JP7235837B1 - 電力量計の開閉器の制御方法及び電力量計 - Google Patents

Abstract

【課題】接点へのダメージが抑制でき、接点の信頼性及び寿命を向上させることができる電力量計の開閉器の制御方法及び電力量計。
【解決手段】電力系統１Ｓと負荷１Ｌとの間に固定接点７ａと可動接点７ｂが設けられ、励磁コイル５への電流の供給又は遮断により可動接点が固定接点に対して開動作と閉動作することにより電力系統の電力の負荷への供給遮断を行う開閉器４を備える電力量計であって、電力系統の電圧のピーク値を検出し、電力系統の電圧のピーク値を検出した時刻から可動接点を閉動作させる接点閉時間を制御し、検出した時刻から接点閉時間だけ遅延させた後、可動接点を閉動作させる駆動信号を開閉器に出力する制御部２２と、駆動信号を励磁コイルに出力し、駆動信号を出力した時刻から所定時間経過後に可動接点が閉状態となったときに電力系統の電圧をゼロ又はゼロ近傍にする開閉器制御回路６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力量計の開閉器の制御方法及び電力量計に関する。

電力量計の電力系統（Source）から負荷（Load）の間に設けられる開閉器において、開閉器に設けられた可動接点を固定接点に対して閉動作させると、可動接点と固定接点との間に電流が流れる。

次に、開閉器の可動接点を固定接点に対して開動作させると、可動接点と固定接点との間に流れていた電流が遮断される。

特許第２８９２７１７号公報 特許第３７１６６９１号公報

しかしながら、可動接点を固定接点に対して閉動作させた場合、閉動作のタイミングと負荷側にある負荷の種類、特にランプ負荷によって、大きな突入電流が流れて可動接点と固定接点とにダメージを与えてしまう。

このため、電力系統側の電圧がゼロ又はゼロ近傍のタイミングにおいて、可動接点を固定接点に対して閉動作させた方が、両方の接点へのダメージを抑制し、両方の接点を保護することができる。

本発明の課題は、突入電流の発生が大幅に抑制でき、接点へのダメージが抑制でき、接点の信頼性及び寿命を向上させることができる電力量計の開閉器の制御方法及び電力量計を提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係る請求項１は、電力系統と負荷との間に固定接点と可動接点が設けられ、励磁コイルへの電流の供給又は遮断により前記可動接点が前記固定接点に対して開動作と閉動作することにより前記電力系統の電力の前記負荷への供給遮断を行う電力量計の開閉器の制御方法であって、前記電力系統の電圧のピーク値を検出し、制御部が前記電圧のピーク値の時刻を検出し、前記電力系統の電圧のピーク値を検出した時刻から前記可動接点を閉動作させる接点閉時間だけ遅延させた時刻に、前記可動接点を閉動作させる駆動信号を開閉器制御回路に出力し、前記開閉器制御回路が前記駆動信号を前記励磁コイルに出力した時刻から所定時間経過した時刻に前記可動接点が閉状態となったときに前記電力系統の電圧をゼロ又はゼロ近傍にすることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の電力量計の開閉器の制御方法であって、前記所定時間は、前記開閉器毎に予め定められた一定値であり、前記接点閉時間は、前記ピーク値を検出した時刻と前記所定時間と前記電圧の周期とに基づき設定されることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１記載の電力量計の開閉器の制御方法であって、前記励磁コイルの特性のばらつきに対応付けした前記所定時間をメモリに記憶し、前記制御部は、前記所定時間を前記メモリから読み出し、読み出した前記所定時間と電圧のピーク値を検出した時刻と電圧の周期とに基づき前記接点閉時間を設定することを特徴とする。

