JP2009264753A - 高調波成分測定装置 - Google Patents

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【課題】FFT演算したとき入力波形に本来含まれない成分を低減し、本来含まれる成分の振幅をより精度よく求めることできる高調波成分測定装置を実現すること。
【解決手段】第1の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、前記アナログ入力信号のゼロクロスを検出するゼロクロス検出器と、この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2のサンプリングクロックを発生する第2のサンプリングクロック発生器と、この第2のサンプリングクロックのタイミングで前記A/D変換器の出力データを直線補間する演算器と、この直線補間データに基づき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演算器と、前記A/D変換器の出力データに基づき電圧実効値、電流実効値、有効電力を演算する演算器と、これら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もの。
【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。
特許文献2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、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したものである。
特開平8−43460 特開2006−98287
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5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5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。
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8に入力され、A/D変換器5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9に入力されている。ゼロクロス検出器3,6の出力信号は、切替器10に入力されている。データ間引き回路8,9の出力データは、DSP11に入力されている。
A/D変換器2,5には第1のサンプリングクロック発生器として動作する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入力され、データ間引き回路8,9には第2のサンプリングクロック発生器として動作する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。
図6は、データ間引き回路8,9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2,5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13の出力タイミングを示し、(C)はデータ間引き回路8,9の出力タイミングを示している。図6から明らかなように、PLLサンプリングクロック発生回路13の出力が出た後の最初のA/D変換器2,5の出力がデータ間引き回路8,9から出力されてDSP11に入力される。
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。
Figure 2009264753
Figure 2009264753
Figure 2009264753
DSP11は、データ間引き回路8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9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、DSP11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、CPU14を介して表示器15に同時に表示される。
なお、CPU14は、DSP7,11で計算された各測定値を表示器15に表示するとともに、操作部16からの操作入力により切替器10を切替制御する。
切替器10は、ゼロクロス検出器3と6の出力のどちらか一方をCPU14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。
PLLサンプリングクロック発生器13は、切替器10を介して選択的に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、前述のようにデータ間引き回路8,9に出力する。これにより、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。
このように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。
すなわち、図5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。
ところで、図5の構成において、電圧入力が50Hz正弦波で、電流入力が図7に示すような振幅10Aの50Hz正弦波と振幅1Aの5kHz正弦波の合成波とし、切換器10は電圧側のゼロクロス検出器3の出力信号を選択的にPLLサンプリングクロック発生器13に入力しているとする。このとき、固定サンプリングクロックは100kHz、PLLサンプリングクロックの入力に対するサンプリングクロックの倍率を1024倍とすると、PLLサンプリングクロックは、50Hz×1024=51.2kHzとなる。
このときの電流入力のFFT結果は、FFTポイント数を1024とすると、図8のようになる。図8において、横軸は高調波次数、縦軸は各次数成分の振幅を20log10(I)としてdB表示したものであり、1A=0dBとなっている。
電流波形は、1次の10A成分と、100次の1A成分のみの合成波形なので、理想的には図9のようなFFT結果になるはずであるが、図8ではその他の次数にも成分が存在し、大きな成分は−30dBを超えている。また、100次の成分に注目すると、図9の理想的なFFT結果では1.0000Aとなるが、図8の従来技術でのFFT結果では0.9918Aとなり、0.82%小さな値になる。
