JP2006266684A - 高調波検出装置 - Google Patents

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康治 松金
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Abstract

【課題】交流電圧信号または電流信号に重畳する高調波成分を誤差を小さくして検出する。
【解決手段】高調波成分の検出対象となる交流電圧信号を変成器３とサンプルホールド４とＡ／Ｄ変換器５によってディジタルデータに変換し、このディジタルデータを基にＦＦＴ６による離散フーリエ変換によって高調波成分の各次数別の振幅Ｃｎおよび位相θｎを求める。
周波数誤差検出部７は交流電圧信号の基本周波数ｆの変動を周波数誤差Δｆとして検出する。振幅／位相補正部８は周波数誤差Δｆに応じて振幅Ｃｎおよび位相θｎを近似補正する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、交流電圧または交流電流に重畳する高調波成分を離散フーリエ変換で検出する高調波検出装置に関する。
商用電源などの交流電源から電力を供給されるコンピュータ装置や各種計測／制御装置は、交流電源に高調波成分が含まれていると、不安定動作や誤動作を起こすことがあるため、アクティブフィルタによって交流電源の電路から高調波成分を取り除くようにしている。
アクティブフィルタは、交流電源と負荷（コンピュータ装置など）を接続する電路の電圧または電流に重畳する高調波成分を検出し、この高調波成分と逆極性の高調波電圧または電流を電路に供給することで高調波成分を取り除く。高調波成分の検出には、電路の電圧または電流をサンプリングし、Ａ／Ｄ変換器によってディジタルデータに変換し、このディジタルデータを下記式で示す離散フーリエ変換することにより、各次数別の高調波成分（振幅、位相）を求める。
Figure 2006266684
なお、高調波成分の検出を必要とする装置としては、アクティブフィルタの他に、例えば、モータ等の電力機器に高周波電圧や電流が流れたときにそれを保護するために、高周波電圧や電流の検出で電力機器につながるしゃ断器をトリップさせる電力機器用保護継電装置がある（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−２２２３４７号公報
交流電源の電路に重畳する高調波成分の振幅と位相を離散フーリエ変換により検出する場合、交流電源の基本周波数が変動すると、前記式中の実際のサンプル数Ｋのデータ内に１サイクル未満または１サイクル以上の波形データが入ってくるため、図２に基本周波数を５０Ｈｚとした場合の例で示すように、高調波成分の振幅比（各次数における論理的な振幅を１００％としたときの実際に得られる振幅）に誤差が生じる。
この誤差の発生は、アクティブフィルタにおいては補償出力に過不足を起こし、保護継電装置においては誤動作または誤不動作を起こすおそれがある。
本発明の目的は、交流電圧信号または電流信号の基本周波数が変動した場合にも誤差を小さくしてそれに重畳する高調波成分を検出できる高調波検出装置を提供することにある。
本発明は、前記の課題を解決するため、高調波成分の検出対象となる交流電圧信号または交流電流信号の基本周波数変動を検出し、この検出による周波数誤差を変数とした関数演算により、離散フーリエ変換による高調波成分の各次数の振幅および位相を補正するようにしたもので、以下の方法を特徴とする。
（１）高調波成分の検出対象となる交流電圧信号または交流電流信号をディジタルデータに変換し、このディジタルデータを使った離散フーリエ変換によって高調波成分の各次数ｎ別の振幅Ｃｎおよび位相θｎを求める高調波検出装置であって、
前記交流電圧信号または交流電流信号の基本周波数の変動を周波数誤差Δｆとして検出する周波数誤差検出部と、
前記周波数誤差Δｆに応じて前記振幅Ｃｎおよび位相θｎを補正する振幅／位相補正部とを備えたことを特徴とする。
（２）前記振幅／位相補正部は、以下の近似式、
Figure 2006266684
Figure 2006266684
を基にした演算によって前記振幅Ｃｎおよび位相θｎを補正した振幅Ｃｎ’および位相θｎ’を求めることを特徴とする。
