(57)【要約】【課題】バイアス磁界を最適化してＩＴ積を大きくすることができるカレントトランスを得る。【解決手段】ドーナツ状のコア２に二次側ケーブル３が巻きつけられている。二次側ケーブル３の一端と他端との間にシャント抵抗６が接続されている。磁界印加部８，９がコア２にバイアス磁界１１を印加する。バイアス磁界１１が印加されたコア２からの磁束の漏れ１２を磁気センサ１０が検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドーナツ状のコアと、
前記コアに巻きつけられた二次側ケーブルと、
前記二次側ケーブルの一端と他端との間に接続されたシャント抵抗と、
前記コアにバイアス磁界を印加する磁界印加部と、
前記バイアス磁界が印加された前記コアからの磁束の漏れを検出する磁気センサとを備えることを特徴とするカレントトランス。
【請求項２】
前記磁界印加部は、
前記コアに巻きつけられた配線と、
前記配線に直列に接続された可変抵抗と、
前記可変抵抗を介して前記配線に電流を流す電源とを有することを特徴とする請求項１に記載のカレントトランス。
【請求項３】
前記磁界印加部は、
前記二次側ケーブルに直列に接続された可変抵抗と、
前記可変抵抗を介して前記二次側ケーブルに電流を流す電源とを有することを特徴とする請求項１に記載のカレントトランス。
【請求項４】
前記コアの内側に沿って配置され、ギャップを有する軟磁性体を更に備え、
前記磁気センサは前記ギャップに配置されていることを特徴とする請求項３に記載のカレントトランス。
【請求項５】
前記磁気センサは方位磁石であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のカレントトランス。
【請求項６】
前記方位磁石は球形であることを特徴とする請求項５に記載のカレントトランス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カレントトランスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体素子を実装したパワーデバイスに流れる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）。パッシブ型のカレントモニタは、一般的にカレントトランスと呼ばれ（以降は「カレントトランス」と表記）、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。例えば、パワーデバイスに流れる電流測定の際は、パワーデバイスの主電極端子などに接続された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。
【０００３】
カレントトランスは、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。しかし、カレントトランスは直流成分が一定時間続くと、コアが磁気飽和を起こして測定できなくなるという欠点がある。特に大電流になるとその欠点が顕著になる。
【０００４】
二次側ケーブルの巻き数をＮ２とすると、一次側ケーブルに電流が流れ始めた瞬間には二次側には一次側の１／Ｎ２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。
【０００５】
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。
【０００６】
カレントトランスの原理は、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。
【０００７】
市販のカレントトランスの一次側に例えば単位ステップ状の電流ｉ１＝Ｉ０＊Ｕ（ｔ）を印加すると、二次側にはｉ２＝−Ｉ０／Ｎ２＊ＥＸＰ（−Ｒ１／Ｌ２＊ｔ）の電流が流れる。ここで、Ｉ０は被測定電流の直流成分、Ｕ（ｔ）は単位ステップ関数、Ｒ１はシャント抵抗の抵抗値、Ｌ２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。
【０００８】
カレントトランスの一次側ケーブルと二次側ケーブルは密結合となっているため、コア内部に発生する磁束はφ＝（Ｎ１＊ｉ１＋Ｎ２＊ｉ２）／Ｒｍである。ここで、Ｎ１は一次側ケーブルの巻き数、Ｒｍはコア内部の磁気抵抗である。Ｎ１＝１とするとコア内に発生する磁束はφ＝Ｉ０＊（１−ＥＸＰ（Ｒ１／Ｌ２＊ｔ））／Ｒｍとなる。一次側電流が立ち上がった直後（ｔ＝０）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。つまり、測定電流の直流成分Ｉ０が大きくなるほど、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平０６−１７４７５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
