パワーアナライザーの測定範囲拡張
1 はじめに
30Aを超える電力分析の分野で電流を測定する場合、一次電流を電力分析器（PA）の測定可能な二次信号に変換できる高精度の電流変換器が必要です（ ）。
電流変換器は、振幅を二次側に正確に変換できなければならない。 比率の誤差が小さくても、効率や損失を決定する際に大きなずれにつながる可能性がある。というのも、損失は 、直接測定することができず、入力電力と出力 電力との差として計算するしかないからである。
2 比率誤差の影響
図 1 で使用した電力値を用いて、比精度 が 0.1%の電流変換器の計算例を実行することができる。最悪のシナリオでは、入力電力の測定値 が 0.1%増加し、同時に出力電力の測定値が 0.1%減少する。この結果、電力損失の計算において、 可能な限り最大の誤差が生じる。
0.1%の精度の電流変換器を入出力電力の測定に使用した場合、周波数変換器などの試験装置の計算された 電力損失は、最悪 の場合、真の値から3.9%乖離する可能性がある。
次の図（図 3）は、電流測定における様々な比率誤差が、損失計算における パーセント偏差に及ぼす影響を示している。電力分析器または電圧 センサーの測定誤差も、実際には考慮しなければならない。計算値3.9%は、 精度0.1%に対して緑色の線で表示されています。損失計算における誤差の割合は、 テスト対象のデバイスの効率が高くなるにつれて増加する。
高効率の周波数コンバータやモータであっても、誤差を可能な限り低く抑えるためには、Danisenseの高精度フラックスゲート電流トランスデューサが最適です。比率誤差の精度はppmの範囲です。
ほとんどの測定器で補正可能な非常に小さなDCオフセットに加え、比誤差はデータシートで 、2つの値に分割されている。最初の値は、測定値のパーセント誤差です。2つ目の値（ ）は、電流測定範囲全体にわたる固定値で、フルスケール値（ ）に対するパーセンテージで示される。例として、DN1000ID1の最新のデータシートに以下の表があります。
直流定格電流 ᵃ ↪Lu_1D436 は、データシートによると 1000 A です。
50HzのDN1000IDの場合、この結果、図5の総比率誤差は次のようになる。
低い励磁レベルでは、 総誤差の反比例関数により、誤差の割合が高くなる。すでに一次電流が100A以降では、誤差値は電力解析に最適な値となっている。
3 位相変位の影響
使用される電流変換器の位相誤差は、電力（ ）の測定にさらなる誤差をもたらす。ここで基礎となるのは、一般的に知られている電力の三角形と、電力 の三角形を介して定義される力率である。
電流センサーの位相誤差は、電流信号と電圧信号間の位相角Θを変化させる。有効電力測定におけるパーセント誤差への影響 は、三角関数が非線形であるため、システムの力率 に強く依存する。
被試験装置が有効電力と無効電力を消費する場合、電流 変圧器または測定システ ムによって位相シフト角が増加すると、無効電力が増加し、同時に有効電力 が減少する。この関係を下図に示す。
有効電力への影響を計算するには、力率の低下率を のように計算することができる。
IEC 61869-1では、電流変圧器と電圧変圧器の位相変位は∆𝜑と命名されている。同時に、
正の位相誤差は、二次電流が一次電流をリードすることを意味する。ポイント3.4.4には次のように記載されている：
...
位相変位は、二次電圧または電流の位相が一次電圧または電流の位相（
）をリードする場合に正となる。通常、分またはセンチラジアンで表される。
...
