JP2003168612A - 三相形電磁機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 三相主巻線に流れる負荷電流による影響が少
なく、三相一体構造を構成でき、且つ、絶縁フィルムを
必要としないで高調波を低減でき、リアクタンスを可変
できる電磁機器を提供する。 【解決手段】 各端が対をなす磁路を形成する３つのＨ
状脚部４ａ〜４ｃと、これらＨ状脚部の各端側を連結し
て閉磁路を形成する２つの枠部５ａ，５ｂとから成る三
相電磁路を有する。Ｈ状脚部の一方の連結端側には、各
磁路に三相交流電源の各相に対応する主巻線１ａａ〜１
ｃｂを巻回して有し、他方の連結端側には、各磁路に制
御巻線２ａａ〜２ｃｂを巻回して有する。主巻線は前記
一対の磁路に生じる主磁束が同一方向になるように直列
又は並列に接続し、前記制御巻線は前記主磁束によって
生じる誘起電圧が互いに打消されるように直列に接続
し、主磁束と制御磁束の共通磁路の磁気抵抗を制御し主
巻線のリアクタンスを連続的に可変する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、リアクタンスを
可変できる三相形の電磁機器に関する。さらに、主巻線
の励磁電流に影響されることなく、高調波歪みの少な
い、鉄心の突き合わせ面に絶縁フィルムを必要としな
い、電力系統に直列に接続可能な三相形の電磁機器に関
する。

【０００２】

【従来の技術】リアクタンスを可変する従来の技術とし
ては、本出願人が先に提案した線形可変リアクトル（特
開平０９−３３０８２９号公報）や誘導性素子（特開平
０９−１２９４５０号公報）がある。

【０００３】図８は、線形可変リアクトルの一実施例を
示す斜視図で、この線形可変リアクトルは、図８に示す
ように、主巻線３２が巻回された第１のＵ形カットコア
３１と、制御巻線３４が巻回された第２のＵ形カットコ
ア３３から構成され、これら第１及び第２のＵ形カット
コア３１、３３は、そのカット面同志を互いに対向さ
せ、且つ、第１のＵ形カットコア３１に対して第２のＵ
形カットコア３３を捩じり方向に９０°回転させた状態
で接触させている。カット面同志の４面の接触面３６
は、主巻線３２、制御巻線３４の各々に電圧ｅ１、ｅ２
を印加して発生する磁束φ１、φ２の全てが通る共通磁
路となる。そこで、制御巻線３４の電流ｉ２で当該共通
磁路を磁気飽和させることにより主巻線３２による磁束
の磁路を楔形の間隙３５に移行させることができ、制御
巻線３４の励磁電流を変えることにより、主巻線３２の
リアクタンスを線形に可変させることができる。

【０００４】図９は、誘導性素子の一実施例を示す斜視
図で、この誘導性素子は、図９に示すように、Ｅ型コア
４２とＩ型コア４３とからなるＥＩ型コア４４に主巻線
４５と制御用巻線４６を巻回した構成であり、主巻線に
交流電源を接続することにより、巻線部４５ａによる磁
束φ１及び巻線部４５ｂによる磁束φ２が発生する。こ
こで、Ｅ型コア４２の中枠４９に巻回された制御用巻線
に制御電流を流すと磁束φ３が発生するが、外枠４７と
外枠４８を等断面積とすることにより、外枠４７内には
磁束φ１に磁束φ３の１／２を加算した磁束が通過し、
外枠４８内には磁束φ２に磁束φ３の１／２を差し引い
た磁束が通過する。このとき、外枠４７の端部４７ａに
前記加算磁束が集中し、先端部が磁気飽和して外枠４７
の透磁率が減少しインダクタンスが低下する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記線形可変
リアクトルは、第１及び第２のＵ形カットコアの共通磁
路を制御巻線の励磁電流により磁気飽和させ透磁率を制
御することによりリアクタンスを可変しており、また、
上記誘導性素子についても、主磁束と制御磁束により外
枠先端部を磁気飽和させ透磁率を制御することによりリ
アクタンスを可変している。このため、共に、主巻線に
流れる負荷電流が増加すると、負荷電流により磁気飽和
現象が生じてしまい、制御巻線の励磁電流によるリアク
タンス制御が困難になるという課題があった。

