特許 6499650 ＤＣ回路におけるＡＣ成分を検出するための装置およびその装置の使用

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6499650

(24)【登録日】2019年3月22日

(45)【発行日】2019年4月10日

(54)【発明の名称】ＤＣ回路におけるＡＣ成分を検出するための装置およびその装置の使用

(51)【国際特許分類】

   G01R 19/00 20060101AFI20190401BHJP

   H04B 3/54 20060101ALI20190401BHJP

【ＦＩ】

   G01R19/00 K

   H04B3/54

【請求項の数】11

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-530437(P2016-530437)

(86)(22)【出願日】2014年7月23日

(65)【公表番号】特表2016-525692(P2016-525692A)

(43)【公表日】2016年8月25日

(86)【国際出願番号】EP2014065787

(87)【国際公開番号】WO2015014683

(87)【国際公開日】20150205

【審査請求日】2017年6月29日

(31)【優先権主張番号】102013108166.5

(32)【優先日】2013年7月30日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】515078095

【氏名又は名称】エスエムエイ ソーラー テクノロジー アクティエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＳＭＡ Ｓｏｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】110001302

【氏名又は名称】特許業務法人北青山インターナショナル

(72)【発明者】

【氏名】ベーレンツ，ホルガー

(72)【発明者】

【氏名】クラトホフィル，マルセル

(72)【発明者】

【氏名】オルビタ，ガリー

【審査官】 小野寺 麻美子

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１４１６４４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 西独国特許出願公開第０２４３０２９４（ＤＥ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３１３７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２１９７５４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ １９／００ − Ｇ０１Ｒ １９／３２

Ｈ０４Ｂ １／７６ − Ｈ０４Ｂ ３／４４

Ｈ０４Ｂ ３／５０ − Ｈ０４Ｂ ３／６０

Ｈ０４Ｂ ７／００５ − Ｈ０４Ｂ ７／０１５

Ｈ０１Ｆ １７／００ − Ｈ０１Ｆ ２１／１２

Ｈ０１Ｆ ３８／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電流回路（１）に流れる電流ｉ_ＡＣＤＣの交流電流成分ｉ_ＡＣを検出するための装置であって、
− 前記直流電流回路（１）に配置されたインダクタ（９）と、
− 前記インダクタ（９）と電気的に並列に配置されたＡＣ経路（３）であって、キャパシタ（４）および変圧器（６）の一次巻線（５’）から構成される直列回路を備えるＡＣ経路（３）と、
− 電圧計測装置（７）と、
を備える装置において、
前記変圧器（６）の二次巻線（５”）が、低域通過フィルタ回路（８）を介して前記電圧計測装置（７）に接続されており、
前記低域通過フィルタ回路（８）は、既定された周波数範囲（２４）における前記低域通過フィルタ回路（８）の伝達関数（２１）が、前記既定された周波数範囲（２４）において、前記インダクタ（９）および前記キャパシタ（４）を備える高域通過フィルタ（１５）の伝達関数（２０）のプロファイルに相補的であるプロファイルを有するように、設計され、その結果、前記既定された周波数範囲（２４）における前記装置の総伝達関数（２２）のプロファイルが、前記高域通過フィルタ（１５）の前記伝達関数（２０）に対して少なくとも５分の１に低減する変化を有することを特徴とする装置。

【請求項2】

請求項１に記載の装置において、キャパシタ（１２）が、前記インダクタ（９）と電気的に並列に配置され、その結果、前記インダクタ（９）および前記キャパシタ（１２）から構成される並列回路が、帯域阻止フィルタ（１４）を形成することを特徴とする装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の装置において、前記変圧器（６）が、好適に前記二次巻線（５”）と電気的に並列に配置される終端抵抗器を備えることを特徴とする装置。

【請求項4】

請求項３に記載の装置において、インダクタ（９）または帯域阻止フィルタ（１４）と、キャパシタ（４）と、から構成される前記高域通過フィルタ（１５）の遮断周波数（２３）がそれぞれ、前記既定された周波数範囲（２４）を超えているとともに、前記遮断周波数（２３）と、前記既定された周波数範囲（２４）の下限との間に、少なくとも５倍の開きがあることを特徴とする装置。

【請求項5】

請求項１乃至４の何れか１項に記載の装置において、前記低域通過フィルタ回路（８）が、能動的な低域通過フィルタであることを特徴とする装置。

【請求項6】

請求項５に記載の装置において、前記低域通過フィルタ回路（８）が、積分回路（３０、４３）であり、かつ、演算増幅器（３１）を備えることを特徴とする装置。

【請求項7】

請求項４に記載の装置において、キャパシタ（４１）が、前記変圧器（６）の前記二次巻線（５”）と並列に配置され、前記変圧器（６）の前記二次巻線（５”）の漏れインダクタンスとともに共振回路（４２）を形成するとともに、前記共振回路（４２）の共振周波数が、前記高域通過フィルタ（１５）の前記遮断周波数（２３）と、前記既定された周波数範囲（２４）の前記下限との間にあることを特徴とする装置。

