TW201636624A - 電流檢測裝置 - Google Patents

Abstract

本發明的電流檢測裝置係構成為具備：環狀的磁芯(2)，係在有通電電流(Ia、Ib)流通的一對導線(1a、1b)的周圍形成閉磁路；激磁線圈(3)，係捲繞於磁芯(2)；振盪電路部(4)，係施加矩形波的輸出電壓給激磁線圈(3)；電源部(7)，係供給電源給振盪電路部(4)中產生矩形波的輸出電壓的運算放大器(11)；及差電流算出部(6)，係檢測從電源部(7)流往運算放大器(11)的電源電流Id，算出流通於一對導線(1a、1b)的通電電流(Ia、Ib)的差電流△I。藉此，獲得優異的抗雜訊性並且能夠簡化電流檢測裝置的構成。

Description

電流檢測裝置

本發明係有關以非接觸的方式檢測直流、交流或有交流與直流疊加之導線的漏電流的電流檢測裝置。

習知技術揭示一種電流檢測裝置(參照例如下述之專利文獻1)，具備有：激磁線圈(coil)，係以電性絕緣且磁耦合之方式捲繞於磁芯(core)，該磁芯係包圍流通被量測電流的導線；激磁手段，係依據所設定的臨限值，在磁芯處於飽和狀態或接近飽和的狀態下，產生使供給至激磁線圈的激磁電流之極性反轉的矩形波電壓；及電流偵測手段，係根據從該激磁手段輸出的矩形波電壓的工作比(duty)變化，偵測被量測電流。藉此，便能夠以受周圍環境條件影響小、小型、低成本的電流檢測裝置進行大範圍的微小電流偵測。

(先前技術文獻)

(專利文獻)

專利文獻1：日本國特開2012-2723號公報

然而，在上述專利文獻1的習知技術的電流檢測裝置中，為了得知流通於導線的通電電流的大小，另需供檢測矩形波電壓的工作比變化之用的例如脈波(pulse)寬度檢測電路之類的檢測電路，而有電流檢測電路的增大化和製造成本增加的課題。

此外，在將該電流檢測裝置與外部的控制裝置連接而例如作為漏電警報器使用時，除了用於供給驅動電源至電流檢測電路的電源線之外，為了檢測矩形波電壓的工作比變化，還需要連接信號線，此外，當控制裝置是分離設置時，信號線變長，存在可能引發因抗雜訊(noise)性差而導致誤動作之課題。

本發明係為了解決上述課題而研創，目的在於提供簡化漏電流的電流檢測裝置之構成且抗雜訊性優異的電流檢測裝置。

為了解決上述課題，本發明的電流檢測裝置係具備：環狀的磁芯，係配置成在有通電電流流通的複數條導線的周圍形成閉磁路；激磁線圈，係捲繞於前述磁芯；振盪電路部，係產生施加給前述激磁線圈的矩形波電壓；電源部，係供電給前述振盪電路部的電源端子；及差電流算出部，係由電流檢測電路及差電流算出電路構成，該電流檢測電路係檢測從前述電源部流往前述振盪電路部 的電源端子的電源電流，該差電流算出電路係根據前述電源電流，算出前述複數條導線的通電電流的差電流。

依據本發明的電流檢測裝置，係構成為根據流往振盪電路部的電源端子的電源電流之大小來檢測作為量測對象的導線的漏電流，因此抗雜訊性優異，並且不再需要習知技術中為了檢測矩形波電壓的工作比變化而必須要有的例如脈波寬度檢測電路之類的檢測電路，有能夠簡化裝置構成而能夠抑制製造成本的效果。

