JP2013254835A - 変圧器及びこれを用いた配電系統 - Google Patents

Abstract

【課題】交流電動機の起動電流を制御することができ、これによって系統電圧の安定化を図ることができる変圧器を得る。
【解決手段】鉄心１の外周側に、一次巻線２及び二次巻線３を順次同心状に配置し、２と３の間及び３の外周側に連続する導体を所望のターン数となるようにしたタップコイル４ａ、４bを設けると共に、４ａ、４bの巻始め及び巻終りと、前記巻始めと前記巻終りの中間位置であって少なくとも２箇所においてそれぞれタップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを設け、Ａ−Ｃ間のターン数と、Ｂ−Ｄ間のターン数が略同じで、かつＡ−Ｃ間と、タップＢ−Ｄ間の短絡インピーダンスが異なるように構成した変圧器。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、短絡インピーダンスを変更できるインピーダンスコイルを備えた変圧器及びこの変圧器を用いた配電系統に関する。

従来の変圧器は、変圧器の構造によって短絡インピーダンスが一義的に決定され固定値であった。

特開２００５−１０９０３９号公報

従来の変圧器は短絡インピーダンスの値が固定値で変更することができなかった。

その為、系統に電動機を接続すると、起動時に系統に大きな起動電流が流れ、系統のインピーダンス降下により同一系統に接続された他の負荷の端子電圧が低下する。

このようなことから、従来図６に示すように系統に接続される交流電動機６に直列に、
直列インピーダンス８を接続すると共に、直列インピーダンス８に並列に短絡遮断器９を接続し、電動機６と直列インピーダンス８との間に遮断器７を設けた構成とし、電動機６の起動時には短絡遮断器９を開き、電動機６が定常状態に達した時点で直列インピーダンス８を短絡遮断器９を閉じて短絡することで過大な起動電流を抑制していた。

前述の電動機６以外の負荷であっても蛍光灯等の照明負荷がある場合には、電圧降下によって照明負荷にちらつき（フリッカ）を生じたり、また負荷がパソコン等の電子機器の場合は、動作障害が発生したりすることがあった。

本実施形態は、変圧器の短絡インピーダンスを変更可能な構造にすることによって、交流電動機の起動電流を制御することができ、これによって系統電圧の安定化を図ることができる変圧器及びこれを用いた配電系統を提供することを目的とする。

本実施形態は、交流電動機の起動時は短絡インピーダンスが大となるタップで起動し起動電流を抑え系統の電圧降下を抑え、交流電動機が定常運転に達した段階で、短絡インピーダンスが小となるタップにすることで、過大な起動電流を抑制し、系統の電圧低下を抑制することができる。

本実施形態の代表例は、一次巻線及び二次巻線を有する変圧器において、
前記一次巻線と前記二次巻線の間及び前記一次巻線又は前記二次巻線に近接して、複数のタップを有する短絡インピーダンス調整用のインピーダンスコイルを設けたことを特徴とする変圧器である
本実施形態の変圧器によれば、交流電動機の起動電流を制御することができ、これによって系統電圧の安定化を図ることができる。

本実施形態の変圧器を用いた配電系統によれば、従来必要としていた直列インピーダンス及び短絡遮断器を用いる必要がなくなり、設置スペースの削減や機器の投資コスト及び保守コストを削減することができる。

変圧器の第１実施形態を説明するための断面図。 図１の変圧器の平面図。 変圧器の第２実施形態を説明するための断面図。 変圧器の第３実施形態を説明するための断面図。 配電系統の第１実施形態を説明するための図。 配電系統の従来例を説明するための図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

[第１実施形態]
第１実施形態は、概略図1に示すように鉄心１に一次巻線２及び二次巻線３を有する変圧器において、一次巻線２と二次巻線３の間及び一次巻線２又は二次巻線３に近接して、複数のタップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを有する短絡インピーダンス調整用のタップコイル４ａ、４ｂを設けた変圧器である。

[第2実施形態]
第２実施形態は、具体的には図１、図２に示すように、鉄心１の外周側に、一次巻線２及び二次巻線３を順次同心状に配置し、一次巻線２と二次巻線３の間及び二次巻線３の外周側に連続する導体を所望のターン数となるようにしたインピーダンスコイル４、これは２つのタップコイル４ａ、４ｂからなっている。インピーダンスコイル４は、導体の巻始め及び巻終りと、巻始めと巻終りの中間位置であって少なくとも２箇所においてそれぞれタップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを設け、このうちタップＡ−Ｂ間のコイルをタップコイル４ａであり、またタップＣ−Ｄ間のコイルをタップコイル４ｂである。この場合、タップＡ−Ｃ間のターン数と、タップＢ−Ｄ間のターン数が略同じで、かつタップＡ−Ｃ間と、タップＢ−Ｄ間の短絡インピーダンスが異なるように構成した変圧器である。

