JP6247282B2 - 強制結合された磁束を有する３相２相固定変圧器 - Google Patents

Description

本発明は変圧器の一般的な分野に関する。特に、本発明は、強制結合された磁束を有する３相２相固定変圧器に関する。

特定の状況では、３相ソースから２相ソースへ、エネルギーをバランスよく伝達する必要があり得る。３相２相固定変圧器は公知であり、特に、１つは「スコット結線」と言われ、もう１つは「ルブラン結線」と言われている。

スコット結線変圧器では２つの単相変圧器を使用する。第１の変圧器はｎ_１巻数を有し、３相ネットワークの端子ＡおよびＢの間に一次的に接続される。第２変圧器の一次側はｎ_１’巻数を有し、３相ネットワークの端子Ｃと第１変圧器の一次側の中間点Ｍとの間に取り付けられる。２つの二次側相は、いずれも同じ数のｎ_２巻数を有している。一次側電圧は直角位相にあり、それゆえ、二次側電圧についても同様である。二次側電圧が同じ値を有し直角位相にあることを確実にするために、ｎ_１’＝√３ｎ_１／２が必要である。

スコット結線はいくつかの欠点を示している。２つの単相変圧器の磁気回路は、かなりの重量および体積を有する。さらに、２つの変圧器の巻線は同じ巻数を有していないため、３相側で異なる必要がある。３相位相に対する巻数は異なるため、位相の各々に対して平衡が保たれた抵抗を保証するために、導電体の部分は異なる必要がある。スター結線が必要とされるため、デルタ結線または千鳥結線で電圧比に作用することは不可能である。最後に、必要な磁化電流を結合によって低減することが可能な、強制結合された磁束を有する３相変圧器における位相の正結合の利点を全く活用することができない。

ルブラン結線では、３つ、４つ、または５つのカラムを有する磁気回路を使用する。３カラム磁気回路では、変圧器は強制結合された磁束変圧器であるので、磁化電流の制限を可能にする。

ルブラン結線もまた、欠点を有する。２相側の位相の巻線は同じ巻数を有していないため、異なる必要がある。２相側の巻線は、非対称の態様で３つのカラムに分散されるため、異なる漏れインダクタンスを生じさせる。２相側の位相の各々における巻数は異なるため、位相の各々の抵抗を平衡に保つべく、異なる部分の導電体を使用する必要がある。

３相ソースから２相ソースへ、エネルギーをバランスよく伝達することを可能にする改善された解決策が同様に必要とされる。

本発明は、磁気回路と、３相の巻線と、２相の巻線とを備える３相２相変圧器を提供し、ここで、
磁気回路は、磁気的に一体に接続された第１カラムと、第２カラムと、第３カラムとを備え、
３相の巻線は、第１カラムに巻回するｎ_１巻数の第１巻線と、第２カラムに巻回するｎ_１巻数の第２巻線と、第３カラムに巻回するｎ_１巻数の第３巻線とを備え、
変圧器は、
２相の巻線は、第１カラムに巻回するｎ_２巻数の第４巻線と、第１カラムに巻回するｎ’_２巻数の第５巻線と、第３カラムに巻回するｎ_２巻数の第６巻線と、第３カラムに巻回するｎ’_２巻数の第７巻線とを備え、
第４巻線および第７巻線は、直列に接続され、かつ、第１の２相位相を形成し、第４巻線および第７巻線の各々は、同方向の磁位を有する第１の２相位相で流れる電流に対する対応巻き方向を示し、
第５巻線および第６巻線は、直列に接続され、かつ、第２の２相位相を形成し、第５巻線および第６巻線の各々は、同方向の磁位を有する第２の２相位相で流れる電流に対する対応巻き方向を示すことを特徴とする。

３相側では、変圧器は、３カラムルブラン式変圧器の構造に相当する構造を有する。したがって、２つの単相変圧器の使用と比較して、磁束結合が可能になり、これにより、磁気回路の重量および体積を低減し、かつ磁化電流を制限することが可能になる。さらに、２相側の位相はいずれも同じ巻数（すなわちｎ_２＋ｎ’_２）を有するので、抵抗の平衡を保つための異なる部分の導体を使用する必要はない。

