JP4025724B2 - 電力節減装置及び方法 - Google Patents

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Description

１．発明の属する技術分野
本発明は、家庭や企業にエネルギーを供給する交流電力に関する。特に、本発明は、電源により電圧が印加される誘導性、抵抗性、又は組み合わせの付随負荷へ電流と実効値電圧(RMS voltage)を供給する交流電源において、電流のマイクロ遮断(micro interruption)あるいはマイクロパルシング(micro pulsing)を発生する装置と方法に関する。ここで、上記装置と方法は、交流動作周期(AC duty cycle)の両側における遮断持続時間の合計を実質的に等しくするようなマイクロ秒遮断(microsecond interruption)を複数回行うことによって、家庭や企業の電気装置により消費される実際の電力量を効果的に低減させる一方、このような装置を目に触れさせることなく、また損傷を及ぼすことなく通常のパラメータの範囲で動作させることを可能にする。現行の好ましいいくつかの実施例で開示される装置はまた、中央監視システムと通信する個々の遮断器を使用して、家庭あるいは企業の個々の電源回路を監視し維持する能力を提供する。このような実施例においては、上記装置は個々の回路における電力のカスタマイズのため、負荷との整合をとり、また各回路の電力消費を個々に削減すると同時に誤動作に備えてその回路を監視することができる。
２．先行技術
現代の米国や工業化諸国は、管理可能な生活環境や機械、及び平均的な人々の労働による生産出力を向上、増大させる装置を提供する電気装置を多数使用することでその活動を行っている。このような電気装置には、通常、発電装置(generating utility device)からの電力を供給する地域の送電網(local power grid)から電力を伝えるビルの電気システムを介して交流（AC）電力が供給されており、その電力は電線(wire)、接続箱(junction box)及び多種多様な室内及び企業や家庭の外部構造に好適に設置された電気ソケットを介して送られる。
通常の交流電力を利用する家庭では、コンピュータ、テレビ、冷蔵庫、エアコン、暖房装置、その他無数の電気装置により、快適性と生産性が向上されている。企業でも同様に、交流により電力が供給されるコンピュータ、機械、ポンプ、照明、モータ、環境の冷暖房設備ならびにその他無数の装置に交流電力を使用して、よく管理された労働環境を提供するだけでなく労働者の生産性を高めている。
そのような企業や住宅の大多数は、送電網(utility grid)の接続点から複数の回路遮断器を介して個々の回路へ交流電力を送る主要接続箱(main junction box)から延長する電線で構成される複数の回路を介して、様々な電気消費装置を駆動するために電流を供給している。前記電気装置と前記回路の接続は、通常、個々の電気回路と接続するソケットに挿入される電気装置のプラグによって達成される。エアコン、電気モータのように大きな電流を引く装置や、その他相当の電流を必要とする機器の場合、接続箱を介する常設の配線接続が必要とされる。中央送電網(central power grid)の交流電流によって駆動する大多数の電気装置はこのように接続されており、極めて良好に動作する。
一般的には、電力会社により供給される電力は、米国では毎秒120周期あるいは60Hz、多くの外国では毎秒100周期あるいは50Hzの割合で交番(alternate)する交流電流の形式を採用している。一定の電流方向と一定の電流の大きさを有する回路の直流電流（DC）と違って、交流電流には一定の方向も一定の大きさも無い。交流電流は回路内で往復して流れるので方向性は無いが、回路の電流の振動回数が回路の実効値電流(effective current)を決定する要素である周波数を生成する。構成部品を動作させるための電力を供給する交流回路で利用可能な電流（I）は、通常I=ImaxSin2FTで決定される。ここでFは周波数をTは時間を表す。
米国や多くの国々で利用されている60Hzの電源では、電流は最初の1/120秒で一方向に最大値まで増加して零まで下がる。次の1/120秒で電流は逆方向のピークまで増加して零まで下がり、こうして完結する周期は1/60秒となる。抵抗性負荷である電球あるいは電気ヒーター素子は電流がどちらの方向に流れても同じようにうまく働き、また、交流モータも同様である。多くの外国では上記振動として50Hzのタイミングを使用している。
工業国の家庭や企業で利用されるほとんどの機器と電子装置はこの一定周波数の電流に依存してきており、また、装置自体のタイミングをとる目的のため、あるいはモータの場合にはモータ自体を回転させる磁場を実際に生成するためにこの交番を利用する。このことは、周期間で一定であり適正な速度で振動する交流に依存するインダクションモータを利用する機器と機械の場合には特に当てはまる。従って、通常の家庭や企業の交流電力に接続して使用されるすべての電力節減(conservation)装置及び方法は、電流の供給されるタイミング又は電流の周波数を利用する装置にとって認識されない(invisible)ものである必要があり、その結果前記電気装置は供給された電流の正確に時間が計られた振動を「見(see)」て、上記電流交番に基づいて通常のパラメータの動作をする。
従来から使用されている「調光器」はたいてい、実際には電力をセーブしていない。多くの調光器は、照明を落とす回路中に設けた抵抗を単純に使用し、吸収しなければ光として利用可能な電流を吸収してしまうからである。より新しい型の調光器と電力節減装置は、１回の電流振動周期中の規定された単一期間に、電流を切り取る、又は、電流に単一時間の大きな空隙(void)又は遮断を生成するように機能する。この電流内の大きな空隙によって事実上達成されるのは、各振動の１周期内の単一期間に利用可能な最大電流を低下させ、それによって回路内の装置に利用可能な電流を低下させることである。出力周波数はそれゆえ入力周波数とは全く異なる。電流周期内に生成される空隙が長くなれば、付随の装置が利用可能な電流も少なくなるが、所定時間内の遮断もより大きくなり、また、出力周波数と入力周波数の差もより大きくなってしまう。