1a、1b‧‧‧導線

2‧‧‧磁芯

3‧‧‧激磁線圈

4‧‧‧振盪電路部

4a‧‧‧正電源端子

4b‧‧‧負電源端子

6‧‧‧差電流算出部

6a‧‧‧電流檢測電路

6b‧‧‧差電流算出電路

6c‧‧‧電阻器

7‧‧‧電源部

7a‧‧‧正輸出端子

7b‧‧‧負輸出端子

10a‧‧‧電流感測器部分

10b‧‧‧電流檢測部分

11‧‧‧運算放大器

11a‧‧‧正電源端子

11b‧‧‧負電源端子

12至16‧‧‧電阻器

17‧‧‧中間電位

Ia、Ib‧‧‧通電電流

Ic、Ie‧‧‧激磁電流

Id‧‧‧電源電流

Io‧‧‧差電流為0時的電源電流

△I‧‧‧差電流

第1圖係顯示實施形態1的電流檢測裝置的概略構成之方塊圖(block diagram)。

第2圖係顯示第1圖中所示振盪電路部的具體構成之電路圖。

第3圖係顯示第1圖中所示差電流算出部的具體構成之電路圖。

第4圖(a)至(d)係顯示第2圖中所示振盪電路部的輸出電壓與激磁電流之波形圖。

第5圖係第3圖中所示電流檢測電路檢測出的電源電流之波形圖。

第6圖係顯示實施形態2的電流檢測裝置的概略構成之方塊圖。

以下，針對本發明實施形態的電流檢測裝置的詳細內容，參照第1圖至第6圖進行說明。

實施形態1.

第1圖係顯示實施形態1的電流檢測裝置的全體構成之方塊圖，第2圖係顯示電流檢測裝置的振盪電路部的具體構成之電路圖，第3圖係顯示差電流算出部的具體構成之電路圖，第4圖(a)至(d)係顯示振盪電路部的輸出電壓與激磁電流之波形圖，此外，第5圖係顯示電流檢測電路檢測出的電源電流之波形圖。

首先，利用第1圖至第3圖，針對實施形態1的電流檢測裝置的概略構成進行說明。電流檢測裝置係構成為具備：環狀的磁芯2，係在以穿過環的中央部之方式配置且有通電電流Ia、Ib分別朝相反方向流通的一對導線1a、1b的周圍形成閉磁路；激磁線圈3，係捲繞於磁芯2；振盪電路部4，係施加輸出電壓Va給激磁線圈3；電源部7，係供電給振盪電路部4中構成比較器(comparator)電路之運算放大器(Operational Amplifier)11的正電源端子11a及負電源端子11b，該比較器電路係產生矩形波的輸出電壓Va；及差電流算出部6，係由電流檢測電路6a及差電流算出電路6b構成，該電流檢測電路6a係檢測從電源部7流往運算放大器11的正電源端子11a的電源電流Id，該差電流算出電路6b係根據電源電流Id，算出通電電流Ia與通電電流Ib的差電流△I(=Ia-Ib)。另外，在實施形態1 中，係例如以導線為商用單相交流的一對導線的情形為例進行說明。

如第2圖所示，振盪電路部4係由運算放大器11與被動元件(電阻器)12至14構成。運算放大器11的非反相輸入端子E係例如中介20kΩ的電阻器14而連接至輸出端子F，設計成作為比較器電路動作。此外，藉由例如選用為3kΩ的電阻器13與電阻器14，設定供給至非反相輸入端子E的基準電壓Vth，此外，該基準電壓Vth與由例如選用為10Ω的電阻器12、激磁線圈3所產生且施加至反相輸入端子D的電壓Vd係逐次進行比較，結果，從輸出端子F輸出與電壓Vd相應的矩形波的輸出電壓Va。此處，激磁線圈3係連接在反相輸入端子D與輸出端子F之間。此外，在經介後述的差電流算出部6獲得直流電壓供給的振盪電路部4的正電源端子4a與負電源端子4b之間，係有具相同電阻值的電阻器15及電阻器16串聯連接，例如10kΩ，電阻器15與電阻器16的連接點係接地，成為中間電位17。

如第3圖所示，差電流算出部6係設置在電源部7與振盪電路部4之間，從電源部7經介振盪電路部4的正電源端子4a及負電源端子4b供電給運算放大器11的正電源端子11a及負電源端子11b，並且構成為具備：電流檢測電路6a，係檢測流往正電源端子11a的電源電流Id；及差電流算出電路6b，係根據該電源電流Id，算出通電電流Ia與通電電流Ib的差電流△I(=Ia-Ib)。電流檢測電 路6a係設置在電源部7的正輸出端子7a與振盪電路部4的正電源端子4a之間，例如檢測10Ω的電阻器6c中流過的電源電流Id。此處，預先透過實驗等求出電源電流Id與差電流△I的關係，差電流算出電路6b係從該電源電流Id算出差電流△I來求取漏電流。

此處，令流通於激磁線圈3的激磁電流為Ie。此外，激磁線圈3的捲繞數係例如為1,000圈(turn)，從電源部7的正輸出端子7a及負輸出端子7b供電至差電流算出部6的直流電壓係例如為+6V、-6V。

