JP3896362B2 - 節電装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流の皮相電力を正確に測定する皮相電力計により節電量を監視できる節電装置に関する。

近年、工場やオフィス、小売店、一般家庭において、様々な電気設備や電気器具が急速に普及し、わが国の消費電力量は増加の一途を辿っている。そして、地球温暖化防止といった、環境保全の面から省エネルギー化が叫ばれ、時代のニーズとなっている。そのニーズに対して、電力が電圧の二乗に比例することを利用し、商用交流の電圧を低くして、その二乗の電力の節約効果を狙うことが考えられるが、一方、商用交流は、電気事業法の規定により、１０１±６Ｖで送電するように定められており、電力会社は送電途中の損失を考慮して、逆に、その範囲内で電圧を高めにして送電している。この相反する事情を解決する装置として、主に、企業において、商用交流の電圧を落として節電を行う節電装置が開発されている。

また、単に商用交流の電圧を落として供給するのみならず、例えば、特許文献１に開示されているように、今、節電している電力量（以下、節電量という）を監視するために、電圧の低下率を算出し、電力の節約率がその二乗であることから、節電量を算出して表示する節電装置が開発されている。
特開平２００２−１８１８５４号公報

しかしながら、上述した節電装置においては、節電量を計算によって求めているため、その計算時間前後に入出力電力の変化があると誤差が発生するという問題があった。これについては、計算時間を短縮することにより、ある程度は回避できるが、原理的にいえば、その時々の節電量をリアルタイムに測定できないという問題があった。

また、節電装置において、電圧を調整するのに単巻変圧器を用いることが多いが、２次側の巻線は、１次側の巻線に比して、例えば、１０〜３８倍、巻数が多く、また、流れる電流が少ないため、変圧器内の巻線のスペースを確保すべく、細い線が使用される。このため、２次巻線の抵抗分が無視できなくなり、１次巻線および２次巻線が順リアクタンス素子として働かず、１次巻線側を流れる電流と２次巻線側を流れる電流との間に位相差が発生してしまう。その位相差による力率低下のために、１次側と２次側の電圧の比から節電量を算出すると、誤差を伴ってしまうという問題があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、交流の皮相電力を測定する皮相電力計を設けて、その時々の節電量をリアルタイムに監視できる節電装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、変圧器の１次巻線および２次巻線の持つ抵抗成分のため、１次巻線側を流れる電流と２次巻線側を流れる電流との間に発生する位相差に起因する測定誤差を伴わずに、節電量を測定できる節電装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明では、以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、節電装置が、１次巻線と２次巻線とを直列に接続され、前記１次巻線と前記２次巻線との直列接続回路の両方の端に交流電圧が入力され、前記２次巻線と並列に負荷が接続され、該負荷に対して１次巻線によって低下した交流電圧を供給する単巻変圧器と、前記１次巻線に流れる電流に誘導され、巻線比により前記２次巻線に発生する誘導起電力に比例して流れる電流に比例する測定電流を得る変流手段と、前記交流電圧と前記変流手段によって得られた測定電流とを入力し積算する皮相電力計とからなることを特徴とする。
この発明によれば、節電装置が、入力電圧と、節電量に比例する２次巻線に誘導される誘導起電力に比例する電流との皮相電力である節電量を測定できる皮相電力計を設けたため、使用者は、現在の節電量を把握することが可能になる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の節電装置であって、前記皮相電力計が、交流電圧を入力し実効電圧値を出力する第１の実効値変換手段と、交流電流を入力し実効電流値を出力する第２の実効値変換手段と、前記実効電圧値と前記実効電流値とを乗算し交流電力値を出力する乗算手段と、前記乗算手段から前記交流電力値を入力し表示する表示回路とからなることを特徴とする。
この発明によれば、皮相電力計が、第１の実効値変換手段および第２の実効値変換手段によって、時間的に不変である交流電圧および交流電流の実効値を得てそれらを乗算して、交流電圧および交流電流の実効値の積である皮相電力を算出し、あたかも直流電圧と直流電流から直流電力を測定するのと等価的に電力を測定するので、交流電圧と交流電流との時間差（位相差）がある場合に、有効電力および無効電力が発生し、無効電力によって有効電力の一部が相殺されるということがなく、皮相電力を正確に測定することが可能になる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の節電装置であって、前記実効値変換回路が整流回路を有することを特徴とする。
この発明によれば、実効値変換回路が整流回路により、交流電圧および交流電流を整流して直流電圧および直流電流を得るので、そもそも、交流の電圧と電流を、直流の場合と消費電力が同じになるように換算した値である実効値を、時間平均等の演算処理を行うことなく、得ることが可能になる。

