JP2003279604A - 交流電力測定装置 - Google Patents
交流電力測定装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 交流電力を単一の光学的結晶を用いて測
定する。 【解決手段】 二重直交ポッケルス効果を有するニオブ
酸リチウム結晶などの３ｍ対称性を示す結晶に、レーザ
ーダイオードからの発射光を偏光子を介して直線偏光と
したうえで入射し、負荷電圧に関係する電界と負荷電流
に関係する電界とを、光軸に対して二方向で直交するよ
うに印加し、この結晶からの出射光をビームスプリッタ
で成分分解し、直交成分信号を処理して有効電力、皮相
電力などを求める。単一の結晶で交流電力を瞬時に測定
することができるので、従来のごとく磁気光学的結晶や
鉄心コイルなどを使用することなく、リアルタイム測定
が可能となる利点を有する。
定する。 【解決手段】 二重直交ポッケルス効果を有するニオブ
酸リチウム結晶などの３ｍ対称性を示す結晶に、レーザ
ーダイオードからの発射光を偏光子を介して直線偏光と
したうえで入射し、負荷電圧に関係する電界と負荷電流
に関係する電界とを、光軸に対して二方向で直交するよ
うに印加し、この結晶からの出射光をビームスプリッタ
で成分分解し、直交成分信号を処理して有効電力、皮相
電力などを求める。単一の結晶で交流電力を瞬時に測定
することができるので、従来のごとく磁気光学的結晶や
鉄心コイルなどを使用することなく、リアルタイム測定
が可能となる利点を有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明はポッケルス効果を
有する素子を用いた交流電力の測定装置に関する。交流
電力の測定は、電力系統の運用および管理にとって非常
に重要である。
有する素子を用いた交流電力の測定装置に関する。交流
電力の測定は、電力系統の運用および管理にとって非常
に重要である。
【０００２】
【従来の技術】従来、交流電力の測定のために、二つの
主な方法、すなわち電気的な方法および光学的な方法が
あった。前者に関しては、電磁誘導の原理に基づく電流
力計や、ホール効果およびアナログ又はディジタルの電
気的な乗算器に基づく電力計がある。このほかに発光ダ
イオードおよび光導電素子から構成される光−電子乗算
器や、ポインティングの定理に基づく変換器も開発され
ている。
主な方法、すなわち電気的な方法および光学的な方法が
あった。前者に関しては、電磁誘導の原理に基づく電流
力計や、ホール効果およびアナログ又はディジタルの電
気的な乗算器に基づく電力計がある。このほかに発光ダ
イオードおよび光導電素子から構成される光−電子乗算
器や、ポインティングの定理に基づく変換器も開発され
ている。
【０００３】これらの電気的な方法に加えて、いくつか
の光学的方法が開発されている。それらのうちのほとん
どは、ポッケルス効果、カー効果およびファラデー効果
を主として含む、結晶あるいは光ファイバーにおいて存
在する光学的効果に基づくものである。
の光学的方法が開発されている。それらのうちのほとん
どは、ポッケルス効果、カー効果およびファラデー効果
を主として含む、結晶あるいは光ファイバーにおいて存
在する光学的効果に基づくものである。
【０００４】例えば、石英結晶、低い複屈折の光ファイ
バーおよびサニャックファイバー干渉計は、電流と電圧
の同時の測定に適用することができる。Ｂｉ12ＳｉＯ20
（又はＢＳＯ）結晶は電力の検出要素として使用するこ
とができる。さらに、ポッケルスセルおよびファラデー
セルのコンビネーションに基づいた光学的電力検出シス
テムも知られている。
バーおよびサニャックファイバー干渉計は、電流と電圧
の同時の測定に適用することができる。Ｂｉ12ＳｉＯ20
（又はＢＳＯ）結晶は電力の検出要素として使用するこ
とができる。さらに、ポッケルスセルおよびファラデー
セルのコンビネーションに基づいた光学的電力検出シス
テムも知られている。
【０００５】いくつかの電気光学の結晶において存在す
る二重の直交するポッケルス効果は、１９６３年に理論
上並びに実験的に突きとめられた。その時以来、この効
果は、偏光コントローラ、偏光変動のリアルタイム測定
および二次元電界の測定などに成功裡に適用された。更
に、この効果に基づいて、パルスコントロールされる偏
光変換器および電気光学的結晶乗算器も、近年紹介され
ている。
る二重の直交するポッケルス効果は、１９６３年に理論
上並びに実験的に突きとめられた。その時以来、この効
果は、偏光コントローラ、偏光変動のリアルタイム測定
および二次元電界の測定などに成功裡に適用された。更
に、この効果に基づいて、パルスコントロールされる偏
光変換器および電気光学的結晶乗算器も、近年紹介され
ている。
【０００６】しかしながら、従来の方法は、交流電力を
測定する際に、二つ以上の素子あるいは変換器を必要と
し、このために温度や電界などの物理量の変化に対する
補正が複雑になる問題点を有していた。
測定する際に、二つ以上の素子あるいは変換器を必要と
し、このために温度や電界などの物理量の変化に対する
補正が複雑になる問題点を有していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、単
一の電気光学の結晶によって交流電力を測定する新しい
方法を提供することにある。
一の電気光学の結晶によって交流電力を測定する新しい
方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を、二重直交ポッケルス効果をもたらす素子を利用して
達成しようとするもので、負荷電圧に相当する電圧に基
づく第一の電界と負荷電流に相当する電圧に基づく第二
の電界とを、二重直交ポッケルス効果を有する単一の結
晶に、相互に直交する方向にて印加し、直線偏光光を前
記二つの電界方向との成す角度がほぼ４５°となるよう
に傾斜させて結晶中に入射し、この結晶の出射光に基づ
いて交流電力を求めることを特徴とするものである。こ
こで「ほぼ」４５°としたのは、厳密には丁度４５°が
望ましいのであるが、装置の各素子の製造ならびに全体
の組立の制約上、４５°を若干ずれることがあり得るこ
とと、仮にずれたとして装置の動作上支障がないこと、
そして積極的にずらすことの意義が存在しないこと等の
理由から、あえて「ほぼ」と記載したものである。
を、二重直交ポッケルス効果をもたらす素子を利用して
達成しようとするもので、負荷電圧に相当する電圧に基
づく第一の電界と負荷電流に相当する電圧に基づく第二
の電界とを、二重直交ポッケルス効果を有する単一の結
晶に、相互に直交する方向にて印加し、直線偏光光を前
記二つの電界方向との成す角度がほぼ４５°となるよう
に傾斜させて結晶中に入射し、この結晶の出射光に基づ
いて交流電力を求めることを特徴とするものである。こ
こで「ほぼ」４５°としたのは、厳密には丁度４５°が
望ましいのであるが、装置の各素子の製造ならびに全体
の組立の制約上、４５°を若干ずれることがあり得るこ
とと、仮にずれたとして装置の動作上支障がないこと、
そして積極的にずらすことの意義が存在しないこと等の
理由から、あえて「ほぼ」と記載したものである。
【０００９】本発明において用いられる光学的検出ユニ
ットは、結晶の対称軸で見ていわゆる３ｍ対称性の点群
に属する、たとえばニオブ酸リチウム結晶（ＬｉＮｂＯ
3又はＬＮ）などの結晶および偏光子から構成されてい
る。
ットは、結晶の対称軸で見ていわゆる３ｍ対称性の点群
に属する、たとえばニオブ酸リチウム結晶（ＬｉＮｂＯ
3又はＬＮ）などの結晶および偏光子から構成されてい
る。
【００１０】三つの回転軸を備えたいかなる電気光学的
結晶も、光のビームに垂直な電界の大きさが電気−光学
的位相遅延を制御し、電界の方向が結晶の偏光軸に対す
る位置決めを行うような、二重直交ポッケルス効果を有
している。
結晶も、光のビームに垂直な電界の大きさが電気−光学
的位相遅延を制御し、電界の方向が結晶の偏光軸に対す
る位置決めを行うような、二重直交ポッケルス効果を有
している。
【００１１】直交する電界下にあるＬＮ結晶を考える。
図２で、y'およびx'は電気的に引き起こされた偏光の二
つの直交する主軸であるが、ここで示されるように、二
重の直交するポッケルス効果は次の方程式として表わす
ことができる。
図２で、y'およびx'は電気的に引き起こされた偏光の二