一実施形態では、ｎ_２＝（２＋√３）ｎ’_２である。

比ｎ_２＝（２＋√３）ｎ’_２については、変圧器は、同じ値を有し、直角位相にある２相側の電圧を得ることを可能にする。

一実施形態では、第２カラムは、第１カラムと第３カラムとの間に位置する中央カラムである。このような状況下で、３相の巻線および２相の巻線は側部カラムに対称に設けられ、これにより、漏れインダクタンスを平衡に保つことを可能にする。

他の実施形態では、第１カラムは、第２カラムと第３カラムとの間に位置する中央カラムである。

好ましくは、磁気回路は、中央カラムに含まれる回転軸および／または前記中央カラムを含む対称面を中心に対称性を有す。

磁気回路、３相の巻線および２相の巻線の対称のために、位相のインダクタンスおよび抵抗は平衡が保たれる。

一実施形態では、変圧器は、少なくとも１つの３相の巻線または２相の巻線の追加の組をさらに有する。

そこで、変圧器は、バランスよく１以外の任意の数の負荷に電力を供給することができる。

本発明のその他の特徴および利点は、限定した特徴を含まない実施形態を示す添付の図面を参照してなされる以下の説明から明らかになる。

本発明の第１実施形態における変圧器を示す図である。 図１の変圧器の動作を示す電気回路図である。 図１の変圧器の動作を示す電気回路図である。 図１の変圧器における電流が示されたフェーザ図である。 本発明の第２実施形態における変圧器を示す図である。 図５の変圧器の動作を示す電気回路図である。 本発明に従う変圧器の製造に使用される３カラム磁気回路の斜視図である。 本発明に従う変圧器の製造に使用される３カラム磁気回路の斜視図である。

図１は、本発明の一実施形態における変圧器１の正面図である。変圧器１は、強制結合された磁束を有する３相２相固定変圧器である。

変圧器１は、磁気回路２と、３相の巻線と、２相の巻線とを備える。以下の説明では、３相の巻線は変圧器１の一次側に対応し、２相の巻線は変圧器１の二次側に対応する。それにもかかわらず、動作の逆モードが完全に可能である。

磁気回路２は、磁気的に一体に接続された３つのカラムを備える。３つのカラムとは、側部カラム３、中央カラム４および側部カラム５であり、これらのカラムはバー１３によって一体に接続されている。磁気回路２は、中央カラム４に含まれる回転軸および／または中央カラム４を含む対称面を中心に対称である。

３相の巻線は、側部カラム３に巻回する巻線６と、中央カラム４に巻回する巻線７と、側部カラム５に巻回する巻線８とを備える。

２相の巻線は、側部カラム３に巻回する巻線９および巻線１０と、側部カラム５に巻回する巻線１１および巻線１２とを備える。

図１では、巻線９、１０および６が中央カラム３に沿って隣同士に示されているが、その他任意の位置決めが可能である。同様の解説を巻線１１、１２および８に適用する。

図２は、図１の変圧器１の電気回路図である。

３相の巻線６、７および８の各々は、ｎ_１巻数を有す。図示の実施形態では、これらの巻線はスター結線されている。にも拘わらず、デルタ、千鳥形など、その他任意の接続形態が可能である。巻線６、７および８をそれぞれ流れる電流は、Ｉ_ａ、Ｉ_ｂおよびＩ_ｃで表される。巻線６、７および８の各々の巻方向は黒色点で表される。同方向の電流Ｉ_ａ、Ｉ_ｂおよびＩ_ｃは、カラム３、４および５における同方向の磁位に相当する。

