JP5814976B2

JP5814976B2 - 電流計測装置

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Publication number: JP5814976B2
Application number: JP2013102889A
Authority: JP
Inventors: 弘晃小竹; 吉秋小泉; 正裕石原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2033-05-15
Also published as: US9995772B2; JP2014224695A; WO2014185409A1; US20160054359A1; CN105264389B; EP2998748B1; EP2998748A1; EP2998748A4; CN105264389A

Description

本発明は、導電板や電線などの通電体を流れる交流電流を計測する技術に関する。

近年、工場や家庭での消費電力計測のため、分電盤等の電線に通電される交流電流を非接触で測定する電流計測装置が用いられている。

この種の電流計測装置として例えば特許文献１に記載されているものがある。この特許文献１の電流計測装置では、通電される交流電流によって周囲に磁界が発生する通電体と、磁界に応じた誘導起電圧信号を出力する二つの検出コイルとを備える。

この二つ検出コイルのうち、一方の検出コイルは通電体の表面に絶縁シートを介して配置され、その他方の検出コイルは通電体から発生する磁界の影響を受けないようにこの通電体から離れて配置される。一方の検出コイルでは、通電体から発生する磁界と磁気的ノイズである外部磁界とを加算した磁界に応じた誘導起電圧信号が発生し、他方の検出コイルでは、外部磁界のみに応じた誘導起電圧信号が発生する。この二つの検出コイルは逆極性で直列に接続されている。つまり、外部磁界により発生する誘導起電圧信号の変化が逆となるように二つの検出コイルが接続されている。このため、外部磁界分が相殺され且つ通電体による磁界分の誘導起電圧信号が電流検出信号として出力される。そして、この電流検出信号に基づいて通電体の交流電流が算出される。

特開２０１１−２２０９５２号公報

しかしながら、特許文献１の電流計測装置では、一方の検出コイルが、通電体の表面に絶縁シートを介して配置され、他方の検出コイルが、通電体から発生する磁界の影響を受けないようにこの通電体から離れて配置されている。このために、装置構成が複雑化するだけでなく、両検出コイルに対する外部磁界の影響が異なることがあり、外部磁界成分の除去が好適になされず、電流検出精度が低いという問題がある。

さらに特許文献１には、通電体の表面及び裏面に絶縁シートを介して検出コイルをそれぞれ配置し、この両検出コイルを逆極性で直列に接続して、外部磁界分が相殺され且つ通電体による磁界分が加算された誘導起電圧信号を出力させる構成の電流計測装置も記載されている。この構成では、通電体が端子台に固定された状態において、表面側の検出コイルが露出するのに対して、裏面側の検出コイルが通電体と端子台との間に隠れてしまい、両検出コイルに対する外部磁界の影響が異なることがあり、外部磁界成分の除去が好適になされず、電流検出精度が低いという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で精度の高い電流計測を行うことができる電流計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電流計測装置は、被測定電流により発生する磁界に基づいてその被測定電流を計測するものであり、通電体と基台と一対の検出コイルと算出部とを備える。通電体は、被測定電流が通電され、その被測定電流の大きさに比例した磁界が周囲に発生する。基台は、通電体が配置される配置面を有する。一対の検出コイルは、逆極性で直列接続された同一構成の検出コイルであって、基台の配置面に通電体を挟んで絶縁距離を空けて対称に配置され、通電体が発生させた磁界と磁気的ノイズである外部磁界とにより誘導起電圧信号を出力する。通電体の配置面上の高さは、当該通電体の電流方向と直交する幅方向である横幅よりも長い。一対の検出コイルは、その開口軸方向の巻き高さを通電体の配置面上の高さと同じとしている。算出部は、一対の検出コイルからの誘導起電圧信号に基づいて被測定電流値を算出する。

本発明によれば、基台の通電体が配置される配置面に一対の検出コイルを通電体に対して絶縁距離を空けて対称に配置するので、絶縁シートが不要であり、簡易な構成とすることができる。また、一対の検出コイルを、通電体を挟んで対称に配置して逆極性で直列接続しているので、精度の高い電流計測を行うことができる電流計測装置を提供することができる。また、一対の検出コイルを基台の配置面側に配置するだけでよいので、両検出コイルを簡単に装着することができる。また、通電体の裏面側の検出コイルを保護するような特殊形状の端子台が必要となったり、組み付け作業が複雑化したりすることがない。また、一対の検出コイルの巻き高さを、通電体の配置面上の高さと同方向に長くとることができる。

本発明の実施の形態１に係る電流計測装置の構成図である。（ａ）は本発明の実施の形態１に係る電流計測装置の第一端子台の平面図、（ｂ）はその側面図である。本発明の実施の形態１に係る検出コイルの形状の比較図である。本発明の実施の形態１に係る通電体が一方の検出コイルを取り囲む形状とした図である。変形例に係る通電体が一方の円形検出コイルを取り囲む形状とした図である。本発明の実施の形態２に係る電流計測装置の構成図である。本発明の実施の形態２に係る電流計測装置の第一端子台の構成図である。本発明の実施の形態２に係る検出コイルの接続図である。変形例に係る検出コイルの巻き数を変更する例を示す図である。本発明の実施の形態２に係る通電体が一方側の検出コイルを取り囲む形状とした図である。本発明の実施の形態２において一対の検出コイルをｎ組とした場合の接続図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る電流計測装置１０は、図１に示すように、例えば単相３線式のＬ１相電線２０とＬ２相電線３０に流れる各交流電流を非接触で計測するものである。この電流計測装置１０は、Ｌ１相電線２０が接続される第一端子台１００と、Ｌ２相電線３０が接続される第二端子台２００と、Ｌ１相電線２０及びＬ２相電線３０の交流電流値をそれぞれ算出する電流算出部３００と、電源電圧を生成する電源回路４００とを備える。

