DE112016006187T5

DE112016006187T5 - Stromerfassungsvorrichtung und Korrekturfaktor-Berechnungsverfahren

Info

Publication number: DE112016006187T5
Application number: DE112016006187.0T
Authority: DE
Inventors: Naoki FUTAKUCHI; Katsuya Akimoto
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2016-01-07
Filing date: 2016-01-07
Publication date: 2018-09-20
Also published as: JPWO2017119092A1; JP6624207B2; US10330708B2; WO2017119092A1; US20180224483A1

Abstract

[Problem] Eine Stromerfassungsvorrichtung und ein Korrekturfaktor-Berechnungsverfahren zur Verfügung zu stellen, wodurch ein Strom, der durch eine Stromschiene fließt, die mit einer magnetischen Abschirmung bedeckt ist, mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann. [Lösung] Eine Stromerfassungsvorrichtung 1 ist versehen mit: einer Vielzahl von Stromschienen 2; einer Vielzahl von Magneterfassungselementen 3, die jeweils entsprechend der Vielzahl von Stromschienen 2 angeordnet sind und die Spannungen entsprechend der Stärke von Magnetfeldern ausgeben, die durch Ströme erzeugt sind, die durch die Stromschienen 2 fließen; einer magnetischen Abschirmung 5, die angeordnet ist, um Teile der Vielzahl von Stromschienen 2 und der Vielzahl von Magneterfassungselementen 3 zu umgeben; einer Korrekturfaktor-Berechnungseinheit 62, die auf der Basis der von der Vielzahl von Magneterfassungselementen 3 ausgegebenen Spannungen, wenn irgendwelchen zwei oder mehreren der Vielzahl von Stromschienen 2 gegenphasige Ströme zugeführt werden, Korrekturfaktoren zum Korrigieren einer wechselseitigen Interferenz zwischen der Vielzahl von Magneterfassungselementen 3 berechnet; einem Aufzeichnungsmedium, das die Korrekturfaktoren hält, die durch die Korrekturfaktor-Berechnungseinheit 62 berechnet sind; und einer Strom-Berechnungseinheit 61, die unter Verwendung der im Aufzeichnungsmedium gehaltenen Korrekturfaktoren die Ströme, die durch die Vielzahl von Stromschienen 2 fließen, auf der Basis der von der Vielzahl von Magneterfassungselementen 3 ausgegeben Spannungen berechnet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromerfassungsvorrichtung und ein Korrekturfaktor-Berechnungsverfahren.
Stand der Technik
Eine Messvorrichtung für elektrischen Strom ist vorgeschlagen worden, die ein Leiterfeld hat, das aus Leitern besteht, die benachbart zueinander angeordnet sind, aber einen Strom genau erfassen können, der durch einen der Leiter fließt (siehe z.B. nachstehende Patentliteratur 1).
Die in der nachstehenden Patentliteratur 1 beschriebene Messvorrichtung für elektrischen Strom ist versehen mit einer Ausleseeinheit zum Lesen von Ausgangssignalen von vier Magnetsensoren, die derart angeordnet sind, dass sie jeden der drei parallelen Leiter des Leiterfelds zwischen sich liegend haben, und mit einer Computereinheit bzw. Recheneinheit zum Berechnen von Strömen, die jeweils durch die Leiter fließen, basierend auf den durch die Ausleseeinheit gelesenen Ausgangssignalen sowie einem Korrekturfaktor, der eine Auswirkung eines vorbestimmten Magnetfelds auf dem Ausgangssignal von jedem Magnetsensor darstellt. Der zum Berechnen in der Recheneinheit verwendete Korrekturfaktor wird durch Führen eines elektrischen Stroms durch nur einen Leiter, ohne ihn durch die anderen Leiter zu führen, vorausberechnet und wird aufgezeichnet.
Literatur des Standes der Technik
Patentliteratur
Patentliteratur 1: JP 2004-507747 A
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Jedoch hat die in der obigen Patentliteratur 1 beschriebene Messvorrichtung für elektrischen Strom ein derartiges Problem, dass dann, wenn eine magnetische Abschirmung nahe den Leitern vorhanden ist, die Ausgangssignale von den Magnetsensoren durch ein Magnetfeld der magnetischen Abschirmung beeinflusst werden und es somit nicht möglich ist, den Korrekturfaktor genau zu berechnen.
Somit ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Stromerfassungsvorrichtung und ein Korrekturfaktor-Berechnungsverfahren zur Verfügung zu stellen, durch welche Ströme, die durch Stromschienen fließen, die mit einer magnetischen Abschirmung bedeckt sind, mit hoher Genauigkeit erfasst werden können.
Lösung für das Problem
Um die oben angegebene Aufgabe zu erreichen, stellt die Erfindung eine Stromerfassungsvorrichtung zur Verfügung, die umfasst: eine Vielzahl von Stromschienen; eine Vielzahl von Magneterfassungselementen, die jeweils entsprechend der Vielzahl von Stromschienen angeordnet sind, eine Stärke von Magnetfeldern erfassen, die durch Ströme erzeugt sind, die durch die Stromschienen fließen, und Spannungen entsprechend der Stärke von Magnetfeldern ausgeben; eine magnetische Abschirmung, die derart angeordnet ist, dass sie Teile der Vielzahl von Stromschienen und der Vielzahl von Magneterfassungselementen umgibt; eine Korrekturfaktor-Berechnungseinheit, die auf der Basis der von der Vielzahl von Magneterfassungselementen ausgegebenen Spannungen dann, wenn irgendwelchen zwei oder mehreren der Vielzahl von Stromschienen gegenphasige Ströme zugeführt werden, Korrekturfaktoren zum Korrigieren wechselseitiger Interferenz zwischen der Vielzahl von Magneterfassungselementen berechnet; ein Aufzeichnungsmedium, das die durch die Korrekturfaktor-Berechnungseinheit berechneten Korrekturfaktoren hält; und eine Strom-Berechnungseinheit, die unter Verwendung der im Aufzeichnungsmedium gehaltenen Korrekturfaktoren die Ströme, die durch die Vielzahl von Stromschienen fließen, auf der Basis der von der Vielzahl von Magneterfassungselementen ausgegebenen Spannungen berechnet.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der Erfindung ist es möglich, durch Stromschienen fließende elektrische Ströme selbst bei einer Konfiguration sehr genau zu erfassen, bei welcher die Stromschienen mit einer magnetischen Abschirmung bedeckt sind.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht, die einen Hauptteilbereich einer Stromerfassungsvorrichtung bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A in 1.