【請求項8】

請求項５に記載の装置において、前記低域通過フィルタ回路（８）が、二次積分回路（３０）であり、かつ、演算増幅器（３１）の直列接続を備えることを特徴とする装置。

【請求項9】

請求項１乃至８の何れか１項に記載の装置において、前記直流電流回路（１）のアーク検出用の、および／または電力線通信信号受信用の前記電圧計測装置（７）を用いることによって検出される前記交流電流成分ｉ_ＡＣを評価するように構成された評価装置（１１）を備えることを特徴とする装置。

【請求項10】

請求項９に記載の装置において、前記評価装置（１１）が、第１の既定された周波数範囲（２４）では、前記直流電流回路（１）のアーク検出用の前記電圧計測装置（７）を用い、前記第１の周波数範囲（２４）とは異なる第２の周波数範囲では、電力線通信信号の受信用の前記電圧計測装置（７）を用いることによって検出される前記交流電流成分ｉ_ＡＣを、評価するように構成されることを特徴とする装置。

【請求項11】

請求項１０に記載の装置において、前記電力線通信信号の中心周波数が、前記第１の既定された周波数範囲（２４）を超えるとともに、前記電力線通信信号の前記中心周波数が、前記キャパシタ（４）および前記変圧器（６）の一次巻線（５’）から構成される帯域通過フィルタ（１３）、および／または前記インダクタ（９）および当該インダクタ（９）と電気的に並列に配置されたキャパシタ（１２）から構成される帯域阻止フィルタ（１４）の共振周波数に好適に対応することを特徴とする装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直流電流回路（ＤＣ回路）に流れる電流の交流電流成分（ＡＣ成分）を検出するための装置に関し、特に、高いＤＣ電流強度を有する直流電流（ＤＣ）を輸送するために設けられた電気回路のアーク信号および／または通信信号を検出するための装置に関する。さらに、本発明は、光起電力システム内でのその装置の使用に関する。

【背景技術】

【0002】

ＤＣ回路におけるＡＣ成分を検出するための従来の電流センサは、ＡＣ成分によって生成された、時間につれ変動する磁界を介して誘導成分中に誘導されたＡＣ電圧を検出する原理に基づいて動作し、誘導されたＡＣ電圧は、計測されるべきＡＣ成分に対応し、特に、計測されるべきＡＣ成分に比例する。いわゆる電流コンバータは、特に、誘導成分として使用され、磁心材料を有するコイルから構成され、コンパクトな設計および少ない巻数でありながら同時に高いインダクタンス値を実現する。

【0003】

特に、光起電力システムのＤＣ回路では、およそ数アンペアから数十アンペアまでの強度のＤＣ電流が、頻繁に生じる。同時に、例えば、数ｋＨｚから数百ｋＨｚまでの周波数範囲においてＤＣ回路で検出されるべきアークによって生成されるＡＣ成分の振幅は、わずか数ミリアンペアである。

【0004】

磁心材料を有する電流センサを使用する場合、特にＤＣ電流の強度がこのように高い場合には、磁心材料の飽和を回避しなければならない。この目的のために、透磁性の低い磁心材料を使用するか、または、磁心の体積を大きくする。しかしながら、透磁性が低くなると、センサの感度および直線性に対して悪影響が生じ、それは特に、広い周波数範囲にわたって極めて少量のＡＣ電流を計測する場合に顕著になる。磁心の体積を大きくすると、今度は、サイズ面において、したがってコスト面において悪影響が生じる。

【0005】

あるいは、磁心のない空気コイルとして構成され、かつ、ＡＣ成分がそこで計測されることになる導体に対してトロイダル状に配置されている電流センサが公知である。磁心材料がないので、それらは飽和効果がなく、したがって高いＤＣ電流のＡＣ成分の計測に適している。そのようないわゆるロゴスキーセンサ（Ｒｏｇｏｗｓｋｉ ｓｅｎｓｏｒｓ）は、振幅の大きなＡＣ成分の計測、または高周波での少量のＡＣ成分の計測には特に適している。しかしながら、それらは、低周波での少量のＡＣ成分の計測に、いくぶんか適しているにすぎない。

