變換器102之輸入端所見之輸入阻抗為Zin’的話， 因為Zin=Zc1 2/Zin，、Zin’=Zc2 2/R，所以Zin=Zc1 2/(Zc2 2/R)=(Zc1 2/Zc2 2)R。因為(Zc1 2/Zc2 2)為常數，這邊放置常數k的話，所以Zin=k．R。
還有，令作為變壓裝置100整體之輸入電壓為Vin、輸入電力為Pin、輸出電力為Pout、輸出電壓為Vout的話，Pin=Vin 2/Zin、Pout=Vout 2/R。在此，因為Pin=Pout，得到以下的關係。
成為Vin 2/Zin=Vout 2/R。把此予以變形的話， 成為(Vout 2/Vin 2)=R/Zin=k。從而，變成(Vout/Vin)=k1/2，得到一定的變壓比k1/2。
如此，輸入阻抗Zin係與負載的電阻值R成比例，對負載變動其變壓比成為一定。換言之，無關於負載的電阻值，得到與輸入電壓成比例之輸出電壓。亦即，以一定的變壓比(1/k)1/2=Zc2/Zc1，得到把輸入電壓變換成輸出電壓之變壓裝置100。還有，變壓比係經由Zc2/Zc1的值的選擇，可以自由地設計。
該變壓裝置係2階段連接分布常數電路者。從而，成為沒有必要有以往之變壓器般的繞線或鐵心等之劃時代的形態，可以實現變壓器的輕量化及隨之的低成本化。更進一步，也消解掉在高頻變壓器成為課題之發生寄生電容、漏磁場之問題，可以實現低損失的變壓器。
上述的變壓裝置100，係即便在商用周波等級的低頻，理論上也是可以的，但逼現實上來說，λ/4會變得非常長的緣故，是不適當的。但是，在1MHz下λ/4變成數十m，可以實現與配電線的電力纜線一體化。更進一步在10MHz下λ/4變成數m的緣故，在纜線的實現變成逼真地容易。
上述之分布常數電路所成之變壓裝置100，係也可以與其他構成所成之變壓裝置組合使用。例如，作為其他構成所成之變壓裝置，是有為以下者。
<用了電抗元件的切換之變壓裝置>
圖2為表示相關的變壓裝置1之一例之電路圖。圖中，變壓裝置1設在交流電源2與負載R之間。變壓裝置1具備：一對電容C1，C2、一對電感L1，L2、4個切換器Sr1、Sr2、Sb1、Sb2、以及控制這些切換器Sr1、Sr2、Sb1、Sb2的開啟/關閉之切換控制部3。切換控制部3的切換頻率，例如為1MHz左右。尚且，切換頻率為1MHz以上者為較佳，但也可以未達1MHz。
經由切換器Sr1、Sr2、Sb1、Sb2及切換控制部3，構成切換變壓裝置1的電路連接的狀態之切換裝置4。切換器Sr1、Sr2相互同步動作，還有，切換器Sb1、Sb2相互同步動作。接著，切換器Sr1、Sr2之對、與切換器Sb1、Sb2之對，係作動成互斥地交互開啟。切換器Sr1、Sr2、Sb1、Sb2，乃是例如利用SiC元件或是GaN元件所構成之半導體切換元件。SiC元件或是GaN元件，例如與Si元件相比，可以更高速的切換。還有，即便不把元件連接成多段，還是可以得到充分的耐壓(例如6kV/1個也是可以)。
圖2中，一對電容C1、C2，係於連接點P1相互串聯連接。接著，於該串聯體的兩端，連接著交流電源2。於一對電容C1、C2之串聯體施加輸入電壓Vin，流動輸入電流Iin。
還有，一對電感L1、L2，係於連接點P2相互串聯連 接。接著，於該串聯體的兩端，施加有介隔了電容C1、C2之輸入電壓Vm，流動輸入電流Im。於負載R，切換器Sr2、Sb2之任何一個流動有開啟時的電流。在此，令施加在負載R的電壓為Vout、從變壓裝置1流到負載R之輸出電流為Iout。
