JP7394714B2 - 整流用多相変圧器 - Google Patents

Description

本発明は、三相交流電力をリップルの少ない直流電力に変換するために、変圧器を使用して多相電力に変換する整流用多相変圧器に関する。

従来より、リップルの少ない高電圧の直流電力を得るために、三相交流を変圧器を使用して多相の交流電力に変換する整流用多相変圧器がある。
例えば特許文献１では、１次側にスター結線された１次巻線を配置し、２次側にスター結線された２次巻線とデルタ結線された３次巻線を配置した変圧器を使用し、１次巻線に三相交流電源を接続し、２次巻線と３次巻線とで２系統の３相交流電圧を生成して全６相の交流電圧を生成し、これを整流して１２相から成る電圧を整流した。

特開２００８－２９５１５５号公報

上記特許文献１に開示されている整流用多相変圧器の変圧器は、上述したように２次側にスター結線とデルタ結線の２つの巻線を設け、それぞれ３相交流を生成することで１２相の直流電圧を生成した。そのため、三相交流から整流する場合に比べてリップルの小さい電圧を得ることができ、平滑化するための設備を簡素化できた。
そこで、この技術を更に進めてリップルの削減を図った場合、２次側に４系統の３相交流電圧を生成させることが考えられる。この場合１２相の交流電圧を生成でき、結果２４相から成る直流電圧を生成できるため、更なるリップルの削減が可能となる。
しかしながら、単純に従来の６相交流を出力する変圧器を２組設けたのでは、従来の２倍の設置スペースが必要であるし２倍のコストが掛かり、大きなメリットがない。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、例えば１２相の交流電圧を生成する変圧器を、少ないコイル巻き数で実現し、従来の１２相整流回路を２組連結した場合より、小型化できコストダウンを図ることができる整流用多相変圧器を提供することを目的としている。

上記課題を解決する為に、請求項１の発明は、三相電力を直流電力に変換するための多相電力に変換して出力する整流用多相変圧器であって、三相電力が接続される１次側の第１巻線と、２次側を構成する第２～第５巻線の４つの異なる三相の位相を生成する巻線とが共通する鉄心に巻回されて成り、第１巻線はデルタ結線或いはスター結線の何れかで結線される一方、第２～第５巻線は何れもスター結線されて、第２巻線と第３巻線の中性点同士が連結されている一方、第４巻線及び第５巻線は、第３巻線の途中の共通する所定の位置から分岐して形成され、第２～第５巻線のそれぞれが異なる位相の３相電圧を出力し、多相の交流電圧を出力することを特徴とする。
この構成によれば、２次側を構成する４つの巻線のうち、第４巻線と第５巻線は、第３巻線の途中から分岐して形成されるため、それぞれの一部巻線を第３巻線に肩代わりさせることができ、単独で巻回形成するより巻回数を削減できる。よって、変圧器全体の巻回数を削減でき、従来の１２相の直流電圧を生成する変圧器を２台連結して２４相の直流電圧を生成するより小型化でき、コストダウンを図ることができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の構成において、第３巻線は、第２巻線に対して極性が反転して、且つ第２巻線の０．７３倍の巻数で鉄心に巻回されることを特徴とする。
この構成によれば、第３巻線による出力電圧は、第２巻線の出力位相に対して１８０度反転した位相の電圧であり、１２相の交流電圧を生成する際に都合が良い。加えて、第２巻線より巻回数が少なく、変圧器の小型化に有効である。

請求項３の発明は、請求項２に記載の構成において、第４巻線及び第５巻線は、第３巻線の中性点から５６．５％の位置で分岐されて形成されることを特徴とする。
この構成によれば、第４、第５巻線の各相の一部を第３巻線の２分の１を超える領域で肩代わりさせるため、巻回数を大きく削減できる。

請求項４の発明は、請求項３に記載の構成において、第４巻線は、Ｒ相巻線が第３巻線のＲ相巻線の途中から分岐して引き出されて、第２巻線のＳ相と共通の脚部鉄心に巻回されて成り、Ｓ相巻線が第３巻線のＳ相巻線の途中から分岐して引き出されて、第２巻線のＴ相と共通の脚部鉄心に巻回されて成り、Ｔ相巻線が第３巻線のＴ相巻線の途中から分岐して引き出されて、第２巻線のＲ相と共通の脚部鉄心に巻回されて成ることを特徴とする。
この構成によれば、第４巻線による出力電圧の位相を、第２巻線の同一相の出力に対して１５度の位相差を有するよう生成でき、１２相の電圧生成に有効である。

