JPH0638084B2 - ひずみ波交流特性測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高調波成分を含むひずみ波交流の実効値電圧、
実効値電流、電力、及び力率を高精度で測定するディジ
タル演算型測定装置に関する。

〔従来技術〕

近年、家庭の応接室等で調光用に用いられるライトコン
トローラや台所で使用される電熱器等では、電力制御用
にサイリスタ素子を用い、交流波形の一部をカットし
て、導通角を変化させることにより電力を調整すること
が行なわれている。

前記サイリスタをスイッチング素子として電力の調整を
行なう場合には、通常、各定常波形毎に一部をカットす
ることによって行うために電流波形が著しくひずんだ波
形、所謂ひずみ波交流を生じる。

このような著しくひずんだひずみ波交流の実効値電圧、
実効値電流を計測する場合には、白金線等の抵抗変化素
子を用いて熱量に変換し、それによる白金線の温度変化
による電気抵抗の変化から上記ひずみ波交流の各実効値
を求める方法が通例である。また、ホール素子を用いて
ひずみ波交流の電力値をアナログ量で求める方法が用い
られている。

しかしながら、いずれの方法も高精度な測定結果を得る
には十分でない。しかも近年急速に要請の高まったデー
タのディジタル化、自動制御系への組み込み、電力の集
中管理、データの長距離伝送等に十分対応できないとい
う問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、特に著
しいひずみ、例えば波形の一部がカットされているよう
なひずみ波交流の実効値電圧、実効値電流、有効電力、
力率等のひずみ波交流の特性値を簡単な操作で且つ高精
度に計測できる特性測定計を提供することを目的とす
る。

〔発明の構成〕

以上の目的を達成するための本発明のディジタル演算型
の特性測定装置の構成は、基本波成分と高調波成分を含
むひずみ波交流の前記基本波成分に同期した同期信号を
発生する同期信号発生回路と、同期信号が得られたか否
かを判別する手段と、同期信号の周期の整数倍に相応す
るサンプリング時間を設定するサンプリング時間設定手
段と、予め設定したサンプリング回数を設定するサンプ
リング回数設定手段と、前記ひずみ波交流の瞬時値を前
記基本波周期より短い時間間隔でサンプリングするサン
プリング手段と、該サンプリング手段の出力をディジタ
ル信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換回路と、該ディジ
タルデータに基づいて前記ひずみ波交流の特性値を演算
する演算手段とを設け、前記同期信号が得られたと判断
された場合には前記サンプリング時間に達するまで、前
記サンプリング手段によりサンプリングを行い、また、
同期信号が得られないと判断された場合には前記サンプ
リング回数に達するまで、前記サンプリング手段により
サンプリングを行うことを特徴とするものである。

本発明の前記ひずみ波交流の特性値とは、実効値電圧、
実効値電流、電力及び力率を指し、本発明の実施に当り
その中から所望の特性値を適宜選定して実施する。

本発明の前記特性値の演算は、 (1)電圧の実効値 (2)電流の実効値 (3)有効電力 (4)皮相電力はＰ_２＝Ｖ・Ｉ（ＶＡ） (5)無効電力は (6)力 率 （但し、Ｐ_２は皮相電力） によってそれぞれ算出することができる。

ここでｖ_１，ｖ_２〜ｖ_Ｎは電圧データ２０ａの各データ
値、ｉ_１〜ｉ_Ｎは電流データ２０ｂの各データ値、Ｎは
電圧データ２０ａ，電流データ２０ｂの各データの個数
であり、量子化理論によると正弦波波形の場合１サイク
ル当りサンプル数が３個でよいとされている。

例えば、基本波を５０Hzとし２ｋHzまでの高調波を測定
目標とすると、２ｋHzの周期は５００μ secであり、量
子化理論によると２ｋHzの１周期当りの最低サンプル数
３個を必要とするためサンプリング間隔は１６７（５０
０μ sec÷３）μ secとなり、又、サンプル数はサンプ
リング時間を基本波の１週期とした場合、１２０個（３
個×２０００Hz÷５０Hz）となる。通常のひずみ波形に
対しては１００μ sec程度のサンプル間隔とするので実
用上十分である。即ち、本発明の前記構成要素中の予め
設定した高調波とは、前記例示においては２ｋHzを指
す。

