本发明涉及一种基于三相中各相的电压和各相的电流来测定三相功率的三相功率测定装置。
背景技术
作为这样的三相功率测定装置，已知有下述专利文件1所揭示的三相功率测定装置。该三相功率测定装置包括：六个a/d转换器，它们对提供给作为负载的三相交流电动机的三相电压和三相电流分别进行采样，输出与每个相的相电压有关的电压数据以及与每个相的相电流有关的电流数据；三个乘法运算部，它们将各个相的电压数据和电流数据相乘，输出各相的瞬时功率数据；加法运算部，其将各乘法运算部输出的瞬时功率数据相加，输出三个相的瞬时有功功率；以及低通滤波器，其对加法运算部输出的瞬时有功功率进行滤波，输出三个相的有功功率(提供给三相交流电动机的有功功率)。
在该三相功率测定装置中，即使通过逆变器生成三个相的各相电压和各相电流，逆变器的载波频率(也被称为开关频率)相对于各相电压和各项电流的频率足够高时，可以通过低通滤波器容易地去除包含在三相有功功率中的载波频率分量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2004－170097号公报(第5-7页、图1)
技术实现要素：
发明所要解决的技术问题
然而，在上述专利文献1所公开的三相功率测定装置中存在以下待解决的问题。即，在该三相功率测定装置中，如上所述，通过低通滤波器对加法运算部输出的瞬时有功功率进行滤波并输出三相有功功率，通过采用这样的结构，即使通过逆变器生成作为测定对象的三个相的各相电压和各相电流，也可容易地去除三相有功功率中包含的载波频率分量(将其降低到允许的范围内)，这使得可以在载波频率分量足够小的状态下精确测定三相功率。但是，在该三相功率测定装置中存在如下待解决的问题：由于使用了具有信号延迟的低通滤波器，因此在希望进一步去除(减小)上述载波频率(开关频率)分量时(即，在希望更精确地测量三相功率时)，输出三相有功功率之前的延迟时间变大。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其主要目的在于提供一种三相功率测定装置，它能够在延迟时间非常短的状态下，精确地测定从逆变器向负载提供的各相电压和各相电流的有功功率。
解决技术问题所采用的技术方案
为了实现上述目的的第一发明的三相功率测定装置包括：多个乘法运算部，所述多个乘法运算部针对从逆变器提供的三个相中的每个相将各相电压数据与各相电流数据相乘，输出各相的单相瞬时功率数据，所述各相电压数据和各相电流数据是对所述三个相的各相电压和各相电流分别进行采样而得到的该各相电压的电压数据和该各相电流的电流数据；加法运算部，所述加法运算部将所述各相的所述单相瞬时功率数据相加，输出所述三个相的总瞬时功率数据；以及平均部，所述平均部以下述时间间隔对所述总瞬时功率数据进行平均化，输出所述三个相的有功功率：该时间间隔是所述逆变器中的开关频率的倒数即开关周期的n倍(n是1以上的整数)，并且小于所述各相电压和所述各相电流的1/2周期。
第二发明的三相功率测定装置是在第一发明的三相功率测定装置中，所述时间间隔是所述开关周期的1倍。
第三发明的三相功率测定装置是在第一发明的三相功率测定装置中，包括频率检测部，所述频率检测部基于所述各相电压或所述各相电流来检测所述开关频率，所述平均部以基于所述频率检测部所检测出的所述开关频率的所述时间间隔对所述总瞬时功率数据进行平均化。第四发明的三相功率测定装置是在第二发明的三相功率测定装置中，包括频率检测部，所述频率检测部基于所述各相电压或所述各相电流来检测所述开关频率，所述平均部以基于所述频率检测部所检测出的所述开关频率的所述时间间隔对所述总瞬时功率数据进行平均化。
第五发明的三相功率测定装置是在第一至第四发明的任一项发明的三相功率测定装置中，包括δ－y转换部，所述δ－y转换部接收各线间电压数据的输入并将其转换成所述各相电压数据后输出至所述多个乘法运算部，所述各线间电压数据是对从所述逆变器提供的三个相的各线间电压分别进行采样而得到的该各线间电压的电压数据。
