JP2014022626A - 三相電磁機器 - Google Patents

Abstract

【課題】三相バランスの優れたリアクタンス可変の三相一体形の電磁機器を提供する。
【手段】対称的に等間隔に環状に配設した６個の直線状の脚部鉄心の両端部のそれぞれを一対の環状継鉄で連結して籠状の磁心を形成する。籠状磁心の各脚部鉄心に交流主巻線を巻装し、環状継鉄には各脚部鉄心との連結部の間に直流制御巻線を巻装する。対称的に対抗する脚部鉄心の主巻線を対にして三相交流を通電し、制御巻線に直流制御電流を供給し、籠状磁心における、三相交流主電流により生じる主磁束と直流制御電流により生じる制御磁束との共通磁路部の磁気抵抗を制御し交流主巻線のリアクタンスを調整する。
【選択図】図４

Description

この発明は、三相一体形のリアクタンスを可変できる電磁機器に関する。特に、高調波歪みが少なく、鉄心の突き合わせ面にギャップを必要としない、リアクタンスの可変範囲が広い三相バランスの優れた三相電磁機器に関する。

リアクタンスを可変できる従来の三相電磁機器としては、本出願人が先に提案した特許文献１や特許文献２の三相電磁機器がある。
図１３は、特許文献１の三相形電磁機器の一例の説明図である。この三相形電磁機器は、各端が対をなす磁路を形成する３つのＨ状脚部鉄心４４ａ〜４４ｃと、これらＨ状脚部の各端側を連結して閉磁路を形成する２つの枠部鉄心４５ａ，４５ｂとから成る三相電磁路を有し、Ｈ状脚部の一方の連結端側には、各磁路に三相交流電源の各相に対応する主巻線４１ａａ〜４１ｃｂを巻装し、他方の連結端側には、各磁路に制御巻線４２ａａ〜４２ｃｂを巻装する。主巻線は前記一対の磁路に生じる主磁束が同一方向になるように直列又は並列に接続し、前記制御巻線は前記主磁束によって生じる誘起電圧が互いに打消されるように直列に接続し、主磁束と制御磁束の共通磁路の磁気抵抗を制御し主巻線のリアクタンスを連続的に可変する。

図１４は、特許文献２の三相電磁機器の一例の説明図である。この三相電磁機器は、６つの主鉄心５３ａａ〜５３ｃｂを、隣接する主鉄心との角度が６０゜となるように配置し、さらに６つの主鉄心の一端を６つの鉄心窓部が形成されるように連結鉄心５３ｄで連結する。

６つの各主鉄心５３ａａ〜５３ｃｂには３対の主巻線５１ａａ〜５１ｃｂを巻装し、それぞれの対の主巻線から生じる磁束が同一方向になるように直列又は並列に接続する。
主鉄心を連結した６個の連結鉄心５３ｄには、それぞれに制御巻線５２ａ〜５２ｆを巻装し、主巻線による磁束で制御巻線５２ａ〜５２ｆに生じる誘起電圧が互いに打消されるように制御巻線を直列又は並列に接続し、主磁束と制御磁束の共通磁路の磁気抵抗を制御し主巻線のリアクタンスを連続的に可変する。

特許３９８６８０９号明細書 特許４６４６３２７号明細書

しかし、特許文献１の三相形電磁機器は、三相一体構成した電磁機器における三相電磁路の各相の磁路長がそれぞれが同一でないため、中央脚部に巻装した主巻線による主磁束に対する磁路の磁気抵抗と外側脚部に巻装した主巻線による主磁束に対する磁路の磁気抵抗が異なるものとなる。そのため、三相電磁機器の主磁束と制御磁束の共通磁路の磁気抵抗の制御によって、主巻線のリアクタンスを連続的に可変することは可能であるものの、リアクタンス制御時に三相それぞれのリアクタンスにアンバランスが生ずる問題がある。

リアクタンスが可変の電磁機器を電力系統などの平衡三相交流回路に接続して使用する場合、制御時においても常にリアクタンスが三相共に同一であることが必要であり、三相バランスの優れた三相形電磁機器が求められている。

特許文献２の三相電磁機器については、前記の三相バランスの優れた三相形電磁機器の必要性から、各相の磁路が対称的になるように三相一体構成されたものであり、制御電流の調整により主巻線のリアクタンスを三相バランス良く、連続的に可変することができる。

