JPS6234067A - 交流系統における有効電流および無効電流の測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、交流系統における有効電流および無効電流の
測定方法および装置に関する。

（従来の技術） 所定量以上の無効電流をとる負荷による交流系統の負荷
増大が系統運用上の問題として考慮されている。それは
、無効電流がＮ１ｊＡに負荷されるためである。従って
、無効電流成分の測定が必要になる。多くの場合、無効
電流成分と有効電流成分との双方の電流成分から力率Ｃ
ＯＳφを求めるため、同時に有効電流成分を検出するこ
とが同様に必要になる。さらに、無効電力補償装置も、
力率や無効Ｎ流、または系統電圧を用いて無効電力を検
知することが可能な測定装置を備えなければならなくな
る。

有効電流、無効電流および力率ＣＯＳφを測定する測定
装置は知られている。１９６３年にカールスルーエのＧ
、　Ｂｒａｕｎ出版社から出版された書籍″ＨｅＢ（Ｊ
ＩｅｉＣｈｒｉＣｈｔｅｒ”の第９０．９１ページに、
そのような測定装置が記載されており、基本回路も示さ
れている。無効？を流を測定する場合、指針の変位が極
めて小であり、アナログ表示装置でようやく無効電流成
分ｌ、が読み取れるように、ポテンショメータが調整さ
れる必要がある。

ｆｌａｒｔｓａｎｎ　ｕｎｄ　Ｂｒａｕｎ出版のハンド
ブック“Ｅｌｅｋｔｒｉｓｃｈｅ　ｕｎｄ　１４ａｅｒ
ｍｅｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ　Ｈｅｓｓｕｎｇｅｎ”１９
６３年、第１１版、第１００ページに、多重計器による
無効電流および有効電流の測定方法が記載されている。

この場合でも、ポテンショ、メータによって指針の変位
が最小値にされる必要がある。

Ｆ、にｏｐｐｃｌｍａｎｎによるＩＩ！”Ｗｅｃｈｓｅ
ｌｓｔｒｏｍｍｅＢｔｅｃｈｎｉｋ”　１９５６年、第
３６ないし３８ページに、測定接点によって有効成分お
よび無効成分を測定する可能性が示されている。

その場合、測定範囲を、測定しようとする成分の零通過
点に調整する必要がある。測定値は指示計器で測定され
て表示される。誤差をできるだけ小さくするには、測定
位相と共に接続相の状態が特に重要である。後者は、測
定技術上の理由、および大抵の場合に存在する成分の著
しい重なりのため、所要の精度で調整することは極めて
困難である。従って、接続相を決定するために半導体ダ
イオードを使用する場合、このダイオードの順方向電圧
および半導体接合部への温度の影響が、測定精度に特に
悪影響を与える。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の基本的な目的は、マイクロプロセッサの使用に
特に適し、さらに僅少な構成要素の費用だけで足り、測
定回路において位相を９０°シフトさせる必要がないよ
うにされた、交流系統における有効電流および無効電流
の測定方法およシ装置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段と作用及び効果）この目
的は、本発明によれば、特許請求の範囲第１項および第
４項に記載の構成によって達成される。

本発明による測定方法および測定装置は、測定結果の精
度が高いことのほかに構成要素の費用が僅少であるため
、穫めて経済的であり、演算増幅器のオフセット電圧の
ような直流電圧成分は自動的に抑制され、位相を９０°
シフトするための要素を必要としないという利点がある
。

（実施例） 次に、第１図ないし第４図を参照して本発明の詳細な説
明する。

第１図は本発明による測定装置を示している。

計器用変圧器１の入力端子２，３に系統電圧が入力され
る。三相交流系統の場合、相端子Ｌ２およびＬ３に接続
される。計器用変圧器は、装置全体の電源用として既に
存在する変圧器でこれを代用することができる。さらに
、計器用変圧器としてオプトカプラーを使用することも
°できる。胴器用変圧器１の出力端子４は低域フィルタ
５に接続されている。この低域フィルタ５の後に比較器
６が接続されている。比較器６の出力端子７はマイクロ
プロセッサ（以下、ＣＰＵという）８に接続されている
。比較器６の出力信号は矩形波信号であり、この場合は
、周期的に繰返されるスイッチングの立上りまたは立下
りの一方だけが処理に使用され、これは図示の例ではパ
ルスの立上りすなわち正のスイッチングフランクである
。このスイッチングフランクが同期化に使用される。さ
らに、この信号によって、間隔を置いて正確な系統周波
数が測定され、場合によって、周波数変動が測定結果に
誤差を生じさせる恐れのある場所では、補償のための補
正が行われる。

