JP2010066145A - 電流計測装置並びに電流計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型且つ安価で、容易に設置可能で、感電等のない安全な施工を行うことが可能な電流計測装置並びに電流計測システムを得る。
【解決手段】電流トランス３は電気機器が接続される電路の電流を検出し、電流検出部４は、電流トランス３からの電流値に比例した電流を出力する。計測制御部５は、電流検出部４からの電流信号に基づいて電気機器に流れる電流を計測する。電源部７は、外部の通信インタフェース部から電力を受電して計測制御部５の動作電圧を生成する。また、通信制御部６は、外部の計測コントローラと、通信インタフェース部を介して計測値データ等のデータ信号の交信を電磁誘導無線などの非接触の絶縁構造で行う。
【選択図】図１

Description

本発明は機器の運転制御を行い所定の電流の範囲で機器の運転を実施するデマンド制御等に用いる、被測定電路の電流を計測する計測装置並びにこの電流計測装置を備えた電流計測システムに関する。

従来、家庭用電化製品等が消費する電力を計測するためには、被測定対象の電路に電流計測のためのセンサと電圧計測するための電圧変換トランスの取り付けなど専門業者による工事により電力計測装置を取り付けていた。その工事を簡易化のため、たとえば特許文献１に示した計測器は閉磁路を構成する電流センサ部に先端が鋭利な形状の導電性電圧検出部を一体化させ、センサ部分の取り付けを容易に構成していた。

特開２００５−１３４２３３号公報（第６頁〜第７頁、図１〜図７）

特許文献１で示される従来の計測器では電圧ならびに電流検出部の取り付けに関して、容易化する技術について記載されているが、実際には計測部以外に電力を計測する部分が消費する電力を取得するための電気配線や、計測値を取り出すためのインタフェース（以下、I/Fと称することもある）手段などを含めて容易化を行わないと誤配線の防止や、計測器設置の容易化が実現できないという課題があった。

本発明は上記の課題を解決するために為されたものであり、小型且つ安価で、容易に設置可能な電流計測装置並びに電流計測システムを得ることを第１の目的としており、感電等のない安全な施工を行うことが可能な電流計測装置並びに電流計測システムを得ることを第２の目的としている。

本発明に係る電流計測装置は、電気機器が接続される電路の電流を検出する電流検出器と、検出器の出力に基づいて前記電気機器に流れる電流を計測する演算部と、外部の計測コントローラの通信インタフェース部から電力を受電して演算部の動作電圧を生成する電源部と、外部の計測コントローラと、通信インタフェース部を介して計測値データ等のデータ信号の交信を非接触の絶縁構造で行う通信部と、を備えたものである。

本発明に係る電流計測装置は、演算部等の動作電力の外部からの受電と、計測値データ等のデータ信号の、外部の計測コントローラとの交信を電磁誘導無線などの非接触の絶縁構造で行うように構成したので、電流計測装置を安全に且つ誤配線なく容易に設置でき、小型化と安価を図ることができる。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１における電流計測装置の構成図を図１に示す。図１において、電流計測装置１は、開磁路ないしは閉磁路の磁性体コアと該コアに巻かれたコイルで構成され、単相3線式の電路２の中性線Nを除くL1、L2の各線に配置される電流トランス３と、電流トランス３により得られる電流信号を計測するための電流検出部４と、電流検出部４から得られる各々の電路２に流れる電流値に比例した電流信号から電気機器に流れる電流を計測するマイコン等で構成した計測制御部５と、計測制御部５で計測された電流値などを外部に送信するための通信制御部６から構成されている。
通信制御部６は直流電圧に交流信号を重畳して通信するペア線や、電源供給型LAN（PoE）やUSBなど何れかあるいは複数のI/F手段を有する通信I/F部８への双方向データ信号と本体の動作電力の供給を電磁誘導無線など非接触の媒体を用いて伝送する機能を有している。電源部７は通信I/F部８から電磁誘導無線など非接触媒体により伝送された電力を通信制御部６を経由して受電し、電流計測装置1本体の動作に必要な電源電圧を生成する。

