JP4596265B2 - 三相電力測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電力から三相の交流電力を出力する電圧型ＰＷＭインバータ装置の電力を測定する三相電力測定装置に関し、詳しくは、三相の交流電力全体に対する周波数スペクトラム解析を行なうことができる三相電力測定装置に関するものである。

図６は、モータ等を駆動するための三相電源の電力を測定する従来の三相電力測定装置の構成を示した図である（例えば、特許文献１、２参照）。図６において、電圧入力端子Ｖｉｎは、三相電源のうちの所望の相、例えば、Ｒ相の電圧信号が入力される。電流入力端子Ｉｉｎは、三相電源のうちの所望の相（例えばＲ相）からの電流信号が入力される。

入力回路１０は、端子Ｖｉｎ，Ｉｉｎそれぞれの後段に設けられ、電圧、電流の振幅を正規化し、所定の振幅にする。ＡＤ変換回路１１は、入力回路１０ごとに設けられ、入力回路１０で正規化されたアナログ信号である電圧値、電流値をデジタル信号に変換する。サンプリングクロック生成回路１２は、ＡＤ変換回路１１にサンプリングクロックを供給し、ＡＤ変換回路１１同士の同期も図っている。

ＦＦＴ演算回路１３は、ＡＤ変換回路１１ごとに設けられ、デジタル値に変換された電圧値、電流値からＦＦＴ演算を行ない、周波数スペクトラムを求める。電力演算回路１４は、ＦＦＴ演算回路１３それぞれからのＦＦＴ演算結果を、各周波数で乗算・加算演算し、電力値の周波数スペクトラムを演算する。そして、演算結果を表示部１５に表示する。

特開平１１−３４４５１４号公報 特開２００４−２７９１５３号公報

近年は、モータを駆動するのに、直流電力から三相の交流電力を出力する電圧型ＰＷＭインバータ装置が三相電源に用いられることが多くなっている（例えば、特開２００１−７８４６６号公報、特開２００３−１８００８３号公報、特許第３４２４１５５号公報）。このようなインバータ装置では、直流電圧から交流電圧を生成するが、スイッチングを行なって電圧をＰＷＭ変調するため、基本周波数（数［Ｈｚ］〜数百［Ｈｚ］）に対して非常に高次の周波数成分が含まれる。例えば、周波数成分では数［ｋＨｚ］〜数十［ｋＨｚ］が含まれ、フーリエ変換が１［Ｈｚ］または１０［Ｈｚ］の分解能であれば、１万次程度は必要となる。

このような非常に広帯域にわたる周波数成分が含まれる場合の電力測定や、モータ等の被試験対象装置をより高精度に測定したいという要望が増えている。

しかしながら、図６に示すように、各相ごとの電力値を測定するだけでは精度よく被試験対象装置への電力全体の入出力を測定することが不十分であるという問題があった。

そこで本発明の目的は、三相の交流電力全体に対する周波数スペクトラム解析を行なうことができる三相電力測定装置を実現することにある。

請求項１記載の発明は、
直流電力から三相の交流電力を出力する電圧型ＰＷＭインバータ装置の電力を測定する三相電力測定装置において、
前記電圧型ＰＷＭインバータ装置の第１相の電圧値と電流値それぞれをフーリエ変換し、第１相の電力値の周波数スペクトラムを測定する第１の測定部と、
前記電圧型ＰＷＭインバータ装置の第２相の電圧値と電流値それぞれをフーリエ変換し、第２相の電力値の周波数スペクトラムを測定する第２の測定部と、
前記電圧型ＰＷＭインバータ装置の第３相の電圧値と電流値それぞれをフーリエ変換し、第３相の電力値の周波数スペクトラムを測定する第３の測定部と、
前記第１〜第３の測定部からの電力値の周波数スペクトラムを加算する加算部と
を設けたことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、
直流電力から三相の交流電力を出力する電圧型ＰＷＭインバータ装置の電力を測定する三相電力測定装置において、
前記電圧型ＰＷＭインバータ装置の第１相からの電流値、第１相と第２相の相間電圧値それぞれをフーリエ変換し、第１の電力値の周波数スペクトラムを測定する第１の測定部と、
前記電圧型ＰＷＭインバータ装置の第３相からの電流値、第２相と第３相の相間電圧値それぞれをフーリエ変換し、第２の電力値の周波数スペクトラムを測定する第２の測定部と、
前記第１、第２の測定部からの第１、第２の電力値の周波数スペクトラムを加算する加算部と
を設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項１によれば、各測定部が、各相の電力値の周波数スペクトラムを求め、加算部が、各相の周波数スペクトラムを周波数それぞれで加算するので、電圧型ＰＷＭインバータ装置から入出力される三相の交流電力全体に対する周波数スペクトラム解析を行なうことができる。
請求項２によれば、各測定部が、各相間の電力値の周波数スペクトラムを求め、加算部が、各測定部で求めた周波数スペクトラムを周波数それぞれで加算するので、電圧型ＰＷＭインバータ装置から入出力される三相の交流電力全体に対する周波数スペクトラム解析を行なうことができる。

