JP2018190763A - Transformer and power conversion system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、変圧器およびこれを用いた電力変換システムに係り、特に、変圧器の小形軽量化に有効な技術に関する。 The present invention relates to a transformer and a power conversion system using the same, and more particularly to a technique effective for reducing the size and weight of a transformer.
二酸化炭素排出量の削減に貢献するため、大規模風力発電システム(ウインドファーム)の系統連系が期待される。このような大規模風力発電システムは洋上に設置される場合が多く、送電距離が100kmを超える場合も少なくない。送電距離が長い場合には、送電効率の観点から交流送電よりも直流送電が好適である。 In order to contribute to the reduction of carbon dioxide emissions, grid connection of large-scale wind power generation system (wind farm) is expected. Such large-scale wind power generation systems are often installed on the ocean, and there are many cases where the transmission distance exceeds 100 km. When the power transmission distance is long, DC power transmission is more preferable than AC power transmission from the viewpoint of power transmission efficiency.
一般に、ウインドファームの発電電力は交流で集電され、洋上プラットフォームに搭載される変圧器でこれを昇圧し、電力変換システムで交流から直流へと変換し、陸上まで送電される。しかし、昇圧変圧器は大形で重く、これを搭載する洋上プラットフォームも必然的に大形になるため、洋上プラットフォームの建設や運搬には莫大な費用を伴う。 In general, wind farm power is collected by alternating current, boosted by a transformer mounted on the offshore platform, converted from alternating current to direct current by a power conversion system, and transmitted to land. However, since the step-up transformer is large and heavy, and the offshore platform on which it is mounted is inevitably large, the construction and transportation of the offshore platform involves enormous costs.
そこで、ウインドファームの発電電力を直流で集電し、電力変換システムでこの直流電力を昇圧し、陸上に送電するシステムが検討されている。このような用途の電力変換システムはDC/DCコンバータとも呼ばれ、直流を高周波交流に変換するインバータ回路と、高周波変圧器と、高周波交流を直流に変換する整流回路などで構成される。駆動周波数を高めることで、変圧器を小形化できることが知られているが、その一方で、近接効果の影響により巻線損失が増大するという課題がある。 In view of this, a system for collecting the generated power of the wind farm with direct current, boosting the direct-current power with a power conversion system, and transmitting it to the land has been studied. The power conversion system for such a use is also called a DC / DC converter, and includes an inverter circuit that converts direct current into high frequency alternating current, a high frequency transformer, and a rectifier circuit that converts high frequency alternating current into direct current. Although it is known that the transformer can be miniaturized by increasing the drive frequency, there is a problem that the winding loss increases due to the influence of the proximity effect.
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献1のような技術がある。特許文献1には「絶縁体の基板上に形成された渦巻き状のコイルパターンにスリットや複数の穴を設けることでコイルパターンでの大きな渦電流の発生を防止し、渦電流による近接効果と電流分布の集中を緩和するコア付きコイル装置」が開示されている。
As a background art in this technical field, for example, there is a technique such as
また、非特許文献1には「高周波変圧器の一次巻線、二次巻線を一層毎に交互に重ね合わせて同時に巻き回すことにより、近接効果を抑制して巻線損失を低減する方法」が開示されている。
Further, Non-Patent
上記非特許文献1に記載された変圧器のように一次巻線と二次巻線を一層毎に交互に重ね合わせて同時に巻き回す構造は、変圧器の小形軽量化に有利である反面、同文献の図10(b)等から明らかなように、一次巻線と二次巻線の対向面積が大きいため、一次巻線と二次巻線の間の静電容量が大きくなる。これにより変圧器の入力側と出力側との過渡的な絶縁性が失われ、サージの通過や思わぬ電気的共振を招く懸念がある。
The structure in which the primary winding and the secondary winding are alternately overlapped for each layer and wound simultaneously like the transformer described in
一方、上記特許文献1では、プレーナ型のインダクタやトランス等のコア付きコイル装置において、基板上に形成された渦巻き状のコイルパターン自体に発生する渦電流によるコイルの導通損失を課題としており、上記のような一次巻線と二次巻線の間の静電容量による巻線損失については記載されていない。
On the other hand, in
そこで本発明は、近接効果に起因する巻線損失の増大を抑制しつつ、一次巻線・二次巻線間の静電容量の増大を抑制し、小形軽量化が可能な変圧器およびこれを用いた電力変換システムを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention suppresses an increase in winding loss due to the proximity effect, while suppressing an increase in capacitance between the primary winding and the secondary winding, and a transformer that can be reduced in size and weight. An object is to provide a power conversion system used.
上記課題を解決するために、本発明は、鉄心と、前記鉄心を囲んで当該鉄心の周囲に巻かれた薄板状の導電体からなる一次巻線と、前記鉄心を囲んで当該鉄心の周囲に巻かれた薄板状の導電体からなる二次巻線と、を備え、前記一次巻線および前記二次巻線のうち、少なくともいずれか一方は1つ以上の貫通孔を有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides an iron core, a primary winding made of a thin plate-like conductor wound around the iron core and surrounding the iron core, and surrounding the iron core around the iron core. A secondary winding made of a wound thin plate-like conductor, and at least one of the primary winding and the secondary winding has one or more through holes. .
本発明によれば、耐サージ性と高効率性を兼ね備え、かつ小形軽量である変圧器を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a transformer that has both surge resistance and high efficiency and is small and light.
