(57)【要約】【課題】コアレス電流センサを利用した電流測定装置の測定精度の向上および小型／軽量化を図る。【解決手段】電流測定装置１０は、電源装置１からモータ４へ電力を供給する導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗを介して流れる電流を測定する。コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、それぞれ、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗの間に配置される。実測により、各導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗを介して流れる電流と各コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧との間の関係を表す各係数を予め取得する。信号処理装置１２は、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗを介して流れる電流の総和がゼロであることを利用して、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力信号および先に取得した係数に基づいて、各導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗを介して流れる電流を算出する。【選択図】図１
2008058035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
総和がゼロとなる電流が流れる３本の導体の各導体の電流値を測定する電流測定装置であって、
前記３本の導体に対して所定の相対位置に配置される第１および第２のコアレス電流センサと、
各導体を介して流れる電流値と各コアレス電流センサの出力信号との間の関係を表す係数を保持する保持手段と、
前記３本の導体を介して流れる電流値の総和がゼロであることを利用して、前記第１および第２のコアレス電流センサの出力信号および前記保持手段に保持されている各係数に基づいて、各導体を介して流れる電流値を算出する算出手段、
を有することを特徴とする電流測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電流測定装置であって、
前記３本の導体は、同一の略平面内に平行に配置されており、
前記第１のコアレス電流センサは、前記３本の導体の中の第１の導体と第２の導体との間に配置され、前記第２のコアレス電流センサは、前記３本の導体の中の前記第２の導体と第３の導体との間に配置されている
ことを特徴とする電流測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電流測定装置であって、
前記３本の導体には、スイッチング電源により生成される３相交流電流が流れ、
前記算出手段は、前記スイッチング電源におけるスイッチングタイミングと異なるタイミングにおいて、前記第１および第２のコアレス電流センサの出力信号を読み取る
ことを特徴とする電流測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電流測定装置であって、
前記３本の導体および前記第１および第２のコアレス電流センサを取り囲むシールド部材をさらに備える
ことを特徴とする電流測定装置。
【請求項５】
総和がゼロとなる電流が流れる３本の導体の各導体の電流値を測定する電流測定方法であって、
前記３本の導体に対して所定の相対位置に第１および第２のコアレス電流センサを配置し、
各導体に既知の電流を流したときの各コアレス電流センサの出力信号を実測することにより、各導体を介して流れる電流値と各コアレス電流センサの出力信号との間の関係を表す係数を取得し、
前記３本の導体を介して流れる電流値の総和がゼロであることを利用して、前記第１および第２のコアレス電流センサの出力信号および前記取得した各係数に基づいて、各導体を介して流れる電流値を算出する、
ことを特徴とする電流測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コアレス電流センサを用いて電流を測定する電流測定装置および電流測定方法に係わる。
【背景技術】
【０００２】
導体に流れる電流をその導体から絶縁された状態で測定する手法として、カレントトランス等を利用する構成が知られている。この構成では、導体の周辺に発生する磁束を集磁するための磁気コアが必要となる。しかし、磁気コアを備える電流センサは、一般に、磁気損失による発熱量が多く、また、小型化、軽量化、低コスト化において問題があった。
【０００３】
これらの問題を解決する構成として、コアレス電流センサを利用する電流測定装置の開発が進められている。コアレス電流センサとしては、磁束密度に対応する電圧を生成するデバイス（例えば、ホール素子など）が知られている。
【０００４】
特許文献１には、等間隔に配置された３本の導体に流れる各電流を検出するために４個の磁気センサを備える構成が記載されている。４個の磁気センサは、等間隔に配置されている。ここで、磁気センサの個数を測定対象の導体の本数よりも多くすることにより、外部の磁界（すなわち、測定対象の３本の導体に流れる電流以外の要因によって発生する磁界）の影響を相殺している。そして、各磁気センサの出力信号に基づいて所定の演算を行うことにより、各導体を流れる電流が算出される。