本実施形態によれば、鉄心１の外周に一次巻線２と二次巻線３を巻回し、二次巻線３には一次巻線２と対向する位置にタップコイル４ａを設け、一次巻線４ａと反対向する側に他のタップコイル４ｂを設け、タップコイル４ａのターン数と、タップコイル４ｂのターン数と略同じ構成とし、タップコイル４ａの長さが、タップコイル４ｂの長さに比べて短いことから、変圧器の変成比を変えることなく、タップコイル４ａの短絡インピーダンスを小さく、タップコイル４ｂの短絡インピーダンスを大きくできる。この結果、本実施形態の変圧器を例えば図５のような配電系統に使用することで、短絡インピーダンスが大なるタップコイル４ｂを使用して(具体的には遮断器７を投入して)電動機６を起動し、電動機６が定常状態に達した時点で短絡インピーダンスが小なるタップコイル４ａに切り換えることで過大な起動電流を抑制し、系統の電圧低下を抑制することができる。

[第3実施形態]
第３実施形態は、具体的には図１、図２に示すように、鉄心１の外周側に、一次巻線２及び二次巻線３を順次同心状に配置し、一次巻線２と二次巻線３の間及び二次巻線３の外周側に連続する導体を所望のターン数となるようにしたインピーダンスコイル４を設けると共に、インピーダンスコイル４の巻始め及び巻終りと、前記巻始めと前記巻終りの中間位置であって少なくとも２箇所においてそれぞれタップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを設け、タップＡ−Ｃ間のターン数の増/減と、タップＢ−Ｄ間のターン数の減/増が各々同じで、かつタップＡ−Ｃ間と、タップＢ−Ｄ間の短絡インピーダンスが異なるように構成した変圧器である。

ここで、タップコイル４ａのターン数の増減と、タップコイル４ｂのターン数の減増の意味(タップコイル４ａのターン数増減と、タップコイル４ｂのターン数増減の関係が略相反するように構成する)について説明する。このことは、具体的にはンスコイル４ａのターン数がｎターン減少すると、タップコイル４ｂのターン数は略ｎターン増加するということを意味している。

以上述べた本実施形態の変圧器は、以下のように作用する。

変圧器が無負荷である時の電圧変成比（一次電圧／二次電圧）は、一次巻線（電源に接続される巻線）のターン数（ｎ１）と二次巻線（負荷に接続される巻線）のターン数（ｎ２）で一義的に決まり、（一次電圧／二次電圧）＝（ｎ１／ｎ２）となる。

[第４実施形態]
第４実施形態は、具体的には図１、図２に示すように、鉄心１の外周側に、一次巻線２及び二次巻線３を順次同心状に配置し、一次巻線２と二次巻線３の間及び二次巻線３の外周側に連続する導体を所望のターン数となるようにしたインピーダンスコイル４を設けると共に、インピーダンスコイル４の巻始め及び巻終りと、巻始めと巻終りの中間位置であって少なくとも２箇所においてそれぞれタップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを設け、タップＡ−Ｃ間のターン数の増/減と、タップＢ−Ｄ間のターン数の減/増が各々異なるようし、かつタップＡ−Ｃ間と、タップＢ−Ｄ間の短絡インピーダンスが異なるように構成した変圧器である。

第２〜第４実施形態も前述の第１実施形態と同様な作用効果が得られる。

[第５実施形態]
第５実施形態は、具体的には図１に示すように短絡インピーダンス％ＩＸ(％)は、電源周波数をｆ(Ｈｚ)、変圧器の定格容量をＫＶＡ、鉄心１の中心線から一次巻線２とタップコイル４ａの中間点を通る線までの平均距離「空隙の平均半径」をｒ(ｍ)、一次巻線２とタップコイル４ａ間の距離「空隙の幅」をｇ(ｍ)、１巻回数当りの常規誘起電圧をｅ(V)、鉄心１の中心線に沿ったタップコイル４ａ、４ｂの長さをｈ(ｍ)としたとき、(1)式によって求められる値)である。

