(57)【要約】配電サービスの各相の入力電圧信号を検知する電圧取得回路が、広い入力電圧範囲にわたって動作可能な非アクティブ電流変成器構成を含む。この電流変成器構成は、一次巻線と二次巻線と入力抵抗と負担抵抗とを含み、負担抵抗の両端で出力電圧が定義される。入力抵抗は比較的大きいことが可能であり（たとえば、約１ＭΩ）、変成器のコアは、変成器の磁束レベルの変化に対して予測可能な磁気特性によって特徴づけられるナノ結晶コアを有することが可能である。このように動作が予測可能であることにより、電流変成器の入力電圧と出力電圧との間に誘起されるあらゆる位相シフトに対する、デジタルフィルタリングまたは他の方法による位相補償が容易である。本発明の電圧取得回路は、単相または多相の配電サービスの各相を検知するために提供されることが可能であり、これによって、検知された電圧が電気計量器のその他のコンポーネント（電源または他の、Ａ／Ｄ変換器およびエネルギー量を計算するマイクロプロセッサなどを含む処理コンポーネントなど）に提供される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
広い入力範囲にわたる電圧の計測に好適な電圧を取得する方法であって、
それぞれが第１および第２の接続端子とを有する一次巻線と二次巻線とを備える非アクティブ電流変成器を提供するステップと、
それぞれが第１および第２の接続端子とを有する第１および第２の電気抵抗を提供するステップと、
前記第１の電気抵抗の第１の端子を、前記電流変成器の前記一次巻線の第１の端子に接続するステップと、
前記第２の抵抗の前記第１および第２の接続端子を、それぞれ、前記電流変成器の前記二次巻線の前記第１および第２の接続端子に接続するステップと、
前記第１の抵抗の前記第２の接続端子と、前記一次巻線の前記第２の接続端子との間に、計測される電圧を印可するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１の電気抵抗として、比較的高い値の電気抵抗を選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記選択するステップは、約１メガオーム（ＭΩ）の値を有する電気抵抗を選択することを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
非アクティブ電流変成器を提供する前記ステップは、結晶ＮｉＦｅ、ナノ結晶材料、およびアモルファス材料からなる群から選択される、前記非アクティブ電流変成器のコア材料を提供することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
第１および第２の入力端子を有するアナログ−デジタル変換器を提供するステップと、
前記二次巻線の前記第１および第２の端子を、それぞれ、前記アナログ−デジタル変換器の前記第１および第２の端子に結合するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
プロセッサ部分とメモリ部分とを備えたマイクロプロセッサを提供するステップと、
前記コア材料に関連するパラメータを、前記マイクロプロセッサの前記メモリ手段に格納するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
所定の電圧値を計算するステップと、
前記コア材料に関連する前記パラメータに従って、前記所定の電圧値を調整するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記方法は、多相環境での電圧の計測に用いられ、そのような多相環境の各相に、それぞれ、非アクティブ電流変成器および関連の抵抗ならびに接続とが提供されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
電気計量器とともに用いられる電圧取得装置であって、
一次巻線と二次巻線とを備える非アクティブ電流変成器と、
前記非アクティブ電流変成器の一次巻線に直列に結合された入力電気抵抗と、
前記非アクティブ電流変成器の二次巻線に並列に結合された負担電気抵抗とを備えることを特徴とする電圧取得装置。
【請求項１０】
入力と出力とを有するアナログ−デジタル変換器をさらに備え、前記変換器入力が前記非アクティブ電流変成器の前記二次巻線に結合されることを特徴とする請求項９に記載の電圧取得装置。
【請求項１１】
前記アナログ−デジタル変換器の前記出力に結合された、プロセッサ部分とメモリ部分とを含むマイクロプロセッサを含む、入力範囲の広い計量用の電気計量器にさらに接続されることを特徴とする請求項１０に記載の電圧取得装置。
【請求項１２】
前記非アクティブ電流変成器は、所定の材料を含むコアをさらに含み、
さらに、前記マイクロプロセッサの前記メモリ部分は、前記所定の材料に関連するパラメータを格納するように構成されることを特徴とする請求項１１に記載の電圧取得装置。
【請求項１３】
前記マイクロプロセッサの前記プロセッサ部分は、前記所定の材料に関連する前記パラメータに部分的に基づいて所定の電圧値を計算するように構成されることを特徴とする請求項１１に記載の電圧取得装置。
