JP2007082269A - 単相３相変換装置および単相３相変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置の信頼性を高めて、単相交流電圧を３相交流電圧に変換することを可能にする単相３相変換装置および単相３相変換方法を提供する。
【解決手段】 ３相交流電圧入力用の端子１１Ｃ、１１Ｄ、１２Ｃと、単相交流電圧出力用の端子１１Ｅ、１１Ｆと、端子１１Ｅ、１１Ｆに比べて位相の進んだ単相交流電圧出力用の端子１２Ｄ、１２Ｅとを具備し、端子１１Ｅ、１１Ｆ間に単相交流電圧が加えられるスコット結線変圧器１と、端子１１Ｅ、１１Ｆ間に加えられる単相交流電圧の電圧ベクトルＶの位相を進めて、スコット結線変圧器１の端子１２Ｄ、１２Ｅ間に電圧ベクトルＶ₁の単相交流電圧を加えるコンデンサ２と、端子１１Ｃ、１１Ｄ、１２Ｃに接続されて、３相交流電圧を発生させる負荷抵抗３Ａ〜３Ｃとを備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、単相交流電圧を３相交流電圧に変換する単相３相変換装置および単相３相変換方法に関する。

交流電源として、単相交流電圧を供給するものと、３相交流電圧を供給するものとがある。単相交流電圧は一般家庭などで電気製品を動かすために用いられ、３相交流電圧は工場などで３相モータ等の動力源として用いられる。

ところで、単相交流電圧だけが利用可能な所で３相交流電圧を必要とする場合がある。たとえば、単相交流電圧だけが供給されている所で、３相用の位相差計を試験したいときがある。このときには、単相交流電圧を３相交流電圧に変換する変換装置を用意し、この変換装置を用いて単相交流電圧から３相交流電圧を生成し、位相差計の試験をすることになる。

また、単相交流電圧だけが供給されている所で、３相交流電圧を用いた実験を行わなければならないときもある。このようなときにも、単相交流電圧を３相交流電圧に変換する変換装置を用いる。これらの装置は、単相電圧を直流電圧に変換するコンバータと、直流電圧を交流電圧に変換するインバータとを備え、このインバータを制御して直流電圧を３相交流電圧に変換する。こうした変換装置については、特許文献１、２などに記載されている。
特開平５−４９２６０号公報 特開平１１−１９６５８２号公報

ところで、前記の各文献に記載された変換装置は、３相交流電圧を生成するために、スイッチング素子などの多数の半導体素子をコンバータやインバータに用いている。一方、変換装置が生成する３相交流電圧は１００ボルト以上の高い電圧である。こうした高い電圧が半導体素子に負担となり、装置の信頼性が低下すると言った課題が従来の変換装置にはある。

この発明は、前記の課題を解決し、装置の信頼性を高めて、単相交流電圧を３相交流電圧に変換することを可能にする単相３相変換装置および単相３相変換方法を提供することにある。

前記課題を解決するために、請求項１の発明は、３相交流電圧入力用の３つの第１端子と、単相交流電圧出力用の２つの第２端子と、この第２端子に比べて位相の進んだ単相交流電圧出力用の２つの第３端子とを具備し、前記第２端子間に単相交流電圧が加えられるスコット結線変圧器と、前記第２端子間に加えられる単相交流電圧の位相を進めて、前記スコット結線変圧器の第３端子間に加えるコンデンサと、前記各第１端子に接続されて、３相交流電圧を発生させる負荷回路とを備えることを特徴とする単相３相変換装置である。

請求項１の発明によれば、スコット結線変圧器を次のように用いる。通常、スコット結線変圧器の一次側である３相交流電圧入力用の３つの第１端子に３相交流電圧を加えると、２次側である第２端子から単相交流電圧を出力し、さらに、２次側である第３端子からこの単相交流電圧に比べて位相の進んだ単相交流電圧を出力する。この発明では、スコット結線変圧器の２次側である第２端子に単相交流電圧を加え、この単相交流電圧に比べて位相の進んだ単相交流電圧を、２次側である第３端子に加える。そして、１次側に接続された負荷回路に３相交流電圧を発生させている。

請求項２の発明は、請求項１に記載の単相３相変換装置において、前記スコット結線変圧器は、Ｔ座巻線と主座巻線とで形成され、前記第１端子は、前記Ｔ座巻線および前記主座巻線の１次側に接続され、前記第２端子は前記主座巻線の２次側に接続され、前記第３端子は前記Ｔ座巻線の２次側に接続され、かつ、前記第２端子と前記第３端子とが並列に接続され、前記コンデンサは、前記第２端子と前記第３端子との間に挿入されていることを特徴とする。