3 ist ein Kurvenbild, das ein Messergebnis von Spannungsausgaben von Magneterfassungselementen zeigt, wenn ein elektrischer Strom an nur die U-Phase angelegt ist.
4 ist ein Kurvenbild, das ein Messergebnis von Spannungsausgaben der Magneterfassungselemente zeigt, wenn elektrische Ströme an die U-Phase und die V-Phase angelegt sind.
5 ist ein Kurvenbild, das ein Messergebnis von Spannungsausgaben der Magneterfassungselemente zeigt, wenn elektrische Ströme mit im Wesentlichen identischen Amplituden an die U-Phase und die V-Phase in entgegengesetzten Richtungen zueinander angelegt sind.
6 ist ein Kurvenbild, das ein Messergebnis von Spannungsausgaben der Magneterfassungselemente zeigt, wenn elektrische Ströme mit im Wesentlichen identischen Amplituden an die V-Phase und die W-Phase in entgegengesetzten Richtungen zueinander angelegt sind.
7 ist ein Kurvenbild, das ein Messergebnis von Spannungsausgaben der Magneterfassungselemente zeigt, wenn elektrische Ströme mit im Wesentlichen identischen Amplituden an die W-Phase und die U-Phase in entgegengesetzten Richtungen zueinander angelegt sind.
8 ist ein Messergebnis von Spannungsausgaben der Magneterfassungselemente, wenn elektrische Ströme an die drei Phasen angelegt sind und bevor ein Korrekturfaktor angewendet ist.
9 ist ein Messergebnis von Spannungsausgaben der Magneterfassungselemente, wenn elektrische Ströme an die drei Phasen angelegt sind und, nachdem sie angelegt sind, ein Korrekturfaktor angewendet ist.

Beschreibung einer Ausführungsform
Nachstehend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 9 beschrieben werden.
1 ist eine Draufsicht, die einen Hauptteilbereich einer Stromerfassungsvorrichtung bei einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 1. In 1 sind eine Computer- bzw. Recheneinheit und eine Korrekturfaktor-Speichereinheit (die später beschrieben werden) nicht gezeigt.
Wie es in den 1 und 2 gezeigt ist, ist eine Stromerfassungsvorrichtung 1 versehen mit mehreren (drei für drei Phasen bei der vorliegenden Ausführungsform) Stromschienen 2u, 2v und 2w (auf die hierin nachfolgend auch allgemein als „Stromschiene 2“ Bezug genommen wird), die parallel angeordnet sind, mehreren (drei bei der vorliegenden Ausführungsform) Magneterfassungselementen 3u, 3v und 3w (auf die hierin nachfolgend auch allgemein als „Magneterfassungselement 3“ Bezug genommen wird), die jeweils entsprechend den drei Stromschienen 2u, 2v und 2w angeordnet sind, eine Stärke von Magnetfeldern erfassen, die durch elektrische Ströme erzeugt sind, die durch die Stromschienen 2u, 2v und 2w fließen, und Spannungen entsprechend der erfassten Stärke von Magnetfeldern ausgeben, einem geformten Harzteilbereich 4, der Teilbereiche der drei Stromschienen 2u, 2v und 2w und der drei Magneterfassungselemente 3u, 3v und 3w bedeckt, wobei eine magnetische Abschirmung 5 den geformten Harzteilbereich 4 bedeckt, einer Recheneinheit 6, die elektrische Ströme, die jeweils durch die Stromschienen 2u, 2v und 2w fließen, basierend auf den von den drei Magneterfassungselementen 3u, 3v und 3w ausgegebenen Spannungen berechnet, und einer Korrekturfaktor-Speichereinheit 7, die Korrekturfaktoren speichert. Die Korrekturfaktor-Speichereinheit 7 ist ein Aspekt des „Aufzeichnungsmediums“ der Erfindung.
Die Stromschienen 2 sind aus plattenförmigen Leitern ausgebildet und dienen als Strompfade zum Übertragen von dreiphasigen Motorströmen zwischen z.B. einem Motor als Antriebsquelle zum Fahren eines Fahrzeugs und einem Inverter. Der elektrische Strom, der durch die Stromschiene 2 fließt, hat z.B. bis zu etwa 200A in einem stationären bzw. stabilen Zustand und bis zu etwa 800A eines Einschaltstoßstroms in einem anormalen Zustand, etc., mit einer Frequenz von z.B. bis zu 100 kHz. Die drei Stromschienen 2 sind in derselben Ebene angeordnet und in gleichen Intervallen bezüglich einer Breitenrichtung ausgerichtet, so dass die Längsrichtungen davon parallel zueinander sind. Wenn ein elektrischer Strom durch die Stromschiene fließt, wird ein Magnetfeld in einer Richtung orthogonal zur Richtung des elektrischen Stroms erzeugt und seine Stärke verringert sich mit einer Erhöhung bezüglich einer Entfernung von der Stromschiene.
