(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力ラインを備える変流器（２０）と、
前記入力ラインと直列に連絡する第１の回路（１２）であって、第１の電流を受ける第１の回路（１２）と、
前記入力ラインと直列に連絡する第２の回路（１４）であって、前記第１の電流と異なる第２の電流を受ける第２の回路（１４）と、
前記第１の回路（１２）と前記変流器の間を接続する電流分岐回路（Ｒ１）と、
前記変流器からの、前記第１の回路と前記第２の回路の共通の電流戻りラインと、
前記電流分岐回路（Ｒ１）と直列に接続された第２及び第３の抵抗（Ｒ２、Ｒ３）と
を具備し、
前記第２の抵抗（Ｒ２）が前記第１の回路に設けられ、前記第３の抵抗（Ｒ３）が前記戻り流路に設けられ、
前記第１の回路（１２）と前記第２の回路（１４）の各々が、同じ大きさの第３の電流を前記入力ラインに供給するように構成されていること、を特徴とする２重定格変流器回路。
【請求項２】
前記変流器は、低減された電流を出力ラインに供給する請求項１の回路。
【請求項３】
前記変流器は一次コイルと２次コイルを含み、前記２次コイルは前記一次コイルに対するインピーダンスを低くするようになっている請求項１の回路。
【請求項４】
前記変流器は、一次コイルと２次コイルの回りに巻きつけられた磁性体を含んでいる請求項１の回路。
【請求項５】
前記磁性体は低励磁材料である請求項４の回路。
【請求項６】
前記変流器は一次コイルと２次コイルを含み、前記２次コイルは前記一次コイルに対する抵抗を低くするようになっていて、前記変流器に対する負荷を低くする請求項１の回路。
【請求項７】
前記変流器は複数の一次コイルを含んでいる請求項１の回路。
【請求項８】
前記複数の一次コイルの各々は１ターンを有する請求項１の回路。
【請求項９】
前記変流器に接続された演算増幅器をさらに備える請求項１の回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２重定格変流器回路、特に、保護継電器で使われる小型の２重定格変流器回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回路遮断器やその他の電気装置のための、もしくは、それらの中で保護継電器を使用することは周知である。従来、継電器は、ある状態を検出して、例えば、低アンペア工業定格の回路遮断器の引外しコイルを動作させる信号を発生する。引外しコイルに動作電力を供給するために変流器アセンブリが使用される。伝統的に、１つの変流器コアが回路遮断器内に配置されて、多数のアンペア定格用に十分な電流と動作電力を引外し装置回路に供給する。
【０００３】
大きさの制約条件を少なくしながら、広い範囲のアンペア定格で回路を動作させる１つの方法は、一定の大きさの変流器と一定の２次巻線を利用することである。一次巻線のターン数（巻回数）が回路のアンペア定格に逆比例して変えられる。例えば、本出願人に譲渡された米国特許第５，０１５，９８３号を参照されたい。しかしながら、変流器回路の一次巻線のターン数を変えると、様々な入力電流定格で一次巻線に同じ電流を通すことはできない。
【０００４】
さらに、工業用途又は電気事業者用途の大きな遮断器は、伝統的に、それ自身の囲いを備える保護継電器を用いる。保護継電器は、変流器以外の動作用の電源を備える。保護継電器の出力部は、継電器から独立した電源に引外しコイルを接続するための接点又は半導体デバイスである。このような用途では、変流器は、入力電流を複製して分離するために使用され、通常、定格が１アンペア又は５アンペアである。変流器は、保護及び計量用の定格電流よりはるかに大きい障害電流や定格電流以下の計量電流を含む大きな電流範囲にわたって動作する必要がある。通常の変流器は、１アンペアの入力定格では、伝統的に、一次側のターン数が２０ターンであり、また、５アンペアの入力定格では４ターンの別個のデザインに構成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、少なくとも２つの異なる入力電流定格を変流器に与えることができる２重定格変流器回路を備えることが経済的に望ましい。さらに、小型化可能な回路を利用することが望ましい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様では、小型の変流器を使った２重定格変流器回路を提供する。
