JP5685006B2 - ３倍周波数発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、３相交流電源に接続されて、商用電源周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）を３倍周波数（１５０Ｈｚ又は１８０Ｈｚ）にして出力する３倍周波数発生装置に関するものである。

この種の３倍周波数発生装置には、非特許文献１、２に示すように、可飽和リアクトル型と、変圧器型とがある。可飽和リアクトル型は、３組の単相可飽和リアクトルをＹ結線し、その中性点と電源の中性点との間に発生する高調波出力を負荷に印加するものであり、コンデンサは進相コンデンサとして機能するとともに高調波電流の帰路として機能する。一方、変圧器型は、３組の単相変圧器の１次巻線をＹ結線するとともに、２次巻線をΔ結線して、そのΔ結線の一端を開放して、この開放部から高調波成分を取り出すように構成されている。

しかしながら、上記の両方式ともに、単相可飽和リアクトル又は単相変圧器（以下、単相機器とも言う。）を用いており、３脚鉄心から構成された三相機器を用いているものではない。このように３台の単相機器を組み合わせて構成すると、装置全体が大型化してしまう恐れがあり、また３台の単相機器の配置等も複雑になる可能性がある。特に３台の単相機器を用いて構成された単相３倍周波数発生装置を複数組用いて三相３倍周波数発生装置を構成する場合には、これらの問題が一層顕著となる。

ここで、上記問題点を解消するために３脚鉄心を用いることが考えられるが、３脚鉄心を用いた場合には、３脚鉄心の各脚に巻回された１次巻線によって各脚に生じる第３調波磁束は、同一位相且つ同一方向に流れ、その第３調波磁束は、一方のヨーク鉄心から非磁性通路を通過して他方のヨーク鉄心に戻るように流れる。このとき、非磁性通路は高い磁気抵抗を有することから、第３調波磁束は弱められて、結果として３脚鉄心により生じる合成磁束は第３調波成分の小さいものとなってしまう。したがって、商用電源周波数の入力容量に対する３倍周波数の出力容量の割合（入出力比）が小さくなり効率的ではない。

このことから従来の３倍周波数発生装置では、３台の単相機器を用いて構成することが入出力比を低下させないための当然の発想であり、３倍周波数発生装置に３脚鉄心を用いることは、入出力比を向上させるという目的に反する。

日本電熱工学委員会編、「工業電気加熱ハンドブック」、第１版、株式会社電気書院、昭和４３年１０月２５日、ｐ．２９３−２９６ 新谷、外２名、「磁気式３倍周波数逓倍器の動作モードと定常特性の解析」、電気学会論文誌Ｂ 電力・エネルギー部門誌、社団法人電気学会、１９８１年９月、第１０１巻、第９号、ｐ．５１９−５２６

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、単相リアクトル又は単相変圧器といった単相機器を３台用いることなくコンパクトに構成可能であり、また、配線も簡単にすることができるとともに、三相リアクトル又は三相変圧器を３倍周波数発生装置に用いた場合の問題点を解決することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る３倍周波数発生装置は、三相変圧器を用いて商用電源周波数を３倍に逓倍して出力するものであり、前記三相変圧器の１次巻線がＹ結線され、２次巻線がΔ結線されるとともに、当該Δ結線された２次巻線の一端を開放して単相負荷に接続されるように構成した単相３倍周波数発生装置であって、前記三相変圧器が、シート状の電磁鋼板を連続巻回して形成されるノーカット形の５脚巻鉄心を用いたものであり、そのうちの３本の脚に１次巻線及び２次巻線が巻回され、残りの２本が第３調波磁束の帰路となるものであり、前記５脚巻鉄心が正面視において左右に５本の脚が配列されるものであり、中央の脚及び左右両端の脚に前記巻線が巻回されており、前記中央の脚の両側に位置する脚が第３調波磁束の帰路となるものであることを特徴とする。

