インダストリ AE43:モジュラーデジタイザを使用した電力測定

はじめに:

一般に、デバイスまたは回路のパフォーマンスを評価するには、ライン電力測定が必要です。モジュラーデジタイザ (A/Dボード) は、これらの電力測定を行うことができます。 デジタイザ (A/Dボード) は、電圧応答測定器です。適切な電流プローブまたは電流シャントを使用して電流を測定することもできます。

次に、電流と電圧を取得すると、取得した電流と電圧の波形の積に基づいて電力が計算されます。電力は、回路内でエネルギーを転送する速度であり、実電力、皮相電力、無効電力、瞬時電力などの多くの属性で表されます。

このアプリケーションノートでは、モジュラーデジタイザ (A/Dボード) を使用したAC回路およびデバイスの基本的な電力測定について説明します。

 

基本的な電力測定:

ベクトル図

瞬時電力は、印加電圧と電流の積として計算されます。有効電力(P)は、ワットで測定された瞬時電力の平均値です。リアクタンス素子(インダクタまたはコンデンサ)を含む回路は、エネルギーを保存し電力が負荷からソースに流れるように電力の流れを逆にすることができます。これは無効電力(R)であり、Volt-Amps ReactiveまたはVARの単位で測定されます。実電力と無効電力のベクトル和は、総電力または皮相電力と呼ばれ、Figure 1に示されています。

皮相電力(S)は、実効電圧または実効電圧と実効電流または実効電流の積として計算できます。皮相電力の単位はVoltAmp(VA)です。 実電力ベクトルと皮相電力ベクトルで囲まれた角度(Θ)は、電流波形と電圧波形の位相差を表します。その角度のコサイン、有効電力と皮相電力の比は力率(pf)と呼ばれます。

pf = cos(Θ) = P/S

デバイスが純粋に抵抗性である場合、電流と電圧の波形は同相であり皮相電力と実電力は等しく、力率は1に等しくなります。無効成分が増加すると力率は低下します。

 

ライン電圧の測定:

電圧測定にはプローブの使用が必要です。 従来のオシロスコープの高インピーダンスプローブは、デジタイザ (A/Dボード) に使用できます。プローブを考慮して垂直電圧データをスケーリングできる機能は非常に便利です。ほとんどの電力測定にはライン(メイン)電圧測定が必要であるため、シングルエンドプローブに関連する接地問題を回避するために、これらの測定を差動的に行うことが最善です。デジタイザ (A/Dボード) は、2つのプローブ入力を受け入れ、差を計算できる必要があります。あるいは、ホットラインとニュートラルラインの電圧を個別に取得し、波形計算を使用して差し引くことができます。これは差動プローブが利用可能な場合です。

 

ライン電流の測定:

電流測定を行う最も便利な方法は、適切な電流プローブを使用することです。使用する電流プローブに、測定器とは別のコントロールがあることを確認してください。電流プローブの出力を適切なスケーリングでデジタイザチャネルに適用して、電流単位でプローブからの信号を表示できます。

 

デジタイザ (A/Dボード) の選択:

Spectrum A/Dボード

ほとんどのライン周波数測定は、50~400 Hzの基本周波数で行われるため、デジタイザ (A/Dボード) の帯域幅要件はそれほど大きくありません。伝導性エミッション試験の実施に関心がある場合、大幅な損失なしに電力基本波の40次高調波まで対応する能力が役立ちます。これにより、帯域幅要件が約20 kHz以上になります。デジタイザ (A/Dボード) には、電力線の高次高調波をレンダリングするのに十分な振幅分解能が必要です。これは12~16ビットで十分です。

チャネル数は、シングルエンドまたは差動測定のどちらを対象とするかによって異なります。差動測定は、各測定に2つのチャネルを組み合わせます。単相の場合、ライン測定では4つの入力チャンネルが2つの差動チャンネルを生成します。各フェーズで3フェーズ測定を行うには、6つ以上のチャンネルが必要です。3つの差動電圧チャンネルと3つのシングルエンド電流チャンネルを想定すると、9つのチャンネルが必要です。ほとんどのデジタイザ (A/Dボード) は、バイナリプログレッション(1/2/4/8/16)で1~16のチャネルを提供するため、測定タスクを実行するには、次に高いチャネル数を選択する必要があります。帯域幅などのサンプルレートは、必要な帯域幅の4~5倍より大きくする必要があります。Table 1は、Spectrumデジタイザ (A/Dボード) またはdigitizerNETBOXモデルを選択するためのガイダンスを提供します。

 

単相電力測定の例:

DN2.496システム次の例では、小型のライン電源冷却ファンに必要な電力を測定します。測定は、4つのアナログチャネル、16ビットの解像度、60 MS/sのサンプルレート、30 MHzの帯域幅を備えたdigitizerNETBOXモデルDN2.496.04を使用して行われました。TektronixモデルP6042電流プローブと1組のパッシブオシロスコーププローブを使用して、電流波形と電圧波形を取得しました。ライン電流とライン電圧が測定されました。電源線のホットリード線またはニュートラルリード線が接地されないように、線間電圧を差動で測定しました。