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。 Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and detailed description of the overlapping portions is omitted.
図1から図5を参照して、実施例1の変圧器について説明する。図1は、一次巻線、二次巻線を重ね合わせて、同時に巻き回した比較例の変圧器9を示している。図1の(a),(b)はそれぞれ変圧器9の正面図と水平断面図である。この変圧器9は、主要部品として、鉄心20、一次巻線21、二次巻線22で構成される。一次巻線21、二次巻線22は、それぞれ薄板状の導電体である。一次巻線21および二次巻線22は互いに対向した状態で重ねられ、鉄心20の両脚の周囲に巻き回される。なお、絶縁強度、機械強度の向上を目的として、一次巻線21と二次巻線22の間には、図示していない絶縁紙やエポキシ樹脂積層板、空隙の全部、または一部が含まれる場合がある。
The transformer of Example 1 is demonstrated with reference to FIGS. FIG. 1 shows a comparative transformer 9 in which a primary winding and a secondary winding are overlapped and wound simultaneously. 1A and 1B are a front view and a horizontal sectional view of the transformer 9, respectively. The transformer 9 includes an
鉄心20の左右の各脚に巻き回された一次巻線21の片方の終端部は、それぞれ一次側脚間配線31で電気的に接続されている。同様に、鉄心20の左右の各脚に巻き回された二次巻線22の片方の終端部は、それぞれ二次側脚間配線32で電気的に接続されている。鉄心20の左右の各脚に巻き回された一次巻線21の残る片方の終端部は、それぞれ一次巻線接続端子33に接続されている。同様に、鉄心20の左右の各脚に巻き回された二次巻線22の残る片方の終端部は、それぞれ二次巻線接続端子34に接続されている。
One end portion of the primary winding 21 wound around the left and right legs of the
図2は、一次巻線21および二次巻線22の一部を示している。図2における一次巻線21、二次巻線22は、それぞれ鉄心20に巻き回される前の状態である。一般に、一次巻線21、二次巻線22の間の静電容量C1は次の式(1)で表される。
FIG. 2 shows a part of the
ここで、ε0は真空の誘電率、εsは一次巻線21と二次巻線22の間に挟まれる絶縁体の比誘電率、Sは一次巻線21と二次巻線22の対向面積、dは一次巻線21と二次巻線22の間の距離である。式(1)によれば、比較例の変圧器9における一次巻線21と二次巻線22との間の静電容量C1は、一次巻線21、二次巻線22の対向面積に比例する。図1に示した比較例の変圧器9では、一次巻線21、二次巻線22は、それぞれ対向した状態で重ね合わせて巻き回されているため、一次巻線21と二次巻線22との間の静電容量は大きい。 Here, ε 0 is the dielectric constant of vacuum, ε s is the relative permittivity of the insulator sandwiched between the primary winding 21 and the secondary winding 22, and S is the opposite of the primary winding 21 and the secondary winding 22. The area d is the distance between the primary winding 21 and the secondary winding 22. According to the equation (1), the capacitance C 1 between the primary winding 21 and the secondary winding 22 in the transformer 9 of the comparative example is equal to the opposing area of the primary winding 21 and the secondary winding 22. Proportional. In the transformer 9 of the comparative example shown in FIG. 1, the primary winding 21 and the secondary winding 22 are wound while being overlapped with each other, so the primary winding 21 and the secondary winding 22 are wound. The capacitance between is large.
図3は、一次巻線21と二次巻線22の対向面積が変圧器9に及ぼす影響を説明する図である。一次巻線21と二次巻線22の対向面積が大きいほど、一次巻線21と二次巻線22との間の静電容量が大きくなることはすでに述べた。一方、一次巻線21と二次巻線22の対向面積が大きいほど、高周波での巻線抵抗を増大させる近接効果や、漏れインダクタンスは小さくなる傾向にある。すなわち、一次巻線21、二次巻線22間の静電容量と、近接効果および漏れインダクタンスはトレードオフ関係にあると言ってよい。 FIG. 3 is a diagram for explaining the influence of the opposing area of the primary winding 21 and the secondary winding 22 on the transformer 9. As described above, the larger the facing area between the primary winding 21 and the secondary winding 22, the larger the capacitance between the primary winding 21 and the secondary winding 22. On the other hand, the proximity effect that increases the winding resistance at high frequency and the leakage inductance tend to decrease as the opposing area of the primary winding 21 and the secondary winding 22 increases. That is, it can be said that the capacitance between the primary winding 21 and the secondary winding 22, the proximity effect, and the leakage inductance are in a trade-off relationship.
なお、図3では一次巻線21と二次巻線22の対向面積に対して、近接効果および漏れインダクタンスは線形な特性を示しているが、これは説明を簡略化するための措置であり、近接効果および漏れインダクタンスは実際には様々な要因によって決まるものである。 In FIG. 3, the proximity effect and the leakage inductance have linear characteristics with respect to the opposing area of the primary winding 21 and the secondary winding 22, but this is a measure for simplifying the explanation, Proximity effects and leakage inductance are actually determined by various factors.
