JP2007235014A - 分割平衡巻型変圧器、単相３線式配電システム - Google Patents

Abstract

【課題】中性線と外側線との間に配している不平衡な負荷によって生じる不平衡電流が流れても、電圧を平衡に保つことができるとともに、電流を流すことから生じる磁束を打ち消し合う作用を高めて、高圧配線回路から供給した電力を効率よく利用すること。
【解決手段】 単相３線に接続されるバランサコイル１０と、バランサコイル１０に接続される直列コイル２０と、バランサコイル１０及び直列コイル２０が共に巻きつけられる内脚部を有する外鉄型鉄心部材と、を備えるようにし、更に、バランサコイル１０は、Ｒ相コイルとして、第１Ｒ相コイル片及び第２Ｒ相コイル片を有すると共に、Ｔ相コイルとして、第１Ｔ相コイル片及び第２Ｔ相コイル片を有するようにする。更に、内脚部においては、中性点を基準とした一方側に第１Ｒ相コイル片及び第１Ｔ相コイル片が配置されるようにし、他方側に第２Ｒ相コイル片及び第２Ｔ相コイル片が配置されるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般家庭又は工場等で用いられる分割平衡巻型変圧器、及びこの分割平衡巻型変圧器を備えた単相３線式配電システムの改良に関する。

従来、一般家庭又は工場等で用いられる１００Ｖ／２００Ｖ使用の単相３線式配電システムは、配電盤の配電変圧器を設けており、この配電変圧器の低圧側の捲線に対して両外側線及び中性線の３線を延伸することによって電力を需要家に供給している。この方式により、外側線と中性線間が１００Ｖ、両外側線間が２００Ｖというように、一つの配線から２種類の電圧が得られるという特徴がある。

しかし、従来の単相３線式配電システムでは、一方の外側線と中性線との間に接続されている負荷と、もう一方の外側線と中性線との間に接続されている負荷との不平衡によって、不平衡電流が生じ、これにより、一方の電圧が極端に降下するという問題を有する。

このような電圧の不平衡からくる電圧の極端な降下により、線間電圧がその公称電圧（例えば、一般用は１００Ｖ／２００Ｖ）に対して許されている所定の許容値（電気事業法で公称電圧１００Ｖにおいて９５Ｖ〜１０７Ｖの範囲と決められている）よりも外れることがないよう、従来では配電変圧器からは公称電圧より幾分高い電圧（一般用では線路損失を考慮して１０５Ｖ／２１０Ｖ）が供給されている。このため、需要家には必要な電圧値よりも相当高い電圧が供給され、需要家では負荷において余計な電力を無駄に消費する傾向があった。

また、負荷が平衡であっても、何らかの原因で中性線が切断して中性線に電流が流れなくなると、外側線と中性線間の夫々の負荷の端子電圧が、非常な不平衡を生じ、ときには致命的な損害を与える。また、このことから、中性線には配線用遮断器や、ヒューズ等を入れることができないという問題点があった。

そこで、上記課題を解決する手段として、電源端ではなく、負荷端で接続するバランサが考案されている。このバランサは、コイルが巻きつけられる外鉄形鉄心部材を備えている。この外鉄形鉄心部材は、２つの短片部と２つの長辺部で環状に構成される鉄心部材片を２つ備えており、この２つの鉄心部材片の長辺部を互いに対向させて内脚部とすることで、略８字形状に構成したものである。この外鉄形鉄心部材の内脚部に、コイル捲数を等しくしたＲ相コイル及びＴ相コイルを巻きつけて直列に接続し、この接続点（Ｒ相コイルとＴ相コイルの中間点）に単相３線の中性線を接続し、Ｒ相コイルとＴ相コイルの各外端には単相３線の夫々の外側線を接続する。

この種の従来のバランサを設けたものとして、例えば、特許文献１に記載された単相３線式給電システムがある。この単相３線式給電システムでは、第１の外鉄形鉄心部材の内脚部に設けられたバイファイラ巻きされている第１及び第２巻線と、第２の外鉄形鉄心部材の内脚部に設けられたバイファイラ巻きされている第３及び第４巻線とを有している。第１巻線と第２巻線を直列に接続することで形成される分路コイルの中間点には、単相３線の中性線が接続され、分路コイルの一端と他端にはそれぞれ第３巻線、第４巻線を介して単相３線の外側線が接続される。この第３巻線と第４巻線は上記分路コイルに対する直列コイルとして機能する。この結果、分路コイルと直列コイルとの各接続点（即ち、分路コイルと第３巻線の接続点、及び分路コイルと第４巻線の接続点）と中性線との間の電位差によって負荷への電力供給を行う。このバランサにより、Ｒ相及びＴ相に接続された負荷の不平衡により生じる不具合が解決されるようになっている。
特許第２７９４４０５号公報

