JPH04204163A - 絶縁形交流電圧変換回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は絶縁形の交流電圧変換回路に関するものであ
る。

〔従　来　例〕

交流電路の電圧や電力を測定する電圧計あるいは電力計
等においては、例えば電圧変成器又は電流変成器を備え
たセンサ部を介して電路と装置間の絶縁を図るとともに
、電路から所望の電圧、電流を装置側に取り込んで測定
するようにしている。

ところで、近年はインバータをはじめとする半導体電力
変換機器を利用した電源設備の普及に伴い、電源周波数
は必ずしも５０又は６〇七の基準周波数とは限らず、電
路によってはそれより高い場合や低い場合がある。した
がってセンサ部の周波数特性は広い範囲にわたって皐坦
であることが望まれる。

しかしながら、上記変成器はコアの材質やコイルの巻数
等によって差はあるが、一般に基準周波数より低い領域
では１次側の入力に対する２次側の出力が低下し、平坦
な特性は得にくいという欠点がある。

第３図には上記の欠点を小さくしたセンサ部の一例が示
されているが、例えば入力電圧ＥＬを電子回路レベルの
電圧に調整するアッテネータ１１、入力増幅器１２、変
成器１３、変成器１３の１次側コイルに流れる電流を設
定する抵抗Ｒ１変成器２次側の共振防止用ダンピング抵
抗Ｒ′、及び出力増幅器１４にて構成されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記第３図の例によると周波数の高い領域における共振
現象などは抑止することが可能であるが、変成器の動作
原理上周波数の低い領域では出力低下゛のため下限の動
作周波数が制約される。特に可変速インバータなどの運
転により例えば電路周波数を数七ぐらいまで下げるよう
な場合には、電圧信号の良好な伝達が困難であった。

また、変成器の前後に増ＩＩｌ器等を形成するため電路
側の増幅器については独立した高耐圧の絶縁電源を用意
する必要があり、構造が複雑化して好ましくない、なお
、電路側の増幅器にオフセット等の直流成分が発生する
とコアの磁気飽和が起こりやすく、上記同様に良好な信
号伝達が行なわれなくなる。

この発明は上記の事情を考慮してなされたもので、その
目的は、交流ゼロフラックス法にて動作する電流変成器
に入力電圧を加え、磁気回路における低周波数領域の出
力低下や非直線ひずみ等の影響を受けない出力電圧を得
るようにした広帯域の！縁形交流電圧変換回路を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

第１図にはこの発明の実施例における要部回路が示され
ている。同図を参照すると、上記課題を解決するため下
記イないし二の手段を備えている。

イ０例えばトロイダル形の磁気コア１と、同コアに相互
に絶縁して巻かれた入力コイル２．帰還コイル３、及び
検出コイル４からなる交流電圧変成器。

口、被変換交流電圧ＥＬを上記入力コイル２に加えたと
き、その電圧レベルに比例した電流ＸＬが流れるように
例えば同コイル２へ直列的に接続された入力抵抗ＲＬ。

ハ５例えば上記帰還コイル３の一端を増幅器５の出力側
に接続し、他端は基準抵抗Ｒ，を介して共通配線側に接
続し同帰還コイルと増幅器の内部出力インピーダンスと
基準抵抗とからなる閉回路を形成するとともに、上記電
流１１によりコア１内に磁束が流れて帰還コイル３に誘
導起電力が発生したとき上記コア内の磁束を打ち消すよ
うに増幅器５の出力側から上記帰還コイル３を含む上記
閉回路へ電流を送出する電流負帰還回路。

二６例えば上記ハの手段にて打ち消しきれながった残存
磁束がコア内に流れた場合、それによって上記検出コイ
ル４に発生する誘導起電力を上記増幅器５にに加えて電
流に変換増幅し、その増幅電流を上記電流負帰還回路へ
送出させて上記残存磁束を打ち消すための上記検出コイ
ルから上記増幅器に至る電圧入力路。

（作　　　用〕 例えば被変換交流入力電圧ＥＬの周波数が基準周波数（
５０〜６０＆　）程度、もしくはそれより高い場合には
上記ハに示す電流負帰還回路が作動し、交流ゼロフラッ
クス法により磁気回路の非直線性などに影響されること
なく、基準抵抗Ｒ６の両端間には入力電圧Ｅｔ、に対し
て所定の対応関係を有する変換電圧Ｅ、が現れる。

また、入力電圧ＥＬの周波数が例えば基準周波数より低
い場合には検品コイルに発生しした誘導起電力が上記二
に示す電圧入力路を介して増幅器に加わり、その変換電
流が上記ハの負帰還回路に流れる電流に加算されるので
コア内の残留磁束が打ち消され、いずれにしても所定の
対応関係を有する変換電圧Ｅ０が得られる。