【０００６】また、上記線形可変リアクトルは、Ｕ形カ
ットコアの磁心接合面において積層鋼板が互いに直交す
ることから、磁心の接合面において生ずる渦電流発生の
対策として、突き合わせ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、
十分な耐久性をもつ絶縁フィルム材料を確保することが
困難であり、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、大きなリアクタンスの変化が困
難となるという課題があった。

【０００７】さらに、上記線形可変リアクトル及び誘導
性素子は、共に単相型であることから電力系統に使用す
る場合には３台で三相構成する必要があり、重量や容積
の観点から三相一体構成の電磁機器が望まれていた。

【０００８】そこで、本発明は、上記課題に鑑み、主巻
線に流れる負荷電流による影響が少なく、磁気回路構造
及び巻線の巻装構造が簡単で、三相一体構造を構成で
き、且つ、絶縁フィルムを必要としないで高調波を低減
させ、リアクタンスを可変できる電磁機器を提供するこ
とを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、各端
が対をなす磁路を形成する３つのＨ状脚部と、これらＨ
状脚部の各端側を連結して閉磁路を形成する２つの枠部
とから成る三相電磁路を有し、前記Ｈ状脚部の一方の連
結端側において、前記Ｈ状脚部の対をなす磁路の各磁路
に三相交流電源の各相に対応する主巻線を巻回して有す
るとともに、前記Ｈ状脚部の他方の連結端側において、
前記Ｈ状脚部の対をなす磁路の各磁路に制御巻線を巻回
して有し、前記主巻線は前記一対の磁路に生じる主磁束
が同一方向になるように直列又は並列に接続し、前記制
御巻線は前記主磁束によって生じる誘起電圧が互いに打
消されるように直列に接続してなり、前記制御巻線の開
放端子側に制御回路を接続し、直流制御電流を供給する
ことにより、前記主磁束と制御磁束の共通磁路の磁気抵
抗を制御し主巻線のリアクタンスを連続的に可変するこ
とを特徴としたものである。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記３つのＨ状脚部は、それぞれ個別の３つのＨ状
鉄心から成り、前記枠部はそれぞれ別個の２つのＩ状鉄
心から成り、前記Ｈ状鉄心とＩ状鉄心の連結部において
これら鉄心の積層鋼板を互いに平行になるように突き合
わせて形成したことを特徴としたものである。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記各脚部（各相）の主巻線を巻回した各々
の磁路に二次巻線を巻回し、前記主巻線のリアクタンス
を連続的に可変することに加え、該主巻線に変圧機能を
持たせたことを特徴としたものである。

【００１２】請求項４の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記各脚部（各相）に二次巻線を巻回し、前
記主巻線のリアクタンスを連続的に可変することに加
え、該主巻線に変圧機能を持たせたことを特徴としたも
のである。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による三相形電磁
機器の電磁鉄心及び巻線の基本構成例を示す図、図２
は、図１で示した三相形電磁機器を等価的に回路表示し
た回路構成図である。本発明による三相形電磁機器を構
成する電磁磁心は、各端（両端）に対をなす磁路を有す
る３つのＨ状脚部（磁心）、すなわち、第１のＨ状磁心
４ａと第２のＨ状磁心４ｂと第３のＨ状磁心４ｃと、こ
れらＨ状磁心の各（両）端部を連結して閉磁路を形成す
る２つのＩ状磁心、すなわち、第１のＩ状磁心５ａと第
２のＩ状磁心５ｂとより成り、それぞれのＨ状磁心４
ａ，４ｂ，４ｃにおいて、鉄心窓部が２個所形成される
ように対称に対向させ、第１のＨ状磁心４ａとＩ状磁心
５ａ及び５ｂの連結部、及び第２のＨ状磁心４ｂとＩ状
磁心５ａ及び５ｂの連結部、及び第３のＨ状磁心４ｃと
Ｉ状磁心５ａ及び５ｂの連結部は、磁心を構成する各々
の積層鋼板を平行になるように突き合わせて構成する。