接著，針對實施形態1的電流檢測裝置的動作進行說明。

如第1圖所示，導線1a、1b乃係流通通電電流Ia及通電電流Ib的導線，以穿過磁芯2的環狀的中央部之方式配置。在該些導線1a、1b，通常分別流通有數十A至數百A的電流，而因流通於導線1a、1b的電流的方向相反，故只要導線正常，則兩者的向量(vector)和便會為0。但當發生漏電和短路等事故時，向量和不會為0，會流通數mA至數百mA程度的微小的漏電流。因此，能夠藉由檢測因事故致生的該微小的漏電流來偵測漏電和短路。

第4圖係顯示第2圖中所示振盪電路部4的輸出電壓Va及激磁電流Ie之波形圖；第4圖(a)為無漏電流時的輸出電壓Va；第4圖(b)為無漏電流時的激磁電流Ie；第4圖(c)為有漏電流，流通於導線1a與導線1b的通 電電流Ia與通電電流Ib之間有微小的差電流△I(=Ia-Ib)產生時的輸出電壓Va；第4圖(d)為有漏電流，流通於導線1a與導線1b的通電電流Ia與通電電流Ib之間有微小的差電流△I產生時的激磁電流Ie。

此外，第5圖係第3圖中藉由電流檢測電路6a檢測流通於差電流算出部6的電阻器6c的電流而得的電源電流Id、亦即流往運算放大器11的正電源端子11a的電流的波形圖。電源電流Id係能夠使用量測電阻器6c兩端電壓的電壓降法而容易地進行檢測。另外，在第5圖中，粗線A係表示有漏電流時的情況，細線B係表示無漏電流時的情況。

如第4圖(a)所示，當於時點t1，運算放大器11的輸出電壓Va成為高位準(high level)，該輸出電壓Va便施加至激磁線圈3。因此，激磁線圈3係受到與輸出電壓Va及電阻器12的電阻值相應的激磁電流Ie所激磁。激磁電流Ie係依照磁芯2所具有的B-H特性，從輸出電壓Va的上升時點t1起逐漸增加，當磁芯2達到飽和區，激磁線圈3的阻抗(impedance)便急遽降低，激磁電流Ie係急遽增加。

此時，激磁線圈3與電阻器12的連接點亦即運算放大器11的反相輸入端子D側的電壓Vd係相應於激磁線圈3的激磁電流Ie的增加而上升，當上升超過非反相輸入端子E側的基準電壓Vth，運算放大器11的輸出電壓Va便如第4圖(a)的t2所示，反轉成低位準(low level)。 流通於激磁線圈3的激磁電流Ie亦相應於此而如第4圖(b)所示轉為減少。

因此，輸出電壓Va係成為重複高位準及低位準的矩形波電壓，振盪電路部4係作為非穩定複振器(astable multivibrator)作動。激磁線圈3的激磁電流Ie係當流通於導線1a與導線1b的通電電流Ia與通電電流Ib的差電流△I為0時，形成為以大致電流「0」為中心重複增加及減少的對稱波形。

相對於此，當流通於導線1a與導線1b的通電電流Ia與通電電流Ib之間出現差電流，由於磁芯2的B-H特性係相應於該差電流△I而挪移(shift)，故如第4圖(c)的時點t3所示，變化係在電感(inductance)因磁飽和而消失的時間點(timing)發生，在輸出電壓Va的高位準及低位準反複的週期中，高位準的期間變長。此時，激磁電流Ie係如第4圖(d)所示，形成為相對於電流「0」加上+的偏置(bias)之狀態。

以電流檢測電路6a檢測的運算放大器11的電源電流Id亦如第5圖所示，相較於流通於導線1a與導線1b的通電電流Ia與通電電流Ib的差電流△I為0時，當有差電流△I時，運算放大器11的電源電流Id增加。因此，預先量測在流通於導線1a與導線1b的通電電流Ia與通電電流Ib的差電流△I為0時流往運算放大器11的正電源端子11a的電源電流Io，以差電流△I產生時的電源電流Id減去差電流△I為0時的電源電流Io，藉此便能 夠獲得與激磁電流Ie成比例之量測量而不需直接量測激磁電流Ie。

具體而言，對從電阻器6c兩端電壓獲得的運算放大器11的電源電流Id，施行一定期間的移動平均處理，減去預先量測得的電源電流Io後，進行與預定之臨限值的比較處理即可。藉此，便能夠以非接觸的方式檢測導線的漏電。

