JP2004177228A

JP2004177228A - 電流計測装置

Info

Publication number: JP2004177228A
Application number: JP2002342893A
Authority: JP
Inventors: Eiji Iwami; 英司岩見; Kazuhisa Takahashi; 和久高橋
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】電流波形を増幅手段により所定の大きさに増幅するための増幅率の調節を自動で行うことができる電流計測装置を提供する。
【解決手段】電流波形を捉える電流センサ１と、その電流センサ１の出力を所定の大きさに増幅する増幅手段２と、その増幅手段２の出力波形を整流し平均化する整流・平均化手段３と、その整流・平均化手段３の出力波形のレベルを検出するレベル判断手段４と、を備えた電力量計測計であって、前記レベル判断手段４は、前記増幅手段２の定格レベル値を前記整流・平均化手段３の出力波形のレベル値で除し、その除した値を前記増幅手段２に出力する一方、当該増幅手段２は、その除した値に従って電流センサ１の出力を増幅するように構成した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力量計測計等に搭載されている電流計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電力量計測計は、例えば、特開平７−１２０５００号公報に示すようなものが知られている。この電力量計測計の構成を図７に示す。この電力量計測計の電流検出部２１で検出された負荷電流は、次段の実効値変換部２２において実効値の直流電圧に変換される。この直流電圧出力は、電圧／周波数変換部２４に入力され、その電圧レベルに比例した周波数のパルス信号に変換される。電圧／周波数変換部２４の出力パルス信号は、次段のカウンタ部２５においてパルスカウントされる。更に、次段のパルス発生部２６においてカウンタ部２５の出力パルスの立ち上がり時に一定のパルス幅のパルス信号を発生し出力している。負荷電圧はほぼ一定とみなせるので、パルス発生部２６のパルス信号のパルス間隔と、時間に対応した係数とを電力量換算部２７において乗算することによって、電力量を計測することができる。
【０００３】
上記電力量計測計に搭載されている電流計測装置は、ＣＴ１と、ＣＴ２と、電流検出部２１と、実効値変換請求項２２と、増幅部２３と、電圧／周波数変換部２４と、から構成されている。
【０００４】
しかし、上記電流計測装置の増幅部２３には、増幅率の調節機能（ゲイン調節手段）がないために大きな負荷電流から小さな負荷電流の全てを精度良く増幅することは難しい。
【０００５】
また、上記電力量計測計は、オフィスビルやテナントなどの電力量を管理するためのものであり、小さな電力量を精度良く計測する必要は無かった。
【０００６】
また、一般的な電力量計測計としては、負荷電流を増幅手段により増幅した電流波形と負荷電圧を増幅手段により増幅した電圧波形とをアナログ的に乗算し、その乗算結果から負荷の電力量を計測するアナログ式電力量計測計があり、また、前記乗算結果をＡ／Ｄ変換して積算することによって負荷の電力量を計測するデジタル式電力量計測計がある。現在は、Ａ／Ｄ変換を使ったデジタル式電力量計測計が主流となっている。
【０００７】
例えば、Ａ／Ｄ変換手段を備えた電流計測装置を図６に示す。電流センサ１は、電流波形を捉えるものであり、増幅手段２は、前記電流センサ出力を増幅するものであり、Ａ／Ｄ変換手段５は、前記増幅手段出力波形からデジタル換算値を取得するものであり、ゲイン調節手段８は、前記電流波形を前記増幅手段２によって所定の大きさの信号にするために前記増幅手段２の増幅率を手動で調節するためのものである。
【０００８】