〔実　施　例〕

上記第１図において、磁気コア１に巻かれた１次側の入
力コイル２に被変換交流電圧ＥＬを加えると、同コイル
２には抵抗Ｒ５の値によって決まる電流工□が流れる。

すなわち、 Ｉ□＝ＥＬ／ＲＬ　　　　　・・・・・・・・・（１）
である、ここで、コイル２のインピーダンスは２次側の
帰還コイル３からの負帰還効果により抵抗ＲＬの値より
十分小さいものとする。

上記コイル２には流れる電流にそのターン数Ｎ１を乗じ
た起磁力（ＥＬ／ＲＬ）Ｎ、が発生し、磁気コア１内に
は上記起磁力を同コアの磁気抵抗民で除した磁束Φが流
れる。すなわち、 Φ＝　（Ｅ　ｔ　／　Ｒｔ　）　Ｎ　ｚ　／凡この磁束
により帰還コイル３には誘導起電力が発生する。この誘
導起電力が増幅器５の出力側に加わると同増幅器５は、
上記帰還コイル３と基準抵抗Ｒ０及び増幅器５の出力イ
ンピーダンスによって形成される負帰還回路へ上記１次
側の電流工、にて発生する磁気コア内の磁束Φを打ち消
すような電流を流す。ここで、帰還コイル３のインピー
ダンスと増幅器５の出力インピーダンスが基準抵抗Ｒ８
に比べて十分小さいものとすると、上記磁気コア１と入
力コイル２及び帰還コイル３からなる変成器は電流変成
器（変流器）として動作することになる。

この場合、基準周波数もしくはそれより高い周波数領域
では変流器そのものの負帰還作用により理想変流器に近
い動作を行ない、その変流比は上記コイル２と３の巻数
比の逆数となる。すなわち、帰還コイル３のターン数を
Ｎ２、磁気コア内の磁束Φを打ち消す２次側の負帰還回
路に流れる電流を工２とすると、 １□／　Ｉ　！　＝Ｎ　ｚ　／　Ｎ　ｚ　　　　　　・
・・・・・・・・（２）また、上記電流工２によって基
準抵抗Ｒ０に発生する電圧をＥｏとすると、 ＥＯ”ｌ２ＲＯ よって、入力端子ＥＬと上記電圧Ｅ０との比は式％式％ 上式に式（２）を代入すると Ｅｃ／Ｅ、＝Ｎ、ＲＬ／Ｎ、Ｒ。

これより Ｅ　ａ　＝（Ｎ　１Ｒｏ　／　Ｎ　ｚ　ＲＬ　）　Ｅ　
Ｌ　　　・・・・・・・・・（３）が得られ、被変換入
力端子ＥＬと変流器２次側の変換電圧Ｅ０との間には一
定の比例関係があることがわかる。なお、この場合磁気
コア内の磁束Φはほとんど打ち消されることから、検出
コイル４には誘導起電力は発生しない。

入力電圧Ｅｌの周波数が基準周波数より低くなると、変
流器としての動作原理上帰還コイル３に発生する誘導起
電力が小さくなる。したがって、負帰還回路への帰還量
が十分でなくなった場合には磁気コア内に打ち消しきれ
なかった磁束が流れ、この残存磁束により検出コイル４
には誘導起電力が発生する。この場合、増幅器５は入力
インピーダンスが極めて高いのでこの誘導起電力を電圧
として受け、電流に変換、増幅して上記負帰還回路に送
出し残存磁束を打ち消すようになっている。

なおこの実施例においては、検出コイル４から増幅器５
に至る電圧入力路は図示のように検出コイルの一端が上
記増幅器５の入力側に接続され、他端は共通配線側に接
続されているが、例えば上記増幅器を差動増幅器で構成
するような場合には、検出コイルの両端をそれぞれ差動
増幅器の一方と他方の入力端に接続する。

第２図には、上記第１図における各部の動作関係式をラ
プラス変換し、それぞれ伝達関数の形で表したブロック
線図が示されている。

同第２図において、点線枠で囲んだ（Ａ）の部分は入力
電圧ＥＬの周波数が例えば基準周波数以上であって、変
流器に十分な帰還作用がある場合の帰還系であり、同図
（Ｂ）の部分は入力電圧ＥＬの周波数が基準周波数より
低くなって変流器の帰還作用が不十分となり、それに起
因するコア内の残存磁束を打ち消す場合の帰還系である
。

