JP5896371B2 - 三相電磁機器 - Google Patents

Description

この発明は、三相形のリアクタンスを可変できる電磁機器に関する。特に、高調波歪みが少なく、鉄心の突き合わせ面にギャップを必要としない、リアクタンスの可変範囲が広い三相バランスの優れた三相電磁機器に関する。

リアクタンスを可変できる従来の技術としては、本出願人が先に提案した三相形電磁機器（特許文献１）や三相電磁機器（特許文献２）がある。

図１１は、本出願人が先に提案した三相形電磁機器の一例を説明するための接続図である。この三相形電磁機器は、各端が対をなす磁路を形成する３つのＨ状脚部４４ａ〜４４ｃ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４５ａ，４５ｂとから成る三相電磁路を有し、Ｈ状脚部の一方の連結端側には、各磁路に三相交流電源の各相に対応する主巻線４１ａａ〜４１ｃｂを巻装して有し、他方の連結端側には、各磁路に制御巻線４２ａａ〜４２ｃｂを巻装して有する。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、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。

図１２は、本出願人が先に提案した三相電磁機器の一例を説明するための接続図である。この三相電磁機器は、６つの直線磁心５３ａａ〜５３ｃｂを、隣接する直線磁心との角度が６０゜となるように配置し、さらに６つの直線磁心の一端を６つの鉄心窓部が形成されるように連結磁心５３ｄで連結する。

６つの直線磁心５３ａａ〜５３ｃｂには３対の主巻線５１ａａ〜５１ｃｂを巻装し、それぞれの対の主巻線から生じる磁束が同一方向になるように直列又は並列に接続する。
直線磁心を連結した６個の連結磁心５３ｄには、それぞれに制御巻線５２ａ〜５２ｆを巻装し、主巻線による磁束で制御巻線５２ａ〜５２ｆに生じる誘起電圧が互いに打消されるように制御巻線を直列又は並列に接続し、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。

特許３９８６８０９号明細書 特許４６４６３２７号明細書

しかし、特許文献１の三相形電磁機器については、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が可能であるものの、リアクタンスの可変範囲が狭く、リアクタンス制御時に三相間のアンバランスが生ずる傾向が見られた。

その原因としては、主磁束と制御磁束の共通磁路の磁気抵抗の調整範囲が狭いこと、制御中央脚部に巻装した主巻線による主磁路の磁気抵抗と外側脚部に巻装した主巻線による主磁路の磁気抵抗が異なることが考えられた。

また、特許文献２の三相電磁機器については、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が可能であるものの、一つの鉄心窓部に３個の主巻線乃至制御巻線が巻装されることから、巻線の占積率が低下してしまう。

制御巻線を連結磁心へ巻装する必要があるため、磁心構成した後に手動による巻装を行う必要がある。

さらに、リアクタンスを可変するための主磁束と制御磁束の共通磁路は主に制御巻線が巻装される窓周辺部の磁路であり、磁気抵抗の調整範囲が狭いためリアクタンスの可変範囲も広くない。

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、三相間のアンバランスがなく、鉄心の突き合わせ面にギャップを必要とせずに、リアクタンスの可変範囲が広く、さらに、巻線の巻装構造が簡単で組立が簡単な三相一体構造のリアクタンスを可変できる三相電磁機器を提供することを目的とする。

本発明は、以下の技術手段により上記課題を達成する。
隣接する直線磁心との角度が略２０°となるように放射状に配置された１８個の前記直線磁心と、各前記直線磁心の各中心端部と各周辺端部をそれぞれ連結する連結磁心とを備えた１８脚磁心と、前記直線磁心に２脚置きに卷装された６つの交流主巻線と、該交流主巻線を巻装した直線磁心の間に位置する前記直線磁心に卷装された直流制御巻線を有し、
前記６つの交流主巻線のうち、それぞれ２つの隣り合う前記交流主巻線または略直線状に配置される２つの前記交流主巻線からなる３組の前記交流主巻線が、三相交流の各相の交流主巻線となるように接続されており、前記各相の交流主巻線に三相交流電流を流すことによって前記各直流制御巻線に誘起する起電力が打ち消されるように各前記直流制御巻線が直列又は直並列に接続されており、直列接続した前記直流制御巻線に直流制御電流を供給して制御磁束を発生させ、前記交流主巻線の電流により生じる主磁束と前記制御磁束の共通磁路の磁気抵抗を制御し前記交流主巻線のリアクタンスを連続的に可変する三相電磁機器を特徴とする。