【0006】

誘導電流センサの感度は、周波数依存性である。そのため、計測されるべきＡＣ成分の周波数が低いほど、供給されるインダクタンスが大きくなければならない。磁心材料の透磁性を増大させることによって、または巻数を増やすことによって、インダクタンスを増大させると、サイズおよびコストが大きくなってしまう。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の目的は、既定された周波数範囲において直流電流回路（ＤＣ回路）に流れる電流の交流電流成分（ＡＣ成分）を高感度で、かつ、正確に検出することを可能にする装置でありながら、その一方で経済的に製造することが可能である装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本目的は、ＤＣ回路に配置されたインダクタを含む直流電流回路（ＤＣ回路）に流れる電流の交流電流成分（ＡＣ成分）を検出するための装置であって、ＡＣ経路がインダクタと電気的に並列に配置され、かつ、キャパシタおよび変圧器の一次巻線から構成される直列回路を備える装置によって達成される。さらに、本装置は、電圧計測装置を備える。本装置は、低域通過フィルタ回路を特徴とし、変圧器の二次巻線が、低域通過フィルタ回路を介して電圧計測装置に接続されている。すなわち、変圧器の二次巻線は、入力部に接続され、電圧計測装置は、低域通過フィルタ回路の出力部に接続されている。

【0009】

本装置は、したがって電気的には、２つの経路、すなわちＡＣ経路およびＤＣ経路から構成され、２つの経路は、ＤＣ回路に流れる電流を、ＡＣ成分およびＤＣ成分に分離し、低域通過フィルタ回路によってＡＣ成分の下流側の線形化を行う。ＤＣ経路は、ＤＣ成分に対しては導電性であるインダクタであるが、ＡＣ成分に対しては周波数依存性である抵抗器を構成するとともに、周波数に相応してＡＣ成分を妨害するインダクタを備える。なぜなら、ＤＣ経路のインピーダンスは周波数が増大するにつれて直線的に増大するからである。他方では、ＡＣ経路は、キャパシタがＡＣ経路に配置されていることにより、ＤＣ成分に対して遮断される。その結果、電流のＡＣ成分は、ＡＣ経路を介して好適に経路設定される。

【0010】

この回路の利点は、ＡＣ経路に配置される構成部品を、ＤＣ経路に流れる高いＤＣ電流用に設計する必要がないということである。したがって、特に、変圧器の設計の際に飽和効果を考慮する必要がなく、ＡＣ経路の構成部品は、小さい電流搬送容量を示す必要があるにすぎない。ＤＣ経路内の、あるＤＣ電流の強度、例えば、数十アンペアのＤＣ電流の強度では、変圧器を本発明によるＡＣ経路で使用することが可能であり、これは、従来のやり方で変圧器をＤＣ経路に配置する場合よりも数桁小さい。ＤＣ経路に配置されたコイルだけは、生じるＤＣ電流強度で飽和しないように設計しなければならない。

【0011】

１つの特定の実施形態では、ＤＣ経路のインダクタおよびＡＣ経路のキャパシタによって形成された高域通過フィルタが、検出されるべきＡＣ成分の周波数を超える遮断周波数を有する。一見したところ、この設計は、遮断周波数未満の高域通過フィルタの伝達特性が、周波数が増大するにつれて増大するプロファイル、すなわち非線形プロファイルを有するので、検出されるべきＡＣ成分の検出には不利である。しかしながら、一方では、結果として、より大きな遮断周波数を選択するほど、使用可能なインダクタおよびキャパシタが、小さくなるという利点が生じる。

【0012】

他方では、変圧器の二次巻線に接続された低域通過フィルタ回路は、伝達特性の線形化を達成する。この目的のために、低域通過フィルタ回路は、既定された周波数範囲であって、その範囲内に検出されるべきＡＣ成分が存在する周波数範囲における低域通過フィルタ回路の伝達関数が、既定された周波数範囲における高域通過フィルタの伝達関数のプロファイルに対して相補的であるプロファイルを有するように設計されている。具体的には、これは、既定された周波数範囲における低域通過フィルタ回路の伝達関数が、既定された周波数範囲における高域通過フィルタの伝達関数の傾きに類似するが、逆符号である傾きを有することを意味する。全体として、本装置は、既定された周波数範囲において、このようにほぼ一定の総伝達関数を有しているが、少なくとも、総伝達関数は、高域通過フィルタの伝達関数に対して低減する変化を有する。すなわち傾き、および／または伝達係数の変動範囲が低減する。具体的には、実施された適用事例では、既定された周波数範囲における総伝達関数のプロファイルが、高域通過フィルタの伝達関数に対して少なくとも５分の１に低減する変化を有することができる。