このようなものであれば、三相変圧器が５脚巻鉄心であり、そのうちの３脚に巻線を施して、残りの２脚が第３調波磁束の帰路となるように構成しているので、巻線が施された各脚で生じる同一位相及び同一方向に流れる第３調波磁束を、残りの２脚により循環させることができ、三相変圧器において生じる第３調波成分の損失を防止できる。これによって、商用電源周波数の入力容量に対する３倍周波数の出力容量の割合（入出力比）を大きくすることができる。また、５脚鉄心がシート状の電磁鋼板を連続巻回して形成したノーカット形としていることから、第３調波磁束の磁路において磁気抵抗を可及的に小さくすることができ、第３調波磁束が各脚を通過する際の磁束低下を防止して、可及的に入出力比を大きくすることができる。さらに、三相変圧器を用いることができるので、従来のように３台の単相変圧器を用いた場合に比べてコンパクトに構成可能であり、また配線も簡単にすることができる。
特に、前記５脚巻鉄心が正面視において左右に５本の脚が配列されるものであり、中央の脚及び左右両端の脚に前記巻線が巻回されており、前記中央の脚の両側に位置する脚が第３調波磁束の帰路となるものであるので、第３調波磁束の帰路が、巻線が施された脚の間に配置される構成となり、各脚により生じる第３調波磁束を循環させ易くすることができる。

また本発明に係る単相３倍周波数発生装置は、三相可飽和リアクトルを用いて商用電源周波数を３倍に逓倍して出力するものであり、前記三相可飽和リアクトルの巻線をＹ結線で接続してなる中性点と、三相電源の中性点との間に単相負荷が接続されるように構成した単相３倍周波数発生装置であって、前記三相可飽和リアクトルが、シート状の電磁鋼板を連続巻回してなるノーカット形の５脚巻鉄心を用いたものであり、そのうちの３本の脚に前記巻線が巻回され、残りの２本が第３調波磁束の帰路となるものであり、前記５脚巻鉄心が正面視において左右に５本の脚が配列されるものであり、中央の脚及び左右両端の脚に前記巻線が巻回されており、前記中央の脚の両側に位置する脚が第３調波磁束の帰路となるものであることを特徴とする。このようなものでも上記と同様の効果を奏する。

ノーカット形の５脚鉄心の具体的な構成としては、前記５脚巻鉄心が、開口サイズの異なる環状の鉄心要素を組み合わせることにより構成されるものであり、１つの外鉄心要素と、前記外鉄心要素内に互いに接触して配置される２つの中鉄心要素と、前記２つの中鉄心要素それぞれの内側に互いに接触して配置される２種類の小鉄心要素とからなることが望ましい。

電磁鋼板からなる変圧器に生じる第３調波は、基本波に対して約２５％の割合で生じることから、安全率を約２倍として変圧器の故障を防ぐためには、前記第３調波磁束の帰路となる２本の脚の断面積が、前記巻線が巻回される脚の断面積の１／２であることが望ましい。

また本発明に係る三相３倍周波数発生装置は、上記の単相３倍周波数発生装置を３組用いて構成されるものであり、１組の三相変圧器の１次巻線又は可飽和リアクトルの巻線をＹ結線とし、もう１組の三相変圧器の１次巻線又は可飽和リアクトルの巻線の出力を入力周波数座標において４０°位相遅れ又は位相進みとなるように位相巻線を施したＹ結線とし、残りの１組の三相変圧器の１次巻線又は可飽和リアクトルの巻線の出力を入力周波数座標において８０°位相遅れ又は位相進みとなるように位相巻線を施したＹ結線としていることを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、単相リアクトル又は単相変圧器を３台用いることなくコンパクトに構成可能であり、三相リアクトル又は三相変圧器を用いた場合の問題点を解決した３倍周波数発生装置を提供することができる。

本発明の変圧器方式の実施形態に係る単相３倍周波数発生装置の回路結線図である。 同実施形態に係る５脚鉄心の正面図である。 同実施形態の特性データを示す図である。 各種変圧器を用いた場合の磁束密度−入出力比特性を示す図である。 変形実施形態に係る単相３倍周波数発生装置の回路図である。 変形実施形態の入力容量／コンデンサ容量−入出力比特性を示す図である。 変形実施形態に係るリアクトル方式の単相３倍周波数発生装置の回路結線図である。 変形実施形態に係る三相３倍周波数発生装置の回路図である。

以下に本発明に係る単相３倍周波数発生装置の変圧器方式の実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る単相３倍周波数発生装置１００は、商用電源（三相交流電源）に接続されて、当該商用電源から受電される三相交流電圧（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）を、３倍周波数（１５０Ｈｚ又は１８０Ｈｚ）の単相交流電圧に変換して単相負荷２００に出力するものである。

