JP2008101914A - 電流センサおよび電子式電力量計 - Google Patents

Abstract

【課題】主として電力計測および電力量計測のための電流センサにおいて外部磁場による影響を受けにくく、直線性及び温度特性が優れ、直流成分が重畳された周期的電流であっても正確にその交流成分を計測できる電流センサを提供する。
【解決手段】電流検出コイルが巻回され、電流バーが貫通する集磁コアの近傍に補償コイルを設け、外部磁場により電流検出コイルに発生する誤差電圧を相殺した。また、第１および第２の集磁コアを設け、それぞれの電流検出コイルを誤差電圧が相殺されるように直列接続した。 更に、電流バーを流れる被測定電流が作る磁束が貫く磁路に関して、集磁コア内部のみの磁気抵抗とギャップ部を含めた全磁気抵抗の比が、電流センサの出力許容誤差より小さくなるように、集磁コアおよびギャップを構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直流成分が重畳し、かつ周期的に変化する電流の交流成分を正確に計測するための手段を提供する。特に、交流成分の測定精度が重要である電力計測および電力量計測のための電流計測技術に関する。

一般に大電力を扱う回路における電流計測は主回路で直接行うのは難しいため、別置の電流センサを使用する場合が多い。代表的な電流計測方式としては、変流器（カレントトランス；ＣＴ）、ホール素子などの磁電変換素子によって構成された直流電流センサ、ロゴスキーコイル法などが知られている。
交流回路で最も一般的に使われる電流センサは変流器（カレントトランス；ＣＴ）である。これは、磁気コアに複数回の二次巻線を施したものであり、電流バーを磁気コアに貫通させて被測定電流が変化したとき、それによって生ずるコア内の磁束密度の変化を相殺するように巻線に電流が流れ、この二次巻線内の電流を計測することによって被測定電流を計測するものである。

磁気コアにギャップを設け、磁気コア内に生ずる磁束を検出する電流計測方式もある。これは、例えば先行技術特許文献１にその構成が示されている。この場合、ギャップつき集磁コアのギャップ位置に磁電変換素子を配置して、被測定電流によって集磁コア内に発生する磁束密度を計測することによって被測定電流を計測する。
その他、主に大電流を計測する手法として、ロゴスキーコイル法が知られている。この構成は先行技術特許文献２に示されているように、空芯コイルを環状に多数配置して、その中心を貫く電流が変化したときに、空芯コイルを貫く磁束の変化によって発生する電圧を積分することによって電流を得るというものである。

また、ロゴスキーコイル法と同じく電磁誘導を用いた手法として、ギャップつき集磁コアの周りに巻線を施して、被測定電流の変化による集磁コア内の磁束変化を巻線コイルで検出することもあり、クランプ型電流センサ等で利用されている。
特開平７−４３３８８号公報 特開２００５−３５８９号公報

半導体技術の進展に伴い、半波電流など直流が重畳した電流によって消費される電力が計量できる電力計や電力量計のニーズが増えつつある。直流を含む多くの周波数成分からなる一般の電圧、電流において、電力は各周波数成分ごとに電圧×電流の数値を演算して得られる。しかし、商用の交流電源電圧は直流成分を含まないので、電力の測定では電流の直流成分は不要である。一方、交流電流成分の測定精度は直接電力の計算精度に影響を与える。

しかし、交流電流成分の測定に関して、従来の電流計測手法では以下に述べる問題があった。
まず、変流器では交流電流を高精度に計測することが可能であるが、変流器を貫通する電流バーに直流成分を含む電流が通電されると、その直流成分が計測されないだけでなく、コアの磁気飽和によって交流成分も正確に計測できなくなる。

磁電変換素子による直流電流センサによる電流計測では、直流成分が重畳された電流であっても、直流成分をもたない交流電流を計測する場合と同程度の精度で交流電流成分を計測することができる。しかし、この電流センサの出力はコアの磁気特性に加えて磁電変換素子の直線性や温度特性に直接依存するため、一般に交流計測精度としては変流器より劣っている。また、一般に磁電変換素子は感度ばらつきが大きいことに加え、集磁コアと磁電変換素子との相対位置のずれによって、電流センサとしての感度ばらつきが大きくなる。

また、ロゴスキーコイル法では、空芯のため、わずかな巻きムラによって外部磁場の影響を受けてしまうという、作製上の困難を有している。
ロゴスキーコイル法と同じく電磁誘導を検出原理とする場合であっても、集磁コアの周りに巻線したものでは、外部磁場による磁束が集磁コア内を通るため、大きな誤差要因となる。この点に関して、図面で詳細に説明する。

