JPH11504198A - Ｚ接続巻線で製作されたバランサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 バランサは、電源ユニットに使用するよう意図され、電気的な三相システムにおけるバランスを改善することを可能にすることにより、そのバランサが例えばフィルタとして機能するようにするとともに、測定装置に使用されたときに、三相システムにおける電気量のうち振幅、位相及び周波数に対して安定した基準点を形成することを可能にする。バランサは、特に、三相システムの各相について、別個のドーナツ形の磁心（１２、１４、１６）を含み、その磁心上に少なくとも２つの相互に電気的に絶縁されたＺ接続の巻線（１８と２０、２２と２４、２６と２８）が配置されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｚ接続巻線で製作されたバランサ発明の分野 本発明は、電源ユニットに使用するように意図されたＺ接続巻線で製作された バランサであって、電気的な三相システムにおけるバランスを改善することを可 能にすることにより、前記バランサが例えばフィルタとして機能するようにする とともに、測定装置に使用されたときに、三相システムにおける電気量のうち振 幅、位相及び周波数に対して安定した基準点を形成することを可能にするバラン サに関する。電源ユニットとは、変換、過電圧制限及び電流分布等による電力操 作用に設計された装置を指すためにここで特別に使用される表現であり、また、 測定装置とは、それとともに何ら電力を引き出すことなく、測定用に設計された 装置を指すために使用される表現である。先行技術の説明 三相システムの基本的な概念は、電気回路が対称的であり、純粋な正弦波の電 圧と電流を含むことを要求する。その電流には、この目的のために、中性導体が 存在するかどうかに係わらず、３つの別個の相の導体を通過することが要求され る。中性導体を備えた非対称回路では、その中性導体に電流が含まれることにな る。電流は、中性導体に零シーケンス性の高調波で対称負荷をかけた状態でも生 じる。中性導体における電流の存在は、三相回路に、主に、次の形で問題を生じ る。 −電圧非対称性 −動作中の露出要素 −変換器及び中性導体における損失 −磁界等 零シーケンス電流が相導体に対してスイッチオンされている場合には、回路は さらに対称的になり、上記問題も、相応する程度まで低下する。電気的な三相回 路において異なるタイプの非対称性をバランスする装置は以前に開示されている 。そのような装置の例は、ＳＵ 1201-881 に記載されている。以前に開示された 構成は、以前に開示されたＺ接続に基づいており、そのＺ接続では、キャパシタ が 電気的な三相回路の相導体に接続された一次巻線と並列に接続されている。Ｚ接 続は、以前に開示されたように三脚鉄心上に形成されているが、その鉄心は、或 る欠点に関係する。そこで、鉄心自体の外側でヨークの異なる部分を接触させる ヨークフローが、無負荷動作中に既に存在する。非対称負荷がかかった回路では 、鉄の回路が異なるという事実により、また、それぞれの相の鉄の長さ全体にわ たって巻線が対称に形成されないという理由により、相違も生じる。 したがって、以前に開示された構成の非対称性は、負荷の下で増大する迷走磁 束を生じさせ、高調波成分を増大させる。 以前開示された装置も、同様に、ＳＵ 1504-725 に記載されている。 ドイツ特許第２１５５９０３号明細書には、別の形で製作されたバランサが記 載されている。この場合には、Ｚ接続は使用されておらず、各相は、従来設計の 別個の磁心を有している。この構成では、二次巻線の数は相の数に一致しなけれ ばならない。 米国特許第２４８８６２８号明細書による装置は、１つのバランサについて別 の磁心を使用する可能性も与えている。その利点は、各ユニットを個別に取り扱 う際に搬送が簡略化されたことであると言える。しかしながら、一般的に言えば 、その構成の動作は、何の変化も伴わない。発明の要旨 本発明の主な目的は、電気的な三相回路において、以前に開示された技術で達 成することができたものよりもさらに良いバランスを与えるバランサを提案する ことである。これは、三相システムの各相について、バランサが、別個のドーナ ツ形の磁心を含み、その磁心上に少なくとも２つの相互に電気的に絶縁されたＺ 接続の巻線が配置されることにより可能である。