JP2004364385A

JP2004364385A - 多パルス整流変圧器

Info

Publication number: JP2004364385A
Application number: JP2003158284A
Authority: JP
Inventors: Takehiro Kobayashi; 林壮寛小
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-03
Also published as: JP4021803B2

Abstract

【課題】簡易な構成にて変圧器を過熱から確実に保護することが可能な多パルス整流変圧器を提供する。
【解決手段】３相交流電源１１から受電した３相交流電圧を入力し、この３相交流電圧に対して所定の角度だけ位相が進んだ第１の３相交流電圧及び所定の角度だけ位相が遅れた第２の３相交流電圧を出力する変圧器１０と、変圧器から出力される第１及び第２の３相交流電圧をそれぞれ全波整流して負荷に供給する第１及び第２の整流回路２５，２６とを備えた多パルス整流変圧器において、変圧器の温度を検出し、検出値が所定値を超えたとき、変圧器に入力される３相交流電圧の１相分の入力経路を開放するリレー２３Ａを備える。
【選択図】図１

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多パルス整流変圧器に関する。
【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相全波整流回路を用いるのが最も一般的な方法である。このような３相全波整流回路では、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相交流電圧を全波整流する主全波整流回路と、３相交流電圧に対して所定の角度だけ位相が進んだ３相交流電圧及び所定の角度だけ位相が遅れた３相交流電圧を出力する変圧器と、この変圧器から出力される２つの３相交流電圧をそれぞれ全波整流して負荷に供給する２個の補助全波整流回路（以下、単に全波整流回路とも言う）とを備えた、１８パルス整流器が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
図５は１８パルス整流回路を構成する変圧器の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。
【０００５】
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。
【０００６】
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ている。
【０００７】
図６はこの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５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。同図において、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。
【０００８】
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。
【０００９】
そこで、第１の３相交流出力端子Ｒ２，Ｓ２，Ｔ２に全波整流回路を接続し、第２の３相交流出力端子Ｒ３，Ｓ３，Ｔ３にもう一つの全波整流回路を接続し、これらの全波整流回路の各出力端を並列接続し、３相交流を直流に変換する主３相全波整流回路の出力端に接続することによって電源側に発生する高調波を低減する１８パルス整流器が構成される。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−１０６４６号公報（第６頁、第８図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
１８パルス整流器は、３相交流電圧を直接全波整流する主整流回路に対して、上述した変圧器及びこの変圧器から出力される２種類の３相交流電圧をそれぞれ全波整流する２つの整流回路を含む多パルス整流変圧器を付加する構成が多く採用されていた。この場合、変圧器は自然空冷を用いるのが一般的であり、自己発熱に対する積極的な保護手段が設けられていなかった。また、変圧器の巻線構造が複雑であるため、温度検出が比較的難しくその点でも保護手段を設け難かった。
【００１２】
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、簡易な構成にて変圧器を過熱から確実に保護することが可能な多パルス整流変圧器を提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、変圧器の温度を容易かつ確実に検出することのできる多パルス整流変圧器を提供することにある。
【００１４】
本発明のもう１つ他の目的は、小型、軽量化及びユニット化を実現することができ、さらに、その寿命を長くすることのできる多パルス整流変圧器を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、
３相交流電源から受電した３相交流電圧を入力し、この３相交流電圧に対して所定の角度だけ位相が進んだ第１の３相交流電圧及び所定の角度だけ位相が遅れた第２の３相交流電圧を出力する変圧器と、変圧器から出力される第１及び第２の３相交流電圧をそれぞれ全波整流して負荷に供給する第１及び第２の整流回路とを備えた多パルス整流変圧器において、
変圧器の温度を検出し、検出値が所定値を超えたとき、変圧器に入力される３相交流電圧の１相分の入力経路を開放するリレーを備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の多パルス整流変圧器において、変圧器、第１及び第２の整流回路を一体的に収納する筐体と、筐体の側壁に取り付けられ、内側面に第１及び第２の整流回路が装着されたヒートシンクと、を備え、リレーはヒートシンクの温度から変圧器の温度を間接的に検出することを特徴とする。
