JP5275286B2

JP5275286B2 - 変圧器

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Publication number: JP5275286B2
Application number: JP2010103062A
Authority: JP
Inventors: 剛英水谷; 年樹白畑; 学土肥
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: JP2011233728A

Description

本発明は、各相によって容量が異なる異容量巻変圧器に関するものである。

この種変圧器（三相変圧器）の一例として灯動変圧器の結線構成を図１に示す。一次側のＵ、Ｖ、Ｗ相の巻線１〜３がスター結線され、二次側のu、v、w相の巻線４〜６がデルタ結線され、二次側巻線のu、v、wの端子１０、１１、１２から三相２１０Ｖが出力される。又、デルタ結線を構成する各巻線のうち、巻線４に中間タップ１３’が設けられ、端子１０、１３及び１１、１３からは単相１０５Ｖが得られ、端子１０、１１からは単相２１０Ｖを得るよう構成されている。つまり、巻線４は三相（２１０Ｖ）と単相（１０５Ｖ、２１０Ｖ）で共用する共用相の巻線で、巻線５、６は三相（２１０Ｖ）の専用相の巻線となる。

上記構成の灯動用変圧器において、Ｐ１を共用相４の巻線分担容量（ｋＶＡ）、Ｐ２を専用相５、６の巻線分担容量（ｋＶＡ）とすると各巻線の分担容量は次式の通りとなる。

ここで、Ｔには三相負荷の容量（ｋＶＡ）、Ｓには単相負荷の容量（ｋＶＡ）を代入すると、Ｐ１、Ｐ２が求められる。図２に示す負荷配分曲線を例に説明すると、公称定格時の三相、単相共用時にかけられる負荷は、三相７５ｋＶＡ＋単相５０ｋＶＡである。その時巻線各相の分担容量は次の通りである。

この計算より公称定格時の三相、単相共用時の共用相及び専用相に必要な容量を計算できた。次に単相単独負荷時を計算する。単相単独負荷時には最大８７．５ｋＶＡかけられ、それよりＰ１、Ｐ２を計算すると分担負荷は、共用相で５８．３ｋＶＡ、専用相で２９．２ｋＶＡとなり、共用相は三相、単相共用時の分担容量と等しくなることがわかる。又専用相については三相、単相共用時に３６．３ｋＶＡ必要とされており３６．３＞２９．２となることがわかる。つまり公称定格時の三相、単相共用時及び単相単独負荷時において、加わる最大負荷は共用相で５８．３ｋＶＡ、専用相で３６．３ｋＶＡとなる。

又、三相単独負荷時においては最大１２５ｋＶＡかけられ、それよりＰ１、Ｐ２を計算すると分担負荷は、共に４１．６ｋＶＡになる。この計算結果より共用相及び専用相の分担容量は、４１．６ｋＶＡとなり、共用相は公称定格時の三相、単相共用時及び単相単独負荷時に５８．３ｋＶＡ必要とされており５８．３＞４１．６となることがわかる。しかし、専用相の三相、単相共用時の分担容量は３６．３ｋＶＡであり三相単独負荷時の分担容量の４１．６ｋＶＡより小さいことがわかる。つまり専用相が３６．３ｋＶＡでは容量不足になる為、分担容量を４１．６ｋＶＡ以上にする必要がある。

以上のことを踏まえると、共用相で５８．３ｋＶＡ、専用相で４１．６ｋＶＡとなり合計の容量は１４１．５ｋＶＡで基準を満たす事となる。ところが、従来の灯動変圧器では三脚の巻線を全て同一としていた為、三脚の巻線の内、最大の容量となる共用相に巻線の寸法を合せて変圧器を製作していた。つまり、合計で１４１．５ｋＶＡであれば、許容されるところを５８．３ｋＶＡの三脚分である１７４．９ｋＶＡとしていた。このため、専用相の巻線寸法（短辺側寸法Ｗ、長辺側寸法Ｌにて規定される巻線に関する寸法）が過剰に大きく、この巻線が巻装される鉄心も寸法が大きくなり、変圧器全体の寸法が大きくなる問題があった。

