JPWO2015159364A1

JPWO2015159364A1 - 回路遮断器

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Publication number: JPWO2015159364A1
Application number: JP2016513528A
Authority: JP
Inventors: 大橋　博章; 博章大橋; 岳志板倉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2034-04-15
Also published as: JP6138353B2; TWI537569B; EP3133632A1; KR20160129890A; EP3133632A4; KR101812915B1; CN106233417B; CN106233417A; WO2015159364A1; EP3133632B1; TW201538992A

Abstract

回路遮断器３０は、電路１に流れる交流電流に応じた電流信号を出力する変流器１４と、いずれかが前記交流電流の周波数に等しい複数の基準周波数のそれぞれについて基準周波数の基準波形を予め記憶する基準波形記憶部１５と、変流器１４から出力された電流波形と基準波形記憶部１５に記憶された前記各基準波形との乗算をする乗算回路８と、乗算回路８で乗算された各乗算データを高速フーリエ変換し周波数成分へ変換するＦＦＴ回路７と、ＦＦＴ回路７で周波数成分へ変換された前記各乗算データに直流成分が含まれるか否かを判定し、最も大きな直流成分を含むような乗算データに対応する基準周波数を電路１に流れる交流電流の周波数として検出する比較判定回路１０とを備える。

Description

本発明は、電流計測機能を備えた回路遮断器に関する。

従来の回路遮断器においては、電路に流れる電流の計測を精度よく行うために、周波数を検出する構成が一般的である。この場合の周波数の検出方法としては、電圧を検出し、電圧波形のゼロクロス（電圧が負から正に変化する点）から周期Ｔを算出し、周期Ｔの逆数として周波数を求める方法が一般的である。

また、電圧を検出しない構成の場合は、電流波形のゼロクロスから同様に周期Ｔを算出し、周期Ｔの逆数として周波数を求める必要がある。ここで、電流波形は、電路に接続される負荷により波形ひずみを起こすことが多いため、測定誤差を抑制するような周波数の検出方法が要求される。このような周波数検出方法として、周期Ｔから算出した周波数（１／Ｔ）が規定値から例えば１％外れた場合、ゼロクロスを求めるための正側閾値及び負側閾値をステップ的に変動させて再度周波数を算出し、本動作を繰り返して周波数が規定値の例えば１％内に収まった場合はその周波数を採用するなどの方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１４５４２８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された周波数検出方法では、高調波を多く含むような負荷電流の電流波形は、ゼロクロスの点が定常的に複数個存在する波形となる場合もあり、そのような場合は周波数を規定値の例えば１％内に収めることが困難となり、電流の計測表示を正しく行うことが困難になるという課題があった。

また、負荷電流に直流成分のオフセットが含まれ、更に負荷電流が小さい場合、電流波形のゼロクロスが存在しない場合もあり、そのような場合は周期Ｔの算出が困難となり、周波数の検出も困難になるという課題があった。

また、電流波形に低周波成分が含まれた場合、低周波成分の電流波形への影響によりゼロクロスが常に変動するため、周波数を正しく検出できない可能性があるという課題があった。

更に、例えば周波数の検出による設定ではなくユーザーが周波数を設定する構成の場合において、負荷電流がゼロクロスを含まない電流波形のときは、ユーザーの設定間違いがあってもユーザーにその旨を報知することが困難であり、その結果、間違った周波数設定に基づいて電流が計測されてしまうため、計測精度の誤差が大きくなり、電流を正しく計測することが困難になるという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、変流器を介して取得された電流波形のゼロクロスを求めることなく電路に流れる交流電流の周波数を精度よく検出することが可能な回路遮断器を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る回路遮断器は、交流電流が流れる電路を開閉可能な回路遮断器であって、前記電路に流れる交流電流に応じた電流信号を出力する変流器と、いずれかが前記交流電流の周波数に等しい複数の基準周波数のそれぞれについて基準周波数の基準波形を予め記憶する基準波形記憶部と、前記変流器から出力された電流波形と前記基準波形記憶部に記憶された前記各基準波形との乗算をする乗算部と、前記乗算部で乗算された各乗算データをフーリエ変換し周波数成分へ変換するフーリエ変換部と、前記フーリエ変換部で周波数成分へ変換された前記各乗算データに直流成分が含まれるか否かを判定し、最も大きな直流成分を含むような乗算データに対応する基準周波数を前記電路に流れる交流電流の周波数として検出する比較判定部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、変流器を介して取得された電流波形のゼロクロスを求めることなく電路に流れる交流電流の周波数を精度よく検出することができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態に係る回路遮断器の構成を示すブロック図である。図２は、測定波形と基準波形との乗算結果に含まれる周波数成分を示した図である。図３は、測定波形と基準波形との乗算結果に含まれる周波数成分を示した別の図である。図４は、測定波形と基準波形との乗算結果に含まれる周波数成分を示したさらに別の図である。図５は、測定波形と基準波形との乗算結果に含まれる周波数成分を示したさらに別の図である。