つの直交する主軸であるが、ここで示されるように、二
重の直交するポッケルス効果は次の方程式として表わす
ことができる。
【数１】
【数２】
【数３】
ここで、γは偏光のy'とx'偏光成分間の電気光学的位相
遅れ、θは座標軸ｘに対するｙ’軸の相対的角度、Ｅm
＝√（Ｅx 2＋ Ｅy 2）は印加された電界の大きさ、α＝
arc tan(Ｅy／Ｅx)はその等距離方位角、Ｅx、Ｅyは印
加電界の二つの直交成分、ｋ0は定数、λ0は自由空間に
おける入射光の波長、ｎ0はＬＮ結晶の通常の屈折率、
ｒ22は電気光学的線形係数の一つ、ｌはｚ軸方向の長さ
である。
遅れ、θは座標軸ｘに対するｙ’軸の相対的角度、Ｅm
＝√（Ｅx 2＋ Ｅy 2）は印加された電界の大きさ、α＝
arc tan(Ｅy／Ｅx)はその等距離方位角、Ｅx、Ｅyは印
加電界の二つの直交成分、ｋ0は定数、λ0は自由空間に
おける入射光の波長、ｎ0はＬＮ結晶の通常の屈折率、
ｒ22は電気光学的線形係数の一つ、ｌはｚ軸方向の長さ
である。
【００１２】図２及び式（１）、（２）によれば、
Ｅx、Ｅy及びその積は、以下のように分離して書くこと
ができる。
Ｅx、Ｅy及びその積は、以下のように分離して書くこと
ができる。
【数４】
【数５】
【数６】
【００１３】ｚ軸に沿って伝播する偏光に関しては、直
交電界の印加下でのＬＮ結晶は、理想的な線形位相遅延
器と見なすことができ、R.M.A.Azzamらによって展開さ
れた正規化されたジョーンズマトリックスは、（７）の
ようになる。
交電界の印加下でのＬＮ結晶は、理想的な線形位相遅延
器と見なすことができ、R.M.A.Azzamらによって展開さ
れた正規化されたジョーンズマトリックスは、（７）の
ようになる。
【数７】
【００１４】入射偏光の等距離方位角を４５°と仮定す
ると、出射光の正規化されたジョーンズベクトルは、式
（８）のように推測される。
ると、出射光の正規化されたジョーンズベクトルは、式
（８）のように推測される。
【数８】
【００１５】γは非常に小さく、sin2(γ／２) ≒（γ
／２)2であることを考慮すると、出射光の強さの二成分
とその差は、（８）式と（６）式に基づき以下のように
表される。
／２)2であることを考慮すると、出射光の強さの二成分
とその差は、（８）式と（６）式に基づき以下のように
表される。
【数９】
ここで、Ｉiは入射光の強さを表わしている。
【００１６】式（９）〜（11）は、二つの独立の電界Ｅ
xとＥyから得られる信号は、偏光の強度信号、すなわち
Ｉox 、Ｉoy 又はＩodの中に含まれているということを
意味している。それゆえ、この生成信号は光の強度を検
出する際に測定可能である。これが、本発明の基本原理
である。
xとＥyから得られる信号は、偏光の強度信号、すなわち
Ｉox 、Ｉoy 又はＩodの中に含まれているということを
意味している。それゆえ、この生成信号は光の強度を検
出する際に測定可能である。これが、本発明の基本原理
である。
【００１７】瞬時電力ｐは、電流iと電圧uとの積、すな
わちｐ＝ｕｉと定義される。もしもｕとｉとを、個別に
ＬＮ結晶の二つの印加電界ＥxとＥyとに変換できるなら
ば、瞬時電力信号はＩox 、Ｉoy 又はＩodから得ること
ができる。
わちｐ＝ｕｉと定義される。もしもｕとｉとを、個別に
ＬＮ結晶の二つの印加電界ＥxとＥyとに変換できるなら
ば、瞬時電力信号はＩox 、Ｉoy 又はＩodから得ること
ができる。
【００１８】負荷電圧と負荷電流とを個別に二つの電圧
ｕxとｕyとに変換できると仮定すると、これらの関係
は、
ｕxとｕyとに変換できると仮定すると、これらの関係
は、
【数１０】
これから、式(11)は、次のように書きなおせる。
【数１１】
ここで、
ｋ1及びｋ2 二つの変換係数
ｈ ＬＮ結晶の高さ
ｗ 同じく幅
ｋs センシングユニットの感度に関係する係数
式(13)は、電力を光の強度から測定することができるこ
とを示している。
とを示している。
【００１９】
【発明の実施の形態】前述した理論的解析に基づき、図
１に示すような単一のＬＮ結晶を用いた電力計測システ
ムを構築した。ここで、ＬＤは波長λ0＝670ｎｍのレー
ザダイオードである。直線偏光は等距離方位角４５°の
偏光子ＰＯＬから得た。この偏光角は４５°より前後し
ても問題はない。４個の金めっき電極を持つ30×4×4ｍ
ｍ3のｚ軸成長ＬＮ結晶ＬＮが光学的検出素子として用
いられた。各電極の面積は30×3.5ｍｍ2である。ｕxと
ｕyは、負荷電圧と負荷電流とに相当する印加電圧であ
る。 λ0＝670ｎｍ、ｎ0＝2.277、ｒ22≒6.8ｐｍ／Ｖ、ｌ＝3
0ｍｍ ｋ0＝2.259×10-5ｍ／Ｖ、従って半波電界はＥπ＝π／
ｋ0＝139.1ｋＶ／ｍ もしもｕx＝ｕyならば、相応する半波電圧Ｕπ＝ｈＥπ
／√２＝393.4Ｖ
１に示すような単一のＬＮ結晶を用いた電力計測システ
ムを構築した。ここで、ＬＤは波長λ0＝670ｎｍのレー
ザダイオードである。直線偏光は等距離方位角４５°の
偏光子ＰＯＬから得た。この偏光角は４５°より前後し
ても問題はない。４個の金めっき電極を持つ30×4×4ｍ
ｍ3のｚ軸成長ＬＮ結晶ＬＮが光学的検出素子として用
いられた。各電極の面積は30×3.5ｍｍ2である。ｕxと
ｕyは、負荷電圧と負荷電流とに相当する印加電圧であ
る。 λ0＝670ｎｍ、ｎ0＝2.277、ｒ22≒6.8ｐｍ／Ｖ、ｌ＝3
0ｍｍ ｋ0＝2.259×10-5ｍ／Ｖ、従って半波電界はＥπ＝π／
ｋ0＝139.1ｋＶ／ｍ もしもｕx＝ｕyならば、相応する半波電圧Ｕπ＝ｈＥπ
／√２＝393.4Ｖ
【００２０】変調された出射光は、偏光ビームスプリッ
タＰＢＳによってｘおよびｙ成分に分けられ、二つのフ
ォトダイオードＰＤ１とＰＤ２（Ｓｉ−ＰＩＮ）で検出
される。電子的線形増幅器ＡＭＰを通過する際、検出さ
れた信号はディジタルオシロスコープＯＳＣ（アンリツ
電気製ＨＰ５４６１０Ｂ）で表示し測定した。
タＰＢＳによってｘおよびｙ成分に分けられ、二つのフ
ォトダイオードＰＤ１とＰＤ２（Ｓｉ−ＰＩＮ）で検出
される。電子的線形増幅器ＡＭＰを通過する際、検出さ
れた信号はディジタルオシロスコープＯＳＣ（アンリツ
電気製ＨＰ５４６１０Ｂ）で表示し測定した。
【００２１】一般的に、ビームスプリッタＰＢＳのビー
ムスプリット比は正確に１：１ではなく、ａ：ｂであ
り、フォトダイオードの応答性および増幅器の増幅率も
相互に異なっている。これらの要素を考慮に入れると、
二つの出力検出信号は一般に、
ムスプリット比は正確に１：１ではなく、ａ：ｂであ
り、フォトダイオードの応答性および増幅器の増幅率も
相互に異なっている。これらの要素を考慮に入れると、
二つの出力検出信号は一般に、
【数１２】
と表わせる。ここでｒx、ｒyは二つのフォトダイオード
の応答度、ｋax、ｋayは二つの線形増幅器の増幅率であ
る。
の応答度、ｋax、ｋayは二つの線形増幅器の増幅率であ
る。
【００２２】負荷電圧と負荷電流が、ＵとＩを負荷電
圧、負荷電流の実効値、ωを角周波数、φをｕ(t)とｉ
(t)との間の位相差とした場合に、
圧、負荷電流の実効値、ωを角周波数、φをｕ(t)とｉ
(t)との間の位相差とした場合に、
【数１３】
で表されるとするならば、ｕoxとｕoyとの差は、次のよ
うに表すことが出来る。
うに表すことが出来る。
【００２３】
【数１４】
【数１５】
ここで、Ｐ＝ＵＩcosφは有効電力、Ｓ＝ＵＩは皮相電
力である。
力である。
【００２４】式(17)から、有効電力信号Ｐは、出力検出
信号ｕodの直流成分内に含まれることが判り、一方、皮
相電力信号Ｓはｕodの交流成分の振幅に比例する。それ
ゆえ、もしもｄ≠０ならば、ｕodの直流成分から有効電
力信号Ｐを区別することは困難である。
信号ｕodの直流成分内に含まれることが判り、一方、皮
相電力信号Ｓはｕodの交流成分の振幅に比例する。それ
ゆえ、もしもｄ≠０ならば、ｕodの直流成分から有効電
力信号Ｐを区別することは困難である。
【００２５】無視できない不確実性がｄ≠０によりもた
らされる。式(18)によれば、ｄ＝０とする一つの簡単な
方法は、二つの増幅器の増幅率、即ち、kax及びkayを調
整することである。
らされる。式(18)によれば、ｄ＝０とする一つの簡単な
方法は、二つの増幅器の増幅率、即ち、kax及びkayを調
整することである。
【００２６】電力を直線的に測定するためには、次の条
