JPS5822705B2 - カデンリユウセイギヨソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電源から負荷に電力を供給するように構成さ
れた電気装置において、負荷の異常あるいはその他の状
態変化によって生ずる過電流の検出装置に関するもので
ある。

電気装置において、過大負荷あるいは短絡事故などによ
り、定常的にその電気装置に供給される電流より大きな
過大電流が流れる場合がある。

このような場合、負荷やその他の装置を保護し、事故を
防ぐために、過大電流を検出し、それによって負荷等を
制御することが行なわれている。

このような過大電流を検出する過電流検出装置としては
、電流による発熱を利用したものや、電流による電磁力
を利用したものなどが実用化されている。

また、電子式のものとしては、抵抗を負荷回路に直列に
挿入して、その電圧降下から電流を検出するものが実用
化されてきた。

しかしながら、これら従来の装置においては、次のよう
な欠点がある。

（１） 発熱方式の場合は、発熱を検知する手段が必
要であり、電磁力方式では電磁石等を要し、また直列抵
抗方式では電圧降下を取り出す抵抗素子、さらに検出部
と被検出部を直流的に分離するためのトランス等が必要
であり、いすｈにしても装置が大型かつ重いものになる
。

特に、大電力回路ではそれは著しい。

（２）発熱体、電磁石、抵抗体等を利用しているので電
力損失が非常に大きい。

（３）負荷の電流をそのまま利用しているので、被検出
回路に悪影響を与えることがある。

（４）電流の検出点を任意に設定することは非常に困難
である。

本発明は、このような欠点を除去するためになされたも
のであり、小型軽量でかつ高精度な検出が可能であると
ともに、過電流検出点を任意に設定でき、動作余裕の大
きな過電流検出装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明は、角形磁気特性を
有する磁心に電気装置内の電源の電圧の変化に応じて変
化するバイアス電流が流れるバイアス巻線を設けるとと
もに、その磁心を、検出すべき電流が流れる線と電磁的
に結合させ、負荷電流による磁界と、バイアス巻線から
与えられるバイアス磁界とが差動的に磁心に作用するよ
うにし負荷電流による磁界が、バイアス磁界および磁心
の磁気特性から定まる一定の磁界の和を越えた時磁心の
磁気特性が一方の飽和状態から他の飽和状態へスイッチ
ングすることにより発生する信号を検出することにより
、電源の電圧に応じて変化する過電流を検出できるよう
にしたことを特徴とするものである。

以下、本発明を図面によシ詳細に説明する。

まず、本発明による過電流検出装置の基本原理を説明す
る。

第１図は本発明による過電流検出装置の原理構成図で、
１は電源、２は負荷であり、それらで主回路を構成して
いる。

３は検出線、４は磁気コア、５はバイアス巻線、６はバ
イアス電流源、７は受量器である。

このような過電流検出回路において、磁気コア４に、検
出すべき負荷電流が流れる検出線が電磁的に結合されて
いる。

結合方法としては、コア４の中心を検出線３が貫通する
のみでよい。

一方、コア４には、他にバイアス巻線５が施されており
、ここには、バイアス電流源６よりバイアス電流が供給
されている。

受量器７は過電流になった場合、巻線５に発生する信号
を受け、過電流状態を認識、表示あるいは制御出力を得
るもので、通常の電圧検出回路、論理回路等で構成され
る。

第１図に示すように、本発明では検出線３、コア４、巻
線５により電流トランスを構成している。

ただし、通常の電流トランスと異なり、バイアス電流源
６がある。

すなわち、本発明におけるコア４は、通常のトランスと
異なり、第２図の特性図に示すように、角形性のよいＢ
−Ｈ特性を有している。

第１図において、電流源６のバイアス電流匝をＩＢ、巻
線５の巻回数をＮ、とすると、検出線３の主電流が流れ
ていない状態では、コア４の動作点は、起磁力■ＢＮＢ
に対応した磁界塩の点すなわちＰ点になっている。

Ｐ点は、コア４が十分飽和に達した領域に選んであり、
従って、この状態に於てば、巻線５の両端の電圧は、バ
イアス電流による巻線５の直流抵抗の電圧降下であり、
十分小さい値である。

ここで、主回路に電流が流れると、検出線３によりコア
４には主電流による起磁力も加わる。

従って、コア４に働（総合起磁力は、バイアス電流によ
る起磁力と主電流による起磁力の和になり、第２図の動
作点Ｐを中心として主電流の変化に応じて動作点が動く
つ いま、主電流が第２図のイに示す大きさの場合には、コ
ア４０Ｂ−Ｈ曲線上の動作点は、飽和領域の範囲内であ
り、従って巻線５の端子には出力は現われない。