請求項２の発明によれば、スコット結線変圧器の第３端子はＴ座巻線の２次側に接続され、第２端子と第３端子とが並列に接続されている。かつ、コンデンサは、第２端子と第３端子との間に挿入されているので、単相交流電圧を第２端子間に加えて、第３端子間に位相の進んだ単相交流電圧を加えている。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載の単相３相変換装置において、前記負荷回路は、一端が前記第１端子にそれぞれ接続され、他端が結線された３つの負荷抵抗であることを特徴とする。

請求項３の発明によれば、星形結線をされた３つの負荷抵抗を用いて負荷回路を構成している。

請求項４の発明は、請求項３に記載の単相３相変換装置において、前記Ｔ座巻線の二次側からみたこのＴ座巻線の１次・２次間リアクタンスと、前記Ｔ座巻線の二次側からみた負荷回路の大きさと、前記コンデンサの大きさとを調整して、前記第２端子に加える単相交流電圧の位相に比較して、前記第３端子に加える単相交流電圧の位相を９０度進めることを特徴とする。

請求項４の発明によれば、Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスと、負荷回路の大きさと、コンデンサの大きさとを調整することにより、第２端子に加える単相交流電圧の位相に比較して、第３端子に加える単相交流電圧の位相を９０度進めて、３相交流電圧を負荷回路に発生させる。

請求項５の発明は、請求項４に記載の単相３相変換装置において、前記Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスに発生する電圧の大きさと、前記負荷回路の電圧の大きさと、前記コンデンサの電圧の半分の大きさとを等しくすることを特徴とする。

請求項５の発明によれば、Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスに発生する電圧の大きさと、負荷回路の電圧の大きさと、コンデンサの電圧の半分の大きさとを等しくし、第３端子に加える単相交流電圧の位相を９０度進めて、３相交流電圧を負荷回路に発生させる。

請求項６の発明は、請求項５に記載の単相３相変換装置において、前記Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスと前記負荷回路との間に、リアクタンスを挿入して、前記第３端子に加える単相交流電圧の位相を９０度進めることを特徴とする。

請求項６の発明によれば、Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスが不足した場合に、Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスと負荷回路との間に、リアクタンスを挿入することにより、第３端子に加える単相交流電圧の位相を９０度進めている。

請求項７の発明は、３相交流電圧入力用の３つの第１端子と、単相交流電圧出力用の２つの第２端子と、この第２端子に比べて位相の進んだ単相交流電圧出力用の２つの第３端子とを具備するスコット結線変圧器を用いた単相３相変換方法であって、スコット結線変圧器の前記第２端子間に単相交流電圧を加え、前記第２端子間に加える単相交流電圧の位相をコンデンサにより進めて、前記スコット結線変圧器の第３端子間に加え、前記第１端子に負荷回路を接続して、この負荷回路に３相交流電圧を発生することを特徴とする単相３相変換方法である。

請求項７の発明によれば、スコット結線変圧器の２次側である第２端子に単相交流電圧を加え、この単相交流電圧に比べて位相の進んだ単相交流電圧を、２次側である第３端子に加えることにより、１次側の負荷回路に３相交流電圧を発生させている。

請求項８の発明は、請求項７に記載の単相３相変換方法において、前記第１端子をスコット結線変圧器の前記Ｔ座巻線および前記主座巻線の１次側に接続し、前記第２端子を前記主座巻線の２次側に接続し、前記第３端子を前記Ｔ座巻線の２次側に接続し、前記第２端子と前記第３端子とを並列に接続し、前記第２端子と前記第３端子との間に前記コンデンサを挿入したことを特徴とする。

請求項８の発明によれば、スコット結線変圧器の第３端子をＴ座巻線の２次側に接続し、第２端子と第３端子とを並列に接続している。かつ、第２端子と第３端子との間にコンデンサを挿入しているので、単相交流電圧を第２端子間に加えるだけで、第３端子間に位相の進んだ単相交流電圧を加えている。

請求項９の発明は、請求項７または８に記載の単相３相変換方法において、負荷抵抗の一端を前記第１端子にそれぞれ接続し、これらの負荷抵抗の他端を結線して前記負荷回路を形成したことを特徴とする。

請求項９の発明によれば、星形結線をされた３つの負荷抵抗を用いて負荷回路を構成する。

請求項１０の発明は、請求項９に記載の単相３相変換方法において、前記Ｔ座巻線の二次側からみたこのＴ座巻線の１次・２次間リアクタンスの大きさと、前記Ｔ座巻線の二次側からみた負荷回路の大きさと、前記コンデンサの大きさとを調整し、前記第２端子に加える単相交流電圧の位相に比較して、前記第３端子に加える単相交流電圧の位相を９０度進めることを特徴とする。

請求項１０の発明によれば、Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスと、負荷回路の大きさと、コンデンサの大きさとを調整することにより、第２端子に加える単相交流電圧の位相に比較して、第３端子に加える単相交流電圧の位相を９０度進め、３相交流電圧を負荷回路に発生させる。

請求項１１の発明は、請求項１０に記載の単相３相変換方法において、前記１次・２次間リアクタンスに発生する電圧の大きさと、前記負荷回路の電圧の大きさと、前記コンデンサの電圧の半分の大きさとを等しくすることを特徴とする。

