JP3789285B2 - 可変変圧器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、従来の変圧器が有する、電圧の変圧、電気回路の絶縁といった基本的な機能に加えて、制御電流の調整により磁気回路の特性を変化させ、交流巻線に鎖交する磁束を磁気抵抗により制御し、高速かつ連続的な、無効電力、位相角、電圧の調整機能と、二次側電流の限流機能とを併せ持つ、多機能な電力用可変変圧器に関する。
本発明による可変変圧器により、従来個別に設置していた電力機器を１つにまとめることや、従来機械的な接点を利用していた制御を高速かつ滑らかに行うことが期待できることから、電力系統の設備合理化と安定化に広く寄与する機器として適用できる。
【０００２】
【従来の技術】
近年の経済発展に伴う電力需要の増大、負荷の多様化等により電圧変動に柔軟に対応できるフレキシブルな電力設備が求められつつある。一方、電力自由化の進展により、従来より低コストに電力設備を構成することが必要である。
従来の変圧器は、巻数比に応じて電圧電流を変化させ電力変換を行うものであり、タップ切換機構による電圧調整や、巻線間の電気的な絶縁などを行うものの、基本的に単機能の電力機器である。
【０００３】
図２０に従来の変圧器の基本構成を示す。この場合、変圧器としての基本特性は、一次巻線１４、二次巻線１５及び磁心１１により定まることから、一次側と二次側の電圧と電流の関係がほぼ固定される。したがって、従来の技術で変圧器の特性を変える場合は、電圧の制御を目的として、一次巻線１４、二次巻線１５の巻数比を、巻線上に設けた機械的な接点を切換えることで対応してきた。このため、接点部の磨耗や接触不良、動作機構の動作時間遅れなど、保守・性能上の制約があった。
【０００４】
また、調相設備についても、シャントリアクトルや電力用コンデンサなど固定容量で単機能の機器が殆どであり、位相変圧器（シフター）や電力用半導体を応用した機器などの一部に複数の機能を有するものがあるものの、単純な主回路構成で高速動作を実現している多機能の電力機器は存在しない。
本出願人は、先に、変圧器の一次巻線と二次巻線の鎖交磁束を制御する鎖交磁束制御形可変変圧器について提案した（特願平１０−４５４４３号）。
【０００５】
図２１は、本出願人が先に提案した鎖交磁束制御形可変変圧器の単相基本構成例を示す斜視図である。この鎖交磁束制御形可変変圧器は、図２１に示すように、一次巻線１４、二次巻線１５、漏洩磁束制御巻線２５、主磁束制御巻線２６及び捩じれ方向に９０度回転させて接触させたＵ形カットコア２１，２２並びに捩じれ方向に９０度回転させて接触させたＵ形カットコア２３，２４で構成される。なお、一般に、カットコア２１，２２及び２３，２４のような構造を直交磁心と呼称する。
【０００６】
この変圧器の二次側電圧Ｖ2は、一次巻線１４による磁束φ1-1，φ1-2の内、二次巻線１５と鎖交するφ1-2の値によって決まる。二次巻線に負荷電流ｉ2が流れるとφ1-2と逆方向に磁束φ2が生じ、φ1-2はφ1-1の磁気回路側へシフトして減少し、二次側電圧は低下する。そこで漏洩磁束制御巻線２５に励磁電流ｉc1を流すとＵ形カットコアの接触部２７が磁気飽和し、φ1-1の磁気回路の磁気抵抗が大きくなることで、φ1-1，φ1-2の磁束配分が変化するので二次側電圧を上昇させることができる。
無負荷時の場合にあっては、主磁束制御巻線２６に励磁電流ｉc2を流すことによりＵ形カットコアの接触部２８で磁気飽和し、φ1-2の磁気回路の磁気抵抗が大きくなり、φ1-1，φ1-2の磁束配分が変化するので電圧上昇を抑制することができる。
【０００７】
しかし、上記の変圧器は、漏洩磁束制御及び主磁束制御用の磁心並びに漏洩磁束制御及び主磁束制御用の巻線を設けなければならず、磁心構造、巻線の巻装が複雑になり、設置容積、重量が増大する。また、直交するＵ形カットコアの磁心接合面において生ずる渦電流発生の対策として、磁心接合面における積層鋼板間の短絡を防止するため、接合面に絶縁フィルムを挿入しているが、十分な耐久性を持つ絶縁フィルム材料を確保することは困難である。
また、絶縁フィルムを介在させると磁気回路の磁気抵抗が増大し、大きなインダクタンスの変化が困難であるため、電圧可変幅が少なくなるという課題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、磁気回路の構造及び巻線の巻装構造を簡単化し、設置容積、重量を通常構造の変圧器に近づけ、かつ、絶縁フィルムを必要をしない可変変圧器を提供するものである。
【０００９】
更に、本出願人らが前記出願で提案した、一次巻線と二次巻線との鎖交磁束数を調整し二次巻線の誘起電圧を可変することに加え、磁気抵抗の調整に伴う励磁リアクタンスの変化を無効電力調整に活用したり、主巻線の漏洩リアクタンスの変化を限流装置や移相器として活用することにより、電圧及び無効電力の供給などを高速かつ連続的に制御可能な複合機器としての可変変圧器を実現できるようにしたものである。
【００１０】
つまり、従来の一般的な変圧器では固定され制御できなかった磁気抵抗を調整することにより、変圧器の励磁リアクタンスを調整することによる無効電力制御機能、変圧器の漏洩リアクタンスを調整することによる一次側と二次側間の位相制御機能、磁気抵抗の変化により一次巻線と二次巻線間の鎖交磁束数が変化することによる誘起電圧制御機能、磁気抵抗の増加時に一次巻線と二次巻線間の磁気結合が弱くなることで一次巻線と二次巻線間の電力伝達が低下することによる限流機能などを期待できるようにしたものである。
【００１１】
したがって、巻線、磁心、そして直流制御電源などから構成される比較的単純な回路構成で、従来の一般的な変圧器では実現できなかった、複数の機能を有する高速動作可能な電力制御機器を実現し、電力系統の安定化と効率的な設備構成に広く資することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、相ごとの一次巻線及び二次巻線を構成する主巻線が同一の磁心脚に配置され、該主巻線に鎖交する主磁束が迂回磁路を有しないひとつの閉回路を形成する変圧器において、主磁束が通る磁路の一部を２分割し、分割した夫々の磁路に制御巻線を巻回し、前記主磁束により両制御巻線に生じる誘起電圧が互いに打消されるように両制御巻線を直列に接続した磁束制御回路を設け、その開放端子側に電流制御回路を接続して直流制御電流を流し、２分割した磁路で形成される閉磁路に制御磁束を還流し、主磁束が通る磁路の一部を磁気飽和させて主磁束が通る磁路の磁気抵抗を制御することにより、変圧器主巻線の漏洩リアクタンス及び変圧器の励磁リアクタンスを調整し、二次巻線端子電圧、一次巻線と二次巻線端子電圧の位相角、無効電力の供給を高速かつ連続的に可変するものである。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の可変変圧器において、３相変圧器の各相の主磁束が通る磁路に夫々磁束制御回路を設け、３相変圧器の各相の主磁束が通る磁路の一部を磁気飽和させて各相の主磁束が通る磁路の磁気抵抗を制御することにより、変圧器主巻線の漏洩リアクタンス及び変圧器の励磁リアクタンスを調整し、二次巻線端子電圧、一次巻線と二次巻線端子電圧の位相角、無効電力の供給を高速かつ連続的に可変するものである。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１又は２の可変変圧器において、任意の主巻線に対応する磁束制御回路を主磁束が通る磁路の任意の箇所に複数設け夫々の磁束制御回路を切換えて使用することで、主巻線と制御巻線の幾何学的な位置関係を変化させ主巻線に対する磁束制御回路の作用を調整することにより、変圧器主巻線の漏洩リアクタンス及び変圧器の励磁リアクタンス特性の制御範囲を拡大することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの可変変圧器において、磁束制御回路を形成する分割磁路の任意の箇所に楔形のギャップを設け、磁気回路の非線型特性を緩和し入出力電流の波形歪みを改善するものである。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかの可変変圧器において、一次巻線又は二次巻線に負荷時切換タップを設け、タップ切換と磁束制御回路との協調制御を行うことで、磁束制御回路の制御損失を軽減し効率の高い制御を可能とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
