(57)【要約】【課題】鉄共振現象自体を表す鉄心の磁束飽和現象を検出でき、鉄共振現象を速やかに且つ効率的に抑制できる鉄共振抑制装置及びそれを備えた電圧変成器を提供する。【解決手段】鉄共振抑制装置は、鉄心並びに当該鉄心に巻回された１次巻線及び２次巻線を有するトランス２００の１次巻線に流れる電流を検出する電流検出部１０２と、電流検出部により検出された電流から生成された電圧を整流且つ平滑して直流電圧として出力する整流部１０４と、整流部から出力される直流電圧から鉄心の飽和の発生を検出する比較部１０６と、比較部により飽和の発生が検出されたことを受けて、２次巻線の両端を抵抗Ｒ２を介して短絡させるスイッチング素子１０６及びリレー部１１０とを含む。これにより、鉄心の磁束飽和現象を検出でき、鉄共振現象を抑制できる。【選択図】図１
2020156271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄心及び当該鉄心に巻回された１次巻線及び２次巻線を有するトランスにおける鉄共振現象を抑制するための鉄共振抑制装置であって、
前記１次巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出された電流を電圧に変換した後、整流且つ平滑して直流電圧として出力する直流電圧生成手段と、
前記直流電圧生成手段から出力される前記直流電圧から前記鉄心の飽和の発生を検出する鉄心飽和検出手段と、
前記鉄心飽和検出手段により前記飽和の発生が検出されたことを受けて、前記２次巻線の両端を、抵抗を介して短絡させる短絡手段とを含むことを特徴とする鉄共振抑制装置。
【請求項２】
鉄心及び当該鉄心に巻回された１次巻線及び２次巻線を有するトランスにおける鉄共振現象を抑制するための鉄共振抑制装置であって、
前記１次巻線に流れる電流を検出する第１電流検出手段と、
前記２次巻線に流れる電流を検出する第２電流検出手段と、
前記第１電流検出手段により検出された電流と前記第２電流検出手段により検出された電流とを減算して得られる電流を出力する減算手段と、
前記減算手段から出力される電流を電圧に変換した後、整流且つ平滑して直流電圧として出力する直流電圧生成手段と、
前記直流電圧生成手段から出力される前記直流電圧から前記鉄心の飽和の発生を検出する鉄心飽和検出手段と、
前記鉄心飽和検出手段により前記飽和の発生が検出されたことを受けて、前記２次巻線の両端を、抵抗を介して短絡させる短絡手段とを含むことを特徴とする鉄共振抑制装置。
【請求項３】
鉄心及び当該鉄心に巻回された１次巻線及び２次巻線を有するトランスにおける鉄共振現象を抑制するための鉄共振抑制装置であって、
前記１次巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記２次巻線の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電流検出手段により検出された電流から基本波電流及び複数の分数調波電流の各々を抽出する第１抽出手段と、
前記電圧検出手段により検出された電圧から基本波電圧及び複数の分数調波電圧の各々を抽出する第２抽出手段と、
前記基本波電流及び前記複数の分数調波電流の各々に関して、前記基本波電圧及び前記複数の分数調波電圧の内の対応する電圧の位相に対して９０度遅れた位相の電流成分を特定する電流成分特定手段と、
前記電流成分特定手段により前記基本波電流及び前記複数の分数調波電流の各々に関して特定された前記電流成分の全てから実効値電流を生成する実効値電流生成手段と、
前記実効値電流から前記鉄心の飽和の発生を検出する鉄心飽和検出手段と、
前記鉄心飽和検出手段により前記飽和の発生が検出されたことを受けて、前記２次巻線の両端を、抵抗を介して短絡させる短絡手段とを含むことを特徴とする鉄共振抑制装置。
【請求項４】
前記複数の分数調波電流は、少なくとも１／２調波電流、１／３調波電流、１／５調波電流を含み、
前記複数の分数調波電圧は、少なくとも１／２調波電圧、１／３調波電圧、１／５調波電圧を含むことを特徴とする、請求項３に記載の鉄共振抑制装置。
【請求項５】
鉄心及び当該鉄心に巻回された１次巻線及び２次巻線を有するトランスと、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の鉄共振抑制装置とを含み、