請求項１１の発明によれば、Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスに発生する電圧の大きさと、負荷回路の電圧の大きさと、コンデンサの電圧の半分の大きさとを等しくすることにより、第３端子に加える単相交流電圧の位相を９０度進め、３相交流電圧を負荷回路に発生させる。

請求項１２の発明は、請求項１１に記載の単相３相変換方法において、前記Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスと前記負荷回路との間に、リアクタンスを挿入して、前記第３端子に加える単相交流電圧の位相を９０度進めることを特徴とする。

請求項１２の発明によれば、Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスが不足した場合に、Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスと負荷回路との間に、リアクタンスを挿入することにより、第３端子に加える単相交流電圧の位相を９０度進める。

請求項１および請求項７の発明によれば、スコット結線変圧器とコンデンサと負荷回路とで装置を構成することができ、半導体部品を不要にしているので、装置の信頼性を高めて、単相交流電圧を３相交流電圧に変換することができる。

請求項２および請求項８の発明よれば、単相交流電圧を第２端子間に加えるだけで、位相の進んだ単相交流電圧を第３端子間に加えることができる。

請求項３および請求項９の発明によれば、星形結線をされた３つの負荷抵抗を用いて負荷回路を構成することができる。

請求項４、５および請求項１０、１１の発明によれば、Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスと、負荷回路の大きさと、コンデンサの大きさとを調整して、第２端子に加える単相交流電圧の位相に比較して、第３端子に加える単相交流電圧の位相を９０度進めることができる。これにより、３相交流電圧を負荷回路に発生させることができる。

請求項６および請求項１２の発明によれば、Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスが不足した場合に、Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスと負荷回路との間に、リアクタンスを挿入することにより、Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスの不足分を補い、第３端子に加える単相交流電圧の位相を９０度進めることができる。

つぎに、この発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
(実施の形態１)
この実施の形態による単相３相変換装置を図１に示す。この単相３相変換装置は、スコット結線変圧器１とコンデンサ２と負荷抵抗３Ａ〜３Ｃとで構成されている。

スコット結線変圧器１は、３相交流電圧を単相交流電圧に変換するものであり、図２に示すように、主座巻線１１とＴ座巻線１２とを備えている。なお、図１、２では、スコット結線変圧器１のコアの記載を省略している。主座巻線１１は２つの巻線部分１１Ａ、１１Ｂを備え、２つの巻線部分１１Ａ、１１Ｂは互いに磁気的に結合されている。巻線部分１１Ａは１次側のコイルであり、巻線部分１１Ｂは２次側のコイルである。巻線部分１１Ａの一端および他端は端子１１Ｃ、１１Ｄにそれぞれ接続され、巻線部分１１Ｂの一端および他端は端子１１Ｅ、１１Ｆにそれぞれ接続されている。

同じく、Ｔ座巻線１２は２つの巻線部分１２Ａ、１２Ｂを備え、２つの巻線部分１２Ａ、１２Ｂは互いに磁気的に結合されている。巻線部分１２Ａは１次側のコイルであり、巻線部分１２Ｂは２次側のコイルである。巻線部分１２Ａの一端は主座巻線１１の巻線部分１１Ａに接続され、他端は端子１２Ｃに接続されている。巻線部分１２Ｂの一端および他端は端子１２Ｄ、１２Ｅにそれぞれ接続されている。

通常、スコット結線変圧器１の端子１１Ｃ、１１Ｄ、１２Ｃに３相交流電圧が加えられると、端子１１Ｅと端子１１Ｆとの間および端子１２Ｄと端子１２Ｅとの間に単相交流電圧がそれぞれ発生する。このとき、図３のベクトル図に示すように、３相交流電圧を加えると、端子１１Ｃ、１１Ｄ、１２Ｃに電圧ベクトルＵ１、Ｕ２、Ｕ３の交流電圧が発生し、さらに、端子１１Ｃ、１１Ｄ、１２Ｃの電圧ベクトルＵ１、Ｕ２、Ｕ３に対して、端子１１Ｅ、１１Ｆに電圧ベクトルＵ１１が発生し、端子１２Ｄ、１２Ｅに電圧ベクトルＵ１２が発生する。つまり、スコット結線変圧器１の主座巻線１１が発生する単相交流電圧と、Ｔ座巻線１２が発生する単相交流電圧とでは９０度の位相差があり、電圧ベクトルＵ１２で示されるＴ座巻線１２の単相交流電圧の位相が、電圧ベクトルＵ１１で示される主座巻線１１の単相交流電圧の位相に比べて９０度進んでいる。

