JP4646327B2 - 三相電磁機器 - Google Patents

Description

この発明は、三相形のリアクタンスを可変できる電磁機器に関する。さらに、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せず、三相バランスの優れた三相形の電磁機器に関する。

リアクタンスを可変できる従来の技術としては、本出願人が先に提案した電磁機器（特許文献１）や三相形電磁機器（特許文献２）がある。

図９は、本出願人が先に提案した単相形の電磁機器の一例を説明するための接続図である。この電磁機器は、田の字状磁心３３に第１主巻線３１ａ、第２主巻線３１ｂ、制御巻線３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄを巻回し、直列に接続した制御巻線の開放端子側に制御回路３４を接続した構成である。
主巻線の開放端に交流電源を接続し、制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流すと、制御巻線３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄにおいて、制御巻線の巻数と直流制御電流Ｉｃの積で表される起磁力が発生することで、制御磁束φｃ３１及びφｃ３２と主磁束φ３１ａ、φ３１ａ’及びφ３１ｂ、φ３１ｂ’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。

図１０は、本出願人が先に提案した三相形電磁機器の一例を説明するための接続図である。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を巻回して有し、他方の連結端側には、各磁路に制御巻線４２ａａ〜４２ｃｂを巻回して有する。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。
特許第３７８９３３３号明細書 特開２００３−１６８６１２号公報

しかし、上記特許文献１に開示の電磁機器は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ことが可能であるものの、単相機器であるため、電力用として一般に用いられる三相構成とするためには３台で三相構成する必要があり、小型化のため重量や容積の観点から三相一体構成の電磁機器が望まれていた。
また、上記文献２に開示の三相形電磁機器についても、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ことが可能であるものの、中央脚部に巻回した主巻線による主磁路の磁気抵抗と外側脚部に巻回した主巻線による主磁路の磁気抵抗が異なるため、リアクタンス制御時に三相間のアンバランスが生ずるという課題があった。

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、磁気回路構造及び巻線の巻装構造が簡単で、三相一体構造を構成でき、且つ、タップを設けることなくリアクタンスを可変できる三相形電磁機器を提供することを目的とする。

本発明の技術手段は、同一平面状に放射状に対称的に分岐する６つの脚部の端部が夫々連結されて６つの窓部を形成する磁心と、前記磁心の６つの各脚部に三相交流電源に接続される主巻線を巻回し、前記磁心の脚部を連結する連結部に制御巻線を巻回し、前記主巻線に流れる交流主電流によって制御巻線に誘起する電圧が互いに打ち消されるように接続し、当該制御巻線の開放端に制御回路を接続して直流制御電流を供給することにより前記連結部を還流する制御磁束を発生させ、前記直流制御電流を制御することによって、前記主巻線に流れる交流主電流により発生する主磁束と前記制御磁束との共通磁路を形成する磁心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三相形電磁機器である。
第２の技術手段は、前記磁心の６つの脚部の互いに延長方向に対となる脚部の磁心に同一相の主巻線が同方向に主磁束が発生するように３対の各磁心に各相の主巻線を巻回することを特徴とする三相形電磁機器である。
第３の技術手段は、前記磁心の６つの脚部の互いに隣り合って対となる脚部の磁心に同一相の主巻線を互いに反対方向の主磁束が発生するように３対の各磁心に各相の主巻線を巻回することを特徴とする三相形電磁機器である。
第４の技術手段は、前記主巻線を巻回する各脚部の磁心を連結する６つの各連結部の磁心に夫々制御巻線を巻回することを特徴とする三相形電磁機器である。
第５の技術手段は、前記主巻線を巻回する各脚部の磁心を連結する各連結部の磁心に１つおきに３つの制御巻線を巻回することを特徴とする三相形電磁機器である。
第６の技術手段は、６つの直線磁心の夫々の一端を集合させて接合し、他方端を夫々６つの磁心で連結して６つの窓部を形成し、それぞれの直線磁心は隣接する直線磁心との角度が６０゜を成すように配置した磁心の構成を特徴とする三相形電磁機器である。
第７の技術手段は、各相の主巻線を巻回した脚部の磁心に二次巻線を巻回し、前記直流制御電流の調整により前記二次巻線に誘起する電圧を連続的に可変する可変変圧器であることを特徴とする三相形電磁機器である。

本発明によれば、タップを設けることなく、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可変リアクトル又は可変変圧器などの三相形の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。

図１は、本発明による三相形電磁機器の磁心及び巻線の基本構成を示す接続図、図２は、図１で示した三相形電磁機器を等価的に回路表示した回路構成を示す図、図３は、図１で示した三相形電磁機器を磁心の構成例と共に示す接続図である。以下に本発明の基本構成例を説明する。