さらに、この電流計測装置１０は、電流算出部３００で算出された交流電流値、つまり、測定した電流値を表示する表示部３４０と、測定した電流値などのデータをコンピュータなどの他の装置に送信する通信部３５０を備える。

第一端子台１００は、例えば導電板などの通電体１１０が配設され、この通電体１１０の一端１１０ａに一次側電線としてのＬ１相電線２０が接続され、通電体１１０の他端１１０ｂに二次側電線２５が接続されている。また、第一端子台１００には、一対の検出コイル１２０と検出コイル１３０が配設されており、通電体１１０に流れる交流電流によって周囲に発生する磁界に応じた誘導起電圧信号が一対の検出コイル１２０と検出コイル１３０から電流算出部３００に出力される。

第二端子台２００も、第一端子台１００と同様に構成されている。つまり、第二端子台２００は、通電体１１０が配設され、この通電体１１０の一端１１０ａに一次側電線としてのＬ２相電線３０が接続され、通電体１１０の他端１１０ｂに二次側電線３５が接続され、一対の検出コイル１２０と検出コイル１３０が配設されている。第二端子台２００の通電体１１０に流れる交流電流によって周囲に発生する磁界に応じた誘導起電圧信号が一対の検出コイル１２０と検出コイル１３０から電流算出部３００に出力される。

電流算出部３００は、一対の検出コイル１２０と検出コイル１３０からの誘導起電圧信号を差動増幅する各差動アンプ３１０と、その差動増幅したアナログ信号をデジタル信号に変換する各Ａ／Ｄコンバータ３２０と、そのデジタル信号を演算処理して第一端子台１００，第二端子台２００の各通電体１１０の交流電流値をそれぞれ算出する演算処理プロセッサなどの演算処理部３３０とを備える。この演算処理部３３０は、Ａ／Ｄコンバータ３２０によりＡ／Ｄ変換されたデジタル信号を後述する演算式を用いて演算処理することで、Ｌ１相電線２０，Ｌ２相電線３０に通電されている各交流電流値を算出する。

電源回路４００は、例えば単相３線式のＬ１相電線２０が接続され、第一端子台１００に接続されるＬ１相電線２０の電圧を整流平滑等して、電流算出部３００を駆動するのに必要な電源電圧を生成する。

ここで第一端子台１００の構造について詳細に説明する。第一端子台１００は、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、通電体１１０が配置される配置面Ｆを有する。この通電体１１０は、例えば銅などの導電性金属製で細長板形状であり、ネジ止めによって配置面Ｆ上に固定されている。

また、通電体１１０の一端１１０ａへのＬ１相電線２０の接続は、Ｌ１相電線２０の先端の圧着端子２１に挿入したネジＳを、通電体１１０の一端１１０ａに形成された接続用雌ねじ孔ＴＨに螺入することで行われる。また、通電体１１０の他端１１０ｂへの二次側電線２５の接続は、二次側電線２５の先端の圧着端子２１に挿入したネジＳを、通電体１１０の他端１１０ｂに形成された接続用雌ねじ孔ＴＨに螺入することで行われる。

また、第一端子台１００の配置面Ｆ上には、一対の検出コイル１２０と検出コイル１３０が通電体１１０を挟んで対称に配置されている。検出コイル１２０と検出コイル１３０は、図２（ａ）に示すように、芯材に磁性体金属等を有しない、いわゆる空芯コイルである。

例えば、Ｌ１相電線２０からの交流電流が通電体１１０を図２（ａ）、図２（ｂ）の矢印ａの方向に流れたときには、その電流の大きさに正比例した磁界が通電体１１０の周囲に発生する。つまり、図２（ａ）、図２（ｂ）に環状矢印ｂで示す鎖交磁束が検出コイル１２０と検出コイル１３０に鎖交する。

検出コイル１２０と検出コイル１３０は、同一構成のものである。つまり、巻き数、コイル断面積、巻き線高さ、巻き線方向、巻き線材料などのコイル特性を決定するパラメータ（以下、「コイルパラメータ」と呼ぶ）が同じコイルである。また、その巻き形状（つまり、コイル断面形状）が図２（ａ）に示すように長方形形状である。また、図２（ｂ）に示すように、通電体１１０の高さＨ１が横幅Ｗ１よりも長くなっており、検出コイル１２０及び検出コイル１３０の巻き高さＨ２は、通電体１１０の横幅Ｗ１よりも長い高さＨ１と同程度の高さである。

さらに、検出コイル１２０及び検出コイル１３０は、その長辺ＬＳが通電体１１０の通電方向と平行で、且つ、通電体１１０と絶縁するための絶縁距離ｄ１を空けて第一端子台１００の配置面Ｆ上に配置されている。従って、検出コイル１２０及び検出コイル１３０と通電体１１０との間には絶縁シートなどを配置する必要はない。