【００１７】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の多パルス整流変圧器において、変圧器、第１及び第２の整流回路を一体的に収納する筐体と、筐体の側壁に取り付けられ、内側面に第１及び第２の整流回路が装着されたヒートシンクと、筐体内の空気を換気するファンと、ヒートシンクの温度を検出し、検出値が所定値を超えたときに閉成してファンを運転し、検出値が所定値よりも降下したときに開放してファンを停止させるリレーと、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
【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は本発明に係る多パルス整流変圧器の一実施形態の構成を、これと組み合わせて１８パルス整流器として３相交流電動機を駆動する主回路と併せて示したブロック図である。同図において、３相交流電源１１に全波整流回路１２の入力端が接続され、その出力端に平滑コンデンサ１３が接続されると共に、インバータ１４の入力端が接続されている。インバータ１４の出力端に３相交流電動機１５が接続されている。
【００１９】
また、３相交流電源１１に多パルス整流変圧器２０の入力端が接続され、この多パルス整流変圧器２０の出力端が全波整流回路１２の出力端に接続されている。この多パルス整流変圧器２０は３相交流電圧を入力して所定の角度だけ位相が進んだ３相交流電圧及び所定の角度だけ位相が遅れた３相交流電圧を生成し、これらの３相交流電圧をそれぞれ全波整流して出力するもので、全波整流回路１２と合わせて１８パルス整流器が構成される。
【００２０】
多パルス整流変圧器２０は３相交流電源１１に接続するたの端子台２１を備えている。この端子台２１のＲ相端子にはヒューズ２２Ａ及びバイメタル２３Ａを介して変圧器１０の３相交流入力端子Ｒ１が接続され、Ｓ相端子には変圧器１０の３相交流端子Ｓ１が直接接続され、Ｔ相にはヒューズ２２Ｂを介して変圧器１０の交流入力端子Ｔ１が接続されている。また、ヒューズ２２Ａの負荷端が換気用ファン２４の一方の入力端に接続され、この換気用ファン２４の他方の入力端はバイメタル２３Ｂを介して端子台２１のＳ相端子が接続されている。
【００２１】
変圧器１０は上述したように、３相交流入力端子Ｒ１，Ｓ１，Ｔ１に加えられた３相交流電圧に対して位相が４０度進んだ３相交流電圧を出力する３相交流出力端子Ｒ２，Ｓ２，Ｔ２と、位相が４０度遅れた３相交流電圧を出力する３相交流出力端子Ｒ３，Ｓ３，Ｔ３とを備えている。そして、３相交流出力端子Ｒ２，Ｓ２，Ｔ２には全波整流回路２５の入力端が接続され、この全波整流回路２５の出力端はコネクタ２７の固定側に接続されている。また、３相交流出力端子Ｒ３，Ｓ３，Ｔ３には全波整流回路２６の入力端が接続され、この全波整流回路２６の出力端はコネクタ２７の固定側に接続されている。コネクタ２７の差込側はその正極及び負荷側が全波整流回路１２の出力端に並列接続されている。なお、バイメタル２３Ａ，２３Ｂ、全波整流回路２５，２６は後述するように、ヒートシンク２８に装着されている。
【００２２】
図２は多パルス整流変圧器２０を筐体に収納してユニット化したもので、変圧器１０は筐体３１に収納されている。筐体３１の一方の側壁下部に吸風口３２が形成され、他方の側壁上部に排風口３３が形成されている。そして、排風口３３の内側中央部に換気用ファン２４が装着されている。また、筐体３１の他方の側壁の略中央部が刳り抜かれ、ここにヒートシンク２８が取り付けられている。このヒートシンク２８の内側に全波整流回路２５，２６、バイメタル２３Ａ，２３Ｂが装着され、ヒートシンク２８と排風口３３との間に形成されたリード線入出口３４に３芯の３相交流入力用の導線と２芯の直流出力用導線が通されている。
【００２３】
上記のように構成された本実施形態の動作について以下に説明する。先ず、３相交流電源１１の３相交流電圧は全波整流回路１２によって全波整流され、平滑コンデンサ１３により平滑されてインバータ１４に供給される。インバータ１４はこれに供給された直流を可変電圧可変周波数の交流に変換して３相交流電動機１５に加え、この３相交流電動機１５を駆動する。また、多パルス整流変圧器２０においては端子台２１、ヒューズ２２Ａ、ヒューズ２２Ｂ及びバイメタル２３Ａを介して３相交流電圧が変圧器１０の３相交流入力端子Ｒ１，Ｓ１，Ｔ１に加えられる。これにより、３相交流出力端子Ｒ２，Ｓ２，Ｔ２から３相交流電圧に対して位相が４０度進んだ３相交流電圧が出力され、３相交流出力端子Ｒ３，Ｓ３，Ｔ３から位相が４０度遅れた３相交流電圧が出力される。これらの３相交流電圧は全波整流回路２５及び２６によってそれぞれ全波整流され、コネクタ２７を介して、全波整流回路１２の出力端に供給される。この結果、全波整流回路１２を通して出力される直流の電流リップルを埋めるように、全波整流回路２５，２６が導通するため、電流リップルは小さくなり、電源側に現れる高調波も低減される。
【００２４】
ここで、変圧器１０は筐体３１の内部に収納され、換気用ファン２４は吸風口３２から外部空気を吸い込み、排風口３３から排出させる。ヒートシンク２８は全波整流回路２５及び２６の冷却を促進するものであるが、変圧器１０と同等な温度変化をするため、変圧器１０の温度を直接検出する代わりにヒートシンク２８の温度を検出しても、直接検出と同等な温度検出が可能になる。このことを以下に説明する。
【００２５】
一般に、変圧器を保護するには、その巻線温度を直接検出するのが最適であるが、鉄心や巻線には温度センサやバイメタル等を取付け難い状況にある。仮に、鉄心や巻線に温度センサやバイメタル等を取付けたとしても、その位置が変圧器の下方であった場合には検出温度は低目で、しかも、温度上昇に対する変化が小さいために、実際の温度と検出値との間に大きな差を生じやすい。しかるに、多パルス整流変圧器２０を構成する全波整流回路２５及び２６には変圧器と同じ電流が流れるため、変圧器１０の温度上昇傾向とヒートシンク２８の温度上昇傾向とが略比例する。従って、ヒートシンク２８の温度を検出することによって、間接的ではあるが、変圧器１０の温度を高精度にて確実に検出することができる。また、全波整流回路２５及び２６が取り付けられるヒートシンク２８はバイメタル２３Ａの取付も容易であるという利点もある。
