JP2016156695A - 位相較正装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧と同期したパルス電流を電流に重畳することで、測定した電流波形を電圧波形と同期可能にする位相較正装置を提供すること。【解決手段】電力・力率計測装置は、パルス電流生成器１１０と、電流センサ１２１、パルス位相検出器１２２、および模擬電圧波形生成器１２３を備えた同期波形生成器１２０とからなる位相較正装置、ならびに電力・力率計算器１３０からなる。パルス電流生成器１１０は、コンセント等に接続し、例えば電源電圧のピークまたはゼロクロス等と同期した、容易に識別可能なパルス電流を分電盤２００に流れる電流に重畳する。主開閉器２０１を流れる電流を非接触型の電流センサ１２１で測定し、重畳されたパルス電流に基づき、電流波形に対して位相原点を設定した正弦波に電圧振幅を掛けたものを電圧波形として電力・力率計算器に１３０に出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電力測定技術分野において、測定した電流波形を電圧波形と同期可能にする位相較正装置に関する。

近年、一般家庭だけでなく工場や店舗などでも電力コストの削減が強く望まれている。工場や店舗などでは、一般家庭に比べて電力にかかる費用は大きく、その見える化や省エネのための技術への関心はより高い。現在の家庭向けに普及しているシステムでは、電流波形のみを測定し、電圧波形を見込みで推定して、それらから電力などを算出している。

一方、工場や店舗などの電力契約では、一般に力率割引が適用されており、使用する電力機器が一般的に力率８５％以上で割引対象となる。力率は電力機器だけでなく、使用環境によっても変化するため、使用環境下で力率を計測して力率の低い機器を把握することは、具体的な力率改善を図ってコストカットを達成するために極めて重要である。しかし、電流のみを非接触で測定する従来の家庭向けの見える化システムでは精度良く力率を計測することはできなかった。そのため、分電盤を全て交換したり、電圧を接触で取得したりすることで電力を高精度に測定するようなサービスも存在するが、これらは電気工事士のような有資格者による分電盤の工事を要することが導入の障壁となっている。

また、電流波形を測定し、家庭内などでの電力の詳細な見える化を行うシステムも研究開発がなされているが（非特許文献１参照）、この場合にも電流波形を測定する際に電圧との位相関係を把握する（校正する）ことが重要になっている。

この問題を解決するために、電圧を非接触で測定し電流との位相関係を取得するものが発明されている。これは、被測定電圧が印加されている電線と円筒形の電極を容量性結合して電圧を測定するものである。実際の被測定電圧と電圧計で測定される電圧との関係は、電線−電極間の静電容量と電圧計の入力インピーダンスとに基づく関係式によって規定されるので、その関係式に基づき測定された電圧から実際の被測定電圧を精度の良く計測することができる。

Katsukura et al. "Life Pattern Sensor with Non-intrusive Appliance Monitoring," ICCE '09 pp.1-2, Jan.2009.

しかしながら、電線と電圧センサの間の容量性結合を用いて電圧を測定した場合、電圧センサに発生する電位は実際に電線間に発生する電圧に比べて一定の遅延が生じるため、この位相ずれを補正する必要があるという課題があった。

図５に、分電盤２００において従来の非接触型電流・電圧測定装置３００を用いて電流および電圧を非接触で測定した場合の電流と電圧との関係を示す。測定された電圧の位相はずれているため、位相ずれのある電圧と位相ずれのない電流とを正確に対応づけることができない。従来は、この一定の位相ずれを予め純抵抗を負荷とした測定などによって測定して把握し、補正していた。