具体的にこのものは、図１に示すように、三相変圧器２を用いて商用電源周波数を３倍に逓倍して出力するものであり、三相変圧器２の１次巻線２１ｕ、２１ｖ、２１ｗがＹ結線され、２次巻線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗがΔ結線されるとともに、当該Δ結線された２次巻線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗの一端を開放して単相負荷２００に接続されるように構成されている。

そして、三相変圧器２は、図２に示すように、シート状の電磁鋼板を連続巻回して形成されるノーカット形の５脚巻鉄心２３を用いたものである。このノーカット形の５脚鉄心２３は、脚鉄心と継鉄心（ヨーク鉄心）とが一体であり分離されていない鉄心であり、そのうちの３本の脚２３ａ、２３ｂ、２３ｃそれぞれに１次巻線２１ｕ、２１ｖ、２１ｗ及び２次巻線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗが巻回され、残りの２本２３ｄ、２３ｅが第３調波磁束の帰路となる。

三相変圧器２の５脚巻鉄心２３は、開口サイズの異なる環状の巻鉄心要素を組み合わせることにより構成される正面視において概略矩形状をなすものであり、開口サイズの最も大きい１つの外鉄心要素２３１と、外鉄心要素２３１の内側周面に接触するとともに、互いに接触して配置される２つの中鉄心要素２３２と、２つの中鉄心要素２３２それぞれの内側周面に接触するとともに、互いに接触して配置される２種類の小鉄心要素２３３ａ、２３３ｂとからなる。

２つの中鉄心要素２３２は、互いに同一形状をなすものであり、その厚みは、前記外鉄心要素２３１の厚みと同一である。また、２つの小鉄心要素のうち左右外側に配置される小鉄心要素２３３ａの厚みは、外鉄心要素２３１及び中鉄心要素２３２の厚みと同一である。一方、小鉄心要素のうち中央側に配置される小鉄心要素２３３ｂの厚みは、外側に配置される小鉄心要素２３３ａの厚みの１／２の厚みである。このように構成された５脚鉄心２３は、正面視において左右に５本の脚２３ａ〜２３ｅが配列され、その５本の脚２３ａ〜２３ｅのうち、中央の脚２３ａ及び左右両端の脚２３ｂ、２３ｃの断面積が同一となり、中央の脚２３ａの両側に隣接する脚２３ｄ、２３ｅの断面積は、中央の脚２３ａ及び左右両端の脚２３ｂ、２３ｃの断面積の１／２となる。

そして、このように構成された５脚鉄心２３において、中央の脚２３ａ及び左右両端の脚２３ｂ、２３ｃが、１次巻線２１及び２次巻線が巻回される巻回鉄心部となり、中央の脚２３ａの両側に隣接する脚２３ｄ、２３ｅが第３調波磁束の帰路となる帰路鉄心部となる。つまり、第３調波磁束の帰路となる帰路鉄心部の断面積が、１次巻線２１及び２次巻線２２が巻回される巻回鉄心部の断面積の１／２となる。この５脚鉄心２３により、第３調波磁束の帰路が、巻線２１、２２が施された脚２３ａ〜２３ｃの間に配置される構成となり、各脚２３ａ〜２３ｃにより生じる第３調波磁束を循環させ易くすることができる。

次に本実施形態の単相３倍周波数発生装置１００の入力容量（ＶＡ）及び出力容量（ＶＡ）の入出力比について、ノーカット形３脚巻鉄心を用いたもの、ノーカット形単相鉄心を３台用いたもの、及びカット形の単相鉄心を３台用いたものと比較して、図３及び図４を参照して説明する。なお、図３は、本実施形態の単相３倍周波数発生装置１００の特性データであり、図４の横軸は磁束密度（Ｇ）を示し、縦軸は、入力容量（ＶＡ）に対する出力容量（ＶＡ）の比である。

