산업별 어플리케이션

1. 배경

대기 전력은 냉장고, 온수기, TV, 에어컨, 전화기 등의 전자 기기가 전원 꺼짐 또는 대기 모드에 있는 상태에서 소비되는 전력입니다. 개별 전기 제품의 대기 전력은 작지만, 가정의 대기 전력을 합산하면 그 가정의 총 소비 전력의 몇 %가된다고합니다. 가정이나 사무실, 공장 등 사회 전체에서 합하면 매우 크고 쓸데없는 전력이 됩니다.

전력 삭감을 위한 규격에는 국제 규격 IEC62301 : 2011 (Ed.2.0)* 나 ErP ** , Energy Star 가 있습니다. 이 표준은 저전력 모드에서 전력 소비를 측정하는 방법을 규정하고 있으며, 고정밀 전력 측정이 요구되고 있습니다.

본서에서는, 대기 전력을 억제하는 4 개의 방법과 과제, 고정밀도로 대기 전력의 측정을 실시하는 수법을 소개합니다.

*IEC 62301 Ed2.0 은 EN 50564:2011 지침에서 참조 표준입니다. 대응하는 일본 공업 규격은 JIS C 62301 입니다.

** 소비전력 측정 방법은 IEC62301 : 가전 제품 ― 대기시 소비전력 측정( Household Electrical Appliances - Measurement of Standby Power )을 사용하고 있습니다.

2. 과제

대기 전력을 억제하는 방법에는 ① 순수하게 전류를 줄이는 방법, ② 전류가 흐르는 시간을 짧게 하는 방법, ③ 전류를 간헐적으로 흐르는 방법, ④ 전압과 전류 사이의 위상을 어긋나는 방법 등이 있습니다. 대기 전력을 고정밀도로 계측하는데 있어서, 각각의 방법으로 다음과 같은 과제가 있습니다.

① 전력, 전류를 줄이는 방법

미소전력, 미소전류를 계측하게 되며, 사용하는 전력계의 전력분해능이나 최소전류범위, 노이즈가 들어가지 않는 결선에 충분히 주의를 기울여야 합니다.

② 전류가 흐르는 시간을 짧게 하는 방법

부하가 작기 때문에 전류 파형은 왜곡되어 짧은 펄스 형태가 됩니다. 파형의 파고값(피크값)과 실효값의 비율을 크레스트 팩터( CF , 파고율)라고 하며, 전력계에서는 측정 범위의 몇 배까지의 파고값을 입력할 수 있는지를 나타냅니다. 과부하가 발생하지 않도록 전력계의 측정 범위와 파고율을 선택해야 합니다.

(IEC 62301 등에서는 크레스트 팩터가 3 이상의 측정 조건이 요구되고 있습니다)

③ 전류를 간헐적으로 흘리는 방법

이 경우, 전압의 주기로 순간 전력을 평균화해도, 평균화 구간에 의해 유효 전력의 측정치가 변동해 버리는 일이 있습니다. 이 경우 전력계의 전력 적산 기능을 이용하는 방법이 유효합니다.

④ 전압과 전류 사이의 위상을 어긋나는 방법

전압과 전류 사이의 위상을 어긋나고 의도적으로 저역률로 하여 대기전력을 작게 하는 방법입니다. 전압과 전류의 위상차가 90° , 즉 역률이 0 에 가까운 상태이며, 작은 위상의 차이가 크게 측정 정확도에 영향을 주기 때문에, 0으로부터의 유효 입력 범위를 보증하는 역률 오차의 영향이 작은 고정밀 전력계를 사용해야합니다.

3. 솔루션

요꼬가와 계측의 WT 시리즈는 대기 전력의 계측에도 최적인 계측 솔루션을 제공합니다.

크레스트 팩터 및 전류 범위 선택

다음 절차에 따라 파고율과 전류 범위를 선택합니다.

① 전류 레인지를 오토 레인지로 설정하여 측정합니다.

