TWI416554B - 變壓裝置 - Google Patents

Description

變壓裝置

本發明係有關一種變壓裝置，尤其是關於可將多種類之交流電壓變換為所希望之電壓的變壓裝置。

以往在新幹線(高速鐵路)等鐵路車輛，即有高速化或大量輸送之需求。為滿足該需求，即有對裝載於鐵路車輛之附屬機器加以小型化及輕量化之需要。另一方為滿足高速化或輕量化之需求，車載變壓器卻需大容量化。

近年來從無障礙之觀點，對車輛之低盤化要求逐增。因此，對於車輛變壓器等，要裝載於車輛底盤下之機器，也有小型化、輕量化之強烈要求。

鐵路車輛亦存在有行進於從架空線接受不同交流電壓供給之多數個區間者。裝載於此等車輛之變壓器，即使供給至車輛之交流電壓有所變化，也需要從變壓器輸出所欲之交流電壓。

於日本特開昭63-209113號公報(專利資料1)，揭示有一種在切換變壓器之匝數比之分接頭切換器中，用以抑制因突波電壓引起之震動電壓之構成。

[專利資料1]日本特開昭63-209113號公報

如上述專利資料1所揭示，在將1組低壓方繞組之途中設有多數端子(分接頭等)之變壓器，裝載於行進在不同交流電壓的複數個區間之鐵路車輛時，因應供給至車輛之電壓，需選擇取得電壓之端子。但是，在開放端，即二次繞組之未使用端子中也會發生感應電壓。當感應電壓過大時，則會產生需要加大繞組與鐵心間之距離等之絕緣尺寸。因此，難於謀求變壓器之小型化與輕量化。專利資料1並未揭示有解決此等問題用之構造。

本發明為解決上述問題而研創出者，其目的為提供一種變壓裝置，可變換多數種之交流電壓，並謀求變壓裝置小型化與輕量化。

本發明一態樣之變壓裝置，為裝載於車輛用之變壓裝置，係具備：一次繞組，為承接交流電壓；複數個二次繞組，其匝數互為各不同；以及電壓變換電路，為變換在上述複數個二次繞組所感應之交流電壓。上述複數個二次繞組，分別有未固定電位之第1端子及第2端子。上述第1端子及第2端子按上述每一組二次繞組個別裝設。再者，變壓裝置更具備切換電路，用以將上述複數個二次繞組之各個的上述第1端子及第2端子選擇性地與上述電壓變換電路連接；上述車輛為在不同交流電壓之複數個區間行進之車輛，上述變壓裝置，更具有鐡心，而上述鐡心係包含：主腳部，捲繞有上述一次繞組及上述複數個二次繞組；及側腳部，以將上述一次繞組與上述複數個二次繞組包圍的方式連接於上述主腳部；上述複數個二次繞組係包含第1及第2二次繞組，而上述第1及第2二次繞組，為以夾住上述一次繞組之方式捲繞在上述主腳部。

依據本發明，可提供一種變壓裝置，可變換多種類之 交流電壓，並且可謀求小型化與輕量化。

以下使用圖式說明本發明之實施方式。再者，圖中同一或相等部分附同一符號而不再重複其說明。

(第1實施方式)

第1圖為顯示本發明第1實施方式之變壓器構成之一例圖。第1實施方式之變壓器為裝載於鐵路車輛者。

參照第1圖，變壓器51係具備：一次繞組(高壓方線圈)3、二次繞組(低壓方線圈)4a,4b、端子9、鐵心10、及槽罐21。

一次繞組3及二次繞組4a,4b捲繞在鐵心10。槽罐21為收容一次繞組3、二次繞組4a,4b、及鐵心10。槽罐21內部充滿絕緣油(未圖示)。二次繞組4a,4b之各有端子9。

變壓器51，復具備：電動送風機22、冷卻器23、與儲油箱24。電動送風機22係送風至冷卻器23用以冷卻變壓器51(槽罐21)內之絕緣油。冷卻器23為冷卻變壓器51(槽罐21)內之絕緣油。再者，引進鐵路車輛行進時所引起之風至冷卻器23亦可。此時，可自第1圖所示之構造省略電動送風機22。

儲油箱24會因絕緣油之容積變化而膨脹或收縮。於因一次繞組及二次繞組之發熱使絕緣油加熱時，絕緣油之容積會變大。此時儲油箱24會膨脹。另一方面，絕緣油降温時，絕緣油之容積會變小，此時儲油箱24會收縮。

第2圖與第3圖為將第1圖所示之變壓器配置在鐵路車輛之式意圖。第2圖為自鐵路車輛上方看變壓器之透視圖。第3圖為自鐵路車輛側方看變壓器之圖。再者，於第2圖與第3圖，僅代表性顯示在第1圖中所示構成構件中之槽罐21、鐵心10、及繞組(一次繞組3及二次繞組4a,4b)。參照第2圖與第3圖，鐵路車輛200為具有車體211及變壓器51。變壓器51裝設在車體211之底盤212下面。

在車體211之底盤下不僅有變壓器，也裝設有各種機器。另一方面，用以裝設此等機器之艤裝空間，係受車體之長度、寬度、及車輛之底盤高度之限制。近年來為對應車輛降低底盤化之要求，變壓器之艤裝空間更受限制。因此變壓器之小型化更加需要。

第4圖為在第1圖所示之鐵心、一次繞組及二次繞組之透視圖。第5圖為在第4圖之V-V剖面圖。參照第4圖與第5圖，鐵心10係具有主腳部10a、側腳部10b,10c。側腳部10b,10c連接於主腳部10a。由主腳部10a與側腳部10b在鐵心10形成窗部W1。同様由主腳部10a與側腳部10c在鐵心10形成窗部W2。