另外，在實施形態1中，係以比較器電路使用運算放大器來構成為例進行說明，但比較器電路亦可由個別的電子電路零件來構成，並不限於使用運算放大器。

此外，矩形波電壓的頻率係只要比要量測的導線中流過的電流的頻率高即可，並無特別限定。

藉此，便能夠在流通通電電流的導線因漏電等而出現漏電流時檢測出漏電流，能夠將本實施形態的電流檢測裝置使用於漏電斷路器、漏電警報器。

如上述，依據實施形態1的電流檢測裝置，係構成為根據流往振盪電路部的電源端子的電源電流之大小來檢測作為量測對象的導線的漏電流的檢測，藉此，能夠簡化裝置構成，並且不再需要習知技術中為了檢測矩形波電壓的工作比變化而必須要有的例如脈波寬度檢測電路之類的檢測電路，有能夠抑制製造成本的效果。

實施形態2.

第6圖係顯示實施形態2的電流檢測裝置的全體構成 之方塊圖。與實施形態1的電流檢測裝置的不同處在於構成為能夠分離為以磁芯2、激磁線圈3及振盪電路部4構成的電流感測器(sensor)部分10a及以差電流算出部6與電源部7構成的電流檢測部分10b，因此能夠將電流感測器部10a與電流檢測部10b設置在分開的場所。實施形態2的電流檢測裝置的構成、動作係同實施形態1的電流檢測裝置，故省略該些說明。

本發明的電流檢測裝置係在電流檢測上利用流往振盪電路部4的比較器電路的正電源端子11a的電源電流Id的變化，因此，即便電流感測器部分10a與電流檢測部分10b分離、連結該兩部分的振盪電路部4的電源用的配線變長，仍然比習知技術的電流檢測裝置般將傳送激磁電流的檢測信號的信號線延長的作法不易受雜訊的影響，此外，也不需要信號線，因此能夠簡化電流檢測裝置。藉此，能夠從分開的場所監測導線的漏電流，能夠與外部的控制裝置連接而例如作為漏電警報器使用。

如上述，依據實施形態2的電流檢測裝置，係具有與實施形態1相同的效果，並且雖然將電流檢測裝置分離為電流感測器部分與電流檢測部分設置在分開的場所，但同樣在漏電流的檢測上利用流往振盪電路部的電源端子的電源電流的變化，未如習知技術般使用傳送激磁電流的檢測信號的信號線，因此不易受雜訊影響，此外，也不需要信號線，故能夠簡化電流檢測裝置的構成，有能夠降低製造成本的效果。

另外，雖然在本實施形態中係針對導線為一對的單相交流用時的電流檢測裝置進行說明，但即使為三相交流用而導線為三條，只要無漏電流，其向量和便為0，因此同樣能夠適用。為直流用的電流檢測裝置時亦同。

此外，在本發明的範圍內，本發明當可自由組合各實施形態或將各實施形態適當加以變化、省略。

此外，在圖式中，相同的元件符號係代表相同或相當的部分。

1a、1b‧‧‧導線

2‧‧‧磁芯

3‧‧‧激磁線圈

4‧‧‧振盪電路部

4a‧‧‧正電源端子

4b‧‧‧負電源端子

6‧‧‧差電流算出部

7‧‧‧電源部

7a‧‧‧正輸出端子

7b‧‧‧負輸出端子

Ia、Ib‧‧‧通電電流

Claims (2)

1. 一種電流檢測裝置，係具備：環狀的磁芯(2)，係配置成在有通電電流(Ia、Ib)流通的複數條導線(1a、1b)的周圍形成閉磁路；激磁線圈(3)，係捲繞於前述磁芯(2)；振盪電路部(4)，係產生施加給前述激磁線圈(3)的矩形波電壓；電源部(7)，係供電給前述振盪電路部(4)的電源端子(4a、4b)；及差電流算出部(6)，係由電流檢測電路(6a)及差電流算出電路(6b)構成，該電流檢測電路(6a)係檢測從前述電源部(7)流往前述振盪電路部(4)的電源端子(4a、4b)的電源電流，該差電流算出電路(6b)係根據前述電源電流，算出前述複數條導線(1a、1b)的通電電流(Ia、Ib)的差電流。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電流檢測裝置，其中，前述差電流算出部(6)及前述電源部(7)係與前述振盪電路部(4)分離，設置在分開的場所。