耐久性家電の故障や不具合解析に有効な電力変動と波形同期検証

背景

化石燃料の枯渇や環境問題を背景に、再生可能エネルギーへの移行や省エネルギー化の推進が求められています。国内ではトップランナー制度が制定され、北米ではエネルギースタープログラム、欧州ではエコデザイン（ErP）指令などが制定されています。これらの制度では、省エネルギー製品の開発とその普及を目指しております。特にエアコン、冷蔵庫、洗濯機など、従来「白物家電」と言われていた製品においては、購入から10年以上使用されることが多く、耐久性の高さが重要なポイントになることがあります。しかし耐久性を高めた製品であってもいずれは寿命を迎えます。また、寿命に至らなくても何らかの要因により故障や不具合を起こします。その原因を特定し、かつ開発製品に対策することで、製品の信頼性を高めることができます。

課題

故障や不具合時には、電圧、電流、電力、力率、周波数などの測定値の一部の電力パラメータが急峻に変化したり、あるいは値が上下することがあります。 このような場合、電力パラメータの元となる電圧や電流波形データに変動や異常があると考えられるため、波形測定器を使って波形データを捕捉し、原因を究明することが有効な手段となる可能性が高いです。

その発生要因としては、測定対象の変化の他に、電源変動、測定環境、あるいは測定器側に変化や問題がある可能性もあり得ます。現象は稀にしか起こらないことも多いですが、異常現象の発生を確実に捉えるために、電力計と波形測定器などを同時に使用したり、電力計の波形捕捉機能による数値と波形データの相関から検証を進めることが非常に有効となります。

一般的に電力計が測定するデータ（項目）は数多くあるため、多数の数値を画面上で眺めながら異常データを見つけることは大変困難です。データ収集後、市販の表計算ソフトウェアを用いてトレンドのグラフ作成をすることで異常データを比較的簡単に発見することができますが、再度確認しようとして再試験を行った場合、前回から外部環境条件（外気温度、湿度、供試体の温度など）が変わってしまうことがあり、同様の現象が再現されないことがあります。結果として問題が解決しない状態が長期に及ぶこともあり得ます。

電力計による数値データの変動だけではどのような異常現象であるかを特定できないので、この原因を捉えようと波形測定器を使うことが一般的ですが、その波形データを取り込むためのトリガ条件の設定は困難な場合が多いです。また、電力計と同じタイミングで測定しようとしても個々の計測機器は内部時刻を持っており時間経過による誤差（ずれ）があるため、短時間のある一部のデータ欠落、信号レベル減少など、数値データ変動時の波形データの変化を時間で合わせることは難しいです。
また、電力計による数値データと波形測定器による波形データを同期させて長時間の測定をすることはあまり行われていません。これはオシロスコープのような波形測定器はMS/sオーダーの高速サンプリングで波形を捕捉し、高速処理が可能な内蔵メモリー（アクイジションメモリー）に一時保存する方法が一般的なためです。一方、電力計はmsあるいは秒単位の頻度での数値データの収集が一般的なため、都度PCに転送して保存するケースが比較的多いです。

このように、長時間にわたり高速サンプリングされた波形データと電力計の数値データを同期させて測定することは難しいです。

課題解決

IS8000を用いたDL950とWT5000の同期測定

• IEEE1588によるDL/WT時刻同期表示
• リンクファイル/分割ファイルによるデータ管理
• 確度保証された信頼性の高い電力データの活用
• 波形と電力データを使ったレポート作成

PX8000による電力波形データの周期ごとの演算

• 最速100 MS/sのサンプルレート
• 最大100 Mポイント/CHの大容量メモリー
• 1サイクルごとのトレンド演算による過渡電力測定
• 指定区間のカーソル間演算
• PowerViewerPlusによるPX8000本体と同じ演算

各モデルによる提案

IS8000を用いたDL950とWT5000の同期測定

波形測定器の波形演算機能を使って電力値を表示させる方法で電力値の検証を行うケースがありますが、測定した波形とトレーサビリティのとれた高精度な電力値として結果を得ることはできません。統合計測ソフトウェアプラットフォームIS8000はIEEE1588時刻同期を使い、スコープコーダDL950とWT5000を同時に接続することで簡単に同期測定を行うことができます。DL950とWT5000の同期誤差は約10 μsです。
DL950で取得できる最速20 MS/s、8 チャネル同時の連続波形データとともに、WT5000の数値データをPCの同一時間軸上に表示できます。電力データを波形データとともに時系列のトレンド表示ができるため、微妙な電力変動を確認できます。
たとえば、実際に起こっている電力変動から異常波形データを確認し問題を発見することも可能です。

図1 電圧・電力値異常時の波形データ観測例1

図2 電圧・電力値異常時の波形データ観測例2

図3 電圧・電力値異常時の波形データ観測例3

PX8000による電力波形データの周期ごとの演算

PX8000は電圧波形、電流波形の他に、瞬時電力を同時に演算し、波形データとして表示します。瞬時電力は同時にサンプリングされた電圧波形と電流波形の積によって得られます。この瞬時電力の値は、カーソルを使用して読むことができ、またカーソル間の2つの状態の差分測定が可能です。カーソルは水平、垂直、あるいはマーカーから選択でき、時間差、電圧/電流/ 電力差を同時に測定できます。
さらに、最大4 Mポイントのユーザー定義演算（波形演算、MATH）機能を用いることで、1サイクルごとの電力のトレンド波形を演算することができます。得られた波形は、カーソル機能を用いることで、特定のサイクルの値を求めることや、サイクル間の差分を測定することが可能です。
PX8000向けにアプリケーションソフトウェアとして760881 PowerViewerPlusが用意されており、測定データをPCに転送することで、大容量データの波形解析や数値解析がPC 上で可能です。

760881 PowerViewerPlus

図4 PX8000 本体の瞬時電力波形の例

図5 PX8000のカーソル間演算の例

図6 PX8000のサイクルごとのトレンド演算例

確度保証された信頼性の高い電力データの活用

近年は、波形測定器の中に電力データを演算する機能を搭載する機器が増えています。過渡的な現象においてもデータの同時性を確保できるため波形測定器で電力演算を行えることは大変便利であるものの、気をつけなければならない点があります。
それは国家標準につながった電力測定値の測定精度です。

波形測定器は電圧プローブ、電流プローブを使って高帯域・高サンプルレートにより測定信号の形状を、より正確に捉えることが主な目的となっています。従って、波形測定器を使って電力演算をした結果は電力計で測定したデータとは異なることがあり、測定精度における信頼性を慎重に検証する必要があります。
一方、横河計測の電力計は国家標準につながる計測標準を高い精度で確立・維持しており、電力計データの電圧、電流、有効電力などにおいて信頼性の高いデータを提供しています。
統合計測ソフトウェアプラットフォームIS8000は、電力トレーサビリティ*の取れたWT5000による電力測定とともにDL950による最速20 MS/s、8チャネルのデータ転送を可能としており、信頼性の高い電力計データと波形データを、同一時間軸上に同時表示できる点がメリットとなっております。

* 電力のトレーサビリティ：高精度電力計WT5000の性能を支える校正技術について
「高精度電力計を支える横河電機の電力校正技術」

図9 新電力校正システムのトレーサビリティ体系図