一次繞組3及二次繞組4a,4b為共通捲繞在主腳部10a，通至窗部W1,W2。於第5圖之Z方向為表示一次繞組3及二次繞組4a,4b之捲繞軸方向。在一次繞組3之上方設置二次繞組4a，在一次繞組3下方設置二次繞組4b。一次繞組；及二次繞組4a,4b分別包含，例如在同一平面內捲繞之線圈導體(線圈導體例如由鋁所形成)所構成之平板線圈4c。

第5圖為鐵心10之剖面，與一次繞組3及二次繞組4a,4b之捲繞軸平行，且與貫穿窗部W1、W2之方向成垂直的方向。如第5圖所示，鐵心10係圍繞一次繞組3及二次繞組4a,4b。即於此實施方式之變壓器為所謂外鐵式變壓器。

以鐵路車輛用變壓器而言，藉由採用外鐵式變壓器，以配合鐵心與繞組形狀的方式可形成槽罐。藉此可將槽罐之容積縮小。透過將槽罐容積縮小則可促進變壓器的小型化。又，由於可縮小槽罐容積，故可減少槽罐內之絕緣油量，藉此可促進變壓器的輕量化。

再者，平板線圈4c之捲繞軸方向(Z方向)為車輛之高度方向。在主腳部10a疊積複數個平板線圈4c，則可不致大幅增加車輛高度方向之繞組長度，而可增加一次繞組3及二次繞組4a,4b之匝數。

二次繞組4a,4b分別有2個端子。二次繞組4a有端子9c,9d，二次繞組4b有端子9a,9b。端子9a至9d係對應於如第1圖所示的端子9。端子9a至9d設在鐵心10之外側。

於第1實施方式，在每一組二次繞組設2個端子。又，在複數個二次繞組間，2個端子係電性絕緣。即，於本發明之實施方式，不採用對複數個二次繞組共通連接之端子。因此依據本發明實施方式可謀求變壓器之小型化。對於此點藉由第1實施方式之變壓裝置與其比較例作對比說明。

(第1實施方式之比較例)

第6圖為裝載有本發明第1實施方式之比較例之變壓器之鐵路車輛構成電路圖。

參照第6圖，鐵路車輛200為行進於不同交流電壓之複數個區間之交流電車。鐵路車輛200具備：導電弓2；變壓裝置100；及馬達7。變壓裝置100包含：變壓器50；變流器5；變換器6；及切換電路8。變壓器50包含：一次繞組3；二次繞組4a,4b；及鐵心10。

導電弓2連接在架空線1。一次繞組3具有：第1端子，連接在導電弓2；及第2端子，設在該第1端子之相反方，連接在接受接地電壓之接地節點。

二次繞組4a係與一次繞組3磁耦合，具有設在二次繞組4a之一端方之端子9a，與設在二次繞組4a的另一端方之端子9b。二次繞組4b係與一次繞組3磁耦合，具有設在二次繞組4b之一端方端子9b，與設在二次繞組4b另一端方之端子9c。即，端子9b為在二次繞組4a,4b所共有。再者，二次繞組4a與4b之匝數互相不同。

切換電路8，係選擇性使二次繞組4a,4b連接於變流器5。即，切換電路8係將二次繞組4a之端子9a與端子9b分別連接於變流器5之第1輸入端子及第2輸入端子，或切換為將二次繞組4b之端子9b與端子9c分別連接於變流器5之第1輸入端子及第2輸入端子。

架空線1所供給之單相交流電壓，經過導電弓2供給至一次繞組3。藉由供給至一次繞組3之交流電壓，分別在二次繞組4a,4b感應交流電壓。

變流器5，係藉由切換電路8將在與變流器5連接之二次繞組4a或二次繞組4b所感應之交流電壓變換為直流電壓。

變換器6，係將接受自變流器5之直流電壓變換為三相交流電壓，輸出至馬達7。馬達7係由承接自變換器6之三相交流電壓所驅動。

第7圖為第6圖所示之變流器之電路圖。於第7圖係代表性地顯示二次繞組4a之端子9a與端子9b連接於變流器5之狀態。

參照第7圖，變流器5包含：整流電路11；開關元件SW1至SW4；二極體D1至D4；及電容器C。開關元件SW1至SW4連接在接地節點與切換電路8之間。二次繞組4a、4b之各個第1與第2端子，係經過切換電路8及開關元件SW1至SW4連接在接地節點。

更詳細言之，各個開關元件SW1至SW4，例如為閘流體、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣閘極雙極型電晶體)等半導體開關元件。開關元件SW1具有：連接於電容器C之第1端的一端；連接於節點N1的另一端；及閘極。開關元件SW2具有：連接於節點N1的一端；連接於電容器C之第2端的另一端；及閘極。開關元件SW3具有：連接於電容器C之第1端的一端；連接於節點N2的另一端；及閘極。開關元件SW4具有連接於節點N2之一端；連接於電容器C之第2端的另一端；與閘極。

二極體D1具有：陰極，連接於開關元件SW1之一端，及陽極，連接於開關元件SW1之另一端(節點N1)。二極體D2具有：陰極，連接於開關元件SW2之一端(節點N1)；及陽極，連接於開關元件SW2之另一端。二極體D3具有；陰極，連接於開關元件SW3之一端；及陽極，連接於開關元件SW3之另一端(節點N2)。二極體D4具有：陰極，連接於開關元件SW4之一端(節點N2)；及陽極，連接於開關元件SW4之另一端。