図２は電流トランス３の原理を示す図である。図２では説明のためリング状の閉磁路コアの絵となっているが、本実施例で用いるものは図３に示す開磁路の構成または図４に示す閉磁路の構成となっている。電流トランス３は電路２の電線に流れる電流ILに比例した電圧値を得るための検出コイルと所定のバイアス電流ibをながすバイアスコイルが巻かれたコアで構成されており、コアに所定の磁束を印加し、図５に示す様に電流により発生する磁界とコア内の磁束密度が電流ILの変化に対してリニアになる領域に動作点を維持できるように構成されている。
なお、通信制御部６は通信部を構成し、計測制御部５は演算部を構成し、電流制限器９は電気遮断器を構成する。

図６ならびに図７は、通信I/F部８の送電回路８１と通信回路８６ならびに通信制御部６の通信回路７６として本体１の動作電源を生成する電源部７の回路について詳細に示した図の例である。
図において８０は通信I/F部８の通信手段であるたとえばペア線に重畳されたDC電圧や、PoEケーブルより供給されるDC電源あるいは、USBポートから供給されるDC電源である。８４は給電コイルと共振コンデンサとにより直列共振回路で構成された電力送信用共振回路８５の励振インバータであり、本例では4つのスイッチング素子84a、84b、84c、84dで構成している。電源を供給しない場合は、４つの素子が全てOffの状態となり、電源供給時には84a:ON、84b:Off、84c:Off、84d:ONと84a:Off、84b:ON、84c:ON、84d:Offを電力送信用共振回路８５の共振周波数の周期で繰り返して電力送信用共振回路８５に交流電流を供給し、交流磁界を発生する。

電力送信用共振回路８５により発生した交流磁界は空間に放射され、コイル７１L、コンデンサ７１Cで並列共振回路に構成された電力受信用共振回路７１のコイル７１Lに所定の空隙を介して印加され、交流磁界によりコイル７１Lには交流電圧が発生する。この交流電圧をダイオード７２で整流しコンデンサ７３a、７３bで構成された平滑回路７３で商用周波数成分を平滑化し、電源レギュレータ部７４で安定化し、電圧の変動を抑制した後にコネクタ７５を介して、電流計測装置１の各部へ電源を供給する。

図７は電流計測装置1内の通信制御部６の通信回路７６ならびに通信I/F部８内の通信回路８６の回路について詳細に示した図の例である。通信回路７６と８６は同一回路を構成する。図において通信処理部７６ｃは通信制御を行うたとえばマイコン等で構成された通信制御部６の制御手段であり、通信処理部７６ｃからの送信データはキャリア発振部が発生する高周波信号と論理積回路に入力され、ASK（Amplitude Shift Keying）波となる。これを増幅器で所定の電力に増幅し、送受信用共振回路76aを励振する。送受信用共振回路76aにより発生した交流磁界は所定の空隙を介して通信回路８６の送受信用共振回路86aに印加され、高周波交流電圧を発生する。送受信用共振回路86aの出力する高周波交流電圧は平滑回路で平滑され、高周波信号分を除去され、コンパレータに入力し、2値化された受信データが出力され、バッファを通して通信I/F部８内のマイコン等で構成された制御手段８６ｃに入力される。

また、図において通信処理部８６ｃは通信I/F部８の制御手段であり、通信処理部８６ｃからの送信データはキャリア発振部が発生する高周波信号と論理積回路に入力され、ASK（Amplitude Shift Keying）波となる。これを増幅器で所定の電力に増幅し、送受信用共振回路８６ａを励振する。送受信用共振回路８６ａにより発生した交流磁界は通信回路７６の送受信用共振回路７６ａに印加され、高周波交流電圧を発生する。送受信用共振回路７６ａの出力する高周波交流電圧は平滑回路で平滑され、高周波信号成分が除去され、コンパレータに入力し、2値化された受信データが出力され、バッファを通して電流計測手段１内の通信制御部６の通信処理を行う通信処理部76cに入力される。この様にして電流計測装置1と通信I/F部８とは双方向でデータの送受信を実施する。

図３は開磁路に構成された電流トランス３の構造と電流計測装置１の概観を示す図である。電流計測装置１は電流制限器９の端子部に嵌合して設置される構造となっている。電流トランス３は中性線N接続端子を除いたL1とL2の配線をコアが挟み込む構造になっている。

