JP2012233718A - 電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気コアのヒステリシス特性の影響を最小限に抑えながら、低コスト化、低消費電流化を図るようにした電流検出装置を提供する。
【解決手段】本発明は、測定電流が流れる導線１を囲む磁気コア２に巻回した励磁コイル３と、励磁コイル３に極性の反転する励磁電流を供給し、励磁電流の変化に応じた信号を出力する発振回路４と、発振回路４からの出力信号に基づいて導線１に流れる電流を検出する検出回路５とを備えている。発振回路４が励磁コイル３に供給する励磁電流は、磁気コア２の磁束密度が残留磁束密度以上になるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁性材料を利用した零相変流器（ＺＣＴ）を使用し、各種漏れ電流検出器などに用いられ、磁気コアの磁気現象を利用して、電気的に非接触で直流の電流を検出する電流検出装置に関する。

この種の電流検出装置としては、種々の構成を有するものが提案され、実施されているが、構造的に簡単で微小電流の検知が可能なものとしてフラックスゲート型の電流センサが知られている( 例えば、特許文献１参照) 。
この特許文献１に記載された従来例では、図５（ａ）に示す構成を有する。すなわち、軟質磁性体製の同形，等大に構成された円環状をなすコア１０１及び１０２と、各コア１０１及び１０２に等しい回数巻回された励磁コイル１０３と、各コア１０１及び１０２にわたるよう一括して巻回された検出コイル１０４とを備えている。

励磁コイル１０３には図示しない交流電源が、また検出コイル１０４には図示しない検出回路が接続されている。そして、両コア１０１及び１０２の中心に電流を測定する対象物たる被測定導線１０５が挿通されている。
励磁コイル１０３はこれに通電したとき両コア１０１及び１０２に生じる磁場が逆相であって互いに打ち消し合うようコア１０１及び１０２に巻回されている。
そして、励磁コイル１０３に励磁電流ｉｅｘを通電したとき、各コア１０１及び１０２に生じる磁束密度Ｂの経時変化は、図５（ｂ）に示すようになる。軟質磁性体製のコア１０１及び１０２の磁気特性は磁場の大きさＨが所定の範囲内では磁場の大きさＨと磁束密度Ｂとは直線的な関係にある。

しかしながら、磁場の大きさＨが所定値を超えると、磁束密度Ｂが変化しない磁気飽和の状態となる関係にあることから、励磁コイル１０３に励磁電流ｉｅｘを通電すると、各コア１０１及び１０２に発生する磁束密度Ｂは実線図示のように上下対称の台形波状に変化し、しかも相互に１８０°位相がずれた状態となる。
いま、被測定導線１０５に矢印で示す如く下向きに直流電流値Ｉが通電しているものとすると、この直流分に相当する磁束密度が重畳される結果、磁束密度Ｂは図５（ｂ）に破線で示す如く、台形波のうち、上方の台形波はその幅が拡大され、一方下方の台形波はその幅が縮小された状態となる。

ここで、両コア１０１及び１０２に生じた磁束密度Ｂの変化を正弦波（起電力に対応）で表現すると図５（ｃ）に示すようになる。この図５（ｃ）では、前述した図５（ｂ）で実線図示の台形波に対応して実線図示のように１８０°位相がずれた周波数ｆの正弦波（起電力）が表れるが、これらは１８０°ずれているため互いに打ち消し合う。一方、図５（ｂ）で破線図示の台形波に対応して図５（ｃ）には破線図示のような２倍の周波数２ｆの２次高調波が表れる。この２次高調波は位相が１８０°ずれているため、相互に重畳すると図５（ｃ）の最下段に示すような正弦波信号となり、これが検出コイル１０４で検出される。

