JP2003075475A

JP2003075475A - 交流電流センサ

Info

Publication number: JP2003075475A
Application number: JP2001265752A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Koike; 克博小池
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2003-03-12

Abstract

(57)【要約】【課題】直流電流が重畳した交流電流から、直流電流
の影響を除く交流電流センサを実現することを目的にす
る。【解決手段】本発明は、閉磁路を構成する磁性材料か
らなるコアと、このコアに巻回し、電流が流れる導体
と、コアに巻回した第１〜第４のコイルと、第２のコイ
ルに接続され、交流信号またはパルス信号を第２のコイ
ルに発生させる信号発生部と、第３のコイルに接続さ
れ、第３のコイルからの出力によって、導体に流れる電
流に重畳した直流電流を検出する直流電流検出部と、第
４のコイルに接続され、直流電流検出部の出力信号を受
け、導体に流れる電流に重畳した直流電流によってコア
に励磁される磁束を打消すような電流を第４のコイルに
出力する補償電流発生部とを有し、第１のコイルから導
体に流れる電流を検出することを特徴とするものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導体に流れる電流
を検出する交流電流センサに関し、詳しくは直流電流が
重畳した交流電流から、直流電流の影響を除く交流電流
センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４を参照して、交流電流センサの一種
である変流器の原理について説明する。コア１は、環状
または多角形の閉磁路として構成され、磁性材料には、
軟質磁性材料を使用することが多い。

【０００３】導体２は被測定電流Ｉが流れる電線であ
り、１回または複数回コア１に巻回し構成され、コア１
とは絶縁されている。ここでは、巻回しを１回としてい
る。第１のコイル３は、被測定電流Ｉによって発生した
磁束により電流が発生する。この電流は被測定電流Ｉに
対応した出力となっている。１回または複数回コア１に
巻回し構成され、コア１とは絶縁されている。出力検出
部７は、第１のコイル３と接続し、第１のコイル３から
の出力を電流・電圧変換し演算することにより被測定電
流Ｉを求める。

【０００４】導体２に流れる被測定電流Ｉと、第１のコ
イル３に流れる電流ｉの関係を説明する。被測定電流Ｉ
をＩ＝Ａｓｉｎωｔとする。Ａは定数であり、ωは角周
波数であり、ｔは時間である。コア１の透磁率をμ、断
面積をＳ、１周の長さをｌとすると、被測定電流Ｉによ
ってコア１に生ずる磁束φは次式となる。 φ＝μＳＩ／ｌ第１のコイル３に誘導される起電力ｅは次式となる。ｅ＝−Ｎ（ｄφ／ｄｔ）＝−Ｎ・μＳ／ｌ・（ｄＩ／ｄｔ）＝−Ｎ・μＳ／ｌ・ω・Ａｃｏｓωｔよって、起電力ｅは透磁率μに依存することが分かる。

【０００５】また、被測定電流Ｉと巻回しＮ回の第１の
コイル３の相互インダクタンスＭは、次式で定義され
る。Ｍ＝Ｎ（φ／Ｉ）また、起電力ｅを相互インダクタンスＭを用いて表すと
次式となる。ｅ＝−Ｍ（ｄＩ／ｄｔ）そして、第１のコイル３に発生する電流ｉは次式とな
る。ｉ＝ｅ／Ｚ＝−（Ｍ／Ｚ）ｄＩ／ｄｔここで、Ｚは第１のコイル３のインピーダンスである。
さらに、第１のコイル３の直流抵抗をＲとし、インダク
タンスをＬとすると、インピーダンスはＺ＝Ｒ＋ｊωＬ
であるが、ωＬ≫ＲであればＲは無視できるので、電流
ｉは次式となる。ｉ≒−（Ｍ／ｊωＬ）ｄＩ／ｄｔ＝−（Ｍ／ｊωＬ）Ａωｃｏｓωｔ＝−（Ｍ／ｊＬ）Ａｃｏｓωｔ起電力ｅと同様に透磁率μに依存することが分かる。