【０００７】
本発明の別の態様は、比較的低コストの通常の磁性体を用いて用途の必要条件を満たす変流器回路である。磁性体や用途が変わると巻線数も変えることができる。
【０００８】
本発明の別の態様は、第１の定格電流又は第２の定格電流で同じ出力電流を生成するように設計された変流器回路である。
【０００９】
本発明の現状での好適な実施形態によれば、２重定格変流器回路は、第１の電流を供給する第１の電流ラインと、第２の電流を供給する第２の電流ラインを備える。変流器は、第１の電流ラインと第２の電流ラインの両方に結合されている。変流器は、第１の電流ラインと第２の電流ラインの各々の電流に比例する電流を生成する。本回路の変流器には、その全体サイズを小さくする設計特徴が組み込まれている。
【００１０】
本発明の別の特徴と利点は、添付の図面を参照する本発明の好適な実施形態の以下の説明から明らかであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
２重定格変流器回路と、そこに組み込まれた小型の変流器によって、サイズを小型にした保護継電器が提供可能になる。本発明の回路が保護継電器での使用に限定されず、複数の異なるアプリケーションで利用可能であることを理解すべきである。
【００１２】
図１に２重定格変流器回路１０が示されている。回路１０は、直列に接続された抵抗器Ｒ1 、Ｒ2 及びＲ3 を含む。第１の電流ＩA 又はそれと異なる第２の電流ＩB が電流ライン１２及び１４を介して供給される。共通電流Ｉc が、ＩA とＩB の両方の共通の戻り通路を表す。
【００１３】
変流器２０には電流ＩA とＩB の両方が供給される。異なる電流定格ＩA やＩB のどちらでも変流器の一次コイルに同じ電流が生成されるので、変流器２０は２重定格変流器である。このことについてさらに説明する。変流器２０は、電流ＩA かＩB のいずれか一方に比例する電流Ｉp を生成する。
【００１４】
変流器２０は１次コイル２２と２次コイル２４を備える。例えば、変流器２０は強磁性コア変流器でよい。１次コイル２２は１ターンであり、２次コイル２４は複数ターン、例えば、１３０００ターンである。２次コイル２４のステップダウンされた電流Ｉs は、一次コイル２２の電流Ｉp に比例する。尚、電流Ｉp は、電流定格ＩA やＩB のどちらに対しても同じである。最も一般的な継電器に電流を入力させるために標準の変流器が利用できるように本発明の回路はＩA やＩB の両方用に設計されている。
【００１５】
２次コイル２４は、一次側２２へ換算される抵抗が低くなり、且つ変流器に対する負荷が低くなるように、設計される。２次コイル２４は抵抗ＲTSを有する。第４の抵抗Ｒ4 はＲTSと共に、一次側に影響を与える。一次コイル２２の極性は２６で示し、２次コイル２４の極性は２８で示される。低出力負荷であれば変流器は最小の大きさ（サイズ）になる。最終的に、出力負荷は変流器の２次抵抗ＲTSより小さくなるべきである。
【００１６】
ＩB より低い値の電流を変流器の一次側２２に供給するために、異なる２つの入力電流ＩA 又はＩB に対して抵抗器回路網Ｒ1 、Ｒ2 及びＲ3 が設けられる。再び図１を参照し、ノード３０から考察すると、電流ＩB がライン１４に沿ってノード３０に伝送されて、本回路の分路構成によって電流Ｉp が変流器の一次側に流れることになる。電流ＩA はライン１２を介してノード３０に流れて、同じ電流Ｉp を生成する。電流ＩA の場合におけるＲ1 の両端間の電圧を、以下の式から求めることができる。
【００１７】
ＶR1＝［ＩAＲ1（Ｒ2＋Ｒ3）］／（Ｒ1＋Ｒ2＋Ｒ3）。
【００１８】
従って、次の式２によって、電流ＩA から電流Ｉp を求めることができる。
【００１９】
