WO2012120744A1 - 電圧生成装置、電圧生成方法およびコンデンサ装置 - Google Patents

Abstract

　高圧電力を用いる受電設備のコンデンサ装置において適用され、高度な保護を行うための電子回路用の補助電源を得ることのできる電圧生成装置および電圧生成方法を提供する。　電圧生成装置１０は、電磁誘導によって生じる電圧を取り出すことが可能なコイル部を含み、上記コイル部の一部分を形成する第１配線部１１と、上記コイル部の残りの部分を形成する第２配線部１２とを有している。また、第１配線部１１および第２配線部１２は、それぞれ２箇所のコネクタ部１１ａおよび１２ａを有しており、該コネクタ部によってコイル部を分離および接続が可能となっている。電圧生成装置１０をコンデンサ装置に取り付けるときには、第１配線部１１と第２配線部１２とが分割された状態から、上記コンデンサ装置のリアクトルの鉄心３１を挟み込むようにしてこれらをコネクタ接続する。

Description

電圧生成装置、電圧生成方法およびコンデンサ装置

　本発明は、例えば補助電源用の電圧生成装置および電圧生成方法に関し、特に、高圧電力コンデンサ装置から電圧を生成することが可能な電圧生成装置および電圧生成方法に関する。

　高圧（例えば６．６ｋＶ）の電力を用いる受電設備や施設では、力率を改善する調相設備としてコンデンサ装置を備えることが一般的である。例えば、特許文献１では、コンデンサおよびリアクトルの直列共振回路からなるコンデンサ装置が開示されている。

　上記コンデンサ装置は、経年劣化等によって生じる異常を検出する機能を有する必要がある。従来、特に小容量のコンデンサ装置では、バイメタルによる温度接点や、圧力接点やヒューズのような、外部から電力供給の必要が無い、電子回路によらない、自己完結型の、安価でシンプルな動作原理の異常検出手段が好んで用いられていた。このようなコンデンサ装置は、例えば特許文献２や特許文献３において開示されている。

　上記のような自己完結型の異常検出手段を用いた場合、コンデンサ内の圧力や温度が限度値を超えたときにこれを検知し、この検知に基づいて大元の電源からコンデンサ装置を遮断するといった制御が行われる。

　また、近年では、システムのインテリジェント化およびスマート化への要求が高くなっており、コンデンサ装置の保護においてもより高度な制御を行いたいといった要求がある。この場合は、コンデンサ装置の異常状態を複数の段階で検出し、検出された異常状態の段階に応じて異なる制御を行う。このような高度な保護を行うためには、コンデンサ装置の状態を示す状態信号を受信し、その状態信号から異常状態を判断する電子回路が別途必要となる。

日本国特開２００１－３４６３３１号公報 日本国実公平６－２７９４１号公報 日本国特開２００５－４５１５５号公報

　しかしながら、コンデンサ装置において、電子回路を用いたより高度な保護を行おうとする場合には、上記電子回路に対する動作電源の供給の問題がある。これは以下の理由による。

　小容量の電力コンデンサ装置では、コスト要求が厳しく、外部から電源供給を行うことはコスト上昇に繋がるため敬遠されるといった背景がある。また、小容量の電力コンデンサ装置は殆どメンテナンスされることなく十年以上の設備寿命をもち、しかも装置内は５０℃以上の温度になるため、電源として電池を用いることも極めて困難である。このため、高圧電力を用いる受電設備のコンデンサ装置では、高度な保護を行うための電子回路を搭載しようとすると、その電子回路のための僅かな補助電源を得ることが困難であるのが現状である。

　本願発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高圧電力を用いる受電設備のコンデンサ装置において適用され、高度な保護を行うための電子回路用の補助電源を得ることのできる電圧生成装置および電圧生成方法を提供することを目的とする。

　本発明の電圧生成装置は、上記の課題を解決するために、コンデンサおよびリアクトルの直列共振回路を含むコンデンサ装置から電圧を生成する電圧生成装置であって、上記リアクトルによって生じる磁界から、電磁誘導によって起電力を生じさせるコイル部を含み、上記コイル部は、少なくとも１箇所で該コイル部を分離および接続が可能なコネクタ部を有していることを特徴としている。

