JPWO2012060207A1 - 電源装置およびコントローラ - Google Patents

Abstract

できるだけ精確に入力電力を測定するために、電源装置（１０）は、交流の商用電源から直流の内部電源を生成するＡＣ／ＤＣ変換器（１１）と、内部電源の出力電圧を測定する出力電圧測定部（１２）と、内部電源の出力電流を測定する出力電流測定部（１３）と、自電源装置の環境温度を測定する温度測定部（１４等）と、ＡＣ／ＤＣ変換器（１１）の変換効率ηと環境温度との対応付けを記録した変換効率データ（１１１）を予め記憶する記憶装置（１６）と、温度測定部による環境温度の測定値と変換効率データ（１１１）とに基づいて変換効率ηを求め、求めた変換効率ηと、出力電圧測定部（１２）による出力電圧の測定値と、出力電流測定部（１３）による出力電流の測定値と、を用いて商用電源の入力電力を算出する演算部（１７）と、を備える。

Description

本発明は、ＡＣ／ＤＣ変換器を有する電源装置およびＡＣ／ＤＣ変換器を有するコントローラに関する。

一般に、産業用機器の制御を行うプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）には、商用の交流電源をＡＣ／ＤＣ変換して直流の内部電源を生成する電源ユニット（電源装置）が搭載される。かかる電源ユニットには、省エネ運転に関する監視、異常の発見などのための解析に供するために、電力監視を行う機能が搭載されているものがある。例えば特許文献１には、入力電圧、入力電流、出力電圧、出力電流、電源ユニット内の温度などを計測して出力する電源ユニットに関する技術が開示されている。

しかしながら、入力電力を直接的に計測しようとすると、計器用変圧器（ＶＴ）や変流器（ＣＴ）などの大型かつ高価な部品を搭載する必要が生じ、製品流通上の不利を招く。

この問題に対して、特許文献２に開示されている技術には、出力電圧および出力電流を計測し、計測した出力電圧および出力電流と予め測定して得たＡＣ／ＤＣ変換の変換効率（以下、単に効率ということもある）とを用いて入力電力を算出する技術が開示されている。当該技術によれば、出力電力と効率とから間接的に入力電力を求めるようにしているので、上述の部品を必要としない。

特開２００６−２９４００７号公報 特開２００６−１８４０６３号公報

しかしながら、効率は温度に応じて大きく変化するため、上記特許文献２の技術では入力電力を精確に求めることができないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、できるだけ精確に入力電力を測定することができる電源装置およびコントローラを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、交流の商用電源を入力とし、直流電源を生成して出力するＡＣ／ＤＣ変換器と、前記ＡＣ／ＤＣ変換器が出力した直流電源の出力電圧を測定する出力電圧測定部と、前記ＡＣ／ＤＣ変換器が出力した直流電源の出力電流を測定する出力電流測定部と、環境温度を測定する温度測定部と、前記ＡＣ／ＤＣ変換器の変換効率ηと前記環境温度との対応付けを記録した変換効率データを予め記憶する記憶装置と、前記温度測定部による環境温度の測定値と前記変換効率データとに基づいて変換効率ηを求め、前記求めた変換効率ηと、前記出力電圧測定部による出力電圧の測定値と、前記出力電流測定部による出力電流の測定値と、を用いて前記ＡＣ／ＤＣ変換器へ入力された商用電源の入力電力を算出し、前記算出した入力電力を出力する演算部と、を備えることを特徴とする。

本発明にかかる電源装置は、ＡＣ／ＤＣ変換器の変換効率ηと環境温度との対応付けを記録した変換効率データを予め記憶しておき、環境温度を測定し、測定した環境温度と変換効率データとに基づいて変換効率ηを求め、求めた変換効率ηを用いて入力電力を算出するようにしたので、できるだけ精確に入力電力を測定することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１のＰＬＣの構成例を示す図である。 図２は、効率ηの温度依存性の一例を説明する図である。 図３は、力率φの温度依存性の一例を説明する図である。 図４−１は、温度センサの実施の形態１の配置例を説明する図である。 図４−２は、温度センサの実施の形態１の配置例を説明する図である。 図５は、入力電圧検出信号生成部の詳細な構成を説明する図である。 図６は、入力電圧波、全波整流波、および入力電圧検出信号の波形を説明する図である。 図７は、入力電圧算出用データのデータ構造例を示す図である。 図８は、実施の形態１の演算部の機能部を説明する図である。 図９は、実施の形態１の電源ユニットが入力電流等を算出する動作を説明する図である。 図１０は、実施の形態２の電源ユニットの実施の形態１と異なる構成を説明する図である。 図１１は、実施の形態３の電源ユニットの実施の形態１と異なる構成を説明する図である 図１２−１は、温度センサの実施の形態４の配置例を説明する図である。 図１２−２は、温度センサの実施の形態４の配置例を説明する図である。

以下に、本発明にかかる電源装置およびコントローラの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる実施の形態１のＰＬＣの構成例を示す図である。図示するように、ＰＬＣ１は、産業用機器を制御するＰＬＣ１の動作を統括的に制御するＣＰＵユニット２０、ＰＬＣ１にネットワーク接続機能を付与するためのサブユニットであるネットワークユニット３０、ＣＰＵユニット２０とサブユニットとの間でデータ転送を行うためのＰＬＣバス４０、および交流の商用電源から各構成要素（ＣＰＵユニット２０、ネットワークユニット３０、ＰＬＣバス４０）を駆動する直流の内部電源を生成する電源ユニット１０とを備えている。なお、実際には、ＰＬＣバス４０は上述の３つのユニットとは異なるベースユニットと呼ばれる別のユニットに内蔵されており、このベースユニットに電源ユニット１０、ＣＰＵユニット２０およびネットワークユニット３０を装着することによってＰＬＣ１が構成される。なお、ベースユニットは、詳しく説明しないが、ネットワークユニット３０のほかにも種々の機能を有するサブユニットが装着されるようになっており、目的に合わせて所望のサブユニットが選択されて装着される。

