电流检测装置的制作方法

1.本发明涉及对流过导体的电流进行检测的电流检测装置。


背景技术：

2.当前，作为对流过导体的电流进行检测的电流检测装置，已知使用了罗氏线圈的电流检测装置。例如，在专利文献1中公开了具有罗氏线圈、模拟电路、ad(analogue to digital)转换器和cpu(central processing unit)的电流检测装置。
3.在专利文献1所记载的电流检测装置中，插入有导体的罗氏线圈的输出被输入至模拟电路，从模拟电路输出的模拟信号被ad转换器转换为数字信号，cpu基于ad转换器的输出，对流过导体的电流的值进行计算。
4.专利文献1：日本特开2001
‑
343401号公报
5.但是，专利文献1所记载的电流检测装置的模拟电路不是使用以模拟接地为基准的差动输入电路的结构。在使用罗氏线圈的电流检测装置的模拟电路使用差动输入电路的情况下，如果在模拟接地与大地之间产生共模电压，则产生泄漏电流，由于由该泄漏电流产生的共模噪声，电流检测装置中的电流的检测精度有可能变差。


技术实现要素：

6.本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，得到如下电流检测装置，即，在组合了罗氏线圈和差动输入电路的电流检测装置中，即使在模拟接地与大地之间产生了共模电压的情况下，也能够高精度地对电流进行检测。
7.为了解决上述课题，达成目的，本发明的电流检测装置具有罗氏线圈、模拟电路、ad转换器和计算部。罗氏线圈配置于将导体的周围包围的位置。模拟电路具有与罗氏线圈的2个输出端子连接的差动输入电路。ad转换器将从模拟电路输出的模拟信号转换为数字信号。计算部基于从ad转换器输出的数字信号，对流过导体的电流的值进行计算。罗氏线圈具有设置于将在2个输出端子之间产生的电压2等分的位置的中性点。差动输入电路的模拟接地与罗氏线圈的中性点连接。
8.发明的效果
9.根据本发明，具有如下效果，即，在组合了罗氏线圈和差动输入电路的电流检测装置中，即使在模拟接地与大地之间产生了共模电压的情况下，也能够高精度地对电流进行检测。
附图说明
10.图1是表示实施方式1涉及的电流检测装置的结构的一个例子的图。
11.图2是表示使用了不具有中性点的罗氏线圈的电流检测装置的结构的一个例子的图。
12.图3是用于对在图2所示的电流检测装置中泄漏电流流向大地的路径进行说明的
图。
13.图4是用于对在实施方式1涉及的电流检测装置中泄漏电流流向大地的路径进行说明的图。
14.图5是用于对在实施方式1涉及的电流检测装置中泄漏电流经由电缆的杂散电容而流向大地的路径进行说明的图。
15.图6是表示实施方式1涉及的罗氏线圈的结构的一个例子的图。
16.图7是表示实施方式1涉及的罗氏线圈的结构的其它例子的图。
具体实施方式
17.以下，基于附图，对实施方式涉及的电流检测装置详细进行说明。
18.实施方式1.
