KR20100080949A - 변압 장치 - Google Patents

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Abstract

변압 장치(101)는, 제 1의 고압측 코일(3)과, 제 1의 고압측 코일(3)과 자기 결합된 제 1의 저압측 코일(4A)과, 제 1의 고압측 코일(3)과 자기 결합된 제 2의 저압측 코일(4B)과, 외부로부터 공급되는 전압을 제 1의 저압측 코일(4A) 및 제 2의 저압측 코일(4B)에 공급하는지 제 1의 고압측 코일(3)에 공급하는지를 전환하는 제 1의 스위치(SW1, SW2A, SW2B)를 구비하고, 제 1의 저압측 코일(4A) 및 제 2의 저압측 코일(4B)은, 제 1의 스위치(SW1, SW2A, SW2B)를 통하여 전압이 공급된 경우에 제 1의 저압측 코일(4A)을 통과하여 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속과 제 2의 저압측 코일(4B)을 통과하여 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속이 서로 지우도록 마련되어 있다.

Description

변압 장치{ELECTRIC TRANSFORMER}
본 발명은, 변압 장치에 관한 것으로, 특히, 교류 구간 및 직류 구간의 양쪽에서 주행 가능한 전차(電車)에 탑재되는 변압 장치에 관한 것이다.
가선(架線) 등으로부터 교류 전압이 공급되는 교류 구간 및 가선 등으로부터 직류 전압이 공급되는 직류 구간의 양쪽에서 주행 가능한 교류/직류 전차가 개발되어 있다. 종래의 전차에서는, 예를 들면, 리액터가 변압기와는 별개로 단체(單體)로 배치되는 구조를 갖고 있는 경우, 및 변압기와 리액터를 일체의 탱크 내에 수납하는 구조를 갖고 있는 경우가 있다. 그러나, 이와 같은 교류/직류 전차에서는, 변압기 등의 교류 구간용 장치는 직류 구간에서는 사용할 수가 없고, 역으로 리액터 장치 등의 직류 구간용 장치는 교류 구간에서는 사용할 수가 없다. 그 때문에, 교류 구간용 장치 및 직류 구간용 장치의 양쪽이 필요해지는데, 이들 양 장치를 차체의 바닥밑(床下) 등의 한정된 스페이스에 실장하는 것이 곤란한 경우가 있다.
여기서, 일본국 특개평3-38807호 공보에는, 변압기와 분로(分路) 리액터를 일체화한 이하와 같은 분로 리액터 공유형 변압기가 개시되어 있다. 즉, 변압기의 계철(繼鐵)의 일부에 마련된 바이패스 철심과, 계철의 일부와 바이패스 철심으로 둘러싸인 공간 내에 마련된 갭 철심 및 리액터 코일로 이루어진다. 그리고, 바이패스 철심이 리액터의 계철을 형성하고 있음과 함께, 변압기의 코일의 감는 방향과 분로 리액터의 코일의 감는 방향이, 계철의 일부 중의 변압기 자속과 리액터 자속이 서로 지우는 방향으로 되어 있다.
또한, 일본국 특개평11-273975호 공보에는, 이하와 같은 커먼 모드 초크 코일이 개시되어 있다. 즉, 평각선(平角線)을 에지 방향으로 감아 돌린 제 1의 코일, 제 2의 코일, 제 3의 코일 및 제 4의 코일과 ㅁ자형의 폐자로(閉磁路)를 형성하는 자심(磁心)으로 이루어진다. 그리고, 자심의 한쪽의 자각(磁脚)에 제 1과 제 2의 코일을, 대향하는 다른쪽의 자각에 제 3과 제 4의 코일을 배치하고, 제 1과 제 3의 코일 및 제 2와 제 4의 코일이 직렬로 접속된다. 라인 전류에 의해 제 1과 제 2의 코일, 제 2와 제 3의 코일, 제 3과 제 4의 코일, 제 4와 제 1의 코일에 발생하는 자속이 상쇄되고, 제 1과 제 3 및 제 2와 제 4의 코일에 발생하는 자속은 서로 가세된다. 또한, 동일 방향으로 흐르는 전류에 의해 제 1, 제 2, 제 3, 제 4의 코일에 발생하는 자속이 각각 가세되도록 각 코일의 감는 방향이 설정되고, 제 1과 제 4의 코일이 병설되도록 배치되고, 제 2와 제 3의 코일이 병설되도록 배치되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본국 특개평3-38807호 공보
특허 문헌 2 : 일본국 특개평11-273975호 공보
그러나, 일본국 특개평3-38807호 공보에 기재된 구성은, 변압기 및 리액터가 개별적으로 기능 하는 것이고, 일본국 특개평11-273975호 공보에 기재된 구성은, 커먼 모드 초크 코일이 변압기 기능을 갖는 것이 아니다. 또한, 전차에 탑재되는 변압기의 치수 및 질량은, 교류 구간용 장치 중에서 큰 비율을 차지하지만, 변압기는 직류 구간에서는 사용할 수가 없어서 단지 하중이 되기 때문에 전차의 성능을 저하시키는 요인이 된다.
