(57)【要約】【課題】１つの装置で六相交流の電圧を調整できるようにする。【解決手段】リアクトルが、強磁性体からなる３つの脚部と、前記脚部毎に１つずつ巻かれて三相交流電流が流れる第一主巻線と、前記３つの脚部のうち２つの脚部の組合せ毎に当該２つの脚部に亘って巻かれて、前記第一主巻線を流れる三相交流電流と位相がずれた三相交流電流が流れる第二主巻線と、前記脚部に巻かれて直流電流が流れる制御巻線と、を備える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体からなる３つの脚部と、
前記脚部毎に１つずつ巻かれて三相交流電流が流れる第一主巻線と、
前記３つの脚部のうち２つの脚部の組合せ毎に当該２つの脚部に亘って巻かれて、前記第一主巻線を流れる三相交流電流と位相がずれた三相交流電流が流れる第二主巻線と、
前記脚部に巻かれて直流電流が流れる制御巻線と、
を備えるリアクトル。
【請求項２】
前記第一主巻線の巻数と前記第二主巻線の巻数との比が√３対２を丸めた比であり、第一主巻線を流れる三相交流電流と第二主巻線を流れる三相交流電流との位相差が３０度である、
請求項１に記載のリアクトル。
【請求項３】
前記脚部の各々は強磁性体からなる２つの脚を備え、
前記第一主巻線及び前記第二主巻線は、いずれも前記２つの脚それぞれの周りに、かつ脚毎に異なる巻方向で巻かれ、
前記制御巻線は、前記２つの脚をまとめて囲むように巻かれている、
請求項１又は請求項２に記載のリアクトル。
【請求項４】
前記脚部の各々は強磁性体からなる２つの脚を備え、
前記第一主巻線及び前記第二主巻線は、いずれも前記２つの脚をまとめて囲むように巻かれ、
前記制御巻線は、前記２つの脚交互に当該脚の周りに、かつ脚毎に異なる巻方向で巻かれている
請求項１又は請求項２に記載のリアクトル。
【請求項５】
互いに３０度位相がずれた２つの三相交流電力を出力する整流器用変圧器と、
前記整流器用変圧器からの前記２つの三相交流電力が流れる請求項１から４の何れか一項に記載のリアクトルと、
前記リアクトルを経由した前記２つの三相交流電力を直流電力に変換して負荷側へ出力する整流器と、
を備える電力変換システム。
【請求項６】
請求項５に記載の電力変換システムと、
前記電力変換システムとの組み合わせにて、き電回路を構成する電車線路および帰線路と、
前記電力変換システムからの電力を前記電車線路および帰線路とから集電して軌道を走行する車両と、
を備える交通システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リアクトル、電力変換システム及び交通システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
商用電力系統などの電力系統における無効電力を調整するために、分路リアクトルが設けられる場合がある。分路リアクトルは、電力負荷と並列に電力系統に接続される。分路リアクトルが電力系統から誘導性の無効電力を消費することで、電力系統の電圧上昇を抑制することができる。分路リアクトルが電力系統の電圧上昇を抑制することで、長大な電力ケーブルや容量性の無効電力を有するような静電容量の大きい電力系統において、供給電圧の適正化を行うことができる。
【０００３】
また、特許文献１には、リアクタンスが可変なリアクトルが記載されている。リアクタンスが可変なリアクトルを分路リアクトルに用いると、電力系統の無効電力を動的に調整することができ、これにより電力系統の電圧を動的に調整することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１６２９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
直流き電の電力系統においては、電車線電圧を調整することで電力潮流を制御できるため、この電圧調整を適切に行うことで省エネルギーが可能である。その際、電圧を調整するための装置の設置スペースと製造コストとが、なるべく小さくて済むことが好ましい。
直流き電用の直流電力を生成する方法として、商用電力等の特別高圧あるいは高圧の三相交流電力を変圧器で降圧した後、整流して直流電力を生成する方法がある。さらに、整流にダイオードブリッジを用いる場合に直流電力のリプルを低減させるために、受電した三相交流を六相交流に変換する場合が一般的である。この六相交流は３０度位相の異なる２組の三相交流から構成される。
【０００６】
ここで、電圧を調整するための装置を変圧器二次側の交流電路に配置する方が、変圧器一次側の交流電路に配置するよりも、絶縁部材等や耐電圧試験を簡素化し、電路の離隔を小さくすることができ、この点で装置の設置スペースの省スペース化と製造コストの低減とを図ることができる。
一方、変圧器により三相交流から六相交流に変換されている場合、電圧を調整するための装置を３相毎に合計２台設置するよりも、６相用の装置を１台設置する方が、設置スペースの省スペース化と製造コストの低減とを図り易い。さらに、一般に電気機器は大容量となるほど高効率であるため、半分の容量の装置を２台設置するより１台で構成する方が、装置の損失も小さくなることが期待できる。
このため、１つの装置で六相交流の電圧を調整できることが好ましい。
【０００７】
本発明は、１つの装置で六相交流の電圧を調整することができるリアクトル、電力変換システム及び交通システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、リアクトルは、強磁性体からなる３つの脚部と、前記脚部毎に１つずつ巻かれて三相交流電流が流れる第一主巻線と、前記３つの脚部のうち２つの脚部の組合せ毎に当該２つの脚部に亘って巻かれて、前記第一主巻線を流れる三相交流電流と位相がずれた三相交流電流が流れる第二主巻線と、前記脚部に巻かれて直流電流が流れる制御巻線と、を備える。
【０００９】
前記第一主巻線の巻数と前記第二主巻線の巻数との比が√３対２を丸めた比であり、第一主巻線を流れる三相交流電流と第二主巻線を流れる三相交流電流との位相差が３０度であってもよい。
【００１０】
前記脚部の各々は強磁性体からなる２つの脚を備え、前記第一主巻線及び前記第二主巻線は、いずれも前記２つの脚それぞれの周りに、かつ脚毎に異なる巻方向で巻かれ、前記制御巻線は、前記２つの脚をまとめて囲むように巻かれていてもよい。
【００１１】
前記脚部の各々は強磁性体からなる２つの脚を備え、前記第一主巻線及び前記第二主巻線は、いずれも前記２つの脚をまとめて囲むように巻かれ、前記制御巻線は、前記２つの脚交互に当該脚の周りに、かつ脚毎に異なる巻方向で巻かれていてもよい。
【００１２】
本発明の第２の態様によれば、電力変換システムは、互いに３０度位相がずれた２つの三相交流電力を出力する整流器用変圧器と、前記整流器用変圧器からの前記２つの三相交流電力が流れる前記のいずれかのリアクトルと、前記リアクトルを経由した前記２つの三相交流電力を直流電力に変換して負荷側へ出力する整流器と、を備える。
【００１３】
本発明の第３の態様によれば、交通システムは、前記の電力変換システムと、前記電力変換システムとの組み合わせにて、き電回路を構成する電車線路および帰線路と、前記電力変換システムからの電力を前記電車線路および帰線路から集電して前記軌道を走行する車両と、を備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、１つの装置で六相交流の電圧を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る電力変換システムの機能構成を示す概略ブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電力変換システムの構成例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る整流器の出力電力における電圧降下の例を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係る電圧調整装置におけるリアクトルの鉄心と制御巻線と主巻線との配置の例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る鉄心の構成例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る巻線の結線例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る主巻線の第１部分及び第２部分の配置例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る制御巻線の配置及び巻方向の例を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る制御巻線の１巻毎に手前側の脚と奥側の脚との両方の周りを巻く配線の第１例を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る制御巻線の１巻毎に手前側の脚と奥側の脚との両方の周りを巻く配線の第２例を示す図である。
【図１１】電力変換における本実施形態の電力変換システムとは異なる構成の第一例を示す図である。
【図１２】図１１に示す構成による電圧降下の例を示すグラフである。
【図１３】図１１に示す構成の場合の、電車線路における電圧・電流分布の例を示す図である。
【図１４】本発明の実施形態に係る図２に示す構成の場合の、電車線路における電圧・電流分布の例を示す図である。
【図１５】電力変換における本実施形態の電力変換システムとは異なる構成の第二例を示す図である。
【図１６】電力変換における本実施形態の電力変換システムとは異なる構成の第三例を示す図である。
【図１７】電力変換における本実施形態の電力変換システムとは異なる構成の第四例を示す図である。
【図１８】電力変換における本実施形態の電力変換システムとは異なる構成の第五例を示す図である。
【図１９】本発明の実施形態に係る各主巻線の位相及び巻数の例を示す図である。
【図２０】本発明の実施形態に係る基準位相の主巻線電流の複素表示の例を示すグラフである。
【図２１】本発明の実施形態に係る３０度進み位相の主巻線電流の複素表示の例を示すグラフである。
【図２２】本発明の実施形態に係る基準位相巻線の電流によって主脚に印加される起磁力の複素表示の例を示すグラフである。
【図２３】本発明の実施形態に係る３０度進み位相巻線の電流によって主脚に印加される起磁力の複素表示の例を示すグラフである。
【図２４】本発明の実施形態に係る基準位相巻線の鎖交磁束の複素表示の例を示すグラフである。
【図２５】本発明の実施形態に係る３０度進み位相巻線の鎖交磁束の複素表示の例を示すグラフである。
【図２６】本発明の実施形態に係るリアクトルの正相等価回路の例を示す図である。
【図２７】本発明の実施形態に係る主巻線電流の例を示すグラフである。
【図２８】本発明の実施形態に係る小振幅領域における鉄心のヒステリシス曲線の例を示すグラフである。
【図２９】本発明の実施形態に係る大振幅領域における鉄心のヒステリシス曲線の例を示すグラフである。
【図３０】本発明の実施形態に係る制御電流の不足領域における鉄心のヒステリシス曲線の例を示すグラフである。
【図３１】本発明の実施形態に係る制御電流の中間領域における鉄心のヒステリシス曲線の例を示すグラフである。
【図３２】本発明の実施形態に係る制御電流の最大制御領域における鉄心のヒステリシス曲線の例を示すグラフである。
【図３３】本発明の実施形態に係る主回路電流とリアクタンス電圧降下との関係の例を示すグラフである。
【図３４】本発明の実施形態に係る整流器の出力電流と出力電圧との関係の例を示すグラフである。
【図３５】本発明の実施形態に係る電力変換システムの動作のシミュレーション結果の第一例を示すグラフである。
【図３６】本発明の実施形態に係る電力変換システムの動作のシミュレーション結果の第二例を示すグラフである。
