JP2010200414A

JP2010200414A - 省電力配線回路

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Publication number: JP2010200414A
Application number: JP2009039760A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Watanabe; 重樹渡邊; Takehiko Machida; 武彦町田; Hiromasa Fukagawa; 裕正深川; Toshito Morita; 俊人森田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2010-09-09

Abstract

【課題】受電用の高圧変圧器と動力負荷を含む動力配線回路において、動力負荷に支障のない範囲で、動力負荷への入力電圧を高め、無効電力及び不要電力の発生を抑制し、受電電力の省電力を図る。
【解決手段】三相高圧変圧器で変換して得た２次電圧を動力負荷回路に供給する配線回路において、（ａ）三相高圧変圧器にて、通常使用する１次側端子の電圧値より高い電圧値の１次側端子で受電し、２次側端子に、通常の電圧値より低い２次電圧を出力し、（ｂ）２次電圧を、低損失変圧器で、動力負荷の定格電圧値以上に高めて動力負荷回路に供給し、（ｃ）三相高圧変圧器及び動力負荷回路を含む配線回路に生じる無効電力及び不要電力を総括的に抑制する、ことを特徴とする省電力配線回路。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍機、コンプレッサー、冷蔵庫、空調機、工作機等の負荷を持つ電動機へ電力を供給する動力配線回路において、電動機の負荷に支障がない範囲で省電力を達成する省電力配線回路に関するものである。

近年、環境対策面から、ＣＯ₂排出量の削減に貢献するため、各種の省電力装置（節電装置）が、数多く提案されている（例えば、特許文献１〜４、参照）。省電力装置（節電装置）の多くは、負荷へ供給する２次側電圧を下げる方式や、一時的に、冷暖房設備への電力供給を停止する方式を採用している。

しかし、高圧変圧器の２次側電圧を下げる方式を採用すると、定電力特性を有する電動機の場合、配線回路に流れる電流が増すので、上記方式は、動力回路には適さない。一方、単に、動力負荷に供給する電圧を上げる方式を採用すると、配線回路を流れる電流は減少するので、省電力効果が期待できそうであるが、配線回路が短いと、線路インピーダンスが小さいので、省電力効果は殆ど期待できない。

特に、供給電力自体の変動や、負荷突入時の負荷変動によって、入力電力が大きく変動する場合、電動機への入力電圧を大幅に上げて省電力を図る方式では、電動機を安定的に駆動するための定電力運転幅が狭くなって、電動機の安定運転が難しくなり、負荷に影響を及ぼす恐れがある。

このように、電動機を含む動力配線回路において、動力負荷に支障のない範囲で、省電力を図ることは、技術的に難しい面があるが、将来にわたり、省エネルギーは不可避の重要課題であり、より優れた省電力技術の開発が強く求められている。

特開平１１−２０６１２７号公報特開平１１−３０８７６８号公報特開２００１−３５０５２６号公報特開２００７−０１８４２０号公報

本発明は、受電用の高圧変圧器と動力負荷を含む動力配線回路において、動力負荷に支障のない範囲で、動力負荷への入力電圧を高め、無効電力及び不要電力の発生を抑制し、受電電力の省電力を図ることを課題とする。

動力負荷（例えば、電動機）への入力電圧を大幅に上げて省電力を図る方式では、動力負荷に支障のない範囲で省電力効果を得ることは、技術的に難しい。本発明者らは、このことを踏まえ、上記課題を解決する手法について鋭意研究した。

その結果、本発明者らは、「（x1）受電用の高圧変圧器の１次側端子として、通常使用する１次側端子より１タップ上の１次側端子を使い、２次側に、通常使用する値より低い２次電圧を発生させ、次いで、（x2）２次電圧を、受電用の高圧変圧器の２次側に接続した低損失単巻変圧器で、数％（２〜３％）以上高い電圧に昇圧して、動力負荷（例えば、電動機）に供給すると、（ｙ）動力負荷に支障のない範囲で省電力を達成できる」ことを見いだした。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

（１）三相高圧変圧器で変換して得た２次電圧を動力負荷回路に供給する配線回路において、
（ａ）三相高圧変圧器にて、通常使用する１次側端子の電圧値より高い電圧値の１次側端子で受電し、２次側端子に、通常の電圧値より低い２次電圧を出力し、
（ｂ）２次電圧を、低損失変圧器で、動力負荷の定格電圧値以上に高めて動力負荷回路に供給し、
（ｃ）三相高圧変圧器及び動力負荷回路を含む配線回路に生じる無効電力及び不要電力を総括的に抑制する、
ことを特徴とする省電力配線回路。