図８は閉磁路に構成された電流トランス３の構造と電流計測装置１の概観を示す図である。電流計測装置１は電流制限器９の端子部に嵌合して設置される構造となっている。電流トランス３は中性線N接続端子を除いたL1とL2の配線をコアが挟み込む構造になっている。嵌合するためのクランプ１２の下部にはコアと同様な磁性材１３が配置されており、嵌合時に、電流トランス３のコア材とクランプ１２の磁性材１３により閉磁路を構成する。

以上の様に構成した電流計測装置１は図８ないしは図９に示すように電流制限器９の端子部に配置され、電路２の各々Ｌ１−Ｎ，Ｌ２−Ｎ相に接続された電気機器11に流れる電流を計測し、その計測値は通信I/F部８を介して、計測コントローラ１０に送信され電流の計測がなされる。電流計測装置１が電流制限器９に設置され、通信I/F部８を図８のように取り付けると、通信I/F部８内の送電回路８１が生成する交流磁界により、電源部７の共振コイル７１に電圧が誘起する。これを前記動作に示した様に平滑し、レギュレータ回路７４で安定化させ、電流計測装置１内の各部に動作するための電源が供給される。計測制御部５は電源投入によるリセット後に電流計測を開始する。この電流計測の開始は、通信I/F部８を経由して受信される計測コントローラ１０（I/F手段を構成する）からのコマンドにより開始しても良い。

次に、電流計測の動作について説明する。開磁路ないしは閉磁路に構成した電流トランス３がL1ならびにL2に流れる電流を各々計測し、電流検出部４はトランスの出力レベルが図５に示すB-H曲線がリニアな範囲となるように、バイアス電流ibを調整し、L1相、L2相各々について線路電流ILにより得られる電圧レベルVi1(t)、Vi2(t)と、バイアス電流値ib1(t)、ib2(t)を計測制御部５に入力する。計測制御部５は電流量に比例するVi1(t)、Vi2(t)ならびにバイアス電流ib1(t)、ib2(t)を各々ADコンバータ等で所定の時間間隔で読み取る。
次に、計測制御部５は、L1相の電流値I1(t)については次式で示すようにVi1(t)からバイアス分のib1(t)を差し引くことで算出する。
I1(t)＝ＡVi1(t)−ib1(t)
但し、Aは線路電流ＩＬにより得られた電圧値を電流に変換する定数
さらに、計測制御部５は、L2相の電流値I2(t)を同様に次式を用いて算出する。
I2(t)＝ＡVi2(t)−ib2(t)
但し、Aは線路電流ＩＬにより得られた電圧値を電流に変換する定数
次に、計測制御部５は、各々電流値I1(t),I2(t)を合算しトータルの電流ILを計算する。
IL＝I1(t)＋I2(t)
この様に計測制御部５によって計算された電流値ILは計測制御部５からSIO(シーリアルI/O)経由で通信制御部６へ送られ、さらに、通信制御部６内の通信回路７６を用いて通信I/F部８の通信回路８６に伝達される。この電流値ILを受信した通信処理部８６ｃはこの電流値ILを通信媒体変換部８６ｄ経由で計測コントローラ１０に伝送するので、計測コントローラ１０は電流値の計測を行うことができる。

この様に電流計測装置１は非接触で絶縁された通信I/F部８を経由して計測データを計測コントローラ１０（I/F手段）に送信するため、電流計測装置を誤配線無く容易に設置可能であり、また、動作するための電力を通信I/F部８より非接触で供給を受け電源を生成して動作するため、別途動作電源の配線をする必要も無く小型・低コストで簡易に設置可能な電流計測装置を実現することが可能となる。
また、通信I/F部８も非接触による絶縁構造に構成したので感電等のない安全な施工を行うことが可能となる。
なお、本実施の形態では電流値の計算を計測制御部で行うこととしたが、演算アルゴリズムを計測コントローラ１０に搭載し、計測された源データを計測コントローラに送信し、計測コントローラ１０で所用の計測値に加工するように構成しても良い。また。演算アルゴリズムを計測コントローラ１０から変更可能に構成し、通信制御部６ならびに通信I/F部８を経由して計測制御部５に入力するように構成することで、各相毎の電流値個別の計測や平均電流の計測など様々な計測値を出力可能に同一の構成で構成可能である。
なお、電流トランスには電流制限器の端子部に嵌合する形状に構成したが、トランス部に分割コア等を用いた別体の構成の物を用いても、同一の動作、同様な効果を得ることができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２における電流計測装置の動作について説明する。なお構成については実施の形態１と同様であるため説明を省略する。本実施の形態に係る電流検出部４は商用周波数以外にも機器から発生する高調波成分も検知できるよう構成されている。また、電流トランス３も同様に商用周波数以外にも機器から発生する高調波成分も検知できるよう構成されている。