　上記の構成によれば、上記コイル部は、上記リアクトルの鉄心の周りに配置された場合、上記鉄心に生じる交流磁界から、電磁誘導の作用を受けて交流起電力を発生させる。上記コイル部に生じた交流電流を整流および平滑化すれば、上記コンデンサ装置の保護制御を行う電子回路の電源電圧として使用することが可能となる。

　また、上記コイル部は、少なくとも１箇所でコネクタ部を有しており、該コネクタ部が分離された状態で上記リアクトルの鉄心を挟み込むように配置され、その後、上記コネクタ部を接続することで、上記リアクトルの鉄心を取り囲んで配置することが容易となる。このため、上記コイル部を含む電圧生成装置は、既存のコンデンサ装置に対して、何ら影響を与えることなく容易に取り付け可能であり、電子回路用の電源電圧を容易に取り出すことができる。

　また、上記電圧生成装置では、上記コイル部は、少なくとも２箇所以上の上記コネクタ部を有しており、上記コイル部は、上記コイル部の一部を形成する複数の配線部に分割可能である構成とすることができる。

　上記の構成によれば、上記コイル部は、複数の配線部に分割可能であることから、これらの配線部を、例えばプリント基板等の可撓性の無い部材で形成した場合であっても、既存のコンデンサ装置に対してコイル部を取り付けることが容易となる。

　また、本発明の電圧生成方法は、上記の課題を解決するために、コンデンサおよびリアクトルの直列共振回路を含むコンデンサ装置から電圧を生成する電圧生成方法であって、上記リアクトルにおいて発生する磁界の存在領域にコイル部を配置し、上記磁界の作用による電磁誘導によって上記コイル部に生じる起電力を取り出すことで電圧を生成することを特徴としている。

　上記の構成によれば、上記コイル部は、上記リアクトルにおいて生じる交流磁界から、電磁誘導の作用を受けて交流起電力を発生させる。上記コイル部に生じた交流電流を整流および平滑化すれば、上記コンデンサ装置の保護制御を行う電子回路の電源電圧として使用することが可能となる。

　また、上記電圧生成方法では、上記コイル部は、少なくとも１箇所で該コイル部を分離および接続が可能なコネクタ部を有しており、上記コイル部は、上記コネクタ部が分離された状態で上記リアクトルの鉄心を挟み込むように配置され、その後、上記コネクタ部を接続することで、上記リアクトルの鉄心を取り囲んで配置される構成とすることができる。

　また、上記コイル部は、上記コネクタ部が分離された状態で上記リアクトルの鉄心を挟み込むように配置され、その後、上記コネクタ部を接続することで、上記鉄心に対して容易に取り付けられる。このため、上記コイル部を含む電圧生成装置は、既存のコンデンサ装置に対して、何ら影響を与えることなく容易に取り付け可能であり、電子回路用の電源電圧を容易に取り出すことができる。

　また、上記電圧生成方法では、上記リアクトルの鉄心は接地電位を有しており、上記コイル部は、リアクトルの鉄心表面から５ｍｍ以内の領域に沿って配置されることが好ましい。これにより、上記コイル部が接地電位部材に近接して配置され、リアクトルの主回路の絶縁性能に影響を与えずに取り付けることができる。

　また、本発明のコンデンサ装置は、上記の課題を解決するために、コンデンサおよびリアクトルの直列共振回路を含むコンデンサ装置であって、上記リアクトルの鉄心には、上記直列共振回路を構成するための主コイルとは別に、補助電源用コイルが巻回されていることを特徴としている。

　上記の構成によれば、上記補助電源用コイルは、上記リアクトルにおいて生じる交流磁界から、電磁誘導の作用を受けて交流起電力を発生させる。上記補助電源用コイルに生じた交流電流を整流および平滑化すれば、上記コンデンサ装置の保護制御を行う電子回路の電源電圧として使用することが可能となる。