19.图1是表示实施方式1涉及的电流检测装置的结构的一个例子的图。如图1所示，实施方式1涉及的电流检测装置1具有罗氏线圈10、电路基板20和电缆30。
20.罗氏线圈10形成为圆环状。上述罗氏线圈10配置于将初级导体即导体2的周围包围的位置。罗氏线圈10具有输出端子11、12和中性点13，该输出端子11、12输出与流过导体2的初级电流的变化成比例的电压，该中性点13设置于将在输出端子11、12产生的电压2等分的位置。
21.电路基板20具有输入端子21、22、23、模拟电路40、ad转换器50和计算部60。输入端子21、22、23经由电缆30而与输出端子11、12以及中性点13连接。电缆30具有将输出端子11与输入端子21进行连接的导体、将输出端子12与输入端子22进行连接的导体、将中性点13与输入端子23进行连接的导体。
22.模拟电路40具有差动输入电路41、积分电路42、43。差动输入电路41具有输入电阻44、45，差动输入电路41经由输入端子21、22而与输出端子11、12连接。输入电阻44的一端与输入端子21连接，另一端与模拟接地3连接。另外，输入电阻45的一端与输入端子22连接，另一端与模拟接地3连接。包含差动输入电路41以及积分电路42、43的电路是以模拟接地3为基准而对称的差动电路。
23.输入电阻44、45是彼此呈相同电阻值的电阻，通过这些输入电阻44、45，从而罗氏线圈10的输出电压e被以模拟接地3为基准而2等分。由此，输入电阻44、45中的一者的一端的电压是 e/2，另一者的一端的电压是
‑
e/2。
24.向积分电路42、43输入罗氏线圈10的输出电压e作为差动电压。向积分电路42、43中的一者输入 e/2的电压，向另一者输入
‑
e/2的电压。罗氏线圈10的输出电压e的波形是初级电流的微分波形，因此，积分电路42、43通过对输入的电压进行积分而根据罗氏线圈10的输出电压e的波形对初级电流的相似波形进行复原。
25.ad转换器50是δσ方式的ad转换器，将作为模拟信号而从积分电路42、43输出的差动电压转换为数字信号。通过将δσ方式的ad转换器用作ad转换器50，从而具有过采样或者独立的通道间的同步检测等优点。计算部60基于从ad转换器50输出的数字信号，对流过导体2的初级电流的瞬时值以及有效值等进行计算。计算部60例如是微型计算机，但也可以是微型计算机以外的运算电路。
26.在实施方式1涉及的电流检测装置1中，在罗氏线圈10设置中性点13，上述中性点
13与模拟接地3连接。因此，即使在模拟接地3与未图示的大地之间产生了共模电压，电流检测装置1也能够高精度地对流过导体2的电流进行检测。以下，对其理由具体进行说明。
27.首先，对罗氏线圈10的输出电压e进行说明。如果在导体2中流过随时间变化的电流，则由于罗氏线圈10而在罗氏线圈10产生与流过导体2的电流对应的电压e。在罗氏线圈10产生的电压e是对流过导体2的电流的波形进行微分后的波形的电压，在罗氏线圈10中流过由下述式(1)表示的电流i。
28.i＝e/(r r)
···
(1)
29.在上述式(1)中，“r”是罗氏线圈10的内部阻抗，“r”是模拟电路40的输入阻抗。以下，有时将罗氏线圈10的内部阻抗记载为内部电阻r，将模拟电路40的输入阻抗记载为输入电阻r。从罗氏线圈10的输出端子11、12输出的电压即输出电压e由下述式(2)表示。
30.e＝e
×
r/(r r)
···
(2)
31.罗氏线圈10的内部电阻r的大小根据罗氏线圈10的匝数以及绕组温度等而变化。即，内部电阻r的大小依赖于罗氏线圈10的额定电流以及周围温度环境等。为了减小由这些原因对罗氏线圈10的输出电压e带来的影响，只要将模拟电路40的输入电阻r设为与内部电阻r相比充分大的电阻值即可。从上述式(2)可知，这是由于通过增大输入电阻r，从而内部电阻r对罗氏线圈10的输出电压e的影响变小。
