JP2005049184A

JP2005049184A - 電流センサおよび過電流判定装置

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Publication number: JP2005049184A
Application number: JP2003280561A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Tsuji; 伸彦辻; Takahiro Kudo; 高裕工藤
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】広い測定範囲でも測定分解能を損なわず、高精度に過電流のしきい値を設定できるようにする。
【解決手段】発振回路３により高周波駆動され、バイアスコイル２を介してバイアス電流を供給され、被測定電流Ｉｍに応じた出力を出す磁気インピーダンス素子１の出力を検波回路６，増幅回路７を介して取出し、これをＡＤ変換回路８でデジタル値に変換し、判定回路９で設定回路１０からの設定値と比較して過電流判定を行なうに当たり、電流測定感度がバイアス磁界で変わることに着目し、測定電流領域に応じて電流源５１，５２を選択できるようにすることで、特に低電流領域の測定分解能を高める。
【選択図】図１

Description

この発明は、被測定電流が発生する磁界中に磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）を置き、このＭＩ素子に高周波信号を印加することにより、ＭＩ素子から被測定電流に対応した測定値を得る電流センサ、およびその測定値から過電流判定を行なう過電流判定装置に関する。

被測定電流が発生する磁界の強さを検出することにより、被測定電流の大きさを非接触式に検出するＭＩ素子として、例えば特開平０６−２８１７１２号公報に開示されているアモルファスワイヤや、特開平０８−３３０６４５号公報に開示されている薄膜形状のものがある。
また、ＭＩ素子を用いた電流センサとしては、例えば特許文献１に示すものがある。図４にこのような電流センサを用いた過電流判定装置の例を示す。なお、過電流判定装置は一般に、工場設備，工作機械のモータなどで過負荷保護のために用いられる。

図４において、１はＭＩ素子で、その出力電圧が後述の検波回路６および増幅回路７を経て電流測定信号（電流検出値）Ｖｍとなる。２はバイアスコイルであり、図５（ａ）に示すようなバイアス磁界Ｈｂを発生することにより、導体１２に流れる被測定電流Ｉｍが発生する磁界Ｈｍに対し、一定のオフセットを与えるものである。３は数ＭＨｚ程度の高周波パルスを供給する発振回路、４は固定抵抗、５はバイアスコイル２に所定の電流を注入するバイアス電流源である。６は検波回路で、一般的にダイオードおよびコンデンサからなるピークホールド回路と、電圧フォロアとから構成される。７は所定の信号増幅度を有する増幅回路である。

以上までが、特許文献１と等価な電流センサの構成である。図５を参照してその動作を説明する。
図５（ａ）は、ＭＩ素子の基本特性を示している。一般に、ＭＩ素子はこの図５（ａ）のように、測定電流に応じてインピーダンスＺが変化する（ここでは、電流の増加とともにインピーダンスが低下している）。また、所定のバイアス磁界Ｈｂを与えた場合、被測定電流±Ｉｍによる磁界Ｈｍと、Ｈｂとの合成磁界に相当するΔＺ（±Ｈｍ）の変化となる。このインピーダンスＺの変化を図４の抵抗４，検波回路６および増幅回路７により電圧信号に変換すると、その出力信号Ｖｍは図５（ｂ）のように、電流Ｉｍに比例する特性となる。

次に、過電流判定装置の構成と動作について、同じ図４，図５を参照して説明する。
図４において、８は電流測定信号Ｖｍをデジタル量に変換するＡＤ（アナログ・デジタル）変換回路、１０は過電流判定のしきい値（Ｉｔｈ）を与える設定回路、
９はＡＤ変換回路８と設定回路１０の各出力を比較し、過電流の有無および過電流に応じた遮断時間を判定する判定回路、１１は判定回路１０からの遮断時間に応じて遮断信号を出力する時限回路である。つまり、過電流判定装置はこのような回路等を、先の電流センサに付加して構成される。

過電流判定装置における測定電流，ＡＤ変換値および過電流判定値等の具体例を図５（ｃ）に示す。
横軸の測定電流範囲の０〜１０００％と、縦軸のＡＤ変換レンジの０〜１０００％および過電流判定範囲の０〜１０００％が１対１の関係になっている。ここで、過電流のしきい値Ｉｔｈは通常、定格電流（１００％）付近に或る幅を持って設定される。この例では、１０５〜１２０％に設定されている。
このしきい値Ｉｔｈを超えた場合、判定回路９および時限回路１１はその電流値に応じて、例えば低い過電流の場合はしばらくして遮断信号を出力し、また高い過電流の場合は速やかに遮断信号を出力する動作をする。これにより、モータを過負荷などから保護する。

