JP3617660B2

JP3617660B2 - 絶縁変圧器

Info

Publication number: JP3617660B2
Application number: JP17575796A
Authority: JP
Inventors: 哲美高野
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1996-06-14
Filing date: 1996-06-14
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2016-06-14
Also published as: JPH104020A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電源及び電気機器の運転時に発生する電気的ノイズによる前記電気機器への電磁障害を防止する絶縁変圧器の構成に関する。
【０００２】
図６は、従来の絶縁変圧器の構成図である。
通信機器及び計測器のような電子機器等の電気機器の電源から侵入する電源ノイズ（以下ノイズと称する）を除去するために、通常は電源と電気機器との間にフイルター又はノイズ除去変圧器である絶縁変圧器を設けて対処している。
前記のフイルターを用いる方式では、電源側と使用機器側が電気的に接続線で接続されているために、この接続線の極間に電源と重畳して侵入する、例えばスイッチングレギュレータ電源から発生する高周波のノイズのようなノーマルモードのノイズに対してはその抑制効果はあるが、グラウンド又は筐体などを基準点として機器と接続している接続線間に現れる同相で非対称のノイズであるコモンモードノイズに対しては効果が小さいという欠点があるために、最近は前記した絶縁変圧器を使用する場合が多い。
【０００３】
この絶縁変圧器の構造は、図６に示すように１次巻線１と２次巻線２とをそれぞれ鉄心３の異なる脚に巻回し、前記各巻線の磁界結合を商用周波数帯のみとするために前記鉄心３を高周波特性の悪い磁性鋼板を用いて、かつ前記各巻線１及び２とを静電分離するために、１次側シールド４，２次側シールド５及びフレームシールド６，６ａの静電シールドを施し接地してあり、１次巻線１と２次巻線２間の静電容量を極めて小さくするとともに、導電部が露出しないように構成して、前記したノーマル及びコモンモードの何れのノイズをも除去するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記した従来の絶縁変圧器は、鉄心３に巻回されている各巻線間の磁界結合を悪くなるように構成して、かつ％インピーダンスが高いために、前記した電子機器のようなスイッチング電源負荷に電源を供給する場合には電源波形が歪んでくるという欠点があり、効率低下と電源ロスの原因となる。
また、雷のような大きなサージノイズが侵入してきた場合には、ノーマルモードノイズ及びコモンモードノイズともその除去効果は充分ではなく、使用機器の構成部品が電気的に損傷を被る恐れがあるという問題がある。
【０００５】
また、前記したようにノーマルモードノイズの除去のために高周波に対して磁気抵抗の高い鉄心３を用いる点においても、上記した問題点の他に、鉄心３の接地が不充分の場合には、１次巻線１側に生成したノイズ電流によって生じた磁界によるノイズ起磁力によって鉄心３に高周波のノイズを誘導して、２次巻線２に起電力を発生するために、ノイズの減衰効果が小さくなるという現象がみられる。したがって、通常の電子機器の設置場所では必ずしも鉄心３の接地が完全になされていない場合があり、完全に接地板を設けて行われた試験により求められたノイズ除去比が、通常の機器の設置場所では達成されないことが多いという問題がある。
【０００６】
この発明の課題は、前記した従来の絶縁変圧器の問題点を解決して、絶縁変圧器の巻線間の商用周波数に対する磁界結合を向上させるとともに、％インピーダンスを小さくして電源波形の歪みを小さくし、また、前記した外雷の侵入に対してもその影響を小さくすることができ、かつ、鉄心の接地が不充分な場合においてもノイズの減衰効果が優れた絶縁変圧器の構造を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明によれば、ノイズを除去する巻線間及びフレームとグランド間に静電シールドを施してなる絶縁変圧器を、２次巻線に中間タップを有する第１の絶縁変圧器と、１次巻線に中間タップを有する第２の絶縁変圧器とをカスケード接続して構成するようにする。