図８は電磁誘導を検出原理とする方式による従来の構成を示す図である。図８において電流バー２１を囲んでギャップ２４をもつ集磁コア２２が配置され、該集磁コア２２には検出コイル２３が巻回されている。本方式においては被測定電流によって集磁コア内に発生する磁束密度の時間変化に比例する出力が検出コイル２３から得られる。この出力を図示しない積分回路に導き、積分演算を行えば被測定電流が得られる。

図９に外部磁場がある場合の集磁コア内の磁束の通路を示す。図９において外部磁界が下方から侵入した場合、磁束は電流検出コイル２３の側（φＡ）とギャップ２４の側（φＢ）に分かれてコア内を通過する。電流検出コイル２３側の磁束φＡが変動すると、電流検出コイル２３には誘導電圧が発生し、検出すべき被測定電流による発生電圧に重畳して誤差を生ずる。磁束φＡおよびφＢに対する磁気抵抗はギャップのないφＡ側がはるかに小さく、したがって電流検出コイル２３を貫通する磁束φＡはφＢより大きい。この結果、外部磁場がある場合の電流測定誤差は無視できないものとなる。この外部磁場の影響を避けるため、センサ全体を磁気シールドで囲むといった対策が必要となる場合もあった。

本発明は、外部磁場による影響を受けにくく、直線性及び温度特性が優れ、直流成分が重畳された周期的電流であっても正確にその交流成分を計測できる電流センサおよびこの電流センサを用いた電子式電力量計を提供することを目的とする。

このため本発明では、電流バーと、該電流バーを囲むように配置され、ギャップをもった強磁性体製集磁コアと、該集磁コアに巻回された電流検出用コイルと、前記集磁コアの近傍にあって、その外側に配置され、外部からの変動磁場によって前記電流検出用コイルに生じる誘導電圧を相殺する誘導電圧を生じる補償コイルと、前記電流検出用コイルおよび補償コイルに生じる誘導電圧を積分する手段を備え、前記電流バーに流れる被測定電流の変化による前記集磁コアを貫く磁束の変化を積分することによって被測定電流を計測することとした。

また、補償コイルに生ずる誘導電圧を可変増幅率の増幅器を通して定数倍し、その出力を電流検出用コイル出力に加算または減算した信号を積分した結果を電流センサの出力とし、被測定電流の非通電時に外部からの変動磁場によって生ずる電流センサ出力がゼロとなるよう、前記補償コイルからの誘導電圧の増幅率を調整することとした。
更に、電流バーと、該電流バーを囲むように配置され、ギャップをもった第１および第２の強磁性体製集磁コアと、それぞれの集磁コアに巻回され、外部磁場に対して逆向きの電圧を発生する方向に接続された第１および第２の電流検出用コイルと、前記第１および第２の電流検出用コイルに生じる誘導電圧を積分する手段を備え、前記電流バーに流れる被測定電流の変化による前記集磁コアを貫く磁束の変化を積分することによって被測定電流を計測することとした。

更に、電流バーを流れる被測定電流が作る磁束が貫く磁路に関して、集磁コア内部のみの磁気抵抗とギャップ部を含めた全磁気抵抗の比が、電流センサの出力許容誤差より小さくなるように、集磁コアおよびギャップを構成した。
更に、このような電流センサを電子式電力量計に用いた。

本発明では、電流バーが貫通する集磁コアに巻回された電流検出コイルの近傍に補償コイルを配置し、補償コイルの誘導電圧は外部からの変動磁場によって前記電流検出用コイルに生じる誘導電圧を相殺するように設けたため、外部磁界の影響による電流検出誤差を極めて小さくできる。
また、補償コイルに生ずる誘導電圧を可変増幅率の増幅器を通して定数倍し、その出力を電流検出用コイル出力に加算または減算した信号を積分した結果を電流センサの出力としたため、電流検出用コイルと補償コイルの形状の違い、位置関係などに起因する両コイルの誘導電圧差の微調整が可能であり、更に電流検出精度を高めることができる。

また、電流バーが貫通する第１および第２の集磁コアを配置し、それぞれの集磁コアに巻回された電流検出コイルを、検出電流に対しては同じ向きの、外部磁場に対しては逆向きの電圧を発生する方向に接続したため、外部磁界の影響による電流検出誤差を極めて小さくできると共に、電流検出感度も向上させることができる。
更に、電流バーを流れる被測定電流が作る磁束が貫く磁路に関して、集磁コア内部のみの磁気抵抗とギャップ部を含めた全磁気抵抗の比を、電流センサの出力許容誤差より小さくなるように、集磁コアおよびギャップを構成したため、磁気飽和によって集磁コア材料の透磁率が変動した結果、電流測定値に誤差が生ずる場合でも、その誤差を許容値以下に保つことができる。

