JPS6212646B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は直流大電流を検出する変成装置に関す
るものである。

従来、直流大電流を検出する変成装置としては
飽和形直流変流器や分流器が用いられているが、
前者においては、同じ巻回数の２次コイルを巻装
した２個の環状鉄心に共通の１次導体を貫通さ
せ、上記２次コイルを互いに逆極性に接続しその
両端に交流補助電源を介して整流器を挿入し、こ
の整流器の出力により検出するように形成されて
おるので、整流器の出力は交流電流を整流した波
形となつていわゆる“落ち込み”によるリツプル
波形が交流補助電源の電源周波数の２倍の周波数
で生じ、その結果、検出値の応答性が悪くなり、
使用できる周波数帯域が狭まく電流の急峻な変動
に対応できないという欠点を有し、“落ち込み”
によるリツプルを除くために平滑回路を挿入すれ
ば、即応性がさらに損なわれるという欠点を有し
ている。後者は１次回路と２次回路との絶縁が困
難であると共に、大電流に対しては損失が大き
く、高周波における周波数特性が悪いという欠点
を有している。又、空心コイルいわゆるロゴスキ
コイルに１次導体を貫通させて検出するようにし
たものがある。この場合は無鉄心であるので飽和
現象もなく線形性が良くなり１次導体に流れる電
流を忠実に再現することができるが、これは同一
周波数に対してであり、出力が電流の微分となつ
ているため、直流での測定が困難であるという問
題を有している。

本発明は上述した点にかんがみてなされたもの
で、その目的とするところは、直流大電流を高速
かつ高精度で検出することができるようにしたも
のを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、直流変流器
と空心コイルとを組合せ、この直流変流器と空心
コイルの出力を加算して出力するように形成し、
その回路定数の選択によつて直流変流器のリツプ
ルを十分低減して、広帯域の周波数特性を有して
検出するように構成したことを特徴としたもので
ある。

以下、本発明の実施例を図によつて説明する。
第１図において、１は貫通形の直流変流器で、２
個の環状鉄心２，３に同じ巻回数を有した２次コ
イル２ａ，３ａをそれぞれ巻装し、上記環状鉄心
２，３に１次導体４を貫通させ、２次コイル２ａ
と３ａは互いに逆極性に直列接続してその両端か
ら出力するように形成されておる。５は空心コイ
ルで、コイル導体を円筒状巻きしながら環状に形
成し、その巻終り端を円筒状巻きした空間を通し
て１回巻きもどすことにより外部磁界の影響をな
くし環状となつた空心に上記１次導体４を貫通さ
せてコイル導体の両端から出力するようになつて
いる。そして、上記直流変流器１の２次コイル２
ａ，３ａの出力端子間には交流補助電源（例えば
AC100V60Hz）６を介してダイオードをブリツジ
接続した整流回路７を挿入し、この整流回路７の
出力端子間に負担抵抗Rdを挿入して、直流変流
器１の出力を電圧として送出するようになつてい
る。８は、上記直流変流器１と空心コイル５の出
力を加算積分して出力するようにした加算積分回
路である。これは、上記整流回路７の（＋）側出
力端子を接地し、（−）側出力端子を、非反転入
力端子を接地した演算増幅器Ａ１の反転入力端子
に抵抗Ｒ２を介して接続し、空心コイル５のもど
し端を接地し、巻始端を上記演算増幅器Ａ１の反
転入力端子に抵抗Ｒ１を介して接続し、演算増幅
器Ａ１の反転入力端子と出力端子間には、帰還抵
抗ROとコンデンサCOとを並列に挿入して、演算
増幅器Ａ１の出力端子から加算積分した出力を電
圧として送出するようになつておる。

そして、今、空心コイル５の出力電圧をｅ_Rと
し、空心コイル５の単位長さ当りの巻数をｎ、コ
イルの切口面積をａ、１次導体４に流れる電流を
ｉとすると、コイルの出力電圧は磁束の変化に比
例し、磁束は電流に比例するので、上記出力電圧
ｅ_Rは ｅ_R＝−μｏ・ａ・ｎ・ｄｉ／ｄｔ………(1) 但しμｏ：真空の透磁率 で示される。上記(1)式において、uoanはコイル
による定数であるから、これをKRとおくと、上
記(1)式は、 ｅ_R＝−KRｄｉ／ｄｔ ………(1′)′ となる。