以下に、本発明の実施の形態に係る回路遮断器を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本実施の形態に係る回路遮断器の構成を示すブロック図である。図１に示すように、回路遮断器３０は、交流電流が流れる電路１と、電路１に設けられた開閉接点２と、電路１に流れる電流に応じた電流信号を出力する変流器１３と、電路１に流れる電流に応じた電流信号を出力する変流器１４と、変流器１３からの電流信号に基づいて動作電源を生成し、変流器１４からの電流信号に基づいて電路１に流れる電流およびその周波数を検出すると共に、過電流を検出した場合には開閉接点２を開路するよう制御する遮断制御部３１と、電路１に過電流が流れた場合には遮断制御部３１により付勢されて開閉接点２を開路する電磁装置３と、を備えて構成される。

電路１は、三相交流の各相に対応する電路１ａ〜１ｃを含んでいる。すなわち、電路１ａは第１相交流電路であり、電路１ｂは第２相交流電路であり、電路１ｃは第３相交流電路である。また、電路１は、中性相（Ｎ相）に対応する電路１ｎを含んでいる。すなわち、電路１ｎは、中性相交流電路である。

開閉接点２は、それぞれ電路１ａ〜１ｃに接続された開閉接点２ａ〜２ｃと、電路１ｎに接続された開閉接点２ｎとを含んでいる。開閉接点２ａ〜２ｃ，２ｎは、いずれも例えば気中に配置される。この場合、回路遮断器３０は、気中遮断器である。

変流器１３は、電路１ａ〜１ｃ，１ｎに流れる電流に比例した電流信号を出力する変流器１３ａ〜１３ｃ，１３ｎから成る。後述するように、変流器１３は、回路遮断器３０の電源を生成するための回路に接続される。

変流器１４は、電路１ａ〜１ｃ，１ｎに流れる電流に比例した電流信号を出力する変流器１４ａ〜１４ｃ，１４ｎから成る。変流器１４は、電路１に流れる電流を計測するための電流センサとして使用される。

なお、中性相に関する構成（電路１ｎ、開閉接点２ｎ等）を設けない構成でもよい。また、三相のうちのいずれか１相に関する構成のみを設ける構成も可能である。

遮断制御部３１は、整流回路１６、電源回路４、制御処理部３２、表示部６，１２、および特性設定部１１を備えている。

整流回路１６は、変流器１３に接続されている。整流回路１６は、変流器１３から出力された電流信号を整流し、電源回路４に出力する。電源回路４は、回路遮断器３０の動作電源を生成する。また、整流回路１６は電磁装置３と接続されている。

制御処理部３２は、Ａ／Ｄ変換回路９（Ａ／Ｄ変換部）、乗算回路８（乗算部）、ＦＦＴ回路７（フーリエ変換部）、比較判定回路１０（比較判定部）、および基準波形記憶部１５を備えている。制御処理部３２は、マイクロコンピュータのＣＰＵで構成される。

