JP3986809B2 - 三相形電磁機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、リアクタンスを可変できる三相形の電磁機器に関する。さらに、主巻線の励磁電流に影響されることなく、高調波歪みの少ない、鉄心の突き合わせ面に絶縁フィルムを必要としない、電力系統に直列に接続可能な三相形の電磁機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リアクタンスを可変する従来の技術としては、本出願人が先に提案した線形可変リアクトル（特開平０９−３３０８２９号公報）や誘導性素子（特開平０９−１２９４５０号公報）がある。
【０００３】
図８は、線形可変リアクトルの一実施例を示す斜視図で、この線形可変リアクトルは、図８に示すように、主巻線３２が巻回された第１のＵ形カットコア３１と、制御巻線３４が巻回された第２のＵ形カットコア３３から構成され、これら第１及び第２のＵ形カットコア３１、３３は、そのカット面同志を互いに対向させ、且つ、第１のＵ形カットコア３１に対して第２のＵ形カットコア３３を捩じり方向に９０°回転させた状態で接触させている。カット面同志の４面の接触面３６は、主巻線３２、制御巻線３４の各々に電圧ｅ１、ｅ２を印加して発生する磁束φ１、φ２の全てが通る共通磁路となる。そこで、制御巻線３４の電流ｉ２で当該共通磁路を磁気飽和させることにより主巻線３２による磁束の磁路を楔形の間隙３５に移行させることができ、制御巻線３４の励磁電流を変えることにより、主巻線３２のリアクタンスを線形に可変させることができる。
【０００４】
図９は、誘導性素子の一実施例を示す斜視図で、この誘導性素子は、図９に示すように、Ｅ型コア４２とＩ型コア４３とからなるＥＩ型コア４４に主巻線４５と制御用巻線４６を巻回した構成であり、主巻線に交流電源を接続することにより、巻線部４５ａによる磁束φ１及び巻線部４５ｂによる磁束φ２が発生する。ここで、Ｅ型コア４２の中枠４９に巻回された制御用巻線に制御電流を流すと磁束φ３が発生するが、外枠４７と外枠４８を等断面積とすることにより、外枠４７内には磁束φ１に磁束φ３の１／２を加算した磁束が通過し、外枠４８内には磁束φ２に磁束φ３の１／２を差し引いた磁束が通過する。このとき、外枠４７の端部４７ａに前記加算磁束が集中し、先端部が磁気飽和して外枠４７の透磁率が減少しインダクタンスが低下する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記線形可変リアクトルは、第１及び第２のＵ形カットコアの共通磁路を制御巻線の励磁電流により磁気飽和させ透磁率を制御することによりリアクタンスを可変しており、また、上記誘導性素子についても、主磁束と制御磁束により外枠先端部を磁気飽和させ透磁率を制御することによりリアクタンスを可変している。このため、共に、主巻線に流れる負荷電流が増加すると、負荷電流により磁気飽和現象が生じてしまい、制御巻線の励磁電流によるリアクタンス制御が困難になるという課題があった。
【０００６】
また、上記線形可変リアクトルは、Ｕ形カットコアの磁心接合面において積層鋼板が互いに直交することから、磁心の接合面において生ずる渦電流発生の対策として、突き合わせ面における積層鋼板間の短絡を防止するため接合面に絶縁フィルムを挿入しているが、十分な耐久性をもつ絶縁フィルム材料を確保することが困難であり、また、絶縁フィルムを介在させると磁気回路の磁気抵抗が増大し、大きなリアクタンスの変化が困難となるという課題があった。
【０００７】
さらに、上記線形可変リアクトル及び誘導性素子は、共に単相型であることから電力系統に使用する場合には３台で三相構成する必要があり、重量や容積の観点から三相一体構成の電磁機器が望まれていた。
