JP5135138B2 - 交流電流検出装置 - Google Patents

Description

本発明は交流電流検出装置に係り、特に交流母線の電流を検出してデジタル信号に変換する機能を有する交流電流検出装置に関する。

従来から、比較的容量の大きい交流母線の電流を検出するための交流電流検出装置として、変流器によって検出された交流電流信号を補助変流器によって適切な電流レベルに変換し、更に分圧抵抗器等によって電圧信号に変換し、この電圧信号を例えばＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換する方式の交流電流検出装置が採用されていた。このＡ／Ｄ変換器の出力をマイコン等に与えることによって、例えばマイコンによる変換装置等の制御に利用することができる。このような交流電流検出装置に対して、交流母線に過大電流が流れたときの過電圧を保護するために変流器の２次側に過電圧保護回路を設ける提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
特開２００３−２７０２７３号公報（第２−３頁、図１）

特許文献１に示されている手法は、Ａ／Ｄ変換器の過電圧保護と補助変流器の２次回路全体の過電圧保護を一つの過電圧保護回路で同時に行なおうとするものである。しかるに、電子化されたＡ／Ｄ変換器の過電圧保護については、その保護レベルの精度、信頼性が極めて重要であるのに対し、補助変流器の２次回路に接続される抵抗器などの他の機器の保護レベルは比較的ラフであっても良い。

また、一般的にＡ／Ｄ変換器の入力電圧を調整可能とするために、分圧抵抗器には分圧比の変更が可能な可変抵抗器が用いられる。従って、Ａ／Ｄ変換器の過電圧保護と補助変流器の２次回路全体の過電圧保護を一つの過電圧保護回路で行うと、分圧比を調整した結果Ａ／Ｄ変換器の過電圧保護レベルも変わり、Ａ／Ｄ変換器の過電圧保護が成り立たなくなったり、不要に低いレベルでの保護動作となって正常な動作に支障を来たす恐れがあった。

本発明は上記の課題を鑑みて為されたもので、Ａ／Ｄ変換器の過電圧保護と補助変流器の２次回路に接続される他の機器の過電圧保護間の協調をとり、全体として信頼性の高い交流電流検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の交流電流検出装置は、交流電流検出用の変流器と、この変流器の２次巻線出力を入力とする補助変流器と、前記補助変流器の２次出力から得られる２次電流を電圧に変換するために直列接続された２つの分圧抵抗器と、前記分圧抵抗器のうち一方の分圧抵抗器に印加される電圧を入力とするＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器の入力に並列に接続され、第１の所定電圧が印加されると導通状態となってこの第１の所定電圧を保持する過電圧抑制手段と、補助変流器の２次出力と並列に接続され、前記第１の所定電圧より高い第２の所定電圧が印加されると通電を開始する過電流バイパス手段とを具備し、前記補助変流器の２次巻線に過電流が発生したとき、まず前記過電圧抑制手段が作動し、その後前記過電流バイパス手段が作動するようにして、前記Ａ／Ｄ変換器の過電圧保護と、前記補助変流器の２次側に接続される他の機器の過電圧保護の協調をとるようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、Ａ／Ｄ変換器の過電圧保護と補助変流器の２次回路に接続される他の機器の過電圧保護間の協調をとり、全体として信頼性の高い交流電流検出装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は本発明実施例１に係る交流電流検出装置のブロック構成図である。

図１において、交流電流検出装置１０は、交流母線に流れる電流をデジタル信号に変換して制御装置等に設けられたマイコン２０に与える。以下交流電流検出装置１０の内部構成について説明する。

変流器１は交流母線の電流を検出し、補助変流器２によって適切な電流レベルに変換する。そして補助変流器２の２次巻線出力と並列に直列接続された分圧抵抗器３及び分圧抵抗器４を接続し、分圧抵抗器４の両端の電圧をＡ／Ｄ変換器５の入力に与える。Ａ／Ｄ変換器５は、分圧抵抗器４に印加される電圧をデジタル信号に変換し、装置の外部に接続されたマイコン２０にこの信号を与える。

