JP2014167704A

JP2014167704A - 無線送信機及び無線通信システム

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Publication number: JP2014167704A
Application number: JP2013039173A
Authority: JP
Inventors: Kenji Soejima; 健治副島
Original assignee: Saxa Inc
Current assignee: Saxa Inc
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2014-09-11

Abstract

【課題】分電盤内の電圧線に流れる電流の測定値を分電盤の外部に配置されている機器へ無線送信する機器の小型化、軽量化、及び低消費電力化を実現する。
【解決手段】トランス型電流センサ２１の巻線２１ｂに流れる電流をダイオードブリッジ２２で整流し、負荷抵抗Ｒ_Ｌで電圧を取り出し、平滑コンデンサＣで平滑することで、第１の電圧線Ｌ_１に流れる交流電流Ｉ_ｏに対応する直流電圧Ｅ_ｏを生成する。直流電圧Ｅ_ｏはリセットＩＣ２３及びレギュレータ２４の電源電圧となる。リセットＩＣ２３は直流電圧Ｅ_ｏが閾値以上のとき、レギュレータ２４を起動させる。レギュレータ２４はＶＣＯ２５の電源電圧となる安定電圧を生成する。ＶＣＯ２５は直流電圧Ｅ_ｏを周波数調整用の分圧抵抗Ｒ_１及びＲ_２で分圧した電圧に対応する周波数で発振する。ＶＣＯ２５の出力はアンテナ２６から送信され、分電盤の外部へ送出される。
【選択図】図２

Description

本発明は、分電盤内の電圧線に流れる電流の測定値を送信する無線送信機、及びその無線送信機とその無線機送信機から送信された測定値を受信する無線受信機とからなる無線通信システムに関する。

近年、人々が生活する上で必要な地球資源の枯渇が懸念されており、資源の消費により発生する二酸化炭素の影響による地球温暖化などの環境問題への対応が急がれている。また、原子力発電所の稼動停止に伴う電力不足や、原子力発電の比率を徐々に減らし、太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーの比率を徐々に増やすことに伴う電気料金の上昇などへの対応も急がれている。そのため、一般家庭においても、低消費電力の機器に交換するなどの省エネルギー指向が進み、電気料金の低減への関心も高まっている。

このような状況から、消費電力量の監視・表示を行うようなシステムとして、分電盤内の単相３線式の電圧線にトランス型電流センサ（カレントトランス、貫通型変流器）を取り付け、その検知出力（交流電流）をケーブルにより、分電盤外に配置されている分電盤子機に入力し、分電盤子機は検知出力をデジタルデータに変換し、近距離無線通信（ZigBee）により親機へ送信し、親機がルータを介してインターネット上の管理サーバへ送信する消費電力管理システムが提案されている（非特許文献１）。

しかし、このシステムでは、電流センサと分電盤子機とがケーブルで接続されているため、分電盤周辺の見栄えが悪くなり、かつ分電盤の蓋が完全に閉まらない、或いは穴を開けなければならないという問題がある。また、分電盤子機の設置場所がケーブルの長さで制限されるという問題もある。

分電盤子機を分電盤内に配置できるように小型化し、分電盤の外に配置されている親機へデジタルデータを無線送信するように構成すれば、これらの問題点を解決することはできるが、下記（１）、（２）の理由により実現は困難である。
（１）トランス型電流センサの検知出力をデジタルデータに変換するための回路及び近距離無線通信（ZigBee）の無線回路の回路規模の縮小が必要である。
（２）分電盤子機は単３電池２本で動作しており、上記回路の低消費電力化による電源の小型化が必要である。

[平成２５年２月５日検索]、インターネット<http://www.ishikawa-lab.com/power_index.html>

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、分電盤内の電圧線に流れる電流の測定値を分電盤の外部に配置されている機器へ無線送信する機器の小型化、軽量化、及び低消費電力化を実現するとともに、分電盤の外部に配置されている機器による測定値の取得を可能にすることである。

