特許 7503783 磁束制御型可変変圧器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-13

(45)【発行日】2024-06-21

(54)【発明の名称】磁束制御型可変変圧器

(51)【国際特許分類】

   H01F 29/14 20060101AFI20240614BHJP

   H01F 30/10 20060101ALI20240614BHJP

【ＦＩ】

H01F29/14 Z

H01F30/10 A

H01F30/10 C

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020072164

(22)【出願日】2020-04-14

(65)【公開番号】P2021170569

(43)【公開日】2021-10-28

【審査請求日】2023-03-31

(73)【特許権者】

【識別番号】000222037

【氏名又は名称】東北電力株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002343

【氏名又は名称】弁理士法人 東和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大日向 敬

(72)【発明者】

【氏名】一ノ倉 理

(72)【発明者】

【氏名】有松 健司

【審査官】井上 健一

(56)【参考文献】

【文献】特開平０６－１１２０６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０４４０５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭４３－００３３２７（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特公昭３３－００３９７０（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】実公昭３２－０１４２２０（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】特開２０１３－２１４６３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭３７－００２６５９（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開昭５１－０４５７５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６０－０５４３１７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００３－１６８６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５７－１８８３２０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０９－１６２０４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭４３－００８８８８（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｆ ２９／１４

Ｈ０１Ｆ ３０／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１磁心、第２磁心と、前記第１磁心と前記第２磁心とにそれぞれ磁気結合された第１脚磁心、第２脚磁心、及び、第３脚磁心を備え、前記第２脚磁心の磁路が２分割された分割磁路部を有し、前記第３脚磁心の磁路中に空隙部を有するコアと、
少なくとも前記第１脚磁心に卷回された一次巻線と、
少なくとも前記第２脚磁心に卷回された二次巻線と、
前記第２脚磁心の前記分割磁路部のそれぞれの磁路に卷回された第１制御巻線を備え、
該第１制御巻線が、前記一次巻線に鎖交する磁束によって前記第１制御巻線に生じる誘起電圧が打消されるように直列接続されて第１直流電源回路に接続され、
前記第１制御巻線に直流制御電流を流して、前記分割磁路部で形成される閉磁路に制御磁束を還流させ、前記磁束が通る前記第２脚磁心の磁路の一部を飽和させて、前記第２脚磁心の磁路の磁気抵抗を制御するとともに、前記第３脚磁心に前記磁束の一部を分流させることを特徴とする、磁束制御型可変変圧器。

【請求項2】

前記第１脚磁心に前記二次巻線が卷回され、前記第２脚磁心に卷回された前記二次巻線と直列接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の磁束制御型可変変圧器。

【請求項3】

前記分割磁路部の任意の箇所に楔形の空隙を設けたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁束制御型可変変圧器。

【請求項4】

前記第１磁心と前記第２磁心にそれぞれ磁気結合された第４脚磁心と第５脚磁心、及び、前記第４脚磁心に卷回された第２の一次巻線をさらに有し、
前記第４脚磁心に卷回された前記第２の一次巻線と前記第１脚磁心に卷回された前記一次巻線とが直列接続され、
前記第５脚磁心の磁路中に空隙部を有し、
前記第２脚磁心に対して、前記第１脚磁心と前記第４脚磁心、及び、前記第３脚磁心と前記第５脚磁心とがそれぞれ対称となる位置に配置されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の磁束制御型可変変圧器。

【請求項5】

前記第１磁心と前記第２磁心にそれぞれ磁気結合された第４脚磁心をさらに有し、
該第４脚磁心の磁路が２分割された第２分割磁路部を有し、
前記第４脚磁心に卷回された第２の二次巻線と前記第２脚磁心に卷回された前記二次巻線とが直列接続され、
前記第４脚磁心の前記第２分割磁路部のそれぞれの磁路に卷回された第２制御巻線を備え、
該第２制御巻線が、前記一次巻線に鎖交する前記磁束によって前記第２制御巻線に生じる誘起電圧が打消されるように直列接続されて第２直流電源回路に接続され、
前記第２制御巻線に直流制御電流を流して、前記第２分割磁路部で形成される閉磁路に制御磁束を還流し、前記磁束が通る前記第４脚磁心の磁路の一部を飽和させて、前記第４脚磁心の磁路の磁気抵抗を制御するとともに、前記第３脚磁心に前記磁束の一部を分流させることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の磁束制御型可変変圧器。

【請求項6】

前記第１磁心と前記第２磁心にそれぞれ磁気結合された第５脚磁心をさらに有し、該第５脚磁心の磁路中に空隙部を有することを特徴とする、請求項５項に記載の磁束制御型可変変圧器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁束制御型可変変圧器に関する。

【背景技術】

【0002】

近年，太陽光発電を中心とした再生可能エネルギーの導入拡大が進みつつあり、これら再生可能エネルギーの導入拡大によって、特に配電線を中心とした電力系統において、発電出力の変動に伴う系統電圧の変動や，発電出力が電力系統の需要を上回ることで異なる電力潮流（逆潮流）を発生させ、系統電圧の上昇の要因となるなど、電力系統の電力品質低下の要因となっている。このため、電力品質を維持する、低コストで効果的な電圧調整装置が求められている。

【0003】

電圧調整装置の従来技術として、図１２に通常の変圧器の基本構成を示す。この変圧器の基本特性は、一次巻線１１、二次巻線１２及び磁心１３により定まり、一次側と二次側の電圧・電流の関係はほぼ固定である。したがって、従来技術における変圧器による電圧変動への対応は、一次側と二次側の電圧の関係に関わる一次巻線と二次巻線の巻数比を、巻線に設けたタップを機械的な接点を用いて変更する（所謂タップ切換機構）ことにより行ってきた。このため、接点部の磨耗や接触不良、動作機構の動作時間遅れなどに伴う保守・性能上の制約があった。