図4は、実施例1に係る変圧器10の水平断面図である。図1の変圧器9と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。本実施例の変圧器10の二次巻線22は、少なくとも1つ以上の貫通孔23を有する。貫通孔23の役割と効果は次の通りである。
FIG. 4 is a horizontal sectional view of the
図5は、本実施例に係る変圧器10の一次巻線21と二次巻線22との間の静電容量を説明する図である。一次巻線21と二次巻線22との対向面積は、二次巻線22に施された貫通孔23の面積の分だけ減少する。すなわち、全ての貫通孔23の面積の総和をShとおけば、本実施例に係る変圧器10の一次巻線21と二次巻線22との間の静電容量C2は次の式(2)で表される。
FIG. 5 is a diagram illustrating the capacitance between the primary winding 21 and the secondary winding 22 of the
式(1)、(2)を比較すれば、C2がC1よりも小さくなることは明らかである。すなわち、比較例の変圧器9に比べて、本実施例に係る変圧器10の一次巻線21と二次巻線22との間の静電容量は小さくなる。これにより、近接効果に起因する巻線損失の増大や漏れインダクタンスを抑制しつつ、一次巻線・二次巻線間の静電容量の増大を抑制した変圧器10を提供できる。
Equation (1), the comparison of (2), it is clear that C 2 is smaller than C 1. In other words, the capacitance between the primary winding 21 and the secondary winding 22 of the
なお、変圧器10を設計するにあたり、一次巻線21と二次巻線22との間の静電容量の低減を第一の目的とするならば、貫通孔23は少なくとも2つ以上とし、複数の貫通孔23は二次巻線22の広範囲にわたって分布するのが良い。1つの貫通孔23で一次巻線21と二次巻線22との間の静電容量を大きく低減させるためには、貫通孔23の面積を大きくせざるを得ず、変圧器10の機械的強度不足が懸念されるほか、変圧器10の電気的特性を設計することが困難になる場合があるためである。
In designing the
図6を参照して、本実施例の変形例を説明する。図6は、本実施例の変形例に係る変圧器10の二次巻線22の一部とその拡大図を示している。図6における二次巻線22は、鉄心20に巻き回される前の状態である。二次巻線22には、少なくとも1つ以上の貫通孔23が施されており、貫通孔23の形状はひし形(四角形)である。図6において、二次巻線22では左から右にかけて電流が流れるものとする。
A modification of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows a part of the secondary winding 22 of the
図6の一部拡大図に示すように、二次巻線22に貫通孔23が施された場合、A点における電流は貫通孔23の端部によって分流する。さらに、電流はその先の別の貫通孔23によっても分流する。結果的に、二次巻線22を流れる電流の経路はジグザグ状になるため、貫通孔23を施さない場合に比べて、貫通孔23を施した二次巻線22の正味の直流抵抗は増加する。そのため、貫通孔23を施さない場合に比べて、貫通孔23を施した二次巻線22の損失が増加する懸念がある。
As shown in the partially enlarged view of FIG. 6, when the through
これを回避するには、貫通孔23の存在により減少した二次巻線22の正味の導電面積を増やせば良い。より具体的には、二次巻線22の幅や厚みを増せばよい。ただし、二次巻線22の幅を増すと、鉄心20の高さが増すことになり、二次巻線22の厚みを増すと、鉄心20の横幅が増すことになる。一方、高周波電流が導体を流れる場合には、表皮効果の影響を受け、導体中心部の抵抗値が高くなることが知られている。すなわち、変圧器10を高周波で駆動する場合には、二次巻線22の厚みを増しても所望の効果が得られない場合がある。
In order to avoid this, the net conductive area of the secondary winding 22 reduced due to the presence of the through
そこで貫通孔23の形状に着目する。貫通孔23の形状は様々考えられるが、貫通孔23の形状をひし形(四角形)とすれば、図6に示したように二次巻線22を流れる電流はジグザグ状にスムーズに分流し、二次巻線22内での電流経路を短くできる。これにより貫通孔23を施すことによる直流抵抗の増加を抑制できる。貫通孔23の形状を六角形としても同様の効果が期待できる。また、貫通孔23の形状に関し、貫通孔23の電流と平行する方向の長さをX、電流方向と垂直な方向の長さをYとして、X/Yを大きくすれば、ジグザグ経路はより直線的になるため、さらに直流抵抗の増加を抑制できる。
Therefore, attention is paid to the shape of the through
一方で、多角形状の貫通孔の端部に電界が集中し、長期間の運転の中で絶縁性能が悪化するなどの影響が懸念される。そこで、貫通孔23の形状を円または楕円とすることで、貫通孔23内の端部における電界集中を緩和し、絶縁性能への影響を払拭できる。なお、貫通孔23の形状が楕円の場合であっても、貫通孔23の形状を二次巻線22を流れる電流と平行な方向に長く、垂直な方向に短くすれば、二次巻線22の直流抵抗の増加を抑制することができる。
On the other hand, there is a concern that the electric field concentrates at the end of the polygonal through hole and the insulation performance deteriorates during a long-term operation. Therefore, by making the shape of the through
なお、図4では一例として巻数比が1である変圧器10を示したが、巻数比は1より大きくても良い。また、図4では、一次巻線21と二次巻線22が対向した状態で重ねられ、鉄心20の両脚に巻き回された構造を示したが、本発明はその構造の限りではない。例えば、鉄心20の片方の脚のみに、一次巻線21と二次巻線22が対向した状態で重ねて巻き回された場合や、鉄心20の片方の脚に一次巻線21と二次巻線22が対向した状態で重ねて巻き回され、鉄心20の残る片方の脚には一次巻線21が巻きまわされ、その上に二次巻線22が巻き回された場合でも、本発明の貫通孔23がもたらす効果は同様である。
In FIG. 4, the
