JP2008064539A - 電子式電流計 - Google Patents

Abstract

【課題】一次電流が小さく変流器からの出力電流が少ない場合においても計測可能な電子式電流計を小型・軽量・安価に実現するものである。
【解決手段】変流器の出力側に接続された整流回路からの出力電圧を昇圧して所定の電力を蓄積する電力蓄積回路と、この電力蓄積回路から出力された電圧が所定の電圧を超えないように監視する電圧監視回路と、この電圧監視回路からの状態信号により、オン・オフ信号を発生させる電圧制御回路と、前記電圧制御回路からのオン・オフ信号をもとにマイナス電圧を生成するマイナス電源回路と、前記変流器の出力側に接続され変流器から出力された電流を検出する電流検出手段と、前記電力蓄積回路に蓄積したプラス電圧とマイナス電源回路で生成したマイナス電圧を電源として前記電流検出手段の出力信号を処理し前記変流器の１次側に流れる電流を算出する電流処理回路とから構成される電子式電流計。
【選択図】図１

Description

この発明は、配電線等の被測定電線に流れる電流を計測する電子式電流計に関し、特に変流器により取得した上記被測定電線に流れる電流により電源を構成し、この電源を電流測定用の動作電源とする形式の電子式電流計に関するものである。

従来のこの種の電子式電流計は特許文献１に示されているものが既に提案されている。これによれば、変流器の２次側出力を二つに分岐し、その一方の出力を所定の直流電力を出力する電源回路として作用させると共に、分岐した他方の出力を周期的に取り込んで前記被測定電線に流れる電流に応じた測定データを出力するようにしている。
すなわち、変流器からの電流をスイッチ素子により上記電源回路と電流計測回路を交互に切り替える方式（図１、図２）、あるいは変流器からの電流の半波を上記電源回路用に使用し、残りの半波を電流計測回路用として使用する方式（図３）とし、それまでの二つの変流器を要する構成から一つの変流器構成として、装置の簡単化、小型・軽量化を図ったものである。

しかし、このような従来の方式は、一つの変流器から出力された電流を２分岐しているため、電流計測回路を使用する計測時においては、上記電源回路への平滑コンデンサへの充電が停止する結果、電源回路の出力電圧は低下することとなる。この電源回路の出力電圧は一定に保持されるべきものであり、電圧低下が大きくなれば計測回路の動作ができなくなるため、入力コンデンサ容量や出力電圧保持用の平滑コンデンサ容量を大きく設計することにより対応せざるを得なかった。特に、一次電流が小さく変流器からの電流が少ない場合の計測においてはその影響がより顕著であることから、コンデンサ容量の大型化は避けられず、電子式電流計の小型・軽量化の実現を妨げ、低価格化の支障となっていた。

特開２０００−６５８６７号公報

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、一次電流が小さく変流器からの出力電流が少ない場合においても計測可能な電子式電流計を小型・軽量・安価に実現することを目的とするものである。

この発明に係る電子式電流計は、変流器の出力側に接続された整流回路と、この整流回路からの出力電圧を昇圧して所定の電力を蓄積する電力蓄積回路と、この電力蓄積回路から出力された電圧が所定の電圧を超えないように監視する電圧監視回路と、この電圧監視回路からの状態信号により、オン・オフ信号を発生させる電圧制御回路と、前記電圧制御回路からのオン・オフ信号をもとにマイナス電圧を生成するマイナス電源回路と、前記整流回路の入力側電路に挿入され前記変流器から出力された電流を検出する電流検出手段と、前記電力蓄積回路に蓄積したプラス電圧と前記マイナス電源回路で生成したマイナス電圧とを電源として前記電流検出手段の出力信号を処理し前記変流器の１次側に流れる電流を算出する電流処理回路とから構成されたことを特徴とするものである。