このように従来は、電流と電圧との間の位相関係を把握するのは容易ではなく、利便性を犠牲にして電圧を接触で取得して精度良く測定するか、電圧の精度を犠牲にして力率を推定するなどの方法が取られていた。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電圧と同期したパルス電流を電流に重畳することで、測定した電流波形を電圧波形と同期可能にする位相較正装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、請求項１に記載のように、位相較正装置であって、接続先の電圧と位相同期したパルス電流を生成し、前記パルス電流を前記接続先の電流に重畳するパルス電流生成器と、前記パルス電流が重畳された電流を測定する電流センサと、前記測定された電流から前記パルス電流を検出するパルス位相検出器と、前記パルス位相検出器で検出された前記パルス電流に基づき前記測定された電流に位相同期した、予め定められた振幅の電圧波形を生成する模擬電圧波形生成器と、を備えたことを特徴する。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の位相較正装置において、前記模擬電圧波形生成器は、前記重畳したパルス電流に基づいて前記測定された電流に対する前記電圧波形の位相原点を算出し、前記算出された位相原点を持つ正弦波と前記予め定められた電圧振幅との積を前記電圧波形とすることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、位相較正装置であって、接続先の電圧と位相同期したパルス電流を生成し、前記パルス電流を接続先の電流に重畳するパルス電流生成器と、前記パルス電流が重畳された電流を測定する電流センサと、前記電圧を測定する電圧センサと、前記測定された電圧のゼロクロスをトリガとして前記測定された電流の電流波形を測定する電流波形測定器と、前記測定された電流波形から前記パルス電流を検出するパルス位相検出器と、前記電流波形測定器において電流の測定を開始してから前記パルス電流を検出するまでの時間を位相遅延情報として記録するパルス位相記憶装置と、前記測定された電流波形および前記位相遅延情報に基づき、位相較正された電流波形を生成する位相較正電流波形作成装置と、前記測定された電圧とゼロクロスが一致し、位相同期した、予め定められた振幅の電圧波形を生成する模擬電圧波形生成器と、を備えたことを特徴する。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の位相較正装置において、前記パルス電流生成器は、前記接続先の電圧を入力電圧として０Ｖと比較することで前記入力電圧のゼロクロスで転位する方形波を生成し、前記生成した方形波を微分して前記パルス電流の波形を形成することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、電力・力率計測装置であって、請求項１乃至４のいずれかに記載の位相較正装置と、前記位相較正装置で測定又は生成された電流波形及び電圧波形に基づき、電力及び／又は力率を計算する電力・力率計算器と、を備えたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、パルス電流生成器であって、接続先の電圧と位相同期したパルス電流を生成し、前記パルス電流を接続先の電流に重畳するパルス電流生成器であって、前記接続先の電圧を入力電圧として０Ｖと比較することで前記入力電圧のゼロクロスで転位する方形波を生成する比較器と、前記比較器で生成された方形波を微分して前記パルス電流の波形を形成する微分回路と、を備えたことを特徴する。

請求項７に記載の発明は、同期波形生成器であって、電圧と位相同期したパルス電流が重畳された電流を測定し、前記重畳されたパルス電流に基づき前記測定された電流に位相同期した、予め定められた振幅の電圧波形を生成する同期波形生成器であって、前記パルス電流が重畳された電流を測定する電流センサと、前記測定された電流から前記パルス電流を検出するパルス位相検出器と、前記パルス位相検出器で検出された前記パルス電流に基づいて前記測定された電流に対する前記電圧波形の位相原点を算出し、前記算出された位相原点を持つ正弦波と前記予め定められた電圧振幅との積を前記電圧波形として生成する模擬電圧波形生成器と、を備えたことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、同期波形生成器であって、電圧及び前記電圧と位相同期したパルス電流が重畳された電流を測定し、前記測定された電流の位相を、前記重畳されたパルス電流に基づき前記測定された電圧に位相同期するよう補正された前記測定された電流の電流波形を生成する同期波形生成器であって、前記パルス電流が重畳された電流を測定する電流センサと、前記電圧を測定する電圧センサと、前記測定された電圧のゼロクロスをトリガとして前記測定された電流の電流波形を測定する電流波形測定器と、前記測定された電流波形から前記パルス電流を検出するパルス位相検出器と、前記検出されたパルス電流の検出時刻を位相遅延情報として記録するパルス位相記憶装置と、
前記測定された電流波形および前記位相遅延情報に基づき、位相較正された電流波形を生成する位相較正電流波形作成装置と、前記測定された電圧とゼロクロスが一致し、位相同期した、予め定められた振幅の電圧波形を生成する模擬電圧波形生成器と、を備えたことを特徴とする。

本発明では、コンセントから接触で入力した電圧に同期したパルス電流を生成し、電圧の位相情報を含むパルス電流を分電盤に流れる電流に重畳することで、非接触での電流波形の測定結果のみから、有資格者による電気工事を行うことなく簡便に電流と同期した電圧波形を生成することができるようになる。そのため、分電盤の工事のように施工に資格が必要であったり、危険な作業を伴ったりすることなく、電力や力率をより高精度に計測することが可能になる。