軟磁性体からなるカレントトランスのコアの特性は、磁界Ｈの増加に伴って磁束φ及び磁束密度Ｂもリニアに増大するリニア領域を有する。磁束φがリニア領域を超えると磁気飽和が起きる。つまり、微分透磁率ΔＢ／ΔＨが急激に小さくなり、そのため磁束がコアの外側に漏れ出す。従って、カレントトランスはコアの磁束φがリニア領域内に収まるように使用する必要がある。コアにバイアス磁界を印加することによりコアの磁束φがリニア領域内に収まるようにしてＩＴ積を大きくする方法がカレントトランスメーカにより紹介されている。しかし、印加するバイアス磁界の加減がわかりづらかった。このため、オーババイアスになりコアが磁気飽和状態になる場合があった。逆に、バイアス磁界が少な過ぎて十分な効果が得られない場合もあった。
【００１１】
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、その目的はバイアス磁界を最適化してＩＴ積を大きくすることができるカレントトランスを得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るカレントトランスは、ドーナツ状のコアと、前記コアに巻きつけられた二次側ケーブルと、前記二次側ケーブルの一端と他端との間に接続されたシャント抵抗と、前記コアにバイアス磁界を印加する磁界印加部と、前記バイアス磁界が印加された前記コアからの磁束の漏れを検出する磁気センサとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、バイアス磁界を印加したコアからの磁束の漏れを磁気センサで検出する。オペレータは磁気センサの反応を確認しながらバイアス磁界を最適化してＩＴ積を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１に係るカレントトランスを示す図である。
【図２】軟磁性体からなるカレントトランスのコアの磁界と磁束及び磁束密度の関係を示す図である。
【図３】比較例１に係るカレントトランスを示す図である。
【図４】比較例２に係るカレントトランスを示す図である。
【図５】実施の形態２に係るカレントトランスを示す図である。
【図６】実施の形態３に係るカレントトランスを示す図である。
【図７】実施の形態４に係るカレントトランスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態に係るカレントトランス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。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るカレントトランスを示す図である。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出力端子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。カレントトランスの出力端子４，５が同軸ケーブル（不図示）を介してオシロスコープ等の測定器（不図示）に接続される。
【００１７】
図２は、軟磁性体からなるカレントトランスのコアの磁界と磁束及び磁束密度の関係を示す図である。Ｂ点からＣ点までのリニア領域内のときは磁界Ｈの増加に伴って磁束φ及び磁束密度Ｂもリニアに増大する。磁束φがリニア領域を超えると磁気飽和が起きる。つまり微分透磁率ΔＢ／ΔＨが急激に小さくなり、そのため磁束がコアの外側に漏れ出す。従って、カレントトランスはコアの磁束φがリニア領域内に収まるように使用する必要がある。
【００１８】
そのために本実施の形態では、コア２にバイアス磁界１１を印加する構成を設けている。具体的には、コア２に二次側ケーブル３とは別にバイアス磁界用の配線７を巻きつけている。配線７に直列に直流電源８と可変抵抗９が接続されている。配線７の巻きつけ部の近くにホール素子等の磁気センサ１０が配置されている。直流電源８が可変抵抗９を介して配線７に電流を流すと、コア２の内部にバイアス磁界１１が印加される。このとき発生させる磁界の向きは、被測定電流が流れたときに発生する磁界と反対方向になるようにする。バイアス磁界１１を印加した際にＣ点よりも左側になるとコア２が磁束飽和を起こし、コア２の外部に磁束が漏れだす。磁気センサ１０は、コア２から外部への磁束の漏れ１２を検出する。
【００１９】
オペレータは、磁気センサ１０が磁束の漏れ１２を検出するまで、可変抵抗９の抵抗値を小さくする方向につまみを回し、バイアス磁界用電流を大きくしてバイアス磁界１１を大きくしていく。磁気センサ１０が反応したら、可変抵抗９のつまみを逆方向、即ち抵抗値を大きくする方向にゆっくり回し、磁界用電流及びバイアス磁界１１を小さくしてゆき、磁気センサ１０が反応しなくなるポイントでつまみを止める。このポイントがＣ点となる。このようにバイアス磁界１１を最適化することで、ＩＴ積を２倍近くにすることができる。
【００２０】
