JP2019100946A - Current transformer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カレントトランスに関する。 The present invention relates to a current transformer.
電力用半導体素子を実装したパワーデバイスに流れる電流を測定する際にパッシブ型のカレントモニタが主に使用されている(例えば、特許文献1参照)。パッシブ型のカレントモニタは、一般的にカレントトランスと呼ばれ(以降は「カレントトランス」と表記)、ドーナツ状のコアと二次側ケーブルとシャント抵抗とを有する。例えば、パワーデバイスに流れる電流測定の際は、パワーデバイスの主電極端子などに接続された一次側ケーブルをコアの配線孔に通す。一次側ケーブルに被測定電流が流れ始めるとコア内部に磁束変動が発生しようとするが、それを打ち消す様に二次側ケーブルに電流が流れる。従って、一次側ケーブルに流れた電流に対して、二次側ケーブルに巻き数分の一の電流が流れる。そして、その電流分だけシャント抵抗に電圧が発生する。その電圧をオシロスコープでモニタすることにより、一次側ケーブルに流れた電流値を確認することができる。 A passive current monitor is mainly used when measuring the current flowing to a power device mounted with a power semiconductor element (see, for example, Patent Document 1). A passive current monitor is generally called a current transformer (hereinafter referred to as a "current transformer"), and has a donut-shaped core, a secondary side cable, and a shunt resistor. For example, in the case of measuring the current flowing to the power device, the primary side cable connected to the main electrode terminal of the power device is passed through the wiring hole of the core. When a current to be measured starts to flow in the primary side cable, a flux fluctuation tends to occur inside the core, but a current flows in the secondary side cable so as to cancel it. Therefore, a current which is a fraction of the number of turns flows through the secondary cable with respect to the current flowing through the primary cable. Then, a voltage is generated in the shunt resistor by the amount of the current. By monitoring the voltage with an oscilloscope, it is possible to confirm the current value flowing to the primary side cable.
カレントトランスは、駆動電源が不要であり、非接触で簡単に電流を測定できる。しかし、カレントトランスは直流成分が一定時間続くと、コアが磁気飽和を起こして測定できなくなるという欠点がある。特に大電流になるとその欠点が顕著になる。 The current transformer does not require a drive power source and can measure the current easily without contact. However, the current transformer has the disadvantage that the core becomes magnetically saturated and can not be measured if the DC component continues for a certain period of time. In particular, when the current is large, the defects become noticeable.
二次側ケーブルの巻き数をN2とすると、一次側ケーブルに電流が流れ始めた瞬間には二次側には一次側の1/N2だけ電流が流れる。そして、被測定電流である一次側電流の起磁力と二次側電流の起磁力が打ち消しあい、コアの内部には磁束は発生しない。 Assuming that the number of turns of the secondary side cable is N 2 , at the moment when the current starts to flow through the primary side cable, the current flows by 1 / N 2 of the primary side on the secondary side. Then, the magnetomotive force of the primary current, which is the current to be measured, and the magnetomotive force of the secondary current cancel each other out, and no magnetic flux is generated inside the core.
時間が経過するにつれて、二次側に流れる電流は一次側に流れる電流に対して減衰していく。この単位時間当たりの減衰率をドループという。このため、一次側電流による起磁力と二次側電流による起磁力がアンバランスになり、コア内部に磁束が発生する。時間が経過するにつれて二次側電流の減衰により一次側電流による起磁力と二次側電流による起磁力の差がさらに大きくなるため、コア内部の磁束も時間の経過とともに大きくなってゆく。コア内部の磁束があるポイントを超えるとコアが磁気飽和を起こす。磁気飽和が起こるとコアの磁気抵抗が急激に大きくなる。そのため磁束がコアの外側にも漏れだす。この磁気飽和が起こるポイントは被測定電流の値と被測定電流が流れる時間で定量的にあらわされIT積とよばれている。 As time passes, the current flowing to the secondary side attenuates with respect to the current flowing to the primary side. This decay rate per unit time is called droop. For this reason, the magnetomotive force by the primary current and the magnetomotive force by the secondary current become unbalanced, and a magnetic flux is generated inside the core. As time passes, the difference between the magnetomotive force of the primary current and the magnetomotive force of the secondary current further increases due to the attenuation of the secondary current, so the magnetic flux inside the core also increases with the passage of time. When the magnetic flux inside the core exceeds a certain point, the core undergoes magnetic saturation. When magnetic saturation occurs, the magnetic resistance of the core rapidly increases. Therefore, the magnetic flux also leaks to the outside of the core. The point at which this magnetic saturation occurs is quantitatively expressed by the value of the current to be measured and the time during which the current to be measured flows, and is called the IT product.
