JP2006343109A - 電力測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安全かつ正確に電力を測定でき、しかも小型化および低価格化を実現し得る電力測定装置を提供する。
【解決手段】電線１００との容量結合を介して電圧Ｖを検出して誘導電圧Ｖｖを出力する電圧測定プローブ２と、誘導電圧Ｖｖについての電圧波形の位相を補正する制御部４２（位相補正部）とを備え、制御部４２は、電圧Ｖの電圧波形と同相の第２の波形および誘導電圧Ｖｖの電圧波形の位相差φｄに基づいて、誘導電圧Ｖｖの電圧波形の位相を補正して電圧Ｖの電圧波形とした後に、電圧Ｖの電圧波形と電流Ｉの電流波形とに基づいて電力を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電線に印加されている電圧の電圧波形とその電線を流れている電流の電流波形とに基づいて電力を測定する電力測定装置に関するものである。

この種の電力測定装置として、出願人は、特開２０００−３３８１４７号公報において、負荷で消費される電力を三相３線２電力計法によって算出する電力測定装置を開示している。この電力測定装置では、測定対象の３本の電線の各々にクリップを電気的に接続して各電線に印加されている電圧を測定する。また、この電力測定装置では、電線に非接触で電流を測定可能なクランプ式の電流計を用いて測定対象の３本の電線の中から２本の電線について流れている電流を測定する。この場合、この電力測定装置では、測定した電圧および電流を用いた電力算出処理を行うことによって負荷で消費されている電力が算出される。

一方、実開平６−２８７４８号公報には、非接触方式で交流商用ラインの交流電圧を測定する非接触交流電圧計が開示されている。この非接触交流電圧計では、交流商用ラインの被覆にピックアップを被せることにより、交流商用ラインとピックアップとを容量結合させる。この場合、この非接触交流電圧計では、このピックアップに接続された演算増幅器の出力電圧を測定することにより、交流商用ラインに印加されている電圧が算出される。
特開２０００−３３８１４７号公報（第２〜６頁、第１０図） 実開平６−２８７４８号公報（第４頁、第１図）

ところが、特開２０００−３３８１４７号公報に開示されている電力測定装置には、以下の解決すべき課題がある。すなわち、この電力測定装置では、電圧を測定するためのクリップを電気的に電線の導線に接続している。このため、この電力測定装置には、クリップを導線に接続する際に、作業者が導線に接続したクリップの金属部分に触れるおそれがある。また、この電力測定装置では、電線に高電圧が印加されているときには、クリップを介して高電圧が直接的に入力されるため、その電圧に耐えることができる回路構成を採用しなければならず、回路構成が複雑化するおそれがある。したがって、この電力測定装置には、回路構成の複雑化に伴い、装置の小型化や低価格化が困難になるおそれもある。

一方、実開平６−２８７４８号公報に開示された非接触交流電圧計では、交流商用ラインとピックアップとを容量結合させて電圧を測定しているため、電線に印加されている電圧と測定した電圧との位相が容量結合による微分特性により大幅にずれて測定される。したがって、この非接触交流電圧計によれば、測定した電圧を用いて電力を算出するときに、この位相のずれによって電力を正確に算出することが困難となるという問題点がある。

本発明は、かかる解決すべき課題に鑑みてなされたものであり、安全かつ正確に電力を測定でき、しかも小型化および低価格化を実現し得る電力測定装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の電力測定装置は、電線に印加されている電圧の電圧波形と当該電線を流れている電流の電流波形とに基づいて電力を測定する電力測定装置であって、前記印加されている電圧を前記電線との容量結合を介して検出して検出信号を出力する電圧測定プローブと、前記検出信号についての第１の波形の位相を補正する位相補正部とを備え、前記位相補正部は、前記印加されている電圧の電圧波形と同相の第２の波形および前記第１の波形の位相差に基づいて、当該第１の波形の位相を補正して前記電圧波形とする。