Ａ／Ｄ変換回路９は、変流器１４から出力された電流信号をＡ／Ｄ変換し、デジタルデータとして制御処理部３２に取り込む。

制御処理部３２は、Ａ／Ｄ変換回路９により取り込まれた電流波形から電路１に流れる電流を検出する。制御処理部３２は、電路１に流れる電流値を電流信号のサンプリングデータから算出し、電流値が規定の値を上回った場合は、電路１に過電流が流れたと判定し、トリガ回路５に引外し信号を出力する。トリガ回路５は、引外し信号が入力されると、電磁装置３を付勢する。付勢された電磁装置３は、変流器１３を介して供給される電流により励磁されて、その電磁力により開閉接点２を開いて電路１を開路する。

また、制御処理部３２は、種々の演算結果および負荷電流状態等を表示部６またはＬＥＤ表示部１２に表示させることができる。

また、特性設定部１１は、ユーザーにより設定された種々の設定条件を制御処理部３２に取り込む。特性設定部１１は、設定用に例えば複数個の設定スイッチ（設定ＳＷ）を備えている。周波数設定をユーザー側で行う場合には、これらの設定スイッチの中に周波数を設定するための設定スイッチが含まれる。

乗算回路８、ＦＦＴ回路７、比較判定回路１０、および基準波形記憶部１５は、周波数検出部３３を構成する。

乗算回路８は、Ａ／Ｄ変換回路９によりデジタルデータに変換された電流波形と、基準波形記憶部１５に記憶された基準周波数の基準波形とを乗算する。ここで、基準周波数は、電路１に流れる電流の周波数の候補として予め設定された複数の周波数である。また、電路１に流れる電流の周波数は、これらの複数の基準周波数のいずれかであることを前提とする。本実施の形態では、基準周波数は、例えば５０Ｈｚおよび６０Ｈｚとする。基準波形は、基準周波数の波形（正弦波または余弦波）であり、基準周波数の個数に応じて同数設定される。

ＦＦＴ回路７は、乗算回路８の出力データを高速フーリエ変換して周波数成分のデータへ変換する。

比較判定回路１０は、ＦＦＴ回路７の出力データから電路１に流れる電流の周波数を特定して検出する。

周波数検出部３３による周波数の検出は、電路１ａ〜１ｃ，１ｎの各相について個別に実施される。

次に、制御処理部３２に取り込まれた電流波形（測定波形）の周波数成分を検出する方法について説明する。測定波形は、一般に、高調波成分もしくはオフセット成分もしくは低周波成分またはこれらの組合せが含まれた波形であり、このような測定波形から基本波の周波数を特定する必要がある。ここで、検出する周波数（基準周波数）は、例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚとする。

まず、測定波形に高調波成分、オフセット成分、および低周波成分のいずれも含まれておらず、かつ、測定波形と基準波形（ダミー波形）の位相が等しい場合について検討する。

測定波形の周波数をf₁とし、比較用の基準周波数をf₂（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）とする。三角関数の公式、
cos(α)cos(β)＝(cos(α＋β)＋cos(α−β))/２
において、α＝ω₁t＝2πf₁t，β＝ω₂t＝2πf₂tとすることで、測定波形に基準波形を乗算することで得られる波形は次の通りとなる。
cos(ω₁t)cos(ω₂t)＝(cos(ω₁t＋ω₂t)＋cos(ω₁t−ω₂t))/２
＝(cos(2π(f₁＋f₂)t)＋cos(2π(f₁−f₂)t))/２・・・（１）
ここで、ｆ₁＝ｆ₂の場合、
cos(ω₁t)cos(ω₂t)＝１/２＋cos(2π(f₁＋f₂)t)/２
となり、同一周波数の場合は直流成分が生ずる。逆にｆ₁≠ｆ₂の場合、直流成分は生じない。つまり、測定波形と基準波形が同位相でかつ周波数が同じ場合、両波形を乗算して直流成分を検出することで、測定波形の周波数を特定することができる。ここで、直流成分の検出は、測定波形と基準波形を乗算して得られた波形をフーリエ変換し、直流成分を抽出することで実現できる。

