CN104380122A

CN104380122A - 功率测量装置

Info

Publication number: CN104380122A
Application number: CN201380027150.5A
Authority: CN
Inventors: 辻本浩章
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: Osaka University NUC
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2033-03-19
Also published as: CN104380122B; US9689905B2; JP5979413B2; WO2013145636A1; EP2833156B1; EP2833156A4; JP2013205120A; EP2833156A1; US20150115951A1

Abstract

期望小型、能用一个元件测量有功功率、无功功率、功率因数、视在功率这些测定项目的功率测量装置。特征在于具有：一对连结端，相对于电源与负载并联连结；传感器元件，具有设于磁性膜部两端的一对传感器端子，所述传感器端子一端与所述连结端的一个连接，该传感器元件以所述磁性膜部的长边方向与所述连接线的电流流动方向大致平行的方式与所述连接线相邻配置；n个带通滤波器，并联连接于所述传感器元件的传感器端子另一端；相位调整器，与所述带通滤波器分别串联连接；选择开关，选择连接所述相位调整器；测量电阻，一端与选择开关连接，另一端与所述连结端另一端连接；电压检测部，将所述传感器端子分别作为测量端子测量所述测量端子间的电压。

Description

功率测量装置

技术领域

本发明涉及测量功率的装置，尤其涉及利用了磁性膜的磁阻效应的功率测量装置。

背景技术

由于交流电中电压和电流存在相位差，所以产生由此造成的无功功率。不仅从感应电动机的消耗功率即有功功率的测量和节能研究的观点来看，而且从能量的彻底有效利用的观点来看，基于无功功率、视在功率以及功率因数等的测量的、功率的可视化变得愈发重要。

感应电动机中的消耗功率根据输入电压、输入电流、频率、还根据负载的大小，会大幅变动。以往分别独立地测量了电流、电压、电流-电压的相位差(θ)之后，通过运算电压×电流×功率因数(cosθ)算出感应电动机中的消耗功率。

为了测量消耗功率，作为测量电流的方法，大多使用基于CT(Current Transformer:电流互感器)或分流电阻的方式。然而，CT(Current Transformer)在设置空间存在限制，并且为高价。所以，想要在各种不同的位置测量消耗功率的情况的使用并不容易。此外，分流电阻方式在设置空间存在限制，并且浪费不必要的能量，随之会留下发热问题。

另一方面，以往，作为更小型的功率测定器，提出了利用霍尔元件的装置。在专利文献1中，使用两个霍尔效应元件测量有功功率、无功功率及相位或功率因数。另外，在专利文献2中，在通过霍尔效应元件进行测量时，考虑由产生的控制电流导致的自磁场误差项的影响，从而正确地测量负载的功率。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000-187048号公报

专利文献2：日本特开昭61-17071号公报

发明内容

当基于节能的观点及/或功率被利用于对汽车等移动体的驱动时，需要在各种位置的功率测量。为了满足这样的需求，需要具有小型的传感器和简便的测量部的功率测量装置。作为用于测量消耗功率的测量电流方法，基于CT或分流电阻的方式如上述那样由于尺寸的关系，不能满足这样的要求。

在专利文献1及2中公开的装置由于使用了霍尔元件，与基于CT或分流电阻的方法比较，能够变得小型。但是，为了测量1个位置的消耗功率而使用多个元件是不能小型化的根本原因。另外，将专利文献2的电路用于狭小位置的测定也未必是容易的。

此外，霍尔元件必须设置为对平面状的元件施加来自垂直方向的磁场。这会产生如下课题：在要拾取来自导线的磁场时，元件形成的平面不能贴在导线上。这是由于：若元件形成的平面贴在导线上，来自导线的磁场仅对元件面内施加，难以得到霍尔效应。

用于解决课题的手段

本发明是鉴于上述的课题而研发出的，是利用了磁性膜具有的磁阻效应的功率测量装置。更具体的是，本发明的功率测量装置是测定经由连接线连接于电源的负载中所消耗的功率的功率测量装置，其特征在于，具有：一对连结端，其用于相对于上述电源与上述负载并联地连结；

