(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
規準周波数を生成する規準周波数回路と、
前記規準周波数回路からの前記規準周波数に基づいて、電力測定点の交流電圧である測定交流電圧の位相を遅らせて遅延交流電圧を生成する電圧位相遅延回路と、
前記規準周波数回路からの前記規準周波数に基づいて、電力測定点の交流電流である測定交流電流の位相を遅らせて遅延交流電流を生成する電流位相遅延回路と、
前記測定交流電圧と前記測定交流電流との乗算値に前記遅延交流電圧と前記遅延交流電流との乗算値を加算した加算値に１／２を乗算した値を有効電力値とし、前記測定交流電流と前記遅延交流電圧との乗算値から前記測定交流電圧と前記遅延交流電流との乗算値を減算した減算値に１／２を乗算した値を無効電力値とする電力演算回路と、
を備える交流電力測定装置。
【請求項２】
前記電力演算回路は、
前記測定交流電圧と前記測定交流電流とを乗算する第１の乗算器と、
前記遅延交流電圧と前記遅延交流電流とを乗算する第２の乗算器と、
前記測定交流電圧と前記遅延交流電流とを乗算する第３の乗算器と、
前記測定交流電流と前記遅延交流電圧とを乗算する第４の乗算器と、
前記第１の乗算器で乗算した前記測定交流電圧と前記測定交流電流との乗算値と前記第２の乗算器で乗算した前記遅延交流電圧と前記遅延交流電流との乗算値とを加算する第１の加算器と、
前記第３の乗算器で乗算した前記測定交流電圧と前記遅延交流電流との乗算値と前記第４の乗算器で乗算した前記測定交流電流と前記遅延交流電圧との乗算値とを加算する第２の加算器と、
を備える請求項１に記載の交流電力測定装置。
【請求項３】
前記測定交流電圧Ｖｓ（ｔ）と前記測定交流電流Ｉｓ（ｔ）を数１ｃとした場合、
【数１ｃ】
0005238358.tif 000010
（ただし、Ｖｓ：電力測定点の交流電圧の実効値、Ｉｓ：電力測定点の交流電流の実効値、ωｓ：電力測定点の交流の角周波数）
前記電圧位相遅延回路及び前記電流位相遅延回路は、数２ｃで前記遅延交流電圧Ｖ”ｓ（ｔ）と前記遅延交流電流Ｉ”ｓ（ｔ）を生成し、
【数２ｃ】
0005238358.tif 000011
前記電力演算回路は、数３ｃで前記有効電力値ＰＰＰ（ｔ）と前記無効電力値ＱＱＱ（ｔ）を演算する
【数３ｃ】
0005238358.tif 000012
ことを特徴とする請求項１に記載の交流電力測定装置。
【請求項４】
前記電力演算回路は、前記加算値をローパスフィルタに通して前記有効電力値とするこ
とを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の交流電力測定装置。
【請求項５】
前記電力演算回路は、前記減算値をローパスフィルタに通して前記無効電力値とするこ
とを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の交流電力測定装置。
【請求項６】
前記規準周波数回路は、前記規準周波数と前記電力測定点の交流の周波数とを同期させ
ていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の交流電力測定装置。
【請求項７】
規準周波数を生成する工程と、
前記規準周波数に基づいて、電力測定点の交流電圧である測定交流電圧の位相を遅らせて遅延交流電圧を生成する工程と、
前記規準周波数に基づいて、電力測定点の交流電流である測定交流電流の位相を遅らせて遅延交流電流を生成する工程と、
前記測定交流電圧と前記測定交流電流との乗算値に前記遅延交流電圧と前記遅延交流電流との乗算値を加算した加算値に１／２を乗算した値を有効電力値として演算し、又は前記測定交流電流と前記遅延交流電圧との乗算値から前記測定交流電圧と前記遅延交流電流との乗算値を減算した減算値に１／２を乗算した値を無効電力値として演算する工程と、
を備える交流電力測定方法。
【請求項８】
請求項１に記載の交流電力測定装置を備えた単相交直変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流の有効電力及び無効電力を測定する交流電力測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、単相交流電力の測定では図９のように電圧検出回路３１と電流検出回路３４とがそれぞれ測定した電力測定点の電圧と電流との積をローパスフィルタ１４９−１に通して有効電力値測定回路１４５で有効電力値を測定していた。また、電力測定点の電流位相を電流位相遅延回路１４３で９０度ずらした関数を生成し、この関数と電力測定点の電圧との積をローパスフィルタ１４９−２に通して無効電力値測定回路１４６で無効電力値を測定していた（例えば、特許文献１を参照。）。
