JP2006098287A - 高調波成分測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧実効値、電流実効値、有効電力、およびそれぞれの高調波成分について、同時に高精度の測定が行える高調波成分測定装置を実現する。
【解決手段】 入力信号のゼロクロスを検出するゼロクロス検出器５、６と、その検出信号に基づき出力周波数が入力信号基本周波数の整数倍の第１のサンプリングクロックを発生するＰＬＬサンプリングクロック発生器１３と、その出力クロックよりも周波数の高いサンプリングクロックを発生する固定サンプリングクロック発生器１２と、アナログ入力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２、５と、そのデータに基づき実効値を演算する第１のデジタル演算器７と、前記Ａ／Ｄ変換器２、５の出力データを間引くデータ間引き回路１５、１６と、この出力データに基づきＦＦＴ演算により入力信号の基本波成分と高調波成分を演算する第２のデジタル演算器１７、とで構成されたことを特徴とする高調波成分測定装置。
【選択図】図１

Description

本発明は高調波成分測定装置に関するものであり、詳しくは、デジタル演算により電圧実効値、電流実効値、有効電力などを測定するとともに、電圧、電流の高調波成分の測定も行う装置の改善に関するものである。

特許文献１は、高調波測定解析システムに関するものであり、電力需要家の複数箇所における高調波を時系列的に測定解析することにより、高調波の発生箇所と大きさと発生時刻とを簡単に認識できるようにすることが開示されている。
具体的には、多数の電圧電流測定点から電流検出信号および電圧検出信号を取り込んで高調波を解析し電流波形あるいは電力波形を表示するための波形表示データを生成するアナライザと、アナライザで生成された波形表示データに基づいて電流波形あるいは電力波形を時系列的に表示するパーソナルコンピュータとを備えた構成になっている。
これに対し、本発明はＰＬＬ回路を用いて電圧・電流の高調波成分を測定する装置の改良に関するものであり、特許文献１にはＰＬＬ回路を用いて電圧・電流の高調波成分を測定することについての記載はない。

特開平８−４３４６０

近年、動作制御をきめ細かく行うとともに電力の利用効率を改善するために、インバータに代表される電力変換器が、各種の家庭用電気機器や産業用電気機器に広く使用されている。これに伴って、これら電力変換器のスイッチング動作時に発生する高調波成分が他の機器に影響を与え、不要な動作を引き起こしたり、損傷させることがある。
そこで、これらの不具合発生を防止するために、交流電力測定にあたっては、電圧実効値、電流実効値、有効電力の他に、電圧高調波成分、電流高調波成分、有効電力高調波成分なども測定解析できることが求められている。

図３は、従来の高調波成分測定装置の一例を示すブロック図である。図１において、電圧入力回路１は入力された電圧を演算増幅器により、後段回路の処理に適したレベルに正規化する。Ａ／Ｄ変換器２は、電圧入力回路１により正規化された電圧をデジタル信号に変換する。ゼロクロス検出器３は、電圧入力回路１で正規化された電圧がゼロレベルを横切ることを検出するものであり、入力電圧がLOWからHIGHまたはHIGHからLOWへ変化することを検出することにより、検出出力が反転する。このゼロクロス検出器３の検出出力周波数は入力電圧信号の基本周波数となる。

電流入力回路４は入力された電流を演算増幅器により、後段回路の処理に適したレベルに正規化する。Ａ／Ｄ変換器５は、電流入力回路４により正規化された電流をデジタル信号に変換する。ゼロクロス検出器６は、電流入力回路４で正規化された電流がゼロレベルを横切ることを検出するものであり、入力電流がLOWからHIGHまたはHIGHからLOWへ変化することを検出することにより、検出出力が反転する。このゼロクロス検出器６の検出出力周波数は入力電流信号の基本周波数となる。なお、Ａ／Ｄ変換器２およびＡ／Ｄ変換器５は、切替器８を介して選択的に入力される固定サンプリングクロック発生器１２の出力クロックまたはＰＬＬサンプリングクロック発生器１３の出力クロックに基づき、Ａ／Ｄ変換を行う。

ＤＳＰ（Digital Signal Processor）７は、Ａ／Ｄ変換器２によりデジタル値に変換された電圧瞬時値v(n)と、Ａ／Ｄ変換器５によりデジタル値に変換された電流瞬時値a(n)に基づき、次式より電圧実効値、電流実効値、有効電力を演算する。