【請求項１４】
前記プロセッサは、前記所定の材料に関連する前記パラメータに基づいて位相シフト値を計算するように構成されることを特徴とする請求項１３に記載の電圧取得装置。
【請求項１５】
多相環境での電圧の計測に用いられる多相電気計量器とともに用いられ、
複数の非アクティブ電流変成器および関連の抵抗ならびに結合を含み、それぞれの前記非アクティブ電流変成器および関連の抵抗ならびに結合が、前記多相環境の複数の位相のうちのそれぞれ１つに関連付けられることを特徴とする請求項９に記載の電圧取得装置。
【請求項１６】
広い入力範囲にわたる入力電圧に対して動作する電気計量器であって、
一次巻線と二次巻線とを備える非アクティブ電流変成器と、
前記非アクティブ電流変成器の前記一次巻線に直列に結合された入力電気抵抗と、
前記非アクティブ電流変成器の二次巻線に並列に結合された負担電気抵抗と、
前記非アクティブ電流変成器の二次巻線に結合された入力と、出力とを有するアナログ−デジタル変換器と、
前記アナログ−デジタル変換器の出力に結合された、プロセッサ部分とメモリ部分とを含むマイクロプロセッサとを、組み合わせで備えることを特徴とする電気計量器。
【請求項１７】
前記非アクティブ電流変成器は、所定の材料を含むコアをさらに含み、前記マイクロプロセッサの前記メモリ部分は、前記所定の材料に関連するパラメータを格納するように構成されることを特徴とする請求項１６に記載の電気計量器。
【請求項１８】
前記マイクロプロセッサの前記プロセッサ部分は、前記所定の材料に関連する前記パラメータに部分的に基づいて所定の電圧値を計算するように構成されることを特徴とする請求項１７に記載の電気計量器。
【請求項１９】
前記プロセッサは、前記所定の材料に関連する前記パラメータに基づいて位相シフト値を計算するように構成されることを特徴とする請求項１８に記載の電気計量器。
【請求項２０】
多相環境での電圧の計測に用いられる多相電気計量器である電気計量器であって、
前記電気計量器の組み合わせが、複数の非アクティブ電流変成器および関連の抵抗ならびに結合を含み、それぞれの前記非アクティブ電流変成器および関連の抵抗ならびに結合が、前記多相環境の複数の位相のうちのそれぞれ１つに関連付けられることを特徴とする請求項１６に記載の電気計量器。
【請求項２１】
広い入力範囲にわたる電圧を計測する方法であって、
それぞれが第１および第２の接続端子とを有する一次巻線と二次巻線とを備える非アクティブ電流変成器を提供するステップと、
それぞれが第１および第２の接続端子とを有する第１および第２の電気抵抗を提供するステップと、
前記第１の電気抵抗の前記第１の接続端子を、前記電流変成器の前記一次巻線の前記第１の接続端子に接続するステップと、
前記第２の抵抗の前記第１および第２の接続端子を、それぞれ、前記電流変成器の前記二次巻線の前記第１および第２の接続端子に接続するステップと、
前記第１の抵抗の前記第２の接続端子と、前記一次巻線の前記第２の接続端子との間に、計測される電圧を印可するステップと、
第１および第２の入力端子を有するアナログ−デジタル変換器を提供するステップと、
前記二次巻線の前記第１および第２の端子を、それぞれ、前記アナログ−デジタル変換器の前記第１および第２の端子に結合するステップと、
プロセッサ部分とメモリ部分とを備えたマイクロプロセッサを提供するステップと、
前記非アクティブ電流変成器に関連するパラメータを、前記マイクロプロセッサの前記メモリ手段に格納するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記第１の電気抵抗として、比較的高い値の電気抵抗を選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記選択するステップは、約１メガオーム（ＭΩ）の値を有する電気抵抗を選択することを含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
所定の電圧値を計算するステップと、
前記非アクティブ電流変成器に関連する前記パラメータに従って、前記所定の電圧値を調整するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
非アクティブ電流変成器を提供する前記ステップは、結晶ＮｉＦｅ、ナノ結晶材料、およびアモルファス材料からなる群から選択される、前記非アクティブ電流変成器のコア材料を提供することをさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記マイクロプロセッサの前記メモリ手段にパラメータを格納する前記手段は、前記非アクティブ電流変成器の前記コア材料に関連するパラメータを格納することをさらに含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
所定の電圧値を計算するステップと、
