JP2801400B2 - 二重分路形電流調整器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は一般的に電流調整器に関し、より詳細には負
荷に供給される電流量を制御するソリッドステート電流
分流回路装置に関する。

先行技術の説明 ソリッドステート電流調整器は一般に電源と共に使用
され、電源につながっている電気回路および装置を保護
する役目をしている。この電流調整器は一般に三相電力
線路用の回路遮断トリップ方式に使用される。この使用
方法の場合、ソリッドステート電流調整器は、三相電力
線路からシステム電源へ供給される電流量を制御する。
電力線路内の電力の大きさが所定の限界以上に増加する
と、電流調整器が応答して、電力線路から過電流をシス
テムアースへ分路する。

既知の電流調整器は、線形分路形調整器（linear shu
nt type regulator）あるいはスイッチング分路形調整
器（switched shunt type regulator）のいずれかに分
類される。普通の線形分路形調整器には、Ｐ−Ｎ−Ｐダ
ーリントン・トランジスタのベースを制御するように相
互接続され、電力線路とシステムアースとの間に直列に
配置された、抵抗器とツェナー・ダイオードが含まれ
る。電力線路の電流量がツェナー・ダイオードの降伏電
圧を超えると、ダーリントン・トランジスタが動作可能
に（イネーブル）され、電力線路からの過電流はダーリ
ントン・トランジスタを通してアースへ分路される。こ
の形式の電流調整器は、電力線路の電流レベルが低い場
合に有効かつ望ましいとされている。しかし、線形分路
形調整器は、電力線路の電流レベルが高い場合、トラン
ジスタの両端の調整された電圧のためにかなりの電力量
を消費する。十分なレベルの熱が放散できない場合、あ
るいはスペースまたはコストの点で放熱装置を収容でき
ない場合、この形式の電流調整器は受け入れられない。

スイッチング形電流分流装置（switched current shu
nting arrangement）は、電流経路が電力線路からアー
スへ分路されるようにするため、一般により複雑な回路
構成を含んでいる。例えば、マツコ（Matsko）ほか、に
よる米国特許第4,809,125号によれば、電力線路の電流
レベルを監視し、かつトランジスタのバイアスを制御す
るためのカスタムIC（特定用途向け集積回路）を使用し
て、トランジスタを選択的に動作可能とし、過電流を電
力線路からアースへ分路する電力供給回路が説明されて
いる。別の既知のスイッチング形電流分流装置は、過電
流を電力線路からアースへ分流するトランジスタをいつ
動作可能とするかを決定するため、比較器とその入力に
接続される分圧回路を使用している。

スイッチング形電流分流装置は、（線形分路形調整器
でよく知られている）放熱の問題を提示しないように制
御できるが、故障の問題を考えない訳にはいかない。ス
イッチング形電流分流装置に付随する最重要問題の一つ
は、許容不能なレベルの雑音を発生させる傾向があるこ
とである。使用条件によっては、このことによって、回
路動作に重大な障害を発生させる原因となる。例えば、
電力線路の電流を感知しかつ誘導するため電流変成器を
使用している回路遮断トリップ方式に於いて、スイッチ
ング形電流分流装置により電流変成器の電磁気現象（el
ectromagnetics）が影響受け、変成器が電力線路の電流
レベルを誤って表示することがある。ある条件のもとで
は、センサー内の電磁束が消失してセンサー電流が誘導
されたため、回路遮断トリップ方式が故障が発生したと
決定し電流の遮断を命令することもあり得る。

したがって、従来技術に対する上記の問題を克服した
電流調整器の必要性があることが判る。

発明の目的と要約 本発明の目的は、本質的に無雑音動作を提供し、かつ
余分な熱の発生を供回避できる電流調整器を得ることで
ある。

本発明の別の目的は、通常レベルの電流に対して電流
調整を行うため第１の分流経路と、より高レベルの電流
に対して電流調整を行うため第２の分流経路を使用する
電流調整器を提供することである。

好適な実施例によれば、本発明は電流源と負荷の間の
電流経路内の供給電流量を制御するための回路構成を含
んでいる。この回路構成は、供給電流が第１の閾値を超
える電流レベルを検出するための第１の検出器と、第１
の検出器に応答して動作し電流経路からの供給電流の一
部を分流するための第１の分流回路を有し、更に、第２
の検出器は第１の検出器に応答して、供給電流が第１の
閾値より大きい第２の閾値を超える電流レベルを検出す
る第２の検出器を有している。第２の分流回路は第２の
検出器に応答して、電流経路からの供給電流の一部を分
流する。これにより、第２の検出器が第２の分流回路を
選択的に動作可能として、第２の分流回路が所定時間の
間、第１の分流回路よりも高レベルの供給電流を分流す
ることを可能にする。