図２は、測定波形と基準波形との乗算結果に含まれる周波数成分を示した図である。詳細には、図２（ａ）は、６０Ｈｚの正弦波である測定波形を示した図で、横軸は単位が秒の時間、縦軸は規格化された数値である。図２（ｂ）は、測定波形と同じ位相の６０Ｈｚの正弦波である基準波形と、測定波形との乗算をＦＦＴした結果を示した図である。この場合、周波数０にピークＰを持つ成分、すなわち、直流成分が検出される。従って、測定波形の周波数を基準波形の周波数である６０Ｈｚに特定することができる。図２（ｃ）は、測定波形と同じ位相の５０Ｈｚの正弦波である基準波形と、測定波形との乗算をＦＦＴした結果を示した図である。この場合、周波数０にピークを持つ成分が存在せず、直流成分は検出されない。ただし、波形データは、例えば一定の時間間隔でサンプリングされたものであり、サンプリング数が有限であることから、周波数０の成分は、１０Ｈｚのピークの裾野の影響を受けて完全に０にはなっていない。これは、図３〜図５でも同様である。

次に、測定波形にオフセット成分が含まれ、かつ、測定波形と基準波形の位相が等しい場合について検討する。オフセット成分をＡとすると、測定波形に基準波形を乗算することで得られる波形は次の通りとなる。
(Ａ＋cos(ω₁t))cos(ω₂t)＝Ａcos(ω₂t)＋cos(ω₁t)cos(ω₂t)・・・（２）
上式の右辺第１項は基準波形の周波数成分、右辺第２項は（１）の波形と同じ波形である。この場合でもｆ₁＝ｆ₂であれば直流成分が生じ、ｆ₁≠ｆ₂であれば直流成分は生じない。すなわち、測定波形に直流成分が含まれていたとしても、測定波形と基準波形が同位相でかつ周波数が同じ場合、両波形を乗算して直流成分を検出することで、測定波形の周波数を特定することができる。

図３は、測定波形と基準波形との乗算結果に含まれる周波数成分を示した別の図である。詳細には、図３（ａ）は、６０Ｈｚの正弦波にオフセット成分が加算された測定波形を示した図で、横軸は単位が秒の時間、縦軸は規格化された数値である。図３（ｂ）は、測定波形と同じ位相の６０Ｈｚの正弦波である基準波形と、測定波形との乗算をＦＦＴした結果を示した図である。この場合、周波数０にピークＰを持つ成分、すなわち、直流成分が検出される。従って、測定波形の周波数を基準波形の周波数である６０Ｈｚに特定することができる。図３（ｃ）は、測定波形と同じ位相の５０Ｈｚの正弦波である基準波形と、測定波形との乗算をＦＦＴした結果を示した図である。この場合、周波数０にピークを持つ成分が存在せず、直流成分は検出されない。

次に、測定波形に高調波成分、オフセット成分、および低周波成分のいずれも含まれておらず、かつ、測定波形と基準波形が同位相でない場合について検討する。測定波形と基準波形との位相差をΔとする。同位相の場合と同じく、α＝ω₁t＝2πf₁t，β＝ω₂t＝2πf₂tとすると、
cos(ω₁t＋Δ)cos(ω₂t)＝(cos(ω₁t)cos(Δ)−sin(ω₁t)sin(Δ))cos(ω₂t)
＝cos(Δ)cos(ω₁t)cos(ω₂t)−sin(Δ)sin(ω₁t)cos(ω₂t)・・・（３）
となる。上式の右辺第１項は（１）の波形にcos(Δ)を乗算したものである。従って、cos(Δ)≠０かつｆ₁＝ｆ₂の場合は、直流成分が生ずる。他方、cos(Δ)＝０の場合、すなわち、Δ＝π/２×n（n＝１，３，５，７・・・）の場合は、
sin(Δ)＝sin(π/2×n)＝±１
となるため、
cos(ω₁t＋Δ)cos(ω₂t)＝±sin(ω₁t)cos(ω₂t)
＝±(sin(ω₁t−ω₂t)−sin(ω₁t＋ω₂t))/２
となる。ここで、ｆ₁＝ｆ₂の場合、
cos(ω₁t＋Δ)cos(ω₂t)＝±sin(ω₁t＋ω₂t)/２
となる。すなわち、測定波形と基準波形との位相差がπ/２×n（n＝１，３，５，７・・・）の場合は、同一周波数の場合でも直流成分が生じない。また、ｆ₁≠ｆ₂の場合は、（３）の右辺に直流成分は生じない。