【0013】

このようにすることで、既定された周波数範囲は、検出されるべきＡＣ成分を備え、かつ、ＤＣ経路のインダクタおよびＡＣ経路のキャパシタによって構成される高域通過フィルタの遮断周波数未満にある。遮断周波数（例えば、数百キロヘルツ）と、検出されるべきＡＣ成分の既定された周波数範囲の下限（例えば、数十キロヘルツ）との間に、２よりも大きい係数が存在する場合には、インダクタの小型化により得られる利点は、その後で低域通過フィルタ回路を介して線形化するために構成部品がさらに複雑になった結果生じる難点よりも重要性が高い。高域通過フィルタの遮断周波数は、既定された周波数範囲の下限の少なくとも５倍を超えることが好ましく、１０倍を超えること、したがって、検出されるべきＡＣ成分の既定された周波数範囲を超えることが特に好ましい。

【0014】

本発明の一実施形態では、変圧器が、変圧器の二次巻線と電気的に並列に、好適に配置される終端抵抗器を含む。終端抵抗器は、特に高域通過フィルタの遮断周波数の範囲において、単調増加するプロファイルを有する伝達関数が生じるように、高域通過フィルタの遮断周波数での、その伝達関数の共振昇圧が減衰されるか、または横ばいになるように設計可能であることが好ましい。あるいは、前述の特定の実施形態と比較して、終端抵抗器を増やすことにより、変圧器の一次巻線が、一次巻線と直列に接続されたキャパシタとともに、高域通過フィルタの遮断周波数を下回る顕著な共振最大値を有する帯域通過フィルタを形成してもよい。

【0015】

本発明のさらなる実施形態では、ＤＣ経路が、インダクタおよびキャパシタから構成される並列回路から構成される帯域阻止フィルタを備えることにより、ＤＣ経路のインピーダンスが、もはや周波数が増大するにつれて直線的に増大しないだけでなく、インダクタおよびキャパシタの設計によって決まる帯域阻止フィルタの共振周波数の周波数範囲において、非常に高くなる。その後、検出されるべきＡＣ成分は、特にこの周波数範囲においては、大部分がもっぱらＡＣ経路上に、経路設定される。好適な実施形態では、変圧器の終端抵抗器およびＡＣ経路のキャパシタは、変圧器の一次巻線が、一次巻線と直列に接続されたキャパシタとともに、共振周波数が、帯域阻止フィルタの共振周波数と同じ周波数範囲にある帯域通過フィルタを構成するように設計されている。言いかえれば、ＡＣ経路の最小インピーダンスが、ＤＣ経路の最大インピーダンスと好適に一致する。その結果、最適の帯域通過挙動が得られる。特に、帯域通過フィルタおよび／または帯域阻止フィルタの共振周波数未満の周波数範囲は、その後、変圧器の二次巻線に接続された低域通過フィルタ回路を介して線形化される。加えて、帯域通過フィルタおよび／または帯域阻止フィルタの共振周波数での伝達関数の共振昇圧を、追加の、特に狭帯域の、電力線通信信号といったようなＡＣ成分を最適に検出するために用いてもよい。

【0016】

低域通過フィルタ回路を、従来の受動的な低域通過フィルタとして、あるいはもう１つの選択肢として能動的な低域通過フィルタとして、特に、１段反転型もしくは２段反転型の、または非反転型の積分器として設計してもよい。増幅によって、能動的な低域通過フィルタを使用する場合には、検出されるべきＡＣ成分の周波数範囲において、例えば、演算増幅器を用いることによって、インダクタまたは帯域阻止フィルタ、および帯域通過フィルタから構成される組み合わせによって引き起こされる、検出されるべきＡＣ成分の減衰が補償されるようにすることができる。

【0017】

本発明の一実施形態では、低域通過フィルタ回路が、演算増幅器を備える一次積分回路から構成される。代替の実施形態では、低域通過フィルタ回路が、演算増幅器の直列接続を備える二次積分回路から構成される。

【0018】

本発明のさらなる実施形態では、キャパシタが、変圧器の二次巻線と並列に配置され、変圧器の二次巻線の漏れインダクタンスとともに、共振回路を形成する。この共振回路の共振周波数は、検出されるべきＡＣ成分の周波数範囲の下限の範囲にあるが、少なくとも高域通過フィルタの遮断周波数未満、または帯域阻止フィルタの共振周波数未満、および／または帯域通過フィルタの共振周波数未満である。

【0019】

電圧計測装置によって検出された交流電流成分を、評価装置、例えばプロセッサ信号によって、予め設定可能な特性に関して評価してもよい。好ましくは、光起電力システムの特に直流電流回路において起こり得るように、直流電流回路に流れる直流が数アンペアの範囲の高振幅の場合に、直流電流回路に生じるアークは、特に、特有のＡＣ成分を生じ、本発明による装置の設計では、この特有のＡＣ成分を電圧計測装置によって検出することができ、評価装置によってアーク信号として特定することができる。