件を満足しなければならない。 １）ｕxとｕyの振幅は、センシング結晶の整合電圧と呼
ばれるＬＮ結晶の半波電圧の振幅、すなわち、Ｕπ／π
＝１２５Ｖに対してかなり小さくなければならない。 ２）負荷電圧と負荷電流は、整合電圧に変換されねばな
らない。この変換は受動的、線型、無歪かつ同相である
べきである。一般には抵抗性又は容量性の分圧器が電圧
変換器として用いられている。
件を満足しなければならない。 １）ｕxとｕyの振幅は、センシング結晶の整合電圧と呼
ばれるＬＮ結晶の半波電圧の振幅、すなわち、Ｕπ／π
＝１２５Ｖに対してかなり小さくなければならない。 ２）負荷電圧と負荷電流は、整合電圧に変換されねばな
らない。この変換は受動的、線型、無歪かつ同相である
べきである。一般には抵抗性又は容量性の分圧器が電圧
変換器として用いられている。
【００２７】さて、１ｋＶＡの範囲内での交流電力測定
を考える。最大負荷電圧と負荷電流は１００Ｖと１０Ａ
で、共に多くの典型的な電圧及び電流変換器の出力値で
ある。交流電力を測定し、負荷電流を整合電圧に変換す
る回路は、図３に示されており、ここで、ＺLは負荷イ
ンピーダンス、Ｔは負荷電圧を制御する交流電圧調整器
である。
を考える。最大負荷電圧と負荷電流は１００Ｖと１０Ａ
で、共に多くの典型的な電圧及び電流変換器の出力値で
ある。交流電力を測定し、負荷電流を整合電圧に変換す
る回路は、図３に示されており、ここで、ＺLは負荷イ
ンピーダンス、Ｔは負荷電圧を制御する交流電圧調整器
である。
【００２８】有効電力量は、電気動力計Ｗを読むことに
より得られる。皮相電力は電流計Ａと、負荷に並列接続
された電圧計Ｖの読みから計算できる。１００Ｖの範囲
内では、負荷電圧はＬＮ結晶の整合電圧とみなすことが
できる。すなわち、式(12)のｋ1＝１の場合に相当す
る。
より得られる。皮相電力は電流計Ａと、負荷に並列接続
された電圧計Ｖの読みから計算できる。１００Ｖの範囲
内では、負荷電圧はＬＮ結晶の整合電圧とみなすことが
できる。すなわち、式(12)のｋ1＝１の場合に相当す
る。
【００２９】交流負荷電流を整合電圧に変換するため
に、図３に示す空心電流変換器ＣＴとコンデンサを用い
た。図でＭはＣＴの相互インダクタンス係数、Ｌ1，Ｌ2
は自己インダクタンス係数、Ｒ1，Ｒ2はコイルの抵抗値
である。正弦波電流に対しては、複素ベクトル分析によ
り次の式が得られる。
に、図３に示す空心電流変換器ＣＴとコンデンサを用い
た。図でＭはＣＴの相互インダクタンス係数、Ｌ1，Ｌ2
は自己インダクタンス係数、Ｒ1，Ｒ2はコイルの抵抗値
である。正弦波電流に対しては、複素ベクトル分析によ
り次の式が得られる。
【数１６】
もしも１−ω2Ｌ2Ｃ＝０が成り立つならば、式(19)は、
【数１７】
となる。ここで、ｋ2は式(12)の定数で実数である。式
(20)は、整合電圧が負荷電流に直接比例し、かつこれと
同相であるということを意味している。
(20)は、整合電圧が負荷電流に直接比例し、かつこれと
同相であるということを意味している。
【００３０】整合電圧ｕxとｕyが同時にＬＮ結晶に働く
と、ｚ軸に沿って伝播する偏光は、ｕxとｕyの積の信号
によって変調されるであろう。出力電圧ｕoxとｕoyおよ
びｕ odはオシロスコープで観測することができる。式(1
7)によれば、有効電力信号Ｐはｕodの平均値から得られ
る。皮相電力信号Ｓは振幅ｕodから得られる。無効電力
ＱはＱ＝√（Ｓ2−Ｐ2）なる関係式に従って計算でき
る。
と、ｚ軸に沿って伝播する偏光は、ｕxとｕyの積の信号
によって変調されるであろう。出力電圧ｕoxとｕoyおよ
びｕ odはオシロスコープで観測することができる。式(1
7)によれば、有効電力信号Ｐはｕodの平均値から得られ
る。皮相電力信号Ｓは振幅ｕodから得られる。無効電力
ＱはＱ＝√（Ｓ2−Ｐ2）なる関係式に従って計算でき
る。
【００３１】電流−電圧変換器は、周波数５０Ｈｚで１
−ω2Ｌ2Ｃ＝０なる条件を満たすために作られた。抵抗
負荷の場合、負荷電流の波形はｕxのそれと同じであっ
た。ＺL＝9.7Ωで、Ｉ＝3.8Ａのとき、ｕxとｕyの波形
は図４に示すとおりである。
−ω2Ｌ2Ｃ＝０なる条件を満たすために作られた。抵抗
負荷の場合、負荷電流の波形はｕxのそれと同じであっ
た。ＺL＝9.7Ωで、Ｉ＝3.8Ａのとき、ｕxとｕyの波形
は図４に示すとおりである。
【００３２】図４は、出力整合電圧ｕyが負荷電流ｉと
同相であることを示している。１０Ａの範囲内で、負荷
電流Ｉ，負荷電圧Ｕｘ，および整合電圧Ｕｙの実験デー
タが、図５に示されている。この図は、ＵｙとＩとの間
の良好な直線関係を示す。最小測定可能電流は０．１
Ａ、最大出力整合電圧は７４．２Ｖである。
同相であることを示している。１０Ａの範囲内で、負荷
電流Ｉ，負荷電圧Ｕｘ，および整合電圧Ｕｙの実験デー
タが、図５に示されている。この図は、ＵｙとＩとの間
の良好な直線関係を示す。最小測定可能電流は０．１
Ａ、最大出力整合電圧は７４．２Ｖである。
【００３３】抵抗性負荷では、Ｐ＝Ｓである。ＺL＝
９．７Ωに対する検出信号がオシロスコープにより表示
され計測された。電力が０のとき、二つの同一のＤＣ電
圧信号線がオシロスコープのスクリーン上に現われ、相
互に一致した。電力を増加させると、二つの線は互いに
離れ、二つの逆相正弦波となる。Ｐ＝８２５Ｗの場合、
ｕox、ｕoyおよびｕodの波形は図６に示される。ここ
で、ｕod＝ｕox−ｕoyである。ｕoxの波の底はｕoyの波
の頂上に接触している。ｕodのピーク対ピーク振幅は、
その平均値の２倍であり、これはｕoxとｕoyの平均値の
差に等しい。有効電力信号はさらにｕoxとｕoyの間の直
流電圧から得ることが出来る。
９．７Ωに対する検出信号がオシロスコープにより表示
され計測された。電力が０のとき、二つの同一のＤＣ電
圧信号線がオシロスコープのスクリーン上に現われ、相
互に一致した。電力を増加させると、二つの線は互いに
離れ、二つの逆相正弦波となる。Ｐ＝８２５Ｗの場合、
ｕox、ｕoyおよびｕodの波形は図６に示される。ここ
で、ｕod＝ｕox−ｕoyである。ｕoxの波の底はｕoyの波
の頂上に接触している。ｕodのピーク対ピーク振幅は、
その平均値の２倍であり、これはｕoxとｕoyの平均値の
差に等しい。有効電力信号はさらにｕoxとｕoyの間の直
流電圧から得ることが出来る。
【００３４】１ｋＷの範囲内で、異なるインピーダンス
を持つ負荷の有効電力が測定された。ｕodのピーク対ピ
ーク振幅Ｕodppを含む実験データは、図７に示されてい
る。最小測定可能電力Ｐmin＝１０Ｗである。測定感度
は、ｕod（曲線Ａ）の平均値測定に対しては０．１１６
ｍＶ／Ｗ、ピーク対ピーク振幅（曲線Ｂ）の測定に対し
ては０．２２３ｍＶ／Ｗであった。図７から測定すべき
有効電力と出力電圧との間には、良好な直線関係が存在
することが判る。
を持つ負荷の有効電力が測定された。ｕodのピーク対ピ
ーク振幅Ｕodppを含む実験データは、図７に示されてい
る。最小測定可能電力Ｐmin＝１０Ｗである。測定感度
は、ｕod（曲線Ａ）の平均値測定に対しては０．１１６
ｍＶ／Ｗ、ピーク対ピーク振幅（曲線Ｂ）の測定に対し
ては０．２２３ｍＶ／Ｗであった。図７から測定すべき
有効電力と出力電圧との間には、良好な直線関係が存在
することが判る。
【００３５】負荷が誘導性のときは、負荷電圧と負荷電
流との間には位相変移が現われる。たとえば、負荷イン
ピーダンスＺL＝４．２＋ｊ９．７Ωで、位相変移φ＝
６５°、負荷電圧と負荷電流の波形は図１０に示され
る。この場合、検出信号の二つの経路は図９に示すよう
に相互に重なり合い、この重畳領域は位相変移の増加と
共に拡大する。一方、差信号ｕodはオシロスコープのゼ
ロ線を横切る。これは、負荷に無効電力が生じたことを
意味する。
流との間には位相変移が現われる。たとえば、負荷イン
ピーダンスＺL＝４．２＋ｊ９．７Ωで、位相変移φ＝
６５°、負荷電圧と負荷電流の波形は図１０に示され
る。この場合、検出信号の二つの経路は図９に示すよう
に相互に重なり合い、この重畳領域は位相変移の増加と
共に拡大する。一方、差信号ｕodはオシロスコープのゼ
ロ線を横切る。これは、負荷に無効電力が生じたことを
意味する。
【００３６】さらに、図７には、ＺL＝１０．８＋ｊ
９．７Ωのときの実験データが示されている。測定可能
な最小有効電力は２５Ｗである。測定感度は、平均値
（曲線Ｃ）の測定に対しては０．１４１ｍＶ／Ｗ、ピー
