JP2012078282A - 電力測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の入力系統について、個別に直流オフセット補償動作が設定できる電力測定装置を提供すること。
【解決手段】入力される電圧と電流をデジタル信号に変換して出力する複数系統の入力部と、これら入力部から変換出力されるデジタル信号に基づき電圧値と電流値と電力値を演算して格納する演算部と、前記入力部の複数系統について、個別に直流オフセット補償を行う直流オフセット補償手段を有するＣＰＵ部、
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、電力測定装置に関し、詳しくは、直流オフセット補償の改良に関する。

電力測定装置に入力可能範囲を超える高電圧や大電流を入力するのにあたり、電圧入力端子の外部に接続された分圧器や電流入力端子の外部に接続された分流器を介して電圧や電流を入力可能範囲に変換することが行われている。

ところが、外部にこれら分圧器や分流器を接続することにより分圧器や分流器に固有の直流オフセット成分が発生し、電圧や電流の測定値に測定誤差を生じることがある。

そこで、これら分圧器や分流器に固有の直流オフセット成分に起因する測定誤差を補正するために、外部に接続された分圧器や分流器の入力端子を短絡して直流オフセット値を測定し、測定した直流オフセット値を用いて電圧や電流の測定値に含まれる分圧器や分流器に固有の直流オフセット成分を補正することが行われている。

図８は、直流オフセット補償機能を有する従来の電力測定装置の一例を示すブロック図である。図８において、装置全体は、入力部１０と、演算部２０と、ＣＰＵ部３０とで構成されている。入力部１０の出力信号は演算部２０に入力され、演算部２０はバスを介してＣＰＵ部３０に接続されている。

入力部１０および演算部２０は、複数系統を実装できる。たとえば４系統実装することにより、電気自動車に搭載される直流入力の三相インバータ機器について、直流入力と三相の各相出力を同時に並行して測定することができ、インバータの効率測定を１台の電力測定装置で行える。

入力部１０は、電圧入力部１１と、電圧入力部１１から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１２と、電流入力部１３と、電流入力部１３から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１４と、高電圧の測定時に電圧入力端子の外部に接続される分圧器１５と、大電流の測定時に電流入力端子の外部に接続される分流器１６とで構成されている。

電圧入力部１１は分圧抵抗１１ａと演算増幅器１１ｂとで構成され、分圧抵抗１１ａの分圧出力は演算増幅器１１ｂで正規化されてＡ／Ｄ変換器１２に入力される。高電圧の測定時に電圧入力端子の外部に接続される分圧器１５は、入力可能範囲を超える高電圧を入力可能範囲の電圧に変換する。

電流入力部１３は分流抵抗１３ａと演算増幅器１３ｂとで構成され、分流抵抗１３ａの分流出力は演算増幅器１３ｂで正規化されてＡ／Ｄ変換器１４に入力される。大電流の測定時に電流入力端子の外部に接続される分流器１６は、入力可能範囲を超える大電流を入力可能範囲の電流に変換する。これらＡ/Ｄ変換器１２および１４の出力は、演算部２０に入力される。

演算部２０は、ＤＳＰ(Digital Signal Processor)で構成されていて、Ａ/Ｄ変換器１２の出力に基づいて電圧値を演算する電圧演算部２１、Ａ/Ｄ変換器１４の出力に基づいて電流値を演算する電流演算部２２、Ａ/Ｄ変換器１２および１４の出力に基づいて電力値を演算する電力演算部２３が設けられている。なお、これらの演算は、リアルタイムで行われる。

また、演算部２０には、電圧オフセット格納部２４と電流オフセット格納部２５とオフセット処理部２６で構成される直流オフセット補償機能や、各種データ格納部２７も設けられている。

電圧オフセット格納部２４には電圧入力端子の外部に接続される分圧器１５の入力端子を短絡した状態で測定される電圧オフセット値が格納され、電流オフセット格納部２５には電流入力端子の外部に接続される分流器１６の入力端子を短絡した状態で測定される電流オフセット値が格納される。