つぎに主電流の大きさが、第２図口になると、動作点は
１曲線上のａを通ってＱ点に達する。

ここで曲線上のａを通る際、ａの部分の傾斜と、磁界す
なわち電流の変化速度に応じて巻線５にはパルス電圧が
発生する。

さらに主電流の振幅が小さくなる部分で、動作点はＱよ
り曲線のｂを通ってＰ点を通り、Ｒ点に達する。

ここでｂを通過するさい、ａを通過する場合と同様に、
巻線５に出力パルスが発生する。

曲線のａとｂの部分の通過は、電流の変化方向が逆であ
り、出力パルスの極性は逆になる。

また、主電流が正弦波電流であれば、曲線ａとｂとの通
過時の電流の変化速度はコアのＢ−Ｈ曲線のヒステリシ
ス幅に対応した分だけ異なり、ｂを通過するさいの出力
パルスの方が振幅が大きくなる。

第３図にこの様子を示す。

すなわち第３図Ｃ１１Ｃ示す主電流の変化のＡとＢの部
分に対応して、第３図ハに示すパルスＡ１パルスＢのよ
うな出力パルスカ得られる。

上述したように、第２図のイの場合には出力は出す、口
の場合に出力が得られるから、主電流の最大値を■とし
たとき、■が Ｉ ＞ Ｉ Ｂ ＮＢ ＋ △（ｎｃ ）なる関係にあ
ることを検出することができる。

ここで、主回路に接続された検出線３とコア４との磁気
的結合は、巻回数１であるとする。

また、△（Ｈｅ）は、コア４の保磁力に対応した量であ
る。

上式から明らかなように、バイアス回路により、■ＢＮ
Ｂの値を適当に選ぶことにより、検出すべき主電流のし
きい値を任意に選ぶことができる。

上述のように、本発明においては、電流トランスノ機能
と、電流コンパレータの機能を、共に第１図の回路で有
している。

そのため、磁気コア４も極めて小型でよく、巻線もバイ
アス巻線と出力巻線とが兼用されるため一回路ですみ、
小形のコア巻線に都合良（なっている。

第４図は第１図の過電流検出装置の構成をより具体的に
示したものである。

検出線３は、負荷２に電力を供給する電流線である。

コア４は角形特性のよいフェライトコア（例えば、飽和
磁束密度と残留磁束密度の比が９０％以上のスイッチン
グコア）であり、例えば外径約２０ミリのものが使用さ
れる。

巻線５の巻回数は約５０である。また６１は直流バイア
ス電流源、６２は抵抗である。

コアは、実装上の都合により樹脂３０でモールドされて
いる。

第５図は、第４図の回路の特性図であり、横軸は主電流
の実効値１（５０Ｈｚ正弦波）、縦軸は、巻線５からの
出力パルス（第３図ハのパルスＢ）ｅｏの最大値である
。

この特性曲線で、二は■３＝ ５０ ｍＡ 、ホはＩ、
＝１００ｍＡ、へはＩ３＝２００ｍＡ時の電流コンパ
レータ特性を示し、バイアス電流値ＩＢ を変化させる
ことにより、検出すべき主電流のしきい値を任意に設定
できることがわかる。

また、第５図に於て、破線で示した直線ｖＴＨは受量器
７の電圧検知のしきい値を示している。

ＶＴＨの値は、これが小さければ、電流コンパレータと
しての特性はよいが、一方出力パルスｅｏの回路に加わ
る雑音に対する余裕が小さくなる。

雑音余裕は、ｖＴＨが大きい程よいが、構造的あるいは
コアの材質的な問題などから出力パルスｅｏは自由に太
き（選ぶことはできない。

また、第５図の一点鎖線で示した直線Ｖ ＊の値にしき
い値をＨ 選ぶと、電流コンパレータとしての特性が悪くなる。

従って、受量器７の入力電圧のしきい値としては、例え
ば第５図の特性へに対しては図のｖＴＨの値のように１
−ｅｏ特性の曲線の傾斜が強くかつなるべ（大きなしき
い値となるよう選ぶ。

ここで、負荷２の特注について考えると、第６図に示す
ような場合が多い。

すなわち、横軸に電源１の電圧Ｖ、縦軸に主回路の電流
ｉをとると、通常は電源電圧の変動により回路電流は図
の曲線Ａのように変動する。

一方何らかの異状が起った場合の過電流は、図の曲線Ｂ
のように変化し、過電流であるか否かは、その時の電源
電圧に依存する。

従って、上のことを考慮した時、過電流検出のしきい値
を一定とした場合には、この値は第６図のαの範囲に入
っている必要がある。

ここで、電流検出のしきい値を電源電圧に応じて変化さ
せれば、第６図のβの範囲にしきい値が入っていればよ
い。

図から明らかなようにβ〉αであるから、過電流検出の
しきい値は電源電圧に応じて変化させることが、動作余
裕の点から有利である。

また、第６図のαが零あるいは負の場合もあり得る。

その場合には、しきい値を固定させることはできない。

本発明は、第５図で述べたように、過電流検出のしきい
値がバイアス電流により極めて容易に変化させることが
できることを利用して、過電流検出のしきい値を変化さ
せることにより、過電流が電源電圧に応じて変化する場
合にも、これを高精度で検出するものである。

