JPH11248754A - 直流電流センサおよびこれを用いたソーラーインバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】センサを小型化かつ軽量化、組み立てのコスト
と時間との削減、電流検出容易化、外部振動などに起因
した検出感度の低下防止を図る。 【解決手段】当該コア内を貫通する直流電流の増加によ
って磁気飽和する検出コア２と、前記磁気飽和でインダ
クタンスが減少するように前記検出コア２に取り付けら
れたコイル３と、前記コイル３に所定の周波数の交流波
形の信号を与える発振回路４と、前記コイル３からの電
流を検波する検波回路５と、前記検波回路５出力に基づ
いて前記直流電流を演算する演算回路６とを具備した構
成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直流地絡電流など
の直流電流を検出する直流電流センサおよびこれを用い
たソーラーインバータに関する。

【０００２】

【従来の技術】交流電流センサでは検出コアを貫通する
電線に交流電流が流れているので検出コア内にはその交
流電流による発生する磁束の変化によってコイルに電圧
が誘起し、これによって、コイル端に接続された回路で
その電圧を検出して、例えば電線などの地絡による交流
電流を検出できる。

【０００３】しかし、直流電流センサでは電線に直流電
流が流れているので検出コア内の磁束は変化せず、した
がってコイルに電圧が誘起されないから直流検出の出力
が得られず、したがって電線などの地絡による直流電流
を検出できない。そこで、このような地絡による直流電
流を検出できるようにするために例えばこの検出コアに
直交する励磁コアを設け、この励磁コアに巻回されたコ
イルに交流波形の電流（励磁電流）を流すことで検出コ
アに電圧を誘起させ、これによって電線における地絡に
よる直流電流の検出ができるようにしたものが既に実用
化されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
実用化された直流電流センサでは検出コア単一構成のセ
ンサとは異なってその検出コアにさらに励磁コアを設け
るというように重量もありスペースも比較的取るコアが
２つも必要とされるから、センサを小型化かつ軽量化す
るという点ではきわめて不利な構造となっている。

【０００５】そのうえ、共にリング状となっている検出
コアと励磁コアとを直交させて組み付けるのであるか
ら、その組み付け作業が決して単純な工程で可能になる
ものとはならず、その組み立てにコストも時間もかかる
ものとなっている。

【０００６】そして、励磁コアへの励磁電流の増加制御
で励磁コア内の磁化方向を励磁コア周方向から徐々に直
角方向つまり励磁コア幅方向へ回転させるというように
励磁電流の制御が決して容易とはいえないものであっ
た。

【０００７】さらにそのうえ、検出コアと励磁コアの取
り付け角度が外部振動などで正規の位置からずれてしま
う可能性が高く、正規の位置からのずれで検出感度が簡
単に落ちてしまうという課題も指摘されている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の直流電流センサ
においては、当該コア内を貫通する直流電流の増加によ
って磁気飽和する検出コアと、前記検出コアが磁気飽和
すると自己インダクタンスが減少するように前記検出コ
アに取り付けられたコイルと、前記コイルに所定の周波
数の交流波形の信号を与える信号発生手段とを具備した
ことによって上述の課題を解決できるものとしている。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の直流
電流センサについて図面を参照して詳細に説明する。本
実施の形態で検出される直流電流は地絡による直流電流
の検出も含むものであり、したがって、直流電流センサ
は直流地絡電流センサとも言うことができるものであ
る。

【００１０】図１は本発明の実施の形態に係る直流電流
センサのブロック構成を示している。同図を参照して、
本実施の形態の直流電流センサ１は、構成要素として
は、検出コア２と、コイル３と、発振回路４と、検波回
路５と、演算回路６とを具備している。

【００１１】検出コア２は、パーマロイなどの磁性体で
構成されており、当該コア２内を貫通する直流電流の増
加によって磁気飽和するようになっている。コイル３
は、検出コア２の貫通口を通して該検出コア２に取り付
けられ、検出コア２の磁気飽和によって自己インダクタ
ンスが減少するようになっている。

