(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対称的に四つの閉磁路を形成する田の字状磁心を有し、該田の字状磁心に対し、該磁心の互いに交叉して十字状磁路を形成する一方の磁心に同軸線上に対向させて一対の主巻線を巻回し、該主巻線を巻回した磁心と平行する２対の磁心にそれぞれ制御巻線を巻回し、前記主巻線は一対の主巻線による磁束が互いに十字状磁路の交点に対向するように直列に接続し、前記制御巻線は主巻線による磁束によって生じる誘起電圧が互いに打消されるように接続し、その開放端子側には制御回路を接続して直流制御電流を供給し、主巻線により生じる磁束と制御巻線により生じる磁束の共通磁路の磁気抵抗を制御して主巻線のリアクタンスを連続的に可変としたことを特徴とする電磁機器。
【請求項２】
Ｉ字状磁心の長辺両側に一対のＥ字状磁心を対向させて前記田の字状磁心を形成したことを特徴とする請求項１に記載の電磁機器。
【請求項３】
Ｅ形カットコアを上下に対向させた三脚磁心２組を、互いにＥ形カットコアの背辺を接して前記田の字状磁心を形成したことを特徴とする請求項１に記載の電磁機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、主巻線の励磁電流に影響されず、高調波歪みが少なく、突き合わせ面に絶縁フィルムを必要としないでリアクタンスを可変できる電磁機器に関し、特に、電力系統に直列に接続可能なリアクタンス可変電磁機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リアクタンスを可変する従来の技術としては、本出願人が先に提案した線形可変リアクトル（特開平０９−３３０８２９号公報）や誘導性素子（特開平０９−１２９４５０号公報）がある。
【０００３】
図７は、本出願人が先に提案した線形可変リアクトル（特開平０９−３３０８２９号公報）の一例を示す斜視図で、この線形可変リアクトルは、図７に示すように、主巻線３２が巻回された第１のＵ形カットコア３１と、制御巻線３４が巻回された第２のＵ形カットコア３３から構成され、これら第１及び第２のＵ形カットコア３１、３３は、そのカット面同志を互いに対向させ、且つ、第１のＵ形カットコア３１に対して第２のＵ形カットコア３３を捩じり方向に９０°回転させた状態で接触されている。カット面同志の４面の接触面３６は、主巻線３２、制御巻線３４の各々に電圧ｅ１、ｅ２を印加して発生する磁束φ１、φ２の全てが通る共通磁路となる。そこで、制御巻線３４の電流ｉ２で当該共通磁路を磁気飽和させることにより主巻線３２による磁束の磁路を楔形の間隙３５に移行させることができ、制御巻線３４の励磁電流を変えることにより、主巻線３２のリアクタンスを線形に可変させることができる。
【０００４】
図８は、誘導性素子（特開平０９−１２９４５０号公報）の一例を示す斜視図で、この誘導性素子は、図８に示すように、ＥＩ型コア４４に主巻線４５と制御用巻線４６を巻回した構成であり、主巻線４５に交流電源を接続することにより、巻線部４５ａによる磁束φ１及び巻線部４５ｂによる磁束φ２が発生する。ここで、制御用巻線４６に制御電流を流すと磁束φ３が発生するが、外枠４７と外枠４８を等断面積とすることにより、外枠４７内には磁束φ１に磁束φ３の１／２を加算した磁束が通過し、外枠４８内には磁束φ２に磁束φ３の１／２を差し引いた磁束が通過する。このとき、外枠４７の端部４７ａに前記加算磁束が集中し、先端部が磁気飽和して外枠４７の透磁率が減少しインダクタンスが低下する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記線形可変リアクトルは、第１及び第２のＵ形カットコアの共通磁路を制御巻線の励磁電流により磁気飽和させ透磁率を制御することによりリアクタンスを可変しており、また、上記誘導性素子についても、主磁束と制御磁束により外枠先端部を磁気飽和させ透磁率を制御することによりリアクタンスを可変している。このため、共に、主巻線に流れる負荷電流が増加すると、負荷電流により磁気飽和現象が生じてしまい、制御巻線の励磁電流によるリアクタンス制御が困難になるという課題があった。
【０００６】
また、上記線形可変リアクトルは、直交するＵ形カットコアの鉄心接合面に於いて生ずる渦電流発生の対策として、鉄心接合面における積層鋼板間の短絡を防止するため接合面に絶縁フィルムを挿入しているが、十分な耐久性を持つ絶縁フィルム材料を確保することが困難であり、また、絶縁フィルムを介在させると磁気回路の磁気抵抗が増大し、大きなリアクタンスの変化が困難となるという課題があった。