前記サンプリング時間の設定、つまり基本波周期の整数
倍の値は、通常３〜１０程度の範囲を選定できるように
構成することによって、更に測定誤差が小さくなる。

ひずみ波形によっては、同期信号が得られないときがあ
る。このとき、測定不能となったのでは実用上好ましく
ない。したがって、本発明装置のプログラムには、同期
信号が得られない場合、サンプリング時間を基本波周期
の１０倍（５０サイクルのとき２００ｍsec ）とし、サ
ンプリング数を２０００個（２００ｍsec ÷０．１ｍse
c ）として特性値を計算するとよい。この場合測定およ
び演算に多少時間を要する。

即ち、本発明の前記構成要素中の非同期信号が得られな
い場合のサンプリング個数は、前記例示においては、サ
ンプリング周期１００μ sec、サンプリング個数を２０
００個を指す。なお同期信号が得られない場合であって
も、基本的な周波数を予め予想・確認することは一般に
可能であるから、サンプリングパルスの周波数を決定す
る高調波を予め設定することは可能である。

〔実施例〕

以下図面を対照して一実施例により本発明を具体的に説
明する。

第１図は本発明の一実施例を示したブロック図、第２図
は第１図で計測するひずみ波交流の波形図である。

第１図において、１は変換装置であり、一対の電圧−電
圧変換器（以下ＰＴと略記する）２ａ，２ｂと一対の電
流−電圧変換（以下ＣＴと略記する）３ａ，３ｂを備
え、それぞれ対応する入力電圧又は入力電流を所定の倍
率の電圧に変換して出力する。第１図に示す実施例で
は、ひずみ波交流の被測定電源としてＡ相とＢ相を有す
る単相３線式の交流１００Ｖに用いている。即ちＡ相側
の電源電圧をＰＴ２ａに、電源電流をＣＴ３ａに与える
とともにＢ相側の電源電圧をＰＴ２ｂに、電源電流をＣ
Ｔ３ｂにそぞれ与えている。

４ａ，４ｂ，４ｃ及び４ｄは減衰器（以下ＡＴＴと略記
する）であり、変換装置１からの入力電圧を入力レンジ
切換スイッチ５の指定する減衰率（入力レンジ切換信
号）に応じて減衰する。減衰器４ａ，４ｃの出力はアナ
ログスイッチ６ａに、又減衰器４ｂ，４ｄの出力はアナ
ログスイッチ６ｂに与えられる。各アナログスイッチ６
ａ，６ｂは、入力したＡ相側及びＢ相側の信号の内、マ
イクロプロセッサ８の切換信号に基づいて、いずれか一
方の指定された相の信号を出力する。

１０は同期信号発生回路であり、減衰器４ａの出力、即
ち第２図（Ｘ）に示すようなＡ相側の電圧信号が与えら
れており、被測定電源の基本波成分の周期に同期した同
期信号１１を出力する。

前記同期信号発生回路１０の動作を第２図によって具体
的に説明すると、第２図（Ｘ）に示すように第１の閾値
とＶ_Ｈと第１の閾値Ｖ_Ｈより低い値の第２の閾値とＶ_Ｌ
を設定したシュミット型のコンパレータ回路を内蔵して
おり、第２図（Ｙ）に示すように電圧信号の値が第１の
閾値Ｖ_Ｈを越えてから第２の閾値Ｖ_Ｌに達するまでのあ
いだ、前述したコンパレータ回路がオンし、逆に第２の
閾値Ｖ_Ｌから次の第１の閾値Ｖ_Ｈに達するまでのあいだ
コンパレータ回路がオフする。この様な動作をくり返す
ことにより、例えば同期信号の立ち上り時間間隔から電
圧信号、即ち被測定電源の基本波成分の周期に同期した
同期信号１１を出力する。なお、第２図（Ｚ）に示すよ
うにＡ相側の電流信号に基づいて同期信号１１を出力す
るようにしてもよい。この場合、減衰器４ｂの出力を同
期信号発生回路１０に与えてやればよい。