カレントトランスの原理は、磁束がコア内部から外に漏れない密結合が前提となっている。磁気飽和すると密結合ではなくなるため、2次側の出力は0Vに落ち、被測定電流をモニタできなくなる。 The principle of the current transformer is premised on tight coupling in which magnetic flux does not leak from the inside of the core to the outside. When the magnetic saturation occurs, the output on the secondary side drops to 0 V, and the measured current can not be monitored.
市販のカレントトランスの一次側に例えば単位ステップ状の電流i1=I0*U(t)を印加すると、二次側にはi2=−I0/N2*EXP(−R1/L2*t)の電流が流れる。ここで、I0は被測定電流の直流成分、U(t)は単位ステップ関数、R1はシャント抵抗の抵抗値、L2は一次側ケーブルをオープンにしたときの二次側のインダクタンス、tは時間である。 For example, when unit-step current i 1 = I 0 * U (t) is applied to the primary side of a commercially available current transformer, i 2 = −I 0 / N 2 * EXP (−R 1 / L) is obtained on the secondary side. A current of 2 * t flows. Here, I 0 is a DC component of the current to be measured, U (t) is a unit step function, R 1 is a resistance value of the shunt resistor, L 2 is an inductance of the secondary side when the primary side cable is opened, t Is time.
カレントトランスの一次側ケーブルと二次側ケーブルは密結合となっているため、コア内部に発生する磁束はφ=(N1*i1+N2*i2)/Rmである。ここで、N1は一次側ケーブルの巻き数、Rmはコア内部の磁気抵抗である。N1=1とするとコア内に発生する磁束はφ=I0*(1−EXP(R1/L2*t))/Rmとなる。一次側電流が立ち上がった直後(t=0)にはコア内部に磁束が発生せず、時間が経過するに伴い二次側電流が減衰してゆくため磁束が発生する。つまり、測定電流の直流成分I0が大きくなるほど、測定電流の直流成分の流れる時間が長いほど、コア内部に発生する磁束は大きくなる。 Since the primary side cable and the secondary side cable of the current transformer are tightly coupled, the magnetic flux generated inside the core is φ = (N 1 * i 1 + N 2 * i 2 ) / R m . Here, N 1 is the number of turns of the primary side cable, and R m is the magnetic resistance inside the core. When N 1 = 1, the magnetic flux generated in the core becomes φ = I 0 * (1−EXP (R 1 / L 2 * t)) / R m . Immediately after the primary current rises (t = 0), no magnetic flux is generated inside the core, and the secondary current is attenuated as time passes, so that a magnetic flux is generated. That is, the larger the direct current component I 0 of the measurement current, the longer the flow time of the direct current component of the measurement current, the larger the magnetic flux generated inside the core.
軟磁性体からなるカレントトランスのコアの特性は、磁界Hの増加に伴って磁束φ及び磁束密度Bもリニアに増大するリニア領域を有する。磁束φがリニア領域を超えると磁気飽和が起きる。つまり、微分透磁率ΔB/ΔHが急激に小さくなり、そのため磁束がコアの外側に漏れ出す。従って、カレントトランスはコアの磁束φがリニア領域内に収まるように使用する必要がある。コアにバイアス磁界を印加することによりコアの磁束φがリニア領域内に収まるようにしてIT積を大きくする方法がカレントトランスメーカにより紹介されている。しかし、印加するバイアス磁界の加減がわかりづらかった。このため、オーババイアスになりコアが磁気飽和状態になる場合があった。逆に、バイアス磁界が少な過ぎて十分な効果が得られない場合もあった。 The characteristics of the core of the current transformer made of a soft magnetic material have a linear region in which the magnetic flux φ and the magnetic flux density B also linearly increase with the increase of the magnetic field H. When the magnetic flux φ exceeds the linear region, magnetic saturation occurs. That is, the differential permeability ΔB / ΔH rapidly decreases, so that the magnetic flux leaks to the outside of the core. Therefore, the current transformer should be used so that the magnetic flux φ of the core falls within the linear region. A method of increasing the IT product such that the magnetic flux φ of the core falls within the linear region by applying a bias magnetic field to the core has been introduced by current transformer manufacturers. However, it was difficult to understand the bias of the applied bias magnetic field. For this reason, the core may be magnetically saturated due to overbias. On the contrary, in some cases, the bias magnetic field is too small to obtain a sufficient effect.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はバイアス磁界を最適化してIT積を大きくすることができるカレントトランスを得るものである。 The present invention has been made to solve the problems as described above, and an object thereof is to obtain a current transformer capable of optimizing a bias magnetic field to increase an IT product.