Das Magneterfassungselement 3 ist konfiguriert, um eine Spannung entsprechend einer Stärke eines Magnetfelds (Magnetflussdichte) in einer Richtung entlang einer Erfassungsachse auszugeben. Es ist möglich, als das Magneterfassungselement 3 z.B. einen MR-(Magnetwiderstands-)Sensor zu verwenden, wie beispielsweise einen GMR-(Riesenmagnetowiderstandseffekt-)Sensor. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden GMR-Sensoren mit relativ hoher Empfindlichkeit verwendet. Da ein durch das Magneterfassungselement 3 zu erfassendes Magnetfeld in Abhängigkeit von z.B. seiner Position relativ zur Stromschiene 2 unterschiedlich ist, ist die Ausgabe selbst dann unterschiedlich, wenn die Größe des elektrischen Stroms, der durch die entsprechende Stromschiene fließt, dieselbe ist.
Das Magneterfassungselement 3 ist z.B. in Kontakt mit oder nahe zu der Stromschiene 2 angeordnet. Die Ausrichtung des Magneterfassungselements 3 ist so, dass seine Erfassungsachse erwünscht orthogonal zur Längsrichtung der Stromschiene 2 ist, kann aber von der orthogonalen Richtung aus geneigt sein. Alternativ dazu kann das Magneterfassungselement 3 in einem an der Stromschiene 2 ausgebildeten Durchgangsloch angeordnet sein.
Der geformte Harzteilbereich 4 ist aus z.B. einem stark elektrisch isolierenden Epoxidharz etc. ausgebildet.
Eine einzige magnetische Abschirmung 5 schirmt alle drei Stromschienen 2 ab, um die Auswirkung einer durch ein externes Magnetfeld verursachten Störung zu eliminieren. Die magnetische Abschirmung 5 ist ausgebildet aus z.B. einem weichmagnetischen Material, wie beispielsweise Permalloy, magnetischem Blech oder Ferrit. Da eine relative magnetische Permeabilität der magnetischen Abschirmung 5 viel größer als 1 (im Allgemeinen nicht weniger als 1000) ist, wird der Magnetfluss des Störungs-Magnetfelds in Richtung zur magnetischen Abschirmung 5 gezogen und kann somit eine Stärke eines Magnetfelds an der Stelle des Magneterfassungselements 3 reduziert werden (der Störungsabschirmeffekt).
Zusätzlich wird der Magnetfluss des Magnetfelds, das dann erzeugt wird, wenn ein elektrischer Strom an die Stromschiene 2 angelegt wird, auch in Richtung zur magnetischen Abschirmung 5 gezogen. Die relative magnetische Permeabilität der magnetischen Abschirmung 5 ändert sich aufgrund ihres internen Magnetfelds. Beispielsweise wird mit einer Erhöhung bezüglich des Magnetfelds innerhalb der magnetischen Abschirmung 5 die Änderung bezüglich der Magnetflussdichte in Bezug auf die Änderung bezüglich des Magnetfelds kleiner (sogenannte Sättigung) und erniedrigt sich die relative magnetische Permeabilität. Wenn die relative magnetische Permeabilität der magnetischen Abschirmung 5 sich ändert, ändert sich das Ausmaß eines Ziehens des Magnetflusses in Richtung zur magnetischen Abschirmung 5, was zu einer Änderung bezüglich der Magnetfeldstärke an der Stelle des Magneterfassungselements 3 führt. Indessen ist dann, wenn elektrische Ströme an zwei oder mehr der Stromschienen 2 angelegt sind, der Magnetfluss innerhalb der magnetischen Abschirmung 5 die Überlagerung der jeweiligen Effekte der zwei oder mehr Stromschienen.
Die magnetische Abschirmung 5 ist vorgesehen, um die Stromschienen 2 zu umgeben, muss aber nicht notwendigerweise eine geschlossene Form haben und kann einen Raum bzw. Bereich von bestimmter Größe haben. Weiterhin kann die Konfiguration so sein, dass flache Platten derart parallel angeordnet sind, dass die Stromschienen 2 dazwischen gelegt sind.
Die Recheneinheit 6 ist versehen mit einer Strom-Berechnungseinheit 61, die eine Magnetflussdichte basierend auf der vom Magneterfassungselement 3 ausgegebenen Spannung unter Verwendung eines relationalen Ausdrucks erhält, der eine Magnetflussdichte mit einer Spannung assoziiert, und einen Strom, der durch jede Stromschiene 2 fließt, basierend auf der erhaltenen Magnetflussdichte berechnet, und einer Korrekturfaktor-Berechnungseinheit 62, die einen Korrekturfaktor berechnet, der dazu verwendet wird, eine Interferenz zwischen den Magneterfassungselementen 3 zu korrigieren. Die Recheneinheit 6 kann durch eine integrierte Schaltung (IC) realisiert werden, wie z.B. eine ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) oder ein FPGA (feldprogrammierbares Gate-Array), etc.
Die Strom-Berechnungseinheit 61 berechnet einen Strom, der durch jede Stromschiene 2 fließt, unter Verwendung von z.B. der folgenden Formel (1).
$(\begin{matrix} I_{u} \\ I_{v} \\ I_{w} \end{matrix}) = (\begin{matrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{matrix}) (\begin{matrix} B_{u} \\ B_{v} \\ B_{w} \end{matrix}) = (\begin{matrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{matrix}) (\begin{matrix} f_{u} (V_{u}) \\ f_{v} (V_{v}) \\ f_{w} (V_{w}) \end{matrix})$
wobei Vu, Vv und Vw jeweils von den Magneterfassungselementen 3u, 3v und 3w ausgegebene Spannungen sind, Bu, Bv und Bw aus den Spannungen der jeweiligen Phasen unter Verwendung von Funktionen fu, fv und fw umgewandelte Magnetflussdichten sind, a₁₁ bis a₃₃ Korrekturfaktoren sind und Iu, Iv und Iw jeweils durch die Stromschienen 2u, 2v und 2w fließende elektrische Ströme sind. Iu, Iv und Iw können alternativ Spannungen sein, die proportional zu den jeweils durch die Stromschienen 2u, 2v und 2w fließenden elektrischen Strömen sind.
