JPS5837686B2 - 変流器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は変流器に係り、特に過渡特性、温度特性、測定
精度の良好な交流および直流の両方に使用できる変流器
に関する。

従来から使用されている通常の変流器として、巻線形変
流器およびホール素子形変流器がある。

前者の巻線形変流器は、内部を１次導体が貫通する環状
の鉄心に２次巻線を巻回し、その両端を検出抵抗で接続
し、この検出抵抗で２次巻線の両端間の電圧を測定する
ことにより、１次導体に流れる電流を測定するものであ
るが、この変流器の最犬の欠点は、周知のように直流分
が測定できないことである。

後者のホール素子形変流器は、内部を１次導体が貫通す
る環状鉄心の一部を切欠いて、磁路中の一部に空隙を有
するＣ字形鉄心を形成し、このＣ字形鉄心の空隙内にホ
ール素子を配置し、１次導体によりＣ字形鉄心中に生じ
る磁束の変化をこのホール素子で直接、電圧の変化に変
換し、更にこれを増幅器で増幅してその値を測定するこ
とにより、１次導体に流れる電流を測定するものである
。

この変流器によれば、１次導体に流れる電流として、直
流分、交流分ともに測定することができる。

しかし、電流が一定でもホール素子の周囲温度が変動す
ると、ホール素子の出力電圧が数多変動し、これに伴っ
て増幅器の出力電圧も数饅変動する。

すなわち、ホール素子形変流器は、周囲温度の影響等に
より測定誤差が大きく出るばかりでなく、鉄心中の磁束
を打消さないので、鉄心が飽和し易く、これによっても
大きな測定誤差が生じる欠点がある。

また、第１図に示すような帰還電流形ホール変流器も知
られている。

この変流器は前述のホール素子形変流器を改良したもの
で、１次導体１を流れる電流■，によりＣ字形鉄心２中
に生じる磁束φ１の変化をＣ字形鉄心２の空隙３に配置
されたホール素子４により直接、電圧の変化に変換し、
これを帰還増幅器５に入力し、その出力電流■２を２次
巻線６に流して、１次導体１により生じる磁束φ１を打
消す方向に磁束φ２を作り、これらの磁束φ１ とφ２
が等しくなった状態、すなわちホール素子４の出力電圧
ｖｈが零になった平衡状態で、帰還増幅器５の出力電流
、つまり２次巻線６の出力電流Ｉ２を、２次巻線６に直
列接続された検出抵抗７０両端の電圧Ｖ２ として測定
することにより、１次導体１に流れる電流■，を測定す
る。

この変流器の場合、ホール素子４は、ホール素子４に印
加される磁束（φ１−φ２ ）が零になるのを検出する
ために使用されているので、ホール素子の出力が直接測
定値となる前述のホール素子形変流器に比較して、非常
に高精度となり、測定精度０．３％程度のものも製作さ
れている。

しかし、この帰還電流形ホール変流器は、１次導体に流
れる電流■１の変化が早《なってくると、帰還増幅器５
の応答速度に限界があるため、１次導体の電流変化に応
答できなくなり、大きな測定誤差を生じる欠点がある。

さらに前述の巻線形変流器とホール素子形変流器を組合
せた第２図に示すような変流器も知られている。

第２図において、第１図と同一符号は同一物又は均等物
を示し、また８はホール素子４の出力電圧を増幅する増
幅器、９はこの増幅器８の出力電圧検出抵抗７０両端の
電圧Ｖ２を加算する加算器である。

この変流器は、１次導体１に流れる電流■，に直流分が
少ない交流電力系統等の変流器として適しているが、１
次導体１の電流Ｉ１として直流分が１００％近くなると
、前述のホール素子形変流器の欠点、すなわち周囲温度
の変化や鉄心の飽和により測定誤差が大きくなる欠点が
ある。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を除き、直流
分、交流分ともに検出できるとともに、周囲温度等の影
響に対して変動が少なく、かつ応答速度の速い高精度の
変流器を提供するにある。