變流器5，為電容器C之一端，例如第2端連接於接地節點之單端接地型變流器。

整流電路11為連接於節點N1、N2。整流電路11係將二次繞組4a或二次繞組4b所感應之交流電壓加以整流。

開關元件SW1至SW4，係根據在各個閘極接受之控制訊號進行ON/OFF動作，藉此將整流電路11所整流之電壓變換為直流電壓。電容器C將開關元件SW1至SW4所變換之直流電壓予以平滑化。

其次，說明變壓裝置100之動作。在此，假定一次繞組3之匝數為1000T，二次繞組4a之匝數為100T，二次繞組4b之匝數為60T而進行說明。

第8圖為將二次繞組之端子間電壓按照一次電壓之種類而示之圖。參照第6圖與第8圖，一次電壓，即一次繞組3所承接之交流電壓實效值為25000V時，在變壓裝置100藉由切換電路8使二次繞組4b連接在變流器5。

在二次繞組4b產生25000V/1000T×60T=1500V之電壓。即在端子9b與端子9c間感應實效值1500V之交流電壓。端子9b與端子9c之電壓(零峯值)將為2121V(第8圖(a))。

又，在不使用之二次繞組4a，也會產生對應於一次繞組3與二次繞組4a間之匝數比之電壓。在二次繞組4a產生25000V/1000T×(100T+60T)=4000V之電壓。即，在端子9a與端子9c間感應實效值4000V之交流電壓。端子9a與端子9c之電壓(零峯值)成為5657V(第8圖(b))。

另一方面，一次電壓即一次繞組3所承接之交流電壓實效值為15000V時，在變壓裝置100藉由切換裝置8，使二次繞組4a連接於變流器5。

於二次繞組4a產生15000V/1000T×100T=1500V之電壓。即，在端子9a與端子9b間感應實效值1500V之交流電壓。端子9a與端子9b之電壓(零峯值)成為2121V(第8圖(c))。

又，在不使用之二次繞組4b，亦在一次繞組3與二次繞組4b間產生對應於匝數比之電壓。於二次繞組4b產生15000V/1000T×(60T+100T)=2400V之電壓。即，在端子9a與端子9c間感應實效值2400V之交流電壓。端子9a與端子9c之電壓(零峯值)成為3394V。(第8圖(d))。

第9圖為用以說明在第7圖所示變流器之動作之波形圖。第10圖至第13圖為顯示在第9圖所示之各時序中低壓方繞組(二次繞組)所產生之電壓及變流器產生之電流圖。再者，在第10圖至第13圖係顯示後述之在變壓器51所產生之電壓與電流。

參照第9圖，電壓Vc為顯示端子9a與端子9b間之電壓。又，在第9圖，顯示由於開關元件SW1至SW4之開關動作(ON/OFF)而所得電壓脈衝波形。

變流器5具有第1輸入端子及第2輸入端子，係經由切換電路8與二次繞組4a,4b之第1端子與第2端子分別連接，而第1輸入端子與第2輸入端子則藉開關元件SW1至SW4動作為交互連接於固定電位節點。

參照第9圖及第10圖，在第9圖所示之時序TA，開關元件SW1為OFF，開關元件SW2為ON，開關元件SW3為OFF，開關元件SW4為OFF。如是將如第10圖箭頭所示電流流通於變流器5，端子9a與端子9b之電壓均為0V。此時端子9c之電壓亦為0V。

參照第9圖及第11圖，在第9圖所示之時序TB，開關元件SW1為OFF，開關元件SW2為OFF，開關元件SW3為OFF，開關元件SW4為OFF。如是將如第11圖箭頭所示電流流通於變流器5，端子9a之電壓成為0V，端子9b之電壓成為2121V。此時端子9c之電壓成為2121V×(100+60)T/60T=5657V。

參照第9圖及第12圖，在第9圖所示之時序TC，開關元件SW1為OFF，開關元件SW2為OFF，開關元件SW3為ON，開關元件SW4為OFF。如是將如第12圖箭頭所示電流流通於變流器5，端子9a之電壓成為2121V，端子9b之電壓成為2121V。此時，端子9c之電壓亦成為2121V。

參照第9圖及第13圖，在第9圖所示之時序TD，開關元件SW1為OFF，開關元件SW2為ON，開關元件SW3為ON，開關元件SW4為OFF。如是將如第13圖箭頭所示電流流通於變流器5，端子9a之電壓成為2121V，而端子9b之電壓成為0V。此時端子9c之電壓成為-3536V。

如上所述，於變壓裝置100，在未使用之二次繞組之端子會產生最大5657V之電壓(參照第11圖)。因此產生需要加大繞組與鐵心間之距離等之絕緣尺寸。

第14圖為變壓器50之鐵心、一次繞組及二次繞組之示意剖面圖。第14圖為與第4圖成對比之圖。參照第14圖鐵心10之電位為0(V)。在一次繞組3之上方設置有二次繞組4a，又在一次繞組3下方設置二次繞組4b。施加在下一次繞組3之電壓較在二次繞組4a,4b所感應之電壓為高。藉由在一次繞組3與鐵心10之間設置二次繞組，可使捲繞軸方向(Z方向)之電壓變化和緩。又，在鐵心之左右方向，一次繞組3與鐵心間之距離較大於二次繞組(4a,4b)與鐵心10間之距離，如是可確保一次繞組3與鐵心10間之絕緣距離。

但是如第11圖所示，在端子9c會產生最大5657V之電壓。因此需要將連接於端子9c之二次繞組4b之端部與鐵心10間之距離加大。依據第14圖所示之構成，需要加大為側腳部10b之一部分之腳部10b1與二次繞組4b之間之距離(長度L1)，或為側腳部10b之一部分之腳部10b2與二次繞組4b之間之距離(長度L2)。若減低二次繞組之匝數，則二次繞組可小型化，而有可能加大鐵心10與二次繞組(4a,4b)間之絕緣距離。然而因匝數比之變化使難於從二次繞組取得所欲之電壓。另一方面，為加大鐵心10與二次繞組(4a,4b)間之絕緣距離而加大鐵心10時，變壓器將變大。因此，難於謀求變壓器小型化及輕量化。

