(57)【要約】      （修正有）【課題】近接効果に起因する巻線損失の増大を抑制しつつ、一次巻線・二次巻線間の静電容量の増大を抑制し、小形軽量化が可能な変圧器を提供する。【解決手段】変圧器１０は、鉄心２０と、鉄心２０を囲んで当該鉄心の周囲に巻かれた薄板状の導電体からなる一次巻線２１と、鉄心２０を囲んで当該鉄心の周囲に巻かれた薄板状の導電体からなる二次巻線２２と、を備える。一次巻線２１および二次巻線２２のうち、少なくともいずれか一方は１つ以上の貫通孔２３を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄心と、
前記鉄心を囲んで当該鉄心の周囲に巻かれた薄板状の導電体からなる一次巻線と、
前記鉄心を囲んで当該鉄心の周囲に巻かれた薄板状の導電体からなる二次巻線と、を備え、
前記一次巻線および前記二次巻線のうち、少なくともいずれか一方は１つ以上の貫通孔を有することを特徴とする変圧器。
【請求項２】
請求項１に記載の変圧器であって、
前記一次巻線および前記二次巻線は、前記鉄心の周囲に互いに重ね合わせて巻き回わされることを特徴とする変圧器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の変圧器であって、
前記貫通孔の全部または一部は、四角形、六角形を含む多角形、若しくは円形または楕円形であることを特徴とする変圧器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の変圧器であって、
前記変圧器は、商用周波数以上の周波数で励磁され、
前記鉄心は、薄帯状の磁性材料を複数枚巻き回して構成される巻鉄心であることを特徴とする変圧器。
【請求項５】
請求項４に記載の変圧器であって、
前記鉄心は、鉄を主成分とするアモルファス構造、または微細な結晶構造を有する薄帯状合金で構成されることを特徴とする変圧器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の変圧器であって、
前記変圧器は、前記鉄心と前記一次巻線の間、および前記一次巻線と前記二次巻線の間を絶縁油が流れる油浸変圧器であることを特徴とする変圧器。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の変圧器であって、
前記貫通孔は、前記一次巻線および前記二次巻線の両方に設けられ、
前記一次巻線の貫通孔の中心と前記二次巻線の貫通孔の中心が互いに重ならないように前記貫通孔が設けられることを特徴とする変圧器。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の変圧器であって、
前記一次巻線および前記二次巻線のうち、前記貫通孔が設けられる巻線の短手方向の端部に貫通孔を設けない禁止領域を有することを特徴とする変圧器。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の変圧器であって、
前記一次巻線および前記二次巻線のうち、前記貫通孔が設けられる巻線の長手方向の端部に貫通孔を設けない禁止領域を有することを特徴とする変圧器。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の変圧器であって、
前記貫通孔の開口面積は、前記一次巻線または前記二次巻線の断面において、表面から中心部にかけて減少することを特徴とする変圧器。
【請求項１１】
入力される直流電圧を交流電圧に変換して出力する第１の変換ユニットと、
前記第１の変換ユニットから出力される交流電圧を昇圧または降圧する変圧器と、
前記変圧器により昇圧または降圧された交流電圧を直流電圧に変換して出力する第２の変換ユニットと、
前記第１の変換ユニットおよび前記第２の変換ユニットを制御する制御装置と、を備え、
前記変圧器は、請求項１から１０のいずれか１項に記載の変圧器であることを特徴とする電力変換システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電力変換システムであって、
前記第１の変換ユニットは、４つの半導体スイッチング素子と４つのダイオードからなるブリッジ回路と、１つのコンデンサを有する２レベルフルブリッジ型インバータ回路で構成され、
前記第２の変換ユニットは、４つのダイオードからなるブリッジ回路、１つのリアクトル、１つのコンデンサで構成されることを特徴とする電力変換システム。
【請求項１３】
請求項１１に記載の電力変換システムであって、
前記第１の変換ユニットおよび前記第２の変換ユニットの各々は、４つの半導体スイッチング素子と４つのダイオードからなるブリッジ回路と、１つのコンデンサを有する２レベルフルブリッジ型インバータ回路で構成されることを特徴とする電力変換システム。