しかしながら、電流周期の一方側の単一部分を切り取るこのような装置は、付随装置にタイマを提供するような継続的で一定の振動電流周期に依存する電気駆動装置に大きな混乱をもたらす。１周期の大部分で電流を欠く場合、線路電流(line current)の一定の60Hzあるいは50Hzの周期を要求するコンピュータ、インダクションモータや同様の装置は重大な機能障害を起こす。いくつかの装置は、電流の空隙が十分な時間続くと、電流が逆流していると誤検知さえするおそれがあり、従って電流が再度流れ始めた際に、装置が無効となるかあるいは回路に損傷さえ引き起こす。
もう一つの重大問題が、主要な電力消費物でありそれゆえ電気エネルギー節減の主要なターゲットである誘導型交流モータの用途に生じる。このようなモータは、交流電流供給の一定時間である60Hzあるいは50Hz振動と、実質的に等しい上記回路の入力周波数及び出力周波数を利用するように間隔を置いた電機子のまわりに巻線を配置することにより機能する。このようなモータの多くは電機子の旋回を開始させるために補助の固定巻線を利用しているが、一旦所望の電機子速度に達すると、巻線は電機子が所望かつ適切な回転となるように維持する。調光器などの従来の電流遮断装置が、インダクションモータに電力を供給する回路中に挿入されると、上記装置は１振動の１区分から、電流を単に遮断するか、あるいは両区分において非常に大きな部分の期間、遮断する。この電流の遮断は電流周波数のバランスを崩し、また、巻線が電機子の周りに電界を発生する60Hzあるいは50Hzの周波数を利用するように間隔を置かれているので、巻線によってモータ内部に形成される電界に損傷を引き起こす。１振動中の単一区分セクションにおける電流の遮断は、該電流が遮断される期間の磁界を崩壊し、また、前記モータが不安定な回転によりバランスを崩し、過熱したり、最終的には装置故障が起きる。出力を低下させる白熱電球の調光器で、従来行われているように上記遮断を延長すると、磁場が崩壊することによってインダクションモータの運転障害が更に増加し、該装置のバランスを崩す。ユーザーが、モータあるいは交流電流の一定周波数に依存して機能する他の装置を備えた回路中では従来の調光器を設けないように警告されているのはこの理由による。
更に、コンピュータ、テレビ、音響装置など電子装置を使用するにあたり、産業界と消費者は、電力変動を一掃するため回路に更に構成部品を加え、一定で全く遮断されない電力供給を保証するように大きな努力をしてきた。このような構成部品は通常、出力周波数と入力周波数のある期間中の交流電流の周期を監視し、万一、遮断が感知されれば、装置はバッテリー、あるいは、電流を発生する他の電流蓄積装置を使用してその間隙を埋める。従って上記回路における下流の後続装置は、調光器が交流振動の一方から切り取る電流の遮断を取消そうとすることから、従来の調光器型の電流遮断装置はこのような回路に供給される電源の上流では機能しない。
ここに開示された本装置により、電力消費を著しく節減し、部品に障害をもたらす交流電流の遮断の問題を解決する。本開示された装置は、また、交流線路電流の両相の電流振動期間中に電流のマイクロ遮断を複数回行なうことにより、単一の装置あるいは、家あるいはビル全体に伝えられる交流電源を管理するという大きな能力を発揮する。完結する１秒または設定された交流周期において、振動の各側での合計時間が実質的に等しくなるよう、複数のマイクロ秒区分(micro second segment)の間、電流を遮断することによって、付随の交流電気装置によって感知される本開示された装置からの知覚出力周波数は、実質的に入力周波数と等しくなるように維持され、回路あるいは部品により供給され使用される実効電流と実効値電圧は低下する。しかしながら、ある周波数の１振動中の単一の長いまたは、短い期間、電流を遮断する従来の電力遮断装置と異なり、本開示された装置は、電流を微小(micro)に切り取り、各周期の両方向の振動においてマイクロ秒期間(micro second duration)の合計期間及び回数が実質的に等しくなるように遮断する。その結果、付随の電気装置に「見られる(seen)」交流出力周波数は交流入力周波数と同じであるが、供給される実効電流と実効値電圧は減少する。電流の遮断がマイクロ秒期間ということと、各交流周期の両側が実質的に同一の遮断合計時間を生み出すマイクロ遮断で実質的に等しく遮断されるという事実により、その遮断は付随装置には認識されない。従って米国において規定の60Hzの周波数レートを必要とする交流装置は通常どおり機能するが、より低い実効値電圧及び少ない電流を使用することになる。電圧と周波数を確認するため交流振動の電流と周波数をサンプリングする電気的線路コンディショナ(electrical line conditioner)あるいは無停電電源装置すら、その遮断には気付かない。というのは、たいていの場合サンプリングレートより高速である短いマイクロ秒の電流遮断が複数回あり、その遮断は１秒の動作周期中の交流電流の振動の両側で実質的に等しい電流遮断の合計期間を与えるように回路の出力側と戻り側の両方で発生するためである。
現行の最良の形態は、マイクロ秒期間の電流遮断を生成可能なスイッチ手段を特徴としており、個々の交流電流周期ごとに、前記遮断の半数は負側の振動中に、また半数は正側の振動中に各周期で10回から100回の範囲で発生する。このようなマイクロ秒の遮断は、単相の交流電源、及び大きなモータで使用される従来の三相電源のような多相交流電源で実施可能である。現行の好ましい１つの形態は、１周期当たり50回程度(fifty such)の微小な電流遮断を特徴とするが、回路の電流と電圧の要件によって前述の範囲内で調節可能である。米国において通常使用される60Hzの交流回路における各々の完結周期はわずか１秒しかかからないので、振動の両側における25回の遮断の各期間は非常に短い。更に、短い遮断の回数は非常に多いことから、各々の遮断を長くするか短くすることにより、付随装置に上記周期の正と負の振動が終了したと検知させることなく、回路で利用可能な有効最大電流が大きく変化する。そのため、本装置と方法は本装置が用いられる回路上に設けられた負荷を作動するのに必要とされる実効値電圧と電流を生じるように、微小な電流遮断の長さと回数を変更できる。50回程度の遮断の各電流遮断時間における極めて短い相対的な増加量は、そのため、最大利用可能電流に影響を与えるより大きな合計の生成に結びつく。逆に言えば、遮断時間を短くするような微小な調整が全利用可能電流の合計を増加させるような実質的な調整をもたらす。その結果一旦回路出力が調節されると、付随電気装置に、動作を達成するのに必要最小限の電流と実効値電圧で通常パラメータの動作を行わせる、高度に調節可能な回路となる。