그러므로, 본 발명의 목적은, 교류/직류 전차에 있어서, 교류 구간에서는 교류 구간용 장치인 변압기로서 동작하고, 또한 직류 구간에서는 직류 구간용 장치인 리액터로서 동작함에 의해, 차체의 실장 스페이스를 축소할 수 있는 것이 가능한 변압 장치를 제공한 것이다.
본 발명의 어느 국면에 관한 변압 장치는, 제 1의 고압측 코일과, 제 1의 고압측 코일과 자기 결합된 제 1의 저압측 코일과, 제 1의 고압측 코일과 자기 결합된 제 2의 저압측 코일과, 외부로부터 공급되는 전압을 제 1의 저압측 코일 및 제 2의 저압측 코일에 공급하는지 제 1의 고압측 코일에 공급하는지를 전환하는 제 1의 스위치를 구비하고, 제 1의 저압측 코일 및 제 2의 저압측 코일은, 제 1의 스위치를 통하여 전압이 공급된 경우에 제 1의 저압측 코일을 통과하여 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속과 제 2의 저압측 코일을 통과하여 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속이 서로 지우도록 마련되어 있다.
본 발명에 의하면, 교류/직류 전차에 있어서, 교류 구간에서는 교류 구간용 장치인 변압기로서 동작하고, 또한 직류 구간에서는 직류 구간용 장치인 리액터로서 동작함에 의해, 차체의 실장 스페이스를 축소할 수가 있다. 또한, 직류 구간 및 교류 구간의 양쪽에서 안정된 출력을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태에 관한 교류/직류 전차의 구성을 도시하는 회로도.
도 2는 본 발명의 실시의 형태에 관한 변압 장치의 구성을 도시하는 사시도.
도 3은 교류 구간에서 발생하는 전류 및 자속을 도시하는 변압기의 단면도.
도 4는 교류 구간에서 가선으로부터 공급되는 교류 전압에 의해 고압측 코일을 통과하여 흐르는 전류의 방향을 모식적으로 도시하는 도면.
도 5는 교류 구간에서 가선으로부터 공급되는 교류 전압에 의해 고압측 코일을 통과하여 흐르는 전류의 방향을 모식적으로 도시하는 도면.
도 6(a)는 교류 구간에서 발생하는 전류를 도시하는 변압기의 창부의 단면도. 도 6(b)는 교류 구간에서 철심 내에 발생하는 누설 자속을 도시하는 그래프도.
도 7은 본 발명의 실시의 형태에 관한 교류/직류 전차가 스위치(SW3)를 구비하지 않는다고 가정한 경우의, 직류 구간에서의 각 스위치 설정을 도시하는 도면.
도 8은 직류 구간에서 발생하는 전류 및 자속을 도시하는 변압기의 단면도.
도 9는 직류 구간에서 가선으로부터 공급되는 직류 전압에 의해 저압측 코일을 통과하여 흐르는 전류의 방향을 모식적으로 도시하는 도면.
도 10은 직류 구간에서 가선으로부터 공급되는 직류 전압에 의해 저압측 코일을 통과하여 흐르는 전류의 방향을 모식적으로 도시하는 도면.
도 11(a)는 직류 구간에서 발생하는 전류 및 자속을 도시하는 변압기의 창부의 단면도. 도 11(b)는 직류 구간에서 철심 내에 발생하는 누설 자속을 도시하는 그래프도.
도 12는 본 발명의 실시의 형태에 관한 교류/직류 전차의 직류 구간에서의 각 스위치 설정을 도시하는 도면.
도 13은 직류 구간에서 발생하는 전류 및 자속을 도시하는 변압기의 단면도.
도 14(a)는 직류 구간에서 발생하는 전류 및 자속을 도시하는 변압기의 창부의 단면도. 도 14(b)는 직류 구간에서 철심 내에 발생하는 누설 자속을 도시하는 그래프도.
도 15는 인덕턴스의 전류 의존성을 도시하는 그래프도.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 관해 도면을 이용하여 설명한다. 또한, 도면중 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.