【０００８】
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、主巻線に流れる負荷電流による影響が少なく、磁気回路構造及び巻線の巻装構造が簡単で、三相一体構造を構成でき、且つ、絶縁フィルムを必要としないで高調波を低減させ、リアクタンスを可変できる電磁機器を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、各端が対をなす磁路を形成する３つのＨ状脚部と、これらＨ状脚部の各端側を連結して閉磁路を形成する２つの枠部とから成る三相電磁路を有し、前記Ｈ状脚部の一方の連結端側において、前記Ｈ状脚部の対をなす磁路の各磁路に三相交流電源の各相に対応する主巻線を巻回して有するとともに、前記Ｈ状脚部の他方の連結端側において、前記Ｈ状脚部の対をなす磁路の各磁路に制御巻線を巻回して有し、前記主巻線は前記一対の磁路に生じる主磁束が同一方向になるように直列又は並列に接続し、前記制御巻線は前記主磁束によって生じる誘起電圧が互いに打消されるように直列に接続してなり、前記制御巻線の開放端子側に制御回路を接続し、直流制御電流を供給することにより、前記主磁束と制御磁束の共通磁路の磁気抵抗を制御し主巻線のリアクタンスを連続的に可変することを特徴としたものである。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記３つのＨ状脚部は、それぞれ個別の３つのＨ状鉄心から成り、前記枠部はそれぞれ別個の２つのＩ状鉄心から成り、前記Ｈ状鉄心とＩ状鉄心の連結部においてこれら鉄心の積層鋼板を互いに平行になるように突き合わせて形成したことを特徴としたものである。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記各脚部（各相）の主巻線を巻回した各々の磁路に二次巻線を巻回し、前記主巻線のリアクタンスを連続的に可変することに加え、該主巻線に変圧機能を持たせたことを特徴としたものである。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１又は２の発明において、前記各脚部（各相）に二次巻線を巻回し、前記主巻線のリアクタンスを連続的に可変することに加え、該主巻線に変圧機能を持たせたことを特徴としたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による三相形電磁機器の電磁鉄心及び巻線の基本構成例を示す図、図２は、図１で示した三相形電磁機器を等価的に回路表示した回路構成図である。
本発明による三相形電磁機器を構成する電磁磁心は、各端（両端）に対をなす磁路を有する３つのＨ状脚部（磁心）、すなわち、第１のＨ状磁心４ａと第２のＨ状磁心４ｂと第３のＨ状磁心４ｃと、これらＨ状磁心の各（両）端部を連結して閉磁路を形成する２つのＩ状磁心、すなわち、第１のＩ状磁心５ａと第２のＩ状磁心５ｂとより成り、それぞれのＨ状磁心４ａ，４ｂ，４ｃにおいて、鉄心窓部が２個所形成されるように対称に対向させ、第１のＨ状磁心４ａとＩ状磁心５ａ及び５ｂの連結部、及び第２のＨ状磁心４ｂとＩ状磁心５ａ及び５ｂの連結部、及び第３のＨ状磁心４ｃとＩ状磁心５ａ及び５ｂの連結部は、磁心を構成する各々の積層鋼板を平行になるように突き合わせて構成する。
【００１４】
第１のＨ状磁心４ａを構成する２対の脚のうちの一方の対の各々の脚（磁路）に主巻線１ａａ及び主巻線１ａｂを巻回し、主巻線１ａａ及び１ａｂを、両主巻線から生じる磁束φａ１及びφａ２が同方向になるように直列又は並列に接続する。
