WO2015141235A1 - 電力センサ、電力センサシステム、及び回生電力検出装置 - Google Patents

Abstract

　電力センサは、導体で斜め方向にパターンニングされた磁性膜と、導体の一端部と接続された第１の素子端子と、導体の他端部と接続された第２の素子端子と、を有し、計測時に第１の素子端子が電力計測の対象となる対象装置に接続される磁性素子を有する。電力センサは、一端が磁性素子の第２の素子端子に接続された計測抵抗と、第１の素子端子と第２の素子端子との間の電圧の直流成分を検出する検出器と、を有する。磁性素子は、計測時に第１の素子端子から第２の素子端子への方向が、対象装置に接続された電線と略平行になるように配置される。

Description

電力センサ、電力センサシステム、及び回生電力検出装置

　本発明は電動機が生成する回生電力を有効に利用するため、回生電力の発生を検知し、回生電力が発生したことを通知する通知信号を出力する回生電力検出装置に関するものである。

　電動機は電力を回転運動に変換する装置として広く利用されている。特に自動車や電車といった車輪の駆動装置として多用されている。電動機を車体の推進装置として利用する場合、車体を制動する際に電動機から電力が駆動側に戻る。この電力回生が行われる際の回生電力を有効に利用する方法が多く提案されている。

　例えば特許文献１では、回生制動時に電動機が発生する回生電力を回収する電力回生システムが開示されている。ここで、システム全体が回生動作に移行するか否かは、アクセルやブレーキといった駆動操作機器の動作に基づいて判断がなされている。

　特許文献２では、回生電力の処理を行う際に、モータに駆動電流を送るインバータ回路へ電力を供給する配線間にコンデンサを配置し、そのコンデンサの両端電圧が上昇したら回生動作が始まったと判断し、回生回路で回生抵抗に電流を流す装置が開示されている。

特開２０１３－２０７９７６号公報 特開２０１０－１１０１３９号公報

　特許文献１のように操作機器の動作に基づいて回生電力の処理を制御する際には、実際に電動機が回生電力を発生しているか否かを検知しているわけではない。また、特許文献２の場合は、回生電力が直流素子に与える影響を見ているに過ぎない。電動機が実際に回生電力を発生しているか否かを直接検出できれば、より細かな回生電力の回収や利用が可能になる。

　本発明は上記の課題に鑑みて想到されたもので、磁気抵抗効果を利用した電力計を用い、電動機の消費電力が正か負かを検知することで、電動機の回生電力の発生を直接検知する回生電力検出装置を提供する。

　より具体的に本発明の回生電力検出装置は、
　駆動装置（インバータ）と電動機の結線上に設けられた電力センサユニットと、
　前記電力センサユニットと接続され、前記電力センサユニットが前記電動機での消費電力が負になったことを示したら、回生電力が生成したことを通知する通知信号を出力する制御器を有することを特徴とする。

　本発明に係る回生電力検出装置は、電力センサユニットが磁性膜を用いるため、非常に薄くまた小型に形成することができる。したがって、比較的小型の駆動システムに組み込んでも重量が増加したり、嵩が高くなるといったことが生じない。

　また、本発明に用いる電力センサユニットは、消費電力および回生電力を直接測定することができる。したがって、電池を用いたシステムなどでは、電池の残留電力の管理に有用である。

本発明に係る回生電力検出装置の構成を示す図である。 回生電力検出装置の電力センサユニットの構成例を示す図である。 電力センサユニットの他の構成例を示す図である。 電力センサの原理を説明する図である。 位相差の説明をする図である。 位相差と電力センサの出力の関係を示す図である。

　以下に本発明に係る回生電力検出装置を図面を参照しながら説明を行う。なお、以下の発明は本発明の一実施の形態を説明するものであり、本発明は以下の説明に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、以下の実施の形態は改変することができる。

　図１に本発明に係る回生電力検出装置１０の構成図を示す。回生電力検出装置１０は、電力センサユニット（電力センサシステム）１２と制御器１４を含む。回生電力検出装置１０は、電動機２２と駆動装置２４と電池２６で構成される電動機システム２０の電動機２２と駆動装置２４との間に組み込まれる。回生電力検出装置１０の制御器１４は、回生電力が生じていることを通知する通知信号Ｓａを出力する。この通知信号Ｓａはさまざまな用途として用いることができる。ここでは、駆動装置２４と回生電力検出装置１０との間に設けた切換器２８の制御信号として用いる場合について説明する。