【図３７】リアクトルの鉄心の磁化特性の例を示すグラフである。
【図３８】リアクトルの巻線を流れる電流とインダクタンスとの関係の例を示すグラフである。
【図３９】リアクトルの巻線を流れる電流と電圧降下との関係の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換システムの機能構成を示す概略ブロック図である。図１に示すように、電力変換システム１は、整流器用変圧器１００と、電圧調整装置２００と、制御装置３００と、整流器４００とを備える。
【００１７】
電力変換システム１は、変電所８００に設置されている。変電所８００は、電力変換システム１に加えて所内母線８１０と、変成器用遮断器８２０と、直流高速度遮断器８３０とを備える。
所内母線８１０は、第一電力経路Ｗ１１１によって商用電力系統７１０と接続されている。第一電力経路Ｗ１１１には、受電用遮断器７２０と電力量計７３０とが設けられている。整流器４００は、第五電力経路Ｗ１１５によって電車線９１０と接続されている。第五電力経路Ｗ１１５には直流高速度遮断器８３０が設けられている。また、整流器４００は、第六電力経路Ｗ１１６によってレール９２０と接続されている。
【００１８】
また、所内母線８１０と整流器用変圧器１００とが第二電力経路Ｗ１１２によって接続されており、第二電力経路Ｗ１１２には変成器用遮断器８２０が設けられている。整流器用変圧器１００と電圧調整装置２００とが第三電力経路Ｗ１１３によって接続されている。電圧調整装置２００と整流器４００とが第四電力経路Ｗ１１４によって接続されている。電圧調整装置２００と制御装置３００とが制御経路Ｗ１２１によって接続されている。
車両９３０は電車の走行車両であり、電車線９１０とレール９２０とを含んで構成される電車線路９０１から集電しながらレール９２０上を走行する。
【００１９】
商用電力系統７１０は、電力会社あるいは鉄道事業者自身の電力系統であり、例えば２２キロボルト（ｋＶ）三相交流電力など、特別高圧あるいは高圧の三相交流電力を送電する。商用電力系統７１０が送電する電力の一部が第一電力経路Ｗ１１１へ分流されて変電所８００へ供給される。
受電用遮断器７２０は、停電作業時や故障発生時等に商用電力系統７１０と変電所８００との間に流れる電流を遮断する。
電力量計７３０は、商用電力系統７１０から変電所８００への供給電力に対する電力料金計算用に、供給電力量を測定する。
【００２０】
所内母線８１０は、商用電力系統７１０から供給を受けた電力を変電所８００所内の変成器に分配する。例えば、所内母線８１０は、電力変換システム１の整流器用変圧器１００に加え、駅、信号通信設備及び機械室等が接続される高圧配電線に供される高配用変圧器や、変電所内の制御電源を供給する制御用変圧器など整流器用変圧器１００以外の変圧器へも電力を分配する。電力変換システム１への電力供給に関しては、所内母線８１０が商用電力系統７１０から受けた電力の一部が第二電力経路Ｗ１１２へ分流されて電力変換システム１の整流器用変圧器１００へ供給される。
変成器用遮断器８２０は、電力変換システム１を停止させる時や故障発生時等に、所内母線８１０から電力変換システム１を解列する。
【００２１】
電力変換システム１は、所内母線８１０から供給される特別高圧三相交流電力を変成し、得られた直流電力を第五電力経路Ｗ１１５経由にて電車線９１０へ供給する。直流高速度遮断器８３０は、故障発生時等に電車線９１０から電力変換システム１を解列する。
電力変換システム１、第五電力経路Ｗ１１５、直流高速度遮断器８３０、電車線９１０、レール９２０、及び、第六電力経路Ｗ１１６の組合せは、き電回路を構成する。レール９２０を流れる帰線電流は、第六電力経路Ｗ１１６を経由して整流器４００へ戻る。
【００２２】
電力変換システム１内では、整流器用変圧器１００は、供給される特別高圧三相交流電力を降圧する。整流器用変圧器１００が降圧した電力は、第三電力経路Ｗ１１３を経由して電圧調整装置２００へ入力される。電圧調整装置２００の電圧降下は、制御装置３００の制御により調整することができる。制御装置３００は、例えば電圧目標値と整流器４００の出力電圧測定値とのフィードバック制御にて電圧調整装置２００による電圧降下を自動制御する。電圧調整装置２００が電圧調整した交流電力は、第四電力経路Ｗ１１４を経由して整流器４００へ入力される。整流器４００は、入力された交流電力を整流し、得られた直流電力を、第五電力経路Ｗ１１５と第六電力経路Ｗ１１６とを経由して電車線９１０とレール９２０とへ供給する。
制御経路Ｗ１２１は、制御装置３００から電圧調整装置２００への制御電力の伝達経路である。
【００２３】
なお、電力変換システム１と電車線路９０１と車両９３０との組み合わせは交通システムにより異なる。図１の交通システムは架空集電式の普通鉄道の一例であり、電力変換システム１と電車線路９０１との組み合わせでき電回路を構成し、車両９３０に電力を供給する。車両９３０は、電力変換システム１からの電力を電車線路９０１の電車線９１０からパンタグラフを用いて集電し、車輪を用いてレール９２０に戻しながらレール９２０上を走行する。一方、モノレールや新交通システムなどでは第三軌条と第四軌条により電車線路を構成し、車両は集電靴を用いて集電しながらガイドウェイ上などを走行する。
電力変換システム１が電力を供給する交通システムは、軌道にレール９２０が設けられているものに限定されない。例えば、軌道がガイドウェイで構成されていてもよい。この場合、ガイドウェイは、車両９３０の進行方向に案内するものであればよく、特定の形態のものに限定されない。例えば、ガイドウェイが、車両９３０の走行領域の両側に設置された側壁として構成されていてもよい。また、例えば軌道が単一レールで構成されており、車両９３０の中央部でこれを挟み込む構成としていてもよい。
【００２４】
図２は、電力変換システム１の構成例を示す図である。
図２に示す例で、第二電力経路Ｗ１１２には、変成器用遮断器８２０に加えて断路器８２１が設けられている。変成器用遮断器８２０は、消弧機能を有しており、第二電力経路Ｗ１１２に通電している電流を遮断することができる。一方、断路器８２１は消弧機能を持たず、変成器用遮断器８２０が開放状態において、これを開放することで電力変換システム１を所内母線８１０から完全に切り離すことができる区分装置である。
【００２５】
図２の例で、整流器用変圧器１００は三相３巻線トランスを用いて構成されており、整流器用変圧器１００に入力される特別高圧の三相交流電力を降圧するとともに、３０度位相の異なる二組の三相交流から成る六相交流電力に変換する。
図２の例で、第三電力経路Ｗ１１３は、例えば六相バスダクト（Bus Duct）や高圧ケーブルを用いて構成され、整流器用変圧器１００が出力する六相交流電力を電圧調整装置２００へ供給する。また、第三電力経路Ｗ１１３は制御装置３００へ分岐しており、整流器用変圧器１００が出力する電力の一部を制御装置３００へ供給する。
【００２６】
図２の例で、電圧調整装置２００は、鉄心に制御巻線と主巻線とが巻かれたリアクトルとして構成されている。以下、鉄心に制御巻線と主巻線とが巻かれたリアクトルを磁束制御型可変リアクトルと称する。磁束制御型可変リアクトルでは、制御巻線に直流電流が流れることでリアクトルの特性が変化する。特に、磁束制御型可変リアクトルでは、制御巻き線に流れる電流に応じて漏れリアクタンスが変化し、出力における電圧降下率が変化する。ここでいう電圧降下率は、電流の増加に対する電圧の減少の割合である。
【００２７】
図３は、整流器４００の出力における電圧と電流との関係の例を示すグラフである。電圧調整装置２００が電圧降下させることで、整流器４００の出力電圧が降下する。
図３のグラフの横軸は整流器４００の出力電流を示す。縦軸は、整流器４００の出力電圧を示す。電流Ｉ１１は定格電流を示す。
線Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３は、それぞれ整流器４００の出力電流と出力電圧との関係を示す。線Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３それぞれの傾きが電圧降下率に対応している。電圧降下率の大きな順に、線Ｌ１３、Ｌ１２、Ｌ１１である。
【００２８】
図４は、電圧調整装置２００におけるリアクトルの鉄心と制御巻線と主巻線との配置の例を示す図である。図４は、鉄心及び巻線を上から見た場合の断面図の例を示している。
図４の例で、５本の脚２１１を有する２つの磁心２１０が、各脚２１１が対向するように平行に配置されている。５本の脚２１１のうち、両端以外の３本の脚２１１は巻線を巻かれる脚である。
【００２９】
両端の２本の脚２１１は、磁束が流れる経路の一部を構成する。両端の２本の脚２１１が設けられていることで、制御巻線が作る磁束の帰路を構成する。巻線を巻かれる脚２１１とそれ以外の脚２１１とを区別する場合、５本の脚２１１のうち巻線を巻かれる３本の脚２１１を主脚と称し、両端の２本の脚２１１を側脚と称する。主脚は、リアクトルの鉄心の例に該当する。
磁心２１０として、非線形の強磁性材料を用い、例えば電磁鋼を用いた鉄心を用いる。あるいは、磁心２１０の材料としてフェライトまたはアモルファス合金などを用いてもよい。
【００３０】
対向する２本の主脚を１組として、制御巻線２２１及び主巻線２３１が巻かれる。対向する２本の主脚の組合せを脚部２１２と称する。
図４の例では、制御巻線２２１は、主脚である脚２１１の各々の周りに巻かれており、対向する２本の主脚の周りに巻かれている制御巻線２２１同士が電気的に接続されている。例えば、１本の巻線が、対向する２本の主脚に亘ってそれぞれの主脚の周りに巻かれて制御巻線を構成していてもよい。主巻線２３１は、２本の主脚をまとめて囲むように、制御巻線２２１よりも外側に巻かれている。
【００３１】
制御巻線２２１に電流を流すことでリアクタンスが減少し、整流器４００における電圧降下率が減少する。制御巻線２２１に流す電流（制御電流）の大きさを調整することで、図３に例示するように電圧降下率の大きさを調整することができる。制御電流が大きいほど、電圧降下率が小さくなる。
電圧調整装置２００が備える２つの磁心２１０を区別する場合、手前側磁心２１０ａ、奥側磁心２１０ｂと称して両者を区別する。例えば、図４の２つの磁心２１０のうち下側の磁心２１０を手前側磁心２１０ａと称し、上側の磁心２１０を奥側磁心２１０ｂと称する。脚及び巻線についても、例えば手前側の脚２１１のように、手前側、奥側と呼んで区別する。
【００３２】
図５は、磁心２１０の構成例を示す図である。図５は、磁心２１０を水平方向から見た外形の例を示している。
図５に示す磁心２１０は、５本の脚２１１と、これら５本の脚２１１を挟むように設けられた２つの継鉄２１３とを備える。
図４を参照して説明したように、５本の脚２１１のうち両端以外の３本の脚２１１は、巻線を巻かれる脚（主脚）である。これら３本の主脚をさらに区別する場合、Ｕ相脚２１１Ｕ、Ｖ相脚２１１Ｖ、Ｗ相脚２１１Ｗと表記する。また、２本の側脚に符号２１１Ｙを付して側脚２１１Ｙと表記する。
電圧調整装置２００では、２つの磁心２１０は、Ｕ相脚２１１Ｕ同士、Ｖ相脚２１１Ｖ同士、Ｗ相脚２１１Ｗ同士、側脚２１１Ｙ同士がそれぞれ対向するように配置されて脚部を構成している。
【００３３】
図５に示す磁心２１０は、３相変圧器等に用いられる５脚鉄心の形状をしている。このように３相の機器に用いられる鉄心と同型の鉄心ないし磁心を用いることで、電圧調整装置２００の設計及び製造の際に、３相の機器の設計の一部及び部品の一部を流用できる場合がある。３相の機器から設計及び部品を流用することで、電圧調整装置２００の設計コスト及び製造コストの低減につながる。
【００３４】
また、３相変圧器等に用いられる鉄心と同型の鉄心ないし磁心を用いることで、３相変圧器用の既存の製造ラインを電圧調整装置２００の製造に用いることができる場合がある。３相変圧器用の既存の製造ラインを電圧調整装置２００の製造に用いることで、電圧調整装置２００の製造コストの低減につながる。