Die Korrekturfaktor-Speichereinheit 7 ist z.B. ein EEPROM, was ein nichtflüchtiger Speicher ist, und speichert die Korrekturfaktoren a₁₁ bis a₃₃ zum Korrigieren einer Interferenz zwischen den Magneterfassungselementen 3.
Die Korrekturfaktor-Berechnungseinheit 62 berechnet einen optimalen Korrekturfaktor, der dann in der Korrekturfaktor-Speichereinheit 7 gespeichert wird. Dann verschiebt die Strom-Berechnungseinheit 61 den in der Korrekturfaktor-Speichereinheit 7 gespeicherten Korrekturfaktor in die Formel (1) und berechnet einen elektrischen Strom, der durch jede Stromschiene 2 fließt.
3 ist ein Kurvenbild, das ein Messergebnis von Ausgaben zeigt, wenn ein elektrischer Strom an nur die U-Phase angelegt ist. 4 ist ein Kurvenbild, das ein Messergebnis von Ausgaben zeigt, wenn elektrische Ströme an die U-Phase und die V-Phase angelegt sind.
Die Magneterfassungselemente 3 sind nahe zueinander angeordnet und werden somit jeweils durch die anderen Phasen beeinflusst, die unterschiedlich von einer eigenen Phase sind (wechselseitige Interferenz). Somit erfasst jedes Magneterfassungselement 3 ein kombiniertes Magnetfeld, das durch die Magnetfelder erzeugt ist, die jeweils durch die elektrischen Ströme erzeugt sind, die durch die Stromschienen 2 fließen. Daher ist es, um einzelne elektrische Ströme genau zu berechnen, die durch die Stromschienen 2 fließen, nötig, eine Interferenz unter Verwendung eines Korrekturfaktors zu korrigieren.
Wenn jedoch die Stromschienen 2 und die Magneterfassungselemente 3 mit der magnetischen Abschirmung 5 bedeckt sind, dringen die Magnetfelder, die durch die elektrischen Ströme erzeugt sind, die durch die Stromschienen laufen, in die magnetische Abschirmung 5 ein und führen in Abhängigkeit von ihrer Größe zu einer Änderung bezüglich einer Permeabilität der magnetischen Abschirmung 5. Wenn der Variationsbereich von solchen Magnetfeldern groß ist, ändert sich die relative magnetische Permeabilität der magnetischen Abschirmung 5 mit einer Variation der Magnetfelder und die Spannungsausgaben der Magneterfassungselemente 3 ändern sich somit nichtlinear.
Wenn ein elektrischer Strom an nur eine Stromschiene 2 angelegt ist, variiert das Magnetfeld, das um die stromführende Stromschiene 2 erzeugt ist, in Abhängigkeit vom elektrischen Strom in der stromführenden Stromschiene 2 stark. Da das Magnetfeld innerhalb der magnetischen Abschirmung 5 mit einer solchen Variation auch stark variiert, ändert sich die relative magnetische Permeabilität der magnetischen Abschirmung 5 mit der Änderung des elektrischen Stroms und werden die Ausgangsspannungen der Magneterfassungselemente 3 entsprechend den Stromschienen 2, die andere als die stromführende Stromschiene 2 sind, somit nichtlinear. Indessen ist es weniger wahrscheinlich, dass die Ausgangsspannung des Magneterfassungselements 3 entsprechend der stromführenden Stromschiene 2 durch die Änderung bezüglich der relativen magnetischen Permeabilität der magnetischen Abschirmung 5 beeinflusst wird, und die Ausgabe ist linear, da das Magneterfassungselement 3 nahe der Stromschiene 2 angeordnet ist. Wenn beispielsweise ein elektrischer Strom an nur die U-Phase angelegt ist, wird die Ausgangsspannung des Magneterfassungselements 3u der U-Phase linear und wird die Ausgangsspannung des Magneterfassungselements 3v der V-Phase andererseits nichtlinear, wie es in 3 gezeigt ist. Wenn ein Interferenz-Korrekturfaktor unter solchen Bedingungen berechnet wird, ist es nicht möglich, einen genauen Korrekturfaktor zu erhalten.
Indessen ist dann, wenn elektrische Ströme mit im Wesentlichen identischen Amplituden, aber entgegengesetzten Phasen, an gegebene zwei der Stromschienen 2 angelegt sind, das Magnetfeld um die Stromschienen 2 die Überlagerung der Magnetfelder, die durch Anlegen der elektrischen Ströme an die zwei Stromschienen 2 erzeugt sind. Das innerhalb der magnetischen Abschirmung 5 erzeugte Magnetfeld ist auch die Überlagerung und die jeweiligen Effekte löschen sich, insbesondere mit im Wesentlichen identischen Amplituden, aber entgegengesetzten Phasen, gegenseitig aus und dadurch kann eine Variation bezüglich der Magnetfelder reduziert werden. Die relative magnetische Permeabilität der magnetischen Abschirmung 5 ändert sich somit kaum und die Ausgangsspannungen der Magneterfassungselemente 3 werden linear. Beispielsweise wird dann, wenn elektrische Ströme mit im Wesentlichen identischen Amplituden, aber entgegengesetzten Phasen, an die U-Phase und die V-Phase angelegt sind, eine Beziehung zwischen den Ausgangsspannungen der dreiphasigen Magneterfassungselemente 3 linear, wie es in 4 gezeigt ist. Wenn ein Interferenz-Korrekturfaktor unter solchen Bedingungen berechnet wird, ist es möglich, einen genauen Korrekturfaktor zu erhalten.