また、検出コイル１２０と検出コイル１３０とは、通電体１１０により発生する誘導起電圧信号の変化が逆となるように逆極性で直列に接続されている。図２に波線で示すように、検出コイル１２０の一端ＥＤと検出コイル１３０の一端ＥＤとを第一端子台１００の裏面で接続し、検出コイル１２０と検出コイル１３０の各他端が電流算出部３００への出力端子ＯＵＴである。なお、検出コイル１２０，１３０の一端ＥＤ同士の接続は、第一端子台１００の裏面に限られず、第一端子台１００の内部や配置面Ｆ側で行うようにしてもよい。

次に、この電流計測装置１０の電流計測動作について説明する。検出コイル１２０と検出コイル１３０には、Ｌ１相電線２０に通電される電流の大きさに正比例して通電体１１０の周囲に発生する鎖交磁束と、磁気的ノイズである外部磁界の磁束が鎖交することにより、鎖交した磁束の変化分に応じた誘導起電圧信号が発生する。

図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、通電体１１０にｙ軸正方向である矢印ａの方向に電流が流れるときには、通電体１１０の周囲に、通電体１１０に直交する各ｚ面内にこの通電体１１０を中心として矢印ａの方向視で時計回りの環状矢印ｂの鎖交磁束が発生する。図２（ｂ）に示すように、検出コイル１２０にはｚ軸正方向、検出コイル１３０にはｚ軸負方向の磁束が鎖交する。

検出コイル１２０と検出コイル１３０は同一構成である。つまり、コイルパラメータが同一のコイルである。よって、通電体１１０が発生させる磁界の変化によって検出コイル１２０と検出コイル１３０に生じる誘導起電圧信号の絶対値は同じであり、通電体１１０による環状矢印ｂの鎖交磁束の向きが、図２（ｂ）に示すように、検出コイル１２０と検出コイル１３０とで逆であるため、その誘導起電圧信号の位相は逆位相となる。

また、磁気的ノイズである外部磁界の磁束は、図２（ｂ）に波線矢印ｃで示すように検出コイル１２０と検出コイル１３０に同一方向に鎖交している。外部磁界の発生源としての電流算出部３００及び電源回路４００が一対の検出コイル１２０と検出コイル１３０の距離より比べて遠方に存在していることから、外部磁界の磁束が一対の検出コイル１２０と検出コイル１３０に対して同一方向に鎖交していると考えられる。

検出コイル１２０と検出コイル１３０は、前述したようにコイルパラメータが同一のコイルであることから、外部磁界によって検出コイル１２０と検出コイル１３０に発生する誘導起電圧信号の絶対値は同じであり、外部磁界の向きが図２（ｂ）に波線矢印で示すように同じであることから、その誘導起電圧信号の位相は同位相となる。

前述したように、検出コイル１２０と検出コイル１３０とは逆極性で直列に接続されており、検出コイル１２０と検出コイル１３０に発生した誘導起電圧信号は加算される。つまり、通電体１１０が発生させた磁界による誘導起電圧信号の出力レベルは、検出コイル１２０、検出コイル１３０単体に比べて２倍に増幅され、外部磁界による誘導起電圧信号の出力レベルは相殺される。

この第一端子台１００の出力端子ＯＵＴの誘導起電圧信号Ｖは、次の式（１）で表される。
Ｖ＝（Ｖ１＋Ｖｎｏ）−（−Ｖ１＋Ｖｎｏ）・・・（１）
なお、式（１）の右辺の第一項は、検出コイル１２０に発生する誘導起電圧信号を示し、式（１）の右辺の第二項は、検出コイル１３０に発生する誘導起電圧信号を示す。Ｖ１は、通電体１１０の鎖交磁束による誘導起電圧であり、Ｖｎｏは外部磁界による誘導起電圧である。

第一端子台１００の出力端子ＯＵＴの誘導起電圧信号Ｖは、図１に示すように、電流算出部３００に出力される。電流算出部３００では、誘導起電圧信号が各差動アンプ３１０で差動増幅され、その増幅信号がＡ／Ｄコンバータ３２０でＡ／Ｄ変換され、そのＡ／Ｄ変換後のデジタル信号が演算処理部３３０で演算処理されて、Ｌ１相電線２０に通電されている交流電流値を算出する。

演算処理部３３０は、第一端子台１００の出力端子ＯＵＴの誘導起電圧信号を、ビオ・サバールの法則とファラデーの法則とを用いて、Ｌ１相電線２０に通電されている交流電流値を算出する。

ビオ・サバールの法則による式（２）は、無限に長い直線電流Ｉ（ｔ）の周りのある点Ｐの磁場Ｈを示す。直線電流Ｉ（ｔ）と点Ｐまでを距離ｒとする。
Ｈ＝Ｉ（ｔ）／２πｒ・・・（２）

そして、磁束密度Ｂは真空中では式（３）となる。μ_０は真空中の透磁率である。
Ｂ＝ μ_０・Ｈ・・・（３）

式（３）に式（２）を代入すると式（４）となる。
Ｂ＝μ_０・Ｉ（ｔ）／２πｒ・・・（４）

コイルに鎖交する磁束φは磁束密度Ｂをコイル開口面積で積分することにより得られる。磁束中に鎖交するコイルの開口部が、電流路に沿う長さＬ_０と、電流路から離れた距離ｒ_１からさらに離れた距離ｒ_２までにわたる長さにわたって形成されているとすると、このコイルの開口部の積分は電流路Ｌについては０〜Ｌ_０、距離ｒについてはｒ_１〜ｒ_２にわたって積分すればよい。その積分式は次の式（５）となる。この式（５）を解くと、式（６）が導き出される。

