JPH05500708A - ワット・アワー・メータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ワット・アワー・メータ 技術分野 単相及び３相供給システムに適する作用反作用電力消費の測定方法。

技術的背景 現在入手できる殆どのワット・アワー・メータ（ｗａｔｔ−ｈｏｕｒｍｅｔｅｒ ）は供給電圧と負荷電流の瞬時値に比例する２つの信号を乗算するのに、異なる 方法を採用している。この電力の時間積分は消費電力に比例する。これら方法の 主要な相違点は、乗算する部分と積分する部分である。乗算方法の相違点を次に 示す。

１−可変コンダクタンス乗算： 電圧と電流のロガリズム（ｌｏｇａｒｉｔｈｍｓ）が得られ、そして加算される 。そのアンチロガリズム（ａｎｔｉｌｏｇａｒｌｔｈｍ）は瞬時電力に比例する 。

２−半効果乗算（ｈａｌｆ　ｅｆｆｅｃｔ　ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ）　 ：電流信号を搬送する半導体は、供給電圧に比例しそれに直交する磁場内に配置 される。電流及び磁場に直交する電圧が誘起される。この電圧が瞬時電力に比例 する。

３一時分割乗算； この方法はサンプリング技術であり、パルス列を発生する。

各パルスは一つの信号（電圧又は電流）に比例するパルス幅を有しており、その 波高は他方の信号に比例する。従ってパルスは、サンプリング点での電力に比例 する。

４−デジタル乗算： 電圧と電流はサンプルされ、デジタル形式に変換される。

マイクロプロセッサがこの乗算を行い、サンプリング点での電力を計算する。

使用される積分方法は積分部の出力に依存する。乗算器（Ｉｌｌｕｌｔｆｐｌｆ ｅｒ）はその出力がアナログ信号であればアナログの積分が使用され、乗算かマ イクロプロセッサにより実行されるときはデジタル積分が使用される。この場合 、マイクロプロセッサは電力から各サンプル点のエネルギ、及びサンプル間の時 間を計算する。

発明の開示： 本発明は異なる方法を用いるもので、前述したどの乗算方法も使用しない。この 技術の基本原則を以下に説明する。

供給電圧の瞬時値は次式により与えられる。

ｖ−Ｊ２　Ｖｓｉｎ　ωｔ　（１） ここで−Ｖ−は供給電圧の実行＜ｒｍｓ）値、及びω′は角周波数 瞬時負荷電流は次式により表現される。

＞−Ｊ２　ｌ５ｉｎ　（ωｔ−θ）　（２）ここで、ｌ−は負荷電流の実行値、 及び′θ′は負荷電流と供給電圧間の位相角負荷電流に比例する信号が半サイク ルで積分されると、積分半サイクルの末端における積分器出力は次式により示さ れる。

Ａ−２Ｊ２　ＫｏＩｃｏｓ　（θ−α）／に１ω　（３）ここでＫｏ−は電流信 号と負荷電流間の比、＝に１は積分器の時定数 ′α−は積分開始角を示し、積分開始点と、供給電圧のゼロクロス点で最初にプ ラスの値になった時点との角度差である。

式（３）は、積分が供給電圧のプラスの半サイクルの間（α−Ｏ）に、又は供給 電圧のマイナスの半サイクル（α−π）の間に行われたときに、−Ａ−は−Ｉｃ ｏｓθ／に１ω′に比例することを示している。

さらに式（３）は、積分が供給電圧の傾斜がプラスのとき（α−−π／２）、又 は供給電圧の傾斜がマイナスのとき（ａ　−＋　ｙｒ　／　２　）に行われると 、−Ａ−は−Ｉｓｔｎθ／に１ω′に比例することを示している。

−Ａ−は負荷電流を半サイクルについて積分することにより得られるので、負荷 電流に存在するあらゆる温調波は−Ａ＝の値に全く影響しない。しかし、−ｍ− 次のあらゆる奇数温調波成分の影響は、主成分とのその位相関係に依存する。こ れは、等値上成分電流を′ｍ−で割った値に等しい最大値と零との間で変化する 。従って、負荷電流内のこれら奇数温調波及びあらゆるり、Ｃ，成分は、所望レ ベルにまで減衰されるのか望ましい。

