KR20110129355A - 단상 3배 주파수 발생 장치 및 고주파 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 간단하고 컴팩트한 구성으로 고주파 발생 장치를 구성하는 것을 목적으로 하고 있고, n대의 노-컷 5각 권철심형 3상 변압기에 의해, 전원 주파수에 대해 3n배 주파수의 단상 전압을 발생시킨다.

Description

단상 3배 주파수 발생 장치 및 고주파 발생 장치{SINGLE-PHASED FREQUENCY TRIPLING GENERATION DEVICE AND HIGH FREQUENCY GENERATION DEVICE}
본 발명은 3상 교류 전원에 접속되어, 상용 전원 주파수(50Hz 또는 60Hz)를 3n배 주파수의 단상 전압을 출력하는 고주파 발생 장치에 관한 것이다.
예를 들어 3배 주파수 발생 장치에는 비 특허 문헌 1, 2에 나타내는 바와 같이, 가포화(可飽和) 리액터형과 변압기형이 있다. 가포화 리액터형은 3조(組)의 단상 가포화 리액터를 Y결선(結線)하여, 그 중성점과 전원의 중성점 사이에 발생하는 고조파 출력을 부하에 인가하는 것이며, 컨덴서는 진상(進相) 컨덴서로서 기능함과 동시에 고조파 전류의 귀로로서 기능한다. 또한, 변압기형은 3조의 단상 변압기의 1차 권선을 Y결선함과 동시에, 2차 권선을 Δ결선하고, 그 Δ결선의 일단(一端)을 개방하고, 이 개방부로부터 고조파 성분을 취출하도록 구성되어 있다.
그렇지만 상기의 양방식 모두, 단상 가포화 리액터 또는 단상 변압기(이하, 단상 기기라고도 말함)를 이용하고 있고, 3각 철심으로 구성된 3상 기기를 이용하고 있는 것은 아니다. 이와 같이 3대의 단상 기기를 조합하여 구성하면, 장치 전체가 대형화해 버릴 우려가 있고, 또 3대의 단상 기기 배치 등도 복잡하게 될 가능성이 있다. 특히 3대의 단상 기기를 이용하여 구성된 단상 3배 주파수 발생 장치를 복수조 이용하여 3상 3배 주파수 발생 장치를 구성하는 경우에는, 이러한 문제가 더욱 현저하게 된다.
여기서, 상기 문제점을 해소하기 위해 3각 철심을 이용하는 것이 생각되지만, 3각 철심을 이용한 경우에는, 3각 철심의 각 각(脚)에 권회(卷回)된 1차 권선에 의해 각 각에 발생하는 제3 조파(調波) 자속은 동일 위상 또한 동일 방향에 흐르고, 그 제3 조파 자속은 일방의 요크 철심으로부터 비자성 통로를 통과하여 타방의 요크 철심으로 돌아오도록 흐른다. 이 때, 비자성 통로는 높은 자기(磁氣) 저항을 가지기 때문에, 제3 조파 자속은 약해지고, 결과적으로 3각 철심에 의해 발생하는 합성 자속은 제3 조파 성분이 작은 것으로 되어 버린다. 따라서 상용 전원 주파수의 입력 용량에 대한 3배 주파수의 출력 용량의 비율(입출력비)이 작아져 효율적이지는 않다.
이 때문에 종래의 3배 주파수 발생 장치에서는 3대의 단상 기기를 이용하여 구성하는 것이 입출력비를 저하시키지 않기 위한 당연한 발상이며, 3배 주파수 발생 장치에 3각 철심을 이용하는 것은 입출력비를 향상시킨다고 하는 목적에 반한다.
[선행 기술 문헌]
[비 특허 문헌]
[비 특허 문헌 1] 일본 전열 공학 위원회편, 「공업 전기 가열 핸드북」, 제1판, 주식회사 전기 서원, 쇼와 43년 10월 25일, p.293－296
[비 특허 문헌 2] 아라타니, 외 2명, 「자기식 3배 주파수 체배기(遞倍器)의 동작 모드와 정상 특성의 해석」, 전기 학회 논문 잡지 B 전력ㆍ에너지 일부 문지, 사단법인 전기 학회, 1981년 9월, 제101권, 제9호, p.519－526
그래서 본 발명은 상기 문제점을 모두 해결하기 위해 이루어진 것이며, 단상 리액터 또는 단상 변압기라고 한 단상 기기를 3대 이용하는 일 없이 컴팩트하게 구성 가능하고, 또 배선도 간단하게 할 수 있음과 아울러, 3상 변압기를 고주파 발생 장치에 이용한 경우의 문제점을 해결하는 것을 그 주된 소기 과제로 하는 것이다.