本発明に係るカレントトランスは、ドーナツ状のコアと、前記コアに巻きつけられた二次側ケーブルと、前記二次側ケーブルの一端と他端との間に接続されたシャント抵抗と、前記コアにバイアス磁界を印加する磁界印加部と、前記バイアス磁界が印加された前記コアからの磁束の漏れを検出する磁気センサとを備えることを特徴とする。 A current transformer according to the present invention comprises a donut-shaped core, a secondary side cable wound around the core, a shunt resistor connected between one end and the other end of the secondary side cable, and the core A magnetic field application unit that applies a bias magnetic field, and a magnetic sensor that detects leakage of magnetic flux from the core to which the bias magnetic field is applied.
本発明では、バイアス磁界を印加したコアからの磁束の漏れを磁気センサで検出する。オペレータは磁気センサの反応を確認しながらバイアス磁界を最適化してIT積を大きくすることができる。 In the present invention, the magnetic sensor detects leakage of magnetic flux from the core to which a bias magnetic field is applied. The operator can optimize the bias magnetic field to increase the IT product while confirming the response of the magnetic sensor.
実施の形態に係るカレントトランスについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。 The current transformer according to the embodiment will be described with reference to the drawings. The same or corresponding components may be assigned the same reference numerals and repetition of the description may be omitted.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係るカレントトランスを示す図である。一次側ケーブル1がドーナツ状のコア2の配線孔に通される。コア2に二次側ケーブル3が巻きつけられている。二次側ケーブル3の一端と他端がそれぞれ出力端子4,5に接続されている。シャント抵抗6が二次側ケーブル3の一端と他端との間に接続されている。カレントトランスの出力端子4,5が同軸ケーブル(不図示)を介してオシロスコープ等の測定器(不図示)に接続される。
FIG. 1 is a diagram showing a current transformer according to the first embodiment. The
図2は、軟磁性体からなるカレントトランスのコアの磁界と磁束及び磁束密度の関係を示す図である。B点からC点までのリニア領域内のときは磁界Hの増加に伴って磁束φ及び磁束密度Bもリニアに増大する。磁束φがリニア領域を超えると磁気飽和が起きる。つまり微分透磁率ΔB/ΔHが急激に小さくなり、そのため磁束がコアの外側に漏れ出す。従って、カレントトランスはコアの磁束φがリニア領域内に収まるように使用する必要がある。 FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the magnetic field of the core of the current transformer made of a soft magnetic material, the magnetic flux and the magnetic flux density. In the linear region from point B to point C, the magnetic flux φ and the magnetic flux density B also increase linearly as the magnetic field H increases. When the magnetic flux φ exceeds the linear region, magnetic saturation occurs. That is, the differential permeability ΔB / ΔH rapidly decreases, so that the magnetic flux leaks to the outside of the core. Therefore, the current transformer should be used so that the magnetic flux φ of the core falls within the linear region.