図10は、図7に示した電流入力波形における2.2ms〜2.6ms部分の拡大図である。図11は、図10の拡大波形をA/D変換したときのサンプリング点を示す説明図であり、●は固定サンプリングクロック(ここでは100kHz)のタイミングでA/D変換したときのA/D値を示し、□はPLLサンプリングクロック(ここでは51.2kHz)のタイミングでA/D変換したと仮定したときのA/D値を示している。図12は、図5の動作通りに、PLLサンプリングクロックがあった次の固定サンプリングクロックでのA/D値のみに間引いたサンプリング点を示す説明図である。
図12の間引き後の固定サンプリングA/D値1024点を使ってFFT演算するが、FFT演算ではサンプリング点は一定の時間間隔で並んでいるという前提のもとに演算を行う。FFT演算器にとっての入力波形は、図12の間引き後の固定サンプリングA/D値を等間隔に並べ直したものとなり、その間隔はちょうどPLLサンプリングクロックの間隔と一致する。
このように時間軸に対して等間隔(この場合1/51.2kHz=0.01953125ms間隔)に並べなおしたものが図13に●で示す固定サンプリングA/D値である。この等間隔に並べ直した固定サンプリングA/D値は、□で示す理想的なPLLサンプリングA/D値からずれていて、歪んだ波形になっている。そのため、この歪んだ波形に対してFFT演算をすると、本来の入力波形には含まれていない高調波成分が現われてくることになる。入力波形に含まれる高調波の周波数が高いほどこの本来含まれない成分は大きく、また、その入力波形に含まれる高調波成分の振幅が大きいほど、本来含まれない成分も大きくなる傾向にある。
本発明は、このような従来の問題点を解決するものであって、その目的は、FFT演算したとき入力波形に本来含まれない成分を低減し、本来含まれる成分の振幅をより精度よく求めることができ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、
第1の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、
前記アナログ入力信号のゼロクロスを検出するゼロクロス検出器と、
この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2のサンプリングクロックを発生する第2のサンプリングクロック発生器と、
この第2のサンプリングクロックのタイミングで前記A/D変換器の出力データを直線補間する演算器と、
この直線補間データに基づき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演算器と、
前記A/D変換器の出力データに基づき電圧実効値、電流実効値、有効電力を演算する演算器と、
これら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、
アナログ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変換器を設けたことを特徴とする。
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、
前記第2の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、FFT演算したとき入力波形に本来含まれない成分を低減でき、本来含まれる成分の振幅をより精度よく求めることできる高調波成分測定装置を実現できる。
以下、本発明について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5と共通する部分には同一の符号を付けている。
図1において、カウンタ用クロック発生器17は、カウンタA18とカウンタB19のカウント値を1カウントずつアップするためのクロック信号を発生する。このクロックの周波数は、固定サンプリングクロック発生器12のクロック周波数より十分高いものとする。
カウンタA18は、固定サンプリングクロック発生器12が発生するクロックパルスと次のクロックパルスの間の期間だけカウンタ用クロック発生器17からのクロック毎にカウントアップするものであり、さらに、固定サンプリングクロック発生器12からのクロックパルスのタイミングでカウント値を0に初期化する。
カウンタA18のカウント値は、固定サンプリングクロック発生器12からのクロックパルスのタイミングでラッチA20に読み込み保持される。
カウンタB19は、固定サンプリングクロック発生器12が発生するクロックパルスからPLLサンプリング発生器13が発生するクロックパルスまでの期間、カウンタ用クロック発生器17からのクロック毎にカウントアップし、PLLサンプリング発生器13が発生するクロックパルスがあった時点でカウント値を保持するもので、次の固定サンプリングクロック発生器12が発生するクロックパルスがあったタイミングでカウント値を0に初期化する。ただし、固定サンプリングクロック発生器12が発生するクロックパルスから次の固定サンプリングクロック発生器12が発生するクロックパルスまでの期間にPLLサンプリング発生器13が発生するクロックパルスがなかった場合は、その2回目の固定サンプリングクロック発生器12が発生するクロックパルスがあったタイミングでカウント値を0に初期化する。
カウンタB19のカウント値は、固定サンプリングクロック発生器12からのクロックパルスのタイミングでラッチB21に読み込み保持される。
フラグ回路22は、固定サンプリングクロック発生器12が発生するクロックパルスと次のクロックパルスの間にPLLサンプリング発生器13が発生するクロックパルスがあった場合、固定サンプリングクロック発生器12が発生する2回目のクロックパルスのタイミングで出力を1に保持する。また、固定サンプリングクロック発生器12が発生するクロックパルスと次のクロックパルスの間にPLLサンプリング発生器13が発生するクロックパルスがなかった場合は、固定サンプリングクロック発生器12が発生するその2回目のクロックパルスのタイミングで出力を0に保持する。
DSP11は、固定サンプリングクロック発生器12のクロックパルスのタイミングでA/D変換されるA/D変換器2およびA/D変換器5の出力値を読み込む。このとき、1回のA/D値を読み込むとともに、その1回前のA/D値もDSP11内部に保存しておく。また、固定サンプリングクロック発生器12のクロックパルスのタイミングで、ラッチA20、ラッチB21およびフラグ回路22の出力を読み込む。
また、DSP11は、フラグ回路22の出力が1の場合に次のような補間演算を行う。
図2を用い、フラグが1になっているn番目の固定サンプリングクロック発生器12のクロックパルスを例に説明する。図2は、図11に示すサンプリング点の波形の2.365ms〜2.405msを拡大したものである。
