JP4156412B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、検出部に空心コイルを用いた電流センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の電流センサとして、非特許文献１に記載されている電流センサがある。この電流センサは、電流検出部としてロゴスキーコイル（空心コイルの一例）を用いている。ロゴスキーコイルとは、巻心として鉄心の代わりに絶縁物を用い、その巻心の上に二次巻線を巻いたものである。更に、Ａ／Ｄ変換器を介して、ロゴスキーコイルから得られる一次電流の時間変化に比例した出力電圧を一次電流に比例した信号に戻すために、ＤＣオフセット除去回路と不完全積分器をデジタル演算にて行う構成を採用している。なお、この不完全積分の放電時定数は１秒である。
【０００３】
また、一次電流の値が最大値（位相９０度）の時、空心コイル出力は０となり、これ以降出力の符号が反転する。これを積分することで一次電流波形を復元している。
【０００４】
【非特許文献１】
三菱電機技報、Vol.７５、No.８、２００１年（第３１〜３６頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
通常、積分器の入力信号にＤＣ成分が含まれると、この成分が積分器にて連続的に加算されるため、積分器内の値は単調増加若しくは単調減少し、積分器が飽和するため正確な電流計測を行うことができなくなる。なお、ここでいうＤＣ成分には２種類あり、入力信号のＤＣ成分と、一次電流のＯＮ／ＯＦＦや位相変化などに伴い積分器内に累積されるＤＣ成分である。
【０００６】
入力信号のＤＣ成分とは、電源回路の影響、周辺機器等の影響、空芯コイル出力からＡ／Ｄ変換器までのアナログ回路の影響などにより、入力信号のグランド電位にズレが発生することに起因している。
【０００７】
積分器内に累積されるＤＣ成分とは、一次電流の位相が急激に変化した場合などに生じる。例えば、容量の大きな負荷の入り切り時に瞬間的に一次電流の位相が急激に変化する。一例として、一次電流が最大値となるとき積分器内の値は最大値となるが、この状態で一次電流の位相が１８０度変化して最小値となった場合について述べる。
【０００８】
本来空心コイル出力の符号が反転し、減算することで積分器内の値は０を中心として変動するはずが、測定対象の電流位相が変化することにより、空心コイル出力の符号は反転せず、積分器内の値は増加する。すなわち、一次電流の位相が変化した時の積分器内の値を基準とした変動となる。これは、積分器内にＤＣ成分が累積するのと同等であり、飽和するまでのマージン（積分器のレンジとＤＣ成分の差）が小さくなり、一次電流の値によっては飽和することがある。
【０００９】
従来技術では、ＤＣ成分に対処するため、ＤＣオフセット除去回路を用いて入力信号に含まれるＤＣ成分を除去している。しかし、入力信号のＤＣ成分が変化した場合、ＤＣオフセット回路が収束するまでの間は、ＤＣ成分がＤＣオフセット回路を通過して、不完全積分回路に入力されてしまう。このＤＣ成分を除去するために、従来技術では、不完全積分を行い、入力された信号が時間と共に減衰し、１秒後には０となるように設計されている。以上のように積分器の飽和対策として２段階の処理回路が必要である。
【００１０】
また、積分器が時定数を持って放電するため（不完全積分であるため）、正確に積分処理を施すことができず、精度良く一次電流に比例した信号を得ることができない。Ａ／Ｄ変換器からの出力を連続的にデジタル積分した出力波形は、一次電流に対して位相が進むが、上記従来技術では、一切の対策が施されていない。
【００１１】
この発明は以上のような問題を解決するためになされたもので、一次電流の変化に迅速に追従できる電流センサを得ることを目的とする。また、一次電流に対する位相ズレが少ない電流センサを得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電流センサは、
測定対象電流を検出する空心コイル、該空心コイルの出力信号を量子化するＡ／Ｄ変換器、該Ａ／Ｄ変換器の量子化データを積分する積分器、該積分器の出力データの高域周波数成分のみを通過させ、測定対象電流に比例した電気量を出力する高域通過フィルタ、該高域通過フィルタの入力信号と出力信号から、両信号の差分値を取り出す差分検出手段、該差分検出手段で得られた上記差分値を一定係数倍する係数倍手段、及び該係数倍手段の出力を、上記積分器の入力側に加算する加算手段を備えたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電流センサの構成を示すもので、測定対象である一次電流を検出し、その時間的な変化量に比例する電圧を出力する空心コイル１の出力信号を、Ａ／Ｄ変換器２でサンプリングにより量子化し、量子化したデータをデジタル処理するデジタル処理部２０に加える。
