JP2009283882A

JP2009283882A - 巻鉄心型３相変圧器

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Publication number: JP2009283882A
Application number: JP2008157208A
Authority: JP
Inventors: Minoru Murano; 實村野; Yuzo Ito; 雄三伊藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2009-12-03

Abstract

【課題】円筒状巻鉄心を用いた３相変圧器において、巻鉄心の使用個数を削減し、該変圧器に適合する巻線を巻いて納める巻線型枠の新しい構成法と構造を提供する。
【解決手段】２個の巻鉄心１に１相分の変圧器巻線２を施し、順次異なる２個の巻鉄心１に他の相の変圧器巻線２を施して、３個の巻鉄心の各々１個にそれぞれ２相分の変圧器巻線を巻き付けた３相変圧器を構成する。これにより従来３組６個が必要な巻鉄心を３個に削減でき、電磁鋼板材料を約１３％削減可能としている。また巻線を納める３脚状の巻線型枠を形成し、該巻線型枠の巻線を巻き付ける方向に対して凹状の溝を形成し該溝中央部に沿って該巻線型枠底部に固着させた１枚以上の複数から成る仕切板を備える。これにより１次及び２次巻線を巻き付けることを容易にする。
【選択図】図３

Description

本発明は、３相電力回路で利用される巻鉄心型３相変圧器に関する。

現在、高透磁率特性と低鉄損特性が優れ巻き戻しバネ効果を活用した巻鉄心型の変圧器は小容量の単相交流電力回路で数多く利用されている。その主たる理由はこれまでのように方向性珪素電磁鋼板のようにカットコアとして使われ磁路が曲折する度毎に突合わせ接合部分を有する構造を取り止めることで鉄心部の磁気抵抗を減少させることが出来、これによって巻鉄心を構成する場合に磁路断面を少なくすることに帰着し、使われる電磁鋼板の材料使用量を減少させることによるものである。
また製造工程に於いても、予め製作済みの導線コイルを巻き付けた巻線型枠に、巻鉄心を円筒状に巻き戻すことで製作でき、製造コストを低減できる特長を有している（例えば、特許文献１参照）。

これまでの巻鉄心型変圧器を３相電力回路に利用する場合は単相の２個の巻鉄心から成る巻鉄心型変圧器を３組用いて３相回路を形成して使用されている。或いはまた簡便に３相電力変成器として２組の単相変圧器を用いたＶ結線法が利用されている。
また巻鉄心型変圧器構造は、主電流が作る磁束と逆向き磁束成分をつくり相互の磁束を打ち消し合う磁気構造により、直流電流平滑回路で平滑フィルタ−または交流回路での非飽和リアクトルとして利用することが出来る（例えば、実用新案文献１参照）。
これとは別に電力用３相変圧器に於いて省エネルギ−化の研究開発が強められ、今日の開発の傾向は新しい高品位薄厚低損失電磁鋼板の採用と巻線導体部分の転位による渦電流損の低減に在って、その成果としてこれまでの運転効率を４０〜６０％低減する事例が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。

特許公開２００３−２５７７４５、「巻鉄心型リアクトル、巻鉄心型変成器、及びそれらの製造方法」。

実用新案文献１

実用新案登録第３１３６３１９号、「巻鉄心形線形リアクトル」。
リ−フレット三菱配電用油入変圧器、２００７年４月。

現在２つの巻鉄心を有する単相用巻鉄心型変圧器を３相の電力回路に利用する場合は該単相巻鉄心型変圧器を６個３組用いて３相回路を形成して使用される。この場合巻鉄心は合計６個必要となる。またＶ結線法があり、この場合は巻鉄心は合計４個必要である。これらの変圧器回路に対して何らかの方法で使用する巻鉄心の個数を減少することが出来れば鉄心を構成する電磁鋼板材料の省資源化と電気的損失低減が期待できる。
本発明はこれまでの高透磁率且つ低損失特性を維持しつつ使用する巻鉄心の使用個数を減じて巻鉄心型３相変圧器を製作可能とし、以下の４項目が改善されるとこれまでにない有用なものとなる。
第一に鉄心材料減量で省資源化を図ることが出来る、第二に製造資材量を減少することで製造原価を低減することが可能となる、第三に小型軽量化が図られ巻鉄心部の鉄損の総量が減少し電気系に於ける省エネルギ−化が実現する、第四に通常変圧器は受電設備のための受電用配電盤内に設置されることを考慮すれば省スペ−ス化が図られ、利便性が増加する。
以上のような事項は近年の地球環境改善の視点からも早急に実現されなくてはならない重要な事柄である。

Ｖ結線法は一見すると上記４項目の改善を備えているように考えられるが、機器の利用率が出力容量比較で８６．６％で変圧器の設備利用率を低下させたもので、完全３相結線との電気出力比較では約５７．７％と減少する特性となっている。
また巻線を納める巻線型枠の形状を従来の巻鉄心型単相変圧器用の形状のままでは利用不可能のため巻鉄心型３相変圧器用に適合するよう製作する課題がある。