２相側については、巻線９はｎ_２巻数を有し、ｎ’_２巻数を有する巻線１２と直列に接続される。巻線９および１２は第１の２相位相に対応する。第１の２相位相の電流および電圧は、Ｉ_１およびＶ_１で表される。巻線９および１２の巻方向は黒色点で表される。所与の電流Ｉ_１については、巻き方向は、カラム３および５における同方向の磁位ｎ_２Ｉ_１およびｎ’_２Ｉ_１に相当する。

相当する方式で、巻線１１はｎ_２巻数を表し、ｎ’_２巻数を有する巻線１０と直列に接続される。巻線１１および１０は第２の２相位相に対応する。第２の２相位相における電流および電圧は、Ｉ_２およびＶ_２で表される。巻線１０および１１の巻き方向は、同様に黒色点で表される。所与の電流Ｉ_２については、巻き方向は、カラム５および３における同方向の磁位ｎ_２Ｉ_２およびｎ’_２Ｉ_２に相当する。この方向は、図２のように、第１の２相位相の磁位ｎ_２Ｉ_１およびｎ’_２Ｉ_１の方向と同じであってもよく、あるいは、変形実施形態を示す図３の回路のように、反対方向であってもよい。

変圧器の３相側では、変圧器１は、３カラムルブラン式変圧器の構造に相当する構造を有する。２つの単相変圧器の使用と比較して、磁束結合が可能になり、これにより、磁気回路の重量および体積を低減し、かつ磁化電流を制限することが可能になる。

さらに、磁気回路、３相の巻線および２相の巻線の対称性のために、位相のインダクタンスおよび抵抗は平衡が保たれる。

２相側の位相はいずれも同じ巻数（すなわちｎ_２＋ｎ’_２）を有しているので、抵抗の平衡を保つための異なる部分の導体を使用する必要はない。

さらに、比ｎ_２＝（２＋√３）ｎ’_２については、変圧器１は、同じ値の二次側電圧Ｖ_１およびＶ_２を直角位相で求めることを可能にする。

電流比は、次式によって得られる：

電圧比は、次式によって得られる：

したがって、変圧器１は、一次側と二次側との位相差に作用するが、±π／２の位相によりオフセットされる二次側電流Ｉ_１およびＩ_２、および±π／２の位相によりオフセットされる二次側電圧Ｖ_１およびＶ_２を送出する。

これは、以下の通り形式化してもよい：

したがって、次式が得られる：

Ｖ_２については、以下を適用する：

したがって、次式が得られる：

この結果、Ｖ_２＝ｊＶ_１が実際に得られ、つまり、電圧が同じ値を有し、直角位相にある。

二次側電流の平衡が保たれると（Ｉ_２＝ｊＩ_１）、３カラム式の強制結合された磁束変圧器用の各コアに対するアンペア巻数補償は、一次側電流の平衡をも保たれることを示す。具体的には：

表記を簡易にするため、以下の通り表す。

これにより、３つの未知数Ｉ_Ａ、Ｉ_ＢおよびＩ_Ｃでの連立方程式が与えられる。

（１）＋（２）＋（３）はゼロであるので、連立方程式は制約され、これにより無限の解を持つ。しかしながら、（デルタ結線または千鳥結線のための）キルヒホッフのノード法則は、次式の通りとなる。

したがって、上記の方程式を使用して、連立方程式は以下の通りとなる。

これは確かに、上述の電流比が見られる図４に示す２π／３のオフセットを有する平衡３相系である。図４は、図１の変圧器１の３相電流および２相電流を示すフェーザ図である。

公知の態様では、変圧器は複数の二次側を有してもよい。したがって、図示していない変形例において、変圧器１は、巻線９から１２によって形成された二次側だけでなく、少なくとも１つのその他の２相二次側および／または少なくとも１つの３相二次側も含み、これらの二次側を、巻線９から１２のための使用と同じ態様で実装してもよい。この変形例では、変圧器１を使用して、バランスよく１以外の任意の数の負荷に電力を供給することができる。例えば、１１個の負荷については、各３相二次側を９つの負荷に使用し、各２相二次側を２つの負荷に使用することが可能である。つまり、１１＝３×３＋２である。

