JP5979413B2 - 電力計測装置 - Google Patents

Description

本発明は電力を計測する装置に係るものであり、特に磁性膜の磁気抵抗効果を利用した電力計測装置に関するものである。

交流では電圧と電流に位相差があるため、これに起因する無効電力が発生する。誘導電動機の消費電力である有効電力の計測や省エネ取組みだけでなく、エネルギー有効活用徹底の視点から、無効電力や皮相電力や力率等の計測による、電力の可視化が重要になってきている。

誘導電動機における消費電力は、入力電圧、入力電流、周波数により、また負荷の大きさにより、大きく変動する。従来は電流、電圧、電流−電圧の位相差（θ）を個別に計測した後、電圧×電流×力率（ｃｏｓθ）を演算によって算出していた。

消費電力を計測するために、電流を計測する手段としてＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）やシャント抵抗による方式が多く使われていた。しかし、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）は設置スペースに制約があり、かつ高価である。したがって、様々な箇所で消費電力を計測したい場合の使用は容易でない。また、シャント抵抗方式は設置スペースに制約があり、かつ無駄なエネルギーを消費し、付随的に発熱問題が残る。

一方、従来から、より小型の電力測定器として、ホール素子を利用したものが提案されている。特許文献１では、２つのホール効果素子を用いて有効電力、無効電力および位相や力率を計測する。また、特許文献２では、ホール効果素子による計測時に、発生する制御電流に起因する自己磁界誤差項の影響を考慮し、負荷の電力を正確に計測するものである。

特開２０００−１８７０４８号公報 特開昭６１−１７０７１号公報

省エネという観点や、電力が自動車などの移動体の駆動へ利用されると、さまざまな箇所での電力計測が必要になる。そのような需要に応えるためには、小型のセンサと簡便な計測部を有する電力計測装置が必要となる。消費電力を計測するための電流を計測する手段としてＣＴやシャント抵抗による方式は、上記のように大きさの関係で、このような要求には応えられない。

特許文献１および２で開示された装置は、ホール素子を用いるため、ＣＴやシャント抵抗による方法と比較すると小型にはできる。しかし、１箇所の消費電力を計測するために複数の素子を使用するのは、小型化できない根本原因となる。また、特許文献２の回路をせまい箇所の測定のために用意するのは、やはり容易とはいえない。

さらに、ホール素子は、平面状の素子に対して垂直方向からの磁界が当たるように設置しなければならない。これは導線からの磁界を拾う際に、素子が形成された平面を導線に貼り付けられないという課題が生じる。素子が形成された平面を導線に貼り付けると、導線からの磁界は、素子面内にしか印加されず、ホール効果を得にくくなるからである。

本発明は上記のような課題に鑑み想到されたものであり、磁性膜の有する磁気抵抗効果を利用した電力計測装置である。より具体的に本発明の電力計測装置は、
電源に接続線を介して接続された負荷において消費される電力を測定する電力計測装置であって、
前記電源に対して前記負荷と並列に連結するための一対の連結端と、
磁性膜を含む磁性膜部と、
前記磁性膜部の両端に設けられた一対のセンサ端子を有し、
前記センサ端子の一端は前記連結端の一方に接続され、
前記磁性膜部に対して動作点を付与するバイアス手段を有し、
前記磁性膜部の長手方向が前記接続線の電流が流れる方向と略平行になるように前記接続線に絶縁層を介して隣接配置されるセンサ素子と、
前記センサ素子のセンサ端子の他端に並列に接続されたｎ個のバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタの各々に直列に接続された位相調整器と、
前記位相調整器を選択的に接続する選択スイッチと、
一端が選択スイッチに接続され、他端が前記連結端の他方に接続される計測抵抗と、
前記センサ端子のそれぞれを計測端子とし、前記計測端子間の電圧を計測する電圧検出部とを有することを特徴とする。