この場合は、前記電流波形を所定の大きさに増幅するために、電流センサ１に入力される負荷電流が小さい場合は、手動でゲイン調節手段８を切替えて増幅手段２の増幅率を大きくし、また、電流センサ１に入力される負荷電流が大きい場合は、手動でゲイン調節手段８を切替えて増幅手段２の増幅率を小さくし、前記電流波形を所定の大きさに増幅しなければならなく、非常に手間がかかった。
【０００９】
一方、電力量計測計の誤差要因には、前記電流計測装置以外で使用される電圧センサや内部電子回路の誤差なども加わる。特に、Ａ／Ｄ変換手段を使用するデジタル式電力量計測計においては、Ａ／Ｄ変換手段の誤差も加わることになる。
【００１０】
標準的な電力量計測計は、全体で定格電流の５％の低レベル信号に対しても、誤差の許容限度は±２％以下にする必要がある。
【００１１】
例えば、デジタル式電力量計測計において、多用される汎用マイコンに標準搭載されているＡ／Ｄ変換器は、低コスト化のために、８〜１２ビット程度の分解能である。一般に、低レベルな入力信号ほど相対的に量子化誤差（Ａ／Ｄ変換手段の誤差）の割合が大きくなる。例えば、１０ビットの量子化誤差は計算上、フルスケールレベルの大信号では誤差約０．１％、フルスケールの５％の低レベル信号では誤差が約２％になる。このため、低レベル信号のときに量子化誤差だけで２％の誤差となれば、電力量計測計全体では誤差の許容限度を超える可能性が高くなる。
【００１２】
【特許文献１】
特開平７−１２０５００号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平７−１２０５００号公報のような従来技術では、電流計測装置にゲイン調節手段がないので、小さな電流波形から大きな電流波形まで精度良く測定できない。また、図６で説明した従来技術のように、小さな電流波形から大きな電流波形まで精度良く測定しようとする場合、ゲイン調節手段で増幅手段の増幅率を手動で操作しなければならないため非常に手間がかかるという問題があった。
【００１４】
特に、デジタル式電力量計測計においては、増幅手段の増幅率の調節を行わないとＡ／Ｄ変換手段の量子化誤差により、計測精度が悪くなるという問題があった。
【００１５】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、負荷電流の電流波形を増幅手段により所定の大きさに増幅するための増幅率の調節を自動で行うことができ、特に、デジタル式電力量計測計に用いられた場合は、低レベル負荷電流入力であっても、高ビット数のＡ／Ｄ変換器を用いない電流計測装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、請求項１記載の発明にあっては、電流波形を捉える電流センサと、その電流センサの出力を所定の大きさに増幅する増幅手段と、その増幅手段の出力波形を整流し平均化する整流・平均化手段と、その整流・平均化手段の出力波形のレベルを検出するレベル判断手段と、を備えた電流計測装置であって、前記レベル判断手段は、前記増幅手段の定格レベル値を前記整流・平均化手段の出力波形のレベル値で除し、その除した値を前記増幅手段に出力する一方、当該増幅手段は、その除した値に従って電流センサの出力を増幅するように構成したものである。
【００１７】
従って、従来は、電流波形を所定の大きさに増幅するために、手動でゲイン調節手段を切替えて増幅手段の増幅率を変えていたが、本発明によれば、電流センサによって捉えられた電流波形を増幅手段によって増幅し、前記増幅手段の出力波形を整流・平均化手段で直流電圧に変換し、前記直流電圧のレベルをレベル判断手段で信号処理を行い前記電流波形を所定の大きさにするための増幅率制御信号を増幅手段にフィードバックすることにより、増幅手段の増幅率を自動で調節することができる。
【００１８】
請求項２記載の発明にあっては、電流波形を捉える電流センサと、その電流センサの出力を所定の大きさに増幅する増幅手段と、その増幅手段の出力波形のピークレベルを保持するピークホールド手段と、前記増幅手段の定格レベル値を前記ピークレベル値で除するレベル判断手段と、を備えた電流計測装置であって、前記レベル判断手段は、前記除した値を前記増幅手段に出力する一方、当該増幅手段は、その除した値に従って電流センサの出力を増幅するように構成したものである。