以上のことから、変圧器10の設計目的に応じて、巻線の厚み、幅、貫通孔の形状、数、面積の総和、巻き方を総合的に考慮することが肝要である。これにより、最小の製作コストで、近接効果に起因する巻線損失の増大や漏れインダクタンス、一次巻線・二次巻線間の静電容量が適切に設計された変圧器10を提供できる。
From the above, it is important to comprehensively consider the winding thickness, width, through-hole shape, number, total area, and winding method according to the design purpose of the
以上では二次巻線22に貫通孔23を施した場合について説明したが、一次巻線21に貫通孔23を施した場合についても、同様の効果が得られることは明白である。また、一次巻線21、二次巻線22の両方に貫通孔23を施した場合については、さらなる効果が期待できる場合があり、以下ではそのことについて詳細に説明する。
Although the case where the through
図7および図8を参照して、実施例2の変圧器について説明する。図7は、本実施例に係る変圧器10の一次巻線21および二次巻線22の一部を示している。図7における一次巻線21、二次巻線22は、それぞれ鉄心20に巻き回される前の状態である。本実施例では、貫通孔23は一次巻線21、二次巻線22の両方に、それぞれ貫通孔23a,23bとして施されている。さらに、一次巻線21に施された貫通孔23aと、二次巻線22に施された貫通孔23bとが極力重ならないように、一次巻線21、二次巻線22とが重ねられ、鉄心20に巻き回される。このような構成とすることで、一次巻線・二次巻線間の静電容量の増大をさらに抑制した変圧器10を提供できる。
The transformer of Example 2 is demonstrated with reference to FIG. 7 and FIG. FIG. 7 shows a part of the primary winding 21 and the secondary winding 22 of the
図4から、巻線のターン数が増えるごとに、丸みを帯びた角の部分を形成するのに必要な巻線の長さは長くなることがわかる。さらに、二次巻線22は一次巻線21の外側に巻き回されることから、二次巻線22の1ターンあたりの長さは、一次巻線21のそれよりも長くなる。このことから、ターン数が増えるに従って、貫通孔23aと貫通孔23bとの重なり具合が徐々に変化し、一次巻線21と二次巻線22との間の静電容量を所望の値に設計することが難しい。そこで、図8に示すように、巻線の丸みを帯びた角の部分を除いた部分、すなわち直線状である部分にのみ、貫通孔23a、貫通孔23bを形成すれば、貫通孔23aと貫通孔23bとの重なり具合を設計値に近づけることができるので、一次巻線・二次巻線間の静電容量を精度良く設計できる。
From FIG. 4, it can be seen that as the number of turns of the winding increases, the length of the winding required to form a rounded corner portion increases. Further, since the secondary winding 22 is wound outside the primary winding 21, the length per turn of the secondary winding 22 is longer than that of the primary winding 21. From this, as the number of turns increases, the degree of overlap between the through
図9を参照して、本実施例の変形例を説明する。図9は、本実施例に係る変圧器10の一次巻線21および二次巻線22の一部を示している。図9における一次巻線21、二次巻線22は、それぞれ鉄心20に巻き回される前の状態である。本実施例では、一次巻線上辺部領域24a、一次巻線下辺部領域25aを除いた部分の一次巻線21に、貫通孔23aが施されている。同様に、二次巻線上辺部領域24b、二次巻線下辺部領域25bを除いた部分の二次巻線22に、貫通孔23bが施されている。さらに、貫通孔23aと貫通孔23bとが極力重ならないように、一次巻線21、二次巻線22とが重ねられ、鉄心20に巻き回される。
A modification of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows a part of the primary winding 21 and the secondary winding 22 of the
一般に、対向し合う一次巻線21、二次巻線22において、巻線中央部領域では、対向していることにより、一次巻線21、二次巻線22がそれぞれ発生する磁場を打ち消す作用が大きいが、巻線上辺部領域、巻線下辺部領域ではその作用が相対的に小さく、漏れインダクタンスのほとんどは巻線上辺部領域、巻線下辺部領域で発生していると言っても良い。巻線上辺部領域、巻線下辺部領域に貫通孔23を施せば、一次巻線21、二次巻線22がそれぞれ発生する磁場を打ち消す作用を弱めてしまうため、漏れインダクタンスが大きく増大する。
Generally, in the primary winding 21 and the secondary winding 22 that are opposed to each other, in the central region of the winding, they are opposed to each other, thereby canceling out the magnetic fields generated by the primary winding 21 and the secondary winding 22, respectively. Although it is large, the action is relatively small in the upper winding region and the lower winding region, and it can be said that most of the leakage inductance occurs in the upper winding region and the lower winding region. If the through
また、巻線上辺部領域、巻線下辺部領域は機械的応力が集中するため、巻線上辺部領域、巻線下辺部領域に貫通孔23を施せば、一次巻線21、二次巻線22の全体的な機械強度を低下させやすい。
Further, since mechanical stress concentrates in the upper side region of the winding and the lower side region of the winding, if the through