前記コア材料に関連する前記パラメータに従って、前記所定の電圧値を調整するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記方法は、多相環境での電圧の計測に用いられ、そのような多相環境の各相に、それぞれ、非アクティブ電流変成器および関連の抵抗ならびに接続とが提供されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に、配電サービスの入力電圧信号の計測に利用可能な電圧取得技術に関する（本発明は、ユーザの必要に応じて単相または多相に適応される）。より詳しくは、本発明の電圧取得技術は、広い入力電圧範囲に対する有効な電圧検知が可能な非アクティブ電流変成器に該当する。本発明の様々な実施形態および態様は、装置または方法の形を同等にとることが可能である。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、３５  ＵＳＣ  １１９（ｅ）に従って、特許仮出願第６０／４８４０６５号（２００３年７月１日申請、名称「SYSTEM AND METHOD OF MEASURING VOLTAGE INTO AN ELECTRICAL SERVICE USING A NON-ACTIVE CURRENT TRANSFORMER」の優先権を主張するものであり、参照により本明細書に完全に組み込まれている。
【０００３】
電気事業者は、様々な計量器やそれに該当する計測回路を用いて、様々なサービス地点で発電または配電される電気エネルギーの量を監視する。そのような地点は、１２０、２４０、２７７、および４８０ボルトなどの標準計量電圧に対応する、多種類の単相または多相のサービスタイプのうちの１つによって、それぞれ特徴づけられる。従来の電気計量器には、これらすべての標準計量電圧で機能するように設計されているものがあり、それゆえに、それらは広い入力電圧範囲で動作可能である。業界標準において多くの場合に求められる計量器の精度は、最小計量電圧値の約２０パーセント下から最大計量電圧値の約２０パーセント上であるため、広い入力電圧範囲のすべてで動作可能な計量器は、約９６〜５７６ボルトのダイナミックレンジのすべてで完全に機能する計量器に相当する。
【０００４】
一般に電気計量器は、配電サービスにおける電圧信号および電流信号を受け取る、何らかの入力回路を含む。本明細書では、配電サービスの電流信号を受け取る入力回路を電流取得回路と称し、配電サービスの電圧信号を受け取る入力回路を電圧取得回路と称する。
【０００５】
従来、計量器の電圧取得回路には多くの様々なコンポーネントが用いられてきたが、その中には、電圧変成器、アクティブ電流変成器、および抵抗電圧分割器の構成がそれぞれ含まれる。配電サービスの電圧の計測に利用される電圧変成器構成は、一般に、１つの電圧レベルでの計測だけが可能であり、９６〜５７６ボルトのダイナミックレンジをカバーする計測は不可能である。アクティブ電流変成器を利用する周知の電圧取得回路は、入力電圧のダイナミックレンジにわたる電圧信号を正確に計測するために、少なくとも３つの巻線を必要とする。さらに、それらの周知の例示的電圧取得回路構成は、いずれも比較的大きく高価であるため、配電計量器の実施形態によっては非実用的である場合がある。従来、電気計量用途で利用されてきた、電圧変成器および電流変成器を含む計器用変成器の別の態様が、非特許文献１に開示されており、あらゆる目的のために、参照により本明細書に組み込まれている。
【０００６】
【非特許文献１】「Handbook for Electricity Metering, Ninth Edition」、Edison Electric Institute、1992年、273〜362頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、広い入力電圧範囲にわたって完全に動作可能である電圧取得回路を、実現可能なサイズとコストの制約の範囲内で提供することが望まれる。電気計量の分野では様々な態様や代替実施形態が知られているが、上述の特徴、ならびに配電サービスや関連の計量技術における電圧取得に関連する他の望ましい特徴をあまねく網羅する設計は現れていない。
【０００８】
本発明は、先述の様々な不足点、ならびに配電サービスの計量用途における電圧取得の特定の態様に関する他の不足点を認識し、これに対処する。したがって、大まかに言えば、本発明の最大の目的は、配電サービスの入力電圧を計測するための電圧取得技術（装置と方法の両方）を改良することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、比較的広い入力電圧範囲にわたる、配電サービスの入力電圧を正確に計測するためのシステムおよび方法を提供することである。代表的な例示的計量電圧として１２０、２４０、２７７、および４８０ボルトがあるので、９６〜５７６ボルトの範囲にわたる機能動作が、実施形態によっては好ましい場合がある。また、実施形態によっては、このダイナミックレンジの一部か、より大きなダイナミックレンジが好ましい場合もある。
【００１０】