ここで、切替器８が固定サンプリングクロック発生器１２の出力クロックを選択してＡ／Ｄ変換器２およびＡ／Ｄ変換器５に供給している場合（以下モードＢという）の電圧実効値をＶ、電流実効値をＡ、有効電力をＰとし、ＰＬＬサンプリングクロック発生器１３の出力クロックを選択してＡ／Ｄ変換器２およびＡ／Ｄ変換器５に供給している場合（以下モードＡという）の電圧実効値をＶ'、電流実効値をＡ'、有効電力をＰ'とする。これらにより、入力信号の取りこぼしがなく、リアルタイムに電圧実効値、電流実効値、有効電力を計算できる。

また、ＤＳＰ７は、Ａ／Ｄ変換器２およびＡ／Ｄ変換器５がＰＬＬサンプリングクロック発生器１３の出力クロックに基づきＡ／Ｄ変換を行っているモードＡの状態では、ＦＦＴ演算による電圧の基本波成分と高調波成分、電流の基本波成分と高調波成分、有効電力の基本波成分と高調波成分についても、入力信号を取りこぼすことなくリアルタイムに計算する。

切替器９は、ゼロクロス検出器３と６の出力のどちらか一方をＣＰＵ１０の設定により選択してＰＬＬサンプリングクロック発生器１３に入力する。

ＣＰＵ１０は、ＤＳＰ７で計算された各測定値を表示器１１に表示するとともに、操作部１４からの操作入力により切替器８，９を切替制御する。

固定サンプリングクロック発生器１２は、切替器８を介してＡ／Ｄ変換器２およびＡ／Ｄ変換器５に入力される固定のサンプリングクロックを発生する。

ＰＬＬサンプリングクロック発生器１３は、切替器９を介して入力されるゼロクロス検出器３またはゼロクロス検出器６の出力信号の整数倍のサンプリングクロックを発生し、切替器８を介してＡ／Ｄ変換器２およびＡ／Ｄ変換器５に入力される。

操作部１４は、Ａ／Ｄ変換器２およびＡ／Ｄ変換器５のサンプリングクロックを固定サンプリングクロック発生器１２またはＰＬＬサンプリングクロック発生器１３のどちらのサンプリングクロックとするかを切替器８に指示設定するとともに、ＰＬＬサンプリングクロック発生器１３にゼロクロス検出器３とゼロクロス検出器６の出力のどちらを入力するかを指示設定する。

ここで、ＰＬＬサンプリングクロック発生器１３の出力クロックを選択してＡ／Ｄ変換器２およびＡ／Ｄ変換器５に供給しているモードＡにおいて、ＤＳＰ７でのＦＦＴ演算により電圧の基本波成分と高調波成分、電流の基本波成分と高調波成分、有効電力の基本波成分と高調波成分が求められる理由は、次のとおりである。

ＰＬＬサンプリングクロック発生器１３は、切替器９を介して入力される電圧/電流入力信号の基本周波数となるゼロクロス検出器３またはゼロクロス検出器６の出力信号の整数倍のサンプリングクロックを発生するので、Ａ／Ｄ変換器２およびＡ／Ｄ変換器５のサンプリングクロックの周波数はこれらゼロクロス検出器３または６の出力の整数倍となる。

これにより、整数倍のポイント数のＦＦＴ演算を行うと、ＦＦＴ演算結果の各周波数成分は電圧/電流の基本波成分、各高調波成分の周波数と一致することになり、入力信号を取りこぼすことなくリアルタイムにＦＦＴ演算を行うことができ、電圧の基本波成分と高調波成分、電流の基本波成分と高調波成分、有効電力の基本波成分と高調波成分を高精度に演算できる。

ところで、モードＡで測定される電圧実効値Ｖ'、電流実効値Ａ'、有効電力Ｐ'の測定周波数帯域は、モードＢで測定される電圧実効値Ｖ、電流実効値Ａ、有効電力Ｐの測定周波数帯域にくらべ、低いものになってしまう。すなわち、より高い測定周波数帯域を測定するためにはサンプリングクロックを高くしなければならないが、ＤＳＰ７における電圧実効値、電流実効値、有効電力の演算とＦＦＴ演算の演算時間とを比較すると、ＦＦＴ演算の方がより長い演算時間を必要とする。従って、ＦＦＴ演算を入力信号の取りこぼしがなくリアルタイムに行うためには、モードＡにおけるサンプリングクロックの周波数をモードＢに比べて低くしなければならない。

具体的には、モードＡにおけるサンプリングクロックの基本周波数が50Hzの場合、ＰＬＬサンプリングクロック発生器１３は例えばこの512倍のサンプリングクロックを発生し、サンプリング周波数は25.6kHzとなる。ここでの512倍は、入力信号の取りこぼしがなくリアルタイムにＦＦＴ演算を行うためのサンプリング周波数の限界から決まる。