【特許文献１】特開２００５−２０７７９１号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、各磁気センサの特性が均一でない場合、各磁気センサと測定対象の導体との間隔（磁気センサの配置）が均等でない場合、外部磁界が均一でない場合には、電流を正確に測定することができない。また、磁気センサの個数が導体の本数より多くなるという問題もある。さらに、スイッチング電源によって生成される交流を測定する場合には、そのスイッチングに起因するノイズの影響を受けるおそれがある。
【０００６】
本発明の課題は、コアレス電流センサを利用した電流測定装置の測定精度の向上および小型／軽量化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電流測定装置は、総和がゼロとなる電流が流れる３本の導体の各導体の電流値を測定することを前提とし、前記３本の導体に対して所定の相対位置に配置される第１および第２のコアレス電流センサと、各導体を介して流れる電流値と各コアレス電流センサの出力信号との間の関係を表す係数を保持する保持手段と、前記３本の導体を介して流れる電流値の総和がゼロであることを利用して、前記第１および第２のコアレス電流センサの出力信号および前記保持手段に保持されている各係数に基づいて、各導体を介して流れる電流値を算出する算出手段、を有する。
【０００８】
上記電流測定装置においては、各導体を介して流れる電流値と各コアレス電流センサの出力信号との間の関係が予め得られている。よって、３本の導体を介して流れる電流値の総和がゼロであることを利用すれば、測定対象の導体の数（すなわち、３本）よりも少ない個数（すなわち、２個）のコアレス電流センサで、各導体を介して流れる電流を測定することができる。
【０００９】
上記３本の導体が同一の略平面内に平行に配置されている場合には、前記第１のコアレス電流センサを、前記３本の導体の中の第１の導体と第２の導体との間に配置し、前記第２のコアレス電流センサを、前記３本の導体の中の前記第２の導体と第３の導体との間に配置してもよい。このような配置とすれば、発生する磁束を有効に利用しながら、電流測定装置の小型化を図ることができる。
【００１０】
スイッチング電源により生成される３相交流電流が上記３本の導体に流れる場合には、前記算出手段は、前記スイッチング電源におけるスイッチングタイミングと異なるタイミングにおいて、前記第１および第２のコアレス電流センサの出力信号を読み取るようにしてもよい。この構成によれば、スイッチングノイズの影響を受けることなく、導体を介して流れる電流を正確に測定できる。
【００１１】
上記電流測定装置は、前記３本の導体および前記第１および第２のコアレス電流センサを取り囲むシールド部材をさらに備えるようにしてもよい。この構成によれば、外部磁界の影響を抑えることができる。
【００１２】
本発明の電流測定方法は、総和がゼロとなる電流が流れる３本の導体の各導体の電流値を測定することを前提とし、前記３本の導体に対して所定の相対位置に第１および第２のコアレス電流センサを配置し、各導体に既知の電流を流したときの各コアレス電流センサの出力信号を実測することにより、各導体を介して流れる電流値と各コアレス電流センサの出力信号との間の関係を表す係数を取得し、前記３本の導体を介して流れる電流値の総和がゼロであることを利用して、前記第１および第２のコアレス電流センサの出力信号および前記取得した各係数に基づいて、各導体を介して流れる電流値を算出する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、コアレス電流センサを利用した電流測定装置の測定精度の向上および小型／軽量化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の電流測定装置は、総和がゼロとなる電流が流れる３本の導体の各電流を測定する形態を前提とする。そして、以下では、電源装置からモータに供給される３相交流の各相の電流を測定する実施形態を説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態の電流測定装置の使用例を示す図である。図１において、電源装置１は、３相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を生成してモータ４に供給する。ここで、電源装置１は、複数のスイッチング素子を含んで構成されるインバータ回路２、およびインバータ回路２を制御する制御部３を備えるスイッチング電源である。そして、電源装置１とモータ４との間は、３本の導体（５Ｕ、５Ｖ、５Ｗ）により接続されている。
【００１６】
電流測定装置１０は、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂ（第１および第２のコアレス電流センサ）、および信号処理部１２を含んで構成され、導体５Ｕ（第１の導体）、導体５Ｖ（第２の導体）、導体５Ｗ（第３の導体）を介して流れる電流をそれぞれ測定する。コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、特に限定されるものではないが、例えば、ホール素子を利用して構成され、磁束密度に対応する電圧を出力する。信号処理部１２（算出手段）は、例えばマイコンであり、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂからの出力信号に基づいて導体５Ｕ、導体５Ｖ、導体５Ｗを介して流れる電流をそれぞれ算出する。ここで、信号処理部１２は、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂにより得られる電圧信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄコンバータを内蔵していてもよい。また、信号処理部１２は、電源装置１の動作を制御するマイコンの一部機能として提供されるようにしてもよく、その場合、そのマイコンによって制御部３および信号処理部１２が実現されるようにしてもよい。