【００３５】
図６は、巻線の結線例を示す図である。図６は、制御巻線、主巻線それぞれの結線の例が示されている。
図４を参照して説明したように、主脚に制御巻線２２１と主巻線２３１とが巻かれる。主巻線２３１は、整流器用変圧器１００から整流器４００への電力が流れる巻線である。制御巻線は、図３を参照して説明した電圧降下（電圧降下率）を調整するための制御電流が流れる巻線である。
電圧調整装置２００には、６相分（二組の三相交流）の主巻線が設けられる。６相分の主巻線のうち一方の３相分は直列結線で構成され、残りの３相分は千鳥結線で構成される。
【００３６】
直列結線は、ひとつながりの電線（銅線、アルミ線など）による巻線を２つの部分に分けた第１部分と第２部分とが同一の主脚に設けられる巻線である。
図６の場合、主巻線Ｕ１−Ｘ１、Ｖ１−Ｙ１及びＷ１−Ｚ１が直列結線の主巻線２３１の例に該当する。主巻線Ｕ１−Ｘ１では、２つの部分である第１部分２３１ａ、第２部分２３１ｂのいずれもＵ相脚２１１Ｕに設けられる。主巻線Ｖ１−Ｙ１では、２つの部分である第１部分２３１ａ、第２部分２３１ｂのいずれもＶ相脚２１１Ｖに設けられる。主巻線Ｗ１−Ｚ１では、２つの部分である第１部分２３１ａ、第２部分２３１ｂのいずれもＷ相脚２１１Ｗに設けられる。
【００３７】
直列結線の主巻線２３１は、第一主巻線の例に該当する。直列結線の主巻線２３１の第１部分と第２部分とが同一の主脚に設けられることで、脚部２１２毎に１つずつ直列結線の主巻線２３１が巻かれている。また、直列結線の主巻線２３１には、後述する基準位相の三相交流電流が流れる。
【００３８】
千鳥結線は、ひとつながりの電線による巻線を２つの部分に分けた第１部分と第２部分とが異なる主脚に設けられる巻線である。
図６の場合、主巻線Ｕ２−Ｘ２、Ｖ２−Ｙ２及びＷ２−Ｚ２が千鳥結線の主巻線２３１の例に該当する。主巻線Ｕ２−Ｘ２では、２つの部分のうち第１部分２３１ａがＵ相脚２２１Ｕに設けられ、第２部分がＶ相脚２２１Ｖに逆位相となるよう設けられる。主巻線Ｖ２−Ｙ２では、２つの部分のうち第１部分がＶ相脚２２１Ｖに設けられ、第２部分がＷ相脚２２１Ｗに逆位相となるよう設けられる。主巻線Ｗ２−Ｚ２では、２つの部分のうち第１部分がＷ相脚２２１Ｗに設けられ、第２部分がＵ相脚２２１Ｕに逆位相となるよう設けられる。
【００３９】
千鳥結線の主巻線２３１は、第二主巻線の例に該当する。千鳥結線の主巻線２３１の第１部分と第２部分とが異なる主脚に設けられることで、３つの脚部２１２のうち２つの脚部２１２の組合せ毎に当該２つの脚部２１２に亘って千鳥結線の主巻線２３１が巻かれている。また、千鳥結線の主巻線２３１には、後述する３０度（°）進み位相の三相交流電流が流れる。
【００４０】
制御巻線２２１は、３つの主脚のそれぞれに直列結線で設けられる。図６では、制御巻線Ｆ１−Ｆ２として示されている。制御巻線Ｆ１−Ｆ２は、制御巻線２２１の例に該当する。制御巻線Ｆ１−Ｆ２は、手前側鉄心２１０ａ（Ｕ、Ｖ、Ｗの３脚の直列接続）に設けられた正位相の第１部分２２１ａ、奥側鉄心２１０ｂ（Ｕ、Ｖ、Ｗの３脚の直列接続）に設けられた逆位相の第２部分２２１ｂの直列接続として構成される。制御巻線Ｆ１−Ｆ２は、機器全体で１つのみ設けられる。
【００４１】
以下では、主巻線Ｕ１−Ｘ１を流れる電流をＩＵ１と表記する。主巻線Ｖ１−Ｙ１を流れる電流をＩＶ１と表記する。主巻線Ｗ１−Ｚ１を流れる電流をＩＷ１と表記する。主巻線Ｕ２−Ｘ２を流れる電流をＩＵ２と表記する。主巻線Ｖ２−Ｙ２を流れる電流をＩＶ２と表記する。主巻線Ｗ２−Ｚ２を流れる電流をＩＷ２と表記する。
【００４２】
図７は、主巻線の第１部分及び第２部分の配置例を示す図である。
図７では、Ｕ相脚２１１Ｕ、Ｖ相脚２１１Ｖ、Ｗ相脚２１１Ｗそれぞれに主巻線２３１の第１部分２３１ａと第２部分２３１ｂとが示されている。
図６を参照して説明したように、直列結線、千鳥結線のいずれの場合も、第１部分及び第２部分の両方に亘って主巻線を配置する。例えば、直列結線の主巻線２３１を内側に配置、その外側に千鳥結線の主巻線２３１を配置するなど、各部分に直列結線の巻線と千鳥結線の巻線との両方を配置するようにしてもよい。
【００４３】
あるいは、直列結線の主巻線２３１と千鳥結線の主巻線２３１とを主脚の別々の部分に配置するようにしてもよい。例えば、図７の第１部分２３１ａの位置に直列結線の主巻線２３１を配置し、第２部分２３１ｂの位置に千鳥結線の主巻線２３１を配置するようにしてもよい。この場合、第２部分２３１ｂを更に２つに分けて、千鳥結線の主巻線２３１の各々を２つの主脚に亘って配置する。
【００４４】
ここで、制御巻線２２１に必要となる絶縁性能が端子Ｆ１〜Ｆ２間の発生電圧より高い値となる可能性があり、これに対して対策を講じることができる。この点について、図８〜図１０を参照して説明する。
図８は、制御巻線の配置及び巻方向の例を示す図である。上述したように、図８の下側の磁心２１０を手前側磁心２１０ａ、上側の磁心２１０を奥側磁心２１０ｂと称する。脚及び制御巻線についても、図の下側を手前側と称し、図の上側を奥側と称して区別する。
【００４５】
図８では、手前側の脚２１１の周りに手前側の制御巻線２２１が配置され、奥側の脚２１１の周りに奥側の制御巻線２２１が配置され、手前側の制御巻線２２１と奥側の制御巻線２２１とが直列結線されている。手前側の制御巻線２２１は、図で左巻きに巻かれ、奥側の制御巻線２２１は、図で右巻きに巻かれており、逆位相となるよう構成されている。手前側の制御巻線２２１と奥側の制御巻線２２１は、主巻線の正負位相で特性が等しくなるよう、同じ巻数となるよう構成される。矢印Ｂ１１は、手前側の制御巻線２２１の巻方向を示している。矢印Ｂ１２は、奥側の制御巻線２２１の巻方向を示している。
また、これら２つの制御巻線２２１をまとめて囲むように主巻線２３１が配置されている。
【００４６】
ここで、制御巻線２２１と主巻線２３１とを比較すると、主巻線２３１を流れる電流の方が大きく、主巻線２３１の方が制御巻線２２１よりも太く設計される。一方、巻数に関しては、制御巻線２２１の巻数の方が主巻線２３１の巻数よりも多く設計される。
この巻数の違いにより、制御巻線の主脚毎の誘導起電力を考えた場合、手前側の制御巻線２２１の誘導起電力、奥側の制御巻線２２１の誘導起電力の各々が主巻線の誘導起電力に比べて高くなる。例えば、主巻線２３１の最大の誘導起電力が４００ボルト（Ｖ）である機器を設計する場合、制御巻線２２１と主巻線２３１との巻数の比が５０：１程度となる場合があり、手前側および奥側の制御巻線２２１の主脚毎の誘導起電力は２０キロボルト（ｋＶ）程度になることが考えられる。
【００４７】
図８に示すように手前側と奥側とで制御巻線２２１が逆位相で直列接続されているため、両者に逆向きの誘導起電力が生じて打ち消し合うため、手前側と奥側との制御巻線２２１全体の誘導起電力は小さくなり、制御巻線２２１の自己インダクタンスと巻線抵抗のみによる小さな電圧のみが残る。しかし、個々の制御巻線２２１の誘導起電力は、上記のように高くなり、制御巻線２２１の絶縁性能はこの値に見合った高いレベルが必要となる。絶縁性能が高くなると、絶縁部材や機器全体の体格の大型化、耐圧試験の大規模化（試験電圧の上昇、試験項目の追加）に繋がり、結果製造コストも高くなる。
【００４８】
これに対し、制御巻線２２１の１巻毎など少ない巻数毎に、手前側の制御巻線２２１と奥側の制御巻線２２１とを直列接続することで、それぞれの脚２１１での誘導起電力の打ち消しを行い、主脚全体で制御巻線２２１に生じる誘導起電力を小さくすることができる。
図９は、制御巻線２２１の１巻毎に手前側の脚２１１と奥側の脚２１１との両方の周りを巻く巻線構成の第１例を示す図である。
図９の例で、制御巻線２２１は、手前側（図８の下側）の脚２１１と奥側（図８の上側）の脚２１１とに８の字に巻かれている。具体的には、制御巻線２２１は、手前側の脚２１１に図で左回りに巻かれた後、奥側の脚２１１に図で右回りに巻かれている。すなわち、制御巻線２２１は、手前側の脚２１１と奥側の脚２１１とに交互に当該脚２１１の周りに、かつ脚２１１毎に異なる巻方向で巻かれている。
なお、主巻線は、図８に示すように、手前側の脚２１１と奥側の脚２１１とをまとめて囲むように巻かれる。
【００４９】
このように、制御巻線２２１の手前側の脚２１１での巻と奥側の脚２１１での逆向きの巻とを交互に繰り返すことで、それぞれの脚２１１での誘導起電力が打ち消し合う。これによって図９の例では、図８の場合とは異なり個々の制御巻線２２１の両端電圧が小さくなり、制御巻線２２１の絶縁性能を必要最小限とすることができる。図９に例示する巻線構成によれば、このように絶縁性能を必要最小限とすることができる点で、電圧調整装置２００を小さく、耐圧試験も小規模とすることができる。
図９では、脚２１１が円柱形状（脚２１１の断面が円形）である場合の例を示しているが、脚２１１の形状は特定の形状に限定されない。脚２１１の形状は、図８の例と同様に四角柱状であってもよいし、他の形状であってもよい。
【００５０】
図１０は、制御巻線２２１の１巻毎に手前側の脚２１１と奥側の脚２１１との両方の周りを巻く巻線構成の第２例を示す図である。図１０の例でも、図の下側を手前側と称し、図の上側を奥側と称して、磁心２１０、脚２１１、及び、主巻線２３１を区別する。
図１０の例では、制御巻線２２１と主巻線２３１との配置が、内側と外側とで図８の場合と逆になっている。図１０では、直列結線の主巻線２３１、千鳥結線の主巻線２３１のいずれも、手前側の脚２１１、奥側の脚２１１それぞれの周りに、かつ、手前側と奥側とで異なる巻方向で巻かれている。
【００５１】
具体的には、手前側の脚２１１の周りに手前側の主巻線２３１が配置され、奥側の脚２１１の周りに奥側の主巻線２３１が配置され、手前側の主巻線２３１と奥側の主巻線２３１とが結線されている。手前側の主巻線２３１は、図で左巻きに巻かれ、奥側の主巻線２３１は、図で右巻きに巻かれている。矢印Ｂ２１は、手前側の主巻線２３１の巻方向を示している。矢印Ｂ２２は、奥側の主巻線２３１の巻方向を示している。
また、これら２つの主巻線２３１をまとめて囲むように制御巻線２２１が配置されている。
【００５２】
図１０の配線では、手前側の主巻線２３１と奥側の主巻線２３１とが逆向きに巻かれていることで、手前側の脚２１１と奥側の脚２１１とで主巻線電流による起磁力が逆方向に生じる。これにより、制御巻線２２１に鎖交する主巻線による磁束は非常に小さくなる。そのため、主巻線電流により制御巻線２２１に発生する誘導起電力は非常に小さくなる。制御巻線２２１の電圧が小さくなることで制御巻線２２１の絶縁性能を必要最小限とすることができ、この点で、電圧調整装置２００を小さく、耐圧試験も小規模とすることができる。
【００５３】
図２に戻って、制御装置３００は、ＡＣ／ＤＣコンバータを用いて構成され、整流器用変圧器１００から供給される交流電力を直流電力に変換し、電圧調整装置２００の制御巻線に制御電流を供給するため、制御経路Ｗ１２１を介して電圧調整装置２００へ直流電流を流す。この電流は、制御装置３００が電圧調整装置２００を制御するための制御信号の例に該当する。
制御装置３００は、出力する直流電流の大きさを調整可能である。制御装置３００は、例えば整流器４００からの出力電圧の測定値と電圧目標値との偏差に基づいて制御巻線に流す電流の大きさを調整することで、電力変換システム１の出力電圧をフィードバック制御する。
【００５４】
図２の例で、第四電力経路Ｗ１１４は、例えば第三電力経路Ｗ１１３と同様にバスダクトを用いて構成され、電圧調整装置２００が出力する六相交流電力を整流器４００へ供給する。
図２の例で、整流器４００は、ダイオードブリッジを用いた全波整流回路を用いて構成され、電圧調整装置２００から供給される六相交流電力を直流電力に変換して出力する。整流器４００では、六相交流電力をダイオードブリッジで整流することで電力周波数1周期あたり１２パルスのリプルを持つ直流電力を得られる。この直流電力を平滑化することで、整流器４００は、リプル（Ripple）の比較的小さい直流電流を得られる。