この対策として特許文献１（特願平5-112592号）では、共用相を導電率の高い導体を用いて、共用相と専用相の巻線を同じ大きさとしている。

特願平５−１１２５９２号公報

しかしながら、特許文献１では導電率の高い導体は高価でありコスト的に不利である。また、共用相と専用相の巻線の大きさを変えた場合でも、この巻線が巻装される鉄心の窓幅の寸法については考慮されていない。

本発明は、上記従来技術の欠点に鑑み、異容量巻変圧器において各相に必要な分の容量の巻線寸法（短辺側寸法Ｗ、長辺側寸法Ｌにて規定される巻線に関する寸法）で製作しながら全体寸法の小型化を図った変圧器を提供するものである。

本発明は、上記課題を解決するため、少なくとも３脚を有する鉄心と各脚鉄心に巻装される三相巻線を備え、三相巻線のうち１相を共用相とし他の２相をそれぞれ第一の専用相、第二の専用相とする変圧器において、前記共用相より専用相の巻線寸法（短辺側寸法Ｗ、長辺側寸法Ｌ、巻線断面寸法にて規定される巻線に関する寸法）を小さく形成し、前記共用相と前記第一の専用相の両巻線が巻装される鉄心の窓幅寸法を、前記共用相の巻線断面寸法と前記第一の専用相の巻線断面寸法と両巻線間空隙との合計寸法とし、前記両専用相の巻線が巻装される鉄心の窓幅寸法を、前記第一の専用相の巻線断面寸法と前記第二の専用相の巻線断面寸法と両巻線間空隙との合計寸法とし、上記共用相と前記第一の専用相の巻線が巻装される鉄心の窓幅寸法より、専用相の巻線が巻装される鉄心の窓幅寸法を小さく設定し、前記共用相と前記第一の専用相の前記巻線間空隙と、前記両専用相の前記巻線間空隙とが同等に設定されたことを特徴とする。

また、上記に記載の変圧器において、上記鉄心は２個並置された内鉄心とその外側を囲うように配置された１個の外鉄心とから３脚が構成され、上記共用相の巻線は上記３脚の鉄心の外側脚に巻装され、上記共用相と専用相の巻線が巻装される内鉄心の窓幅寸法より、専用相の巻線が巻装される内鉄心の窓幅寸法を小さく設定したことを特徴とする。

また、少なくとも３脚を有する鉄心と各脚鉄心に巻装される三相巻線を備え、三相巻線のうち１相を共用相とし他の２相を専用相とする変圧器において、上記鉄心は２個並置された内鉄心とその外側を囲うように配置された１個の外鉄心から３脚が構成され、上記共用相の巻線は上記３脚の鉄心の中央脚に巻装されたことを特徴とする。

また、少なくとも３脚を有する鉄心と各脚鉄心に巻装される三相巻線を備え、三相巻線のうち１相を共用相とし他の２相を専用相とする変圧器において、上記鉄心が２個並置された内鉄心と内鉄心の外側に並置された外鉄心によって５脚が構成され、上記内鉄心同士で構成される中央脚に上記共用相の巻線が巻装され、上記内鉄心と外鉄心で構成される２脚に上記専用相の巻線が巻装されたことを特徴とする。

本発明によれば、共用相及び専用相の巻線が巻装される鉄心の窓幅寸法を縮小させることによって、変圧器全体の寸法及びコストを低減させることが出来る。

変圧器の結線図である。変圧器の負荷配分図曲線図である。従来の変圧器の組立図である。同じく図３の上面図である。本発明の実施例１の変圧器の組立図である。同じく図５の上面図である。本発明の実施例２の変圧器の組立図である。同じく図７の上面図である。従来の５脚鉄心の変圧器の中身組立図である。同じく図９の上面図である。本発明の実施例３の変圧器の組立図である。同じく図１１の上面図である。