もちろん、現行の最良の形態における本システムは従来の交流回路の電流の両側でマイクロ秒期間電流を遮断することで、最良かつ最も明確に電流を削減し、かつ、回路負荷を加減的に変化させるための最良のシステム制御を行う。しかしながら、負荷に認識されないような平衡型の装置を必要としない場合もあり得、例えば照明調光器のように抵抗型負荷のみ使用される場合には振動の単に片側のみをマイクロ遮断することにより、使用電力を削減できると予想されるし、また同様なものが予想される。しかしながら、本装置の現行の最良の形態は、１交流電流周期の各側において電流のマイクロ遮断回数を実質的に等しくすることにより遮断電流の合計期間を実質的に等しくするという特徴がある。
本開示された装置を使用する回路に利用可能な実効値電流は、時間調整されたマイクロ遮断の回数と期間を単にプログラムすることにより、装置あるいは該装置の出力側に付随する装置への電流と実効値電圧を所望の固定出力とする、最も単純形式の装置においては、調整可能でなく固定的とすることができる。この簡単な形式では、線電流の量を処理しかつ、極めて短期間の遮断を行えるスイッチ手段が使用され、出力側で所望の電流と線間電圧が得られるように設定された速度でタイミングを取り制御される。この実施例では、本装置は交流モータに設置するか、あるいは交流回路の下流の単一付随装置の前に設置して使用してよい。あるいは、現行の最良の形態では回路の負荷への出力電流と、電流が逆流する場合は戻り電流(returning current)を監視でき、また前記スイッチ手段により与えられる電流のマイクロ遮断の期間及び／又は回数は、監視される回路の付随装置の動作の必要性に応じて増減してもよい。この回路の監視は、スイッチ素子の出力側線路の１つと接続し、かつ、タイマ及び／又は交流周期の各々の振動におけるマイクロ遮断の回数及び／又は期間を制御するコンピュータ制御器と接続する帰還回路により、回路の電流を切断又は遮断するスイッチ手段を介して達成することが可能である。付随の電気装置が更に少ない電流と実効値電圧を必要とする場合、電流遮断の回数及び／又は期間をスイッチ素子への指令により増加させる。付随装置がより多くの電流と実効値電圧を必要とする場合、電流遮断の回数及び／又は期間を減少させる。付随電気装置が特に雑音の無い(clean)電源を必要とする場合、電流の遮断が当該電気装置には認識されないが、依然として少ない電力を使用することができる程度までマイクロ遮断の回数を増やして短くすることができる。
上述したように、実質的に電流の遮断の合計が等しくなるように、実質的に等しい回数の実質的に等しいマイクロ秒期間中、電流の各振動を遮断することにより、１回あるいは数回の非常に長い遮断が電流中に発生する場合と同様、電流の「逆流」は当該付随装置によって検知されないため、その遮断は当該付随装置には認識し得なくなる。本開示された装置は３相及びその他の多相交流電源に挿入した場合も同様にうまく動作する。従って、本開示された装置と方法を使用することにより、コンピュータ、インダクションモータ、その他、電流の振動に非常に敏感で定められた遮断期間での電流逆転を仮定すると、当該装置の出力側から利用可能な低い電流及び実効値電圧を感知し、それ以外は通常のパラメータ内で動作する。
米国特許4,616,301(Small)は、入力電圧を異なった出力電圧に変換するスイッチング電源を教示している。しかしながら、Smithは一定のパルス又は一定の電流遮断期間と、線路出力の周波数の変化を教示しており、その課題を達成するためには電力変圧器とチョークコイルを必要とする。これは装置を大掛かりなものにし、インダクションモータやコンピュータのように周波数に依存する装置へ障害をもたらすおそれがある。
そのため、家庭あるいは企業の単相あるいは多相交流回路に容易に挿入できかつ、その付随電気部品の電力消費を削減できる容易に製造可能な装置が必要である。このような装置は、回路に付随の電気部品には認識されないか、あるいはその目的を達成するには調節可能であるべきで、また、付随電気部品の故障あるいは障害を回避するように線路出力周波数を感知する部品を維持しなければならない。より高度な実施例における本装置は、挿入された回路を絶え間無く監視し、規定どおりに機能するように回路負荷に最小限の電流を供給し、また回路負荷のあらゆる変化に適応するべきである。更により高度な実施例では、この装置は電流遮断期間中の回路の残留電力を除去する手段を有するべきである。更にこの装置は、装置が機能する個々の回路の使用状態と動作あるいは誤動作に関するリアルタイムな解析と遠隔測定が可能な遮断器及び回路モニターとして機能するべきである。
出願人の装置は、経済的で、かつ、容易に設置され、当該装置から下流の負荷要件を事前に設定するか連続的に監視し、またそこに供給される電流と実効値電圧の調整を行う交流電流監視ならびに使用電力削減装置を提供する。該装置は、標準の接続箱に挿入できるように構成するか、あるいは所望の回路に合うように構成するか、あるいは交流電動機のような実際に製造される電気装置に組み入れることができる。
単相あるいは多相交流回路電流のマイクロ秒遮断を複数回行なうことによって、本装置は、供給電流と実効値電圧及び付随負荷による電力消費を低下させると同時に、個々の交流周期中の交流振動の両側で電流をマイクロ秒間遮断していることを、付随負荷には認識し得ないようにしたまま出力の平衡を保つ。
更に、より高度な実施例では、付随負荷への供給電圧をコントローラにより監視することで、負荷に付随する部品の障害を防ぐと同時に、最大の電力節減をもたらすように、電流遮断のタイミングと期間を連続的に調整できる。電流のマイクロ遮断期間に線路に残留する電気エネルギーを除去するためのクランプ回路及び時間回路(timed circuit)を追加することで、更に装置の性能が強化される。
本発明の目的は、挿入されるべき従来の交流電源回路に容易に挿入あるいは適用可能な電力節減装置を提供することである。
発明の別の目的は、付随負荷に対し、単相あるいは多相電源の交流電流振動の両側で交流電流のマイクロ秒遮断を複数回行っていることを該負荷から認識されないよう維持することである。
この発明のさらなる目的は、多数回路実装の個々の回路で使用される電流を集中的に監視することを可能にすることである。
この発明のさらなる目的はマイクロ秒の遮断電流、及び、このマイクロ秒の遮断期間に線路の残留電力を削除することを利用して誘導負荷のより効率的な動作を提供することである。