本発明に係る無線送信機は、トランス型電流センサと、該トランス型電流センサに流れる交流電流の振幅に対応する直流電圧を生成する直流電圧生成手段と、該直流電圧生成手段により生成された直流電圧により発振周波数が制御される電圧制御発振器と、該電圧制御発振器の出力を無線で送信する無線送信手段とを有する無線送信機である。
本発明に係る無線通信システムは、本発明に係る無線送信機と、無線電波を受信する無線受信手段と、該無線受信手段で受信された電波の周波数を電流値に変換する周波数/電流変換手段と、を有する無線受信機と、からなる無線通信システムである。

［作用］
本発明に係る無線送信機によれば、分電盤内の電圧線に取り付けられたトランス型電流センサにより前記電圧線に流れる交流電流を検知し、その交流電流の振幅に対応する直流電圧を生成し、その直流電圧により電圧制御発振器の周波数を制御し、その電圧制御発振器の出力を無線で分電盤の外部へ送信する。
本発明に係る無線通信システムによれば、本発明に係る無線送信機により分電盤の内部から送信された電波を受信し、その周波数を電流値に変換する。

本発明によれば、分電盤内の電圧線に流れる電流の測定値を分電盤の外部に配置されている機器に無線送信する機器の小型化、軽量化、及び低消費電力化、並びに分電盤の外部に配置されている機器による測定値の取得が可能になる。

本発明の実施形態に係る無線通信システムを含む消費電力管理システムを示す図である。図１における電流センサ付き無線子機の内部構成を示す図である。図２に示す電流センサ付き無線子機の各部の動作を示す図である。図２に示す電流センサ付き無線子機において、分電盤内の電圧線に流れる交流電流とＶＣＯの発振周波数との関係を説明するための図である。図１における無線親機の内部構成を示す図である。図５における無線親機の各部の動作を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
〈消費電力管理システム〉
図１は本発明の実施形態に係る無線通信システムを含む消費電力管理システムを示す図である。

分電盤１内には、ブレーカー２と漏電遮断器３が配置されており、単相３線式の商用交流電源の配電線である第１の電圧線Ｌ_１と第２の電圧線Ｌ_２がブレーカー２と漏電遮断器３との間を接続している。第１の電圧線Ｌ_１と第２の電圧線Ｌ_２には、アースされている中性線（図示省略）との間に逆極性の１００Ｖの交流電圧が供給されている。

この消費電力管理システムは、電流センサ付き無線子機４と、無線親機５と、管理サーバ８とを備えており、電流センサ付き無線子機４、無線親機５がそれぞれ本発明に係る無線送信機、無線受信機に対応し、無線通信システムを構成している。

電流センサ付き無線子機４は、トランス型電流センサを備えており、第１の電圧線Ｌ_１に流れる交流電流のレベル（振幅）に対応する電圧で発振するＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator：電圧制御発振器）の無線周波数の発振出力を電波として無線通信９により無線親機５へ送信する。

無線親機５は、電流センサ付き無線子機４から送信された電波を受信し、その無線周波数を交流電流値に変換し、有線ＬＡＮのＬＡＮケーブル１０及びルータ６を介して、インターネットなどのネットワーク７上の管理サーバ８へ送信する。ここで、有線ＬＡＮに代えて無線ＬＡＮを用いてもよい。

管理サーバ８は、受信した交流電流値を用いて、分電盤１が設置されている家庭の消費電力を把握する。なお、消費電力を把握するためには、第１の電圧線Ｌ_１に流れる電流及び第２の電圧線Ｌ_２に流れる電流の双方を測定し、合計することが必要であるため、後述するように、電流センサ付き無線子機４は、第１の電圧線Ｌ_１に流れる電流及び第２の電圧線Ｌ_２に流れる電流の双方を測定できるように構成する。

