JP2013128057A - Scott connection transformer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、三相の交流電力を単相の交流電力に変換する際に用いられるスコット結線変圧器に関する。 The present invention relates to a Scott connection transformer used when converting three-phase AC power into single-phase AC power.
交流電源として、単相の交流電力を供給するものと三相の交流電力を供給するものとがある。単相の交流電力は一般家庭などで電気製品を動かすために用いられ、三相の交流電力は工場等で三相のモータ等の動力源として用いられる。 There are two types of AC power supplies that supply single-phase AC power and three-phase AC power. Single-phase AC power is used to move electrical products in general households, and three-phase AC power is used as a power source for three-phase motors in factories and the like.
一方、三相の交流電力だけが利用可能な所で、単相の交流電力を必要とする場合がある。具体的には、三相3線式の電源から大容量の単相負荷(例えば、単相電気炉や単相交流電車)に給電したい場合などである。 On the other hand, there are cases where single-phase AC power is required where only three-phase AC power is available. Specifically, there is a case where power is supplied from a three-phase three-wire power source to a large-capacity single-phase load (for example, a single-phase electric furnace or a single-phase AC train).
このような場合には、スコット結線変圧器を用いて三相の交流電力を単相の交流電力に変換することが一般的である(例えば、特許文献1参照)。以下、図3を参照して、スコット結線変圧器を用いて三相の交流電力を単相の交流電力に変換する方法について説明する。 In such a case, it is common to convert three-phase AC power into single-phase AC power using a Scott connection transformer (see, for example, Patent Document 1). Hereinafter, a method for converting three-phase AC power into single-phase AC power using a Scott connection transformer will be described with reference to FIG.
図3に、スコット結線変圧器の結線図の一例を示す。スコット結線変圧器1は主座変圧器2とT座変圧器3とで構成されている。主座変圧器2は、鉄心8に一次巻線4と二次巻線5が巻装され、T座変圧器3は、鉄心8に一次巻線6と二次巻線7が巻装されている。
FIG. 3 shows an example of a connection diagram of the Scott connection transformer. The Scott
主座変圧器2の一次巻線4と二次巻線5は鉄心8を介して互いに磁気的に結合されている。また、一次巻線4の両端は端子UとWに接続され、二次巻線5の両端は端子u1とouに接続されている。
The primary winding 4 and the
同様に、T座変圧器3の一次巻線6と二次巻線7は鉄心8を介して互いに磁気的に結合されている。また一次巻線6の一方の端は、主座変圧器2の一次巻線4の中点に接続され、他方の端は端子Vに接続されている。二次巻線7の両端は端子ovとv1に接続されている。
Similarly, the
図3に示したスコット結線変圧器において、主座変圧器2の一次巻線4の端子U、WとT座変圧器3の端子Vとをそれぞれ三相の交流電源に接続すると、主座変圧器2の二次巻線5の両端の端子u1とou、およびT座変圧器3の二次巻線7の両端の端子ovとv1から二相の単相交流電力が得られる。
In the Scott connection transformer shown in FIG. 3, when the terminals U and W of the primary winding 4 of the
次に、図4を参照して、鉄心に積鉄心を採用した従来のスコット結線変圧器(例えば、特許文献2参照)の構造を説明する。積鉄心8aは、電磁鋼板の薄板を紙面と垂直な方向に積層したもので、上下の継鉄部81および82、左右の側脚部83および84、ならびに中央脚部85で構成され、中央脚部85と左右の側脚部83および84との間に巻線を挿入する長方形状の中空部が形成されている。
Next, with reference to FIG. 4, the structure of the conventional Scott connection transformer (for example, refer patent document 2) which employ | adopted the iron core as an iron core is demonstrated. The stacked
紙面に向かって左側の側脚部83に主座一次巻線4と主座二次巻線5が巻装されて主座変圧器2が構成され、右側の側脚部84にT座一次巻線6とT座二次巻線7が巻装されてT座変圧器3が構成されている。図4には示されていないが、それぞれの巻線から線が引き出され、図3の各端子に接続されている。
The main seat primary winding 4 and the main seat
一般に、変圧器の損失は無負荷損失と負荷損失に分けられる。このうち負荷損失は、変圧器の巻線の抵抗(R)と機器に流れる負荷電流(I)よりI2Rで求められ、負荷の大きさにより損失が変化する。 In general, transformer loss is divided into no-load loss and load loss. Of these, the load loss is obtained as I 2 R from the resistance (R) of the winding of the transformer and the load current (I) flowing through the device, and the loss varies depending on the magnitude of the load.