請求項２記載の電力測定装置は、請求項１記載の電力測定装置において、前記第１の波形の電圧値に基づいて前記印加されている電圧の電圧波形についての電圧値を算出する演算部を備え、前記演算部は、前記位相補正部によって位相補正された前記電圧波形と、予め設定された補正係数とを乗算して前記印加されている電圧の電圧波形についての電圧値を算出すると共に、当該算出した電圧値と前記電流波形の電流値とに基づいて前記電力を算出する。

請求項１記載の電力測定装置によれば、位相補正部が、印加されている電圧の電圧波形と同相の第２の波形および第１の波形の位相差に基づいて第１の波形の位相を補正して電線に印加されている電圧の電圧波形とすることにより、電線の導線に電圧測定プローブを電気的に直接的に接続することなく検出した検出信号についての第１の波形から、印加されている電圧の位相を正確に算出することができる。したがって、この電力測定装置によれば、電線を介して供給されている電力を安全かつ正確に算出することができる。また、この電力測定装置によれば、電線に印加されている電圧を電線との容量結合（正確には電線の導線との容量結合）を介して検出することにより、印加されている電圧が高電圧のときに、その高電圧が電力測定装置に直接的に入力されないため、簡易な回路構成を採用することができる結果、装置の小型化や低価格化を図ることができる。

また、請求項２記載の電力測定装置によれば、位相補正した電圧波形と予め設定された補正係数とを乗算して印加されている電圧の電圧波形についての電圧値を算出すると共に、算出した電圧値と電流波形の電流値とに基づいて電力を算出することにより、電線を介して供給されている電力をより正確に算出することができる。

以下、本発明に係る電力測定装置の最良の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、電力測定装置１の構成について、図面を参照して説明する。この電力測定装置１は、図１に示すように、例えば電線１００に被覆された絶縁被覆１０２の上から測定した電圧の波形および電流の波形に基づいて電力を測定するのに用いられ、電圧測定プローブ２、電流測定プローブ３および本体部４を備えて構成されている。

電圧測定プローブ２は、図２に示すように、一対のクリップ片２１ａ，２１ｂ、および一対の電圧センサ２２ａ，２２ｂを備え、一対のクリップ片２１ａ，２１ｂによって電線１００を挟持可能なクリップ状に構成されている。また、クリップ片２１ａ，２１ｂは、絶縁体である樹脂材料で形成され、これらの内部において両者間に掛け渡されたＶ字状のねじりコイルバネによって常時閉状態になるように付勢されている。

電圧センサ２２ａ，２２ｂは、クリップ片２１ａ，２１ｂにおける電線１００を挟持する箇所の内側に電線１００の断面円形の形状に沿うように曲げられた状態に形成されている。また、電圧センサ２２ａ，２２ｂの各々は、絶縁シートを挟んだ状態で重ねられた２枚の金属箔（例えば、銅箔）およびこれらを覆う２枚の絶縁カバー（いずれも図示せず）でそれぞれ構成されている。また、電圧センサ２２ａ，２２ｂは、各金属箔に図示しないケーブルが接続されることによって本体部４に接続される。この場合、重ねられた２枚の金属箔のうちの電線１００側の金属箔がセンサ電極として機能して、他方の金属箔がシールド電極として機能する。また、電圧測定プローブ２によって挟持された電線１００に交流電圧Ｖ（以下、単に「電圧Ｖ」ともいう）が印加されて交流電流Ｉ（以下、単に「電流Ｉ」ともいう）が流れているときには、電圧センサ２２ａ，２２ｂと導線１０１とが容量結合されることにより、電圧センサ２２ａ，２２ｂには振幅が電圧Ｖに比例する誘導電圧Ｖｖが誘起される。したがって、電圧センサ２２ａ，２２ｂは、容量結合によって検出した誘導電圧Ｖｖを本発明における検出信号として出力する。なお、この誘導電圧Ｖｖは、電線１００に印加されている電圧Ｖよりも位相が約９０度進んだ状態で検出される。

