JP2001044051A

JP2001044051A - 可変変圧器

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Publication number: JP2001044051A
Application number: JP2000142203A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Sato; 博道佐藤; Mitsuru Maeda; 満前田; Takashi Ohinata; 大日向　　敬; Shigeaki Akatsuka; 重昭赤塚; Mineo Kawakami; 峰夫川上
Original assignee: Tohoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Tohoku Electric Power Co Inc
Priority date: 1999-05-21
Filing date: 2000-05-15
Publication date: 2001-02-16
Anticipated expiration: 2020-05-15
Also published as: JP3789285B2

Abstract

(57)【要約】【課題】磁気回路の構造及び巻線の巻装構造を簡単化
し、設置容積、重量を通常構造の変圧器に近づけ、か
つ、絶縁フィルムを必要をしない可変変圧器を提供す
る。【解決手段】磁心１１の磁気回路上に一次巻線１４と
二次巻線１５を巻回し、磁心１１の一部に窓１６を設
け、窓の２つの辺部に夫々制御巻線１２ｍ，１２ｎを巻
回し磁束制御回路を構成する。制御巻線１２ｍ，１２ｎ
には夫々誘起電圧が発生するが、誘起電圧が打消される
ように直列に接続することで、制御回路１３に誘起電圧
が加わることはない。制御巻線１２ｍ，１２ｎ、制御回
路１３、磁心１１上に設けた窓１６からなる、制御可能
な磁束制御回路を有する以外は、通常の単相変圧器と同
様の巻線構成となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、従来の変圧器が有
する、電圧の変圧、電気回路の絶縁といった基本的な機
能に加えて、制御電流の調整により磁気回路の特性を変
化させ、交流巻線に鎖交する磁束を磁気抵抗により制御
し、高速かつ連続的な、無効電力、位相角、電圧の調整
機能と、二次側電流の限流機能とを併せ持つ、多機能な
電力用可変変圧器に関する。本発明による可変変圧器に
より、従来個別に設置していた電力機器を１つにまとめ
ることや、従来機械的な接点を利用していた制御を高速
かつ滑らかに行うことが期待できることから、電力系統
の設備合理化と安定化に広く寄与する機器として適用で
きる。

【０００２】

【従来の技術】近年の経済発展に伴う電力需要の増大、
負荷の多様化等により電圧変動に柔軟に対応できるフレ
キシブルな電力設備が求められつつある。一方、電力自
由化の進展により、従来より低コストに電力設備を構成
することが必要である。従来の変圧器は、巻数比に応じ
て電圧電流を変化させ電力変換を行うものであり、タッ
プ切換機構による電圧調整や、巻線間の電気的な絶縁な
どを行うものの、基本的に単機能の電力機器である。

【０００３】図２０に従来の変圧器の基本構成を示す。
この場合、変圧器としての基本特性は、一次巻線１４、
二次巻線１５及び磁心１１により定まることから、一次
側と二次側の電圧と電流の関係がほぼ固定される。した
がって、従来の技術で変圧器の特性を変える場合は、電
圧の制御を目的として、一次巻線１４、二次巻線１５の
巻数比を、巻線上に設けた機械的な接点を切換えること
で対応してきた。このため、接点部の磨耗や接触不良、
動作機構の動作時間遅れなど、保守・性能上の制約があ
った。

【０００４】また、調相設備についても、シャントリア
クトルや電力用コンデンサなど固定容量で単機能の機器
が殆どであり、位相変圧器（シフター）や電力用半導体
を応用した機器などの一部に複数の機能を有するものが
あるものの、単純な主回路構成で高速動作を実現してい
る多機能の電力機器は存在しない。本出願人は、先に、
変圧器の一次巻線と二次巻線の鎖交磁束を制御する鎖交
磁束制御形可変変圧器について提案した（特願平１０−
４５４４３号）。

【０００５】図２１は、本出願人が先に提案した鎖交磁
束制御形可変変圧器の単相基本構成例を示す斜視図であ
る。この鎖交磁束制御形可変変圧器は、図２１に示すよ
うに、一次巻線１４、二次巻線１５、漏洩磁束制御巻線
２５、主磁束制御巻線２６及び捩じれ方向に９０度回転
させて接触させたＵ形カットコア２１，２２並びに捩じ
れ方向に９０度回転させて接触させたＵ形カットコア２
３，２４で構成される。なお、一般に、カットコア２
１，２２及び２３，２４のような構造を直交磁心と呼称
する。

【０００６】この変圧器の二次側電圧Ｖ₂は、一次巻線
１４による磁束φ_1-1，φ_1-2の内、二次巻線１５と鎖交
するφ_1-2の値によって決まる。二次巻線に負荷電流ｉ₂
が流れるとφ_1-2と逆方向に磁束φ₂が生じ、φ_1-2はφ
_1-1の磁気回路側へシフトして減少し、二次側電圧は低
下する。そこで漏洩磁束制御巻線２５に励磁電流ｉ_c1を
流すとＵ形カットコアの接触部２７が磁気飽和し、φ
_1-1の磁気回路の磁気抵抗が大きくなることで、φ_1-1，
φ_1-2の磁束配分が変化するので二次側電圧を上昇させ
ることができる。無負荷時の場合にあっては、主磁束制
御巻線２６に励磁電流ｉ_c2を流すことによりＵ形カット
コアの接触部２８で磁気飽和し、φ_1-2の磁気回路の磁
気抵抗が大きくなり、φ_1-1，φ_1-2の磁束配分が変化す
るので電圧上昇を抑制することができる。