因此，在本發明實施方式之變壓器101，係以二次繞組之構造解決上述問題。再者，於變壓器101中，與變壓裝置100對應之部分相同或相等部分，係附加與變壓裝置100相同之符號而不重複其說明。

第15圖為本發明第1實施方式之鐵路車輛之構成圖。參照第15圖，鐵路車輛200為行進不同交流電壓之複數個區間之交流電車。鐵路車輛200具備：導電弓2；變壓裝置101；及馬達7。變壓裝置101包含：變壓器51、變流器5、變換器6、及切換電路8。變壓器51包含：一次繞組3、二次繞組4a,4b、及鐵心10。

二次繞組4a,4b之各個，具有未固定電位之個別的第1端子與第2端子。詳細言之，二次繞組4a係與一次繞組3磁耦合，具有設在二次繞組4a之一端側之端子9a，與設在二次繞組4a另一端側之端子9b。二次繞組4b係與一次繞組3磁耦合，具有設在二次繞組4b之一端側之端子9c，與設在二次繞組4b另一端側之端子9d。二次繞組4a與4b之匝數互相不同。

切換電路8，係選擇性使二次繞組4a,4b連接於變流器5。即，切換電路8係將二次繞組4a、4b之各者的第1端子與第2端子選擇性地與變流器5連接。詳細言之，切換電路8係，將二次繞組4a之端子9a及端子9b分別連接於變流器5之第1輸入端子及第2輸入端子，或切換為將二次繞組4b之端子9c與端子9d分別連接於變流器5之第1輸入端子及第2輸入端子。

其次說明變壓裝置101之動作。在此，假定一次繞組3之匝數為1000T，二次繞組4a之匝數為100T，二次繞組4b之匝數為60T。再者，此等匝數並非限制本發明者。

第16圖為將二次繞組之端子間電壓按照一次電壓之種類所示之圖。參照第15圖與第16圖，一次電壓，即一次繞組3所承接之交流電壓實效值為25000V時，在變壓裝置101藉由切換電路8使二次繞組4b連接在變流器5。

在二次繞組4b產生25000V/1000T×60T=1500V之電壓。即在端子9c與端子9d間感應實效值1500V之交流電壓。端子9c與端子9d之電壓(零峯值)為2121V(第16圖(a))。

又，在不使用之二次繞組4a，也會產生對應於一次繞組3與二次繞組4a間之匝數比之電壓。但是在變壓器101因二次繞組4a之端子9b與二次繞組4b之端子9c為分別設置，因此在二次繞組4a僅產生25000V/1000T×100T=2500V之電壓。即，在端子9a與端子9b間感應實效值2500V之交流電壓。端子9a與端子9b之電壓(零峯值)成為3536V(第16圖(b))。

另一方面，一次電壓即一次繞組3所承接之交流電壓實效值為15000V時，在變壓裝置101係藉由切換裝置8，使二次繞組4a連接於變流器5。

於二次繞組4a產生15000V/1000T×100T=1500V之電壓。即，在端子9a與端子9b間感應實效值1500V之交流電壓。端子9a與端子9b之電壓(零峯值)成為2121V(第16圖(c))。

又，在不使用之二次繞組4b，亦產生對應於一次繞組3與二次繞組4b間的匝數比之電壓。但是，在變壓器101由於二次繞組4a之端子9b與二次繞組4b之端子9c為分別設置，故在二次繞組4a僅會產生15000V/1000T×60T=900V之電壓。即，在端子9c與端子9d間會感應實效值900V之交流電壓。端子9c與端子9d之電壓(零峯值)成為1273V。(第16圖(d))。

其次，說明在變壓器51所產生之電壓與電流。再者，變流器5之動作波形為與第9圖所示之動作波形相同，構成變流器5之開關元件SW1至SW4的動作為與第10圖至第13圖所說明之動作相同。以下代表性說明二次繞組4a之端子9a與端子9b連接在變流器5之狀態下之變壓器51之動作。

參照第9圖及第10圖，在第9圖所示之時序TA，開關元件SW1為OFF，開關元件SW2為ON，開關元件SW3為OFF，開關元件SW4為OFF。如是將如第10圖箭頭所示電流流通於變流器5，端子9a與端子9b之電壓均為0V。此時端子9c之電壓亦為0V。

參照第9圖及第11圖，在第9圖所示之時序TB，開關元件SW1為OFF，開關元件SW2為OFF，開關元件SW3為OFF，開關元件SW4為OFF。如是將如第11圖箭頭所示電流流通於變流器5，端子9a之電壓成為0V，端子9b之電壓成為2121V。此時端子9c之電壓成為0V，端子9d之電壓成為2121V×100T/60T=3536V。變壓器50時在未使用之端子9c會產生5657V之大電壓，但是在變壓器51時，在未使用之端子9d所產生之電壓為3536V。

參照第9圖及第12圖，在第9圖所示之時序TC，開關元件SW1為OFF，開關元件SW2為OFF，開關元件SW3為ON，開關元件SW4為OFF。如是將如第12圖箭頭所示流通電流，端子9a之電壓成為2121V，端子9b之電壓成為2121V。此時，端子9c之電壓為3536V、而端子9d之電壓為3536V。