Ｉp＝ＶR1／（Ｒ2＋Ｒ3）＝ＩAＲ1／（Ｒ1＋Ｒ2＋Ｒ3）          （２）。
【００２０】
同様に、以下の式によって、電流ＩB と、抵抗Ｒ3 の電圧ＶR3からＶR3とＩP を求めることができる。
【００２１】
ＶR3＝［ＩB（Ｒ1＋Ｒ2）Ｒ3］／（Ｒ1＋Ｒ2＋Ｒ3）
Ｉp＝ＶR3／Ｒ3＝ＩB（Ｒ1＋Ｒ2）／（Ｒ1＋Ｒ2＋Ｒ3）          （３）。
【００２２】
式（２）と（３）を等しいと置くと、
ＩA＝ＩB（Ｒ1＋Ｒ2）／Ｒ1
＝（Ｒ1＋Ｒ2）／Ｒ1
＝１＋Ｒ2／Ｒ1
Ｒ2／Ｒ1＝ＩA／ＩB−１                                      （４）
となる。
【００２３】
本発明の２重定格変流器回路の一例を以下に示す。
【００２４】
ＩA＝５アンペア
ＩB＝１アンペア
Ｉp＝０．４５アンペア
ＲTS＝４０００オーム
Ｒ4＝２０００オーム
ＶO＝０．０６９２ボルト（定格入力電流で）
Ｎp＝ｌ
とする。
【００２５】
ここで、Ｎp は変流器の一次側のターン数で、ＮS は変流器の２次側のターン数である。一次側のアンペアターン数は２次側のターン数に等しいので、２次コイルのターン数を以下のように求めることができる。
【００２６】
Ｎs＝ＮpＩp／Ｉs                                          （５）。
【００２７】
オームの法則から、ＶO をＲ4 の両端間の電圧として、
ＶO＝ＩsＲ4
である。
【００２８】
従って、ＶO＝ＩpＮpＲ4／Ｎs
Ｎs＝ＮpＩp／Ｉs＝ＮpＩpＲ4／Ｖ0
Ｎs＝１×０．４５×２０００／０．０６９２
Ｎs＝１３００６ターン
となる。
【００２９】
式（５）から、
ＮsＩs＝ＮpＩp
Ｉs／Ｉp＝Ｎp／Ｎs
Ｖs＝（ＲTS＋Ｒ4）Ｉs
ここで、Ｖs は２次側２４の電圧である。
【００３０】
従って、一次側２２の電圧Ｖp は、
Ｖp＝Ｖs×Ｎp／Ｎs （６）
となる。
【００３１】
Ｒp を一次側に換算された２次側抵抗の値とすると、
ＲpＩp＝（ＲTS＋Ｒ4）
Ｒp＝（ＲTS＋Ｒ4）（Ｉs／Ｎs）（Ｎp／Ｉp）
Ｒp＝（ＲTS＋Ｒ4）（Ｎp／Ｉp）（Ｎp／Ｉp）
Ｒp＝（Ｎp／Ｉp）2（ＲTS＋Ｒ4）
Ｒp＝（１／１３００６）2（４０００＋２０００）
Ｒp＝３５．５×１０-6オーム
となる。
【００３２】
一次側に反映される電圧によって電流が流れるので、（Ｒ1 ＋Ｒ2 ＋Ｒ3 ）は３５．５×１０-6オームよりもかなり大きくなけれなならない。従って、
Ｒ1＋Ｒ2＋Ｒ3＝３．５５×１０-3オーム
と仮定すると、
式（２）から、
Ｒ1＝Ｉp（Ｒ1＋Ｒ2＋Ｒ3）／ＩA
＝０．４５×３．５５×１０-3／５
Ｒ1＝３２０×１０-6オーム
式（４）から、
Ｒ2＝（ＩA／ＩB−１）Ｒ1
＝３２０×１０-6（５／１−１）
Ｒ2＝１．２８×１０-3オーム
式（２）から、
Ｉp＝ＩAＲ1／（Ｒ1＋Ｒ2＋Ｒ3）
Ｒ3＝（ＩAＲ1／Ｉp）−（Ｒ1＋Ｒ2）
＝（５（３２０×１０-6）／０．４５）−
（３２０×１０-6＋１．２８×１０-3）
＝１．９６×１０-3オーム
となる。
【００３３】
ＩA やＩB は、１００Ωより大きなソース・インピーダンスをもつパワーシステムの変流器からの電流源であるので、それらは、通常、Ｒ1 ＋Ｒ2 ＋Ｒ3 の合計値よりも２桁以上大きいインピーダンスを有する。
【００３４】
次に、一次側の電圧は次の式
Ｖp＝Ｉp（ＲTS＋Ｒ4）／Ｎs2
＝（０．４５×６０００）／（１３００６×１３００６）
Ｖp＝１５．９６×１０-6ｖ
から計算することができる。
【００３５】
Ｒ1 ＋Ｒ2 ＋Ｒ3 の循環電流をＩpcとすると、これはＩp より小さく、
Ｉpc＝Ｖp／（Ｒ1＋Ｒ2＋Ｒ3）
＝１５．９６×１０-6／３．５５×１０-3
Ｉpc＝４．５０×１０-3Ａ
となる。
【００３６】
従って、ＩpcはＩp の約１％であるので、２次側のターン数を減らすことによって修正することができる。
【００３７】