【請求項１４】
請求項１１に記載の電力変換システムであって、
当該電力変換システムは、１つの第１の変換ユニットと２つの第２の変換ユニットを備え、
前記変圧器は、１つの一次巻線と２つの二次巻線を備え、
前記第１の変換ユニットの出力端子は前記一次巻線に接続され、
前記２つの第２の変換ユニットの各々の入力端子は前記２つの二次巻線にそれぞれ接続される多巻線変圧器であることを特徴とする電力変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変圧器およびこれを用いた電力変換システムに係り、特に、変圧器の小形軽量化に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素排出量の削減に貢献するため、大規模風力発電システム（ウインドファーム）の系統連系が期待される。このような大規模風力発電システムは洋上に設置される場合が多く、送電距離が１００ｋｍを超える場合も少なくない。送電距離が長い場合には、送電効率の観点から交流送電よりも直流送電が好適である。
【０００３】
一般に、ウインドファームの発電電力は交流で集電され、洋上プラットフォームに搭載される変圧器でこれを昇圧し、電力変換システムで交流から直流へと変換し、陸上まで送電される。しかし、昇圧変圧器は大形で重く、これを搭載する洋上プラットフォームも必然的に大形になるため、洋上プラットフォームの建設や運搬には莫大な費用を伴う。
【０００４】
そこで、ウインドファームの発電電力を直流で集電し、電力変換システムでこの直流電力を昇圧し、陸上に送電するシステムが検討されている。このような用途の電力変換システムはＤＣ／ＤＣコンバータとも呼ばれ、直流を高周波交流に変換するインバータ回路と、高周波変圧器と、高周波交流を直流に変換する整流回路などで構成される。駆動周波数を高めることで、変圧器を小形化できることが知られているが、その一方で、近接効果の影響により巻線損失が増大するという課題がある。
【０００５】
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「絶縁体の基板上に形成された渦巻き状のコイルパターンにスリットや複数の穴を設けることでコイルパターンでの大きな渦電流の発生を防止し、渦電流による近接効果と電流分布の集中を緩和するコア付きコイル装置」が開示されている。
【０００６】
また、非特許文献１には「高周波変圧器の一次巻線、二次巻線を一層毎に交互に重ね合わせて同時に巻き回すことにより、近接効果を抑制して巻線損失を低減する方法」が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−２０３７３６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】H.Tanaka, K.Nakamura, and O.Ichinokura，”Winding Arrangement of High-frequency Amorphous Transformers for MW-class DC-DC Converters”，Journal of the Magnetics Society of Japan，Vol.40，(2016)，No.2，p.35-38
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記非特許文献１に記載された変圧器のように一次巻線と二次巻線を一層毎に交互に重ね合わせて同時に巻き回す構造は、変圧器の小形軽量化に有利である反面、同文献の図１０（ｂ）等から明らかなように、一次巻線と二次巻線の対向面積が大きいため、一次巻線と二次巻線の間の静電容量が大きくなる。これにより変圧器の入力側と出力側との過渡的な絶縁性が失われ、サージの通過や思わぬ電気的共振を招く懸念がある。
【００１０】
一方、上記特許文献１では、プレーナ型のインダクタやトランス等のコア付きコイル装置において、基板上に形成された渦巻き状のコイルパターン自体に発生する渦電流によるコイルの導通損失を課題としており、上記のような一次巻線と二次巻線の間の静電容量による巻線損失については記載されていない。
【００１１】
そこで本発明は、近接効果に起因する巻線損失の増大を抑制しつつ、一次巻線・二次巻線間の静電容量の増大を抑制し、小形軽量化が可能な変圧器およびこれを用いた電力変換システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明は、鉄心と、前記鉄心を囲んで当該鉄心の周囲に巻かれた薄板状の導電体からなる一次巻線と、前記鉄心を囲んで当該鉄心の周囲に巻かれた薄板状の導電体からなる二次巻線と、を備え、前記一次巻線および前記二次巻線のうち、少なくともいずれか一方は１つ以上の貫通孔を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、耐サージ性と高効率性を兼ね備え、かつ小形軽量である変圧器を提供できる。
