JP2012013492A - 電流センサ内蔵端子台 - Google Patents

Abstract

【課題】
分電盤やコンセントなど、末端部の負荷における消費電力量をも、リアルタイムに把握することにより、総エネルギー使用量 (原油換算値) の削減をめざす、改正省エネ法の要請にこたえる手段を提供する。
【解決手段】
本発明にかかる電流センサ内蔵端子台は、端子に付属した電気中継のためのバスバーを流れる電流によって生じる磁界を、電流センサ (ホール素子) で検出し、電流センサから出力される電流値をデジタル変換する。デジタル変換された電流値、電源の電圧値、および端子へ接続された電気機器の力率をもとに、電気機器の消費電力が計算され、さらに消費電力量が求められる。消費電力および消費電力量の値は、ネットワークを経由して、エネルギー管理システムへと送信される。この電流センサ内蔵端子台は、複数対の端子を連結することにより２か所以上の消費電力を検出できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流センサを内蔵する端子台にかかるものである。すなわち、接続された電気機器へ電流を容易に供給できることはもちろん、電流センサを内蔵することにより、電流センサで検出した電流値を外部へ発信することが可能であって、しかも用途に合わせて端子台の数を容易に増減できる、ブロック式の端子台にかかる発明である。

内部にセンサを設けた端子台については、すでに先行の事例がある。従来のセンサ内蔵端子台は、センサで検出した電流に比例した電流を、フィルター回路によってレベル変換し、レベル変換後の電流を外部へ出力するものであった。たとえば、下記の、特許文献１に開示された発明では、外部へ出力された電流レベルを、レベルメータに入力してＬＥＤ表示し、電流レベルに応じた色彩の発光をさせることで、負荷電流の増減を容易に視認できるようにしている。すなわち、電流センサの出力は、アナログ値である。

特開平６−２０１７３７号公報

このため、近年のパーソナルコンピュータ等で代表される情報機器が、上記の従来技術にもとづくセンサ内蔵端子台から、検出された電流値を取り込もうとした場合、アナログ／デジタル (Ａ／Ｄ) 変換をするための、よけいな装置が必要となる。検出された電流値は、情報機器でただちに使用できるように、センサ内蔵端子台から、直接にデジタル出力されることが望ましい。

また、エネルギーの使用の合理化に関する法律 (昭和五十四年法律第四十九号) (省エネ法) の改正法が、２０１０年４月１日から施行されたことにともない、企業の事業所、工場単位に、エネルギー使用量 (原油換算値) の管理および報告が必要となり、末端の分電盤、コンセントなど、従来は測定対象となっていなかった複数か所の消費電力量を把握することが必要となった。上記の従来技術によるセンサ内蔵端子台は、このような要請にこたえることができない。

本発明は、従来技術による、これらの欠点を克服することを目的に、(１) 端子台が内蔵するセンサで検知した電流値を、端子台が内蔵するＡ／Ｄ変換ＩＣでデジタル変換する機能、ならびに (２) その電流値およびその電流値をもとに算出される値を端子台が内蔵する通信ＩＣで上位システムに伝送する機能を提供する。

本発明にかかるセンサ内蔵端子台は、(Ａ) １対の端子に付属した電気中継のためのバスバー、(Ｂ) バスバーを流れる電流によって生じる磁界を検出する電流センサ (ホール素子)、(Ｃ) 電流センサによって検出した電流値をアナログ値からデジタル値へ変換するためのＡ／Ｄ変換ＩＣ、および (Ｄ) そのデジタル値を外部へ伝送するための通信ＩＣにより構成される。この電流センサ内蔵端子台は、複数対の端子を連結することで２か所以上の電流値を検出できるので、これを第１の手段とする。

本発明にかかる電流センサ内蔵端子台は、電流センサによって検出した上記のデジタル値を、外部へ送信できるので、これを第２の手段とする。

また本発明にかかる電流センサ内蔵端子台は、端子台に接続される電源の電圧値と、負荷となる機器の力率とをもとに、検出した電流値を用いて消費電力、および消費電力量を算出できるので、これを第３の手段とする。

本発明にかかる電流センサ内蔵端子台は、２か所以上の電流値を検出し、デジタル値に変換し、消費電力および消費電力量を算出し、外部に送信することができるため、様々なエネルギー管理システム、とりわけ省エネルギー管理システムに応用することができる。

