JP4846149B2 - ２重定格変流器回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２重定格変流器回路、特に、保護継電器で使われる小型の２重定格変流器回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回路遮断器やその他の電気装置のための、もしくは、それらの中で保護継電器を使用することは周知である。従来、継電器は、ある状態を検出して、例えば、低アンペア工業定格の回路遮断器の引外しコイルを動作させる信号を発生する。引外しコイルに動作電力を供給するために変流器アセンブリが使用される。伝統的に、１つの変流器コアが回路遮断器内に配置されて、多数のアンペア定格用に十分な電流と動作電力を引外し装置回路に供給する。
【０００３】
大きさの制約条件を少なくしながら、広い範囲のアンペア定格で回路を動作させる１つの方法は、一定の大きさの変流器と一定の２次巻線を利用することである。一次巻線のターン数（巻回数）が回路のアンペア定格に逆比例して変えられる。例えば、本出願人に譲渡された米国特許第５，０１５，９８３号を参照されたい。しかしながら、変流器回路の一次巻線のターン数を変えると、様々な入力電流定格で一次巻線に同じ電流を通すことはできない。
【０００４】
さらに、工業用途又は電気事業者用途の大きな遮断器は、伝統的に、それ自身の囲いを備える保護継電器を用いる。保護継電器は、変流器以外の動作用の電源を備える。保護継電器の出力部は、継電器から独立した電源に引外しコイルを接続するための接点又は半導体デバイスである。このような用途では、変流器は、入力電流を複製して分離するために使用され、通常、定格が１アンペア又は５アンペアである。変流器は、保護及び計量用の定格電流よりはるかに大きい障害電流や定格電流以下の計量電流を含む大きな電流範囲にわたって動作する必要がある。通常の変流器は、１アンペアの入力定格では、伝統的に、一次側のターン数が２０ターンであり、また、５アンペアの入力定格では４ターンの別個のデザインに構成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、少なくとも２つの異なる入力電流定格を変流器に与えることができる２重定格変流器回路を備えることが経済的に望ましい。さらに、小型化可能な回路を利用することが望ましい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様では、小型の変流器を使った２重定格変流器回路を提供する。
【０００７】
本発明の別の態様は、比較的低コストの通常の磁性体を用いて用途の必要条件を満たす変流器回路である。磁性体や用途が変わると巻線数も変えることができる。
【０００８】
本発明の別の態様は、第１の定格電流又は第２の定格電流で同じ出力電流を生成するように設計された変流器回路である。
【０００９】
本発明の現状での好適な実施形態によれば、２重定格変流器回路は、第１の電流を供給する第１の電流ラインと、第２の電流を供給する第２の電流ラインを備える。変流器は、第１の電流ラインと第２の電流ラインの両方に結合されている。変流器は、第１の電流ラインと第２の電流ラインの各々の電流に比例する電流を生成する。本回路の変流器には、その全体サイズを小さくする設計特徴が組み込まれている。
【００１０】
本発明の別の特徴と利点は、添付の図面を参照する本発明の好適な実施形態の以下の説明から明らかであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
２重定格変流器回路と、そこに組み込まれた小型の変流器によって、サイズを小型にした保護継電器が提供可能になる。本発明の回路が保護継電器での使用に限定されず、複数の異なるアプリケーションで利用可能であることを理解すべきである。
【００１２】
図１に２重定格変流器回路１０が示されている。回路１０は、直列に接続された抵抗器Ｒ₁ 、Ｒ₂ 及びＲ₃ を含む。第１の電流Ｉ_A 又はそれと異なる第２の電流Ｉ_B が電流ライン１２及び１４を介して供給される。共通電流Ｉ_c が、Ｉ_A とＩ_B の両方の共通の戻り通路を表す。