前記鉄共振抑制装置は、前記トランスにおける鉄共振現象を抑制することを特徴とする電圧変成器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電線又は電力設備において電圧を測定するための電圧変成器における鉄共振現象を抑制するための鉄共振抑制装置及びそれを備えた電圧変成器に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄心を有する電力機器（変圧器、電圧変成器等）は、励磁インダクタンスＬを有す。一方、回路系には静電容量Ｃが共存している回路であるために、回路の開放及び接続時（遮断器等の開閉時）に、その過渡現象のため、励磁インダクタンスＬを構成する鉄心が一時的に磁気飽和し、Ｌ−Ｃ間でエネルギー授受が起き、その振動が持続して、異常音の発生、過熱による焼損、絶縁破壊等を引き起こすことがある。この現象は鉄共振現象として知られている。鉄共振現象は、鉄心の飽和現象を起点とする電気的擾乱現象である。
【０００３】
下記非特許文献１には、図５に示すように、鉄共振現象が、ａ：基本波過電圧モード（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  ｍｏｄｅ）、ｂ：分数調波モード（Ｓｕｂｈａｒｍｏｎｉｃ  ｍｏｄｅ）、ｃ：準周期モード（Ｑｕａｓｉ−ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ｍｏｄｅ）、ｄ：カオテックモード（Ｃｈａｏｔｉｃ  ｍｏｄｅ）の４つのパターンに分類されることが開示されている。基本波過電圧モードは、基本波の振幅が大きくなり、３次、５次等の高調波が重畳した振動モードである。分数調波モードは、基本波に大きな分数調波（１／ｎ調波）の振動が加わった振動モードである。１／ｎ調波は、ｎを正の整数として、周波数が基本波の周波数の１／ｎ倍（周期が基本波の周期のｎ倍）である波を意味する。準周期モードは、２つの周波数の各々の整数倍の周波数間の差分周波数をもつ振動モードである。カオテックモードは、周期の特定が困難であり、カオス的な挙動をする振動モードである。
【０００４】
鉄共振現象の対策として、例えば下記非特許文献２には、可飽和リアクトルを用いた回路構成が開示されている。具体的には、図６を参照して、直列接続の可飽和リアクトル９０２及び低抵抗値の抵抗９０４を、電圧変成器９００の２次側巻線に並列に接続する。鉄共振現象が発生すると、発生した電圧により可飽和リアクトル９０２を飽和させ、発生した電流を抵抗９０４に流して共振エネルギーを吸収する。これにより、鉄共振現象は抑制される。
【０００５】
また、下記特許文献１には、分数調波モードへの対策が開示されている。即ち、計器用変成器の２次側に、鉄共振特有の１／３調波、１／５調波及び基本波の過電圧を検出する回路を設け、この回路により鉄共振現象を検出して補助リレーを駆動し、低抵抗の負荷により共振エネルギーを吸収する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−３８８２９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ph. Ferracci, “Ferroresonance”, Cahiertechnique n° 190, ［平成３１年３月１日検索］、インターネット＜URL：http://www.studiecd.dk/cahiers_techniques/Ferroresonance.pdf＞
【非特許文献２】小島広稔，久保敏裕，中島宗一，黒田和宏，「ガスVTの鉄共振現象の解析と対策」，日新電機技報Ｖｏｌ．５６，Ｎｏ．２（２０１１．１１），ＰＰ．３７−４２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、非特許文献２及び特許文献１に開示されている対策は、いずれも鉄共振現象の結果として生じる変成器の２次電圧の代表的擾乱に的を絞って対策するものであり、鉄心飽和現象自体を捉えて対策するものではない。したがって、想定外の現象が発生した場合に対応できず、依然として誤動作、焼損等が生じる可能性がある。例えば、可飽和リアクトルを使用する場合、状況によっては可飽和リアクトルが十分に飽和せず、鉄共振現象が継続する可能性がある。
【０００９】
