JP5918066B2 - 電磁機器 - Google Patents

Description

この発明は、磁心構造、巻線構造が簡単なリアクタンスが可変の電力用電磁機器に関する。また、交流主巻線の電流に影響されず、高調波歪みが少なく、鉄心の突き合わせ面に絶縁フィルム等を必要とせず、さらに、電力系統に並列又は直列に接続可能なリアクタンスを可変できる電磁機器に関する。

リアクタンスを可変できる従来の技術としては、誘導性素子（特許文献１）や本出願人が先に提案した電磁機器（特許文献２および特許文献３）がある。
図１０は、誘導性素子（特許文献１）を示す斜視図である。この誘導性素子は、図示のように、ＥＩ型コア４４に主巻線４５と制御用巻線４６を巻回した構成であり、主巻線に交流電源を接続することにより、巻線部４５ａによる磁束φ１及び巻線部４５ｂによる磁束φ２が発生する。ここで、制御用巻線に直流制御電流を流すと磁束φ３が発生するが、外枠４７と外枠４８を等断面積とすることにより、外枠４７内には磁束φ１に磁束φ３の１／２を加算した磁束が通過し、外枠４８内には磁束φ２に磁束φ３の１／２を差し引いた磁束が通過する。このとき、外枠４７の端部４７ａに前記加算磁束が集中し、先端部が磁気飽和して外枠４７の透磁率が減少しインダクタンスが低下する。

図１１は、本出願人が先に提案した電磁機器（特許文献２）の一例を説明するための接続図である。この電磁機器は、田の字状磁心３３に第１主巻線３１ａ、第２主巻線３１ｂ、制御巻線３２ａ及び３２ｂを巻回し、直列に接続した制御巻線の開放端子側に制御回路３４を接続した構成である。

主巻線の開放端に交流電源を接続し、制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流すと、制御巻線３２ａ、３２ｂにおいて、制御巻線の巻数と直流制御電流Ｉｃの積で表される起磁力が発生することで、制御磁束φｃ３１及びφｃ３２と主磁束φ３１ａ、φ３１ａ’及びφ３１ｂ、φ３１ｂ’が同方向となる共通磁路部分の磁束密度が大となって透磁率が変化し、主磁束が制御されリアクタンスが低下する。

図１２は、本出願人が先に提案した電磁機器（特許文献３）の一例を説明するための接続図である。この電磁機器は、田の字状磁心３３に第１主巻線３１ａ、第２主巻線３１ｂ、制御巻線３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄを巻回し、直列に接続した制御巻線の開放端子側に制御回路３４を接続した構成である。

主巻線の開放端に交流電源を接続し、制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流すと、制御巻線３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄにおいて、制御巻線の巻数と直流制御電流Ｉｃの積で表される起磁力が発生することで、制御磁束φｃ３１及びφｃ３２と主磁束φ３１ａ、φ３１ａ’及びφ３１ｂ、φ３１ｂ’が同方向となる共通磁路部分の磁束密度が大となって透磁率が変化し、主磁束が制御されリアクタンスが低下する。

特開平０９−１２９４５０号公報 特許３７９２１０９号 特許３７８９３３３号

しかし、上記特許文献１に開示の誘導性素子は、主磁束と制御磁束により外枠先端部を磁気飽和させ、透磁率を制御することによりリアクタンスを可変している。このため、主巻線に流れる電流が増加すると、主巻線電流により磁気飽和現象が生じてしまい、制御巻線の制御電流によるリアクタンス制御が制限されるという問題があった。

上記特許文献２に開示の電磁機器は、上記課題を踏まえて提案されたもので、直流制御電流を調整することにより主磁束と制御磁束の共通磁路の磁気抵抗が制御され、主巻線間の主磁束が相殺することにより、主巻線電流の影響を受けずに、高調波を低減させて主巻線のリアクタンスを連続的に可変することができる。

しかし、上記電磁機器は、田の字状磁心の十字交差部の４つの磁路に主巻線および制御巻線を巻装しているため、機器を構成する場合、例えば磁心構成した後、主巻線を巻装し、さらに制御巻線を手動により巻装を行う必要があり、機器組み立てに工数がかかるという問題があった。

