JP2004022847A

JP2004022847A - 変流器，電源装置及びセンサシステム

Info

Publication number: JP2004022847A
Application number: JP2002176517A
Authority: JP
Inventors: Kenji Ogawa; 小川　謙治; Masahiro Watanabe; 渡辺　雅浩
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】変流器，電源装置，センサシステムに用いられるコアの分割面を正確に一致させ、電力変換効率を向上させる。
【解決手段】変流器，電源装置，センサシステムを、磁性体からなるコアと、コアに巻かれる導体からなる巻線と、コアを支持するパッケージとを有し、コアは２つ以上の部分に分割されて構成され、コアの分割された少なくとも一つの部分とパッケージとの間にスプリング，スポンジなどの弾性体が配置されているものとする。
【効果】変流器，電源装置，センサシステムに用いられるコアの分割面を正確に一致させることができ、電力変換効率を向上する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変流器及びそれを用いた電源装置，センサシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
送配電用センサなどの電子装置（負荷）用の小容量の電源装置としては、一般に、１次回路に変成器（変圧器、または、変流器）を取付け、その２次出力を整流，平滑して直流電圧を供給する構成となっている。
【０００３】
１次回路へ変成器を取付ける方法としては、１）１次回路へ変圧器を接続する、２）１次導体貫通型の変流器を利用する、などがあるが、これらの方法では、１次回路の配線改修工事が必要となるため、取付け作業が高価、かつ、危険であり、また、電力供給を中断する必要があった。
【０００４】
従来、１次回路の配線改修工事、電力供給の中断を不要とするために、１次導体貫通型の分割形変流器を利用し、１次回路への変成器取付けを簡便にする方法が行われている（例えば、特表平１１−５０２３１３号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特表平１１−５０２３１３号公報記載の従来技術では、環状形コアを利用して、コア全体に巻線する構造としており、また、コアを支持する方法も示されていないため、コアを正確に支持することが難しいと予想され、組立て精度，作業性の低下、ひいては、製造コストの増加，製造不良による性能低下が懸念される。
【０００６】
例えば、分割形変流器では、磁化特性の低下を抑えるため、出来るだけコア分割面のずれ，隙間を無くすよう、コア分割面を正確に一致させる必要がある。特に、送配電用センサなどのように、小さな１次電流から動作する必要がある場合、磁化特性の低下は、即、性能（電源供給能力の）低下につながる。このため、コアの位置を高精度に支持することが重要となる。しかし、環状形コアの場合、形状的にコアの支持が難しい。また、コア全体に巻線されている場合は、コアの形状が複雑になり、さらにコアの支持が難しくなる。このような場合、コアにコア支持用の加工を行うか、コア，巻線の全体をモールド処理することになるが、コアの加工では加工による磁化特性の低下、モールド処理では作業工程の増加による製造コストの増加が課題となる。
【０００７】
さらに、環状形コアに巻線を行う場合、コアに直接巻線することになり、巻線時に電線のテンションを高め難い。このため、コアと巻線間に若干の隙間ができ、寸法，重量、および、銅損が増加し、小型化，電力変換効率の点で好ましくない。また、巻枠を用いた巻線作業に比べて作業性が低下する。
【０００８】
この他、送配電用センサを電線方向に円筒形に構成した場合、冠雪等によりセンサ本体が回転し、安定しない場合があり、この点からも、送配電センサ内で最大の重量物である電源用変流器は環状形でない方が良い。
【０００９】
このように、送配電用センサなどの電源用変流器として環状形コアを利用するのは、コアの支持，組立て等の作業性，小型化，低損失化の点で十分ではないと言える。
【００１０】
