JP5859876B2 - 変圧器の磁束制御装置 - Google Patents

Description

本発明は変圧器の磁束制御装置に関し、特に変圧器の残留磁束を低減するための装置に関する。

変電所には、電圧を変換するための変圧器や遮断器等の設備が設けられている。たとえば、非特許文献１にはガス遮断器の開閉サージを抑制するための制御方法について開示されている。

「ガス遮断器の開閉極位相制御による開閉サージの抑制」、香山 治彦、伊藤 弘基、浅井 順、日高 幹雄、電学論Ｂ、１２４巻２号、２００４年、２６７頁−２７３頁

使用中の変圧器の電源を遮断器によって一気に遮断すると、変圧器の鉄心に磁束が残留する。変圧器の起動の際に、変圧器の残留磁束を考慮することなく変圧器を励磁した場合、残留磁束の方向と起動時の磁束方向とが異なることが起こりうる。この場合には、励磁に要する電流が増大するという問題が発生する。

本発明の目的は、変圧器の残留磁束を効果的に低減するための磁束制御装置を提供することである。

本発明のある局面に係る磁束制御装置は、遮断器を介して交流電源に一次側が接続された変圧器の磁束を制御するための磁束制御装置であって、変圧器の二次側に接続されたインバータと、インバータを制御する制御回路とを備える。制御回路は、遮断器によって変圧器が交流電源から切離された場合には、時間の経過にしたがって減衰する交流電圧が変圧器の二次側に与えられるように、インバータを制御する。

本発明によれば、変圧器の停止時に変圧器の残留磁束を効果的に低減することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る変圧器の磁束制御装置を示した図である。 使用中の変圧器の電源を遮断器によって一気に遮断したときに変圧器に残留する磁束を説明した図である。 残留磁束を考慮することなく変圧器を励磁した場合に生じうる変圧器の電流の変化を示した図である。 本発明の第１の実施の形態による残留磁束の低減方法を示した図である。 本発明の第２の実施の形態に係る変圧器の磁束制御装置を示した図である。 本発明の第３の実施の形態に係る変圧器の磁束制御装置を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る変圧器の磁束制御装置を示した図である。図１を参照して、商用周波数（たとえば６０Ｈｚ）の交流電源１から遮断器２を介して変圧器３の１次側に交流が供給される。

磁束制御装置４は変圧器３の二次側に接続される。磁束制御装置４は、変圧器３を停止する際に、変圧器３の残留磁束を低減する。

磁束制御装置４はインバータ１０および制御装置１１を備える。インバータ１０は、たとえば半導体スイッチング素子と、インダクタンス成分を持つリアクトルや変圧器とにより構成され、変圧器３の二次側電圧に同期した交流を発生し、上記インダクタンス成分を介して変圧器３の二次側に接続される。制御装置１１は、たとえばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式に従って、インバータ１０の半導体スイッチング素子をオンオフ制御する。なお、インバータ１０の構成は種々の公知の構成を適用できるので、ここでは詳細な説明を繰り返さない。

図２は、使用中の変圧器の電源を遮断器によって一気に遮断したときに変圧器に残留する磁束を説明した図である。図２を参照して、変圧器３の鉄心の内部の磁束は、Ｂ（磁束密度）とＨ（磁場）との関係を示すＢ−Ｈ曲線に従って決定される。使用中の変圧器３の電源を遮断器２によって一気に遮断したときには、そのときのＢ−Ｈ曲線上の磁束密度に従って鉄心の残留磁束が決定される。

図３は、残留磁束を考慮することなく変圧器を励磁した場合に生じうる変圧器の電流の変化を示した図である。図３を参照して、変圧器３の起動の際に、インバータ１０は交流電圧の振幅を次第に増大させて変圧器３を励磁する。しかしながら、変圧器３の起動時に磁束が残留していた場合、その残留磁束の方向と、インバータ１０の起動時の磁束方向とが異なることが起こりうる。この場合には、変圧器３の励磁突入電流が過大となり、たとえば遮断器２が電源を遮断する可能性がある。

一方、本発明の実施の形態によれば、変圧器３の停止時、すなわち遮断器２によって変圧器３の電源が遮断されたときに、インバータ１０は制御装置１１の制御により、変圧器３の残留磁束を低減させる。これにより、変圧器３の励磁突入電流を抑制できる。

図４は、本発明の第１の実施の形態による残留磁束の低減方法を示した図である。図４（ａ）は、Ｂ−Ｈ曲線の時間変化を模式的に示した図である。図４（ｂ）は、インバータ１０による変圧器３の二次側の電圧の制御を示した図である。

図４を参照して、インバータ１０は、所定の時定数τで減衰する交流電圧を変圧器３の二次側に与える。これにより、変圧器３の鉄心の内部の磁束を示すＢ−Ｈ曲線が次第に小さくなり、残留磁束を０にすることができる。時定数τは、たとえば予め決定された値を用いることができる。この場合、制御装置１１は、その値に従って、インバータ１０が発生させる交流電圧の振幅を制御する。時定数τは、変圧器の磁束が減少する程度の時間に設定される。また、時間の経過にしたがって減衰する波形であればよく、所定の減衰率で減衰させてもよい。

このように本発明の第１の実施の形態によれば、変圧器の停止時に、インバータは、時間の経過にしたがって減衰する交流電圧を変圧器の二次側に与える。これにより、変圧器の残留磁束を効果的に低減することができる。