これに対し、無負荷損失は、変圧器の入力側に電圧が印加された場合に発生する損失で、一般的な待機電源の損失と同様に負荷の大きさに関係しない。変圧器は電力を供給する側の機器であり、一次入力が遮断されることが少ないため、常時、無負荷損失が発生している。 On the other hand, the no-load loss is a loss that occurs when a voltage is applied to the input side of the transformer, and is not related to the size of the load, as is the case with a general standby power supply loss. A transformer is a device that supplies power, and the primary input is rarely interrupted, so no-load loss always occurs.
近年、電気製品に対する省エネの要請が高まっており、変圧器もその例外ではない。しかし、図4に示したような積鉄心を用いた従来のスコット結線変圧器は無負荷損失が大きく、エネルギー消費効率が悪いために、省エネの要請に十分応えることができていない。 In recent years, there has been an increasing demand for energy saving for electrical products, and transformers are no exception. However, since the conventional Scott connection transformer using the stacked iron core as shown in FIG. 4 has a large no-load loss and poor energy consumption efficiency, it cannot sufficiently meet the demand for energy saving.
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、省エネの要請に十分応えることができるスコット結線変圧器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a Scott connection transformer that can sufficiently meet the demand for energy saving.
上記目的を達成するため本発明にかかるスコット結線変圧器は、鉄心に設けられた2つの側脚部のうち一方の側脚部に主座の一次巻線と二次巻線が巻装され、他方の側脚部にT座の一次巻線と二次巻線が巻装され、さらに前記主座の一次巻線の中点と前記T座の一次巻線の一方の端が接続され、前記主座の一次巻線の両端および前記T座の一次巻線の他方の端に三相交流が印加されるスコット結線変圧器であって、
前記鉄心は、それぞれ磁性材料で作製された薄板が多重に巻回された2つの内鉄心と1つの外鉄心で構成され、前記外鉄心の中空部に同一形状の前記2つの内鉄心が並置されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the Scott connection transformer according to the present invention has a primary winding and a secondary winding wound around one of the two side legs provided on the iron core, The primary winding and the secondary winding of the T seat are wound on the other side leg, and the midpoint of the primary winding of the main seat and one end of the primary winding of the T seat are connected, A Scott connection transformer in which a three-phase alternating current is applied to both ends of the primary winding of the main seat and the other end of the primary winding of the T seat,
The iron core is composed of two inner iron cores and one outer iron core each of which a thin plate made of a magnetic material is wound in multiple layers, and the two inner iron cores having the same shape are juxtaposed in the hollow portion of the outer iron core. It is characterized by.
ここで、前記側脚部の幅をWとしたとき、前記第1および第2の内鉄心の幅は√2/2Wであり、また前記外鉄心の幅は(1−√2/2)Wであることが好ましい。また前記磁性材料で作製された薄板としてアモルファス磁性薄板を用いることが好ましい。 Here, when the width of the side leg portion is W, the width of the first and second inner iron cores is √2 / 2 W, and the width of the outer iron core is (1−√2 / 2) W. It is preferable that Further, it is preferable to use an amorphous magnetic thin plate as the thin plate made of the magnetic material.
本発明にかかるスコット結線変圧器は、巻鉄心を使用することで無負荷損失を大幅に減少させ、結果として、エネルギー消費効率を改善することによって省エネを実現している。 The Scott connection transformer according to the present invention significantly reduces no-load loss by using a wound iron core, and as a result, achieves energy saving by improving energy consumption efficiency.