次の方法はワット・アワー及びｖａｒアワー（ｖａｒ−ｈｏｕｒ）の測定に適用 できる。

１−負荷電流に比例する信号は前述のように積分される。

各積分半サイクルで、積分器出力は、式（３）で与えられる値−八′によって変 化する。−Ｇ−積分の半サイクルが終わっな後、電流信号は遮断され、参照り、 Ｃ電圧−Ｖｏ−が積分される。このり、Ｃ，電圧の極性は、積分器の出力が０ボ ルトに向かって線形に変化するように選択される。積分器出力が０に到達するの に必要な計数時間−Ｔ　＝は、流は積分されない。従って、測定値は各＝Ｇ十Ｆ ”で得られる。これら−Ｇ＋Ｆ−の半サイクルの等価時間は測定時間−Ｔ　−と 呼ばれ、次式により示される。

■ パルス発生手段（周波数′ｆ　−で発振）によって発生するパルスは、計数期間 に数えられる。′ｆ　−が供給電圧（ｆ　−に２Ｖ）に比例するように設定され ると、これらパルスの数は、 ｎ−２Ｊ２　Ｋ　ＧＫ　Ｖｌｃｏｓ　（θ−α）／ωＶ。

（５）及び（６）から、 Ｋ−２Ｊ２　ＧＫ　Ｋ　／［πＶｏ　（Ｇ十Ｆ）コ式（７）は、′ｎ−が測定時 間内で負荷により消費された作用又は反作用エネルギに比例することを示す。計 数値ｎ＝が１周期の間に積分されると、全数−Ｎ゛は（前述の積分半サイクルの 開始点に依存して）その周期で負荷により消費されたワット・アワー又はｖａｒ アワーに比例する。

（７）から判るように、Ｎ′は供給周波数や積分器の容量に関係しない。

２−電流信号は前述のように積分され、積分器の出力を０に保つために、プラス 又はマイナスの参照電圧が必要に応じれる。電圧・周波数変換器によって発生し たパルス（供給電ために使用され、又、マイナスの参照電圧が積分されるときに 計数手段をデクリメントするために使用される（この逆も同様）。′Ｇ−積分の 半サイクルの後、計数手段の内容は、前述の式（６）により示される値−ｎ−に 従って変化する。

゛Ｇ−積分の半サイクルに等しい時間は、Ｔ−Ｇπ／ω　（８） （６）及び（８）から、 ｎｍＮ−ＢＴＶＩｃｏｓ　（θ−（１）　（９）ここで、 −Ｂ−は′２Ｊ２　ＫｏＫ２／πｖｏ−に等しい定数である。

式（９）は、−Ｎ−か、あらゆる時間長′Ｔ−の間の負荷によって消費された作 用反作用エネルギに比例することを示している。

実際は、積分器出力は２つの制限値内に保たれる。積分器出力が許容範囲を超え て変化したときにのみ、適切な参照電圧が積分されて、その電圧を制限値内に戻 す。又、これら参照電圧のスイッチングはパルス−ｆ　−と同期している。この 構成によって生じる総合エラーは、積分器出力を１つの制限値から他の制限値へ 変化させるのに必要なエネルギより少ない。このエラーは測定の開始後、数秒以 内で無視できる値となる。一方、参照電圧の積分とｆ　′が同期することにより 、それらの積分時間は整数個のパルスに等しい時間となる。これにより、計数中 のパルスの見落としによるエラーが排除され、低い値の−ｆ　−を測定精度を低 下すること無く使用できる。

他の改良は、電流信号を反転して、積分半サイクルの間に非反転電流信号を積分 し、他の半サイクルでその反転した電流信号を積分することである。

図面の簡単な説明 図（１）は誘導性負荷を使用して、′α−〇′、−Ｇ−１−１及び−Ｆ−１−の 場合の第１の方法で、予想される波形を示す。この図で、 （ａ）は供給電圧波形、 （ｂ）は負荷電流波形、 （ｃ）は積分器の入力及び （ｄ）は積分器の出力。計数時間−丁　−及び＝Ａ−が示されている。