しかしながら、本三相電磁機器は、略円形状の磁心により構成される構造であるため、鉄心窓部が扇形の形状となってしまう。この鉄心窓部には一つにつき３個の主巻線乃至制御巻線を巻装することが必要であるが、鉄心窓部が扇形の形状では巻線の占積率が低下してしまい、電磁機器が大型化するという問題がある。
さらに、制御巻線を連結鉄心へ巻装する必要があるため、磁心構成した後に手作業による巻装を強いられていた。

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、三相間のアンバランスがなく、鉄心の突き合わせ面にギャップを必要とせずに、リアクタンスの可変範囲が広く、さらに、巻線の巻装構造が簡単で、鉄心窓部の形状が略四角形状で巻線の占積率が優れ、小型かつ軽量の三相一体構造のリアクタンスを可変できる三相電磁機器を提供することを目的とする。

本発明は、以下の技術手段により上記課題を達成する。
対称的に等間隔で環状に配設された６個の脚部鉄心の両端部に、それぞれの端部を連結して一対の環状継鉄が形成されて構成された籠状磁心を有し、前記６個の脚部鉄心にそれぞれ交流主巻線を巻装し、前記一対の一方又は両方の環状継鉄の前記各脚部鉄心との連結部間に直流制御巻線を巻装し、前記交流主巻線の対称的に対になる巻線を三相交流の各相の交流主巻線とし、交流主巻線に流れる三相交流電流により前記各直流制御巻線に誘起する起電力が打ち消されるように前記各直流制御巻線を直列又は直並列に接続し、前記接続した直流制御巻線に直流制御電流を供給して制御磁束を発生させ、前記交流主巻線の電流により生じる主磁束と前記制御磁束の共通磁路となる前記籠状磁心で形成される磁路部の磁気抵抗を制御して交流主巻線のリアクタンスを連続的に可変することを特徴とする。
また、交流主巻線を巻装した各脚部鉄心に二次巻線を巻装し、変圧器機能を有したことを特徴とする。

本発明によれば、タップを設けることもなく、鉄心の突き合わせ面にギャップを必要とせず、巻線の巻装構造が簡単で、巻線の占積率が優れ、簡単な構成で低コストかつ小型軽量化が可能な、広範囲にリアクタンスを可変する三相バランスの優れた三相電磁機器を実現することができる。

本発明を電力系統に使用することにより、近年の電力需要の増大や負荷の多様化により、電力系統の電圧の変動等に対応できるフレキシブルな電力設備の提供がはかられ、電力系統の電圧安定化や力率及び潮流のより適切な制御に寄与できる。

本発明の三相電磁機器の構成例を示す図である。 本発明の三相電磁機器の電磁路における磁束の流れを示す図である。 本発明の三相電磁機器の等価回路を示す図である。 本発明の三相電磁機器の動作を説明するための図である。 本発明の三相電磁機器の他の構成例を示す図である。 本発明の三相電磁機器の他の構成例の電磁路における磁束の流れを示す図である。 本発明の三相電磁機器の他の構成例の等価回路を示す図である。 本発明の三相電磁機器における磁心の構成例を示す図である。 本発明の三相電磁機器における磁心の組立例を示す図である。 本発明の三相電磁機器の制御特性例を示す図である。 本発明による変圧機能を有する三相電磁機器の例を示す図である。 本発明の無効電力補償装置への適用例を示す図である。 従来の三相電磁機器の例を示す図である。 従来の三相電磁機器の他の例を示す図である。

図１は、本発明の三相電磁機器における磁心及び各巻線の接続の基本構成例を示す図、図２は、本発明の三相電磁機器を構成する電磁路における磁束の流れを示す図、図３は、本発明の三相電磁機器を等価的に回路表示した回路構成を示す図、図４は、図１で示した三相電磁機器の構成及び動作を説明するための図である。

図４に基づいて、本発明の基本構成を以下に説明する。
本三相電磁機器の磁心は、６個の直線状の脚部鉄心３ａａ、３ａｂ、３ｂａ、３ｂｂ、３ｃａ、３ｃｂが、等間隔かつ対称的となるように環状に配設されて、その各脚部鉄心の上下の端部が２個の環状継鉄３ｄ、３ｅによって連結された籠状磁心３で構成され、三相の各相に対象的な磁路を形成する。