【０００７】しかし、上記の変圧器は、漏洩磁束制御及
び主磁束制御用の磁心並びに漏洩磁束制御及び主磁束制
御用の巻線を設けなければならず、磁心構造、巻線の巻
装が複雑になり、設置容積、重量が増大する。また、直
交するＵ形カットコアの磁心接合面において生ずる渦電
流発生の対策として、磁心接合面における積層鋼板間の
短絡を防止するため、接合面に絶縁フィルムを挿入して
いるが、十分な耐久性を持つ絶縁フィルム材料を確保す
ることは困難である。また、絶縁フィルムを介在させる
と磁気回路の磁気抵抗が増大し、大きなインダクタンス
の変化が困難であるため、電圧可変幅が少なくなるとい
う課題があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、磁
気回路の構造及び巻線の巻装構造を簡単化し、設置容
積、重量を通常構造の変圧器に近づけ、かつ、絶縁フィ
ルムを必要をしない可変変圧器を提供するものである。

【０００９】更に、本出願人らが前記出願で提案した、
一次巻線と二次巻線との鎖交磁束数を調整し二次巻線の
誘起電圧を可変することに加え、磁気抵抗の調整に伴う
励磁リアクタンスの変化を無効電力調整に活用したり、
主巻線の漏洩リアクタンスの変化を限流装置や移相器と
して活用することにより、電圧及び無効電力の供給など
を高速かつ連続的に制御可能な複合機器としての可変変
圧器を実現できるようにしたものである。

【００１０】つまり、従来の一般的な変圧器では固定さ
れ制御できなかった磁気抵抗を調整することにより、変
圧器の励磁リアクタンスを調整することによる無効電力
制御機能、変圧器の漏洩リアクタンスを調整することに
よる一次側と二次側間の位相制御機能、磁気抵抗の変化
により一次巻線と二次巻線間の鎖交磁束数が変化するこ
とによる誘起電圧制御機能、磁気抵抗の増加時に一次巻
線と二次巻線間の磁気結合が弱くなることで一次巻線と
二次巻線間の電力伝達が低下することによる限流機能な
どを期待できるようにしたものである。

【００１１】したがって、巻線、磁心、そして直流制御
電源などから構成される比較的単純な回路構成で、従来
の一般的な変圧器では実現できなかった、複数の機能を
有する高速動作可能な電力制御機器を実現し、電力系統
の安定化と効率的な設備構成に広く資することを目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、変圧
器の一次巻線及び二次巻線を構成する主巻線に鎖交する
主磁束が通る磁路の一部を２分割し、分割した夫々の磁
路に制御巻線を巻回し、前記主磁束により両制御巻線に
生じる誘起電圧が互いに打消されるように両制御巻線を
直列に接続した磁束制御回路を設け、その開放端子側に
電流制御回路を接続して直流制御電流を流し、２分割し
た磁路で形成される閉磁路に制御磁束を還流し、主磁束
が通る磁路の一部を磁気飽和させて主磁束が通る磁路の
磁気抵抗を制御することにより、変圧器主巻線の漏洩リ
アクタンス及び変圧器の励磁リアクタンスを調整し、二
次巻線端子電圧、一次巻線と二次巻線端子電圧の位相
角、無効電力の供給を高速かつ連続的に可変するもので
ある。

【００１３】請求項２の発明は、請求項１の可変変圧器
において、３相変圧器の各相の主磁束が通る磁路に夫々
磁束制御回路を設け、３相変圧器の各相の主磁束が通る
磁路の一部を磁気飽和させて各相の主磁束が通る磁路の
磁気抵抗を制御することにより、変圧器主巻線の漏洩リ
アクタンス及び変圧器の励磁リアクタンスを調整し、二
次巻線端子電圧、一次巻線と二次巻線端子電圧の位相
角、無効電力の供給を高速かつ連続的に可変するもので
ある。

【００１４】請求項３の発明は、請求項１又は２の可変
変圧器において、任意の主巻線に対応する磁束制御回路
を主磁束が通る磁路の任意の箇所に複数設け夫々の磁束
制御回路を切換えて使用することで、主巻線と制御巻線
の幾何学的な位置関係を変化させ主巻線に対する磁束制
御回路の作用を調整することにより、変圧器主巻線の漏
洩リアクタンス及び変圧器の励磁リアクタンス特性の制
御範囲を拡大することを特徴とするものである。

【００１５】請求項４の発明は、請求項１乃至３のいず
れかの可変変圧器において、磁束制御回路を形成する分
割磁路の任意の箇所に楔形のギャップを設け、磁気回路
の非線型特性を緩和し入出力電流の波形歪みを改善する
ものである。

