JP2791617B2 - 直流変流器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大電流高電圧の電流
（直流及び交流電流）の計測に使用される直流変流器に
関し、特に直流電流及び低周波数電流測定に際して誤差
を少なくすることができる高精度直流変流器に関する。

【０００２】

【従来の技術】直流変流器には、その動作原理により
（１）磁気増幅器型、（２）磁気変調器型、（３）ホー
ル素子型等が存在するが、比較的高精度なものとして
は、磁気変調器型に属する倍周波型変流器が使用されて
いる。倍周波型直流変流器は、図６に示すように、２個
の磁心２０，３０と、各磁心に施された入力巻線２１，
３１、補償巻線２２，３２及び励磁巻線２３，３３を具
備し、入力巻線２１、３１及び補償巻線２２，３２はそ
れぞれ直列に接続され、励磁巻線２３，３３は励磁電源
４に対して差動直列に接続されて構成されている。入力
電流が大電流の場合、１ターンの入力巻線として棒状導
体１が用いられる。

【０００３】入力電流により補償巻線２２，３２に発生
する倍周波は、濾波器５を介して交流増幅器６で交流増
幅され、更に整流器７及び平滑回路８を通って直流電流
に復元され、前記補償巻線２２，３２に補償電流として
負帰還される。負帰還の原理に基づき入力電流の起磁力
は、前記補償電流の起磁力によってほとんど相殺され、
補償電流は入力電流と僅かな誤差を以て等しくなる。す
なわち、入力電流は補償電流に変流されるので、この補
償電流を計測することによって入力電流を知ることがで
きる。この際、変換される電流比は、入力巻線と補償巻
線との巻線比によって換算される。入力電流と補償電流
との誤差は、負帰還技術あるいは制御技術における定常
偏差に該当し、交流増幅器６の増幅度が大きいほど小さ
くなるという性質をもっている。尚、図６においては、
構造を簡単にするため、倍周波を補償巻線２２，３２よ
り取り出しているが、倍周波取り出し専用の出力巻線を
補償巻線とは別個に設けるのが一般的である。

【０００４】上記倍周波型変流器によれば、入力電流が
ゼロのときにあらわれる出力であるオフセットと、時間
経過とともに出力が変動するドリフトと、に起因する誤
差が、入力電流１００Ａに対して１０^-8と極めて小さく
することができるので、高精度直流変流器として充分な
能力を有するが、周波数帯域が１００Ｈｚ程度と狭い。
負帰還の理論によれば、高い増幅度の負帰還は広い周波
数帯域を必要とするので、入力電流（直流）を倍周波
（交流）に変換して交流増幅器６により増幅する際、充
分な増幅度をもって負帰還をかけることができず、上述
した定常偏差による誤差を低減することができないとい
う欠点がある。

【０００５】そこで、上記欠点を補うため、図７に示す
ように、倍周波型変流器と交流変流器との複合体で構成
された直流変流器がビームＣＴ用として提案されてい
る。交流変流器は本質的には変圧器であり、磁心６０
と、１次巻線に対応する入力巻線６１と、２次巻線に対
応する補償巻線６２で構成されている。前記入力巻線６
１は倍周波型変流器側の入力巻線２１及び３１に直列に
接続され、交流変流器側の補償巻線６２に発生する交流
電圧は、上述した定常偏差軽減と周波数帯域拡大のため
に交流増幅器６３で増幅される。従って、入力電流が流
れることにより交流変流器側の補償巻線６２に発生した
交流電圧は、交流増幅器６３で増幅され、その出力が倍
周波型変流器の平滑回路８の出力と加算され、直列接続
された補償巻線に補償電流として負帰還される。補償電
流は基準抵抗２に流れ、基準抵抗２の両端に生じる電圧
を直流変流器の変流器出力３から得る。倍周波型変流器
側の補償巻線２２，３２には、チョークインダクタ４０
に巻回された１次巻線４１に対して２次側となる２次巻
線４２が直列に、バイパスコンデンサ４３が並列にそれ
ぞれ接続されることにより、倍周波型変流器からの励磁
波が基準抵抗２に向って漏れるのを防止している。

