特表 2024-523107 非対称デルタマルチパルス変圧整流器ユニット、及び関連システム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-28

(54)【発明の名称】非対称デルタマルチパルス変圧整流器ユニット、及び関連システム及び方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/06 20060101AFI20240621BHJP

   H01F 30/12 20060101ALI20240621BHJP

   H01F 27/38 20060101ALI20240621BHJP

【ＦＩ】

H02M7/06 U

H01F30/12 C

H01F30/12 N

H01F27/38

H02M7/06 P

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023568267

(86)(22)【出願日】2022-05-06

(85)【翻訳文提出日】2023-12-25

(86)【国際出願番号】 US2022028159

(87)【国際公開番号】W WO2022236114

(87)【国際公開日】2022-11-10

(31)【優先権主張番号】63/185,520

(32)【優先日】2021-05-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】501220547

【氏名又は名称】エルデック エアロスペース コーポレーション

(74)【代理人】

【識別番号】110001139

【氏名又は名称】ＳＫ弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100130328

【弁理士】

【氏名又は名称】奥野 彰彦

(74)【代理人】

【識別番号】100130672

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 寛之

(72)【発明者】

【氏名】スティーブンソン， ランディ

(72)【発明者】

【氏名】シットン，トラビス

(72)【発明者】

【氏名】ロシュ， パトリック

【テーマコード（参考）】

5E058

5H006

【Ｆターム（参考）】

5E058DA05

5H006AA02

5H006CA07

5H006CB01

5H006CC08

5H006HA02

5H006HA05

5H006HA08

(57)【要約】

本明細書では非対称マルチパルス変圧器整流ユニット（ＴＲＵ）、及び関連するシステム及び方法を説明する。いくつかの実施形態では、変圧器は、マルチパルス（例えば、１８パルス又は２４パルス）非対称出力を提供するために、変圧器の回路図に従って配置された補正巻線を有する電気的に絶縁された３相デルタ２次側に結合された３相デルタ又はワイ１次側を含む。このような構造によって、受動的な多相ＰＦＣと高調波キャンセルが与えられ、マルチパルス整流が可能となる。ＴＲＵレベルでは、３相入力電力が変圧器に供給され、絶縁された９相又は１２相出力を生成する。絶縁された多相変圧器の出力を、ブリッジ整流器に供給し、ＡＣからＤＣに変換することができる。ＤＣ出力電圧は、ＡＣ入力電圧と変圧器の巻数比によって決定される。
【選択図】図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

変圧整流器ユニット（ＴＲＵ）であって、
非対称変圧器及びブリッジ整流器を備え、
前記非対称変圧器は、第１コイル、第２コイル、及び第３コイル、並びにガルバニック絶縁を備え、
前記各コイルは、それぞれ１次巻線及び２次巻線を備え、かつ、前記各コイルの対応する入力相で励磁されるように構成されており、
前記ガルバニック絶縁は、前記１次巻線を前記２次巻線から電気的に絶縁し、
前記各２次巻線は、それぞれ非対称の２次巻線であり、
第１の２次巻線は、第１の２次デルタ巻線と、第１の１次巻線に結合された第１の複数の２次補正巻線とを備え、
第２の２次巻線は、第２の２次デルタ巻線と、第２の１次巻線に結合された第２の複数の２次補正巻線とを備え、
第３の２次巻線は、第３の２次デルタ巻線と、第３の１次巻線に結合された第３の複数の２次補正巻線とを備え、
前記ブリッジ整流器は、それぞれ個々の補正巻線に結合された複数の整流器を備え、
個々の２次補正巻線の出力相は、個々の出力相電圧が反対側の２次デルタコーナ相に対して制御されるように非対称であり、
前記出力相電圧は２次中性点に対して不平衡である、ＴＲＵ。

【請求項2】

請求項１に記載のＴＲＵであって、
前記変圧器は、３相入力電力及び絶縁された９相出力を有する１８パルス変圧器である、ＴＲＵ。

【請求項3】

請求項２に記載のＴＲＵであって、
各前記複数の２次補正巻線は、２つの２次補正巻線を備える、ＴＲＵ。

【請求項4】

請求項３に記載のＴＲＵであって、
各複数の補正巻線のタップ点は、前記２次デルタ巻線の対応する前記各コイルを３つのセグメントに分離する、ＴＲＵ。

【請求項5】

請求項２に記載のＴＲＵであって、
個々の相電圧は、前記ブリッジ整流器において、ある相から次の隣接する相までのオフセットが約２０°である、ＴＲＵ。

【請求項6】

請求項１に記載のＴＲＵであって、
前記変圧器は、３相入力電力及び絶縁された１２相出力を有する２４パルス変圧器である、ＴＲＵ。

【請求項7】

請求項６に記載のＴＲＵであって、
各複数の２次補正巻線は、３つの２次補正巻線を備える、ＴＲＵ。

【請求項8】

請求項７に記載のＴＲＵであって、
各複数の補正巻線のタップ点は、前記２次デルタ巻線の対応する前記各コイルを４つのセグメントに分離する、ＴＲＵ。

【請求項9】

請求項６に記載のＴＲＵであって、
個々の相電圧は、前記ブリッジ整流器において、ある相から次の隣接する相までのオフセットが約１５°である、ＴＲＵ。

【請求項10】

請求項１に記載のＴＲＵであって、
前記ブリッジ整流器は、主整流器と２次整流器とを備え、
前記主整流器は、前記２次デルタ巻線のＡＣ電圧を整流するように構成され、
前記２次整流器は、前記補正巻線のＡＣ電圧を整流するように構成された、ＴＲＵ。

【請求項11】

請求項１０に記載のＴＲＵであって、
前記主整流器は、ＤＣ電力の約６６％を供給し、前記２次整流器はＤＣ電力の約３４％を供給する、ＴＲＵ。

【請求項12】

第１コイル、第２コイル、第３コイル、及びガルバニック絶縁を有する非対称変圧器を設計するための方法であって、
前記各コイルは、１次巻線及び２次巻線を備え、
各２次巻線が２次デルタ巻線及び複数の２次補正巻線を備える非対称２次巻線であり、
前記ガルバニック絶縁は前記１次巻線を前記２次巻線から電気的に絶縁するように構成されており、
前記方法は、
前記各コイルの前記１次巻線の巻数を選択するステップ、
前記各コイルの前記２次デルタ巻線のそれぞれの巻数を選択するステップ、
前記２次補正巻線のタップ点を選択するステップ、
変圧器ベクトル図を構築するステップ、
各タップ位置から個々の２次補正巻線を表す線を引くステップ、
各２次補正巻線の巻数比を決定するステップ、並びに
前記巻数比の倍数として前記各２次補正巻線の巻数及び完全な前記２次デルタ巻線の巻数を決定するステップを備え、
前記２次補正巻線のタップ点を選択するステップは、前記第１コイルの第１の２次デルタ巻線、前記第２コイルの第２の２次デルタ巻線、及び前記第３コイルの第３の２次デルタ巻線に沿って、前記２次補正巻線のタップ点を選択し、
前記タップ点は、前記第１の２次デルタ巻線、前記第２の２次デルタ巻線、及び前記第３の２次デルタ巻線をそれぞれセグメントに分割し、
前記変圧器ベクトル図を構築するステップは、２次コーナ相間の巻数に比例する脚の長さを有する正三角形を用いて変圧器ベクトル図を構築し、
前記三角形の各辺は、前記第１、前記第２及び前記第３の２次デルタ巻線のうちの１つを表し、
各タップ位置から個々の２次補正巻線を表す線を引くステップは、前記第１、第２及び第３の２次デルタ巻線に沿って、各タップ位置から個々の２次補正巻線を表す線を引き、
各線は、前記２次補正巻線が巻かれている前記コイルの相に等しい相と、前記２次補正巻線の巻数に比例する長さと、を有する第１の複数のベクトルのベクトルとして表され、
前記第１の複数のベクトルの各ベクトルは、前記三角形の辺の１つと平行であり、
前記各２次補正巻線の巻数比を決定するステップは、前記第１の複数のベクトルの対応するベクトルの前記長さによって、各２次補正巻線の巻数比を決定する、方法。

