(57)【要約】  本発明は、制御巻線を有する制御変圧器の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負荷時タップ切換器に関する。この負荷時タップ切換器は、モジュール式に構成されている。この場合、各モジュールは、半導体スイッチング素子を接続又は遮断可能である制御巻線のそれぞれ１つの部分巻線を有する。さらに、半導体スイッチング素子を高い電圧から保護するため、バリスタ又はコンデンサが組み込まれている。
2015511034.tif 000002
【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負荷時タップ切換器であって、
前記負荷時タップ切換器（３）が、少なくとも１つのモジュール（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）を有し、
各モジュール（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）がそれぞれ、前記制御巻線の１つの部分巻線（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）を有し、且つこの部分巻線（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）の両側に２つのバイパス路を有し、
各バイパス路がそれぞれ、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；Ｓ４．１，Ｓ４．２；Ｓ４．３，Ｓ４．４）から構成される直列回路を有し、
１つのセンタータップ（Ｍ１．１，Ｍ１．２；Ｍ２．１，Ｍ２．２；Ｍ３．１，Ｍ３．２）が、各バイパス路の、直列に接続された当該２つのスイッチング素子（Ｓ１．１，Ｓ１．２；Ｓ２．１，Ｓ２．２；Ｓ３．１，Ｓ３．２；Ｓ３．３，Ｓ３．４；Ｓ４．１，Ｓ４．２）と当該２つのスイッチング素子（Ｓ１．３，Ｓ１．４；Ｓ２．３，Ｓ２．４；Ｓ２．３，Ｓ２．４；Ｓ４．３，Ｓ４．４）との間ごとに設けられていて、
各モジュール（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）の２つの前記センタータップ（Ｍ１．２；Ｍ２．１，Ｍ２．２；Ｍ３．１）のうちのそれぞれ１つのセンタータップが、隣接した前記モジュールの１つのセンタータップに接続されていて、
前記第３モジュール（Ｍ３）のその他の一方のセンタータップ（Ｍ３．２）が、引込線（４）に接続可能であり、前記第１モジュール（Ｍ１）のその他の他方のセンタータップ（Ｍ１．１）が、前記制御変圧器の前記制御巻線（２）に接続可能である当該負荷時タップ切換器において、
それぞれ１つのコンデンサ（Ｃ１．１，Ｃ１．２；Ｃ１．３，Ｃ１．４；Ｃ２．１，Ｃ２．２；Ｃ２．３，Ｃ２．４；Ｃ３．１，Ｃ３．２；Ｃ３．３，Ｃ３．４；Ｃ４．１，Ｃ４．２；Ｃ４．３，Ｃ４．４）に直列にそれぞれ接続された１つの電圧依存抵抗器（Ｒ１．１，Ｒ１．２；Ｒ１．３，Ｒ１．４；Ｒ２．１，Ｒ２．２；Ｒ２．３，Ｒ２．４；Ｒ３．１，Ｒ３．２；Ｒ３．３，Ｒ３．４；Ｒ４．１，Ｒ４．２；Ｒ４．３，Ｒ４．４）が、各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；Ｓ４．１，Ｓ４．２；Ｓ４．３，Ｓ４．４）に対して並列に設けられていることを特徴とする負荷時タップ切換器。
【請求項２】
前記負荷時タップ切換器（３）は、３つのモジュール（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）だけから構成されることを特徴とする請求項１に記載の負荷時タップ切換器。
【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の比に分割されていることを特徴とする請求項２に記載の負荷時タップ切換器。
【請求項４】
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；Ｓ４．１，Ｓ４．２；Ｓ４．３，Ｓ４．４）はそれぞれ、逆並列に接続された１つのサイリスタ対又は逆直列に接続された１つのＩＧＢＴ対を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の負荷時タップ切換器。
【請求項５】
少なくとも１つの前記半導体スイッチング素子（Ｓｎ１．．．Ｓｎ４）は、少なくとも２つの個別半導体スイッチング素子（Ｓｎ１．．．Ｓｎ４）の直列回路又は並列回路から構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の負荷時タップ切換器。
