JP2004120878A - 変圧器及びこれを用いた整流器 - Google Patents

Abstract

【課題】六角形で表された変圧器ベクトル図に係る電圧の値及び位相を正確に決定することができると共に、小型化を可能にする変圧器及びこれを用いた整流器を提供する。
【解決手段】変圧器は、３相分の鉄心（１，４，７）にそれぞれ巻装された第１（２，５，８）及び第２のコイル（３，６，９）を備え、第１のコイルの巻数を２ａとして巻数の中間位置に第１のタップが設けられ、第２のコイルの巻数を２ｂ＋ｃとして、一端から巻数ｂだけ内側の位置に第２のタップが設けられ、他端から巻数ｂだけ内側の位置に第３のタップが設けられ、３相分の第１のタップが３相交流電圧の入力端子とされ、３相分の第２のタップが３相交流電圧の第１の出力端子とされ、３相分の第３のタップが３相交流電圧の第２の出力端子とされ、巻数の比ａ：ｂ：ｃ＝ｓｉｎ２０°：ｓｉｎ４０°：ｓｉｎ１２０°に設定され、第２のコイルの巻数ｃに対応する部分の導線の断面積を、他の部分と比較して小さくする。整流器はこの変圧器を用いる。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３相交流を高調波の少ない直流に変換するのに好適な変圧器及びこれを用いた整流器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３相交流を直流に変換する場合、６つの整流素子をブリッジ接続してなる一つの３相全波整流器を用いるのが最も一般的な方法である。このような３相全波整流器では、６０度ごとに順次通電する整流素子が切り換わって直流電圧が出力されるが、この方法で整流される直流電圧には電源周波数の６倍の周期を持つ振幅の大きな電圧リップルが含まれ、これが高調波となって様々な障害を引き起こしている。
【０００３】
この対策として、３相交流を直流に変換する主３相全波整流器と、３相交流の相電圧を正三角形のベクトル図で表わし、各頂点を中心として残りの２つの頂点を結んで描いた円弧を３等分して得られた２点をそれぞれ通る直線と、正三角形の各頂点を通り、これらの頂点と対向する一辺に平行な直線とで形成される六角形で表された変圧器ベクトル図を満たす変圧器と、この変圧器から出力される２種類の３相交流をそれぞれ直流に変換すると共に、直流出力ラインが主３相全波整流器と並列接続された２個の補助３相全波整流器とを備えた、１８パルス方式の整流器が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１０６４６号公報（第６頁、第８図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の変圧器は３相電圧のベクトルに対応して作図した六角形の線分の長さからコイルの巻数比を決定していたため、良好な高調波低減効果を得るには試行錯誤を繰り返さなければならなかった。また、鉄心に連続して巻回されるコイルに複数の中間タップを設けて出力端子としていることから、コイル電流の少ない部分が存在するにも拘わらず、線径、すなわち、断面積の等しい導線を用いているため、変圧器を小型化するという目的が十分に達成されてはいなかった。
【０００６】