図３及び図４から分かるように、本実施形態の単相３倍周波数発生装置１００は、従来のノーカット形単相鉄心を３台用いたものと同等の特性を示し、その入出力比もほぼ同じであることが分かる。一方で、ノーカット形３脚巻鉄心を用いたもの及びカット形の単相鉄心を３台用いたものは、入出力比が極めて低いことが分かる。ノーカット形３脚巻鉄心を用いたものでは、脚鉄心部で生じた同一位相で同一方向に流れる第３調波が一方のヨーク鉄心部から非磁性通路を通過して他方のヨーク鉄心部に流れることから第３調波成分が低下してしまうことにより入出力比が小さくなっている。また、カット形の単相鉄心を３台用いたものでは、カット部分での磁気抵抗が大きくなり、第３調波成分が低下して入出力比が小さくなっている。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る３倍周波数発生装置１００によれば、三相変圧器２が５脚巻鉄心であり、そのうちの３脚２３ａ〜２３ｃに巻線２１、２２を施して、残りの２脚２３ｄ、２３ｅが第３調波磁束の帰路となるように構成しているので、巻線２１、２２が施された各脚２３ａ〜２３ｃで生じる同一位相及び同一方向に流れる第３調波磁束を、残りの２脚２３ｄ、２３ｅにより循環させることができ、三相変圧器２に生じる合成磁束の第３調波成分が低減してしまうことを防止できる。これによって、商用電源周波数の入力容量（入力電圧）に対する３倍周波数の出力容量（出力電圧）の割合を大きくすることができる。また、５脚鉄心２３がシート状の電磁鋼板を連続巻回して形成したノーカット形としていることから、第３調波磁束の磁路において磁気抵抗を可及的に小さくすることができ、第３調波磁束が各脚２３ａ〜２３ｅを通過する際の磁束低下を防止して、可及的に入出力比を大きくすることができる。さらに、三相変圧器２を用いることができるので、従来のように３台の単相変圧器を用いた場合に比べてコンパクトに構成可能であり、また配線も簡単にすることができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、図５に示すように、三相変圧器２の１次側に進相コンデンサ３を設けることによって、図６に示すように、入出力比を約５４％まで改善させることができる。

また、前記実施形態では、変圧器型の単相３倍周波数発生装置について説明したが、リアクトル型のものであっても良い。このときの単相３倍周波数発生装置は、図７に示すように、三相可飽和リアクトル４を用いて商用電源周波数を３倍に逓倍して出力するものであり、三相可飽和リアクトル４の巻線４１ｕ、４１ｖ、４１ｗをＹ結線で接続してなる中性点Ｎ１と、三相電源の中性点Ｎ２との間に単相負荷２００が接続されるように構成されている。そして、三相可飽和リアクトル４が、前記実施形態で説明したシート状の電磁鋼板を連続巻回してなるノーカット形の５脚巻鉄心を用いたものであり、中央の脚２３ａ及び左右両端の脚２３ｂ、２３ｃにリアクトルの巻線４１ｕ、４１ｖ、４１ｗが巻回され、中央の脚２３ａの両側に隣接する脚２３ｄ、２３ｅが第３調波磁束の帰路となる。なお、図７においては、Ｙ結線で接続されたコンデンサ５ｕ、５ｖ、５ｗを三相電源側に接続して、人為的な中性点Ｎ２を形成し、当該中性点Ｎ２と前記中性点Ｎ１との間に単相負荷２００を接続している。このコンデンサ５ｕ、５ｖ、５ｗは、高調波電流の帰路の役割を果たすとともに、進相コンデンサとしての役割も果たす。

さらに、前記実施形態の単相３倍周波数発生装置１００を３組用いて三相３倍周波数発生装置Ｚとすることもできる。この場合、三相３倍周波数発生装置Ｚは、図８に示すように、１組の三相変圧器の１次巻線をＹ結線とし、もう１組の三相変圧器の１次巻線の出力を入力周波数座標において４０°位相遅れとなるように位相遅れ巻線を施したＹ結線とし、残りの１組の三相変圧器の１次巻線の出力を入力周波数座標において８０°位相遅れとなるように位相遅れ巻線を施したＹ結線とする。このように構成すれば、３組の単相３倍周波数発生装置１００からの出力は３倍周波数座標でそれぞれ１２０°位相差の三相３倍周波数となる。なお、位相遅れ巻線の他に、４０°位相進み又は８０°位相進みとなる位相進み巻線を施しても良い。図８においては、３組の出力側には、入力巻線がオープンデルタ結線、出力巻線が千鳥結線された出力変圧器を設置して、三相ベクトルを確定し安定させる機能を持たせている。