しかしながら、上記バランサは、低電圧の場合は良好な結果を得る事ができるが、バイファイラ巻きされている第１及び第２巻線が隣接しているため、相関電圧が高い場合に両巻線間に電位差が生じてしまい、耐圧能力が低下するという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するために、高圧配線回路から供給された高圧電力であっても、高効率で利用できる単相３線式配電システム等を提供することを目的とする。

上記目的は、下記の手段によって達成されるものである。

（１）単相３線に接続されるバランサコイルと、前記バランサコイルに接続される直列コイルと、前記バランサコイル及び前記直列コイルが共に巻きつけられる内脚部を有する外鉄型鉄心部材と、を備え、前記バランサコイルは、Ｒ相コイルとして、第１Ｒ相コイル片及び該第１Ｒ相コイル片に直列接続される第２Ｒ相コイル片を有すると共に、Ｔ相コイルとして、第１Ｔ相コイル片及び該第１Ｔ相コイル片に直列接続される第２Ｔ相コイル片を有しており、前記内脚部において、中性点を基準とした一方側に前記第１Ｒ相コイル片及び第１Ｔ相コイル片が配置され、他方側に前記第２Ｒ相コイル片及び第２Ｔ相コイル片が配置されることを特徴とする分割平衡巻型変圧器。

（２）前記第１Ｒ相コイル片と前記第１Ｔ相コイル片が隣接配置されると共に、前記第２Ｒ相コイル片と前記第２Ｔ相コイル片が隣接するように配置されることを特徴とする上記（１）記載の分割平衡巻型変圧器。

（３）前記第１Ｒ相コイル片に対して前記第２Ｒ相コイル片が反対巻きとなっていると共に、前記第１Ｔ相コイル片に対して前記第２Ｔ相コイル片が反対巻きとなっていることを特徴とする上記（１）又は（２）記載の分割平衡巻型変圧器。

（４）前記第１Ｒ相コイル片と前記第１Ｔ相コイル片の巻き方向が一致していると共に、前記第２Ｒ相コイル片と前記第２Ｔ相コイル片の巻き方向が一致していることを特徴とする上記（１）、（２）又は（３）記載の分割平衡巻型変圧器。

（５）前記内脚部において、前記第１Ｒ相コイル片と前記第１Ｔ相コイル片が重なった状態で配置され、前記第２Ｒ相コイル片と前記第２Ｔ相コイル片が重なった状態で配置されることを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれか記載の分割平衡巻型変圧器。

（６）前記直列コイルとして、前記Ｒ相コイルに直列接続される変圧用直列Ｒ相コイル、及び前記Ｔ相コイルに直列接続される変圧用直列Ｔ相コイルを備えることを特徴とする上記（１）乃至（５）のいずれか記載の分割平衡巻型変圧器。

（７）前記内脚部の中心を境にして、変圧用直列Ｔ相コイル、前記第１Ｒ相コイル片及び前記第１Ｔ相コイル片が一方側に配置され、前記第２Ｒ相コイル片、前記第２Ｔ相コイル片、及び変圧用直列Ｒ相コイルが他方側に配置されることを特徴とする上記（６）記載の分割平衡巻型変圧器。

（８）配電盤に設置される配電変圧器と、前記配電変圧器に接続されるＲ相及びＴ相を含む単相３線と、前記単相３線に接続される上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の分割平衡巻型変圧器と、を備えることを特徴とする単相３線式配電システム。

本発明によれば、Ｒ相コイル及びＴ相コイルがそれぞれ２以上のコイル片に分割されており、これらが中性点を基準として分離配置されているので、内脚部における電流・電圧・磁束等のバランスを向上させることができる。その結果、バランサコイルにおいては、漏れインダクタンスが少なくなるとともに、Ｒ相コイル及びＴ相コイルの内部インピーダンスが中立点を基準に略等しくなり、余計な電力消費を少なくすることができる。

以下、本発明の実施の最良の形態のについて図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の単相３線式配電システムにおけるバランサコイル部及び直列コイル部の回路構成を示す図である。

図１は、ともに捲数が等しく、且つ捲線方向が異なるＲ相コイル及びＴ相コイルから構成される分路コイル構成としたバランサコイル部１０及び直列コイル部２０を組み合わせた分割平衡巻型変圧器１００の実施例を示した図であり、バランサコイル部１０は主としてバランサの役割をし、直列コイル部２０は負荷に対して電力供給の調整を効率よく行う役割をする。

バランサコイル部１０及び直列コイル部２０は、図１に示すように接続される。まず、バランサコイル部１０は、コイル捲数が等しい４本のコイルを備えており、そのうちの２本をＲ相コイル片１０Ａ、１０Ｙ、他の２本をＴ相コイル片１０Ｘ、１０Ｂとして用いている。２本のＲ相コイル片１０Ａ、１０Ｙは直列接続されているが、互いに分離した状態で配置されている。同様に、Ｔ相コイル片１０Ｘ、１０Ｂも直列接続されているが互いに分離配置されている。つまり、２本のＲ相コイル片１０Ａ、１０Ｙはコイルとして分割（独立）させている。２本のＴ相コイル片１０Ｘ、１０Ｂについても同様である。

