JP4371025B2

JP4371025B2 - 電力変換効率測定装置

Info

Publication number: JP4371025B2
Application number: JP2004281849A
Authority: JP
Inventors: 久岩瀬
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2004-09-28
Filing date: 2004-09-28
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2024-09-28
Also published as: JP2006098111A

Description

本発明は電力変換効率測定装置に関するものであり、詳しくは、インバータなどの電力変換器の効率測定における誤差の軽減に関するものである。

特許文献１は、電力計の電流入力部のような電流測定装置に関するものであり、電流センサまたはその周辺部分における電圧降下の補正に関する技術が開示されている。
具体的には、電流センサまたはその周辺部分における計器損失を測定することにより高精度の電流測定を行うことについて開示されているが、本発明のように効率測定時の測定誤差を小さくすることについての記載はない。

特開２００３−３０２４２９

近年のモータを組み込んだ電気機器、例えばエアコンでは、電力変換器としてインバータを用いてモータの回転数を任意に調整できるように構成されている。これにより、従来モータの回転をオン・オフさせることにより行われていた断続的な温度調節に対して連続的なきめ細かい温度調節ができるようになり、消費電力の低減効果も大きいことから省エネルギーの面からも評価されている。

ところで、このようなインバータの効率ηを測定するのにあたっては、インバータの入力電力Ｐ１と出力電力Ｐ２を測定し、次式で求めている。
η＝（Ｐ２/Ｐ１）×１００（％） (1)

図２は従来のインバータの効率測定における接続関係の一例を示す説明図である。図２において、電源１はインバータ２を介してモータなどの負荷３に接続され、例えばモータを任意の回転数で回転駆動する。インバータ２の入力側には電圧入力部Ｖ１が並列接続されるとともに、電源１と直列に電流入力部Ａ１が接続されている。インバータ２の出力側にはモータ３と並列に電圧入力部Ｖ２が接続されるとともに、負荷３と直列に電流入力部Ａ２が接続されている。これら電流入力部Ａ１、Ａ２は交流電流を測定出力し、電圧入力部Ｖ１、Ｖ２は交流電圧を測定出力する。

図３は図２の接続関係に基づき効率測定を行うための構成例を示すブロック図である。電流入力部Ａ１は入力抵抗Ｒ_A1を有し、電圧入力部Ｖ１は入力抵抗Ｒ_V1を有し、電流入力部Ａ２は入力抵抗Ｒ_A2を有し、電圧入力部Ｖ２は入力抵抗Ｒ_V2を有している。これら電流入力部Ａ１の測定出力と電圧入力部Ｖ１の測定出力は電力測定部４に入力されて入力電力Ｐ１が測定され、電流入力部Ａ２の測定出力と電圧入力部Ｖ２の測定出力は電力測定部５に入力されて出力電力Ｐ２が測定される。これら電力測定部４と電力測定部５は、アナログ演算あるいはデジタル演算によりそれぞれ入力電力Ｐ１と出力電力Ｐ２を算出し、これら算出した入力電力Ｐ１と出力電力Ｐ２をデジタル値に変換してＣＰＵ６に入力する。ＣＰＵ６は効率ηを演算し、効率ηの演算結果を表示部７に表示する。

ところで、前述のように、電流入力部Ａ２には入力抵抗Ｒ_A2が存在し、電圧入力部Ｖ２は入力抵抗Ｒ_V2が存在することから、入力抵抗Ｒ_V2に印加されている電圧をＶ、入力抵抗Ｒ_A2を流れる電流をＡとすると、入力抵抗Ｒ_V2で消費される電力Ｐ_V2は、
Ｐ_V2＝（Ｖ×Ｖ）/Ｒ_V2 （Ｗ） (2)
になり、入力抵抗Ｒ_A2で消費される電力Ｐ_A2は、
Ｐ_A2＝Ｒ_A2×Ｉ×Ｉ（Ｗ） (3)
になる。
これにより、これら入力抵抗Ｒ_V2と入力抵抗Ｒ_A2で消費される電力Ｐ_V2A2の合計は次のようになる。
Ｐ_V2A2＝Ｐ_V2＋Ｐ_A2 （Ｗ） (4)

また、インバータ２で消費される電力をＰ_INV、負荷３で消費される電力をＰ_L、電圧入力部Ｖ１で消費される電力をＰ_V1、電流入力部Ａ１で消費される電力をＰ_A1とすると、測定器の測定誤差を除くとすれば、出力電力Ｐ２については、
Ｐ２＝Ｐ_V2＋Ｐ_L （Ｗ） (5)
の関係が成立し、入力電力Ｐ１については、
Ｐ１＝Ｐ_V1＋Ｐ_INV＋Ｐ_V2A2＋Ｐ_L （Ｗ） (6)
の関係が成立する。

