WO2008075487A1 - 絶縁変圧器 - Google Patents

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Hidemasa Yamaguchi
Masao Hosokawa
Kazuyuki Fukui
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Hitachi Industrial Equipment Systems Co., Ltd.
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    • H01F41/0206—Manufacturing of magnetic cores by mechanical means

Definitions

  • the present invention relates to an insulation transformer, and more particularly to a technique for suppressing magnetic saturation at the time of DC bias.
  • Distributed power sources such as solar power generation and wind power generation are connected to a power system via a grid-connected power conditioner. Since DC components are often generated due to variations in the element characteristics used in power conditioners, a transformer is installed to prevent DC components from flowing into the system. When a DC component is applied to the transformer winding, a DC bias occurs in which the magnetic flux in the iron core is either positive or negative. When DC bias occurs, the magnetic flux in the iron core increases, the iron core becomes magnetically saturated, an excessive current flows through the windings, and operation cannot be continued.
  • Patent Document 1 JP-A-8-222454
  • Patent Document 2 JP 2002-222718
  • the present invention is a transformer in which the range of the magnetic field intensity showing the unsaturation characteristic without applying special processing to the iron core is widened.
  • the iron loss in the capacity iron loss characteristic curve is 4.85 X (capacity (kVA)) ° '
  • the present invention is the transformer in which the iron core is made of an amorphous metal material.
  • the iron core is annealed while applying a magnetic field in an arbitrary direction by a solenoid coil disposed outside, and is excited by a winding during assembly of the transformer and an easy magnetization axis. Is a transformer that is not leveled.
  • the present invention is a transformer in which the iron core is annealed at a low temperature of 300 ° C. or less.
  • the present invention is a transformer in which the iron core is annealed without excitation.
  • the voltage per winding when using the transformer is 0 ⁇ 26 X (capacity (kVA)) °
  • the transformer is 467 (V) or less.
  • the iron core is formed into a U-shape and inserted into a coil without being annealed.
  • the transformer is annealed after the tip joint is wrapped.
  • the present invention is a transformer in which the iron core is subjected to a delaminating prevention treatment of the amorphous iron core wrapped with an insulator.
  • the force S can be expanded to expand the range of the magnetic field strength showing the unsaturation characteristics without increasing the iron loss, and magnetic saturation can be suppressed even when DC demagnetization occurs.
  • the iron core of the transformer of the present invention has an iron loss of 4.85 in the capacity iron loss characteristic curve 1 shown in FIG.
  • the iron core of the present invention can be obtained by the method described in the following examples.
  • FIG. 6 shows an example of the annealing treatment of the iron core in this example.
  • Annealing is performed in a state where the iron core 3 is arranged in the solenoid coil 11 and the solenoid coil 11 is excited by the DC power source 7.
  • Figure 5 shows the iron core after annealing.
  • the iron core 3 is excited in the direction 9 along the magnetic circuit by the transformer winding, but the easy axis 10 is in a direction substantially perpendicular to the direction of excitation.
  • the solid line 12 in Fig. 7 shows the BH characteristics of the iron core 3.
  • the BH characteristics are rectangular as shown by the dotted line 2 in Fig. 7, and the range of the magnetic field strength showing the unsaturated characteristics becomes narrower.
  • the iron core becomes magnetically saturated.
  • the iron core of Example 1 has a gentle B—H characteristic gradient. For this reason, the range of the magnetic field intensity showing the unsaturation characteristics is widened, and even when DC demagnetization occurs, the iron core 3 Is not magnetically saturated. The area occupied by the curve in the B—H characteristic is almost equal, so the iron loss does not change. Therefore, it is possible to provide a transformer that does not increase iron loss while suppressing magnetic saturation when DC bias occurs.
  • FIG. 8 shows the relationship between the annealing temperature of the iron core and time in this example.
  • the annealing is performed at a low temperature of 300 ° C or lower as shown by the solid line 14.
  • the stress strain can be removed, the magnetic resistance is increased, so that the range of the magnetic field intensity showing the unsaturated characteristic is widened while the iron loss is reduced. Therefore, it is possible to provide a transformer that does not increase iron loss while suppressing magnetic saturation when DC bias occurs.