【０００６】このような装置の動作を以下で説明する。
コア１の磁化曲線（ＢＨ曲線）を模式的に示したものを
図５に示す。横軸は磁場Ｈで、縦軸は磁束密度Ｂであ
る。ここで、Hｓはコア１を飽和させるのに要する磁
場、Ｂｓはコア１が飽和したときの飽和磁束密度であ
る。簡略のために、磁場Ｈが−Ｈｓ＜Ｈ＜Ｈｓの範囲で
は透磁率μ（μ＝ｄＢ／ｄＨ）をμｓ＝Ｂｓ／Ｈｓで一
定とし、Ｈ＞Ｈｓ及びＨ＜−Ｈｓの範囲ではμ＝μ_０と
する。ここでμ _０は真空中の透磁率である。

【０００７】ここで、正弦波の交流信号成分のみの被測
定電流Ｉが流れ、コア１の磁場Ｈが−Ｈｏ＜Ｈ＜Ｈｏの
範囲で時間的に変化しているとする。第１のコイル３で
発生する電流は、先ほどの式より被測定電流Ｉの交流信
号に比例し、時間軸に対して対称な出力を得ることがで
きる。この出力を電流・電圧変換し被測定電流Ｉを正確
に求めることができる。

【０００８】次に、被測定電流Ｉには、交流電流に直流
電流が重畳しているとする。コア１は、重畳した直流電
流によってバイアスされた磁界Ｈｂをうける。ここで、
Ｈｏ＋Ｈｂ＞Ｈｓとなると、第１のコイル３で発生する
電流は、時間軸に対して非対称な出力となり、被測定電
流Ｉを正確に測定することができない。

【０００９】また、実際の磁化曲線は磁性材料によって
ヒステリシス、及び非対称性を有しているので、被測定
電流Ｉによって発生する磁界が、Ｈｏ＋Ｈｂ＜Ｈｓ、か
つ−Ｈｏ＋Ｈｂ＞−Ｈｓだとしても、第１のコイル３で
発生する電流は、被測定電流Ｉの交流信号に比例しない
ため時間軸に対して完全に対称とはならず、正しく交流
電流を測定することは難しい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】一般的に交流電流セン
サを高精度化するためには、コアの材料として高感度の
磁性体を使用する必要がある。つまり、図５において磁
界Ｈｓの小さい磁性体を使用する必要がある。このよう
に高感度の磁性体を使用した場合、交流電流にわずかな
直流電流が重畳しただけでも磁性体が飽和してしまい、
交流電流測定に大きな誤差が生じる。結果として高精度
で測定することが困難になる。

【００１１】そこで、本発明の目的は、直流電流が重畳
した交流電流から、直流電流の影響を除く交流電流セン
サを実現することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】第１の本発明は、閉磁路
を構成する磁性材料からなるコアと、このコアに巻回
し、電流が流れる導体と、前記コアに巻回した第１〜第
４のコイルと、前記第２のコイルに接続され、交流信号
またはパルス信号を第２のコイルに発生させる信号発生
部と、前記第３のコイルに接続され、第３のコイルから
の出力によって、前記導体に流れる電流に重畳した直流
電流を検出する直流電流検出部と、前記第４のコイルに
接続され、前記直流電流検出部の出力信号を受け、前記
導体に流れる電流に重畳した直流電流によって前記コア
に励磁される磁束を打消すような電流を第４のコイルに
出力する補償電流発生部とを有し、第１のコイルから前
記導体に流れる電流を検出することを特徴とするもので
ある。

【００１３】第２の本発明は、第１のコイルに接続さ
れ、第１のコイルからの出力電流により、導体に流れる
交流電流を測定する出力検出部を設けたことを特徴とす
る第１の本発明記載のものである。

【００１４】第３の本発明は、第２、第３のコイルが共
通であることを特徴とする第１または第２の本発明記載
のものである。

【００１５】第４の本発明は、第２〜第４のコイルが共
通であることを特徴とする第１または第２の本発明記載
のものである。

【００１６】第５の本発明は、閉磁路を構成する磁性材
料からなるコアを、分割可能とした第１〜４の本発明の
いずれかに記載のものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明の実施の
形態を説明する。図１は本発明の第１の実施例を示した
構成図である。

【００１８】図１において、コア１は、環状または多角
形の閉磁路を構成する磁性材料からなる。材料として具
体的には、アモルファス、パーマロイなどの軟質磁性材
料が望ましく、低価格を要求される場合は、軟鉄、ケイ
素鋼板、フェライトなどを用いることもできるが、磁性
材料の磁化曲線のヒステリシス特性の対称性がよいアモ
ルファスが好ましい。