このように、測定波形と基準波形の位相が異なる場合には、周波数が同じでも、位相差がπ/２×n（n＝１，３，５，７・・・）のときは、（３）の右辺に直流成分が生じない。そこで、本実施の形態では、直流成分を検出することで測定波形の周波数を特定可能にするために、基準波形の位相を変化させて複数の位相差について測定波形と基準波形との乗算を求め、直流成分の増減を確認するようにする。

詳細には、各基準周波数について、位相が互いに異なる複数個の基準波形を用意し、かつ、これらの複数個の基準波形のうちの任意の２個の位相差がπの整数倍にならないようにする。こうすることで、各基準周波数について、測定波形と基準波形との乗算の中に位相差Δがπ/２×n（n＝１，３，５，７・・・）にならない場合を必ず見出すことができるので、測定波形と基準波形の周波数が等しい場合には、周波数０にピークを持つ直流成分を検出することができる。実際には測定波形と基準波形は同位相でない場合がほとんどであり、このように基準波形の位相を変化させて直流成分の増減を確認する処理が必要となる。

図４は、測定波形と基準波形との乗算結果に含まれる周波数成分を示したさらに別の図である。詳細には、図４（ａ）は、６０Ｈｚの正弦波である測定波形を示した図である。図４（ｂ）は、測定波形との位相差がπ/２でかつ周波数が６０Ｈｚの正弦波である基準波形と、測定波形との乗算をＦＦＴした結果を示した図である。この場合、周波数０にピークを持つ成分、すなわち、直流成分は生じない。図４（ｃ）は、測定波形との位相差がπ/２でかつ周波数が５０Ｈｚの正弦波である基準波形と、測定波形との乗算をＦＦＴした結果を示した図である。この場合も、直流成分は生じない。図４（ｄ）は、測定波形との位相差がπ/６でかつ周波数が６０Ｈｚの正弦波である基準波形と、測定波形との乗算をＦＦＴした結果を示した図である。この場合は、周波数０にピークＰを持つ成分、すなわち、直流成分が検出される。従って、測定波形の周波数を基準波形の周波数である６０Ｈｚに特定することができる。図４（ｅ）は、測定波形との位相差がπ/６でかつ周波数が５０Ｈｚの正弦波である基準波形と、測定波形との乗算をＦＦＴした結果を示した図である。この場合も、直流成分は生じない。

次に、測定波形にオフセットが含まれ、かつ、測定波形と基準波形が同位相でない場合について検討する。測定波形と基準波形との位相差は同様にΔとする。オフセット成分をＡとすると、測定波形に基準波形を乗算することで得られる波形は次の通りとなる。
(Ａ＋cos(ω₁t＋Δ))cos(ω₂t)＝Ａcos(ω₂t)＋cos(ω₁t＋Δ)cos(ω₂t)・・・（４）
上式の右辺第１項は基準波形の周波数成分であり、直流成分を与えない。右辺第２項は（３）の波形と同じ波形である。従って、（３）の場合と同様に、直流成分を検出することで、測定波形の周波数を特定することができる。

次に、測定波形に低周波成分が含まれる場合について検討する。低周波成分をcos(ω₀t)とすると、測定波形に基準波形を乗算することで得られる波形は次の通りとなる。
(cos(ω₀t＋δ)＋cos(ω₁t＋Δ))cos(ω₂t)
＝cos(ω₀t＋δ)cos(ω₂t)＋cos(ω₁t＋Δ)cos(ω₂t) ・・・（５）
ここで、δは低周波成分と基準波形との位相差、Δは測定波形と基準波形との位相差であり、δ＝０、Δ＝０の場合も含むものとする。また、ω₀＜ω₁，ω₂である。上式の右辺第１項は直流成分を与えない。右辺第２項は（３）の波形と同じ波形である。従って、（３）の場合と同様に、直流成分を検出することで、測定波形の周波数を特定することができる。

