JP7370164B2 - Current sensor and energy meter - Google Patents
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Description
本発明は、簡易な構成で発熱による異常を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。 The present invention relates to a current sensor and a power meter that can detect abnormalities due to heat generation with a simple configuration.
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)。 Conventionally used current sensors include a current transformer (CT), a configuration in which a magnetoelectric conversion element such as a Hall element is placed in the gap of the magnetic collecting core, There are configurations that include a wire-wound coil or an element with a coil pattern formed on a dielectric substrate. In particular, the method of arranging a magnetoelectric conversion element such as a Hall element or an element with a coil pattern formed on a substrate in the gap of the magnetic collecting core is electrically separated from the circuit through which the primary current flows, which is the object of measurement. This makes it possible to measure current accurately without affecting the circuit on the primary current side. Furthermore, the method of arranging elements formed with coil patterns has excellent linearity and temperature characteristics, and has a feature that the number of parts is small and manufacturing is easy (see Patent Document 1).
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。
In the current sensor described in
ところで、集磁コアのギャップ部に磁電変換素子を配置する電流センサは、電流計測が可能であるが、温度を検出することができないため、接触不良によって電流バーや端子部に異常発熱が生じた場合、この異常を検出することができないという問題があった。これに対し、温度センサを別に設けて発熱による異常を検出することはできるが、別途、温度センサを追加する設置を行うとコストがかかる。 By the way, current sensors that place magnetoelectric transducers in the gap of the magnetic collecting core can measure current, but cannot detect temperature, so abnormal heat generation may occur in the current bar or terminal due to poor contact. In this case, there was a problem that this abnormality could not be detected. On the other hand, although it is possible to separately provide a temperature sensor to detect abnormalities due to heat generation, it is costly to separately install an additional temperature sensor.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で発熱による異常を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。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a current sensor and a power meter that can detect abnormalities due to heat generation with a simple configuration.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電流センサは、検出すべき電流が流れる電流バーと、前記電流に対応する磁気を誘起電圧として検出する磁気検出コイルと、前記磁気検出コイルに発生した誘起電圧をもとに前記電流を計測する計測部とを有した電流センサであって、前記磁気検出コイルが配置される基板に温度を検出する温度検出部を備えたことを特徴とする。 In order to solve the above problems and achieve the objects, the current sensor according to the present invention includes: a current bar through which a current to be detected flows; a magnetic detection coil that detects magnetism corresponding to the current as an induced voltage; A current sensor having a measurement unit that measures the current based on an induced voltage generated in a magnetic detection coil, the current sensor having a temperature detection unit that detects temperature on a substrate on which the magnetic detection coil is arranged. It is characterized by
また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記温度検出部は、前記基板上に測温抵抗体のパターンを形成し、前記パターンの抵抗値の変化をもとに前記温度を検出することを特徴とする。 Further, in the current sensor according to the present invention, in the above invention, the temperature detection section forms a pattern of a resistance temperature detector on the substrate, and detects the temperature based on a change in the resistance value of the pattern. It is characterized by
また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記磁気検出コイルは、前記基板上に形成されたコイルパターンであることを特徴とする。 Moreover, the current sensor according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the magnetic detection coil is a coil pattern formed on the substrate.
また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記測温抵抗体のパターンは、前記磁気検出コイルの配置領域と同一領域内であって異なる層に配置されることを特徴とする。 Furthermore, the current sensor according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the pattern of the temperature measuring resistor is arranged in the same area as the arrangement area of the magnetic detection coil, but in a different layer.
また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記温度検出部は、前記電流バーに流れる電流の周波数よりも低い周波数あるいは直流の電流を前記測温抵抗体に印加して温度検出を行うことを特徴とする。 Further, in the current sensor according to the present invention, in the above invention, the temperature detection section applies a DC current or a frequency lower than the frequency of the current flowing through the current bar to the temperature sensing resistor to detect the temperature. It is characterized by doing.
また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記磁気検出コイルは、前記電流バーを囲むように形成された集磁コアに形成された1以上の空隙に配置されることを特徴とする。 Further, in the current sensor according to the present invention, in the above invention, the magnetic detection coil is arranged in one or more gaps formed in a magnetic collecting core formed so as to surround the current bar. do.
また、本発明にかかる電力量計は、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に流れる電力量を算出することを特徴とする。 Further, the watt-hour meter according to the present invention calculates the amount of electric power flowing through the current bar based on the current signal detected by the current sensor described in any one of the above inventions and the voltage signal detected by the voltage sensor. It is characterized by calculating.
本発明によれば、簡易な構成で発熱による異常を検出することができる。 According to the present invention, an abnormality due to heat generation can be detected with a simple configuration.