【００１４】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】比較例の変圧器９の構成を示す図である。
【図２】比較例の変圧器９の一次巻線２１および二次巻線２２の一部を示す図である。
【図３】比較例の変圧器９に係る一次巻線２１と二次巻線２２の対向面積と、一次巻線２１と二次巻線２２との間の容量、近接効果および漏れインダクタンスとの相関関係を示す図である。
【図４】実施例１に係る変圧器１０の構造を示す水平断面図である。
【図５】実施例１に係る変圧器１０の一次巻線２１および二次巻線２２の一部を示す図である。
【図６】実施例１の変形例に係る変圧器１０の二次巻線２２の一部とその拡大図である。
【図７】実施例２に係る変圧器１０の一次巻線２１および二次巻線２２の一部を示す図である。
【図８】実施例２に係る変圧器１０の構造を示す水平断面図である。
【図９】実施例２の変形例に係る変圧器１０の一次巻線２１および二次巻線２２の一部を示す図である。
【図１０】実施例２の別の変形例に係る変圧器１０の一次巻線２１および二次巻線２２の一部を示す図である。
【図１１】実施例２に係る変圧器１０の二次巻線２２に施された貫通孔２３ｂの周辺を示す図である。
【図１２】実施例２に係る変圧器１０における貫通孔２３が変圧器１０にもたらす効果を概念的に説明する図である。
【図１３】実施例３に係る電力変換システム１１の構成を示す図である。
【図１４】実施例３の変形例に係る電力変換システム１１の構成を示す図である。
【図１５】実施例３の別の変形例に係る電力変換システム１１の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
【実施例１】
【００１７】
図１から図５を参照して、実施例１の変圧器について説明する。図１は、一次巻線、二次巻線を重ね合わせて、同時に巻き回した比較例の変圧器９を示している。図１の（ａ），（ｂ）はそれぞれ変圧器９の正面図と水平断面図である。この変圧器９は、主要部品として、鉄心２０、一次巻線２１、二次巻線２２で構成される。一次巻線２１、二次巻線２２は、それぞれ薄板状の導電体である。一次巻線２１および二次巻線２２は互いに対向した状態で重ねられ、鉄心２０の両脚の周囲に巻き回される。なお、絶縁強度、機械強度の向上を目的として、一次巻線２１と二次巻線２２の間には、図示していない絶縁紙やエポキシ樹脂積層板、空隙の全部、または一部が含まれる場合がある。
【００１８】
鉄心２０の左右の各脚に巻き回された一次巻線２１の片方の終端部は、それぞれ一次側脚間配線３１で電気的に接続されている。同様に、鉄心２０の左右の各脚に巻き回された二次巻線２２の片方の終端部は、それぞれ二次側脚間配線３２で電気的に接続されている。鉄心２０の左右の各脚に巻き回された一次巻線２１の残る片方の終端部は、それぞれ一次巻線接続端子３３に接続されている。同様に、鉄心２０の左右の各脚に巻き回された二次巻線２２の残る片方の終端部は、それぞれ二次巻線接続端子３４に接続されている。
【００１９】
図２は、一次巻線２１および二次巻線２２の一部を示している。図２における一次巻線２１、二次巻線２２は、それぞれ鉄心２０に巻き回される前の状態である。一般に、一次巻線２１、二次巻線２２の間の静電容量Ｃ１は次の式（１）で表される。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
ここで、ε０は真空の誘電率、εｓは一次巻線２１と二次巻線２２の間に挟まれる絶縁体の比誘電率、Ｓは一次巻線２１と二次巻線２２の対向面積、ｄは一次巻線２１と二次巻線２２の間の距離である。式（１）によれば、比較例の変圧器９における一次巻線２１と二次巻線２２との間の静電容量Ｃ１は、一次巻線２１、二次巻線２２の対向面積に比例する。図１に示した比較例の変圧器９では、一次巻線２１、二次巻線２２は、それぞれ対向した状態で重ね合わせて巻き回されているため、一次巻線２１と二次巻線２２との間の静電容量は大きい。
【００２２】
図３は、一次巻線２１と二次巻線２２の対向面積が変圧器９に及ぼす影響を説明する図である。一次巻線２１と二次巻線２２の対向面積が大きいほど、一次巻線２１と二次巻線２２との間の静電容量が大きくなることはすでに述べた。一方、一次巻線２１と二次巻線２２の対向面積が大きいほど、高周波での巻線抵抗を増大させる近接効果や、漏れインダクタンスは小さくなる傾向にある。すなわち、一次巻線２１、二次巻線２２間の静電容量と、近接効果および漏れインダクタンスはトレードオフ関係にあると言ってよい。
【００２３】