參照第9圖及第13圖，在第9圖所示之時序TD，開關元件SW1為OFF，開關元件SW2為ON，開關元件SW3為ON，開關元件SW4為OFF。如是將如第13圖箭頭所示電流流通於變流器5，端子9a之電壓成為2121V，端子9b之電壓成為0V。此時，端子9c之電壓成為3536V，端子9d之電壓為0V。

第17圖為用以說明本發明第1實施方式之變壓器51時之鐵心與二次繞組間之絕緣距離之圖。第18圖為用以說明本發明第1實施方式之變壓器51時之槽罐與二次繞組間之絕緣距離之圖。

參照第17圖及第18圖，依據第1實施方式，在端子9d產生之電壓為，在未使用端子9d所產生之最大達3536V。因此，二次繞組與鐵心10間之絕緣距離，可較變壓器50時之絕緣距離為短。即，與變壓器50比較長度L1、L2可縮短。因此可將鐵心10內部空間(窗部W1、W2)縮小，而鐵心10也可小型化。

又，槽罐21之電位亦與鐵心之電位同樣為0V。槽罐21之大小係取決於二次繞組4a,4b與槽罐21間之絕緣距離。如上所述，於本發明第1實施方式，可減低在未使用端子9d所產生之電壓。因此，也可縮短槽罐21與二次繞組間之絕緣距離。藉此可使槽罐小型化，而可實現變壓器之小型化與輕量化。

再者，如上所述，在變壓裝置100及變壓裝置101，二次繞組4a,4b之電位非被固定。此係為裝載於交流電車之變壓器之特有構造。一般上，二次繞組之一方端子連接於接地電位。

第19圖為顯示一般性交流電源之構成電路圖。於第19圖，代表性顯示二次繞組4a之端子9a及端子9b。參照第19圖，在交流電源61所包含的變壓器50係採用單端接地方式。即，在交流電源61包含變壓器50時，例如端子9b連接於接地電位，又，在交流電源61包含變壓器51時，例如二次繞組4a之端子9b與二次繞組4b之端子9d連接於接地電位。

其次，說明交流電源61之動作。在此，假定於交流電源61之變壓器中，一次繞組3之匝數為1000T，二次繞組4a之匝數為100T，二次繞組4b之匝數為60T作為說明。

第20圖為顯示在第19圖所示的交流電源之動作之波形圖。第21圖至第24圖為在第20圖所示各時序中之二次繞組所產生之電壓圖。

參照第20圖，電壓Vc為端子9a與端子9b間之電壓。參照第20圖與第21圖，在第20圖所示之時序TA時，於變壓器50，其端子9a,9b,9c之電壓均為0V。同様於變壓器51，其端子9a,9b,9c,9d之電壓也均為0V。

參照第20圖與第22圖，在第20圖所示之時序TB時，於變壓器50，其端子9a,9b,9c之電壓分別為-2121V、0V、3536V。於變壓器51，其端子9a,9b,9c,9d之電壓分別為─2121V、0V、3536V、0V。

參照第20圖與第23圖，在第20圖所示之時序TC時，於變壓器50，其端子9a,9b,9c之電壓均為0V。同様於變壓器51，其端子9a,9b,9c,9d之電壓均為0V。

參照第20圖與第24圖，在第20圖所示之時序TD時，於變壓器50，其端子9a,9b,9c之電壓分別為2121V、0V，-3536V。又，於變壓器51，其端子9a,9b,9c,9d之電壓分別為2121V、0V、-3536V、0V。

如上所述，變壓裝置101係與一邊端子為接地之一般交流電源61相同，在未使用之二次繞組端子會產生最大僅3536V之電壓。因此，繞組與鐵心間之距離，或繞組與槽罐間之距離等之絕緣尺寸無需加大，可謀求變壓器之小型化及輕量化。再者，藉由在未使用之二次繞組端子所產生之電壓降低，可謀求二次繞組端子的小型化與輕量化。

又，設於一個二次繞組之端子與設於另一個二次繞組之端子為互相獨立(即，電性絕緣)，藉此即使因車輛行進在不同電壓區間而使一次側電壓有變化時，亦能以恆常確保作為變壓器所需之電感值(L值)、電容值(C值)，及電阻值(R值)之方式謀求二次繞組側的最佳設計。

確保作為變壓器所需之L值、C值、及R值，藉此可謀求鐵路車輛控制之穩定化。一般而言，由於在鐵路車輛上都有使用各種頻率之訊號，因此需要考慮不會因裝載於車輛上之控制機器所產生之高頻雜訊而對各種訊號引起感應障礙。如變壓器之L成分非最適化時，則因經過變壓器自接地線流出之返馳電流而可能引發上述感應障礙。如發生感應障礙時，則例如會測到誤以為車輛(電車)發生異常，並發生執行用以使車輛停止的控制等問題。

因此在裝載於車輛之變壓器中，上述L、C、R值中之L值特別重要。決定L值用之參數不單是匝數，也包含有二次繞組之配置(例如一次繞組與二次繞組間之距離)等多種。

於變壓器50，若將二次繞組4a,4b之匝數分別設為40T、60T並固定端子9c之電位，則在使用端子9b時，可降低在未使用端子9a所產生之感應電壓。但是在如此構成下，對一次繞組輸入之交流電壓有變化時未必能獲得最佳L值。另一方面，如第5圖所示，於本發明第1實施方式，係使在複數個二次繞組分別設有之複數個端子互相獨立。如是，裝載於行進在不同電壓區間之車輛之變壓器，在施加於一次繞組之電壓有變化時，也能以確保最適當之L值的方式，而可將各二次繞組最適化。