【００１４】第１のＨ状磁心４ａを構成する２対の脚の
うちの一方の対の各々の脚（磁路）に主巻線１ａａ及び
主巻線１ａｂを巻回し、主巻線１ａａ及び１ａｂを、両
主巻線から生じる磁束φａ１及びφａ２が同方向になる
ように直列又は並列に接続する。第１のＨ状磁心４ａの
残る他の対の各々の脚（磁路）には、それぞれ制御巻線
２ａａ及び２ａｂを巻回し、主巻線１ａａ及び１ａｂに
よる磁束で制御巻線２ａａ及び２ａｂ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、
その開放端子側に制御回路３を接続する。同様に第２の
Ｈ状磁心４ｂには、主巻線１ｂａ及び１ｂｂ並びに制御
巻線２ｂａ及び２ｂｂを巻回し、第３のＨ状磁心４ｃに
は、主巻線１ｃａ及び１ｃｂ並びに制御巻線２ｃａ及び
２ｃｂを巻回する。

【００１５】図１において、それぞれのＨ状磁心に巻回
して接続した主巻線の開放端子に三相交流電源を接続
し、それぞれの主巻線に図示矢印方向の電流ＩＬａ、Ｉ
Ｌｂ、ＩＬｃが流れていたとする。なお、図示の電流矢
印方向を正サイクルとした場合、負サイクルでは逆方向
の電流が流れる。

【００１６】今、主巻線に三相電流ＩＬａ、ＩＬｂ、Ｉ
Ｌｃが流れると磁心４ａ、４ｂ、４ｃにそれぞれ各相の
主磁束φａ１／φａ２、φｂ１／φｂ２、φｃ１／φｂ
２が発生し、これら各相の主磁束は、それぞれ各相の制
御巻線が巻回された磁心部を経て枠部５ａ、５ｂに至り
三相閉磁路を還流する。各相の制御巻線を巻回した磁心
は、それぞれ制御磁束φｃａ、φｃｂ、φｃｃと上記各
相の主磁束との共通磁路となる。

【００１７】以下、第１のＨ状磁心４ａ部について説明
すると、制御巻線に直流制御電流を流さない場合には主
巻線１ａａ／１ｂｂには磁心の磁気抵抗に応じたリアク
タンスが生じる。主巻線電流ＩＬａを流した状態で制御
巻線に直流制御電流Ｉｃａを流すと、制御巻線２ａａ及
び２ａｂにおいて、制御巻線の巻数と制御電流Ｉｃａの
積で表される起磁力が発生することで、制御巻線磁束φ
ｃａと主磁束φａ１及びφａ２が同方向となる共通磁路
部分の磁束密度が大となって透磁率が変化し、主磁束が
制御されリアクタンスが低下する。

【００１８】主巻線電流ＩＬａあるいは直流制御電流Ｉ
ｃａを増加させることにより共通磁路が磁気飽和状態に
なると、主巻線１ａａ及び１ａｂより発生する主磁束
は、Ｈ状磁心中央部が連結しているため、増加する主磁
束φａ１及びφａ２は磁心連結部で互いに相殺され、磁
路は完全な磁気飽和状態に至らず一定の磁束密度に保た
れる。

【００１９】一対の主巻線１ａａ及び１ａｂによる主磁
束の増加分が制御巻線を巻回した磁路を通過しないの
で、互いの主巻線の起磁力を相殺することになる。更
に、主巻線電流ＩＬａが増加しても、磁路が一定の磁束
密度に保たれるように、増加する主巻線１ａａによる主
磁束と主巻線１ａｂによる主磁束は相殺されるため、直
流制御電流Ｉｃａを制御することにより主磁束が制御で
き、リアクタンスを可変することができる。即ち、主巻
線電流に拘わらず、制御巻線に直流制御電流Ｉｃａを流
すことでリアクタンスを可変することができる。

【００２０】上述のように、リアクタンスを制御する共
通磁路部が完全な磁気飽和状態に至らないので、高調波
電流の抑制された電磁機器を実現することができる。こ
のことは、同様に他のＨ状磁心部についても成り立つこ
とから、主巻線電流に拘わらず、高調波電流を抑制し、
リアクタンスを可変できる三相形の電磁機器として機能
することができる。

【００２１】図３（Ａ）は、本発明によるリアクタンス
の制御特性例を示したものであり、縦軸は主巻線のリア
クタンス、横軸は直流制御電流で、直流制御電流Ｉｃを
増加させることにより、リアクタンスを可変できること
がわかる。図３（Ｂ）は、本発明によるリアクタンスの
磁化特性を示したもので、縦軸は主巻線部の磁束密度
Ｂ、横軸は主巻線の磁化力Ｈを表している。直流制御電
流Ｉｃが少ない場合には磁化特性の非線形が生じている
ものの、制御電流を増加させることにより、主磁束が相
殺されて磁束の増加を抑制し、磁化特性の非線形性が改
善されることが確認でき、これにより高調波歪みが減少
することがわかる。