請求項５の発明は、請求項３又は４に記載の構成において、第５巻線は、Ｒ相巻線が第３巻線のＲ相巻線の途中から分岐して引き出されて、第２巻線のＴ相と共通の脚部鉄心に巻回されて成り、Ｓ相巻線が第３巻線のＳ相巻線の途中から分岐して引き出されて、第２巻線のＲ相と共通の脚部鉄心に巻回されて成り、Ｔ相巻線が第３巻線のＴ相巻線の途中から分岐して引き出されて、第２巻線のＳ相と共通の脚部鉄心に巻回されて成ることを特徴とする。
この構成によれば、第５巻線による出力電圧の位相を、第２巻線の同一相の出力に対して１５度の位相差を有するよう生成でき、且つ第４巻線に対して第２巻線の同一相を挟んで３０度の位相差を有するよう生成できる。よって、１２相の電圧生成に有効である。

請求項６の発明は、請求項３乃至５の何れかに記載の構成において、第２～第５巻線の巻数比が、１：０．７３：０．５２：０．５２であることを特徴とする。
この構成によれば、２次側に４個の巻線を配置しても、第４，第５巻線に加えて第３巻線の巻回数も削減でき、変圧器を小型化できる。

本発明によれば、２次側を構成する４つの巻線のうち、第４巻線と第５巻線は、第３巻線の途中から分岐して形成されるため、それぞれの一部巻線を第３巻線に肩代わりさせることができ、単独で巻回形成するより巻回数を削減できる。よって、変圧器全体の巻回数を削減でき、従来の１２相の直流電圧を生成する変圧器を２台連結して２４相の直流電圧を生成するより小型化でき、またコストダウンを図ることができる。

本発明に係る整流用多相変圧器の一例を示す構成図である。 図１の整流用多相変圧器を使用して３相交流を直流変換する電力変換装置の概略構成図である。 整流用多相変圧器の２次側巻線の個々の巻線のベクトル説明図である。 ２次側の位相説明図である。 図４に示す第２巻線のＲ１－Ｔ１端子間の出力が負荷に印加される様子を示す説明図である。 図４に示す第２巻線のＲ１端子と第４巻線のＴ３端子の間の出力が負荷に印加される様子を示す説明図である。 図４に示す第２巻線のＲ１端子と第３巻線のＲ２端子の間の出力が負荷に印加される様子を示す説明図である。 第３巻線から第４巻線及び第５巻線を引き出す位置を示すベクトル図である。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係る整流用多相変圧器（以下、単に「変圧器」とする。）の一例を示す構成図であり、変圧器１は１次側巻線Ｌ１を構成する第１巻線１１、２次側巻線Ｌ２を構成する４つの巻線（第２巻線１２、第３巻線１３、第４巻線１４、第５巻線１５）を備えている。
何れの巻線も、入力される三相電力Ｐに対応する３つの巻回部（１１ａ～１１ｃ、１２ａ～１２ｃ、１３ａ～１３ｃ、１４ａ～１４ｃ、１５ａ～１５ｃ）を有している。

図２はこの変圧器１を使用して３相交流を直流変換する電力変換装置の概略構成図であり、電力変換装置３は商用電力である三相電力Ｐを多相（ここでは１２相）に変換する変圧器１と、変圧器１の２次側出力を全波整流する整流回路２とを有して構成される。

変圧器の１次側の第１巻線１１はデルタ結線され、３つの端子（Ｒｉｎ、Ｓｉｎ、Ｔｉｎ）に３相交流電力Ｐが接続される。
第２～第５巻線１２，１３，１４，１５は、全てスター結線されている（但し、後述するように、第４巻線、第５巻線は完全な形でのスター結線でなない）。以下、三相をＲ相、Ｓ相、Ｔ相として説明する。