更に２本のＲ相コイル片１０Ａ、１０Ｙは、互いに巻線方向が反対となっており、同様に、２本のＴ相コイル片１０Ｘ、１０Ｂも互いに巻線方向が反対となっている。

一方のＴ相コイル片１０Ｘは、自身と巻線方向が一致しているＲ相コイル片１０Ｙと近接配置されており、この両者を併せて「正巻コイルパッケージ１０Ｇ」と定義する。また他方のＴ相コイル片１０Ｂも同様に、自身と巻線方向が一致しているＲ相コイル片１０Ａと近接配置されており、この両者を併せて「逆巻コイルパッケージ１０Ｇ」と定義する。つまり、Ｔ相コイル片１０ＸとＲ相コイル片１０Ｙの巻線方向を「正巻」とすると、Ｔ相コイル片１０ＢとＲ相コイル片１０Ａの巻線方向は「逆巻」となり、この結果、Ｔ相コイルに電流が流れた場合、正巻のＴ相コイル片１０Ｘと、逆巻のＴ相コイル片１０Ｂとでは反対方向の磁界が生じ、Ｒ相コイルに電流が流れた場合、正巻のＲ相コイル片１０Ｙと、逆巻のＴ相コイル片１０Ａとでは反対方向の磁界が生じる。

更に、Ｒ相コイル（Ｒ層コイル片１０Ａ、１０Ｙ）とＴ相コイル（Ｔ相コイル片１０Ｘ、１０Ｂ）の接続部２３（即ち、Ｒ相コイル片１０ＡとＴ相コイル片１０Ｘの直列接続点）には、単相３線式低圧配線回路の中性線Ｎが接続されている。またこの接続部２３を基準としたＲ相コイル（Ｒ相コイル片１０Ａ、１０Ｙ）の他端側（ｔ、Ｔ）の間にも負荷が介在できるようになっている。同様に、接続部２３とＴ相コイル（Ｔ相コイル片１０Ｘ、１０Ｂ）の外側端（ｒ、Ｒ）の間にも付加が介在できるようになっている。仮に、中性線Ｎに対してＲ相の電位が高く、且つ、Ｔ相に対して中性線Ｎの電位が高い場合、電気的極性を考えると、電流は図中の●（黒丸）から○（白丸）に向かってコイル中を流れていくことになる。つまり、Ｒ相端（ｒ、Ｒ）から中性線Ｎ側に向かって電流が流れ（矢印Ｒ参照）、中性線ＮからＴ相端（ｔ、Ｔ）に向かって電流が流れる（矢印Ｔ参照）。

また、直列コイル部２０は、コイル捲数が等しく、捲線方向も一致する２本のコイルを備えており、一方のコイルを直列Ｒ相コイル２０Ｃとし、他方のコイルと直列Ｔ相コイル２０Ｚとしている。なお、本実施形態では、この直列コイル部２０の巻線方向は、正巻コイルパッケージ１０Ｓの巻き線方向と同じに設定されている。従って、直列Ｔ相コイル２０Ｚは、Ｔ相コイル片１０Ｘと捲線方向が同じになるが、Ｔ相コイル片１０Ｂとは反対となる。また、直列Ｒ相コイル２０Ｃは、Ｒ相コイル片１０Ｙと捲線方向が同じになるが、Ｒ相コイル片１０Ａとは反対となる。

直列Ｒ相コイル２０Ｃとバランサコイル１０（Ｒ相コイル片１０Ｙ）の外端が接続されて全体としてＲ相コイル体を構成し、直列Ｔ相コイル２０Ｚとバランサコイル１０（Ｔ相コイル片１０Ｂ）の外端が接続されてＴ相コイル体を構成する。直列Ｒ相コイル２０Ｃの未接続側８及び直列Ｔ相コイル２０Ｚの未接続側６は、単相３線式低圧配線回路のＲ相、Ｔ相の外側線（図示せず）と接続できるようにする。

次に、上記バランサコイル部１０を外鉄型カットコアに巻き付けた場合の概略構成を図２に示す。また、上記直列コイル部２０を外鉄型カットコアに巻き付けた場合の概略構成を図３に示す。