【００１６】請求項５の発明は、請求項１乃至４のいず
れかの可変変圧器において、一次巻線又は二次巻線に負
荷時切換タップを設け、タップ切換と磁束制御回路との
協調制御を行うことで、磁束制御回路の制御損失を軽減
し効率の高い制御を可能とするものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】上述のように、本発明の基本構成
は、主磁束が通る磁心の磁路の一部を２分割し、夫々の
磁路に制御巻線を巻回して、主磁束によって発生する誘
起電圧が互いに打消すように直列に接続し、直交磁心を
用いた場合と同様に制御巻線端に電圧が生じないように
したものである。

【００１８】本発明の構成によれば、制御巻線に制御電
流ｉ_cを流すと、制御巻線の巻数Ｎ_cと制御電流ｉ_cの積
で表わされる起磁力Ｎ_c×ｉ_c（アンペアターン）で生じ
る磁束φ_cによって主磁束が通る磁心の一部を磁気飽和
させることができ、一次巻線又は二次巻線の磁気回路の
透磁率を低下させ、これにより、変圧器の励磁リアクタ
ンス値が低下するとともに、一次巻線又は二次巻線の漏
洩磁束が大きくなり、漏洩リアクタンス値を増加させる
ことができる。

【００１９】即ち、励磁リアクタンスを制御すること
は、等価回路としてみれば、変圧器の一次側に並列に挿
入されたリアクタンスの値が制御されることになり遅れ
無効電力が制御され、一次巻線の漏洩リアクタンスを制
御することは、等価回路としてみれば、変圧器の一次側
に直列に挿入されたリアクタンスの値が制御されること
になり、それによって二次巻線電圧Ｖ₂が制御される。
また、二次巻線の漏洩リアクタンスを制御することは、
等価回路としてみれば、変圧器の二次側に直列に挿入さ
れたリアクタンスの値が制御されることになり、それに
よって二次巻線電圧Ｖ₂が制御される。磁束制御回路の
制御電流値を変え、励磁リアクタンス及び漏洩リアクタ
ンス値を制御することは、単相変圧器だけでなく３相変
圧器においても同様に行うことができる。

【００２０】また、磁路の飽和により第３高調波を主成
分とする高調波が生じるが、３相回路では外部に流出し
ない。また、磁束制御回路を構成する分割磁路に楔形ギ
ャップを形成することにより、より高次の高調波を抑制
することが可能である。更に、単相回路では、変圧器２
台の一次巻線に整流器を夫々逆向きにしてプッシュプル
接続し、二次巻線にも同様に整流器を夫々逆向きにして
プッシュプル接続することにより、二次巻線に誘起する
電圧の合成によって高調波成分を打消すことができる。

【００２１】図１（Ａ）は、本発明による可変変圧器の
単相回路の一実施例を示したものであり、磁心１１の磁
気回路上に一次巻線１４と二次巻線１５を巻回する。磁
心１１の磁気回路上の一部には、窓１６を設け、窓の２
つの辺部に夫々制御巻線１２ｍ，１２ｎを巻回し磁束制
御回路を構成する。両辺部に巻回した制御巻線１２ｍ，
１２ｎには夫々誘起電圧が発生するが、誘起電圧が打消
されるように直列に接続することで、制御回路１３に誘
起電圧が加わることはない。なお、磁束制御回路を構成
する制御巻線１２ｍ，１２ｎは、窓１６による分割磁路
が磁気的に対称であれば同一巻回数となるが、必要なこ
とは、両制御巻線に誘起する電圧を打消すことであり、
分割磁路が磁気的に対称でなければ当然に両巻線の巻回
数は異なるものとなることは明らかである。

【００２２】図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した構成回
路の可変変圧器部分の等価回路を示したものであり、‖
印部分は通常の変圧器磁心の配列記号を示し、一次巻線
１４及び二次巻線１５と９０度回転させて表示した巻線
１２ｍ，１２ｎは、窓１６による分割磁路に夫々巻回し
た制御巻線を示す。

【００２３】更に、図１（Ａ）は、一次巻線１４と二次
巻線１５とが電気的に絶縁され、絶縁変圧器と同等の構
造となっているが、一次巻線１４と二次巻線１５とが電
気的に接続された、単巻変圧器と同等の構造であって
も、可変変圧器として成り立つことは明らかである。

【００２４】このように可変変圧器は、制御巻線１２
ｍ，１２ｎ、制御回路１３、磁心１１上に設けた窓１６
からなる、制御可能な磁束制御回路を有する以外は、通
常の単相変圧器と同様の巻線構成となっていることか
ら、単相変圧器をΔ結線、Ｙ結線、Ｖ結線などの３相接
続とすることにより、３相可変変圧器として使用できる
ことも明らかである。

【００２５】また、３相接続として使用する場合、各単
相可変変圧器の磁束制御回路の制御巻線を夫々独立な制
御電源に接続し個別に制御しても、各単相可変変圧器の
磁束制御回路の制御巻線を並列もしくは直列に接続し１
つの制御電源を制御しても、磁気抵抗を制御できるのは
明らかである。

