JP5354730B2 - 三相用電圧調整変圧器 - Google Patents

Description

本発明は、三相用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、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いる。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、三相用電圧調整変圧器の構成を簡素にするとともに、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、三相用電圧調整変圧器を、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入力巻線と出力巻線を巻回した第２の変圧器とからなる変圧器を一組として第１ないし第３の三組の変圧器と前記第１ないし第３の三組の変圧器の各閉磁路鉄心にまたがり、前記入力巻線の全てを包囲するように巻回した制御巻線とを有する構成とした。

本発明は、入力巻線と制御巻線との磁気結合を図り、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リアクトルによる電圧が降下し、入力巻線に印加する電圧が低下し、この低下により出力巻線からの出力電圧も低下する。これにより三相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用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に係る三相用電圧調整変圧器の結線図である。 図１に示す三相用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に係る三相用電圧調整変圧器の結線図である。

本発明の実施例１に係る三相用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は三相用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、図に示す黒点は極性を示している。図１および図２において、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２は閉磁路鉄心である。Ａ１１は鉄心Ａ１にＮ回巻回された入力巻線、Ａ１２は鉄心Ａ１にｎ回巻回された出力巻線（第１組の第１の変圧器）、Ａ２１は鉄心Ａ２にＡ１１とは逆極性にＮ回巻回された入力巻線、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１組の第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２組の第１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２組の第２の変圧器）、Ｃ１１は鉄心Ｃ１にＮ回巻回された入力巻線、Ｃ１２は鉄心Ｃ１にｎ回巻回された出力巻線（第３組の第１の変圧器）、Ｃ２１は鉄心Ｃ２にＣ１１とは逆極性にＮ回巻回された入力巻線、Ｃ２２は鉄心Ｃ２にＣ１２とは逆極性にｎ回巻回された出力巻線（第２組の第２の変圧器）、Ｃは制御巻線である。

図２に示すように、第１組の第１の変圧器、第３組の第２の変圧器、第２組の第２の変圧器、第１組の第２の変圧器、第３組の第１の変圧器、第３組の第１の変圧器を時計方向に配列し、各変圧器の各閉磁路鉄心Ａ１、Ｃ２、Ｂ２、Ａ２、Ｃ１、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組の第１の変圧器の入力巻線Ａ１１と第２の変圧器の入力巻線Ａ２１とを直列に接続し、その一端を三相交流電源ＡＣのＵ相に第１のリアクトルＬ１を介して接続し、他端を三相交流電源ＡＣのＶ相に第２のリアクトルＬ２を介して接続する。第２組の第１の変圧器の入力巻線Ｂ１１と第２の変圧器の入力巻線Ｂ２１とを直列に接続し、その一端を三相交流電源のＶ相に第２のリアクトルＬ２を介して接続し、他端を三相交流電源のＷ相に第３のリアクトルＬ３を介して接続する。第３組の第１の変圧器の入力巻線Ｃ１１と第２の変圧器の入力巻線Ｃ２１とを直列に接続し、その一端を三相交流電源のＷ相に第３のリアクトルＬ３を介して接続し、他端を前記三相交流電源のＵ相に前記第１のリアクトルＬ１を介して接続する。

