JP6895122B2 - カレントモニタ及びカレントモニタ用中継装置 - Google Patents

Description

本発明は、カレントモニタ及びカレントモニタ用中継装置に関する。

パワーデバイスの一次側ケーブルに流れる被測定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）。カレントモニタは、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。パッシブ型のカレントモニタは、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。測定の際に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。

特開平０６−１７４７５４号公報

二次側ケーブルの巻き数をＮ_２とすると、電流が流れ始めた瞬間には二次側には一次側の１／Ｎ_２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。

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。

カレントモニタの原理は、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。

図８のカレントモニタの一次側に単位ステップ状の電流ｉ_１＝Ｉ_０＊Ｕ（ｔ）を印加した際の二次側電流ｉ_２を求めてみた。その結果、ｉ_２＝−Ｉ_０／Ｎ_２＊ＥＸＰ（−Ｒ_１／Ｌ_２＊ｔ）となることが分かった。ここで、Ｉ_０は被測定電流の直流成分、Ｕ（ｔ）は単位ステップ関数、Ｒ_１はシャント抵抗の抵抗値、Ｌ_２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。従って、一次側電流が立ちあがった直後には、二次側にはｉ_２（ｔ＝０）＝−Ｉ_０／Ｎ_２の電流が流れる。また、ｄｉ_２／ｄｔ＝−Ｒ_１／Ｌ_２＊ＥＸＰ（−Ｒ_１／Ｌ_２＊ｔ）≒−Ｒ_１／Ｌ_２より、時間が経過するに従い二次側電流は単位時間あたりＲ_１／Ｌ_２の割合で減衰していくことが判明した。よって、上述のドループはＲ_１／Ｌ_２に依存することが分かった。

また、コア内部に発生する磁束はφ＝（Ｎ_１＊ｉ_１＋Ｎ_２＊ｉ_２）／Ｒ_ｍである。ここで、Ｎ_１は一次側ケーブルの巻き数、Ｒ_ｍはコア内部の磁気抵抗である。一次側電流が立ち上がった直後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。このとき、コア内に発生する磁束はφ＝（Ｎ_１＊ｉ_１＋Ｎ_２＊ｉ_２）／Ｒ_ｍ＝Ｉ_０（１−１＊ＥＸＰ（Ｒ_１／Ｌ_２＊ｔ））／Ｒ_ｍとなる。

つまり、測定電流の直流成分Ｉ_０が高くなるほど、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。磁気飽和が起こると上述に示した通り、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。

ドループＲ_１／Ｌ_２を小さくすればコア内部の磁束の発生は抑えられる。ただし、シャント抵抗の抵抗値Ｒ_１は、反射が起きないようにケーブルの特性インピーダンスＺ_０と同じ値にする必要がある。カレントモニタの出力には同軸ケーブルが接続されるが、現在市販されている殆どの同軸ケーブルの特性インピーダンスＺ_０は５０Ωとなっている。従って、インピーダンスをマッチングさせるため、シャント抵抗は５０Ωに固定される。

以上の理由で、ドループを小さくするためにはＬ_２を大きくする方法が考えられる。Ｌ_２を大きくするには、コアの断面積を大きくし磁気抵抗を小さくする方法と、二次側ケーブルの巻き数を多くする方法の二通りが考えられる。ただし、二次側ケーブルの巻き数を増やすためには、二次側ケーブルを巻くための寸法が必要となる。従って、どちらの場合もコアの寸法を大きくする必要がある。よって、被測定電流が大電流になるほど、カレントモニタの寸法を大きくする必要があった。

しかし、カレントモニタの寸法が大きいと、被測定電流が流れる一次側ケーブルもカレントモニタの寸法に合わせて長くする必要がある。一次側ケーブルが長くなると、それに応じて配線に寄生するインダクタンスも大きくなる。また、一次側ケーブルに流れる電流が大電流になるほどｄｉ／ｄｔも大きくなるため、被測定回路の寄生インダクタンスの影響が大きくなる。従って、小型のカレントモニタが求められている。

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、その目的は小型でも大電流をモニタすることができるカレントモニタ及びカレントモニタ用中継装置を得るものである。

本発明に係るカレントモニタは、ドーナツ状のコアと、同軸ケーブルを介して測定器に接続される第１及び第２の接続端子と、前記コアに巻きつき、一端と他端がそれぞれ前記第１及び第２の接続端子に接続された二次側ケーブルと、前記二次側ケーブルの前記一端と前記他端との間に接続されたシャント抵抗と、前記二次側ケーブルの前記一端と前記第１の接続端子との間に接続されたインピーダンスマッチング抵抗とを備えるカレントモニタであって、前記シャント抵抗の抵抗値と前記インピーダンスマッチング抵抗の抵抗値との和は前記同軸ケーブルの特性インピーダンスと同じ値であり、前記カレントモニタは、前記コアと前記二次側ケーブルを有する第１のユニットと、前記シャント抵抗と前記インピーダンスマッチング抵抗とを有する第２のユニットとに分けられ、前記第１のユニットと前記第２のユニットは互いに着脱可能に接続されることを特徴とする。