【０００６】上記直流変流器によれば、入力電流の直流
及び超低周波成分は倍周波型変流器によって、交流成分
は交流変流器によって分担して変流される。従って、交
流変流器のもつ広い周波数帯域によって倍周波型変流器
の周波数帯域を補うことができるので、高い増幅度で負
帰還を実施できる。例えば、入力電流中の１０ｋＨｚの
成分は周波数帯域の狭い倍周波型変流器では変流できな
いが、周波数帯域の広い交流変流器を介して変流するこ
とができるため、複合体としての直流変流器の実効的な
周波数帯域は１０ｋＨｚ以上となる。また、倍周波型変
流器の本来の利点を活かし、オフセット及びドリフトを
起因とする誤差を小さくすることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記直流
変流器によれば、入力電流が直流若しくは超低周波であ
ると、これらの成分は交流変流器では変流できないた
め、専ら倍周波型変流器を介して変流が行なわれ、それ
だけ倍周波型変流器の負担が重くなる。そのため、倍周
波型変流器における交流増幅器６の増幅度を大きくする
必要があり、増幅及び整流された直流電圧を平滑回路８
により平滑化する際、平滑後の脈動分に相当するリップ
ルが多くなり、このリップルの漏洩により直流変流器の
出力誤差が大きくなり、高精度化に支障をきたすという
問題点があった。

【０００８】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、オフセットやドリフトに起因する誤差が大きく高精
度直流変流器に不向きなホール素子を、倍周波型変流器
と組み合わせた複合体とすることにより、直流電流及び
低周波電流の測定においても出力誤差が少ない高精度な
直流変流器を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項１の直流変流器は、次の構成を含むことを特徴と
している。第１の入力巻線及び第１の補償巻線を有する
第１の磁心。第２の入力巻線及び第２の補償巻線及び励
磁巻線を有する第２の磁心。第３の入力巻線及び第３の
補償巻線及び励磁巻線を有する第３の磁心。前記第１の
磁心の磁束を検知するホール素子。このホール素子の出
力を増幅する直流増幅器。前記第２及び第３の磁心を差
動励磁するよう前記各励磁巻線に接続した励磁電源。第
２及び第３の磁心から取り出される出力信号を入力信号
とし、前記励磁電源が供給する励磁波の倍周波を選択す
るための濾波器。該濾波器の出力を増幅する交流増幅
器。該交流増幅器の出力を整流及び平滑する整流器及び
平滑回路。そして、前記各入力巻線を直列に接続し第３
の入力巻線側より入力電流を流通させる一方、前記第１
の磁心に生じる起磁力を相殺するように前記直流増幅器
の出力電流を作用させるとともに、前記第２及び第３の
磁心に生じる起磁力を相殺するように前記直流増幅器の
出力電流及び前記平滑回路の出力電流を作用させるよう
接続されている。前記各出力電流の流出側である前記第
３の補償巻線端に変流器端子を設けている。

【００１０】請求項２の直流変流器は、請求項１におい
て、第１の磁心に生じる起磁力の相殺は、第１の補償巻
線に直流増幅器の出力電流が流通するように接続するこ
とで行なうとともに、第２及び第３の磁心に生じる起磁
力の相殺は、第２及び第３の補償巻線に直流増幅器の出
力電流及び平滑回路の出力電流が流通するように接続す
ることで行なうことを特徴としている。

【００１１】請求項３の直流変流器は、請求項１におい
て、第１の磁心に生じる起磁力の相殺は、第１の補償巻
線に直流増幅器の出力電流が流通するように接続するこ
とで行ない、第２及び第３の磁心に生じる起磁力の相殺
は、第２及び第３の補償巻線に直流増幅器の出力電流が
流通するように接続するとともに、第２及び第３の磁心
に第４及び第５の補償巻線を設け、該第４及び第５の補
償巻線に平滑回路の出力電流が流通するように接続する
ことで行なうことを特徴としている。