  • Example 3 will be described.
  • the iron core is annealed without excitation.
  • the easy axis is not set and the iron core becomes non-directional.
  • the magnetic resistance increases and the range of the magnetic field strength showing the unsaturated characteristic is widened. Therefore, it is possible to suppress magnetic saturation when DC bias is generated.
  • Example 4 will be described.
  • the number of windings is reduced. If the number of turns is n and the direct current component is Idc, the magnetic flux increases by n X Idc when DC demagnetization occurs. When the number of turns is lowered, the amount of magnetic flux change is also reduced, so that magnetic saturation can be suppressed. When the number of turns is lowered, (number of turns) X (voltage per turn) does not change, so the voltage per turn increases.
  • Figure 9 shows the voltage 15 per turn in a normal transformer. It is preferable to design a normal transformer so that the voltage per winding is 0.26 X (capacity (kVA)) ° ' 467 (V). If the number of turns is reduced and the voltage per turn is set to a value greater than that shown in Fig. 9, magnetic saturation when DC bias occurs can be suppressed.
  • Example 5 Before describing Example 5, a manufacturing process of a normal amorphous transformer will be described with reference to FIG.
  • the core 3 is U-shaped.
  • a magnetic path of the rectangular iron core 3 is formed by forming a mold, butting or overlapping the tip of the iron core 3 and wrapping the joint, and then exciting annealing. Since the amorphous material becomes more brittle due to annealing, the core part and the yoke part are wrapped with an insulating material to prevent the fragments from falling off.
  • the joint part of the iron core 3 is released, the iron core 3 is inserted into the coil 16, and after re-wrapping, the joint part is prevented from falling off, and the fasteners are attached to complete the assembly.
  • the joint part once joined must be released, which increases man-hours and further stresses the iron core 3, leading to deterioration of characteristics.
  • a manufacturing process for the transformer of Example 5 will be described with reference to FIG. After cutting the iron core material, shape the iron core 3 into a U shape, insert it into the coil 16, butt or overlap the tip, wrap the joint, and anneal at 300 ° C or less with no excitation. Take measures to prevent debris from wrapping the core, yoke and joints with insulation.
  • the coil 16 is composed of various insulating papers with heat-resistant insulators (Nomettas, etc.), and the primary and secondary wires are made of heat-resistant wires (polyamideimide wire (AIW), polyimide wire (MW)), adhesive, Select tapes with high heat resistance.
  • AIW polyamideimide wire
  • MW polyimide wire
  • the core part, the yoke part and the joint part are wrapped with an insulating material, and measures are taken to prevent the pieces from falling off. Then, assembly is completed as usual.
  • the transformer of this embodiment expands the range of the magnetic field strength showing the unsaturation characteristics, suppresses the amount of magnetic flux change when DC demagnetization occurs, and reduces magnetic saturation. The power to avoid.
  • Example 6 will be described.
  • the manufacturing process of the transformer of Example 6 is shown in FIG.
  • the force of this example is almost the same as that of Example 5.
  • This example is different in that no drop prevention measures are used.
  • Amorphous iron cores become brittle when annealed at high temperatures, and fragments are generated during assembly, which requires measures to prevent dropping and increase manufacturing costs. Since the embrittlement does not progress at a low temperature of 300 ° C or lower, no debris is generated during assembly.
  • the U-shaped iron core 3 is inserted into the coil 16 and then annealed, there is no re-wrapping of the joint, so there is no process of generating debris.
  • the manufacturing cost can be reduced. Unsaturation characteristics are also exhibited by changing the annealing conditions. The range of magnetic field strength can be expanded, the amount of magnetic flux change when DC bias is generated, and the magnetic saturation can be avoided.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of the relationship between the capacity and iron loss of the transformer of the present invention.
  • FIG. 2 Explanatory diagram of BH characteristics of iron core of conventional transformer.
  • FIG. 3 Structural diagram of a conventional transformer core with a gap.
  • FIG. 4 An explanatory diagram of the annealing condition of the iron core in which the direction of excitation from the conventional winding is perpendicular to the easy magnetization axis.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of an iron core in which the direction excited from the winding and the easy axis of magnetization are perpendicular to each other.