本発明の実施例１に対する従来の変圧器の中身構造を図３、４に示す。鉄心は、２個並置された巻鉄心からなる内鉄心１９、２０と、その外側を囲うように配置された１個の巻鉄心からなる外鉄心１８によって構成されたＵ脚、Ｖ脚、Ｗ脚からなる三脚鉄心である。巻線は、三相巻線１４（Ｕ相）、１５（Ｖ相）、１６（Ｗ相）をそれぞれ、Ｕ脚、Ｖ脚、Ｗ脚の順に配置し、鉄心の各脚が各巻線の内部を貫通する。１７は巻線内の冷却ダクトである。

内鉄心１９、２０のそれぞれの鉄心窓の幅寸法をｆ１、ｆ２とし、巻線間の空隙をＧとする。つまり、鉄心窓の幅寸法ｆ１、ｆ２は、巻線の窓内の断面寸法ａ１、ａ２、ａ３、ａ４によって決まる。又、１４（共用相）、１５、１６（専用相）は、寸法が全て同一の為、ａ１＝ａ２＝ａ３＝ａ４となり、ａ１＋ａ２＋Ｇ＝ａ３＋ａ４＋Ｇとなるので、ｆ１＝ｆ２となる構造をしている。

本発明の実施例１の変圧器の中身構造を図５、６に示す。鉄心は、２個並置された巻鉄心からなる内鉄心２５、２６と、その外側を囲うように配置された１個の巻鉄心からなる外鉄心２４によって構成されたＵ脚、Ｖ脚、Ｗ脚からなる三脚鉄心である。巻線は、三相巻線２１（Ｕ相）、２２（Ｖ相）、２３（Ｗ相）をそれぞれ、Ｕ脚、Ｖ脚、Ｗ脚の順に配置し、鉄心の上記各脚が各巻線の内部を貫通する。２１は共用相の巻線で、２２、２３を専用相の巻線とする。専用相の巻線２２、２３を必要な容量に合わせた小さな巻線寸法（短辺側寸法Ｗ、長辺側寸法Ｌにて規定される巻線に関する寸法）に形成し、共用相の巻線２１を必要な容量に合わせた専用相の巻線より大きな巻線断面寸法に形成している。そして、共用相の巻線２１を上記三脚の中で外側脚（Ｕ相脚）に巻装している。

内鉄心２５、２６のそれぞれの鉄心の窓幅寸法をｆ３、ｆ４とし、巻線間の空隙をＧとし、また、各巻線の鉄心窓内での断面寸法を図に示すようにｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４としている。共用相の巻線２１を必要な容量に合わせて専用相の巻線より大きな巻線断面寸法に形成しているので、上記窓内の巻線２１の断面寸法ｂ１は、専用相の巻線２２、２３の鉄心窓内の断面寸法ｂ２、ｂ３、ｂ４より大きく設定される。

本実施例では、図３、図４に示す従来の変圧器と比べ、鉄心窓の幅寸法は縮減されている。図３と図５で説明すると、巻線１４、２１は共用相のため、鉄心窓内の巻線の断面寸法はａ１＝ｂ１となる。一方、巻線１５、１６、２２、２３は専用相であるが、鉄心窓内の巻線の断面寸法が、巻線１５、１６でａ２＝ａ３＝ａ４、巻線２２、２３でｂ２＝ｂ３＝ｂ４となる。本実施例の専用相の巻線２２、２３の断面寸法は前述のように共用相巻線より小さく形成されているので、鉄心窓内の巻線の断面寸法の関係は、ａ２＝ａ３＝ａ４＞ｂ２＝ｂ３＝ｂ４で、ｂ１＞ｂ２＝ｂ３＝ｂ４となる。

本実施例の鉄心の窓幅寸法ｆ３、ｆ４は、ｆ３＝ｂ１＋ｂ２＋Ｇ、ｆ４＝ｂ３＋ｂ４＋Ｇとなり、両者の関係はｆ３＞ｆ４となる。そして、従来との関係はｆ３＝ｆ１−（ａ２−ｂ２）、ｆ４＝ｆ２−〔（ａ３−ｂ３）＋（ａ４−ｂ４）〕となる。つまり、鉄心の窓幅寸法は、（ｆ１＋ｆ２）＞（ｆ３＋ｆ４）となって、従来より（ａ２−ｂ２）＋（ａ３−ｂ３）＋（ａ４−ｂ４）分だけ小さく設定される。したがって、鉄心の外形寸法を小さくすることができる。