本三相形電磁機器を構成する磁心は、図３の如く、６つの直線磁心３ａａ、３ａｂ、３ｂａ、３ｂｂ、３ｃａ及び３ｃｂの夫々の一端部を集合させて接合し隣接する直線磁心との角度が６０゜となるように配置し６つの脚部を形成する。さらに前記６つの脚部を形成する直線磁心の他方の端部を６つの鉄心窓部が形成されるように連結磁心３ｄで連結する。なお、直線磁心３ａａ、３ａｂ、３ｂａ、３ｂｂ、３ｃａ、３ｃｂの夫々の接合部及び連結磁心３ｄとの接合部は、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構成する。

第１の直線磁心３ａａには主巻線１ａａを、直線磁心３ａａと同一軸上に配置された第２の直線磁心３ａｂには主巻線１ａｂを巻回す。主巻線１ａａ及び１ａｂを、両主巻線から生じる磁束φａ１及びφａ２が同一方向になるように直列又は並列に接続する。

同様に、第３の直線磁心３ｂａには主巻線１ｂａを、直線磁心３ｂａと同一軸上に配置された第４の直線磁心３ｂｂには主巻線１ｂｂを巻回し、第５の直線磁心３ｃａには主巻線１ｃａを、直線磁心３ｃａと同一軸上に配置された第６の直線磁心３ｃｂには主巻線１ｃｂを巻回す。
主巻線１ｂａ及び１ｂｂ並びに主巻線１ｃａ及び１ｃｂは、両主巻線から生じる磁束φｂ１及びφｂ２並びに磁束φｃ１及びφｃ２が同一方向になるように直列又は並列に接続する。

直線磁心を連結した６つの連結磁心３ｄには、それぞれに制御巻線２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ及び２ｆを巻回し、主巻線１ａａ及び１ａｂ、並びに主巻線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及び２ｆに誘起する電圧が互いに打消されるように前記制御巻線を直列又は並列に接続し、その開放端子側に制御回路４を接続する。図示の例では、同方向に巻回した６個の制御巻線をすべて直列に接続しているが、主巻線には平衡三相交流電流が流れるので、制御巻線の誘起電圧は互いに打ち消される。

図１において、直線磁心に巻回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電流ＩＬｕ、ＩＬｖ、ＩＬｗが流れていたとする。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。
上記構成の三相形電磁機器は、制御巻線に直流制御電流を流さない場合には、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、直線磁心を連結した連結磁心部を介して還流することになる。

以下、主巻線１ａａを巻回した第１の直線磁心部と主巻線１ａｂを巻回した第２の直線磁心部について説明する。
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。
発生した主磁束は、制御巻線に直流制御電流を流さない場合には制御巻線を巻回した連結磁心部を通過し、主巻線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。制御巻線を巻回した連結磁心部は、制御磁束φｄｃと主磁束φａ１、φａ２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Ｉｃを流すと、制御巻線２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ及び２ｆ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、制御巻線磁束φｄｃ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、同様に他の直線磁心部についても成り立つことから、直流制御電流Ｉｃを調整することによってリアクタンスを可変できる三相形の電磁機器として機能することができる。

図４は、本三相形電磁機器の構成例を示したもので、図４（ａ）は前述の如く直線磁心を連結する連結磁心形状が円形状を成すものであり、電動機などで使用される打ち抜き鉄心から簡単に構成することができる。図４（ｂ）及び図４（ｃ）は直線磁心を連結する連結磁心形状が直線状を成すものであり、打ち抜き鉄心のほか積鉄心で簡単に構成することができる。なお、連結磁心は、６つの連結磁心が同等の構成であれば、様々な形状が可能である。図４（ｄ）は磁心中央部における直線磁心同士の接続部を連結磁心とし、巻線を巻回す窓形状を台形にしたものであり、積鉄心で簡単に構成することができるほか巻線の占積率を向上させ、電磁機器の軽量化を図ることができる。
また、図４（ｅ）に示すようにカットコアで構成することもできる。

図５は、本発明による三相形電磁機器の、他の巻線構成例を示す接続図であり、三相形電磁機器を構成する６つの直線磁心３ａａ、３ａｂ、３ｂａ、３ｂｂ、３ｃａ及び３ｃｂを、各相の対を構成する直線磁心３ａａ及び３ａｂ、３ｂａ及び３ｂｂ、３ｃａ及び３ｃｂがそれぞれ６０゜を成すように、主巻線１ａａ及び１ａｂ、１ｂａ及び１ｂｂ、１ｃａ及び１ｃｂを配置したものである。
前述と同様に、制御巻線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形の電磁機器として機能することができる。
図３、図５に示す例では、６つの連結磁心の夫々に制御巻線を巻回しているが、１つおきに３つの連結部の磁心に巻回することもできる。この場合、３つの制御巻線は同方向に巻回し直列に接続する。