【００１２】

【作用】本発明によれば、ホール変流器と倍周波型変流
器との複合体で直流変流器を構成し、ホール変流器側磁
心に生じる起磁力を相殺するようにホール変流器の負帰
還電流を作用させ、倍周波型変流器側磁心に生じる起磁
力を相殺するように前記負帰還電流と、倍周波型変流器
の負帰還電流を作用させている。すなわち、倍周波型変
流器側の補償巻線に流れる補償電流の大部分をホール変
流器の負帰還電流で負担するように接続することで、倍
周波型変流器の交流増幅器の増幅度を抑えることがで
き、リップル成分の少ない直流変流器からの出力電流を
得ることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図１の等価
回路を参照しながら説明する。実施例の直流変流器は、
それぞれ環状に形成されたホール変流器用磁心１０（線
形磁心）と、倍周波変流器用磁心２０（可飽和磁心）及
び倍周波変流器用磁心３０（可飽和磁心）と、チョーク
インダクタ４０（線形磁心）を有している。磁心１０に
は、入力巻線１１及び補償巻線１２が巻回されている。
磁心２０及び磁心３０には、入力巻線２１，３１及び補
償巻線２２，３２及び励磁巻線２３，３３及び倍周波出
力巻線２４，３４がそれぞれ巻回されている。また、チ
ョークインダクタ４０には、１次巻線４１及び２次巻線
４２が巻回されている。各入力巻線１１，２１，３１及
び１次巻線４１はそれぞれ１ターンの棒状導体１を前記
各磁心に貫通して構成し、各磁心に共通する１つの棒状
導体１としているので、各巻線は互に直列に接続され
る。そして、前記棒状導体１の１次巻線４１側から入力
巻線１１側へ入力電流が流入するようになっている。ま
た、各補償巻線１２，２２，３２及び２次巻線４２は直
列に接続され、補償巻線２２，３２及び２次巻線４２と
並列にバイパスコンデンサ４３が接続されている。２次
巻線４２の他端は基準抵抗２を介して接地され、２次巻
線４２と基準抵抗２との間に設けた変流器端子３に、前
記基準抵抗２の両端に生じる電圧が出力されるようにな
っている。また、補償巻線、励磁巻線、倍周波出力巻線
はそれぞれ直列に接続するように構成したが、並列接続
で構成してもよい。

【００１４】ホール変流器用磁心１０は、図２に示すよ
うに、磁心の一部に空隙１０ａが設けられ、その内部に
ホール素子１３が配置されている。ホール素子１３は磁
界を感知する半導体素子で、ゲルマニウム片，インジウ
ムアンチモン片若しくはガリウム砒素片等で構成されて
いる。前記ゲルマニウム片等には一対のリード線が接続
され、このリード線には直流増幅器１４が接続され、こ
の直流増幅器１４の出力は前記補償巻線１２に接続され
ている。すなわち、棒状導体１に流れる入力電流により
前記空隙に磁束が励磁されて磁界を形成し、この磁界に
よりホール素子１３内で生じた信号が直流増幅器１４に
より増幅され、ホール変流器の補償電流Ｉaとして補償
巻線１２に負帰還されて磁心１０に生じる起磁力を相殺
するように作用させている。

【００１５】第２及び第３の磁心２０，３０に巻回され
た倍周波型変流器の励磁巻線２３，３３は、励磁電源４
により差動励磁するよう直列に接続されている。この差
動接続は、励磁波を相殺し磁心に設けた入力巻線、補償
巻線、出力巻線への励磁波の流出を阻止するためであ
る。また、倍周波取り出し専用の倍周波出力巻線２４，
３４は互に直列に接続するとともに、その両端部は、倍
周波出力巻線の出力信号を入力信号とし励磁電源４が供
給する励磁波の倍周波を選択するための濾波器５に接続
されている。濾波器５の出力は交流増幅器６により増幅
され、整流器７及び平滑回路８を介して直流の負帰還電
流Ｉｂに復元され、倍周波型変流器側の補償巻線２２，
３２及び２次巻線４２に負帰還するように接続されてい
る。整流には、例えば同期整流器が使用される。倍周波
型変流器の補償電流Ｉｃとしては補償電流Ｉａに負帰還
電流Ｉｂを加えた電流が流れ、該電流により磁心２０及
び磁心３０に生じる起磁力を相殺するように作用させて
いる。