発明のさらなる目的は、以下の明細書で明らかにされるが、その詳細な説明は本発明を十分に開示する目的のためであり、本発明を制限するものではない。
ここに開示する本装置の好ましい実施例を表す図１〜９を参照して説明すると、特に図１は、複数回のマイクロ秒刻みの間、交流回路に流れる電流を遮断するスイッチ手段１６を動作させるコントロールボックス１４を特徴とするその最も簡単な実施例の装置１０の構成要素を表したものである。本装置は、導通(live)即ち電圧印加線(energized wire)１８及び中性線(neutral wire)２０を含む交流回路１２の電流を遮断するスイッチ手段１６を備えて表されており、また、従発電所からの従来の送電網(power grid)のような交流電源２４から負荷２２に供給される電気エネルギーのための回路の他の部分を備える中性線２０又は接地よりも、導通即ち電圧印加線１８を遮断するように表されている。多数の電圧印加線１８を備える多相回路の電圧印加線１８に挿入した場合は、切り替えるために必要な電流が少ないという理由から、最もうまく動作するが、２線式単相回路で使用される場合、スイッチ手段１６は中性線２０にも挿入可能であり、あるいはスイッチ手段１６が回路中の２つあるいは３つの電圧印加線からの電流を処理する限りにおいては多相回路の中性線２０にも挿入可能である。本装置１０には最も簡単な形式のコントローラ１４を設置することができ、このコントローラ１４は、従来の発電所からの交流回路で使用する場合、電圧印加線１８から負荷２２へ、また、中性線２０を通じて戻る回路１２内に流れる電流を、従来の１秒の交流周期の間の交流電流の両側又は両方向において、所定の複数回のマイクロ秒の遮断期間中に遮断するように所定のパラメータを予めプログラムされ、又は予め構成されている。もちろん、当業者にとっては交流周期のその他の期間が回路と付随する負荷に依存して使用できるということは容易に認識するであろうし、また、そのようなものは予想される。
装置１０の好ましい実施例では、幾分複雑であるが、よりコントロール性の高い帰還回路２６が、線路の電圧及び／または電流状態を監視し、かつ、付随負荷２２に適切な電流及び実効値電圧を生じさせるように、スイッチ手段１６及びマイクロ秒の電流遮断を連続的に調節するために設置される。現状では、実質的に105Vの実効値電圧を維持すると最もうまく動作し、また、この実効値電圧の維持は、１周期の間の交流電流の各々の側のマイクロ秒遮断の回数と期間を調整するコントローラ１４が、現行のその実効値電圧を維持するために遮断時間の合計が実質的に等しくなるように遮断回数を実質的に等しくすることにより達成されている。しかしながら、当該技術に関わる熟練した者は、回路１２に付随した場合の負荷２２及び性能及びその要件に依存してその他の電圧が使用できることを認識するであろうし、またそのようなものは予想される。
上述したように、本装置１０は、交流電流の両方向の電流を遮断し、従来の交流電流の各１秒の動作周期中の電流振動期間の両側においてバランスが取れており、実質的に等しい電圧及び電流を生じる。図４のグラフで表わすように、電流振動の両側において実質的に合計が等しい電流遮断を得るために電流振動の両側において複数回の実質的に等しいマイクロ秒期間電流を遮断することによって、その遮断は回路１２に付随する負荷２２には実質的に認識されないままである。これにより、前述の電流使用装置の不具合を引き起こし得る１回あるいは数回の非常に長い電流の遮断を使用した従来技術により引き起こされる問題が解決される。もちろん、２相回路１２の負荷につながる１つあるいは両側の多数のスイッチ手段１６は、負荷部品が要求する種々の特性、及び図２の中で表されるような回路の種々の電流及び電圧要件に合うように調整して使用することができる。しかしながら、図２で表されるような２相の120V回路１２、２相の220V回路、あるいは図３で表されるような３つの電圧印加線１８を有する３相回路へ挿入するための現行の最良の実施例では、１個あるいは複数個のコントローラ１４により制御されるスイッチ手段１６が、電源２４から各電圧印加線１８を介し負荷２２まで伝えられる電流を遮断するように設置される。交流電流においてマイクロ秒の遮断を行うための好ましいスイッチ手段１６の例を図５に示すが、当該技術に関わる熟練した者は、それらがマイクロ秒期間及び電流要件を処理するものである限り、別のスイッチが使用できることを認識するであろうし、またそのようなものは予想される。
装置１０に含まれると一層の利点がある２つの任意の構成部品を図１〜３は表し、また図７に更にその詳細を示す。負荷２２とスイッチ手段１６の間を接続する電圧印加出力線(energized output wire)１９において電圧をクランプする手段は、スイッチ手段１６に伝えられる電源２４から供給される入力電圧の+/-0.7Vで電圧をクランプするクランプ回路２８の形で提供される。これにより、電圧印加出力線１９において発生する可能性のある電圧に事実上誘導される負荷２２に特に起こり得る潜在的な問題を防止する。
装置１０のすべての実施例に含まれる付加的な、更に有用な任意の構成部品は、スイッチ手段１６が回路を開放し、出力線１９に電流が流れないようにした間のみ出力線１９を接地する回路形式において、誘導負荷の残留電力を除去する手段である。動作中、スイッチ手段１６が出力線１９への電流を切断すると、接地回路３０は出力線１９を接地し、それにより誘導負荷と接続する出力線の電力のスイッチが切られた時にモータのインダクタンスによって発生する電気エネルギーの副産物として生成されるすべての残留電気エネルギーを除去する。このような電力は、インダクティブモータの加熱と同様、モータの所望の回転とは反対方向へ電機子を引っ張り、インダクティブモータの効率を減少させる傾向のあるインダクティブモータ内の磁場渦を引き起こす。回路を開放するスイッチ手段１６によってもたらされたマイクロ秒の電流遮断の期間中のみ出力線１９を接地することによって、残留電気エネルギーは、誘導負荷から取り除かれ、その結果、電動機のような誘導負荷の効率を増加させる。制御手段１４は、もちろんスイッチ手段１６により回路を開放し、また同時に出力線１９を同じ信号によって接地回路３０に接地するための信号源である。制御手段１４からスイッチ手段１６への信号が反転され、スイッチ手段１６を閉じ、出力線１９に電流が流れるようにすると、同じ信号は、接地回路３０を開放することになる。もちろん、当業者は他の回路を設計し、利用することを考えるであろう。このようにスイッチ手段が出力線１９に電流が流れないようにした期間中の回路の残留電力を除去するように、出力線を間欠的に接地する手段を含むことは非常に好ましい。