ク対ピーク振幅（曲線Ｄ）の測定に対しては０．３７５
ｍＶ／Ｗであった。
９．７Ωのときの実験データが示されている。測定可能
な最小有効電力は２５Ｗである。測定感度は、平均値
（曲線Ｃ）の測定に対しては０．１４１ｍＶ／Ｗ、ピー
ク対ピーク振幅（曲線Ｄ）の測定に対しては０．３７５
ｍＶ／Ｗであった。
【００３７】より大きなインピーダンス角（φ＝８３
°）を持つ負荷ＺL＝１．２＋ｊ９．７Ωのとき、負荷
の皮相電力を測定した。実験データは図８に示される。
感度は０．３４９ｍＶ／（ＶＡ）であった。
°）を持つ負荷ＺL＝１．２＋ｊ９．７Ωのとき、負荷
の皮相電力を測定した。実験データは図８に示される。
感度は０．３４９ｍＶ／（ＶＡ）であった。
【００３８】前述の理論的解析及び実験結果に従うと、
本発明による光学的電力検出方法は実現可能である。こ
の方法で電力を測定するためには、負荷電流を整合電圧
に変換する必要がある。空心コイルとコンデンサからな
る変換器はＡＣ電流用に適している。瞬時電力信号は光
学的検出信号を検出することにより観測可能である。
本発明による光学的電力検出方法は実現可能である。こ
の方法で電力を測定するためには、負荷電流を整合電圧
に変換する必要がある。空心コイルとコンデンサからな
る変換器はＡＣ電流用に適している。瞬時電力信号は光
学的検出信号を検出することにより観測可能である。
【００３９】負荷の有効電力と皮相電力は検出信号の平
均値とピーク対ピーク値とを別々に測定することによっ
て同時に測定可能である。１ｋＶＡの範囲内であれば、
電力と検出信号との間には良好な直線関係があることを
実験データは示している。測定の不確実性は、光源、Ｐ
ＢＳ、電流電圧変換器および望まない交叉電界などの多
くの因子により影響を受ける。なお、前述した図１の電
力計測システムでは、光源としてレーザダイオードＬＤ
を用いているが、この発明による交流電力測定装置にお
ける光源としては発光ダイオードＬＥＤを用いても良
い。
均値とピーク対ピーク値とを別々に測定することによっ
て同時に測定可能である。１ｋＶＡの範囲内であれば、
電力と検出信号との間には良好な直線関係があることを
実験データは示している。測定の不確実性は、光源、Ｐ
ＢＳ、電流電圧変換器および望まない交叉電界などの多
くの因子により影響を受ける。なお、前述した図１の電
力計測システムでは、光源としてレーザダイオードＬＤ
を用いているが、この発明による交流電力測定装置にお
ける光源としては発光ダイオードＬＥＤを用いても良
い。
【００４０】以上は、二重直交ポッケルス効果を奏する
結晶を前提にしての説明であるが、単一の素子という簡
便さを犠牲にしつつ従来よりも優れた効果を発揮させる
手段として、単一のポッケルス効果素子の代わりに二つ
のポッケルス効果素子を用意し、一方には負荷電流に関
係する電界を、他方には負荷電圧に関係する電界を与え
るようにし、両ポッケルス効果素子に直列的に偏光した
光を供給して、出力光から交流電力に関係する出力を得
るようにすることも可能である。
結晶を前提にしての説明であるが、単一の素子という簡
便さを犠牲にしつつ従来よりも優れた効果を発揮させる
手段として、単一のポッケルス効果素子の代わりに二つ
のポッケルス効果素子を用意し、一方には負荷電流に関
係する電界を、他方には負荷電圧に関係する電界を与え
るようにし、両ポッケルス効果素子に直列的に偏光した
光を供給して、出力光から交流電力に関係する出力を得
るようにすることも可能である。
【００４１】このような分離方式をとる場合には、ポッ
ケルス効果素子としては特殊な二重ポッケルスセルを用
いずに、ＬＮＯやＢＧＯのごとき通常のポッケルスセル
を用いることができる。こうすれば、一方向のみのポッ
ケルス効果に対応したセルのみで構成できるので、低コ
ストで済むのみならず、単一結晶の場合よりも温度依存
性が小さいので、ポッケルス素子の素材の選択幅が広が
り、良好な温度依存性を実現することが可能となる。
ケルス効果素子としては特殊な二重ポッケルスセルを用
いずに、ＬＮＯやＢＧＯのごとき通常のポッケルスセル
を用いることができる。こうすれば、一方向のみのポッ
ケルス効果に対応したセルのみで構成できるので、低コ
ストで済むのみならず、単一結晶の場合よりも温度依存
性が小さいので、ポッケルス素子の素材の選択幅が広が
り、良好な温度依存性を実現することが可能となる。
【００４２】
【発明の効果】本発明による方法の主な利点は、光学測
定ユニットの簡素化にある。検出素子としては単一のＬ
Ｎ結晶のみが用いられ、磁気光学的結晶や鉄心コイルは
不要である。本発明は二重直交ポッケルス効果に基づく
実用的な光学電力変換器のための基礎を提供するもので
ある。
定ユニットの簡素化にある。検出素子としては単一のＬ
Ｎ結晶のみが用いられ、磁気光学的結晶や鉄心コイルは
不要である。本発明は二重直交ポッケルス効果に基づく
実用的な光学電力変換器のための基礎を提供するもので
ある。
【００４３】また、上述の効果を一部を犠牲にして、二
つのポッケルスセルを用いる場合には、セルを構成する
素子の素材選択幅が広がり、より良好な温度特性を有す
るシステムを構築することが可能となる利点を有する。
つのポッケルスセルを用いる場合には、セルを構成する
素子の素材選択幅が広がり、より良好な温度特性を有す
るシステムを構築することが可能となる利点を有する。
【図１】本発明の原理を説明するための、単一のＬＮ結
晶を用いた電力測定用光学的検出システムの概念図。
晶を用いた電力測定用光学的検出システムの概念図。
【図２】直交電界Ｅm下における二重直交ポッケルス効
果を説明するためのベクトル図。
果を説明するためのベクトル図。
【図３】交流電力を電気動力計により測定し、負荷電流
を整合電圧に変換する回路の接続図。
を整合電圧に変換する回路の接続図。
【図４】５０Ｈｚの負荷電流、負荷電圧及び整合電圧の
波形図。
波形図。
【図５】負荷電流、負荷電圧及び整合電圧の実験デー
タ。
タ。
【図６】抵抗負荷時の光学的電力検出信号の波形図。
【図７】異なるインピーダンス時の出力電圧と負荷の有
効電力の実験データ。
効電力の実験データ。
【図８】誘導性負荷に対する電圧、電流波形図。
【図９】誘導性負荷に対する光学的出力検出信号の波形
図。
図。
【図１０】誘導性負荷に対する出力電圧と皮相電力の実
験データ。
験データ。
ＬＮ リチウムナイトライド結晶
ＰＯＬ 偏光子
ＰＢＳ 偏光ビームスプリッタ
ＬＤ レーザダイオード
ＰＤ１，ＰＤ２ フォトダイオード
ＬＤＤ レーザダイオードドライバ
ＯＳＣ オシロスコープ
ＡＭＰ 増幅器
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１４年７月１日（２００２．７．１）
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】
【書類名】 明細書
【発明の名称】交流電力測定装置
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明はポッケルス効果を
有する素子を用いた交流電力の測定装置に関する。交流
電力の測定は、電力系統の運用および管理にとって非常
に重要である。
有する素子を用いた交流電力の測定装置に関する。交流
電力の測定は、電力系統の運用および管理にとって非常
に重要である。
【０００２】
【従来の技術】従来、交流電力の測定のために、二つの
主な方法、すなわち電気的な方法および光学的な方法が
あった。前者に関しては、電磁誘導の原理に基づく電流
力計や、ホール効果およびアナログ又はディジタルの電
気的な乗算器に基づく電力計がある。このほかに発光ダ
イオードおよび光導電素子から構成される光−電子乗算
器や、ポインティングの定理に基づく変換器も開発され
ている。
主な方法、すなわち電気的な方法および光学的な方法が
あった。前者に関しては、電磁誘導の原理に基づく電流
力計や、ホール効果およびアナログ又はディジタルの電
気的な乗算器に基づく電力計がある。このほかに発光ダ
イオードおよび光導電素子から構成される光−電子乗算
器や、ポインティングの定理に基づく変換器も開発され
ている。
【０００３】これらの電気的な方法に加えて、いくつか
の光学的方法が開発されている。それらのうちのほとん
どは、ポッケルス効果、カー効果およびファラデー効果
を主として含む、結晶あるいは光ファイバーにおいて存
在する光学的効果に基づくものである。
