JP6441111B2 - 三巻線変圧器及び電力補償装置 - Google Patents

Description

本発明は電力補償装置、特に高調波成分を除去可能な変圧器を含むものに関する。

２０１１年に発生した東日本大震災以降、風力発電や太陽光発電といった分散電源の利用が見直されている。グリーン投資減税や固定価格買い取り制度といった制度上の優遇もあり、風力発電や太陽光発電の導入は小規模事業者や個人も巻き込み盛んに検討されている。

しかし、分散電源の大量導入は電力系統の周波数や電圧変動を引き起こすとともに、インバータなどの電力変換装置の使用による高調波成分の発生が問題となる。これらの高調波を送電系統（主系統も同義）にそのまま引き込むと、電力の供給先で大きな問題を引き起こすこととなる。

特開２０１４−２０３３５６公報（特許文献１）では、三相の各相に配置された多段のインバータ回路の出力端と系統連系端の間にフィルタ回路及び制御回路を設けることで、無効電力出力を再開する際の電力ひずみを抑制する技術が開示されている。

また、特開平１１−１５０８６６公報（特許文献２）には、波形歪を小さくする手段としてインバータの交流出力側にリアクトルを挿入することで波形陥没量を減少させること、接続点の交流出力側に挿入されたリアクトルと接続点のインバータ側に挿入されたリアクトルのバランスを取ることで、出力波形を正弦波にすることが開示されている。

特開２０１４−２０３３５６公報 特開平１１−１５０８６６公報

しかし特許文献１記載の技術では制御回路を必要とすることから、それらの制御に必要なデータを取る必要があり、また、制御に要するプログラムが必要になる。

また特許文献２記載の技術、波形改善用のリアクトルはフィルタとしての役割を有するのみであり、別途変圧器を設ける必要がある。

本発明の目的は、三巻線変圧器の漏れインダクタンスを利用して、高調波を同期機側に誘導することで系統側に歪のない高品質な電力を供給する手段を簡単に提供することにある。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本発明に関わる三巻線変圧器は、電源もしくは負荷が接続される第１のコイルと、第１のコイルと対向する第２のコイルと、を持ち、第１のコイルの鉄心と第２のコイルの鉄心はそれぞれ第１の突出部及び第２の突出部を持ち、それらの突出部の間隔及び断面積によって該三巻線変圧器の鉄心の磁気抵抗を調整することを特徴とする。

これらの三巻線変圧器は、更に第３のコイル及びこれと並列に接続される「負」の等価インダクタンス発生用コイルを含み、第３のコイルと「負」の等価インダクタンス発生用コイルによって生ずる負の等価インダクタンスが、これらに接続される同期機の初期過渡インダクタンスを打ち消すことを特徴としても良い。

この三巻線変圧器の励磁回路の電圧が同期機本体の内部誘導起電力と常に等しくなることを特徴としても良い。

本発明に関わる別の三巻線変圧器は、それぞれに１以上の電源もしくは負荷が接続された２以上のコイルを含む第１のコイル群と、この第１のコイル群と対向する第２のコイルと、を持ち、第１のコイル群の鉄心と第２のコイルの鉄心はそれぞれ第１の突出部及び第２の突出部を持ち、第１の突出部及び第２の突出部の突出部間の間隔及び／又は第１の突出部及び第２の突出部の断面積によって該三巻線変圧器の磁気抵抗を調整することを特徴としても良い。

これらの三巻線変圧器を使用することを特徴とする電力補償装置も本発明の射程に含まれる。

本発明に関わる三巻線変圧器を用いることで、分散電源から発生する高調波成分を同期機側に誘導し主系統に流さないことで、送電電力の品質を落とすことなく分散電源の利用を可能ならしめる。

本発明に関わる三巻線変圧器（トランス）の基本概念を表す図（三相の場合）である。 本発明の第１の実施の形態に関する三巻線変圧器の構成（一相分）を表す模式図である。 本発明に関わる三巻線変圧器の等価回路を表す図（一相分）である。 図３で表した本回路に関わる三巻線変圧器を図１の周辺回路に適用した回路図（三相の場合）である。 本発明の第２の実施の形態に関わる三巻線変圧器の構成（一相分）を表す模式図である。

