JP2005503561A - 計測用トランスデューサ - Google Patents

Abstract

本発明は、ドーナツ型磁心によって形成される磁気回路と、測定されるべき電流が流通するとともにドーナツ型磁心によって囲まれた導体と、ドーナツ型磁心に配置された２次巻線と、ドーナツ型磁心の空隙内に配置されるとともに空隙内の磁界に感応する磁界測定素子とを含んでいる、導体を流通している電流を基準電流と比較するための測定用トランスデューサに関するものである。このような測定用トランスデューサでもって、基準値から高周波数偏差も容易に検出できるようにするために、本発明によれば、基準電流でもって２次巻線に作用するための基準値設定ユニットが設けられる。本発明にかかる測定用トランスデューサは、好ましく、風力発電装置用のインバータの出力電流を測定するのに用いられる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドーナツ型磁心（toroidal core）によって形成される磁気回路と、電流が流通するとともにドーナツ型磁心によって囲まれた導体と、ドーナツ型磁心に配置された２次巻線（secondary winding）と、ドーナツ型磁心の空隙（gap）内に配置されるとともに空隙内の磁界に感応する磁界測定素子とを含んでいる、導体を流通している電流を基準電流と比較するための測定用トランスデューサに関するものである。さらに、本発明は、導体を流通している電流を制御又は調整するための制御ユニットと、とくに風力発電装置用のインバータと、このようなインバータを有する風力発電装置とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本明細書の冒頭部分に記載された種類の測定用トランスデューサは、特許文献１に開示されている。この測定用トランスデューサの場合、磁束測定素子として機能するホール素子の増幅された出力信号が２次巻線に入力される。その巻き方向は、生成される磁界が、電流が流通する導体を囲んでいる磁界に対して反対方向となるように選択される。この場合、２次巻線は、それが導体により生成される磁界をゼロにするように努めるといった手法でもって、増幅器により給電される（fed）。２次巻線を流通する電流は、導体中を流れている電流の測定に用いられる。すなわち、２次巻線の出力信号は、時々刻々の電流の絶対値を与える。
【０００３】
また、エレクトロニック・インダストリ（elektronik industrie）の８−２００１号の４９頁及び５１頁には、本明細書の冒頭部分に記載されている種類のもう１つの測定用トランスデューサが開示されている。この測定用トランスデューサでも、コイルはドーナツ型磁心に巻き付けられ、導体を流通する電流はコイル内に電流を誘起する。この誘起された電流は、ホール素子により検出される可能な偏差と重ね合わされ、これにより、導体中を流れている電流についての測定として絶対値を与える。しかしながら、この測定用トランスデューサでも、誘起された電流の主要部分は２次巻線を流通するということが注目される。ホール素子と増幅器の組み合わせは、導体内を流れる電流の各割合を検出するが、ドーナツ型磁心上の２次巻線は検出することができない。
【特許文献１】
欧州特許出願公開第０１９４２２５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
既知の測定用トランスデューサの場合、各出力信号は、いかなる方法によっても、さらなる処理が施される。これは、導体を流通する時々刻々の電流の絶対値を与えるからである。下流に接続された比較器により、この値は、例えばインバータに対する制御信号をそこから得るために、例えば基準値又は目標値と比べることができる。その電流は、上記の導体によって供給される。この電流は容易に数百アンペアに到達することができるので（時々刻々のピーク値は、完全に７５０アンペア付近に到達する。）、適当に多い数のアンペア回数（ampere-turns）が２次コイルでもって達成されなければならない。この場合、意図された２次巻線を流通している電流が低ければ低いほど、これに対応してアンペア回数をより多くしなければならない。
【０００５】
しかしながら、既知の構造には重大な欠点がある。インダクタンスはまた、常に、時定数（time constant）を形成し、このため導体中を流れている電流の後に続く急激な変動の可能な方法を制限する。さらに悪い環境下では、２次巻線自体のインダクタンスが、その典型的な誘導性の挙動のため、急激な信号の変化を不可能にする。
【０００６】
それゆえ、本発明の目的は、上記の欠点が改良され、かつ、とくに基準値からの高周波数偏差（high-frequency deviations）も高い信頼性で検出することができ、とくに風力発電装置用のインバータに用いることができる測定用トランスデューサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、上記の目的は、電流が流通する導体中を流れるべき電流を設定する基準電流でもって、２次巻線に作用する（act on）ための基準値設定ユニット（reference setting unit）を設けることにより達成される。
【０００８】
既知の構造の場合とは異なり、２次巻線は、磁束測定素子の出力部又はこれに接続された増幅器には接続されない。その代わり、基準電流が供給される。本発明によれば、磁束測定素子の出力部（output）、又は好ましい実施態様ではこれに接続された増幅器が、信号出力部として用いられる。理想的な状況では、導体中を流れている電流は、２次巻線に供給される基準電流に対応し、これによりドーナツ型磁心内に生じる磁束、及び、磁束測定素子の出力部での信号がゼロになる。
【０００９】