上記の様に構成された電流計測装置１において、ユーザまたは設置者は電気機器１１の動作ならびに電路２の異常がないことを確認後、計測コントローラ１０から電流計測装置１に正常である旨の情報を送信する。電流計測装置１の計測制御部５は所定の期間たとえば2ないし３日程度、電路２のL1−N、L2−N各相の高調波信号を観測し、高調波パターンの特徴量を正常時の高調波情報として計測制御部５内の図示しない記憶手段に記録する。電流計測装置１は通常の電流計測動作に加え、L1−N、L2−N各相の高調波信号の観測を行い、記憶手段に記録されている特徴量と観測された高調波信号とを比較して異なる高調波信号が検出された場合に、通信制御部６ならびに通信I/F部８を介して計測コントローラ１０にその情報を通報する。計測コントローラ１０は必要に応じ、ユーザに対して機器劣化の警報を出力する。この様にして機器の経年劣化を通報することにより、電気機器を安全に使用することが可能となる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３における電流計測装置の動作について説明する。なお構成については実施の形態１ならびに２と同様であるため説明を省略する。本実施の形態に係る電流検出部４は商用周波数以外にも機器から発生する高調波成分も検知できるよう構成されている。また、電流トランス３も同様に商用周波数以外にも機器から発生する高調波成分も検知できるよう構成されている。

上記の様に構成された電流計測装置１において、ユーザまたは設置者は通常の電流計測動作に加え、L1-N、L2−N各相の高調波信号の観測を行い、計測制御手段５に記憶されている電路のコロナ放電などコンセントなどの放電や、機器の接続部の劣化により起こる放電等の特徴量と観測された高調波信号とを比較して合致する高調波信号が検出された場合に、通信制御部６ならびに通信I/F部８を介して計測コントローラ１０にその情報を通報する。計測コントローラ１０は必要に応じ、ユーザに対して電路劣化の警報を出力する。この様にして電路や機器接続部の経年劣化を通報することにより、ユーザは修理などこの経年劣化に対応した処置を施すことができ、電気機器を安全に使用することが可能となる。なお、上記の例では、特徴量を計測制御手段５内に置き、異常の判断を行っているが、計測コントローラ１０に高調波の計測信号を送信し、計測コントローラ１０内部に特徴量を有し、比較判断するように構成しても同様な動作ならびに機能が実現でき、同様な効果が得られる。また、計測コントローラ１２内部に特徴量を有し、電力計測装置１はこの特徴量を通信部９を介して計測コントローラ１２から計測制御部５に読み込んだ後計測制御部５で処理してもよく、同様な効果が得られる。

本発明による電力計測装置の適用例として、家庭用電化機器におけるデマンド制御システム、エネルギー管理システムやビル・工場などの設備システムのエネルギー管理や省エネ制御システムなどが上げられる。

本発明の実施の形態１〜３における電流計測装置の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１〜３における電流検出コイルの構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１〜３における開磁路の電流検出コイルの構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１〜３における閉磁路の電流検出コイルの構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１〜３における電流検出部の特性例を示す図である。 本発明の実施の形態１〜３における通信制御部６ならびに通信I/F部８の送電回路ならびに電源回路７の回路構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１〜３における通信制御部６ならびに通信I/F部８の通信回路の回路構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１〜３における電流計測装置の設置例を示す図である。 本発明の実施の形態１〜３における電流計測装置を含む計測システムの構成例を示す図である。