【００１６】次に倍周波型変流器の原理について簡単に
説明する。倍周波型変流器は、図３に示した磁心の磁化
曲線（ＢーＨ特性）が原点対称であるという現象を利用
している。磁心が励磁電源により一定の周波数（例えば
１ｋＨｚ）で励磁されているとする。励磁が大振幅で行
なわれれば、励磁波には磁化曲線の非直線性によって発
生する多数の高調波が含まれるが、磁化曲線が原点対称
であるので、入力電流がなければ前記高調波は奇数次高
調波であって偶数次高調波は含まれまい。しかし入力電
流が存在すると、その起磁力によって磁化曲線がみかけ
上原点非対称となるため、偶数次高調波が発生する。倍
周波型変流器においては、これら偶数次高調波のうち倍
周波（第２高調波）を抽出して入力電流に対応させるこ
とにより入力電流を検知する。

【００１７】上記実施例によれば、棒状導体１に入力電
流が流れると、ホール変流器側においては、磁心１０の
空隙１０ａに発生した磁界によりホール素子の外部に電
流が流出し、直流増幅器１４により増幅されてホール変
流器の補償電流Ｉａとして補償巻線１２に負帰還され
る。また倍周波型変流器側においては、入力電流が流れ
ると補償巻線に偶数次高調波が発生し、倍周波について
濾波器５を介して交流増幅器６で交流増幅され、更に整
流器７及び平滑回路８を通って直流電流Ｉｂに復元さ
れ、前記補償電流Ｉａとともに補償巻線２２，３２に負
帰還される。負帰還の原理に基づき入力電流の起磁力
は、前記補償電流の起磁力によってほとんど相殺され、
補償電流は入力電流と僅かな誤差を以て等しくなり、こ
の補償電流を計測することによって入力電流を測定でき
る。また、倍周波型変流器側の補償巻線２２，３２に
は、直列に２次巻線４２が、並列にバイパスコンデンサ
４３が接続されることにより、倍周波型変流器からの励
磁波が基準抵抗２に向って漏れるのを防止している。

【００１８】実施例の動作原理を具体的な数値を用いて
説明する。棒状導体１を流れる入力電流を直流１０００
Ａとし、ホール変流器と倍周波型変流器の増幅度をそれ
ぞれ９９９倍（約６０ｄＢ）とし、電流変換比を１：１
とする。この場合、ホール変流器の補償電流Ｉaは９９
９Ａとなり、入力電流との差である１Ａ相当値がホール
変流器の直流増幅器１４の入力となる。倍周波型変流器
においては、その負帰還電流Ｉbは０．９９９Ａとな
り、補償電流Ｉaと負帰還電流Ｉbとを合成した補償電流
Ｉcと入力電流との差である０．００１Ａ相当値が倍周
波型変流器の交流増幅器６の入力となる。従って、規準
抵抗２に流れる出力電流は９９９．９９９Ａとなり、入
力電流１０００Ａとの定常偏差は１０^-6となる。

【００１９】すなわち、上記数値例で明らかなように、
本実施例では、直流変流器の補償電流Ｉc（補償電流Ｉa
と負帰還電流Ｉbとを合成したもの）の大部分がホール
変流器によって供給され、倍周波型変流器による寄与は
僅かである。従って、本実施例の直流変流器における倍
周波型変流器の補償電流負担は、図６に示した直流変流
器における倍周波型変流器の補償電流負担に比較して遥
かに軽くしている。これは、本実施例の直流変流器にお
いては、ホール変流器の周波数帯域が広く直流成分も変
流する機能を有しているため、直流及び低周波電流にお
いても倍周波型変流器はホール変流器の援助を受けるこ
とができるからである。

