JP2008002876A - 電流センサおよび電子式電力量計 - Google Patents

Abstract

【課題】主として電力計測および電力量計測のための電流センサにおいて外部磁場による影響を受けにくく、直線性及び温度特性が優れ、直流成分が重畳された周期的電流であっても正確にその交流成分を計測できる電流センサを提供する。
【解決手段】略同一形状に２分割された環状の集磁コアをギャップを設けて対向配置し、該ギャップ部には寸法と巻数が同一の検出コイルを配設した。前記検出コイルは、同一基板上にコイルパターンとして形成することによって配置することとし、集磁コアに形成された２ケ所のギャップにおける磁気抵抗を略同一とした。
また、電流バーを流れる被測定電流が作る磁束が貫く磁路の磁気抵抗について、集磁コア内部のみの磁気抵抗とギャップ部を含めた全磁気抵抗の比が、電流センサの出力許容誤差より小さくなるように、集磁コアおよびギャップを構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直流成分が重畳し、かつ周期的に変化する電流の、交流成分を正確に計測するための手段を提供する。特に、交流成分の測定精度が重要である電力計測および電力量計測のための電流計測技術に関する。

一般に大電力を扱う回路における電流計測は主回路との絶縁が必要であり、別置の電流センサを使用する場合が多い。代表的な電流計測方式としては、変流器（カレントトランス；CT）、ホール素子などの磁電変換素子によって構成された直流電流センサ、ロゴスキーコイル法などが知られている。
交流回路で最も一般的に使われる電流センサは変流器（カレントトランス；CT）である。これは、磁気コアに複数回の二次巻線を施したものであり、電流バーを磁気コアに貫通させて被測定電流が変化したとき、それによって生ずるコア内の磁束密度の変化を相殺するように巻線に電流が流れ、この二次巻線内の電流を計測することによって被測定電流を計測するものである。

磁気コアにギャップを設け、磁気コア内に生ずる磁束を検出する電流計測方式は、例えば先行技術特許文献１および先行技術特許文献２にその構成が示されている。この場合、ギャップつき集磁コアのギャップ位置に磁電変換素子を配置して、被測定電流によって集磁コア内に発生する磁束密度を計測することによって被測定電流を計測する。
その他、主に大電流を計測する手法として、ロゴスキーコイル法が知られている。この構成は先行技術特許文献３に示されているように、空芯コイルを環状に多数配置して、その中心を貫く電流が変化したときに、空芯コイルを貫く磁束の変化によって発生する電圧を積分することによって電流を得るというものである。

また、ロゴスキーコイル法と同じく電磁誘導を用いた手法として、ギャップつき集磁コアの周りに巻線を施して、被測定電流の変化による集磁コア内の磁束変化を巻線コイルで検出することもあり、クランプ型電流センサ等で利用されている。図５は本方式による従来の構成を示す図である。図５において電流バー１３を囲んでギャップ１２をもつ集磁コア１１が配置され、該集磁コア１１には検出コイル１４が巻回されている。本方式においては被測定電流によって集磁コア内に発生する磁束密度の時間変化に比例する出力が検出コイル１４から得られる。この出力を図示しない積分回路に導き、積分演算を行えば被測定電流が得られる。
特開平７−１５１７９３号公報 特開２００３−４３０７３号公報 特開２００５−３５８９号公報

半導体技術の進展に伴い、半波電流など直流が重畳した電流によって消費される電力が計量できる電力計や電力量計のニーズが増えつつある。直流を含む多くの周波数成分からなる一般の電圧、電流において、電力は各周波数成分ごとに電圧×電流の数値を演算して得られる。しかし、商用の交流電源電圧は直流成分を含まないので、電力の測定では電流の直流成分は不要である。一方、交流電流成分の測定精度は直接電力の計算精度に影響を与える。

しかし、従来の電流計測手法では以下に述べる問題があった。
まず、変流器では交流電流を高精度に計測することが可能であるが、変流器を貫通する電流バーに直流成分を含む電流が通電されると、その直流成分が計測されないだけでなく、コアの磁気飽和によって交流成分も正確に計測できなくなる。
磁電変換素子による直流電流センサによる電流計測では、直流成分が重畳された電流であっても、直流成分をもたない交流電流を計測する場合と同程度の精度で周期的電流を計測することができる。しかし、この電流センサの出力はコアの磁気特性に加えて磁電変換素子の直線性や温度特性に直接依存するため、一般に交流計測精度としては変流器より劣っている。また、一般に磁電変換素子は感度ばらつきが大きいことに加え、集磁コアと磁電変換素子との相対位置のずれによって、電流センサとしての感度ばらつきが大きくなる。

また、ロゴスキーコイル法では、空芯のため、わずかな巻きムラによって外部磁場の影響を受けてしまうという、作製上の困難を有している。
ロゴスキーコイル法と同じく電磁誘導を検出原理とする場合であっても、集磁コアの周りに巻線したものでは、外部磁場による磁束が集磁コア内を通るため、大きな誤差要因となる。

