JP5257938B2 - 三相単相変換型電圧調整変圧器 - Google Patents

Description

本発明は、三相入力で単相二回路の出力を得る変圧器の出力電圧調整に関するものである。

三相入力で二相（二回路）の出力を得る変圧器としてスコット結線変圧器が知られている。また、一般に変圧器の出力電圧の調整は、高圧側の巻線数と低圧側の巻線数の比を代えることにより行われており、スコット結線変圧器においてもこの巻き数比を変えることによって出力電圧の調整が行える。しかし、変圧器において、この出力電圧の調整を行うには、変圧器の巻線に多くのタップを設ける必要があり、そのために電圧調整のできる変圧器、すなわち電圧調整変圧器が大型かつ複雑化する。また、タップの切替えによる電圧調整では出力電圧が段階的に変化し、タップ間の微小な電圧の調整ができないといった欠点がある。

この欠点を解消する手段として、変圧兼可飽和リアクトルが考えられている。これは、日字型の閉磁路鉄心の中央の脚に、交流電源によって附勢される入力巻線を巻回し、両側の脚のそれぞれに出力巻線と制御巻線を巻回して構成されている。この構成で制御巻線に直流電流を流すとその直流電流の電流量に応じて閉磁路鉄心内に直流磁束が発生し、閉磁路鉄心の磁気飽和点に至る磁束量の変化が減少する。これにより入力巻線に印加される交流電圧に対して出力巻線に発生する電圧が低減され、制御巻線に流す直流電流量に応じて出力巻線に発生する電圧が変化するとするものである。

特開昭４７−２１６２３号公報

しかし、上記の変圧兼可飽和リアクトルでは、電圧切替えのためのタップ切替装置を必要とせず、電圧調整変圧器として小型かつ簡素とすることができるものの、斯かる構成のみでは制御巻線に流す直流電流量に応じて出力巻線に発生する電圧が単純に変化せず、実用上使用することができないという課題がある。

発明が解決しようとする課題は、三相単相変換型電圧調整変圧器の構成を簡素にするとともに、単相二回路の出力電圧を無段階で制御することができるようにする点にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、三相単相変換型電圧調整変圧器の構成を、閉磁路鉄心に２Ｎ／√３回巻回し、中間タップを引き出した入力巻線とｎ回巻回した出力巻線を有する第１の変圧器と、閉磁路鉄心に前記第１の変圧器の巻線と逆極性に巻回した２Ｎ／√３回巻回し、中間タップを引き出した入力巻線とｎ回巻回した出力巻線を有する第２の変圧器と、閉磁路鉄心にＮ回巻回した入力巻線とｎ回巻回した出力巻線を有する第３の変圧器と、閉磁路鉄心に前記第３の変圧器の巻線と逆極性にＮ回巻回した入力巻線とｎ回巻回した出力巻線を有する第４の変圧器と、前記第１ないし第４の変圧器の閉磁路鉄心にまたがって巻回した制御巻線と、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を有する三相電源とを有し、前記第１の変圧器の入力巻線と前記第２の入力巻線とを並列または直列に接続し、その接続した一端を第１のリアクトルを介して前記三相交流電源のＵ相に接続し、他端を第２のリアクトルを介して前記交流電源のＶ相に接続し、前記第３および第４の変圧器の入力巻線を並列または直列に接続し、その接続した一端を前記三相交流電源のＷ相に第３のリアクトルを介して接続し、他端を前記第１および第２の変圧器の中間タップに接続し、前記第１および第２の変圧器の出力巻線を並列または直列に接続し、その接続した両端間に第１の負荷を、前記第３および第４の変圧器の出力巻線を並列または直列に接続し、その接続した両端間に第２の負荷を接続し、前記制御巻線を可変直流電源に接続した構成としている。