　電池２６は電動機システム２０における電力源にあたる。電池２６からは駆動装置２４に結線Ｌ２６ａ、Ｌ２６ｂで電力が送られる。駆動装置２４はインバータ装置である。したがって、直流を３相交流に変換するインバータ回路２４ａと、インバータ回路２４ａを制御する駆動制御器２４ｂを含む。

　駆動装置２４からは三相交流が電動機２２に供給される。ここでは３本の結線Ｌ２４ａ、Ｌ２４ｂ、Ｌ２４ｃで表す。電動機２２は所謂モータである。切換器２８は、駆動装置２４と電動機２２の間に配置されている。切換器２８は、駆動装置２４から電動機２２に向かうパス（Ｌ２４ａ、Ｌ２４ｂ、Ｌ２４ｃ）と、電動機２２からの回生電力を電池２６の方に向かうパス（Ｌ２８ａ、Ｌ２８ｂ、Ｌ２８ｃ）を切換えることができる。切換器２８の具体的な構成は、特に限定されるものではない。

　切換器２８と電池２６との間には、整流器３０が配置される。整流器３０は、電動機２２が発電した回生電力を直流に整流する。また、整流した電力が電池２６を充電できる程度の電圧に達していない場合は、昇圧する装置を含んでいてもよい。整流器３０から電池２６までは配線Ｌ３０ａ、Ｌ３０ｂで結線される。 

　図２には、電力センサユニット１２の部分の拡大図を示す。電力センサユニット１２は駆動装置２４からの３本の結線Ｌ２４ａ、Ｌ２４ｂ、Ｌ２４ｃの各々に対して、電力センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃが配置される。それぞれの電力センサは、磁性素子４２ａ、４２ｂ、４２ｃと、計測抵抗４３ａ、４３ｂ、４３ｃと、アンプ４４ａ、４４ｂ、４４ｃと、ローパスフィルタ４５ａ、４５ｂ、４５ｃを含む。また、電力センサユニット１２は、ローパスフィルタ４５ａ、４５ｂ、４５ｃの出力を加算する加算器４８を有する。

　磁性素子４２ａ、４２ｂ、４２ｃは、短冊状の磁性膜である。また計測抵抗４３ａ、４３ｂ、４３ｃは、磁性素子４２ａ、４２ｂ、４２ｃに一定電流を流すための抵抗値の大きな抵抗である。磁性素子４２ａ、４２ｂ、４２ｃの一方の端部は、結線Ｌ２４ａ、Ｌ２４ｂ、Ｌ２４ｃに接続される。

　磁性素子４２ａ、４２ｂ、４２ｃの他方の端部と計測抵抗４３ａ、４３ｂ、４３ｃの一方の端部は直列に接続される。また、計測抵抗４３ａ、４３ｂ、４３ｃの他方の端部は接地される。また、磁性素子４２ａ、４２ｂ、４２ｃの両端はアンプ４４ａ、４４ｂ、４４ｃに接続される。また、アンプ４４ａ、４４ｂ、４４ｃの出力は、ローパスフィルタ４５ａ、４５ｂ、４５ｃにそれぞれ接続される。

　磁性素子４２ａ、４２ｂ、４２ｃは、配線の電流が流れる方向に短冊形状の長手方向を合せるように配置する。磁性素子４２ａ、４２ｂ、４２ｃと計測抵抗４３ａ、４３ｂ、４３ｃをこのように接続することで、後述（図４で説明）するように各配線が接続された負荷での消費電力を計測することができる。

　各消費電力は、ローパスフィルタ４５ａ、４５ｂ、４５ｃの出力となる。三相交流の場合基本的に消費電力は各相の消費電力の和として表される。したがって、加算器４８の出力は電動機２２の消費電力となる。加算器４８の出力を信号Ｓｗとする。信号Ｓｗは、制御器１４（図１参照）に送られる。また信号Ｓｗは、電動機２２で消費した電力を正負の符号付きで測定した結果となる。

　図３には、電力センサユニット１２の他の構成を示す。三相交流では、二電力計法で電力が計測されることが多い。図３は二電力計法で電力を計測する場合の構成である。電力センサ４０ａと４０ｂが用いられる。電力センサ４０ａ、４０ｂの構成は図２の場合と同じである。ただし、電力センサ４０ａの計測抵抗４３ａの他端は結線Ｌ２４ｂに接続され、電力センサ４０ｂの計測抵抗４３ｂの他端は、結線Ｌ２４ｃに接続される。電力センサ４０ｃは使用しない。このように電力センサユニット１２は、電力センサを２つで構成することもできる。 