【００１３】
変流器２０には電流Ｉ_A とＩ_B の両方が供給される。異なる電流定格Ｉ_A やＩ_B のどちらでも変流器の一次コイルに同じ電流が生成されるので、変流器２０は２重定格変流器である。このことについてさらに説明する。変流器２０は、電流Ｉ_A かＩ_B のいずれか一方に比例する電流Ｉ_p を生成する。
【００１４】
変流器２０は１次コイル２２と２次コイル２４を備える。例えば、変流器２０は強磁性コア変流器でよい。１次コイル２２は１ターンであり、２次コイル２４は複数ターン、例えば、１３０００ターンである。２次コイル２４のステップダウンされた電流Ｉ_s は、一次コイル２２の電流Ｉ_p に比例する。尚、電流Ｉ_p は、電流定格Ｉ_A やＩ_B のどちらに対しても同じである。最も一般的な継電器に電流を入力させるために標準の変流器が利用できるように本発明の回路はＩ_A やＩ_B の両方用に設計されている。
【００１５】
２次コイル２４は、一次側２２へ換算される抵抗が低くなり、且つ変流器に対する負荷が低くなるように、設計される。２次コイル２４は抵抗Ｒ_TSを有する。第４の抵抗Ｒ₄ はＲ_TSと共に、一次側に影響を与える。一次コイル２２の極性は２６で示し、２次コイル２４の極性は２８で示される。低出力負荷であれば変流器は最小の大きさ（サイズ）になる。最終的に、出力負荷は変流器の２次抵抗Ｒ_TSより小さくなるべきである。
【００１６】
Ｉ_B より低い値の電流を変流器の一次側２２に供給するために、異なる２つの入力電流Ｉ_A 又はＩ_B に対して抵抗器回路網Ｒ₁ 、Ｒ₂ 及びＲ₃ が設けられる。再び図１を参照し、ノード３０から考察すると、電流Ｉ_B がライン１４に沿ってノード３０に伝送されて、本回路の分路構成によって電流Ｉ_p が変流器の一次側に流れることになる。電流Ｉ_A はライン１２を介してノード３０に流れて、同じ電流Ｉ_p を生成する。電流Ｉ_A の場合におけるＲ₁ の両端間の電圧を、以下の式から求めることができる。
【００１７】
Ｖ_R1＝［Ｉ_AＲ₁（Ｒ₂＋Ｒ₃）］／（Ｒ₁＋Ｒ₂＋Ｒ₃）。
【００１８】
従って、次の式２によって、電流Ｉ_A から電流Ｉ_p を求めることができる。
【００１９】
Ｉ_p＝Ｖ_R1／（Ｒ₂＋Ｒ₃）＝Ｉ_AＲ₁／（Ｒ₁＋Ｒ₂＋Ｒ₃） （２）。
【００２０】
同様に、以下の式によって、電流Ｉ_B と、抵抗Ｒ₃ の電圧Ｖ_R3からＶ_R3とＩ_P を求めることができる。
【００２１】
Ｖ_R3＝［Ｉ_B（Ｒ₁＋Ｒ₂）Ｒ₃］／（Ｒ₁＋Ｒ₂＋Ｒ₃）
Ｉ_p＝Ｖ_R3／Ｒ₃＝Ｉ_B（Ｒ₁＋Ｒ₂）／（Ｒ₁＋Ｒ₂＋Ｒ₃） （３）。
【００２２】
式（２）と（３）を等しいと置くと、
Ｉ_A＝Ｉ_B（Ｒ₁＋Ｒ₂）／Ｒ₁
＝（Ｒ₁＋Ｒ₂）／Ｒ₁
＝１＋Ｒ₂／Ｒ₁
Ｒ₂／Ｒ₁＝Ｉ_A／Ｉ_B−１ （４）
となる。
【００２３】
本発明の２重定格変流器回路の一例を以下に示す。
【００２４】
Ｉ_A＝５アンペア
Ｉ_B＝１アンペア
Ｉ_p＝０．４５アンペア
Ｒ_TS＝４０００オーム
Ｒ₄＝２０００オーム
Ｖ_O＝０．０６９２ボルト（定格入力電流で）
Ｎ_p＝ｌ
とする。
【００２５】
ここで、Ｎ_p は変流器の一次側のターン数で、Ｎ_S は変流器の２次側のターン数である。一次側のアンペアターン数は２次側のターン数に等しいので、２次コイルのターン数を以下のように求めることができる。
【００２６】
Ｎ_s＝Ｎ_pＩ_p／Ｉ_s （５）。
【００２７】
オームの法則から、Ｖ_O をＲ₄ の両端間の電圧として、
Ｖ_O＝Ｉ_sＲ₄
である。
【００２８】
従って、Ｖ_O＝Ｉ_pＮ_pＲ₄／Ｎ_s
Ｎ_s＝Ｎ_pＩ_p／Ｉ_s＝Ｎ_pＩ_pＲ₄／Ｖ₀
Ｎ_s＝１×０．４５×２０００／０．０６９２
Ｎ_s＝１３００６ターン
となる。
【００２９】
式（５）から、
Ｎ_sＩ_s＝Ｎ_pＩ_p
Ｉ_s／Ｉ_p＝Ｎ_p／Ｎ_s
Ｖ_s＝（Ｒ_TS＋Ｒ₄）Ｉ_s
ここで、Ｖ_s は２次側２４の電圧である。
【００３０】
従って、一次側２２の電圧Ｖ_p は、
Ｖ_p＝Ｖ_s×Ｎ_p／Ｎ_s （６）
となる。
【００３１】
