(57)【要約】【課題】タップ切換え時の橋絡電流の低減と直流電流成分の低減を図る。【解決手段】複数のタップを設けた主変圧器Ｔｆ１と、二次巻線を交流電源と負荷との間に介挿した昇圧トランスＴｆ２と、主変圧器の各タップと昇圧トランスの一次巻線との間に設けた複数の交流スイッチＳＷＡ〜ＳＷＣと、交流電源の電圧変化に応じて交流スイッチを互いにラップさせて切換えるタップ切換制御によって交流電圧を調整する制御装置とを備えた交流電圧調整装置において、制御装置２は、タップ切換え時に主変圧器のタップ間に発生する橋絡電流を抑制する電圧位相（１５０°、３３０°）で交流スイッチを切換制御する。橋絡電流が電源電圧の正領域と負領域に対称に流れるように、交流電源の正電圧位相と負電圧位相で交互にタップ切換制御を行うことを含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次巻線を交流電源に接続して、二次側の巻線に複数のタップを設けた主変圧器と、二次巻線を前記交流電源と負荷との間に介挿した昇圧トランスと、前記主変圧器の二次側巻線の各タップと前記昇圧トランスの一次巻線との間を切換接続可能にした半導体素子構成の複数の交流スイッチと、前記交流電源の電圧変化に応じて前記交流スイッチを互いにラップさせて切換えるタップ切換制御によって負荷に供給する交流電圧を調整する制御装置とを備えた交流電圧調整装置において、
前記制御装置は、前記交流電源の電圧位相を検出し、この検出信号を基に、前記タップ切換え時に前記主変圧器のタップ間に発生する橋絡電流を抑制する電圧位相で前記交流スイッチを切換制御する制御回路を備えたことを特徴とする交流電圧調整装置。
【請求項２】
前記制御回路は、橋絡電流が電源電圧の正領域と負領域に対称に流れるように、交流電源の正電圧位相と負電圧位相で交互にタップ切換制御を行う手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の交流電圧調整装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タップ切換機能を備えた変圧器と昇圧トランスを使用した交流電圧調整装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流電気鉄道において、列車運転によって負荷電流が流れると、き電系統の配電線やスコット変圧器等のインピーダンスで電圧降下が発生し、き電電圧が低下して列車運行に支障が発生する場合がある。
【０００３】
この解決方法には、大きく分類すると、インバータを使用した無効電力補償装置を利用する方法と、昇圧トランスとタップ切換機能を備えた変圧器を使用した交流電圧調整装置（ＡＣＶＲ装置）を利用する方法がある。前者は連続的な電圧補償ができ、後者はステップ状に電圧を切り換える電圧調整装置となるが、前者はコスト高で寸法も大きく大掛かりな装置となる。
【０００４】
ＡＣＶＲ装置は、数十年前に開発された装置であるが、負荷時タップ切換変圧器と直列変圧器からなる電圧調整方式（例えば、非特許文献１参照）等におけるタップ切換え手段にサイリスタ等を使用した交流スイッチを設けるもので、現在も在来線や新幹線等で採用されている。
【０００５】
図４は、３タップ切り替え機能を持った代表的なＡＣＶＲ装置の具体的な回路構成を示す。主回路は主に以下の構成にされる。
【０００６】
主変圧器（Ｔｆ１）は、タップを備えた変圧器で、１次側は交流き電入力に並列に接続される。交流スイッチ（ＳＷＡ〜ＳＷＣ）は、サイリスタを逆並列に接続して交流のＯＮ／ＯＦＦ機能をもち、変圧器Ｔｆ１のタップ切り替えに使用される。昇圧トランス（Ｔｆ２）は、き電線に直列に接続され、交流スイッチで選択された主変圧器の二次電圧をき電入力電圧に重畳させ、き電出力電圧の低下を補償する。
【０００７】
