JPH0491411A - 変換器用変圧器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は人容社半導体電力変換装置に使用される変換器
用変圧器に関する。

（従来の技術） 磁気浮上式鉄道用の電源などには、電力会社の系統から
商用周波数の三相交流を受電し、いったんコンバータに
より直流に変換し、さらにその直流出力からインバータ
により任意の可変電圧、可変周波数の電力を得る電力変
換装置が用いられる。このような磁気浮上式鉄道用の電
力変換装置として第３図に示すものがある。

第３図は三相回路のうちＵ相分のみを示したものである
。

第３図において、コンバータ部分Ｃは入力変圧器と呼ば
れる変換器用変圧器１の一次側に交流電源２を接続し、
二次側にはＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）とダ
イオードとからなるフルブリッジ構成の変換器３を接続
し、平滑コンデンサ４の端子に直流電圧Ｅｏｃを発生さ
せる。

インバータ部分工は出力変圧器と呼ばれる変換器用変圧
器５の一次側にＧＴＯとダイオードからなるフルブリッ
ジ構成の変換器６を介して平滑コンデンサ４の端子が接
続され、二次側には出力変圧器のないＧＴＯとダイオー
ドからなるハーフブリッジ構成の変換器７も含め直列に
接続し負荷８に接続される。

この方式は直列多重電圧形のコンバータおよびインバー
タで構成されており、ＰＷＭ　（パルス幅変調）方式と
呼ばれ、変換器３，６．７をＰＷＭ制御することにより
電圧、周波数を任意に可変でき、その電力を負荷８に供
給し、動作の速溶性、電源側の力率、および高周波に関
して良好な特性が得られる。

又、この電力変換装置は負荷８であるリニアモータから
エネルギーを電源側へ回生させる作用も有している。

第３図に示す様なコンバータＣ側の変換器用変圧器１は
ＴｔｔからＴ工。までのＮ組（Ｎは１以上）の１個又は
複数個のユニット変圧器９からまたインバータＩ側の変
換器用変圧器５はＴ２□から１２ｍまでのＭ組（Ｍは１
以上）の１個又は複数個のユニット変圧器１０から各々
構成されている。ユニット変圧器９および１０の電源２
あるいは負荷８に接続される側の巻線を交流側巻線とい
い、変換器３あるいは６に接続される側の巻線を直流側
巻線という。各ユニット変圧器９又は１０は複数個（第
３図は２個の例を示す）の交流側巻線と直流側巻線をも
ち、交流側巻線は直列に接続され直流側巻線は各々一つ
の変換器３，６に接続されているが、それは一つの変換
器３，６の容量には限度があること、および各直流側巻
線毎にパルス幅や位相を調整し、任意の合成電圧を得る
ためである。

従来のユニット変圧器９あるいは１０は第４図に示す様
に磁気的絶縁物で構成されたギャップ１】を有する主脚
１２が２脚あり、その両脇にギャップなしの側脚１３が
あり、それらの脚を上部、下部のヨーク１４で接合し、
単相４脚鉄心として、鉄心を構成している。夫々の主脚
１２には直流側巻線１５と交流側巻線１６を同軸状に巻
装している。

通常の変圧器用鉄心では、できるだけ鉄心抜板接合部の
ギャップを小さくし、磁気抵抗を小さくし、励磁電流な
どを小さくするが、このユニット変圧器用の鉄心は、逆
に磁気抵抗をある程度大きくする必要がある。そのため
第４図に示すように主脚１２に磁気的絶縁物を取付けた
ギャップ１１を形成している。

このギャップ１１を必要とする理由には次の２つがある
。

変換器３，６．７はＰＷＭ制御されるので、僅かなオン
タイミングのずれや、制御上のずれ、およびユニット変
圧器９，１０のインピーダンス特性の差などにより直流
成分の電流が発生する。この直流電流が巻線１５．１６
に流れると鉄心には直流偏磁が発生して鉄心は飽和し励
磁電流が増大し、電力変換装置としての特性を悪化する
と共に、ユニット変圧器９，１０は損失が増加し、騒音
と振動が大きくなる。

