第3回　電力測定応用編【待機電力測定/ D/A出力/ ノイズ対策】

目次

第1回　単相電力計と電力基礎知識【電力とは/ 単相、三相/ 基本用語】

第2回　単相電力計での実測【電力計構造解説/ 結線/ 設定/ 配線】

第3回　電力測定応用編【待機電力測定/ D/A出力/ ノイズ対策】

• PCと組み合わせてのWT310Eの利用
• D/A出力を利用しての測定
• 電力計を安全に使うための注意点
• WT310Eの校正

 

PCと組み合わせてのWT310Eの利用

通信インタフェースの種類と特長

最近の測定器は高機能化しているため、PCと組み合わせて利用したほうがよい場合がある。WT310Eでは通信インタフェースを使って測定結果などをPCに伝送できるようになっている。

表１２．WT310Eで利用可能な通信インタフェースの種類と特長

	転送速度 (規格値)	最大ケーブル長	特長
USB	USB1.1：最大12 Mbps USB2.0：最大480 Mbps USB3.0：最大5 Gbps	USB1.1：最大5 m USB2.0：最大5 m USB3.0：最大3 m	ほとんどPCの通信インターフェースとして標準装備されている 接続のための設定は容易である
イーサネット	10BASE-T：10 Mbps 100BASE-T：100 Mbps	10BASE-T：最大100 m 100BASE-T：最大100 m	ほとんどPCの通信インターフェースとして標準装備されている 接続にはネットワークの知識が必要である
GPIB	最大1 Mバイト/秒	最大4 m（機器間） 最大20 mもしくは 装置数×2 mの短い方	測定器専用のためノイズ耐性はよい PC側にGIIBインタフェースカードの追加が必要
RS-232	最大20 Kbps	15 m	PCでは標準装備されていないが、PCLなどではよく使われている 高速データの伝送には向かない

 

USBやイーサネットの通信インタフェースはPCに標準搭載されているので、よく使われる。USBは利用するための特別な知識がいらないので利用されることが特に多い。GPIBはHewlett-Packard（HP、現在のキーサイト・テクノロジー）によって開発されたHP-IBが1975年にIEEE488として標準化された測定器専用の古いインタフェースであり、PCに専用のインタフェース基板の実装や専用の通信ケーブルが必要となるため今ではあまり使われなくなっている。RS-232はPLC（Programmable Logic Controller）と接続する際には便利な通信インタフェースである。

 

WTViewerFreePlusの概要

WT310Eのために作られたWTViewerFreePlus （WT310E/WT310EH/WT332E/WT333E用)は本体の出荷時に同梱されたCDに入っている。このPCソフトを利用することによってWT310Eが持つさまざまな機能をPC上で快適に使うことができる。
WTViewerFreePlusの基本的な機能は下図に示すとおりである。アイコンによってそれぞれの機能を示すような機能になっている。

図５８．WTViewerFreePlusの機能の全体

 

WTViewerFreePlusではWT310Eの本体の内部状態を設定する機能は下図のような構造になっている。

図５９．WTViewerFreePlusのWT310E設定構造

 

実際のWTViewerFreePlusのPC画面は下図のようになっている。WT310E本体の設定がPCの画面に表示されるので設定の全体像が見やすくなっている。

図６０．WTViewerFreePlusのWT310E設定画面

 

WT310Eで測定した結果を表示する画面では数字表示だけではなくさまざまなグラフ表現が可能となっている。

図６１．WTViewerFreePlusのWT310Eの測定結果表示構造

 

実際の画面は下図に示すように利用者が必要なウィンドウを開いてPCの画面に配置して使う。

図６２．WTViewerFreePlusのWT310Eの測定結果表示画面

 

WTViewerFreePlusを使っての実測

WT310EとPCソフトWTViewerFreePlusを使ってLED電球の測定を下図のような構成で行う。WT310EとPCはUSBケーブルで接続する。

図６３．WTViewerFreePlusを用いてのLED電球の測定の構成

 

今回の測定を行ったときの写真を下図に示す。

図６４．WTViewerFreePlusを用いてのLED電球の測定の実際

 

WTViewerFreePlusを使ってLED電球の測定を行うと、PC画面には下図に示すような測定結果を表示することができる。電圧、電流、有効電力、力率などのWT310Eで得られる測定値は一括して表示される。また電流および電圧の波形や高調波分析の結果もグラフ表示で見ることができる。WT310E本体だけでは多くの測定結果を一括して見ることができないが、PCソフトを利用すると容易に多くの測定結果を一括してPCの画面上で見ることができる。