以上、本発明が解決しようとする課題は、円筒状巻鉄心型３相変圧器用の巻鉄心の使用個数減少と該変圧器に適合する巻線を巻いて納める巻線型枠に関するこれまでにない新しい構成法と構造の提案である。

上記課題を解決する方法を図１から図５を用いて説明する。図１は従来の中空状円筒形巻鉄心型単相変圧器（以下、巻鉄心型変圧器と略称する）の構造を示し、図２に３相交流回路で用いる場合６個３組の単相変圧器を用いて３相巻線接続を適宜三角結線（デルタ接続とも称する）あるいは星形結線（スタ−接続）と呼ばれる方法で結線されて使用される方式を示す。従って巻鉄心個数は総計６個必要となることが分かる。

図３に本発明になる中空状円筒形巻鉄心型３相変圧器の基本構造を示す。３個の中空円筒状巻鉄心と１次及び２次巻線が示されている。図２の従来型の巻鉄心型単相変圧器の３相結線方式に比べ図３では巻鉄心数の個数が合計３個のみで構成され３個減少していることが示されている。
これより本発明は巻鉄心の個数を３個減じており、上記課題を解決するための手段を提案している。

図４及び図５は本発明になる巻鉄心型３相変圧器専用の三脚状巻線型枠を示している。この巻線型枠には３相の１次及び２次の各相巻線が必要回数巻き付けられ、各３つの脚が各巻鉄心の中空部を貫通する形式となる。

図１および図３の巻鉄心部の磁束密度の計算を行い同一磁束密度を与える磁路断面寸法を求めて本発明になる巻鉄心型３相変圧器の使用材料使用量の比較を行う。
計算のために中空部半径Ｒ０と磁路を形成する電磁鋼板の巻厚を単相用変圧器及び３相変圧器とも同一のＲ１とする。但し、磁路断面高さをそれぞれＬ０、Ｌ３とする。それぞれの巻鉄心磁路断面をハッチング線で示す。また巻線巻回数と電流値については一相あたりの電気出力を同一とする条件より単相変圧器と三相用変圧器の電流値は同一でＩにとる。本発明になる３相変圧器１個の巻鉄心には常時２相分の電流が存在するので、その合成値はベクトル演算結果より１．７３２×Ｉとなり、起磁力も同じ値だけ比例して増加することから磁束密度を同一にするためには３相変圧器側では磁路断面積を１．７３２倍にする必要がある。従って３相変圧器の巻鉄心高さＬ３を１．７３２×Ｌ１と増加させなければならない。

以上の結果を巻鉄心１個の体積計算に当てはめる。単相変圧器を６個用いて３相変圧器を構成する場合の体積Ｖ１はπ（Ｒ１−Ｒ０）^２×Ｌ１となる。これに対して本発明で提案する３相変圧器の体積Ｖ３はπ（Ｒ１−Ｒ０）^２×Ｌ３＝１．７３２×Ｖ１となる。
これより体積比を求めると、３Ｖ３／６Ｖ１＝１．７３２／２＝０．８６６となり、質量が同一であるから電磁鋼板の使用量が８６．６％に減少出来ることが示される。
以上より、本発明になる中空円筒状巻鉄心型３相変圧器は巻鉄心が単相用変圧器より３個減じて実現されことで、巻鉄心に使われる電磁鋼板の総使用量を削減させ製造原価コストを引き下げる実用上の優れた効果をもたらす。

以上の要素を考慮して製作された３相巻鉄心型変圧器の巻鉄心幅寸法が１．７３２倍となるが体積は単相巻鉄心型変圧器を６個で構成する場合に比較して約１３％減少する故、その結果電力設備として設置する電力配電盤内に設置する際の床面積や空間占有割合をこれまでの３組６個の巻鉄心型変圧器を使用する場合に比べ、格段に減少させる効果を有している。

本発明になる３相巻鉄心型変圧器の電気回路的視点からの特長として、磁路構成が３相完全に対称であることから該変圧器による３相電力系における不平衡を生じさせる要因が全く存在しない。鉄心使用個数を減少させる方法に巻鉄心型単相変圧器を２組４個用いＶ結線法がある。巻鉄心の使用数は４個と少ないが変圧器の巻線抵抗及び漏れインダクタンスによる内部インピ−ダンスが３線のうち２線にだけ入るので、電源側が平衡３相電圧であっても負荷電流増加とともに出力線間電圧が不平衡３相電圧になる欠点のあることが知られている。また、設備利用率が悪く設置コストの上昇を招く。

本発明になる巻鉄心型３相変圧器の他の効用として、巻鉄心の有する無負荷損失が僅かであるという特性が損なわれずに活用されており電力系統における省エネルギ−効果に貢献できる。