したがって、本発明は、鉄共振現象自体を表す鉄心の磁束飽和現象を検出でき、鉄共振現象を速やかに且つ効率的に抑制できる鉄共振抑制装置及びそれを備えた電圧変成器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の局面に係る鉄共振抑制装置は、鉄心及び当該鉄心に巻回された１次巻線及び２次巻線を有するトランスにおける鉄共振現象を抑制するための鉄共振抑制装置であって、１次巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、電流検出部により検出された電流を電圧に変換した後、整流且つ平滑して直流電圧として出力する直流電圧生成部と、直流電圧生成部から出力される直流電圧から鉄心の飽和の発生を検出する鉄心飽和検出部と、鉄心飽和検出部により飽和の発生が検出されたことを受けて、２次巻線の両端を、抵抗を介して短絡させる短絡部とを含む。
【００１１】
これにより、トランスを有する電圧変成器等において発生する鉄共振現象自体を表す鉄心の磁束飽和現象を検出でき、鉄共振現象を速やかに且つ効率的に抑制できる。
【００１２】
本発明の第２の局面に係る鉄共振抑制装置は、鉄心及び当該鉄心に巻回された１次巻線及び２次巻線を有するトランスにおける鉄共振現象を抑制するための鉄共振抑制装置であって、１次巻線に流れる電流を検出する第１電流検出部と、２次巻線に流れる電流を検出する第２電流検出部と、第１電流検出部により検出された電流と第２電流検出部により検出された電流とを減算して得られる電流を出力する減算部と、減算部から出力される電流を電圧に変換した後、整流且つ平滑して直流電圧として出力する直流電圧生成部と、直流電圧生成部から出力される直流電圧から鉄心の飽和の発生を検出する鉄心飽和検出部と、鉄心飽和検知部により飽和の発生が検出されたことを受けて、２次巻線の両端を、抵抗を介して短絡させる短絡部とを含む。これにより、トランスを有する電圧変成器等において発生する鉄共振現象自体を表す鉄心の磁束飽和現象を検出でき、鉄共振現象を速やかに且つ効率的に抑制できる。
【００１３】
本発明の第３の局面に係る鉄共振抑制装置は、鉄心及び当該鉄心に巻回された１次巻線及び２次巻線を有するトランスにおける鉄共振現象を抑制するための鉄共振抑制装置であって、１次巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、２次巻線の電圧を検出する電圧検出部と、電流検出部により検出された電流から基本波電流及び複数の分数調波電流の各々を抽出する第１抽出部と、電圧検出部により検出された電圧から基本波電圧及び複数の分数調波電圧の各々を抽出する第２抽出部と、基本波電流及び複数の分数調波電流の各々に関して、基本波電圧及び複数の分数調波電圧の内の対応する電圧の位相に対して９０度遅れた位相の電流成分を特定する電流成分特定部と、電流成分特定部により基本波電流及び複数の分数調波電流の各々に関して特定された電流成分の全てから実効値電流を生成する実効値電流生成部と、実効値電流から鉄心の飽和の発生を検出する鉄心飽和検出部と、鉄心飽和検出部により飽和の発生が検出されたことを受けて、２次巻線の両端を、抵抗を介して短絡させる短絡手段とを含む。これにより、トランスを有する電圧変成器等において発生する鉄共振現象自体を表す鉄心の磁束飽和現象を検出でき、鉄共振現象を速やかに且つ効率的に抑制できる。
【００１４】
好ましくは、複数の分数調波電流は、少なくとも１／２調波電流、１／３調波電流及び１／５調波電流を含み、複数の分数調波電圧は、少なくとも１／２調波電圧、１／３調波電圧及び１／５調波電圧を含む。これにより、分数調波モードでの鉄心の磁束飽和現象を検出することができ、分数調波モードでの鉄共振現象を抑制できる。
【００１５】
本発明の第４の局面に係る電圧変成器は、鉄心及び当該鉄心に巻回された１次巻線及び２次巻線を有するトランスと、上記の鉄共振抑制装置とを含み、鉄共振抑制装置は、トランスにおける鉄共振現象を抑制する。これにより、鉄共振現象自体を表す鉄心の磁束飽和現象を検出でき、鉄共振現象を速やかに且つ効率的に抑制できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電圧変成器において発生する鉄共振現象自体の本質を表す鉄心の磁束飽和現象を検出でき、鉄共振現象を速やかに且つ効率的に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電圧変成器の概略構成を示す回路図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る電圧変成器の概略構成を示す回路図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る電圧変成器の概略構成を示す回路図である。