【０００７】
本発明は、上述のごとき課題に鑑み、磁気回路の構造及び巻線の巻装構造が簡単で、かつ、絶縁フィルムを必要としないで、かつ、高調波電流を低減させ、リアクタンスを可変できる電磁機器を提供することを目的とする。
さらに、従来から用いられている主鉄心構造を適用して容易に構成できるリアクタンス可変の電磁機器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、対称的に四つの閉磁路を形成する田の字状磁心を有し、該田の字状磁心に対し、該磁心の互いに交叉して十字状磁路を形成する一方の磁心に同軸線上に対向させて一対の主巻線を巻回し、該主巻線を巻回した磁心と平行する２対の磁心にそれぞれ制御巻線を巻回し、前記主巻線は一対の主巻線による磁束が互いに十字状磁路の交点に対向するように直列に接続し、前記制御巻線は主巻線による磁束によって生じる誘起電圧が互いに打消されるように接続し、その開放端子側には制御回路を接続して直流制御電流を供給し、主巻線により生じる磁束と制御巻線により生じる磁束の共通磁路の磁気抵抗を制御して主巻線のリアクタンスを連続的に可変としたことを特徴としたものである。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、Ｉ字状磁心の長辺両側に一対のＥ字状磁心を対向させて前記田の字状磁心を形成したことを特徴としたものである。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、Ｅ形カットコアを上下に対向させた三脚磁心２組を、互いにＥ形カットコアの背辺を接して前記田の字状磁心を形成したことを特徴としたものである。
【００１１】
【発明実施の形態】
図１は、本発明による電磁機器の基本構成例を示す接続図、図２は、図１で示した電磁機器を等価的に回路表示した回路構成図である。本発明の基本構成を以下に説明する。
【００１２】
田の字状磁心は、第１のＥ形磁心３ａと第２のＥ形磁心３ｂを、Ｉ形磁心４に鉄心窓部が４個所形成されるように対称に対向させ、第１のＥ形磁心３ａとＩ形磁心４の接合面及び第２のＥ形磁心３ｂとＩ形磁心４の接合面は、磁心を構成する各々の積層鋼板を平行になるように突き合わせて構成する。
【００１３】
第１のＥ形磁心３ａの中央脚に第１主巻線１ａを巻回し、第２のＥ形磁心３ｂの中央脚に第２主巻線１ｂを巻回する。主巻線１ａ及び１ｂを、両主巻線から生じる磁束φ１ａ及びφ１ｂがＩ形磁心４に向かって同方向になるように直列に接続する。第１のＥ形磁心３ａの外脚には制御巻線２ａ及び２ｂを巻回し、第２のＥ形磁心３ｂの外脚には制御巻線２ｃ及び２ｄを巻回し、主巻線による磁束で制御巻線２ａ及び２ｂ、２ｃ及び２ｄに生じる誘起電圧がそれぞれ打消されるように全制御巻線を直列に接続し、その開放端子側に制御回路５を接続する。
なお、制御巻線は、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのうち、任意の２巻線を、生じる誘起電圧がそれぞれ打消されるように接続した一組と、同様に接続した残る２巻線一組を、直列または並列接続とし、その開放端子側に制御回路５を接続することもできる。
【００１４】
図１において、主巻線の開放端に交流電源を接続し、図示矢印方向の電流ＩＬ１が流れていたとする。なお、電流ＩＬ１を正サイクルとした場合、負サイクルでは電流ＩＬ２が流れる。電流ＩＬ１が流れると、磁路には主巻線１ａによる主磁束φ１ａ及び主磁束φ１ａ’、並びに主巻線１ｂによる主磁束φ１ｂ及び主磁束φ１ｂ’がそれぞれ発生する。逆に、電流ＩＬ２が流れた場合についてはそれぞれ前記と逆向きの主磁束が発生する。発生した主磁束は、制御巻線に直流制御電流を流さない場合にはそれぞれ四つの閉磁路を通過し、主巻線には巻数と鉄心の磁気抵抗に応じたリアクタンスが発生する。制御巻線を巻回した鉄心部及びＩ形磁心部は、制御磁束φｃと主磁束との共通磁路となる。
【００１５】
主巻線に電流ＩＬ１、ＩＬ２を流した状態で制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流すと、制御巻線２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにおいて、制御巻線の巻数と制御電流Ｉｃの積で表される起磁力が発生することで、制御巻線磁束φｃ１及びφｃ２と主磁束φ１ａ、φ１ａ’及びφ１ｂ、φ１ｂ’が同方向となる共通磁路部分の磁束密度が大となって透磁率が変化し、主磁束が制御されリアクタンスが低下する。
【００１６】
