特開 2024-104571 零相変流器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024104571

(43)【公開日】2024-08-05

(54)【発明の名称】零相変流器

(51)【国際特許分類】

   H01F 38/32 20060101AFI20240729BHJP

   H01F 38/30 20060101ALI20240729BHJP

   H01H 83/02 20060101ALN20240729BHJP

【ＦＩ】

H01F38/32

H01F38/30

H01H83/02 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023008861

(22)【出願日】2023-01-24

(71)【出願人】

【識別番号】508296738

【氏名又は名称】富士電機機器制御株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】木村 藤一郎

(72)【発明者】

【氏名】山内 芳准

(72)【発明者】

【氏名】栗原 晋

(72)【発明者】

【氏名】谷 敏明

(72)【発明者】

【氏名】橋本 貴

【テーマコード（参考）】

5E081

5G030

【Ｆターム（参考）】

5E081AA06

5E081BB03

5E081CC05

5E081DD11

5E081EE03

5E081GG05

5G030YY13

(57)【要約】

【課題】漏電の誤検出を防止することのできる零相変流器を提供する。
【解決手段】零相変流器１０は、磁性材で形成された円環状のコア１６と、コア１６の中空部２２を通り三相電流が流れる３本の一次導線１８ｒ，１８ｓ，１８ｔと、コア１６に巻回される３つの二次巻線２０ｒ，２０ｓ，２０ｔと、３つの二次巻線２０ｒ，２０ｓ，２０ｔのそれぞれの両端に発生する誘導起電力Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔが入力される演算部１４とを有する。３本の一次導線１８ｒ，１８ｓ，１８ｔのそれぞれの中心とコア１６の中心とを通る直線２４ｒ，２４ｓ，２４ｔ上に３本の二次巻線２０ｒ，２０ｓ，２０ｔが配置されている。演算部１４は、３本の一次導線１８ｒ，１８ｓ，１８ｔに平衡電流が流れているときに、入力される３つの誘導起電力Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔに基づく出力が０となるように調整可能な可変抵抗３２ｒ，３２ｓ，３２ｔを備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁性材で形成された円環状のコアと、
前記コアの中空部を通り三相電流が流れる３本の一次導線と、
前記コアに巻回される３つの二次巻線と、
３つの前記二次巻線のそれぞれの両端に発生する誘導起電力が入力される演算部と、
を有し、
３本の前記一次導線のそれぞれの中心と前記コアの中心とを通る直線上を含む位置に３本の前記二次巻線がそれぞれ配置されており、
前記演算部は、３本の前記一次導線に平衡電流が流れているときに、入力される３つの前記誘導起電力に基づく出力が０となるように調整可能な調整部を備える
ことを特徴とする零相変流器。

【請求項2】

前記演算部は、
入力される３つの前記誘導起電力をそれぞれ増幅する３つの増幅回路と、
３つの前記増幅回路の出力を加算する加算回路と、
を有し、
前記調整部は３つの前記増幅回路の増幅率をそれぞれ調整可能に構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の零相変流器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、零相変流器に関する。

【背景技術】

【0002】

零相変流器は漏電遮断器などに用いられており三相交流が通電される電路に対して漏電を検出する。零相変流器は、例えば特許文献１に示されるように磁性材の円環状コアと、該円環状コアに対してトロイダル状に巻回される二次巻線と、円環状コアの中空部を通り三相電流が流れる３本の一次導線とを有している。この零相変流器では、一次導体に三相電流が印加されたときに生じる磁束が円環状コアに鎖交することによって二次巻線に発生する誘導起電力を所定の漏電電流検出部で測定し漏電を検出する。そして、平衡電流が流れているときのみ円環状コアの磁束を打ち消し、二次巻線の出力を抑制することで平衡電流による漏電誤検出を防いでいる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１－１５０８９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、円環状コアには場所によって透磁率のばらつきがある。従来の零相変流器では透磁率のばらつきがある場合は一次導体に平衡電流が流れていても円環状コア内に磁束が残ってしまい漏電を誤検出してしまう懸念がある。