これにより、前記したカスケード接続した絶縁変圧器の商用周波数に対するインピーダンスは、２台の絶縁変圧器のインピーダンスの和となるために、それぞれの絶縁変圧器のインピーダンスを適宜選定することにより％インピーダンスが過大とならないようにすることができ、かつ、定格付近での運転時においても電圧低下を起こさず、かつ電子機器のような低力率負荷の場合においても電源波形が歪むのを防止することができる。
【０００８】
また、この発明からなる絶縁変圧器の巻線構成では、第１の絶縁変圧器と第２の絶縁変圧器との鉄心が分離された構造からなっているので、前記した電源側の第１の絶縁変圧器の１次巻線から鉄心を介して２次巻線へ誘導されたノイズは、カスケード接続されている第１と第２の絶縁変圧器の間に磁気シールドを設ける構成により容易に阻止することが可能となる。
【０００９】
更に、上記したカスケード接続された絶縁変圧器において、第１の絶縁変圧器の２次巻線の巻線端子間と、この２次巻線の両巻線端子と中間タップ間のそれぞれに避雷器を設ける構成とする。
一般に雷等のサージ電圧に対して変圧器に設けられる避雷器の挿入位置は、線間と、線とフレームグランド間であり、これによりそれぞれノーマルモードとコモンモードの前記サージ吸収を行うようにしている。
この場合に、ノーマルモードのサージに対しては、絶縁変圧器の電源側と負荷側の両方に避雷器を入れることにより絶縁変圧器に侵入するサージ電圧を前記避雷器の制限電圧以下に抑えることが可能である。そして、通常は避雷器に要求される制限電圧はその特性値の誤差及び寿命を考慮して、機器の常規電圧の１．５倍〜２倍程度に選定される。
したがって、前記したこの発明のように、常規線間電圧にできるだけ近い制限電圧となるように、第１の絶縁変圧器の２次側と第２の絶縁変圧器の１次側の巻線とを２分割した中間タップを有する分割巻線として、この各分割巻線の分担常規電圧に見合った前記制限電圧の１．５倍〜２倍程度の避雷器を設置することにより、各分割巻線に接続された避雷器のサージ電圧の分担電圧の一番大きい部分から動作するために、巻線全体としての前記サージ電圧の残存電圧を常規電圧に非常に近い値に設定することができる。
【００１０】
次に、前記したグランド間におけるコモンモードのサージを除去するには、フレーム電位が電源側と負荷側の中性電位と一致していることが必要条件となる。したがって、前記のように第１の絶縁変圧器の２次巻線と第２の絶縁変圧器の１次巻線とを分割することにより、この分割した中間のタップで中性点電位を生成することによってコモンモードにおける避雷器の中性点電圧の安定化を達成することができるために、前記したフレーム電位の電源側と負荷側とで異なることによりサージ残存電圧が常規電圧の３倍〜５倍の電圧となるのを防止することができ、サージ電圧の抑制効果が得られる。
【００１１】
更に、第１の絶縁変圧器の２次巻線と第２の絶縁変圧器の１次巻線とを接続する接続線をツイストペア線として、中間タップ間を接続する接続線を前記ツイストペア線の外被として構成する２芯シールド線とすることにより、誘起電圧の反転によるノイズの相互相殺によるコモンモードノイズの除去と、接続線からの誘導磁束による空間的なノイズ伝搬を抑制することができる。
【００１２】
また、第１の絶縁変圧器の２次巻線と第２の絶縁変圧器の１次巻線とをコモンモードチョークを介して接続することにより、前記第１の絶縁変圧器からの高周波のコモンモードノイズに対するインピーダンスを大きくすることができるので、ノイズ除去効果を更に向上させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
実施の形態１
図１及び図２は、この発明の第１の実施の形態からなる絶縁変圧器の構造を示すもので、図１は絶縁変圧器の構成図、図２は図１の巻線回路図である。
図１及び図２に示すように、この実施の形態からなる絶縁変圧器は、電源側の第１の絶縁変圧器１０と電気機器である負荷側の第２の絶縁変圧器２０が縦続接続されたカスケード接続した構成からなっている。
前記の第１の絶縁変圧器１０の１次巻線１１と、２次巻線１２は鉄心３１に同心状に巻回されており、この２次巻線１２は２分割された分割巻線１２ａと１２ｂとが直列に接続して構成され、この接続点に中間タップ１３が設けられている。また、同様に第２の絶縁変圧器２０は、分割巻線２１ａと２１ｂとが直列接続されて構成された１次巻線２１と、２次巻線２２とが鉄心３２に同心状に巻回されており、前記の１次巻線２１の分割巻線２１ａと２１ｂとの接続点には中間タップ１４が設けられている。そして、前記した第１の絶縁変圧器１０の２次巻線１２の両端子と、中間タップ１３とが、第２の絶縁変圧器２０の１次巻線２１の両端子と、中間タップ１４とにそれぞれ対になって接続線１５，１６と１７とで接続されている。
【００１４】
