JPH0213806B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高調波に対するインピーダンスを従
来より低くして、出力電圧波形に生じる歪を少な
くすることができるようにした高調波低インピー
ダンス変圧器に関するものである。

［従来技術及び発明が解決しようとする課題］ 最近、サイリスタによりスイツチ制御される負
荷が多くなつてきている。そのため負荷に給電し
ている変圧器には大きな高調波電流が流れて大き
な電圧降下が生じ、この高調波電流による電圧降
下が変圧器の出力電圧波形を大きく歪ませる。変
圧器の出力電圧波形が歪むと、負荷側に接続され
た進相用コンデンサ、制御機器等に悪影響が及ん
で給電される電力の質が低下するだけでなく、高
調波の発生源でない負荷（電力需要家）にもその
影響が波及して電力供給上好ましくない状態とな
る。

第１図は、従来の変圧器の簡略化した等価回路
を示したもので、この等価回路において抵抗を
Ｒ、インダクタンスをＬ、角周波数をωとする
と、変圧器のインピーダンスZ〓は、Z〓＝Ｒ＋jωLと
なる。

上記の変圧器に交流電流I〓が流れた場合の電圧
降下E〓_Tは、E〓_T＝I〓（Ｒ＋jωL）となり、この電圧
降
下E〓_Tは周波数の増加に伴つて増加していく。従
つて負荷電流に高調波成分が含まれていると該高
調波電流により大きな電圧降下E〓_Tが生じ、この
電圧降下により出力電圧に歪みが生じる。この歪
みは負荷電流に含まれている高調波の次数が高く
なる程増大する。

本発明の目的は、高調波に対する変圧器のイン
ピーダンスを従来よりも低くすることにより高調
波電流による電圧降下を抑制して出力電圧波形の
歪を抑えることができるようにした高調波低イン
ピーダンス変圧器を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明においては、上記の目的を達成するた
め、インピーダンス調節用鉄心と該インピーダン
ス調節用鉄心を囲むように設けられたインピーダ
ンス調節用閉回路とを備えたインピーダンス調節
装置を１次巻線と２次巻線との間に配設した。

上記インピーダンス調節用閉回路は、インピー
ダンス調節用鉄心を囲むように設けられて両端が
電気的に接続された短絡導体により構成したり、
インピーダンス調節用鉄心を囲むように設けられ
た導体と該導体の両端間に接続されたコンデンサ
とにより構成したりすることができる。

［作 用］ 上記のようにインピーダンス調節用鉄心と、該
鉄心を囲むインピーダンス調節用閉回路とを備え
たインピーダンス調節装置を１次巻線と２次巻線
との間に配設すると、インピーダンス調節用鉄心
の存在により１次巻線と２次巻線との間の間隙を
磁束が通り易くなるため、１次巻線と２次巻線と
の間を流れる漏洩磁束が増加し、この漏洩磁束の
増加が変圧器のインピーダンスを増大させる方向
に働く。

また上記インピーダンス調節用鉄心に漏洩磁束
が流れると、該鉄心を囲むように設けられている
閉回路に電圧が誘起して該閉回路に電流が流れ、
この電流によりインピーダンス調節用鉄心に漏洩
磁束が入るのを妨げるように働く反発磁界が生じ
る。周波数が低い領域では、閉回路を流れる電流
が小さく、反発磁界が小さいため、インピーダン
ス調節用鉄心を多くの漏洩磁束が通るが、周波数
が高くなつていくと、閉回路を流れる電流が増大
していつて、反発磁界が次第に大きくなつていく
ため、インピーダンス調節用鉄心に流れ込む漏洩
磁束が少なくなつていく。従つて変圧器のインピ
ーダンスは周波数の上昇に伴つて増加していく
が、その増加割合は周波数の上昇に伴つて次第に
小さくなつていく。

このように、本発明によれば、周波数が高くな
るにしたがつて変圧器のインピーダンスの増加割
合を小さくすることができるため、基本周波数
（例えば商用周波数）における変圧器インピーダ
ンスを従来のものと同じにするように設計した場
合、高調波成分に対する変圧器インピーダンスを
従来のものより低く抑えることができる。従つて
負荷電流の高調波成分による変圧器での電圧降下
を低く抑えることができ、その出力電圧の歪みを
抑制することができる。