즉 본 발명에 관한 3배 주파수 발생 장치는, 3상 변압기를 이용하여 상용 전원 주파수를 3배로 체배하여 출력하는 것이며, 상기 3상 변압기의 1차 권선이 Y결선되고, 2차 권선이 Δ결선됨과 아울러, 당해 Δ결선된 2차 권선의 일단을 개방하여 단상 부하에 접속되도록 구성한 단상 3배 주파수 발생 장치로서, 상기 3상 변압기가, 시트 형상의 전자(電磁) 강판을 연속 권회하여 형성되는 노-컷형의 5각 권철심(5脚 卷鐵心)을 이용한 것이며, 그 중 3개의 각에 1차 권선 및 2차 권선이 권회되고, 나머지 2개가 제3 조파 자속의 귀로로 되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 것이면, 3상 변압기가 5각 권철심이며, 그 중의 3각에 권선을 실행하여, 나머지 2각이 제3 조파 자속의 귀로로 되도록 구성하고 있으므로, 권선이 실행된 각 각에서 발생하는 동일 위상 및 동일 방향에 흐르는 제3 조파 자속을, 나머지 2각에 의해 순환시킬 수 있고, 3상 변압기에 있어서 발생하는 제3 조파 성분의 손실을 방지할 수 있다. 이로 인해, 상용 전원 주파수의 입력 용량에 대한 3배 주파수의 출력 용량의 비율(입출력비)을 크게 할 수 있다. 또, 5각 철심이 시트 형상의 전자 강판을 연속 권회하여 형성한 노-컷형으로 하고 있기 때문에, 제3 조파 자속의 자로에 있어서 자기 저항을 가급적으로 작게 할 수 있고, 제3 조파 자속이 각 각을 통과할 때의 자속 저하를 방지하여, 가급적으로 입출력비를 크게 할 수 있다. 또한, 3상 변압기를 이용할 수 있으므로, 종래와 같이 3대의 단상 변압기를 이용한 경우에 비해 컴팩트하게 구성 가능하고, 또 배선도 간단하게 할 수 있다.
또 본 발명에 관한 단상 3배 주파수 발생 장치는, 3상 가포화 리액터를 이용하여 상용 전원 주파수를 3배로 체배하여 출력하는 것이며, 상기 3상 가포화 리액터의 권선을 Y결선으로 접속하여 이루어지는 중성점과 3상 전원의 중성점 사이에 단상 부하가 접속되도록 구성한 단상 3배 주파수 발생 장치로서, 상기 3상 가포화 리액터가, 시트 형상의 전자 강판을 연속 권회하여 이루어지는 노-컷형의 5각 권철심을 이용한 것이며, 그 중 3개의 각에 상기 권선이 권회되고, 나머지 2개가 제3 조파 자속의 귀로로 되는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 것에서도 상기와 동일한 효과를 달성한다.
노-컷형의 5각 철심의 구체적인 구성으로서는 상기 5각 권철심이, 개구 사이즈가 다른 고리 형상의 철심 요소를 조합하는 것에 의해 구성되는 것이며, 1개의 외철심 요소와, 상기 외철심 요소 내에 서로 접촉하여 배치되는 2개의 중철심 요소와, 상기 중철심 요소 내에 서로 접촉하여 배치되는 2개의 소철심 요소로 이루어지는 것이 바람직하다.
전자 강판으로 이루어진 변압기에 발생하는 제3 조파는 기본파에 대해 약 25％의 비율로 발생하기 때문에, 안전률을 약 2배로서 변압기의 고장을 방지하기 위해서는 상기 제3 조파 자속의 귀로로 되는 2개 각의 단면적이, 상기 권선이 권회되는 각의 단면적의 1／2인 것이 바람직하다.
상기 5각 철심이 정면에서 보아 좌우에 5개의 각이 배열되는 것이며, 중앙의 각 및 좌우 양단의 각에 상기 권선이 권회되어 있고, 상기 중앙의 각 양측에 위치하는 각이 제3 조파 자속의 귀로로 되는 것인 것이 바람직하다. 이것이라면, 제3 조파 자속의 귀로가, 권선이 실행된 각의 사이에 배치되는 구성으로 되어, 각 각에 의해 발생하는 제3 조파 자속을 순환시켜 쉽게 할 수 있다.