  • FIG. 6 is an explanatory view of the annealing state of the iron core using the solenoid coil in Example 1.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of the BH characteristics of the iron core saturation characteristics in Example 1.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of the annealing temperature and time of the iron core in Example 2.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram of the relationship between the iron core capacity and the voltage per winding in Example 4.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram of a manufacturing process of a normal amorphous transformer.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram of a process for manufacturing an amorphous transformer in Example 5.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram of a manufacturing process of an amorphous transformer in Example 6.

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Abstract

　容量鉄損特性曲線１における鉄損が４．８５×（容量（ｋＶＡ））０．６１３（Ｗ）以上、２７．３×（容量（ｋＶＡ））０．６１３（Ｗ）以下であり、定格電流に対し１％以上の直流成分が重畳した電流を入力しても磁気飽和しない特性を有する変圧器。鉄心３が非晶質金属材料にて構成される。鉄心３は、外部に配置されたソレノイドコイル１１にて磁場を任意の方向に印加しながら焼鈍され、変圧器組立時の巻線により励磁される方向と磁化容易軸が水平でない。

Description

明 細 書
絶縁変圧器
参照による取り込み
[0001] 本出願は、 2006年 12月 21日に出願された日本特許出願第 2006— 344116号 および 2007年 4月 26日に出願された日本特許出願第 2007— 116984号の優先権 を主張し、その内容を参照することにより本出願に取り込む。
技術分野
[0002] 本発明は、絶縁変圧器に係り、特に直流偏磁時の磁気飽和を抑制する技術に関 する。
背景技術
[0003] 太陽光発電や風力発電のような分散電源は、系統連系用パワーコンディショナー を介して電力系統に接続される。パワーコンディショナーに使用される素子特性のバ ラツキにより直流成分が発生する場合も多いため、系統へ直流成分の流出を防止す る変圧器が設置される。変圧器の巻線に直流成分が印加された場合、鉄心中の磁 束が正負いずれかに偏る直流偏磁が起きる。直流偏磁が起きると、鉄心中の磁束が 増加し鉄心が磁気飽和して、巻線に過大電流が流れ、運転を継続できなくなる。
[0004] 非晶質金属を鉄心に用いる場合、磁場中にて鉄心を焼鈍することで、応力歪を取り 、磁化容易軸を設定し、損失を低減している。焼鈍温度は 300°C以上、磁化容易軸 は巻線により励磁される方向と水平であれば良好な特性となることが知られている。こ の場合、鉄心の B— H特性は図 2のように矩形型となり、不飽和特性を示す磁界強度 の範囲は狭くなり、直流偏磁が起きた場合、磁気飽和しやすい。
[0005] 不飽和特性を示す磁界強度の範囲を広げることができれば、直流偏磁が起きたと しても磁束変化量を抑制することができ、磁気飽和を避けることができる。