請求項４の発明は、電力系統と負荷との間に固定接点と可動接点が設けられ、励磁コイルへの電流の供給又は遮断により前記可動接点が前記固定接点に対して開動作と閉動作することにより前記電力系統の電力の前記負荷への供給遮断を行う開閉器を備えた電力量計であって、前記電力系統の電圧のピーク値を検出する電圧検出部と、前記電圧のピーク値の時刻を検出し、検出したピーク値の時刻から前記可動接点を閉動作させる接点閉時間だけ遅延させた時刻に、前記可動接点を閉動作させる駆動信号を開閉器制御回路に出力する制御部と、を備え、前記開閉器制御回路が前記駆動信号を前記励磁コイルに出力した時刻から所定時間経過した時刻に前記可動接点が閉状態となったときに前記電力系統の電圧をゼロ又はゼロ近傍にすることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４記載の電力量計であって、前記所定時間は、前記開閉器毎に予め定められた一定値であり、前記接点閉時間は、前記ピーク値を検出した時刻と前記所定時間と前記電圧の周期とに基づき設定されることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項４記載の電力量計であって、前記励磁コイルの特性のばらつきに対応付けした前記所定時間を記憶するメモリを備え、前記制御部は、前記所定時間を前記メモリから読み出し、読み出した前記所定時間と電圧のピーク値を検出した時刻と電圧の周期とに基づき前記接点閉時間を設定することを特徴とする。

請求項１，４によれば、電圧のピーク値を検出した時刻から可動接点を閉動作させる接点閉時間を制御し、検出した時刻から接点閉時間だけ遅延させた後、可動接点を閉動作させる駆動信号を励磁コイルに出力する。駆動信号を励磁コイルに出力した時刻から所定時間経過後に可動接点が閉状態となるので、接点閉時間を制御することで、可動接点が閉状態となったときに電圧をゼロ又はゼロ近傍にする。従って、突入電流の発生が大幅に抑制でき、接点へのダメージが抑制でき、接点の信頼性及び寿命を向上させることができる。

請求項２，５によれば、接点閉時間は、ピーク値を検出した時刻と所定時間と電圧の周期とに基づき設定されるので、可動接点が閉状態となったときに電圧がゼロ又はゼロ近傍にすることができる。

請求項３，６によれば、励磁コイルの特性のばらつきに対応した所定時間と電圧のピーク値を検出した時刻と電圧の周期とに基づき接点閉時間を設定するので、励磁コイルの特性がばらついても可動接点が閉状態となったときに電圧がゼロ又はゼロ近傍にすることができる。

本発明の第１の実施形態に係る電力量計を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る電力量計の開閉器開時（もしくは「開閉器が開状態」）の接点状態とSource側電圧の波形とLoad電流の波形を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る電力量計の開閉器が開状態から閉状態へと状態変化した時の接点状態とSource側電圧の波形とLoad電流の波形を示し一番大きな突入電流が発生する場合を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る電力量計の開閉器においてSource側電圧の波形とLoad電流の波形を示し突入電流が小さい場合を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る電力量計の開閉器の接点における突入電流を抑制した可動接点の閉動作の制御を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る電力量計の開閉器の接点における突入電流を抑制した可動接点の閉動作の制御を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る電力量計の開閉器の接点における突入電流を抑制した可動接点の閉動作の制御を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る電力量計の開閉器の接点制御方法及び電力量計について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１に第１の実施形態に係る電力量計の構成図を示す。電力量計１は、電力系統１Ｓ，２Ｓ（Source側）の系統電圧と電流を検出し、検出された電圧と電流とに基づき電力量を演算する。電力系統１Ｓは、商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交流電圧及び交流電流を負荷に供給する。

電力量計１は、図１に示すようにＣＰＵ２（中央処理装置）、電圧信号変換回路３、開閉器４、開閉器制御回路６、電流センサ８、電流信号変換回路１０、電源回路１１を備えている。

電圧信号変換回路３は、電力系統１Ｓ，２Ｓ（Source側）のアナログ信号の系統電圧をデジタル信号の電圧信号に変換する。ＣＰＵ２は、演算部２１、制御部２２、メモリ２３を備える。

