直流用途を超える超高精度電流測定

LEMは、確立された電流測定技術に加え、安定した直流電源から駆動技術における広帯域の電力・損失測定に至るまで、最高レベルの精度が求められる用途向けに、超高精度のDCCTトランスデューサを開発しました。

電力測定と効率計算における課題

広帯域高精度電力計は、電圧および電流信号をデジタル化します。サンプリングされた値 u(t) と i(t) を掛け合わせます。その結果得られる電力曲線 p(t) の算術平均を、1つ以上の基本周期にわたって平均化することで、有効電力 P が得られます。電力測定の精度は、電圧および電流のサンプリング値の振幅精度、これらのサンプリング値間の時間遅延、および周期長を決定するために使用される測定間隔またはゼロクロスの精度に依存します。

最初の周波数変換器が登場したのは1960年代後半のことでした。変換器特有の極めて急峻な電圧エッジや歪んだ電流信号に対応できる測定機器が登場するまでには、20年以上を要しました。その一例として、1990年代初頭に登場したLEM社のNORMAパワーアナライザD 6000が挙げられます。当時、電流測定には、非常に広帯域の同軸シャントと、コモンモード干渉を最小限に抑えるいわゆる「GUARD」技術が用いられていました。高電位での急峻な電圧エッジを測定すると、測定チャネルから装置筐体へのコモンモード電流が発生し、その結果、振幅や位相角の誤差が生じます。

図1：有効電力の計算

周波数変換器や電動機の損失を測定する上でのもう一つの課題は、それらの高効率性と、損失を直接測定できないという事実です。これらの駆動機器の損失計算は、常に入力電力と出力電力に基づいて行われます。インバータの場合、これは入力側の直流電力と出力側の交流電力を意味します。電動機の場合、入力は電気入力電力、出力は機械出力電力となります。個々の有効電力値は比較的高い精度で測定可能ですが、損失測定の不確かさを考慮する際には、入力電力と出力電力の測定誤差が相反する方向（例えば、入力電力が過大に測定され、出力電力が過小に測定されるなど）に生じる可能性があることを念頭に置く必要があります。したがって、損失測定の不確かさは、コンポーネントの効率に大きく依存します。効率が99％に近いインバータの場合、測定誤差によって実際の損失値が100％以上もずれてしまう可能性があることは容易に想像できます。したがって、駆動コンポーネントの損失計算には、最高精度の電力計およびセンサーを使用する必要があります。

すでに述べたように、外部同軸シャントは、振幅精度や位相忠実度の点で、かつてはこうした測定に非常に適していた。しかし、高電圧かつ著しく歪んだ電圧信号において、シャント出力端子のわずかな電圧降下を測定することは極めて困難であった。接続する測定機器には、極めて高いコモンモード除去性能が求められた。さらに、外部の大電流用同軸抵抗器は非常に高価であった。

長年にわたり、測定信号から電気的に絶縁された超高精度のDCCT電流トランスデューサが、電力計の測定範囲を拡大するために使用されてきました。この技術はもともと、粒子加速器における線形直流大電流源を制御するために開発されたものです。医療技術分野における初期の応用例の一つは、MRIスキャナーでの磁場測定でした。

旧世代と新世代のトランスデューサーの比較

最初に量産されたDCCTトランスデューサは、高周波の交流電流の測定にはまだ最適化されていませんでした。これが、これらの電流センサが電力計の測定範囲を拡大する上で普及するのにこれほど長い時間がかかった理由の一つである可能性があります。さらに、旧世代のトランスデューサは、外部の交流磁界に対して比較的高い感度を持っていました。

しかし、現在ではこれらは標準的なものとなっています。特殊なトランスデューサーは、直流から数MHzまでの周波数範囲をカバーするようになっています。これらは通常、新しい高速半導体スイッチの信号解析など、非常に高周波の用途にのみ必要とされます。こうした場合、スイッチング周波数は100kHzに近づくことがあり、インダクタンスが非常に低い負荷では、スイッチング周波数の高調波が理論上、MHz帯にまで及ぶ可能性があります。

一般的な電力および損失測定においては、これほど広い周波数範囲は必要ありません。測定回路のインピーダンスにより、電流に含まれるほとんどの高周波成分は大幅に減衰します。また、電流に周波数成分が含まれていない場合、その周波数における有効電力成分も存在しません。なぜなら、有効電力や損失を発生させるのは、同じ周波数の電圧および電流の信号成分のみだからです。