図１を参照して説明したように、第五電力経路Ｗ１１５は、整流器４００が出力する直流電流を電車線９１０へ供給する。第六電力経路Ｗ１１６は、レール９２０を流れる帰線電流を整流器４００へ戻す。
【００５５】
ここで、電力変換システム１との比較のため、電力変換システム１とは異なる構成による電力変換について説明する。
図１１は、電力変換における電力変換システム１とは異なる構成の第一例を示す図である。図１１の構成の各部のうち、図２の構成の各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号（１００、４００、７１０、８２０、８２１）を付して説明を省略する。
【００５６】
図１１の例では、電圧調整装置２００及び制御装置３００が無く、整流器用変圧器１００と整流器４００とが直結されている点で図２の場合と異なる。かかる相違により、図１１の例では電圧の調整は行われず、電車線９１０における電圧は、商用電力の供給状況、及び、負荷である車両９３０の状況等の条件によって定まる。
以下、図１１の構成を有する変電所を変電所１００１と称する。
【００５７】
図１２は、図１１に示す構成による電圧降下の例を示すグラフである。図１２のグラフの横軸は整流器４００からの出力電流を示す。縦軸は、整流器４００からの出力電圧を示す。
線Ｌ１１１は、整流器４００からの出力電流と出力電圧との関係を示す。電流Ｉ１１は定格電流を示す。電圧Ｖ１１は定格電圧を示す。図１１に示す構成では、例えば定格電流出力時に出力電圧が定格電圧となるよう調整される。
【００５８】
図１３は、図１１に示す構成の場合の、電車線９１０及びレール９２０における線間電圧（き電電圧）分布の例を示す図である。
図１３の例では、電車線９１０に電力を供給する３つの変電所１００１が配置されている。これらの変電所１００１に、符号１００１ａ、１００１ｂ及び１００１ｃを付して区別する。また、図１３の例では、２つの車両９３０が示されている。これらの車両９３０に、符号９３０ａ及び９３０ｂを付して区別する。
【００５９】
また、図１３では、電車線９１０及びレール９２０における電圧分布及び電流分布がグラフで示されている。電圧分布のグラフの横軸は、電車線９１０及びレール９２０を含んで構成される軌道における位置を示す。縦軸は、電車線９１０とレール９２０との間における電圧（電位差）を示す。電車線９１０とレール９２０との間における電圧をき電電圧と称する。電圧Ｖ１１は定格電圧を示す。線Ｌ１２１は、軌道における位置毎のき電電圧を示す。
電流分布のグラフの横軸は、電車線９１０及びレール９２０を含んで構成される軌道における位置を示す。縦軸は、電車線９１０における電流を示す。電車線９１０における電流をき電電流と称し、レール９２０における電流を帰線電流と称する。線Ｌ１２２は、軌道における位置毎のき電電流を、右向きを正として示す。帰線電流は一般にき電電流に対して負の相関を持つが、上下線のレール９２０の分流や大地への漏れ電流などの影響により複雑であり、単純にき電電流を逆転した値とはならない。
【００６０】
変電所１００１ａ、１００１ｂ、１００１ｃは異なる出力電流を電車線９１０に流しており、それぞれの整流器４００の出力電圧は異なるが、この違いは電車線９１０及びレール９２０での電圧降下に比べて十分小さい。そのため、電車線９１０に変電所１００１ａ、１００１ｂ、１００１ｃが接続している位置のいずれも同じ電圧Ｖ１１として図示している。
車両９３０ａは回生車であり、車両９３０ｂは力行車である。ここでいう回生車は、回生ブレーキにより制動を行っている車両９３０である。力行車は、力行している車両９３０である。車両９３０ａは、回生電力を電車線９１０に放出している。これにより、車両９３０ａの位置で電車線９１０の電圧が上昇している。また、車両９３０ｂは電車線９１０から電力を取得しており、車両９３０ｂの位置で電車線９１０の電圧が低下している。
【００６１】
電流分布のグラフに示すように、車両９３０ａからの回生電流、変電所１００１ｂからの電流のいずれも、車両９３０ｂへ流れている。但し、車両９３０は回生時の出力電圧の上限値が定められているため、車両９３０ａの位置における電圧と変電所１００１ｂが接続している位置における電圧との差を一定以上大きくすることができず、車両９３０ａからの回生電流はあまり流れておらず、車両９３０ｂへの電流のほとんどは変電所１００１ｂから供給されている。
車両９３０ａから車両９３０ｂへの回生電力の潮流量を向上させることが、回生電力の有効活用の観点から好ましい。
【００６２】
図１４は、図２に示す構成の場合の、電車線９１０における電圧分布の例を示す図である。
図１４の例では、電車線９１０に電力を供給する３つの変電所８００が配置されている。これらの変電所８００に、符号８００ａ、８００ｂ及び８００ｃを付して区別する。また、図１３に示される２つの車両９３０に、図１３の場合と同じく符号９３０ａ及び９３０ｂを付して区別する。図１３の場合と同じく、車両９３０ａは回生車であり、車両９３０ｂは力行車である。
【００６３】
また、図１４でも、図１３の場合と同様、電車線９１０における電圧分布及び電流分布がグラフで示されている。グラフの横軸及び縦軸は、図１３の場合と同様である。線Ｌ１３１は、軌道における位置毎の電圧を示す。線Ｌ１３２は、軌道における位置毎の電流を示す。
電車線９１０に変電所８００ａ、８００ｃが接続している位置の電圧は同じ値になっている。一方、図１３の場合とは異なり、電車線９１０に変電所８００ｂが接続している位置の電圧は、これらよりも低くなっている。
【００６４】
この電圧分布は、図３に示される電圧降下率の制御によってもたらされる。変電所８００ａ及び８００ｃでは、制御装置３００は、例えば定格電圧を目標電圧値として電圧調整装置２００を制御する。これにより、変電所８００ａ及び８００ｃにおいて、整流器４００から、出力電流が一定以上の領域では定格電圧が出力される。
【００６５】
一方、変電所８００ｂでは、制御装置３００は、目標電圧値を変電所８００ａ及び８００ｃよりも低く設定して電圧調整装置２００を制御する。これにより、変電所８００ｂでは、整流器４００からは出力電流が一定以上の領域であれば定格電圧よりも低い電圧が出力される。
【００６６】
電流分布のグラフに示すように、車両９３０ａからの回生電流、変電所１００１ｂからの電流のいずれも、車両９３０ｂへ流れている。また、変電所８００ｂが接続している位置における電圧が定格電圧よりも低下していることで、車両９３０ａの位置における電圧と変電所８００ｂが接続している位置における電圧との差が図１３の例の場合よりも大きくなっている。これにより、車両９３０ａから車両９３０ｂへ流れる回生電流は、図１３の場合よりも多くなっている。この点で、図１４の例では図１３の場合よりも回生電力を有効活用できている。
【００６７】
例えば、制御装置３００が、運行管理システムまたは電力管理システム等を介して車両９３０の位置情報及び負荷情報を取得する。そして、制御装置３００は、図１４の例のように回生車９３０ａと力行車９３０ｂとの位置関係から、制御装置３００自らを備える変電所８００が電車線９１０に接続している接続位置を跨いで回生電流を流す必要があるか否かを判定する。
制御装置３００自らを備える変電所８００の電車線９１０への接続位置を跨いで回生電流を流す必要がないと判定した場合、制御装置３００は、この接続位置の電圧が例えば定格電圧になるように制御することで、車両９３０を安定的に走行させる。
一方、制御装置３００自らを備える変電所８００の電車線９１０への接続位置を跨いで回生電流を流す必要があると判定した場合、制御装置３００は、この接続位置の電圧を下げるように制御することで、回生電流を流れやすくする。
【００６８】
変電所の出力電圧を制御するための構成は、図１及び図２に示す構成以外にも考えられる。ここで、図２に示す構成にて得られる効果を説明するために、他の構成及びその課題について説明する。
図１５は、電力変換における電力変換システム１とは異なる構成の第二例を示す図である。図１５の構成の各部のうち、図２の構成の各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号（１００、４００、７１０、８２０、８２１）を付して説明を省略する。
【００６９】
図１５の例では、所内母線８１０に対し、図１１に示す構成と並列に、無効電力補償装置１０１２が設けられている。所内母線８１０と無効電力補償装置１０１２との間には、図１１の構成と同様の変成器用遮断器８２０及び断路器８２１と、無効電力の大きさを制御するための開閉装置（例えば、半導体による双方向スイッチ、あるいは交流遮断器等で構成）１０１１とが設置されている。
無効電力補償装置１０１２が、所内母線８１０の無効電力を消費あるいは供給することで母線電圧を直接制御することができる。
【００７０】
図１５に示す構成では、無効電力補償装置１０１２は、例えば２２キロボルトなどの短絡容量の大きな特別高圧母線である所内母線８１０に設けられている。かかる特別高圧に対応した絶縁性能、さらに大きな短絡容量に適合した大型のリアクトルやコンデンサが必要で、無効電力補償装置１０１２が大型の装置となり、製造コスト及び設置スペースを要する。
一方、図２の構成では、電圧調整装置２００は、整流器用変圧器１００が降圧した高圧の電力の入力を受けるので、特別高圧の装置に比べ軽微な絶縁性能の装置とすることができる。また、整流器４００の容量に見合った必要最小限の容量で十分となる。これらの点で、電圧調整装置２００の製造コストを比較的安くすることができ、また、電圧調整装置２００の設置スペースが比較的小さくて済む。
【００７１】
図１６は、電力変換における電力変換システム１とは異なる構成の第三例を示す図である。図１６の構成の各部のうち、図２の構成の各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号（１００、４００、７１０、８２０、８２１）を付して説明を省略する。
図１６の例では、図１１に示す構成に加えて、整流器用変圧器１００と変成器用遮断器８２０との間に負荷時タップチェンジャ１０２１が設けられている。負荷時タップチェンジャ１０２１は、整流器用変圧器１００が通電中でも動作可能であり、負荷時タップチェンジャ１０２１の動作により整流器用変圧器１００の変圧比を切り替えることで、整流器４００の出力電圧を段階的に制御することができる。
【００７２】
負荷時タップチェンジャは、一般に制御が低速（数秒オーダ）であり、電車の運行に合わせて電車線９１０への出力電圧を切り替える用途には適さない。また、負荷時タップチェンジャには２０万回程度の動作回数による寿命があるため、設備の期待寿命を３０年と想定すれば例えば１日１０回程度の切替に留めることが好ましい。この点でも、負荷時タップチェンジャを用いた図１６の構成は、電車の運行に合わせて電車線９１０への出力電圧を切り替える用途には適さない。さらに、負荷時タップチェンジャを適用する場合、整流器用変圧器１００をこれに適用可能な特殊仕様とする必要があり、負荷時タップチェンジャ１０２１自身も特別高圧の開閉器であるため大型となる。
これに対し、図２の構成では、電圧調整装置２００に流す制御電流を変えることで出力電圧を変えることができる。図２の構成では、機械的な切替を行う必要がない点で、高速かつ連続的な電圧調整が可能であり、また、半導体電力変換を用いるため電圧調整回数の制約がない。また、電圧調整装置２００は、汎用の整流器用変圧器を適用可能であり、追加的な特別高圧設備も不要であるため、全体の機器体格が比較的小さく済む。
【００７３】
図１７は、電力変換における電力変換システム１とは異なる構成の第四例を示す図である。図１７の構成の各部のうち、図２の構成の各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号（１００、４００、７１０、８２０、８２１）を付して説明を省略する。