本発明の一つの目的は、支持，組立てが容易な変流器，電源装置及び送配電用センサシステムを提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、電線懸架形の送配電用センサに用いた場合に、懸架状態を安定して保持できる変流器を提供することにある。
【００１２】
本発明のさらに他の目的は、コア分割面を正確に一致させ、電力変換効率を向上できる変流器の支持構造を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、変流器のコアを、上側に対して下側の重量が重くなるように上下非対称に分割して構成したことにある。
【００１４】
また、本発明の他の特徴は、変流器，電源装置及びセンサシステムを、コアと、コアを支持するパッケージとを備え、コアは２つ以上の部分に分割されて構成され、コアの分割された少なくとも一つの部分とパッケージとの間に弾性体が配置されているものとしたことにある。
【００１５】
尚、この他の本発明の特徴は、本願請求項に記載の通りである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の電源用変流器の基本構造を示す。
【００１７】
図１において、電源用変流器は、トンネル形の磁性体からなるコアを上下非対称に分割した略半円形の上側の第１のコア１と、コの字形の下側の第２のコア２を備える。下側の第２のコア２は、上側の第１のコア１に対し、大きく，重い。下側の第２のコア２の２つの垂直部分には導体からなる巻線３が取付けられる。また、上側の第１のコア１，下側の第２のコア２は、コアをパッケージに固定するために、コア支持部と呼ばれる非巻線部分を持つ。１次導体５は、コア分割部の中央より少し下側に配置される。コアは珪素鋼板などの磁化特性に優れた磁性材料を形枠に巻いて成形（焼鈍含む）した巻き鉄心コアを分割し、分割面を研磨したものである。積み鉄心コアやジョイントコアに比較して加工が簡単であり安価に製造できる。
【００１８】
２つの巻線３はコアよりほんの少し大きい巻枠（例えば＋０．２ｍｍ　／辺）を用いて巻線され、中央にコアよりほんの少し大きい空洞を持つ。巻枠を用いて巻線するため、コアへの応力を気にすることなく巻線時の電線のテンションを高めて密に巻線できる。このため、巻線を小型にでき、かつ、銅損も小さくできる。
【００１９】
巻線の巻き方を、下層の巻線間に上層の巻線を配置する俵巻構造とすることにより、巻線密度を高めることができる。また、巻線を２つに分割することにより、１つの巻線に比較して巻線の層数を少なくできる。このため、巻線を小型にでき、かつ、銅損も小さくできる。
【００２０】
巻線の構造としては、図１に示すように、１次導体のために確保すべき空洞（隙間）が円形である場合、巻線の上側部分を角錐形としても良い。角錐形に巻線することにより、１次導体のための空洞を確保したまま巻数（特に巻線の長さが短い内層の巻数）を増やせるため、同様に、巻線を小型にでき、かつ、銅損も小さくできる。
【００２１】
コアへの巻線の取付けは、下側の第２のコアの垂直部分に開口部（上側）から巻線を挿入するだけで良く、環状形コアのような巻線作業や、加工等は一切必要ない。このため、極めて組立て作業性が良く、また、巻線作業や加工等の応力による磁化特性の劣化も発生しない。また、巻線は下側のコアのみに取付けられているため、上下のコアを電気的に接続する配線が不要で、構造を簡単にでき、対候性（防水）の点からも有利である。
【００２２】
コア支持部はコアの支持のために設けた非巻線部分である。コア支持部により送配電用センサなどのパッケージでコアを直接支持できるため、コア分割面の正確な位置合わせが可能となる。
【００２３】
なお、コアの断面積，２次巻数，２次巻線接続は、要求される電力供給能力、損失の制約を満足し、かつ、可及的に小型化できるよう決定される。
【００２４】
本実施例のようにコアをトンネル形にするとコアの外形寸法が同じ場合、方形コアに比較してコアの磁路長を短縮できるため、磁気抵抗を低減できる。また、トラック形コアに比較して巻線部分を長く確保できる。
【００２５】
また、コアを方形としてもよい。コアを方形とすると、上側のコアもコの字形となるため、コアの支持や、後述するコア分割面接合のための加圧が容易となる。
【００２６】