Figure 2は、取得したデータの制御と処理に使用されるSpectrum社のSBench 6ソフトウェアの測定結果を示しています。

小型冷却ファンのライン電力の測定

入力電圧は、Ch2とCh3に接続された2つのパッシブプローブで差動的に測定されます。チャネルは結合され、上部中央グリッドにチャネルCh2として表示されます。読み取り値は、プローブの減衰を反映するようにスケーリングされます。電流は電流プローブの出力を反映して、下部の中央グリッドのCh0に表示されます。このデータは電流プローブの感度によってもスケーリングされるため、電流の垂直単位で読み取ります。電流と電圧の両方のピークツーピーク値と実効値(rms)は、図の左側の[Info]ペインに表示されます。

瞬時電力は、SBench 6のアナログ計算を使用して、電流波形と電圧波形を複数計算して計算されます。電力は左端のグリッドに表示されます。パワーのピークツーピークおよび平均値も[Info]ペインにリストされます。瞬時電力の平均は実際の電力を表し、6.6ワットとして記録されます。

皮相電力は、線電流と電圧の実効値の積をとることによって計算されます。測定値(121.5 Vおよび63.2 mA)に基づくと、皮相電力は7.68 VAです。

これにより、力率を0.86として計算できます。 一番右の2つのグリッドで電流と電圧の波形を水平方向に拡大した図を見ると、電圧波形(右上)が誘導特性を示す電流波形をリードしていることがわかります。正のスロープゼロクロスを示すカーソルは、電圧波形が電流波形の1.44 ms前であることを記録します。これは、31度の位相進みを表します。これは、cos-1(pf)または30.68度として計算することもできます。力率に基づく計算は、カーソルの配置の不確実性の影響を受けないため、より正確です。

 

ラインハーモニクス:

FFTを使用したライン高調波解析

電流と電圧の波形を取得したら、Figure 3によって解析を周波数領域に拡張できます。Figure 3は、ライン電流(左下)とライン電圧(左上)の両方の波形の平均スペクトルを示しています。線間電圧スペクトルには、より高次の高調波があります。奇数次の高調波が最も顕著です。現在のスペクトルの全体的な高調波成分は低くなっており、それも主に奇数次高調波です。

 

三相電源:

三相電力は、発電、送電、および配電の多相AC配電システムの一種です。大型モーターやその他の重い電気負荷に電力を供給するために使用されます。3相システムは通常、電力伝送に使用する導体材料が少ないため、同等の電圧レベルの同等の単相または2相システムよりも経済的です。単相AC電源には2本の導体が必要です。3相電源は、1本の余分な導体を使用することで3倍の電力を送信できます。これは、送信コストが50%増加すると、送信電力が200%増加することを意味します。

 

三相接続用語:

モーターの3相接続

Figure 4に示す3相モーターなどの3相接続は、WYE(上図)またはDELTA(下図)構成で接続されます。WYE接続の電圧Van、Vbn、およびVcnは、相電圧と呼ばれます。Vab、Vbc、およびVacとマークされた電圧は線間電圧です。電流Ia、Ib、およびIcは相電流です。負荷によって消費される総電力は、WYE接続の個々の相電流-電圧積の合計です。太字のテキストはベクトル演算を示していることに注意してください。

Pt = Ia * Van + Ib * Vbn + Ic * Vcn

通常、電力は相電圧ではなく線間電圧を使用して計算されます。

Figure 5は、相電圧、相電流、および線間電圧のフェーザ図を示しています。電圧計算はベクトル的に実行されます。平衡システムの線間電圧の大きさは、相電圧の3倍に等しくなります。相電圧が線間電圧より30度先行することに注意してください。これは、相電圧から線間電圧を計算するために使用されるベクトル減算の結果です。高電圧差動プローブは、ラインおよび相電圧の測定に使用され、信号に100:1の減衰を適用します。その結果、デジタイザ (A/Dボード) 入力での相電圧は1.69 Vピーク(3.38 Vpk-pk)です。÷100プローブの使用により、これらの電圧は100倍にスケーリングされます。これにより、相電圧が169 Vpk(338 Vpk-pk)として報告されます。これは120 Vrmsです。 線間電圧は相電圧の3倍、つまり208 V±rmsです。これは、米国の名目上の三相電圧です。上記を確認するには、デジタイザ (A/Dボード) で相電圧を取得してから、線間電圧を計算します。 これをFigure 6に示します。

フェーザ図

線間電圧と相電圧の比較

チャネルVa、Vb、Vcは測定された相電圧です。 Vab、Vbc、Vcaは計算された線間電圧です(公称586 Vpk-pk)。一番左のグリッドのズームトレースのカーソル測定で確認されるように、相電圧とそれに隣接する線間電圧の位相差は30度です。線間電圧Vabは、相電圧Vaに対して、16.67 msの周期から1.38 ms遅れています。線間電圧の位相差は120度です。Figure 5の電流フェーザは、相電圧からの一般的な位相差Θで示されています。この角度Θは、モーターの巻線に組み込まれる可能性のある無効成分を表します。この実験では、純粋な抵抗性負荷を使用して、Θが0度になります。