なお、図３では一次巻線２１と二次巻線２２の対向面積に対して、近接効果および漏れインダクタンスは線形な特性を示しているが、これは説明を簡略化するための措置であり、近接効果および漏れインダクタンスは実際には様々な要因によって決まるものである。
【００２４】
図４は、実施例１に係る変圧器１０の水平断面図である。図１の変圧器９と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。本実施例の変圧器１０の二次巻線２２は、少なくとも１つ以上の貫通孔２３を有する。貫通孔２３の役割と効果は次の通りである。
【００２５】
図５は、本実施例に係る変圧器１０の一次巻線２１と二次巻線２２との間の静電容量を説明する図である。一次巻線２１と二次巻線２２との対向面積は、二次巻線２２に施された貫通孔２３の面積の分だけ減少する。すなわち、全ての貫通孔２３の面積の総和をＳｈとおけば、本実施例に係る変圧器１０の一次巻線２１と二次巻線２２との間の静電容量Ｃ２は次の式（２）で表される。
【００２６】
【数２】
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【００２７】
式（１）、（２）を比較すれば、Ｃ２がＣ１よりも小さくなることは明らかである。すなわち、比較例の変圧器９に比べて、本実施例に係る変圧器１０の一次巻線２１と二次巻線２２との間の静電容量は小さくなる。これにより、近接効果に起因する巻線損失の増大や漏れインダクタンスを抑制しつつ、一次巻線・二次巻線間の静電容量の増大を抑制した変圧器１０を提供できる。
【００２８】
なお、変圧器１０を設計するにあたり、一次巻線２１と二次巻線２２との間の静電容量の低減を第一の目的とするならば、貫通孔２３は少なくとも２つ以上とし、複数の貫通孔２３は二次巻線２２の広範囲にわたって分布するのが良い。１つの貫通孔２３で一次巻線２１と二次巻線２２との間の静電容量を大きく低減させるためには、貫通孔２３の面積を大きくせざるを得ず、変圧器１０の機械的強度不足が懸念されるほか、変圧器１０の電気的特性を設計することが困難になる場合があるためである。
【００２９】
図６を参照して、本実施例の変形例を説明する。図６は、本実施例の変形例に係る変圧器１０の二次巻線２２の一部とその拡大図を示している。図６における二次巻線２２は、鉄心２０に巻き回される前の状態である。二次巻線２２には、少なくとも１つ以上の貫通孔２３が施されており、貫通孔２３の形状はひし形（四角形）である。図６において、二次巻線２２では左から右にかけて電流が流れるものとする。
【００３０】
図６の一部拡大図に示すように、二次巻線２２に貫通孔２３が施された場合、Ａ点における電流は貫通孔２３の端部によって分流する。さらに、電流はその先の別の貫通孔２３によっても分流する。結果的に、二次巻線２２を流れる電流の経路はジグザグ状になるため、貫通孔２３を施さない場合に比べて、貫通孔２３を施した二次巻線２２の正味の直流抵抗は増加する。そのため、貫通孔２３を施さない場合に比べて、貫通孔２３を施した二次巻線２２の損失が増加する懸念がある。
【００３１】
これを回避するには、貫通孔２３の存在により減少した二次巻線２２の正味の導電面積を増やせば良い。より具体的には、二次巻線２２の幅や厚みを増せばよい。ただし、二次巻線２２の幅を増すと、鉄心２０の高さが増すことになり、二次巻線２２の厚みを増すと、鉄心２０の横幅が増すことになる。一方、高周波電流が導体を流れる場合には、表皮効果の影響を受け、導体中心部の抵抗値が高くなることが知られている。すなわち、変圧器１０を高周波で駆動する場合には、二次巻線２２の厚みを増しても所望の効果が得られない場合がある。
【００３２】
そこで貫通孔２３の形状に着目する。貫通孔２３の形状は様々考えられるが、貫通孔２３の形状をひし形（四角形）とすれば、図６に示したように二次巻線２２を流れる電流はジグザグ状にスムーズに分流し、二次巻線２２内での電流経路を短くできる。これにより貫通孔２３を施すことによる直流抵抗の増加を抑制できる。貫通孔２３の形状を六角形としても同様の効果が期待できる。また、貫通孔２３の形状に関し、貫通孔２３の電流と平行する方向の長さをＸ、電流方向と垂直な方向の長さをＹとして、Ｘ／Ｙを大きくすれば、ジグザグ経路はより直線的になるため、さらに直流抵抗の増加を抑制できる。
【００３３】
一方で、多角形状の貫通孔の端部に電界が集中し、長期間の運転の中で絶縁性能が悪化するなどの影響が懸念される。そこで、貫通孔２３の形状を円または楕円とすることで、貫通孔２３内の端部における電界集中を緩和し、絶縁性能への影響を払拭できる。なお、貫通孔２３の形状が楕円の場合であっても、貫通孔２３の形状を二次巻線２２を流れる電流と平行な方向に長く、垂直な方向に短くすれば、二次巻線２２の直流抵抗の増加を抑制することができる。