【0004】

機械的な接点を有せず、制御電流の調整により二次（負荷）電圧を高速且つ連続的に制御する機能をもつ可変変圧器の従来技術としては、例えば、鎖交磁束制御形変圧器装置（特許文献１）、可変変圧器（特許文献２）、電圧調整変圧器（特許文献３）、あるいは、磁束制御型可変変圧器（特許文献４）などがある。

【0005】

図１３は、本出願人が先に提案した鎖交磁束制御形可変変圧器装置の一例を説明する接続図である。この鎖交磁束制御形可変変圧器装置は、図１３に示すように、一次巻線２０、二次巻線２１、漏洩磁束制御巻線２６、磁束制御巻線２７及び捩れ方向に９０度回転させて接触したＵ形カットコア２２、２３並びに捩れ方向に９０度回転させて接触したＵ形カットコア２４、２５で構成される。なお、Ｕ形カットコア２２、２３及びＵ形カットコア２４、２５のような構造を直交磁心と呼ぶ。

【0006】

この変圧器の二次電圧Ｖ２は、一次巻線２０による磁束φ１－１、φ１－２の内、二次巻線２１と鎖交するφ１－２の値によって決まる。二次巻線に負荷電流Ｉ２が流れるとφ１－２と逆方向に磁束φ２が生じ、φ１－２はφ１－１の磁気回路側へシフトして減少し、二次側電圧は低下する。

【0007】

そこで漏洩磁束制御巻線２６に制御電流Ｉｃ１を流すとＵ形カットコアの接触部２８が磁気飽和し、φ１－１の磁気回路の磁気抵抗が大きくなることで、φ１－１、φ１－２の磁束配分が変化するので二次側電圧を上昇させることができる。無負荷時の場合にあっては、磁束制御巻線２７に制御電流Ｉｃ２を流すことによりＵ形カットコアの接触部２９が磁気飽和し、φ１－２の磁気回路の磁気抵抗が大きくなり、φ１－１、φ１－２の磁束配分が変化するので電圧上昇を抑制することができる。

【0008】

図１４は、本出願人が先に提案した可変変圧器の一例を説明する接続図である。この可変変圧器は、磁心３２の磁気回路上に一次巻線３０と二次巻線３１を巻回し、磁心３２の磁気回路上の一部には、窓３３を設け、窓の２つの辺部に夫々制御巻線３４ａ、３４ｂを巻回した磁束制御回路で構成される。

【0009】

制御巻線に制御電流Ｉｃを流すと、制御巻線の巻数Ｎｃと制御電流Ｉｃの積で表わされる起磁力Ｎｃ×Ｉｃ（アンペアターン）で生じる制御磁束φｃによって磁束が通る磁心の一部を磁気飽和させることができ、一次巻線又は二次巻線による磁束の磁気回路の透磁率を低下させ、これにより、変圧器の励磁リアクタンス値が低下するとともに、一次巻線又は二次巻線の漏洩磁束が大きくなり、漏洩リアクタンス値を増加させることができる。

【0010】

すなわち、励磁リアクタンスを制御することは、等価回路としてみれば、変圧器の一次側に並列に挿入されたリアクタンスの値が制御されることになり遅れ無効電力が制御される。また、一次巻線の漏洩リアクタンスを制御することは、等価回路としてみれば、変圧器の一次側に直列に挿入されたリアクタンスの値が制御されることになり、それによって二次電圧Ｖ２が制御される。

【0011】

また、二次巻線の漏洩リアクタンスを制御することは、等価回路としてみれば、変圧器の二次側に直列に挿入されたリアクタンスの値が制御されることになり、それによって二次電圧Ｖ２が制御される。

【0012】

図１５は、電圧調整変圧器の一例を説明する接続図である。この電圧調整変圧器は、積層された閉磁路を形成する二分割された第一、第二の鉄心（磁心）４０、４１からなる主鉄心と、同様に二分割されたバイパス鉄心４２、４３と、これらすべてを囲むように巻かれた一次巻線４４と、第一、第二の鉄心４０、４１を囲むように巻かれた二次巻線４５と、第一、第二の鉄心４０、４１に、直列に、且つ互いに逆方向に同一巻数に巻かれた制御巻線４６ａ、４６ｂと、二分割されたバイパス鉄心４２、４３に、直列に、且つ互いに逆方向に同一巻数に巻かれたバイパス鉄心制御巻線４７ａ、４７ｂから構成される。

【0013】

制御電流を流さない状態においては、一次巻線４４に交流電圧を印加すると、第一、第二の鉄心４０、４１、バイパス鉄心４２、４３には磁束φ１、φ２、バイパス磁束φ３、φ４が誘起し、バイパス鉄心４２、４３によってバイパスした分、バイパス磁束φ３、φ４だけ磁束が減少するため、二次電圧もその比率で低下する。そして、バイパス鉄心制御巻線４７ａ，４７ｂに制御電流Ｉｃ２を流すとバイパス鉄心４２、４３の透磁率が低下して磁気抵抗が増加し、バイパス磁束φ３、φ４が減少するので、二次電圧は上昇する。

【0014】

また、制御巻線４６ａ，４６ｂに制御電流Ｉｃ１を流すと、第一、第二の鉄心４０、４１の透磁率が低下して磁気抵抗が増加し、バイパス磁束φ３、φ４が増加するので、二次電圧は低下する。すなわち、制御巻線４６ａ，４６ｂ又はバイパス鉄心制御巻線４７ａ，４７ｂに制御電流Ｉｃ１又はＩｃ２を流すことにより、バイパス磁束量を加減することができ、主鉄心の磁束量が制御でき、したがって二次電圧を可変制御できる。

【0015】

図１６は、磁束制御型可変変圧器の一例を説明する接続図である。この磁束制御型可変変圧器は、一次巻線５３に交流の一次電圧Ｖ１を印加すると、三脚磁心５１の中央脚には磁束φ１が誘起し、外脚それぞれには１／２φ１の磁束が分流する。同様に、三脚磁心５２の中央脚には磁束φ２が誘起し、外脚それぞれには１／２φ２の磁束が分流する。制御を行わない場合は、磁束φ１及びφ２は等しくなる。