【００２２】以上のように、本発明によると、直流制御
電流を調整することにより主磁束を制御するとともに、
主巻線間の主磁束を相殺することにより、主巻線電流の
影響を受けずに高調波を低減させてリアクタンスを高速
且つ連続的に可変することができる。また、図４に示す
ように、３つの個別のＨ状磁心４ａ、４ｂ、４ｃと２つ
の個別のＩ状磁心５ａ、５ｂの簡単な構成により、部品
を用い、これら磁心を構成する積層鋼板を平行になるよ
うに突き合せて組合せることにより、容易に本三相形電
磁機器を構成することができる。

【００２３】図５は、図１で示した磁路巻線構成におい
て、電磁機器を構成する主巻線を一次巻線１０とし、一
次巻線１０ａａを巻回した脚（磁路）に二次巻線１１ａ
ａ、一次巻線１０ａｂを巻回した脚に二次巻線１１ａ
ｂ、一次巻線１０ｂａを巻回した脚に二次巻線１１ｂ
ａ、一次巻線１０ｂｂを巻回した脚に二次巻線１１ｂ
ｂ、一次巻線１０ｃａを巻回した脚に二次巻線１１ｃ
ａ、一次巻線１０ｃｂを巻回した脚に二次巻線１１ｃｂ
を巻回して一次巻線と同様に接続して構成した三相形の
電磁機器である。

【００２４】図５において、一次巻線に三相交流電源を
接続し二次巻線には三相負荷を接続し、それぞれの二次
巻線に図示矢印方向の電流ＩＬａ２、ＩＬｂ２、ＩＬｃ
２が流れていたとする。

【００２５】以下、第１のＨ状磁心部について説明す
る。制御電流を流さない場合には、一次巻線１０ａａ及
び１０ａｂには、上記二次電流で発生した磁束を打消す
ように一次電流ＩＬａ１が流れ、全体として変圧器動作
を示す。制御巻線に直流制御電流Ｉｃａを流すと、制御
巻線の巻数と制御電流Ｉｃａの積で表される起磁力が発
生することで透磁率が変化し、主磁束が制御される。こ
のため、一次巻線には制御電流の制御に伴う主磁束の減
少に応じて、一次巻線の端子間電圧を維持するために必
要な主磁束を発生させるために励磁電流が増加する。

【００２６】即ち、変圧器としての変圧機能に加えて、
制御電流を調整することで主巻線のリアクタンスを連続
的に可変して一次側に流入する無効電流の調整が可能と
なる。このことは、同様に他のＨ状磁心部についても成
り立つことから、変圧器としての変圧機能に加えて、リ
アクタンスを可変できる三相形の電磁機器として機能す
ることができる。

【００２７】図６は、図１で示した磁路巻線構成におい
て、電磁機器を構成する主巻線を一次巻線１０とし、一
次巻線１０ａａと１０ａｂを巻回した脚に二次巻線１１
ａ、一次巻線１０ｂａと１０ｂｂを巻回した脚に二次巻
線１１ｂ、一次巻線１０ｃａと１０ｃｂを巻回した脚に
二次巻線１１ｃを巻回して構成した三相形の電磁機器で
ある。

【００２８】図５と同様に変圧器としての変圧機能に加
えて、制御電流を調整することで主巻線のリアクタンス
を連続的に可変して一次側に流入する無効電流の調整が
可能となる。さらに、二次巻線の配置位置を変えること
により、制御電流を調整することにより生ずる漏洩磁束
の二次巻線への鎖交磁束量を制御することにより、上記
に加え二次電圧も連続的に可変できる三相形の電磁機器
として機能することができる。なお、図５及び図６に示
した巻線構成を組み合わせた構成としても変圧器として
動作することは明らかである。

【００２９】（適用例）図７は、本発明の三相形電磁機
器の無効電力補償装置への適用例である。図７におい
て、三相形電磁機器１２と電力用コンデンサ１３を並列
に接続し、送電線路（交流系統）に並列に挿入し、三相
形電磁機器の制御により、系統に生じる遅相から進相の
無効電力を連続的に補償するようにしたものである。