【００１７】
図２は、コアレス電流センサの配置について説明する図である。なお、この実施例において、導体５Ｕ、導体５Ｖ、導体５Ｗは、それぞれバスバーであり、互いに平行に等間隔に配置されているものとする。また、各導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗを介して流れる電流は、特に限定されるものではないが、例えば、数Ａ〜数百Ａである。
【００１８】
コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、それぞれ、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗに対して所定の相対位置に配置される。図２に示す例では、導体５Ｕ、５Ｖ間にコアレス電流センサ１１Ａが配置され、導体５Ｖ、５Ｗ間にコアレス電流センサ１１Ｂが配置されている。ここで、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗ、およびコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、例えば、略同一平面内に配置される。この場合、コアレス電流センサ１１Ａは、導体５Ｕ、５Ｖから等距離に配置されることが好ましく、コアレス電流センサ１１Ｂは、導体５Ｖ、５Ｗから等距離に配置されることが好ましい。ただし、図２に示す配置は一実施例であり、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、感度の低下を考えなければ、互いに同じでない所望の２点に配置することができる。
【００１９】
コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂを上述のようにして導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗに対して所定の相対位置に配置した後、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗ、およびコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、その相対位置を保持するように樹脂等によって固定される。さらに、その樹脂の外側には、外部磁束を遮蔽するためのシールド部材が設けられる。シールド部材は、例えば、鉄板である。
【００２０】
図３は、実施形態の電流測定装置による測定方法を説明する図である。以下では、電源装置１からモータ４に向かう方向を「正（＋）」とする。
＜準備＞
実施形態の電流測定装置１０は、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗを介して流れる電流を測定する前の準備段階において、その測定に必要な係数を取得し、信号処理部１２が備える記憶領域（保持手段）に保持する。ここで、この記憶領域は、不揮発性メモリまたはレジスタ等のハードウェア資源である。なお、準備段階において、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗ、およびコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、既に、上述のようにして樹脂等によって固定されているが、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗに電源装置１およびモータ４は接続されていない。また、上述したように、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗ、およびコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、シールド部材により遮蔽されているので、外部磁界の影響は無視できるものとする。
【００２１】
一般に、導体に電流Ｉが流れたとき、その導体から距離ｒだけ離れた位置における磁束密度Ｂは、下式で表される。ここで、μ0 は、透磁率である。
【００２２】
【数１】
2008058035.tif 000003
【００２３】
また、コアレス電流センサとして、磁束密度Ｂに比例する電圧Ｖを出力する磁気センサを使用する場合、磁束は、下式によって電圧に変換される。ここで、Ｋs は、磁気センサの感度を表す比例定数である。
Ｖ＝Ｋs ×Ｂ
そして、まず、導体５Ｖおよび導体５Ｗに流れる電流をゼロに保持した状態で、導体５Ｕに既知の基準電流Ｉu0を流す。ここで、磁気センサの出力電圧は磁束密度に比例し、その磁束密度は導体を介して流れる電流に比例する。よって、コアレス電流センサ１１Ａの出力電圧Ｖua、およびコアレス電流センサ１１Ｂの出力電圧Ｖubは、それぞれ下式により表される。
Ｖua＝Ｋua×Ｉu0
Ｖub＝Ｋub×Ｉu0
ここで、係数Ｋuaおよび係数Ｋubは、それぞれ下式により表される。
【００２４】
【数２】
2008058035.tif 000004
【００２５】
なお、係数Ｋsaは、コアレス電流センサ１１Ａの感度を表す定数であり、係数Ｋsbは、コアレス電流センサ１１Ｂの感度を表す定数である。また、距離ｒuaは、導体５Ｕとコアレス電流センサ１１Ａとの間の距離を表し、距離ｒubは、導体５Ｕとコアレス電流センサ１１Ｂとの間の距離を表す。
【００２６】
