(57)【要約】【課題】変圧器の小型化を図るとともに、合計鉄損も抑制する。【解決手段】実施形態の変圧器ユニットは、それぞれが互いに異なる変圧器を構成し、直列スター結線された複数の一次巻線と、対応する一次巻線と電磁的に結合可能に配置され、電力変換装置をそれぞれ接続可能な複数の二次巻線と、対応する一次巻線と電磁的に結合可能に配置され、全ての前記変圧器を跨いで還流路を形成するためにデルタ結線された複数の三次巻線と、を備える。【選択図】図１
2017054889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが互いに異なる変圧器を構成し、直列スター結線された複数の一次巻線と、
対応する前記一次巻線と電磁的に結合可能に配置され、電力変換装置をそれぞれ接続可能な複数の二次巻線と、
対応する前記一次巻線と電磁的に結合可能に配置され、全ての前記変圧器を跨いで還流路を形成するためにデルタ結線された複数の三次巻線と、
を備えた変圧器ユニット。
【請求項２】
前記二次巻線は、鉄心上に巻回された前記三次巻線であって、対応する前記一次巻線が同一な前記三次巻線上に巻回され、
前記一次巻線は、前記対応する前記二次巻線上に巻回されている、
請求項１記載の変圧器ユニット。
【請求項３】
前記一次巻線は、Ｕ相、Ｖ相あるいはＷ相にそれぞれ対応するＵ相一次巻線、Ｖ相一次巻線及びＷ相一次巻線を備え、
前記二次巻線は、前記Ｕ相一次巻線、前記Ｖ相一次巻線あるいは前記Ｗ相一次巻線にそれぞれ対応するＵ相二次巻線、Ｖ相二次巻線及びＷ相二次巻線を備えている、
請求項１または請求項２記載の変圧器ユニット。
【請求項４】
それぞれが互いに異なる変圧器を構成し、直列スター結線された複数の一次巻線と、対応する前記一次巻線と電磁的に結合可能に配置された複数の二次巻線と、対応する前記一次巻線と電磁的に結合可能に配置され、全ての前記変圧器を跨いで還流路を形成するためにデルタ結線された複数の三次巻線と、を備えた変圧器ユニットと、
前記複数の二次巻線のそれぞれに接続され、電力変換を行って接続された負荷に供給する複数の電力変換部と、
を備えた電力変換装置。
【請求項５】
複数の前記電力変換部は、各々独立して制御される、
請求項４記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、変圧器ユニット及び電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワーエレクトロニクスは長足の進歩をしており、種々の構成の大規模変換装置が電力系統にも用いられるようになった。
このような大規模変換装置の一例として、一次巻線が直列スター結線された複数台の変圧器を設けた大規模変換装置が知られている。
【０００３】
この種の大規模変換装置においては、一次側がスター結線されていることに起因して、零相電流を還流できない。
このため、二次側出力電圧波形の歪低減を目的として、変圧器毎に独立してデルタ巻線方式の三次巻線を設けているものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２６９０４４号公報
【特許文献２】特開平７−２６４８５７号公報
【特許文献３】特開２００１−１９６２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、二次巻線には、コンバータ、インバータなどの変換器が接続され、各変換器が各々独立して制御される場合には直列接続された一次巻線間の分担電圧が均等にならず、偏った分担となり、分担が大きくなった変圧器の鉄心中の磁束密度は高くなり、他の変圧器の鉄心中磁束密度は低くなる。
変圧器設計は磁束密度の高い方に合わせて設計する必要があり、磁束密度に大きな差異が生じるような使い方が想定される場合には、変圧器の大型化を招く虞があった。
【０００６】
また、変圧器を流れる電流に大きな差異が生じるような使い方がなされることによっても変圧器の大型化を招く虞があった。
さらに変圧器毎に磁束密度のアンバランスが生じることで、合計鉄損が増加する虞もあった。
【０００７】