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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の実施の形態である電流センサ10の概要構成を示す斜視図である。また、図2は、基板3の構成を示す模式図である。図1に示すように、電流センサ10は、電流を流す電流バー2を囲むように形成された集磁コア1及び基板3を有する。基板3は、集磁コア1のギャップ1aに介在して磁気検出を行う磁気検出コイル4、温度によって抵抗値が変化する測温抵抗体5、及び、磁気検出コイル4に発生した誘起電圧をもとに電流を計測するとともに、測温抵抗体5の抵抗値の変化をもとに温度を計測する計測部6を有する。
FIG. 1 is a perspective view showing the general configuration of a
図2に示すように、磁気検出コイル4は、ギャップ1aのギャップ領域Eに配置され、測温抵抗体5及び計測部6は、ギャップ領域E外に配置される。磁気検出コイル4及び測温抵抗体5は、同一のコイルパターンが形成される。それぞれのコイルパターンは、例えば銅などによって形成される。
As shown in FIG. 2, the
計測部6は、電流計測部7及び温度計測部8を有する。電流計測部7は、磁気検出コイル4の端子4a,4bから入力される誘起電圧をもとに電流バー2に流れる電流を計測する。温度計測部8は、測温抵抗体5の端子5a,5bを介して測温抵抗体5に電流を印加し、測温抵抗体5の抵抗値の変化によって温度を計測する。なお、磁気検出コイル4及び電流計測部7は、電流検出部11であり、測温抵抗体5及び温度計測部8は、温度検出部12である。計測部6は、電流計測部7が計測した電流及び温度計測部8が計測した温度を、端子9を介して外部出力する。
The
温度計測部8は、例えば、図3に示すように、測温抵抗体5の抵抗値の温度依存性をもとに、測定した抵抗値から温度を計測する。温度計測部8は、例えば、抵抗値が16Ωである場合、温度を20℃として計測する。そして、図示しない外部装置は、温度が80℃を超える場合、異常が発生したものと判定する。すなわち、温度検出部12は、電流バー2や電流バー2の端子接続部の温度上昇を検出することができる。
For example, as shown in FIG. 3, the temperature measurement unit 8 measures the temperature from the measured resistance value based on the temperature dependence of the resistance value of the
温度計測部8が測温抵抗体5に印加する電流は、測温抵抗体5がギャップ領域E外に配置されているため、交流であってもよく、電流バー2に流れる電流の周波数よりも低い周波数としてもよい。測温抵抗体5への交流電流印加は、温度測定の電力ロスを低減することができる。なお、測温抵抗体5に印加する電流は、直流であってもよい。
Since the
なお、温度検出部12は、端子5a,5bと測温抵抗体5との間の配線長などによる抵抗値測定誤差を低減するため、例えば3導線方式が4導線方式によって温度計測を行ってもよい。
In addition, in order to reduce resistance value measurement errors due to the wiring length between the
本実施の形態では、電流検出部11が配置される基板3に、温度検出部12を設けているので、別途、温度検出部12を設置する必要がないため、簡易な構成で、温度検出が可能な電流センサ10を実現できる。また、磁気検出コイル4及び測温抵抗体5は、同一パターンとしているため、基板3の設計及び製造も容易になる。
In this embodiment, since the
<変形例1>
図4は、変形例1による基板13の構成を説明する説明図である。本変形例1では、基板3に対応する基板13を4層構造とする多層基板としている。基板13は、4層の基板13-1~13-4からなる多層基板である。磁気検出コイル4に対応する磁気検出コイル14-1~14-4がギャップ領域Eにおいて4層構造になっているとともに、測温抵抗体5に対応する測温抵抗体15-1,15-2が2層構造となっている。なお、測温抵抗体15-1,15-2は、コイル状ではなく、ジグザグのミアンダ状パターンとしている。第1層の基板13-1には、磁気検出コイル14-1及び測温抵抗体15-1が形成される。第2層の基板13-2には、磁気検出コイル14-2及び測温抵抗体15-2が形成される。第3層の基板13-3には、磁気検出コイル14-3が形成される。第4層の基板13-4には、磁気検出コイル14-4が形成される。
<
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating the configuration of the
第1層の基板13-1において、端子4aに接続されるビアb1に、磁気検出コイル14-1が接続される。磁気検出コイル14-1は、ビアb2を介して第2層の基板13-2に形成された磁気検出コイル14-2に接続される。さらに、磁気検出コイル14-2は、ビアb3を介して第3層の基板13-3に形成された磁気検出コイル14-3に接続される。さらに、磁気検出コイル14-3は、ビアb4を介して第4層の基板13-4に形成された磁気検出コイル14-4に接続される。そして、磁気検出コイル14-4は、ビアb5を介して第1層の配線14aに接続され、さらにビアb6を介して端子4bに接続される。すなわち、変形例1の磁気検出コイルは、磁気検出コイル14-1~14-4がギャップ領域E内で多層に重畳配置される。これにより、狭い領域であっても、磁気検出感度を向上させることができる。
In the first layer substrate 13-1, the magnetic detection coil 14-1 is connected to the via b1 connected to the terminal 4a. The magnetic detection coil 14-1 is connected to the magnetic detection coil 14-2 formed on the second layer substrate 13-2 via a via b2. Further, the magnetic detection coil 14-2 is connected to the magnetic detection coil 14-3 formed on the third layer substrate 13-3 via a via b3. Further, the magnetic detection coil 14-3 is connected to a magnetic detection coil 14-4 formed on the fourth layer substrate 13-4 via a via b4. The magnetic detection coil 14-4 is connected to the