上述のように、本発明の基本構成は、相ごとの一次巻線及び二次巻線を構成する主巻線が同一の磁心脚に配置され、該主巻線に鎖交する主磁束が迂回磁路を有しないひとつの閉回路を形成する変圧器において、主磁束が通る磁路の一部を２分割し、夫々の磁路に制御巻線を巻回して、主磁束によって発生する誘起電圧が互いに打消すように直列に接続し、直交磁心を用いた場合と同様に制御巻線端に電圧が生じないようにしたものである。
【００１８】
本発明の構成によれば、制御巻線に制御電流ｉcを流すと、制御巻線の巻数Ｎcと制御電流ｉcの積で表わされる起磁力Ｎc×ｉc（アンペアターン）で生じる磁束φcによって主磁束が通る磁心の一部を磁気飽和させることができ、一次巻線又は二次巻線の磁気回路の透磁率を低下させ、これにより、変圧器の励磁リアクタンス値が低下するとともに、一次巻線又は二次巻線の漏洩磁束が大きくなり、漏洩リアクタンス値を増加させることができる。
【００１９】
即ち、励磁リアクタンスを制御することは、等価回路としてみれば、変圧器の一次側に並列に挿入されたリアクタンスの値が制御されることになり遅れ無効電力が制御され、一次巻線の漏洩リアクタンスを制御することは、等価回路としてみれば、変圧器の一次側に直列に挿入されたリアクタンスの値が制御されることになり、それによって二次巻線電圧Ｖ2が制御される。また、二次巻線の漏洩リアクタンスを制御することは、等価回路としてみれば、変圧器の二次側に直列に挿入されたリアクタンスの値が制御されることになり、それによって二次巻線電圧Ｖ2が制御される。磁束制御回路の制御電流値を変え、励磁リアクタンス及び漏洩リアクタンス値を制御することは、単相変圧器だけでなく３相変圧器においても同様に行うことができる。
【００２０】
また、磁路の飽和により第３高調波を主成分とする高調波が生じるが、３相回路では外部に流出しない。また、磁束制御回路を構成する分割磁路に楔形ギャップを形成することにより、より高次の高調波を抑制することが可能である。更に、単相回路では、変圧器２台の一次巻線に整流器を夫々逆向きにしてプッシュプル接続し、二次巻線にも同様に整流器を夫々逆向きにしてプッシュプル接続することにより、二次巻線に誘起する電圧の合成によって高調波成分を打消すことができる。
【００２１】
図１（Ａ）は、本発明による可変変圧器の単相回路の一実施例を示したものであり、磁心１１の磁気回路上に一次巻線１４と二次巻線１５を巻回する。磁心１１の磁気回路上の一部には、窓１６を設け、窓の２つの辺部に夫々制御巻線１２ｍ，１２ｎを巻回し磁束制御回路を構成する。両辺部に巻回した制御巻線１２ｍ，１２ｎには夫々誘起電圧が発生するが、誘起電圧が打消されるように直列に接続することで、制御回路１３に誘起電圧が加わることはない。
なお、磁束制御回路を構成する制御巻線１２ｍ，１２ｎは、窓１６による分割磁路が磁気的に対称であれば同一巻回数となるが、必要なことは、両制御巻線に誘起する電圧を打消すことであり、分割磁路が磁気的に対称でなければ当然に両巻線の巻回数は異なるものとなることは明らかである。
【００２２】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した構成回路の可変変圧器部分の等価回路を示したものであり、‖印部分は通常の変圧器磁心の配列記号を示し、一次巻線１４及び二次巻線１５と９０度回転させて表示した巻線１２ｍ，１２ｎは、窓１６による分割磁路に夫々巻回した制御巻線を示す。
【００２３】
更に、図１（Ａ）は、一次巻線１４と二次巻線１５とが電気的に絶縁され、絶縁変圧器と同等の構造となっているが、一次巻線１４と二次巻線１５とが電気的に接続された、単巻変圧器と同等の構造であっても、可変変圧器として成り立つことは明らかである。
【００２４】
このように可変変圧器は、制御巻線１２ｍ，１２ｎ、制御回路１３、磁心１１上に設けた窓１６からなる、制御可能な磁束制御回路を有する以外は、通常の単相変圧器と同様の巻線構成となっていることから、単相変圧器をΔ結線、Ｙ結線、Ｖ結線などの３相接続とすることにより、３相可変変圧器として使用できることも明らかである。
【００２５】
また、３相接続として使用する場合、各単相可変変圧器の磁束制御回路の制御巻線を夫々独立な制御電源に接続し個別に制御しても、各単相可変変圧器の磁束制御回路の制御巻線を並列もしくは直列に接続し１つの制御電源を制御しても、磁気抵抗を制御できるのは明らかである。
【００２６】
図２は、本発明による可変変圧器を、３相内鉄形の三脚磁心からなる３相変圧器に適用した場合の３相回路の一実施例を示したもので、三脚磁心１１の各脚１１ａ，１１ｂ，１１ｃに３相一次巻線１４ａ，１４ｂ，１４ｃ、３相二次巻線１５ａ，１５ｂ，１５ｃを巻回する。更に、三脚磁心１１の各脚１１ａ，１１ｂ，１１ｃの一部に窓１６ａ，１６ｂ，１６ｃを設け、夫々の窓の両辺部に制御巻線１２ｍａ，１２ｎａ，１２ｍｂ，１２ｎｂ，１２ｍｃ，１２ｎｃを誘起電圧が互いに打消し合うよう、制御回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃに夫々直列接続する。
【００２７】
なお、図２の一次巻線と二次巻線は、絶縁変圧器と同等の構造となっているが、単巻変圧器と同等の構造であっても、可変変圧器として成り立つことは、単相可変変圧器の場合と同様に明らかである。
また、図２では、制御巻線１２ｍａ，１２ｎａと１２ｍｂ，１２ｎｂ、および１２ｍｃ，１２ｎｃの組合せを、夫々独立した制御回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃに接続しているが、制御巻線の組合せを直列もしくは並列に接続し、１つの制御電源で制御することが可能であることと、一次巻線と二次巻線をΔ結線もしくはＹ結線しても可変変圧器として動作することは、単相可変変圧器を３相接続した場合と同様に明らかである。
【００２８】
図３乃至図５は、可変変圧器の、巻線及び磁心の外観例を示す図である。図３は単相カットコアを使用した場合、図４は単相積鉄心を使用した場合を示している。一次巻線と二次巻線は、分離巻構成とすることも重ね巻構成とすることもでき、制御巻線を含む磁束制御回路との位置関係を含め、夫々の空間的な配置は様々な形態とすることが可能であり、更に、磁束制御回路を、磁気回路上に複数設けることができることは明らかである。
【００２９】
図５は、３相積鉄心を用いた場合の、巻線及び磁心の外観例を示す図であるが、単相可変変圧器と同様に、各脚一次巻線と各脚二次巻線は、分離巻構成とすることも重ね巻構成とすることもでき、制御巻線を含む磁束制御回路との位置関係を含め、夫々の空間的な配置を様々な形態とすることと、複数の磁束制御回路を設けることが可能である。
要は多機能変圧器においては、相ごとの一次巻線及び二次巻線を構成する主巻線が同一の磁心脚に配置され、該主巻線に鎖交する主磁束が迂回磁路を有しないひとつの閉回路を形成する変圧器において、変圧器の交流磁気回路上の任意の箇所に、磁路上の窓と制御巻線からなる制御可能な磁束制御回路を設けることが肝要であり、磁心構造に拘わらず実現可能であることは明らかである。
【００３０】
図６は、多機能変圧器の磁束制御回路の窓１６の両辺部に設けた切込み１７により、磁気回路の非線形な特性を緩和する楔状のギャップを構成すること示しており、電流歪みの抑制を目的としている（図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＢ部を拡大して（ただし、制御巻線１２ｍ，１２ｎを省略して）示す）。この構造は、カットコア、積鉄心、単相可変変圧器、３相可変変圧器の場合に拘わらず、同様に構成することができる。
【００３１】
図７は、通常の変圧器の等価回路（図７（Ａ））と、電圧電流ベクトル（図７（Ｂ））の関係の一例を表わす図で、図７（Ｂ）において、単純化のため、二次巻線／一次巻線＝ａを、ａ＝１として示す。図示のように、Ｖ1，Ｖ2間の、電圧の大きさ及び位相の変化は小さく、また、励磁電流Ｉ0が小さく、Ｉ1，Ｉ2の位相差は小さい。したがって、一次側の力率角∠Ｖ1Ｉ1と二次側の力率角Ｖ2Ｉ2の変化も小さくなっている。換言すれば、励磁電流Ｉ0や一次側漏洩リアクタンスｘ1、二次側漏洩リアクタンスｘ2が小さいため、Ｖ1，Ｖ2間の、電圧及び位相の変化と、一次側の力率角（∠Ｖ1Ｉ1）と二次側の力率角（∠Ｖ2Ｉ2）の差が小さい。
【００３２】