【請求項13】

請求項１２に記載の方法であって、前記変圧器の出力相を決定するステップをさらに備え、
前記変圧器の出力相を決定するステップは、
各補正巻線ベクトルの端から前記正三角形の対向する頂点まで、第２の複数のベクトルのベクトルを描くステップ、及び
各補正巻線の出力相を、前記第２の複数のベクトルの対応するベクトルの長さによって決定するステップによって、前記出力相を決定する、方法。

【請求項14】

請求項１２に記載の方法であって、
各補正巻線の出力相は、前記三角形の対向する頂点によって表される相に対する、対応する出力相の振幅に比例する、方法。

【請求項15】

請求項１２記載の方法であって、
前記変圧器は３相入力電力及び絶縁された９相出力を有する１８パルス変圧器である、方法。

【請求項16】

請求項１５に記載の方法であって、
各複数の２次補正巻線は２つの２次補正巻線を備え、
各複数の補正巻線のタップ点は、前記２次デルタ巻線の対応する各コイルを３つのセグメントに分離し、
個々の相電圧がブリッジ整流器においてある相から次の隣接する相までのオフセットが約２０°である、方法。

【請求項17】

請求項１６記載の方法であって、
前記２次デルタ巻線の個々のコイルに沿った前記３つのセグメントの巻数比は、Ｎ１＝０．２６、Ｎ２＝０．３５、Ｎ３＝０．３９であり、
個々の補正巻線の巻数比は、Ｎ４＝０．１４、Ｎ５＝０．１４であり、
前記巻数比は、セグメント又は補正巻線の巻数を前記デルタ巻線の前記コイルの全巻数で割ったものと定義される、方法。

【請求項18】

請求項１２記載の方法にであって、
前記変圧器は、３相入力電力及び絶縁された１２相出力を有する２４パルス変圧器である、方法。

【請求項19】

請求項１８に記載の方法であって、
各複数の２次補正巻線は、３つの２次補正巻線を備え、
前記各複数の補正巻線のタップ点は、前記２次デルタ巻線の各対応するコイルを４つのセグメントに分離し、
個々の相電圧は、ブリッジ整流器においてある相から次の隣接する相までのオフセットが約１５°である、方法。

【請求項20】

請求項１６に記載の方法であって、
前記２次デルタ巻線の個々のコイルに沿った前記３つのセグメントの巻数比は、Ｎ１＝０．１７、Ｎ２＝０．２４、Ｎ３＝０．４２、Ｎ４＝０．１７であり、
個々の補正巻線の巻数比はＮ５＝０．１３、Ｎ６＝０．１３、Ｎ７＝０．１８であり、
前記巻数比はセグメント又は補正巻線の巻数を前記デルタ巻線の前記コイルの全巻数で割ったものとして定義される、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照

【0002】

本出願は、２０２１年５月７日に出願された米国仮出願第６３／１８５５２０号の優先権を主張するものであり、該仮出願を参照することによりこの全体が本明細書に援用される。

【背景技術】

【0003】

商業航空機は、油圧、空圧系統の代わりに電気コンテンツの増加を特徴とする、航空装備品の電気化（Ｍｏｒｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｉｒｃｒａｆｔ、ＭＥＡ）へと進化を続けている。パワーエレクトロニクスと高密度電気モータの分野における最近の進歩に加え、オペレーティングコスト削減への継続的な圧力により、この傾向が続くことは確実である。さらに、航空機の推進は、ハイブリッド電気、ターボ電気、さらには全電気パワートレインへと移行している。いくつかのシナリオ下で、電気推進への移行により、電気系統の電力需要が４０倍以上に増加すると予想されている。

【0004】

現代の航空機では、航空機の低電圧（通常２８Ｖ）及び高電圧（通常２７０Ｖ、５４０Ｖ、又はそれ以上）のＤＣバスからの電力需要が増加し続けている。ＡＣ発電機からのＤＣバスによる電力需要の割合が増加すると、ＡＣバス電圧ひずみや発電機の高調波トルクのような望ましくない影響を緩和するために、ＡＣ／ＤＣコンバータの電力品質を高める必要がある。

【0005】

航空機の２８Ｖバスは従来、変圧整流器ユニット（ＴＲＵ）から供給されていた。これらのＴＲＵは、航空機の発電機によって供給される３相ＡＣ電圧を公称２８ＶＤＣに変換する。ＴＲＵの主な機能ブロックは、変圧器とブリッジ整流器である。変圧器は、ブリッジ整流前に、多相力率補正（ＰＦＣ）、ガルバニック絶縁、及び電圧降圧を行う。ブリッジ整流器は、変圧器のＡＣ相出力を整流し、出力電圧をＤＣに変換する。

【0006】

従来の２８ＶのＴＲＵシステムの中には、１つの１次側（ワイ又はデルタ）と２つの２次側（ワイとデルタ）に依存して、ＤＣ電圧に変換される６つのＡＣ出力相（１２パルス整流が可能）を確立するものがある。２次側の最小巻数が少ないため（デルタ巻線あたり７回巻、ワイ巻線あたり４回巻）、これは大電流出力（２００－３００Ａ）を提供するのに効果的である。しかし、このアプローチでは、出力電圧リップルを低減し、デルタ２次側とワイ２次側の間の自然な電圧不均衡を対処するために、相間変圧器を使用する必要があり（この結果、重量が増加し、効率が低下する）、１２パルスの電力品質しか達成できない。

【0007】

他の従来のＴＲＵ設計では、１２パルスより優れた電力品質を提供するために、相補的なジグザグ２次巻線を持つ複数の変圧器を使用している。このアプローチでは高出力電流と優れた電力品質を達成できるが、複雑な巻線を持つ複数の変圧器を使用するため、製造コストが大幅に増加し、重量が増加し、全体的な電力密度が低下する。

【0008】

従来の方法の中には、デルタ１次側と六角形２次側に依存し、複雑な相間変圧器ではなく、より単純なディスクリート出力インダクタを使用して２４パルスの電力品質を提供するものがある。このアプローチは、低電流（２００Ａ未満）のＴＲＵでは高性能で重量競争力のあるソリューションを提供するが、２次側の最小巻数が多いことで（最良の高調波性能を得るには６６回巻、最低限の巻数は４８巻）、変圧器の漏れインダクタンスと抵抗損失が大きくなる。この結果、低効率、高重量、及び高電流（２００Ａ超）アプリケーションでの出力電圧レギュレーションが悪くなる。