この発明による電子式電流計は、上記のように構成したので、計測時に電源回路側（定電圧回路側）の充電を停止する必要がなくなり、平滑コンデンサは小型・軽量のままで一次電流が小さく変流器からの出力電流が少ない場合においても計測可能となる効果を有する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電子式電流計の構成図を示すものであり、図２、図３は図１の回路の各部動作波形図を示している。以下、図１の回路構成の詳細について図２を参照しながら説明する。図１において、１は計測対象となる配電線１Ａの電流を検出する変流器であり、２は上記変流器１の検出電流から配電線１Ａの電流を計測する電子式電流計部分である。電子式電流計２は、整流回路３、電力蓄積回路４、電圧監視回路５、電圧制御回路６、マイナス電源回路７及び電流処理回路８から構成されている。

これを更に個別に説明するに、上記整流回路３はダイオード３a〜３dの全波整流ブリッジ回路と平滑コンデンサ３eとからなり、変流器１で検出した２次側交流電圧を直流電圧Ｖ１（図２（b）参照）に変換する。電力蓄積回路４は、インダクタ４aとダイオード４bと平滑コンデンサ４cとＦＥＴトランジスタ等からなるスイッチング素子４dとから構成される昇圧チョッパ回路であり、上記スイッチング素子４dのオン・オフ動作により、整流回路３の直流電圧Ｖ１をＶ２（図２（c）参照）に昇圧する。なお、図２（a）は変流器１の検出電流I１の波形を示している。

上記電力蓄積回路４の昇圧チョッパ動作を簡単に説明すると、スイッチング素子４dがオンすることによりインダクタ４aにエネルギーを蓄積し、スイッチング素子４dがオフした瞬間からインダクタ４aに発生する逆起電力で、ダイオード４bを通してコンデンサ４cに電流が流れ、その充電により電圧値が上昇する。インダクタ４aのインダクタンスを大きくすることで上記逆起電力を大きくでき、充電電圧の上昇を高く設定することができるのはもちろんである。

次に、電圧監視回路５は上記電力蓄積回路４の出力電圧Ｖ２を検出し、所定の基準電圧Ｖref2を超えないように監視するものであり、抵抗Ｒ１（可変抵抗）、Ｒ２（固定抵抗）による分圧電圧をコンパレータ５aのマイナス端子に、上記基準電圧Ｖref2となる直流電源５ｂをコンパレータ５aのプラス端子に入力することにより上記平滑コンデンサ４cの電圧を監視し、これが所定の基準電圧Ｖref2を超えているか、あるいは基準電圧Ｖref2以下であるか、何れかの状態を示す状態信号を出力するものである。

また、電圧制御回路６は所定の周期でＨi/Ｌo信号を出力する発信回路６aを備え、具体的には電圧監視回路５からの上記状態信号により、電力蓄積回路４のスイッチング素子４dのオン・オフを制御する出力電圧Ｖ３（図２（d）参照）と、後で説明するマイナス電源を発生させるためのオン・オフ信号Ｖ５（図２（f）参照）を発生するものである。すなわち、図２（c）と対比した図２（d）から分かるように、出力電圧Ｖ２が上記基準電圧Ｖref2以下である場合は出力電圧Ｖ３はスイッチング素子４dをオン・オフする信号を出力し、出力電圧Ｖ２が上記基準電圧Ｖref2を超えた場合はオン状態を継続する信号を出力する。このオン継続信号によりスイッチング素子４dは短絡状態となり、上記電力蓄積回路４の昇圧チョッパ回路を停止させる。

続いてマイナス電源回路７は第１のコンデンサ７a、第１のダイオード７b、第２のコンデンサ７c、第２のダイオード７d、定電圧ダイオード７e、抵抗器７f、第３のコンデンサ７gから構成され、上記発振回路６aから出力されたオン・オフ信号Ｖ５からマイナスの定電圧を生成する回路である。

このマイナス電源回路７の動作を簡単に説明すると、オン・オフ信号Ｖ５の立ち上がり時に、第１のコンデンサ７aを充電する電流が第１のダイオード７bを通じて流れ、第１のコンデンサ７aの端子電圧Ｖ５aは上記ダイオード７bの順電圧分だけ上昇する。次にオン・オフ信号Ｖ５の立ち下がり時には、立ち上がり時と逆方向に上記第１のコンデンサ７aを逆充電する電流がＧＮＤから第２のコンデンサ７c、第２のダイオード７dを経由して流れるため、第２のコンデンサ７cが充電されその端子電圧Ｖ６a（図２（g）参照）にマイナス電圧を発生させる。上記を繰り返すことで第１のコンデンサ７aの充電が進み、同時に第２のコンデンサ７cのマイナス電圧が大きくなるが、定電圧ダイオード７eによって一定電圧化される。