传感器元件，其具有：包含磁性膜的磁性膜部、和设置在上述磁性膜部的两端的一对传感器端子，上述传感器端子的一端与上述连结端的一个连接，上述传感器元件具有偏置机构，该偏置机构对上述磁性膜部赋予动作点，上述传感器元件以上述磁性膜部的长边方向与上述连接线的电流流动方向大致平行的方式隔着绝缘层与上述连接线相邻配置；

n个带通滤波器，该n个带通滤波器并联地连接于上述传感器元件的传感器端子的另一端；

相位调整器，其与上述带通滤波器的每一个串联地连接；

选择开关，其选择地连接上述相位调整器；

测量电阻，其一端与选择开关连接，另一端与上述连结端的另一端连接；以及

电压检测部，其将上述传感器端子的每一个作为测量端子来测量上述测量端子间的电压。

发明效果

本申请的功率测量装置发挥非接触(原理)、容易设置(超小型、薄型)、节能(测量时的能量消耗小)这样的磁性薄膜功率传感器的优点，在感应电动机的具体部位，通过一个传感器不仅能够测量有功功率，还能够测量无功功率和功率因数。由此，能够进行功率消耗状况的可视化，并且，通过应用于感应电动机，能够根据运转状况和负载状况来进行节能驱动控制。

附图说明

图1是表示本发明的功率测量装置的构成的图。

图2是表示本发明的功率测量装置的测定原理的图。

图3是表示本发明的功率测量装置的测定原理的图。

图4是表示本发明的功率测量装置中使用的传感器元件的其他实施方式的图。

具体实施方式

以下参照附图说明关于本发明的功率测量装置。此外，以下的说明是例示本发明的一个实施方式，并不限定于以下的实施方式。只要不脱离本发明的主旨，就能够变更以下的实施方式。

图1是表示本发明的功率测量装置的构成。本发明的功率测量装置1包含连结端12、传感器元件10、电压检测部14、选择开关16、测量电阻18、n个带通滤波器Bn、n个相位调整器Pn。此外，也可以具有控制装置20。另外，本发明的功率测量装置1测量与电源7连接的负载9(电阻值为R1)中消耗的功率。此外，电源7与负载9之间用连接线8(电阻值为Rcu)连接。

连结端12是用于将功率测量装置1与负载9并联地相对于成为测量对象电路的电源7连接的端子。所以该连结端12有一对，各自区分的情况下称为连结端12a、12b。

传感器元件10是利用了磁性膜的磁阻效应的元件。作为其构成，在薄膜状的磁性膜部11的两端形成有一对传感器端子10t。磁性膜部11的电阻值为Rmr。区分传感器端子10t各端子的情况下，称为传感器端子10ta和10tb。此外，传感器端子10t也是测量端子13。由此，测量端子13也有一对，分别称为测量端子13a和13b。

传感器元件10中设有偏置机构11b。偏置机构11b是例如为了对磁性膜部11赋予动作点而施加偏置磁场的永磁铁。也可以为电磁铁。此外，根据磁性膜部11的构造，即使不施加来自磁铁的偏置磁场，在自始具有动作点的情况下也可以具有偏置机构11b。

此外，传感器元件10与流向负载9的连接线8隔着绝缘层21配置。具体的设置位置可以在负载9的附近，也可以在电源7的附近，还可以在连接线8的中途。这是因为传感器元件10是检测基于连接线8中的电流所产生的磁场来进行工作的。因此，希望绝缘层21较薄。

此外，绝缘层21是磁性膜部11不与连接线8直接接触的意思。所以，绝缘层21也可以是连接线8的包覆物。

电压检测部14是测量测量端子13a与13b之间的电压的电压计。电压检测部14既可以用来显示测量端子13之间的电压，也可以将测量到的电压值以信号Sv输出。

传感器元件10的一个传感器端子10ta与一个连结端12a连接。并且，传感器元件10的另一个传感器端子10tb连接有n个带通滤波器Bn。在此n为1以上的整数。带通滤波器Bn分别用附图标记B1、B2、…、Bn区分，在表示带通滤波器整体时用附图标记Bn表示。带通滤波器Bn预先设定为分别流通规定带域的电流。当然，也可以设为能够从外部变更规定带域。带通滤波器Bn并联地配置，连接于另一个传感器端子10tb。