次に、ファラデーの法則による次式（７）は、コイルに生じる誘導起電力Ｖが、コイルを貫く磁束φの単位時間当たりの変化に比例することを示す。但し、ｋはコイルの巻き数である。
Ｖ（ｔ）＝−ｋ・ｄφ（ｔ）／ｄｔ・・・（７）

そして、この式（７）に式（６）の磁束φを代入することで、誘導起電力Ｖ（ｔ）と通電電流Ｉ（ｔ）との関係式である式（８）となる。この式（８）を解くと、式（９）が導き出される。なお、通電電流Ｉ（ｔ）はＩ_０・ｓｉｎωｔと表される。

また、Ｖ（ｔ）はＶ_０・ｃｏｓωｔと表され、これを式（９）に代入して両辺を整理すると、式（１０）となる。

そして、この式（１０）の誘導起電力Ｖ_０に、第一端子台１００の出力端子ＯＵＴから得られた誘導起電圧値を代入することで、Ｌ１相電線２０に通電されている交流電流値Ｉ_０が算出される。

また、第二端子台２００は、前述した第一端子台１００と同様に構成され、第二端子台２００の出力端子ＯＵＴからの誘導起電圧信号が電流算出部３００において前述の第一端子台１００の場合と同様に処理されて、Ｌ２相電線３０に通電されている交流電流値Ｉ_０が算出される。

また、表示部３４０は、電流算出部３００で算出されたＬ１相電線２０の交流電流値やＬ２相電線３０の交流電流値を表示する。また、通信部３５０は、測定したＬ１相電線２０の交流電流値、Ｌ２相電線３０の交流電流値などのデータをコンピュータなどの他の情報処理装置に送信する。

以上説明したように、本発明の実施の形態１に係る電流計測装置によれば、同一構成とした一対の検出コイル１２０，１３０を、第一端子台１００の配置面Ｆに通電体１１０を挟んで対称に配置するとともに、通電体１１０に対して絶縁距離ｄ１を空けた近接する位置に配置している。従って、絶縁シートが不要であり、簡易な構成とすることができる。また、第二端子台２００についても第一端子台１００と同様の効果を有する。

また、一対の検出コイル１２０，１３０を両方とも第一端子台１００の配置面Ｆに通電体１１０を挟んで対称に配置しているので、一対の検出コイル１２０，１３０に対する外部磁界の影響を同一のものとすることができる。つまり、表面側の検出コイルと裏面側の検出コイルとで外部磁界の影響が異なることを改善できる。そして、一対の検出コイル１２０，１３０を逆極性で直列接続しているので、外部磁界の影響を効果的に相殺でき、第一端子台１００に接続されたＬ１相電線２０の交流電流の大きさに比例した誘導起電圧信号を高精度で取得することができる。従って、この誘導起電圧信号に基づいて通電体１１０のＬ１相電線２０の交流電流を高精度に算出できる。また、第二端子台２００についても第一端子台１００と同様の効果を有し、通電体１１０のＬ２相電線３０の交流電流を高精度に算出できる。

また、図２（ｂ）に示すように、通電体１１０の高さＨ１を横幅Ｗ１よりも長くしているので、検出コイル１２０及び検出コイル１３０の巻き高さＨ２を、通電体１１０の高さＨ１と同方向に長くとることができる。

図２（ａ）に示すように、検出コイル１２０，１３０の断面形状を長方形形状とし、検出コイル１２０，１３０はその長辺ＬＳが通電体１１０の通電方向と平行となるように通電体１１０の近傍に配置されるので、検出コイル１２０、検出コイル１３０の誘導起電圧信号の信号対雑音比（Ｓ/Ｎ比）が高くなる。つまり、外部磁界により出力される誘導起電圧信号の出力レベルを下げ、通電体１１０により出力される誘導起電圧信号の出力レベルを上げることができる。その理由を以下に説明する。

長方形の検出コイル１２０，１３０と円形検出コイル４０とが、図３に示すように、通電体１１０から同一距離の位置に配置されているとする。円形検出コイル４０は、検出コイル１２０，１３０に対してコイル形状のみ異なり、それ以外のコイルパラメータは同じである。

通電体１１０により発生する磁界の強さは、通電体１１０からの距離に反比例するため、検出コイル１２０に鎖交する磁束の方が円形検出コイル４０に鎖交する磁束に比べ大きい。そのため、検出コイル１２０の方が円形検出コイル４０に比べて出力する誘導起電圧信号の出力レベルは大きい。つまり、検出コイル１２０、検出コイル１３０の断面形状を長方形形状とし、検出コイルの長辺ＬＳが通電体１１０の通電方向と平行となるように通電体の近傍に配置することで、コイルパラメータが同様の円形検出コイルに比べてＳ/Ｎ比を高くでき、高精度の電流検出を行うことができる。

さらに、検出コイル１２０、検出コイル１３０の断面形状を通電体１１０の長辺ＬＳ方向に伸びた長方形形状とすることで、同じＳ／Ｎ比の検出コイルを、円形検出コイルに比べ小型化することができる。

また本実施の形態では、一対の検出コイル１２０と検出コイル１３０を通電体１１０の近傍で第一端子台１００の配置面Ｆに配置するので、両検出コイルを簡単に装着することができる。また、通電体の裏面側の検出コイルを保護するような特殊形状の端子台が必要となったり、組み付け作業が複雑化したりすることがない。