以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
［第１の実施例］
図１は、本発明の第１の実施例を示した構成図であり、図２は、図１に示す装置による三相電力測定法の接続の一例を示した図であり、三相４線結線で三相電力を測定する例を示している。ここで、図６と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。

図１、図２において、電圧型ＰＷＭインバータ装置１００は、スター結線された三相交流電源であり、直流電源１０１の直流電圧から交流電圧を生成し、電圧、電流を出力する。負荷２００は、例えば、モータ等の被試験装置であり、スター結線された三相負荷である。インバータ装置１００と負荷２００は、中性点を接続する中性線３００、Ｒ相（第１相）の送電線３０１、Ｓ相（第２相）の送電線３０２、Ｔ相（第３相）の送電線３０３を介して接続される。

電流入力端子Ｉ１〜Ｉ３，電圧入力端子Ｖ１〜Ｖ３は、三相電力測定装置の入力端子である。電流入力端子Ｉ１〜Ｉ３それぞれは、本装置で電流信号を測定するため、送電線３０１、３０２、３０３に設けられ、電圧入力端子Ｖ１〜Ｖ３のそれぞれは、本装置で電圧信号を測定するため、送電線３０１と中性線３００の間、送電線３０２と中性線３００の間、送電線３０３と中性線３００の間に設けられる。

入力回路１０（１）は、端子Ｖ１から電圧信号が入力され、入力回路１０（３）は、端子Ｖ２から電圧信号が入力され、入力回路１０（５）は、端子Ｖ３から電圧信号が入力される。

入力回路１０（２）は、端子Ｉ１から電流信号が入力され、入力回路１０（４）は、端子Ｉ２から電流信号が入力され、入力回路１０（６）は、端子Ｉ３から電流信号が入力される。

ＡＤ変換回路１１（１）〜１１（６）のそれぞれは、入力回路１０（１）〜（６）の出力側に接続される。サンプリングクロック生成回路１２は、ＡＤ変換回路１１（１）〜１１（６）のそれぞれに、サンプリングクロックを供給し、ＡＤ変換回路１１（１）〜１１（６）同士の同期も図っている。ＦＦＴ演算回路１３（１）〜１３（６）のそれぞれは、ＡＤ変換回路１１（１）〜１１（６）の出力側に接続される。

電力演算回路１４（１）は、ＦＦＴ演算回路１３（１）、１３（２）の出力側に接続される。電力演算回路１４（２）は、ＦＦＴ演算回路１３（３）、１３（４）の出力側に接続される。電力演算回路１４（３）は、ＦＦＴ演算回路１３（５）、１３（６）の出力側に接続される。

ここで、第１の測定部Ｍ１は、端子Ｖ１，Ｉ１，入力回路１０（１）、１０（２）、ＡＤ変換回路１１（１）、１１（２）、ＦＦＴ演算回路１３（１）、１３（２）、電力演算回路１４（１）で構成され、インピーダンス装置１００の第１相の電圧値と電流値それぞれをフーリエ変換し、第１相の電力値の周波数スペクトラムを測定する。

また、第２の測定部Ｍ２は、端子Ｖ２，Ｉ２，入力回路１０（３）、１０（４）、ＡＤ変換回路１１（３）、１１（４）、ＦＦＴ演算回路１３（３）、１３（４）、電力演算回路１４（２）で構成され、インピーダンス装置１００の第２相の電圧値と電流値それぞれをフーリエ変換し、第２相の電力値の周波数スペクトラムを測定する。

ここで、第３の測定部Ｍ３は、端子Ｖ３，Ｉ３，入力回路１０（５）、１０（６）、ＡＤ変換回路１１（５）、１１（６）、ＦＦＴ演算回路１３（５）、１３（６）、電力演算回路１４（３）で構成され、インピーダンス装置１００の第３相の電圧値と電流値それぞれをフーリエ変換し、第３相の電力値の周波数スペクトラムを測定する。

