JP2019138796A - ゼロフラックス型電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ゼロフラックス型電流センサにおいて、２次電流を発生させる際の消費電力を低減する。【解決手段】磁気コアと、磁気コアに巻かれた２次巻線と、磁気コア内の磁束を検出する磁気センサとを有するゼロフラックス型電流センサであって、磁気センサの検出結果をパルス幅変調するパルス変換部と、パルス幅変調に基づいて動作し、２次巻線に流す２次電流を発生するスイッチング電源部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、非接触電流センサに関し、特にゼロフラックス型電流センサにおける消費電力低減技術に関する。

非接触電流センサとして、ゼロフラックス型（磁気平衡型）電流センサが広く用いられている。図３は、従来のゼロフラックス型電流センサ５００の構成を示す図である。本図に示すように、ゼロフラックス型電流センサ５００は、導体４００を流れる電流Ｉａを非接触で測定する装置であり、磁気コア５１０、２次巻線５２０、磁気センサ５３０、磁気センサ駆動出力部５４０、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５５０、アンプ５６０、検出抵抗Ｒ１を備えている。

磁気コア５１０を、測定対象電流Ｉａが流れる導体４００を囲んで配置すると、電流Ｉａの交流成分によって磁気コア５１０内に発生した磁束を打ち消すように、２次巻線５２０に２次電流が流れる（カレントトランス動作）。このとき、低周波域は磁束を打ち消しきれずに、磁束が残ることになる。

打ち消しきれない磁束を磁気センサ駆動出力部５４０により駆動される磁気センサ５３０で検出し、ＬＰＦ５５０を介して接続されたアンプ５６０で、磁束を打ち消すように２次電流を流す。２次電流Ｉｂは、測定対象の電流Ｉａに比例し、検出抵抗Ｒ１により出力電圧Ｖｏとして検出されるため、出力電圧Ｖｏに基づいて測定電流Ｉａを求めることができる。なお、磁気センサ５３０として、ホール素子やフラックスゲートセンサ等を用いることで直流電流も測定することができる。

特開２００５−２６５７０９号公報

上述のように、２次電流Ｉｂは、測定対象電流Ｉａに比例する。このため、測定対象電流Ｉａとして大電流を測定する場合には、２次電流Ｉｂも大きくなる。２次電流Ｉｂが大きくなると、２次電流Ｉｂを出力するアンプ５６０が発熱し、電力損失が大きくなるという問題がある。

そこで、本発明は、ゼロフラックス型電流センサにおいて、２次電流を発生させる際の消費電力を低減することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１態様であるゼロフラックス型電流センサは、磁気コアと、前記磁気コアに巻かれた２次巻線と、前記磁気コア内の磁束を検出する磁気センサとを有するゼロフラックス型電流センサであって、前記磁気センサの検出結果をパルス幅変調するパルス変換部と、前記パルス幅変調に基づいて動作し、前記２次巻線に流す２次電流を発生するスイッチング電源部と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記スイッチング電源部と前記２次巻線との間にローパスフィルタが設けられていてもよい。
また、ゼロフラックス型電流センサは、クランプ型電流センサとすることができる。

本発明によれば、ゼロフラックス型電流センサにおいて、２次電流を発生させる際の消費電力を低減することができる。

本実施形態に係るゼロフラックス型電流センサの構成を示す図である。 本実施形態のゼロフラックス型電流センサをクランプ型電流センサに適用した例を示す図である。 従来のゼロフラックス型電流センサの構成を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るゼロフラックス型電流センサ１００の構成を示す図である。本図に示すように、ゼロフラックス型電流センサ１００は、導体２００を流れる測定対象電流Ｉａを非接触で測定する装置であり、磁気コア１１０、２次巻線１２０、磁気センサ１３０、磁気センサ駆動出力部１４０、パルス変換部１５０、スイッチング電源部１６０、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１７０、検出抵抗Ｒ１を備えている。

２次巻線１２０は、磁気コア１１０に巻かれており、磁気センサ１３０は、磁気コア１１０内の磁束を検出する。磁気センサ１３０としては、例えば、ホール素子、フラックスゲートセンサ等を用いることができる。磁気センサ駆動出力部１４０は、磁気センサ１３０を駆動するとともに、検出結果を出力する。

磁気センサ駆動出力部１４０が出力する検出結果はパルス変換部１５０に入力される。パルス変換部１５０は、検出結果をパルス幅変調し、スイッチング電源部１６０のオンオフを制御する。具体的には、検出される磁気が大きいほどスイッチング電源部１６０のオンの期間が長くなるようにパルス幅変調する。