Ｒ_p を一次側に換算された２次側抵抗の値とすると、
Ｒ_pＩ_p＝（Ｒ_TS＋Ｒ₄）
Ｒ_p＝（Ｒ_TS＋Ｒ₄）（Ｉ_s／Ｎ_s）（Ｎ_p／Ｉ_p）
Ｒ_p＝（Ｒ_TS＋Ｒ₄）（Ｎ_p／Ｉ_p）（Ｎ_p／Ｉ_p）
Ｒ_p＝（Ｎ_p／Ｉ_p）²（Ｒ_TS＋Ｒ₄）
Ｒ_p＝（１／１３００６）²（４０００＋２０００）
Ｒ_p＝３５．５×１０^-6オーム
となる。
【００３２】
一次側に反映される電圧によって電流が流れるので、（Ｒ₁ ＋Ｒ₂ ＋Ｒ₃ ）は３５．５×１０^-6オームよりもかなり大きくなけれなならない。従って、
Ｒ₁＋Ｒ₂＋Ｒ₃＝３．５５×１０^-3オーム
と仮定すると、
式（２）から、
Ｒ₁＝Ｉ_p（Ｒ₁＋Ｒ₂＋Ｒ₃）／Ｉ_A
＝０．４５×３．５５×１０^-3／５
Ｒ₁＝３２０×１０^-6オーム
式（４）から、
Ｒ₂＝（Ｉ_A／Ｉ_B−１）Ｒ₁
＝３２０×１０^-6（５／１−１）
Ｒ₂＝１．２８×１０^-3オーム
式（２）から、
Ｉ_p＝Ｉ_AＲ₁／（Ｒ₁＋Ｒ₂＋Ｒ₃）
Ｒ₃＝（Ｉ_AＲ₁／Ｉ_p）−（Ｒ₁＋Ｒ₂）
＝（５（３２０×１０^-6）／０．４５）−
（３２０×１０^-6＋１．２８×１０^-3）
＝１．９６×１０^-3オーム
となる。
【００３３】
Ｉ_A やＩ_B は、１００Ωより大きなソース・インピーダンスをもつパワーシステムの変流器からの電流源であるので、それらは、通常、Ｒ₁ ＋Ｒ₂ ＋Ｒ₃ の合計値よりも２桁以上大きいインピーダンスを有する。
【００３４】
次に、一次側の電圧は次の式
Ｖ_p＝Ｉ_p（Ｒ_TS＋Ｒ₄）／Ｎ_s ²
＝（０．４５×６０００）／（１３００６×１３００６）
Ｖ_p＝１５．９６×１０^-6ｖ
から計算することができる。
【００３５】
Ｒ₁ ＋Ｒ₂ ＋Ｒ₃ の循環電流をＩ_pcとすると、これはＩ_p より小さく、
Ｉ_pc＝Ｖ_p／（Ｒ₁＋Ｒ₂＋Ｒ₃）
＝１５．９６×１０^-6／３．５５×１０^-3
Ｉ_pc＝４．５０×１０^-3Ａ
となる。
【００３６】
従って、Ｉ_pcはＩ_p の約１％であるので、２次側のターン数を減らすことによって修正することができる。
【００３７】
図１の回路の別の実施形態が図２に示されている。図２に示されているように、変流器２０は、電流Ｉ_APが流れる第１の一次コイル２２と、電流Ｉ_BPが流れる第２の一次コイル３４を備える。もしＲ₃ （図１）がゼロならば、Ｉ_B は一次側の電流Ｉ_P に等しい。式（３）を参照されたい。Ｉ_B からＩ_c への接続部には抵抗が幾分あるので、第２の一次側３４に電流が流れる。Ｒ₂ と直列のＲ₁ に電流が流れないように、Ｉ_BPの第２の一次側の端はＲ₁ と同じノード３６のＩ_c に接続される。Ｉ_BPに等しい電流Ｉ_B は一次コイル３４を流れて、Ｉ_c に戻る。Ｒ₁ の両端間の電圧を以下の式から求めることができる。
【００３８】
Ｖ_R1＝Ｉ_AＲ₁Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）。
【００３９】
オームの法則から、
Ｉ_AP＝Ｖ_R1／Ｒ₂
従って、電流Ｉ_APを、式
Ｉ_AP＝Ｖ_R1／Ｒ₂＝Ｉ_AＲ₁／（Ｒ₁＋Ｒ₂）
によって電流Ｉ_Aから求めることができる。
【００４０】
もし、Ｉ_B ＝１Ａで、Ｉ_A ＝５Ａならば、Ｉ_BP＝Ｉ_AP＝Ｉ_B なので、抵抗比
Ｒ₁／（Ｒ₁＋Ｒ₂） を以下のように求めることができる。
【００４１】
Ｒ₁／（Ｒ₁＋Ｒ₂）＝Ｉ_AP／Ｉ_A
＝１／５
Ｒ₁／（Ｒ₁＋Ｒ₂）＝０．２オーム。
【００４２】
これは、Ｉ_B ＝Ｉ_BPの場合であって、２つの１ターンの１次側を備えることが継電器の設計に影響を与えない特殊な場合である。
【００４３】
図３を参照すると、本発明の別の実施形態が示されている。ここで、反転増幅器４０を追加することによって変流器２０の電圧負荷は、凡そＲ₄ の値の分減る。増幅器４０は、（−）とマーク付けされた反転入力ターミナル４２と、（＋）とマーク付けされた非反転入力ターミナル４４と、出力ターミナル４６を備える。また、本回路は、３２で示される極性の２次コイル２４を備える。
【００４４】
