JP2023010033A - 電流センサ及び電力量計 - Google Patents

Abstract

【課題】電流センサが電流バーに近接していても電流バーの測定電流を精度良く検出することができる電流センサ及び電力量計を提供すること。【解決手段】電流を流す電流バー１の周囲に形成される磁界を検出して電流バー１に流れる電流信号を検出する電流センサ２であって、電流を流す電流バー１を囲むように形成された集磁コア１１ａ，１１ｂと、集磁コア１１ａ，１１ｂのギャップｇに介在して一端がグランドに接続されて磁気検出を行う第１のコイル２ａと第２のコイル２ｂが設けられたプリント基板４と、を備え、少なくともプリント基板４の電流バー１側の表面に第１のコイル２ａと第２のコイル２ｂとの一端が接続されるベタグランド層３ａを配置する。【選択図】図２

Description

本発明は、電流センサが電流バーに近接していても電流バーの測定電流を精度良く検出することができる電流センサ及び電力量計に関する。

従来、用いられている電流センサとしては、変流器（カレントトランス：ＣＴ）や、集磁コアのギャップ部にホール素子などの磁電変換素子を配置した構成や、集磁コアのギャップ部に、巻線コイルや誘電体基板上にコイルパターンを形成した素子をもつ構成などがある。特に、集磁コアのギャップ部に、基板上にホール素子などの磁電変換素子やコイルパターンを形成した素子を配置する方法は、測定対象である一次電流が流れる回路とは電気的に分離されているため、一次電流側の回路に影響を与えることなく、精度よく電流を計測可能な点で優れている。さらにコイルパターンを形成した素子を配置する方法は、直線性および温度特性に優れ、部品点数が少なく製造が容易となる特徴を有する（特許文献１参照）。

特許文献１に記載された電流センサは、環状の集磁コアの中央開口部に電流バーを通し、集磁コアのギャップ部にコイルパターンが施された基板を配置するものである。電流バーに電流が流れると、電流路の周辺には、電流バーに流れる電流の大きさに比例する磁束が発生する。発生した磁束は、集磁コアによって集磁される。電流が周期的電流である場合、その周期に応じて発生する磁束も周期的に変化する。これにより、コイルパターンをもつ検出コイルには、電流の大きさ及び周波数に応じた誘導電圧が発生し、この誘導電圧を電流バーに流れる電流の検出信号として用いている。

特開２０１０－４８７５５号公報

ところで、電流センサと電流バーとが近距離に配置されているため、電流センサは電流バーとの間で静電結合が発生し、静電容量を介して電流センサに微小な漏洩電流が流れ、検出電圧に誤差が発生してしまうことがある。この誤差は、電流バーに測定電流が流れていない場合でも、電流バーと電流センサとの電位差により生じるため、測定電流とは関係のない不要な電流検出信号である。このため、理想的には、測定電流に電流が流れない無負荷状態では電流センサの検出電圧は発生しないため検出電力はゼロとなるが、電流バーと電流センサの間に発生する静電容量を介して、電流センサの検出信号に電流バーの通電電流とは相関の無い出力が発生し、電力を誤計量してしまうという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電流センサが電流バーに近接していても電流バーの測定電流を精度良く検出することができる電流センサ及び電力量計を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電流を流す電流バーの周囲に形成される磁界を検出して前記電流バーに流れる電流信号を検出する電流センサであって、電流を流す電流バーを囲むように形成された集磁コアと、前記集磁コアのギャップに介在して一端がグランドに接続されて磁気検出を行う磁気検出コイルが設けられたプリント基板と、を備え、少なくとも前記プリント基板の前記電流バー側の表面に前記磁気検出コイルの一端が接続されるベタグランド層を配置したことを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記プリント基板の両側表面に前記磁気検出コイルの一端が接続されるベタグランド層を配置したことを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記プリント基板は、前記集磁コアが生成する異なる方向の磁束を検出する２つの磁気検出コイルが設けられ、各磁気検出コイルの一端が前記ベタグランド層に接続され、各磁気検出コイルは直列接続されることを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記プリント基板は、多層プリント基板であり、前記磁気検出コイルは、各層に形成されたコイルパターンが直列接続されることを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明のいずれか一つに記載した電流センサが検出した電流信号と電圧センサが検出した電圧信号とをもとに前記電流バーを流れる電力量を算出することを特徴とする。