第１のＨ状磁心４ａの残る他の対の各々の脚（磁路）には、それぞれ制御巻線２ａａ及び２ａｂを巻回し、主巻線１ａａ及び１ａｂによる磁束で制御巻線２ａａ及び２ａｂに生じる誘起電圧が互いに打消されるように両制御巻線を直列に接続し、その開放端子側に制御回路３を接続する。
同様に第２のＨ状磁心４ｂには、主巻線１ｂａ及び１ｂｂ並びに制御巻線２ｂａ及び２ｂｂを巻回し、第３のＨ状磁心４ｃには、主巻線１ｃａ及び１ｃｂ並びに制御巻線２ｃａ及び２ｃｂを巻回する。
【００１５】
図１において、それぞれのＨ状磁心に巻回して接続した主巻線の開放端子に三相交流電源を接続し、それぞれの主巻線に図示矢印方向の電流ＩＬａ、ＩＬｂ、ＩＬｃが流れていたとする。なお、図示の電流矢印方向を正サイクルとした場合、負サイクルでは逆方向の電流が流れる。
【００１６】
今、主巻線に三相電流ＩＬａ、ＩＬｂ、ＩＬｃが流れると磁心４ａ、４ｂ、４ｃにそれぞれ各相の主磁束φａ１／φａ２、φｂ１／φｂ２、φｃ１／φｃ２が発生し、これら各相の主磁束は、それぞれ各相の制御巻線が巻回された磁心部を経て枠部５ａ、５ｂに至り三相閉磁路を還流する。
各相の制御巻線を巻回した磁心は、それぞれ制御磁束φｃａ、φｃｂ、φｃｃと上記各相の主磁束との共通磁路となる。
【００１７】
以下、第１のＨ状磁心４ａ部について説明すると、制御巻線に直流制御電流を流さない場合には主巻線１ａａ／１ａｂには磁心の磁気抵抗に応じたリアクタンスが生じる。
主巻線電流ＩＬａを流した状態で制御巻線に直流制御電流Ｉｃａを流すと、制御巻線２ａａ及び２ａｂにおいて、制御巻線の巻数と制御電流Ｉｃａの積で表される起磁力が発生することで、制御巻線磁束φｃａと主磁束φａ１及びφａ２が同方向となる共通磁路部分の磁束密度が大となって透磁率が変化し、主磁束が制御されリアクタンスが低下する。
【００１８】
主巻線電流ＩＬａあるいは直流制御電流Ｉｃａを増加させることにより共通磁路が磁気飽和状態になると、主巻線１ａａ及び１ａｂより発生する主磁束は、Ｈ状磁心中央部が連結しているため、増加する主磁束φａ１及びφａ２は磁心連結部で互いに相殺され、磁路は完全な磁気飽和状態に至らず一定の磁束密度に保たれる。
【００１９】
一対の主巻線１ａａ及び１ａｂによる主磁束の増加分が制御巻線を巻回した磁路を通過しないので、互いの主巻線の起磁力を相殺することになる。
更に、主巻線電流ＩＬａが増加しても、磁路が一定の磁束密度に保たれるように、増加する主巻線１ａａによる主磁束と主巻線１ａｂによる主磁束は相殺されるため、直流制御電流Ｉｃａを制御することにより主磁束が制御でき、リアクタンスを可変することができる。
即ち、主巻線電流に拘わらず、制御巻線に直流制御電流Ｉｃａを流すことでリアクタンスを可変することができる。
【００２０】
上述のように、リアクタンスを制御する共通磁路部が完全な磁気飽和状態に至らないので、高調波電流の抑制された電磁機器を実現することができる。
このことは、同様に他のＨ状磁心部についても成り立つことから、主巻線電流に拘わらず、高調波電流を抑制し、リアクタンスを可変できる三相形の電磁機器として機能することができる。
【００２１】
図３（Ａ）は、本発明によるリアクタンスの制御特性例を示したものであり、縦軸は主巻線のリアクタンス、横軸は直流制御電流で、直流制御電流Ｉｃを増加させることにより、リアクタンスを可変できることがわかる。
図３（Ｂ）は、本発明によるリアクタンスの磁化特性を示したもので、縦軸は主巻線部の磁束密度Ｂ、横軸は主巻線の磁化力Ｈを表している。
直流制御電流Ｉｃが少ない場合には磁化特性の非線形が生じているものの、制御電流を増加させることにより、主磁束が相殺されて磁束の増加を抑制し、磁化特性の非線形性が改善されることが確認でき、これにより高調波歪みが減少することがわかる。
