JPH06167516A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 広ダイナミックレンジの電流センサを提供す
ること。 【構成】 磁気コアに検出コイルと帰還コイルを有し、
被測定導線に流れる電流にて磁気コア内に流れる交番磁
束により検出コイルに発生する誘導起電力を電流に変換
して上記帰還コイルの一端に加える第１の電力増幅器
と、同電力増幅器の出力電圧を増幅率１で極性反転し、
該反転した出力電圧を上記帰還コイルの他端に直列的に
接続された基準抵抗に加える第２の電力増幅器を備え、
上記第１及び第２の電力増幅器から上記帰還コイルと基
準抵抗とでなる電流路へそれぞれ電流を流して上記磁気
コア内の交番磁束を打ち消すとともに、該電流により基
準抵抗に発生する電圧を検出する差動増幅器を備えてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、被測定導線に流れる
電流をゼロフラックス法にて検出する電流センサに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図３に従来の一般的な電流センサの例が
示されているが、１は被測定導線、２は開閉可能な磁気
コアであって、その上に電流検出コイル３と帰還コイル
４が巻かれている。５は電力増幅器、Ｒは基準抵抗であ
る。

【０００３】ここで、被測定導線１に交流電流が流れる
と、その起磁力により磁気コア２内に交番磁束が流れ、
検出コイル３には誘導起電力が発生する。この誘導起電
力は例えば電力増幅器５にて電流に変換されて増幅され
た後、帰還コイル４と基準抵抗Ｒからなる帰還路を流れ
るようになっている。この場合、帰還コイル４を流れる
電流によって磁気コア２に発生する磁束の向きは、上記
被測定導線１に流れる電流により同磁気コアに発生する
磁束に対して逆方向となるように電力増幅器５の出力端
と帰還コイルとが接続されている。

【０００４】これにより磁気コア内では両磁束が打ち消
し合い、いわゆるゼロフラックスの状態となる。このと
き、基準抵抗Ｒの両端間には電力増幅器５からの帰還電
流によって電圧が発生する。この場合、帰還電流の大き
さは被測定導線に流れる電流に比例するから、基準抵抗
Ｒに発生する電圧の大きさも被測定導線に流れる電流に
比例する。そこで、基準抵抗に発生する電圧を例えば出
力端子８から図示しない測定部に取り込んで測定すれ
ば、被測定導線に流れる電流を求めることができる。

【０００５】上記従来の電流センサはその負帰還作用に
より磁気回路の非直線性などによる影響を受けず、比較
的広い周波数にわたって安定で、精度のよい電流検出が
できるという長所がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、被測定導線
１に流れる電流が大きくなると、それによる磁気コア２
内の磁束を打ち消すため電力増幅器５が送出する帰還電
流も大きくなる。したがって同電力増幅器には十分な電
流容量が必要とされる。また、上記帰還電流は帰還コイ
ル４と基準抵抗を通って流れるから、帰還コイルの交流
インピーダンスと基準抵抗の抵抗値に応じてそれぞれ電
圧降下が発生する。

【０００７】そのため、電力増幅器５の最大出力電圧
は、それら電圧降下のベクトル合成電圧より下回らない
ことが必要となる。すなわち、電流センサが検出可能な
最大電流は電力増幅器が出力し得る電圧、電流の大きさ
によって定まることになる。

【０００８】この場合、線路電流の一部を分流させて検
出することも考えられるが、設備が整った配電室などで
はともかく、室内外の一般線路を対象とする通常の携帯
形電流センサでは簡単に実施できない。したがって、検
出可能電流はできるだけ大きいことが望ましい。それに
は電力増幅器の動作電源電圧を高くする方法があるが、
電源の種類が増えたり素子の選択に困難が生じたりして
好ましくない。

【０００９】この発明は上記の事情を考慮してなされた
もので、その目的は、従来装置と同じ電源電圧で動作し
従来の約２倍の大きさまでの線路電流が検出できるよう
にした広ダイナミックレンジの電流センサを提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明においては下記ないしに示す手段を備
えている。

【００１１】 例えば検出コイルの誘導起電力を電流
に変換して増幅するとともに、帰還コイルと基準抵抗の
直列接続でなる電流路を負荷となし、該電流路の一端に
上記増幅電流を加える第１の電流増幅器を備えている。