スイッチング電源部１６０は、電源電圧Ｖが印加されており、オンの期間のみ電圧Ｖをローパスフィルタ（ＬＰＦ）１７０に出力する。このとき、大きな電流が流れるが、スイッチング電源部１６０には大きな電圧降下は発生しないため消費電力および発熱を小さくすることができる。オフの期間にはスイッチング電源部１６０の出力は０Ｖであり、スイッチング電源部１６０に電流はほとんど流れず、消費電力および発熱は極めて小さい。

ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１７０は、コイル、コンデンサ、ダイオード等で構成することができ、スイッチング電源部１６０から流れる電流を平滑化して２次巻線１２０に流す。

上記構成のゼロフラックス型電流センサ１００において、磁気コア１１０を、測定対象電流Ｉａが流れる導体２００を囲んで配置すると、測定対象電流Ｉａの交流成分によって磁気コア１１０内に発生した磁束を打ち消すように、２次巻線１２０に２次電流が流れる（カレントトランス動作）。このとき、低周波域は磁束を打ち消しきれずに、磁束が残ることになる。

打ち消しきれない磁束を磁気センサ駆動出力部１４０により駆動される磁気センサ１３０で検出する。そして、パルス変換部１５０が、検出結果をパルス幅変調してスイッチング電源部１６０のオンオフを制御する。

この結果、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１７０を介して磁束を打ち消すように２次巻線１２０に２次電流が流れることになる。２次電流Ｉｂは、測定対象電流Ｉａに比例し、検出抵抗Ｒ１により出力電圧Ｖｏとして検出されるため、出力電圧Ｖｏに基づいて測定対象電流Ｉａを求めることができる。

このように、本実施形態に係るゼロフラックス型電流センサ１００は、スイッチング電源部１６０を用いることで２次電流出力部分での発熱が小さくなり、従来のアンプ５６０で生じていた大きな電力損失を小さくすることができる。よって電源から供給される電力を有効活用することが可能になる。

また、２次電流出力部分での発熱が小さくなることからヒートシンクなども小型化することができ、ゼロフラックス型電流センサ１００自体の小型化にも貢献する。

ゼロフラックス型電流センサ１００は流せる２次電流の大きさで測定可能な電流の大きさが決まる。電力損失がなくなった分を２次電流に回すことができれば、より大きな電流を測定することが可能になる。

図２は、本実施形態のゼロフラックス型電流センサ１００をクランプ型電流センサ１０１に適用した例を示す図である。クランプ型電流センサ１０１は、測定対象電流が流れる導体２００をクランプした状態で電流を測定することができる。測定結果は、オシロスコープ３００等で確認することができる。

クランプ型電流センサ１０１は、本実施形態のゼロフラックス型電流センサ１００を適用することで、内部の電流センサ基板からの発熱が少なくなった分小型化、低消費電力化することができ、より大きな電流を測定することが可能となる。

また、低消費電力化されることでオシロスコープや電力計、他製品につないだときの不具合発生を抑制でき、さらにより小型のハンディタイプの測定器へ電流センサをつなぐことも可能になると期待される。

クランプ型電流センサ１０１では、図１に示した各ブロックはすべてクランプ型電流センサ１０１の本体内に配置されることになる。このため、２次電流出力部分を始めとした測定回路の発熱量が多いと、センサ内部の温度が上昇して、内部の電子部品に影響が出てしまう。

本実施形態のゼロフラックス型電流センサ１００を適用したクランプ型電流センサ１０１では、２次電流出力部分にアンプ５６０を用いた従来構造に比較して、消費電力が削減され、内部温度上昇が低減することが実験的に確かめられた。

一般に、ディレーティングを変化させるために放熱シートなどを設けて放熱を行なっているが、測定回路の発熱量を少なくすれば、放熱部品を小型化することができ、センサ自体を小型化することができる。このため、本実施形態のゼロフラックス型電流センサ１００は、クランプ型電流センサ１０１に特に効果的に適用することができる。

１００…ゼロフラックス型電流センサ
１０１…クランプ型電流センサ
１１０…磁気コア
１２０…２次巻線
１３０…磁気センサ
１４０…磁気センサ駆動出力部
１５０…パルス変換部
１６０…スイッチング電源部
１７０…ＬＰＦ
２００…導体

Claims (3)

1. 磁気コアと、前記磁気コアに巻かれた２次巻線と、前記磁気コア内の磁束を検出する磁気センサとを有するゼロフラックス型電流センサであって、
   前記磁気センサの検出結果をパルス幅変調するパルス変換部と、
   前記パルス幅変調に基づいて動作し、前記２次巻線に流す２次電流を発生するスイッチング電源部と、
   を備えたことを特徴とするゼロフラックス型電流センサ。
2. 前記スイッチング電源部と前記２次巻線との間にローパスフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のゼロフラックス型電流センサ。
3. クランプ型電流センサであることを特徴とする請求項１または２に記載のゼロフラックス型電流センサ。