JFE 技報 No. 36 (2015 年 8 月 )p. 17-23 JFE スチールの変圧器特性解析技術 Evaluation and Analysis Techniques of Transformer Performances in JFE Steel 岡部誠司 OKABE Seiji JFE 研究所電磁鋼板研究部主任研究員 ( 副部長 ) 大村健 OMURA Takeshi JFE 研究所電磁鋼板研究部主任研究員 ( 副課長 ) 井上博貴 INOUE Hirotaka JFE 研究所電磁鋼板研究部主任研究員 ( 係長 ) 要旨 JFE, 変圧器 用 方向性電磁鋼板 主 用途 変圧器 鉄損 騒音 調査, 解析 行 本論文, 変圧器 鉄損 鉄心振動 局所的 測定 技術 述 変圧器 鉄損 解析, 探針 用 局所磁気測定, 三相積鉄心 磁束密度 鉄損 分布 調査, 赤外線 鉄損測定方法 開発, 鉄心 接合部近傍 局所的 鉄損増大 可視化 騒音 解析, 振動計 鉄心 局所振動 三次元的 測定, 三相励磁 鉄心 振動挙動 明, 変圧器 励磁条件 影響調査 一, 直流偏磁条件 鉄損 騒音 測定 Abstract: Iron losses and acoustic noise in transformers are analyzed using model transformers in JFE Steel. In this paper, techniques to measure local iron losses and vibrations in the model transformer core are described. Distributions of magnetic fluxes and iron losses in three-phase stacked cores are analyzed using stylus probes and a hall probe. In addition, development of iron loss measuring technique using infrared thermograph enabled to visualize iron loss increase near the joint in cores. Three dimensional measurement using laser vibrometer helped clarify the vibration behaviors of the cores under three phase excitation. As one of the investigations of effects of excitation conditions, iron loss and acoustic noise are measured under direct current (DC) biased excitation. 1. はじめに JFE 製造 方向性電磁鋼板, 主 電力用 変圧器 鉄心 用, 変圧器 特性 直結 重要 素材 近年 世界的 環境保全 認識 高, 対応 規制強化, 変圧器 対 省 化 高 1) 変圧器 効率 大 影響 方向性電磁鋼板 対, 鉄心 生 損失, 鉄損 低減 常 求 要求 満, 研究開発 進, 変圧器 鉄損, 通常, 使用 方向性電磁鋼板 鉄損 増加, 素材 鉄損低減 加, 変圧器 適用 際 鉄損増加 抑制 重要 開発課題 2),JFE, 変圧器 用, 各種 調査, 解析 行 3) 素材 測定時 変圧器 鉄損 増大 原因, 切断 方向性電磁鋼板 組 合 2015 年 2 月 7 日受付 製作 鉄心, 複雑 磁束 局所的 生 影響 大 2-5), 磁束 回 込 回転磁束 発生, 磁束 部分的 集中, 