変圧器１の２次側は、第２巻線１２の出力端子Ｒ１，Ｓ１，Ｔ１、第３巻線１３の出力端子Ｒ２，Ｓ２，Ｔ２、第４巻線１４の出力端子Ｒ３，Ｓ３，Ｔ３、第５巻線１５の出力端子Ｒ４，Ｓ４，Ｔ４を有し、全１２端子を備えている。
第２巻線１２と第３巻線１３のスター結線された中性点同士は連結され、第３巻線１３は第２巻線１２に対して極性が反転するよう鉄心４に巻回されている。また、第４巻線１４と第５巻線１５は、第３巻線１３の途中の同一点から分岐して形成され、第４巻線１４と第５巻線１５とは、第３巻線１３の中性点を兼用している。

第４巻線１４、第５巻線１５は具体的に以下のように鉄心４に巻回されている。まず、第４巻線１４の各相は次のように巻回されている。
Ｒ相巻線１４aは、第３巻線１３のＲ相巻線１３ａの途中から分岐して引き出され、１次側Ｓ相と共通の脚部鉄心４ｂに巻回されている。そして、先端が出力端子Ｒ３である。
Ｓ相巻線１４ｂは、第３巻線１３のＳ相巻線１３ｂの途中から分岐して引き出され、第１巻線１１のＴ相（或いは第２巻線１２のＴ相）と共通の脚部鉄心４ｃに巻回されている。そして、先端が出力端子Ｓ３である。
またＴ相巻線１４ｃは、第３巻線１３のＴ相巻線１３ｃの途中から分岐して引き出され、１次側Ｒ相と共通の脚部鉄心４ａに巻回されている。そして、先端が出力端子Ｔ３である。

第５巻線１５の各相は次のように巻回されている。Ｒ相巻線１５ａは、第４巻線１４と同一部位である第３巻線１３のＲ相巻線１３ａの途中から分岐して引き出され、第１巻線１１のＴ相（或いは第２巻線１２のＴ相）と共通の脚部鉄心４ｃに巻回されている。そして、先端が出力端子Ｒ４である。
Ｓ相巻線１５ｂは、第４巻線１４と同一部位である第３巻線１３のＳ相巻線１３ｂの途中から分岐して引き出され、第１巻線１１のＲ相（或いは第２巻線１２のＲ相）と共通の脚部鉄心４ａに巻回されている。そして、先端が出力端子Ｓ４である。
またＴ相巻線１５ｃは、第４巻線１４と同一部位である第３巻線１３のＴ相巻線１３ｃの途中から分岐して引き出され、第１巻線１１のＳ相（或いは第２巻線１２のＳ相）と共通の脚部鉄心４ｂに巻回されている。そして、先端が出力端子Ｔ４である。

図３は２次側巻線Ｌ２の個々の巻線のベクトル説明図であり、第２巻線１２のＲ１相を基準に各相を示している。この図３に示すように、第２巻線１２の３相の巻線１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、入力される三相電力Ｐと同様にそれぞれ１２０度の位相差を有する電圧を出力端子Ｒ１，Ｓ１，Ｔ１から出力する。
そして第３巻線１３の各巻線１３ａ，１３ｂ，１３ｃの位相は、この第２巻線１２に対して上述したように正反対の極性を示し、出力端子Ｒ２，Ｓ２，Ｔ２の位相は、第２巻線１２のＲ１，Ｓ１，Ｔ１の各相に対して１８０度の位相差を有している。尚、第２巻線１２に対する第３巻線１３の巻回数は、０．７３倍（√３－１倍）となっている。

また図３に示すように、第４巻線１４の第３巻線１３から引き出した巻線１４ａ，１４ｂ，１４ｃの各出力端子Ｒ３，Ｓ３，Ｔ３の位相は、第２巻線１２の各相と同位相の電圧を発生する。更に、第５巻線１５の第３巻線１３から引き出した巻線１５ａ，１５ｂ，１５ｃの各出力端子Ｒ４，Ｓ４，Ｔ４の位相は、第４巻線１４と同様に第２巻線１２の対応する各相の出力端子Ｒ１，Ｓ１，Ｔ１と同位相の電圧を発生する。

図４は２次側の位相説明図で、第２巻線１２のＲ１端子の位相に対する第３巻線１３，第４巻線１４，第５巻線１５の出力位相を示している。
図４に示すように、第２巻線１２の端子Ｒ１－Ｔ１間の電圧絶対値及び位相に対して、第２巻線１２のＲ１端子と第４巻線１４のＴ３端子間の電圧絶対値は等しく、位相は１５度遅れている。また、第２巻線１２のＲ１端子と第３巻線１３のＲ２端子間の電圧絶対値は等しく、位相は３０度遅れている。更に、第２巻線１２のＲ１端子と第５巻線１５のＲ４端子間の電圧絶対値は等しく、位相は４５度遅れている。