Σ演算回路１６は、加算部であり、電力演算回路１４（１）〜１４（３）の出力側に接続され、演算結果を表示部１５に表示する。

このような装置の動作を説明する。
入力回路１０（１）、１０（３）、１０（５）が、端子Ｖ１〜Ｖ３からの電圧の振幅を正規化し、所定の振幅にする。また、入力回路１０（２）、１０（４）、１０（６）が、端子Ｉ１〜Ｉ３からの電流の振幅を正規化し、所定の振幅にする。

そして、ＡＤ変換回路１１（１）〜１１（６）が、サンプリングクロック生成回路１２からのサンプリングクロックに同期して、入力回路１０で正規化されたアナログ信号である電圧値、電流値をデジタル信号に変換する。さらに、ＦＦＴ演算回路１３（１）〜１３（６）が、デジタル値に変換された電圧値、電流値からＦＦＴ演算を行ない、周波数スペクトラムを求める。

そして、電力演算回路１４（１）が、ＦＦＴ演算回路１３（１）、１３（２）からのＦＦＴ演算結果を、各周波数で乗算・加算演算し、電力値の周波数スペクトラムを演算する。これにより、Ｒ相の電力値のスペクトラムが求まる。同様に、電力演算回路１４（２）が、ＦＦＴ演算回路１３（３）、１３（４）からのＦＦＴ演算結果を、各周波数で乗算・加算演算し、Ｓ相の電力値の周波数スペクトラムを演算する。また、電力演算回路１４（３）は、ＦＦＴ演算回路１３（５）、１３（６）からのＦＦＴ演算結果を、各周波数で乗算・加算演算し、Ｒ相の電力値の周波数スペクトラムを演算する。

さらに、Σ演算回路１６が、電力演算回路１４（１）〜１４（３）で算出されたＲ相、Ｓ相、Ｔ相の周波数スペクトラムを、各周波数で加算し、三相全体の電力値の周波数スペクトラムを演算し、周波数スペクトラム解析結果を表示部１５に表示する。例えば、下記の式（１）で、三相４線式における三相電力の周波数スペクトラムを求める

ＰΣ（ｋ）＝Ｐ１（ｋ）＋Ｐ２（ｋ）＋Ｐ３（ｋ） …（１）

ここで、Ｐ１（ｋ）は、Ｒ相における周波数成分の周波数スペクトラム解析であり、Ｐ２（ｋ）は、Ｓ相における周波数成分の周波数スペクトラム解析であり、Ｐ３（ｋ）は、Ｔ相における周波数成分の周波数スペクトラム解析である。また、ｋは、周波数である。

図３は、図１に示す装置における入力波形、演算結果の周波数スペクトラムの一例を示した図である。図３（ａ）は、端子Ｖ１〜Ｖ３，Ｉ１〜Ｉ３に入力される各相からのＰＷＭ変調された交流電圧、交流電流の波形であり、図３（ｂ）は、電力演算回路１４（１）〜１４（３）が演算した各相の電力値のスペクトラムであり、図３（ｃ）は、Σ演算回路１６が演算した三相全体の電力値のスペクトラムである。

このように、各測定部Ｍ１〜Ｍ３が、各相の電力値の周波数スペクトラムを求め、Σ演算回路１６が、各相の周波数スペクトラムを周波数それぞれで加算するので、インバータ装置１００と負荷２００間における三相の交流電力全体に対する周波数スペクトラム解析を行なうことができる。

［第２の実施例］
図４は、本発明の第２の実施例を示した構成図である。図５は、図４に示す装置による三相電力測定法の接続のその他の例を示した図であり、三相３線結線で三相電力を測定する例を示している。ここで、図１、図２と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。

図４において、第３の測定部Ｍ３が取り外される。また、図５において、中性線３００が取り外され、電流入力端子Ｉ２は、本装置で電流信号を測定するため、送電線３０２の代わりに送電線３０３に設けられる、電圧入力端子Ｖ１は、本装置で電圧信号を測定するため、送電線３０１と中性線３００の間の代わりに送電線３０１と送電線３０２の間に設けられる。また、電圧入力端子Ｖ２は、送電線３０２と中性線３００の間の代わりに送電線３０２と送電線３０３の間に設けられる。

つまり、第１の測定部Ｍ１は、インバータ装置１００の第１相からの電流値、第１相と第２相の相間（線間とも呼ばれる）電圧値それぞれをフーリエ変換し、第１相と第２相の相間電力値（第１の電力値）の周波数スペクトラムを測定する。

一方、第２の測定部Ｍ２は、インバータ装置１００の第３相からの電流値、第２相と第３相の相間電圧値それぞれをフーリエ変換し、第２相と第３相の相間電力値（第２の電力値）の周波数スペクトラムを測定する。