再者，變壓器51，亦可含有3個以上之二次繞組。又，變壓裝置101並不限定於要含有變流器5與變換器6，只要有電壓變換電路，能將二次繞組所感應之交流電壓變換為所欲之電壓即可。又，變流器5不限於連接在接地節點，變流器5亦可為連接在供給有固定電壓之節點之構成。

又，依據第1實施方式，藉由切換電路8，可切換連接在變流器5之二次繞組。如是，可藉由對複數個二次繞組所共通設置的1個變流器5取出所欲之電壓。因此，比起對複數個二次繞組設置分別對應之複數個變流器之構成，可減少變流器之數量。

(第2實施方式)

本實施方式係關於與第1實施方式之變壓裝置相較，是變更變流器之構成的變壓裝置。再者，第2實施方式之變壓裝置為裝載於行進在不同交流電壓的複數個區間之交流電車。又，第2實施方式之變壓裝置之構成係與第1圖及第4圖所示之構成為相同。因此，以下主要是就第2實施方式與第1實施方式之不同點加以說明，第2實施方式與第1實施方式之共通內容則不重複說明。

第25圖為本發明第2實施方式之變流器構成電路圖。於第25圖代表性顯示二次繞組4a之端子9a與端子9b為連接在變流器5之狀態。

參照第25圖，此變流器5為電容器C之第1端與第2端為連接在接地電位之中間接地型變流器。此點即為第2實施方式之變流器與第1實施方式之變流器所不同處。

茲就上述變壓裝置100及變壓裝置101，分別具有第25圖所示變流器之情形加以說明。

[變壓裝置100]

首先說明變壓裝置100之動作。在此，假定一次繞組3之匝數為1000T，二次繞組4a之匝數為100T，二次繞組4b之匝數為60T而進行說明。又，在變壓裝置100與變壓裝置101之二次繞組之端子間電壓係與本發明第1實施方式時之端子間電壓相同。因此，以下係使用第8圖與第16圖分別說明變壓裝置100，101之動作。

參照第8圖，一次電壓，即一次繞組3所承接之交流電壓實效值為25000V時，在變壓裝置100藉由切換電路8使二次繞組4b連接在變流器5。

在二次繞組4b產生25000V/1000T×60T=1500V之電壓。即在端子9b與端子9c間感應實效值1500V之交流電壓。在第8圖(a)之情形下，端子9b與端子9c之電壓(零峯值)成為1061V。

又，在不使用之二次繞組4a，也會產生對應於一次繞組3與二次繞組4a間之匝數比之電壓。在二次繞組4a產生25000V/1000T×(100T+60T)=4000V之電壓。即，在端子9a與端子9c間感應實效值4000V之交流電壓。在第8圖(b)之情形下，端子9a與端子9c之電壓(零峯值)成為4596V。

另一方面，一次電壓，即一次繞組3所承接之交流電壓實效值為15000V時，在變壓裝置100藉由切換電路8，使二次繞組4a連接於變流器5。

於二次繞組4a產生15000V/1000T×100T=1500V之電壓。即，在端子9a與端子9b間感應實效值1500V之交流電壓。在第8圖(c)之情形，端子9a與端子9b之電壓(零峯值)成為1061V。

又，在不使用之二次繞組4b，亦產生對應於一次繞組3與二次繞組4b間的匝數比之電壓。於二次繞組4b發生15000V/1000T×(60T+100T)=2400V之電壓。即，在第8圖(d)之情形，端子9a與端子9c間感應實效值2400V之交流電壓。端子9a與端子9c之電壓(零峯值)成為2333V。

第26圖為顯示本發明第2實施方式之變流器之動作之波形圖。第27圖至第30圖為顯示在第26圖所示之各時序中在二次繞組所產生之電壓及變流器產生之電流圖。再者，在第27圖至第30圖為顯示在變壓器51產生之電壓與電流。

參照第26圖，電壓Vc為顯示端子9a與端子9b間之電壓。又，於第26圖顯示藉開關元件SW1至SW4之開關(ON/OFF)動作所得電壓脈衝波形。

參照第26圖及第27圖，在第26圖所示之時序TA中，開關元件SW1為OFF，開關元件SW2為ON，開關元件SW3為OFF，開關元件SW4為OFF。如是將如第27圖箭頭所示流通電流於變流器5，端子9a與端子9b之電壓均為-1061V。此時端子9c之電壓亦為-1061V。

參照第26圖及第28圖，在第26圖所示之時序TB，開關元件SW1為OFF，開關元件SW2為OFF，開關元件SW3為OFF，開關元件SW4為OFF。如是將如第28圖箭頭所示流通電流於變流器5，端子9a之電壓成為-1061V，端子9b之電壓成為1061V。此時端子9c之電壓成為4596V。

參照第26圖及第29圖，在第26圖所示之時序TC，開關元件SW1為OFF，開關元件SW2為OFF，開關元件SW3為ON，開關元件SW4為OFF。如是將如第29圖箭頭所示流通電流於變流器5，端子9a之電壓為1061V，端子9b之電壓為1061V。此時端子9c之電壓亦為1061V。

參照第26圖及第30圖，在第26圖所示之時序TD，開關元件SW1為OFF，開關元件SW2為ON，開關元件SW3為ON，開關元件SW4為OFF。如是將如第30圖箭頭所示流通電流於變流器5，端子9a之電壓成為1061V，端子9b之電壓成為-1061V。此時端子9c之電壓成為-4596V。

如上所述，於變壓裝置100，在未使用之二次繞組之端子會產生最大4596V之電壓。因此，有如在第1實施方式說明過，會產生有加大變壓器之繞組與鐵心間之距離等絕緣尺寸之需要，而難於謀求變壓器小型化與輕量化。

[變壓裝置101]