最後に、電流処理回路８は、上記整流回路３の入力側電路に直列に挿入された抵抗器からなる電流検出手段９と、電流検出手段９による発生電圧を上記したプラス電圧Ｖ２及びマイナス電圧Ｖ６aによって駆動される電圧変換器１０、上記電圧変換器１０のアナログ出力をディジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器１１、上記Ａ／Ｄ変換器１１の電圧出力を電流値に変換する電圧／電流変換器１２及び表示器１３とから構成されている。上記電流検出抵抗９の抵抗値はその発生電圧が電圧制御回路６のプラス電圧Ｖ２とマイナス電源回路７のマイナス電圧Ｖ６aの範囲内になるように調整した値に設定されている。上記電流検出手段９により検出された電圧は、先ず電圧変換器１０でＡ／Ｄ変換器１１の入力範囲にレベル変換された値Ｖ７（図２（h）参照）を得る。このＡ／Ｄ変換値を電圧／電流変換器１２により電流値を演算し（図２（i）参照）、これを表示器１３にて表示する。

次に、以上のように構成された電子式電流計２の全体動作について、図１乃至図３を用いて詳細に説明する。
配電線１Ａに負荷電流が流れると、変流器１の二次側に検出電流Ｉ1（図２（a））が流れ、検出電流Ｉ1は整流回路３により直流電圧Ｖ１（図２（b））に変換される。
電力蓄積回路４のスイッチング素子４ｄは起動時においてはＯＦＦ状態であり、インダクタ４ａ、整流ダイオード４ｂを介して、平滑コンデンサ４ｃが充電され、出力電圧Ｖ２（図２（c））が上昇する。出力電圧Ｖ２が上昇し、電圧監視回路５の動作電圧Ｖｒｅｆ１を超えると、電圧監視回路５から、電圧制御回路６へ制御開始の信号が出力され、電圧制御回路６は所定の周期のオン・オフ信号である制御電圧Ｖ３（図２（d））を出力する。

制御電圧Ｖ３により、電力蓄積回路４のスイッチング素子４ｄがオン・オフを繰り返えすと、上述したように昇圧チョッパ動作によりインダクタ４ａ、整流ダイオード４ｂにより更に平滑コンデンサ４ｃが充電され、出力電圧Ｖ２が上昇する。
出力電圧Ｖ２が電圧監視回路５の基準電圧Ｖｒｅｆ２を超えると、電圧監視回路５から出力されたオン・オフ信号Ｖ３は停止し、電圧制御回路６はスイッチング素子４dをオン状態にする。この結果、整流回路３の平滑コンデンサ４ｃは短絡状態となり、整流回路３の電圧Ｖ１は電力蓄積回路４のスイッチング素子４ｄのドレインーソース間電圧程度に低くなる。

次に、出力電圧Ｖ２が徐々に低下し、再び基準電圧Ｖｒｅｆ２以下になると、電圧監視回路５から出力電圧Ｖ２が基準電圧以下である状態信号を受け、電圧制御回路６から発信回路６aによるＨi／Ｌo信号が出力され、電力蓄積回路４のスイッチング素子がチョッパ動作を行い出力電圧Ｖ２が上昇する。

次に、マイナス電源回路７のマイナス電圧生成の動作を図３の各部動作波形図を参照しながら説明する。マイナス電源回路７は、電圧制御回路６から出力されたオン・オフ信号Ｖ５（図２（f）、図３（a））に基づいて、オン信号のときに第１のダイオード７ｂを通して第１のコンデンサ７ａを充電し（図３（b））、オフ信号のときに第１のコンデンサ７ａに充電された電荷に基づいて第２のダイオード７ｄを通して第２のコンデンサ７ｃを充電し(図３（c）)、ＧＮＤに対してマイナス電圧を生成する（図３（d））。このマイナス電圧は定電圧ダイオード７eにより一定値に保持される（図３（e））。