また、Ａ／Ｄ変換器５の過電圧防止手段としてツェナーダイオード７、８を互いに逆向きに直列接続した過電圧防止回路を分圧抵抗４と並列に接続し、更に、補助変流器２の２次側の過電流バイパス手段として電圧依存性抵抗器６を補助変流器２の２次巻線と並列に接続している。

上記の回路構成においては、例えば、交流母線も主回路電流が１０００Ａ／ｐｕでありＡ／Ｄ変換器５の電圧入力範囲が±１０Ｖであるとき、１０００Ａ／ｐｕの電流信号を３〜５Ｖ／ｐｕ程度の電圧信号に変換し、２〜３ｐｕ程度の電流値までマイコン６に入力が可能なよう補助変流器２、分圧抵抗器３及び分圧抵抗器４の定格を選定する。

以下、図２を参照して実施例１の動作の詳細について説明する。

図２は過電圧防止回路及び電圧依存性抵抗器のＩ−Ｖ特性図である。図２（ｂ）に示したように、ツェナーダイオード７、８による過電圧防止回路に印加される電圧をＶ１、通電電流をＩ１としたときのＩ１−Ｖ１特性は、図２（ａ）に示したようにＶ１が或る電圧閾値Ｖｔｈｒ１以上となったとき、または電圧閾値−Ｖｔｈｒ１以下となったとき電圧のクリップが開始される特性となっている。同様に、電圧依存性抵抗器に印加される電圧をＶ２、通電電流をＩ２としたときのＩ２−Ｖ２特性は、Ｖ２が或る電圧閾値Ｖｔｈｒ２以上となったとき、または電圧閾値−Ｖｔｈｒ２以下となったとき電圧のクリップが開始される特性となる。これらの特性を数式で表すと以下となる。

｜Ｖ１｜＜｜Ｖｔｈｒ１｜のとき、 Ｉ１≒０Ａ ・・・（１）
｜Ｖ１｜＞｜Ｖｔｈｒ１｜のとき、 Ｉ１≫０Ａ ・・・（２）
｜Ｖ２｜＜｜Ｖｔｈｒ２｜のとき、 Ｉ２≒０Ａ ・・・（３）
｜Ｖ２｜＞｜Ｖｔｈｒ２｜のとき、 Ｉ２≫０Ａ ・・・（４）
｜Ｖｔｈｒ２｜＞｜Ｖｔｈｒ１｜ ・・・（５）
このような保護特性を有する交流電流検出装置１０において、交流母線の短絡などによって補助変流器２の２次巻線に過電流が発生したとき、以下の３段階に従って現象が進展する。

第１段階は、分圧抵抗４の両端電圧がＶｔｈｒ１に上昇するまでの状態であり、この状態ではツェナーダイオード７、８は非導通状態である。また、電圧依存性抵抗器６もほとんど電流が流れていない状態であり、過電流となる前の段階である。

第２段階は、分圧抵抗４の両端電圧がＶｔｈｒ１に達した後、分圧抵抗４と分圧抵抗３の全体に掛かる電圧がＶｔｈｒ２に上昇するまでの状態であり、この状態ではツェナーダイオード７、８は導通状態となり分圧抵抗４の両端電圧をＶｔｈｒ１に保持してＡ／Ｄ変換器６の過電圧を防止している。このときには未だ電圧依存性抵抗器６にはほとんど電流が流れていない。