演算部２１は、電圧信号変換回路３からの電圧信号と電流センサ８からの電流信号とを入力し、電圧信号の電圧と電流信号の電流とを乗算することにより電力量を演算する。メモリ２３は、後述する接点閉時間Δｔ１を記憶する。

制御部２２は、第１制御部に対応し、メモリ２３から接点閉時間Δｔ１を読み出し、電流信号変換回路１０を介して電流センサ８から入力される接点電流に基づき接点電流のピーク値とピーク値の時刻を検出し、検出した時刻から接点閉時間Δｔ１だけ遅延させた後、励磁コイル５を駆動するための駆動信号を開閉器制御回路６に出力する。

電流センサ８は、電力系統１Ｓと負荷１Ｌとの間の電線９に設けられ、可動接点７ｂが固定接点７ａに対して閉動作している時に電力系統１Ｓから負荷１Ｌに流れる接点電流を検出する。電流センサ８としては、磁気センサやカレントトランス（ｃｔ）等がある。

電流信号変換回路１０は、電流センサ８で検出されたアナログ信号の電流信号をデジタル信号の電流信号に変換し、ＣＰＵ２に出力する。電源回路１１は、ＣＰＵ２と開閉器制御回路６に電源を供給する。

開閉器制御回路６は、ＣＰＵ２からの駆動信号に基づき駆動信号により開閉器４内の励磁コイル５を駆動する。

開閉器４は、ラッチングリレーからなり、励磁コイル５と、電力系統１Ｓと負荷１Ｌとの間に固定接点７ａと可動接点７ｂとが設けられ、可動接点７ｂが固定接点７ａに対して開閉することにより電力系統の電力の負荷１Ｌへの供給遮断を行う。

励磁コイル５に励磁電流を一方向に流すと、電磁力が発生して、電磁力により可動接点７ｂが固定接点７ａに対して閉動作する。一方、励磁コイル５に励磁電流を一方向とは逆方向に流すと、可動接点７ｂが固定接点７ａに対して開動作する。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る電力量計の開閉器開時（もしくは「開閉器が開状態」）の接点状態とSource側電圧の波形とLoad電流の波形を示す図である。図２（ａ）に示すように、可動接点７ｂが固定接点７ａに開動作している時には、負荷側で電力を消費する準備ができている状態であるとする。

負荷側の負荷は、電球（ランプ）である。図２（ｂ）に示すように、Source側の電圧は、商用周波数の交流電圧である。図２（ｃ）に示すように、Load電流は、流れていない。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る電力量計の開閉器が開状態から閉状態へと状態変化した時の接点状態とSource側電圧の波形とLoad電流の波形を示し一番大きな突入電流が発生する場合を示す図である。

図３（ａ）に示すように、可動接点７ｂが固定接点７ａに閉動作させた時、瞬時に負荷側のランプに電流が流れる。このとき、図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ１０において、Source側の電圧がピーク値又はピーク値近傍であるときに、可動接点７ｂが閉動作すると、図３（ｃ）に示すように、負荷に流れるLoad電流が大きな突入電流となる。大きな電流は、その後、振動しながら減衰していきいずれかのときに安定する。

図４は、開閉器においてSource側電圧の波形とLoad電流の波形を示し突入電流が小さい場合を示す図である。図４では、電圧がゼロ（ゼロクロス）の時刻ｔ１１に、可動接点７ｂが閉動作した場合である。図４の電流の方が図３の電流よりも突入電流が小さいので、電流が安定するまでの時間も短い。

突入電流によって接点は発熱しダメージを与える。可動接点７ｂの閉動作の度にダメージが蓄積し、接点がいずれ故障に至る。図３に示すような大きな突入電流の場合には、発生する熱量も大きいため、場合によっては、可動接点７ｂの１回の閉動作で接点が溶着し動作不能（故障）となってしまうこともある。