本発明のさらに別の目的は、入力電圧計測用回路に電流変成器を用いることであり、そのような電流変成器は、一次および二次巻線だけを必要とする非アクティブ様式で構成される。電流変成器において望ましからぬ磁束のレベルを調整する三次巻線を不要にすることによって、より小さく、費用対効果がより大きいソリューションが得られる。三次巻線を不要にするために、磁束レベルの増加に対して予測可能な磁気特性を有する電流変成器用コア材料が選択される。電流変成器の動作が予測可能であることにより、電圧取得回路におけるあらゆる位相シフトの高精度な補償が容易になる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
これらの目的、ならびに本発明の電圧取得技術の他の様々な特徴および態様が複数の利点をもたらす。用いられる電流変成器は比較的小さな電流を検知するので、コアのサイズを非常に小さくすることが可能である。このことにより、電流変成器のコストにおいてはコアのコストが支配的であることから、変成器自体を従来の変成器ソリューションより格段に安価にすることが可能になる。
【００１２】
本発明の別の利点は、開示される非アクティブ電流変成器構成の変成器の構成要素が、入力抵抗による線間電圧から保護され、それによって変成器の保護が促進されることである。
【００１３】
本発明のさらに別の利点は、開示される設計で用いられる、変成器の構成要素を、計量器の回路基板に容易に収容できるほど小さくすることが可能であり、それによって、ソリューション全体のコストを抑えることが可能であることである。
【００１４】
本発明のさらに別の利点は、電圧取得回路と電流取得回路の両方について、予測可能な応答特性を有する同じコア材料を電流変成器に用いることが可能であることである。それによって、計量器全体としての周波数応答は、より格段に高精度かつ予測可能になるであろう。
【００１５】
本発明のさらなる目的および利点は本明細書の詳細説明で説明されるが、それらは当業者であれば明らかであろう。さらに、具体的に例示、参照、および説明される、本発明の特徴および構成要素に対する修正や変形が、本明細書を参照することにより、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本発明の様々な実施形態および用途で実施可能であることもまた、当業者であれば理解されよう。そのような変形として、図示、参照、または説明されている手段、機能、またはそれらの材料の等価な置換、あるいは、様々な部品、機能、その他の機能的、操作的、または位置的な反転などが挙げられるが、これらに限定されない。
【００１６】
さらにまた、本発明の様々な実施形態、ならびに本明細書で説明されている本発明の様々な好ましい実施形態には、本明細書で開示される特徴や構成要素、またはそれらの等価物の様々な組み合わせまたは構成（本明細書の添付図面で明確に示されていないか、詳細説明で明確に述べられていない特徴や構成の組み合わせを含む）が含まれることが可能であることを理解されたい。
【００１７】
本発明の第１の例示的実施形態は、電気計量器とともに用いられる電圧取得回路に関する。そのような例示的電圧取得回路は、好ましくは、一次および二次巻線、入力抵抗、および負担抵抗を有する非アクティブ電流変成器構成を含むことが可能である。そのような例示的電流変成器構成は、たとえば、ナノ結晶コア（または他の、本発明に従って選択されたコア）を有することが可能であり、入力抵抗は、約１ＭΩのような比較的高い値の抵抗であることが可能である。
【００１８】
先述の例示的構成では、（たとえば、計量される）電圧は、電流が変成器の一次巻線に誘起されるように、非アクティブ電流変成器構成に印加されることが可能である。そのような入力電流は、変成器の二次巻線に電流を発生させ、その電流が、二次巻線の両端に並列に設けられた負担抵抗の両端の電圧信号に逆変換される。負担抵抗の両端に発生した電圧信号は、実際の計量電圧の変倍された表現であり、電気計量器の他のコンポーネントで計測および処理されて消費電力および関連する量が確定されることが可能である。
【００１９】
本明細書で開示される技術の別の例示的実施形態は、単相または多相の配電サービスの各相に対して前述の非アクティブ電流変成器を有する電圧取得回路を有する電気計量器に対応する。この例示的電気計量器の実施形態は、配電サービスの入力電流信号を検知する電流取得回路（これも電流変成器構成を含むことが可能である）をさらに含むことが可能である。この電気計量器は、検知された電圧信号および電流信号を、サンプリングされた表現に変換するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器をさらに含むことが可能である。そのような例示的電気計量器の実施形態のその他の構成要素は、エネルギー量の計算、ならびに検知された電圧信号および／または電流信号の（たとえば、デジタルフィルタ実装を介しての）あらゆる位相補償を行うように構成されたマイクロプロセッサに対応する。
【００２０】