【特許文献１】特開昭５９−１５０３４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の電力測定方法は、電力測定点の電圧と電流との積及び前記関数と電力測定点の電圧との積には皮相電力の大きさの振幅を持ち、電力測定点の周波数の２倍の周波数をもつ交流成分（以下、「電力測定点の周波数の２倍の周波数をもつ交流成分」を「２倍周波数成分」と記載する。）が含まれることになる。２倍周波数成分を除去するためには、ローパスフィルタの時定数を長くする必要があった。しかし、ローパスフィルタの時定数を長くすれば、有効電力と無効電力の時間応答が遅くなり、瞬時値との乖離が大きくなるため、電力測定の応答性および精度に課題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、２倍周波数成分を低減でき、電力測定精度の高い交流電力測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明は、電力測定点の測定交流電圧及び測定交流電流、並びにこれらの位相を遅らせた遅延交流電圧及び遅延交流電流から有効電力値及び無効電力値を計算することとした。
【０００６】
具体的には、本発明に係る交流電力測定装置は、規準周波数を生成する規準周波数回路と、前記規準周波数回路からの前記規準周波数に基づいて、電力測定点の交流電圧である測定交流電圧の位相を遅らせて遅延交流電圧を生成する電圧位相遅延回路と、前記規準周波数回路からの前記規準周波数に基づいて、電力測定点の交流電流である測定交流電流の位相を遅らせて遅延交流電流を生成する電流位相遅延回路と、前記測定交流電圧と前記測定交流電流との乗算値に前記遅延交流電圧と前記遅延交流電流との乗算値を加算した加算値を有効電力値とし、前記測定交流電流と前記遅延交流電圧との乗算値から前記測定交流電圧と前記遅延交流電流との乗算値を減算した減算値を無効電力値とする電力演算回路と、を備える。
【０００７】
測定交流電圧と測定交流電流との乗算値に遅延交流電圧と遅延交流電流との乗算値を加算することで、有効電力値に含まれる２倍周波数成分を低減することができる。また、測定交流電流と遅延交流電圧との乗算値から測定交流電圧と遅延交流電流との乗算値を減算することで、無効電力値に含まれる２倍周波数成分を低減することができる。本発明に係る交流電力測定装置が行う有効電力値及び無効電力値の計算について以下に説明する。
【０００８】
電力測定点の交流電圧である測定交流電圧Ｖｓ（ｔ）とこれより位相がφ[ｒａｄ]遅れる電力測定点の交流電流である測定交流電流Ｉｓ（ｔ）は数式（１）で表される。
【数１】
0005238358.tif 000002
ここで、Ｖｓ：電力測定点の交流電圧の実効値、Ｉｓ：電力測定点の交流電流の実効値、ωｓ：電力測定点の交流の角周波数である。
【０００９】
ここで、測定交流電圧Ｖｓ（ｔ）と測定交流電流Ｉｓ（ｔ）の位相をπ／（２ωｃｏ）だけ遅らせた遅延交流電圧Ｖ”ｓ（ｔ）と遅延交流電流Ｉ”ｓ（ｔ）は数式（２）で表される。
【数２】
0005238358.tif 000003
ここで、ωｃｏ：測定装置の規準角周波数である。
【００１０】
次に数式（３）のような計算値ＰＰＰ（ｔ）と計算値ＱＱＱ（ｔ）を考える。これらの計算値は、任意の時刻ｔに対して定まる値（瞬時値）である。
【数３】
0005238358.tif 000004
【００１１】
まず、計算値ＰＰＰ（ｔ）を求める。数式（３）に数式（１）及び数式（２）を代入して整理すると、数式（４）が得られる。
【数４】
0005238358.tif 000005
数式（４）より、計算値ＰＰＰ（ｔ）は一定の有効電力値ＶｓＩｓｃｏｓφに、振幅がＶｓＩｓｓｉｎψである２ωｓ成分（ｓｉｎ（２ωｓ・ｔ−φ＋ψ））が重畳したものになる。ＶｓＩｓｓｉｎψが十分小さいので、計算値ＰＰＰ（ｔ）を有効電力値とすれば電力測定装置の有効電力の測定精度を向上させることができる。
【００１２】
次に、計算値ＱＱＱ（ｔ）を求める。数式（３）に数式（１）及び数式（２）を代入して整理すると、数式（５）が得られる。