本発明では、二次側ケーブルの一端と第１の接続端子との間にインピーダンスマッチング抵抗を接続している。そして、シャント抵抗の抵抗値とインピーダンスマッチング抵抗の抵抗値との和は同軸ケーブルの特性インピーダンスと同じ値にしている。これにより、同軸ケーブルとカレントモニタとの間で信号の反射は起きない。従って、同軸ケーブルとのインピーダンスのアンマッチングによる反射を気にすること無く、シャント抵抗の抵抗値を小さくすることができる。そのためコアの寸法を大きくすることなくドループを低くすることができ、ＩＴ積の向上が可能となる。この結果、小型でも大電流をモニタすることができるパッシブ型のカレントモニタを実現できる。

実施の形態１に係るカレントモニタを示す回路図である。 実施の形態１に係るカレントモニタを同軸ケーブルを介してオシロスコープに接続した回路図である。 オシロスコープを示す外観図である。 実施の形態２に係るカレントモニタを示す回路図である。 実施の形態３に係るカレントモニタ用中継装置を市販のパッシブ型のカレントモニタに接続した外観図である。 市販のパッシブ型のカレントモニタを示す外観図である。 実施の形態３に係るカレントモニタ用中継装置を示す外観図である。 市販のパッシブ型のカレントモニタを示す等価回路図である。 実施の形態３に係るカレントモニタ用中継装置の内部の構造を示す図である。 実施の形態３に係るカレントモニタ用中継装置を市販のパッシブ型のカレントモニタに接続した回路図である。

本発明の実施の形態に係るカレントモニタ及びカレントモニタ用中継装置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。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るカレントモニタを示す回路図である。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が巻きついている。二次側ケーブル３の一端と他端がそれぞれ第１及び第２の接続端子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。インピーダンスマッチング抵抗７が二次側ケーブル３の一端と第１の接続端子４との間に接続されている。

図２は、実施の形態１に係るカレントモニタを同軸ケーブルを介してオシロスコープに接続した回路図である。カレントモニタ８の第１及び第２の接続端子４，５が同軸ケーブル９を介して測定器１０に接続される。シャント抵抗６の抵抗値Ｒ_１とインピーダンスマッチング抵抗７の抵抗値Ｒ_２との和は同軸ケーブル９の特性インピーダンスＺ_０と同じ値である（Ｒ_１＋Ｒ_２＝Ｚ_０）。なお、測定器１０は例えばオシロスコープである。図３は、オシロスコープを示す外観図である。

続いて、本実施の形態に係るカレントモニタ８を用いた電流測定について説明する。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１０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。

本実施の形態では、二次側ケーブル３の一端と第１の接続端子４との間にインピーダンスマッチング抵抗７を接続している。そして、シャント抵抗６の抵抗値Ｒ_１とインピーダンスマッチング抵抗７の抵抗値Ｒ_２との和は同軸ケーブル９の特性インピーダンスＺ_０と同じ値である。これにより、同軸ケーブル９とカレントモニタ８との間で信号の反射は起きない。従って、同軸ケーブル９とのインピーダンスのアンマッチングによる反射を気にすること無く、シャント抵抗６の抵抗値Ｒ_１を小さくすることができる。そのためコア２の寸法を大きくすることなくドループを低くすることができ、ＩＴ積の向上が可能となる。この結果、小型でも大電流で長時間の電流をモニタすることができるパッシブ型のカレントモニタ８を実現できる。

例えば、シャント抵抗６の抵抗値Ｒ_１を通常の１／５０である１Ωにすると、ドループも１／５０になり、ＩＴ積は５０倍となる。つまり、同じサイズで５０倍の大電流を測定する能力を持つ装置を実現できる。

ここで、インピーダンスマッチング抵抗７を設けたことにより、インピーダンスマッチング抵抗７での電圧降下による測定精度の影響が懸念される。しかし、測定器１０の入力インピーダンスＺ_ｉｎに比べるとインピーダンスマッチング抵抗７の抵抗値Ｒ_２は無視できるぐらい小さいため、測定精度への影響は無い。例えば測定器１０の各チャンネルの入力インピーダンスＺ_ｉｎは１ＭΩが標準となっている。そのため、インピーダンスマッチング抵抗７による電圧降下ＶＲ_２は、ＶＲ_２＝Ｒ_２／（Ｒ_２＋Ｚ_ｉｎ）＊ＶＲ_１＝Ｒ_２／（Ｒ_２＋１ＭΩ）＊ＶＲ_１となる。ここで、ＶＲ_１はシャント抵抗６の両端に発生する電圧である。