　再び図１を参照して、回生電力検出装置１０の動作について説明する。電動機システム２０は、図示していない操作者によって駆動装置２４の駆動制御器２４ｂに指示が送られる。この指示によって駆動装置２４は、電池２６の直流電圧を電動機２２を駆動するための３相交流に変換する。

　切換器２８は、駆動装置２４から電動機２２へ電力を流す。電動機２２は、駆動装置２４からの３相電流を受けて駆動する。このとき、電力センサユニット１２は、電動機２２で消費される電力を正の値として計測する。これは図２または図３の加算器４８の信号Ｓｗで制御器１４に通知される。制御器１４は、電力センサユニット１２からの信号Ｓｗで電動機２２が電力を消費していると判断できる間は、切換器２８を駆動装置２４から電動機２２へのパスを確保するための通知信号Ｓａを出力する。

　一方、電動機２２に制動がかかる等して電動機２２が電力回生を行い始めると、電力センサユニット１２は、電動機２２で負の電力が消費されているように観測する。この信号は図２、図３で示した加算器４８の信号Ｓｗとして制御器１４に通知される。制御器１４は、電動機２２が負の電力を消費したと判断した場合は、切換器２８にその旨を示す通知信号Ｓａを送信する。換言すれば、制御器１４は、信号Ｓｗが示す値が負になった場合、回生電力が生成したことを通知する通知信号Ｓａを出力する。切換器２８は、駆動装置２４と電動機２２の間の配線を、電動機２２と整流器３０が接続されるように切換える。つまり、電動機２２が電力回生を行い始めたことを駆動装置２４への操作を使用することなく検知することができる。

　電動機２２が電力回生を始めたら、切換器２８を介して整流器３０に接続されるので、電動機２２からの回生電力は整流器３０で整流され直流となる。そして、整流器３０が電池２６に充電を行う。なお、整流器３０で整流した直流電力が電池２６を充電できるほどの電圧にならない場合は、昇圧するようにしてもよい。

　電動機２２が電力回生をやめ、カ行を開始したら、電力センサユニット１２は、電動機２２が正の電力を消費するように観測する。そこで、信号Ｓｗによって、制御器１４に消費電力が正（電動機２２が電力を消費している）であることを通知する。制御器１４は、電動機２２が正の電力を消費したと判断した場合は、切換器２８にその旨を示す通知信号Ｓａを送信する。切換器２８は、駆動装置２４と電動機２２同士が接続するように切換える。

　図４には、電力センサ４０の動作原理について説明する。ここでは、説明を簡単にするために、単相の場合について説明する。電力センサ４０は、磁性素子４２と計測抵抗４３と検出器２７とを備える。検出器２７は、素子端子１４３と素子端子１４４との間の電圧の直流成分を検出する。検出器２７は一例としてアンプ４４とローパスフィルタ４５とを有する。電力センサ４０を構成する磁性素子４２と計測抵抗４３を直列にする。そして、被計測回路９０の電源９１に連結されている負荷９２と並列にこれを連結する。負荷９２は、電動機２２の１相分とする。電力センサ４０を連結する点は、接続端子１２ａ、１２ｂである。

　磁性素子４２は、基板上に磁性膜１４２を形成し、それに導体で斜め方向にパターンニングを行ったものである。バーバーポール型と呼ばれている。磁性素子４２の両端には素子端子１４３、１４４が設けられ、アンプ４４に接続される。すなわち、磁性素子４２は、導体で斜め方向にパターンニングされた磁性膜１４２と、導体の一端部と接続された素子端子１４３と、導体の他端部と接続された素子端子１４４と、を有する。アンプ４４は、第１の入力が素子端子１４３に接続され、第２の入力が素子端子１４４に接続され、素子端子１４３と素子端子１４４との間の電圧を増幅する。またアンプ４４の出力には、ローパスフィルタ４５の入力が接続される。 

　磁性素子４２は、電源９１と負荷９２の間を接続している電線９３ａに平行に隣接配置させる。ここで平行とは、電線９３ａの周囲に形成される同軸状の磁界に、磁性素子４２の面内方向が平行になることである。また、計測抵抗４３は、磁性素子４２の抵抗値Ｒ_ｍｒに対して十分に大きいとしておく。また、電線９３ａの抵抗は十分に小さい。 

　まず、電源９１が直流の場合、電線９３ａ、９３ｂに流れる電流をＩ_１とすると、磁性素子４２に印加される外部磁界Ｈは、比例定数をαとして、（１）式のように表される。
Ｈ＝αＩ_１・・・・（１）