在带通滤波器Bn的后级与各个带通滤波器Bn串联地连接有相位调整器Pn。相位调整器Pn也与带通滤波器Bn相同地准备有n个，分别区分的情况下称为相位调整器P1、P2等，概括整体称呼的情况下称为相位调整器Pn。

相位调整器Pn使用电抗效应，使从带通滤波器Bn流出的电流的相位发生变化。发生变化的程度通过来自外部的信号Cpn来控制。信号Cpn表示对第n个相位调整器Pn的控制信号。由此，例如，对第2个相位调整器P2发送的控制信号的情况下称为信号Cp2。此外，相位调整器Pn也可以由数字滤波器构成。另外，相位调整器Pn也可以手动调整。

n个相位调整器Pn连接于一个选择开关16。选择开关16是具有n个连接端子和一个输出端子的开关。使连接的n个相位调整器Pn内的一个与输出端子导通。即，仅在用选择开关16选择的一个带通滤波器Bn和相位调整器Pn的路径中使电流流通。

测量电阻18串联地连接于选择开关16的输出端子。测量电阻18的电阻值为R2。需要测量电阻18的电阻值R2相对于作为磁性膜部11的电阻值即Rmr足够大的电阻。这是由于如后述那样，认为在该R2与Rmr相比足够大的情况下，磁性膜部11中流通的电流I2仅由电源7的电压(V)和测量电阻18的电阻值R2决定。测量电阻18的另一端与另一个连结端12b连接。

控制装置20可以是由存储器和MPU(Micro Processor Unit：微处理器单元)构成的计算机。控制装置20至少与电压检测部14、n个相位调整器Pn和选择开关16连结，并控制这些器件。

接着使用图2简单地说明关于本发明的功率测量装置1的测定原理。图2的(a)是为了进行测定原理说明，将图1进一步简化而得到的图。省略了带通滤波器Bn及相位调整器Pn。对与图1相同的结构要素标注相同的附图标记。另外，电源7的电压设为Vin。当负载9(电阻值R1)中经由连接线8(电阻值Rcu)流过电流I1时，在连接线8的周围产生磁场H。

此外，在与负载9并联地连接于电源7的功率测量装置1侧，流通由电源7和测量电阻18确定的电流I2。在连接线8的周围产生的磁场H中，将电流I2流通的磁性膜部11配置为该电流I2的朝向与连接线8的电流I1大致平行。来自连接线8的磁场H在与电流I2呈直角方向上对磁性膜部11作用。像这样，使磁性膜部11的磁化M通过磁场H而旋转。随之，磁性膜部11的电阻值Rmr根据磁阻效应，电阻值产生变化。

在图2的(b)中，示出了对磁性膜部11施加的磁场H和磁性膜部11的电阻值Rmr的关系。横轴为施加磁场H的强度，纵轴为磁性膜部11的电阻值Rmr。在磁场H未作用的情况下，为电阻值Rmr，当磁场H作用，磁化M根据电流的方向和大小发生变化时，该电阻值Rmr发生变化。此外，在变化中，存在减少的情况和增加的情况，均称为磁阻效应。

在此，预先通过偏置机构11b对磁性膜部11施加偏置磁场Hbias，从而能够得到与连接线8中流过的电流I1成比例的电阻值Rmr。该偏置磁场Hbias施加的点为动作点Rm0。

在此，将动作点处的电阻值设为Rm0，将比例常数设为α及β。当将在磁性膜部11中的电阻的变化量设为ΔRmr，将磁性膜部11的电阻设为Rmr时，磁性膜部11的电压Vmr表示为以下的算式(1)。

[算式1]

H＝αI₁

ΔR_mr＝βH＝β(αI₁)

R_mr＝R_m0+ΔR_mr＝R_m0+αβI₁

V_mr＝R_mrI₂＝(R_m0+ΔR_mr)I₂＝(R_m0+αβI₁)I₂

…(1)