図１７の例では、図１１に示す構成に加えて、所内母線８１０から見て図１１の構成と並列に、整流器用変圧器１００及び自励式整流器１０３１（サイリスタ整流器等で構成）が設けられている。整流器用変圧器１００及び自励式整流器１０３１と所内母線８１０との間には、図１１の構成と同様、変成器用遮断器８２０及び断路器８２１が設けられている。
【００７４】
整流器４００と自励式整流器１０３１の直流出力は直列に接続され、整流器４００の出力電圧と自励式整流器１０３１の出力電圧とが加算された電圧が、電車線９１０に供給される。
また、整流器４００及び自励式整流器１０３１の出力側には、バイパス断路器１０３２と、リアクトル１０３３と、平滑コンデンサ１０３４とが設けられている。サイリスタ整流器を用いる適用形態では、リアクトル１０３３と平滑コンデンサ１０３４は省略されることがある。
かかる構成にて、自励式整流器１０３１におけるサイリスタの点弧角制御、あるいは自励式素子のＰＷＭ制御（Pulse Width Modulation Control、パルス幅変調制御）により電車線９１０への出力電圧を制御することができる。
【００７５】
図１７の構成では、整流器用変圧器１００が複数必要な点で、製造コストが高くなり、また、設置スペースが大きくなる。また、図１７の構成では、全負荷電流が補償回路素子に常時通電する点で、素子が大型化し、また、通電損失が大きくなる。さらに、電車線９１０での短絡故障時に流れる、最大５０キロアンペア（ｋＡ）程度の故障電流通電に見合った耐量を持つ大きな素子が必要となる。
これに対し、図２の構成では、整流器用変圧器１００が１つあればよく、この点で製造コストが安く、設置スペースが小さくて済む。また、図２の構成では、電車線９１０に接続される主回路には半導体素子は不要であり、可変リアクトルとして構成された電圧調整装置２００の制御巻線に接続された低圧回路に半導体素子が設けられるため、素子の大型化及び通電損失の増大を回避することができる。さらに、電圧調整装置２００では主巻線と制御巻線とが電磁的に直交し、電車線９１０での短絡電流通電の影響は制御巻線には現れないため、半導体素子の短絡耐量を小さくすることができる。
【００７６】
図１８は、電力変換における電力変換システム１とは異なる構成の第五例を示す図である。図１８の構成の各部のうち、図１７の構成の各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号（１００、７１０、８２０、８２１、１０３１、１０３３、１０３４）を付して説明を省略する。
図１７の構成と比較すると、図１８の構成では整流器用変圧器１００及び整流器４００の系統が無く、整流器用変圧器１００及び自励式整流器１０３１の系統で電車線９１０に必要な全電力変換を行う。
【００７７】
図１８の構成では、整流器用変圧器１００が特殊仕様（図１１の汎用品は適用できない）であり、また、自励式整流器１０３１では、必要な全電力変換に見合った大型の素子が必要であることから、製造コストが図１１の構成と比べて桁違いに高い。また、発生する高調波が大きくなるため、フィルタ設備（リアクトル１０３３、平滑コンデンサ１０３４、および、追加的な補償装置）が大型となり、これも製造コスト上昇をもたらす要因となる。
これに対し、図２の構成では、整流器用変圧器１００は汎用品が適用可能であり、また、電車線９１０に接続される主回路ではスイッチングを行わないため、フィルタ設備は大幅に簡略化（条件により省略も可能）でき、製造コストを大幅に圧縮することができる。
【００７８】
電圧調整装置２００についてさらに詳細に説明する。
まず、直列結線の主巻線と千鳥結線の主巻線との関係について説明する。
図１９は、各主巻線の位相及び巻数の設計の例を示す図である。図１９は、図６の結線例における主巻線２３１の各々の位相及び巻数を示している。
図１９では、直列結線の主巻線Ｕ１−Ｘ１、Ｖ１−Ｙ１、Ｗ１−Ｚ１は位相が１２０度ずつずれた対称三相交流を構成しており、これらの位相を基準位相とする。すなわち、主巻線Ｕ１−Ｘ１、Ｖ１−Ｙ１、Ｗ１−Ｚ１の位相角を、それぞれ０度、−１２０度、−２４０度とする。
直列結線の主巻線Ｕ１−Ｘ１の全体の巻数をＮとすると、第１部分、第２部分の巻数は、いずれもＮ／２と表される。主巻線Ｖ１−Ｙ１、Ｗ１−Ｚ１の各々も同様に、全体の巻数はＮと表され、第１部分、第２部分の巻数は、いずれもＮ／２と表される。
【００７９】
千鳥結線の主巻線Ｕ２−Ｘ２の位相は、直列結線の主巻線Ｕ１−Ｘ１の位相から３０度進んでおり、位相角は３０度となる。千鳥結線の主巻線Ｖ２−Ｙ２の位相は、直列結線の主巻線Ｖ１−Ｙ１の位相から３０度進んでおり、位相角は−９０度となる。千鳥結線の主巻線Ｗ２−Ｚ２の位相は、直列結線の主巻線Ｗ１−Ｚ１の位相から３０度進んでおり、位相角は−２１０度となる。千鳥結線の主巻線Ｕ２−Ｘ２、Ｖ２−Ｙ２、Ｗ２−Ｚ２の位相を３０度進み位相と称する。
【００８０】
直列結線の主巻線Ｕ１−Ｘ１の全体の巻数Ｎに対し、千鳥結線の主巻線Ｕ２−Ｘ２、Ｖ２−Ｙ２、Ｗ２−Ｚ２の全体の巻数はいずれも２Ｎ／√３である。千鳥結線の主巻線Ｕ２−Ｘ２、Ｖ２−Ｙ２、Ｗ２−Ｚ２の第１部分の巻数、第２部分の巻数は、いずれもＮ／√３である。
図１９に示した通り、直列結線の主巻線の巻数と千鳥結線の主巻線の巻数との比は√３対２と無理数になる。そこで、実際の機器設計では、これを整数に丸めた比としてもよい。ここでいう丸めとは、実数値を数直線上で最も距離の近い整数に変換することを指す。具体的には、丸めの計算として、小数点以下第一位を四捨五入してもよい。
あるいは、計算機の有効桁において小数点以下が丁度０．５である場合、四捨五入での小数点以下の繰り上げに代えて小数点以下を切り捨てる（繰り下げる）ようにしてもよい。小数点以下を繰り上げても繰り下げても整数までの距離は同じためである。
【００８１】
図１９に示す主巻線２３１の巻数は、誘導起電力（及びインダクタンス）が等しくなるように定められている。整流器４００が、この６相の交流をダイオードブリッジを用いて全波整流することで、基準位相と３０度進み位相の三相交流の電流分担を等しくできるため、脈動の小さい直流電力を得られる。
以下、図１９に示す位相及び巻数とした場合の磁気特性について説明する。
【００８２】
この場合の磁気特性を複素記号法で解析する。以下では、基本波成分の解析を行う。機器の概略設計においては、基本波成分のみの解析で十分である。
図２の構成で電圧調整装置２００は直列リアクトルであるから、電流源駆動として考える。主巻線の電流として、同じ実効値で位相が３０度異なる２つの対称三相交流を想定する。
直列結線の主巻線Ｕ１−Ｘ１、Ｖ１−Ｙ１、Ｗ１−Ｚ１の相を、それぞれＵ１、Ｖ１、Ｗ１と表記する。千鳥結線の主巻線Ｕ２−Ｘ２、Ｖ２−Ｙ２、Ｗ２−Ｚ２の相を、それぞれＵ２、Ｖ２、Ｗ２と表記する。
【００８３】
図２０は、直列結線の主巻線電流（基準位相）の複素表示の例を示すグラフである。図２０のグラフの横軸は実軸（Ｒｅ）を示す。縦軸は虚軸（Ｉｍ）を示す。
図２０では、基準位相の主巻線である主巻線Ｕ１−Ｘ１、Ｖ１−Ｙ１、Ｗ１−Ｚ１の電流が示されている。図６を参照して説明したように、主巻線Ｕ１−Ｘ１を流れる電流をＩＵ１と表記する。主巻線Ｖ１−Ｙ１を流れる電流をＩＶ１と表記する。主巻線Ｗ１−Ｚ１を流れる電流をＩＷ１と表記する。
図２０に示すように、電流ＩＵ１、ＩＶ１、ＩＷ１は、位相が１２０度ずつずれた同じ実効値（ノルム）を持つ電流である。
【００８４】
図２１は、千鳥結線の主巻線電流（３０度進み位相）の複素表示の例を示すグラフである。図２１のグラフの横軸は実軸を示す。縦軸は虚軸を示す。
図２１では、３０度進み位相の主巻線である主巻線Ｕ２−Ｘ２、Ｖ２−Ｙ２、Ｗ２−Ｚ２の電流が示されている。図６を参照して説明したように、主巻線Ｕ２−Ｘ２を流れる電流をＩＵ２と表記する。主巻線Ｖ２−Ｙ２を流れる電流をＩＶ２と表記する。主巻線Ｗ２−Ｚ２を流れる電流をＩＷ２と表記する。
【００８５】
図２１に示すように、電流ＩＵ２、ＩＶ２、ＩＷ２は、位相が１２０度ずつずれた同じ実効値の電流である。また、電流ＩＵ２、ＩＶ２、ＩＷ２は、それぞれ電流ＩＵ１、ＩＶ１、ＩＷ１よりも位相が３０度進んでいる。
これらの電流ＩＵ１、ＩＶ１、ＩＷ１、ＩＵ２、ＩＶ２、ＩＷ２の複素表示は、式１のように示される。
【００８６】
【数１】
2020031199.tif 000003
【００８７】
ここで、電流ＩＵ１を電流Ｉと表記している。ｅｘｐは指数関数である。また、ｊは虚数単位、πは円周率を示す。
Ｕ、Ｖ、Ｗの各相の主脚に印加される起磁力を算出する。
Ｕ相脚２１１Ｕに掛かる起磁力ＦＵは、この脚に巻かれた（鎖交する）巻線の電流と巻数の積（アンペアターン）の合計で求まる。Ｕ相脚２１１Ｕに巻かれている主巻線は、主巻線Ｕ１−Ｘ１の全部、主巻線Ｕ２−Ｘ２の半分、及び、主巻線Ｗ２−Ｚ２の半分である。主巻線Ｕ１−Ｘ１は、Ｎ回巻、電流ＩＵ１である。主巻線Ｕ２−Ｘ２の半分は、Ｎ／√３回巻、電流ＩＵ２である。主巻線Ｗ２−Ｚ２の半分は、−Ｎ／√３回巻、電流ＩＷ２である。
これらによる起磁力を、直列結線の巻線による起磁力ＦＵ１と、千鳥結線の巻線による起磁力ＦＵ２とに分けて集計する。
【００８８】
Ｕ相脚２１１Ｕに掛かる直列結線の巻線による起磁力ＦＵ１は、式（２）のようになる。
【００８９】
【数２】
2020031199.tif 000004
【００９０】
Ｕ相脚２１１Ｕに掛かる千鳥結線の巻線による起磁力ＦＵ２は、式（３）のようになる。
【００９１】
【数３】
2020031199.tif 000005
【００９２】
このように、Ｕ相脚２１１Ｕに係る直列結線の巻線の電流による起磁力ＦＵ１と、千鳥結線の巻線の電流による起磁力ＦＵ２との寄与は、大きさ及び位相共に全く同一である。
Ｕ相脚２１１Ｕに係る起磁力ＦＵは、式（４）のようになる。
【００９３】
【数４】
2020031199.tif 000006
【００９４】
他の脚についても同様に起磁力を計算することができる。Ｖ相脚２１１Ｖに係る起磁力ＦＶは、式（５）のようになる。
【００９５】
【数５】
2020031199.tif 000007
【００９６】
Ｗ相脚２１１Ｗに係る起磁力ＦＷは、式（６）のようになる。
【００９７】
【数６】
2020031199.tif 000008
【００９８】
直列結線の巻線の電流による起磁力と千鳥結線の巻線の電流による起磁力との寄与が同一であることは、図２２及び図２３によっても示される。図２２及び図２３は式（１）から式（６）として代数的に解析した内容を図示したものであり、両者の表現する内容は数学的には等価である。
図２２は、直列結線の巻線の電流によって主脚に印加される起磁力の複素表示の例を示すグラフである。図２２のグラフの横軸は実軸を示す。縦軸は虚軸を示す。
図２２では、直列結線の主巻線である主巻線Ｕ１−Ｘ１、Ｖ１−Ｙ１、Ｗ１−Ｚ１による起磁力が示されている。主巻線Ｕ１−Ｘ１による起磁力ＦＵ１はＮＩＵ１と示される（式（２）を図示したもの）。主巻線Ｖ１−Ｙ１による起磁力ＦＶ１はＮＩＶ１と示される。主巻線Ｗ１−Ｚ１による起磁力ＦＷ１はＮＩＷ１と示される。
図２０に示す電流ＩＵ１、ＩＶ１、ＩＷ１が、実効値が等しく位相が１２０度ずつずれた対称三相交流の電流であることから、起磁力ＮＩＵ１、ＮＩＶ１、ＮＩＷ１の間の関係も同様となっている。
【００９９】
図２３は、千鳥結線の巻線の電流によって主脚に印加される起磁力の複素表示の例を示すグラフである。図２３のグラフの横軸は実軸を示す。縦軸は虚軸を示す。
Ｕ相脚２１１Ｕに掛かる千鳥結線の巻線による起磁力ＦＵ２は、式（３）のように起磁力（Ｎ／√３）ＩＵ２と−（Ｎ／√３）ＩＷ２との和として求められ、ベクトルＢ３１にて示されている。
【０１００】
同様に、Ｖ相脚２１１Ｖに掛かる千鳥結線の巻線による起磁力ＦＶ２は、起磁力（Ｎ／√３）ＩＶ２と−（Ｎ／√３）ＩＵ２との和として求められ、ベクトルＢ３２にて示されている。Ｗ相脚２１１Ｗに掛かる千鳥結線の巻線による起磁力ＦＷ２は、起磁力（Ｎ／√３）ＩＷ２と−（Ｎ／√３）ＩＶ２との和として求められ、ベクトルＢ３３にて示されている。