【0005】

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、漏電の誤検出を防止することのできる零相変流器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる零相変流器は、磁性材で形成された円環状のコアと、前記コアの中空部を通り三相電流が流れる３本の一次導線と、前記コアに巻回される３つの二次巻線と、３つの前記二次巻線のそれぞれの両端に発生する誘導起電力が入力される演算部と、を有し、３本の前記一次導線のそれぞれの中心と前記コアの中心とを通る直線上を含む位置に３本の前記二次巻線がそれぞれ配置されており、前記演算部は、３本の前記一次導線に平衡電流が流れているときに、入力される３つの前記誘導起電力に基づく出力が０となるように調整可能な調整部を備えることを特徴とする。これにより、漏電の誤検出を防止することができる。

【0007】

前記演算部は、入力される３つの前記誘導起電力をそれぞれ増幅する３つの増幅回路と、３つの前記増幅回路の出力を加算する加算回路と、を有し、前記調整部は３つの前記増幅回路の増幅率をそれぞれ調整可能に構成されていてもよい。このように増幅回路の増幅率をそれぞれ調整可能に構成することで調整が容易になる。

【発明の効果】

【0008】

本発明にかかる零相変流器では、コアの場所による透磁率のばらつきに基づき一次導体に平衡電流が流れていても誘導起電力の１つ以上が０でない場合に、調整部の調整により出力としての加算回路の加算結果を０にすることができる。これにより、漏電の誤検出を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本実施の形態にかかる零相変流器を示すブロック回路図である。

【図2】図２は、零相変流器における演算部の概略回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本発明にかかる零相変流器の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

【0011】

図１は、本発明の実施形態にかかる零相変流器１０を示すブロック図である。零相変流器１０は、例えば漏電遮断器などに組み込まれており三相回路の漏電を検出する。漏電遮断器には過電流や地絡電流を検出する機能が含まれていてもよい。漏電遮断器では、零相変流器１０が異常電流を検出すると回路遮断などの操作を行う。零相変流器１０は機構部１２と、演算部１４とを有する。以下の説明では三相に対応する構成要素には符号にアルファベットｒ，ｓ，ｔの添え字を付すが、構成要素の代表的な記載では添え字を省略することがある。まず機構部１２について説明する。

【0012】

機構部１２は、コア１６と、３本の一次導線１８ｒ，１８ｓ，１８ｔと、３つの二次巻線２０ｒ，２０ｓ，２０ｔとを有する。コア１６は円環状であって磁性材によって形成されている。コア１６は突起や窪みがないほぼ真円状であり製造が容易である。

【0013】

一次導線１８ｒ，１８ｓ，１８ｔは漏電遮断器における漏電の検出および遮断の対象となる三相交流の電路であり、コア１６の中空部２２を通っている。一次導線１８ｒ，１８ｓ，１８ｔは、互いにやや接近して設けられ仮想線で示す正三角形の頂点を形成するように配置されている。一次導線１８ｒ，１８ｓ，１８ｔが形成する正三角形の重心はコア１６の中心Ｏと一致している。ただし、該正三角形の形状やその重心位置には多少誤差があってもよい。

【0014】

二次巻線２０ｒ，２０ｓ，２０ｔはコア１６に対して同じ巻き数、同じ方向に巻回されている。二次巻線２０ｒ，２０ｓ，２０ｔは３本の一次導線１８ｒ，１８ｓ，１８ｔのそれぞれの中心とコア１６の中心Ｏとを通る直線２４ｒ，２４ｓ，２４ｔの線上を含む位置（具体的には、直線２４ｒ，２４ｓ，２４ｔを中心として対称に）で、１２０度間隔で設けられている。二次巻線２０ｒ，２０ｓ，２０ｔは適度に離れており互いに重なることがない。二次巻線２０ｒ，２０ｓ，２０ｔは多少の位置ずれは演算部１４の調整機能により許容されるようになっている。

【0015】

二次巻線２０を配置する場所を直線２４上とするのは、二次巻線２０の誘導起電力Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔの差を小さくするためである。原理としては、一次導体１８に電流を印加すると図１の円弧矢印の様に一次導体１８とコア１６とが近い部分での磁束が大きくなり、両者が離れている部分は磁束が小さくなる。そのため、コア１６の場所による透磁率のばらつきによって磁束は変化してしまうが、二次巻線２０の受ける一次導体１８からの磁束は一定にすることができる。