本発明は上記に鑑みなされたものであって、変圧器の小型化を図るとともに、合計鉄損も抑制することが可能な変圧器ユニット及び電力変換装置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】
【０００８】
実施形態の変圧器ユニットは、それぞれが互いに異なる変圧器を構成し、直列スター結線された複数の一次巻線と、対応する一次巻線と電磁的に結合可能に配置され、電力変換装置をそれぞれ接続可能な複数の二次巻線と、対応する一次巻線と電磁的に結合可能に配置され、全ての変圧器を跨いで還流路を形成するためにデルタ結線された複数の三次巻線と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、電力変換装置の結線状態説明図である。
【図２】図２は、従来の電力変換装置の結線状態説明図である。
【図３】図３は、従来の第１変圧器の零相磁束密度の解析例の説明図である。
【図４】図４は、従来の第２変圧器の零相磁束密度の解析例の説明図である。
【図５】図５は、従来の第１変圧器及び第２変圧器における変圧器直流巻線零相電流の解析例の説明図である。
【図６】図６は、実施形態の第１変圧器の零相磁束密度の解析例の説明図である。
【図７】図７は、実施形態の第２変圧器の零相磁束密度の解析例の説明図である。
【図８】図８は、実施形態の第１変圧器及び第２変圧器における変圧器直流巻線零相電流の解析例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
図１は、電力変換装置の結線状態説明図である。
電力変換装置１０は、電力源に対して電気的に接続された第１変圧器１５及び第２変圧器１６を備えている。
【００１１】
ここで、第１変圧器１５と、第２変圧器１６とは、直列に接続され、第１変圧器１５及び第２変圧器１６は、例えば、３相５脚鉄心を有する変圧器として構成されている。ここで、３相とは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相をいい、５脚とは、Ｕ相鉄心、Ｖ相鉄心、Ｗ相鉄心、左側脚（第１側脚）及び右側脚（第２側脚）をいう。
【００１２】
第１変圧器１５のＵ相一次巻線Ｕ１の一端、第１変圧器１５のＶ相一次巻線Ｖ１の一端及び第１変圧器のＷ相一次巻線Ｗ１の一端は、高電位側接続点ＰＨに共通接続され、スター接続状態となっている。
【００１３】
第１変圧器１５のＵ相一次巻線Ｕ１の他端は第２変圧器１６のＵ相一次巻線Ｕ２の一端に接続線ＬＵを介して直列接続され、第１変圧器１５のＶ相一次巻線Ｖ１の他端は第２変圧器１６のＶ相一次巻線Ｖ２の一端に接続線ＬＶを介して直列接続され、第１変圧器１５のＷ相一次巻線Ｗ１の他端は、第２変圧器１６のＷ相一次巻線Ｗ２の一端に接続線ＬＷを介して直列接続されている。
【００１４】
また、第２変圧器１６のＵ相一次巻線Ｕ２の他端、第２変圧器１６のＶ相一次巻線Ｖ２の他端及び第２変圧器１６のＷ相一次巻線Ｗ２の他端は、低電位側接続点ＰＬに共通接続され、スター接続状態となっている。
【００１５】
第１変圧器１５のＵ相二次巻線ｕ１には、第１電力変換部２３−１が接続されている。
第１変圧器１５のＶ相二次巻線ｖ１には、第２電力変換部２３−２が接続されている。
第１変圧器１５のＷ相二次巻線ｗ１には、第３電力変換部２３−３が接続されている。
【００１６】
同様に、第２変圧器１６のＵ相二次巻線ｕ２には、第１電力変換部２５−１が接続されている。
第２変圧器１６のＶ相二次巻線ｖ２には、第２電力変換部２５−２が接続されている。  第２変圧器１６のＷ相二次巻線ｗ２には、第３電力変換部２５−３が接続されている。
【００１７】
また、第１変圧器１５の第１三次巻線ａ１→第２変圧器１６の第１三次巻線ａ２→第１変圧器１５の第２三次巻線ｂ１→第２変圧器１６の第２三次巻線ｂ２→第１変圧器１５の第３三次巻線ｃ１→第２変圧器１６の第３三次巻線ｃ２→第１変圧器１５の第１三次巻線ａ１という順番で全ての変圧器である、第１変圧器１５及び第２変圧器１６を跨いで還流路を形成するために接続線Ｌａ１、Ｌａ２、Ｌｂ１、Ｌｂ２、Ｌｃ１、Ｌｃ２を介してデルタ結線され、ループ回路（還流回路）を構成している。