[전압 범위는 입력할 전압 범위를 선택합니다]

② 전류의 피크값과 실효값을 확인하고, 그 비로부터 크레스트 팩터를 CF3 , CF6 , CF6A* 에서 선택합니다.

③ 다음 방정식을 사용하여 전류 피크 값과 선택한 파고율에서 전류 범위를 선택합니다.

* CF6A : CF6 보다 레인지 업 조건을 다음과 같이 변경하고 있습니다. 이렇게하면 자동 범위에서 왜곡 파형을 측정하는 동안 범위 변경이 자주 발생하지 않습니다.

• 오토 레인지 범위 업 조건

전압 또는 전류의 실효값이 측정 범위의 220%** 를 초과

• 오버로드 표시 (“- - OL - -”) 가 되는 조건

전압 측정값과 전류 측정값이 측정 범위의 280%** 를 초과

** WT310E 는 각각 260% , 600%

4. 평균 전력 계산

IEC62301 에서는 장비를 30 분 웜업한 후, 인접한 2 개의 측정 기간의 평균 전력의 차이가 다음의 경우, 안정성이 확립되어 있다고 하여, 2개의 측정값의 평균으로서 전력을 결정합니다.

• 입력 전력이 1W 이하인 제품: 10mW/h

• 입력 전력이 1W를 초과하는 제품: 측정된 시간당 입력 전력의 1%

평균 전력의 산출 방법에는, 측정치의 단순 평균을 취하는 전력 평균법(전력계의 애버리지 기능)과 적산 전력량을 적산 시간으로 나누어 구하는 전력 적산법 전력계의 적산 기능, 평균 유효 전력 기능 )가 있습니다. 전력 적산법은 전력 평균법에 비해 편차가 억제된 유효 전력을 얻을 수 있습니다.

5. 저역률 장비 측정

전력계의 오차는 판독값 오차 + 범위 오차 + 위상 오차로 분해됩니다. 제 3 항의 위상 오차 는 「전력 판독 값 W x tan 낮은 역률이 되면 영향도가 삼각함수 tan 에 크게 영향을 준다는 것을 의미합니다.

따라서 0 %에서 유효 입력 범위를 보장하는 역률 오차의 영향이 적은 전력계를 사용하는 것이 바람직합니다.

WT5000 은 유효 입력 범위가 0% ~ ±130% 로 저역률의 기기의 대기 전력을 측정하는 경우에도 오차가 작고 고정밀도의 측정이 가능합니다.

6. 전력계와의 연결

마이크로 전류를 측정하는 경우 전류 클램프나 전류 센서를 사용할 수 없으므로 전력계에 직접 입력합니다.

결선을 간단하게 하기 위한 어댑터가 소개되는 경우가 있습니다만, 어댑터에 의한 측정 오차가 들어오므로, 추천할 수 없습니다.

소비 전력 측정 소프트웨어(무상)를 사용하면, 규격에 준거한 대기 전력 측정을 간단하게 실시할 수 있습니다.

7. 외부 노이즈 제거

전력계에 직접 입력하기 위해 피측정물로부터 결선하는 경우, 결선에는 안전 단자 등을 이용하여 감전이나 기기의 손상에 충분히 주의해 주십시오.

그 때, 외부 노이즈에 의한 노이즈 전류의 비율이 상대적으로 커지므로, 노이즈의 영향을 받기 어려운 배선을 할 필요가 있습니다.

① 노이즈를 발생하고 있는 기기로부터 측정대상, 배선케이블, 전력계를 놓습니다.

② 배선길이를 가능한 한 짧게 합니다.

③ 배선 케이블로 만들어지는 전류 루프의 면적을 작게 한다. 배선 케이블을 트위스트 페어로 합다.

8. 전압입력과 전류입력의 접속위치

그림 (a) 와 같이 전압 측정 단자를 전류 측정 단자보다 부하측에 접속한 경우, 전류 측정 회로에는 부하에 흐르는 전류와 전압 측정 회로의 입력 저항에 흐르는 전류의 가산 전류가 흐르고, 전류 측정치 오차가 커집니다.