スイッチ手段１６によって供給される電流遮断のタイミング及び期間と、接地回路３０によって出力線１９を接地する、相反するタイミング及び期間を提供し、また帰還回路２６を通じて装置の負荷側を監視するためにマイクロプロセッサと付随する部品を使用する、現行の好ましい制御手段１４の実施例を図６は表す。したがって制御手段１４は、入力電圧が出力電圧よりも高いかどうかに関わらず、効果的にプログラムされた及び／又は要求に応じた電圧出力を供給する。制御手段１４は、スイッチにより発生するリップルが電源２４を供給する発電所の送電線(utility line)へ戻ることを防ぐ低域フィルタである無線干渉（ＲＦＩ）フィルタを有する。現行の最良の態様の回路に含まれているのは、470V以上をすべて抑制し、数ナノ秒以内には20,000Aまでの電流を接地に切り替えるガス入り管(gas-tube)タイプの線路サージ(line surge)あるいは過渡サプレッサーである。抵抗を通過する電圧降下により約50ワットの損失を有する直列抵抗は、負荷によってもたらされる。差動増幅器は、フィルタにかけられた後にプロセッサに使用される交流電流基準(AC current reference)となる負荷電流の電圧波形見本を生成する。同時に、差動増幅器は更に交流電流及び交流電圧の高速追跡に用いるマイクロプロセッサによって使用される交流電圧基準(AC voltage reference)を発生する。２個の低域フィルタは基準交流電流及び交流電圧(reference AC current and Ac voltage)をフィルタにかけ、その交流電流をスケーリングアンプ(scaling amplifier)を経て送り出す。スケーリングアンプは、スイッチの線電流ポイントを設定するために使用される。上記交流電流は次にヒステリシス付きの比較器(comparator)へ送られる。前記比較器(cooperator)の出力は低(low)状態から高(high)状態まで遷移する。
線路電流(line current)の制限信号は始動(start-up)／不能(disable)モジュールに伝達され、その出力を零にリセットし、5秒以内に止まる。5秒経つと、スイッチング周波数の20ミリ秒間のバースト(burst)は、スイッチング・トランジスタをトリガして、60Hzの電圧を負荷へ伝達する１秒間を完全なオン状態にする。パルス幅変調信号は、ブースト信号(boast signal)を発生し、入力を検知し、また60Hzの波形を追随するスイッチング・コントローラ回路を通過する。パルス幅変調信号の入力が低状態から高状態まで遷移すると、スイッチング・コントローラは、12Vか60Hzの波形より高い電圧を発生し、トランジスタをオンさせるために使用される。その信号は、次にスイッチング・トランジスタをオンさせるのに必要となる非常に高いピーク電流を供給するバッファアンプに送られる。
そのパルス幅変調信号が低くなると、ブースト電圧を低下させて、バッファアンプを介してスイッチング・トランジスタをオフにする。スイッチング・トランジスタは、60Hzの波形が正側に推移している間はオンとなる。その後、負側のスイッチング・トランジスタは、共通入力（60Hz上の零レベル）以下の可動域の間オンとなる。
スイッチを連続的に「オン」状態としておかないことにより電流遮断を終了させるような問題をマイクロプロセッサが検知すると、緊急バイパス・スイッチがオンとなる。出力ＲＦＩフィルタは上述のＲＦＩフィルタと同じものであるが,9kHz以上の周波数を遮断する。
+/-7.5Vで動作する+/-200Vの電源から動作される２つの共通接地電源(common ground power supplies)がある。-200Vの電源は、コントロールグラウンド(control ground)に直接接続される。また、この点を基準として、60Hzの入力線(input line)電力の交流の最低点を基準としたスイッチの制御機能への電源供給用として用いられる+30V及び+12Vの電源がある。ディジタル型で60Hzの5次の低域フィルタは、そのクロック周波数を位相ロックループ（Phase Lock Loop(PLL)）によって制御されるデジタルカウンタから引き出す。そのクロック周波数は6KHzである。デジタルカウンタもまたパルス幅変調器に3KHz信号を供給し、60Hzの周期波形に位相ロック(Phase Locked)される。次に、その出力は、その入力の正弦波の正のピークと等しい直流電圧を発生するピーク検出器に入る。ピーク検出器の出力は、スイッチング回路の出力電圧を決定するスケーリングアンプに入り、現行の最良の態様では、その出力電圧は実質上、実効値105Vであり、次に、この電圧は反転増幅器に送られ、この反転増幅器はパルス幅変調器を駆動して50〜99%の動作周期のパルス幅変調を行い、次に、このパルス幅変調出力は不能(disable)／始動(start-up)モジュールに入力される。
スイッチ手段をオン・オフするためのスイッチング・トランジスタに発生する上記と同じ信号は、接地回路３０に相反する動作をもたらす。すなわち、電流がオフすると、接地回路３０は電気エネルギーを放出するように使用され(engage)、また、電流がスイッチ手段１６によってオンすると、接地回路３０は開放される。
前述のコントローラ１４は現行の好ましい制御手段１４としての実施例であるが、当業者にとっては、その変更や修正が可能であるということを認識するであろうしまた、そのようなものは予想される。
図８と図９は、母線３４に付随する遮断器３２を有する、新規あるいは後付けの従来型の接続箱交流電源において使用可能な本開示された装置１０の実施例を表す。この実施例では、複数のスイッチ手段１６は、接続箱３１の母線３４に付随する従来の遮断器３２に含まれるかあるいは上記遮断器と交換するように構成できる。この実施例は、複数の装置１０が複数の電流要件を備えた複数の回路を制御できるように使用可能である。この実施例では、電流をマイクロ秒遮断するスイッチ手段１６は、容易に後付け実装ができる家庭や企業の従来型接続箱３１に付随の遮断器３２へ搭載するように構成される。制御手段１４は複数の独立したスイッチ手段１６の各々を制御するように構成され、各回路１２の電流と電圧の使用状況から帰還を受け、その要件に応じて個々の回路の電流のマイクロ秒遮断を調節する。もし接地回路３０もまた含まれるならば、接地回路はスイッチ手段１６と相反するようにオン・オフを繰り返す。