【００１２】 例えば上記第１の電力増幅器の電流出
力端における電圧を電圧増幅率１で極性反転するととも
に上記電流路を第１の電力増幅器と共通負荷となし、同
電流路の他端へ上記極性反転電圧を加える第２の電力増
幅器を備えている。

【００１３】 例えば上記基準抵抗の一方の端子に発
生する電圧と他方の端子に発生する電圧を入力とし、両
端間の電圧の差を取り出す差動増幅器を備えている。

【００１４】

【作用】上記の手段において、第２の電力増幅器の出力
電圧は第１の電力増幅器の出力端電圧を増幅率１で反転
したものであるから、絶対値が等しく極性が反対の電圧
となる。またこの電圧は、第１の電力増幅器の出力電流
が流れる電流路に共通負荷として加えられるから、第２
の電力増幅器から上記電流路に流れる電流は、第１の電
力増幅器から同電流路に流れる電流と絶対値が等しく極
性が反対となる。

【００１５】更に、第２の電力増幅器の出力電圧が電流
路に加わる端子は、第１の電力増幅器の出力電圧が電流
路に加わる端子に対して反対側になっているから、結局
は第２の電力増幅器から電流路へ流れる電流は第１の電
力増幅器から電流路へ流れる電流と同一方向になる。

【００１６】よって等しい大きさの２つの電流が上記電
流路を同一方向に流れ、帰還コイルと基準抵抗からなる
電流路には「重ねの理」により１つの電流増幅器から流
れる電流の２倍の電流が流れる。

【００１７】したがって、従来と同じ大きさの線路電流
を測定する場合、２つの電力増幅器のおのおのから帰還
コイルへ流す電流は従来装置の１／２でよく、それに伴
って同電流を流すための出力電圧もそれぞれ１／２に減
少する。これを利用すると、帰還コイルへ電流を流すた
めの出力電圧は従来装置の２倍の大きさに対応でき、よ
って線路電流の測定可能範囲（ダイナミックレンジ）は
２倍に拡大可能となる。

【００１８】

【実施例】この発明の実施例が示されている図１を参照
すると、被測定導線１を外包する開閉可能な磁気コア２
と、同磁気コア２に巻かれた検出コイル３及び帰還コイ
ル４は従来と同一構成になっている。

【００１９】第１の電力増幅器５は検出コイル３に発生
する誘導起電力を受けて電流に変換、増幅し、帰還コイ
ル４の一端から他端へ流すようになっている。この場合
磁気コア２内には前記従来例と同様に、被測定導線に流
れる電流にて発生する交番磁束に対して逆向きの磁束が
発生するように電力増幅器５の出力端と帰還コイルの一
端とが接続されている。

【００２０】この実施例においては、電力増幅器５の出
力電流は上記帰還コイル４と例えば基準抵抗Ｒとからな
る直列電流路を通り、第２の電力増幅器６の出力側へ入
るようになっている。ここで上記２つの電力増幅器の動
作時における出力インピーダンスは通常極めて小さいか
ら無視すると、電力増幅器５の出力端には、同増幅器の
出力電流が上記帰還コイルと基準抵抗を流れることによ
り発生するおのおのの電圧をベクトル合成した電圧が現
れる。この電圧は上記電力増幅器６に加えられる。

【００２１】電力増幅器６は例えば上記電力増幅器５と
同じ種類の増幅素子が用いられ、同素子に接続された各
抵抗の値が相等しい電圧増幅率１の反転増幅器になって
いる。したがって、電力増幅器５の出力端に発生する電
圧と電力増幅器６の出力電圧とは絶対値が等しく、正負
互いに逆極性となる。よって電流路を流れる電流につい
ては、例えば一方の電力増幅器が送出動作の場合他方の
電力増幅器は吸い込み動作となり、それを交互に反転す
る。

【００２２】また、帰還コイル４と基準抵抗Ｒとの直列
電流路は両電力増幅器の共通負荷になっているから、例
えばある時点における電力増幅器５の送出電流と電力増
幅器６の吸い込み電流をそれぞれ点線矢印と一点鎖線矢
印で示すと、両電流は大きさが等しく、かつ上記共通の
電流路を２つの電流が同方向に流れる。言い換えると、
帰還コイル４と基準抵抗Ｒには電力増幅器が１つの場合
に比べて２倍の電流が流れ、したがって基準抵抗Ｒには
２倍の電圧が発生する。差動増幅器７はこの電圧を検出
して図示しない測定部に送り、同測定部は検出電圧の測
定値に基づいて被測定導線１に流れる電流を求めるよう
になっている。