符号の説明

１ 電流計測装置、２ 電路、３ 電流トランス、４ 電流検出部、５ 計測制御部、６ 通信制御部、７ 電源部、８ 通信I/F部、９ 電流制限器、１０ 計測コントローラ、１１ 電気機器、１２ クランプ、１３ 磁性材、７１Ｃ コンデンサ、７１Ｌ コイル、７２ ダイオード、７３ 平滑回路、７３ａ〜ｂ コンデンサ、７４ 電源レギュレータ部、７５ コネクタ、７６ 通信回路、７６ａ 送受信用共振回路、７６ｃ マイコン、８０ 通信手段（通信I/F部）、８１ 送電回路、８４ 励振インバータ、８４ａ〜ｄ スイッチング素子、８５ 電力送信用共振回路、８６ 通信回路、８６ａ 送受信用共振回路、８６ｃ 制御手段、８６ｄ 通信媒体変換部。

Claims (13)

1. 電気機器が接続される電路の電流を検出する電流検出器と、
   この電流検出器の出力に基づいて前記電気機器に流れる電流を計算する演算部と、
   外部の計測コントローラの通信インタフェース部から電力を受電して前記演算部の動作電圧を生成する電源部と、
   外部の計測コントローラと、前記通信インタフェース部を介して計測値データ等のデータ信号の交信を非接触の絶縁構造で行う通信部と、を備えたことを特徴とする電流計測装置。
2. 前記電流検出器は開磁路で構成された電流トランスまたは閉磁路で構成された電流トランスの少なくとも一方で構成されることを特徴とする請求項１に記載の電流計測装置。
3. 前記電流トランスは負荷電流検出コイルと、バイアス印加用コイルを備えたことを特徴とする請求項２に記載の電流計測装置。
4. 前記電流検出器の出力を前記演算部に入力するための信号に変換する電流計測部とを備え、
   前記電流計測部は、商用周波数以上の高調波成分を検知する高調波検知手段を有し、
   前記演算部は、前記電路が直接放電することにより発生する高周波信号の特徴量を有し、前記高調波検知手段の出力と前記特徴量とを比較し、所定の要件に合致した場合に前記通信部を介して電路劣化のアラーム信号を外部の計測コントローラへ送信して警報出力を促すことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電流計測装置。
5. 前記演算部に代えて、
   機器が正常時に発生する高周波信号の特徴量を有し、前記高調波検知手段の出力と前記特徴量とを比較し、所定の要件に合致した場合に前記通信部を介して電路劣化のアラーム信号を前記計測コントローラへ送信する演算部を備えたことを特徴とする請求項４に記載の電流計測装置。
6. 前記高周波信号の特徴量は予め演算部に組み込まれていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の電流計測装置。
7. 前記高周波信号の特徴量は前記通信部を介して前記計測コントローラから前記演算部に読み込まれることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の電流計測装置。
8. 前記電路の端子部と、前記電路の接続と遮断を切替制御するスイッチを有する電気遮断器を備え、
   前記電流検出器を前記端子部に嵌合させることで前記電気遮断器に取り付けられることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の電流計測装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の電流計測装置と、
   通信インタフェース部と、を備え、
   前記通信インタフェース部は、交流電力を生成する交流電源とこの交流電源からの交流電力を電磁誘導無線にて伝送する第１の電力伝送用コイルを有し、
   前記電流計測装置の電源部は、交流電力を電磁誘導無線にて受電する第２の電力伝送用コイルを備え、
   前記通信インタフェース部から前記電流計測装置へ前記第１の電力伝送用コイルと前記第２の電力伝送用コイルを介して前記交流電力を非接触で送信することを特徴とする電流計測システム。
10. 請求項１〜８のいずれかに記載の電流計測装置と、
    計測コントローラと、前記電流計測装置と通信する通信インタフェース部と、を備え、
    前記電流計測装置の通信部は、データ信号を電磁誘導無線にて伝送する第１のコイルを備え、
    前記通信I/F部は、データ信号を電磁誘導無線にて伝送する第２のコイルを有し、
    前記計測コントローラは、前記電流計測装置との間で前記第１のコイルと前記第２のコイルを介してデータ信号の交信を非接触で行うことを特徴とする電流計測システム。
11. 前記通信I/F部はペア線で構成されることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の電流計測システム。
12. 前記通信インタフェース部はpower Over IP等電源供給付きLAN回路で構成されることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の電流計測システム。
13. 前記通信インタフェース部はUSB回路で構成されることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の電流計測システム。

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