【0016】

中心Ｏを基準として、一次導線１８ｒおよび二次巻線２０ｒは１２時の方向に設けられており、一次導線１８ｓおよび二次巻線２０ｓは４時の方向に設けられており、一次導線１８ｔおよび二次巻線２０ｔは８時の方向に設けられている。

【0017】

一次導線１８ｒ，１８ｓ，１８ｔは、直線２４ｒ，２４ｄ，２４ｔを中心として図１の円弧矢印で模式的に示す範囲に特に大きい磁束密度を生じさせ、二次巻線２０ｒ，２０ｓ，２０ｔはこれらの箇所に合うように巻回されている。

【0018】

コア１６の透磁率は全周に亘って均一であることが望ましいが、実際には製造誤差により場所によって透磁率のばらつきや偏りがある。本実施例におけるコア１６では、１１時から４時に亘る範囲１６ａでは透磁率が高く、４時から７時に亘る範囲１６ｂでは透磁率が中程度であり、７時から９時に亘る範囲１６ｃでは透磁率が低く、９時から１２時に亘る範囲１６ｄでは透磁率が中程度であるものとする。図１では、透磁率が高い範囲を濃いドット地で示し、低い範囲を薄いドット地で示し、中程度の範囲をその中間のドット地で示している。

【0019】

図２は、零相変流器１０における演算部１４の概略回路図である。図２では機構部１２の一部についても模式的に示している。

【0020】

演算部１４について図２に基づいて説明する。演算部１４は入力ポート２６ｒ，２６ｓ，２６ｔに対する入力に基づいて出力ポート３６から出力電圧Ｖｏを出力するものである。

【0021】

演算部１４は入力ポート２６ｒ，２６ｓ，２６ｔ、入力抵抗２８ｒ，２８ｓ，２８ｔ、増幅回路３０ｒ，３０ｓ，３０ｔ、可変抵抗（調整部）３２ｒ，３２ｓ，３２ｔ、加算回路３４および出力ポート３６を有する。

【0022】

入力ポート２６ｒ，２６ｓ，２６ｔには３つの二次巻線２０ｒ，２０ｓ，２０ｔのそれぞれの両端が接続され、各両端部に生じる誘導起電力Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔが入力される。二次巻線２０ｒ，２０ｓ，２０ｔの各両端部には入力抵抗２８ｒ，２８ｓ，２８ｔが直列に挿入されており、これらの両端に誘導起電力Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔが生じるようになっている。誘導起電力Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔは１２０度位相の交流電圧である。なお物理学上で通称されているのと同様に、本願の誘導起電力Ｖは電力［Ｗ］ではなく、電圧［Ｖ］とする。

【0023】

なお、コア１６の透磁率が場所によらず均一な理想状態では一次導線１８に三相交流を印加した時は電流によって発生した磁束はコア１６内で打ち消されるため、誘導起電力Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔはそれぞれ０となるが、実際には透磁率の偏りによりコア１６内で磁束が打ち消されずＶ≠０となってしまう。

【0024】

入力ポート２６ｒ，２６ｓ，２６ｔに入力された誘導起電力Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔは増幅回路３０ｒ，３０ｓ，３０ｔで増幅される。増幅回路３０ｒ，３０ｓ，３０ｔには可変抵抗（調整部）３２ｒ，３２ｓ，３２ｔが設けられており、それぞれ増幅率αｒ，αｓ，αｔが調整可能になっている。増幅回路３０ｒ，３０ｓ，３０ｔはオペアンプおよび抵抗による非反転増幅回路や反転増幅回路などによって構成されている。増幅回路３０ｒ，３０ｓ，３０ｔの前段にはバッファ回路などを設けてもよい。増幅された増幅回路３０ｒ，３０ｓ，３０ｔの出力はチェックピン３８ｒ，３８ｓ，３８ｔで計測できるようになっている。

【0025】

増幅回路３０ｒ，３０ｓ，３０ｔの出力αｒ・Ｖｒ，αｓ・Ｖｓ，αｔ・Ｖｔは加算回路によって加算されて出力電圧Ｖｏ＝αｒ・Ｖｒ＋αｓ・Ｖｓ＋αｔ・Ｖｔとして出力ポート３６から出力される。増幅回路３０ｒ，３０ｓ，３０ｔはオペアンプおよび抵抗によって構成されている。出力電圧Ｖｏは出力ポート３６で計測できるようになっている。漏電遮断器では出力電圧Ｖｏに基づき所定の閾値を超えたときに漏電リレーを切り替えるなどの操作が行われる。