電流測定プローブ３は、図１に示すように、略円形に形成されると共に先端が開閉自在に構成されたクランプ部３１と、クランプ部３１の内部に配設されて鉄心に巻線を巻き付けたコイルで構成された電流センサ（図示せず）とを備えている。この場合、電流センサは、クランプ部３１で電線１００を挟み込んだ状態において、挟み込んだ電線１００を流れている電流Ｉを検出してその電流値に振幅が比例する電流対応信号Ｖｉを検出信号として本体部４に出力する。なお、この電流対応信号Ｖｉは、電圧測定プローブ２によって出力される誘導電圧Ｖｖとは異なり、電線１００を流れている電流Ｉと位相が同じ状態（同相）で検出される。

本体部４は、図１に示すように、入力部４１、制御部４２、記憶部４３、操作部４４および表示部４５を備えて構成されている。入力部４１は、バッファ、レンジアンプおよびＡ／Ｄコンバータなどで構成され、電圧測定プローブ２および電流測定プローブ３からそれぞれ出力された誘導電圧Ｖｖおよび電流対応信号Ｖｉをサンプリングしてデジタル信号に変換して、誘導電圧Ｖｖおよび電流対応信号Ｖｉの各波形を示す波形データＤｖ，Ｄｉを制御部４２に出力する。なお、入力部４１は、入力した誘導電圧Ｖｖおよび電流対応信号Ｖｉに対して、必要な周波数帯域の信号だけを通過させたり（フィルタリング）、必要に応じて増幅する。

制御部４２は、本発明における位相補正部に相当し、検出された誘導電圧Ｖｖについての電圧波形（本発明における第１の波形）、および電線１００に実際に印加されている電圧Ｖの電圧波形と同相の波形（本発明における第２の波形）に基づいて、両波形の位相差φｄを算出する。また、制御部４２は、入力した波形データＤｖと波形データＤｉ（図５参照）とを記憶部４３に記憶させる。この場合、制御部４２は、誘導電圧Ｖｖの電圧波形を位相差φｄに基づいて補正して電線１００に印加されている電圧Ｖの電圧波形とする。これにより、電圧Ｖの電圧波形と誘導電圧Ｖｖの電圧波形との位相差φｄが相殺される、つまり、誘導電圧Ｖｖの電圧波形が位相差φｄだけ遅らされて両電圧Ｖ，Ｖｖの電圧波形の位相が一致して同相となる。また、制御部４２は、位相差φｄだけ遅らせた誘導電圧Ｖｖの電圧波形を示す波形データＤｖ１を記憶部４３に記憶させる。さらに、制御部４２は、本発明における演算部に相当し、位相差φｄで位相補正した電圧波形（波形データＤｖ１、図６参照）に基づいて、電線１００に印加されている電圧Ｖの電圧波形についての電圧値を算出すると共に、算出した電圧値と電線１００を流れている電流Ｉの電流波形の電流値とに基づいて電力を算出する。

記憶部４３は、制御部４２から入力された位相差φｄや各波形データＤｖ，Ｄｉ，Ｄｖ１などを記憶する。操作部４４は、作業者によって操作された操作内容に応じた指示信号を制御部４２に出力する。表示部４５は、制御部４２による制御に従い、誘導電圧Ｖｖの波形、波形データＤｖ１に基づく波形、および電流対応信号Ｖｉの波形などを表示する。

次に、電線１００を介して供給されている電力を電力測定装置１を用いて測定する測定方法について、図面を参照して説明する。

まず、電圧測定プローブ２を用いて検出した誘導電圧Ｖｖの波形と電線１００に実際に印加されている電圧Ｖの波形との位相差φｄを算出する。この際に、使用者は、図３に示すように、例えば５０Ｈｚの交流の電圧Ｖｓを出力する交流電源２００に接続されている電線３００に電圧測定プローブ２を接続する。この場合、電圧測定プローブ２は、電線３００を挟持した状態において、電線３００に印加されている電圧Ｖｓに起因して誘起される誘導電圧Ｖｖｓを検出して本体部４に出力する。なお、この際に、使用者は、本体部４の電流測定プローブ３の入力端子と交流電源２００の出力部とを電流測定プローブ３に代えて接続ケーブルで接続することにより、交流電源２００から出力される電圧Ｖｓを擬似的に電流対応信号Ｖｉｓとして本体部４に入力させる。これにより、電線３００に印加されている電圧Ｖｓ（および電線３００を流れている電流Ｉｓ）と同相（φｄ＝０°）の電流対応信号Ｖｉｓが本体部４に入力される。次いで、使用者は、操作部４４を操作することにより、入力部４１に入力されている誘導電圧Ｖｖｓおよび電流対応信号Ｖｉｓをサンプリングさせて波形データＤｖｓ，Ｄｉｓを記憶部４３の所定のアドレスに順次に記憶させる。