ここで、Ｔは上記負帰還回路の時定数であって、帰還コ
イル３のインダクタンスをＬとするとＴ＝Ｌ／Ｒ，であ
る。また、Ａは増幅器５の利得、Ｎ。

は検出コイル４のターン数とする。

同第２図を併せて参照しながら帰還作用を説明すると、
まず（Ａ）とその入、出力部において入力電圧ＥＬに対
する出力電圧Ｅ。は、 ここで、−巡伝達関数の利得が十分大きいとすると、 であるから、式（４）は １　＋ｓＴ ＝鼾鼾Ｅ、　　　　　・・・明・・（５）となり、上記
式（３）と同一の結果が得られる。

次に、（Ｂ）とその人、出力部においては、ここで、上
記と同様に一巡伝達関数の利得が十分大きいとすると、 であるから、式（６）は となり、上記（Ａ）の場合と同一結果を得る。

すなわち、入力電圧ＥＬの周波数が基準周波数を含む比
較的高い周波数領域では変成器を含む帰還回路がそれ自
体の帰還作用により動作し、上記より低い周波数領域で
は検出コイルと増幅器の動作が上記帰還回路の動作に加
わるようになっている。そしていずれの場合においても
一巡伝達関数の利得が十分あれば変成器内ではゼロフラ
ックスの状態が実現し、被変換入力電圧ＥＬに対して入
力コイルと帰還コイルのターン数、及び人力抵抗と基準
抵抗の値に関連した一定の比例関係を有する変換電圧Ｅ
０が得られる。

〔効　　　果〕

以上、詳細に説明したようにこの発明に係る交流電圧変
換回路は、被変換交流入力電圧ＥＬの周波数が例えば５
０〜６０七の基準周波数、もしくはそれより高い周波数
領域にある場合には変成器と増幅器の出力インピーダン
ス及び基準抵抗からなる負帰還回路が作動し、入力電圧
ＥＬの周波数が基準周波数より低い場合には検出コイル
と増幅器及び上記負帰還回路が作動し、いずれの場合で
もその帰還作用によりゼロフラックスの状態で上記入力
電圧ＥＬに対し一定の比例関係を有する変換電圧Ｅ６が
得られるようになっている。

したがってこの発明によれば、特に入力電圧の周波数が
基準周波数より低い領域などで変換電圧のレベルが低下
するような不具合が無くなり、広い周波数帯域にわたっ
て入力電圧を良好に伝達可能な絶縁形の交流電圧変換回
路を実現することができる。

なお、高耐圧の別電源などを必要としないので構成が簡
素であり、装置の小形化に好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す要部回路図、第２図は
負帰還作用説明用の特性ブロック線図、第３図は従来装
置の構成例を示すブロック線図である。 図中、１は磁気コア、２は入力コイル、３は帰還コイル
、４は検出コイル、５は増幅器、ＥＬは被変換電圧、Ｅ
ｏは変換電圧、工、は入力コイルに流れる電流、ＲＬは
入力抵抗、Ｒｏは基準抵抗である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁気コアと同コアにそれぞれ絶縁して巻かれた１
   次側コイル及び２次側コイルからなる変成器の上記１次
   側コイルに被変換電圧を加え、同コイルに流れる電流に
   てコア内に誘起する磁束により上記２次側コイルに発生
   する誘導起電力から上記被変換電圧のレベルに比例した
   変換電圧を得る絶縁形の交流電圧変換回路において、 上記１次側コイルは同コイルに流れる電流を制限するた
   めの直列抵抗を有し、上記２次側コイルは帰還コイル及
   び検出コイルと、同帰還コイル及び検出コイルに接続さ
   れた増幅器とを備え、上記帰還コイルは、その一端を上
   記増幅器の出力側に接続し他端は基準抵抗を介して共通
   配線側に接続するとともに、上記帰還コイルに発生する
   誘導起電力に基づいて上記コア内の磁束を打ち消すよう
   に上記増幅器の内部出力インピーダンスと上記帰還コイ
   ルと上記基準抵抗とを一巡する閉回路へ上記増幅器の出
   力側から帰還電流を流すための負帰還回路を形成し、 上記検出コイルは、一端を上記増幅器の入力側に接続し
   他端を上記共通配線側に接続するとともに、上記検出コ
   イルに発生する誘導起電力を上記増幅器に加えて電流に
   変換し、該変換電流を上記負帰還回路へ送出させて上記
   コア内の残族磁束を打ち消すように上記増幅器への電圧
   入力路を形成し、 上記負帰還回路に流れる電流にて上記基準抵抗に発生す
   る電圧を変換電圧として取り出すことを特徴とする絶縁
   形交流電圧変換回路。