そこで、巻線上辺部領域、巻線下辺部領域を除いた巻線中央部領域にのみ貫通孔23を施すことで、一次巻線21、二次巻線22の機械強度の悪化を防ぎ、漏れインダクタンスの増大を極力抑制しつつ、一次巻線21、二次巻線22との間の静電容量を小さくした、変圧器10を提供できる。言い換えると、貫通孔23が設けられる巻線の短手方向の端部に貫通孔を設けない禁止領域が設定されている。
Therefore, by providing the through
図10を参照して、本実施例のさらに別の変形例を説明する。図10は、本実施例に係る変圧器10の一次巻線21および二次巻線22の両端部を示している。図10における一次巻線21、二次巻線22は、それぞれ鉄心20に巻き回される前の状態である。図10では、二次巻線22の内周側端部領域26a、外周側端部領域26bが図示されているが、二次巻線22の裏に隠れている一次巻線21も同様に、内周側端部領域、外周側端部領域が設定されている。以降では二次巻線22の内周側端部領域26a、外周側端部領域26bについて説明するが、一次巻線21の内周側端部領域、外周側端部領域も同様である。
With reference to FIG. 10, another modification of the present embodiment will be described. FIG. 10 shows both ends of the primary winding 21 and the secondary winding 22 of the
二次巻線22の内周側端部領域26a、外周側端部領域26bともに、機械的に巻き回しを実施するために所定の機械強度が必要になる場合がある。このことに鑑みて、二次巻線22の内周側端部領域26a、外周側端部領域26bを除いた部分に貫通孔23bを施す。言い換えると、貫通孔23が設けられる巻線の長手方向の端部に貫通孔を設けない禁止領域が設定されている。
A predetermined mechanical strength may be required to mechanically wind both the inner peripheral
このような構成とすることで、変圧器10の製作上必要な機械強度を保持しつつ、一次巻線21、二次巻線22との間の静電容量を極力小さくした変圧器10を提供できる。
By adopting such a configuration, the
なお、内周側端部領域26aに比べて、外周側端部領域26bの方が求められる機械強度が大きい場合が多いことから、内周側端部領域26aよりも広い領域を外周側端部領域26bとして設定するのが良い。
The outer peripheral
図11を参照して、貫通孔23の形状について詳細に説明する。図11は、二次巻線22に施されたひし形(左図)、または楕円形(右図)の貫通孔23bと、その垂直断面図を示している。貫通孔23bの形状がひし形である場合、貫通孔23bの垂直断面において、2つの対角線の長さは二次巻線22の両表面から中心部にかけて減少するように設計する。また、形状が楕円である場合、長径、短径は二次巻線22の両表面から中心部にかけて減少するように設計する。すなわち、貫通孔23bの断面はいわゆるテーパ形状となる。
The shape of the through
このような構成とすることで、二次巻線22に貫通孔23bを形成する際に、加工の端面に生じる不要な突起、いわゆるバリの発生を抑制することができる。二次巻線22の表面にバリが残っていると、一次巻線21、二次巻線22の間の絶縁距離が設計よりも短くなり、期待した絶縁性能が得られないほか、変圧器10の運転中にバリが剥がれ落ち、電気的短絡などの予期せぬ故障を招く要因となる。そこで、貫通孔23bの断面をテーパ形状とすることで、バリの発生を抑制して信頼性の高い変圧器10を提供できる。なお、一次巻線21に貫通孔23aを施す場合も、同様の方法で同様の効果が期待できる。
With such a configuration, when the through
図12を参照して、本実施例の貫通孔23が変圧器10にもたらす別の効果を説明する。変圧器10は、例えば油浸変圧器であって、絶縁油が自然または強制的に巡回し、鉄心20、一次巻線21、二次巻線22を冷却する。通常、絶縁油は変圧器の下部から鉄心20と一次巻線21の間や、一次巻線21と二次巻線22の間に浸入し、変圧器の上部へと抜け、変圧器タンクに備え付けられる放熱器で冷却されて、再び変圧器の下部へと巡回する。
With reference to FIG. 12, another effect which the through-
一次巻線21、二次巻線22に貫通孔23がない場合には、変圧器の下部から上部までの流路は直線状であり、鉄心20、一次巻線21、二次巻線22に温度分布が発生しやすい。とりわけ、変圧器10が高周波で駆動する場合には、鉄損が大きいために鉄心20の発熱が大きく、鉄心20と一次巻線21との間の油温が最も高くなり、最外周の巻線付近の温度との差は大きくなる。
When the primary winding 21 and the secondary winding 22 do not have the through
油浸変圧器に適用される絶縁階級「絶縁A種」では、基準となる周囲温度が40℃である場合、温度上昇の限度は65Kと定められている。そのため、最高温度となる箇所が65K以内となるように設計せざるを得ず、変圧器10内の温度分布を小さくすることが好ましい。
In the insulation class “class A insulation” applied to the oil immersion transformer, when the reference ambient temperature is 40 ° C., the temperature rise limit is set to 65K. For this reason, it is necessary to design the location where the maximum temperature is within 65K, and it is preferable to reduce the temperature distribution in the
そこで、図12に示すように、一次巻線21、二次巻線22に貫通孔23を施せば、油流40は貫通孔23を通って隣の流路にも浸入することができ、鉄心20と一次巻線21の間の油温、一次巻線21と二次巻線22の間の油温が平準化される。
Therefore, as shown in FIG. 12, if the through
このような構成とすることで、これまで強制的に油を循環させる必要があった変圧器を自然循環とすることが可能となる。また、鉄心20、一次巻線21、二次巻線22の冷却性が増すので、さらなる小形化を図ることもできる。
By adopting such a configuration, it is possible to make a natural circulation of a transformer that has been required to forcibly circulate oil until now. Further, since the cooling performance of the