【００１９】
従って、従来は、電流波形を所定の大きさに増幅するために、手動でゲイン調節手段を切替えて増幅手段の増幅率を変えていたが、本発明においては、電流センサによって捉えられた電流波形を増幅手段によって増幅し、前記増幅手段の出力波形をピークホールド手段でピーク電圧を検出し、前記ピーク電圧のレベルをレベル判断手段で信号処理を行い前記電流波形を所定の大きさにするための増幅率制御信号を増幅手段にフィードバックすることにより、増幅手段の増幅率を自動で調節することができる。
【００２０】
特に、電流センサに入力される負荷電流の電流歪み成分割合が時間変動する入力があった場合でも増幅手段の増幅率を自動で調節することができる。
【００２１】
請求項３記載の発明にあっては、上記増幅手段の出力波形からデジタル換算値を取得するＡ／Ｄ変換手段を備えたものである。
【００２２】
したがって、この場合は、特に、上記増幅手段の出力波形からデジタル換算値を取得することにより、Ａ／Ｄ変換器分解能を有効に使用でき、高度な電力計測を高ビット数のＡ／Ｄ変換器を用いることなく行え、電力量計測計の低コスト化が可能である。
【００２３】
更に、Ａ／Ｄ変換手段の量子化誤差による計測精度の悪くなるという問題がなくなる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の請求項１及び請求項３に対応した第一の実施形態である電流計測装置Ａを示している。
【００２５】
この実施形態の電流計測装置Ａは、電流波形を捉える電流センサ１と、その電流センサ１の出力を所定の大きさに増幅する増幅手段２と、その増幅手段２の出力波形を整流し平均化する整流・平均化手段３と、その整流・平均化手段３の出力波形のレベルを検出するレベル判断手段４と、を備えた電流計測装置であって、前記レベル判断手段４は、前記増幅手段２の定格レベル値を前記整流・平均化手段３の出力波形のレベル値で除し、その除した値を前記増幅手段２に出力する一方、当該増幅手段２は、その除した値に従って電流センサ１の出力を増幅するように構成したものである。
【００２６】
更に、上記増幅手段２の出力波形からデジタル換算値を取得するＡ／Ｄ変換手段５を備えたものである。
【００２７】
以下に、この実施形態の電流計測装置Ａにいついて、図２を使用し、より詳細に説明する。例えば、電流センサ１に定格レベルの５０％振幅の入力があった場合、電流センサ１の出力波形は、図２（ａ）のようになり、増幅手段２の増幅率（初期値）を１倍とすると、増幅手段２の出力波形は、図２（ａ）と同じになる。図２（ｂ）の破線は、増幅手段２の出力波形を整流した波形である。また、実線は、前記整流した波形を平均化した直流信号波形であり、整流・平均化手段３の出力波形である。レベル判断手段４では、前記直流信号波形が入力されると、定格レベルの５０％の振幅であると判定し、増幅率２倍となるような増幅率制御信号を出力する。増幅率２倍の増幅率制御信号を受け取った増幅手段２は、以降の入力波形を２倍して出力する。図２（ｃ）は、２倍された波形（１００％振幅）であり、Ａ／Ｄ変換手段５の入力波形である。Ａ／Ｄ変換器入力のフルスケール（縦方向）を０〜５Ｖとすると、フルスケールにわたって波形が拡大しているのでＡ／Ｄ変換手段５の分解能を有効に使用できる。
【００２８】
例えば、フルスケール（縦方向）を０〜５Ｖ範囲とした場合、１０ビットの分解能ならば、０〜５Ｖ範囲を１０２４分割するので、量子化誤差は約０．１％である（＝１÷１０２４×１００［％］）。
【００２９】
なお、レベル判断手段４の構成は、コンパレータを使ったアナログ回路、もしくは、マイコンの予備を使いソフトウエア的に構成してもよい。
【００３０】