【００１２】発振回路４は、コイル３に所定の周波数の
交流波形の信号を与える信号発生手段としてコイル３一
端側に接続されている。ここで、その信号をコイル３一
端側に与えるライン内には直流成分阻止用コンデンサ７
が挿入されている。

【００１３】検波回路５は、その入力部がコイル３他端
側に接続されて該コイル３からの電流を検波するように
なっている。ここでコイル３他端側から検波回路５に電
流を供給するラインは高周波成分除去用コンデンサ８を
介して接地されている。演算回路６は、検波回路５の出
力部に接続され、該検波回路５の出力に基づいて直流電
流を演算して出力するようになっている。なお、直流成
分阻止用コンデンサ７と高周波成分除去用コンデンサ８
の詳しい作用については後述する。

【００１４】図２を参照して本実施の形態の直流電流セ
ンサ１の回路構成についてその動作と共に説明する。発
振回路４からの交流波形の信号としての発振周波数信号
は、それに含まれる直流成分がコンデンサ７で阻止され
たうえで、コイル３の一端側に与えられる。検出コア２
の貫通口には２本の電線９が挿通されており、この電線
９それぞれには矢印で示すように互いに逆方向に直流電
流が流れていることで検出コア２の貫通口にはそれら直
流電流が貫通して流れていることになる。この場合、地
絡が発生していない状態では、これら両直流電流は互い
に同じ大きさである場合では検出コア２にはこれら両直
流電流による磁界が相殺し合っていることで磁束が発生
していない。

【００１５】ここで、直流成分除去用のコンデンサ７の
作用について説明すると、発振回路４からの信号出力の
交流波形が正負方向において不平衡（ここでの不平衡に
は正負電圧の不平衡と、デューティの不平衡とがある）
であると、直流地絡電流が検出コア２に対して流れる方
向が正負それぞれの方向において検出する場合に、その
検出出力値に差異が生じてしまう。そこで、この差異を
なくすために、発振回路４の信号成分のうち直流成分を
コンデンサ７で阻止して、前記不平衡を解消し、直流地
絡電流が正負いずれの方向に発生してもその検出出力値
に差異が生じないようにして検出の正確さを向上してい
る。

【００１６】そして、この電線の地絡あるいは、これに
接続されている図示していない機器などに地絡などが発
生すると、各電線９内を流れている直流電流の大きさの
バランスが崩れる結果、検出コア２には磁束が発生し、
その検出コア２が磁気飽和する。その結果、コイル３の
自己インダクタンスが減少することになる。

【００１７】ここで、コイル３には発振回路４から交流
信号が与えられているので、コイル３はその交流信号に
よって電圧が誘起し、それに対応した電流が検波回路５
に流れているが、その電流の大きさは地絡発生が無く検
出コア２に磁束が発生していないときでは発振回路４出
力に対応したものとなっている。しかし、地絡が発生す
ると、前述したようにコイル３の自己インダクタンスが
減少するために、その減少した分に対応してコイル３か
ら検波回路５に流れてくる電流が増加することになる。
したがって、検波回路５はその電流を地絡発生の有無に
対応した大きさの検波出力を出力することになる。

【００１８】ここで検波回路５は、その入力部と出力部
との間に互いに直列に接続された第１抵抗９、第１検波
用コンデンサ１０および第１検波用ダイオード１１と、
これらの各接続部と接地との間に並列に接続された第２
抵抗１２、第２検波用ダイオード１３、第２検波用コン
デンサ１４および第３抵抗１５とで構成されている。そ
して、検波回路５は、コイル３からの電流がその入力部
を介して第１と第２抵抗９，１２に流されることで第２
抵抗１２両端間に得られる電圧を前記検波用の各コンデ
ンサ１０，１４と各ダイオード１１，１３とで検波して
から第３抵抗１５両端間に検波出力を得、それを出力部
から検波出力を出力するが、前記入力部への電流増加に
応じてその出力部からの検波出力が上昇する。