【0020】

加えて、交流電流成分を、通信目的で直流電流回路に流れる電流に印加することができる。そのようないわゆる電力線通信信号もまた、電圧計測装置によって検出され、評価装置によって相応して評価され、特にデジタル手段によって電力線通信相手装置に送信されてもよい。

【0021】

本発明の一実施形態では、第１の既定された周波数範囲では、ＤＣ回路のアークを検出するための電圧計測装置を用いることによって検出されるＡＣ成分を、また、この第１の周波数範囲とは異なる第２の周波数範囲では、電力線通信信号を受信するための電圧計測装置を用いることによって検出されるＡＣ成分を評価するように、評価装置が構成されている。この場合、第１の既定された周波数範囲の下限は、帯域阻止フィルタおよび／または帯域通過フィルタの共振周波数の少なくとも５分の１よりも小さいことが好ましく、少なくとも１０分の１よりも小さいことが、したがって、装置を介して直線的に伝達される周波数範囲の中にあることが特に好ましい。他方では、電力線通信信号の中心周波数は、帯域阻止フィルタおよび／または帯域通過フィルタの共振周波数を超えていることが好ましく、電力線通信信号の中心周波数は、帯域阻止フィルタおよび／または帯域通過フィルタの共振周波数に対応していることが特に好ましい。これは、狭帯域電力線通信信号には特に有利である。狭帯域電力線通信信号は一般に、十分な通信帯域幅を実現するために、１００ｋＨｚよりも大きな周波数範囲にあるからである。

【0022】

本装置は、光起電力システムの直流電流回路で使用するのに、特に適している。なぜなら、一方では、そのような直流電流回路では、数アンペアから数十アンペアまでの振幅を有する非常に高いＤＣ電流が流れている場合があり、従来の電流センサの使用を妨害するからである。また他方では、例えば、光起電力システムの直流電流回路のプラグ接続が損傷を受けた場合、または導線絶縁が不十分である場合には、まさに高いＤＣ電流が原因でアークが生じる可能性があり、危険を防止するために、これを検出しなければならない。加えて、光起電力システムの直流電流回路は、電力線通信を用いることによって、光起電力システムの様々な構成部品間のデータのやり取り、例えば、インバータと、回路遮断器またはセンサといったような一部が光起電力モジュールに遠隔配置されている電子機器と、の間のデータのやり取りを可能にするために使用される。

【0023】

以下に、図に示される好ましい例示的な実施形態に基づいて、本発明を、より詳細に説明し、記述する。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】図１は、本発明による装置の一実施形態を示す。

【図2】図２は、本発明による装置の別の実施形態を示す。

【図3】図３は、本発明による装置の伝達関数を、概略図に示す。

【図4】図４は、本発明による装置に組み込まれた部分としての低域通過フィルタ回路の一実施形態を示す。

【図5】図５は、本発明による装置の別の実施形態を示す。

【0025】

図１は、本発明による装置の一実施形態を示す。電流ｉ_ＡＣＤＣ（ｔ）が、直流電流回路１に流れている。直流電流回路１は、インダクタ９が配置されているＤＣ経路２を備える。ＡＣ経路３が、ＤＣ経路２と電気的に並列に配置され、ＡＣ経路３には、キャパシタ４および変圧器６の一次巻線５’から構成される直列回路が配置されている。終端抵抗器１０が、変圧器６の二次巻線５”と電気的に並列に配置されている。終端抵抗器１０を、変圧器６の転換率の２乗値による除算によって一次側に移してもよい。その結果、キャパシタ４および一次巻線５’から構成される直列回路が、帯域通過フィルタ１３を構成する。

【0026】

キャパシタ４およびインダクタ９の周波数依存性インピーダンスにより、電流ｉ_ＡＣＤＣ（ｔ）は、インダクタ９によって形成されたＤＣ経路２を介して流れる直流電流成分Ｉ_ＤＣ（ＤＣ成分）、および、ＡＣ経路３を介して流れる交流電流成分ｉ_ＡＣ（ｔ）（ＡＣ成分）に分かれる。したがって、キャパシタ４およびインダクタ９から構成されるこの配置は、必要ならば変圧器６の一次巻線５’を考慮して、高域通過フィルタ１５を構成する。この場合、電流ｉ_ＡＣＤＣ（ｔ）の交流電流成分もまた、インダクタ９を介して流れることを排除しない。