図６に外部磁場がある場合の集磁コア内の磁束の通路を示す。図６において集磁コア１１は１カ所のギャップ１２をもつ環状コアであり、ギャップ１２の逆側には検出コイル１４が複数回巻回されている。外部磁界が図６の下方から侵入した場合、磁束は検出コイル１４の側（φＡ）、ギャップ１２の側（φＢ）に分かれてコア内を通過する。検出コイル１４側の磁束φＡが変動すると、検出コイル１４には誘導電圧が発生し、検出すべき被測定電流による発生電圧に重畳して誤差を生ずる。磁束φＡおよびφＢに対する磁気抵抗はギャップのないφＡ側がはるかに小さく、したがって検出コイル１４を貫通する磁束φＡはφＢより大きい。この結果、外部磁場がある場合の電流測定誤差は無視できないものとなる。この外部磁場を避けるため、センサ全体を磁気シールドで囲むといった対策が必要であった。

本発明は、外部磁場による影響を受けにくく、直線性及び温度特性が優れ、直流成分が重畳された周期的電流であっても正確にその交流成分を計測できる電流センサおよびこの電流センサを用いた電子式電力量計を提供することを目的とする。

このため本発明では、略同一形状に２分割された環状の集磁コアをギャップを設けて対向配置し、該ギャップ部には寸法と巻数が同一の検出コイルを配設し、該検出コイル端子をその出力電圧が加算されるように直列接続することとした。また、前記検出コイルは、同一基板上にコイルパターンとして形成することによって配置することとし、集磁コアに形成された２ケ所のギャップにおける磁気抵抗を略同一とした。

更に、電流バーを流れる被測定電流が作る磁束が貫く磁路の磁気抵抗について、集磁コア内部のみの磁気抵抗とギャップ部を含めた全磁気抵抗の比が、電流センサの出力許容誤差より小さくなるように、集磁コアおよびギャップを構成した。
更に、このような電流センサを電子式電力量計に用いた。

本発明では、略同一形状に２分割された環状の集磁コアをギャップを設けて対向配置し、該２ケ所のギャップ部には寸法と巻数が同一の検出コイルを配設し、該検出コイル端子をその出力電圧が加算されるように直列接続することとしたので、被測定電流が作る磁束による発生電圧は加算、外部磁界が作る磁束による発生電圧は相殺されるよう検出コイルを接続でき、外部磁界による電流検出誤差を極めて小さくできる。

また、前記検出コイルは、同一基板上にコイルパターンとして形成することとしたため、製作上の寸法精度が向上し、２つの検出コイルの発生電圧のバラツキを小さくできる。集磁コアに形成された２ケ所のギャップにおける磁気抵抗を略同一としたことは、外部磁界による磁束が二手に分かれてギャップ部を通過する際、各々の磁束量をほぼ同一とすることができ、検出コイルの減算による誤差電圧の低減効果をより向上させることができる。

更に、電流バーを流れる被測定電流が作る磁束が貫く磁路の磁気抵抗について、集磁コア内部のみの磁気抵抗とギャップ部を含めた全磁気抵抗の比を、電流センサの出力許容誤差より小さくなるように、集磁コアおよびギャップを構成したため、磁気飽和によって集磁コア材料の透磁率が変動した結果、電流測定値に誤差が生ずる場合でも、その誤差を許容値以下に保つことができる。

このような電流センサを電子式電力計に用いることにより、電流に直流成分を含む場合でも、交流成分を高精度で検出することができる。

次に、本発明による電流センサの具体的な実施形態について、図面を用いて説明する。

図１は本発明による電流センサの構成を示す斜視図である。図１において鉄等の強磁性材料で作られた第１集磁コア１および第２集磁コア２が、電流バー３を囲んで、ギャップを設けて対向配置され、該ギャップには基板６が挟み込まれている。基板６上のギャップ部分には寸法と巻数が同一の第１検出コイル４および第２検出コイル５が渦巻き状のコイルパターンとして形成されている。第１検出コイル４および第２検出コイル５は直列接続された後、その出力端子は積分器７の入力端子に導かれる。

次に、上記構成の電流センサにおける電流検出原理を述べる。図２は本発明の電流センサにおける被測定電流による集磁コア内の磁束の流れを示す図である。電流バーに流れる電流は、その周囲全体に磁場を形成するが、これによって生じる磁束のほとんどは、電流バーを囲んで配置され強磁性材料で作られた集磁コアの内部を周回する。電流バーに流れる電流が増減すると、これに対応して集磁コア内の磁束も増減する。この磁束が貫通するように配置された第１検出コイル４および第２検出コイル５にはファラデーの法則に従って、磁束の変化分に比例した起電力が誘起される。２個の検出コイルは前記誘起起電力が加算される方向に直列接続されている。この出力を積分器７に導き、積分演算を行えば被測定電流が得られる。