このような装置の動作を説明する。
入力回路１０（１）、１０（３）が、端子Ｖ１、Ｖ２からの相間電圧の振幅を正規化し、所定の振幅にする。また、入力回路１０（２）、１０（４）が、端子Ｉ１、Ｉ２からの電流の振幅を正規化し、所定の振幅にする。

そして、ＡＤ変換回路１１（１）〜１１（４）が、サンプリングクロック生成回路１２からのサンプリングクロックに同期して、入力回路１０で正規化されたアナログ信号である電圧値、電流値をデジタル信号に変換する。さらに、ＦＦＴ演算回路１３（１）〜１３（４）が、デジタル値に変換された電圧値、電流値からＦＦＴ演算を行ない、周波数スペクトラムを求める。

そして、電力演算回路１４（１）が、ＦＦＴ演算回路１３（１）、１３（２）からのＦＦＴ演算結果を、各周波数で乗算・加算演算し、電力値の周波数スペクトラムを演算する。これにより、Ｒ相とＳ相間の電力値のスペクトラムが求まる。同様に、電力演算回路１４（２）が、ＦＦＴ演算回路１３（３）、１３（４）からのＦＦＴ演算結果を、各周波数で乗算・加算演算し、Ｓ相とＴ相間の電力値の周波数スペクトラムを演算する。

さらに、Σ演算回路１６が、電力演算回路１４（１）、１４（２）で算出された第１、第２の周波数スペクトラムを、各周波数で加算し、三相全体の電力値の周波数スペクトラムを演算し、周波数スペクトラム解析結果を表示部１５に表示する。例えば、下記の式（２）で、三相３線式における三相電力の周波数スペクトラムを求める

ＰΣ（ｋ）＝Ｐ１（ｋ）＋Ｐ２（ｋ） …（２）

ここで、Ｐ１（ｋ）は、Ｒ相とＳ相間における周波数成分の周波数スペクトラム解析であり、Ｐ２（ｋ）は、Ｓ相とＴ相間における周波数成分の周波数スペクトラム解析である。また、ｋは、周波数である。

このように、各測定部Ｍ１、Ｍ２が、各相間の電力値の周波数スペクトラムを求め、Σ演算回路１６が、求めた周波数スペクトラムを周波数それぞれで加算するので、インバータ装置１００と負荷２００間における三相の交流電力全体に対する周波数スペクトラム解析を行なうことができる。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下に示すようなものでもよい。
図４、図５に示す装置において、インバータ装置１００、負荷２００をスター結線とする構成を示したが、デルタ結線としてもよい。

本発明の第１の実施例を示した構成図である。 図１に示す装置を用いた三相電力測定法の接続の一例を示した図である。 図１に示す装置に入力される電圧・電流の波形、演算結果のスペクトラムの一例を示した図である。 本発明の第２の実施例を示した構成図である。 図４に示す装置を用いた三相電力測定法の接続の一例を示した図である。 従来の電力測定装置の構成を示した図である。

符号の説明

１００ 電圧型ＰＷＭインバータ装置
Ｍ１〜Ｍ３ 測定部
１６ Σ演算回路（加算部）

Claims (2)

1. 直流電力から三相の交流電力を出力する電圧型ＰＷＭインバータ装置の電力を測定する三相電力測定装置において、
   前記電圧型ＰＷＭインバータ装置の第１相の電圧値と電流値それぞれをフーリエ変換し、第１相の電力値の周波数スペクトラムを測定する第１の測定部と、
   前記電圧型ＰＷＭインバータ装置の第２相の電圧値と電流値それぞれをフーリエ変換し、第２相の電力値の周波数スペクトラムを測定する第２の測定部と、
   前記電圧型ＰＷＭインバータ装置の第３相の電圧値と電流値それぞれをフーリエ変換し、第３相の電力値の周波数スペクトラムを測定する第３の測定部と、
   前記第１〜第３の測定部からの電力値の周波数スペクトラムを加算する加算部と
   を設けたことを特徴とする三相電力測定装置。
2. 直流電力から三相の交流電力を出力する電圧型ＰＷＭインバータ装置の電力を測定する三相電力測定装置において、
   前記電圧型ＰＷＭインバータ装置の第１相からの電流値、第１相と第２相の相間電圧値それぞれをフーリエ変換し、第１の電力値の周波数スペクトラムを測定する第１の測定部と、
   前記電圧型ＰＷＭインバータ装置の第３相からの電流値、第２相と第３相の相間電圧値それぞれをフーリエ変換し、第２の電力値の周波数スペクトラムを測定する第２の測定部と、
   前記第１、第２の測定部からの第１、第２の電力値の周波数スペクトラムを加算する加算部と
   を設けたことを特徴とする三相電力測定装置。
   

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