【００１９】導体２は、被測定電流Ｉが流れる電線であ
り、１回または複数回コア１に巻回し構成され、コア１
とは絶縁されている。ここでは、巻回しを１回としてい
る。第１〜第４のコイル３〜６は、１回または複数回コ
ア１に巻回し構成され、コア１とは絶縁されている。

【００２０】出力検出部７は、第１のコイル３と接続
し、被測定電流Ｉを求める。被測定電流Ｉの求め方は、
第１のコイル３からの出力を電流・電圧変換し演算する
方法や、複数の整流素子と可動コイル形計器の組み合わ
せで測定・演算する方法などある。

【００２１】信号発生部８は、第２のコイル４と接続
し、正弦波の交流信号、またはパルス信号を第２のコイ
ル４に出力し、コア１を励磁する。

【００２２】直流電流検出部９は、第３のコイル５と接
続し、信号発生部８によって発生した磁束と、被測定電
流Ｉによって発生する磁束とによって第３のコイル５に
流れる電流から、被測定電流Ｉに重畳した直流電流を検
出する。

【００２３】補償電流発生部１０は、第４のコイル６と
接続し、直流電流検出部９の信号を受け、被測定電流Ｉ
に重畳した直流電流によるコア１への励磁を打消すよう
に第４のコイル６に一定の電流を出力する。

【００２４】このような装置の動作を以下で説明する。
まず、導体２に流れる被測定電流Ｉは、交流電流のみと
する。信号発生部８は、被測定電流Ｉの周波数よりも高
い周波数にて正弦波信号を発生させる。一般的に、交流
電流を測定する場合は、被測定電流Ｉの周波数は既知な
場合が多い。信号発生部８により発生する磁界Ｈｏは、
Ｈｏ＜Ｈｓとする。信号発生部８の交流信号により、第
３のコイル５で発生する電流を直流電流検出部９で検出
する。ここで検出した信号は、信号発生部８の正弦波信
号に比例して時間軸に対して対称な信号が検出される。
対称な信号が検出される場合は、被測定電流Ｉに直流電
流が重畳されていないので、直流電流検出部９は補償電
流発生部１０に対して補償電流を流さないように信号を
出す。また、信号発生部８は信号の出力を止める。その
後、出力検出部７は第１のコイル３に流れる交流電流の
測定を開始し、測定結果より被測定電流Ｉを求める。

【００２５】次に、被測定電流Ｉである交流電流に、直
流電流が重畳されている場合について以下に説明する。
信号発生部８は、被測定電流Ｉの周波数よりも高い周波
数にて正弦波信号を発生させる。信号発生部８により発
生する磁界Ｈｏは、Ｈｏ＜Ｈｓとする。また、被測定電
流Ｉの直流電流によって励磁される磁界をＨｂ’とす
る。

【００２６】（ａ）Ｈｏ＋Ｈｂ’＜Ｈｓ、かつ−Ｈｏ＋
Ｈｂ’＞−Ｈｓのとき。コア１が図５のような磁化曲線ならば問題ないが、実際
の磁性材料の磁化曲線には、コア１の個別の磁気特性、
ヒステリシス特性、及び非対称性がある。これらによ
り、第３のコイル５にて発生する電流を検出する直流電
流検出部９では、時間軸に対して非対称な信号が検出さ
れる。直流電流検出部９では、この非対称な信号より被
測定電流Ｉに重畳している直流電流を求め、補償電流発
生部１０に補償電流を出力させる。

【００２７】（ｂ）（Ｈｏ＋Ｈｂ’＞Ｈｓ、かつ−Ｈｏ
＋Ｈｂ’＞−Ｈｓ）、または（Ｈｏ＋Ｈｂ’＜Ｈｓ、か
つ−Ｈｏ＋Ｈｂ’＜−Ｈｓ）のとき。これらの場合は、図５に示す磁化曲線であり、信号発生
部８の出力信号が正弦波であっても、直流電流検出部９
にて測定される信号は時間軸に対して非対称となる。直
流電流検出部９では、この非対称な信号より被測定電流
Ｉに重畳している直流電流を求め、補償電流発生部１０
に補償電流を出力させる。