図６５．WTViewerFreePlusを用いてのLED電球の測定結果表示

 

待機電力測定用PCソフトウェアの概要

横河計測では汎用的なWTViewerFreePlus以外に用途を特化したPCソフトを用意している。ここでは待機電力をIEC規格に沿って測定するためのPCソフトウェアを紹介する。
常に通電状態して機器や装置が使われないときには消費電力を抑えた待機モードに自動的になる製品が多くある。例えば予約録画ができるDVDレコーダでは待機時には時計とマイコンの一部を動作させるだけの小さな消費電力の状態になる。複写機やレーザープリンタでは待機時にすぐに印刷ができるように感光ドラムの保温をするために間欠的に大きな電力を消費する動作をしている。機器や装置の待機時の動作はそれぞれ異なっている。
IEC62301（JIS C 62301）に沿った待機電力の測定は製品開発において必要となる項目である。横河計測ではWTシリーズを使ってIEC62301に準拠した待機電力測定を行い、結果を報告書にまとめるまでの作業を支援するソフトウェアが無料で提供されている。
IEC62301では待機電力を測定するために使う測定器への要求が決められている。

• 有効電力、真の実効電圧および実効電流、ピーク電流を測定できる能力
• 電力分解能が1mW以上
• クレストファクターが3以上
• 最小電流レンジが10 mA以下
• 1秒以下のデータ更新周期
• 高調波ひずみ率（THD）が2％未満（13次高調波）
• 電力確度が0.5%以上

待機電力の測定対象となる機器や装置が待機時にどのような動作をするかによって使用する電力計を選定することになる。
下図にWT310Eを使ったDVDレコーダの待機電力を測定する構成を示す。

図６６．DVDレコーダの待機電力測定

 

横河計測ではWT310Eを使った待機電力の測定を解説する動画を公開している。この動画では測定条件の設定、実行、レポート作成までの流れを紹介している。

待機電力を簡単に測定する方法（4分18秒）
https://www.youtube.com/watch?v=HOdjRqoNLxY

 

D/A出力を利用しての測定

WT310Eはオプションで測定値に応じたアナログ信号を背面パネルから出力することができる。この機能はアナログ演算方式電力計からあり、記録計などの波形測定器と電力計を接続することによって消費電力の変化を容易に記録することができる。
下図に温度制御が可能な半田ごてのヒーターのON/OFF制御動作の挙動をWT310EのD/A出力を用いて観測する事例を示す。

図６７．D/A出力による温度制御機能付き半田ごての動作観測の構成

 

今回の測定を行ったときの写真を下図に示す。

図６８．D/A出力による温度制御機能付き半田ごての動作観測の実際

 

温度制御付の半田ごての電源をONしてからの挙動（上が消費電力、下が半田ごての温度）は下図に示すようにスコープコーダの画面に波形として記録される。PCを用いなくても簡単に温度制御の様子を観測できる。

図６９．スコープコーダ DL950の画面に記録された半田ごての温度制御の挙動

 

電力計を安全に使うための注意点

電力測定は高電圧、大電流を扱うため、誤った使い方をすると人体への危険だけではなく、電力計の破損を招くことになる。ここでは一般的な注意点を紹介する。

 

最大入力電圧および最大入力電流

WT310Eには下表に示すように最大入力電圧および最大入力電流が規定されている。最大値の仕様は印加される時間によって異なるので注意が必要となる。

表１３．WT310Eの仕様で規定されている最大入力電圧と最大入力電流

			瞬時最大許容入力		連続最大許容入力
			20 ms 間以下	1秒間以下
入力 端子間	電圧端子		ピーク値が 2.8 kV、または 実効値が 2 kVの低い方	ピーク値が 2 kV、または 実効値が 1.5 kVの低い方	ピーク値が 1.5 kVまたは 実効値が 1 kVの低い方
	電流 端子	クレストファクター「3」設定時 0.5/ 1/ 2/ 5/ 10/ 20 A	ピーク値が 450 A、または 実効値が 300 Aの低い方	ピーク値が 150 A、または 実効値が 40 Aの低い方	ピーク値が 100 A、または 実効値が 30 Aの低い方
		クレストファクター「3」設定時 5/ 10/ 20/ 50/ 100/ 200 mA	ピーク値が 150 A、または 実効値が 100 Aの低い方	ピーク値が 30 A、または 実効値が 20 Aの低い方	ピーク値が 30 A、または 実効値が 20 Aの低い方

