(57)【要約】      （修正有）【課題】工業用機械と関係し得るリーク電流をモニターするためのシステムを提供する。【解決手段】システム１０は、工業用機械１２の動作と関係するリーク電流を検出するように構成されるセンサー１６，１８，２０を含む。センサーは、コアおよびコアの第１の部分を囲む第１の巻線を含む。第１の巻線は、第１の巻数を含む。第１の巻線は、工業用機械の動作と関係する一組の電流測定値を取得するように構成される。センサーは、コアの第２の部分を囲む第２の巻線を含む。第２の巻線は、第２の巻数を含む。第２の巻線は、工業用機械の動作と関係する一組の電流測定値を取得するように構成される。第１の巻線および第２の巻線は、一組の電流測定値に基づいてそれぞれの出力を生成するように各々構成される。それぞれの出力は、コアの温度に基づいて一組の電流測定値の歪みの発生を低減するために用いられるように構成される。【選択図】図１
2015164390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工業用機械（１２）の動作と関係するリーク電流を検出するように構成されるセンサー（１６、１８、２０）を含み、前記センサー（１６、１８、２０）は、
コア（４２）と、
前記コア（４２）の第１の部分を囲む第１の巻線（４４）であって、第１の巻数を含み、前記工業用機械（１２）の前記動作と関係する一組の電流測定値を取得するように構成される前記第１の巻線（４４）と、
前記コア（４２）の第２の部分を囲む第２の巻線（４６）であって、第２の巻数を含み、前記工業用機械（１２）の前記動作と関係する前記一組の電流測定値を取得するように構成される前記第２の巻線（４６）と、を含み、
前記第１の巻線（４４）および前記第２の巻線（４６）は、前記一組の電流測定値に基づいてそれぞれの出力を生成するように各々構成され、前記それぞれの出力は、前記コア（４２）の温度に基づいて前記一組の電流測定値の歪みの発生を低減するために用いられるように構成されるシステム（１０）。
【請求項２】
前記第１の巻線（４４）の前記第１の巻数は、前記第２の巻線（４６）の前記第２の巻数に等しくない、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項３】
前記第１の巻線（４４）の前記第１の巻数および前記第２の巻線（４６）の前記第２の巻数は、約３：２または約２：１の比を含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項４】
前記センサー（１６、１８、２０）は、高感度変流器（ＨＳＣＴ）を含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項５】
前記コア（４２）は、高透磁率磁気コアを含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項６】
前記高透磁率磁気コアは、高ニッケル、鉄、スーパーマロイ、またはこれらの任意の組み合わせを含む、請求項５に記載のシステム（１０）。
【請求項７】
前記第１の巻線（４４）および前記第２の巻線（４６）は、信号調整回路（４８）と結合するように構成され、前記信号調整回路（４８）は、処理のために前記それぞれの出力を１つずつ送信するように構成されるマルチプレクサ（５０）を含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項８】
前記第１の巻線（４４）および前記第２の巻線（４６）は、互いに独立に動作するように構成される、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項９】
前記工業用機械（１２）の前記動作と関係する電圧を検出するように構成される第２のセンサー（２２、２４、２５）を含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項１０】
前記工業用機械（１２）は、同期モーター、誘導モーター、または発電機を含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項１１】
前記工業用機械（１２）に結合されるそれぞれの導体に各々対応する第２のセンサー（１８）および第３のセンサー（２０）を含み、前記第２のセンサー（１８）および前記第３のセンサー（２０）の各々は、それぞれの第１の巻線（４４）およびそれぞれの第２の巻線（４６）を含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項１２】
コンピュータ実行可能コードが記憶される非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記コードは、
電流センサー（１６、１８、２０）のコア（４２）の周りに巻き付けられた第１の組の巻線（４４）および第２の組の巻線（４６）と関係する線間電圧測定値を受け取り、
前記電流センサー（１６、１８、２０）を介して複数のリーク電流測定値を受け取り、
前記第１の組の巻線（４４）および前記第２の組の巻線（４６）のそれぞれの出力電圧の振幅および位相角であって、前記線間電圧測定に参照される前記それぞれの出力電圧の前記振幅および位相角を計算し、
前記それぞれの出力電圧の前記位相角に少なくとも部分的に基づいて、前記第１の組の巻線（４４）および前記第２の組の巻線（４６）の各々に対応する位相変移角および透磁率値を計算し、
前記位相変移角および前記透磁率値に基づいて、前記複数のリーク電流測定値の温度に基づく歪みまたは経年に基づく歪みを補正するように構成される１つまたは複数の補正係数を導出するように構成される命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１３】