この実施例は、上述したスイッチ手段及び関連部品が挿入された個々の回路において個々の帰還回路によりＣＰＵに送られた情報を遠隔的にモニターできる。制御手段１４が、モデムあるいは従来からある他の遠隔通信手段によって遠隔のモニタリングステーションに接続されている場合は、更に、家庭あるいは企業あるいは個々の回路上で使用される電力をリアルタイムに双方向的に制御でき、したがって、遠隔コントローラによるシステム特性のリアルタイム変更、あるいは過負荷または不払いの発生時に電力を遠隔的に停止できる。
ここに開示された実施例の装置は、更に図８に示すように、母線に設置された高速遮断器の機能を同時に果たす。帰還回路２６は、本装置が含まれる回路に接続されたスイッチ手段１６の電圧及び電流の出力を連続的に監視する。出力線１９の電圧上の電流が所定のレベルを越えると、制御手段１４は直ちにスイッチ手段１６を開放し、回路１２を引きはずす。構成された高速遮断器の応答時間は、監視する線路におけるプリセット電流に到達する、もしくは越えてから、4ミリ秒以内である。プリセット電流のパラメータは、遮断器が10〜250Aの範囲かあるいはそれ以上で動作するようにスケーリングアンプによって設定され、スケーリングアンプはその電流範囲で常時調整可能である。もちろん、監視する回路の必要性によって、他の電流範囲を使用できる。電流が設定した制限値に達すると、スケーリングアンプは比較器をトリガして、始動(power-up)／不能(disable)を零出力にリセットし、監視回路を通じて電流と電圧を停止するようにスイッチング・トランジスタをオフにする。短絡あるいは過電流状態が存在するかどうかを監視するための5秒間の始動遅延(start-up delay)は任意に設定可能であり、過電流状態を起こした線路の原因が取り除かれれば、遮断器をリセットし電流を供給させることができる。このように、遮断器は「スマート(smart)」であり、線路の過電流をもたらした条件が取り除かれると、手動操作することなくそれ自身をリセットする。あるいは、通信する遠隔のモニタリングステーションから監視されている場合、本装置は解除状態であることを上記ステーションに伝達でき、その際電流を流すように遠隔的にリセットできる。
遮断器３２内部にスイッチ手段１６を備えた図８に示すような開示された装置１０は、負荷を備える回路に挿入されると、サージ保護器(surge protector)としても機能する。電力線サージ保護(power line surge protection)は、常に、装置への入力電圧がピークで+/-470Vに達する本開示された装置によって与えられる。コントローラ１４に関して本明細書及び図面で開示されたように、ガス入り管は5ナノ秒未満で、点火しかつ、共通線へ最大100,000Aの電流を流す。
また、開示されているように、この装置は高負荷の要求に適応する電力コントローラとして機能するか、あるいはそれを組み入れることができる。装置の回路監視中に、大きなモータのスイッチが入るか、あるいは停止する場合のように、電気的な負荷により10ミリ秒の期間に電流が急速に増加したことを検知すると、本装置は、定められた期間（現状で0.5秒）の間、回路に十分な電流及び電圧を与えるように直ちにコントローラ１４によりスイッチを切り替え、その後、該装置は省電力化のために回路を微小に細断する通常の動作パラメータに復帰する。これは、エアコンや冷蔵庫の大きなモータ、その他、本開示された装置が組み入れられる高電流部品の高電流要求に対応するための、本開示された装置の特に有用な特徴である。
何らかの理由で装置が故障した場合には、コントローラ１４は、負荷への電源供給の遮断が確実に発生しないように無停電電流を回復させる緊急バイパスを起動させる。今回の図面で開示したように、このバイパスは、付随装置の動作が影響されないように60Hzの波形の２周期内で動作する。
最後に、図９は、開示された装置を電源供給網と家庭あるいは企業との間に挿入できるように、本装置が適切な大きさや構成のインターフェース部品に囲まれている別の好ましい実施例を表す。この実施例は、メーター３８と家庭あるいは企業の接続箱３１及び閉鎖母線(enclosed bus bar)３４との間に設置し、家庭あるいは企業の電気システム全体にマイクロ秒の電流遮断を与えるインターフェース３６に封入(encapsulate)された装置１０を表す。この実施例は、他の実施例のような個々の回路の監視機能を提供しないが、単に、メーター３８を取り出し、その間をインターフェースする本装置を備えて再度メーター３８を設置し、接続箱３１からローカルの送電網の電源２４までの回路を完成させることで非常に容易に設置される。
ここに開示された装置の最良の実施例は、それらが設置される電気システムの制御を最も機能的に行なうため個々の部品の集合体を採用しているということを理解すべきである。個々の改良点を１つ以上用いることにより性能及び有用性が大幅に改善され、また個々の部品をそのように使用することは予想される。更に、本電力節減装置のすべての基本特性及び特徴が、様々な好ましい実施例において示され、説明されたが、当該技術に関わる熟練した者によれば、本発明の意図あるいは範囲から逸脱しないように、様々な置き換え、修正及び変様がなされ得ることを理解すべきである。従って、そのような修正及び変様はすべて、以下の請求項に定義される発明の範囲に含まれる。
交流周期の両側の複数回のマイクロ秒期間、交流回路中で流れる電流を遮断するスイッチ手段を動作させる制御ユニットを特徴とする最も簡単な実施例の本装置を表す。 ２本の電圧印加脚(energized leg)あるいは電圧印加線を有する回路に挿入された本装置を表す。 ３本の電圧印加脚あるいは電圧印加線を有する回路に挿入された本装置を表す。 従来の交流周波数周期の両方の振動中に被制御(controlled)スイッチ手段によって提供される実質的に等しい電流遮断をグラフ的に表す。 スイッチ手段の簡単な実施例を表す。 スイッチ手段によって提供される電流遮断のタイミング及び期間を制御し、負荷に接続した回路を監視し調節する追加能力を提供する制御手段の実施例を示す。 スイッチ手段によって提供される電流遮断のタイミング及び期間を制御し、負荷に接続した回路を監視し調節する追加能力を提供する制御手段の実施例を示す。 クランプ回路及び間欠的に接地する回路を表す。 個々の回路に利用できるように、従来の接続箱の母線に付随する従来の遮断器の形式で設置された本装置を示す。 従来の電力計と接続箱との間のインターフェースとしての本装置を表す。

