JP2006115653A - 負荷制限装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷電流Ｉ1 、Ｉ2 の波形歪みによる誤動作を防止する。
【解決手段】高優先負荷、低優先負荷の負荷電流Ｉ1 、Ｉ2 を検出する電流検出器ＣＴ1 、ＣＴ2 と、第２の負荷端子Ｕ2 、Ｗ2 側に挿入するスイッチング素子ＳＳと、制御回路２０とを設ける。
制御回路２０は、負荷電流Ｉ1 、Ｉ2 の実効値に基づいて高優先負荷、低優先負荷の使用状態を判別し、スイッチング素子ＳＳを制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、一般家庭等の電気配線において、優先順位が異なる負荷が同時に使用される場合、低優先順位の負荷を自動的に遮断することができる負荷制限装置に関する。

一般家庭の電気配線に接続される電気器具に優先順位を設け、高優先順位の負荷（以下、高優先負荷という）が使用されると低優先順位の負荷（以下、低優先負荷という）を自動遮断し、電力会社との契約電流を小さくして基本電力料金を低く抑える技術が知られている（たとえば特許文献１）。

このものは、高優先負荷、低優先負荷の各負荷電流を直流電圧として検出し、比較器を介して各負荷電流を規定値と比較することにより、高優先負荷の使用を検出すると、内蔵するスイッチング素子を遮断して低優先負荷を自動的に遮断する。
特開２００４−１２９４７７号公報

かかる従来技術によるときは、高優先負荷、低優先負荷の各負荷電流は、それぞれの波高値を単純に直流電圧として検出しているので、たとえば誘導加熱調理器具のように負荷電流波形が極端に歪む負荷が使用されると、負荷電流を正しく検出することができず、スイッチング素子が思わぬ誤動作をしてしまうおそれがあるという問題があった。

そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、第１、第２の負荷端子側の負荷電流の実効値に基づいて高優先負荷、低優先負荷の使用状態を判別することによって、必要十分な動作信頼性を容易に実現することができる負荷制限装置を提供することにある。

かかる目的を達成するためのこの発明の構成は、共通の電源入力端子から分岐する高優先負荷用の第１の負荷端子、低優先負荷用の第２の負荷端子と、第１、第２の負荷端子側の負荷電流をそれぞれ検出する電流検出器と、第２の負荷端子側に挿入するスイッチング素子と、スイッチング素子を制御する制御回路とを備えてなり、制御回路は、第１、第２の負荷端子側の負荷電流の実効値に基づいて高優先負荷、低優先負荷の使用状態を判別し、低優先負荷の使用中に高優先負荷が使用中になるとスイッチング素子を遮断することをその要旨とする。

なお、制御回路は、高優先負荷が不使用中にスイッチング素子を導通させることができ、第１の負荷端子側の負荷電流が規定値以下となって所定の復帰時間の経過後に高優先負荷が不使用であると判別することができる。

さらに、制御回路には、スイッチング素子の導通を禁止する手動スイッチを設けてもよい。

かかる発明の構成によるときは、第１、第２の負荷端子には、それぞれ高優先負荷、低優先負荷が接続される。そこで、各電流検出器は、それぞれ第１、第２の負荷端子側の負荷電流、すなわち高優先負荷、低優先負荷の負荷電流を検出し、制御回路は、低優先負荷の使用中に高優先負荷が使用されたことにより、第２の負荷端子側のスイッチング素子を遮断して低優先負荷を自動的に停止させることができる。また、このとき、制御回路は、各負荷電流の実効値に基づいて高優先負荷、低優先負荷の使用状態を判別するから、各負荷の負荷電流波形が歪んでも、誤作動するおそれがなく、高い動作信頼性を容易に実現することができる。

なお、第１、第２の負荷端子にそれぞれ接続する高優先負荷、低優先負荷は、前者をたとえば誘導加熱調理器具などとし、後者をたとえば蓄熱式電気暖房器や電気温水器などとすることが好ましい。両者は、いずれも大電力消費形の電気器具であり、前者は、後者に比して、その使用時間が格段に短時間である上、後者は、前者の使用による一時的な停止があっても、格別な支障を生じるおそれがないからである。ただし、制御回路は、高優先負荷、低優先負荷の負荷電流の実効値を検出するに際し、各負荷電流について、それぞれ１サイクル当りたとえば３０個以上の瞬時値をサンプリングし、得られたサンプリングデータに基づいて実効値を計算することにより、波形歪みの影響を有効に排除することができる。