DCCT電流トランスデューサは、周波数変換器の電流制御に一般的に使用される標準的なホール効果トランスデューサよりも、数百倍も高精度です。しかし、その設計は著しく複雑でもあります。従来、電流の直流成分を測定するには、2つの同一のインダクタが必要でした。2つ目のインダクタは、メインコア内の1つ目のインダクタによって引き起こされる外乱を補償することのみを目的として使用されていました。これらのインダクタは、極めて高い精度と均一性を確保して製造される必要がありました。本レポートでは、従来のアナログ技術の正確な動作原理については詳しく触れません。

LEM社は、最新世代のDCCTトランスデューサの開発にあたり、他の電流測定技術で培ったマイクロプロセッサ制御による誤差補正に関する豊富な専門知識を活用することができました。新しいINシリーズでは、ノイズ抑制用の2つ目のインダクタが省略されています。

Fig. 2: LEM high precision IN range

直流測定に使用されるインダクタによって生じる外乱は、製造工程で学習され、デジタル化されてプロセッサに保存された後、D/Aコンバータ、アナログ増幅器、およびメインコア内の補償巻線を通じて補正されます。これにより、トランスデューサには、誤差を生じやすいアナログ部品がほとんど必要なくなりました。オフセット調整さえもFPGAに保存されています。最新トランスデューサの代表的な直流精度は、1桁台前半のppm範囲にあります。LEM社はこの新技術を特許取得しています。

図3：従来のアナログDCCTと、FPGAによる補償機能を備えた新技術

現在では、AC最適化を念頭に置いたトランスデューサーも開発されています。この分野においても、LEMはコンバータ用途に適したDC/AC電流トランスデューサに関する深い知見を活かしています。AC回路において、DCCTトランスデューサは、標準的な電流補償型ホール効果トランスデューサとわずかに異なるだけです。広帯域電力測定技術のスペシャリストであるSIGNALTECは、開発段階における振幅および位相精度の測定を広い周波数範囲にわたって実施できる、充実した測定・試験ラボを整備しています。

DCCTトランスデューサのバッテリー試験システムへの組み込み

生産環境における高電圧バッテリーの試験は、従来から複雑な作業でした。試験台でのトランスデューサーの使用を簡素化するには、専用のトランスデューサー用電源が必要です。これにより、接続されたトランスデューサーや負荷の安定した動作と、高精度な信号の完全性が確保されます。こうした課題に対応するため、SIGNALTECは、いずれも電気的に絶縁された電源チャンネルを備えたシングルチャンネルおよびマルチチャンネル・トランスデューサー・システム（MCTS）を開発しました。豊富なアクセサリーにより、トランスデューサーの出力信号を、測定機器のあらゆる種類の電流または電圧入力に合わせて調整することが可能です。

トランスデューサをオートメーションシステムに組み込むには、特にバッテリー製造ラインの最終工程における試験装置において、特殊な信号のデジタル化が必要となる場合が多い。高精度かつ高速なEtherCATコンバータは、この機能をリアルタイムで提供できます。これらのコンバータは、初期のモデルから大幅に進化しています。最初のいわゆるEtherCATコンバータは、電流の測定のみが可能で、出力としてEtherCATプロトコルを提供するだけでした。SIGNALTEC社との共同開発によりREDCUR社が開発した「Powerlens」などの最新システムでは、電流および電圧の完全な測定、EtherCAT出力に加え、CANプロトコルもサポートしています。

DCCTトランスデューサは、広帯域電力アナライザの測定範囲を拡大するための標準的な装置となっており、新たに開発されたデジタル補正機能付きDCCTトランスデューサは、直流および交流電流の測定において、これまで以上に正確な測定結果を提供しています。

LEMは、パートナー企業であるSIGNALTECおよびREDCURと連携し、超高精度DCCT電流センサー分野に注力しています。SIGNALTECは、AC用に最適化されたCTトランスデューサに加え、試験ベンチへの容易な組み込みに必要なアクセサリーを提供しています。一方、REDCURは、生産環境における高電圧バッテリーの試験用として、完全な測定システムを提供しています。

高周波試験ベンチでは、500 kHzまでの周波数において、トランスデューサーの振幅および位相の偏差を測定することができます。基準器としては、同軸シャントおよびパルス電流変圧器が使用されます。

1000 Aのパルス電流源を用いて、トランスデューサーを通る時間遅延を測定する。

高出力試験ベンチでは、最大1200 V、2000 Aまでの直流電力および力率可変の交流低周波電力をシミュレートすることができます。

Powerlens測定システムの調整。