また、Load側の負荷にも同じ電流が流れているので、負荷にとっても良いことではなく部品劣化となる。

発生する熱による耐性を上げるためには、接点部分の材料や構造を強化するしかない。突入電流を抑制した閉動作制御が常に行えるなら、接点と負荷のダメージが軽減され、故障までの寿命（開閉回数）を延ばすことができる。

そこで、第１の実施形態に係る電力量計においては、制御部２２が、Source側の電圧（図５（ｂ）に示す電圧波形）のピーク値とピーク値の時刻ｔ０を検出し、検出した時刻から接点閉時間（ｔ１－ｔ０＝Δｔ１）だけ遅延させた時刻ｔ１に、励磁コイル５を駆動するための駆動信号（図５（ａ）に示すＣＰＵ２からの制御信号）を開閉器制御回路６に出力する。接点閉時間Δｔ１は、図５（ｂ）に示す電圧がゼロクロスで可動接点７ｂを閉動作させるための調整時間である。

開閉器制御回路６は、制御部２２からの駆動信号により励磁コイル５を駆動する。時刻ｔ１から電圧がゼロクロスする時刻ｔ２までの所定時間Δｔ２は、励磁コイル５に電流が流れて可動接点７ｂが閉動作する（接触する）までの時間である。所定時間Δｔ２は、開閉器４毎に概ね一定値である。

接点閉時間Δｔ１を考慮せずに可動接点７ｂの閉動作を制御した場合には、前述したように図３、図４のような突入電流となる。

これに対して、接点閉時間Δｔ１を制御して電圧のゼロクロスを狙って制御した場合には、図４に示すように突入電流の発生が抑制でき、これによって、接点へのダメージが抑制できる。

接点閉時間Δｔ１の開始時刻の基準については、図５（ｂ）に示すように電圧波形のピーク値としている。電圧波形は、様々な形となるため、電圧のピーク値を基準にした制御が好適である。

接点閉時間Δｔ１は、電圧のピーク値を検出した時刻と所定時間Δｔ２と電圧の周期とに基づき設定される。電力系統の交流電源の商用周波数が例えば５０Ｈｚとすると、図５（ｂ）に示す電圧波形の周期は、２０ｍｓである。周期が２０ｍｓであることから、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの時間は、３５ｍｓである。

所定時間Δｔ２は、開閉器４毎に概ね一定値で既知であることから、所定時間Δｔ２が例えば、２３ｍｓであるとすると、接点閉時間Δｔ１は、１２ｍｓとなる。

従って、ピーク値を検出した時刻ｔ０から１２ｍｓ遅延した時刻ｔ１に、駆動信号を励磁コイル５に出力すると、所定時間Δｔ２経過時の時刻ｔ２に可動接点７ｂが開動作し、その時に電圧がゼロクロスする。

従って、突入電流の発生が大幅に抑制でき、接点へのダメージが抑制できる。これにより、接点の信頼性及び寿命を向上させることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る電力量計について説明する。同じ種類の開閉器４を大量生産した場合に、開閉器４内の励磁コイル５の特性がばらつく。この場合には、時間Δｔ２は、一定値ではなく、励磁コイル５毎にばらつき、変化する。

しかし、第１の実施形態に係る電力量計のように、一定値の時間Δｔ２を用いて接点閉時間Δｔ１を設定すると、可動接点７ｂが閉動作した時に電圧がゼロクロスせず、突入電流の発生が抑制できない。

即ち、励磁コイル５に電流が流れて接点が動作するまでの時間Δｔ２にはバラツキがある。このため、第２の実施形態に係る電力量計では、統計的手法を用い、時間Δｔ２の平均時間とバラツキを加味して、時間Δｔ２を固定値に設定している。