インバータ２の効率を測定する目的は、本来の効率をη_TRUEとすると、
η_TRUE＝Ｐ_L×１００/（Ｐ_INV＋Ｐ_L）（％） (7)
を求めることである。
ところが、図２の接続により測定されるインバータ２の効率ηは、
η＝（Ｐ_V2＋Ｐ_L）×１００/（Ｐ_V1＋Ｐ_INV＋Ｐ_V2A2＋Ｐ_L）（％） (8)
になる。

ここで、図２における接続を図４のように変更して、電源１と並列に電圧入力部Ｖ１を接続するとともにインバータ２の入力側に電流入力部Ａ１を直列接続し、インバータ２の出力側には並列に電圧入力部Ｖ２を接続するとともに負荷３と直列に電流入力部Ａ２を接続すると、図４の接続により測定されるインバータ２の効率ηは、
η＝（Ｐ_A2＋Ｐ_L）×１００/（Ｐ_A1＋Ｐ_INV＋Ｐ_V2A2＋Ｐ_L）（％） (9)
になる。

図２の結線を図４のように変えることにより、効率の式に含まれるＰ_V1とＰ_A1、Ｐ_V2とＰ_V2が変わるため、測定者がこれらＰ_V1とＰ_A1、Ｐ_V2とＰ_A2のどちらの影響が大きくなるかを考慮して結線を決めることにより、これらの影響を低減できる。
ところが、Ｐ_V2A2の項については、結線を変えても低減することはできず、測定誤差として残存することになり、高精度の効率測定の阻害要因になっている。

本発明は、これらの従来の問題点を解決するものであって、その目的は、インバータなどの電力変換器の効率測定において、結線を変えても低減できない測定系統の入力抵抗による測定誤差の影響を小さくして、高精度の効率測定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、
電力変換器に入力される電力の測定値Ｐ１とこの電力変換器から出力される電力の測定値Ｐ２に基づき、前記電力変換器の効率ηを測定するように構成された電力変換効率測定装置において、
前記電力変換器の入力側の電圧と電流に基づき入力電力Ｐ１を測定しその測定結果をデジタル信号に変換する入力電力測定部と、
前記電力変換器の出力側の電圧と電流に基づき出力電力Ｐ２を測定しその測定結果をデジタル信号に変換する出力電力測定部と、
前記出力電力測定部に入力される交流電流値Ｉ _Ａ2 を測定しその測定結果をデジタル信号に変換する電流測定部と、
前記出力電力測定部に入力される交流電圧値Ｖ _Ｖ2 を測定しその測定結果をデジタル信号に変換する電圧測定部と、
これらデジタル信号に変換された入力電力Ｐ１と出力電力Ｐ２と出力電力側の電圧Ｖ _Ｖ2と電流Ｉ _Ａ2の測定値と既知である出力側電流測定系統の内部抵抗値Ｒ _Ａ2 と出力側電圧測定系統の内部抵抗値Ｒ _Ｖ2 に基づき次式による電力変換効率演算を行い、結線を変えても低減できない測定系統の入力抵抗Ｒ _Ａ2 とＲ _Ｖ2 による測定誤差を打ち消す演算部、
を設けたことを特徴とする電力変換効率測定装置である。
η＝Ｐ２×１００/（Ｐ１−Ｒ _Ａ2 ×Ｉ _Ａ2 ×Ｉ _Ａ2 −（（Ｖ _Ｖ2 ×Ｖ _Ｖ2 ）/Ｒ _Ｖ2 ））（％）

本発明のうち請求項２記載の発明は、請求項１記載の電力変換効率測定装置において、前記電力変換器は、インバータであることを特徴とする。

本発明によれば、結線を変えても低減できない測定系統の入力抵抗による測定誤差の影響を小さくすることができ、電力変換器の効率測定を高精度で行える。

以下、本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に基づく電力測定装置の接続関係の一例を示す説明図であって、図３と共通する部分には同一の符号を付けている。図１が図３と異なる点は、電流入力部Ａ２に電流測定部８を接続してその測定結果をＣＰＵ６に入力し、電圧入力部Ｖ２に電圧測定部９を接続してその測定結果をＣＰＵ６に入力していることである。

なお、本発明を用いて例えばインバータの効率を測定するものとすると、その接続関係は従来の図２と同一になる。すなわち、電源１はインバータ２を介してモータ３に接続され、モータ３を任意の回転数で回転駆動する。インバータ２の入力側には電圧入力部Ｖ１が並列接続されるとともに、電源１と直列に電流入力部Ａ１が接続されている。インバータ２の出力側にはモータ３と並列に電圧入力部Ｖ２が接続されるとともに、負荷３と直列に電流入力部Ａ２が接続されている。以下の説明では適宜図２も参照する。