本発明によれば、節電装置により、その時々の節電量をリアルタイムに監視できるので、使用者が、節電の効果を実感できる効果がある。

また、皮相電力計を用いて、皮相電力が測定できるようになることにより、電力の供給側としては、需要家の負荷において消費される電力である出力電力（従来の電力計にて測定される有効電力）ではなく、現在、自分が需用家に供給している入力電力（負荷に供給される電力である皮相電力）を把握することができるので、電力小売の自由化により、自分自身が実際に供給している電力を把握する必要に対応できる効果がある。
特に、需要家における力率が悪い場合に、入力電力と出力電力の乖離が大きくなるため、正確な入力電力の把握が重要になる。

また、皮相電力が測定できるようになることにより、電力の需要家としては、力率改善の効果を把握することができるので、供給側の負担を下げることができるようになり、省エネルギー化を進めることができる効果がある。また、需要家が、力率改善の程度によって優遇を受けられる契約を供給側と結ぶことにより、コスト等のメリットを享受できる効果がある。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図２は、同実施形態による、節電装置１の構成を示す回路構成図である。この図において、節電装置１は、節電量を測定し表示する皮相電力計１１と、１次巻線１２１と２次巻線１２２とが直列に接続された単巻変圧器１２と、変流器（Current Transformer）１３（変流手段）とから構成される。入力端ＡinとＧとの間に交流電源２から交流電圧Ｖが入力され、単巻変圧器１２によって低下させた交流電圧が出力端ＢoutとＧとの間に出力されて負荷３に供給される。

皮相電力計１１の電圧入力端が、節電装置１の入力端ＡinとＧとに接続される。単巻変圧器１２の１次巻線１２１と２次巻線１２２との直列回路の両端のうち、１次巻線１２１側の端が節電装置１の入力端Ａinに接続され、２次巻線１２２側の端が節電装置１の入力端Ｇと変流器１３の１次側とに接続される。変流器１３の２次側が皮相電力計１１の電流入力端と接続される。

図１は、皮相電力計１１の構成を示すブロック図である。皮相電力計１１は、入力変換回路１１１と、Ａ−Ｄ変換回路１１４と、制御回路１１５と、表示回路１１６とから構成される。また、入力変換回路１１１は、実効値変換回路１１２ａ（第１の実効値変換手段）、１１２ｂ（第２の実効値変換手段）と、アナログ乗算器１１３（乗算手段）とから構成される。尚、本実施形態における皮相電力計１１は、一般的な電力計に比して、アナログ乗算器１１３の前段に、実効値変換回路１１２ａ，１１２ｂを介挿したことが異なる。

実効値変換回路１１２ａ、１１２ｂは、ダイオード等からなる整流回路により構成され、入力した交流電圧および交流電流を整流して、アナログ乗算器１１３に出力する。アナログ乗算器１１３は、実効値変換回路１１２ａ、１１２ｂからの出力を受けて乗算処理を行い、電力値を算出し、Ａ−Ｄ変換回路１１４を介して制御回路１１５に出力する。

制御回路１１５は、入力変換回路１１１およびＡ−Ｄ変換回路１１４にクロック信号を供給し、皮相電力計１１内部のタイミングを管理し、それぞれの動作を制御する。また、入力変換回路１１１からＡ−Ｄ変換回路１１４を介して入力した電力値を表示回路１１６に出力する。表示回路１１６は、制御回路１１５から出力された電力値を表示面に表示する。