[구성 및 기본 동작]
도 1은, 본 발명의 실시의 형태에 관한 교류/직류 전차의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 교류/직류 전차(201)는, 팬터그래프(2)와, 변압 장치(101)와, 모터(MA, MB)를 구비한다. 변압 장치(101)는, 변압기(51)와, 컨버터(5A, 5B)와, 인버터(6A, 6B)와, 스위치(SW4A, SW4B, SW5A, SW5B, SW6A, SW6B, SW7A, SW7B)를 포함한다. 변압기(51)는, 고압측 코일(3)과, 저압측 코일(4A, 4B)과, 스위치(SW1, SW2A, SW2B, SW3)를 포함한다. 고압측 코일(3)은, 고압측 코일(13A, 13B)을 포함한다.
팬터그래프(2)는, 가선(架線)(1)에 접속되어 있다. 스위치(SW1)는, 팬터그래프(2)에 접속된 제 1단(端)과, 고압측 코일(13A)의 제 1단 및 고압측 코일(13B)의 제 1단에 접속된 제 2단을 갖는다. 스위치(SW2A)는, 팬터그래프(2)에 접속된 제 1단과, 저압측 코일(4A)의 제 1단에 접속된 제 2단을 갖는다. 스위치(SW2B)는, 팬터그래프(2)에 접속된 제 1단과, 저압측 코일(4B)의 제 2단에 접속된 제 2단을 갖는다. 스위치(SW3)는, 고압측 코일(13A)의 제 2단에 접속된 제 1단과, 고압측 코일(13B)의 제 2단에 접속된 제 2단을 갖는다.
스위치(SW4A)는, 저압측 코일(4A)의 제 1단에 접속된 제 1단과, 컨버터(5A)의 제 1 입력단자에 접속된 제 2단을 갖는다. 스위치(SW4B)는, 저압측 코일(4B)의 제 2단에 접속된 제 1단과, 컨버터(5B)의 제 2 입력단자에 접속된 제 2단을 갖는다. 스위치(SW5A)는, 저압측 코일(4A)의 제 2단에 접속된 제 1단과, 컨버터(5A)의 제 2 입력단자에 접속된 제 2단과, 제 3단을 갖는다. 스위치(SW5B)는, 저압측 코일(4B)의 제 1단에 접속된 제 1단과, 컨버터(5B)의 제 1 입력단자에 접속된 제 2단과, 제 3단을 갖는다. 스위치(SW6A)는, 컨버터(5A)의 제 1 출력 단자에 접속된 제 1단과, 인버터(6A)의 제 1 입력단자에 접속된 제 2단과, 스위치(SW5A)의 제 3단에 접속된 제 3단을 갖는다. 스위치(SW6B)는, 컨버터(5B)의 제 1 출력 단자에 접속된 제 1단과, 인버터(6B)의 제 1 입력단자에 접속된 제 2단과, 스위치(SW5B)의 제 3단에 접속된 제 3단을 갖는다. 스위치(SW7A)는, 컨버터(5A)의 제 2 출력 단자에 접속된 제 1단과, 인버터(6A)의 제 2 입력단자에 접속된 제 2단과, 접지 전압이 공급되는 접지 노드에 접속된 제 3단을 갖는다. 스위치(SW7B)는, 컨버터(5B)의 제 2 출력 단자에 접속된 제 1단과, 인버터(6B)의 제 2 입력단자에 접속된 제 2단과, 접지 전압이 공급되는 접지 노드에 접속된 제 3단을 갖는다.
도 2는, 본 발명의 실시의 형태에 관한 변압 장치의 구성을 도시하는 사시도이다.
도 2를 참조하면, 변압 장치(101)는, 또한, 철심(14)을 포함한다. 철심(14)은, 서로 대향하는 제 1 측면 및 제 2 측면과, 제 1 측면으로부터 제 2 측면에 관통하는 창부(窓部)(W1 및 W2)를 갖는다.
고압측 코일(13A 및 13B) 및 저압측 코일(4A 및 4B)은, 창부(W1 및 W2)를 통과하도록 감아 둘려저 있다.
고압측 코일(13A)은, 저압측 코일(4A)과 저압측 코일(4B)의 사이로서 저압측 코일(4A)에 대향하는 위치에 마련되고, 저압측 코일(4A)과 자기 결합되어 있다.
고압측 코일(13B)은, 고압측 코일(13A)과 병렬로 접속되고, 저압측 코일(4A)과 저압측 코일(4B)의 사이로서 저압측 코일(4B)에 대향하는 위치에 마련되고, 저압측 코일(4B)과 자기 결합되어 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 스위치(SW1, SW2A 및 SW2B)는, 팬터그래프(2)를 통하여 가선(1)으로부터 공급되는 전압을 저압측 코일(4A) 및 저압측 코일(4B)에 공급하는지 고압측 코일(13A 및 13B)에 공급하는지를 전환한다.
