JP4953302B2 - 交流リアクトル - Google Patents

Description

本発明は、インバータ用の交流リアクトルに関するものである。

交流リアクトルとして、例えば三脚鉄心における各相の脚部にコイルを巻装したコアタイプのリアクトルがある（特許文献１参照）。
特開平１０−１８９３５８号公報

しかしながら、各相の脚部にコイルを巻装しただけの構造では、インピーダンスを調整することはできず、汎用性が低い。図１６に示すように、メインコイルとは別に、短絡可能なコイルを新たに設けることも考えられるが、これでは同相で互いのコイルが干渉し合ってしまい、インピーダンスの調整にはならない。
本発明の課題は、交流リアクトルのインピーダンスを調整可能にすることである。

上記課題を解決するために、本発明に係る交流リアクトルは、並列に連結した第１相、第２相、第３相の脚部と、第１相と第２相の間、及び第２相と第３相の間で、前記脚部同士の中央を連結した梁部と、で構成される鉄心と、各相ごとに前記脚部における前記梁部との連結位置よりも一端側に巻装された第１のコイルと、各相ごとに前記脚部における前記梁部との連結位置よりも他端側に巻装された第２のコイルと、前記梁部に巻装された第３のコイルと、電路に対する各相の前記第１及び第２のコイルの接続、並びに前記第３のコイルの短絡を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、負荷状態に応じて、前記第１及び第２のコイルによって、基本接続リレー回路、順相接続リレー回路、及び逆相接続リレー回路の夫々を選択して形成することが可能であり、前記基本接続リレー回路は、電路に対して同相の前記第１のコイルと前記第２のコイルの接続を個別に制御する回路であり、前記順相接続リレー回路は、第１相から第２相へ、第２相から第３相へ、第３相から第１相への相順を順方向とし、電路に対して前記第１のコイルの接続を制御し、この第１のコイルとは相順を順方向に切替えた前記第２のコイルの接続を制御し、この第２のコイルにおける前記鉄心に対する励磁方向を制御する回路であり、前記逆相接続リレー回路は、第１相から第３相へ、第２相から第１相へ、第３相から第２相への相順を逆方向とし、電路に対して前記第１のコイルの接続を制御し、この第１のコイルとは相順を逆方向に切替えた前記第２のコイルの接続を制御し、この第２のコイルにおける前記鉄心に対する励磁方向を制御する回路であることを特徴とする。

また、前記制御手段は、軽負荷時、又は定格負荷時には、前記基本接続リレー回路を選択し、軽負荷から中負荷時には、前記逆相接続リレー回路を選択し、中負荷から重負荷時には、前記順相接続リレー回路を選択することを特徴とする。
また、前記制御手段は、負荷状態に応じて、前記第３のコイルの短絡を制御することを特徴とする。
また、各相の前記第１及び第２のコイルを、多芯線で構成することを特徴とする。

本発明によれば、第１相と第２相の間、第２相と第３相の間に梁部を連結して鉄心を構成したことで、同相に巻装された第１及び第２のコイルが互いに干渉し合うことがなく、第１及び第２のコイルの接続を制御するだけで、リアクタンスを切り替えることができる。さらに、梁部に巻装した第３のコイルの短絡を制御するだけで、磁路を変化させることができる。したがって、第１及び第２のコイルの接続や、第３のコイルの短絡を制御することにより、交流リアクトルのインピーダンスを任意に調整することができる。

また、負荷状態に応じて、第１及び第２のコイルの接続や、第３のコイルの短絡を制御することにより、全負荷領域で最適なインピーダンスを得ることができる。
また、各相の前記第１及び第２のコイルを、多芯線で構成することにより、表皮効果や近接効果の影響を軽減することができる。特に、インバータで電動機を駆動する場合、キャリア周波数を１０ｋＨｚ前後で使用することになり、表皮効果や近接効果が顕著になるので、インバータ用の交流リアクトルとして有効である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《構成》
図１に示すように、誘導電動機１を駆動するためのインバータ２を備え、その高調波成分が受電側に流出することを防止するために、インバータ２の上流側に交流リアクトル３が介挿されている。
図２に示すように、交流リアクトル３の鉄心は、並列に連結したＵ相、Ｖ相、Ｗ相の脚部３ｉ（ｉ＝ｕ、ｖ、ｗ）と、Ｕ相とＶ相の間、及びＶ相とＷ相の間で、脚部同士の中央を連結した梁部３ｊ（ｊ＝ｕｖ、ｖｗ）とで構成され、略『田の字』型に形成されている。