反転増幅器への入力電圧はゼロに近いため、電流Ｉ_S が抵抗Ｒ₄ を流れて、図１のＶ_O に等しい出力電圧が生成され、同じ電流が流れる。増幅器は反転形であるので、２次側の極性は反転して図１と同様にＶ_p を保持する。
【００４５】
変流器の出力は、入力電流定格をより高くするようなＲ₄ の負荷に影響を受けない。負荷が減るので、同じ入力電流定格では変流器を小さくすることができる。
【００４６】
図４を参照して、回路に組み込まれた変流器２０についてさらに説明する。変流器は、３つのフランジ５２、５６をもつボビン５０を備える。ボビンには、フランジ５４及び５６間に第１の巻線領域５８と、フランジ５２及び５４間の領域５８より相当広い第２の巻線領域６０とがある。一次コイル２２は、領域５８内でボビンの回りに少なくとも１ターン巻きつけられ、２次コイル２４は、より広い領域６０の回りに巻きつけられる。従って、変流器２０の巻線のうちの大部分は、低抵抗を示す２次巻線である。これによって、ボビンの回りに巻きつけられた磁性体６２の電流励磁とフラックスの逸脱が減る。磁性体６２は低励磁材料である。２次巻線のための巻線領域の大部分を利用し、また、磁性物質である低励磁材料を利用して、変流器を小さくできる２つの設計技術がある。
【００４７】
要約すると、本発明の２重定格変流器回路によって、２つの異なる電流入力定格を変流器に与えることができる。さらに、変流器の入力電流を少なくする入力回路と、サイズを小さくできる変流器の設計技術によって、回路を小型化できる。
【００４８】
本発明は、その特定の実施形態に関連して説明されたが、その他の多くの変形や修正やその他の利用方法があることは当業者にとって明らかである。従って、本発明はここで開示された特定のものに制限されることはなく、特許請求の範囲によって制限されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の２重定格変流器回路の第１の実施形態の概略回路図である。
【図２】 ２重定格変流器回路の第２の実施形態の概略回路図である。
【図３】 ２重定格変流器回路の第３の実施形態の概略回路図である。
【図４】 本発明の回路で使用される変流器の側面図である。

Claims (9)

1. 入力ラインを備える変流器（２０）と、
   前記入力ラインと直列に連絡する第１の回路（１２）であって、第１の電流を受ける第１の回路（１２）と、
   前記入力ラインと直列に連絡する第２の回路（１４）であって、前記第１の電流と異なる第２の電流を受ける第２の回路（１４）と、
   前記第１の回路（１２）と前記変流器の間を接続する電流分岐回路（Ｒ_１）と、
   前記変流器からの、前記第１の回路と前記第２の回路の共通の電流戻りラインと、
   前記電流分岐回路（Ｒ _１ ）と直列に接続された第２及び第３の抵抗（Ｒ _２ 、Ｒ _３ ）と
   を具備し、
   前記第２の抵抗（Ｒ _２ ）が前記第１の回路に設けられ、前記第３の抵抗（Ｒ _３ ）が前記戻り流路に設けられ、
   前記第１の回路（１２）と前記第２の回路（１４）の各々が、同じ大きさの第３の電流を前記入力ラインに供給するように構成されていること、を特徴とする２重定格変流器回路。
2. 前記変流器は、低減された電流を出力ラインに供給する請求項１の回路。
3. 前記変流器は一次コイルと２次コイルを含み、前記２次コイルは前記一次コイルに対するインピーダンスを低くするようになっている請求項１の回路。
4. 前記変流器は、一次コイルと２次コイルの回りに巻きつけられた磁性体を含んでいる請求項１の回路。
5. 前記磁性体は低励磁材料である請求項４の回路。
6. 前記変流器は一次コイルと２次コイルを含み、前記２次コイルは前記一次コイルに対する抵抗を低くするようになっていて、前記変流器に対する負荷を低くする請求項１の回路。
7. 前記変流器は複数の一次コイルを含んでいる請求項１の回路。
8. 前記複数の一次コイルの各々は１ターンを有する請求項１の回路。
9. 前記変流器に接続された演算増幅器をさらに備える請求項１の回路。

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