１２はサイクル設定回路であり、同期信号１１の周期の
整数倍、例えば第２図（Ｙ）で示すように２倍に相当す
るサンプリング時間Ｔｏを設定する。即ち、マイクロプ
ロセッサ８に内蔵したカウンタタイマコントローラ（以
下ＣＴＣと略記する）１３から出力される所定周期、例
えばパルス間隔１００μsec のパルス１４を入力する
と、サイクル設定回路には、サンプリング時間Ｔｏのあ
いだだけパルス１４をＡ／Ｄ変換器１５ａ，１５ｂに対
する変換指令信号１６として出力する。このパルス１４
のパルス幅は、通常２〜４μ sec程度の値である。

各Ａ／Ｄ変換器１５ａ，１５ｂは変換指令信号１６を入
力すると、Ａ／Ｄ変換を開始すると同時に、その直前に
ホルード信号１７ａ，１７ｂ（以下それぞれＥＯＣ１、
ＥＯＣ２と略記する）をそれぞれ対応するサンプルホー
ルド回路１８ａ，１８ｂに出力する。なお、このＥＯＣ
１、ＥＯＣ２は、それぞれＡ／Ｄ変換が終了するまで出
力され続ける。

各サンプルホールド回路１８ａ，１８ｂは、ホルード信
号１７ａ，１７ｂを入力すると、対応する電圧信号、電
流信号の各瞬時値（アナログ値）をＡ／Ｄ変換器１５
ａ，１５ｂに出力し、Ａ／Ｄ変換器１５ａ，１５ｂで対
応する１２ビット並列ディジタル信号に変換する。そし
て、変換が終了すると、ＥＯＣ１、ＥＯＣ２はそれぞれ
電圧LOW レベルになり、それぞれ電圧データ２０ａ，電
流データ２０ｂとしてマイクロプロセッサ（以下プロセ
ッサと略記する）８に送出される。ＥＯＣ１、ＥＯＣ２
は２１ａのオアゲートを介してプロセッサ８に出力され
るので、１５ａ、１５ｂ両方とも変換終了したときのみ
電圧LOW レベルになり、２１の出力信号を割込み信号と
している。

割込信号２１をプロセッサ８に出力してプロセッサ８に
内蔵されるメモリに対して前述のディジタル化された電
圧データ２０ａ，電流データ２０ｂを格納する。プロセ
ッサ８は、関数ＩＣ２２とこの関数ＩＣを制御するＣＰ
Ｕ等で形成される演算手段を内蔵しており、ＣＰＵのプ
ログラム制御による演算ルーチンに従って所望の特性値
の演算を行なう。

プロセッサ８での上記演算が終了すると、この演算結果
は表示コントロールＣＰＵ２３に転送され、２進数を１
０進数に変換した後、表示データ２４として表示部２５
に出力する。表示部２５は表示データ２４に基づいて演
算結果、本実施例では電圧、電流の実効値、有効電力、
力率を１０進数で表示する。また、プロセッサ８は電圧
データ２０ａ、電流データ２０ｂの各データを監視して
おり、不適正なデータである旨を検出すると、エラー信
号２７を出力してデータエラー表示部２８に対してエラ
ー表示を指令する。２９は測定モードスイッチであり、
第１図に示す被測定電源のＡ相、Ｂ相またはＡ相＋Ｂ相
かの測定モードを設定する。

第３図はプロセッサ８に内蔵されるＣＰＵのメインプロ
グラムを示したフローチャート、第４図はデータのサン
プリング制御を示したフローチャートである。

第３図及び第４図を参照して本発明の動作を説明する。

第３図に示すようにステップＳ１で電源が投入するか、
又はステップＳ２でリセットスイッチを操作すると、ス
テップＳ３に進み、関数ＩＣ２２，ＣＴＣ１３等が初期
設定される。ステップＳ４では測定モードスイッチ２９
の操作に応じてあらかじめ設定されている測定モードを
判別する。ステップＳ５では同期信号１１の有無を判別
し、サンプリングの方式として同期式か非同期式かを決
定する。即ち、同期信号１１が得られるとステップＳ
６，Ｓ７へ進み同期式によるサンプリングを実行し、逆
に同期信号１１が得られない場合はステップＳ８へ進み
非同期式によるサンプリングを実行する。