次に、電流処理回路９の動作について説明する。
配電線１１に電流が流れると、変流器１に検出電流Ｉ1が流れ、電流検出抵抗８に電圧が発生する。この電圧は、変流器１からの交流電流からＧＮＤレベル（０Ｖ）中心にプラス・マイナスの電圧Ｖ４となり、この電圧Ｖ４は、電流処理回路９を構成する電圧変換器１０により、計測範囲の電圧であるオフセット電圧Ｖosを基準にした電圧Ｖ７に変換された後、Ａ／Ｄ変換器１１によりアナログ値からデジタル値に変換される。

ディジタル値に変換された電圧は、電圧／電流変換器１２により、その瞬時値を次式に従って電流実効値Ｖ８に変換し、表示部１３により配電線１１に通電された電流として表示する。

電流実効値＝√（Σ(Ｖ/Ｒ)²／ｎ）

但し、Ｖは、Ｖ7の半波をｎ等分した瞬時値、
Ｒは、電圧／電流比を表す。

以上のようにこの発明の実施の形態１になる電子式電流計においては、容量の小さい小型で安価なコンデンサで構成することができ、一次電流が小さく変流器からの出力電流が少ない場合においても計測可能な、安価な電子式電流計を得ることができる。

この発明の実施の形態１における電子式電流計の構成を示す図である。 図１の動作を示すタイムチャートである。 図１のマイナス電源回路の動作を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 変流器、 １Ａ 配電線、 ２ 電子式電流計、
３ 整流回路、 ４ 電力蓄積回路、
５ 電圧監視回路、６ 電圧制御回路、７ マイナス電源回路、
８ 電流処理回路、９ 電流検出手段、
１０ 電圧変換器、 １１ Ａ／Ｄ変換器、
１２ 電圧／電流変換器、 １３ 表示器。

Claims (5)

1. 変流器の出力側に接続された整流回路と、この整流回路からの出力電圧を昇圧して所定の電力を蓄積する電力蓄積回路と、この電力蓄積回路から出力された電圧が所定の電圧を超えないように監視する電圧監視回路と、この電圧監視回路からの状態信号により、オン・オフ信号を発生させる電圧制御回路と、前記電圧制御回路からのオン・オフ信号をもとにマイナス電圧を生成するマイナス電源回路と、前記整流回路の入力側電路に挿入され前記変流器から出力された電流を検出する電流検出手段と、前記電力蓄積回路に蓄積したプラス電圧と前記マイナス電源回路で生成したマイナス電圧とを電源として前記電流検出手段の出力信号を処理し前記変流器の１次側に流れる電流を算出する電流処理回路とから構成されたことを特徴とする電子式電流計。
2. 前記電力蓄積回路は昇圧チョッパ回路で構成したことを特徴とする請求項１に記載の電子式電流計。
3. 前記マイナス電源回路は、電圧制御回路から出力されたオン・オフ信号に基づいて、オン信号のときに第１のダイオードを通して充電される第１のコンデンサと、オフ信号のときに前記第１のコンデンサに充電された電荷に基づいて第２のダイオードを通して充電されＧＮＤに対してマイナス電圧を生成する第２のコンデンサと、このマイナス電圧を所定の電圧に保持する定電圧ダイオードとにより構成されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の電子式電流計。
4. 前記電流検出手段は前記変流器と整流回路との間に直列に挿入された電流検出抵抗からなることを特徴とする請求項１に記載の電子式電流計。
5. 電流計測回路は、変流器の出力電流に基づいて電流検出抵抗で検出した電圧をオフセット電圧を基準にした計測範囲の電圧に変換する電圧変換器と、この電圧変換器から出力されたアナログ電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器から出力された瞬時値を電流実効値に変換する電圧／電流変換器と、この電圧／電流変換器からの演算出力を被測定電流として表示する表示器とで構成したことを特徴とする請求項１あるいは４に記載の電子式電流計。

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