この検出コイル１０４で捉えられた検出信号は被測定導線１０５を流れる直流の電流値Ｉに対応しており、これを処理することで電流値Ｉを検出することができる。
また、他の従来例として、検知すべき電流を流す１次巻線と、この１次巻線から電気的に絶縁され磁気コアにより１次巻線に磁気的に結合されている２次巻線とを具備している１以上の第１の検知変成器と、飽和を検出してそれに応じて磁化電流の方向を反転させる手段を含む前記磁気コアを周期的に飽和状態に駆動するために前記２次巻線に交互に反対方向の磁化電流を供給する手段と、感知される電流に実質上比例する出力信号を出力する処理手段とを備えている検知手段を具備した電流センサが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

この電流センサは、さらに、前記第１の検知変成器の２次巻線に接続されて感知する電流によって前記２次巻線中に生成された磁化電流の低周波または直流成分を分離するローパスフィルタと、感知される電流が通過する１次巻線と、２次巻線とを有し、その２次巻線の入力側は前記ローパスフィルタの出力部に結合され、その出力側は前記装置の出力信号が生成される抵抗によって設置されている第２の検知変成器とを具備している。

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、２つのコア１０１及び１０２を使用するため、実際にはコア１０１及び１０２の磁気特性を完全に一致させることは困難であるため、磁気特性の違いにより励磁電流ｉｅｘによる電圧が完全に打ち消されることなく発生してしまう。これが２次高調波成分に対応した検出電圧のＳ／Ｎ比を悪化させ、微小電流の検知が難しいという未解決の課題がある。

また、検出コイル１０４から出力される電流値Ｉに対応した２次高調波は、電流値Ｉが大きくなり過ぎると、図５（ｃ）で破線図示のように台形波の形が歪んでしまうために、電流Ｉと２次高調波成分の関係が比例関係ではなくなる。これにより、電流値Ｉの検知範囲が制限されてしまうために、広い範囲の電流を検出できないという未解決の課題もある。さらに、少なくとも２つのコアを使用するので、小型化や低コスト化を実現し難いという未解決の課題もある。

また、特許文献２に記載された従来例にあっても、第１の検知変成器と第２の検知変成器とを設ける必要があり、１つの磁気コアによって広い範囲の電流を検出できないという未解決の課題がある。
これらの課題を解決するために、図６に示すような改良発明が考えられる。
図６に示す改良発明は、軟質磁性体製であって測定電流が流れる導線１を囲む磁気コア２に、電気的に絶縁して巻回した励磁コイル３と、励磁コイル３に励磁電流を供給する発振回路６と、発振回路６に接続される検出回路７と、を備えたものが考えられる。

このような改良発明では、発振回路６は、励磁コイルに励磁電流を供給するとともに、導線１に流れる電流に応じて出力される矩形波電圧のデューティを変化させることが考えられる。そして、発振回路６は、磁気コア２が磁気飽和またはその磁気飽和の近傍に近い状態の励磁電流が供給されるように発振させる必要がある。検出回路７は、その矩形波電圧のデューティの変化を検出することにより、導線１に流れる電流を検出する。

特開２０００−１６２２４４号公報 特許第２９２３３０７号公報

しかし、上述の改良発明では、磁気コア２は磁気ヒステリシスの角形性が良い鉄心が必要となり、一般に高価な磁性材料が必要になるという課題がある。
また、発振回路６は、磁気コア２が磁気飽和またはその磁気飽和の近傍に近い状態になるように、磁気コア２に励磁電流を供給する必要があるので、回路の消費電流が大きくなるという課題がある。
そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、磁気コアのヒステリシス特性の影響を最小限に抑えながら、低コスト化、低消費電流化を図るようにした電流検出装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の電流検出装置は、測定電流が流れる導線を囲む磁気コアに巻回した励磁コイルと、前記励磁コイルに極性の反転する励磁電流を供給し、前記励磁電流の変化に応じた信号を出力する励磁手段と、当該励磁手段からの出力信号に基づいて前記測定電流を検出する電流検出手段と、を備え、前記励磁手段が前記励磁コイルに供給する前記励磁電流は、前記磁気コアの磁束密度が残留磁束密度以上になるようにした。