これに対し、モードＢの場合、電圧実効値、電流実効値、有効電力の演算はＦＦＴ演算よりも短いため、固定サンプリングクロック発生器１２の出力周波数は例えば200kHzに設定できる。よって、高い周波数成分までを含んだ波形を測定する場合、モードＡでの電圧実効値Ｖ'、電流実効値Ａ'、有効電力Ｐ'は、モードＢでの電圧実効値Ｖ、電流実効値Ａ、有効電力Ｐにくらべ、誤差を大きく含んだものになる。

つまり、電圧実効値、電流実効値、有効電力を精度良く測定するとともに高調波成分の測定も行いたいときには、使用者は、モードＡで高調波成分を測定してから、モードＢに切り替えて電圧実効値、電流実効値、有効電力を測定しなければならない。
これにより、モードを切り替えるため測定時間が２倍以上になってしまう、入力電圧/電流が変動している場合には電圧実効値、電流実効値、有効電力と高調波成分について同時性のある測定ができないなどの問題が生じることになる。

本発明は、これらの従来の問題点を解決するものであって、その目的は、高い周波数成分まで含んだ電圧実効値、電流実効値、有効電力およびそれぞれの高調波成分について、同時に高精度の測定が行える高調波成分測定装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
入力信号のゼロクロスを検出するゼロクロス検出器と、
ゼロクロス検出器の検出信号に基づき出力周波数が入力信号基本周波数の整数倍の第１のサンプリングクロックを発生するＰＬＬサンプリングクロック発生器と、
このＰＬＬサンプリングクロック発生器の出力クロックよりも周波数の高いサンプリングクロックを発生する固定サンプリングクロック発生器と、
前記固定サンプリングクロック発生器の出力クロックに基づきアナログ入力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、
このＡ／Ｄ変換器の出力データに基づき実効値を演算する第１のデジタル演算器と、
前記ＰＬＬサンプリングクロック発生器の出力クロックに基づき前記Ａ／Ｄ変換器の出力データを間引くデータ間引き回路と、
このデータ間引き回路の出力データに基づきＦＦＴ演算により入力信号の基本波成分と高調波成分を演算する第２のデジタル演算器と、
これら第１のデジタル演算器と第２のデジタル演算器の演算結果を表示する表示器、
とで構成されたことを特徴とする高調波成分測定装置である。

本発明のうち請求項２記載の発明は、請求項１記載の高調波成分測定装置において、
入力信号の電圧系統と電流系統のそれぞれに前記ゼロクロス検出器とＡ／Ｄ変換器を設け、
前記第１のデジタル演算器では電圧実効値、電流実効値、有効電力を演算し、
前記第２のデジタル演算器では電圧実効値、電流実効値、有効電力およびそれぞれの高調波成分をＦＦＴ演算することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の高調波成分測定装置において、
前記ＰＬＬサンプリングクロック発生器に入力されるゼロクロス検出器の検出信号を切り替える切替手段を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、高い周波数成分を含む電圧実効値、電流実効値、有効電力およびそれぞれの高調波成分について、同時に高精度の測定が行える高調波成分測定装置を実現できる。

以下、本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に基づく高調波成分測定装置の一例を示すブロック図であって、図３と共通する部分には同一の符号を付けている。図１が図３と異なる点は、Ａ／Ｄ変換器２およびＡ／Ｄ変換器５に入力するクロックを切り替える切替器８を排除し、Ａ／Ｄ変換器２およびＡ／Ｄ変換器５の出力データをＰＬＬサンプリングクロック発生器１３の出力クロックに基づき間引くデータ間引き回路１５，１６とこれらデータ間引き回路１５，１６の出力データに基づきデジタル演算を行うＤＳＰ１７を設けていることである。

図１において、Ａ／Ｄ変換器２およびＡ／Ｄ変換器５には固定サンプリングクロック発生器１２から出力されるサンプリングクロックが常に入力されている。Ａ／Ｄ変換器２から出力される電圧瞬時値の変換データはＤＳＰ７に入力されるとともにデータ間引き回路１５に入力され、Ａ／Ｄ変換器３から出力される電流瞬時値の変換データはＤＳＰ７に入力されるとともにデータ間引き回路１６に入力されている。

データ間引き回路１５，１６には、ＰＬＬサンプリングクロック発生器１３の出力クロックが入力されている。このデータ間引き回路１５，１６の出力データは、ＤＳＰ１７に入力されている。ＰＬＬサンプリングクロック発生器１３には、ＣＰＵ１０の設定に応じて切り替えを行う切替器９を介して、ゼロクロス検出器３と６の出力のどちらか一方が選択されて入力されている。