積層 鋼板間 磁束 渡 影響 評価, 鉄心 局所的 磁束 測定 有用 近年, 電磁界解析 数値計算技術 進歩, 方向性電磁鋼板 磁気特性 強 異方性, 多数 薄板 積層体 鉄心 化, 多 課題 6), 実験 解析 依然 重要 変圧器 鉄心 局所的 磁束 測定,JFE, 絶縁被膜 方向性電磁鋼板 非破壊 測定 探針法 開発, 応用 3,7), 鉄損 発生 熱 赤外線 測定 鉄損分布 可視化 方法 開発 8) 技術 測定結果,2 章 述, 変圧器 低鉄損化 並, 低騒音化 重要 環境対応技術 一 9) 鉄心 変圧器騒音 発生原因, 鋼板 磁化 伴 微小 伸縮, 磁歪, 鋼板間 発生 電磁力 振動 主 考 2) 騒音 生 Copyright 2015 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved. - 17 -
理解, 鉄心 振動 形態 詳細 把握 重要, 変圧器 鉄心振動 測定, 振動 挙動 解析 9,22) 方法 結果,3 章 述, 十分 鉄損 騒音 考慮 設計, 製作 変圧器, 使用条件 鉄損 騒音 大 影 響 及 近年 進 歩 適用拡大, 電力用変圧器 鉄心 磁束 高調波 直流成分 重畳 増, 鉄損 騒音 増大 問題 場合 11) 現象 影響 評 価, 鉄心材料 違 検討, 変圧 器 使 調査 行 例,4 章, 直流偏磁 可能 変圧器 製作 鉄損 騒音 測 定 行 結果 述 12) 2. モデル変圧器の局所磁気特性の解析技術 2.1 探針法による局所磁束 鉄損測定 2.1.1 目的 変圧器 鉄心 局所的 磁束測定方法 探 法 用, 鋼板 穴 必要 上, 導線 生 鋼板間 隙間 磁束密度分布 影 響 生 懸念 対, 最近 非破壊 測定, 探針 用 方法 開発, 適用 7) JFE, 探針法 変圧器 鉄心 局所磁束 測定 用 方法 開発, 磁 束挙動 解析 用 3) 以下,3 相積鉄心 変 圧器 測定 適用 技術, 測定結果 例 示 2.1.2 測定装置 探針, 素子 用 鉄心局所磁気特性 測 定原理 図 1 示 鉄心表面 鋼板 接触 2 本 探針間 生 誘起電圧, 探針接触点 下部 挟 断面 部分 1/2 面積 鎖交 磁束 誘起 電圧 等 理論 基, 鉄心 局所磁束密度 求 13) 探針間 距離 5 mm, 空隙補償 設置 図 1 探針法とホール素子による局所磁気測定方法 Fig. 1 Method of local magnetic measurement using needle probes and a Hall probe 鋼板表面 磁界強度, 感受部長 約 1 mm 小型 素子 測定 感受部 中心 鋼板表面 距離 約 0.5 mm 探針 素子 90 回転, 鋼板表面 2 方向 (x,y 方向 ) 磁束密度 磁界強度 検出, 鉄心表面 全面 測定, 組 込, 鉄心表面 測定点 連続的 機構 設 磁束密度 磁界強度 信号 用 測定, 記録 各測定点 鉄損, 上記 磁束密度 B 磁界強度 H 波形 描 面積 次式 x 方向成分 W x, y 方向成分 W y 分 計算, 和 2 次元局所鉄損 W 2d W 2d=( f/r) H db=w x+w y (1) W i=( f/r) H i db i(i:x,y) (2),f 励磁周波数,r 電磁鋼板 密度 示 周回積分 励磁周期 1 回分 行 変圧器 3 相 3 脚 積鉄心, 幅 100 mm 脚 構成 外形 一辺 500 mm 正方形, 積層厚 約 16 mm, 鉄心重量 約 22 kg 中央脚 接合部 V 式, 接合方式 2 枚重 5 段 鉄心 励磁 各脚 40 1 次巻線 行, 内側 巻 60 2 次巻線 磁束 検出 鉄心全体 鉄損, 各相 1 次電流 2 次電圧 電力計 用 測定 鉄心材料,0.30 mm 厚 高配向性方向性電磁鋼板 