各相の脚部３ｉには、梁部３ｊとの連結位置よりも一端側に、第１のコイルＣ１ｉが巻装され、梁部３ｊとの連結位置よりも他端側に、第２のコイルＣ２ｉが巻装されている。また、梁部３ｊには、第３のコイルＣ３ｊが巻装されている。なお、コイルＣ１ｉ及びＣ２ｉは、多芯線（より線）によって構成されている。
第１のコイルＣ１ｉ及び第２のコイルＣ２ｉは、電路に対する接続が制御され、第３のコイルＣ３ｊは、短絡が制御される。

コイルＣ１ｉ及びコイルＣ２ｉの接続は、下記の１〜３の何れかのリレー回路によって制御される。
１．基本接続リレー回路
これは、図３に示すように、電路に対して同相のコイルＣ１ｉとコイルＣ２ｉとの接続を個別に制御にする回路である。図３では、Ｃ１ｕとＣ２ｕに対する回路だけを記載しているが、Ｃ１ｖとＣ２ｖ、及びＣ１ｗとＣ２ｗに対する回路も同様である。
ここでは、接点Ｃαを開くときに、コイルＣ１ｕが電路に接続され、接点Ｃαを閉じるときに、コイルＣ１ｕが短絡される。また、接点Ｃβを開くときに、コイルＣ２ｕが電路に接続され、接点Ｃβを閉じるときに、コイルＣ２ｕが短絡される。図４は、電路に対してコイルＣ１ｉとコイルＣ２ｉとを共に接続した状態である。

２．順相接続リレー回路
これは、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、電路に対してコイルＣ１ｉの接続を制御し、さらにコイルＣ１ｉとは相順を順方向に切替えたコイルＣ２ｉの接続を制御する回路である。すなわち、Ｕ相のコイルＣ１ｕにはＶ相のコイルＣ２ｖを、Ｖ相のコイルＣ１ｖにはＷ相のコイルＣ２ｗを、Ｗ相のコイルＣ１ｗにはＵ相のコイルＣ２ｕを接続可能にする回路である。図５では、Ｃ１ｕとＣ２ｖに対する回路だけを記載しているが、Ｃ１ｖとＣ２ｗ、及びＣ１ｗとＣ２ｕに対する回路も同様である。

（ａ）の場合、接点Ｃαを開くときに、コイルＣ１ｕが電路に接続され、接点Ｃαを閉じるときに、コイルＣ１ｕが短絡される。また、接点Ｃβを開くときに、コイルＣ２ｖが電路に接続され、接点Ｃβを閉じるときに、コイルＣ２ｖが短絡される。（ｂ）の場合、接点Ｃα及びＣβの開閉に伴う動作は（ａ）と同様であり、接点Ｃγを開き、接点Ｃδを閉じたときと、接点Ｃγを閉じ、接点Ｃδを開いたときとで、コイルＣ２ｖの接続方向が逆転し、これによって励磁方向も逆転する。図６は、電路に対してコイルＣ１ｉとコイルＣ２ｉとを共に接続すると共に、コイルＣ２ｉの接続方向をコイルＣ１ｉと逆方向にした状態である。

３．逆相接続リレー回路
これは、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、電路に対してコイルＣ１ｉの接続を制御し、さらにコイルＣ１ｉとは相順を逆方向に切替えたコイルＣ２ｉの接続を制御する回路である。すなわち、Ｕ相のコイルＣ１ｕにはＷ相のコイルＣ２ｗを、Ｖ相のコイルＣ１ｖにはＵ相のコイルＣ２ｕを、Ｗ相のコイルＣ１ｗにはＶ相のコイルＣ２ｖを接続可能にする回路である。図７では、Ｃ１ｕとＣ２ｗに対する回路だけを記載しているが、Ｃ１ｖとＣ２ｕ、及びＣ１ｗとＣ２ｖに対する回路も同様である。

（ａ）の場合、接点Ｃαを開くときに、コイルＣ１ｕが電路に接続され、接点Ｃαを閉じるときに、コイルＣ１ｕが短絡される。また、接点Ｃβを開くときに、コイルＣ２ｖが電路に接続され、接点Ｃβを閉じるときに、コイルＣ２ｖが短絡される。（ｂ）の場合、接点Ｃα及びＣβの開閉に伴う動作は（ａ）と同様であり、接点Ｃγを開き、接点Ｃδを閉じたときと、接点Ｃγを閉じ、接点Ｃδを開いたときとで、コイルＣ２ｗの接続方向が逆転し、これによって励磁方向も逆転する。図８は、電路に対してコイルＣ１ｉとコイルＣ２ｉとを共に接続すると共に、コイルＣ２ｉの接続方向をコイルＣ１ｉと同一方向にした状態である。