ＡＣＶＲ装置の特性は、主変圧器のタップ電圧をそれぞれＶａ，Ｖｂ，Ｖｃとし、昇圧トランスの１次、２次の巻線比を１：１、き電入力電圧をＶｋｉｎ、き電出力電圧をＶｋｏｕｔとすると、スイツチＳＷＡ（Ｖａ）を投入した場合は、ＡＣＶＲ装置の内部インピーダンスによる電圧降下を無視すると以下の関係式が成立する
【０００８】
【数１】
Ｖｋｏｕｔ＝Ｖｋｉｎ＋Ｖａ
ＡＣＶＲ装置は、き電出力電圧Ｖｋｏｕｔを検出して、この検出値に応じたタップに切換えて電圧を調整するが、Ｖａ＝Ｖｂ＝Ｖｃ＝Ｖｈとし、タップ切り替え電圧をＶ１とすれば図５に示す出力特性となる。
【０００９】
【非特許文献１】
電気工学ハンドブック、１５編８章電圧調整、６８２頁、社団法人電気学会発行、平成７年５月１５日初版２刷
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＡＣＶＲ装置において、タップ切換はサイリスタを使用した交流スイッチで行うが、負荷電流が常に昇圧トランスに流れているため、その一次側を開放することなくタップ切換を行う必要があり、図６に示すように交流スイッチの投入と開放を互いにラップさせて切換えている。図６の（ａ）はＳＷ  ＡをＯＮし、負荷電流ＩＬが流れている状態を示し、この状態から図６の（ｂ）ではＳＷ  ＢをＯＮしてＳＷ  ＡのＯＮとラップさせる。このとき、橋絡電流ＩＫが流れる。その後、図６の（ｃ）ではＳＷ  ＡをＯＦＦして切換えを完了する。
【００１１】
このように、従来のＡＣＶＲ装置では主変圧器Ｔｆ１のタップ間を半サイクル短絡（橋絡）しながら切換える橋絡切換え方式を採用しており、この切換えは任意の位相で行っている。任意位相でタップ間を橋絡しながら切換える方式は、高速でタップ切り替えができるが、以下の欠点がある。
【００１２】
（１）タップ切換え時の橋絡電流が大きい。
【００１３】
ＡＣＶＲ装置の主変圧器Ｔｆ１は、二次側のタップ間インピーダンダンスをＺ（抵抗：Ｒ、リアクタンス：Ｘ）とし、タップ間電圧をＶｈ、切換え時の電気位相θ、角周波数ωとすると、橋絡電流Ｉｋは下記式の正範囲の電流で表される。
【００１４】
【数２】
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【００１５】
すなわち、タツブ切換え位相を電気角「零度」で行うと橋絡電流は最大となり、電気角１８０度方向に遅らせると減少する。図７に電気角「零度」と「１５０度」でそれぞれタップ切換えを行ったときの橋絡電流の変化を示す。
【００１６】
このように、タップの切換えを任意位相で行う場合には、最大の橋絡電流にも耐えられる電流制御容量をもつ交流スイッチおよび変圧器を必要とする。
【００１７】
（２）タップ切換え時に直流成分の電流が主変圧器Ｔｆ１に流れる。
【００１８】
前記のように、タップ間の切換え時には橋絡電流が流れるが、この電流は半サイクルのみ流れるため、主変圧器Ｔｆ１に対しては直流電流成分になる。タップ切換えの間隔を頻繁にする必要がある場合は、直流電流で変圧器が磁気飽和を起さないようにするため、変圧器の磁束密度を下げる必要があり、変圧器が大型化しコストアップになる。
【００１９】
本発明の目的は、上記の課題を解決した交流電圧調整装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
前記のように、任意の位相によるタップ切換え方式では、過大な橋絡電流が流れるため、この橋絡電流および直流成分の発生等でサイリスタ装置や主変圧器に大型で高価なものが必要になる。本発明は、以下に示す制御方式でタップ切換えを行うことで、上記の課題を解決する。
【００２１】
本発明は、タップ切換えに電源電圧と同期をとり、電源電圧が低くかつ低下していく位相（たとえば電気角１５０度や３３０度）でタップ切換えを行い、更にこの特定位相の切換えを正領域（１５０度）と負領域（３３０度）の交互で行うようにする。
【００２２】