 

三相電力測定:

Figure 7に、WYE接続負荷(ここで、相電圧(Va、Vb、Vc)、相電流(Ia、Ib、Ic)、相電力損失(Pa、Pb、Pc)を示します。 相電圧と線間電圧の両方にアクセスできます)。相電圧に関連する相電流を掛けると、結果は各相の瞬時電力になります。瞬時電力の平均値は、実電力成分です。3つのすべての位相電力測定値の合計が、負荷の総有効電力です。

相電力の計算

この測定は、3ワットメーターの電力測定と呼ばれます。外部差動プローブを使用して電圧を測定してこの測定を行うには、6つのチャネルが必要です。シングルエンドのプローブを使用する場合、チャネルの数は9に増加します。このタイプの測定では、デジタイザ (A/Dボード) 構成で最大16チャネルを指定できる柔軟性が大きな利点です。

相電圧は、Figure 7の一番上の行に示されています。中央の行に相電流が表示されます。位相パワーは下の行に表示されます。3相すべての電力波形の合計は、「Total Power」というラベルが付いた一番左のグリッドに表示されます。総電力は比較的一定であることに注意してください。左側の[Info]ペインに表示されるパラメーターは、個々の位相電力波形の平均値と合計電力を読み取ります。3つの相電力測定の平均値の合計は、平均総電力に等しくなります。 合計電力の測定結果は850.9ワットです。

 

2ワットメーター方式:

別の手法は2ワットメーター法で、2つの線間電圧と2つの相電流のみを測定する必要があります。

数学的形式で:

PT(t)= Vac(t)ia(t)+ Vbc(t)ib(t)

これは次のように導出できます。

これは、次の数学的な導出を使用して検証できます。

PT = Va(t)ia(t)+ Vb(t)ib(t)+ Vc(t)ic(t)

ただし、キルヒホッフの現在の法則を使用すると、ia + ib + ic = 0または+ ic =-ia-ib

PT(t)= Va(t)ia(t)-Vc(t)ia(t)-Vc(t)ib(t)+ Vb(t)ib(t)

PT(t)= Vac(t)ia(t)+ Vbc(t)ib(t)

ここで:Va – Vc ≡ Vac および Vb – Vc ≡ Vbc

以下に、2つの差動電圧プローブと2つの電流プローブとともに4チャンネルSpectrumデジタイザ (A/Dボード) を使用して実現できる2ワットメータ法の適用例を示します。

総電力の計算

個々の相電圧と電流に基づいて総電力を計算する例のように、この方法は2つの線間電圧(VacとVbc)と2つの相電流(IaとIb)を使用します。線電圧は上の行に表示され、相電流は中央の行に表示され、個々の電力波形は下の行に表示されます。前と同様に、総電力は「Total Power」とマークされた左端のグリッドに表示されます。各電力波形の平均値または平均値は、左端の情報グリッドに表示されます。 この場合も、公称電力は851ワットです。

 

まとめ:

AC電力測定の基本概念は、瞬時電力、実電力、皮相電力、無効電力の定義を含めてカバーされています。適切な数のチャネルを備えたデジタイザ (A/Dボード) を使用して、適切な電圧および電流プローブを使用する単相および多相電力システムを測定できます。デジタイザ (A/Dボード) の汎用性、通信の容易さ、および迅速な情報転送により、AC電力測定に最適です。Spectrum製デジタイザ (A/Dボード) は小型でコンパクトであり、さまざまなテスト環境で使用できるように、さまざまなフォームファクタで利用できます。

たとえば、digitizerNETBOX製品は、イーサネット経由で制御できるように設計されており、リモートでローカルエリアネットワーク(LAN)のどこでも操作できるようになっています。PXIカードは、完全なテストシステムの一部としてモジュール式計測器が混在するアプリケーションで使用できます。PCIカードとPCIeカードは最新のほとんどのPCに直接インストールでき、強力なスタンドアロンテストステーションになります。

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原文ドキュメント:

an_power_measurements_with_16_bit_digitizers.pdf

Power Measurements Using Modular Digitizers

 

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Spectrum Instrumentation社について

Spectrum社は、Spectrum Systementwicklung Microelectronic GmbHとして1989年に設立され、2017年にSpectrum Instrumentation GmbHに改名されました。最も一般的な業界標準(PCIe、LXI、PXIe)で500を超えるデジタイザおよびジェネレータ製品を作成するモジュール設計のパイオニアです。これら高性能のPCベースのテスト&メジャーメントデザインは、電子信号の取得・生成および解析に使用されます。同社はドイツのGrosshansdorfに本社を置き、幅広い販売ネットワークを通じて世界中に製品を販売し、設計エンジニアによる優れたサポートを提供しています。 Spectrum社の詳細については、www.spectrum-instrumentation.comを参照してください。

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