JP7293031B2 - 三相３線式配電システム - Google Patents

Description

本発明は、低圧の電気の供給を受ける店舗、小規模事務所等において、系統の電力を三相交流電力が供給される三相負荷部と単相交流電力が供給される単相負荷部とに配電する三相３線式配電システムに関する。

契約電力が５０ｋＷ未満の低圧電力を受ける店舗、飲食店、小規模事務所、小規模工場等においては、電力会社からの電力は室内の照明器具等に使用されるとともに、業務用エアコン、大型冷蔵庫、工作機械等にも使用されている。ここで、特許文献１にも記載されているように、照明器具等の電灯系の小さな負荷に対しては、単相３線式の１００Ｖあるいは２００Ｖの交流電源が使用され、図５(a)に示すように、系統１０からの単相３線式の電力は、電力計１１、契約ブレーカ１２、保安ブレーカ１３を通して、単相交流が使用される単相負荷部３８に供給される。一方、電動機が使用される業務用エアコン等の動力系の大きな負荷に対しては電気エネルギが大きいことから、三相３線式の２００Ｖの電源が使用され、図５(b)に示すように、系統１０からの三相３線式の電力は、電力計１１、契約ブレーカ１２、保安ブレーカ１３を通して、三相交流が使用される三相負荷部２１に供給される。

特開２０１７－７３９２７号公報

前述のように、低圧受電の店舗等においては、用途、使用機器の種類に応じて、単相３線式及び三相３線式の２種類の電力が使用されている。これに伴い、電力会社に支払われる電気料金も電灯系と動力系との２種類が設定されている。

ここで、電気料金は、基本料金、電力量料金等を加算して算出され、このうち基本料金は、一般に、単相３線式の電力の場合、三相３線式の電力に比べて安価である一方、電気料金のうちの電力量料金は、単相３線式の電力の場合、三相３線式の電力に比べて割高となっている。このため、電力の使用量によっては、単相負荷部に対しても系統から三相３線式の電力を供給することで電気料金を低減することが考えられる。

そこで、本発明は、三相３線式の電力と単相３線式の電力とが使用される店舗、小規模事務所等において、三相３線式の電力を利用することにより電気料金を低減できる三相３線式配電システムの提供を課題とするものである。

請求項１に係る三相３線式配電システムは、系統の三相３線式の電力を利用して、三相交流が送られる三相負荷部と単相交流が送られる単相負荷部とに配電するためのものであって、前記電力を前記三相負荷部に供給する三相配電部と、当該三相配電部にスイッチ要素を介して接続され、前記電力の一部を前記単相負荷部に供給する単相配電部と、前記スイッチ要素の開閉を制御する制御機器と、を備え、更に、前記単相配電部は、前記スイッチ要素よりも前記単相負荷部側に、当該単相負荷部に電力を供給する蓄電池を備えている。

加えて、請求項１に係る三相３線式配電システムは、スイッチ要素が、三相負荷部の使用電力量が規定値を超えたときに開状態に切り換えられる。

本発明は、系統の三相３線式の電力を三相負荷部に加えて単相負荷部にも利用する。このため、電気料金は、三相３線式の電気料金に一本化して契約できるとともに、三相３線式の電力量料金は、従来単相負荷部に利用していた単相３線式の電力量料金より一般に安価であることから、単相負荷部に係る電力量料金を低減でき、更に全体としての電気料金を低減することが可能となる。

また、三相配電部及び単相配電部において系統から供給される電力に余力が生じたときは、その余力の電力は単相配電部の蓄電池に蓄えられ、蓄電された電力が必要時に単相負荷部に放出される。このため、蓄電池に蓄電された電力を単相負荷部に利用することにより、その分系統から買電する電力量を減らすことができる。その結果、これによっても電気料金を低減することができる。

