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アナレンマを描く試みは、終了します(機器の不調のため)

太陽電池パネルの電圧をモニタすることで太陽のアナレンマを描く試みを続けてきたのですが、データーをサーバーに送る処理がうまくいかなくなってしまって簡単に直せそうにありません。そんなことで、2016年12月に開始して以来、3年2か月にわたり続けてきたこの試みは、終了することにしました。

▼最終状態
アナレンマのグラフ(最終)
最初はあまりはっきりしないグラフだったのですが、3年以上続けると流石にそれっぽくなってきました。なお、1月28日のデーターが最後で、以降のデーターの追加が出来なくなっています。

▼作画に使ったRStudioの画面
Rstudio

後で使えるように生データー (csv) を置いておきます。なお、このFC2のブログサーバーの制限で拡張子は .txt にしています。
 ・Rに読み込ませたデータ
 ・ambientの生データー

作画に使ったRのコマンド
> data = read.csv("c:/Myfiles/Rdata/ar20200227/ARdata20200227.csv")
> par(bg=rgb(0.8, 0.8, 0.8))
> plot(data$midTime, data$dayLength, col = hsv(data$dayN/366, 1, 1), pch=20, tck=1)

◆データー登録が出来なくなった原因
1月26日に自宅のルーターモデムを入れ替えたのですが、それに伴い IP アドレスの振り直しや、WiFi アクセスポイントの変更を行いました。そのあたりの変更が影響しているのは間違いないと思います。ただ ESP8266 のプログラムはネットの IP アドレスとWiFi AP を変えただけなので、これが原因になるとは考えにくいと思います。

アナレンマの作図には正確な時刻が必要なので、NTPサーバーから時刻情報を取得しているのですが、そのあたりの処理で正しい値が取得できていない感じです。ちなみに、変な値を ambient に送るとグラフが破綻してしまうので、異常値を検出した場合はデーターを送信しない仕組みにしています。これまでもたまにデーターの送信が止まっていることがあって、リセットすることで復旧していたので、今回の不具合もリセットすれば治ると思っていました。しかし、そんなに簡単に解決する問題では無かったようです。

たぶん、元々ぎりぎりで動いていたのが、ネットワーク環境の変化でとどめを刺された、ということではないかと思います。

◆終わりに
長年無償でデーターの蓄積とグラフ化を行ってくれた ambient に感謝します。

ambient の規約によると、データーの送信が止まったIDは365日後に 最終アクセスから365日以上経過しているアカウントは削除されるすることが出来るとなっています。そんなことで、たぶんしばらくはネット上(ambient上)でこの関係のデーターを見ることは出来ると思います。
日の出・日の入り時刻でアナレンマを描く (チャネルID: 200)

同じハードで太陽電池パネルの電圧を30分間隔で送信しているのですが、
ソーラーパネル電圧 (チャネルID: 202)
これはあまり意味があるデーターでは無いのでこちらも止める、つまり電源を切ってしまおうかと思います。WiFi 電波のスキャンを行うと、ESP8266の電波が常に出ていてセキュリティなどの点であまり気持ちの良い状態では無かったのですが、これですっきりします。

ACアダプタの電流波形と消費電力 (3/3)、波形から有効電力を推定

1.まえがき
スイッチング方式のACアダプタの消費電流測定の話のたぶん最終回です。前の記事で平滑コンデンサの容量で入力電流波形が変わり、それに伴い力率が大きく変わることが判りました。

力率は有効電力の値(=電気料金)に直結しているので重要です。今回の記事では波形の特徴から力率を推定することで、パワーメーターを使わないで有効電力を測定する方法を検討してみます。なお、ここでいうパワーメーターとは、有効電力を瞬時電圧と瞬時電流の掛け算で求めている測定器のことです。

2.波形から力率を求める
前の記事では負荷抵抗が1000Ωの条件でシミュレーションしたのですが、波形は平滑コンデンサと組み合わせた時定数で決まってくるはずです。つまり、1000Ωという値は力率を論じる場合にはあまり気にしなくて良いはずです。

・電圧、電流、瞬時電力の波形
電圧電流と電力波形
上側のグラフはACの電圧と電流波形、下は瞬時電力波形で、コンデンサの容量を変えた時の波形の変化の様子が判るようになっています。

電流波形のピークの位置は変わっていますが、導通時間(ON時間)が同じなら相似形みたいです。つまり、ON時間に着目すれば波形の状態を特定することが出来そうです。

3.状態を変えてシミュレーション
ON時間を変えるために、平滑コンデンサの値を変化させてシミュレーションを行った結果が下記の表です。これは前の記事でやったこととほとんど同じなので、詳しくはそちらをご覧ください。

・50Hzの場合のシミュレーション結果
50Hzのシミュレーション結果一覧表
平滑コンデンサ (C1) の容量を増やすと減形のON時間 (Ton) が減り、それに伴い消費電力 (W,VA) が増えていく様子が表されています。なお、水色に塗ったDMMの列 (Idvm) の意味については後で説明します。

平滑コンデンサの容量とON時間の関係は以下のグラフのようになっています。(負荷抵抗=1000Ωです)
平滑容量vsON時間

4.力率を推定する
ON時間を横軸に取り、力率との関係を示したのが次のグラフです。
ON時間対力率の値(50Hz)
ON時間が判れば、このグラフから力率の値を推定することが出来ることになります。力率さえわかればこっちのもので、
  P = V * I * 力率 の式から有効電力 (W) を計算することが出来ます。