次に、測定波形が基本波成分及び３次高調波成分で構成された場合について検討する。測定波形は、cos(ω₁t＋Δ）＋cos(3ω₁t＋Δ）で表される。Δは基準波形との位相差であり、Δ＝０の場合も含むものとする。測定波形に基準波形を乗算することで得られる波形は次の通りとなる。
(cos(ω₁t＋Δ）＋cos(3ω₁t＋Δ))cos(ω₂t)
＝cos(ω₁t＋Δ)cos(ω₂t)＋cos(3ω₁t＋Δ)cos(ω₂t) ・・・（６）
上式の右辺の第１項は（３）の波形と同じ波形である。上式の右辺の第２項は高調波成分に由来するもので、
cos(3ω₁t＋Δ)cos(ω₂t)＝cos(Δ)cos(3ω₁t)cos(ω₂t)−sin(Δ)sin(3ω₁t)cos(ω₂t)
＝cos(Δ)(cos(3ω₁t＋ω₂t)＋cos(3ω₁t−ω₂t))/２
−sin(Δ)(sin(3ω₁t＋ω₂t)＋sin(3ω₁t−ω₂t))/２
となる。従って、ｆ₁＝ｆ₂の場合、（６）の右辺の第２項は直流成分を与えない。また、本実施の形態では、いずれの基準周波数も測定波形の基本波の周波数の(2n＋1)倍（nは自然数）に等しくならないように複数の基準周波数を予め設定しておくものとする。例えば、基準周波数を５０Ｈｚおよび６０Ｈｚに設定した場合には、測定波形の周波数は５０Ｈｚまたは６０Ｈとなるので、この条件を満たす。この条件のもとでは、3f₁＝f₂（3ω₁＝ω₂）となることはないので、ｆ₁≠ｆ₂の場合に、（６）の右辺の第２項は直流成分を与えない。

以上は、測定波形に５次以上の高調波成分が含まれる場合も同様である。つまり、直流成分の有無に関する限り、測定波形が高調波成分を含有していても、含有してない場合と同様に考えることができる。

図５は、測定波形と基準波形との乗算結果に含まれる周波数成分を示したさらに別の図である。詳細には、図５（ａ）は、５０Ｈｚの正弦波に高調波成分、低周波成分およびオフセット成分が加算された測定波形を示した図である。図５（ｂ）は、測定波形と同じ位相の６０Ｈｚの正弦波である基準波形と、測定波形との乗算をＦＦＴした結果を示した図である。この場合、周波数０にピークを持つ成分、すなわち、直流成分は生じない。図５（ｃ）は、測定波形と同じ位相の５０Ｈｚの正弦波である基準波形と、測定波形との乗算をＦＦＴした結果を示した図である。この場合は、周波数０にピークＰを持つ成分、すなわち、直流成分が検出される。従って、測定波形の周波数を基準波形の周波数である５０Ｈｚに特定することができる。

このように、測定波形に高調波成分もしくはオフセット成分もしくは低周波成分またはこれらの組合せが含まれている場合であっても、測定波形と基準波形との積に直流成分が含まれるか否かに関しては、高調波成分もしくはオフセット成分もしくは低周波成分またはこれらの組合せが含まれない場合と同様に考えることができる。上記の例では、Δ＝０の場合も含めて、（３）の場合と同様に考えればよいので、直流成分を検出することで周波数を特定できることがわかる。

すなわち、測定波形に基準波形を乗算し、この乗算結果に基づいて直流成分の有無を確認することで、測定波形のゼロクロスの検出を行うことなく、電路１に流れる電流の周波数を特定することが可能になる。

次に、本実施の形態の動作について説明する。変流器１４は、電路１に流れる電流に応じた電流信号を制御処理部３２に出力する。制御処理部３２内では、Ａ／Ｄ変換回路９が変流器１４により検出された電流信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。