〈電流センサ付き無線子機の構成〉
図２は、図１における電流センサ付き無線子機４の内部構成を示す図である。

電流センサ付き無線子機４は、トランス型電流センサ２１を備えている。トランス型電流センサ２１のリングコア２１ａには一次巻線としての第１の電圧線Ｌ_１が貫通しており、第１の電圧線Ｌ_１に流れる交流電流Ｉ_ｏにより二次巻線としての巻線２１ｂに流れる交流電流を測定することで、第１の電圧線Ｌ_１に流れる交流電流を間接的に測定する。

本実施形態では、巻線２１ｂに流れる電流をダイオードブリッジ２２で整流（全波整流）し、負荷抵抗Ｒ_Ｌで電圧を取り出し、平滑コンデンサＣで平滑することで、交流電流Ｉ_ｏに対応する直流電圧Ｅ_ｏを取得している。即ち、ダイオードブリッジ２２、負荷抵抗Ｒ_Ｌ、及び平滑コンデンサＣが直流電圧生成手段を構成している。直流電圧Ｅ_ｏは交流電流Ｉ_ｏと、巻線２１ｂの巻数と、負荷抵抗Ｒ_Ｌにより決まるが、巻線２１ｂの巻数及び負荷抵抗Ｒ_Ｌは定数であるから、直流電圧Ｅ_ｏは交流電流Ｉ_ｏの変化に対応して変化することになる。

直流電圧Ｅ_ｏは、リセット手段としてのリセットＩＣ２３、及びレギュレータ２４の電源端子Ｖddに供給されるとともに、周波数調整用の分圧抵抗Ｒ_１及びＲ_２を介してＶＣＯ２５の電圧制御端子Ｖ_CONTに供給される。リセットＩＣ２３の出力端子OUTはレギュレータ２４の制御端子CONTと接続され、レギュレータ２４の出力端子OUTはＶＣＯ２５の電源端子Ｖddと接続されている。ＶＣＯ２５の出力端子Ｆ_OUTにはアンテナ２６が接続されている。

ダイオードブリッジ２２、負荷抵抗Ｒ_Ｌ、平滑コンデンサＣ、リセットＩＣ２３、レギュレータ２４、ＶＣＯ２５、及びアンテナ２６を単一の回路基板に搭載し、この回路基板にトランス型電流センサ２１を外付けすることが好適である。

〈電流センサ付き無線子機の動作〉
図３は、図２に示す電流センサ付き無線子機（以下、無線子機）４の各部の動作を示す図であり、図４は、第１の電圧線Ｌ_１に流れる交流電流Ｉ_ｏとＶＣＯ２５の発振周波数ｆとの関係を説明するための図である。ここで、図４Ａは、交流電流Ｉ_ｏのレベル（振幅）と直流電圧Ｅ_ｏのレベルとの対応関係（Ｅ_ｏ−Ｉ_ｏ特性）を表す図であり、図４Ｂは、ＶＣＯ２５の発振周波数ｆと直流電圧Ｅ_ｏのレベルとの関係（ｆ−Ｅ_ｏ特性）を表す図である。

第１の電圧線Ｌ_１に交流電流Ｉ_ｏが流れると（ステップＳ１）、巻線２１ｂに交流電流が流れる（ステップＳ２）。この交流電流は、ダイオードブリッジ２２で整流され（ステップＳ３）、負荷抵抗Ｒ_Ｌで直流電圧に変換され、平滑コンデンサＣで平滑されることで（ステップＳ４）、直流電圧Ｅ_ｏが生成される。図４ＡにおけるＥ_ｏ−Ｉ_ｏ特性１０１が示すように、直流電圧Ｅ_ｏのレベルは交流電流Ｉ_ｏのレベルに比例する。