【図４】図３の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図５】鉄共振現象の分類を示すグラフである。
【図６】従来の電圧変成器における鉄共振対策の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の実施形態では、同一の部品には同一の参照番号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１９】
（第１実施形態）
図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る電圧変成器は、トランス２００と鉄共振抑制部１００と直流電源１１４とを備えている。トランス２００は電圧変成器の本体を構成するトランスである。直流電源１１４は、鉄共振抑制部１００を構成する素子に所定電圧を供給するための電源である。
【００２０】
鉄共振抑制部１００は、電流検出部１０２、整流部１０４、比較部１０６、スイッチング素子１０８、リレー部１１０、定電圧電源１１２、抵抗Ｒ１及びＲ２、並びに、平滑コンデンサＣ１を含む。電流検出部１０２は、トランス２００の１次巻線に流れる電流を検出する。電流検出部１０２は、例えばクランプ型又は分割型の変流器（以下、ＣＴともいう）である。電流検出部１０２の一端は、接地され、他端は抵抗Ｒ１の一端及び整流部１０４の入力端子に接続されている。
【００２１】
抵抗Ｒ１は、電流検出部１０２により検出された電流（交流）を電圧（交流）に変換するためのものである。即ち、抵抗Ｒ１の一端の交流電圧Ｖ０が整流部１０４の入力端子に入力される。
【００２２】
整流部１０４は、入力される交流電圧Ｖ０を整流して、出力端子から出力する。整流部１０４を動作させるための電圧は直流電源１１４から供給される。整流部１０４には、公知の整流回路を使用できる。例えば、全波整流回路（例えば、４つのダイオードによるブリッジ回路）を使用することが好ましいが、半波整流回路であってもよい。なお、整流部１０４がダイオードのみを用いて構成される場合には、直流電源１１４からの電圧供給は不要である。
【００２３】
整流部１０４の出力端子は、平滑コンデンサＣ１を介して接地されている。また、整流部１０４の出力端子は比較部１０６の一方の入力端子に接続されている。平滑コンデンサＣ１は、整流部１０４により整流された電圧を平滑し、一定の直流電圧Ｖ１を生成するためのものである。
【００２４】
定電圧電源１１２は、所定の直流電圧Ｖ２を比較部１０６の他方の入力端子に供給する。比較部１０６は、入力される直流電圧Ｖ１及びＶ２を比較し、Ｖ１≧Ｖ２であれば、所定の大きさの直流電圧Ｖ３を出力する。これにより、リレー部１１０が駆動する。比較部１０６は、例えば、半導体ＩＣのコンパレータにより実現できる。比較部１０６をオペアンプにより実現してもよい。比較部１０６を動作させるための電圧は直流電源１１４から供給される。定電圧電源１１２が供給する直流電圧Ｖ２は、トランス２００の通常の動作状態（鉄共振現象が発生していない状態）において、整流部１０４から出力される直流電圧Ｖ１よりも大きい値に設定されている。ここでスイッチング素子１０８はリレー部１１０を駆動するためのものであるが、比較部１０６にリレー部１１０の駆動能力があれば、スイッチング素子１０８を設けずに直接駆動も可能である。
【００２５】
スイッチング素子１０８は、比較部１０６の出力端子に接続され、比較部１０６の出力端子の電圧レベルによりオン／オフ制御される。スイッチング素子１０８はリレー部１１０と接地との間に接続され、オンすると、リレー部１１０を接地する。スイッチング素子１０８は、例えばＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）により実現できる。その場合、比較部１０６の出力端子は、ＦＥＴのゲートに接続される。
【００２６】