스위치(SW3)는, 고압측 코일(13A)과 고압측 코일(13B) 사이에 접속되어 있고, 고압측 코일(13A) 및 고압측 코일(13B)을 포함하는 폐회로가 형성되는지의 여부를 전환한다.
컨버터(5A)는, 저압측 코일(4A)에 나타난 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 컨버터(5B)는, 저압측 코일(4B)에 나타난 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다.
스위치(SW4A 및 SW5A)는, 저압측 코일(4A)과 컨버터(5A)를 접속하는지, 저압측 코일(4A)과 인버터(6A)를 스위치(SW6A)를 통하여 접속하는지를 전환한다. 스위치(SW4B 및 SW5B)는, 저압측 코일(4B)과 컨버터(5B)를 접속하는지, 저압측 코일(4B)과 인버터(6B)를 스위치(SW6B)를 통하여 접속하는지를 전환한다.
인버터(6A)는, 컨버터(5A)로부터 받은 직류 전압 또는 스위치(SW5A)를 통하여 저압측 코일(4A)로부터 받은 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하고, 모터(MA)에 출력한다. 인버터(6B)는, 컨버터(5B)로부터 받은 직류 전압 또는 스위치(SW5B)를 통하여 저압측 코일(4B)로부터 받은 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하고, 모터(MB)에 출력한다.
모터(MA)는, 인버터(6A)로부터 받은 3상 교류 전압에 의거하여 구동된다. 모터(MB)는, 인버터(6B)로부터 받은 3상 교류 전압에 의거하여 구동된다.
[동작]
다음에, 교류 구간에서의 본 발명의 실시의 형태에 관한 변압 장치의 동작에 관해 설명한다.
도 1을 참조하면, 교류 구간에서는, 스위치(SW1)가 온하고, 스위치(SW2A 및 SW2B)가 오프하고, 스위치(SW3)가 온하고, 스위치(SW4A 및 SW4B)가 온한다. 또한, 스위치(SW5A, SW5B, SW6A, SW6B, SW7A 및 SW7B)의 제 1 단자 및 제 2 단자가 각각 접속된다.
도 3은, 교류 구간에서 발생하는 전류 및 자속을 도시하는 변압기의 단면도이다.
우선, 가선(1)으로부터 팬터그래프(2)에 교류 전압이 공급된다. 가선(1)으로부터 공급되는 교류 전압은, 팬터그래프(2) 및 스위치(SW1)를 통하여 고압측 코일(13A 및 13B)에 인가된다. 그러면, 고압측 코일(13A 및 13B)에 각각 교류 전류(IH)가 흐른다.
도 4는, 교류 구간에서 가선으로부터 공급되는 교류 전압에 의해 고압측 코일을 통과하여 흐르는 전류의 방향을 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 4는, 고압측 코일(13A 및 13B)의 권취 방향이 같은 경우를 나타내고 있다.
도 5는, 교류 구간에서 가선으로부터 공급되는 교류 전압에 의해 고압측 코일을 통과하여 흐르는 전류의 방향을 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 5는, 고압측 코일(13A 및 13B)의 권취 방향이 반대인 경우를 나타내고 있다.
도 4 및 도 5의 어느 경우라도, 고압측 코일(13A 및 13B)은, 가선(1)으로부터 스위치(SW1)를 통하여 전압이 공급된 경우에 고압측 코일(13A)을 통과하여 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속과, 가선(1)으로부터 스위치(SW1)를 통하여 전압이 공급된 경우에 고압측 코일(13B)을 통과하여 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속이 같은 방향이 되도록 마련되어 있다.
다시, 도 3을 참조하면, 교류 전류(IH)에 의해, 철심(14) 내에 주자속(主磁束)(FH)이 발생한다. 그러면, 주자속(FH)에 의해, 저압측 코일(4A)의 권수와 고압측 코일(13A)의 권수의 비에 응한 교류 전류(IL) 및 교류 전압이 저압측 코일(4A)에 발생한다. 또한, 주자속(FH)에 의해, 저압측 코일(4B)의 권수와 고압측 코일(13B)의 권수의 비에 응한 교류 전류(IL) 및 교류 전압이 저압측 코일(4B)에 발생한다.
여기서, 저압측 코일(4A 및 4B)의 권수는 각각 고압측 코일(13A 및 13B)의 권수보다 작기 때문에, 고압측 코일(13A 및 13B)에 인가되는 교류 전압이 감압된 교류 전압이 저압측 코일(4A 및 4B)에 각각 나타난다.