30JGS 用 単板磁気測定装置 測定 鉄損 W 17/50 1.01 W/kg 2.1.3 測定結果図 2 鉄心 半面 磁束密度分布 変化 示 脚, 磁束密度分布 幅方向 不均一 認 不均一 磁束分布, 主 方向性電磁鋼板 圧延方向 直交方向 透磁率 異方性 生 磁束 回 込 起因, 局所的 磁束密度波形 生 磁束密度波形, 鉄損 増加 磁歪振動 高調波成分 増大 2), 変圧器 鉄損 騒音 解析 上 重要 情報 図 3 周辺 鉄損分布 示 T 接合部付近, 脚 接合部付近 非常 大 鉄損発生箇所 認,, 回転磁束 磁束集中 影響 考 局所的 鉄損増大, 使用 方向性電磁鋼板 磁気特性 違, 接合方式 影響, 機構 解析 本技術 利用 JFE 技報 No. 36(2015 年 8 月 ) - 18 -
図 2 探針法で測定した磁束密度分布 Fig. 2 Magnetic flux density distribution measured by stylus probe method 1 m 上方 設置, 鉄心全体 撮影 鉄心表面 他 発熱物 影響 誤差 生 防, 鉄心 赤外線 最小限 配線 照明 消 無人 防音 内 設置, 励磁 測定 外 制御, 鉄心 温度分布 安定, 全体 温度差 1 K 未満 状態 確認 測定 行 鉄心 次 励磁, 温度測定 行 (i) 励磁電圧 前, 測定 (ii) 所定 磁束密度, 一定比率 一次電圧 上昇 (iii) 所定 磁束密度 一定時間保持, 温度分布 測定 (iv) 励磁電圧 零 下, 温度 一定 確認 励磁 (iii) 各点 温度上昇率 dt/dt, 次 式 鉄損 求 W=C dt/dt (3) 2.2 サーモグラフィーによる局所鉄損測定 2.2.1 目的 探針法 局所磁気測定, 鉄損, 磁界強度, 磁束密 度 同時 測定 有効 手段, 鋼板 重 合 接合部 近傍, 鋼板 層間 渡 磁束 生 面内渦電流 生, 鋼板断面 渦電流測定 基 磁束密度 測定値 誤差 生 14), 接 合部近傍 鉄損 解析, 別 手法 組 合 望 他 局所鉄損測定方法, 鋼板 温度上 昇率 鉄損 算出 方法 知 15) 特 赤外 線 用 温度計測, 熱電対 温度計 用 方法 比, 鉄心表面 広範囲 同時 測定, 鉄損分布 測定 適, 温度分解能 向上 赤外線 利用 鉄損分布 測定方法 開発 8) 2.2.2 測定方法 図 3 探針法で測定した鉄損分布 Fig. 3 Distribution of iron loss measured by stylus probe method 測定 使用 赤外線, 温度分解能 0.02 K, 最大画素数 76 800 (320 240), 最大 毎秒 380 動画 撮影 可能 赤外線 鉄心,W 鉄損,C 鋼板 比熱 変圧器 2.1 節 述 同 構造, 鉄 心表面 広範囲 測定,1 次,2 次 巻線 20 減 鉄心材料 0.23 mm 厚 方向性電磁 鋼板 23JGS 用 2.2.3 測定結果 図 4 本実験 測定 典型的 温度測定結果 示 測定 最大磁束密度 1.7 T, 周波数 50 Hz 磁束密度 1.7 T 保持 状態, 一定 温度上 昇率, 励磁 零 下 後 温 度低下, 抜熱 影響 小 考 写真 1 1.7 T 励磁 状態 鉄心 温度分布画像 示 T 接合部近傍 非常 大 温度上昇 図 4 赤外線サーモグラフィーによる温度変化の測定例 Fig. 4 Example of temperature change measured by infrared thermograph - 19 - JFE 技報 No. 36(2015 年 8 月 )