　本発明の電圧生成装置は、コンデンサおよびリアクトルの直列共振回路を含むコンデンサ装置から電圧を生成する電圧生成装置であって、上記リアクトルによって生じる磁界から、電磁誘導によって起電力を生じさせるコイル部を含み、上記コイル部は、少なくとも１箇所で該コイル部を分離および接続が可能なコネクタ部を有している構成である。

　それゆえ、上記コイル部は、上記リアクトルの鉄心の周りに配置されることで、上記鉄心に生じる交流磁界から、電磁誘導の作用を受けて交流起電力を発生させる。この交流起電力を電子回路用の電源電圧として使用することで、外部から電源供給を行うことなく、コンデンサ装置に対して電子回路を用いた高度な保護を行うことができるといった効果を奏する。

　また、上記コイル部は、少なくとも１箇所でコネクタ部を有しているため、既存のコンデンサ装置に対して、何ら影響を与えることなく容易に取り付け可能であるといった効果を奏する。

本発明の実施形態に係る電圧生成装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る電圧生成装置を取り付け可能なコンデンサ装置の概略構成を示す回路図である。 上記コンデンサ装置に含まれるリアクトルの概略構造を示す斜視図である。

　以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

　〔実施形態１〕
　本実施形態１では、既存のコンデンサ装置に対して簡易に取り付け可能であり、該コンデンサ装置から補助電源用の電圧を取り出すことのできる電圧生成装置および電圧生成方法を説明する。まずは、本実施形態１に係る電圧生成装置を取り付け可能なコンデンサ装置について簡単に説明する。

　本実施形態１に係る電圧生成装置を取り付け可能なコンデンサ装置は、図２に示すように、コンデンサ２０およびリアクトル３０の直列共振回路を含むコンデンサ装置である。リアクトル３０は、コイルと、コイルに電流が流れたときに発生する磁界を増強するための鉄心とを有している。リアクトル３０の概略構造を図３に示す。

　本実施形態１に係る電圧生成装置は、リアクトル３０において発生する磁界の存在領域に配置されるコイル部を有し、磁界の作用による電磁誘導によってコイル部に生じる起電力を取り出す。すなわち、リアクトル３０はコンデンサ２０と共に共振回路を構成するため、リアクトル３０のコイルに流れる電流は交流であり、発生する磁界も交流磁界である。この交流磁界の磁束がその内部を貫くようにコイルが配置されると、そのコイルには電磁誘導によって交流起電力が発生する。

　本実施形態１に係る電圧生成装置におけるコイル部は、原理的には、リアクトル３０のコイルによって発生する磁界の存在領域であれば、どこに配置されていてもよい。但し、リアクトル３０の鉄心３１には高密度の磁束が発生するため、鉄心３１の周囲にコイル部を配する構造とすることが好ましい。こうすれば、簡易なコイルで大きな起電力を得ることができ、最も実用的である。このため、本実施形態１では、リアクトル３０の鉄心３１の周囲にコイル部を配する構造の電圧生成装置を説明する。

　図１は、本実施形態１に係る電圧生成装置１０の要部構成を示す図である。電圧生成装置１０は、コイルの一部分を形成する第１配線部１１とコイルの残りの部分を形成する第２配線部１２とを有する。また、第１配線部１１および第２配線部１２は、それぞれ２箇所のコネクタ部１１ａおよび１２ａを有しており、該コネクタ部によってコイル部を分離および接続が可能となっている。第１配線部１１および第２配線部１２は、２箇所でコネクタ部１１ａおよび１２ａ同士を接続することによって電圧生成装置１０のコイル部を構成する。コイル部を構成する配線両端は外部に引き出され、電磁誘導によって該コイル部に生じる電圧を取り出すことが可能となっている。