本願による電力計測装置は、非接触（原理）、設置が容易（超小型、薄型）、省エネ（計測時のエネルギー消費小）、といった磁性薄膜電力センサのメリットを生かし、誘導電動機の細部において、有効電力だけでなく無効電力や力率についても１個のセンサで計測できる。したがって、電力消費状況の可視化が可能になり、誘導電動機に応用することにより、運転状況や負荷状況に応じた省エネ駆動制御が可能となる。

本発明の電力計測装置の構成を示す図である。 本発明の電力計測装置の測定原理を示す図である。 本発明の電力計測装置の測定原理を示す図である。 本発明の電力計測装置に用いるセンサ素子の他の実施形態を示す図である。

以下本発明にかかわる電力計測装置について図を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一実施形態を例示するのであり、以下の実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、以下の実施形態は変更することができる。

図１は本発明の電力計測装置の構成を示したものである。本発明の電力計測装置１は、連結端１２と、センサ素子１０と、電圧検出部１４と、選択スイッチ１６と、計測抵抗１８と、ｎ個のバンドパスフィルタＢｎと、ｎ個の位相調整器Ｐｎを含む。また、制御装置２０を有していても良い。また、本発明の電力計測装置１は、電源７に接続された負荷９（抵抗値はＲ１）で消費される電力を計測する。なお、電源７と負荷９の間は接続線８（抵抗値はＲｃｕ）で接続される。

連結端１２は、計測対象となる回路の電源７に対して負荷９と並列に、電力計測装置１を接続するための端子である。したがって、この連結端１２は１対あり、それぞれ区別する場合は、連結端１２ａ、１２ｂとよぶ。

センサ素子１０は、磁性膜の磁気抵抗効果を利用した素子である。構成としては、薄膜状の磁性膜部１１の両端に一対のセンサ端子１０ｔが形成されている。磁性膜部１１の抵抗値はＲｍｒである。センサ端子１０ｔのそれぞれを区別する場合は、センサ端子１０ｔａまたは１０ｔｂとよぶ。また、センサ端子１０ｔは、計測端子１３でもある。したがって、計測端子１３も一対あり、それぞれ計測端子１３ａまたは１３ｂと呼ぶ。

センサ素子１０には、バイアス手段１１ｂが設けられる。バイアス手段１１ｂは、例えば磁性膜部１１に動作点を付与するためにバイアス磁界を与える永久磁石である。電磁石であってもよい。また、磁性膜部１１の構造によって、磁石からのバイアス磁界を与えなくても、初めから動作点を有している場合もバイアス手段１１ｂを有しているといってよい。

また、センサ素子１０は、負荷９に流れる接続線８に絶縁層２１を介して配置される。具体的な設置位置は、負荷９の近傍であっても電源７の近傍であっても、また、接続線８の途中であってもよい。センサ素子１０は接続線８中の電流による磁界を検知して動作するからである。したがって、絶縁層２１は薄い方が望ましい。

また、絶縁層２１は、磁性膜部１１が接続線８と直接接触しないための意味である。したがって、絶縁層２１は、接続線８の被覆であっても良い。

電圧検出部１４は、計測端子１３ａと１３ｂの間の電圧を計測する電圧計である。電圧検出部１４は、計測端子１３間の電圧を表示するようにしてもよいし、計測した電圧値を信号Ｓｖで出力するようにしてもよい。

センサ素子１０の一方のセンサ端子１０ｔａは、一方の連結端１２ａと接続される。そして、センサ素子１０の他方のセンサ端子１０ｔｂは、ｎ個のバンドパスフィルタＢｎが接続される。ここでｎは１以上の整数である。バンドパスフィルタＢｎはそれぞれ符号Ｂ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎで区別されるが、バンドパスフィルタ全体を示すときは符号Ｂｎで表す。バンドパスフィルタＢｎは、それぞれ所定の帯域の電流を流すように予め設定されている。もちろん、外部から所定帯域を変更できるようにしても良い。バンドパスフィルタＢｎは並列に配置され、他方のセンサ端子１０ｔｂに接続される。

