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JP2011089915A - 電力計測装置、及び、電力計測方法 - Google Patents

電力計測装置、及び、電力計測方法 Download PDF

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JP2011089915A JP2009244415A JP2009244415A JP2011089915A JP 2011089915 A JP2011089915 A JP 2011089915A JP 2009244415 A JP2009244415 A JP 2009244415A JP 2009244415 A JP2009244415 A JP 2009244415A JP 2011089915 A JP2011089915 A JP 2011089915A
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Abstract

【課題】電気機器等の消費電力を計測するのに好適な電力計測装置等を提供する。
【解決手段】本発明に係る電力計測装置1は、測定対象である電源線の1線を当該電力計測装置1のグランド電位とし、当該電力計測装置に電力を供給する非絶縁電源供給回路3と、グランド電位とグランドを除く電源線間の電圧を抵抗分圧する電圧測定回路4と、電力計測結果を出力する通信ドライバ9と、通信ドライバ9を電力線から絶縁するフォトカプラ8と、を備え、通信ドライバ9の電源を当該通信ドライバ9が接続される表示装置2が備える電源部10から供給する。
【選択図】図1

Description

本発明は、電気機器等の消費電力を計測するのに好適な電力計測装置、及び、電力計測方法に関する。
電力計測装置をAC(Alternating Current)電源から絶縁するために、当該装置の動作電源に電源トランスを使った絶縁電源を用い、電源電圧を測定しやすい小電圧に変換する電圧測定回路に電圧トランスを用いた電力計測装置が知られている。しかし、絶縁電源や電圧トランスは、サイズが大きく、高価であるため、電力計測装置は一般に大型、高コストとなっていた。また、電圧測定回路を抵抗分圧回路等の非絶縁回路で構成する場合、非絶縁回路部の電源を、電力計測装置が持つ絶縁電源と別に用意する必要があった。
そこで、特許文献1には、多相電力計測を簡易化する技術として、計測に使用する電圧トランスを無くし、電力を測定する負荷装置の電源回路から検出した電圧値により、電力を計算する技術が開示されている。
特開2001−359297号公報
しかしながら、特許文献1に開示されている構成では、電源回路から検出した電圧値により電圧を測定する場合、電力計測装置の測定精度や回路構成が、負荷装置に依存するという問題ある。そこで、電気機器等の消費電力を計測するのに好適な新たな手法が求められている。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電気機器等の消費電力を計測するのに好適な電力計測装置、及び、電力計測方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の電力計測装置は、
電源線の1線をグランド電位とし、当該1線を除く他線が入力端に接続され、当該電源線から電源電圧の供給を受ける非絶縁電源供給回路と、
前記電源線の他線が入力端に接続され、当該電源線の電圧値を測定する電圧測定回路と、
前記電源線の他線の電流を検出し、当該電源線の電流値を測定する電流測定回路と、
前記非絶縁電源供給回路から作動用の電源電圧が供給され、前記電圧測定回路の出力端と前記電流測定回路の出力端とが入力端に接続され、前記電圧値及び/又は前記電流値のアナログ値をディジタル値に変換するA/D変換部と、
前記非絶縁電源供給回路から作動用の電源電圧が供給され、前記A/D変換部の出力端が入力端に接続され、前記ディジタル値に基づいて計測値を演算する演算部と、
前記非絶縁電源供給回路が1次側に接続され、外部電源が2次側に接続され、前記演算部の出力端を、前記電源線から絶縁する絶縁回路と、を備える、ことを特徴とする。
本発明によれば、電気機器等の消費電力を計測することができる。また、電力計測装置を小型化、低コスト化することができる。
実施形態1に係る電力計測装置の構成を示す図である。 電力計測装置の動作を説明するためのフローチャートである。 実施形態2に係る電力計測装置の構成を示す図である。 電力計測装置が空調機に組み込まれた例を示す図である。 電力計測装置がIHクッキングヒータに組み込まれた例を示す図である。 電力計測装置が給湯器に組み込まれた例を示す図である。 電力計測装置が冷蔵庫に組み込まれた例を示す図である。 電力計測装置が太陽光発電機に組み込まれた例を示す図である。