［実施例］ 以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説
明する。

第２図は、本発明の一実施例の平面図であつ
て、同図において１は脚部１ａ，１ｂと継鉄部１
ｃ，１ｃとを有する環状の鉄心、２は鉄心１の脚
部１ａ，１ｂにそれぞれ巻回された２次巻線、３
は２次巻線２の外側に、該２次巻線と同心的に巻
回された１次巻線である。４は２次巻線２と１次
巻線３との間に配設された波形ダクトスペーサ
で、このダクトスペーサにより両巻線間に冷却用
のダクトが形成されている。

５は２次巻線２と１次巻線３との間に挿入され
たインピーダンス調節装置である。このインピー
ダンス調節装置は２個設けられて、両インピーダ
ンス調節装置５，５が、鉄心１を間にして継鉄部
１ｃの長さ方向に相対向するような位置関係にし
て配設されている。

各インピーダンス調節装置５の長さ寸法（第２
図において紙面と直角な方向の寸法）は、１次巻
線３または２次巻線の軸長寸法に略等しく設定さ
れ、各インピーダンス調節装置５の両端部が１次
及び２次巻線の端部を略面一の状態で配置され
て、両巻線の少なくとも一方に固定されている。

第３図及び第４図を参照すると、上記インピー
ダンス調節装置５の一例が示してあり、第３図は
正面図、第４図は第３図のＡ―Ａ線断面図ある。

インピーダンス調節装置５は、巻線の軸長寸法
に略等しい長さｌと適宜の幅寸法ｄとを有する短
冊状のけい素鋼板を複数枚（通常は４〜５枚）積
層したインピーダンス調節用鉄心５ａと、このイ
ンピーダンス調節用鉄心５ａを囲むように設けて
両端を電気的に接続した短絡導体５ｂとからなつ
ており、短絡導体５ｂにより鉄心５ａを囲むイン
ピーダンス調節用閉回路が構成されている。

短絡導体５ｂは、インピーダンス調節用鉄心５
ａの長さｌよりやや短い幅寸法l′を有する銅板
を、インピーダンス調節用鉄心５ａを囲むように
成形してその両端を接合することにより形成さ
れ、鉄心５ａと短絡導体５ｂとは互いに離反しな
いように接着または溶着等により一体化されてい
る。

上記のように構成した本発明の高調波低インピ
ーダンス変圧器では、１次巻線３と２次巻線２と
の間にインピーダンス調節用鉄心５ａと配設した
ことにより両巻線間を流れる漏洩磁束が従来より
も増加し、この漏洩磁束の増加が変圧器インピー
ダンスを増加させるように働く。一方鉄心５ａに
漏洩磁束が流れると、短絡導体５ｂ（インピーダ
ンス調節用閉回路）に誘起電圧が生じ、該誘起電
圧により短絡導体５ｂに短絡電流が流れる。この
短絡電流により、鉄心５ａに漏洩磁束が入るのを
妨げる反発磁界が生じる。この場合、短絡導体５
ｂに誘起される電圧ｅは、ｅ＝ｋ（dφ／dt）（但
しｋは定数、φは漏洩磁束、ｔは時間）であり、
この誘起電圧ｅは周波数の増加に伴つて、即ち高
調波の次数が高くなるに従つて大きくなる。従つ
て反発磁界は、周波数が高くなるに従つて強くな
つていく。

周波数が低い間は、反発磁界が弱いため、イン
ピーダンス調節用鉄心５ａを通して多くの漏洩磁
束が流れるが、周波数が高くなつて反発磁界が強
くなるとインピーダンス調節用鉄心に流れる漏洩
磁束は少なくなる。

変圧器のインピーダンスは周波数の上昇に伴つ
て増加していくが、周波数の上昇に伴つて反発磁
界が強くなつていき、鉄心５ａに流れ込む漏洩磁
束が少なくなつていくと、変圧器インピーダンス
の増加割合は次第に小さくなる。