バンドパスフィルタＢｎの後段にはそれぞれのバンドパスフィルタＢｎと直列に位相調整器Ｐｎが接続される。位相調整器ＰｎもバンドパスフィルタＢｎ同様にｎ個用意されており、それぞれ区別する場合は、位相調整器Ｐ１、Ｐ２等と呼ぶが、全体をまとめて呼ぶ場合は位相調整器Ｐｎと呼ぶ。

位相調整器Ｐｎは、リアクタンス効果を用いて、バンドパスフィルタＢｎから流れる電流の位相を変化させるものである。変化させる度合いは、外部からの信号Ｃｐｎによって制御される。信号Ｃｐｎは、ｎ番目の位相調整器Ｐｎに対する制御信号を表す。したがって、例えば、２番目の位相調整器Ｐ２に対して送られる制御信号の場合は信号Ｃｐ２と呼ぶ。なお、位相調整器Ｐｎはデジタルフィルタで構成されていてもよい。また、位相調整器Ｐｎは手動で調整されるようにしてもよい。

ｎ個の位相調整器Ｐｎは１つの選択スイッチ１６に接続されている。選択スイッチ１６は、ｎ個の接続端子と、１つの出力端子を有するスイッチである。接続されたｎ個の位相調整器Ｐｎの内の１つを出力端子と導通させる。すなわち、選択スイッチ１６で選択された１つのバンドパスフィルタＢｎと位相調整器Ｐｎのパスだけに電流が流れることになる。

選択スイッチ１６の出力端子には、計測抵抗１８が直列に接続される。計測抵抗１８の抵抗値はＲ２である。計測抵抗１８の抵抗値Ｒ２は、磁性膜部１１の抵抗値であるＲｍｒに対して十分に大きな抵抗である必要がある。後述するように、このＲ２がＲｍｒより十分大きい場合に、磁性膜部１１に流れる電流Ｉ２は、電源７の電圧（Ｖ）と、計測抵抗１８の抵抗値Ｒ２だけで決まるとみなせるからである。計測抵抗１８の他端は、他方の連結端１２ｂと接続される。

制御装置２０は、メモリとＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｕｎｉｔ）によって構成されるコンピュータでよい。制御装置２０は少なくとも、電圧検出部１４と、ｎ個の位相調整器Ｐｎと選択スイッチ１６に連結され、これらを制御する。

次に簡単に本発明の電力計測装置１の測定原理について図２を用いて説明する。図２（ａ）は、測定原理説明のために図１をより簡潔にしたものである。バンドパスフィルタＢｎおよび位相調整器Ｐｎは省略している。図１と同じ構成要素については同じ符号を付与する。なお、電源７の電圧はＶｉｎとした。負荷９（抵抗値Ｒ１）に接続線８（抵抗値Ｒｃｕ）を介して電流Ｉ１を流すと、接続線８の周囲には磁界Ｈが発生する。

また、負荷９と並列に電源７に接続された電力計測装置１側には、電源７と計測抵抗１８できまる電流Ｉ２が流れる。接続線８の周囲で生じた磁界Ｈ中に、電流Ｉ２が流れる磁性膜部１１を、その電流Ｉ２の向きが、接続線８の電流Ｉ１と略平行になるように配置する。磁性膜部１１には、電流Ｉ２と直角方向に接続線８からの磁界Ｈが作用する。すると、磁性膜部１１の磁化Ｍは磁界Ｈによって回転させられる。それとともに、磁性膜部１１の抵抗値Ｒｍｒは磁気抵抗効果によって抵抗値が変化する。

図２（ｂ）には、磁性膜部１１に印加される磁界Ｈと磁性膜部１１の抵抗値Ｒｍｒの関係を示す。横軸は印加磁界Ｈの強度で、縦軸は磁性膜部１１の抵抗値Ｒｍｒである。磁界Ｈが作用していない場合は、抵抗値Ｒｍｒであるが、磁界Ｈが作用し、磁化Ｍが電流の方向と大きさにより変わると、その抵抗値Ｒｍｒは変化する。なお、変化には、減少する場合と増加する場合があり、どちらも磁気抵抗効果と呼ばれる。