【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負荷時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。その際、二次巻線が、所定の数の制御巻線部から構成される。この二次巻線は、直列に接続された所定数の巻線群で構成されている。この場合、各巻線群は、並列に接続された２つ又は３つの制御巻線部を有する。さらに、各制御巻線部は、無接点スイッチング素子を有する。この文献では、もう１つ別の実施の形態も開示されている。この場合、変圧器の二次巻線が、直列に接続された一群の制御巻線部から構成される。この場合、各制御巻線部は、４つの無接点スイッチング素子を有する。その制御巻線部の両端子間の電圧の方向が反転可能であり、且つ、全ての制御巻線部が、選択的にバイパス可能でもあるように、当該回路は構成されている。
【０００３】
変圧器の二次電圧をタップで切り換えるための別の装置が、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、当該二次巻線が、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、複数の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号明細書は、単巻変圧器として構成された降圧変圧器に同様な種類の負荷時タップ切換器を設けること記載している。この場合、同様に、個別に且つ互いに独立して切り換え可能である個々の巻線部が設けられている。この回路構成では、当該制御巻線の固定された複数のタップの他に、別の巻線部が、さらに切り換え又は接続可能である。
【０００５】
遮断なしに負荷を切り換えるための別の負荷時タップ切換器の様々な実施の形態が、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、サイリスタが、スイッチング素子として使用される。したがって、逆並列に接続された複数のサイリスタ対を用いることで、タップ巻線の複数の異なる巻線部が、それぞれの降圧変圧器の二次巻線の一部として接続又は遮断可能である。さらに、この文献では、既存の限定された数の巻線タップの下で、可能な限り細かいステップの電圧制御を実現するため、「ディスクリート・サークル・モジュレーション（ｄｉｓｃｒｅｔｅ  ｃｉｒｃｌｅ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）」と呼ばれる方法が提唱されている。当該方法では、二次電圧の中間値が得られるように、複数のサイリスタが制御される。
【０００６】
モジュール構造にされた半導体負荷時タップ切換器システムが、「Ａ  ｎｅｗ  
ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｏ  ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ  ｏｎ  ｌｏａｄ  ｔａｐ
ｃｈａｎｇｉｎｇ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ」（Ｏｓｍａｎ，Ｄｅｍｉｒｃｉ；Ｄａｖｉｄ，Ａ．，Ｔｏｒｒｅｙ；Ｒｏｂｅｒ，Ｃ．，Ｄｅｇｅｎｅｆｆ；ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，Ｖｏｌ．１３，Ｉｓｓｕｅ：３，Ｊｕｎｉ  １９９８）から公知である。この場合、制御巻線が、複数のモジュールに直列に接続されている。当該それぞれのモジュールが、複数の半導体スイッチング素子と、異なる巻線数を有する複数の部分巻線とを有する。これらの半導体スイッチング素子を適切に操作することによって、複数の部分巻線が、制御巻線に対して接続又は遮断され得る。さらに、複数の部分巻線を、相互に及び主巻線に対して異なる巻線数で切り換えることが可能である。この刊行物の内容が、本願の請求項１の従来の技術の部分に記載されている。
【０００７】
上記の従来の技術から公知の解決手段では、事実上、古典的な機械式の負荷時タップ切換器の場合の機械式の選択器のアームの機能を、半導体スイッチング素子が引き受ける。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。当該制御巻線を個別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。
【０００８】
上記のこれらの負荷時タップ切換器は、ＩＥＣ６００６０に関する様々なＩＥＣ規格６０２１４−１の要求を満たす必要がある。その中でも、開閉インパルス耐電圧試験（ｓｅｐａｒａｔｅ  ｓｏｕｒｃｅ  ＡＣ  ｗｉｔｈｓｔａｎｄ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｔｅｓｔ）及び雷インパルス耐電圧試験（ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ  ｉｍｐｕｌｓｅ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｔｅｓｔ）が実施される必要がある。開閉インパルス耐電圧試験では、６０秒持続する５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの周波数を有する単相交流電圧が印加される。この場合、当該電圧値は、許容される運転平均電圧に応じて、２０ｋＶ〜３２５ｋＶの範囲内にある。雷インパルス耐電圧試験は、１．２／５０μｓの規格値で実施される必要がある。この場合、当該交流電圧は、１．８ＭＶの値まで上昇され得る。当該交流電圧は、負荷時タップ切換器、特に半導体スイッチング素子に対して直接に印加され、当該半導体スイッチング素子は、当該高い電圧値に耐えるように設計され得ないか、又は高いコストをかけることだけで当該高い電圧値に耐えるように設計され得るので、当該半導体スイッチング素子の破損が起こり得る。