の光学的方法が開発されている。それらのうちのほとん
どは、ポッケルス効果、カー効果およびファラデー効果
を主として含む、結晶あるいは光ファイバーにおいて存
在する光学的効果に基づくものである。
【０００４】例えば、石英結晶、低い複屈折の光ファイ
バーおよびサニャックファイバー干渉計は、電流と電圧
の同時の測定に適用することができる。Ｂｉ１２ＳｉＯ
２ ０（又はＢＳＯ）結晶は電力の検出要素として使用す
ることができる。さらに、ポッケルスセルおよびファラ
デーセルのコンビネーションに基づいた光学的電力検出
システムも知られている。
バーおよびサニャックファイバー干渉計は、電流と電圧
の同時の測定に適用することができる。Ｂｉ１２ＳｉＯ
２ ０（又はＢＳＯ）結晶は電力の検出要素として使用す
ることができる。さらに、ポッケルスセルおよびファラ
デーセルのコンビネーションに基づいた光学的電力検出
システムも知られている。
【０００５】いくつかの電気光学の結晶において存在す
る二重の直交するポッケルス効果は、１９６３年に理論
上並びに実験的に突きとめられた。その時以来、この効
果は、偏光コントローラ、偏光変動のリアルタイム測定
および二次元電界の測定などに成功裡に適用された。更
に、この効果に基づいて、パルスコントロールされる偏
光変換器および電気光学的結晶乗算器も、近年紹介され
ている。
る二重の直交するポッケルス効果は、１９６３年に理論
上並びに実験的に突きとめられた。その時以来、この効
果は、偏光コントローラ、偏光変動のリアルタイム測定
および二次元電界の測定などに成功裡に適用された。更
に、この効果に基づいて、パルスコントロールされる偏
光変換器および電気光学的結晶乗算器も、近年紹介され
ている。
【０００６】しかしながら、従来の方法は、交流電力を
測定する際に、二つ以上の素子あるいは変換器を必要と
し、このために温度や電界などの物理量の変化に対する
補正が複雑になる問題点を有していた。
測定する際に、二つ以上の素子あるいは変換器を必要と
し、このために温度や電界などの物理量の変化に対する
補正が複雑になる問題点を有していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、単
一の電気光学の結晶によって交流電力を測定する新しい
方法を提供することにある。
一の電気光学の結晶によって交流電力を測定する新しい
方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を、二重直交ポッケルス効果をもたらす素子を利用して
達成しようとするもので、負荷電圧に相当する電圧に基
づく第一の電界と負荷電流に相当する電圧に基づく第二
の電界とを、二重直交ポッケルス効果を有する単一の結
晶に、相互に直交する方向にて印加し、直線偏光光を前
記二つの電界方向との成す角度がほぼ４５°となるよう
に傾斜させて結晶中に入射し、この結晶の出射光に基づ
いて交流電力を求めることを特徴とするものである。こ
こで「ほぼ」４５°としたのは、厳密には丁度４５°が
望ましいのであるが、装置の各素子の製造ならびに全体
の組立の制約上、４５°を若干ずれることがあり得るこ
とと、仮にずれたとして装置の動作上支障がないこと、
そして積極的にずらすことの意義が存在しないこと等の
理由から、あえて「ほぼ」と記載したものである。
を、二重直交ポッケルス効果をもたらす素子を利用して
達成しようとするもので、負荷電圧に相当する電圧に基
づく第一の電界と負荷電流に相当する電圧に基づく第二
の電界とを、二重直交ポッケルス効果を有する単一の結
晶に、相互に直交する方向にて印加し、直線偏光光を前
記二つの電界方向との成す角度がほぼ４５°となるよう
に傾斜させて結晶中に入射し、この結晶の出射光に基づ
いて交流電力を求めることを特徴とするものである。こ
こで「ほぼ」４５°としたのは、厳密には丁度４５°が
望ましいのであるが、装置の各素子の製造ならびに全体
の組立の制約上、４５°を若干ずれることがあり得るこ
とと、仮にずれたとして装置の動作上支障がないこと、
そして積極的にずらすことの意義が存在しないこと等の
理由から、あえて「ほぼ」と記載したものである。
【０００９】本発明において用いられる光学的検出ユニ
ットは、結晶の対称軸で見ていわゆる３ｍ対称性の点群
に属する、たとえばニオブ酸リチウム結晶（ＬｉＮｂＯ
３又はＬＮ）などの結晶および偏光子から構成されてい
る。
ットは、結晶の対称軸で見ていわゆる３ｍ対称性の点群
に属する、たとえばニオブ酸リチウム結晶（ＬｉＮｂＯ
３又はＬＮ）などの結晶および偏光子から構成されてい
る。
【００１０】三つの回転軸を備えたいかなる電気光学的
結晶も、光のビームに垂直な電界の大きさが電気−光学
的位相遅延を制御し、電界の方向が結晶の偏光軸に対す
る位置決めを行うような、二重直交ポッケルス効果を有
している。
結晶も、光のビームに垂直な電界の大きさが電気−光学
的位相遅延を制御し、電界の方向が結晶の偏光軸に対す
る位置決めを行うような、二重直交ポッケルス効果を有
している。
【００１１】直交する電界下にあるＬＮ結晶を考える。
図２で、y'およびx'は電気的に引き起こされた偏光の二
つの直交する主軸であるが、ここで示されるように、二
重の直交するポッケルス効果は次の方程式として表わす
ことができる。
図２で、y'およびx'は電気的に引き起こされた偏光の二
つの直交する主軸であるが、ここで示されるように、二
重の直交するポッケルス効果は次の方程式として表わす
ことができる。
【数１】
【数２】
【数３】
ここで、γは偏光のy'とx'偏光成分間の電気光学的位相
遅れ、θは座標軸ｘに対するｙ’軸の相対的角度、Ｅｍ
＝√（Ｅｘ ２＋ Ｅｙ ２）は印加された電界の大きさ、
α＝arc tan(Ｅｙ／Ｅｘ)はその等距離方位角、Ｅｘ、
Ｅｙは印加電界の二つの直交成分、ｋ０は定数、λ０は
自由空間における入射光の波長、ｎ０はＬＮ結晶の通常
の屈折率、ｒ２２は電気光学的線形係数の一つ、ｌはｚ
軸方向の長さである。
遅れ、θは座標軸ｘに対するｙ’軸の相対的角度、Ｅｍ
＝√（Ｅｘ ２＋ Ｅｙ ２）は印加された電界の大きさ、
α＝arc tan(Ｅｙ／Ｅｘ)はその等距離方位角、Ｅｘ、
Ｅｙは印加電界の二つの直交成分、ｋ０は定数、λ０は
自由空間における入射光の波長、ｎ０はＬＮ結晶の通常
の屈折率、ｒ２２は電気光学的線形係数の一つ、ｌはｚ
軸方向の長さである。
【００１２】図２及び式（１）、（２）によれば、
Ｅｘ、Ｅｙ及びその積は、以下のように分離して書くこ
とができる。
Ｅｘ、Ｅｙ及びその積は、以下のように分離して書くこ
とができる。
【数４】
【数５】
【数６】
【００１３】ｚ軸に沿って伝播する偏光に関しては、直
交電界の印加下でのＬＮ結晶は、理想的な線形位相遅延
器と見なすことができ、R.M.A.Azzamらによって展開さ
れた正規化されたジョーンズマトリックスは、（７）の
ようになる。
交電界の印加下でのＬＮ結晶は、理想的な線形位相遅延
器と見なすことができ、R.M.A.Azzamらによって展開さ
れた正規化されたジョーンズマトリックスは、（７）の
ようになる。
【数７】
【００１４】入射偏光の等距離方位角を４５°と仮定す
ると、出射光の正規化されたジョーンズベクトルは、式
（８）のように推測される。
ると、出射光の正規化されたジョーンズベクトルは、式
（８）のように推測される。
【数８】
【００１５】γは非常に小さく、sin2(γ／２) ≒（γ
／２)2であることを考慮すると、出射光の強さの二成分
とその差は、（８）式と（６）式に基づき以下のように
表される。
／２)2であることを考慮すると、出射光の強さの二成分
とその差は、（８）式と（６）式に基づき以下のように
表される。
【数９】
ここで、Ｉｉは入射光の強さを表わしている。
【００１６】式（９）〜（11）は、二つの独立の電界Ｅ
ｘとＥｙから得られる信号は、偏光の強度信号、すなわ
ちＩｏｘ 、Ｉｏｙ 又はＩｏｄの中に含まれていると
いうことを意味している。それゆえ、この生成信号は光
の強度を検出する際に測定可能である。これが、本発明
の基本原理である。
ｘとＥｙから得られる信号は、偏光の強度信号、すなわ
ちＩｏｘ 、Ｉｏｙ 又はＩｏｄの中に含まれていると
いうことを意味している。それゆえ、この生成信号は光
の強度を検出する際に測定可能である。これが、本発明
の基本原理である。
【００１７】瞬時電力ｐは、電流iと電圧uとの積、すな