この目的を達戒するため、本発明は、前述した？還電流
形ホール変流器において、鉄心および素子にさらに３次
巻線を巻回し、この３次巻線の出力を帰還増幅器の出力
に加算することにより、１次導体に流れる電流を検出す
ることを特徴とする。

以下、本発明を図示の実施例について詳細に説明する。

第３図は本発明の一実施例に係る変流器の斜視図である
。

１次導体１０周りを囲むように、１ヶ以上（この図では
１ヶ）の空隙３を有する鉄心２が設けられ、その空隙３
内には、１次導体１によって鉄心２の磁路中に生じる磁
束φ１ と直交するようにホール素子４が配置されてい
る。

また、鉄心２および空隙３の周囲には、２次巻線６およ
び３次巻線１０が鉄心２および空隙３に鎖交するように
、同一巻回数だけ巻回されている。

ホール素子４の出力電圧ｖｈは帰還増幅器５に入力され
、帰還増幅器５は、その出力電流Ｉ２が２次巻線６と検
出抵抗７に流れるように、２次巻線６に接続される。

３次巻線１００両端は検出抵抗１１で短絡されており、
この検出抵抗１１の出力電圧■３は、加算器９により前
記検出抵抗７の出力電圧■２に加えられ、加算器９の出
力は負荷抵抗１２に加えられる。

いま、１次導体１の電流Ｉ１ として、直流電流が流
れると、電流Ｉ１ によって鉄心２中に生じる磁束φ
も直流で、検出抵抗１１で短絡されている３次巻線１０
には電圧が誘起されないため、３次巻線１００電流Ｉ３
は零となり、検出抵抗１１の電圧ｖ３は零である。

一方、この磁束φ１はホール素子４によって検出され、
その出力電圧ｖｈが帰還増幅器５０入力に加えられると
、帰還増幅器の出力電流■２が２次巻線６に流れる。

この電流Ｉ ２は、この電流■２によって生じる磁束φ
２が磁束φ１を打消す方向に流れ、磁束φ１ とφ２が
等しくなって、ホール素子４の出力電圧ｖｈが零になる
まで増加し、零になった状態で平衡する。

そのため、この平衡状態において、電流■２は電流Ｉ，
に正確に比例しており、電流■２を測定することによっ
て、１次導体に流れる電流Ｉ１ を′測定することがで
きる。

この電流■２の測定は、２次巻線６に直列に接続された
検出抵抗７０両端の電圧■２を測定することによって行
なわれる。

従って、加算器９０入力電圧Ｖ２と■３のうち、電圧■
３は零で、加算器９の出力電圧Ｖ ｏｕｔは電圧？２
と等しくなり、出力電圧Ｖｏｕｔあるいは出力電流Ｉ
ｏｕｔは１次導体１に流れる電流■１に正確に比例する
。

ところで、帰還増幅器５の負荷として、誘導性の負荷で
ある２次巻線６が接続されるため、１次導体１に流れる
電流Ｉ１が急激に変化すると、Ｌユ』±（Ｌ．よ。

ヶ。線。イ７ｐ−ｐｐｙ）。効ｄｔ 果に追従するだけの帰還増幅器５による電流帰還が困難
になる。

すなわち、１次導体１に流れる電流■１の周波数が充分
に高い領域では、電流■２が零で、検出抵抗７０両端の
電圧■２も零である６これに対して、３次巻線１０には
鉄心２中の磁束φ１の時間変化ｄｏｔ により誘起電圧
が発生し、ｄｔ これを検出抵抗１１で短絡することにより、３次巻線１
０中に電流■３が流れ、この電流Ｉ３によって鉄心２中
に生じる磁束φ３が磁束φ１を打消す状態で平衡する。

そのため、電流工．は電流■１ に正確に比例しており
、この電流■３を測定することによって、１次電流Ｉ１
を測定することができる。

この電流■３の測定は、３次巻線１００両端間に接続さ
れた検出抵抗１１０両端の電圧ｖ３を測定することによ
って行なわれる。

従って、加算器９０入力電圧ｖ２ と■３のうち、電圧
Ｖ２は零で、加算器９の出力電圧Ｖｏｕ ｔは電圧ｖ３
と等しくなり、出力電圧Ｖ ｏｕ ｔあるいは出力電流
Ｉｏｕｔは１次導体１に流れる電流■、に正確に比例す
る。