其次，說明變壓裝置101之動作。一次電壓，即一次繞組3所承接之交流電壓實效值為25000V時，在變壓裝置101藉由切換電路8使二次繞組4b連接在變流器5。

在二次繞組4b，產生25000V/1000T×60T=1500V之電壓。即在端子9c與端子9d間感應實效值1500V之交流電壓。在第16圖(a)之情形，端子9c與端子9d之電壓(零峯值)成為1061V。

又，在不使用之二次繞組4a，也會產生對應於一次繞組3與二次繞組4a間之匝數比之電壓。但是在變壓裝置101，由於二次繞組4a之端子9b與二次繞組4b之端子9c是分別設置之故，在二次繞組4a僅會產生25000V/1000T×100T=2500V之電壓。即，在端子9a與端子9b間會感應實效值2500V之交流電壓。在第16圖(b)之情形下，端子9a與端子9b之電壓(零峯值)成為3536V。

另一方面，一次電壓，即一次繞組3所承接之交流電壓實效值為15000V時，在變壓裝置101，藉由切換電路8，使二次繞組4a連接於變流器5。

於二次繞組4a產生15000V/1000T×100T=1500V之電壓。即，在端子9a與端子9b間感應實效值1500V之交流電壓。在第16圖(c)之情形，端子9a與端子9b之電壓(零峯值)成為1061V。

又，在不使用之二次繞組4b，亦產生對應於一次繞組3與二次繞組4b間的匝數比之電壓。但是在變壓裝置101，由於二次繞組4a之端子9b與二次繞組4b之端子9c為分別設置之故，在二次繞組4b僅會產生15000V/1000T×60T=900V之電壓。即，在端子9c與端子9d間感應實效值900V之交流電壓。在第10圖(d)之情形，端子9c與端子9d之電壓(零峯值)成為1273V。

其次，說明在變壓器51所產生之電壓與電流。變壓器51之動作波形與第26圖所示之動作波形相同，而構成變流器5之開關元件SW1至SW4之動作與第27圖至第30圖所說明的動作相同。以下代表性說明二次繞組4a之端子9a與端子9b連接到變流器5之狀態之動作。

參照第26圖及第27圖，在第26圖所示之時序TA，開關元件SW1為OFF，開關元件SW2為ON，開關元件SW3為OFF，開關元件SW4為OFF。如是將如第27圖箭頭所示流通電流於變流器5，端子9a與端子9b之電壓均為-1061V。此時端子9c與端子9d之電壓亦均成為0V。

參照第26圖及第28圖，在第26圖所示之時序TB，開關元件SW1為OFF，開關元件SW2為OFF，開關元件SW3為OFF，開關元件SW4為OFF。如是將如第28圖箭頭所示在變流器5流通電流，端子9a之電壓成為-1061V，端子9b之電壓成為1061V。此時端子9c之電壓成為0V，端子9d之電壓成為3536V。

參照第26圖及第29圖，在第26圖所示之時序TC，開關元件SW1為OFF，開關元件SW2為OFF，開關元件SW3為ON，開關元件SW4為OFF。如是將如第29圖箭頭所示在變流器5流通電流，端子9a之電壓為1061V，端子9b之電壓為1061V。此時端子9c之電壓為3536V，端子9d之電壓成為3536V。

參照第26圖及第30圖，在第26圖所示之時序TD，開關元件SW1為OFF，開關元件SW2為ON，開關元件SW3為ON，開關元件SW4為OFF。如是將如第30圖箭頭所示在變流器5流通電流，端子9a之電壓成為1061V，端子9b之電壓成為-1061V。此時端子9c之電壓成為3536V，端子9d之電壓成為0V。

如上所述，於變壓裝置101，即使具有第25圖所示的中間接地型變流器時，也如同一般交流電源61，在未使用之二次繞組之端子僅會產生最大3536V之電壓。因此，依據第2實施方式，可如同第1實施方式，可謀求變壓器之小型化與輕量化。更且藉由在未使用之二次繞組端子所產生之電壓降低，也可謀求二次繞組端子小型化與輕量化。

再者，於上述之各實施方式，為顯示高壓繞組與低壓繞組被鐵心圍繞之所謂外鐵式變壓器之例。但是本發明也可適用於在鐵心周圍配置高壓繞組與低壓繞組之所謂內鐵式變壓器。在內鐵式變壓器為小型化與輕量化變壓器，將繞組與鐵心間之絕緣距離儘量縮小亦為重要課題。所以將本發明適用於內鐵式變壓器，同様可求得該變壓器之小型化與輕量化。

如上揭示之實施方式均為舉例而不應受其限制。本發明之範圍並非在上述說明，應在申請專利範圍所示，及包含和申請專利範圍相等意義與範圍內之所有變更。

1．．．架空線

2．．．導電弓

3．．．一次繞組(高壓側線圈)

4a,4b．．．二次繞組(低壓側線圈)