发明效果
第一发明的三相功率测定装置中，平均部在逆变器的开关周期的n倍的时间间隔内，对加法运算部以a/d转换部的采样周期输出的多个总瞬时功率数据进行平均化，作为三个相的有功功率w输出。因此，不同于用低通滤波器对加法运算部以采样周期输出的总瞬时功率数据进行平均化(用低通滤波器减少逆变器的开关动作所引发的、与开关周期具有相同周期的纹波)的已有三相功率测定装置，利用该三相功率测定装置，既避免了在低通滤波器中产生延迟时间(即将延迟时间设置得极小)，同时，又可以充分地减少具有与开关周期相同周期的纹波，可以准确测定有功功率。
此外，利用第二发明的三相功率测定装置，将对加法运算部以采样周期输出的多个总瞬时功率数据进行平均化的时间间隔设置为开关周期的1倍，从而能够以与采样周期相同的时间间隔(最短时间间隔)测定有功功率。
此外，利用第三、第四发明的三相功率测定装置，由于具备检测逆变器中的开关频率的频率检测部，因此能够避免三相功率测定装置的用户设置该开关频率的麻烦，并且在逆变器中的开关频率随时间变化的情况下，也可以通过自动跟踪来准确地测定有功功率。
此外，利用第五发明的三相功率测定装置，在输入线间电压数据的情况下，由于能够将该线间电压数据转换成相电压数据，因此与输入相电流数据和相电压数据的上述结构相同，既避免了在低通滤波器中产生延迟时间(即将延迟时间设置得极小)，同时，又可以充分地减少具有与开关周期相同周期的纹波，可以准确测定有功功率。
附图说明
图1是三相功率测定装置1的结构图。
图2是要用图1的三相功率测定装置1测量其有功功率w的三相电源2和三相负载3的三相连接图。
图3是另一三相功率测定装置1a的结构图。
具体实施方式
下面，参照附图，对三相功率测定装置的实施方式进行说明。
首先，参照图1，对作为三相功率测定装置的一个例子的三相功率测定装置1的结构进行说明。
作为一个例子，三相功率测定装置1测定如图2所示从y型接线的三相电源2向y型接线的三相负载3提供的三相有功功率w，如图1所示，三相功率测定装置1具备多个(在本例中为六个)a/d转换部11、12、13、14、15和16；多个(本例中为三个)乘法运算部17、18、19；加法运算部20；频率检测部21；平均部22；以及输出部23。
如图2所示，三相电源2由三相逆变器(中性点n的电位是预定的、能够测定基于y型接线的相电压的逆变器)构成，并且通过开关操作(例如基于pwm控制的开关操作)生成u相的相电压(u相电压)vu、v相的相电压(v相电压)vv和w相的相电压(w相电压)vw，并将它们提供给三相负载3。此外，利用此结构，从三相电源2向三相负载3提供u相的相电流(u相电流)iu、v相的相电流(v相电流)iv和w相的相电流(w相电流)iw。
因此，各相电压vu、vv、vw以及各相电流iu、iv、iw均含有与三相电源2的开关频率相同频率的纹波(各相电压vu、vv、vw为电压纹波，各相电流iu、iv、iw为电流纹波)。当三相电源2由例如驱动作为三相负载3的三相交流电动机的三相逆变器构成时，相电压vu、vv、vw在很多情况下通常具有1khz以下的频率。
另外，由多个(三个)电压传感器(未示出)检测各相电压vu、vv、vw，向三相功率测定装置1输出电压值根据各相电压vu、vv、vw的电压值变化的电压信号。同样，由多个(三个)电流传感器(未示出)检测各相电流iu、iv、iw，向三相功率测定装置1输出电流值根据各相电流iu、iv、iw的电流值变化的电流信号。下面，为了便于理解，将与相电压vu相对应的上述电压信号记为“相电压vu”，将与相电压vv相对应的上述电压信号记为“相电压vv”，将与相电压vw相对应的上述电压信号记为“相电压vw”，并将与相电流iu相对应的上述电流信号记为“相电流iu”，将与相电流iv相对应的上述电流信号记为“相电流iv”，将与相电流iw相对应的上述电流信号记为“相电流iw”。