另外，将电源7对负载9施加的电压设为Vin，将其振幅设为V1。于是，磁性膜部11的电压Vmr如以下的算式(2)那样以与V1(电源的振幅)、R1(负载的电阻值)、cosθ(功率因数)的积成比例的方式求出。

[算式2]

\begin{matrix} V_{in} = V_{1} \sin ωt \\ \begin{matrix} I_{1} = \frac{v_{1}}{R_{1}} \sin (ωt - θ) & I_{2} = \frac{V_{1}}{R_{2}} \sin ωt \end{matrix} \\ V_{mr} = (R_{m 0} + αβ I_{1}) I_{2} \\ = (R_{m 0} + αβ \frac{V_{1}}{R_{1}} \sin (ωt - θ))) \frac{V_{1}}{R_{2}} \sin ωt \\ = \frac{R_{m 0} V_{1}}{R_{2}} \sin ωt - αβ \frac{V_{1}}{R_{1}} \frac{V_{1}}{R_{2}} \frac{1}{2} \cos (2 ωt - θ) + αβ \frac{V_{1}}{R_{1}} \frac{V_{1}}{R_{2}} \frac{1}{2} \cos θ \\ = ACcomponent + DCcomponent (k * \frac{{V_{1}}^{2}}{R_{1}} \cos θ) \end{matrix} - - - (2)

另外，在此，使用Rmr<<R2，还有Rcu<<R1的关系。

上述运算式的最终式是AC成分和DC成分的和。即，在磁性膜部11的长边方向的输出电压Vmr中重叠显现有交流电压和直流电压。并且，DC成分与负载9中的有功功率(I1＊V1＝V1²/R1)cosθ成比例。因此，只要仅测量磁性膜部11的长边方向的直流电压成分，就能够测定相对于交流电输入的负载9的消耗功率(有功功率)。

此外，在电源Vin具有n次高次谐波的情况下，磁性膜部11的两端电压相同地表示为以下算式(3)。将电源7的电压作为Vin，将负载9中流通的电流作为I1，将磁性膜部11中流通的电流作为I2与上述相同。

[算式3]

\begin{matrix} V_{in} = Σ_{n = 1}^{\infty} S_{n} \sin nωt \\ I_{1} = Σ_{n = 1}^{\infty} \frac{v_{n}}{R_{1}} \sin (nωt - θ_{n}) \\ I_{2} = \frac{V_{m}}{R_{2}} \sin mωt \\ V_{mr} = (R_{m 0} + αβ I_{1}) I_{2} \\ = (R_{m 0} + αβ Σ_{n = 1}^{\infty} \frac{V_{n}}{R_{1}} \sin (nωt - θ_{n})) \cdot \frac{V_{m}}{R_{2}} \sin mωt \\ = ACcomponent + DCcomponent (k * \frac{v_{m}^{2}}{R_{1}} \cos θ_{m}) \end{matrix} - - - (2)

算式(3)的最终式为各频率成分的AC成分和DC成分的和。由此，在本发明的功率测量装置1中，在测定原理上，电压及电流中包含有高频的情况下，在磁性膜部11的长边方向的输出电压Vmr中，重叠显现有交流电压和直流电压。此时作为磁性膜部11的两端电压的输出电压Vmr的直流电压成分是合计与基于基本波的消耗功率成比例的直流电压、和与基于高次谐波的消耗功率成比例的直流电压而得到的直流电压。

由此，在本发明的功率测量装置1中，即使在电源包含有高次谐波成分的情况下，只要仅测量磁性膜部11的长边方向的直流电压，就能够测定负载9(电阻值R1)中的消耗功率(包含功率因数的有功功率)。

图3中表示在电源7具有高次谐波的情况下的功率测量装置的构成。在此，带通滤波器Bn与选择开关16一同配置。带通滤波器Bn设定为使上述各频率成分通过。

于是，能够仅使用选择开关16选择的频率的信号通过磁性膜部11，并作为输出电压Vmr观测。在此，磁性膜部11的输出电压Vmr也与在负载9中选择的频率的有功功率成比例。即，能够求出选择的频率中的消耗功率。