또 본 발명에 관한 3상 3배 주파수 발생 장치는, 상기의 단상 3배 주파수 발생 장치를 3조 이용하여 구성되는 것이며, 1조의 3상 변압기의 1차 권선 또는 가포화 리액터의 권선을 Y결선으로 하고, 다른 1조의 3상 변압기의 1차 권선 또는 가포화 리액터의 권선 출력을 입력 주파수 좌표에 있어서 40˚지상(遲相) 또는 진상(進相)으로 되도록 위상 권선을 실행한 Y결선으로 하고, 나머지 1조의 3상 변압기의 1차 권선 또는 가포화 리액터의 권선 출력을 입력 주파수 좌표에 있어서 80˚지상 또는 진상으로 되도록 위상 권선을 실행한 Y결선으로 하고 있는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 관한 고주파 발생 장치는, n대(n은 1 이상의 홀수로 함)의 3상 변압기를 이용하여 전원 주파수에 대해 3n배 주파수의 단상 전압을 발생시키는 것이며, 상기 3상 변압기가, 시트 형상의 전자 강판을 연속 권회하여 형성되는 노-컷형의 5각 권철심을 이용한 것이며, 그 중의 3각에 1차 권선 및 2차 권선이 권회되고, 나머지 2각이 단상 고주파 자속 자로로 되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 것이면, 3상 변압기가 5각 권철심이며, 그 중의 3각에 권선을 실행하여, 나머지 2각이 단상 고주파 자속 자로로 되도록 구성하고 있으므로, 권선이 실행된 각 각에서 발생하는 동일 위상 및 동일 방향에 흐르는 단상 고주파 자속을, 나머지 2각에 의해 순환시킬 수 있고, 3상 변압기에 있어서 발생하는 단상 고주파 자속의 손실을 방지할 수 있다. 이로 인해, 상용 전원 주파수의 입력 용량에 대한 3n배 주파수의 출력 용량의 비율(입출력비)을 크게 할 수 있다. 또, 5각 철심이 시트 형상의 전자 강판을 연속 권회하여 형성한 노-컷형으로 하고 있기 때문에, 단상 고주파 자속의 자로에 있어서 자기 저항을 가급적으로 작게 할 수 있고, 단상 고주파 자속이 각 각을 통과할 때의 자속 저하를 방지하여, 가급적으로 입출력비를 크게 할 수 있다. 또한, 3상 변압기를 이용할 수 있으므로, 종래와 같이 3대의 단상 변압기를 이용한 경우에 비해 컴팩트하게 구성 가능하고, 또 배선도 간단하게 할 수 있다.
이와 같이 구성한 본 발명에 의하면, 단상 리액터 또는 단상 변압기를 3대 이용하는 일 없이 컴팩트하게 구성 가능하고, 3상 변압기를 이용한 경우의 문제점을 해결한 3n배 주파수의 단상 전압을 발생하는 고주파 발생 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 변압기 방식의 실시 형태에 관한 단상 3배 주파수 발생 장치의 회로 결선도.
도 2는 동 실시 형태에 관한 5각 철심의 정면도.
도 3은 동 실시 형태의 특성 데이터를 나타내는 도면.
도 4는 각종 변압기를 이용한 경우의 자속 밀도-입출력비 특성을 나타내는 도면.
도 5는 변형 실시 형태에 관한 단상 3배 주파수 발생 장치의 회로도.
도 6은 변형 실시 형태의 입력 용량／컨덴서 용량-입출력비 특성을 나타내는 도면.
도 7은 변형 실시 형태에 관한 리액터 방식의 단상 3배 주파수 발생 장치의 회로 결선도.
도 8은 변형 실시 형태에 관한 3상 3배 주파수 발생 장치의 회로도.
도 9는 제2 실시 형태의 노-컷 5각 권철심형 3상 변압기를 나타내는 도면.
도 10은 단상 9배 주파수 발생용의 단상 변압기의 1차 권선 벡터도.
도 11은 단상 9배 주파수 발생용의 단상 변압기의 결선도.
도 12는 단상 9배 주파수 발생용의 3상 변압기의 결선도.
도 13은 입출력 전압 파형을 나타내는 도면.
도 14는 3상 입력 전압／단상 9배 주파수 출력 전압 특성을 나타내는 도면.
도 15는 출력 전압／출력 전압 계산값-철심 자속 밀도 특성 그래프.
＜제1 실시 형태＞
이하에 본 발명에 관한 단상 3배 주파수 발생 장치의 변압기 방식의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
본 실시 형태에 관한 단상 3배 주파수 발생 장치(100)는 상용 전원(3상 교류 전원)에 접속되고, 당해 상용 전원으로부터 수전(受電)되는 3상 교류 전압(50Hz 또는 60Hz)을, 3배 주파수(150Hz 또는 180Hz)의 단상 교류 전압으로 변환하여 단상 부하(200)에 출력하는 것이다.
구체적으로, 이것은 도 1에 나타내는 바와 같이, 3상 변압기(2)를 이용하여 상용 전원 주파수를 3배로 체배하여 출력하는 것이며, 3상 변압기(2)의 1차 권선(21u, 21v, 21w)이 Y결선되고, 2차 권선(22u, 22v, 22w)이 Δ결선됨과 아울러, 당해 Δ결선된 2차 권선(22u, 22v, 22w)의 일단을 개방하여 단상 부하(200)에 접속되도록 구성되어 있다.
그리고 3상 변압기(2)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 시트 형상의 전자 강판을 연속 권회하여 형성되는 노-컷형의 5각 권철심(23)을 이용한 것이다. 이 노-컷형의 5각 철심(23)은 각 철심과 계철심(요크 철심)이 일체로 분리되어 있지 않은 철심이며, 그 중 3개의 각(23a, 23b, 23c) 각각에 1차 권선(21u, 21v, 21w) 및 2차 권선(22u, 22v, 22w)이 권회되고, 나머지 2개(23d, 23e)가 제3 조파 자속의 귀로로 된다.