従つて、本発明の変圧器では、周波数が高くな
るほど、即ち高調波の次数が高くなるほど変圧器
インピーダンスの増加率を小さくすることができ
る。

上記の変圧器の等価回路は第５図のように表現
できる。ここで変圧器の巻線抵抗をR₁、インピ
ーダンス調節装置の鉄心５ａ以外を通る漏洩磁束
（以下この漏洩磁束を主漏洩磁束という。）による
インダクタンスをL₁、インピーダンス調節装置
の鉄心５ａを通る漏洩磁束によるインピーダンス
の抵抗分及びインダクタンス分をそれぞれR₂及
びL₂とする。この場合主漏洩磁束によるインピ
ーダンスZ〓₁はZ〓₁＝R₁＋jωL₁となり、インピーダ
ンス調節装置の鉄心５ａを通る漏洩磁束によるイ
ンピーダンスZ〓₂は、Z〓₂＝jωL₂×R₂／（R₂＋
jωL₂）となる。このインピーダンスZ〓₂の値は高
調波の次数の増加（周波数の増加）と共に単調に
増加するが、周波数の上昇に伴つてその増加率は
小さくなつていく。

上記のように１次巻線と２次巻線との間にイン
ピーダンス調節装置５を配設すると、該調節装置
を配設しない場合に比べて当然インピーダンスが
増加する。従つて基本周波数（例えば商用周波
数）における変圧器インピーダンスを従来と同じ
にするためには、主漏洩磁束によるインピーダン
スZ〓₁を低くするように変圧器を設計する必要があ
るのは当然である。

基本周波数における変圧器インピーダンスを同
じとした場合、本発明に係わる変圧器では、周波
数が高い領域で変圧器インピーダンスの増加割合
が少なくなる分だけ従来の変圧器よりも高い周波
数領域でのインピーダンスが低くなり、負荷電流
の高調波成分による電圧降下が小さくなる。

第６図は、基本周波数を60Hzとして、基本周波
数において変圧器インピーダンスZ₀を等しくする
ように設計した上記実施例の変圧器と従来の変圧
器とについて、変圧器インピーダンスZ₀が周波数
Ｆ［Hz］に対してどのように変化するかを実測し
た結果を示したものである。第６図において曲線
ａは従来の変圧器を示し、曲線ｂは本発明に係わ
る高調波低インピーダンス変圧器を示している。
この測定結果から判るように、従来の変圧器では
周波数の増加とともにインピーダンスZ₀が急激に
増加するが、本発明の高調波低インピーダンス変
圧器では、周波数の増加に伴つてインピーダンス
Z₀が漸増する傾向になる。そして基本周波数60Hz
の第９高調波540Hzでのインピーダンスを比較す
ると、本発明の変圧器のインピーダンスZ₀は従来
の変圧器のそれの略1/2にまで減少していること
が分かる。周波数の増加に伴つて、従来の変圧器
のインピーダンスと本発明の変圧器のインピーダ
ンスとの比は更に大きくなる。

第７図は、本発明で用いるインピーダンス調節
装置の他の構成例を示したもので、このインピー
ダンス調節装置では、複数枚のけい素鋼板を積層
して形成した矩形状の鉄心部材７ａ，７ｂ…，７
ｆを、それぞれの長辺を横向きとして所定の間〓
６を介して縦列配置することによりインピーダン
ス調節用鉄心５ａが構成されている。そしてこの
インピーダンス調節用鉄心５ａを囲むように銅板
を１ターン巻回することにより短絡導体５ｂが形
成され、インピーダンス調節用鉄心５ａと短絡導
体部５ｂとが接着等により一体化されてインピー
ダンス調節装置５が構成されている。この例でも
短絡導体５ｂによりインピーダンス調節用閉回路
が構成されている。

このインピーダンス調節装置によれば、インピ
ーダンス調節用鉄心５ａの漏洩磁束通路の途中に
間〓６が形成されているため、インピーダンス調
節用鉄心５ａの磁気飽和を防止することができ
る。したがつて変圧器に過大な電流が流れた場合
に、電流波形の尖頭値付近でも磁気飽和せず、変
圧器のインピーダンスが変化することを防止する
ことができる。