Das bedeutet bei der vorliegenden Ausführungsform, dass, um elektrische Ströme äußerst genau zu messen, die durch die Stromschienen 2 fließen, elektrische Ströme mit im Wesentlichen identischen Amplituden, aber entgegengesetzten Phasen, an gegebene zwei Phasen in einem derartigen Zustand angelegt werden, dass die magnetische Abschirmung 5 vorgesehen ist. Als Ergebnis kann eine Variation bezüglich des Magnetfelds der magnetischen Abschirmung 5 minimiert werden, werden die Ausgangsspannungen der Magneterfassungselemente 3 linear und ist es somit möglich, einen genauen Korrekturfaktor zu berechnen. Der Schlüssel zum Erhalten eines Korrekturfaktors besteht im Reduzieren der Amplitude der Summe der elektrischen Ströme, die an die Stromschienen 2 angelegt sind, die innerhalb der magnetischen Abschirmung 5 angeordnet sind. Daher werden beispielsweise selbst dann, wenn elektrische Ströme gleichzeitig an die drei Phasen der Stromschienen 2 angelegt sind, die Effekte der Erfindung erhalten, solange die Amplitude der Summe der elektrischen Ströme klein ist. Als Ergebnis ist es bei der vorliegenden Ausführungsform möglich, eine Interferenz zwischen den Magneterfassungselementen 3 äußerst genau zu korrigieren.
(Verfahren zum Berechnen des Korrekturfaktors)
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Berechnen eines Korrekturfaktors beschrieben werden. Wenn Dreiphasenströme gemessen werden, sind die Korrekturfaktoren in einer 3x3-Matrix angeordnet und sind drei unabhängige Messungen erforderlich, um alle Faktoren eindeutig zu spezifizieren. Beispielsweise werden elektrische Ströme mit im Wesentlichen identischen Amplituden, aber entgegengesetzten Phasen, an die U-Phase und die V-Phase angelegt und werden die Ausgangsspannungen der Magneterfassungselemente 3 gemessen. Als Nächstes wird mit einer Kombination der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase eine Referenz an die V-Phase angelegt, während elektrische Ströme bezüglich einer Phase entgegengesetzt in Bezug auf die V-Phase an die U-Phase und die W-Phase angelegt werden, so dass die Summe der Amplituden im Wesentlichen dieselbe wie die V-Phase ist, und werden die Ausgangsspannungen der Magneterfassungselemente 3 gemessen. Dann werden elektrische Ströme mit im Wesentlichen identischen Amplituden, aber entgegengesetzten Phasen, an die W-Phase und die U-Phase angelegt, und werden die Ausgangsspannungen der Magneterfassungselemente 3 gemessen. Dies lässt eine Berechnung eines äußerst genauen Korrekturfaktors zu. Wenn die zwei elektrischen Ströme bezüglich einer Phase entgegengesetzt an die zwei Stromschienen 2 entsprechend gegebenen zwei oder mehr Phasen angelegt werden, werden die Ströme bevorzugt so angelegt, dass nach einem Summieren der Ströme bezüglich derselben Phase eine Amplitudendifferenz dazwischen nicht größer als 1/10 der größeren Amplitude ist, um einen Korrekturfaktor mit hoher Genauigkeit zu berechnen.
Zuerst werden Amplituden der Spannungen V_{uo_i}, V_{vo_i} und V_{wo_i}, die von den Magneterfassungselementen 3u, 3v und 3w ausgegeben sind, unter der Bedingung (i) erhalten, dass ein Referenzstrom Iu an die U-Phasen-Stromschiene 2u angelegt ist und ein Strom Iv (= -Iu) mit einer im Wesentlichen identischen Amplitude, aber der entgegengesetzten Phase zu der U-Phase an die V-Phasen-Stromschiene 2v angelegt wird. Amplituden der elektrischen Ströme (Referenzströme) I_{uo_i}, I_{vo_i} und I_{wo_i}, die durch die Stromschienen 2u, 2v und 2w während der Zeit fließen, wenn der Referenzstrom Iu an die U-Phasen-Stromschiene 2u angelegt ist, werden auch gemessen (I_{wo_i} ist Null).
Als Nächstes werden die von den Magneterfassungselementen 3u, 3v und 3w ausgegebenen Spannungen V_{uo_ii}, V_{vo_ii} und V_{wo_ii} unter der Bedingung (ii) erhalten, dass ein Referenzstrom Iv an die V-Phasen-Stromschiene 2v angelegt wird, ein Strom Iu (= -klv) mit einer Amplitude von einem k-fachen (0<k<0.5) von derjenigen der V-Phase und der entgegengesetzten Phase an die U-Phasen-Stromschiene 2u angelegt wird und ein Strom Iw (= klv) mit einer Amplitude von einem k-fachen (0<k<0.5) von derjenigen der V-Phase und der entgegengesetzten Phase an die W-Phasen-Stromschiene 2v angelegt wird. Amplituden der elektrischen Ströme (Referenzströme) I_{uo_ii}, I_{vo_ii} und I_{wo_ii}, die durch die Stromschienen 2u, 2v und 2w während der Zeit fließen, wenn der Referenzstrom Iv an die V-Phasen-Stromschiene 2v angelegt ist, werden auch gemessen.
Als Nächstes werden die von den Magneterfassungselementen 3u, 3v und 3w ausgegebenen Spannungen V_{uo_iii}, V_{vo_iii}, V_{wo_iii} unter der Bedingung (iii) erhalten, dass ein Referenzstrom Iw an die W-Phasen-Stromschiene 2w angelegt wird und ein Strom Iv (= -Iw) mit einer im Wesentlichen identischen Amplitude und der entgegengesetzten Phase zu der W-Phase an die V-Phasen-Stromschiene 2v angelegt wird. Amplituden der elektrischen Ströme (Referenzströme) I_{uo_iii}, I_{vo_iii} und I_{wo_iii}, die durch die Stromschienen 2u, 2v und 2w während der Zeit fließen, wenn der Referenzstrom Iw an die W-Phasen-Stromschiene 2w angelegt ist, werden auch gemessen (I_{uo_iii} ist Null).
