JPS5920982B2 - 直流電流検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は可飽和リアクトルを用いた絶縁形の電流検出器
に係り、特に粒子加速器や超電導コイルの励磁電流の検
出に好適な高精度直流電流検出器に関する。

フ 従来の絶縁形の直流電流検出器としては、２個の可
飽和リアクトルを差動接続した構成のいわゆるクレーマ
型の直流変流器が広く普及しているが、出力にスリット
が生じる欠点があつた。

また、スリットを除去する直流変流器もいくつか考案さ
れ５ ているが、これも鉄心の励磁電流が出力に重畳さ
れるため精度の向上が困難であつた。本発明の目的はス
リットがなく、励磁電流の影’、響が極めて少なく、か
つ高応答で高精度の直流電流検出器を提供するにある。

本発明の特徴は、被検出電流が流れる導体に磁気的に結
合された少なくとも２つの可飽和リアクトルとこれらの
可飽和リアクトルにそれぞれ別々に巻回された出力巻線
とこの出力巻線に交流電圧を印加する交流電源を備え前
記出力巻線に流れる電流に応じた信号を出力するように
構成された第１及び第２回路と、これら第１及び第２回
路の出力信号の偏差に応じた電流を出力する比較回路と
、この比較回路の出力電流を流しその電流が前記第１及
び第２回路の可飽和リアクトルに対し前記被検出電流に
よる起磁力を相殺するような起磁力を発生するように前
記可飽和リアクトルに巻回された帰還巻線と、前記第１
及び第２回路の可飽和リアクトルに対し前記被検出電流
による起磁力と一方は同方向の他方は逆方向の起磁力を
生じさせるバイアス電流を流すように前記可飽和リアク
トルに巻回されたバイアス巻線を備え前記帰還巻線に流
れる電流をもつて電流検出値とする直流電流検出器にお
いて、前記第１及び第２回路はそれぞれ一対の可飽和リ
アクトルを備え、これら一対の可飽和リアクトルは互い
に異る位相で飽和、非飽和を繰返すとともに前記交流電
源の一周期内における飽和期間が非飽和期間より短かく
なるように構成され、かつ前記第１及び第２回路はそれ
ぞれその出力信号として前記一対の可飽和リアクトルの
出力巻線に流れる電流のうち最大値のものを選択する手
段を備えたことにより、スリツトがなく、励磁電流の影
響が極めて少なく、かつ高応答で高精度の直流電流検出
器を提供できるようにしたものである。

以下に具体的実施例により本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す電流検出器の回路図で
ある。

図で１１〜１４は可飽和リアクトルの鉄心、２１〜２４
は鉄心に内包される入力電流が流れる一次導体、３１〜
３４，４１〜４４及び５１〜５４はそれぞれ鉄心１１〜
１４に巻回された出力巻線、帰還巻線及びベイアス巻線
であり、それぞれの極性の関係は・印で図示してある。
交流電源６１，６２、負荷抵抗６３，６４、負電流阻止
ダイオード７１，７３及び７２，７４、負電流制限抵抗
８１，８３及び８２，８４並に最大電流優先回路を形成
するダイオード７５，７７及び７６，７８から構成され
る第１（第２）の制御回路は、後述のようにクレーマ型
変流器の欠点である直流出力電流にスリツトがない。直
流増幅器１００は第１及び第２の制御回路の出力電圧ｅ
ｌ及びＥ２の偏差ｅを増幅し、帰還巻線４１〜４４に通
電する。そして、この出力電流を高精度の抵抗１０１で
電圧に変換して出力とする。バイアス電流はチヨークコ
イル５５を介して通電し、出力巻線からバイアス巻線に
誘起される交流電圧の影響をなくしている。第１図の電
流検出器の動作を説明する前に、第２図〜第５図を用い
て可飽和リアリトルと第１（第２図）の制御回路からな
る出力にスリツトが生じない直流変流器について説明す
る。