前記コードは、高感度変流器（ＨＳＣＴ）を介して前記複数のリーク電流測定値を受け取る命令を含む、請求項１２に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１４】
前記コードは、前記第１の組の巻線（４４）および前記第２の組の巻線（４６）の各々に対応する伝達関数に基づいて、前記第１の組の巻線（４４）および前記第２の組の巻線（４６）の前記それぞれの出力電圧を計算する命令を含む、請求項１２に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１５】
前記コードは、前記電流センサー（１６、１８、２０）の前記コア（４２）の温度変化に基づく歪みを補正するために、前記位相変移角および前記透磁率値に基づいて前記１つまたは複数の補正係数を導出する命令を含む、請求項１２に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１６】
前記コードは、複数の電流センサー（１６、１８、２０）の各々に対する前記位相変移角および前記透磁率値に基づいて、前記１つまたは複数の補正係数を導出する命令を含む、請求項１２に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１７】
前記コードは、１期間当たり１回前記それぞれの出力電圧を処理する命令を含む、請求項１２に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１８】
プロセッサ（３７）を含み、前記プロセッサ（３７）は、
電流センサー（１６、１８、２０）のコア（４２）の周りに巻き付けられた第１の組の巻線（４４）および第２の組の巻線（４６）と関係する線間電圧測定値を受け取り、
前記電流センサー（１６、１８、２０）を介して複数のリーク電流測定値を受け取り、
前記第１の組の巻線（４４）および前記第２の組の巻線（４６）のそれぞれの出力電圧の振幅および位相角であって、前記線間電圧測定に参照される前記それぞれの出力電圧の前記振幅および位相角を計算し、
前記それぞれの出力電圧の前記位相角に少なくとも部分的に基づいて、前記第１の組の巻線（４４）に対応する第１の位相変移角および前記第２の組の巻線（４６）に対応する第２の位相変移角を計算し、
前記それぞれの出力電圧の前記位相角に少なくとも部分的に基づいて、前記電流センサー（１６、１８、２０）の前記コア（４２）の透磁率値を計算し、
前記位相変移角および前記透磁率値に基づいて、前記複数のリーク電流測定値の温度に基づく歪みまたは経年に基づく歪みを補正するように構成される１つまたは複数の補正係数を導出するように構成されるシステム（１０）。
【請求項１９】
前記プロセッサ（３７）は、前記第１の位相変移角および前記第２の位相変移角に少なくとも部分的に基づいて、前記リーク電流測定値が容量性リーク電流を含むのか、あるいは抵抗性リーク電流を含むのかについての指示を提供するように構成される、請求項１８に記載のシステム（１０）。
【請求項２０】
複数の電流センサー（１６、１８、２０）を含み、前記複数の電流センサー（１６、１８、２０）の各々は、前記第１の組の巻線（４４）および前記第２の組の巻線（４６）を含み、前記第１の組の巻線（４４）に対応する巻数は、前記第２の組の巻線（４６）に対応する巻数に等しくない、請求項１８に記載のシステム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する発明の主題は、工業用機械に関し、特に、工業用機械と関係し得るリーク電流をモニターするためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気モーターおよび発電機などの特定の同期および／または非同期機械は、動作中に機械のステータ巻線のリーク電流を経験することがあり得る。具体的には、ステータ巻線が緊密に近接した金属巻線を含むことができるので、モーターのステータ巻線は固有の静電容量の影響を受けやすい（例えば、容量性電流リーク）。また電気機械は、ステータ巻線を保護する最適ではない、あるいは効果のない絶縁によるリーク電流を経験することもあり得る（例えば、抵抗性電流リーク）。リーク電流を検出するために、センサーを設けることができる。残念なことに、センサーは周囲温度および／または動作温度の変化に非常に敏感である場合があり、このように、検出されるリーク電流に対して歪んだ値を生成するおそれがある。したがって、リーク電流を検出するための改良されたセンサーを提供することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０７３７５２号明細書
【発明の概要】
【０００４】
最初に請求する本発明の範囲に相応する特定の実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は特許請求される発明の範囲を限定しようとするものではなく、むしろ、これらの実施形態は本発明の可能性がある形式の概要を提供しようとするものにすぎない。実際、本発明は、以下に記載する実施形態に類似してもよく、あるいは異なってもよい様々な形態を含むことができる。
【０００５】