【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
【非特許文献】
【００１０】
【特許文献１】“Ａ  ｎｅｗ  ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｏ  ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ  ｏｎ  ｌｏａｄ  ｔａｐ  ｃｈａｎｇｉｎｇ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ”（Ｏｓｍａｎ，Ｄｅｍｉｒｃｉ；Ｄａｖｉｄ，Ａ．，Ｔｏｒｒｅｙ；Ｒｏｂｅｒ，Ｃ．，Ｄｅｇｅｎｅｆｆ；ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，Ｖｏｌ．１３，Ｉｓｓｕｅ：３，Ｊｕｎｉ  １９９８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
それ故に、本発明の課題は、半導体スイッチング素子が、規格にしたがう試験から発生する高い交流電圧から保護される、半導体スイッチング素子を有する負荷時タップ切換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題は、請求項１に記載の特徴を有する負荷時タップ切換器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。
【００１３】
本願の共通する発明の技術思想は、各半導体スイッチング素子に対して並列に、１つの電圧依存抵抗器と１つのコンデンサとを直列に接続する点にある。
【００１４】
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】
【００１５】
【図１】低電圧巻線１と高電圧制御巻線（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。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、ここでは３つの独立した部分巻線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を有する、低電圧巻線１と高電圧制御巻線（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。本発明の負荷時タップ切換器３が、これらの部分巻線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３に接続されている。したがって、点線は、ここでは３つの個別モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３から構成される当該負荷時タップ切換器３の周囲を示す。しかしながら、これらのモジュールの数は、自由に選択可能である。第１モジュールＭ１が、第１部分巻線Ｗ１を有し、且つその両側に２つのバイパス路を有する。これらのバイパス路はそれぞれ、２つの半導体スイッチング素子、例えばＳ１．１及びＳ１．２又はＳ１．３及びＳ１．４から構成される直列回路を有する。１つのセンタータップＭ１．１又はＭ１．２が、直列に接続された当該２つのスイッチング素子と当該２つのスイッチング素子との間ごとに設けられている。直列に接続された１つの電圧依存抵抗器Ｒ１．１〜Ｒ１．４を伴う１つのコンデンサＣ１．１〜Ｃ１．４が、各半導体スイッチング素子Ｓ１．１〜Ｓ１．４に対して並列に配置されている。
【００１７】
当該個別半導体スイッチング素子は、略記されたスイッチとして専ら図記号で示されている。これらの半導体素子は、実際には並列に接続されたサイリスタ、ＩＧＢＴ又はその他の半導体スイッチング素子から構成される。これらの半導体素子はそれぞれ、当該複数の個別半導体スイッチング素子の直列回路又は並列回路から構成されてもよい。当該電圧依存抵抗器は、いわゆるバリスタ又は過渡電圧サプレッサダイオードである。
【００１８】