【0027】

この高域通過フィルタ１５の伝達関数は、遮断周波数未満の周波数範囲において直線的に増加するプロファイルを有し、遮断周波数は、キャパシタ４、インダクタ９、および変圧器６のサイズから決定される。終端抵抗器１０のサイズに応じて、プロファイルの遮断周波数の範囲で生じる共振昇圧を、可能であれば終端抵抗器１０を使わず済ませることにより減衰させてもよい。その結果、高域通過フィルタ１５の伝達関数が、少なくとも遮断周波数まで単調増加する。高域通過フィルタ１５の伝達関数は、遮断周波数を超える周波数では一定である。加えて、さらなる共振最大値を、終端抵抗器１０の抵抗値を適切に増加させることによって遮断周波数未満に生成することができる。その結果、狭帯域ＡＣ成分、例えば通信信号が、この共振最大値の共振周波数で特に効率的に伝達される。

【0028】

ＡＣ経路に沿って流れるＡＣ成分ｉ_ＡＣ（ｔ）は、変圧器６によって、その二次巻線５”に変換される。ＡＣ成分ｉ_ＡＣ（ｔ）を測定するために、ここで、例えば、電圧計測装置７を用いることによって、例えば、電圧計またはアナログ−デジタルコンバータを用いることによって、二次巻線５”で誘導された、終端抵抗器１０の両端の電圧の計測を行うことは、原理的にはすでに可能であるが、二次巻線５”において誘導された電圧の振幅に対する所与の周波数での電流ｉ_ＡＣＤＣ（ｔ）中の各ＡＣ成分ｉ_ＡＣ（ｔ）の振幅の比率は、その所与の周波数に大きく左右される。ここで図示した配置では、交流電流成分ｉ_ＡＣ（ｔ）の周波数が、高域通過フィルタ１５の遮断周波数未満である場合に、伝達関数の非線形性として知られているこの特性は、二次巻線５”において誘導された電圧に対して特に顕著である。

【0029】

したがって、低域通過フィルタ回路８は、二次巻線５”と電圧計測装置７との間に配置される。この低域通過フィルタ回路８は、高域通過フィルタ１５の遮断周波数未満であり、かつ、検出の対象となっているＡＣ成分ｉ_ＡＣ（ｔ）（例えば、アーク信号または電力線通信信号）を含んでいる周波数範囲における伝達関数が、高域通過フィルタ１５の伝達関数に対して正確に相補的であるように設計されている。ここで、「相補的」とは、前記周波数範囲における低域通過フィルタ回路８の伝達関数が、高域通過フィルタの伝達関数の傾きの大きさと等しい大きさの傾きを有することを意味するが、個々の傾きが、互いに逆符号である。その結果、高域通過フィルタ１５の遮断周波数未満の広周波数範囲における２つの前述の伝達関数の組み合わせである、図１による装置の総伝達関数は、一定であるか、または、ほぼ一定である。

【0030】

具体的には、これは、総伝達関数が、変化、すなわち傾き残差または変動範囲を有することを意味し、この変化は、高域通過フィルタ１５の伝達関数の変化に対して大幅に低減される。高域通過フィルタ１５の伝達関数の変化は、実質的にその傾きに相当し、例えば、４０ｄＢ／１０年間である。特に、それは、単調増加するのではなく、例えば、数ｄＢ／１０年間の範囲で変動に対応するだけである。したがって、直流電流回路１の装置の入力側で流れるＡＣ成分の、出力側で計測されるＡＣ電圧に対する線形写像が、この周波数範囲において得られ、電圧計測装置７を用いることによって検出されるべきＡＣ成分を含んでいる。電圧計測装置７によって計測されたＡＣ電圧は、計測されたＡＣ電圧を評価する評価装置１１に送られる。

【0031】

低域通過フィルタ回路８を使用することにより、インダクタ９およびキャパシタ４を、検出されるべきＡＣ成分の周波数範囲よりもはるかに大きい周波数範囲用に設計することができる。その結果、大幅に小型化された構成部品を、特にインダクタ９用に使用することが可能になる。例えば、１０ｋＨｚから１００ｋＨｚの周波数範囲におけるＡＣ成分ｉ_ＡＣ（ｔ）が、一定の伝達関数を有する電圧計測装置７によって計測されるのであれば、低域通過フィルタ回路８を介して実現可能な、高域通過フィルタ１５の遮断周波数未満の伝達関数の非線形プロファイルの補償を無しで済ませる場合には、そして、１０μＦのキャパシタンスを有するキャパシタ４が設けられる場合には、約１０ｋＨｚの遮断周波数を設定するためには、約２５μＨのインダクタンスを有するインダクタ９が必要である。しかしながら、低域通過フィルタ回路８を使用することで、遮断周波数を大幅に、例えば１０倍の約１００ｋＨｚに高めることができる。その結果、キャパシタンスＣ＿ＡＣが一定のままであるとすれば、わずか約２５０ｎＨだけが、インダクタ９に必要である。その結果、必要な構成部品のコスト、損失およびサイズを全体的に減少する。