これらベクトルＢ３１、Ｂ３２、Ｂ３３で示される起磁力ＦＵ２、ＦＶ２、ＦＷ２は、それぞれ図２２に示される起磁力ＦＵ１＝ＮＩＵ１、ＦＶ１＝ＮＩＶ１、ＦＷ１＝ＮＩＷ１と同一である。
【０１０１】
また、図２０及び図２１に示すように、直列結線の巻線の電流、千鳥結線の巻線の電流それぞれ対象三相交流を想定しているため、各主脚の主巻線電流による起磁力は同一脚の磁気抵抗と完全に釣り合うという近似が成立する。このため、各脚に流れる磁束ΦＵ、ΦＶ、ΦＷは、主脚の平均パーミアンス（磁気抵抗の逆数）ｇと起磁力との積で近似的に計算される。
Ｕ相脚２１１Ｕに流れる磁束ΦＵは、式（７）のように示される。
【０１０２】
【数７】
2020031199.tif 000009
【０１０３】
Ｖ相脚２１１Ｖに流れる磁束ΦＶは、式（８）のように示される。
【０１０４】
【数８】
2020031199.tif 000010
【０１０５】
Ｗ相脚２１１Ｗに流れる磁束ΦＷは、式（９）のように示される。
【０１０６】
【数９】
2020031199.tif 000011
【０１０７】
ここで、直列結線の主巻線Ｕ１−Ｘ１は、Ｕ相脚２１１Ｕに流れる磁束ΦＵに対してＮ回鎖交する。従って、直列結線の主巻線Ｕ１−Ｘ１の鎖交磁束ΦＵ１は、式（１０）のように示される。
【０１０８】
【数１０】
2020031199.tif 000012
【０１０９】
同様に、直列結線の主巻線Ｖ１−Ｙ１の鎖交磁束ΦＶ１は、式（１１）のように示される。
【０１１０】
【数１１】
2020031199.tif 000013
【０１１１】
直列結線の主巻線Ｗ１−Ｚ１の鎖交磁束ΦＷ１は、式（１２）のように示される。
【０１１２】
【数１２】
2020031199.tif 000014
【０１１３】
千鳥結線の主巻線Ｕ２−Ｘ２、Ｖ２−Ｙ２、Ｗ２−Ｚ２の場合、それぞれ２つの脚に直列接続するため、２つの脚での鎖交磁束を合計して総鎖交磁束を算出する。
千鳥結線の主巻線Ｕ２−Ｘ２の場合、Ｕ相脚２１１Ｕに流れる磁束ΦＵにＮ／√３回鎖交し、Ｖ相脚２１１Ｖに流れる磁束ΦＶに−Ｎ／√３回鎖交する。従って、千鳥結線の主巻線Ｕ２−Ｘ２の鎖交磁束ΦＵ２は、式（１３）のように示される。
主巻線Ｕ２−Ｘ２の鎖交磁束ΦＵ２は、式（１０）に示す主巻線Ｕ１−Ｘ１の鎖交磁束ΦＵ１と実効値（ノルム）が等しく、３０度進んだ位相となる。
【０１１４】
【数１３】
2020031199.tif 000015
【０１１５】
千鳥結線の主巻線Ｖ２−Ｙ２の鎖交磁束ΦＶ２は、式（１４）のように示される。
【０１１６】
【数１４】
2020031199.tif 000016
【０１１７】
千鳥結線の主巻線Ｗ２−Ｚ２の鎖交磁束ΦＷ２は、式（１５）のように示される。
【０１１８】
【数１５】
2020031199.tif 000017
【０１１９】
これらの鎖交磁束を複素表示すると、図２４及び図２５のようになる。
【０１２０】
図２４は、直列結線の巻線の鎖交磁束の複素表示の例を示すグラフである。図２４のグラフの横軸は実軸を示す。縦軸は虚軸を示す。
図２４では、直列結線の主巻線Ｕ１−Ｘ１、Ｖ１−Ｙ１、Ｗ１−Ｚ１の鎖交磁束が示されている。式（１０）のように、主巻線Ｕ１−Ｘ１の鎖交磁束はＮΦＵ１と示される。式（１１）のように、主巻線Ｖ１−Ｙ１の鎖交磁束はＮΦＶ１と示される。式（１２）のように、主巻線Ｗ１−Ｚ１による起磁力はＮΦＷ１と示される。
電流ＩＵ１、ＩＶ１、ＩＷ１、起磁力ＦＵ１、ＦＶ１、ＦＷ１と同様、鎖交磁束ＮΦＵ、ＮΦＶ、ＮΦＷも、位相が１２０度ずつずれて同じ実効値となっている。
図２０と図２４の比較から分かる通り、電流ＩＵ１、ＩＶ１、ＩＷ１と鎖交磁束ＮΦＵ、ＮΦＶ、ＮΦＷは、各相成分の位相が完全に一致している（同位相である）。
【０１２１】
図２５は、千鳥結線の巻線の鎖交磁束の複素表示の例を示すグラフである。図２５のグラフの横軸は実軸を示す。縦軸は虚軸を示す。
図２５では、千鳥結線の主巻線である主巻線Ｕ２−Ｘ２、Ｖ２−Ｙ２、Ｗ２−Ｚ２の鎖交磁束が示されている。
千鳥結線の主巻線Ｕ２−Ｘ２の鎖交磁束ΦＵ２は、式（１３）のように各脚の鎖交磁束（Ｎ／√３）ΦＵと−（Ｎ／√３）ΦＶとの合計として求められ、ベクトルＢ４１にて示されている。
【０１２２】
同様に、千鳥結線の主巻線Ｖ２−Ｙ２の鎖交磁束ΦＶ２は、各脚の鎖交磁束（Ｎ／√３）ΦＶと−（Ｎ／√３）ΦＷとの合計として求められ、ベクトルＢ４２にて示されている。千鳥結線の主巻線Ｗ２−Ｚ２の鎖交磁束ΦＷ２は、各脚の鎖交磁束（Ｎ／√３）ΦＷと−（Ｎ／√３）ΦＵとの合計として求められ、ベクトルＢ４３にて示されている。
【０１２３】
図２５に示すように、鎖交磁束ΦＵ２、ΦＶ２、ΦＷ２は、位相が１２０度ずつずれて同じ大きさの磁束である。また、鎖交磁束ΦＵ２、ΦＶ２、ΦＷ２は、それぞれ鎖交磁束ΦＵ１、ΦＶ１、ΦＷ１よりも位相が３０度進んでいる。
図２１と図２５の比較から分かる通り、電流ＩＵ２、ＩＶ２、ＩＷ２と鎖交磁束ΦＵ２、ΦＶ２、ΦＷ２は、各相成分の位相が完全に一致している（同位相である）。
【０１２４】
電圧調整装置２００の正相インダクタンスＬ１２は、直列結線においては電流ＩＵ１（正相電流）と鎖交磁束ΦＵ１（正相磁束）の比例係数（位相を含めた複素数）、千鳥結線においては電流ＩＵ２（正相電流）と鎖交磁束ΦＵ２（正相磁束）の比例係数（複素数）で与えられ、一般には両者は異なる値となる。しかし、図１９のように巻線を構成することで、これらの値は全て等しくかつ実数（電流と鎖交磁束が全相で同位相）となる。すなわち、正相インダクタンスＬ１２は、式（１６）のように示される。
【０１２５】
【数１６】
2020031199.tif 000018
【０１２６】
また、直列結線の主巻線又は千鳥結線の主巻線の何れか一方のみに対称三相交流を通電する条件で電圧調整装置２００を運転する場合を考える。以下、この条件での運転を六パルス整流器運転と称する。
起磁力の計算で、基準位相の主巻線の寄与と３０度進み位相の主巻線の寄与とが丁度半々であったことから、片側運転における正相インダクタンスは、上記の通常運転の場合の半分のｇＮ２となる。すなわち、六パルス整流器運転における正相インダクタンスＬ６は、式（１７）のように示される。
【０１２７】
【数１７】
2020031199.tif 000019
【０１２８】
これは、自己インダクタンスと相互インダクタンスとが同じ値である場合（完全磁気結合）に相当する。
図２６は、電圧調整装置２００の正相等価回路の例を示す図である。
図２６の例で、直列結線の主巻線Ｕ１−Ｘ１、Ｖ１−Ｙ１、Ｗ１−Ｚ１の正相自己インダクタンスはＬ６である。千鳥結線の主巻線Ｕ２−Ｘ２、Ｖ２−Ｙ２、Ｗ２−Ｚ２の正相自己インダクタンスもＬ６である。
起磁力の計算で、直列結線の主巻線の寄与と千鳥結線の主巻線の寄与とが丁度半々であったことに対応して、両巻線の正相自己インダクタンスも同じ大きさとなる。
【０１２９】
また、直列結線の主巻線Ｕ１−Ｘ１、Ｖ１−Ｙ１、Ｗ１−Ｚ１と、千鳥結線の主巻線Ｕ２−Ｘ２、Ｖ２−Ｙ２、Ｗ２−Ｚ２との間の正相相互インダクタンスＭは、直列結線あるいは千鳥結線の主巻線の一方のみに対称三相交流を通電した条件（六パルス整流器運転）で、もう一方の巻線の鎖交磁束を計算することにより求められる。両方の主巻線電流による主脚の起磁力への寄与が丁度半々かつ同位相であり、鎖交磁束の大きさも等しいことから、自己インダクタンスと等しくＭ＝Ｌ６となる。これは直列結線と千鳥結線の主巻線相互は、結合係数１の完全電磁結合となっていることを意味する。実際の機器では、漏れ磁界などの影響によりこれより若干小さな値となるが、インダクタンスの最大誤差は高々２０％程度であり概略設計において問題となるレベルではない。
【０１３０】
以上のように、電圧調整装置２００の直列結線の主巻線２３１と千鳥結線の主巻線２３１との巻数の比を１：（２／√３）にすることで、直列結線の主巻線２３１のインダクタンスと千鳥結線の主巻線２３１のインダクタンスとが等しくなる。
このため、直列結線の主巻線２３１と千鳥結線の主巻線２３１に生じる誘導起電力（電圧降下）の実効値も等しくなる。また、図２４及び図２５で示したように、直列結線の主巻線２３１と千鳥結線の主巻線２３１の鎖交磁束は３０度の位相差があるため、誘導起電力についても主巻線電流と同様に３０度の位相差がある。
このように、直列結線の主巻線２３１と千鳥結線の主巻線２３１の電圧降下の実効値が等しく、かつ電圧調整装置２００に通電する２組の三相交流に対応した３０度の位相差を持った電圧降下が生じることで、２つの三相交流の平衡が保たれるため、流れる電流は同じ大きさとなり整流器４００に入力される電圧の実効値も同じとなる。このため、図１１に記載の電力変換装置と同様の１２パルス整流運転を行うことができる。
２つの三相交流が平衡して１２パルス整流運転を行うことで、リプルの小さい直流電力が得られるともに、電力系統側（所内母線８１０側）に流出する高調波も小さくすることができる。
【０１３１】
次に、制御電流と電圧降下との関係について説明する。
整流器４００のダイオードブリッジの構成法に、並列１２パルス方式と直列１２パルス方式があるが、以下では並列１２パルス方式の例について説明する。
（変数の説明）
以下で用いる変数について説明する。
主脚の有効断面積をＳｅｆｆとする。
制御巻線２２１の脚２１１毎の巻数をＮＣとする。
直列結線の主巻線２３１の相毎の巻数をＮとする。千鳥結線の主巻線２３１の巻数は相毎に２Ｎ／√３である。
【０１３２】
電圧調整装置２００の主巻線２３１に流れる電流を主回路電流ＩＧとする。
なお、整流器用変圧器１００から電圧調整装置２００を経由して整流器４００に至る電力の経路を主回路と称する。主回路電流ＩＧは、この主回路を流れる２つの三相交流を合成した電流である。具体的には、主回路電流ＩＧは、整流器用変圧器１００における星形・三角の両結線の合計電流（実効値）であり、基本波実効値は式（１）から式（１５）で用いたＩの２倍となる。ただし、ＩＧは高調波成分も含めて考える。
【０１３３】
電圧調整装置２００によるリアクタンス電圧降下をＶＸとする。
電圧調整装置２００の制御巻線２２１に流れる電流をＩＣとする。
整流器４００の直流出力電流をＩＤＣとする。
整流器４００の直流出力電圧（母線電圧）をＶＤＣとする。
【０１３４】
主巻線２３１と制御巻線２２１が磁心２１０に与える起磁力は以下のようになる。
主脚の１つ（２１０Ｕ、２１０Ｖ、２１０Ｗの何れでもよい）に着目すると、制御巻線２２１による起磁力はＮＣＩＣと表される。
図２２及び図２３を参照して説明したように、主巻線２３１が主脚に印加する起磁力の大きさは式（４）に示す２ＮＩであり、主回路電流ＩＧはＩの２倍の実効値を持つことから、主巻線２３１による起磁力はＮＩＧとなる。
【０１３５】
（制御電流が無い場合）
制御電流が零である場合の電磁現象について説明する。電圧調整装置２００は直列リアクトルであるから、電流源駆動すなわち電流が固定的として考える。電流が固定されるため、起磁力が固定される。起磁力を磁気回路の磁路長で割ると電界の強さとなるため、すなわち電流源駆動の場合、磁界の強さが固定される。
【０１３６】
図２７は、主回路電流の波形例を示すグラフである。図２７のグラフの横軸は時間を示し、縦軸は電流あるいは電圧を示す。線Ｌ１５２は、整流器用変圧器１００の一相の出力電圧波形（相電圧）を示す。線Ｌ１５１は、同じ相の主回路電流ＩＧの波形を示す。整流器４００のダイオードの動作により、主回路電流ＩＧは線Ｌ１５１のような矩形波となる。主回路電流ＩＧの振幅（ピーク値）は、整流器４００の直流出力電流値ＩＤＣである。これより主巻線による最大起磁力はＮＩＤＣとなる。
制御電流が零であるため、主脚に掛かる起磁力源は主巻線のみであり、これを主脚の磁路長λで除算して、主脚における磁界の強さの振幅はＮＩＤＣ／λとなる。
以下では、磁心２１０内の電磁現象を、負荷領域に基づいて小振幅領域、大振幅領域の２つに大別する。
【０１３７】
図２８は、小振幅領域における磁心２１０の磁化曲線の例を示すグラフである。図２８のグラフの横軸は磁界の強さＨを示す。縦軸は、磁束密度Ｂを示す。
