JP2010066055A - 電力測定器における結線状態検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三相３線電力ラインの２電力計法による測定において、線間電圧基準から相電圧基準として各相の力率を表示して、電圧，電流の位相関係をより分かりやすくするとともに、誤結線を確実に検出できるようにする。
【解決手段】線間電圧Ｕ１を基準とした第一相の相電流Ｉ１の位相差θ１と第三相の相電流Ｉ２との位相差θ２を、それぞれ相電圧を基準とした位相差α１，α２に変換して、第一相，第三相の力率ＰＦ１（ｃｏｓ（α１）），力率ＰＦ２（ｃｏｓ（α２））を表示させ、α１，α２＞０゜である場合には異常を表示する。
【選択図】図３

Description

本発明は、三相３線の電力ラインの電力を２電力計法にて測定する電力測定器における結線状態検出方法に関するものである。

三相３線の電力ラインの電力測定には、通常、２電力計法が採用される。２電力計法においては、図６に模式的に示すように、Ｒ，Ｓ，Ｔの各相のうち、例えばＲ−Ｓ間の線間電圧Ｕ１，Ｔ−Ｓ間の線間電圧Ｕ２，Ｒ相の相電流Ｉ１およびＴ相の相電流Ｉ２を測定して、（Ｕ１×Ｉ１）＋（Ｕ２×Ｉ２）より総電力が求められる。なお、Ｕ１，Ｉ１，Ｕ２，Ｉ２はベクトル値である。

また、測定にあたって、各相に電圧計の測定プローブと電流計の測定プローブとを取り付ける（結線する）が、往々にして間違える場合がある。特に、測定プローブを接続する相を間違えたり、電流計の測定プローブにクランプセンサを用いる場合には、電流の流れ方向と逆向きにクランプしてしまうことがある。

そこで、上記のような誤結線をチェックするため、線間電圧Ｕ１，Ｕ２と相電流Ｉ１，Ｉ２の位相関係により結線状態を確認できるようにしている。その一例が特許文献１に記載されており、これについて説明する。

特許文献１に記載されている電力測定器では、電圧入力部と電流入力部とから入力される交流電圧と交流電流とをＡ／Ｄ変換した波形データを波形メモリに格納したのち、交流電圧についてフーリエ変換して基本波成分を抽出する。

そして、基本波成分を用いて交流電圧の位相角を算出し、例えばディスプレイの表示画面に、図７に示すような線間電圧Ｕ１，Ｕ２、相電流Ｉ１，Ｉ２の位相関係をベクトルで表示する。

また、例えば線間電圧Ｕ１を基準としたときの相電流Ｉ１，Ｉ２の位相差をθ１，θ２として、次のような位相判定を行う（なお、下記の閾値は一例で、機種ごとに異なる場合がある）。
Ｉ１−Ｕ１位相差判定；−９０゜≦θ１≦３０゜（範囲内ＯＫ，範囲超ＮＧ）
Ｉ２−Ｕ２位相差判定；３０゜≦θ２≦１５０゜（範囲内ＯＫ，範囲超ＮＧ）

特開２０００−２５８４８４号公報

上記の従来例によれば、ベクトル表示によって結線の状態を視覚的に判断することができ、また、測定している電圧，電流が歪んでいても、確実な結線の判断を行うことができる。

しかしながら、三相３線の電力ラインの電力測定で一般に用いられる２電力計法では、電圧表示が線間電圧であることから、もともと電流との位相差が３０゜あり、そのため、線間電圧を基準とした位相差表示では、各相の位相関係（力率）が分かりずらい、という問題がある。

また、力率（電源品質）や結線の方法によっては、結線が間違っていても位相判定がＯＫと判定される場合がある。これについて、図８および図９により説明する。

例えば、測定対象の三相３線の電源ラインの相電圧と相電流との関係が図９（ａ）のベクトル図の関係、すなわち、各相において電圧に対して電流が７０゜遅れ状態にあるとして、図８に示すような誤結線をした場合を想定する。

このときの線間電圧Ｕ１を基準にした場合の相電流Ｉ１の位相差θ１は、図９（ａ）を参照して、θ１＝１２０゜−７０゜−３０゜＝２０゜となり、−９０゜≦θ１≦３０゜の範囲内なので、結線確認の判定はＯＫとなる。

また、線間電圧Ｕ１を基準にした場合の相電流Ｉ２の位相差θ２は、図９（ａ）を参照して、θ２＝１２０゜−７０゜＋９０゜＝１４０゜となり、３０゜≦θ２≦１５０゜の範囲内なので、結線確認の判定はＯＫとなる。