【００２６】図２は、本発明による可変変圧器を、３相
内鉄形の三脚磁心からなる３相変圧器に適用した場合の
３相回路の一実施例を示したもので、三脚磁心１１の各
脚１１ａ，１１ｂ，１１ｃに３相一次巻線１４ａ，１４
ｂ，１４ｃ、３相二次巻線１５ａ，１５ｂ，１５ｃを巻
回する。更に、三脚磁心１１の各脚１１ａ，１１ｂ，１
１ｃの一部に窓１６ａ，１６ｂ，１６ｃを設け、夫々の
窓の両辺部に制御巻線１２ｍａ，１２ｎａ，１２ｍｂ，
１２ｎｂ，１２ｍｃ，１２ｎｃを誘起電圧が互いに打消
し合うよう、制御回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃに夫々直
列接続する。

【００２７】なお、図２の一次巻線と二次巻線は、絶縁
変圧器と同等の構造となっているが、単巻変圧器と同等
の構造であっても、可変変圧器として成り立つことは、
単相可変変圧器の場合と同様に明らかである。また、図
２では、制御巻線１２ｍａ，１２ｎａと１２ｍｂ，１２
ｎｂ、および１２ｍｃ，１２ｎｃの組合せを、夫々独立
した制御回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃに接続している
が、制御巻線の組合せを直列もしくは並列に接続し、１
つの制御電源で制御することが可能であることと、一次
巻線と二次巻線をΔ結線もしくはＹ結線しても可変変圧
器として動作することは、単相可変変圧器を３相接続し
た場合と同様に明らかである。

【００２８】図３乃至図５は、可変変圧器の、巻線及び
磁心の外観例を示す図である。図３は単相カットコアを
使用した場合、図４は単相積鉄心を使用した場合を示し
ている。一次巻線と二次巻線は、分離巻構成とすること
も重ね巻構成とすることもでき、制御巻線を含む磁束制
御回路との位置関係を含め、夫々の空間的な配置は様々
な形態とすることが可能であり、更に、磁束制御回路
を、磁気回路上に複数設けることができることは明らか
である。

【００２９】図５は、３相積鉄心を用いた場合の、巻線
及び磁心の外観例を示す図であるが、単相可変変圧器と
同様に、各脚一次巻線と各脚二次巻線は、分離巻構成と
することも重ね巻構成とすることもでき、制御巻線を含
む磁束制御回路との位置関係を含め、夫々の空間的な配
置を様々な形態とすることと、複数の磁束制御回路を設
けることが可能である。要は多機能変圧器においては、
変圧器の交流磁気回路上の任意の箇所に、磁路上の窓と
制御巻線からなる制御可能な磁束制御回路を設けること
が肝要であり、磁心構造に拘わらず実現可能であること
は明らかである。

【００３０】図６は、多機能変圧器の磁束制御回路の窓
１６の両辺部に設けた切込み１７により、磁気回路の非
線形な特性を緩和する楔状のギャップを構成すること示
しており、電流歪みの抑制を目的としている（図６
（Ｂ）は、図６（Ａ）のＢ部を拡大して（ただし、制御
巻線１２ｍ，１２ｎを省略して）示す）。この構造は、
カットコア、積鉄心、単相可変変圧器、３相可変変圧器
の場合に拘わらず、同様に構成することができる。

【００３１】図７は、通常の変圧器の等価回路（図７
（Ａ））と、電圧電流ベクトル（図７（Ｂ））の関係の
一例を表わす図で、図７（Ｂ）において、単純化のた
め、二次巻線／一次巻線＝ａを、ａ＝１として示す。図
示のように、Ｖ₁，Ｖ₂間の、電圧の大きさ及び位相の変
化は小さく、また、励磁電流Ｉ₀が小さく、Ｉ₁，Ｉ₂の
位相差は小さい。したがって、一次側の力率角∠Ｖ₁Ｉ₁
と二次側の力率角Ｖ₂Ｉ₂の変化も小さくなっている。換
言すれば、励磁電流Ｉ₀や一次側漏洩リアクタンスｘ₁、
二次側漏洩リアクタンスｘ₂が小さいため、Ｖ₁，Ｖ₂間
の、電圧及び位相の変化と、一次側の力率角（∠Ｖ
₁Ｉ₁）と二次側の力率角（∠Ｖ₂Ｉ₂）の差が小さい。

【００３２】図８は、可変変圧器の巻線及び磁心部分の
等価回路を示し、図９及び図１０は可変変圧器の電圧及
び電流ベクトルの関係の一例を表わす図で、図９は、制
御有の場合の電圧電流ベクトル図（ただし、単純化のた
め、二次巻線／一次巻線＝ａの、ａを１として示す）で
ある。