【0016】

一方、制御回路より第一制御巻線５６ａ及び第二制御巻線５６ｂに制御電流を流すと、三脚磁心には制御巻線の巻数と制御電流の積で表わされる起磁力（アンペアターン）で生じる制御磁束が三脚磁心の外周部を還流し、磁気抵抗が増加する。制御磁束が還流する磁路は、磁束φ１の磁路と共通磁路であるため、磁束φ１が通りにくくなり、三脚磁心５１及び三脚磁心５２において、磁束φ１及び磁束φ２の磁束分担が制御される。同様に、制御回路より第三制御巻線５７ａ及び第四制御巻線５７ｂに制御電流を流すと、制御磁束が還流する磁路は、磁束φ２の磁路と共通磁路であるため、磁束φ２が通りにくくなり、三脚磁心５１及び三脚磁心５２において、磁束φ１及び磁束φ２の磁束分担が制御される。

【0017】

制御電流により、三脚磁心５１及び三脚磁心５２における磁束分担が変化すると、二次巻線５４と直列に接続した第一の補助巻線５５ａ及び第二の補助巻線５５ｂの誘起電圧が変化する。第一の補助巻線５５ａ及び第二の補助巻線５５ｂに誘起する電圧位相は、互いに逆向きであることから、磁束分担の変化即ち誘起電圧の変化に伴い、直列に接続した二次端子電圧（二次巻線５４、第一の補助巻線５５ａ及び第二の補助巻線５５ｂの誘起電圧の和）は制御電流に応じて変化することになる。

【0018】

すなわち、制御電流の制御により、二次端子電圧を制御することが可能となる。なお、負荷の増減による二次端子電圧の制御も基本的に変わりなく、負荷電流による磁束量の変化のみが影響するため、若干の電圧可変幅の変化に影響するのみである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0019】

【文献】特許第３３４３０８３号公報

【文献】特許第３７８９２８５号公報

【文献】特開２００５－２５２１１３号公報

【文献】特許第５５２０６１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0020】

しかし、上記の鎖交磁束制御形変圧器装置（特許文献１）は、直交磁心構造であるため、磁心構造が複雑となる。また、直交するＵ形カットコアの磁心接合面において生ずる渦電流発生の対策として、磁心接合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する必要があり、十分な耐久性を持つ絶縁フィルム材料を確保することは困難となっている。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、大きなインダクタンスの変化が困難であるため、電圧可変幅が少なくなるという課題がある。

【0021】

また、上記の可変変圧器（特許文献２）は、二次側の電圧を可変させることが可能であるものの、励磁リアクタンス及び漏洩リアクタンスの制御によるため、二次側の電圧変化のためには、遅れ無効電力の変化が伴い、電力損失の増大や力率低下を生ずる課題があった。また、漏洩リアクタンスの制御により電圧を可変するため、大きな漏洩磁束が生ずることとなり、この漏洩磁束により可変変圧器を収納する周辺部材の過熱や装置損失が増大するという課題があった。

【0022】

また、上記の電圧調整変圧器（特許文献３）は、二次側の電圧を可変させることが可能であるものの、非制御時においては、バイパス鉄心を通過する磁束によって主鉄心を通過する磁束が減少し、通常の変圧器における二次巻線の巻回数に対して、多くの巻回数が必要となるほか、漏洩インピーダンスの増加に伴い、負荷電流による二次電圧低下が懸念される。また、この対策のために例えば、バイパス鉄心制御巻線に常時制御電流を流すことが必要になり、制御損失が増加するなどの問題も懸念される。

【0023】

また、上記の磁束制御型可変変圧器（特許文献４）は、二次側の電圧を可変させることが可能であるものの、２つの鉄心と８個の巻線から構成されていることから構成部品が多く、重量が重くなり、鉄損や銅損が増加する傾向にあるほか、組み立て工数も増加し、製造コストが増加する課題があった。

【0024】

本発明は、これらの実情に鑑みてなされたものであり、小型で漏洩磁束の影響や制御損失が小さく、連続的に二次電圧を変化させることが可能な磁束制御型可変変圧器を提供することをその目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0025】

上記課題を解決するために、請求項１の技術手段は、磁束制御型可変変圧器であって、第１磁心、第２磁心と、前記第１磁心と前記第２磁心とにそれぞれ磁気結合された第１脚磁心、第２脚磁心、及び、第３脚磁心を備え、前記第２脚磁心の磁路が２分割された分割磁路部を有し、前記第３脚磁心の磁路中に空隙部を有するコアと、少なくとも前記第１脚磁心に卷回された一次巻線と、少なくとも前記第２脚磁心に卷回された二次巻線と、前記第２脚磁心の前記分割磁路部のそれぞれの磁路に卷回された第１制御巻線を備え、該第１制御巻線が、前記一次巻線に鎖交する磁束によって前記第１制御巻線に生じる誘起電圧が打消されるように直列接続されて第１直流電源回路に接続され、前記第１制御巻線に直流制御電流を流して、前記分割磁路部で形成される閉磁路に制御磁束を還流させ、前記磁束が通る前記第２脚磁心の磁路の一部を飽和させて、前記第２脚磁心の磁路の磁気抵抗を制御するとともに、前記第３脚磁心に前記磁束の一部を分流させることを特徴とするものである。

【0026】

第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記第１脚磁心に前記二次巻線が卷回され、前記第２脚磁心に卷回された前記二次巻線と直列接続されていることを特徴とするものである。