図８は、可変変圧器の巻線及び磁心部分の等価回路を示し、図９及び図１０は可変変圧器の電圧及び電流ベクトルの関係の一例を表わす図で、図９は、制御有の場合の電圧電流ベクトル図（ただし、単純化のため、二次巻線／一次巻線＝ａの、ａを１として示す）である。
【００３３】
図９（Ａ）は磁気結合が強い場合の例で、この場合、Ｖ1，Ｖ2間の、電圧の大きさの変化は小さく、励磁電流Ｉ0によるＩ1，Ｉ2の位相差は大きい。したがって、二次側の力率角∠Ｖ2Ｉ2と比較して、一次側の力率角∠Ｖ1Ｉ1が大きくなる。
図９（Ｂ）は、磁気結合が弱い場合の例で、この場合、直列リアクトル分の影響によりＶ1，Ｖ2間の、電圧の大きさおよび位相の変化は大きくなる。また、励磁電流Ｉ0によるＩ1，Ｉ2の位相差が大きいことから、図９（Ａ）と同様に二次側の力率角∠Ｖ2Ｉ2と比較して、一次側の力率角∠Ｖ1Ｉ1は大きくなる。
【００３４】
図１０は、制御有無負荷の場合の電圧電流ベクトル図（ただし、二次巻線／一次巻線＝ａの、ａを１として示す）で、
図１０（Ａ）は、磁気結合が弱い場合の例で、この場合、一次側漏れリアクタンス：ｘ1が小さく、励磁電流：Ｉ1による電圧変化が小さい（ａＶ2≒Ｖ1）。また、
図１０（Ｂ）は、磁気結合が弱い場合の例で、この場合、一次側漏れリアクタンス：ｘ1が大きく、励磁電流：Ｉ1による電圧変化が大きい（ａＶ2＜Ｖ1）。
【００３５】
可変変圧器では、制御巻線に制御電流を流すことにより、磁心上の磁気回路の一部が飽和し磁気抵抗が増加するため、磁束φが減少し一次巻線に誘起される逆起電力が低下する。このため一次巻線に流れる励磁電流Ｉ0が増加し、磁束φの減少分を補う電流でバランスすることとなる。励磁電流Ｉ0の増加分は、一次側電圧Ｖ1に対し遅れ電流であり、磁気抵抗の大きさに比例して増える。磁気抵抗は、制御巻線に生ずる磁束の増加に応じて増えることから、励磁電流Ｉ0は制御電流により制御できる。
【００３６】
このように可変変圧器は、励磁電流Ｉ0を、通常の変圧器と同程度の極めて小さな値から、負荷電流と同等以上の極めて大きい値まで、高速かつ連続的に制御することが可能であることから、励磁電流Ｉ0の変化に伴う、遅れ無効電力の発生と誘起電圧変化及び位相変化などを、電力制御に活用することができる。
但し、巻線配置や磁束制御回路により磁気結合が変化し、一次側漏洩リアクタンスｘ1、二次側漏洩リアクタンスｘ2の値が変化することから、一次側及び二次側のインピーダンスへの励磁電流Ｉ0の作用も異なることとなる。
【００３７】
一般に、一次巻線と二次巻線とを、重ね巻とした場合には磁気結合が強くなり、分離巻きとした場合には磁気結合が弱くなるため、一次巻線、二次巻線そして磁束制御回路の位置関係によって、一次巻線と二次巻線の磁気結合が大きく変化することから、制御目的に合わせて一次巻線、二次巻線そして磁束制御回路の組合せ方法の選択次第で、様々な機能を有する装置が実現できる。また、複数の磁束制御回路を設けることにより、一次巻線と二次巻線の磁気結合特性を制御目的に合わせて切換えることも可能となる。
【００３８】
例えば、図９（Ａ）は、磁気結合が強い場合の一例であるが、一次側及び二次側の直列漏洩リアクタンス成分ｘ1，ｘ2による、インピーダンス電圧の発生が小さいため、図７（Ｂ）と同様な制御無の場合と比較すると、Ｖ1，Ｖ2間の電圧及び位相の変化は小さいが、一次側電流Ｉ1には励磁電流Ｉ0が重畳するため、二次側の力率角（∠Ｖ2Ｉ2）に比べて一次側の力率角（∠Ｖ1Ｉ1）は大きくなっている。したがって、遅れ無効電力を主に変化させる制御が可能となる。
【００３９】
しかし、図９（Ｂ）の例のように、磁気結合が弱い場合は、一次側及び二次側リアクタンスの影響が大きくなることから、図７（Ｂ）と同様な制御無の場合と比較すると、励磁電流Ｉ0による一次側の力率角（∠Ｖ1Ｉ1）の開きが大きくなるだけでなく、Ｖ1，Ｖ2間の電圧及び位相の変化も大きくなることから、電圧及び位相の制御が可能となる。
【００４０】
二次側の負荷が無い場合の可変変圧器の動作を図１０（Ａ），（Ｂ）に示す。磁気結合が強い場合には一次側の直列漏洩リアクタンス成分ｘ1が小さいことから、制御電流による効果は励磁電流の増加となって現れ、遅れ無効電力は大きく変化するものの出力電圧の変化は小さい。しかし磁気結合が弱い場合には一次側の直列漏洩リアクタンス成分ｘ1が大きくなることから、制御電流による効果は励磁電流の増加と一次巻線と二次巻線の鎖交磁束数の変化となって現れ、遅れ無効電力と出力電圧が大きく変化することとなる。したがって、巻線及び磁束制御回路の配置により装置の特性を様々に変えることができる。なお、３相可変変圧器の場合も、一次巻線、二次巻線そして磁束制御回路の組合せ方法の選択次第で、様々な機能を有する装置が実現できる点は同様である。
このように、可変変圧器を使用することで、無効電力の調整及び誘起電圧の調整により系統電圧の定電圧制御を行ったり、一次側と二次側間の位相調整により定力率制御などを行うことが可能である。
【００４１】
図１１は、実際に図２に示した３相可変変圧器の電流のオッシロ波形を示した図で、制御巻線電流の制御による起磁力（アンペアターン）の増加による電流の歪みは殆ど変化していないことがわかる。
【００４２】
図１２は、３相可変変圧器の回路構成の一例である。一次側及び二次側の電圧・電流や、外部機器の接点などの情報を、制御演算回路に取込み制御演算することで、制御巻線への制御電流指令や、電力用コンデンサ用遮断器の開閉指令など、連動して制御する必要のある外部機器を制御する。なお、一次巻線１４と並列に開閉器１９を介し接続している電力用コンデンサ２０は、進み電流補償を行う場合に必要であり、制御目的や設置系統の状況に応じ省略することが可能である。なお、単相可変変圧器の場合にも同様な回路構成が可能であることは明らかである。
【００４３】
図１３（Ａ），（Ｂ）は、可変変圧器の無効電力調整機能を電力用コンデンサの制御に応用した場合の制御動作の一例である。
一般に、電力用コンデンサは、系統に対し段階的に進み無効電力を供給するため、並列用遮断器の投入開放時には、大きな電圧変動を生ずることとなる。可変変圧器は、制御電流により高速化かつ連続的に遅れ無効電力を調整できることから、電力用コンデンサの動作を打消すように制御することで、系統に与えるショックを軽減できる。
【００４４】
図１３（Ａ）は、電力用コンデンサ切離しの場合で、まず、可変変圧器の遅れ無効電力を緩やかに増加することにより、電力用コンデンサの進み無効電力を事前に打消しておき、続いて、電力用コンデンサ切離しとタイミングを合わせ、可変変圧器の制御電流を急速に減ずることにより、電力用コンデンサ切離しにより系統に見かけ上発生する、遅れ無効電力を緩和するという、制御動作を示している。
【００４５】
図１３（Ｂ）は、電力用コンデンサ投入の場合で、電力用コンデンサ投入とタイミングを合わせ、電力用コンデンサ投入により系統に発生する進み無効電力を、可変変圧器の制御電流を急速に増加することにより緩和した後、少しずつ可変変圧器の制御電流を減ずることで、見かけ上、進み無効電力を徐々に増加させ、系統に与えるショックを軽減するという、制御動作を示している。
【００４６】
いずれの場合も、可変変圧器と同一の母線に設置された電力用コンデンサの制御動作だけでなく、系統上の任意の場所に設置されている電力用コンデンサと組合せた場合にも、接点情報、制御指令信号などを用いることにより、同様の効果を得られることは明らかである。
更に、電力用コンデンサだけでなく、送電線の系統充電や、固定リアクトルや誘導機の投入・切離しなど、無効電力の変動に伴う系統電圧変動の抑制に広く適用できることは明らかである。
【００４７】
図１４は、負荷時切換タップ付可変変圧器の回路構成の一例である。一次巻線１４に電圧タップ１８を設け、負荷時タップ切換機構を構成すること以外は、前述の多機能電力制御器機とほぼ同様の構成である。
可変変圧器の制御範囲を大きくするには、制御磁束の可変量を大きくすることが必要であり、制御電流の容量の拡大か、制御巻線の巻回数の増加を招くため、制御損失の増大や機器の大型化などが課題となる。一方、負荷時切換タップ付変圧器は、機械的に接点を切換えるため、低速で段階的な制御とならざるを得ない。
負荷時切換タップ付可変変圧器は、可変変圧器の高速かつ連続的な制御と、負荷時切換タップ付変圧器の高効率な電圧制御とを組合せることにより、高効率かつ滑らかな電力制御機器を実現できる。
【００４８】
図１５，図１６は、負荷時切換タップ付可変変圧器の制御動作を説明する図である。