図１の回路の別の実施形態が図２に示されている。図２に示されているように、変流器２０は、電流ＩAPが流れる第１の一次コイル２２と、電流ＩBPが流れる第２の一次コイル３４を備える。もしＲ3 （図１）がゼロならば、ＩB は一次側の電流ＩP に等しい。式（３）を参照されたい。ＩB からＩc への接続部には抵抗が幾分あるので、第２の一次側３４に電流が流れる。Ｒ2 と直列のＲ1 に電流が流れないように、ＩBPの第２の一次側の端はＲ1 と同じノード３６のＩc に接続される。ＩBPに等しい電流ＩB は一次コイル３４を流れて、Ｉc に戻る。Ｒ1 の両端間の電圧を以下の式から求めることができる。
【００３８】
ＶR1＝ＩAＲ1Ｒ2／（Ｒ1＋Ｒ2）。
【００３９】
オームの法則から、
ＩAP＝ＶR1／Ｒ2
従って、電流ＩAPを、式
ＩAP＝ＶR1／Ｒ2＝ＩAＲ1／（Ｒ1＋Ｒ2）
によって電流ＩAから求めることができる。
【００４０】
もし、ＩB ＝１Ａで、ＩA ＝５Ａならば、ＩBP＝ＩAP＝ＩB なので、抵抗比
Ｒ1／（Ｒ1＋Ｒ2） を以下のように求めることができる。
【００４１】
Ｒ1／（Ｒ1＋Ｒ2）＝ＩAP／ＩA
＝１／５
Ｒ1／（Ｒ1＋Ｒ2）＝０．２オーム。
【００４２】
これは、ＩB ＝ＩBPの場合であって、２つの１ターンの１次側を備えることが継電器の設計に影響を与えない特殊な場合である。
【００４３】
図３を参照すると、本発明の別の実施形態が示されている。ここで、反転増幅器４０を追加することによって変流器２０の電圧負荷は、凡そＲ4 の値の分減る。増幅器４０は、（−）とマーク付けされた反転入力ターミナル４２と、（＋）とマーク付けされた非反転入力ターミナル４４と、出力ターミナル４６を備える。また、本回路は、３２で示される極性の２次コイル２４を備える。
【００４４】
反転増幅器への入力電圧はゼロに近いため、電流ＩS が抵抗Ｒ4 を流れて、図１のＶO に等しい出力電圧が生成され、同じ電流が流れる。増幅器は反転形であるので、２次側の極性は反転して図１と同様にＶp を保持する。
【００４５】
変流器の出力は、入力電流定格をより高くするようなＲ4 の負荷に影響を受けない。負荷が減るので、同じ入力電流定格では変流器を小さくすることができる。
【００４６】
図４を参照して、回路に組み込まれた変流器２０についてさらに説明する。変流器は、３つのフランジ５２、５６をもつボビン５０を備える。ボビンには、フランジ５４及び５６間に第１の巻線領域５８と、フランジ５２及び５４間の領域５８より相当広い第２の巻線領域６０とがある。一次コイル２２は、領域５８内でボビンの回りに少なくとも１ターン巻きつけられ、２次コイル２４は、より広い領域６０の回りに巻きつけられる。従って、変流器２０の巻線のうちの大部分は、低抵抗を示す２次巻線である。これによって、ボビンの回りに巻きつけられた磁性体６２の電流励磁とフラックスの逸脱が減る。磁性体６２は低励磁材料である。２次巻線のための巻線領域の大部分を利用し、また、磁性物質である低励磁材料を利用して、変流器を小さくできる２つの設計技術がある。
【００４７】
要約すると、本発明の２重定格変流器回路によって、２つの異なる電流入力定格を変流器に与えることができる。さらに、変流器の入力電流を少なくする入力回路と、サイズを小さくできる変流器の設計技術によって、回路を小型化できる。
【００４８】
本発明は、その特定の実施形態に関連して説明されたが、その他の多くの変形や修正やその他の利用方法があることは当業者にとって明らかである。従って、本発明はここで開示された特定のものに制限されることはなく、特許請求の範囲によって制限されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の２重定格変流器回路の第１の実施形態の概略回路図である。
【図２】  ２重定格変流器回路の第２の実施形態の概略回路図である。
【図３】  ２重定格変流器回路の第３の実施形態の概略回路図である。
【図４】  本発明の回路で使用される変流器の側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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