(57)【要約】本発明は第１の電圧レベルＨＶの入力交流電圧を第２の電圧レベルＬＶの正味出力交流電圧に変換するマルチ変圧器ユニット（２０）を提供する。マルチ変圧器ユニット（２０）は従来の変圧器や交流機の代わりに用いることができ、入出力電圧間での高調波の伝達を抑制するように設計されている。ユニットは少なくとも２つの移相変圧器（２２、２４）を有し各変圧器は第１の電圧レベル（ＨＶ）に対して位相ずれを生じさせるように動作する。該ユニットの１次側において、該変圧器（２２、３４）が独立に高電圧レベルに接続されるように構成され、該ユニットの２次側においては、ユニットの２次側の電圧ベクトルが加算されて少なくとも部分的に高調波汚損を打ち消し、かつ正味出力交流電圧を与えるように該変圧器が接続されている。さらに、移相変圧器の位相ずれは、マルチ変圧器ユニット（２０）の正味交流出力電圧内に、その入力交流電圧の基本電圧／周波数を完全にまたは実質的に加え入れるように選定してもよい。【選択図】図８
2008511282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電圧レベル（ＨＶ）の入力交流電圧を第２の電圧レベル（ＬＶ）の正味出力交流電圧レベルに変換するためのマルチ変圧器ユニット（２０）であって、該入力電圧は少なくとも１つの高調波で汚損されており、該ユニットには１次側と２次側があり、かつ該ユニットは少なくとも２つの移相変圧器（２２、２４）を備え、各変圧器は第１の電圧レベル（ＨＶ）に対して位相ずれを生じさせるように動作し、該ユニットの１次側において、該変圧器（２２、２４）が独立に第１の電圧レベルに接続されるように構成され、該ユニットの２次側においては、ユニットの２次側の電圧ベクトルが加算されて少なくとも部分的に高調波汚損を打ち消し、かつ正味出力交流電圧を与えるように該変圧器が接続されていることを特徴とするマルチ変圧器ユニット。
【請求項２】
該変圧器の位相ずれは、入力交流電圧の基本周波数の、十分大きな電圧を正味出力電圧に加え入れるように選定される請求項１記載のマルチ変圧器ユニット。
【請求項３】
少なくとも第１および第２の移相変圧器の位相ずれは異なっている請求項１または２記載のマルチ変圧器ユニット。
【請求項４】
少なくとも第１および第２の移相変圧器は１次巻線と２次巻線とを有し、少なくとも第１および第２の移相変圧器の２次巻線は直列に接続されて正味出力電圧を与える請求項１乃至３のいずれかに記載のマルチ変圧器ユニット。
【請求項５】
少なくとも１つの移相変圧器の１次巻線および２次巻線のうちの少なくとも１つは一組の主巻線と一組の拡張巻線とを含む請求項４記載のマルチ変圧器ユニット。
【請求項６】
第１の移相変圧器の一組の拡張巻線の巻数と第２の移相変圧器の一組の拡張巻線の巻数とは、該ユニットの正味出力交流電圧にそれらが寄与する位相ずれが相違するように、異なっている請求項５記載のマルチ変圧器ユニット。
【請求項７】
移相変圧器の１次巻線と２次巻線の結線は、以下のグループから選択される請求項４乃至６記載のマルチ変圧器ユニット：
１次巻線は星形配置で互いに接続され、２次巻線は拡張星形配置で互いに接続される；
１次巻線は拡張星形配置で互いに接続され、２次巻線は星形配置で互いに接続される；
１次巻線は拡張星形配置で互いに接続され、２次巻線は拡張星形配置で互いに接続される；
１次巻線は三角形配置で互いに接続され、２次巻線は星形配置で互いに接続される；
１次巻線は三角形配置で互いに接続され、２次巻線は拡張星形配置で互いに接続される；
１次巻線は拡張三角形配置で互いに接続され、２次巻線は星形配置で互いに接続される；
１次巻線は拡張三角形配置で互いに接続され、２次巻線は拡張星形配置で互いに接続される。
【請求項８】
少なくとも１つの移相変圧器は一組の３次巻線を有する請求項４乃至７のいずれかに記載のマルチ変圧器ユニット。
【請求項９】
２つの移相変圧器で構成される請求項１乃至８のいずれかに記載のマルチ変圧器ユニット。
【請求項１０】
移相変圧器は共通の磁性コアを有する請求項１乃至９のいずれかに記載のマルチ変圧器ユニット。
【請求項１１】
入力交流電圧よりも低い値の正味出力交流電圧を与えるように構成された請求項１乃至１０のいずれかに記載のマルチ変圧器ユニット。
【請求項１２】