本発明の実施例２の変圧器の中身構造を図７、８に示す。鉄心は、２個並置された巻鉄心からなる内鉄心３１、３２と、その外側を囲うように配置された１個の巻鉄心からなる外鉄心３０によって構成されたＵ脚、Ｖ脚、Ｗ脚からなる三脚鉄心である。巻線は、三相巻線２７（Ｕ相）、２８（Ｖ相）、２９（Ｗ相）をそれぞれ、Ｕ脚、Ｖ脚、Ｗ脚の順に配置し、鉄心の上記各脚が各巻線の内部を貫通する。２８は共用相の巻線で、２７、２９を専用相の巻線とする。専用相の巻線２７、２９を必要な容量に合わせた小さな巻線断面寸法に形成し、共用相の巻線２８を必要な容量に合わせた専用相の巻線より大きな巻線断面寸法に形成している。そして、共用相の巻線２８を上記三脚の中で中央脚（図ではＶ相脚）に巻装している。

内鉄心３１、３２のそれぞれの鉄心の窓幅寸法をｆ５、ｆ６とし、巻線間の空隙をＧとし、また、各巻線の鉄心窓内での断面寸法を図に示すようにｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４としている。共用相の巻線２８を必要な容量に合わせて専用相の巻線より大きな巻線断面寸法に形成しているので、上記窓内の巻線の断面寸法ｃ２、ｃ３は、専用相の巻線２７、２９の窓内の断面寸法ｃ１、ｃ４より大きく設定される。

本実施例では、図３、図４に示す従来の変圧器と比べ、鉄心の窓幅寸法は縮減されている。図３と図７で説明すると、巻線１４、２８は共用相のため、鉄心窓内の巻線の断面寸法はａ１＝ｃ２＝ｃ３となる。一方、巻線１５、１６、２７、２９は専用相であるが、鉄心窓内の巻線の断面寸法が、巻線１５、１６でａ２＝ａ３＝ａ４、巻線２７、２９でｃ１＝ｃ４となる。本実施例の専用相の巻線２７、２９の断面寸法は前述のように共用相巻線より小さく形成されているので、鉄心窓内の巻線の断面寸法の関係は、ａ１＝ａ４＞ｃ１＝ｃ４で、ｃ２＝ｃ３＞ｃ１＝ｃ４となる。

本実施例の鉄心の窓幅寸法ｆ５、ｆ６は、ｆ５＝ｃ１＋ｃ２＋Ｇ、ｆ６＝ｃ３＋ｃ４＋Ｇとなり、両者の関係はｆ５＝ｆ６となる。そして、従来との関係はｆ５＝ｆ１−（ａ１−ｃ１）、ｆ６＝ｆ２−（ａ４−ｃ４）となる。つまり、鉄心の窓幅寸法は、（ｆ１＋ｆ２）＞（ｆ５＋ｆ６）となる為、従来より、（ａ１−ｃ１）＋（ａ４−ｃ４）分だけ小さく設定することができる。そして、内鉄心３１、３２は同一寸法となり、鉄心の種類が少なくて済む（２種）。

本発明の実施例３に対する従来の変圧器の中身構造を図９、１０に示す。鉄心は、外鉄心３６、３９と、内鉄心３７、３８を並置されて構成された五脚鉄心であり、中央の三脚をＵ脚、Ｖ脚、Ｗ脚としている。巻線は、三相巻線３３（Ｕ相）、３４（Ｖ相）、３５（Ｗ相）をそれぞれ、Ｕ脚、Ｖ脚、Ｗ脚の順に配置し、鉄心の上記三脚が各巻線の内部を貫通する。