また、コアをトラック形としてもよい。コアをトラック形とすると、円形に近いため、巻きコア成形時に大きな巻き圧力が不要で、製造が容易となる。
【００２７】
図２，図３に、図１に示す電源用変流器を送配電用センサのパッケージに支持固定した場合の基本構造を示す。
【００２８】
図２は、パッケージ分割時の場合を示す。
【００２９】
送配電用センサは電源用変流器同様、トンネル形となっており、上下に分割する構造となっている。分割面には１次導体用の貫通窓を持つ。
【００３０】
電源用変流器は、コア支持部によりパッケージの分割面および外周面で支持される。下側のパッケージに配置される下側のコアは、コア分割面がパッケージ分割面より数ｍｍ程度突出するように、コア支持部によりパッケージに固定支持される。
【００３１】
上側のパッケージに配置される上側のコアは、コア分割面がパッケージ分割面より数ｍｍ程度上側に移動可能なように、コア支持部によりパッケージに遊動支持される。上側のコアとパッケージ外周面の間にはスポンジなどの弾性体が配置され、パッケージ接合時に上側のコアを押し下げるような反発力を発生する。この反発力は、パッケージ接合時に、上下のコアを隙間なく接合するための力となる。これにより、上下のコアが隙間なく接合されコアの磁気抵抗が小さくなるので、変流器としての損失を少なくすることができる。
【００３２】
この（上側のコアを遊動支持、下側のコアを固定支持する）場合、コアの分割面の接合圧力は、上側のコアを少し下側に押し下げる程度の力で良い。また、上側のコアの自重も利用できるため、接合圧力は小さくて良い。上側のコアを固定支持，下側のコアを遊動支持しても、同様の効果が得られるが、下側のコアの自重を支えるため、接合圧力が多く必要となる。この他、上側のコア，下側のコアの両方を遊動支持しても、同様の効果が得られる。ただし、下側のコアを遊動支持する場合と同様の理由により、接合圧力が多く必要となる。また、両方のコアを遊動支持するため、片方を遊動支持する場合に比較して構造が複雑となる。
【００３３】
本実施例のように弾性体としてスポンジを用いると、コア分割面を接合するための圧力を広範囲から掛けられるので、単位面積あたりの圧力を小さくすることができる。また、コアに均一に圧力を掛けることができるため、コアの変形を抑制できる。ただし、経年変化による弾性力の低下に注意する必要がある。
【００３４】
また、弾性体としてスプリングを用いることもできる。スプリングを用いた場合、経年変化による弾性力の低下が少なく保守性が優れている。
【００３５】
上側のパッケージに配置される部品（主に上側のコア）に対し、下側のパッケージに配置される部品（主に下側のコア，巻線）の方が数倍程度重いため、冠雪時などでも回転したりすることなく、安定して懸架状態が保持される。
【００３６】
図３にパッケージ接合時の場合を示す。
【００３７】
上下のパッケージを接合することにより、下側のコアが上側のコアを押し上げる形となる。上側のコアとパッケージ外周面の間にはスポンジが配置されているため、スポンジの弾性力により、下側のコアが上側のコアを押し上げる力とほぼ同様の反発力が発生し、上側のコアが下側のコアを押し下げ、上下のコアは隙間なく接合される。なお、上側のコアはパッケージに遊動支持されているため、例えば、製造不良により下側のコアの分割面に多少段差ができてしまった場合でも、スポンジがこの段差を補償するよう上側のコアを押し下げ、上下のコアは隙間なく接合される。
【００３８】
図１，図２に示すように電源用変流器を構成し、送配電用センサなどのパッケージに配置することにより、支持，組立てが容易で、かつ、電線懸架形の送配電用センサに用いた場合に、懸架状態を安定して保持できる電源用変流器が提供される。
【００３９】
図４に、電源用変流器を用いて電源装置を構成した基本回路の一例を示す。
【００４０】
電源装置は、スイッチ１００，整流回路１１０，平滑コンデンサ１２０，三端子型定電圧電源（レギュレータ）１４０，コンパレータ１３０で構成され、入力端に電源変流器，出力端に負荷が接続される。コンパレータの出力信号は、開閉制御電圧としてスイッチの制御端子に接続される。コンパレータは、三端子型定電圧電源が許容できる入力電圧の上限，下限電圧を設定電圧として、開閉制御電圧を制御するよう設定される。
【００４１】
図５に、図４のように構成した変流器入力型電源装置の動作特性を示す。