【００１８】
上述した第１変圧器１５及び第２変圧器１６を、３相５脚鉄心を有する変圧器として構成した場合、Ｕ相鉄心の一部には、第１変圧器１５の第１三次巻線ａ１が巻回され、第１三次巻線ａ１上には、第１変圧器１５のＵ相二次巻線ｕ１が巻回され、Ｕ相二次巻線ｕ１上には、第１変圧器１５のＵ相一次巻線Ｕ１が巻回される。
同様にＵ相鉄心の第１変圧器１５の巻線が巻回されていない他部には、第２変圧器１６の第１三次巻線ａ２が巻回され、第１三次巻線ａ２上には、第２変圧器１６のＵ相二次巻線ｕ２が巻回され、Ｕ相二次巻線ｕ２上には、第２変圧器１６のＵ相一次巻線Ｕ２が巻回される。
【００１９】
また、Ｖ相鉄心の一部には、第１変圧器１５の第２三次巻線ｂ１が巻回され、第２三次巻線ｂ１上には、第１変圧器１５のＶ相二次巻線ｖ１が巻回され、Ｖ相二次巻線ｖ１上には、第１変圧器１５のＶ相一次巻線Ｖ１が巻回される。
同様にＶ相鉄心の第１変圧器１５の巻線が巻回されていない他部には、第２変圧器１６の第２三次巻線ｂ２が巻回され、第２三次巻線ｂ２上には、第２変圧器１６のＶ相二次巻線ｖ２が巻回され、Ｖ相二次巻線ｖ２上には、第２変圧器１６のＶ相一次巻線Ｖ２が巻回される。
【００２０】
さらに、Ｗ相鉄心の一部には、第１変圧器１５の第３三次巻線ｃ１が巻回され、第３三次巻線ｃ１上には、第１変圧器１５のＷ相二次巻線ｗ１が巻回され、Ｗ相二次巻線ｗ１上には、第１変圧器１５のＷ相一次巻線Ｗ１が巻回される。
同様にＷ相鉄心の第１変圧器１５の巻線が巻回されていない他部には、第２変圧器１６の第３三次巻線ｃ２が巻回され、第３三次巻線ｃ２上には、第２変圧器１６のＷ相二次巻線ｗ２が巻回され、Ｗ相二次巻線ｗ２上には、第２変圧器１６のＷ相一次巻線Ｗ２が巻回される。
【００２１】
ここで、比較のため、従来の電力変換装置の結線状態および動作について説明する。
図３は、従来の電力変換装置の結線状態説明図である。
図３において、理解の容易のため、実施形態と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
図２の実施形態の電力変換装置１０と異なる点は、三次巻線が変圧器毎にデルタ結線されて、変圧器毎にループ回路を構成している点である。
【００２２】
従来の第１変圧器１５Ｐの二次巻線ｕ１、ｖ１、ｗ１においては、接続されている単相変換器である第１電力変換部２３−１、第２電力変換部２３−２、第３電力変換部２３−３を構成しているコンバータ及びインバータのスイッチング動作の影響を受けるため、鉄心中の磁束は変歪をきたす。
【００２３】
また、第１電力変換部２３−１、第２電力変換部２３−２、第３電力変換部２３−３が、それぞれ独立して制御される場合には、直列接続された一次巻線間（Ｕ相巻線間、Ｖ相巻線間、Ｗ相巻線間）の分担電圧が均等にならず、偏った分担となる。
このため、分担電圧が大きくなった変圧器の鉄心中の磁束密度は高く他の変圧器の鉄心中磁束密度は低くなる。
【００２４】
以下においては、第１変圧器１５Ｐの方が相対的に分担電圧が高くなり、第２変圧器１６Ｐの分担電圧が相対的に低くなった場合、かつ、第１変圧器１５Ｐ及び第２変圧器１６Ｐが３相５脚鉄心構成の変圧器として構成されている場合について説明する。
【００２５】
図４は、従来の第１変圧器の零相磁束密度の解析例の説明図である。
図５は、従来の第２変圧器の零相磁束密度の解析例の説明図である。
図４及び図５に示すように、第１変圧器１５Ｐの鉄心中の磁束密度は低く（最大磁束密度＝±０．７テスラ［Ｔ］程度）、第２変圧器１６Ｐの鉄心中の磁束密度は高くなっている（最大磁束密度＝±０．９テスラ程度）ことがわかる。
【００２６】
ところで、変圧器の設計においては、磁束密度の高い方に合わせて設計する必要がある。したがって、図４及び図５に示したように大きく磁束密度に差異が現れると、変圧器の大型化につながりかねない。
【００２７】
また、変圧器鉄心の鉄損は磁束密度の約１．８乗に比例して大きくなるため、磁束密度がアンバランスになることで全変圧器の合計鉄損が増加する。
このように変圧器における鉄心中の磁束密度がバランスしていないと各変換器に流れる電流に差異を生じる。
【００２８】