本発明にかかる電流センサ内蔵端子台ブロックの、上面図、正面図、側面図、および背面図、ならびに電流センサ内蔵端子台ブロックの複数個を、データ集約部へ連結させた端子台部の上面図、および側面図である。 本発明にかかる電流センサ内蔵端子台の回路構成を示す図である。 本発明にかかる電流センサ内蔵端子台を応用した、エネルギー管理システムの構成を示す図である。 本発明にかかる電流センサ内蔵端子台がおこなう、消費電力データ送信処理の流れを示す図である。

つぎに、本発明にかかる電流センサ内蔵端子台の、ひとつの実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
＜構成説明＞

図１は、本発明にかかる電流センサ内蔵端子台の内部構造を示す図である。１対の端子を備える端子台ブロック１は、内部にプリント基板６を実装している。このプリント基板６の上には、電気を中継するためのバスバー２と、バスバー２を流れる電流が発する磁界を検出するための、ホール素子からなる電流センサ３と、電流センサ３が出力する電流値をデジタル変換するためのＡ／Ｄ変換ＩＣ４と、デジタル変換された値を外部へ伝送するための通信ＩＣ５と、プリント基板６の回路を動作させるための電源を供給するコネクタ８と、伝送用の通信コネクタ７とが実装される。複数の端子台ブロック１が連結される場合は、電源用コネクタ８どうし、および通信用コネクタ７どうしが、相互に接続される構造となっている。

ここに、ホール素子とは、ホール効果 (Hall effect) を応用した電子デバイスである。金属または半導体の材料内を流れる電流に直交する磁界を印加すると、材料の両端に、電流および磁界の、いずれとも直交する起電力が生じる。これを、ホール効果という。ホール素子にもとづく基本的な電流センサは、測定電流によって生じた磁界を、磁気コアによって収束させてからホール素子で検知し、その磁界に比例した電圧を出力する (オープンループセンサ)。しかしながら、生じた磁界をキャンセルすることのできる、測定電流に比例した帰還電流を出力とする (クローズドループセンサ) ほうが精度は高い。しかも、本発明は、電流センサからの出力電流にもとづいて動作する。よって、本願では、クローズドループセンサを、電流センサとして用いている。

図２は、電流センサ内蔵端子台の、内部回路を示す図である。複数個の端子台ブロック１が、直列的に接続され、端子台部１０を構成する。端子台部１０の片側の末端には、電源用コネクタ８と、通信コネクタ７を介して、データ集約部１１が接続される。データ集約部１１は、商用電源からの交流電力を受け入れ、ＡＣ／ＤＣコンバータを用いて、直流電力をデータ集約部１１、およびデータ集約部１１に接続される端子台ブロック１へ給電する。データ集約部１１は、この直流電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータにより、所定の電圧レベルへ変換して、通信ＩＣ１２、ＣＰＵ１３、およびＬＡＮコントローラ１４へ供給する。データ集約部１１から給電をうけた端子台ブロック１は、直流電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータにより、所定の電圧レベルへ変換して、通信ＩＣ５、Ａ／Ｄ変換ＩＣ４、および電流センサ３へ供給する。

また、データ集約部１１の通信ＩＣ１２と、端子台ブロック１の通信ＩＣ５とのあいだは、通信線路Ｔ１，Ｔ２，Ｒ１，Ｒ２で結ばれる。端子台ブロック１における、これらの通信線路の開放端へは、終端抵抗を設けて、インピーダンス不整合を防止する必要がある。

端子台ブロック１の端子ＴＢ１−１には、商用交流電源が接続され、端子台ブロック１の端子ＴＢ１−２には、電気機器が接続される。したがって、電流は、端子ＴＢ１−１から、バスバー２を経由して、端子ＴＢ１−２へと流れ、これが、電流センサ３による測定の対象となるべき電流である。電流センサ３が出力する電流値データは、Ａ／Ｄ変換ＩＣ４によってデジタル変換され、通信ＩＣ５によって、データ集約部１１に搭載された通信ＩＣ１２へ送信される。データ集約部１１のＣＰＵ１３は、電流値データの集約および再編をおこなう。ＬＡＮコントローラ１４は、ＣＰＵ１３から受け取ったデータをネットワークへ送出する。