【0009】

いくつかの従来のアプリケーションでは、航空機の高電圧バス（例えば、２７０Ｖや５４０Ｖ）は単巻変圧整流器ユニット（Ａｕｔｏ－Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ Ｕｎｉｔ、ＡＴＲＵ）によって供給される。ＡＴＲＵは受動的な多相ＰＦＣとＡＣ－ＤＣ変換を与えるが、ＡＴＲＵは多相ＰＦＣ用の変圧器ではなく単巻変圧器を使用するため、ガルバニック絶縁を有しない。電気的に絶縁された２次側がないため、単巻変圧器は１次側の補正巻線を使用して、多相ＰＦＣに必要な追加の相を生成する。これらの単巻変圧器は、同格の変圧器よりも本質的に軽量で効率的である。なぜなら、単巻変圧器は、電力のかなりの部分が巻線によって電気的に伝導され、コアを通して磁気的に結合されないからである。しかし、発電機の中性点が機体から絶縁されていない限り、ＡＴＲＵの出力リターンを機体に直接つなげることはできない。発電機の中性点は通常機体を基準としているため、ＡＴＲＵ出力電圧は機体に対して分割された電圧とみなされる。これは、モータ駆動デバイス、レーダー、除氷装置を含む高電圧のポイントオブユース負荷（ｐｏｉｎｔ－ｏｆ－ｕｓｅ ｌｏａｄｓ）では一般的に許容されるが、このアプローチでは、コモンモード電圧が高く、入力電圧から独立して出力電圧を参照できないため、広範なＤＣ配電には課題が生じる。単巻変圧器はガルバニック絶縁を有することができないため、多くの航空機アプリケーションでは高電圧ＴＲＵ（ＨＶＴＲＵ）が必要になる。電力レベルが高いため、実用的なシステムでは１８パルス又は２４パルスの電力品質が要求される可能性が高い。さらに、上述した従来のＡＴＲＵアプローチは、コモンモード電圧が高い、リターンが機体につながれていない負荷にしか対応していない、入力電圧から独立して出力電圧を参照できない、といった１つ又は複数の欠点に悩まされている。

【0010】

要約すると、上述した従来の２８Ｖ ＴＲＵアプローチは、以下の１つ又は複数の欠点に悩まされている。低電力品質（例えば、１２パルス）、相間変圧器の使用が必要、複数の変圧器を必要とする複雑な組立工程、高重量、及び／又は２次側の最小巻数が多い。一方、現代のＡＴＲＵは、相間変圧器の使用を必要とすることなく、低重量、高効率、優れた電力品質（１８～２４パルス）を利用できるが、３相ＡＣ入力とＤＣ出力との間にガルバニック絶縁を与えることはできない。従って、相間変圧器を使用せず、かつ、ガルバニック絶縁を有し、１２パルスより優れた電力品質を提供可能なＡＣ－ＤＣ変換システムが依然として必要とされている。さらに、大電流２８Ｖアプリケーションでは、変圧器の抵抗電圧降下と無効電圧降下を最小限に抑えるため、２次側の巻数を少なく（４０未満）する必要がある。

【発明の概要】

【0011】

本概要は、以下の「発明を実施するための形態」でさらに記載される概念の選択を簡略化して紹介するために提供される。本概要は、クレームされた主題の主要な特徴を特定することを意図したものではなく、また、クレームされた主題の範囲を決定する際の補助として使用することを意図したものでもない。

【0012】

本発明技術により、出力電圧は入力電圧に比例し、出力は入力から電気的に絶縁された状態で、３相ＡＣ電圧からＤＣ電圧への変換が可能となる。例えば、本技術は、航空宇宙用電源システムで一般的に使用されている１１５ボルトＡＣ又は２３０ボルトＡＣの入力から、公称２８ボルトＤＣ、２７０ボルトＤＣ、又は５４０ボルトＤＣの出力を与える。出力電圧は、入力電圧と変圧器の１次－２次巻数比に比例する。

【0013】

本発明技術のいくつかの実施形態では、非対称デルタ２次変圧器トポロジーは、ＨＶＴＲＵと大電流２８ＶのＴＲＵの両方において、低重量とコスト削減と併せて高性能を提供するのに比類なく適している。非対称的なアプローチは、対称的な１８Ｐソリューションと比較して重量を大幅に削減する。これは、対称的なデルタ設計よりも補正巻線をより少ない巻数で作ることができ、流す電流を少なくすることができるためである。

【0014】

いくつかの実施形態では、本発明のＴＲＵ技術は、高電圧出力又は公称２８Ｖ出力で、効率的で軽量な１８パルス又は２４パルス動作を可能にする。変圧器の構造は、変圧器の回路図に従って配置された補正巻線を有する電気的に絶縁された３相デルタ２次側に結合された標準的な３相デルタ又はワイ１次側で構成され、１８パルス動作用の９相非対称出力又は２４パルス動作用の１２相非対称出力を与える。したがって、受動的な多相電力相補正（ＰＦＣ）及び高調波キャンセルを実現し、１８パルス又は２４パルス整流を可能にする。個々の２次補正巻線の出力相は、個々の出力相電圧が対向する２次デルタコーナ相に対して制御されるように非対称であり、２次出力相電圧は２次中性点に対して不平衡である。本明細書では、２次デルタ巻線と２次補正巻線を総称して２次巻線と呼ぶ。

【0015】

絶縁された（例えば、電気的に絶縁された）９相又は１２相変圧器の出力は、１８パルス又は２４パルスのブリッジ整流器に供給され、当該整流器はＡＣからＤＣに変換する。ＤＣ出力電圧は、ＡＣ入力電圧と変圧器の巻数比によって決定される。例えば、１８パルスＴＲＵの場合、全入力電流高調波ひずみは、ほとんどのアプリケーションで５～７％になると予想される。これは１２パルスＴＲＵの典型的な１１～１４％に比べて大幅に改善されている。２４パルスＴＲＵの場合、ほとんどのアプリケーションで全入力電流高調波ひずみは３～５％になると予想される。

【0016】

２８ＶのＴＲＵアプリケーションにおいて、本発明技術は、２４Ｐデルタヘックスソリューションと比較してコスト削減を実現し、デルタヘックスが実用的に可能な出力電流よりも大幅に高い出力電流をサポートする。本発明技術は、１１次と１３次の高調波をキャンセルすることにより、２８ＶのＴＲＵの電力品質を大幅に改善し、これは、一般に１２パルスＴＲＵの仕様偏差を必要とする。

【0017】

ＨＶＴＲＵアプリケーションでは、非対称１８パルス（１８Ｐ）又は２４パルス（２４Ｐ）デルタアプローチは、１２パルス（１２Ｐ）ソリューションに比べて電力品質が大幅に向上し、対称１８パルス又は２４パルスソリューションに比べて重量が大幅に削減される。従って、本発明の非対称１８Ｐ及び２４Ｐデルタ変圧器は、低コストで最小限の重量ペナルティで優れた電力品質を提供する。