入力交流電圧と少なくとも等しい値の正味出力交流電圧を与えるように構成された請求項１乃至１０のいずれかに記載のマルチ変圧器ユニット。
【請求項１３】
マルチ変圧器ユニット（２０）により第１の電圧レベル（ＨＶ）の入力交流電圧を第２の電圧レベル（ＬＶ）の正味出力交流電圧に変換する方法であって、該入力電圧は少なくとも１つの高調波によって汚損されており、該ユニットには１次側と２次側とがあり、かつ該ユニットは少なくとも２つの移相変圧器(２２、２４)を備える方法において、各移相変圧器について第１の電圧レベルに対する位相ずれを予め選定することと、各移相変圧器を動作させて、その２次側において該予め選択された位相ずれをもたらすことと、各移相変圧器からの電圧ベクトルをユニットの２次側において加算して、高調波汚損を少なくとも部分的に打ち消しかつ正味出力交流電圧を与えることと、からなることを特徴とする方法。
【請求項１４】
移相変圧器の位相ずれを予め選定する前記工程は、入力交流電圧の基本周波数の、十分大きな電圧を正味出力電圧に加え入れるように選定することを含む請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
移相変圧器の位相ずれを予め選定する前記工程は、
Ｎを入力交流電圧の基本周波数の所与の高調波次数として、「角度差」＝１８０度／Ｎなる式に従って「角度差」を決定することと、
第１および第２の移相変圧器の位相ずれを、それらの間の角度がこの「角度差」と実質的に等しくなるように選定することと、を含む請求項１３または１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は変圧気に関するものであり、特に地域用の交流（ＡＣ）システムや専用交流システムに好適に使用される高調波電圧除去変圧器（anti-harmonic transformer）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は従来の地域用交流電力システムの一部を示す図である。いくつかの交流発電機２により、例えば１１ｋV（三相）の交流高電圧レベルを有する電力を発電する。電力は、一連の高電力負荷４、例えば製鉄所で用いられるモータに電力供給するサイリスタコンバータに、直接供給される。他方、コンピュータやテレビなどの一連の低電力負荷６は交流低電圧レベル（例えば三相の場合４１５V、一相の場合２４０V）で動作する。したがって、交流発電機２により発生した電力を低電力負荷６に供給できるようにするには、それを前もって変換しなければならない。この変換は２つの交流変圧器８、例えば英国レスターシア州ラフバラLE１１、１HNのBrush Transformers Ltdが販売する標準的な分配変圧器を用いて行う。これらの発電機、変圧器、負荷は高電圧レベルおよび低電圧レベルに回路ブレーカを介して接続される。回路ブレーカは記号「X」にて図示している。
【０００３】
多くの場合、高電力負荷４は交流高電圧レベルに歪み効果を生じさせる。歪み効果の典型は交流高調波電圧（本明細書を通じて「高調波」と称する）の生成である。これら高調波は交流発電機２の発生電力の基本周波数の正確に整数倍あるいは不正確に整数倍である場合がある。例えば交流発電機の基本周波数が５０Hzである場合、第５高調波の周波数は５０×５＝２５０Hzとなる。
【０００４】
交流高電圧レベルを交流低電圧レベルに変換する交流変圧器８は、交流高電圧レベルに含まれるどんな高調波をも交流低電圧レベルに伝えてしまう。これは高電力負荷４が生じさせる歪み効果が、交流変圧器８によって実効的に交流高電圧レベルから交流低電圧レベルに伝達されてしまうことを意味する。交流高電圧レベルから交流低電圧レベルに伝達された高調波はいずれも交流高電圧レベルに含まれる元の高調波の周波数と同一の周波数を有するが、諸回路のインピーダンスにより、その相対的な振幅（大きさ）の割合は若干減少する。
【０００５】
このような従来のシステムにおいて、通常は、交流高電圧レベルにおいて存在する高調波をシステム設計によって抑制し、交流高電圧レベルおよび交流低電圧レベルにおいて許容できる高調波レベルを規定した所定規格を満たすようにする。
【０００６】