本発明の実施の形態１では、電源ユニット１０は、商用電源からの入力電流、入力電圧および入力有効電力（入力電力）と、内部電源としての出力電圧および出力電流と、電源ユニット１０内の平均温度（装置内温度）と、ＰＬＣ１の周囲の温度（装置周囲温度）と、変換効率ηと、力率φとを出力する（以降、以上に列挙した出力情報を入力電流等と総称する）。ＰＬＣ１は、ネットワークユニット３０を介して外部機器としての他のＰＬＣ２が接続され、ＣＰＵユニット２０にデバイスメモリの中身を表示する等の機能を備える外部機器としてのプログラマブル表示器３が接続されている。電源ユニット１０が出力した入力電流等はいったんＣＰＵユニット２０に送られた後、プログラマブル表示器３から監視することができる。また、ＣＰＵユニット２０に送られた入力電流等はＰＬＣバス４０およびネットワークユニット３０を介して他のＰＬＣ２から監視することができる。

電源ユニット１０は、ＶＴやＣＴなど大型で高価な部品を使用することなく入力電流を求めるために、入力電流を直接測定するのではなく、出力電流および出力電源を測定し、測定したこれらの値と効率ηおよび力率φとから以下の関係式を用いて入力電力および入力電流を求める。
入力電力＝出力電圧×出力電流／効率η （１）
入力電流＝入力電力／（入力電圧×力率φ） （２）

ここで、電源ユニット１０の効率ηおよび力率φは、環境温度に応じて変化する。図２は、効率ηの温度依存性の一例を説明する図であり、図３は力率φの温度依存性の一例を説明する図である。図２および図３の横軸は電流ｉを示している。これらの図に示すように、効率ηは温度が高いほど大きくなり、力率φは温度が低いほど大きくなる特性を有している。本発明の実施の形態１では、できるだけ精確に入力電力および入力電流を求めるために、効率ηと環境温度（および電流）との対応関係を記述したデータ（変換効率データ１１１）および力率φと環境温度（および電流）との対応関係を記述したデータ（力率データ１１２）とを記憶しており、電源ユニット１０は上式（１）および（２）に適用する効率ηおよび力率φをこれらのデータに基づいて求めるようにした。なお、変換効率データ１１１および力率データ１１２に記述されている対応関係において、環境温度は装置周囲温度、電流は出力電流が夫々採用されている。

図１に戻り、電源ユニット１０は、ＡＣ／ＤＣ変換器１１、出力電圧測定部１２、負荷電流測定部１３、温度センサ１４、入力電圧検出信号生成部１５、記憶装置１６、演算部１７、通信インタフェース（Ｉ／Ｆ）１８、および表示部１９を備えている。

ＡＣ／ＤＣ変換器１１は、入力された商用電源を内部電源に変換する。なお、本図では、わかりやすくするために、商用電源の入力を入力電流と入力電圧とに分けて描画しており、内部電源の出力を出力電流と出力電圧とに分けて描画している。内部電源はＣＰＵユニット２０、ＰＬＣバス４０、およびネットワークユニット３０に供給される。

出力電圧測定部１２は、ＡＣ／ＤＣ変換器１１からの出力電圧を測定し、測定した出力電圧のアナログ測定値を演算部１７に送る。負荷電流測定部１３は、ＡＣ／ＤＣ変換器１１からの出力電流、すなわちＣＰＵユニット２０等で消費された電流の合計である負荷電流を測定し、測定した負荷電流のアナログ値を演算部１７に送る。負荷電流測定部１３は、例えば小さな負荷抵抗を電流が出力される配線上に介挿して当該負荷抵抗の両端にかかる電圧を測定するなど、簡易な方法で電流を測定することができる。

温度センサ１４は、例えば熱電対やサーミスタにより構成される。一般に、電源装置（スイッチングレギュレータを含む）の損失は、概ねスイッチング素子によるが、その他装置内部品（ＦＥＴ、ダイオード、シャント抵抗、ダミー抵抗、ＬＣフィルタ、スナバ回路、トランス、ブリッジダイオードなど）でも多数損失要因が存在し、しかも部品毎に温度依存性がある。つまり、電源装置内の温度は測定箇所によっておおきくばらつく。したがって、電源装置の効率η（＝１００−装置全体の総損失［％］）を求めるためには、スイッチング素子のような部分的な温度測定ではなく、電源装置全体の温度を精度よく求める必要がある。ここでは、温度センサ１４は電源ユニット１０内の複数ポイントに配設され、各ポイントの温度検出値の平均を求める。そして、電源ユニット１０の装置内温度を当該平均温度で代表させる。

図４−１および図４−２は、ともに温度センサ１４の配置例を説明する図である。図４−１は電源ユニット１０内の基板部品面を上面からみた図であり、図４−２は電源ユニット１０の内部の斜視図である。ＰＬＣ１は、基板部品面が制御盤に平行になるように設置され、結果として図４−２に示すように基板部品面の垂線が地面にたいして平行になる。図４−２の上面、下面および左面には、熱を排出するための通風孔が設けられており（図示せず）、主に対流によって下面から上面から抜ける空気によって基板上の各部品が冷却される。したがって、上面に近いほど温度が高くなる。精度よく装置内温度を測定するために、図４−２の上下方向に３つの温度センサ１４が等間隔に設けられている。また、図４−１に示すように図４−２の前後方向にも夫々３つずつ温度センサ１４が等間隔に設けられており、基板部品面には合計９個の温度センサ１４が設けられている。装置内温度は、これらの９個の温度センサ１４による検出値を平均することにより求められる。