この実施の形態では、こうしたスコット結線変圧器１を次のように用いる。主座巻線１１の２次側に単相交流電圧を加えると共に、Ｔ座巻線１２には９０度位相が進んだ単相交流電圧を加える。つまり、図３（ｂ）に示される電圧ベクトルを持つ単相交流電圧を入力電圧とし、図３（ａ）に示される電圧ベクトルを持つ交流電圧を出力電圧として得ている。これにより、スコット結線変圧器１の１次側の端子１１Ｃ、１１Ｄ、１２Ｃに発生する交流電圧を負荷抵抗３Ａ〜３Ｃに加えて、３相交流電圧を負荷抵抗３Ａ〜３Ｃに発生させることができる。このために、スコット結線変圧器１の２次側の端子１１Ｅと端子１２Ｄとの間が接続され、端子１１Ｆと端子１２Ｅとの間にはコンデンサ２が接続されている。端子１１Ｅと端子１１Ｆとが交流電源１００からの電源電圧を加える入力端子である。さらに、スコット結線変圧器１の１次側の端子１１Ｃ、１１Ｄ、１２Ｃには負荷抵抗３Ａ〜３Ｃが接続されている。

コンデンサ２は、端子１１Ｅと端子１１Ｆとの間に加えられた電源電圧の位相を進めるための進相用である。負荷抵抗３Ａ〜３Ｃは、星形結線をされた負荷回路を構成している。負荷抵抗３Ａが端子１１Ｃに接続され、負荷抵抗３Ｂが端子１１Ｄに接続され、負荷抵抗３Ｃが端子１２Ｃに接続されている。

こうした単相３相変換装置では、スコット結線変圧器１のＴ座巻線１２の各電圧は以下に説明する位相となる。なお、以下では、端子１１Ｅと端子１１Ｆとの間の電源電圧および端子１２Ｄと端子１２Ｅとの間の入力電圧を電圧ベクトルＶ、Ｖ₁でそれぞれ表し、端子１１Ｃと端子１１Ｄとの間および端子１１Ｄと端子１２Ｃとの間の交流電圧を電圧ベクトルＶ₂で表す。このとき、巻線部分１２Ａの両端に発生する交流電圧は、
（３^1/2／２）Ｖ₂
である。また、負荷抵抗３Ａ〜３Ｃの抵抗値をそれぞれ値ｒとする。

Ｔ座巻線１２の入力側では、図４に示すように、交流電源１００からの電源電圧がコンデンサ２を経由して巻線部分１２Ｂに加えられる。Ｔ座巻線１２の出力側では、巻線部分１２Ａに発生した交流電圧が負荷抵抗３Ａ〜３Ｃに加わる。この様子を図５の等価回路を用いて説明する。図５の等価回路はＴ座巻線１２の入力側からみた回路であり、１次・２次間リアクタンス１２₁は、Ｔ座巻線１２の漏れインダクタンスであり、巻線部分１２Ａ、巻線部分１２Ｂ、および、巻線部分１２Ａと巻線部分１２Ｂとの結合により形成される。また、等価抵抗３₁は、負荷抵抗３Ａと負荷抵抗３Ｂとの並列抵抗に負荷抵抗３Ｃが直列に加えられて形成された抵抗の抵抗値１.５ｒを、巻線部分１２Ｂと巻線部分１２Ａとの巻線比ｎの２乗倍された値１.５ｒｎ²である。さらに、回路に流れる入力電流のベクトルが電流ベクトルＩ_T1であり、この電流によりコンデンサ２に発生する電圧が電圧ベクトルＶ_Cであり、１次・２次間リアクタンス１２₁に発生する電圧が電圧ベクトルＶ_L1であり、等価抵抗３₁に発生する電圧が電圧ベクトルＶ_R1である。

図５の等価回路では、１次・２次間リアクタンス１２₁と等価抵抗３₁との直列接続に対して、さらに、コンデンサ２が直列に接続されている直列回路であり、この直列回路に流れる電流の電流ベクトルＩ_T1は、図６に示すように、電源電圧の電圧ベクトルＶに対して進んだ位相を持つ。等価抵抗３₁に発生する電圧ベクトルＶ_R1は電流ベクトルＩ_T1と同相である。電流ベクトルＩ_T1を基準にすると、コンデンサ２による電圧ベクトルＶ_Cの位相は９０度遅れ、１次・２次間リアクタンス１２₁による電圧ベクトルＶ_L1の位相は９０度進んでいる。電源電圧の電圧ベクトルＶは、コンデンサ２の電圧ベクトルＶ_Cと１次・２次間リアクタンス１２₁の電圧ベクトルＶ_L1との差分である差分電圧ベクトルＶ_Dと、等価抵抗３₁の電圧ベクトルＶ_R1とを加えたものであり、これは図５からも明らかである。さらに、端子１２Ｄと端子１２Ｅとの間の入力電圧、つまりスコット結線変圧器１に対する入力電圧の電圧ベクトルＶ₁は、１次・２次間リアクタンス１２₁の電圧ベクトルＶ_L1と等価抵抗３₁の電圧ベクトルＶ_R1とを加えたものであり、これは図５からも明らかである。