以下本発明の実施の形態を図に基いて説明する。
（第1の実施の形態）
図１は、本発明に関わる三巻線変圧器（トランス）の基本概念を表す図である。

本実施の形態においては、分散電源９０１、電力補償装置９０２、送電系統９０３を含んで構成される。

分散電源９０１は、太陽光発電や風力発電といった自然エネルギーを用いた変動の大きい電源を主に想定するが、品質の良い安定稼働する電源や、非線形負荷を接続してももちろん良い。

電力補償装置９０２中には三巻線変圧器９１１、同期機９１２が含まれる。
三巻線変圧器９１１は、電磁誘導を利用して分散電源９０１の出力電圧を昇圧・降圧する電力機器である。通常の三巻線変圧器は２巻線のものに、絶縁されたもう一つの出力巻線を追加して同時に二つの出力を取り出すもので、一相当たり三つの巻線をもった変圧器である。

この三巻線変圧器９１１の一次巻線には分散電源９０１を接続する。また、本三巻線変圧器９１１の二次巻線には送電系統９０３が接続される。さらに三巻線変圧器９１１の三次巻線には同期機９１２が接続される。

後述する図２でも表すように、本発明はこの三巻線変圧器９１１の構成に特徴がある。

送電系統９０３は、顧客に消費する電力を提供するための送電線などである。

三次巻線に接続した同期機９１２の初期過渡インダクタンスを等価的に生じる三次巻線の「負」の等価インダクタンスによって打ち消すことができれば、分散電源９０１から送電系統９０３への出力に高調波が紛れ込むことがなく、分散電源９０１を良質な電源として使用することが可能になる。
本発明においては、この手段を提供すべく、三巻線変圧器９１１に改良を施したものである。

図２は本発明の第１の実施の形態に関する三巻線変圧器９１１の構成を表す模式図である。本実施の形態における三巻線変圧器９１１はコイル９２１、９２２、９２３だけでなく、「負」の等価インダクタンス発生用コイル９２４及びギャップ９２５を含む。

鉄心９２０は、三巻線変圧器を構成する鉄心である。本発明に関わる鉄心９２０は「日」型の形状を持ち、後述するコイル９２１及び９２２を巻く鉄心の間にギャップ９２５が設けられている点に特徴がある。なお、慣用的に用いられている「鉄心」としているが鉄心９２０には鉄以外の素材を用いていても良いことは言うまでもない。

鉄心９２０はコイル９２１、９２２、９２３、「負」の等価インダクタンス発生用コイル９２４の心材となる。

コイル９２１、コイル９２２はそれぞれ、分散電源９０１、送電系統９０３に接続される。コイル９２３は「負」の等価インダクタンス発生用コイル９２４と同期機９１２に接続される。コイル９２１が一次巻線、コイル９２２が二次巻線、コイル９２３と「負」の等価インダクタンス発生用コイル９２４が三次巻線となる。

コイル９２１、９２２、９２３のそれぞれの巻数は

、

、

と定義する。

コイル９２１とコイル９２２は略対向する位置に配置される。すなわちコイル９２１の軸方向とコイル９２２のそれは略平行になる。

「負」の等価インダクタンス発生用コイル９２４は、コイル９２３と並列に同期機９１２と接続され、これらは三次巻線として動作する。

そして、「負」の等価インダクタンス発生用コイル９２４は、三次巻線に同期機９１２の初期過渡インダクタンスを打ち消すための「負」の等価インダクタンスを発生させるためのコイルである。この「負」の等価インダクタンスにより、三次巻線に接続された同期機９１２のみに高調波電流が流れることとなる。この「負」の等価インダクタンス発生用コイル９２４の巻数は

と定義される。

ギャップ９２５は、その寸法により三巻線変圧器９１１の磁気抵抗

が調整できる磁気抵抗制御器である。これを利用して、「負」の等価インダクタンス発生用コイル９２４により生じる負の等価インダクタンスの大きさを同期機９１２の初期インダクタンスを元に設計した値に調整することができる。