（２）前記低損失変圧器が、低損失の金属導体を巻回した直列巻線と、三相バランス機能を有する分路巻線を備える単巻変圧器であることを特徴とする前記（１）に記載の省電力配線回路。

（３）前記単巻変圧器が、鉄心の回りに分路巻線を備え、その外側に、低損失の金属導体で作製した直列巻線を備えるものであることを特徴とする前記（２）に記載の省電力配線回路。

（４）前記単巻変圧器の直列巻線が、二つのＵ字型金属導体コイルを接続導体で接続したものであることを特徴とする前記（２）又は（３）に記載の省電力配線回路。

（５）前記接続導体を、直列巻線と分路巻線間の漏れ磁束に、平行又はほぼ平行に配置したことを特徴とする前記（４）に記載の省電力配線回路。

（６）前記金属導体が、銅バー、銅フィルム、アルミバー、及び、アルミフィルムのいずれかであることを特徴とする前記（２）〜（４）のいずれかに記載の省電力配線回路。

（７）前記接続導体が、銅バー、又は、アルミバーであることを特徴とする前記（４）又は（５）に記載の省電力配線回路。

（８）前記低損失変圧器による２次電圧の電圧上昇率を、（ｉ）直列巻線数と分路巻線数の比率を定めて設定するか、又は、（ii）分路巻線に複数の短絡端子を設け、スイッチ機能で短絡端子を選択し、直列巻線数と分路巻線数の比率を調整することを特徴とする前記（２）〜（７）のいずれかに記載の省電力配線回路。

（９）前記スイッチ機能による短絡端子の選択を、手動又は自動で行うことを特徴とする前記（８）に記載の省電力配線回路。

（１０）前記動力負荷回路が電動機を含むことを特徴とする前記（１）〜（９）のいずれかに記載の省電力配線回路。

（１１）前記動力負荷回路が、電動機と並列に、力率改善用コンデンサーを含むことを特徴とする前記（１）〜（１０）のいずれかに記載の省電力配線回路。

本発明によれば、冷凍機、コンプレッサー、冷蔵庫、空調機、工作機などの負荷を有する動力負荷（例えば、電動機）へ電力を供給する動力配線回路において、低損失変圧器により省電力を確実に達成することができる。また、本発明によれば、低損失変圧器を配線回路中に組み込むだけですむので、設備が大型化せず、設備費が安価である。

本発明の省電力配線回路の一態様を示す図である。従来の配線回路の態様を示す図である。低損失単巻変圧器の一態様を示す図である。（ａ）は、典型的な態様を示し、（ｂ）は、分路巻線が複数の短絡端子とスイッチ機能を備える態様を示す。低損失単巻変圧器の電圧上昇率を示す図である。低損失単巻変圧器における分路巻線と直列巻線の接続態様を示す図である。実施例で確認した省電力効果を示す図である。実施例で用いた配線回路を示す図である。

本発明の省電力配線回路（以下、「本発明回路」、又は、単に「本発明」ということがある。）は、電動機の定電力特性を損なわない範囲で、電動機への入力電圧を高めて、負荷電流を低減し、配線回路における損失と受電用の高圧変圧器における電力損失を低減することを基本思想とする。以下、本発明回路について、図面に基づいて説明する。

図１に、本発明回路の一態様を示す。なお、図１では、三相交流回路を一相回路で示した。図２に、従来の配線回路を示す。

図１と図２の対比から明らかなように、本発明回路においては、受電用の高圧変圧器Ｔ₁の２次側と、動力負荷Ｍ（例えば、電動機）の間に、低損失単巻変圧器Ｔ₂が配置されている。

本発明回路においては、高圧変圧器Ｔ₁と低損失単巻変圧器Ｔ₂の有機的な連携が、顕著な省電力効果の基である。以下、順次、説明する。

なお、図１中、Ｚ₁は、高圧変圧器Ｔ₁のインピーダンスと、低損失単巻変圧器Ｔ₂までの配線回路のインピーダンスを加算したインピーダンスであり、Ｚ₂は、低損失単巻変圧器Ｔ₂のインピーダンスと、低損失単巻変圧器Ｔ₂から負荷Ｍまでの配線回路のインピーダンスを加算したインピーダンスであり、また、図２中、Ｚ₁は、高圧変圧器Ｔ₁のインピーダンスと、負荷Ｍまでの配線回路のインピーダンスを加算したインピーダンスである。