また、第２の負荷端子側の負荷電流を検出する電流検出器を設けることにより、制御回路は、低優先負荷の負荷電流が規定値より大きいことを条件にして低優先負荷が使用中であると判別することができ、たとえば低優先負荷が電気温水器である場合、一層合理的な負荷制限動作を実現することができる。すなわち、電気温水器の湯沸し用のヒータが通電されておらず、待機用の制御機器が消費する小電流の負荷電流しか第２の負荷端子側に流れていないとき、高優先負荷が使用中になったからといって、低優先負荷の電気温水器を必ずしも停止させる必要がないからである。

制御回路は、高優先負荷が不使用中にスイッチング素子を導通させることにより、高優先負荷の使用によって停止させられた低優先負荷を、高優先負荷の停止により自動的に復帰させることができ、再使用のための格別な手動復帰操作を何ら必要としない。また、制御回路は、高優先負荷の負荷電流が規定値以下となり、さらに所定の復帰時間の経過後に高優先負荷が不使用であると判別することにより、高優先負荷の短時間内の間欠使用によりスイッチング素子が無駄に開閉することを防止し、スイッチング素子として機械的に動作するマグネットコンタクタなどを使用するときであっても、動作信頼性を損うおそれがない。なお、復帰時間は、たとえば誘導加熱調理器具の再使用がないことを確認するために、たとえば４０秒ないしそれ以上程度に設定することが好ましい。

制御回路は、手動スイッチを設けることにより、低優先負荷を使用禁止に設定することができる。電気暖房器のような季節的に限定して使用される機器が低優先負荷である場合、スイッチング素子の無駄な導通動作を避けることができる。

以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。

負荷制限装置１０は、共通の電源入力端子Ｒ、Ｔから分岐する高優先負荷用の第１の負荷端子Ｕ1 、Ｗ1 、低優先負荷用の第２の負荷端子Ｕ2 、Ｗ2 と、第１、第２の負荷端子Ｕ1 、Ｗ1 、Ｕ2 、Ｗ2 側の電流検出器（変流器）ＣＴ1 、ＣＴ2 と、第２の負荷端子Ｕ2 、Ｗ2 側に挿入するスイッチング素子ＳＳと、制御回路２０とを備えてなる（図１）。ただし、図１において、スイッチング素子ＳＳは、マグネットコンタクタＲＹの常開接点として図示されている。

電流検出器ＣＴ1 、ＣＴ2 の各出力は、制御回路２０に導かれ、制御回路２０内において、それぞれ一端接地の抵抗Ｒ1 、Ｒ2 を介して終端されている。抵抗Ｒ1 、Ｒ2 の非接地側は、それぞれ直流分をカットするコンデンサＣ1 、Ｃ2 と、交流増幅器２１、２２とを介してマイクロコンピュータ２３に接続されている。マイクロコンピュータ２３の出力は、制御信号Ｓ1 として、エミッタ接地のトランジスタＱのベースに入力されている。トランジスタＱのコレクタには、補助リレーＸ、手動スイッチＳＷを介して制御電圧Ｖc が供給されている。一方、電源入力端子Ｒ、Ｔの間には、ヒューズＦ、補助リレーＸの常開接点Ｘa を介してマグネットコンタクタＲＹが接続され、マグネットコンタクタＲＹの常開接点は、スイッチング素子ＳＳとして第２の負荷端子Ｕ2 、Ｗ2 の双方のラインを開閉することができる。

負荷制限装置１０には、制御回路２０用の電源回路３１が組み込まれている（図２）。電源回路３１は、電源入力端子Ｒ、Ｔから分岐する交流電圧を入力し、制御回路２０用の制御電圧Ｖc を供給することができる。