上記の実施例では、インピーダンス調節装置５
を巻線の内部に固定するとしたが、巻線の軸線方
向に沿つてインピーダンス調節装置を摺動させ得
る構造にして、変圧器のインピーダンスを可変に
することもできる。このように構成すれば、負荷
側に接続されているコンデンサの接続、切離し等
によつて生じる共振電流の増加を検出してインピ
ーダンス調節装置を摺動させることにより、電源
の高調波から変圧器を含む給電線路の共振周波数
を外すことができるので、給電線路の共振現象を
効果的に抑制して高調波低インピーダンス変圧器
の機能を一段と発揮させることができ、良質の電
力を供給することができる。

上記の各実施例では、インピーダンス調節装置
５を１次，２次巻線間の周方向の一部分に配設し
ているが、両巻線間に、略全周に亘つて配設して
もよい。

上記実施例では、インピーダンス調節装置５の
鉄心５ａを囲むように短絡導体５ｂを設けて、こ
の短絡導体によりインピーダンス調節用閉回路を
構成したが、インピーダンス調節用鉄心５ａを囲
むように両端が接合されていない（短絡状態にな
い）導体を設け、該導体の両端部間に適宜のコン
デンサを接続するようにしても同様の効果を得る
ことができる。このように構成した場合、基本周
波数ではコンデンサのリアクタンスが大きいた
め、インピーダンス調節用閉回路を流れる電流が
少なく、反発磁界はほとんど生じないが、周波数
が高くなるとコンデンサのリアクタンスが小さく
なるため、インピーダンス調節用閉回路を流れる
電流が増加して反発磁界が生じ、変圧器インピー
ダンスの増加率が小さくなる。

このように構成すると、周波数が低いときにイ
ンピーダンス調節用閉回路を流れる電流を小さく
することができるため、該閉回路での発熱を抑制
することができる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、１次巻線及び
２次巻線間に、インピーダンス調節用鉄心と該鉄
心を囲むインピーダンス調節用閉回路とを備えた
インピーダンス調節装置を配設して、周波数の上
昇に対する変圧器インピーダンスの増加割合を小
さくしたので、負荷電流に含まれる高調波成分に
り変圧器内で生じる電圧降下を小さくすることが
でき、変圧器の出力電圧波形の歪を少なくして良
質の電力を負荷に供給することができる利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の変圧器の等価回路図、第２図は
本発明の一実施例の平面図、第３図は第２図の実
施例で用いるインピーダンス調節装置の一例を示
す正面図、第４図は第３図のＡ−Ａ線断面図、第
５図は本発明の高調波低インピーダンス変圧器の
等価回路図、第６図は従来の変圧器及び本発明の
変圧器についてインピーダンスの周波数に対する
特性の実測結果を示す線図、第７図は本発明で用
いるインピーダンス調節装置の他の構成例を示す
正面図である。 １…鉄心、２…２次巻線、３…１次巻線、５…
インピーダンス調節装置、５ａ…インピーダンス
調節用鉄心、５ｂ…短絡導体、６…間〓、７ａ〜
７ｆ…鉄心部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鉄心に巻回した１次巻線と該１次巻線と同心
   的に巻回した２次巻線とを備えた変圧器におい
   て、 インピーダンス調節用鉄心と、該インピーダン
   ス調節用鉄心を囲むように設けられたインピーダ
   ンス調節用閉回路とを備えたインピーダンス調節
   装置を前記１次巻線と２次巻線との間に配設した
   ことを特徴とする高調波低インピーダンス変圧
   器。 ２ 前記インピーダンス調節用閉回路は、前記イ
   ンピーダンス調節用鉄心を囲むように設けられて
   両端が電気的に接続された短絡導体からなつてい
   る特許請求の範囲第１項に記載の高調波低インピ
   ーダンス変圧器。 ３ 前記インピーダンス調節用閉回路は、前記鉄
   心を囲むように設けられた導体と、該導体の両端
   間に接続されたコンデンサとからなつている特許
   請求の範囲第１項に記載の高調波低インピーダン
   ス変圧器。