[0006] 不飽和特性を示す磁界強度の範囲を広げる方法として、従来では以下のようなも のがある。 （1)鉄心の断面積を増加させることにより、磁束密度を下げる。 （2)図 3の ように、鉄心中にギャップを設けることにより磁気回路の磁気抵抗を増大させる。 (3) 図 4のように、ギャップ付鉄心のギャップ内に鉄心を配置し焼鈍を行い、図 5のように 巻線により励磁される方向と鉄心の磁化容易軸が水平とならないようにする。
[0007] これらの方法により不飽和特性を示す磁界強度の範囲を広げ、直流偏磁が起きた 場合の磁束変化量を抑え、磁気飽和を避けていた。 （2)は例えば特許文献 1に記載 されたものがあり、 (3)は特許文献 2に記載されたものがある。
特許文献 1 :特開平 8— 222454号公報
特許文献 2 :特開 2002— 222718号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] 従来技術のうち、（1)は鉄心が大型化し、コストも高くなる。 （2)は鉄心強度の低下 や、鉄損の増大を招く。 （3)は大型の焼鈍設備が必要となり、作業性が悪化し、コスト も高くなる。本発明では、上記従来技術に鑑み、大型化、鉄損の増大、コストアップ 等につながらず、直流偏磁が起きた場合、磁気飽和を避ける技術を提供することを 目白勺とする。
課題を解決するための手段
[0009] 上記課題を解決するため、本発明は、鉄心に特別な加工を施すことなぐ不飽和特 性を示す磁界強度の範囲を広げた変圧器である。
[0010] すなわち、本発明は、容量鉄損特性曲線における鉄損が 4. 85 X (容量 (kVA) ) °'
613 (W)以上、 27· 3 X (容量 (kVA) ) ° 613 (W)以下であり、定格電流に対し 1 %以上 の直流成分が重畳した電流を入力しても磁気飽和しない特性を有する変圧器である
[0011] また、本発明は、前記鉄心が非晶質金属材料にて構成される変圧器である。
[0012] そして、本発明は、前記鉄心が、外部に配置されたソレノイドコイルにて磁場を任意 の方向に印加しながら焼鈍され、変圧器組立時の巻線により励磁される方向と磁化 容易軸が水平でないようにされた変圧器である。
[0013] 更に、本発明は、前記鉄心が、 300°C以下の低温にて焼鈍された変圧器である。
[0014] また、本発明は、前記鉄心が、無励磁にて焼鈍された変圧器である。
[0015] そして、本発明は、変圧器使用時の巻線 1巻当りの電圧が 0· 26 X (容量 (kVA) ) °
• 467 (V)以下である変圧器である。 [0016] 更に、本発明は、前記鉄心は、 U字型に成形され、未焼鈍のままコイルへ揷入され
、先端の接合部がラップされた後、焼鈍された変圧器である。
[0017] また、本発明は、前記鉄心は、絶縁物で包むようなアモルファス鉄心の破片脱落防 止処置を施してレ、な!/、変圧器である。
発明の効果
[0018] 本発明によれば、鉄損を増大させることなぐ不飽和特性を示す磁界強度の範囲を 広げること力 Sでき、直流偏磁が起きた場合でも磁気飽和を抑制することができる。 本発明の他の目的、特徴及び利点は添付図面に関する以下の本発明の実施例の 記載から明らかになるであろう。
発明を実施するための最良の形態
[0019] 本発明を実施するための最良の形態を説明する。
以下、本発明の変圧器の実施例について、図を用いながら説明する。
[0020] 本発明の変圧器の鉄心は、図 1に示す容量鉄損特性曲線 1における鉄損が 4. 85
X (容量 (kVA) ) °- 613 (W)以上、 27· 3 X (容量 (kVA) ) °· 613 (W)以下であり、これに より、定格電流に対し 1 %以上の直流成分が重畳した電流が入力しても磁気飽和し ない特性を有する鉄心とすることができる。鉄心は、非晶質金属材料力 なる。本発 明の鉄心は、以下の実施例で説明する方法で得ることができる。
実施例 1