図２において、３０Ａ，３０Ｂは環状のカットコア片である。カットコア片３０Ａ、３０Ｂは、夫々、２つの短片部と２つの長辺部の計４辺によって環状に構成されている。このカットコア３０Ａ，３０Ｂの一方の長辺部を互いに対向させることで内脚部３０Ｃが構成される。この内脚部３０Ｃの上部には、上記バランサコイル部１０の一部を構成する逆巻コイルパッケージ１０Ｇ（Ｒ相コイル片１０Ａ、Ｔ相コイル片１０Ｂ）が巻きつけられており、その下部には、正巻コイルパッケージ１０Ｓ（Ｔ相コイル片１０Ｘ、Ｒ相コイル片１０Ｙ）が巻き付けられている。なお図２では、逆巻コイルパッケージ１０Ｇにおいて、Ｒ相コイル片１０Ａ、Ｔ相コイル片１０Ｂが併設されている状態が示されているが、省スペースを実現するために、実際にはＲ相コイル片１０Ａを覆うようにＴ相コイル片１０Ｂを重ねて巻きつける。これは正巻コイルパッケージ１０Ｓでも同様である。

更に図３において、上記同様のカットコア３０Ａ、３０Ｂの内脚部３０Ｃの上部には、上記直列コイル部２０の一部を構成する直列Ｒ相コイル２０Ｃが巻き付けられており、その下部には上記直列Ｔ相コイル２０Ｚが巻き付けられている。この直列コイル部２０も同様に、正巻コイルパッケージ１０Ｓ及び逆巻コイルパッケージ１０Ｇを覆うように、重ねて巻きつけるようにする。

上記図２及び図３で説明したカットコア３０Ａ，３０Ｂを組み合わせることにより、図４に示される同脚型の分割平衡巻型変圧器１００が得られる。このようにすると、各々のコイルは独立した状態を確保しつつ、全体としては、１組の内脚部３０Ｃに対して全てのコイルが配置されるので、正巻コイルパッケージ１０Ｓと逆巻コイルパッケージ１０Ｇの間で磁界を打ち消しあったり、また正巻コイルパッケージ１０Ｓ内、逆巻コイルパッケージ内１０Ｇで磁界を打ち消しあったりすることで、効率を高めることが出来る。

図５には、この実施形態に係る単相３線式配電システムで用いられる同脚型の分割平衡巻型変圧器２００の全体的な結線状態が示されている。この単相３線式配電システムでは、カットコア３０Ａ，３０Ｂの同脚部３０Ｃに形成されるバランサコイル部１０に対して、直列Ｒ相コイル部２０Ｃ及び直列Ｔ相コイル２０Ｚがそれぞれ配置されている。図５における各コイル内の●印は、各コイルの巻線の開始位置を示しており、各コイル内の矢印は、その巻線の進行方向及び巻方向を示している。例えば、実線矢印については、●印から始まって図５の「前面側」に向かって巻き出すコイルであることを意味している。点線矢印については、●印から始まって図５の「裏面側」に巻き出すコイルであることを意味している。従って、直列Ｒ相コイル２０Ｃ、直列Ｔ相コイル２０Ｚ、Ｔ相コイル片１０Ｂ、Ｒ相コイル片１０Ａは正巻となり、Ｔ相コイル片１０Ｘ、Ｒ相コイル片１０Ｙが逆巻となることが分かる。なお、カッコア３０Ａ，３０Ｂは外鉄型となる。

以上の実施の形態では、外鉄型カットコアを採用することにより、漏れインダクタンスが少なくなる。また、外鉄型カットコアに対して完全同脚の状態でＲ相コイル片１０Ａ、１０Ｙ及びＴ相コイル片１０Ｘ、１０Ｂを分割して巻き付けたため、簡易な構造としながらも、バランサコイル部１０の内部インピーダンスを中性点を基準により等しくすることができる。このため、バランサコイル部１０が中性線不平衡電流を吸収するバランサ効果を発揮し、その均圧作用により後述する負荷電圧は等しくなる。定常時において、Ｒ相コイルでは、２個のコイル片（１０Ａ、１０Ｙ）が分離且つ反対巻の状態で配置されている事から、一方相のみを考えても、内部インピーダンスの均一化が図られる。これはＴ相コイルでも同様である。又例えば、Ｒ相とＴ相に流れる電流値が異なる場合であっても、Ｒ相とＴ相自体がそれぞれ２つ以上に分離されて、中性点を基準に両側に均衡して配置されているので、内部インピーダンスは中性点を基準に均一化され、常に磁束を安定した状態にできる。また、正巻コイルパッケージ１０Ｓ内、又は逆巻コイルパッケージ１０Ｇ内でＴ相とＲ相のコイルが重ねて配置された構造であるので、コイル同士が直接的に磁束を打ち消しあう効果を発揮でき、バランサの効率を高めることが可能になる。また、バイファイラ巻きのように、電位の異なる巻線が個別に隣接することを回避できるので、耐電圧特性を向上させることが可能になる。

次に、この実施形態で示した分割平衡巻型変圧器２００を組み立てる際の上記分路コイル形態としたバランサコイル部１０、直列コイル部２０及びカットコア３０Ａ，３０Ｂを組み立て際の位置関係について図６に示す。