【００３０】

【発明の効果】以上に詳述したように、本発明によれ
ば、タップを設けることなく、負荷電流の有無に拘わら
ず、高調波電流を抑制し、広範囲にリアクタンスを可変
する三相形の電磁機器を実現することができ、近年の電
力需要の増大や負荷の多様化により、系統電圧の変動等
負荷の多様化に対応できるフレキシブルな電力設備の提
供がはかられ、電力系統の電圧の安定化に寄与できる。
なお、この他、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形
して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 請求項１又は２の発明による三相形電磁機器
の基本構成例を示す接続図である。

【図２】 図１に示した三相形電磁機器の等価回路を示
す回路構成図である。

【図３】 三相形電磁機器の制御特性例を示す図であ
る。

【図４】 請求項２の発明による三相形電磁機器の基本
構成例を示す接続図である。

【図５】 請求項３の発明による三相形電磁機器の基本
構成例を示す接続図である。

【図６】 請求項４の発明による三相形電磁機器の基本
構成例を示す接続図である。

【図７】 本発明の無効電力補償装置への適用例を示す
回路構成図である。

【図８】 本出願人が先に提案した従来の線形可変リア
クトルの一例を示す斜視図である。

【図９】 従来の誘導性素子の一例を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１（１ａａ〜１ｃｂ）…主巻線、２（２ａａ〜２ｃｂ）
…制御巻線、３…制御回路、４（４ａ〜４ｃ）…Ｈ状磁
心、５（５ａ，５ｂ）…Ｉ状磁心、６…磁心、１０（１
０ａａ〜１０ｃｂ）…一次巻線、１１（１１ａａ〜１１
ｃｂ）…二次巻線、１２…三相形電磁機器、１３…電力
用コンデンサ、３１…第１のＵ形カットコア、３２…主
巻線、３３…第２のＵ形カットコア、３４…制御巻線、
３５…楔形間隙、３６…カット面同士の接触面、４２…
Ｅ型コア、４３…Ｉ型コア、４４…ＥＩ型コア、４５…
主巻線、４６…制御用巻線、４７…外枠、４８…外枠、
４９…中枠。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 赤塚 重昭 宮城県仙台市青葉区中山七丁目２番１号 東北電力株式会社研究開発センター内 (72)発明者 葵木 智之 宮城県仙台市青葉区中山七丁目２番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１号 東北電力株式会社研究開発センター内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 各端が対をなす磁路を形成する３つのＨ
   状脚部と、これらＨ状脚部の各端側を連結して閉磁路を
   形成する２つの枠部とから成る三相電磁路を有し、前記
   Ｈ状脚部の一方の連結端側において、前記Ｈ状脚部の対
   をなす磁路の各磁路に三相交流電源の各相に対応する主
   巻線を巻回して有するとともに、前記Ｈ状脚部の他方の
   連結端側において、前記Ｈ状脚部の対をなす磁路の各磁
   路に制御巻線を巻回して有し、前記主巻線は前記一対の
   磁路に生じる主磁束が同一方向になるように直列又は並
   列に接続し、前記制御巻線は前記主磁束によって生じる
   誘起電圧が互いに打消されるように直列に接続してな
   り、前記制御巻線の開放端子側に制御回路を接続し、直
   流制御電流を供給することにより、前記主磁束と制御磁
   束の共通磁路の磁気抵抗を制御し主巻線のリアクタンス
   を連続的に可変することを特徴とする三相形電磁機器。
2. 【請求項２】 前記３つのＨ状脚部は、それぞれ個別の
   ３つのＨ状鉄心から成り、前記枠部はそれぞれ別個の２
   つのＩ状鉄心から成り、前記Ｈ状鉄心とＩ状鉄心の連結
   部においてこれら鉄心の積層鋼板を互いに平行になるよ
   うに突き合わせて形成したことを特徴とする請求項１に
   記載の三相形電磁機器。
3. 【請求項３】 前記各脚部（各相）の主巻線を巻回した
   各々の磁路に二次巻線を巻回し、前記主巻線のリアクタ
   ンスを連続的に可変することに加え、該主巻線に変圧機
   能を持たせたことを特徴とする請求項１又は２に記載の
   三相形電磁機器。
4. 【請求項４】 前記各脚部（各相）に二次巻線を巻回
   し、前記主巻線のリアクタンスを連続的に可変すること
   に加え、該主巻線に変圧機能を持たせたことを特徴とす
   る請求項１又は２に記載の三相形電磁機器。