Die erhaltenen Spannungen V_{uo_j}, V_{vo_i}, V_{wo_i}, V_{uo_ii}, V_{vo_ii}, V_{wo_ii}, V_{uo_iii}, V_{vo_iii} und V_{wo_iii} und die Ströme I_{uo_i}, I_{vo_i}, I_{wo_i}, I_{uo_ii}, I_{vo_ii}, I_{wo_ii}, I_{uo_iii}, I_{vo_iii} und I_{wo_iii} werden in die folgende Formel (2) verschoben.
Die Formel (2) kann ausgedrückt werden als: $I_{N} = {GAV}_{G}$
wobei I_N eine Stromamplitudenmatrix auf der linken Seite der Formel (2) ist, G ein Faktor (skalarer Wert) zum Umwandeln eines Spannungswerts als Faktor 1 auf der rechten Seite in einen Stromwert ist, A eine Interferenz-Korrekturfaktormatrix als Faktor 2 ist und V_G eine Ausgangsgradientenmatrix als Faktor 3 ist. Die Stromamplituden in der Stromamplitudenmatrix I_N werden durch Normalisieren der gemessenen Stromamplituden zu dem Referenzstrom erhalten. Die Spannungsamplituden in der Ausgangsgradientenmatrix V_G werden durch Normalisieren der Ausgangsspannungsamplituden zu dem Referenzstrom erhalten.
Die Formel (3) kann zur folgenden Formel (4) modifiziert werden: $A= (1 / G) I_{N} V_{G}^{- 1}$
Wenn V_G eine Inverse hat (wenn die drei Bedingungen unabhängig sind), können die Interferenz-Korrekturfaktoren a_uu, a_uv, a_uw, a_vu, a_vv, a_vw, a_wu, a_wv und a_ww aus der Formel (4) erhalten werden.
(Funktionen und Effekte der Ausführungsform)
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die folgenden Funktionen und Effekte erhalten.
(1) Die Stromschienen 2 und die Magneterfassungselemente 3 werden durch die magnetische Abschirmung 5 abgeschirmt und es ist für sie somit weniger wahrscheinlich, dass sie durch ein Störungs-Magnetfeld beeinflusst werden.
Um einen Korrekturfaktor zu berechnen, werden elektrische Ströme mit im Wesentlichen identischen Amplituden (nach einem Summieren der Amplituden derselben Phase), aber entgegengesetzten Phasen, an irgendwelche zwei oder mehr der drei Phasen in einem Zustand angelegt, in welchem die Stromschienen 2 und die Magneterfassungselemente 3 durch die magnetische Abschirmung 5 abgeschirmt sind. Daher löschen sich die Magnetfelder, die durch die elektrischen Ströme erzeugt sind, die an die jeweiligen Phasen angelegt sind, jeweils gegenseitig aus, was darin resultiert, dass eine Variation bezüglich der relativen magnetischen Permeabilität der magnetischen Abschirmung 5 minimiert wird, die Ausgangsspannungen der Magneterfassungselemente 3 linear werden und es somit möglich ist, einen genauen Korrekturfaktor zu berechnen. Als Ergebnis ist es möglich, eine Interferenz äußerst genau zu korrigieren, und es ist möglich, elektrische Ströme äußerst genau zu erfassen, die durch die Stromschienen 2 in einer Konfiguration fließen, in welcher die Stromschienen 2 mit der magnetischen Abschirmung 5 bedeckt sind.
(Beispiele)
Die 5, 6 und 7 sind Kurvenbilder zum Erklären einer Prozedur zum Berechnen der Interferenz-Korrekturfaktormatrix. 5 ist ein Kurvenbild, das ein Messergebnis von Spannungsausgaben der Magneterfassungselemente 3 zeigt, wenn elektrische Ströme mit im Wesentlichen identischen Amplituden, aber entgegengesetzten Phasen, an die U-Phasen- und V-Phasen-Stromschienen angelegt sind. 6 ist ein Kurvenbild, das ein Messergebnis von Spannungsausgaben der Magneterfassungselemente 3 zeigt, wenn elektrische Ströme mit im Wesentlichen identischen Amplituden, aber entgegengesetzten Phasen, an die V-Phasen- und W-Phasen-Stromschienen angelegt sind. 7 ist ein Kurvenbild, das ein Messergebnis von Spannungsausgaben der Magneterfassungselemente 3 zeigt, wenn elektrische Ströme mit im Wesentlichen identischen Amplituden, aber entgegengesetzten Phasen, an die W-Phasen- und die U-Phasen-Stromschienen angelegt sind.
Wie es in 5 gezeigt ist, haben die Ausgangsspannungen der Magneterfassungselemente 3u und 3v, wenn die elektrischen Ströme an die U-Phasen- und V-Phasen-Stromschienen angelegt sind, große Sinuswellen, hat aber die Ausgangsspannung des Magneterfassungselements 3w bei der W-Phase, an welche der elektrische Strom nicht angelegt ist, eine kleine Sinuswelle. Wie es in 6 gezeigt ist, haben die Ausgangsspannungen der Magneterfassungselemente 3v und 3w, wenn die elektrischen Ströme an die V-Phasen- und W-Phasen-Stromschienen angelegt sind, große Sinuswellen, hat aber die Ausgangsspannung des Magneterfassungselements 3u bei der U-Phase, an welche der elektrische Strom nicht angelegt ist, eine kleine Sinuswelle. Wie es in 7 gezeigt ist, haben die Ausgangsspannungen der Magneterfassungselemente 3w und 3u, wenn die elektrischen Ströme an die W-Phasen- und U-Phasen-Stromschienen angelegt sind, große Sinuswellen, hat aber die Ausgangsspannung des Magneterfassungselements 3v, an welches der elektrische Strom nicht angelegt ist, eine kleine Sinuswelle. Da jede Ausgabe eine Sinuswelle hat, sind die Ausgaben der Magneterfassungselemente 3 linear und kann ein Interferenz-Korrekturfaktor durch Verwenden der Formel (4) genau erhalten werden.