次に、本実施形態における節電装置１の動作について、図２を参照して説明する。
節電装置１に負荷３が接続され、交流電源２と接続された後に、節電装置１の電源が投入され、動作がスタートする。交流電源２が、単巻変圧器１２に交流電圧Ｖを供給する。単巻変圧器１２は交流電圧Ｖを降下した交流電圧Ｖ1を負荷３へ供給する。

一方、単巻変圧器１２内では、１次巻線１２１および２次巻線１２２の間には、エネルギーの平等の法則が成り立つので、２次巻線１２２には１次巻線１２１から誘導される誘導起電力が発生する。この誘導起電力は、節電量と概ね比例しており、また、交流電圧Ｖおよび１次巻線１２１と２次巻線１２２との巻線比を変更しない限り、２次巻線１２２の両端の電圧Ｖ１は一定なので、誘導起電力に比例する電流Ｉ1が２次巻線１２２に発生する。結果的に、電流Ｉ1が節電量に概ね比例することになる。また、変流器１３が、１次側の電流Ｉ1に比例した電流Ｉ2を２次側に出力する。よって、電流Ｉ2を交流電圧Ｖと共に皮相電力計１１に入力して積算することにより、節電量が測定できることになる。

ここで、上述した節電装置１において、節電量を測定する動作について説明する。
例えば、以下の条件にて、節電を行った場合の実際の節電量Ｐsfを求める。
Ｖ＝１００（Ｖ）、Ｖ1＝９０（Ｖ）、負荷：Ｒ＝１Ω
節電を行う前の負荷に消費される電力Ｐは、Ｐ＝ Ｖ²／Ｒ より
Ｐ＝１００×１００／１＝１００００（Ｗ） ・・・(式1)
節電を行った後の負荷に消費される電力Ｐ1は、同様に、Ｐ1＝ Ｖ1²／Ｒ より
Ｐ1＝９０×９０／１＝８１００（Ｗ） ・・・(式2)
節電量Ｐsf＝Ｐ−Ｐ1 となるので、(式1)と(式2)より、
Ｐsf＝１００００−８１００＝１９００（Ｗ） ・・・(式3)
となる。

一方、上述した条件にて節電を行った場合、節電装置１において、単巻変圧器１２の２次巻線１２２に誘導される誘導起電力により測定される節電量Ｐsiを求める例を示す。
節電を行っているときに１次巻線１２１に流れる電流Ｉは、Ｉ＝Ｐ1／Ｖ より、
Ｉ＝８１００／１００＝８１（Ａ） ・・・(式4)
そのときに、１次巻線１２１に発生するエネルギーＰe1は、（Ｖ−Ｖ1）× Ｉ なので、(式4)より、
Ｐe1＝（１００−９０）× ８１＝８１０（Ｗ） ・・・(式5)
１次巻線１２１と２次巻線１２２との間にエネルギー平等の法則が成立するので、２次巻線１２２に誘導起電力としてエネルギーＰe1が誘導され、(式5)より、２次巻線１２２に以下のような電流Ｉ1が流れる。
Ｉ1＝Ｐe1／Ｖ1
Ｉ1＝８１０／９０＝９（Ａ） ・・・(式6)
節電量Ｐsiは、皮相電力計１１に入力される電圧等により、以下の式にて算出される。具体的に、 (式6)より、
Ｐsi＝Ｋ × Ｖ × Ｉ1
＝２ × １００ × ９
＝１８００（Ｗ） ・・・(式7)
となる。 （但し、Ｋ＝２：（２相のときの変換係数））
尚、上述した計算に使用する電圧値および電流値は、実効値を使用する。すなわち、上述した、エネルギーＰe1および節電量Ｐsf並びＰsiは交流電圧と交流電流の実効値の積である皮相電力となる。