本発明の第一実施形態の三相３線式配電システムを示す電気回路図であり、切換開閉器がＯＮの状態を示す。 図１の三相３線式配電システムを示す電気回路図であり、切換開閉器がＯＦＦの状態を示す。 本発明の第二実施形態の三相３線式配電システムを示す電気回路図であり、切換開閉器がＯＮの状態を示す。 図３の三相３線式配電システムを示す電気回路図であり、切換開閉器がＯＦＦの状態を示す。 従来の電力使用の構成を示す電気回路図であり、(a)は単相３線式の交流の場合を示し、(b)は三相３線式の交流の場合を示す。

以下、本発明の実施形態の三相３線式配電システムを図に基づいて説明する。本実施形態では、店舗、飲食店において、三相３線式の電力が動力系の三相負荷部である業務用エアコンに使用されるとともに、単相３線式の電力が電灯系の単相負荷部である室内照明器具に使用される場合の配電システムを例示する。

〈第一実施形態〉
図１及び図２に示す三相３線式配電システム１は、系統１０の三相３線式の電力を利用して、三相交流が送られる三相負荷部２１と単相交流が送られる単相負荷部３８とに配電するための配電システムであって、電力を三相負荷部２１に供給する三相配電部２０と、三相配電部２０にスイッチ要素としての切換開閉器３１を介して接続され系統１０の三相３線式の電力の一部を単相負荷部３８に供給する単相配電部３０と、切換開閉器３１の開閉を制御する制御機器３５と、を備え、更に、単相配電部３０は、切換開閉器３１よりも単相負荷部３８側に、単相負荷部３８に電力を供給する蓄電池３４を備えている。切換開閉器３１は、三相負荷部２１の使用電力量に応じて開閉する。

ここで、三相交流は、３系統の単相交流を電流または電圧の位相を互いにずらして組み合わせた交流である。三相交流は、主に交流電動機の駆動に用いられ、いわゆる動力負荷に使用される。単相交流は、照明器具などのいわゆる電灯負荷に用いられ、比較的小さな電気器具に電気を送る際に使用される。以下、各構成部材について詳細に説明する。

図１及び図２において、系統１０からは三相３線式の２００Ｖの交流電力が出力される。系統１０側には、 系統１０からの電力を計測する電力計１１、契約値１５０Ａで作動する契約ブレーカ１２及び上限値１５０Ａで作動する保安ブレーカ１３が設けられている。系統１０からの電力は、電力計１１によって計測された後、契約ブレーカ１２及び保安ブレーカ１３を経て負荷側に出力される。契約ブレーカ１２は契約値以上の電流が流れると、ブレーカが落ちて通電が遮断される。保安ブレーカ１３は、漏電を防止し、安全を確保するためのものであり、上限値以上の電流が流れると、ブレーカが落ちて通電が遮断される。保安ブレーカ１３を流れた三相３線式の２００Ｖの交流電力は、業務用エアコンなどの三相負荷部２１に供給される。保安ブレーカ１３から三相負荷部２１に至る間は三相配電部２０を構成している。

一方で、保安ブレーカ１３と三相負荷部２１との間には電気回路が分岐しており、系統１０からの電力は照明器具等の単相負荷部３８にも供給されている。分岐箇所から単相負荷部３８に至る間は単相配電部３０を構成している。単相配電部３０において分岐箇所からの最初の位置にはスイッチ要素としての切換開閉器３１が設けられている。切換開閉器３１は、系統１０からの交流の入力をＯＮ（接続状態）とＯＦＦ（遮断状態）とに切り換える。切換開閉器３１がＯＮの状態のときは、系統１０側からの交流は、三相配電部２０を通して三相負荷部２１に流される他、単相配電部３０を通して単相負荷部３８にも流される。切換開閉器３１がＯＦＦの状態のときは、系統１０側からの交流は、単相負荷部３８側への通電が遮断され、三相負荷部２１のみに流される。切換開閉器３１は、別途に設けられた制御機器３５により開閉が制御される。

分岐回路の切換開閉器３１より単相負荷部３８側にはＡＣ／ＤＣコンバータ３２が設けられており、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２は交流を直流に変換する。更に、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２より単相負荷部３８側には一旦直流に変換された電流を再度交流に戻すＤＣ／ＡＣインバータ３３が設けられている。このようにＡＣ／ＤＣコンバータ３２及びＤＣ／ＡＣインバータ３３を設けたのは直流が入出する後述の蓄電池３４を単相配電部３０に設置するためである。