図６は、本発明による三相形電磁機器に三相交流電圧を印加し、直流制御電流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６（ａ）は、主巻線電流の制御特性例を示したものであり、直流制御電流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６（ｂ）は、主巻線電流の電流歪み特性例を示したものであり、直流制御電流Ｉｃによらず良好な主巻線電流歪みであることがわかる。

以上のように、本発明によると、直流制御電流を調整することによりリアクタンスを高速且つ連続的に可変することができる。

図７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を巻回した直線磁心に二次巻線６ａａ、一次巻線５ａｂを巻回した直線磁心に二次巻線６ａｂ、一次巻線５ｂａを巻回した直線磁心に二次巻線６ｂａ、一次巻線５ｂｂを巻回した直線磁心に二次巻線６ｂｂ、一次巻線５ｃａを巻回した直線磁心に二次巻線６ｃａ、一次巻線５ｃｂを巻回した直線磁心に二次巻線６ｃｂを巻回して一次巻線と同様に接続して構成した三相形の電磁機器である。

図７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を巻回した第１の直線磁心部と一次巻線５ａｂを巻回した第２の直線磁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。

制御巻線に直流制御電流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、同様に他の直線磁心部についても成り立つことから、変圧器としての変圧機能に加えて、リアクタンスを可変できる三相形の電磁機器として機能することができる。

（適用例）
図８は、本発明の三相形電磁機器の無効電力補償装置への適用例である。
図８において、本発明による三相形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、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形の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。

請求項１又は２又は４又は６の発明による電磁機器の基本構成例を示す接続図である。 図１に示した電磁機器の等価回路を示す回路構成図である。 請求項１又は２又は４又は６の発明による電磁機器を磁心の構成例と共に示す接続図である。 請求項１又は２又は３又は４又は６の発明による電磁機器の磁心構成例を示す構成図である。 請求項１又は３又は６の発明による電磁機器の構成例を示す構成図である。 電磁機器の制御特性例を示す図である。 請求項７の発明による電磁機器の基本構成例を示す接続図である。 本発明の無効電力補償装置への適用例を示す回路構成図である。 本出願人が先に提案した従来の電磁機器の一実施例を示す接続図である。 本出願人が先に提案した従来の三相型電磁機器の一実施例を示す接続図である。

符号の説明

１（１ａａ、１ａｂ、１ｂａ、１ｂｂ、１ｃａ、１ｃｂ）…主巻線、２（２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ）…制御巻線、３（３ａａ、３ａｂ、３ｂａ、３ｂｂ、３ｃａ、３ｃｂ、３ｄ）…磁心、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。

Claims (7)

1. 同一平面状に放射状に対称的に分岐する６つの脚部の端部が夫々連結されて６つの窓部を形成する磁心と、
   前記磁心の６つの各脚部に三相交流電源に接続される主巻線を巻回し、
   前記磁心の脚部を連結する連結部に制御巻線を巻回し、前記主巻線に流れる交流主電流によって制御巻線に誘起する電圧が互いに打ち消されるように接続し、
   当該制御巻線の開放端に制御回路を接続して直流制御電流を供給することにより前記連結部を還流する制御磁束を発生させ、
   前記直流制御電流を制御することによって、前記主巻線に流れる交流主電流により発生する主磁束と前記制御磁束との共通磁路を形成する磁心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ことを特徴とする三相形電磁機器。
2. 前記磁心の６つの脚部の互いに延長方向に対となる脚部の磁心に同一相の主巻線が同方向に主磁束が発生するように３対の各磁心に各相の主巻線を巻回することを特徴とする請求項１に記載の三相形電磁機器。
3. 前記磁心の６つの脚部の互いに隣り合って対となる脚部の磁心に同一相の主巻線を互いに反対方向の主磁束が発生するように３対の各磁心に各相の主巻線を巻回することを特徴とする請求項１に記載の三相形電磁機器。
4. 前記主巻線を巻回する各脚部の磁心を連結する各連結部の磁心に夫々制御巻線を巻回することを特徴とする請求項２又は３に記載の三相形電磁機器。
5. 前記主巻線を巻回する各脚部の磁心を連結する各連結部の磁心に1つおきに夫々制御巻線を巻回することを特徴とする請求項２又は３に記載の三相形電磁機器。
6. 前記磁心は、６つの直線磁心の夫々の一端を集合させて接合し、他方端を夫々６つの磁心で連結して６つの窓部を形成し、それぞれの直線磁心は隣接する直線磁心との角度が６０゜を成すように配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載の三相形電磁機器。
7. 各相の主巻線を巻回した脚部の磁心に二次巻線を巻回し、前記直流制御電流の調整により前記二次巻線に誘起する電圧を連続的に可変することを特徴とする請求項1から６のいずれか１に記載の三相形電磁機器。

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