なお、変換効率データ１１１および力率データ１１２を作成する際、装置内温度毎に効率ηおよび力率φを測定するよりも、装置周囲温度毎に測定するほうが簡単である。そこで、変換効率データ１１１および力率データ１１２は、前述のように、夫々、環境温度として装置周囲温度を採用し、効率η、力率φを求めるための装置周囲温度は装置内温度から推定するものとする。装置周囲温度を算出するための構成については後ほど明らかになる。

入力電圧検出信号生成部１５は、入力電圧を算出するために用いられる入力電圧検出信号を生成する。図５は、入力電圧検出信号生成部１５のさらに詳細な構成を説明する図である。図示するように入力電圧検出信号生成部１５は、ＡＣ入力検出回路１２１とフォトカプラなどにより構成される信号絶縁回路１２２とを備えている。ＡＣ入力検出回路１２１は、入力電圧を検出し、検出した交流の入力電圧波をダイオードブリッジなどにより全波整流波に整流し、さらに当該全波整流波の大きさを調整して信号絶縁回路１２２に入力する。信号絶縁回路１２２は、入力された全波整流波からパルス信号を生成し、生成したパルス信号を入力電圧検出信号として出力する。これにより、入力電圧検出信号生成部１５は、ＡＣ入力検出回路１２１による調整比率と信号絶縁回路１２２がパルス波形の立ち上がりを出力するしきい値とにより決まる電圧値Ｖをしきい値とし、入力電圧の波形の振れ幅がしきい値Ｖを越えたときにＯＮとなるパルス信号を出力することになる。

図６は、入力電圧波、全波整流波、および入力電圧検出信号の波形を説明する図である。図示するように、入力電圧波の振幅をＶａ、周波数をＦ、入力電圧波が０からＶまで上昇するまでの時間をＴ、入力電圧検出信号のＯＦＦ時間をＴｏｆｆ、入力電圧検出信号の周期をＦｂとすると、以下の関係が成り立つ。なお、前述したように、Ｖは信号絶縁回路１２２により入力電圧検出信号のパルスが立ち上がるためのしきい値電圧である。
Ｔｏｆｆ＝２Ｔ （３）
Ｆ＝２Ｆｂ （４）
Ｖ＝Ｖａ×Ｓｉｎ（２πＦＴ） （５）

したがって、入力電圧波の振幅Ｖａは、
Ｖａ＝Ｖ／Ｓｉｎ（２π・Ｆｂ・Ｔｏｆｆ） （６）
により簡単に求めることができる。

図１に戻り、記憶装置１６は、例えばＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）により構成され、変換効率データ１１１、力率データ１１２、温度相関データ１１３、および入力電圧算出用データ１１４が予め格納されている。

変換効率データ１１１は、効率ηと出力電流と装置周囲温度との関係を記述したテーブル構成のデータであって、出力電流の値と装置周囲温度とを指定して参照することによって効率ηを読み出すことができるものである。力率データ１１２は、力率φと出力電流と装置周囲温度の関係を記述したテーブル構成のデータであって、出力電流と装置周囲温度とを指定して参照することによって力率φを読み出すことができるものである。

温度相関データ１１３は、装置内温度と装置周囲温度との対応付けを記述したテーブル構成のデータである。

入力電圧算出用データ１１４は、入力電圧検出信号から入力電圧を求めるためのテーブルである。入力電圧の振幅Ｖａは、Ｖ、Ｆｂ、Ｔｏｆｆとの間で式（６）の関係がある。また、入力電圧の実効値は振幅Ｖａを２の平方根で除算することにより求められる。入力電圧算出用データ１１４は、式（６）を演算しなくてもよいようにＶ、Ｆｂ、Ｔｏｆｆおよび入力電圧（実効値）の間の関係を記述したテーブル形式のデータ構造を備えており、例えば図７に示すものである。以降、入力電圧、入力電流は特に断りがなくても夫々実効値を指しているものとする。

演算部１７は、出力電圧測定部１２が検出した出力電圧値、負荷電流測定部１３が測定した出力電流値、複数の温度センサ１４が夫々検出した温度に対応する測定値（温度検出値）、入力電圧検出信号生成部１５が生成した入力電圧信号と、記憶装置１６に格納されているデータとに基づいて入力電流等を算出する。

演算部１７は、例えばマイクロコンピュータにより構成される。具体的には、演算部１７は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１０３、ＡＤ（Ａｎａｌｏｇ Ｄｉｇｉｔａｌ）変換回路１０４、およびＩ／Ｏポート１０５を備えている。

ＲＯＭ１０２には、入力電力等を算出するためのコンピュータプログラムである電力監視プログラム１０６が格納されている。ＡＤ変換回路１０４は、アナログ値として入力される出力電圧値、出力電流値、複数の温度検出値、および入力電圧検出信号をデジタル値に変換する。Ｉ／Ｏポート１０５は記憶装置１６にアクセスするためのインタフェースである。ＣＰＵ１０１は電力監視プログラム１０６をＲＯＭ１０２から読み出して実行することによって後述の各種機能部として実現する。ＣＰＵ１０１は、入力電力等を算出するために、ＡＤ変換回路１０４から各種測定値を取得し、Ｉ／Ｏポート１０５を介して記憶装置１６から各種データを読み出す。ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１が入力電力等を算出するためのワークエリアとして用いられる。

通信Ｉ／Ｆ１８は、演算部１７が算出した入力電流等をＣＰＵユニット２０に送るための接続インタフェースである。

表示部１９は、演算部１７が算出した入力電流等を表示出力するための表示装置であって、例えば小型の液晶ディスプレイや７セグメントディスプレイなどにより構成される。

図８は、ＣＰＵ１０１が電力監視プログラム１０６を実行することによって実現する機能部を説明する図である。図示するように、演算部１７は、複数の温度センサ１４による温度検出値および温度相関データ１１３に基づいて装置内温度および装置周囲温度を算出する温度算出部１３１と、算出された装置周囲温度、出力電流値、変換効率データ１１１および力率データ１１２に基づいて効率ηおよび力率φを算出する効率・力率算出部１３２と、入力電圧検出信号と入力電圧算出用データ１１４に基づいて入力電圧を算出する入力電圧算出部１３３と、出力電流値、出力電圧値および算出した効率ηに基づいて入力電力を算出する入力電力算出部１３４と、算出した入力電力、力率φおよび入力電圧に基づいて入力電流を参照する入力電流算出部１３５と、を備えている。