通常、高圧変圧器Ｔ₁において、１次側端子は、６６００Ｖ端子を使用するが、本発明回路においては、６６００Ｖより１タップ上の６７５０Ｖ端子を使用し、２次側に、通常利用する電圧値より低い２０５Ｖを発生させる。この２０５Ｖを、低損失単巻変圧器Ｔ₂に入力し、動力負荷Ｍの定格入力電圧値より５Ｖ高い２１５Ｖに昇圧して、動力負荷Ｍに供給する。

本発明回路においては、このような、高圧変圧器Ｔ₁と低損失単巻変圧器Ｔ₂の、電圧の昇降に係る有機的な連携が、顕著な省電力効果をもたらすのである。

一般に、高圧変圧器Ｔ₁が受電する電力Ｗ₁（図１、参照）は、電圧Ｖ₁や、電流Ｉ₁に比例するので、負荷電流Ｉ₃が減少すれば、Ｗ₁は減少して、省電力が達成される。

多くの場合、動力負荷Ｍ（電動機）の負荷特性は定電力特性なので、動力負荷Ｍが受電する電圧Ｖ₃が上昇すると、動力負荷Ｍに流入する電流Ｉ₃が減少し、その結果、高圧変圧器Ｔ₁での電力損失が減少するとともに、配線回路のインピーダンスＺ₁、Ｚ₂での電流による電力損失が減少する。

この電力損失の減少は、低損失単巻変圧器Ｔ₂を、高圧変圧器Ｔ₁と動力負荷Ｍの間に配置したことによる電力損失を打ち消して余りあるので、電力Ｗ₁は少なくて済むことになる。

また、動力負荷Ｍ（電動機）の入力端子に、動力負荷Ｍと並列にコンデンサーを接続して力率を改善すれば、動力負荷への配線回路における皮相電力が軽減されて、省電力に貢献する。

本発明回路を実際に構成する場合、低損失単巻変圧器Ｔ₂の配置位置は任意であるが、高圧変圧器Ｔ₁にできるだけ近接させて配置するのが好ましい。

低損失単巻変圧器Ｔ₂と高圧変圧器Ｔ₁を近接させて配置すると、電圧Ｖ₂（＞Ｖ₃）、電流Ｉ₂（＞Ｉ₃）の部分が短縮されるので、電力損を抑制できるし、また、設備の小型化にも貢献する。なお、低損失単巻変圧器Ｔ₂は、動力負荷Ｍに近接させて配置してもよい。この配置も、設備の小型化に貢献する。

ここで、図３に、低損失単巻変圧器Ｔ₂の一態様を示す。図３（ａ）は、低損失単巻変圧器の典型的な態様を示す。１次側と２次側の間に、低損失の直列巻線Ａ（１次側端子：ａ₁、ｂ₁、ｃ₁、２次側端子：ａ₂、ｂ₂、ｃ₂）が接続され、三相の各相関には、Ｙ結線で、中立点Ｏを中心とする分路巻線Ｂが連結されている。直列巻線Ａの巻線数と分路巻線Ｂの巻線数の比率で、低損失変圧器Ｔ₂における２次電圧の電圧上昇率が定まる。

図３（ｂ）は、分路巻線Ｂが複数の短絡端子Ｓ1とスイッチＳ2を備える態様を示す。この分路巻線Ｂを備える低損失単巻変圧器では、スイッチＳ2で短絡端子Ｓ2を選択して短絡することにより、直列巻線Ａの巻線数と、分路巻線Ｂの巻線数の比率を変えて、低損失変圧器Ｔ₂における２次電圧の電圧上昇率を調整することができる。

ここで、図４に基づいて、低損失単巻変圧器による電圧上昇率（図中、α₀）について説明する。

２次電圧を、低損失単巻変圧器で、動力負荷Ｍ（電動機）の定格入力電圧値Ｖ₀より５Ｖ高い２１５Ｖに昇圧して、負荷Ｍに供給する前出の例では、電圧上昇率α₀≒２．４％である。α₀を高く設定すると、省電力効果は向上するが、α₀をより高めに設定すると、電動機の定電力調整幅を狭めることになり、電動機の安全運転上、好ましくない。