【００２０】次に、上記倍周波型変流器の負担軽減によ
り、直流変流器のリップル漏洩が減少することについて
説明する。倍周波型変流器においては、前述したよう
に、倍周波を整流、平滑する課程が不可欠である。図４
（ａ）に交流増幅器６により増幅された整流前の倍周波
波形、図４（ｂ）に整流器７による整流後の波形、図４
（ｃ）に平滑回路８による平滑後の波形をそれぞれ示し
ている。図４（ｃ）の波形において、脈動分がみられる
が、これが平滑不完全によって発生するリップルで、こ
のリップルが補償巻線を通って直流変流器の出力に漏洩
し、不正出力（一種の誤差）となる。高精度直流変流器
においては、このリップルの軽減が重要な課題となる。

【００２１】 具体的な数値例でリップル漏洩値につい
て説明する。例えば平滑回路においてリップル含有率が
０．１％であるとすると、前述の数値例で倍周波型変流
器の補償電流は０．９９９Ａであるから、補償電流に含
まれるリップルは０．９９９ｍＡとなり、直流入力電流
１０００Ａに対する割合は約１０^−６となる。一方、図
７に示した従来の直流変流器において定常偏差を１０
^−６とするには、倍周波型変流器が直流及び超低周波成
分の補償電流を全て負担するので、その増幅度を９９９
９９９倍（１２０ｄＢ）にする必要があり、補償電流は
９９９．９９９Ａとなる。リップル含有率は０．１％で
あるので、補償電流に含まれるリップルは９９９．９９
９ｍＡとなり、直流入力電流１０００Ａに対する割合は
約１０ ^−３ となる。この割合は、上記本実施例のリップ
ルの割合と比較して著しく大きい。この差は、定常偏差
を同等とする場合に、倍周波型変流器の補償電流負担に
起因する交流増幅器の増幅度の差によって生じる。

【００２２】 更に、ホール変流器においては、入力電
流に対して１０ ^−３ 程度のオフセット及びドリフトが避
けられないために、ホール変流器の単独使用による直流
変流器では、１０^−６の精度を必要とする高精度直流変
流器は実現できない。上記実施例による直流変流器によ
れば、ホール変流器の単独使用によるこの欠点を解消す
ることができる。すなわち、上記実施例の直流変流器の
ホール変流器より発生するオフセット及びドリフトは、
倍周波変流器の増幅負帰還作用により、その増幅度分の
１に低減される。例えば、入力電流を１０００Ａ、ホー
ル変流器により発生するオフセット及びドリフトが入力
電流の１０^−３である場合、その値は１Ａとなる。倍周
波変流器の増幅度を１０００倍（６０ｄＢ）とすれば、
上記の電流相当値１Ａは倍周波変流器の増幅不帰還作用
により１０００分の１倍されて１ｍＡとなる。この値は
入力電流（１０００Ａ）に対して１０^−６となり、高精
度な直流変流器を実現することができる。

【００２３】図５は本発明の他の実施例を示す直流変流
器の等価回路図であり、図１と同一構成部分については
同一符号を付している。本実施例では、磁心２０に補償
巻線２５を、磁心３０に補償巻線３５をそれぞれ巻回し
て直列に接続し、倍周波型変流器の平滑回路８から出力
される負帰還電流が直流増幅器９を介して補償巻線２５
に入力され、補償巻線３５の他端側を２次巻線４２に接
続して構成されている。直流増幅器９は、平滑回路８の
補償巻線駆動能力が不足した場合に、その補強を行なう
ため設けられている。本実施例によれば、磁心１０に生
じる起磁力の相殺は、補償巻線１２に直流増幅器１４の
出力電流Ｉaが流通するように接続することで行ない、
磁心２０及び磁心３０に生じる起磁力の相殺は、補償巻
線２２，３２に直流増幅器１４の出力電流Ｉaが流通す
るとともに、補償巻線２５，３５に平滑回路８の出力電
流Ｉbが直流増幅器９を介して流通することで行なわれ
る。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、ホール変流器と倍周波
型変流器との複合体で直流変流器を構成し、倍周波型変
流器の補償電流の大部分をホール変流器で負担するよう
に接続したので、倍周波型変流器の交流増幅器の増幅度
を抑えることによりリップル成分の少ない出力電流とす
ることができ、高精度な直流変流器を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の直流変流器の一実施例を示す等価回
路図である。