図１および図２において、電流入力部Ａ１の測定出力と電圧入力部Ｖ１の測定出力は電力測定部４に入力され、電力測定部４はインバータ２の入力電力Ｐ１を測定する。電流入力部Ａ２の測定出力と電圧入力部Ｖ２の測定出力は電力測定部５に入力され、電力測定部５はインバータ２の出力電力Ｐ２を測定する。電流測定部８は電力測定部５に入力される交流電流値Ｉ_A2を測定し、電圧測定部９は電力測定部５に入力される交流電圧値Ｖ_V2を測定する。これら電力測定部４と電力測定部５と電流測定部８と電圧測定部９は、それぞれの測定結果をデジタル信号に変換してＣＰＵ６に入力する。ＣＰＵ６は次式に基づき効率ηを演算し、効率ηの演算結果を表示部７に表示する。
η＝Ｐ２×１００/（Ｐ１−Ｒ_A2×Ｉ_A2×Ｉ_A2−（（Ｖ_V2×Ｖ_V2）/Ｒ_V2））（％）
(10)

ここで、Ｒ_A2とＲ_V2は測定器内部の抵抗であって既知であり、Ｉ_A2とＶ_V2は測定値であることから、結線を変えても低減できない測定系統の入力抵抗による測定誤差Ｐ_V2A2について、次式が成り立つ。
Ｐ_V2A2≒Ｒ_A2×Ｉ_A2×Ｉ_A2−（（Ｖ_V2×Ｖ_V2）/Ｒ_V2）） (11)

すなわち、インバータ２の出力電力Ｐ２を測定する電力測定部５に入力される交流電流値Ｉ_A2を電流測定部８で測定するとともに電力測定部５に入力される交流電圧値Ｖ_V2を電圧測定部９で測定してこれらの測定結果をデジタル信号に変換し、インバータ２の入力電力Ｐ１の測定値および出力電力Ｐ２測定値とともにＣＰＵ６に入力することにより、ＣＰＵ６はこれら測定値を用いて(10)式に基づく効率ηの演算を行うことができる。

以上説明したように、(10)式の演算を行うことにより、(11)式で表すことができる従来の図３の構成では結線を変えても低減できなかった測定系統の入力抵抗による測定誤差Ｐ_V2A2を差し引くことができ、従来に比べて高精度の効率測定が実現できる。

なお、上記実施例ではインバータの効率を測定する例について説明したが、インバータに限るものではなく、各種の電力変換器の効率測定の高精度化に有効である。

本発明に基づき効率測定を行うための構成例を示すブロック図である。従来のインバータの効率測定における接続関係の一例を示す説明図である。図２の接続関係に基づき電力測定を行うための構成例を示すブロック図である。従来のインバータの効率測定における接続関係の他の例を示す説明図である。

符号の説明

１電源
２インバータ
３負荷（モータ）
４，５電力測定部
６ＣＰＵ
７表示部
８電流測定部
９電圧測定部

Claims

電力変換器に入力される電力の測定値Ｐ１とこの電力変換器から出力される電力の測定値Ｐ２に基づき、前記電力変換器の効率ηを測定するように構成された電力変換効率測定装置において、
前記電力変換器の入力側の電圧と電流に基づき入力電力Ｐ１を測定しその測定結果をデジタル信号に変換する入力電力測定部と、
前記電力変換器の出力側の電圧と電流に基づき出力電力Ｐ２を測定しその測定結果をデジタル信号に変換する出力電力測定部と、
前記出力電力測定部に入力される交流電流値Ｉ _Ａ2 を測定しその測定結果をデジタル信号に変換する電流測定部と、
前記出力電力測定部に入力される交流電圧値Ｖ _Ｖ2 を測定しその測定結果をデジタル信号に変換する電圧測定部と、
これらデジタル信号に変換された入力電力Ｐ１と出力電力Ｐ２と出力電力側の電圧Ｖ _Ｖ2と電流Ｉ _Ａ2の測定値と既知である出力側電流測定系統の内部抵抗値Ｒ _Ａ2 と出力側電圧測定系統の内部抵抗値Ｒ _Ｖ2 に基づき次式による電力変換効率演算を行い、結線を変えても低減できない測定系統の入力抵抗Ｒ _Ａ2 とＲ _Ｖ2 による測定誤差を打ち消す演算部、
を設けたことを特徴とする電力変換効率測定装置。
η＝Ｐ２×１００/（Ｐ１−Ｒ _Ａ2 ×Ｉ _Ａ2 ×Ｉ _Ａ2 −（（Ｖ _Ｖ2 ×Ｖ _Ｖ2 ）/Ｒ _Ｖ2 ））（％）
前記電力変換器は、インバータであることを特徴とする請求項１記載の電力変換効率測定装置。