저압측 코일(4A)에 나타난 교류 전압은, 스위치(SW4A 및 SW5A)를 통하여 컨버터(5A)에 공급된다. 또한, 저압측 코일(4B)에 나타난 교류 전압은, 각각 스위치(SW4B 및 SW5B)를 통하여 컨버터(5B)에 공급된다.
컨버터(5A)는, 저압측 코일(4A)로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 스위치(SW6A 및 SW7A0를 통하여 인버터(6A)에 출력한다. 또한, 컨버터(5B)는, 저압측 코일(4B)로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 스위치(SW6B 및 SW7B)를 통하여 인버터(6B)에 출력한다.
인버터(6A)는, 컨버터(5A)로부터 받은 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하고, 모터(MA)에 출력한다. 또한, 인버터(6B)는, 컨버터(5B)로부터 받은 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하고, 모터(MB)에 출력한다.
모터(MA)는, 인버터(6A)로부터 받은 3상 교류 전압에 의거하여 회전한다. 또한, 모터(MB)는, 인버터(6B)로부터 받은 3상 교류 전압에 의거하여 회전한다.
도 6(a)는, 교류 구간에서 발생하는 전류를 도시하는 변압기의 창부(窓部)의 단면도이다. 도 6(b)는, 교류 구간에서 철심 내에 발생하는 누설 자속을 도시하는 그래프도이다. 도 6(b)에서, 종축이 누설 자속(F)의 크기를 나타내고 있다.
변압기(51)에서는, 저압측 코일(4A 및 4B)이 고압측 코일(13)의 양측에 배치된다. 또한, 고압측 코일(13)은, 별개의 고압측 코일(13A 및 13B)을 포함한다. 이와 같은 구성에 의해, 저압측 코일(4A 및 4B)이 자기적으로 소결합(疎結合)한 상태로 할 수 있다.
즉, 도 6(b)에 도시하는 바와 같이 저압측 코일(4A 및 4B)에 각각 발생하는 누설 자속 즉 단락 임피던스끼리가 겹쳐지지 않아서, 저압측 코일(4A 및 4B)의 자기적 간섭을 저감할 수 있기 때문에, 변압기(51)의 출력을 안정시킬 수 있다.
다음에, 직류 구간에서의 본 발명의 실시의 형태에 관한 변압 장치의 동작에 관해 설명한다. 우선, 본 발명의 실시의 형태에 관한 교류/직류 전차가 스위치(SW3)를 구비하지 않는다고 가정한 경우에 관해 설명한다.
도 7은, 본 발명의 실시의 형태에 관한 교류/직류 전차가 스위치(SW3)를 구비하지 않는다고 가정한 경우의, 직류 구간에서의 각 스위치 설정을 도시하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 직류 구간에서는, 스위치(SW1)가 오프하고, 스위치(SW2A 및 SW2B)가 온하고, 스위치(SW4A 및 SW4B)가 오프한다. 또한, 스위치(SW5A 및 SW5B)의 제 1 단자 및 제 3 단자가 각각 접속된다. 또한, 스위치(SW6A, SW6B, SW7A 및 SW7B)의 제 2 단자 및 제 3 단자가 각각 접속된다.
도 8은, 직류 구간에서 발생하는 전류 및 자속을 도시하는 변압기의 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 우선, 가선(1)으로부터 팬터그래프(2)에 직류 전압이 공급된다. 가선(1)으로부터 공급되는 직류 전압은, 팬터그래프(2) 및 스위치(SW2A 및 SW2B)를 통하여 저압측 코일(4A 및 4B)에 각각 인가된다. 그러면, 저압측 코일(4A)을 통과하여 직류 전류(ILA)가 흐르고, 이 직류 전류(ILA)에 의해, 철심(14) 내에 주자속(FLA)이 발생한다. 또한, 저압측 코일(4B)을 통하여 직류 전류(ILB)가 흐르고, 이 직류 전류(ILB)에 의해, 철심(14) 내에 주자속(FLB)이 발생한다.
여기서, 스위치(SW2A)의 제 2단은 저압측 코일(4A)의 제 1단에 접속되어 있고, 스위치(SW2B)의 제 2단은 저압측 코일(4B)의 제 2단에 접속되어 있다. 이에 의해, 스위치(SW2A)를 통하여 전압이 공급된 경우에 저압측 코일(4A)을 통과하여 흐르는 전류(ILA)의 방향과, 스위치(SW2B)를 통하여 전압이 공급된 경우에 저압측 코일(4B)을 통과하여 흐르는 전류(ILB)의 방향이 반대가 된다. 즉, 저압측 코일(4A)을 통과하여 흐르는 전류(ILA)에 의해 발생하는 자속(FLA)과, 저압측 코일(4B)을 통과하여 흐르는 전류(ILB)에 의해 발생하는 자속(FLB)이 서로 지운다. 이와 같은 구성에 의해, 철심(14)이 자기 포화하는 것을 막을 수 있기 때문에, 누설 자속을 저감할 수 있다.