以下、本発明の実施の形態にかかるスコット結線変圧器について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a Scott connection transformer according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
<スコット結線変圧器の構成>
図1に、本実施の形態にかかるスコット結線変圧器1の外観を示す。本実施の形態にかかるスコット結線変圧器1は、鉄心に巻鉄心8bを採用している。巻鉄心8bは、同一形状の第1および第2の内鉄心86および87と、外鉄心88で構成されている。
<Configuration of Scott connection transformer>
In FIG. 1, the external appearance of the Scott
内鉄心86および87は、磁性材料で作製された薄板(本実施の形態では電磁鋼板の薄板)を、内側に長方形の中空部が形成されるように多重の巻回したものであり、外鉄心88は、内側の中空部に2個の内鉄心86および87が並置できるように、電磁鋼板の薄板を方形状に多重に巻回したものである。
紙面に向かって左側に位置する第1の内鉄心86と外鉄心88に主座一次巻線4と主座二次巻線5(図3参照)が巻装されて主座変圧器2が構成され、右側に位置する第2の内鉄心87と外鉄心88にT座一次巻線6とT座二次巻線7(図3参照)が巻装されてT座変圧器3が構成されている。また図1には示されていないが、それぞれの巻線から線が引き出され、図3の各端子に接続されている。
The
<鉄心の種類による特性の比較>
次に、スコット結線変圧器1の鉄心に本発明の巻鉄心8bを用いた場合と、従来の積鉄心8a(図4参照)を用いた場合の特性上の差異について説明する。図2(A)に、本実施の形態にかかるスコット結線変圧器の巻鉄心8bの斜視図を、また図2(B)に従来のスコット結線変圧器の積鉄心8aの斜視図を示す。図中、W1〜W6は幅、H1、H2は高さ、D1は奥行きを示している。
<Comparison of characteristics by core type>
Next, the difference in characteristics between the case where the
最初に、本発明において図2(A)に示す構成の巻鉄心を採用するに至った理由を説明する。同一容積の鉄心の場合、積鉄心より巻鉄心の方が、無負荷損失が少ないことが知られている。また、鉄心の外側には磁束の流れが生じ難いことから、積鉄心を用いた場合、コーナー部の鉄心が無駄になる。これに対し、巻鉄心を用いた場合には、コーナー部が円弧状に形成されていることから、積鉄心と比較して無駄となる鉄心部分が少ない。主としてこれらの理由から、発明者等はスコット結線変圧器の鉄心に巻鉄心を採用できないか検討した。 First, the reason why the wound core having the configuration shown in FIG. In the case of an iron core having the same volume, it is known that a wound iron core has less no-load loss than a stacked iron core. Further, since the flow of magnetic flux hardly occurs outside the iron core, the iron core at the corner portion is wasted when the stacked iron core is used. On the other hand, when the wound core is used, since the corner portion is formed in an arc shape, there is less waste core portion than the stacked core. Mainly for these reasons, the inventors examined whether a wound core could be used as the core of the Scott connection transformer.
スコット結線変圧器では、鉄心の左右の側脚部にコイルが巻装されるため、当初、図2(A)に示す内鉄心86と同様の形状の鉄心を2つ並置して巻鉄心を構成することを考えた。このような構造を採用した場合、中央脚部85の幅(積層された薄板の厚み)W2は側脚部86の幅W5の2倍となる。
In the Scott connection transformer, the coil is wound around the left and right side legs of the iron core. Therefore, two iron cores having the same shape as the
一方、図2(B)に示す構成の積鉄心を採用したスコット結線変圧器では、中央脚部85を通過する磁束密度の観点より、中央脚部85の幅W2を側脚部83(または84)の幅W1の√2倍としたときに変圧器の効率が最大となり、鉄心の量を節減できることが知られている。しかし、巻鉄心として上述した内鉄心86と同様の形状の鉄心を2つ並置する構造を採用した場合、必然的に、中央脚部85の幅W2は側脚部86の幅W5の2倍となるため、使用する電磁鋼板に無駄が生じる。
On the other hand, in the Scott connection transformer employing the stacked iron core having the configuration shown in FIG. 2B, from the viewpoint of the magnetic flux density passing through the
そこで、発明者等は巻鉄心8bとして、図2(A)に示すような、並置された2つの内鉄心86および87を外鉄心88で取り囲む構成について検討した。この構成の場合、側脚部83、84の幅W1に対し、内鉄心86および87の幅W5を√2/2×W1とし、また外鉄心88の幅W6を(1−√2/2)×W1に設定すれば、中央脚部85の幅W2は側脚部83の幅W1(=W5+W6)の√2倍となるため、電磁鋼板に無駄が生じるのを避けることができる。
Therefore, the inventors examined a configuration in which the two