このような電流センサを電子式電力計に用いることにより、電流に直流成分を含む場合でも、被測定電流の交流成分を高精度で検出することができる。

次に、本発明による電流センサの具体的な実施形態について、図面を用いて説明する。

図１は本発明による電流センサの第１の実施例を示す斜視図である。図１においてギャップをもった強磁性体製集磁コア２は電流バー１を囲むように配置され、該集磁コア２には電流検出コイル３が巻回されている。補償コイル４は該集磁コア２の外側近傍にあって、外部からの変動磁場によって該電流検出コイル３に生じる誘導電圧を相殺する向きに巻回されている。補償コイル４は例えばプリント基板上のパターンとして形成される。電流検出コイル３および補償コイル４は直列接続されており、その一端は接地、他端は積分回路５の入力となっている。該積分回路５の出力はＡＤ変換器６に入力され、ディジタル信号化される。

次に、上記構成の電流センサにおける電流検出原理を述べる。被測定電流が電流バー１に流れることによって電流に比例した磁束が集磁コア２に発生し、それが電流検出コイル３を貫く。電流検出コイル３は補償コイル４と巻回方向が逆であり、更に直列に接続されているので、外部から変動磁界が印加されたときには磁束変化によって電流検出コイル３に発生する誘導電圧は補償コイル４で発生する誘導電圧によって相殺される。一方、電流バー１を流れる被測定電流によって電流検出コイル３を貫く磁束は補償コイル４を貫かないため、電流検出コイル３と補償コイル４を直列接続した両端からは外部磁場の影響を受けることなく被測定電流の時間変化に比例した電圧信号が取り出される。この電圧信号を積分することによって被測定電流を得ることができる。

図２は第１の実施例における一変形を示す図であり、ＡＤ変換器６を前段におき、その出力を数値積分する電流センサの構成を示したものである。このようにコイルに生ずる電圧信号から電流信号を得るには、図１のようにアナログ積分器で積分した後にＡＤ変換してもよく、また、図２のようにＡＤ変換後に数値積分を行って求めてもよい。
また、図１および図２における補償コイルはプリント基板上にパターン化してもよいし、巻線型であってもよい。

図３は本発明による電流センサの第２の実施例を示す斜視図である。図３において電流バー１、集磁コア２、電流検出コイル３および補償コイル４の構成は実施例１と同様である。電流検出コイル３および補償コイル４の電圧出力はそれぞれ独立に外部に引き出されており、補償コイル４の電圧出力は増幅器７を通った後、両者を差動増幅器８に入力する。差動増幅器８の出力は実施例１と同様に積分回路５およびＡＤ変換器６に入力され、ディジタル信号化される。電流検出コイル３および補償コイル４の出力を独立に外部に引き出し、増幅器を介することにより、電圧感度を高められるとともに、両コイルの巻線仕様決定の自由度が高まるという効果がある。

図４は第２の実施例における一変形を示す図であり、増幅器７を可変増幅器９としたものである。被測定電流がゼロの状態で外部交流磁場が印加されたときに電流センサ出力として得られる信号がゼロとなるように増幅率を調整することによって、電流測定時の外部磁場の影響を完全に打ち消すことができ、微少電流測定時の分解能を高めることができる。

図５は本発明による電流センサの第３の実施例を示す斜視図である。図５では積分回路等の信号処理系は図示していない。図５において、電流検出コイル３が巻かれた集磁コア２とは別の補償コイル用集磁コア１０に補償コイル４を巻き、電流検出コイル３のある集磁コア２のみに電流バー１を貫通させ、被測定電流を通電することによって、やはり外部交流磁場の影響を相殺しつつ、被測定電流のみを計測することができる。補償コイル用集磁コア１０は電流測定用の集磁コア２と同一形状のものでも良く、また独自の寸法、仕様のものであっても可能である。

図６は本発明による電流センサの第４の実施例を示す斜視図である。図６では積分回路等の信号処理系は図示していない。図６において、第１集磁コア１１、第２集磁コア１２のそれぞれに第１電流検出コイル１３、第２電流検出コイル１４を巻き、これらを電流バー１に流れる測定電流に対して互いに逆向きの電圧を出力するように配置して、外部磁場の変動によって生ずる電圧は相殺する向きに第１、第２電流検出コイルを直列接続する。本方法によって外部磁場の影響を相殺しつつ、被測定電流のみを計測することができる。

第１集磁コア１１、第２集磁コア１２は同一形状のものでも良く、またそれぞれ独自の寸法、仕様のものであっても差支えない。
実施例１から４に示すような集磁コアを使った電流センサでは集磁コア材料の磁気特性の非直線性により電流測定誤差を生ずる。この誤差を許容値以下に抑えるために、本発明では以下のように集磁コアを構成した。図７は本発明の電流センサにおける集磁コアの磁気抵抗計算のための寸法図であり、コア部の磁路長がｌｉ、ギャップ長がｌｇである。また磁路の断面積は全磁路について同一のＳであり、集磁コア材料の透磁率はμｉ、空気の透磁率はμ0である。この磁気回路において被測定電流Ｉによって生ずる磁束φは磁気回路の全磁気抵抗をＲｍとして