3상 변압기(2)의 5각 권철심(23)은 개구 사이즈가 다른 고리 형상의 권철심 요소를 조합하는 것에 의해 구성되는 정면에서 보아 거의 직사각 형상을 이루는 것이며, 개구 사이즈가 가장 큰 1개의 외철심 요소(231)와, 외철심 요소(231)의 내측 주위면에 접촉함과 아울러, 서로 접촉하여 배치되는 2개의 중철심 요소(232)와, 중철심 요소(232)의 내측 주위면에 접촉함과 아울러, 서로 접촉하여 배치되는 2개의 소철심 요소(233a, 233b)로 이루어진다.
2개의 중철심 요소(232)는 서로 동일 형상을 이루는 것이며, 그 두께는 상기 외철심 요소(231)의 두께와 동일하다. 또, 2개의 소철심 요소 중 좌우 외측에 배치되는 소철심 요소(233a)의 두께는 외철심 요소(231) 및 중철심 요소(232)의 두께와 동일하다. 또한, 소철심 요소 중에서 중앙측에 배치되는 소철심 요소(233b)의 두께는 외측에 배치되는 소철심 요소(233a) 두께의 1／2 두께이다. 이와 같이 구성된 5각 철심(23)은 정면에서 보아 좌우에 5개의 각(23a ~ 23e)이 배열되고, 그 5개의 각(23a ~ 23e) 중에서, 중앙의 각(23a) 및 좌우 양단의 각(23b, 23c)의 단면적이 동일하게 되어, 중앙의 각(23a) 양측에 인접하는 각(23d, 23e)의 단면적은 중앙의 각(23a) 및 좌우 양단의 각(23b, 23c)의 단면적의 1／2로 된다.
그리고 이와 같이 구성된 5각 철심(23)에 있어서, 중앙의 각(23a) 및 좌우 양단의 각(23b, 23c)이, 1차 권선(21) 및 2차 권선이 권회되는 권회 철심부로 되어, 중앙의 각(23a) 양측에 인접하는 각(23d, 23e)이 제3 조파 자속의 귀로로 되는 귀로 철심부로 된다. 즉, 제3 조파 자속의 귀로로 되는 귀로 철심부의 단면적이, 1차 권선(21) 및 2차 권선(22)이 권회되는 권회 철심부의 단면적의 1／2로 된다. 이 5각 철심(23)에 의해, 제3 조파 자속의 귀로가, 권선(21, 22)이 실행된 각(23a ~ 23c)의 사이에 배치되는 구성으로 되어, 각 각(23a ~ 23c)에 의해 발생하는 제3 조파 자속을 순환시켜 쉽게 할 수 있다.
다음에 본 실시 형태의 단상 3배 주파수 발생 장치(100)의 입력 용량(VA) 및 출력 용량(VA)의 입출력비에 대해, 노-컷형 3각 권철심을 이용한 것, 노-컷형 단상 철심을 3대 이용한 것, 및 컷형의 단상 철심을 3대 이용한 것과 비교하고, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다. 또한, 도 3은 본 실시 형태의 단상 3배 주파수 발생 장치(100)의 특성 데이터이며, 도 4의 횡축은 자속 밀도(G)를 나타내고, 종축은 입력 용량(VA)에 대한 출력 용량(VA)의 비이다.
도 3 및 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시 형태의 단상 3배 주파수 발생 장치(100)는 종래의 노-컷형 단상 철심을 3대 이용한 것과 동등한 특성을 나타내고, 그 입출력비도 거의 동일하다는 것을 알 수 있다. 또한, 노-컷형 3각 권철심을 이용한 것 및 컷형의 단상 철심을 3대 이용한 것은 입출력비가 지극히 낮다는 것을 알 수 있다. 노-컷형 3각 권철심을 이용한 것에서는 각 철심부에서 발생한 동일 위상으로 동일 방향에 흐르는 제3 조파가 일방의 요크 철심부로부터 비자성 통로를 통과하여 타방의 요크 철심부에 흐르기 때문에 제3 조파 성분이 저하해 버리는 것에 의해 입출력비가 작아지고 있다. 또, 컷형의 단상 철심을 3대 이용한 것에서는 컷 부분에서의 자기 저항이 커져, 제3 조파 성분이 저하하여 입출력비가 작아지고 있다.