図３は、本発明にかかる電流センサ内蔵端子台を含む、エネルギー管理システムの全体構成を示す図である。本実施形態によるエネルギー管理システムは、ネットワーク２３に接続されたコンピュータ２１と、ネットワーク２３に接続された電流センサ内蔵端子台３０と、分電盤２４と、電流センサ内蔵端子台３０を経由して分電盤２４から電気の供給をうける電気機器２５とから構成される。ネットワーク２３に接続されるこれらのコンポーネントには、ネットワークアドレスを付与することができる。よってネットワーク２３としては、ＴＣＰ／ＩＰ、またはこれらの上位プロトコルを使用する、ＬＡＮ、ＷＡＮ、インターネット等が適しているが、これらに限定はされない。コンピュータ２１には、エネルギー管理用ソフトウェア２２が搭載され、エネルギー管理者の意思決定を支援する、上位システム２０を構成する。

なお、端子台ブロック１のネットワークアドレス指定は、ＭＡＣアドレスによってもよいし、ＩＰアドレスによってもよい。したがって、データ集約部１１のＬＡＮコントローラ１４は、レイヤ２、またはレイヤ３以上のルーティングプロトコルを採用できる。

上位システム２０は、各端子台ブロック１に搭載された、Ａ／Ｄ変換ＩＣ４へ、パラメータ設定をすることができる。パラメータは、各端子台ブロック１に接続される負荷 (電気機器) の力率、および同様に各端子台ブロックに接続される交流電源の電圧である。これらのパラメータは、Ａ／Ｄ変換ＩＣ４のＲＡＭに記憶される。Ａ／Ｄ変換ＩＣ４は、電流センサ３から入力された電流値と、パラメータ設定された電圧および力率をもとに、電気機器の消費電力を算出して、そのデジタル値を通信ＩＣ５へ送出する。

この消費電力の計算は、単位時間ごとにおこなわれる。Ａ／Ｄ変換ＩＣ４は、経過した単位時間の数を記録するカウンタ、および計算した消費電力の値を単位時間ごとに加算する、アキュムレータを備える。カウンタの累積値が、１時間に相当する数に達すると、Ａ／Ｄ変換ＩＣ４は、アキュムレータの値をカウンタの値で除して、１時間あたりの平均消費電力を算出する。Ａ／Ｄ変換ＩＣ４は、この平均消費電力を、その１時間の電力量として、そのデジタル値を通信ＩＣ５へ送出する。
＜動作説明＞

図４は、上記のとおりに構成されたエネルギー管理システムでの、電流センサ内蔵端子台の動作を示す図である。電源が単相の正弦波交流（５０Ｈｚ）の場合における動作過程を例に説明する。

［ステップ０１］
端子台ブロック１のＡ／Ｄ変換ＩＣ４は、電流センサ３で検出した電流値を、５０Ｈｚよりも高いサンプリング周波数 (１００Ｈｚ以上が望ましい) でＡ／Ｄ変換する。Ａ／Ｄ変換ＩＣ４は、電源交流の周期ごとに、カウンタをインクリメントする。

［ステップ０２］
Ａ／Ｄ変換ＩＣ４は、Ａ／Ｄ変換した電流の、ピーク (peak) 値Ｉｐｋから電流の実効値 (root mean square) Ｉｒｍｓを算出する。正弦波交流の場合、電流の実効値Ｉｒｍｓは、Ｉｐｋを√２で除した値に等しい。

［ステップ０３］
Ａ／Ｄ変換ＩＣ４は、算出した電流の実効値Ｉｒｍｓと、事前にパラメータ設定された電源電圧Ｖおよび力率Ｐｆにより、有効電力Ｐを求める。この場合、皮相電力Ｓは、Ｉｒｍｓ×Ｖである。力率Ｐｆは、有効電力Ｐと皮相電力Ｓとの比なので、有効電力Ｐは、Ｐｆ×Ｓによって計算できる。さらにＡ／Ｄ変換ＩＣ４は、計算した有効電力 (消費電力) Ｐの値を、アキュムレータに加算する。

［ステップ０４］
Ａ／Ｄ変換ＩＣ４は、算出した電流の実効値Ｉｒｍｓと、消費電力Ｐを、端子台ブロック１の通信ＩＣ５へ送る。またＡ／Ｄ変換ＩＣ４は、カウンタが所定の値になったことを契機に、アキュムレータの値を、カウンタの値で除し、算出した消費電力量Ｗｈを通信ＩＣ５へ送る。通信ＩＣ５は、電流の実効値Ｉｒｍｓ、消費電力Ｐ、および消費電力量Ｗｈのデジタル値を、データ集約部１１へ伝送する。