図６は、従来の第１変圧器及び第２変圧器における変圧器直流巻線零相電流の解析例の説明図である。
図６に示すように、従来の第１変圧器１５Ｐに流れる零相電流と、従来の第２変圧器１６Ｐに流れる零相電流は大きな差異を示している。
【００２９】
具体的には、図６の解析例の場合、第１変圧器１５Ｐを流れる零相電流は、±１０００Ａであり、第２変圧器１６Ｐを流れる零相電流は、±２７００Ａである。
したがって、第１電力変換部２３−１〜第３電力変換部２３−３及び第１電力変換部２５−１〜第３電力変換部２５−３の制御が不安定になる虞があった。
【００３０】
また、零相電流の大きな方に合わせて設計する必要があるため、第１変圧器１５Ｐ及び第２変圧器１６Ｐの大型化につながってしまう虞があった。
【００３１】
図６は、実施形態の第１変圧器の零相磁束密度の解析例の説明図である。
図７は、実施形態の第２変圧器の零相磁束密度の解析例の説明図である。
上記従来の第１変圧器１５Ｐ及び第２変圧器１６Ｐと異なり、実施形態の第１変圧器１５及び第２変圧器１６によれば、図６及び図７に示すように、磁束密度は、互いに同様となっており、差が生じていないことがわかる。
【００３２】
また、実施形態の第１変圧器１５及び第２変圧器１６における磁束密度の最大値は、従来の第１変圧器１５Ｐ及び第２変圧器１６Ｐの最大磁束密度＝±０．９テスラ程度よりも低い±０．８テスラ程度となっており、大型化してしまう虞を低減できる。
【００３３】
図８は、実施形態の第１変圧器及び第２変圧器における変圧器直流巻線零相電流の解析例の説明図である。
図８に示すように、実施形態の第１変圧器１５を流れる零相電流及び実施形態の第２変圧器１６を流れる零相電流は、±１９００Ａとなっており、第１電力変換部２３−１〜第３電力変換部２３−３及び第１電力変換部２５−１〜第３電力変換部２５−３を流れる電流が同様となり、制御が安定している。さらに零相最大電流も従来の第１変圧器１５Ｐ及び第２変圧器１６Ｐよりも小さな値となっているため、大型化する虞が無い。
【００３４】
以上の説明のように、本実施形態によれば、二つの変圧器、すなわち、第１変圧器１５及び第２変圧器１６を構成している三次巻線を全て直列に接続して、一組の内蔵デルタ巻線（一つのループ回路）を形成しているので、従来の内蔵デルタ巻線構成を採った直列接続した複数の変圧器において、各変圧器の磁束密度の不均一及び電力変換部に供給される電流の不均一を抑制できる。
この結果、本実施形態によれば、変圧器の大型化を抑制し、ひいては、電力変換装置の大型化を抑制できる。
さらに本実施形態によれば、鉄損を抑制し、電力変換装置の高効率化が図れる。
【００３５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
例えば、以上の説明においては、二つの変圧器をスター結線して直列に接続していたが、三つ以上の変圧器をスター結線して直列に接続した電力変換装置を構成することも可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０    電力変換装置
１１    架線
１２    パンタグラフ
１３    線路
１４    車輪
１５    第１変圧器（変圧器ユニット）
１６    第２変圧器（変圧器ユニット）
２１    コンバータ
２２    インバータ
２３−１〜２３−３    第１電力変換部〜第３電力変換部
２４    動力用モータ
２５−１〜２５−３    第１電力変換部〜第３電力変換部
ＰＨ    高電位側接続点
ＰＬ    低電位側接続点
Ｕ１、Ｕ２    Ｕ相一次巻線
Ｖ１、Ｖ２    Ｖ相一次巻線
Ｗ１、Ｗ２    Ｗ相一次巻線
ａ１、ａ２    第１三次巻線
ｂ１、ｂ２    第２三次巻線
ｃ１、ｃ２    第３三次巻線
ｕ１、ｕ２    Ｕ相二次巻線
ｖ１、ｖ２    Ｖ相二次巻線
ｗ１、ｗ２    Ｗ相二次巻線
【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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