이와 같이 구성한 제1 실시 형태에 관한 3배 주파수 발생 장치(100)에 의하면, 3상 변압기(2)가 5각 권철심이며, 그 중의 3각(23a ~ 23c)에 권선(21, 22)을 실행하고, 나머지 2각(23d, 23e)이 제3 조파 자속의 귀로로 되도록 구성하고 있으므로, 권선(21, 22)이 실행된 각 각(23a ~ 23c)에서 발생하는 동일 위상 및 동일 방향에 흐르는 제3 조파 자속을, 나머지 2각(23d, 23e)에 의해 순환시킬 수 있고, 3상 변압기(2)에 발생하는 합성 자속의 제3 조파 성분이 저감해 버리는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 상용 전원 주파수의 입력 용량(입력 전압)에 대한 3배 주파수의 출력 용량(출력 전압)의 비율을 크게 할 수 있다. 또, 5각 철심(23)이 시트 형상의 전자 강판을 연속 권회하여 형성한 노-컷형으로 하고 있기 때문에, 제3 조파 자속의 자로에 있어서 자기 저항을 가급적으로 작게 할 수 있고, 제3 조파 자속이 각 각(23a ~ 23e)을 통과할 때의 자속 저하를 방지하여, 가급적으로 입출력비를 크게 할 수 있다. 또한, 3상 변압기(2)를 이용할 수 있으므로, 종래와 같이 3대의 단상 변압기를 이용한 경우에 비해 컴팩트하게 구성 가능하고, 또 배선도 간단하게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 제1 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 5에 나타내는 바와 같이, 3상 변압기(2)의 1차측에 진상 컨덴서(3)를 마련하는 것에 의해, 도 6에 나타내는 바와 같이, 입출력비를 약 54％까지 개선시킬 수 있다.
또, 상기 실시 형태에서는 변압기형의 단상 3배 주파수 발생 장치에 대해 설명했지만, 리액터형의 것이어도 좋다. 이 때의 단상 3배 주파수 발생 장치는 도 7에 나타내는 바와 같이, 3상 가포화 리액터(4)를 이용하여 상용 전원 주파수를 3배로 체배하여 출력하는 것이며, 3상 가포화 리액터(4)의 권선(41u, 41v, 41w)을 Y결선으로 접속하여 이루어지는 중성점(N1)과 3상 전원의 중성점(N2)의 사이에 단상 부하(200)가 접속되도록 구성되어 있다. 그리고 3상 가포화 리액터(4)가, 상기 실시 형태에서 설명한 시트 형상의 전자 강판을 연속 권회하여 이루어지는 노-컷형의 5각 권철심을 이용한 것이며, 중앙의 각(23a) 및 좌우 양단의 각(23b, 23c)에 리액터의 권선(41u, 41v, 41w)이 권회되고, 중앙의 각(23a) 양측에 인접하는 각(23d, 23e)이 제3 조파 자속의 귀로로 된다. 또한, 도 7에 있어서는 Y결선하여 접속된 컨덴서(5u, 5v, 5w)를 3상 전원측에 접속하고, 인위적인 중성점(N2)을 형성하고, 당해 중성점(N2)와 상기 중성점(N1)의 사이에 단상 부하(200)를 접속하고 있다. 이 컨덴서(5u, 5v, 5w)는 고조파 전류의 귀로 역할을 완수함과 아울러, 진상 컨덴서로서의 역할도 완수한다.
또한, 상기 실시 형태의 단상 3배 주파수 발생 장치(100)를 3조 이용하여 3상 3배 주파수 발생 장치(Z)로 할 수도 있다. 이 경우, 3상 3배 주파수 발생 장치(Z)는 도 8에 나타내는 바와 같이, 1조의 3상 변압기의 1차 권선을 Y결선으로 하고, 다른 1조의 3상 변압기의 1차 권선의 출력을 입력 주파수 좌표에 있어서 40˚지상으로 되도록 지상 권선을 실행한 Y결선으로 하고, 나머지 1조의 3상 변압기의 1차 권선의 출력을 입력 주파수 좌표에 있어서 80˚지상으로 되도록 지상 권선을 실행한 Y결선으로 한다. 이와 같이 구성하면, 3조의 단상 3배 주파수 발생 장치(100)로부터의 출력은 3배 주파수 좌표로 각각 120˚위상차의 3상 3배 주파수로 된다. 또한, 지상 권선 외에, 40˚진상 또는 80˚진상으로 되는 진상 권선을 실행해도 좋다. 도 8에 있어서, 3조의 출력측에는 입력 권선이 오픈 델타 결선, 출력 권선이 물떼새 결선된 출력 변압기를 설치하고, 3상 벡터를 확정하여 안정시키는 기능을 갖게 하고 있다.
또한, 리액터 방식의 단상 3배 주파수 발생 장치를 3조 이용하여 3상 3배 주파수 발생 장치로 할 수도 있다. 이 경우, 3상 3배 주파수 발생 장치는 1조의 가포화 리액터의 권선을 Y결선으로 하고, 다른 1조의 가포화 리액터의 권선 출력을 입력 주파수 좌표에 있어서 40˚지상 또는 진상으로 되도록 위상 권선을 실행한 Y결선으로 하고, 나머지 1조의 가포화 리액터의 권선 출력을 입력 주파수 좌표에 있어서 80˚지상 또는 진상으로 되도록 위상 권선을 실행한 Y결선으로 한다.
추가로, 상기 실시 형태의 단상 3배 주파수 발생 장치를 다단으로 캐스캐이드(cascade) 접속함으로써 단상의 3N배 주파수(N은 자연수)를 얻을 수 있다. 또, 3상 3배 주파수 발생 장치를 다단으로 캐스캐이드 접속함으로써 3상의 3N배 주파수(N은 자연수)를 얻을 수 있다.