負荷制限装置１０は、電源入力端子Ｒ、Ｔを各戸分電盤ＤＢ内の任意のブランチ用のブレーカＢn （ｎ＝１、２…ｎ）の二次側に接続し、第１の負荷端子Ｕ1 、Ｗ1 に高優先負荷Ｌ1 を接続し、第２の負荷端子Ｕ2 、Ｗ2 に低優先負荷Ｌ2 を接続して使用する。なお、各戸分電盤ＤＢには、電力会社との契約電流を規定する主幹ブレーカＢＫと、主幹ブレーカＢＫの二次側を複数の配線系統に分岐する複数のブランチ用のブレーカＢ1 、Ｂ2 …Ｂn とが収納されており、主幹ブレーカＢＫの一次側には、外部配電線からの単相３線式２００Ｖ電源が供給されている。ただし、図２において、ブレーカＢ1 、Ｂ2 の系統は、それぞれ単相１００Ｖ系統であり、ブレーカＢ3 、Ｂn の系統は、それぞれ単相２００Ｖ系統となっている。また、高優先負荷Ｌ1 、低優先負荷Ｌ2 の図示しない筐体は、それぞれ負荷制限装置１０に付設する接地端子Ｅ、ＥＴを介して接地されている。

電流検出器ＣＴ1 は、第１の負荷端子Ｕ1 、Ｗ1 側の高優先負荷Ｌ1 の負荷電流Ｉ1 を検出する。また、電流検出器ＣＴ2 は、第２の負荷端子Ｕ2 、Ｗ2 側の低優先負荷Ｌ2 の負荷電流Ｉ2 を検出する。そこで、制御回路２０の交流増幅器２１、２２は、それぞれ負荷電流Ｉ1 、Ｉ2 の瞬時値ｉ1 、ｉ2 に相当する交流電圧ｖ1 、ｖ2 をマイクロコンピュータ２３に入力させることができる。

マイクロコンピュータ２３は、図３の割込ルーチン、図４の主プログラムに従って作動する。ただし、図３において、マイクロコンピュータ２３に入力する交流電圧ｖ1 、ｖ2 が負荷電流Ｉ1 、Ｉ2 の瞬時値ｉ1 、ｉ2 に対応するため、便宜上、交流電圧ｖ1 、ｖ2 を瞬時値ｉ1 、ｉ2 として表示している。

図３の割込ルーチンは、所定のサンプリング周期ごとに作動する。ここで、サンプリング周期は、たとえば電源入力端子Ｒ、Ｔに入力される商用電源の１サイクル当り３０回以上の定周期に設定するものとする。

割込ルーチンは、図４の主プログラムによってセットされる実効値計算の完了フラグがセットされていることを確認すると（図３のプログラムステップ（１）、以下、単に（１）のように記す）、負荷電流Ｉ1 、Ｉ2 の瞬時値ｉ1 、ｉ2 （交流電圧ｖ1 、ｖ2 ）をサンプリングして記憶する（２）。つづいて、割込ルーチンは、サンプリング回数が所定回数、すなわち商用電源の１サイクル分の回数を達成しているときは（３）、実効値計算の完了フラグをリセットして主プログラムに戻る（４）。また、割込ルーチンは、実効値計算の完了フラグがセットされていないとき（１）、サンプリング回数が所定回数でないときは（３）、そのまま主プログラムに戻る。割込ルーチンは、以上のようにして、負荷電流Ｉ1 、Ｉ2 のサンプリングデータを収集することができる。

主プログラムは、実効値計算の完了フラグがセットされていないことを確認して（図４のプログラムステップ（１）、以下、単に（１）のように記す）、割込ルーチンによって収集された負荷電流Ｉ1 、Ｉ2 のサンプリングデータを使用して、その実効値を計算するとともに、実効値計算の完了フラグをセットする（２）。なお、プログラムステップ（１）において、実効値計算の完了フラグがセットされているときは、割込ルーチンにおけるデータサンプリングの途中であるから実効値計算をバイパスする。また、一般に、実効値Ａは、１サイクル分の瞬時値ａi （ｉ＝１、２…ｎ）のサンプリングデータに基づき、Ａ＝（（Σａi²）／ｎ）^1/2 として算出することができる。ただし、以下の説明において、負荷電流Ｉ1 、Ｉ2 は、このようにして算出される負荷電流Ｉ1 、Ｉ2 の実効値を示すものとする。