　磁性素子４２の電気抵抗の変化ΔＲ_ｍｒは、外部からの印加磁界Ｈに比例するので、比例定数をβとし、（１）式を考慮すると、（２）式のように表される。
ΔＲ_ｍｒ＝βＨ＝β（αＩ_１）・・・・（２）

　磁性膜１４２に外部磁界Ｈが印加されていない時（動作点）の電気抵抗をＲ_ｍ０とすると、外部磁界Ｈが印加された時の磁性素子４２全体の電気抵抗Ｒ_ｍは、（３）式のように表される。
Ｒ_ｍ＝Ｒ_ｍ０＋ΔＲ_ｍｒ＝Ｒ_ｍ０＋αβＩ_１・・・・（３）

　つまり、電流Ｉ_１が流れる電線９３ａに近接配置された磁性膜１４２は、（３）式のような電気抵抗特性を有する。この磁性素子４２の素子端子１４３、１４４間に電流Ｉ_２が流れると、素子端子１４３、１４４間の電圧Ｖ_ｍｒは（４）式のように表される。
Ｖ_ｍｒ＝Ｒ_ｍＩ_２＝（Ｒ_ｍ０＋ΔＲ_ｍ）Ｉ_２＝（Ｒ_ｍ０＋αβＩ_１）Ｉ_２・・・・（４）

　次に電源９１を直流としているので電圧Ｖ_ｉｎをＶ_１とすれば、（５）式のように表される。そして、電線９３ａ、９３ｂの抵抗は十分に小さく、また、磁性素子４２の抵抗Ｒ_ｍも計測抵抗４３（値はＲ_２）よりも十分小さいとする。負荷９２の抵抗をＲ_１とすると、電線９３ａを流れる電流Ｉ_１と、磁性素子４２を流れる電流Ｉ_２は、それぞれ（６）式、（７）式のようになる。

　そこで、磁性素子４２の素子端子１４３、１４４間の電圧Ｖ_ｍｒは（８）式のように表される。なお（８）式の式変形の途中でＲ_ｍ０＜＜Ｒ_２の関係を使った。またＫ_１は比例定数である。（８）式の結果より、磁性素子４２の素子端子１４３、１４４間では、負荷９２で消費される電力Ｉ_１Ｖ_１に比例した電圧と、計測抵抗４３（Ｒ_２）と磁性素子４２の動作点での電気抵抗Ｒ_ｍ０が決まると一意に決まるバイアス電圧の和を得ることができる。

　このような関係は、電源９１が交流であっても成立する。電源９１が交流で、負荷９２がリアクタンスの場合について次に説明する。（１）式から（４）式の関係は上記の説明通りである。電源９１が交流になるので、電圧Ｖ_ｉｎは、振幅Ｖ_１、角周波数ωとすると、（９）式のように表される。また、被計測回路９０で負荷９２がリアクタンスなので、負荷９２を流れる電流Ｉ_１は、電源９１（電圧Ｖ_ｉｎ）とは位相のズレが生じる。この位相のズレをθとする。一方、磁性素子４２は、通常の抵抗なので電源９１（電圧Ｖ_ｉｎ）と同位相である。したがって、電流Ｉ_１およびＩ_２は、（１０）式、（１１）式のように表される。

　そこで、（４）式に（１０）式および（１１）式を代入すると（１２）式のように変形される。

　（１２）式を見ると、最終項は、負荷９２で消費する有効電力が直流成分として表れているのがわかる。すなわち、素子端子１４３、１４４間の出力を、ローパスフィルタ４５を通過させて得た直流電圧は、負荷９２で消費する有効電力に比例した電圧である。

　さて、このように、電力センサ４０は、負荷９２で消費する有効電力に比例した電圧を出力する。ここで、負荷９２で消費する電力は電圧に対して電流が遅れるが、負荷９２が発電を行い、逆起電力が発生すると、電圧と電流の位相はさらに大きくなる。図５には、駆動用に印加される交流電圧と、負荷に流れる電流との関係を模式的に示したグラフを示す。

　横軸は位相（度）であり、縦軸は、振幅（規格化）である。電圧と電流の位相の差をθとする。図６には、図４の回路において、測定した電力センサ４０の出力と、位相差θとの関係を示す。横軸は位相差角（度）であり、縦軸は電力センサ４０の出力値である。θが９０度までは正の値を示しているが、θが９０度を超えると電力センサ４０の出力値は負となる。これはちょうど負荷９２で逆起電力が生じた状態を示している。