そのために本実施の形態では、コア2にバイアス磁界11を印加する構成を設けている。具体的には、コア2に二次側ケーブル3とは別にバイアス磁界用の配線7を巻きつけている。配線7に直列に直流電源8と可変抵抗9が接続されている。配線7の巻きつけ部の近くにホール素子等の磁気センサ10が配置されている。直流電源8が可変抵抗9を介して配線7に電流を流すと、コア2の内部にバイアス磁界11が印加される。このとき発生させる磁界の向きは、被測定電流が流れたときに発生する磁界と反対方向になるようにする。バイアス磁界11を印加した際にC点よりも左側になるとコア2が磁束飽和を起こし、コア2の外部に磁束が漏れだす。磁気センサ10は、コア2から外部への磁束の漏れ12を検出する。
For this purpose, in the present embodiment, a configuration for applying a bias
オペレータは、磁気センサ10が磁束の漏れ12を検出するまで、可変抵抗9の抵抗値を小さくする方向につまみを回し、バイアス磁界用電流を大きくしてバイアス磁界11を大きくしていく。磁気センサ10が反応したら、可変抵抗9のつまみを逆方向、即ち抵抗値を大きくする方向にゆっくり回し、磁界用電流及びバイアス磁界11を小さくしてゆき、磁気センサ10が反応しなくなるポイントでつまみを止める。このポイントがC点となる。このようにバイアス磁界11を最適化することで、IT積を2倍近くにすることができる。
The operator turns the knob in the direction of decreasing the resistance value of the
次に、一次側ケーブル1に被測定電流が流れ始めるとコア2の内部に磁束変動が発生しようとするが、それを打ち消す様に二次側ケーブル3に電流が流れる。つまり一次側ケーブル1に流れた電流に対して二次側ケーブル3の巻き数分の一の電流がシャント抵抗6に流れる。シャント抵抗6の両端の電圧を測定器にてモニタすることにより、被測定電流を測定することができる。バイアス磁界11を印加してデフォルトでC点近辺になるようにした状態で被測定電流を流すと、C点からB点までのリニア領域でカレントトランスを使用できるためIT積を大きくすることができる。
Next, when the current to be measured starts to flow in the
続いて、本実施の形態に係るカレントトランスの効果を比較例1,2と比較して説明する。図3は、比較例1に係るカレントトランスを示す図である。図4は、比較例2に係るカレントトランスを示す図である。比較例2は二次側ケーブル3をバイアス磁界11用の配線として利用したものである。比較例1,2には磁気センサ10が無いため、印加するバイアス磁界11の加減がわかりづらい。このため、オーババイアスになりコアが例えばC点よりも左側の磁気飽和状態になる場合がある。逆に、バイアス磁界11が少な過ぎて、例えばA点付近となって十分な効果が得られない場合もある。
Subsequently, the effects of the current transformer according to the present embodiment will be described in comparison with comparative examples 1 and 2. FIG. 3 is a diagram showing a current transformer according to Comparative Example 1. FIG. 4 is a diagram showing a current transformer according to Comparative Example 2. The comparative example 2 uses the
これに対して、本実施の形態では、バイアス磁界11を印加したコア2からの磁束の漏れ12を磁気センサ10で検出する。オペレータは磁気センサ10の反応を確認しながらバイアス磁界11を最適化してIT積を大きくすることができる。例えば、バイアス磁界11を印加してデフォルトでC点近辺になるように調整することでIT積を2倍にすることができる。
On the other hand, in the present embodiment, the
実施の形態2.
図5は、実施の形態2に係るカレントトランスを示す図である。ドーナツ状のコア2の内側に沿って軟磁性体13が配置されている。軟磁性体13にはギャップ14が設けられている。このギャップ14に磁気センサ10が配置されている。カレントトランスの出力端子4,5にバイアス電流印加用の直流電源8及び可変抵抗9が直列に接続されている。
Second Embodiment
FIG. 5 is a diagram showing a current transformer according to the second embodiment. The soft
この状態でカレントトランスの二次側ケーブル3に直流電流を流すと、コア2の内側にバイアス磁界11が発生する。上述の通り図2で示すC点よりも左側になるとコア2が磁気飽和を起こし、外部に磁束が漏れだす。二次側ケーブル3はコア2の広い範囲に巻きつけられているため、磁束の漏れ12の範囲も広くなる。そこで、コア2の内側に沿って軟磁性体13を配置する。これにより、磁束の漏れ12が軟磁性体13を通ってギャップ14を通るため、効率よく磁気センサ10を通るようになる。オペレータは実施の形態1と同様に、磁気センサ10の反応を確認しながらバイアス磁界11を最適化してIT積を大きくすることができる。
In this state, when a direct current flows through the
実施の形態3.