即ち、α₀は、配電電圧の変動や、動力負荷の変動による電力上昇や低下などを充分に把握して、安全側で運用できるように設定しなければならない。通常、定格電圧±１０％の範囲は、定電力特性の範囲であるので、α₀は、図４に示すように、１０％以下とするが、５％以下が好ましい。

低損失単巻変圧器における電圧上昇率α₀は、前述したように、直列巻線数と分路巻線数の比率で、最初から決めておくことができるが、図３（ｂ）に示すスイッチ機能を備える分路巻線Ｂを用いれば、適切な値を選択することができる。スイッチ機能の操作は、手動で行ってもよいし、適切な信号（例えば、負荷回路の電圧変動）を捉えて開閉するようにしてもよい。

低損失単巻変圧器は、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、鉄心１の回りに分路巻線Ｂが配置され、分路巻線Ｂの外側に、低鉄損の金属導体で作製した直列巻線Ａが配置されて構成されている。直列巻線Ａは、二つのＵ字型金属導体コイルＡ1が接続導体２（例えば、銅バー、アルミニウムバー等）で接続されて構成されている。

金属導体及び接続導体は、電気伝導度の優れたものが好ましい。金属導体としては、銅バー、又は、銅フィルムが好ましいが、アルミバー、又は、アルミフィルムでもよい。接続導体は、金属導体が銅の場合、銅バーが好ましく、アルミバーの場合、アルミバーが好ましい。

図５（ａ）に示すように、二つのＵ字型金属導体コイルＡ1が、くの字型の接続導体２で接続されている場合、該接続導体２と、直列巻線Ａと分路巻線Ｂ間の漏れ磁束３が交差して、接続導体２に過流損が生じる。この過流損を低減し、より低損失の単巻変圧器とするためには、図５（ｂ）〜（ｄ）に示すように、接続導体２と漏れ磁束３を平行又はほぼ平行にするのが好ましい。

また、図５（ｂ）〜（ｄ）に示す接続態様では、直列巻線Ａと分路巻線Ｂが近接し、巻線間の漏れ磁束３の量が減少するので、接続導体２に生じる過流損を、より低減することができる。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例１）
図１に示す配線回路を用いて、低損失単巻変圧器への入力電圧Ｖ₂を変化させて、動力負荷Ｍへの入力電圧Ｖ₃と電流Ｉ₃を測定した。動力負荷Ｍには、１１ｋＷの誘導電動機コンプレッサーを用いた。

その結果を、表１及び図６に示す。省電力効果は、Ｖ₂の各値において、動力負荷の機械出力に対する電力Ｗ₁との比率を算出し、従来方式と新方式を比較した。表１において、動力負荷への電圧Ｖ₃が低下すれば、動力負荷は定電力特性を維持しようとして、電流Ｉ₃が増え、逆に、電圧Ｖ₃が上昇すれば、電流Ｉ₃が減少する。表１から、３〜５．６％の省電力効果が得られていることが解る。

（実施例２）
図７に示す配線回路を用いて、動力負荷Ｍへの入力電圧及び電流を測定し、本発明を検証した。図７に示す配線回路は、図１に示す配線回路において、動力負荷Ｍと並列に、力率改善用コンデンサーＣを配置したものである。

動力負荷Ｍには、２２ｋＷの誘導電動機コンプレッサーを用い、力率改善用コンデンサーは、８５０μＦのコンデンサーを使用した。

結果を表２に示す。なお、測定は、コンプレッサーの空気吐出し弁を固定した状態にして行った。

表２において、従来方式は、６３００Ｖを、高圧変圧器Ｔ₁の６３００Ｖ端子で受け、２次側で２１０Ｖを出力し、この２１０Ｖを負荷の誘導電動機に入力する方式である。

本方式は、図７に示す配線回路を用いて、６３００Ｖを、高圧変圧器の高圧側タップを１タップ上げて、６６００Ｖ端子で受け、２１０Ｖより低い２次電圧を、低損失単巻変圧器で２１０Ｖ以上に昇圧し、負荷の電動機に入力する方式である。

表２から、本方式では、２．８％の省電力効果が得られていることが解る。また、本方式に、８５０μＦのコンデンサーを併用すると、４．６％の省電力効果が得られることが解る。