変流器１１の一次端子が符号９および１０で示されてい
る。電流測定抵抗すなわち分流器を使用することも可能
である。しかし、その場合、構成が簡単になる反面、電
圧的に絶縁されないという欠点が生ずる。三相交流系統
の・場合、変流器は特に相Ｌ１に設けられる。変流器１
１の出力端子１２は低域フィルタ１３に接続される。こ
の低域フィルタは電圧回路の低域フィルタ５と同様のも
のでよい。このようにして、種々の系統周波数において
、電圧回路および電流回路における位相差を等しくする
ことが保証される。低域フィルタ１３の出力端子１４は
、加算積分器１６の一方の入力端子１５に接続されてい
る。加算積分器１６の第２の入力端子１７には、ＣＰＵ
８の出力端子１８がインバータ１９を介して接続されて
いる。

加算積分器１６は、演算増幅器２０、積分コンデンサ２
１および２つの同一抵抗値の抵抗２２゜２３によって公
知のように組立てられている。加算積分器１６の出力端
子２４に、否定シュミット・トリガ２５が接続され、そ
の出力信号がＣＰＵ８の入力端子２６に供給される。加
算積分器１６、シュミット・トリが２５およびインバー
タ１９が、ＣＰｔＪ８と協同してＡ−Ｄ変換器２７を構
成している。ＣＰＵ８には、記号的に図示された出力端
子２８を通して例えば７セグメントＬＥＤ表示装置用の
ドライバが接続され、その表示装置に、プログラムに従
って有効電流、無効電流または力率ＣＯＳφが表示され
る。この値自体は、本発明による方法によって得られる
。信号化のための指令は、入力用のキーが接続されたＣ
Ｐｕの図示されていない入力端子を介して行われる。さ
らに、無効電流および力率の求められた値を無効電力補
償調整回路に使用することもできる。゛この回路部分の
具体的な図示は、本発明を理解するのに不必要であるた
め省かれている。

第２図は、電圧波形ｕ（ｔ）　＝ｕ−ｓｉｎ　　（ωｔ
）を示している。電圧波高値がＵで示され、系統周波数
がωで示されている。系統周波数はω＝２π／Ｔで計算
され、その場合Ｔは系統周期である。さらに電流波形ｒ
　（ｔ）　＝　ｒ・ｓｉｎ　　（ωｔ＋φ）が進み位相
で示されており、これは容量性負荷に相当する。遅れ電
流の場合は誘導性負荷に相当する。ｉによって電流波高
値が示されているφは電流と電圧との位相差角を表わし
ている。有効電流、無効電流および力率には次の関係式
が適用される。

有効電流成分：　ｉ１＝　１Ｗ−ｓｉｎ　　（ωｔ）無
効電流成分（容量性）： １２　＝ＩＢ　−５ｌｎ　　（ωｔ＋９０’　）＝ｉＢ
−ｃｏｓ（ωｔ） 合成電流：１＝ｉ１＋１２＝ｉ　　”５ｉｎ（ωｔ）＋
ｉＢ　ｌ１ＣＯ３（ωｔ） ＝Ａ−ｓｉｎ（ωｔ＋φ） φ＝ａｒｃ　ｔａｎ　　（ｉＢ／ｉ、　）この公知の関
係を、本発明の方法自体の説明の前に示しておく。

第３図は、変流器１１および低域フィルター３を、具体
的な構成で示している。−次側入力端子が符号９および
１０で示されており、出力端子に、入力電流に比例する
下記電圧、 ｕ・（ｔ）＝ｍ・−ｉ　−５ｉｎ　　（ωを十φ）＋Ｕ
ｉ。

が生じる。この計器において、低域フィルタの位相偏差
は、この電圧回路では同じ大きさのフィル゛りが使用さ
れており従ってこの位相偏差が補償されるため、算入す
る必要がない。

ｍ・−ΔＵ・／Δｉは変流器の変換定数であり、Ｕ、は
、例えば演算増幅器２９のオフセット電圧に起因する直
流電圧成分である。直流電圧成分が演算増幅器２９の供
給電圧の半分になるように、回路が設計されることが好
ましく、これによって演算増幅器２つに対する負の供給
電圧が不要になる。これは、その他の回路にも特に有益
である。