［ステップ０５］
データ集約部１１のＣＰＵ１３は、各端子台ブロック１で算出した電流の実効値Ｉｒｍｓ、消費電力Ｐ、および消費電力量Ｗｈを集約して、上位システム２０へ伝送する。

なお、各端子台ブロック１からの、電流の実効値Ｉｒｍｓ、消費電力Ｐ、および消費電力量Ｗｈを、データ集約部１１において集約する場合、その集約は、端子台ブロック１ごとのレコード形式でもよいし、そのデータ集約部１１に連結されたすべての端子台ブロック１についての統計形式であってもよい。上位システム２０は、通信ネットワークを介して、複数のデータ集約部１１と通信することができる。上位システム２０のモニタ画面上には、配電系統が、データ集約部１１をノードとしたグラフとして表示され、ノードごとに、電流の実効値Ｉｒｍｓ、消費電力Ｐ、および消費電力量Ｗｈが表示される。また上位システム２０のモニタ画面上には、各ノードにおける消費電力量Ｗｈを積算した値が、時間ごとに図示される。表示形式は、棒グラフ、折れ線グラフなど、任意でよい。

本発明は、改正省エネ法にもとづく、エネルギー使用量 (原油換算値) の管理および報告を、企業等を単位に実施するための便宜を与えるものである。電力を消費する電気機器から、消費電力量をリアルタイムに算出して、エネルギー管理システムへ報告することができ、しかも末端の分電盤、コンセントなど、従来は測定対象となっていなかった複数か所の消費電力量をも把握できることに特徴がある。このように、本発明は、改正省エネ法に準拠してエネルギー管理をおこなう、あらゆる産業分野で利用が可能なものである。

なお、近年は、パーソナルコンピュータ等のみならず、一般の家電製品なども情報処理能力を備えるようになっている。したがって、本発明の端子台ブロックに設けられたＡ／Ｄ変換ＩＣや、通信ＩＣを、電気機器の側へオフロードすることも可能であろう。この場合、電気機器と端子台ブロックとのあいだの通信プロトコルを定めておけば、ＰＬＣ (Power Line Communication) などを利用することにより、電気機器の内部で算出された消費電力値などを、エネルギー管理システムへ、容易に送信できる。

１：端子台ブロック
２：バスバー
３：電流センサ
４：Ａ／Ｄ変換ＩＣ
５：通信ＩＣ
６：プリント基板
７：通信用コネクタ
８：電源用コネクタ
１０：端子台部
１１：データ集約部
１２：通信ＩＣ
１３：ＣＰＵ
１４：ＬＡＮコントローラ
２０：上位システム
２１：コンピュータ
２２：エネルギー管理用ソフトウェア
２３：ネットワーク
２４：分電盤
２５：電気機器

Claims (2)

1. 電気機器に電源からの電流を供給するための端子ブロックが、
   上記電気機器へ供給される電流を検知し、電流値を出力する電流センサと、
   上記電流値、上記電源の電圧、および上記電気機器の力率をもとに、上記電気機器の消費電力および消費電力量のデジタル値を算出する変換集積回路と、
   上記デジタル値を、上記端子ブロックの外部へ送信するための通信集積回路と、
   上記送信をするための、データ通信経路をなす通信用コネクタと、
   上記端子ブロックの動作電源の供給路をなす電源用コネクタとを備えることにより、
   上記通信用コネクタどうしの接続、および上記電源用コネクタどうしの接続によって複数の上記端子ブロックを連結した、１の端子台を形成できることを特徴とする電流センサ内蔵端子台。
2. 上記端子ブロックの１個以上からなる端子台において、
   上記通信用コネクタおよび電源用コネクタの終端に連結されるデータ集約部が、
   外部ネットワークとの送受信を管理する、ネットワークコントローラと、
   各端子ブロックで算出された上記デジタル値を、上記通信用コネクタから受信するための通信集積回路と、
   上記ネットワークコントローラおよび通信集積回路を制御し、かつ上記デジタル値の集約データを作成する中央処理装置とを備えることにより、
   上記集約データを、上記外部ネットワークを経由して、任意の情報処理システムに送信できることを特徴とする、請求項１に記載された電流センサ内蔵端子台。