なお、本実施の形態の通電体１１０は、図２（ａ）に示すように直線状としているが、これに限定されるものではなく、図４に示すように検出コイル１３０の外周を取り囲むような形状としてもよい。この場合には、通電体１１０のｘ軸正方向とｘ軸負方向に延びる各部位１１０ｃと、通電体１１０のｙ軸負方向に延びる部位１１０ｄの周囲に発生する鎖交磁束も検出コイル１３０に鎖交するので、通電体１１０が発生させる磁界による検出コイル１３０の誘導起電圧信号の出力レベルが、通電体１１０が図２（ａ）に示す直線状である場合に比べて大きくすることができる。また、通電体１１０を、検出コイル１２０の外周を取り囲むような形状としてもよい。

また、図５に示すように、検出コイル１３０（検出コイル１２０であってもよい）を円形検出コイル４０に変更し、この円形検出コイル４０の外周を通電体１１０で取り囲むようにしてもよい。通電体１１０のｘ軸正方向とｘ軸負方向に延びる各部位１１０ｃと、通電体１１０のｙ軸負方向に延びる部位１１０ｄの周囲に発生する鎖交磁束も検出コイル４０に鎖交するので、通電体１１０で取り囲まれない図３に示す円形検出コイル４０に比べて、通電体１１０で取り囲まれる分だけ誘導起電圧信号の出力レベルを大きくすることができる。

また本実施の形態では、検出コイル１２０と検出コイル１３０は図２（ａ）に示すように長方形形状であったが、正方形形状としてもよい。この正方形の一対の検出コイルとした場合には、コイルパラメータが同様の長方形形状のコイルに比べ、Ｓ／Ｎ比は低下するが、長方形形状の検出コイルに比べてコイル断面のアスペクト比を小さくすることができ、加工し易くなる利点がある。

（実施の形態２）
続いて、本発明の実施の形態２に係る電流計測装置について説明する。なお、以下の説明において、実施の形態１と共通する構成要素等については、同一の符号を付す。

前述の実施の形態１では、図２に示すように、第一端子台１００と第二端子台２００には、一対の検出コイル１２０，１３０を一組だけそれぞれ配置する構成であるが、これに限定されるものではない。実施の形態２では、図７に示すように、第一端子台１０１及び第二端子台２０１には、一対の検出コイル１２０，１３０を通電体１１０に沿って２組配置されるとともに、図６に示すように、一対の検出コイル１２０，１３０を２組接続又は１組接続に切り替える第一接続切替スイッチ５００，第二接続切替スイッチ６００をそれぞれ備える。

実施の形態２に係る電流計測装置１１は、図６に示すように、Ｌ１相電線２０が接続される第一端子台１０１と、Ｌ２相電線３０が接続される第二端子台２０１と、Ｌ１相電線２０及びＬ２相電線３０の交流電流値をそれぞれ算出する電流算出部３０１と、電源電圧を生成する電源回路４００と、第一端子台１０１に配設された第一接続切替スイッチ５００と、第二端子台２０１に配設された第二接続切替スイッチ６００とを備えている。

第一端子台１０１には、一対の検出コイル１２０と検出コイル１３０が２組配置されている。また、第一接続切替スイッチ５００によって、第一端子台１０１に配置された検出コイル１２０，１３０の接続が切り替えられるようになっている。つまり、第一接続切替スイッチ５００は、一対の検出コイル１２０，１３０を２組接続又は１組接続に切り替える。

第二端子台２０１も、一対の検出コイル１２０と検出コイル１３０が２組配置されている。また、第二接続切替スイッチ６００によって、第二端子台２０１に配置された検出コイル１２０，１３０の接続が切り替えられるようになっている。つまり、第二接続切替スイッチ６００は、一対の検出コイル１２０，１３０を２組接続又は１組接続に切り替える。

電流算出部３０１は、第一端子台１０１と第二端子台２０１の出力端子ＯＵＴからの誘導起電圧信号をそれぞれ差動増幅する各差動アンプ３１０と、その差動増幅したアナログ信号をデジタル信号にそれぞれ変換する各Ａ／Ｄコンバータ３２０と、そのデジタル信号を演算処理して第一端子台１０１と第二端子台２０１の各通電体１１０の交流電流値をそれぞれ算出する演算処理プロセッサなどの演算処理部３３０とを備える。

電源回路４００は、実施の形態１と同様であり、第一端子台１０１に接続されるＬ１相電線２０の電圧を整流平滑等して、電流算出部３０１を駆動するのに必要な電源電圧を生成する。

第一接続切替スイッチ５００は、電流算出部３０１からの制御信号に基づいて、第一端子台１０１に配置された一対の検出コイル１２０，１３０を１組接続又は２組接続に切り替えるハードスイッチである。第二接続切替スイッチ６００は、電流算出部３０１からの制御信号に基づいて、第二端子台２０１に配置された一対の検出コイル１２０，１３０を１組接続又は２組接続に切り替えるハードスイッチである。

第一端子台１０１は、図７に示すように、通電体１１０が配置される配置面Ｆを有する。この配置面Ｆ上には、２組の一対の検出コイル１２０と検出コイル１３０通電体１１０を挟んで対称に配置されている。１組目の一対の検出コイル１２０と検出コイル１３０は、２組目の一対の検出コイル１２０と検出コイル１３０よりもｙ軸正方向側に位置している。