Das Folgende ist ein Beispiel der Korrekturfaktoren. $(\begin{matrix} a_{U U} & a_{U V} & a_{U W} \\ a_{V U} & a_{V V} & a_{V W} \\ a_{W U} & a_{W V} & a_{W W} \end{matrix}) = (\begin{matrix} 0.98459 & - 0.20400 & - 0.11447 \\ - 0.00361 & 0.96458 & - 0.04855 \\ - 0.14465 & - 0.20645 & 0.94812 \end{matrix})$
8 ist ein Messergebnis von Spannungsausgaben der Magneterfassungselemente, wenn elektrische Ströme mit identischen Amplituden an die dreiphasigen Stromschienen angelegt sind und bevor eine Interferenzkorrektur unter Verwendung der in der obigen Formel gezeigten Korrekturfaktoren angewendet ist. 9 ist ein Messergebnis von Spannungsausgaben der Magneterfassungselemente, wenn elektrische Ströme mit identischen Amplituden an die dreiphasigen Stromschienen angelegt sind und nachdem eine Interferenzkorrektur unter Verwendung der in der obigen Formel gezeigten Korrekturfaktoren angewendet ist. Selbst dann, wenn die elektrischen Ströme mit identischen Amplituden an die drei Phasen angelegt sind, ist eine Amplitudendifferenz zwischen den Ausgangsspannungen der jeweiligen Phasen vor einem Anwenden einer Korrektur nicht kleiner als 0.3V, wie es in 8 gezeigt ist. Jedoch gibt es im Wesentlichen keine Amplitudendifferenz zwischen den Ausgangsspannungen der jeweiligen Phasen nach einem Anwenden einer Korrektur, wie es in 9 gezeigt ist.
(Zusammenfassung von Ausführungsformen)
Technische Ideen, die aus der Ausführungsform verstanden werden, werden nachstehend unter Anführung der Bezugszeichen etc., die für die Ausführungsform verwendet sind, beschrieben werden. Jedoch ist nicht beabsichtigt, dass ein jeweiliges Bezugszeichen, das nachstehend beschrieben ist, die Bestandteilselemente in den Ansprüchen auf die Elemente etc. beschränkt, die bei der Ausführungsform spezifisch beschrieben sind.

[1] Stromerfassungsvorrichtung, umfassend: eine Vielzahl von Stromschienen (2); eine Vielzahl von Magneterfassungselementen (3), die jeweils entsprechend der Vielzahl von Stromschienen (2) angeordnet sind, eine Stärke von Magnetfeldern erfassen, die durch Ströme erzeugt sind, die durch die Stromschienen (2) fließen, und Spannungen entsprechend der Stärke von Magnetfeldern ausgeben; eine magnetische Abschirmung (5), die angeordnet ist, um Teile der Vielzahl von Stromschienen (2) und der Vielzahl von Magneterfassungselementen (3) zu umgeben; eine Korrekturfaktor-Berechnungseinheit (62), die auf der Basis der von der Vielzahl von Magneterfassungselementen (3) ausgegebenen Spannungen, wenn irgendwelchen zwei oder mehreren der Vielzahl von Stromschienen (2) gegenphasige Ströme zugeführt werden, Korrekturfaktoren zum Korrigieren einer wechselseitigen Interferenz zwischen der Vielzahl von Magneterfassungselementen (3) berechnet; ein Aufzeichnungsmedium, das die Korrekturfaktoren hält, die durch die Korrekturfaktor-Berechnungseinheit (62) berechnet sind; und eine Strom-Berechnungseinheit (61), die unter Verwendung der im Aufzeichnungsmedium gehaltenen Korrekturfaktoren die Ströme, die durch die Vielzahl von Stromschienen (2) fließen, auf der Basis der von der Vielzahl von Magneterfassungselementen (3) ausgegeben Spannungen berechnet.
[2] Stromerfassungsvorrichtung, die durch [1] definiert ist, wobei zur Berechnung der Korrekturfaktoren in der Korrekturfaktor-Berechnungseinheit (62) eine Amplitudendifferenz zwischen zwei Stromamplituden nach einem Summieren der Ströme bei derselben Phase unter den an die zwei oder mehr Stromschienen (2) angelegten gegenphasigen Strömen nicht mehr als 1/10 der größeren Amplitude ist.
[3] Korrekturfaktor-Berechnungsverfahren für eine Stromerfassungsvorrichtung, die eine Vielzahl von Stromschienen (2) umfasst, eine Vielzahl von Magneterfassungselementen (3), die jeweils entsprechend der Vielzahl von Stromschienen (2) angeordnet sind, eine Stärke von Magnetfeldern erfassen, die durch Ströme erzeugt sind, die durch die Stromschienen (2) fließen, und Spannungen entsprechend die der Stärke von Magnetfeldern ausgeben, und eine magnetische Abschirmung (5), die angeordnet ist, um Teile der Vielzahl von Stromschienen (2) und der Vielzahl von Magneterfassungselementen (3) zu umgeben, wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt zum Berechnen von Korrekturfaktoren zum Korrigieren einer wechselseitigen Interferenz zwischen der Vielzahl von Magneterfassungselementen (3) auf der Basis der von der Vielzahl von Magneterfassungselementen (3) ausgegebenen Spannungen, wenn irgendwelchen zwei oder mehreren der Vielzahl von Stromschienen (2) gegenphasige Ströme zugeführt werden.