リレー部１１０は、例えば公知のリレーであり、内部接点をオンさせるためのコイルはスイッチング素子１０８及び直流電源１１４の間に接続されている。内部接点の一方の端子は抵抗Ｒ２に接続され、他方の端子は接地されている。抵抗Ｒ２のリレー部１１０に接続されていない端子は、トランス２００の出力ラインに接続されている。抵抗Ｒ２は、抵抗値が小さい抵抗であり、鉄共振現象による共振エネルギーを吸収するためのものである。
【００２７】
鉄共振現象は変成器の鉄心が飽和することにより発生する。このように構成された鉄共振抑制部１００は、鉄共振現象が発生すると、変成器の１次側巻線に過大な電流（励磁電流）が流れるという点に着目して、対策を講じるものである。鉄共振抑制部１００は、鉄共振現象が発生すると、次のように動作する。
【００２８】
トランス２００の１次巻線に流れる過大な飽和時の励磁電流は電流検出部１０２により検出され、検出された電流により抵抗Ｒ１の一端の電圧は上昇し、整流部１０４の入力電圧Ｖ０は高電圧になる。したがって、整流部１０４の出力電圧Ｖ１は、定電圧電源１１２から供給される電圧Ｖ２よりも大きくなり（Ｖ１＞Ｖ２）、比較部１０６はスイッチング素子１０８をオンさせる電圧Ｖ３を出力し、スイッチング素子１０８がオンする。その結果、リレー部１１０内部の接点がオンして、抵抗Ｒ２が接地され、鉄共振現象によりトランス２００の２次巻線に発生した電圧は抵抗Ｒ２に接続（印加）され、電流が流れる。これにより、鉄共振エネルギーが消費され、現象を抑制できる。
【００２９】
鉄共振現象が抑制されると、トランス２００の１次巻線に流れる電流は通常レベルに戻り、鉄共振抑制部１００は通常状態に戻る。即ち、電流検出部１０２により検出される電流値は通常レベルに戻り、整流部１０４の入力電圧及び出力電圧も通常レベルに低下し、比較部１０６の出力電圧が低下してスイッチング素子１０８はオフする。これにより、リレー部１１０内部のコイルに電流が流れなくなり、リレー部１１０内部の接点はオフする。
【００３０】
上記したように、定電圧電源１１２が供給する直流電圧Ｖ２は、鉄心飽和の検出精度に関係し、トランス２００の通常の動作状態において、整流部１０４から出力される直流電圧Ｖ１よりも大きい値に設定されている。即ち、トランス２００の通常の動作状態において、整流部１０４から出力される直流電圧Ｖ１は、負荷変動等により変動するので、通常状態の変動範囲内で、比較部１０６からスイッチング素子１０８がオンする電圧が出力されないように、定電圧電源１１２から供給する直流電圧Ｖ２を設定することが好ましい。
【００３１】
上記では、比較部１０６は、Ｖ１≧Ｖ２であれば、所定の直流電圧Ｖ３を出力する場合を説明したが、これに限定されない。比較部１０６は、入力される電圧Ｖ１及びＶ２の差に応じた出力を出力すればよい。例えば、比較部１０６は、電圧Ｖ１及びＶ２の電圧差（Ｖ１−Ｖ２）を所定の比率で増幅した電圧を出力するようにしてもよい。その場合、比較部１０６の増幅比率を適切に設定することにより、通常状態の電圧差Ｖ１−Ｖ２ではスイッチング素子１０８がオンせず、鉄心飽和が発生したときにスイッチング素子１０８がオンするようにできる。
【００３２】
（第２実施形態）
第１実施形態では、トランス２００の１次巻線の電流値を監視して、鉄心飽和の発生の有無を検出したが、電流検出部１０２の検出信号には、負荷側に起因する電流も含まれる。第２実施形態では、この点に着目して対策を講じる。
【００３３】
図２を参照して、本発明の第２実施形態に係る電圧変成器は、トランス２００と鉄共振抑制部１３０と直流電源１１４とを備えている。トランス２００は電圧変成器の本体を構成するトランスである。直流電源１１４は、鉄共振抑制部１３０を構成する素子に所定電圧を供給するための電源である。
【００３４】
鉄共振抑制部１３０は、電流検出部１０２、整流部１０４、比較部１０６、スイッチング素子１０８、リレー部１１０、定電圧電源１１２、抵抗Ｒ１及びＲ２、並びに、平滑コンデンサＣ１を含む。鉄共振抑制部１３０が、図１の鉄共振抑制部１００と異なるのは、電流検出部１３２及び差分生成部１３４を含む点だけである。鉄共振抑制部１３０のそれ以外の構成は、鉄共振抑制部１００と同じである。したがって、以下においては、重複説明を繰返さず、主として鉄共振抑制部１００と異なる点に関して説明する。
【００３５】