本発明によれば、電流センサが電流バーに近接していても静電結合の影響を受けずに電流バーの測定電流を精度良く検出することができる。

図１は、本発明の実施の形態である電流センサの概要構成を示す斜視図である。 図２は、電流センサの断面構成を示す図である。 図３は、電流センサの詳細構成を示す断面図である。 図４は、電流センサの各層構造を説明する説明図である。 図５は、電流センサと電流バーとの静電結合による不要な漏れ電流の発生防止を説明する説明図である。 図６は、電流センサの変形例を示す図である。 図７は、従来の電源電圧に対する無負荷時電力計量値と本実施の形態のベタグランド層を設けた場合の電源電圧に対する無負荷時電力計量値の実測結果を示す図である。 図８は、実施の形態で示した電流センサを用いた電力量計の一例を示すブロック図である。 図９は、三相電流及び三相電圧間のベクトル図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態である電流センサ２の概要構成を示す斜視図である。また、図２は、電流センサ２の断面構成を示す図である。図１及び図２に示すように、電流センサ２は、電流を流す電流バー１を囲むように形成された直線状の集磁コア１１ａ，１１ｂの間のギャップｇに配置される。電流センサ２は、プリント基板４上の両端部に第１のコイル２ａ及び第２のコイル２ｂが配置される。

電流バー１に電流が流れることで磁束Φが発生し、この磁束は集磁コア１１ａ，１１ｂにより集磁される。この磁束が第１のコイル２ａ及び第２のコイル２ｂに鎖交することで、第１のコイル２ａ及び第２のコイル２ｂ内に誘導電圧が発生する。演算部３は、この誘導電圧を検出して処理することによって、電流バー１に流れる電流信号を検出する。

ここで、図２に示すように、プリント基板４の表面及び裏面には、磁気検出コイルとしての第１のコイル２ａ及び第２のコイル２ｂを覆い、第１のコイル２ａの一端及び第２のコイル２ｂの一端が接続されるベタグランド層３ａ，３ｂが配置される。

図３は、電流センサ２の詳細構成を示す断面図である。図３に示すように、電流センサ２は、多層のプリント基板４を用いて、第１のコイル２ａ及び第２のコイル２ｂをそれぞれ４つの層Ｌ１～Ｌ４で形成している。外部接続端子２２ａ，２２ｂは、演算部３などの信号処理回路と接続するための端子である。図４は、各層構造を説明する説明図である。図４に示すように、各層Ｌ１～Ｌ４には、第１のコイル２ａの中心に、層Ｌ１，Ｌ２間を接続するビアａ１及び層Ｌ３，Ｌ４間を接続するビアｃ１が形成されるとともに、第１のコイル２ａの外周に層Ｌ２，Ｌ３間を接続するビアｂ１が形成されている。同様に、第２のコイル２ｂの中心に、層Ｌ１，Ｌ２間を接続するビアａ２及び層Ｌ３，Ｌ４間を接続するビアｃ２が形成されるとともに、第２のコイル２ｂの外周に層Ｌ２，Ｌ３間を接続するビアｂ２が形成されている。また、第１のコイル２ａと第２のコイル２ｂとの間には、第１のコイル２ａの一端と第２のコイル２ｂの一端とベタグランド層３ａに接続するとともに、ベタグランド層３ａ，３ｂ間を接続するビアｄが形成されている。多層化することによって、小型で高精度の電流センサとすることができる。

図５は、電流センサ２と電流バー１との静電結合による不要な漏れ電流の発生防止を説明する説明図である。図５（ａ）に示すように、ベタグランド層３ａ，３ｂを設けない場合、電流バー１とコイル基板（電流センサ２）との間の静電結合により、電流バー１側から電流センサ２側に漏れ電流が流れる。ここで、図５（ｂ）に示すように、電流センサにベタグランド層３ａ，３ｂを設けると、電流バー１からの漏れ電流は電流センサ２側には流れず、電流センサ２が漏れ電流の検出を低減することができる。

なお、図６に示すように、ベタグランド層３ａ，３ｂは、電流バー１との静電結合を小さくすればよいので、電流バー１側のベタグランド層３ａのみを設けた電流センサ２´としてもよい。

また、ベタグランド層３ａ，３ｂの材質は、電流センサ２による磁気検出機能を妨げないように、比透磁率が大きい鉄は用いず、比透磁率が１に近いアルミニウムや銅を用いる。

図７は、従来の電源電圧に対する無負荷時電力計量値と本実施の形態のベタグランド層３ａ，３ｂを設けた場合の電源電圧に対する無負荷時電力計量値の実測結果を示す図である。図７に示すように、本実施の形態の電流センサ２では、電源電圧に対する無負荷時電力軽量の誤軽量を従来に比して大きく低減することができる。

