JP7034401B2 - 非接触電力センサ装置 - Google Patents

Description

本開示は、非接触電力センサ装置に関する。

測定対象の交流電力を観測するためには、測定対象の交流電流と交流電圧とを測定する必要がある。従来、プローブ電極を電線の芯線に接触させることなく、ケーブル導体に流れる交流電流と、ケーブル導体に印加された交流電圧とを観測する技術がある。交流電流に対しては、磁性体を用いた電流プローブによってセンシングする技術が知られている。また、交流電圧に対しては、測定対象の電線に近接させたプローブ電極を用いる電圧プローブが知られている。

電圧プローブとケーブル導体との間に生じる結合容量は、ケーブル導体を被覆するケーブル被覆を誘電体とみなして見積もられる微小な容量である。特に、観測する信号の周波数が低い場合、結合容量のインピーダンスが非常に高くなる。これに対して、結合容量を介して流れる電流を、スイッチのオンオフにより過渡応答の信号を観測することで、結合容量が微小であることに起因する精度劣化を防ぎ、精度のよい測定が可能になる。

例えば、特許文献１に記載された電圧測定装置は、測定対象に印加された交流電圧を、測定対象に非接触状態で装着される検出電極を介して測定する。この電圧測定装置では、結合容量を通じて流れる電流が、スイッチング素子のオンオフによって交流電圧の周波数よりも高い周波数に変調される。

特開２０１７－１９４４２０号公報

特許文献１に記載された電圧測定装置を用いて、測定対象の交流電力を測定する場合、交流電圧の測定に用いるスイッチング素子の駆動回路に加えて、交流電流の測定に用いるスイッチング素子の駆動回路が必要である。一般に、駆動回路は、トランスを含む比較的大きな回路であることから、２つの駆動回路を実装すると、装置が大型化するという課題があった。

本開示は上記課題を解決するものであり、小型化が可能な非接触電力センサ装置を得ることを目的とする。

本開示に係る非接触電力センサ装置は、測定対象に非接触な状態で当該測定対象に生じた電圧を観測する電圧プローブと、測定対象に非接触な状態で当該測定対象に流れる電流を観測する電流プローブと、電圧プローブおよび電流プローブによって観測された各信号を用いて測定対象の電力を算出するセンサ回路とを備え、センサ回路は、電圧プローブによって観測された電圧信号の過渡応答の観測に用いる第一のスイッチと、電流プローブによって観測された電流信号の過渡応答の観測に用いる第二のスイッチと、第一のスイッチと第二のスイッチを駆動させるスイッチ駆動部と、スイッチ駆動部による第一のスイッチおよび第二のスイッチの駆動を制御する処理部を有し、スイッチ駆動部は、処理部から出力された制御信号に応じて振幅が正極の正極パルス信号と振幅が負極の負極パルス信号を生成し、生成した正極パルス信号および負極パルス信号を用いて、第一のスイッチおよび第二のスイッチを駆動させる。

本開示によれば、スイッチ駆動部が、正極パルス信号および負極パルス信号を生成し、正極パルス信号および負極パルス信号を用いて、第一のスイッチおよび第二のスイッチを駆動させる。交流電流の測定と交流電圧の測定にそれぞれ別個にスイッチ駆動部を設ける必要がなく、その分の回路の実装容積の増大が抑えられるので、本開示に係る非接触電力センサ装置は、小型化が可能である。

実施の形態１に係る非接触電力センサ装置の構成を示すブロック図である。 図１のスイッチ駆動部の等価回路を示す回路図である。 図３Ａは、図１の絶縁回路の構成を示すブロック図であり、図３Ｂは、図１の絶縁回路において入出力される信号の波形を示す波形図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る非接触電力センサ装置１の構成を示すブロック図である。非接触電力センサ装置１は、ケーブル導体６ａに印加された電圧と、ケーブル導体６ａに流れる電流をそれぞれ観測し、交流電力を観測する。ケーブル導体６ａは、ケーブル６における芯線であり、ケーブル被膜６ｂは、ケーブル導体６ａを被覆する絶縁性の被膜である。ケーブル導体６ａには、交流電源７が接続されており、交流電源７によってケーブル導体６ａに電圧が印加され電流が流れる。

