(57)【要約】  電力ハーベスタは、電流導体に誘導結合されるように構成された変流器、及び負荷に電力を送達するための回路を有する。変圧器コアは、交互配置部分において互いに接合され、かつ互いから分離可能な２つのセクションを有し、変圧器を電流導体のまわりに設置することを可能にする。回路は、変圧器に結合された整流器、及び整流器と負荷との間に直列に結合されたトランジスタを含む。トランジスタは、整流器から出力電流を受け、負荷に電力を供給する。抵抗器がトランジスタ及び負荷に結合され、トランジスタ及び抵抗器は、広範囲の導体の線電流に対して負荷への電力を制限することを可能にする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア及び前記コアのまわりのコイルを有する変圧器であって、前記コアが交互配置部分を有し、前記変圧器が電流導体に誘導結合されるように構成された、変圧器と、
前記コイルに結合された整流器と、
前記整流器と負荷との間に直列に結合されたトランジスタであって、前記整流器から出力電流を受け、前記負荷に電力を供給するトランジスタと、
前記トランジスタ及び前記負荷に結合された抵抗器とを含み、
前記トランジスタ及び抵抗器が、前記電流導体内の特定範囲の電流に対して前記負荷への前記電力を制限することを可能にする、電力ハーベスタ。
【請求項２】
前記整流器がダイオードブリッジを含む、請求項１に記載の電力ハーベスタ。
【請求項３】
前記トランジスタがデプレション型トランジスタを含む、請求項１に記載の電力ハーベスタ。
【請求項４】
前記抵抗器が、前記トランジスタと前記負荷との間に直列に結合された、請求項１に記載の電力ハーベスタ。
【請求項５】
前記負荷が並列キャパシタを含んでいる、請求項１に記載の電力ハーベスタ。
【請求項６】
前記負荷が並列ツェナーダイオードを含んでいる、請求項１に記載の電力ハーベスタ。
【請求項７】
前記抵抗器が前記負荷と並列に結合された、請求項１に記載の電力ハーベスタ。
【請求項８】
前記コアが第１のセクション及び第２のセクションを含み、前記第１のセクションが前記交互配置部分において前記第２のセクションから分離可能である、請求項１に記載の電力ハーベスタ。
【請求項９】
コアが積層鋼板を含む、請求項１に記載の電力ハーベスタ。
【請求項１０】
前記コイルが前記交互配置部分のまわりに位置する、請求項１に記載の電力ハーベスタ。
【請求項１１】
前記交互配置部分が矩形の突出部からなる、請求項１に記載の電力ハーベスタ。
【請求項１２】
電流導体に誘導結合されるように構成され、コア及び前記コアのまわりのコイルを有する変圧器であって、前記コアが、第１及び第２のセクション、第１及び第２の交互配置部分を有し、前記第１のセクションが、前記第１及び第２の交互配置部分において前記第２のセクションから分離可能である、変圧器と、
前記コイルに結合された整流器と、
前記整流器と負荷との間に直列に結合されたトランジスタであって、前記整流器から出力電流を受け、前記負荷に電力を供給するトランジスタと、
前記トランジスタ及び前記負荷に結合された抵抗器とを含み、
前記トランジスタ及び抵抗器が、前記電流導体内の特定範囲の電流に対して前記負荷への前記電力を制限することを可能にする、電力ハーベスタ。
【請求項１３】
前記整流器がダイオードブリッジを含む、請求項１２に記載の電力ハーベスタ。
【請求項１４】
前記トランジスタがデプレション型トランジスタを含む、請求項１２に記載の電力ハーベスタ。
【請求項１５】
前記抵抗器が、前記トランジスタと前記負荷との間に直列に結合された、請求項１２に記載の電力ハーベスタ。
【請求項１６】
前記抵抗器が前記負荷と並列に結合された、請求項１２に記載の電力ハーベスタ。
【請求項１７】
前記負荷が並列キャパシタを含んでいる、請求項１２に記載の電力ハーベスタ。
【請求項１８】
前記負荷が並列ツェナーダイオードを含んでいる、請求項１２に記載の電力ハーベスタ。
【請求項１９】
コアが積層鋼板を含む、請求項１２に記載の電力ハーベスタ。