【0027】

第３の技術手段は、第１又は第２の技術手段において、前記分割磁路部の任意の箇所に楔形の空隙を設けたことを特徴とするものである。

【0028】

第４の技術手段は、第１から第３のいずれか１の技術手段において、前記第１磁心と前記第２磁心にそれぞれ磁気結合された第４脚磁心と第５脚磁心、及び、前記第４脚磁心に卷回された第２の一次巻線をさらに有し、前記第４脚磁心に卷回された前記第２の一次巻線と前記第１脚磁心に卷回された前記一次巻線とが直列接続され、前記第５脚磁心の磁路中に空隙部を有し、前記第２脚磁心に対して、前記第１脚磁心と前記第４脚磁心、及び、前記第３脚磁心と前記第５脚磁心とがそれぞれ対称となる位置に配置されていることを特徴とするものである。

【0029】

第５の技術手段は、第１から第３のいずれか１の技術手段において、前記第１磁心と前記第２磁心にそれぞれ磁気結合された第４脚磁心をさらに有し、該第４脚磁心の磁路が２分割された第２分割磁路部を有し、前記第４脚磁心に卷回された第２の二次巻線と前記第２脚磁心に卷回された前記二次巻線とが直列接続され、前記第４脚磁心の前記第２分割磁路部のそれぞれの磁路に卷回された第２制御巻線を備え、該第２制御巻線が、前記一次巻線に鎖交する前記磁束によって前記第２制御巻線に生じる誘起電圧が打消されるように直列接続されて第２直流電源回路に接続され、前記第２制御巻線に直流制御電流を流して、前記第２分割磁路部で形成される閉磁路に制御磁束を還流し、前記磁束が通る前記第４脚磁心の磁路の一部を飽和させて、前記第４脚磁心の磁路の磁気抵抗を制御するとともに、前記第３脚磁心に前記磁束の一部を分流させることを特徴とするものである。

【0030】

第６の技術手段は、第５の技術手段において、前記第１磁心と前記第２磁心にそれぞれ磁気結合された第５脚磁心をさらに有し、該第５脚磁心の磁路中に空隙部を有することを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0031】

本発明によれば、小型で漏洩磁束の影響や制御損失が小さく、連続的に二次電圧を変化させることが可能な磁束制御型可変変圧器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る磁束制御型可変変圧器の磁気回路及び巻線構成を示す図である。

【図2】図１に示す磁束制御型可変変圧器における動作を説明するための図である。

【図3】図１に示す磁束制御型可変変圧器の制御特性例を示す図である。

【図4】図１に示す磁束制御型可変変圧器の変形例を示す図である。

【図5】図１に示す磁束制御型可変変圧器の変形例を示す図である。

【図6】本発明の第２の実施形態に係る磁束制御型可変変圧器の磁気回路及び巻線構成を示す図である。

【図7】本発明の第３の実施形態に係る磁束制御型可変変圧器の磁気回路及び巻線構成を示す図である。

【図8】本発明の第４の実施形態に係る磁束制御型可変変圧器の磁気回路及び巻線構成を示す図である。

【図9】本発明の第５の実施形態に係る磁束制御型可変変圧器の磁気回路及び巻線構成を示す図である。

【図10】本発明の第６の実施形態に係る磁束制御型可変変圧器の磁気回路及び巻線構成を示す図である。

【図11】本発明の第７の実施形態に係る磁束制御型可変変圧器の磁気回路及び巻線構成を示す図である。

【図12】従来の変圧器の一例を示す回路図である。

【図13】従来例の鎖交磁束制御形変圧器装置を示す接続図である。

【図14】従来例の可変変圧器を示す接続図である。

【図15】従来例の電圧調整変圧器を示す接続図である。

【図16】従来例の磁束制御形可変変圧器を示す接続図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下、図面を参照しながら、本発明の磁束制御型可変変圧器に係る好適な実施形態について説明する。以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。なお、本発明はこれらの実施形態での例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内及び均等の範囲内におけるすべての変更を含む。また、複数の実施形態について組み合わせが可能である限り、本発明は任意の実施形態を組み合わせたものを含む。

【0034】

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁束制御型可変変圧器の磁気回路及び巻線構成を示す図であり、図１（Ａ）は磁気回路及び巻線構成を示しており、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した構成回路の可変変圧器部分の等価回路を示している。

【0035】

図１（Ａ）に示すように、本実施形態は、単相回路の一実施例を示したものであり、磁束制御型可変変圧器１００Ａは、第１磁心１０４、第２磁心１０５と、第１磁心１０４と第２磁心１０５とにそれぞれ両端部で磁気結合された第１脚磁心１０１、第２脚磁心１０２、及び、第３脚磁心１０３を有するコアを備えている。磁束制御型可変変圧器１００Ａのコアは、一般的には三脚磁心とも呼ばれる構造を有している。そして、第２脚磁心１０２は、窓１２０によって磁路が２分割された分割磁路１０２ａ、１０２ｂからなる分割磁路部を有している。また、第３脚磁心１０３は、磁路の途中に空隙部Ｇを有している。

【0036】

本実施形態の第１脚磁心１０１には、一次巻線１１１と二次巻線１１２が卷回され、第２脚磁心１０２には、二次巻線１１３が卷回されている。一次巻線１１１には交流の一次電圧Ｖ_１が印加される。二次巻線１１２と１１３とは直列接続されており、両端が負荷に接続されている。本実施形態では、一次巻線１１１と二次巻線１１２，１１３は、絶縁変圧器と同等の構造となっている。第２脚磁心１０２の分割磁路１０２ａ、１０２ｂのそれぞれには、制御巻線１１４ａと１１４ｂからなる制御巻線１１４が卷回されている。制御巻線１１４ａと１１４ｂには、一次巻線１１１を流れる電流によって一次巻線１１１に鎖交する磁束が変化した際に誘起電圧が発生するが、両者の誘起電圧が打消されるように直列に接続されて、第１直流電源回路１１０に接続されている。したがって、制御巻線１１４には、一次巻線１１１に鎖交する磁束による誘起電圧が加わることはない。制御巻線１１４は、本発明の第１制御巻線に相当する。