図１に示すように、非接触電力センサ装置１は、電圧プローブ２、電流プローブ３およびセンサ回路５を備える。電圧プローブ２とセンサ回路５との間は、プローブケーブル４１によって接続される。電流プローブ３とセンサ回路５との間は、プローブケーブル４２によって接続される。電圧プローブ２および電流プローブ３は、観測対象のケーブル導体６ａに配置される。ケーブル導体６ａに配置された電圧プローブ２とケーブル導体６ａとの間は、ケーブル被膜６ｂによって非接触の状態である。同様に、電流プローブ３とケーブル導体６ａとの間も非接触の状態である。

非接触電力センサ装置１は、交流電源７によってケーブル導体６ａに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎを、ケーブル導体６ａと電圧プローブ２との間に生じた結合容量Ｃ_０を通じて観測する。例えば、長さおよび幅が１（ｃｍ）である電圧プローブ２とケーブル導体６ａとの間に生じる結合容量Ｃ_０は、数（ｐＦ）程度の微小な容量である。

センサ回路５は、電圧信号の過渡応答の観測に用いる第一のスイッチ５１と、電流信号の過渡応答の観測に用いる第二のスイッチ５２と、第一のスイッチ５１および第二のスイッチ５２を駆動させる一つのスイッチ駆動部５６とを備える。第一のスイッチ５１の出力と第二のスイッチ５２の出力は並列に接続され、出力された交流電圧は、キャパシタ素子５３によって分圧される。キャパシタ素子５３は、容量Ｃ_１である。

キャパシタ素子５３によって分圧された交流電圧は、オペアンプ５４の正極入力端子に入力され、そのままの波形でオペアンプ５４から出力される。オペアンプ５４は、負極入力端子が出力端子に接続され、正極入力端子がキャパシタ素子５３に接続された出力用のオペアンプであり、ユニティ利得バッファアンプとして機能する。ＡＤ変換器５５は、オペアンプ５４から出力された交流電圧のアナログ信号をデジタル信号へ変換する。ＡＤ変換器５５の出力は、処理部５７に入力され、処理部５７は、電流と電圧の観測値から電力の観測値を演算処理する。

図１において、スイッチ駆動部５６は、第一のスイッチ５１と第二のスイッチ５２との二系統の駆動を制御する。図２は、図１のスイッチ駆動部５６の等価回路を示す回路図である。スイッチ駆動部５６は、図２に示すように、両極パルスバッファ５６１、絶縁回路５６２およびパルス分離回路５６３を備える。両極パルスバッファ５６１は、処理部５７から出力された信号に応じて、振幅が正極と振幅が負極の両極パルス信号を出力することができるパルスバッファであり、その出力端は、絶縁回路５６２に接続されている。以下の説明では、振幅が正極のパルス信号が正極パルス信号と記載され、振幅が負極のパルス信号が負極パルス信号と記載される。

絶縁回路５６２は、両極パルスバッファ５６１によって生成された両極パルス信号を、パルス分離回路５６３に絶縁伝送する。すなわち、絶縁回路５６２は、両極パルスバッファ５６１とパルス分離回路５６３とが絶縁された状態で、両極パルスバッファ５６１から入力したパルス信号をパルス分離回路５６３に出力する。

パルス分離回路５６３は、ダイオード素子１０１およびダイオード素子１０２と、抵抗素子１０３および抵抗素子１０４とを備えた整流回路によって、絶縁回路５６２から出力された両極パルス信号を、正極パルス信号と負極パルス信号に分離する。