図２は人口の中心から離れた砂漠などの地域や、工業施設、電動推進の船などで用いられるような専用の交流電力システムを示す。この専用交流電力システムは二組の別々の決まった負荷を備えており、両者は１つの交流高電圧レベルと２つの交流低電圧レベルにある。すべての負荷は既知であるので、多くの場合交流高電圧レベル側のより高次の高調波に耐えるように設計する。その方が全体的に経済的なシステムとすることができるからである。
【０００７】
図１に示す交流電力システムのように、交流変圧器８を用いて交流高電圧レベルから第１の交流低電圧レベルへの電力変換を行う。従って、交流変圧器８は交流高電圧レベルに含まれるどんな高調波も交流低電圧レベルへに伝える。このため、交流高電圧レベルの高電力負荷４および第１の交流低電圧レベルの低電力負荷１０を、より高次の高調波に耐えられるよう設計しなければならないことになる。しかしより高次の高調波で動作させると明らかに不経済となる低電力負荷も多い。図２の専用交流電力システムにおいては、そのような低電力負荷１２を第２の交流低電圧レベルに接続し、一対の交流機（AC machines）１４によって電力供給する。交流機１４は交流発電機２が供給する電力を、そのロータリシャフト１５を介して伝達するが、いかなる高調波も交流高電圧レベルから交流低電圧レベルへと通過させない。このため、第２の交流低電圧レベルは交流高電圧レベルに加わる高調波を含まない。しかし完全に分離した交流低電圧レベルおよび一対の交流電力機（AC power machines）１４を設けることは常に可能なわけではなく、また常にコストに見合うわけでもない。好適な交流電力機として、英国ラグビーＣＶ２１，１ＢＤのAlstom Electrical Machines Ltdが販売する電力変換交流同期モータと交流発電機の組み合わせを用いてもよい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上から明らかなように、図１の地域用交流電力システムおよび図２の専用交流電力システムにはなんらかの技術的問題がある。従って、実施が容易で、１つの交流電圧レベルから別の交流電圧レベルへの高調波の通過を低減あるいは防止できる、代替の交流電力システムが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従って、本発明は、第１の電圧レベルの入力交流電圧を第２の電圧レベルの正味出力交流電圧に変換するマルチ変圧器ユニットであって、該入力電圧は少なくとも１つの高調波で汚損されており、該ユニットには１次側と２次側があり、かつ該ユニットは少なくとも２つの移相変圧器を備え、各変圧器は第１の電圧レベルに対して位相ずれを生じさせるように動作し、該ユニットの１次側において、該変圧器が独立に高電圧レベルに接続されるように構成され、該ユニットの２次側においては、ユニットの２次側の電圧ベクトルが加算されて少なくとも部分的に高調波汚損を打ち消し、かつ正味出力交流電圧を与えるように該変圧器が接続されているマルチ変圧器ユニットを提供する。
【００１０】
変圧器の位相ずれは、正味出力交流電圧に入力交流電圧の基本周波数の十分大きな電圧を加え入れるように好適に選択する。
【００１１】
このため、マルチ変圧器ユニットは、入力交流電圧に対して位相ずれを有する第１の交流出力電圧を与える第１の移相変圧器と、入力交流電圧に対して位相ずれを有する第２の交流出力電圧を与える第２の移相変圧器とを有することができ、正味出力交流電圧は第１の交流出力電圧と第２の出力交流電圧のベクトル和であり、第１の交流出力電圧の位相ずれと第２の交流出力電圧の位相ずれとは、マルチ変圧器ユニットの正味交流電圧内において入力交流電圧に加わる１以上の高調波を完全にあるいは打ち消すように選定する。第１の交流出力電圧の位相ずれおよび第２の交流出力電圧の位相ずれは、正味交流出力電圧に、マルチ変圧器ユニットの入力交流電圧に適用される基本電圧／周波数を完全にまたは実質的に加え入れるように選定してもよい。
【００１２】
少なくとも第１および第２の移相変圧器の位相ずれは互いに異なるものと考えられる。正味出力交流電圧における移相変圧器出力のベクトル加算は、変圧器の２次巻線を互いに直列に接続することによって実現することができる。
【００１３】
従来の移相変圧器は、基本周波数において入力（即ち１次）交流電圧と出力（すなわち  ２次）交流電圧との間に決まった位相ずれを生じさせる。本発明においては、２つの移相変圧器を結合することにより、基本周波数においてマルチ変圧器ユニットの出力交流電圧に入力交流電圧に対する総体的位相ずれを生じさせることができる。