あるメーカーの開閉器において、制御信号を受けてから接点が「閉」になるまでの時間（コイル励磁時間）を大量に測定したとき、その測定結果が正規分布に従うものと仮定する。平均時間=Δｔ２av, 標準偏差=σと仮定する。

第２の実施形態に係る電力量計では、複数個ｎの開閉器４－１～４－ｎの励磁コイル５－１～５－ｎの特性のばらつきにより、時間Δｔ２－１～Δｔ２－ｎもばらつくので、制御部２２が時間Δｔ２－１～Δｔ２－ｎの平均時間Δｔ２avを求める。平均時間Δｔ２avは、式（１）で求められる。
Δｔ２av=（Δｔ２－１＋Δｔ２－２＋Δｔ２－３…Δｔ２－ｎ）／ｎ …（１）
理想としては、ほぼすべての開閉器が電圧ゼロクロスの近辺で「閉」状態になることが望ましい。すなわち、図６に示す通りである。この場合、平均時間Δｔ２avを固定値としてメモリ２３に設定する。

制御部２２は、メモリ２３から読み出した平均時間Δｔ２avと電圧のピーク値を検出した時刻と電圧の周期とに基づき平均値化された接点閉時間Δｔ１avを設定する。

従って、ピーク値を検出した時刻から接点閉時間Δｔ１avだけ遅延した時刻に、駆動信号を励磁コイル５に出力すると、平均時間Δｔ２avの時間経過時に可動接点７ｂが閉動作し、その時に電圧がゼロクロス又はゼロクロス近傍になる。従って、突入電流の発生が大幅に抑制でき、接点へのダメージが抑制できる。これにより、接点の信頼性及び寿命を向上させることができる。

また、使用する開閉器の各々の個体に合わせて時間Δｔ２を設定する必要がなく、電力量計内蔵のメモリ２３で平均時間Δｔ２avを固定値として扱うため、電力量計の製造性が良い。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る電力量計について説明する。第２の実施形態に係る電力量計で説明したように、所定時間Δｔ２は、励磁コイル５毎にばらつく。

所定時間Δｔ２のバラツキが大きい場合、Δｔ２を固定値として扱うと一部開閉器が電圧ピークでの接点動作となり突入電流が増加し信頼性を損なうこととなる。図７に示す通りである。

このため、開閉器における所定時間Δｔ２を個別に測定し、その結果を電力量計内蔵のメモリ２３に保存し、制御時にメモリ２３から読み出して所定時間Δｔ２を用いる。

即ち第３の実施形態に係る電力量計では、制御部２２が、所定時間Δｔ２のばらつきに応じて、接点閉時間Δｔ１を変化させる制御を行う。

この制御方法は、開閉器毎の各々の励磁コイル５に電流を流し、各々の所定時間Δｔ２を測定し、測定された各々の所定時間Δｔ２をＣＰＵ２内のメモリ２３に記憶する。具体的には、複数個の開閉器４－１～４－ｎにおいて、励磁コイル５－１～５－ｎの特性のばらつきに対応付けした所定時間Δｔ２－１～Δｔ２－ｎをメモリ２３に記憶する。

次に、制御部２２は、開閉器４－１では、励磁コイル５－１の特性のばらつきに対応付けした所定時間Δｔ２－１をメモリ２３から読み出す。制御部２２は、所定時間Δｔ２－１と電圧のピーク値を検出した時刻と電圧の周期とに基づき接点閉時間Δｔ１－１を設定する。

また、制御部２２は、開閉器４－ｎでは、励磁コイル５－ｎの特性のばらつきに対応付けした所定時間Δｔ２－ｎをメモリ２３から読み出す。制御部２２は、所定時間Δｔ２－ｎと電圧のピーク値を検出した時刻と電圧の周期とに基づき接点閉時間Δｔ１－ｎを設定する。

このように第３の実施形態に係る電力量計によれば、制御部２２が、励磁コイル５の特性のばらつきに対応した所定時間と電圧のピーク値を検出した時刻と電圧の周期とに基づき接点閉時間を設定する。