図面の簡単な説明 本発明のその他の目的と利点については以下の図面を
参照した詳細な説明から明瞭になるであろう。

第１図は、本発明の一実施例による、電流源から負荷
に対して供給される電流量を制御するための回路装置の
ブロック図。

第２図は第１図に示す回路構成の特定用途の好適実施
例を示す模式図である。

本発明には各種の修正や別の形の実施例が可能である
が、以下では一例として図面に示した特定の実施例につ
いて詳細に説明する。しかし、本発明は開示される特定
の形式に限定することを意図するものではなく、逆に、
添付の請求の範囲に定義された本発明の範囲に含まれ
る、すべての修正、等価な実施例、代替方式等を包含す
るものである。

好適実施例の説明 本発明は配電系統内の電流経路の過電流を感知し、分
流するために直接応用される。本発明はいかなる種類の
電流源にも役立つが、三相電力線路から電力を引き込む
回路に於いて、電流を監視し分流することに特に有用で
ある。

次に図面を参照すると、第１図は本発明の一般的に使
用できる実施例を示すブロック図である。回路装置10
は、電力線路14によって電流源12から負荷16へ供給され
る電流量を制御するものとして図示されている。電力線
路14上の電流は阻止ダイオード18を通過してコンデンサ
20を充電する。電源電流が第１の閾値を超え、コンデン
サ20を充電して所定の電圧とした場合、線形分路形調整
回路22は、電流が回路の中性点24へ流れるようにするた
め、過電流はアースへ分路する。

線形分路形調整回路22の出力には、それを通過する電
流に比例したセンサー電圧信号（供給電流監視電圧信
号）が発生する。スイッング回路26は、電力線路の電流
レベルが第２の閾値を超えていないかどうかを決定する
ため、センサー電圧信号と基準電圧信号（第１図には示
されていない。）の両方を受信するが、後者の電圧信号
もまた好適に供給電流に比例している。電力線路14の電
流が高レベルにある場合、もし電力線路の電流レベルが
第２の閾値を超えていれば、第２の分流回路28を介し
て、追加分流経路が選択的に動作可能とされ、必要な電
流調整が行われる。

第２図は第１図に示された回路構成の特定用途の好適
実施例を示す模式図であって、その用途は三相電力線路
から電力を引き込む回路に於いて、電流を監視し分路す
るというものである。第２図で、電力線路14に供給され
る電流は三相電力線路装置（図示されず）から感知され
た電流の合計である。変流器（図示されず）は三相
（Ａ、Ｂ、ＣおよびＮ）と全故障加算電流（ground fau
lt summation）の合計（GF＝（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｎ））から
の誘起電流を、それぞれ四つの全波整流器32,34,36,38
の一つに対して与え、この全波整流器の出力は、電力線
路14上の電流を供給するため、ダイオード18の陽極へ相
互接続される。

整流器は、三相電力線路が正確に監視されるように、
三相電力線路と回路装置とその他の部分との間の所望の
インターフェースを与えるのに使用される。各整流器の
左側で、負の位相電流信号が一連の負荷抵抗器40,42,4
4,46へ供給される。これらの負荷抵抗器の値は複数の各
相と変流器に対して選択されるので、電力線路14の電流
の大きさに対応する既知の電圧が発生する。ついで、発
生した電圧は、例えば、トリップ方式或いは電流監視シ
ステム内のマイクロコンピュータ48による後続処理およ
び故障解析のために使用される。

各整流器の右側で、正の位相電流が合計され、電力線
路14へ供給される電流の電源となる。

第１図で説明したように、電力線路14へ供給される電
流は監視されていて、異なる二つの閾値で応答される。
第１の閾値は、線形分路形調整回路22内のツェナー・ダ
イオード50、トランジスタ52および抵抗器54によって確
立される。コンデンサ20が充電され、その電圧がツェナ
ー・ダイオード50の降伏領域以上になると、トランジス
タ52のベース・エミッター接合が順方向バイアスとな
り、トランジスタ52のベース・エミッター接合と抵抗器
54を通して、電力線路４からアースまたは指定された共
通中性点端子への電流経路が生じる。