また、コイルＣ３ｊの短絡は、図２に示すように、接点Ｃεを備えたリレー回路によって制御される。ここでは、接点Ｃεを開くときに、梁部３ｊを通過する磁束が許容され、接点Ｃεを閉じるときに、梁部３ｊを通過する磁束が制限される。
上記のように、コイルＣ１ｉ及びＣ２ｉの接続と、コイルＣ３ｊの短絡とを、誘導電動機１の負荷状態に応じて制御する。図９は、具体的な制御を示す一例である。

《作用》
１．基本接続リレー回路
通常、インバータ２からの出力電圧は、供給電圧に対する変動に対して一定になるように働く。したがって、インバータ２に対する力率を改善するには、供給電圧を低く保つことが得策となるので、軽負荷時にはリアクタンスを大きくし、定格負荷時には、リアクタンスをゼロとすることにより最適な設定となる。
このように、負荷状態に応じて、各コイルの接続や短絡を制御することで、最適なリアクタンスを得ることができ、Ｃ１ｉ及びＣ２ｉの巻数比を変化させれば、さらに細かい調整が可能となる。

２．順相接続リレー回路（ＹＶ接続）
図１０に示すように、電流位相を進めても電流値の大きさの変化が現れてこないので、中負荷〜重負荷に適した接続となる。
インバータ駆動では、中負荷以上で電流位相が進んで、電流が商用電源駆動に比べて多くなる傾向があるので、図１１に示すように、電流位相を遅らせ、負荷電流を減少させるベクトル合成電流とすることができる。電流比率が１：１のときに、合成電流が一番小さくなるが、どの程度の電流位相に設定し、どの程度の平均負荷状態を最適状態とするかを考慮して、電流比率を決定する。

図１２に示すように、他のインバータのみや、コイルＣ３ｊを短絡しなかったときと比べて力率を改善すると（１）、重負荷のときに効率が悪化する（３）。これに対して、力率を悪化させることにより（２）、中負荷以上でリアクトルを接続していても効率の低下を回避し、効率を改善することができる（４）。
こうした順相接続により、供給電圧を低くすることで、トルク分電流と励磁分電流の調整が可能となる。したがって、余分な無効電力の励磁エネルギーを低減し、力率改善と共に効率の改善を図ることができる。但し、各コイルの巻数を多くすると励磁損失が大きくなるので、減圧比率について細かい調整が必要である。

３．逆相接続リレー回路（ＷＺ接続）
図１３に示すように、電流位相を進めると電流値の大きさが減少するように働き、軽負荷〜中負荷に適した接続となる。
この場合も、電流比率が１：１のときに、合成電流が一番小さくなるが、どの程度の電流位相に設定し、どの程度の平均負荷状態を最適状態とするかを考慮して、電流比率を決定する。
インバータ駆動では、中負荷以上で端子間電圧に対して電流位相が進み過ぎることがあり、さらに電流が商用電源駆動に比べて表皮効果の影響により多く流れる傾向がある。図１４に示すように、電流位相を遅らせたまま、負荷電流の大きさを維持させるように接続することも可能である。

図１５に示すように、他のインバータのみや、コイルＣ３ｊを短絡しなかったときと比べて力率を改善すると（１）、順相接続と比べて重負荷のときに効率が悪化する（３）。これに対して、力率を悪化させても（２）、中負荷以上で順相接続に比べて効率の低下が多い。
こうした逆相接続により、電流位相調整角が大きくなるので、供給電圧の低い範囲でも良好な特性となり、Ｃ１ｉとＣ２ｉの巻数比を変化させることで運転特性の改善が可能となる。

以上のように、Ｕ相とＶ相の間、Ｖ相とＷ相の間に梁部３ｊを連結して鉄心３を構成したことで、同相に巻装されたＣ１ｉ及びＣ２ｉが互いに干渉し合うことがなく、Ｃ１ｉ及びＣ２ｉの接続を制御するだけで、リアクタンスを切り替えることができる。さらに、梁部３ｊに巻装したＣ３ｊの短絡を制御するだけで、磁路を変化させることができる。したがって、Ｃ１ｉ及びＣ２ｉの接続や、Ｃ３ｊの短絡を制御することにより、交流リアクトルのインピーダンスを任意に調整することができる。

また、基本接続では、Ｃ１ｉ及びＣ２ｉの巻数比を変化させることで、さらに細かくインピーダンスを調整することができ、順相接続や逆相接続のような異相接続にすれば、Ｃ１ｉ及びＣ２ｉを同じ巻数比にしても、インピーダンスを調整することができる。
また、負荷状態に応じて、Ｃ１ｉ及びＣ２ｉの接続や、Ｃ３ｊの短絡を制御することにより、全負荷領域で最適なインピーダンスを得ることができる。