また、上記特許文献３に開示の電磁機器は、同様に主巻線電流の影響を受けずに、高調波を低減させて主巻線のリアクタンスを連続的に可変することができ、さらに、２つの主巻線と４つの制御巻線が同一方向に巻装されることから、巻装構造は簡単になるものの、磁路構成が田の字状であるため鉄心の組み立てが複雑となり、また、本電磁機器の巻線数が主巻線及び制御巻線を合わせて６個必要であることから、磁路構成が簡単で機器の小型化及び低損失化が可能となる巻線数量の削減が求められていた。

さらに、上記電磁機器は、主巻線と制御巻線を分離して巻回することが必須であるため、スペースの低減や組み立てが容易な汎用技術の重ね巻きを適用することが困難であるという問題があった。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、主巻線に流れる電流による影響が少なく、磁気回路構造及び巻線の巻装構造が簡単で、タップを設けることなくリアクタンスを可変できる電磁機器を提供することを目的とする。
さらに、従来から用いられている鉄心構造と重ね巻きによる巻装構成を適用して、巻線の個数が少なく、低損失のリアクタンス可変の電磁機器を提供することを目的とする。

本発明者らは、三脚磁心に二つの交流主巻線と二つの制御巻線を巻回し、主巻線による主磁束で制御巻線に生じる誘起電圧がそれぞれ打消されるように制御巻線を直列に接続した構成で、直流制御電流の供給により主磁束と制御磁束の共通磁路の磁気抵抗を制御し、従来構造における主磁束同士の相殺効果に加え、主巻線の漏洩磁束同士の相殺効果により、主巻線電流によらず、良好な制御性を実現できる、リアクタンスを連続可変する電磁機器を実現したものである。

本発明は、以下の技術手段により上記課題を達成する。
中央脚と両側脚によって対称的に１対の閉磁路を形成する三脚磁心と、前記三脚磁心の中央脚以外の磁心部のそれぞれに前記１対の磁路を中央脚部に同方向に交流主磁束が還流するように巻回され、互いに直列接続され、開放端に交流電源が接続される１対の交流主巻線と、前記交流主巻線が巻回された磁心部に対応して巻回された１対の直流制御巻線と、を有し、前記１対の直流制御巻線は、前記交流主巻線による主磁束によって誘起する電圧が互いに打ち消されるように直列に接続され、交流主巻線により生じる主磁束と、直流制御巻線により生じる制御磁束とが共通に還流する前記磁路における共通磁路部の磁気抵抗の変化により、交流主巻線のリアクタンスが連続的に可変制御されることを特徴とする。

また、前記交流主巻線及び直流制御巻線が互いに重ね巻により巻装されることを特徴とする。
同一構成の３台の電磁機器のそれぞれの前記交流主巻線が三相交流電源の各相に接続され、それぞれの前記直流制御巻線に同一の直流制御電流が供給されることを特徴とする。

さらに、各相の交流主巻線を巻回した磁心部に対応して二次巻線を巻回し、変圧器機能を具備したことを特徴とする。

本発明によれば、磁気回路構造及び巻線の巻装構造が簡単で、主巻線に流れる負荷電流による影響が少なく、簡単な構成で低コストかつ低損失の、広範囲に連続的にリアクタンスを可変できる電磁機器を実現することができる。

本発明を電力系統に使用することにより、近年の電力需要の増大や負荷の多様化により、電力系統の電圧の変動等に対応できるフレキシブルな電力設備の提供がはかられ、電力系統の電圧安定化や力率及び潮流のより適切な制御に寄与できる。

本発明の電磁機器の構成例を示す図。 本発明の電磁機器の等価回路を示す図。 本発明の電磁機器の動作を説明する図。 本発明の電磁機器の漏れ磁束の流れを説明する図。 本発明の電磁機器の制御特性例を示す図。 本発明の電磁機器の巻装構成例を示す図。 本発明の変圧機能を有する電磁機器の例を示す図。 本発明の三相電磁機器の構成例を示す図。 本発明の無効電力補償装置への適用例を示す図。 従来の誘導性素子の例を示す図。 従来の電磁機器の例を示す図。 従来の電磁機器の他の例を示す図。

図面の記載に基づいて本発明を説明する。図１は、本発明の電磁機器の磁心及び巻線の基本構成例を示す接続図、図２は、本発明の電磁機器を等価的に回路表示した回路構成を示す図、図３は、図１で示した電磁機器の動作を説明するための図である。