第３段階は、分圧抵抗３と分圧抵抗４の全体に掛かる電圧がＶｔｈｒ２以上に上昇した状態であり、この状態ではツェナーダイオード７、８は導通状態、電圧依存性抵抗器６も電流を通流する状態となる。ツェナーダイオード７、８が導通状態のまま分圧抵抗４の両端電圧をＶｔｈｒ１に保持する一方、電圧依存性抵抗器６も電流を通流する状態となり分圧抵抗３、４の両端電圧をＶｔｈｒ２の値に実質的に保持する。ここで実質的とは、通電する電流の増大に伴ってＶ２は上昇するが、その程度が僅かであるということである。これによって分圧抵抗３、４及びツェナーダイオード７、８に流入する電流が一定値以上に増大することを制限し、過負荷による分圧抵抗３、４及びツェナーダイオード７、８の焼損を防止することが可能となる。

以上説明したように、Ａ／Ｄ変換器５の入力電圧がその耐電圧以下となるよう過電圧防止回路におけるＶｔｈｒ１を選定し、分圧抵抗３、４及び過電圧防止回路で発生する損失が許容損失以下となるよう電圧依存性抵抗器のＶｔｈｒ２を選定することによって協調のとれた信頼性の高い過電圧保護を実現することが可能となる。

この実施例における電圧依存性抵抗器６の具体例として、ＺＮＲ（登録商標）を適用することができる。一般的にツェナーダイオードの許容損失と比べて、ＺＮＲは許容損失が大きいため、過電流のバイパス動作で焼損することなく、本発明の保護機能を満足することができる。

図３は本発明実施例２に係る交流電流検出装置のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る交流電流検出装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、交流電流検出装置１０Ａの過電流バイパス手段として実施例１における電圧依存性抵抗器６に代え、一定電圧が印加されると導通状態となる電圧依存性素子６Ａを用いた点である。

以下、図４を参照して実施例２の動作の詳細について説明する。

図４は電圧依存性素子６ＡのＩ−Ｖ特性図である。図４（ｂ）に示したように、電圧依存性素子６Ａに印加される電圧をＶ３、通電電流をＩ３としたとき、Ｉ３−Ｖ３特性は図４（ａ）に示したようにＶ３が或る電圧閾値Ｖｔｈｒ３以上となったとき、または電圧閾値−Ｖｔｈｒ３以下となったときそのインピーダンスが極端に低下して電圧が低下する特性となる。すなわち、
｜Ｖ３｜＜｜Ｖｔｈｒ３｜のとき、Ｉ３≒０Ａ ・・・（６）
｜Ｖ３｜＞｜Ｖｔｈｒ３｜となったとき、Ｉ３≫０Ａ・・・（７）
（ただし電圧依存性素子６Ａの導通後、Ｖ３≒０Ｖ）
また、ツェナーダイオード７、８の電圧閾値Ｖｔｈｒ１と電圧依存性素子６Ａの電圧閾値Ｖｔｈｒ３は、以下の関係を有する。

｜Ｖｔｈｒ３｜＞｜Ｖｔｈｒ１｜ ・・・（８）
このような保護特性を有する交流電流検出装置１０Ａにおいて、交流母線の短絡などによって補助変流器２の２次巻線に過電流が発生したとき、以下の３段階に従って現象が進展する。

第１段階は、分圧抵抗４の両端電圧がＶｔｈｒ１に上昇するまでの状態であり、この状態ではツェナーダイオード７、８および電圧依存性素子６Ａは非導通状態であり、過電流となる前の段階である。

第２段階は、分圧抵抗４の両端電圧がＶｔｈｒ１に達した後、分圧抵抗３と分圧抵抗４の全体に掛かる電圧がＶｔｈｒ３に上昇するまでの状態であり、この状態ではツェナーダイオード７、８は導通状態となり分圧抵抗４の両端電圧をＶｔｈｒ１に保持し過電圧の出力を防止している。電圧依存性素子６Ａはほとんど電流を流していない状態である。