図6は、実施の形態3に係るカレントトランスを示す図である。実施の形態1の構成において磁気センサ10の代わりに方位磁石15を用いている。通常時には方位磁石15のN極は北の方向を向いているが、オーババイアスになり磁束が漏れだすと方位磁石15の針が磁束の漏れ12の吹き出し方向を向く。このため、オペレータは方位磁石15の針を見ながらバイアス磁界11を調整することにより、バイアス磁界11を最適化することができる。また、方位磁石15は駆動装置も不要でありは安価で簡易的に作成することができる。
Third Embodiment
FIG. 6 is a diagram showing a current transformer according to the third embodiment. In the configuration of the first embodiment, an
具体的には、方位磁石15の針が反応するまで、可変抵抗9の抵抗値を小さくする方向につまみを回し、バイアス磁界用電流を増大させてバイアス磁界11を大きくしていく。方位磁石15の針が反応したら、可変抵抗9の抵抗値を大きくする方向につまみをゆっくり回し、バイアス磁界用電流を減少させてバイアス磁界11を小さくしていく。そして、方位磁石15の針が反応しなくなるポイントでつまみを止める。当ポイントが丁度C点となる。
Specifically, the knob is turned in the direction to reduce the resistance value of the
実施の形態4.
図7は、実施の形態4に係るカレントトランスを示す図である。実施の形態2の構成において磁気センサ10の代わりに方位磁石15を用いている。通常時には方位磁石15のN極は北の方向を向いているが、オーババイアスになり磁束が漏れだすと方位磁石15の針の向きがギャップ14と平行になる。このため、オペレータは方位磁石15の針を見ながらバイアス磁界11を調整することにより、バイアス磁界11を最適化することができる。また、方位磁石15は駆動装置も不要でありは安価で簡易的に作成することができる。
Fourth Embodiment
FIG. 7 is a diagram showing a current transformer according to the fourth embodiment. In the configuration of the second embodiment, an
なお、実施の形態3,4の方位磁石15として球形の方位磁石を用いてもよい。円盤状の方位磁石は水平に設置する必要があるが、球形の方位磁石は水平に設置する必要が無く、簡易的に設置することができる。
A spherical directional magnet may be used as the
2 コア、3 二次側ケーブル、6 シャント抵抗、8 直流電源(磁界印加部)、9 可変抵抗(磁界印加部)、10 磁気センサ、11 バイアス磁界、12 磁束の漏れ、13 軟磁性体、14 ギャップ、15 方位磁石 2 core, 3 secondary side cable, 6 shunt resistance, 8 DC power supply (magnetic field application unit), 9 variable resistance (magnetic field application unit), 10 magnetic sensor, 11 bias magnetic field, 12 leakage of magnetic flux, 13 soft magnetic body, 14 Gap, 15 Directional Magnet
Claims (6)
前記コアに巻きつけられた二次側ケーブルと、
前記二次側ケーブルの一端と他端との間に接続されたシャント抵抗と、
前記コアにバイアス磁界を印加する磁界印加部と、
前記バイアス磁界が印加された前記コアからの磁束の漏れを検出する磁気センサとを備えることを特徴とするカレントトランス。 With a donut shaped core,
A secondary cable wound around the core;
A shunt resistor connected between one end and the other end of the secondary side cable;
A magnetic field application unit that applies a bias magnetic field to the core;
And a magnetic sensor for detecting leakage of magnetic flux from the core to which the bias magnetic field is applied.
前記コアに巻きつけられた配線と、
前記配線に直列に接続された可変抵抗と、
前記可変抵抗を介して前記配線に電流を流す電源とを有することを特徴とする請求項1に記載のカレントトランス。 The magnetic field application unit
A wire wound around the core;
A variable resistor connected in series to the wire;
The current transformer according to claim 1, further comprising: a power source for causing a current to flow through the wiring through the variable resistor.
前記二次側ケーブルに直列に接続された可変抵抗と、
前記可変抵抗を介して前記二次側ケーブルに電流を流す電源とを有することを特徴とする請求項1に記載のカレントトランス。 The magnetic field application unit
A variable resistor connected in series to the secondary side cable;
The current transformer according to claim 1, further comprising: a power source for causing a current to flow to the secondary side cable via the variable resistor.
前記磁気センサは前記ギャップに配置されていることを特徴とする請求項3に記載のカレントトランス。 It further comprises a soft magnetic material disposed along the inside of the core and having a gap,
The current transformer according to claim 3, wherein the magnetic sensor is disposed in the gap.
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