도 9는, 직류 구간에서 가선으로부터 공급되는 직류 전압에 의해 저압측 코일을 통과하여 흐르는 전류의 방향을 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 9는, 저압측 코일(4A 및 4B)의 권취 방향이 같은 경우를 나타내고 있다.
도 10은, 직류 구간에서 가선으로부터 공급되는 직류 전압에 의해 저압측 코일을 통과하여 흐르는 전류의 방향을 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 10은, 저압측 코일(4A 및 4B)의 권취 방향이 반대인 경우를 나타내고 있다.
도 9 및 도 10의 어느 경우라도, 저압측 코일(4A 및 4B)은, 가선(1)으로부터 스위치(SW2A)를 통하여 전압이 공급된 경우에 저압측 코일(4A)을 통과하여 흐르는 전류(ILA)에 의해 발생하는 자속과, 가선(1)으로부터 스위치(SW2B)를 통하여 전압이 공급된 경우에 저압측 코일(4B)을 통과하여 흐르는 전류(ILB)에 의해 발생하는 자속이 서로 지우도록 마련되어 있다.
다음에, 저압측 코일(4A)에 인가된 직류 전압은, 스위치(SW5A 및 SW6A)를 통하여 인버터(6A)에 공급된다. 또한, 저압측 코일(4B)에 인가된 직류 전압은, 스위치(SW5B 및 SW6B)를 통하여 인버터(6B)에 공급된다.
인버터(6A)는, 저압측 코일(4A)로부터 받은 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하고, 모터(MA)에 출력한다. 또한, 인버터(6B)는, 저압측 코일(4B)로부터 받은 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하고, 모터(MB)에 출력한다.
모터(MA)는, 인버터(6A)로부터 받은 3상 교류 전압에 의거하여 회전한다. 또한, 모터(MB)는, 인버터(6B)로부터 받은 3상 교류 전압에 의거하여 회전한다.
도 11(a)는, 직류 구간에서 발생하는 전류 및 자속을 도시하는 변압기의 창부의 단면도이다. 도 11(b)는, 직류 구간에서 철심 내에 발생하는 누설 자속을 도시하는 그래프도이다. 도 11(b)에서, 종축이 누설 자속(F)의 크기를 나타내고 있다.
저압측 코일(4A 및 4B)을 통과하여 직류 전류가 흐르는 경우에는, 발생하는 주자속(FLA 및 FLB)에 변화가 없기 때문에, 인덕턴스는 발생하지 않는다. 그러나, 저압측 코일(4A 및 4B)을 통과하여 흐르는 직류 전류에 맥류 성분 즉 교류 성분이 포함되어 있는 경우에는, 도 11(b)에 도시하는 바와 같은 누설 자속(F)이 철심(14) 내에 발생함에 의해, 인덕턴스를 얻을 수 있다. 즉, 저압측 코일(4A 및 4B)을 통과하여 흐르는 직류 전류에 포함되는 교류 성분을 감쇠시킬 수 있다. 또한, 변압 장치(101)가 인버터로서 동작하다, 즉 직류 전력으로부터 3상 교류 전력을 생성할 때에 발생하는 고조파 성분을 감쇠시킬 수 있다.
그러나, 도 7에 도시하는 변압 장치는, 스위치(SW3)를 구비하지 않는 구성이기 때문에, 병렬 접속된 고압측 코일(13A 및 13B)을 포함하는 폐회로가 형성되어 있다. 그러면, 도 11(a)에 도시하는 바와 같이, 저압측 코일(4A)을 통과하여 흐르는 전류의 교류 성분에 의해 발생하는 누설 자속(FLLKA)에 의해, 고압측 코일(13A)을 통과하여 전류(IHLKA)가 흐른다. 또한, 저압측 코일(4B)을 통과하여 흐르는 전류의 교류 성분에 의해 발생하는 누설 자속(FLLKB)에 의해, 고압측 코일(13B)을 통과하여 전류(IHLKB)가 흐른다.
그리고, 이들의 전류(IHLKA 및 IHLKB)에 의해 각각 누설 자속(FHLKA 및 FHLKB)이 발생한다. 그리고, 이러한 누설 자속(FHLKA 및 FHLKB)에 의해, 누설 자속(FLLKA 및 FLLKB)이 각각 지워지기 때문에, 저압측 코일(4A 및 4B)에서의 인덕턴스가 저하하여 버린다.