以上のように、(式3）および(式7)より、交流電圧Ｖと、単巻変圧器１２の２次巻線１２２に誘導される誘導起電力によって発生する電流Ｉ1とを積算した皮相電力値を測定することによって、実際の節電量Ｐsfに近い節電量Ｐsiが求められる。

次に、この実施形態における皮相電力計１１の動作を図２と図３とを参照して説明する。
図３（ａ）に示す、時刻ｔ1からｔ3までの期間を１周期とする交流電圧Ｖが、実効値変換回路１１２ａを通ることにより、図３（ｄ）に示すような、時間的に不変であり電圧値が交流電圧Ｖの実効値である直流電圧Ｖdに変換される。同様に、図３（ｂ）に示す、時刻ｔ1からｔ3までの期間と同じ時間長の、時刻ｔ2からｔ4を１周期とする交流電流Ｉ2が、実効値変換回路１１２ｂを通ることにより、図３（ｅ）に示すような、時間的に不変であり電圧値が交流電流Ｉ2の実効値である直流電流Ｉ2dに変換される。以上の実効値変換回路１１２ａ、１１２ｂによって、図３（ｆ）に示すように、変換された直流電圧Ｖdと直流電流Ｉ2dとをアナログ乗算器１１３によって掛け合わせて、時間的に不変であり、交流電圧Ｖの実効値と交流電流Ｉ2の実効値との積を波高値とする電力波形Ｐmrを得る。この電力波形Ｐmrは、交流電圧と交流電流の実効値の積なので、皮相電力である。これにより、皮相電力計１１によって、皮相電力が測定される。

尚、実際の測定においては、変流器１３によって交流電流Ｉ1から交流電流Ｉ2を取り出す際に、電流Ｉ2が交流電流Ｉ1に比して位相が反転するために、図４に示すように、電流Ｉ2が交流電圧Ｖに比して位相が反転する。このため、変流器１３の２次側と皮相電力計１１の電流入力端とを、極性を変えて接続し、交流電圧および交流電流が図３（ａ）、（ｂ）に示す位相の関係になるようにする。

次に、入力変換回路１１１によって測定された皮相電力値は、Ａ−Ｄ変換回路１１４を介して制御回路１１５に取り込まれる。制御回路１１５に取り込まれた電力値は、表示回路１１６に出力され、制御回路１１５の指示の下に、表示面に表示される。

上記実施形態によれば、節電装置１において、節電量を計算によって求めずに、皮相電力計１１によって、節電量に比例して推移する、単巻変圧器１２の巻線を流れる電流Ｉ1と、入力電圧Ｖとから発生する皮相電力を測定するので、その時々の節電量をリアルタイムに把握することができる。

ここで、電力計による、皮相電力の測定について説明する。
一般的な電力計は、入力された交流電圧と交流電流がそのまま積算し、積算して得られた電力波形の１周期あたりの平均値を電力値とする測定を行う。位相が一致する交流電圧と交流電流に対しては、図５に示すような、皮相電力波形を得て、この電力波形の１周期（該交流の半周期）あたりの平均値を皮相電力値とする測定を行える。
しかし、実際に節電装置１において電力測定を行う際には、トランスの巻線等のインダクタンスと抵抗分とによって形成されるインピーダンスによって、交流電圧と交流電流との間に位相差が発生する。この場合、交流電圧と交流電流とをそのまま積算すると、図３（ｃ）または図５に示すような、有効電力と無効電力とから構成される電力波形が得られる。このとき、無効電力によって有効電力の一部が相殺されることにより、該電力波形の１周期あたりの平均値が小さくなるため、測定される電力値が小さくなってしまう。
この問題を回避するために、電圧と電流の位相差を補正して電力を測定することが考えられる。しかし、位相差は負荷や電流の状態に依存して変化するため、現実には、これを補正することが難しく、よって、皮相電力を測定することは困難であった。

そこで、本実施形態においては、図３（ａ），（ｂ）、（ｄ）〜（ｆ）に示すように、交流電圧と交流電流とを、それと同じ仕事をする直流電圧、直流電流（実効値）に変換し、それらを掛け合わせて皮相電力を測定する。これにより、交流を振幅が時間的に不変な直流化することにより、皮相電力測定において、位相差による影響をなくすことができる。