また、第１組の第１の変圧器の出力巻線Ａ１２と第２の変圧器の出力巻線Ａ２２、第２組の第１の変圧器の出力巻線Ｂ１２と第２の変圧器の出力巻線Ｂ２２、第３組の第１の変圧器の出力巻線Ｃ１２と第２の変圧器の出力巻線Ｃ２２、とをそれぞれ直列に接続し、直列に接続した第１組の第２の変圧器の出力巻線Ａ２２の一端と、直列に接続した第２組の第２の変圧器の出力巻線Ｂ２２の一端と、直列に接続した第３組の第２の変圧器の出力巻線Ｃ２２の一端とを接続し、第１組の第１の変圧器の出力巻線Ａ１２の他端と、第２組の第１の変圧器の出力巻線Ｂ１２の他端との間に負荷Ｚ１を、第２組の第１の変圧器の出力巻線Ｂ１２の他端と第３組の第１の変圧器の出力巻線Ｃ１２の他端との間に負荷Ｚ２を、第３組の第１の変圧器の出力巻線Ｃ１２の他端と第１組の第１の変圧器の出力巻線Ａ１２の他端との間に負荷Ｚ３をそれぞれ接続する。すなわち、入力側はデルタ結線、出力側はスター結線となっている。そして、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用電圧調整変圧器では、リアクトルの端子間電圧と変圧器の入力側端子間に印加される電圧のベクトル和は電源電圧に等しい。制御巻線Ｃに流れる電流を０のときは、負荷電流をＩ２とすると、リアクトルに√３ｎ／Ｎ×Ｉ２の電流が流れる。いま、リアクトルのインダクタンスをＬ（Ｈ）、三相交流電源の周波数をｆ（Ｈｚ）とすると、リアクトルの端子間電圧は、（２√３πｎｆＬ）／Ｎ×Ｉ２となる。三相交流電源の相間電圧をベクトルＥ（Ｖ）とすると、変圧器の入力巻線の端子間電圧Ｖ１は、Ｅ−（２√３πｎｆＬ）／Ｎ×Ｉ２となる。したがって、出力電圧Ｖ２は、｛Ｅ−（２πｎｆＬ）／Ｎ×Ｉ２｝√３ｎ／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が変圧器の入力側およびリアクトルに流れる。√３ｎ／Ｎ×Ｉ２＋Ｉ０＝Ｉとすると、リアクトルの端子間電圧は、２πｆＬＩとなり、入力側端子電圧Ｖ１はＥ−２πｆＬＩとなる。したがって、出力電圧Ｖ２は（Ｅ−２πｆＬＩ）×√３ｎ／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、変圧器の入力側の電圧Ｖ１が低下し、出力側の電圧Ｖ２も低下することとなる。この点は、各組の第１および第２の変圧器の入力巻線と出力巻線を並列に接続しても同様である。なお、入力側と出力側の結線は任意である。

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６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に係る三相用電圧調整変圧器の結線図である。

図３において、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２は閉磁路鉄心である。第１組の第１の変圧器は、閉磁路鉄心Ａ１に、Ｎ回巻回され、ｎ回目に出力用のタップを引き出した入力巻線Ａ１１が巻回されて構成され、第２の変圧器は、閉磁路鉄心Ａ２に、入力巻線Ａ１１とは逆極性でＮ回巻回され、ｎ回目に出力用のタップを引き出した入力巻線Ａ２１が巻回されて構成されて構成されている。第２組の第１の変圧器は、閉磁路鉄心Ｂ１に、Ｎ回巻回され、ｎ回目に出力用のタップを引き出した入力巻線Ｂ１１が巻回されて構成され、第２の変圧器は、閉磁路鉄心Ｂ２に、入力巻線Ｂ１１とは逆極性でＮ回巻回され、ｎ回目に出力用のタップを引き出した入力巻線Ｂ２１が巻回されて構成されている。第３組の第１の変圧器は、閉磁路鉄心Ｃ１に、Ｎ回巻回され、ｎ回目に出力用のタップを引き出した入力巻線Ｃ１１が巻回されて構成され、第２の変圧器は、閉磁路鉄心Ｃ２に、入力巻線Ｃ１１とは逆極性でＮ回巻回され、ｎ回目に出力用のタップを引き出した入力巻線Ｃ２１が巻回されて構成されて構成されている。Ｃは制御巻線である。

実施例１と同様で図２に示すように、第１組の第１の変圧器、第３組の第２の変圧器、第２組の第２の変圧器、第１組の第２の変圧器、第３組の第１の変圧器、第３組の第１の変圧器を時計方向に配列し、各変圧器の各閉磁路鉄心Ａ１、Ｃ２、Ｂ２、Ａ２、Ｃ１、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、各組の第１の変圧器の入力巻線と第２の変圧器の入力巻線を並列に接続し、並列に接続した第１組の入力巻線の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、並列に接続した第２組の入力巻線の一端を三相交流電源ＡＣのＶ相にインダクタンスＬ（Ｈ）の第２のリアクトルＬ２を介して接続し、並列に接続した第３組の入力巻線の一端を三相交流電源ＡＣのＷ相にインダクタンスＬ（Ｈ）の第３のリアクトルＬ１を介して接続し、第１ないし第３組の並列に接続した他端同士を接続する。すなわち、各組の入力巻線をスター結線している。また、各組の第１の変圧器の入力巻線から引き出された出力タップと第２の変圧器の入力巻線から引き出された出力タップを接続し、第１組のその接続端と第２組のその接続端とに第１の負荷Ｚ１を、第２組のその接続端と第３組のその接続端とに第２の負荷Ｚ２を、第３組のその接続端と第１組のその接続端とに第３の負荷Ｚ３を接続する。すなわち、各組の出力巻線をスター結線している。そして、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。