32.接下来，参照图2，具体说明在模拟接地3与大地之间产生了共模电压的情况下，产生泄漏电流，通过上述泄漏电流而产生共模噪声的机理。图2是表示使用了不具有中性点的罗氏线圈的电流检测装置的结构的一个例子的图。在图2中，对具有与图1所示的电流检测装置1相同的功能的结构要素标注相同的标号而省略说明。
33.图2所示的电流检测装置1a与电流检测装置1的不同点在于，具有罗氏线圈10a、电路基板20a以及电缆30a而取代罗氏线圈10、电路基板20以及电缆30。罗氏线圈10a与罗氏线圈10的不同点在于，不具有图1所示的中性点13。电路基板20a与电路基板20的不同点在于，不具有图1所示的输入端子23。电缆30a与电缆30的不同点在于，不具有将图1所示的中性点13与输入端子23进行连接的导线。
34.在图2所示的电流检测装置1a中，在模拟接地3与未图示的大地之间产生了共模电压的情况下，在电路基板20a产生泄漏电流，泄漏电流经由罗氏线圈10a的绕组间电容以及电缆30a的杂散电容等而流向大地。电缆30a的杂散电容是电缆30a与大地之间的杂散电容，也被称为寄生电容。罗氏线圈10a的绕组间电容是罗氏线圈10a与初级导体即导体2之间的静电电容。
35.图3是用于对在图2所示的电流检测装置中泄漏电流流向大地的路径进行说明的图。如图3所示，在模拟接地3与大地4之间产生了共模电压vcom的情况下，泄漏电流以模拟接地3为起点，分支而流入第1路径和第2路径。第1路径是通过输入电阻44而从输入端子21向输出端子11流动的路径，第2路径是通过输入电阻45而从输入端子22向输出端子12流动的路径。
36.流过第1路径以及第2路径的泄漏电流经由电缆30a的杂散电容和罗氏线圈10a的绕组间电容而流向大地4。在泄漏电流流向大地4的路径中必然存在输入电阻44、45。因此，通过泄漏电流而在输入电阻44、45与模拟接地3之间产生的共模噪声v
cm
由下述式(3)表示。在下述式(3)中，“ra”表示输入电阻44、45的电阻值，“i
reaq”表示泄漏电流的大小。
37.v
cm
＝i
reaq
×
ra
···
(3)
38.在流过导体2的电流是商用频率的交流电流的情况下，在商用频带中，与输入电阻44、45的阻抗相比，由绕组间电容以及杂散电容产生的阻抗为充分大的值。因此，泄漏电流i
reaq
的大小由绕组间电容以及电缆30a的杂散电容的值决定。
39.共模噪声v
cm
通过积分电路42、43而向ad转换器50的正侧端子和负侧端子输入。因此，由于未被ad转换器50完全去除的噪声成分，电流检测装置1a的电流的检测精度变差。特别地，在使用了罗氏线圈10a的电流检测装置1a中，如上所述，需要增大输入电阻44、45的电阻值，因此由上述式(3)表示的共模噪声v
cm
也变大，电流的检测精度的变差变得显著。如果是模拟电路40使用差动输入电路41的电流检测装置，则在使用δσ方式的ad转换器以外的ad转换器作为ad转换器50的情况下也同样如此。
40.因此，在图1所示的实施方式1涉及的电流检测装置1中，如上所述，在罗氏线圈10设置中性点13，上述中性点13与模拟接地3连接。在电流检测装置1中，在模拟接地3与大地4之间产生了共模电压vcom的情况下，就泄漏电流流向大地4的路径而言，存在经由罗氏线圈10的绕组间电容而流向大地4的路径和经由电缆30的杂散电容而流向大地4的路径。罗氏线圈10的绕组间电容是罗氏线圈10与初级导体即导体2之间的静电电容。
41.首先，参照图4，对在电流检测装置1中，在模拟接地3与大地4之间产生共模电压vcom，泄漏电流经由罗氏线圈10的绕组间电容而流向大地4的路径进行说明。图4是用于对在实施方式1涉及的电流检测装置中泄漏电流流向大地的路径进行说明的图。此外，在图4中，省略计算部60。