ＡＣ／ＤＣコンバータ３２とＤＣ／ＡＣインバータ３３との間には蓄電池３４が設置されている。蓄電池３４は、系統１０から三相負荷部２１に供給される三相３線式の電力の一部である余剰分が分岐により単相配電部３０側に回されてきた分の一部を受け入れて蓄電し単相負荷部３８に給電するためのものであり、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２で変換された直流の一部を充電し、単相負荷部３８側に放電する。蓄電池３４の蓄電量は、例えば１５０Ａの電流を単相負荷部３８に２時間供給できる程度の容量を備えたものが用いられている。

蓄電池３４より単相負荷部３８側に設けられたＤＣ／ＡＣインバータ３３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２から流れてきた直流及び蓄電池３４から放電された直流を単相３線式の１００Ｖあるいは２００Ｖの交流に変換する。ＤＣ／ＡＣインバータ３３と単相負荷部３８との間には保安ブレーカ３７が設置されている。

切換開閉器３１の周辺には制御機器３５が設置されており、制御機器３５は、三相負荷部２１の使用電力量を計測する機能を一体に備えていて、それにより計測された使用電力量に応じて切換開閉器３１の開閉制御を行なっている。すなわち、制御機器３５は、三相負荷部２１の使用電力量が規定値を超えたとき、切換開閉器３１をＯＦＦの遮断状態に切り換える。すると、系統１０側からの電力は三相配電部２０のみに入力される。規定値は、電力の需要家毎の使用状態により異なるが、各需要家の使用状態に即して、例えば定格１５０Ａの９０％の電力量に設定される。一方、制御機器３５は、規定値以上にあった三相負荷部２１の使用電力量が規定値より低下したときには、切換開閉器３１をＯＮの接続状態に切り換える。三相負荷部２１の使用電力量が規定値より小さいとき、あるいは、規定値以上にあった三相負荷部２１の使用電力量が規定値より低下したときは、系統１０側からの電力は単相配電部３０にも供給され、一部は蓄電池３４にも入力される。なお、規定値以上にあった三相負荷部２１の使用電力量がその後に低下して切換開閉器３１がＯＮの接続状態に切り換わるときの値としては前記規定値と異なる値を設定してもよい。

蓄電池３４の周辺にはＢＭＵ（バッテリモニタリングユニット）３６が設けられており、ＢＭＵ（バッテリモニタリングユニット）３６は蓄電池３４の残容量、温度等の情報を取得し、その情報を表示する。

次に、このように構成された本実施形態の三相３線式配電システム１における電力の流れを説明する。
電力の使用中、制御機器３５は、三相負荷部２１の使用電力量を監視し、切換開閉器３１の切り換えを制御している。

今、三相負荷部２１での使用電力量が規定値以下であって切換開閉器３１がＯＮの状態にあるとすると、系統１０からの三相３線式の電力は、図１に示すように、三相３線式の配線からなる三相配電部２０を通して三相負荷部２１に供給されるとともに、分岐する単相３線式の配線からなる単相配電部３０にも送られる。系統１０側から三相配電部２０に送出された三相３線式の交流の電力は、そのまま直接に三相負荷部２１に供給されて使用される。

一方、系統１０側から単相配電部３０に送出された三相３線式の交流の電力は、切換開閉器３１を経てＡＣ／ＤＣコンバータ３２に送られ、ここで直流に変換される。直流に変換された電力は、ＤＣ／ＡＣインバータ３３により再度単相３線式の交流に変換され、保安ブレーカ３７を通して単相負荷部３８に送出される。これとともに、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２で直流に変換された電力の一部は、蓄電池３４にも送られてここに蓄電される。ここで蓄電された電力は、蓄電池３４の残容量に応じてＤＣ／ＡＣインバータ３３を介して単相負荷部３８側に放電される。