미소전류를 측정하는 경우, 그림 (b) 와 같이 접속하면 전류측정회로에는 부하에 흐르는 전류만이 흐르고, 전압측정회로에 흐르는 전류의 영향이 없어집니다. 단, 반대로 전류가 큰 경우에 그림 (b) 의 접속을 행하면, 전류 측정 회로의 션트 저항에 흐르는 전류에 의한 전압 강하분이 부하에 걸리는 전압에 가산되어 전압 측정 회로에 입력되기 때문에, 전압 측정값의 오차가 커집니다.

9. 소프트웨어

소비 전력 측정 소프트웨어(무상)는, 요꼬가와 계측의 WT 시리즈 전력계 / 파워 분석기를 접속하는 것으로, IEC 62301 Ed2.0 ( 2011 ) 및 ErP 지령 Lot6 의 시험 방법에 준거한 측정을 간단하게 할 수 있는 소프트웨어 입니다.

● 측정 조건을 전환하여 IEC 62301 Ed1.0 및 Ed2.0 에 대응한 측정을 할 수 있습니다.

※IEC62301 Ed2.0 ( 2011 )에서는 안정된 측정 결과를 얻기 위한 알고리즘과 측정 패턴이 Ed1.0 에서 크게 변경되었습니다.

● 필요한 정보를 입력하여 전력 측정을 할 수 있습니다.

● 측정 결과를 보고하고 출력할 수 있습니다.

● IEC62301 Ed2.0 ( Auto ) 설정의 경우에는 측정 화면에 측정 데이터, 판정 데이터의 트렌드 그래프 표시를 할 수 있습니다.

10. 고정밀 대기 전력 측정

WT 시리즈는 대기 전력 측정 규격 IEC62301 , ErP 지령, Energy Star 등의 규격에 대응하여 고정밀 대기 전력 측정을 제공합니다.

WT5000 에서의 대기 전력 측정 예

Overview

Standby power refers to the power consumed by electric devices, such as refrigerators, water heaters, televisions, air conditioners and telephones, when they are in power off state or standby mode. Although the standby power consumption of an individual electric appliance is small, it is said that the total standby power consumption of appliances in a household accounts for several percent of the total power consumption of that household. The total standby power consumed in homes, offices, factories, and society is a very large and wasteful amount of electricity.

Standards for power reduction include IEC 62301: 2011 (Ed. 2.0) *, ErP Directive **, and Energy Star. These standards specify how to measure power consumption in standby power mode and require highly accurate power measurement.

This document introduces four methods and accompanying challenges for reducing standby power, and key points of high accuracy power measurement.

* IEC 62301 Ed 2.0 is a reference standard in the EN 50564: 2011 Directive. The corresponding Japanese Industrial Standard is JIS C 62301.

** The measurement method for power consumption is based on IEC 62301: Household Electrical Appliances - Measurement of Standby Power.

Challenges

The methods for reducing standby power include (1) Reduction of power/current, (2) Shortening of current flow time, (3) Intermittent current flow, and (4) Phase shift between voltage and current.

Each method has the following challenges in terms of measuring the standby power with high accuracy.

(1) Reduction of power/current

Close attention needs to be paid to the power resolution and minimum current range of the power analyzer to be used and to the connection so as to prevent electrical noise.

(2) Shortening of current flow time

Since the load is small, the current waveform is distorted, resulting in a short pulse. The ratio of the peak value to the root mean square (RMS) value of a waveform is called the crest factor (CF), and on a power analyzer, it indicates the maximum multiple of the measurement range that can be applied as a peak value. You must select the measurement range and crest factor to avoid overloading.

IEC 62301 requires measurement conditions with a crest factor of 3 or more.

(3) Intermittent current flow

In this method, even if the instantaneous power is averaged over the voltage period, the measured value of active power may vary depending on the averaging period. In such a case, it is effective to use the integrated average function of the power analyzer.

