JP4380420B2

JP4380420B2 - 電力量計

Info

Publication number: JP4380420B2
Application number: JP2004165425A
Authority: JP
Inventors: 雄二松添
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2024-06-03
Also published as: JP2005345266A

Description

この発明は電子式電力量計、特に小型の電流センサを用いた電子式電力量計に関する。

図９に、例えば非特許文献１に開示されている、この種の電力量計の従来例を示す。なお、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ断面図、（ｃ）はＸ軸と直交する方向の側面図である。
これは、ブレーカなどの遮断手段に直結した構造となっており、図９（ａ）の例えばＡ側の端子台５２１が３相電源用ブレーカ側、Ｂ側の端子台５２２が負荷側となるように、図９（ｂ）に示す取付けネジ５１で配線する。そして、Ａ側からＢ側の負荷側の各相に流れる電流と電圧を検出し、電力を演算するものである。また、液晶ディスプレイ５３と、電力量に比例した周期で発光する計量パルス用ＬＥＤ（発光ダイオード）５４とにより、外部より電力量をモニタリングできるようにしている。なお、３相の信号から電力量を演算するためには、少なくとも２相の電流信号と電圧信号が必要である。そのために、電流センサは電力量計当たり少なくとも２個必要となる。

図１０にＡ相，Ｂ相，Ｃ相の電力量を計算するために、ホールＩＣからなる２つの電流センサ５６を利用する例を示す。なお、図において、５５は電力量の演算手段を備えた電力量演算基板、５７は電流センサ５６を保持するセンサ保持用基板、５８は筺体に取り付けた電流バーである。このホール素子を用いるものは、磁気インピーダンス素子を用いるものに比べて感度が１／１００以下と小さい。そこで、図１１に示すように、電流バー５８Ａ，５８Ｃの形状を「コ」字形状にし、その中心部の電流センサ設置領域Ｓに電流センサを配置することで、磁束強度（集磁効果）を高めるようにしている。

図１２に、例えば特許文献１に開示された一般的な電子式電力量計の基本構成例を示す。
すなわち、電力量計は基本的に電流センサ８１と電圧センサ８２とを持ち、それぞれから得られる電流信号Ｉ１，Ｉ２と電圧信号Ｖ１，Ｖ２を演算手段であるマイクロコンピュータ（マイコン）８３などに取り込み、このマイコン８３内で演算して電力量を求めるものである。また、マイコン８３は電力量に応じたパルスを発生させる計量パルス用ＬＥＤ（発光ダイオード）５４の制御や、電力量を表示する液晶ディスプレイ５３の制御を行なっている。

大崎電気工業株式会社：製品情報インデックス"コンパクトＥＭ"［平成１６年４月２７日検索］インターネット<ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｓａｋｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｄｅｎｒｙｏｋｕ／ｃｅｍ＿ｔａｎ３ｓａｎ３．ｈｔｍｌ> 特開２００３−１４９２７６号公報（第２頁，図１３）

従来の電子式電力量計では、電流センサに印加される磁界を大きくするために電流バーをコの字型の複雑な形状にして、電力量計の厚み（図９（ｃ）の符号Ｔ参照）を大きくしなければならないと言う問題がある。
したがって、この発明の課題は、電力量計の小型，薄型化を図ることにある。

請求項の発明では、筐体と、この筐体に取り付けられる複数の板状の電流バーと、各電流バーからそれぞれ一定の距離をもち、電流バーに流れる電流に対して垂直で、かつ、電流バーに対して平行に配置される電子回路基板の両面に少なくとも1対実装される電流センサと、各電流センサから外部磁界に比例する電流相当の電圧信号を得る検出回路と、前記電流バーを介して電圧信号を得るための電圧センサと、この電圧センサよりの電圧信号と前記検出回路よりの電流相当の電圧信号とから電力量を演算する演算手段とを設けるとともに、前記各電流センサを、磁気インピーダンス素子と、この磁気インピーダンス素子にバイアス磁界を印加するバイアス印加手段とから構成することを特徴とする。