在该三相功率测定装置1中，如图1所示，a/d转换部11以预定周期(采样周期)对相电压vu进行采样，由此输出表示相电压vu的瞬时值的相电压数据dvu。a/d转换部12以上述采样周期对相电流iu进行采样，由此输出表示相电流iu的瞬时值的相电流数据diu。此外，a/d转换部13以上述采样周期对相电压vv进行采样，由此输出表示相电压vv的瞬时值的相电压数据dvv。a/d转换部14以上述采样周期对相电流iv进行采样，由此输出表示相电流iv的瞬时值的相电流数据div。此外，a/d转换部15以上述采样周期对相电压vw进行采样，由此输出表示相电压vw的瞬时值的相电压数据dvw。a/d转换部16以上述采样周期对相电流iw进行采样，由此输出表示相电流iw的瞬时值的相电流数据diw。
该采样周期被设置为相对于三相电源2的开关频率(通常为2khz至20khz)的倒数(开关周期：500μs至50μs)足够短的时长(例如，1/10以下的时长(5μs以下))。
向乘法运算部17输入u相的相电压数据dvu和相电流数据diu并相互相乘，从而输出u相的单相瞬时功率数据dwu。此外，向乘法运算部18输入v相的相电压数据dvv和相电流数据div并相互相乘，从而输出v相的单相瞬时功率数据dwv。此外，向乘法运算部19输入w相的相电压数据dvw和相电流数据diw并相互相乘，从而输出w相的单相瞬时功率数据dww。向加法运算部20输入各相的单相瞬时功率数据dwu、dwv、dww并相加，从而输出三相的总瞬时功率数据dw。
频率检测部21检测三相电源2的开关频率，并输出表示该开关频率的频率数据df。如上所述，图2所示的各相电压vu、vv、vw和各相电流iu、iv、iw均含有与三相电源2的开关频率相同频率的纹波(各相电压vu、vv、vw为电压纹波，各相电流iu、iv、iw为电流纹波)，因此，输入到各a/d转换部11、12、13、14、15、16的相电压vu、相电流iu、相电压vv、相电流iv、相电压vw和相电流iw也包含与该开关频率相同频率的纹波。
因此，本例的频率检测部21检测输入到各a/d转换部11、12、13、14、15、16的相电压vu、相电流iu、相电压vv、相电流iv、相电压vw和相电流iw中的任一个电压信号(在本例中例如为相电压vu)，并检测该输入电压信号中包含的纹波的频率，从而输出上述频率数据df。另外，上述结构中，根据输入到a/d转换部11～16的相电压vu等模拟信号形式的电压信号来检测波纹的频率，频率检测部21也可以不采用上述结构，而代之以根据从a/d转换部11～16输出的相电压数据dvu等数字信号来检测上述纹波的频率。
在三相电源2的开关频率是已知的情况下，也可以采用在三相功率测定装置1中设置操作部(未示出)来代替频率检测部21，由三相功率测定装置1的用户对操作部执行操作，从操作部输出表示该已知开关频率的频率数据df的结构(用户设定开关频率的结构)。另外，在三相电源2能够输出表示该开关频率的频率数据df的情况下，也可以采用不设置频率检测部21或操作部，向三相功率测定装置1直接输入从三相电源2输出的该频率数据df的结构。
平均部22接收总瞬时功率数据dw和频率数据df的输入，并以下述时间间隔对总瞬时功率数据dw进行平均化，计算并输出三个相的有功功率w：该时间间隔是该频率数据df所表示的三相电源2的开关频率的倒数即开关周期的n倍(n是1以上的整数)，并且小于各相电压vu、vv、vw和各相电流iu、iv、iw的1/2周期。本例中，平均部22采用这样的结构，以使计算有功功率w的延迟时间最小即n＝1的时间间隔对总瞬时功率数据dw进行平均化，从而计算有功功率w。