第１検出コイル４および第２検出コイル５の巻方向は同方向あるいは逆方向のいずれもが可能である。コイル端子をその出力電圧が加算されるように直列接続することで両者は同じ性能を発揮する。
一方、この種の電流測定においては変動する外部磁場があった場合、それによる誘起起電力が出力に重畳し、誤差を増大させるという問題がある。図３は本発明の電流センサに外部磁場１５が侵入した場合の磁束の流れを示す図である。図３において外部磁場１５による磁束は下部から侵入し、集磁コア内を二手に分かれて通過する。本発明においては、集磁コアに形成された２ケ所のギャップにおける磁気抵抗を略同一としたため、二手に分かれた磁束φＡ、φＢはほぼ等しい値となり、２個の検出コイルに誘起される起電力もほぼ等しい。２個の検出コイルの接続は図２に示すように被測定電流により生じる磁束が加算される方向に直列接続されているため、磁束方向が逆となる図３の外部磁場による磁束に対しては起電力が相殺されることになって測定誤差を小さくする効果を発揮する。

集磁コアを使った電流センサでは集磁コア材料の磁気特性の非直線性により電流測定誤差を生ずる。この誤差を許容値以下に抑えるために、本発明では以下のように集磁コア及びギャップを構成した。図４は本発明の電流センサにおける磁気抵抗計算のための寸法図であり、第１および第２集磁コアの磁路長がｌｉ、ギャップ長がｌｇである。また磁路の断面積は全磁路について同一のＳであり、集磁コア材料の透磁率はμｉ、空気の透磁率はμ0である。この磁気回路において被測定電流Ｉによって生ずる磁束φは磁気回路の全磁気抵抗をＲｍとして

で表される。全磁気抵抗Ｒｍは集磁コア部の磁気抵抗Ｒｉとギャップ部磁気抵抗Ｒｇの和であり、ＲｉおよびＲｇは図４の寸法から

で表される。電流測定誤差は被測定電流の大きさや周囲温度の違いにより、集磁コア部の磁気抵抗ＲｉがΔＲｉだけ変化することにより発生する。「数式１」から集磁コア内の磁束の相対変化Δφ／φの関係を計算すると

が得られるが、集磁コア部の磁気抵抗変化ΔＲｉは高々Ｒｉと同程度なので

と書くことができ、集磁コア部の磁気抵抗Ｒｉと全磁気抵抗Ｒｍの比Ｒｉ／Ｒｍを許容値以下とすることで、集磁コア内の磁束に比例した出力である電流の測定誤差を許容値以下に抑えることができる。
例えば、集磁コア材料の比透磁率（空気の透磁率に対する倍率）を１０００、許容誤差を１％とするとｌｉ／ｌｇ≒１０となり、ギャップ長ｌｇを２ｍｍとした場合、集磁コアの磁路長ｌｉは最大２０ｍｍまで許容できる。

本発明の電流センサの構成を示す斜視図 本発明の電流センサにおける被測定電流による磁束の流れを示す図 本発明の電流センサにおける外部磁場による磁束の流れを示す図 本発明の電流センサにおける磁気抵抗計算のための寸法図 従来技術による電流センサの構成を示す斜視図 従来技術による電流センサにおける外部磁場による磁束の流れを示す図

符号の説明

１ 第一集磁コア ２ 第二集磁コア ３ 電流バー
４ 第一検出コイル ５ 第二検出コイル ６ 基板 ７ 積分器
８ 冷却フィン ９ コイルエンド １０ 回転軸
１１ 集磁コア １２ ギャップ １３ 電流バー １４ 検出コイル
１５ 外部磁場

Claims (5)

1. 電流バーに流れる被測定電流により、該電流バーを囲む集磁コア内に生ずる磁束を介して被測定電流を検出する電流センサにおいて、略同一形状に２分割された環状の集磁コアをギャップを設けて対向配置し、該ギャップ部には寸法と巻数が同一の検出コイルを配設し、該検出コイル端子をその出力電圧が加算されるように直列接続してなることを特徴とする電流センサ
2. 請求項１に記載の電流センサにおいて、ギャップ部に配設される検出コイルは同一基板上にコイルパターンとして形成されることを特徴とする電流センサ
3. 請求項１または２に記載の電流センサにおいて、集磁コア間に形成される２ケ所のギャップの磁気抵抗を略同一としたことを特徴とする電流センサ
4. 請求項１ないし３のいずれかの項に記載の電流センサにおいて、電流バーを流れる被測定電流が作る磁束が貫く磁路の磁気抵抗について、集磁コア内部のみの磁気抵抗とギャップ部を含めた全磁気抵抗の比が、電流センサの出力許容誤差より小さくなるように、集磁コアおよびギャップを構成することを特徴とする電流センサ
5. 請求項１ないし４のいずれかの項に記載の電流センサを用いて電流計測を行うことを特徴とする電子式電力量計
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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