この新規なバランサは、インダ クタとしても変成器としても働くように意図されている。前者の場合には、この バランサが各磁心上に巻かれた２次巻線のタイプの２つの巻線で構成され、後者 の場合には、各磁心上に巻かれた巻線の１つが１次巻線のタイプのものとなって いる。 Ｚ接続が３つの別個の鉄心上に形成されたものでは、その構成は、回路の三相 のすべてについて全体的に対称的である。各鉄心の上に２つの巻線が使用される 場合には、２つの巻線が同時に巻かれて鉄心の全体にわたって均一に分布される ようにすることにより、対称性もさらに改善できる。このようにして、迷走磁束 が最小になり、零シーケンスインピーダンスがほとんど全体として抵抗性になる 。これは、零シーケンスインピーダンスが周波数に影響されず、その強さが粗い ワイヤでコイルを巻く能力だけで決まることを意味する。 三脚鉄心上にＺ接続が形成された変成器は、２次側にＹ接続が形成された等価 な変成器よりも小さな漏洩磁界を与えることに注目すべきである。３つのＺ接続 の単相変成器は、さらに漏洩磁界を小さくする。ドーナツ形の鉄心は、巻線の形 状及び鉄心の材料の選択に応じて非常に小さな漏洩磁界を与える。ドーナツ形鉄 心の三相接続は、等価な単相と三相の変成器よりも小さな漏洩磁界を与える。Ｚ 接続のドーナツ形変成器は、ドーナツ形鉄心の利点とＺ接続の利点を併せ持って いる。 本発明の重要な特徴は、上述したことから明らかではなく、請求の範囲におい て認識される。図面の簡単な説明 以下、本発明の特徴及び利点を、添付図面を参照し、本発明の好ましい実施形 態について詳細に説明する。 図１は、インダクタ接続について本発明に従って製作されたバランサを示す図 である。 図２は、外部インピーダンス要素が接続可能な付加的な開放Ｄ巻線により補足 された図１に従って実施されたインダクタ接続を示す図である。 図３は、図２による接続装置のＵ１特性を図解的に示す図である。 図４は、本発明によるいくつかの変成器接続の１つを示す図である。 図５は、Ｙ接続のキャパシタを一部に備える接続装置を示す図である。 図６は、Ｚインダクタ用として部分接続された接続装置を示す図である。 図７は、本発明による接続装置の零シーケンスインピーダンスの周波数に関す るグラフを示す図である。好ましい実施形態の詳細な説明 図面において、異なる図の同じ要素は、同じ参照番号で示されている。 図１に示されたバランサは、分布回路の所望の位置において、インダクタとし て、３つのライン相、ＬＩ、Ｌ２、Ｌ３に接続されている。ライン相Ｌ１と中性 相Ｎとの間には、負荷１０が接続されている。この場合、バランサには、３つの 全体的に分離された鉄製の磁心１２、１４及び１６が設けられている。磁心１２ 、１４及び１６は、別個に配置されたドーナツ形磁心として製作され、各磁心に は、２つの電気巻線１８と２０、２２と２４、２６と２８が設けられている。そ れぞれの磁心の上の巻線は全体的に相互に電気的に絶縁され、同心となるように 配置される（図示せず）。この場合には、それらは、むしろ異なるインピーダン スを有する。低周波数における抵抗の相違は、図示されたＺ接続において、外部 巻線、例えば１８を内部巻線２４に常に接続することにより、相殺される。それ にもかかわらずインダクタンスの相違は存在する。抵抗性部分と誘導性部分とは 、２線式巻線の使用によりバランスされる。迷走磁束の増大は、また、電流の変 位に起因する他のもののうち、抵抗の損失を意味する。磁心１２、１４、１６は 、全体的に分離されているので、それらの間には磁気的接続はない。しかしなが ら、分離は、各心１２、１４、１６について、アンペア回数のバランスの必要性 が非常に高いことを意味する。分離磁心と拡張巻線を備える構成は、最小の可能 な漏洩磁界を達成する目的を満たす。 本発明の思想の基本的な概念は、次の事実に基づいている。 巻線１８と２０、２２と２４、２６と２８が、異なる回数を有すると仮定しよ う。 本発明の原理に従って製作されるＺ接続の三相変成器／インダクタは、電圧制 限用にも使用できる。図１に示されるインダクタ接続は、図２に示されるように 、それぞれの磁心１２、１４及び１６の上に付加的なＤ巻線３０、３２および３ ４を設けることにより補足されてもよい。これにより、図３のグラフに従って、 Ｕ１特性が明瞭な点において変化し得る。