【００１４】
デジタル処理部２０は、ＤＣ成分を除去する高域通過フィルタ３、信号を連続的に積分する積分器４、高域通過フィルタ３の入力信号と出力信号の差分を計算する機能を有する差分検出手段５、該差分検出手段５の出力である前記の差分値を一定係数倍する機能を有する係数倍手段６、および、前記の差分計算結果を前記積分器４の入力に加算する機能を有する加算手段７とから構成されている。
【００１５】
上記構成により、具体的には、一次電流の変化量を空心コイル１にて検出する。この空心コイル１からのアナログ電圧信号をＡ／Ｄ変換器２に入力することでデジタル値に変換する。変換したデジタルデータをデジタル処理部２０で処理し、上記測定対象である一次電流に比例した電気量を出力として得る。
【００１６】
Ａ／Ｄ変換器２以降は、ソフトウェアによるデジタル処理である。処理の流れを図２を参照して説明する。空心コイル１により一次電流に比例した電気量を検出し（Ｓ１）、Ａ／Ｄ変換器２でアナログ信号をサンプリングにより量子化しデジタル信号に変換する（Ｓ２）。このとき、アナログ信号出力にＤＣ成分が重畳されていた場合、そのまま単純に連続積分すると積分器４で扱えるレンジをオーバー（飽和）して、正確な信号を得ることができなくなる。このＤＣ成分を積分器４内から除去するために、高域通過フィルタ３の入力信号と出力信号の差分値を帰還する処理を施す（Ｓ６）。帰還する差分値の初期値は０とし、この値とＡ／Ｄ変換器２からの信号を加算手段７にて加算する（Ｓ３）。
【００１７】
次に、高域通過フィルタ３の入力信号と出力信号の差分値を一定係数倍する処理を係数倍手段６にて行う。これによって積分器４内のＤＣ成分を徐々に除去して、ＤＣ成分を０に収束させる。
【００１８】
次に、積分器４にて連続的に積分処理を行う（Ｓ４）。具体的には、積分器の初期値を０とし、サンプリングごとに入力データ（計測データ＋差分データ）を順次加算して出力を得る。
【００１９】
次に、積分器４の出力を保持しておき、上記出力と高域通過フィルタ３の出力との差分を計算する（Ｓ６）。
【００２０】
次に、高域通過フィルタ３を施すことで、積分器４の出力（積分結果）からＤＣ成分を除去する（Ｓ５）。
【００２１】
次に、高域通過フィルタ３を通して得た結果から前記した積分器４の出力として保持した値を差し引く。この差分結果を一定係数倍した（Ｓ７）値を前記した加算処理機能７にて、前段のＡ／Ｄ変換器２の出力に加算する（Ｓ３）。
【００２２】
ただし、前記の差分値に掛ける一定係数は、１よりも小さい値を設定する。好ましくは０.５以下の値を用いるのがよい。係数に１以下の数値を用いることで、積分器４内のＤＣ成分は、徐々に０に収束する。
【００２３】
この係数が小さい場合、積分器４内のＤＣ成分が０に収束するまでに時間が掛かる。逆に、１に近い場合、早く収束するが、あまり大きすぎると（１にごく近い数字だと）、積分器４内のＤＣ成分は０に収束せずに発振する。
【００２４】
本発明における電流センサ出力は、積分器４の出力に高域通過フィルタ３を施したもの、もしくは、なんらかの処理を施した値である。
【００２５】
本実施の形態１で示す本発明は、Ａ／Ｄ変換器２の後段の全処理をデジタル処理部２０によりデジタル処理で行うことを特徴とするものであるが、これ以外に全ての機能をアナログ回路にて処理することも考えられる。また、Ａ／Ｄ変換器２を挿入する位置を変更して、Ａ／Ｄ変換器２までの前処理をアナログ回路で、Ａ／Ｄ変換器２の後段の処理をデジタル処理することも考えられる。
【００２６】
高域通過フィルタ３は、ＤＣ成分を除去する機能を有すれば、どのような構成であってもよい。
【００２７】
本発明により、従来技術で必要であった積分器４の前段の高域通過フィルタを除去することができるが、もちろん、積分器４の前段に高域通過フィルタを設置してもなんら問題ない。
【００２８】
本実施の形態では、空心コイル１の出力を直接Ａ／Ｄ変換器に入力しているが、間にサージ対策用の低域通過フィルタなどを挿入してもよい。すなわち、本実施の形態１は本発明の範囲を限定するものではなく、検出部に空心コイル１を用いることと、上記のＡ／Ｄ変換器２以降の機能を有すること以外、各種変形が考えられる。
【００２９】
実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１に示す電流センサにおいて、サンプリング方法を工夫することにより、積分器４による積分結果と一次電流波形の位相を一致させる技術である。
