JP5354728B2 - 電圧調整変圧器 - Google Patents

Description

本発明は、出力電圧を無段階で調整する電圧調整変圧器に関するものである。

一般に、変圧器の出力電圧の調整は、変圧器の巻線に多くのタップを設け、このタップを切り替えることにより行われている。しかし、このようなタップの切替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ず、また、タップの切替装置が大掛かりとなり、電圧調整変圧器が大型化する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、出力電圧を無段階で調整でき、また、電圧切替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、電圧調整変圧器の構成を簡素にするとともに、負荷にかかわらず出力電圧を無段階で制御することができるようにし、斯かる課題を解消する点にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、電圧調整変圧器において、閉磁路鉄心に入力巻線と出力巻線を巻回した第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入力巻線と出力巻線を巻回した第２の変圧器と、前記第１の変圧器の閉磁路鉄心と前記第２の変圧器の閉磁路鉄心とにまたがり、前記第１の変圧器の入力巻線と前記第２の変圧器の逆極性に巻回した入力巻線を包囲するように巻回した制御巻線とを有し、前記第１および第２の変圧器の入力巻線を直列または並列に接続し、その接続した一端を交流電源の一端に、接続した他端を、リアクタンスを介して前記交流電源の他端に接続し、前記制御巻線を可変直流電源に接続し、前記第１および第２の変圧器の出力巻線を直列または並列に接続し、その接続した両端間に負荷を接続してなることを特徴とする。

本発明では、入力巻線（１次コイル）と制御巻線との磁気結合を図っているので、入力巻線に負荷電流が流れたとき、制御巻線に直流電流を流すと、その負荷電流に直流を加えた電流に対して、入力巻線と制御巻線に等アンペアターンとなる電流が流れ、入力巻線に流れるこの電流が流れリアクトルに流れ、そのリアクトルに流れた電流分だけリアクトルの両端の電圧が増大、つまり交流電源に対する分担電圧が増大し、結果として入力巻線に印加している交流電源に対する電圧が低下する。この入力巻線の電圧低下により出力電圧が低下することを利用するものであるから、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切替えるタップ装置を必要とせず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に係る電圧調整変圧器の結線図である。 図１に示す電圧調整変圧器の変圧部分の構成を示す側面図である。 本発明の実施例２に係る電圧調整変圧器の結線図である。

本発明においては、閉磁路鉄心に入力巻線と出力巻線を巻回した変圧器を、複数を用意し、各変圧器の閉磁路鉄心にまたがって制御巻線を巻回する。そして、各変圧器の巻線を適宜結線し、各変圧器の入力巻線を、リアクトルを介して電源に接続する。出力電圧の制御は、制御巻線に流す直流電流を変更することにより行うが、この直流電流をたとえば増加すると、リアクトルの電圧降下の働きにより入力巻線に印加する電圧が降下し、これにより出力電圧が降下する。すなわち、制御巻線に流す直流電流量に応じて出力電圧を変化させることができる。

本発明の実施例１に係る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、結線図、図２は変圧部分の側面図である。図２において、ＡおよびＢは閉磁路鉄心、ＡＮ１は鉄心ＡにＮ回巻回された入力巻線、Ａｎ１は鉄心Ａにｎ回巻回された出力巻線、ＢＮ１は鉄心ＢにＮ回巻回された入力巻線、Ｂｎ１は鉄心Ｂにｎ回巻回された出力巻線、Ｃは制御巻線である。閉磁路鉄心Ａに入力巻線ＡＮ１が巻回され、入力巻線ＡＮ１に重ねて出力巻線Ａｎ１が巻回されて一つの変圧器が構成されている。また、閉磁路鉄心Ｂに入力巻線ＡＮ１とは逆極性とした入力巻線ＢＮ１が巻回され、入力巻線ＢＮ１に重ねて出力巻線Ａｎ１とは逆極性とした出力巻線Ｂｎ１が巻回されて一つの変圧器が構成されている。そして、各変圧器を並列し閉磁路鉄心ＡとＢとにまたがって制御巻線Ｃが巻回されている。具体的には、制御巻線Ｃは出力巻線Ａｎ１と出力巻線Ｂｎ１に重ねて巻回されている。

そして、図１に示すように、入力巻線ＡＮ１と入力巻線ＢＮ１を直列に接続し、その接続した一端Ｕを交流電源ＡＣの一端に、接続した他端Ｖを、鉄心入りリアクトルＬ（空心リアクトルでもよい。）を介して交流電源ＡＣの他端に接続し、制御巻線Ｃの両端Ｃ１、Ｃ２を、可変抵抗Ｒ（サイリスタなどの電流制御素子でもよい。）を接続した直流電源ＤＣの両端にそれぞれ接続する。また、出力巻線Ａｎ１と出力巻線Ｂｎ１を直列に接続し、その接続した一端ｖを負荷Ｚの一端に、接続した他端ｕを負荷Ｚの他端に接続する。なお、点は極性を示し、制御巻線Ｃには、入力巻線ＡＮ１と入力巻線ＢＮ１に印加した交流電圧に基づく誘導電圧は発生しない。