また、前記励磁手段は、オペアンプと、前記オペアンプの出力電圧を分圧し、当該分圧電圧を前記オペアンプの第１の入力端子に供給する閾値電圧設定器と、前記オペアンプの第２の入力端子に一端が接続される抵抗と、を含み、前記オペアンプの第２の入力端子と出力端子との間に、前記励磁コイルを接続するようにした。
さらに、前記閾値電圧設定器は、前記磁気コアの残留磁束密度以上になる前記励磁電流を任意の値に設定する。

本発明では、励磁手段が、励磁コイルに極性の反転する励磁電流を供給し、その励磁電流の大きさは、磁気コアの磁束密度が残留磁束密度以上になるようにした。このため、本発明によれば、磁気コアのヒステリシス特性の影響を最小限に抑えながら、低コスト化、低消費電流化を図ることができる。

本発明に係る電流検出装置の実施形態を示す構成図である。 図１の発振回路の一例を示す回路図である。 発振回路の出力波形の一例を示す波形図である。 磁気コアのＢ−Ｈ曲線と励磁コイルの励磁電流の振幅との関係を説明する図である。 従来例を示す説明図であって、（ａ）はセンサ部の構成図、（ｂ）は励磁コイルに励磁電流を通電したときの各磁気コアの磁束密度を示す図、（ｃ）は各磁気コアの磁束密度を正弦波で表現した図である。 改良発明の概略構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（実施形態の構成）
図１は本発明に係る電流検出装置の実施形態の構成を示す構成図である。
この電流検出装置に係る実施形態は、導線１に流れる電流Ｉｏを検出するものであり、導線１の回りにリング状の磁気コア２が配設されている。つまり、磁気コア２内に導線１が挿通されている。
そして、この実施形態では、図１に示すように、励磁コイル３と、励磁手段としての発振回路４と、電流検出手段としての検出回路５と、を備えている。

励磁コイル３は、磁気コア２に所定の巻数で巻回されており、この励磁コイル３に発振回路４から励磁電流が供給される。
発振回路４は、励磁コイル３に極性の反転する励磁電流を供給するとともに、その励磁電流の変化に応じた電圧を出力電圧として出力する。また、発振回路４は、励磁コイル３に励磁電流を供給するが、その励磁電流の大きさは磁気コア２の磁束密度が残留磁束密度以上になるように構成されている（図４参照）。

このため、発振回路４は、図２に示すように、コンパレータとして動作するオペアンプ４１を備えている。このオペアンプ４１の出力端子と反転入力端子との間に励磁コイル３が接続されている。
また、オペアンプ４１の出力端子と非反転入力端子との間に分圧抵抗４３が接続され、オペアンプ４１の非反転入力端子とグランドとの間に分圧抵抗４４が接続されている。このため、分圧抵抗４３、４４は、オペアンプ４１の出力電圧を分圧した分圧電圧を、オペアンプ４１の非反転入力端子に閾値電圧Ｖｔｈとして設定する閾値電圧設定器を構成する。

オペアンプ４１の反転入力端子と出力端子４７との間には、抵抗４２と抵抗４５が直列に接続されている。また、出力端子４７と出力端子４８との間にコンデンサ４６が接続され、出力端子４８がグランドに接続されている。
検出回路５は、発振回路４の出力電圧に基づき、導線１に流れる電流Ｉｏの変化量やそのときの電流値などを検出するようになっている。

（実施形態の動作）
次に、この実施形態の動作例について、図１〜図３を参照して説明する。
この実施形態では、図２に示すように、オペアンプ４１の出力電圧Ｖａを分圧抵抗４３及び４４で分圧した分圧電圧が閾値電圧Ｖｔｈとしてオペアンプ４１の非反転入力端子に供給されている。このため、オペアンプ４１は、その閾値電圧Ｖｔｈと励磁コイル３及び抵抗４２との接続点の電圧Ｖｄとを比較し、その比較出力を矩形波として出力側から出力される。