本発明は、上記の事情を考慮してなされたもので、その目的は六角形で表された変圧器ベクトル図に係る電圧の値及び位相を正確に決定することができると共に、小型化を可能にする変圧器及びこれを用いた整流器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、
３相交流の各相電圧を正三角形のベクトル図で表わし、正三角形の各頂点を中心として残りの２つの頂点を結んで描いた円弧を３等分して得られた２点をそれぞれ通る直線と、正三角形の各頂点を通り、各頂点と対向する一辺に平行な直線とで形成される六角形で表された変圧器ベクトル図を満たす変圧器において、
３相分の鉄心にそれぞれ巻装された第１及び第２のコイルを備え、
第１のコイルの一端は極性が同一で順次相が異なる第２のコイルの一端に接続され、第１のコイルの他端は極性が同一で、一端とは異なる組み合わせで順次相が異なる第２のコイルの他端に接続され、
ａ，ｂ，ｃをそれぞれ２以上の数として、第１のコイルの巻数を２ａとして巻数の中間位置に第１のタップが設けられ、第２のコイルの巻数を２ｂ＋ｃとして、一端から巻数ｂだけ内側の位置に第２のタップが設けられ、他端から巻数ｂだけ内側の位置に第３のタップが設けられ、
３相分の第１のタップが３相交流電圧の入力端子とされ、３相分の第２のタップが３相交流電圧の第１の出力端子とされ、３相分の第３のタップが３相交流電圧の第２の出力端子とされ、
巻数の比ａ：ｂ：ｃ＝ｓｉｎ２０°：ｓｉｎ４０°：ｓｉｎ１２０°に設定され、
第２のコイルの巻数Ｃに対応する部分の導線の断面積が、他の部分と比較して小さくされている、ことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、
３相交流を直流に変換する主３相全波整流器と、３相交流を入力して電気角で±２０°だけ位相を異ならせた２種類の３相交流を出力する変圧器と、変圧器から出力される２種類の３相交流をそれぞれ直流に変換すると共に、直流出力ラインが主３相全波整流器と並列接続された２個の補助３相全波整流器とを備えた整流器において、
変圧器として請求項１に記載の変圧器を用いたことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る変圧器の一実施形態の具体的な巻線構造を表す変圧器ベクトル図である。図中、電源の３相交流電圧が正三角形Ｒ１，Ｓ１，Ｔ１で表される。この正三角形の頂点Ｒ１を中心にして残りの２つの頂点Ｓ１，Ｔ１を結んで描いた円弧を３等分して得られた２点をそれぞれＳ３，Ｔ２とする。また、正三角形の頂点Ｓ１を中心にして残りの２つの頂点Ｔ１，Ｒ１を結んで描いた円弧を３等分して得られた２点をそれぞれＴ３，Ｒ２とする。さらに、正三角形の頂点Ｔ１を中心にして残りの２つの頂点Ｒ１，Ｓ１を結んで描いた円弧を３等分して得られた２点をそれぞれＲ３，Ｓ２とする。
【０００９】
次に、正三角形の頂点Ｒ１を通り、対向する一辺に平行な直線と、円弧上の２点Ｔ３，Ｒ２を通る直線及び円弧上の２点Ｒ３，Ｓ２を通る直線との交点をそれぞれＲ４，Ｒ５とする。また、正三角形の頂点Ｓ１を通り、対向する一辺に平行な直線と、円弧上の２点Ｒ３，Ｓ２を通る直線及び円弧上の２点Ｓ３，Ｔ２を通る直線との交点をそれぞれＳ４，Ｓ５とする。さらに、正三角形の頂点Ｔ１を通り、対向する一辺に平行な直線と、円弧上の２点Ｓ３，Ｔ２を通る直線及び円弧上の２点Ｔ３，Ｒ２を通る直線との交点をそれぞれＴ４，Ｔ５とする。
【００１０】
