JP4588985B2

JP4588985B2 - 高調波解析装置

Info

Publication number: JP4588985B2
Application number: JP2003291131A
Authority: JP
Inventors: 敏昭塩田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2023-08-11
Also published as: JP2005061939A

Description

本発明は、三相交流回路等の交流回路に発生する高調波の解析装置に関する。

今日、テレビやインバータ形式の蛍光灯、エアコン等の電気機器に流れる電流には高調波成分が含まれる場合が多い。また、電力設備に高調波を発生させる機器が接続されている場合にも、交流回路に高調波電流が流れる。このような高調波は、他の電気設備に悪影響を与える為、高調波解析を行う必要がある。

図７は三相４線式の三相交流回路に流れる高調波電流の解析装置のシステム図である。また、図８は上記高調波解析装置の入力端子の設置位置を示す図である。尚、同図の三相交流回路はスター・スター結線であり、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相に加え、中性点間が接続され、三相４線結線である。

この場合、同図に示す結線図のｒ、ｓ、ｔ、ｗは、高調波解析装置の入力端子を示す。これらの入力端子は、それぞれ対応する信号ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ）、ｉ３（ｔ）、ｉ４（ｔ）を検出し、入力回路１〜４に出力する。入力回路１〜４は検出電流の正規化処理を行い、対応するＡＤＣ（アナログディジタル変換器）に送信し、共通のサンプリングクロックによってディジタルデータに変換する。

ＤＳＰ（ディジタルシグナルプロッセッサ）５は、上記ディジタルデータに変換された入力信号を処理し、メモリ６に保存する。また、メモリ６に保存した信号に対し、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行い、処理結果をＣＰＵ７に出力する。ＣＰＵ７は上記演算結果を表示器８に表示し、高調波の解析処理を行う。

また、特許文献１には交流周波数の基本波成分又は高調波成分を抽出し、交流電力系統の高調波電流を確実に補償する構成が開示されている。

特開平９−２０９６４４号公報

上記従来の高調波解析装置では、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相に加え、中性点間が接続され、高調波解析を行う為、４入力回路を有する高調波解析装置が必要となる。この為、従来の高調波解析装置では装置のコストアップの原因となっている。

上記課題は、請求項１に記載した発明によれば、高調波を含む波形信号を入力するｎ個の入力回路と、該入力回路から入力した信号をディジタルの波形信号データに変換するｎ個の変換回路と、該ｎ個の変換回路から入力した波形信号データからこれらの波形信号データに関連する他の波形信号データを生成する演算器と、該演算器と前記ｎ個の変換回路とから入力した波形信号データを記憶するメモリと、該メモリから読み出された波形信号データをフーリエ変換する高速フーリエ変換演算器と、該演算結果を表示する表示器と、を有し、
前記入力回路に入力する波形信号は、インバータ式蛍光灯の２線を流れる電流波形の信号であり、前記演算器で生成する波形信号データは、蛍光灯内を流れるランプ電流の波形信号データであることを特徴とする高調波解析装置を提供することによって達成できる。

ここで、上記入力回路は同じ構成のｎ個の回路で構成され、例えば波形信号を検出する入力端子から高調波を含むｎ個の信号を受信し、それぞれの回路で正規化処理を行う。

また、演算器はｎ個の入力回路から入力した波形信号を加算、減算、乗算または除算処理することによって、上記ｎ個の波形信号に関連する波形信号を生成し、高速フーリエ変換処理を行って周波数や高調波の次数に対する信号の振幅値を数値やグラフにより表示器に表示する。

このように構成することにより、少ない入力回路（例えば、ｎ個の入力回路）しかもたない高調波解析装置であっても、より多くの入力信号（例えば、ｎ＋１個以上の入力信号）の高調波解析を可能とすることができる。

また、前記波形信号は変換回路によってディジタル信号に変換された後、前記メモリに記憶される構成である。
このように構成することにより、以後の信号処理を容易にすることができる。

また、前記入力回路に入力する波形信号は、インバータ式蛍光灯の２線を流れる電流波形の信号であり、前記演算器で生成する波形信号は、蛍光灯内を流れるランプ電流の波形信号である。
本例は、インバータ式蛍光灯の２線を流れる電流波形から、蛍光灯内を流れるランプ電流の波形信号を生成し、ランプ電流の高調波解析も可能とするものである。
このように構成することにより、従来解析が困難なランプ電流についても高調波解析を可能とすることができる。