【００３４】
なお、図４では一例として巻数比が１である変圧器１０を示したが、巻数比は１より大きくても良い。また、図４では、一次巻線２１と二次巻線２２が対向した状態で重ねられ、鉄心２０の両脚に巻き回された構造を示したが、本発明はその構造の限りではない。例えば、鉄心２０の片方の脚のみに、一次巻線２１と二次巻線２２が対向した状態で重ねて巻き回された場合や、鉄心２０の片方の脚に一次巻線２１と二次巻線２２が対向した状態で重ねて巻き回され、鉄心２０の残る片方の脚には一次巻線２１が巻きまわされ、その上に二次巻線２２が巻き回された場合でも、本発明の貫通孔２３がもたらす効果は同様である。
【００３５】
以上のことから、変圧器１０の設計目的に応じて、巻線の厚み、幅、貫通孔の形状、数、面積の総和、巻き方を総合的に考慮することが肝要である。これにより、最小の製作コストで、近接効果に起因する巻線損失の増大や漏れインダクタンス、一次巻線・二次巻線間の静電容量が適切に設計された変圧器１０を提供できる。
【００３６】
以上では二次巻線２２に貫通孔２３を施した場合について説明したが、一次巻線２１に貫通孔２３を施した場合についても、同様の効果が得られることは明白である。また、一次巻線２１、二次巻線２２の両方に貫通孔２３を施した場合については、さらなる効果が期待できる場合があり、以下ではそのことについて詳細に説明する。
【実施例２】
【００３７】
図７および図８を参照して、実施例２の変圧器について説明する。図７は、本実施例に係る変圧器１０の一次巻線２１および二次巻線２２の一部を示している。図７における一次巻線２１、二次巻線２２は、それぞれ鉄心２０に巻き回される前の状態である。本実施例では、貫通孔２３は一次巻線２１、二次巻線２２の両方に、それぞれ貫通孔２３ａ，２３ｂとして施されている。さらに、一次巻線２１に施された貫通孔２３ａと、二次巻線２２に施された貫通孔２３ｂとが極力重ならないように、一次巻線２１、二次巻線２２とが重ねられ、鉄心２０に巻き回される。このような構成とすることで、一次巻線・二次巻線間の静電容量の増大をさらに抑制した変圧器１０を提供できる。
【００３８】
図４から、巻線のターン数が増えるごとに、丸みを帯びた角の部分を形成するのに必要な巻線の長さは長くなることがわかる。さらに、二次巻線２２は一次巻線２１の外側に巻き回されることから、二次巻線２２の１ターンあたりの長さは、一次巻線２１のそれよりも長くなる。このことから、ターン数が増えるに従って、貫通孔２３ａと貫通孔２３ｂとの重なり具合が徐々に変化し、一次巻線２１と二次巻線２２との間の静電容量を所望の値に設計することが難しい。そこで、図８に示すように、巻線の丸みを帯びた角の部分を除いた部分、すなわち直線状である部分にのみ、貫通孔２３ａ、貫通孔２３ｂを形成すれば、貫通孔２３ａと貫通孔２３ｂとの重なり具合を設計値に近づけることができるので、一次巻線・二次巻線間の静電容量を精度良く設計できる。
【００３９】
図９を参照して、本実施例の変形例を説明する。図９は、本実施例に係る変圧器１０の一次巻線２１および二次巻線２２の一部を示している。図９における一次巻線２１、二次巻線２２は、それぞれ鉄心２０に巻き回される前の状態である。本実施例では、一次巻線上辺部領域２４ａ、一次巻線下辺部領域２５ａを除いた部分の一次巻線２１に、貫通孔２３ａが施されている。同様に、二次巻線上辺部領域２４ｂ、二次巻線下辺部領域２５ｂを除いた部分の二次巻線２２に、貫通孔２３ｂが施されている。さらに、貫通孔２３ａと貫通孔２３ｂとが極力重ならないように、一次巻線２１、二次巻線２２とが重ねられ、鉄心２０に巻き回される。
【００４０】
一般に、対向し合う一次巻線２１、二次巻線２２において、巻線中央部領域では、対向していることにより、一次巻線２１、二次巻線２２がそれぞれ発生する磁場を打ち消す作用が大きいが、巻線上辺部領域、巻線下辺部領域ではその作用が相対的に小さく、漏れインダクタンスのほとんどは巻線上辺部領域、巻線下辺部領域で発生していると言っても良い。巻線上辺部領域、巻線下辺部領域に貫通孔２３を施せば、一次巻線２１、二次巻線２２がそれぞれ発生する磁場を打ち消す作用を弱めてしまうため、漏れインダクタンスが大きく増大する。
【００４１】
また、巻線上辺部領域、巻線下辺部領域は機械的応力が集中するため、巻線上辺部領域、巻線下辺部領域に貫通孔２３を施せば、一次巻線２１、二次巻線２２の全体的な機械強度を低下させやすい。
【００４２】
そこで、巻線上辺部領域、巻線下辺部領域を除いた巻線中央部領域にのみ貫通孔２３を施すことで、一次巻線２１、二次巻線２２の機械強度の悪化を防ぎ、漏れインダクタンスの増大を極力抑制しつつ、一次巻線２１、二次巻線２２との間の静電容量を小さくした、変圧器１０を提供できる。言い換えると、貫通孔２３が設けられる巻線の短手方向の端部に貫通孔を設けない禁止領域が設定されている。