写真 1 赤外線サーモグラフィーによる鉄心の温度分布画像 Photo 1 Temperature distribution of model transformer core measured by infrared thermograph 領域, 前章 述 探針法 測定結果 合致,U 脚, W 脚 接合部 大 温度上昇 見 箇所 下層 鋼板 突 合 部, 下層 鋼板 磁束 渡 磁束集中, 面内渦電流 影響 鉄損 増大 考,U 脚 右側,V 脚 両側,W 脚 左側 他 箇所 温度 上昇, 箇所 磁束波形 大 前述 探針法測定 確認 測定 局所鉄損 鉄心全体 合算 求 鉄損値 1.17 W/kg 電力計 測定 鉄損 1.19 W/kg, 赤外線 測定 有効 精度 持 高分解能 局所鉄損測定技術, 巻鉄心 鉄損分布 解析 活用 3. モデル変圧器の局所振動測定 3.1 目的変圧器 鉄心, 磁化 伴 生 鋼板 磁歪振動, 鋼板 接合部 電磁振動, 騒音 発生源 知 2), 変圧器 騒音 及 鉄心材料 影響 解析, 鉄心 振動挙動 把握 重要 変圧器鉄心 振動測定 関 報告, 多 脚 表面 対 垂直方向 測定,, 最大振幅 振動 周波数成分 議論 3,16) JFE, 変圧器 鉄心上 各所,3 軸方向 振動 測定 方法 開発, 構造 振動挙動 解析 9,22) 3.2 測定方法 鉄心 振動測定, 振動計 用 図 5 振動測定方法 示 表面 反射 貼 付 5 mm 角 鋼板表面 貼付,3 軸方向 振動 測定 鋼板 締 付, 鉄心 上下 板 挟, 0.1 MPa 面圧 板, 測定点 穴 開, 鋼板表面 貼付 鋼板面 水平 方向 振動 測 定 場合, 隣接 穴 間 溝 形成, 隣 接 穴 挿入, 上 入射 光 直角 曲 測定 測定 20 mm 間隔 行 変圧器 2.1 節 同 構造, 鉄心材料 0.30 mm 厚 高配向性方向性電磁鋼板 30JGS 用 3.3 結果と考察 磁歪振動 1 周期 ( 励磁 2 分 1 周期 ), 鉄 心半面 変位 図 6 示 鋼板面 垂直 方向 変位 最 大, 大 磁歪 鋼板 積層厚 掛 値 大 鉄心 積層 鋼板 締 付 構造, 本 変圧器 積層厚 小, 鋼 板面 垂直 方向 曲 対 剛性, 他 方向 低, 磁歪 起振力, 鋼板 垂 直方向 曲 変形 生, 大 振動 発生 考 図 5 鉄心表面の局所振動測定方法 Fig. 5 Method to measure local vibration on model transformer core 鉄心 振動 部位別 比較, 各脚 接合 部 部分的 大 振動 生, 接合部 生 JFE 技報 No. 36(2015 年 8 月 ) - 20 -
影響 考察, 磁歪特性 異 材料 間 比較, 締 付 力 影響 調査 4. 直流偏磁条件におけるモデル変圧器特性の解析 4.1 目的 電磁鋼板 磁化特性 非線形, 交流磁化 直 流 重畳 磁化条件 ( 直流偏磁 ), 鉄損 磁歪, 変 圧器 騒音 大幅 増加 報告 11,17,18), 同 測定装置 低磁束密度 高磁束密度 偏 磁量 変 調査 報告 少 上, 変圧器 騒 音 鉄損 比 測定例 非常 少, 本研究, 単相 変圧器 用, 交流 磁束密度 0.5 T 1.8 T, 直流重畳磁界 200 A/m 広 範囲 変, 直流偏磁 変圧器 鉄損, 騒音 及 影響 調査 12) 4.2 実験方法 4.2.1 モデル変圧器 図 7, 変圧器 測定 示 変 圧器, 単相, 交流励磁用 1 次巻線, 磁束密度測 定用 2 次巻線, 直流磁界 印加 3 次巻線 3 次巻線 回路, 直流電源, 電流計, 交流重畳 防 止 構成 鉄心 単相 2 脚 積鉄心, 外形 一辺 500 mm 正方形, 積層厚 15 mm, 重量約 18 kg 接合方式 2 枚重 5 段, 鉄心 上下 板 挟, 平均 0.1 MPa 締 付 力 固定 鉄心材料 0.30 mm 厚 高配向性方向性電磁鋼板 30JGH 用 Fig. 