JP3223170U

JP3223170U - 三相四線式発電機

Info

Publication number: JP3223170U
Application number: JP2019002553U
Authority: JP
Inventors: 傍嶋　重憲; 重憲傍嶋
Original assignee: Daiichi Co Ltd
Current assignee: Daiichi Co Ltd
Priority date: 2019-07-11
Filing date: 2019-07-11
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2025-12-16

Abstract

【課題】日本仕様の三相四線式発電機であっても、トランスの巻線仕様と各相に対する結線仕様とを特定することで、三相交流２００Ｖと単相交流１００Ｖとを選択的に出力させることができる三相四線式発電機を提供する。【解決手段】三相四線式発電機において、１次巻線への入力電圧が約１１５Ｖのときに２次巻線に約６０Ｖの出力電圧が得られるトランスが設けられ、位相０の端子と、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの端子とをトランスの１次巻線に接続すると共に、２次巻線の中性点となる一端を位相０の端子に接続することで、２次巻線の他端と、１次巻線に接続されなかったＵ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの端子との間に約１００Ｖの単相交流が出力されるように構成した。【選択図】図２

Description

この考案は、三相四線式発電機に関し、更に詳細には、三相交流２００Ｖおよび単相交流１００Ｖを出力可能な、所謂マルチ出力方式の発電機に関するものである。

民生用途や工業用途で電力需要者に供給される電力は、三相交流と単相交流の２種類に大別される。すなわち電力会社は、発電所で発電した高圧の三相交流を電力網を介して市街地へ三相送電を行い、電力需要者の近くで柱上トランスにより変換した低圧単相交流を供給するようになっている。なお、鉄道やメッキ設備の稼動には大電力の直流が必要とされるが、これは本明細書の対象ではない。

ところで前記の電力事情は国によって様々であり、従って三相交流および単相交流の電圧値も対応的に様々になっている。この場合に単相交流電圧は、三相交流電圧を√３で除することで得られるため、三相交流と単相交流との対応電圧には、一例として以下のようなものがある。

しかるに日本では、三相交流電圧は２００Ｖであり、単相交流電圧は１００Ｖおよび２００Ｖである。すなわち一般家庭へは、送電線で送られる三相交流電圧２００Ｖを柱上トランスで降圧変換した単相交流１００Ｖおよび単相２００Ｖが配電される。

発電所で発電された電力を工場や一般家庭へ送電する場合、各国の電力事情は先に述べた通りである。ところで、電力会社からの給電を補完し、またはこれに代替する電力供給手段として、例えばエンジン等を動力源とする交流発電機が存在する。この交流発電機としては、電力会社からの送電が停止した場合に備える非常用自家発電設備や、前記送電を利用できない野外等の地域で使用される可般型発電設備が挙げられる。

ところで、前記エンジン等で駆動される交流発電機に接続される電気的負荷には、出力電圧に対応した電圧仕様が使用される。例えば、野外に設置した大型の建設機械の駆動源が三相誘導モータである場合は、その対応電圧は国によって異なるが、前述した３８０Ｖ、４００Ｖ、４１５Ｖ、２００Ｖ等の三相交流である。また、電気的負荷が小さい民生用の電気製品、例えば洗濯機や掃除機の場合は、同じく対応電圧は国によって異なるが、２２０Ｖ、２３０Ｖ、２４０Ｖ、１００Ｖ等の単相交流である。先に述べたように単相交流電圧は、三相交流電圧を√３で除することにより求められる。従って前記発電機は、世界各国の電力事情に応じた三相交流電圧または単相交流電圧を出力し得る仕様に予め設定されている。