同軸ケーブル９の特性インピーダンスＺ_０は５０Ωが標準であり、本実施の形態ではＲ_１＋Ｒ_２＝Ｚ_０の関係がある。このため、Ｒ_２は５０Ωよりも必ず小さくなる。Ｒ_２を考えられる最大値の５０Ωとしてインピーダンスマッチング抵抗７の両端に掛る電圧を見積もると以下のようになる。
ＶＲ_２＝Ｒ_２／（Ｒ_２＋Ｒ_ｉｎ）＊ＶＲ_１＝５０Ω／（５０Ω＋１００００００Ω）＊ＶＲ_１＝０．０００００５＊ＶＲ_１

従って、インピーダンスマッチング抵抗７による電圧降下ＶＲ_２は、シャント抵抗６の両端に発生する電圧ＶＲ_１の０．０００５％と無視できる位小さい。このため、インピーダンスマッチング抵抗７による電圧降下の影響を気にすることなく、マッチング抵抗とシャント抵抗を自由に設定することができる。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係るカレントモニタを示す回路図である。本実施の形態では、カレントモニタ８は、コア２と二次側ケーブル３を有する第１のユニット８ａと、シャント抵抗６とインピーダンスマッチング抵抗７とを有する第２のユニット８ｂとに分けられている。二次側ケーブル３の一端と他端がそれぞれ接続端子１１，１２に接続されている。シャント抵抗６の一端と他端がそれぞれ接続端子１３，１４に接続されている。第１のユニット８ａの接続端子１１，１２と第２のユニット８ｂの接続端子１３，１４はオペレータにより互いに着脱可能に接続される。

第２のユニット８ｂはシャント抵抗６とインピーダンスマッチング抵抗７の抵抗値の大小により少なくとも２種類以上準備する。ただし、両抵抗の抵抗値の和が同軸ケーブル９の特性インピーダンスと同じ値になるようにする。そして、被測定電流の大小により複数種類の第２のユニット８ｂを使い分けることで、被測定電流１Ａ当たりの出力電圧などの感度、ドループ及びＩＴ積等を調整することができる。例えば、大電流を測定する場合には、ドループが低くＩＴ積が高くなるように、シャント抵抗６の抵抗値が小さい第２のユニット８ｂを使用する。一方、被測定電流値が小さい場合にはコア２内部に発生する磁束は抑えられるためＩＴ積は問題とならないが、カレントトランスからの出力電圧が低いことによるノイズの影響が問題となる。そこで、シャント抵抗６の抵抗値が大きい第２のユニット８ｂを使用して、カレントモニタの感度を高くしてノイズの影響を受けないようにする。この結果、本実施の形態により一台のカレントモニタで小電流から大電流までカバーできる。

実施の形態３．
図５は、実施の形態３に係るカレントモニタ用中継装置を市販のパッシブ型のカレントモニタに接続した外観図である。本実施の形態に係るカレントモニタ用中継装置１５が市販のパッシブ型のカレントモニタ１６に接続されている。

図６は、市販のパッシブ型のカレントモニタを示す外観図である。市販のパッシブ型のカレントモニタ１６の出力端子は一般的にＢＮＣ接栓ジャックになっている。図７は、実施の形態３に係るカレントモニタ用中継装置を示す外観図である。カレントモニタ用中継装置１５のメインボディ１７の一端にＢＮＣ接栓プラグ１８が設けられ、他端にＢＮＣ接栓ジャック１９が設けられている。カレントモニタ用中継装置１５のＢＮＣ接栓プラグ１８が市販のパッシブ型のカレントモニタ１６のＢＮＣ接栓ジャックに接続される。カレントモニタ用中継装置１５のＢＮＣ接栓ジャック１９がＢＮＣケーブルである同軸ケーブル９を通して測定器１０に接続される。図８は、市販のパッシブ型のカレントモニタを示す等価回路図である。市販のパッシブ型のカレントモニタ１６はコア２、二次側ケーブル３及びシャント抵抗６を有する。

図９は、実施の形態３に係るカレントモニタ用中継装置の内部の構造を示す図である。第１及び第２の接続端子４，５はＢＮＣ接栓ジャック１９であり、第３及び第４の接続端子２０，２１はＢＮＣ接栓プラグ１８である。具体的には、第１の接続端子４はＢＮＣ接栓ジャック１９の中心コンタクトであり、第３の接続端子２０はＢＮＣ接栓プラグ１８の中心コンタクトであり、両者は装置内部でケーブル２２を介して互いに電気的に接続されている。第１の接続端子４と第３の接続端子２０との間にインピーダンスマッチング抵抗７が接続されている。第２の接続端子５はＢＮＣ接栓ジャック１９のシェルであり、第４の接続端子２１はＢＮＣ接栓プラグ１８のシェルであり、両者は装置内部でケーブル２３を介して互いに電気的に接続されている。なお、第２の接続端子５及び第４の接続端子２１はメインボディ１７でもよい。装置内部においてシャント抵抗値変換抵抗２４が第３の接続端子２０と第４の接続端子２１との間に接続されている。