【００４２】
整流回路は、変流器の１次導体に流れる電流Ｉ_１　によって２次巻線に発生する２次電圧Ｖ_２　を整流する。コンデンサは、この整流電圧を平滑し、三端子型定電圧電源は、定電圧に調整した出力電圧Ｖ_Ｏ　を負荷に供給する。
【００４３】
変流器の２次電流Ｉ_２の平均値Ｉ_２′＞負荷電流Ｉ_Ｏ　とすると、その差分ΔＩが電源装置としての過剰入力分になる。この過剰入力分は、コンデンサに蓄積されるので、開閉制御電圧Ｖ_Ｃ　のオフ期間Ｔ_ｏｆｆに入力電圧Ｖ_Ｏ′が上昇する。入力電圧Ｖ_Ｏ′が上昇して上限電圧Ｖ_Ｈに達すると、コンパレータは出力信号（開閉制御電圧Ｖ_Ｃ　）をＨｉｇｈレベル（オン期間）に変化させてスイッチをオンし、変流器の２次巻線を短絡する。その結果、オン期間Ｔ_ｏｎでは、変流器の２次電圧Ｖ_２　は零となる。
【００４４】
オン期間Ｔ_ｏｎは、整流回路への入力が遮断されるため、負荷電流Ｉ_Ｏ　はコンデンサの蓄積電荷の放出によって賄われる。このため、コンデンサの端子電圧（入力電圧Ｖ_Ｏ′）は、減少に転じる。そして、入力電圧Ｖ_Ｏ′が下限電圧Ｖ_Ｌ　まで低下すると、コンパレータは、開閉制御電圧Ｖ_Ｃ　をＬｏｗレベルに変化させてスイッチをオフし、再び変流器２次電圧Ｖ_２　を整流回路に供給する。コンデンサは、整流回路の整流電圧によって充電され、端子電圧（入力電圧Ｖ_Ｏ′）を上昇させる。
【００４５】
以下、同様にしてスイッチのオン，オフを繰返して入力電圧Ｖ_Ｏ′　を所定の範囲内に維持する。所定の範囲内に維持された入力電圧Ｖ_Ｏ′　は、三端子型定電圧源により、定電圧に調整され、負荷に供給される。
【００４６】
図１，図２に示すように電源用変流器を構成して送配電用センサなどのパッケージに配置し、図４に示すように電源装置を構成することにより、支持，組立てが容易で、かつ、電線懸架形の送配電用センサに用いた場合に、懸架状態を安定して保持できる電源装置が提供される。
【００４７】
図６に本電源用変流器を用いた電線懸架形の送配電用センサの基本構成を示す。
【００４８】
送配電用センサは、電流検出部２００，電圧検出部２１０，マイコン２２０，無線器２３０，電源装置によって構成される。
【００４９】
本電源用変流器を用いた送配電用センサでは、取付け容易（非接触，非接地方式）という利点を活かすため、通常、検出部，伝送部も非接触，非接地方式で構成される（または、検出部を非接触，非接地方式とするため、電源装置も非接触，非接地方式で構成する必要がある）。
【００５０】
電流検出部は電流センサデバイス，アンプ，フィルタ回路によって構成される。電流センサデバイスは、例えば、ロゴスキーコイルなどで構成される。ロゴスキーコイルは空芯のため直線性に優れており、広範囲の電流を高精度に検出可能である。また、強磁性体コアを有する通常の変流器に比べて軽量であり、分割が容易である。ロゴスキーコイルの出力信号は、アンプ，フィルタ回路によりＡ／Ｄ変換に適した信号レベルに増幅，フィルタ処理される。
【００５１】
電圧検出部は、導電性緩衝材，電流計測回路，外部筐体兼シールドにより構成される。導電性緩衝材は、１次導体と容量結合し電線被覆容量（例えば、実測例で５０ｐＦ／１５ｃｍ程度）を構成する。また、外部筐体兼シールドは、大地と容量結合し大地寄生容量（例えば、１ｐＦ程度）を構成する。電流計測回路は、低抵抗の電流計測回路であり、導電性緩衝材と外部筐体兼シールドを低抵抗で接続する。これにより、図７に示すように、電線はコンデンサで大地に接地される構成となり、コンデンサに流れる電流を計測することにより、数１の関係から、１次導体の電圧を算出できる。実際には、電線被覆容量，対地寄生容量はセンサ設置状態や周囲環境によって異なるため、校正等により電線被覆容量，対地寄生容量を事前に把握しておく必要がある。
【００５２】
Ｖ＝ｉ_ｃ（Ｚ_ｃｃ＋Ｚ_ｃｓ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（１）
これらの電流，電圧検出部からの出力信号は、マイコン内のＡ／Ｄ変換器によりＡ／Ｄ変換され、マイコンにより各々の実効値が計算される。計算された実効値は、無線器により配電子局（図示せず）へ伝送される。
【００５３】
送配電用センサの動作に必要な電源は図４のように構成した電源装置から供給される。