例えば、三相交流電圧が３８０Ｖに規定されている国で使用される発電機は、当然のことながら、三相交流電圧３８０Ｖを出力する仕様になっている。また、その国では単相交流電圧は２２０Ｖに規定されているから、２２０Ｖ仕様の負荷に接続する発電機の出力電圧は、単相交流２２０Ｖに設定されている。この場合、三相交流３８０Ｖを出力する発電機では、当該発電機で発電した三相交流３８０Ｖを√３で除することにより、前記単相交流２１９Ｖ(≒２２０Ｖ)が出力される。すなわち、三相四線式の三相交流発電機を準備すれば、容易に三相交流３８０Ｖと単相交流２２０Ｖを選択的に出力することができる。また、前述した電力事情が、例えば三相交流４００Ｖで単相交流２３０Ｖの国や三相交流４１５Ｖで単相交流２４０Ｖであっても、その事情は同じである。なお、発電機における三相四線式は、三相交流の電力を４本のケーブルを用いて供給先へ配電する方式であって、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相からの引出線に加えて、三相発電機における電圧の掛からない中性点０(位相０)からの引出線を有している。但し、厳格には接地方式によって、前記定義は若干異なることがある。

特開２０１２−２３１５６７号公報

外国における三相交流および単相交流の電圧事情は先に述べた通りであるが、日本では三相四線式の交流発電機であっても、三相交流および単相交流を選択的に出力する所謂マルチ出力対応を採用し得ない事情がある。すなわち日本では、三相交流電圧は２００Ｖで、単相交流電圧は１００Ｖに規定されているため、これに対応する電気的負荷(電気製品)は２００Ｖ仕様および１００Ｖ仕様に厳格に分けられている。このため、三相四線式発電機を使用した場合、三相交流の電圧は２００Ｖが得られるが、単相交流の電圧は前記三相交流(２００Ｖ)を√３で除した約１１５Ｖになってしまう。従って、三相四線式発電機から単相交流１１５Ｖを出力したとしても、国内対応の電気的負荷は１００Ｖ専用になっているから、このままでは使用することができない。

そこで、三相四線式発電機から出力される単相交流１１５Ｖに、１００Ｖ対応の電気的負荷を接続するには、この１１５Ｖを１００Ｖにまで降圧させるダウントランスを使わざるを得ない。しかし、交流１１５Ｖを交流１００Ｖに降圧させるには、トランスに大きな電圧容量を必要として大型化し、コイルの巻線数も多くなるため製造コストが嵩む欠点がある。また、前記トランスは、三相四線式発電機に後付け乃至付帯設備することになるので、全体としての使い勝手が低下する難点も指摘される。

前記課題を解決し、所期の目的を達成するため請求項１に記載の考案は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の端子と、位相０の端子とを有し、前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の端子から三相交流電圧が出力され、前記位相０に対して前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかを組み合わせた２つの端子から単相交流電圧が出力される三相四線式発電機において、１次巻線への入力電圧が約１１５Ｖのときに２次巻線に約６０Ｖの出力電圧が得られるトランスが設けられており、前記位相０の端子と、前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの端子とを前記トランスの１次巻線に接続すると共に、該トランスにおける２次巻線の中性点となる一端を前記位相０の端子に接続することで、前記トランスにおける２次巻線の他端と、該トランスの１次巻線に接続されなかった前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの端子との間に約１００Ｖの単相交流が出力されるよう構成したことを要旨とする。
請求項１に係る考案によれば、三相四線式発電機から三相交流２００Ｖと単相交流１００Ｖとを選択的に出力させることのできるマルチ出力方式の発電機が得られて便利である。

前記と同様の課題を解決し、所期の目的を達成するため請求項２に記載の考案は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の端子と、位相０の端子とを有し、前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の端子から三相交流電圧が出力され、前記位相０に対して前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかを組み合わせた２つの端子から単相交流電圧が出力される三相四線式発電機において、１次巻線への入力電圧が約１１５Ｖのときに２次巻線に約１５Ｖの出力電圧が得られるトランスが設けられており、前記位相０の端子と、前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの端子とを前記トランスの１次巻線に接続すると共に、該トランスにおける２次巻線の一端を前記位相０の端子に接続することで、前記トランスにおける２次巻線の中性点になる他端と、該トランスの１次巻線に接続した前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの端子との間に約１００Ｖの単相交流が出力されるよう構成したことを要旨とする。
請求項２に係る考案によっても、同じく三相四線式発電機から三相交流２００Ｖと単相交流１００Ｖとを選択的に出力させることのできるマルチ出力方式の発電機が得られる。