ここで、磁性膜部１１にバイアス手段１１ｂによってバイアス磁界Ｈｂｉａｓを印加しておくことで、接続線８に流れる電流Ｉ１に比例した抵抗値Ｒｍｒを得ることができる。このバイアス磁界Ｈｂｉａｓが印加された点が動作点Ｒｍ０である。

ここで、動作点における抵抗値をＲｍ０とし、比例定数をαおよびβとする。磁性膜部１１での抵抗の変化分をΔＲｍｒ、磁性膜部１１の抵抗をＲｍｒとすると、磁性膜部１１の電圧Ｖｍｒは以下の（１）式のように表される。

また、負荷９への電源７の電圧をＶｉｎとし、その振幅をＶ１とする。すると、磁性膜部１１の電圧Ｖｍｒは、以下の（２）式のようにＶ１（電源の振幅）とＲ１（負荷の抵抗値）とｃｏｓθ（力率）の積に比例するように求められる。

なお、ここで、Ｒｍｒ＜＜Ｒ２、さらにＲｃｕ＜＜Ｒ１の関係を使った。

上記計算式の最終式は、ＡＣ成分とＤＣ成分の和となっている。つまり、磁性膜部１１の長手方向の出力電圧Ｖｍｒには、交流電圧と直流電圧とが重畳されて現れる。しかも、ＤＣ成分は負荷９での有効電力（Ｉ１＊Ｖ１＝Ｖ１^２／Ｒ１）ｃｏｓθに比例している。したがって、磁性膜部１１の長手方向の直流電圧成分のみを計測すれば、交流入力に対する負荷９の消費電力（有効電力）を測定することができる。

また、電源Ｖｉｎがｎ次高調波を有している場合は、磁性膜部１１の両端電圧は、同様に以下の（３）式のように表される。電源７の電圧をＶｉｎとし、負荷９に流れる電流をＩ１、磁性膜部１１に流れる電流をＩ２としているのは上記同様である。

（３）式の最終式は、各周波数成分のＡＣ成分とＤＣ成分の和となっている。したがって、本発明に係る電力計測装置１では、測定原理的に、電圧および電流に高周波を含んでいる場合においても、磁性膜部１１の長手方向の出力電圧Ｖｍｒには、交流電圧と直流電圧とが重畳されて現れる。この時磁性膜部１１の両端電圧である出力電圧Ｖｍｒの直流電圧成分は、基本波による消費電力に比例した直流電圧と、高調波による消費電力に比例した直流電圧とが合計された直流電圧である。

したがって、本発明に係る電力計測装置１では、電源が高調波成分を含んでいる場合でも、磁性膜部１１の長手方向の直流電圧のみを計測すれば負荷９（抵抗値Ｒ１）での消費電力（力率を含む有効電力である）を測定することが可能である。

図３には、電源７が高調波を有する場合の電力計測装置の構成を示す。ここでは、バンドパスフィルタＢｎが選択スイッチ１６と共に配置されている。バンドパスフィルタＢｎは、上記の各周波数成分を通過させるように設定されている。

すると、選択スイッチ１６で選択された周波数の信号のみが磁性膜部１１を通過し、出力電圧Ｖｍｒとして観測することができる。ここでも、磁性膜部１１の出力電圧Ｖｍｒは、負荷９における選択された周波数の有効電力に比例している。すなわち、選択された周波数での消費電力を求めることができる。

以上のように磁性膜部１１の電圧を測定することによって、負荷９での消費電力を計測することができる。

再び図１に戻って、本発明の電力計測装置１の動作について説明する。本発明の電力計測装置１では、位相調整器Ｐｎの位相調整量をゼロとすると、図３で示した電源に高調波が重畳している場合と同じである。

例えば、バンドパスフィルタＢ１を選択スイッチ１６で選択する。バンドパスフィルタＢ１は基本波の周波数を通過させるフィルタであったとし、また位相調整器Ｐ１での位相調整量をゼロとすると、電源７の基本波が負荷９で消費される電力に比例した電圧が電圧検出部１４から得られる。すなわち、基本波での有効電力を得ることができる。その他の高調波の場合も同様に有効電力を得ることができる。