【0037】

図１（Ｂ）に示す等価回路では、||印部分（縦の二重線部分）は通常の変圧器磁心の配列記号を示し、一次巻線１１１及び二次巻線１１２，１１３と、９０度回転させて表示した制御巻線１１４ａ、１１４ｂを示している。本実施形態では、二次巻線１１２と１１３とに誘起される電圧は加算されるように接続されている。

【0038】

次に、本実施形態において、制御巻線１１４に制御電流Ｉｃを流した場合の、磁束制御型可変変圧器１００Ａの動作について説明する。図２は、図１に示す磁束制御型可変変圧器における動作を説明するための図であり、図２（Ａ）は、制御電流Ｉｃを流していない場合、図２（Ｂ）は、制御電流Ｉｃを流した場合を示している。

【0039】

制御巻線１１４に制御電流Ｉｃを流していない場合、第１脚磁心１０１には、一次巻線１１１に流れる電流Ｉ_１と一次巻線の巻数をＮ_１の積で表される起磁力Ｎ_１×Ｉ_１（アンペアターン）が発生し、第１脚磁心１０１、第１磁心１０４、第２脚磁心１０２、第２磁心１０５を流れる磁束φが流れる。ここで、第３脚磁心１０３は、磁路の途中に空隙（ギャップ）部Ｇが設けられており、大きな磁気抵抗を有しているため、第３脚磁心１０３には、一次巻線１１１を流れる電流Ｉ_１による磁束はほとんど流れない。なお、第２脚磁心１０２の分割磁路１０２ａ、１０２ｂは、磁束φが流れた場合でも磁気飽和しない磁気抵抗を有している。

【0040】

このように、制御巻線１１４に制御電流Ｉ_Ｃを流していない場合、磁束制御型可変変圧器１００Ａは、制御巻線１１４ａ，１１４ｂ、第１直流電源回路１１０、第２脚磁心１０２上に設けた窓１２０からなる、制御可能な磁束制御回路を有する以外は、通常の単相変圧器と同様の巻線構成となっている。これにより、二次巻線１１２，１１３には、一次巻線の巻数をＮ_１、二次巻線の巻数をＮ_２－１，Ｎ_２－２とした場合、Ｖ_２＝Ｖ_１×（Ｎ_２－１＋Ｎ_２－２）／Ｎ_１の二次電圧Ｖ_２が生じる。

【0041】

次に、図２（Ｂ）で示すように、制御巻線１１４に直流の制御電流Ｉｃを流した場合、分割磁路１０２ａ、１０２ｂで形成される閉磁路には、制御磁束φcが還流される。制御磁束φcは、制御巻線１１４ａ、１１４ｂの巻数Ｎcと制御電流Ｉｃの積で表わされる起磁力２Ｎc×Ｉ_Ｃ（アンペアターン）で生じる制御磁束φcであり、磁束φが通る磁心の一部を磁気飽和させる。これにより、第２脚磁心１０２の透磁率が低下するため、一次巻線１１１に鎖交する磁束φは、第２脚磁心１０２を通る量が減少し、主に第１脚磁心１０１、第１磁心１０４、第３脚磁心１０３、第２磁心１０５の経路からなる磁路に分流することになり、二次巻線１１３に誘起される電圧が低下する。なお、制御磁束φcが還流することによって、分割磁路１０２ａ、１０２ｂ以外の磁路である、例えば、第１磁心１０４が磁気飽和することがないように、窓１２０を設ける位置を調整しておくことが望ましい。

【0042】

このように、磁束制御型可変変圧器１００Ａでは、制御巻線１１４ａ、１１４ｂに制御電流Ｉｃを流すことにより、二次巻線１１３を卷回した第２脚磁心１０２の磁気回路の一部を飽和させるとともに、一次巻線１１１に交差する磁束φを第２脚磁心１０２とは異なる第３脚磁心１０３に分流させている。

【0043】

ここで、例えば、第３脚磁心１０３を設けていない場合、制御巻線１１４を巻回した窓部１２０周辺の磁路のみが磁気飽和するため、窓部１２０周辺からの漏洩磁束によって、周辺の導電性機材に渦電流を発生させ、周辺の導電性機材の局所過熱や装置損失に対する対策が必要であった。本実施形態では、第２脚磁心１０２に対して、空隙部Ｇを有する第３脚磁心１０３を磁気的に並列に設けているため、第２脚磁心１０２の磁気抵抗が大きくなって第２脚磁心１０２を流れなくなった磁束φは、第３脚磁心１０３を流れるようになる。これにより、第２脚磁心１０２の窓部１２０周辺からの漏洩磁束を減少させることが可能となる。

【0044】

このように、第３脚磁心１０３は、制御巻線１１４に制御電流Ｉｃを流した場合に、一次巻線１１１に鎖交する磁束φが、窓部１２０周辺の空気層を通る漏洩磁束となるのを防止して、二次巻線１１３と鎖交しない漏れ磁束を流すためのバイパス磁路となっている。また、制御巻線１１４に制御電流Ｉｃを流さない場合に、一次巻線１１１に鎖交する磁束φが、第３脚磁心１０３に流れ込まないように、空隙部Ｇを設けて第３脚磁心１０３の磁気抵抗を大きくしている。

【0045】

図３は、図１に示す磁束制御型可変変圧器の制御特性例を示す図であり、縦軸は一次電圧Ｖ_１を基準とした二次電圧Ｖ_２の変圧比を表しており_、横軸は制御電流Ｉｃを表している。図１（Ｂ）の等価回路で示すように、二次巻線１１２と１１３とは、磁束の変化によって生じる電圧が加算されるように接続されている。このため、制御電流Ｉｃが増加するにしたがって、第２脚磁心１０２に流れる磁束φが減少し、第２脚磁心１０２に卷回された二次巻線１１３に励起される電圧が減少する。これにより、図３に示すように、制御電流Ｉｃの増加とともに、一次電圧Ｖ_１に対する二次電圧Ｖ_２は減少している。なお、二次電圧の最大可変幅は二次巻線１１２と１１３の巻線数を設定することにより、自由に設定できる。また、二次巻線１１３を二次巻線１１２とは逆接続することにより、制御電流Ｉｃの増加にともなって、一次電圧Ｖ_１に対する二次電圧Ｖ_２を増加させることも可能である。