わちｐ＝ｕｉと定義される。もしもｕとｉとを、個別に
ＬＮ結晶の二つの印加電界ＥｘとＥｙとに変換できるな
らば、瞬時電力信号はＩｏｘ 、Ｉｏｙ 又はＩｏｄか
ら得ることができる。
わちｐ＝ｕｉと定義される。もしもｕとｉとを、個別に
ＬＮ結晶の二つの印加電界ＥｘとＥｙとに変換できるな
らば、瞬時電力信号はＩｏｘ 、Ｉｏｙ 又はＩｏｄか
ら得ることができる。
【００１８】負荷電圧と負荷電流とを個別に二つの電圧
ｕｘとｕｙとに変換できると仮定すると、これらの関係
は、
ｕｘとｕｙとに変換できると仮定すると、これらの関係
は、
【数１０】
これから、式(11)は、次のように書きなおせる。
【数１１】
ここで、
ｋ１及びｋ２ 二つの変換係数
ｈ ＬＮ結晶の高さ
ｗ 同じく幅
ｋｓ センシングユニットの感度に関係する係数
式(13)は、電力を光の強度から測定することができるこ
とを示している。
とを示している。
【００１９】
【発明の実施の形態】前述した理論的解析に基づき、図
１に示すような単一のＬＮ結晶を用いた電力計測システ
ムを構築した。ここで、ＬＤは波長λ０＝670ｎｍのレ
ーザダイオードである。直線偏光は等距離方位角４５°
の偏光子ＰＯＬから得た。この偏光角は４５°より前後
しても問題はない。４個の金めっき電極を持つ30×4×4
ｍｍ３ のｚ軸成長ＬＮ結晶ＬＮが光学的検出素子として
用いられた。各電極の面積は30×3.5ｍｍ２である。ｕ
ｘとｕｙは、負荷電圧と負荷電流とに相当する印加電圧
である。 λ０＝670ｎｍ、ｎ０＝2.277、ｒ２２≒6.8ｐｍ／Ｖ、
ｌ＝30ｍｍ ｋ０＝2.259×10−５ｍ／Ｖ、従って半波電界はＥπ＝
π／ｋ０＝139.1ｋＶ／ｍ． もしもｕｘ＝ｕｙならば、相応する半波電圧Ｕπ＝ｈＥ
π／√２＝393.4Ｖ
１に示すような単一のＬＮ結晶を用いた電力計測システ
ムを構築した。ここで、ＬＤは波長λ０＝670ｎｍのレ
ーザダイオードである。直線偏光は等距離方位角４５°
の偏光子ＰＯＬから得た。この偏光角は４５°より前後
しても問題はない。４個の金めっき電極を持つ30×4×4
ｍｍ３ のｚ軸成長ＬＮ結晶ＬＮが光学的検出素子として
用いられた。各電極の面積は30×3.5ｍｍ２である。ｕ
ｘとｕｙは、負荷電圧と負荷電流とに相当する印加電圧
である。 λ０＝670ｎｍ、ｎ０＝2.277、ｒ２２≒6.8ｐｍ／Ｖ、
ｌ＝30ｍｍ ｋ０＝2.259×10−５ｍ／Ｖ、従って半波電界はＥπ＝
π／ｋ０＝139.1ｋＶ／ｍ． もしもｕｘ＝ｕｙならば、相応する半波電圧Ｕπ＝ｈＥ
π／√２＝393.4Ｖ
【００２０】変調された出射光は、偏光ビームスプリッ
タＰＢＳによってｘおよびｙ成分に分けられ、二つのフ
ォトダイオードＰＤ１とＰＤ２（Ｓｉ−ＰＩＮ）で検出
される。電子的線形増幅器ＡＭＰを通過する際、検出さ
れた信号はディジタルオシロスコープＯＳＣ（アンリツ
電気製ＨＰ５４６１０Ｂ）で表示し測定した。
タＰＢＳによってｘおよびｙ成分に分けられ、二つのフ
ォトダイオードＰＤ１とＰＤ２（Ｓｉ−ＰＩＮ）で検出
される。電子的線形増幅器ＡＭＰを通過する際、検出さ
れた信号はディジタルオシロスコープＯＳＣ（アンリツ
電気製ＨＰ５４６１０Ｂ）で表示し測定した。
【００２１】一般的に、ビームスプリッタＰＢＳのビー
ムスプリット比は正確に１：１ではなく、ａ：ｂであ
り、フォトダイオードの応答性および増幅器の増幅率も
相互に異なっている。これらの要素を考慮に入れると、
二つの出力検出信号は一般に、
ムスプリット比は正確に１：１ではなく、ａ：ｂであ
り、フォトダイオードの応答性および増幅器の増幅率も
相互に異なっている。これらの要素を考慮に入れると、
二つの出力検出信号は一般に、
【数１２】
と表わせる。ここでｒｘ、ｒｙは二つのフォトダイオー
ドの応答度、ｋａｘ、ｋａｙは二つの線形増幅器の増幅
率である。
ドの応答度、ｋａｘ、ｋａｙは二つの線形増幅器の増幅
率である。
【００２２】負荷電圧と負荷電流が、ＵとＩを負荷電
圧、負荷電流の実効値、ωを角周波数、φをｕ(t)とｉ
(t)との間の位相差とした場合に、
圧、負荷電流の実効値、ωを角周波数、φをｕ(t)とｉ
(t)との間の位相差とした場合に、
【数１３】
で表されるとするならば、ｕｏｘとｕｏｙとの差は、次
のように表すことが出来る。
のように表すことが出来る。
【００２３】
【数１４】
【数１５】
ここで、Ｐ＝ＵＩcosφは有効電力、Ｓ＝ＵＩは皮相電
力である。
力である。
【００２４】式(17)から、有効電力信号Ｐは、出力検出
信号ｕｏｄの直流成分内に含まれることが判り、一方、
皮相電力信号Ｓはｕｏｄの交流成分の振幅に比例する。
それゆえ、もしもｄ≠０ならば、ｕｏｄの直流成分から
有効電力信号Ｐを区別することは困難である。
信号ｕｏｄの直流成分内に含まれることが判り、一方、
皮相電力信号Ｓはｕｏｄの交流成分の振幅に比例する。
それゆえ、もしもｄ≠０ならば、ｕｏｄの直流成分から
有効電力信号Ｐを区別することは困難である。
【００２５】無視できない不確実性がｄ≠０によりもた
らされる。式(18)によれば、ｄ＝０とする一つの簡単な
方法は、二つの増幅器の増幅率、即ち、kａｘ及びkａｙ
を調整することである。
らされる。式(18)によれば、ｄ＝０とする一つの簡単な
方法は、二つの増幅器の増幅率、即ち、kａｘ及びkａｙ
を調整することである。
【００２６】電力を直線的に測定するためには、次の条
件を満足しなければならない。 １）ｕｘとｕｙの振幅は、センシング結晶の整合電圧と
呼ばれるＬＮ結晶の半波電圧の振幅、すなわち、Ｕπ／
π＝１２５Ｖに対してかなり小さくなければならない。 ２）負荷電圧と負荷電流は、整合電圧に変換されねばな
らない。この変換は受動的、線型、無歪かつ同相である
べきである。一般には抵抗性又は容量性の分圧器が電圧
変換器として用いられている。
件を満足しなければならない。 １）ｕｘとｕｙの振幅は、センシング結晶の整合電圧と
呼ばれるＬＮ結晶の半波電圧の振幅、すなわち、Ｕπ／
π＝１２５Ｖに対してかなり小さくなければならない。 ２）負荷電圧と負荷電流は、整合電圧に変換されねばな
らない。この変換は受動的、線型、無歪かつ同相である
べきである。一般には抵抗性又は容量性の分圧器が電圧
変換器として用いられている。
【００２７】さて、１ｋＶＡの範囲内での交流電力測定
を考える。最大負荷電圧と負荷電流は１００Ｖと１０Ａ
で、共に多くの典型的な電圧及び電流変換器の出力値で
ある。交流電力を測定し、負荷電流を整合電圧に変換す
る回路は、図３に示されており、ここで、ＺＬは負荷イ
ンピーダンス、Ｔは負荷電圧を制御する交流電圧調整器
である。
を考える。最大負荷電圧と負荷電流は１００Ｖと１０Ａ
で、共に多くの典型的な電圧及び電流変換器の出力値で
ある。交流電力を測定し、負荷電流を整合電圧に変換す
る回路は、図３に示されており、ここで、ＺＬは負荷イ
ンピーダンス、Ｔは負荷電圧を制御する交流電圧調整器
である。
【００２８】有効電力量は、電気動力計Ｗを読むことに
より得られる。皮相電力は電流計Ａと、負荷に並列接続
された電圧計Ｖの読みから計算できる。１００Ｖの範囲
内では、負荷電圧はＬＮ結晶の整合電圧とみなすことが
できる。すなわち、式(12)のｋ１＝１の場合に相当す
る。
より得られる。皮相電力は電流計Ａと、負荷に並列接続
された電圧計Ｖの読みから計算できる。１００Ｖの範囲
内では、負荷電圧はＬＮ結晶の整合電圧とみなすことが
できる。すなわち、式(12)のｋ１＝１の場合に相当す
る。
【００２９】交流負荷電流を整合電圧に変換するため
に、図３に示す空心電流変換器ＣＴとコンデンサを用い
た。図でＭはＣＴの相互インダクタンス係数、Ｌ１，Ｌ
２は自己インダクタンス係数、Ｒ１，Ｒ２はコイルの抵
抗値である。正弦波電流に対しては、複素ベクトル分析
により次の式が得られる。
に、図３に示す空心電流変換器ＣＴとコンデンサを用い
た。図でＭはＣＴの相互インダクタンス係数、Ｌ１，Ｌ
２は自己インダクタンス係数、Ｒ１，Ｒ２はコイルの抵
抗値である。正弦波電流に対しては、複素ベクトル分析
により次の式が得られる。
【数１６】
もしも１−ω２Ｌ２Ｃ＝０が成り立つならば、式(19)
は、
は、
【数１７】
となる。ここで、ｋ２は式(12)の定数で実数である。式
(20)は、整合電圧が負荷電流に直接比例し、かつこれと
同相であるということを意味している。
(20)は、整合電圧が負荷電流に直接比例し、かつこれと
同相であるということを意味している。