【００４３】
図１０を参照して、本実施例のさらに別の変形例を説明する。図１０は、本実施例に係る変圧器１０の一次巻線２１および二次巻線２２の両端部を示している。図１０における一次巻線２１、二次巻線２２は、それぞれ鉄心２０に巻き回される前の状態である。図１０では、二次巻線２２の内周側端部領域２６ａ、外周側端部領域２６ｂが図示されているが、二次巻線２２の裏に隠れている一次巻線２１も同様に、内周側端部領域、外周側端部領域が設定されている。以降では二次巻線２２の内周側端部領域２６ａ、外周側端部領域２６ｂについて説明するが、一次巻線２１の内周側端部領域、外周側端部領域も同様である。
【００４４】
二次巻線２２の内周側端部領域２６ａ、外周側端部領域２６ｂともに、機械的に巻き回しを実施するために所定の機械強度が必要になる場合がある。このことに鑑みて、二次巻線２２の内周側端部領域２６ａ、外周側端部領域２６ｂを除いた部分に貫通孔２３ｂを施す。言い換えると、貫通孔２３が設けられる巻線の長手方向の端部に貫通孔を設けない禁止領域が設定されている。
【００４５】
このような構成とすることで、変圧器１０の製作上必要な機械強度を保持しつつ、一次巻線２１、二次巻線２２との間の静電容量を極力小さくした変圧器１０を提供できる。
【００４６】
なお、内周側端部領域２６ａに比べて、外周側端部領域２６ｂの方が求められる機械強度が大きい場合が多いことから、内周側端部領域２６ａよりも広い領域を外周側端部領域２６ｂとして設定するのが良い。
【００４７】
図１１を参照して、貫通孔２３の形状について詳細に説明する。図１１は、二次巻線２２に施されたひし形（左図）、または楕円形（右図）の貫通孔２３ｂと、その垂直断面図を示している。貫通孔２３ｂの形状がひし形である場合、貫通孔２３ｂの垂直断面において、２つの対角線の長さは二次巻線２２の両表面から中心部にかけて減少するように設計する。また、形状が楕円である場合、長径、短径は二次巻線２２の両表面から中心部にかけて減少するように設計する。すなわち、貫通孔２３ｂの断面はいわゆるテーパ形状となる。
【００４８】
このような構成とすることで、二次巻線２２に貫通孔２３ｂを形成する際に、加工の端面に生じる不要な突起、いわゆるバリの発生を抑制することができる。二次巻線２２の表面にバリが残っていると、一次巻線２１、二次巻線２２の間の絶縁距離が設計よりも短くなり、期待した絶縁性能が得られないほか、変圧器１０の運転中にバリが剥がれ落ち、電気的短絡などの予期せぬ故障を招く要因となる。そこで、貫通孔２３ｂの断面をテーパ形状とすることで、バリの発生を抑制して信頼性の高い変圧器１０を提供できる。なお、一次巻線２１に貫通孔２３ａを施す場合も、同様の方法で同様の効果が期待できる。
【００４９】
図１２を参照して、本実施例の貫通孔２３が変圧器１０にもたらす別の効果を説明する。変圧器１０は、例えば油浸変圧器であって、絶縁油が自然または強制的に巡回し、鉄心２０、一次巻線２１、二次巻線２２を冷却する。通常、絶縁油は変圧器の下部から鉄心２０と一次巻線２１の間や、一次巻線２１と二次巻線２２の間に浸入し、変圧器の上部へと抜け、変圧器タンクに備え付けられる放熱器で冷却されて、再び変圧器の下部へと巡回する。
【００５０】
一次巻線２１、二次巻線２２に貫通孔２３がない場合には、変圧器の下部から上部までの流路は直線状であり、鉄心２０、一次巻線２１、二次巻線２２に温度分布が発生しやすい。とりわけ、変圧器１０が高周波で駆動する場合には、鉄損が大きいために鉄心２０の発熱が大きく、鉄心２０と一次巻線２１との間の油温が最も高くなり、最外周の巻線付近の温度との差は大きくなる。
【００５１】
油浸変圧器に適用される絶縁階級「絶縁Ａ種」では、基準となる周囲温度が４０℃である場合、温度上昇の限度は６５Ｋと定められている。そのため、最高温度となる箇所が６５Ｋ以内となるように設計せざるを得ず、変圧器１０内の温度分布を小さくすることが好ましい。
【００５２】
そこで、図１２に示すように、一次巻線２１、二次巻線２２に貫通孔２３を施せば、油流４０は貫通孔２３を通って隣の流路にも浸入することができ、鉄心２０と一次巻線２１の間の油温、一次巻線２１と二次巻線２２の間の油温が平準化される。
【００５３】
このような構成とすることで、これまで強制的に油を循環させる必要があった変圧器を自然循環とすることが可能となる。また、鉄心２０、一次巻線２１、二次巻線２２の冷却性が増すので、さらなる小形化を図ることもできる。
【実施例３】
【００５４】
図１３を参照して、実施例３の電力変換システムについて説明する。図１３は、本実施例に係る変圧器１０を搭載した電力変換システム１１の構成例を説明する図である。電力変換システム１１は、主として第一の変換ユニット１２、第二の変換ユニット１３、変圧器１０、制御装置１９、とで構成される。