　このように電力センサ４０は、逆起電力が生じると負の値を出力する。そのため、図１の電動機２２が電力回生を始めると、電力センサ４０の符号によって、それを検知することができる。

　なお、本発明では、電動機を駆動する回生電力を検出する装置を説明したが、発電所と消費家の間で消費家が太陽電池パネルなどで発電した電力を発電所側に戻す逆潮流においても、本発明は利用することができる。

　本発明に係る回生電力検出装置は、インバータで電動機を駆動する局面に広く利用することができる。

１０　回生電力検出装置
１２　電力センサユニット（電力センサシステム）
１４　制御器
２０　電動機システム
２２　電動機
２４　駆動装置
２６　電池
２７　検出器
２８　切換器
２４ａ　インバータ回路
２４ｂ　駆動制御器
３０　整流器
４０　電力センサ
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ　電力センサ
４２　磁性素子
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ　磁性素子
４３　計測抵抗
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ　計測抵抗
４４　アンプ
４４ａ、４４ｂ、４４ｃ　アンプ
４５　ローパスフィルタ
４５ａ、４５ｂ、４５ｃ　ローパスフィルタ
４８　加算器
９０　被計測回路
９１　電源
９２　負荷
１２ａ、１２ｂ　接続端子
９３ａ、９３ｂ　電線
１４３、１４４　素子端子
Ｌ２６ａ、Ｌ２６ｂ　結線
Ｌ２４ａ、Ｌ２４ｂ、Ｌ２４ｃ　結線
Ｌ３０ａ、Ｌ３０ｂ　配線

Claims (8)

1. 　導体で斜め方向にパターンニングされた磁性膜と、前記導体の一端部と接続された第１の素子端子と、前記導体の他端部と接続された第２の素子端子と、を有し、計測時に前記第１の素子端子が電力計測の対象となる対象装置に接続される磁性素子と、
   　一端が前記磁性素子の前記第２の素子端子に接続された計測抵抗と、
   前記第１の素子端子と前記第２の素子端子との間の電圧の直流成分を検出する検出器と、
   を備え、
   　前記磁性素子は、計測時に前記第１の素子端子から前記第２の素子端子への方向が、前記対象装置に接続された電線と略平行になるように配置される電力センサ。
2. 　前記検出器は、
   　第１の入力が前記第１の素子端子に接続され、第２の入力が前記第２の素子端子に接続され、前記第１の素子端子と前記第２の素子端子との間の電圧を増幅するアンプと、
   　入力が前記アンプの出力に接続されたローパスフィルタと、
   　を備える請求項１に記載の電力センサ。
3. 　前記磁性膜は、短冊形状であり、
   　前記磁性素子は、前記短冊形状の長手方向が前記対象装置に接続された電線と略平行になるように配置される
   　請求項１に記載の電力センサ。
4. 　前記計測抵抗の抵抗値は、前記磁性素子の抵抗値より大きい
   　請求項１に記載の電力センサ。
5. 　請求項１に記載の複数の電力センサと、
   　前記複数の電力センサの出力値を加算した加算値を示す信号を出力する加算器と、
   　を備え、
   　前記複数の電力センサそれぞれが備える磁性素子は、計測時に前記対象装置に接続された複数の電線のうち互いに異なる電線と略平行になるように配置される電力センサシステム。
6. 　前記複数の電力センサは、第１の電力センサと第２の電力センサから構成され、
   　前記第１の電力センサは、前記第１の素子端子が前記対象装置の第１の出力に接続され、且つ前記計測抵抗の他端が前記対象装置の第２の出力に接続され、且つ計測時に前記第１の素子端子から前記第２の素子端子への方向が、前記対象装置の前記第１の出力に接続された電線と略平行になるように前記磁性素子が配置され、
   　前記第２の電力センサは、前記第１の素子端子が前記対象装置の前記第２の出力に接続され、且つ前記計測抵抗の他端が前記対象装置の第３の出力に接続され、且つ計測時に前記第１の素子端子から前記第２の素子端子への方向が、前記対象装置の前記第２の出力に接続された電線と略平行になるように前記磁性素子が配置される
   　請求項５に記載の電力センサシステム。
7. 　前記電力センサの数は三つであり、
   　計測時に前記計測抵抗の他端が接地に接続される
   　請求項５に記載の電力センサシステム。
8. 　請求項５に記載の電力センサシステムと、
   　前記電力センサシステムが出力する信号が示す値が負になった場合、回生電力が生成したことを通知する通知信号を出力する制御器と、
   　を備える回生電力検出装置。

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