ＡＣ 三相交流電源
Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２ 閉磁路鉄心
Ａ１１、Ａ２１、Ｂ１１、Ｂ２１、Ｃ１１、Ｃ２１ 入力巻線
Ａ１２、Ａ２２、Ｂ１２、Ｂ２２、Ｃ１２、Ｃ２２ 出力巻線
Ｃ 制御巻線
ＤＣ 直流電源
Ｌ１ Ｌ２ Ｌ３ リアクトル
Ｒ 可変抵抗

Claims (3)

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入力巻線と出力巻線を巻回した第２の変圧器とからなる変圧器を一組として第１ないし第３の三組の変圧器と前記第１ないし第３の三組の変圧器の各閉磁路鉄心にまたがり、前記入力巻線の全てを包囲するように巻回した制御巻線とを有し、各組の第１の変圧器の入力巻線と第２の変圧器の入力巻線とを直列または並列に接続し、直列または並列に接続した３組の入力巻線をスターまたはデルタに結線し、結線した入力巻線の電源への３個の接続端をそれぞれリアクトルを介して三相交流電源の各相に接続し、また、各組の第１の変圧器の出力巻線と第２の変圧器の出力巻線とをそれぞれ直列または並列に接続し、直列または並列に接続した３組の出力巻線をスターまたはデルタに結線し、結線した出力巻線の第１組の負荷接続端と結線した出力巻線の第２組の負荷接続端間に第１の負荷を、結線した出力巻線の第２組の負荷接続端と結線した出力巻線の第３組の負荷接続端間に第２の負荷を、結線した出力巻線の第３組の負荷接続端と結線した出力巻線の第１組の負荷接続端間に第３の負荷をそれぞれ接続し、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用電圧調整変圧器。
2. 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２の変圧器とからなる変圧器を一組として第１ないし第３の三組の変圧器を有し、第１組の第１の変圧器の入力巻線と第２の変圧器の入力巻線とを直列または並列に接続し、その一端を三相交流電源のＵ相に第１のリアクトルを介して接続し、他端を前記三相交流電源のＶ相に第２のリアクトルを介して接続し、第２組の第１の変圧器の入力巻線と第２の変圧器の入力巻線とを直列または並列に接続し、その一端を三相交流電源のＶ相に前記第２のリアクトルを介して接続し、他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、第３組の第１の変圧器の入力巻線と第２の変圧器の入力巻線とを直列または並列に接続し、その一端を前記三相交流電源のＵ相に第１のリアクトルを介して接続し、他端を前記三相交流電源のＷ相に前記第３のリアクトルを介して接続し、各組の第１の変圧器の出力巻線と第２の変圧器の出力巻線とをそれぞれ直列または並列に接続し、各組の第２の変圧器の出力巻線の一端同士を接続し、各組の第１の変圧器の出力巻線の他端を負荷に接続する端子とするとともに、前記第１ないし第３の三組の変圧器の各閉磁路鉄心にまたがり、前記入力巻線の全てを包囲するように可変直流電源に接続した制御巻線を巻回したことを特徴とする三相用電圧調整変圧器。
3. 閉磁路鉄心にＮ回巻回し、ｎ回巻回目に出力タップを引き出した入力巻線からなる第１の単巻変圧器と、閉磁路鉄心に前記第１の単巻変圧器の巻線と逆極性にＮ回巻回し、ｎ回巻回目に出力タップを引き出した入力巻線からなる第２の単巻変圧器とを一組として第１ないし第３の三組の変圧器を備え、各組の第１の変圧器の入力巻線と第２の変圧器の入力巻線とを直列または並列に接続し、直列または並列に接続した第１組の入力巻線の一端を第１のリアクトルを介して三相交流電源のＵ相に、直列または並列に接続した第２組の入力巻線の一端を第２のリアクトルを介して三相交流電源のＶ相に、直列または並列に接続した第３組の入力巻線の一端を第３のリアクトルを介して三相交流電源のＷ相にそれぞれ接続し、直列または並列に接続した第１組ないし第３組の入力巻線の他端をそれぞれ接続し、また、各組の第１の変圧器の出力タップと第２の変圧器の出力タップを接続し、第１組の出力タップの接続端と第２組の出力タップの接続端とに第１の負荷を、第２組の出力タップの接続端と第３組の出力タップの接続端とに第２の負荷を、第３組の出力タップの接続端と第１組の出力タップの接続端とに第３の負荷をそれぞれ接続し、前記第１ないし第３の三組の変圧器の各閉磁路鉄心にまたがり、前記入力巻線の全てを包囲するように可変直流電源に接続した制御巻線を巻回したことを特徴とする三相用電圧調整変圧器。

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