主巻線電流ＩＬ１、ＩＬ２あるいは直流制御電流Ｉｃを増加させることにより共通磁路が磁気飽和状態に近づくと、主巻線１ａ及び１ｂより発生する主磁束がＩ形磁心４に向かって同方向になるように主巻線を分割して接続しているため、増加する主磁束φ１ａ及び主磁束φ１ａ’と増加する主磁束φ１ｂ及び主磁束φ１ｂ’は互いに相殺され、磁路は完全な磁気飽和状態に至らず一定の磁束密度に保たれる。一対の主巻線１ａ及び１ｂによる主磁束の増加分が閉磁路を環流しないので、互いの主巻線の起磁力を相殺することになる。
【００１７】
更に、主巻線電流ＩＬ１、ＩＬ２が増加しても、共通磁路が一定の磁束密度に保たれるように、増加する主巻線１ａによる主磁束と主巻線１ｂによる主磁束は相殺されるため、直流制御電流Ｉｃを制御することにより主磁束が制御でき、リアクタンスを可変することができる。
即ち、主巻線電流に拘わらず、制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流すことでリアクタンスを可変することができる。
【００１８】
図３（Ａ）は、本発明によるリアクタンスの制御特性例を示したものであり、主巻線電流が増加した場合でも、直流制御電流Ｉｃを増加させることにより、リアクタンスが可変できることがわかる。
図３（Ｂ）は、本発明によるリアクタンスの磁化特性を示したもので、縦軸は主巻線部の磁束、横軸は主巻線の巻数と主巻線電流の積で表される起磁力を表している。
直流制御電流Ｉｃが少ない場合には磁化特性の非線形が生じているものの、制御電流Ｉｃを増加させることにより、主磁束が相殺されて磁束の増加を抑制し、磁化特性の非線形性が改善されることが確認でき、これにより高調波歪みが減少することがわかる。
【００１９】
また、第１のＥ形磁心３ａとＩ形磁心４の磁心接合面及び第２のＥ形磁心３ｂとＩ形磁心４の磁心接合面は、各々の積層鋼板が平行に突き合わされているため積層鋼板間の短絡は生じない。このため、磁心接合面に絶縁フィルムを挿入する必要はない。
【００２０】
以上のように、本発明によると、直流制御電流を調整することにより主磁束を制御するとともに、主巻線間の主磁束を相殺することにより、主巻線電流の影響を受けずに高調波を低減させてリアクタンスを高速且つ連続的に可変することができる。
【００２１】
図４は、中央脚に主巻線１ａを、外脚に制御巻線２ａ及び２ｂを巻回した第１のＥ形カットコア６ａと第２のＥ形カットコア６ｂを対向させ、中央脚に主巻線１ｂを、外脚に制御巻線２ｃ及び２ｄを巻回した第３のＥ形カットコア６ｃと第４のＥ形カットコア６ｄを対向させた２組の三脚磁心を、磁路が田の字状になるように対向させたものである。
【００２２】
主巻線１ａ及び１ｂを、両主巻線から生じる磁束φ１ａ及びφ１ｂがＥ形磁心６ｂ及び６ｄのなかで同方向になるように直列に接続する。また、主巻線による磁束で制御巻線２ａ、２ｂ及び２ｃ、２ｄに生じる誘起電圧がそれぞれ打消されるように全制御巻線を直列に接続し、その開放端子側に制御回路５を接続したものである。
なお、制御巻線は、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのうち、任意の２巻線を、生じる誘起電圧がそれぞれ打消されるように接続した一組と、同様に接続した残る２巻線一組を、直列または並列接続とし、その開放端子側に制御回路５を接続することもできる。
【００２３】
本構成によれば、高磁束密度鋼板を適用したＥ形カットコアが使用できることから、コアの設計磁束密度を高くすることができ、機器のコンパクト化が図れるとともに、低コストの電磁機器を実現することができる。
【００２４】
（適用例）
図５は、本発明の電磁機器を無効電力補償装置へ適用した場合の例を示した図で、図５において、電磁機器７と電力用コンデンサ８を並列接続し、送電線路に並列に挿入し、電磁機器７を制御回路により制御して、系統に生じる遅相から進相の無効電力を連続的に補償するようにしたものである。
【００２５】
（応用例）
図６は、図１に示した本発明の電磁機器を多機能変圧器へ適用した応用例を説明するための図で、図示のように、主巻線を一次巻線９ａ、９ｂとし、さらに一次巻線９ａ、９ｂを巻回した脚それぞれに、二次巻線１０ａ、１０ｂを巻回して一次巻線と同様に接続して構成した多機能変圧器である。
【００２６】
図６において、一次巻線に交流電源を接続し二次巻線には負荷を接続し、二次巻線に図示矢印方向の二次電流ＩＬ２が流れたとする。制御電流を流さない場合には、一次巻線９ａ及び９ｂには、上記二次電流で発生した磁束を打消すように一次電流ＩＬ１が流れ、全体として変圧器動作を示す。