％ＩＸ=４．９６ｆ(ＫＶＡ) ｒｇ÷ｅ^２ｈ (1)式
[第６実施形態]
第６実施形態は、具体的には図４に示すように鉄心１の外周側であって鉄心１の中心線に沿って、一次巻線２と二次巻線３を並置し、二次巻線３と一次巻線２と対向する間及び一次巻線２と二次巻線３と反対向する側にある二次巻線３に近接する位置にかけて連続する導体を所望のターン数となるようにしたインピーダンスコイル４を設けると共に、インピーダンスコイル４の巻始め及び巻終りと、巻始めと巻終りの中間位置であって少なくとも２箇所においてそれぞれタップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを設け、タップＡ−Ｃ間のターン数と、前記タップＢ−Ｄ間のターン数が略同じで、かつ前記タップＡ−Ｃ間と、タップＢ−Ｄ間の短絡インピーダンスが異なるように構成した変圧器である。

第６実施形態は、前述の第１実施形態と同様な作用効果が得られる。

[第７実施形態]
第７実施形態は、具体的には図１に示すように、タップＡ−Ｃ間のターン数及びタップＢ−Ｄ間のターン数の増/減又は減/増は任意のシーケンス回路により行われる変圧器である。

本実施形態は、上記第１実施形態ではタップコイル４ａのターン数の増／減とタップコイル４ｂの減／増をほぼ同時に行うのに対し、タップコイル４ａのターン数の増／減とタップコイル４ｂの減／増を交互に行うものである。

第１実施形態では、タップコイル４ａのターン数の増／減とタップコイル４ｂの減／増をほぼ同時に行う場合は、変圧器の変成比を変えずに短絡インピーダンスのみを増減させて、例えば当該変圧器の負荷として接続した電動機の起動電流を抑制する。

これに対して第２実施形態では、タップコイル４ａのターン数の増／減とタップコイル４ｂの減／増を交互に行い、例えば、変成比を大きくして二次電圧が低下した状態かつ短絡インピーダンス大の状態で電動機を起動し、次に電圧を回復しかつ短絡インピーダンス大の状態とし、最後に電圧を回復しかつ短絡インピーダンス小の状態とする。

このように、本実施形態によれば、電圧低下と短絡インピーダンス大／小を組み合わせることでより電動機の起動電流抑制を細かく制御することができる。

[第８実施形態]
第８実施形態は、具体的には図３に示すように、タップコイル４ａ、４ｂに有する８個のタップａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈの切換え動作を、図示しない負荷時タップ切換器により行う変圧器である。

このように、前述の実施形態では４個のタップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを、８個のタップａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈと細分化することで、変成比（すなわち二次電圧）と短絡インピーダンスの大小を任意のシーケンスで変化させることができる。

[第９実施形態]
第９実施形態は、具体的には図５に示すように、前述した実施形態の変圧器５の二次巻線３から出力される電圧を、遮断器７を介して負荷(図示せず)、誘導電動機６、同期電動機６の少なくとも一つに印加するようにした配電系統である。

第９実施形態において、変圧器５がない状態で遮断器７を投入して電動機６を起動すると、系統には大きな起動電流が流れ、系統のインピーダンス降下により同一系統に接続された他の負荷の端子電圧が低下する。負荷が蛍光灯等の照明負荷である場合はちらつき（フリッカ）を生じ、負荷がパソコン等の電子機器の場合は動作障害が発生する。

次に、変圧器５を接続して、同変圧器の短絡インピーダンスが大なるタップの状態で遮断器７を投入して電動機６を起動し、電動機６が定常状態に達した時点で変圧器５のタップを切り換えて短絡インピーダンスが小なる状態にすることで過大な起動電流を抑制し、系統の電圧低下を抑制することができる。

この結果、従来必要としていた、図６に示す直列インピーダンス８や短絡遮断器９を用いる必要がなくなり、設置スペースの削減や機器の投資コスト及び保守コストを削減することができる。

前述の実施形態では、タップコイル４ａ及び４ｂは２段のタップで説明し、また図３のようにタップコイル４ａ及び４ｂは４段のタップで説明したが、これらに限らず任意の段数にすることも可能である。

１…鉄心、２…一次巻線、３…二次巻線、４…インピーダンスコイル、４ａ、４ｂ…タップコイル、５…変圧器、６…交流電動機(誘導電動機又は同期電動機)、７…遮断器、８…直列インピーダンス、９…短絡遮断器。

Claims (9)