通过以上那样测定磁性膜部11的电压，从而能够测量负载9中的消耗功率。

再次返回图1，关于本发明的功率测量装置1的动作进行说明。在本发明的功率测量装置1中，当将相位调整器Pn的相位调整量设为零时，与图3中所示的电源中重叠着高次谐波的情况相同。

例如，用选择开关16选择带通滤波器B1。当带通滤波器B1作为使基本波的频率通过的滤波器，另外将相位调整器P1的相位调整量设为零时，能够从电压检测部14得到如下电压：电源7的基本波与负载9中被消耗的功率成比例的电压。即，能够得到基本波中的有功功率。其它的高次谐波的情况下也能够同样地得到有功功率。

在此，一边使相位调整量变化，一边测量磁性膜部11的输出电压Vmr。作为具体的例示，用选择开关16选择了带通滤波器B1。然后，使相位调整器P1的相位调整量最大从-π/2变化至π/2。此时，假设得到最大输出电压的相位调整量为φm。于是，cosφm与功率因数相等，此时得到的输出电压与视在功率(VI)成比例。

该理由如下。在相位调整量为零的情况下，如图3的测定原理中说明那样，能够得到与对负载9中的消耗功率乘以功率因数所得的值(有功功率)成比例的值。当将此用算式记载时为(V1²/R1)cosθ。当再次说明基本波的情况时，用相位调整器P1使相位量φ变化，在相位为φm时在磁性膜部11中的输出电压成为最大是指，cos(θ-φm)＝1，此时为θ-φm＝0。

即，成为θ＝φm，φm为表示功率因数的角度即功率因数角。此外，当为cos(θ-φm)＝1时，磁性膜部11的电压是与(V12/R1)成比例的电压，这是表示视在功率。

此外，用相位调整器P1调整相位量，求得磁性膜部11中得到的最大输出电压(与视在功率成比例)，通过用该最大输出电压除以相位量为零时的输出电压(有功功率)，从而能够求出功率因数(cosθ)。另外，由于能够求出视在功率和功率因数角或者功率因数，所以能够通过求出视在功率×sinθ(或者sinφm)从而直接求出无功功率。

另外，控制装置20也可以按每规定期间测量这些值并累计。通过这样进行累计，本发明的功率测量装置1也成为电能表。另外，能够通过信号Srs输出这些信息。在图1中，示出了在显示器25中输出这些信息的例子，但输出目标可以不是显示器，也可以是其他控制装置。

在图4中说明传感器元件10的变例。如上述说明那样，本发明的功率测量装置1观测由于磁性膜部11的磁阻效应而与在负载9中的消耗功率成比例的电压Vmr。磁性膜部11如也在图2的(b)中示出那样，相对于来自外部作用的磁场为偶函数，无法直接得到与施加磁场成比例的电阻值。因此，在图1中，通过将永磁铁那样的磁场产生源作为偏置机构11b配置在磁性膜部11的附近，从而生成偏置磁场，得到动作点。但是，存在即使不使用磁铁那样的磁场产生源，也能得到动作点的方法。

图4中示出了传感器元件10的其他形态。在磁性膜部11上形成有条纹图案的导体30。另外，磁性膜部11的易磁化轴EA在长边方向上被感应。导体30优选使用与磁性膜部11的电阻相比足够低的材料。

关于这样的传感器元件10的动作进行说明。在传感器端子10ta及10tb之间流通有电流I2。在从传感器端子10ta输入的电流I2从条纹图案的导体30向导体30流通时，必须从磁性膜部11上流过。

由于磁性膜部11的电阻比导体30高，所以电流流过导体30间的最短距离。当从磁性膜部11的长边方向观察时，成为电流在倾斜的方向上流过。在此，由于磁性膜部11的易磁化轴EA在传感器元件10的长边方向上被感应，所以能够向磁化M和电流I2的朝向倾斜。

在此，当对于磁性膜部11从纸面上向下方向施加磁场H(虚线箭头)时，磁化M(虚线箭头)随其旋转。于是，由于旋转的磁化M和电流I2所成的角度变小，所以磁性膜部11的电阻变高。相反地，当从纸面下向上方向施加磁场H(实线箭头)时，磁化M(实线箭头)向从电流I2离开的方向旋转。

