JP2004501341A - 補償電流センサのための変流器 - Google Patents

Abstract

変流器は一次導体、二次巻線及び軟磁性鉄心を備え、一次導体及び二次巻線は電気的に互いに絶縁され、磁気的に鉄心により互いに結合され、一次導体には検出すべき電流が、二次巻線には補償電流が供給される。本発明によれば、一次導体に電気的に並列接続され、磁束上昇が発生する鉄心の範囲に配置された付加導体が設けられ、この付加導体に流れる電流によって生ずる磁束により磁束上昇を部分的に補償する。
図１

Description

【０００１】
この発明は、少なくとも１つの一次導体、１つの二次巻線及び１つの軟磁性鉄心を備え、この鉄心は二次巻線によって完全には巻回されておらず、一次導体及び二次巻線は電気的に互いに絶縁され、磁気的に鉄心により互いに結合され、さらに一次導体には検出すべき電流が供給され、二次巻線には補償電流が供給される補償電流センサのための変流器に関する。
【０００２】
電流センサは、一方では小形でかつコスト的に安価であり、他方では大きな測定範囲を持つことが要求される。その場合、補償原理による電流センサ（補償電流センサ）が好んで使用される。このような補償電流センサは例えばヨーロッパ特許出願公開第０２９４５９０号明細書から公知である。その場合、ある変流器においては、その軟磁性の鉄心に電流によって形成される、検出されるべき磁界が二次巻線に供給された補償電流によって作られる磁界によって補償される。この公知の補償電流センサはリング状鉄心を備え、この鉄心には検出されるべき電流が流れる一次導体が貫通するとともにこの鉄心には二次巻線が全周に巻回されている。これにより磁束は鉄心の全周にわたって均一に分布され、これにより、好ましいことに、大きな測定範囲が得られる。
【０００３】
しかしながら、鉄心を完全に巻回することは多くの適用例に対して費用がかかり及び／又は構造的に困難である。しかし、その場合、一部にしか巻回されていない鉄心を備えた電流センサにおいては、通常磁界プローブが配置されている鉄心の特定範囲にしか磁束が供給されないという問題がある。この特定範囲において磁束は補償巻線によって零に補償される。鉄心を部分的にしか包囲していない補償巻線の磁束は完全には鉄心を介してではなく、部分的に自由空間における漏れ磁束として閉成するので、補償巻線外の鉄心における磁束は最早完全には補償されない。従って、電流強度が高くなると補償巻線の外で鉄心材料が飽和する。この飽和効果によって変流器の、従って全補償電流センサの直線的な測定範囲が制限される。しかしながら、これらの適用例においても、通常、比較的大きな測定範囲が望まれている。
【０００４】
一次導体を分割し、電流の一部を電流センサを通して導き、他の一部をセンサの傍を通すことによって測定範囲を拡大することは公知である。測定範囲の拡大は、その場合、測定すべき電流の分流比に正確に一致する。このことは、１：４の電流分割で５の測定範囲の拡大が得られることを意味する。
【０００５】
例えばドイツ特許出願公開第２３０６９０６号明細書により、分割された一次導体を鉄心の回りに導くことは公知である。その場合、短絡巻線を備えている交流変流器が実現される。これにより鉄心における磁束はこの短絡巻線のインピーダンスと短絡巻線のオーム抵抗との商だけ抑制される。センサコイルは磁束の時間的変化及び従って励磁電流に比例する電圧を供給する。しかし、これは一つには、交流電流でのみ作動する構成であり、他方、出力電圧は短絡巻線のオーム抵抗及び従って温度に著しく関係する。しかしながら、この方法でも測定範囲の充分満足する拡大が得られない。
【０００６】
この発明の課題は、僅かな費用にもかかわらず大きな測定範囲を持つ補償電流センサのための変流器を提供することにある。
【０００７】
この課題は、請求項１に記載の変流器により解決される。この発明思想のその他の構成及び展開はそれ以外の請求項に記載されている。
【０００８】