　電圧生成装置１０をコンデンサ装置に取り付けるときには、第１配線部１１と第２配線部１２とが分割された状態から、リアクトル３０の鉄心３１を挟み込むようにしてこれらをコネクタ接続する。これにより、鉄心３１の周囲に電圧生成装置１０のコイル部が形成され、上述した原理によって該コイル部に起電力が発生する。発生した起電力は、整流回路１３で整流し、平滑化すれば、コンデンサ装置の保護制御を行う電源回路用の補助電源として用いることが十分可能である。整流回路１３には、周知の構成の整流回路を用いることができる。尚、整流回路１３は、電圧生成装置１０に含まれても良く、あるいは外部接続されても良い。

　このように、電圧生成装置１０は、コネクタ部によって分割可能としたコイル部をリアクトル３０の鉄心３１の周囲に配置し、該コイル部に発生する誘電電流を電子回路用の補助電源として利用可能にする。電圧生成装置１０は、既存のコンデンサ装置に対して簡易に取り付けることができ、リアクトル３０における絶縁性能を確保するための形状や製造（成形）過程に影響を与えない。

　第１配線部１１および第２配線部１２における配線部分にプリント基板を用い、コネクタ部１１ａおよび１２ａに多芯コネクタを用いれば、電圧生成装置１０は容易に形成できる。また、配線基板にプリント基板を用いた電圧生成装置１０は、コイル部の各巻回が、鉄心の径方向に並ぶため、その厚さ（鉄心の軸方向の厚さ）を２～３ｍｍ程度に薄くできる。

　一般的な高圧電力コンデンサ装置では、リアクトル３０のコイルにも高圧電流が流れるため、当然ながら高い絶縁性が要求される。このため、リアクトル３０におけるコイルは絶縁的にモールドされており、このモールド部の下部から鉄心３１の下端までの隙間（図３参照）Ｄ１は２０～３０ｍｍ程度の狭い隙間となっている。電圧生成装置１０は、上記隙間Ｄ１に配置されるが、電圧生成装置１０の厚さが２～３ｍｍ程度の薄さであれば、上記隙間Ｄ１に配置することも容易である。

　また、図１の構成では、電圧生成装置１０は２箇所のコネクタ接続を有しており、２つのパートに分割できるようになっているが、コネクタ接続を１箇所として、コイルを分割できずとも開放できる構成としても良い。この場合は、コイル部の配線に例えばフラットケーブルを用いコイル部に可撓性を与える。これにより、コネクタ接続を外した状態でフラットケーブルを鉄心３１に巻き付け、その後コネクタを接続することで電圧生成装置のコイル部が形成される。この構成では、コイル部の配線にプリント基板を用いる場合に比べ、鉄心の軸方向の幅が若干増加するが、コネクタ部を減らすことで電圧生成装置のコスト削減が期待できる。あるいは、巻き付けやすいようにコネクタ接続箇所をさらに増やし、３つ以上のパートに分割できるような構成でも良い。

　本実施形態１に係る電圧生成装置においては、電圧生成装置のコイル部が接地電位部材に近接して配置されると、リアクトルの主回路の絶縁性能に影響を与えずに取り付けることができるため好ましい。通常、リアクトルの鉄心は接地電位とされている。このため、コイル部の配線は、リアクトルの鉄心表面から５ｍｍ以内の領域に沿って配置されることが好ましい（Ｌ１≦５ｍｍ：図１参照）。

　さらに、電圧生成装置のコイル部は、接地された導体にて静電シールドされる構成としても良い。これによっても、リアクトルの主回路の絶縁性能に影響を与えずに電圧生成装置を取り付けることができる。

　尚、高圧電力を用いる受電設備では、３相交流が用いられることが多く、この場合、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の電流のそれぞれに対してリアクトルを設けることができる。図１に示す電圧生成装置１０は、これら３つの相の少なくとも一つ（例えばＵ相）のリアクトルの鉄心に取り付けられても良い。あるいは、３つの相のうち、２相または３相に電圧生成装置のコイル部が取り付けられても良い。２相または３相に電圧生成装置を取り付ける場合には、整流回路もそれに対応したものとする必要がある。尚、そのような整流回路においても、周知の構成の整流回路を用いることができる。

