(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御巻線を有する制御変圧器の電圧を半導体スイッチング素子によって制御するためのタップ切換器において、
前記タップ切換器（３）は、２つ以上のモジュール（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）を有し、
各モジュール（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）はそれぞれ、前記制御巻線の１つの部分巻線（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）を有し、この部分巻線（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）の両側に２つのブリッジ経路を有し、
各ブリッジ経路はそれぞれ、２つの半導体スイッチング素子（Ｓ１．１，Ｓ１．２；Ｓ１．３，Ｓ１．４；Ｓ２．１，Ｓ２．２；Ｓ２．３，Ｓ２．４；Ｓ３．１，Ｓ３．２；Ｓ３．３，Ｓ３．４；４．１，Ｓ４．２；４．３，Ｓ４．４）から構成される直列回路を有し、
１つの中心タップ（Ｍ１．１，Ｍ１．２；Ｍ２．１，Ｍ２．２；Ｍ３．１，Ｍ３．２；Ｍ４．１，Ｍ４．２）が、各ブリッジ経路の直列接続された当該両スイッチング素子（Ｓ１．１，Ｓ１．２；Ｓ１．３，Ｓ１．４；Ｓ２．１，Ｓ２．２；Ｓ２．３，Ｓ２．４；Ｓ３．１，Ｓ３．２；Ｓ３．３，Ｓ３．４；４．１，Ｓ４．２；４．３，Ｓ４．４）間ごとに設けられていて、
前記部分巻線（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）は、異なる巻回数を有し、
各モジュール（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）の当該両中心タップ（Ｍ１．１，Ｍ１．２；Ｍ２．１，Ｍ２．２；Ｍ３．１，Ｍ３．２；Ｍ４．１，Ｍ４．２）のうちの１つの中心タップがそれぞれ、隣接したモジュールの１つの中心タップに接続されていて、
最初の前記モジュール（Ｍ１）の残りの中心タップ（Ｍ１．２）が、引込線（４）に接続可能であり、最後の前記モジュール（Ｍ３；Ｍ４）の残りの中心タップ（Ｍ３．１；Ｍ４．１）が、前記制御変圧器の前記制御巻線（２）の複数の巻線タップ（Ｓｔ１，Ｓｔ２，Ｓｔ３，Ｓｔ４，Ｓｔ５，Ｓｔ６）のうちの１つの巻線タップに接続可能である当該タップ切換器。
【請求項２】
丁度３つのモジュール（Ｍ１．．．Ｍ３）が、設けられていることを特徴とする請求項１に記載のタップ切換器。
【請求項３】
前記３つのモジュール（Ｍ１．．．Ｍ３）の前記部分巻線（Ｗ１．．．Ｗ３）は、１：３：６又は１：３：９の比で区分されていることを特徴とする請求項２に記載のタップ切換器。
【請求項４】
丁度４つのモジュール（Ｍ１．．．Ｍ４）が、設けられていることを特徴とする請求項１に記載のタップ切換器。
【請求項５】
前記４つのモジュール（Ｍ１．．．Ｍ４）の前記部分巻線（Ｗ１．．．Ｗ４）は、１：３：６：１０の比で区分されていることを特徴とする請求項４に記載のタップ切換器。
【請求項６】
前記半導体スイッチング素子（Ｓ１．１，Ｓ１．２；Ｓ１．３，Ｓ１．４；Ｓ２．１，Ｓ２．２；Ｓ２．３，Ｓ２．４；Ｓ３．１，Ｓ３．２；Ｓ３．３，Ｓ３．４；４．１，Ｓ４．２；４．３，Ｓ４．４）はそれぞれ、逆並列接続された１つのサイリスター対又はＩＧＢＴ対を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のタップ切換器。
【請求項７】
少なくとも１つの半導体スイッチング素子（Ｓｎ．．．Ｓｎ４）が、少なくとも２つの個別半導体スイッチング素子（Ｓｎ１ａ，Ｓｎ１ｂ；Ｓｎ２ａ，Ｓｎ２ｂ；Ｓｎ３ａ，Ｓｎ３ｂ；Ｓｎ４ａ，Ｓｎ４ｂ）の直列回路から構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のタップ切換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチング素子によって電圧を制御するためのタップ切換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