図13を参照して、実施例3の電力変換システムについて説明する。図13は、本実施例に係る変圧器10を搭載した電力変換システム11の構成例を説明する図である。電力変換システム11は、主として第一の変換ユニット12、第二の変換ユニット13、変圧器10、制御装置19、とで構成される。
With reference to FIG. 13, the power conversion system of Example 3 is demonstrated. FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration example of the
第一の変換ユニット12は、入力された直流電圧Vinを交流電圧に変換して出力するものである。変圧器10は、第一の変換ユニット12が出力する交流電圧を、巻数比に応じて昇圧または降圧するものである。第二の変換ユニット13は、変圧器10が昇圧または降圧した交流電圧を整流し、直流電圧Voutを出力するものである。
The
ここで、電力変換システム11内の各構成の接続を説明する。変圧器10の一次巻線21は第一の変換ユニット12の出力端子と接続され、二次巻線22は第二の変換ユニット13の入力端子と接続される。制御装置19は、電力変換システム11の動作を制御するために必要な計算処理を実施するとともに、第一の変換ユニット12、第二の変換ユニット13とのデータ授受を実施する。第一の変換ユニット12、第二の変換ユニット13から制御装置19へ送られるデータは、例えば、電圧や電流の瞬時値である。制御装置19から第一の変換ユニット12、第二の変換ユニット13へ送られるデータは、例えば、半導体スイッチング素子を駆動するためのゲート信号である。
Here, the connection of each component in the
次に、第一の変換ユニット12、第二の変換ユニット13の構成例をそれぞれ説明する。第一の変換ユニット12は、主として4つのIGBT等の半導体スイッチング素子15と4つのダイオード16で構成されたブリッジ回路と、コンデンサ17で構成される2レベルフルブリッジ型インバータ回路である。ここに含まれるブリッジ回路は、具体的には、直列接続した二つの半導体スイッチング素子15のそれぞれにダイオード16を逆並列に接続した直列接続回路を、並列に設置し、両回路の出力端子を変圧器10の一次巻線21の両端に接続したものである。
Next, configuration examples of the
一方、第二の変換ユニット13は、例えば4つのダイオード16で構成されたブリッジ回路、リアクトル18、コンデンサ17で構成される。このブリッジ回路は、具体的には、二つのダイオード16の直列接続回路を並列に設置し、両回路の入力端子を変圧器10の二次巻線22の両端に接続したものである。ダイオード16は半導体スイッチング素子15に比べて低コストであり、また受動部品であることから駆動回路を不要とできるので、第二の変換器ユニット13を低コストで構成することができる。
On the other hand, the
半導体スイッチング素子15がターンオフする際には、遮断される電流の時間変化と電流経路に含まれるインダクタンス成分で決まるサージ電圧が発生する。このサージ電圧は、半導体スイッチング素子15や変圧器10の絶縁を破壊するおそれがある。しかし、遮断される電流経路に含まれるインダクタンス成分を低減することは容易ではなく、大抵の場合、コストが高くなる傾向にある。一方で、遮断される電流の時間変化を緩和するために、半導体スイッチング素子15に並列にスナバコンデンサを接続する場合があるが、この場合も追加コストが発生し、また電力変換システム11の大形化を招く。
When the
実施例1或いは実施例2で説明したように、本発明の変圧器10は、一次巻線21および二次巻線22のいずれか一方または両方に貫通孔23を施すことにより、漏れインダクタンス、一次巻線21、二次巻線22間の静電容量を適切に設計することが可能となる。変圧器10の漏れインダクタンスは、上述した遮断される電流経路のインダクタンス成分に含まれる。そこで、電力変換システム11に、漏れインダクタンスが小さくなるように貫通孔23の大きさや数を小さくした変圧器10を適用することにより、半導体スイッチング素子15のターンオフ動作に起因するサージ電圧の発生を抑制できる。
As described in the first embodiment or the second embodiment, the
これにより、半導体スイッチング素子15や変圧器10の動作信頼性を高めることができる。また、半導体スイッチング素子15に並列に接続されるスナバコンデンサの低容量化、省略化が可能となり、低コストで高信頼な電力変換システム11を提供できる。
Thereby, the operation reliability of the
なお、電力変換システム11の定格電力が、例えば100kW以上である場合には、変圧器10の駆動周波数は商用周波数以上の高周波、例えば1kHzで励磁するのがよい。このようにすることで、鉄心20の断面積を小さくでき、変圧器10の体積を小さくできる。さらに鉄心20を薄帯状の磁性材料を複数枚巻回して構成される巻鉄心とすることで、高周波領域で顕著となる渦電流損の発生を抑制でき、変圧器10の体積を更に小さくできる。このような巻鉄心として、鉄を主成分とするアモルファス構造や微細な結晶構造を有する薄帯状合金が好適であるが、この限りではない。
In addition, when the rated power of the
図14を参照して、本実施例の変形例を説明する。図14は、図13の第二の変換ユニット13の別の構成例を示している。なお、ここに示す第一の変換ユニット12は図13と同等であるので重複説明は省略する。
A modification of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 14 shows another configuration example of the
図14の第二の変換ユニット13は、例えば4つのIGBT等の半導体スイッチング素子15と4つのダイオード16で構成されたブリッジ回路とコンデンサ17で構成される2レベルフルブリッジ型コンバータ回路である。ここに含まれるブリッジ回路は、具体的には、直列接続した2つの半導体スイッチング素子15のそれぞれにダイオード16を逆並列に接続した直列接続回路を、並列に設置し、両回路の入力端子を変圧器10の二次巻線の両端に接続したものである。
The
このような構成とすることで、電力変換システム11は直流電圧V1側と、直流電圧V2側との間で双方向に電力を融通することが可能となる。また、直流電圧V1側から直流電圧V2側へ電力を融通する場合は、第二の変換ユニット13の半導体スイッチング素子15を同期整流方式で駆動することにより、図13で示した、4つのダイオードで構成されたブリッジ回路で整流する場合に比べて導通損失を低減できる。同様に、直流電圧V2側から直流電圧V1側へ電力を融通する場合は、第一の変換ユニット12の半導体スイッチング素子15を同期整流方式で駆動すれば、同様の効果が得られる。