図１５はタップ切換のみによる制御の一例であり、出力電圧は、系統電圧の変動に拘わらずタップ切換により、ある制御範囲に収まっていることを示している。しかし、タップ切換により段階的な制御となることは避けられない。
【００４９】
図１６は、タップ切換による電圧調整と可変変圧器による電力制御との、協調制御を表わしており、タップ切換による段階的な電圧変化を制御電流による制御で補うことで、出力電圧を平滑化できることを示している。この場合、制御回路で発生させる必要のある制御磁束は、タップ電圧に換算して［２タップ分＋裕度］となることから、磁束制御回路の負担が非常に小さくなり、制御損失の低減と機器の小型化を図ることができ、高速かつ連続的な制御能力を有する、高効率かつコンパクトな可変変圧器を実現できる。
【００５０】
なお、基本的な制御方法として、長時間の大きな電圧変動に対しては、系統電圧を基に比較的大きな不感帯および動作時限を設ける条件でタップ操作により対応し、短時間の小さな電圧変動に対しては、出力電圧を基に不感帯および動作時限を極力小さくした可変変圧器としての制御で対応する方法と、出力電圧を基に動作する可変変圧器の制御電流が、上限値もしくは下限値を一定時間継続した条件でタップ操作指令を出力する方法などが考えられる。
【００５１】
上記は電圧一定制御の場合であるが、可変変圧器を移相変圧器として使用した場合において、タップによる段階的な位相調整を連続調整とするなど、従来の負荷時切換タップを有する巻線機器全般について、機械的な接点の切換による段階的な制御を、連続可変制御とすることができることは明らかである。
なお、二次巻線に切換タップを設けた場合にも、同様に制御動作が期待できることと、３相機器構造とした場合にも適用できることは、明らかである。
また、一般に用いられている機械的接点によるタップ切換機構のほか、サイリスタなどの半導体スイッチや真空バルブなどを適用可能であることは明らかである。
【００５２】
図１７は、一組の単相可変変圧器を整流器２９を介してプッシュプル接続し、高調波歪みを軽減する場合の回路構成図である。
図１８は、可変変圧器の二次巻線１５に電磁鋼板３０を巻回して、磁束制御回路の影響による二次巻線１５の漏洩磁束φLを生じ易くして、二次巻線の漏洩リアクタンスの制御性を向上させる場合の構成例である。
図１９は、可変変圧器の制御巻線に誘起される交流電圧の抑制対策を説明する図である。夫々の磁路に巻回された制御巻線を複数に分割し端子を引出せるよう構成し、分割した制御巻線を夫々の磁路毎に誘起電圧を互いに打消すよう交互に接続することで、巻線の部分毎に誘起される電圧の最大値を、分割した巻線の巻回数に応じた電圧ＶC'に抑制することができる。このことにより、制御磁束量を確保するため、制御巻線の巻回数ＮCを増加させた場合にも、特別な絶縁対策が不要となる。
なお、この誘起電圧抑制対策は、二組の制御巻線を誘起電圧が打消されるよう組合せ、制御電流を流すことにより磁気抵抗の変化する、磁束制御回路を構成する全ての交流巻線機器に、広く適用できることは明らかである。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、近年の電力需要の増大や負荷の多様化により顕在化しつつある、系統電圧の変動等の負荷の多様化に対応できる、フレキシブルな電力設備の合理的な提供が図られ、電力系統の安定化と設備合理化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 可変変圧器の単相回路の一実施例を示す図で、図１（Ａ）は回路構成の一例を示す図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の等価回路の一例を示す図である。
【図２】 可変変圧器の３相回路の一実施例を示す図である。
【図３】 可変変圧器の、単相カットコアの場合の巻線及び磁心部分の構成例を示す図である。
【図４】 可変変圧器の、単相積鉄心の場合の巻線及び磁心部分の構成例を示す図である。
【図５】 可変変圧器の、３相積鉄心の場合の巻線及び磁心部分の構成例を示す図である。
【図６】 楔形ギャップの一構成例を示す図で、図６（Ａ）は巻線及び磁心の全体図、図６（Ｂ）は窓部の拡大図である。
【図７】 通常の変圧器の等価回路と電圧電流ベクトルを示す図で、図７（Ａ）は通常の変圧器の等価回路図、図７（Ｂ）は通常の変圧器の電圧電流ベクトル図の一例を示す図である。
【図８】 可変変圧器の巻線構成部の等価回路図である。
【図９】 制御有の場合の磁気結合が強い場合の電圧電流ベクトル図（図９（Ａ））の一例、及び磁気結合が弱い場合の電圧電流ベクトル図（図９（Ｂ））の一例を示す図である。
【図１０】 制御有無負荷の場合の磁気結合が強い場合の電圧電流ベクトル図（図１０（Ａ））の一例、磁気結合が弱い場合の電圧電流ベクトル図（図１０（Ｂ））の一例を示す図である。
【図１１】 ３相可変変圧器の電流波形の一例である。
【図１２】 ３相可変変圧器の回路構成の一例を示す図である。
【図１３】 可変変圧器の無効電力調整機能を電力用コンデンサの制御に応用した場合の一例を示す図で、図１３（Ａ）は、電力用コンデンサの切離し時の制御の一例を示す図、図１３（Ｂ）は、電力用コンデンサの投入時の制御の一例を示す図である。
【図１４】 負荷時切換タップ付可変変圧器の構成例を示す図である。
【図１５】 負荷時切換タップ付可変変圧器の制御動作を示す図で、タップ切換のみによる制御の一例を示す図である。
【図１６】 負荷時切換タップ付可変変圧器の制御動作を示す図で、タップ切換と可変変圧器による協調制御の一例を示す図で、図１６（Ａ）は協調制御の一例、図１６（Ｂ）は協調制御時の制御電流の一例である。
【図１７】 プッシュプル接続した単相可変変圧器の基本構成の一例を示す図である。
【図１８】 漏洩磁気回路を追加した可変変圧器の構成の一例を示す図である。
【図１９】 可変変圧器の制御巻線における誘起電圧の抑制対策を示す図である。
【図２０】 従来の変圧器の単相基本構成例を示す図である。
【図２１】 本出願人が先に提案した鎖交磁束制御形可変変圧器の単相基本構成例を示す図である。
【符号の説明】
１１…磁心（鉄心）、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…磁心の脚部、１２ｍ，１２ｎ，１２ｍａ，１２ｎａ，１２ｍｂ，１２ｎｂ，１２ｍｃ，１２ｎｃ，１２ｍ’，１２ｎ’…制御巻線、１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…制御回路、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…一次巻線、１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…二次巻線、１６…磁心に設けた窓、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…脚部に設けた窓、１７…切込み、１８…電圧タップ、１９…開閉器、２０…電力用コンデンサ、２１…第１磁気回路の第２Ｕ形カットコア、２２…第１磁気回路の第１Ｕ形カットコア、２３…第２磁気回路の第３Ｕ形カットコア、２４…第２磁気回路の第４Ｕ形カットコア、２５…漏洩磁束制御巻線、２６…主磁束制御巻線、２７…第１磁気回路のカットコア接触面、２８…第２磁気回路のカットコア接触面、２９…整流器、３０…電磁鋼板。
【発明の属する技術分野】
本発明は、従来の変圧器が有する、電圧の変圧、電気回路の絶縁といった基本的な機能に加えて、制御電流の調整により磁気回路の特性を変化させ、交流巻線に鎖交する磁束を磁気抵抗により制御し、高速かつ連続的な、無効電力、位相角、電圧の調整機能と、二次側電流の限流機能とを併せ持つ、多機能な電力用可変変圧器に関する。
本発明による可変変圧器により、従来個別に設置していた電力機器を１つにまとめることや、従来機械的な接点を利用していた制御を高速かつ滑らかに行うことが期待できることから、電力系統の設備合理化と安定化に広く寄与する機器として適用できる。
【０００２】
【従来の技術】
近年の経済発展に伴う電力需要の増大、負荷の多様化等により電圧変動に柔軟に対応できるフレキシブルな電力設備が求められつつある。一方、電力自由化の進展により、従来より低コストに電力設備を構成することが必要である。
従来の変圧器は、巻数比に応じて電圧電流を変化させ電力変換を行うものであり、タップ切換機構による電圧調整や、巻線間の電気的な絶縁などを行うものの、基本的に単機能の電力機器である。