図（２）は誘導性負荷を使用して、電流妨害のない場合の第２の方法で期待され る波形を示す。この図で、（ａ）は供給電圧波形、 （ｂ）は負荷電流波形、 （ｃ）は積分器入力、 （ｄ）は積分器出力、 （ｅ）はパルス−ｆ　−０ 図（３）はワット・アワー及びｖａｒアワー・メータのブロック図である。この 図で、 （１）は電圧検知回路である。供給電圧に比例する適切な低電圧Ａ、Ｃ信号で供 給電圧が提供される。

（２）は半サイクル検出回路で、負荷電流信号が積分されるときを判断する。ワ ット・アワー・メータの場合は、供給電圧がプラスであるかマイナスであるかを 試験する。そして、ｖａｒアワー・メータの場合は、供給電圧の傾斜がプラスで あるかマイナスであるかを試験する。この回路は電圧検知回路から信号を入力し 、その出力情報を制御回路に伝える。

（３）は電圧制御発振器（Ｖ、Ｃ，Ｏ）回路である。この回路は制御回路で決定 される計数時間中に計数される測定パルスを発生する。これらパルスの周波数′ ｆ　−は供給電圧に比例している。第２の方法の場合、制御回路は、参照電圧の スイッチングをこれらパルスに同期させる。

（４）は電流検知回路である。この回路は負荷電流信号を提供する。この電流は 負荷電流に比例する低い電圧のＡ、Ｃ。

信号である。第２の方法の場合、この信号の反転信号もまた必要となる。この信 号（又はその反転信号）と負荷電圧信号との位相角は、負荷電流の主成分と供給 電圧の主成分との位相差に等しいのが望ましい。

（５）は参照電圧回路である。この回路は参照電圧を提供し、この電圧は積分回 路の出力を、制御回路で選択される方向に変化させるのに必要な電圧である。

（６）はスイッチング回路である。この回路は電流検知及び参照電圧回路から信 号を入力し、（制御回路に必要な）適切な信号を積分回路入力に接続する。

（７）は積分回路で、スイッチング回路の出力を積分する。

（８）はレベル検知回路である。この回路は、制御回路に、積分器出力の状態を 知らせる。この回路は積分器出力が第１の方法の場合に、０に到達したときを検 知し、積分器出力が第２の方法における所定範囲を超えたときを検知する。

（９）はカウンタ及びディスプレイで、制御手段から入力した測定パルスを計数 し、適当な値でその計数値を割り、そしてメータ読みを表示する。

（１０）は制御回路である。この回路はレベル検知、Ｖ、Ｃ，Ｏ８、及び半サイ クル検出回路の出力を入力して、次に示す動作を制御する。

ａ）スイッチング回路の機能 ｂ）計数パルスからカウンタ及びディスプレイへのスイツ本発明の最適な実施態 様 この発明に最も適した応用例は、前述の第２の方法である。

供給電圧信号は、適切な分圧器及び主成分の周波数に調整されたバンドパスフィ ルタ（ｂａｎｄ−ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ）を使用することにより得られる。こ のフィルタは供給電圧のゼロクロス点の検出精度を上げる。

供給電圧信号は整流され、濾波され、その結果生じるり、Ｃ電圧は電圧・周波数 変換器を駆動するときに使用される。この変換器出力は供給電圧に比例した周波 数で発振する。

この回路から生じる変換器パルスは、制御回路が参照電圧の積分を初期化及び停 止するときに使用される。これにより、低い発振周波数を使用でき、容易に使用 できる電圧・周波数変換器か使用可能となる。制御回路は参照電圧を積分してい るときに、これらパルスを計数方向信号と共にカウンタに送る。

供給電圧は又、積分半サイクルを判断するときにも使用される。ワット・アワー ・メータの場合、ゼロクロス検出器はプラス及びマイナスの半サイクルを定義す るときに使用される。ｖａｒアワー・メータの場合、９０″の位相シフトが供給 電圧信号を微分することにより得られ、そのゼロクロス点は、供給電圧の傾斜が マイナス又はプラスかどうかを判断するために検出される。微分器出力は、バン ドパスフィルタにより濾波されるので、ノイズを含まない清浄な波形である。