1. 一次巻線及び二次巻線を有する変圧器において、
   前記一次巻線と前記二次巻線の間及び前記一次巻線又は前記二次巻線に近接して、複数のタップを有する短絡インピーダンス調整用のインピーダンスコイルを設けたことを特徴とする変圧器。
2. 鉄心外周側に、一次巻線及び二次巻線を順次同心状に配置し、前記一次巻線と前記二次巻線の間及び前記二次巻線の外周側に連続する導体を所望のターン数となるようにしたインピーダンスコイルを設けると共に、前記インピーダンスコイルの巻始め及び巻終りと、前記巻始めと前記巻終りの中間位置であって少なくとも２箇所においてそれぞれタップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを設け、前記タップＡ−Ｃ間のターン数と、前記タップＢ−Ｄ間のターン数が略同じで、かつ前記タップＡ−Ｃ間と、前記タップＢ−Ｄ間の短絡インピーダンスが異なるように構成したことを特徴とする変圧器。
3. 鉄心外周側に、一次巻線及び二次巻線を順次同心状に配置し、前記一次巻線と前記二次巻線の間及び前記二次巻線の外周側に連続する導体を所望のターン数となるようにしたインピーダンスコイルを設けると共に、前記インピーダンスコイルの巻始め及び巻終りと、前記巻始めと前記巻終りの中間位置であって少なくとも２箇所においてそれぞれタップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを設け、前記タップＡ−Ｃ間のターン数の増/減と、前記タップＢ−Ｄ間のターン数の減/増が各々同じで、かつ前記タップＡ−Ｃ間と、前記タップＢ−Ｄ間の短絡インピーダンスが異なるように構成したことを特徴とする変圧器。
4. 鉄心外周側に、一次巻線及び二次巻線を順次同心状に配置し、前記一次巻線と前記二次巻線の間及び前記二次巻線の外周側に連続する導体を所望のターン数となるようにしたインピーダンスコイルを設けると共に、前記インピーダンスコイルの巻始め及び巻終りと、前記巻始めと前記巻終りの中間位置であって少なくとも２箇所においてそれぞれタップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを設け、前記タップＡ−Ｃ間のターン数の増/減と、前記タップＢ−Ｄ間のターン数の減/増が各々異なるようし、かつ前記タップＡ−Ｃ間と、前記タップＢ−Ｄ間の短絡インピーダンスが異なるように構成したことを特徴とする変圧器。
5. 請求項２乃至請求項４のいずれか１項記載の短絡インピーダンス％ＩＸ(％)は、電源周波数をｆ(Ｈｚ)、変圧器の定格容量をＫＶＡ、鉄心の中心線から一次巻線と第１のインピーダンスコイルの中間点を通る線までの平均距離「空隙の平均半径」をｒ(ｍ)、一次巻線と第１のインピーダンスコイル間の距離「空隙の幅」をｇ(ｍ)、１巻回数当りの常規誘起電圧をｅ(V)、鉄心の中心線に沿ったインピーダンスコイルの長さをｈ(ｍ)としたとき、(1)式によって求められる値である。
   ％ＩＸ=４．９６ｆ(ＫＶＡ) ｒｇ÷ｅ^２ｈ (1)式
6. 鉄心外周側であって前記鉄心の中心線に沿って、一次巻線と二次巻線を並置し、前記二次巻線と前記一次巻線と対向する間及び前記一次巻線と前記二次巻線と反対向する側にある前記二次巻線に近接する位置にかけて連続する導体を所望のターン数となるようにしたインピーダンスコイルを設けると共に、前記インピーダンスコイルの巻始め及び巻終りと、前記巻始めと前記巻終りの中間位置であって少なくとも２箇所においてそれぞれタップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを設け、前記タップＡ−Ｃ間のターン数と、前記タップＢ−Ｄ間のターン数が略同じで、かつ前記タップＡ−Ｃ間と、前記タップＢ−Ｄ間の短絡インピーダンスが異なるように構成したことを特徴とする変圧器。
7. 前記タップＡ−Ｃ間のターン数及び前記タップＢ−Ｄ間のターン数の増/減又は減/増は任意のシーケンスにより行われることを特徴とする請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載の変圧器。
8. 前記インピーダンスコイルに有するタップの切換え動作を、負荷時タップ切換器により行うことを特徴とすることを特徴とする請求項１乃至６に記載の変圧器。
9. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の変圧器の二次巻線から出力される電圧を、負荷、誘導電動機、同期電動機の少なくとも一つに印加するようにしたことを特徴とする配電系統。

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