以上のように構成した電圧調整変圧器は、Ｕ、Ｖ入力端子に交流電圧が印加されると巻数に応じた出力電圧が出力端子ｕ、ｖに誘起され、変圧器として機能する。ここで交流電源ＡＣの電圧をＥ（Ｖ）とすると、変圧器の入力側巻線に印加される電圧とリアクトルの端子間電圧のベクトル和はＥに等しい。制御巻線Ｃの電流がゼロのときは、負荷電流Ｉｒとするとリアクトルに（ｎ／Ｎ）Ｉｒの電流が流れる。そして、リアクトルのインダクタンスＬ（Ｈ）、周波数ｆとするとリアクトルの端子間電圧は、（２πｆＬＩｒ）ｎ／Ｎとなる。すなわち、変圧器の入力側端子電圧は、Ｅ−（２πｆＬｎ／Ｎ）Ｉｒとなる。したがって、出力電圧は｛Ｅ−（２πｆＬｎ／Ｎ）Ｉｒ）｝ｎ／Ｎとなる。なお、Ｅ、Ｉｒはベクトルである。

ここで、可変抵抗Ｒを操作して制御巻線Ｃに直流電流を流すと、アンペアターンに等しい電流Ｉ_０が変圧器の入力側およびリアクトルＬに流れる。（ｎ／Ｎ）Ｉｒ＋Ｉ_０＝Ｉとすると、リアクトルＬの端子間電圧は２πｆＬＩとなり、変圧器の入力側端子間電圧はＥ−２πｆＬとなる。したがって出力電圧は（Ｅ−２πｆＬＩ）ｎ／Ｎ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。

いま、交流電源の電圧を１２０．０Ｖ（ボルト）、変圧器入力巻線を８８Ｔ（ターン）、変圧器の出力巻線を２２Ｔ（ターン）、制御巻線を４４Ｔ（ターン）、リアクトル１０ｍＨ（ヘンリ）、負荷（抵抗負荷）を０．４Ωとして制御巻線に流す電流を変化すると、次の表に示す結果が得られた。

この表１から制御巻線に流す直流電流を１０Ａ（アンペア）以上に増加すると、その増加にしたがいリアクトルの端子間電圧は増加し、変圧器の入力側端子間電圧は減少し、変圧器の出側端子間電圧も減少することが分かる。すなわち、制御巻線に流す直流電流を変更することによって、その変更にしたがい出力電圧を無段階で変更することができる。

図１に示す実施例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２個使用した場合であるが、図３に示す実施例２は、この変圧器として直列巻線と分路巻線を備えた単巻変圧器を２個使用した電圧調整変圧器の例である。図３において、ＡおよびＢは閉磁路鉄心、ＡＮ２は直列巻線（入出力共通）Ｎ２と分路巻線（入力）ｎ２とからなる鉄心Ａに巻回された巻線、ＢＮ２は直列巻線（入出力共通）Ｎ２と分路巻線ｎ２とからなり、巻線ＡＮ２とは逆極性として鉄心Ｂに巻回された巻線、Ｃは制御巻線で、鉄心ＡとＢにまたがって巻回されている。この例では、巻線ＡＮ２および巻線ＢＮ２が入力巻線に相当し、各分路巻線ｎ２が出力巻線に相当する。

そして、図３に示すように、巻線ＡＮ２と巻線ＢＮ２を並列に接続し、その接続した一端Ｕを交流電源ＡＣの一端に、接続した他端Ｖを、鉄心入りリアクトルＬ（空心リアクトルでもよい。）を介して交流電源ＡＣの他端に接続し、制御巻線Ｃの両端Ｃ１、Ｃ２を、可変抵抗Ｒ（サイリスタなどの電流制御素子でもよい。）を接続した直流電源ＤＣの両端にそれぞれ接続する。また、巻線ＡＮ２の直列巻線Ｎ２の端部と巻線ＢＮ２の直列巻線Ｎ２の端部とを接続し、その接続点ｕと巻線ＡＮ２と巻線ＢＮ２を並列に接続した他端Ｖとの間に負荷Ｚが接続されている。電圧切替変圧器をこのように構成しても、実施例１と同様に、制御巻線に流す直流電流を変更することによって、その変更にしたがい出力電圧を無段階で変更することができる。

ＡＣ 交流電源
Ａ、Ｂ 閉磁路鉄心
ＡＮ１、ＢＮ１ 入力巻線
Ａｎ１、Ｂｎ１ 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. 閉磁路鉄心に入力巻線と出力巻線を巻回した第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入力巻線と出力巻線を巻回した第２の変圧器と、前記第１の変圧器の閉磁路鉄心と前記第２の変圧器の閉磁路鉄心とにまたがり、前記第１の変圧器の入力巻線と前記第２の変圧器の逆極性に巻回した入力巻線を包囲するように巻回した制御巻線とを有し、前記第１および第２の変圧器の入力巻線を直列または並列に接続し、その接続した一端を交流電源の一端に、接続した他端を、リアクタンスを介して前記交流電源の他端に接続し、前記制御巻線を可変直流電源に接続し、前記第１および第２の変圧器の出力巻線を直列または並列に接続し、その接続した両端間に負荷を接続してなることを特徴とする電圧調整変圧器。
2. 前記第１の変圧器と第２の変圧器が直列巻線と分路巻線を備えた単巻変圧器であることを特徴とする請求項１に記載の電圧調整変圧器。

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