【００１４】
最も重要な設計事項は、移相変圧器のもたらす個々の位相ずれを、入力交流電圧と正味出力交流電圧との間での所定の高調波の伝達を最小化するように設定することである。もう一つの重要な設計事項は、移相変圧器によって発生する個々の位相ずれを、基本周波数の、十分大きな電圧が、マルチ変圧器ユニットの正味出力交流電圧において得られるように選定することである。
【００１５】
本発明のマルチ変圧器ユニットを実施する際に適切に用いることができる公知の移相変圧器としては、英国サットンコールドフィールドＢ７４、４ＡＡのTransfor Electric Ltdが販売するような、星形の１次巻線と位相が１５度ずれたデルタ千鳥形の２次結線を有する移相変圧器がある。
【００１６】
本発明のマルチ変圧器ユニットにおいて、基本周波数においてはマルチ変圧器ユニットの出力交流電圧を十分に大きいものとしながら、入力交流電圧とマルチ変圧器ユニットの正味交流出力電圧との間でのより広い範囲の高調波の伝達を最小化するように、３つ以上の移相変圧器を用いてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のマルチ変圧器ユニットは以下のような数々の技術的利点を有する。
・本マルチ変圧器ユニットは２つ以上の標準的な移相変圧器を用いており、その特性は明確に決まっておりかつ容易に変更可能である。
・本マルチ変圧器ユニットは所定の高調波の大きさを大きく低減するものであり、かつまた変圧比を考慮すれば入力交流電圧に加わるいかなる高調波も大きく増加させることはない。
・本マルチ変圧器ユニットは高価な回転変流機や高調波フィルタを必要とせず、様々な基本周波数の様々な入力交流電圧範囲において使用することができる。更にマルチ変圧器ユニットの正味出力交流電圧の基本周波数は入力交流電圧の基本周波数と同一である。
・本マルチ変圧器ユニットは、同一の技術的問題を解決する他の手段と比べてより安価で、より小さく、かつより信頼性が高い。
【００１８】
入力交流電圧と出力交流電圧との間に決まった位相ずれを与える、実績のある移相変圧器に適用される回路にはいくつかの異なる回路がある。それら各場合において、移相変圧器は一組の１次巻線と一組の２次巻線とを有する。場合によっては、移相変圧器が一組の３次巻線を有することもある。可能な移相変圧器の例としては、「星形(star)／拡張星形（extended star）」回路、「星形／三角（デルタ）」回路、および「星形／拡張三角」回路がある。これは以下でより詳細に述べられる。他の回路はデュアル１次巻線または異なる接続パターンを利用して、入力交流電圧と出力交流電圧との間に決まった位相ずれを与える。一般的に、ユニット内の移相変圧器は、適切なものであればどのような回路を用いてもよいことは容易に理解されるだろう。更に、複数の移相変圧器の回路の種類が同一である必要もないことも容易に理解されるだろう。
【００１９】
以下の説明において、どの位相ずれも入力交流電圧の基本周波数におけるものである。高調波周波数における位相ずれについて述べる場合には、そのことを明記する。
【００２０】
「星形／拡張星形」回路の場合、１次巻線は従来方式の星形配置で互いに接続され、２次巻線は移相変圧器コアの各肢上に付加的巻線(extra winding)を有した、従来方式の拡張星形配置で互いに接続される。付加的巻線の大きさと巻数を変えることにより、０度から３０度の位相ずれを得ることが可能である。従って、「星形／拡張星形」回路を用いた第１の移相変圧器が第１の位相ずれを有し、異なる巻数の付加的巻線を有する「星形／拡張星形」回路を用いた第２の移相変圧器が第２の位相ずれを有することが可能である。
【００２１】
「星形／三角」回路の場合、１次巻線は従来方式の星形配置で互いに接続され、２次巻線は従来方式の三角形配置で互いに接続される。あるいは、１次巻線を従来方式の三角形配置で互いに接続し、２次巻線を従来方式の星形配置で互いに接続してもよい。同様に、「星形／拡張三角」回路の場合、１次巻線は従来方式の星形配置で互いに接続され、２次巻線は移相変圧器コアの各肢上に付加的巻線を有した、従来方式の拡張三角形配置で互いに接続される。付加的巻線の大きさと巻数を変えることにより、０度から３０度の位相ずれを得ることが可能である。従って、「星形／拡張三角」回路を用いた第１の移相変圧器が第１の位相ずれを有し、異なる巻数の付加的巻線を有する「星形／拡張三角」回路を用いた第２の移相変圧器が第２の位相ずれを有することが可能である。
