電気工学の分野では、変流器と電圧変圧器は不可欠なデバイスであり、測定、保護、制御の目的で AC 回路で広く使用されています。のサプライヤーとして変流器および電圧変圧器、私はその用途と限界についてよく知っています。ただし、DC 回路に関しては、これらの変圧器はその有効性を制限する重大な課題に直面しています。
1. DC における動作原理とその非適用性
変流器および変圧器は電磁誘導の原理で動作します。ファラデーの電磁誘導の法則によれば、コイルを結ぶ磁束に変化が生じると、コイル内に起電力 (EMF) が誘導されます。誘導起電力の式は (e = -N\frac{d\Phi}{dt}) で与えられます。ここで、(e) は誘導起電力、(N) はコイルの巻き数、(\frac{d\Phi}{dt}) は磁束の変化率です。
AC 回路では、電流と電圧が常に変化します。これは、変圧器コア内の磁束も連続的に変化することを意味します。この磁束の変化により、一次電流または電圧に比例して、変圧器の二次巻線に二次電流または電圧が誘導されます。
しかし、直流回路では電流と電圧は一定です。磁束に変化がないため((\frac{d\Phi}{dt}=0))、ファラデーの法則に従って二次巻線にEMFは誘導されません。その結果、従来の変流器や電圧変圧器は、DC 回路では意図したとおりに機能できなくなります。たとえば、標準的な変流器を使用して DC 電流を測定しようとすると、電流を誘導する変化する磁界が存在しないため、二次巻線の出力はゼロになります。
2. トランスコアの飽和
DC 回路で変流器と電圧変圧器を使用する場合のもう 1 つの大きな制限は、コア飽和のリスクです。変圧器のコアは鉄などの強磁性体でできています。 DC 電流が変圧器の一次巻線に印加されると、コア内に一定の磁場が確立されます。
DC 電流が増加すると、コア内の磁束密度も増加します。強磁性材料には飽和点があり、それを超えると磁界強度が増加しても磁束密度は比例的に増加しません。コアが飽和に達すると、コア材料の透過性が大幅に低下します。
コアが飽和すると、トランスの性能は急激に低下します。巻線のインダクタンスが減少すると、一次電流が大幅に増加する可能性があります。これにより、変圧器の過熱、絶縁の損傷、さらには変圧器の故障が発生する可能性があります。たとえば、配電システムでは、AC 用に設計された変流器を誤って DC 回路で使用すると、コアの飽和により電流測定が不正確になり、安全上の危険が生じる可能性があります。
3. DC における絶縁と保護の欠如
AC 回路で変流器と電圧変圧器を使用する主な利点の 1 つは、変流器が一次回路と二次回路の間に電気的絶縁をもたらすことです。この絶縁は、高電圧または大電流の一次回路が測定および制御に使用される低電圧の二次回路に直接影響を与えるのを防ぐため、安全上の理由から非常に重要です。
DC 回路では、従来の変圧器はこの絶縁を効果的に提供できません。直流が一定であるため二次巻線に誘導起電力が発生しないため、絶縁機能が失われます。これは、一次 DC 回路の障害または高電圧サージが二次回路に直接伝播し、接続されている測定機器や制御装置を危険にさらす可能性があることを意味します。
さらに、AC 回路では、保護の目的で変流器と電圧変圧器がよく使用されます。たとえば、過電流保護リレーを変流器の二次側に接続して、異常な電流レベルを検出し、回路ブレーカーをトリップさせることができます。 DC 回路では、変圧器が適切に動作できないため、従来の変圧器を使用してこれらの保護メカニズムを実装することはできません。
4. DC測定の精度の限界
電気システムでは、電流と電圧の正確な測定が不可欠です。 AC 回路では、変流器と電圧変圧器は、指定された動作範囲内で高精度の測定を提供できます。ただし、DC 回路では、これらの変圧器の精度は大幅に制限されます。
前述したように、DC の 2 次巻線には誘導 EMF が存在しないため、DC 電流と電圧を測定するには別の方法が必要です。 DC バイアス磁界を使用するなど、DC 測定を試みるためにトランスの設計にいくつかの変更が加えられた場合でも、専用の DC 測定デバイスと比較すると精度は依然として大幅に低くなります。
DC 磁化による変圧器コアの非直線性とコア飽和の影響により、正確で信頼性の高い測定を取得することが困難になります。たとえば、バッテリ駆動の DC システムで、変圧器を使用してバッテリ電流を測定する場合、測定誤差が大きくなる可能性があり、充電状態の計算が不正確になり、バッテリ管理が非効率になる可能性があります。
5. DC測定の代替ソリューション
従来の電流および電圧トランスには DC 回路における制限がありますが、DC 電流および電圧の測定には代替ソリューションが利用可能です。
そのような解決策の 1 つは、ホール効果センサーの使用です。ホール効果センサーは、電流が流れる導体が磁界の中に置かれると、電流と磁界の両方に対して垂直に電圧が発生するというホール効果に基づいています。ホール効果センサーは DC 電流を正確に測定し、電気的絶縁を提供します。これらは、電気自動車のバッテリー管理システムや DC 電源などのアプリケーションで広く使用されています。
別のオプションは、電流測定にシャント抵抗を使用することです。シャント抵抗器は、DC 回路内の負荷と並列に接続される低抵抗抵抗器です。シャント抵抗の両端の電圧降下を測定することにより、回路を流れる電流をオームの法則 ((I = \frac{V}{R})) を使用して計算できます。シャント抵抗器はシンプルでコスト効率が高く、正確な DC 電流測定を行うことができます。
6. サプライヤーとしての私たちの役割
のサプライヤーとして変流器および電圧変圧器、当社は当社の製品を DC 回路で使用する場合の制限を理解しています。当社は、AC アプリケーション向けに特別に設計された一連の製品を提供しており、当社の変圧器は正確な測定、信頼性の高い絶縁、効果的な保護を提供します。
また、お客様が特定の用途に適した製品を選択できるよう、技術サポートも提供しています。 DC 回路を扱うお客様には、ホール効果センサーやシャント抵抗器などの代替ソリューションをお勧めします。当社の目標は、お客様のニーズに最適で信頼性の高い電気測定および保護ソリューションを確実に提供できるようにすることです。
変流器および電圧変圧器に加えて、以下のような他の関連製品も提供しています。電気産業用電子計器そして電気産業用電気炉。これらの製品は、AC 回路の変圧器と調和して動作するように設計されており、電力システムに包括的なソリューションを提供します。
7. 結論と行動喚起
結論として、DC 回路で変流器と電圧変圧器を使用する場合には重大な制限があります。電磁誘導の欠如、コアの飽和、絶縁損失、精度の制限、その他の要因により、従来の変圧器は DC アプリケーションには適していません。
しかし、当社では、お客様に最適なソリューションを提供することに全力で取り組んでいます。 AC 回路でも DC 回路でも、当社にはお客様のニーズを満たす専門知識と製品があります。 ACアプリケーション用の高品質の電流および電圧トランスをお探しの場合、または代替のDC測定ソリューションに関するアドバイスが必要な場合は、詳細な議論のために当社にお問い合わせいただくことをお勧めします。当社の専門家チームは、お客様の電気システムに最適な製品とソリューションを見つけるお手伝いをいたします。
参考文献
- グローバー、FW (1946)。インダクタンスの計算: 実際の公式と表。ドーバー出版。
- チャップマン、SJ (2012)。電気機械の基礎。マグロウ - ヒル教育。
- フィンク、DG、およびビーティ、HW (2012)。電気技術者向けの標準ハンドブック。マグロウ - ヒル教育。