６個の脚部鉄心３ａａ、３ａｂ、３ｂａ、３ｂｂ、３ｃａ、３ｃｂと、環状継鉄３ｄ、３ｅの接合部は、磁気的ギャップを必要としないので、磁心を構成する各々の積層鋼板を平行になるように突き合わせて、或いは積層鋼板の端部を噛み合わせて連結するように構成する。

前記６個の脚部磁心３ａａ、３ａｂ、３ｂａ、３ｂｂ、３ｃａ、３ｃｂには交流主巻線１ａａ、１ａｂ、１ｂａ、１ｂｂ、１ｃａ、１ｃｂ（以下主巻線と言う。）を巻装する。

第１の脚部鉄心３ａａには主巻線１ａａを、脚部鉄心３ａａと環状継鉄の中心より対称的に配置された第２の脚部鉄心３ａｂには主巻線１ａｂを巻装する。主巻線１ａａ及び１ａｂを、両主巻線から生じる磁束φａ１及びφａ２が対称的に前記籠状磁心の磁路を還流するように直列又は並列に接続する。

同様に、第３の脚部鉄心３ｂａには主巻線１ｂａを、脚部鉄心３ｂａと対称的に配置された第４の脚部鉄心３ｂｂには主巻線１ｂｂを巻装し、第５の脚部鉄心３ｃａには主巻線１ｃａを、脚部鉄心３ｃａと対称的に配置された第６の脚部鉄心３ｃｂには主巻線１ｃｂを巻装する。

主巻線１ｂａ及び１ｂｂ並びに主巻線１ｃａ及び１ｃｂも、それぞれ両主巻線から生じる磁束φｂ１及びφｂ２並びに磁束φｃ１及びφｃ２が対称的に還流するように直列又は並列に接続する。

環状継鉄は６個の脚部鉄心３ａａ、３ａｂ、３ｂａ、３ｂｂ、３ｃａ、３ｃｂと連結し、各脚部鉄心との連結部の間の環状継鉄３ｄに６個の直流制御巻線（以下制御巻線と言う。）２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆを巻装し、更に他方も、環状継鉄３ｅに６個の制御巻線２ｇ、２ｈ、２ｉ、２ｊ、２ｋ、２Ｌを巻装する。

主巻線１ａａ及び１ａｂ、主巻線１ｂａ及び１ｂｂ、並びに主巻線１ｃａ及び１ｃｂによる磁束で制御巻線２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉ、２ｊ、２ｋ、２Ｌに生じる誘起電圧が互いに打消されるように各制御巻線を直列又は直並列に接続し、その開放端子側に制御回路４を接続する。

各制御巻線にはそれぞれ主巻線に流れる三相の各相の主電流により生じる磁束（以下主磁束と言う。）によって誘起電圧が生じるが、三相各相の主磁束に対応して生じる誘起電圧は、対応する制御巻線を直列に接続することにより打ち消されることになる。
それ故、図において、制御巻線を全て直列に接続することも可能であるし、対称的に半分ずつ制御巻線を直列接続し、それらを並列に直並列に接続することもできる。

図において、脚部鉄心に巻装して接続した主巻線の開放端子に三相交流電源を接続し、それぞれの主巻線に図示矢印方向の三相交流電流ＩＬｕ、ＩＬｖ、ＩＬｗが流れているとする。なお、図示の電流矢印方向を正サイクルとした場合、負サイクルでは逆方向の電流が流れる。

上記構成の三相電磁機器は、主巻線１ａａ及び１ａｂ、主巻線１ｂａ及び１ｂｂ、主巻線１ｃａ及び１ｃｂより発生する各相各々の交流磁束は、脚部鉄心を連結した２個の環状継鉄を介して還流する。

以下、主巻線１ａａを巻装した第１の脚部鉄心部３ａａと主巻線１ａｂを巻装した第２の脚部鉄心部３ａｂに着目して説明する。

電流ＩＬｕが流れると、磁路には主巻線１ａａにより主磁束φａ１、並びに主巻線１ａｂにより主磁束φａ２がそれぞれ発生する。

発生した主磁束φａ１は、環状継鉄３ｄ、脚部鉄心３ｂａ及び３ｃｂ、環状継鉄３ｅを通過し、主巻線１ａａには巻数と磁心の磁気抵抗に応じたリアクタンスが生ずる。

同様に主磁束φａ２も、環状継鉄３ｅ、脚部鉄心３ｂｂ及び３ｃａ、環状継鉄３ｄを通過し、主巻線１ａｂにも巻数と磁心の磁気抵抗に応じたリアクタンスが生ずる。

ここで、制御巻線を巻装した環状継鉄３ｄ、３ｅは制御巻線による磁束（以下制御磁束と言う。）φｄｃ１と主磁束φａ１並びに制御磁束φｄｃ２と主磁束φａ２との共通磁路となる。