いま、オペアンプ４１の出力側の出力電圧Ｖａがハイレベルになると、これが励磁コイル３の一端に印加される。このため、励磁コイル３は、出力電圧Ｖａと抵抗４２、４５の抵抗値に応じた励磁電流Ｉｂで励磁される。励磁電流Ｉｂは、励磁コイル３のインダクタンス値に応じて増加していく。
このとき、オペアンプ４１の非反転入力端子に出力電圧Ｖａを分圧抵抗４３、４４で分圧された比較的大きな閾値電圧Ｖｔｈが入力されている。一方、オペアンプ４１の反転入力端子の励磁コイル３及び抵抗４２の接続点の電圧Ｖｄは、励磁コイル３の励磁電流Ｉｂの増加に応じて増加し、この電圧Ｖｄが非反転入力端子の閾値電圧Ｖｔｈを上回ると、オペアンプ４１の出力電圧Ｖａがローレベルに反転する。

これに応じて励磁コイル３を流れる励磁電流Ｉｂの極性が反転し、励磁電流Ｉｂは減少していく。
このとき、閾値電圧Ｖｔｈは、ローレベルとなっていることにより、閾値電圧Ｖｔｈも低い電圧となっている。そして、オペアンプ４１の反転入力端子の励磁コイル３及び抵抗４２の接続点の電圧Ｖｄが、励磁コイル３の励磁電流Ｉｂの減少に応じて減少し、この電圧Ｖｄが非反転入力端子の閾値電圧Ｖｔｈを下回ると、オペアンプ４１の出力電圧Ｖａがハイレベルに反転する。

このため、オペアンプ４１の出力電圧Ｖａは、ハイレベル及びローレベルを繰り返す矩形波電圧となる。また、励磁コイル３の励磁電流Ｉｂは、増加及び減少を繰り返す鋸歯状波電流となる。
このような動作に伴い、上記のように、オペアンプ４１の反転入力端子の励磁コイル３及び抵抗４２の接続点の電圧Ｖｄが変化するので、発振回路４の出力電圧Ｖｏは、図３に示すように振動成分（正弦波）を含む波形となる。この出力電圧Ｖｏの振動成分の大きさ（振幅）は、導線１に流れる電流Ｉｏの変化に応じて上下に変化する。
検出回路５は、発振回路４の出力電圧Ｖｏが入力されると、例えばその振動成分の変化分（差分）を求め、この求めた変化分から導線１の電流Ｉｏの変化量やそのときの電流値などを検出する。

（励磁コイルの励磁電流）
この実施形態の発振回路４は、上記のように励磁コイル３に対して励磁電流を供給するが、この励磁電流の大きさ（振幅）は、磁気コア２の磁束密度が残留磁束密度Ｂｒ以上になるように設定している（図４参照）。この理由について、以下に説明する。
磁気コア２は、例えば図４に示すようなＢ−Ｈ特性（Ｂ−Ｈ曲線）を有している。この磁気コア２のＢ−Ｈ特性は、励磁コイル３に励磁電流が流れることにより発生する磁界Ｈの大きさと磁束密度Ｂの大きさとの関係を示したものであり、磁気コア２の材料によって決定される。

磁気コア２に磁界をかけると磁束密度が変化するが、磁界の大きさがある値になると磁束密度の変化がなくなり、この最大の磁束密度が飽和磁束密度Ｂｓである。また、磁気コア２に一度磁界をかけると、磁界の大きさをＨ＝０にしても内部に磁束が残り、これが残留磁束密度Ｂｒである。
磁気コア２は、一般的な磁性体材料による場合と、高透磁率材料からなる角形の場合とでは、Ｂ−Ｈ特性が異なる。磁気コア２の励磁コイル３に励磁電流を供給する際に、発振回路４の消費電流を抑えるためには、磁気コア２として高透磁率材料からなる角形のものを使用することが可能であるが、その場合には生産に要するコストの増大となってしまう。そこで、この実施形態では、生産コストの増大を抑えることができる一般的な磁性体材料を用いた磁気コア２を使用するようにした。