第一のスイッチ５１の系統は、直列接続されたダイオード素子１０１と並列接続された抵抗素子１０３とによって構成され、両極パルス信号が正極に印加されたダイオード素子１０１が導通することで、両極パルス信号のうち、正極パルス信号が第一のスイッチ５１に出力されて第一のスイッチ５１が駆動する。第二のスイッチ５２の系統は、ダイオード素子１０２と抵抗素子１０４とによって構成され、両極パルス信号が正極に印加されたダイオード素子１０２が導通することで、両極パルス信号のうち、負極パルス信号が第二のスイッチ５２に出力されて第二のスイッチ５２が駆動する。

第一のスイッチ５１および第二のスイッチ５２は、パルス分離回路５６３によって分離された正極パルス信号および負極パルス信号によって駆動する。第一のスイッチ５１は、正極パルス信号が印加されると導通し、第二のスイッチ５２は、負極パルス信号が印加されると導通する。

スイッチ駆動部５６は、絶縁回路５６２によって、第一のスイッチ５１のソース端子と第二のスイッチ５２のソース端子を基準として相対的に高いゲート端子電圧を印加する。パルス分離回路５６３は、整流機能によって、２系統の駆動信号である正極パルス信号と負極パルス信号を生成可能であり、正極パルス信号および負極パルス信号を用いて、第一のスイッチ５１および第二のスイッチ５２のオンとオフが制御される。

図３Ａは、絶縁回路５６２の構成を示すブロック図である。図３Ｂは、絶縁回路５６２において入出力される信号の波形を示す波形図である。絶縁回路５６２は、図３Ａに示すように、両極パルスバッファ５６１から出力されたパルス信号をパルス分離回路５６３に絶縁伝送するトランス２１０を備え、トランス２１０の一次巻線に対して並列にリセット回路２００が接続されている。

リセット回路２００は、第三のスイッチ２０１と抵抗素子２０２とが直列に接続されて構成され、トランス２１０から出力される両極パルス信号を波形成形する。図３Ａおよび図３Ｂにおいて、両極パルス信号Ｗ１は、両極パルスバッファ５６１から出力された両極パルス信号である。リセット信号Ｗ２は、第三のスイッチ２０１を駆動させるために処理部５７から出力されたリセット信号である。出力信号Ｗ３は、トランス２１０の二次巻き線間に生じる出力信号である。第三のスイッチ２０１は、両極パルスバッファ５６１から出力された両極パルス信号Ｗ１のリセット回路２００への入力と遮断を切り替える。

正極パルスがトランス２１０に入力され、正極パルスが立ち下がってオフレベルに遷移した直後の時点で、トランス２１０の二次巻き線には逆起電力が生じて、図３Ｂに破線で示すように、非常に大きな振幅の負極のバックスイングが出力信号Ｗ３に生じる。また、負極パルスがトランス２１０に入力され、負極パルスが立ち上がってオフレベルに遷移した直後の時点で、トランス２１０の二次巻き線に逆起電力が生じて、図３Ｂに破線で示すように、出力信号Ｗ３に非常に大きな振幅の正極のバックスイングが生じる。

出力信号Ｗ３に生じたバックスイングは、第一のスイッチ５１と第二のスイッチ５２に対して意図しない導通を生じる要因となる。このバックスイングを防止するために、処理部５７は、トランス２１０の二次巻き線に逆起電力が発生する期間、第三のスイッチ２０１が導通するように制御する。なお、トランス２１０の二次巻き線に逆起電力が発生する期間の始まりは、例えば、両極パルス信号がオフレベルに遷移した時点である。

両極パルス信号が遷移した時点で、処理部５７は、リセット信号Ｗ２を第三のスイッチ２０１に出力する。第三のスイッチ２０１は、リセット信号Ｗ２に応じて導通する。第三のスイッチ２０１が導通すると、トランス２１０の一次巻線に生じた逆起電力が抵抗素子２０２によって消費される。これにより、出力信号Ｗ３は、図３Ｂに実線で示すように、振幅のバックスイングが低減されるように波形成形される。出力信号Ｗ３におけるバックスイングの振幅が低減されるので、第一のスイッチ５１および第二のスイッチ５２の意図しない導通を防止することが可能である。