１組目の一対の検出コイル１２０と検出コイル１３０と、２組目の一対の検出コイル１２２及び検出コイル１３２とは、その長辺ＬＳが通電体１１０の通電方向と平行に配置されるとともに、通電体１１０に対して絶縁距離ｄ１を空けて第一端子台１０１の配置面Ｆ上に配置されている。従って、各組の一対の検出コイル１２０，１３０と通電体１１０との間には絶縁シートなどを配置する必要はない。

図８に示すように、１組目の検出コイル１２０と検出コイル１３０とは通電体１１０により発生する誘導起電圧信号の変化が逆となるように逆極性で直列に接続した状態で第一接続切替スイッチ５００に接続されるとともに、２組目の検出コイル１２０及び検出コイル１３０も通電体１１０により発生する誘導起電圧信号の変化が逆となるように逆極性で直列に接続した状態で第一接続切替スイッチ５００に接続されている。そして、第一接続切替スイッチ５００を一点鎖線で示すようにスイッチ切替を行うと、１組目の一対の検出コイル１２０，１３０と、２組目の一対の検出コイル１２０，１３０とが接続された状態となる。つまり、通電体１１０の一方側（例えば左側）にある２個の検出コイル１２０が同極性で直列に接続されるとともに、通電体１１０の他方側（例えば右側）にある２個の検出コイル１３０が同極性で直列に接続され、２組目の検出コイル１２０及び検出コイル１３０とが逆極性で直列接続された状態となる。

次に、この電流計測装置１１の電流計測動作について説明する。
まず、第一接続切替スイッチ５００は、図８に実線で示すように第１接点Ｐ１に接続され、１組目の一対の検出コイル１２０，１３０を逆極性で直列接続している。なお、２組目の一対の検出コイル１２０，１３０も逆極性で直列接続された状態ではあるものの、１組目の一対の検出コイル１２０，１３０に対して非接続状態である。

そして、Ｌ１相電線２０に交流電流が供給されて、交流電流に応じた磁界が通電体１１０の周囲に発生し、１組目の一対の検出コイル１２０，１３０は、通電体１１０の交流電流の大きさに正比例して発生する磁界と、磁気的ノイズである外部磁界の磁束が鎖交することにより、鎖交した磁束に正比例した誘導起電圧信号が発生する。この１組目の一対の検出コイル１２０，１３０が実施の形態１と同様に逆極性で直列接続され、外部磁界による影響を相殺し、通電体１１０が発生させた磁界による誘導起電圧信号出力を足し合わせることで、Ｌ１相電線２０に通電される交流電流の大きさに正比例した誘導起電圧信号が、図６に示すように、第一端子台１０１の出力端子ＯＵＴから電流算出部３００に出力される。

第一端子台１０１の出力端子ＯＵＴの誘導起電圧信号は、電流算出部３００では、誘導起電圧信号が各差動アンプ３１０で差動増幅され、その増幅信号がＡ／Ｄコンバータ３２０でＡ／Ｄ変換され、そのＡ／Ｄ変換後のデジタル信号が演算処理部３３０で演算処理されて、Ｌ１相電線２０に通電されている交流電流値を算出する。

また、電流算出部３０１では、その算出した交流電流値が基準値よりか否かを判定する判定部３３５を備えている。例えばこの基準値は、１組の検出コイル１２０，１３０で検出可能な最大の誘導起電圧信号値の半分以下の値の場合に得られる交流電流値である。例えば、電流算出部３０１で算出された交流電流値が基準値よりも低い場合、つまり、通電体１１０への交流電流が小さい場合には、電流算出部３０１は制御信号を出力し、第一接続切替スイッチ５００は、電流算出部３０１からの制御信号に基づいて、図８に一点鎖線で示すように第２接点Ｐ２に接続を切り替え、１組目の一対の検出コイル１２０，１３０と、２組目の一対の検出コイル１２０，１３０とを接続した状態にする。

つまり、通電体１１０の左側にある２個の検出コイル１２０が同極性で直列に接続されるとともに、通電体１１０の右側にある２個の検出コイル１３０が同極性で直列に接続され、２組目の検出コイル１２０，１３０とが逆極性で直列接続された状態となる。つまり、検出コイルが増加した分だけ、より大きな誘導起電圧信号を取得することができる。

このように一対の検出コイル１２０，１３０を何組接続するかを示す設定値（ここでは２組であるため「２」である）を増加させることで、外部磁界による影響を相殺しつつ、通電体１１０が発生させた磁界による誘導起電圧信号出力を、実施の形態１に比べて接続組数倍（ここでは２倍）に足し合わせることができ、Ｌ１相電線２０に通電される交流電流が小さい場合でもその電流の大きさに正比例した誘導起電圧信号を高精度に得ることができる。電流算出部３０１では、一対の検出コイル１２０，１３０の接続組数を「２」としているため、この誘導起電圧信号に基づいて交流電流値を算出するが、その値を接続組数「２」で割った値を最終の交流電流値として算出する。

電流算出部３０１は、第一接続切替スイッチ５００、第二接続切替スイッチ６００の設定値、つまり、一対の検出コイル１２０，１３０を直列接続する組数に基づいて、Ａ／Ｄ変換値から交流電流値を算出する際の量子化係数などの解析パラメータを切り替える。