【００３０】整合電圧ｕｘとｕｙが同時にＬＮ結晶に働
くと、ｚ軸に沿って伝播する偏光は、ｕｘとｕｙの積の
信号によって変調されるであろう。出力電圧ｕｏｘとｕ
ｏｙ およびｕｏｄはオシロスコープで観測することがで
きる。式(17)によれば、有効電力信号Ｐはｕｏｄの平均
値から得られる。皮相電力信号Ｓは振幅ｕｏｄから得ら
れる。無効電力ＱはＱ＝√（Ｓ２−Ｐ２）なる関係式に
従って計算できる。
くと、ｚ軸に沿って伝播する偏光は、ｕｘとｕｙの積の
信号によって変調されるであろう。出力電圧ｕｏｘとｕ
ｏｙ およびｕｏｄはオシロスコープで観測することがで
きる。式(17)によれば、有効電力信号Ｐはｕｏｄの平均
値から得られる。皮相電力信号Ｓは振幅ｕｏｄから得ら
れる。無効電力ＱはＱ＝√（Ｓ２−Ｐ２）なる関係式に
従って計算できる。
【００３１】電流−電圧変換器は、周波数５０Ｈｚで１
−ω２Ｌ２Ｃ＝０なる条件を満たすために作られた。抵
抗負荷の場合、負荷電流の波形はｕｘのそれと同じであ
った。ＺＬ＝9.7Ωで、Ｉ＝3.8Ａのとき、ｕｘとｕｙの
波形は図４に示すとおりである。
−ω２Ｌ２Ｃ＝０なる条件を満たすために作られた。抵
抗負荷の場合、負荷電流の波形はｕｘのそれと同じであ
った。ＺＬ＝9.7Ωで、Ｉ＝3.8Ａのとき、ｕｘとｕｙの
波形は図４に示すとおりである。
【００３２】図４は、出力整合電圧ｕｙが負荷電流ｉと
同相であることを示している。１０Ａの範囲内で、負荷
電流Ｉ，負荷電圧Ｕｘ，および整合電圧Ｕｙの実験デー
タが、図５に示されている。この図は、ＵｙとＩとの間
の良好な直線関係を示す。最小測定可能電流は０．１
Ａ、最大出力整合電圧は７４．２Ｖである。
同相であることを示している。１０Ａの範囲内で、負荷
電流Ｉ，負荷電圧Ｕｘ，および整合電圧Ｕｙの実験デー
タが、図５に示されている。この図は、ＵｙとＩとの間
の良好な直線関係を示す。最小測定可能電流は０．１
Ａ、最大出力整合電圧は７４．２Ｖである。
【００３３】抵抗性負荷では、Ｐ＝Ｓである。ＺＬ＝
９．７Ωに対する検出信号がオシロスコープにより表示
され計測された。電力が０のとき、二つの同一のＤＣ電
圧信号線がオシロスコープのスクリーン上に現われ、相
互に一致した。電力を増加させると、二つの線は互いに
離れ、二つの逆相正弦波となる。Ｐ＝８２５Ｗの場合、
ｕｏｘ、ｕｏｙおよびｕｏｄの波形は図６に示される。
ここで、ｕｏｄ＝ｕｏｘ −ｕｏｙである。ｕｏｘの波の
底はｕｏｙの波の頂上に接触している。ｕｏｄのピーク
対ピーク振幅は、その平均値の２倍であり、これはｕ
ｏｘとｕｏｙの平均値の差に等しい。有効電力信号はさ
らにｕｏｘとｕｏｙの間の直流電圧から得ることが出来
る。
９．７Ωに対する検出信号がオシロスコープにより表示
され計測された。電力が０のとき、二つの同一のＤＣ電
圧信号線がオシロスコープのスクリーン上に現われ、相
互に一致した。電力を増加させると、二つの線は互いに
離れ、二つの逆相正弦波となる。Ｐ＝８２５Ｗの場合、
ｕｏｘ、ｕｏｙおよびｕｏｄの波形は図６に示される。
ここで、ｕｏｄ＝ｕｏｘ −ｕｏｙである。ｕｏｘの波の
底はｕｏｙの波の頂上に接触している。ｕｏｄのピーク
対ピーク振幅は、その平均値の２倍であり、これはｕ
ｏｘとｕｏｙの平均値の差に等しい。有効電力信号はさ
らにｕｏｘとｕｏｙの間の直流電圧から得ることが出来
る。
【００３４】１ｋＷの範囲内で、異なるインピーダンス
を持つ負荷の有効電力が測定された。ｕｏｄのピーク対
ピーク振幅Ｕｏｄｐｐを含む実験データは、図７に示さ
れている。最小測定可能電力Ｐｍｉｎ＝１０Ｗである。
測定感度は、ｕｏｄ（曲線Ａ）の平均値測定に対しては
０．１１６ｍＶ／Ｗ、ピーク対ピーク振幅（曲線Ｂ）の
測定に対しては０．２２３ｍＶ／Ｗであった。図７から
測定すべき有効電力と出力電圧との間には、良好な直線
関係が存在することが判る。
を持つ負荷の有効電力が測定された。ｕｏｄのピーク対
ピーク振幅Ｕｏｄｐｐを含む実験データは、図７に示さ
れている。最小測定可能電力Ｐｍｉｎ＝１０Ｗである。
測定感度は、ｕｏｄ（曲線Ａ）の平均値測定に対しては
０．１１６ｍＶ／Ｗ、ピーク対ピーク振幅（曲線Ｂ）の
測定に対しては０．２２３ｍＶ／Ｗであった。図７から
測定すべき有効電力と出力電圧との間には、良好な直線
関係が存在することが判る。
【００３５】負荷が誘導性のときは、負荷電圧と負荷電
流との間には位相変移が現われる。たとえば、負荷イン
ピーダンスＺＬ＝４．２＋ｊ９．７Ωで、位相変移φ＝
６５°、負荷電圧と負荷電流の波形は図８に示される。
この場合、検出信号の二つの経路は図９に示すように相
互に重なり合い、この重畳領域は位相変移の増加と共に
拡大する。一方、差信号ｕｏｄはオシロスコープのゼロ
線を横切る。これは、負荷に無効電力が生じたことを意
味する。
流との間には位相変移が現われる。たとえば、負荷イン
ピーダンスＺＬ＝４．２＋ｊ９．７Ωで、位相変移φ＝
６５°、負荷電圧と負荷電流の波形は図８に示される。
この場合、検出信号の二つの経路は図９に示すように相
互に重なり合い、この重畳領域は位相変移の増加と共に
拡大する。一方、差信号ｕｏｄはオシロスコープのゼロ
線を横切る。これは、負荷に無効電力が生じたことを意
味する。
【００３６】さらに、図７には、ＺＬ＝１０．８＋ｊ
９．７Ωのときの実験データが示されている。測定可能
な最小有効電力は２５Ｗである。測定感度は、平均値
（曲線Ｃ）の測定に対しては０．１４１ｍＶ／Ｗ、ピー
ク対ピーク振幅（曲線Ｄ）の測定に対しては０．３７５
ｍＶ／Ｗであった。
９．７Ωのときの実験データが示されている。測定可能
な最小有効電力は２５Ｗである。測定感度は、平均値
（曲線Ｃ）の測定に対しては０．１４１ｍＶ／Ｗ、ピー
ク対ピーク振幅（曲線Ｄ）の測定に対しては０．３７５
ｍＶ／Ｗであった。
【００３７】より大きなインピーダンス角（φ＝８３
°）を持つ負荷ＺＬ＝１．２＋ｊ９．７Ωのとき、負荷
の皮相電力を測定した。実験データは図１０に示され
る。感度は０．３４９ｍＶ／（ＶＡ）であった。
°）を持つ負荷ＺＬ＝１．２＋ｊ９．７Ωのとき、負荷
の皮相電力を測定した。実験データは図１０に示され
る。感度は０．３４９ｍＶ／（ＶＡ）であった。
【００３８】前述の理論的解析及び実験結果に従うと、
本発明による光学的電力検出方法は実現可能である。こ
の方法で電力を測定するためには、負荷電流を整合電圧
に変換する必要がある。空心コイルとコンデンサからな
る変換器はＡＣ電流用に適している。瞬時電力信号は光
学的検出信号を検出することにより観測可能である。
本発明による光学的電力検出方法は実現可能である。こ
の方法で電力を測定するためには、負荷電流を整合電圧
に変換する必要がある。空心コイルとコンデンサからな
る変換器はＡＣ電流用に適している。瞬時電力信号は光
学的検出信号を検出することにより観測可能である。
【００３９】負荷の有効電力と皮相電力は検出信号の平
均値とピーク対ピーク値とを別々に測定することによっ
て同時に測定可能である。１ｋＶＡの範囲内であれば、
電力と検出信号との間には良好な直線関係があることを
実験データは示している。測定の不確実性は、光源、Ｐ
ＢＳ、電流電圧変換器および望まない交叉電界などの多
くの因子により影響を受ける。なお、前述した図１の電
力計測システムでは、光源としてレーザダイオードＬＤ
を用いているが、この発明による交流電力測定装置にお
ける光源としては発光ダイオードＬＥＤを用いても良
い。
均値とピーク対ピーク値とを別々に測定することによっ
て同時に測定可能である。１ｋＶＡの範囲内であれば、
電力と検出信号との間には良好な直線関係があることを
実験データは示している。測定の不確実性は、光源、Ｐ
ＢＳ、電流電圧変換器および望まない交叉電界などの多
くの因子により影響を受ける。なお、前述した図１の電
力計測システムでは、光源としてレーザダイオードＬＤ
を用いているが、この発明による交流電力測定装置にお
ける光源としては発光ダイオードＬＥＤを用いても良
い。
【００４０】以上は、二重直交ポッケルス効果を奏する
結晶を前提にしての説明であるが、単一の素子という簡
便さを犠牲にしつつ従来よりも優れた効果を発揮させる
手段として、単一のポッケルス効果素子の代わりに二つ
のポッケルス効果素子を用意し、一方には負荷電流に関
係する電界を、他方には負荷電圧に関係する電界を与え
るようにし、両ポッケルス効果素子に直列的に偏光した
光を供給して、出力光から交流電力に関係する出力を得