在该结构中，当上述采样周期被确定为相对于上述开关周期足够短的时长(1/10以下的时长)时，平均部22对至少十个总瞬时功率数据dw进行平均化，从而能够计算精确的有功功率w。至于用于对总瞬时功率数据dw进行平均化的上述时间间隔，只要它小于背景技术中描述的使用低通滤波器的结构中的延迟时间，n可以为2,3,4......等超过1的任意数值，但是，考虑到要减少延迟时间，通常优选将其确定为小于10的数。
上述乘法运算部17～19、加法运算部20和平均部22可以整体由诸如dsp或cpu等微处理器构成。
作为一个例子，输出部23由显示装置构成，在其画面上显示(输出)平均部22输出的有功功率w。另外，输出部23也可以用各种接口电路代替显示装置来构成，在由外部接口电路构成的情况下，经由外部接口电路向利用传输线路连接的外部装置输出该有功功率w，而在由介质用接口电路构成的情况下，该有功功率w被存储在连接到该介质用接口电路的存储介质中。
下面，对三相功率测定装置1的动作进行说明。
在三相功率测定装置1中，在从多个电压传感器(未示出)和多个电流传感器(未示出)接收到作为电压信号的各相电压vu、vv、vw和各相电流iu、iv、iw的输入的状态下，各a/d转换部11～16接收相电压vu、相电流iu、相电压vv、相电流iv、相电压vw和相电流iw的输入，将它们a/d转换成相电压数据dvu、相电流数据diu、相电压数据dvv、相电流数据div、相电压数据dvw和相电流数据diw，并输出。此外，各乘法运算部17、18、19接收分别与它们各自相对应的相电压数据和相电流数据的输入并相乘，从而输出各相的单相瞬时功率数据dwu、dwv、dww。
加法运算部20接收各单相瞬时功率数据dwu、dwv、dww的输入并相加，输出三相的总瞬时功率数据dw。另外，频率检测部21接收例如相电压vu的输入并且检测该相电压vu中所包含的纹波的频率，从而输出表示三相电源2的开关频率的频率数据df。
另外，平均部22接收总瞬时功率数据dw和频率数据df的输入，并且还以下述的时间间隔对总瞬时功率数据dw进行平均化，从而算出三相的有功功率w并输出至输出部23：该时间间隔是该频率数据df所表示的三相电源2的开关频率的倒数即开关周期的n倍(本例中为1倍)。即，平均部22以开关周期的n倍(本例中即为开关周期)的时间间隔来输出一个总瞬时功率数据dw。另外，输出部23于是在画面上以时间间隔(本例中即为开关周期)显示从平均部22输出的有功功率w。
如上所述，在该三相功率测定装置1中，平均部22在三相逆变器构成的三相电源2的开关周期的n倍(本例中为1倍)的时间间隔内，对加法运算部20以采样周期输出的多个总瞬时功率数据dw进行平均化，作为三个相的有功功率w输出。因此，不同于用低通滤波器对加法运算部20以采样周期输出的总瞬时功率数据dw进行平均化(减少与该采样周期具有相同周期的纹波)的已有三相功率测定装置，利用该三相功率测定装置1，既避免了在低通滤波器中产生延迟时间(即将延迟时间设置得极小)，同时，又可以充分地减少具有与采样周期相同周期的纹波，可以准确测定有功功率w。
此外，利用该三相功率测定装置1，将对加法运算部20以采样周期输出的多个总瞬时功率数据dw进行平均化的时间间隔设置为开关周期的1倍，从而能够以与采样周期相同的时间间隔(最短时间间隔)测定有功功率w。
此外，利用该三相功率测定装置1，由于具备检测三相电源2中的开关频率的频率检测部21，因此能够避免三相功率测定装置1的用户设置该开关频率的麻烦，并且在三相电源2中的开关频率随时间变化的情况下，也可以通过自动跟踪来准确地测定有功功率w。
此外，利用该三相功率测定装置1，由于分别输入各相电压vu、vv、vw和各相电流iu、iv、iw并以相同周期对它们进行采样，并且具备输出各相电压数据dvu、dvv、dvw和各相电流数据diu、div、diw的a/d转换部11～16，因此可以直接分别输入各相电压vu、vv、vw和各相电流iu、iv、iw来测定三相的有功功率w，而无需单独准备a/d转换装置。