次に測定モードがＡ相＋Ｂ相を設定した場合について示
した第４図を参照して同期式及び非同期式によるサンプ
リングを詳細に説明する。

まず、ステップＳ５において、同期信号１１が得られた
ことが判別されると、ステップＳ６へ進みサイクル設定
回路１２に内蔵されたサイクル設定用ディップスイッチ
のサイクル設定数を読み込む。即ち、第２図（Ｙ）に示
すようにサイクル設定数が例えば２であることを読み取
る。もちろんこのサイクル設定用ディップスイッチは２
以外の適宜の整数、例えば３〜１０に設定することがで
き、サイクル設定数の値と同期信号１１の周期とでサン
プリング時間Ｔｏが決定される。上記の例ではサンプリ
ング時間Ｔｏは以下のように設定される。即ち被測定電
源の電源周波数を５０Hzとすると、 ステップＴ１ではＣＴＣ１３を駆動して所定のパルス１
４を発生する。

ステップＴ２では同期信号１１の読み込みと同時にステ
ップＴ３で前記パルス間隔１００μsec のパルス１４を
サイクル設定回路１２へ出力する。ステップＴ４では各
アナログスイッチ６ａ，６ｂに対して被測定電源のＡ相
側への切換を指令する。ステップＴ５ではＡ相のアナロ
グ電圧、電流のホールドによるサンプリング、そしてＡ
／Ｄ変換が行われるが、実際はプログラムを必要としな
い。

即ち、このとき、第１図で説明したとおりＣＴＣからパ
ルス１４が出力されると、各Ａ／Ｄ変換器１５ａ，１５
ｂからは対応するサンプルホールド回路１８ａ，１８ｂ
にホールド信号（ＥＯＣ１、ＥＯＣ２）１７ａ，１７ｂ
を出力すると、入力される電圧、電流のアナログ値がサ
ンプリングされ、その後ディジタルデータに変換され
る。上記ディジタル変換が終了するとステップＴ６で変
換終了信号、即ち割込信号（ＥＯＣ）２１が各Ａ／Ｄ変
換器１５ａ，１５ｂからプロセッサ８に与え、ステップ
Ｔ７でディジタル変換されたＡ相側の電圧データ２０ａ
及び電流データ２０ｂをメモリに格納する。ステップＴ
８では各アナログスイッチ６ａ，６ｂに対して被測定電
源のＢ相側への切換を指令する。ステップＴ９からステ
ップＴ１１までは、前記Ａ相について行なったと同じ操
作をＢ相について行ない、Ｂ相に与えられたメモリ領域
にデータを格納する。

続いてステップＴ１２では同期信号発生回路１０から出
力される同期信号１１の信号周期を監視しており、同期
信号１１の信号周期がサイクル数２に相応する時間、即
ちサンプリング時間Ｔｏを経過したかどうかを判別し、
サンプリング時間Ｔｏに達していない場合は再びステッ
プＴ４に戻りＡ相及びＢ相のサンプリングを継続する。
また、サンプリングを開始してからサンプリング時間Ｔ
ｏを経過するとステップＳ９へ進みサンプリング動作を
終了する。

次に非同期式によるサンプリングを説明する。即ちステ
ップＳ５で非同期式であることが判別されるとステップ
Ｔ１３では、ＣＴＣ１３からパルス間隔１００μsec の
パルス１４をサイクル設定回路１２に出力する。ステッ
プＴ１４では各アナログスイッチ６ａ，６ｂに対して被
測定電源のＡ相側への切換を指令する。ステップＴ１５
でサイクル設定回路１２は前記パルス１４をそのまま各
Ａ／Ｄ変換回路１５ａ，１５ｂに制御信号１６として与
え、上記ステップＴ５と同様にデータを処理し、ステッ
プＴ１６でディジタル変換を終了した各Ａ／Ｄ変換回路
１５ａ，１５ｂは（ＥＯＣ）信号２１をマイクロプロセ
ッサに与え、ステップＴ１７でディジタル変換したＡ相
側の電圧データ２０ａ及び電流データ２０ｂをメモリに
格納する。

ステップＴ１８では各アナログスイッチ６ａ，６ｂに対
して被測定電源のＢ相側への切換を指令し、ステップＴ
１９〜Ｔ２１ではステップＴ１５〜Ｔ１７と同様の操作
をＢ相について実行し、Ｂ相のデータに与えられたメモ
リ領域に格納する。

