(57)【要約】【課題】高調波フィルタの接続される端子電圧を交流系統電圧に制約されることなく最適な値に設定可能とすることにより、安価で保守の容易な交直変換用変圧器を提供する。【解決手段】交流側主巻線５及び直流側主巻線６を備えた交直変換用変圧器１において、フィルタ用巻線７が内蔵されている。このフィルタ用巻線７には高調波フィルタ４が接続されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流側主巻線及び直流側主巻線を備えた交直変換用変圧器において、
高調波フィルタを接続するためのフィルタ用巻線を内蔵したことを特徴とする交直変換用変圧器。
【請求項２】
前記フィルタ用巻線の容量を前記高調波フィルタの容量よりも大きく設計したことを特徴とする請求項１記載の交直変換用変圧器。
【請求項３】
前記フィルタ用巻線の定格電圧を交流・直流側主巻線のいずれかもしくは両方の定格電圧よりも低く設定したことを特徴とする請求項１または２記載の交直変換用変圧器。
【請求項４】
変圧器各端子間インピーダンスを等価な星形結線で表したとき、前記高調波フィルタ側ブランチのインピーダンスを、前記交流主巻線側ブランチのインピーダンスに比べて半分以下となるよう設定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の交直変換用変圧器。
【請求項５】
前記直流側主巻線を三相星形結線と三相三角結線の二種類の巻線より構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の交直変換用変圧器。
【請求項６】
星形結線と三角結線の直流側主巻線をそれぞれ別の鉄心脚に配置し、交流側主巻線及びフィルタ用巻線を両方の鉄心脚に配置すると同時にそれぞれ並列接続したことを特徴とする請求項５記載の交直変換用変圧器。
【請求項７】
１相分すべての巻線を同一の鉄心脚に配置したことを特徴とする請求項５記載の交直変換用変圧器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交直変換装置に適用される変圧器に係り、特に、高調波フィルタの配置構成に改良を加えた交直変換用変圧器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、交直変換用変圧器内の巻線は直流側主巻線と交流側主巻線に分かれている。図６に示した交直変換用変圧器では、符号５が交流側主巻線、符号６が直流側主巻線である。なお、符号８は鉄心脚を示している。直流側主巻線６はサイリスタバルブやＩＧＢＴバルブ等の半導体変換装置２に接続されており、交流側主巻線５は交流系統３に接続されている。また、半導体変換装置２は多くの高調波を発生するため、この高調波が半導体変換装置２から交流系統３へ流入しないように構成しなくてはならない。そこで従来より、交流系統３側に高調波を取り除くための高調波フィルタ４が取り付けられている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２０４３５１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高調波フィルタ４は交流系統３側に取り付けられるので、高調波フィルタ４の定格電圧を交流系統３側の電圧と一致させる必要がある。したがって、交流系統３の電圧が高くければ、高調波フィルタ４の接続される端子の定格電圧も高くしなくてはならず、高調波フィルタ４を含む設備のコストが増大していた。特にＨＶＤＣなど交直主巻線電圧の高い変換用変圧器では、高調波フィルタ４のコストは定格電圧に大きく左右される。つまり、定格電圧が大きくなれば、当然、高調波フィルタ設備のコストは上昇する。さらには保守作業も大変になり、経済的に不利な点が多かった。
【０００５】
本発明は、このような問題点を解消するために提案されたものであり、その目的は、高調波フィルタの接続される端子電圧を交流系統電圧に制約されることなく最適な値に設定可能とすることにより、安価で保守の容易な交直変換用変圧器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、交流側主巻線及び直流側主巻線を備えた交直変換用変圧器において、高調波フィルタを接続するためのフィルタ用巻線を追加、内蔵したことを特徴としている。このような構成の発明によれば、高調波フィルタを交流系統に取り付けていないので、高調波フィルタの電圧を交流系統電圧と一致させる必要がなく、高調波フィルタの定格電圧を交流系統電圧以外の最適値に設定可能である。したがって、交流系統の電圧が高くなった場合でも高調波フィルタに最適な定格電圧を選定することができる。これにより、高調波フィルタ設備のコストを低減化できると同時に、保守作業も容易となり、経済性の向上を図ることができる。
【０００７】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の交直変換用変圧器において、前記フィルタ用巻線の容量を前記高調波フィルタの容量よりも大きく設計したことを特徴としており、フィルタ用巻線に対して基本波成分に対する調相設備を接続したり、フィルタ用巻線から所内用電力を取り出すことが可能となる。
【０００８】