【００２６】
図４はヒートシンク２８の温度と変圧器１０の温度との関係を、実際に測定して得られた線図である。この線図から明らかなように、ヒートシンクの温度と変圧器の温度とは直線的な関係にあり、ヒートシンク２８に取り付けたバイメタル２３Ａとして、例えば、９０℃以上で接点が開放し、７０℃以下で閉成するものを用いることにより、変圧器１０の温度を直接検出して、１５０℃以上で接点が開放し、１２０℃以下で閉成するものを用いることと等価となる。なお、Ａ点は換気用ファン２４が故障して変圧器１０の温度が１５０℃になったときのヒートシンク２８の温度が９０℃であることを示している。
【００２７】
そこで、本実施形態はヒートシンク２８にバイメタル２３Ａを取り付け、温度上昇時に変圧器１０に対する３相電圧供給経路を遮断するようにしている。バイメタル２３Ａは図３（ａ）に示した動作特性を有している。すなわち、温度が上昇傾向であれば９０℃にてオフ状態に切り替わり、温度が下降傾向であれば７０℃にてオン状態に復帰する構成になっている。従って、変圧器１０の温度上昇に応じてヒートシンク２８の温度も上昇し、その温度が９０℃を超えると変圧器１０に３相電圧を供給するＲ相の経路が遮断され、変圧器１０の３相交流入力端子Ｓ１，Ｔ１に単相の交流電圧しか供給されなくなる。この結果、変圧器１０の３相交流出力端子Ｒ２，Ｓ２，Ｔ２及びＲ３，Ｓ３，Ｔ３からは、３相交流入力端子Ｓ１，Ｔ１に印加された交流と同相で、かつ、入力電圧よりも値の小さい電圧しか出力されなくなる。このことは、全波整流回路１２によって整流されたＳ−Ｔ相間の整流電圧より小さく、かつ、この整流電圧よりも値の小さい電圧が全波整流回路２５及び２６から出力されるだけである。
【００２８】
これにより、変圧器１０に電流は流れず、実質的にその機能を停止する。一般に、３相交流変圧器に負荷が接続されている場合には、１相の電圧供給経路が開放される、いわゆる、欠相に対して、２相分の電圧供給経路を遮断して保護を図る必要がある。しかし、１８パルス整流器を構成する多パルス整流変圧器にあっては、１相分の入力経路を開放するだけで変圧器を過熱から確実に保護することができる。
【００２９】
一方、換気用ファン２４の電力供給経路に設けられたバイメタル２３Ｂは図３（ｂ）に示した動作特性を有している。すなわち、温度が上昇傾向であれば７０℃にてオン状態に切り替わり、温度が下降傾向であれば５０℃にてオフ状態に復帰する構成になっている。従って、変圧器１０の温度が上昇するに従ってヒートシンク２８の温度も上昇し、その温度が７０℃を超えると換気用ファン２４は換気動作を開始し、その温度が５０℃以下に降下するとその換気動作を停止する。この結果、変圧器１０の温度が上昇してその冷却が必要である１２０℃を超えてから１００℃に降下する温度範囲に限り、換気用ファン２４が運転されるため、換気用ファン２４の稼動率が下げられ、その寿命に左右される装置の寿命を長くすることができる。
【００３０】
かくして、本実施形態によれば、変圧器１０の温度を検出し、その検出値が所定値を超えたとき、変圧器に入力される３相交流電圧の１相分の入力経路を開放するバイメタル２３Ａを備えているので、簡易な構成にて変圧器１０をその過熱から確実に保護することができる。
【００３１】
また、本実施形態によれば、変圧器１０を筐体３１に収納し、この筐体３１の側壁に取り付けられたヒートシンク２８に全波整流回路２５及び２６とバイメタル２３Ａとを装着して変圧器の温度を間接的に検出するようにしたので、変圧器の温度を容易かつ確実に検出することができる。
【００３２】
さらに、筐体３１内の空気を換気する換気用ファン２４を設け、ヒートシンク２８に装着したバイメタル２３Ｂによって、ヒートシンク２８の温度が所定値を超えたときに換気用ファン２４を運転し、所定値よりも降下したとき換気用ファン２４を停止させるようにしたので、小型、軽量化及びユニット化を実現することができ、さらに、換気用ファン２４の寿命を含めた装置寿命を長くできるという効果も得られる。
【００３３】
なお、上記実施形態では変圧器１０の温度を間接的に検出して、３相交流電圧の入力回路を開放するバイメタル２３Ａと、換気用ファン２４の電力供給経路を開閉するバイメタル２３Ｂとを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、温度センサの出力に応じてマイクロコンピュータ（ＭＣＵ）がスイッチング素子をオン、オフ制御する構成であっても、要は、変圧器の温度を検出して電力経路を開閉するリレーであれば良い。
【００３４】
【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、簡易な構成にて変圧器を過熱から確実に保護することが可能な多パルス整流変圧器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多パルス整流変圧器の一実施形態の構成を、これと組み合わせて１８パルス整流器として３相交流電動機を駆動する主回路と併せて示したブロック図。
【図２】図１に示した多パルス整流変圧器を筐体に収納してユニット化した概略構成図。
【図３】図１又は図２に示した多パルス整流変圧器を構成する２種類のバイメタルの動作特性を示す線図。
【図４】図２に示した多パルス整流変圧器における変圧器温度とヒートシンク温度との関係を示す線図。
【図５】本発明を適用する１８パルス整流回路の変圧器の巻線構造を表す変圧器ベクトル図。
【図６】図５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。
【符号の説明】
１０変圧器
１１３相交流電源
１２，２５，２６全波整流回路
２０多パルス整流変圧器
２３Ａ，２３Ｂバイメタル
２４換気用ファン
２８ヒートシンク
３１筐体
３２吸風口
３３排風口