オフセット処理部２６は、これら電圧オフセット格納部２４に格納される電圧オフセット値および電流オフセット格納部２５に格納される電流オフセット値に基づいて、電圧測定値および電流測定値の直流オフセット補償演算処理を行う。具体的には、電圧測定値から電圧オフセット値を差し引き、電流測定値から電流オフセット値を差し引く。

ＣＰＵ部３０は、相互にバス接続されたＣＰＵ３１、操作部３２、表示部３３などで構成されている。ＣＰＵ３１は、装置全体の動作を統括制御する。操作部３２は、測定条件やオフセット処理条件などを設定入力する。表示部３３は、測定条件、オフセット処理条件、測定結果などを表示する。なお、ＣＰＵ部３０には装置と外部装置との間で各種データの授受などを行うための通信部なども設けられるが図示しない。

図９は、図８の直流オフセット補償機能動作の流れを示すフローチャートである。各入力部１０の入力端子に外部接続されている全ての分圧器１５と分流器１６の入力端子を短絡した状態で測定が開始されると、表示部３３に表示される各入力系統の電圧および電流の直流測定値をモニタする（ステップＳ１）。

直流測定値をモニタした結果、いずれかの入力部１０の電圧または電流の直流測定値の変化が大きく、電圧オフセット格納部２４または電流オフセット格納部２５に格納されている値を更新するために直流オフセット補償を行う必要があると判断すると（ステップＳ２）、操作部３２の操作に基づきＣＰＵ部３０から全ての入力部１０に対して直流オフセット補償を有効にする命令が出力される（ステップＳ３）。

ＣＰＵ部３０からの直流オフセット補償有効命令に基づき、全ての入力部１０は、直流オフセット補償有効命令を受信した時点における電圧測定値および電流測定値を直流オフセット補償値として、電圧オフセット格納部２４および電流オフセット格納部２５にそれぞれ更新格納する（ステップＳ４）。

これにより、オフセット処理部２６は、電圧オフセット格納部２４および電流オフセット格納部２５にそれぞれ格納された直流オフセット補償値を用いて、電圧および電流の測定値からこれら直流オフセット補償値を差し引く直流オフセット補償演算処理を行う（ステップＳ５）。

非特許文献１には、三相インバータの効率を１台で測定できる電力測定装置の構成が記載されている。

岩瀬 久、伊東 修、橘 勝也、「プレシジョンパワーアナライザＷＴ３０００」、横河技報、横河電機株式会社、２００５年１月２０日、Ｖｏｌ．４９ Ｎｏ．１（２００５） ｐ．１７−２０

しかし、図８の構成によれば、特定の入力系統については前回までに電圧オフセット格納部２４と電流オフセット格納部２５に格納されている直流オフセット補償値を用いて直流オフセット補償演算処理を行うことにより測定結果の連続性を維持しようとしても、全ての入力部１０の直流オフセット補償値がＣＰＵ部３０からの直流オフセット補償有効命令に基づいて同時に更新格納されるので、直流オフセット補償有効命令の前後で直流オフセット補償値が異なってしまって測定データに誤差となって現れ、測定結果の連続性を維持できなくなるおそれがある。

また、測定によっては、一旦全ての入力部１０の直流オフセット補償値を更新格納した後は、温度変化や外部接続される分圧器１５や分流器１６の交換などに基づき、個別の入力系統のみ直流オフセット補償値を更新格納したい場合もあるが、図８の構成によれば、全ての入力部１０の直流オフセット補償値が同時に更新格納されてしまうことになり、入力系統個別設定の柔軟性に欠ける。

本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、複数の入力系統について、個別に直流オフセット補償動作が設定できる電力測定装置を提供することにある。