【００１９】なお、コイル３他端側と検波回路５との電
流ラインは高周波成分除去用のコンデンサ８で接地され
ているが、この高周波成分除去用コンデンサ８の作用に
ついて説明する。すなわち、この直流電流センサ１を後
述するようなソーラーインバータに適用した場合、それ
に用いられるインバータ回路内にスイッチング周波数が
例えば約２０ｋＨｚといった高周波でスイッチング動作
しているスイッチングトランジスタがある。そうする
と、検出コア２を貫通する前記直流電流には２０ｋＨｚ
の高周波電流が重畳されて流れてくる。その結果、この
重畳された分だけ直流電流センサ１による直流電流検出
値が増加することになる。このような増加は検出精度を
落とすものである。そこで前記コンデンサ８でその高周
波成分を接地側へ落として、直流電流検出値の正確さを
高めている。こうしてコイル２からの電流はそれに含ま
れる不要な高周波成分は除去されてから検波回路５の入
力部に与えられることになる。

【００２０】次に、演算回路６は、第１ないし第３オペ
アンプ回路１６〜１８と、第１および第２温度補償用ダ
イオード１９，２０を有している。第１オペアンプ回路
１６は、検波回路５出力のバッファ用であり、第２オペ
アンプ回路１７は、基準電源２１によってその出力部電
圧が一定に保持されている。そして、第３オペアンプ回
路１８は、第１オペアンプ回路１６出力と、第２オペア
ンプ回路１７出力とを加算する加算回路として機能して
いる。ここで、検波回路５に戻って第１、第２検波用ダ
イオード１１，１３について説明すると、これら検波用
ダイオード１１，１３は、周囲温度の影響でその動作特
性が変化する。そのために、周囲温度が高温状態では、
両検波用ダイオード１１，１３の順方向電圧が降下し、
これによって、センサ１の直流電流検出値が本来の正し
い値から増加してしまう。そこで、演算回路６内におい
ては、前記両温度補償用ダイオード１９，２０を設け、
周囲温度が高温状態では両温度補償用ダイオード１９，
２０も順方向電圧が降下し、これによって、第１オペア
ンプ回路１６と第２オペアンプ回路１７それぞれの出力
を第３オペアンプ回路１８で加算すると、検波用ダイオ
ード１１，１３と温度補償用ダイオード１９，２０それ
ぞれの順方向電圧が相殺し合って、第３オペアンプ回路
１８からの出力は、周囲温度の影響が除去された正しい
検出値が出力されることになる。

【００２１】本実施の形態の直流電流センサ１は、図３
で示される太陽電池２１とソーラーインバータ２２と系
統電源２３とからなる太陽光発電システムにおいてその
ソーラーインバータ２２内に組み込まれることで、その
システム内における地絡の検出に適用できる。このソー
ラーインバータ２２内には図４で示すようにインバータ
回路２４と本実施の形態の直流電流センサ１とが配備さ
れている。この直流電流センサ１は、インバータ回路２
４の出力ライン側に検出コア２が設けられている。もち
ろん、インバータ回路２４の入力ライン側にこの検出コ
ア２を設けても構わない。

【００２２】なお、本実施の形態の直流電流センサ１の
外観構成としては、例えば図５で示すようにケーシング
２５内に配備された回路基板２６上に直流電流センサ１
を構成する各回路部品２７を実装し、検出コア２はケー
シング２５内に配置されるとともに、そのケーシング２
５の貫通口２８に臨まされている。また図６で示すよう
に検出コア２をケーシング２５外に配備しても構わな
い。

【００２３】なお、本実施の形態の直流電流センサ１を
直流地絡電流の検出として用いる場合、その地絡電流検
出の目的は、漏電による人体とか機器などの周辺の安全
確保のためであり、それを用いた機器例えば上述のソー
ラーインバータを運転停止させるものであるが、直流地
絡電流を誤検出した場合では運転停止するが、上述の実
施の形態においてはその誤検出の可能性が直流成分除去
用と高周波成分除去用の各コンデンサ７，８と、温度補
償用ダイオード１９，２０とで低減されたものとなって
いる。この場合、上述のシステムにおいては演算回路６
からの地絡の有無に関する高精度の検出出力を図示して
いないＣＰＵに入力させ、ＣＰＵはその演算出力に基づ
いて地絡であると判断したときにはインバータ回路の動
作を停止させてより安全を確保できるように動作させる
ことができる。