(4) Phase shift between voltage and current

This is a method to reduce standby power by shifting the phase between voltage and current to intentionally lower the power factor. Since the phase difference between the voltage and the current is 90 degrees, that is, the power factor is close to 0, and a small phase difference greatly affects the measured accuracy, it is necessary to use a high precision power analyzer with little influence of the power factor error that guarantees an  effective input range from 0.

Solutions

YOKOGAWA's WT series offers an optimal measurement solution for standby power measurement.

Selecting Crest Factor and Current Range

Use the following procedure to select the crest factor and current range.

* CF6A: the range-increase condition is changed as follows, as compared to CF6. This prevents frequent range changes while measuring a distorted waveform in auto range mode.

The voltage or current RMS value exceeds 220%** of the measurement range.

The measured voltage or current exceeds 280%** of the measurement range.

** WT310E: 260% and 600%, respectively

Calculation of average power

In IEC 62301, stability is considered to be achieved and power is determined as the average of two measurements, if, after 30 minutes of equipment warm-up, the difference in average power between the two adjacent measurement periods is:

Average power can be calculated either by the power average  method (simple average function), which takes a simple average of measured values, or by the integrated average method (integrated average function, averaged active power), which divides the integrated power (watt hours) by the integration time.

Compared to the power average method, the integrated average method can provide active power with less variation.

Measurement of low power factor equipment

The error of power analyzer is broken down as: reading error + range error + phase error. The phase error in the third term is expressed by “power reading W x tan (voltage-current phase difference deg) x (influence when λ = 0 %), meaning that as  the phase difference between voltage and current becomes larger, that is, as the power factor becomes lower, the phase error increases in proportion to the trigonometric function tangent.

For this reason, it is desirable to use a power analyzer with little influence of power factor error that guarantees an effective input range from 0%.

The WT 5000 has an effective input range of 0% to ± 130%, enabling highly accurate measurements even when measuring the standby power of low power factor equipment.

WT5000 Frequency versus power

at zero power factor

Connection to power analyzer

A current clamp or current sensor cannot be used to measure small currents, so they are directly input to a power analyzer.

Adapters may be introduced to simplify wiring, but this is not recommended because of the measurement errors caused by the adapters.

The power consumption measuring software (free) makes standards-compliant standby power measurements easy.

Elimination of extraneous noise

When connecting wires from the device to be measured for direct input to a power analyzer, use safety terminals or the like to prevent electric shock and damage to the instrument.

In this case, the ratio of noise current due to extraneous noise becomes relatively large, so wiring that is less susceptible to noise is required.

Wiring position of voltage input and current input

When the voltage measurement terminal is wired between the current measurement terminal and the load as shown in Fig. (a), the current measurement circuit receives the sum of the current flowing through the load and the current flowing through the input resistance of the voltage measurement circuit, resulting in a large error in the current measurement value.

When the measured current is small and the connection in Fig. (b) is made, only the current flowing through the load flows through the current measurement circuit and there is no effect of the current flowing through the voltage measurement circuit. However, if the connection shown in Fig. (b) is made when the measured current is large, the voltage drop due to the current flowing through the shunt resistor of the current measurement circuit is added to the voltage applied to the load and input to the voltage measurement circuit, resulting in a large error in the voltage measurement value.

Software

The free Power Consumption Measuring Software, connected with a YOKOGAWA WT series power meter/power analyzer, enables easy measurement according to IEC 62301 Ed 2.0 (2011) and ErP Directive Lot 6.

NOTE: In IEC 62301 Ed 2.0 (2011), the algorithm and measurement pattern to obtain stable measurement results have been significantly changed from Ed 1.0.

High-precision standby power measurement

The WT series meets standards such as IEC 62301, ErP Directive, and Energy Star for measuring standby power, and provides high-precision standby power measurement.

Example of standby power measurement of

Blu-ray Disc Recorder using WT5000

WT series Line up