なお、上述した内鉄心86および87の幅W5と外鉄心88の幅W6は最適値であり、この値が多少増減しても変圧器の効率は緩やかに低下するため、実用上問題はない。従って、採用可能な幅W5とW6は一定の幅を持った値である。
The above-described width W5 of the
次に、図2を参照して、巻鉄心8bを採用した場合と積鉄心8aを採用した場合の無負荷損失の相違について説明する。図2では、前提として、巻鉄心8bと積鉄心8aの容積を同じに設定している。すなわち、巻鉄心8bと積鉄心8aの幅W4、高さH1および奥行きD1を同一にしている。また、内鉄心86および87の中空部の形状および容積(W3×H2×D1)を同一にしている。
Next, with reference to FIG. 2, the difference in no-load loss when the
図2に示す寸法の巻鉄心8bと積鉄心8aを、同じ材質の電磁鋼板を用いて作製し、更に、左右の側脚部83および84に一次巻線および二次巻線を同一の回数巻装して(磁束密度1.49T)スコット結線変圧器1を構成する。
The
電磁鋼板として比重7.65、占積率0.96の薄板を用い、下記(1)および(2)に示す寸法の鉄心を作製した場合、巻鉄心8bの重量は117.5kg、積鉄心8aの重量は136.3kgとなる。無負荷損失は同一の条件であれば、用いる電磁鋼板の重量が少ない程少なくなるため、巻鉄心8bの無負荷損失は積鉄心8aのそれに比較して約24%少なくなる。
(1)巻鉄心8b:W1=W5+W6=75mm、W5=53mm、W6=22mm、W2=106mm、W4=356mm、H1=400mm、H2=250mm、D1=158mm
(2)積鉄心8a:W1=75mm、W2=106mm、W4=356mm、H1=400mm、H2=250mm、D1=158mm
When an iron core having the dimensions shown in the following (1) and (2) is manufactured using a thin plate having a specific gravity of 7.65 and a space factor of 0.96 as the electromagnetic steel sheet, the weight of the
(1)
(2)
また積鉄心8aを用いた場合、図2(B)に示すように、形状の異なる4種類、計6枚の短冊状の電磁鋼板を組み合わせて1枚の薄板を形成している。このため、主座変圧器2およびT座変圧器3のそれぞれについて鉄心の継ぎ目が4箇所生じ、継ぎ目で磁束の流れが乱れ、それにより生じる抵抗によって無負荷損失が増加する。
Further, when the
このための対策として従来の変圧器では、隣接する電磁鋼板において継ぎ目が生じる箇所をずらすことにより、磁束の流れが妨げられるのを防止している。しかし、このような手法を採用した場合、短冊状の電磁鋼板の寸法を変える必要があるため、切断の工程や配列の工程が複雑となり、変圧器の製造コストをアップさせることになる。 As a countermeasure for this, in the conventional transformer, the flow of magnetic flux is prevented from being disturbed by shifting the place where the seam is generated in the adjacent electromagnetic steel sheet. However, when such a method is adopted, it is necessary to change the dimensions of the strip-shaped electrical steel sheet, which complicates the cutting process and the arrangement process, and increases the manufacturing cost of the transformer.
一方、巻鉄心8bを用いた場合には、短冊状に切断された電磁鋼板を曲げ、それらを重ね合わせることにより巻鉄心を作製することから、それぞれの薄板の継ぎ目は1箇所であり、本来的に磁束の損失が少ない。結果として、巻鉄心8bは継ぎ目により生じる無負荷損失が積鉄心8aのそれに比較して50%以下になる。
On the other hand, when the
上述の各寸法の巻鉄心8bおよび積鉄心8aについて無負荷損失を測定したところ、巻鉄心8bでは140W、積鉄心8aでは175Wであった。すなわち、巻鉄心8bの無負荷損失は積鉄心8aのそれの80%となった。この結果より、本発明の巻鉄心8bを用いれば、エネルギー消費効率の高いスコット結線変圧器を実現できることがわかる。
When the no-load loss was measured for the
なお、本実施の形態では、電磁鋼板を用いてスコット結線変圧器を作製したが、電磁鋼板の代わりに鉄系アモルファス磁性材料で作製された薄板(以降、「アモルファス磁性薄板」という)を用いてスコット結線変圧器を作製してもよい。アモルファス磁性薄板は、電磁鋼板に比較して無負荷損失が20%程度と低いため、待機電力の大幅な削減が可能となる。 In this embodiment, the Scott connection transformer is manufactured using an electromagnetic steel sheet. However, instead of the electromagnetic steel sheet, a thin plate made of an iron-based amorphous magnetic material (hereinafter referred to as “amorphous magnetic thin plate”) is used. A Scott connection transformer may be fabricated. Since the amorphous magnetic thin plate has a low no-load loss of about 20% as compared with the electromagnetic steel plate, the standby power can be greatly reduced.