【０００３】
図２０に従来の変圧器の基本構成を示す。この場合、変圧器としての基本特性は、一次巻線１４、二次巻線１５及び磁心１１により定まることから、一次側と二次側の電圧と電流の関係がほぼ固定される。したがって、従来の技術で変圧器の特性を変える場合は、電圧の制御を目的として、一次巻線１４、二次巻線１５の巻数比を、巻線上に設けた機械的な接点を切換えることで対応してきた。このため、接点部の磨耗や接触不良、動作機構の動作時間遅れなど、保守・性能上の制約があった。
【０００４】
また、調相設備についても、シャントリアクトルや電力用コンデンサなど固定容量で単機能の機器が殆どであり、位相変圧器（シフター）や電力用半導体を応用した機器などの一部に複数の機能を有するものがあるものの、単純な主回路構成で高速動作を実現している多機能の電力機器は存在しない。
本出願人は、先に、変圧器の一次巻線と二次巻線の鎖交磁束を制御する鎖交磁束制御形可変変圧器について提案した（特願平１０−４５４４３号）。
【０００５】
図２１は、本出願人が先に提案した鎖交磁束制御形可変変圧器の単相基本構成例を示す斜視図である。この鎖交磁束制御形可変変圧器は、図２１に示すように、一次巻線１４、二次巻線１５、漏洩磁束制御巻線２５、主磁束制御巻線２６及び捩じれ方向に９０度回転させて接触させたＵ形カットコア２１，２２並びに捩じれ方向に９０度回転させて接触させたＵ形カットコア２３，２４で構成される。なお、一般に、カットコア２１，２２及び２３，２４のような構造を直交磁心と呼称する。
【０００６】
この変圧器の二次側電圧Ｖ2は、一次巻線１４による磁束φ1-1，φ1-2の内、二次巻線１５と鎖交するφ1-2の値によって決まる。二次巻線に負荷電流ｉ2が流れるとφ1-2と逆方向に磁束φ2が生じ、φ1-2はφ1-1の磁気回路側へシフトして減少し、二次側電圧は低下する。そこで漏洩磁束制御巻線２５に励磁電流ｉc1を流すとＵ形カットコアの接触部２７が磁気飽和し、φ1-1の磁気回路の磁気抵抗が大きくなることで、φ1-1，φ1-2の磁束配分が変化するので二次側電圧を上昇させることができる。
無負荷時の場合にあっては、主磁束制御巻線２６に励磁電流ｉc2を流すことによりＵ形カットコアの接触部２８で磁気飽和し、φ1-2の磁気回路の磁気抵抗が大きくなり、φ1-1，φ1-2の磁束配分が変化するので電圧上昇を抑制することができる。
【０００７】
しかし、上記の変圧器は、漏洩磁束制御及び主磁束制御用の磁心並びに漏洩磁束制御及び主磁束制御用の巻線を設けなければならず、磁心構造、巻線の巻装が複雑になり、設置容積、重量が増大する。また、直交するＵ形カットコアの磁心接合面において生ずる渦電流発生の対策として、磁心接合面における積層鋼板間の短絡を防止するため、接合面に絶縁フィルムを挿入しているが、十分な耐久性を持つ絶縁フィルム材料を確保することは困難である。
また、絶縁フィルムを介在させると磁気回路の磁気抵抗が増大し、大きなインダクタンスの変化が困難であるため、電圧可変幅が少なくなるという課題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、磁気回路の構造及び巻線の巻装構造を簡単化し、設置容積、重量を通常構造の変圧器に近づけ、かつ、絶縁フィルムを必要をしない可変変圧器を提供するものである。
【０００９】
更に、本出願人らが前記出願で提案した、一次巻線と二次巻線との鎖交磁束数を調整し二次巻線の誘起電圧を可変することに加え、磁気抵抗の調整に伴う励磁リアクタンスの変化を無効電力調整に活用したり、主巻線の漏洩リアクタンスの変化を限流装置や移相器として活用することにより、電圧及び無効電力の供給などを高速かつ連続的に制御可能な複合機器としての可変変圧器を実現できるようにしたものである。
【００１０】
つまり、従来の一般的な変圧器では固定され制御できなかった磁気抵抗を調整することにより、変圧器の励磁リアクタンスを調整することによる無効電力制御機能、変圧器の漏洩リアクタンスを調整することによる一次側と二次側間の位相制御機能、磁気抵抗の変化により一次巻線と二次巻線間の鎖交磁束数が変化することによる誘起電圧制御機能、磁気抵抗の増加時に一次巻線と二次巻線間の磁気結合が弱くなることで一次巻線と二次巻線間の電力伝達が低下することによる限流機能などを期待できるようにしたものである。
【００１１】
したがって、巻線、磁心、そして直流制御電源などから構成される比較的単純な回路構成で、従来の一般的な変圧器では実現できなかった、複数の機能を有する高速動作可能な電力制御機器を実現し、電力系統の安定化と効率的な設備構成に広く資することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、相ごとの一次巻線及び二次巻線を構成する主巻線が同一の磁心脚に配置され、該主巻線に鎖交する主磁束が迂回磁路を有しないひとつの閉回路を形成する変圧器において、主磁束が通る磁路の一部を２分割し、分割した夫々の磁路に制御巻線を巻回し、前記主磁束により両制御巻線に生じる誘起電圧が互いに打消されるように両制御巻線を直列に接続した磁束制御回路を設け、その開放端子側に電流制御回路を接続して直流制御電流を流し、２分割した磁路で形成される閉磁路に制御磁束を還流し、主磁束が通る磁路の一部を磁気飽和させて主磁束が通る磁路の磁気抵抗を制御することにより、変圧器主巻線の漏洩リアクタンス及び変圧器の励磁リアクタンスを調整し、二次巻線端子電圧、一次巻線と二次巻線端子電圧の位相角、無効電力の供給を高速かつ連続的に可変するものである。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の可変変圧器において、３相変圧器の各相の主磁束が通る磁路に夫々磁束制御回路を設け、３相変圧器の各相の主磁束が通る磁路の一部を磁気飽和させて各相の主磁束が通る磁路の磁気抵抗を制御することにより、変圧器主巻線の漏洩リアクタンス及び変圧器の励磁リアクタンスを調整し、二次巻線端子電圧、一次巻線と二次巻線端子電圧の位相角、無効電力の供給を高速かつ連続的に可変するものである。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１又は２の可変変圧器において、任意の主巻線に対応する磁束制御回路を主磁束が通る磁路の任意の箇所に複数設け夫々の磁束制御回路を切換えて使用することで、主巻線と制御巻線の幾何学的な位置関係を変化させ主巻線に対する磁束制御回路の作用を調整することにより、変圧器主巻線の漏洩リアクタンス及び変圧器の励磁リアクタンス特性の制御範囲を拡大することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの可変変圧器において、磁束制御回路を形成する分割磁路の任意の箇所に楔形のギャップを設け、磁気回路の非線型特性を緩和し入出力電流の波形歪みを改善するものである。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかの可変変圧器において、一次巻線又は二次巻線に負荷時切換タップを設け、タップ切換と磁束制御回路との協調制御を行うことで、磁束制御回路の制御損失を軽減し効率の高い制御を可能とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
上述のように、本発明の基本構成は、相ごとの一次巻線及び二次巻線を構成する主巻線が同一の磁心脚に配置され、該主巻線に鎖交する主磁束が迂回磁路を有しないひとつの閉回路を形成する変圧器において、主磁束が通る磁路の一部を２分割し、夫々の磁路に制御巻線を巻回して、主磁束によって発生する誘起電圧が互いに打消すように直列に接続し、直交磁心を用いた場合と同様に制御巻線端に電圧が生じないようにしたものである。
【００１８】
本発明の構成によれば、制御巻線に制御電流ｉcを流すと、制御巻線の巻数Ｎcと制御電流ｉcの積で表わされる起磁力Ｎc×ｉc（アンペアターン）で生じる磁束φcによって主磁束が通る磁心の一部を磁気飽和させることができ、一次巻線又は二次巻線の磁気回路の透磁率を低下させ、これにより、変圧器の励磁リアクタンス値が低下するとともに、一次巻線又は二次巻線の漏洩磁束が大きくなり、漏洩リアクタンス値を増加させることができる。
【００１９】