【0046】

図４は、図１に示す磁束制御型可変変圧器の変形例を示す図である。図１（Ａ）に示す磁束制御型可変変圧器１００Ａのコアは、ほぼ「日」の字形をしているが、図４に示す磁束制御型可変変圧器１００Ａ’では、第１磁心１０４’を中心部に、第２磁心１０５’を周辺部で同心円状に配置し、第１脚磁心１０１ｒ、第２脚磁心１０２’、及び、第３脚磁心１０３ｒをそれぞれ放射状に設けたコアとして構成している。ここで、中心部の第１磁心１０４’は、リング状でなく中実であってもよい。また、第２磁心１０５’の第１脚磁心１０１ｒと第３脚磁心１０３ｒを繋ぐ下半分の磁心を省略してもよい。

【0047】

第１脚磁心１０１ｒには、一次巻線１１１と二次巻線１１２が卷回され、第２脚磁心１０２’は、二次巻線１１３が卷回されている。一次巻線１１１には交流の一次電圧Ｖ１が印加される。二次巻線１１２と１１３とは直列接続されており、両端が負荷に接続されている。磁束制御型可変変圧器１００Ａ’は、一次巻線１１１と二次巻線１１２，１１３は、絶縁変圧器と同等の構造となっている。第２脚磁心１０２’の分割磁路１０２ａ’、１０２ｂ’のそれぞれには、制御巻線１１４ａと１１４ｂからなる制御巻線１１４が卷回されている。制御巻線１１４ａと１１４ｂには、一次巻線１１１を流れる電流による誘起電圧が打消されるように直列に接続されて、第１直流電源回路１１０に接続されている。図４に示す磁束制御型可変変圧器１００Ａ’は、図１に示した磁束制御型可変変圧器１００Ａとその作用効果や性能についても同じであるので、その説明を省略する。

【0048】

図５は、図１に示す磁束制御型可変変圧器の変形例を示す図である。図５では、各巻線の接続や、電源、負荷、第１直流電源回路１１０については図示していない。以降の説明においても共通しているが、本発明では、主巻線を卷回した脚磁心が第１脚磁心となり、分割磁路部を有し二次巻線を卷回した磁心が第２脚磁心となり、磁路中に空隙を有する脚磁心が第３脚磁心となる。

【0049】

図５（Ａ）に示す磁束制御型可変変圧器１００Ａは、図１に示した磁束制御型可変変圧器１００Ａと同じであり、第１脚磁心１０１を左側に、第２脚磁心１０２を中央に、また第３脚磁心１０３を右側に配置した構成例を示している。図５（Ｂ）に示す磁束制御型可変変圧器１００Ｂは、第１脚磁心１０１を左側に、第２脚磁心１０２を右側に、また第３脚磁心１０３を中央に配置した構成例を示している。さらに、図５（Ｃ）に示す磁束制御型可変変圧器１００Ｃは、第１脚磁心１０１を中央に、第２脚磁心１０２を右側に、また第３脚磁心１０３を左側に配置した構成例を示している。このように、第１脚磁心１０１、第２脚磁心１０２、及び、第３脚磁心１０３の配置については、その順番を変更した場合も、磁気回路としては同じ構成となっており、その作用効果や磁束制御型可変変圧器としての性能についても同じである。

【0050】

図５（Ｄ）に示す磁束制御型可変変圧器１００Ｄは、第１脚磁心１０１を左側に、第２脚磁心１０２を中央に、また第３脚磁心１０３を右側に配置した例を示している。ここで、第３脚磁心１０３はコの字型をしており、第１磁心１０４及び第２磁心１０５との間にそれぞれ空隙部Ｇを有している。なお、空隙部Ｇは、いずれか一方のみに設けられていてもよい。このように、第３脚磁心に設けた空隙部Ｇは、第１磁心１０４あるいは第２磁心１０５との間に設けられていてもよい。磁束制御型可変変圧器１００Ｄは、磁気回路の構成としては、他の磁束制御型可変変圧器１００Ａ～１００Ｃと同じであり、その作用効果や磁束制御型可変変圧器の性能についても同じである。

【0051】

［第２の実施形態］
図６は、本発明の第２の実施形態に係る磁束制御型可変変圧器の磁気回路及び巻線構成を示す図である。図１に示した磁束制御型可変変圧器１００Ａは、一次巻線１１１と二次巻線１１２．１１３とが電気的に絶縁され、絶縁変圧器と同等の構造となっているが、本実施形態の磁束制御型可変変圧器１００Ｅでは、一次巻線と二次巻線とが電気的に接続された、単巻変圧器と同等の構造となっている。

【0052】

具体的には、第１脚磁心１０１に一次巻線１１１が卷回され、二次巻線は、一次巻線１１１と第２脚磁心１０２に卷回された二次巻線１１３とが直列接続された巻線となっている。このように、磁束制御型可変変圧器１００Ｅでは、一次巻線１１１が二次巻線と共通になっている。本実施形態では、一次巻線１１１によって生じる磁束の変化によって二次巻線１１３に生じる電圧が、一次電圧Ｖ_１に対して減算されるように二次巻線１１３が卷回されているため、制御電流Ｉｃを増加させるにしたがって、二次電圧Ｖ_２は増加する。

【0053】

［第３の実施形態］
図７は、本発明の第３の実施形態に係る磁束制御型可変変圧器の磁気回路及び巻線構成を示す図である。本実施形態の磁束制御型可変変圧器１００Ｆは、電気的に絶縁された一次巻線１１１と二次巻線１１３とを有する絶縁変圧器と同等の構造となっている。本実施形態の磁束制御型可変変圧器１００Ｆは、制御電流Ｉｃを増加させるにしたがって、分割磁路１０２ａ，１０２ｂの一部が飽和し磁気抵抗が増加するため、二次巻線１１３に誘起される二次電圧Ｖ_２は減少する。

