(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力測定のための位相調整システムであって、
無効電力を測定する無効電力部と、
有効電力を測定する有効電力部と、
位相調整レジスタおよび振幅調整レジスタと、
を備え、
事前に、力率１．０として電源印加して、無効電力部で測定した無効電力値に対して一次関数式を用いて計算される位相ずれに基づいて位相調整値が決定されて位相調整レジスタに格納され、且つ、有効電力部で計測した有効電力値に対する振幅調整値が振幅調整レジスタに格納されていることを特徴とする、位相調整システム。
【請求項２】
位相調整値および振幅調整値が、当該位相調整システムが備えるマイコンによって変更可能である、請求項１記載の位相調整システム。
【請求項３】
請求項２記載の位相調整システムにおいて、測定した１つの無効電力値に対して計算される位相ずれに基づいて、位相調整値が所定の定格周波数に依存して決定される、位相調整システム。
【請求項４】
請求項２記載の位相調整システムにおいて、測定した２つの無効電力値に対して計算される位相ずれに基づいて、位相調整値が所定の定格周波数に依存することなく決定される、位相調整システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項記載の位相調整システムにおいて、振幅調整レジスタに格納された振幅調整値が無効電力部および有効電力部で共通に使用可能であることを特徴とする、位相調整システム。
【請求項６】
電力測定のための位相調整システムであって、
無効電力を測定する無効電力部と、
有効電力を測定する有効電力部と、
位相調整レジスタおよび振幅調整レジスタと、
を備え、
事前に、力率０．０として電源印加して、有効電力部で測定した少なくとも１つの有効電力値に対して、一次関数式を用いて計算される位相ずれに基づいて位相調整値が決定されて位相調整レジスタに格納され、且つ、無効電力部で計測した無効電力値に対する振幅調整値が振幅調整レジスタに格納されていることを特徴とする、位相調整システム。
【請求項７】
位相調整値および振幅調整値が、当該位相調整システムが備えるマイコンによって変更可能である、請求項６記載の位相調整システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力測定のための位相調整システムに関するものである。更に特定すれば、本発明は、電力測定装置の製造工程において、特定の力率の電源状態での有効電力および／または無効電力の測定に基づいて、容易且つ効率的に最適な位相調整値を決定するための位相調整システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１に示すように、従来技術における電力測定のための電力測定装置１００は、電圧検出部１０１、電流検出部１０２、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換部１０３，１０５および電力演算部（乗算部）１０７を備える。電源装置１０の電力測定において正確な電力値の演算を行うためには、電圧検出部１０１や電流検出部１０２の容量やインダクタによって発生する位相誤差（遅延、進み）を適切に調整し、補正する必要がある。
【０００３】
そのために、製品出荷前の製造行程での試験において、全ての電力量計に対して位相調整および振幅調整のための調整値を事前に決定しておく。ここで、位相調整は、印加される電圧および電流の位相差に対する調整であり、また、振幅調整は、印加される電圧および電流に基づく電力の振幅に対する調整である。電力測定装置１００を用いた電力測定時は、上記のように決定した位相調整値に基づいて、Ａ／Ｄ変換部１０３，１０５がそれぞれ具備する位相調整部１０４，１０６において位相調整が実施される。また、同じく決定した振幅調整値に基づいて、電力演算部１０７が具備する振幅調整部１０８において振幅調整が実施される。
【０００４】
一般に従来技術では、製造工程で位相調整値を決定するために、負荷装置２０を用いて定格の力率１．０と力率０．５の両方の電源状態で試験を実施することが必要である。当該試験では、位相誤差を測定し、それらの開きに基づくことにより位相調整値を決定することになる。そこで、力率１．０および力率０．５の電源印加によって計測される有効電力値に基づいて位相調整値を決定する方式について次に説明する。
【０００５】
電圧実効値Ｖｅ、電流実効値Ｉｅ、および位相角θにて生成される有効電力Ｗは次のように表される。ここでは、電圧に対する電流の遅れを位相角についての正方向とする。