更に、アモルファス磁性薄板は電磁鋼鈑の薄板に比較して薄く、柔軟性に優れている。巻鉄心を作製する際には、短冊状の磁性薄板を両端部が重ね合わされた状態で巻回し、その動作を繰り返すだけであるため、鉄心の製造工程が簡素化され、組立時間も短縮される。また、電磁鋼板を用いた場合と異なり継ぎ目が生じず、重ね合わされた部分の厚さを調節するために隣接する薄板の接合位置を若干ずらす程度で済むため、製造コストを抑えることができる。 Furthermore, the amorphous magnetic thin plate is thinner and more flexible than the electromagnetic steel plate. When manufacturing a wound core, a strip-shaped magnetic thin plate is wound in a state where both ends are overlapped, and only the operation is repeated, thereby simplifying the manufacturing process of the core and shortening the assembly time. . Further, unlike the case of using the electromagnetic steel sheet, no seam is generated, and the manufacturing cost can be reduced because the joining position of the adjacent thin plates is slightly shifted in order to adjust the thickness of the overlapped portion.
参考として、図2(A)に示す形状の巻鉄心8bを、アモルファス磁性薄板を用いて作製した容量30kVAのスコット結線変圧器と、図2(B)に示す形状の積鉄心8aを、電磁鋼板を用いて作製した同容量のスコット結線変圧器について、50Hz、負荷率40%のときの電気的特性をそれぞれ測定した。
As a reference, a
アモルファス磁性薄板を用いたスコット結線変圧器では、無負荷損失32.4W、負荷損失119W、全損失151.4W、効率98.8%であった。これに対し、電磁鋼板を用いたスコット結線変圧器では、無負荷損失175W、負荷損失109W、全損失284.0W、効率97.7%であった。なお、「効率」は、変圧器の有効出力と(有効出力+全損失)の比をパーセントで表したものである。 In the Scott connection transformer using the amorphous magnetic thin plate, the no-load loss was 32.4 W, the load loss was 119 W, the total loss was 151.4 W, and the efficiency was 98.8%. On the other hand, the Scott connection transformer using the electromagnetic steel sheet had no load loss 175 W, load loss 109 W, total loss 284.0 W, and efficiency 97.7%. “Efficiency” is the ratio between the effective output of the transformer and (effective output + total loss) expressed as a percentage.
同様に負荷率100%において、アモルファス磁性薄板を用いたスコット結線変圧器では、無負荷損失32.4W、負荷損失742W、全損失774.4W、効率97.5%であった。これに対し、電磁鋼板を用いたスコット結線変圧器では、無負荷損失175.0W、負荷損失680.0W、全損失855.0W、効率97.2%であった。 Similarly, at a load factor of 100%, the Scott connection transformer using an amorphous magnetic thin plate had no load loss 32.4W, load loss 742W, total loss 774.4W, and efficiency 97.5%. On the other hand, in the Scott connection transformer using the electromagnetic steel sheet, the no-load loss was 175.0 W, the load loss was 680.0 W, the total loss was 855.0 W, and the efficiency was 97.2%.
上述の結果を見ても、巻鉄心を用いた本発明のスコット結線変圧器は、積鉄心を用いた従来のスコット結線変圧器に比べて無負荷損失が少なく、高い効率を実現していることがわかる。 Even if it sees the above-mentioned result, the Scott connection transformer of the present invention using a wound iron core has less no-load loss compared with the conventional Scott connection transformer using a load iron core, and has realized high efficiency. I understand.
1 スコット結線変圧器
2 主座変圧器
3 T座変圧器
4 主座一次巻線
5 主座一次巻線
6 T座一次巻線
7 T座二次巻線
8、8b 鉄心
83、84 側脚部
85 中央脚部
86、87 内鉄心
88 外鉄心
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記鉄心は、それぞれ磁性材料で作製された薄板が多重に巻回された2つの内鉄心と1つの外鉄心で構成され、前記外鉄心の中空部に同一形状の前記2つの内鉄心が並置されていることを特徴とするスコット結線変圧器。 The primary winding and secondary winding of the main seat are wound on one side leg of the two side legs provided on the iron core, and the primary winding and secondary winding of the T seat are mounted on the other side leg. A wire is wound, and a midpoint of the primary winding of the main seat and one end of the primary winding of the T seat are connected, and both ends of the primary winding of the main seat and the primary winding of the T seat A Scott connection transformer in which a three-phase alternating current is applied to the other end of
The iron core is composed of two inner iron cores and one outer iron core each of which a thin plate made of a magnetic material is wound in multiple layers, and the two inner iron cores having the same shape are juxtaposed in the hollow portion of the outer iron core. Scott connection transformer, characterized by
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