これによって、点Ｒ４−Ｒ５−Ｓ４−Ｓ５−Ｔ４−Ｔ５−Ｒ４を連ねてなる六角形の変圧器ベクトル図が形成される。このうち、線分Ｒ４−Ｒ５がＲ相第１コイル２に、線分Ｓ５−Ｔ４がＲ相第２コイル３にそれぞれ対応し、線分Ｓ４−Ｓ５がＳ相第１コイル５に、線分Ｔ５−Ｒ４がＳ相第２コイル６にそれぞれ対応し、線分Ｔ４−Ｔ５がＴ相第１コイル８に、線分Ｒ５−Ｓ４がＴ相第２コイル９にそれぞれ対応している。そして、線分の長さがＲ，Ｓ，Ｖ各相の鉄心に対するコイルの巻数に相当し、各線分の一端部に付加された「・」は極性が、例えば、「正」であることを表している。
【００１１】
図２は図１に示した変圧器ベクトル図を満たす変圧器１０の巻線構造図であり、図１中の等分点及び交点を示す符号が対応する巻線の端子又はタップとして表されている。この図２において、Ｒ相鉄心１にＲ相第１コイル２及びＲ相第２コイル３が巻装され、このうち、Ｒ相第１コイル２には中間タップＲ１が設けられ、Ｒ相第２コイル３には中間タップＴ２，Ｓ３が設けられている。また、Ｓ相鉄心４にＳ相第１コイル５及びＳ相第２コイル６が巻装され、このうち、Ｓ相第１コイル５には中間タップＳ１が設けられ、Ｓ相第２コイル６には中間タップＲ２，Ｔ３が設けられている。さらに、Ｔ相鉄心７にはＴ相第１コイル８及びＴ相第２コイル９が巻装され、このうちＴ相第１コイル８には中間タップＴ１が設けられ、Ｔ相第２コイル９には中間タップＳ２，Ｒ３が設けられている。
【００１２】
また、Ｒ相第１コイル２の一端Ｒ４がＳ相第２コイル６の一端に、Ｓ相第１コイル５の一端がＴ相第２コイル９の一端に、Ｔ相第１コイル８の一端がＲ相第２コイル３の一端にそれぞれ接続され、Ｒ相第１コイル２の他端がＴ相第２コイル９の他端に、Ｓ相第１コイル５の他端がＲ相第２コイル３の他端に、Ｔ相第１コイル８の他端がＳ相第２コイル６の他端にそれぞれ接続されている。そして、中間タップＲ１，Ｓ１，Ｔ１から導線が引き出されて３相交流の入力端子Ｒ１，Ｓ１，Ｔ１となり、中間タップＲ２，Ｓ２，Ｔ２から導線が引き出されて第１の３相交流出力端子Ｒ２，Ｓ２，Ｔ２となり、中間タップＲ３，Ｓ３，Ｔ３，から導線が引き出されて第２の３相交流出力端子Ｒ３，Ｓ３，Ｔ３となっている。
【００１３】
なお、以下の説明において、中間タップＲ１，Ｓ１，Ｔ１を３相交流の入力端子、中間タップＲ２，Ｓ２，Ｔ２及びＲ３，Ｓ３，Ｔ３を３相交流出力端子ともいう。
【００１４】
図３は図１に示した変圧器ベクトル図に基づいて、コイルの巻数比を決定するために、幾何学的な解析を行うための拡大図であり、特に、Ｒ相第１コイル２の中間タップＲ１からその他端Ｒ５までの巻数ａに相当する線分Ｒ１−Ｒ５と、Ｔ相第２コイル９の他端Ｒ５から中間タップＲ３までの巻数ｂに相当する線分Ｒ５−Ｒ３と、Ｔ相第２コイル９の中間タップＲ３からＳ２までの巻数ｃに相当する線分Ｒ３−Ｓ２との関係を説明するための図であり、このうち、線分Ｒ３−Ｓ２は点Ｒ１と点Ｒ３を結ぶ線分Ｒ１−Ｒ３に等しいことを利用してコイルの巻数比ａ：ｂ：ｃを決定する場合を示している。
【００１５】
図３において、円弧Ｒ１⌒Ｓ１は点Ｒ３とＳ２で３等分されており、弦Ｒ１−Ｒ３は弦Ｒ３−Ｓ２に等しい。すなわち、線分Ｒ１−Ｒ３も巻数ｃに相当する。ここで、∠Ｒ３，Ｒ１，Ｓ１は円弧Ｒ３⌒Ｓ１の円周角であるから、中心角∠Ｒ３，Ｔ１，Ｓ１の半分である。すなわち、∠Ｒ３，Ｔ１，Ｓ１＝４０°であるから∠Ｒ３，Ｒ１，Ｓ１＝２０°である。また、線分Ｒ１−Ｓ１と線分Ｒ５−Ｓ４は平行、すなわち、Ｒ１−Ｓ１／／Ｒ５−Ｓ４であるから∠Ｒ３，Ｒ１，Ｓ１＝∠Ｒ１，Ｒ３，Ｒ５（錯角）である。従って、∠Ｒ１，Ｒ３，Ｒ５＝２０°である。