図６に示すように、カットコア３０Ａ，３０Ｂは、共に上部部材３０Ａ１，３０Ｂ１と下部部材３０Ａ２，３０Ｂ２により分割可能となっている。その上部部材３０Ａ１，３０Ｂ１及び下部部材３０Ａ２，３０Ｂ２に対応するようにして、同脚部３０Ｃ，３０Ｃも分割されていることになる。また、図６において、４０は上部コイルブロックであり、直列コイル部２０の直列Ｒ相コイル２０Ｃと、バランサコイル部１０における正巻コイルパッケージ１０Ｓ（Ｔ相コイル片１０Ｘ、Ｒ相コイル片１０Ｙ）の計３つのコイルを備えており、これらが重畳的に積層されている。図６における５０は下部コイルブロックであり、直列コイル部２０の直列Ｔ相コイル２０Ｚとバランサコイル部１０の逆巻コイルパッケージ１０Ｇ（Ｔ相コイル片１０Ｂ、Ｒ相コイル片１０Ａ）の計３つのコイルを備えており、これらが重畳的に積層されている。従って、図６に示すように、同脚部３０Ｃの上側にコイルブロック４０、下側にコイルブロック５０を配置し、カットコア３０Ａ，３０Ｂの同脚部３０Ｃ，３０Ｃが一致するようにして合体させることにより、分割平衡巻型変圧器２００を組み立てることができる。

上記製造方法によれば、個々のコイルを独立させた状態で用意して、それを同脚部３０Ｃ、３０Ｃに挿入することで容易に組み立てることが可能となり、製造コストが低減されるとともに、メンテナンスが容易になる。特に、バランサコイル部１０や直列コイル部２９の全てに関して、シングル巻の汎用コイルの組み合わせで実現できるので、耐圧特性が向上すると共に、特別な製造工程を不要にすることができる。カットコア３０Ａ，３０Ｂの素材に良質な冷却圧延方向性ケイ素鋼板を使用することで、無負荷損失が少なく、小型軽量で低騒音の分割平衡巻型変圧器２００とすることができる。

次に、異なった電流値が流れる２つの負荷を配した単相３線式配電システムに分割平衡巻型変圧器２００を接続した場合のバランサコイルの容量について、図７に示す回路図を参照して説明する。

図７において、ＰＴは配電変圧器、７１は内部抵抗（−Ｒｍ）の中性線、７２は内部抵抗ＲのＲ相の外側線、７３は内部抵抗ＲのＴ相の外側線である。配電側には、負荷Ａ及び負荷Ｂが配置されており、負荷Ａ及び負荷Ｂの一端は中性線７１の接続部７４に接続される。また、負荷Ａの他端はＲ相の外側線７２に接続され、負荷Ｂの他端はＲ相の外側線７３に接続される。更に、外側線７２はＲ相コイル７５の外端に接続されており、同様に、外側線７３もＴ相コイル７６の外端に接続される。ここで、Ｒ相コイル７５及びＴ相コイル７６は、上記バランサコイル部１０を構成している。なお、ここでは特に図示しないが、Ｒ相コイル７５及びＴ相コイル７６は、それぞれ、２つの独立コイルに分離されている。

図７において、外側線７２，７３と中性線７１との間の夫々の電圧をＶ_０、負荷Ａ間の電圧をＶ_１Ｂ、負荷Ｂ間の電圧をＶ_２Ｂ、負荷Ａに流れる電流値をＩ_１、負荷Ｂに流れる電流値をＩ_２、接続部７４からバランサコイルの中性線に流れる電流値を２Ｉ_Ｂとし、バランサコイル１０の容量Ｐ_Ｂは配電変圧器ＰＴの定格容量Ｐ_Ｔ定格電圧値をＶ_０、定格電流値をＩ_０とすると、以下の式（１）として計算される。

Ｐ_Ｂ＝Ｖ_０・Ｉ_０＝Ｖ_０（Ｉ_１−Ｉ_２）／２＝２Ｖ_０Ｉ_０（Ｉ_１−Ｉ_２）／４Ｉ_０＝Ｐ_Ｔ（Ｉ_１−Ｉ_２）／４Ｉ_０・・・・・（１）

また、バランサコイル部１０を構成するＲ相コイル７５及びＴ相コイル７６の各合計捲数は等しく、同じ磁束Φが通るため、その電圧は必然的に等しくならねばならない。そこで、両負荷電流の差Ｉ＝Ｉ_１−Ｉ_２（＝２Ｉ_Ｂ）の１／２であるＩ／２（＝Ｉ_Ｂ）がバランサコイル部１０の両コイル７５，７６に流れると、両外線７２，７３の電流は、Ｉ_１とＩ_２の平均値（Ｉ_１＋Ｉ_２）／２となって等しくなる。また、バランサコイル部１０の両コイル７５，７６に流れる電流Ｉ／２による磁束は打ち消し合って、上記磁束Φのみが残ることになる。