【請求項２０】
前記コイルが、前記コアの第１の部分のまわりの絶縁されたワイヤからなる第１のコイルと、前記第１の部分の反対側の前記コアの第２の部分のまわりの絶縁されたワイヤからなる第２のコイルとを含み、前記第１のコイルが前記第２のコイルと直列に結合された、請求項１２に記載の電力ハーベスタ。
【請求項２１】
前記第１のコイルが前記第１の交互配置部分のまわりに位置し、前記第２のコイルが前記第２の交互配置部分のまわりに位置する、請求項２０に記載の電力ハーベスタ。
【請求項２２】
前記第１及び第２のセクションがそれぞれ、Ｕ字形部分及びＩ字形部分からなる、請求項１２に記載の電力ハーベスタ。
【請求項２３】
前記第１及び第２の交互配置部分がそれぞれ、矩形の突出部からなる、請求項１２に記載の電力ハーベスタ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
電力ハーベスタは、電力送電網監視設備のきわめて重要な構成要素である。電力送電網の監視は、送電網の信頼性を高め、停電及び故障に関連する責任を低減するために、電力業界によってますます推し進められている。送電網監視のためのセンサ及び関連する設備に電力を供給するために、電力ハーベスタを用いて既存の電力系統のインフラストラクチャから電気を発生させることができる。
【０００２】
電力ハーベスタは、電気出力の誘導変圧を用いる。誘導変圧器は、マックスウェル方程式によって記述される電磁現象を利用する。最も一般的な実装形態は、比較的安定した効率、したがって入力電力と出力電力の一定の比を有する変圧器を含む。その場合、送達される入力（１次）電力は、要求される（２次）電力に自動的に結合され、この一定の比はワットからメガワットに及ぶことがある。
【０００３】
それに応じて、改善された電力ハーベスタ、特に広範囲の１次線電流に対して比較的安定した電力出力を供給するものが求められている。
【発明の概要】
【０００４】
本発明に係る電力ハーベスタは、交互配置部分を備えたコア、及びコアのまわりのコイルを有する変圧器を含み、変圧器は、電流導体に誘導結合されるように構成される。整流器がコイルに結合され、トランジスタが整流器と負荷との間に直列に結合される。トランジスタは、整流器から出力電流を受け、負荷に電力を供給する。抵抗器がトランジスタ及び負荷に結合され、トランジスタ及び抵抗器は、電流導体内の特定範囲の電流に対して負荷への電力を制限することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
添付図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部をなし、記載と共に本発明の利点及び原理を説明する。
【図１】電力ハーベスタのブロック図である。
【図２】電流検出の場合に電力ハーベスタを実装するための回路図である。
【図３】電圧検出の場合に電力ハーベスタを実装するための回路図である。
【図４】電力ハーベスタ用の変圧器の側面図である。
【図５】組み立てられた変圧器の平面図である。
【図６】分解された変圧器の平面図である。
【図７】Ｕ字形部分及びＩ字形部分からなるときの分解された変圧器コアの斜視図である。
【図８】電力ハーベスタの例示的な実装形態に対する出力電力のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
送電網の性能の監視は、停電及び破局的故障の障害を低減するために、電力業界によってますます望まれている。送電網から集められたデータの処理及び通信には、そうしたデバイス１つにつき１０ワット程度の少量の電力が必要である。この電力量は、通電導体から誘導的に得られることが最も好都合である。
【０００７】