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、
入力される電圧と電流をデジタル信号に変換して出力する複数系統の入力部と、
これら入力部から変換出力されるデジタル信号に基づき電圧値と電流値と電力値を演算して格納する演算部と、
前記入力部の複数系統について、個別に直流オフセット補償を行う直流オフセット補償手段を有するＣＰＵ部、
とで構成されたことを特徴とする電力測定装置である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電力測定装置において、
前記直流オフセット補償手段は、
前記各入力系統の電圧オフセット値を格納する電圧オフセット格納部と、
前記各入力系統の電流オフセット値を格納する電流オフセット格納部と、
これら電圧オフセット値および電流オフセット値に基づき前記電圧測定値および電流測定値の直流オフセット補償演算処理を行うオフセット処理部、
を含むことを特徴とする電力測定装置である。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の電力測定装置において、
前記直流オフセット補償手段による直流オフセットの補償形態として、
前記入力系統毎に、直流オフセット補償値の更新格納、前回格納値のホールドおよび直流オフセット補償なしのいずれかが設定できることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の電力測定装置において、
前記ＣＰＵ部には、さらにトリガ部が設けられていることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１記載の電力測定装置において、
前記トリガ部は、トリガ条件設定部、トリガ条件格納部、トリガ条件処理部およびトリガ条件選択データ格納部を含むことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の電力測定装置において、
前記演算部は、前記電圧値と電流値と電力値の瞬時値と平均値を演算することを特徴とする。

これらにより、複数の入力系統について、個別に直流オフセット補償動作が設定できるとともに、入力系統毎に「直流オフセット補償値の更新格納／前回格納値のホールド／直流オフセット補償なし」を設定できる。

さらに、このような直流オフセット補償機能と併せて、電力測定装置単体で複数の条件を任意に組み合わせたトリガ条件も設定できる。

本発明の一実施例を示すブロック図である。 図１の直流オフセット動作の流れを示すフローチャートである。 本発明の他の実施例を示すブロック図である。 図３におけるトリガ部３９の概念図である。 図４におけるトリガ条件格納部３９ｂの概念図である。 図３におけるトリガ条件の値の説明図である。 図３のトリガ測定動作の流れを示すフローチャートである。 従来の電力測定装置の一例を示す構成説明図である。 図８の直流オフセット動作の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図８と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図８の相違点は、演算部４０からオフセット処理機能の主要部を省いて演算部４０を複数系統の入力部１０で共用していることと、ＣＰＵ部３０にオフセット処理機能を追加していることである。

図１において、演算部４０はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）で構成されていて、複数系統の入力部１０からＡ/Ｄ変換器１２および１４の出力が入力されている。演算部４０には、各入力系統のＡ/Ｄ変換器１２の出力に基づき電圧の瞬時値を演算する電圧演算部４１、Ａ/Ｄ変換器１４の出力に基づき電流の瞬時値を演算する電流演算部４２、Ａ/Ｄ変換器１２および１４の出力に基づき電力の瞬時値を演算する電力演算部４３、これら電圧演算部４１と電流演算部４２および電力演算部４３で演算された瞬時値を格納する瞬時値格納部４４、瞬時値格納部４４に格納されている電圧値と電流値および電力値についてそれぞれ所定区間（たとえば５０ｍｓｅｃ〜２０ｓｅｃ）の平均値を演算する平均値演算部４５、これら平均値演算部４５で演算された平均値を格納する平均値格納部４６が設けられている。平均値格納部４６に格納されている平均値は、ＣＰＵ３１からの割り込みに応じてＣＰＵ部３０の測定データ格納部３４に転送格納される。

さらに、演算部４０には、ＣＰＵ部３０の電圧オフセット格納部３６および電流オフセット格納部３７に格納されている各入力系統の電圧オフセット値および電流オフセット値が転送格納されるオフセット格納部４７が設けられている。このオフセット格納部４７に転送格納される電圧オフセット値および電流オフセット値は、電圧演算部４１および電流演算部４２における瞬時値の演算に用いられる。

ＣＰＵ部３０には、図８の構成の他に、測定データ格納部３４、測定値演算部３５、電圧オフセット格納部３６、電流オフセット格納部３７、オフセット処理部３８などが設けられている。

測定データ格納部３４には、前述のように、ＣＰＵ３１からの割り込みに応じて、平均値格納部４６に格納されている平均値が転送格納されるとともに、測定値演算部３５における各種の演算結果も格納される。