　実際に図１の構成の電圧生成装置を用いて補助電源用電圧の生成を行った。このとき、リアクトルの鉄心の断面積は２０ｃｍ^２ 、鉄心に生じる磁束密度は約１テスラ（ｒｍｓ）、電圧生成装置のコイル部の巻き数は１０ターンである。その結果、１ターンで０．６Ｖｒｍｓの起電力が得られ、１０ターンでは６．０Ｖｒｍｓとなる。整流回路では、これを全波整流し、電解コンデンサで平滑化し、３端子レギュレータで５Ｖを得た。この直流５Ｖの電源電圧は、コンデンサ装置の保護の高度化およびスマート化を行う電子回路を駆動するには十分な電圧である。

　〔実施形態２〕
　上記実施形態１では、既存のコンデンサ装置から補助電源電圧を取り出すことを重要な前提としているため、コンデンサ装置に後付けされる電圧生成装置として示されている。

　しかしながら、今後新たに製造される受電設備においては、補助電源の提供手段として本発明の電圧生成装置を予め搭載したコンデンサ装置として本発明を実現することも可能である。

　すなわち、本実施形態２に係るコンデンサ装置では、リアクトルの鉄心に主回路用のコイル（コンデンサと共に直列共振回路を構成するための主コイル）とは別に、予め補助電源用コイルを巻回しておき、この補助電源用コイルによって生成される電圧を補助電源とすることができる。補助電源用コイルと主回路用のコイルとは互いに絶縁される必要はあるが、この絶縁性能を得るにあたって従来からの形状や製造（成形）工程に特に影響を与えることはない。このため、上記補助電源用コイルはコンデンサ装置において容易に搭載可能である。

　本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

　本出願は、２０１１年３月８日に提出された日本国特許出願（特願２０１１－０５０６２７）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

　本発明は、高圧電力コンデンサ装置から電圧を生成することができ、例えばコンデンサの保護を行う電子回路用の補助電源に利用することができる。

　１０　電圧生成装置
　１１　第１配線部（配線部）
　１１ａ　コネクタ部
　１２　　第２配線部（配線部）
　１２ａ　コネクタ部
　１３　　整流回路
　２０　　コンデンサ
　３０　　リアクトル
　３１　　鉄心

Claims (6)

1. 　コンデンサおよびリアクトルの直列共振回路を含むコンデンサ装置から電圧を生成する電圧生成装置であって、
   　上記リアクトルによって生じる磁界から、電磁誘導によって起電力を生じさせるコイル部を含み、
   　上記コイル部は、少なくとも１箇所で該コイル部を分離および接続が可能なコネクタ部を有していることを特徴とする電圧生成装置。
2. 　上記コイル部は、少なくとも２箇所以上の上記コネクタ部を有しており、
   　上記コイル部は、上記コイル部の一部を形成する複数の配線部に分割可能であることを特徴とする請求項１に記載の電圧生成装置。
3. 　コンデンサおよびリアクトルの直列共振回路を含むコンデンサ装置から電圧を生成する電圧生成方法であって、
   　上記リアクトルにおいて発生する磁界の存在領域にコイル部を配置し、上記磁界の作用による電磁誘導によって上記コイル部に生じる起電力を取り出すことで電圧を生成することを特徴とする電圧生成方法。
4. 　上記コイル部は、少なくとも１箇所で該コイル部を分離および接続が可能なコネクタ部を有しており、
   　上記コイル部は、上記コネクタ部が分離された状態で上記リアクトルの鉄心を挟み込むように配置され、その後、上記コネクタ部を接続することで、上記リアクトルの鉄心を取り囲んで配置されることを特徴とする請求項３に記載の電圧生成方法。
5. 　上記リアクトルの鉄心は接地電位を有しており、
   　上記コイル部は、リアクトルの鉄心表面から５ｍｍ以内の領域に沿って配置されることを特徴とする請求項４に記載の電圧生成方法。
6. 　コンデンサおよびリアクトルの直列共振回路を含むコンデンサ装置であって、
   　上記リアクトルの鉄心には、上記直列共振回路を構成するための主コイルとは別に、補助電源用コイルが巻回されていることを特徴とするコンデンサ装置。

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