また、本実施形態における測定法にて測定した節電量と、前述したように、節電動作を行う前後の消費電力の差分を計算する方法にて求めた節電量との比較を図６に示す。両者がほぼ、一致しているので、本実施形態による測定法は有効である。

ここで、本実施形態においては、半導体の技術が発達して、整流における整流素子でのエネルギーのロスが著しく低減して無視できる程になっていることや、制御素子による制御が緻密になって効率のよい測定ができるようになっていることより、これらの技術を活用して、皮相電力計を実現している。

また、本実施形態における皮相電力計１１は、従来から使用されている交流の単相２線式、単相３線式、三相３線式、三相４線式等の電力計に軽微な変更を加えたものとなるので、上記の計測器と同様に、前述したような、皮相電力を測定可能にする変更を加えた上で、変圧器および変流器を用いて、高圧電力の皮相電力の測定を行うことができる。

尚、皮相電力計１１内部の実効値変換回路１１２ａ、１１２ｂ内にＡ−Ｄ変換機能を設け、且つ、アナログ乗算器１１３をディジタル乗算器に置き換えることにより、Ａ−Ｄ変換回路１１４を削除してもよい。

また、ＬＡＮや通信回線等に接続して、節電量に関するデータをホストコンピュータと通信し、そのデータに基づいて、社内の電気機器の制御に用いるシステムを構築してもよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での設計変更も含まれる。

本発明の一実施形態における皮相電力計１１の構成を示すブロック図である。 同実施形態における節電装置１の構成を示す回路構成図である。 同実施形態における皮相電力計１１の電力測定での実効値変換回路１１２ａ、１１２ｂ前後の電圧、電流、電力の波形を示す図である。 同実施形態における節電装置１における、皮相電力計１１に入力される交流電圧Ｖと変流器１３によって検出される誘導起電力に比例する電流Ｉ2との関係を示すグラフである。 位相が異なる電圧と電流と、それらを掛け合わせて得られる電力との関係を示すグラフである。 同実施形態における節電装置１によって測定された節電量と、節電の実施前後の電力の差から計算される節電量とを比較するグラフである。

符号の説明

１ 節電装置
２ 交流電源
３ 負荷
１１ 皮相電力計
１２ 単巻変圧器
１３ 変流器（Current Transformer）（変流手段）
１１１ 入力変換回路
１１２ａ 実効値変換回路（第１の実効値変換手段）
１１２ｂ 実効値変換回路（第２の実効値変換手段）
１１３ アナログ乗算器（乗算手段）
１１４ Ａ−Ｄ変換回路
１１５ 制御回路
１１６ 表示回路
１２１ １次巻線
１２２ ２次巻線

Claims (3)

1. １次巻線と２次巻線とを直列に接続され、前記１次巻線と前記２次巻線との直列接続回路の両方の端に交流電圧が入力され、前記２次巻線と並列に負荷が接続され、該負荷に対して１次巻線によって低下した交流電圧を供給する単巻変圧器と、
   前記１次巻線に流れる電流に誘導され、巻線比により前記２次巻線に発生する誘導起電力に比例して流れる電流に比例する測定電流を得る変流手段と、
   前記交流電圧と前記変流手段によって得られた測定電流とを入力し積算する皮相電力計と、
   からなることを特徴とする節電装置。
2. 前記皮相電力計が、
   交流電圧を入力し実効電圧値を出力する第１の実効値変換手段と、
   交流電流を入力し実効電流値を出力する第２の実効値変換手段と、
   前記実効電圧値と前記実効電流値とを乗算し交流電力値を出力する乗算手段と、
   前記乗算手段から前記交流電力値を入力し表示する表示回路と、
   からなることを特徴とする請求項１に記載の節電装置。
3. 前記実効値変換回路が整流回路を有することを特徴とする請求項２に記載の節電装置。

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