後に説明するように、この直流電圧成分によって、この
方法の結果が損われることはない。

第４図は、演算増幅器２つの出力端子１４における電圧
波形ｕ、（ｔ）を示している。既に述べま た直流電圧成分Ｕｉｏが同様に図示されている。第１図
において比較器６の出力端子７における信号の正のフラ
ンクによって示されている同期化信号が、電圧信号ｕ（
ｔ）から任意の時点ｔ１に取り出される。この時点から
各々Ｔ／４の期間（Ｔは周期）における信号ｕｉ　　（
ｔ）の４つの積分が、ＣＰＵ８によって行われる。この
積分の積分値はＡ１．Ａ２．Ａ３およびＡ４で示されて
いる。

′４ Ａ、　＝（Ｔ／４）・ＩＪ、。−（ｍ、　−ｉ／ω）φ
ｃｏｓ（ωｔ１＋ω・（Ｔ／４）＋φ）＋（ｍ、・１／
ω）・ｃｏｓ　（ωｔ１＋φ）「 Ａ２＝（Ｔ／４）・Ｕ、。−（ｍ、　−ｉ／ω）・ｃｏ
ｓ（ωｔ１＋ω（Ｔ／２）＋φ）＋　（ｍ、　−ｉ／ω
）　−ｃｏｓ　（ωｔ１＋ω（Ｔ／４）＋φ）これから
積分を則算すると、 積分Ａ３およびＡ４に対しては次のようになる。

へ３＝（Ｔ／４）　　・Ｕｉｏ　　”’ｉ　　・　１／
ω）　・ｃｏｓ（ωｔ１＋ω（３Ｔ／４）十φ）＋　（
ｍ、　−ｉ／ω）　−ｃｏｓ　（ωｊ１−＋−ω（Ｔ／
２）＋φ）へ４＝（Ｔ／４）　　・ＵＨｏ−（ｍｉ　−
ｉ７ω）・ｃｏｓ　　（ωｔ１＋ωＴ十φ）＋　（ｍ−
−ｉ／ω）　−ｃｏｓ　（ωｔ１＋ω（３Ｔ／４）＋φ
）この４つの積分から、下記２式を形成する。

Ｂ　　＝−Ａ　　−Ａ２＋Ａ３＋Ａ４ Ｂ２−＋ＡＩ　　　Ａ２　　Ａ３　＋Ａ４前に与えられ
た積分値を使用して計算すると下記が得られる。

Ｂ　　＝−４（ｍ、　　−ｉ／ω）　−ｃｏｓ　　（ω
ｔ、＋φ）ｔ３　　＝＋４（ｍ、・ｉ／ω）−ｓｉｎ（
ωｔ１＋φ）図示の回路例において、相端子１２．１３
における計器用変圧器１、および相Ｌ１の変流器１１の
端子によって必然的に生じることであるが、例えばω１
．＝π／２＝ωＴ／４、従ってｔ１＝Ｔ／４とすると、
特に下記の式が得られる。

Ｂ　　　＝＋４　　（ｍ・　・　ｉ／ω）　　−５ｉｎ
　　φＢ　　　＝＋４　　（ｍ−−ｉ／ω）−ｃｏｓ　
　φ最初に述べた関係式によれば、 φ＝ａｒｃｔａｎ　　（ｉＢ／ｉＷ） 式Ｂ１＝１およびＢ２に代入すれば下記になる。

ニア−ニー７−　・ Ｂ　＝４°（ｍ゛／ωＬ＋／＋、　　＋＋８−ｓｉｎ　
（ａｒｃｔａｎ　（ｉＢ／ｉｗ＞Ｂ　＝４・（ｍ・／ω
）・ｉＢ および Ｂ２＝４−（ｍ区ω）　−Ｊ　ｉ、２＋１Ｂ２−ＣＯ３
（ａｒＣｔａｒｔ　（ｉＢ／ｉｗＢ２＝４・（ｍｉ／ω
）・ｉ。

本発明によって求められた式Ｂ１＝　およびＢ２は、一
定の係数４・（ｍ、／ω）を除いて無効電流成分および
有効電流成分を別個に表わしていることが判る。

このようにして求められた無効電流成分および有効電流
成分は、表示要素によって別個に表示することができる
。さらに、ＣＰＵによる計算によって力率ＣＯＳφを求
め、同様に表示することができる。