乗算回路８は、Ａ／Ｄ変換回路９から出力された電流波形（測定波形）と、基準波形記憶部１５に記憶された各基準波形との乗算を実行する。基準波形記憶部１５は、複数の基準周波数のそれぞれについて、基準周波数の基準波形を予め記憶している。上述したように、これらの複数の基準周波数のうちのいずれかは、電路１に流れる交流電流の周波数に等しい。また、基準波形記憶部１５は、各基準周波数について、位相が互いに異なりかつ位相差がπの整数倍とならないような複数個の基準波形を予め記憶している。乗算回路８は、各乗算データをＦＦＴ回路７に出力する。

ここで、基準波形の具体例を挙げる。基準周波数は例えばｆ₂₁＝５０Ｈｚおよびｆ₂₂＝６０Ｈｚとする。各基準周波数について例えば２個の基準波形を設定する場合、基準周波数５０Ｈｚを有する基準波形は、cos(ω₂₁t)，cos(ω₂₁t＋θ)、基準周波数６０Ｈｚを有する基準波形は、cos(ω₂₂t)，cos(ω₂₂t＋θ)とすることができる。ここで、ω₂₁＝2πf₂₁，ω₂₂＝2πf₂₂であり、θは例えばπ/６である。測定波形を例えばcos(ω₁t＋Δ)とすると、乗算回路８は、cos(ω₁t＋Δ)cos(ω₂₁t)，cos(ω₁t＋Δ)cos(ω₂₁t＋θ)，cos(ω₁t＋Δ)cos(ω₂₂t)，cos(ω₁t＋Δ)cos(ω₂₂t＋θ)をサンプリングデータについて演算する。

次に、ＦＦＴ回路７は、乗算回路８から出力された乗算データを高速フーリエ変換し、周波数成分のデータへ変換する。ＦＦＴ回路７は、測定波形と各基準波形との乗算データのそれぞれについて演算を実行する。ＦＦＴ回路７は、演算結果を比較判定回路１０に出力する。

比較判定回路１０は、ＦＦＴ回路７から出力された各乗算データの周波数成分に直流成分が含まれるか否かを比較判定し、直流成分を含むような乗算データを特定し、当該特定された乗算データに対応する基準周波数を電路１に流れる電流の周波数として検出する。なお、特定された乗算データに対応する基準周波数とは、当該乗算データの乗算に用いられた基準波形の基準周波数である。ここで、乗算データにおける直流成分は、基準周波数が測定波形の周波数に一致しない場合は、理想的には０となるはずであるが、ＦＦＴ回路７での演算に用いる波形データは有限のサンプリング時間でサンプリングされ、サンプリング数が有限であることから、該直流成分は実際には０とはならず、ある程度の低い数値が発生する場合がある。そのため、比較判定回路１０は、各乗算データに含まれる直流成分を比較し、最も大きい直流成分を与えるような乗算データに対応する基準周波数を電路１に流れる電流の周波数として検出するものである。

上記の例では、比較判定回路１０は、乗算データcos(ω₁t＋Δ)cos(ω₂₁t)，cos(ω₁t＋Δ)cos(ω₂₁t＋θ)，cos(ω₁t＋Δ)cos(ω₂₂t)，cos(ω₁t＋Δ)cos(ω₂₂t＋θ)の周波数成分に含まれる直流成分の大きさを比較し、最も大きい直流成分を与えるような乗算データを特定し、当該特定された乗算データに対応する基準周波数を電路１に流れる電流の周波数として検出する（図４（ｄ）参照）。

以上のように、本実施の形態の回路遮断器３０は、交流電流が流れる電路１を開閉可能な回路遮断器であって、電路１に流れる交流電流に応じた電流信号を出力する変流器１４と、いずれかが前記交流電流の周波数に等しい複数の基準周波数のそれぞれについて基準周波数の基準波形を予め記憶する基準波形記憶部１５と、変流器１４から出力された電流波形と基準波形記憶部１５に記憶された前記各基準波形との乗算をする乗算回路８と、乗算回路８で乗算された各乗算データを高速フーリエ変換し周波数成分へ変換するＦＦＴ回路７と、ＦＦＴ回路７で周波数成分へ変換された前記各乗算データに直流成分が含まれるか否かを判定し、最も大きな直流成分を含むような乗算データに対応する基準周波数を電路１に流れる交流電流の周波数として検出する比較判定回路１０とを備えている。