【0018】

高電圧ＤＣアプリケーションにおいて、本発明のＴＲＵ技術は、デルタ又はワイ１次側に結合された１８パルス／２４パルス変圧器巻線トポロジーを利用し、優れた電力品質で電気的に絶縁された２７０ＶＤＣ又は５４０ＶＤＣの公称出力を与える。本発明技術は、２．４ｋＷ／ｋｇを超える電力密度と９６％を超える効率をもたらす可能性がある。ガルバニック絶縁を追加したにもかかわらず、これらの数値は従来のＴＲＵ技術（１ｋＷ／ｋｇ未満、９０％以上の効率）よりも従来のＡＴＲＵ技術（～３ｋＷ／ｋｇ、９７％以上の効率）にはるかに近い。ＴＲＵのＡＣ入力とＤＣ出力間はガルバニック絶縁であることにより、ＴＲＵの出力リターンを機体につなげることができ、ユニポーラ出力を必要とするアプリケーションに使用することができる。さらに、本発明のＨＶＤＣＴＲＵ技術は、航空宇宙アプリケーションにつきものである堅牢性と信頼性を維持している。本発明技術は、優れた性能と低重量を提供しながらも、システムを簡素化し、リスクを低減する。

【0019】

一実施形態では、変圧器整流器ユニット（ＴＲＵ）は、第１コイル、第２コイル、及び第３コイルを有する非対称変圧器を含む。各コイルは１次巻線と２次巻線を含み、各２次巻線は非対称２次巻線であり、各コイルは対応する入力相で励磁されるように構成されている。ＴＲＵはまた、１次巻線を２次巻線から電気的に絶縁するガルバニック絶縁を含み、第１の２次巻線は、第１の２次デルタ巻線と、第１の１次巻線に結合された第１の複数の２次補正巻線とを含み、第２の２次巻線は、第２の２次デルタ巻線と、第２の１次巻線に結合された第２の複数の２次補正巻線とを含み、第３の２次巻線は、第３の２次デルタ巻線と、第３の１次巻線に結合された第３の複数の２次補正巻線とを含む。ＴＲＵはまた、個々の補正巻線にそれぞれ結合された複数の整流器を有するブリッジ整流器を含む。個々の２次補正巻線の出力相は、個々の出力相電圧が対向する２次デルタコーナ相に対して制御されるように非対称であり、出力相電圧は２次中性点に対して不平衡である。

【0020】

一態様では、変圧器は３相入力電力と絶縁された９相出力を有する１８パルス変圧器である。

【0021】

一態様では、各複数の２次補正巻線は２つの２次補正巻線を含む。

【0022】

一態様では、各複数の補正巻線のタップ点は、２次デルタ巻線の対応する各コイルを３つのセグメントに分離する。

【0023】

一態様では、個々の相電圧はブリッジ整流器において、ある相から次の隣接する相までのオフセットが約２０°である。

【0024】

別の態様では、変圧器は３相入力電力と絶縁された１２相出力を有する２４パルス変圧器である。各複数の２次補正巻線は、３つの２次補正巻線を備える。各複数の補正巻線のタップ点は、２次デルタ巻線の対応する各コイルを４つのセグメントに分離する。個々の相電圧は、ブリッジ整流器において、ある相から次の隣接する相までのオフセットが約１５°である。

【0025】

一態様では、ブリッジ整流器は、２次デルタ巻線のＡＣ電圧を整流するように構成された主整流器と、補正巻線のＡＣ電圧を整流するように構成された２次整流器と、を含む。

【0026】

一態様では、主整流器はＤＣ電力の約６６％を供給し、２次整流器はＤＣ電力の約３４％を供給する。

【0027】

一実施形態では、非対称変圧器を設計する方法を示す。非対称変圧器は、第１コイル、第２コイル、第３コイル、及びガルバニック絶縁を有する。各コイルは１次巻線と２次巻線を含む。各２次巻線は、２次デルタ巻線と複数の２次補正巻線を有する非対称２次巻線である。ガルバニック絶縁は、１次巻線を２次巻線から電気的に絶縁するように構成されている。本方法は、コイルの１次巻線の巻数を選択するステップ、コイルの２次デルタ巻線のそれぞれの巻数を選択するステップ、第１コイルの第１の２次デルタ巻線、第２コイルの第２の２次デルタ巻線、及び第３コイルの第３の２次デルタ巻線に沿って２次補正巻線のタップ点を選択するステップ、を含む。タップ点は、第１の２次デルタ巻線、第２の２次デルタ巻線、及び第３の２次デルタ巻線のそれぞれをセグメントに分割する。本方法はまた、２次コーナ相間の巻数に比例する脚の長さを有する正三角形を使用して変圧器ベクトル図を構築するステップを含む。三角形の各辺は、第１、第２及び第３の２次デルタ巻線の１つを表す。また、本方法は、第１、第２及び第３の２次デルタ巻線に沿って、各タップ位置から個々の２次補正巻線を表す線を引くステップも含む。各線は、２次補正巻線が巻かれているコイルの相に等しい相と、２次補正巻線の巻数に比例する長さとを有する第１の複数のベクトルのベクトルとして表される。第１の複数のベクトルの各ベクトルは、三角形の辺の１つに平行に走る。本方法はまた、第１の複数のベクトルの対応するベクトルの長さによって各２次補正巻線の巻数比を決定するステップ、巻数比の倍数として各２次補正巻線の巻数及び完全な２次デルタ巻線の巻数を決定するステップを含む。

【0028】

一態様において、本方法はまた、各補正巻線ベクトルの端から正三角形の対向する頂点まで第２の複数のベクトルのベクトルを描くステップと、第２の複数のベクトルの対応するベクトルの長さによって各補正巻線の出力相を決定するステップと、によって変圧器の出力相を決定するステップを含む。

【0029】

一態様では、各補正巻線の出力相は、三角形の対向する頂点によって表される相に対する対応する出力相の振幅に比例する。

【0030】

一態様では、変圧器は３相入力電力及び絶縁された９相出力を持つ１８パルス変圧器である。各複数の２次補正巻線は、２つの２次補正巻線を含む。各複数の補正巻線のタップ点は、２次デルタ巻線の各対応するコイルを３つのセグメントに分離する。個々の相電圧は、ブリッジ整流器において、ある相から次の隣接する相までのオフセットが約２０°である。

【0031】

一態様では、変圧器は３相入力電力と絶縁された１２相出力を有する２４パルス変圧器である。

【0032】

一態様では、各複数の２次補正巻線は３つの２次補正巻線を含み、各複数の補正巻線のタップ点は２次デルタ巻線の対応する各コイルを４つのセグメントに分離し、個々の相電圧はブリッジ整流器においてある相から次の隣接する相までのオフセットが約１５°である。

【図面の簡単な説明】

【0033】

本発明技術の上述の態様及び付随する利点は、添付の図面と併せ、以下の発明を実施するための形態を参照することにより、よりよく理解できるようになり、また、より容易に理解されるであろう。