同様に、本発明は、開示される電圧取得回路および計量システムに関連付けられた方法に対応し、したがって、本発明の別の例示的実施形態は、配電サービスの電圧信号を計測する方法に対応する。そのような実施形態の第１の例示的ステップは、所与の配電サービスの各電圧位相を非アクティブ電流変成器構成の一次巻線に、入力抵抗を介して印可することに対応する。そのような第１のステップは、入力電圧を、電流変成器の一次巻線を流れる電流信号に効果的に変換する。変成器の一次巻線より前にある入力抵抗は、一次巻線を流れる電流が比較的小さくなるように、比較的大きいことが可能である。この実施形態の第２の例示的ステップは、電流変成器の二次巻線に結合された負担抵抗の両端の出力電圧を取得することである。この負担抵抗は、第２のステップが、変成器の一次巻線の一次電流によって二次巻線に誘起された電流を電圧値に効果的に変換するように、二次巻線の両端に並列に設けられることが可能である。そして、第２の例示的ステップで取得される、変倍された各電圧信号は、そのアナログ信号形式から、対応するデジタル表現に変換されることが可能である。それらのデジタル信号は、電流変成器のあらゆる位相シフトを打ち消す位相補償を与えるべく、さらに処理されることが可能である。本発明の方法の他の実施形態は、その後のエネルギー量計算に関連するステップなど、その他のステップを含むことが可能である。
【００２１】
本発明のさらなる実施形態は、この「発明の開示」の項で述べるほどではないが、前述の概略目的で参照された特徴、ステップ、または部品の態様、および／またはそれ以外の、本明細書で説明される特徴、ステップ、または部品の様々な組み合わせを含むこと、および組み込むことが可能である。
【００２２】
当業者であれば、本明細書のこの後の部分を読むことにより、そのような実施形態の機能および態様、その他をよりよく理解されるであろう。
【００２３】
本明細書では、添付図面を参照しながら、本明細書で開示される技術について、その最良の形態を含め、完全かつ実施可能な説明を当業者に向けて行う。
【００２４】
本明細書および添付図面を通して繰り返して用いられる参照符号は、本発明の同一または類似の特徴、ステップ、または構成要素を表すものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
「発明の開示」の項で言及したとおり、本発明は、電圧取得回路に関し、より詳しくは、配電サービスの入力電圧を計測するためのシステムおよび方法と、対応する電気計量器とに関する。
【００２６】
本発明は、公益事業の計量器や配電サービス用途に特に有用であるが、本発明がそれらの用途に限定されないことを理解されたい。本発明の態様は、他の装置とともに用いられたり、電気供給サービス以外の環境で用いられたりすることが可能である。そのような用途は、当業者には知られているか、明らかであると考えられ、本発明の趣旨および範囲を逸脱しない。例示のために、本発明による開示技術の実施形態は、本明細書では、配電サービスの計量用途に関連するものとして説明される。
【００２７】
電圧取得回路の周知の例示的実施形態の態様を図１および２に示す。これに対し、本発明による電圧取得回路の例示的実施形態を図３Ａおよび３Ｂに示す。本明細書で開示される技術による電圧取得回路が電気計量器の他の構成要素に組み込まれている態様を図４に示す。本明細書で開示される、配電サービスの入力電圧を計測する方法に関連付けられた例示的なステップおよび態様を図５に示す。
【００２８】
本明細書で図示および説明される各例示的実施形態は、本発明の限定をほのめかすものでは決してないことに注意されたい。一実施形態の一部として図示または説明される機能は、別の実施形態の態様との組み合わせで用いられることによって、さらに別の実施形態をもたらすことが可能である。さらに、特定の機能を、明確に言及されていない、同一または類似の動作を実施する類似の装置または機能と交換することが可能である。
【００２９】
図１は、先行技術による例示的な電圧取得回路１０の概略図であって、回路１０は、一次巻線１４と二次巻線１６とを有する電圧変成器（一般には変圧器とも呼ばれる）１２を含む。入力電圧Ｖｉｎは、たとえば、１２０、２４０、２７７、および４８０ボルトのうちの１つに対応する所与の配電サービスにおいて受け取られる計量電圧に対応する。電圧変成器の出力電圧Ｖｏｕｔは、関係
【００３０】
【数１】
2007524836.tif 000003
【００３１】
で決まる（Ｎは、電圧変成器１２の一次側１４に対する二次側１６の巻数比である）。
【００３２】
電圧変成器を用いて配電サービスの電圧を計測する計量器は、長年にわたって設計されている。しかしながら、これらの装置は、一般に、非常に大きく、かつ非常に高価であって、１つの計量電圧でしか計測できない。１つの計量電圧に特化して設計されているそのような電圧変成器は、変成器内の磁界が強くなると飽和する傾向がある。したがって、電圧変成器は、広いダイナミックレンジの入力電圧（たとえば、９６〜５７６ボルト）を計測するソリューションとして、特に可能性があるわけではない。さらに、そのような電圧変成器は、一般に巻線数が非常に多くなるため、そのサイズでは、あらかじめ決められた面積（計量器の回路基板など）に組み込むことができない可能性がある。
【００３３】