この直流偏磁現象を完全に防止することは非常に困難で
あるので定格電流の１％程度までの直流電流が流れても
前述のギャップ１１を設けることにより鉄心の磁気抵抗
を大きくし、その偏磁量をより小さくし、鉄心飽和にな
らないようにしているのが第１の理由である。

第２の理由はギャップ１１を形成することにより、ユニ
ット変圧器９．１０間の励磁インピーダンスのバラツキ
を数％以内にできることである。

すなわち、鉄心の抜板材質による磁気特性のバラツキや
接合部のギャップ寸法の不揃などに起因する励磁インピ
ーダンスのバラツキを、このギャップ１１を正確に各揺
回−になるように製造することにより、改善できるから
である。

尚、励磁インピーダンスのバラツキを小さくする理由は
、交流側巻、１％１６側から直流側巻線１５へ電力を変
換する場合に、直列接続されるＮ組あるいはＭ組のユニ
ット変圧器９あるいは１０の全ての交流側巻線１６に発
生する電圧をほぼ同一とし、電力変換装置としての動作
を良好に維持するためである。

第５図は、第４図の巻線構成の磁気的な等価回路を示す
図で、電源で表示される”１＋８２は、この鉄心中に磁
束を流す励磁電流とその励磁電流が流れる巻線の巻回数
の積で求められる起磁力であり、両生脚１２に発生する
磁束の向きが逆になるように、すなわち磁束の向きが矢
印で示すように左側の主脚は上向に、右側は下向になる
ように各巻線を接続する。

抵抗で表示されたＲ１．　Ｒ２，Ｒ３は各磁路の磁低抵
抗であり、Ｒ１はギャップ１１を含む主脚１２の磁気回
路部、Ｒ２は上部あるいは下部のヨーク１４で主脚１２
間に相当する磁気回路部、Ｒ３は主脚１２と側脚１３の
間のヨーク１４と側脚１３との直列回路に相当する磁気
回路部である。

矢印で表示したφ０．φ２．φ３．φ、は各磁路に流れ
る磁束を示す。

この等価回路より磁束φ１．φ２は■、■式で求めれる
。

但し、 Ｒ，＝２（Ｒ１・Ｒ，＋　Ｒ２・Ｒ，＋　Ｒ３・Ｒ１）
（Ｒ□＋Ｒ３）／Ｒ３”・・・■第４図に示す鉄心構成
においては、抵抗Ｒ１はギャップ１１を有するため、ギ
ャップを有しない抵抗Ｒ，，Ｒ３よりはるかにその値は
大きい。

もし抵抗Ｒ２，Ｒ，が小さく、抵抗Ｒ工に比べ無視でき
る程度の値であれば磁束φ１．φ２は（イ）、０式で示
される。

、ｅｌ φ１キＲ１ ・・・（へ） ・　　　ｅｌ φ２ヲＲ１ ・・・■ これらの式から磁束φ１．φ２はその主脚１２だけの関
係で決まり、主脚１２のギャップ１１により、前述した
直流偏磁による悪影響は防止でき、励磁インピーダンス
のバラツキはギャップ１１を各主脚１２で同じになるよ
うに管理し製造することにより小さくできる。

（発明が解決しようとする課題） 電力変換装置に必要とする従来のユニット変圧器９，１
０は側脚１３を両側に配置しているため、長さが長く、
広い据付面積を必要とし、更に鉄心使用量が多いため、
価格は高くなり、重量も重いものであった。

本発明は上述の課題を解決すべくなされたものであり、
外形寸法９重量を低減でき、より安価な変換器用変圧器
を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明の変換器用変圧器は
、巻線が巻装され、かつ、ギャップを有する主脚２個と
それらの間に配置され巻線を巻装せずかつギャップのな
い脚１個および、それらの脚を接合するヨークとで鉄心
を構成し、前記主脚の各脚に交流側巻線と直流側巻線を
同軸状に巻装するとともに各主脚の交流側巻線を直列に
接続したことを特徴とする。

（作用） このような構成とすることにより巻線が巻装されない脚
の数が減り、従来より据付スペースが小さくかつ軽量化
でき全体としてコンパクトな変換器用変圧器を提供でき
る。