＜제2 실시 형태＞
이하에 본 발명에 관한 고주파 발생 장치에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
본 실시 형태에 관한 고주파 발생 장치는 상용 전원(3상 교류 전원)에 접속되고, 당해 상용 전원으로부터 수전되는 3상 교류 전압(전원 주파수 50［Hz］또는 60［Hz］)을, 3n배 주파수(50×3n［Hz］또는 60×3n［Hz］)의 단상 교류 전압으로 변환하여 단상 부하에 출력하는 것이다.
구체적으로, 이것은 n대(n은 1 이상의 홀수로 함)의 3상 변압기(2)를 이용하여 구성되는 것이다. 이 n대의 3상 변압기는 기준으로 되는 1차 권선 R상／S상／T상을 권회한 제1 3상 변압기에 대해, 대응하는 각 상의 위상차가 360도／3n으로 되는 1차 권선을 실행한 제2 3상 변압기, 또한 제2 3상 변압기에 대해 대응하는 각 상의 위상차가 360도／3n으로 되는 1차 권선을 실행한 제3 3상 변압기와 같이, 각 3상 변압기에 권회되는 1차 권선(R상／S상／T상)에 360도／3n의 위상차를 순차 매김과 아울러, n대의 3상 변압기의 1차 권선을 직렬 접속하여 전체적으로 Y결선(스타 결선)한다. 또, n대의 3상 변압기의 각 상 2차 권선을 위상이 360도／3n씩 벗어나는 순으로 직렬 결선한다. 이와 같이 결선함으로써, 직렬 결선된 2차 권선의 양단으로부터 전원 주파수의 단상 3n배 주파수 전압을 출력할 수 있다. 또한, 3대의 3상 변압기(2)를 이용한 경우에 대해서는 도 12를 참조하여 후술한다.
각 3상 변압기는 도 9에 나타내는 바와 같이, 시트 형상의 전자 강판을 연속 권회하여 형성되는 노-컷형의 5각 권철심(23)을 이용한 것이다. 이 노-컷형의 5각 철심(23)은 각 철심과 계철심(요크 철심)이 일체로 분리되어 있지 않은 철심이며, 그 중 3개의 각(23a, 23b, 23c) 각각에 1차 권선(21u, 21v, 21w) 및 2차 권선(22u, 22v, 22w)이 권회되고, 나머지 2개(23d, 23e)가 단상 고주파 자속의 귀로(이하, 단상 고주파 자속 자로라고 함)로 된다.
3상 변압기(2)의 5각 권철심(23)은 개구 사이즈가 다른 고리 형상의 권철심 요소를 조합하는 것에 의해 구성되는 정면에서 보아 거의 직사각 형상을 이루는 것이며, 개구 사이즈가 가장 큰 1개의 외철심 요소(231)와, 외철심 요소(231)의 내측 주위면에 접촉함과 아울러, 서로 접촉하여 배치되는 2개의 중철심 요소(232)와, 중철심 요소(232)의 내측 주위면에 접촉함과 아울러, 서로 접촉하여 배치되는 2개의 소철심 요소(233a, 233b)로 이루어진다.
2개의 중철심 요소(232)는 서로 동일 형상을 이루는 것이며, 그 두께는 상기 외철심 요소(231)의 두께와 동일하다. 또, 2개의 소철심 요소 중 좌우 외측에 배치되는 소철심 요소(233a)의 두께는 외철심 요소(231) 및 중철심 요소(232)의 두께와 동일하다. 또한, 소철심 요소 중 중앙측에 배치되는 소철심 요소(233b)의 두께는 외측에 배치되는 소철심 요소(233a) 두께의 1／2 두께이다. 이와 같이 구성된 5각 철심(23)은 정면에서 보아 좌우에 5개의 각(23a ~ 23e)이 배열되고, 그 5개의 각(23a ~ 23e) 중에서, 중앙의 각(23a) 및 좌우 양단의 각(23b, 23c)의 단면적이 동일하게 되어, 중앙의 각(23a) 양측에 인접하는 각(23d, 23e)의 단면적은 중앙의 각(23a) 및 좌우 양단의 각(23b, 23c)의 단면적의 1／2로 된다.
그리고 이와 같이 구성된 5각 철심(23)에 있어서, 중앙의 각(23a) 및 좌우 양단의 각(23b, 23c)이, 1차 권선(21) 및 2차 권선(22)이 권회되는 권회 철심부로 되어, 중앙의 각(23a) 양측에 인접하는 각(23d, 23e)이 단상 고주파 자속 자로로 되는 귀로 철심부로 된다. 즉, 단상 고주파 자속 자로로 되는 귀로 철심부의 단면적이, 1차 권선(21) 및 2차 권선(22)이 권회되는 권회 철심부의 단면적의 1／2로 된다. 이 5각 철심(23)에 의해, 단상 고주파 자속 자로가, 권선(21, 22)이 실행된 각(23a ~ 23c)의 사이에 배치되는 구성으로 되어, 각 각(23a ~ 23c)에 의해 발생하는 단상 고주파 자속을 순환시켜 쉽게 할 수 있다.