【００５５】
第一の変換ユニット１２は、入力された直流電圧Ｖｉｎを交流電圧に変換して出力するものである。変圧器１０は、第一の変換ユニット１２が出力する交流電圧を、巻数比に応じて昇圧または降圧するものである。第二の変換ユニット１３は、変圧器１０が昇圧または降圧した交流電圧を整流し、直流電圧Ｖｏｕｔを出力するものである。
【００５６】
ここで、電力変換システム１１内の各構成の接続を説明する。変圧器１０の一次巻線２１は第一の変換ユニット１２の出力端子と接続され、二次巻線２２は第二の変換ユニット１３の入力端子と接続される。制御装置１９は、電力変換システム１１の動作を制御するために必要な計算処理を実施するとともに、第一の変換ユニット１２、第二の変換ユニット１３とのデータ授受を実施する。第一の変換ユニット１２、第二の変換ユニット１３から制御装置１９へ送られるデータは、例えば、電圧や電流の瞬時値である。制御装置１９から第一の変換ユニット１２、第二の変換ユニット１３へ送られるデータは、例えば、半導体スイッチング素子を駆動するためのゲート信号である。
【００５７】
次に、第一の変換ユニット１２、第二の変換ユニット１３の構成例をそれぞれ説明する。第一の変換ユニット１２は、主として４つのＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子１５と４つのダイオード１６で構成されたブリッジ回路と、コンデンサ１７で構成される２レベルフルブリッジ型インバータ回路である。ここに含まれるブリッジ回路は、具体的には、直列接続した二つの半導体スイッチング素子１５のそれぞれにダイオード１６を逆並列に接続した直列接続回路を、並列に設置し、両回路の出力端子を変圧器１０の一次巻線２１の両端に接続したものである。
【００５８】
一方、第二の変換ユニット１３は、例えば４つのダイオード１６で構成されたブリッジ回路、リアクトル１８、コンデンサ１７で構成される。このブリッジ回路は、具体的には、二つのダイオード１６の直列接続回路を並列に設置し、両回路の入力端子を変圧器１０の二次巻線２２の両端に接続したものである。ダイオード１６は半導体スイッチング素子１５に比べて低コストであり、また受動部品であることから駆動回路を不要とできるので、第二の変換器ユニット１３を低コストで構成することができる。
【００５９】
半導体スイッチング素子１５がターンオフする際には、遮断される電流の時間変化と電流経路に含まれるインダクタンス成分で決まるサージ電圧が発生する。このサージ電圧は、半導体スイッチング素子１５や変圧器１０の絶縁を破壊するおそれがある。しかし、遮断される電流経路に含まれるインダクタンス成分を低減することは容易ではなく、大抵の場合、コストが高くなる傾向にある。一方で、遮断される電流の時間変化を緩和するために、半導体スイッチング素子１５に並列にスナバコンデンサを接続する場合があるが、この場合も追加コストが発生し、また電力変換システム１１の大形化を招く。
【００６０】
実施例１或いは実施例２で説明したように、本発明の変圧器１０は、一次巻線２１および二次巻線２２のいずれか一方または両方に貫通孔２３を施すことにより、漏れインダクタンス、一次巻線２１、二次巻線２２間の静電容量を適切に設計することが可能となる。変圧器１０の漏れインダクタンスは、上述した遮断される電流経路のインダクタンス成分に含まれる。そこで、電力変換システム１１に、漏れインダクタンスが小さくなるように貫通孔２３の大きさや数を小さくした変圧器１０を適用することにより、半導体スイッチング素子１５のターンオフ動作に起因するサージ電圧の発生を抑制できる。
【００６１】
これにより、半導体スイッチング素子１５や変圧器１０の動作信頼性を高めることができる。また、半導体スイッチング素子１５に並列に接続されるスナバコンデンサの低容量化、省略化が可能となり、低コストで高信頼な電力変換システム１１を提供できる。
【００６２】
なお、電力変換システム１１の定格電力が、例えば１００ｋＷ以上である場合には、変圧器１０の駆動周波数は商用周波数以上の高周波、例えば１ｋＨｚで励磁するのがよい。このようにすることで、鉄心２０の断面積を小さくでき、変圧器１０の体積を小さくできる。さらに鉄心２０を薄帯状の磁性材料を複数枚巻回して構成される巻鉄心とすることで、高周波領域で顕著となる渦電流損の発生を抑制でき、変圧器１０の体積を更に小さくできる。このような巻鉄心として、鉄を主成分とするアモルファス構造や微細な結晶構造を有する薄帯状合金が好適であるが、この限りではない。
【００６３】
図１４を参照して、本実施例の変形例を説明する。図１４は、図１３の第二の変換ユニット１３の別の構成例を示している。なお、ここに示す第一の変換ユニット１２は図１３と同等であるので重複説明は省略する。
【００６４】