この発明の利点は、飽和効果及び不均一な磁束は大幅に補償されるから、比較的小さい鉄心及び／又は非対称の巻線構成を使用することができることにある。
【０００９】
詳しくは、最初に挙げた種類の変流器において、一次導体に電気的に並列接続され、磁束の大きな上昇が発生する鉄心範囲に、しかもこの磁束の大きな上昇が少なくとも部分的に補償されるように配置された少なくとも１つの付加導体が設けられる。
【００１０】
この発明は、先ずこの付加導体により電流分割及び従って測定範囲の拡大が従来のように行われるが、しかしながら、さらにそれを越える測定範囲の拡大が付加導体の特別な配置により行われることを基礎においている。鉄心の外側においてその傍に通される付加導体は、一次導体のこの部分（付加導体）を通して供給される磁束が鉄心の外側範囲における磁束を補償するように配置される。このことは、一次導体のこの部分（付加導体）から出る磁束が鉄心において、補償に作用しない補償巻線の漏れ磁束を補償することを意味する。このようにして、従来の電流分割により得られる値を越える測定範囲の拡大が達成される。
【００１１】
特にその場合、付加導体は鉄心の近傍に、鉄心の特定範囲のみがこの磁束によって検出されるように配置される。
【００１２】
例えば鉄心の異なる場所に生ずる複数の磁束の大きな上昇がある場合には、一次導体及び付加導体に電気的並列接続され、鉄心の傍に、鉄心の特定範囲だけがその磁束により対応して検出されるように配置されている少なくとももう１つの付加導体が配置される。
【００１３】
好ましくは、一次導体及び付加導体は異なる強度の電流を通し、その電流の和が検出すべき電流となる。このようにして各配置（鉄心及び巻線）に加えて最適な電流分割により最大の直線性及び従って最大の測定範囲が得られる。
【００１４】
一次導体及び付加導体が巻回されていない、即ち巻回数が１より小さいときには、例えば、検出される電流を通す一次導体がリング状鉄心を貫通している、いわゆる貫通形変成器が実現される。
【００１５】
このために、１つの好ましい構成においては、一次導体及び付加導体は鉄心の範囲においてほぼ直線状の導体により或いは鉄心の範囲においてほぼＵ字状の導体により形成される。一次導体及び付加導体を個々の導体を互いに中に組み入れてＵ字状に形成することにより、特にこのＵ字形状は鉄心の飽和に影響することが少ないから測定範囲をさらに拡大できる。
【００１６】
一次導体及び付加導体がスリットを備えた唯一の導体によって形成されるときには、そうでないときには必要不可欠な一次導体と付加導体相互との接触位置における時間或いは温度とともに変化する接触抵抗が生じないので、これにより測定精度が改善される。
【００１７】
鉄心の傍において他の付加導体と鉄心の反対側に配置され、検出すべき電流が一次導体及び付加導体に対して反対方向に流れる帰路導体は、さらに、負の磁束の大きな上昇を補償するので、測定精度を向上させる。
【００１８】
一次導体及び付加導体、二次巻線及び鉄心を、さらに、部分的に、個々に或いは一緒にシールド板で包囲することもできる。これにより、鉄心の負荷が軽減され、測定範囲に不都合に作用するであろう擾乱磁界の影響が低減される。
【００１９】
この発明を、以下に、図面に示された実施例により詳しく説明する。
【００２０】
図１に示された、この発明による変流器の実施例において、一次導体１と二次巻線２の他に付加導体３が設けられ、一次導体１及び付加導体３はそれぞれ帯状導体として形成されている。帯状導体に代わって他のいかなる導体形状でも同様に使用できる。二次巻線２は多数の巻数を持ち、軟磁性鉄心４の（図１では示されていない）空隙を介してこれを包囲するように配置されている。鉄心４はほぼ矩形状の断面を持ち、空隙から出てリング状に、その底面がほぼ矩形状になるように形成されている。しかし矩形状の底面及び矩形状の断面の代わりに、いかなる任意の、鉄心４のリング形を可能とする底面及び断面、例えば楕円形、円形面等を使用することもできる。