導体中の電流が基準値と異なる場合は、ドーナツ型磁心内に磁束が生じ、かつ、磁束測定素子の出力部に対応する信号が生じる結果となる。この信号は、２次巻線を流通している、電流の基準値からの導体中の電流の偏差の測定値である。磁束測定素子と信号出力部との間の出力支線（output branch）にはインダクタンスが存在しないので、電流の基準値からの高周波数偏差でも、高い信頼性で検出することができ、可能な限り増幅することができ、出力部に供給することができる。したがって、実際の値を電流の基準値にできる限り迅速に、かつ、最良の可能な仕様で近似させるために、出力信号から、例えば風力発電装置のインバータのための対応する制御信号又は調整信号を迅速に得ることも可能である。
【００１０】
本発明にかかる測定用トランスデューサの有利な形態は、従属請求項に記載されている。ホール素子は、好ましく、磁束測定素子として用いられる。さらに、磁束測定素子の出力信号は、好ましく、信号出力部で用いられる前に、増幅器によって増幅される。
【００１１】
導体中を流れている電流の絶対値を得るために、基準電圧は、磁束測定素子又は下流に接続された増幅器の出力信号と重ね合わせる（superimpose）ことができる。これは、好ましく、信号出力部の下流に接続されたステージ（stage）で実施される。
【００１２】
本発明はまた、導体を流通している電流を測定するための本発明にかかる測定トランスデューサでもって、導体を流通している電流を制御又は調整するための、請求項６に記載された制御ユニットにも関する。本発明にかかる測定トランスデューサは、好ましく、インバータの出力電流を測定するための風力発電装置用のインバータに用いられる。したがって、本発明は、請求項９に記載された風力発電装置にも関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を、図面を参照しつつより詳細に説明する。
図１は、特許文献１に記載された測定トランスデューサに用いられる原理（principle）を示す単純化された図である。この既知の測定用トランスデューサは、強磁性材料のドーナツ型磁心１０を有している。このドーナツ型磁心を、測定されるべき電流が流通する導体１６が通り抜けている。ドーナツ型磁心１０の空隙１１にはホール素子１２が配置されている。導体１６のまわりに電流によって生成される磁界は、ドーナツ型磁心１０中に、ホール素子１２を通り抜ける磁束を生成する結果となる。ホール素子１２の出力信号は増幅器１４に供給される。増幅器の出力部は、ドーナツ型磁心１０のまわりに巻きつけられた２次巻線１８に接続されている。
【００１４】
ここで、２次巻線１８に電流が流れたときには、磁界が形成される。ここにおいて、２次巻線１８の巻き方向は、導体１６の周りの磁界と反対方向の磁界が生じるように選択される。これにより、２つの磁界は互いに相殺される。すなわち、ドーナツ型磁心１０内にはもはや磁束は存在せず、その結果ホール素子１２は、両磁界の強さが等しいときにはもはや信号を生成しない。２次巻線１８が既知である（known）ので、流れている電流は、導体１６によって生成される磁界の測定値であり、したがって導体１６内を流れている電流の測定値となる。このようにして、２次巻線１８の出力部２０で、導体１６内を流れている電流の測定値である信号を検出することが可能となる。
【００１５】
出力部２０における出力信号は、時々刻々の電流の絶対値を与えるので、さらに任意の仕様で処理されることができる。下流に接続された比較器（図示せず）により、この値は、例えばインバータのための制御信号をそこから得るために、例えば基準値と比較することができ、その電流は導体１６により供給される。
【００１６】
このような電流は、容易に数百アンペアに達するので、これに対応して２次巻線１８に多数のアンペア回数を実現することが必要となる。この場合、２次巻線１８を流通する電流が低ければ低いほど、これに対応してアンペア回数を多くしなければならない。これはまた、この構造の重大な欠点でもある。インダクタンスもまた、常に時定数を形成し、これにより導体１６内を流れている電流における後に続く急激な高周波数変動（rapidly following high-frequency fluctuations）の可能な通路（possible way）を制限する。ここで、困難性を増加させるもう１つの局面は、２次巻線１８自体のインダクタンスが、その典型的な誘導性の挙動（inductive behavior）のため、急速な信号の変化を不可能にすることである。
【００１７】
図２に、本発明にかかる測定用トランスデューサの１つの実施形態が線図で示されている。これもまた、空隙１１を伴った強磁性材料を含んでいるドーナツ型磁心１０を有している。空隙内には、例えばホール素子などの磁束測定素子１２が配置されている。ホール素子１２の出力側には、ホール素子１２の電気出力信号を増幅するための増幅器１４が接続されている。既知の測定用トランスデューサと同様に、導体１６は、測定されるべき電流が流通する環状の磁心１０を通り抜けて伸びている。
【００１８】
既知の測定用トランスデューサとは異なり、２次巻線１８は、増幅器１４の出力部には接続されていない。その代わり、２次巻線１８は入力端子２２を有し、２次巻線の他端はアース（ground）に接続されている。増幅器１４の出力部は、信号出力部２４として用いられる。
【００１９】
それゆえ、既知の測定用トランスデューサにおいては、２次巻線１８には常に電流が供給され、これは導体１６の磁界を補償することを必要とし、このため導体１６内を流れる電流の測定を形成する。本発明によれば、２次巻線１８は、予め決められた基準電流により動作させられる。それは、基準値設定ユニット２６によって、入力端子２２に供給される。理想的な場合、導体１６内を流れている電流は基準電流に対応し、このためドーナツ型磁心１０内の磁束はゼロに等しくなる結果となる。ホール素子１２の信号はゼロであり、このため出力部２４には信号が存在しない。