ギャップ９２５は、コイル９２１および９２２の双方から突出した形で形成される鉄心９２０と一体の突出部である。コイル９２１側を突出部９２５ａ、コイル９２２側を突出部９２５ｂとする。この突出部９２５ａ及び９２５ｂの隙間の距離、各突出部の断面積を調整することによって磁気抵抗

が調整できる。

一次巻線、二次巻線及び三次巻線のそれぞれに生ずる等価インダクタンス

、

、

は以下の式であらわされる。

（式１）

（式２）

（式３）

ただし、この（式１）〜（式３）を成立させるには以下の条件が必要となる。

（式４）

すなわち、このギャップ９２５が各インダクタンスを定義するパラメータである鉄心９２０の磁気抵抗

を決定する。

同期機（シンクロナスマシーン）９１２は電力不足のときには発電機として、電力余剰の時には電動機として動作する。従って、電力回生時には同期機９１２は同期モータにもなる。

次にこの三巻線変圧器９１１の等価回路について説明する。

図３は、本発明に関わる三巻線変圧器９１１の等価回路を表す概念図である。本図中のインダクタンスはそれぞれ以下のような対応関係を取る。

一次巻線の等価インダクタンス８２１は、図２の一次巻線のインダクタンス、すなわちコイル９２１の等価インダクタンスを表す。従って、図２同様、一次巻線の等価インダクタンス８２１のインダクタンス値は

で表される。

二次巻線の等価インダクタンス８２２は、図２の二次巻線のインダクタンス、すなわちコイル９２２の等価インダクタンスを表す。従って、図２同様、二次巻線の等価インダクタンス８２２のインダクタンス値は

で表される。

三次巻線の等価インダクタンス８２３は、図２のコイル９２３と「負」の等価インダクタンス発生用コイル９２４の等価インダクタンスを合成した三次側全体の等価インダクタンスを表す。従って、三次巻線の等価インダクタンス８２３のインダクタンス値は

で表される。

励磁インダクタンス８２６は通常の変圧器や三巻線変圧器などにおいて鉄芯の透磁率が有限であるために生ずるインダクタンスである。

図４は、図３で表した本回路に関わる三巻線変圧器９１１を図1に適用した際の同期機と三次巻線の概念的な図である。なお励磁インダクタンスはこの図では省略している。また、本図においては同期機９１２の内部を同期機本体９３１及び同期機９１２の初期過渡インダクタンス９３２と表す。そしてこの初期過渡インダクタンス９３２のインダクタンス値を

と定義する。また、三次巻線

の三次側換算値を

と定義する。

ここで、三次側換算値とは三次巻線をΔ結線とし、等価インダクタンスを三次側の等価回路の値に変換したものをいう。

この図からも明らかなように三次巻線側のインダクタンスは

（式５）
である。

この（式５）が０になるように

を選定すれば、一次巻線の等価インダクタンス、二次巻線の等価インダクタンスの直列接続点Ｂの電圧は同期機本体９３１の内部誘導起電力と常に等しくなる。すなわち、

（式６）
とすることで、三次巻線の等価インダクタンスが初期過渡インダクタンス９３２のインダクタンス値である

を打消す。

その結果、二次巻線側の出力を高調波の乗らない正弦波電圧とすることが可能となる。

結論とすれば、（式６）を満たすように、ギャップ９２５の突出部９２５ａ及び９２５ｂの間隔及び断面積を調整すればよい。

以上のように、ギャップ９２５の突出部９２５ａ及び９２５ｂを調整することで、高調波が二次巻線側である送電系統９０３に流れ込むことを防ぎ、電源品質を向上させることが可能となる。

（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。
本実施の形態は、入力端子であるコイル９２１を複数の異なるコイルで構成し、それぞれのコイルに異なる電源を接続する。これにより１の三巻線変圧器に複数の分散電源を接続することが可能になる。

図５は、本発明の第２の実施の形態に関わる三巻線変圧器９１１ｂｉｓの構成を表す模式図である。なお本図では、コイル９２１がコイル群９２１ｂｉｓと相違するだけであり、他の箇所については第１の実施の形態の三巻線変圧器９１１と同様である。従って、他の箇所については図を省略している。