圖3之(a)為表示圖2之4個切換器Sr1、Sr2、Sb1、Sb2中，位於上側之2個切換器Sr1、Sr2為開啟(on)，位於下側之2個切換器Sb1、Sb2為關閉(off)時之實體連接的狀態之電路圖。尚且，省略圖2之切換裝置4之圖示。而且，圖3之(b)為把與(a)相同的電路圖予以階段狀改寫之電路圖。
另一方面，圖4之(a)為表示圖2之4個切換器Sr1、Sr2、Sb1、Sb2中，位於下側之2個切換器Sb1、Sb2為開啟(on)，位於上側之2個切換器Sr1、Sr2為關閉(off)時之實體連接的狀態之電路圖。而且，圖4之(b)為把與(a)相同的電路圖予以階段狀改寫之電路圖。
經由交互反覆圖3、圖4的狀態，介隔著電容C1、C2之串聯體的連接點P1所抽出的電壓，係更進一步，成為介隔著電感L1、L2之串聯體的連接點P2所抽出之電壓。亦即，進行把電容側作為前段，把電感側作為後段之變壓。在此，推定輸入電壓大概是輸出成1/4。接著，此時，藉由發明者的實驗進行確認。
圖5，上為表示對變壓裝置1之輸入電壓、下 為表示對輸入電流之波形圖。
圖6為分別表示在變壓的中間階段之電壓Vm、電流Im之波形圖。這個在實際上，是藉由切換所致之脈衝流所構成，作為全體成為圖示般的波形。
還有，圖7，上為表示來自變壓裝置1的輸出電壓、下為表示輸出電流之波形圖。經由圖5、圖7的對比可以明瞭，電壓變壓成1/4，伴隨於此，電流變成4倍。
<組合之例示>
圖8為組合了分布常數電路所成之變壓裝置100、與圖2所示之變壓裝置1之電路圖。圖中，在圖2所示之變壓裝置1中的電容段、與電感段之間，介插著變壓裝置100。如此，經由組合2種類的變壓裝置1、100之變壓功能，可以設計廣範圍的變壓比。
該場合，變壓裝置1乃是如前述般，例如是以1MHz進行切換之電路。以在這樣的電路內介插有變壓裝置100的方式，可以利用有以例如1MHz之高頻進行切換的環境，來活用分布常數型之變壓裝置100。
還有，即便交流電源2暫時置換成直流電源，於變壓裝置100，因為輸入有變壓裝置1的前段的切換所致之切換波形的緣故，是可以使用。
尚且，應考慮到此次揭示之實施方式係全部的特點皆為例示而並非為有所限制者。本發明的範圍是根據申請專利範圍而表示，其意圖是包含到與申請專利範圍 均等之意涵及在範圍內之全部的變更。

Claims (5)

  1. 一種變壓裝置，乃是設在頻率f的交流電源、與電阻值R之負載之間之分布常數型的變壓裝置；其特徵為：把頻率f之波長作為λ，具備有：第1變換器，其係連接前述交流電源，從輸入端到輸出端為止的長度為λ/4，構成特性阻抗為Zc1的第1分布常數電路；以及第2變換器，其係從連接前述第1變換器的輸出端、到連接前述負載為止的長度為λ/4，構成特性阻抗為Zc2的第2分布常數電路；從前述第1變換器的輸入端所見之阻抗Zin，為Zin=(Zc1 2/Zc2 2)‧R。
  2. 一種變壓裝置，包含：進行切換的電路、以及被介插在該電路內之如請求項1之變壓裝置。
  3. 如請求項1之變壓裝置，其中，前述第1變換器及前述第2變換器，係藉由纜線所構成。
  4. 如請求項3之變壓裝置，其中，前述纜線，係與配電線之電力纜線一體化。
  5. 如請求項3或4之變壓裝置，其中，前述交流電源的頻率，係至少為1MHz。
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