［実施の形態２］
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る変圧器の磁束制御装置を示した図である。図５を参照して、実施の形態２では、交流電源１は三相交流電源である。変圧器３は交流電源１からの三相交流を第１および第２の単相交流へと変換する。変圧器３は例えばスコット結線変圧器であるがこれに限定されない。負荷７，９は単相負荷であり、変圧器３から出力される第１の単相交流および第２の単相交流をそれぞれ受ける。遮断器６は、負荷７と変圧器３の第１の出力との間に設けられる。遮断器８は、負荷９と変圧器３の第２の出力との間に設けられる。

実施の形態２では、磁束制御装置は、電力補償装置４１によって構成される。電力補償装置４１は、単相インバータ２１，２２と、制御装置２３，２４とを含む。単相インバータ２１の交流側は、変圧器３の第１の二次側出力に接続される。単相インバータ２２の交流側は、変圧器３の第２の二次側出力に接続される。制御装置２３，２４は、単相インバータ２１，２２をそれぞれ制御する。なお、制御装置２３，２４が１つの制御装置に統合されていてもよい。

電力補償装置４１は、単相電源システムの電圧変動や無効電力を補償する。具体的に説明すると、単相インバータ２１は、負荷７側の無効電力を打ち消すための無効電力を出力する。単相インバータ２２は、負荷９側の電圧変動や無効電力を打ち消すための無効電力を出力する。

さらに、単相インバータ２１，２２は、負荷７，９への送電の停止時に、変圧器３の残留磁束を低減する。負荷７，９への送電が停止される場合、遮断器６が開状態となることにより、負荷７への送電の電路が遮断されるとともに、遮断器８が開状態となることにより、負荷９への送電の電路が遮断される。次に、遮断器２が開状態となることにより、交流電源１（三相交流電源）からの電路が遮断される。その後、単相インバータ２１，２２は、時間の経過にともなって減衰する交流電圧を、変圧器３の二次側に与える。これにより実施の形態１と同様に、変圧器３の残留磁束を低減させることができる。なお、実施の形態１と同様に、時間の経過にともなって減衰する交流電圧は、所定の時定数τで減衰する交流電圧であってもよい。

以上のように実施の形態２によれば、三相電源から２つの単相電源に変換して、２つの単相電源から２つの単相負荷へそれぞれ電力を供給する変電システムにおいて、変圧器の残留磁束を低減することができる。さらに、実施の形態２によれば、２つの単相電源システムの無効電力を補償するための電力補償装置によって、変圧器の残留磁束を低減することができる。

［実施の形態３］
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る変圧器の磁束制御装置を示した図である。図６を参照して、実施の形態３に係る磁束制御装置は、電力補償装置４２によって構成される。電力補償装置４２は、単相インバータ２１，２２と、制御装置２３，２４とを含む。単相インバータ２１の直流側と単相インバータ２２の直流側とが互いに接続される。この点で電力補償装置４２の構成は、図５に示された電力補償装置４１の構成と異なる。

なお、図６の他の部分の構成は、図５に示された対応する部分の構成と同じであるので以後の説明は繰り返さない。

実施の形態２と同じく、単相インバータ２１，２２は、負荷７，９への送電の停止時に変圧器３の残留磁束を低減する。さらに、この実施の形態によれば、電力補償装置４２は、単相電源システムの有効電力および無効電力を補償する。

有効電力の補償は、電力補償装置４２が、負荷７側と負荷９側との間で有効電力を融通することにより実現される。具体的には、単相インバータ２１，２２の一方が、単相交流の電力の一部を直流に変換する。単相インバータ２１，２２の他方は、その直流電力を交流電力に変換して供給する。これにより、負荷７側と負荷９側との間で有効電力を等しくすることができる。なお、無効電力の補償は、実施の形態２で説明した方法と同じ方法により実現されるので、詳細な説明は以後繰り返さない。

以上のように実施の形態３によれば、実施の形態２と同じく、三相電源から２つの単相電源に変換して、２つの単相電源から２つの単相負荷へそれぞれ電力を供給する変電システムにおいて、変圧器の残留磁束を低減することができる。さらに、実施の形態３によれば、２つの単相電源システムの有効電力および無効電力を補償するための電力補償装置によって、変圧器の残留磁束を低減することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 交流電源、２，６，８ 遮断器、３ 変圧器、４ 磁束制御装置、７，９ 負荷、１０ インバータ、１１，２３，２４ 制御装置、２１，２２ 単相インバータ、４１，４２ 電力補償装置。

Claims (3)

1. 遮断器を介して交流電源に一次側が接続された変圧器の磁束を制御するための磁束制御装置であって、
   前記変圧器の二次側に接続されたインバータと、
   前記インバータを制御する制御装置とを備え、
   前記交流電源は、三相交流電源であり、
   前記変圧器は、前記三相交流電源からの三相交流を、第１および第２の単相負荷にそれぞれ供給される第１および第２の単相交流へと変換し、
   前記インバータは、
   前記変圧器における前記第１の単相交流の出力側に、その交流側が接続される第１の単相インバータと、
   前記変圧器における前記第２の単相交流の出力側に、その交流側が接続される第２の単相インバータとを含み、
   前記制御装置は、前記遮断器によって前記変圧器が前記交流電源から切離された場合には、時間の経過にしたがって減衰する交流電圧が前記変圧器の二次側に与えられるように、前記第１および第２の単相インバータを制御する、磁束制御装置。
2. 前記制御装置は、所定の時定数で、前記第１および第２の単相インバータの交流電圧を減衰させる、請求項１に記載の磁束制御装置。
3. 前記第１の単相インバータの直流側と前記第２の単相インバータの直流側とは、互いに接続されている、請求項１に記載の磁束制御装置。

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