【００２０】
導体１６内の電流が基準値からずれた場合、ドーナツ型磁心１０内に磁束が生じ、ホール素子１２から対応する信号が生じる結果となり、これは増幅器１４によって増幅されて出力部２４に送られる。この出力信号は、電流の基準値からの導体１６中の電流の偏差の測定値であり、これは２次巻線１８を流通する。
【００２１】
本発明にかかる測定用トランスデューサがインバータの出力電流、すなわち導体１６を流通している電流を測定するのに用いられる場合、基準電流は５０Hzの周波数である。これは２次巻線１８内の電流に非常に緩慢な変化を生じさせる結果となる。したがって、この場合、２次巻線１８のインダクタンスは従属部（subordinate part）となる。
【００２２】
導体１６内の電流の変動（fluctuations）は、ネットワーク反応（network reaction)などの外部的な影響に起因する高周波であることが確実であるということが注目される。しかしながら、本発明によれば、ホール素子１２を構成している支部（branch）、増幅器１４及び出力部２４にはインダクタンスが存在しないので、基準電流からの高周波数偏差も高い信頼性で検出し、増幅し、そして出力部２４に供給することができる。したがって、実際の値を可能な限り迅速に基準値に近似させるために、制御ユニット２８により、出力部２４における信号からインバータ（図示せず）のための迅速に対応する制御信号又は調整信号を得ることも可能である。
【００２３】
基準値−実測値の比較を可能にするために、測定用トランスデューサの下流に比較器が接続されなければならない既知の構造の場合とは異なり、本発明にかかる構造におけるこの比較は、すでに測定トランスデューサ中で実施されている。ここでは、ホール素子１２だけが基準値と実測値との差信号を供給するので、ドーナツ型磁心１０は、ホール素子１２とあいまって比較器とみなすことができる。
【００２４】
本発明にかかる回路の出力部２４における差信号は、アナログ信号の形態でさらなる処理を行うことも、あるいは、例えばシュミット・トリガ（Schmitt trigger）によりインバータ用のデジタル制御信号に変換することも確実に可能であるということが理解されるであろう。
【００２５】
基準信号を増幅器１４の出力信号と重ね合わせた場合は、導体内を流れている電流の絶対値のための測定は、本発明にかかる測定用トランスデューサでもって実現される。しかしながら、この重ね合わされた信号は、２次巻線１８には供給されない。この重ね合わせは、好ましく、増幅器１４の下流に接続されたステージ中で積算することにより実施されるであろう。
【００２６】
本発明にかかる測定用トランスデューサは、好ましく、インバータの出力電流を測定するために、風力発電装置で用いられる。この場合は、インバータの各位相に対して、個別の測定用トランスデューサが好ましく用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】既知の測定用トランスデューサの線図である。
【図２】本発明にかかる測定用トランスデューサの線図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０ ドーナツ型磁心、１１ 空隙、１２ ホール素子、１４ 増幅器、１６ 導体、１８ ２次巻線、２０ 出力部、２２ 入力端子、２４ 出力部、２６ 基準値設定ユニット、２８ 制御ユニット。

Claims (9)

1. ドーナツ型磁心によって形成される磁気回路と、
   電流が流通するとともに、ドーナツ型磁心によって囲まれた導体と、
   ドーナツ型磁心に配置された２次巻線と、
   ドーナツ型磁心の空隙内に配置されるとともに、空隙内の磁界に感応する磁界測定素子とを含んでいる、導体を流通している電流を基準電流と比較するための測定用トランスデューサであって、
   電流が流通する導体中を流れるべき電流を設定する基準電流でもって、２次巻線に作用するための基準値設定ユニットが設けられている測定用トランスデューサ。
2. 上記磁束測定素子がホール素子であることを特徴とする、請求項１に記載の測定用トランスデューサ。
3. 上記磁束測定素子の出力部の下流に、磁束測定素子の電気出力信号を増幅するための増幅器が接続されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の測定用トランスデューサ。
4. 上記導体を流通している電流を、上記導体を流通している電流が基準電流に近似するように制御又は調整するための制御ユニット又は調整ユニットが設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の測定用トランスデューサ。
5. 測定されるべき電流についての絶対値を形成するための手段が、基準電流を磁束測定素子の出力信号と重ね合わせるために、磁束測定素子の下流に接続されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の測定用トランスデューサ。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の、導体を流通している電流を測定するための測定用トランスデューサでもって、導体を流通している電流を制御又は調整するための制御ユニット。
7. 請求項６に記載の、インバータの出力電流を制御するための制御ユニットを有する、とくに風力発電装置のためのインバータ。
8. 基準値設定ユニットがインバータの構成部分であることを特徴とする、請求項７に記載のインバータ。
9. 請求項７又は８に記載のインバータを有する風力発電装置。