【００５４】
図１，図２に示すように電源用変流器を構成して送配電用センサなどのパッケージに配置し、かつ、図４に示すように電源装置を構成して、図６に示すように送配電用センサを構成することにより、支持，組立てが容易で、かつ、懸架状態を安定して保持できる送配電用センサが提供される。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、変流器，電源装置及び送配電用センサのコア分割面を正確に一致させ、電力変換効率を向上できる。
【００５６】
また、懸架状態が安定して保持できる送配電用センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の電源用変流器の基本構造である。
【図２】本発明の実施形態の電源用変流器を送配電用センサのパッケージに支持固定した場合の基本構造（パッケージ分割状態）である。
【図３】本発明の実施形態の電源用変流器を送配電用センサのパッケージに支持固定した場合の基本構造（パッケージ接合状態）である。
【図４】本発明の実施形態の電源用変流器を用いた電源装置の基本回路である。
【図５】本発明の実施形態の電源用変流器を用いた電源装置の動作特性図である。
【図６】本発明の実施形態の電源用変流器を用いた送配電用センサの構成例である。
【図７】本発明の実施形態の電源用変流器を用いた送配電用センサの電圧検出部の等価回路である。
【符号の説明】
１…上側のコア、２…下側のコア、３…巻線、４…コア支持部、５…１次導体、６…上側のパッケージ、７…下側のパッケージ、８…コア支持部材、９…スポンジ、５０…電線被覆、１００…スイッチ、１１０…整流回路、１２０…平滑コンデンサ、１３０…コンパレータ、１４０…三端子型定電圧電源、１５０…負荷、２００…電流検出部、２０１，２０２…ロゴスキーコイル、２０３…アンプ回路、２０４…フィルタ回路、２１０…電圧検出部、２１１…導電性緩衝材、２１２２１２…電流計測回路、２１３…外部筐体（パッケージ）兼シールド、２２０…マイコン、２２１…Ａ／Ｄ変換器（マイコン内蔵）、２３０…無線器、２４０…電源装置。

Claims

磁性体からなるコアと、
前記コアに巻かれる導体からなる巻線とを備え、
前記コアは上側に対して下側の重量が重くなるように上下非対称に分割して構成されることを特徴とする変流器。
磁性体からなるコアと、
前記コアに巻かれる導体からなる巻線とを備え、
前記コアをトンネル形として２つ以上の部分に分割して構成されていることを特徴とする変流器。
磁性体からなるコアと、
前記コアに巻かれる導体からなる巻線とを備え、
前記コアを方形として２つ以上の部分に分割して構成されることを特徴とする変流器。
磁性体からなるコアと、
前記コアに巻かれる導体からなる巻線とを備え、
前記コアをトラック形として２つ以上の部分に分割して構成されることを特徴とする変流器。
磁性体からなるコアと、
前記コアに巻かれる導体からなる巻線と、
前記コアを支持するパッケージとを備え、
前記コアは２つ以上の部分に分割されて構成され、
前記コアの分割された少なくとも一つの部分とパッケージとの間に弾性体が配置されていることを特徴とする変流器。
磁性体からなるコアと、
前記コアに巻かれる導体からなる巻線と、
前記コアを支持するパッケージとを備え、
前記コアは上側の部分と下側の部分に分割されて構成され、
前記コアの上側の部分とパッケージとの間に弾性体が配置されていることを特徴とする変流器。
請求項５または６において、
前記弾性体をスプリングで構成したことを特徴とした変流器。
請求項５または６において、
前記弾性体はスポンジで構成したことを特徴とした変流器。
磁性体からなるコアと、
前記コアに巻かれる導体からなる巻線と、
前記コアを支持するパッケージとを有し、
前記コアは２つ以上の部分に分割されて構成され、
前記コアの分割された少なくとも一つの部分とパッケージとの間に弾性体が配置されていることを特徴とする電源装置。
磁性体からなるコアと、
前記コアに巻かれる導体からなる巻線と、
前記コアを支持するパッケージと、
電圧検出部あるいは電流検出部とを有し、
前記コアは２つ以上の部分に分割されて構成され、
前記コアの分割された少なくとも一つの部分とパッケージとの間に弾性体が配置されていることを特徴とするセンサシステム。