電流検出部１３２は、トランス２００の２次巻線に流れる電流を検出する。電流検出部１３２は、例えばクランプ型又は分割型のＣＴである。電流検出部１３２の一端は接地され、他端は差分生成部１３４の一方の入力端子に接続されている。
【００３６】
差分生成部１３４は、２つの入力端子に入力される信号の差分値を出力する。差分生成部１３４を動作させるための電圧は直流電源１１４から供給される。差分生成部１３４の他方の入力端子には、電流検出部１０２の接地されていない端子が接続されている。差分生成部１３４は、電流検出部１０２から入力される電流Ｉ０及び電流検出部１３２から入力される電流Ｉ１の差（以下、差分電流という）を出力する。このとき、差分生成部１３４は、入力される電流Ｉ０及びＩ１の位相を考慮して差分電流を生成する。即ち、差分生成部１３４は、電流Ｉ０及びＩ１をベクトルとして扱い、それらの差分ベクトルを生成する。これにより、電流検出部１０２により検出された１次電流から負荷電流を除くことができる。具体的にはオペアンプを使った引き算回路等で実現できる。なお、このとき、トランス２００の１次巻線及び２次巻線の巻数比を考慮して、入力される電流Ｉ０及びＩ１の一方のレベルを調整することが必要であることは言うまでもない。
【００３７】
差分生成部１３４の出力端子は、抵抗Ｒ１の接地されていない端子、及び、整流部１０４の入力端子に接続されている。したがって、差分生成部１３４から出力される差分電流は、図１の鉄共振抑制部１００と同様に、抵抗Ｒ１により電圧Ｖ０に変換された後、整流部１０４及び平滑コンデンサＣ１により直流電圧Ｖ１として出力され、比較部１０６に入力される。整流部１０４、比較部１０６、スイッチング素子１０８、リレー部１１０、定電圧電源１１２及び直流電源１１４は第１実施形態と同様に機能する。
【００３８】
このように構成された鉄共振抑制部１３０は、鉄共振現象が発生すると、次のように動作する。即ち、トランス２００の１次巻線に流れる過大な励磁電流（負荷電流を含む）は電流検出部１０２により検出され、トランス２００の２次巻線に流れる電流は電流検出部１３２により検出され、それらの差分電流が差分生成部１３４から出力される。差分生成部１３４から出力される差分電流は、上記したように、負荷電流が除かれた励磁電流に対応する。
【００３９】
差分生成部１３４から差分電流（励磁電流に対応する電流）が出力された後、鉄共振抑制部１３０は鉄共振抑制部１００と同様に動作する。即ち、抵抗Ｒ１の一端の電圧は上昇し、整流部１０４の入力電圧Ｖ０は高電圧になる。したがって、整流部１０４の出力電圧Ｖ１は、定電圧電源１１２から供給される電圧Ｖ２よりも大きくなり（Ｖ１＞Ｖ２）、比較部１０６はスイッチング素子１０８をオンさせる電圧Ｖ３を出力し、スイッチング素子１０８がオンする。その結果、リレー部１１０内部の接点がオンして、抵抗Ｒ２が接地され、鉄共振現象によりトランス２００の２次巻線に発生した電流は抵抗Ｒ２に流れる。これにより、鉄共振現象を抑制できる。
【００４０】
鉄共振現象が抑制されると、トランス２００の１次巻線に流れる電流は通常レベルに戻り、鉄共振抑制部１３０は通常状態に戻る。即ち、電流検出部１０２及び電流検出部１３２により検出される電流値は通常レベルに戻り、差分生成部１３４の出力電流（差分電流）も通常レベルに戻る。したがって、整流部１０４の入力電圧及び出力電圧も通常レベルに低下し、比較部１０６の出力電圧が低下してスイッチング素子１０８はオフし、リレー部１１０内部のコイルに電流が流れなくなり、リレー部１１０内部の接点はオフする。
【００４１】
上記のように、差分生成部１３４が電流Ｉ０及びＩ１をベクトルとして扱い、それらの差分ベクトルを生成することにより、１次電流から負荷電流を除いた励磁電流を導出できる。したがって、鉄心飽和の発生の検出精度が向上し、誤検出を抑制できる。
【００４２】
（第３実施形態）
第１実施形態及び第２実施形態では、励磁電流に含まれる各周波数成分を考慮せず、励磁電流を全体として検出し、鉄心飽和に対する対策を講じている。これに対して、第３実施形態では、励磁電流波形は電圧波形から９０°遅れるという原理に基づき、分数調波モードによる鉄心飽和に対する対策を講じる。
【００４３】
図３を参照して、本発明の第３実施形態に係る電圧変成器は、トランス２００と鉄共振抑制部１５０と直流電源１１４とを備えている。トランス２００は電圧変成器の本体を構成するトランスである。直流電源１１４は、鉄共振抑制部１５０を構成する素子に所定電圧を供給するための電源である。
