JPH02291973A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は被測定導線に流れる電流を検出する電流セン
サに係り、更に詳しく言えば、ゼロフラックス法にて電
流検品を行う際、増幅器等に発生するオフセット電圧を
補償するようにした電流センサに関するものである。

〔従　来　例〕

第４図には従来の一般的な電流センサの例が示されてい
る。同図において、１は被測定導線、２，２は例えば図
示しない開閉機構により被測定導線１を外包する磁気コ
アであって、その上に電流検出コイル３と帰還コイル５
とが巻かれている。４は増幅器、６は基準抵抗、７は出
方端子である。

ここで、被測定導１１に電流が流れるとその起磁力によ
り磁気コア２内には磁束が発生し、検出コイル３には誘
導電圧が現れる。この電圧は例えば増幅器４により電流
に変換されて増幅されたのち、帰還コイル５と基準抵抗
６からなる帰還回路にフィードバックされる。これによ
り磁気コア２内においては、被測定導線１の電流による
磁束がこの帰還電流によって発生する逆極性の磁束で打
ち消されるようになっている。

この両磁束が打ち消し合ったとき、すなわちゼロフロラ
ックスとなったとき、基準抵抗６の両端間には増幅器４
からの帰還電流によって電圧降下が生じているから、そ
の電圧を例えば出力端子７から図示しない測定部に取り
込んで測定することにより被測定導線１に流れる電流を
求めることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の電流センサはその負帰還作用により磁気回路
の非直線性などによる影響を受けず、比較的広い周波数
にわたって安定で、精度の良い電流検出ができるという
長所がある。

ところで、負帰還を利用して特性を改善する場合には帰
還量が多いほどその効果が大きいので、一般には帰還増
幅器の利得を十分高くするようにしている。この場合、
増幅器を高利得にするに伴って比較的大きなオフセット
電圧が発生し，上記第４図の例ではそれによる直流電流
が帰還コイル５を流れ、磁気コ７２が飽和しやすくなる
という現象が生じる。

その一例を第５図により説明すると、同図（Ａ）′は電
流センサなどに用いられる磁気コアを磁界中に置いたと
き、磁界の強さとコア内の磁束密度との関係を示したも
のである。ここで、例えば同図ＣＢ）に示すように被測
定導線１に電流が流れ、それによる磁界が同図（Ａ）の
Ｐ−Ｑの範囲であったとすると、通常はコア２内の磁束
密度はそのヒステリシス特性により第４図（Ａ）の実線
からずれて変化するが、例えば横軸を時間軸として磁束
密度の相対的な変化を表すと同図（Ｃ）の実線で示すよ
うになり，検出コイル３にはファラデーの法則に基づく
図示しない誘導電圧が現れる。ゼロフラックス法におい
てはこの電圧を増幅器４により電流に変換して増幅し、
帰還コイル５に流して上記（Ｃ）の破線で示すように、
コア２内の磁束と逆向きの磁束を発生させるようにして
いる。これにより両磁束が打ち消し合うとともに動作点
が原点０の位置に固定され、基準抵抗６には同図（Ｄ）
に示すように帰還電流によって検出コイル３の誘導電圧
と相似の波形を有する電圧が発生する。この場合、磁気
回路に非直線性があっても負帰還により、その磁気回路
の動作点が固定されるため特性が改善され、被測定導線
１に流れる電流（Ｂ）と検出コイル３に現れる電圧、及
び基準抵抗６に発生する電圧（Ｄ）とは一定のレベル関
係の下に対応するから、この基準抵抗に発生する電圧を
測定すれば被測定導線に流れる電流を求めることができ
る。

しかしながら、増幅器４にオフセット電圧などが発生す
ると、それによる直流電流が帰還コイル５に流れること
になる。そのため上記第５図（Ａ）に示すように，例え
ばコ７２がマイナス方向に磁化されて原点ＯがＯ′へ移
動したとすると、検出コイル３はこの直流磁束に対して
感度が無いので０′をＯへ戻す帰還作用が働かない。し
たがってこの場合にはコア２の動作点がＯ′となる。

よって、被測定導線１に電流（Ｂ′）が流れるとコア２
における磁束密度は例えば第５図（Ｃ′）の実線で示す
ように変化し、検出コイル３はこの変化に感応して図示
しない誘導電圧を発生する。この電圧は上記増幅器４に
て電流に変換され、同様に帰還コイル５にフィードバッ
クされる。これにより、コア２内には上記第５図（Ｃ′
）の実線と逆極性の破線で示す磁束が発生して互いに打
ち消し合い、基準抵抗６には第５図（Ｄ′）の破線で示
すように、検出コイル３の誘導電圧と相似の波形を有す
る電圧が発生する。

この電圧を同様に測定して被測定導線に流れる電流を求
めるのであるが、例えば直流磁化により第５図（Ａ）の
０′のようにコアの動作点がずれて磁気飽和が生じた場
合には、基準抵抗に発生する電圧がひずみ波形となる。