第１の実施形態によれば、システムは、工業用機械の動作と関係するリーク電流を検出するように構成されるセンサーを含む。センサーは、コアおよびコアの第１の部分を囲む第１の巻線を含む。第１の巻線は、第１の巻数を含む。第１の巻線は、工業用機械の動作と関係する一組の電流測定値を取得するように構成される。センサーは、コアの第２の部分を囲む第２の巻線を含む。第２の巻線は、第２の巻数を含む。第２の巻線は、工業用機械の動作と関係する一組の電流測定値を取得するように構成される。第１の巻線および第２の巻線は、一組の電流測定値に基づいてそれぞれの出力を生成するように各々構成される。それぞれの出力は、コアの温度に基づいて一組の電流測定値の歪みの発生を低減するために用いられるように構成される。
【０００６】
第２の実施形態によれば、非一時的コンピュータ可読媒体は、それにコンピュータ実行可能コードが記憶され、コードは、電流センサーのコアの周りに巻き付けられた第１の組の巻線および第２の組の巻線と関係する線間電圧測定値を受け取り、電流センサーを介して複数のリーク電流測定値を受け取り、第１の組の巻線および第２の組の巻線のそれぞれの出力電圧の振幅および位相角を計算する命令を含む。それぞれの出力電圧の振幅および位相は、線間電圧測定に参照される。コードは、それぞれの出力電圧の位相角に少なくとも部分的に基づいて、第１の組の巻線および第２の組の巻線の各々に対応する位相変移角および透磁率値を計算し、位相変移角および透磁率値に基づいて１つまたは複数の補正係数を導出する命令を含む。１つまたは複数の補正係数は、リーク電流測定値の温度に基づく歪みまたは経年に基づく歪みを補正するように構成される。
【０００７】
第３の実施形態によれば、システムは、電流センサーのコアの周りに巻き付けられた第１の組の巻線および第２の組の巻線と関係する線間電圧測定値を受け取り、電流センサーを介して複数のリーク電流測定値を受け取り、第１の組の巻線および第２の組の巻線のそれぞれの出力電圧の振幅および位相角を計算するように構成されるプロセッサを含む。それぞれの出力電圧の振幅および位相は、線間電圧測定に参照される。プロセッサは、それぞれの出力電圧の位相角に少なくとも部分的に基づいて、第１の組の巻線に対応する第１の位相変移角および第２の組の巻線に対応する第２の位相変移角を計算し、それぞれの出力電圧の位相角に少なくとも部分的に基づいて、電流センサーのコアの透磁率値を計算し、位相変移角および透磁率値に基づいて１つまたは複数の補正係数を導出するように構成される。１つまたは複数の補正係数は、リーク電流測定値の温度に基づく歪みまたは経年に基づく歪みを補正するように構成される。
【０００８】
本発明のこれらの、ならびに他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、より良く理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態による、工業用機械およびコントローラを含む制御システムの実施形態のブロック図である。
【図２】本実施形態による、第１の巻線および第２の巻線を含む図１のシステムの等価回路の実施形態のブロック図である。
【図３】本実施形態による、信号調整回路を含む図２の等価回路の詳細ブロック図である。
【図４】本実施形態による、検出されたリーク電流信号の温度に基づく歪みを補正することに役立つ処理の実施形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下で、本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようと努力しても、実際の実施の全ての特徴を本明細書に記載することができるというわけではない。エンジニアリングまたは設計プロジェクトのような実際の実施の開発においては、開発者の特定の目的を達成するために、例えばシステム関連および事業関連の制約条件への対応など実施に特有の決定を数多くしなければならないし、また、これらの制約条件は実施ごとに異なる可能性があることが理解されるべきである。さらに、このような開発作業は複雑で時間がかかるかもしれないが、にもかかわらず、この開示の利益を得る当業者にとっては、設計、製作、および製造の日常的な仕事であることが理解されるべきである。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の要素を導入する場合に、単数の表現および「前記」は１つまたは複数の要素があることを意味するものである。「備える」、「含む」、および「有する」という用語は、包括的なものであって、列挙された要素以外の付加的な要素があり得ることを意味するものである。
【００１２】
本実施形態は、例えば、センサーの周囲温度および／もしくは動作温度の変化ならびに／またはセンサーのコアの機械的応力について補正し補償することによって検出されるリーク電流の正確な測定を提供するために用いることができる２巻線構成電流センサーに関する。一実施形態では、センサーは、高感度変流器（ＨＳＣＴ）を含んでもよい。具体的には、センサーは、第１の巻数を有する第１の組の巻線および第２の巻数を有する第２の組の巻線を含んでもよい。第１の組の巻線および第２の組の巻線は、センサーのコアに独立に巻き付けられてもよく、そのようにすると、センサーは少なくとも２つの電圧出力を提供する。一実施形態では、１期間当たりセンサーの２つの電圧出力のうちの１つの信号だけが電気的に接続され処理されることを確実にするために、２つの出力は多重化機能を有する信号調整回路の入力に接続することができる。２つの電圧出力（ならびに、電流センサーおよび高電圧センサーによって得られた他の測定値）およびセンサーのパラメータに基づいて、第１の組の巻線および第２の組の巻線に対応するそれぞれの位相変移ならびにセンサーのコアの瞬間的な透磁率（例えば、直前の周囲温度および／または動作温度に対応する）を計算することができ、例えば、検出されるリーク電流に現れる可能性がある任意の誤差を補償または補正するために用いることができる。さらに、２つの電圧出力、および、さらに拡張して、第１の組の巻線および第２の組の巻線のそれぞれの位相変移に基づいて、検出されたリーク電流が容量性リーク電流を含むのか、抵抗性リーク電流を含むのか、あるいは容量性リーク電流と抵抗性リーク電流との組み合わせを含むのかについての指示を提供することができる。実際、本実施形態は主に電流センサーに関して説明しているが、本明細書で説明する技術が任意のコアに基づくセンサーおよび／または他のコアに基づくデバイスに適用できることが理解されるべきである。
