JP2008070156A

JP2008070156A - インダクタンスの電流依存性を測定する方法とその電気回路

Info

Publication number: JP2008070156A
Application number: JP2006246899A
Authority: JP
Inventors: Noboru Wakatsuki; 若月昇; Hideaki Deguchi; 出口秀明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-03-27

Abstract

【課題】チョークコイルやトランスなどのインダクタンス値の電流依存性を測定したい。
【解決手段】
電源と負荷に直列に通電電流スイッチを設け、それに並列に過渡電流スイッチとダイオードおよびコンデンサを直列に配置した過渡電流回路を設ける。通電電流スイッチの開離直後にコンデンサに流れ込んで急激に減少する過渡電流と、通電電流スイッチ間電圧、すなわち負荷と電源の電圧の和を測定する。コンデンサの値は、電流の時間変化が測定しやすいように、電流の大きさによって決める。電源および負荷回路の等価回路を想定し、所望の電流レベル付近の複数の時間ポイントにおける等価回路の電圧降下に関する連立方程式について、電流電圧の測定データから数値解を求める。
【選択図】図３

Description

電磁トランスやチョークコイルは、電源装置や動力装置など産業機器に多用されている。インバータ装置ではそれらトランスやコイルが大電流によりパルス駆動される。可動または固定コイルを有する電磁モータも、大電流パルスで駆動される。これらの装置の駆動効率を向上とサージノイズの抑制は、省電力と電磁環境問題の重要課題である。そのために、各種電力装置では、電源やスイッチングデバイスを含めた等価回路解析が行われている。これらのインダクタンス素子のインダクタンス値は磁気材料の磁気特性に依存するので、大電流になるとインダクタンス値は低下することになる。インダクタンス値の電流依存性を知ることは、回路解析の精度向上や電力機器などの正常動作のモニターとして必要である。

インダクタンス素子のインダクタンス値は、微小な正弦波電圧と電流との関係から、インピ−ダンスとして求められ、測定角周波数で割った値として測定されることが多い。電流依存性を測定する場合、直流電流に微小正弦波電流を重畳して求められることが多い。最近のインバータ電源やモータのＰＷＭ駆動では、素子の小形化からトランスやチョークの小型化が望まれ、磁性材料が磁気特性の非線形領域で使用されることも多くなっている。一方、最近のコンピュータ技術の進歩による等価回路技術の進歩・普及が進んで、インバータ回路、ＰＷＭ制御回路の技術が多用されようになった。また、最近、電気接点デバイスの開離時のアーク放電を抑圧し、接点での開離動作を等価回路で設計・解析する手法も提案されている。〔非特許文献１〕

特開２００６−１９４８４０号公報ＹｕＹｏｎｅｚａｗａａｎｄＮｏｂｏｒｕＷＡＫＡＴＳＵＫＩ、"Ｒｅｌａｙｃｏｎｔａｃｔｏｆ Mｕｌｔｉ−Eｌｅｃｔｒｏｄｅｓｗｉｔｈ Tｉｍｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎ"、Ｐ１３２４、ＩＥＩＣＥＴＲＡＮＳ．ＥＬＥＣＴＲＯＮ．，ＶＯＬ．Ｅ８７−Ｃ，ＮＯ８ＡＵＧＵＳＴ２００４ＮｏｂｏｒｕＷＡＫＡＴＳＵＫＩａｎｄＹｕｕｉｃｈＡＫＩＢＡａｎｄＹｕＹＯＮＥＺＡＷＡ、"Ｔｉｍｅ−ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅｄＳｗｉｔｃｈｉｎｇＲｅｌａｙｆｏｒＡｒｃＤｉｓｃｈａｒｇｅＳｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ"、Ｐ１３２４、ＩＥＩＣＥＴＲＡＮＳ．ＥＬＥＣＴＲＯＮ．，ＶＯＬ．Ｅ８８−Ｃ，ＮＯ８ＡＵＧＵＳＴ２００５

トランスやコイルなどの強磁性材料を用いたデバイスは、大電流領域においてＢ−Ｈ曲線の非線形などから、インダクタンス値が電流値に依存する。その依存性を等価回路解析に用いるために、正確に、簡易な方法で測定したい。また、実際の大電流動作中おけるインダクタンス値を正確で簡易に測定して、デバイスの正常動作のモニターを行いたい。正弦波によるにインピ−ダンス測定ではなく、実動作回路のスイッチによる電流遮断直後の過渡電流波形による測定が出来れば、素子の温度上昇による特性変化をふくめてモニターできることになる。