測定値演算部３５は、測定データ格納部３４に転送格納される電圧値と電流値および電力値の平均値に基づいて力率、周波数、高調波測定値などを演算し、これらの演算結果を測定データ格納部３４に格納する。

電圧オフセット格納部３６には、電圧入力端子の外部に接続される分圧器１５の入力端子を短絡した状態で測定される各入力系統の電圧オフセット値が格納される。

電流オフセット格納部３７には、電流入力端子の外部に接続される分流器１６の入力端子を短絡した状態で測定される各入力系統の電流オフセット値が格納される。

オフセット処理部３８は、測定データ格納部３４に転送格納される電圧値および電流値の平均値に対して、電圧オフセット格納部３６に格納される電圧オフセット値および電流オフセット格納部３７に格納される電流オフセット値に基づく電圧測定値および電流測定値の直流オフセット補償演算処理を行う。具体的には、電圧測定値の平均値から電圧オフセット値を差し引き、電流測定値の平均値から電流オフセット値を差し引く。

図２は、図１の直流オフセット補償機能動作の流れを示すフローチャートである。各入力部１０の入力端子に外部接続されている全ての分圧器１５と分流器１６の入力端子を短絡した状態で測定が開始されると、表示部３３に表示される各入力系統の電圧および電流の直流測定値をモニタする（ステップＳ１）。

直流測定値をモニタした結果、いずれかの入力部１０の電圧または電流の直流測定値の変化が大きく、電圧オフセット格納部２４または電流オフセット格納部２５に格納されている値を更新するために直流オフセット補償を行う必要があると判断すると（ステップＳ２）、操作部３２の操作に基づきＣＰＵ部３０から入力部１０の該当する入力系統に対して選択的に直流オフセット補償を有効にする命令が出力される（ステップＳ３）。

ＣＰＵ部３０からの直流オフセット補償有効命令に基づき、入力部１０の該当する入力系統は、直流オフセット補償有効命令を受信した時点における電圧測定値または電流測定値を直流オフセット補償値として、電圧オフセット格納部３６または電流オフセット格納部３７に更新格納する（ステップＳ４）。

再び直流測定値をモニタしながら（ステップＳ５）、直流オフセットの補償形態を変更すべき入力系統があるか否かを判断する（ステップＳ６）。これら直流オフセットの補償形態としては、入力系統それぞれについて、必要に応じて、
ａ）直流オフセット補償値の更新格納
ｂ）直流オフセット補償値の前回格納値のホールド
ｃ）直流オフセット補償なし
の見直し設定を行う（ステップＳ７）。

設定後、直流オフセット補償を有効にすることにより（ステップＳ８）、ステップＳ７でａ）が設定された入力系統については最新の直流オフセット補償値が電圧オフセット格納部３６または電流オフセット格納部３７に更新格納される（ステップＳ９）。

これにより、オフセット処理部３８は、ステップＳ７で直流オフセット補償を実施するように設定された入力系統に対して、電圧オフセット格納部３６および電流オフセット格納部３７にそれぞれ格納された直流オフセット補償値を用いて、電圧および電流の測定値からこれら直流オフセット補償値を差し引く直流オフセット補償演算処理を行う（ステップＳ１０）。

図１の構成によれば、複数の入力系統について、個別に直流オフセット補償値が設定できるとともに、入力系統毎に「直流オフセット補償値の更新格納／前回格納値のホールド／直流オフセット補償なし」を設定でき、各種の電力測定要求に対して柔軟に対応できる自由度の高い電力測定装置が実現できる。

図３は本発明の他の実施例を示すブロック図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図３の実施例では、図１のＣＰＵ部３０の構成にさらにトリガ部３９を設けている。

図４は、トリガ部３９の具体的な構成を示すブロック図である。トリガ部３９には、トリガ条件設定部３９ａ、トリガ条件格納部３９ｂ、トリガ条件処理部３９ｃ、トリガ条件選択データ格納部３９ｄなどが設けられている。

