佐野 勇司

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佐野, 勇司

東洋大学学術情報リポジトリ

電流発生トランスの駆動電流および電力損失の低減著者 佐野 勇司著者別名 Yuji SANO雑誌名 工業技術巻 41ページ 61-64発行年 2019-02URL http://id.nii.ac.jp/1060/00010946/Creative Commons : 表示 - 非営利 - 改変禁止http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.ja＊＊＊プロジェクト研究報告＊＊＊ ＝工業技術研究所プロジェクト研究報告＝   *理工学部 電気電子情報工学科       電流発生トランスの駆動電流および電力損失の低減 “ Reduction of Driving current and Power loss in Transformer for large output current ” 佐野 勇司*                     １．はじめに  大電流発生装置は電力系統の試験装置１）やアーク溶接２）や粉体の焼結炉３）の電源装置などに用いられ，数千Ａの出力電流を低抵抗負荷に流している．特に試験装置としては，ブレーカ等の遮断動作やヒューズの溶断，電線・圧着端子・リレー・電磁接触器等の温度上昇，変流器・カレントトランス・各種計測器等の性能確認の試験に広く用いられている．  ２．研究の目的と方針 大電流発生装置の中でも古くから用いられている交流電流発生装置は，図１に示すように大電流発生トランスと電力制御部から成る単純な回路構成となっている．電力制御部は，交流入力電圧Ｖ１の 0V となる位相を中心とした流通角の期間のみ導通するサイリスタ SCR と，遮断タイミングで生じるサージを吸収するスナバー回路から構成される．図示したように電流の小さいトランスの１次コイルＬ１側に設けられることが多いが，電圧の低い２次コイルＬ２側に設けられることもある．          しかし，既存装置においては，例えば振幅 4000A の電流出力時に 200V電源からの駆動電流が 170A程に過大となる問題がある．また，装置への入力電力の約 95%がトランスの電力損失として失われてしまい，電力効率は 5%に抑えられている． そこで，本研究の目的の一つは，大電流発生トランスの駆動電流が過大となる要因を解明し電流低減を図ることである．もう一つの目的は大電流発生トランスの電力損失の低減を図ることである． 本稿では，まず大電流発生トランスの駆動電流波形を測定して電流が過大となる要因を解析し，低減方法を提案する．そして，回路シミュレーションにより電流低減効果を確認する．次に，大電流発生トランスの損失内訳を測定により解析して電力損失の低減方法を提案する．最後に負荷（図１中のＲ２）を駆動した実働状態において，提案した低減方式の効果を確認していく．  ３．出力開放時のトランスの駆動電流の低減 図２に大電流発生トランスの２次コイルの出力端子が開放された状態における入出力波形の測定結果を示す．図２より，入力には出力端開放時においても約 50Aの波高値を示す 90 度の遅相電流が流れていることが分かる．従って，大電流発生トランスの励磁電流が過大電源電流の発生要因の一つとなっている．           そこで，トランスの１次側コイルに並列に進相コンデンサを付加して生じる共振により励磁電流を回収し，交～図１ 大電流発生装置の回路構成 大電流発生トランス 電力制御部 負荷 図２ トランスの出力端開放時の入出力波形 GND → 入力電流[20A/div.] 入力電圧[100V/div.] 出力電圧[5V/div.] 5.0ms/div. －61－l― --------1 I SCRl I : ~ 二：R2 電流発生トランスの駆動電流および電力損失の低減 “ Reduction of Driving current and Power loss in Transformer for large output current ” 佐野 勇司  R2 R4 SW V1 R1 R3 L2 L1 L3 C1 波高値 37.6A GND GND 10ms/div. 20A/div. 最大値 71.3A 10ms/div. 10A/div. 最大値 69.4A GND 10ms/div. 0.5A/div. 波高値1.42A 流入力電源側に流さないようにすることによって電源電流の低減を図ることにした． 電源電流の低減効果を回路シミュレータ LTspice により解析する．