【0034】

図１Ａ及び図１Ｂは、本発明技術の一実施形態に係る１８パルス非対称ＴＲＵを示す。

【0035】

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明技術の一実施形態に係る２４パルス非対称ＴＲＵを示す。

【0036】

図３は、本発明技術の一実施形態に係るデルタ巻非対称変圧器を示す。

【0037】

図４Ａは、本発明技術の一実施形態に係るマルチパルス非対称変圧器の１次デルタ巻線を示す。

【0038】

図４Ｂ及び図４Ｃは、本発明技術の一実施形態に係る１８パルス非対称変圧器の２次デルタ巻線及び２次補正巻線を示す。

【0039】

図４Ｄは、本発明技術の一実施形態に係る２４パルス非対称変圧器の２次デルタ巻線及び２次補正巻線を示す。

【0040】

図５～８は、本発明技術の一実施形態に係る１８パルス非対称変圧器の２次デルタ巻線及び２次補正巻線を示す。

【0041】

図９～１６は、本発明技術の一実施形態に係る２４パルス非対称変圧器の２次デルタ巻線及び２次補正巻線を示す。

【0042】

図１７は、本発明技術の実施形態に係るマルチパルス非対称変圧器を設計する方法のフローチャートである。

【0043】

図１８は、図４Ｂに描かれたトポロジーの理想的な変圧器を利用した１８パルス非対称ＴＲＵの３相入力電流波形をシミュレートしたグラフである。

【0044】

図１９は、図４Ｂに描かれたトポロジーの理想的な変圧器を利用した１８パルス非対称ＴＲＵの整流器ブリッジ電流をシミュレートしたグラフである。

【0045】

図２０は、図４Ｂに描かれたトポロジーの理想的な変圧器を利用した１８パルス非対称ＴＲＵのＡ相入力電圧及び電流をシミュレートしたグラフである。

【0046】

図２１は、本発明技術の一実施形態に係る実際の３相入力電流波形のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0047】

例示的実施形態を図示して説明してきたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、例示的実施形態に様々な変更が可能であることを理解されたい。

【0048】

図１Ａは、本発明技術の一実施形態に係る１８パルス非対称デルタＴＲＵ１０００を示す。入力側では、３相ＡＣ電力１００（典型的には１１５ボルト又は２３０ボルト）が変圧器３００に供給される。１次デルタ巻線Ａ、Ｂ、Ｃの３つの入力相は、１次デルタ３０２に供給され、２次デルタ３０４の出力相１、４、７に変換される。いくつかの実施形態では、３相１次デルタ３０２はガルバニック絶縁３０６を介して３相非対称２次デルタ３０４に結合される。ガルバニック絶縁３０６によって、故障伝播が制限され、発電機の中性点電圧又はインピーダンスに関係なく、ＴＲＵＤＣ出力リターンを機体に直接つなげることが可能になる。

【0049】

２次デルタ巻線タップ１、４、７から来る電力は、２次巻線から来る電力の大部分（例えば、場合によっては約６６％）をＤＣ電圧（例えば、５４０Ｖ）に整流するコーナ整流器（主整流器とも呼ぶ）２００に供給される。巻線タップ１、４、７に接続された２次デルタ巻線は、主整流回路２００の出力に６つのパルスを供給する。残りの電力は、巻線タップ２、３、５、６、８、９に接続された２次補正巻線から、残りの電力（例えば、場合によっては約３４％）を整流する補正整流器４００（２次整流器とも呼ばれる）に供給され、力率補正と３相入力電流の高調波キャンセルが可能になる。結果として、変圧器３００のサイズ、重量、及び損失の大幅な削減を達成できる。６６％対３４％という電力配分は例示的な実施形態にすぎず、他の実施形態では、主整流器２００と２次整流器４００によって異なる割合の電力が扱われてもよい。２次デルタ巻線及び２次補正巻線は、本明細書では２次巻線と総称する。

【0050】

整流回路２００と４００は、入力ＡＣ電圧をＤＣ電圧に整流するダイオードの配置を含む。本発明技術の変圧器により、非対称デルタＴＲＵ１０００は、高力率と低高調波含有率の１８パルス入力電流波形を維持しながら、高品質のＤＣ（例えば、５４０ボルトＤＣ）を出力する。

【0051】

図１Ｂはまた、本発明技術の一実施形態に係るＴＲＵを示す。３相入力Ａ、Ｂ、Ｃは入力フィルタ１５０を通って変圧器３００に供給される。図示の実施形態では、９つの出力相（２次デルタ巻線タップ１、４、７からの３つの出力相、及び２次補正巻線タップ２、３、５、６、８、９からの６つの出力相、総称して「出力相３１０」）は整流回路２００、４００に結合され、整流回路２００、４００は、入ってくる９相を１８パルスに整流する。個々の２次補正巻線の出力相は、個々の出力相電圧が対向する２次デルタコーナ相に対して制御されるように非対称であり、２次出力相電圧は２次中性点に対して不平衡である。結果として生じるＤＣ電圧は、負荷に供給される前に、出力電磁干渉（ＥＭＩ）フィルタ４１０を通して供給されてもよい。図示のＴＲＵは、２３０ボルトのＡＣ入力を５４０ボルトのＤＣ出力に変換することができる。他の実施形態では、異なるＡＣ入力電圧とＤＣ出力電圧を生成することができる。

【0052】

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明技術の一実施形態に係る２４パルス非対称デルタＴＲＵ１０００を示す。ここでも、入力側では、３相ＡＣ電力１００（典型的には１１５ボルト又は２３０ボルト）が変圧器３００に供給される。１次デルタ巻線Ａ、Ｂ、Ｃの３つの入力相は、１次デルタ３０２に供給され、２次デルタ３０４の出力相１、５、９に変換される。２次デルタ巻線タップ１、５、９から来る電力は、ＴＲＵによって処理される電力の大部分（例えば、約６６％）をＤＣ電圧（例えば、５４０Ｖ）に整流するコーナ整流器２００に供給される。従って、２次デルタ巻線タップ１、５、９は、主整流回路２００の出力に６つのパルスを供給する。２次補正巻線タップ２、３、４、６、７、８、１０、１１、１２は、残りのＤＣ電力（例えば、約３４％）を整流する２次整流器４００にさらに１８個のパルスを供給し、３相入力電流の高調波キャンセルと力率補正を可能にする。

【0053】

３相１次デルタ３０２は、ガルバニック絶縁３０６を介して３相非対称２次デルタ３０４に結合される。上で説明したように、ガルバニック絶縁３０６によって、故障伝播が制限され、発電機の中性点電圧又はインピーダンスに関係なく、ＴＲＵＤＣ出力リターンを機体に直接つなげることが可能になる。

【0054】

図２Ｂも本発明技術の一実施形態に係るＴＲＵ１０００を示す。ここでも、３相入力Ａ、Ｂ、Ｃは、入力フィルタ１５０を通って変圧器３００に供給される。図示の実施形態では、１２個の出力相（２次デルタ巻線タップ１、５、９からの３つの出力相、及び２次補正巻線タップ２、３、４、６、７、８、１０、１１、１２からの９つの出力相）は、１２個の相を２４個のパルスに整流する共通の整流回路に結合される。図示のＴＲＵは、２３０ボルトのＡＣ入力を５４０ボルトのＤＣ出力に変換することができる。他の実施形態では、異なるＡＣ入力電圧とＤＣ出力電圧が使用されてもよい。