With such a configuration, the
図15を参照して、本実施例のさらに別の変形例を説明する。図15は、電力変換システム11の別の構成例を示している。なお、すでに説明した部分は同一符号を付し、その説明を省略する。変圧器10は2つの二次巻線22を有する多巻線変圧器であり、電力変換システム11は2つの第二の変換ユニット13を有する。変圧器10の各々の二次巻線22は、各々の第二の変換ユニット13の入力端子にそれぞれ接続される。このような構成とすることで、電力変換システム11は2つの出力を有することができる。2つの出力を直列に接続すれば、2倍の出力電圧が得られる。また、2つの出力を並列に接続すれば、2倍の出力電流が得られ、電力変換システム11の適用範囲を広くすることができる。
With reference to FIG. 15, another modification of the present embodiment will be described. FIG. 15 shows another configuration example of the
以上、本実施例の第一の変換ユニット12と第二の変換ユニット13の具体例を図13から図15に示したが、変換ユニットの組み合わせはこれらに限定するものではない。例えば、3レベルハーフブリッジ型、3レベルフルブリッジ型のインバータ回路、コンバータ回路、整流回路の任意の組み合わせによっても、本実施例と同様の効果を得ることができる。
Specific examples of the
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 In addition, this invention is not limited to an above-described Example, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
例えば図13で示した半導体スイッチング素子15は、複数の半導体スイッチング素子を直列、並列に接続して構成した半導体スイッチング素子群を含む。その他の構成部品についても同様である。
For example, the
また、各実施例において、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。 In each embodiment, control lines and information lines indicate what is considered necessary for the description, and not all control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.
また、冒頭で述べたように、本明細書では洋上ウインドファームに用いられる変圧器および電力変換システムを前提に説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、陸上ウインドファームやメガソーラシステム、その他の直流送配電システムなどの電力変換システム(DC/DCコンバータ)にも適用可能であるのは言うまでもない。 In addition, as described at the beginning, the present specification has been described on the premise of the transformer and the power conversion system used in the offshore wind farm, but the scope of the present invention is not limited to this, and the onshore wind farm Needless to say, the present invention can also be applied to power conversion systems (DC / DC converters) such as DC solar power distribution systems.
9,10…変圧器
11…電力変換システム
12…第一の変換ユニット
13…第二の変換ユニット
15…半導体スイッチング素子
16…ダイオード
17…コンデンサ
18…リアクトル
19…制御装置
20…鉄心
21…一次巻線
22…二次巻線
23,23a,23b…貫通孔
24a…一次巻線上辺部領域
24b…二次巻線上辺部領域
25a…一次巻線下辺部領域
25b…二次巻線下辺部領域
26a…二次巻線内周側端部領域
26b…二次巻線外周側端部領域
31…一次側脚間配線
32…二次側脚間配線
33…一次巻線接続端子
34…二次巻線接続端子
40…油流。
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記鉄心を囲んで当該鉄心の周囲に巻かれた薄板状の導電体からなる一次巻線と、
前記鉄心を囲んで当該鉄心の周囲に巻かれた薄板状の導電体からなる二次巻線と、を備え、
前記一次巻線および前記二次巻線のうち、少なくともいずれか一方は1つ以上の貫通孔を有することを特徴とする変圧器。 Iron core,
A primary winding made of a thin plate-like conductor wound around the iron core and surrounding the iron core;
A secondary winding made of a thin plate-like conductor that surrounds the iron core and is wound around the iron core, and
At least one of the primary winding and the secondary winding has one or more through holes.
前記一次巻線および前記二次巻線は、前記鉄心の周囲に互いに重ね合わせて巻き回わされることを特徴とする変圧器。 The transformer of claim 1,
The transformer, wherein the primary winding and the secondary winding are wound around each other around the iron core.
前記貫通孔の全部または一部は、四角形、六角形を含む多角形、若しくは円形または楕円形であることを特徴とする変圧器。 The transformer according to claim 1 or 2,
The whole or part of the through hole is a quadrangle, a polygon including a hexagon, or a circle or an ellipse.