図５～７は、図４に示す特定の相間電圧が負荷６に印加される様子を示す説明図であり、変圧器１のベクトルで示す出力電圧が整流回路２で整流されて負荷６に印加される様子を示している。
図５は第２巻線１２のＲ１－Ｔ１端子間の出力が負荷６に印加される様子を示し、図６は第２巻線１２のＲ１端子と第４巻線１４のＴ３端子の間の出力が負荷６に印加される様子を示し、図７は第２巻線１２のＲ１端子と第３巻線１３のＲ２端子の間の出力負荷６に印加される様子を示している。
このように、絶対値が等しい各相間電圧が整流されて負荷６に印加される。

そして、このような各相の関係は、第２巻線１２のＳ１端子の位相に対する第３巻線１３，第４巻線１４，第５巻線１５の出力位相、第２巻線１２のＴ１端子の位相に対する第３巻線１３，第４巻線１４，第５巻線１５の出力位相も同様であり、絶対値が等しい相間電圧が生成されて負荷６に印加される。

図８は、第３巻線１３から第４巻線１４及び第５巻線１５を引き出す位置を示すベクトル説明図であり、以下このベクトル図を参照して第４巻線１４、第５巻線１５を引き出す位置Ｘを具体的に説明する。尚、図８に示すＯ点は、スター結線された第２巻線１２及び第３巻線１３の中性点、Ｅ１（Ｏ－Ｒ１間の電圧）は第２巻線１２の出力電圧を示している。
図８に示すＲ１－Ｔ３間の電圧（Ａ＋Ｂ）を２００Ｖとすると、Ｒ１－Ｒ２間の電圧も同様に２００Ｖであり、電圧Ｅ１は２００／√３＝１１５．４Ｖとなる。
そして、 電圧Ａ＝電圧Ｂ／ｔａｎ１５°
また 電圧Ａ＝電圧Ｂ×３．７２３
であるため、電圧Ａ＝２００－電圧Ｂを加味すると、
電圧Ａ＝２００／（１＋ｔａｎ１５°）＝１５７．７３Ｖ
となる。

よって、
電圧Ｂ＝２００－電圧Ａ＝２００－１５７．７３＝４２．２７Ｖ
Ｒ１－Ｘ間の電圧＝Ａ／ｃｏｓ１５°＝１６３．３Ｖ
Ｒ２－Ｘ間の電圧＝（Ｒ１－Ｒ２間の電圧）－（Ｒ１－Ｘ間の電圧）＝３６．７Ｖ
となり、
Ｏ－Ｘ間の電圧＝（Ｒ１－Ｘ間の電圧）－（Ｒ１－Ｏ間の電圧）
＝１６３．３－１１５．４６＝４７．８３Ｖ
Ｏ－Ｒ２間の電圧＝２００－（Ｒ１－Ｏ間の電圧）
＝２００－１１５．４６＝８４．５４Ｖ
となる。
尚、電圧Ｂ＝２００－電圧Ａ＝４２．２７Ｖ
Ｘ－Ｔ３間の電圧＝電圧Ｂ×√２＝５９．７７Ｖ となる。

これらの結果から、
（Ｏ－Ｘ間の電圧）／（Ｏ－Ｒ２間の電圧）＝４７．８３／８４．５４＝０．５６５
即ち、中性点（Ｏ点）から５６．５％の位置となる。
また、２次側の各巻線を巻数比をみると、
第２巻線：第３巻線：第４巻線：第５巻線＝１：０．７３：０．５２：０．５２
となる。