日本仕様の三相四線式発電機において、簡単かつ廉価な構成によって三相交流２００Ｖと単相交流１００Ｖとを選択的に出力させることができる。

本考案が好適に実施される三相四線式インバータ発電機の全体回路図である。 (１)は、本考案の実施例１に係るトランスへの結線状態を示す概略回路図であり、(２)は(１)の回路図に基づくベクトル解析図である。 (１)は、本考案の実施例２に係るトランスへの結線状態を示す概略回路図であり、(２)は(１)の回路図に基づくベクトル解析図である。実施例１に係るトランスを３個使用することによって、１００Ｖ出力の最大電圧を１．５倍になし得ることの説明図であって、(１)は実施例１のトランスをＵ相、Ｖ相およびＷ相の夫々に結線した場合の回路図、(２)は(１)の回路図に基づくベクトル解析図である。

図１は、本考案が実施される三相四線式インバータ発電機の全体回路を示している。なお、本考案が実施される対象は、三相四線式発電機であれば良く、インバータ方式の発電機に限定されるものではない。図１において参照符号１０は、１２０度の位相角で配置した３つの電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗを有する三相交流発電機を示している。この三相交流発電機１０は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンのような内燃エンジンにより回転駆動されて三相交流を発電する。前記三相交流発電機１０で発電された三相交流は、サイリスタやトライアック等の整流素子を備えたコンバータ１６に入力され、該コンバータ１６で直流に変換される。変換後の直流は、電解コンデンサ１８で平滑された後に、下流側に設けたインバータ２０で交流に変換される。該インバータ２０は、例えばIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)やパワーMOSFET等の自己消弧形スイッチング素子からなり、そのゲートを駆動して直流のオン・オフ切換え(スイッチング動作)を高速で行うことで、該直流を交流に変換する。

図１に示すインバータ方式の三相交流発電機１０におけるコンバータ１６およびインバータ２０の各電気要素は、図示しない制御ユニットに内蔵した各種回路によって電気的な制御がなされる。また、図１に示す三相交流発電機１０は、マスター電機子巻線１０ａとスレーブ電機子巻線１０ｂとを有して、最終的に三相交流を出力するものである。このため前記コンバータは、前記マスター巻線１０ａが発電した三相交流を直流に変換する第１コンバータ１６ａと、前記スレーブ巻線１０ｂが発電した三相交流を直流に変換する第２コンバータ１６ｂとから構成される。これら第１および第２コンバータ１６ａ、１６ｂからの各直流は、前記インバータ２０において交流に変換され、得られた交流は各正弦波出力フィルタ２２を介して、Ｕ相端、Ｖ相端およびＷ相端に出力される。

図１に示す前記三相四線方式の回路は、三相交流発電機１０の回路から引き出した位相０の中性線０に対し、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の端子を夫々共通に接続することで、Ｕ相−Ｗ相、Ｗ相−Ｖ相およびＵ相−Ｖ相の各相間に高い電圧を得る方式である。例えば、前記三相四線方式では、Ｕ相−Ｗ相、Ｖ相−Ｗ相およびＵ相−Ｖ相に何れもＡＣ２００Ｖが出力され、またＵ相−中性線０、Ｖ相−中性線０およびＷ相−中性線０の各端子にＡＣ１１５Ｖが出力される。