ここで、位相調整量を変化させながら、磁性膜部１１の出力電圧Ｖｍｒを計測する。具体的な例示として、選択スイッチ１６でバンドパスフィルタＢ１を選択したとする。そして、位相調整器Ｐ１の位相調整量を最大−π／２からπ／２まで変化させる。この時、最大の出力電圧が得られる位相調整量がφｍであったとする。するとｃｏｓφｍが力率に等しく、この時得られる出力電圧は、皮相電力（ＶＩ）に比例する。

この理由は以下の通りである。位相調整量がゼロの場合は、図３の測定原理で説明したように、負荷９での消費電力に力率を乗じた値（有効電力）に比例する値を得ることができる。これは式で記載すると（Ｖ１^２／Ｒ１）ｃｏｓθである。再び基本波の場合で説明すると、位相調整器Ｐ１で位相量φを変化させ、位相φｍの時に磁性膜部１１での出力電圧が最も大きくなるということは、ｃｏｓ（θ−φｍ）＝１となったということであり、この時θ―φｍ＝０である。

すなわち、θ＝φｍとなって、φｍは力率を示す角度すなわち、力率角である。また、ｃｏｓ（θ−φｍ）＝１であるときは、磁性膜部１１の電圧は（Ｖ１^２／Ｒ１）に比例した電圧であり、これは皮相電力を表していることになる。

また、位相調整器Ｐ１で位相量を調整し、磁性膜部１１で得られた最大出力電圧（皮相電力に比例）を求め、この最大出力電圧で、位相量をゼロとした時の出力電圧（有効電力）を割ることによって、力率（ｃｏｓθ）を求めることができる。なお、皮相電力と力率角若しくは力率を求めることができるので、無効電力は皮相電力×ｓｉｎθ（若しくはｓｉｎφｍ）を求めることですぐに求めることができる。

なお、制御装置２０は、これらの値を所定期間ごとに計測し、積算してもよい。このように積算することで本発明の電力計測装置１は電力量計ともなる。また、これらの情報を、信号Ｓｒｓによって出力することができる。図１では、ディスプレイ２５にこれらの情報を出力する例を示すが、出力先はディスプレイでなくてもよく、他の制御装置であってもよい。

図４には、センサ素子１０のバリエーションについて説明する。上記の説明のように、本発明の電力計測装置１は、磁性膜部１１の磁気抵抗効果によって負荷９での消費電力に比例した電圧Ｖｍｒを観測する。磁性膜部１１は、図２（ｂ）でも示したように、外部から作用される磁界に対しては偶関数であり、そのままでは印加磁界に比例した抵抗値を得ることはできない。そこで、図１では、永久磁石のような磁界発生源をバイアス手段１１ｂとして磁性膜部１１の近傍に配置することによって、バイアス磁界を生成し、動作点を得た。しかし、磁石のような磁界発生源を用いなくても、動作点を得る方法がある。

図４には、センサ素子１０の他の形態を示す。磁性膜部１１の上に、縞模様の導体３０が形成されている。また、磁性膜部１１は、長手方向に磁化容易軸ＥＡが誘導されているとする。導体３０は、磁性膜部１１の抵抗と比べて十分に低い材料のものを使用するのが好ましい。

このようなセンサ素子１０の動作について説明する。センサ端子１０ｔａおよび１０ｔｂ間には、電流Ｉ２が流される。センサ端子１０ｔａから入力された電流Ｉ２は、縞模様の導体３０から導体３０へ流れる際には、磁性膜部１１上を流れなければならない。

磁性膜部１１は、導体３０より抵抗が高いため、電流は導体３０間の最短距離を流れる。これは磁性膜部１１の長手方向から見ると、傾斜した方向に電流が流れることとなる。ここで、磁性膜部１１の磁化容易軸ＥＡはセンサ素子１０の長手方向に誘導されているので、磁化Ｍと電流Ｉ２の向きに傾斜ができる。