また、電源電圧との位相関係が明確な電流波形が必要となる非侵入型モニタリングシステムにも応用が効き、容易に消費電力の総量のみならず内訳までを推定する装置としても利用することができるようになる。

本発明の実施形態１に係る位相較正装置を利用した電力・力率計測装置の構成を示す図である。 パルス電流生成器１１０の構成例を示す図である。 電圧のピークに同期したパルス電流に基づく、電流と電圧との位相同期を示す図である。 本発明の実施形態２に係る位相較正装置を利用した電力・力率計測装置の構成を示す図である。 分電盤２００において従来の非接触型電流・電圧測定装置３００を用いて電流および電圧を非接触で測定した場合の電流と電圧との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係る位相較正装置を利用した電力・力率計測装置の構成を示す。電力・力率計測装置は、パルス電流生成器１１０と、電流センサ１２１、およびパルス位相検出器１２２を備えた位相検出器１２０、模擬電圧波形生成器１３０、ならびに電力・力率計算器１４０からなる。

パルス電流生成器１１０は、分電盤２００に設置された分岐ブレーカー、または分岐ブレーカーに接続されたコンセントに接続する。分岐ブレーカーに接続する場合はパルス電流生成器１１０を予め内蔵した分岐ブレーカーを分電盤２００に設置してもよく、コンセントに設置する場合はコンセントと負荷２１０のプラグとの間に設置してもよい。パルス電流生成器１１０は、電源電圧と一定の位相関係を持った、例えば電源電圧のピークまたはゼロクロス等と同期した、容易に識別可能なパルス電流を分電盤２００に流れる電流に重畳する。

図２に、パルス電流生成器１１０の構成例を示す。比較器１１１を入力電圧と０Ｖとを比較するゼロクロスコンパレータとし、電源電圧のゼロクロス点で転位する方形波を生成させる。この方形波を微分回路１１２に入力することで電源電圧のゼロクロス点に同期したパルスを生成することができる。尚、比較器１１１と微分回路１１２との間に遅延回路を挿入することで方形波の転位位置を任意にシフトさせることができ、電源電圧のピークに同期したパルスを生成することもできる。

位相検出器１２０、模擬電圧波形生成器１３０、電力・力率計算器１４０は、分電盤２００に設置され、複数の分岐ブレーカー２０２と接続された主開閉器２０１を流れる電流を非接触型の電流センサ１２１で測定し、パルス位相検出器１２２でパルス電流生成器１１０によって重畳されたパルス電流を検出する。図３に、電圧のピークに同期したパルス電流に基づく、電流と電圧との位相同期を示す。パルスが電圧のピークにあわせて発生するようにしていれば、例えば電源電圧の周波数が５０Ｈｚの場合１周期が２０ｍｓであるので、パルスを検出した時点から５ｍｓ前、あるいは１５ｍｓ秒後が電圧を正弦波で表した時の位相原点となる。模擬電圧波形生成器１３０は、このようにして電流波形に対して位相原点を設定した正弦波に電圧振幅を掛けたものを電圧波形として電力・力率計算器に１４０に出力する。尚、本実施形態では、位相検出器１２０と模擬電圧波形生成器１３０とを合わせて同期波形生成器と呼ぶものとする。

電力・力率計算器１４０は、電流センサ１２１から出力された電流波形と模擬電圧波形生成器１３０から出力された電圧波形とに基づき、電力および力率を計算する。尚、電力および力率を計算する前に、電流波形から重畳したパルス電流を取り除く処理をしても良い。

例えば電源電圧の周波数が５０Ｈｚの場合、電流を１周期分、２０ｍｓ測定した時に、パルスが１７ｍｓに観測された場合、その５ｍｓ前が電圧のピークに対応する位相位置となるため、１７−５＝１２ｍｓが原点となるようにすると、