【００２２】
本発明のマルチ変圧器ユニットの好適な実施形態においては、第１および第２移相変圧器の１次巻線を従来方式の拡張三角配置で接続し、各位相の２次巻線を従来方式の星形配置で互いに直列に接続して、第１および第２移相変圧器の出力交流電圧のベクトル和としての正味出力交流電圧を提供する。各拡張巻線の巻数は、入力交流電圧に対する正味出力交流電圧の全体としての位相ずれが所定の位相ずれとなるように選定する。
【００２３】
複数の移相変圧器は別々のユニットとして構成してもよく、また共通の磁性（鋼製）コアを共有するように単一のユニットとして複合してもよい。
【００２４】
入力交流電圧と第１および第２の移相変圧器の出力交流電圧はベクトルとみなすことができるので、入力交流電圧と第１の移相変圧器からの出力交流電圧とがなす角度を第１の位相ずれ角度と言い表し、入力交流電圧と第２の移相変圧器からの出力交流電圧とがなす角度を第２の位相ずれ角度と言い表すことができる。第１と第２の位相ずれ角度が異なる場合には、それらのなす角度を「角度差」と表すことができる。
【００２５】
本マルチ変圧器ユニットにおいて、「角度差」を１８０度／Nに設定することにより、所定の高調波を殆ど完全に打ち消すことができる。ここで「N」は入力交流電圧の基本周波数の所与の高調波次数である。従って、「角度差」は、所与の交流電力システムにおいて、入力交流電圧から正味出力交流電圧への高調波の伝達を最小化するように選ばれた値をとるように選定すべきである。
【００２６】
マルチ変圧器ユニットは、変圧器の巻線の巻数を適切に選定することにより、基本周波数において該「角度差」の効果を奏することを可能としながら、入力交流電圧の基本周波数において要求される正味出力交流電圧を実現することが重要な注目すべき点である。
【００２７】
移相変圧器の設計および／または配置を変更することにより、入力交流電圧をいかなる値とすることもでき、また、入力交流電圧をマルチ変圧器ユニットの正味出力出力交流電圧よりも高くすることも低くすることもできる。
【００２８】
本発明のマルチ変圧器ユニットは従来の変圧器や交流機の代替として、例えば地域用の交流電力システムや専用交流電力システムの一部として用いることができる。該マルチ変圧器ユニットにより、高電力負荷が交流低電圧レベルに与える歪み作用を最小化するように、交流高電圧レベルの１つまたは複数の所定の高調波を部分的または完全に打ち消すことができる。
【００２９】
本発明はまた、マルチ変圧器ユニットにより第１の電圧レベルの入力交流電圧を第２の電圧レベルの正味出力交流電圧に変換する方法であって、該入力交流電圧は少なくとも１つの高調波によって汚損されており、該ユニットには１次側と２次側とがあり、かつ該ユニットは少なくとも２つの移相変圧器を備える方法において、各移相変圧器について第１の電圧レベルに対する位相ずれを予め選定することと、各移相変圧器を動作させて、その２次側において該予め選択された位相ずれをもたらすことと、各移相変圧器からの電圧ベクトルをユニットの２次側において加算して、高調波汚損を少なくとも部分的に打ち消しかつ正味出力交流電圧を与えることと、からなる方法を提供する。
【００３０】
移相変圧器の位相ずれを予め選定する工程は、正味出力交流電圧内に入力交流電圧の基本周波数の、十分な大きさの電圧を加算するように位相ずれを選定する工程を含んでもよい。
【００３１】
上記方法によれば、以下の手順により入力交流電圧内にある１以上の高調波を完全にまたは部分的に打ち消すことができる、即ち、入力交流電圧に対して位相ずれを有する第１の交流電圧を提供する第１の移相変圧器と入力交流電圧に対して位相ずれを有する第２の交流電圧を提供する第２の移相変圧器とを備えるマルチ変圧器ユニットに入力交流電圧を供給し、第１の出力交流電圧と第２の出力交流電圧をベクトル加算し、基本周波数および高調波周波数のマルチ変圧器ユニット正味出力電圧を決定し、第１の交流出力電圧の位相ずれと第２の交流出力電圧の位相ずれとを選定して、マルチ変圧器ユニットの正味交流出力電圧において入力交流電圧に含まれていた１以上の高調波を完全にまたは部分的に打ち消す、という手順である。第１および第２の交流出力電圧の位相ずれを選定する工程は、マルチ変圧器ユニットの入力交流電圧に適用される基本電圧／周波数をマルチ変圧器ユニットの正味交流出力電圧に完全にまたは実質的に加え入れるように位相ずれを選定する工程を含んでもよい。