【0026】

次に、零相変流器１０の作用について説明する。コア１６が場所により透磁率のばらつきがあることから一次導線１８に平衡電流が流れていても二次巻線２０で生じる誘導起電力Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔの和が０にならない場合がある。つまり上記の例において、二次巻線２０ｒは、主に透磁率の高い部分１６ａに巻回されており誘導起電力Ｖｒが相対的に高くなる傾向があり、二次巻線２０ｓは、主に透磁率が中程度の部分１６ｂに巻回されており誘導起電力Ｖｓが中程度となる傾向があり、二次巻線２０ｔは、主に透磁率の低い部分１６ｃに巻回されており誘導起電力Ｖｔが相対的に小さくなる傾向がある。また、誘導起電力Ｖは中空部２２内における一次導線１８の位置誤差や二次巻線２０の配置誤差の影響も受ける。

【0027】

したがって、誘導起電力Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔを単純に定数倍して加算すると０にはならずに誤差が生じ、漏電の誤検出が発生する懸念がある。誤検出を防止するためには判断の閾値を大きく設定すればよいが、低電流漏電に対する検出精度が低下する。

【0028】

本実施の形態にかかる零相変流器１０では、これに対応するために３本の一次導線１８に平衡電流が流れているときに、３つの誘導起電力Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔに基づき出力ポート３６からの出力電圧Ｖｏが０となるように可変抵抗３２ｒ，３２ｓ，３２ｔによって調整可能に構成されている。

【0029】

つまり、上記の例で誘導起電力Ｖｒが比較的大きければ可変抵抗３２ｒの調整によって増幅器３０ｒの増幅率を減少させ、誘導起電力Ｖｓが中程度であれば可変抵抗３２ｓの調整によって増幅器３０ｓの増幅率を中程度とし、誘導起電力Ｖｔが相対的に小さければ可変抵抗３２ｔの調整によって増幅器３０ｒの増幅率を増大させ、結果的にαｒ・Ｖｒ，αｓ・Ｖｓ，αｔ・Ｖｔが同じゲインになるようにする。すなわち、ゲインを全て同じにして足し合わせるので、大きい電圧は小さくして、小さい電圧は大きくなるようにする。増幅器３０の出力はチェックピン３８を参照しながら調整するとよい。そして、最終的に、出力ポート３６の出力電圧Ｖｏが０であることを確認する。

【0030】

このように、零相変流器１０では、コア１６の場所による透磁率のばらつきに基づき一次導体１８に平衡電流が流れていても誘導起電力Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔの１つ以上が０でない場合に、可変抵抗３２の調整によりαｒ・Ｖｒ，αｓ・Ｖｓ，αｔ・Ｖｔの加算結果として出力電圧Ｖｏを０にすることができる。これにより、漏電の誤検出を防止することができるとともに、漏電検出の精度を向上させることができる。また、コア１６には透磁率のばらつきが許容されるため、製造段階で基本的に選別の必要がなく歩留まりを向上させて製品コストを抑制することができる。

【0031】

なお、演算部１４は漏電遮断器の本体筐体の内部に設けてもよいし外部に設けてもよい。演算部１４はアナログ回路で構成されているがその一部またはほぼ全部をデジタル回路で構成してもよい。

【0032】

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

【符号の説明】

【0033】

１０ 零相変流器
１２ 機構部
１４ 演算部
１６ コア
１８ｒ，１８ｓ，１８ｔ 一次導線
２０ｒ，２０ｓ，２０ｔ 二次巻線
２２ 中空部
２４ｒ，２４ｓ，２４ｔ 直線
２６ｒ，２６ｓ，２６ｔ 入力ポート
２８ｒ，２８ｓ，２８ｔ 入力抵抗
３０ｒ，３０ｓ，３０ｔ 増幅回路
３２ｒ，３２ｓ，３２ｔ 可変抵抗（調整部）
３４ 加算回路
３６ 出力ポート
Ｖｏ 出力電圧
Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔ 誘導起電力
Ｏ 中心

【図1】

【図2】