本三巻線変圧器９１１ｂｉｓはコイル群９２１ｂｉｓが第１のコイル９２１ａ及び第２のコイル９２１ｂと二重になっている点に特徴がある。

第１の実施の形態でも述べたように（式６）の条件を満たせば、分散電源からの高調波を排除でき、電源としての品質を確保できる。そして、（式６）は同期機９１２の初期過渡インダクタンスによって左右され、それ以外の条件は存在しない。

従って、コイル群９２１ｂｉｓは同一の鉄心９２０に第１のコイル９２１ａ及び第２のコイル９２１ｂを二重に巻けば、一度ギャップ９２５に対して（式６）を満たす調整を行なえば、双方のコイルに接続された別の分散電源に対して第１の効果を発揮することが可能になる。

これはコイル群９２１ｂｉｓに巻くコイルの数が３以上の場合でも同じである。従って、ケースのサイズや鉄心９２０の各梁間の距離といった物理的な制約が許す範囲で多数のコイルを巻き、各コイルに対して第１の実施の形態同様の効果を奏することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは言うまでもない。

本発明は、三巻線変圧器及びそれを用いた電源回路に適用可能である。文頭でも述べたように、風力発電や太陽光発電といった不安定かつ品質の劣る電源を接続することを想定しているが、必ずしも接続する電源の品質に制約が掛かるものではなく、非線形負荷であっても良い。

また、磁気抵抗の調節にギャップ９２５を用いることは三巻線に限らず、すべての種類の変圧器（トランス）に利用可能である。

８２１：一次巻線の等価インダクタンス、
８２２：二次巻線の等価インダクタンス、
８２３：三次巻線の等価インダクタンス、
８２６：励磁インダクタンス、
９０１：分散電源、
９０２：電力補償装置、
９０３：送電系統、
９１１、９１１ｂｉｓ：三巻線変圧器、
９１２：同期機、
９２１、９２２、９２３：コイル、
９２１ｂｉｓ：コイル群、
９２１ａ：コイル群における第１のコイル、
９２１ｂ：コイル群における第２のコイル、
９２４：「負」の等価インダクタンス発生用コイル、
９２５：ギャップ
９２５ａ、９２５ｂ：突出部。

Claims (5)

1. 電源もしくは負荷が接続される第１のコイルと、
   前記第１のコイルと対向する第２のコイルと、を持つ三巻線変圧器であって、
   前記第１のコイルの鉄心と前記第２のコイルの鉄心はそれぞれ第１の突出部及び第２の突出部を持ち、前記第１の突出部及び前記第２の突出部の突出部間の間隔及び／又は前記第１の突出部及び前記第２の突出部の断面積によって該三巻線変圧器の磁気抵抗を調整することを特徴とする三巻線変圧器。
2. 請求項１に記載の三巻線変圧器において、
   更に第３のコイル及び「負」のインダクタンス発生用コイルを含み、
   前記「負」のインダクタンス発生用コイルが前記第３のコイルに接続される同期機の初期過渡インダクタンスを打ち消すことを特徴とする三巻線変圧器。
3. 請求項２記載の三巻線変圧器において、
   励磁回路の電圧が前記同期機本体の内部誘導起電力と常に等しくなることを特徴とする三巻線変圧器。
4. それぞれに１以上の電源もしくは負荷が接続され鉄心を共有する２以上のコイルを含む第１のコイル群と、前記第１のコイル群と対向する第２のコイルと、を持つ三巻線変圧器であって、
   前記第１のコイル群の鉄心と前記第２のコイルの鉄心はそれぞれ第１の突出部及び第２の突出部を持ち、前記第１の突出部及び前記第２の突出部の突出部間の間隔及び／又は前記第１の突出部及び前記第２の突出部の断面積によって該三巻線変圧器の磁気抵抗を調整することを特徴とする三巻線変圧器。
5. 請求項１乃至４に記載の三巻線変圧器を使用することを特徴とする電力補償装置。

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