【００１６】
次に、三角形△Ｒ１，Ｒ５，Ｒ３に着目すると、∠Ｒ１，Ｒ５，Ｒ３＝１２０°であるから∠Ｒ５，Ｒ１，Ｒ３＝４０°となる。よって正弦定理により次式が成立する。
【００１７】

この関係式は線分Ｒ１−Ｒ５、Ｒ５−Ｒ３、Ｒ３−Ｓ２に対応するコイルのみに限らず、これと同様な関係にある他の５箇所のコイルの巻数の決定に適用される。
【００１８】
このように、（２）式の関係に従って各コイルの巻数比を決定することによって、３相電圧のベクトルに対応して作図した六角形の線分の長さからコイルの巻数比を決定した従来の変圧器と比較して、電圧の値及び位相をより正確に決定することができる。
【００１９】
図４は上記の実施形態による変圧器１０を用いて、高調波の少ない直流に変換する１８パルス整流器の構成を示す回路図である。図４において、３相交流電源１１から電力の供給を受ける経路の線路インピーダンスが抵抗１２Ｒ，１２Ｓ，１２Ｔとインダクタンス１３Ｒ，１３Ｓ，１３Ｔとで表されている。この３相交流電源ラインに主３相全波整流器２１が接続されている。主３相全波整流器２１の直流出力端子間に、リアクトル３１及び平滑コンデンサ３２でなる平滑回路が接続され、平滑コンデンサ３２の両端に負荷抵抗３３が接続されている。また、３相交流電源ラインに、変圧器１０の中間タップＲ１，Ｓ１，Ｔ１から導線が引き出されて３相交流の入力端子が接続され、この変圧器１０の中間タップＲ２，Ｓ２，Ｔ２から導線が引き出されて第１の３相交流出力端子に補助３相全波整流器２２の交流入力端が接続され、中間タップＲ３，Ｓ３，Ｔ３，から導線が引き出されて第２の３相交流出力端子に補助３相全波整流器２３の交流入力端が接続されている。補助３相全波整流器２２及び補助３相全波整流器２３の各直流出力端子は主３相全波整流器２１の直流出力端子に並列に接続されている。
【００２０】
図５（ａ）及び（ｂ）は上記（２）式の関係を満たすように各コイルの巻数比ａ，ｂ，ｃを決定した解析数値による入力電流と高調波成分をシミュレーションした場合の波形（太い実線で示す）と、（２）式の値のうち、例えば、ａ（＝１）に対応する値を１．０７として７％の誤差を見込んだ実測誤差数値による入力電流と高調波成分をシミュレーションした場合の波形（細い実線で示す）とを併せて示した波形図である。これらの図から明らかなように、巻数を（２）式に基づいて決定した場合の高調波成分は略ゼロと見なし得るのに対して、（２）式に示す値に７％の誤差を見込んだ場合には５次高調波成分が２％も含まれることが分かる。
【００２１】
このシミュレーション結果から明らかなように、作図による六角形の線分の長さからコイルの巻数比を決定する場合に７％程度の誤差はやむを得ないものとして変圧器を作製し、この変圧器を用いて整流器を構成した場合には、様々な障害を引き起こしやすい５次高調波成分が２％程度になるのに対して、本実施形態のように（２）式の関係を満たすように各コイルの巻数比を決定することにより変圧器の定数調整が容易化され、これに従って変圧器を作製し、この変圧器を用いて整流器を構成した場合には高調波成分を実質的にゼロに抑え込むことができる。
【００２２】
