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【アコン技術情報】開発その13;電子式電力量計

2015.04.14 Tuesday カテゴリ:アコン技術情報
以前、電子式電力量計を開発したことがありました。もう40年前の話です。当時は電力量の検針作業は1件1件回って調べるのが一般的でしたが、集中検針にしようということで、電力量計の電子化が行われました。国からも大きな予算が出ましたので、国内の重電メーカはこぞってこれに参画しました。
皆さんの家庭にある電力量計は普通級と呼ばれ、

・精度;2%ofRD(1〜30A)

の精度をもっています。意外に良くないなと思われた方も多いのではないかと思いますが、この誤差はRD(Readingすなわち読み取り値)に対してのものです。したがって、通常のFS(フルスケールすなわち定格)誤差表示の測定器に比べて、1/30の点では30倍精度が高くなります。
たとえば、30Aと1Aでのそれぞれの誤差を比べてみましょう。誤差は2%とします。

FS;30A±0.6A 1A±0.6A

RD;30A±0.6A  1A±0.02A

このように、低電流になるほどRD誤差のほうが高精度になることがわかるでしょう。電力量計はお金に関わるものですから、当然といえば当然です。
なお、工場では取引電力も大きいため、精密級0.5%(1〜1/200)と精度もダイナミック・レンジも大きくなり、さらに難しくなります。


●当時の方式について

当時は電力計測法には、

・ダイオード・アレイ乗算方式
・時分割乗算方式
・乗算IC方式
・そしてホール素子乗算方式

などがありました。
ダイオード・アレイ方式はダイオードの順方向特性が2乗カーブを持つことから、それを乗算器として応用する方式です。精度はそれほど高くはできませんが、普通級クラスなら問題ありません。

この方式の一番の特徴は、寿命が長いということです。OPアンプやICは使用しないので、もっとも信頼性が高くなります。
電力量計は7年毎に再調整され、それを3回、すなわち合計21年の稼動能力が要求されます。これを達成することは、他の方法ではまず不可能です。
時分割乗算方式は、当時もっとも活気があった方式です。高精度化にもっとも適した方式です。準デジタル方式といったほうが判りやすいと思います。

私の尊敬する先輩が担当していたので、多くのものを習いました。直接に教わることは無かったのですが、話の端はしに回路技術のすばらしさが伝わってきました。その方の回路を見たとき、初めてアナログ回路はアートだと思いました。すみずみまで配慮が行き渡った回路を見たときは衝撃でした。

調整レスにする;VRの数を少なくすること!(高信頼性のため)
省エネを心がける
・同じ部品、同じ回路に統一する
・IC化に適した回路にする

などなど、プロとはこういうことかと痛感しました(これをすでに40年に言っていた)。

乗算IC方式は、その名のとおり乗算用ICを使います。当然そのままでは精度不足なので、そこに回路の工夫が必要です。
最後の、ホール素子乗算方式が私が担当したものです。当時はホール素子に乗算作用があることは知られていましたが、とても測定器に使用できるほどの代物ではありませんでした。それを回路の工夫にて、みごとに完成させることができました。

しかし残念なことに、この方式はT社のみしかやっておらず、前述したように時分割乗算型が主流であったため、日の目を見ることはありませんでした。
ただ現在、国内で唯一O社が普通級の電子式電力量計として市販しているようです。以前そこの技術者から、「松井さんのホール素子の特許、切れたから使わせてもらっているよ」と声をかけられました。この方式の最大の特徴は小型にできることです

他の方式では必ず電流トランスがいるのですが、この方式では不要です。なぜなら、ホール素子は磁気センサなので、電流をそのまま磁界に変換すればすんでしまうからです。
電流トランスを高精度(位相、ゲイン)に作るには、巻き数を大きく、コア材にも注意する必要があります。そのため、形状が大きくなってしまいます。ホール素子乗算方式だとこの電流トランスが不要になります。


●ホール素子を高精度回路で使うための回路

そのときに考えたホール素子の回路を紹介します。

?同相電圧除去回路

通常ホール素子(他のセンサも同様)に電圧を印可すると、その半分の電圧が出力端子に現れます。これを同相電圧と呼んでいます。そのため図1のように、差動アンプで増幅するのが一般的です。




図1:従来のオール素子アンプ
(差動アンプを使用)


ところが、当時は差動アンプはモジュールでしか購入できず、しかも数万円という高価なものでした。そこで図2のような回路を考案しました。
同相電圧があるから差動アンプが必要、逆に考えて同相電圧を無くしたら差動アンプは不要になります。
図の回路は、ホール素子の出力端子a2を0VにするようにOPアンプA1が動作します。OPアンプA1の+入力は0Vなので、−入力を0VにするようにOPアンプが働くからです。そのため、ホール素子のもう一つの出力端子a1からは0V基準のホール電圧VHが得られます。VHは0V基準なので(すなわち同相電圧は0)、差動アンプを使うことなく増幅できます。
これは当時特許になった回路で、同相電圧除去回路と名付けました。




図2:p.msttii考案 同相電圧除去回路


?センサ電圧の加算回路

電力量計には単相2線用と単相3線用とがあります。3線用は二つの各相の電力を個別に求めて、加算します。つまり同じ回路が二つ必要になります。
これは実に無駄なことです。センサ電圧を直接加算できれば、アンプは一つで済んでしまいます。
それで、図3の回路を考案しました。これをセンサ電圧の加算回路と名づけました。原理は先ほどとまったく同じです。なお、左の回路は同相電圧除去回路になります。これも特許になりました。




図3:p.msttii考案 センサの加算回路


?オフセット電圧除去回路1

高精度にするときに、ホール素子のオフセット電圧は実に邪魔です。それを除去するのが図4の回路です。




図4:p.msttii考案 オフセット電圧除去回路


?オフセット電圧除去回路2

ホール素子の電圧は小さいので、当然OPアンプで増幅することになります。図5は、OPアンプのオフセット電圧ごと除去してくれる回路です。




図5:オフセット電圧除去回路


?感度の温度係数除去回路

GaAsホール素子には-400ppm/℃程度の温度係数があります。これを無くさないと、電力量計には使用できません。
通常は図6(a)のように、温度センサで補償します。でも、これだと温度センサをホール素子の近くに配置する必要があります。また、センサとホール素子を一緒にモールドしないと、温度差が生じてうまく行きません。

そこで図(b)のような回路を考えてみました。ホール素子には抵抗があります(これを素子抵抗と呼ぶ)。しかもこの素子抵抗は、GaAsの場合+0.3%/℃の温度係数があります。ということは、GaAsホール素子は温度センサでもあるわけです。これに注目して作ったのが図(b)の回路です。




図6:感度の温度補償回路


代表的な回路をいくつか紹介しましたが、他にもたくさん考案してきました。
たとえば、センサのドライブ方式には、

・定電圧ドライブ
・定電流ドライブ

が有名ですが、当時私は定抵抗ドライブがなぜないのか不思議でした。そこで、松井流定抵抗ドライブ回路を考案しました。機会があれば紹介したいと思います。
 

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