【００３３】図９（Ａ）は磁気結合が強い場合の例で、
この場合、Ｖ₁，Ｖ₂間の、電圧の大きさの変化は小さ
く、励磁電流Ｉ₀によるＩ₁，Ｉ₂の位相差は大きい。し
たがって、二次側の力率角∠Ｖ₂Ｉ₂と比較して、一次側
の力率角∠Ｖ₁Ｉ₁が大きくなる。図９（Ｂ）は、磁気結
合が弱い場合の例で、この場合、直列リアクトル分の影
響によりＶ₁，Ｖ₂間の、電圧の大きさおよび位相の変化
は大きくなる。また、励磁電流Ｉ₀によるＩ₁，Ｉ₂の位
相差が大きいことから、図９（Ａ）と同様に二次側の力
率角∠Ｖ₂Ｉ₂と比較して、一次側の力率角∠Ｖ₁Ｉ₁は大
きくなる。

【００３４】図１０は、制御有無負荷の場合の電圧電流
ベクトル図（ただし、二次巻線／一次巻線＝ａの、ａを
１として示す）で、図１０（Ａ）は、磁気結合が弱い場
合の例で、この場合、一次側漏れリアクタンス：ｘ₁が
小さく、励磁電流：Ｉ₁による電圧変化が小さい（ａＶ₂
≒Ｖ₁）。また、図１０（Ｂ）は、磁気結合が弱い場合
の例で、この場合、一次側漏れリアクタンス：ｘ₁が大
きく、励磁電流：Ｉ₁による電圧変化が大きい（ａＶ₂＜
Ｖ₁）。

【００３５】可変変圧器では、制御巻線に制御電流を流
すことにより、磁心上の磁気回路の一部が飽和し磁気抵
抗が増加するため、磁束φが減少し一次巻線に誘起され
る逆起電力が低下する。このため一次巻線に流れる励磁
電流Ｉ₀が増加し、磁束φの減少分を補う電流でバラン
スすることとなる。励磁電流Ｉ₀の増加分は、一次側電
圧Ｖ₁に対し遅れ電流であり、磁気抵抗の大きさに比例
して増える。磁気抵抗は、制御巻線に生ずる磁束の増加
に応じて増えることから、励磁電流Ｉ₀は制御電流によ
り制御できる。

【００３６】このように可変変圧器は、励磁電流Ｉ
₀を、通常の変圧器と同程度の極めて小さな値から、負
荷電流と同等以上の極めて大きい値まで、高速かつ連続
的に制御することが可能であることから、励磁電流Ｉ₀
の変化に伴う、遅れ無効電力の発生と誘起電圧変化及び
位相変化などを、電力制御に活用することができる。但
し、巻線配置や磁束制御回路により磁気結合が変化し、
一次側漏洩リアクタンスｘ₁、二次側漏洩リアクタンス
ｘ₂の値が変化することから、一次側及び二次側のイン
ピーダンスへの励磁電流Ｉ₀の作用も異なることとな
る。

【００３７】一般に、一次巻線と二次巻線とを、重ね巻
とした場合には磁気結合が強くなり、分離巻きとした場
合には磁気結合が弱くなるため、一次巻線、二次巻線そ
して磁束制御回路の位置関係によって、一次巻線と二次
巻線の磁気結合が大きく変化することから、制御目的に
合わせて一次巻線、二次巻線そして磁束制御回路の組合
せ方法の選択次第で、様々な機能を有する装置が実現で
きる。また、複数の磁束制御回路を設けることにより、
一次巻線と二次巻線の磁気結合特性を制御目的に合わせ
て切換えることも可能となる。

【００３８】例えば、図９（Ａ）は、磁気結合が強い場
合の一例であるが、一次側及び二次側の直列漏洩リアク
タンス成分ｘ₁，ｘ₂による、インピーダンス電圧の発生
が小さいため、図７（Ｂ）と同様な制御無の場合と比較
すると、Ｖ₁，Ｖ₂間の電圧及び位相の変化は小さいが、
一次側電流Ｉ₁には励磁電流Ｉ₀が重畳するため、二次側
の力率角（∠Ｖ₂Ｉ₂）に比べて一次側の力率角（∠Ｖ₁
Ｉ₁）は大きくなっている。したがって、遅れ無効電力
を主に変化させる制御が可能となる。

【００３９】しかし、図９（Ｂ）の例のように、磁気結
合が弱い場合は、一次側及び二次側リアクタンスの影響
が大きくなることから、図７（Ｂ）と同様な制御無の場
合と比較すると、励磁電流Ｉ₀による一次側の力率角
（∠Ｖ₁Ｉ₁）の開きが大きくなるだけでなく、Ｖ₁，Ｖ₂
間の電圧及び位相の変化も大きくなることから、電圧及
び位相の制御が可能となる。