ちなみに、結線が図６に示すように正しく行われている場合には、図９（ｂ）を参照して、θ１＝−７０゜−３０゜＝−１００゜となり、−９０゜≦θ１≦３０゜の範囲外なので、結線確認の判定はＮＧとなる。また、θ２＝１２０゜−７０゜−３０゜＝２０゜となり、３０゜≦θ２≦１５０゜の範囲外なので、結線確認の判定はＮＧとなる。

したがって、本発明の課題は、三相３線の電力ラインの電力測定で一般に用いられる２電力計法による測定において、線間電圧基準から相電圧基準として各相の力率を表示することにより、電圧，電流の位相関係をより分かりやすくするとともに、誤結線を確実に検出できるようにすることにある。

上記課題を解決するため、本発明は、請求項１に記載されているように、三相３線の電力ラインの電力を２電力計法にて測定する電力測定器における結線状態検出方法において、上記２電力計法にて上記電力ラインの第一相と第二相の線間電圧Ｕ１，第二相と第三相の線間電圧Ｕ２，上記第一相の相電流Ｉ１および上記第三相の相電流Ｉ２をそれぞれ測定して、少なくとも一方の上記線間電圧Ｕ１を基準として、上記線間電圧Ｕ１と上記第一相の相電流Ｉ１との位相差θ１と、上記線間電圧Ｕ１と上記第三相の相電流Ｉ２との位相差θ２を求めたのち、上記第一相の相電圧に対する上記第一相の相電流Ｉ１の位相差をα１，上記第三相の相電圧に対する上記第三相の相電流Ｉ２の位相差をα２，上記第一相の力率をＰＦ１，上記第三相の力率をＰＦ２として、上記第一相および上記第三相の力率ＰＦ１，ＰＦ２を、
α１＝θ１＋３０゜としてＰＦ１＝ｃｏｓ（α１）
α２＝θ２−９０゜としてＰＦ２＝ｃｏｓ（α２）
よりそれぞれ求めるとともに、上記２電力計法による線間電圧Ｕ１，Ｕ２を相電圧ｕ１，ｕ２に変換し、所定の表示手段に上記ＰＦ１，ＰＦ２の値とともに、上記相電圧ｕ１，ｕ２と相電流Ｉ１，Ｉ２の位相関係をベクトル表示することを特徴としている。

本発明において、請求項２に記載されているように、α１＞０゜のときには上記ＰＦ１を負の値とし、α２＞０゜のときには上記ＰＦ２を負の値として上記表示手段上で異常報知することができる。

本発明によれば、線間電圧Ｕ１を基準とした第一相の相電流Ｉ１の位相差θ１と第三相の相電流Ｉ２との位相差θ２を、それぞれ相電圧を基準とした位相差α１，α２に変換して、第一相，第三相の力率ＰＦ１（ｃｏｓ（α１）），力率ＰＦ２（ｃｏｓ（α２））の値とともに、２電力計法による線間電圧Ｕ１，Ｕ２を相電圧ｕ１，ｕ２に変換して相電圧ｕ１，ｕ２と相電流Ｉ１，Ｉ２の位相関係をベクトル表示するようにしたことにより、電圧，電流の位相関係をより分かりやすくすることができる。

また、α１，α２＞０゜は、電圧に対して電流が進みであることを意味するが、例えばモータ負荷の場合、「進み」になることはあり得ないので結線に問題があり、として異常表示することにより、誤結線を確実に検出できる。

異常表示として、ブザーや表示ランプ等を動作させてもよいが、力率ＰＦ１，ＰＦ２を負の値として表示することにより、ブザーや表示ランプ等を別途用意することなく、ユーザーに結線異常を適確に知らせることができる。

次に、図１ないし図５により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は本発明が備える電力測定器の構成を示すブロック図、図２は本発明の動作説明用のフローチャート、図３は電圧，電流の位相関係を示すベクトル図、図４（ａ），（ｂ）は相電圧基準の電流位相差の求め方を示すベクトル図、図５は表示画面の表示例を示す模式図である。

まず、図１を参照して、この電力測定器は、基本的な構成として、電圧入力部１１および電流入力部１２と、入力された交流電圧，交流電流をそれぞれデジタルに変換するＡ／Ｄ変換部１１ａ，１２ａと、変換された波形を取り込む波形取込部１３と、取り込まれた波形を処理する演算制御手段としてのＣＰＵ１４と、少なくともＲＯＭ，ＲＡＭ領域が確保されている記憶部１５と、表示部１６とを備えている。

２電力計法であることから、電圧入力部１１には、三相３線の電力ラインのＲ，Ｓ，Ｔの各相の交流電圧（線間電圧）が入力され、Ａ／Ｄ変換器１１ａでデジタルデータに変換されたうえで、波形取込部１３に保存される。