前記変圧器は、商用周波数以上の周波数で励磁され、
前記鉄心は、薄帯状の磁性材料を複数枚巻き回して構成される巻鉄心であることを特徴とする変圧器。 The transformer according to any one of claims 1 to 3,
The transformer is excited at a frequency higher than the commercial frequency,
The said iron core is a wound iron core comprised by winding several sheets of thin strip-shaped magnetic materials, The transformer characterized by the above-mentioned.
前記鉄心は、鉄を主成分とするアモルファス構造、または微細な結晶構造を有する薄帯状合金で構成されることを特徴とする変圧器。 The transformer according to claim 4,
The said iron core is comprised with the thin strip-shaped alloy which has the amorphous structure which has iron as a main component, or a fine crystal structure.
前記変圧器は、前記鉄心と前記一次巻線の間、および前記一次巻線と前記二次巻線の間を絶縁油が流れる油浸変圧器であることを特徴とする変圧器。 The transformer according to any one of claims 1 to 5,
The transformer is an oil immersion transformer in which insulating oil flows between the iron core and the primary winding and between the primary winding and the secondary winding.
前記貫通孔は、前記一次巻線および前記二次巻線の両方に設けられ、
前記一次巻線の貫通孔の中心と前記二次巻線の貫通孔の中心が互いに重ならないように前記貫通孔が設けられることを特徴とする変圧器。 The transformer according to any one of claims 1 to 6,
The through hole is provided in both the primary winding and the secondary winding,
The transformer is characterized in that the through hole is provided so that the center of the through hole of the primary winding and the center of the through hole of the secondary winding do not overlap each other.
前記一次巻線および前記二次巻線のうち、前記貫通孔が設けられる巻線の短手方向の端部に貫通孔を設けない禁止領域を有することを特徴とする変圧器。 The transformer according to any one of claims 1 to 7,
A transformer having a forbidden region in which a through hole is not provided at an end portion in a short direction of a winding in which the through hole is provided among the primary winding and the secondary winding.
前記一次巻線および前記二次巻線のうち、前記貫通孔が設けられる巻線の長手方向の端部に貫通孔を設けない禁止領域を有することを特徴とする変圧器。 The transformer according to any one of claims 1 to 8,
A transformer having a forbidden region in which a through hole is not provided at an end in a longitudinal direction of a winding in which the through hole is provided among the primary winding and the secondary winding.
前記貫通孔の開口面積は、前記一次巻線または前記二次巻線の断面において、表面から中心部にかけて減少することを特徴とする変圧器。 The transformer according to any one of claims 1 to 9,
The transformer is characterized in that the opening area of the through hole decreases from the surface to the center in the cross section of the primary winding or the secondary winding.
前記第1の変換ユニットから出力される交流電圧を昇圧または降圧する変圧器と、
前記変圧器により昇圧または降圧された交流電圧を直流電圧に変換して出力する第2の変換ユニットと、
前記第1の変換ユニットおよび前記第2の変換ユニットを制御する制御装置と、を備え、
前記変圧器は、請求項1から10のいずれか1項に記載の変圧器であることを特徴とする電力変換システム。 A first conversion unit that converts an input DC voltage into an AC voltage and outputs the AC voltage;
A transformer for stepping up or stepping down the AC voltage output from the first conversion unit;
A second conversion unit that converts the AC voltage stepped up or down by the transformer into a DC voltage and outputs the DC voltage;
A control device for controlling the first conversion unit and the second conversion unit;
The said transformer is a transformer of any one of Claim 1 to 10, The power conversion system characterized by the above-mentioned.
前記第1の変換ユニットは、4つの半導体スイッチング素子と4つのダイオードからなるブリッジ回路と、1つのコンデンサを有する2レベルフルブリッジ型インバータ回路で構成され、
前記第2の変換ユニットは、4つのダイオードからなるブリッジ回路、1つのリアクトル、1つのコンデンサで構成されることを特徴とする電力変換システム。 The power conversion system according to claim 11, wherein
The first conversion unit includes a two-level full-bridge inverter circuit having a bridge circuit including four semiconductor switching elements and four diodes, and one capacitor.
The second conversion unit includes a bridge circuit including four diodes, one reactor, and one capacitor.
前記第1の変換ユニットおよび前記第2の変換ユニットの各々は、4つの半導体スイッチング素子と4つのダイオードからなるブリッジ回路と、1つのコンデンサを有する2レベルフルブリッジ型インバータ回路で構成されることを特徴とする電力変換システム。 The power conversion system according to claim 11, wherein
Each of the first conversion unit and the second conversion unit is configured by a two-level full-bridge inverter circuit having a bridge circuit including four semiconductor switching elements and four diodes and one capacitor. A featured power conversion system.
当該電力変換システムは、1つの第1の変換ユニットと2つの第2の変換ユニットを備え、
前記変圧器は、1つの一次巻線と2つの二次巻線を備え、
前記第1の変換ユニットの出力端子は前記一次巻線に接続され、
前記2つの第2の変換ユニットの各々の入力端子は前記2つの二次巻線にそれぞれ接続される多巻線変圧器であることを特徴とする電力変換システム。 The power conversion system according to claim 11, wherein
The power conversion system includes one first conversion unit and two second conversion units,
The transformer comprises one primary winding and two secondary windings,
An output terminal of the first conversion unit is connected to the primary winding;
An input terminal of each of the two second conversion units is a multi-winding transformer connected to the two secondary windings, respectively.
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