さらに、各相の前記交流主巻線を卷装した２つの前記直線磁心に生じる交流主磁束の向きは前記直線磁心の中心方向に対して互いに反対方向であることを特徴とする。

さらに、各相の前記交流主巻線を卷装した２つの前記直線磁心に生じる交流主磁束の向きは前記直線磁心の中心方向に対して互いに同方向であることを特徴とする。

さらにまた、各相の前記交流主巻線を巻装した前記直線磁心に二次巻線が卷装され、変圧器機能を有することを特徴とする。

本発明によれば、タップを設けることもなく、鉄心の突き合わせ面にギャップを必要とせず、組み立てが簡単な構成で低コスト化が期待でき、広範囲にリアクタンスを可変する三相バランスの優れた三相電磁機器を実現することができる。

本発明を電力系統に使用することにより、近年の電力需要の増大や負荷の多様化により、電力系統の電圧の変動等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、電力系統の電圧安定化や力率及び潮流のより適切な制御に寄与できる。

本発明による三相電磁機器の構成例を示す図である。 本発明の三相電磁機器の等価回路を示す図である。 本発明による三相電磁機器の構成例を説明するための図である。 本発明による三相電磁機器の磁心構成例を示す図である。 本発明による三相電磁機器の磁心組立例を示す図である。 本発明による三相電磁機器の他の構成例を示す図である。 本発明による三相電磁機器のさらに他の構成例を示す図である。 本発明の三相電磁機器の制御特性例を示す図である。 本発明による変圧機能を有する三相電磁機器の例を示す図である。 本発明の無効電力補償装置への適用例を示す図である。 従来の三相電磁機器の例を示す図である。 従来の三相電磁機器の他の例を示す図である。

図１は、本発明による三相電磁機器の磁心及び巻線の基本構成例を示す接続図、図２は、本発明の三相電磁機器を等価的に回路表示した回路構成を示す図、図３は、図１で示した三相電磁機器の構成例を説明するための図である。本発明の基本構成を以下に説明する。

本三相電磁機器を構成する磁心は、図３の如く、１８個の直線磁心３ａａ、３ａｂ、３ｂａ、３ｂｂ、３ｃａ、３ｃｂ、３ｄａ、３ｄｂ、３ｄｃ、３ｄｄ、３ｄｅ、３ｄｆ、３ｄｇ、３ｄｈ、３ｄｉ、３ｄｊ、３ｄｋ及び３ｄＬを、隣接する直線磁心との角度が略２０゜となるように放射状に配置する。さらに、前記１８個の直線磁心の中心側(内側)端部及び周辺側(外側)端部を、１８個の鉄心窓部が形成されるように連結磁心３ｅおよび３ｆで連結する。なお、１８個の直線磁心３ａａ、３ａｂ、３ｂａ、３ｂｂ、３ｃａ、３ｃｂ、３ｄａ、３ｄｂ、３ｄｃ、３ｄｄ、３ｄｅ、３ｄｆ、３ｄｇ、３ｄｈ、３ｄｉ、３ｄｊ、３ｄｋ及び３ｄＬと、連結磁心３ｅおよび３ｆの接合部は、磁気的ギャップではないので、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、或いは積層鋼板の端部を噛み合わせて連結するように構成する。

前記１８個の直線磁心のうち、直線磁心の角度が略６０゜となる６つの直線磁心３ａａ、３ａｂ、３ｂａ、３ｂｂ、３ｃａ及び３ｃｂに交流主巻線(以下主巻線と言う。)を巻装する。

第１の直線磁心３ａａには主巻線１ａａを、直線磁心３ａａと同一軸上に配置された第２の直線磁心３ａｂには主巻線１ａｂを巻装する。主巻線１ａａ及び１ａｂを、両主巻線から生じる磁束φａ１及びφａ２が同一方向になるように直列又は並列に接続する。