【００２８】（ｃ）Ｈｏ＋Ｈｂ’＜−Ｈｓ、または−Ｈ
ｏ＋Ｈｂ’＞Ｈｓのとき。コア１は完全に飽和しているので、直流電流検出部９に
て測定される信号発生部８に対応した信号は、時間軸に
対して対称な信号になってしまう。よって、Ｈｏよりも
強い磁界Ｈｏ’を発生するように信号発生部８の出力を
大きくする。これにより、（Ｈｏ’＋Ｈｂ’＞Ｈｓ、か
つ−Ｈｏ’＋Ｈｂ’＞−Ｈｓ）、または（Ｈｏ’＋Ｈ
ｂ’＜Ｈｓ、かつ−Ｈｏ’＋Ｈｂ’＜−Ｈｓ）として、
直流電流検出部９にて測定される信号を非対称にし測定
する。直流電流検出部９では、この非対称な信号より被
測定電流Ｉに重畳している直流電流を求め、補償電流発
生部１０に補償電流を出力させる。この際、Ｈｏ’＞Ｈ
ｓとなっている可能性があるので、最終的には、Ｈｏ’
＜Ｈｓとなるように調整を行いつつ、補償電流を流す。

【００２９】上記の（ａ）〜（ｃ）に対応した動作を、
直流電流検出部９で検出される信号に非対称性がなくな
るまで行う。検出される信号に非対称性がなくなったな
らば、信号発生部８の出力を止める。そして、電流検出
部７は交流電流の測定を開始し、測定結果より被測定電
流Ｉを求める。

【００３０】このように、信号発生部８、直流電流検出
部９により、直流電流成分を検出し、補償電流発生部１
０で、直流電流の影響をキャンセルするので、被測定電
流Ｉである交流電流に直流電流が重畳されていても、ま
た高精度の磁性材料を使用してもコアを飽和させること
がなく、精度良く交流電流を検出でき、測定できる。

【００３１】また、交流電流測定器の交流電流検出部と
して使用するときは、被測定電流に重畳した直流電流は
除去されているので、後段の電子回路でＡＣカップリン
グを使用する必要がなくなり、回路構成が簡略化でき
る。また、測定器の小型化、低コストが可能となる。

【００３２】そして、ＡＣカップリング機能を持たない
測定器と組み合わせて交流電流を高精度で測定すること
ができる。

【００３３】図２は本発明の第２の実施例を示した構成
図である。ここで、図１と同一のものは同一符号を付
し、説明を省略する。

【００３４】コイル４ａは、第２、第３のコイル４、５
の代わりに設けられ、１回または複数回コア１に巻回し
構成され、コア１とは絶縁されている。これにより、第
２、第３のコイル４、５は共通のコイルとされるので、
構成が簡略化できる。

【００３５】第１の制御部１１は、コイル４ａと接続
し、信号発生部１１ａ、及び直流電流検出部１１ｂより
構成される。信号発生部１１ａは、正弦波の交流信号、
またはパルス信号をコイル４ａに出力し、コア１を励磁
する。また、直流電流検出部１１ｂは、コイル４ａに流
れる電流から、被測定電流Ｉに重畳した直流電流を検出
する。

【００３６】このような装置の動作は、信号発生部１１
ａ及び直流電流検出部１１ｂを有する第１の制御部１１
が第２、第３のコイル４、５の代わりにコイル４ａで行
う他は、第１の実施例と同一なので説明を省略する。

【００３７】図３は本発明の第３の実施例を示した構成
図である。ここで、図１と同一のものは同一符号を付
し、説明を省略する。

【００３８】コイル４ｂは、第２〜第４のコイル４〜６
の代わりに設けられ、１回または複数回コア１に巻回し
構成され、コア１とは絶縁されている。これにより、第
２〜第４のコイル４〜６は共通のコイルとされるので、
構成が簡略化できる。

【００３９】第２の制御部１２は、コイル４ｂと接続
し、信号発生部１２ａ、直流電流検出部１２ｂ、補償電
流発生部１２ｃから構成される。信号発生部１２ａは、
正弦波の交流信号、またはパルス信号をコイル４ｂに出
力し、コア１を励磁する。また、直流電流検出部１２ｂ
は、コイル４ｂに流れる電流から、被測定電流Ｉに重畳
した直流電流を検出する。そして、補償電流発生部１２
ｃは、直流電流検出部１２ｂの信号を受け、被測定電流
Ｉに重畳した直流電流による励磁を打消すようにコイル
４ｂに一定の電流を出力する。

