JP2023013726A - 電圧計測による電力測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的容易に測定が可能な電圧測定部の選定による負荷の消費する有効電力と無効電力の算出を可能とする方法。【解決手段】リアクタンス要素５ならびに抵抗要素６を含む一対の電力線３、４、相電圧センサー８、降下電圧センサー７、演算部９および表示出力部１０から構成され、電力線３、４の相電圧とリアクタンス要素５と抵抗要素６の値により生じる電圧とその位相差を使用して、設備２に供給される有効電力と無効電力の値を算出する。【選択図】図１

Description

設備が消費する電気エネルギーを測定する方法に関する。

建物設備や生産設備をはじめとする多くの設備は、電力線を介して供給される電気エネルギー（以下電力という）を消費する。通常は、電力の値は設備の電力線に電力測定装置を設けて測定される。

設備の省エネルギーなどを目的とする設備運用の改善を図るためにはそれぞれの設備に測定装置を設けて正確な電力消費の状況を知ることが望まれるが、測定装置は高額のために特定の設備のみに限定して設けられているのが実情である。設備運用改善を進めるためには、安価で普及が容易な測定装置を多数導入することのできる方法が望まれる。

特開２００７－５２０００
特願２０１５－２１９１８９

電力は多くの場合いわゆる交流と呼ばれる方式で電源装置から電力線を介して負荷装置（設備という）に供給される。電力線を通過する電力の値は、従来は電力線の電圧と流れる電流を使用する方法で求められてきた。

このため、多くの場合、電力の値を測定する装置には電圧センサーと電流センサーが共に設けられる構成がとられてきた。通常の電流センサーはその性質上電力線を漏れなく一周する構造をとることが求められる。

一方で、大容量の電力を供給する電力線には大電流を流すための太い材料の導線が使用される。これに伴って電流センサーの構造も大型となり製造コストが高額となる。ここでは電流センサーを用いない方法で電力の値を測定する方法が期待される。

図１の、電源（１）、設備（２）、リアクタンス要素（５）ならびに抵抗要素（６）を含む一対の電力線（３、４）、相電圧センサー（８）、降下電圧センサー（７）、演算部（９）および表示出力部（１０）からなる構成例を用いて本発明を説明する。

相電圧センサー（８）は一組の電力線（３、４）の線間の電圧（相電圧という）を計測し、降下電圧センサー（７）はリアクタンス要素（５）と抵抗要素（６）間の両端に生じる電圧差（降下電圧という）を計測する。演算部（９）で前記計測データを使用して電力値を計算する。計算結果は表示器に数値表示する機能のほか通信機能を備えて他に通知する機能を備える表示出力部（１０）に出力する。

ここで、以下に演算部（９）で電力値を計算する方法の詳細を記載する。図２Ａに示す電源（１）、設備（２）、電力線（３、４）、リアクタンス要素（５）および抵抗要素（６）からなる構成図を使用して説明する。電源（１）と設備（２）の間の電力線（３、４）上にはインダクタンスＸ（以下Ｘという）の容量を持つリアクタンス要素（５）と抵抗Ｒ（以下Ｒという）の容量を持つ抵抗要素（６）を持つ導体（１１）を設ける。

便宜上ここでは単相の電力線を使用して説明する。この様な構成では、電源（１）が設備（２）に供給する電力の値により、導体（１６）の両端に、電力線（３、４）を通過する電流（以下相電流という）の振舞いに応じた降下電圧（Ｖｄという）（１３）を生ずることが知られている。本発明では、電力線（３、４）の相電圧（１２）と降下電圧（１３）に係るそれぞれの時間経過により変化する形状（以下波形という）を捉えて、電源（１）が設備（２）に供給する電力の値を算出する。

なお、電力線（３、４）の相電圧（１２）や降下電圧（１３）の状態は時間経過に伴って正弦波状で変化する様子が観測されるものであるが、以下の説明に使用する相電圧（１２）および相電流の振る舞いは、電源周波数に２πを乗じて得られる角速度（以下ωという）を持つ回転ベクトル様式を用いて説明する。図２Bには、図２Aに示す構成において生じる相電圧（Ｖ２という）（１２）、降下電圧（Ｖｄという）（１３）の相関関係を示す。

すなわち、電力線（３、４）を通過する相電流（Ｉという）（２２）は、リアクタンス要素（５）のＸがおよぼす効果によりＩ（２２）を基準として位相が９０度進みＩ（２２）にωとＸ（５）を乗じた値の電圧Ｖｘ（２４）を発生させると共に抵抗要素（１５）が持つＲによりＩ（２２）と同位相でＩ（２２）にＲを乗じた電圧Ｖｒ（２３）を発生させる。

ここで、Ｖｘ（２４）とＶｒ（２３）のベクトル合成で示される降下電圧Ｖｄ（１３）が発生する。Ｖｒ（２３）とＶｄ（１３）の位相角（２７）（Δという）は導体（１６）が有するＸとＲで決まる定数で Tan Δ = ωＸ / Ｒ で示すことができる。

また、設備が消費する電力の力率角（θという）（２５）はＶ２（１２）とＩ（２２）の間にある位相差を意味する。ここでＶ２（１２）とＶｄ（１３）の位相差（Φ）（２８）を求めることができれば、θ（２６）は θ ＝ Δ ― Φ として容易に算出することができる。