同様に、第３の直線磁心３ｂａには主巻線１ｂａを、直線磁心３ｂａと同一軸上に配置された第４の直線磁心３ｂｂには主巻線１ｂｂを巻装し、第５の直線磁心３ｃａには主巻線１ｃａを、直線磁心３ｃａと同一軸上に配置された第６の直線磁心３ｃｂには主巻線１ｃｂを巻装する。

主巻線１ｂａ及び１ｂｂ並びに主巻線１ｃａ及び１ｃｂは、両主巻線から生じる磁束φｂ１及びφｂ２並びに磁束φｃ１及びφｃ２が同一方向になるように直列又は並列に接続する。

前記主巻線を巻装した直線磁心以外の１２個の直線磁心３ｄａ、３ｄｂ、３ｄｃ、３ｄｄ、３ｄｅ、３ｄｆ、３ｄｇ、３ｄｈ、３ｄｉ、３ｄｊ、３ｄｋ及び３ｄＬには、それぞれに直流制御巻線（以下制御巻線と言う。）２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉ、２ｊ、２ｋ及び２Ｌを巻装する。主巻線１ａａ及び１ａｂ、並びに主巻線１ｂａ及び１ｂｂ、並びに主巻線１ｃａ及び１ｃｂによる磁束で制御巻線２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉ、２ｊ、２ｋ及び２Ｌに生じる誘起電圧が互いに打消されるように各制御巻線を直列又は直並列に接続し、その開放端子側に制御回路４を接続する。

各制御巻線にはそれぞれ主巻線に流れる三相の各相の主電流により生じる主磁束によって誘起電圧が生じるが、三相各相の主磁束に対応して生じる誘起電圧は、対応する制御巻線を直列に接続することにより打ち消される。

それ故、図において、制御巻線を全て直列に接続することも可能であるし、対称的に半分ずつ制御巻線を直列接続し、それらを並列に直並列に接続することもできる。

図において、直線磁心に巻装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ＩＬｕ、ＩＬｖ、ＩＬｗが流れているとする。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。

上記構成の三相電磁機器は、主巻線１ａａ及び１ａｂ、主巻線１ｂａ及び１ｂｂ、主巻線１ｃａ及び１ｃｂより発生する各相各々の交流磁束は、直線磁心を連結した連結磁心部を介して還流する。

以下、主巻線１ａａを巻装した第１の直線磁心部３ａａと主巻線１ａｂを巻装した第２の直線磁心部３ａｂに着目して説明する。

電流ＩＬｕが流れると、磁路には主巻線１ａａにより主磁束φａ１、並びに主巻線１ａｂにより主磁束φａ２がそれぞれ発生する。

発生した主磁束φａ１は、制御巻線を巻装した直線磁心部３ｄａ、３ｄＬを通過し、主巻線１ａａには巻数と磁心の磁気抵抗に応じたリアクタンスが生ずる。

同様に主磁束φａ２も、直線磁心部３ｄｇ、３ｄｆを通過し、主巻線１ａｂにも巻数と磁心の磁気抵抗に応じたリアクタンスが生ずる。

ここで、制御巻線を巻装した直線磁心部３ｄａ、３ｄＬは制御磁束φｄｃと主磁束φａ１との共通磁路となる。同様に、直線磁心部３ｄｇ、３ｄｆは制御磁束φｄｃと主磁束φａ２との共通磁路となる。

以上のことは、主巻線１ｂａを巻装した直線磁心部３ｂａと主巻線１ｂｂを巻装した直線磁心部３ｂｂ、同主巻線１ｃａを巻装した直線磁心部３ｃａと主巻線１ｃｂを巻装した直線磁心部３ｃｂに着目した場合も同様である。すなわち、主巻線を巻装した直線磁心部の両隣りの直線磁心部がそれぞれ制御磁束φｄｃと主巻線により生じる各主磁束(φａ１、φａ２、φｂ１、φｂ２、φｃ１、φｃ２)との共通磁路となる。

主巻線電流ＩＬｕを流した状態で制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流すと、制御巻線２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉ、２ｊ、２ｋ及び２Ｌにおいて、制御巻線の巻数と制御電流Ｉｃの積で表される起磁力が発生することで、制御巻線磁束φｄｃ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。