即ち、励磁リアクタンスを制御することは、等価回路としてみれば、変圧器の一次側に並列に挿入されたリアクタンスの値が制御されることになり遅れ無効電力が制御され、一次巻線の漏洩リアクタンスを制御することは、等価回路としてみれば、変圧器の一次側に直列に挿入されたリアクタンスの値が制御されることになり、それによって二次巻線電圧Ｖ2が制御される。また、二次巻線の漏洩リアクタンスを制御することは、等価回路としてみれば、変圧器の二次側に直列に挿入されたリアクタンスの値が制御されることになり、それによって二次巻線電圧Ｖ2が制御される。磁束制御回路の制御電流値を変え、励磁リアクタンス及び漏洩リアクタンス値を制御することは、単相変圧器だけでなく３相変圧器においても同様に行うことができる。
【００２０】
また、磁路の飽和により第３高調波を主成分とする高調波が生じるが、３相回路では外部に流出しない。また、磁束制御回路を構成する分割磁路に楔形ギャップを形成することにより、より高次の高調波を抑制することが可能である。更に、単相回路では、変圧器２台の一次巻線に整流器を夫々逆向きにしてプッシュプル接続し、二次巻線にも同様に整流器を夫々逆向きにしてプッシュプル接続することにより、二次巻線に誘起する電圧の合成によって高調波成分を打消すことができる。
【００２１】
図１（Ａ）は、本発明による可変変圧器の単相回路の一実施例を示したものであり、磁心１１の磁気回路上に一次巻線１４と二次巻線１５を巻回する。磁心１１の磁気回路上の一部には、窓１６を設け、窓の２つの辺部に夫々制御巻線１２ｍ，１２ｎを巻回し磁束制御回路を構成する。両辺部に巻回した制御巻線１２ｍ，１２ｎには夫々誘起電圧が発生するが、誘起電圧が打消されるように直列に接続することで、制御回路１３に誘起電圧が加わることはない。
なお、磁束制御回路を構成する制御巻線１２ｍ，１２ｎは、窓１６による分割磁路が磁気的に対称であれば同一巻回数となるが、必要なことは、両制御巻線に誘起する電圧を打消すことであり、分割磁路が磁気的に対称でなければ当然に両巻線の巻回数は異なるものとなることは明らかである。
【００２２】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した構成回路の可変変圧器部分の等価回路を示したものであり、‖印部分は通常の変圧器磁心の配列記号を示し、一次巻線１４及び二次巻線１５と９０度回転させて表示した巻線１２ｍ，１２ｎは、窓１６による分割磁路に夫々巻回した制御巻線を示す。
【００２３】
更に、図１（Ａ）は、一次巻線１４と二次巻線１５とが電気的に絶縁され、絶縁変圧器と同等の構造となっているが、一次巻線１４と二次巻線１５とが電気的に接続された、単巻変圧器と同等の構造であっても、可変変圧器として成り立つことは明らかである。
【００２４】
このように可変変圧器は、制御巻線１２ｍ，１２ｎ、制御回路１３、磁心１１上に設けた窓１６からなる、制御可能な磁束制御回路を有する以外は、通常の単相変圧器と同様の巻線構成となっていることから、単相変圧器をΔ結線、Ｙ結線、Ｖ結線などの３相接続とすることにより、３相可変変圧器として使用できることも明らかである。
【００２５】
また、３相接続として使用する場合、各単相可変変圧器の磁束制御回路の制御巻線を夫々独立な制御電源に接続し個別に制御しても、各単相可変変圧器の磁束制御回路の制御巻線を並列もしくは直列に接続し１つの制御電源を制御しても、磁気抵抗を制御できるのは明らかである。
【００２６】
図２は、本発明による可変変圧器を、３相内鉄形の三脚磁心からなる３相変圧器に適用した場合の３相回路の一実施例を示したもので、三脚磁心１１の各脚１１ａ，１１ｂ，１１ｃに３相一次巻線１４ａ，１４ｂ，１４ｃ、３相二次巻線１５ａ，１５ｂ，１５ｃを巻回する。更に、三脚磁心１１の各脚１１ａ，１１ｂ，１１ｃの一部に窓１６ａ，１６ｂ，１６ｃを設け、夫々の窓の両辺部に制御巻線１２ｍａ，１２ｎａ，１２ｍｂ，１２ｎｂ，１２ｍｃ，１２ｎｃを誘起電圧が互いに打消し合うよう、制御回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃに夫々直列接続する。
【００２７】
なお、図２の一次巻線と二次巻線は、絶縁変圧器と同等の構造となっているが、単巻変圧器と同等の構造であっても、可変変圧器として成り立つことは、単相可変変圧器の場合と同様に明らかである。
また、図２では、制御巻線１２ｍａ，１２ｎａと１２ｍｂ，１２ｎｂ、および１２ｍｃ，１２ｎｃの組合せを、夫々独立した制御回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃに接続しているが、制御巻線の組合せを直列もしくは並列に接続し、１つの制御電源で制御することが可能であることと、一次巻線と二次巻線をΔ結線もしくはＹ結線しても可変変圧器として動作することは、単相可変変圧器を３相接続した場合と同様に明らかである。
【００２８】
図３乃至図５は、可変変圧器の、巻線及び磁心の外観例を示す図である。図３は単相カットコアを使用した場合、図４は単相積鉄心を使用した場合を示している。一次巻線と二次巻線は、分離巻構成とすることも重ね巻構成とすることもでき、制御巻線を含む磁束制御回路との位置関係を含め、夫々の空間的な配置は様々な形態とすることが可能であり、更に、磁束制御回路を、磁気回路上に複数設けることができることは明らかである。
【００２９】
図５は、３相積鉄心を用いた場合の、巻線及び磁心の外観例を示す図であるが、単相可変変圧器と同様に、各脚一次巻線と各脚二次巻線は、分離巻構成とすることも重ね巻構成とすることもでき、制御巻線を含む磁束制御回路との位置関係を含め、夫々の空間的な配置を様々な形態とすることと、複数の磁束制御回路を設けることが可能である。
要は多機能変圧器においては、相ごとの一次巻線及び二次巻線を構成する主巻線が同一の磁心脚に配置され、該主巻線に鎖交する主磁束が迂回磁路を有しないひとつの閉回路を形成する変圧器において、変圧器の交流磁気回路上の任意の箇所に、磁路上の窓と制御巻線からなる制御可能な磁束制御回路を設けることが肝要であり、磁心構造に拘わらず実現可能であることは明らかである。
【００３０】
図６は、多機能変圧器の磁束制御回路の窓１６の両辺部に設けた切込み１７により、磁気回路の非線形な特性を緩和する楔状のギャップを構成すること示しており、電流歪みの抑制を目的としている（図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＢ部を拡大して（ただし、制御巻線１２ｍ，１２ｎを省略して）示す）。この構造は、カットコア、積鉄心、単相可変変圧器、３相可変変圧器の場合に拘わらず、同様に構成することができる。
【００３１】
図７は、通常の変圧器の等価回路（図７（Ａ））と、電圧電流ベクトル（図７（Ｂ））の関係の一例を表わす図で、図７（Ｂ）において、単純化のため、二次巻線／一次巻線＝ａを、ａ＝１として示す。図示のように、Ｖ1，Ｖ2間の、電圧の大きさ及び位相の変化は小さく、また、励磁電流Ｉ0が小さく、Ｉ1，Ｉ2の位相差は小さい。したがって、一次側の力率角∠Ｖ1Ｉ1と二次側の力率角Ｖ2Ｉ2の変化も小さくなっている。換言すれば、励磁電流Ｉ0や一次側漏洩リアクタンスｘ1、二次側漏洩リアクタンスｘ2が小さいため、Ｖ1，Ｖ2間の、電圧及び位相の変化と、一次側の力率角（∠Ｖ1Ｉ1）と二次側の力率角（∠Ｖ2Ｉ2）の差が小さい。
【００３２】
図８は、可変変圧器の巻線及び磁心部分の等価回路を示し、図９及び図１０は可変変圧器の電圧及び電流ベクトルの関係の一例を表わす図で、図９は、制御有の場合の電圧電流ベクトル図（ただし、単純化のため、二次巻線／一次巻線＝ａの、ａを１として示す）である。
【００３３】
図９（Ａ）は磁気結合が強い場合の例で、この場合、Ｖ1，Ｖ2間の、電圧の大きさの変化は小さく、励磁電流Ｉ0によるＩ1，Ｉ2の位相差は大きい。したがって、二次側の力率角∠Ｖ2Ｉ2と比較して、一次側の力率角∠Ｖ1Ｉ1が大きくなる。
図９（Ｂ）は、磁気結合が弱い場合の例で、この場合、直列リアクトル分の影響によりＶ1，Ｖ2間の、電圧の大きさおよび位相の変化は大きくなる。また、励磁電流Ｉ0によるＩ1，Ｉ2の位相差が大きいことから、図９（Ａ）と同様に二次側の力率角∠Ｖ2Ｉ2と比較して、一次側の力率角∠Ｖ1Ｉ1は大きくなる。
【００３４】
図１０は、制御有無負荷の場合の電圧電流ベクトル図（ただし、二次巻線／一次巻線＝ａの、ａを１として示す）で、
図１０（Ａ）は、磁気結合が弱い場合の例で、この場合、一次側漏れリアクタンス：ｘ1が小さく、励磁電流：Ｉ1による電圧変化が小さい（ａＶ2≒Ｖ1）。また、
図１０（Ｂ）は、磁気結合が弱い場合の例で、この場合、一次側漏れリアクタンス：ｘ1が大きく、励磁電流：Ｉ1による電圧変化が大きい（ａＶ2＜Ｖ1）。