図９は、本発明の実施の形態１の電源ユニット１０が入力電流等を算出する動作を説明する図である。図示するように、温度算出部１３１は、電源ユニット１０内の温度検出値を取得し（ステップＳ１）、取得した温度検出値の平均をとって装置内温度を算出する（ステップＳ２）。そして、温度算出部１３１は、温度相関データ１１３を用いて装置内温度を装置周囲温度に変換する（ステップＳ３）。装置内温度、装置周囲温度は、ＲＡＭ１０３内のワークエリアに一時的に格納される。なお、装置内温度、装置周囲温度だけでなく以降のステップにて算出される入力電流等は全て当該ワークエリアに一時的に格納され、演算時等に適宜読み出される。

一方、効率・力率算出部１３２は、出力電圧値、出力電流値を取得する（ステップＳ４）。そして、効率・力率算出部１３２は、算出された装置周囲温度と出力電流値とに基づいて効率ηおよび力率φを求める（ステップＳ５）。具体的には、効率・力率算出部１３２は、変換効率データ１１１を参照して、算出された装置周囲温度および取得した出力電流値に対応する効率ηを求め、力率データ１１２を参照して、装置周囲温度および出力電流値に対応する力率φを求める。

入力電圧算出部１３３は、入力電圧検出信号を取得する（ステップＳ６）。なお、取得した入力電圧検出信号は、時系列的にＲＡＭ１０３に蓄積記憶されるものとする。入力電圧算出部１３３は、取得した入力電圧信号と入力電圧算出用データ１１４とに基づいて入力電圧を求める（ステップＳ７）。具体的には、入力電圧算出部１３３は、ＲＡＭ１０３に蓄積記憶されている入力電圧信号から、パルス波形の周期ＦｂおよびＯＦＦ時間Ｔｏｆｆを求める。そして、求めたＦｂおよびＴｏｆｆとしきい値電圧Ｖとを検索キーとして入力電圧算出用データ１１４を検索し、入力電圧（実効値）を求める。

入力電力算出部１３４は、算出された出力電圧と出力電流と効率ηとを式（１）に適用して入力電力を求める（ステップＳ８）。入力電流算出部１３５は、求めた入力電力と入力電圧と力率φとを式（２）に適用して入力電流を求める（ステップＳ９）。演算部１７は、以上のステップにより求めた装置内温度、装置周囲温度、入力電流、入力電圧、入力電力、出力電流、出力電圧、効率ηおよび力率φを、表示部１９へ、および通信Ｉ／Ｆ１８を介してＣＰＵユニット２０へ、出力し（ステップＳ１０）、動作が終了となる。なお、ステップＳ１〜ステップＳ１０の動作は所望の時間間隔またはタイミングで繰り返し実行される。ＣＰＵユニット２０に出力された入力電流等はプログラマブル表示器３に送られる。また、入力電流等は、ＰＬＣバス４０、ネットワークユニット３０を介してＰＬＣ２へ送られる。

なお、ステップＳ１〜ステップＳ１０の処理の順番は一例であって、処理の順番はこの通りと同じに限定されない。

また、本発明の第１の実施の形態では、ＰＬＣ１が機能毎に電源ユニット１０、ＣＰＵユニット２０、ネットワークユニット３０、ＰＬＣバス４０に分けられているものとして説明したが、これらの構成要素が一体として構成されていてもよい。

また、ＡＣ入力検出回路１２１は、入力電圧波を全波整流波に整流するとして説明したが、半波整流波に整流するようにしてもよい。この場合、式（３）を下式（７）、式（４）を下式（８）に置き換えるとよい。
Ｔ＝Ｔｏｆｆ−１／（２・Ｆｂ） （７）
Ｆ＝Ｆｂ （８）
また、ＡＣ入力検出回路１２１は、整流を行わないで波高の調整のみを行うようにしてもよい。その場合、信号絶縁回路１２２はプラス極側の信号しか拾わないので、上記式（７）、（８）を用いることができる。

また、変換効率データ１１１および力率データ１１２に記述されている対応関係において、温度は装置周囲温度、電流は出力電流が夫々採用されているとして説明したが、温度は装置内温度が採用されるようにしても構わない。

このように、本発明の実施の形態１によれば、環境温度としての装置周囲温度または装置内温度の測定値と、記憶装置１６に予め記憶しているＡＣ／ＤＣ変換器１１の変換効率ηと環境温度との対応付けを記録した変換効率データ１１１とに基づいて変換効率ηを求め、求めた変換効率ηと、測定した出力電圧および出力電流とを用いて入力電力を算出するようにしたので、できるだけ精確に入力電力を測定することができるようになる。

また、環境温度の測定値と記憶装置１６に予め記憶しているＡＣ／ＤＣ変換器１１の力率φと環境温度との対応付けを記録した変換効率データ１１１とに基づいて力率φを求め、ＡＣ／ＤＣ変換器１１へ入力された商用電源の入力電圧をさらに測定し、力率φ、効率η、入力電圧、出力電圧、出力電流を用いて入力電流を算出するようにしたので、できるだけ精確に入力電流を測定することができるようになる。

また、電源ユニット１０内の複数ポイントに温度センサ１４を備え、当該複数の温度センサ１４による温度検出値から環境温度を算出するようにしたので、部品毎の温度のばらつきおよび温度上昇率にばらつきに過度に影響されることのなく環境温度を測定することができ、結果としてより精確に入力電力を測定することができる。