本発明の実施形態は、約５０〜１０００アンペア又は更に１０００アンペア超まで変化する可能性がある大きい範囲の１次導体電流にわたって変圧される、たとえば約１０ワットのある程度安定した２次電力を必要とする課題に対処する。電力ハーベスタ回路は、そうした大きい電流の範囲に対して比較的一定の電力送達を維持する。変圧は、低い線電流では効率的にするべきであり、線電流が高くなると次第に効率が低くなるべきである。更なる態様は、必要とされる不可欠な回路電力ができるだけ一定のままであるように、高い線電流では補助負荷への電力転換を含む。たとえばハーベスタ回路によって電力供給される構成要素に応じて、他の量の比較的安定した出力電力を発生させることができる。
【０００８】
図１は、電力ハーベスタのブロック図である。電力ハーベスタは、変圧器１２と、負荷２２に電力を供給する電力ハーベスタ回路２０とを含む。変圧器１２は、１次線導体１０のまわりに位置し、１次線導体１０に誘導結合される。変圧器１２は、第１のセクション１１及び第２のセクション１５からなるコアを含む。コアは、互いに直列に結合された第１のコイル１４及び第２のコイル１６を含む。コイル１４及び１６は、コアの一部のまわりに巻きつけられた、銅線などの絶縁された電気導体を用いて実装することができる。セクション１１及び１５は、第１の交互配置部分１８及び第２の交互配置部分１９において互いに接合される。電力ハーベスタ回路２０は、コイル１４及び１６に電気的に結合され、コイルから電流を受け、比較的一定の電力を負荷２２へ送達する。
【０００９】
図２及び図３は、電流検出及び電圧検出の２つの構成に電力ハーベスタ回路２０を実装するための回路図である。図２及び図３に示すように、回路２０は、ダイオードブリッジ２４として実装され、変圧器１２と並列に結合された整流器を含む。変圧器１２は、線電流Ｉｌｉｎｅを有する１次線導体１０に誘導結合される。デプレション型トランジスタ２６は、ダイオードブリッジ２４に結合され、ダイオードブリッジ２４から電流信号Ｉｄを受けるドレイン端子と、負荷２２に電力を供給するソース端子と、可変抵抗器（電位差計）Ｒｐに結合されたゲート端子とを有する。図２の電流検出構成では、トランジスタ２６のソース端子は検出抵抗器Ｒｓ及び負荷２２と直列に結合され、可変抵抗器Ｒｐは検出抵抗器Ｒｓと並列に結合される。図３の電圧検出構成では、トランジスタ２６のソース端子は負荷２２と直列に結合され、可変抵抗器Ｒｐは負荷２２と並列に結合される。電力ハーベスタ回路２０は、広範囲の線電流Ｉｌｉｎｅにわたって負荷２２への電力出力を制限することを可能にするために、変圧器コア（セクション１１及び１５）を飽和させるように構成される。また、電力ハーベスタのこの特定の構成によって、１次電流導体から電力を得るための比較的低コストの解決策を提供することができる。
【００１０】
トランジスタ２６は、デプレション型のＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いて簡単に実装することができる。始動時及び低い線電流Ｉｌｉｎｅにおいて、電力ハーベスタが常にある程度の電力を供給するように、デプレション型ＭＯＳＦＥＴは通常、典型的には０．１Ω未満のきわめて小さいドレイン−ソースチャネル抵抗と導通している。線電流Ｉｌｉｎｅが大きくなると、トランジスタ２６の対応するゲート−ソース電圧Ｖｇｓが高まることによって、ドレイン−ソースチャネル抵抗が高まり、負荷に送達される電力を制限する。この場合、検出抵抗器Ｒｓ＝１．５Ω、電位差計Ｒｐ＝１０ｋΩである。負荷は、ハーベスタ回路によって電力供給を受けることが可能な任意の構成要素とすることができる。負荷デバイスの例としては、スマートグリッド監視用のセンサが挙げられる。負荷は、負荷に対する電圧リップルを低減するために、たとえば５ｍＦの並列キャパシタを含むこともできる。たとえば過剰な高い線電流の障害事象の間、負荷電圧をクランプするために、負荷は、たとえば１５Ｖの高ワット数の並列ツェナーダイオードを更に含むことができる。
【００１１】
図１の斜視図に示すように、変圧器１２は、セクション１１及び１５の交互配置による改善されたコアを有する。特にこの交互配置により、互いに接合されたときのセクション１１と１５の間の空気間隙による、望ましくない磁気抵抗の増大が減じられる。長さｌ及びコアの相対透磁率μｒの磁束通路に空気間隙ｇが生成されるとき、磁気抵抗にＭが乗じられることを示すことができる。