従って、励磁コイル５の特性がばらついても可動接点７ｂが閉状態となったときに電圧がゼロ又はゼロ近傍にすることができる。これにより、突入電流の発生が大幅に抑制でき、接点へのダメージが抑制でき、接点の信頼性及び寿命を向上させることができる。また、開閉器のバラツキを気にしなくて済むので、精度良い接点閉制御が行える。

１ 電力量計
２ ＣＰＵ
３ 電圧信号変換回路
４ 開閉器
５ 励磁コイル
６ 開閉器制御回路
７ａ 固定接点
７ｂ 可動接点
８ 電流センサ
９ 電線
１０ 電流信号変換回路
１１ 電源回路
２１ 演算部
２２ 制御部
２３ メモリ

Claims (6)

1. 電力系統と負荷との間に固定接点と可動接点が設けられ、励磁コイルへの電流の供給又は遮断により前記可動接点が前記固定接点に対して開動作と閉動作することにより前記電力系統の電力の前記負荷への供給遮断を行う電力量計の開閉器の制御方法であって、
   前記電力系統の電圧のピーク値を検出し、
   制御部が前記電圧のピーク値の時刻を検出し、前記電力系統の電圧のピーク値を検出した時刻から前記可動接点を閉動作させる接点閉時間だけ遅延させた時刻に、前記可動接点を閉動作させる駆動信号を開閉器制御回路に出力し、
   前記開閉器制御回路が前記駆動信号を前記励磁コイルに出力した時刻から所定時間経過した時刻に前記可動接点が閉状態となったときに前記電力系統の電圧をゼロ又はゼロ近傍にすることを特徴とする電力量計の開閉器の制御方法。
2. 前記所定時間は、前記開閉器毎に予め定められた一定値であり、前記接点閉時間は、前記ピーク値を検出した時刻と前記所定時間と前記電圧の周期とに基づき設定されることを特徴とする請求項１記載の電力量計の開閉器の制御方法。
3. 前記励磁コイルの特性のばらつきに対応付けした前記所定時間をメモリに記憶し、
   前記制御部は、前記所定時間を前記メモリから読み出し、読み出した前記所定時間と電圧のピーク値を検出した時刻と電圧の周期とに基づき前記接点閉時間を設定することを特徴とする請求項１記載の電力量計の開閉器の制御方法。
4. 電力系統と負荷との間に固定接点と可動接点が設けられ、励磁コイルへの電流の供給又は遮断により前記可動接点が前記固定接点に対して開動作と閉動作することにより前記電力系統の電力の前記負荷への供給遮断を行う開閉器を備えた電力量計であって、
   前記電力系統の電圧のピーク値を検出する電圧検出部と、
   前記電圧のピーク値の時刻を検出し、検出したピーク値の時刻から前記可動接点を閉動作させる接点閉時間だけ遅延させた時刻に、前記可動接点を閉動作させる駆動信号を開閉器制御回路に出力する制御部と、を備え、
   前記開閉器制御回路が前記駆動信号を前記励磁コイルに出力した時刻から所定時間経過した時刻に前記可動接点が閉状態となったときに前記電力系統の電圧をゼロ又はゼロ近傍にすることを特徴とする電力量計。
5. 前記所定時間は、前記開閉器毎に予め定められた一定値であり、前記接点閉時間は、前記ピーク値を検出した時刻と前記所定時間と前記電圧の周期とに基づき設定されることを特徴とする請求項4記載の電力量計。
6. 前記励磁コイルの特性のばらつきに対応付けした前記所定時間を記憶するメモリを備え、
   前記制御部は、前記所定時間を前記メモリから読み出し、読み出した前記所定時間と電圧のピーク値を検出した時刻と電圧の周期とに基づき前記接点閉時間を設定することを特徴とする請求項4記載の電力量計。

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