また、環境温度は、複数の温度センサ１４による温度検出値の平均値である。

または、環境温度は、ＰＬＣ１の周囲温度の推定値であって、予め記憶装置１６に記憶された温度検出値の平均値とＰＬＣ１の周囲温度との対応関係を記録した温度相関データに基づいて環境温度の測定値を得るようにしたので、事前に変換効率データ１１１を作成することが容易になる。

また、変換効率データ１１１は、効率ηと環境温度と出力電流との対応付けを記録したデータであって、力率データ１１２は、力率φと環境温度と出力電流との対応付けを記録したデータであって、環境温度の測定値と出力電流の測定値と変換効率データ１１１とに基づいて変換効率ηを求め、環境温度の測定値と出力電流の測定値と力率データ１１２とに基づいて力率φを求めるようにしたので、効率η、力率φの出力電流に応じた変化も考慮に入れて入力電流、入力電力を算出することができるので、より精確に入力電流、入力電力を算出することができる。

また、入力側と出力側とが電気的に絶縁されている信号絶縁回路を用いて、入力電圧波において入力された電圧値が所定のしきい値Ｖ以上のときオンとなるパルス波を生成し、生成したパルス波に基づいて入力電圧を算出するようにしたので、絶縁状態で、かつ簡単に入力電圧を測定することができる。

また、入力電力または入力電流を表示出力する表示部１９をさらに備えるようにしたので、ユーザはその場で入力電力または入力電流を確認することができるようになる。

また、入力電力または入力電流をＰＬＣ１に接続された外部機器としてのプログラマブル表示器３やＣＰＬ２に出力する外部出力部としてのＣＰＵユニット２０、ネットワークユニット３０およびＰＬＣバス４０を備えるように構成したので、ユーザは遠隔地において入力電力または入力電流を確認することができるようになる。

実施の形態２．
実施の形態１では、ＰＬＣ１の取り付け方向は固定となっており、図４−２に示すように、基板部品面が制御盤に平行になるようにＰＬＣ１が取り付けられるものとして説明した。このようなＰＬＣ１では、例えば上下逆に取り付けられるなど、取り付け方向が想定されている方向と異なる場合、装置内の空気の流れが変わるため、各温度センサ１４による温度検出値が変わる。そして、装置内温度が意図した値と異なり、結果として入力電力等を精確に求めることができなくなってしまう。そこで、実施の形態２では、取り付け方向毎に装置内温度の算出値と装置周囲温度との間の関係を記述した温度相関データを用意することによって、どのような取り付け方向で設置されても入力電流等を精確に求めることができるようにした。

実施の形態２のＰＬＣに含まれる電源ユニット以外の構成要素は実施の形態１と同等であるため、電源ユニット５０以外の構成要素については同一の名称および符号を使用し、重複する説明を省略する。また、実施の形態２の電源ユニットの構成要素で実施の形態１と同一の機能を有するものには同一の名称および符号を使用し、詳細な説明を省略する。

図１０は、実施の形態２の電源ユニットの実施の形態１と異なる構成を説明する図である。図示するように、電源ユニット５０は、記憶装置１６に替えて記憶装置５６、演算部１７に替えて演算部５７を備えている。記憶装置５６は、変換効率データ１１１、力率データ１１２、想定される取り付け方向毎に用意される温度相関データ１４３（温度相関データ１４３ａ、１４３ｂ、・・・、１４３ｎ）、入力電圧算出用データ１１４が予め格納されている。

演算部５７は、温度算出部１５１、効率・力率算出部１３２、入力電圧算出部１３３、入力電力算出部１３４、および入力電流算出部１３５を備えている。温度算出部１５１は、装置内温度から装置周囲温度を算出する際、温度相関データ１４３ａ〜ｎのうちＰＬＣ１の取り付け方向に応じた温度相関データを選択し、選択した温度相関データを用いて装置周囲温度を算出する。なお、取り付け方向は、ユーザによる設定により与えられるようにしてもよいし、当該取り付け方向を検出する機構を搭載し、当該機構から与えられるようにしてもよい。

実施の形態２の電源ユニット５０の動作は、実施の形態１において説明したステップＳ３の処理において温度相関データを選択する動作が加わるだけで他は同じであるので、ここでは説明を省略する。

このように、本発明の実施の形態２によれば、記憶装置１６に自ＰＬＣ１の設置方向毎に作成された複数の温度相関データ１４３を予め記憶させておき、当該複数の温度相関データのうちの使用する温度相関データを自ＰＬＣ１の設置方向に応じて変更するようにしたので、ＰＬＣ１の設置方向が変わっても精確に入力電力等を算出することができる。

実施の形態３．
変換効率データ１１１は、効率ηと装置周囲温度との対応付けを記述したテーブル構成を有している。その対応付けは、一般に、所定の刻み幅毎に記述される。刻み幅が細かいほど、効率ηと装置周囲温度との対応関係が精確に表現される。また、装置周囲温度は、温度相関データ１１３により装置内温度（温度センサ１４の検出値の平均温度）と一対一で対応づけられている。一方で、部品の温度依存性の大きさと部品の効率ηに与える影響の大きさとの間には正の相関がある。また、温度依存性が大きい部品は発熱しやすく、その部品の近傍ほど温度が上がりやすい。そこで、実施の形態３では、演算部は、近傍の部品による効率ηに対する影響が大きい温度センサ１４ほど検出値の変化を装置内温度として算出される値に大きく反映させることができるように、温度センサ１４の検出値の重み付け平均を装置内温度とするようにした。これにより、演算部は、効率ηに与える影響が大きい部品の近傍の温度検出値に対しては細かい刻み幅で効率ηを算出でき、効率ηに与える影響が小さい部品の近傍の温度検出値に対しては大きい刻み幅で効率ηを算出できる。結果として、演算部は、電源ユニット内に均等に配置された温度センサ１４の単純平均を装置内温度とする場合に比べ、より精確に入力電力を求めることができるようになる。