[0021] 実施例 1を説明する。図 6に本実施例における鉄心の焼鈍処理の一例を示す。ソレ ノイドコイル 11中に鉄心 3を配置し、直流電源 7によりソレノイドコイル 11を励磁した状 態で、焼鈍を行う。図 5に焼鈍後の鉄心状態を示す。鉄心 3は変圧器巻線により磁気 回路に沿う方向 9に励磁されるが、磁化容易軸 10は励磁される方向とほぼ直角の方 向をなしている。図 7中の実線 12は鉄心 3の B— H特性を示す。変圧器巻線により励 磁される方向と磁化容易軸が平行の場合、 B— H特性は図 7中の点線 2で示すように 矩形型となり、不飽和特性を示す磁界強度の範囲は狭くなり、直流偏磁が起きた場 合、鉄心は磁気飽和する。
[0022] 実施例 1の鉄心は、図 7に示すように、 B— H特性の勾配が緩やかになる。このため 、不飽和特性を示す磁界強度の範囲は広くなり、直流偏磁が起きた場合でも鉄心 3 は磁気飽和しない。 B— H特性で曲線が占めている面積はどちらもほぼ等しいため、 鉄損は変わらない。したがって、直流偏磁が起きた際の磁気飽和を抑制しつつも鉄 損が増大しなレ、変圧器を提供できる。
実施例 2
[0023] 実施例 2を説明する。図 8は本実施例における鉄心の焼鈍温度と時間の関係を示 したものである。通常は点線 13のように 300°C以上の高温で焼鈍する力 実施例 2で は実線 14のように 300°C以下の低温で焼鈍する。本実施例では、応力歪はとれるが 、磁気抵抗は大きくなるので、鉄損は低減しつつも、不飽和特性を示す磁界強度の 範囲は広くなる。したがって、直流偏磁が起きた際の磁気飽和を抑制しつつも鉄損が 増大しなレ、変圧器を提供できる。
実施例 3
[0024] 実施例 3を説明する。本実施例は、無励磁にて鉄心を焼鈍するものである。無励磁 にて焼鈍することにより、磁化容易軸は設定されず、鉄心は無方向性となる。その場 合、磁気抵抗は大きくなり、不飽和特性を示す磁界強度の範囲は広くなる。したがつ て、直流偏磁が起きた際の磁気飽和を抑制できる。
実施例 4
[0025] 実施例 4を説明する。本実施例は、巻線の巻数を下げたものである。巻数を n、直 流成分を Idcとすると、直流偏磁が起きた場合、磁束は n X Idcだけ増加する。巻数を 下げると、磁束変化量も減少するので、磁気飽和を抑制できる。巻数を下げた場合、 (巻数） X (1巻当りの電圧）は変わらないので、 1巻当りの電圧は増加する。図 9に通 常の変圧器における 1巻当りの電圧 15を示す。通常の変圧器では、 1巻当りの電圧 が 0. 26 X (容量 (kVA) ) °' 467 (V)となるように設計することが好ましい。巻数を下げ、 1巻当りの電圧を図 9に示される値以上とした場合、直流偏磁が起きた際の磁気飽和 を抑制できる。
実施例 5
[0026] 実施例 5を説明する前に、通常のアモルファス変圧器の製造工程について、図 10 を用いて説明する。通常の製造工程においては、鉄心材料を切断後、鉄心 3を U字 型に成形し、鉄心 3の先端部を突合せ若しくは重ね、接合部をラップすることにより矩 形型の鉄心 3の磁路を形成し、次に励磁焼鈍する。焼鈍によりアモルファス材は脆化 が進むため、鉄心コア部およびヨーク部を絶縁物で包みこみ破片の脱落防止処置を 施す。その後、鉄心 3の接合部を開放し、鉄心 3をコイル 16へ揷入し、再ラップ後、接 合部の脱落防止処置を施し、締金具等を取付、組立完了となる。この通常の製造ェ 程では一度接合した接合部を開放しなければならず、工数が多くなり、さらに鉄心 3 へ応力を加えるため特性の悪化も招く。
[0027] 実施例 5の変圧器の製造工程について、図 11を用いて説明する。鉄心材料を切断 後、鉄心 3を U字型に成形し、コイル 16へ揷入し、先端部を突合せ若しくは重ね、接 合部をラップし、 300°C以下、無励磁にて焼鈍する。鉄心コア部、ヨーク部及び接合 部を絶縁物で包みこむ破片の脱落防止処置を施す。その際コイル 16は、各種絶縁 紙を耐熱性絶縁物 (ノーメッタス等)で、一次、二次電線は耐熱性電線 (ポリアミドイミド 線 (AIW)、ポリイミド線 (MW))で構成し、接着材、テープ等も耐熱性の高いものを選定 する。このような構成とすることで、焼鈍温度に耐えるコイル 16とし、工程の簡略化が 可能となる。最後に、鉄心コア部、ヨーク部及び接合部を絶縁物で包みこみ破片の 脱落防止処置を施す。そして、通常と同様に組み立てて完了となる。