次いで、制御部４２は、図４に示すように、記憶部４３に記憶されている波形データＤｖｓ，Ｄｉｓに基づいて、誘導電圧Ｖｖｓの波形および電流対応信号Ｖｉｓの波形を表示部４５に表示させる。この際に、制御部４２は、波形データＤｖｓ，Ｄｉｓに基づいて、誘導電圧Ｖｖｓの電圧値が０ＶになるゼロクロスポイントＰ１のアドレスと、電流対応信号Ｖｉｓの電流値が０Ａ（実際には電圧値が０Ｖ）になるゼロクロスポイントＰ２のアドレスとを算出する。なお、誘導電圧Ｖｖｓの波形は電線３００に印加されている電圧Ｖｓの波形よりも位相が進んだ状態で検出されるため、制御部４２は、いずれか１つのゼロクロスポイントＰ２とそれよりも前にサンプリングされたゼロクロスポイントＰ１とのアドレスの２つを選択する。続いて、制御部４２は、２つのゼロクロスポイントＰ１，Ｐ２のアドレスの差分を算出する。これにより、制御部４２は、その差分を位相差φｄに換算して算出すると共に、算出した位相差φｄを記憶部４３に記憶させる。

次に、使用者は、図１に示すように、電線１００を電圧測定プローブ２で挟持すると共にその電線１００を電流測定プローブ３で挟み込む。この状態において、本体部４には、電線１００に印加されている電圧Ｖによって誘起される誘導電圧Ｖｖが入力されると共に、その電線１００を流れている電流Ｉの電流値と振幅が比例する電流対応信号Ｖｉが入力される。この際に、使用者は、操作部４４を操作することにより、入力部４１に入力されている誘導電圧Ｖｖおよび電流対応信号Ｖｉをサンプリングさせて波形データＤｖおよび波形データＤｉを記憶部４３に記憶させる。

次いで、制御部４２は、図５に示すように、記憶部４３に記憶されている波形データＤｖおよび波形データＤｉに基づいて、誘導電圧Ｖｖの波形および電流対応信号Ｖｉの波形を表示部４５に表示させる。この際に、制御部４２は、記憶部４３に記憶されている誘導電圧Ｖｖの波形データＤｖに基づいて、波形データＤｖのゼロクロスポイントＰ３のアドレスを算出する。次いで、制御部４２は、記憶部４３に記憶されている位相差φｄを読み込むと共に、その位相差φｄに相当するアドレス分だけ波形データＤｖの位相を遅らせる位相補正を実行する。続いて、制御部４２は、図６に示すように位相補正した波形データＤｖ１を記憶部４３に記憶させる。