【0055】

図１Ａ～２Ｂでは１次巻線がデルタ１次巻線で示されている。しかし、異なる実施形態では、ワイ１次巻線が１次巻線として使用されてもよい。さらに、本明細書では、１８パルス及び２４パルスの非対称変圧器を有する実施形態に焦点を当てて議論する。しかしながら、本発明技術は、いくつかのトレードオフを伴うものの、パルス数が３の倍数である他のマルチパルス非対称変圧器にも適用可能とできる。例えば、２次補正巻線の数を増やす必要があるようなパルス数の増加は、一般にＴＲＵのサイズと重量を増加させる。

【0056】

図３は、本発明技術の一実施形態に係るデルタ巻変圧器１０００を示す。１次デルタ相の入力は、ＴＲＵ１０００の前端部にＡ、Ｂ、Ｃと記されている。いくつかの実施形態では、３相入力の１次デルタ巻線及び２次デルタ巻線は、３つのコイル１１０、１２０及び１３０として巻かれる。図示の実施形態では、コイル１１０、１２０及び１３０は、同じ強磁性コア１４０を共有している。

【0057】

２次巻線の出力（例えば、２次デルタ巻線タップ１、４、７からの３つの出力相と、２次補正巻線タップ２、３、５、６、８、９からの６つの出力相）は、整流回路２００、４００に結合され、入力される９相を１８パルスに整流する。当業者であれば、２４パルスＴＲＵの類似の２次巻線１～１２が、図２Ａ及び図２Ｂに示す類似の整流回路２００、４００に接続されることを理解するであろう。ＤＣ出力であるＤＣ＋とＤＣ－はＴＲＵ１０００の前端部に記されている。

【0058】

図４Ａは、本発明技術の一実施形態に係るマルチパルス非対称変圧器の１次デルタ巻線３０２を示す。１次デルタ巻線３０２は、相Ａ、Ｂ、Ｃを含む。図示した１次デルタ巻線３０２は、それぞれ５０回巻であるが、他の実施形態では、異なる巻数も可能である。

【0059】

図４Ｂ及び図４Ｃは、本発明技術の異なる実施形態に係る１８パルス非対称変圧器のデルタ巻線及び２次補正巻線を有する２次側３０４を示す。図示された２次巻線（デルタ巻線及び補正巻線）は、変圧器の３つの主相及び６つの補正相（補助相とも呼ばれる）を含む９つの出力相のための９つの出力タップ（Ｔ１～Ｔ９）を含む。トポロジーの向きは例示的なものであり、異なる実施形態では異なるトポロジーを適用してもよい。２次デルタ巻線と２次補正巻線には、１次デルタ相Ａ、Ｂ、Ｃに対する相対応を示すために、Ａ、Ｂ、Ｃが記されている。

【0060】

図示された実施形態の各巻線の巻数は、巻線に隣接して表示されている。図４Ｂでは、２次デルタ巻線に対応するＴ１コイル（Ｂ相）に沿った直列巻線は、直列に１３回巻、２６回巻、１３回巻である。タップＴ３とＴ５に接続される２次補正巻線は、それぞれ７回巻である。同様に、２次デルタ巻線のＴ４コイル（Ａ相）に沿った直列巻線も、直列に１３、２６、１３回巻である。タップＴ６とＴ８を備える、対応する２次補正巻線はそれぞれ７回巻である。Ｃ相２次巻線も同様の巻数と分布を有する。

【0061】

図４Ｃでは、２次デルタ巻線に対応するＴ１コイル（Ａ相）に沿った直列巻線は、２回巻、４回巻、２回巻である。２次デルタ巻線の巻数が比較的少ない図示の実施形態は、２８Ｖの比較的低いＤＣ出力に有用である可能性がある。例えば、Ｂ相のタップＴ６及びＴ８に接続される２次補正巻線は、それぞれ１回巻である。Ｂ相とＣ相の２次巻線（デルタ巻線と補正巻線）は、同様の巻数と分布を有する。

【0062】

図４Ｄは、本発明技術の一実施形態に係る２４パルス非対称変圧器の２次デルタ巻線及び２次補正巻線を示す。図示された２次巻線（デルタ巻線及び補正巻線）は、変圧器の３つの主相及び９つの補正相（補助相とも呼ぶ）を含む１２個の出力相のための１２個の出力タップ（Ｔ１～Ｔ１２）を含む。トポロジーの向きは例示的なものであり、異なる実施形態では異なるトポロジーを適用してもよい。２次デルタ巻線と２次補正巻線には、１次デルタ相Ａ、Ｂ、及びＣに対する相対応を示すために、Ａ、Ｂ、Ｃが記されている。

【0063】

例えば、２次デルタ巻線に対応するＴ５コイル（Ｃ相）に沿った直列巻線は、直列に９回巻、１２回巻、２１回巻、９回巻である。タップＴ３、Ｔ２、Ｔ１２に接続される２次補正巻線は、それぞれ８回巻、６回巻、６回巻である。同様に、２次デルタ巻線のＴ１コイル（Ａ相）に沿った直列巻線も、直列に９回巻、１２回巻、２１回巻、９回巻である。タップＴ８、Ｔ１０、Ｔ１１に接続される対応する２次補正巻線は、それぞれ６回巻、６回巻、８回巻である。Ｂ相２次デルタ巻線と２次補正巻線は、同様の巻数と分布を有する。

【0064】

いくつかの実施形態において、本発明の変圧器は、以下のパラメータによって特徴付けられ得る。
・入力電圧：１１５Ｖａｃ、３相、３６０－８００Ｈｚ、ＭＩＬ－ＳＴＤ－７０４Ｆ
・出力電圧：公称２７０Ｖｄｃ（非調整）
・出力電力：４５ＫＷ
・効率：負荷５０％超で９６％超、通常のＡＣ入力範囲
・力率：負荷２５％超で０．９５超
・電圧リップル：６Ｖｐｐ未満
・全高調波歪み（ＴＨＤｉ）：７未満（１８パルス）
・高電流過負荷能力：１分間で１５０％、５秒間で２００％
・信頼性：２００ｋｈｒｓ超（ＭＴＢＦ、外部強制エアフローを与えた場合）

【0065】

図５～図８は、本発明技術の一実施形態に係る１８パルス非対称変圧器の２次デルタ巻線及び補正巻線を示す。例えば、図７は、図４Ａに示す１次デルタ巻線と、図４Ｂに示す２次デルタ巻線及び２次補正巻線とに基づいて、図１Ａ及び図１Ｂの１８パルス変圧器用のデルタ巻変圧器トポロジー図を示している。２次デルタの各辺は３つの直列巻線を有する。例えば、Ｃ相を見ると、２次デルタ巻線には、タップＴ４とＴ７の間に介在する直列巻線Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３が含まれる。同様の巻線が、Ａ相ではＴ４とＴ１の間に、Ｂ相ではＴ１とＴ７の間に介在しているが、図面を簡略化し、混乱を減らすため、図にラベル付けしていない。

【0066】

Ｃ相の２次補正巻線には、Ｎ４とＮ５とラベル付けされている。２次デルタ巻線Ａ、Ｂ及びこれらに対応する２次補正巻線も、図面の混乱を減らすために「Ｎｘ」をラベル付けしていない。しかし、読者は、例えば、２次補正巻線Ｎ４とＮ５が、２次デルタ巻線Ｃ（これらの２次補正巻線が「補正」する相）に平行になるように描かれていることを認識するであろう。同様に、２次デルタ巻線ＡとＢのそれぞれに対応する２次補正巻線も、それぞれのＡとＢの２次デルタ巻線に平行になるように描かれている。図５～１２においてもこの慣例に従っている。