【００２１】
帯状導体（一次導体）１は、その場合、鉄心４の底面をほぼ直線状に、この導体が鉄心４から見てその空隙によって全周にわたって包囲されるように貫通している。二次巻線２は、その場合、鉄心４の一部だけ（この実施例では全周の４分の１より少ない）を包囲している。この発明によれば第２の帯状導体（付加導体）３は帯状導体（一次導体）１に電気的に並列に接続され、鉄心４の外側で、しかしながらその直ぐ近くに、そして帯状導体（一次導体）１に関して二次巻線２に対向するように配置されている。付加導体として用いられる帯状導体３は、その場合、部分的にのみ鉄心４を包囲する二次巻線２及び例えば鉄心４の内部に非対称に配置された帯状導体（一次導体）１によって生じた鉄心４内の不均一な磁束分布を補償する磁束を発生する。
【００２２】
図２の実施例は、図１の実施例から出発して、帯状導体３に対向するように、しかも二次巻線２の近くに配置された帰路導体５が付加的に設けられ、この帰路導体５は、帯状導体１及び３に対して反対方向に流れ、導体１及び３を流れる電流の和に等しい電流を流す。帯状導体３に対する反対側の配置と、反対方向の電流方向により、全体として帯状導体（付加導体）３により生ずる効果の増幅が行われる。
【００２３】
図３による実施例では、図１に示される実施例に対して帯状導体がＵ字状に形成されている。このＵ字状は、その場合、０．７５の巻数を持つ巻線となる。その場合、両帯状導体１及び３はほぼ平行に延びているので、２つの入れ子にされた「Ｕ」が生じている。その場合、このＵ字状の帯状導体１及び３の対応する脚相互の間隔は鉄心４の範囲における間隔に対して小さくし、これにより電流供給により生ずる擾乱磁界の影響を低減することができる。Ｕ字形状は、全体としてより大きな測定範囲を提供する。
【００２４】
図４に示された構成においては、さらに図３に対して、電気的に例えば二次巻線２に直列に接続されている付加の二次巻線２’が設けられている。この二次巻線２’はその場合二次巻線２に対向して、即ち帯状導体１及び３の間において鉄心４を包囲して配置されている。この手段によっても測定範囲を直線化しかつ従って拡大することができる。
【００２５】
図５による実施例は、図１に示された実施例から出発して、Ｕ字状のシールド板６が鉄心４並びに帯状導体１及び３を包囲しているものである。このシールド板６は、その場合、二次巻線２の側方にある鉄心の２つの脚から出て、これに平行にかつ両帯状導体１及び３を含めて二次巻線２に対向する鉄心４の部分に対して平行に延びている。このシールド板６により、測定範囲を制約し得る擾乱磁界の影響が低減され、その上測定範囲が拡大される。鉄心が付加的に負荷軽減されるからである。
【００２６】
図６の実施例においては、今までの実施例の鉄心４及び二次巻線２から出発して帯状導体７が設けられ、この帯状導体７は鉄心４の範囲にスリットが設けられ、帯状導体１及び３に相当する２つの部分帯状導体を形成する。これらの部分帯状導体は帯状導体７のスリットのない部分に対して９０°捻られている。帯状導体７を一体構成とすることにより両帯状導体１及び３の接触位置が生ずることがなく、これにより擾乱に影響する接触位置が回避される。
【００２７】
帯状導体１及び３を一体のスリットの入った帯状導体８として一体に構成する好ましい実施例が図７に示されている。図７ａは帯状導体８の構造を曲げ工程を実施する前の状態で示し、図７ｂは帯状導体８の構造を曲げ工程を実施した後の状態で示す。図７ａによれば帯状導体８は矩形状の基本形を有し、長手方向、即ち長い方の稜に平行に３つのスリット９、１０、１１がほぼ半分の幅上に設けられ、その中の１つのスリット９は長さ方向にほぼ真ん中に、他の２つのスリット１０、１１は両縁部に配置されている。帯状導体８は、その場合、長さ方向に対して直角にその真ん中に延びる対称線に関しても、またスリット９、１０、１１に沿って延びる対称線に関しても対称に構成されている。それぞれスリット１０、１１を含む両縁部から出発して帯状導体８はスリット１０及び１１の真ん中側の端部の高さで曲げられ、これらの両端の間に全体として上記の側縁部に対して凹部が形成され、スリット９の範囲でさらに深い凹部が形成される。さらに、隅の近くに穴１２、１３、１４、１５が少なくともスリット９、１０、１１に沿って延びる対称線に関して対称に配置されている。