42.为了使说明简单，在图4中，将泄漏电流经由绕组间电容而流向大地4的虚拟点14a、14b、14c设置于罗氏线圈10的内部。虚拟点14a是与输出端子11连接的虚拟点，虚拟点14b是与输出端子12连接的虚拟点，虚拟点14c是与中性点13连接的虚拟点。
43.首先，如果着眼于泄漏电流从虚拟点14a经由绕组间电容而流向大地4的路径，则在上述路径中并联地存在输入电阻44、中性点13与输出端子11之间的罗氏线圈10的绕组电阻。
44.在使用了罗氏线圈10的电流检测装置1中，如上所述，输入电阻是与绕组电阻相比充分大的值。因此，在泄漏电流从虚拟点14a经由绕组间电容而流向大地4的路径中，泄漏电流的大致全部流过中性点13与输出端子11之间的绕组电阻而流向大地4。因此，流过输入电阻44的泄漏电流是非常小的值。
45.同样地，如果着眼于泄漏电流从虚拟点14b经由绕组间电容而流向大地4的路径，则在上述路径中并联地存在输入电阻45、中性点13与输出端子12之间的罗氏线圈10的绕组电阻。因此，上述路径的泄漏电流也是大致全部流过中性点13与输出端子12之间的绕组电阻而流向大地4。因此，流过输入电阻45的泄漏电流是非常小的值。
46.由此，在泄漏电流经由罗氏线圈10的绕组间电容而流向大地4的路径中，在输入电阻44、45各自的两端产生的共模噪声v
cm
的大小由下述式(4)表示。在下述式(4)中，“ra”表示输入电阻44、45的电阻值，“r”表示从中性点13至各输出端子11、12为止的绕组电阻的值，“i
reaq”表示泄漏电流的大小。
47.v
cm
＝i
reaq
×
(r
×
ra)/(r ra)
48.＝i
reaq
×
r/{(r/ra) 1}
···
(4)
49.在电流检测装置1中，罗氏线圈10的内部电阻r的电阻值例如是几欧至几百欧，输入电阻44、45的电阻值例如是几十千欧至几兆欧的值。在这种情况下，内部电阻r的电阻值是比输入电阻44、45的电阻值小至少100倍以上的值，因此，内部电阻r与输入电阻44、45之间的并联电路的电阻值近似于内部电阻r的电阻值。因此，共模噪声v
cm
的大小能够被视为下述式(5)。
50.v
cm
＝i
reaq
×
r
···
(5)
51.在流过导体2的电流是商用频率的交流电流的情况下，在商用频带中，与输入电阻44、45的阻抗相比，由罗氏线圈10的绕组间电容以及电缆30的杂散电容产生的阻抗是充分大的值。因此，泄漏电流i
reaq
的大小由罗氏线圈10的绕组间电容以及电缆30的杂散电容的值决定。
52.在这里，设为罗氏线圈10与罗氏线圈10a彼此匝数相同，电缆30与电缆30a彼此配线长度相同。在这种情况下，泄漏电流i
reaq
的大小在电流检测装置1和电流检测装置1a中是相同的值。并且，由于r＜＜ra，所以由上述式(5)表示的共模噪声v
cm
为大幅小于由上述式(3)表示的共模噪声v
cm
的值。即，在电流检测装置1中产生的共模噪声v
cm
是大幅小于在电流检测装置1a中产生的共模噪声v
cm
的值。
53.接下来，参照图5，对在模拟接地3与大地4之间产生了共模电压vcom的情况下，泄漏电流经由电缆30的杂散电容而流向大地4的路径进行说明。图5是用于对在实施方式1涉及的电流检测装置中泄漏电流经由电缆的杂散电容而流向大地的路径进行说明的图。此外，在图5中，省略计算部60。
54.为了使说明简单，在图5中，将泄漏电流经由电缆30的杂散电容而流向大地4的虚拟点15a、15b、15c设置于电缆30的各线路。虚拟点15a是与输出端子11连接的虚拟点，虚拟点15b是与输出端子12连接的虚拟点，虚拟点15c是与中性点13连接的虚拟点。
55.首先，如果着眼于泄漏电流从虚拟点15a经由电缆30的杂散电容而流向大地4的路径，则在上述路径中并联地存在输入电阻44、中性点13与输出端子11之间的罗氏线圈10的绕组电阻。