그래서, 본 발명의 실시의 형태에 관한 변압 장치에서는, 스위치(SW3)를 구비하는 구성에 의해, 상기한 바와 같은 문제점을 해결한다.
도 12는, 본 발명의 실시의 형태에 관한 교류/직류 전차의 직류 구간에서의 각 스위치 설정을 도시하는 도면이다.
도 13은, 직류 구간에서 발생하는 전류 및 자속을 도시하는 변압기의 단면도이다. 도 14(a)는, 직류 구간에서 발생하는 전류 및 자속을 도시하는 변압기의 창부의 단면도이다. 도 14(b)는, 직류 구간에서 철심 내에 발생하는 누설 자속을 도시하는 그래프도이다. 도 14(b)에서, 종축이 누설 자속(F)의 크기를 나타내고 있다.
도 12 내지 도 14를 참조하면, 직류 구간에서는, 스위치(SW3)가 오프한다. 이에 의해, 고압측 코일(13A 및 13B)의 병렬 접속이 해제되고, 고압측 코일(13A) 및 고압측 코일(13B)을 포함하는 폐회로가 형성되지 않게 된다. 그러면, 저압측 코일(4A 및 4B)에 발생하는 누설 자속(FLLKA 및 FLLKB)에 기인하여, 고압측 코일(13A 및 13B)을 통과하여 전류(IHLKA 및 IHLKB)가 흐르는 것을 막을 수 있다. 즉, 고압측 코일(13A 및 13B)에 누설 자속(FHLKA 및 FHLKB)이 발생하는 것을 막을 수 있기 때문에, 누설 자속(FLLKA 및 FLLKB)이 지워지는 것을 막을 수 있고, 저압측 코일(4A 및 4B)에서 큰 인덕턴스를 얻을 수 있다.
도 15는, 인덕턴스의 전류 의존성을 도시하는 그래프도이다.
그래프(G1)는, 철심에서 자기 포화가 생긴 경우를 나타내고 있다. 그래프(G1)에서는, 저압측 코일(4A 및 4B)을 통과하여 흐르는 전류의 변화에 응하여 인덕턴스가 변화하여 버리고 있다.
변압기(51)에서는, 저압측 코일(4A 및 4B)을 통과하여 흐르는 전류의 맥류 성분 즉 교류 전류에 의해 자속을 발생시킨다. 이와 같은 구성에 의해, 저압측 코일(4A 및 4B)을 통과하여 흐르는 직류 전류의 변화에 대해 발생 자속이 변화하지 않기 때문에, 그래프(G2)로 나타내는 바와 같은 전류 의존성이 안정된 인덕턴스를 얻을 수 있다.
그런데, 교류/직류 전차에서는, 변압기 등의 교류 구간용 장치 및 리액터 장치 등의 직류 구간용 장치의 양쪽이 필요학 되는데, 이들 양 장치를 차체의 바닥밑 등의 한정된 스페이스에 실장하는 것이 곤란한 경우가 있다.
그러나, 본 발명의 실시의 형태에 관한 변압 장치에서는, 교류 구간용의 변압기에 몇개의 스위치를 추가함에 의해, 저압측 코일을 DC 리액터로서 유용(流用)할 수 있기 때문에, 리액터 장치를 변압기와는 별개로 단체로 배치할 필요가 없고, 소형화를 도모할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시의 형태에 관한 변압 장치에서는, 저압측 코일(4A) 및 저압측 코일(4B)은, 가선(1)으로부터 스위치(SW2A)를 통하여 전압이 공급된 경우에 저압측 코일(4A)을 통과하여 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속과, 가선(1)으로부터 스위치(SW2B)를 통하여 전압이 공급된 경우에 저압측 코일(4B)을 통과하여 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속이 서로 지우도록 마련되어 있다. 이와 같은 구성에 의해, 직류 구간에서 철심(14)이 자기 포화하는 것을 막을 수 있기 때문에, 안정된 출력을 얻을 수 있다. 그리고, 교류/직류 전차의 차량 내로의 누설 자속을 저감하기 위한 대책이 불필요하게 됨에 의해, 교류/직류 전차의 경량화 및 저비용화를 도모할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시의 형태에 관한 변압 장치에서는, 교류/직류 전차에 있어서, 교류 구간에서는 교류 구간용 장치인 변압기로서 동작하고, 또한 직류 구간에서는 직류 구간용 장치인 리액터로서 동작함에 의해, 차체의 실장 스페이스를 축소할 수 있다. 또한, 직류 구간 및 교류 구간의 양쪽에서 안정된 출력을 얻을 수 있다.