既に、独国特許出願公開第２２４８１６６号明細書が、半導体スイッチング素子によって制御可能な変圧器を開示している。この場合、２次巻線が、一定数の制御巻線部分から構成される。これらの制御巻線部分は、直列接続された特定数の巻線グループに統合されている。この場合、各巻線グループは、並列接続された２つ又は３つの制御巻線部分を有する。この場合、各制御巻線部分は、１つの非接触式スイッチング素子を有する。この明細書では、別の実施の形態も記されている。この場合、変圧器の２次巻線が、１つのグループの直列接続された複数の制御巻線部分から構成される。この場合、各制御巻線部分が、４つの非接触式スイッチング素子を有する。その制御巻線部分の端子に対する電圧の方向が反転可能であり、且つ、全ての制御巻線部分が選択式にブリッジ可能であるように、当該装置が構成されている。
【０００３】
変圧器の２次電圧をステップ式に切り換えるための装置が、独国特許出願公開第２５０８０１３号明細書から公知である。この場合でも、２次巻線が、複数の部分巻線にグループ分けされている。この場合、同様に、半導体スイッチング素子が、当該切り換えのために設けられ得る。
【０００４】
独国特許第１９７４７７１２号明細書が、単巻変圧器として構成された降圧変圧器と同様な方式のタップ切換器の配置を開示する。この場合、同様に、個別に且つ互いに独立して接続可能である個々の巻線部分が設けられている。この配置では、一定のタップのほかに、追加の別の巻線部分が、接続可能であるか又は結合可能である。
【０００５】
中断なしに負荷を切り換えるための別のタップ切換器の異なる実施の形態が、国際公開第９５／２７９３１号パンフレットから公知である。この場合、同様に、サイリスターが、スイッチング素子として使用される。この場合、それぞれの降圧変圧器の２次巻線の一部としてのタップ巻線の異なる巻線部分が、逆並列接続されたサイリスター対によって接続可能であるか又は遮断可能である。存在する巻線タップの制限された数で可能な限り細かいタップで電圧を制御することを実現するため、この明細書では、「ディスクリートサークル変調（ｄｉｓｃｒｅｔｅ  ｃｉｒｃｌｅ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）」と呼ばれる方法がさらに提唱される。この方法の場合、２次電圧の中間値が得られるように、当該サイリスターが制御される。
【０００６】
従来の技術から公知のこれらの解決手段では、事実上、半導体スイッチング素子が、従来の機械式のタップ切換器の場合のタップ選択器の機械式のアームの機能を担う。制御巻線の個々の巻線タップ自体が、当該半導体スイッチング素子によって接続又は遮断され得る。当該制御巻線を別々に接続され得る複数の部分巻線に分割することも可能である。
【０００７】
高い回路経費及び半導体スイッチング素子に必要な特殊な適合が、この従来の技術における欠点である。
【０００８】
この従来の技術の別の欠点は、個々の半導体スイッチング素子の故障時に、制御又は常に十分な制御がもはや不可能である点にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】独国特許出願公開第２２４８１６６号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第２５０８０１３号明細書
【特許文献３】独国特許第１９７４７７１２号明細書
【特許文献４】国際公開第９５／２７９３１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、簡単に構成されている、半導体スイッチング素子を有するタップ切換器を提供することにある。さらに、このタップ切換器は、モジュール式に拡張可能な構造でなければならない。また、本発明のタップ切換器は、個々のスイッチング素子の故障時でも、非常時運転として、高い制御信頼性及び制御精度をほぼ可能にしなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は、請求項１に記載の：
制御巻線を有する制御変圧器の電圧を半導体スイッチング素子によって制御するためのタップ切換器において、
前記タップ切換器（３）は、２つ以上のモジュール（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）を有し、
各モジュール（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）はそれぞれ、前記制御巻線の１つの部分巻線（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）を有し、この部分巻線（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）の両側に２つのブリッジ経路を有し、