因此，磁性膜部11的电阻下降。即，在这样无预先来自外部的施加磁场的状态下，当对电流的流动方向和磁化的方向赋予角度时，成为看上去与施加了偏置磁场相同的状态。在图4中，电流的流动方向构成为相对于易磁化轴EA的方向变化，但也可以是，例如预先将易磁化轴EA相对于磁性膜部11的长边方向赋予角度来感应。

此外，也可以是组合了这些构造所得的构造或者其以外的构造。像这样构成的传感器元件10也可以为具有偏置机构11b的传感器元件10，在图1所示的功率测量装置1中也可以搭载这样的传感器元件10。

如以上那样，本发明的功率测量装置1能够求出用带通滤波器Bn选择的频率中的视在功率、有功功率、功率因数还有无功功率。这对感应电动机这样的在运转状态下功率因数变化的负载的功率测量非常有效。这是由于也考虑到如下控制方法：例如在电动机等中，根据情况不同，以使功率因数成为最大的方式控制运转这样的控制方法。

工业实用性

本发明能够作为家电产品领域、汽车领域、工业机器领域等利用电气的领域的功率测量装置而广泛利用。

附图标记说明

1：功率测量装置；7：电源；8：连接线(电阻)；9：负载；10：传感器元件；10t(10ta、10tb)：传感器端子；11：磁性膜部；11b：偏置机构；12(12a、12b)：连结端；13(13a、13b)：测量端子；14：电压检测部；16：选择开关；18：测量电阻；21：绝缘层；25：显示器。

Claims

1.一种功率测量装置，测定经由连接线连接于电源的负载中所消耗的功率，其特征在于，具有：

一对连结端，其用于相对于所述电源与所述负载并联地连结；

传感器元件，其具有：包含磁性膜的磁性膜部、和设置在所述磁性膜部的两端的一对传感器端子，所述传感器端子的一端与所述连结端的一个连接，所述传感器元件具有偏置机构，该偏置机构对所述磁性膜部赋予动作点，所述传感器元件以所述磁性膜部的长边方向与所述连接线的电流流动方向大致平行的方式隔着绝缘层与所述连接线相邻配置；

n个带通滤波器，该n个带通滤波器并联地连接于所述传感器元件的传感器端子的另一端；

相位调整器，其与所述带通滤波器的每一个串联地连接；

选择开关，其选择地连接所述相位调整器；

测量电阻，其一端与选择开关连接，另一端与所述连结端的另一端连接；以及

电压检测部，其将所述传感器端子的每一个作为测量端子来测量所述测量端子间的电压。

2.根据权利要求1所述的功率测量装置，其特征在于，具有：

控制装置，其与所述电压检测部、所述选择开关以及所述相位调整器连接，输出来自所选择的带通滤波器和与所选择的所述带通滤波器串联地连接的相位调整器的相位信息、和测量到的电压信息。

3.根据权利要求2所述的功率测量装置，其特征在于，还具有：

显示装置，其显示从所述控制装置输出的来自所选择的所述带通滤波器和与所选择的所述带通滤波器串联地连接的相位调整器的相位信息、和测量到的电压信息。

4.根据权利要求2或3所述的功率测量装置，其特征在于，

所述控制装置按每规定时间切换所述选择开关，

并输出来自所选择的所述带通滤波器和与所选择的所述带通滤波器串联地连接的相位调整器的相位信息、和测量到的电压信息。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述控制装置一边通过由所述选择开关选择的所述相位调整器改变相位量，一边将来自所述电压检测部的输出电压成为最大的相位量作为基于流过由所述选择开关选择的所述带通滤波器的电流而得到的功率因数角来输出。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述控制装置一边通过由所述选择开关选择的所述相位调整器改变相位量，一边将来自所述电压检测部的输出电压成为最大的最大电压值作为基于流过由所述选择开关选择的所述带通滤波器的电流而得到的视在功率来输出。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述控制装置将在通过由所述选择开关选择的所述相位调整器使相位量设为零时的来自所述电压检测部的输出电压，作为基于流过由所述选择开关选择的所述带通滤波器的电流而得到的有功功率来输出。