（実施例） 以下本発明の一実施例を第１図を参照して説明する。

第１図は磁気的絶縁物で構成されたギャップ１１を有す
る主脚１２が２脚あり、その中央にギャップ無しの脚１
７があり、それらの脚を上部、下部のヨーク１４で接合
し、単相３脚鉄心として、鉄心を構成している。各々の
主脚１２には直流側巻線１５と交流側巻線１６を同軸上
に巻装している。

第２図は第１図の巻線構成の磁気的な等価回路を示す図
で＋　ｅｌｌ　ｅｌは、起磁力であり，両主脚１２に発
生する磁束の向きが逆になるように各巻線が接続されて
いる。

Ｒ１，　Ｒ５，　ＲＧは各磁路の磁気抵抗であり、Ｒ１
は主脚１２の磁気回路部、Ｒ，は上部あるいは下部ヨー
ク１４の磁気回路部、Ｒ，は脚１７の磁気回路部である
。

矢印で示したφ□，φ２は各磁路に流れる磁束を示す。

この等価回路により磁束φ１，φ２は０，■式で求めら
れる。

第２図に示す鉄心構成においては、抵抗Ｒ１はギャップ
１１を有するため、ギャップを有しない抵抗Ｒ，，ＲＧ
よりはるかにその値は大きい。

もし抵抗Ｒ５，Ｒ６が小さく、抵抗Ｒ１に比べ黙視でき
る程の値であれば磁束φ１．φ２は（８）、（９）式で
示される。

これらの式から磁束φ１．φ２はその主脚１２だけの関
係で決まり、従来と同じく主脚１２のギャップ１１によ
り、直流偏磁による悪影響は防止でき、励磁インピーダ
ンスのバラツキはギャップ１１を各主脚１２で同じにな
るように管理し製造することにより小さくできる。

巻線を巻装しない脚１７は同一鉄心に２組の巻線群を巻
装しても、他脚に磁気的影響をおよぼさないように主脚
１２の磁気抵抗Ｒ□に対し十分小さければ良く、脚１７
の断面積は主脚１２と同等にする必要はない。つまり脚
１７の断面積は主脚１２より小さくできる。

次に実施例の効果について説明するが、第１図は単相３
脚鉄心で構成されており従来例の第４図の単相４脚鉄心
よりも変圧器長手方向の寸法を小さくでき据付スペース
を小さくすることができる。

また第４図の従来例では巻線を巻装しない脚１３が２個
あったのに対し第１図実施例では脚１７１個となり鉄心
重量が軽くなり、変圧器の重量を軽くすることができる
。また鉄心材料使用量減少により材料費も節約できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、２脚のギャップ付
主脚とその間のギャップなしの巻線を巻装しない脚を１
脚及びそれらを接合するヨークとで鉄心を構成し、前記
主脚の各脚に交流側巻線と直流側巻線を同軸状に巻装し
、各主脚の交流側巻線を直列に接続するようにしたので
、従来に比べ、据付スペースを小さく、軽量化でき、か
つ低価格の変換器用変圧器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構造説明図、第２図は第１
図の変換器用変圧器の作用を説明するための磁気的等価
回路図、第３図は磁気浮上式鉄道用の電力変換装置の一
例を示す結線図、第４図は従来の変換器用変圧器を構成
するユニット変圧器の一例を示す構成説明図、第５図は
従来の変換器用変圧器の作用を説明するための磁気的等
価回路図である。 １．５・・変換器用変圧器　２・・・交流電源３．６．
７・・・変換器　　４・・・平滑コンデンサ８・・負荷
（リニアモータ） ９．１０・・・ユニット変圧器　１１・・・ギャップ１
２・・主脚　　　　　　　１３・・・側脚１４・ヨーク
　　　　　　１５・直流側巻線１６・・・交流側巻線　
　１７・巻線を巻装しない脚］４ 第１図 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 巻線が巻装され、かつ、ギャップを有する主脚２個とそ
   れらの間に配置され巻線を巻装せずかつギャップのない
   脚１個および、それらの脚を接合するヨークとで鉄心を
   構成し、前記主脚の各脚に交流側巻線と直流側巻線を同
   軸状に巻装するとともに各主脚の交流側巻線を直列に接
   続したことを特徴とする変換器用変圧器。