【0067】

非対称変圧器の相間電圧を決定するためのサンプルの方法を、図５～８を参照して以下に説明する。サンプルの方法は、各２次補正巻線（例えば、タップＴ５、Ｔ６）の端から正三角形の反対側の頂点（例えば、相巻線ＡとＢが交差する頂点、すなわち頂点Ｔ１）にベクトルを描くステップを含む。これらのベクトルは、変圧器の出力相を表す。各ベクトルの長さは、三角形の反対側の頂点によって表される相に対する、対応する出力相の振幅に比例する（対称変圧器のように中性点に対する振幅ではない）。この相間電圧は、表２に示すように、伝導対としてブリッジ整流器に提示される。いくつかの実施形態では、トリプレン高調波緩和は、Ｎ１－Ｎ３の巻数比によって形成された２次デルタ巻線によって保証される。２次デルタ巻線は、トリプレン高調波緩和に適した巻線構成を与える。

【0068】

上述したように、変圧器の出力相の所望の相シフトは、入力相を横断し、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ８、Ｔ９で出力を提供する直列巻線の間の選択位置で引き出された２次補正巻線から得られる。２次補正巻線が巻かれるコイルと２次補正巻線の巻線極性によって、２次補正巻線が出力相に与える相シフトの方向が決定される。各補正巻線の巻数比と直列巻線間のタップ点により、出力相の最終的な相角と振幅が決定される。これらの出力相の振幅と相は、線によって図式化されている。

【0069】

１８パルス動作では、隣接する相間の間隔は公称２０°が望ましい。上で説明したように、実用的な出力相の振幅は、変圧器の構造、寄生（漏れインダクタンスなど）、及び使用ケース（ソースと負荷のインピーダンスなど）に依存する。

【0070】

図５に示す実施形態では、以下の表１に２次側の巻数比を示す。所与の２次巻線の巻数比は、各２次コーナ相間の総巻数に対する巻線の巻数の比として定義することができる。これは、最も単純な形では、１次デルタ巻数と２次デルタ巻数の比である、変圧器の１次／２次巻数比と混同してはならない。いくつかの実施形態では、最適な巻数比は変圧器の構造、種々の寄生、及び使用ケースによって変化する場合があるため、図示した巻数比は近似値とできる。この結果、実際に実装される巻数は、選択された変圧器コアによって変化し得る。

【0071】

図５における巻数比。

【表1】

【0072】

図６～８に示す実施形態について、巻数比をそれぞれ以下の表２～４に示す。

【0073】

図６における巻数比。

【表2】

【0074】

図７における巻数比。

【表3】

【0075】

図８における巻数比。

【表4】

【0076】

異なる実施形態では、他の巻数比も可能である。表１～４に示した例は、非限定的な例として理解されるべきである。

【0077】

図９～１６は、本発明技術の一実施形態に係る２４パルス非対称変圧器の２次デルタ巻線及び２次補正巻線を示す。サンプルの２４パルス非対称変圧器を上述の図２Ａ及び図２Ｂに示す。サンプルの１次デルタ巻線を図４Ａに、サンプルの２次デルタ巻線及び２次補正巻線を図４Ｄに示す。

【0078】

図９は、２４パルス変圧器のデルタ巻変圧器トポロジー図である。２次デルタの各辺は４つの直列巻線を有する。例えば、Ｃ相を見ると、２次デルタ巻線は直列巻線Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４を含む。同様の直列巻線がＡ相とＢ相にも示されているが、図では混乱を減らすためにラベル付けしていない。変圧器の出力相の所望の相シフトは、入力相を横断する直列巻線間の選択位置で引き出された２次補正巻線から得られ、上記の１８パルス変圧器と関連して説明した方法と同様である。２次補正巻線が巻かれるコイルと２次補正巻線の巻線極性によって、２次補正巻線が出力相に与える相シフトの方向が決定される。各２次巻線の巻数比と直列巻線間のタップ点により、出力相の最終的な相角と振幅が決定される。これら出力相の振幅と相は、図９～１６の線によって図式化されている。２４パルス動作では、隣接する相間の間隔は公称１５°が望ましい。

【0079】

図９～１６に示される実施形態について、２次側の巻数比をそれぞれ以下の表５～１２に示す。

【0080】

図９における巻数比。

【表5】

【0081】

図１０における巻数比。

【表6】

【0082】

図１１における巻数比。

【表7】

【0083】

図１２における巻数比。

【表8】

【0084】

図１３における巻数比。

【表9】

【0085】

図１４における巻数比。

【表10】

【0086】

図１５における巻数比。

【表11】

【0087】

図１６における巻数比。

【表12】

【0088】

図１７は、本発明技術の実施形態に係るマルチパルス非対称変圧器の設計方法のフローチャートである。特に、図示された方法は、非対称２４パルス動作のための適切な出力相の振幅及び間隔のための巻数比を選択する設計プロセスの概要を示す。異なる実施形態において、図示された方法は、追加のステップを含むか、又はフローチャートに示されていない他のステップを含んでもよい。

【0089】

この方法は、ブロック５１０で開始する。ブロック５１５及び５２０では、１次側及び２次側の相間巻数が選択される。これらの巻数の選択は、選択されたコア、動作周波数、動作電圧、及び入力から出力への電圧スケーリングに対して許容可能な磁束密度を維持するように行われる。

【0090】

ブロック５２５では、コーナ相間の巻数に比例する脚の長さを持つ正三角形を用いて、２次巻線用の変圧器ベクトル図が構築される。三角形の各辺は完全なデルタ巻線を表し、三角形の各頂点の対の間に３セグメント（１８パルスの非対称変圧器の場合）又は４セグメント（２４パルスの非対称変圧器の場合）を構成する（例えば、図５及び図９を参照）。各セグメントは直列巻線を表し、該当する直列巻線の巻数に比例した長さを有する。各脚の頂点間のセグメントが交わる点は、２次補正巻線のタップの位置を表す。

【0091】

ブロック５３０では、三角形の頂点間の各タップ位置から２次補正巻線を表す線が引かれる。各線は、２次補正巻線が巻かれているコイルの相に等しい相と、２次補正巻線の巻数に比例する長さと、を有するベクトルである。各ベクトルは三角形の辺の１つに平行に走る。各巻線の巻数比は、２次補正巻線の巻数を全デルタ巻線の巻数で割ったものに等しい。これは、変圧器のベクトル図では、正三角形の全脚の長さに対する補正巻線のベクトルの長さとして示されている。

【0092】

ブロック５３５では、各補正巻線ベクトルの端から正三角形の反対側の頂点までベクトルが描かれる。これらのベクトルは変圧器の出力相を表す。各ベクトルの長さは、三角形の反対側の頂点によって表される相に対する、対応する出力相の振幅に比例する。各出力タップから中性点へベクトルを描くことができ、これは、中性点に対する出力相電圧を正確に示すが、この非対称設計の性質上、相‐中性点の電圧は不均一になる。相‐中性点電圧ではなく相間電圧を制御することが、非対称設計と対称設計のアプローチの違いである。