又、直流変流器１の出力電圧をｅ_d、２次コイ
ル２ａ，３ａの巻回数（変流比）をＮ、負荷抵抗
Rd、１次導体４に流れる電流ｉとすると、上記
出力電圧ｅ_dは直流及び低周波数領域において ｅ_d＝−Ｒｄ／Ｎｉ ………(2) （整流回路７の（＋）側出力が負となつているの
で）で示される。

これら直流変流器１と空心コイル５の出力を加
算積分する加算積分回路８の入出力特性は、入力
側の抵抗Ｒ１，Ｒ２に流れる電流の和と、出力側
の抵抗R0とコンデンサC0に流れる電流の和とが
等しく、演算増幅器Ａ１の反転入力端子の電位が
零という関係より、出力電圧をｅ_pとすると、 ｅ_Ｒ／Ｒ１＋ｅ_ｄ／Ｒ２＝−ｅ_ｐ／Ｒ０＋Coｄ（−
ｅ_ｐ）／ｄｔ…(3) と示される。そして、上記（１）′、(2)式よりｅ
_R、ｅ_dを代入すると、上記(3)式は、 −ＫＲ／Ｒ１・ｄｉ／ｄｔ−Ｒｄ／ＮＲ２ｉ＝−ｅ_ｐ
／Ｒｏ−Coｄｅｏ／ｄｔ……(3)′ となり、従つて(3)′式は ＫＲ／Ｒ１・ｄｉ／ｄｔ＋Ｒｄ／ＮＲ２ｉ＝ｅ_ｐ／
Ｒｏ＋Coｄｅｏ／ｄｔ…(3)″ となる。この(3)″式の両辺をラプラス変換する
と、 ＫＲ／Ｒ１SI（ｓ）−ｉ（ｏ）＋Ｒｄ／ＮＲ２Ｉ（ｓ） ＝１／Ｒ０Eo（ｓ）＋CoSEo（ｓ）−ｅ_p（ｏ） …(4) 初期条件においては、(4)式のｉ（ｏ）＝０、ｅ_p
（ｏ）＝０としてよいから、上記(4)式は Ｉ（ｓ）（ＫＲ／Ｒ１Ｓ＋Ｒｄ／ＮＲ２）＝Eo（ｓ）（
１／Ｒ０＋CoS） …(5) と示され、これは となり、ここで抵抗Ｒ２とR0をＲ２＝R0と設定
すれば、上記(5)′式は となり、ここでCo＝Ｎ・ＫＲ／Ｒｄ・Ｒ１となるように
各定数 を設定すると、上記(5)″式は Eo（Ｓ）＝Ｒｄ／Ｎ・１＋ＣｏＲｏＳ／１＋ＣｏＲｏＳ
Ｉ（ｓ）＝Ｒｄ／ＮＩ（ｓ） …(6) となつて、上記(6)式により、加算積分回路８の出
力電圧ｅ_pは ｅ_p＝Ｒｄ／Ｎｉ ………(7) となる。従つて、出力電圧ｅ_pは上記(7)式からも
明らかなように理論的にはすべての周波数帯域に
おいて、１次導体４に流れる電流ｉに比例するこ
とになる。

ここで、空心コイル５、直流変流器１の特性を
個別にながめる。先ず、空心コイル５の出力電圧
ｅ_Rを零として、直流変流器１からの出力電圧ｅ_d
をみると、上記(5)″式から Eo′（Ｓ）＝Ｒｄ／Ｎ・１／１＋ＣｏＲｏＳＩ（Ｓ
）………(8) となり、又直流変流器１からの出力電圧ｅ_dを零
として空心コイル５の出力電圧ｅ_Rをみると、上
記(5)″式及びCo＝Ｎ・ＫＲ／Ｒｄ・Ｒ１から Eo″（Ｓ）＝Ｒｄ／Ｎ・ＣｏＲｏＳ／１＋ＣｏＲｏ
ＳＩ（Ｓ）…(9) となる。これはEo′（Ｓ）については１次のロー
パスフイルタ、またEo″（Ｓ）については１次の
ハイパスフイルタとなつていることを示してい
る。そして、各々のしや断周波数fcは、どちらか
についても同じとなつて fc＝１／２πＣｏＲｏ で示され、従つて、周波数特性は第２図で示すよ
うになる。