【００４４】
鉄共振抑制部１５０は、電流検出部１０２、スイッチング素子１０８、リレー部１１０、並びに、抵抗Ｒ２、Ｒ３及びＲ４を含む。鉄共振抑制部１５０が、図１の鉄共振抑制部１００と異なるのは、整流部１０４及び抵抗Ｒ１の代わりに信号処理部１５２、抵抗Ｒ３及びＲ４を含み、比較部１０６、定電圧電源１１２及び平滑コンデンサＣ１を含まない点である。鉄共振抑制部１５０のそれ以外の構成は、鉄共振抑制部１００と同じである。したがって、以下においては、重複説明を繰返さず、主として鉄共振抑制部１００と異なる点に関して説明する。
【００４５】
信号処理部１５２は、２つの入力端子から入力される信号（電圧及び電流）に関して、各々に含まれる基本波成分及び分数調波成分を抽出し、対応する周波数成分について位相差を考慮して、鉄心飽和を検出するために使用する信号を生成する。信号処理部１５２の一方の入力端子には、電流検出部１０２の接地されていない端子が接続されている。これにより、信号処理部１５２の一方の入力端子には、トランス２００の１次巻線に流れる電流Ｉｉｎが入力される。信号処理部１５２の他方の端子には、トランス２００の２次巻線に並列に接続された、直接接続された抵抗Ｒ３及びＲ４の接続ノードが接続されている。これにより、信号処理部１５２の他方の入力端子には、２次巻線の電圧が抵抗Ｒ３及びＲ４の抵抗値で分配されて生成された電圧Ｖｉｎが入力される。信号処理部１５２に入力される電圧Ｖｉｎのレベルは、抵抗Ｒ３及びＲ４の抵抗値の比率を調整することにより適切な値に設定される。
【００４６】
図４を参照して、信号処理部１５２の機能に関して説明する。信号処理部１５２は、ＡＤ変換部３００及び３０２と、抽出部３０４及び３０６と、特定部３０８と、実効値生成部３１０と、検出部３１２と、クロック生成部３１４とを含む。
【００４７】
ＡＤ変換部３００は、入力されるアナログ電圧Ｖｉｎを所定の周波数でサンプリングして、デジタルデータ（時系列データ）を生成する。ＡＤ変換部３００が使用するサンプリングクロックは、クロック生成部３１４から供給される。ＡＤ変換部３０２は、入力されるアナログ電流Ｉｉｎを所定の周波数でサンプリングして、デジタルデータ（時系列データ）を生成する。ＡＤ変換部３０２が使用するサンプリングクロックは、クロック生成部３１４から供給される。クロック生成部３１４は、ＡＤ変換部３００及び３０２に同じサンプリングクロックを入力する。したがって、ＡＤ変換部３００及び３０２は同期して（同じタイミングで）、各々のアナログ入力信号をサンプリングする。
【００４８】
抽出部３０４は、ＡＤ変換部３００から出力される所定時間のデジタルデータ（電圧の時系列データ）を用いて、それに含まれる基本波及び分数調波を抽出する。具体的には、抽出部３０４は、フーリエ変換を実行して、基本波、１／２調波、１／３調波及び１／５調波の電圧成分（以下、それぞれ基本波電圧、１／２調波電圧、１／３調波電圧、及び１／５調波電圧という）を算出する。算出されたフーリエ係数は複素数であり、位相情報を含んでいる。
【００４９】
同様に、３０６は、ＡＤ変換部３０２から出力される所定時間のデジタルデータ（電流の時系列データ）を用いて、それに含まれる基本波及び分数調波を抽出する。具体的には、抽出部３０４は、フーリエ変換を実行して、基本波、１／２調波、１／３調波及び１／５調波の電流成分（以下、それぞれ基本波電流、１／２調波電流、１／３調波電流、及び１／５調波電流という）を算出する。算出されたフーリエ係数は複素数であり、位相情報を含んでいる。
【００５０】
特定部３０８は、抽出部３０４により抽出された、基本波及び分数調波の各々に関するフーリエ係数と、抽出部３０６により抽出された、基本波及び分数調波の各々に関するフーリエ係数とを用いて、対応する同じ周波数のフーリエ係数に関して、電圧成分の位相に対して９０°位相が遅れた電流成分を特定し、その結果を出力する。即ち、基本波電圧（フーリエ係数）の位相に対して、９０°位相が遅れた基本波電流（フーリエ係数）を特定する。１／２調波電圧（フーリエ係数）の位相に対して、９０°位相が遅れた１／２調波電流（フーリエ係数）を特定する。同様にして、１／３調波電流及び１／５調波電流に関しても、電圧の位相に対して、９０°位相が遅れた電流を特定する。
【００５１】