 

例えばPWMインバータの電圧出力波形は正弦波でないため、事前にオシロスコープなどで波形のオーバーシュートを観測して最大入力電圧を超えていないことを確認する必要がある。ほかにも起動時に大きな電流が流れる機器や装置があるので、事前に印加電流が仕様値を超えていないかを確認する必要がある。

 

結線の確認

電力計を破損する要因で多いのは電圧と電流の結線を誤った場合である。WT310Eの仕様には電圧端子および電流端子の入力抵抗の仕様が記されている。電圧端子は高抵抗、直接入力の電流端子は低抵抗となっている。交流電源の両端を誤って直接入力の電流端子に接続すると、電流端子に大電流が流れて電力計は破損する危険がある。

表１４．WT310Eの仕様で規定されている電圧端子と電流端子の入力抵抗

入力端子			計器損失 ( 入力抵抗 )
電圧			約 2 MΩ // 約 13 pF
電流	直接入力	クレストファクター「3」のとき 0.5/ 1/ 2/ 5/ 10/ 20 A	入力抵抗：約 6 mΩ＋ 10mΩ (max) 入力インダクタンス：約 0.1 μH
		クレストファクター「3」のとき 5/ 10/ 20/ 50/ 100/ 200 mA	入力抵抗：約 500 mΩ 入力インダクタンス：約 0.1 μH
	外部電流 センサー入力 (/EX1)	クレストファクター「3」のとき 2.5/ 5/ 10 V	約 100 kΩ
	外部電流 センサー入力 (/EX2)	クレストファクター「3」のとき 50m/ 100m/ 200m/ 500m/ 1/ 2 V	約 20 kΩ

 

接地の確認

WT310Eの入力端子は絶縁されているため、オシロスコープのような非絶縁入力ではない。このため測定対象がコモンモード電位を持っていても通常は安全に測定できる。しかしWT310Eの故障や劣化による安全のリスクがあるため、実際に電力計を利用する場合は接地を取ることが望ましい。
実験での感電の危険については自然科学研究機構 分子科学研究所が発行する「安全ガイド2021・2022（ https://www.ims.ac.jp/about/safetyguide2021_2022.pdf ）」に感電による人体への影響が示されている。

表１５．電圧による人体への影響

接触時		接近時
電圧	人体への影響	電圧	接近しうる安全距離
10 V	全身水中にあるときは電位傾度10 V/mが限界	3 kV	15 cm
20 V	濡れた手で安全な限界	6 kV	15 cm
30 V	乾いた手で安全な限界	10 kV	20 cm
50 V	生命に危険のない限界	20 kV	30 cm
100 ～ 200 V	危険度が急に増大	30 kV	45 cm
200 V以上	生命に危険	60 kV	75 cm
約3 kV	荷電部に引き付けられる	100 kV	115 cm
10 kV以上	跳ね飛ばされ助かることがある	140 kV	160 cm
		270 kV	300 cm

出典：安全ガイド2021・2022（自然科学研究機構 分子科学研究所）
https://www.ims.ac.jp/about/safetyguide2021_2022.pdf

 

また、測定器がノイズの影響を受けないようにするために、接地を取ることが望ましい。例えば測定器の電源回路にはノーマルモードノイズやコモンモードノイズを除去するためにノイズフィルターが取り付けられている。コモンモードノイズの除去に接地は必須となる。

図７０．電源ノイズフィルターを流れるノイズの経路

 

ビルや工場などの大きな構造物では下表に示すような異なる種類の接地線が用意されている。避雷針がある建物の場合は雷電流を流す専用の「外部避雷用接地」がある。また多くの建物では人の感電を防ぐための「保安用接地」がある。通常の３ピンコンセントの接地は保安用接地になっている。安定した基準電位が必要な通信機器、サーバー、医療機器がある建物では保安接地以外に「機能用接地」が別に用意されている。大きなパワーエレクトロニクス機器から接地線を経由して測定器に影響をある場合は「機能用接地」を利用するか、別系統の「保安用接地」を利用する。