第３段階は、分圧抵抗３と分圧抵抗４の全体に掛かる電圧がＶｔｈｒ３以上に上昇した状態であり、この状態となると電圧依存性素子６Ａは導通状態となる。電圧依存性素子６Ａは導通状態となると分圧抵抗３、４の両端電圧は実質的にゼロとなる。ここで実質的とは、この分圧抵抗３、４の両端電圧が電圧依存性素子６Ａのオン電圧まで低下するということである。これにより分圧抵抗４の両端電圧がＶｔｈｒ１以下となりツェナーダイオード７、８は非導通状態となる。過電流状態が続く場合には、電圧依存性素子６Ａは導通状態を継続し過電流を還流し、その結果、過負荷による分圧抵抗３、４及びツェナーダイオード７、８の焼損を防止することが可能となる。

以上から分かるように電圧依存性素子６Ａが導通状態となったとき、交流電流検出値は０ｐｕ程度になってしまうので、正常な制御ができなくなる恐れがある。従ってこの実施例２においては、交流母線の異常を検出する交流過電流の整定値を超える過電流となって制御の対象となる装置の保護動作が働いた後に電圧依存性素子６Ａが導通するようにＶｔｈｒ３を選定しておく必要がある。

本実施例の利点は、過電流入力時に電圧依存性素子６Ａは電圧を保持しないため分圧抵抗３、４及び電圧依存性素子６Ａに要求される許容損失が小さくなり、従って回路を小型化できることである。

以上説明したようにこの実施例２においても、Ａ／Ｄ変換器５の入力電圧が耐電圧以下となるよう過電圧防止回路におけるＶｔｈｒ１を選択し、分圧抵抗３、４及び過電圧防止回路で発生する損失が許容損失以下となるよう電圧依存性素子のＶｔｈｒ３を選定することによって協調のとれた信頼性の高い過電圧保護を実現することが可能となる。

尚、電圧依存性素子６Ａの具体例としては双方向性のサイダック（登録商標）が挙げられる。

本発明の実施例１に係る交流電流検出装置のブロック構成図。 過電圧防止回路及び電圧依存性抵抗器のＩ−Ｖ特性図。 本発明の実施例２に係る交流電流検出装置のブロック構成図。 電圧依存性素子のＩ−Ｖ特性図。

符号の説明

１ 変流器
２ 補助変流器
３、４ 分圧抵抗器
５ Ａ／Ｄ変換器
６ 電圧依存性抵抗器
６Ａ 電圧依存性素子
７、８ ツェナーダイオード
１０、１０Ａ 交流電流検出装置
２０ マイコン

Claims (3)

1. 交流電流検出用の変流器と、
   この変流器の２次出力を入力とする補助変流器と、
   前記補助変流器の２次巻線出力から得られる２次電流を電圧に変換するために直列接続された２つの分圧抵抗器と、
   前記分圧抵抗器のうち一方の分圧抵抗器に印加される電圧を入力とするＡ／Ｄ変換器と、
   前記Ａ／Ｄ変換器の入力に並列に接続され、第１の所定電圧が印加されると導通状態となってこの第１の所定電圧を保持する過電圧抑制手段と、
   補助変流器の２次出力と並列に接続され、前記第１の所定電圧より高い第２の所定電圧が印加されると通電を開始する過電流バイパス手段と
   を具備し、
   前記補助変流器の２次巻線に過電流が発生したとき、まず前記過電圧抑制手段が作動し、その後前記過電流バイパス手段が作動するようにして、前記Ａ／Ｄ変換器の過電圧保護と、前記補助変流器の２次側に接続される他の機器の過電圧保護の協調をとるようにしたことを特徴とする交流電流検出装置。
2. 前記過電流バイパス手段は、
   前記第２の所定電圧が印加されると導通状態となり且つ前記第２の所定電圧を実質的に保持する特性を有する電圧依存性抵抗器であることを特徴とする請求項１に記載の交流電流検出装置。
3. 前記過電流バイパス手段は、
   前記第２の所定電圧が印加されると導通状態となり且つその両端電圧を実質的にゼロとするような特性を有する電圧依存性素子であることを特徴とする請求項１に記載の交流電流検出装置。

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