【数５】
0005238358.tif 000006
ψが０に近いためｃｏｓψはほぼ１であり、計算値ＱＱＱ（ｔ）はほぼ無効電力値ＶｓＩｓｓｉｎφとなる。この式には、２ωｓ成分は重畳しない。このため、計算値ＱＱＱ（ｔ）を無効電力値とすれば電力測定装置の無効電力の測定精度を向上させることができる。
【００１３】
従って、本発明に係る交流電力測定装置は、２倍周波数成分を低減でき、電力測定精度を高くすることができる。
【００１４】
本発明に係る交流電力測定装置の有効電力の電力演算回路は、前記加算値をローパスフィルタに通して前記有効電力値とすることが好ましい。数式（４）に含まれる２倍周波数成分をさらに低減でき、有効電力測定の精度をさらに向上することができる。また，無効電力の電力演算回路でも、前記減算値をローパスフィルタに通して前記無効電力値とすることができる。
【００１５】
本発明に係る交流電力測定装置の前記規準周波数回路は、前記規準周波数と前記電力測定点の交流の周波数とをＰＬＬ等によって同期させていることが望ましいが、等しくなくてもよい。角周波数ωｓと規準角周波数ωｃｏとを一致させれば、数式（２）に示すようにψ＝０となる。従って、ＶｓＩｓｓｉｎψは０となり、数式（４）の計算値ＰＰＰ（ｔ）は有効電力値に等しくなる。一方、ｃｏｓψは１となり、数式（５）の計算値ＱＱＱ（ｔ）は無効電力値に等しくなるため、有効電力値及び無効電力値の測定精度がさらに向上する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、２倍周波数成分を低減でき、電力測定精度の高い交流電力測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００１８】
図１及び図２に、本実施形態の交流電力測定装置の概略構成図を示す。図１及び図２の交流電力測定装置１４０には、交流の電力測定点において電圧検出回路３１が検出した交流電圧値及び電流検出回路３４が検出した交流電流値が入力される。なお、電流検出回路３４は、変流器３８を介して交流の電力測定点の交流電流を検出する。
【００１９】
交流電力測定装置１４０は、規準周波数を生成する規準周波数回路１４１と、規準周波数回路１４１からの規準周波数に基づいて、電力測定点の交流電圧である測定交流電圧の位相を遅らせて遅延交流電圧を生成する電圧位相遅延回路１４２と、規準周波数回路１４１からの規準周波数に基づいて、電力測定点の交流電流である測定交流電流の位相を遅らせて遅延交流電流を生成する電流位相遅延回路１４３と、測定交流電圧と測定交流電流との乗算値に電圧位相遅延回路１４２からの遅延交流電圧と電流位相遅延回路１４３からの遅延交流電流との乗算値を加算した加算値を有効電力値とし、測定交流電流と電圧位相遅延回路１４２からの遅延交流電圧との乗算値から測定交流電圧と電流位相遅延回路１４３からの遅延交流電流との乗算値を減算した減算値を無効電力値とする電力演算回路１４４と、を備える。
【００２０】
図２は図１の電力演算回路１４４内の接続を説明する図である。電力演算回路１４４は、測定交流電圧と測定交流電流とを乗算する乗算器１４７−１、遅延交流電圧と遅延交流電流とを乗算する乗算器１４７−２、測定交流電圧と遅延交流電流とを乗算する乗算器１４７−３、測定交流電流と遅延交流電圧とを乗算する乗算器１４７−４を有する。さらに、電力演算回路１４４は、乗算器１４７−１の出力と乗算器１４７−２の出力とを加算する加算器１４８−１、乗算器１４７−４の出力から乗算器１４７−３の出力を減算する減算器１４８−２を有する。電力演算回路１４４は、加算器１４８−１の出力を有効電力値測定回路１４５に入力して有効電力値を測定し、減算器１４８−２の出力を無効電力値測定回路１４６に入力して無効電力値を測定する。
【００２１】
図３に電圧位相遅延回路１４２の一例を示す。電流位相遅延回路１４３も同様である。電圧位相遅延回路１４２は、入力信号ｆ（ｔ）を数式（６）のように遅延させた出力信号ｆ”（ｔ）を出力する。
【数６】
0005238358.tif 000007
ここでの規準角周波数ωｃｏは規準周波数回路１４１が生成した規準周波数に基づいた角周波数である。規準周波数回路１４１は、電力測定点の周波数をモニタすることによって、規準周波数と電力測定点の交流の周波数とを同期させてもよい。
【００２２】
