交流電源 を使用して消費電力を測定する際の注意点とは？

被測定機(DUT)の消費電力や消費電流を測定する場合、交流電源を使用する場合としない場合で測定結果が異なることがあります※1。ここでは、測定時に交流電源を使用した場合の代表的な3つの症状について、これらの症状が現れる理由とその解決策を中心にご紹介します。

*1：交流電源がない場合、スライドトランスを使用するか、DUTを交流電源に直接接続することで代用可能です。

症状1：消費電流が増加する。

交流電源の出力インピーダンスが低いため、このような現象が起こります。交流電源の出力インピーダンスが低いと*2、DUTの入力電圧と入力電流の位相差が大きくなり、力率が低くなります。したがって、交流電源の出力インピーダンスが低いほど、DUTの力率は低くなります。

数学的には、力率＝有効電力（W）／皮相電力（VA）である。力率を下げても有効電力は変わらないので、皮相電力（VA）は増加する。入力電圧（V）が一定の場合、消費電流（A）は増加します。

では、図を使って説明しましょう。図1の等価回路は、Cで示される容量性被測定物（例えば、コンデンサ入力の整流回路を持つ）、図2の等価回路は、Lで示される誘導性被測定物（例えば、モーター）を含んでいます。交流回路のフェーザ図が図3です。

*2：本項では、「交流電源」とは、AC主電源、スライドトランス、交流電源のことを指します。

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図3において、X軸は電流Iを表す参照ベクトルである。抵抗電圧VRはIと同相なので、VRの降下はIと同位相でとられる。抵抗R＝0とすると、純インダクタ電圧VLと純コンデンサ電圧VCはそれぞれIに90°先行、遅行している。

電源電圧位相（Vsl,Vsc）の角度は、Iと電源電圧Vsの位相がどのように異なるかを示しています。位相角θはVRの低下とともに増加（θ1＜θ2）するため、IとVsの位相差はVRの低下とともに増加します。したがって、入力電圧(V)が一定の場合、位相差はR(=インピーダンス)に依存することになります。

注）DUTにコンデンサ入力の整流回路があり、交流電源のインピーダンスが低い場合は、R（＝インピーダンス）に依存します。インピーダンスが低い場合、ピーク電流が増加し、導通角が小さくなります。力率が低くなる。

ご承知のとおり、一般に言う交流安定化電源というのは負荷の大小に係わらず出力電圧が一定となる定電圧源です。これに対して本システムは同じ交流出力ですが、負荷に係わらず出力の電流量が一定の(設定した)値となるように動作、しかも500Aを越える大電流、パワー的には10kW超も出力可能な交流のハイパワー定電流源です。システムのターゲットは電力関連で、ブレーカやカレントトランスなど電流感応機器の動作検証や感度較正ソリューションです。設定した大きさの電流を素早く正確に出力しますので、交流大電流の標準器や較正器としてお使い頂くことを想定しています。定電流出力交流電源

交流電源の中には、出力インピーダンスを調整する機能を搭載しているものがあります。この機能では消費電流は変わりません。

症状2：DUTに発振が発生する場合がある。

交流電源の場合、以下の理由でDUTに発振が発生することがあります。
DUTのAC/DCコンバータに力率改善回路（PFC）が搭載されている。

交流電源は出力インピーダンスが非常に低い。
発振すると見かけ上の電力が増加し、それに伴って消費電流も増加します。これは発振によって約10kHzの周波数帯の信号が発生し、それが皮相電力に重畳されるためです。皮相電力の測定結果が予想と異なる場合は、電流波形をご確認ください。発振を回避するために、以下の対応をお勧めします。

• 交流電源の出力インピーダンスを調整する。
• 交流電源の出力側にインダクタを配置する
• DUTのPFC回路の安定性を改善する。

症状3：電流測定値がパワーメータの周波数特性によって変化する。

インバータ回路方式を採用した交流電源は，スイッチモード電源（SMPS）を搭載しています。これらは出力電圧にリップル電圧が発生しその周波数はスイッチング周波数の数倍にもなります。

このリップル電圧は、DUTの入力ラインを挟んで接続されているXコンデンサにリップル電流を流す原因となる。したがって、DUTの入力電流にリップル電流が加算されます（図4参照）。

リップル電圧の高い、比較的貧弱な交流電源を使用している場合に起こる可能性があります。待機電力測定のような小電力では，このリップル電流が測定精度に影響することがあります。