次に、制御部４２は、図７に示す電圧値補正処理６０を実行して、位相補正した波形データＤｖ１の電圧値を補正することにより、電線１００に印加されている電圧Ｖの電圧波形を求める。この際に、使用者は、例えば、図１に示すように、ＤＭＭ（Digital Multi Meter）５１を用いて、このＤＭＭ５１に接続されているテストリード棒５２を導線１０１に接触させて、電線１００に印加されている電圧Ｖの実効値を測定すると共に、操作部４４を操作してその実効値を入力する。これにより、制御部４２は、入力された電圧Ｖの実効値を基準電圧Ｖ１として設定する（ステップ６１）。次いで、制御部４２は、電圧値の補正の要否の選択画面を表示部４５に表示させる（ステップ６２）。この際に、使用者は、電圧値を補正するか否かを判断して操作部４４を操作する。続いて、制御部４２は、操作部４４からの指示に従って電圧値を補正するか否かを判別し（ステップ６３）、電圧値を補正すると判別したときには、位相補正した波形データＤｖ１を読み込むと共に、その波形データＤｖ１の波形についての実効電圧Ｖ２を算出する（ステップ６４）。次いで、制御部４２は、ステップ６１において設定した基準電圧Ｖ１を実効電圧Ｖ２で除算して補正係数Ｋ（Ｖ１／Ｖ２）を算出する（ステップ６５）。続いて、制御部４２は、記憶部４３に記憶されている波形データＤｖ１の電圧値に補正係数Ｋを乗算することによって波形データＤｖ１を波形データＤｖ２（図８参照）に補正する（ステップ６６）。次いで、制御部４２は、電圧値を補正した波形データＤｖ２を電圧Ｖの電圧波形として記憶部４３に記憶して、この電圧値補正処理６０を終了する。以上により、電線１００に印加されている電圧Ｖの電圧波形についての正確な電圧値が算出される。

一方、ステップ６２において電圧値を補正しないと判別したときには、制御部４２は、ステップ６１において設定した基準電圧Ｖ１が実効電圧となるように記憶部４３に記憶されている波形データＤｖ１の電圧値を設定して（ステップ６７）、波形データＤｖ２として記憶部４３に記憶させる。この場合、電圧値を補正しないときには、使用者は、ＤＭＭ５１による電圧測定を行うことなく、操作部４４を操作して基準電圧Ｖ１を設定することもできる。以上により、この電圧値補正処理６０を終了する。

この後、制御部４２は、電線１００を介して供給されている電力を算出する。この際に、制御部４２は、電線１００に印加されている電圧Ｖの電圧波形を示し記憶部４３に記憶されている波形データＤｖ２と、電線１００を流れている電流Ｉの電流波形を示し同じく記憶部４３に記憶されている波形データＤｉとをそれぞれ乗算することにより、電線１００を介して供給されている電力を求める。次いで、求めた電力を表示部４５に表示させる。以上により、電力測定が終了する。

このように、この電力測定装置１によれば、電流対応信号Ｖｉｓの電流波形を示す波形データＤｉｓと、誘導電圧Ｖｖｓの電流波形を示す波形データＤｖｓとの位相差φｄに基づいて、誘導電圧Ｖｖの波形データＤｖの位相を補正して電線１００に印加されている電圧Ｖの電圧波形とすることにより、電圧測定プローブ２によって導線１０１に電気的に直接的に接続することなく検出した誘導電圧Ｖｖの波形データＤｖから電圧Ｖの位相を正確に算出することができる。したがって、この電力測定装置１によれば、電線１００を介して供給されている電力を安全かつ正確に算出することができる。また、この電力測定装置１によれば、電線１００に印加されている電圧Ｖを電線１００との容量結合を介して検出することにより、電圧Ｖが高電圧のときに、その高電圧が入力部４１に直接的に入力されないため、簡易な回路構成を採用することができる結果、装置の小型化や低価格化を図ることができる。

また、この電力測定装置１によれば、位相補正した誘導電圧Ｖｖの波形データＤｖ１と予め設定した補正係数Ｋとを乗算して電圧Ｖの電圧波形の電圧値を算出すると共に、算出した電圧値と電流Ｉについての電流波形の電流値とを乗算することにより、電線１００を介して供給されている電力をより正確に算出することができる。

なお、本発明は、上記の構成に限定されない。例えば、記憶部４３に記憶されている波形データＤｖ１の電圧値を電圧値補正処理６０によって補正する構成について説明したが、高い精度が求められないときには、補正を行うことなく、波形データＤｖ１と波形データＤｉとに基づいて電力を算出することもできる。また、電圧波形を示す波形データＤｖ２と、電流波形を示す波形データＤｉとの乗算によって電力を算出する方法について説明したが、波形データＤｖ２（またはＤｖ１）と波形データＤｉとによって力率を算出することによってスカラー的に電力を算出することもできる。この場合、位相補正した電圧波形（波形データＤｖ１）と電流波形（波形データＤｉ）との位相差の角度を算出すると共に、電圧および電流の各実効値をそれぞれの振幅から算出し、電圧の実効値と電流の実効値と位相差の角度の余弦値とを乗算することによって電力を算出する。