【００１３】
上記を考慮して、例えば図１に示す例示的な工業用機械および制御システム１０などの工業用機械および制御システムを説明することが有益であり得る。図示するように、システム１０は、全てコントローラ２６に通信可能に結合される、いくつかのステータ巻線１４、いくつかのリーク電流センサー１６、１８および２０、ならびにいくつかの電圧センサー２２、２４および２５を含む工業用機械１２を含むことができる。工業用機械１２は、別のシステムまたはデバイスを駆動するために電力入力を機械的出力に変換することに役立つ任意の単相もしくは多相の同期機械、非同期機械、または誘導機械でもあってもよい。例えば、特定の実施形態では、工業用機械１２は、単相もしくは多相電気モーターまたは誘導モーターであってもよく、あるいは、他の実施形態では発電機であってもよい。このように、図示するように、工業用機械１２は、ステータ巻線１４を含むことができる。認識できるように、ステータ巻線１４は、電流によって励磁されると磁極を形成するように鉄の磁気コアの周りに巻き付けられ得る単相または多相の導体（例えば、位相ａ、ｂ、ｃ）を含むことができる。図示していないが、ステータ巻線１４の巻線によって生成される磁場がドライブシャフトを回転させることができることが理解されるべきである。
【００１４】
上述したように、いくつかのリーク電流センサー１６、１８および２０は、ステータ巻線１４の三相（例えば、位相ａ、ｂ、ｃ）の各々に、およびさらに拡張して機械１２に通信可能に結合することができる。特定の実施形態では、リーク電流センサー１６、１８および２０は、例えば、高感度変流器（ＨＳＣＴ）、他の変流器（ＣＴ）、あるいは電気的におよび／または通信可能に結合される相導体２７を流れる検出される電流に比例する信号（例えば、ＡＣ／ＤＣ電圧または電流）を出力する任意のデバイスを含んでもよい。また、図示するように、いくつかの電圧センサー２２、２４および２５は、ステータ巻線１４の三相（例えば、位相ａ、ｂ、ｃ）の各々に、およびさらに拡張して機械１２に通信可能に結合することができる。電圧センサー２２、２４および２５は、例えば、三相導体２７の検出される電圧に比例する電圧を生成することに役立つ様々な高電圧センサー（ＨＶＳ）（例えば、高電圧デバイダ）のいずれかを含んでもよい。
【００１５】
特定の実施形態では、リーク電流センサー１６、１８および２０は、ステータ巻線１４の三相導体２７（例えば、位相ａ、ｂ、ｃ）の各々に対応するリーク電流センサー・インターフェース・モジュール２８、３０および３２に通信可能に結合することができる。リーク電流センサー・インターフェース・モジュール２８、３０および３２は、リーク電流センサー１６、１８および２０の出力を処理し（例えば、オンサイト）、続いてリーク電流センサー出力をコントローラ２６に配信することに有益であり得る。またリーク電流センサー１６、１８および２０は、電流センサー・インターフェース・モジュール２８、３０および３２に出力を送信する前にリーク電流センサー出力に１つまたは複数の処理操作を実行するためのプロセッサ（例えば、マイクロコントローラ）を含んでもよい。同様に、電圧センサー２２、２４および２５は、ステータ巻線１４の三相導体２７（例えば、位相ａ、ｂ、ｃ）に対応する電圧センサー・インターフェース・モジュール３４、３５および３６に、通信可能に結合することができる。電圧センサー・インターフェース・モジュール３４、３５および３６は、電圧センサー２２、２４および２５の出力を処理し（例えば、オンサイト）、続いて電圧センサー出力をコントローラ２６に配信することに有益であり得る。このように、電流センサー・インターフェース・モジュール２８、３０および３２、ならびに電圧センサー・インターフェース・モジュール３４、３５および３６が、上述した機能および／または動作を実行するために１つもしくは複数のプロセッサ（例えばプロセッサ３７など）およびメモリ（例えばメモリ３９など）を含んでもよいことが理解されるべきである。
【００１６】
特定の実施形態では、コントローラ２６は、ステータ巻線１４の電流および／または電圧、ならびにさらに拡張して機械１２の出力（例えば、速度、トルク、および周波数など）を制御するための様々な制御アルゴリズムおよび技術を生成し実施するのに好適であり得る。またコントローラ２６は、技術者または技能者が、例えば機械１２の構成要素（例えば、リーク電流センサー１６、１８および２０、ならびに電圧センサー２２、２４および２５）などの、システム１０の構成要素をモニターすることができるオペレータインターフェースを提供することもできる。したがって、さらに認識されるように、コントローラ２６は、読み込み可能で実行可能なコンピュータ命令を処理する際に用いることができる１つもしくは複数のプロセッサ３７、ならびに読み込み可能で実行可能なコンピュータ命令および他のデータを記憶するために用いることができるメモリ３９を含むことができる。これらの命令は、例えばコントローラ２６のメモリ３９および／または他の記憶装置などの有形の非一時的コンピュータ可読媒体に記憶されるプログラムにコード化することができる。さらにまた、１つもしくは複数のプロセッサ３７およびメモリ３９によって、例えば、追加のハードウェア構成要素を含む必要なしに、ここに開示された技術の１つまたは複数を実行する命令を用いて、コントローラ２６をプログラム可能に改造することができる。