ステップＴ２２ではサンプリングの回数を監視してお
り、サンプリングの回数が所定数以下、例えば２０００
回以下である場合には、再びステップＴ１４に戻りＡ相
側及びＢ相側のサンプリングを継続する。ここでサンプ
リングの回数が２０００回に達すると、サンプリングは
終了しステップＳ９に進む。なお、上記サンプリング回
数は回数を多く設定すれば精度は向上するが測定時間と
演算時間がより長くなる。５０Hzの場合２０００回で
０．２秒の測定時間を要することとなる。

再び第３図を参照するに、以上のようにサンプリングが
終了すると、ステップＳ９において、入力レンジ切換ス
イッチ５の入力レンジに応じてメモリに格納した電圧デ
ータ及び電流データの各データ値を補正する。ステップ
Ｓ１０では関数ＩＣ２２を始動して被測定対照の各特性
値を演算する。ステップＳ１１では演算結果を表示コン
トロールＣＰＵ２２へ転送すると共にステップＳ４に戻
り測定動作を繰返す。

次に演算結果の表示動作について説明する。表示コント
ロールＣＰＵ２２ではステップＳ１２に示すようにプロ
セッサ８から割り込み信号を入力すると、ステップＳ１
３で演算結果を受信する。この演算結果は２進数である
ため、ステップＳ１４で１０進数に変換される。ステッ
プＳ１５では１０進数に変換した表示データ２４を出力
して表示部２５に演算結果の表示を指令し、ステップＳ
１２に戻り、次の計算結果の転送信号により表示動作を
繰り返す。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、基本波成分と高調
波成分を含むひずみ波交流に基本波成分の周期に同期す
る同期信号発生回路を設け、同期信号が得られると予め
設定した高調波１サイクル中から少なくとも３回サンプ
リングする周波数のサンプリングパルスを、基本波周期
の複数倍のサンプリング回数を前記サンプリング手段に
与え、また同期信号が得られないと、予め設定したサン
プリング回数を前記サンプリング手段に与えるようにし
たので、著しいひずみ波形のひずみ波交流の場合でも、
その特性値を簡単な操作で且つ高精度に計測することが
できる。

即ち、本発明のひずみ波交流特性測定装置は、前記の各
特性値をディジタル値で高精度に演算できるので、単に
測定器の利用に止まらずこれらの演算結果を他の中央管
理装置にそのまま転送することができ、電力等を効果的
に遠隔的に監視、収録する監視システムを容易に実現す
ることができるので高度産業社会、且つ情報化社会の要
求に対応することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示したブロック図、第２図
は第１図で計測する被測定電源のひずみ波交流の波形
図、第３図はマイクロプロセッサに内蔵されるＣＰＵの
メンイプログラムを示したフローチャート、第４図はデ
ータのサンプリング制御を示したフローチャートであ
る。 １……変換装置、２ａ，２ｂ……電圧−電圧変換器、３
ａ，３ｂ……電流−電圧変換器、４ａ〜４ｄ……減衰
器、５……入力レンジ切換スイッチ、６ａ，６ｂ……ア
ナログスイッチ、８……マイクロプロセッサ、１０……
同期信号発生回路、１２……サイクル設定回路、１３…
…ＣＴＣ、１５ａ，１５ｂ……Ａ／Ｄ変換器、２２……
関数ＩＣ、２３……表示コントロールＣＰＵ、２５……
表示部、２８……データエラ表示部、２９……入力レン
ジ切換スイッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基本波成分と高調波成分を含むひずみ波交
   流の前記基本波成分に同期した同期信号を発生する同期
   信号発生回路と、同期信号が得られたか否かを判別する
   手段と、同期信号の周期の整数倍に相応するサンプリン
   グ時間を設定するサンプリング時間設定手段と、予め設
   定したサンプリング回数を設定するサンプリング回数設
   定手段と、前記ひずみ波交流の瞬時値を前記基本波周期
   より短い時間間隔でサンプリングするサンプリング手段
   と、該サンプリング手段の出力をディジタル信号に変換
   して出力するＡ／Ｄ変換回路と、該ディジタルデータに
   基づいて前記ひずみ波交流の特性値を演算する演算手段
   とを設け、前記同期信号が得られたと判断された場合に
   は前記サンプリング時間に達するまで、前記サンプリン
   グ手段によりサンプリングを行い、また、同期信号が得
   られないと判断された場合には前記サンプリング回数に
   達するまで、前記サンプリング手段によりサンプリング
   を行うことを特徴とするひずみ波交流特性測定装置。