つまり、電気角１５０度や３３０度のように、電圧が低くかつ低下していく位相で切換えを行うことで橋絡電流を抑える。さらに、電気角１５０度の点で切換えを行った場合、次は電気角３３０度で切換えを行うことで、前回の切換えで流れた直流成分が、次回の切換えの直流成分で打ち消されるようにする。
【００２３】
本発明による切換え方式による電源電圧とサイリスタ切換え時点の位相関係を図８に示す。特定位相での切換えは図８の波形で分かるように、橋絡電流を減少させることができる。また、正領域と負領域の交互切換えは、橋絡電流が正負対象に流れるため、主変圧器の直流電流成分を低減させることができる。
【００２４】
但し、特定位相を遅らせすぎると（電気角１８０、又は３６０度に近づけすぎると）適用する交流スイッチの特性によっては、例えばサイリスタが再点弧し、橋絡電流が逆に増加する場合があるため、交流スイッチの制御装置には切換位相の検出と制御を適切にする手段を設ける。
【００２５】
以上のことから、本発明は、以下の構成を特徴とする。
【００２６】
（１）一次巻線を交流電源に接続して、二次側の巻線に複数のタップを設けた主変圧器と、二次巻線を前記交流電源と負荷との間に介挿した昇圧トランスと、前記主変圧器の二次側巻線の各タップと前記昇圧トランスの一次巻線との間を切換接続可能にした半導体素子構成の複数の交流スイッチと、前記交流電源の電圧変化に応じて前記交流スイッチを互いにラップさせて切換えるタップ切換制御によって負荷に供給する交流電圧を調整する制御装置とを備えた交流電圧調整装置において、
前記制御装置は、前記交流電源の電圧位相を検出し、この検出信号を基に、前記タップ切換え時に前記主変圧器のタップ間に発生する橋絡電流を抑制する電圧位相で前記交流スイッチを切換制御する制御回路を備えたことを特徴とする。
【００２７】
（２）前記制御回路は、橋絡電流が電源電圧の正領域と負領域に対称に流れるように、交流電源の正電圧位相と負電圧位相で交互にタップ切換制御を行う手段を備えたことを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態を示す交流電圧調整装置の主回路と制御装置の回路構成図である。
【００２９】
交流電圧調整装置の主回路１は、図４と同様に、２次側巻線に数個のタップを設けた主変圧器Ｔｆ１の１次側巻線を交流入力電源に接続し、その２次側の各タップの出力に交流スイッチとしてのサイリスタスイッチＳＷＡ〜ＳＷＣを設ける。それぞれのサイリスタスイッチＳＷＡ〜ＳＷＣの出力側は互いに接続し、この接続点を交流入力電源と直列に接続した昇圧トランスＴｆ２の一次側に接続して、交流入力電圧にこの昇圧トランスの二次電圧を加算して負荷に給電する。
【００３０】
制御装置２は、き電出力電圧をＰＴ等で絶縁して検出し、これを交流直流変換回路（ＡＣ／ＤＣ）２Ａと切替位相検出回路２Ｂの入力とする。交流直流変換回路２Ａは検出交流電圧を直流電圧に変換する。切換位相検出回路２Ｂは、き電電圧波形から、電気角で１５０度と３３０度の位相で同期パルス信号ｓｉｎ１５０、ｓｉｎ３３０を生成する。
【００３１】
き電電圧レベル監視回路２Ｃは、き電電圧が所定のレベルＶｓｅｔ１以下になったことを検出したときにタップ上げ信号ＴａｐＵｐを発生する。き電電圧レベル監視回路２Ｄは、き電電圧が所定レベルＶｓｅｔ２以上になったことを検出したときにタップ下げ信号ＴａｐＤｏｗｎを発生する。
【００３２】
同期信号選択回路２Ｅは、切換位相検出回路２Ｂからの２種類のパルス信号ｓｉｎ１５０、ｓｉｎ３３０を交互に選択した同期信号ＳＹＣを発生する。
【００３３】
サイリスタ駆動信号作成回路２Ｆは、同期式のアップダウンカウンタとデコーダ等で構成され、同期信号ＳＹＣに同期し、タップ上げ信号（ＴａｐＵｐ）でカウントが進み、タップ下げ信号（ＴａｐＤｏｗｎ）でカウントが減少し、サイリスタスイッチＳＷＡ〜ＳＷＣを互いにラップさせたＯＮ／ＯＦＦ制御信号を発生する。
【００３４】