ここで、上記しや断周波数fcを、直流変流器１
からの出力電圧ｅ_dに含まれるリツプル周波数
（即ち、交流補助電源６の電源周波数例えば60Hz
の２倍）より十分小さく（例えばリツプル周波数
×１／数10）設定することにより、リツプルは十
分低減されることになつて、加算積分回路８の出
力ｅ_pには現われない即ち、リツプルを除いた出
力を得ることができる。

そして直流変流器１と空心コイル５とから出力
ｅ_d，ｅ_Rが同時に入力されると、上記(8)、(9)式よ
り Eo（Ｓ）＝Eo′（Ｓ）＋Eo″（Ｓ）＝Ｒｄ／Ｎ・１／１＋ＣｏＲｏＳＩ（Ｓ）＋Ｒｄ／Ｎ・ＣｏＲｏＳ／１＋Ｃ
ｏＲｏＳＩ（Ｓ）＝Ｒｄ／ＮＩ（Ｓ） となり、伝達函数は１となつて、周波数特性、位
相特性は平担となり、直流から高周波まで広帯域
の周波数特性が良い変成装置が得られる。

上記特性を得るために、空心コイル用の積分回
路と直流変流器用のローパスフイルタとを個別に
設けてこれらの出力を加算しても得られるが、こ
の場合は構成が複雑になるばかりでなく、個々の
しや断周波数を同じにする必要があつてその調整
が面倒であり、温度変化等によりしや断周波数が
変化したとき伝達函数が１とならず誤差を生ずる
ことになる。

本発明による加算積分回路８によれば、構成が
簡単となるばかりでなく第２図に示すしや断周波
数は上記(8)、(9)式に示すように、全く同じとなる
ため、しや断周波数の調整が不要となり、その
上、温度変化等によりコンデンサCoの値が変化
してもハイパス側、ローパス側のしや断周波数は
同時に変化して伝達函数１の条件は変化せず、高
精度の検出が可能となる。

本発明によれば、直流変流器と空心コイルは貫
通形に形成されておるので、１次回路と２次回路
との絶縁が容易となつて直流大電流ばかりでな
く、高電圧の変成装置としても適用することがで
き、しかも、直流変流器の補助電源周波数より十
分低くなるように設定した加算積分回路により直
流変流器と空心コイルからの出力を加算積分する
ようにしてあるので、構成を簡略化してリツプル
を除くことができ、広帯域に亘つて高速応答せし
めて高精度で検出することができる。このことは
システム制御の高速かつ高精度化及び、過電流の
高速保護を図ることができる大きな利点となる。
更に、従来の直流変流器と簡単にかつ安価に製す
ることのできる空心コイルとを組合せるようにし
てあるので、装置を安価なものとすることができ
ることは勿論、広帯域の周波数特性の良いものと
することができ、適用範囲を拡大した装置とする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す回路図、第２図
は第１図の周波数特性図である。 １：直流変流器、２，３：環状鉄心、４：１次
導体、５：空心コイル、６：交流補助電源、８：
加算積分回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 同じ巻回数の２次コイルをそれぞれ巻装した
   ２個の環状鉄心に１次導体を貫通させた直流変流
   器と、円筒状巻きしたコイル導体を環状に形成し
   これに上記１次導体を貫通させて電磁結合した空
   心コイルとを備え、上記直流変流器の２次コイル
   相互を逆極性に接続した両端に、交流補助電源を
   介して整流回路を挿入し、この整流回路の出力端
   と上記空心コイルの両端とを、しや断周波数特性
   が上記交流補助電源の電源周波数より十分低く設
   定して加算積分するようにした加算積分回路の入
   力端に接続して、上記１次導体に流れる直流大電
   流を検出するようにしたことを特徴とする直流大
   電流変成装置。