従って、従来は、電流波形を所定の大きさに増幅するために、電流センサ１に入力される負荷電流が小さい場合は、手動でゲイン調節手段８を切替えて増幅手段２の増幅率を大きくし、また、電流センサ１に入力される負荷電流が大きい場合は、手動でゲイン調節手段８を切替えて増幅手段２の増幅率を小さくしなければならなかったが、本実施形態によれば、電流センサ１によって捉えられた電流波形を増幅手段２によって増幅し、整流・平均化手段３で直流電圧に変換し、前記直流電圧のレベルをレベル判断手段４で信号処理を行い前記電流波形を所定の大きさにするための増幅率制御信号を増幅手段２にフィードバックすることにより、増幅手段２の増幅率を自動で調節することができる。
【００３１】
更に、上記増幅手段２の出力波形からデジタル換算値を取得することにより、Ａ／Ｄ変換手段５入力は、縦方向がフルスケールにわたって波形が拡大しているのでＡ／Ｄ変換器分解能を有効に使用でき、別途高ビット数のＡ／Ｄ変換器を用いることなく高度な電力計測が行え、電力量計測計の低コスト化が可能である。
【００３２】
図３は、本発明の請求項２及び請求項３に対応した第二の実施形態である電流計測装置Ｂを示している。
【００３３】
電流波形を捉える電流センサ１と、その電流センサ１の出力を所定の大きさに増幅する増幅手段２と、その増幅手段２の出力波形のピークレベルを保持するピークホールド手段６と、前記増幅手段２の定格レベル値を前記ピークレベル値で除するレベル判断手段４と、を備えた電流計測装置であって、前記レベル判断手段４は、前記除した値を前記増幅手段２に出力する一方、当該増幅手段２は、その除した値に従って電流センサ１の出力を増幅するように構成したものである。
【００３４】
更に、上記増幅手段２の出力波形からデジタル換算値を取得するＡ／Ｄ変換手段５を備えたものである。
【００３５】
以下に、この実施形態の電流計測装置Ｂにいついて、図４を使用し、より詳細に説明する。例えば、電流センサ１に歪み電流入力があった場合、電流センサ１の出力波形は、図４（ａ）のようになり、増幅手段２が増幅率１倍（初期値）とすると、増幅手段２の出力波形は、図４（ａ）と同じになる。ピークホールド手段６の出力波形は、ピークホールド手段６が一旦ピークを検出するとピークレベル（一定値）がホールド期間中保持され矩形波状となり、図４（ｂ）のようになる。ホールド終了のタイミングは、零クロス判断手段７がリセット（ホールド終了）信号を、ピークホールド手段６に出力する要因で行われる。零クロスの判断方法は、Ａ／Ｄ変換手段５の出力データ値が正から負へ移行するときにリセット信号を出力する（ソフト的処理）。レベル判断手段４では、この矩形波状信号が入力されると、定格レベルの５０％程度の振幅であると判定し、増幅率２倍となるような増幅率制御信号を出力する。増幅率２倍の制御信号を受け取った増幅手段２は、以降の入力波形を２倍して出力する。図４（ｃ）は２倍された波形（１００％振幅）であり、Ａ／Ｄ変換手段５の入力波形である。Ａ／Ｄ変換器入力のフルスケール（縦方向）を０〜５Ｖとすると、０〜５ＶのＡ／Ｄ変換器入力のフルスケールにわたって波形が拡大しているので分解能を有効に使用できる。
【００３６】
従って、従来は、電流センサ１に入力される負荷電流の電流歪み成分割合が時間変動する入力（複数のインバータ負荷がつながるような工業用途など）があった場合、手動で増幅手段２の増幅率を変えていたが、本実施形態においては、特に、電流センサ１によって捉えられた電流波形を増幅手段２によって増幅し、前記増幅手段２の出力波形をピークホールド手段６でピーク電圧を検出し、前記ピーク電圧のレベルをレベル判断手段４で信号処理を行い前記電流波形を所定の大きさにするための増幅率制御信号を増幅手段２にフィードバックすることにより、増幅手段２の増幅率を自動で調節することができる。
【００３７】
更に、上記増幅手段２の出力波形からデジタル換算値を取得することにより、計測する電流歪み成分割合が時間変動する場合であっても、Ａ／Ｄ変換手段５の入力は、縦方向がフルスケールにわたって波形が拡大しているのでＡ／Ｄ変換器分解能を有効に使用でき、別途高ビット数のＡ／Ｄ変換器を用いることなく高度な電力計測が行え、電力量計測計の低コスト化が可能である。