このことは、上に示したオーミック誘導負荷の場合、一次電流に遅れて電流変換器の二次信号（ ）が流れ、力率角Θが大きくなることを意味する。この場合、電流変換器 の位相変位Δ𝜑は負になります。さらに、位相変位の影響は、以下の図が示すように、 無効電力成分が増加するにつれて著しく大きくなる。
この計算は正弦波に基づいている。パルス幅 変調によって生成された電流・電圧信号の場合、その影響はさらに大きくなる可能性があります。いずれにしても、測定システム全体と 、したがって使用される電流変換器も可能な限り位相変位を小さくする必要があると言えます。
3.1 位相変位補正の可能性
パワーアナライザーのメーカーによっては、 測定センサーに起因する位相変位の補正オプションを提供している。この機能を使用するには、電流変換器に関する正確なデータを 製造元から入手する必要があります。以下の説明が示すように、公称周波数における角分単位の位相誤差の指定では十分でないことがよくあります。
3.2 位相変位対時間遅れ
20ms以内に完全な正弦波振動を表す50Hzの信号を想定する。電流変換器によって時間オフセットが与えられない場合、遅延のない二次信号が得られます。
ここで電流変換器が1ミリ秒の時間遅れを発生させると、二次信号は1ミリ秒だけ右（ ）にシフトする。この場合、赤の時間遅れの二次信号は理想信号より遅れている。
信号の時間周期𝑇は、周波数𝑓の逆数で計算できる。
時間遅延Δ𝑡は1msであり、1周期は360°の全角に相当する。したがって、位相シフト角∆𝜑 は以下のように計算できる。
位相シフト角は1ミリ秒で18°である。二次信号（ ）が一次信号より遅れている場合、位相誤差は負の値で示される。二次信号が一次信号をリードしている場合、位相誤差 は正の値になります。この場合の正しいデータシートの仕様は、50 Hzネットワーク用に指定された従来の誘導電流 変圧器の場合、∆Ǘ = -18°となります。
数式から明らかなように、変流器の2次側 、一定の時間遅延を持つ高周波信号の方が位相シフト角が大きくなる。例えば、高周波信号（ ）が500Hzで発振する場合、対応する時間周期は2msに短縮される。
500Hzの信号の場合、1msの時間遅れで180°の位相シフト角となる。
電流変換器が信号の測定可能なすべての周波数成分にわたって一定の時間シフトを持つ場合、 、位相シフト角と信号の周波数の間に線形関係がある。 、一次信号に遅れる二次信号の場合、以下の式が適用される。
3.3 一定時間遅延の電流変換器
デンマークの精密電流変換器メーカーであるダニセンスの開発部門は、 、最新のトップモデルDW500UB-2Vにおいて、磁化損失や二次巻線（ ）の浮遊磁界といった寄生的な影響因子をすべて最小化することに成功し、電流変換器には、主に二次出力BNCケーブルに起因する非常に小さな 、一定の信号時間遅延しか生じないようにしました。時間遅延は、 、2mのケーブルで約12.5nsであり、機器によって若干異なります。この具体的な値により、 の各位相シフトは、上記の式を使用して、各周波数について比較的簡単に計算することができます。グラフにすると、位相シフトと周波数の直線的な関係（ ）がより明確になります。
納入された各デバイスについて、この特定の時間遅延は、ダニセンスによって対応する電子 テストレポートに文書化され、QRコードを通じてデバイスに直接アクセスすることができます。この時間遅延をパワーアナライザの入力マスク に入力することで、電流変換器の位相誤差をほぼ 完璧に補正することができます。
下図に示す10MHzまでのDW500UB-2Vの実測結果は、10MHzまでの12.5nsの時間遅延の補正により、 、ほぼ理想的なものとなっている。
特に、モーターを制御するためにスイッチング周波数の高い周波数コンバーターを使用する場合、電力のアクティブ 成分は、3桁のkHzの範囲にも見出すことができる。これは、スイッチング 周波数の倍数が、以下の式に従って電流および電圧信号に現れるからである。
モータに最終的にどのような電流が期待できるかについては、後述する。この目的のために、2.2 kW モータの実パラメータを使用し、下図に示す。
周波数が高くなると、モーターのリアクタンスが増加する。これによって力率が低下し、高周波の 電流成分が減衰する。
これらの関係を下図に示す。
モーターのインダクタンスにより、電流信号は平滑化され、曲線形状は電圧信号よりも明らかに 正弦波となる。インピーダンス比が不利であるにもかかわらず、高周波信号も 活性成分を発生させるため、これも正確に測定する必要があります。次の図では、4Wのモーターを無負荷で運転しています。インバータのスイッチング周波数は約6kHzである。 スイッチング周波数の整数倍が約150 kHzまで示されている。以下の振幅はケーブル反射によるもので、 、約340 kHzで最大となる。
高周波成分の有効電力は全有効電力の約13％である。
4 結論
電力分析には高精度の測定システムが必要である。特に電流変換器は、 、測定に望ましくない不正確さをもたらす可能性があります。 電流および電圧トランスの国際標準化であるIEC 61869ファミリーでは、精度クラス0.1を最大として定義しています。このクラスは、計器用変圧器の公称範囲における 比誤差±0.1 %に相当します。電力分析と効率 の決定には、測定 チェーンで大きな不正確さを回避する高精度センサー技術が必要です。ダニセンスのフラックスゲート電流変換器は、パワーアナライザの測定範囲 の拡張に最適な電流変換器です。最新モデルのDW500UB-2Vは、パワーアナライザの時間遅延を補正することができれば、10 MHzまで高精度の帯域幅を提供します。 より低い帯域幅の電流センサを使用する場合は、PA 内のフィルタ対策によってアナログ帯域幅を制限する必要があります。しかし、多くの場合、このような 対策は、 測定チャンネルにアナログ成分が追加されるため、PAの精度に悪影響を及ぼします。特に炭化ケイ素をベースとした新しい半導体モジュールでは、50～100 kHzの範囲のスイッチング周波数（ ）が予想される。 DW500UB-2Vのような高精度広帯域フラックスゲート電流変換器を推奨する。
ZES Zimmer アプリケ-ションベリヒト 109 - 。 https://www.zes.com/en/Applications/Field-of-application/Frequency-converter