【００３０】
図３は実施の形態２に係る電流センサの要部を示すもので、一次電流の変化量に比例したアナログ電圧信号を量子化するＡ／Ｄ変換器２と、量子化したデータから希望するタイミングのデータのみを選択するか若しくは希望するタイミングのデータを計算する機能を有する選択処理手段８と、Ａ／Ｄ変換器２にて行ったサンプリングの周期から、近似等の処理を行うことで所望のサンプリング周期に変更する機能を有するダウンサンプリング手段９を有する。図３では、本発明による効果が得られる最小機能を示している。実際にはＡ／Ｄ変換器２の前段には空芯コイル１が接続され、ダウンサンプリング手段９の後段にはデジタル処理部２０が接続される。なお、デジタル処理部はＡ／Ｄ変換器と選択処理手段の間でもよい。
【００３１】
図４を参照して具体的に説明すると、測定対象である一次電流信号Ｉの変化量に比例する電圧信号Ｖを積分器４にてオイラー積分した場合、積分結果Ｒの波形は一次電流信号Ｉの波形に対して位相が進む。この位相が進む量Ｄは、サンプリング周期に依存しており、常に１／２サンプリング周期分進む。この位相の進む量を補正することで測定精度を向上させる。
【００３２】
まず、Ａ／Ｄ変換器２におけるサンプリングを、電流センサ出力に要求されるサンプリング周期の２倍以上のサンプリング周期でいわゆるオーバーサンプリングを行う。サンプリングされたデータから、選択処理手段８を用いて希望するタイミングのデータを選択する。積分の結果のデータは、一次電流と比較して、１／２サンプリング周期分の位相が進んだデータであるので、抽出するデータは、所望するサンプリングから１／２サンプリング分遅延させたものを採用する。ダウンサンプリング手段９によって、先に選択したデータのみを抽出し、電流センサ出力のサンプリング周期と同一のタイミングでデータを次の機能へ渡す。
【００３３】
Ａ／Ｄ変換器２のサンプリング周波数が電流センサ出力周波数の２Ｎ倍（Ｎは整数）であった場合は、単純に、１／２サンプリング後のデータが存在するため、これを選択する。
【００３４】
Ａ／Ｄ変換器２のサンプリング周波数が電流センサ出力周波数の２Ｎ倍以外である場合、直線補間等の近似もしくは、一次電圧波形関数によるフィッティングなどを行い、電流センサ出力の１／２サンプリング分遅延したタイミングの出力を計算し、これを抽出する。
【００３５】
ダウンサンプリング手段９によって、先に選択したデータのみを抽出し、電流センサ出力の周期と同一のタイミングでデータを次の機能へ渡す。
【００３６】
上記の処理は、サンプリングするタイミングを、電流センサの１／２サンプリング周期分遅延させたのと同等である。
【００３７】
本実施の形態では、Ａ／Ｄ変換器２のサンプリング周波数を電流センサ出力の２倍以上としたが、それ以下でも同様に位相を補正し、高精度計測を行うことが可能である。ただし、Ａ／Ｄ変換器２のサンプリング周波数が２倍以下であった場合、ダウンサンプリングにより高周波成分が劣化し、この高周波領域の測定精度は逆に低下する。
【００３８】
上記のサンプリング波形を遅延させることで、積分器の出力波形の位相を測定対象の電流波形の位相に一致させることができ、より精度の高い電流センサが構成できる。
【００３９】
実施の形態３．
本実施の形態３は、実施の形態１記載の電流センサにおいて、積分手順を工夫することにより、積分器による積分結果と一次電流波形の位相を一致させる技術である。図５に示すように、一次電流の変化量に比例したアナログ電圧信号を量子化するＡ／Ｄ変換器２と、量子化したデータを台形積分する台形積分器１０を持つ電流センサである。図５では、本発明による効果が得られる最小機能を示している。実際にはＡ／Ｄ変換器２の前段には空芯コイル１が接続され、台形積分器１０の入力側には加算手段７が、また出力側には高域通過フィルタ等が接続される。
【００４０】
実施の形態２にて述べたように、積分結果の波形は一次電流波形の波形と比較して常に１／２サンプリング周期分位相が進む。この位相を補正するために積分結果の波形を１／２サンプリング周期分位相を遅らせる台形積分器１０を採用する。台形積分器１０は、実施の形態１における積分器４と、保持データおよび平均化データとからなる。
【００４１】
具体的な処理の流れを図６に示す。まず、保持データ▲１▼を０で初期化する（Ｓ１０）。この保持データ▲１▼とは、Ａ／Ｄ変換器２によるサンプリングデータを平均化するためのデータである。次に、Ａ／Ｄ変換器２によってサンプリング（Ｓ１１）したサンプリングデータを保持データ▲２▼に保存する（Ｓ１２）。
【００４２】