【数１】
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【００１２】
たとえば、長さｌ＝０．５メートル、相対透磁率μｒ＝５０００の連続するコアに、ｇ＝５０μｍの小さい空気間隙が生成されるとき、磁気抵抗は２倍になる。磁気抵抗が増大すると、低い線電流における電力送達機能が低下する。以下に記載する交互配置は磁気抵抗を低下させ、低い線電流における電力送達機能を高める。
【００１３】
図４は、電力ハーベスタ用の変圧器１２の側面図である。図５及び図６はそれぞれ、組み立てられたとき及び分解されたときの変圧器１２の平面図である。セクション１１は、交互配置部分１８及び１９を介してセクション１５と結合される。図５及び図６に示すように、交互配置部分１８はセクション１１及び１５上のリーフパッケージを含む。特に、セクション１１上の突出部３０が、セクション１５上の突出部３１と交互配置される。交互配置部分１９は、交互配置部分１８と同じ又は同様の形で構成することができる。交互配置部分は、５〜７個のリーフパッケージを有することが好ましく、図４〜６に示す例は５個のリーフパッケージを有している。変圧器コアは、２つの交互配置部分を有する代わりに、１つの交互配置部分、及び平坦な境界面などの別の交互配置されない部分を有することもできる。交互配置部分１８及び１９は、矩形の突出部を有するように示されているが、テーパ状の突出部など他の構成を有することもできる。そうした交互配置では、コアに沿って延びる仮想の閉じた流線が、垂直なコア−間隙の境界面を横断しなくてよいことになる。その代わりに、流線は、リーフパック間の非垂直な境界面を横断して流れることができる。実質的な効果は、交互配置されない場合と比べて磁気抵抗が低くなることである。
【００１４】
図７は、Ｕ字形部分及びＩ字形部分からなるときの分解された変圧器コアの斜視図である。この例示的な実装形態は、突出部３０及び３１を提供するためにＵ字形部分を用い、Ｕ字形部分同士を間隔をおいて配置するためにＩ字形部分３２及び３３を用いており、その結果、突出部３０及び３１は、交互配置部分のためのリーフパケットを形成することができる。Ｕ字形部分及びＩ字形部分のそれぞれを、１枚のみの材料シート、又は積層された、若しくは一緒に保持された複数枚のシートから構成することができる。
【００１５】
セクション１１は、交互配置部分１８及び１９によってセクション１５から分離可能であり、たとえば変圧器１２を現場で１次線導体のまわりに組み立てることが可能になる。変圧器コアは、たとえば高透磁率の変圧器用鋼の積層シートを用いて実装することができる。変圧器１２は、Ｕ字形部分及びＩ字形部分を有するように示されているが、他の構成も可能である。１０Ｗ、１２Ｖの場合の変圧器の特定の一実施形態は、５０／５０／５の組み合わせを有するが、これは、５つの副積層物を伴う５０ターン及び５０シートの１４ミル厚の鋼を意味し、約８ｃｍ２の変圧器コアの断面積をもたらす。
【００１６】
電力ハーベスタの例示的な実装形態では、図８に示すように、特定の線電流に対して所望の電力レベルが得られるように、電位差計Ｒｐを調整した。送達された負荷電力が大きい線電流の範囲にわたって１０Ｗに近いことから、電力制限がはっきりと見られる。変圧器から直接届く総電力は、線電流の増加と共に常に増加するが、負荷電力では、高い線電流に対して若干の電力低下が見られる。この低下は、線電流が高くなると（５０／６０Ｈｚの）１サイクルの間にコアが飽和している時間の割合が増加するため、コアが線形に動作する時間が短くなることに起因する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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