第２の閾値の値はスイッチング回路26の中で、比較器
60の入力側にある一対の抵抗器56,58によって決定され
る。比較器60は、抵抗器61を介してトランジスタ52のエ
ミッターの電圧を監視する。このエミッター電圧は電力
線路14の過電流に比例して増加する。エミッター電圧
が、抵抗器56と58によって確立された基準電圧に達する
と、比較器60は第２の分流回路28を動作可能として、電
力線路14からの過電流を更に追加分流する。

トランジスタ52のエミッターの電圧と同様に、抵抗器
56と58によって確立された基準電圧も電力線路14の供給
電流に比例する。コンデンサ20によって保持される電力
線路電圧に対する基準電圧の増加率は抵抗器56と58によ
って決定される。例えば、抵抗器56と58との比率を10対
１にすると、コンデンサ20上の充電量の増加10ボルト毎
に、基準電圧は１ボルト増加する。これと違って、トラ
ンジスタ52のエミッターの電圧は、ツエナー・ダイオー
ドの降伏電圧を越えるコンデンサ20により保持される電
力線路電圧に１対１で追随する。したがって、比較器60
によって監視されているので、両電圧は供給電流と共に
上昇するけれども、上記の例を使用すると、トランジス
タ52のエミッター電圧は、抵抗器56と58によって決定さ
れる基準電圧より10倍早く増加（もしくは減少）するこ
とになる。

電力線路に依存するこれらの電圧レベルは、第２の分
流回路28に対してヒステリシス特性をもつ比較器によっ
て使用される。比較器60の出力を、トランジスタ52のエ
ミッター電圧、即ち、電力線路14の電圧に追随させるた
めに、抵抗器62とコンデンサ64によって比較器60に対す
る正のフィートバック回路が形成される。電力線路電圧
が第２の閾値に達すると、比較器60は、第２図でトラン
ジスタ66,68と抵抗器70,72によって定義される第２の分
流回路28を動作可能とし、付随する電流経路、即ち、ト
ランジスタ52のベース・エミッター接合と抵抗器54の経
路、トランジスタ66,68のベース・エミッター接合と抵
抗器70,72の経路、負荷16の経路と抵抗器56,58の経路に
よって定義される各種の電流経路を通して、コンデンサ
20をごく短時間で放電する。コンデンサ20の放電時間並
びに関連する放電回路に基づいて、スイッチング回路
は、変流器と負荷回路のLR特性よりも早い周波数となっ
ている。従って、スイチッング回路動作を開始すると、
電磁気現象の悪影響は生じない。

一例として、第２図に示す要素の好適な値を考慮され
たい。抵抗器54,56,58,61,62,70、および72は、それぞ
れ20オーム、100キロオーム、10キロオーム、4.7キロオ
ーム、100キロオーム、1.8キロオームおよび1.8キロオ
ームの値を有している。またコンデンサ20と64は、それ
ぞれ100マイクロファラッドと2200ピコファラッドの値
を有している。更に、ツェナー・ダイオード50は、12ボ
ルトの降伏電圧を有し、トランジスタ52,66,68は、それ
ぞれTIP41、2N3904およびTIP142型である。また比較器6
0は従来のLM358型演算増幅回路を使用して実現できる。

この例では、電力線路14にいかなる過電流が発生して
も、それ以前では、比較器60の出力はその論理的低レベ
ル状態にあり、トランジスタ52,66,68が電力線路14から
電流を分流することはない。この結果、トランジスタ52
のエミッター電圧は、およそ中性点端子24のレベルにあ
ることになる。過電流によりコンデンサ20が、ツェナー
・ダイオード50の降伏電圧に到達するまで充電される
と、トランジスタ52は電力線路14から電流を分流し始め
る。これによって、抵抗器56と58によって決定される基
準電圧がトランジスタ52のエミッター電圧の1/10の比率
で低下することになる。電力線路の電圧によりトランジ
スタ52のエミッター電圧が基準電圧以上になる迄、比較
器60の出力は低い状態に保たれているが、基準電圧以上
となった時に、比較器60の出力は高レベルの状態に推移
する。

比較器60の出力が高レベルになると、トランジスタ68
は電力線路14から電流を引き込み、その結果コンデンサ
20の電圧は、ダイオード18の陰極側の電力線路14から、
トランジスタ66および抵抗器70,72と、線形分路形調整
回路22と、負荷16と、スイッチング回路26とを通してゆ
っくり放電させられる。放電の速度はこれら要素のRC時
定数によって実質的に定義される。阻止ダイオード18は
トランジスタ68がコンデンサ20を放電させることを防止
しており、従って、所定の時間、比較器60の出力が高レ
ベルに保たれる。また抵抗器62とコンデンサ64によって
決まるRC時定数は、電力線路14の定常電流を想定して、
比較器60の出力が低レベルから高レベルへ推移する周波
数を決定する。