第２図はこの直流変流器の片側部分に相当する回路図で
あり、各記号は第１図と同様のものを意味する。図で交
流電源６１が図示の極性の時はダイオード７１．出力巻
線３１．負荷抵抗６３、交流電源６１のループで電流が
流れる。まず、出力巻線の印加電圧すなわち交流電源電
圧から負荷抵抗の端子電圧を差引いた電圧が正の場合は
、第３図の鉄心１１の磁束一起磁力図に示すように、磁
束は負の飽和磁束（時点ｔ１ ）から増加を始める。そ
して、出力巻線の印加電圧極性が変わるＴ２の時点迄は
、次式のごとくの等アンペアターンの法則に基づく電流
が流れる。ここで、ＮＬは出力巻線３１の巻回数、Ｎｃ
は一次導体２１の巻回数（通常は貫通で１ターン）、１
０は鉄心の励磁電流である。

時点Ｔ２で出力巻線の印加電圧の極性が変わると、今度
は磁束は減少し始め次式のように励磁電流分だけ少ない
電流が流れる。そして、時点Ｔ３で鉄心が飽和すると、
交流電源電圧の極性が負であるため、バイパスダイオー
ド７５、出力巻線３１．負電流制限抵抗８Ｌ交流電源の
ループで、交流電源電圧と制限抵抗８１により定まる電
流が流れる。

この電流は変流器動作の電流ではないので負荷抵抗６３
に流れないようダイオード７５でバイパスしている。従
つて、負荷抵抗６３に流れる電流は第４図のごとくの変
流器動作による電流分となる。第２図の変流器だけでは
第４図に示すように交流電源の一周期にわたる出力が得
られない。そこで、第１図の第１の制御回路１及び第２
の制御回路２に示すように、交流電源及び負荷抵抗を共
有する形で二台の上記変流器を並列に接続して直流変流
器を構成する。この直流変流器は第５図に示すように、
第４図のごとき半周期以上変流器動作をし、かつ互に電
源位相と半周期ずれた出力を出す電流源１１及びＩ２を
用いた等価回路で説明できる。すなわち、先のダイオー
ド７５，７６は電流源１１，ｉ２の出力の大きい方を優
先して負荷抵抗６３に出力する最大値優先回路を構成し
ているため、ｉ１〉Ｉ２のときは負荷抵抗にはｉ１が流
れてＩＬ−１１となり、ダイオード７６にはＩ，とＩ２
の差分が流れる。１１くＩ２のときはＩＬ−１２となり
、ダイオード７５にＩ２とｉ１の差分が流れる。

以上のようにダイオード７５，７６，７７，７８は電源
半周期以上変流器電流を流す出力巻線３１，３２，３３
，３４の変流器電流の最大値を優先するように構成して
いるので第１図の各直流出力ｅ１及びＥ２にはスリツト
がない。このため後述のように精度及び応答が高い電流
検出器を得ることができる。次に第１図の全体の動作に
ついて第６図の動作図を用いて説明する。入力電流１ｃ
が零のときは第１の制御回路の出力電圧ｅ１及び第２の
制御回路の出力電圧Ｅ２はそれぞれバイアス巻線ＮＢと
バイアス電流１Ｂより定まるバイアス起磁力ＮＢｉＢ相
当の出力電圧Ｅ。で互いに等しく、偏差電圧ｅは零であ
る。従つて、直流増幅器１００の出力電流も零で高精度
抵抗の端子電圧すなわち電流検出器の出力電圧は零であ
る。ここで、第６図のごとく入力電流１ｃが流れると第
１の制御回路の出力電圧ｅ１は増加し、第２の制御回路
の出力電圧Ｅ２は減少して偏差電圧ｅが生じる。そこで
、直流増幅器はこれを増幅して帰還巻線（巻回数ＮＦ）
に電流１Ｆを流し、入力電流による起磁力Ｎｃｉｃを打
消すよう動作する。帰還巻線による起磁力ＮＦｉＦが少
ないと図のように各制御回路の出力電圧ｅ／，Ｅ２′
には偏差が生じているので直流増幅器は更に出力電流を
増やし、最終的に入力起磁力Ｎｃｉｃと帰還巻線の起磁
力ＮＦｉＦが等しく、すなわちＥｌ，ｅ２の出力電圧が
等しくなるよう動作する。従つて、直流増幅器の増幅度
と応答性が十分高ければ、ｅ１とＥ２の偏差は極めて小
さく、帰還巻線に流れる電流は次式のように単に入力電
流に比例したものとなる。従つて、この電流を高精度の
抵抗１旧で電圧に変換すれば、高精度の電流検出が可能
である。以上で、直流増幅器の増幅度と応答性が十分高
ければと述べたことと先に第１及び第２の制御回路は出
力電圧にスリツトがないこととは本電流検出器の精度及
び応答性に大きな関係がある。