また、第１の絶縁変圧器１０の１次巻線１１と２次巻線１２間と、第２の絶縁変圧器２０の１次巻線２１と２次巻線２２間との静電誘導を排除するために銅板を前記のそれぞれの巻線間に巻回して接地した巻線間シールド７と巻線間シールド８とを設け、更に、第１の絶縁変圧器１０と第２の絶縁変圧器２０間とを、フレームシールド６の中仕切６ａにてシールドするようにしている。
このような巻線構成とすることにより鉄心３１及び鉄心３２を介して第１の絶縁変圧器１０から第２の絶縁変圧器２０へに伝搬するノイズを最小限に抑制することができる。
また、前記第１及び第２の絶縁変圧器１０及び２０の磁気的な性能は通常の変圧器と同等の数パーセント程度のインピーダンスとすることができ、電子機器等の負荷に対しても電源波形の歪みを防止することができる。
【００１５】
実施の形態２
図３は、この発明の第２の実施の形態からなる絶縁変圧器の構成を示す巻線回路図である。
この実施の形態と前記第１の実施の形態の絶縁変圧器との構成の違いは、図３に示すように、第１の絶縁変圧器１０の２次巻線１２の巻線端子間と、この２次巻線１２の両巻線端子（１２ａ及び１２ｂ）と中間タップ１３間（第２の絶縁変圧器２０の１次巻線２１の巻線端子間と、この１次巻線２１の両巻線端子と中間タップ１４間）のそれぞれに、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）素子の非線形抵抗体からなる避雷器４０、４１及び４２を設置していることにある。
【００１６】
この構成からなる絶縁変圧器での避雷器の制限電圧の設定は、前記したように巻線の線間電圧をＶ_ｐｅａｋとした場合には、１．５Ｖ_ｐｅａｋ程度となるようにする。電源側から侵入してくるサージ電圧Ｖ_ｓの分担電圧は、巻線に分布するグラウンド間とのキャパシタンス及び直列キャパシタンスによって決まる初期電位分布状態によって決まるため、前記グラウンド間とのインピーダンスの高い側に巻かれている２次巻線１２の側に殆どの電圧が印加され、場合によっては０．９Ｖ_ｓ程度を負担することになる。この電圧が避雷器の前記した制限電圧１．５Ｖ_ｐｅａｋを超えると、避雷器が作動することになる。
例えば、電源側から線間電圧Ｖ_ｐｅａｋの１０倍の外雷によるサージ電圧Ｖ_ｓが侵入したとすると、分担電圧の高い巻線側には９Ｖ_ｐｅａｋ、低い側には１Ｖ_ｐｅａｋの電圧が印加されることになる。したがって、前記した分担電圧の高い側の方の避雷器が作動する。その後の避雷器は前記した制限電圧１．５Ｖ_ｐｅａｋを保持することになる。この避雷器の制限電圧はノーマル及びコモンモードノイズ対して共通に設定できるので、第２の絶縁変圧器への巻線への侵入サージを低く抑制することができる。
【００１７】
実施の形態３
図４は、この発明の第３の実施の形態からなる絶縁変圧器の構成を示す巻線回路図である。
この実施の形態からなる絶縁変圧器は、前記した第１の実施の形態からなるカスケード接続された第１の絶縁変圧器１０と第２の絶縁変圧器２０とを接続している接続線１５と１６とをツイストペア線１８として構成して、このツイストペア線１８の外周部に、前記第１の絶縁変圧器１０の２次巻線１２の中間タップ１３と第２の絶縁変圧器２０の１次巻線２１の中間タップ１４とを接続する接続線１７を外被シールドとする２芯シールド線を構成したものである。
これにより、電源側からの高周波のノイズを相殺することによるコモンモードノイズの除去と、前記した接続線１７による外被シールドにより誘導ノイズの前記第２の絶縁変圧器の巻線への伝搬を阻止することができる。
【００１８】
実施の形態４
図５は、この発明の第４の実施の形態からなる絶縁変圧器の構成を示す回路図である。
この実施の形態では、前記した第２の実施の形態からなる絶縁変圧器の構成に加えて、更に第１の絶縁変圧器１０から第２の絶縁変圧器２０へのノイズの伝搬を低減するために、第１の絶縁変圧器１０と第２の絶縁変圧器２０間とを接続している接続線１５及び１６間にコモンモードチョーク５０を挿入して構成したものである。
なお前記の負荷側の第２の絶縁変圧器２０の１次巻線２１側にも、前記第１の絶縁変圧器１０の２次巻線１２側に配された避雷器４０，４１及び４２と対称の位置に避雷器４０ａ，４１ａ及び４２ａを配置して負荷側からのサージ電圧が第１の絶縁変圧器１０側へ侵入するのを防止する構成としている。
【００１９】
このコモンモードチョーク５０は、第１の絶縁変圧器１０の２次巻線１２と第２の絶縁変圧器２０の１次巻線２１とを接続する接続線１５と１６とを同一方向に巻回して構成されるもので、通常はリング状の鉄心に接続線１５と１６とを２本並べてコイル状に巻く、バイファイラー巻の構造のものが用いられる。