[4] Korrekturfaktor-Berechnungsverfahren, das durch [3] definiert ist, wobei beim Schritt zum Berechnen von Korrekturfaktoren eine Amplitudendifferenz zwischen zwei Stromamplituden nach einem Summieren der Ströme bei derselben Phase unter den an die zwei oder mehr Stromschienen (2) angelegten gegenphasigen Strömen nicht mehr als 1/10 der größeren Amplitude ist.

Obwohl die Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden ist, ist die Erfindung gemäß den Ansprüchen nicht auf die Ausführungsform beschränkt. Weiterhin soll bitte beachtet werden, dass nicht alle Kombinationen der bei der Ausführungsform beschriebenen Merkmale nötig sind, um das Problem der Erfindung zu lösen.
Zusätzlich kann die Erfindung auf geeignete Weise modifiziert und implementiert werden, ohne von ihrer Kemaussage abzuweichen. Beispielsweise können, obwohl die durch die Korrekturfaktor-Berechnungseinheit 62 berechneten Korrekturfaktoren bei der Ausführungsform in der Korrekturfaktor-Speichereinheit 7 gespeichert werden, die Korrekturfaktoren auf einem Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet werden, wie beispielsweise auf Papier durch Drucken, eingekauft als beiliegende Daten der Stromerfassungsvorrichtung 1 für einen Anwender und gespeichert in der Korrekturfaktor-Speichereinheit 7 durch den Anwender. Zusätzlich kann, obwohl bei der Ausführungsform drei Stromschienen 2 durch die magnetische Abschirmung 5 bei einer Längsposition teilweise umgeben sind, die Anzahl der Stromschienen 2 mehr als drei sein. Anders ausgedrückt ist die Erfindung dann anwendbar, wenn Ströme erfasst werden, die durch drei oder mehr Stromschienen 2 fließen, die als Leitungspfade dienen und die durch die magnetische Abschirmung 5 bei einer Längsposition teilweise umgeben sind.
Bezugszeichenliste

1: STROMERFASSUNGSVORRICHTUNG
2, 2u, 2v, 2w: STROMSCHIENE
3, 3u, 3v, 3w: MAGNETERFASSUNGSELEMENT
4: GEFORMTER HARZTEILBEREICH
5: MAGNETISCHE ABSCHIRMUNG
6: RECHENEINHEIT
7: KORREKTURFAKTOR-SPEICHEREINHEIT
61: STROM-BERECHNUNGSEINHEIT
62: KORREKTURFAKTOR-BERECHNUNGSEINHEIT

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2004507747 A [0004]

Claims

Stromerfassungsvorrichtung, umfassend: eine Vielzahl von Stromschienen; eine Vielzahl von Magneterfassungselementen, die jeweils entsprechend der Vielzahl von Stromschienen angeordnet sind, eine Stärke von Magnetfeldern erfassen, die durch Ströme erzeugt sind, die durch die Stromschienen fließen, und Spannungen entsprechend der Stärke von Magnetfeldern ausgeben; eine magnetische Abschirmung, die angeordnet ist, um Teile der Vielzahl von Stromschienen und der Vielzahl von Magneterfassungselementen zu umgeben; eine Korrekturfaktor-Berechnungseinheit, die auf der Basis der von der Vielzahl von Magneterfassungselementen ausgegebenen Spannungen, wenn irgendwelchen zwei oder mehreren der Vielzahl von Stromschienen gegenphasige Ströme zugeführt werden, Korrekturfaktoren zum Korrigieren einer wechselseitigen Interferenz zwischen der Vielzahl von Magneterfassungselementen berechnet; ein Aufzeichnungsmedium, das die Korrekturfaktoren hält, die durch die Korrekturfaktor-Berechnungseinheit berechnet sind; und eine Strom-Berechnungseinheit, die unter Verwendung der im Aufzeichnungsmedium gehaltenen Korrekturfaktoren die Ströme, die durch die Vielzahl von Stromschienen fließen, auf der Basis der von der Vielzahl von Magneterfassungselementen ausgegeben Spannungen berechnet.
Stromerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei zur Berechnung der Korrekturfaktoren in der Korrekturfaktor-Berechnungseinheit eine Amplitudendifferenz zwischen zwei Stromamplituden nach einem Summieren der Ströme bei derselben Phase unter den an die zwei oder mehr Stromschienen angelegten gegenphasigen Strömen nicht mehr als 1/10 der größeren Amplitude ist.
Korrekturfaktor-Berechnungsverfahren für eine Stromerfassungsvorrichtung, die eine Vielzahl von Stromschienen umfasst, eine Vielzahl von Magneterfassungselementen, die jeweils entsprechend der Vielzahl von Stromschienen angeordnet sind, eine Stärke von Magnetfeldern erfassen, die durch Ströme erzeugt sind, die durch die Stromschienen fließen, und Spannungen entsprechend der Stärke von Magnetfeldern ausgeben, und eine magnetische Abschirmung, die angeordnet ist, um Teile der Vielzahl von Stromschienen und der Vielzahl von Magneterfassungselementen zu umgeben, wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt zum Berechnen von Korrekturfaktoren zum Korrigieren einer wechselseitigen Interferenz zwischen der Vielzahl von Magneterfassungselementen auf der Basis der von der Vielzahl von Magneterfassungselementen ausgegebenen Spannungen, wenn irgendwelchen zwei oder mehreren der Vielzahl von Stromschienen gegenphasige Ströme zugeführt werden.
Korrekturfaktor-Berechnungsverfahren nach Anspruch 3, wobei beim Schritt zum Berechnen von Korrekturfaktoren eine Amplitudendifferenz zwischen zwei Stromamplituden nach einem Summieren der Ströme bei derselben Phase unter den an die zwei oder mehr Stromschienen angelegten gegenphasigen Strömen nicht mehr als 1/10 der größeren Amplitude ist.