すなわち、第１及び第２の制御回路の出力に仮にクレー
マ型変流器にみられるスリツトが存在すれば直流増幅器
はこれに応動して動作するため、帰還巻線に流れる電流
すなわち出力抵抗１０１に流れる電流はリツプルを含ん
だものとなり、また帰還巻線に流れるリツプル電流の影
響で第１及び第２の制御回路の出力は変動してこれが更
に直流増幅器を介して増幅して出力されるという多大な
悪影響が生じる。このため、直流増幅器の増幅度や応答
速度は低くとらざるを得なくなり、よつて電流検出器の
精度及び応答性は著しく悪化してしまう。従つて、本発
明の一実施例である第１図に示すように、第１及び第２
の制御回路は出力にスリツトが生じない直流変流器であ
ることが必要であり、このようにすることにより高精度
の電流検出が可能となる。第７図は以上の電流検出器で
更に性能を向上するための鉄心１１〜１４の組合せ方法
を示すものである。

第１図の実施例では１１〜１４の計４個の鉄心を使用し
ているが、いま４個の鉄心の励磁電流特性が第７図のご
とくであつたとする。すなわち、励磁電流は鉄心１が最
も大きく、２，３の順に小さくなり４が最も小さいとす
る。このとき、出力電圧Ｅ，とＥ２の差分が小さくなる
よう鉄心１１〜１４に鉄心１〜４を使用すれば誤差を小
さくできる。そこで第８図に示すように変流器動作期間
が同じリアクトルの鉄心に励磁電流が比較的近い鉄心を
使用する。第８図において、期間Ａは鉄心１，２を使用
したリアクトルが変流器動作をする期間、期間Ｂは鉄心
３，４を使用したリアクトルが変流器動作をする期間、
期間Ｃは交流電源の一周期に相当する期間である。すな
わち、例えば第１図の鉄心１１に鉄心１を、変流器動作
期間が同じ鉄心１３に鉄心２を、同様に鉄心１２に鉄心
３を、鉄心１４に鉄心４を使用する。この場合第１及び
第２の制御回路の出力電圧ｅ１及びＥ２は第８図のごと
くとなり、その偏差電圧ｅは鉄心の励磁電流のバラツキ
の影響が少なく、リツプル分を最も小さくできる。従つ
て、出力リツプルの少ない直流増幅器の出力電流が得ら
れる。ここで出力リツブルよりも励磁電流による平均値
誤差を少なくするには、鉄心１と２及び３と４を同一変
流器動作期間に使用するのは同じであるが、このうち一
方は、例えば鉄心３と４は先とは逆に鉄心３を鉄心１４
に、鉄心４を鉄心１２に使用するようにする。さすれば
この変流器動作期間の偏差電圧ｅは負となるので交流電
源一周期当りの平均値は相殺されて極めて小さくできる
。以上のように、２組の直流変流器に使用する複数の鉄
心（第１図では４個）を、同一変流器動作期間の鉄心同
志の励磁電流が比較的近くなるように鉄心を組合せれば
、出力電流のリツプル又は誤差を小さくできる効果があ
る。