具体的には、バランサコイル部１０のＲ相コイル７５に電流Ｉが流れると、変圧器の１次と２次の負荷電流の関係と同様にＴ相コイル７６には、電流Ｉを打ち消す方向に電流Ｉが流れる。したがって、Ｔ相コイル７６は、Ｒ相コイル７５に流れる電流Ｉにより発生する磁束を打ち消す。また、Ｔ相コイル７６はＲ相コイル７５と捲数が等しいので、Ｔ相コイル７６には、Ｒ相コイル７５に流れる電流Ｉとは反対方向に同じ電流Ｉが流れる。その結果、バランサコイル部１０を構成するＲ相コイル７５及びＴ相コイル７６の各電圧は等しくなる。

また、この分割平衡巻型変圧器２００は、バランサコイル部１０と直列コイル部２０を合成して一つの変圧器の容量とすることができている。その等価回路を図８に示す。

図８では、外側線７２，７３と中性線７１との間の夫々の電圧をＥ_１、バランサコイル両端の夫々の電圧をＥ_２、外側線７２に流れる電流値をＩ_１、外側線７３に流れる電流値をＩ_２としている。

図８のＲ相及びＴ相の各外側線７２，７３に直列に夫々接続された直列コイル２０（Ｌ_１，Ｌ_２）の容量Ｐは図中に示すようにＰ＝（Ｅ_１−Ｅ_２）Ｉ_２となり、バランサコイル部１０のバランサ容量は上記のようにＰ_Ｂ＝Ｐ_Ｔ（Ｉ_１−Ｉ_２）／４Ｉ_０となり、これらを合成して一つの分割平衡巻型変圧器２００の容量はＰ＋Ｐ_Ｂとなる。

以上の分割平衡巻型変圧器２００を組み込んだ単相３線式配電システムの回路図を図９に示す。図９では、変圧作用を考慮しない場合の電流分布を示している。

図９の単相３線式配電システムは、夫々の内部抵抗がＲである中性線７１、Ｒ相となる外側線７２、Ｔ相となる外側線７３から構成されている単相３線７０を備えており、これらの配電側には、高電圧（一般では６６００Ｖ）から低電圧（公称１００Ｖ／２００Ｖ）に変電する配電変圧器８１が接続されている。また、単相３線７０の分電側には、負荷Ａ及び負荷Ｂが配置されており、負荷Ａの一端は中性線７１の接続部７４に接続されると共に、負荷Ｂの一端も接続部７４に接続される。負荷Ａの他端はＲ相の外側線７２に接続され、負荷Ｂの他端はＴ相の外側線７３に接続される。更に、外側線７２、７３の分電側には、それぞれＲ相コイル７５、Ｔ相コイル７６の外端が接続されている。ここで、Ｒ相コイル７５及びＴ相コイル７６は直列接続されており、その中間点は中性線７１に連結されることで、上記バランサコイル部１０を構成している。

図９において、外側線７２，７３と中性線７１との間の夫々の電圧をＥ_１、負荷Ａ間及び負荷Ｂ間の電圧をＥ_２とする。また、分割平衡巻型変圧器２００を負荷端で接続したことにより負荷Ａに流れる電流値をＩ_１（＞０）、負荷Ｂに流れる電流値をＩ_２（＞０）、Ｒ相コイル７５及びＴ相コイル７６に流れる電流値をＩ_Ｂ（＞０）とすると、分割平衡巻型変圧器２００の中性線７１に流れる電流値は２Ｉ_Ｂ（＞０）となる。

また、分割平衡巻型変圧器２００を負荷端で接続した後のＲ相コイル７５、Ｔ相コイル７６には等しい電流Ｉ_Ｂが流れるため、中性線７１を流れる電流値はＩ_１−Ｉ_２−２Ｉ_Ｂ、Ｒ相の外側線７２を流れる電流値はＩ_１−Ｉ_Ｂ、Ｔ相の外側線７３を流れる電流値はＩ_１＋Ｉ_Ｂとなる。なお、Ｉ_１＞Ｉ_２であるものとする。

また、Ｒ相の外側線７２における負荷Ａよりも配電側には、直列Ｒ相コイル７７が接続され、Ｔ相の外側線７３における負荷Ｂよりも配電側には、直列Ｔ相コイル７８が接続される。これら直列Ｒ相コイル７７及び直列Ｔ相コイル７８は、上記直列コイル部２０を構成する。また、直列Ｒ相コイル７７及び直列Ｔ相コイル７８の各両端における電圧をＶ_１とする。また、図９において、７９は上記図２に示した外鉄型カットコアを模式的に示している。