여기서, 종래의 단상 9배 주파수 발생용의 단상 변압기의 1차 권선 벡터도를 도 10에 나타내고, 종래의 단상 9배 주파수 발생용의 단상 변압기의 결선도를 도 11에 나타낸다. 이와 같이 종래는 단상 9배 주파수(n이 3인 경우)를 발생시키는 장치로서 9대의 단상 변압기의 1차 권선에 이송을 순차 40도씩 벗어나게 하는 위상 변환 권선을 실행하여 Y결선함과 아울러, 2차 권선을 위상이 40도씩 벗어나는 순으로 직렬 결선하고, 그 양단으로부터 9배 주파수의 단상 전압을 취출하고 있다. 또한, 본 실시 형태의 고주파 발생 장치에 있어서도 도 10에 나타내는 1차 권선 벡터도는 동일하다.
또한, 본 실시 형태에 관한 고주파 발생 장치를 이용하여 단상 9배 주파수를 발생시키는 경우의 결선도를 도 12에 나타낸다. 이 고주파 발생 장치는 기준으로 되는 1차 권선 R상／S상／T상을 권회한 제1 3상 변압기(2A)와, 이 제1 3상 변압기(2A)에 대해 위상차 40도의 1차 권선을 실행한 제2 3상 변압기(2B)와, 이 제2 3상 변압기(2B)에 대해 위상차 40도의 1차 권선을 실행한 제3 3상 변압기(2C)를 가진다. 그리고 제1 ~ 제3 3상 변압기(2A ~ 2C)의 1차 권선은 직렬 접속되어 전체적으로 Y결선한다. 또, 제1 ~ 제3 3상 변압기(2A ~ 2C)의 각 상의 2차 권선은 위상이 40도씩 벗어나는 순으로 직렬 접속된다. 이와 같이 하여 직렬 접속된 2차 권선의 양단으로부터 단상 9배 주파수의 단상 전압이 출력된다(도 13 참조).
도 14에 3상 입력 전압／단상 9배 주파수 출력 전압 특성을 나타내고, 도 15에 출력 전압／출력 전압 계산값-철심 자속 밀도 특성 그래프를 나타낸다. 여기서 출력 전압 계산값은 권선 권수비로부터 산출한 전압이다. 3n배 주파수 전압은 입력 전압에 대해 권수비 계산값의 약 30％로 되고, 자속량은 출력 권선이 직렬 결선으로 되는 것에 의해 주파수가 3n배이기 때문에 권회하는 각의 약 30％로 된다. 즉, 3n배 주파수 자속 통로는 2각이므로 1각당의 자속은 다른 3각에 비해 약 15％로 되지만, 주파수가 3n으로 되어 전력 손실이 증가하는 것을 고려하면 그 단면적은 권선을 실행하는 각의 50％가 적당하다는 것을 알 수 있다.
이와 같이 구성한 본 실시 형태에 관한 고주파 발생 장치에 의하면, 3상 변압기(2)가 5각 권철심이며, 그 중의 3각(23a ~ 23c)에 권선(21, 22)을 실행하고, 나머지 2각(23d, 23e)이 단상 고주파 자속 자로로 되도록 구성하고 있으므로, 권선(21, 22)이 실행된 각 각(23a ~ 23c)에서 발생하는 동일 위상 및 동일 방향에 흐르는 고주파 자속을, 나머지 2각(23d, 23e)에 의해 순환시킬 수 있고, 3상 변압기(2)에 발생하는 고주파 자속이 저감해 버리는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 상용 전원 주파수의 입력 용량(입력 전압)에 대한 3n배 주파수의 출력 용량(출력 전압)의 비율을 크게 할 수 있다. 또, 5각 철심(23)이 시트 형상의 전자 강판을 연속 권회하여 형성한 노-컷형으로 하고 있기 때문에, 고주파 자속의 자로에 있어서 자기 저항을 가급적으로 작게 할 수 있고, 고주파 자속이 각 각(23a ~ 23e)을 통과할 때의 자속 저하를 방지하여, 가급적으로 입출력비를 크게 할 수 있다. 또한, 3상 변압기(2)를 이용할 수 있으므로, 종래와 같이 3대의 단상 변압기를 이용한 경우에 비해 컴팩트하게 구성 가능하고, 또 배선도 간단하게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니며, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변형이 가능하다는 것은 물론이다. 예를 들어 상기 실시 형태에서는 구체적인 예로서 3대의 3상 변압기를 이용하여 9배 주파수의 단상 전압을 출력하는 것을 설명했지만, 그 외 5대의 3상 변압기를 이용하여 15배 주파수의 단상 전압을 출력하는 것이어도 좋고, 그 이상의 홀수대의 3상 변압기를 이용하여 3n배 주파수의 단상 전압을 출력하는 것이어도 좋다.