第１モジュールＭ１のセンタータップＭ１．１が、高電圧巻線２の端部に電気接続されている。モジュールＭ１とモジュールＭ２とが、センタータップＭ１．１とセンタータップＭ２．２とを介して接続されている。この第２モジュールＭ２も、同一に構成されている。つまり、この第２モジュールＭ２も、１つの部分巻線Ｗ２、並びにそれぞれ２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から成る２つの直列回路、並びにこれらの直列回路に対して並列に直列接続されたコンデンサＣ２．１〜Ｃ２．４及び抵抗器Ｒ２．１〜Ｒ２．４を有する。同様に、センタータップＭ２．１及びＭ２．２が、当該それぞれの直列回路間に設けられている。上記の１つのセンタータップＭ２．２と第１モジュールＭ１との接続は、既に説明してある。第２センタータップＭ２．１自体が、同様な第３モジュールＭ３のセンタータップＭ３．１に接続されている。このモジュールも、半導体スイッチング素子間に存在するセンタータップＭ３．１及びＭ３．２を有する半導体スイッチング素子Ｓ３．１〜Ｓ３．４、並びにコンデンサＣ３．１〜Ｃ３．４、抵抗器Ｒ３．１〜Ｒ３．４及び部分巻線Ｗ３を有する。第３モジュールは、センタータップＭ３．２を介して引込線（中性点）４に接続されている。
【００１９】
上記のモジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３は、当該それぞれの部分巻線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の設計によって異ならせてもよい。
【００２０】
個別モジュールＭ１〜Ｍ３の個別半導体スイッチング素子Ｓｎ．１〜Ｓｎ．４を適切に操作することによって、個々の部分巻線Ｗ１〜Ｗ３を接続又は遮断することが可能である。さらに、異なる設計の部分巻線の場合は、これらの部分巻線を相反するように切り換えることも可能である。
【００２１】
ＩＥＣ規格にしたがって試験を実施する場合は、過大電圧が、半導体スイッチング素子Ｓｎ．ｎに印加される。雷インパルス耐電圧試験及び開閉インパルス耐電圧試験時に当該半導体スイッチング素子Ｓｎ．ｎを保護するため、電圧依存抵抗器Ｒｎ．ｎ（例えば、バリスタ又はガス充填式サージアレスタ等）が、当該半導体スイッチング素子Ｓｎ．ｎに対して並列に接続される。
【００２２】
開閉インパルス耐電圧試験の場合は、電圧依存抵抗器Ｒｎ．ｎが全く通電されないか、又は、別の構成では、上記期間に発生する電力損失が部品を破壊させない程度の僅かな電流で、電圧依存抵抗器Ｒｎ．ｎが通電されるように、当該電圧依存抵抗器Ｒｎ．ｎは設計される。雷インパルス耐電圧試験の場合は、電圧依存抵抗器Ｒｎ．ｎが、通電されて半導体スイッチング素子Ｓｎ．ｎに対する電圧降下を制限する。この理由から、半導体スイッチング素子Ｓｎ．ｎが、破壊することなしにこの降下電圧に耐えるように、当該半導体スイッチング素子Ｓｎ．ｎは設計される必要がある。
【００２３】
雷インパルス耐電圧試験の電圧インパルスの上昇が、開閉インパルス耐電圧試験に比べて何倍も速いので、この電圧インパルスは、開閉インパルス耐電圧試験の周波数範囲（最大で６０Ｈｚ）より高い（６０Ｈｚより高い）周波数成分も含む。この理由から、電圧依存抵抗器Ｒｎ．ｎが、コンデンサに接続される。当該回路構成は、コンデンサＣｎ．ｎに直列に接続することによって得られる。高域通過フィルタが、この接続によって構成される。低周波の開閉インパルス耐電圧試験の場合は、当該コンデンサ負荷が、電圧依存抵抗器Ｒｎ．ｎに直列に接続されない。
【００２４】
コンデンサＣｎ，ｎに接続されている電圧依存抵抗器Ｒｎ．ｎは、雷インパルス耐電圧試験の要件に合わせるだけで済むと言う事実が、この回路構成において特に有益である。当該雷インパルス耐電圧試験の要件は、開閉インパルス耐電圧試験の要件に比べて少ない。何故なら、蓄積されているエネルギーが、より少ないからである。その結果、コストが下がり、必要な構造空間が小さくなる。別の有利な効果は、半導体スイッチング素子Ｓｎ．ｎも、より小さく寸法決めされ得る点である。この点も、コスト上の利点になる。
【符号の説明】
【００２５】
１  低電圧巻線
２  高電圧制御巻線（高電圧巻線）
３  負荷時タップ切換器
４  引込線
Ｍ１  第１モジュール
Ｍ２  第２モジュール
Ｍ３  第３モジュール
Ｗ１  第１部分巻線
Ｗ２  第２部分巻線
Ｗ３  第３部分巻線
Ｓ１．１，Ｓ１．２；Ｓ１．３，Ｓ１．４；Ｓ２．１，Ｓ２．２；Ｓ２．３，Ｓ２．４；Ｓ３．１，Ｓ３．２；Ｓ３．３，Ｓ３．４；Ｓ４．１，Ｓ４．２；Ｓ４．３，Ｓ４．４  半導体スイッチング素子
Ｍ１．１，Ｍ１．２；Ｍ２．１，Ｍ２．２；Ｍ３．１，Ｍ３．２  センタータップ
Ｃ１．１，Ｃ１．２；Ｃ１．３，Ｃ１．４；Ｃ２．１，Ｃ２．２；Ｃ２．３，Ｃ２．４；Ｃ３．１，Ｃ３．２；Ｃ３．３，Ｃ３．４；Ｃ４．１，Ｃ４．２；Ｃ４．３，Ｃ４．４  コンデンサ
Ｒ１．１，Ｒ１．２；Ｒ１．３，Ｒ１．４；Ｒ２．１，Ｒ２．２；Ｒ２．３，Ｒ２．４；Ｒ３．１，Ｒ３．２；Ｒ３．３，Ｒ３．４；Ｒ４．１，Ｒ４．２；Ｒ４．３，Ｒ４．４  抵抗器
Ｓｎ１．．．Ｓｎ４  半導体スイッチング素子
2015511034.tif 000003
【国際調査報告】
2015511034.tif 000004
2015511034.tif 000005
2015511034.tif 000006
2015511034.tif 000007
2015511034.tif 000008
2015511034.tif 000009
2015511034.tif 000010
2015511034.tif 000011