【００４０】二次側の負荷が無い場合の可変変圧器の動
作を図１０（Ａ），（Ｂ）に示す。磁気結合が強い場合
には一次側の直列漏洩リアクタンス成分ｘ₁が小さいこ
とから、制御電流による効果は励磁電流の増加となって
現れ、遅れ無効電力は大きく変化するものの出力電圧の
変化は小さい。しかし磁気結合が弱い場合には一次側の
直列漏洩リアクタンス成分ｘ₁が大きくなることから、
制御電流による効果は励磁電流の増加と一次巻線と二次
巻線の鎖交磁束数の変化となって現れ、遅れ無効電力と
出力電圧が大きく変化することとなる。したがって、巻
線及び磁束制御回路の配置により装置の特性を様々に変
えることができる。なお、３相可変変圧器の場合も、一
次巻線、二次巻線そして磁束制御回路の組合せ方法の選
択次第で、様々な機能を有する装置が実現できる点は同
様である。このように、可変変圧器を使用することで、
無効電力の調整及び誘起電圧の調整により系統電圧の定
電圧制御を行ったり、一次側と二次側間の位相調整によ
り定力率制御などを行うことが可能である。

【００４１】図１１は、実際に図２に示した３相可変変
圧器の電流のオッシロ波形を示した図で、制御巻線電流
の制御による起磁力（アンペアターン）の増加による電
流の歪みは殆ど変化していないことがわかる。

【００４２】図１２は、３相可変変圧器の回路構成の一
例である。一次側及び二次側の電圧・電流や、外部機器
の接点などの情報を、制御演算回路に取込み制御演算す
ることで、制御巻線への制御電流指令や、電力用コンデ
ンサ用遮断器の開閉指令など、連動して制御する必要の
ある外部機器を制御する。なお、一次巻線１４と並列に
開閉器１９を介し接続している電力用コンデンサ２０
は、進み電流補償を行う場合に必要であり、制御目的や
設置系統の状況に応じ省略することが可能である。な
お、単相可変変圧器の場合にも同様な回路構成が可能で
あることは明らかである。

【００４３】図１３（Ａ），（Ｂ）は、可変変圧器の無
効電力調整機能を電力用コンデンサの制御に応用した場
合の制御動作の一例である。一般に、電力用コンデンサ
は、系統に対し段階的に進み無効電力を供給するため、
並列用遮断器の投入開放時には、大きな電圧変動を生ず
ることとなる。可変変圧器は、制御電流により高速化か
つ連続的に遅れ無効電力を調整できることから、電力用
コンデンサの動作を打消すように制御することで、系統
に与えるショックを軽減できる。

【００４４】図１３（Ａ）は、電力用コンデンサ切離し
の場合で、まず、可変変圧器の遅れ無効電力を緩やかに
増加することにより、電力用コンデンサの進み無効電力
を事前に打消しておき、続いて、電力用コンデンサ切離
しとタイミングを合わせ、可変変圧器の制御電流を急速
に減ずることにより、電力用コンデンサ切離しにより系
統に見かけ上発生する、遅れ無効電力を緩和するとい
う、制御動作を示している。

【００４５】図１３（Ｂ）は、電力用コンデンサ投入の
場合で、電力用コンデンサ投入とタイミングを合わせ、
電力用コンデンサ投入により系統に発生する進み無効電
力を、可変変圧器の制御電流を急速に増加することによ
り緩和した後、少しずつ可変変圧器の制御電流を減ずる
ことで、見かけ上、進み無効電力を徐々に増加させ、系
統に与えるショックを軽減するという、制御動作を示し
ている。

【００４６】いずれの場合も、可変変圧器と同一の母線
に設置された電力用コンデンサの制御動作だけでなく、
系統上の任意の場所に設置されている電力用コンデンサ
と組合せた場合にも、接点情報、制御指令信号などを用
いることにより、同様の効果を得られることは明らかで
ある。更に、電力用コンデンサだけでなく、送電線の系
統充電や、固定リアクトルや誘導機の投入・切離しな
ど、無効電力の変動に伴う系統電圧変動の抑制に広く適
用できることは明らかである。

【００４７】図１４は、負荷時切換タップ付可変変圧器
の回路構成の一例である。一次巻線１４に電圧タップ１
８を設け、負荷時タップ切換機構を構成すること以外
は、前述の多機能電力制御器機とほぼ同様の構成であ
る。可変変圧器の制御範囲を大きくするには、制御磁束
の可変量を大きくすることが必要であり、制御電流の容
量の拡大か、制御巻線の巻回数の増加を招くため、制御
損失の増大や機器の大型化などが課題となる。一方、負
荷時切換タップ付変圧器は、機械的に接点を切換えるた
め、低速で段階的な制御とならざるを得ない。負荷時切
換タップ付可変変圧器は、可変変圧器の高速かつ連続的
な制御と、負荷時切換タップ付変圧器の高効率な電圧制
御とを組合せることにより、高効率かつ滑らかな電力制
御機器を実現できる。

【００４８】図１５，図１６は、負荷時切換タップ付可
変変圧器の制御動作を説明する図である。図１５はタッ
プ切換のみによる制御の一例であり、出力電圧は、系統
電圧の変動に拘わらずタップ切換により、ある制御範囲
に収まっていることを示している。しかし、タップ切換
により段階的な制御となることは避けられない。