【００２８】
この基本形から出発して、図７ｂのように、スリット９、１０、１１に沿って延びる対称線に、それぞれ２つの穴１２、１４並びに１３、１５が互いに重なるように曲げられる。これによりスリット１０及び１１を含む側縁部から出発して先ず穴１２、１３、１４、１５の範囲において互いに接し、第一の凹部において互いに間隔をおいた形ができる。第二の凹部（スリット９の回り）の範囲では帯状導体８の両部分間の間隔は最大である。この部分は鉄心の収納に用いられる。
【００２９】
図８に示された実施例においては、図１に示された実施例から出発して、別の帯状導体３が互いに平行に延びる２つの部分帯状導体１６及び１７に分割されている。そしてこれらの部分帯状導体は、磁束の上昇を最適に補償するように位置を取っている。
【００３０】
図９には、従来の方式の変流器（図９ａ）において例えば一次導体１８を、空隙２０を備えたリング状鉄心１９内に非対称に配置することにより磁束の大きな上昇がどのように生じるかを示す。空隙２０を介して二次巻線２１が鉄心１９に巻回されている。図は分かり易くするために断面で示されている。二次巻線２１に対向する鉄心１９の部分（帰路鉄心）には一次導体１８の非点対称配置により一次導体１８の磁束により成立する磁束の上昇が生じている。
【００３１】
この発明によれば（図９ｂ）「分割導体」、即ち（一次）導体１８及び電気的に並列接続された付加導体２２が上昇を示す鉄心１９の部分（帰路鉄心）の両側に通されているので、磁力線は互いに相殺され、その結果磁界は零に等しい。これにより測定範囲は導体１８と２２との間の電流分割の係数だけでなく、電流分割（全電流と測定された電流成分との比）と電流センサの測定範囲の拡大（「通常」の測定範囲とこの発明による構成における測定範囲の比）の積だけ向上する。例えば図９ｂの構成においては半分の電流（電流分割係数２）だけが導体１８を通って流れると、１．３６倍の測定範囲の拡大及び直線性測定範囲の２．７２倍の拡大が生ずる。従って、７５アンペアを持つ従来の電流センサはこの発明を適用することにより１９０アンペアの直線性測定範囲にすることができる。電流分割係数５において電流センサの測定範囲の拡大はほぼ１０００アンペアになる。
【００３２】
さらに電流分割が大きくなると（例えば係数９）付加導体２２による帰路鉄心の磁化が生じ、これにより正の直線性誤差が大電流において生ずる。この場合においても大きな測定範囲を可能とするために、（一次）導体１８の所定の間隔において付加の導体の帰路鉄心に対する間隔を大きくしなければならない。電流分割及び／又はこれらの間隔の変更により、電流センサは最大測定範囲に設定することができる。
【００３３】
図１０には図９ｂの構成におけるシールド板２３の効果を図９ａによる従来の構成に対して示している。なお、二次巻線は両者とも省略されている。シールド板２３により導体１８及び２２により生じる磁界はさらに均一化され、鉄心１９においては空隙２０を持つ鉄心１９の断片を介してのみ導かれている。
【図面の簡単な説明】
【図１】
この発明による変流器の第一の共通の実施例を示す。
【図２】
反対向きの電流を通す導体を備えたこの発明による変流器の第二の実施例を示す。
【図３】
互いに組み込まれた２つのＵ字状導体を備えたこの発明による変流器の第三の実施例を示す。
【図４】
図３の実施例に対してさらに別の二次巻線を加えて拡張したこの発明による変流器の第四の実施例を示す。
【図５】
シールド板を備えたこの発明による変流器の第五の実施例を示す。
【図６】
スリットを持つ一体の導体を備えたこの発明による変流器の第六の実施例を示す。
【図７】