配線サービスの入力電圧を計測するための、さらに別の周知の技術は、図２の電圧取得回路２０において概略的に示されているように、アクティブ変成器構成を用いることに対応する。先行技術の例示的なアクティブ電流変成器は、Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，Ｉｎｃ．によって販売されていたＱＵＡＮＴＵＭ  Ｑ−１０００ブランドの計量器のいくつかのバージョンで利用されていることで知られていた。周知の例示的な電圧取得回路２０は、一次巻線２４、二次巻線２６、および三次巻線２８を有する電流変成器２２を含む。配電サービスからの入力電圧（Ｖｉｎ）が、変成器２２の入力抵抗３０と一次巻線２４とに印加され、これによって、電流Ｉｉｎが一次巻線２４を流れる。変成器２２の二次巻線２６に出力電流Ｉｏｕｔが発生し、三次巻線２８に別の電流Ｉｆｅｅｄｂａｃｋが発生する。当該の配電サービスに供給される電圧信号であって、対応する計量器で計測される電圧信号はＶｏｕｔであり、これは負荷抵抗（負担抵抗）３２の両端で計測される。入力電圧と出力電圧との関係は、関係
【００３４】
【数２】
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【００３５】
によって決まる（Ｒ３０およびＲ３２は、それぞれ、入力抵抗３０および負担抵抗３２の抵抗値である）。この電圧の関係は、電流の関係
【００３６】
【数３】
2007524836.tif 000005
【００３７】
に対応する（Ｎは、変成器２２の一次側２４に対する二次側２６の巻数比に等しい）。
【００３８】
図２に示されるように３つの巻線を有する変成器２２は、アクティブ変成器と呼ばれる。変成器２２は、三次巻線２８を用いて、変成器が飽和しないようにし、かつ、コア内の磁束界を打ち消して磁束をほぼゼロに保つ、変成器２２への電流Ｉｆｅｅｄｂａｃｋを駆動する。通常の変成器の場合は、磁束が変化すると、信号の計測に支障が生じる。コア内の磁束の量が変化すると、一次電圧信号と二次電圧信号との間の位相差が変化する。例示的電圧取得回路２０の三次巻線２８は、一次巻線２４から二次巻線２６への位相関係を安定させる磁束界を打ち消す。そのようなアクティブ電流変成器２２では、外部回路を用いて、入力電圧（Ｉｉｎ）を計測し、三次巻線を介してフィードバックさせることが必要であるため、このソリューションのサイズおよびコストがさらに増える。図２の装置は、三次巻線２８がないとすると、電圧信号（Ｖｉｎ）を正確に計測することが不可能であろう。
【００３９】
本明細書で開示される技術による電圧取得回路は、図２の周知の例示的回路で必要とされた、変成器の三次巻線および関連するすべての外部回路を不要にする。本発明による電圧取得回路は、三次巻線を除外することにより、より小さく、費用対効果がより大きい電圧計測ソリューションを提供する。
【００４０】
図３Ａおよび３Ｂは、それぞれ、本明細書で開示される技術による電圧取得回路４０および４０’であり、これらは、電流変成器４２を用いて入力電圧Ｖｉｎを計測する。配電サービスからの入力電圧（Ｖｉｎ）が、変成器４２の入力抵抗４４と一次巻線４６とに印加され、これによって、電流Ｉｐｒｉｍａｒｙが一次巻線４６を流れる。一般に、入力抵抗４４の値は、一次巻線４６を流れる電流が比較的小さくなるように、比較的高いことが可能である（たとえば、約１ＭΩ）。入力抵抗が比較的大きければ、より効果的に、変成器４２が高い電圧レベルから保護される。変成器４２の二次巻線４８に、出力電流Ｉｓｅｃｏｎｄａｒｙが発生する。当該の配電サービスに供給される電圧信号であって、対応する計量器で計測される電圧信号はＶｏｕｔであり、これは負荷抵抗（負担抵抗）５０の両端で計測される。本発明の技術のいくつかの実施形態では、Ｖｏｕｔが約０．５〜３．０Ｖｐｐの範囲になるように電圧取得回路４０を設計することが可能である。入力電圧と出力電圧との関係は、関係
【００４１】
【数４】
2007524836.tif 000006
【００４２】
によって決まる（Ｒ４４およびＲ５０は、それぞれ、入力抵抗４４および負担抵抗５０の抵抗値である）。この電圧の関係は、電流の関係
【００４３】
【数５】
2007524836.tif 000007
【００４４】
に対応する（Ｎは、変成器４２の一次側４６に対する二次側４８の巻数比に等しい）。
【００４５】
本明細書で開示される電圧取得回路は、図３Ａの例示的実施形態の回路４０で実現されているような回路分離を行うことが可能である。しかしながら、本明細書で開示される非アクティブ電流変成器技術の、他の実施形態では、分離を行うことができない。図３Ｂの回路４０’がそのような場合であって、回路４０’では、入力電圧と出力電圧とを定義するそれぞれの負端子がリード５２で互いに接続される。それらの例示的構成の両方が本発明に従うことを理解されたい。
【００４６】
電流変成器４２は、三次フィードバック巻線を必要としない点が独特である。電流変成器４２のコアの材料は、変成器内の磁束レベルの増加に対して予測可能な磁気特性を有する高透磁率材料に対応することが好ましい。そのようなコア材料の例として、結晶ＮｉＦｅ、ナノ結晶、およびアモルファスが対応し、その具体的な例として、（たとえば、Ｖａｃｕｕｍｓｃｈｍｅｌｚｅ  ＧｍｂＨ  ｏｆ  Ｇｅｒｍａｎｙが製造販売している）ＶＩＴＲＯＰＥＲＭブランドおよびＶＩＴＲＯＶＡＣブランドの材料が挙げられる。より具体的には、ＶＩＴＲＯＰＥＲＭは、損失が非常に少なく、磁化曲線がリニアである、ＦＥベースのナノ結晶材料（Ｆｅ７３．５ＣＵ１Ｎｂ３Ｓｉ１３．５Ｂ９）に対応する。