実施の形態３のＰＬＣに含まれる電源ユニット以外の構成要素は実施の形態１と同等であるため、電源ユニット以外の構成要素については同一の名称および符号を使用し、重複する説明を省略する。また、実施の形態３の電源ユニットの構成要素で実施の形態１と同一の機能を有するものには同一の名称および符号を使用し、詳細な説明を省略する。

図１１は、実施の形態３の電源ユニットの実施の形態１と異なる構成を説明する図である。図示するように、電源ユニット６０は、記憶装置１６に替えて記憶装置６６、演算部１７に替えて演算部６７を備えている。記憶装置６６は、変換効率データ１１１、力率データ１１２、温度相関データ１１３、入力電圧算出用データ１１４、および係数データ６１５が予め格納されている。

係数データ６１５は、図４−１に示した９個の温度センサ１４の夫々と重み付け係数とを対応づけて記述したデータである。係数データ６１５においては、近傍の部品が効率ηに与える影響が大きい温度センサ１４ほど、大きい値の重み付け係数が対応づけられている。効率ηに対する影響が他の部品よりも大きい部品とは、例えば、ＦＥＴ、トランス、シャント抵抗、ダイオードがある。これらの中でも、ＦＥＴおよびトランスは、シャント抵抗やダイオードよりも効率ηに与える影響が大きい。即ち、重み付け係数の大きさは、（ＦＥＴ、トランスの近傍の温度センサ１４）＞（シャント抵抗、ダイオードの近傍の温度センサ１４）＞（その他の温度センサ１４）となる。

演算部６７は、温度算出部６３１、効率・力率算出部１３２、入力電圧算出部１３３、入力電力算出部１３４、および入力電流算出部１３５を備えている。

温度算出部６３１は、係数データ６１５を用いて９個の温度センサ１４の検出値の重み付け平均を算出し、算出した重み付け平均を装置内温度とする。そして、温度相関データ１１３を参照して、前記求めた装置内温度に対応する装置周囲温度を算出する。

実施の形態３の電源ユニット６０の動作は、実施の形態１において説明したステップＳ２の処理において、温度算出部６３１が係数データ６１５に記述されている温度センサ１４毎の重み付け係数を用いて重み付け平均を算出するだけで他は同じであるので、ここでは説明を省略する。

このように、本発明の実施の形態３によれば、温度算出部６３１は効率ηに与える影響が大きい部品の近傍の温度測定値ほど重み付け係数が大きくなるように温度センサ１４の測定値の重み付け平均を算出し、算出した値を装置内温度とする、ように構成したので、演算部６７は、効率ηに与える影響が大きい部品の近傍の温度検出値に対しては細かい刻み幅で効率ηを算出し、効率ηに与える影響が小さい部品の近傍の温度検出値に対しては大きい刻み幅で効率ηを算出することができる。結果として、演算部６７は、電源ユニット内に均等に配置された温度センサ１４の単純平均を装置内温度とする場合に比べ、より精確に入力電力を求めることができるようになる。

なお、効率ηの場合と同様に、部品の温度依存性の大きさと部品が力率φに与える影響の大きさとの間にも正の相関関係がある。したがって、温度算出部６３１が、温度センサ１４の検出値の重み付け平均を装置内温度とすることにより、力率φに与える影響が大きい部品の近傍の温度検出値に対しては細かい刻み幅で力率φが算出され、力率φに与える影響が小さい部品の近傍の温度検出値に対しては大きい刻み幅で力率φが算出される。

実施の形態４．
実施の形態３においては、演算部６７が夫々の温度センサ１４の値の検出値の重み付け平均を装置内温度とすることによって入力電力の算出精度を向上させるようにしたが、温度センサ１４の配設位置を工夫することによっても実施の形態３と同様の効果を得ることができる。実施の形態４のＰＬＣの構成は、温度センサ１４の配設位置を除いて実施の形態１と同等であるので、温度センサ１４の配設位置のみ説明して重複する説明を省略する。

図１２−１および図１２−２は、ともに温度センサ１４の実施の形態４の配置例を説明する図である。図１２−１は電源ユニット１０内の基板部品面を上面からみた図である。図示するように、効率ηに大きく影響するトランス、ＦＥＴ、シャント抵抗、ダイオードが集中的に配置されている部分には、温度センサ１４が集中的に配設され（温度センサ設置位置１４ａ）、その他の部位には温度センサ設置位置１４ａよりも大きな間隔を空けて温度センサ１４が配設されている（温度センサ設置位置１４ｂ）。図１２−２は電源ユニット１０の内部の斜視図である。図１２−２においては、簡単のため、ＦＥＴ、シャント抵抗、ダイオードの描画を省略している。図１２−１および図１２−２に示すように、温度センサ設置位置１４ａの密度は温度センサ設置位置１４ｂの倍の密度となっている。

温度算出部１３１は、温度センサ設置位置１４ａ、１４ｂにおける温度センサ１４の検出値を単純平均することによって装置内温度を算出する。効率ηに与える影響が大きい部品ほど近傍に多くの温度センサ１４が配設されているため、温度算出部１３１は、これらの温度センサ設置位置１４ａ、１４ｂにおける温度センサ１４の検出値の単純平均を算出することによって、電源ユニット内に均等に配置された温度センサ１４の検出値の重み付け平均を算出した場合と同じ値を得ることができる。即ち、演算部１７は、効率ηに与える影響が大きい部品の近傍の温度検出値に対しては細かい刻み幅で効率ηを算出し、効率ηに与える影響が小さい部品の近傍の温度検出値に対しては相対的に大きい刻み幅で効率ηを算出することができる。