一方、第1層の基板13-1において、端子5aに接続されるビアb11に、ミアンダ状パターンの測温抵抗体15-1が接続される。測温抵抗体15-1は、ビアb12を介して第2層の測温抵抗体15-2に接続される。さらに、測温抵抗体15-2は、ビアb13を介して第1層に接続されている端子5bに接続される。すなわち、変形例1の測温抵抗体は、ミアンダ状パターンの測温抵抗体15-1,15-2がギャップ領域E外で多層に重畳配置される。なお、測温抵抗体15-1,15-2は、さらに多層配置してもよいし、他の層に配置してもよい。これにより、狭い領域であっても、測温抵抗体の抵抗値の変化を大きくすることができ、温度測定の精度を高めることができる。
On the other hand, in the first layer substrate 13-1, a meandering patterned resistance temperature detector 15-1 is connected to a via b11 connected to the terminal 5a. The resistance temperature detector 15-1 is connected to the second layer resistance temperature detector 15-2 via the via b12. Furthermore, the temperature sensing resistor 15-2 is connected to the terminal 5b connected to the first layer via the via b13. That is, in the resistance temperature detector of
<変形例2>
図5は、変形例2による基板23の構成を説明する説明図である。本変形例2では、基板23-1~23-6からなる6層構造の基板23とし、変形例1における測温抵抗体15-1,15-2に対応する測温抵抗体25-1,25-2をそれぞれ第5層の基板23-5,23-6に形成している。なお、第1層から第4層までの基板23-1~23-4には、変形例1と同じ磁気検出コイル14-1~14-4が形成されている。そして、磁気検出コイル14-1~14-4及び測温抵抗体25-1,25-2は、すべてギャップ領域E内で多層に重畳配置される。ただし、測温抵抗体25-1,25-2は、測温抵抗体15-1,15-2に比べて、ビアb2,b4の存在のため、中央部分の蛇行長が短くなっている。
<
FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating the configuration of the
本変形例2では、基板の広さを大きくすることなく、温度検出部12を電流センサ10に組み込むことができる。なお、測温抵抗体25-1,25-2は、ギャップ領域E内に配置されるため、測温抵抗体25-1,25-2に印加される電流は、磁気検出コイル14-1~14-4に与える影響をなくすため、直流が印加されることになる。
In the second modification, the
<変形例3>
図6は、変形例3による基板33の構成を説明する説明図である。変形例1,2では、多層基板を用いた一例を示したが、本変形例3の多層基板である基板33は、半導体プロセスなどによって多層化するのではなく、2つの基板33a,33bを接着によって1つの基板を形成している。例えば、基板33aは、磁気検出コイルが多層化された基板であり、基板33bは、測温抵抗体が多層化された基板である。
<
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating the configuration of the
<変形例4>
上記の実施の形態及び変形例1~3では、基板3,13,23,33を集磁コア1のギャップ1aに配置されることを前提としたものであったが、本変形例4では、電流バー2の周囲に基板が配置された電流センサに適用するものである。
<
In the above-described embodiment and
図7は、本変形例4である電流センサ43の概要構成を示す斜視図である。また、図8は、図7に示した電流センサ43を電流バー2の軸方向からみた模式図である。図7及び図8において、電流センサ43は、電流を流す電流バー2の周囲に形成される磁界を測定して電流バー2に流れる電流を検出する。電流センサ43は、同一のコイルパターンが形成された、2つの一対の基板43a,43c、43b,43dがそれぞれ電流バー2の軸Cに対して対称に配置される。4つの基板43a~43dは、それぞれ電流バー2の周囲に等角度間隔で、電流バー2の軸Cを中心に90度間隔で設けられる。基板43a~43dは、コイルパターンが形成されるコイルパターン面と、測定対象の磁束φとの角度が直角になるように設けられる。
FIG. 7 is a perspective view showing a general configuration of a
各基板43a~43dに形成されるコイルパターンは、磁束φによって生ずる誘起電圧が端子4aから順次加算されるように接続線42で直列接続される。接続線42の終端部側である基板43dからの戻り線41は、接続線42に沿わせて接続線42の始端部側の端子4bに接続される。
The coil patterns formed on each of the
すなわち、各基板43a~43dに形成されるコイルパターンは、磁束φの方向からみて誘起電圧が全て同じ巻き方向となるように形成されて加算され、かつ、接続線42及び戻り線41による誘起電圧の影響をキャンセルするようにしている。
That is, the coil patterns formed on each of the
ここで、例えば、基板43aには、測温抵抗体が形成された基板45が接着され、1つの基板を形成している。なお、基板43a内に端子4a,4bからの誘起電圧をもとに電流を計測する電流計測部7を設けるとともに、基板45内に端子5a,5bから取得した抵抗値をもとに温度計測する温度計測部8を設けるようにしてもよい。なお、基板45内の測温抵抗体には直流が印加される。
Here, for example, a
なお、電流センサ43は、主として各基板43a~43d,45を電流バー2の周りに支持する支持ケース100を有する。この支持ケース100は、絶縁材によって形成される。
Note that the
<電力量計>
図9は、実施の形態及び変形例1~4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10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。
<Power meter>
FIG. 9 is a block diagram showing an example of a power meter 200 using the current sensor shown in the embodiment and