本発明は、入力巻線にリアクトルを挿入して交流電源に接続しているので、制御巻線に流れる直流電流を増加させれば、その増加量に応じて入力巻線に印加する電圧が低下し、出力巻線からの出力電圧も低下し、これにより単相二回路の出力電圧を無段階で制御することができる。また、制御巻線を備えた変圧器とこの変圧器に入力する電圧の一部を分担するリアクトルを設けるだけで電圧を大掛かりかつ複雑な切替タップ装置を必要とせず三相単相変換型電圧調整変圧器の構成を簡素で小型化することができる。

本発明の実施例１に係る三相単相変換型電圧調整変圧器の結線図である。 図１に示す三相単相変換型電圧調整変圧器の変圧部分の構成を示す平面図である。 本発明の実施例２に係る三相単相変換型電圧調整変圧器の結線図である。

本発明の実施例１に係る三相単相変換型電圧調整変圧器について、図１および図２を参照して説明する。図１は三相単相変換型電圧調整変圧器の結線図、図２は変圧部分の平面図である。なお、図中黒点は極性を示す。図１および図２において、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２は閉磁路鉄心である。Ａ１１は鉄心Ａ１に２Ｎ／√３回巻回された中間タップを引き出した入力巻線、Ａ１２は鉄心Ａ１にｎ回巻回された出力巻線（第１の変圧器）、Ａ２１は鉄心Ａ２にＡ１１とは逆極性に２Ｎ／√３回巻回された中間タップを引き出した入力巻線、Ａ２２は鉄心Ａ２にＡ１２とは逆極性にｎ回巻回された出力巻線（第２の変圧器）、Ｂ１１は鉄心Ｂ１にＮ回巻回された入力巻線、Ｂ１２は鉄心Ｂ１にｎ回巻回された出力巻線（第３の変圧器）、Ｂ２１は鉄心Ｂ２にＢ１１とは逆極性にＮ回巻回された入力巻線、Ｂ２２は鉄心Ｂ２にＢ１２とは逆極性にｎ回巻回された出力巻線（第４の変圧器）、Ｃは制御巻線である。

第１の変圧器、第４の変圧器、第２の変圧器および第３の変圧器を時計方向に配列し、第１の変圧器ないし第４の変圧器の各閉磁路鉄心Ａ１、Ｂ２、Ａ２、Ｂ１にまたがって制御巻線Ｃが巻回されている。この配列と巻線の極性により、各変圧器の入力巻線に交流電圧が印加されても、制御巻線Ｃには、その交流電圧に基づいた電圧は誘起しない。

そして、図１に示すように、第１の変圧器の入力巻線Ａ１１と第２の変圧器の入力巻線Ａ２１を並列に接続し、その接続した一端を前記三相交流電源ＡＣのＵ相にインダクタンスＬ（Ｈ）の第１のリアクトルＬ１を介して接続し、他端を前記三相交流電源ＡＣのＶ相にインダクタンスＬ（Ｈ）の第２のリアクトルＬ２を介して接続する。また、第３の変圧器の入力巻線Ｂ１１と第４の変圧器の入力巻線Ｂ２１を並列に接続し、その接続した一端を前記三相交流電源ＡＣのＷ相にインダクタンスＬ（Ｈ）の第３のリアクトルＬ３を介して接続し、他端を第１の変圧器および第２の変圧器の入力巻線の中間タップに接続する。また、第１の変圧器の出力巻線Ａ１２と第２の変圧器の出力巻線Ａ２２を並列に接続し、その接続した両端間に第１の負荷Ｚ１を、第３の変圧器の出力巻線Ｂ１２と第４の変圧器の出力巻線Ｂ２２を並列に接続し、その接続した両端間に第２の負荷Ｚ２を接続する。さらに、制御巻線Ｃを、可変抵抗Ｒを介して直流電源ＤＣに接続する。

以上のように構成した三相単相変換型電圧調整変圧器では、たとえば、Ｕ、Ｖ相間の電圧をＥ、第１の変圧器の入力巻線Ａ１１の端子間電圧をＶ１、入力巻線Ａ１１に流れる電流をＩ１、第１の変圧器の出力巻線Ａ１２の端子間電圧をＶ２、出力巻線Ａ１２に流れる電流をＩ２（負荷電流）とする。なお、Ｅ、Ｖ１、Ｉ１、Ｖ２、Ｉ２はベクトル量である。