次に、無効電流、有効電流および力率を求める個々の過
程を一覧にしてまとめると次のようになる。

５０　Ｈｚの運転周波数を有する交流系統の場合、１０
０ｍ５ごとのこの過程の反復で充分であることが明らか
になった。

（発明の効果） 本発明による方法および装置は、極めて簡単な回路構成
を可能にし、演算増幅器による直流電圧成分の悪影響を
排除することができる。ｉａ調波の影響は低域フィルタ
５，１３によって充分に抑制されることが判ったため、
無効電流成分に対する式Ｂ１＝１および有効電流成分に
対する式Ｂ１＝２の導出の場合、高調波の影響には触れ
なかった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による測定装置の一実施例を示すブロッ
ク結線図、第２図は一般の交流系統の電圧、電流の状態
を示す波形図、第３図は第１図に示す回路を構成する変
流器および低域フィルタの内部結線を示す回路図、第４
図は第１図に示す回路を構成する演算増幅器の出力端子
における電圧の推移を示す波形図である。 １・・・計器用変圧器、５・・・低域フィルタ、６・・
・比較器、８・・・マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）、１
１・・・変流器、１３・・・低域フィルタ、２７・・・
Ａ−Ｄ変換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、系統電流に比例する信号を形成すると共に、周期Ｔ
   を有する、系統電圧に相当する信号を形成し、前記系統
   電圧に時間的に関係する４つの積分値（Ａ＿１、Ａ＿２
   、Ａ＿３、Ａ＿４）が形成されるように、前記系統電流
   に比例する信号を同じ大きさの４つの時間区分（Ｔ／４
   ）で積分し、この４つの積分値によって無効電流および
   有効電流を検知することを特徴とする交流系統における
   有効電流および無効電流の測定方法。 ２、三相交流系統において系統電流に比例する信号を相
   Ｌ１から取り出し、系統電圧に相当する信号を相Ｌ２お
   よびＬ３から取り出し、式Ｂ＿１＝−Ａ＿１−Ａ＿２＋
   Ａ＿３＋Ａ＿４によって無効電流を求め、式Ｂ＿２＝＋
   Ａ＿１−Ａ＿２−Ａ＿３＋Ａ＿４によって有効電流を求
   めるため、４つの積分値（Ａ＿１、Ａ＿２、Ａ＿３、Ａ
   ＿４）を用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の測定方法。 ３、単相系統において系統電流に比例する信号および系
   統電圧に相当する信号を同一相から取り出し、式Ｂ＿１
   ＝−Ａ＿１＋Ａ＿２＋Ａ＿３−Ａ＿４によって無効電流
   を求め、式Ｂ＿２＝−Ａ＿１−Ａ＿２＋Ａ＿３＋Ａ＿４
   によって有効電流を求めるため、４つの積分値（Ａ＿１
   、Ａ＿２、Ａ＿３、Ａ＿４）を用いることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の測定方法。 ４、系統電流に比例する信号を取出す第１の手段と、同
   期Ｔを有する、系統電圧に相当する信号を取出す第２の
   手段と、前記系統電圧に時間的に関係する４つの積分値
   （Ａ＿１、Ａ＿２、Ａ＿３、Ａ＿４）が形成されるよう
   に、前記系統電流に比例する信号を同じ大きさの４つの
   時間区分（Ｔ／４）で積分し、この４つの積分値によっ
   て無効電流および有効電流を検知する第３の手段とを備
   え、前記４つの積分値（Ａ＿１、Ａ＿２、Ａ＿３、Ａ＿
   ４）の形成が、積分と同時にＡ−Ｄ変換を可能にする回
   路（２７）によって行われることを特徴とする交流系統
   における有効電流および無効電流の測定装置。 ５、積分、およびアナログ値のディジタル値への変換が
   、充電補償法によって行われることを特徴とする特許請
   求の範囲第４項記載の測定装置。 ６、無効電流および有効電流の計算がマイクロプロセッ
   サ（８）によって行われることを特徴とする特許請求の
   範囲第４項または第５項記載の測定装置。 ７、マイクロプロセッサ（８）によって、無効電流およ
   び有効電流の値から同時に力率が計算されることを特徴
   とする特許請求の範囲第６項記載の測定装置。 ８、系統電圧が、計器用変圧器（１）、低域フィルタ（
   ５）および比較器（６）の縦続回路に供給され、その出
   力信号からマイクロプロセッサ（８）によって系統周波
   数および周期（Ｔ）が連続して計算されることを特徴と
   する特許請求の範囲第４項記載の測定装置。 ９、前記第２の手段として設けられる計器用変圧器（１
   ）の出力側に接続された低域フィルタ（５）、および前
   記第１の手段として設けられた変流器（１）の出力側に
   接続された低域フィルタ（１３）が、同一に設計されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第４項ないし第８
   項のいずれかに記載の測定装置。