ところで、商用電源で使用されるリアクトルは、鉄心に巻装されるコイルに単芯線が使用されており、インバータ２によって誘導電動機１を起動・駆動する場合、キャリア周波数を１０ｋＨｚ前後で使用することから、高調波電流が導体の表面に集中する表皮効果や近接した導体同士で電流分布が変化する近接効果が問題となる。
そこで、本実施形態では、交流リアクトル３に巻装される少なくともＣ１ｉ及びＣ２ｉを多芯線（より線）で構成した。これにより、上記の表皮効果や近接効果の影響を軽減することができ、理想的な電流分布を得ることができる。

なお、本実施形態では、各相の脚部同士の中央を一段の梁部３ｊで連結しているが、これに限定されるものではない。各相の脚部同士を２段以上の梁部で連結し、それに応じて脚部に巻装するコイルを増設してもよい。これによれば、更に細かくリアクタンスや磁路長を変化させることができる。勿論、梁部の増設のみならず、脚部（相）を増設してもよい。

全体の構成である。 交流リアクトルである。 基本接続リレー回路である。 基本接続リレー回路による接続例である。 順相接続リレー回路である。 順相接続リレー回路による接続例である。 逆相接続リレー回路である。 逆相接続リレー回路による接続例である。 負荷状態に応じた制御例である。 順相接続において位相を進めた電流ベクトル合成図である。 順相接続において位相を遅らせた電流ベクトル合成図である。 順相接続における特性である。 逆相接続において位相を進めた電流ベクトル合成図である。 逆相接続において位相を遅らせた電流ベクトル合成図である。 逆相接続における特性である。 従来技術の参考例である。

符号の説明

１ 誘導電動機
２ インバータ
３ 鉄心
３ｉ（３ｕ、３ｖ、３ｗ） 脚部
３ｊ（３ｕｖ、３ｖｗ） 梁部
Ｃ１ｉ（Ｃ１ｕ、Ｃ１ｖ、Ｃ１ｗ） 第１のコイル
Ｃ２ｉ（Ｃ２ｕ、Ｃ２ｖ、Ｃ２ｗ） 第２のコイル
Ｃ３ｊ（Ｃ３ｕｖ、Ｃ３ｖｗ） 第３のコイル

Claims (4)

1. 並列に連結した第１相、第２相、第３相の脚部と、第１相と第２相の間、及び第２相と第３相の間で、前記脚部同士の中央を連結した梁部と、で構成される鉄心と、
   各相ごとに前記脚部における前記梁部との連結位置よりも一端側に巻装された第１のコイルと、各相ごとに前記脚部における前記梁部との連結位置よりも他端側に巻装された第２のコイルと、前記梁部に巻装された第３のコイルと、
   電路に対する各相の前記第１及び第２のコイルの接続、並びに前記第３のコイルの短絡を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、負荷状態に応じて、前記第１及び第２のコイルによって、基本接続リレー回路、順相接続リレー回路、及び逆相接続リレー回路の夫々を選択して形成することが可能であり、
   前記基本接続リレー回路は、
   電路に対して同相の前記第１のコイルと前記第２のコイルの接続を個別に制御する回路であり、
   前記順相接続リレー回路は、
   第１相から第２相へ、第２相から第３相へ、第３相から第１相への相順を順方向とし、電路に対して前記第１のコイルの接続を制御し、この第１のコイルとは相順を順方向に切替えた前記第２のコイルの接続を制御し、この第２のコイルにおける前記鉄心に対する励磁方向を制御する回路であり、
   前記逆相接続リレー回路は、
   第１相から第３相へ、第２相から第１相へ、第３相から第２相への相順を逆方向とし、電路に対して前記第１のコイルの接続を制御し、この第１のコイルとは相順を逆方向に切替えた前記第２のコイルの接続を制御し、この第２のコイルにおける前記鉄心に対する励磁方向を制御する回路であることを特徴とする交流リアクトル。
2. 前記制御手段は、
   軽負荷時、又は定格負荷時には、前記基本接続リレー回路を選択し、
   軽負荷から中負荷時には、前記逆相接続リレー回路を選択し、
   中負荷から重負荷時には、前記順相接続リレー回路を選択することを特徴とする請求項１に記載の交流リアクトル。
3. 前記制御手段は、負荷状態に応じて、前記第３のコイルの短絡を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の交流リアクトル。
4. 各相の前記第１及び第２のコイルを、多芯線で構成することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の交流リアクトル。

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