したがって、この電圧と被測定導線に流れる電流との間
における正規の対応関係が崩れ，測定した電流値は極め
て誤差の大きいものとなる。

このオフセット電圧による直流電流が帰還コイル５に流
れるのを阻止するため、例えば第６図に示すように増幅
器４の出力個へコンデンサ８を挿入することも考えられ
る。しかし，このコンデンサに直流電流が加わるとそれ
によって充電されるから、例えばその充電電圧により増
幅器４の動作点がバイアスされたりすると回路の動作ダ
イナミノクレンジが制限されるようなこともある。

また、電流センサに対して広い動作周波数帯域が要求さ
れているような場合には、特に低い周波数においても所
定の機能を果たさせるため基準抵抗６とコンデンサ８な
どによる時定数を十分大きくする必要がある。しかし、
基準抵抗６の値は例えば測定電流レベルやコイルの巻数
、増幅器の出力電流等によって制限を受け，必ずしも大
きな抵抗値とすることができないので、通常はコンデン
サ８を大容量のものとすることになる。更に交流動作の
ため無極性もしくは両極性の特性であることが必要とな
るが、これらの条件を満たすコンデンサは通常の部品と
して得ることが困難である。

仮りに得られたとしてもその形状、寸法等が大きくなる
ため現在の小形化している電流センサに採用することは
むずかしく、いずれにしても好ましくない。

この発明は上記の点に着目してなされたもので、その目
的は、増幅器等に発生したオフセット成分を打ち消して
磁気コアの飽和を防止し、高精度の電流検出を可能とす
る電流センサを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明の実施例が示されている第１図を参照すると、
上記従来装置と同様の交流ゼロフラックス法による電流
検出を行うため、例えば検出コイル３、増幅器９、電力
増幅器１０、帰還コイル５、及び磁気コ７２，２にて閉
ループを形成した第１の負帰還回路を有している。

更に、増幅器９のオフセット電圧を打ち消すため、例え
ば基準抵抗６の出力側と増幅器９の入力側間に積分器１
１を設けて直流閉ループを形成した第２の負帰還回路を
僅えている。

〔作　　　用〕

上記第１図において、例えば増幅器９の出力側にプラス
のオフセット電圧が発生していると、被測定導線１に流
れる電流によって検出コイル３に誘導した電圧がそれに
重畳し、したがって基準抵抗６の出力側には例えば第２
図（Ａ）に示すように、上記重畳電圧と相似の電圧が発
生する。

ここで、上記誘導電圧の繰り返し周期，すなわち被測定
電流の繰り返し周期より十分大きい時定ｌｒ’ｃを有す
る積分器１１にこの重畳電圧を入力すると、被測定電流
に対するコンデンサＣの交流インピーダンスＺｃは極め
て小さく、Ｚｃ４０とみなせるから、積分器１１は交流
利得（Ｚｃ／ｒ）がほぼゼロの増幅器として動作し、そ
の出力側には交流成分が現れない。

しかし直流に対するコンデンサＣのインピーダンスは極
めて高く、ｚＣ幻のとみなせるからその利得（Ｚｃ／ｒ
）も極めて高くなる。したがって第２図（Ｂ）に示すよ
うに例えば正のオフセノト電圧成分が発生して人力する
と積分器１１はそれに対して高利得の直流増幅器として
動作し，その出力側からは発生したオフセット電圧を打
ち消すような電圧を送出する。よって、この出力電圧を
増幅器９の十入力側に負帰還すると、同図（Ｃ）に示す
ように増幅器９の出力側においてオフセット電圧が打ち
消され、例えば第５図（Ａ）を例にとると動作点が原点
Ｏに固定された状態となり、基準抵抗６の出力側からは
、本来の交流ゼロフラックス法による測定電圧が得られ
る。

〔実　施　例〕

第３図を併せて参照しながらオフセット電圧の打ち消し
動作について、以下説明する。なお、第３図は第１図に
おける各部の動作の関係式をラプラス変換し、伝達関数
の形で表してある。

同第３図において、Ｇエ（８１は例えば被測定導線１に
流れる電流から磁気コ７２を介して検出コイル３の出力
電圧までの伝達関数、Ｇ　２　（　Ｓ　）は例えば増幅
器９の入力から帰還回路に流れる帰還電流までの伝達関
数とすると、 ？Ａ（Ｓｌ＝　Ｎ　ｄ　ｓ　／　′ＦｔＧ２（８）＝Ａ
１Ａｚ／（Ｒｅ＋　Ｌｓ）である。ただし、 Ｎｄ：検出コイルのターン数 民：磁気コアの磁気抵抗 Ａエ，Ａ２：増幅器及び電力増幅器の利得Ｒ０：基準抵
抗の抵抗値 Ｌ：帰還コイルのインダクタンス である。

いま、被測定導線１に流れる電流をｉ、基準抵抗６に現
れる出力電圧をｅ、帰還コイル５のターン数をＮｆとす
ると、交流信号帯域では上記第１の帰還ループにより、 ｅ　＝ＣＧ■＋ｓ＋Ｇｚ＋ｓ＋／　（１　＋　Ｇｔ（３
）（ｊｚ（Ｓ）Ｎ　ｆ　）］Ｒｏｉ となる。