【数１】
0006486205.tif 000002
【０００６】
真の電力をＷｔとし、また計測した電力をＷｍとすると、真の電力Ｗｔに対する計測電力Ｗｍの誤差Ｅｒｒｏｒ（パーセント）は次のように表される。
【数２】
0006486205.tif 000003
【０００７】
力率１．０の場合の電力Ｗ１．０、および力率０．５の場合の電力Ｗ０．５は、それぞれ位相角が０およびπ／３であるから、次のように表される。
【数３】
0006486205.tif 000004
【０００８】
ここで、任意の位相角をαとし、数式１をテイラー展開により展開すると有効電力Ｗはθの関数として次のように表される。（以下では、ｆ（θ）＝ｃｏｓθである。）
【数４】
0006486205.tif 000005
【０００９】
上記有効電力Ｗ（θ）において、位相角αからの位相ずれφを有する有効電力Ｗ（θ）は、θ＝α＋φとしてα≒０近辺でマクローリン展開すると、更に次のように表される。
【数５】
0006486205.tif 000006
【００１０】
更に、上記有効電力Ｗ（φ）において位相ずれφが十分に小さいものとすると、有効電力Ｗ（φ）は次のように近似可能である。
【数６】
0006486205.tif 000007
即ち、Ｗ（φ）を力率１．０の場合の電力Ｗ１．０とみなせることが理解される。
【００１１】
ここで、位相ずれφを含む力率０．５の場合の電力をＷ０．５φとし、且つ、位相ずれφを含む力率１．０の場合の電力Ｗ１．０を真の電力Ｗｔとみなして、数式３を数式２に代入すると、誤差Ｅｒｒｏｒ（パーセント）は次のように表される。
【数７】
0006486205.tif 000008
また、数式１よりＷ０．５φは次のように表される。
【数８】
0006486205.tif 000009
【００１２】
そして、当該Ｗ０．５φを数式７に代入すると、誤差Ｅｒｒｏｒ（パーセント）は更に次のように表される。
【数９】
0006486205.tif 000010
即ち、位相ずれφは誤差Ｅｒｒｏｒの関数として次のようになる。
【数１０】
0006486205.tif 000011
【００１３】
上記の位相ずれφに関し、サンプリングタイミングの時間遅れ等によって位相調整を行う場合は、定格周波数に応じて位相調整レジスタの効果は異なるものとなる。より具体的には、定格周波数が５０Ｈｚ（１周期２０ｍｓ）の場合、１ｕｓあたりの位相調整角は（２π／（２０×１０３）＝）０．０００３１４となり、同様に、定格周波数が６０Ｈｚの場合、１ｕｓあたりの位相調整角は０．０００３７７となる。この場合、各周波数に対する調整時間値ｔ５０Ｈｚ，ｔ６０Ｈｚは次のように表される。
【数１１】
0006486205.tif 000012
【００１４】
位相ずれφが正の値の場合は電圧に対して電流が遅れていることを意味する。つまり、電力測定時は、位相調整レジスタ（図１に図示せず）に上記調整時間値ｔ５０Ｈｚ，ｔ６０Ｈｚを格納しておき、電力測定時に位相調整部１０６により、上記調整時間値ｔ５０Ｈｚ，ｔ６０Ｈｚに基づいて電流のサンプリングタイミングを遅らせることにより、すでに取得していた電圧のサンプリング信号と同時刻に取得したものとして処理をする。即ち、電力測定時は、電流の位相を進める位相調整が実施されることが理解される。代替として、位相調整部１０４により、電圧のサンプリングタイミングを進ませて位相を遅らせるような任意の手段を適用することにより、電力測定時の位相調整を行うことができることも理解される。
【００１５】
このように、時間調整値に基づく位相調整値の決定には、数式１１による時間位相値の算出を伴う。その一方で、誤差Ｅｒｒｏｒの値を計算するには、数式７に基づいて、力率０．５の場合の電力をＷ０．５φと、力率１．０の場合の電力Ｗ１．０との両方を計測する必要があることが理解される。力率１．０および力率０．５間の電源状態の切り替えには、電源の投入／切断動作が伴い、特に電源投入時には電源状態が安定するまでの待ち時間が発生する。即ち、このような製造工程での位相調整値の決定は、力率の切り替えに起因して付加的な時間を伴うものとなる。このことは、製造原価に反映される結果となる。更には、定格周波数の違いにより、適用する式として数式１１の２式を切り替える必要がある点も懸念される。
【００１６】