ＢＳＡＴは磁心２１０の飽和磁束密度を示す。ＨＳＡＴは飽和磁束密度ＢＳＡＴに対応する磁界の強さを示す。何れもほぼ磁心２１０の材料のみによって決まる物性値である。
線Ｌ１６１、Ｌ１６２、Ｌ１６３は、それぞれ磁界の強さの変動幅（正負ピーク値の幅であるが、図２７で示した通り正負対称波形のため振幅の２倍となる）がＲ１１１、Ｒ１１２、Ｒ１１３である場合の磁化曲線を示す。磁化曲線のうちループ状になっている部分（ヒステリシスを有している部分）をヒステリシスループという。磁化曲線のうち磁束密度が−ＢＳＡＴからＢＳＡＴまでの範囲（磁界の強さで−ＨＳＡＴからＨＳＡＴまでの範囲）がヒステリシスループに該当する。
磁界の強さの変動幅は、前記で求めた主巻線電流による磁界の強さの振幅の２倍であり、２ＮＩＤＣ／λとなる。
【０１３８】
小振幅領域は、磁界の強さの振幅がＨＳＡＴ未満の領域である。従って、小振幅領域では、磁束密度の絶対値は飽和磁束密度ＢＳＡＴ未満である。
小振幅領域では磁心２１０が飽和しておらず、ヒステリシスループによる波形歪みを度外視し、誘導起電力と電流の実効値の関係のみに着目すれば、ほぼ線形インダクタとみなせる。例えば、小振幅領域を整流器４００の軽負荷状態に対応させて、小振幅領域を直流出力電流ＩＤＣが概ね１００アンペア（Ａ）未満の領域となるよう設計してもよい。
【０１３９】
図２９は、大振幅領域における磁心２１０の磁化曲線の例を示すグラフである。図２９のグラフの横軸は磁界の強さＨを示す。縦軸は、磁束密度Ｂを示す。
大振幅領域は、磁界の強さの振幅がＨＳＡＴ以上の領域である。従って、大振幅領域では磁心２１０は飽和状態となり、磁心２１０の磁束密度の振幅は飽和磁束密度ＢＳＡＴ程度と磁界の強さの振幅によらず一定となる。図２９では、磁界の強さの変動幅が２ＨＳＡＴよりも大きい範囲Ｒ２１である場合の例が示されている。
【０１４０】
大振幅領域では磁心２１０の磁束密度の振幅が、磁界の強さ（すなわち起磁力源となる主回路電流ＩＧ）の振幅によらずほぼ一定となるため、鎖交磁束の振幅もほぼ一定値ＮＢＳＡＴＳｅｆｆとなる。そのため、主巻線に発生するリアクタンス電圧降下の基本波振幅も、主回路電流ＩＧの振幅によらず一定値ωＮＢＳＡＴＳｅｆｆとなり、電圧源であるかのように振る舞う。ここでωは商用電力系統７１０における基本波の角周波数である。
例えば大振幅領域が、直流出力電流ＩＤＣが概ね１００アンペア（Ａ）以上の領域となるよう設計してもよい。このように設計することで電圧調整装置２００は、無負荷状態及び軽負荷状態を除けば、磁心２１０が飽和する大振幅領域で運転される。
【０１４１】
（制御電流を通電した場合）
次に、制御電流を通電した場合の電磁現象について説明する。この場合、主脚には、主巻線の電流による起磁力に加えて制御巻線の電流による起磁力ＮＣＩＣが印加される。この制御電流の起磁力によって磁心２１０が直流偏磁する。偏磁により、磁心２１０の磁束の動作点の中心が、磁界の強さにおいてＮＣＩＣ／λだけシフトする。
ここで、制御電流の大きさに応じて３つに場合分けする。
【０１４２】
（１）制御電流の不足領域（ＮＣＩＣ＜＜ＮＩＤＣ）
制御巻線の電流による起磁力ＮＣＩＣが、主巻線の電流による起磁力の振幅ＮＩＤＣよりも十分小さい領域である。直流偏磁は生じているが、磁心２１０はヒステリシスループを完全に含んで交番磁化されている。上述した大振幅領域と同様のリアクタンス電圧降下が発生しており、制御巻線の電流による影響が現れない。
【０１４３】
図３０は、制御電流の不足領域における磁心２１０のヒステリシス曲線の例を示すグラフである。図３０のグラフの横軸は磁界の強さＨを示す。縦軸は、磁束密度Ｂを示す。
制御電流ＩＣによって、磁心２１０の磁束の動作点の中心（ヒステリシスループの中心）が磁界の強さのプラス方向にＮＣＩＣ／λだけシフトしている。シフト前の磁心２１０の磁束の動作点の中心をシフト前の原点Ｏ’とし、シフト後の磁心２１０の磁束の動作点の中心をシフト後の原点Ｏとしている。
【０１４４】
主巻線の電流ＩＧによる磁界の強さは、シフト後の原点Ｏを中心に振幅ＮＩＤＣ／λで振動する。振幅ＮＩＤＣ／λが制御電流によるシフト幅ＮＣＩＣ／λより十分大きいため、磁心２１０はヒステリシスループを完全に含んで交番磁化されている。
磁界の強さの振動幅にヒステリシスループが含まれることで、磁束密度の変動幅Ｒ３１は制御電流が零の場合と同様の大きい幅となっている。この磁束密度の変動幅Ｒ３１が、主巻線のリアクタンス電圧降下に対応するため、制御電流が零の場合と同じ大きさの電圧降下が主巻線に生じる。
【０１４５】
（２）制御電流の中間領域（ＮＣＩＣ≒ＮＩＤＣ）
制御巻線の電流による起磁力ＮＣＩＣが、主巻線の電流による起磁力の振幅ＮＩＤＣと同程度となる領域である。磁心２１０はヒステリシスループの一部を含んだマイナーループで交番磁化されている。上述した大振幅領域と小振幅領域との中間のリアクタンス電圧降下が発生する。
【０１４６】
図３１は、制御電流の中間領域における磁心２１０のヒステリシス曲線の例を示すグラフである。図３１のグラフの横軸は磁界の強さＨを示す。縦軸は、磁束密度Ｂを示す。
図３０の場合と同様、制御電流ＩＣによって、磁心２１０の磁束の動作点の中心（ヒステリシスループの中心）が磁界の強さのプラス方向にＮＣＩＣ／λだけシフトしている。但し、図３１の方が図３０の場合よりも制御電流ＩＣが大きい。
シフト前の磁心２１０の磁束の動作点の中心をシフト前の原点Ｏ’とし、シフト後の磁心２１０の磁束の動作点の中心をシフト後の原点Ｏとしている。
【０１４７】
図３０の場合と同様、主巻線の電流ＩＧによる磁界の強さは、シフト後の原点Ｏを中心に振幅ＮＩＤＣ／λで振動する。但し、図３１では図３０の場合と異なり振幅ＮＩＤＣ／λとシフト幅ＮＣＩＣ／λとが同程度の大きさである。このため、磁心２１０はヒステリシスループの一部のみを含んで交番磁化されている。
磁界の強さの振動幅にヒステリシスループの一部のみが含まれることで、磁束密度の変動幅Ｒ３２は、図３０の場合のＲ３１より小さい幅となっている。この磁束密度の変動幅Ｒ３２が、主巻線のリアクタンス電圧降下に対応するため、主巻線に生じる電圧降下の大きさは図３０の場合よりも小さくなる。
【０１４８】
（３）最大制御領域（ＮＣＩＣ＞＞ＮＩＤＣ）
制御巻線の電流による起磁力ＮＣＩＣが、主巻線の電流による起磁力の振幅ＮＩＤＣよりも十分大きい領域である。磁心２１０は完全に飽和領域のみで交番磁化されている。ほぼ空芯インダクタに近い特性となり、リアクタンス電圧降下はこれまでの条件の中で最小となる。
【０１４９】
図３２は、制御電流の最大制御領域における磁心２１０のヒステリシス曲線の例を示すグラフである。図３２のグラフの横軸は磁界の強さＨを示す。縦軸は、磁束密度Ｂを示す。
図３０の場合及び図３１の場合と同様、制御電流ＩＣによって、磁心２１０の磁束の動作点の中心が磁界の強さのプラス方向にＮＣＩＣ／λだけシフトしている。但し、図３２の方が図３１の場合よりも制御電流ＩＣがさらに大きい。
シフト前の磁心２１０の磁束の動作点の中心をシフト前の原点Ｏ’とし、シフト後の磁心２１０の磁束の動作点の中心をシフト後の原点Ｏとしている。
【０１５０】
図３０の場合及び図３１の場合と同様、主巻線の電流ＩＤＣによる磁界の強さは、シフト後の原点Ｏを中心に振幅ＮＩＤＣ／λで振動する。但し、図３２では図３１の場合と異なり制御電流によるシフト幅ＮＣＩＣ／λが主巻線電流による振幅ＮＩＤＣ／λの交番磁界よりも十分大きい。このため、磁心２１０はヒステリシスループを全く含まずに交番磁化されている。
磁界の強さの振動幅にヒステリシスループが含まれていないことで、磁束密度の変動幅Ｒ３３は、図３１の場合のＲ３２よりさらに小さい幅となっている。この磁束密度の変動幅Ｒ３３が、主巻線のリアクタンス電圧降下に対応するため、主巻線に生じる電圧降下も図３１よりもさらに小さくなる。
【０１５１】
このように、電圧調整装置２００のリアクトルとしての制御特性は、主回路電流ＩＧの振幅と制御電流ＩＣの大きさとの関係に依存する。主回路電流の振幅に応じて、制御電流の大きさを変化させることで、電圧降下の大きさを所望の値とすることができる。
【０１５２】
次に、整流器４００の出力側（直流側）の電気的特性について説明する。
まず、制御電流ＩＣをパラメータとした場合の、主回路電流ＩＧと可変リアクトルのリアクタンス電圧降下との関係を考える。
図３３は、主回路電流とリアクタンス電圧降下との関係の例を示すグラフである。図３３のグラフの横軸は主回路電流ＩＧを示す。縦軸は、リアクタンス電圧降下の大きさ（振幅）を示す。
【０１５３】
線Ｌ１７１、Ｌ１７２、Ｌ１７３、Ｌ１７４は、それぞれ制御電流無し、小、中、大の場合における主回路電流ＩＧとリアクタンス電圧降下との関係を示している。Ｌ１７４は図示の範囲内では空芯特性と等しい。
主回路電流ＩＧの起磁力よりも制御電流ＩＣの起磁力の方が上回る領域では、可変リアクトルは空芯特性を示す。一方、主回路電流ＩＧの起磁力がより大きくなると、可変リアクトルは飽和特性（ほぼ一定電圧の電圧降下）を示す。図３３の場合、制御電流無しの場合の線Ｌ１７１は、主回路電流が小さい領域を除き飽和特性を示す。制御電流が十分大きい場合の線Ｌ１７４は、空芯特性を示す。
空芯特性と飽和特性との間の遷移領域（前記の中間領域）の幅は、磁心２１０のヒステリシスループの幅にほぼ相当する。
【０１５４】
図３４は、整流器４００の出力電流と出力電圧との関係の例を示すグラフである。図３４のグラフの横軸は直流の出力電流を示す。縦軸は直流の出力電圧を示す。
線Ｌ１８１、Ｌ１８２、Ｌ１８３、Ｌ１８４は、それぞれ制御電流無し、小、中、大の場合における出力電流と出力電圧との関係を示している。
直流の出力電流と出力電圧との関係は、図１２に示す電圧調整装置２００を持たない整流器４００の電圧−電流特性から、図３３に例示されるリアクタンス電圧降下を差し引いて得られる。よって、直流の出力電流と出力電圧との関係でも、空芯特性と飽和特性との２つの負荷曲線がある。図３４では、飽和特性となる制御電流無しの場合の線Ｌ１８１は、最もリアクタンス電圧降下が大きくなる場合に相当し、最も出力電圧が低くなる。反対に空芯特性となる制御電流大の場合の線Ｌ１８４は、リアクタンス電圧降下が最小となる場合であり、最も出力電圧が高くなる。
制御電流の増減によってこれら２つの負荷曲線で囲まれる任意の動作点で運転可能である。図３４の例では、線Ｌ１８１と線Ｌ１８４とで囲まれる任意の動作点で運転可能である。
【０１５５】
なお、可変リアクトルのリアクタンス電圧降下ＶＸと、直流出力側の電圧降下ΔＶＤＣとの関係は、線形の場合の転流リアクタンスの効果が非線形の場合にも成立すると仮定して、式（１８）のように示される比例関係となる。
【０１５６】
【数１８】
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【０１５７】
図３５は、電力変換システム１の動作のシミュレーション結果の第一例を示すグラフである。図３５のグラフの横軸は直流出力電流を示す。縦軸は直流出力電圧を示す。図３５は、電圧調整装置２００に関する以下の条件での、磁気回路解析によるシミュレーションと、整流器用変圧器１００及び整流器４００を連成解析した結果とを示す。
定格電圧：１５００Ｖ
定格容量：６０００ｋＷ（Ｅ種）
直流出力電圧の制御範囲：０Ａ〜４ｋＡ（１００％）〜１２ｋＡ（３００％）
制御巻線の最大電流：１００Ａ
主巻線の直列結線の巻数：７ターン
千鳥結線の巻数：８ターン
制御巻線の巻数：１０００
【０１５８】
線Ｌ１９１、Ｌ１９２、Ｌ１９３は、それぞれ制御電流が０アンペアの場合、制御電流が５０アンペアの場合、制御電流が１００アンペアの場合の出力電流と出力電圧との関係を示している。線Ｌ１９４は、電圧調整装置２００を設けず、整流器用変圧器１００と整流器４００とを直接接続する場合（図１１）の特性を示している。
図３５に示すように、制御電流を小さくするほど出力電流に対して出力電圧が低くなる結果が得られた。このように、制御電流を調整することで整流器４００の出力電圧を調整できる、図３４を示して説明した制御特性が確認された。