スリットを持つ一体の有利な導体構造を詳細に示し、図７ａは導体を曲げ工程前の状態で、図７ｂは曲げ工程後の状態で示す。
【図８】
鉄心に並んで配置された２つの導体を備えたこの発明による変流器の第七の実施例を示す。
【図９】
２つの一次導体を備えたこの発明による変流器の磁力線分布を従来の変流器との比較において示し、図９ａは従来の変流器において、図９ｂはこの発明による変流器において示す。
【図１０】シールド板を備えたこの発明による変流器の磁力線分布を従来の変流器と比較して示し、図１０ａは従来の変流器において、図１０ｂはこの発明による変流器において示す。
【符号の説明】
１　一次導体
２　二次巻線
２’付加の二次巻線
３　付加導体
４　鉄心
５　付加導体
６　シールド板
７　スリットを備えた一体構造の帯状導体
８　帯状導体
９、１０、１１　スリット
１２、１３、１４、１５　穴
１６、１７　部分帯状導体
１８　一次導体
１９　鉄心
２０　空隙
２１　二次巻線
２２　付加導体
２３　シールド板

Claims (10)

1. 一次導体（１）、二次巻線（２）及び軟磁性鉄心（４）を備え、この鉄心（４）は二次巻線（２）によって完全には巻回されておらず、一次導体（１）及び二次巻線（２）は電気的に互いに絶縁され、磁気的に鉄心（４）によって互いに結合され、さらに一次導体（１）には検出される電流が供給され、二次巻線（２）には補償電流が供給される補償電流センサのための変流器において、一次導体（１）に電気的に並列接続され、磁束の上昇が発生する鉄心範囲に配置される付加導体（３）が設けられ、この付加導体（３）を流れる電流によって生ずる磁束により磁束の上昇が部分的に補償されることを特徴とする補償電流センサのための変流器。
2. 付加導体が鉄心（４）の傍に、この鉄心（４）の特定範囲のみがその磁束によって検出されるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の変流器。
3. 少なくとも１つの第二の付加導体（１６、１７）が設けられ、この付加導体が他の２つの導体（１、３）に電気的に並列接続され、かつ鉄心（４）の傍に、この鉄心（４）の特定範囲のみがその磁束によって検出されるように配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の変流器。
4. 一次導体（１）及び付加導体（１３、１６、１７）が異なる強度の電流を通し、これらの電流が全体で検出すべき電流となることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の変流器。
5. 一次導体（１）及び付加導体（３、１６、１７）が１より小さい巻数を持っていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の変流器。
6. 一次導体（１）及び付加導体（３、１６、１７）が鉄心（４）の範囲でほぼ直線状の導体によって形成されることを特徴とする請求項５に記載の変流器。
7. 一次導体（１）及び付加導体（３、１６、１７）が鉄心（４）の範囲でほぼＵ字状の導体によって形成されることを特徴とする請求項５に記載の変流器。
8. 一次導体（１）及び／又は付加導体（３、１６、１７）がスリットを備えた一体の導体によって形成されることを特徴とする請求項５に記載の変流器。
9. 鉄心（４）の傍であって、付加導体（３、１６、１７）と反対側の鉄心（４）側に配置され、検出すべき電流が付加導体（３、１６、１７）に対して反対方向に流れる帰路導体（５）が設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の変流器。
10. 一次導体（１）、付加導体（３、１６、１７）、二次巻線（２）及び鉄心（４）が少なくとも部分的にシールド板（６）によって包囲されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の変流器。