このように、導体５Ｕのみに基準電流を流した状態でコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を検出することにより、２つの係数Kua、Ｋubが得られる。ここで、これらの係数（Kua、Ｋub）は、各センサの感度（Ｋsa、Ｋsb）および電流の流れている導体と各センサとの間の距離（ｒua、ｒub）の影響を含んでいる。したがって、製造ばらつき等によってコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの感度が誤差を持っていたとしても、或いは、導体５Ｕとコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂとの間の距離が適正距離からずれていたとしても、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を実測すれば、導体を介して流れる電流とコアレス電流センサの出力信号との間の関係を表す係数を取得することができる。
【００２７】
同様に、導体５Ｖのみに基準電流Ｉv0を流した状態で、下式によって表されるコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を検出する。
Ｖva＝Ｋva×Ｉv0
Ｖvb＝Ｋvb×Ｉv0
これにより、導体５Ｖを介して流れる電流とコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力信号との間の関係を表す２つの係数Kva、Ｋvbが得られる。
【００２８】
また、導体５Ｗのみに基準電流Ｉw0を流した状態で、下式によって表されるコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を検出する。
Ｖwa＝Ｋwa×Ｉw0
Ｖwb＝Ｋwb×Ｉw0
これにより、導体５Ｗを介して流れる電流とコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力信号との間の関係を表す２つの係数Kwa、Ｋwbが得られる。
【００２９】
上述のようにして得られた６個の係数（Ｋua、Ｋub、Ｋva、Ｋvb、Ｋwa、Ｋwb）は、信号処理部１２が備える記憶領域に書き込まれる。
＜測定＞
電源装置１からモータ４へ電力を供給するときに導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗを介して流れる電流を測定するためには、信号処理部１２は、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を読み込む。このとき、コアレス電流センサ１１Ａは、導体５Ｕを介して流れる電流Ｉu に起因して発生する磁束、導体５Ｖを介して流れる電流Ｉv に起因して発生する磁束、導体５Ｗを介して流れる電流Ｉw に起因して発生する磁束の影響を受ける。したがって、コアレス電流センサ１１Ａの出力電圧Ｖa は、下記（１）式により表される。
Ｖa ＝Ｋua×Ｉu ＋Ｋva×Ｉv ＋Ｋwa×Ｉw ・・・（１）
同様に、コアレス電流センサ１１Ｂの出力電圧Ｖb は、下記（２）式により表される。
Ｖb ＝Ｋub×Ｉu ＋Ｋvb×Ｉv ＋Ｋwb×Ｉw ・・・（２）
ここで、係数Ｋua、Ｋub、Ｋva、Ｋvb、Ｋwa、Ｋwbは、準備段階において取得して保持しておいた値が使用される。
【００３０】
ところで、電源装置１からモータ４へ向かう方向に流れる電流の総和は、ゼロになる。すなわち、下記（３）式が成立する。
Ｉu ＋Ｉv ＋Ｉw ＝０  ・・・（３）
したがって、（３）式を利用して（１）式および（２）式から「Ｉv 」を消去すると、下記の（４）式および（５）式が得られる。
Ｖa ＝（Ｋua−Ｋva）×Ｉu ＋（Ｋwa−Ｋva）×Ｉw ・・・（４）
Ｖb ＝（Ｋub−Ｋvb）×Ｉu ＋（Ｋwb−Ｋvb）×Ｉw ・・・（５）
そして、上記（３）〜（５）式より、電流Ｉu および電流Ｉw が得られる。
【００３１】
【数３】
2008058035.tif 000005
【００３２】
さらに、上記（３）の関係を考慮すれば、電流Ｉv も得られる。
このように、実施形態の電流測定装置１０によれば、各導体（５Ｕ、５Ｖ、５Ｗ）を介して流れる電流（Ｉu 、Ｉv 、Ｉw ）は、先に取得して保持してある６個の係数（Ｋua、Ｋub、Ｋva、Ｋvb、Ｋwa、Ｋwb）を利用するので、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力信号（Ｖa 、Ｖb ）に基づいて算出することができる。
＜測定のタイミング＞
図１に示す実施例では、電源装置１はスイッチング電源である。このため、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗ上には、電源装置１のスイッチングタイミングでノイズが発生する。したがって、信号処理部１２がコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を読み取るタイミングと電源装置１のスイッチングタイミングとが互いに一致すると、電流を正確に測定できなくなってしまう。そこで、実施形態の電流測定装置１０は、電源装置１のスイッチングタイミングと異なるタイミングにおいて、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力信号を読み取るように動作する。
【００３３】
図４は、測定タイミングの制御について説明する図である。ここでは、インバータ回路２はＰＷＭ制御されるものとし、各相のＰＷＭ信号は、それぞれ、制御部３において三角波信号と対応する制御信号とを比較することにより生成される。なお、３つの三角波信号の位相は、互いに１２０度ずつシフトしている。また、各三角波信号の振幅および周期はそれぞれ一定であるものとする。また、各相の制御信号は、それぞれ、モータ４の動作をモニタするフィードバック制御系により生成されるものとする。