このように、本発明の実施の形態４によれば、効率ηに与える影響が大きい部品ほど近傍に多くの温度センサが配設されるようにしたので、実施の形態３と同様に、演算部１７は、電源ユニット内に均等に配置された温度センサ１４の単純平均を装置内温度とする場合に比べ、より精確に入力電力を求めることができるようになる。

なお、実施の形態１〜４の説明においては、本発明の実施の形態のコントローラをＰＬＣに適用した場合について説明したが、本発明の実施の形態のコントローラを適用可能なコントローラはＰＬＣだけに限定されない。例えば交流の商用電源からいったん直流電源を生成し、生成した直流電源から所望の交流電源を生成するインバータや、商用電源から直流電源を生成し、生成した直流電源を用いてモータを駆動するサーボアンプなど、ＡＣ／ＤＣ変換器を備えるコントローラに適用することができる。また、本発明の実施の形態が適用された電源装置はコントローラから分離不可能に構成されていてもよい。

以上のように、本発明にかかる電源装置およびコントローラは、ＡＣ／ＤＣ変換器を有する電源装置およびＡＣ／ＤＣ変換器を有するコントローラに適用して好適である。

１、２ ＰＬＣ
３ プログラマブル表示器
１０、５０、６０ 電源ユニット
１１ ＡＣ／ＤＣ変換器
１２ 出力電圧測定部
１３ 負荷電流測定部
１４ 温度センサ
１４ａ、１４ｂ 温度センサ設置位置
１５ 入力電圧検出信号生成部
１６、５６、６６ 記憶装置
１７、５７、６７ 演算部
１８ 通信Ｉ／Ｆ
１９ 表示部
２０ ＣＰＵユニット
３０ ネットワークユニット
４０ ＰＬＣバス
１０１ ＣＰＵ
１０２ ＲＯＭ
１０３ ＲＡＭ
１０４ ＡＤ変換回路
１０５ Ｉ／Ｏポート
１０６ 電力監視プログラム
１１１ 変換効率データ
１１２ 力率データ
１１３、１４３、１４３ａ〜ｎ 温度相関データ
１１４ 入力電圧算出用データ
１２１ ＡＣ入力検出回路
１２２ 信号絶縁回路
１３１、１５１、６３１ 温度算出部
１３２ 効率・力率算出部
１３３ 入力電圧算出部
１３４ 入力電力算出部
１３５ 入力電流算出部
６１５ 係数データ

図４−１および図４−２は、ともに温度センサ１４の配置例を説明する図である。図４−１は電源ユニット１０内の基板部品面を上面からみた図であり、図４−２は電源ユニット１０の内部の斜視図である。ＰＬＣ１は、基板部品面が制御盤に平行になるように設置され、結果として図４−２に示すように基板部品面の垂線が地面にたいして平行になる。図４−２の上面、下面および左面には、熱を排出するための通風孔が設けられており（図示せず）、主に対流によって下面から上面へ抜ける空気によって基板上の各部品が冷却される。したがって、上面に近いほど温度が高くなる。精度よく装置内温度を測定するために、図４−２の上下方向に３つの温度センサ１４が等間隔に設けられている。また、図４−１に示すように図４−２の前後方向にも夫々３つずつ温度センサ１４が等間隔に設けられており、基板部品面には合計９個の温度センサ１４が設けられている。装置内温度は、これらの９個の温度センサ１４による検出値を平均することにより求められる。

また、電源ユニット１０内の複数ポイントに温度センサ１４を備え、当該複数の温度センサ１４による温度検出値から環境温度を算出するようにしたので、部品毎の温度のばらつきおよび温度上昇率のばらつきに過度に影響されることのなく環境温度を測定することができ、結果としてより精確に入力電力を測定することができる。

また、入力電力または入力電流をＰＬＣ１に接続された外部機器としてのプログラマブル表示器３やＰＬＣ２に出力する外部出力部としてのＣＰＵユニット２０、ネットワークユニット３０およびＰＬＣバス４０を備えるように構成したので、ユーザは遠隔地において入力電力または入力電流を確認することができるようになる。

このように、本発明の実施の形態２によれば、記憶装置５６に自ＰＬＣ１の設置方向毎に作成された複数の温度相関データ１４３を予め記憶させておき、当該複数の温度相関データのうちの使用する温度相関データを自ＰＬＣ１の設置方向に応じて変更するようにしたので、ＰＬＣ１の設置方向が変わっても精確に入力電力等を算出することができる。

Claims (18)