本発明の電磁機器を構成する磁心３は、中央脚部と両側脚部で構成される三脚磁心であり、中央脚部を通り還流する一対の対称的な閉磁路が形成される。
三脚磁心の中央脚部以外の磁心部に対称的に第１の交流主巻線（以下主巻線と言う。）１ａ及び第２の主巻線１ｂを巻回する。主巻線１ａ及び１ｂは両主巻線から生じる磁束（以下主磁束と言う。）φ１ａ及びφ１ｂが前記１対の磁路を中央脚に向かって同方向になるように直列に接続する。
主巻線１ａ及び１ｂを巻回した磁心部に対応して、それぞれ直流制御巻線（以下制御巻線と言う。）２ａ及び２ｂを巻回し、主巻線による主磁束で該制御巻線２ａ及び２ｂに生じる誘起電圧がそれぞれ打消されるように直列に接続し、その開放端子側に制御回路４を接続する。

主巻線の開放端子に交流電源を接続し、図示矢印方向の電流ＩＬ１ が流れていたとする。なお、電流ＩＬ１を正サイクルとした場合、負サイクルでは電流ＩＬ２が流れる。
主巻線に電流ＩＬ１が流れると、磁路には主巻線１ａにより主磁束φ１ａ、並びに主巻線１ｂにより主磁束φ１ｂがそれぞれ発生する。逆に、電流ＩＬ２が流れた場合についてはそれぞれ前記と逆向きの主磁束が発生する。
発生した主磁束は、制御巻線に直流制御電流が流れていない場合にはそれぞれ中央脚部を通る２つの閉磁路を通過し、主巻線には巻数と磁心の磁気抵抗に応じたリアクタンスが生ずる。磁心部はすべて制御磁束と主磁束との共通磁路となる。

主巻線電流ＩＬ１が流れている状態で制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流すと、制御巻線２ａ及び２ｂにおいて、制御巻線の巻数と直流制御電流Ｉｃの積で表される起磁力が発生することで、制御磁束φｃ１及びφｃ２と、主磁束φ１ａ及びφ１ｂが同方向となる共通磁路部分の磁束密度が大となって透磁率が変化し、主磁束が制限されリアクタンスが低下する。

主巻線電流ＩＬ１あるいは直流制御電流Ｉｃを増加させることにより共通磁路が磁気飽和状態になると、主巻線１ａ及び１ｂより発生する主磁束が三脚磁心の中央脚に向かって同方向になるように主巻線が分割して巻回されているため、増加する主磁束φ１ａと増加する主磁束φ１ｂは互いに相殺され、磁路は完全な磁気飽和状態に至らず一定の磁束密度に保たれる。
一対の主巻線１ａ及び１ｂによる主磁束の増加分の閉磁路の環流が制限され、互いの主巻線の起磁力を相殺することになる。

さらに、図４のように、共通磁路が磁気飽和状態になることにより、主巻線１ａにより発生する漏洩磁束φＬｅａｋ−ａと主巻線１ｂにより発生する漏洩磁束φＬｅａｋ−ｂが対向しているため、互いに相殺され、漏洩磁束の増加も抑えられ、制御特性の直線性が保たれる。

そして、主巻線電流ＩＬ１／ＩＬ２が増加しても、共通磁路が一定の磁束密度に保たれるように、増加する主巻線１ａによる主磁束と主巻線１ｂによる主磁束、並びに増加する主巻線１ａによる漏洩磁束と主巻線１ｂによる漏洩磁束は相殺されるため、直流制御電流Ｉｃを制御することにより主磁束が制御でき、リアクタンスを可変することができる。
即ち、主巻線電流に拘わらず、制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流すことでリアクタンスを可変することができる。
上述のように、リアクタンスを制御する共通磁路部が完全な磁気飽和状態に至らないので、高調波電流の抑制された電磁機器を実現することができる。

図５（Ａ）は、本発明によるリアクタンス制御特性の例を示したものであり、主巻線電流が増加した場合でも、直流制御電流Ｉｃを増加させることにより、リアクタンスが可変できることがわかる。
図５（Ｂ）は、本発明による電磁機器に交流電圧を印加し、直流制御電流Ｉｃを増加させた場合の制御特性の例を示したものであり、直流制御電流Ｉｃを増加させることにより、主巻線電流を線形に可変できることがわかる。
図５（Ｃ）は、本発明による電磁機器に交流電圧を印加し、直流制御電流Ｉｃを増加させた場合の主巻線電流の電流歪み特性の例を示したものであり、直流制御電流Ｉｃによらず良好な主巻線電流歪みであることがわかる。