【００３２】
第１の交流出力電圧の位相ずれと第２の交流出力電圧の位相ずれとを選定して、マルチ変圧器ユニットの正味交流出力電圧において入力交流電圧に含まれていた１以上の高調波を完全にまたは部分的に打ち消す工程は、Ｎを入力交流電圧の基本周波数の高調波の次数として、「角度差」＝１８０度／Ｎなる式に従って「角度差」を決定することと、第１の交流出力電圧の位相ずれと第２の交流出力電圧の位相ずれとを、それらの間の角度が実質的にその「角度差」と等しくなるように選定すること、からなってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の例示のための実施形態を、添付図面を参照して説明する。
まず、本発明のマルチ変圧器ユニットにおいて使用可能な移相変圧器の種類について、図３乃至６を参照して説明する。
図３および４は本発明において使用可能な公知の移相変圧器を図式的に示している。図３において、第１の移相変圧器３０Ａは「星形／拡張星形」回路を用いて第１の位相ずれ（phase shift）を与え、第２の移相変圧器３０Ｂは異なる巻数の付加的巻線を有する「星形／拡張星形」を用いて第２の位相ずれを与える。変圧器３０Ａは三相式であり、その一次巻線ＷＩＰは従来方式の星形結線（スター結線）で接続されている。３つの２次巻線の各々は主巻線Ｗ１ＳＭと拡張巻線Ｗ１ＳＥとを含み、これら２次巻線もまた従来方式の星形結線で接続されている。第２の移相変圧器３０Ｂも三相式であり、その３つの１次巻線Ｗ２Ｐは従来方式の星形結線で接続され、３つの２次巻線Ｗ２ＳＭおよびＷ２ＳＥも従来方式の星形結線で接続されている。それぞれの場合において、１次巻線Ｗ１ＰおよびＷ２Ｐは共通の三相入力交流電圧ラインに接続されている。第２移相変圧器の拡張巻線の巻数は第１の移相変圧器の拡張巻線Ｗ１ＳＥの巻数より多くなるように構成している。従って、第１の移相変圧器の出力交流電圧は共通の入力交流電圧に対して第１の位相ずれを有し、第２の移相変圧器の出力交流電圧は共通の入力交流電圧に対して第２の位相ずれを有する。
【００３４】
図４は三相式の第１の移相変圧器４０Aを図式的に示している。その３つの１次巻線Ｗ１Ｐは従来方式の星形結線で接続されている。３つの２次巻線の各々は主巻線Ｗ１ＳＭと拡張巻線Ｗ１ＳＥとを含み、これらは従来方式の拡張三角（デルタ）結線で接続されている。三相式の第２の移相変圧器４０Ｂは従来方式の星形結線で接続された３つの１次巻線Ｗ２Ｐと、従来方式の拡張三角結線で接続された３つの２次巻線Ｗ２ＳＭおよびＷ２ＳＥとを有している。それぞれの場合において、１次巻線Ｗ１ＰおよびＷ２Ｐは共通の三相入力交流電圧ラインに接続されている。第２の移相変圧器の拡張巻線Ｗ２ＳＥの巻数は第１の移相変圧器の拡張巻線Ｗ１ＳＥより多い。従って、第１の移相変圧器の出力交流電圧は共通の入力交流電圧に対して第１の位相ずれを有し、第２の移相変圧器の出力交流電圧は共通の入力交流電圧に対して第２の位相ずれを有する。
【００３５】
図５は本発明の実施形態を示す図である。本図において第１の移相変圧器５０Aは三相式であり、その３つの一次巻線の各々は従来方式の拡張三角結線で接続されており、主巻線Ｗ１ＰＭと拡張巻線Ｗ１ＰＥとを含んでいる。第２の移相変圧器５０Bも同様の構成であり、その３つの１次巻線の各々は主巻線Ｗ２ＰＭと拡張巻線Ｗ２ＰＥとを含んでいる。両変圧器５０Aおよび５０Bの１次巻線は、共通の三相入力交流電圧ラインに接続されている。しかし、本発明により、第１および第２の移相変圧器５０A、５０Bそれぞれの２次巻線Ｗ１ＳおよびＷ２Ｓは従来方式の星形結線で直列に接続され、第１および第２の移相変圧器の出力交流電圧のベクトル和とである正味交流電圧を与える。第２の移相変圧器５０Ｂの拡張１次巻線Ｗ２ＰＥの巻数は第１の移相変圧器５０Ａの拡張１次巻線の巻数よりも多い。従って、第１の移相変圧器５０Ａの２次巻線Ｗ１Ｓ内の出力交流電圧は共通の入力交流電圧に対して第１の位相ずれを有し、第２の移相変圧器５０Ｂの２次巻線Ｗ２Ｓ内の出力交流電圧は共通の入力交流電圧に対して第２の位相ずれを有する。各拡張巻線Ｗ１ＰＥおよびＷ２ＰＥの巻数は、入力交流電圧に対して正味出力交流電圧が所定の相対位相ずれを有するように選定することができる。