1. 交流の商用電源を入力とし、直流電源を生成して出力するＡＣ／ＤＣ変換器と、
   前記ＡＣ／ＤＣ変換器が出力した直流電源の出力電圧を測定する出力電圧測定部と、
   前記ＡＣ／ＤＣ変換器が出力した直流電源の出力電流を測定する出力電流測定部と、
   環境温度を測定する温度測定部と、
   前記ＡＣ／ＤＣ変換器の変換効率ηと前記環境温度との対応付けを記録した変換効率データを予め記憶する記憶装置と、
   前記温度測定部による環境温度の測定値と前記変換効率データとに基づいて変換効率ηを求め、前記求めた変換効率ηと、前記出力電圧測定部による出力電圧の測定値と、前記出力電流測定部による出力電流の測定値と、を用いて前記ＡＣ／ＤＣ変換器へ入力された商用電源の入力電力を算出し、前記算出した入力電力を出力する演算部と、
   を備えることを特徴とする電源装置。
2. 前記演算部は、
   入力電力＝出力電圧×出力電流／変換効率η
   の関係式を用いて前記入力電力を算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記ＡＣ／ＤＣ変換器へ入力された商用電源の入力電圧を測定する入力電圧測定部をさらに備え、
   前記記憶装置は、前記ＡＣ／ＤＣ変換器の力率φと環境温度との対応付けを記録した力率データを予め記憶し、
   前記演算部は、前記温度測定部による環境温度の測定値と前記力率データとに基づいて力率φを求め、前記求めた変換効率ηおよび力率φと、前記出力電圧測定部による出力電圧の測定値と、前記出力電流測定部による出力電流の測定値と、前記入力電圧測定部による入力電圧の測定値と、を用いて前記ＡＣ／ＤＣ変換器へ入力された商用電源の入力電流を算出し、前記算出した入力電流を出力する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
4. 前記演算部は、
   入力電流＝出力電圧×出力電流／（入力電圧×変換効率η×力率φ）
   の関係式を用いて前記入力電流を算出する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
5. 前記温度測定部は、自電源装置内の複数ポイントに設けられた温度センサと、前記複数の温度センサによる温度検出値から前記環境温度の測定値を算出する温度算出部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
6. 前記環境温度の測定値は、前記複数の温度センサによる温度検出値の平均値である、
   ことを特徴とする請求項５に記載の電源装置。
7. 前記環境温度の測定値は、前記複数の温度センサの温度検出値の重み付け平均であって、近傍の部品が変換効率ηに与える影響が大きい温度センサほど重み付け係数が大きい、
   ことを特徴とする請求項５に記載の電源装置。
8. 変換効率ηに与える影響が大きい部品ほど近傍に多くの温度センサが配設される、ことを特徴とする請求項６に記載の電源装置。
9. 前記環境温度の測定値は、自電源装置が搭載される機器の周囲温度の推定値であって、
   前記記憶装置は、前記複数の温度センサによる温度検出値の平均値と自電源装置が搭載される機器の周囲温度との対応関係を記述した温度相関データを予め記憶し、
   前記温度算出部は、前記複数の温度センサによる温度検出値の平均値を算出し、前記算出した温度検出値の平均値と前記温度相関データとに基づいて環境温度の測定値を算出する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の電源装置。
10. 前記記憶装置は、自電源装置が搭載される機器の設置方向毎に作成された複数の温度相関データを予め記憶し、前記温度算出部は、前記記憶装置に記憶されている複数の温度相関データのうちの使用する温度相関データを自電源装置が搭載される機器の設置方向に応じて変更する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の電源装置。
11. 前記変換効率データは、前記ＡＣ／ＤＣ変換器の変換効率ηと環境温度と前記ＡＣ／ＤＣ変換器の出力電流との対応付けを記録したデータであって、
    前記力率データは、前記ＡＣ／ＤＣ変換器の力率φと環境温度と前記ＡＣ／ＤＣ変換器の出力電流との対応付けを記録したデータであって、
    前記演算部は、前記温度測定部による環境温度の測定値と前記出力電流測定部による出力電流の測定値と前記変換効率データとに基づいて変換効率ηを求め、前記環境温度の測定値と前記出力電流測定部による出力電流の測定値と前記力率データとに基づいて力率φを求める、
    ことを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
12. 前記入力電圧測定部は、
    前記商用電源の入力電圧波の波高を調整する入力電圧検出部と、
    前記波高が調整された入力電圧波を入力とし、入力された電圧値が所定のしきい値以上のときオンとなるパルス波を出力する、入力側と出力側とが電気的に絶縁されている信号絶縁回路と、
    前記信号絶縁回路が出力したパルス波に基づいて前記商用電源の入力電圧を算出する入力電圧算出部と、
    を備えることを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
13. 前記演算部が出力した入力電力または入力電流を表示出力する表示部をさらに備える、ことを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
14. 交流の商用電源を入力とし、直流電源を生成して出力するＡＣ／ＤＣ変換器を備えるコントローラであって、
    前記ＡＣ／ＤＣ変換器が出力した直流電源の出力電圧を測定する出力電圧測定部と、
    前記ＡＣ／ＤＣ変換器が出力した直流電源の出力電流を測定する出力電流測定部と、
    環境温度を測定する温度測定部と、
    前記ＡＣ／ＤＣ変換器の変換効率ηと前記環境温度との対応付けを記録した変換効率データを予め記憶する記憶装置と、
    前記温度測定部による環境温度の測定値と前記変換効率データとに基づいて変換効率ηを求め、前記求めた変換効率ηと、前記出力電圧測定部による出力電圧の測定値と、前記出力電流測定部による出力電流の測定値と、を用いて前記ＡＣ／ＤＣ変換器へ入力された商用電源の入力電力を算出し、前記算出した入力電力を出力する演算部と、
    を備えることを特徴とするコントローラ。
15. 前記演算部は、
    入力電力＝出力電圧×出力電流／変換効率η
    の関係式を用いて前記入力電力を算出する、
    ことを特徴とする請求項１４に記載のコントローラ。
16. 前記ＡＣ／ＤＣ変換器へ入力された商用電源の入力電圧を測定する入力電圧測定部をさらに備え、
    前記記憶装置は、前記ＡＣ／ＤＣ変換器の力率φと環境温度との対応付けを記録した力率データを予め記憶し、
    前記演算部は、前記温度測定部による環境温度の測定値と前記力率データとに基づいて力率φを求め、前記求めた変換効率ηおよび力率φと、前記出力電圧測定部による出力電圧の測定値と、前記出力電流測定部による出力電流の測定値と、前記入力電圧測定部による入力電圧の測定値と、を用いて前記ＡＣ／ＤＣ変換器へ入力された商用電源の入力電流を算出し、前記算出した入力電流を出力する、
    ことを特徴とする請求項１４に記載のコントローラ。
17. 前記演算部は、
    入力電流＝出力電圧×出力電流／（入力電圧×変換効率η×力率φ）
    の関係式を用いて前記入力電流を算出する、
    ことを特徴とする請求項１６に記載のコントローラ。
18. 前記コントローラは、プログラマブルコントローラであって、前記演算部が算出した入力電力または入力電流を自プログラマブルコントローラに接続された外部機器に出力する外部出力部をさらに備える、ことを特徴とする請求項１６に記載のコントローラ。

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