つづいて、主プログラムは、第１の負荷端子Ｕ1 、Ｗ1 側の高優先負荷Ｌ1 が使用中でないときは（３）、負荷電流Ｉ1 が規定値Ｉ1n以上であることを検出して（４）、高優先負荷Ｌ1 が使用中であると判別して記憶する（５）。また、高優先負荷Ｌ1 が使用中であるときは（３）、負荷電流Ｉ1 が規定値Ｉ1f以下となり（６）、所定の復帰時間が経過したことを確認して（７）、高優先負荷Ｌ1 が不使用中であると判別して記憶する（８）。なお、規定値Ｉ1n、Ｉ1fは、それぞれ第２の負荷端子Ｕ2 、Ｗ2 側の低優先負荷Ｌ2 が使用中、不使用中における高優先負荷Ｌ1 の使用状態判別基準であり、Ｉ1n＞Ｉ1fに設定するものとする。

次に、主プログラムは、低優先負荷Ｌ2 の負荷電流Ｉ2 が規定値Ｉ2f以上であるか否かにより（９）、低優先負荷Ｌ2 が使用中であるか否かを判別して記憶する（（１０）、（１１））。また、主プログラムは、以上のようにして得られる高優先負荷Ｌ1 、低優先負荷Ｌ2 の各使用状態の判別結果に基づき、低優先負荷Ｌ2 の使用の可否を判断し（１２）、使用可であれば、マイクロコンピュータ２３からの制御信号Ｓ1 によりトランジスタＱを導通させ、手動スイッチＳＷが投入されていることを条件にして、補助リレーＸを介してマグネットコンタクタＲＹを投入する（１３）。また、主プログラムは、低優先負荷Ｌ2 が使用不可であれば（１２）、トランジスタＱを遮断させてマグネットコンタクタＲＹを遮断する（１４）。なお、主プログラムは、以上の全体動作を繰返し実行する（（１３）または（１４）、（１）…）。

プログラムステップ（１２）の判断は、たとえば図５の動作論理表による。

すなわち、制御回路２０は、第２の負荷端子Ｕ2 、Ｗ2 側の低優先負荷Ｌ2 が使用されているとき、第１の負荷端子Ｕ1 、Ｗ1 側の高優先負荷Ｌ1 が使用されて負荷電流Ｉ1 ≧Ｉ1nを検出すると、スイッチング素子ＳＳを遮断することができる（図５の右下欄のＯＦＦの表示）。ただし、スイッチング素子ＳＳを遮断して低優先負荷Ｌ2 が不使用中となっても、スイッチング素子ＳＳは、負荷電流Ｉ1 ≦Ｉ1fとなって所定の復帰時間が経過しない限り、遮断状態を維持する（図５の左下欄のＯＮ／ＯＦＦの表示）。なお、負荷電流Ｉ2 の規定値Ｉ2fは、第２の負荷端子Ｕ2 、Ｗ2 に接続する低優先負荷Ｌ2 の定格電流より十分小さい適切な値に設定するものとする。また、手動スイッチＳＷは、それを開くことにより、マイクロコンピュータ２３からの制御信号Ｓ1 に拘らず、補助リレーＸ、マグネットコンタクタＲＹの作動を禁止し、スイッチング素子ＳＳの導通を禁止することができる。

そこで、高優先負荷Ｌ1 を使用していないとき、制御回路２０は、スイッチング素子ＳＳを継続的に導通させ、このとき、低優先負荷Ｌ2 は、任意に使用し、停止させることができる。すなわち、低優先負荷Ｌ2 は、高優先負荷Ｌ1 が使用されていないことを条件として、任意に使用可能である。

一方、低優先負荷Ｌ2 の使用中に高優先負荷Ｌ1 が使用されると、制御回路２０は、負荷電流Ｉ1 ≧Ｉ1nを検出してスイッチング素子ＳＳを遮断する。すなわち、高優先負荷Ｌ1 が使用されると、制御回路２０は、低優先負荷Ｌ2 の使用を強制的に禁止することができる。