表１６．建物にある接地の種類と用途

	電気設備用接地		避雷設備用接地 【外部避雷用接地】
	強電用接地 【保安用接地】	通信弱電用接地 【機能用接地】
種別	機器用（ケースアース）、系統用、地絡検出用、避雷器用	機能用、雑音防止用、静電気障害防止用	外部避雷用
目的	感電防止、電位上昇防止、火災防止、漏電防止、絶縁協調と機器避雷	電子通信機器の機能維持と安全動作	建築物と人体保護

出典：ビルの統合接地システム構築に向けて（電気学会誌 118巻 9号 1998年） https://www.jstage.jst.go.jp/article/ieejjournal1994/118/9/118_9_518/_pdf

 

WT310Eを設置する際の注意点

WT310Eを机上に置いて使う場合やラックに実装して使う場合は下図に示す注意が必要となる。

図７１．設置する際の注意点

 

WT310Eは軽い測定器であるため、机の上で利用する場合などでは配線の重さで測定器が落下する危険がある。落下の危険がある場合はWT310Eをバンドなどで固定することが望ましい。

 

ノイズ対策

パワーエレクトロニクス機器が設置される環境で測定を行うためにはノイズ対策が必要な場合がある。電力計は測定対象となる機器や装置の近くに設置して利用するため、外部からのノイズの影響を受けやすい。
下図に示すようにWT310Eに影響を及ぼすノイズには誘導ノイズ、伝導ノイズ、放射ノイズがあり、ノイズの特性や種類に応じて対策が取られる。

図７２．WT310Eに影響を及ぼすノイズの事例

 

ノイズ対策は実際の測定環境を見て対策を決めていく。主に下表のような対策が考えられる。

表１７．測定での一般的なノイズ対策事例

	ノイズ対策
信号配線	測定対象と電力計を接続する配線を短くする
	配線はツイストペア線やシールド線を使う
	配線にフェライトコアを挿入してコモンモードノイズを抑制する
	ノイズ源となる配線に信号線を近づけない
給電、接地	測定対象となる機器と電力計は分電盤から配線を別ける
	測定対象と電力計の接地を分離する
	測定器への給電にノイズを低減させる絶縁トランスを設置する
電力計の設置	測定対象から電磁的な影響を受けない配置とする
	測定対象から電磁的な影響を受けないようにシールドを行う
電力計の設定	電力計のフィルタ機能を使ってノイズを除去する
	電力計のアベレージング機能を利用する
通信ケーブル	測定対象からの伝導ノイズを避けるために光絶縁を行う

 

パワーエレクトロニクス機器の実験では危険が伴うことがあるため、電力計を測定対象の近くに置いて、離れた場所に置いたPCから操作や測定結果の読取りを行うことがある。通信線からのノイズの影響を少なくするために下図に示すように光ファイバケーブルを利用する場合がある。

図７３．ノイズ対策のための光ファイバケーブルの利用

 

WT310Eの校正

電力計のトレーサビリティ

測定結果の信頼性を確保するには国家標準とのトレーサビリティを確保する必要がある。電力計を作るメーカーでは国家標準から電力計を校正するためのトレーサビリティ体系を独自に社内で構築している。トレーサビリティ体系の確立が測定器の仕様を保証する根拠になっているため、測定器メーカーでは社内標準の精度維持に努めている。
横河計測の電力トレーサビリティ体系は下図のようになっている。

図７４．横河計測の電力計校正体系図

 

【トレーサビリティについて学びたい方へ】 トレーサビリティの考え方について知りたい方には以下のJEITA（電子情報技術産業協会）講座に入門者向けの解説資料がある。 JEITA講座「計量計測トレーサビリティ概論」 https://home.jeita.or.jp/upload_file/20130618162257_xfGtbpaTEH.pdf

 

交流電力校正器 を使っての校正作業

横河計測では基本確度が±0.15%のWT300Eシリーズまでの電力測定器の校正を利用者自身で行うために交流電力校正器LS3300を販売している。電力計を多く持って定期的に精度維持管理が必要な工場では社内に校正環境が必要になる場合がある。
交流電力校正器LS3300と被校正対象のWT310Eを下図のように接続すれば容易に校正作業を行うことができる。

図７５．交流電力校正器LS3300を用いてのWT310Eの校正作業

 

図７６．交流電力校正器LS3300を用いてのWT310Eの校正の実際