그 외, 본 발명은 상기 각 실시 형태에 한정되지 않으며, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변형이 가능하다는 것은 물론이다.
100ㆍㆍㆍ3배 주파수 발생 장치(고주파 발생 장치)
2 ㆍㆍㆍ3상 변압기
21 ㆍㆍㆍ1차 권선
22 ㆍㆍㆍ2차 권선
231ㆍㆍㆍ외철심 요소
232ㆍㆍㆍ중철심 요소
233ㆍㆍㆍ소철심 요소

Claims (10)

  1. 3상 변압기를 이용하여 상용 전원 주파수를 3배로 체배(遞倍)하여 출력하는 것이며,
    상기 3상 변압기의 1차 권선이 Y결선(結線)되고, 2차 권선이 Δ결선됨과 아울러, 당해 Δ결선된 2차 권선의 일단(一端)을 개방하여 단상 부하에 접속되도록 구성한 단상 3배 주파수 발생 장치로서,
    상기 3상 변압기가, 시트 형상의 전자(電磁) 강판을 연속 권회(卷回)하여 형성되는 노-컷형의 5각 권철심(5脚 卷鐵心)을 이용한 것이며, 그 중 3개의 각에 1차 권선 및 2차 권선이 권회되고, 나머지 2개가 제3 조파(調波) 자속의 귀로로 되는 단상 3배 주파수 발생 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 5각 권철심이, 개구 사이즈가 다른 고리 형상의 철심 요소를 조합하는 것에 의해 구성되는 것이며,
    1개의 외철심 요소와, 상기 외철심 요소 내에 서로 접촉하여 배치되는 2개의 중철심 요소와, 상기 중철심 요소 내에 서로 접촉하여 배치되는 2개의 소철심 요소로 이루어지는 단상 3배 주파수 발생 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 조파 자속의 귀로로 되는 2개 각의 단면적이, 상기 권선이 권회되는 각의 단면적의 1／2인 단상 3배 주파수 발생 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 5각 권철심은 정면에서 보아 좌우에 5개의 각이 배열되는 것이며,
    중앙의 각 및 좌우 양단의 각에 상기 권선이 권회되어 있고,
    상기 중앙의 각 양측에 위치하는 각이 제3 조파 자속의 귀로로 되는 것인 단상 3배 주파수 발생 장치.
  5. 3상 가포화(可飽和) 리액터를 이용하여 상용 전원 주파수를 3배로 체배하여 출력하는 것이며,
    상기 3상 가포화 리액터의 권선을 Y결선으로 접속하여 이루어지는 중성점과 3상 전원의 중성점 사이에 단상 부하가 접속되도록 구성한 단상 3배 주파수 발생 장치로서,
    상기 3상 가포화 리액터가, 시트 형상의 전자 강판을 연속 권회하여 이루어지는 노-컷형의 5각 권철심을 이용한 것이며, 그 중 3개의 각에 상기 권선이 권회되고, 나머지 2개가 제3 조파 자속의 귀로로 되는 단상 3배 주파수 발생 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 단상 3배 주파수 발생 장치를 3조(組) 이용하여 구성되는 것이며,
    1조의 3상 변압기의 1차 권선 또는 가포화 리액터의 권선을 Y결선으로 하고, 다른 1조의 3상 변압기의 1차 권선 또는 가포화 리액터의 권선 출력을 입력 주파수 좌표에 있어서 40˚지상(遲相) 또는 진상(進相)으로 되도록 위상 권선을 실행한 Y결선으로 하고, 나머지 1조의 3상 변압기의 1차 권선 또는 가포화 리액터의 권선 출력을 입력 주파수 좌표에 있어서 80˚지상 또는 진상으로 되도록 위상 권선을 실행한 Y결선으로 하고 있는 3상 3배 주파수 발생 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 단상 3배 주파수 발생 장치를 다단으로 캐스캐이드(cascade) 접속함으로써 단상의 3N배 주파수(N은 자연수)를 출력하는 단상 3N배 주파수 발생 장치.
  8. 청구항 6에 기재된 3상 3배 주파수 발생 장치를 다단으로 캐스캐이드 접속함으로써 3상의 3N배 주파수(N은 자연수)를 출력하는 3상 3N배 주파수 발생 장치.
  9. n대(n은 1 이상의 홀수로 함)의 3상 변압기를 이용하여 전원 주파수에 대해 3n배 주파수의 단상 전압을 발생시키는 것이며,
    상기 3상 변압기가, 시트 형상의 전자 강판을 연속 권회하여 형성되는 노-컷형의 5각 권철심을 이용한 것이며, 그 중의 3각에 1차 권선 및 2차 권선이 권회되고, 나머지 2각이 단상 고주파 자속 자로로 되는 것을 특징으로 하는 고주파 발생 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 단상 고주파 자속 자로로 되는 2개 각의 단면적이, 상기 권선이 권회되는 각의 단면적의 1／2인 고주파 발생 장치.
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