なお、電流センサ２は多層構造であったが、これに限らず、単層構造であってもよい。

＜電力量計＞
図８は、実施の形態で示した電流センサを用いた電力量計２００の一例を示すブロック図である。この電力量計２００は、電源ＳＰと負荷ＬＤとの間の三相電力量を計測するものであり、２電力計法により求めている。なお、図９は、三相電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴ及び三相電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴ間のベクトル図を示している。

図８に示すように、電力量計２００は、実施の形態及び変形例で示した電流センサ２に対応する電流センサ２０ａ，２０ｂ、電圧センサ２０１ａ，２０１ｂ、電力量算出部２０２、出力部２０３を有する。電流センサ２０ａは、Ｒ相の電流信号を検出する。電流センサ２０ｂは、Ｔ相の電流信号を検出する。また、電圧センサ２０１ａは、Ｒ相とＳ相との間の電圧信号を検出する。電圧センサ２０１ｂは、Ｔ相とＳ相との間の電圧信号を検出する。

電力量算出部２０２は、電流センサ２０ａの電流信号と電圧センサ２０１ａの電圧信号とを乗算して瞬時電力信号を生成し、これをローパスフィルタで平滑した有効電力を求めるとともに、電流センサ２０ｂの電流信号と電圧センサ２０１ｂの電圧信号とを乗算して瞬時電力信号を生成し、これをローパスフィルタで平滑した有効電力を求め、各有効電力を加算した有効電力を電力量として算出する。出力部２０３は、この算出された電力量を表示出力あるいは外部出力する。

なお、２電力計法で求める三相電力Ｐは、
Ｐ＝ＶＲＳ・ＩＲ＋ＶＴＳ・ＩＴ
＝（ＶＲ－ＶＳ）・ＩＲ＋（ＶＴ－ＶＳ）・ＩＴ
＝ＶＲ・ＩＲ＋ＶＳ・（－ＩＲ－ＩＴ）＋ＶＴ・ＩＴ
＝ＶＲ・ＩＲ＋ＶＳ・ＩＳ＋ＶＴ・ＩＴ
となり、各相の電力を合計した電力を求めたことと同じになる。

また、上記の実施の形態で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置及び構成要素の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。

１ 電流バー
２，２´ 電流センサ
２ａ 第１のコイル
２ｂ 第２のコイル
３ 演算部
３ａ，３ｂ ベタグランド層
４ プリント基板
１１ａ，１１ｂ 集磁コア
２２ａ，２２ｂ 外部接続端子
２００ 電力量計
２０１ａ，２０１ｂ 電圧センサ
２０２ 電力量算出部
２０３ 出力部
ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２，ｃ１，ｃ２，ｄ ビア
ＩＲ，ＩＳ，ＩＴ 三相電流
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ 層
ＬＤ 負荷
Ｐ 三相電力
ＳＰ 電源
ＶＲ，ＶＳ，ＶＴ 三相電圧
Φ 磁束

Claims (5)

1. 電流を流す電流バーの周囲に形成される磁界を検出して前記電流バーに流れる電流信号を検出する電流センサであって、
   電流を流す電流バーを囲むように形成された集磁コアと、
   前記集磁コアのギャップに介在して一端がグランドに接続されて磁気検出を行う磁気検出コイルが設けられたプリント基板と、
   を備え、
   少なくとも前記プリント基板の前記電流バー側の表面に前記磁気検出コイルの一端が接続されるベタグランド層を配置したことを特徴とする電流センサ。
2. 前記プリント基板の両側表面に前記磁気検出コイルの一端が接続されるベタグランド層を配置したことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記プリント基板は、前記集磁コアが生成する異なる方向の磁束を検出する２つの磁気検出コイルが設けられ、各磁気検出コイルの一端が前記ベタグランド層に接続され、各磁気検出コイルは直列接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流センサ。
4. 前記プリント基板は、多層プリント基板であり、
   前記磁気検出コイルは、各層に形成されたコイルパターンが直列接続されることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の電流センサ。
5. 請求項１～４のいずれか一つに記載した電流センサが検出した電流信号と電圧センサが検出した電圧信号とをもとに前記電流バーを流れる電力量を算出することを特徴とする電力量計。

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