【００３８】
更に、零クロス判断手段７は、ソフト的処理によって構成するため、上記電流計測装置Ｂ以外で使用しているマイコンの予備を使い構成することができ、電力量計測計の低コスト化が可能である。
図５は、請求項２及び請求項３に対応する第三の実施形態である電流計測装置Ｃを示している。
各ブロック機能は、第二の実施形態と同一であるため異なる部分のみ説明を行う。増幅手段２の出力が零クロス判断手段７の入力へ接続され、Ａ／Ｄ変換出力５の出力が零クロス判断手段７に入力されていないところが第二の実施形態と異なる。なお、零クロス判断手段７を零クロスコンパレータで構成し、ゼロクロスの判断方法は、零コンパレータが切換るときにリセット信号を出力する（ハード的処理）。
従って、特に、零クロス判断手段７をハード的処理とすることで、ソフト的処理の場合より精度良くリセット信号を出力でき、また、マイコン処理負担の軽減となる。
なお、上記以外については、第二の実施形態と同様に構成されており、同様の作用効果を有するので説明は省略する。
【００３９】
【発明の効果】
上述の如く、本発明の請求項１記載の発明にあっては、電流センサ出力を上記増幅手段によって所定の大きさに増幅することにより、増幅手段の増幅率を自動で調節することができる。
【００４０】
又、請求項２記載の発明にあっては、電流センサ出力を上記増幅手段によって増幅することにより、計測する電流歪み成分割合が時間変動する場合であっても、増幅手段の増幅率を自動で調節することができる。
【００４１】
又、請求項３記載の発明にあっては、特に、上記増幅手段の出力波形からデジタル換算値を取得することにより、高度な電力計測を別途高ビット数のＡ／Ｄ変換器を用いることなく行えるので、電力量計測計の低コスト化が可能である。
【００４２】
更に、計測する電流歪み成分割合が時間変動する場合であっても、別途高ビット数のＡ／Ｄ変換器を用いることなく行えるので、電力量計測計の低コスト化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第一の実施形態である電流計測装置を示すブロック図
【図２】本発明における第一の実施形態における各部波形図
【図３】本発明における第二の実施形態である電流計測装置を示すブロック図
【図４】本発明における第二の実施形態における各部波形図
【図５】本発明における第三の実施形態である電流計測装置を示すブロック図
【図６】従来の電力量計測計の電流計測装置を示すブロック図
【図７】特開平７−１２０５００号公報記載の電力量計測計のブロック図
【符号の説明】
１電流センサ
２増幅手段
３整流・平均化手段
４レベル判断手段
５Ａ／Ｄ変換手段
６ピークホールド手段

Claims

電流波形を捉える電流センサと、その電流センサの出力を所定の大きさに増幅する増幅手段と、その増幅手段の出力波形を整流し平均化する整流・平均化手段と、その整流・平均化手段の出力波形のレベルを検出するレベル判断手段と、を備えた電流計測装置であって、前記レベル判断手段は、前記増幅手段の定格レベル値を前記整流・平均化手段の出力波形のレベル値で除し、その除した値を前記増幅手段に出力する一方、当該増幅手段は、その除した値に従って電流センサの出力を増幅することを特徴とする電流計測装置。
電流波形を捉える電流センサと、その電流センサの出力を所定の大きさに増幅する増幅手段と、その増幅手段の出力波形のピークレベルを保持するピークホールド手段と、前記増幅手段の定格レベル値を前記ピークレベル値で除するレベル判断手段と、を備えた電流計測装置であって、前記レベル判断手段は、前記除した値を前記増幅手段に出力する一方、当該増幅手段は、その除した値に従って電流センサの出力を増幅することを特徴とする電流計測装置。
上記増幅手段の出力波形からデジタル換算値を取得するＡ／Ｄ変換手段を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電流計測装置。