各ブリッジ経路はそれぞれ、２つの半導体スイッチング素子（Ｓ１．１，Ｓ１．２；Ｓ１．３，Ｓ１．４；Ｓ２．１，Ｓ２．２；Ｓ２．３，Ｓ２．４；Ｓ３．１，Ｓ３．２；Ｓ３．３，Ｓ３．４；４．１，Ｓ４．２；４．３，Ｓ４．４）から構成される直列回路を有し、
１つの中心タップ（Ｍ１．１，Ｍ１．２；Ｍ２．１，Ｍ２．２；Ｍ３．１，Ｍ３．２；Ｍ４．１，Ｍ４．２）が、各ブリッジ経路の直列接続された当該両スイッチング素子（Ｓ１．１，Ｓ１．２；Ｓ１．３，Ｓ１．４；Ｓ２．１，Ｓ２．２；Ｓ２．３，Ｓ２．４；Ｓ３．１，Ｓ３．２；Ｓ３．３，Ｓ３．４；４．１，Ｓ４．２；４．３，Ｓ４．４）間ごとに設けられていて、
前記部分巻線（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）は、異なる巻回数を有し、
各モジュール（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）の当該両中心タップ（Ｍ１．１，Ｍ１．２；Ｍ２．１，Ｍ２．２；Ｍ３．１，Ｍ３．２；Ｍ４．１，Ｍ４．２）のうちの１つの中心タップがそれぞれ、隣接したモジュールの１つの中心タップに接続されていて、
最初の前記モジュール（Ｍ１）の残りの中心タップ（Ｍ１．２）が、引込線（４）に接続可能であり、最後の前記モジュール（Ｍ３；Ｍ４）の残りの中心タップ（Ｍ３．１；Ｍ４．１）が、前記制御変圧器の前記制御巻線（２）の複数の巻線タップ（Ｓｔ１，Ｓｔ２，Ｓｔ３，Ｓｔ４，Ｓｔ５，Ｓｔ６）のうちの１つの巻線タップに接続可能であることによって解決される。本発明の特に好適なその他の構成は、従属請求項に記載されている。
【００１２】
本発明に共通した思想は、タップ切換器をモジュール式に構成する点にある。本発明のタップ切換器の個々のモジュールはそれぞれ、制御巻線の１つの通電部分巻線を有する。当該部分巻線は、この制御巻線に磁気結合されている、すなわち変圧器のそれぞれの脚部に巻き付けられている。さらに、これらのモジュールは、その部分巻線に対して並列にその両側にそれぞれ１つのブリッジ経路を有する。このブリッジ経路はそれぞれ、２つずつの半導体スイッチング素子による直列回路から構成される。１つの中心タップが、各ブリッジ経路の直列接続されたそれぞれの半導体スイッチング素子間に設けられている。
【００１３】
本発明のタップ切換器の第１モジュールの中心タップが、中性点又は引込線に接続されている。
【００１４】
本発明のタップ切換器の最後のモジュールの一方の中心タップが、変圧器の、制御されなければならない巻線に接続されている。
【００１５】
最後のモジュールに至るまで、第１モジュールの他方の中心タップが、第２モジュールの一方の中心タップに接続されていて、この第２モジュールの他方の中心タップが、第３モジュールの一方の中心タップに接続されていて、この第３モジュールの他方の中心タップが、第４モジュールの一方の中心タップに接続等されている。
【００１６】
本発明によれば、個々のモジュール内の通電部分巻線が異なって仕様されている。
【００１７】
第１モジュールの巻線が、当該第１モジュール内で所定の巻回数を有する場合、第２モジュール内の通電巻線が、数倍の巻回数になる巻回数を有する。その他のモジュール内の巻線も同様である。
【００１８】
モジュールが３つ存在する場合には、これらのモジュール内のそれぞれの巻線が、１：３：６又は１：３：９の比で構成されているときが特に好ましい。
【００１９】
４つのモジュールが設けられている場合には、これらのモジュールの巻線を１：３：６：１０の比で仕様することが特に好ましい。
【００２０】
本発明の範囲内では、本発明のタップ切換器を全体として構成する個々のモジュールの数を変更することが可能である。
【００２１】
本発明のタップ切換器は、幾つかの利点を奏する。まず、制御変圧器の制御巻線、通常は高電圧巻線の特殊な構造は不要である。当該タップ変圧器自体が、簡単なモジュール構造を成し、様々な電圧ステップに対して容易に適合可能である。したがって、任意に手配される制御変圧器を、変更された制御目的及び制御範囲に適合させることが、事後的にも可能である。さらに、本発明のタップ切換器の接続では、変圧器の巻線までの伝送経路が僅かで済む。つまり、当該制御巻線の各タップからタップ切換器又は切換手段までの従来の伝送経路が省略される。また、本発明のタップ切換器では、個々の分圧を冗長に発生させることが可能である。つまり、実際の稼働中に決して避けられない個々のスイッチング要素の故障時でも、制御が、ほぼ継続され得る。
【００２２】