[0028] 本実施例の変圧器は、鉄心の焼鈍条件を変更したことにより、不飽和特性を示す 磁界強度の範囲を広げ、直流偏磁が起きた場合の磁束変化量を抑え、磁気飽和を 避けること力 Sでさる。
実施例 6
[0029] 実施例 6を説明する。実施例 6の変圧器の製造工程を図 12に示す。本実施例は実 施例 5とほとんど同じである力 本実施例では脱落防止処置を使用しない点で相違 する。アモルファス鉄心は高温で焼鈍することにより脆化が起こり組立時に破片が発 生し、脱落防止処置が必要となり、製造コストを増加させている。 300°C以下の低温 では脆化が進まないため、組立時に破片が発生することはない。また U字形に成形 した鉄心 3をコイル 16へ揷入後に焼鈍することにより、接合部の再ラップがないため、 破片の発生する工程がなレ、。鉄心 3を絶縁物で包む等の脱落防止処置が不要となる ので、製造コストが削減できる。また焼鈍条件を変更したことにより、不飽和特性を示 す磁界強度の範囲を広げ、直流偏磁が起きた場合の磁束変化量を抑え、磁気飽和 を避けること力 Sできる。
[0030] 以上説明したように、本発明の各実施例によれば、鉄損を増大させることなぐ磁気 飽和を抑制でき、高効率かつ直流偏磁に耐えうる変圧器を提供できる。
上記記載は実施例についてなされた力 S、本発明はそれに限らず、本発明の精神と 添付の請求の範囲の範囲内で種々の変更および修正をすることができることは当業 者に明らかである。
図面の簡単な説明
[0031] [図 1]本発明の変圧器の容量と鉄損の関係の説明図。
[図 2]従来の変圧器の鉄心の B— H特性の説明図。
[図 3]従来の変圧器のギャップ付鉄心の構造図。
[図 4]従来の巻線より励磁される方向と磁化容易軸が直角となる鉄心の焼鈍状況の 説明図。
[図 5]巻線より励磁される方向と磁化容易軸が直角となる鉄心の説明図。
[図 6]実施例 1におけるソレノイドコイルを用いた鉄心の焼鈍状況の説明図。
[図 7]実施例 1における鉄心の飽和特性の B— H特性の説明図。
[図 8]実施例 2における鉄心の焼鈍温度と時間の説明図。
[図 9]実施例 4における鉄心の容量と巻線 1巻当り電圧の関係の説明図。
[図 10]通常のアモルファス変圧器の製造工程の説明図。
[図 11]実施例 5におけるアモルファス変圧器の製造工程の説明図。
[図 12]実施例 6におけるアモルファス変圧器の製造工程の説明図。

Claims

請求の範囲
[1] 容量鉄損特性曲線における鉄損が 4· 85 Χ (容量 (kVA) ) ° 613 (W)以上、 27· 3 X
(容量 (kVA) ) °' 613 (W)以下であり、定格電流に対し 1 %以上の直流成分が重畳し た電流を入力しても磁気飽和しない特性を有し、鉄心が非晶質金属材料にて構成さ れることを特徴とする変圧器。
[2] 請求項 1に記載の変圧器において、
前記鉄心は、外部に配置されたソレノイドコイルにて磁場を任意の方向に印加しな がら焼鈍され、変圧器組立時の巻線により励磁される方向と磁化容易軸が水平でな
V、ようにされたことを特徴とする変圧器。
[3] 請求項 1に記載の変圧器において、
前記鉄心は、 300°C以下の低温にて焼鈍されたことを特徴とする変圧器。
[4] 請求項 1に記載の変圧器において、
前記鉄心は、無励磁にて焼鈍されたことを特徴とする変圧器。
[5] 請求項 1に記載の変圧器において、
変圧器使用時の巻線 1巻当りの電圧が 0. 26 X (容量 (kVA) ) ° 467 (V)以下である ことを特徴とする変圧器。
[6] 請求項 3記載の変圧器において、
前記鉄心は、 U字型に成形され、未焼鈍のままコイルへ揷入され、先端の接合部が ラップされた後、焼鈍されたことを特徴とする変圧器。
[7] 請求項 3記載の変圧器において、
前記鉄心は、絶縁物で包むようなアモルファス鉄心の破片脱落防止処置を施して
V、な!/、ことを特徴とする変圧器。
[8] 請求項 4記載の変圧器において、
前記鉄心は、 U字型に成形され、未焼鈍のままコイルへ揷入され、先端の接合部が ラップされた後、焼鈍されたことを特徴とする変圧器。
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