以下に本発明の実施形態を説明する。以下に記載する実施形態は説明のためのものであり、本願発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であればこれらの各要素または全要素をこれと均等なものに置換した実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も本発明の範囲に含まれる。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施の形態に係る電力計測装置の構成を示す図である。本実施形態では、同図に示すように、電力計測が行われる電力計測装置1と、計測された結果が表示される表示装置2と、が分離された構成となっている。
(電力計測装置の構成)
電力計測装置1は、非絶縁電源供給回路3、電圧測定回路4、電流測定回路5、A/D(Analog to Digital)変換部6、演算部7、フォトカプラ8、通信ドライバ9等から構成される。また、表示装置2は、電源部10、通信部11、制御部12、表示部13等から構成される。
電力計測装置1は、例えば、単相三線式電源14の電力を計測する。電力計測装置1のグランドは、単相三線式電源14における中性線15に接続される。単相三線式電源14における外線の1線は、後述する非絶縁電源供給回路3に接続される。また、単相三線式電源14の中性線15を除く2線は、後述する電圧測定回路4に接続される。また、単相三線式電源14の中性線15を除く2線は、カレントトランス16を介して、後述する電流測定回路5と電磁結合している。
表示装置2は、電力計測装置1と接続され、電力計測装置1が計測した結果を受信して、当該結果を表示する。表示装置2は、単相三線式電源14における中性線15と外線の1線とに接続される。
非絶縁電源供給回路3は、例えば、コンバータやスイッチング制御回路を備え、電力計測装置1を作動させる作動用の電源電圧を作る。非絶縁電源供給回路3の入力は、外線の1線に接続され、非絶縁電源供給回路3の出力は、A/D変換部6、演算部7及びフォトカプラ8の1次側へ接続される。非絶縁電源供給回路3に作成された電源電圧が、A/D変換部6、演算部7及びフォトカプラ8の作動用の電源電圧として供給される。
電圧測定回路4は、例えば、抵抗分圧回路を備え、電源線から印加される電圧を測定し、当該電圧をアナログ入力に適したレベルへ変換(分圧)する。電圧測定回路4は、単相三線式電源14の中性線15を除く2線へ接続される。各電源線と中性線15に接続された電力計測装置1のグランド間の各電圧は、電圧測定回路4で分圧されて、当該分圧された電圧が、A/D変換部6のアナログ入力に入力される。
なお、電圧測定回路4が備える分圧回路の出力には、電流測定回路5のインピーダンスのバラつきや変動による分圧比の変化を防ぐため、オペアンプ等の高入力インピーダンスの素子を挿入してもよい。
電流測定回路5は、例えば、負荷抵抗を備え、カレントトランス16の電流を測定し、当該電流をアナログ入力に適した電圧へ変換する。電流測定回路5は、単相三線式電源14の中性線15を除く2線へカレントトランス16で電磁結合している。カレントトランス16により計測された2線の電流計測値は、電流測定回路5で電流に比例する電圧に変換され、当該電圧がA/D変換部6のアナログ入力に入力される。電流測定回路5によりスケーリングされた電流値は、A/D変換部6に入力され、ディジタル値へ変換される。
なお、レベルを調整するため、電流測定回路5にオペアンプ等の増幅素子や分圧素子を挿入してもよい。
A/D変換部6は、例えば、積分回路を備え、入力されるアナログ値をディジタル値に変換して出力する。電圧測定回路4及び電流測定回路5から出力されるアナログ値は、A/D変換部6においてディジタル値に変換され、当該ディジタル値は演算部7へ出力される。
演算部7は、A/D変換部6から入力される電流計測結果と電圧計測結果のディジタル値を用いて、相電圧、相電流、相電力、全電力等の計算を行う。演算部7から出力される計算値は、フォトカプラ8へ入力される。
フォトカプラ8は、例えば、発光素子や受光素子を備え、入力される電気信号を光に変換し、当該光で受光素子を導通させることにより信号を伝達する。フォトカプラ8は、その構造上、入力端と出力端とが電気的に絶縁されるため、演算部7の出力は、後述する通信ドライバ9と絶縁される。フォトカプラ8の2次側の電圧は、後述する電源部10から供給されているため、表示装置2と同一のDC(Direct Current)電圧となる。
なお、非絶縁電源供給回路3、電圧測定回路4、A/D変換部6、及び、演算部7は、すべて1次側のグランドに接続されている。
通信ドライバ9は、コネクタ等のインターフェースと通信線を介して、表示装置2と接続される。電力計測装置1の計測データは、通信ドライバ9を介して、表示装置2へ送信される。