【００２７】
制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流すと、制御巻線の巻数と制御電流Ｉｃの積で表される起磁力が発生することで透磁率が変化し、主磁束が制御される。主巻線１ａによる主磁束φ１ａ及び主磁束φ１ａ’と主巻線１ｂによる主磁束φ１ｂ及び主磁束φ１ｂ’はそれぞれが互いに逆向きの磁束であるため相殺され、その結果、一次巻線と鎖交する主磁束が減少する。
【００２８】
このため、一次巻線には制御電流の制御に伴う主磁束の減少に応じて、一次巻線の端子間電圧を維持するために必要な主磁束を発生させる遅れ無効電流である励磁電流が増加する。
即ち、変圧器としての機能に加えて、制御電流を調整することで一次側に流入する無効電流の調整が可能な多機能変圧器を実現することができる。
なお、多機能変圧器を図１に示した電磁機器に適用して説明したが、本発明で記載した他の電磁機器についても適用可能なことは明らかである。
【００２９】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明によれば、タップを設けることなく、負荷電流の有無に拘わらず、高調波電流を抑制し、広範囲にリアクタンスを可変する電磁機器を実現することができ、近年の電力需要の増大や負荷の多様化により、系統電圧の変動等負荷の多様化に対応できるフレキシブルな電力設備の提供を図ることができる電力系統の電圧の安定化に寄与できる。
【００３０】
また、主巻線による主磁束に対し田の字状磁心の四つの閉磁路を環流する磁路が形成され、主巻線が巻回された磁心部以外は、主巻線による主磁束と制御巻線による制御磁束が通る共通磁路となり、それにより、制御磁束を調整して共通磁路の磁気抵抗を制御することにより主巻線のリアクタンスを連続的に可変できる。
【００３１】
また、主巻線電流が増加した場合、互いに共通磁路に向かって対向している主磁束も増加するので、前記四つの閉磁路における共通磁路部の磁束密度が大になり、共通磁路の磁気抵抗が増大し、それに伴い、主磁束が互いに相殺し、一対の各主巻線の起磁力を相殺するようになり、結果として主磁束は増加しない。
【００３２】
上述のように、共通磁路が完全な磁気飽和に至ることはないので、主巻線電流値が大であってもリアクタンスの制御が可能であり、加えて、磁路が完全な磁気飽和状態に至らないため高調波電流歪を抑制することができる。
【００３３】
更に、田の字状磁心の形成はＩ形積層磁心の両側に２個のＥ形積層鉄心を接合することにより簡単に構成できる。
カットコアで構成する場合は、Ｅ形カットコアを対向させて形成した２組の三脚磁心の背辺を接合すればよい。
【００３４】
なお、上記の他、本発明の要旨を逸しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による単相形電磁機器の基本構成の一例を示す接続図である。
【図２】  図１に示した電磁機器の等価回路を示す回路構成図である。
【図３】  電磁機器の制御特性例を示す図である。
【図４】  発明による電磁機器の他の基本構成例を示す接続図である。
【図５】  本発明を無効電力補償装置へ適用した例を示す接続図である。
【図６】  本発明を多機能変圧器へ適用した例を示す接続図である。
【図７】  本出願人が先に提案した線形可変リアクトルの一例を示す斜視図である。
【図８】  誘導性素子の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１（１ａ，１ｂ）…主巻線、２（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）…制御巻線、３（３ａ，３ｂ）…Ｅ形磁心、４…Ｉ形磁心、５…制御回路、６（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ）…Ｅ形カットコア、７…電磁機器、８…電力用コンデンサ、９（９ａ，９ｂ）…一次巻線、１０（１０ａ，１０ｂ）…二次巻線、３１…第１のＵ形カットコア、３２…主巻線、３３…第２のＵ形カットコア、３４…制御巻線、３５…楔形間隙、３６…カット面同士の接触面、４１…誘導性素子、４２…Ｅ型コア、４３…Ｉ型コア、４４…ＥＩ型コア、４５…主巻線、４６…制御用巻線、４７…外枠、４８…外枠、４９…中枠。
【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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