以上のことは、主巻線１ｂａを巻装した脚部鉄心部３ｂａと主巻線１ｂｂを巻装した脚部鉄心部３ｂｂ、同主巻線１ｃａを巻装した脚部鉄心部３ｃａと主巻線１ｃｂを巻装した脚部鉄心部３ｃｂに着目した場合も同様である。

すなわち、環状継鉄は制御磁束（φｄｃ１、φｄｃ２）と主巻線により生じる各主磁束（φａ１、φａ２、φｂ１、φｂ２、φｃ１、φｃ２）との共通磁路となる。

主巻線電流ＩＬｕを流した状態で制御巻線に直流制御電流（以下制御電流と言う。）Ｉｃを流すと、制御巻線２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉ、２ｊ、２ｋ、２Ｌにおいて、制御巻線の巻数と制御電流Ｉｃの積で表される起磁力が発生することで、制御磁束φｄｃ１及びφｄｃ２と、主磁束φａ１及びφａ２が同方向となる共通磁路部分の磁束密度が大となって透磁率が変化し、主磁束が制御されリアクタンスが低下する。

このことは、他の脚部鉄心部についても同様に成り立つことから、リアクタンスを可変できる三相電磁機器として動作することができる。

以上のように本発明の磁気回路構成は、磁心の構成、主巻線・制御巻線の巻装構成が三相各相について対称的であり、三相各相での可変リアクタンスの特性のバランスが優れた三相電磁機器が実現できる。

図５は本発明による三相電磁機器の他の構成例を示したもので、図６は磁束の流れを示す図、図７は等価的に回路表示した回路構成を示す図である。

本構成は、前述の三相電磁機器に対し、一方の環状継鉄に巻回した６個の制御巻線を省略したもので、電磁機器の構造の簡素化と軽量化を図ることができる。

前述と同様に、制御磁束と主磁束が同方向となる共通磁路部分の磁束密度が大となって透磁率が変化し、主磁束が制御され、リアクタンスを可変できる三相電磁機器として機能することができる。

図８は、本三相電磁機器の磁心構成例を示したもので、三相電磁機器を環状継鉄上部から見た図である。図８（ａ）は環状継鉄形状が直線状を成すものであり、積鉄心で簡単に構成することができる。図８（ｂ）は環状継鉄形状が円形状を成すものであり、積鉄心のほか巻鉄心で簡単に構成することができる。なお、環状継鉄は、対称的な環状構成であれば、様々な形状が可能である。

図９は本三相電磁機器の環状継鉄と脚部鉄心の連結部の組立例を示したもので、積鉄心構造で構成した脚部鉄心と環状継鉄を重ね合わせて形成することや、それぞれを突き合わせて形成した例であり、組立ての簡素化を図ることができる。

図１０は、本発明による三相電磁機器に三相交流電圧を印加し、制御電流Ｉｃを増加させた場合の制御特性例を示したものである。
図１０（ａ）は、主巻線電流の制御特性例を示したものであり、制御電流Ｉｃを増加させることにより、リアクタンスが変化し、主巻線電流を線形に可変できることがわかる。
図１０（ｂ）は、主巻線電流の電流歪み特性例を示したものであり、制御電流Ｉｃの値によらず低歪みの良好な特性であることがわかる。

以上のように、本発明による三相電磁機器は、制御電流を調整することにより三相各相のリアクタンスをバランス良く、低歪みで、広範囲に高速且つ連続的に可変することができる。

図１１は、前記図１で示した磁心巻線構成において、電磁機器を構成する主巻線部を一次巻線とし、一次巻線５ａａを巻装した脚部鉄心に二次巻線６ａａ、一次巻線５ａｂを巻装した脚部鉄心に二次巻線６ａｂ、一次巻線５ｂａを巻装した脚部鉄心に二次巻線６ｂａ、一次巻線５ｂｂを巻装した脚部鉄心に二次巻線６ｂｂ、一次巻線５ｃａを巻装した脚部鉄心に二次巻線６ｃａ、一次巻線５ｃｂを巻装した脚部鉄心に二次巻線６ｃｂを巻装して一次巻線と同様に接続して構成した変圧器機能を有した三相電磁機器である。