図６（ａ）〜（ｄ）は図４に示した主３相全波整流器２１、補助３相全波整流器２２及び補助３相全波整流器２３にそれぞれ印加される３相交流電圧、Ｒ，Ｓ，Ｔ各相の電流をそれぞれシミュレーションした波形図であり、電気角で２０°の間隔で正、負の最大瞬時値を出力する導電端子が切換わっている。
【００２３】
ここで、図６中に一点鎖線の枠で囲った１導通区間（２０°）での変圧器１０の電流の経路に着目すると、例えば、３相交流入力端子Ｒ１から、主３相全波整流器２１及び補助３相全波整流器２２を経て、３相交流出力端子Ｔ２へ電流が流れる区間には、変圧器１０の３相交流出力端子Ｔ２以外の出力端子には電流は流れない。このとき図７に示すように、次の電流経路を通して電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４が流れる。
【００２４】
Ｉ１…Ｒ１←Ｒ４←Ｔ５←Ｔ１
Ｉ２…Ｒ１→Ｒ５→Ｓ４→Ｓ１
Ｉ３…Ｔ１→Ｔ４→Ｔ２
Ｉ４…Ｓ１←Ｓ５←Ｔ２
上述した電流Ｉ１〜Ｉ４によって発生する磁束の方向をＲ相鉄心１の磁束方向に合わせると、Ｒ相鉄心１、Ｓ相鉄心４及びＴ相鉄心７の合成磁束はゼロになるから、次式が成立する。
【００２５】
ａ・Ｉ１＋ａ・Ｉ２＋ｂ・Ｉ３＋（ｂ＋ｃ）・Ｉ４＝０　　　　　…（３）
−（２ｂ＋ｃ）・Ｉ１＋ａ・Ｉ２−ａ・Ｉ４＝０　　　　　　　　…（４）
ａ・Ｉ１−（２ｂ＋ｃ）・Ｉ２−ａ・Ｉ３＝０　　　　　　　　　…（５）
ただし、ａ，ｂ，ｃは前述した巻数である。
【００２６】
この（３）〜（５）式に上記（２）式の値を代入して電流比を求めると次式の関係が得られる。
【００２７】
Ｉ１：Ｉ２：Ｉ３：Ｉ４
＝１：−３．８７９３９：２５．４０４６７：−１０．１７０２：−１０．１７０２　　　　　　　　　…（６）
上記（６）式の関係で表される電流は３相交流出力端子Ｔ２以外の導通区間にも、導通端子に応じた巻線に流れているが、最も大きい電流Ｉ３に相当する電流は出力端子Ｒ２，Ｓ２，Ｔ２，Ｒ３，Ｓ３，Ｔ３から常に巻線ｂ側に流れ、巻線ｃを通ることはない。このため、巻線ｃに流れる１サイクルでの電流の実効値は他の巻線と比較して大幅に小さくなる。
【００２８】
図８は３相交流出力端子Ｔ２に接続される中間タップＴ２の両側の巻線ｃと巻線ｂの電流をシミュレーションした電流波形図である。この波形図から明らかなように、３相交流出力端子Ｔ２の導通時のみ正側と負側の値が異なり、巻線ｃの電流の実効値は巻線ｂの電流の実効値に対して約５５％になる。一つの鉄心の巻線ｂと他の鉄心の巻線ａとの接続点には外部端子が接続されていないので電流値は全て同じになる。
【００２９】
そこで、変圧器１０の巻線ａ，ｂ，ｃの断面積は全て同じにする必要はないため、本実施形態では電流の実効値に応じて導線の断面積を異ならせたもので、その具体例として、巻数ｃに対応する部分の導線の断面積を、他の部分と比較して小さくしている。
【００３０】
この結果、信頼性を損なうことなく、変圧器及びこれを用いた整流器の小型化が可能になる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、六角形で表された変圧器ベクトル図に係る電圧の値及び位相を正確に決定することができると共に、一層の小型化を可能にする変圧器及びこれを用いた整流器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る変圧器の実施形態の具体的な巻線構造を表す変圧器ベクトル図。