【0032】

図２は、キャパシタ１２がＤＣ経路２のインダクタ９と電気的に並列に配置される、さらなる実施形態を示す。インダクタ９およびキャパシタ１２から構成される並列回路が、ＤＣ経路２に位置する帯域阻止フィルタ１４を構成する。この帯域阻止フィルタ１４は、共振周波数において最大インピーダンスを有する、周波数依存性インピーダンスを特徴とする。結果として、ここでは帯域阻止フィルタ１４と、キャパシタ４および帯域通過フィルタ１３と、から形成されている高域通過フィルタ１５の伝達関数の傾きが、さらに増大する。この増大した傾きを、変圧器６の二次側の低域通過フィルタ回路８を介して帯域阻止フィルタ１４の共振周波数未満に補償することもまた可能である。ＤＣ経路２の帯域阻止フィルタの共振周波数の周波数範囲における帯域通過挙動が、このように電圧計測７で得られ、装置の総伝達関数は、特に、帯域阻止フィルタ１４の共振周波数未満では、適切に構成された低域通過フィルタ回路８を用いることによって、概ね一定のプロファイルを有してもよい。好適な一実施形態では、キャパシタ４と、適切なサイズの終端抵抗器１０を有する変圧器６の一次巻線５’と、から構成される直列回路を介して形成されているＡＣ経路３の、帯域通過フィルタ１３の共振周波数もまた、ＤＣ経路の帯域阻止フィルタの共振周波数と同一に設計されている。

【0033】

図３は、図１による装置の例として、キャパシタ４およびインダクタ９から構成される高域通過フィルタ１５の伝達関数２０と、低域通過フィルタ回路８の伝達関数２１と、結果として生じる装置の総伝達関数２２と、を示している。キャパシタ４およびインダクタ９から構成される高域通過フィルタ１５の伝達関数２０は、伝達関数２０の傾きが、遮断点２３’で線形から一定のプロファイルへと移行するのに一致する遮断周波数２３を有し、終端抵抗器１０が適切に選択されていることにより、終端抵抗器のない変圧器６を使用する場合に遮断周波数２３で生じている共振昇圧は、伝達関数２０の結果を単調増加させるように、減衰される。この実施形態では、ＡＣ成分の周波数範囲２４の上方端が検出されるように、遮断周波数２３を選択した。検出されるべきＡＣ成分の周波数範囲２４は、このように伝達関数２０の低周波の阻止帯域にあり、キャパシタ４およびインダクタ９から構成される高域通過フィルタ１５を介してＡＣ成分の減衰が起こっている。

【0034】

二次側の変圧器から下流の、低域通過フィルタ回路８は、特に遮断周波数２３未満の周波数では、ちょうど反対の、すなわち、キャパシタ４およびインダクタ９から構成される高域通過フィルタ１５の伝達関数２０に相補的な伝達関数２１を有する。なぜなら、この伝達関数２１は、傾きが伝達関数２０に同一であるプロファイルを有するが、傾きの符号が逆であるからである。総伝達関数２２は、その結果、検出されるべきＡＣ成分ｉ_ＡＣ（ｔ）の周波数範囲２４における計測の点では、理想的な一定のプロファイルを有することになる。これにより、出力信号は、ＡＣ成分に対して比例し、かつ、線形であるので、低域通過フィルタ回路８の出力部に配置された電圧計測装置７は、検出されるべきＡＣ成分に対応する出力信号を供給する。実際は、低域通過フィルタ回路８を介して補償されない伝達関数２０とは異なり、総伝達関数２２は、特に、単調な傾きをもはや有しておらず、その変化はわずかに数ｄＢ／１０年間である。すなわち、総伝達関数２２の変化は、したがって、伝達関数２０の変化の少なくとも５分の１よりも小さい。

【0035】

具体的には、図２に図示した、帯域阻止フィルタ１４および帯域通過フィルタ１３から構成される高域通過フィルタ１５の伝達関数２０の傾きは、計測されるべきＡＣ成分の周波数範囲２４において、＋４０ｄＢ／１０年間である。総伝達関数２２の線形化を実現するために、低域通過フィルタ回路８は、傾きが−４０ｄＢ／１０年間である、対応する反対の伝達関数２１を有していなければならない。これは、例えば、受動的な二次低域通過フィルタを介して実現してもよい。