以上のとおり、本発明によれば、高調波成分の検出対象となる交流電圧信号または交流電流信号の基本周波数変動を検出し、この検出による周波数誤差を変数とした関数演算により、離散フーリエ変換による高調波成分の各次数の振幅および位相を補正するようにしたため、交流電圧信号または電流信号の基本周波数が変動した場合にも誤差を小さくしてそれに重畳される高調波成分を検出できる効果がある。
図１は、本発明の実施形態を示す高調波成分検出のための装置構成であり、交流電源１から負荷２に電力を供給する電源構成において、その電路に重畳する高調波成分を離散フーリエ変換によって検出する場合である。
変成器３は電路の交流電圧を適当な振幅の電圧波形として検出する。サンプルホールド回路４は変成器３からの電圧波形のサンプリングを行う。Ａ／Ｄ変換器５はサンプリングした電圧波形をディジタルデータに変換する。ＦＦＴ（高速フーリエ変換部）６は、Ａ／Ｄ変換器５からのディジタルデータｘｋを入力とし、このデータｘｋについて離散フーリエ変換することで、交流電圧に含まれる高調波成分の各次数別の振幅Ｃｎと位相θｎを求める。以上までの回路要素３〜６は、従来の高調波成分検出装置がもつ装置構成となる。
周波数誤差検出部７は、Ａ／Ｄ変換器５からのディジタルデータから検出する基本周波数と、この比較基準となる設定基本周波数ｆとの周波数誤差Δｆを検出する。ディジタルデータからの基本周波数検出は、例えば、ディジタルデータの１周期期間の時間をカウンタで計数し、この計数結果を基本周波数とする。周波数誤差Δｆは、設定基本周波数ｆとカウンタの計数値との減算により求められる。
振幅／位相補正部８は、ＦＦＴ６が離散フーリエ変換で求める高調波成分の各次数別の振幅Ｃｎと位相θｎを、周波数誤差検出部７で検出する周波数誤差Δｆを変数とし、予め設定される各補正係数を用いた関数演算によって補正する。
このうち、振幅Ｃｎの補正は、以下の４次関数による近似式に従った演算で近似する。
Figure 2006266684
位相θｎの補正は、以下の一次式に従った演算で近似する。
Figure 2006266684
上記の周波数誤差検出部７と振幅／位相補正部８は、コンピュータに搭載するソフトウェア構成で実現し、そのソフトウェアの実行によって補正出力を得ることができるものであり、例えば、アクティブフィルタに搭載されるコンピュータを利用することで済む。
したがって、本実施形態によれば、高調波成分の検出対象となる交流電圧の基本周波数変動により起きる振幅および位相の誤差を小さくすることができ、高調波成分を基に出力電力制御や保護を行う装置（アクティブフィルタなど）に適用して高い精度の機能を実現できる。
なお、実施形態では交流電圧の離散フーリエ変換の場合を示すが、交流電流の場合に適用して同等の作用効果を得ることができる。この場合、変成器３に変えて変流器とし、その検出電流を電圧信号に変換することで済む。
また、振幅／位相補正部８で採用する近似式は、装置に要求される精度に応じて適宜設計変更される。
本発明の実施形態を示す装置構成図。 周波数変動による高調波成分の各次数別の振幅の誤差分布の例。
符号の説明
１ 交流電源
２ 負荷
３ 変成器
４ サンプルホールド
５ Ａ／Ｄ変換器
６ ＦＦＴ
７ 周波数誤差検出部
８ 振幅／位相補正部

Claims (2)

  1. 高調波成分の検出対象となる交流電圧信号または交流電流信号をディジタルデータに変換し、このディジタルデータを使った離散フーリエ変換によって高調波成分の各次数ｎ別の振幅Ｃｎおよび位相θｎを求める高調波検出装置であって、
    前記交流電圧信号または交流電流信号の基本周波数の変動を周波数誤差Δｆとして検出する周波数誤差検出部と、
    前記周波数誤差Δｆに応じて前記振幅Ｃｎおよび位相θｎを補正する振幅／位相補正部とを備えたことを特徴とする高調波検出装置。
  2. 前記振幅／位相補正部は、以下の近似式、
    Figure 2006266684
    Figure 2006266684
     を基にした演算によって前記振幅Ｃｎおよび位相θｎを補正した振幅Ｃｎ’および位相θｎ’を求めることを特徴とする請求項１に記載の高調波検出装置。
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