この電圧ベクトルＶ_R1に対して差分電圧ベクトルＶ_Dが９０度の位相差を持つ。そして、等価抵抗３₁の電圧ベクトルＶ_R1の大きさが差分電圧ベクトルＶ_Dの大きさと等しくなるようにし、コンデンサ２の電圧ベクトルＶ_Cと電源電圧の電圧ベクトルＶとの位相差が４５度になるようにすると、電源電圧の電圧ベクトルＶと電流ベクトルＩ_T1との位相差を４５度にすることができる。つまり、等価抵抗３₁の電圧ベクトルＶ_R1が電源電圧の電圧ベクトルＶに対して４５度の位相差を持つ。

一方、スコット結線変圧器１に対する入力電圧の電圧ベクトルＶ₁は、１次・２次間リアクタンス１２₁の電圧ベクトルＶ_L1と等価抵抗３₁の電圧ベクトルＶ_R1とを加えたものであり、電圧ベクトルＶ_L1が電圧ベクトルＶ_R1に対して９０度の位相差を持つ。そして、電圧ベクトルＶ_L1の大きさが電圧ベクトルＶ_R1の大きさと等しくなるようにすると、スコット結線変圧器１に対する入力電圧の電圧ベクトルＶ₁が電源電圧の電圧ベクトルＶに対して９０度進んだ位相を持つようにすることができる。

９０度位相の進んだ交流電圧をスコット結線変圧器１のＴ座巻線１２に加えるためには、各電圧ベクトルの関係を次のようにしている。なお、この関係を説明するために、図６の各三角形の頂点をそれぞれＰ_A〜Ｐ_Dとする。図６では、
三角形Ｐ_AＰ_DＰ_Cと三角形Ｐ_CＰ_DＰ_Bとが合同
三角形Ｐ_BＰ_CＰ_Aと三角形Ｐ_AＰ_DＰ_Cとが相似
になっている。これらの関係を満たすためには、
Ｐ_CＰ_D＝Ｐ_DＰ_A＝Ｐ_AＰ_B／２
の関係が必要である。等価抵抗３₁の電圧ベクトルＶ_R1に対して、１次・２次間リアクタンス１２₁の電圧ベクトルＶ_L1と、コンデンサ２の電圧ベクトルＶ_Cとが９０度の位相差を持つので、この関係（Ｐ_CＰ_D＝Ｐ_DＰ_A＝Ｐ_AＰ_B／２）は、
等価抵抗３₁の電圧ベクトルＶ_R1の大きさ
＝１次・２次間リアクタンス１２₁の電圧ベクトルＶ_L1大きさ
＝（コンデンサ２の電圧ベクトルＶ_Cの大きさ）／２
という条件（以下、進相条件と記す）によって満たされる。この場合、１次・２次間リアクタンス１２₁を大きくする。つまり、コンデンサ２、１次・２次間リアクタンス１２₁、および負荷抵抗３Ａ〜３Ｃの値を調整して、この進相条件を満たすことにより、スコット結線変圧器１のＴ座巻線１２の２次側に９０度位相の進んだ交流電圧を加えることができる。

スコット結線変圧器１では、Ｔ座巻線１２の各電圧の位相は以上のとおりである。一方、主座巻線１１の各電圧の位相は次のとおりである。主座巻線１１の入力側では、図７に示すように、交流電源１００からの電源電圧が巻線部分１１Ｂに加えられる。つまり、スコット結線変圧器１の主座巻線１１には、交流電源１００と同相の交流電圧が加えられている。

主座巻線１１の出力側では、巻線部分１１Ａに発生した交流電圧が負荷抵抗３Ａ、３Ｂに加わる。この様子を図８の等価回路を用いて説明する。図８の等価回路は主座巻線１１の入力側からみた回路であり、１次・２次間リアクタンス１１₁は巻線部分１１Ａ、巻線部分１１Ｂ、および、巻線部分１１Ａと巻線部分１１Ｂとの結合により形成される。また、等価抵抗３₂は、負荷抵抗３Ａと負荷抵抗３Ｂとの直列抵抗の値２ｒを、巻線部分１１Ｂと巻線部分１１Ａとの巻線比ｎの２乗倍した値２ｒｎ²である。さらに、回路に流れる入力電流のベクトルが電流ベクトルＩ_M1であり、この電流により１次・２次間リアクタンス１１₁に発生する電圧が電圧ベクトルＶ_L2であり、等価抵抗３₂に発生する降下電圧が電圧ベクトルＶ_R2である。