上記の課題を解決するために以下の方法を提案する。
インダクタンス素子と電源を含んだ回路が、図１のように通電電流を開閉する通電スイッチに直列に接続する。このスイッチに並列に過渡電流のみを流すコンデンサ回路を接続する。繰り返し動作のためには、コンデンサと直列にコンデンサからの電流の逆流を抑えるためのダイオード、コンデンサを電源と切り離すための過渡電流スイッチを配置する。さらにコンデンサに並列に充電電荷を放電する抵抗を配置する。このような構成では、過渡電流スイッチがオン状態で、通電スイッチがオン状態なら、通電スイッチのオン抵抗は小さく、コンデンサには電荷はなく、過渡電流回路にはほとんど電流は流れない。通電スイッチがオフされると、負荷を流れる電流はコンデンサに流れ込み、コンデンサは充電され、放電抵抗で決まる小さな電流値に収束する。この瞬間の電流と電圧の関係を測定する。図１のごとく、Ｌ性の負荷で電源の内部インピ−ダンスを含んだ等価回路を、抵抗ｒとインダクタンスＬの直列接続と表現すれば、電流Ｉと電圧Ｖの関係は、
ｒ×Ｉ＋Ｌ×（ｄＩ／ｄｔ）＝Ｖ
となる。電流値を多数点で測定して電流値の時間微分値と電圧値を数値計算によってｒとＬをもとめることができる。ｒを電流に依存した値と仮定すれば、計算はより単純になる。通電スイッチのオフ動作後、負荷回路を流れる電流は過渡的に減少の異なる電流値について、対応する時間データを測定してＬ値を導出すれば、インダクタンスの電流依存性が測定できる。

発明の効果を以下（１）〜（５）にまとめる。
（１）インダクタンスの電流依存性を、簡単な回路で過渡電流の電流・電圧特性の測定結果から導出できる。
（２）実回路での通電電流遮断直後のインダクタンス値を測定できる。たとえば、定常運転状態の温度上昇などを踏まえたインダクタンス値が測定できる。
（３）過渡電流のみを測定するので、通電状態の回路にはまったく影響を与えない。
（４）負荷電流を通電スイッチでの遮断後も過渡電流を流し続けるので、急激な負荷電流変化を抑圧しながらの測定であり、負荷コイルでの大きなサージ電圧発生を抑えることができる。すなわち、通電スイッチでの不要な電力発生を抑え、回路のノイズ発生を抑える効果を持つ測定回路である。
（５）実時間での通電状態でのインダクタンスの電流依存性測定は、素子の正常動作の確認に有効であり、動作モニターとして有効である。

以下に具体的な実施例を示す。

図２は電源回路などに用いられるチョークコイルである。１ＫＨｚでのＬＣＲメータによる測定では、インダクタンスが９７ｍＨで直流抵抗値は６．８Ωである。このコイルを図３のような通電スイッチと過渡電流スイッチ回路を組み合わせた回路に、負荷として接続する。図５は、通電スイッチを開離した直後の過渡電流スイッチ回路に流れ込む電流Ｉとスイッチ間の電圧の測定結果と、図１の等価回路での数値解析結果をしめしたものである。通電スイッチ、過渡電流スイッチとしては、自動車のイグニッションスイッチを改造した電気接点とパワーＭＯＳＦＥＴを用いた２種類で行った。回路解析には、開離時の各スイッチの開離動作をそれぞれのＶＩ特性から等価的な抵抗値変化として表現し、Ｓｐｉｃｅ解析ソフトに因った。〔非特許文献２〕
ＬＣＲメータでの微小電流で測定したＬ値での解析結果は、実験結果と一致しない。
チョークなどのコア材であるソフトな強磁性材料のＢ−Ｈ曲線を図４に、モデル的に示した。電流に比例する磁界と電圧に比例する磁束との非線形であり、両者の関係を表すインダクタンス値は電流によって変化する。このような物性に依存するインダクタンスの電流による変化を、図５に示した測定結果から求める。たとえば、通電電流の８５％の電流値に対するインダクタンスの求め方を図６に示した。８７％と８３％付近で電流値、電圧値、電流値の時間微分値をデータから読み取る。読み取ったデータからｒとＬに関する2個の方程式が求まり、ｒとＬを特定できる。なお、電流の時間微分値を取り扱うので、測定波形のスムージング処理が必要となる。ここでは、移動平均法を採用し、１０点平均操作を繰り返したデータを用いた。その結果得られた波形例を、図７に示す。そして図８に示すように、電流値を１１等分して、それぞれの電流値に対するインダクタンスをもとめる。なお、ここでは直流抵抗値は電流値に依存しない数値とした。実験は、５０Ｖ電源で通電電流５Ａ、２４Ｖ電源で３Ａの２種類を行った。図９は電流値と求めたインダクタンス値関係である。２種類の測定結果が一致している。本測定では、小電流領域で、電流、電圧の変化が小さく、測定精度が悪かった。電流値が小さい場合のインダクタンスの測定は、コンデンサ容量値を小さくした測定がのぞましい。０．１Ａ以下の微弱電流値の場合は、ＬＣＲメータの結果に一致するものと考える。本手法で求めたインダクタンス値の電流依存性をふくめた等価回路解析結果を図１０に示す。図５と比較すると、解析結果は実験結果と良い一致を示している。