この直流電圧Ｅ_ｏは、リセットＩＣ２３の電源端子Ｖdd及びレギュレータ２４の電源端子Ｖddに供給される。リセットＩＣ２３は直流電圧Ｅ_ｏと予め設定された起動閾値電圧Ｅthとを比較し、直流電圧Ｅ_ｏが起動閾値電圧Ｅth以上のとき（ステップＳ５：YES）、出力端子OUTからレギュレータ２４の制御端子CONTに起動制御信号を供給する。直流電圧Ｅ_ｏが起動閾値電圧Ｅth未満のときは（ステップＳ５：NO）、ステップＳ１〜Ｓ４を繰り返す。つまり、交流電流Ｉ_ｏが閾値電流Ｉth以上のときにレギュレータ２４が起動する。

レギュレータ２４は、リセットＩＣ２３からの起動制御信号を受けて起動し、安定電圧を生成し、出力端子OUTからＶＣＯ２５の電源端子Ｖddに供給する（ステップＳ６）。

ＶＣＯ２５は、レギュレータ２４から供給された安定電圧を電源として起動し、制御端子Ｖ_CONTに供給される電圧、即ち直流電圧Ｅ_ｏを周波数調整用の分圧抵抗Ｒ_１及びＲ_２で分圧した直流電圧のレベルに対応する周波数で発振する（ステップＳ７）。図４Ｂにおけるｆ−Ｅ_ｏ特性１０２が示すように、起動閾値電圧Ｅth以上の直流電圧Ｅ_ｏに対して、直流電圧Ｅ_ｏの増加に応じて、発振周波数ｆはリニアに増加する。つまり、ＶＣＯ２５は、交流電流Ｉ_ｏが閾値電流Ｉth以上のときに、交流電流Ｉ_ｏに対応する周波数で発振する。

ＶＣＯ２５の無線周波数の発振出力は出力端子Ｆoutからそのまま（増幅、変調、デジタル化、周波数変換などを行わずに）アンテナ２６に供給され、電波として無線で送信される（ステップＳ８）。

発明者の実験によれば、Ｒ_Ｌ＝１００Ωにしたところ、Ｉ_ｏ＝５Ａのとき、Ｅ_ｏ＝１Ｖ程度であった。即ち、１０ｍＷ程度の出力が得られた。また、リセットＩＣ２３、レギュレータ２４、ＶＣＯ２５の消費電力は、それぞれ２０μＷ、２０μＷ、９ｍＷであった。また、アンテナ２６から送信される電波の周波数は４２９ＭＨｚであり、電波強度は−２０ｄＢｍであった。

〈無線親機の構成及び動作〉
図５は、図１における無線親機５の内部構成を示す図であり、図６は、図５に示す無線親機５の各部の動作を示す図である。

無線親機５は、無線子機４から送信された周波数の電波を受信可能な特性のアンテナ３１と、アンテナ３１からの無線周波数の信号を増幅する無線受信部３２と、無線受信部３２で増幅された信号の周波数を測定し、測定値に対応する電流値に変換する周波数/電流変換部３３と、周波数/電流変換部３３の出力をＬＡＮケーブル１０へ送出するＬＡＮＩ/Ｆ（インタフェース）３４と、を備えている。周波数/電流変換部３３は、マイクロコンピュータと変換テーブルで構成されている。

無線親機５は、無線子機４から数ｍ離れた場所に設置されており、無線子機４から送信された周波数の電波がアンテナ３１で受信され、無線周波数の信号が無線受信部３２へ送られる。無線受信部３２は、入力された無線周波数の信号を増幅し、周波数/電流変換部３３へ送る（以上、ステップＳ１１）。

周波数/電流変換部３３は、入力された無線周波数の信号の周波数を測定してデジタルの測定値を生成し（ステップＳ１２）、その測定値に対応する電流値を変換テーブルから読み出すことで、周波数の測定値を電流値に変換する（ステップＳ１３）。

次に周波数/電流変換部３３は、その電流値をＬＡＮＩ/Ｆ３４、ＬＡＮケーブル１０、及びルータ６を介して、ネットワーク７上の管理サーバ８へ送信する（ステップＳ１４）。