【００３６】
注：図５においては第１および第２の移相変圧器５０Ａ、５０Ｂの第３相２次巻線Ｗ１Ｓ、Ｗ２Ｓを「真っ直ぐな」直列接続として図式的に示しているが、実際にはそれらの巻線は他の２相とともに星形配置をなす。
【００３７】
以下において、マルチ変圧器ユニットの正味交流出力電圧における１以上の高調波の完全なあるいは部分的な除去について、および正味出力電圧における基本電圧／周波数の実質的加算について図６Aおよび６Bを参照して説明する。
【００３８】
図６Aは第１および第２の移相変圧器の入力および出力交流電圧を、基本周波数において電圧ベクトルとして図式的に示している。本図において、ＶＲＩは共通の入力交流電圧の電圧ベクトルであり、ＶＲＯ１は第１の移相変圧器からの出力交流電圧の電圧ベクトルであり、ＶＲＯ２は第２の移相変圧器からの出力交流電圧の電圧ベクトルである。従って、ＰＳＡ１はＶＲＯ１とＶＲＩとの間の位相ずれ角度であり、ＰＳＡ２はＶＲＯ２とＶＲＩとの間の位相ずれ角度であり、ＤＡはＶＲＯ１とＶＲＯ２との間の「角度差」である。
【００３９】
典型的な例として、図６ＡではＰＳＡ１を７度とし、ＰＳＡ２を３７度としている。このとき「角度差」ＤＡは３０度となる。電圧ベクトルＶＲＯ１は互いに９０度をなす２つの成分ベクトル１Ａおよび１Ｑによって表すことができる。同様に電圧ベクトルＶＲＯ２は２つの成分ベクトル２Ａおよび２Ｑによって表すことができる。小さい方の２つの電圧ベクトル１Ｑおよび２Ｑは互いに打ち消し合う。しかし大きい方の２つの電圧ベクトル１Ａおよび２Ａは加算されて十分大きな値の正味出力ベクトルＶＲＯＮを与える。
【００４０】
入力電圧の基本周波数をＦとすると、基本周波数のＮ倍の所定の高調波の周波数はＦ×Ｎとなる。更に、基本位相ずれ角Ｚに対して、該所定の高調波Ｎの周波数における位相ずれ角はＮ×Ｚとなる。即ち、基本周波数が５０Ｈｚ（一般的な送電線網の周波数）であり、基本位相ずれ角が３０度であるとすると、第５高調波の周波数は５０Ｈｚ×５＝２５０Ｈｚとなり、この周波数における位相ずれ角は５×３０度＝１８０度となる。この原理を用いると、このマルチ変圧器ユニットにおいて上記の「角度差」を１８０度／Ｎに設定すれば、選択した高調波をほとんど完全に打ち消すことができる。すなわち、上で挙げた例の場合は、「角度差」を１８０度／５＝３６度に設定すべきである。同様に、第７高調波に対しては、１８０度／７＝２５．７度に設定すべきである。入力交流電圧に第５および第７高調波が加わっている場合には、「角度差」を３０度近くに設定し、両方の高調波が部分的に打ち消されるようにしてもよい。
【００４１】
図６Ｂにおいても、ＶＲＩは共通の入力交流電圧ベクトルである。第５高調波における第１の移相変圧器からの出力交流電圧を表す電圧ベクトルＶＲＯ１の位相ずれＰＳＡ１をＶＲＯ１−５として示しており、これは５×７度＝３５度に等しい。同様に、第２の移相変圧器からの出力交流電圧を表す電圧ベクトルＶＲＯ２の位相ずれＰＳＡ２をＶＲＯ２−５として示しており、これは５×３７度＝１８５度に等しい。これより、第５高調波における「角度差」ＤＡは１５０度である。ベクトル成分ＶＲＯ１−５およびＶＲＯ２−５を示しているが、ベクトル１Ａと２Ａは実質的に打ち消し合っている。ベクトル１Ｑとベクトル２Ｑとが加算されて正味の出力ベクトルＶＲＯＮ−５を与える。これはＶＲＯ１−５やＶＲＯ２−５と比べて小さい電圧となっている。仮に基本周波数における「角度差」が３６度に設定されていたとすると、第５高調波における「角度差」は５×３６度＝１８０度となり、ＶＲＯ１−５とＶＲＯ２−５とは正確に打ち消し合うことになる。
【００４２】
図７は図２に示すものと類似の専用交流電力システムを示す図であり、同様の要素には同一の参照番号を付している。相違する点は、交流機１４が本発明による高調波防止変圧器ユニット２０に置き換えられていることのみである。
【００４３】