図５および図６は、それぞれ図１および図２と同様であり、本発明の第２実施形態における変圧器２０を示している。図２の変圧器１の要素と同一または類似の要素には、同じ参照番号を付し、再び詳細に説明しない。

変圧器２０では、巻線６、９および１０の位置および巻線７の位置は変圧器１に対して逆転する。つまり、巻線６、９および１０は中央カラム４を囲み、巻線７は側部カラム３を囲む。この差異を別にして、変圧器２０は変圧器１と実質的に同一である。

変圧器２０は、変圧器１と同じ上述の利点を有する。特に、変圧器２０は、直角位相における電流および電圧を有する。上述の電流および電圧比は保存される。それにもかかわらず、変圧器２０は、２相側に同じ実装の対称性をもはや有していない。これは、２つの２相位相の漏れインダクタンスにおける差異があることを意味している。

図１および図５の変圧器１および２０では、カラム３、４および５は、共通の平面に互いに平行に位置し、この共通の平面は、強制結合された磁束および３つのコアを有する平衡３相変圧器の製造時に一般的に磁気回路に使用される位相幾何学に対応している。それにもかかわらず、変形実施形態では、本発明に従う変圧器は、その他別の位相幾何学で磁気的に一体に接続された３つのカラムを有する磁気回路を備えてもよい。

したがって、図７および図８はそれぞれ、本発明に従う変圧器の製造に使用され得る３カラム磁気回路の斜視図である。図７および図８では、混同の危険なしに対応要素を指定するために、図１および図５と同じ参照番号が使用される。

Claims (6)

1. 磁気回路（２）と、３相の巻線と、２相の巻線とを備える３相２相変圧器（１、２０）であって、
   磁気回路は、磁気的に一体に接続された第１カラム（３；４）と、第２カラム（４；３）と、第３カラム（５）とを備え、
   ３相の巻線は、第１カラム（３；４）に巻回するｎ_１巻数の第１巻線（６）と、第２カラム（４；３）に巻回するｎ_１巻数の第２巻線（７）と、第３カラム（５）に巻回するｎ_１巻数の第３巻線（８）とのみを含み、
   変圧器は、
   ２相の巻線は、第１カラム（３；４）に巻回するｎ_２巻数の第４巻線（９）と、第１カラム（３；４）に巻回するｎ’_２巻数の第５巻線（１０）と、第３カラム（５）に巻回するｎ_２巻数の第６巻線（１１）と、第３カラム（５）に巻回するｎ’_２巻数の第７巻線（１２）とのみを含み、
   第４巻線（９）および第７巻線（１２）は、直列に接続され、かつ、第１の２相位相を形成し、第４巻線および第７巻線（９、１２）の各々は、同方向の磁位（ｎ_２Ｉ_１、ｎ’_２Ｉ_１）を含む第１の２相位相を流れる電流（Ｉ_１）に対する対応巻き方向を有し、
   第５巻線（１０）および第６巻線（１１）は、直列に接続され、かつ、第２の２相位相を形成し、第５巻線および第６巻線（１０、１１）の各々は、同方向の磁位（ｎ_２Ｉ_２、ｎ’_２Ｉ_２）を含む第２の２相位相を流れる電流（Ｉ_２）に対する対応巻き方向を有すことを特徴とする、変圧器。
2. ｎ_２＝（２＋√３）ｎ’_２である、請求項１に記載の変圧器（１、２０）。
3. 前記第２カラム（４）が、第１カラム（３）と第３カラム（５）との間に位置する中央カラムである、請求項１または２に記載の変圧器（１）。
4. 前記第１カラム（４）が、第２カラム（３）と第３カラム（５）との間に位置する中央カラムである、請求項１または２に記載の変圧器（２０）。
5. 磁気回路（２）が、中央カラム（４）に含まれる回転軸および／または前記中央カラム（４）を含む対称面を中心に対称性を有す、請求項３または４に記載の変圧器（１、２０）。
6. 少なくとも１つの３相の巻線または２相の巻線の追加の組をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の変圧器（１、２０）。

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