Claims (38)

  1. 正と負の交流電流振動を含む周期を有する電気回路内の電力を節減する装置であって、
    交流電流を電源から負荷まで伝達するための線路と、
    複数のマイクロ秒刻みの間、前記線路を通る電流を遮断するためのスイッチ手段と、
    前記遮断の回数及び持続時間を制御するための制御手段、及び
    前記線路内の電流のスイッチが切られた時に負荷インダクタンスにより発生した電気エネルギーの副産物として生成される残留電気エネルギーを全て除去するよう、前記遮断中に前記線路を接地するための接地手段とを含む装置。
  2. 前記制御手段が前記正と負の振動双方の遮断を制御し、１周期当たり約１０回から１００回前記電流を遮断する請求項１記載の装置。
  3. 前記制御手段が中性線の電流を遮断する請求項１記載の装置。
  4. 前記制御手段が電圧印加線の電流を遮断する請求項１記載の装置。
  5. 線路状態を監視し、かつ、前記負荷に所定の電流と実効値電圧を供給するよう前記遮断の回数及び持続時間を連続的に調節するための手段を更に含む請求項１記載の装置。
  6. 前記線路を介して前記電源まで遡る低周波リップルを遮断するように前記線路を濾波するためのフィルタ手段を更に備える請求項１記載の装置。
  7. 正負の交流振動を含む周期を有する電気回路内の電力を節減する方法であって、
    交流電力を電源から線路を介して負荷まで供給し、
    前記正、負いずれの交流振動ともに複数のマイクロ秒刻みの間、前記線路を通る電流を遮断し、
    前記遮断の回数及び持続時間を制御すると共に、
    前記線路の電流のスイッチが切られた時に負荷インダクタンスにより発生した電気エネルギーの副産物として生成される残留電気エネルギーをすべて除去するよう、前記遮断中に前記線路を接地する方法。
  8. 前記電流が中性線において遮断される請求項７記載の方法。
  9. 前記電流が電圧印加線において遮断される請求項７記載の方法。
  10. さらに、線路状態を監視し、かつ、前記負荷に所定の電流と実効値電圧を供給するよう前記遮断の回数及び持続時間を連続的に調節する請求項７記載の方法。
  11. さらに、前記線路の遮断電圧を所定範囲のプラス又はマイナスの所定電圧にクランプする請求項７記載の方法。
  12. さらに、前記電源まで遡る低周波リップルを遮断するように前記線路を濾波する請求項７記載の方法。
  13. 前記電流が１周期当たり約１０回〜１００回遮断される請求項７記載の方法。
  14. 前記負の振動における前記線路内電流の遮断の合計時間が、前記正の振動の遮断の合計時間と実質的に等しい請求項７記載の方法。
  15. 正と負の交流電流振動を含む周期を有する電気回路内の電力を節減する方法であって、
    正と負の振動を有する交流電力を線路を介して電源から負荷まで供給し、
    前記正と負の振動の各々において、１周期当たり約１０回〜１００回、実質的な複数のマイクロ秒刻みの間、前記線路電流を遮断し、
    前記線路の電流のスイッチが切られた時に負荷インダクタンスにより発生した電気エネルギーの副産物として生成される残留電気エネルギーをすべて除去するよう、前記遮断中に前記線路を接地し、
    線路状態を監視し、かつ、前記負荷に所定の電流と実効値電圧を供給するよう前記遮断の回数及び持続時間を連続的に調節し、
    前記線路の遮断電圧を所定範囲電圧のプラス又はマイナスの所定電圧にクランプし、
    前記電源に遡る低周波リップルを遮断するように前記線路を濾波し、
    前記各遮断の回数と持続時間を制御する方法。
  16. 前記負の振動における前記線路内の電流の遮断の合計時間が、前記正の振動における遮断の合計時間と実質的に等しい請求項１５記載の方法。
  17. 各々の完結する周期中に正の振動と負の振動を有し、交流回路において負荷へ送られる交流電力を節減する装置であって、
    スイッチ手段、
    該スイッチ手段は入力側と出力側を有しており、前記入力側を交流電源に接続し、前記出力側を前記交流回路により電力が供給される負荷に接続して、前記交流回路の少なくとも１つの線路に挿入可能であり、
    前記スイッチ手段は、前記入力側と前記出力側間の接続を遮断する開放位置を有し、
    前記スイッチ手段は、前記入力側を前記出力側に接続する閉位置を有し、
    前記スイッチ手段を前記閉位置と前記開放位置の間で変化させるための制御手段、
    前記制御手段は、前記スイッチ手段を各々の完結する周期間で複数回、閉位置から開放位置まで変化させ、それによって各々の交流周期間で電流を複数回個々に遮断し、前記スイッチ手段の前記出力側と接続する前記負荷への前記交流電流の流れを遮断し、
    前記正の振動間の前記個々の遮断回数が、前記各交流周期の前記負の振動間の前記個々の遮断回数と実質的に等しく、また、
    それにより、前記スイッチ手段の出力側から前記負荷へ伝わる実効値電圧が所定レベルにまで減少されるが、前記電流遮断はその期間が十分に短くかつ等しいので前記負荷に感知されず、これにより前記負荷の電力消費を削減し、及び、
    接地手段、
    前記接地手段は、前記スイッチ手段により前記入力側と前記出力側間の接続が遮断された時に負荷インダクタンスにより発生した電気エネルギーの副産物として生成される残留電気エネルギーを全て除去するよう、前記遮断中に前記線路を接地する装置。
  18. 交流電力を節減する装置であって、
    前記正の振動間の前記個々の遮断の合計期間を、前記各交流周期の前記負の振動間の前記個々の遮断の合計期間と実質的に等しくする前記制御手段を更に含み、それにより、前記スイッチ手段の出力側から前記負荷へ伝わる実効値電圧が所定レベルにまで減少されるが、前記電流遮断はその期間が十分に短くかつ等しいので前記負荷に感知されず、これにより前記負荷の電力消費を削減する請求項１７記載の装置。
  19. 交流電力を節減する装置であって、
    前記スイッチ手段の出力側と前記制御手段の間を接続し、かつ、前記出力側の実効値電圧を前記スイッチ手段から前記制御手段へ伝達する帰還回路を更に含み、
    前記制御手段は、その後、前記各交流周期の前記正の振動間の前記個々の遮断回数又は持続期間と、前記負の振動間の前記個々の遮断回数及び持続期間とを調節し、前記スイッチ手段の出力側から伝えられる前記実効値電圧を前記所定の電圧に維持する請求項１７記載の装置。