このような構成により、電路１に流れる電流に高調波成分もしくオフセット成分もしくは低周波成分またはこれらの任意の組合せが含まれる場合でも、電流波形のゼロクロス点を求める必要がないので、電路１に流れる交流電流の周波数を精度よく検出することができる。

また、本実施の形態では、特性設定部１１によりユーザーが周波数を設定することができる。回路遮断器３０は、設定された周波数を用いて各種の演算および表示等を行う。この構成において、ユーザーが周波数の設定を間違った場合でも、周波数検出部３３が独自に周波数を検出するので、ユーザーの設定間違いを検出し、ユーザーへその旨を外部表示もしくは接点出力し、設定間違いの可能性がある旨を知らせることが可能となる。詳細には、比較判定回路１０は、検出された周波数と特性設定部１１を介して設定された周波数とが一致するか否かを判定し、一致しない場合には例えば表示部６を介してその旨を報知する。

以上のように、本発明に係る回路遮断器は、気中遮断器として有用である。

１，１ａ〜１ｃ，１ｎ電路、２，２ａ〜２ｃ，２ｎ開閉接点、３電磁装置、４電源回路、５トリガ回路、６，１２表示部、７ＦＦＴ回路、８乗算回路、９Ａ／Ｄ変換回路、１０比較判定回路、１１特性設定部、１３，１３ａ〜１３ｃ，１３ｎ，１４，１４ａ〜１４ｃ，１４ｎ変流器、１５基準波形記憶部、１６整流回路、３０回路遮断器、３１遮断制御部、３２制御処理部、３３周波数検出部。

次に、測定波形にオフセット成分が含まれ、かつ、測定波形と基準波形の位相が等しい場合について検討する。オフセット成分をＡとすると、測定波形に基準波形を乗算することで得られる波形は次の通りとなる。
(Ａ＋cos(ω₁t))cos(ω₂t)＝Ａcos(ω₂t)＋cos(ω₁t)cos(ω₂t)・・・（２）
上式の右辺第１項は基準波形の周波数成分、右辺第２項は（１）の波形と同じ波形である。この場合でもｆ₁＝ｆ₂であれば直流成分が生じ、ｆ₁≠ｆ₂であれば直流成分は生じない。すなわち、測定波形にオフセット成分が含まれていたとしても、測定波形と基準波形が同位相でかつ周波数が同じ場合、両波形を乗算して直流成分を検出することで、測定波形の周波数を特定することができる。

Claims

交流電流が流れる電路を開閉可能な回路遮断器であって、
前記電路に流れる交流電流に応じた電流信号を出力する変流器と、
いずれかが前記交流電流の周波数に等しい複数の基準周波数のそれぞれについて基準周波数の基準波形を予め記憶する基準波形記憶部と、
前記変流器から出力された電流波形と前記基準波形記憶部に記憶された前記各基準波形との乗算をする乗算部と、
前記乗算部で乗算された各乗算データをフーリエ変換し周波数成分へ変換するフーリエ変換部と、
前記フーリエ変換部で周波数成分へ変換された前記各乗算データに直流成分が含まれるか否かを判定し、最も大きな直流成分を含むような乗算データに対応する基準周波数を前記電路に流れる交流電流の周波数として検出する比較判定部と、
を備えることを特徴とする回路遮断器。
前記変流器から出力された電流信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換を備え、
前記乗算部は、前記Ａ／Ｄ変換部によりデジタルデータに変換された電流波形と前記各基準波形との乗算をし、
前記フーリエ変換部は、前記乗算部で乗算された各乗算データを高速フーリエ変換することを特徴とする請求項１に記載の回路遮断器。
前記基準波形記憶部は、前記各基準周波数について、位相が互いに異なりかつ位相差がπの整数倍とならない複数の基準波形を予め記憶していることを特徴とする請求項２に記載の回路遮断器。
周波数を設定可能な特性設定部を備え、
前記比較判定部は、検出された周波数と前記特性設定部を介して設定された周波数とが一致するか否かを判定し、一致しない場合にはその旨を報知することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回路遮断器。