図３に示すシミュレーション回路においては，駆動電流を低減するために，進相コンデンサＣ１とチョークコイルＬ３の直列合成回路をトランスの１次コイルに並列付加している．           進相コンデンサとチョークコイルのない電流低減前の回路における，電源投入時と定常時の入力電流波形を表１に示す． 表 1 電流低減前の入力電流波形   電源投入時にサージ電流が 71.3A、定常時の励磁電流が波高値で 37.6A 流れていることが分かる．励磁電流を低減させるために，トランスの 1 次コイルに並列に進相コンデンサ C1 のみを接続すると，電源投入時に進相コンデンサにさらに大きなサージ電流が流れる．そこで，サージ電流を抑制すべくチョークコイルL3を進相コンデンサ C1 に直列接続する．進相コンデンサ C1 とチョークコイル L3をトランスの 1次コイルに並列接続した時の入力電流波形を表 2 に示す。進相コンデンサ C1 によって，トランスの励磁電流を定常時で約 3.8%の1.42A に低減できることが確認できた．また，チョークコイル L3 を接続することで，進相コンデンサによって増大した最大サージ電流 2.82kA が約 5.0%の 142A まで低減することも確認できた． なお，進相コンデンサ C1 とチョークコイル L3 の設 計式は，次式で表すことができる４）．       C1＝               ， L3 ＝   ただし，k：L3 の C1 に対するリアクタンス比 （一般に 6%に設定）  表２ 電流低減後の入力電流波形   ４．トランスの電力損失の解析 トランスの電力損失は銅損と鉄損に分けられる．銅損は主に巻線や配線の抵抗成分により発生する損失である．鉄損は磁性材料のコアの物性のために発生する損失であり，渦電流損とヒステリシス損に分けることができる．渦電流損 Wi1とヒステリシス損 Wi2はそれぞれ式１と式２によって表すことができる５）．    Wi1 ＝          （１）     ｆ：周波数    B：磁束密度 ｓ：鉄板の厚さ ρ：導体の抵抗率 Ω：磁心の体積 η：スタインメッツ係数 n：スタインメッツ定数 進相コンデンサによる電源電流低減を施していない 電源投入時 定常時 (2s 後） 低減前の回路    電源投入時 定常時 (2s 後） 低減後の回路   V1：入力電源電圧 波高値 283V  SW：流通角制御回路 R1：入力抵抗 100mΩ R2：トランスの 1 次側巻線抵抗 171mΩ R3：トランスの 2 次側巻線抵抗 230μΩ R4：短絡試験用の導線の直列抵抗 1.20ｍΩ L1：トランスの 1 次側インダクタンス 23.9mH 巻数 107 L2：トランスの 2 次側インダクタンス 42.0μH 巻数 4 電流低減用付加素子  C1：進相コンデンサ 399μF  L3：チョークコイル 1.53mH 図３ 電流低減効果を確認するシミュレーション回路 GND 10ms/div. 10A/div. k ( 1－k )        k L1  k L1 ( 2πf )２           1－k ( πf Bｓ)２   4ρ  Wi2 ＝ ΩηｆB      （２）  n －62－"J ゜し）電流発生トランスの駆動電流および電力損失の低減 “ Reduction of Driving current and Power loss in Transformer for large output current ” 佐野 勇司  現状回路を，出力端子を開放して測定した結果，全電力損失 105 W のうち鉄損が 84.2 W を占めた．（但し，流通角は 100%．） 次に，現状回路の出力端子に低抵抗負荷をつないだ時の電力損失を測定する．実際の負荷抵抗は極めて低く，出力接続ケーブルの数ｍΩ代の抵抗が支配的となる．従って，出力接続ケーブルの先を短絡した出力短絡状態における電力損失を測定した．出力開放状態で鉄損と１次コイル側の銅損を測定し，出力短絡状態における電力損失と各部の抵抗値から解析した電力損失の内訳を表３にまとめる．表３より，流通角 60%の時の全電力損失1.01kW のうち，銅損と鉄損の占める割合はそれぞれ52%，48%となった．この時の出力電力は 53.3W となり，電力効率は 5.28%と極めて低い． 表３ 進相回路のない現状回路の電力損失の内訳  ５．トランスの電力損失の低減  現状回路を出力短絡状態にして流通角を 50％に制御した時の 1 次コイルの電圧波形を図４に示す．流通角制御における電流遮断直後に大きな電圧歪が生じていた．それ故，電流遮断時にはトランスのコアに流れる渦電流にも歪みが生じていると推測される．