制御巻線Ｃに流れる電流が０のとき、まず、√３×Ｖ１×Ｉ１＝２×Ｖ２×Ｉ２およびＶ１：Ｖ２＝２Ｎ／√３：ｎ、つまりＶ２／Ｖ１＝√３×ｎ／２Ｎが成立する。これにより、Ｉ１＝ｎ／Ｎ×Ｉ２となる。すなわち、並列結線ではリアクトルＬ１にｎ／Ｎ×Ｉ２の電流が流れる。三相交流電源ＡＣの周波数をｆ（Ｈｚ）とすると、第１のリアクトルＬ１の両端子間の電圧は（２πｎｆＬ）／Ｎ×Ｉ２となり、電流Ｉ１は第２のリアクトルＬ２にも流れるからＶ１＝Ｅ−２｛（２πｎｆＬ）／Ｎ×Ｉ２｝となる。したがって、Ｖ２＝｛Ｅ−（４πｎｆＬ／Ｎ）×Ｉ２｝×√３／２×ｎ／Ｎ｝となる。

ここで、制御巻線Ｃに直流電流を流すと、そのアンペアターンに等しい電流Ｉ０が第１の変圧器の入力巻線Ａ１１および第１、第２のリアクトルに流れる。ｎ／Ｎ×Ｉ２＋Ｉ０＝Ｉとすると、第１、第２のリアクトルの端子間電圧は、２πｆＬＩとなり、入力電圧Ｖ１はＥ−２πｆＬＩとなる。したがって、出力電圧Ｖ２は（Ｅ−４πｆＬＩ）×√３ｎ／２Ｎとなる。つまり、制御巻線Ｃに流す直流電流を増大すると、変圧器の入力電圧が低下し、出力電圧も低下することとなる。この点は、第１および第２の変圧器の入力巻線と出力巻線、第３および第４の変圧器の入力巻線と出力巻線を直列に接続しても同様である。

実施例１では、入力巻線と出力巻線とを分離したいわゆる二巻変圧器を４個使用しているが、これら各変圧器を直列巻線と分路巻線を備えた単巻変圧器としても、実施例１と同様に、制御巻線Ｃに流す直流電流量に応じて、変圧器の入力電圧が変化し、出力電圧も変化する。図３は、各変圧器を単巻変圧器とした場合の実施例２に係る三相単相変換型電圧調整変圧器の結線図である。

図３において、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２は閉磁路鉄心である。第１の変圧器は、閉磁路鉄心Ａ１に、２Ｎ／√３回巻回された中間タップと中間タップの両側に出力用のタップを引き出した入力巻線Ａ１１が巻回され、中間タップの両側の出力用のタップ間にｎ回巻回されて構成されている。第２の変圧器は、閉磁路鉄心Ａ２に、入力巻線Ａ１１とは逆極性として２Ｎ／√３回巻回された中間タップと中間タップの両側に出力用のタップを引き出した入力巻線Ａ２１が巻回され、中間タップの両側の出力用のタップ間にｎ回巻回されて構成されている。第３の変圧器は、閉磁路鉄心Ｂ１に、ｎ回巻回して出力用のタップを引き出したＮ回の入力巻線Ｂ１１を巻回して構成され、第４の変圧器は、閉磁路鉄心Ｂ２に、ｎ回巻回して出力用のタップを引き出した入力巻線Ｂ１１とは逆極性にＮ回の入力巻線２１を巻回して構成されている。Ｃは制御巻線である。

実施例１と同様に、第１の変圧器、第４の変圧器、第２の変圧器および第３の変圧器を時計方向に配列し、第１の変圧器ないし第４の変圧器の各閉磁路鉄心Ａ１、Ｂ２、Ａ２、Ｂ１にまたがって制御巻線Ｃが巻回されている。この配列と巻線の極性により、各変圧器の入力巻線に交流電圧が印加されても、制御巻線Ｃには、その交流電圧に基づいた電圧は誘起しない。