6 図 6 鉄心表面の振動挙動 Vibration behavior of model transformer core surface 電磁振動 影響 考 次 大 振動 生, 曲 変形 生 図 6 左側 U 相 右側 W 相, 振幅 最大 位相 3 分 1 周期, 相間 位相差 反映 各脚 面 傾 生 図 2 示, 脚 局所的 磁束密度, 幅方向 差, 磁化 時間的 面 傾 生 考 結果, 鉄心 振動, 鉄心 局所的 磁化 違, 鉄心構造 起因 機械的 振動特性 反映, 複雑 挙動 示 磁歪 基本周波数, 振幅 最 大 100 Hz 成分 述, 高調波 解析 行, 騒音 図 7 直流偏磁させたモデル変圧器測定方法の概要 Fig. 7 Schematic of model transformer measurement under direct current (DC) biased magnetization - 21 - JFE 技報 No. 36(2015 年 8 月 )
4.2.2 測定方法鉄心 励磁 際 磁束密度 振幅値,2 次巻線 誘起電圧 平均値 求 直流偏磁量,3 次巻線 直流電流値 求 鉄心 実効磁路長 1.6 m 励磁 以下 方法 制御,1 次巻線 鉄心 周波数 50 Hz 交流励磁, 一次電圧 調整 最大磁束密度 所定 値 次,3 次巻線 直流励磁電流 印加, 直流重畳磁界 重畳 後, 一次電圧 再度調整, 交流励磁 最大磁束密度 所定 値 修正 本装置 交流励磁用 直流重畳用 二 励磁巻線 用 場合, 直流用 3 次巻線 交流成分 重畳, 影響 鉄損 増加 問題, 3 次巻線 直列 3.2 H 配置 交流成分 重畳 抑制 場合 3 次巻線 開放 場合 鉄損 増加, 励磁電流 直流励磁系 交流成分重畳分 差 引 補正 行 19) 騒音, 脚 中央 2 所 中央 2 所, 板 上面 200 mm 離 位置 騒音 測定, 平均値 求 図 9 直流偏磁量がモデル変圧器の鉄損に及ぼす影響 Fig. 9 Iron losses of model transformer under direct current (DC) biased magnetization 4.3 実験結果と考察 図 8 直流偏磁 場合 場合 比較 示 直流偏磁 磁化力 大 偏, 伸長 鉄損 増大 直流偏磁量 鉄損 関係 図 9 示 直流偏磁量 増加 従 鉄損 増加, 特 50 A/m 以下 増加率 大 図 10 直流偏磁量 対 騒音 変化 示 鉄損 同様, 直流偏磁 伴 騒音 大幅 増加 偏磁 実質的 1.7 T 超 磁化 素材 磁歪 大 増加 加, 図 11 示 励磁周波数 奇数次 高調波 増加 考 直流偏磁 場 図 10 直流偏磁量がモデル変圧器の騒音に及ぼす影響 Fig. 10 Acoustic noise of model transformer under direct current (DC) biased magnetization Fig. 8 図 8 ヒステリシスカーブの比較 Comparison of hysteresis curves Fig. 11 図 11 騒音の高調波成分の比較 Comparison of spectrum of acoustic noise harmonics JFE 技報 No. 36(2015 年 8 月 ) - 22 -