特開２００１−１１６７７３号公報（第５−６頁、図５，６）

上記のような構成では、電流測定範囲を広くすると測定分解能が低下すると言う問題がある。その結果、過電流判定装置では判定しきい値Ｉｔｈの設定が困難になったり、ノイズなどの影響で電流測定信号（電流検出値）Ｖｍが変動した場合に、過電流判定を誤るというおそれがあるだけでなく、過電流に応じた細やかな遮断時間の設定が困難になるという問題がある。
したがって、この発明の課題は、広い電流測定範囲でもその測定分解能を損なわない電流センサおよび過電流判定装置を提供することにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、磁気インピーダンス素子にバイアスコイルを巻回し、被測定電流が発生する磁界に応じて変化する前記磁気インピーダンス素子のインピーダンス変化から電流を検出する電流センサにおいて、前記バイアスコイルに複数の異なるバイアス電流を選択的に供給するバイアス手段を設け、検出した電流値に応じてバイアス電流を変更することを特徴とする。

請求項２の発明では、磁気インピーダンス素子にバイアスコイルを巻回し、被測定電流が発生する磁界に応じて変化する前記磁気インピーダンス素子のインピーダンス変化から電流を検出する電流センサを有し、この電流センサによる検出電流値を所定値と比較して過電流判定を行なう過電流判定装置において、前記バイアスコイルに複数の異なるバイアス電流を選択的に供給するバイアス手段を設け、前記電流センサの検出電流値に応じてバイアス電流を変更することを特徴とする。

すなわち、電流センサを構成するＭＩ素子は、バイアス磁界により電流測定感度が変わることに着目し、測定電流領域に応じて複数の異なるバイアス電流によりバイアスコイルを駆動することで、特に低電流領域の測定分解能を高める。その結果、過電流のしきい値を高精度に設定できるだけでなく、ノイズなどの影響による誤った過電流の判定を無くすことができる。

この発明によれば、電流センサの測定感度を複数バイアス電流源で調整可能としたので、広い測定範囲でも測定分解能を損なうことがない。その結果、過電流のしきい値を高精度に設定できるとともに、ノイズなどの影響による誤った過電流判定を無くすことができる。

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図、図２はその動作説明図である。
図１からも明らかなように、これは図４に示すものに対し切換回路１３およびバイアス電流源５１，５２を付加して構成されている。切換回路１３は判定回路９の指示に従い、低バイアス電流源５１および高バイアス電流源５２の出力を切り換え、バイアスコイル２に与える。
バイアス電流源５１，５２は例えば図２（ａ）に示すように、異なる２つのバイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２を発生させる。これらのバイアス磁界下での、測定電流に対するＭＩ素子のインピーダンス変化はΔＺ１とΔＺ２であるが、低バイアス磁界Ｈｂ１による変化の方が大きい、つまり測定感度が高いことになる。なお、インピーダンス変化を従来と同じく電圧信号に変換すると、図２（ｂ）のようになる。

測定電流，ＡＤ変換値および過電流判定値等の具体例を図２(c)に示す。
バイアスコイル２への電流供給は、例えば判定回路９により測定電流０〜５００％の範囲で低バイアス電流源５１を選択し、測定電流５００〜１０００％の範囲で高バイアス電流源５２を選択するものとする。この操作により、ＡＤ変換レンジの０〜１０００％に対し、測定電流範囲が０〜５００％、過電流判定範囲が０〜５００％の関係になり、従来に比べて低電流領域の測定感度が上がる。

したがって、従来に比べ電流測定信号ＶｍのＡＤ変換の分解能が上がる。よって、過電流のしきい値の設定が高精度にできるだけでなく、細やかな遮断時間の設定が可能となる。
図１，図２では２つのバイアス電流の場合について説明したが、図３のようにバイアス電流を３種類、またはそれ以上にすることができ、複数のバイアス電流を選択可能とすることで測定電流の分解能を上げることが可能となる。

この発明の実施の形態を示す構成図図１の動作説明図図１でバイアス電流源が３つの場合の動作説明図従来例を示す構成図図４の動作説明図

符号の説明

１…ＭＩ素子、２…バイアスコイル、３…発振回路、４…抵抗、５…バイアス電流源、５１…低バイアス電流源、５２…高バイアス電流源、６…検波回路、７…増幅回路、８…ＡＤ変換回路、９…判定回路、１０…設定回路、１１…時限回路、１２…導体、１３…切換回路。

Claims

磁気インピーダンス素子にバイアスコイルを巻回し、被測定電流が発生する磁界に応じて変化する前記磁気インピーダンス素子のインピーダンス変化から電流を検出する電流センサにおいて、
前記バイアスコイルに複数の異なるバイアス電流を選択的に供給するバイアス手段を設け、検出した電流値に応じてバイアス電流を変更することを特徴とする電流センサ。
磁気インピーダンス素子にバイアスコイルを巻回し、被測定電流が発生する磁界に応じて変化する前記磁気インピーダンス素子のインピーダンス変化から電流を検出する電流センサを有し、この電流センサによる検出電流値を所定値と比較して過電流判定を行なう過電流判定装置において、
前記バイアスコイルに複数の異なるバイアス電流を選択的に供給するバイアス手段を設け、前記電流センサの検出電流値に応じてバイアス電流を変更することを特徴とする過電流判定装置。