【００４９】図１６は、タップ切換による電圧調整と可
変変圧器による電力制御との、協調制御を表わしてお
り、タップ切換による段階的な電圧変化を制御電流によ
る制御で補うことで、出力電圧を平滑化できることを示
している。この場合、制御回路で発生させる必要のある
制御磁束は、タップ電圧に換算して［２タップ分＋裕
度］となることから、磁束制御回路の負担が非常に小さ
くなり、制御損失の低減と機器の小型化を図ることがで
き、高速かつ連続的な制御能力を有する、高効率かつコ
ンパクトな可変変圧器を実現できる。

【００５０】なお、基本的な制御方法として、長時間の
大きな電圧変動に対しては、系統電圧を基に比較的大き
な不感帯および動作時限を設ける条件でタップ操作によ
り対応し、短時間の小さな電圧変動に対しては、出力電
圧を基に不感帯および動作時限を極力小さくした可変変
圧器としての制御で対応する方法と、出力電圧を基に動
作する可変変圧器の制御電流が、上限値もしくは下限値
を一定時間継続した条件でタップ操作指令を出力する方
法などが考えられる。

【００５１】上記は電圧一定制御の場合であるが、可変
変圧器を移相変圧器として使用した場合において、タッ
プによる段階的な位相調整を連続調整とするなど、従来
の負荷時切換タップを有する巻線機器全般について、機
械的な接点の切換による段階的な制御を、連続可変制御
とすることができることは明らかである。なお、二次巻
線に切換タップを設けた場合にも、同様に制御動作が期
待できることと、３相機器構造とした場合にも適用でき
ることは、明らかである。また、一般に用いられている
機械的接点によるタップ切換機構のほか、サイリスタな
どの半導体スイッチや真空バルブなどを適用可能である
ことは明らかである。

【００５２】図１７は、一組の単相可変変圧器を整流器
２９を介してプッシュプル接続し、高調波歪みを軽減す
る場合の回路構成図である。図１８は、可変変圧器の二
次巻線１５に電磁鋼板３０を巻回して、磁束制御回路の
影響による二次巻線１５の漏洩磁束φ^Lを生じ易くし
て、二次巻線の漏洩リアクタンスの制御性を向上させる
場合の構成例である。図１９は、可変変圧器の制御巻線
に誘起される交流電圧の抑制対策を説明する図である。
夫々の磁路に巻回された制御巻線を複数に分割し端子を
引出せるよう構成し、分割した制御巻線を夫々の磁路毎
に誘起電圧を互いに打消すよう交互に接続することで、
巻線の部分毎に誘起される電圧の最大値を、分割した巻
線の巻回数に応じた電圧Ｖ_C'に抑制することができる。
このことにより、制御磁束量を確保するため、制御巻線
の巻回数Ｎ_Cを増加させた場合にも、特別な絶縁対策が
不要となる。なお、この誘起電圧抑制対策は、二組の制
御巻線を誘起電圧が打消されるよう組合せ、制御電流を
流すことにより磁気抵抗の変化する、磁束制御回路を構
成する全ての交流巻線機器に、広く適用できることは明
らかである。

【００５３】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
近年の電力需要の増大や負荷の多様化により顕在化しつ
つある、系統電圧の変動等の負荷の多様化に対応でき
る、フレキシブルな電力設備の合理的な提供が図られ、
電力系統の安定化と設備合理化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】可変変圧器の単相回路の一実施例を示す図
で、図１（Ａ）は回路構成の一例を示す図、図１（Ｂ）
は、図１（Ａ）の等価回路の一例を示す図である。

【図２】可変変圧器の３相回路の一実施例を示す図で
ある。

【図３】可変変圧器の、単相カットコアの場合の巻線
及び磁心部分の構成例を示す図である。

【図４】可変変圧器の、単相積鉄心の場合の巻線及び
磁心部分の構成例を示す図である。

【図５】可変変圧器の、３相積鉄心の場合の巻線及び
磁心部分の構成例を示す図である。

【図６】楔形ギャップの一構成例を示す図で、図６
（Ａ）は巻線及び磁心の全体図、図６（Ｂ）は窓部の拡
大図である。

【図７】通常の変圧器の等価回路と電圧電流ベクトル
を示す図で、図７（Ａ）は通常の変圧器の等価回路図、
図７（Ｂ）は通常の変圧器の電圧電流ベクトル図の一例
を示す図である。

【図８】可変変圧器の巻線構成部の等価回路図であ
る。

【図９】制御有の場合の磁気結合が強い場合の電圧電
流ベクトル図（図９（Ａ））の一例、及び磁気結合が弱
い場合の電圧電流ベクトル図（図９（Ｂ））の一例を示
す図である。

【図１０】制御有無負荷の場合の磁気結合が強い場合
の電圧電流ベクトル図（図１０（Ａ））の一例、磁気結
合が弱い場合の電圧電流ベクトル図（図１０（Ｂ））の
一例を示す図である。

【図１１】３相可変変圧器の電流波形の一例である。

【図１２】３相可変変圧器の回路構成の一例を示す図
である。

【図１３】可変変圧器の無効電力調整機能を電力用コ
ンデンサの制御に応用した場合の一例を示す図で、図１
３（Ａ）は、電力用コンデンサの切離し時の制御の一例
を示す図、図１３（Ｂ）は、電力用コンデンサの投入時
の制御の一例を示す図である。