(実施例１)
図１に示す三相四線式発電機の回路図において、長楕円形Ａで囲んだＵ相、Ｖ相およびＷ相の各ラインに対して、本考案の実施例１および実施例２に係るトランス２４が接続される。すなわち図２は、実施例１に係るトランス２４の結線状態を示すもので、該トランス２４の巻線比は、１次巻線２６に単相交流１１５Ｖを加えると、２次巻線２８に単相交流６０Ｖが出力される仕様に設定されている。先に説明したように、図１に示す三相四線式発電機では、前記中性点０の端子と、前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの端子との間に単相交流１１５Ｖが出力される。従って、図２(１)のトランス２４では、該トランス２４における１次巻線２６の中性点Ｒを前記Ｕ相の端子に接続し、また該１次巻線２６の他端Ｓを三相四線式発電機における前記中性点０の端子に接続する。これにより前記トランス２４の前記１次巻線２６には単相交流１１５Ｖが加えられる。また、前記トランス２４における２次巻線２８の中性点Ｚの端子を、前記三相四線式発電機における前記中性点０にフィードバック接続する。これにより、前記２次巻線２８の他方の端子Ｔと、三相四線式発電機の前記Ｖ相との間には、その設定仕様に基づき単相交流１００Ｖが出力される。同様に、前記２次巻線２８の他方の端子Ｔと、三相四線式発電機の前記Ｗ相の端子との間にも単相交流１００Ｖが出力される。

図２(１)に示した回路から交流１００Ｖが出力される理由を、図２(２)のベクトル解析に基づき説明する。円Ｃの中心０を通る第１の半径が円Ｃと交わる点をＵとし、第１の半径に対し円弧角１２０°をなす第２の半径が円Ｃと交わる点をＶとする。また第２の半径に対し円弧角１２０°をなす第３の半径が円Ｃと交わる点をＷとする。１２０°は三相交流の位相角に等しいから、円Ｃの交点Ｕ、ＶおよびＷは、三相交流におけるＵ相、Ｖ相およびＷ相の位相とみなすことができる。また、円Ｃの中心０は、図１に示した三相四線式発電機における中性点０とみなすことができる。従って、円Ｃにおける第１の半径(０−Ｕ)の交点Ｕ、第２の半径(０−Ｖ)の交点Ｖおよび第３の半径(０−Ｗ)の交点Ｗには、図１で示した如く、各交点に１１５Ｖが出力されていると置き換えて考えることができる。図２(２)において、円Ｃの交点Ｖと交点Ｗとを直線で結ぶと、前記中心０との間には頂角３０°の二等辺三角形が形成される。この二等辺三角形の頂点(前記中心０)から底辺(Ｖ−Ｗ)に向けて下ろした垂線の長さは、前記三角形の一辺の長さが１１５でかつ頂角３０°であるから、函数計算により５７．５が求められる。前記垂線が二等辺三角形の底辺と交わる点をＺとすれば、頂角３０°の直角三角形(０−Ｖ−Ｔおよび０−Ｗ−Ｔ)が得られる。ここで各直角三角形の底辺(Ｖ−ＴおよびＷ−Ｔ)の長さｘは、高さ５７．５および頂角３０°が判っているので、次の式から求められる。
ｔａｎ３０°＝５７．５／ｘ
ｘ＝５７．５／ｔａｎ３０°
ｘ＝９９．５９≒１００
すなわち、Ｖ−ＴおよびＷ−Ｔは１００である。これは図２(２)の円Ｃにおいて、中心０からベクトルで５７．５だけ偏倚した個所(Ｔ)で、Ｖ相−ＮおよびＷ相−Ｎに夫々１００Ｖが出力されることを意味している。

(実施例２)
図３(１)は、実施例２に係るトランス２４の結線状態を示すもので、該トランス２４の１次巻線２６と２次巻線２８との巻線比は次の仕様になっている。すなわち、１次巻線２６に単相交流１１５Ｖを加えると、２次巻線２８には単相交流１５Ｖが出力される。図１に示す三相四線式発電機の前記中性点０の端子と、図３(１)に示すトランス２４における１次巻線２６の中性点Ｒ側を前記Ｕ相の端子に接続し、また該１次巻線２６の他端Ｓを前記三相四線式発電機における中性点０の端子に接続する。これにより前記１次巻線２６には単相交流１１５Ｖが加えられる。また、前記２次巻線２８において前記１５Ｖが出力される側の端子Ｔを前記三相四線式発電機における中性点０にフィードバック接続する。すると、前記Ｕ相の端子と前記トランス２４における２次巻線２８の中性点Ｚとの間に、単相交流１００Ｖが出力される。