56.在使用了罗氏线圈10的电流检测装置1中，如上所述，输入电阻44、45是与绕组电阻相比充分大的值。因此，在泄漏电流从虚拟点15a经由电缆30的杂散电容而流向大地4的路径中，大致全部的泄漏电流通过中性点13与输出端子11之间的绕组电阻而流向大地4。因此，流过输入电阻44的泄漏电流是非常小的值。
57.同样地，如果着眼于泄漏电流从虚拟点15b经由电缆30的杂散电容而流向大地4的路径，则在上述路径中并联地存在输入电阻45、中性点13与输出端子12之间的罗氏线圈10的绕组电阻。因此，上述路径的泄漏电流也是大致全部流过中性点13与输出端子12之间的绕组电阻而流向大地4。因此，流过输入电阻45的泄漏电流是非常小的值。
58.由此，在泄漏电流经由电缆30的杂散电容而流向大地4的路径中，在输入电阻44、45各自的两端产生的共模噪声v
cm
的大小由下述式(6)表示，与上述式(4)相同。
59.v
cm
＝i
reaq
×
(r
×
ra)/(r ra)
···
(6)
60.因此，在泄漏电流经由电缆30的杂散电容而流向大地4的路径中，与泄漏电流经由罗氏线圈10的线间电容而流向大地4的路径同样地，在商用频带中，与输入电阻44、45的阻抗相比，由绕组间电容以及杂散电容产生的阻抗是充分大的值。
61.如上所述，在模拟接地3与大地4之间产生了共模电压vcom的情况下，流过输入电阻44、45的泄漏电流被旁路绕过至从中性点13经由罗氏线圈10的绕组间电容以及电缆30的杂散电容各自而流向大地4的路径。因此，在电流检测装置1中，能够降低在输入电阻44、45各自的两端产生的共模噪声，与电流检测装置1a相比，能够提高噪声环境下的电流的检测精度。
62.接下来，对罗氏线圈10的结构进行说明。图6是表示实施方式1涉及的罗氏线圈的结构的一个例子的图。
63.图6所示的罗氏线圈10具有线圈18和环状的线轴17，该线圈18被螺旋状地安装于线轴17的外周，具有包覆层。线圈18包含第1线圈部18a和第2线圈部18b，该第1线圈部18a的一端与输出端子11连接，另一端与中性点13连接，该第2线圈部18b的一端与输出端子12连接，另一端与中性点13连接。为了使各自的输出电压相同，第1线圈部18a以及第2线圈部18b各自的匝数相同。
64.第1线圈部18a具有如下构造，即，在从中性点13起按照图6的逆时针方向沿线轴17的外周而攀行了线轴17的接近半周之后，朝向输出端子11而逆时针地卷绕于线轴17的外周。第2线圈部18b具有如下构造，即，在从中性点13起按照图6的顺时针方向沿线轴17的外周而攀行了线轴17的接近半周之后，朝向输出端子12而逆时针地卷绕于线轴17的外周。此外，第1线圈部18a也可以是朝向输出端子11而顺时针地卷绕于线轴17的外周的构造，第2线圈部18b也可以是朝向输出端子12而顺时针地卷绕于线轴17的外周的构造。
65.罗氏线圈10不限定于图6所示的形状，也能够由2个半环状的罗氏线圈组合地构成。图7是表示实施方式1涉及的罗氏线圈的结构的其它例子的图。
66.图7所示的罗氏线圈10是由半圆环状的罗氏线圈即半罗氏线圈10a、10b组合地构成的。半罗氏线圈10a、10b是分割罗氏线圈的一个例子。
67.各半罗氏线圈10a、10b具有线圈18和半圆环状的线轴17，该线圈18被螺旋状地安装于线轴17的外周，具有包覆层。线轴17具有半圆环状的线轴主体17a、在线轴主体17a的一端设置的第1嵌合部17b、在线轴主体17a的另一端设置的第2嵌合部17c。第1嵌合部17b形成为凸状，第2嵌合部17c形成为凹状。
68.为了使各自的输出电压相同，半罗氏线圈10a、10b各自的线圈18的匝数相同。线圈18的卷绕起点18c与中性点13连接，线圈18的卷绕终点18d与输出端子11、12的任一者连接。
69.半罗氏线圈10a具有如下构造，即，在使线圈18从第2嵌合部17c朝向第1嵌合部17b而沿线轴17的外周攀行之后，使线圈18从第1嵌合部17b朝向第2嵌合部17c而逆时针地卷绕于线轴17的外周。此外，半罗氏线圈10a也可以是使线圈18从第1嵌合部17b朝向第2嵌合部17c而顺时针地卷绕于线轴17的外周的构造。