主座巻線１１の等価回路が１次・２次間リアクタンス１１₁と等価抵抗３₂との直列回路であり、電流ベクトルＩ_M1は、図９に示すように、電源電圧の電圧ベクトルＶに対して遅れた位相を持つ。等価抵抗３₂の電圧ベクトルＶ_R2は、電流ベクトルＩ_M1と同相である。電流ベクトルＩ_M1を基準にすると、１次・２次間リアクタンス１１₁の電圧ベクトルＶ_L2の位相は９０度進んでいる。そして、１次・２次間リアクタンス１１₁の電圧ベクトルＶ_L2と電源電圧の電圧ベクトルＶとの位相差を４５度にし、かつ、等価抵抗３₂の電圧ベクトルＶ_R2の大きさと、電圧ベクトルＶ_L2の大きさを等しくすると、電流ベクトルＩ_M1を、電源電圧の電圧ベクトルＶに対して４５度遅れるようにすることができる。

このように、この実施の形態の単相３相変換装置によれば、スコット結線変圧器１の主座巻線１１の２次側に、交流電源１００からの単相の電源電圧を加えると、Ｔ座巻線１２の２次側には、この電源電圧に対して９０度位相の進んだ電圧を加えることができる。また、図１０に示すように、交流電源１００の電源電圧の電圧ベクトルＶと同相の電源電流Ｉに対して、主座巻線１１の電流ベクトルＩ_M1の位相が４５度位相遅れ、Ｔ座巻線１２の電流ベクトルＩ_T1の位相が４５度進むので、主座巻線１１の電流ベクトルＩ_M1に対して、Ｔ座巻線１２の電流ベクトルＩ_T1の位相を９０度進めることができる。

ところで、スコット結線変圧器１のＴ座巻線１２の出力側つまりＴ座巻線１２の１次側では、図１１に示す電流ベクトルＩ_T2が流れる。つまり、Ｔ座巻線１２の２次側である入力側に電流ベクトルＩ_T1で示される入力電流が流れると、Ｔ座巻線１２の１次側である出力側では電流ベクトルＩ_T2で示される出力電流が流れる。このとき、出力電流は、負荷抵抗３Ｃを流れた後、負荷抵抗３Ａ、３Ｂに分岐する。分岐後に一方の出力電流は主座巻線１１の端子１１Ｃと巻線部分１１Ａを経由して巻線部分１２Ａに戻り、他方の出力電流は主座巻線１１の端子１１Ｄと巻線部分１１Ａを経由して巻線部分１２Ａに戻る。電流ベクトルＩ_T2は、
大きさ＝（３^1/2／２）Ｖ₂／１.５ｒ＝０.５８Ｖ₂／ｒ
である。抵抗値１.５ｒは先に述べたように、負荷抵抗３Ａ〜３Ｃの合成抵抗３₁（図５）であり、合成抵抗３₁の負荷抵抗３Ｃにこの電流が流れる。負荷抵抗３Ａ、３Ｂには、
（０.５８Ｖ₂／ｒ）／２＝０.２９Ｖ₂／ｒ
の大きさの電流がそれぞれ流れる。

スコット結線変圧器１の主座巻線１１の出力側つまり主座巻線１１の１次側では、図１２に示す電流ベクトルＩ_M2が流れる。つまり、主座巻線１１の２次側である入力側に電流ベクトルＩ_M1で示される入力電流が流れると、主座巻線１１の１次側である出力側では電流ベクトルＩ_M2で示される出力電流が、負荷抵抗３Ａ、３Ｂを流れて、巻線部分１１Ａに戻る。電流ベクトルＩ_M2は、
大きさ＝Ｖ₂／２ｒ＝０.５Ｖ₂／ｒ
である。抵抗値２ｒは負荷抵抗３Ａ、３Ｂの合成値であり、この電流が負荷抵抗３Ａ、３Ｂを流れる。

したがって、主座巻線１１とＴ座巻線１２とから電流ベクトルＩ_M2、Ｉ_T2の出力電流が流れると、これらの出力電流により負荷抵抗３Ａ〜３Ｃに流れる電流は、図１３に示す電流ベクトルＩ_3A、Ｉ_3B、Ｉ_3Cとなる。図１３では、電流ベクトル成分Ｉ_M2A、Ｉ_M2Bが、電流ベクトルＩ_M2が負荷抵抗３Ａを、３Ｂを流れるときの電流を表し、電流ベクトル成分Ｉ_T2A、Ｉ_T2Bが、電流ベクトルＩ_T2が負荷抵抗３Ａ、３Ｂを流れるときの電流を表す。これらの各電流ベクトル成分を合成すると、電流ベクトルＩ_3A、Ｉ_3Bを得ることができる。そして、負荷抵抗３Ａ〜３Ｃには、電流ベクトルＩ_3A、Ｉ_3B、Ｉ_3Cにより、これらの電流ベクトルと同相の３相交流電源を発生させることができる。

このように、この実施の形態の単相３相変換装置により、単相交流電源を３相交流電源に変換することができ、かつ、コンバータやインバータを用いることなく、つまり半導体素子を不要にしているので、装置の信頼性を向上させることができる。また、交流電源１００の電源電圧の電圧ベクトルＶに対してＴ座巻線１２の入力電圧の電圧ベクトルＶ₁の位相を９０度進めることができるので、負荷抵抗３Ａ〜３Ｃに３相交流電圧を発生させることができる。