シャント回路が電流センサとして使用され、負荷電流信号が、このシャント回路 を横切る電圧降下を増幅及び濾波することにより負荷電流信号が得られる。使用 されるフィルタは供給電圧信号に使用されたものと同様なバンドパスフィルタで ある。この構成により第１フイルタによって生じたあらゆる位相シフトを補償で きる。負荷電流信号の反転信号も又得られる。負荷電流信号は積分半サイクルの 間に積分され、その反転信号は他の半サイクルで積分される。積分器出力はモニ タされ、第１の範囲外にドリフトしたとき、電圧・周波数変換器からのパルスの 最初の立ち上がり（立ち下がり）エツジで、一定参照電圧が積分器入力に供給さ れる。この参照電圧の極性は、積分器出力を第１の範囲より少ない第２の範囲以 内に戻すために選択される。参照電圧の積分期間中に、カウンタは、電圧・周波 数変換器出力の各立ち下がり（又は立ち上り）エツジで、（参照電圧の符号に従 って）インクリメント（ｉｍｃｒｅｍｅｎｔｅ　）又はデクリメント（ｄｅｃｒ ｅｍｅｎｔｅ）される＠カウンタの内容は適当に拡大・縮小されて表示される。

産業上の応用 従来より、誘導形式のワット・アワー・メータが電力消費の測定に使用されてい る。しかし、経済性及びさらに柔軟性のある測定上の要求により、電子メータが 必要となった。

簡単な本発明の方法により、定在電力消費の測定に適した低価格で電子的信号位 相の電気メータが製造可能である。

３相測定は、同一参照電圧を共有する２つ又は３つのユニットを使用することで 可能である。この場合、同時に２つ以上の回路で参照電圧を積分するのを防ぐた めに、適切な構成が適用される。

電子メータは柔軟性のある基本的負荷管理システムとして、又、遠隔メータの読 取り装置として適している。

多数のメータが一ケ所で必要なとき、同一位相に接続される全てのメータ間で、 参照電圧回路を共用することに加え、電圧検知、半ザイクル検出器、電圧・周波 数変換器回路を共用することにより占有スペースと費用が軽減される。