請求項２の記載は、上記請求項１の記載において、前記演算器は加算器、減算器、乗算器、除算器またはこれらの複合器である。
請求項３の記載は、上記請求項１又は２の記載において、前記表示器に表示する演算結果は、ＣＰＵの表示制御による。

本発明は上記構成により、少ない入力回路を有する高調波解析装置によってより多くの信号の高調波解析を行うことができ、コストの安い高調波解析装置を使用することも可能となる。
また、従来解析が困難であった信号の高調波解析を可能とすることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は本実施形態の高調波解析装置を使用する三相４線式の三相交流回路の回路図である。同図において、電源１０は、例えば三相誘導発電機や同期発電機等の交流電源であり、スター結線されている。したがって、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相に加え、中性点１０ａを有する。一方、負荷１１は三相誘導電動機等の三相負荷であり、高調波を発生させ易い負荷である。

上記電源１０と負荷１１は、それぞれ対応する相間が接続され、更に中性点１０ａと１１ａが中性線で接続されている。また、各線には当該ラインを流れる電流の高調波を検出する入力端子ｒ、ｓ、ｔが配設され、各ラインを流れる電流の高調波を検出する。

図２は本例の高調波解析装置のシステム構成図である。同図において、入力回路１２〜１４は上記入力端子ｒ、ｓ、ｔで検出した高調波信号を正規化させる回路である。

ＡＤＣ１５〜１７は入力するアナログ信号を共通のサンプリングクロックを用いてディジタルデータに変換し、ＤＳＰ（ディジタルシグナルプロッセッサ）１８に出力する。このサンプリングクロックは、入力するアナログ信号の基本波の周波数を整数倍（例えば５１２倍）した周波数に設定される。

図３は、ＤＳＰ（ディジタルシグナルプロッセッサ）１８の回路構成を説明する回路図である。尚、ＤＳＰ１８にはメモリ１９が接続されている。ＤＳＰ１８は演算器２０、及びＦＦＴ（高速フーリエ変換）演算器２１を内蔵し、演算器２０の出力は上記メモリ１９に供給される。また、メモリ１９の出力はＦＦＴ（高速フーリエ変換）演算器２１に出力される。

演算器２０は前述のＡＤＣ１５〜１７によってディジタルデータに変換された検出信号ｉ１（ｍ）、ｉ２（ｍ）、ｉ３（ｍ）を加算し、メモリ１９に書き込む。ｍは時刻ｔの信号をＡ／Ｄ変換したときのディジタルデータの順番を示している。演算器２０は同一時刻に入力するｉ１（ｍ）、ｉ２（ｍ）、ｉ３（ｍ）を加算し、中性線を流れるｉ４（ｍ）を演算する。すなわち、
ｉ４（ｍ）＝ｉ１（ｍ）＋ｉ２（ｍ）＋ｉ３（ｍ）
の演算を行い、基本波周期の整数倍の間で得られるデータ数分、メモリ１９に加算結果を保存する。尚、図４は上記各検出電流ｉ１（ｍ）、ｉ２（ｍ）、ｉ３（ｍ）に対する演算結果（ｉ４（ｍ））を波形図を用いて示すものである。

次に、メモリ１９からｉ１（ｍ）、ｉ２（ｍ）、ｉ３（ｍ）の各保存値、及び演算結果であるｉ４（ｍ）の保存値をＦＦＴ（高速フーリエ変換）演算器２１に読み出し、それぞれについてＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行う。この結果は、ＣＰＵ２２に出力され、ＣＰＵ２２は各演算結果を表示器２３に表示する。
尚、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行うためには、上述したように基本波周期の整数倍の間で得られるデータが全て存在しなければならない。このため、演算器で算出した必要数のデータを一旦メモリに保存する構成としている。この時のメモリは、メモリ１９の内部を領域分けしても良いし、別途メモリを設けても良い。