【００４７】
ナノ結晶は、特定の電流変成器の実施形態に特に好適である場合がある。ナノ結晶材料は、一般に、直径の平均が、たとえば、約１０から２０ｎｍである細かい結晶粒子がアモルファス残差位相に埋め込まれている二相構造として特徴づけられる。ナノ結晶状態は、約５００℃以上の温度での熱処理によって、元はアモルファスであった材料状態から生成される。こうした構造によって、これらの材料が、最小の飽和保磁力で最大の透磁率に達することが可能になっている。ナノ結晶コアの電気抵抗が高いことにより、渦電流損がきわめて小さく、周波数に対する挙動および透磁性がすぐれている。さらなるコア特性として、飽和磁束密度が約１．２テスラであることと、全体的に好ましい温度特性を有することが挙げられる。コア材料は、たとえば、環状ストリップ巻き付けコア構成として形成されることが可能である。
【００４８】
本発明による非アクティブ電流変成器を有する電圧取得回路は、他の従来の、変成器を用いる設計に対していくつかの優位点がある。用いられる電流変成器は非常に小さな電流を検知するので、変成器のコアのサイズを比較的小さくすることが可能である。このことにより、電流変成器のコストにおいてはコアのコストが支配的であることから、変成器自体を従来の変成器ソリューションより格段に安価にすることが可能になる。さらに、本発明の電圧取得回路４０および４０’の電流変成器および他の構成要素のサイズを比較的小さく抑えることが可能なので、回路４０または４０’を計量器回路基板に収めることが可能になり、電圧取得ソリューション全体のコストを抑えることが可能である。さらに、電圧取得回路と電流取得回路の両方の電流変成器に、予測可能な応答特性を有する同じコア材料を用いると、計量器全体の周波数特性をより格段に高精度かつ予測可能にすることが可能である。
【００４９】
本明細書で開示される技術による電圧取得回路（例が図３Ａおよび３Ｂに示されている）を、配電サービスの各相の電圧の計測に利用することが可能である。例示的電圧取得回路４０または４０’を計量器の実施形態６０に組み込むことが可能であることの例を図４に示す。３相配電サービス環境における計量器６０の例示的コンポーネントが図示されているが、本発明の電圧取得回路は、単相または他の多相環境でも同様に用いられることが可能であることを理解されたい。
【００５０】
図４に示すように、３相配電サービスは、３つの相（Ａ、Ｂ、およびＣ）で電圧信号と電流信号とを与える。３つの入力電圧信号をＶＡ、ＶＢ、およびＶＣとし、３つの入力電流信号をＩＡ、ＩＢ、およびＩＣとする。各電圧取得回路４０ａ、４０ｂ、および４０ｃは、それぞれ入力電圧信号ＶＡ、ＶＢ、およびＶＣと、入力電圧を計量器６０に検知させる中性線入力（Ｎ）とを受け取る。各圧取得回路４０ａ〜４０ｃは、それぞれ、図３Ａまたは３Ｂに示された非アクティブ電流変成器および他の回路を少なくとも含む。電流取得回路６２ａ、６２ｂ、および６２ｃは、それぞれ、入力電流信号ＩＡ、ＩＢ、およびＩＣと、入力電流を計量器６０に検知させる中性線入力（Ｎ）とを受け取る。電流取得回路６２ａ〜６２ｃは、配電サービスの入力電流信号を計測することに関して当該技術分野でよく知られている電流変成器構成にも対応する。
【００５１】
雷や他の現象によって発生するような高電圧の過渡スパイクから入力回路を保護するために、図４の電圧取得回路および電流取得回路の前に、（図示されていない）追加保護装置（酸化金属バリスタ（ＭＯＶ）、ツェナーダイオード、トランザーボサージプロテクタなど）を配置することが可能である。各入力電圧信号および入力電流信号が、それぞれ、電圧取得回路４０ａ〜４０ｃおよび電流取得回路６２ａ−６２ｃで検知され、計量器６０の他の回路に対して適切なレベルまで変倍された後、変倍された各電圧信号および電流信号が、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器６４へ中継され、Ａ／Ｄ  ６４で、アナログの各電圧信号および電流信号がサンプリングされてデジタル信号表現になることが可能である。Ａ／Ｄ変換器６４は、少なくとも６チャネルによって特徴づけられることが好ましいが、本発明によれば、チャネル数は少なくても多くてもよいことを理解されたい。当業者であれば理解されるように、チャネル数が少ないＡ／Ｄ変換器の場合はマルチプレクサを用いることが可能である。
【００５２】
さらに図４では、電圧信号ＶＡ、ＶＢ、およびＶＣと電流信号ＩＡ、ＩＢ、およびＩＣとがＡ／Ｄ  ６４でデジタル形式に変換された後、そのデジタル信号が少なくとも１つのマイクロプロセッサ６６へ中継され、マイクロプロセッサ６６で、当業者であれば理解されるように、様々なエネルギー量が計算されることが可能である。マイクロプロセッサ６６では、有効電力、無効電力、および／または皮相電力、使用時間、需要計測、および他の量に関連する計算を含む様々な計量計算を、入力電圧信号および入力電流信号から計算することが可能である。