図３(１)において、Ｕ相と前記トランス２４における２次巻線２８の中性点Ｚとの間に単相交流１００Ｖが出力される理由を、図３(２)のベクトル解析に基づいて説明する。図３(２)で０−Ｕ−Ｗを各頂点とする２等辺三角形は、底辺(Ｕ−Ｗ)が２００(Ｖ)であり、他の２辺(０−Ｕ、０−Ｗ)は１１５(Ｖ)であって、かつ内角は１２０°および６０°である。図３(１)で説明したように、前記トランス２４における２次巻線２８の１５Ｖ側である端子Ｔは中性点０へフィードバック接続されている。これをベクトル成分として考えると、図３(２)の０−Ｕ(１１５)に関して、前記中性点０から１５だけＵ相側へ偏倚した点ＺとＵ相との間は、１００(Ｖ)であることになる。すなわち、前記中性点０とＵ相との間に１００Ｖ(１１５Ｖでなく)が出力していることになる。

(変更例)
実施例１および実施例２に示した仕様のトランス２４を、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相毎に使用することで、交流出力(ＫＶＡ)の増大を図ることができる。例えば、三相四線式インバータ発電機の電気容量が１０ＫＶＡの場合に、実施例１のマルチ出力対応にすると、Ｖ−０およびＷ−０には単相１００Ｖが出力されるので、各電気容量は３ＫＶＡ(合計３ＫＶ×２＝６ＫＶＡ)になる。

また前記トランス２４を、図４(１)に示すように、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相毎に合計３個使用すると、単相交流１００Ｖ出力の電気容量は最大で９ＫＶＡまで得ることが可能になる。すなわち、図４(１)の結線図において、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の夫々に接続されるトランス２４から出力される単相交流１００Ｖをベクトル解析すると、図４(２)に示す通りである。図２および図３に関して述べた如く、中心角１２０°の半径と円Ｃとの交点をＵ、ＶおよびＷとしたとき、頂角６０°の正三角形Ｕ−Ｖ−Ｗが得られる。この正三角形の頂点Ｕ、ＶおよびＷから夫々中心Ｃを通過する垂線を下げて、各辺と交わる点をＺ、Ｙ、Ｘとすると、図２に関して述べたように、Ｕ−Ｘ、Ｕ−Ｙ、Ｖ−Ｘ、Ｖ−Ｚ、Ｗ−ＹおよびＷ−Ｚの夫々には、単相交流１００Ｖが出力される。すなわち、各相間の電圧容量は１．５ＫＶＡなので、合計９ＫＶＡ(１．５ＫＶＡ×６)の電圧容量が最大で得られる。

Claims

Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の端子と、位相０の端子とを有し、前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の端子から三相交流電圧が出力され、前記位相０に対して前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかを組み合わせた２つの端子から単相交流電圧が出力される三相四線式発電機において、
１次巻線への入力電圧が約１１５Ｖのときに２次巻線に約６０Ｖの出力電圧が得られるトランスが設けられており、
前記位相０の端子と、前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの端子とを前記トランスの１次巻線に接続すると共に、該トランスにおける２次巻線の中性点となる一端を前記位相０の端子に接続することで、
前記トランスにおける２次巻線の他端と、該トランスの１次巻線に接続されなかった前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの端子との間に約１００Ｖの単相交流が出力されるよう構成した
ことを特徴とする三相四線式発電機。
Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の端子と、位相０の端子とを有し、前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の端子から三相交流電圧が出力され、前記位相０に対して前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかを組み合わせた２つの端子から単相交流電圧が出力される三相四線式発電機において、
１次巻線への入力電圧が約１１５Ｖのときに２次巻線に約１５Ｖの出力電圧が得られるトランスが設けられており、
前記位相０の端子と、前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの端子とを前記トランスの１次巻線に接続すると共に、該トランスにおける２次巻線の一端を前記位相０の端子に接続することで、
前記トランスにおける２次巻線の中性点になる他端と、該トランスの１次巻線に接続した前記Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの端子との間に約１００Ｖの単相交流が出力されるよう構成した
ことを特徴とする三相四線式発電機。