電気接点の開離速度は１０μｓであった、次にターンオフ時間が３００ｎｓのパワーＭＯＳＦＥＴを使用して定数算出を行う。実験は２４Ｖ電源で通電電流３．５Ａの実験を行った。図１１では、イグニッションスイッチの結果も重ねているので、パワーＭＯＳＦＥＴとイグニッションスイッチを含めた３種類の測定結果が一致している。また、本手法で求めたインダクタンス値の電流依存性をふくめた等価回路解析結果を図１３に示す。ＬＣＲメータの数値を使用して解析した図１２と比較すると、解析結果は実験結果と良い一致を示している。さらに１Ａ以下のインピーダンスを使用した解析結果も図１４に示す。

コイルなどのインダクタンスを測定する計測器への適用が考えられる。非常に単純な構成であり、機器のテスト回路として組み込むことができる。
電気接点のアーク放電を抑圧する過渡電流スイッチ回路と同じ構成であり、電気接点にモニター機能を包含することができる。
コイルやトランスに設計において、インダクタンス値の電流依存性を数値として容易に利用できるので、効率向上、ノイズ低減、小型化に寄与する。

過渡電流スイッチつき等価回路測定対象コイル(６．８Ω+９７ｍＨ)、数値はＬＣＲメータ(１ＫＨｚ)とテスターにて確認スイッチに並列にコンデンサ(過渡電流スイッチ)を入れて過渡電流を測定して負荷のインダクタンス値を算出するための回路巻き線抵抗値を固定してインダクタンス値を変数として考えるためのＢ−Ｈ曲線電気接点を使用した実験波形（印加電圧５０Ｖ図２の測定コイルを使用）とＬＣＲメータから求めた定数を使用したシミュレーションのグラフ、サージのレベルや電流値がほとんど一致していない巻き線抵抗とインダクタンス値が変数として考えた場合の回路方法の算出方法、８７％−８３％で連立方程式を立ててインダクタンス値を出すスムージングの適用例、１０点平均をした巻き線抵抗値を固定してインダクタンス値を変数として考えた場合の回路定数測定法、電流値をＤＣ部と過渡部に分けてＤＣ部(Ａポイント)で巻き線抵抗を求める、過渡部の電流値を１００％−９０％：Ｂ、９０％−８０％：Ｃ…１０％−０％：Ｋとして１０ポイントに分けて、そこのポイントごとに微分方程式からインダクタンス値を求める電気接点を使用して測定したインダクタンス値と電流値の依存性のグラフ印加電圧５０Ｖ，図２の測定コイルを使用して測定した実験のグラフと算出した数値を使ってシミュレーションした波形を組み合わせたグラフ電気接点の結果にパワーＭＯＳＦＥＴの結果を組み合わせたインダクタンス値と電流値の依存性のグラフパワーＭＯＳＦＥＴを使用した実験波形（印加電圧２４Ｖ図２の測定コイルを使用）とＬＣＲメータから求めた定数を使用したシミュレーションのグラフ、サージのレベルや電流値がほとんど一致していないスイッチをパワーＭＯＳＦＥＴにして印加電圧２４Ｖ，図２の測定コイルを使用して測定した実験のグラフと算出した数値を使ってシミュレーションした波形を組み合わせたグラフ図１１に１Ａ以下はシミュレーションに使用しないと図１１に示したが、実際に使用しない部分も含めてシミュレーションした結果。スイッチはパワーＭＯＳＦＥＴを使用し印加電圧２４Ｖ，図２の測定コイルを使用して測定した実験のグラフと算出した数値を使ってシミュレーションした波形を組み合わせたグラフ

Claims

電流の大きさに依存するインダクタンスを有する素子の電流値に対するインダクタンス値を測定する方法であって、素子に正弦波でも直流でもない時間的に急激に変化する過渡電流を流し、その電流と端子電圧および電流の微分値を測定して、測定電流値の付近に複数の測定時間ポイントを指定し、測定するインダクタンスを含む等価回路を想定し、回路に対する連立方程式をたててその等価回路の素子値を数値計算によって求める方法。
請求項１の測定法であって、電源とインダクタンスを含む回路に直列に過渡電流スイッチを挿入し、その通電スイッチングデバイスに並列にコンデンサを挿入し、スイッチが開離するときの過渡電流とスイッチ間の電圧を測定し、電流値に依存するインダクタンスを測定する方法。
請求項２のデバイスであって、スイッチの開閉を繰り返す時、コンデンサからスイッチへの電流の逆流を防ぐためのダイオードと過渡電流のみを流すための過渡電流スイッチをコンデンサに直列に配置し、コンデンサを放電するための抵抗をコンデンサに並列に配置した電気回路。
請求項１〜２の方法であって、インダクタンス素子の等価直列抵抗を予め直流で測定しておき、その値は電流に依存しないものと想定して、インダクタスの電流依存性を数値計算する方法。
請求項１〜４の方法や回路を用いて、モータやチョークやトランスなどの大電流で動作するデバイスの等価回路定数を算出し、デバイスや回路の動作情報を連続的にモニターする電気回路。