図９の単相３線式配電システムにおいて、分割平衡巻型変圧器２００の変圧作用を考慮すると、Ｒ相コイル（Ｌ_１）７５，Ｔ相コイル（Ｌ_２）７６には、励磁電流と、定格電流の５％程度のベクトル電流が流れる。また、負荷電流Ｉ_１，Ｉ_２は、Ｉ／（Ｅ_１／Ｅ_２）分減少する。定格時において、５Ｖ降下した際に、バランサコイルに流れる電流は約５％程度となる。また、電源側電流Ｉ０ は、負荷側電流Ｉ／（Ｅ_１／Ｅ_２）^２分減少する。

ここで説明を簡素化するために、図９の負荷側にバランサコイル部１０のみを接続した場合の、各部における具体的な電圧値及び電流値を適用した場合の変圧作用について、図１０を参照して説明する。

図１０において、配電変圧器ＰＴの二次側の中性線と、Ｒ相、Ｔ相間の各電圧を１０５Ｖとし、中性線７１、Ｒ相の外側線７２及びＴ相の外側線７３の夫々の内部抵抗ｒが０．１Ωであるとする。また、分割平衡巻型変圧器１００を負荷側に設置する前の状態において、Ｒ相の外側線７２から負荷Ａに流れる電流値が３５Ａ、負荷ＢからＴ相の外側線７３に流れる電流値が２０Ａとすると、負荷Ａ電流値と負荷Ｂ電流値の差分電流値である１５Ａが中性線７１に流れることになる。

このような負荷関係において、バランサコイル部１０のみを負荷側に接続すると、図中に示すように、中性線７１を介して夫々のバランサコイル部１０側に１５Ａの電流が流れ、Ｒ相コイル７５，Ｔ相コイル７６に７．５Ａの電流が流れる。この分割平衡巻型変圧器１００の均圧作用により、負荷Ａに流れる電流値は３５Ａ−７．５Ａ＝２７．５Ａとなり、負荷Ｂに流れる電流値も２０Ａ＋７．５Ａ＝２７．５Ａとなって両負荷電流は等しくなる。そして、各負荷Ａ，Ｂ両端の負荷電圧Ｖ_ＡＢ，Ｖ_ＢＣは、次式（２）に示すように等しくなる。

Ｖ_ＡＢ＝Ｖ_ＢＣ＝１０５Ｖ−（２７．５×０．１）＝１０２．２５Ｖ・・・・（２）

このバランサコイル部１０の均圧作用により負荷電圧が平衡化した状態の模式図を図１１に示す。以上のように、異なった電流値が流れる２つの負荷を配した場合であっても、負荷側にバランサコイル部１０を接続することで、その均圧作用により両負荷の電圧が平衡となり、配電変圧器ＰＴにて余裕が生じる。また、線路損失も軽減される。

次に、図１０の状態に加えて、更に電圧調整コイルである上記直列コイル部２０を接続した場合の各部の電流分布について、図１２に示す第３の実施形態に係る分割平衡巻型変圧器３００の回路図を参照して説明する。なお、図１２において、図９に示した回路図と同一構成部分には同一符号を付しており、各部の電圧及び電流値は、図９に示したものと同様の条件である。

図１２の分割平衡巻型変圧器３００では、直列コイル部２０が、バランサコイル部１０よりも分電側（配電側と離れる方向）に接続されている。また更に、各負荷Ａ、負荷Ｂは、この直列コイル部２０よりも更に分電側に直列接続されている。この回路では、変圧比は（Ｌ_１＋Ｌ_２）／Ｌ_２となる。例えば、Ｌ_１の電圧が９７Ｖ、Ｌ_２の電圧が３Ｖであるとすると、両負荷電圧Ｅ_２は、Ｅ_２は＝（９７＋３）／９７＝１．０３１となる。第３実施形態の分割平衡巻型変圧器３００の均圧作用により、負荷電圧が平衡化した状態の模式図を図１３に示す。

分割平衡巻型変圧器３００では、図１０で説明した効果に加えて、バランサ効果と電圧調整作用を発揮することができるので、低電圧の機器等に対して電力を供給する際に適している。

図１４は、一般家庭等で使用されている単相３線式配電システムの概略を示した回路図である。実際の一般家庭においては単相３線２００から、まず、分電盤２１０に電力が供給されて、分電盤２１０に供給された電力が夫々異なる複数個の負荷Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，・・・に分別される。よって、本実施形態に係る上記分割平衡巻型変圧器１００、２００、３００を分電盤２１０に接続すれば、分割平衡巻型変圧器は既に説明した回路と同様な役割を発揮する。

本発明は、中性線と外側線との間に配している不平衡な負荷によって生じる不平衡電流が流れても、電圧を平衡に保つことができるとともに、電流を流すことから生じる磁束を打ち消し合う作用を高めて電磁ノイズを低減し、高圧配線回路から供給した電力を効率よく利用することができるという点で、単相３線式配電システムに適用することが有用である。