で表される。全磁気抵抗Ｒｍは集磁コア部の磁気抵抗Ｒｉとギャップ部磁気抵抗Ｒｇの和であり、ＲｉおよびＲｇは図７の寸法から

で表される。電流測定誤差は被測定電流の大きさや周囲温度の違いにより、集磁コア部の磁気抵抗ＲｉがΔＲｉだけ変化することにより発生する。「数式１」から集磁コア内の磁束の相対変化Δφ／φの関係を計算すると

が得られるが、集磁コア部の磁気抵抗変化ΔＲｉは高々Ｒｉと同程度なので

と書くことができ、集磁コア部の磁気抵抗Ｒｉと全磁気抵抗Ｒｍの比Ｒｉ／Ｒｍを許容値以下とすることで、集磁コア内の磁束に比例した出力である電流の測定誤差を許容値以下に抑えることができる。
例えば、集磁コア材料の比透磁率（空気の透磁率に対する倍率）を１０００、許容誤差を１％とするとｌｉ／ｌｇ≒１０となり、ギャップ長ｌｇを２ｍｍとした場合、集磁コアの磁路長ｌｉは最大２０ｍｍまで許容できる。

本発明の電流センサの第１の実施例を示す斜視図 本発明の電流センサの第１の実施例の一変形を示す図 本発明の電流センサの第２の実施例を示す斜視図 本発明の電流センサの第２の実施例の一変形を示す図 本発明の電流センサの第３の実施例を示す斜視図 本発明の電流センサの第４の実施例を示す斜視図 集磁コアの磁気抵抗計算のための寸法図 従来技術による電流センサの構成を示す斜視図 従来技術による電流センサにおける外部磁場による磁束の流れを示す図

符号の説明

１ 電流バー ２ 集磁コア ３ 電流検出コイル
４ 補償コイル ５ 積分回路 ６ ＡＤ変換器
７ 増幅器 ８ 差動増幅器 ９ 可変増幅器
１０ 補償コイル用集磁コア １１ 第一の集磁コア
１２ 第二の集磁コア １３ 第一の検出コイル １４ 第二の検出コイル
１５ 数値積分器 ２１ 電流バー ２２ 集磁コア
２３ 電流検出コイル ２４ ギャップ ２５ 外部磁場

Claims (7)

1. 電流バーと、該電流バーを囲むように配置され、ギャップをもった強磁性体製集磁コアと、該集磁コアに巻回された電流検出用コイルと、前記集磁コアの近傍にあって、その外側に配置され、外部からの変動磁場によって前記電流検出用コイルに生じる誘導電圧を相殺する誘導電圧を生じる補償コイルと、前記電流検出用コイルおよび補償コイルに生じる誘導電圧を積分する手段を備え、前記電流バーに流れる被測定電流の変化による前記集磁コアを貫く磁束の変化を積分することによって被測定電流を計測することを特徴とする電流センサ。
2. 請求項１に記載の電流センサにおいて、補償コイルは電流バーの貫通する集磁コアとは別の集磁コアに巻回されていることを特徴とする電流センサ。
3. 請求項１または２に記載の電流センサにおいて、補償コイルに生ずる誘導電圧を可変増幅率の増幅器を通して定数倍し、電流検出用コイル出力に加算または減算した信号を積分した結果を電流センサの出力とすることを特徴とする電流センサ。
4. 電流バーと、該電流バーを囲むように配置され、ギャップをもった第１および第２の強磁性体製集磁コアと、それぞれの集磁コアに巻回され、外部からの変動磁場に対して逆向きの誘導電圧を発生する方向に接続された第１および第２の電流検出用コイルと、前記第１および第２の電流検出用コイルに生じる誘導電圧を積分する手段を備え、前記電流バーに流れる被測定電流の変化による前記集磁コアを貫く磁束の変化を積分することによって被測定電流を計測することを特徴とする電流センサ。
5. 請求項４に記載の電流センサにおいて、第１または第２の電流検出用コイルに生ずる誘導電圧を可変増幅率の増幅器を通して定数倍し、電流検出用コイル出力に加算または減算した信号を積分した結果を電流センサの出力とすることを特徴とする電流センサ。
6. 請求項１ないし５のいずれかの項に記載の電流センサにおいて、電流バーを流れる被測定電流が作る磁束が貫く磁路に関して、集磁コア内部のみの磁気抵抗とギャップ部を含めた全磁気抵抗の比が、電流センサの出力許容誤差より小さくなるように、集磁コアおよびギャップを構成することを特徴とする電流センサ。
7. 請求項１ないし６のいずれかの項に記載の電流センサを用いて電流計測を行うことを特徴とする電子式電力量計。