磁気コア２として一般的な磁性体材料を使用する場合に、発振回路４の消費電流を抑えるためには、励磁コイル３に供給する励磁電流の振幅を抑える必要がある。
しかし、その励磁電流の振幅を抑えると、磁気コア２のＢ−Ｈ特性は、小さなヒステリシスループを描く。小さなヒステリシスループの場合には、磁気コア２のインピーダンスの変化に影響を及ぼすおそれがある。また、そのインピーダンスの変化により導線１に流れる電流Ｉｏの変化を計測するので、その計測精度にも影響を及ぼすおそれがある。

そこで、この実施形態では、図４に示すように、発振回路４が励磁コイル３に対して供給する励磁電流の大きさ（振幅）は、磁気コア２の磁束密度が残留磁束密度Ｂｒ以上になるように構成している。このような構成は、分圧抵抗４３及び４４で分圧されるコンパレータ４１の閾値電圧Ｖｔｈを磁気コア２の特性に応じて予め設定しておくことにより実現できる。

（実施形態の効果）
以上のように、この実施形態では、発振回路が励磁コイルに対して供給する励磁電流を供給し、その励磁電流の大きさを、磁気コアの磁束密度が残留磁束密度以上になるようにした。このため、この実施形態によれば、廉価な磁気コアを使用しても、磁気コアが飽和するような励磁電流の供給を抑制することができ、回路の消費電流を低減することが可能となる。

（他の実施形態）
（１）上記の実施形態では、磁気コア２内に１つの導線１を挿通するようにしたが、これに代えて磁気コア２内に往復の電流が流れる２本の導線を挿入するようにしても良い。
この場合には、健全状態では２本の導線に流れる電流の和はゼロであるが、漏電や地絡などではその電流の和がゼロにならず差異電流が流れるので、その差異電流の検出をすることができる。

（２）上記の実施形態では、分圧抵抗４３、４４によって閾値電圧設定器を構成するようにし、分圧抵抗４３、４４は固定抵抗で構成するようにした。
しかし、閾値電圧設定器は、分圧抵抗４３、４４のうちの少なくとも一方を可変抵抗や半固定抵抗で構成しても良い。このように構成すれば、上記の条件を満足する励磁電流の大きさを任意の値に設定でき、さらに磁気コアのＢ−Ｈ特性の差異に応じて励磁電流の大きさを任意の値に設定できる。

１…導線、２…磁気コア、３…励磁コイル、４…発振回路、５…検出回路、４１…オペアンプ、４２〜４５…抵抗、４６…コンデンサ

Claims (3)

1. 測定電流が流れる導線を囲む磁気コアに巻回した励磁コイルと、
   前記励磁コイルに極性の反転する励磁電流を供給し、前記励磁電流の変化に応じた信号を出力する励磁手段と、
   当該励磁手段からの出力信号に基づいて前記測定電流を検出する電流検出手段と、を備え、
   前記励磁手段が前記励磁コイルに供給する前記励磁電流は、前記磁気コアの磁束密度が残留磁束密度以上になるようにしたことを特徴とする電流検出装置。
2. 前記励磁手段は、
   オペアンプと、
   前記オペアンプの出力電圧を分圧し、当該分圧電圧を前記オペアンプの第１の入力端子に供給する閾値電圧設定器と、
   前記オペアンプの第２の入力端子に一端が接続される抵抗と、を含み、
   前記オペアンプの第２の入力端子と出力端子との間に、前記励磁コイルを接続するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
3. 前記閾値電圧設定器は、前記磁気コアの残留磁束密度以上になる前記励磁電流を任意の値に設定することを特徴とする請求項２に記載の電流検出装置。

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