また、高優先負荷Ｌ1 の使用を中止すると、制御回路２０は、負荷電流Ｉ1 ≦Ｉ1f＜Ｉ1nを検出して、所定の復帰時間の経過後にスイッチング素子ＳＳを導通させて自動復帰させ、低優先負荷Ｌ2 を使用可能にする。すなわち、制御回路２０は、マイクロコンピュータ２３を介し、負荷電流Ｉ1 、Ｉ2 の実効値に基づいて高優先負荷Ｌ1 、低優先負荷Ｌ2 の使用状態を判別し、スイッチング素子ＳＳを開閉制御することができる。

そこで、高優先負荷Ｌ1 、低優先負荷Ｌ2 の負荷電流Ｉ1 、Ｉ2 とし、ブレーカＢn の定格電流Ｉbnとすると、ブレーカＢn は、Ｉ1 ＋Ｉ2f＜Ｉbn、Ｉ1n＋Ｉ2 ＜Ｉbnである限り、Ｉ1 ＋Ｉ2 ＞Ｉbnとなる場合であっても、過電流によってトリップするおそれがない。同様に、主幹ブレーカＢＫの定格電流Ｉbkに対してＩ1 ＋Ｉ2 ＞Ｉbkであっても、Ｉ1 ＋Ｉ2f＜Ｉbk、Ｉ1n＋Ｉ2 ＜Ｉbkであれば、主幹ブレーカＢＫが過電流によってトリップするおそれがない。すなわち、負荷制限装置１０は、主幹ブレーカＢＫの定格電流Ｉbkによって規定される電力会社との契約電流を超える負荷電流Ｉ1 ＋Ｉ2 ＞Ｉbkの高優先負荷Ｌ1 、低優先負荷Ｌ2 を支障なく使用可能にすることができる。

なお、スイッチング素子ＳＳは、マグネットコンタクタＲＹの常開接点に代えて、サイリスタ、ＧＴＯなどの半導体スイッチング素子を使用してもよい。ただし、このとき、図１の補助リレーＸを省略し、マイクロコンピュータ２３からの制御信号Ｓ1 により半導体スイッチング素子を直接駆動制御することができる。また、スイッチング素子ＳＳは、第２の負荷端子Ｕ2 、Ｗ2 の双方のラインを同時に開閉するに代えて、片方のラインのみを開閉してもよい。

全体構成ブロック系統図 使用状態説明図 プログラムフローチャート（１） プログラムフローチャート（２） 動作論理表

符号の説明

Ｒ、Ｔ…電源入力端子
Ｕ1 、Ｗ1 …第１の負荷端子
Ｕ2 、Ｗ2 …第２の負荷端子
ＣＴ1 、ＣＴ2 …電流検出器
ＳＳ…スイッチング素子
Ｌ1 …高優先負荷
Ｌ2 …低優先負荷
Ｉ1 、Ｉ2 …負荷電流
Ｉ1n、Ｉ1f、Ｉ2f…規定値
１０…負荷制限装置
２０…制御回路

特許出願人 北陸電力株式会社
株式会社 大日製作所
代理人 弁理士 松 田 忠 秋

Claims (4)

1. 共通の電源入力端子から分岐する高優先負荷用の第１の負荷端子、低優先負荷用の第２の負荷端子と、前記第１、第２の負荷端子側の負荷電流をそれぞれ検出する電流検出器と、前記第２の負荷端子側に挿入するスイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御する制御回路とを備えてなり、該制御回路は、前記第１、第２の負荷端子側の負荷電流の実効値に基づいて高優先負荷、低優先負荷の使用状態を判別し、低優先負荷の使用中に高優先負荷が使用中になると前記スイッチング素子を遮断することを特徴とする負荷制限装置。
2. 前記制御回路は、高優先負荷が不使用中に前記スイッチング素子を導通させることを特徴とする請求項１記載の負荷制限装置。
3. 前記制御回路は、前記第１の負荷端子側の負荷電流が規定値以下となって所定の復帰時間の経過後に高優先負荷が不使用であると判別することを特徴とする請求項１または請求項２記載の負荷制限装置。
4. 前記制御回路には、前記スイッチング素子の導通を禁止する手動スイッチを設けることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか記載の負荷制限装置。

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