合, 磁化 正負 同 磁歪 生, 磁歪振動 基本周波数 100 Hz, 直流偏磁 磁化 正負 磁歪 異,50 Hz 高調波 成分 大 現 考 20) 直流偏磁 可能 変圧器, 直流偏磁 鉄損, 騒音 増大 鉄心材料 差 調査, 高配向性 材料 方 鉄損 増加 生, 騒音 優 判明 21) 5. おわりに以上, 方向性電磁鋼板 使用 変圧器 鉄損, 騒音特性 解析 変圧器 実験技術 紹介 本論文 積鉄心 適用例 述, 巻鉄心 適用 可能 解析技術,JFE 製造 方向性電磁鋼板 有効 変圧器利用技術 調査,, 新 開発 方向性電磁鋼板 特性 解析 活用 参考文献 1) 変圧器 環境適合性向上技術調査専門委員会編. 変圧器 環境適合性向上技術 現状 動向. 電気学会技術報告.2005, no. 1023. 2) 電気学会磁性材料常置専門委員会編. 素鋼板 進歩 使用上 諸問題. 電気学会技術報告.1979, II 部, no. 85. 3) 石田昌義, 定廣健一, 岡部誠司. 川崎製鉄技報.2003, vol. 35, no. 1, p. 21. 4)Thomas, B. IEEE Trans. Magn. 1975, vol. 11, p. 65. 5)Fukuda, B.; Sato, K.; Shimizu, Y.; Ito, Y. J. Appl. Phys. 1984, vol. 55, p. 2130. 6) 高速大規模電磁界数値解析技術調査専門委員会編. 電磁界解析 高速大規模数値計算技術. 電気学会技術報告.2006, no. 1043. 7) 千田邦浩, 石田昌義, 佐藤圭司, 小松原道郎, 山口俊尚. 電気学会論文誌 A. 1997, vol. 117, p. 942. 8) 山口広, 今西大輔, 石田昌義, 井上博貴. 電気学会 研究会資料.2011, MAG-11-129, p. 1. 9) 電気学会静止器騒音対策技術調査専門委員会編. 静止器 騒音対策技術 現状 動向. 電気学会技術報告.1966, no. 575. 10) 山口広, 石田昌義. 電気学会 研究会資料.2010, MAG-10-93, p. 13. 11) 高須伸夫, 宮脇文彦, 斎藤達, 藤原康夫. 電気学会論文誌 B. 1993, vol. 113, p. 435. 12) 井上博貴, 上山哲平, 山口広, 岡部誠司, 石田昌義.J. Mag. Soc. Japan. 2012, vol. 36, p. 135. 13) 山口俊尚, 今村正明, 千田邦浩, 石田昌義, 佐藤圭司, 本田厚人, 山本孝明. 電気学会論文誌 A. 1995, vol. 115, p. 50. 14) 岡部誠司, 石田昌義, 黒沢光正. 日本応用磁気学会誌.1998, vol. 22, p. 713. 15) 成田賢仁, 今村正明. 電気鉄板 熱電的部分鉄損測定法. 電気学会論文誌 A. 1974, vol. 94, p. 167. 16) 溝上雅人, 籔本政男, 岡崎靖雄. 電気学会論文誌 A. 1996, vol. 116, p. 744. 17) 西水亮, 内山倫行, 斎藤達. 電気学会 研究会資料. 1999, MAG-99-78, p. 11. 18) 鈴木崇之, 高坂正明, 松山亮, 壹岐浩幸. 平成 12 年電気学会電力 部門大会概要集.1999, no. 561, p. 485. 19) 浅野剛良, 高田俊次, 佐々木堂, 岡崎靖雄. 電気学会 研究会資料.1997, MAG-97-175, p. 25. 20) 茂木尚, 藤倉昌浩, 溝上雅人, 籔本政男, 久保田猛. 日本応用磁気学会誌.2001, vol. 25, p. 891. 21)Inoue, H.; Okabe, S. J. Appl. Phys. 2014, vol. 115, issue 17, p. 17A332. 22) 大村健, 山口広, 石垣雄亮, 岡部誠司, 戸田広朗. 電気学会論文誌 A. 2015, vol. 135, p. 414. 岡部誠司大村健井上博貴 - 23 - JFE 技報 No. 36(2015 年 8 月 ) Copyright 2015 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved. 禁無断転載