各鉄心３６、３７、３８、３９のそれぞれの鉄心窓内の幅寸法ｆ７、ｆ８、ｆ９、ｆ１０には巻線にＧ又はＧ´以上の空隙を必要とするので、鉄心窓内の幅寸法ｆ７、ｆ８、ｆ９、ｆ１０は、鉄心窓内の巻線の断面寸法ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５、ｄ６によって決まる。又、巻線３３（専用相）、３４（共用相）、３５（専用相）は全て同寸法の為、ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝ｄ５＝ｄ６となり、ｄ１＋Ｇ’＝ｄ６＋Ｇ’及び、ｄ２＋ｄ３＋Ｇ＝ｄ４＋ｄ５＋Ｇとなるのでｆ７＝ｆ１０及び、ｆ８＝ｆ９となる構造をしている。

本発明の実施例３の変圧器の中身構造を図１１、図１２に示す。鉄心は、同一形状の外鉄心４３、４６と、同一形状の内鉄心４４、４５を並置して構成された五脚鉄心であり、内側の三脚をＵ脚、Ｖ脚、Ｗ脚としている。巻線は、三相巻線４０（Ｕ相）、４１（Ｖ相）、４２（Ｗ相）をそれぞれＵ脚、Ｖ脚、Ｗ脚の順に配置し、鉄心の上記三脚が各巻線の内部を貫通する形で構成されている。４１を共用相の巻線とし、４０、４２を専用相の巻線とし、専用相の巻線４０、４２を必要な容量に合わせた小さな巻線断面寸法に形成し、共用相の巻線４１を必要な容量に合わせた専用相の巻線より大きな巻線断面寸法に形成している。そして、共用相の巻線４１を上記三脚の中で中央脚（鉄心４４と４５で構成されるＶ相脚）に巻装している。

鉄心４３〜４６の窓幅寸法をそれぞれｆ１１〜ｆ１４とし、巻線の空隙をＧ、Ｇ’とし、また、各巻線４０〜４２の各鉄心窓内での断面寸法をｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４、ｅ５、ｅ６としている。共用相の巻線４１を必要な容量に合わせて専用相の巻線４０、４２より大きな巻線断面寸法に形成しているので、上記窓内の巻線断面寸法ｅ３、ｅ４は専用相の巻線４０、４２の鉄心窓内の巻線断面寸法ｅ１、ｅ２、ｅ５、ｅ６より大きく設定される。

本実施例では、図９、図１０に示す従来の変圧器と比べ、鉄心の窓幅寸法は縮減されている。図９と図１１で説明すると、巻線３４、４１の共用相の鉄心窓内の巻線の断面寸法はｄ３＝ｄ４＝ｅ３＝ｅ４となる。一方、巻線３３、３４、４０、４２の専用相では、鉄心窓内の巻線の断面寸法が、図９の巻線３３、３５でｄ１＝ｄ２＝ｄ５＝ｄ６、図１１の巻線４０、４２でｅ１＝ｅ２＝ｅ５＝ｅ６となる。本実施例３の専用相の巻線４０、４２の断面寸法は前述のように共用相巻線４１より小さく形成されているので、鉄心窓内の巻線の断面寸法の関係は、ｄ１＝ｄ２＝ｄ５＝ｄ６＞ｅ１＝ｅ２＝ｅ５＝ｅ６となる。

本実施例３の各鉄心窓の幅寸法は、ｆ１２＝ｅ２＋ｅ３＋Ｇ、ｆ１３＝ｅ４＋ｅ５＋Ｇで、両者の関係がｆ１２＝ｆ１３となり、またｆ１１＝ｅ１＋Ｇ’、ｆ１４＝ｅ６＋Ｇ’で、両者の関係がｆ１１＝ｆ１４となる。そして従来との関係であるｄ１＝ｄ２＝ｄ５＝ｄ６＞ｅ１＝ｅ２＝ｅ５＝ｅ６によって、ｆ７＋ｆ１０＞ｆ１１＋ｆ１４、ｆ８＋ｆ９＞ｆ１２＋ｆ１３となる。したがって、図９の従来より、専用相の各巻線の断面寸法の差の合計である、（ｄ１−ｅ１）＋（ｄ２−ｅ２）＋（ｄ５−ｅ５）＋（ｄ６−ｅ６）分だけ、鉄心の窓幅寸法を小さく設定でき、その分だけ各鉄心の外形寸法が小さくなり五脚鉄心全体が小さく形成できる。そして、外鉄心４３、４６が同一形状で、内鉄心４４、４５が同一形状のであるため、鉄心の種類が少なくて済む（２種）。