Claims

３相交流電源から受電した３相交流電圧を入力し、この３相交流電圧に対して所定の角度だけ位相が進んだ第１の３相交流電圧及び所定の角度だけ位相が遅れた第２の３相交流電圧を出力する変圧器と、前記変圧器から出力される第１及び第２の３相交流電圧をそれぞれ全波整流して負荷に供給する第１及び第２の整流回路とを備えた多パルス整流変圧器において、
前記変圧器の温度を検出し、検出値が所定値を超えたとき、前記変圧器に入力される３相交流電圧の１相分の入力経路を開放するリレーを備えたことを特徴とする多パルス整流変圧器。
前記変圧器、第１及び第２の整流回路を一体的に収納する筐体と、前記筐体の側壁に取り付けられ、内側面に前記第１及び第２の整流回路が装着されたヒートシンクと、を備え、前記リレーは前記ヒートシンクの温度から前記変圧器の温度を間接的に検出することを特徴とする請求項１に記載の多パルス整流変圧器。
前記変圧器、第１及び第２の整流回路を一体的に収納する筐体と、前記筐体の側壁に取り付けられ、内側面に前記第１及び第２の整流回路が装着されたヒートシンクと、前記筐体内の空気を換気するファンと、前記ヒートシンクの温度を検出し、検出値が所定値を超えたときに閉成して前記ファンを運転し、検出値が前記所定値よりも降下したときに開放して前記ファンを停止させるリレーと、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の多パルス整流変圧器。