以上、詳細に説明したように、本発明の実施形態に係る無線通信システムは下記（１）〜（３）の特徴を備えている。
（１）分電盤１の内部に配置されている単相３線式の電圧線に取り付けられたトランス型電流センサ２１により前記電圧線に流れる交流電流Ｉ_ｏを検知し、その交流電流Ｉ_ｏに対応する周波数ｆでＶＣＯ２５を発振させ、ＶＣＯ２５の出力を無線で分電盤１の外部に設置された無線親機５へ送信するので、分電盤１の内部と外部を接続するケーブルが不要である。
このため、分電盤１の周辺の見栄えが良くなり、分電盤１に穴を開けずにその蓋を完全に閉めることができる。また、無線親機５は、無線子機４からの電波が届く範囲であれば任意の場所に設置することができる。
（２）無線子機４の動作に必要な電力は、全てトランス型電流センサ２１により生成されるため、電池が不要である。このため、電池交換のために分電盤を開閉する操作が不要となる。
（３）無線子機４が無線親機５へ送信する電波は、その周波数が交流電流Ｉ_ｏに対応する無変調の無線周波数からなるため、電流値をデジタルデータに変換する回路、並びにデータのパケット及び通信プロトコルを実行する無線回路が不要である。このため、無線子機４の小型化、軽量化及び低消費電力化が実現できる。

なお、本発明には下記（ａ）〜（ｃ）のような変形が可能である。
（ａ）１本の電圧線に複数のトランス型電流センサを取り付け、それぞれの出力を１つのダイオードブリッジにパラレル（並列）に入力することで、トランス型電流センサから得られる電力を増やすことにより、トランス型電流センサ１個あたりの起動閾値電圧Ｅthを下げることができる。これにより、より微小な交流電流を検出することができる。
（ｂ）２本の電圧線の交流電流を測定する場合には、電圧線の系により、周波数調整用の分圧抵抗Ｒ_１及びＲ_２の抵抗値を変えて発振周波数をずらすことで、系を識別して同時に運用することができる。
（ｃ）無線親機５の出力を家庭内のＰＣ（パーソナルコンピュータ）に接続し、測定電流値及び消費電力を把握する。

１…分電盤、４…無線子機、５…無線親機、２１…トランス型電流センサ、２２…ダイオードブリッジ、２５…ＶＣＯ、２６，３１…アンテナ、３２…無線受信部、３３…周波数/電流変換部、３４…ＬＡＮＩ/Ｆ、Ｃ…平滑コンデンサ、Ｒ_Ｌ…負荷抵抗、Ｒ_１，Ｒ_２…周波数調整用の分圧抵抗。

Claims

トランス型電流センサと、該トランス型電流センサに流れる交流電流の振幅に対応する直流電圧を生成する直流電圧生成手段と、該直流電圧生成手段により生成された直流電圧により発振周波数が制御される電圧制御発振器と、該電圧制御発振器の出力を無線で送信する無線送信手段とを有する無線送信機。
請求項１に記載された無線送信機において、
前記直流電圧生成手段は、前記交流電流を整流するダイオードブリッジと、該ダイオードブリッジの出力側に接続された負荷抵抗及び平滑コンデンサと、からなる無線送信機。
請求項１に記載された無線送信機において、
前記直流電圧生成手段で生成された直流電圧を電源電圧として動作するリセット手段及びレギュレータを有し、
該リセット手段は、前記直流電圧生成手段で生成された直流電圧が所定の閾値電圧以上のときに、該レギュレータに起動制御信号を供給し、該レギュレータは該起動制御信号を受けて起動し、所定レベルの安定電圧を前記電圧制御発振器の電源電圧として供給する無線送信機。
請求項１〜３のいずれかに記載された無線送信機と、
無線電波を受信する無線受信手段と、該無線受信手段で受信された電波の周波数を電流値に変換する周波数/電流変換手段と、を有する無線受信機と、
からなる無線通信システム。