【0054】

［第４の実施形態］
図８は、本発明の第４の実施形態に係る磁束制御型可変変圧器の磁気回路及び巻線構成を示す図である。図８では、各巻線の接続や、電源、負荷、第１直流電源回路１１０については図示していない。本実施形態の磁束制御型可変変圧器１００Ｇは、第１の実施形態の磁束制御型可変変圧器１００Ａに比べて、第２脚磁心１０２に設けた分割磁路１０２ａと１０２ｂのそれぞれに切込みを入れ、楔型の空隙１２０ａと１２０ｂを設けている。楔型の空隙１２０ａと１２０ｂは、電流歪みの抑制を目的としている。

【0055】

本実施形態によれば、分割磁路１０２ａと１０２ｂの一部に切り込みを入れることにより、分割磁路１０２ａの磁路は、切り込みを設けた連結部分と楔型の空隙１２０ａとの並列回路で構成され、分割磁路１０２ｂの磁路は、切り込みを設けた連結部分と楔型の空隙１２０ｂとの並列回路で構成されるので、磁気特性が改善され、一次巻線１１１の電流Ｉ_１は高調波成分の少ない低電流歪となる。

【0056】

［第５の実施形態］
図９は、本発明の第５の実施形態に係る磁束制御型可変変圧器の磁気回路及び巻線構成を示す図である。図９では、各巻線の接続や、電源、負荷、第１直流電源回路１１０については図示していない。本実施形態の磁束制御型可変変圧器１００Ｈは、第１の実施形態の磁束制御型可変変圧器１００Ａに比べて、第２脚磁心１０２に設けた窓１２０を大きくし、第２脚磁心１０２全体をほぼ分割磁路１０２ａと１０２ｂから構成している。そして、二次巻線１１３を分割磁路１０２ａと１０２ｂに跨って卷回している。磁気回路の構成としては、他の磁束制御型可変変圧器１００Ａ～１００Ｃと同じであり、その作用効果や磁束制御型可変変圧器の性能についても同じである。

【0057】

［第６の実施形態］
図１０は、本発明の第６の実施形態に係る磁束制御型可変変圧器の磁気回路及び巻線構成を示す図である。図１０では、各巻線の接続や、電源、負荷、第１直流電源回路１１０については図示していない。本実施形態の磁束制御型可変変圧器１００Ｉは、図１０で示す中央から左側の構成は、図５（Ｃ）で示した磁束制御型可変変圧器１００Ｃと同じであり、左から順番に、第１の第３脚磁心１０３、第１の第１脚磁心１０１、第２脚磁心１０２を配置している。さらに、第２脚磁心１０２の右側には、第４脚磁心として第２の第１脚磁心１０１’、及び、第５脚磁心として第２の第３脚磁心１０３’を配置している。第１の第３脚磁心１０３及び第２の第３脚磁心１０３’には、磁路の途中に空隙部Ｇが設けられている。第１～第５脚磁心は、第１磁心１０４と第２磁心１０５にそれぞれ両端部で磁気結合されている。

【0058】

そして、左側の第１の第１脚磁心１０１には、一次巻線１１１を卷回するとともに、右側の第２の第１脚磁心１０１’にも、一次巻線１１１’を卷回し、一次巻線１１１と一次巻線１１１’を直列接続するとともに、図示しない交流電源に接続している。また、中央の第２脚磁心１０２、左側の第１の第１脚磁心１０１、及び、右側の第２の第１脚磁心１０１’に、それぞれ二次巻線１１３、１１２、及び、１１２’を卷回し、これらの二次巻線１１３、１１２、及び、１１２’を直列接続するとともに、図示しない負荷に接続している。このように、本実施形態の磁束制御型可変変圧器１００Ｉは、コアと巻線を左右対称に配置しているため、重量バランスが良く、設置に適している。第２の第１脚磁心１０１’に卷回した一次巻線１１１’は、本発明の第２の一次巻線に相当する。

【0059】

［第７の実施形態］
図１１は、本発明の第７の実施形態に係る磁束制御型可変変圧器の磁気回路及び巻線構成を示す図である。図１１（Ａ）は、本実施形態の磁束制御型可変変圧器１００Ｊを示しており、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に示す本実施形態の磁束制御型可変変圧器１００Ｊを説明するために、図１１（Ａ）の磁束制御型可変変圧器１００Ｊを磁気的に２分割して示す図である。

【0060】

まず、図１１（Ｂ）において、右側に示した磁束制御型可変変圧器１００Ａは、第１の実施形態で説明した磁束制御型可変変圧器１００Ａと同じ構成を有している。また、左側に示した磁束制御型可変変圧器１００Ａ’は、右側の磁束制御型可変変圧器１００Ａを左右対称に反転させたものであり、磁束制御型可変変圧器１００Ａと同じ構成を有している。

【0061】

そして、磁束制御型可変変圧器１００Ａの第１脚磁心１０１Ａに卷回された二次巻線１１２Ａと第２脚磁心１０２Ａに卷回された二次巻線１１３Ａとは、制御電流Ｉｃ１を増加させた際に、二次電圧Ｖ_２が減少するように直列接続されている。また、磁束制御型可変変圧器１００Ａ’の第１脚磁心１０１Ｂに卷回された二次巻線１１２Ｂと第２脚磁心１０２Ｂに卷回された二次巻線１１３Ｂとは、制御電流Ｉｃ２を増加させた際に、二次電圧Ｖ_２が増加するように直列接続されている。