実効値生成部３１０は、特定部３０８により特定された基本波電流、１／２調波電流、１／３調波電流、及び１／５調波電流の成分（フーリエ係数）から、電流の実効値（実効値電流値）を生成して出力する。具体的には、実効値生成部３１０は、特定部３０８から入力される４つのフーリエ係数Ｆ（ｉ）（ｉ＝１〜４）の二乗和平方根（｛ΣＦ（ｉ）２｝１／２（Σはｉに関する加算演算子））を算出し、励磁電流の実効値として出力する。なお、Ｆ（１）〜Ｆ（４）は、それぞれ基本波電流、１／２調波電流、１／３調波電流、及び１／５調波電流のフーリエ係数を表す。
【００５２】
検出部３１２は、これらの処理により得られた実効値電流値を用いレベル判定し、スイッチング素子１０８を駆動し、リレー部１１０を動作させ、負荷抵抗Ｒ２を投入する（通電させる）。即ち、検出部３１２は、実効値電流値と所定値とを比較して鉄心飽和の発生の有無を検出する。検出部３１２は、実効値電流が所定値以上（鉄心飽和の発生）であれば、検出部３１２は、スイッチング素子１０８をオンさせる電圧Ｖ３を出力する。スイッチング素子１０８、リレー部１１０及び直流電源１１４は、第１実施形態と同様に機能する。
【００５３】
このように構成された鉄共振抑制部１５０は、鉄共振現象が発生すると、次のように動作する。即ち、トランス２００の１次巻線に流れる過大な励磁電流（負荷電流を含む）は電流検出部１０２により検出され、トランス２００の２次巻線の電圧に対応する電圧は抵抗Ｒ３及びＲ４を介して検出され、信号処理部１５２により、それらの位相を考慮した電流の実効値に対応する電圧が生成されて出力される。鉄共振現象が発生しているときに、信号処理部１５２から出力される電圧は、過大な励磁電流の実効値に対応する電圧である。
【００５４】
信号処理部１５２から過大な励磁電流の実効値に対応する電圧が出力された後、鉄共振抑制部１５０は鉄共振抑制部１００と同様に動作する。即ち、リレー部１１０内部の接点がオンして、抵抗Ｒ２が接地され、鉄共振現象によりトランス２００の２次巻線に発生した電圧は抵抗Ｒ２に接続され、電流が流れる。これにより、鉄共振エネルギーが消費され、現象を抑制できる。
【００５５】
鉄共振現象が抑制されると、トランス２００の１次巻線に流れる電流は通常レベルに戻り、鉄共振抑制部１５０は通常状態に戻る。即ち、電流検出部１０２により検出される電流値、及び、抵抗Ｒ３及びＲ４により検出されるトランス２００の２次巻線の電圧に対応する電圧は通常レベルに戻り、信号処理部１５２の出力電圧も通常レベルに戻る。したがって、比較部１０６の出力電圧が低下してスイッチング素子１０８はオフし、リレー部１１０内部のコイルに電流が流れなくなり、リレー部１１０内部の接点はオフする。
【００５６】
上記では、基本波、１／２調波、１／３調波、及び１／５調波を対象としたが、これに限定されない。これらに加えて、１／７調波を対象としてもよい。
【００５７】
以上述べた実施例ではその制御電源（比較部１０６等を動作させるため等）を外部の直流電源１１４から供給する場合を説明したが、これに限定されない。例えば、電圧変成器の２次電圧から内部で生成してもよい。
【００５８】
以上、実施の形態を説明することにより本発明を説明したが、上記した実施の形態は例示であって、本発明は上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含む。
【符号の説明】
【００５９】
１００、１３０、１５０    鉄共振抑制部
１０２、１３２    電流検出部
１０４    整流部
１０６    比較部
１０８    スイッチング素子
１１０    リレー部
１１２    定電圧電源
１１４    直流電源
１３４    差分生成部
１５２    信号処理部
２００    トランス
３００、３０２    ＡＤ変換部
３０４、３０６    抽出部
３０８    特定部
３１０    実効値生成部
３１２    検出部
３１４    クロック生成部
９００    電圧変成器
９０２    可飽和リアクトル
９０４    抵抗
【図１】
2020156271.tif 000003
【図２】
2020156271.tif 000004
【図３】
2020156271.tif 000005
【図４】
2020156271.tif 000006
【図５】
2020156271.tif 000007
【図６】
2020156271.tif 000008