また、ここで注意しなければならない重要なことは、
線形分路形調整回路22を通して、無視し得る程度の熱が
発生することと、スイッチングレベル以下の低電流では
第２の分流隘路28から全然雑音が発生しないことであ
る。トランジスタ52は電力線路14から低レベルの電流を
分流するためにだけ必要とされており、またそれに付随
する分流経路は、例えば20オームという比較的小さい値
を好適に有する抵抗器54によって定義されているので、
放散される熱は無視することができる。

雑音が無いことは、変流器の帯域幅のためと、比較器
60の出力が頻繁かつ高速に推移するように選択的に制御
されるヒステリシス特性のためである。この周波数は比
較的早いため、発生する雑音は限定され、変流器の帯域
幅以上になっている。かくて、先行技術によるスイッチ
ング分路型電流調整回路の多くに共通する雑音の問題が
軽減されることになる。

従って、線形分路形調整回路22を一般に低電流レベル
で使用し、そして、高レベル電流を分流するため、極め
て僅かな時間間隔、かつ比較的高周波で、第２の分流回
路28を選択的に動作可能とすることにより、先行技術に
よる電流調整器につきものの雑音並びに熱の問題を回避
することができる。

本発明は第１図と第２図の実施例を参照して説明され
ているが、本技術の精通者は、本発明の趣旨と範囲から
逸脱すること無しに、種々の変更を作り出すことが出来
ることを理解できるであろう。一例を挙げると、比較器
60は第２の分流回路28の駆動周波数を制御するためのタ
イマー回路によって置き換えることが出来る。また、電
力線録のある電流レベルの検出に応答して、一つまたは
両方の分流経路を駆動するようにマイクロコンピュータ
をプログラミングすることは、本発明から逸脱している
ことにはならない。上記事項並びに種々の変更は、以下
の請求の範囲に記載される本発明の意図する範囲を損な
うものではない。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02H 9/02 H02H 9/04

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電流源と負荷との間の電流経路に於ける供
   給電流を調整するための電流調整回路であって、 負荷から電流源の方向へ前記電流経路内を流れる電流を
   阻止するために前記電流経路内に設けられた電流阻止手
   段と、 前記電流阻止手段の負荷側で前記電流経路へ接続され電
   流経路を流れる電流により充電されるコンデンサと、 前記電流阻止手段の負荷側で電流経路へ接続されて、所
   定の電流レベルを前記電流経路から分流するための第１
   の分流回路にして、前記コンデンサの充電電圧に応答す
   るよう前記電流阻止手段の負荷側で前記電流経路に接続
   され、前記供給電流が或る閾値レベルを超過した場合に
   電流を流すためのツェナー・ダイオードと、前記ツェナ
   ー・ダイオードが流す電流に応答して、供給電流監視電
   圧を発生するスイッチング手段とを含む前記第１の分流
   回路と、 前記コンデンサの電荷に比例する基準電圧を与えるため
   の基準回路と、 前記供給電流監視電圧と前記基準電圧とを比較し前者が
   後者を超えた場合に、制御信号を発生し、その制御信号
   がヒステリシス特性をもつようになっている、比較器回
   路と、 前記電流阻止手段の電流源側で前記電流経路へ接続され
   て前記制御信号に応答して、前記第１の分流回路の所定
   電流レベルよりも実質的に高レベルの電流を前記電流経
   路から分流するための、分流手段を含む第２の分流回路
   と を含むことを特徴とする電流調整回路。
2. 【請求項２】請求項１に記載の電流調整回路に於いて、
   前記電流阻止手段の負荷側で前記電流経路へ接続されて
   前記制御信号に応答して、前記電流経路から電流を分流
   し、所定の時定数に従って前記コンデンサを放電させる
   ための第２の分流手段を前記第２の分流回路が含むこと
   を特徴とする電流調整回路。
3. 【請求項３】請求項１に記載の電流調整回路に於いて、
   前記基準電圧と前記供給電流監視電圧の両方が前記供給
   電流と共に変わり、前記比較器回路は、前記基準電圧以
   上のレベルの電流に関してのみ前記第２の分流回路を駆
   動することを特徴とする電流調整回路。
4. 【請求項４】請求項１に記載の電流調整回路に於いて、
   前記比較器回路からの制御信号は、ノイズの発生を制御
   するような周波数で発生されることを特徴とする電流調
   整回路。