電圧調整装置２００を設けない場合の線Ｌ１９４よりも、電圧調整装置２００を飽和特性で運転した場合の線Ｌ１９３の方が低い出力電圧となっているが、これは図３３に例示したように電圧調整装置２００のインダクタンスを完全に零とすることができないため、この残留インダクタンスによる電圧降下の影響を受けるためである。
【０１５９】
図３６は、電力変換システム１の動作のシミュレーション結果の第二例を示すグラフである。図３６のグラフの横軸は直流出力電流を示す。縦軸は直流出力電圧を示す。
図３５が、定格容量が６０００キロワットと現在わが国において製造販売されている最大容量の整流器用変圧器１００および整流器４００を想定した場合のシミュレーションの結果を示しているのに対し、図３６では、出力電力が７５０キロワットと小容量の場合のシミュレーションの結果を示している。
電圧制御可能な主巻線電流の範囲は、直流出力電流において３００アンペア程度として設計されている。
【０１６０】
線Ｌ２０１、Ｌ２０２、Ｌ２０３は、それぞれ制御電流が０アンペアの場合、制御電流が５０アンペアの場合、制御電流が１００アンペアの場合の出力電流と出力電圧との関係を示している。
図３６に示すように、制御電流を小さくするほど出力電流に対して出力電圧が小さくなるとの結果が得られた。このように、小容量の機器においても制御電流を調整することで整流器４００の出力電圧を調整できることが確認された。
【０１６１】
以上のように、直列結線の主巻線２３１は、３つの脚部２１２毎に１つずつ巻かれ、直列結線の主巻線２３１には基準位相の三相交流電流が流れる。千鳥結線の主巻線２３１は、３つの脚部２１２のうち２つの脚部２１２の組合せ毎に当該２つの脚部２１２に亘って巻かれて、千鳥結線の主巻線２３１には３０度進み位相の三相交流電流が流れる。制御巻線２２１は、脚部２１２に巻かれて、制御巻線２２１には直流電流が流れる。
【０１６２】
このように、電圧調整装置２００は、直列結線の主巻線２３１と千鳥結線の主巻線２３１との組み合わせにより、基準位相の三相交流と３０度進み位相の三相交流との２つを組み合わせた六相交流に対応し、制御電流に応じて主巻線における電圧降下を調整する。従って、電圧調整装置２００は、１つの装置で六相交流の電圧を調整することができ、この点で省スペース化、低コスト化を図ることができる。
【０１６３】
また、直列結線の主巻線２３１の巻数と千鳥結線の主巻線２３１の巻数との比が√３対２を整数に丸めた比である。
これらのように直列結線と千鳥結線を構成することで、電圧調整装置２００では、直列結線の主巻線２３１と千鳥結線の主巻線２３１が脚部２１２に印加する起磁力とが、大きさも位相も同じになる。起磁力がベクトル的に等しくなることで、両巻線の磁心の磁化に対する寄与が全く等しくなると共に、これら互いの起磁力の打ち消し合いや位相回転が生じない。
脚部２１２の磁束による直列結線と千鳥結線の主巻線２３１の誘導起電力は、実効値が等しく３０度の位相差を持った２組の三相交流となる。これらの点で電圧調整装置２００によれば、２つの三相交流を組み合わせた六相交流の電圧を効率よく調整することができる。
また、電圧調整装置２００では直列結線と千鳥結線でインダクタンスが等しくなり、２つの三相交流で電圧降下の大きさが等しくなる。２つの三相交流の電圧が等しいことで、これらを整流して直流電力に変換する際、リプルの小さい直流電力を得られると共に電力系統側に流出する高調波電流を小さくすることができる。
【０１６４】
千鳥結線を用いて三相交流の位相回転を行うことは、変圧器では一般的であるが、特に、直列結線と千鳥結線とを併用することで、３相に対応する磁心を用いて６相用のリアクトルを１つの装置として構成することは、少なくとも一般的には行われていない。さらに、直列結線と千鳥結線で３０度の位相差を構成できることは変圧器の分野で公知であるが、直列結線と千鳥結線のインダクタンス（変圧器においては励磁インダクタンス）が等しくなることは、少なくとも一般的には知られていない。
【０１６５】
また、脚部２１２の各々は強磁性体からなる２つの脚２１１を備える。直列結線の主巻線２３１及び千鳥結線の主巻線２３１は、いずれも前後２つの脚２１１それぞれの周りに後述する制御巻線の外側に前後二つの脚２１１をまとめて囲むよう巻かれている。制御巻線２２１は、前後２つの脚２１１に分割して逆方向に巻かれている。
【０１６６】
主巻線２３１を流れる電流により、制御巻線２２１に囲まれている２つの脚２１１に逆向きの磁界が生じる。２つの脚２１１に逆向きの磁界が生じることで、制御巻線２２１では、一方の脚２１１の磁界による起電力と、もう一方の脚２１１の磁界による起電力とが１ターン毎に打ち消し合う。これにより、制御巻線２２１は全体でも部分的にも誘導起電力が小さく、制御巻線２２１の周りの絶縁性能を必要最小限とすることができる。このように絶縁性能を軽減することができる点で、電圧調整装置２００を小さくするとともに、耐圧試験の電圧も低く手法も簡略化することができる。
【０１６７】
また、脚部２１２の各々は強磁性体からなる２つの脚２１１を備える。直列結線の主巻線２３１及び千鳥結線の主巻線２３１は、いずれも２つの脚２１１をまとめて囲むように巻かれている。制御巻線２２１は、２つの脚２１１交互に当該脚２１１の周りに、かつ脚２１１毎に異なる巻方向で巻かれている。
これにより、制御巻線２２１では、一方の脚２１１の磁界による起電力と、もう一方の脚２１１の磁界による起電力とが打ち消し合う。制御巻線２２１全体でも部分的にも電圧が小さく、制御巻線２２１の周りの絶縁部材を薄くすることができる。このように絶縁部材を薄くすることができる点で、電圧調整装置２００を小さくすることができる。
【０１６８】
次に、図３７〜図３９を参照して、一般的な有鉄心のリアクトルの用法と電力変換システム１におけるリアクトルの用法との違いについて説明する。一般的なリアクトルの用法と、電力変換システム１におけるリアクトルの用法とを比較すると、特に、磁化特性の飽和領域に対する取扱が全く異なる。
図３７は、リアクトルの鉄心の磁化特性の例を示すグラフである。図３７のグラフの横軸は磁界の強さＨを示す。縦軸は、磁束密度Ｂを示す。図３７のグラフの線は、ヒステリシスループを含む鉄心の磁化特性の例を示している。
【０１６９】
図３７の領域Ａ１２は、鉄心の磁気の非飽和領域であり、ヒステリシスを有する領域である。一方、領域Ａ１１及びＡ１３は、いずれも鉄心の飽和領域であり、ヒステリシスが殆ど無い領域である。
一般的なリアクトルの用法の場合、線形インダクタに近い特性が得られる非飽和領域での運転が原則であり、飽和領域は過負荷又は過電圧など通常の運転領域の外である。
【０１７０】
図３８は、リアクトルにおける巻線を流れる電流に対するインダクタンスの変動の例を模式的に示すグラフである。図３８のグラフの横軸は電流（電流の実効値）を示す。縦軸は、インダクタンスを示す。領域Ａ２１は、非飽和領域に相当する。領域Ａ２２は、飽和領域に相当する。
線Ｌ２１１は、巻線を流れる電流とインダクタンスとの関係を示している。非飽和領域に相当する領域Ａ２１では、電流が小さい領域（初期磁化領域）を除けば電流によらずほぼ一定したインダクタンスを得られているのに対し、飽和領域に相当する領域Ａ２２では、電流が大きくなるのにつれて磁気飽和によりインダクタンスが低下している。
一般的なリアクトルの用法では、一定したインダクタンスを確保することが重要であるため、非飽和領域で運転することが基本となる。インダクタンスが電流増加に応じて低下する飽和領域は、鉄損が増大して効率が低下する上、インダクタンスが非線形となる好ましくない領域とされる。
これに対し、電力変換システム１におけるリアクトルの用法では、電圧降下（リアクトルの両端に生じる誘導起電力）の大きさが重要であり、インダクタンスの値は重要ではない。
【０１７１】
図３９は、リアクトルの巻線を流れる電流と電圧降下との関係の例を示すグラフである。図３９のグラフの横軸は電流（電流の実効値）を示す。縦軸は、電圧降下（リアクトルの両端電圧）を示す。領域Ａ３１は、非飽和領域に相当する。領域Ａ３２は、飽和領域に相当する。領域Ａ３１、領域Ａ３２は図３８の領域Ａ２１、領域Ａ２２にそれぞれ対応する。
線Ｌ２２１は、巻線を流れる電流と電圧降下との関係を示している。
【０１７２】
非飽和領域に相当するＡ３１では、インダクタンスが電流によらずほぼ一定となるため、線形インダクタと同様に電流に比例する電圧降下が生じる。この領域では、電圧降下の大きさはインダクタンスをＬ、電流の実効値をＩとして、ωＬＩにほぼ等しい。
一般的なリアクトルではこれが望ましい振る舞いである。
【０１７３】
飽和領域に相当する領域Ａ３２では、磁気飽和により鉄心内の磁界が電流の大きさによらず飽和磁束密度でほぼ一定となるため、巻線の鎖交磁束もほぼ一定となることで、巻線両端に生じる電圧降下も電流によらずほぼ一定の大きさとなる。電力変換システム１の場合、飽和領域は電流の大きさによらず一定した電圧降下を得られる領域である。
飽和領域では鉄心が磁気飽和しているため電流を大きくしても電圧降下の増加は小さい。また、飽和領域は電圧降下が最大となる領域であるため、可変リアクトルでの電圧降下による電圧制御を行う電力変換システム１では、電圧制御幅をなるべく大きくするため、飽和領域での運転を基本とすることが望ましい。さらに、電力変換システム１が飽和領域にて運転を行う場合、直流出力電圧に対するリミッタとしての役割を期待することができ、例えば電圧調整装置２００の制御電源喪失時におけるフェイルセーフの確保といった効果が期待できる。
【０１７４】
電圧調整装置２００の設計における飽和領域の考え方の例を、図３３を再度参照して説明する。線Ｌ１７１〜線Ｌ１７３において電流が小さく傾きが急となっている範囲が非飽和領域であり、電流が大きく傾きが緩やかとなっている範囲が飽和領域である。電圧調整装置２００は理想的には全ての主巻線電流領域において飽和領域で動作させることが望ましいため、線Ｌ１７１で示すように小電流（例えば１００アンペア程度以下の主巻線電流）の領域で磁気飽和するよう設計し、それ以上の領域では飽和領域で動作させることで、広い電流範囲において一定した電圧制御幅を確保できるようにする。
制御巻線に電流を流すと制御巻線と主巻線の起磁力の釣り合いから、線Ｌ１７２〜線Ｌ１７４に示すように非飽和領域と飽和領域の境界となる電流値が変化することにより、電圧調整装置２００での電圧降下を連続的に減少制御することができる。
【０１７５】
このように、一般的なリアクトルの用法と電力変換システム１におけるリアクトルの用法とでは、飽和領域に対する取扱が全く異なる。一般的なリアクトルの方法では原則として飽和領域を避けて非飽和領域で運転を行う。これに対し、電力変換システム１では、飽和領域を基本的な運転状態として利用する。
【０１７６】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の変更等も含まれる。
【符号の説明】
【０１７７】
１  電力変換システム
２  交通システム
１００  整流器用変圧器
２００  電圧調整装置
２１０  磁心
２１１  脚
２１２  脚部
２１３  継鉄
２２１  制御巻線
２３１  主巻線
３００  制御装置
４００  整流器
７１０  商用電力系統
７２０  受電用遮断器
７３０  電力量計
８００  変電所
８１０  所内母線
８２０  変成器用遮断器
８３０  直流高速度遮断器
９１０  電車線
９２０  レール
９３０  車両
【図１】
2020031199.tif 000021
【図２】
2020031199.tif 000022
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2020031199.tif 000028
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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