【００４０】このような装置の動作は、信号発生部１２
ａ、直流電流検出部１２ｂ、補償電流発生部１２ｃを有
する第２の制御部１２が、第２〜第４のコイル４〜６の
代わりにコイル４ｂを使用する以外の他の動作は、第１
の実施例と同一なので説明を省略する。

【００４１】なお、信号発生部８の出力信号に比例した
時間軸に対して対称な信号が、直流電流検出部９で得ら
れるのは、被測定電流Ｉに直流電流が重畳していない
か、コア１が完全に飽和している場合である。これらの
区別は、補償電流発生部１０にて、コア１が飽和しない
程度の電流を流しつつ、信号発生部８の信号を出力し、
直流信号検出部９にて測定される信号が非対称になるか
を確認すればよい。

【００４２】また、コア１は周方向に分割可能としても
よい。これは被測定電流Ｉが流れる導体２を構成する電
線は、敷設された後に切断してコア１に巻くことは難し
い場合が多く、電線を切断せずにコア１に貫通できるよ
うにするためである。

【００４３】そして、出力検出部７を設けずに、第１の
コイル３から電流を出力する構成としてもよい。例え
ば、単体製品として電流クランプや変流器があげられ
る。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、以下のような効果があ
る。請求項１〜４によれば、信号発生部８、直流電流検
出部９により、直流電流成分を検出し、補償電流発生部
１０で、直流電流の影響をキャンセルするので、被測定
電流Ｉである交流電流に直流電流が重畳されていても、
また高精度の磁性材料を使用してもコアを飽和させるこ
とがなく、精度良く交流電流を検出できる。特に請求項
２によれば、精度良く交流電流を測定できる。

【００４５】また、交流電流測定器の交流電流検出部と
して使用するときは、被測定電流に重畳した直流電流は
除去されているので、後段の電子回路でＡＣカップリン
グを使用する必要がなくなり、回路構成が簡略化でき
る。また、測定器の小型化、低コストが可能となる。

【００４６】そして、ＡＣカップリング機能を持たない
測定器と組み合わせて交流電流を高精度で測定すること
ができる。

【００４７】請求項５によれば、コアを分割できるの
で、電線を切断せずにコアに貫通することができる。

【００４８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示した構成図である。

【図２】本発明の第２の実施例を示した構成図である。

【図３】本発明の第３の実施例を示した構成図である。

【図４】従来の変流器を用いた交流電流センサの構成図
である。

【図５】磁性材料の磁化曲線（ＢＨ曲線）の模式図を示
している。

【符号の説明】

１コア２導体３第１のコイル４第２のコイル５第３のコイル６第４のコイル７出力検出部８信号発生部９直流電流検出部１０補償電流発生部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】閉磁路を構成する磁性材料からなるコア
と、このコアに巻回し、電流が流れる導体と、前記コアに巻回した第１〜第４のコイルと、前記第２のコイルに接続され、交流信号またはパルス信
号を第２のコイルに発生させる信号発生部と、前記第３のコイルに接続され、第３のコイルからの出力
によって、前記導体に流れる電流に重畳した直流電流を
検出する直流電流検出部と、前記第４のコイルに接続され、前記直流電流検出部の出
力信号を受け、前記導体に流れる電流に重畳した直流電
流によって前記コアに励磁される磁束を打消すような電
流を第４のコイルに出力する補償電流発生部とを有し、
第１のコイルから前記導体に流れる電流を検出すること
を特徴とする交流電流センサ。
【請求項２】第１のコイルに接続され、第１のコイル
からの出力電流により、導体に流れる交流電流を測定す
る出力検出部を設けたことを特徴とする請求項１記載の
交流電流センサ。
【請求項３】第２、第３のコイルが共通であることを
特徴とする請求項１または２記載の交流電流センサ。
【請求項４】第２〜第４のコイルが共通であることを
特徴とする請求項１または２記載の交流電流センサ。
【請求項５】閉磁路を構成する磁性材料からなるコア
を、分割可能とした請求項１〜４のいずれかに記載の交
流電流センサ。