図１４の第二の変換ユニット１３は、例えば４つのＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子１５と４つのダイオード１６で構成されたブリッジ回路とコンデンサ１７で構成される２レベルフルブリッジ型コンバータ回路である。ここに含まれるブリッジ回路は、具体的には、直列接続した２つの半導体スイッチング素子１５のそれぞれにダイオード１６を逆並列に接続した直列接続回路を、並列に設置し、両回路の入力端子を変圧器１０の二次巻線の両端に接続したものである。
【００６５】
このような構成とすることで、電力変換システム１１は直流電圧Ｖ１側と、直流電圧Ｖ２側との間で双方向に電力を融通することが可能となる。また、直流電圧Ｖ１側から直流電圧Ｖ２側へ電力を融通する場合は、第二の変換ユニット１３の半導体スイッチング素子１５を同期整流方式で駆動することにより、図１３で示した、４つのダイオードで構成されたブリッジ回路で整流する場合に比べて導通損失を低減できる。同様に、直流電圧Ｖ２側から直流電圧Ｖ１側へ電力を融通する場合は、第一の変換ユニット１２の半導体スイッチング素子１５を同期整流方式で駆動すれば、同様の効果が得られる。
【００６６】
図１５を参照して、本実施例のさらに別の変形例を説明する。図１５は、電力変換システム１１の別の構成例を示している。なお、すでに説明した部分は同一符号を付し、その説明を省略する。変圧器１０は２つの二次巻線２２を有する多巻線変圧器であり、電力変換システム１１は２つの第二の変換ユニット１３を有する。変圧器１０の各々の二次巻線２２は、各々の第二の変換ユニット１３の入力端子にそれぞれ接続される。このような構成とすることで、電力変換システム１１は２つの出力を有することができる。２つの出力を直列に接続すれば、２倍の出力電圧が得られる。また、２つの出力を並列に接続すれば、２倍の出力電流が得られ、電力変換システム１１の適用範囲を広くすることができる。
【００６７】
以上、本実施例の第一の変換ユニット１２と第二の変換ユニット１３の具体例を図１３から図１５に示したが、変換ユニットの組み合わせはこれらに限定するものではない。例えば、３レベルハーフブリッジ型、３レベルフルブリッジ型のインバータ回路、コンバータ回路、整流回路の任意の組み合わせによっても、本実施例と同様の効果を得ることができる。
【００６８】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００６９】
例えば図１３で示した半導体スイッチング素子１５は、複数の半導体スイッチング素子を直列、並列に接続して構成した半導体スイッチング素子群を含む。その他の構成部品についても同様である。
【００７０】
また、各実施例において、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【００７１】
また、冒頭で述べたように、本明細書では洋上ウインドファームに用いられる変圧器および電力変換システムを前提に説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、陸上ウインドファームやメガソーラシステム、その他の直流送配電システムなどの電力変換システム（ＤＣ／ＤＣコンバータ）にも適用可能であるのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７２】
９，１０…変圧器
１１…電力変換システム
１２…第一の変換ユニット
１３…第二の変換ユニット
１５…半導体スイッチング素子
１６…ダイオード
１７…コンデンサ
１８…リアクトル
１９…制御装置
２０…鉄心
２１…一次巻線
２２…二次巻線
２３，２３ａ，２３ｂ…貫通孔
２４ａ…一次巻線上辺部領域
２４ｂ…二次巻線上辺部領域
２５ａ…一次巻線下辺部領域
２５ｂ…二次巻線下辺部領域
２６ａ…二次巻線内周側端部領域
２６ｂ…二次巻線外周側端部領域
３１…一次側脚間配線
３２…二次側脚間配線
３３…一次巻線接続端子
３４…二次巻線接続端子
４０…油流。
【図１】
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【図２】
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【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】
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【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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