次に、サンプリングデータと保持データ▲１▼の和をとり、更に１／２（平均化）する（Ｓ１３）。平均化したデータ（平均化データ）を台形積分器１０内の積分器４にて順次加算する。ただし、積分器４の初期値は０とする。保持データ▲１▼に保持データ▲２▼をコピーする（Ｓ１４）。以下、同様の手順を繰り返すことで台形積分を行う。
【００４３】
本実施の形態では、保持データ▲１▼および保持データ▲２▼を区別しているが、保持データ▲２▼とは保持データ▲１▼にサンプリングデータを代入するための手段であり、その他の如何なる方法を用いてもよい。
【００４４】
本実施の形態では、台形積分として積分器４の前で平均化処理を行っているが、積分器４後で平均化処理を施しても同様の効果が得られる。
【００４５】
前サンプリングデータと現サンプリングデータを平均化すること、若しくは前積分器出力と現積分器出力を平均化することで、積分器出力波形と一次電流波形の位相を一致させることができ、より精度の高い電流センサが構成できる。
【００４６】
実施の形態１〜３に示すように、検出部に空心コイルを用いた本発明の電流センサは、一次電流の飽和現象を防止でき、かつ、瞬時値を検出できるので、電流センサとして使用するのに適し、特に、電流と電圧の位相が影響する電力（無効電力、高調波電力などを含む）や電力量（無効電力量、高調波電力量などを含む）を演算する回路や機器に適する。
【００４７】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
高域通過フィルタの入出力信号の差分値を一定係数倍した量を積分器に加算することにより緩やかに直流成分を取り去るので、空心コイルの出力信号に過大な直流成分を含む場合、一次電流がＯＮ／ＯＦＦする場合、一次電流の位相が変化する場合でも、飽和現象を回避し正確な電流計測ができる。
【００４８】
また、本発明の構成は、基本構成（積分器と高域通過フィルタ）に高域通過フィルタの入出力信号の差分値を積分器にフィードバックする機能を追加するだけで実現できるので簡単な構成で飽和対策を実現できる。
【００４９】
さらに、ＤＣ除去回路構成を単純化できるので、簡素でかつ安価な構成の空心コイルを検出部に持つ電流センサを構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る電流センサの構成を示す図である。
【図２】 実施の形態１の処理の流れを示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態２に係る電流センサの要部の構成を示す図である。
【図４】 実施の形態２の一次電流位相と積分後の位相の関係を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態３に係る電流センサの要部の構成を示す図である。
【図６】 実施の形態３の処理の流れを示す図である。
【符号の説明】
１ 空心コイル、 ２ Ａ／Ｄ変換器、
３ 高域通過フィルタ、 ４ 積分器、
５ 差分検出手段、 ６ 係数倍手段、
７ 加算手段、 ８ 選択処理手段、
９ ダウンサンプリング手段、 １０ 台形積分器、
２０ デジタル処理部。

Claims (3)

1. 測定対象電流を検出する空心コイル、該空心コイルの出力信号を量子化するＡ／Ｄ変換器、該Ａ／Ｄ変換器の量子化データを積分する積分器、該積分器の出力データの高域周波数成分のみを通過させ、測定対象電流に比例した電気量を出力する高域通過フィルタ、該高域通過フィルタの入力信号と出力信号から、両信号の差分値を取り出す差分検出手段、該差分検出手段で得られた上記差分値を一定係数倍する係数倍手段、及び該係数倍手段の出力を、上記積分器の入力側に加算する加算手段を備えた電流センサ。
2. 請求項１に記載の電流センサにおいて、上記Ａ／Ｄ変換器の後段に、上記Ａ／Ｄ変換器によるオーバーサンプリングで量子化されたデータから希望するタイミングのデータのみを選択するか若しくは希望するタイミングのデータを計算する機能を有する選択処理手段と、該選択処理手段により選択されたデータのみを抽出し、上記オーバーサンプリングの周期から所望のサンプリング周期に変更するダウンサンプリング手段とを設け、上記選択処理手段及び上記ダウンサンプリング手段により、上記Ａ／Ｄ変換器でオーバーサンプリングしたサンプリング結果に対して一定量遅延させてダウンサンプリングすることにより、測定対象電流と上記積分器の出力との位相を一致させるようにしたことを特徴とする電流センサ。
3. 請求項１記載の電流センサにおいて、上記積分器は台形積分器であることを特徴とする電流センサ。

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