図２は、データ間引き回路１５，１６でデータを間引くタイミングを説明するタイミングチャートである。(Ａ)はＡ／Ｄ変換器の出力タイミングを示し、(Ｂ)はＰＬＬサンプリングクロック発生器の出力タイミングを示し、(Ｃ)はデータ間引き回路の出力タイミングを示している。図２から明らかなように、ＰＬＬサンプリングクロック発生回路の出力がでた後の最初のＡ／Ｄ変換器の出力がデータ間引き回路から出力されてＤＳＰ１７に入力される。

図１の構成において、ＤＳＰ７は、Ａ／Ｄ変換器２によりデジタル値に変換される電圧瞬時値v(n)と、Ａ／Ｄ変換器５によりデジタル値に変換される電流瞬時値a(n)に基づき、前述の従来と同様の次式で電圧実効値Ｖ、電流実効値Ａ、有効電力Ｐを演算する。

ＤＳＰ１７は、データ間引き回路１５でＰＬＬサンプリング発生器１３の出力クロックのタイミングで間引きされた電圧瞬時値と、データ間引き回路１６でＰＬＬサンプリング発生器１３の出力クロックのタイミングで間引きされた電圧瞬時値に基づき、ＦＦＴ演算により電圧の基本波成分と高調波成分、電流の基本波成分と高調波成分、有効電力の基本波成分と高調波成分をそれぞれ計算する。

これらＤＳＰ７で計算された電圧実効値Ｖ、電流実効値Ａ、有効電力Ｐと、ＤＳＰ１７で計算された電圧の基本波成分と高調波成分、電流の基本波成分と高調波成分、有効電力の基本波成分と高調波成分は、ＣＰＵ１０を介して表示器１１に同時に表示される。

すなわち、図１のように構成することにより、高い周波数成分まで含む電圧実効値、電流実効値、有効電力およびそれぞれの高調波成分について、高精度で同時に測定することができ、それらを共通の表示器に同時に表示することができる。

そして、本発明によれば、デジタル演算器のみで演算を行うように構成しているので、装置の小型化と低コスト化が図れる。

なお、実施例では電圧、電流、電力を測定する例を説明したが、電圧だけや電流だけを測定する装置であってもよい。

本発明に基づく高調波成分測定装置の一例を示すブロック図である。 図１のデータ間引き回路でデータを間引くタイミングを説明するタイミングチャートである。 従来の高調波成分測定装置の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 電圧入力回路
２，５ Ａ／Ｄ変換器
３，６ ゼロクロス検出器
４ 電流入力回路
７，１７ ＤＳＰ
９ 切替器
１０ ＣＰＵ
１１ 表示器
１２ 固定サンプリングクロック発生器
１３ ＰＬＬサンプリングクロック発生器
１４ 操作部

Claims (3)

1. 入力信号のゼロクロスを検出するゼロクロス検出器と、
   ゼロクロス検出器の検出信号に基づき出力周波数が入力信号基本周波数の整数倍の第１のサンプリングクロックを発生するＰＬＬサンプリングクロック発生器と、
   このＰＬＬサンプリングクロック発生器の出力クロックよりも周波数の高いサンプリングクロックを発生する固定サンプリングクロック発生器と、
   前記固定サンプリングクロック発生器の出力クロックに基づきアナログ入力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、
   このＡ／Ｄ変換器の出力データに基づき実効値を演算する第１のデジタル演算器と、
   前記ＰＬＬサンプリングクロック発生器の出力クロックに基づき前記Ａ／Ｄ変換器の出力データを間引くデータ間引き回路と、
   このデータ間引き回路の出力データに基づきＦＦＴ演算により入力信号の基本波成分と高調波成分を演算する第２のデジタル演算器と、
   これら第１のデジタル演算器と第２のデジタル演算器の演算結果を表示する表示器、
   とで構成されたことを特徴とする高調波成分測定装置。
2. 入力信号の電圧系統と電流系統のそれぞれに前記ゼロクロス検出器とＡ／Ｄ変換器を設け、
   前記第１のデジタル演算器では電圧実効値、電流実効値、有効電力を演算し、
   前記第２のデジタル演算器では電圧実効値、電流実効値、有効電力およびそれぞれの高調波成分をＦＦＴ演算することを特徴とする請求項１記載の高調波成分測定装置。
3. 前記ＰＬＬサンプリングクロック発生器に入力されるゼロクロス検出器の検出信号を切り替える切替手段を設けたことを特徴とする請求項２記載の高調波成分測定装置。
   

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