トリガ条件設定部３９ａは、各入力系統の電圧値、電流値、電力値、測定値演算部３５で演算される力率、周波数、高調波測定値などを任意に組み合わせて所望のトリガ条件を設定し、図５に示すようにトリガ条件名を付けてトリガ条件格納部３９ｂに格納する。

図５はトリガ条件格納部３９ｂの概念図であり、（Ａ）は設定されたトリガ条件の内容を表すトリガ条件テーブルの具体例を示し、（Ｂ）はトリガ条件名とトリガ条件式の対応関係を示している。

トリガ条件としては、図５（Ａ）に示す各項目について、以下のような選択が行われてトリガ条件式が生成され格納される。
入力系統→複数系統のうちから任意の系統を選択
対象信号→電圧値／電流値／電力値／力率／周波数／高調波測定値などから選択
エッジ→→立ち上がり／立ち下がり／両方から選択
閾値→→→任意の値
演算子→→ＡＮＤ／ＯＲ／ＮＯＴから選択

図５（Ａ）の各項目の組み合わせにより生成されたトリガ条件式は、図５（Ｂ）に示すようにトリガ条件名とトリガ条件式を対応付けて格納される。トリガ条件名としては、「Ｅｖ１（ＴＲＵＥ／ＦＡＬＳＥ）」など、測定目的を連想できる略号が望ましい。これらのトリガ条件が設定格納されることにより、装置はトリガ待ち状態になる。

トリガ条件格納部３９ｂに格納されたトリガ条件名は、必要に応じて、図示しない通信手段を介してトリガ条件情報として外部にも出力される。そして、測定データの保存の他、自動印刷のトリガ、外部へのアナログ出力（たとえばＴＲＵＥ時＋５Ｖ出力／ＦＡＬＳＥ時０Ｖ出力）、ＰＣからの読み出しなどにも利用される。

トリガ条件処理部３９ｃは、測定が開始されると、測定データ格納部３４に格納される測定データが更新される毎に、トリガ条件格納部３９ｂに格納されているトリガ条件式にしたがってトリガ条件成立の有無を判断し、その判断結果に応じてトリガ条件の値は図６に示すようにＴＲＵＥまたはＦＡＬＳＥに更新される。トリガ条件の値がＴＲＵＥになると、トリガ条件選択データ格納部３９ｄへの測定データの保存を開始する。

トリガ条件選択データ格納部３９ｄには、所定のトリガ条件が成立している区間中の測定データが格納される。

図７は、図３のトリガ測定動作の流れを示すフローチャートである。まず、トリガ条件として、図５（Ａ）に示したように、入力系統とトリガ対象信号の種別（電圧／電流）とトリガエッジ（立ち上がり／立ち下がり／両方）と閾値としての具体的な数値とそれぞれの演算子などを設定し、トリガ条件格納部３９ｂに格納する（ステップＳ１）。

たとえば、トリガ条件式Ｅｖ１として、
Ｅｖ１＝（２４．５≧電力１≧１２．０ＡＮＤ周波数１≧５５．０）ＯＲ
（電流１≧５．０ＡＮＤ電流２≧７．５）
を設定する。このトリガ条件式Ｅｖ１は、入力系統１の電力値が１２．０以上と２４．５以下の範囲であり入力系統１の周波数は５５．０以上であるか、または、入力系統１の電流値が５．０以上であり入力系統２の電流値が７．５以上であることを表している。

これにより、トリガ条件処理部３９ｃはトリガ待ち状態になり（ステップＳ２）、測定が開始される（ステップＳ３）。

トリガ条件処理部３９ｃは、ＣＰＵ３１の制御下において、トリガ条件式Ｅｖ１の値がＴＲＵＥかＦＡＬＳＥかを判断する（ステップＳ４）。具体的には、トリガ条件式Ｅｖ１の値は、トリガ条件式Ｅｖ１のトリガ条件が成立していればＴＲＵＥになり、トリガ条件が成立していなければＦＡＬＳＥになる。