また、１次導体１に流れる電流■１ として、帰還増幅
器５と３次巻線１０がともに応答する低周波領域の電流
が流れる場合には、３次巻線１０に４φ１に応じて電流
Ｉ３が流れるが、この電流ｄｔ ■３によって鉄心２中に生じる磁束φ３は、周波数が低
く誘起電圧が低いために、（φ１−φ３ ）を零にする
ほど流れない。

そのため、（φ１φ３ ）に応じてホール素子４にホー
ル電圧ｖｈが生じ、帰還増幅器５は２次巻線６に電流■
２を流し、ホール電圧ｖｈが零、すなわち｛φ１（φ２
＋φ３ ）｝が零になった状態で平衡する。

従って、電流■２ と■３を検出抵抗７と１１の両端電
圧ｖ２ とｖ３ として取出し、これらの出力電圧ｖ２
と■３を加算器９で加えた出力電圧Ｖｏｕｔ？■２＋
Ｖ３あるいは出力電流Ｉ ｏｕｔは、１次導体１に流れ
る電流■１に正確に比例する。

このように、本実施例の変流器によれば、１次導体１に
流れる電流■１ として、直流から数１０ＫＨｚ以上の
高周波数領域まで、測定誤差が０．３係以下の非常に高
精度の測定を行なうことができる。

これは、直流に対しては、ホール素子４を磁束が零の検
出にのみ用いているので、ホール素子４特有の温度特性
、非線形誤差の影響を受けないからであり、また、周波
数の高い交流に対しては、巻線形変流器の原理を利用し
た高精度の測定ができるばかりでなく、直流と高周波の
中間の領域では、誤差の原因となる鉄心２中の残留磁束
（φ１一φ３ ）をホール素子４で検出し、これを帰還
増幅器５で打消すので、原理上では誤差零の測定となっ
ているからである。

さらに、本実施例の変流器によれば、次の如き効果も得
られる。

前述の巻線形変流器で低周波から更に完全な直流までを
検出するには、鉄心断面積を無限大まで大きくする必要
があり、事実上不可能である。

すなわち、同じ周波数で比較すると、本実施例の変流器
は、巻線形変流器に比べて、鉄心が非常に小形になる。

また、第１図の帰還電流形ホール変流器で高周波電流を
検出するためには、２次巻線６ｄＩ１ のインダクタンスＬにより帰還増幅器５はＬ −ｄｔ に比例した出力電圧を要求されるが、この出力電圧は、
帰還増幅器５の電源電圧以上は不可能であｄＩ， り、Ｌが帰還増幅器５の電源電圧をこえるｄｔ 高周波電流は検出できない。

たとえ、このＬユ柱ｄｔ が帰還増幅器５の電源電圧をこえなくても、周波数が高
くなるに従って帰還増幅器５に要求される出力が増大し
、帰還増幅器５の熱的あるいは高周波的な出力の制限か
ら、高周波電流を検出する能力に限界が生じる。

これに対して、本実施例の変流器は、高周波電流を帰還
増幅器５に接続された２次巻線６で検出するのではなく
、別個に巻回された３次巻線１０で検出するため、帰還
増幅器５を使用することによる前述の制限は生じない。

なお、第３図の実施例では、直流磁束検出用素子として
、ホール素子４を使用したが、これはホ−ル素子に限ら
ず、直流磁界あるいは直流磁束が検出できるものであれ
ばよ《、例えば磁気ダイオード、磁気抵抗効果素子等を
使用することも可能である。

また、加算器９はアナログ量の加算器であるが、電圧■
２ と■３をそれぞれアナログーデイジタル変換器でデ
イジタル量に変換し、これらをデイジタル加算器で加算
することもできる。