その上、リアクトル方式の単相３倍周波数発生装置を３組用いて三相３倍周波数発生装置とすることもできる。この場合、三相３倍周波数発生装置は、１組の可飽和リアクトルの巻線をＹ結線とし、もう１組の可飽和リアクトルの巻線の出力を入力周波数座標において４０°位相遅れ又は位相進みとなるように位相巻線を施したＹ結線とし、残りの１組の可飽和リアクトルの巻線の出力を入力周波数座標において８０°位相遅れ又は位相進みとなるように位相巻線を施したＹ結線とする。

加えて、前記実施形態の単相３倍周波数発生装置をＮ段にカスケード接続することによって単相の３^Ｎ倍周波数（Ｎは２以上の整数）を得ることができる。また、三相３倍周波数発生装置をＮ段にカスケード接続することによって三相の３^Ｎ倍周波数（Ｎは２以上の整数）を得ることができる。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・３倍周波数発生装置
２ ・・・三相変圧器
２１ ・・・１次巻線
２２ ・・・２次巻線
２３１・・・外鉄心要素
２３２・・・中鉄心要素
２３３・・・小鉄心要素

Claims (7)

1. 三相変圧器を用いて商用電源周波数を３倍に逓倍して出力するものであり、
   前記三相変圧器の１次巻線がＹ結線され、２次巻線がΔ結線されるとともに、当該Δ結線された２次巻線の一端を開放して単相負荷に接続されるように構成した単相３倍周波数発生装置であって、
   前記三相変圧器が、シート状の電磁鋼板を連続巻回して形成されるノーカット形の５脚巻鉄心を用いたものであり、そのうちの３本の脚に１次巻線及び２次巻線が巻回され、残りの２本が第３調波磁束の帰路となるものであり、
   前記５脚巻鉄心が正面視において左右に５本の脚が配列されるものであり、
   中央の脚及び左右両端の脚に前記巻線が巻回されており、
   前記中央の脚の両側に位置する脚が第３調波磁束の帰路となるものである単相３倍周波数発生装置。
2. 三相可飽和リアクトルを用いて商用電源周波数を３倍に逓倍して出力するものであり、
   前記三相可飽和リアクトルの巻線をＹ結線で接続してなる中性点と、三相電源の中性点との間に単相負荷が接続されるように構成した単相３倍周波数発生装置であって、
   前記三相可飽和リアクトルが、シート状の電磁鋼板を連続巻回してなるノーカット形の５脚巻鉄心を用いたものであり、そのうちの３本の脚に前記巻線が巻回され、残りの２本が第３調波磁束の帰路となるものであり、
   前記５脚巻鉄心が正面視において左右に５本の脚が配列されるものであり、
   中央の脚及び左右両端の脚に前記巻線が巻回されており、
   前記中央の脚の両側に位置する脚が第３調波磁束の帰路となるものである単相３倍周波数発生装置。
3. 前記５脚巻鉄心が、開口サイズの異なる環状の鉄心要素を組み合わせることにより構成されるものであり、
   １つの外鉄心要素と、前記外鉄心要素内に互いに接触して配置される２つの中鉄心要素と、前記２つの中鉄心要素それぞれの内側に互いに接触して配置される２種類の小鉄心要素とからなる請求項１又は２記載の単相３倍周波数発生装置。
4. 前記第３調波磁束の帰路となる２本の脚の断面積が、前記巻線が巻回される脚の断面積の１／２である請求項１、２又は３記載の単相３倍周波数発生装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の単相３倍周波数発生装置を３組用いて構成されるものであり、
   １組の三相変圧器の１次巻線又は可飽和リアクトルの巻線をＹ結線とし、もう１組の三相変圧器の１次巻線又は可飽和リアクトルの巻線の出力を入力周波数座標において４０°位相遅れ又は位相進みとなるように位相巻線を施したＹ結線とし、残りの１組の三相変圧器の１次巻線又は可飽和リアクトルの巻線の出力を入力周波数座標において８０°位相遅れ又は位相進みとなるように位相巻線を施したＹ結線としている三相３倍周波数発生装置。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載の単相３倍周波数発生装置をＮ段にカスケード接続することによって単相の３^Ｎ倍周波数（Ｎは２以上の整数）を出力する単相３^Ｎ倍周波数発生装置。
7. 請求項５に記載の三相３倍周波数発生装置をＮ段にカスケード接続することによって三相の３^Ｎ倍周波数（Ｎは２以上の整数）を出力する三相３^Ｎ倍周波数発生装置。