【００１７】
特定の実施形態では、コントローラ２６は、様々な工業用制御ソフトウェア、例えばヒューマン・マシン・インターフェース（ＨＭＩ）ソフトウェア、製造実行システム（ＭＥＳ）、分散制御システム（ＤＣＳ）、ならびに／または監視制御およびデータ収集（ＳＣＡＤＡ）システムなどのホストをつとめることもできる。例えば、一実施形態では、コントローラ２６は、ニューヨーク州Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙのジェネラルエレクトリック社から入手可能なモーター・ステータ・絶縁モニター（ＭＳＩＭ）（商標）であってもよい。このように、制御システムは、独立型制御システム、または機械１２の様々な動作パラメータをモニターし調整することに役立ついくつかの制御および／もしくはモニタリングシステムの１つであってもよい。さらに認識されるように、コントローラ２６は、三相（例えば、位相ａ、ｂ、ｃ）ステータ巻線１４と関係し得るリーク電流
【００１８】
【数１】
2015164390.tif 000003
【００１９】
【数２】
2015164390.tif 000004
【００２０】
および
【００２１】
【数３】
2015164390.tif 000005
【００２２】
ならびに／または損失係数（ＤＦ）をモニターするために用いることができる。具体的には、リーク電流
【００２３】
【数４】
2015164390.tif 000006
【００２４】
【数５】
2015164390.tif 000007
【００２５】
および
【００２６】
【数６】
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【００２７】
は、容量性リーク電流および／または抵抗性リーク電流の形で、ステータ巻線１４の１つまたは複数の位相において現れる場合があり得る。総リーク電流（例えば、容量性リーク電流および抵抗性リーク電流のベクトル和）は、持続するままにされた場合には、おそらくステータ巻線１４に機械的損傷または熱的損傷を与えるおそれがある。
【００２８】
次に図２を見ると、センサー１６の実施形態のブロック図が示されている。これから以後は、説明のために、センサー１６、１８および２０は、センサー１６（例えば、位相ａ）だけについて述べる。しかし、本実施形態が、センサー１６、１８および２０、またはシステム１０に存在し得る他のセンサー１６、１８および２０の各々に関して実施できることが理解されるべきである。さらにまた、図２では、工業用機械１２の位相の少なくとも１つ（例えば、位相ａ）は、等価負荷１４として示され、絶縁材料における経路は、静電容量Ｃleakageおよび抵抗Ｒleakageを含む等価回路４０として示される。図２のシステム１０は、等価な電圧源４１を含むこともでき、それは工業用機械１２および／または等価負荷１４に電力を提供するために用いることができる多相電圧源（例えば、単相または多相のグリッド電力）の１つの位相であってもよい。
【００２９】
図１に関して上述したように、センサー１６は、機械ステータ巻線１４の低レベルリーク電流を測定する際に役立つ任意のデバイスであってもよい。具体的には、図２に示すように、特定の実施形態では、センサー１６はコア４２およびコア巻線４４、４６を含む磁気コイルに基づく電流トランスデューサであってもよい。センサー１６のコア４２は、例えば、高ニッケル、鉄、スーパーマロイなどの高透磁率磁性材料、または機械的応力に対して高い感度を示すことができる他の類似の高透磁率磁性材料を含むことができる。さらに認識されるように、センサー１６の検出機能性は周囲温度および／または動作温度の変化に非常に敏感であり得る。特に、センサー１６のコア巻線４４、４６への熱の影響は、センサー１６のコア４２に実質的な機械的応力を経験させる場合がある。実際、温度変化およびさらに拡張して機械的応力によるセンサー１６の応答は非常に非線形であり得る。これは、結果として、センサー１６が、センサー１６の周囲温度および／または動作温度により望ましくなく変化する歪められたリーク電流測定値を生成するおそれがある。
【００３０】
具体的には、センサー１６は非常に非線形な温度応答を含む場合があり、したがって、センサー１６は周囲温度および／または動作温度の変化に非常に敏感であり得る。一実施形態では、非常に非線形な温度変化は、特定の動作温度範囲内であり得る。例えば、センサー１６の電圧出力の信号位相は、７０℃から０℃の間で約２０％変化し、０℃から−２０℃の間で約８０％まで変化し得る。特に、低い周囲温度（例えば、より冷たいまたは寒冷な温度）は、センサー１６のコア４２を縮小させ、著しい機械的応力を経験させる場合がある。またコア４２は、材料変化（例えば、分子および／またはデバイス特性の変化）を経験することもあり得る。これは、結果としてコア４２の磁性材料の透磁率の減少をもたらし、したがって、コア巻線４４および４６のインダクタンスを減少させるおそれがある。
【００３１】
したがって、機械的応力およびコアの材料変化を補償するために、特定の実施形態では、センサー１６は、コア４２の周りに各々巻き付けられた少なくとも２つのコア巻線４４、４６を含むことができる。コア巻線４４、４６は、電力入力Ｉinと電力出力Ｉoutとの差動電流を測定することにより、リーク電流を検出し測定するために用いることができる。ベクトル電流入力Ｉin、ベクトル電流出力Ｉout、および線間電圧の測定値に基づいて、コア４２の透磁率を計算することができる（例えば、センサー１６の一部として含まれ得る電流センサー・インターフェース・モジュール２８または他のプロセッサによって計算される）。センサー１６の出力信号の位相変移は、コア巻線４４、４６のインダクタンス（例えば、Ｌ1、Ｌ2）に反比例し、負荷抵抗（例えば、ＲL）に比例することがあり得る。