【図１４】負荷時切換タップ付可変変圧器の構成例を
示す図である。

【図１５】負荷時切換タップ付可変変圧器の制御動作
を示す図で、タップ切換のみによる制御の一例を示す図
である。

【図１６】負荷時切換タップ付可変変圧器の制御動作
を示す図で、タップ切換と可変変圧器による協調制御の
一例を示す図で、図１６（Ａ）は協調制御の一例、図１
６（Ｂ）は協調制御時の制御電流の一例である。

【図１７】プッシュプル接続した単相可変変圧器の基
本構成の一例を示す図である。

【図１８】漏洩磁気回路を追加した可変変圧器の構成
の一例を示す図である。

【図１９】可変変圧器の制御巻線における誘起電圧の
抑制対策を示す図である。

【図２０】従来の変圧器の単相基本構成例を示す図で
ある。

【図２１】本出願人が先に提案した鎖交磁束制御形可
変変圧器の単相基本構成例を示す図である。

【符号の説明】

１１…磁心（鉄心）、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…磁心の
脚部、１２ｍ，１２ｎ，１２ｍａ，１２ｎａ，１２ｍ
ｂ，１２ｎｂ，１２ｍｃ，１２ｎｃ，１２ｍ’，１２
ｎ’…制御巻線、１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…制御
回路、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…一次巻線、１
５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…二次巻線、１６…磁心に
設けた窓、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…脚部に設けた窓、
１７…切込み、１８…電圧タップ、１９…開閉器、２０
…電力用コンデンサ、２１…第１磁気回路の第２Ｕ形カ
ットコア、２２…第１磁気回路の第１Ｕ形カットコア、
２３…第２磁気回路の第３Ｕ形カットコア、２４…第２
磁気回路の第４Ｕ形カットコア、２５…漏洩磁束制御巻
線、２６…主磁束制御巻線、２７…第１磁気回路のカッ
トコア接触面、２８…第２磁気回路のカットコア接触
面、２９…整流器、３０…電磁鋼板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大日向敬宮城県仙台市青葉区中山七丁目２番地１号東北電力株式会社研究開発センター内 (72)発明者赤塚重昭宮城県仙台市青葉区中山七丁目２番地１号東北電力株式会社研究開発センター内 (72)発明者川上峰夫宮城県仙台市青葉区中山七丁目２番地１号東北電力株式会社研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】変圧器の一次巻線及び二次巻線を構成す
る主巻線に鎖交する主磁束が通る磁路の一部を２分割
し、分割した夫々の磁路に制御巻線を巻回し、前記主磁
束により両制御巻線に生じる誘起電圧が互いに打消され
るように両制御巻線を直列に接続した磁束制御回路を設
け、その開放端子側に電流制御回路を接続して直流制御
電流を流し、２分割した磁路で形成される閉磁路に制御
磁束を還流し、主磁束が通る磁路の一部を磁気飽和させ
て主磁束が通る磁路の磁気抵抗を制御することにより、
変圧器主巻線の漏洩リアクタンス及び変圧器の励磁リア
クタンスを調整し、二次巻線端子電圧、一次巻線と二次
巻線端子電圧の位相角、無効電力の供給を高速かつ連続
的に可変することを特徴とする可変変圧器。
【請求項２】請求項１記載の可変変圧器において、３
相変圧器の各相の主磁束が通る磁路に夫々磁束制御回路
を設け、３相変圧器の各相の主磁束が通る磁路の一部を
磁気飽和させて各相の主磁束が通る磁路の磁気抵抗を制
御することにより、変圧器主巻線の漏洩リアクタンス及
び変圧器の励磁リアクタンスを調整し、二次巻線端子電
圧、一次巻線と二次巻線端子電圧の位相角、無効電力の
供給を高速かつ連続的に可変することを特徴とする可変
変圧器。
【請求項３】請求項１又は２記載の可変変圧器におい
て、任意の主巻線に対応する磁束制御回路を主磁束が通
る磁路の任意の箇所に複数設け夫々の磁束制御回路を切
換えて使用することで、主巻線と磁束制御回路の幾何学
的な位置関係を変化させ主巻線に対する磁束制御回路の
作用を調整することにより、変圧器主巻線の漏洩リアク
タンス及び変圧器の励磁リアクタンス特性の制御範囲を
拡大することを特徴とする可変変圧器。
【請求項４】請求項１，２又は３記載の可変変圧器に
おいて、磁束制御回路を形成する分割磁路の任意の箇所
に楔形のギャップを設け、磁気回路の非線型特性を緩和
し入出力電流の波形歪みを改善することを特徴とする可
変変圧器。
【請求項５】請求項１，２，３又は４記載の可変変圧
器において、主巻線に負荷時切換タップを設け、タップ
切換と磁束制御回路との協調制御を行うことで、磁束制
御回路の制御損失を軽減し効率の高い制御を可能とする
ことを特徴とする可変変圧器。