以上のように処理することによって、３入力端子の高調波解析装置を用いて三相４線の三相交流回路の中性線を流れる電流の高調波解析が可能となる。
尚、上記実施形態１ではスター・スター結線の三相交流回路に使用する高調波解析装置について説明したが、例えば図５に示すスター・デルタ結線の電源側の相電圧の高調波解析についても同様に適用することができる。また、同図に示す例は三相負荷３０がデルタ結線であり、三相電源３１がスター結線である。

そして、線間電圧Ｕ１（ｔ）、及びＵ２（ｔ）の電圧信号を検出し、ＤＳＰ（演算器）によって、各相の電圧は以下のようになる。
Ｕ４（ｍ）＝Ｕ１（ｍ）−（Ｕ１（ｍ）＋Ｕ２（ｍ））／３
Ｕ５（ｍ）＝Ｕ２（ｍ）−（Ｕ１（ｍ）＋Ｕ２（ｍ））／３
Ｕ６（ｍ）＝−（Ｕ１（ｍ）＋Ｕ２（ｍ））／３

そして、上記各演算結果に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）演算を実行し、表示器に表示することによって各相電圧の高調波解析が可能となる。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について説明する。本例はインバータ式の蛍光灯のランプ電流の高調波解析装置である。

図６はインバータ式の蛍光灯の回路図である。同図において、蛍光灯（蛍光管）２５内には水銀やアルゴンガス等の蛍光物質が封入され、安定器２６を介して供給される交流電源２７からの電源供給によって蛍光灯２５内にランプ電流を流し、発光を行う。

この回路の場合、ランプ電流の高調波解析は通常困難である。しかし、本例によれば、２入力端子を有する高調波解析装置を使用することによってランプ電流の高調波解析が可能になる。

すなわち、前述の実施形態と同様、入力端子ａ、ｂで検出した高調波信号を正規化し、ＡＤＣによってディジタルデータに変換し、ＤＳＰに出力する。ＤＳＰは前述のように、演算器とＦＦＴ演算器で構成され、ディジタルデータである検出信号ｉ１（ｍ）からｉ２（ｍ）を減算し、ランプ電流ｉ３（ｍ）を演算する。
すなわち、ｉ３（ｍ）＝ｉ１（ｍ）−ｉ２（ｍ）
の演算を行い、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を実行し、ランプ電流ｉ３（ｍ）を得、このランプ電流に含まれる高調波解析を行う。

以上のように、本例によればインバータ式の蛍光灯のランプ電流の高調波解析が可能となる。

実施形態１の高調波解析装置を使用する三相４線式の三相交流回路の回路図である。高調波解析装置のシステム構成図である。ＤＳＰ（ディジタルシグナルプロッセッサ）の回路構成を説明する図である。各検出電流に対する演算結果を波形図を用いて示す図である。実施形態１の変形例を説明する図である。実施形態２の高調波解析を説明する図である。従来の三相交流回路に流れる高調波電流の解析装置のシステム図である。従来の高調波解析装置の入力端子の設置位置を示す図である。

符号の説明

１０電源
１０ａ中性点
１１負荷
１１ａ中性線
１２、１３、１４入力回路
１５、１６、１７ＡＤＣ
１８ＤＳＰ（ディジタルシグナルプロッセッサ）
１９メモリ
２０演算器
２１ＦＦＴ演算器
２２ＣＰＵ
２３表示器

Claims

高調波を含む波形信号を入力するｎ個の入力回路と、
該入力回路から入力した信号をディジタルの波形信号データに変換するｎ個の変換回路と、
該ｎ個の変換回路から入力した波形信号データからこれらの波形信号データに関連する他の波形信号データを生成する演算器と、
該演算器と前記ｎ個の変換回路とから入力した波形信号データを記憶するメモリと、
該メモリから読み出された波形信号データをフーリエ変換する高速フーリエ変換演算器と、
該演算結果を表示する表示器と、
を有し、
前記入力回路に入力する波形信号は、インバータ式蛍光灯の２線を流れる電流波形の信号であり、前記演算器で生成する波形信号データは、蛍光灯内を流れるランプ電流の波形信号データであることを特徴とする高調波解析装置。
前記演算器は加算器、減算器、乗算器、除算器またはこれらの複合器であることを特徴とする請求項１記載の高調波解析装置。
前記表示器に表示する演算結果は、ＣＰＵの表示制御によることを特徴とする請求項１又は２記載の高調波解析装置。