【００３２】
特定の実施形態では、コア巻線４４、４６は、電流入力Ｉinおよび電流出力Ｉoutの振幅および位相、ならびに温度変化、他の熱的効果、および／またはコア４２の材料に与える経年効果（例えば、透磁率クリープ）による変化を補正することができる測定値を測定するために用いることができる。具体的には、巻線４４は特定の巻数（Ｎ1）を有するように構成することができ、巻線４６は特定の巻数（Ｎ2）を有するように構成することができる。特定の実施形態では、巻線４４と巻線４６との巻数の比は、１．５：１の比、２：１の比、３：２の比、４：３の比、または巻数（Ｎ1）が巻数（Ｎ2）に等しくない他の比とすることができる。図示するように、巻線４４および巻線４６は、センサー１６のコア４２の周りに、別々に、かつ独立に巻き付けることができる。したがって、電流を測定する際に、センサー１６は少なくとも２つの独立な電圧出力（例えば、Ｏｕｔｐｕｔ1およびＯｕｔｐｕｔ2）を与えることができる。
【００３３】
特定の実施形態では、図３に示すように、センサー１６のＯｕｔｐｕｔ1およびＯｕｔｐｕｔ2（例えば、巻線４４および巻線４６の電圧に対応する）は、信号調整回路４８（例えば、これは電流センサー・インターフェース・モジュール２８、３０および３２の１つまたは複数の中に含まれ得る）の入力に各々結合することができ、信号調整回路４８は、Ｏｕｔｐｕｔ1およびＯｕｔｐｕｔ2の一方の信号だけが同時に電気的に接続され処理されることを確実にするように、多重化機能（例えば、多重化スイッチ５０）を含むことができる。センサー１６のＯｕｔｐｕｔ1およびＯｕｔｐｕｔ2の測定値、ならびに電圧源４１の測定された電圧（例えば、電圧センサー２２によって測定される）に基づいて、センサー１６のコア４２の瞬間的な透磁率（例えば、直前の周囲温度および／または動作温度に対応する透磁率）を計算することができる（例えば、電流センサー・インターフェース・モジュール２８またはセンサー１６の一部として含まれ得る他のプロセッサにより計算される）。それから、電流センサー・インターフェース・モジュール２８（または電流センサー・インターフェース・モジュール３０および３２）は、例えば、検出されたリーク電流信号
【００３４】
【数７】
2015164390.tif 000009
【００３５】
【数８】
2015164390.tif 000010
【００３６】
および
【００３７】
【数９】
2015164390.tif 000011
【００３８】
に存在し得る任意の誤差を補償するために、瞬間的な透磁率を用いることができる。実際、さらに認識されるように、Ｏｕｔｐｕｔ1およびＯｕｔｐｕｔ2の測定値に基づいて、電流センサー・インターフェース・モジュール２８（または電流センサー・インターフェース・モジュール３０および３２）は、コア巻線４４により測定される位相変移（Θ＋α）°、およびコア巻線４６により測定される位相変移（Θ＋β）°を測定することができる。具体的には、さらに認識されるように、電流センサー・インターフェース・モジュール２８（または電流センサー・インターフェース・モジュール３０および３２）は、検出されたリーク電流信号
【００３９】
【数１０】
2015164390.tif 000012
【００４０】
【数１１】
2015164390.tif 000013
【００４１】
および
【００４２】
【数１２】
2015164390.tif 000014
【００４３】
と関係する特定の位相角Θ、ならびにコア巻線４４および４６によってそれぞれ導入され得る位相変移と関係する特定の位相角αおよびβを計算するために、Ｏｕｔｐｕｔ1およびＯｕｔｐｕｔ2を用いることができる。このようにして、電流センサー・インターフェース・モジュール２８（または電流センサー・インターフェース・モジュール３０および３２）は、検出されたリーク電流
【００４４】
【数１３】
2015164390.tif 000015
【００４５】
【数１４】
2015164390.tif 000016
【００４６】
および
【００４７】
【数１５】
2015164390.tif 000017
【００４８】
が容量性リーク電流を含むのか、抵抗性リーク電流を含むのか、あるいは容量性リーク電流と抵抗性リーク電流との組み合わせを含むのかについての指示を提供することができる。
【００４９】
例えば、特定の実施形態では、センサー１６（またはセンサー１８および２０）は、リーク電流測定値
【００５０】
【数１６】
2015164390.tif 000018
【００５１】
【数１７】
2015164390.tif 000019
【００５２】
および
【００５３】
【数１８】
2015164390.tif 000020
【００５４】
を取得することができ、これらは以下のように表すことができる。
【００５５】
【数１９】
2015164390.tif 000021
【００５６】
それから、電圧出力Ｏｕｔｐｕｔ1およびＯｕｔｐｕｔ2を（例えば、電流センサー・インターフェース・モジュール２８、３０および３２の１つもしくは複数、あるいはそれぞれのセンサー１６、１８、２０の一部として含まれ得る他のプロセッサによって）、以下のように計算することができる。
【００５７】
【数２０】
2015164390.tif 000022
【００５８】
および
【００５９】
【数２１】
2015164390.tif 000023
【００６０】
上述したように、位相角Θは、検出されたリーク電流