以上説明したように、本発明の実施の形態２に係る電流計測装置１１によれば、第一端子台１０１（第二端子台２０１も同様）には、一対の検出コイル１２０，１３０が通電体１１０に沿って２個配置され、通電体１１０の左側の２個の検出コイル１２０を同極性で直列接続し、且つ、通電体１１０の右側の２個の検出コイル１３０を同極性で直列に接続するとともに、左側の２組目の検出コイル１２０と右側の２組目の検出コイル１３０とを逆極性で直列接続することで一対の検出コイル１２０，１３０を２個接続するように接続切り替えを行う第一接続切替スイッチ５００，第二接続切替スイッチ６００を備えているので、外部磁界の影響を相殺しつつ、第一端子台１０１、第二端子台２０１に接続されたＬ１相電線２０、Ｌ２相電線３０に通電される交流電流が小さい場合にもその大きさに比例した誘導起電圧信号を高精度で取得することができる。

また、第一接続切替スイッチ５００，第二接続切替スイッチ６００を切り替えることで、測定電流信号の出力レベルを調節することができる。これにより、Ｌ１相電線２０に通電される電流が大電流であっても低電流であっても電流算出部３０１に入力される測定電流信号の入力範囲を一定とすることができる。

このことから、電流算出部３０１でＡ／Ｄ変換を行う際の分解能を調節することができるため、大電流から低電流まで高精度な電流測定を実現できる。

この実施の形態２では、第一接続切替スイッチ５００、第二接続切替スイッチ６００により、一対の検出コイル１２０，１３０の接続組数を、一対の検出コイル１２０，１３０の組単位で増加させたり減少させたりするように切り替え可能であるが、図９に示すように、巻き数切替部７００により、一対の検出コイル１２０Ａ，１３０Ａのコイルの巻き数を両方とも同一に切り替えるようにしてもよい。例えば、巻き数切替部７００が巻き数を２倍にする場合には、検出コイル１２０Ａの巻き数Ｎをその２倍である「２Ｎ」に変更するのに対応して検出コイル１３０Ａの巻き数Ｎも「２Ｎ」に変更する等が挙げられる。

検出コイル１２０Ａ，１３０Ａの鎖交磁束がコイルの巻き数に比例して変化するため、電流算出部３０１からの制御によって検出コイル１２０Ａ，１３０Ａの巻き数を切り替えることで、測定電流信号の出力レベルを調節できる。電流算出部３０１は、巻き数切替部７００の変更値に基づいて検出コイル１２０Ａ，１３０Ａからの誘導起電圧信号を演算処理して被測定電流値を算出する。なお、検出コイル１２０Ａ，１３０Ａはコイルパラメータは同じになるように切り替えを行うとともに、検出コイル１２０Ａ，１３０Ａは前述の実施の形態１と同様に逆極性で直列接続されている点に留意されたい。

また本実施の形態では、通電体１１０は、図７に示すように直線状としているが、これに限定されるものではない。図１０に示すように２個の検出コイル１２０を取り囲むような形状としてもよい。この場合には、通電体１１０のｘ軸正方向とｘ軸負方向に延びる各部位１１０ｃと、通電体１１０のｙ軸負方向に延びる部位１１０ｄの周囲に発生する鎖交磁束も検出コイル１３０に鎖交するので、２個の検出コイル１２０の誘導起電圧信号の出力レベルが、通電体１１０が図７に示す直線状ある場合に比べて大きくすることができる。また、通電体１１０を、２個の検出コイル１３０を取り囲むような形状としてもよい。

この実施の形態２では、検出コイル１２０、検出コイル１３０は長方形形状であったが、もちろん正方形形状でもよい。この正方形形状の検出コイルの場合には、コイル断面積、巻き線高さ、インダクタ、巻き線方向などのコイルパラメータが同様の長方形形状の検出コイル１２０，１３０に比べて、Ｓ／Ｎ比は低下するが、長方形形状の検出コイル１２０，１３０に比べてコイル断面のアスペクト比を小さくすることができ、加工し易くなる利点がある。

なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の変更は勿論可能である。

上記実施の形態２では、一対の検出コイル１２０，１３０を２組としているが、３組以上のｎ組としてもよい。例えば図１１に示すように、第一端子台１０１（第二端子台２０１も同様）には、一対の検出コイル１２０，１３０を通電体１１０に沿ってｎ組（但し、ｎは３以上の自然数）配置し、ｎ組のうちのｍ組（但し、ｍは自然数であり、３≦ｍ≦ｎである）の一対の検出コイルについて、通電体１１０の一方側（例えば左側）のｍ個の検出コイル１２０を同極性で直列接続し、且つ、通電体１１０の他方側（例えば右側）のｍ個の検出コイル１３０を同極性で直列に接続するとともに、一方側のｍ個目の検出コイル１２０と他方側のｍ個目の検出コイル１３０とを逆極性で直列接続することで一対の検出コイルをｍ組接続するように接続切り替えを行う第一接続切替スイッチ５００、第二接続切替スイッチ６００を備えるようにしてもよい。

このように一対の検出コイル１２０，１３０の接続組数をｍ個に増加させることで、外部磁界による影響を相殺しつつ、通電体１１０が発生させた磁界による誘導起電圧信号出力を、実施の形態１に比べて接続組数倍（ここではｍ倍）に足し合わせることができ、Ｌ１相電線２０に通電される電流が小さい場合でもその電流の大きさに正比例した誘導起電圧を高精度に得ることができる。