以上の構成により、負荷側の電圧が変動してタップ上げ電圧Ｖｓｅｔ１以下になったときはサイリスタスイッチＳＷＡ→ＳＷＣ側に切換制御して昇圧トランスＴｆ２の電圧を高め、き電出力電圧を上昇させる。逆に、負荷側の電圧がタップ下げ電圧Ｖｓｅｔ２以上になったときはサイリスタスイッチＳＷＣ→ＳＷＡ側に切換制御して昇圧トランスＴｆ２の電圧を下げ、き電出力電圧を低下させる。
【００３５】
この電圧調整制御において、サイリスタスイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御は、電源電圧の検出位相を基に、タップ切換え時に発生する橋絡電流を最小電流に抑制する位相ｓｉｎ１５０またはｓｉｎ３３０で行う。さらに、橋絡電流を電源電圧の正領域と負領域に対称に流れるように、正電圧位相と負電圧位相で交互に行うことで、主変圧器が直流成分で磁気飽和するのを防止する。
【００３６】
なお、主回路の構成としては、適宜設計変更して同等の作用効果を得ることができる。例えば、図２に示すように、主回路１として、橋絡電流を抑制するために主変圧器Ｔｆ１の２次回路に交流リアクトルＡＣＬを介挿した構成、さらに、図３に２タップ構成の例を示すように、主変圧器を変圧器Ｔｆ１ａとＴｆ１ｂの並列構成としてそれぞれの二次側に交流スイッチを設けた構成とすることができる。また、主変圧器の二次側に交流スイッチを設ける場合を示すが、これは一次側にタップ切換え機能を備えた構成とすることができる。また、交流スイッチは、サイリスタに限らず、ＧＴＯ、ＩＧＢＴなど他の半導体素子に置換することができる。
【００３７】
また、本実施形態は、交流電気鉄道用の電圧調整装置とする場合を示すが、放送局の電源設備や病院の電源設備など、電圧安定化した交流電源を必要とする設備の電圧調整装置に適用できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、タップ切換え時に主変圧器のタップ間に発生する橋絡電流を抑制する電圧位相で交流スイッチを切換制御する構成、さらには交流電源の正電圧位相と負電圧位相で交互にタップ切換制御を行うようにしたため、タップ切換え時の橋絡電流の低減と直流電流成分の低減ができる。
【００３９】
これに伴い、橋絡電流の低減で交流スイッチ回路、及び主変圧器が小型化、コストダウンができる。また、直流電流成分の低減により主変圧器の磁束密度を下げる必要がなくなり変圧器の小型化、コストダウンができる。さらに、過大な橋絡電流が流れなくなるため、機械強度の劣化防止や発生ノイズ等の低減ができ、信頼性の向上と運転効率の改善につながる。
【００４０】
また、橋絡電流を抑制するため、主変圧器の各タップ出力にＡＣリアクトルを介挿する場合、このＡＣリアクトルが従来の数分の１に小型化、コストダウンができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す交流電圧調整装置の主回路と制御装置の回路構成図。
【図２】本発明の他の実施形態を示す主回路構成図。
【図３】本発明の他の実施形態を示す主回路構成図。
【図４】交流電圧調整装置（ＡＣＶＲ）の主回路構成図。
【図５】ＡＣＶＲ装置の出力特性。
【図６】ＡＣＶＲ装置のタップ切換手順例。
【図７】タップ切換時の橋絡電流特性。
【図８】電源電圧（き電入力電圧）とサイリスタ切換点を示す波形図。
【符号の説明】
１…主回路
２…制御装置
２Ａ…交流直流変換回路
２Ｂ…切換位相検出回路
２Ｃ、２Ｄ…き電電圧レベル監視回路
２Ｅ…同期信号選択回路
２Ｆ…サイリスタ駆動信号作成回路
Ｔｆ１、Ｔｆ１ａ、Ｔｆ１ｂ…主変圧器
Ｔｆ２…昇圧トランス
ＳＷＡ〜ＳＷＣ…サイリスタスイッチ
ＡＣＬ…交流リアクトル
【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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