図において、一次巻線に三相交流電源を接続し二次巻線には三相負荷を接続し、それぞれの二次巻線に図示矢印方向の電流ＩＬｕ２、ＩＬｖ２、ＩＬｗ２が流れていたとする。以下、一次巻線５ａａを巻装した脚部鉄心部と一次巻線５ａｂを巻装した脚部鉄心部について説明する。

制御電流を流さない場合には、一次巻線５ａａ及び５ａｂには、上記二次電流で発生した磁束を打消すように一次電流ＩＬｕ１が流れ、全体として変圧器動作を示す。
制御巻線に制御電流Ｉｃを流すと、制御巻線の巻数と制御電流Ｉｃの積で表される起磁力が発生することで共通磁路の透磁率が変化し、主磁束が制御される。このため、一次巻線には制御電流の制御に伴う主磁束の減少に応じて、一次巻線の端子間電圧を維持するために必要な主磁束を発生させるために励磁電流が増加する。

即ち、変圧器としての変圧機能に加えて、制御電流を調整することで主巻線のリアクタンスを連続的に可変して一次側に流入する無効電流の調整が可能となる。
このことは、同様に他の脚部鉄心部についても成り立つことから、変圧器としての機能に加えて、リアクタンスを可変できる三相電磁機器として構成することができる。

図１２は、本発明の三相電磁機器の無効電力補償装置への適用例を示す等価回路である。
図１２において、本発明による三相電磁機器と電力用コンデンサ７を並列に接続し、送電線路に並列に挿入し、電磁機器の制御により、系統に生じる遅相から進相の無効電力を連続的に補償するようにしたものである。

以上詳述したように、本発明によれば、タップを設けることなく、組立が簡単で、鉄心の突き合わせ面にギャップを必要とせずに、広範囲にリアクタンスを可変する三相バランスの優れた三相電磁機器を実現することができ、近年の電力需要の増大や負荷の多様化により、系統電圧の変動等負荷の多様化に対応できるフレキシブルな電力設備の提供がはかられ、電力系統の電圧安定化や力率及び潮流のより適切な制御に寄与できる。

なお、この他、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１（１ａａ，１ａｂ，１ｂａ，１ｂｂ，１ｃａ，１ｃｂ）…主巻線、２（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈ，２ｉ，２ｊ，２ｋ，２Ｌ）…制御巻線、３（３ａａ，３ａｂ，３ｂａ，３ｂｂ，３ｃａ，３ｃｂ，３ｄ，３ｅ）…籠状磁心、φａ１，φａ２，φｂ１，φｂ２，φｃ１，φｃ２…主磁束、φｄｃ…制御磁束、４…制御回路、５（５ａａ，５ａｂ，５ｂａ，５ｂｂ，５ｃａ，５ｃｂ）…一次巻線、６（６ａａ，６ａｂ，６ｂａ，６ｂｂ，６ｃａ，６ｃｂ）…二次巻線、７…電力用コンデンサ、ｅ…交流電圧。

Claims (2)

1. 対称的に等間隔で環状に配設された６個の脚部鉄心の両端部に、それぞれの端部を連結して一対の環状継鉄が形成されて構成された籠状磁心を有し、
   前記６個の脚部鉄心にそれぞれ交流主巻線を巻装し、前記一対の一方又は両方の環状継鉄の前記各脚部鉄心との連結部間に直流制御巻線を巻装し、
   前記交流主巻線の対称的に対になる巻線を三相交流の各相の交流主巻線とし、交流主巻線に流れる三相交流電流により前記各直流制御巻線に誘起する起電力が打ち消されるように前記各直流制御巻線を直列又は直並列に接続し、
   前記接続した直流制御巻線に直流制御電流を供給して制御磁束を発生させ、前記交流主巻線の電流により生じる主磁束と前記制御磁束の共通磁路となる前記籠状磁心で形成される磁路部の磁気抵抗を制御して交流主巻線のリアクタンスを連続的に可変することを特徴とする三相電磁機器。
2. 請求項１に記載の三相電磁機器において、交流主巻線を巻装した各脚部鉄心に二次巻線を巻装し、変圧器機能を有したことを特徴とする三相電磁機器。

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