他の従来技術の中には、例えば特許文献１に記載されるように、力率１．０および力率０．５間の電源状態の変更を行うことなく位相調整値を決定できるものも一応は存在する。より具体的には、位相調整値を連続的に変更し、後記するように有効電力のピーク点を見つけ出すことを通じて、最適な位相調整値を決定する。しかしながら、実処理において、位相調整の候補値を連続的に変更しながら複数回の計測を行うことは、位相調整値の決定までに多くの時間を伴うことになり、この点がやはり懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２０００−２１６９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、（製造治具側でない）被製造側に実装されるマイコンの処理装置が、自らその位相調整レジスタを変更して電力測定を行うことにより、自動の位相調整を可能とするシステムを提供することを目的とする。その際、特に、製造工程における電源状態（力率）の変更を不要（または限定的）とするのみならず、限定的な回数の電力測定のみを通じて位相調整値を決定可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明は電力測定のための位相調整システムを提供する。
第１発明の位相調整システムは、無効電力を測定する無効電力部と、有効電力を測定する有効電力部とを備え、事前に、力率１．０として電源印加して、無効電力部で測定した無効電力値に基づいて位相調整値が決定され、且つ、有効電力部で計測した有効電力値に基づいて振幅調整値が決定されていることを特徴とする。
上記第１発明の位相調整システムでは、測定した少なくとも１つの無効電力値に対して一次関数式を用いて計算される位相ずれに基づいて、位相調整値が決定される。
【００２０】
第２発明の位相調整システムは、無効電力を測定する無効電力部と、有効電力を測定する有効電力部とを備え、事前に、力率０．０として電源印加して、有効電力部で測定した有効電力値に基づいて位相調整値が決定され、且つ、無効電力部で計測した無効電力値に基づいて振幅調整値が決定されていることを特徴とする。
上記第２発明の位相調整システムでは、測定した少なくとも１つの有効電力値に対して、一次関数式を用いて計算される位相ずれに基づいて、位相調整値が決定される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、力率の値の変更を要することなく、例えば力率１．０での電源印加状態で、１点または２点のみの無効電力値に対する位相ずれを計算することにより、位相調整値を決定可能とするものである。特に、２点の無効電力値を計測する場合は、定格周波数に依存することなく位相調整値を決定可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、従来技術の電力測定装置を示した概略ブロック図である。
【図２】図２は、従来技術の位相調整値の決定に関連する、位相ずれと有効電力値の関係を示したグラフである。
【図３】図３は、本発明の実施の形態による位相調整装置について示した概略ブロック図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態による位相調整値の決定に関連する、位相ずれと無効電力値の関係を示したグラフである。
【図５】図５は、本発明の実施の形態による位相調整値の決定に関連する、位相ずれと無効電力値の関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施の形態による電力測定のための位相調整用システムについて、図２以降を参照しながら以下に説明する。
まず、図２を参照して、上記特許文献１の従来技術について更に数学的に検討を進める。上記特許文献１では、力率１．０での「０」近辺の位相ずれφを含む有効電力値は数式５として表される。図２は当該数式５のグラフについて示したものである。図２では、ｘ軸が位相ずれφ（ｒａｄ）、ｙ軸が有効電力値Ｗ（φ）であり、ｙ軸の有効電力Ｗ（φ）は１が最大となるよう正規化してある。図示したように、有効電力Ｗ（φ）の関数は、位相ずれφに対して位相角０を中心とした偶関数である。
【００２４】
そこで、調整すべき位相ずれをφ’、および位相調整値に基づく位相ずれをｒφとすると、全体の位相ずれφは、φ＝φ’＋ｒφと表され、数式５に代入すると次のように表される。なお、以下ではφ’は固定値とし、有効電力Ｗをｒφの関数とする。
【数１２】
0006486205.tif 000013
上記数式に基づいて最適な位相ずれ値ｒφを決定するには、上記有効電力Ｗ（ｒφ）を変数ｒφで微分して極大値となるｒφを求めることにより、φ＝０（即ち、ｒφ＝−φ’）となるｒφを決定すればよいことが理解される。
【００２５】