【００３５】
可変変圧器では、制御巻線に制御電流を流すことにより、磁心上の磁気回路の一部が飽和し磁気抵抗が増加するため、磁束φが減少し一次巻線に誘起される逆起電力が低下する。このため一次巻線に流れる励磁電流Ｉ0が増加し、磁束φの減少分を補う電流でバランスすることとなる。励磁電流Ｉ0の増加分は、一次側電圧Ｖ1に対し遅れ電流であり、磁気抵抗の大きさに比例して増える。磁気抵抗は、制御巻線に生ずる磁束の増加に応じて増えることから、励磁電流Ｉ0は制御電流により制御できる。
【００３６】
このように可変変圧器は、励磁電流Ｉ0を、通常の変圧器と同程度の極めて小さな値から、負荷電流と同等以上の極めて大きい値まで、高速かつ連続的に制御することが可能であることから、励磁電流Ｉ0の変化に伴う、遅れ無効電力の発生と誘起電圧変化及び位相変化などを、電力制御に活用することができる。
但し、巻線配置や磁束制御回路により磁気結合が変化し、一次側漏洩リアクタンスｘ1、二次側漏洩リアクタンスｘ2の値が変化することから、一次側及び二次側のインピーダンスへの励磁電流Ｉ0の作用も異なることとなる。
【００３７】
一般に、一次巻線と二次巻線とを、重ね巻とした場合には磁気結合が強くなり、分離巻きとした場合には磁気結合が弱くなるため、一次巻線、二次巻線そして磁束制御回路の位置関係によって、一次巻線と二次巻線の磁気結合が大きく変化することから、制御目的に合わせて一次巻線、二次巻線そして磁束制御回路の組合せ方法の選択次第で、様々な機能を有する装置が実現できる。また、複数の磁束制御回路を設けることにより、一次巻線と二次巻線の磁気結合特性を制御目的に合わせて切換えることも可能となる。
【００３８】
例えば、図９（Ａ）は、磁気結合が強い場合の一例であるが、一次側及び二次側の直列漏洩リアクタンス成分ｘ1，ｘ2による、インピーダンス電圧の発生が小さいため、図７（Ｂ）と同様な制御無の場合と比較すると、Ｖ1，Ｖ2間の電圧及び位相の変化は小さいが、一次側電流Ｉ1には励磁電流Ｉ0が重畳するため、二次側の力率角（∠Ｖ2Ｉ2）に比べて一次側の力率角（∠Ｖ1Ｉ1）は大きくなっている。したがって、遅れ無効電力を主に変化させる制御が可能となる。
【００３９】
しかし、図９（Ｂ）の例のように、磁気結合が弱い場合は、一次側及び二次側リアクタンスの影響が大きくなることから、図７（Ｂ）と同様な制御無の場合と比較すると、励磁電流Ｉ0による一次側の力率角（∠Ｖ1Ｉ1）の開きが大きくなるだけでなく、Ｖ1，Ｖ2間の電圧及び位相の変化も大きくなることから、電圧及び位相の制御が可能となる。
【００４０】
二次側の負荷が無い場合の可変変圧器の動作を図１０（Ａ），（Ｂ）に示す。磁気結合が強い場合には一次側の直列漏洩リアクタンス成分ｘ1が小さいことから、制御電流による効果は励磁電流の増加となって現れ、遅れ無効電力は大きく変化するものの出力電圧の変化は小さい。しかし磁気結合が弱い場合には一次側の直列漏洩リアクタンス成分ｘ1が大きくなることから、制御電流による効果は励磁電流の増加と一次巻線と二次巻線の鎖交磁束数の変化となって現れ、遅れ無効電力と出力電圧が大きく変化することとなる。したがって、巻線及び磁束制御回路の配置により装置の特性を様々に変えることができる。なお、３相可変変圧器の場合も、一次巻線、二次巻線そして磁束制御回路の組合せ方法の選択次第で、様々な機能を有する装置が実現できる点は同様である。
このように、可変変圧器を使用することで、無効電力の調整及び誘起電圧の調整により系統電圧の定電圧制御を行ったり、一次側と二次側間の位相調整により定力率制御などを行うことが可能である。
【００４１】
図１１は、実際に図２に示した３相可変変圧器の電流のオッシロ波形を示した図で、制御巻線電流の制御による起磁力（アンペアターン）の増加による電流の歪みは殆ど変化していないことがわかる。
【００４２】
図１２は、３相可変変圧器の回路構成の一例である。一次側及び二次側の電圧・電流や、外部機器の接点などの情報を、制御演算回路に取込み制御演算することで、制御巻線への制御電流指令や、電力用コンデンサ用遮断器の開閉指令など、連動して制御する必要のある外部機器を制御する。なお、一次巻線１４と並列に開閉器１９を介し接続している電力用コンデンサ２０は、進み電流補償を行う場合に必要であり、制御目的や設置系統の状況に応じ省略することが可能である。なお、単相可変変圧器の場合にも同様な回路構成が可能であることは明らかである。
【００４３】
図１３（Ａ），（Ｂ）は、可変変圧器の無効電力調整機能を電力用コンデンサの制御に応用した場合の制御動作の一例である。
一般に、電力用コンデンサは、系統に対し段階的に進み無効電力を供給するため、並列用遮断器の投入開放時には、大きな電圧変動を生ずることとなる。可変変圧器は、制御電流により高速化かつ連続的に遅れ無効電力を調整できることから、電力用コンデンサの動作を打消すように制御することで、系統に与えるショックを軽減できる。
【００４４】
図１３（Ａ）は、電力用コンデンサ切離しの場合で、まず、可変変圧器の遅れ無効電力を緩やかに増加することにより、電力用コンデンサの進み無効電力を事前に打消しておき、続いて、電力用コンデンサ切離しとタイミングを合わせ、可変変圧器の制御電流を急速に減ずることにより、電力用コンデンサ切離しにより系統に見かけ上発生する、遅れ無効電力を緩和するという、制御動作を示している。
【００４５】
図１３（Ｂ）は、電力用コンデンサ投入の場合で、電力用コンデンサ投入とタイミングを合わせ、電力用コンデンサ投入により系統に発生する進み無効電力を、可変変圧器の制御電流を急速に増加することにより緩和した後、少しずつ可変変圧器の制御電流を減ずることで、見かけ上、進み無効電力を徐々に増加させ、系統に与えるショックを軽減するという、制御動作を示している。
【００４６】
いずれの場合も、可変変圧器と同一の母線に設置された電力用コンデンサの制御動作だけでなく、系統上の任意の場所に設置されている電力用コンデンサと組合せた場合にも、接点情報、制御指令信号などを用いることにより、同様の効果を得られることは明らかである。
更に、電力用コンデンサだけでなく、送電線の系統充電や、固定リアクトルや誘導機の投入・切離しなど、無効電力の変動に伴う系統電圧変動の抑制に広く適用できることは明らかである。
【００４７】
図１４は、負荷時切換タップ付可変変圧器の回路構成の一例である。一次巻線１４に電圧タップ１８を設け、負荷時タップ切換機構を構成すること以外は、前述の多機能電力制御器機とほぼ同様の構成である。
可変変圧器の制御範囲を大きくするには、制御磁束の可変量を大きくすることが必要であり、制御電流の容量の拡大か、制御巻線の巻回数の増加を招くため、制御損失の増大や機器の大型化などが課題となる。一方、負荷時切換タップ付変圧器は、機械的に接点を切換えるため、低速で段階的な制御とならざるを得ない。
負荷時切換タップ付可変変圧器は、可変変圧器の高速かつ連続的な制御と、負荷時切換タップ付変圧器の高効率な電圧制御とを組合せることにより、高効率かつ滑らかな電力制御機器を実現できる。
【００４８】
図１５，図１６は、負荷時切換タップ付可変変圧器の制御動作を説明する図である。
図１５はタップ切換のみによる制御の一例であり、出力電圧は、系統電圧の変動に拘わらずタップ切換により、ある制御範囲に収まっていることを示している。しかし、タップ切換により段階的な制御となることは避けられない。
【００４９】
図１６は、タップ切換による電圧調整と可変変圧器による電力制御との、協調制御を表わしており、タップ切換による段階的な電圧変化を制御電流による制御で補うことで、出力電圧を平滑化できることを示している。この場合、制御回路で発生させる必要のある制御磁束は、タップ電圧に換算して［２タップ分＋裕度］となることから、磁束制御回路の負担が非常に小さくなり、制御損失の低減と機器の小型化を図ることができ、高速かつ連続的な制御能力を有する、高効率かつコンパクトな可変変圧器を実現できる。
【００５０】
なお、基本的な制御方法として、長時間の大きな電圧変動に対しては、系統電圧を基に比較的大きな不感帯および動作時限を設ける条件でタップ操作により対応し、短時間の小さな電圧変動に対しては、出力電圧を基に不感帯および動作時限を極力小さくした可変変圧器としての制御で対応する方法と、出力電圧を基に動作する可変変圧器の制御電流が、上限値もしくは下限値を一定時間継続した条件でタップ操作指令を出力する方法などが考えられる。
【００５１】