また、電流入力部１２には、例えばＲ，Ｔの各相の交流電流（相電流）が入力され、Ａ／Ｄ変換器１２ａでデジタルデータに変換されたうえで、波形取込部１３に保存される。

次に、図２の動作フローチャートを参照して、ＣＰＵ１４は、波形取込部１３から交流電圧の波形データを受け取り、これについてフーリエ変換し、基本波成分を抽出する（ステップＳ１〜Ｓ３）。

次に、ＣＰＵ１４は、基本波成分を用いて交流電圧の実効値を算出し、記憶部１５に格納する（ステップＳ４〜Ｓ５）。また、基本波成分を用いて交流電圧の位相角を算出し、記憶部１５に格納する（ステップＳ６〜Ｓ７）。

入力されたすべての波形について処理が終了したかどうか判断し（ステップＳ８）、ＹＥＳであれば、記憶部１５からすべての位相角を読み出す（ステップＳ９）。そして、例えばＲ−Ｓ間の線間電圧Ｕ１を基準として、Ｒ相の相電流Ｉ１の位相差θ１と、Ｔ相の相電流Ｉ２の位相差θ２を算出する（ステップＳ１０）。

次に、Ｒ相の相電圧をｕ１，Ｔ相の相電圧をｕ２として、上記位相差θ１，θ２を線間電圧Ｕ１基準から、相電圧ｕ１，ｕ２基準に変換して位相差α１，α２を得たのち、Ｒ相，Ｔ相の力率ＰＦ１，ＰＦ２を算出し（ステップＳ１１）、その位相差α１，α２、力率ＰＦ１，ＰＦ２を記憶部１５に保存する（ステップＳ１２）。

ここで、図３，図４により、上記ステップＳ１１での位相差α１，α２、力率ＰＦ１，ＰＦ２の求め方について説明する。図３は線間電圧Ｕ１，Ｕ２と相電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の位相関係を示すベクトル図で、図４（ａ），（ｂ）は線間電圧基準の位相差θ１，θ２と相電圧基準の位相差α１，α２との関係を示すベクトル図である。

図３のベクトル図に示すように、線間電圧Ｕ１は相電圧ｕ１に対して３０゜の進みをもつ。また、線間電圧Ｕ１と相電圧ｕ２との間には９０゜の角度が存在する。位相差α１は相電圧ｕ１から見た相電流Ｉ１の位相角、位相差α２は相電圧ｕ２から見た相電流Ｉ２の位相角である。また、図３において、時計方向が負（位相遅れ）で、反時計方向が正（位相進み）である。

図４（ａ）を参照して、線間電圧Ｕ１から見た相電流Ｉ１の位相差θ１は負（遅れ）であり、−θ１＝３０゜−α１であるから、
α１＝θ１＋３０゜
として算出され、Ｒ相の力率ＰＦ１は、ＰＦ１＝ｃｏｓ（α１）で表される。

次に、図４（ｂ）を参照して、線間電圧Ｕ１から見た相電流Ｉ２の位相差θ２は正（進み）であり、θ２＋（−α２）＝９０゜であるから、
α２＝θ２−９０゜
として算出され、Ｔ相の力率ＰＦ２は、ＰＦ２＝ｃｏｓ（α２）で表される。

本発明では、表示部１６に、結線確認用の情報としてＰＦ１，ＰＦ２を表示する。その際、α１＞０゜のときには「進み力率」（異常）としてＰＦ１にマイナス符号「−」を付して表示し、同様に、α２＞０゜のときには「進み力率」（異常）としてＰＦ２にマイナス符号「−」を付して表示する。

ここで、先の図８，図９（ａ）で説明した誤結線の場合を本発明に当てはめて説明する。上記従来例では、誤結線の場合、本来ＮＧ（エラー）と判定されるべきところ、θ１＝２０゜，θ２＝１４０゜となり、いずれもＩ−Ｕの位相差判定において上記判定基準内であるため、ＯＫ判定とされたが、本発明の場合には、
α１＝２０゜＋３０゜＝５０゜
α２＝１４０゜−９０゜＝５０゜
となり、α１，α２＞０゜なので、マイナス符号「−」が付けられて、
ＰＦ１＝ｃｏｓ（α１）＝ｃｏｓ５０゜＝−０．６４
ＰＦ２＝ｃｏｓ（α２）＝ｃｏｓ５０゜＝−０．６４
として表示部１６に表示される。

これにより、例えばモータ負荷の場合、「進み」になることはあり得ないので、ユーザーに対して、結線に問題ありと注意を促すことができる。なお、これに代えて、ブザーや表示ランプを駆動して結線に異常があることを報知してもよい。