第７図は、上述の原理を利用した本発明の過電流検出装
置の一実施例を示すブロック図である。

図において、１１は受量器７の出力で制御される制御素
子、たとえばリレーやＳＣＲなどであり、電源１、負荷
２、電流検出線３、制御素子１１が直列に接続されて主
回路を構成する。

まず、定常状態に於ては、制御素子１１ば、バイアス巻
線５からの出力パルスが無く、従って受量器７からのオ
フ信号が無い時はオン状態であり主回路はオン状態が保
たれる。

ここで故障その他何らかの異常により、過電流になり、
バイアス巻線５の出力パルスが受量器７の入力値を越え
ると、受量器７は制御素子１１にオフ信号を送り、主回
路をオフ状態にする。

このとき、主回路の電流が過大電流のしきい値より下が
れば、主回路をただちにオン状態にするよう制御するこ
と、あるいは一定時間オフ状態を保つよう制御すること
などいずれの特性とすることも容易である。

この機能は、受量器７または制御素子１１の一部の機能
として持たせることができる。

また、本実施例ではバ・イアス巻線５のバイアス電流を
、回路６０により電源１の電圧に比例するようにして、
過電流検出のしきい値を電源電圧に応じて変化させてい
る。

この回路６０ば、単に電源を整流し平滑する回路でよく
、極めて簡単な構成で実施できる。

第６図では、定常時の電流Ａ、過電流Ｂを、電源電圧と
の関係で示したが、電源電圧以外、たとえば周囲温度な
どでも同様の関係となる場合が多い。

この場合にもバイアス電流を感温抵抗などにより周囲温
度と関連づけることにより動作余裕を十分とることが可
能になり（図示せず）、調整が不要になるなど実用上の
効果がある。

以上では、第１図の基本原理を用いて検出すべき交流電
流を、直流バイアス電流により検知するものとして説明
した。

しかし、本発明は、検知すべき電流が直流の場合にも容
易に適用できる。

また交流電流の波形も正弦波、パルス波、その他いずれ
でもよい。

第８図は検知電流が直流の場合の過電流検出装置の原理
的構成図である。

第１図の交流電源１は、直流電源１′に、直流バイアス
電流源６ば、交流バイアス電流源６′になっている。

なお、第１図、第８図において、バイアス電流は、完全
な直流あるいは完全な交流でな（、交流分を含む直流、
直流分を含む交流であってもよいことはもちろんである
。

またバ、イアス巻線出力巻線をそれぞれ複数としてもよ
い。

以上、基本原理および実施例にて説明したごとく、本発
明装置によればつぎのような実用上の効果が得られる。

（１）角形Ｂ−Ｈ特性をもつ磁心を、正の飽和領域と負
の飽和領域とでスイッチングして用いるための電流トラ
ンスの機能と、電流コンパレータの機能とを併せ有し、
大電力回路に対しても非常に小型かつ軽量のフェライト
コアなどが使用できる。

（２）バイアス巻線と出力巻線とは一つの巻線でよ（、
小型のコアに巻くことができ、部品数も極めて少なく、
構成も非常に簡単である。

（３）発熱体等の部品を使用していないので消費電力が
非常に小さい。

（４）電気的に絶縁して検出できるので、被検出回路に
悪影響を与えることはない。

（５）バイアス電流の値を変えることによって、電流の
検出点を容易に任意の値に設定でき、動作余裕を著るし
く増加できる。

（６）機械的可動部分が全（な（、高温、高圧の発生、
雑音発生もない。

（７）検出電流が直流、交流あるいはそれらの変形いず
れであっても適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による過電流検出装置の原理的構成図、
第２図および第３図はそれぞれ第１図の動作を説明する
ための特性図および波形図、第４図は第１図の過電流検
出装置の具体的構成図、第５図は第４図の装置の実測結
果を示す特性図、第６図は定常時の電流及び過電流と電
源電圧との関係を示す図、第７図は本発明による過電流
検出装置の一実施例を示す構成図、第８図は本発明によ
る過電流検出装置の他の原理的構成図である。 １は電源、２は負荷、３は検出線、４は磁気コア、５は
バイアス巻線、６，６０はバイアス電源、７は受量器、
１１は制御素子である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 負荷装置と、該負荷装置に電力を供給する電源とか
   らなり、上記負荷装置の異常時に流れる過電流が上記電
   源の電圧に応じて変化する特性を有する電気装置におい
   て、角形磁気特性を有する磁心にバイアス巻線を設ける
   とともに、該磁心に上記負荷装置に流れる電流を電磁的
   に結合し、上記バイアス巻線に上記電源の電圧の変化に
   応じて変化するバイアス電流を与え、上記磁心を一つの
   飽和状態にし、上記バイアス巻線に接続された受量器に
   より、上記負荷装置に流れる電流による磁界が、上記バ
   イアス電流による磁界および上記磁心の磁気特性から定
   まる一定の磁界の和を起えた時、上記磁心の磁気特性が
   一方の飽和状態から他の飽和状態にスイッチングするこ
   とにより上記バイアス巻線に発生する信号を取り出すよ
   うにして、上記過電流を検出することを特徴とする過電
   流検出装置。