このグラフの左側の曲線は、余分のＤ 巻線が接続されたときの状態を示しており、このグラフの右側の曲線は、余分の Ｄ巻線がないときの状態を示している。これは、たとえば、非対称装置のキャパ シタ磁化と共に電気分布用にも電力発生用にも利用できる。この場合には、Ｚ接 続インダクタは、過電圧保護に加えて回路中性点と負荷バランスを与える。この バランサがこの種の電圧制限用に使用されるとき、その周波数特性は、巻線と磁 心の設計によって決まる。 Ｚ接続の三脚鉄心変成器は、巻線電圧の相位置のために、通常、１５パーセン トの余分な巻線回数で巻かれている。３つの別個の単相変成器が三脚のパターン でＺ接続されて三相変成器を形成する場合には、これは、依然として、付加的な 巻線回数を必要とせずに飽和電圧まで磁化され得る。これは、巻線全体の総電圧 が正弦波になると同時に要素電圧が変形されるからである。これは、本発明の原 理に従って製作される変成器に、少数の巻線回数を与えることができるが、磁化 電流の高調波成分の或る程度の増加を伴う。この効果は、一部には、Ｚ変成器／ インダクタのコストを減少させるために、また、一部には、過電圧制限用に利用 され得る。 巻線ドーナツ形磁心変成器の方法は、シート形状又は接合形状の磁心材料の使 用を可能にする。固体磁心も使用可能である。非常に良好な高周波数特性を有す るフェライト心等が干渉フィルタに利点を有するので使用可能である。 三相変成器の１次巻線は、Ｄ接続、Ｙ接続又はＺ接続とされてもよい。しかし ながら、２次側は、常に、対称的で低インピーダンスとなるようにＺ接続で製作 されている。例として、図４に示された変成器の接続は、Ｄ接続の１次側とＺ接 続の２次側を有する。１次巻線と２次巻線が別個に製作される場合には、通常の 限定された短絡電流が得られるだろう。この場合の利点は、２次側の電圧を制限 レベルを越えるまで増加させることなく、短期間の過電圧を１次側で処理できる ことである。 Ｚ接続インダクタが電気回路の端部に接続されている場合には、ラインの長さ に沿って単相及び二相の短絡があると良好なバランスが達成される。これは、電 圧と電流変化のバランスを意味する。 別個のドーナツ形の磁心を備えたＺ接続三相変成器／インダクタの１実施例は ３つの相が、無負荷動作時に、電圧、電流、電力及び電力ファクタに関して全体 として対称的であることに関係する。別個の磁心を使用する場合には、定格電圧 における電力ファクタも三脚磁心を使用する場合に比べてかなり大きい。 Ｙ接続インピーダンス要素、インダクタ、抵抗及びキャパシタを使用する中性 点電圧を測定するのは普通である。本発明の原理に従って製作された３つの単相 リアクトルで構成されるＺインダクタは、零インピーダンスシーケンスを示し、 この零インピーダンスシーケンスは、そのプラスシーケンスインピーダンスより もかなり小さい。 その実施例は： −リアクトルの形状で（図１、しかし負荷インピーダンス（１０）なしで）、 −変成器（たとえば、図４に従うもの）として、加えて、図５及び図６に従うキ ャバシタと組み合わせて、 もよい。 図５に従う接続では、キャパシタ３８、４０、４２は、基本トーン電圧の大部 分を占め、従って、磁心のサイズを小さくする。 図６では、キャパシタ３８′、４０′、４２′が非常に高い周波数における漏 洩インダクタンスの増大を保証する。 零シーケンスインピーダンスは、伝統的に誘導性（Ｚ₀＝Ｘ₀）であると考えら れる。零シーケンスインピーダンスは、一般に、巻かれたコイルの特性と、磁心 の誘導特性（電流変成器の磁化回路の誘導性部分と比較して）とから成る。Ｚ接 続は、巻線間のフローのバランスを与える。巻線間の接続が良好であればあるほ ど、少ない磁心が使用される。巻線が２線式形状で巻かれる場合には、良好な接 続が達成される。低漏洩磁界を与えるドーナツ形巻線の能力は、直接漏洩イン ダクタンスと磁心による補足とを小さくするという効果を有する。上述した特性 を利用した三相接続で３つのドーナツ形磁心をＺ接続することにより、零シーケ ンスフィールドインピーダンスについて非常に平坦な周波数特性が得られる。こ れは、図７のグラフから理解できる。図７では、Ｚ_gが基本トーンインピーダン スを示し、ｆ₀が基本トーン周波数を示し、ｆ_mがＺ₀の最小値における周波数を 示す。 基本トーン周波数におけるインピーダンスは、ほとんど抵抗性であり、周波数 が大きくなるにつれてリアクタンスが緩やかに変化する。変化の割合は、巻線と 磁心の製作の方法に依存する。