Ｆｉｇ、２ Ｆｉｇ、３ 国際調査報告

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．電子的ワット・アワー及びｖａｒアワー測定装置において、 第１Ａ．Ｃ．信号を供給する第１入力検知手段であって；前記第１Ａ．Ｃ．信号 の主成分は前記第１入力の主成分に比例し、 第２Ａ．Ｃ．信号を供給する第２入力検知手段であって；前記第２Ａ．Ｃ．信号 の主成分は前記第２入力の主成分に比例し、前記第２入力の周波数は前記第１入 力の周波数に等しく、前記第１Ａ．Ｃ．信号と、前記第２Ａ．Ｃ．信号の位相差 は、前記第１入力と前記第２入力の間の位相差に等しく、前記第１Ａ．Ｃ．信号 が積分されるときの積分半サイクルを判断する積分半サイクル検出手段であって ；ワット・アワー・メータの場合、前記積分半サイクルは前記第２Ａ．Ｃ．信号 のプラス（又はマイナス）の半サイクルによって定義され、ｖａｒアワー・メー タの場合、前記積分半サイクルはマイナス（又はプラス）の傾斜を有する前記第 ２Ａ．Ｃ信号の半サイクルによって定義され、 計数パルスを発生する発振器手段であって；前記計数パルスの周波数は前記第２ Ａ．Ｃ．信号に比例し、異なる極性で２つの参照Ｄ．Ｃ．電圧を発生する手段で あって；測定されるエネルギが単一方向のみに移動するならば、単一の参照電圧 のみが必要とされ、 前記第１Ａ．Ｃ．信号と適切な参照Ｄ．Ｃ．電圧を前記積分手段に接続又は非接 続するスイッチング手段であって；この回路の動作は制御手段によって制御され 、前記スイッチング手段から入力した信号を積分する積分手段と、 前記積分手段の出力の電圧レベルをモニタするレベル検知手段であって；前記制 御手段に、前記電圧レベルがプラスか、マイナスか、又は０であるかを知らせ、 前記参照電圧の一つの積分期間中に前記計数パルスを計数し、その計数値を適切 な値で割り、その結果を格納し表示する計数及び表示手段であって；その計数方 向は前記制御手段によって制御され、 前記スイッチング手段と、前記計数及び表示手段の動作を制御する制御手段であ って；この制御手段は前記積分半サイクル検出手段、前記レベル検知手段、及び 前記発振器手段の出力に接続され、更に前記制御手段は：受信情報を、前記スイ ッチング手段が前記積分期間中に、前記第１Ａ．Ｃ．信号をスイッチオンするた めの指示信号として使用し；及び所定数の積分半サイクルが終わった後、前記積 分手段の出力が０に到達するまで、前記Ｄ．Ｃ．参照電圧の中で適切な参照電圧 の一つをスイッチオンするための指示信号として、前記受信信号を使用し、同時 に前記制御手段は前記計数パルスを前記計数及び表示手段に伝送し、前記レベル 検知手段から入力した信号に従って、その計数方向を制御し、を具備することを 特徴とする電子的ワット・アワー及びｖａｒアワー測定装置。
2. ２．電子的ワット・アワー及びｖａｒアワー測定装置において、 第１Ａ．Ｃ．信号を供給する第１入力検知手段であって；前記第１Ａ．Ｃ．信号 の主成分は、前記第１入力の主成分に比例し、前記第１入力検知手段は前記第１ Ａ．Ｃ．信号の反転信号も又提供でき、 第２Ａ．Ｃ．信号を提供する第２入力検知手段であって；前記第２Ａ．Ｃ．信号 の主成分は、前記第２入力の主成分に比例し、前記第２入力の周波数は前記第１ 入力の周波数に等しく、前記第１Ａ，Ｃ．信号と前記第２Ａ，Ｃ信号間の位相差 は、前記第１入力と前記第２入力間の位相差に等しく、積分半サイクルを判断す る積分半サイクル検出手段であって；ワット・アワー・メータの場合・前記積分 半サイクルは前記第２Ａ．Ｃ．信号のプラス（又はマイナス）の半サイクルによ って定義され、及びｖａｒアワー・メータの場合、前記積分半サイクルは、マイ ナス（又はプラス）の傾斜を有する前記第２Ａ．Ｃ．信号の半サイクルによって 定義され、計数パルスを発生する発振器手段であって；前記計数パルスの周波数 は前記第２Ａ．Ｃ．信号に比例し、異なる極性で２つの参照Ｄ．Ｃ電圧を発生す る参照電圧発生手段と、 前記第１Ａ．Ｃ信号又はその反転信号と、適切な参照Ｄ．Ｃ．電圧とを前記積分 手段に接続及び非接続するスイッチング手段であって；この回路の動作は前記制 御手段によって制御され、 前記スイッチング手段から入力した信号を積分する積分手段と、 前記積分手段の出力での電圧レベルをモニタするレベル検知手段であって；前記 制御手段に、前記電圧レベルが第１及び第２範囲の制限値より高いか又は低いか を知らせ、ここで前記第２範囲は前記第１範囲に含まれ、前記参照電圧の中の一 つの参照電圧の積分期間中に、前記計数パルスを計数し、その計数値を適切な値 で割り、その結果を格納し表示する計数及び表示手段であって；前記計数の方向 は前記制御手段によって制御され、前記スイッチング手段と前記計数及び表示手 段の動作を制御する制御手段であって、この制御手段は前記積分半サイクル検出 手段、前記レベル検知手段、及び前記発振器手段の出力に接続され、この制御手 段は：受信情報を、前記スイッチング手段が前記積分半サイクルに、前記第１Ａ ．Ｃ．信号をスイッチオンするように指示するために使用し；他の半サイクルに 、前記第１Ａ．Ｃ信号の反転信号を（この信号が供給されてる場合に）スイッチ オンするように指示するために前記受信信号を使用し；及び前記積分手段の出力 が前記第１範囲外にあることを前記レベル検知手段が示す場合に、前記Ｄ．Ｃ． 参照電圧の中の適切な参照電圧をスイッチオンするように指示するために前記受 信信号を使用し；前記レベル検知手段が、前記積分手段の出力が前記第２範囲内 に戻ったことを示す場合に、前記Ｄ．Ｃ．電圧をスイッチオフするように指示す るために前記受信信号を使用し；ここで、前記参照電圧のスイッチオン及びオフ は前記計数パルスと同期しており、又同時に、前記制御手段は前記計数パルスを 前記計数及び表示手段に転送し、前記レベル検知手段から入力される信号に従っ てその計数方向を制御し、 を具備することを特徴とする電子的ワット・アワー及びｖａｒアワー測定装置。