以下に、本発明を図面に基づいて例示的にさらに詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】複数の部分モジュールを有する本発明のタップ切換器の第１の実施の形態を示す。
【図２】本発明のタップ切換器の配線表を示す。
【図３】変更したタップ切換器の別の配線表を示す。
【図４】本発明のタップ切換器の第２の実施の形態を示す。
【図５】図４によるタップ切換器の配線表を示す。
【図６】本発明の第１のタップ切換器の１つのモジュールだけを示す。
【図７】本発明の第２のタップ切換器の１つのモジュールだけを示す。
【図８】降圧変圧器に接続された図１中に示されたタップ切換器の変更された配置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、ここでは３つの別々の部分巻線Ｗ１．．．Ｗ３を伴う、低電圧巻線１と本発明のタップ切換器３に接続されている高電圧巻線２とから構成される制御すべき変圧器を示す。この場合、破線が、当該タップ切換器３の範囲を示す。このタップ切換器３は、ここでは３つの個別モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３から構成される。第１モジュールＭ１が、第１部分巻線Ｗ１を有し、その両側に２つのブリッジ経路を有する。これらのブリッジ経路はそれぞれ、２つの半導体スイッチング素子Ｓ１．１及びＳ１．２又はＳ１．３及びＳ１．４から構成される１つの直列回路を有する。１つの中心タップＭ１．１又はＭ１．２が、直列接続された当該両スイッチング素子間ごとに設けられている。ここでは、個別半導体スイッチング素子が、後続する図面でも簡単なスイッチとして単に概略的に示されている。実際には、当該個別半導体スイッチング素子は、並列接続されたサイリスター対、ＩＧＢＴ又はその他の半導体スイッチング素子を含む。当該個別半導体スイッチング素子はそれぞれ、複数の当該個別半導体スイッチング素子の直列回路又は並列回路も含む。一方の中心タップＭ１．２が、中性点４に電気接続されている。他方の中心タップＭ１．１が、第２モジュールＭ２の一方の中心タップＭ２．１に接続している。この第２モジュールＭ２は、同一に構成されている。同様に、この第２モジュールＭ２は、１つの部分巻線Ｗ２と、２つずつの半導体スイッチング素子Ｓ２．１及びＳ２．２又はＳ２．３及びＳ２．４から構成される２つの直列回路とを有する。同様に、中心タップＭ２．１及びＭ２．２が、当該それぞれの直列回路間に同様に設けられている。一方の中心タップＭ２．１が、第１モジュールＭ１に接続していることは既に説明した。他方の中心タップＭ２．２自体が、第３モジュールＭ３の中心タップＭ３．２に接続されている。
【００２５】
この第３モジュールＭ３も、同一に構成されている。この第３モジュールＭ３も、１つの部分巻線Ｗ３と、半導体スイッチング素子Ｓ３．１及びＳ３．２又はＳ３．３及びＳ３．４から構成される２つの直列回路と、当該それぞれの直列回路間に存在する中心タップＭ３．１及びＭ３．２とを有する。まだ説明しなかったここでは最後の第３モジュールＭ３の中心タップＭ３．１が、高電圧巻線２の端部に電気接続されている。
【００２６】
説明したここでの当該３つのモジュールＭ１．．．Ｍ３は、それぞれの部分巻線Ｗ１．．．Ｗ３の仕様だけが異なる。
【００２７】
第２モジュールＭ２内の部分巻線Ｗ２は、ここでは第１モジュールＭ１内の部分巻線Ｗ１の３倍の巻回数を有する。第３モジュールＭ３内の部分巻線Ｗ３は、ここでは第１モジュールＭ１内の部分巻線Ｗ１の６倍の巻回数を有する。
【００２８】
図２は、図１中に示された本発明のタップ切換器の配線表を示す。符号「０」は、対応する部分巻線が接続されていない、すなわちブリッジされていないことを意味する。符号「＋」は、対応する部分巻線が高電圧巻線２と同じ巻き方向でこの高電圧巻線２に接続されていることを意味する。また、符号「−」は、対応する部分巻線が高電圧巻線２と逆の巻き方向でこの高電圧巻線２に接続されていることを意味する。この配線表では、１０通りの電圧ステップが示されている。これらの電圧ステップは、新たな部分電圧が高電圧巻線２のステップ電圧に対して加えられるときに得られる。これらの部分巻線は、個々の部分巻線Ｗ１．．．Ｗ３をいろいろに順方向に接続するか若しくは逆方向に接続するか又はブリッジすることによって得られる。特定の電圧ステップが、冗長に形成され得る、すなわち異なった接続状態によって形成され得ることが示されている。当該配線表には図示されていないものの、同様に、別の方向に対応してステップ切り換えされた部分電圧を高電圧巻線２の電圧から分離することが可能である。したがって、この実施の形態では、全体として、２１通りに可能な電圧ステップが発生する。ここでは、Ｎで付記されている中心位置では、タップ切換器が機能していない。このとき、高電圧巻線２の端部が、中性点４に直接に電気接続している。本発明によれば、個々の部分巻線Ｗ１．．．Ｗ３の説明した順方向の接続若しくは逆方向の接続又はブリッジが、半導体スイッチング素子Ｓ１．１．．．Ｓ３．４を適切に接続することによって実施される。