なお、前述した各実施の形態では、通電体１１０を第一端子台１００の配置面Ｆ上にネジ止めによって締結固定しているが、これに限定されるものではなく、係止爪等によって係止固定したり、圧入固定したり、接着固定したりするなど種々の固定態様としてもよい。また、前述した各実施の形態では、通電体１１０は導電板であるが、これに限定されるものではなく、導体配線、導体線、導体板などとしてもよい。

また、前述した各実施の形態では、第一端子台１００，１０１、第二端子台２００，２０１を本発明の基台の一例であるが、例えば端子台が、外形枠体と、この外形枠体に装着され、且つ、通電体１１０及び一対の検出コイル１２０，１３０等が配置面Ｆに配設される装着基台とからなる構成である場合に、本発明における基台にはこの装着基台が含まれる。

なお、前述した各実施の形態では、電源回路４００は、Ｌ１相電線２０の電圧を整流平滑等して電源電圧を生成しているが、これに限られるのではなく、二端子台２００に接続されるＬ２相電線３０の電圧を整流平滑等して電源電圧を生成するようにしてもよい。

また、前述した各実施の形態では、本発明における算出部の一例として電流算出部３００，３０１を例に挙げているが、出力端子ＯＵＴからの誘導起電圧信号に基づいて電流値を算出する構成であれば電流算出部３００，３０１以外の構成を採用してもよい。

また、前述した実施の形態２では、第一端子台１０１に第一接続切替スイッチ５００を、第二端子台２０１に第二接続切替スイッチ６００を備えているが、この第一接続切替スイッチ５００及び第二接続切替スイッチ６００を電流算出部３０１の方に備えるようにして一対の検出コイル１２０，１３０のｎ組接続を切り替えるようにしてもよい。

なお、前述した実施の形態２では、第一接続切替スイッチ５００、第二接続切替スイッチ６００は、電流算出部３０１からの制御信号に基づいて切替制御されるハードスイッチとしているが、これに限定されるものではない。ソフトウェアスイッチとしてもよいし、電流計測装置１１を設置する作業者が操作可能な手動スイッチとしてもよい。

また、電流算出部３０１は、算出した交流電流値に基づいて、第一接続切替スイッチ５００、第二接続切替スイッチ６００の設定値、つまり、一対の検出コイル１２０，１３０を直列接続する組数を変更しているが、これに限定されるものではない。例えば、操作者が手動スイッチを操作することで、一対の検出コイル１２０，１３０を直列接続する組数が手動変更可能であり、その組数を電流算出部３０１で読み取り可能であり、電流算出部３０１は、その組数に応じて交流電流値を算出するようにしてもよい。

１０，１１電流計測装置、１００，１０１第一端子台、１２０，１３０検出コイル、２００，２０１第二端子台、３００，３０１電流算出部、３３０演算処理部、３３５判定部、５００第一接続切替スイッチ、６００第二接続切替スイッチ、７００巻き数切替部

Claims

被測定電流が通電され、被測定電流の大きさに比例した磁界が周囲に発生する通電体と、
前記通電体が配置される配置面を有する基台と、
前記基台の配置面に前記通電体を挟んで絶縁距離を空けて対称に配置され、前記通電体が発生させた磁界と磁気的ノイズである外部磁界とにより誘導起電圧信号を出力する、逆極性で直列接続された同一構成の一対の検出コイルと、
前記一対の検出コイルからの誘導起電圧信号に基づいて被測定電流値を算出する算出部と、
を備え、
前記通電体の前記配置面上の高さは、当該通電体の電流方向と直交する幅方向である横幅よりも長く、
前記一対の検出コイルは、その開口軸方向の巻き高さを前記通電体の前記配置面上の高さと同じとしたことを特徴とする電流計測装置。
前記基台には、前記一対の検出コイルが前記通電体に沿ってｎ個（但し、ｎは２以上の自然数）配置され、
前記ｎ個のうちのｍ個（但し、ｍは自然数であり、２≦ｍ≦ｎである）の一対の検出コイルについて、前記通電体の一方側のｍ個の検出コイルを同極性で直列接続し、且つ、前記通電体の他方側のｍ個の検出コイルを同極性で直列に接続するとともに、一方側のｍ個目の検出コイルと他方側のｍ個目の検出コイルとを逆極性で直列接続することで前記一対の検出コイルをｍ個接続するように接続切り替えを行う接続切替スイッチを備え、
前記算出部は、算出した前記被測定電流値に応じて前記接続切替スイッチの接続切り替え設定を行い、該設定した前記接続切替スイッチの設定値に基づいて前記検出コイルからの誘導起電圧信号を演算処理して被測定電流値を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電流計測装置。
前記一対の検出コイルの巻き数を切り替える巻き数切替部を備え、
前記算出部は、前記巻き数切替部の変更値に基づいて前記検出コイルからの誘導起電圧信号を演算処理して被測定電流値を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電流計測装置。
前記一対の検出コイルは、そのコイル断面が長方形形状であり、その長辺が前記通電体の通電方向と平行である
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電流計測装置。
前記通電体の形状は、前記一対の検出コイルのうち一方の検出コイルの外周を取り囲む形状である
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電流計測装置。
前記一方の検出コイルはそのコイル断面形状が円形である
ことを特徴とする請求項５に記載の電流計測装置。
前記基台は、一次側電線と前記通電体の一端とを接続し且つ二次側電線と前記通電体の他端とを接続するための端子台である
ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の電流計測装置。