ここで、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２から送出された直流が蓄電池３４に送られて充電される割合は、単相負荷部３８で必要とされる要求量や蓄電池３４の残容量によって自然と変化する。また、一旦蓄電池３４に蓄えられた後に放電される量も同様に、単相負荷部３８の要求量や蓄電池３４の残容量によって自然と変化する。すなわち、これらの蓄電池３４への充放電量は、単相負荷部３８の要求量や蓄電池３４の残容量に応じて常に変動するとともに、特別の制御手段を要することなく、一連の電力の流れにおいて自然に変化する。

ＡＣ／ＤＣコンバータ３２で変換されて直接単相負荷部３８側に流れる直流、及び蓄電池３４から放電された直流は、ＤＣ／ＡＣインバータ３３に入力されて単相３線式の交流に変換され、保安ブレーカ３７を通って単相負荷部３８に供給される。

一方、三相負荷部２１に供給される電力量は、通常は、大幅に少なく定格１５０Ａの１０％程度であることが多いが、ときに、三相負荷部２１での電力供給の需要が高まって三相負荷部２１に供給される電力量が規定値を超えることがあり、そのときは、図２に示すように、制御機器３５により切換開閉器３１はＯＦＦの状態に切り換えられ、それにより、系統１０からの交流は切換開閉器３１で遮断される。以後は、系統１０からの三相３線式の交流の電力は、三相配電部２０のみに配電され、単相負荷部３８への電力は蓄電池３４から放電される電力のみによって賄われる。

次に、本実施形態の三相３線式配電システム１の作用を説明する。
本発明は、系統１０の三相３線式の電力を、三相配電部２０を通して三相負荷部２１に供給することに加え、途中から分岐している単相配電部３０を通して単相負荷部３８にも供給している。これにより、電気料金は、三相３線式の電気料金に一本化して契約できるとともに、単相配電部３０にも三相３線式の電気料金が適用される。ここで、電気料金のうちの電力量料金は、一般に、三相３線式の電力の方が単相３線式の電力より安価である。このため、単相負荷部３８の電力量料金は、従来、単相配電部３０で単相３線式の電力を使用していた場合に比べて安価になるので、全体としての電気料金を低減することも可能となる。

また、三相負荷部２１及び単相負荷部３８で使用される電力は常に変動するところ、三相配電部２０及び単相配電部３０において系統１０から供給される電力に余力が生じたときは、その余力の電力は蓄電池３４に蓄えられ、必要時には単相負荷部３８側に放出される。これにより、蓄電池３４に蓄電された電力を単相負荷部３８に利用することにより、その分系統１０から買電する電力量は減少する。その結果、これによっても電気料金は低減される。

〈第二実施形態〉
次に、第二実施形態の三相３線式配電システムを図３及び図４に基づいて説明する。
第二実施形態の三相３線式配電システム２は、第一実施形態の三相３線式配電システム１と比較して、切換開閉器３１の開閉条件のみが異なる。
第一実施形態の三相３線式配電システム１の切換開閉器３１の開閉制御は、三相負荷部２１の使用電力量に応じて行なわれるのに対し、第二実施形態の三相３線式配電システム２の切換開閉器３１の開閉制御は、蓄電池３４の残容量に応じて行なわれる。

図３及び図４に示す第二実施形態の三相３線式配電システム２において、切換開閉器３１の周辺に設置された制御機器３５は、蓄電池３４の残容量に応じて切換開閉器３１の開閉制御を行なう。すなわち、制御機器３５は、蓄電池３４の残容量が下限値以下になると、切換開閉器３１をＯＮの接続状態に切り換える。一方、制御機器３５は、蓄電池３４の残容量が上限値を超えたとき、切換開閉器３１をＯＦＦの遮断状態に切り換える。

制御機器３５の周辺にはＢＭＵ（バッテリモニタリングユニット）３６が設けられており、ＢＭＵ（バッテリモニタリングユニット）３６は蓄電池３４の残容量、温度等の情報を取得し、その情報を表示する。

この三相３線式配電システム２における電力の流れを説明する。
電力の使用中、制御機器３５は、ＢＭＵ（バッテリモニタリングユニット）３６で取得される蓄電池３４の残容量、温度等の情報を監視し、切換開閉器３１の切り換えを制御している。