70.半罗氏线圈10b具有如下构造，即，在使线圈18从第1嵌合部17b朝向第2嵌合部17c而沿线轴17的外周攀行之后，使线圈18从第2嵌合部17c朝向第1嵌合部17b而逆时针地卷绕于线轴17的外周。此外，半罗氏线圈10b也可以是使线圈18从第2嵌合部17c朝向第1嵌合部17b而顺时针地卷绕于线轴17的外周的构造。
71.半罗氏线圈10a与半罗氏线圈10b是通过将各自的第1嵌合部17b与第2嵌合部17c连接而连结的。具体地说，半罗氏线圈10a的第1嵌合部17b被嵌合于半罗氏线圈10b的第2嵌合部17c，半罗氏线圈10a的第2嵌合部17c被嵌合于半罗氏线圈10b的第1嵌合部17b。由此，
半罗氏线圈10a与半罗氏线圈10b连结。
72.另外，半罗氏线圈10a、10b各自的卷绕起点18c彼此连接，各自的卷绕起点18c彼此的连接点是罗氏线圈10的中性点13。这样，通过使用半罗氏线圈10a、10b，从而能够通过简单的构造而制作具有中性点13的罗氏线圈10。
73.此外，上述电流检测装置1呈模拟电路40具有积分电路42、43的结构，但模拟电路40也可以是不具有积分电路42、43的结构。在这种情况下，计算部60具有对从ad转换器50输出的2个数字信号各自进行积分的积分处理和基于积分电路的积分结果而对流过导体2的电流的值进行计算的计算处理部。
74.另外，在上述电流检测装置1中，对ad转换器50是δσ方式的ad转换器进行了说明，但ad转换器50不限定于δσ方式的ad转换器。实施方式1涉及的电流检测装置1能够用于断路器，特别地，优选向低压空气断路器应用。
75.如上所述，实施方式1涉及的电流检测装置1具有罗氏线圈10、模拟电路40、ad转换器50和计算部60。罗氏线圈10配置于将导体2的周围包围的位置。模拟电路40具有与罗氏线圈10的2个输出端子11、12连接的差动输入电路41。ad转换器50将从模拟电路40输出的模拟信号转换为数字信号。计算部60基于从ad转换器50输出的数字信号，对流过导体2的电流的值进行计算。罗氏线圈10具有设置于将在2个输出端子11、12之间产生的电压2等分的位置的中性点13。差动输入电路41的模拟接地3与罗氏线圈10的中性点13连接。由此，在电流检测装置1中，在模拟接地3产生了共模电压vcom的情况下，流过输入电阻44、45的泄漏电流被旁路绕过至通过中性点13后经由罗氏线圈10的绕组间电容而流向大地4的路径和经由将中性点13与模拟接地3连结的电缆30的杂散电容而流向大地4的路径。因此，电流检测装置1能够降低在输入电阻44、45之间产生的共模噪声，能够提高噪声环境下的电流的检测精度。
76.另外，罗氏线圈10由2个半罗氏线圈10a、10b的组合构成。半罗氏线圈10a、10b是分割罗氏线圈的一个例子。中性点13是2个半罗氏线圈10a、10b彼此的连接点。由此，罗氏线圈10能够通过简单的构造而制作。
77.另外，2个半罗氏线圈10a、10b各自形成为半圆环状。罗氏线圈10能够通过简单的构造而制作。
78.以上的实施方式所示的结构表示的是一个例子，也可以与其它的公知技术进行组合，在不脱离主旨的范围也可以省略、变更结构的一部分。
79.标号的说明
80.1、1a电流检测装置，2导体，3模拟接地，4大地，10、10a罗氏线圈，10a、10b半罗氏线圈，11、12输出端子，13中性点，14a、14b、14c、15a、15b、15c虚拟点，17线轴，17a线轴主体，17b第1嵌合部，17c第2嵌合部，18线圈，18a第1线圈部，18b第2线圈部，18c卷绕起点，18d卷绕终点，20、20a电路基板，21、22、23输入端子，30、30a电缆，40模拟电路，41差动输入电路，42、43积分电路，44、45输入电阻，50ad转换器，60计算部。