補正した電圧

を模擬電圧とすることで、電力や力率をより精度良く求めることができる。

電力Ｐを計算する際には、測定された電流波形と模擬電圧との積を積分、すなわち

とすればよい。
力率ｃｏｓθを計算する際には電流ｉ（ｔ）と電圧ｖ（ｔ）のそれぞれの実効値

を計算し、

と容易に計算することができる。ここで、Ｔは周期、ｔは時間、Ｎは１周期におけるサンプリング数、ｎはサンプリング番号である。

このように本発明によって、電力や力率を正しく計算することができるようになる。

（実施形態２）
図４に、本発明の実施形態２に係る位相較正装置を利用した電力・力率計測装置の構成を示す。本発明の実施形態２に係る位相検出器１５０は、電流センサ１５１、電圧センサ１５２、電流波形測定器１５３、パルス位相検出器１５４、およびパルス位相記憶装置１５５を備える。これに加え、位相較正電流波形作成装置１６０、および、実施形態１と同様に模擬電圧波形生成器１３０、電力・力率計算器１４０を備える。但し、模擬電圧波形生成器１３０は、電圧センサ１５２で測定された電圧とゼロクロス点が一致し、同位相となるよう模擬電圧波形を生成する。尚、本実施形態においても実施形態１と同様に、位相検出器１４０と模擬電圧波形生成器１３０とを合わせて同期波形生成器と呼ぶものとする。

実施形態２では、電流センサ１５１で電流波形を測定するのに加えて、主開閉器２０１から負荷側に出ている電線と容量性結合した非接触プローブを用いて電圧を測定する非接触型の電圧センサ１５２で電圧も測定する。

電流波形測定器１５３は、電圧センサ１５２の測定結果に基づき、電圧のゼロクロス点の信号をトリガとして電流波形を測定する。パルス位相検出器１５４が、電流に印加されたパルスを電流波形から検出した場合、電流の測定開始からパルスの発生までの時間を位相遅延情報としてパルス位相記憶装置１５５に記録する。

位相較正電流波形作成装置１６０は、パルス位相記憶装置１５５から位相遅延情報を取得し、位相遅延情報に基づき電流波形測定器１５３で測定された電流波形に対して位相較正を行い、位相較正された電流波形を作成する。

尚、位相較正電流波形作成装置１６０は、パルス位相記憶装置１５５から位相遅延情報が取得できない、又は位相遅延情報が更新されていない場合、位相較正電流波形作成装置１６０が保持する位相遅延情報に基づき位相較正された電流波形を作成する。

電力・力率計算器１４０は、位相較正電流波形作成装置１６０から出力された電流波形と模擬電圧波形生成器１３０から出力された電圧波形とに基づき、電力および力率を計算する。尚、電力および力率を計算する前に、電流波形から重畳したパルス電流を取り除く処理をしても良い。

実施形態２では、従来技術の説明の際に述べたように、電圧センサ１５２に発生する電位は実際に電線間に発生する電圧に比べて一定の遅延を持ち、その遅延量は電線の太さや電線材料など設置する場所、設置の仕方によって変化するが、設置後にはほぼ一定とみなすことが可能である。そのため、その電圧センサ１５２のゼロクロス点をトリガに電流波形を測定した場合、電流波形には環境の変化がなければ常に一定の位相遅延が発生することになる。

そのため、パルス電流がゼロクロスに対応して生成されている場合、電圧センサ１５２で測定された電圧のゼロクロスと比較することで、測定された電圧の位相ずれを測定すれば、容易に電流波形の位相遅延を補正することができる。補正後は、環境変化がなければパルス電流生成器１１０を取り外すことができる。

１１０ パルス電流生成器
１１１ 比較器
１１２ 微分回路
１２０、１５０ 位相検出器
１２１、１５１ 電流センサ
１２２、１５４ パルス位相検出器
１３０ 模擬電圧波形生成器
１４０ 電力・力率計算器
１５２ 電圧センサ
１５３ 電流波形測定器
１５５ パルス位相記憶装置
１６０ 位相較正電流波形作成装置
２００ 分電盤
２０１ 主開閉器
２０２ 分岐ブレーカー
２１０ 負荷
２２０ 交流電源
３００ 非接触型電流・電圧測定装置

Claims (8)