上記従来技術に対し、図３に、本発明の実施の形態による位相調整装置２００についての概略ブロック図を示す。位相調整装置２００は、有効電力演算部２０７および無効電力演算部２０９の２つの電力演算部を備える。図３の例では、電圧検出部２０１に結合されるアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換部２０３から出力される電流信号と同相である電圧信号成分を有効電力演算部２０７に印加し、一方で直交相成分を無効電力演算部２０９に印加して、それぞれの値を電流検出部２０２に結合されるＡ／Ｄ変換部２０５から出力される電流値と掛け合わせることにより、有効電力値および無効電力値を演算する。その際に実施される位相調整および振幅調整のための調整値は、有効電力演算部２０７および無効電力演算部２０９のそれぞれに結合される調整量決定部２１１によって決定されている。
【００２６】
なお、本実施の形態では、調整量決定部２１１で決定される振幅調整値は、電力測定時には、有効電力演算部２０７の振幅調整部２０８のみならず無効電力演算部２０９の振幅調整部２１０でも共通に使用可能と設計するのがよい。また、振幅調整値は、振幅調整レジスタ（図示せず）に、そして、位相調整値は位相調整レジスタ（図示せず）に格納されている。更に、各調整値は、マイコンの処理装置等を通じて変更可能なものである。
【００２７】
本実施の形態では、製造工程において、力率を１．０として電源印加して、無効電力演算部２０９で計測した無効電力値に基づいて位相調整値を決定し、且つ、有効電力演算部２０７で計測した有効電力値に基づいて振幅調整値を決定するように構成される。計測無効電力値に基づく位相調整値の決定方式について、次に説明する。
【００２８】
無効電力ｖａｒは位相角度をθとすると次のように表される。なお、上記従来技術の説明と同様に、θは電圧に対する電流の遅れを位相角についての正方向とする。
【数１３】
0006486205.tif 000014
【００２９】
上記従来技術において数式５のように有効電力Ｗを位相ずれφの関数としてマクローリン展開をしたのと同様に、数式１３の無効電力ｖａｒを位相ずれφの関数としてマクローリン展開すると、次のように表される。なお、ここでは数式４においてｆ（θ）＝ｓｉｎθである。
【数１４】
0006486205.tif 000015
【００３０】
上記無効電力ｖａｒ（φ）において位相ずれφが十分に小さいものとすると、ｖａｒ（φ）は更に次のように近似可能である。
【数１５】
0006486205.tif 000016
この場合の無効電力ｖａｒ（φ）の計算式は、位相ずれφの１次関数となる。
【００３１】
数式１３および数式１５をグラフに表すと図４のとおりである。ｙ軸の無効電力ｖａｒ（φ）は１が最大になるように正規化してある。このグラフによると、位相ずれφが−０．２６＜φ＜０．２４の範囲では、ｓｉｎ（φ）を十分近似していることが理解される。つまり、数式１５を用いれば、無効電力演算部２０９において任意の調整点での１点ＲＡ（φ１，ｙ１）の無効電力値ｙ１を計測することにより、調整量決定部２１１においてｖａｒ（φ）＝ｙ１の式から位相ずれφ１（ｒａｄ）を決定できる。
【００３２】
決定される位相ずれφ１に基づいて、マイコンの位相調整レジスタを設定することにより、サンプリングタイミングの時間遅れ等によって位相調整が実施される。この場合は、数式１１に関連して先に検討したように、位相調整レジスタによる時間遅れを定数ｃで積算することにより、位相調整角を算出できる。このようにして、本実施の形態では適切な位相調整値を決定可能とする。
【００３３】
定格周波数に応じて位相調整レジスタの効果は異なるものとなるが、定数ｃを異なる値に変更することによって、当該定格周波数に対応した位相調整レジスタ値を決定することができる。一例として、１レジスタ値で１ｍｓの時間遅れを発生させるマイコンを使用した場合は、５０Ｈｚ（即ち、１周期２０ｍｓ））の波形に対しては、２π／２０ｍｓ×レジスタ値ｒの位相差を発生させることになるが、当該条件では、上記定数ｃ＝２π／２０となり、位相調整レジスタによる位相調整角ずれは（−ｃ）×ｒとなる。なお、ｒが負の場合、電流遅れが発生することになる。ここでは、位相ずれが電流遅れとなる場合に電力値が正となるように、ｃの値を正としている。
【００３４】
他方、本実施の形態によれば、定格周波数に依存することなく、位相調整レジスタ値を決定することも可能である。図５のグラフを用いて説明するが、説明を簡略化するために図４のグラフに対し縦軸と横軸を入れ替える。即ち、図５では、ｘ軸を無効電力値（最大１）、ｙ軸を位相ずれｒφ（レジスタ基準）として、原点を通過する一次関数ｙ＝ａｘで表す。なお、図４の位相ずれφがラジアン単位であるのに対して、図５の位相ずれｒφはＬＳＢレジスタ値単位である点に留意が必要である。