この事は高精度直流電流検出器にとり極めて重要なこと
である。更に以上の電流検出器の精度を向上するうえで
２組の直流変流器の出力電流の差分の求め方が重要な問
題となる。第１図の実施例では抵抗６３及び６４により
一度電圧に置換してから差分を電圧ｅとして求めている
が、この場合は、鉄心の励磁電流特性の相違と同様に、
抵抗６３と６４のアンバランスの影響がでてくる。第９
図に示す実施例はこのような問題点を解決するものであ
り、その特徴は第１の制御回路と第２の制御回路の直流
出力回路を両者の差電流が流れるように構成し、そこに
抵抗゛を挿入してその端子電圧により偏差を求めるよう
にしたことにある。すなわち、第９図で第１の制御回路
１の直流電流出力回路と第２の制御回路２の直流電流出
力回路とを抵抗６５を介して差動接続することにより、
抵抗６５には直流電流１Ｌ１とＩＬ２の差電流が流れる
ので、この端子電圧を直流増幅器の入力信号とすれば先
のように別々の抵抗素子を使用していないので抵抗値差
や温度係数差など差分を求めるときの誤差が生じないの
で電流検出器の精度を向上できる効果がある。なお、第
１図及び第９図で一次導体との極性に留意すれば、出力
巻線が巻回された鉄心１１〜１４へのバイアス巻線及び
帰還巻線の巻方は、バイアス巻線５１，５２は鉄心１１
，１２に共通に１組巻き、バイアス巻線５３，５４は鉄
心１３，１４に共通に１組巻き、帰還巻線４１〜４４は
鉄心１１〜１４に共通に１組巻けば良いことは当然のこ
とである。通常磁気増幅器などでコイルの巻工数を減ら
すために極性が同じコイルは鉄心を重ね合せてから巻回
している。なお、上述の説明では第１及び第２の制御回
路は第１図及び第９図に示すもののみ示したが、これは
直流出力電流にスリツトがない他の電流検出器を使用し
て同様の効果があることは言うまでもない。

本発明によれば出力電流にスリツトがなく、励磁電流の
影響が極めて少なく、かつ高応答で高精度の直流電流検
出器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す回路図、第２図〜第５
図は本発明の構成要素である直流変流器の説明図、第６
図は本発明の基本動作を説明する特性図、第７図は本発
明の構成要素である鉄心の組合せ方を説明する図、第８
図は本発明になる電流検出器の動作波形図、第９図は本
発明になる電流検出器の他の実施例を示す回路図である
。 １１〜１４・・・・・・鉄心、２１〜２４・・・・・・
一次導体、３１〜３４・・・・・・出力巻線、４１〜４
４・・・・・・帰還巻線、５１〜５４・・・・・・バイ
アス巻線、１，２・・・・・・第１及び第２の制御回路
、６１，６２・・・・・・交流電源、１００・・・・・
・直流増幅回路、１０１・・・・・・高精度抵抗、６５
・・・・・・差電流検出抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被検出電流が流れる導体に磁気的に結合された少な
   くとも２つの可飽和リアクトルとこれらの可飽和リアク
   トルにそれぞれ別別に巻回された出力巻線とこの出力巻
   線に交流電圧を印加する交流電源を備え前記出力巻線に
   流れる電流に応じた信号を出力するように構成された第
   １及び第２回路と、これら第１及び第２回路の出力信号
   の偏差に応じた電流を出力する比較回路と、この比較回
   路の出力電流を流しその電流が前記第１及び第２回路の
   可飽和リアクトルに対し前記被検出電流による起磁力を
   相殺するような起磁力を発生するように前記可飽和リア
   クトルに巻回された帰還巻線と、前記第１及び第２回路
   の可飽和リアクトルに対し前記被検出電流による起磁力
   と一方は同方向の他方は逆方向の起磁力を生じさせるバ
   イアス電流を流すように前記可飽和リアクトルに巻回さ
   れたバイアス巻線を備え前記帰還巻線に流れる電流をも
   つて電流検出値とする直流電流検出器において、前記第
   １及び第２回路はそれぞれ一対の可飽和リアクトルを備
   え、これら一対の可飽和リアクトルは互いに異る位相で
   飽和、非飽和を繰返すとともに前記交流電源の一周期内
   における飽和期間が非飽和期間より短かくなるように構
   成され、かつ前記第１及び第２回路はそれぞれの出力信
   号として前記一対の可飽和リアクトルの出力巻線に流れ
   る電流のうち最大値のものを選択する手段を備えたこと
   を特徴とする直流電流検出器。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の直流電流検出器におい
   て、前記比較回路は、前記第１及び第２回路の出力信号
   の偏差を電流突合せ回路により求め、この偏差に応じた
   信号を増幅した電流を出力することを特徴とする直流電
   流検出器。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の直流電流検出器におい
   て、前記可飽和リアクトルとして前記第１及び第２回路
   間でほぼ同時期に非飽和期間となるもの同志に励磁電流
   特性のより近いものを用いることを特徴とする直流電流
   検出器。