【００２４】なお、上述のシステムに用いた場合の高周
波成分除去用のコンデンサ８の高周波成分除去のための
遮断周波数は、発振回路４の発振周波数以上で、インバ
ータ回路２４内のスイッチングトランジスタのスイッチ
ング周波数以下であることが好ましい。

【００２５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば次の効果を
得られる。

【００２６】請求項１および２の発明によれば、単一の
検出コアで直流電流を検出できるので従来のように直流
電流の検出のために検出コアにさらに励磁コアを設ける
必要がなくなり、センサを小型化かつ軽量化できる。そ
のうえ、従来のようにリング状の検出コアと励磁コアと
を直交させて組み付けるような作業もなくなり、その組
み立てのコストも時間も削減できる。そしてそのうえ、
従来のような励磁コアへの励磁電流の増加制御がないか
ら、電流検出が容易となるとともに、外部振動などがあ
ってもで検出感度が落ちるようなこともない。

【００２７】請求項３の発明によれば、直流成分阻止用
のコンデンサによって信号発生回路からの信号に含まれ
る直流成分が除去され、これによって、検出精度を高め
られる。

【００２８】請求項４の発明によれば、高周波成分除去
用のコンデンサによってコイルに含まれる高周波成分が
除去され、これによって、検出精度が高められる。

【００２９】請求項５の発明によれば、温度補償用のダ
イオードで検波回路内の検波用のダイオードが温度補償
され、これによって、周囲温度に影響されずに検出で
き、その精度を高められる。

【００３０】請求項６の発明によれば、直流電流センサ
を備えているので、漏電時における安全をより確保でき
るシステムにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る直流電流センサのブロ
ック構成図

【図２】図１の直流電流センサの回路構成図

【図３】本実施の形態の直流電流センサが組み込まれた
太陽光発電システムの構成図

【図４】図３のソーラーインバータのブロック構成図

【図５】本実施の形態の直流電流センサの外観構成図

【図６】本実施の形態の直流電流センサの他の外観構成
図

【符号の説明】

１ 直流電流センサ ２ 検出コア ３ コイル ４ 発振回路 ５ 検波回路 ６ 演算回路 ７ 直流成分除去用コンデンサ ８ 高周波成分除去用コンデンサ １９，２０ 温度補償用ダイオード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 馬渕 雅夫 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オ ムロン株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】当該コア内を貫通する直流電流の増加によ
   って磁気飽和する検出コアと、 前記検出コアが磁気飽和すると自己インダクタンスが減
   少するように前記検出コアに取り付けられたコイルと、 前記コイルに所定の周波数の交流波形の信号を与える信
   号発生手段と、 を具備したことを特徴とする直流電流センサ。
2. 【請求項２】当該コア内を貫通する直流電流の増加によ
   って磁気飽和する検出コアと、 前記磁気飽和でインダクタンスが減少するように前記検
   出コアに取り付けられたコイルと、 前記コイルに所定の周波数の交流波形の信号を与える信
   号発生手段と、 前記コイルからの電流を検波する検波回路と、 前記検波回路出力に基づいて前記直流電流を演算する演
   算回路と、 を具備したことを特徴とする直流電流センサ。
3. 【請求項３】前記信号発生手段から前記コイルへ前記信
   号を供給するライン内に直流成分阻止用のコンデンサを
   設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の直流
   電流センサ。
4. 【請求項４】前記コイルから前記検波回路に電流を出力
   するラインを高周波成分除去用のコンデンサで接地した
   ことを特徴とする請求項２に記載の直流電流センサ。
5. 【請求項５】前記検波回路内の検波用ダイオードの温度
   特性を温度補償用のダイオードで補償するようにしたこ
   とを特徴とする請求項２に記載の直流電流センサ。
6. 【請求項６】インバータ回路と、 前記インバータ回路の入力ラインまたは出力ラインの少
   なくともいずれか一方に取り付けられた請求項１ないし
   ５いずれかに記載の直流電流センサと、 を具備したことを特徴とするソーラーインバータ。