【図２】 上記実施例で使用されるホール変流器の構成
説明図である。

【図３】 磁心の磁化曲線（ＢーＨ特性）図である。

【図４】 （ａ），（ｂ），（ｃ）は直流変流器におけ
るリップル発生を説明するための波形図である。

【図５】 本発明の直流変流器の他の実施例を示す等価
回路図である。

【図６】 倍周波型変流器の構成説明図である。

【図７】 倍周波型変流器と交流変流器とを組み合わせ
た従来の直流変流器の等価回路図である。

【符号の説明】

１…棒状導体 ２…基準抵抗 ３…変流器端子 ４…励磁電源 ５…濾波器 ６…交流増幅器 ７…整流器 ８…平滑回路 １０，２０，３０…磁心 １１，２１，３１…入力巻線 １２，２２，３２…補償巻線 １３…ホール素子 １４…直流増幅器 ２３，３３…励磁巻線 ２４，３４…倍周波出力巻線 ２５，３５…補償巻線

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の入力巻線及び第１の補償巻線を有す
   る第１の磁心と、 第２の入力巻線及び第２の補償巻線及び励磁巻線を有す
   る第２の磁心と、 第３の入力巻線及び第３の補償巻線及び励磁巻線を有す
   る第３の磁心と、 前記第１の磁心の磁束を検知するホール素子と、 該ホール素子の出力を増幅する直流増幅器と、 前記第２及び第３の磁心を差動励磁するよう前記各励磁
   巻線に接続した励磁電源と、第２及び第３の磁心から取り出される出力信号を入力信
   号とし、 前記励磁電源が供給する励磁波の倍周波を選択
   するための濾波器と、 該濾波器の出力を増幅する交流増幅器と、 該交流増幅器の出力を整流及び平滑する整流器及び平滑
   回路と、 を具備し、 前記各入力巻線を直列に接続し第３の入力巻線側より入
   力電流を流通させる一方、 前記第１の磁心に生じる起磁力を相殺するように前記直
   流増幅器の出力電流を作用させて成るとともに、 前記第２及び第３の磁心に生じる起磁力を相殺するよう
   に前記直流増幅器の出力電流及び前記平滑回路の出力電
   流を作用させて成り、 前記各出力電流の流出側である前記第３の補償巻線端に
   変流器端子を設けたことを特徴とする直流変流器。
2. 【請求項２】 第１の磁心に生じる起磁力の相殺は、第
   １の補償巻線に直流増幅器の出力電流が流通するように
   接続することで行なうとともに、第２及び第３の磁心に
   生じる起磁力の相殺は、第２及び第３の補償巻線に直流
   増幅器の出力電流及び平滑回路の出力電流が流通するよ
   うに接続することで行なう請求項１記載の直流変流器。
3. 【請求項３】 第１の磁心に生じる起磁力の相殺は、第
   １の補償巻線に直流増幅器の出力電流が流通するように
   接続することで行ない、第２及び第３の磁心に生じる起
   磁力の相殺は、第２及び第３の補償巻線に直流増幅器の
   出力電流が流通するように接続するとともに、第２及び
   第３の磁心に第４及び第５の補償巻線を設け、該第４及
   び第５の補償巻線に平滑回路の出力電流が流通するよう
   に接続することで行なう請求項１記載の直流変流器。