本発明の目的は従来ならば６個の円筒状巻鉄心が必要な構造を３個で構成出来ることである。このことを実現するする上での最良の形態は、前もって電気出力容量から決まる３相分の巻鉄心３個と３相分の巻線を製作しておき、これに予めリボン状に巻き戻してしておいた巻鉄心を巻き付けてゆく方式がとられる。

図４及び図５に２種類の巻鉄心型３相変圧器専用巻線型枠の形態を示す。本専用巻線型枠は材料節減、巻線作業の簡素化と電気絶縁保持に有効で、３相巻線のうち２巻線を独立して巻き付ける構造となっている。図４及び図５の巻線型枠には巻線方向と同一方向に凹型の溝チャンネル４を装置し、巻線が該溝に巻き付けられる形式となる。また該溝中央部に溝に平衡して仕切板５を設け巻線同士の電気絶縁作用を受け持っている。図４では仕切板が１枚のタイプ、図５では仕切板３枚のタイプがそれぞれ示されている。
また巻き付けた巻線部の発熱を放熱させるために溝幅を下まわる直径の多数の放熱穴６と図３に示すように各種の３相結線が選択可能とする巻線端子台３を設けている。

以上本発明になる巻鉄心を使った３相変圧器を構成する場合の絶縁効果と巻線巻き付け作業の簡略化を実現する２種類の巻線型枠方式を提案した。

本発明になる巻鉄心型３相変圧器の動作が正常に行われるかどうかを実際に試作して確認した。
試作は３個の巻鉄心に対して巻線２本持ちでＡ相巻線を２個の巻鉄心に巻き付け、順次他の巻鉄心にＢ相分、次に他の巻鉄心にＣ相分巻線を施し巻鉄心型３相変圧器を製作した。１次巻線側に３相３０Ｖ５０Ｈｚを給電し入力電流波形を観測し、２次側に誘起された電圧の大きさと各相間電圧の位相差を測定した。但し、１次巻線の結線接続は励磁電流に含まれる第３次高調波成分を除去して出力波形が正弦波となるようデルタ結線としている。これによって波形が単純化され各種諸量の計測が容易になる。

実験の結果、２次巻線側各相には同一の電圧値３０Ｖを観測した。これは１次および２次側の巻数が同一であるためである。同じく２次巻線側で任意の２相間の電圧を２現象オッシロスコ−プにより観測し、それらの電圧位相差が等しく１２０°であることを確認した。以上のように本発明になる巻鉄心型３相変圧器について正常に３相回路動作することが確認された。

本発明による巻鉄心型３相変圧器はこれまでに比べて設置面積や空間を縮小できるので、３相電源を必要とする受電室や制御盤内に設置利用する場合に優れた特長を発揮するし、電力設備に関連する産業設備分野での利用が期待される。また、巻鉄心型変圧器では鉄損が僅かであり、この点からも電力を利用する電力設備分野での利用拡大が期待できる。
さらに中容量の巻鉄心型変圧器を製造する産業分野では電磁鋼板の使用量を減少させることが出来るので、製造コストを低減できる特長を利用して飛躍的に電力用変圧器製造分野での活用が期待できる。また本発明になる巻鉄心型３相変圧器は油入冷却方式でも使用可能でありこれによって小型設計が可能で省スペース特性向上が実現できその視点からより一層の利用が期待できる。

従来の巻鉄心型単相変圧器の巻鉄心部と変圧器構成図従来の巻鉄心型単相変圧器を用いた３相変圧器構成図本発明利用に関わる巻鉄心型３相変圧器構成図本発明で提案する巻線型枠仕切板１枚タイプ図本発明で提案する巻線型枠仕切板３枚タイプ図

符号の説明

１方向性電磁鋼板になる巻鉄心
２変圧器巻線
３変圧器巻線端子台
４巻線型枠溝チャンネル
５仕切板
６放熱穴

Claims

磁束密度が高く鉄損の小さい特性を有する方向性珪素電磁鋼板に成る巻き戻しバネ効果を備えた巻鉄心を変圧器鉄心として活用する目的で中空円筒状に形成し該鉄心を３個用いて構成した巻鉄心型３相変圧器に関する。
該巻鉄心型３相変圧器を形成する場合に３個の巻鉄心のうち２個の巻鉄心に１相分の変圧器巻線を組み付け完了させ、次に巴方式で巻鉄心を１個だけ取り替えて２個の巻鉄心に他の相の変圧器巻線に切換えて巻き付け完了させ、この作業を再度もう一度繰返し総合して３個の巻鉄心の各々１個にそれぞれ２相分の変圧器巻線を巻き付けた構造を特徴とする巻鉄心型３相変圧器構成に関する。
該巻鉄心を用いた３相変圧器で１次及び２次巻線を巻き付けることを容易とするための巻線を納める３脚状の巻線型枠を形成し、該巻線型枠の巻線を巻き付け方向に対して凹状の溝を形成し該溝中央部に沿って該巻線型枠底部に固着させた１枚以上の複数から成る仕切板を備えることを特徴とする構成に関する。