次に、図２Ｃを使用して、位相差Φ（２８）を求める方法を示す。ここでＶ２（１２）のベクトル長（Ｖ２ｍａｘという）とＶｄ（１３）のベクトル長（Ｖｄｍａｘという）を使用して次の様に示すことができる。
Ｖ２ｍａｘ・sin(ωｔ)
Ｖｄｍａｘ・sin(ωｔ ＋ Φ )
両者の電圧を実測して、Ｖ２ｍａｘ・sin(ωｔ)のピーク点（３４）とＶｄｍａｘ・sin(ωｔ ＋ Φ )のピーク点（３５）の時間差を抽出すれば、位相差Φ（２８）を求めることができる。

ここでは、ピーク点に替えてゼロクロス点を用いてもよい。Ｖｄ（１３）とリアクタンス要素（５）のＸおよび抵抗要素（６）のＲを使用して負荷の電流Ｉ（２２）のベクトル長を示す値（Ｉｍａｘという）を求め、設備が消費する電力の力率角であるθ（２６）とＶ２（１２）を用いて、設備が消費する有効電力と無効電力を算出する。

ここで力率角θを使用すれば、設備に供給される有効電力Ｐと同無効電力Qを求めることができる。このため、先ず、設備側実効電圧ｖと実効電流iを図３に示す計算式を使用して求める。

有効電力Ｐと無効電力Ｑは、下記の計算をして求める。
Ｐ ＝ v・i・cosθ
Q ＝ v・i・sinθ

本発明により、電流センサーを用いないで電力の値を測定する装置を製作する方法により測定装置の大幅なコンパクト化と共にコスト削減が可能になると見込まれる。有効電力のほか無効電力を併せて測定することができる。

図４に、ブレーカー（４５）を使用して負荷に供給する電力を測定する単相電力線（４０、４１）に適用する実施例を示す。ビルや工場などに設けられる設備に供給される電力は、分電盤と呼ばれる装置を経て各設備に供給される。分電盤には各設備向け専用の電力線ごとに、過電流発生に伴う電力供給の遮断を目的とする開閉器（４２，４３）が設けられる。

ここにはリアクタンスと抵抗の両要素を含むコイル（４４）と呼ばれるものがあり過電流発生時には強力な磁界を発生させて開閉器（４２，４３）の開動作をさせる仕組みが設けられている。本実施例では、ブレーカー（４５）、および降下電圧入力センサー（４６）ならびに相電圧センサー（４７）、演算部（４８）表示出力部を持つ測定装置（５０）からなる構成で、ブレーカー（４５）両端の降下電圧と、電力線の相電圧の波形を取得する方法で電力の値を算出する。

図５に、三相電力線に適用する実施例を示す。平衡負荷の場合線間の電圧を測定して√３で除すれば相電圧を求めることができる。したがって、単相のばあいと同様の方法で先ず１相の設備供給の部分電力を計算してこれに３を乗ずる方法で設備が消費する電力を求める。

設備の電力を正しく把握することは、省エネ運転をはじめとする設備運用改善ためには重要なことである。本発明は、消費電力の把握がなされていない多くの設備向けに電力の測定手段を安価に提供しその普及に供することを狙いとする。

発明の構成図 発明の作用を説明する図 構成各部の電圧や電流の相関関係を示す図。 電力線で観測される相電圧と効果電圧の様子を示す図。 実効値電圧ｖと実効値電流iを求める計算式 実施例１の構成を示す図 実施例２の構成を示す図

１ 電源
２ 設備
３ 電力線
４ 電力線
５ リアクタンス
６ 抵抗
７ 降下電圧センサー
８ 相電圧センサー
９ 演算部
１０ 表示出力部
１１ 導体
１２ 相電圧
１３ 降下電圧Ｖｄ
２０ 電源側相電圧
２１ 負荷側相電圧Ｖ２
２２ 電流Ｉ
２３ 抵抗要素（１５）のＲにより電流（２２）と同位相で同電流（２２）にＲを乗じた電圧Ｖｒ
２４ リアクタンス要素（５）のＸがおよぼす効果により電流（２２）を基準として位相が９０度進み同電流（２２）にωとＸを乗じた値の電圧Ｖｘ
２５ Ｖｘ（２４）とＶｒ（２３）のベクトル合成で示される降下電圧Ｖｄ
２６ 負荷が消費する電力の力率角θ
２７ Ｖｒ（２３）とＶｄ（１３）の位相角Δ
２８ Ｖ２（１２）とＶｄ（１３））の位相差Φ
３０ 相電圧の波形
３１ 降下電圧の波形
３２ 時間軸
３３ 時間軸
４０ 電力線
４１ 電力線
４２ 開閉器
４３ 開閉器
４４ リアクタンスと抵抗の両要素を含むコイル
４５ ブレーカー
４６ 降下電圧センサー
４７ 相電圧センサー
４８ 演算部
４９ 表示出力部
５０ 測定装置
５１ 電力線
５２ 開閉器

Claims (1)

1. 電源から単相若しくは多相の電力線を用いて負荷に電力を供給する、リアクタンスならびに抵抗若しくはその何れかを含む電力線と、該電力線の相電圧若しくは線間電圧を測定するセンサーと、リアクタンスならびに抵抗の電圧を測定するセンサーおよび演算部
   からなる構成で、前記の両センサーで測定収集する電圧値を時系列に並べて得られる電圧波形データを用いて電源から負荷に供給する電力の値を算出する方法。

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