ここで、一巡伝達関数の利得が十分大きいものとすると
、１　＜Ｇ，（ｓ，Ｇ２（ｓ，Ｎ　ｆであるから、上式
の出力電圧ｅは、 ｅ＝Ｒｏｉ／Ｎｆ となる。

一方、増幅器９のオフセット電圧をＤとすると、この電
圧Ｄは直流であること、及び積分器１１の時定数が被測
定信号の繰り返し周期に比べて十分大きなものであるこ
とにより、上記電圧Ｄの出力をａｄとすると、ａｄはＧ
　２　（　Ｓ　ｌ−　Ｒ　ｏ　→１　／　Ｓ→Ｇ　２　
（　Ｓ　）の閉ループによって決定され、 ｅ　ｄ　＝（Ｇ２（８）Ｒｌｌ／（１　＋０２（３）Ｒ
Ｏ／　Ｓ））Ｄとなる。

ここで、ループゲインが大きく負帰還量が十分あれば、
１　＜０２（Ｓ）Ｒ。／　３であるから、上式より ｅｄ＝ｓＤ を得る。更に、このループの信号が直流であることによ
りＳ−｝０となり、したがって、ｅｄ→○、すなわちオ
フセット電圧は現われず、本来の交流ゼロフラック法に
よる動作を損なうことなく、基準抵抗６の出力には交流
め誘導電圧に比例した電圧が現れる。

この実施例においては、第２の負帰還ループに積分器を
利用した場合が示されているが、時定数の十分大きい一
次遅れ要素、例えばローパスフィルタを用いてもよい。

また、この発明は開閉可能な磁気コアにて被より定導線
を外包するクランプ式の′な流センサに限られるもので
はなく、交流ゼロフラックス法による変流器などにも適
用できることは当然のことである。

〔効　　　果〕

以上、詳細に説明したように、この発明においては例え
ば被測定導線を開閉可能に外包する磁気コアに巻かれた
検出コイル及び帰還コイルと、上記２つのコイル間に設
けられた増幅器と、上記帰還コイルと直列的に設けられ
た基準抵抗とを含み、上記被測定導線に流れる電流によ
り検出コイルに発生した誘導電圧を増幅器により電流に
変換して帰還コイルに加え、上記磁気コア内の交流磁束
を打ち消すようにした第１の負帰還回路を備えている。

更に、上記帰還コイルを経て基準抵抗に流れる電流によ
り同基準抵抗に発生する電圧を例えば上記電流の繰り返
し周期より十分大きい時定数を有する積分器に加え、上
記電圧に含まれる直流電圧成分を抽出して上記増幅器の
入力側へ帰還することにより同増幅器にて発生する直流
のオフセット電圧を実質的にゼロとなるように補正する
第２の負帰還回路を備えている。

したがって、この発明を適用した電流センサによれば、
増幅器等を高利得化してもオフセット電圧によって直流
的に磁気飽和を生じるようなことが無くなり、本来の交
流ゼロフラック法の動作が確保され、高精度の電流検出
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はこの発明の実施例に係り、第１図
はその構成の一例を示す回路図、第２図はオフセット電
圧の補償原理説明用レベル図、第３図はオフセット電圧
の補正原理説明用特性ブロック図、第４図は従来装置の
回路図、第５図は従来装置におけるオフセット電圧の発
生説明用特性図、第６図は従来装置の変形実施例を示す
回路図である。 図中、 １は被測定導線、 ２は磁気コア、 ３は検 出コイル、 ５は帰還コイル、 ６は基準抵抗、 ９は 増幅器、 ＩＯは電力増幅器、 １１は債分器である。 特 許 出 願 人 日置電機株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定導線に流れる交流電流をゼロフラックス法
   にて検出する第１の負帰還回路と、該第１の負帰還回路
   に発生するオフセット電圧を補償する第２の負帰還回路
   を備えた電流センサであって、上記第１の負帰還回路は
   、被測定導線に近接させる磁気コアに巻かれた検出コイ
   ル及び帰還コイルと、上記被測定導体に流れる電流にて
   磁気コア内に発生する磁束により上記検出コイルに現れ
   る誘導電圧を電流に変換して増幅する増幅器と、該増幅
   器の出力電流を上記帰還コイルに加えて磁気コア内に発
   生した磁束を打ち消すとともに、同電流を流すことによ
   り上記被測定導線の電流に対応した電圧を発生させるた
   めの基準抵抗とを備えてなり、 上記第２の負帰還回路は、所定の時定数を有する積分器
   を含み、上記基準抵抗に発生した電圧を入力となし、同
   入力に含まれる直流電圧成分を抽出して上記増幅器の入
   力側へ帰還し、同増幅器の出力側における直流オフセッ
   ト電圧を打ち消すようにしたことを特徴とする電流セン
   サ。