ところで、この実施の形態の単相３相変換装置を用いないで、単相交流電圧を３相交流電圧に変換するには、次のようにする。まず、先に述べた進相条件を満たすスコット結線変圧器１と、コンデンサ２と、負荷抵抗３Ａ〜３Ｃとを用意する。次に、スコット結線変圧器１の２次側の端子１１Ｅと端子１２Ｄとの間を接続し、端子１１Ｆと端子１２Ｅとの間にコンデンサ２を接続する。さらに、スコット結線変圧器１の１次側の端子１１Ｃ、１１Ｄ、１２Ｃに負荷抵抗３Ａ〜３Ｃを接続する。この後、端子１１Ｅと端子１１Ｆとの間に交流電源１００からの電源電圧を加えると、負荷抵抗３Ａ〜３Ｃに３相交流電圧を発生することができる。
（実施の形態２）
実施の形態１の単相３相変換装置では、Ｔ座巻線１２の１次・２次間リアクタンス１２₁（図５）を大きく設計している。しかし、１次・２次間リアクタンス１２₁が不足する場合には、図１４に示すように、追加のリアクタンス４を設ける。なお、この実施の形態では、先に説明した実施の形態１の単相３相変換装置と同一もしくは同一と見なされる構成要素には、それと同じ参照符号を付けて、その説明を省略する。リアクタンス４は、Ｔ座巻線１２の１次側、つまり、巻線部分１２Ａと抵抗回路３１との直列回路に取り付けられている。抵抗回路３１は図４の負荷抵抗３Ａ〜３Ｃで形成される回路である。リアクタンス４を追加すると、図５の等価回路は図１５の回路になる。つまり、図１５の等価回路は、コンデンサ２と合成リアクタンス４１と等価抵抗３₁との直列回路になる。したがって、合成リアクタンス４１の値は、
１次・２次間リアクタンス１２₁の値＋リアクタンス４の値
であり、１次・２次間リアクタンス１２₁だけの場合に比べて値を大きくすることができる。

リアクタンス４が無く、Ｔ座巻線１２の１次・２次間リアクタンス１２₁が不足する場合、図６に示す入力電流の電流ベクトルＩ_T1が、図１６に示すように、電源電圧の電圧ベクトルＶに対して４５度とは異なる角度θ１の位相差を持ち、先に述べた進相条件を満たさないので、電源電圧の電圧ベクトルＶに対して９０度位相の進んだ電圧ベクトルを持つ入力電圧を、Ｔ座巻線１２の巻線部分１２Ｂに加えることができない。

しかし、リアクタンス４を追加し、Ｃ（コンデンサ２の値）、Ｌ（合成リアクタンス４１の値）、Ｒ（等価抵抗３₁の値）のインピーダンス比を２：１：１にすると、図１７に示すように、１次・２次間リアクタンス１２₁の電圧ベクトルＶ_L1に対して、リアクタンス４の電圧ベクトルＶ_L4が同相で加わり、電源電圧の電圧ベクトルＶに対して入力電流の電流ベクトルＩ_T1を４５度にすることができる。これにより、先に述べた進相条件を満たすので、電源電圧の電圧ベクトルＶに対して９０度位相の進んだ電圧ベクトルＶ₂の入力電圧を、Ｔ座巻線１２の巻線部分１２Ｂに加えることができる。これにより、負荷抵抗３Ａ〜３Ｃに３相交流電圧を発生させることができる。

この発明の実施の形態１による単相３相変換装置を示す回路図である。 スコット結線変圧器を示す回路図である。 スコット結線変圧器の電圧ベクトルを示すベクトル図であり、図３（ａ）は１次側のベクトル図、図３（ｂ）は２次側のベクトル図である。 Ｔ座巻線に加えられる交流電圧および発生する交流電圧を説明するための回路図である。 図４の等価回路を示す回路図である。 図５の電圧および電流のベクトルを示すベクトル図である。 主座巻線に加えられる交流電圧および発生する交流電圧を説明するための回路図である。 図７の等価回路を示す等価回路図である。 図７の電圧および電流のベクトルを示すベクトル図である。 入力側の電流ベクトルを示すベクトル図である。 Ｔ座巻線の出力側に流れる電流を示す回路図である。 主座巻線の出力側に流れる電流を示す回路図である。 スコット結線変圧器の出力側の電流ベクトルを示すベクトル図である。 この発明の実施の形態２に用いられるＴ座巻線を含む回路を示す回路図である。 図１４の等価回路を示す回路図である。 実施の形態２を説明するためのベクトル図である。 実施の形態２を説明するためのベクトル図である。