最小点に到達することは、第３のトーンの零シー ケンスインピーダンスが基本トーンの零シーケンスインピーダンスよりも小さい ことを意味することが、グラフから理解できる。Ｚ接続のドーナツ形変成器／リ アクトルは、零シーケンスインピーダンスが広い周波数範囲において実質的に抵 抗性であること可能にする。従って、零シーケンスインピーダンスの抵抗成分は 、主に巻線の抵抗から成る。抵抗性の周波数の範囲は図６に示されるようなキャ パシタの追加によりさらに拡大することができる。 非対称負荷−単相又は二相で構成される通常の三相電気分布ネットワークでは 相遮断の場合にインピーダンス電圧が生じる。三相ネットワークでアースする場 合には、休止時間の間にアースされていない相導体においてアースとの間の電圧 が増加する。この拡大したアースシステムにより、そのシステムの異なるアース 部分、例えば、排水管と排水管保護アース線等の間に電圧が加えられることにな る。電気的な安全性の観点から、本発明に従うバランサによりバランスすること は、非対称点にできるだけ近づくように三相ネットワークの相に非対称電流が送 り返されことを意味する。変成器又はリアクトルとしてのバランサの実施例は、 零シーケンスインピーダンスが本来著しく抵抗性であり、その外部磁界は結果と して小さいことを意味する。 本発明に従うバランサを利用する三相ネットワークは、負荷の変化、外乱、ス イッチのオン・オフ及び位相の損失等の下でより対称的に動作する。これは、中 性導体及び導体レールにおける放浪電流、磁界、過電圧及び過負荷の形状の外乱 問題が少なくなることを意味する。これらの問題に対する改善策は、以前は、シ ステム全体としてではなく個別に講じられた。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．本発明は、電源ユニットに使用するように意図されたＺ接続巻線で製作され たバランサであって、電気的な三相システムにおけるバランスを改善することを 可能にすることにより、前記バランサが例えばフィルタとして機能するようにす るとともに、測定装置に使用されたときに、三相システムにおける電気量のうち 振幅、位相及び周波数に対して安定した基準点を形成することを可能にするバラ ンサにおいて、三相システムの各相について、バランサが、別個のドーナツ形の 磁心（１２、１４、１６）を含み、その磁心上に少なくとも２つの相互に電気的 に絶縁されたＺ接続の巻線（１８と２０、２２と２４、２６と２８）が配置され ていることを特徴とするバランサ。 ２．バランサが各磁心（１２、１４、１６）上に巻かれた２次巻線タイプの２つ の巻線（２０と３０、２４と３２、２８と３４）を含み、それにより、バランサ がリアクトルとして働くように意図されることを特徴とする請求項１に記載のバ ランサ。 ３．各磁心（１２、１４、１６）上に巻かれた巻線の１つが１次巻線タイプのも のであり、それにより、バランサが変成器として働くように意図されることを特 徴とする請求項１に記載のバランサ。 ４．磁心（１２、１４、１６）は、同質のものであることを特徴とする請求項１ ないし３のいずれかに記載のバランサ。 ５．磁心（１２、１４、１６）は、フェライト心であることを特徴とする請求項 １ないし４のいずれかに記載のバランサ。 ６．巻線は、その間に空間を置いて各磁心（１２、１４、１６）上に配置されて いることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のバランサ。 ７．３つの磁心（１２、１４、１６）の１次巻線は、Ｄ接続、Ｙ接続又はＺ接続 用に意図されていることを特徴とする請求項３ないし６のいずれかに記載のバラ ンサ。 ８．巻線は、各磁心（１２、１４、１６）上に２線式形状で配置されていること を特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のバランサ。 ９．巻線は、各磁心（１２、１４、１６）の全長に沿って均一に配置されている ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のバランサ。 10．各磁心（１２、１４、１６）上の巻線は、相互に同心となるように配置され ていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のバランサ。