このように、２次側を構成する第２～第５の４つの巻線のうち、第４巻線１４と第５巻線１５は、第３巻線１３の途中の中性点から５６．５％の位置から分岐させるため、２分の１を超える領域で肩代わりさせることができ、単独で巻回形成するより巻回数を削減できる。よって、変圧器１全体の巻回数を削減でき、従来の１２相の直流電圧を生成する変圧器１を２台連結して２４相の直流電圧を生成するより小型化でき、またコストダウンを図ることができる。
また、第３巻線による出力電圧は、第２巻線の出力位相に対して１８０度反転した位相の電圧であり、１２相の交流電圧を生成する際に都合が良いし、第３巻線１３の巻回数も第２巻線１２に比べて０．７３倍に削減できるため、変圧器１を小型化できる。
加えて、第４巻線１４による出力電圧の位相を、第２巻線１２の同一相の出力に対して１５度の位相差を生成でき、１２相の電圧生成に有効である。また、第５巻線１５による出力電圧の位相を、第２巻線１２の同一相の出力に対して１５度の位相差を生成でき、且つ第４巻線１４に対して第２巻線１２の同一相を挟んで３０度の位相差を生成できる。よって、１２相の電圧生成に有効である。

尚、上記実施形態では、１次側巻線Ｌ１を構成する第１巻線１１をデルタ結線としているが、２次側と同様にスター結線としても良い。
また、１２相の電圧を出力する変圧器１を示したが、この変圧器１の第２巻線１２の途中（中性点ＯとＲ１，Ｓ１，Ｔ１の各端子との間）から巻線を引き出せば、１８相の多相電圧を出力させることも可能である。

１・・変圧器（整流用多相変圧器）、２・・整流回路（整流手段）、４・・鉄心、４ａ，４ｂ，４ｃ・・脚部鉄心、１１・・第１巻線、１２・・第２巻線、１３・・第３巻線、１４・・第４巻線、１５・・第５巻線、Ｐ・・三相電力、Ｌ１・・１次側巻線、Ｌ２・・２次側巻線、Ｏ・・中性点、Ｘ・・第４巻線及び第５巻線の引き出し位置。

Claims (6)

1. 三相電力を直流電力に変換するための多相電力に変換して出力する整流用多相変圧器であって、
   三相電力が接続される１次側の第１巻線と、２次側を構成する第２～第５巻線の４つの異なる三相の位相を生成する巻線とが共通する鉄心に巻回されて成り、
   前記第１巻線はデルタ結線或いはスター結線の何れかで結線される一方、前記第２～第５巻線は何れもスター結線されて、前記第２巻線と前記第３巻線の中性点同士が連結されている一方、
   前記第４巻線及び前記第５巻線は、前記第３巻線の途中の共通する所定の位置から分岐して形成され、
   前記第２～第５巻線のそれぞれが異なる位相の３相電圧を出力し、多相の交流電圧を出力することを特徴とする整流用多相変圧器。
2. 前記第３巻線は、前記第２巻線に対して極性が反転して、且つ前記第２巻線の０．７３倍の巻数で前記鉄心に巻回されることを特徴とする請求項１記載の整流用多相変圧器。
3. 前記第４巻線及び前記第５巻線は、前記第３巻線の中性点から５６．５％の位置で分岐されて形成されることを特徴とする請求項２記載の整流用多相変圧器。
4. 前記第４巻線は、Ｒ相巻線が前記第３巻線のＲ相巻線の途中から分岐して引き出されて、前記第２巻線のＳ相と共通の脚部鉄心に巻回されて成り、
   Ｓ相巻線が前記第３巻線のＳ相巻線の途中から分岐して引き出されて、前記第２巻線のＴ相と共通の脚部鉄心に巻回されて成り、
   Ｔ相巻線が前記第３巻線のＴ相巻線の途中から分岐して引き出されて、前記第２巻線のＲ相と共通の脚部鉄心に巻回されて成ることを特徴とする請求項３記載の整流用多相変圧器。
5. 前記第５巻線は、Ｒ相巻線が前記第３巻線のＲ相巻線の途中から分岐して引き出されて、前記第２巻線のＴ相と共通の脚部鉄心に巻回されて成り、
   Ｓ相巻線が前記第３巻線のＳ相巻線の途中から分岐して引き出されて、前記第２巻線のＲ相と共通の脚部鉄心に巻回されて成り、
   Ｔ相巻線が前記第３巻線のＴ相巻線の途中から分岐して引き出されて、前記第２巻線のＳ相と共通の脚部鉄心に巻回されて成ることを特徴とする請求項３又は４記載の整流用多相変圧器。
6. 前記第２～第５巻線の巻数比が、１：０．７３：０．５２：０．５２であることを特徴とする請求項３乃至５の何れかに記載の整流用多相変圧器。

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