符号の説明

１ スコット結線変圧器
１１ 主座巻線
１１₁ １次・２次間リアクタンス
１１Ａ、１１Ｂ 巻線部分
１１Ｃ、１１Ｄ 端子（第１端子）
１１Ｅ、１１Ｆ 端子（第２端子）
１２ Ｔ座巻線
１２Ａ、１２Ｂ 巻線部分
１２Ｃ 端子（第１端子）
１２Ｄ、１２Ｅ 端子（第３端子）
１２₁ １次・２次間リアクタンス
２ コンデンサ
３Ａ〜３Ｃ 負荷抵抗（負荷回路）
３１ 抵抗回路
３₁、３₂ 等価抵抗
４ リアクタンス
４１ 合成リアクタンス
１００ 交流電源

Claims (12)

1. ３相交流電圧入力用の３つの第１端子と、単相交流電圧出力用の２つの第２端子と、この第２端子に比べて位相の進んだ単相交流電圧出力用の２つの第３端子とを具備し、前記第２端子間に単相交流電圧が加えられるスコット結線変圧器と、
   前記第２端子間に加えられる単相交流電圧の位相を進めて、前記スコット結線変圧器の第３端子間に加えるコンデンサと、
   前記各第１端子に接続されて、３相交流電圧を発生させる負荷回路と、
   を備えることを特徴とする単相３相変換装置。
2. 前記スコット結線変圧器は、Ｔ座巻線と主座巻線とで形成され、前記第１端子は、前記Ｔ座巻線および前記主座巻線の１次側に接続され、前記第２端子は前記主座巻線の２次側に接続され、前記第３端子は前記Ｔ座巻線の２次側に接続され、かつ、前記第２端子と前記第３端子とが並列に接続され、
   前記コンデンサは、前記第２端子と前記第３端子との間に挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の単相３相変換装置。
3. 前記負荷回路は、一端が前記第１端子にそれぞれ接続され、他端が結線された３つの負荷抵抗であることを特徴とする請求項１または２に記載の単相３相変換装置。
4. 前記Ｔ座巻線の二次側からみたこのＴ座巻線の１次・２次間リアクタンスと、前記Ｔ座巻線の二次側からみた負荷回路の大きさと、前記コンデンサの大きさとを調整して、前記第２端子に加える単相交流電圧の位相に比較して、前記第３端子に加える単相交流電圧の位相を９０度進めることを特徴とする請求項３に記載の単相３相変換装置。
5. 前記Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスに発生する電圧の大きさと、前記負荷回路の電圧の大きさと、前記コンデンサの電圧の半分の大きさとを等しくすることを特徴とする請求項４に記載の単相３相変換装置。
6. 前記Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスと前記負荷回路との間に、リアクタンスを挿入して、前記第３端子に加える単相交流電圧の位相を９０度進めることを特徴とする請求項５に記載の単相３相変換装置。
7. ３相交流電圧入力用の３つの第１端子と、単相交流電圧出力用の２つの第２端子と、この第２端子に比べて位相の進んだ単相交流電圧出力用の２つの第３端子とを具備するスコット結線変圧器を用いた単相３相変換方法であって、
   スコット結線変圧器の前記第２端子間に単相交流電圧を加え、
   前記第２端子間に加える単相交流電圧の位相をコンデンサにより進めて、前記スコット結線変圧器の第３端子間に加え、
   前記第１端子に負荷回路を接続して、この負荷回路に３相交流電圧を発生する、
   ことを特徴とする単相３相変換方法。
8. 前記第１端子をスコット結線変圧器の前記Ｔ座巻線および前記主座巻線の１次側に接続し、
   前記第２端子を前記主座巻線の２次側に接続し、
   前記第３端子を前記Ｔ座巻線の２次側に接続し、
   前記第２端子と前記第３端子とを並列に接続し、
   前記第２端子と前記第３端子との間に前記コンデンサを挿入した、
   ことを特徴とする請求項７に記載の単相３相変換方法。
9. 負荷抵抗の一端を前記第１端子にそれぞれ接続し、これらの負荷抵抗の他端を結線して前記負荷回路を形成した、
   ことを特徴とする請求項７または８に記載の単相３相変換方法。
10. 前記Ｔ座巻線の二次側からみたこのＴ座巻線の１次・２次間リアクタンスの大きさと、前記Ｔ座巻線の二次側からみた負荷回路の大きさと、前記コンデンサの大きさとを調整し、
    前記第２端子に加える単相交流電圧の位相に比較して、前記第３端子に加える単相交流電圧の位相を９０度進める、
    ことを特徴とする請求項９に記載の単相３相変換方法。
11. 前記１次・２次間リアクタンスに発生する電圧の大きさと、前記負荷回路の電圧の大きさと、前記コンデンサの電圧の半分の大きさとを等しくすることを特徴とする請求項１０に記載の単相３相変換方法。
12. 前記Ｔ座巻線の１次・２次間リアクタンスと前記負荷回路との間に、リアクタンスを挿入して、前記第３端子に加える単相交流電圧の位相を９０度進めることを特徴とする請求項１１に記載の単相３相変換方法。
    
    

Images