さらに、２次巻線６と３次巻線１００巻回数は必ずしも
一致させる必要はない。

ただ、一致させない場合には、加算器９の加算定数（Ｋ
２ｖ２＋Ｋ３■３におげるＫ２ とＫ３）を各巻線の巻
回数に応じて異ならせる必要があるが、これは従来のア
ナログ加算器で容易にできる。

その他、鉄心２としては、うず電流による磁束φ１の遅
れを考慮すると、硅素鋼板等の金属材料が低周波用に適
し、フエライト等の圧粉材料が高周波用に適している。

第４図は、本発明の他の実施例に係る変流器を示すもの
で、図中、第３図と同一符号は同一物又は均等物を示す
。

この実施例では、２次巻線６と３次巻線１００巻回数を
同一にするとともに、第３図に示す検出抵抗７，１０と
加算器９を省略し、負荷抵抗１２に２次巻線６と３次巻
線１０の出力電流■２ とＩ３とを同時に流すようにし
ている。

従って、第３図の実施例に比べて、その構或を著しく簡
単化することができる。

また、第５図は、本発明のさらに他の実施例に係る変流
器を示すもので、図中第３図と同一符号は同一物又は均
等物を示す。

この実施例は、２次巻線６と３次巻線１０の出力電流■
２ と■３を加算して検出する手段として変流器１３を
使用したものである。

２次巻線６、３次巻線１０、変流器１３は互に絶縁され
ているため、静電的な雑音等の影響を受げに《いという
利点がある。

なお、この実施例では、２次巻線６と３次巻線１０の鉄
心２に対する巻回数は、変流器１３で電流■２と■３を
検出するときに、２次巻線６と３次巻線１０の変流器１
３に対する巻回数を調整することができるので、同一で
ある必要はない。

以下説明したように、本発明によれば、直流から数１０
ＫＨｚの比較的周波数の高い領域まで、高精度の検出を
行なうことができるとともに、帰還増幅器で残留磁束を
打消すので、鉄心の飽和がなく、鉄心の断面積を小さく
なし得て、装置を小型化でき、さらに帰還増幅器の負担
を軽減することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の帰還電流形ホール変流器を示す斜視図、
第２図は巻線形変流器とホール素子形変流器を組合せた
従来の変流器を示す斜視図、第３図は本発明の一実施例
に係る変流器を示す斜視図、第４図および第５図は本発
明の他の各実施例に係る変流器を示す斜視図である。 １・・・１次導体、２・・・鉄心、３・・・空隙、４・
・・ホール素子、５・・・帰還増幅器、６・・・２次巻
線、７，１１・・・検出抵抗、９・・・加算器、１０・
・・３次巻線、１２・・・負荷抵抗、１３・・・変流器
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部をｌ次導体が貫通しかつ磁路の一部に空隙を有
   する鉄心と、この鉄心の空隙内に配置された磁束が印加
   されると誘起電圧を発生する素子と、この素子に発生す
   る誘起電圧を電流に変換する帰還増幅器と、前記鉄心お
   よび素子に巻回されかつ前記帰還増幅器の出力電流が流
   れる２次巻線とを備えた変流器において、前記鉄心およ
   び素子に３次巻線を巻回し、この３次巻線の出力を前記
   帰還増幅器の出力に加算したことを特徴とする変流器。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記帰還増幅器の
   出力は前記２次巻線に接続された第１の検出抵抗により
   電圧として取出すとともに、前記３次巻線の出力はこの
   ３次巻線に接続された第２の検出抵抗により電圧として
   取出し、これらの両出力電圧を加算器により加算したこ
   とを特徴とする変流器。 ３ 特許請求の範囲第２項において、前記第１および第
   ２の検出抵抗を１つの抵抗で共用し、前記加算器を省略
   したことを特徴とする変流器。 ４ 特許請求の範囲第１項において、前記帰還増幅器の
   出力は前記２次巻線の出力電流を検出する変流器により
   電流として取出し、前記３次巻線の出力はこの３次巻線
   の出力電流を検出する変流器により電流として取出した
   ことを特徴とする変流器。