【００３４】
制御部３は、上述したようにマイコンであり、演算によってＰＷＭ信号を生成する。すなわち、各三角波信号は、例えば、時間をパラメータとする関数で表されている。また、各制御信号は、デジタルデータとして与えられる。よって、制御部３は、各相においてスイッチングを行うタイミング（スイッチング素子が、ターンオン又はターンオフするタイミング）を認識している。
【００３５】
信号処理部１２は、この実施例では、インバータ回路２のスイッチング周期ごとにコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を読み取る。すなわち、インバータ回路２のスイッチング周期ごとに導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗを介して流れる電流を測定する。この場合、信号処理部１２は、制御部３と連携動作し、例えば、任意の相の三角波信号がピークまたは極小となるタイミングでコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を読み取る。例えば、Ｕ相用三角波信号が極小となるタイミングで読み取りを行うものとすると、信号処理部１２は、時刻Ａ１、Ａ２、・・・においてコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を、順次、読み込むことになる。
【００３６】
また、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を読み取るべきタイミングが、スイッチングタイミングに一致してしまう場合には、信号処理部１２は、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を読み取るべきタイミングを時間ΔＴだけシフト（例えば、遅延）させる。例えば、図４において、Ｕ相用三角波信号がピークとなるタイミングで読み取りを行うものとすると、信号処理部１２は、時刻Ｂ１、Ｂ２、・・・においてコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を、順次、読み込むことになる。ところが、時刻Ｂ１、Ｂ２においては、Ｗ相のスイッチングが発生している。したがって、この場合、信号処理部１２は、時刻Ｂ１、Ｂ２から時間ΔＴだけ遅延した時刻において、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を読み取る。なお、時間ΔＴは、固定時間であってもよいし、次のスイッチングタイミングを考慮した可変としてもよい。また、スイッチングタイミングのシフトは、遅延方向に限定されるものではなく、早める方向にシフトするようにしてもよい。
【００３７】
このように、実施形態の電流測定装置１０においては、電源装置１のスイッチングタイミングと異なるタイミングでコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力信号を読み取るので、スイッチングノイズの影響を受けることはなく、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗを介して流れる電流を精度よく測定することができる。
【００３８】
なお、上述の実施例では、図５（ａ）に示すように、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗに同相の電流を流すものとして説明をしたが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、図５（ｂ）に示すように、３本の導体の中で中央に位置する導体（ここでは、導体５Ｖ）に流れる電流が他の２本の導体に流れる電流と逆相になるようにしてもよい。
【００３９】
また、上述の実施例は、３相モータに電力を供給するための導体を介して流れる電流を測定しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明は、電流の総和がゼロとなる３本の導体の各電流を測定することができる。したがって、本発明は、例えば、直流電源の出力をインバータで５０／６０Ｈｚの交流電力に変換して商用電源に連系する系統連系システムにおいて、インバータと連系スイッチとの間の導体線の電流を測定することができる。なお、この系統連系システムの３本の導体線は、例えば、互いに逆相のＡＣ２００ボルトを伝送する２本の導体線、および接地ラインとしての１本の導体線から構成され、これら３本の導体線を介して流れる電流の総和はゼロになる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態の電流測定装置の使用例を示す図である。
【図２】コアレス電流センサの配置について説明する図である。
【図３】実施形態の電流測定装置による測定方法を説明する図である。
【図４】測定タイミングの制御について説明する図である。
【図５】本発明の変形例について説明する図である。
【符号の説明】
【００４１】
１      電源装置
２      インバータ回路
３      制御部
４      モータ
５Ｕ、５Ｖ、５Ｗ  導体
１０    電流測定装置
１１Ａ、１１Ｂ    コアレス電流センサ
１２    信号処理部
【図１】
2008058035.tif 000006
【図２】
2008058035.tif 000007
【図３】
2008058035.tif 000008
【図５】
2008058035.tif 000009
【図４】
2008058035.tif 000010