【００２２】
以上のように、本発明によると、直流制御電流を調整することにより主磁束を制御するとともに、主巻線間の主磁束を相殺することにより、主巻線電流の影響を受けずに高調波を低減させてリアクタンスを高速且つ連続的に可変することができる。
また、図４に示すように、３つの個別のＨ状磁心４ａ、４ｂ、４ｃと２つの個別のＩ状磁心５ａ、５ｂの簡単な構成により、部品を用い、これら磁心を構成する積層鋼板を平行になるように突き合せて組合せることにより、容易に本三相形電磁機器を構成することができる。
【００２３】
図５は、図１で示した磁路巻線構成において、電磁機器を構成する主巻線を一次巻線１０とし、一次巻線１０ａａを巻回した脚（磁路）に二次巻線１１ａａ、一次巻線１０ａｂを巻回した脚に二次巻線１１ａｂ、一次巻線１０ｂａを巻回した脚に二次巻線１１ｂａ、一次巻線１０ｂｂを巻回した脚に二次巻線１１ｂｂ、一次巻線１０ｃａを巻回した脚に二次巻線１１ｃａ、一次巻線１０ｃｂを巻回した脚に二次巻線１１ｃｂを巻回して一次巻線と同様に接続して構成した三相形の電磁機器である。
【００２４】
図５において、一次巻線に三相交流電源を接続し二次巻線には三相負荷を接続し、それぞれの二次巻線に図示矢印方向の電流ＩＬａ２、ＩＬｂ２、ＩＬｃ２が流れていたとする。
【００２５】
以下、第１のＨ状磁心部について説明する。
制御電流を流さない場合には、一次巻線１０ａａ及び１０ａｂには、上記二次電流で発生した磁束を打消すように一次電流ＩＬａ１が流れ、全体として変圧器動作を示す。制御巻線に直流制御電流Ｉｃａを流すと、制御巻線の巻数と制御電流Ｉｃａの積で表される起磁力が発生することで透磁率が変化し、主磁束が制御される。このため、一次巻線には制御電流の制御に伴う主磁束の減少に応じて、一次巻線の端子間電圧を維持するために必要な主磁束を発生させるために励磁電流が増加する。
【００２６】
即ち、変圧器としての変圧機能に加えて、制御電流を調整することで主巻線のリアクタンスを連続的に可変して一次側に流入する無効電流の調整が可能となる。このことは、同様に他のＨ状磁心部についても成り立つことから、変圧器としての変圧機能に加えて、リアクタンスを可変できる三相形の電磁機器として機能することができる。
【００２７】
図６は、図１で示した磁路巻線構成において、電磁機器を構成する主巻線を一次巻線１０とし、一次巻線１０ａａと１０ａｂを巻回した脚に二次巻線１１ａ、一次巻線１０ｂａと１０ｂｂを巻回した脚に二次巻線１１ｂ、一次巻線１０ｃａと１０ｃｂを巻回した脚に二次巻線１１ｃを巻回して構成した三相形の電磁機器である。
【００２８】
図５と同様に変圧器としての変圧機能に加えて、制御電流を調整することで主巻線のリアクタンスを連続的に可変して一次側に流入する無効電流の調整が可能となる。さらに、二次巻線の配置位置を変えることにより、制御電流を調整することにより生ずる漏洩磁束の二次巻線への鎖交磁束量を制御することにより、上記に加え二次電圧も連続的に可変できる三相形の電磁機器として機能することができる。
なお、図５及び図６に示した巻線構成を組み合わせた構成としても変圧器として動作することは明らかである。
【００２９】
（適用例）
図７は、本発明の三相形電磁機器の無効電力補償装置への適用例である。図７において、三相形電磁機器１２と電力用コンデンサ１３を並列に接続し、送電線路（交流系統）に並列に挿入し、三相形電磁機器の制御により、系統に生じる遅相から進相の無効電力を連続的に補償するようにしたものである。