【0036】

計測されるべきＡＣ成分ｉ_ＡＣ（ｔ）の周波数範囲２４における高域通過フィルタ１５の伝達関数２０の非線形性に加えて、これらのＡＣ成分ｉ_ＡＣ（ｔ）の減衰もまた補償するために、低域通過フィルタ回路８を、能動的な低域通過フィルタ回路として、特に、演算増幅器を含んでいる２つの能動的な反転型または非反転型の積分回路であって、それぞれが２０ｄＢ／１０年間の増幅を有する積分回路の直列接続から構成される二次積分器として設計してもまたよい。

【0037】

図４は、例として、低域通過フィルタ回路８を、２つの演算増幅器３１を備える能動的な非反転型二次積分回路３０の形態で示している。キャパシタ３２が演算増幅器に連結されていることにより、この積分回路３０は、周波数に依存して増幅し、能動的な低域通過フィルタを構成する。この能動的な低域通過フィルタの特性は、抵抗器３３に基づいて最適化されてもまたよい。

【0038】

そのような能動的な非反転型の積分回路３０を使用するのであれば、非反転型の積分回路３０の積分時定数は高域通過フィルタ１５の伝達関数２０に一致するので、非反転型の積分回路３０の増幅が、高域通過フィルタ１５の遮断周波数２３を超える値１になるように、総伝達関数２２を遮断周波数２３を超える周波数に線形化してもまたよい。こうして、たとえ遮断周波数２３を超えても、低域通過フィルタ８の出力部において、総伝達関数２２の一定のプロファイルが生まれ、計測されるべきＡＣ成分ｉ_ＡＣ（ｔ）の周波数範囲２４を、遮断周波数を超える周波数まで広げることができる。高域通過フィルタ１５の部品構成に応じて、特に、終端抵抗器１０のサイズおよび、ＤＣ経路がインダクタ９または帯域阻止フィルタ１４を備えているかどうかに応じて、遮断周波数２３の範囲における総伝達関数２２のプロファイルは、単調なプロファイルまたは共振昇圧を有してもまたよい。

【0039】

図５は、装置の代替的な実施形態を示す。ここでは、インダクタ９が、直流電流回路１のＤＣ経路２に配置され、キャパシタ４１が、変圧器６の二次巻線５”と並列に配置されている。キャパシタ４１は変圧器６の二次巻線５”の漏れインダクタンスとともに、共振回路４２を形成している。この共振回路４２の構成部品を、共振回路４２が、遮断周波数２３未満であり、かつ、周波数範囲２４内の共振点を形成するようなサイズとしてもよい。共振回路４２の共振周波数は、既定された周波数範囲２４の下限に好適に対応している。計測されるべきＡＣ成分の周波数範囲２４における、高域通過フィルタ１５の伝達関数２０の傾きは、この共振回路４２を介して２０ｄＢ／１０年間に低減される。そのような方法で低減されたこの傾きを、一次低域通過フィルタ８を介して、例えば、図５に図示した、演算増幅器３１およびキャパシタ３２から構成される、計測されるべきＡＣ成分の周波数範囲２４において２０ｄＢ／１０年間の増幅を有する一次積分回路４３を介して補償してもよい。任意選択の抵抗器４４に基づいて、共振回路４２の共振周波数２３の範囲の減衰をさらに最適化して、インダクタ９と、帯域通過フィルタ１３と、共振回路４２と、積分回路４３と、から構成される組み合わせを用いることによって広くなった周波数範囲において、装置の線形の総伝達関数２２を実現するようにしてもよい。具体的には、例えば、遮断周波数２３の範囲における総伝達関数２２のプロファイルを、構成部品を適切に選択することによって、および／または、変圧器６の一次巻線５’と直列の抵抗器を追加することによって特定の用途の場合に最適化したり、例えば、線形化したりすることで、検出されるべきＡＣ成分ｉ_ＡＣ（ｔ）の周波数範囲を、遮断周波数２３を超えて広げることができる。

【符号の説明】

【0040】

１ 直流電流回路
２ ＤＣ経路
３ ＡＣ経路
４ キャパシタ
５’ 一次巻線
５” 二次巻線
６ 変圧器
７ 電圧計測装置
８ 低域通過フィルタ回路
９ インダクタ
１０ 終端抵抗器
１１ 評価装置
１２ キャパシタ
１３ 帯域通過フィルタ
１４ 帯域阻止フィルタ
１５ 高域通過フィルタ
２０ 伝達関数
２１ 伝達関数
２２ 総伝達関数
２３ 遮断周波数
２３’ 遮断点
２４ 周波数範囲
３０ 積分回路
３１ 演算増幅器
３２ キャパシタ
３３ 抵抗器
４１ キャパシタ
４２ 共振回路
４３ 積分回路
４４ 抵抗器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】