以上のように、本発明によると、直流制御電流を調整することにより主磁束を制御するとともに、主巻線間の主磁束及び漏洩磁束を相殺することにより、主巻線電流の影響を受けずに高調波を低減させて、リアクタンスを高速且つ連続的に可変することができる。

図６は、電磁機器の各巻線の巻装構成例を示したもので、図６は、本発明による電磁機器の巻装構成例を示している。
本発明による電磁機器の巻装構成は、重ね巻きとすることで巻装構成を簡略化することができ、図１１、図１２に示す従来例と比較して巻装構成の簡略化と巻線数量低減による銅損の低減も可能となる。

以上のように、本発明によると、磁気回路構造及び巻線の巻装構造が簡単な構成で、低コストかつ低損失の、広範囲にリアクタンスを可変できる電磁機器を実現することができる。
図示の例では、三脚磁心の中央脚部と両側脚部の連結部にそれぞれ１対の主巻線及び制御巻線を巻回しているが、これに限らず、両側脚部にそれぞれ巻回しても良いことは明らかである。また、主巻線と制御巻線が重ね巻きでなくても良いことも明らかである。

図７は、本発明の電磁機器を多機能変圧器として構成した応用例を説明するための図である。図１で示した本発明の電磁機器において、主巻線を一次巻線５ａ、５ｂとし、更に一次巻線５ａ、５ｂを巻回した磁心のそれぞれに、二次巻線６ａ、６ｂを巻回して一次巻線と同様に接続して構成した多機能変圧器である。

図７おいて、一次巻線に交流電源を接続し、二次巻線には負荷を接続し、二次巻線に二次電流が流れたとする。直流制御電流を流さない場合には、一次巻線５ａ及び５ｂには、上記二次電流で発生した磁束を打消すように一次電流が流れ、全体として変圧器動作を示す。

制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流すと、制御巻線の巻数と直流制御電流Ｉｃの積で表される起磁力が発生することで透磁率が変化し、主磁束が制御される。一次巻線５ａによる主磁束と一次巻線５ｂによる主磁束はそれぞれが互いに逆向きの磁束であるため相殺され、その結果、一次巻線と鎖交する主磁束が減少する。

このため、一次巻線には直流制御電流の制御に伴う主磁束の減少に応じて、一次巻線の端子間電圧を維持するために必要な主磁束を発生させるために励磁電流が増加する。
即ち、変圧器としての機能に加えて、直流制御電流を調整することで一次側に流入する無効電流の調整が可能な多機能変圧器を実現することができる。

以上の説明では、単相の電磁機器として説明したが、本発明の電磁機器３台を三相の各相に割当て、主巻線を三相結線し、各相の制御巻線に共通に同一の制御電流を供給することにより三相電源の系統に適用できる。

さらに、図８は、一体構成の三相形電磁機器の基本構成例を示す接続図である。この磁路構成は、第１の三脚磁心３ｕと第２の三脚磁心３ｖと第３の三脚磁心３ｗを組み合わせて構成した立体構造の磁心である。

前記磁心において、第１の三脚磁心３ｕの各脚に第１主巻線１ａ１、１ｂ１を巻回し、第２の三脚磁心３ｖの各脚に第２主巻線１ａ２、１ｂ２を巻回す。さらに、第３の三脚磁心３ｗの各脚に第３主巻線１ａ３、１ｂ３を巻回す。さらに、３つの三脚磁心を跨ぐように制御巻線２ａ、２ｂを巻回す。

第１組主巻線１ａ１、１ａ２及び第２組主巻線１ｂ１、１ｂ２及び第３組主巻線１ｃ１、１ｃ２を、各組の主巻線による主磁束が、三脚磁心中央脚に対して対向するように各々直列に接続する。
さらに、制御巻線２ａ及び２ｂを直列に接続する。各組の主巻線の開放端子の一方を三相接続し、制御巻線の開放端子に制御回路４を接続する。

図８において、第１組主巻線の開放端子をＵ相、第２組主巻線の開放端子をＶ相、第３組主巻線の開放端子をＷ相として三相交流電源を接続する。
主巻線電流が流れると、各組の磁路には各主巻線による主磁束が発生する。発生したそれぞれの主磁束は、制御巻線に直流制御電流を流さない場合には、各組の三脚磁心において閉磁路を形成し、主巻線には巻数と磁心の磁気抵抗に応じたリアクタンスが生ずる。