図9に示すように、電力量計200は、実施の形態及び変形例1~4で示した電流センサ10に対応する電流センサ10a,10b、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10aは、R相の電流信号を検出する。電流センサ10b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。
As shown in FIG. 9, the watt-hour meter 200 includes
電力量算出部202は、電流センサ10a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10b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。
The
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。
In addition, the three-phase power P obtained by the two-wattmeter method is
P=VRS・IR+VTS・IT
=(VR-VS)・IR+(VT-VS)・IT
=VR・IR+VS・(-IR-IT)+VT・IT
=VR・IR+VS・IS+VT・IT
This is the same as finding the power that is the sum of the power of each phase.
なお、上記の実施の形態及び変形例では、測温抵抗体を用いた温度計測を行うようにしていたが、これに限らず、例えば熱電対を基板上に形成して温度計測を行うようにしてもよい。 Note that in the above embodiments and modifications, the temperature is measured using a resistance temperature sensor, but the present invention is not limited to this; for example, a thermocouple may be formed on the substrate to measure the temperature. It's okay.
また、上記の実施の形態及び変形例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。 Moreover, each structure illustrated in the above-described embodiments and modified examples is functionally schematic, and does not necessarily need to be physically configured as illustrated. In other words, the form of dispersion/integration of each device and component is not limited to the one shown in the diagram, but all or part of it may be functionally or physically dispersed/integrated in arbitrary units depending on various usage conditions. It can be configured as follows.
1 集磁コア
1a ギャップ
2 電流バー
3,13,13-1~13-4,23,23-1~23-6,33,33a,33b,43a~43d,45 基板
4,14-1~14-4 磁気検出コイル
4a,4b,5a,5b,9 端子
5,15-1,15-2,25-1,25-2 測温抵抗体
6 計測部
7 電流計測部
8 温度計測部
10,10a,10b,43 電流センサ
11 電流検出部
12 温度検出部
14a 配線
41 戻り線
42 接続線
100 支持ケース
200 電力量計
201a,201b 電圧センサ
202 電力量算出部
203 出力部
b1~b6,b11~b13 ビア
C 軸
E ギャップ領域
IR,IS,IT 三相電流
LD 負荷
P 三相電力
SP 電源
VR,VS,VT 三相電圧
φ 磁束
1
Claims (3)
前記電流に対応する磁気を誘起電圧として検出する磁気検出コイルと、
前記磁気検出コイルに発生した誘起電圧をもとに前記電流を計測する計測部とを有した電流センサであって、
前記磁気検出コイルが配置される基板に温度を検出する温度検出部を備え、
前記磁気検出コイルは、前記基板上に形成されたコイルパターンであり、
前記温度検出部は、前記基板上に前記コイルパターンとは電気的に分離された測温抵抗体のパターンを形成し、前記パターンの抵抗値の変化をもとに前記温度を検出し、
前記測温抵抗体のパターンは、前記磁気検出コイルの配置領域と同一領域内であって前記基板の異なる層に配置されることを特徴とする電流センサ。 a current bar through which the current to be detected flows;
a magnetic detection coil that detects magnetism corresponding to the current as an induced voltage;
A current sensor comprising a measurement unit that measures the current based on the induced voltage generated in the magnetic detection coil,
A temperature detection unit for detecting temperature is provided on a substrate on which the magnetic detection coil is arranged,
The magnetic detection coil is a coil pattern formed on the substrate,
The temperature detection unit forms a temperature sensing resistor pattern on the substrate, which is electrically separated from the coil pattern, and detects the temperature based on a change in the resistance value of the pattern ,
A current sensor characterized in that the pattern of the temperature sensing resistor is arranged in the same area as the arrangement area of the magnetic detection coil and on a different layer of the substrate.
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