このコモンモードチョーク５０を設置することにより、コモンモードノイズ電流の通流による接続線１５，１６からなる前記コモンモードチョーク５０を伝搬する誘導磁束は加算されるので、インピーダンス（インダクタンス）が増加してコモンモードノイズの伝搬を阻止することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、この発明においては、ノイズを除去するノイズ除去変圧器である絶縁変圧器を、２次巻線を中間タップを有する分割巻線から構成した第１の絶縁変圧器と、１次巻線を中間タップを有する分割巻線から構成した第２の絶縁変圧器とをカスケード接続して構成するようにした。
これにより、電源側からのノーマルモード及びコモンモードの両方のノイズの第１の絶縁変圧器から第２の絶縁変圧器への伝搬を抑制することができる。そして、それぞれの絶縁変圧器のインピーダンスを適宜選定することにより％インピーダンスが過大とならないようにすることができるので、電気機器の定格付近での使用時に電圧低下を起こさず、かつ、波形の歪みのない電源を供給することができる。
【００２１】
更に、前記した絶縁変圧器の第１の絶縁変圧器の２次巻線の巻線端子間と、この２次巻線の両巻線端子と中間タップ間とのそれぞれに、常規電圧に見合った制限電圧を有する避雷器を設ける構成とすることにより、雷等の過電圧のサージが電源側の巻線に侵入した場合にも、絶縁変圧器を構成する第２の絶縁変圧器への過電圧のサージの侵入を阻止することができる。
【００２２】
更に、第１の絶縁変圧器の２次巻線と第２の絶縁変圧器の１次巻線とを接続する接続線をツイストペア線として、中間タップ間を接続する接続線を外被として構成する２芯シールド線構成とした場合には、高周波に対するインピーダンスが高められるので、コモンモードノイズの除去と、接続線からのノイズ伝搬を抑制することができる。
【００２３】
また、第１の絶縁変圧器の２次巻線と第２の絶縁変圧器の１次巻線とをコモンモードチョークを介して接続することにより、前記第１の絶縁変圧器からのコモンモードノイズに対するインピーダンスを大きくすることができるので、ノイズ除去効果を更に向上させることができる。
【００２４】
また、この発明の絶縁変圧器は第１と第２の絶縁変圧器からなる対称の回路構成からなっているので、電気機器のスイッチング等から発生する負荷側からのノイズが問題となる場合においても同様のノイズ除去効果が得られる。
そして、前記した従来の絶縁変圧器の構成では、絶縁変圧器の１次巻線と２次巻線が一つの鉄心で連結された構造となっているので、これらの巻線を覆う静電シールドは、各巻線を完全に覆うように構成する必要があり、製作及び組立工数がかかるという欠点があったが、この発明では、電源側と負荷側とが別の鉄心に巻回して構成されているので、前記した巻線の静電シールドの製作・組立工数が簡略化され経済的にも有利であるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態からなる絶縁変圧器の構成図である。
【図２】図１の巻線回路図である。
【図３】この発明の第２の実施の形態からなる絶縁変圧器の構成を示す巻線回路図である。
【図４】この発明の第３の実施の形態からなる絶縁変圧器の構成を示す巻線回路図である。
【図５】この発明の第４の実施の形態からなる絶縁変圧器の構成を示す巻線回路図である。
【図６】従来の絶縁変圧器の構成図である。
【符号の説明】
１０第１の絶縁変圧器
１１１次巻線
１２２次巻線
１３中間タップ
１４中間タップ
１８ツイストペア線
２０第２の絶縁変圧器
２１１次巻線
２２２次巻線
３１鉄心
３２鉄心
４０避雷器
４１避雷器
４２避雷器
５０コモンモードチョーク

Claims

電源及び電気機器からのノイズを除去し前記電気機器への電磁障害を防止するために用いられる巻線間及びフレームとグランド間に静電シールドを施してなる絶縁変圧器において、２次巻線に中間タップを有する第１の絶縁変圧器と、１次巻線に中間タップを有する第２の絶縁変圧器とをカスケード接続して構成したことを特徴とする絶縁変圧器。
請求項１に記載の絶縁変圧器において、第１の絶縁変圧器の２次巻線の巻線端子間と、この２次巻線の両巻線端子と中間タップ間とのそれぞれに避雷器を設けたことを特徴とする絶縁変圧器。
請求項１に記載の絶縁変圧器において、第１の絶縁変圧器の２次巻線と第２の絶縁変圧器の１次巻線とを接続する接続線をツイストペア線とし、中間タップ間を接続する接続線を前記ツイストペア線の外被として２芯シールド線を構成したことを特徴とする絶縁変圧器。
請求項２又は請求項３の絶縁変圧器において、第１の絶縁変圧器の２次巻線と第２の絶縁変圧器の１次巻線とをコモンモードチョークを介して接続したことを特徴とする絶縁変圧器。