以上説明したように、共用相より専用相の巻線寸法を小さく形成し、上記共用相と専用相の巻線が巻装される鉄心の窓幅寸法より、専用相の巻線が巻装される鉄心の窓幅寸法を小さく設定したことにより、変圧器全体の寸法及びコストを低減させることが出来る。

１…一次側Ｕ相巻線、２…一次側Ｖ相巻線、３…一次側Ｗ相巻線、４…二次側ｕ相巻線、５…二次側ｖ相巻線、６…二次側ｗ相巻線、７…一次側Ｕ相端子、８…一次側Ｖ相端子、９…一次側Ｗ相端子、１０…二次側ｕ相端子、１１…二次側ｖ相端子、１２…二次側ｗ相端子、１３…二次側ｏ相端子、１３’…中間タップ、１４…Ｕ脚巻線（共用相）、１５…Ｖ脚巻線（専用相）、１６…Ｗ脚巻線（専用相）、１７…冷却ダクト、１８…三相三脚用外鉄心、１９…三相三脚用内鉄心、２０…三相三脚用内鉄心、２１…Ｕ脚巻線（共用相）、２２…Ｖ脚巻線（専用相）、２３…Ｗ脚巻線（専用相）、２４…三相三脚用外鉄心、２５、２６…三相三脚用内鉄心、２７…Ｕ脚巻線（専用相）、２８…Ｖ脚巻線（共用相）、２９…Ｗ脚巻線（専用相）、３０…三相三脚用外鉄心、３１、３２…三相三脚用内鉄心、３３…Ｕ脚巻線（共用相）、３４…Ｖ脚巻線（専用相）、３５…Ｗ脚巻線（専用相）、３６、３９…三相五脚用外鉄心、３７、３８…三相五脚用内鉄心、４０…Ｕ脚巻線（専用相）、４１…Ｖ脚巻線（共用相）、４２…Ｗ脚巻線（専用相）、４３、４６…三相五脚用外鉄心、４４、４５…三相五脚用内鉄心、ａ〜ｅ…各巻線の窓内の断面寸法、ｆ…各鉄心の窓内幅寸法、Ｇ…巻線間空隙、Ｇ’…巻線と鉄心の間空隙。

Claims

少なくとも３脚を有する鉄心と各脚鉄心に巻装される三相巻線を備え、三相巻線のうち１相を共用相とし他の２相をそれぞれ第一の専用相、第二の専用相とする変圧器において、
前記共用相の短辺側寸法、長辺側寸法、巻線断面寸法にて規定される巻線に関する寸法である巻線寸法より、前記第一の専用相及び前記第二の専用相の巻線寸法を小さく形成し、
前記共用相と前記第一の専用相の両巻線が巻装される鉄心の窓幅寸法を、前記共用相の巻線断面寸法と前記第一の専用相の巻線断面寸法と両巻線間空隙との合計寸法とし、
前記両専用相の巻線が巻装される鉄心の窓幅寸法を、前記第一の専用相の巻線断面寸法と前記第二の専用相の巻線断面寸法と両巻線間空隙との合計寸法とし、
前記共用相と前記第一の専用相の両巻線が巻装される鉄心の窓幅寸法より、前記両専用相の両巻線が巻装される鉄心の窓幅寸法を小さく設定し、
前記共用相と前記第一の専用相の前記巻線間空隙と、前記両専用相の前記巻線間空隙とが同等に設定されていることを特徴とする変圧器。
請求項１に記載の変圧器において、
前記鉄心は、２個並置された内鉄心とその外側を囲うように配置された１個の外鉄心とから３脚を構成され、前記共用相の巻線は前記３脚の鉄心の外側脚に巻装され、前記共用相と前記第一の専用相の巻線が巻装される内鉄心の窓幅寸法より、前記第一の専用相と前記第二の専用相の巻線が巻装される内鉄心の窓幅寸法を小さく設定したことを特徴とする変圧器。