図１０は、実施の形態３に係るカレントモニタ用中継装置を市販のパッシブ型のカレントモニタに接続した回路図である。シャント抵抗値変換抵抗２４の抵抗値Ｒ_１ａは、シャント抵抗６の抵抗値Ｒ_１の１／（ｎ−１）倍、即ちＲ_１／（ｎ−１）に設定されている。また、インピーダンスマッチング抵抗７の抵抗値Ｒ_２はＲ_２＝Ｚ_０−Ｒ_１／ｎに設定されている。

カレントモニタ用中継装置１５を市販のパッシブ型のカレントモニタ１６に接続すると、シャント抵抗値変換抵抗Ｒ_１ａが市販のパッシブ型のカレントモニタ１６のシャント抵抗６に並列に接続される。この並列接続した抵抗値とインピーダンスマッチング抵抗７の抵抗値Ｒ_２との和が同軸ケーブル９の特性インピーダンスＺ_０と同じ値になるように設定されている。従って、並列接続した抵抗値はＲ_１／ｎとなり、実施の形態１のシャント抵抗の抵抗値の１／ｎ倍となるため、ドループも１／ｎに抑えることができる。その分だけコア２は磁気飽和になりにくくなり、ＩＴ積が大きくなる。また、同軸ケーブル９からみた出力抵抗値は同軸ケーブル９の特性インピーダンスＺ_０と同じ値となり、装置とケーブル間のインピーダンスマッチングを気にする必要がない。

以上説明したように、市販のパッシブ型のカレントモニタ１６に本実施の形態のカレントモニタ用中継装置１５を接続することにより、同軸ケーブル９とのインピーダンスマッチングを保ったままシャント抵抗６の抵抗値を小さくすることができる。従って、市販の低電流用の小型のカレントモニタ１６でも大電流で長時間の電流をモニタできる。

２ コア、３ 二次側ケーブル、４ 第１の接続端子、５ 第２の接続端子、６ シャント抵抗、７ インピーダンスマッチング抵抗、８ａ 第１のユニット、８ｂ 第２のユニット、９ 同軸ケーブル、１０ 測定器、１８ ＢＮＣ接栓プラグ、１９ ＢＮＣ接栓ジャック、２０ 第３の接続端子、２１ 第４の接続端子、２４ シャント抵抗値変換抵抗

Claims (3)

1. ドーナツ状のコアと、
   同軸ケーブルを介して測定器に接続される第１及び第２の接続端子と、
   前記コアに巻きつき、一端と他端がそれぞれ前記第１及び第２の接続端子に接続された二次側ケーブルと、
   前記二次側ケーブルの前記一端と前記他端との間に接続されたシャント抵抗と、
   前記二次側ケーブルの前記一端と前記第１の接続端子との間に接続されたインピーダンスマッチング抵抗とを備えるカレントモニタであって、
   前記シャント抵抗の抵抗値と前記インピーダンスマッチング抵抗の抵抗値との和は前記同軸ケーブルの特性インピーダンスと同じ値であり、
   前記カレントモニタは、前記コアと前記二次側ケーブルを有する第１のユニットと、前記シャント抵抗と前記インピーダンスマッチング抵抗とを有する第２のユニットとに分けられ、
   前記第１のユニットと前記第２のユニットは互いに着脱可能に接続されることを特徴とするカレントモニタ。
2. 同軸ケーブルを介して測定器に接続される第１及び第２の接続端子と、
   パッシブ型のカレントモニタに接続される第３及び第４の接続端子と、
   前記第３の接続端子と前記第４の接続端子との間に接続されたシャント抵抗値変換抵抗と、
   前記第１の接続端子と前記第３の接続端子との間に接続されたインピーダンスマッチング抵抗とを備え、
   前記カレントモニタのシャント抵抗と前記シャント抵抗値変換抵抗を並列接続した抵抗値と前記インピーダンスマッチング抵抗の抵抗値との和が前記同軸ケーブルの特性インピーダンスと同じ値であることを特徴とするカレントモニタ用中継装置。
3. 前記第１及び第２の接続端子はＢＮＣ接栓ジャックであり、
   前記第３及び第４の接続端子はＢＮＣ接栓プラグであることを特徴とする請求項２に記載のカレントモニタ用中継装置。

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