【0062】

図１１（Ａ）に示す磁束制御型可変変圧器１００Ｊは、図１１（Ｂ）に示す磁束制御型可変変圧器１００Ａと磁束制御型可変変圧器１００Ａ’のそれぞれの第１脚磁心１０１Ａと１０１Ｂとを、１つの第１脚磁心１０１として構成したものである。また、磁束制御型可変変圧器１００Ｊは、磁束制御型可変変圧器１００Ａと１００Ａ’の第１脚磁心１０１Ａと１０１Ｂにそれぞれ卷回した一次巻線１１１Ａと一次巻線１１１Ｂとを１つの一次巻線１１１として構成するとともに、第１脚磁心１０１Ａと１０１Ｂにそれぞれ卷回した二次巻線１１２Ａと二次巻線１１２Ｂとを１つの二次巻線１１２として構成したものである。

【0063】

また、第１の第２脚磁心１０２Ａに設けた分割磁心１０２ａＡ，１０２ｂＡにそれぞれ、制御巻線１１４ａＡ，１１４ｂＡを卷回し、制御巻線１１４ａＡ，１１４ｂＡは、一次巻線１１１の電流によって発生する磁束の変化による誘起電圧が打消されるように直列に接続されて、第１直流電源回路１１０Ａに接続される。また、同様に、第２の第２脚磁心１０２Ｂに設けた分割磁心１０２ａＢ，１０２ｂＢにそれぞれ、制御巻線１１４ａＢ，１１４ｂＢを卷回し、制御巻線１１４ａＢ，１１４ｂＢは、一次巻線１１１を流れる電流によって発生する磁束の変化による誘起電圧が打消されるように直列に接続されて、第２直流電源回路１１０Ｂに接続される。第２の第２脚磁心１０２Ｂに設けた分割磁心１０２ａＢ，１０２ｂＢは、本発明の第２分割磁路部に相当し、制御巻線１１４ａＢ，１１４ｂＢは、本発明の第２制御巻線に相当する。

【0064】

そして、中央の第１脚磁心１０１に卷回した二次巻線１１２と、右側の第１の第２脚磁心１０２Ａに卷回した二次巻線１１３Ａと、第４脚磁心として設けた左側の第２の第２脚磁心１０２Ｂに卷回した二次巻線１１３Ｂとを直列接続して、図示しない負荷に接続する。この場合、二次巻線１１２の起電力に対して、二次巻線１１３Ａの起電力が加算されるように、二次巻線１１２と１１３Ａを直列接続し、二次巻線１１２の起電力に対して、二次巻線１１３Ｂの起電力が減算されるように、二次巻線１１２と１１３Ａを直列接続する。

【0065】

これにより、第１直流電源回路１１０Ａからの制御電流Ｉｃ１の増加に伴い、直列接続された二次巻線１１２，１１３Ａ，１１３Ｂに生じる二次電圧Ｖ_２が減少し、第２直流電源回路１１０Ｂからの制御電流Ｉｃ２の増加に伴い、直列接続された二次巻線１１２，１１３Ａ，１１３Ｂに生じる二次電圧Ｖ_２が増大する。このように、本実施形態の磁束制御型可変変圧器１００Ｊは、第１直流電源回路１１０Ａからの制御電流Ｉｃ１と第２直流電源回路１１０Ｂからの制御電流Ｉｃ２のいずれかを変化させることにより、制御電流Ｉｃ１と制御電流Ｉｃ２を流さない場合に比べて、二次電圧Ｖ_２を減少又は増加させることができる。二次巻線１１３Ｂは本発明の第２の二次巻線に相当する。

【0066】

また、本実施形態では、第１の第３脚磁心１０３Ａと第５脚磁心として第２の第３脚磁心１０３Ｂを設けており、第１の第３脚磁心１０３Ａと第２の第３脚磁心１０３Ｂは、それぞれ磁路中に空隙部Ｇを有している。第１の第３脚磁心１０３Ａと第２の第３脚磁心１０３Ｂとは、中央の第１脚磁心１０１に対して、左右対称に設けているため、本実施形態においても左右の重量バランスが良好となり望ましい。なお、軽量化のために、第１の第３脚磁心１０３Ａと第２の第３脚磁心１０３Ｂのいずれか一方のみを設けた構成としてもよい。

【符号の説明】

【0067】

１１…一次巻線、１２…二次巻線、１３…磁心、２０…一次巻線、２１…二次巻線、２２～２５…Ｕ形カットコア、２６…漏洩磁束制御巻線、２７…磁束制御巻線、２８，２９…接触部、３０…一次巻線、３１…二次巻線、３２…磁心、３３…窓、３４ａ，３４ｂ…制御巻線、４０，４１…第二の鉄心、４２，４３…バイパス鉄心、４４…一次巻線、４５…二次巻線、４６ａ，４６ｂ…制御巻線、４７ａ，４７ｂ…バイパス鉄心制御巻線、５１，５２…三脚磁心、５３…一次巻線、５４…二次巻線、５５ａ…第一の補助巻線、５５ｂ…第二の補助巻線、５６ａ…第一制御巻線、５６ｂ…第二制御巻線、５７ａ…第三制御巻線、５７ｂ…第四制御巻線、１００Ａ～１００Ｊ…磁束制御型可変変圧器、１０１，１０１ｒ，１０１'，１０１Ａ，１０１Ｂ…第１脚磁心、１０２，１０２’，１０２Ａ，１０２Ｂ…第２脚磁心、１０２ａ，１０２ｂ, １０２ａＡ，１０２ａＢ，１０２ｂＡ，１０２ｂＢ…分割磁心、１０３，１０３ｒ，１０３'，１０３Ａ，１０３Ｂ…第３脚磁心、１０４,１０４’…第１磁心、１０５，１０５’…第２磁心、１１０，１１０Ａ…第１直流電源回路、１１０Ｂ…第２直流電源回路、１１１，１１１'，１１１Ａ，１１１Ｂ…一次巻線、１１２，１１２Ａ，１１２Ｂ，１１３，１１３Ａ，１１３Ｂ…二次巻線、１１４，１１４ａ，１１４ａＡ，１１４ａＢ，１１４ｂ，１１４ｂＡ，１１４ｂＢ…制御巻線、１２０…窓、１２０ａ、１２０ｂ…空隙。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】