次に、先の図９（ｂ）で説明した結線が図６のように正しい場合を本発明に当てはめて説明する。結線が正しい場合には、θ１＝−１００゜，θ２＝２０゜となり、いずれもＩ−Ｕの位相差判定において上記判定基準から外れるため、ＮＧ判定とされた。なお、このＮＧ判定は、電圧に対する電流の位相遅れが７０゜と大きく力率が悪いことによる。

すなわち、θ１＝−１００゜である場合、α１＝−１００゜＋３０゜＝−７０゜で、ＰＦ１＝ｃｏｓ−７０゜＝０．３４となる。また、θ２＝２０゜である場合、α２＝２０゜−９０゜＝−７０゜で、同じくＰＦ２＝ｃｏｓ−７０゜＝０．３４となる。

この場合、α１，α２＜０゜なので、ＰＦ１，ＰＦ２には異常を表す「−」符号は付けられないが、ＰＦ１，ＰＦ２に対して電源品質の良否判定基準としての閾値（例えば、０．５）を設定し、ＰＦ１，ＰＦ２が閾値以下の場合に異常を報知することにより、ユーザーに力率に問題があることを知らせることができる。

なお、異常報知手段としては、表示部１６の表示画面上でＰＦ１，ＰＦ２の値をハイライト表示してもよいし、ブザーや表示ランプを駆動してもよい。

図５に本発明の表示部１６の表示画面例を示す。本発明によれば、まず表示部１６の表示画面に、２電力計法により選択された２相，この例では、相電流Ｉ１のＲ相と、相電流Ｉ２のＴ相の力率がそれぞれ表示されるが、好ましくは、図５の左上に示されているように、２電力計法による線間電圧Ｕ１，Ｕ２を相電圧ｕ１，ｕ２に変換して、相電圧ｕ１，ｕ２と相電流Ｉ１，Ｉ２の位相関係を示すベクトル表示を行うことにより、電圧，電流の位相関係をより適確に把握することができる。なお、線間電圧から相電圧の変換は、線間電圧を３０゜遅らせればよい。

本発明が備える電力測定器の構成を示すブロック図。 本発明の動作説明用のフローチャート。 電圧，電流の位相関係を示すベクトル図。 本発明において相電圧基準の電流位相差の求め方を示すベクトル図。 本発明の表示画面の表示例を示す模式図。 ２電力計法による結線状態を示す模式図。 ２電力計法による線間電圧と相電流の位相関係を示すベクトル図。 ２電力計法での誤結線状態を示す模式図。 （ａ）誤結線時における線間電圧と相電流の位相関係を示すベクトル図、（ｂ）正常結線時における線間電圧と相電流の位相関係を示すベクトル図。

符号の説明

１１ 電力入力部
１２ 電流入力部
１３ 波形取込部
１４ ＣＰＵ
１５ 記憶部
１６ 表示部

Claims (2)

1. 三相３線の電力ラインの電力を２電力計法にて測定する電力測定器における結線状態検出方法において、
   上記２電力計法にて上記電力ラインの第一相と第二相の線間電圧Ｕ１，第二相と第三相の線間電圧Ｕ２，上記第一相の相電流Ｉ１および上記第三相の相電流Ｉ２をそれぞれ測定して、少なくとも一方の上記線間電圧Ｕ１を基準として、上記線間電圧Ｕ１と上記第一相の相電流Ｉ１との位相差θ１と、上記線間電圧Ｕ１と上記第三相の相電流Ｉ２との位相差θ２を求めたのち、
   上記第一相の相電圧に対する上記第一相の相電流Ｉ１の位相差をα１，上記第三相の相電圧に対する上記第三相の相電流Ｉ２の位相差をα２，上記第一相の力率をＰＦ１，上記第三相の力率をＰＦ２として、上記第一相および上記第三相の力率ＰＦ１，ＰＦ２を、
   α１＝θ１＋３０゜としてＰＦ１＝ｃｏｓ（α１）
   α２＝θ２−９０゜としてＰＦ２＝ｃｏｓ（α２）
   よりそれぞれ求めるとともに、上記２電力計法による線間電圧Ｕ１，Ｕ２を相電圧ｕ１，ｕ２に変換し、所定の表示手段に上記ＰＦ１，ＰＦ２の値とともに、上記相電圧ｕ１，ｕ２と相電流Ｉ１，Ｉ２の位相関係をベクトル表示することを特徴とする電力測定器における結線状態検出方法。
2. α１＞０゜のときには上記ＰＦ１を負の値とし、α２＞０゜のときには上記ＰＦ２を負の値として上記表示手段上で異常報知することを特徴とする請求項１に記載の電力測定器における結線状態検出方法。

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