請求項１の発明においては、前記検出回路を、２つの固定抵抗に接続された発振回路と、前記１対の電流センサにそれぞれ接続された第１，第２の整流回路と、この第１，第２の整流回路にそれぞれ接続された第１，第２の増幅回路と、この第１，第２の増幅回路に接続された差動回路とから構成することができる（請求項２の発明）。また、請求項１または２の発明においては、前記バイアス印加手段は永久磁石であることができる（請求項３の発明）。

請求項４の発明では、筐体と、この筐体に取り付けられる複数の板状の電流バーと、各電流バーからそれぞれ一定の距離をもち、電流バーに流れる電流に対して垂直で、かつ、電流バーに対して平行に配置される電子回路基板の両面に少なくとも1対実装される電流センサと、各電流センサから外部磁界に比例する電流相当の電圧信号を得る検出回路と、前記電流バーを介して電圧信号を得るための電圧センサと、この電圧センサよりの電圧信号と前記検出回路よりの電流相当の電圧信号とから電力量を演算する演算手段とを設けるとともに、前記各電流センサを、磁気インピーダンス素子と、この磁気インピーダンス素子に外部磁界に比例する磁界を印加する負帰還磁場印加手段と、前記磁気インピーダンス素子にバイアス磁界を印加するバイアス印加手段とから構成することを特徴とする。

請求項４の発明においては、前記検出回路を、２つの固定抵抗に接続された発振回路と、前記1対の電流センサにそれぞれ接続された第１，第２の整流回路と、この第１，第２の整流回路にそれぞれ接続された第１，第２の増幅回路と、この第１，第２の増幅回路にそれぞれ接続された第１，第２の負帰還磁場発生回路と、この第１，第２の負帰還磁場発生回路と前記第１，第２の増幅回路とにそれぞれ接続された差動回路とから構成することができる（請求項５の発明）。
また請求項４または５の発明においては、前記バイアス印加手段は永久磁石であり、前記負帰還磁場印加手段は前記磁気インピーダンス素子に巻かれたコイルであることができる（請求項６の発明）。

この発明によれば、ＭＩ素子からなる電流センサを用いるとともに電流バーを板状にしたので電流バーの構造が著しく簡単となり、その結果、小型かつ薄型の電力量計を提供することが可能となる。

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。なお、同図（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ断面図（ｃ）は同じくＹ−Ｙ断面図である。
図１と図９を比較すれば明らかなように、厚みが従来のＴからＴ’のようにほぼ半分になっている。これは電流バーを図２のように３本とも同じシンプルな平板状とし、これら電流バー１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃを下側筺体１４の上方から取り付けて構成したことによるものである。なお、計量パルス用ＬＥＤ１０、液晶ディスプレイ１２、取付けネジ１９等は従来と同じ構成なので、説明は省略する。

図３に電流センサの取付け例を示す。
図示のように、電流センサ３１と３２および電流センサ３３と３４は、電子回路基板１３上の電流バー１６Ａおよび１６Ｃに対向する位置にそれぞれ取り付けられている。また、電子回路基板１３上には、下記１）〜５）のような
１）図示されない電流センサからの信号を処理するための電流信号処理回路（整流回路，増幅回路，負帰還回路等）
２）ここでは説明を省略している、電流バーを介して電圧の情報を検出する電圧センサおよび電圧信号処理回路

３）図示されない電力量を演算するマイコンなどからなる電力量演算回路
４）計量パルス用ＬＥＤ（１０）
５）液晶ディスプレイ制御回路
種々な回路が搭載される。なお、液晶ディスプレイ１２は図１（ａ）のように、上側筺体１５に取り付けるものとする。また、電子回路基板１３は図３のように、電流バー１６Ａ，１６Ｂおよび１６Ｃから所定の距離だけ離れた位置に配置される。