実例でやってみます
・モデムルーター(BL902HV)の電源電流波形
モデムルーターの電源電流波形
これは以前の記事で紹介した、BL902HVというモデムルーターの電源電流波形です。
オシロで見るとON時間は2.7msでした。ということは、ON時間/力率のグラフから力率の値は55%であることが判ります。
電源電圧の実効値は100V、電流の実効値はオシロの実効値測定結果から0.21Aと測定されているので、
有効電力は、100V*0.21A*55%=11.6W であることが判りました。

以前の記事ではこのモデムルーター(BL902HV)の消費電力を19.4Wと過大に示していましたが、どうも間違っていたようです。

5.安いテスターで測定する場合
4.項の方法で有効電力を求めることが出来ますが、そのためには電流の実効値を知る必要があります。実はこれは結構厄介で、交流波形の true RMS 測定や、真の実効値測定が出来る高級機にしかこの機能は付いていません。

テスターや安いデジタルマルチメーターのAC測定は、平均値測定の実効値表示になっています。どういうことかと言うと、測定はAC波形の絶対値の平均値で行い、そのままでは値が平均値表示になってしまうので、正弦波の波形率の1.11 (π/(2*sqr(2)) ) を掛けて実効値の値を表示するようになっています。正弦波だけ扱っているならこれで大丈夫ですが。波形が変わってくると大きな誤差を生じることになります。

そんなことで、安いテスターなどではうまく測定できない気がしましたが、そんなことはありません。シミュレーションで電流の平均値も判っているので、力率まで含んだ形で補正係数を出してやれば済む話です。そのために用意したのが次のグラフです。

なお、「交流を平均値測定で行い実効値に換算して表示しているテスターやDMM」と何度も書くのは面倒なので、以下の記事では「安いテスター」と表現することにします。

6.安いテスター用の補正係数
ON時間対Kの値(50Hz)
波形のON時間から上記グラフから補正係数Kの求め、平均値測定実効値表示のDMMで測った電流値と100Vを掛けるだけで有効電力を求めることが出来ます。(Kは勝手にネーミングした記号名です)

実際の例でやってみます。測定対象物は上の例と同じモデムルーターです。

・電流の測定結果
電源電流の測定結果(平均値測定のテスター)
電流は0.1132Aでした。波形のON時間は2.7msなので、グラフからKの値は1.13であることが判ります。ということは、
  P = V * I * K = 100 * 0.1132 * 1.13 = 12.8W
ということで、めだたく有効電力の値が判りました。

なお、4.項の最後に求めた値の11.6Wと少し違っていますが、このオシロの実効値測定結果は刻みがすごく粗いので、その影響が出たのだと思います。

今回のACアダプタの電力測定に関する一連の話の中の最初(1/3)の記事に、3.ちょっと脱線、というくだりがあり、唐突に平均値測定方式のDMM(つまり安いテスター)で測定した結果が出てきます。これ、実はこの時からこんなふうに補正係数を使えば安いテスターでも有効電力が測定できるのではないだろうか?と考えていたからです。

7.電源周波数60Hz用の換算グラフ
ここまでは電源周波数が50Hzの場合の話でした。このまま終わらせると日本の半分を敵にまわすことになるので、60Hzの場合のシミュレーションもやっておきました。以下に結果だけ示しておきます。
・計算表
60Hzのシミュレーション結果一覧表

・力率を求めるグラフ
ON時間対力率の値(60Hz)

・Kの値を求めるグラフ
ON時間対Kの値(60Hz)

9.まとめ
かなり込み入った話なので、背景などを理解したうえで使っていただければ良いかと思います。やることは単純です。ただ、この記事の考え方自体が間違っている可能性があるので、そのあたりは今後検証していきたいと思っています。ともかくそんなことなので、この記事の内容は無保証です。

この記事の方法では、力率あるいはKの値を推定するためには、オシロで波形を見て通電時間(ON時間)の値を測定する必要があり、ここがちょっと面倒です。

ただ具合の良いことに、Kの値の変化は比較的少ないので、オシロで波形を確認しなくても 1.1 くらいの値を使っておけば多くの場合で大きな誤差は発生しないと思います。これなら安いテスター(とカレントトランス)だけあれば有効電力の測定が出来るので手軽に電力の測定が出来ます。

そうは書いてみたものの、波形を確認しないでこの記事の方法を使うのは、少し危険があります。特に最近のパソコンの電源はPFCが入っているので、電源電流波形はこの記事が前提としたものと大きく違っているはずです。まあ、そういう場合は力率は90%以上あるでしょうから、Kの値は1と思って測定すれば良いのかも知れません。

ACアダプタの消費電力について測定した結果のレポート記事をよく見かけますが、その中には trueRMS 測定のDMMで測った電流に100Vを掛けただけの値を消費電力(W)として扱っているものがあります。これでは力率を掛けていないので正確な値になりません。測定器メーカーのカタログに、「true RMS測定なので正確な実効値が測定でき、真の消費電力測定が可能」などと書かれているのでそれを真に受けているような気がします。真の消費電力が判るのは、電圧あるいは電流が一定、つまり直流で、その時の電流あるいは電圧が変動している場合の話なので勘違いしない(騙されない)ようにしないといけません。

まとめが長くなりますが、実効値が判る高級な測定器を使った場合、力率の影響が強く出るのできちんと補正しないと誤差が大きくなります。逆に安いテスターを使った場合は、力率の影響はさほど出ないので、補正しなくてもあまり大きな誤差は出ないということになります。なんだか皮肉な結果です。
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