4c．．．平板線圈

5．．．變流器

6．．．變換器

7．．．馬達

8．．．切換電路

9,9a,9b,9c,9d．．．端子

10．．．鐵心

10a．．．主腳部

10b,10c．．．側腳部

10b1,10b2．．．腳部

11．．．整流電路

21．．．槽罐

22．．．電動送風機

23．．．冷卻器

24．．．儲油箱

50,51．．．變壓器

61．．．交流電源

100,101．．．變壓裝置

200．．．鐵路車輛

211．．．車體

212．．．底盤

C．．．電容器

D1至S4．．．二極體

N1、N2．．．節點

SW1至SW4．．．開關元件

W1、W2．．．窗部

第1圖係本發明第1實施方式之變壓器構成之一例圖。

第2圖係自上方看鐵路車輛之變壓器的透視圖。

第3圖係自鐵路車輛側方看變壓器之圖。

第4圖係第1圖所示鐵心、一次繞組及二次繞組之斜視圖。

第5圖係第4圖之V-V線剖面圖。

第6圖係顯示裝載有本發明第1實施方式比較例之變壓器的鐵路車輛之構成之電路圖。

第7圖係第6圖所示變流器之電路圖。

第8圖係將二次繞組之端子間電壓按一次電壓之每一種類表示之圖。

第9圖係用以說明第7圖所示的變流器動作之波形圖。

第10圖係顯示在第9圖所示的時序TA中在低壓方繞組(二次繞組)所產生之電壓及變流器所產生電流之圖。

第11圖係顯示在第9圖所示的時序TB中在低壓方繞組(二次繞組)所產生之電壓及變流器所產生電流之圖。

第12圖係顯示在第9圖所示的各時序TC中在低壓方繞組(二次繞組)所產生之電壓及變流器所產生電流之圖。

第13圖係顯示在第9圖所示的各時序TD中在低壓方繞組(二次繞組)所產生之電壓及變流器所產生電流之圖。

第14圖係變壓器50之鐵心，一次繞組及二次繞組之示意剖面圖。

第15圖係顯示本發明第1實施方式之鐵路車輛構成圖。

第16圖係將二次繞組之端子間電壓按一次電壓之每一種類表示之圖。

第17圖係用以說明本發明第1實施方式之變壓器51時之鐵心與二次繞組間之絕緣距離之圖。

第18圖係用以說明本發明第1實施方式之變壓器51時之槽罐與二次繞組間之絕緣距離之圖。

第19圖係顯示一般交流電源構成之電路圖。

第20圖係顯示第20圖所示之交流電源之動作之波形圖。

第21圖係顯示在第20圖所示的時序TA中在二次繞組所產生之電壓之圖。

第22圖係顯示在第20圖所示的各時序TB中在二次繞組所產生之電壓之圖。

第23圖係顯示在第20圖所示的的各時序TC中在二次繞組所產生之電壓之圖。

第24圖係顯示在第20圖所示的各時序TD中在二次繞組所產生之電壓之圖。

第25圖係顯示本發明第2實施方式之變流器之構成電路圖。

第26圖係顯示本發明第2實施方式之變流器之動作波形圖。

第27圖係顯示在第26圖所示的時序TA中在低壓方繞組所產生之電壓及變流器所產生之電流之圖。

第28圖係顯示在第26圖所示的時序TB中在低壓方繞組所產生之電壓及變流器所產生之電流之圖。

第29圖係顯示在第26圖所示的時序TC中在低壓方繞組所產生之電壓及變流器所產生之電流之圖。

第30圖係顯示在第26圖所示的時序TD中在低壓方繞組所產生之電壓及變流器所發生之電流之圖。

1．．．架空線

2．．．導電弓

3．．．一次繞組(高壓側線圈)

4a,4b．．．二次繞組(低壓側線圈)

5．．．變流器

6．．．變換器

7．．．馬達

8．．．切換電路

9a,9b,9c,9d．．．端子

10．．．鐵心

51．．．變壓器

101．．．變壓裝置

200．．．鐵路車輛

Claims (5)

1. 一種變壓裝置，為裝載於車輛用者，係具備：一次繞組(3)，承接交流電壓；複數個二次繞組(4a,4b)，有彼此不同之匝數；及電壓變換電路(5)，將在上述複數個二次繞組(4a,4b)感應之交流電壓變換為所欲之電壓，其中，上述複數個二次繞組(4a,4b)之各個具有未固定電位之第1端子與第2端子，且上述第1端子與第2端子，係分別按照每一個上述二次繞組而設；更具有切換電路(8)，用以將上述複數個二次繞組(4a,4b)之各個上述第1端子與第2端子，選擇性切換連接於上述電壓變換電路(5)；上述車輛為在不同交流電壓之複數個區間行進之車輛，上述變壓裝置，更具有鐡心(10)，而上述鐡心(10)係包含：主腳部(10a)，捲繞有上述一次繞組(3)及上述複數個二次繞組(4a,4b)；及側腳部(10b,10c)，以將上述一次繞組(3)與上述複數個二次繞組(4a,4b)包圍的方式連接於上述主腳部(10a)；上述複數個二次繞組(4a,4b)係包含第1及第2二次繞組，而上述第1及第2二次繞組，為以夾住上述一次繞組 (3)之方式捲繞在上述主腳部(10a)。
2. 如申請專利範圍第1項所述之變壓裝置，其中，上述變壓裝置復具有，槽罐(21)，收納上述一次繞組(3)、與上述複數個二次繞組(4a,4b)、以及上述鐡心(10)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之變壓裝置，其中，上述一次繞組(3)及上述複數個二次繞組(4a,4b)之各組，為相對於該捲繞軸捲繞在垂直之平面上之導體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之變壓裝置，其中，上述電壓變換電路(5)，係含有開關元件(SW1至SW4)，連接在供給有固定電壓之固定電位節點與上述切換電路(8)之間，上述複數個二次繞組(4a,4b)之各個的上述第1端子與第2端子，係透過上述切換電路(8)及上述開關元件(SW1至SW4)連接於上述固定電位節點。
5. 如申請專利範圍第4項所述之變壓裝置，其中，上述電壓變換電路(5)，係具有第1輸入端子及第2輸入端子，係透過上述切換電路(8)分別連接在上述二次繞組之上述第1端子與第2端子，且上述第1輸入端子之電位及上述第2輸入端子之電位，係交互地透過上述開關元件(SW1至SW4)以連接於上述固定電位節點的方式進行動作。