本発明の第１の実施の形態に係る単相３線式配電システムにおけるバランサコイル部及び直列コイル部の回路構成を示す図 同バランサコイル部を外鉄型カットコアに巻き付けた場合の概略構成を示す図 同直列コイル部を外鉄型カットコアに巻き付けた場合の概略構成を示す図 同実施の形態に係る同脚型の分割平衡巻型変圧器の概略構成を示す図 第２の実施の形態に係る単相３線式配電システムにおけるバランサコイル部及び直列コイル部の接続関係を示す図 同実施の形態に係る外鉄型カットコアの構造を示す斜視図 同実施の形態に係るバランサコイル部を接続した単相３線式配電システムを示す図 同実施の形態に係る分割平衡巻型変圧器においてバランサ容量と単巻変圧器を合成して一つの変圧器の容量とすることを示す図 同実施の形態に係る分割平衡巻型変圧器を組み込んだ単相３線式配電システムを示す図 同実施の形態に係る分割平衡巻型変圧器を接続した単相３線式配電システムにおける変圧作用を説明するための図 同実施の形態に係る分割平衡巻型変圧器の均圧作用により負荷電圧が平衡化した状態を示す図 本発明の第３の実施の形態に係る単相３線式配電システムを示す図 同実施の形態に係る分割平衡巻型変圧器の均圧作用により負荷電圧が平衡化した状態を示す図 本実施の形態に係る単相３線式配電システムの概略を示した回路図

符号の説明

１０ バランサコイル部
１０Ａ、１０Ｙ Ｒ相コイル片
１０Ｘ、１０Ｂ Ｔ相コイル片
２０ 直列コイル部
２０Ｃ 直列Ｒ相コイル
２０Ｚ 直列Ｔ相コイル
３０Ａ、３０Ｂ カッコア
７０ 単相３線
７１ 中性線
７２、７３ 外側線
７４ 接続部
７５、７７ Ｒ相コイル
７６、７８ Ｔ相コイル
７９ 外鉄型カットコア
８１ 配電変圧器
１００、２００、３００ 分割平衡巻型変圧器
２１０ 分電盤

Claims (8)

1. 単相３線に接続されるバランサコイルと、前記バランサコイルに接続される直列コイルと、前記バランサコイル及び前記直列コイルが共に巻きつけられる内脚部を有する外鉄型鉄心部材と、を備え、
   前記バランサコイルは、Ｒ相コイルとして、第１Ｒ相コイル片及び該第１Ｒ相コイル片に直列接続される第２Ｒ相コイル片を有すると共に、Ｔ相コイルとして、第１Ｔ相コイル片及び該第１Ｔ相コイル片に直列接続される第２Ｔ相コイル片を有しており、
   前記内脚部において、中性点を基準とした一方側に前記第１Ｒ相コイル片及び第１Ｔ相コイル片が配置され、他方側に前記第２Ｒ相コイル片及び第２Ｔ相コイル片が配置されることを特徴とする分割平衡巻型変圧器。
2. 前記第１Ｒ相コイル片と前記第１Ｔ相コイル片が隣接配置されると共に、前記第２Ｒ相コイル片と前記第２Ｔ相コイル片が隣接するように配置されることを特徴とする請求項１記載の分割平衡巻型変圧器。
3. 前記第１Ｒ相コイル片に対して前記第２Ｒ相コイル片が反対巻きとなっていると共に、前記第１Ｔ相コイル片に対して前記第２Ｔ相コイル片が反対巻きとなっていることを特徴とする請求項１又は２記載の分割平衡巻型変圧器。
4. 前記第１Ｒ相コイル片と前記第１Ｔ相コイル片の巻き方向が一致していると共に、前記第２Ｒ相コイル片と前記第２Ｔ相コイル片の巻き方向が一致していることを特徴とする請求項１、２又は３記載の分割平衡巻型変圧器。
5. 前記内脚部において、前記第１Ｒ相コイル片と前記第１Ｔ相コイル片が重なった状態で配置され、前記第２Ｒ相コイル片と前記第２Ｔ相コイル片が重なった状態で配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の分割平衡巻型変圧器。
6. 前記直列コイルとして、前記Ｒ相コイルに直列接続される変圧用直列Ｒ相コイル、及び前記Ｔ相コイルに直列接続される変圧用直列Ｔ相コイルを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の分割平衡巻型変圧器。
7. 前記内脚部の中心を境にして、変圧用直列Ｔ相コイル、前記第１Ｒ相コイル片及び前記第１Ｔ相コイル片が一方側に配置され、前記第２Ｒ相コイル片、前記第２Ｔ相コイル片、及び変圧用直列Ｒ相コイルが他方側に配置されることを特徴とする請求項６記載の分割平衡巻型変圧器。
8. 配電盤に設置される配電変圧器と、前記配電変圧器に接続されるＲ相及びＴ相を含む単相３線と、前記単相３線に接続される請求項１乃至７のいずれかに記載の分割平衡巻型変圧器と、を備えることを特徴とする単相３線式配電システム。

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