如上所述，三相电源2由中性点n的电位是预定的、能够测定基于y型接线的相电压vu，vv，vw的三相逆变器构成，将该y型接线的三相电源2与y型接线的三相负载3通过y-y接线进行连接，三相功率测定装置1能够对该情况下(图2所示结构的情况下)的有功功率w进行测定，而三相电源2δ型接线的情况下(未图示)由于无法确定中性点n的电位，所以虽然能够测定基于δ型接线的线间电压vuv、vvw、vwu，但却无法测定相电压vu、vv、vw。下面参照图3，对测定用δ－y接线连接上述δ型接线三相电源2与y型接线三相负载3的情况下的有功功率w的三相功率测定装置1a进行说明。另外，对于与上述的三相功率测定装置1相同的结构，标注相同的标号并省略重复的说明。此外，对于与上述的三相功率测定装置1相同的动作，也省略重复的说明。
由多个(三个)电压传感器(未示出)检测各线间电压vuv、vvw、vwu，向该三相功率测定装置1a输出电压值根据各线间电压vuv、vvw、vwu的电压值变化的电压信号。下面，为了便于理解，将与线间电压vuv相对应的上述电压信号记为“线间电压vuv”，将与线间电压vvw相对应的上述电压信号记为“线间电压vvw”，将与线间电压vwu相对应的上述电压信号记为“线间电压vwu”。
如图3所示，除了上述三相功率测定装置1的结构之外，该三相功率测定装置1a还具备δ－y转换部25。在该三相功率测定装置1a中，a/d转换部11以上述采样周期对线间电压vuv进行采样，由此输出表示线间电压vuv的瞬时值的线间电压数据dvuv，a/d转换部13以上述采样周期对线间电压vvw进行采样，由此输出表示线间电压vvw的瞬时值的线间电压数据dvvw，a/d转换部15以上述采样周期对线间电压vwu进行采样，由此输出表示线间电压vwu的瞬时值的线间电压数据dvwu。
δ－y转换部25例如与乘法运算部17～19、加法运算部20和平均部22等一起整体由诸如dsp或cpu等微处理器构成，其基于公知的δ－y转换公式，根据各线间电压数据dvuv、dvvw、dvwu来计算出各相电压数据dvu、dvv、dvw(将线间电压数据dvuv、dvvw、dvwu转换成相电压数据dvu、dvv、dvw)。此外，δ－y转换部25将计算出的相电压数据dvu、dvv、dvw输出至各乘法运算部17、18、19。
因此，对于如上所述不输入相电压vu、vv、vw而是输入线间电压vuv、vvw、vwu的三相功率测定装置1a而言，不同于用低通滤波器对加法运算部20以采样周期输出的总瞬时功率数据dw进行平均化(用低通滤波器减少逆变器的开关动作所引发的、与开关周期具有相同周期的纹波)的已有三相功率测定装置，三相功率测定装置1a同样既避免了在低通滤波器中产生延迟时间(即将延迟时间设置得极小)，同时，又可以充分地减少具有与开关周期相同周期的纹波，可以准确测定有功功率w。
为了能够直接输入各相电压vu、vv、vw和各线间电压vuv、vvw、vwu中的任一组电压以及各相电流iu、iv、iw来测定有功功率w，上述三相功率测定装置1、1a采用了具有a/d转换部11～16的结构，但是也可以采用输入外部a/d转换装置所输出的各相电压数据dvu、dvv、dvw以及各相电流数据diu、div、diw来测定有功功率w的结构。采用此结构的情况下，三相功率测定装置1能够省略各a/d转换部11～16，而三相功率测定装置1a能够省略各a/d转换部11～16和δ－y转换部25。
标号说明
1、1a三相功率测定装置
11、12、13、14、15、16a/d转换部
17、18、19乘法运算部
20加法运算部
21频率检测部
22平均部
dvu、dvv、dvw相电压数据
dw总瞬时功率数据
dwu、dwv、dww单相瞬时功率数据
iu、iv、iw相电流
ivu、ivv、ivw相电流数据
vu、vv、vw相电压
w有功功率。