ここで、磁性膜部１１に対して紙面上から下方向に磁界Ｈ（点線矢印）が印加されると、磁化Ｍ（点線矢印）はそれにつれて回転する。すると、回転した磁化Ｍと電流Ｉ２のなす角度が小さくなるので、磁性膜部１１の抵抗は高くなる。逆に、紙面下から上方向に磁界Ｈが印加される（実線矢印）と、磁化Ｍ（実線矢印）は、電流Ｉ２から離れる方向に回転する。

従って、磁性膜部１１の抵抗は下がる。つまり、このように、予め外部から印加磁界がない状態で、電流の流れる方向と、磁化の方向に角度をつけておくと、見かけ上バイアス磁界をかけたのと同じ状態になる。図４では、電流の流れる方向が磁化容易軸ＥＡの方向と変わるような構成としたが、例えば予め磁化容易軸ＥＡを磁性膜部１１の長手方向に対して角度をつけて誘導しておいてもよい。

また、これらの構造を組み合わせた構造若しくは、これ以外の構造であってもよい。これらのように構成されたセンサ素子１０もバイアス手段１１ｂを有したセンサ素子１０としてよく、図１で示した電力計測装置１には、このようなセンサ素子１０が搭載されていても良い。

以上のように本発明の電力計測装置１は、バンドパスフィルタＢｎで選択された周波数における、皮相電力、有効電力、力率さらには無効電力を求めることができる。これは、誘導モータといった、運転状態で力率が変化する負荷の電力計測に大変有効である。例えば、モータ等では、場合によって力率が最大になるように、運転を制御するといった制御方法も考えられるからである。

本発明は、家庭電気製品分野、自動車分野、産業機器分野など電気を利用する箇所の電力計測装置として広く利用することができる。

１ 電力計測装置
７ 電源
８ 接続線（抵抗）
９ 負荷
１０ センサ素子
１０ｔ（１０ｔａ、１０ｔｂ） センサ端子
１１ 磁性膜部
１１ｂ バイアス手段
１２（１２ａ、１２ｂ） 連結端
１３（１３ａ、１３ｂ） 計測端子
１４ 電圧検出部
１６ 選択スイッチ
１８ 計測抵抗
２１ 絶縁層
２５ ディスプレイ

Claims (7)

1. 負荷で消費される電力を測定する電力測定装置であって、
   長手方向が前記負荷に流れる電流と略平行になるように配置される磁性膜部と、
   前記磁性膜部の一端と接続されて、前記磁性膜部を通過する電流の通過周波数帯および位相を調整する調整部と、
   前記磁性膜部と縦続接続される計測抵抗と、
   前記磁性膜部の両端間の電圧を検出する電圧検出部と、を備え、
   前記調整部は、前記電圧検出部からの出力電圧が最大となるよう位相を調整することができ、かつ、位相調整量をゼロとすることもできる電力測定装置。
2. 前記調整部は、
   前記磁性膜部の一端に並列接続される複数のバンドパスフィルタと、
   前記バンドパスフィルタのそれぞれに直列に接続される位相調整器と、
   前記位相調整器からの出力の１つを選択するスイッチと、
   を有する、請求項１に記載の電力測定装置。
3. 前記電圧検出部からの出力電圧が最大となるときの位相に基づいて、力率角を算出する制御装置を備える、請求項１または２に記載の電力測定装置。
4. 前記電圧検出部からの出力電圧が最大となるときの前記出力電圧に基づいて、皮相電力を算出する制御装置を備える、請求項１または２に記載の電力測定装置。
5. 前記調整部による位相調整量がゼロであるときの前記電圧検出部からの出力電圧に基づいて、有効電力を算出する制御装置を備える、請求項１または２に記載の電力測定装置。
6. 前記磁性膜部には、前記負荷に流れる電流とは非平行な導体が設けられる、請求項１乃至５のいずれかに記載の電力測定装置。
7. 前記磁性膜部は、印加される磁界の変化に対する抵抗変化が略一定である、請求項１乃至６のいずれかに記載の電力測定装置。