【００３０】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明によれば、タップを設けることなく、負荷電流の有無に拘わらず、高調波電流を抑制し、広範囲にリアクタンスを可変する三相形の電磁機器を実現することができ、近年の電力需要の増大や負荷の多様化により、系統電圧の変動等負荷の多様化に対応できるフレキシブルな電力設備の提供がはかられ、電力系統の電圧の安定化に寄与できる。
なお、この他、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１又は２の発明による三相形電磁機器の基本構成例を示す接続図である。
【図２】 図１に示した三相形電磁機器の等価回路を示す回路構成図である。
【図３】 三相形電磁機器の制御特性例を示す図である。
【図４】 請求項２の発明による三相形電磁機器の基本構成例を示す接続図である。
【図５】 請求項３の発明による三相形電磁機器の基本構成例を示す接続図である。
【図６】 請求項４の発明による三相形電磁機器の基本構成例を示す接続図である。
【図７】 本発明の無効電力補償装置への適用例を示す回路構成図である。
【図８】 本出願人が先に提案した従来の線形可変リアクトルの一例を示す斜視図である。
【図９】 従来の誘導性素子の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１（１ａａ〜１ｃｂ）…主巻線、２（２ａａ〜２ｃｂ）…制御巻線、３…制御回路、４（４ａ〜４ｃ）…Ｈ状磁心、５（５ａ，５ｂ）…Ｉ状磁心、６…磁心、１０（１０ａａ〜１０ｃｂ）…一次巻線、１１（１１ａａ〜１１ｃｂ）…二次巻線、１２…三相形電磁機器、１３…電力用コンデンサ、３１…第１のＵ形カットコア、３２…主巻線、３３…第２のＵ形カットコア、３４…制御巻線、３５…楔形間隙、３６…カット面同士の接触面、４２…Ｅ型コア、４３…Ｉ型コア、４４…ＥＩ型コア、４５…主巻線、４６…制御用巻線、４７…外枠、４８…外枠、４９…中枠。

Claims (4)

1. 各端が対をなす磁路を形成する３つのＨ状脚部と、これらＨ状脚部の各端側を連結して閉磁路を形成する２つの枠部とから成る三相電磁路を有し、前記Ｈ状脚部の一方の連結端側において、前記Ｈ状脚部の対をなす磁路の各磁路に三相交流電源の各相に対応する主巻線を巻回して有するとともに、前記Ｈ状脚部の他方の連結端側において、前記Ｈ状脚部の対をなす磁路の各磁路に制御巻線を巻回して有し、前記主巻線は前記一対の磁路に生じる主磁束が同一方向になるように直列又は並列に接続し、前記制御巻線は前記主磁束によって生じる誘起電圧が互いに打消されるように直列に接続してなり、前記制御巻線の開放端子側に制御回路を接続し、直流制御電流を供給することにより、前記主磁束と制御磁束の共通磁路の磁気抵抗を制御し主巻線のリアクタンスを連続的に可変することを特徴とする三相形電磁機器。
2. 前記３つのＨ状脚部は、それぞれ個別の３つのＨ状鉄心から成り、前記枠部はそれぞれ別個の２つのＩ状鉄心から成り、前記Ｈ状鉄心とＩ状鉄心の連結部においてこれら鉄心の積層鋼板を互いに平行になるように突き合わせて形成したことを特徴とする請求項１に記載の三相形電磁機器。
3. 前記各脚部（各相）の主巻線を巻回した各々の磁路に二次巻線を巻回し、前記主巻線のリアクタンスを連続的に可変することに加え、該主巻線に変圧機能を持たせたことを特徴とする請求項１又は２に記載の三相形電磁機器。
4. 前記各脚部（各相）に二次巻線を巻回し、前記主巻線のリアクタンスを連続的に可変することに加え、該主巻線に変圧機能を持たせたことを特徴とする請求項１又は２に記載の三相形電磁機器。

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