【図２】図１に示した変圧器ベクトル図を満たす変圧器の巻線構造図。
【図３】図１に示した変圧器ベクトル図に基づいて、コイルの巻数比を決定するために、幾何学的な解析を行うための拡大図。
【図４】図１の実施形態による変圧器を用いて、高調波の少ない直流に変換する整流器の構成を示す回路図。
【図５】図４に示す整流器におけるコイルの巻数比の解析数値と、実測誤差数値によるに各入力電流と高調波成分をシミュレーションした波形図。
【図６】図４に示した３相全波整流器にそれぞれ印加される３相交流電圧及び３相交流電流のシミュレーション結果を示す波形図。
【図７】図６中に一点鎖線の枠で囲った１導通区間における電流経路を、変圧器ベクトル図と併せて示した図。
【図８】図６中に一点鎖線の枠で囲った１導通区間における中間タップの両側の巻線に流れる電流をシミュレーションした瞬時値及び実効値を示す波形図。
【符号の説明】
１　Ｒ相鉄心
２　Ｒ相第１コイル
３　Ｒ相第２コイル
４　Ｓ相鉄心
５　Ｓ相第１コイル
６　Ｓ相第２コイル
７　Ｔ相鉄心
８　Ｔ相第１コイル
９　Ｔ相第２コイル
１０　変圧器
１１　３相交流電源
１２Ｒ，１２Ｓ，１２Ｔ　抵抗
１３Ｒ，１３Ｓ，１３Ｔ　インダクタンス
２１　主３相全波整流器
２２，２３　補助３相全波整流器
３１　リアクトル
３２　平滑コンデンサ
３３　負荷抵抗

Claims (2)

1. ３相交流の各相電圧を正三角形のベクトル図で表わし、前記正三角形の各頂点を中心として残りの２つの頂点を結んで描いた円弧を３等分して得られた２点をそれぞれ通る直線と、前記正三角形の各頂点を通り、前記各頂点と対向する一辺に平行な直線とで形成される六角形で表された変圧器ベクトル図を満たす変圧器において、
   ３相分の鉄心にそれぞれ巻装された第１及び第２のコイルを備え、
   前記第１のコイルの一端は極性が同一で順次相が異なる前記第２のコイルの一端に接続され、前記第１のコイルの他端は極性が同一で、前記一端とは異なる組み合わせで順次相が異なる前記第２のコイルの他端に接続され、
   ａ，ｂ，ｃをそれぞれ２以上の数として、前記第１のコイルの巻数を２ａとして巻数の中間位置に第１のタップが設けられ、前記第２のコイルの巻数を２ｂ＋ｃとして、一端から巻数ｂだけ内側の位置に第２のタップが設けられ、他端から巻数ｂだけ内側の位置に第３のタップが設けられ、
   ３相分の前記第１のタップが３相交流電圧の入力端子とされ、３相分の前記第２のタップが３相交流電圧の第１の出力端子とされ、３相分の前記第３のタップが３相交流電圧の第２の出力端子とされ、
   前記巻数の比ａ：ｂ：ｃ＝ｓｉｎ２０°：ｓｉｎ４０°：ｓｉｎ１２０°に設定され、
   前記第２のコイルの巻数ｃに対応する部分の導線の断面積が、他の部分と比較して小さくされている、
   ことを特徴とする変圧器。
2. ３相交流を直流に変換する主３相全波整流器と、前記３相交流を入力して電気角で±２０°だけ位相を異ならせた２種類の３相交流を出力する変圧器と、前記変圧器から出力される２種類の３相交流をそれぞれ直流に変換すると共に、直流出力ラインが前記主３相全波整流器と並列接続された２個の補助３相全波整流器とを備えた整流器において、
   前記変圧器として請求項１に記載の変圧器を用いたことを特徴とする整流器。

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