以上のように、実施の形態１に係る非接触電力センサ装置１において、スイッチ駆動部５６が、正極パルス信号および負極パルス信号を生成し、生成した正極パルス信号および負極パルス信号を用いて、第一のスイッチ５１および第二のスイッチ５２を駆動させる。交流電流の測定と交流電圧の測定にそれぞれ別個にスイッチ駆動部を設ける必要がなく、その分の回路の実装容積の増大が抑えられるので、非接触電力センサ装置１は、小型化が可能である。

なお、各実施の形態の組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。

本開示に係る非接触電力センサ装置は、例えば、配電ケーブルによって供給される交流電力の観測に利用可能である。

１ 非接触電力センサ装置、２ 電圧プローブ、３ 電流プローブ、５ センサ回路、６ ケーブル、６ａ ケーブル導体、６ｂ ケーブル被膜、７ 交流電源、４１，４２ プローブケーブル、５１ 第一のスイッチ、５２ 第二のスイッチ、５３ キャパシタ素子、５４ オペアンプ、５５ ＡＤ変換器、５６ スイッチ駆動部、５７ 処理部、１０１，１０２ ダイオード素子、１０３，１０４，２０２ 抵抗素子、２００ リセット回路、２０１ 第三のスイッチ、抵抗素子２１０ トランス、５６１ 両極パルスバッファ、５６２ 絶縁回路、５６３ パルス分離回路。

Claims (3)

1. 測定対象に非接触な状態で当該測定対象に生じた電圧を観測する電圧プローブと、
   前記測定対象に非接触な状態で当該測定対象に流れる電流を観測する電流プローブと、
   前記電圧プローブおよび前記電流プローブによって観測された各信号を用いて前記測定対象の電力を算出するセンサ回路と、
   を備え、
   前記センサ回路は、
   前記電圧プローブによって観測された電圧信号の過渡応答の観測に用いる第一のスイッチと、
   前記電流プローブによって観測された電流信号の過渡応答の観測に用いる第二のスイッチと、
   前記第一のスイッチと前記第二のスイッチを駆動させるスイッチ駆動部と、
   前記スイッチ駆動部による前記第一のスイッチおよび前記第二のスイッチの駆動を制御する処理部と、
   を有し、
   前記スイッチ駆動部は、
   前記処理部から出力された制御信号に応じて、振幅が正極の正極パルス信号と、振幅が負極の負極パルス信号を生成し、生成した前記正極パルス信号および前記負極パルス信号を用いて、前記第一のスイッチおよび前記第二のスイッチを駆動させること
   を特徴とする非接触電力センサ装置。
2. 前記スイッチ駆動部は、
   振幅が正極と負極の両極パルス信号を出力可能なパルスバッファと、
   前記パルスバッファから出力された前記両極パルス信号を、前記正極パルス信号と前記負極パルス信号とに分離するパルス分離回路と、
   前記パルスバッファと前記パルス分離回路とが絶縁された状態で、前記パルスバッファから入力したパルス信号を前記パルス分離回路に出力する絶縁回路と、
   を有し、
   前記パルス分離回路は、
   前記正極パルス信号を前記第一のスイッチへ出力し、前記負極パルス信号を前記第二のスイッチへ出力すること
   を特徴とする請求項１記載の非接触電力センサ装置。
3. 前記絶縁回路は、
   前記パルスバッファと前記パルス分離回路とが絶縁された状態で、前記両極パルス信号を前記パルス分離回路に出力するトランスと、
   前記トランスから出力される前記両極パルス信号を波形成形するリセット回路と、
   を有し、
   前記リセット回路は、
   前記パルスバッファから出力された前記両極パルス信号の前記リセット回路への入力と遮断を切り替える第三のスイッチと、
   前記トランスに発生した逆起電力を消費する抵抗素子と、
   を有し、
   前記処理部は、
   前記パルスバッファから出力された前記両極パルス信号がオフレベルに遷移した時点で前記第三のスイッチを駆動させることにより、前記両極パルス信号を前記リセット回路へ入力すること
   を特徴とする請求項２記載の非接触電力センサ装置。

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