【0093】

ブロック５４０では、デルタセグメント長が、タップ位置を調整するために全デルタ長を一定に維持しながら最適化される。いくつかの実施形態では、補正巻線ベクトル長は、出力相ベクトル長が正三角形の各辺の長さにほぼ等しくなり、各三角形の頂点から生じるすべてのベクトルが、１８パルス変圧器については約２０°の相間隔、２４パルス変圧器については１５°の相間隔が維持されるまで調整される。この方法を用いて作製された完全な変圧器ベクトル図の例が図５～１２に示されている。

【0094】

ブロック５４５では、変圧器ベクトル図における各直列巻線のラインセグメント及び補正巻線ベクトルの最終的な長さに基づいて、直列巻線及び補正巻線の巻数が設定される。本方法はブロック５４５で終了することができる。

【0095】

図１８～２０は、図４Ａ及び４Ｂに示したトポロジーの理想的な変圧器を利用した１８パルス非対称ＴＲＵにおける電流波形をシミュレートしたグラフである。漏れインダクタンスや巻線抵抗などの非理想性が無視されているため、シミュレートされた非対称ＴＲＵを「理想的な」変圧器と呼ぶ。当業者であれば、２４パルス非対称ＴＲＵについても同様のグラフを作成できることを理解するであろう。図２１は、本発明技術の一実施形態に係る実際の３相入力電流波形のグラフである。これらの各グラフにおいて、横軸は経過時間を示す。縦軸は電流（アンペア）を示す。

【0096】

特に、図１８は、図４Ａ及び図４Ｂに描かれているトポロジーの理想的な変圧器を利用した１８パルス非対称ＴＲＵの３相入力電流波形をシミュレートしたグラフである。漏れインダクタンスや巻線抵抗のない理想的な変圧器は、正弦波電圧入力で、１８個の「ステップ」又は「パルス」を持つ正弦波に近似したステップ電流波形を示す。これはブリッジ整流器の伝導対が２０°ごとに切り替わる結果である。漏れインダクタンスと巻線抵抗の付加は、最終結果がほぼ正弦波となるように波形を平滑化する役割を果たす（以降に示す図２１）。

【0097】

図１９は１つの完全な電気サイクル中の１８パルス非対称ＡＴＲＵの整流器ブリッジ電流をシミュレーショトしたグラフである。ブリッジ整流器の伝導対の間隔２０°は、各伝導対が約１３９マイクロ秒、すなわち２．５ｍｓの周期を有する所与の４００Ｈｚサイクルの電気角約２０度分、伝導することがわかる。さらに、図１８から、ブリッジ整流器への各２次デルタ巻線接続が４パルス連続して電流を伝導するのに対し、各２次補正巻線は所与の半サイクルで１パルスしか電流を伝導しないことがわかる。これは、ＴＲＵによって処理される電力の大部分が２次デルタ巻線から供給され、２次補正巻線から供給される電力は少数であることを示している。

【0098】

図２０は、図４Ａ及び図４Ｂに描かれたトポロジーの理想的な変圧器を利用した１８パルス非対称ＴＲＵのＡ相入力電圧及び電流をシミュレートしたグラフである。

【0099】

図２１は、巻線抵抗や漏れインダクタンスを含む予想されるＴＲＵの非理想性を有する３相入力電流波形をシミュレートしたグラフである。図示の実施形態では、実際の電流波形は、図１８に示した理想的な入力電流波形よりも滑らかである（高調波歪みが小さいことを示す）。これは、少量の漏れインダクタンスの存在が、入力電流波形を滑らかにする役割を果たすためである。一般的に、漏れインダクタンスは可能な限り小さく保つべきであるが。図１９と図２０を見ればわかるように、２次補正巻線は、振幅が大きく持続時間の短いパルス電流を流す。漏れインダクタンスが大きすぎると、これらのパルス電流はこの最大限の振幅に達することができず、有効パルス数が減少し、１８パルスＡＴＲＵの性能が１２パルスソリューションに近づき始めるなど、１８パルス動作が劣化する可能性がある。

【0100】

上記の分析及びシミュレーションに基づき、１８パルス及び２４パルスの非対称デルタＴＲＵは、ＨＶＴＲＵと２８ＶＴＲＵの両方のアプリケーションにおいて明確な利点を与えることが確認できる。本発明技術は、同等の質量と効率を持つ従来の１２パルスデルタワイ型ソリューションと比較して電力品質を大幅に改善する。そして、２４パルスデルタヘックス型ソリューションよりも、コイルあたりの巻線数が３本少なく、適切な相間隔のためのディスクリート出力インダクタを必要としないため、サイズと重量をわずかに小さくし、かつ、コストを大幅に低くする。デルタデルタワイソリューション、１８Ｐ非対称デルタ、２４Ｐデルタヘックスの労力比（ｌａｂｏｒ ｒａｔｉｏ）は、およそ１：１．４５：１．７６と推定される。

【0101】

上述した技術の多くの実施形態は、プログラマブルコンピュータ又はコントローラによって実行されるルーチンを含む、コンピュータ実行可能命令又はコントローラ実行可能命令の形態をとることができる。関連技術分野の当業者であれば、本技術を、上記に示し説明した以外のコンピュータ／コントローラシステムで実施できることを理解するであろう。本技術は、上述したコンピュータ実行可能命令の１つ又は複数を実行するように特別にプログラム、構成、又は構築された特殊用途のコンピュータ、コントローラ、又はデータプロセッサで具体化されることができる。従って、本明細書で通常使用する「コンピュータ」及び「コントローラ」という用語は、任意のデータプロセッサを指し、インターネット家電及びハンドヘルドデバイス（パームトップコンピュータ、ウェアラブルコンピュータ、セルラー電話又は携帯電話、マルチプロセッサシステム、プロセッサベース家電又はプログラマブル家電、ネットワークコンピュータ、ミニコンピュータなどを含む）を含むことができる。

【0102】

以上から、本技術の特定の実施形態を、例示の目的で本明細書に記載してきたが、本開示から逸脱することなく様々な変更がなされ得ることが理解されよう。さらに、特定の実施形態に関連する様々な利点及び特徴を、これらの実施形態の文脈で上述したが、他の実施形態もこのような利点及び／又は特徴を示すことができ、すべての実施形態が、本技術の範囲内に入るように、必ずしもこのような利点及び／又は特徴を示す必要はない。方法が記載されている場合、方法は、より多くの、より少ない、又は他のステップを含んでもよい。さらに、ステップは、任意の適当な順序で実行することができる。従って、本開示は、本明細書において明示的に示されないか、記載されない他の実施形態を包含することができる。本開示の文脈において、用語「約」は、記載値の±５％を意味する。

【0103】

本開示の目的のために、例えば「Ａ、Ｂ、及びＣの少なくとも１つ」という形式の２つ以上の要素のリストは、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ａ及びＢ）、（Ａ及びＣ）、（Ｂ及びＣ）、又は（Ａ、Ｂ、及びＣ）を意味し、任意の他の量の要素がリスト化されている場合、さらにすべての同様の順列を含むことを意図している。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【国際調査報告】