【００２９】
図３は、別の配線表を示す。この場合、上述した実施の形態と比べて、部分巻線Ｗ３の仕様だけが変更されている。このとき、この部分巻線Ｗ３は、第１部分巻線Ｗ１の９倍である。この条件では、全体として２７通りの電圧ステップが得られる。
【００３０】
図４は、本発明のタップ切換器の別の実施の形態を示す。このタップ切換器では、もう１つのモジュールＭ４が、タップ切換器に追加されている。個々のモジュールＭ１．．．Ｍ４間のカスケード接続は変更されていない。当該追加されているモジュールＭ４は、同様に並列な半導体スイッチング素子Ｓ４．１及びＳ４．２並びにＳ４．３及びＳ４．４を有し、同様にこれらの半導体スイッチング素子間にある中心タップＭ４．１及びＭ４．２を有する。中心タップＭ４．１が、同様に高電圧巻線２に接続されている一方で、中心タップＭ４．２は、モジュールＭ３の中心タップＭ３．２に接続されている。
【００３１】
図５は、図４中に示された拡張されたタップ切換器の配線表を抜き出して示す。ここでは、個別半導体スイッチング素子の対応する接続によって得られる全ての電圧ステップが示されていない。むしろ、ここでは、電圧ステップ４，６及び１０が、個々の部分巻線Ｗ１．．．Ｗ４をいろいろに接続するか又は遮断することによって冗長に出現し得ることを、これらの電圧ステップ４，６及び１０に基づいて例示的に示そうとしている。この場合、モジュールＭ４の新しい部分巻線Ｗ４が、第１モジュールＭ１の第１部分巻線Ｗ１の１０倍の巻回数を有するように、この新しい部分巻線Ｗ４は仕様されている。
【００３２】
図６は、本発明のタップ切換器の１つのモジュールを示す。説明したように、複数のモジュールｎが、本発明の１つのタップ切換器に組み合わせられ得る。各モジュールが、１つの部分巻線Ｗｎ及び２つの並列バイパス経路を有する。これらの並列バイパス経路はそれぞれ、２つの半導体スイッチング素子Ｓｎ．１及びＳｎ．２又はＳｎ．３及びＳｎ．４から構成される１つの直列回路を有する。説明したように、中心タップＭｎ．１及びＭｎ．２が、各直列回路間に存在する。当該半導体スイッチング素子Ｓｎ．１．．．Ｓｎ．４は、ここでは逆並列接続された複数のサイリスターとして示されている。本発明の範囲内では、その他の公知の半導体スイッチング素子も可能である。
【００３３】
図７は、別の本発明のタップ切換器の１つのモジュールを示す。この場合、各半導体スイッチング素子Ｓｎ．１．．．Ｓｎ．４自体が、２つの個別半導体スイッチング素子Ｓｎ．１ａ，Ｓｎ．１ｂ；Ｓｎ．２ａ，Ｓｎ．２ｂ；Ｓｎ．３ａ，Ｓｎ．３ｂ；Ｓｎ．４ａ，Ｓｎ．４ｂの直列回路から構成される。本発明の範囲内では、２つより多い個別半導体スイッチング素子をそれぞれ、互いに直列又は並列に設けることも可能である。
【００３４】
図８は、図１で既に説明した本発明のタップ切換器の特殊な用途を示す。その他の図とは違って、ここでは、高電圧巻線２が、従来の方式で接続され得る巻線タップＳｔ１．．．Ｓｔ６を有する。当該接続は、図示されたただ１つのタップ選択器によって実施され得るか、又は図８中に抜き出して示されたように、複数の半導体スイッチング素子、ここでは例えば逆並列のサイリスター対によっても実施され得る。したがって、ここでは３つのモジュールＭ１．．．Ｍ３を有する本発明のタップ切換器が、これらの巻線タップに直接に接続する従来のタップ切換器に対してさらに追加して接続され得る。したがって、この実施の形態では、粗い電圧制御が、これらの巻線タップＳｔ１．．．Ｓｔ６のうちの１つの巻線タップを適切に選択して接続することによって可能であり、追加のより細かいステップの電圧制御が、本発明のタップ切換器によって可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１  低電圧巻線
２  高電圧巻線
３  タップ切換器
４  中性点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図８ａ】
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