図４に電流センサの拡大図を示す。
例えば、電流センサ３１は、図示されないリードフレーム上に実装された磁気インピーダンス素子（以下、単にＭＩ素子とも略記する）４０をモールドパッケージしたものである。ＭＩ素子４０は、磁気の変化に対してインピーダンスが変化する、いわゆる磁気インピーダンス効果を利用する電流センサ用素子であり、図４ではガラス基板４２上にソフト磁性（軟磁性）膜４１をパターニングした構成となっている。
なお、ＭＩ素子は、ホール素子や磁気抵抗素子に比べ磁界に対して高感度であるとして、例えば比嘉外５名「パルス電流励磁によるスパッタ薄膜マイクロＭＩセンサ」日本応用磁気学会誌，ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．４−２，１９９７年において発表されている。ＭＩ素子４０には、バイアス磁界を印加するバイアス印加手段として永久磁石４３が設けられており、ＭＩ素子４０に所定のバイアス磁界を印加できるようになっている。

図１〜４で説明した装置の動作について、図５を参照して説明する。図５は、特に図３に示す電子回路基板１３のβ−β軸断面の一部と電流バー１６Ａの断面とを示しているが、電流センサ３１は電流センサ３２よりもさらに離れた位置に配置されており、この関係は電流バー１６Ｃ対応に配置される電流センサ３３と３４についても同様である。
このような関係により、図５の電流バー１６Ａに電流が流れると、電流バー１６Ａからの距離に反比例する磁界が、電流センサ３１，３２内のＭＩ素子４０に対して印加されることになる。

図６は電力量計を示す検出回路のブロック図で、６０は発振回路、６１１，６１２は固定抵抗、６３１，６３２は整流回路、６４１，６４２は増幅回路、６５は差動回路を示す。
この構成において、電流センサ３１，３２内のＭＩ素子６２１，６２２に発振回路６０から高周波信号を印加すると、ＭＩ素子６２１，６２２は外部磁界に比例してインピーダンスが変化する。そのため、整流回路６３１，６３２の入力側の信号は、ＭＩ素子６２１，６２２に印加された磁界に比例する振幅を持つ高周波信号となる。これは整流回路６３１，６３２、増幅回路６４１，６４２を介して差動回路６５に入力される。

図５からも明らかなように、電流センサ３１は電流センサ３２よりも電流バー１６Ａから離れた位置に配置されているので、電流センサ３１からの出力信号は電流センサ３２からの出力信号よりも小さな値となる。
一方、外乱ノイズや回路系からのノイズの影響は、電流センサ３１，電流センサ３２に共通した同相ノイズとして印加されるので、その影響を除去するために増幅回路６４１，６４２の各出力の差動演算を行なう差動回路６５を設けることにより、キャンセルするようにしている。電流センサ３３，３４についても同様であることは勿論である。

これにより、マイコンにて電力量を演算する差動回路６５からの電流信号Ｉは外乱ノイズを含まないものとなり、電力量の演算誤差が低減される。
その結果、従来必要であった複雑な構造の電流バーが不要となり、小型，薄型で電力量演算誤差の少ない電力量計を実現することが可能となる。

図７に電流センサの別の例を示す。なお、この電流センサの上側筺体，下側筺体および電流バーに対する配置は図３と同様なので、詳細は省略する。
図７からも明らかなように、図４の電流センサに負帰還コイル４４を施した点が特徴で、それ以外は図４と同じである。
図８に図７に対応する検出部のブロック図を示す。これも図６と比較すれば明らかなように、比例する磁場を発生させるための負帰還磁場発生回路８３１，８３２を介して負帰還コイル４４１，４４２に所定の電流を流し、負帰還コイル４４１，４４２に外部磁場に比例する磁場を印加できるようにした点が特徴で、それ以外は図６と同じである。
以上のようにすることで、ＭＩ素子の温度特性の改善，電力演算精度の向上を図ることが可能となる。