そして、図３に示すように、第１の変圧器の入力巻線Ａ１１と第２の変圧器の入力巻線Ａ２１を並列に接続し、その接続した一端を三相交流電源ＡＣのＵ相にインダクタンスＬ（Ｈ）の第１のリアクトルＬ１を介して接続し、他端を前記三相交流電源ＡＣのＶ相にインダクタンスＬ（Ｈ）の第２のリアクトルＬ２を介して接続する。また、第３の変圧器の入力巻線Ｂ１１と第４の変圧器の入力巻線Ｂ２１を並列に接続し、その接続した一端を前記三相交流電源ＡＣのＷ相にインダクタンスＬ（Ｈ）の第３のリアクトルＬ３を介して接続し、他端を第１の変圧器および第２の変圧器の入力巻線の中間タップに接続する。また、第１の変圧器の出力用のタップと第２の変圧器の出力用のタップとを並列に接続し、その接続した両端間に第１の負荷Ｚ１を、第３の変圧器の出力用のタップと第４の変圧器の出力用のタップを並列に接続し、その接続した両端間に第２の負荷Ｚ２を接続する。さらに、制御巻線Ｃを、可変抵抗Ｒを介して直流電源ＤＣに接続する。このように構成することによって、実施例１と同様に、制御巻線Ｃに流す直流電流量に応じて、変圧器の入力電圧が変化する。なお、第１および第２の変圧器の入力巻線、第３および第４の変圧器の入力巻線を直列に接続してもよい。

ＡＣ 三相交流電源
Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２ 閉磁路鉄心
Ａ１１、Ａ２１、Ｂ１１、Ｂ２１ 入力巻線
Ａ１２、Ａ２２、Ｂ１２、Ｂ２２ 出力巻線
Ｃ 制御巻線
ＤＣ 直流電源
Ｌ リアクトル
Ｒ 可変抵抗

Claims (2)

1. 三相単相変換型電圧調整変圧器の構成を、閉磁路鉄心に２Ｎ／√３回巻回し、中間タップを引き出した入力巻線とｎ回巻回した出力巻線を有する第１の変圧器と、閉磁路鉄心に前記第１の変圧器の巻線と逆極性に巻回した２Ｎ／√３回巻回し、中間タップを引き出した入力巻線とｎ回巻回した出力巻線を有する第２の変圧器と、閉磁路鉄心にＮ回巻回した入力巻線とｎ回巻回した出力巻線を有する第３の変圧器と、閉磁路鉄心に前記第３の変圧器の巻線と逆極性にＮ回巻回した入力巻線とｎ回巻回した出力巻線を有する第４の変圧器と、前記第１ないし第４の変圧器の閉磁路鉄心にまたがって巻回した制御巻線と、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を有する三相電源とを有し、前記第１の変圧器の入力巻線と前記第２の入力巻線とを並列または直列に接続し、その接続した一端を第１のリアクトルを介して前記三相交流電源のＵ相に接続し、他端を第２のリアクトルを介して前記交流電源のＶ相に接続し、前記第３および第４の変圧器の入力巻線を並列または直列に接続し、その接続した一端を前記三相交流電源のＷ相に第３のリアクトルを介して接続し、他端を前記第１および第２の変圧器の中間タップに接続し、前記第１および第２の変圧器の出力巻線を並列または直列に接続し、その接続した両端間に第１の負荷を、前記第３および第４の変圧器の出力巻線を並列または直列に接続し、その接続した両端間に第２の負荷を接続し、前記制御巻線を可変直流電源に接続してなることを特徴とする三相単相変換型電圧調整変圧器。
2. 前記第１ないし第４の変圧器は、いずれも単巻変圧器であることを特徴とする請求項１に記載の三相単相変換型電圧調整変圧器。

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