次に、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。バイアス磁界１１を印加してデフォルトでＣ点近辺になるようにした状態で被測定電流を流すと、Ｃ点からＢ点までのリニア領域でカレントトランスを使用できるためＩＴ積を大きくすることができる。
【００２１】
続いて、本実施の形態に係るカレントトランスの効果を比較例１，２と比較して説明する。図３は、比較例１に係るカレントトランスを示す図である。図４は、比較例２に係るカレントトランスを示す図である。比較例２は二次側ケーブル３をバイアス磁界１１用の配線として利用したものである。比較例１，２には磁気センサ１０が無いため、印加するバイアス磁界１１の加減がわかりづらい。このため、オーババイアスになりコアが例えばＣ点よりも左側の磁気飽和状態になる場合がある。逆に、バイアス磁界１１が少な過ぎて、例えばＡ点付近となって十分な効果が得られない場合もある。
【００２２】
これに対して、本実施の形態では、バイアス磁界１１を印加したコア２からの磁束の漏れ１２を磁気センサ１０で検出する。オペレータは磁気センサ１０の反応を確認しながらバイアス磁界１１を最適化してＩＴ積を大きくすることができる。例えば、バイアス磁界１１を印加してデフォルトでＣ点近辺になるように調整することでＩＴ積を２倍にすることができる。
【００２３】
実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係るカレントトランスを示す図である。ドーナツ状のコア２の内側に沿って軟磁性体１３が配置されている。軟磁性体１３にはギャップ１４が設けられている。このギャップ１４に磁気センサ１０が配置されている。カレントトランスの出力端子４，５にバイアス電流印加用の直流電源８及び可変抵抗９が直列に接続されている。
【００２４】
この状態でカレントトランスの二次側ケーブル３に直流電流を流すと、コア２の内側にバイアス磁界１１が発生する。上述の通り図２で示すＣ点よりも左側になるとコア２が磁気飽和を起こし、外部に磁束が漏れだす。二次側ケーブル３はコア２の広い範囲に巻きつけられているため、磁束の漏れ１２の範囲も広くなる。そこで、コア２の内側に沿って軟磁性体１３を配置する。これにより、磁束の漏れ１２が軟磁性体１３を通ってギャップ１４を通るため、効率よく磁気センサ１０を通るようになる。オペレータは実施の形態１と同様に、磁気センサ１０の反応を確認しながらバイアス磁界１１を最適化してＩＴ積を大きくすることができる。
【００２５】
実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係るカレントトランスを示す図である。実施の形態１の構成において磁気センサ１０の代わりに方位磁石１５を用いている。通常時には方位磁石１５のＮ極は北の方向を向いているが、オーババイアスになり磁束が漏れだすと方位磁石１５の針が磁束の漏れ１２の吹き出し方向を向く。このため、オペレータは方位磁石１５の針を見ながらバイアス磁界１１を調整することにより、バイアス磁界１１を最適化することができる。また、方位磁石１５は駆動装置も不要でありは安価で簡易的に作成することができる。
【００２６】
具体的には、方位磁石１５の針が反応するまで、可変抵抗９の抵抗値を小さくする方向につまみを回し、バイアス磁界用電流を増大させてバイアス磁界１１を大きくしていく。方位磁石１５の針が反応したら、可変抵抗９の抵抗値を大きくする方向につまみをゆっくり回し、バイアス磁界用電流を減少させてバイアス磁界１１を小さくしていく。そして、方位磁石１５の針が反応しなくなるポイントでつまみを止める。当ポイントが丁度Ｃ点となる。
【００２７】
実施の形態４．
図７は、実施の形態４に係るカレントトランスを示す図である。実施の形態２の構成において磁気センサ１０の代わりに方位磁石１５を用いている。通常時には方位磁石１５のＮ極は北の方向を向いているが、オーババイアスになり磁束が漏れだすと方位磁石１５の針の向きがギャップ１４と平行になる。このため、オペレータは方位磁石１５の針を見ながらバイアス磁界１１を調整することにより、バイアス磁界１１を最適化することができる。また、方位磁石１５は駆動装置も不要でありは安価で簡易的に作成することができる。
【００２８】
なお、実施の形態３，４の方位磁石１５として球形の方位磁石を用いてもよい。円盤状の方位磁石は水平に設置する必要があるが、球形の方位磁石は水平に設置する必要が無く、簡易的に設置することができる。
【符号の説明】
【００２９】
２  コア、３  二次側ケーブル、６  シャント抵抗、８  直流電源（磁界印加部）、９  可変抵抗（磁界印加部）、１０  磁気センサ、１１  バイアス磁界、１２  磁束の漏れ、１３  軟磁性体、１４  ギャップ、１５  方位磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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