1. 接続先の電圧と位相同期したパルス電流を生成し、前記パルス電流を前記接続先の電流に重畳するパルス電流生成器と、
   前記パルス電流が重畳された電流を測定する電流センサと、
   前記測定された電流から前記パルス電流を検出するパルス位相検出器と、
   前記パルス位相検出器で検出された前記パルス電流に基づき前記測定された電流に位相同期した、予め定められた振幅の電圧波形を生成する模擬電圧波形生成器と、
   を備えたことを特徴する位相較正装置。
2. 前記模擬電圧波形生成器は、前記重畳したパルス電流に基づいて前記測定された電流に対する前記電圧波形の位相原点を算出し、前記算出された位相原点を持つ正弦波と前記予め定められた電圧振幅との積を前記電圧波形とすることを特徴とする請求項１記載の位相較正装置。
3. 接続先の電圧と位相同期したパルス電流を生成し、前記パルス電流を接続先の電流に重畳するパルス電流生成器と、
   前記パルス電流が重畳された電流を測定する電流センサと、
   前記電圧を測定する電圧センサと、
   前記測定された電圧のゼロクロスをトリガとして前記測定された電流の電流波形を測定する電流波形測定器と、
   前記測定された電流波形から前記パルス電流を検出するパルス位相検出器と、
   前記電流波形測定器において電流の測定を開始してから前記パルス電流を検出するまでの時間を位相遅延情報として記録するパルス位相記憶装置と、
   前記測定された電流波形および前記位相遅延情報に基づき、位相較正された電流波形を生成する位相較正電流波形作成装置と、
   前記測定された電圧とゼロクロスが一致し、位相同期した、予め定められた振幅の電圧波形を生成する模擬電圧波形生成器と、
   を備えたことを特徴する位相較正装置。
4. 前記パルス電流生成器は、前記接続先の電圧を入力電圧として０Ｖと比較することで前記入力電圧のゼロクロスで転位する方形波を生成し、前記生成した方形波を微分して前記パルス電流の波形を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の位相較正装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の位相較正装置と、
   前記位相較正装置で測定又は生成された電流波形及び電圧波形に基づき、電力及び／又は力率を計算する電力・力率計算器と、
   を備えたことを特徴とする電力・力率計測装置。
6. 接続先の電圧と位相同期したパルス電流を生成し、前記パルス電流を接続先の電流に重畳するパルス電流生成器であって、
   前記接続先の電圧を入力電圧として０Ｖと比較することで前記入力電圧のゼロクロスで転位する方形波を生成する比較器と、
   前記比較器で生成された方形波を微分して前記パルス電流の波形を形成する微分回路と、
   を備えたことを特徴するパルス電流生成器。
7. 電圧と位相同期したパルス電流が重畳された電流を測定し、前記重畳されたパルス電流に基づき前記測定された電流に位相同期した、予め定められた振幅の電圧波形を生成する同期波形生成器であって、
   前記パルス電流が重畳された電流を測定する電流センサと、
   前記測定された電流から前記パルス電流を検出するパルス位相検出器と、
   前記パルス位相検出器で検出された前記パルス電流に基づいて前記測定された電流に対する前記電圧波形の位相原点を算出し、前記算出された位相原点を持つ正弦波と前記予め定められた電圧振幅との積を前記電圧波形として生成する模擬電圧波形生成器と、
   を備えたことを特徴とする同期波形生成器。
8. 電圧及び前記電圧と位相同期したパルス電流が重畳された電流を測定し、前記測定された電流の位相を、前記重畳されたパルス電流に基づき前記測定された電圧に位相同期するよう補正された前記測定された電流の電流波形を生成する同期波形生成器であって、
   前記パルス電流が重畳された電流を測定する電流センサと、
   前記電圧を測定する電圧センサと、
   前記測定された電圧のゼロクロスをトリガとして前記測定された電流の電流波形を測定する電流波形測定器と、
   前記測定された電流波形から前記パルス電流を検出するパルス位相検出器と、
   前記検出されたパルス電流の検出時刻を位相遅延情報として記録するパルス位相記憶装置と、
   前記測定された電流波形および前記位相遅延情報に基づき、位相較正された電流波形を生成する位相較正電流波形作成装置と、
   前記測定された電圧とゼロクロスが一致し、位相同期した、予め定められた振幅の電圧波形を生成する模擬電圧波形生成器と、
   を備えたことを特徴とする同期波形生成器。