このことは、他の直線磁心部についても同様に成り立つことから、リアクタンスを可変できる三相電磁機器として動作することができる。

以上のように本発明の磁気回路構成は、磁心の構成、主巻線・制御巻線の巻装構成が三相各相について対称的であり、三相各相での可変リアクタンスの特性のバランスが優れた三相電磁機器が実現できる。

また、透磁率を変化させ、主磁束を制御しリアクタンスを可変するための主磁束と制御磁束の共通磁路が主巻線を巻装した各直線磁路に対応してそれぞれに２脚設けられており、当該磁路の磁気抵抗を広範囲に変化させることにより、従来の構造に比し、リアクタンスを広範囲に可変することができる。

図４は、本三相電磁機器の構成例を示したもので、図４（ａ）は前述の如く直線磁心を連結する連結磁心形状が円形状を成すものであり、電動機などで使用される打ち抜き鉄心のほか積鉄心で簡単に構成することができる。図４（ｂ）及び図４（ｃ）は直線磁心を連結する連結磁心形状が直線状を成すものであり、打ち抜き鉄心のほか積鉄心で簡単に構成することができる。なお、連結磁心は、構成が同等成であれば、様々な形状が可能である。

図５は本三相電磁機器の組立例を示したもので、積鉄心構造で構成した直線磁心部に、主巻線１及び制御巻線２を填め込んだ後、外側の連結磁心を組立てて構成したものであり、組立てが簡単で巻線の占積率を向上させ、電磁機器の軽量化を図ることができる。

図６は、本発明による三相電磁機器の、他の巻線構成例を示す接続図であり、三相電磁機器を構成する１８個の直線磁心のうち、６つの直線磁心３ａａ、３ａｂ、３ｂａ、３ｂｂ、３ｃａ及び３ｃｂを、各相の対を構成する直線磁心３ａａ及び３ａｂ、３ｂａ及び３ｂｂ、３ｃａ及び３ｃｂがそれぞれ略６０゜を成すように、主巻線１ａａ及び１ａｂ、１ｂａ及び１ｂｂ、１ｃａ及び１ｃｂを配置したものである。

前述と同様に、制御巻線磁束と主磁束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、リアクタンスを可変できる三相電磁機器として機能することができる。

図６に示した例は、図１、図３に示した例に対し、三相の各相の主巻線を構成する対となる直線磁路に巻装される交流主巻線の配置の変形であるが、次に示す図７の例は、三相各相の対となる直線磁心に巻装される主巻線の巻装構成の変形である。

図７は、図１、図３に示した例に対する変形であるが、図６に示した例にも適用できることは明らかである。

図１、図３に示した例との相違は、各相の対になる主巻線によって直線磁心に生じる主磁束の方向が直線磁心の中心方向に対して互いに反対方向であるのに対し、図７に示す例は、対になる主巻線によって直線磁心に生じる主磁束の方向が直線磁心の中心方向に対して互いに同方向であり、互いに対向している点である。

この構成は、対称的な１８脚磁心構成において、各脚の直線磁心に対する巻線の巻装構造が制御巻線、主巻線を含めて対称性が確保され、リアクタンスの可変特性の三相バランスの更なる改善と共に歪特性の改善にも資するものである。

図８は、本発明による三相電磁機器に三相交流電圧を印加し、直流制御電流Ｉｃを増加させた場合の制御特性例を示したものである。

図８（ａ）は、主巻線電流の制御特性例を示したものであり、直流制御電流Ｉｃを増加させることにより、リアクタンスが変化し、主巻線電流を線形に可変できることがわかる。

図８（ｂ）は、主巻線電流の電流歪み特性例を示したものであり、直流制御電流Ｉｃによらず良好な主巻線電流歪みであることがわかる。
また、上記の制御特性は三相各相で測定誤差の範囲で一致している。

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三相各相の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。

図９は、前記図１で示した磁心巻線構成において、電磁機器を構成する主巻線部を一次巻線とし、一次巻線５ａａを巻装した直線磁心に二次巻線６ａａ、一次巻線５ａｂを巻装した直線磁心に二次巻線６ａｂ、一次巻線５ｂａを巻装した直線磁心に二次巻線６ｂａ、一次巻線５ｂｂを巻装した直線磁心に二次巻線６ｂｂ、一次巻線５ｃａを巻装した直線磁心に二次巻線６ｃａ、一次巻線５ｃｂを巻装した直線磁心に二次巻線６ｃｂを巻装して一次巻線と同様に接続して構成した変圧器機能を有した三相電磁機器である。