上記の式１に示したように，渦電流損 Wi1は周波数の２乗に比例するので，電流遮断を伴う流通角制御時には渦電流損が増大する恐れがある．        しかし，進相回路を付加することにより共振が生じるので，流通角制御時にも１次巻線の駆動電流は強制的に高調波成分が抑えられた正弦波状に流れ，流通角に応じて電流振幅が制御される可能性があると考えられる．従って，進相回路の付加によって、周波数の２乗に比例する渦電流損が低減することも期待できる．  図５に進相回路の有無に応じた電力損失の測定結果を示す．進相回路の付加時の全損失と鉄損が，流通角80％以下においては付加しない時よりも増加してしまった．この増加は，進相回路の共振のＱが高く，共振電流の実効値が負荷の駆動電流の実効値よりも大きくなったことに起因すると考えられる．しかし，流通角100％においては鉄損が，進相回路を付加しない時に比べて 13％低減している．  従って，大電流発生トランスへの進相回路の付加は励磁電流の低減には有効であるが，電力損失の低減には効果が期待できないことが分かった．              ６．まとめ （１）大電流発生トランスの駆動電流が過大となる原因   の一つが，トランスの励磁電流であることを明らか   にした． （２）チョークコイルと進相コンデンサを直列接続した   進相回路をトランスの 1 次コイルに並列接続する ことにより，出力開放時の駆動電流を定常状態で 37.6A から 1.42A（3.8%）に低減できる見込みを 流通角 30% 40% 50% 60% 全損失[W] 39.6 166 455 1.01k 1 次側銅損[W]  2.96  15.0  44.2  99.1 鉄損[W] 19.8  83.6 216 487 2 次側銅損[W] 16.8  68.1 194 431 100V 5ms OFF OFF OFF 歪発生 図４ 現状回路の流通角制御時における１次コイル電圧 図５ 鉄損と全電力損失の測定結果 －63－120 I f 10 ?????? ???20 ???????ーー???????????--0-進月罪なし全損失-0-危 辟麟嘩捐一 翻罪あり全掻失十 進村巨路あり鉗員30 40 ? ?00 70 尼通角[%]80 90 10 ? 〕：＼電流発生トランスの駆動電流および電力損失の低減 “ Reduction of Driving current and Power loss in Transformer for large output current ” 佐野 勇司  得た． （３）大電流発生トランスの全電力損失 1.0kW のうち， 銅損と鉄損の占める割合はそれぞれ 52%，48%で あった．（但し，流通角 60%，電力効率 5.3%） （４）大電流発生トランスに進相回路を付加した場合の   電力損失の低減効果を実験確認した結果，流通角 80％以下においては全損失と鉄損が増加してしま った．電力損失の増加は進相回路の付加に伴う共振 電流の増加に起因すると考えられる． （５）従って，大電流発生トランスに進相回路を付加す   ることによって駆動電流を低減することは可能で あるが，電力損失を低減する効果は期待できないこ とが分かった．今後はスイッチング駆動等の別の手 法によるトランスの駆動電流と電力損失の低減の 可能性を検討していきたい．  参考文献 1) 東京精電㈱：大電流発生装置，http://www.tokyo-seiden.co.jp/technic/current/, (2018) 2) ハイメカ㈱：抵抗溶接電源では難しい材質にはアーク溶接電源,https://www.hi-mecha.co.jp/products/powersupply/arcyousetsu/, (2018) 3) 野口季彦 他 4 名：高周波トランス結合を有する低電圧大電流直流電源の開発，電気学会論文誌 D, Vol. 126, No. 1, (2006) 4) 岸敬二：パワーエレクトロニクスの基礎，東京電機大学出版局, (1996) 5) 藤本三治：解説 電気磁気学，朝倉書店, (1966) －64－

Reduction of Driving current and Power loss in Transformer for large output current

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電流発生トランスの駆動電流および電力損失の低減

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