【００３５】
システム全体の位相ずれをｒφとし、このうち、調整すべき位相ずれをｒφ’、および位相調整値に基づく位相ずれをｒとすると、ｒφ＝ｒφ’＋ｒの関係式で表される。また、位相調整レジスタに負の値を入力すると電流の遅れを発生させることができるようなシステムを想定する。更に計算を単純化するために、任意の定数であるレジスタ値Ｒを用いて、ｒ＝±Ｒとすると、システム全体の位相ずれは、ｒφ１＝ｒφ’−Ｒ，ｒφ２＝ｒφ’＋Ｒと表される。加えて、ｒφ１，ｒφ２のそれぞれに対応する無効電力値をｘ１，ｘ２とする。
【００３６】
２点ＲＡ（ｘ１，ｒφ１），ＲＢ（ｘ２，ｒφ２）での計測値を数式ｙ＝ａｘに代入して整理すると、調整すべき位相ずれｒφ’は次のように表すことができる。
【数１６】
0006486205.tif 000017
最終的に、位相調整値に基づく位相ずれｒについて、ｒφ’＋ｒ＝０となるようにｒ＝−ｒφ’となる値を設定することにより、システム全体の位相ずれが０となる最適な位相ずれ値が決定される。
【００３７】
以上説明したように、本実施の形態では、力率１．０の電源状態において、振幅調整値を決定する際の有効電力の計測に加えて、位相調整値を決定する際の無効電力の計測も必要となる一方で、印加される電源の力率を１．０から変更することなく、数式１５に示した１点のみの計測を通じた位相調整値の決定が可能となる。また、数式１６に示した２点の計測を実施する場合は、定格周波数に依存することなく、位相調整値の決定が可能となる。
【００３８】
変形例
上記の実施の形態では、力率１．０を入力して無効電力が「０」となる点を求めることに基づいて位相ずれを計算した。変形例として、力率０．０を入力して有効電力が「０」となる点を求めて位相ずれを計算してもよい。なお、この場合は、電力の振幅調整は無効電力を用いて実施することとなる。
【００３９】
より具体的には、電圧から９０度（π／２）の電流遅れ状態を基準とした場合の電流の遅れの位相角をθ’とする。θ＝θ’＋π／２として数式１に代入すると、有効電力Ｗは次のように表される。
【数１７】
0006486205.tif 000018
そして、数式１７を数式１４および数式１５と同様にマクローリン展開および近似により整理すると、次のように表される。
【数１８】
0006486205.tif 000019
有効電力Ｗは、上記の実施の形態での力率１．０下での無効電力と同様、位相ずれφの１次関数となる。上記の変形以降は、力率１．０下での無効電力での位相ずれの決定と同様の議論がなされ、位相ずれを決定し、位相調整値を算出することができる。
【００４０】
なお、以上の議論において、数式１５および数式１８のように電力式を一次関数の形態で近似したが、三角関数や他の近似式を用いてもよい。
【００４１】
ところで、上記の例では、決定される振幅調整値は電力測定時の有効電力および無効電力の両方に対して適用可能に設計されるものとして議論してきた。他方、振幅調整値について、有効電力および無効電力に対し個別に調整したい場合は、次の更なる変形例によって振幅調整値を決定することになる。つまり、製造工程において力率１．０を電源印加して有効電力の振幅調整を実施し、次に力率０．０に切り替えて無効電力の振幅調整を実施することにより、有効電力および無効電力に対する各振幅調整値を決定する。当該変形例では、力率が１．０から０．０となるように電源を切り替える作業が必要であるが、この場合でも、上記の従来技術として説明した力率０．５への電源切り替えを伴うことがない点で有利である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
上記説明した本発明は、電流センサ、電力計、電力量計として利用可能である。また、電流計測を必要とする計測分野や通信分野において広く適用可能である。
【００４３】
以上、図面を参照して本発明を詳細に説明したが、上記の説明は例示的な目的でなされたものであり、特徴を限定することを意図するものではない。上記の説明は、単に好適な実施形態を示し説明するためのものであって、本発明の技術的範囲内のすべての変更及び変形は、保護されるべきものである。
【図１】
0006486205.tif 000020
【図２】
0006486205.tif 000021
【図３】
0006486205.tif 000022
【図４】
0006486205.tif 000023
【図５】
0006486205.tif 000024