図９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ＩＬｕ２、ＩＬｖ２、ＩＬｗ２が流れていたとする。
以下、一次巻線５ａａを巻装した第１の直線磁心部と一次巻線５ａｂを巻装した第２の直線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５ａａ及び５ａｂ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ＩＬｕ１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Ｉｃを流すと、制御巻線の巻数と制御電流Ｉｃの積で表される起磁力が発生することで共通磁路の透磁率が変化し、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。

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、同様に他の直線磁心部についても成り立つことから、変圧器としての機能に加えて、リアクタンスを可変できる三相電磁機器として構成することができる。

（適用例）
図１０は、本発明の三相電磁機器の無効電力補償装置への適用例を示す等価回路である。
図１０において、本発明による三相電磁機器と電力用コンデンサ７を並列に接続し、送電線路に並列に挿入し、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。

以上詳述したように、本発明によれば、タップを設けることなく、制御巻線を連結磁心へ巻装する必要のないので、組立が簡単で、鉄心の突き合わせ面にギャップを必要とせずに、広範囲にリアクタンスを可変する三相バランスの優れた三相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、電力系統の電圧安定化や力率及び潮流のより適切な制御に寄与できる。

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。

１（１ａａ，１ａｂ，１ｂａ，１ｂｂ，１ｃａ，１ｃｂ）…主巻線、２（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈ，２ｉ，２ｊ，２ｋ，２Ｌ）…制御巻線、３（３ａａ，３ａｂ，３ｂａ，３ｂｂ，３ｃａ，３ｃｂ，３ｄａ，３ｄｂ，３ｄｃ，３ｄｄ，３ｄｅ，３ｄｆ，３ｄｇ，３ｄｈ，３ｄｉ，３ｄｊ，３ｄｋ，３ｄＬ，３ｅ，３ｆ）…磁心、φａ１，φａ２，φｂ１，φｂ２，φｃ１，φｃ２…主磁束、φｄｃ…制御磁束、４…制御回路、５（５ａａ，５ａｂ，５ｂａ，５ｂｂ，５ｃａ，５ｃｂ）…一次巻線、６（６ａａ，６ａｂ，６ｂａ，６ｂｂ，６ｃａ，６ｃｂ）…二次巻線、７…電力用コンデンサ。

Claims (4)

1. 隣接する直線磁心との角度が略２０°となるように放射状に配置された１８個の前記直線磁心と、各前記直線磁心の各中心端部と各周辺端部をそれぞれ連結する連結磁心とを備えた１８脚磁心と、
   前記直線磁心に２脚置きに卷装された６つの交流主巻線と、該交流主巻線を巻装した直線磁心の間に位置する前記直線磁心に卷装された直流制御巻線を有し、
   前記６つの交流主巻線のうち、それぞれ２つの隣り合う前記交流主巻線または略直線状に配置される２つの前記交流主巻線からなる３組の前記交流主巻線が、三相交流の各相の交流主巻線となるように接続されており、
   前記各相の交流主巻線に三相交流電流を流すことによって前記各直流制御巻線に誘起する起電力が打ち消されるように各前記直流制御巻線が直列又は直並列に接続されており、
   直列接続した前記直流制御巻線に直流制御電流を供給して制御磁束を発生させ、前記交流主巻線の電流により生じる主磁束と前記制御磁束の共通磁路の磁気抵抗を制御し前記交流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電磁機器。
2. 請求項１に記載の三相電磁機器において、各相の前記交流主巻線を卷装した２つの前記直線磁心に生じる交流主磁束の向きは前記直線磁心の中心方向に対して互いに反対方向であることを特徴とする三相電磁機器。
3. 請求項１に記載の三相電磁機器において、各相の前記交流主巻線を卷装した２つの前記直線磁心に生じる交流主磁束の向きは前記直線磁心の中心方向に対して互いに同方向であることを特徴とする三相電磁機器。
4. 請求項１乃至３のいずれか１に記載の三相電磁機器において、各相の前記交流主巻線を巻装した前記直線磁心に二次巻線が卷装され、変圧器機能を有することを特徴とする三相電磁機器。

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