【００６１】
【数２２】
2015164390.tif 000024
【００６２】
の位相角であり得る。上記の式（２）および式（３）の位相角αおよびβは、周囲温度および／もしくは動作温度、ならびに／またはセンサー１６の古くなったコア、さらに拡張してセンサー１６（またはセンサー１８および２０）のコア４２の機械的応力に基づく歪みにより、センサー１６（またはセンサー１８および２０）のコア巻線４４、４６によって導入され得るそれぞれの位相変移を表すことができる。同様に、
【００６３】
【数２３】
2015164390.tif 000025
【００６４】
および
【００６５】
【数２４】
2015164390.tif 000026
【００６６】
は、巻線４４、４６に対応するセンサー１６（またはセンサー１８および２０）の機能性を説明するために用いられるそれぞれの伝達関数を表すことができる。したがって、伝達関数
【００６７】
【数２５】
2015164390.tif 000027
【００６８】
および
【００６９】
【数２６】
2015164390.tif 000028
【００７０】
に基づいて、それぞれの位相変移角αおよびβ、ならびに透磁率（例えば、それは温度およびコア４２の年数の関数として変化し得る）を（例えば、電流センサー・インターフェース・モジュール２８、３０および３２の１つもしくは複数、あるいはそれぞれのセンサー１６、１８、２０の一部として含まれ得る他のプロセッサによって）、以下の式に従って計算することができる。
【００７１】
【数２７】
2015164390.tif 000029
【００７２】
および
【００７３】
【数２８】
2015164390.tif 000030
【００７４】
このように、センサー１６のコア４２の瞬間的な透磁率μ（例えば、直前の周囲温度および／または動作温度に対応する）、ならびに位相変移角αおよびβは、センサー１６のそれぞれのコア巻線４４および４６を介して検出される独立な電圧出力Ｏｕｔｐｕｔ1およびＯｕｔｐｕｔ2に基づいて計算することができる。具体的には、図示するように、位相変移角αおよびβは、巻線４４および４６のインダクタンス（例えば、Ｌ1、Ｌ2）に反比例し、負荷抵抗（例えば、ＲL）およびセンサー１６の巻線抵抗（例えば、ＲS2）に比例し得る。それから、電流センサー・インターフェース・モジュール２８（または電流センサー・インターフェース・モジュール３０および３２）は、例えば、検出されたリーク電流信号
【００７５】
【数２９】
2015164390.tif 000031
【００７６】
に存在し得る任意の誤差を補償または補正するために、瞬間的な透磁率を用いることができる。このようにして、センサー１６（またはセンサー１８および２０）は、例えば、周囲温度および／もしくは動作温度、またはセンサー１６（またはセンサー１８および２０）の年数、ならびに／またはこれらに基づくコア４２の機械的応力にかかわらず、リーク電流信号
【００７７】
【数３０】
2015164390.tif 000032
【００７８】
【数３１】
2015164390.tif 000033
【００７９】
および
【００８０】
【数３２】
2015164390.tif 000034
【００８１】
の正確な測定値を提供することができる。さらに、電流センサー・インターフェース・モジュール２８（または電流センサー・インターフェース・モジュール３０および３２）は、検出されたリーク電流
【００８２】
【数３３】
2015164390.tif 000035
【００８３】
が容量性リーク電流を含むのか、抵抗性リーク電流を含むのか、あるいは容量性リーク電流と抵抗性リーク電流との組み合わせを含むのかについての指示を提供することができる。
【００８４】
次に図４を見ると、例えば、電流センサー・インターフェース・モジュール２８、３０および３２、または図１に示すシステム１０に含まれるセンサー１６、１８および２０の一部として含まれ得る１つもしくは複数のプロセッサを用いることによって、検出されたリーク電流信号の温度に基づく歪みおよび経年に基づく歪みを補正する際に役立つ処理５２の実施形態を示すフローチャートを示す。処理５２は、非一時的機械可読媒体（例えばメモリ３９など）に記憶され、例えば、１つもしくは複数の電流センサー・インターフェース・モジュール２８、３０および３２、ならびに／または他の処理デバイスによって実行されるコードまたは命令を含むことができる。処理５２は、センサー１６、１８および２０の１つもしくは複数がリーク電流測定値（例えば、リーク電流信号
【００８５】
【数３４】
2015164390.tif 000036
【００８６】
【数３５】
2015164390.tif 000037
【００８７】
および
【００８８】
【数３６】
2015164390.tif 000038
【００８９】
）
および線間電圧測定値を取得する（ブロック５４）ことから開始することができる。処理５２は続けて、１つもしくは複数の電流センサー・インターフェース・モジュール２８、３０および３２、ならびに／または他の処理デバイス（例えば、１つまたは複数のセンサー１６、１８および２０の一部として含まれる）が、第１および第２の組のコア巻線４４および４６の各々の出力電圧（例えば、Ｏｕｔｐｕｔ1およびＯｕｔｐｕｔ2）を計算し（ブロック５６）、そして、第１および第２の組のコア巻線４４および４６の各々の出力電圧（例えば、Ｏｕｔｐｕｔ1およびＯｕｔｐｕｔ2）の位相角（Θ＋α）°および（Θ＋β）°を（例えば、線間電圧を参照して）決定することができる。
【００９０】