請求項３記載の発明では、請求項１または２記載の交直変換用変圧器において、前記フィルタ用巻線の定格電圧を交流・直流側主巻線のいずれかもしくは両方の定格電圧よりも低く設定したことを特徴としており、これにより、さらなる経済性の向上が可能である。
【０００９】
請求項４記載の発明では、請求項１〜３のいずれか１項に記載の交直変換用変圧器において、変圧器各端子間インピーダンスを等価な星形結線で表したとき、前記高調波フィルタ側ブランチのインピーダンスを、前記交流主巻線側ブランチのインピーダンスに比べて半分以下となるよう設定したことを特徴としている。このような発明において、直流側端子からの高調波はフィルタ側ブランチインピーダンスと交流側ブランチインピーダンスの逆比に近い割合で高調波フィルタと交流系統へ流れることになるため、フィルタ側ブランチインピーダンスを交流側ブランチインピーダンスに比べて半分以下のできるだけ小さな値となるよう設定したことにより、高調波を交流系統ではなくフィルタ側にのみ流すことができ、効率良く高調波を除去可能である。
【００１０】
請求項５記載の発明では、請求項１〜４のいずれか１項に記載の交直変換用変圧器において、前記直流側主巻線を三相星形結線と三相三角結線の二種類の巻線より構成したことを特徴としている。この発明によれば、高調波フィルタへ流れ込む高調波電流の次数が少なくなるため、フィルタ用巻線の容量を低減化でき、且つ高調波フィルタ設備の小形化が可能となる。
【００１１】
請求項６記載の発明では、請求項５記載の交直変換用変圧器において、星形結線と三角結線の直流側主巻線をそれぞれ別の鉄心脚に配置し、交流側主巻線及びフィルタ用巻線を両方の鉄心脚に配置すると同時にそれぞれ並列接続したことを特徴としており、１脚あたりの巻線容量は少なくて済むため、巻線外径寸法の小形化が実現する。
【００１２】
請求項７記載の発明では、請求項５記載の交直変換用変圧器において、１相分すべての巻線を同一の鉄心脚に配置したことを特徴としており、鉄心重量の軽減化を進めることができ、変圧器全体の小形化・低コスト化に寄与することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（１）  第１の実施の形態
［構成］
以下、本発明の実施の形態の一例について、図面を参照して具体的に説明する。なお、図６にて示した従来例と同一の部材に関しては同一の符号を付して説明は省略する。まず始めに、請求項１〜３の発明を包含した第１の実施の形態について示す。図１に示すように、交流側主巻線５及び直流側主巻線６を備えた交直変換用変圧器１において、フィルタ用巻線７が内蔵されている。このフィルタ用巻線７には高調波フィルタ４が接続されている。また、フィルタ用巻線７の容量は高調波フィルタ４の容量よりも大きく設計されている。さらに、フィルタ用巻線７の定格電圧は交流・直流側主巻線５，６のいずれかもしくは両方の定格電圧よりも低く設定されている。
【００１４】
［作用効果］
以上のような構成を有する第１の実施の形態では、高調波フィルタ４を交流系統３側に取り付けていないため、高調波フィルタ４の定格電圧を交流系統電圧と一致させる必要がなく、フィルタ用巻線７の端子電圧を任意に決めることができる。したがって、コストや運用面を考慮した上で高調波フィルタに最適な定格電圧を選定することが可能となる。これにより、高調波フィルタ４を含む設備を低コストで実現でき、しかも保守作業も容易である。
【００１５】
また、第１の実施の形態においては、フィルタ用巻線７の容量を、そこに接続される高調波フィルタ４の容量よりも大きく設計している。このため、基本波成分に対する調相設備の接続や、所内用電力の取り出しもこのフィルタ用巻線７から行うことが可能である。さらに本実施の形態ではフィルタ用巻線７の電圧を交流・直流側主巻線５，６のいずれかもしくは両方の定格電圧よりも低く設定することで、大きなコストメリットを得ている。
【００１６】
（２）  第２の実施の形態
［構成］
続いて、請求項４の発明に対応する第２の実施の形態について図２を用いて説明する。図２（Ａ−１）と（Ｂ−１）は内鉄形変圧器における巻線配置例であり、（Ａ−１）はフィルタ用巻線７が交流側巻線５と直流側巻線６の間に配置された構成、（Ｂ−１）はフィルタ用巻線７が直流側巻線６の内径側に配置された構成である。
【００１７】
２つの巻線配置において、交流側端子９と直流側１０間のインピーダンスを１５％として設計した場合の、変圧器内部インピーダンス例がそれぞれ図２（Ａ−２），（Ｂ−２）である。インピーダンスは、仮想接続点１５を中心として星形結線された等価ブランチインピーダンスとして表されている。本実施の形態では、高調波フィルタ４側ブランチのインピーダンス１４を、交流主巻線５側ブランチのインピーダンス１２に比べて半分以下となるよう設定した点に特徴があり、図面で言えばＡ−１側の構成をとっている。
【００１８】
［作用効果］
半導体変換装置２で発生し直流側端子１０から変圧器内に入り込んだ高調波は、仮想接続点１５に達した後、交流側端子９とフィルタ側端子１１の２つの方向に分かれて流れる。巻線配置（Ａ−１）の場合、高調波フィルタ４側ブランチのインピーダンス１４は交流側ブランチのインピーダンス１２に比べ非常に小さくゼロに近い値である。端子１１に接続される高調波フィルタ４は、除去対象の高調波周波数におけるインピーダンスがほぼゼロとなるよう設計されているため、仮想接続点１５からみてフィルタ側端子１１の方向のインピーダンス合計値もゼロに近い値となり、結果として高調波の大部分はフィルタ側端子１１に流れ、交流側端子９には流れ込まなくなる。