固定サンプリングクロック発生器12のn番目のクロックパルスのタイミングで読み込んだA/D値をX(n)、ラッチA20の値をCfix(n)、ラッチB21の値をCpll(n)とする。また、固定サンプリングクロック発生器12の(n−1)番目のクロックパルスのタイミングで読み込んだA/D値をX(n−1)とする。そして次の演算を行い、直線補間されたA/D値X_HRM(m)を求める。
Figure 2009264753
これにより、固定サンプリングクロック(n−1)の時刻におけるA/D値X(n−1)と固定サンプリングクロックnの時刻におけるA/D値X(n)に基づき、PLLサンプリングクロックmの時刻におけるA/D値を直線補間により求めることができる。
図3は、このような直線補間により求めたA/D値を△で示して図13に重ねてプロットした波形図である。□で示した理想的なPLLサンプリングA/D値と良く一致していることがわかる。
これら直線補間により求めたA/D値X_HRM(m)を、DSP11で行うFFT演算の対象データとする。1024点のFFT演算を行う場合は、m=1〜1024間でのX_HRM(m)を求め、このX_HRM(m)に対してFFT演算を行う。
DSP11は、このようなFFT演算を電圧瞬時値に対して行うことにより電圧の基本波成分と高調波成分を計算し、電流瞬時値に対して行うことにより電流の基本波成分と高調波成分を計算し、これら電圧のFFT結果と電流のFFT結果に基づき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。
DSP11によって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および有効電力の基本波成分と高調波成分は、DSP7で計算された電圧実効値V、電流実効値Aおよび有効電力Pとともに、CPU14を介して表示器15に同時に表示される。
図4は、補間後のA/D値を使ってFFT演算した結果の説明図であり、入力波形に含まれない成分が従来技術に比べ小さくなっている。従来技術では−30dB以上あった成分が−50dB以下となり、20dB以上改善していることがわかる。また、100次の成分は0.9959Aとなり、理想値に比べ0.41%小さな値になっているが、従来技術での0.82%に比べて0.41%改善している。
なお、図1の構成において、あらかじめ(カウンタ用クロック周波数/固定サンプリングクロック周波数)の値を計算してDSP11に保持し、この値をCfix(n)として補間演算を行うことにより、カウンタA18とラッチA20は不要になる。
また、図1の構成において、DSP11には固定サンプリングクロック発生器12のクロックパルス毎のA/D変換器2およびA/D変換器5から変換出力されるA/D値はすべて読み込めるので、このDSP11に電圧実効値計算、電流実効値計算、有効電力計算をFFT演算と同時に処理できる能力があれば、DSP7は不要になる。
また、図1の構成において、DSP11で行う補間演算をここでは直線補間としたが、これをサイン補間など他の補間式を使うことにより、さらに理想的なFFT結果に近づく可能性がある。
さらに、図1の構成において、第1のサンプリングクロック発生器をPLLサンプリングクロック発生器13としているが、この第1のサンプリングクロック発生器は、ゼロクロス信号の整数倍の周波数が発生できるものであればゼロクロス信号の立ち上がりとサンプリングクロックの立ち上がりの位相が一致しない(PHASE LOCKしていない)サンプリングクロック発生器でもよい。
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。
以上説明したように、本発明によれば、FFT演算したとき入力波形に本来含まれない成分を低減し、本来含まれる成分の振幅をより精度よく求めることできる高調波成分測定装置が実現できる。
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。 本発明に基づく直線補間の説明図である。 本発明に基づく直線補間後のFFT入力波形例図である。 本発明に基づく直線補間後のA/D値を使ってFFT演算した結果の説明図である。 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。 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。 電流入力波形例図である。 従来技術でのFFT結果例図である。 理想的なFFT結果例図である。 図7の電流入力波形例の拡大図である。 図10の拡大波形をA/D変換したときのサンプリング点を示す説明図である。 間引き後のサンプリング点を示す説明図である。 間引き後のFFT入力波形例図である。
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
7,11 DSP
10 切替器
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 CPU
15 表示器
16 操作部
17 カウンタ用クロック発生器
18 カウンタA
19 カウンタB
20 ラッチA
21 ラッチB
22 フラグ回路

Claims (3)

  1. 第1の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、
    前記アナログ入力信号のゼロクロスを検出するゼロクロス検出器と、
    この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2のサンプリングクロックを発生する第2のサンプリングクロック発生器と、
    この第2のサンプリングクロックのタイミングで前記A/D変換器の出力データを直線補間する演算器と、
    この直線補間データに基づき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演算器と、
    前記A/D変換器の出力データに基づき電圧実効値、電流実効値、有効電力を演算する演算器と、
    これら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. アナログ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変換器を設けた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. 前記第2の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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