この発明の実施の形態を説明する説明図図１の筺体と電流バーの関係を示す斜視図図１の電流センサの配置例を示す斜視図電流センサ例を示す構成図図１の動作を説明するための説明図図１の電流検出部を示すブロック図電流センサの別の例を示す拡大図図７に対応する電流検出部を示すブロック図電力量計の第１の従来例を示す構成図電力量計の第２の従来例を示す構成図図１０の筺体と電流バーとの関係を示す斜視図一般的な電力量演算の原理説明図

符号の説明

１０…計量パルス用ＬＥＤ、１１Ａ，１１Ｂ…端子台、１２…液晶ディスプレイ、１３…電子回路基板、１４…下側筺体、１５…上側筺体、１６Ａ〜１６Ｃ…電流バー、１９…取付けネジ、３１〜３４…電流センサ、４０，４０１，４０２，６２１，６２２…ＭＩ（磁気インピーダンス）素子、４１…磁性膜、４２…ガラス基板、４３…永久磁石、４４，４４１，４４２…負帰還コイル、６０…発振回路、６１１，６１２…固定抵抗、６３１〜６３２…整流回路、６４１，６４２…増幅回路、６５…差動回路。

Claims

筐体と、この筐体に取り付けられる複数の板状の電流バーと、各電流バーからそれぞれ一定の距離をもち、電流バーに流れる電流に対して垂直で、かつ、電流バーに対して平行に配置される電子回路基板の両面に少なくとも1対実装される電流センサと、各電流センサから外部磁界に比例する電流相当の電圧信号を得る検出回路と、前記電流バーを介して電圧信号を得るための電圧センサと、この電圧センサよりの電圧信号と前記検出回路よりの電流相当の電圧信号とから電力量を演算する演算手段とを設けるとともに、前記各電流センサを、磁気インピーダンス素子と、この磁気インピーダンス素子にバイアス磁界を印加するバイアス印加手段とから構成することを特徴とする電力量計。
前記検出回路を、２つの固定抵抗に接続された発振回路と、前記１対の電流センサにそれぞれ接続された第１，第２の整流回路と、この第１，第２の整流回路にそれぞれ接続された第１，第２の増幅回路と、この第１，第２の増幅回路に接続された差動回路とから構成することを特徴とする請求項１に記載の電力量計。
前記バイアス印加手段は永久磁石であることを特徴とする請求項１または２に記載の電力量計。
筐体と、この筐体に取り付けられる複数の板状の電流バーと、各電流バーからそれぞれ一定の距離をもち、電流バーに流れる電流に対して垂直で、かつ、電流バーに対して平行に配置される電子回路基板の両面に少なくとも1対実装される電流センサと、各電流センサから外部磁界に比例する電流相当の電圧信号を得る検出回路と、前記電流バーを介して電圧信号を得るための電圧センサと、この電圧センサよりの電圧信号と前記検出回路よりの電流相当の電圧信号とから電力量を演算する演算手段とを設けるとともに、前記各電流センサを、磁気インピーダンス素子と、この磁気インピーダンス素子に外部磁界に比例する磁界を印加する負帰還磁場印加手段と、前記磁気インピーダンス素子にバイアス磁界を印加するバイアス印加手段とから構成することを特徴とする電力量計。
前記検出回路を、２つの固定抵抗に接続された発振回路と、前記1対の電流センサにそれぞれ接続された第１，第２の整流回路と、この第１，第２の整流回路にそれぞれ接続された第１，第２の増幅回路と、この第１，第２の増幅回路にそれぞれ接続された第１，第２の負帰還磁場発生回路と、この第１，第２の負帰還磁場発生回路と前記第１，第２の増幅回路とにそれぞれ接続された差動回路とから構成することを特徴とする請求項４に記載の電力量計。
前記バイアス印加手段は永久磁石であり、前記負帰還磁場印加手段は前記磁気インピーダンス素子に巻かれたコイルであることを特徴とする請求項４または５に記載の電力量計。