電力演算回路１４４は、加算器１４８−１から出力される加算値をローパスフィルタ１４９−１に通して有効電力値測定回路１４５に入力してもよい。また、電力演算回路１４４は、減算器１４８−２から出力される減算値をローパスフィルタ１４９−２に通して無効電力値測定回路１４６に入力してもよい。
【００２３】
（シミュレーション結果）
従来の交流電力測定装置での測定と図２の交流電力測定装置での測定についてシミュレーションを行った。シミュレーションを行った回路を図４に示す。単相交流電源２４０に負荷としてインダクタンス１２７．３ｍＨのインダクタＬｏと抵抗値１００Ωの抵抗Ｒｏとを直列に接続した。単相交流電源２４０は、電力測定点の測定交流電圧に相当する。単相交流電源２４０の出力電圧Ｖｓは１４１ｓｉｎ（１００πｔ）とした。
【００２４】
インダクタＬｏと抵抗Ｒｏに流れる交流電流ｉは数式（７）のようになる。
【数７】
0005238358.tif 000008
従って、有効電力値Ｐ及び無効電力値Ｑとすると、それぞれ数式（８）のようになる。
【数８】
0005238358.tif 000009
【００２５】
従来の交流電力測定装置で測定した場合の有効電力値Ｐと無効電力値Ｑの瞬時値のシミュレーション波形を図５に示す。さらに、これのＦＦＴ結果を図６に示す。また、図２の交流電力測定装置で測定した場合の有効電力値Ｐと無効電力値Ｑの瞬時値のシミュレーション波形を図７に示す。さらに、これのＦＦＴ結果を図８に示す。
【００２６】
図５から図８のデータを比較すると、従来の交流電力測定装置で測定した場合、有効電力値Ｐと無効電力値Ｑの瞬時値が１００Ｈｚの交流となり、大きな振幅の２倍周波数成分が含まれる。一方、図２の交流電力測定装置で測定した場合、有効電力値Ｐと無効電力値Ｑの瞬時値が直流となり、２倍周波数成分が含まれない。
【００２７】
このように、図２の交流電力測定装置は、２倍周波数成分を低減できるため、従来の交流電力測定装置より電力測定精度や応答性を高くすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の交流電力測定装置は、有効電力値及び無効電力値を独立して制御する単相電力測定器や自律並行運転制御単相交直変換装置に適用することができる。また、３台用いることで、三相の装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る交流電力測定装置の概略構成図である。
【図２】本発明に係る交流電力測定装置の概略構成図である。
【図３】本発明に係る交流電力測定装置が有する電圧位相遅延回路の一例である。
【図４】シミュレーションを行った交流電力測定装置の概略構成図である。
【図５】従来の交流電力測定装置で測定した場合の有効電力値Ｐと無効電力値Ｑの瞬時値のシミュレーション波形である。
【図６】従来の交流電力測定装置で測定した場合の有効電力値Ｐと無効電力値Ｑの瞬時値のシミュレーション波形のＦＦＴ結果である。
【図７】本発明に係る交流電力測定装置で測定した場合の有効電力値Ｐと無効電力値Ｑの瞬時値のシミュレーション波形である。
【図８】本発明に係る交流電力測定装置で測定した場合の有効電力値Ｐと無効電力値Ｑの瞬時値のシミュレーション波形のＦＦＴ結果である。
【図９】従来の交流電力測定装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００３０】
３１：電圧検出回路
３４：電流検出回路
３８：変流器
４０：単相交流電源
１４０：交流電力測定装置
１４１：規準周波数回路
１４２：電圧位相遅延回路
１４３：電流位相遅延回路
１４４：電力演算回路
１４５：有効電力値測定回路
１４６：無効電力値測定回路
１４７−１、１４７−２、１４７−３、１４７−４：乗算器
１４８−１：加算器
１４８−２：減算器
２４０：単相交流電源
Ｌｏ：インダクタ
Ｒｏ：抵抗
【図１】
0005238358.tif 000013
【図２】
0005238358.tif 000014
【図３】
0005238358.tif 000015
【図４】
0005238358.tif 000016
【図５】
0005238358.tif 000017
【図６】
0005238358.tif 000018
【図７】
0005238358.tif 000019
【図８】
0005238358.tif 000020
【図９】
0005238358.tif 000021