今、ＢＭＵ（バッテリモニタリングユニット）３６で監視された蓄電池３４の残量量が下限値に達して切換開閉器３１がＯＮの状態にあるとすると、第一実施形態の三相３線式配電システム１の場合と同様にして、系統１０からの三相３線式の電力は、図３に示すように、三相３線式の配線からなる三相配電部２０を通して三相負荷部２１に供給されるとともに、分岐する単相３線式の配線からなる単相配電部３０にも送られ、一部は蓄電池３４にも入力される。

一方、ＢＭＵ（バッテリモニタリングユニット）３６の監視により、蓄電池３４の残容量が上限値になると、制御機器３５により切換開閉器３１はＯＦＦの状態に切り換えられ、ＯＦＦの状態に切り換えられると、第一実施形態の三相３線式配電システム１の場合と同様にして、系統１０からの交流は切換開閉器３１で遮断される。以後は、系統１０からの三相３線式の交流の電力は、図４に示すように、三相配電部２０のみに配電され、単相負荷部３８への電力は蓄電池３４から放電される電力のみによって賄われる。

ところで、上記第一実施形態において、制御機器３５は、三相負荷部２１の使用電力量を計測する機能を一体に備え、計測された使用電力量に応じて切換開閉器３１の開閉制御を行なっているが、三相負荷部２１の使用電力量の計測は、制御機器３５とは別体に設けた計測器、計測手段により行なってもよい。

また、上記各実施形態において、蓄電池３４は、系統１０から三相負荷部２１に供給される三相３線式の電力の一部である余剰分を切換開閉器３１を経て単相負荷部３８に供給しその一部を入力することにより充電されるが、本発明を実施する場合には、これによる充電に加え、別途に、太陽光発電装置などの自家発電設備を設置し、この設備からも蓄電池３４に充電するものとしてもよい。

なお、上記実施形態のＤＣ／ＡＣインバータ３３は、直流を単相３線式の交流に変換しているが、これに限られるものではなく、単相２線式の交流に変換するものであってもよい。この場合、単相負荷部３８には１００Ｖの電力が供給される。

また、上記実施形態では、系統１０側の契約ブレーカ１２及び保安ブレーカ１３の上限値として１５０Ａが設定され、また、単相負荷部３８側の保安ブレーカ３７の上限値として１５０Ａが設定されているが、本発明を実施する場合には、契約ブレーカ１２等の上限値は、これらの電流値に限られないことは言うまでもない。

加えて、上記実施形態では、店舗、飲食店において、三相３線式の電力が動力系の三相負荷部２１である業務用エアコンに使用されるとともに、単相３線式の電力が電灯系の単相負荷部３８である室内照明器具に使用される場合の配電システムを例示しているが、本発明の三相３線式配電システムは、他に、小規模事務所、小規模工場等において、三相３線式の電力が動力系の三相負荷部２１である各種電動機、大型冷蔵庫、工作機械等に使用され、単相３線式の電力が電灯系の単相負荷部３８であるパーソナルコンピュータのモニタ等に使用される場合にも同様に適用される。

１、２ 三相３線式配電システム ３１ 切換開閉器（スイッチ要素）
１０ 系統 ３４ 蓄電池
２０ 三相配電部 ３５ 制御機器
２１ 三相負荷部 ３８ 単相負荷部
３０ 単相配電部

Claims (1)

1. 系統の三相３線式の電力を利用して、三相交流が送られる三相負荷部と単相交流が送られる単相負荷部とに配電するための三相３線式配電システムであって、
   前記電力を前記三相負荷部に供給する三相配電部と、
   当該三相配電部にスイッチ要素を介して接続され前記電力の一部を前記単相負荷部に供給する単相配電部と、
   前記スイッチ要素の開閉を制御する制御機器と、
   を備え、
   更に、前記単相配電部は、前記スイッチ要素よりも前記単相負荷部側に、当該単相負荷部に電力を供給する蓄電池を備え、
   前記スイッチ要素は、前記三相負荷部の使用電力量が規定値を超えたときに開状態に切り換えられることを特徴とする三相３線式配電システム。

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