さらに、本例では導線１０１が絶縁被覆１０２で覆われている電線１００の誘導電圧Ｖｖを検出しているが、これに限らない。例えば、電圧測定プローブ２のクリップ片２１ａ，２１ｂを絶縁体で形成しているため、絶縁被覆１０２で覆われていない導線１０１についての誘導電圧Ｖｖを検出することもできる。この場合においても、導線１０１と電圧センサ２２ａ，２２ｂとが電気的に直接的に接続されていないため、安全に電力を測定することができる。

また、制御部４２がソフトウェア的に処理して本発明における位相補正部の機能を実現して誘導電圧Ｖｖ（波形データＤｖ）の電圧波形の位相を補正する構成について説明したが、これに限らない。例えば、積分回路を付加することによって位相補正部の機能をハードウェアで構成することもできる。

さらに、電圧値補正処理６０において電圧値を補正する際に、ＤＭＭ５１を用いて測定した電圧Ｖの実効値を基準電圧Ｖ１として設定する例について説明したが、これに限らない。例えば、電線１００に印加されている電圧が商用交流のように電圧値が比較的に一定値に規定されているときなどには、ＤＭＭ５１を用いた測定を行うことなく、その規定値（例えば１００Ｖ）を予め設定しておくことができる。

また、波形データＤｖおよび波形データＤｉを取得した後に波形データＤｖ１の電圧値を補正する例について説明したが、予め補正係数Ｋを算出しておき、誘導電圧Ｖｖの波形データＤｖ１を検出しつつ制御部４２がその波形データＤｖ１の電圧値を補正係数Ｋで補正する構成を採用することもできる。

電力測定装置１および測定系のブロック図である。 電圧測定プローブ２の内部構造を示す斜視図である。 位相差φｄを算出する際の電力測定装置１および測定系のブロック図である。 図３に示す電線３００から検出した波形データＤｖｓ（電圧波形）および波形データＤｉｓ（電流波形）の関係を示す波形図である。 図１に示す電線１００から検出した波形データＤｖ（電圧波形）および波形データＤｉ（電流波形）の関係を示す波形図である。 位相を補正した波形データＤｖ１（電圧波形）および波形データＤｉ（電流波形）の関係を示す波形図である。 電圧値補正処理６０を示すフローチャートである。 電圧値を補正した波形データＤｖ２（電圧波形）および波形データＤｉ（電流波形）の関係を示す波形図である。

符号の説明

１ 電力測定装置
２ 電圧測定プローブ
３ 電流測定プローブ
４ 本体部
２２ａ，２２ｂ 電圧センサ
４２ 制御部
１００，３００ 電線
Ｖ，Ｖｓ 電圧
Ｖｖ，Ｖｖｓ 誘導電圧
Ｉ，Ｉｓ 電流
φｄ 位相差
Ｋ 補正係数

Claims (2)

1. 電線に印加されている電圧の電圧波形と当該電線を流れている電流の電流波形とに基づいて電力を測定する電力測定装置であって、
   前記印加されている電圧を前記電線との容量結合を介して検出して検出信号を出力する電圧測定プローブと、前記検出信号についての第１の波形の位相を補正する位相補正部とを備え、
   前記位相補正部は、前記印加されている電圧の電圧波形と同相の第２の波形および前記第１の波形の位相差に基づいて、当該第１の波形の位相を補正して前記電圧波形とする電力測定装置。
2. 前記第１の波形の電圧値に基づいて前記印加されている電圧の電圧波形についての電圧値を算出する演算部を備え、
   前記演算部は、前記位相補正部によって位相補正された前記電圧波形と、予め設定された補正係数とを乗算して前記印加されている電圧の電圧波形についての電圧値を算出すると共に、当該算出した電圧値と前記電流波形の電流値とに基づいて前記電力を算出する請求項１記載の電力測定装置。

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