금회 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1 : 가선
2 : 팬터그래프
3 : 고압측 코일
4A, 4B : 저압측 코일
5A, 5B : 컨버터
6A, 6B : 인버터
13A, 13B : 고압측 코일
14 : 철심
51 : 변압기
101 : 변압 장치
201 : 교류/직류 전차
SW1, SW2A, SW2B, SW3, SW4A, SW4B, SW5A, SW5B, SW6A, SW6B, SW7A, SW7B : 스위치
W1, W2 : 창부

Claims (6)

  1. 제 1의 고압측 코일(3)과,
    상기 제 1의 고압측 코일(3)과 자기 결합된 제 1의 저압측 코일(4A)과,
    상기 제 1의 고압측 코일(3)과 자기 결합된 제 2의 저압측 코일(4B)과,
    외부로부터 공급되는 전압을 상기 제 1의 저압측 코일(4A) 및 상기 제 2의 저압측 코일(4B)에 공급하는지 상기 제 1의 고압측 코일(3)에 공급하는지를 전환하는 제 1의 스위치(SW1, SW2A, SW2B)를 구비하고,
    상기 제 1의 저압측 코일(4A) 및 상기 제 2의 저압측 코일(4B)은, 상기 제 1의 스위치(SW1, SW2A, SW2B)를 통하여 전압이 공급된 경우에 상기 제 1의 저압측 코일(4A)을 통과하여 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속과 상기 제 2의 저압측 코일(4B)을 통과하여 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속이 서로 지우도록 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 변압 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1의 고압측 코일(3)은,
    상기 제 1의 저압측 코일(4A)과 상기 제 2의 저압측 코일(4B)의 사이로서 상기 제 1의 저압측 코일(4A)에 대향하는 위치에 마련되고, 상기 제 1의 저압측 코일(4A)과 자기 결합된 제 2의 고압측 코일(13A)과,
    상기 제 2의 고압측 코일(13A)과 병렬로 접속되고, 상기 제 1의 저압측 코일(4A)과 상기 제 2의 저압측 코일(4B)의 사이로서 상기 제 2의 저압측 코일(4B)에 대향하는 위치에 마련되고, 상기 제 2의 저압측 코일(4B)과 자기 결합된 제 3의 고압측 코일(13B)을 포함하는 것을 특징으로 하는 변압 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 변압 장치(101)는, 또한,
    상기 제 2의 고압측 코일(13A)과 상기 제 3의 고압측 코일(13B)의 사이에 접속된 제 2의 스위치(SW3)를 구비하는 것을 특징으로 하는 변압 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 변압 장치(101)는, 또한,
    제 1 측면과, 상기 제 1 측면에 대향하는 제 2 측면과, 상기 제 1 측면으로부터 상기 제 2 측면에 관통하는 2개의 창부(W1, W2)를 갖는 철심(14)을 구비하고,
    상기 제 1의 고압측 코일(3), 상기 제 1의 저압측 코일(4A) 및 상기 제 2의 저압측 코일(4B)은, 상기 2개의 창부(W1, W2)를 통과하도록 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 변압 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 변압 장치(101)는, 또한,
    상기 제 1의 저압측 코일(4A)에 나타난 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 제 1의 컨버터(5A)와,
    상기 제 2의 저압측 코일(4B)에 나타난 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 제 2의 컨버터(5B)와,
    상기 제 1의 저압측 코일(4A)과 상기 제 1의 컨버터(5A)의 접속 및 비접속을 전환하는 제 3의 스위치(SW4A, SW5A)와,
    상기 제 2의 저압측 코일(4B)과 상기 제 2의 컨버터(5B)의 접속 및 비접속을 전환하는 제 4의 스위치(SW4B, SW5B)를 구비하는 것을 특징으로 하는 변압 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 변압 장치(101)는, 또한,
    받은 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 제 1의 인버터(6A)와,
    받은 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 제 2의 인버터(6B)를 구비하고,
    상기 제 3의 스위치(SW4A, SW5A)는, 상기 제 1의 저압측 코일(4A)과 상기 제 1의 컨버터(5A)를 접속하는지 상기 제 1의 저압측 코일(4A)과 상기 제 1의 인버터(6A)를 접속하는지를 전환하고,
    상기 제 4의 스위치(SW4B, SW5B)는, 상기 제 2의 저압측 코일(4B)과 상기 제 2의 컨버터(5B)를 접속하는지 상기 제 2의 저압측 코일(4B)과 상기 제 2의 인버터(6B)를 접속하는지를 전환하는 것을 특징으로 하는 변압 장치.
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