るようにすることも可能である。
結晶を前提にしての説明であるが、単一の素子という簡
便さを犠牲にしつつ従来よりも優れた効果を発揮させる
手段として、単一のポッケルス効果素子の代わりに二つ
のポッケルス効果素子を用意し、一方には負荷電流に関
係する電界を、他方には負荷電圧に関係する電界を与え
るようにし、両ポッケルス効果素子に直列的に偏光した
光を供給して、出力光から交流電力に関係する出力を得
るようにすることも可能である。
【００４１】このような分離方式をとる場合には、ポッ
ケルス効果素子としては特殊な二重ポッケルスセルを用
いずに、ＬＮＯやＢＧＯのごとき通常のポッケルスセル
を用いることができる。こうすれば、一方向のみのポッ
ケルス効果に対応したセルのみで構成できるので、低コ
ストで済むのみならず、単一結晶の場合よりも温度依存
性が小さいので、ポッケルス素子の素材の選択幅が広が
り、良好な温度依存性を実現することが可能となる。
ケルス効果素子としては特殊な二重ポッケルスセルを用
いずに、ＬＮＯやＢＧＯのごとき通常のポッケルスセル
を用いることができる。こうすれば、一方向のみのポッ
ケルス効果に対応したセルのみで構成できるので、低コ
ストで済むのみならず、単一結晶の場合よりも温度依存
性が小さいので、ポッケルス素子の素材の選択幅が広が
り、良好な温度依存性を実現することが可能となる。
【００４２】
【発明の効果】本発明による方法の主な利点は、光学測
定ユニットの簡素化にある。検出素子としては単一のＬ
Ｎ結晶のみが用いられ、磁気光学的結晶や鉄心コイルは
不要である。本発明は二重直交ポッケルス効果に基づく
実用的な光学電力変換器のための基礎を提供するもので
ある。
定ユニットの簡素化にある。検出素子としては単一のＬ
Ｎ結晶のみが用いられ、磁気光学的結晶や鉄心コイルは
不要である。本発明は二重直交ポッケルス効果に基づく
実用的な光学電力変換器のための基礎を提供するもので
ある。
【００４３】また、上述の効果を一部を犠牲にして、二
つのポッケルスセルを用いる場合には、セルを構成する
素子の素材選択幅が広がり、より良好な温度特性を有す
るシステムを構築することが可能となる利点を有する。
つのポッケルスセルを用いる場合には、セルを構成する
素子の素材選択幅が広がり、より良好な温度特性を有す
るシステムを構築することが可能となる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】は本発明の原理を説明するための、単一のＬＮ
結晶を用いた電力測定用光学的検出システムの概念図。
結晶を用いた電力測定用光学的検出システムの概念図。
【図2】は直交電界Ｅｍ下における二重直交ポッケルス
効果を説明するためのベクトル図。
効果を説明するためのベクトル図。
【図3】は交流電力を電気動力計により測定し、負荷電
流を整合電圧に変換する回路の接続図。
流を整合電圧に変換する回路の接続図。
【図4】は５０Ｈｚの負荷電流、負荷電圧及び整合電圧
の波形図。
の波形図。
【図5】は負荷電流、負荷電圧及び整合電圧の実験デー
タ。
タ。
【図6】は抵抗負荷時の光学的電力検出信号の波形図。
【図7】は異なるインピーダンス時の出力電圧と負荷の
有効電力の実験データ。
有効電力の実験データ。
【図8】は誘導性負荷に対する電圧、電流波形図。
【図9】は誘導性負荷に対する光学的出力検出信号の波
形図。
形図。
【図10】は誘導性負荷に対する出力電圧と皮相電力の実
験データ。
験データ。
【符号の説明】
ＬＮ リチウムナイトライド結晶
ＰＯＬ 偏光子
ＰＢＳ 偏光ビームスプリッタ
ＬＤ レーザダイオード
ＰＤ１，ＰＤ２ フォトダイオード
ＬＤＤ レーザダイオードドライバ
ＯＳＣ オシロスコープ
ＡＭＰ 増幅器
フロントページの続き
(72)発明者 サイ シュウ
中華人民共和国 河北省保定市華北電力大
学官舎Ａ−100
(72)発明者 芳野 俊彦
東京都杉並区松庵３−11−９
(72)発明者 小出 英延
神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号
富士電機株式会社内
Ｆターム(参考） 2G025 AA00 AA08 AB11 AC06
Claims (5)
- 【請求項１】 負荷電圧に相当する電圧に基づく第一の
電界と負荷電流に相当する電圧に基づく第二の電界と
を、二重直交ポッケルス効果を有する単一の結晶に、相
互に直交する方向にて印加し、直線偏光光を前記二つの
電界方向との成す角度がほぼ４５°となるように傾斜さ
せて結晶中に入射し、この結晶の出射光に基づいて交流
電力を求めることを特徴とする交流電力測定装置。 - 【請求項２】 結晶が３ｍ対称性の点群に属する結晶で
あることを特徴とする請求項１記載の交流電力測定装
置。 - 【請求項３】 結晶が、ニオブ酸リチウム結晶からなる
ことを特徴とする請求項２記載の交流電力測定装置。 - 【請求項４】 負荷電圧に相当する電圧に基づく第一の
電界を印加される第一のポッケルス効果素子と、負荷電
流に相当する電圧に基づく第二の電界を印加される第二
のポッケルス効果素子とを、前記二つの電界方向が直交
するようにして直列に配置し、直線偏光光を前記二つの
電界方向との成す角度がほぼ４５°となるように傾斜さ
せて入射し、この二つの素子を通過した光に基づいて交
流電力を求めることを特徴とする交流電力測定装置。 - 【請求項５】 直線偏光光の入射角度が４５°であるこ
とを特徴とする請求項１または４記載の交流電力測定装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002085427A JP2003279604A (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 交流電力測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002085427A JP2003279604A (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 交流電力測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003279604A true JP2003279604A (ja) | 2003-10-02 |
Family
ID=29232398
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002085427A Pending JP2003279604A (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 交流電力測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003279604A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1736749A1 (en) | 2005-06-22 | 2006-12-27 | Fujitsu Limited | Light intensity measurement system |
-
2002
- 2002-03-26 JP JP2002085427A patent/JP2003279604A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1736749A1 (en) | 2005-06-22 | 2006-12-27 | Fujitsu Limited | Light intensity measurement system |
| US7291829B2 (en) | 2005-06-22 | 2007-11-06 | Fujitsu Limited | Light intensity detector |
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| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20060526 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060622 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20061019 |