上記は電圧一定制御の場合であるが、可変変圧器を移相変圧器として使用した場合において、タップによる段階的な位相調整を連続調整とするなど、従来の負荷時切換タップを有する巻線機器全般について、機械的な接点の切換による段階的な制御を、連続可変制御とすることができることは明らかである。
なお、二次巻線に切換タップを設けた場合にも、同様に制御動作が期待できることと、３相機器構造とした場合にも適用できることは、明らかである。
また、一般に用いられている機械的接点によるタップ切換機構のほか、サイリスタなどの半導体スイッチや真空バルブなどを適用可能であることは明らかである。
【００５２】
図１７は、一組の単相可変変圧器を整流器２９を介してプッシュプル接続し、高調波歪みを軽減する場合の回路構成図である。
図１８は、可変変圧器の二次巻線１５に電磁鋼板３０を巻回して、磁束制御回路の影響による二次巻線１５の漏洩磁束φLを生じ易くして、二次巻線の漏洩リアクタンスの制御性を向上させる場合の構成例である。
図１９は、可変変圧器の制御巻線に誘起される交流電圧の抑制対策を説明する図である。夫々の磁路に巻回された制御巻線を複数に分割し端子を引出せるよう構成し、分割した制御巻線を夫々の磁路毎に誘起電圧を互いに打消すよう交互に接続することで、巻線の部分毎に誘起される電圧の最大値を、分割した巻線の巻回数に応じた電圧ＶC'に抑制することができる。このことにより、制御磁束量を確保するため、制御巻線の巻回数ＮCを増加させた場合にも、特別な絶縁対策が不要となる。
なお、この誘起電圧抑制対策は、二組の制御巻線を誘起電圧が打消されるよう組合せ、制御電流を流すことにより磁気抵抗の変化する、磁束制御回路を構成する全ての交流巻線機器に、広く適用できることは明らかである。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、近年の電力需要の増大や負荷の多様化により顕在化しつつある、系統電圧の変動等の負荷の多様化に対応できる、フレキシブルな電力設備の合理的な提供が図られ、電力系統の安定化と設備合理化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 可変変圧器の単相回路の一実施例を示す図で、図１（Ａ）は回路構成の一例を示す図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の等価回路の一例を示す図である。
【図２】 可変変圧器の３相回路の一実施例を示す図である。
【図３】 可変変圧器の、単相カットコアの場合の巻線及び磁心部分の構成例を示す図である。
【図４】 可変変圧器の、単相積鉄心の場合の巻線及び磁心部分の構成例を示す図である。
【図５】 可変変圧器の、３相積鉄心の場合の巻線及び磁心部分の構成例を示す図である。
【図６】 楔形ギャップの一構成例を示す図で、図６（Ａ）は巻線及び磁心の全体図、図６（Ｂ）は窓部の拡大図である。
【図７】 通常の変圧器の等価回路と電圧電流ベクトルを示す図で、図７（Ａ）は通常の変圧器の等価回路図、図７（Ｂ）は通常の変圧器の電圧電流ベクトル図の一例を示す図である。
【図８】 可変変圧器の巻線構成部の等価回路図である。
【図９】 制御有の場合の磁気結合が強い場合の電圧電流ベクトル図（図９（Ａ））の一例、及び磁気結合が弱い場合の電圧電流ベクトル図（図９（Ｂ））の一例を示す図である。
【図１０】 制御有無負荷の場合の磁気結合が強い場合の電圧電流ベクトル図（図１０（Ａ））の一例、磁気結合が弱い場合の電圧電流ベクトル図（図１０（Ｂ））の一例を示す図である。
【図１１】 ３相可変変圧器の電流波形の一例である。
【図１２】 ３相可変変圧器の回路構成の一例を示す図である。
【図１３】 可変変圧器の無効電力調整機能を電力用コンデンサの制御に応用した場合の一例を示す図で、図１３（Ａ）は、電力用コンデンサの切離し時の制御の一例を示す図、図１３（Ｂ）は、電力用コンデンサの投入時の制御の一例を示す図である。
【図１４】 負荷時切換タップ付可変変圧器の構成例を示す図である。
【図１５】 負荷時切換タップ付可変変圧器の制御動作を示す図で、タップ切換のみによる制御の一例を示す図である。
【図１６】 負荷時切換タップ付可変変圧器の制御動作を示す図で、タップ切換と可変変圧器による協調制御の一例を示す図で、図１６（Ａ）は協調制御の一例、図１６（Ｂ）は協調制御時の制御電流の一例である。
【図１７】 プッシュプル接続した単相可変変圧器の基本構成の一例を示す図である。
【図１８】 漏洩磁気回路を追加した可変変圧器の構成の一例を示す図である。
【図１９】 可変変圧器の制御巻線における誘起電圧の抑制対策を示す図である。
【図２０】 従来の変圧器の単相基本構成例を示す図である。
【図２１】 本出願人が先に提案した鎖交磁束制御形可変変圧器の単相基本構成例を示す図である。
【符号の説明】
１１…磁心（鉄心）、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…磁心の脚部、１２ｍ，１２ｎ，１２ｍａ，１２ｎａ，１２ｍｂ，１２ｎｂ，１２ｍｃ，１２ｎｃ，１２ｍ’，１２ｎ’…制御巻線、１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…制御回路、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…一次巻線、１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…二次巻線、１６…磁心に設けた窓、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…脚部に設けた窓、１７…切込み、１８…電圧タップ、１９…開閉器、２０…電力用コンデンサ、２１…第１磁気回路の第２Ｕ形カットコア、２２…第１磁気回路の第１Ｕ形カットコア、２３…第２磁気回路の第３Ｕ形カットコア、２４…第２磁気回路の第４Ｕ形カットコア、２５…漏洩磁束制御巻線、２６…主磁束制御巻線、２７…第１磁気回路のカットコア接触面、２８…第２磁気回路のカットコア接触面、２９…整流器、３０…電磁鋼板。
Claims (5)
- 相ごとの一次巻線及び二次巻線を構成する主巻線が同一の磁心脚に配置され、該主巻線に鎖交する主磁束が迂回磁路を有しないひとつの閉回路を形成する変圧器において、主磁束が通る磁路の一部を２分割し、分割した夫々の磁路に制御巻線を巻回し、前記主磁束により両制御巻線に生じる誘起電圧が互いに打消されるように両制御巻線を直列に接続した磁束制御回路を設け、その開放端子側に電流制御回路を接続して直流制御電流を流し、２分割した磁路で形成される閉磁路に制御磁束を還流し、主磁束が通る磁路の一部を磁気飽和させて主磁束が通る磁路の磁気抵抗を制御することにより、変圧器主巻線の漏洩リアクタンス及び変圧器の励磁リアクタンスを調整し、二次巻線端子電圧、一次巻線と二次巻線端子電圧の位相角、無効電力の供給を高速かつ連続的に可変することを特徴とする可変変圧器。
- 請求項１記載の可変変圧器において、３相変圧器の各相の主磁束が通る磁路に夫々磁束制御回路を設け、３相変圧器の各相の主磁束が通る磁路の一部を磁気飽和させて各相の主磁束が通る磁路の磁気抵抗を制御することにより、変圧器主巻線の漏洩リアクタンス及び変圧器の励磁リアクタンスを調整し、二次巻線端子電圧、一次巻線と二次巻線端子電圧の位相角、無効電力の供給を高速かつ連続的に可変することを特徴とする可変変圧器。
- 請求項１又は２記載の可変変圧器において、任意の主巻線に対応する磁束制御回路を主磁束が通る磁路の任意の箇所に複数設け夫々の磁束制御回路を切換えて使用することで、主巻線と磁束制御回路の幾何学的な位置関係を変化させ主巻線に対する磁束制御回路の作用を調整することにより、変圧器主巻線の漏洩リアクタンス及び変圧器の励磁リアクタンス特性の制御範囲を拡大することを特徴とする可変変圧器。
- 請求項１，２又は３記載の可変変圧器において、磁束制御回路を形成する分割磁路の任意の箇所に楔形のギャップを設け、磁気回路の非線型特性を緩和し入出力電流の波形歪みを改善することを特徴とする可変変圧器。
- 請求項１，２，３又は４記載の可変変圧器において、主巻線に負荷時切換タップを設け、タップ切換と磁束制御回路との協調制御を行うことで、磁束制御回路の制御損失を軽減し効率の高い制御を可能とすることを特徴とする可変変圧器。
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