【００２３】次に、各部における信号波形の一例を図２
に示す。なお図１中、図２の（Ａ）ないし（Ｆ）に示す
信号が現れる箇所には同じ参照符号が付してある。以
下、図２を併せて参照しながら説明を追加する。

【００２４】被測定導線１に交流電流が流れると磁気コ
ア２内に交番磁束が現れ、検出コイル３には例えば図２
（Ａ）に示す誘導起電力が発生する。電力増幅器５はこ
の誘導起電力を電流に変換、増幅し、同図（Ｂ）に示す
電流±ｉを出力する。この電流により帰還コイル４と基
準抵抗Ｒにそれぞれ電圧降下が発生し、それらのベクト
ル合成電圧が電力増幅器５の出力電圧となる。この出力
電圧を同図（Ｂ）に破線で示し、上記基準抵抗Ｒの端子
Ｐにおける電圧を同図（Ｃ）に示す。

【００２５】電力増幅器６は上記（Ｂ）の破線で示す電
力増幅器５の出力電圧を増幅率１で反転増幅する。この
反転出力電圧を同図２（Ｄ）に破線で示す。電力増幅器
５と６は上記したように同じ電流路を共通負荷とするか
ら、電力増幅器６の出力電流は（Ｄ）の実線で示すよう
に電力増幅器５の出力電流と同じ大きさで極性が反対の
電流−（もしくは＋）ｉとなり、この電流により基準抵
抗Ｒの端子Ｑにおける電圧は同図（Ｅ）に示すように−
（もしくは＋）Ｖとなる。

【００２６】ここで、電力増幅器６の出力電流は電力増
幅器５の出力電流に対して共通の電流路を逆の経路で流
れるから、例えばある時点ｔにおいて電力増幅器５が電
流送出動作であったとすると電力増幅器６は電流吸い込
み動作となり、時点ｔを含む半波期間は同じ大きさの２
つの電流が電流路を同じ方向に流れることになる。

【００２７】次の半波期間においては電流の送出動作と
吸い込み動作が入れ変わり、電流路を流れる電流の方向
が反転するが、いずれにしても電流路には２倍の電流２
ｉが流れる。したがって、基準抵抗Ｒの端子Ｐ，Ｑ間に
現れる電圧を差動増幅器７にて検出すると、同図２
（Ｆ）に示すように２倍の電圧−（もしくは＋）２Ｖが
得られる。この際誘導による同相の雑音等は差動増幅器
にて除去される。

【００２８】なお、この実施例においては上記基準抵抗
Ｒが電力増幅器６の出力端と帰還コイル４との間に設け
られているが、例えば電力増幅器５の出力端と帰還コイ
ルとの間に設けてもよい。

【００２９】また、検出コイル３の出力は一方の電力増
幅器５に入力し、その出力を他方の電力増幅器６に入力
する直列的な信号処理回路になっているが、例えば検出
コイル３の出力を双方の電力増幅器５，６へ並列的に加
えて処理する回路とすることもできる。

【００３０】次に、応用例として、 （イ） 従来と同じ電源電圧で、その電流容量に余裕が
ある場合。 帰還コイルのインピーダンス及び基準抵抗の抵抗値が従
来と同じとすると、同帰還コイルと基準抵抗からなる電
流路に従来の２倍の電流が流れ、被測定導線に流れる電
流を従来の２倍の大きさまで検出できる。

【００３１】（ロ） 従来と同じ電源電圧と電流容量の
場合。 帰還コイルのインピーダンスと基準抵抗の抵抗値をそれ
ぞれ２倍にすると電流路の合成インピーダンスも２倍に
なる。これにより２つの電力増幅器の出力電流はおのお
の１／２となり、電流路にはその２倍の電流すなわち従
来と同じ大きさの電流が流れ、同電流路には従来の２倍
の電圧が発生する。この場合、帰還コイルのターン数は
従来の１．４倍程度にされるから、ターン数増加による
損失などを無視すると従来の約１．４倍の大きさの電流
まで検出できる。なお、基準抵抗の抵抗値はそのままに
して帰還コイルのインピーダンスを高くすることもでき
る。この場合、検出可能電流は上記１．４倍から２倍の
間になる。