主巻線電流を流した状態で制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流すと、各相において、制御巻線の巻数と直流制御電流の積で表される起磁力が発生することで、制御磁束と主磁束が同方向となる磁路部分の磁束密度が大となって透磁率が変化し、主磁束が制御されリアクタンスが低下する。
各組の主巻線による主磁束は、磁路が磁気飽和せずにある一定の磁束密度に保たれるように相殺されるため、主巻線電流に拘わらず、高調波電流を抑制し、リアクタンスを低下させることができる。このため、主巻線電流に拘わらず、高調波電流を抑制し、リアクタンスを可変できる三相形の電磁機器として機能することができる。

以上のように、この構成によると、直流制御電流を調整することにより、主磁束を制御するとともに、主巻線間の主磁束を相殺することにより、主巻線電流の影響を受けずに高調波を低減させてリアクタンスを高速且つ連続的に可変することができる。

（適用例）
図９は、本発明の電磁機器の無効電力補償装置への適用例を示す等価回路である。
図９において、本発明による電磁機器１１を三相結線し、電力用コンデンサ７を並列に接続し、送電線路に並列に挿入し、制御電流の制御により、系統に生じる遅相から進相の無効電力を連続的に補償するようにしたものである。

以上詳述したように、本発明によれば、タップを設けることなく、主巻線に流れる負荷電流による影響が少なく、磁気回路構造及び巻線の巻装構造が簡単且つ低損失で、連続的に広範囲にリアクタンスを可変できる電磁機器を提供することができ、近年の電力需要の増大や負荷の多様化により、系統電圧の変動等負荷の多様化に対応できるフレキシブルな電力設備の提供がはかられ、電力系統の電圧安定化や力率及び潮流のより適切な制御に寄与できる。

なお、この他、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１（１ａ，１ｂ，１ａ１，１ａ２，１ｂ１，１ｂ２，１ｃ１，１ｃ２）…交流主巻線、２（２ａ，２ｂ）…制御巻線、３（３ｕ，３ｖ，３ｗ）…磁心、φ１ａ，φ１ｂ…主磁束、φｃ１，φｃ２…制御磁束、φＬｅａｋ−ａ，φＬｅａｋ−ｂ…漏洩磁束、４…制御回路、５（５ａ，５ｂ）…一次巻線、６（６ａ，６ｂ）…二次巻線、７…電力用コンデンサ，１１…電磁機器、ｅ…交流電圧３１，（３１ａ、３１ｂ）…主巻線、３２（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ）…制御巻線、３３…田の字状磁心、３４…制御回路，４１…誘導性素子、４２…Ｅ型コア、４３…Ｉ型コア、４４…ＥＩ型コア、４５…主巻線、４６…制御用巻線、４７…外枠、４８…外枠、４９…中枠。

Claims (4)

1. 中央脚と両側脚によって対称的に１対の閉磁路を形成する三脚磁心と、
   前記三脚磁心の中央脚以外の磁心部のそれぞれに前記１対の磁路を中央脚部に同方向に交流主磁束が還流するように巻回され、互いに直列接続され、開放端に交流電源が接続される１対の交流主巻線と、
   前記交流主巻線が巻回された磁心部に対応して巻回された１対の直流制御巻線と、を有し、
   前記１対の直流制御巻線は、前記交流主巻線による主磁束によって誘起する電圧が互いに打ち消されるように直列に接続され、
   交流主巻線により生じる主磁束と直流制御巻線により生じる制御磁束とが共通に還流する前記磁路における共通磁路部の磁気抵抗の変化により、交流主巻線のリアクタンスが連続的に可変制御されることを特徴とする電磁機器。
2. 前記交流主巻線及び直流制御巻線が互いに重ね巻により巻回されることを特徴とする請求項１に記載の電磁機器。
3. 同一構成の３台の請求項１又は２に記載の電磁機器のそれぞれの前記交流主巻線が三相交流電源の各相に接続され、それぞれの前記直流制御巻線に同一の直流制御電流が供給されることを特徴とする電磁機器。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の電磁機器において、交流主巻線を巻回した磁心部に対応して二次巻線を巻回し、変圧器機能を具備したことを特徴とする電磁機器。

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