それから、処理５２は続けて、１つもしくは複数の電流センサー・インターフェース・モジュール２８、３０および３２、ならびに／または他の処理デバイス（例えば、１つまたは複数のセンサー１６、１８および２０の一部として含まれる）が、例えば、それぞれの出力電圧（例えば、Ｏｕｔｐｕｔ1およびＯｕｔｐｕｔ2）ならびにコア巻線４４および４６の出力電圧（例えば、Ｏｕｔｐｕｔ1およびＯｕｔｐｕｔ2）の関係する位相角（Θ＋α）°および（Θ＋β）°に基づいて、それぞれの巻線４４および４６によって導入され得る第１および第２の位相変移角α°およびβ°ならびにコア４２の透磁率値μを計算することができる（ブロック５８）。それから、処理５２は、１つもしくは複数の電流センサー・インターフェース・モジュール２８、３０および３２、ならびに／または他の処理デバイス（例えば、１つまたは複数のセンサー１６、１８および２０の一部として含まれる）が、巻線４４および４６と関係する第１および第２の位相変移角ならびにコア４２の透磁率値に基づいて、リーク電流測定値（例えば、リーク電流信号
【００９１】
【数３７】
2015164390.tif 000039
【００９２】
【数３８】
2015164390.tif 000040
【００９３】
および
【００９４】
【数３９】
2015164390.tif 000041
【００９５】
）
の１つもしくは複数の温度に基づくおよび経年に基づく誤差および／または歪みを補正して（ブロック６０）、終了する。具体的には、１つまたは複数の補正係数を生成することができる。図３に関して上述したように、このようにして、センサー１６（またはセンサー１８および２０）は、例えば、周囲温度および／もしくは動作温度、ならびにセンサー１６（またはセンサー１８および２０）の年数、ならびに／またはこれらに基づくコア４２の機械的応力にかかわらず、リーク電流信号
【００９６】
【数４０】
2015164390.tif 000042
【００９７】
【数４１】
2015164390.tif 000043
【００９８】
および
【００９９】
【数４２】
2015164390.tif 000044
【０１００】
の正確な測定値を提供することができる。さらに、電流センサー・インターフェース・モジュール２８（または電流センサー・インターフェース・モジュール３０および３２）は、検出されたリーク電流測定値（例えば、リーク電流信号
【０１０１】
【数４３】
2015164390.tif 000045
【０１０２】
【数４４】
2015164390.tif 000046
【０１０３】
および
【０１０４】
【数４５】
2015164390.tif 000047
【０１０５】
）
が容量性リーク電流を含むのか、抵抗性リーク電流を含むのか、あるいは容量性リーク電流と抵抗性リーク電流との組み合わせを含むのかについての指示を提供することができる。
【０１０６】
本実施形態の技術的効果は、例えば、センサーの周囲温度および／もしくは動作温度の変化ならびに／またはセンサーのコアの機械的応力について補正し補償することによって検出されるリーク電流の正確な測定を提供するために用いることができる２巻線構成電流センサーに関する。一実施形態では、センサーは、高感度変流器（ＨＳＣＴ）を含んでもよい。具体的には、センサーは、第１の巻数を有する第１の組の巻線および第２の巻数を有する第２の組の巻線を含んでもよい。第１の組の巻線および第２の組の巻線は、センサーのコアに独立に巻き付けられてもよく、そのようにすると、センサーは少なくとも２つの電圧出力を提供する。一実施形態では、１期間当たりセンサーの２つの電圧出力のうちの１つの信号だけが電気的に接続され処理されることを確実にするために、２つの出力は多重化機能を有する信号調整回路の入力に接続することができる。２つの電圧出力（ならびに、電流センサーおよび高電圧センサーによって得られた他の測定値）およびセンサーのパラメータに基づいて、第１の組の巻線および第２の組の巻線に対応するそれぞれの位相変移ならびにセンサーのコアの瞬間的な透磁率（例えば、直前の周囲温度および／または動作温度に対応する）を計算することができ、例えば、検出されるリーク電流に現れる可能性がある任意の誤差を補償または補正するために用いることができる。さらに、２つの電圧出力、および、さらに拡張して、第１の組の巻線および第２の組の巻線のそれぞれの位相変移に基づいて、検出されたリーク電流が容量性リーク電流を含むのか、抵抗性リーク電流を含むのか、あるいは容量性リーク電流と抵抗性リーク電流との組み合わせを含むのかについての指示を提供することができる。
【０１０７】
本明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許され得る範囲は、請求項によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にある。
【符号の説明】
【０１０８】
１０  システム
１２  工業用機械
１４  ステータ巻線（等価負荷）
１６、１８、２０  リーク電流センサー
２２、２４、２５  電圧センサー
２６  コントローラ
２７  三相導体
２８、３０、３２  リーク電流センサー・インターフェース・モジュール
３４、３５、３６  電圧センサー・インターフェース・モジュール
３７  プロセッサ
３９  メモリ
４０  等価回路
４１  電圧源
４２  コア
４４、４６  コア巻線
４８  信号調整回路
５０  多重化スイッチ
５２  処理
５４、５６、５８、６０  ブロック
【図１】
2015164390.tif 000048
【図２】
2015164390.tif 000049
【図３】
2015164390.tif 000050
【図４】
2015164390.tif 000051
【外国語明細書】
2015164390000001.pdf