【００１９】
一方、巻線配置（Ｂ−１）の場合、端子１１に接続される高調波フィルタ４が、対象としている高調波周波数においてほぼゼロのインピーダンスとなるよう設計されている点は同じであるが、交流側ブランチインピーダンス１２とフィルタ側ブランチインピーダンス１４はほぼ同じ値であるため、仮想接続点１５に達した高調波の約半分は交流側系統へ流れ込んでしまう。
【００２０】
上述の作用により、高調波フィルタ４側ブランチのインピーダンス１４が交流側ブランチのインピーダンス１２に比べ半分以下の小さな値となる図２（Ａ−１）のような巻線配置としたことで、高調波の大部分はフィルタ側端子１１にのみ流れることになる。つまり、直流側端子から変圧器１内に入り込んだ高調波は、フィルタ４側ブランチインピーダンス１４と交流側ブランチインピーダンス１２の逆比に近い割合で高調波フィルタ４と交流系統３へ流れるので、フィルタ４側ブランチインピーダンス１４を交流側ブランチインピーダンス１２に比べて半分以下のできるだけ小さな値となるよう変圧器を設計することにより、高調波をフィルタ側端子１１にのみ流すことが可能となり、効率良く高調波を除去することができる。
【００２１】
（３）  第３の実施の形態
［構成］
第３の実施の形態は請求項５の発明に対応しており、これを図３を参照して説明する。本実施の形態は上記第１の実施の形態の構成を三相で表すと同時に、交直変換用変圧器１内部に直流側巻線６を２つ配置し、そのうち一つ６ａを星形結線とし、もう一つ６ｂを三角結線としたものである。
【００２２】
［作用効果］
このような構成を有する第３の実施の形態では、直流側主巻線６を三相星形結線６ａと三相三角結線６ｂの二種類の巻線より構成したことにより、フィルタ用巻線７を経由して高調波フィルタ４へ流れ込む高調波の電流次数を少なくすることができる。このため、フィルタ用巻線７の容量低減および高調波フィルタ４の設備小形化が可能となる。
【００２３】
（４）  第４の実施の形態
［構成］
図４に示す第４の実施の形態は請求項６に対応しており、前記第３の実施の形態において、２つの直流側巻線６ａ，６ｂをそれぞれ異なる鉄心脚８ａ，８ｂに配置し、フィルタ側巻線７と交流側巻線５は両方の鉄心脚８ａ，８ｂに配置すると同時にそれぞれ並列に接続した点に特徴がある。
【００２４】
［作用効果］
このような第４の実施の形態では、同心円状に巻線を配置するだけの標準的内鉄形変圧器巻線構造で、前記第３の実施の形態に係る交直変換用変圧器１が実現可能となる。またすべての巻線を１脚に配置した場合と比較し本構成は１脚あたりの巻線容量が半分になることから、巻線外径寸法を小さくすることが可能となる。
【００２５】
（５）  第５の実施の形態
［構成］
図５に示した第５の実施の形態は請求項７に対応しており、前記第３の実施の形態において、２つの直流側巻線６ａ，６ｂを１つの鉄心脚８ａ，８ｂにそれぞれ上下に配置し、フィルタ側巻線７は２つに分割したものを上下に配置して並列に接続し、交流側巻線５は巻線上下で巻方向を変えて巻線中央と上下から端子を引き出した構成としている。
【００２６】
［作用効果］
このような第５の実施の形態では、鉄心脚８一つに１相分の巻線すべてを配置することが可能となるため、鉄心重量を大幅に軽減化できる。このため、変圧器全体の小形化・低コスト化が可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば交直変換用変圧器内に高調波フィルタ用巻線を内蔵するといった極めて簡単な構成により、交流系統電圧の制約を受けることなく高調波フィルタに最適な電圧を選択できるようになり、安価で保守の容易な高調波フィルタ設備の適用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の回路図。
【図２】本発明に係る第２の実施の形態（Ａ−１，  Ａ−２）とそれに該当しない形態（Ｂ−１，Ｂ−２）を示す、変圧器巻線配置図とインピーダンス星形回路図。
【図３】本発明に係る第３の実施の形態の回路図。
【図４】本発明に係る第４の実施の形態の巻線配置・結線図。
【図５】本発明に係る第５の実施の形態の巻線配置・結線図。
【図６】従来の交直変換用変圧器の回路図。
【符号の説明】
１…交直変換用変圧器
２…半導体変換装置
３…交流系統
４…高調波フィルタ
５…交流側主巻線
６…直流側主巻線
６ａ…直流側主巻線（星形結線）
６ｂ…直流側主巻線（三角結線）
７…フィルタ用巻線
８…鉄心脚
８ａ…鉄心脚Ａ
８ｂ…鉄心脚Ｂ
９…交流側端子
１０…直流側端子
１１…フィルタ側端子
１２…交流側ブランチインピーダンス
１３…直流側ブランチインピーダンス
１４…フィルタ側ブランチインピーダンス
１５…仮想接続点
【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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