トリガ条件が成立してトリガ条件式Ｅｖ１の値がＴＲＵＥになると、トリガ条件選択データ格納部３９ｄへの所定のトリガ条件が成立している区間中における測定データの保存を開始する（ステップＳ５）。トリガ条件式Ｅｖ１の値がＴＲＵＥ区間の測定データを保存が終了することにより（ステップＳ６）、一連の測定を終了する。

図３の構成によれば、図１の実施例における複数の入力系統について個別に直流オフセット補償値が設定できる直流オフセット補償機能と併せて、電力測定装置に接続されたデータ格納手段に測定データ保存を開始するタイミングを、単体の電力測定装置における複数の入力系統の電圧値および電流値や、電力値、力率、周波数、高調波などの演算値を自由に組み合わせたトリガ条件に基づいて決定することができる。

そして、トリガ条件設定部３９ａで生成されたトリガ条件式は、名称を付けてトリガ条件格納部３９ｂに格納されているので、データ格納手段への測定データの格納に限らず、自動印刷トリガ、外部ヘのアナログ出力、ＰＣからの読み出しなどにも利用できる。

以上説明したように、本発明によれば、複数の入力系統について、個別に直流オフセット補償値が設定できるとともに、入力系統毎に「直流オフセット補償値の更新格納／前回格納値のホールド／直流オフセット補償なし」を設定でき、各種の電力測定要求に対して柔軟に対応できる自由度の高い電力測定装置が実現できる。

さらに、このような直流オフセット補償機能と併せて、電力測定装置単体で複数の条件を任意に組み合わせたトリガ条件も設定でき、設定されたトリガ条件情報を外部に出力することにより、トリガ条件情報を電力測定装置における測定データの保存以外にも利用できる。

１０ 入力部
１１ 電圧入力部
１２、１４ Ａ／Ｄ変換器
１３ 電流入力部
３０ ＣＰＵ部
３１ ＣＰＵ
３２ 操作部
３３ 表示部
３４ 測定データ格納部
３５ 測定値演算部
３６ 電圧オフセット格納部
３７ 電流オフセット格納部
３８ オフセット処理部
３９ トリガ部
３９ａ トリガ条件設定部
３９ｂ トリガ条件格納部
３９ｃ トリガ条件処理部
３９ｄ トリガ条件選択データ格納部
４０ 演算部（ＦＰＧＡ）
４１ 電圧演算部
４２ 電流演算部
４３ 電力演算部
４４ 瞬時値格納部
４５ 平均値演算部
４６ 平均値格納部
４７ オフセット格納部

Claims (6)

1. 入力される電圧と電流をデジタル信号に変換して出力する複数系統の入力部と、
   これら入力部から変換出力されるデジタル信号に基づき電圧値と電流値と電力値を演算して格納する演算部と、
   前記入力部の複数系統について、個別に直流オフセット補償を行う直流オフセット補償手段を有するＣＰＵ部、
   とで構成されたことを特徴とする電力測定装置。
2. 前記直流オフセット補償手段は、
   前記各入力系統の電圧オフセット値を格納する電圧オフセット格納部と、
   前記各入力系統の電流オフセット値を格納する電流オフセット格納部と、
   これら電圧オフセット値および電流オフセット値に基づき前記電圧測定値および電流測定値の直流オフセット補償演算処理を行うオフセット処理部、
   を含むことを特徴とする請求項１記載の電力測定装置。
3. 前記直流オフセット補償手段による直流オフセットの補償形態として、
   前記入力系統毎に、直流オフセット補償値の更新格納、前回格納値のホールドおよび直流オフセット補償なしのいずれかが設定できることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力測定装置。
4. 前記ＣＰＵ部には、さらにトリガ部が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電力測定装置。
5. 前記トリガ部は、トリガ条件設定部、トリガ条件格納部、トリガ条件処理部およびトリガ条件選択データ格納部を含むことを特徴とする請求項１記載の電力測定装置。
6. 前記演算部は、前記電圧値と電流値と電力値の瞬時値と平均値を演算することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電力測定装置。

Images