以上のことから、本方式を採用すれば、動力負荷Ｍが受ける電流が減少し、かつ、力率が改善されることが解る。

実施例では、定格電圧が２１０Ｖの電動機負荷を用いて、本発明の省電力効果を検証したが、他の定格電圧、例えば、４００Ｖ入力の電動機に対しても、本発明を適用することができる。また、本発明によれば、定電力特性を持つ電動機でも、電動機負荷がそれほど変動しない限り、同様な省電力効果を期待することができる。

前述したように、本発明によれば、冷凍機、コンプレッサー、冷蔵庫、空調機、工作機などの負荷を有する動力負荷（例えば、電動機）へ電力を供給する動力配線回路において、低損失変圧器により省電力を確実に達成することができる。また、本発明によれば、低損失変圧器を配線回路中に組み込むだけですむので、設備が大型化せず、設備費が安価である。したがって、本発明は、電設産業において利用可能性が大きいものである。

１鉄心
２接続導体
３漏れ磁束
Ｔ₁ 高圧変圧器
Ｔ₂ 低損失単巻変圧器
Ｚ₁、Ｚ₂ インピーダンス
Ａ直列巻線
Ａ1 Ｕ字型金属導体コイル
Ｂ分路巻線
Ｏ中立点
Ｓ1 短絡端子
Ｓ2 スイッチ
Ｍ動力負荷
Ｃ力率改善用コンデンサー
Ｗ₁ 高圧変圧器Ｔ₁が受ける電力
Ｖ₁ 高圧変圧器Ｔ₁が受ける電圧
Ｉ₁ 高圧変圧器Ｔ₁が受ける電流
Ｗ₂ 低損失単巻変圧器Ｔ₂が受ける電力
Ｖ₂ 低損失単巻変圧器Ｔ₂が受ける電圧
Ｉ₂ 低損失単巻変圧器Ｔ₂が受ける電流
Ｗ₃ 動力負荷Ｍが受ける電力
Ｖ₃ 動力負荷Ｍが受ける電圧
Ｉ₃ 動力負荷Ｍが受ける電流

Claims

三相高圧変圧器で変換して得た２次電圧を動力負荷回路に供給する配線回路において、
（ａ）三相高圧変圧器にて、通常使用する１次側端子の電圧値より高い電圧値の１次側端子で受電し、２次側端子に、通常の電圧値より低い２次電圧を出力し、
（ｂ）２次電圧を、低損失変圧器で、動力負荷の定格電圧値以上に高めて動力負荷回路に供給し、
（ｃ）三相高圧変圧器及び動力負荷回路を含む配線回路に生じる無効電力及び不要電力を総括的に抑制する、
ことを特徴とする省電力配線回路。
前記低損失変圧器が、低損失の金属導体を巻回した直列巻線と、三相バランス機能を有する分路巻線を備える単巻変圧器であることを特徴とする請求項１に記載の省電力配線回路。
前記単巻変圧器が、鉄心の回りに分路巻線を備え、その外側に、低損失の金属導体で作製した直列巻線を備えるものであることを特徴とする請求項２に記載の省電力配線回路。
前記単巻変圧器の直列巻線が、二つのＵ字型金属導体コイルを接続導体で接続したものであることを特徴とする請求項２又は３に記載の省電力配線回路。
前記接続導体を、直列巻線と分路巻線間の漏れ磁束に、平行又はほぼ平行に配置したことを特徴とする請求項４に記載の省電力配線回路。
前記金属導体が、銅バー、銅フィルム、アルミバー、及び、アルミフィルムのいずれかであることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の省電力配線回路。
前記接続導体が、銅バー、又は、アルミバーであることを特徴とする請求項４又は５に記載の省電力配線回路。
前記低損失変圧器による２次電圧の電圧上昇率を、（ｉ）直列巻線数と分路巻線数の比率を定めて設定するか、又は、（ii）分路巻線に複数の短絡端子を設け、スイッチ機能で短絡端子を選択し、直列巻線数と分路巻線数の比率を調整することを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の省電力配線回路。
前記スイッチ機能による短絡端子の選択を、手動又は自動で行うことを特徴とする請求項８に記載の省電力配線回路。
前記動力負荷回路が電動機を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の省電力配線回路。
前記動力負荷回路が、電動機と並列に、力率改善用コンデンサーを含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の省電力配線回路。