いくつかの交流発電機２が交流高電圧レベル、例えば１１ｋＶ（三相）の電力を発電する。電力は、一連の高電力負荷４、例えば製鉄所で用いられるモータに電力供給するサイリスタコンバータに、直接供給される。交流変圧器８を用いて、交流高電圧を２４０Ｖ（三相）の第１の交流低電圧レベルに変換し、コンプレッサを駆動する交流モータなどの壊れにくい一連の低電力負荷１０に供給する。また高調波防止変圧器ユニット２０を用いて、交流高電圧レベルを２４０Ｖ（三相）の第２の交流低電圧レベルに変換し、コンピュータやテレビなどの壊れやすい一連の低電圧付加１２に供給する。
【００４４】
図８において、高調波防止変圧器ユニット２０は第１の移相変圧器２２および第２の移相変圧器２４を備えている。両移相変圧器２２および２４共に、従来の鋼製磁気コア（図示せず）を有する三相構成としている。第１および第２の移相変圧器２２および２４の１次巻線は、前述のように拡張三角形式に配置されている。
【００４５】
第１の移相変圧器２２の１次巻線は交流高電圧レベルＨＶに接続されており、主巻線Ｗ１ＰＭと拡張巻線Ｗ１ＰＥとを含む。同様に第２の移相変圧器２４の１次巻線も交流高電圧レベルに接続されており、主巻線Ｗ２ＰＭと拡張巻線Ｗ２ＰＥとを含む。第１および第２の移相変圧器２２および２４の２次巻線Ｗ１ＳおよびＷ２Ｓは、図５に関連して既述のように、従来の星形結線で互いに直列に接続されている。図示の便のため、これら２次巻線は互いに「真っ直ぐに」直列接続しているものとして図式的に示されている。
【００４６】
第１の移相変圧器２２の２次巻線Ｗ１Ｓにおける出力交流電圧は交流高電圧レベルに対して決まった位相ずれを有することになる。同様に、第２の移相変圧器２４の２次巻線Ｗ２Ｓにおける出力交流電圧は交流高電圧レベルに対して決まった位相ずれを有することになる。高調波防止変圧器ユニット２０の正味出力交流電圧ＬＶは、第１および第２の移相変圧器２２および２４の２次巻線Ｗ１ＳおよびＷ２Ｓの出力電圧のベクトル和である。第１および第２の移相変圧器２２および２４の拡張巻線Ｗ１ＰＥおよびＷ２ＰＥの巻数比を変えることにより、高調波防止変圧器ユニット２０の正味出力交流電圧ＬＶにおいて、交流高電圧レベルＨＶに対して所定の総体的位相ずれを生じさせることができる。第１および第２の移相変圧器２２および２４のこの所定の位相ずれは、交流高電圧レベルにおいて存在する高調波を完全にあるいは部分的に打ち消すような、特定の値に設定することができる。
【００４７】
例えば、２次巻線Ｗ１ＳおよびＷ２Ｓの出力交流電圧をベクトルとみなすと、図６Ａおよび６Ｂに示したような一組の角度を設定することができる。ある決められた高調波の組を最小化するべく、異なる角度の組を設定することができる。従って、高調波防止変圧器ユニット２０を用いて、交流高電圧レベルＨＶに含まれるどの高調波についても、それを交流低電圧レベルに伝わるのを防止する、あるいは少なくともそれを減衰させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】交流変圧器のみにより電力変換を行う公知の地域用交流電力システムを示す概略図である。
【図２】交流変圧器と交流機を用いて電力変換を行う公知の専用電力システムを示す概略図である。
【図３】それ自体は公知の「星形／拡張星形」回路を有する第１および第２の移相変圧器を示す概略図である。
【図４】それ自体は公知の「星形／拡張三角」回路を有する第１および第２の移相変圧器を示す概略図である。
【図５】本発明に用いる、「拡張三角／星形」回路を有する第１および第２の移相変圧器を示す概略図である。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは、本発明で用いられるような第１および第２の移相変圧器の入力交流電圧と出力交流電圧とを、ベクトルでどのように表現しうるかを示す概略図である。
【図７】交流機を本発明の高調波防止変圧器で置き換えた専用交流電力システムを示す概略図である。
【図８】本発明の高調波防止変圧器の設計をより詳細に示す概略図である。
【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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【国際調査報告】
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