【００３２】（ハ） 従来と同じ電源電圧で、検出可能
電流は従来どおりとし、消費電力を下げる場合。 例えば帰還コイルのインピーダンスと基準抵抗の抵抗値
をそれぞれ従来の４倍にすると、電流路の合成インピー
ダンスも４倍になる。これにより２つの電力増幅器の出
力電流はおのおの従来の１／４となり、電流路にはその
２倍の電流すなわち従来の１／２の電流が流れる。この
場合、帰還コイルのターン数は従来の２倍程度にされる
から、損失を無視すると検出可能電流はほぼ従来と同じ
で消費電力を従来の１／２に減らすことができる。

【００３３】

【発明の効果】以上、詳細に説明したようにこの発明に
おいては、例えば検出コイル２に発生した誘導起電力を
電流に変換する電力増幅器５を備え、その出力電流は帰
還コイル４と基準抵抗Ｒとが直列に接続された電流路の
一端に加えられるようになっている。

【００３４】また、例えば上記電力増幅器５の電流出力
端に発生する電圧を増幅率１で極性反転する電力増幅器
６を備えており、その極性が反転した出力電圧は上記電
流路の他端へ加えるようになっている。これにより、電
流路には電力増幅器５から加わる電流と等しい大きさで
極性が反対の電流が電流路を逆方向から流れる。この場
合、一方の電流を送出電流、他方の電流を吸い込み電流
とすると、結局電流路内では両者は同方向となり、１つ
の電力増幅器が出力する電流の２倍の電流が流れること
になる。

【００３５】したがって、この発明を電流センサに適用
すると、電源の電流容量に余裕がある場合は、従来と同
じ電源電圧のもとで従来の約２倍の大きさの電流まで検
出可能となる。また、従来と同じ消費電力場合は従来の
１．４倍以上の電流まで検出可能であり、従来と同じ検
出能力とすると消費電力は従来の１／２程度に下げるこ
ともできる。このため、電池等を電源に使用する携帯形
の電流センサにおいて、検出電流のダイナミックレンジ
拡大もしくは消費電力の節減に極めて有効である。

【００３６】さらに、線路電流が大きく従来の電力計で
は電力増幅器から帰還コイルへ磁束打ち消し用の電流が
流しきれない場合、帰還コイルは強制的に変流器（Ｃ
Ｔ）動作にされ、電力増幅器に逆電圧が加わって破損す
るおそれがあったが、この発明はそれを防止する効果も
有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を適用した電流センサの電気的構成を
示すブロック線図。

【図２】各部の動作説明用信号波形図。

【図３】従来装置の電気的構成を示すブロック線図。

【符号の説明】

１ 被測定導線 ２ 磁気コア ３ 検出コイル ４ 帰還コイル ５ 電力増幅器 ６ 電力増幅器 ７ 差動増幅器 Ｒ 基準抵抗

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定導線を外包する磁気コアに検出コ
   イルと帰還コイルを有し、上記被測定導線に流れる交流
   電流にて上記検出コイルに発生する誘導起電力を電流に
   変換して上記帰還コイルに加えることにより、上記磁気
   コア内の交番磁束を打ち消すとともに、上記帰還コイル
   に加えた電流の大きさから上記被測定導線に流れる電流
   を求める電流センサにおいて、 上記帰還コイルに基準抵抗を直列接続して形成した電流
   路を負荷となし、上記検出コイルの誘導起電力を電流に
   変換して上記電流路の一端に加える第１の電力増幅器
   と、 該第１の電力増幅器の電流出力端に発生する電圧を受け
   てその極性を反転するとともに、上記電流路を上記第１
   の電力増幅器と共通の負荷となし、同電流路の他端へ上
   記極性反転電圧を加えて流れる電流と上記第１の電力増
   幅器から加えられる電流とにより、上記磁気コア内の交
   番磁束を打ち消すようにした第２の電力増幅器と、 上記電流路を形成する基準抵抗の一方の端子に発生する
   電圧と他方の端子に発生する電圧の差を検出する差動増
   幅器とを備え、 該差動増幅器の出力電圧に基づいて上記被測定導線に流
   れる電流を求めることを特徴とする電流センサ。
2. 【請求項２】 上記第２の電力増幅器は電圧増幅率が１
   である請求項１に記載の電流センサ。