  20. 交流電力を節減する装置であって、
    前記スイッチ手段の出力側と前記制御手段の間を接続し、かつ、前記出力側の実効値電圧を前記スイッチ手段から前記制御手段へ伝達する帰還回路を更に含み、
    前記制御手段は、その後、前記各交流周期の前記正の振動間の前記個々の遮断回数又は持続期間と、前記負の振動間の前記個々の遮断回数及び持続期間とを調節し、前記スイッチ手段の出力側から伝えられる前記実効値電圧を前記所定の電圧に維持する請求項１８記載の装置。
  21. 交流電力を節減する装置であって、前記スイッチ手段の出力側の電圧を前記スイッチ手段の前記入力側の入力電圧の上下所定電圧にクランプする手段を更に含む請求項１７記載の装置。
  22. 交流電力を節減する装置であって、前記スイッチ手段の出力側の電圧を前記スイッチ手段の前記入力側の入力電圧の上下所定電圧にクランプする手段を更に含む請求項１８記載の装置。
  23. 交流電力を節減する装置であって、前記スイッチ手段の出力側の電圧を前記スイッチ手段の前記入力側の入力電圧の上下所定電圧にクランプする手段を更に含む請求項１９記載の装置。
  24. 交流電力を節減する装置であって、前記スイッチ手段の出力側の電圧を前記スイッチ手段の前記入力側の入力電圧の上下所定電圧にクランプする手段を更に含む請求項２０記載の装置。
  25. 交流電力を節減する装置であって、前記接地手段が、前記スイッチ手段が前記開放位置にある時に限り、前記スイッチ手段の前記出力側によって、前記スイッチ手段の前記出力側から前記残留電気エネルギーを除去する請求項１７記載の装置。
  26. 交流電力を節減する装置であって、前記接地手段が、前記スイッチ手段が前記開放位置にある時に限り、前記スイッチ手段の前記出力側によって、前記スイッチ手段の前記出力側から前記残留電気エネルギーを除去する請求項１８記載の装置。
  27. 交流電力を節減する装置であって、前記接地手段が、前記スイッチ手段が前記開放位置にある時に限り、前記スイッチ手段の前記出力側によって、前記スイッチ手段の前記出力側から前記残留電気エネルギーを除去する請求項１９記載の装置。
  28. 交流電力を節減する装置であって、前記接地手段が、前記スイッチ手段が前記開放位置にある時に限り、前記スイッチ手段の前記出力側によって、前記スイッチ手段の前記出力側から前記残留電気エネルギーを除去する請求項２０記載の装置。
  29. 交流電力を節減する装置であって、前記スイッチ手段の前記入力側を接続箱内の母線と協調して使用することができ、かつ前記出力側を前記負荷と接続する線路と協調して使用するよう構成できる寸法とした外装ケース内に前記スイッチ手段を有する請求項１７記載の装置。
  30. 交流電力を節減する装置であって、前記スイッチ手段の前記入力側を接続箱内の母線と協調して使用することができ、かつ前記出力側を前記負荷と接続する線路と協調して使用するよう構成できる大きさの外装ケース内に前記スイッチ手段を有する請求項１８記載の装置。
  31. 交流電力を節減する装置であって、前記スイッチ手段の前記入力側を接続箱内の母線と協調して使用することができ、かつ前記出力側を前記負荷と接続する線路と協調して使用するよう構成できる大きさの外装ケース内に前記スイッチ手段を有する請求項１９記載の装置。
  32. 交流電力を節減する装置であって、前記スイッチ手段の前記入力側を接続箱内の母線と協調して使用することができ、かつ前記出力側を前記負荷と接続する線路と協調して使用するよう構成できる大きさの外装ケース内に前記スイッチ手段を有する請求項２０記載の装置。
  33. 交流電力を節減する装置であって、前記スイッチ手段の前記入力側を接続箱内の母線と協調して使用することができ、かつ前記出力側を前記負荷と接続する線路と協調して使用するよう構成できる大きさの外装ケース内に前記スイッチ手段を有する請求項２１記載の装置。
  34. 交流電力を節減する装置であって、前記スイッチ手段がインターフェースの内部で効果的に配置され、前記インターフェースが電力使用メーターと接続箱上のその取付け部との間に適合するように構成され、前記スイッチ手段の前記入力は前記電力使用メーターの電力出力と協調して使用することが可能で、更に前記スイッチ手段の前記出力側は前記電力出力メーターの規定の取り付け部において前記接続箱と協調して使用することが可能である請求項１７記載の装置。
  35. 交流電力を節減する装置であって、前記スイッチ手段がインターフェースの内部で効果的に配置され、前記インターフェースが電力使用メーターと接続箱上のその取付け部との間に適合するように構成され、前記スイッチ手段の前記入力は前記電力使用メーターの電力出力と協調して使用することが可能で、更に前記スイッチ手段の前記出力側は前記電力出力メーターの規定の取り付け部において前記接続箱と協調して使用することが可能である請求項１８記載の装置。
  36. 交流電力を節減する装置であって、前記スイッチ手段がインターフェースの内部で効果的に配置され、前記インターフェースが電力使用メーターと接続箱上のその取付け部との間に適合するように構成され、前記スイッチ手段の前記入力は前記電力使用メーターの電力出力と協調して使用することが可能で、更に前記スイッチ手段の前記出力側は前記電力出力メーターの規定の取り付け部において前記接続箱と協調して使用することが可能である請求項１９記載の装置。
  37. 交流電力を節減する装置であって、前記交流回路は前記交流回路に給電する複数本の電圧印加線と１本の中性線を有し、スイッチ手段は前記各々の電圧印加線に挿入され、前記各々のスイッチ手段は入力側と出力側を有し、該入力側は交流電源の１つの電圧印加線に接続し、また前記各出力側は前記交流回路によって給電される前記負荷に接続する請求項１８記載の装置。
  38. 交流電力を節減する装置であって、前記各スイッチ手段の前記各出力側と制御手段とを接続する帰還回路を更に備え、
    前記帰還回路は、前記スイッチ手段の前記各出力側の実効値電圧を前記制御手段に伝達し、
    前記制御手段がその後、前記各電圧印加線において前記各交流周期の前記正の振動間の前記個々の遮断の回数又は持続期間と、前記負の振動間の前記個々の遮断の回数及び持続期間とを調節し、前記個々のスイッチ手段の前記出力側から伝えられる前記電圧を前記所定の電圧に維持する請求項３７記載の装置。
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