【００５３】
本発明の電圧取得回路で生じるあらゆる位相シフトを補償するためのデジタル信号処理も、マイクロプロセッサ６６によって実施可能である。電圧取得回路４０ａ〜４０ｃのそれぞれの電流変成器は、入力電圧信号と出力電圧信号との間に位相シフトを誘起する可能性がある。位相補償は、たとえば、リード／ラグ補償制御、状態空間制御、または他のタイプの、検知された電圧信号および／または電流信号の制御を行うデジタルフィルタを用いて実施されることが可能である。電圧取得回路４０ａ〜４０ｃの各電流変成器のコア材料は、その予測可能な性質によって選択されているので、全ダイナミックレンジ（たとえば、９６−５７６ボルト）にわたるそれぞれの入力電圧と出力電圧との間の位相ソフトを補償するフィルタリング関数を与えるためにマイクロプロセッサ６６で実施可能な伝達関数を、マイクロプロセッサ６６に関連付けられたメモリに設定することが可能である。デジタルフィルタリングまたはその他の方法による同様の位相補償を、電流取得回路６２ａ〜６２ｃにおいて約５０ｍＡ〜２５Ａの全ダイナミックレンジにわたってそれぞれ発生しうる入力電流信号と出力電流信号との間の潜在的位相シフトに対して行うことが可能である。検知された電圧信号および電流信号の両方で位相シフトが発生した場合は、電流信号と電圧信号の両方に対して位相補償を行うことが可能であるか、または、一方の信号の組にある既知の位相シフトを基準にして、もう一方の信号のセットだけに対して位相補償を行うことが可能であることを理解されたい。
【００５４】
図４の計量器回路は例示的な計量器コンポーネントを含むものであって、より多くの、または別のコンポーネントを計量器に含めることが可能であること、および本発明の電圧取得回路が多種多様な計量器のタイプおよび構成で利用可能であることを理解されたい。様々な機能レベルに対して信号処理を実施するために、計量器６０において複数のマイクロプロセッサを用いることが可能である。さらに、内部電源、計量器の記憶および通信機能（光ポート、モデム、ＬＥＤ、ＬＣＤディスプレイ、ＲＦモジュール、その他を含む）など、その他の計量器コンポーネントを含めることも可能である。
【００５５】
図３Ａ、３Ｂ、および４に示された、本明細書で開示される技術によるシステムは、関連する方法体系に関する実施形態など、他の実施形態に対応することが可能である。本発明の例示的実施形態、すなわち、配電サービスにおいて電圧信号を計測する方法７０を機能に関して示したものが図５である。そのような実施形態の第１の例示的ステップ７２は、所与の配電サービスの各電圧位相を非アクティブ電流変成器構成の一次巻線に、入力抵抗を介して印可することに対応する。ステップ７２は、入力電圧を、電流変成器の一次巻線を流れる電流信号に効果的に変換する。変成器の一次巻線より前にある入力抵抗は、一次巻線を流れる電流が比較的小さくなるように、比較的大きいことが可能である。図５の方法７０の第２の例示的ステップ７４では、電流変成器の二次巻線に結合された負担抵抗の両端の出力電圧を取得する。この負担抵抗は、ステップ７４が、変成器の一次巻線の一次電流によって二次巻線に誘起された電流を電圧に効果的に変換するように、二次巻線の両端に並列に設けられることが可能である。そして、ステップ７４で取得される、変倍された各電圧信号は、ステップ７６で、そのアナログ信号形式から、対応するデジタル表現に変換される。このデジタル信号はさらに、ステップ７８で、電流変成器のあらゆる位相シフトを打ち消すためにリード／ラグ位相補償が実施されるように処理される。本発明の方法の他の実施形態は、その後のエネルギー量計算に関連するステップなど、その他のステップを含むことが可能である。
【００５６】
本発明の特定の実施形態を参照して本発明を詳細に説明してきたが、当業者であれば、それらの説明を理解することによってそのような実施形態の変更、変形、および等価物の作成が容易に可能であることを理解されよう。したがって、本開示の範囲は制限ではなく例示を目的としたものであって、本開示は、当業者であれば自明であると考えられる、そのような本発明への修正、変形、および／または追加を含むことを排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】電圧変成器構成を用いた、周知の例示的電圧取得回路の実施形態を示す図である。
【図２】アクティブ電流変成器構成を用いた、周知の例示的電圧取得回路の実施形態を示す図である。
【図３Ａ】本明細書で開示される技術による電圧取得回路の実施形態を表す図である。
【図３Ｂ】本明細書で開示される技術による電圧取得回路の実施形態を表す図である。
【図４】本明細書で開示される技術による電圧取得回路を含む電気計量器構成の例示的態様を示す図である。
【図５】配電サービスの入力電圧信号を計測する方法に関連付けられた例示的ステップのブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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