電源部10は、AC100Vから表示装置2を動作させるDC電源を作る電源回路である。電源部10は、コネクタ等のインターフェースと電源線を介して、電力計測装置1へ接続され、フォトカプラ8の2次側と通信ドライバ9とへ電源を供給する。また、電源部10は、通信部11、制御部12及び表示部13へ電源を供給する。電源部10は、単相三線式電源14における中性線15と外線の1線とに接続される。
通信部11は、コネクタ等のインターフェースと通信線を介して、電力計測装置1が備える通信ドライバ9と接続される。電力計測装置1が計測した計測データは、通信部11を介して受信され、当該受信データは、制御部12に渡される。
制御部12は、例えば、CPU(Central Processing Unit)を備え、通信部11を介して電力計測装置1から受信した計測データを表示部13へ出力する。
なお、制御部12は、単相三線式電源14に接続された電気機器を制御する機能を備え、電力計測装置1の計測データに基づいて、当該電気機器の動作を制御する機能を備えてもよい。また、制御部12は、電力計測装置1の設定や制御を行う機能を備えてもよい。
表示部13は、例えば、液晶パネルを備え、制御部12からの制御により、電力計測装置1の計測データを表示する。
(電力計測装置の動作)
次に、本実施形態に係る電力計測装置1の動作について、図面を参照して説明する。図2は、電力計測装置1の動作を示すフローチャートである。
ここで、電力計測装置1は、図1に示すように、計測対象であるAC電源線の1線を電力計測装置1のグランド電位とする。また、電力計測装置1は、電力計測結果を出力する通信ドライバ9をAC電源から絶縁するフォトカプラ8を備える。通信ドライバ9の電源は、インターフェースが接続される表示装置2が備える電源部10から外部供給される。
まず、電圧測定回路4は、各電源線と中性線15に接続された電力計測装置1のグランド間の各電圧を、抵抗分圧回路等により、A/D変換部6のアナログ入力に適したレベルへ変換(分圧)する(ステップS101)。
なお、分圧回路の出力には、電流測定回路5のインピーダンスのバラつきや変動による分圧比の変化を防ぐため、オペアンプ等の高入力インピーダンスの素子を挿入してもよい。
電流測定回路5は、カレントトランス16により2線の電流を測定する(ステップS102)。測定された電流は、負荷抵抗により電流に比例する電圧に変換され、当該電圧がA/D変換部6のアナログ入力に入力される。
なお、レベルを調整するため、オペアンプ等の増幅素子や、分圧素子を挿入してもよい。
次に、電圧測定回路4によりスケーリングされた電圧値、及び、電流測定回路5によりスケーリングされた電流値は、A/D変換部6に入力され、当該A/D変換部6は、当該電圧値及び当該電流値をディジタル値に変換する(ステップS103)。
次に、演算部7は、A/D変換部6から得られる、電流計測結果と電圧計測結果とのディジタル値を用いて、相電圧、相電流、相電力、全電力等を計算し算出する(ステップS104)。演算部7で算出された電力等の計測データは、ディジタル信号でフォトカプラ8を介して絶縁され、通信ドライバ9へ出力される。
ここで、非絶縁電源供給回路3の電源出力が5V、演算部7が5V系ロジック回路、電源部10の電源出力が5Vの場合を例に取り、信号の流れについて説明する。
単相三線式電源14のAC電圧100Vは、電圧測定回路4において、A/D変換部6のアナログ信号入力範囲内となるように、5V以下の信号に分圧される。A/D変換部6に入力されたアナログ信号は、A/D変換部6においてディジタル信号に変換されて、5V系ディジタル信号として演算部7に入力される。演算部7で演算された結果は、5V系ディジタル信号としてフォトカプラ8の1次側に入力される。フォトカプラ8の2次側の電源は、表示装置2が備える電源部10から5Vが供給されているため、フォトカプラ8の出力は、5V系ディジタル信号で、通信ドライバ9に入力される。
なお、A/D変換部6が正負のアナログ信号入力の場合、信号を直接入力することができるが、A/D変換部6が正のアナログ信号入力のみに対応している場合、アナログ信号に、A/Dアナログ信号入力範囲の半分の電圧のバイアスが印加される。
A/D変換部6、及び、演算部7は、非絶縁電源供給回路3を電源として動作する。非絶縁電源供給回路3は、入力と出力とが絶縁されていないが、絶縁電源供給回路では、入力と出力とが絶縁されている。入力と出力とを絶縁させるための手法は、典型的には、トランスによって行われる。トランスを用いた絶縁電源供給回路は、大型及び高コストとなるため、当該絶縁電源供給回路を備える電力計測装置は、結果として、大型及び高コストとなる。
本発明に係る電力計測装置1では、非絶縁電源供給回路3は、A/D変換部6、演算部7、及び、フォトカプラ8の1次側に接続されて、電力計測装置1の電源として機能する。また、表示装置2が備える電源部10は、フォトカプラ8の2次側、及び、フォトカプラ8により絶縁された通信ドライバ9に接続される。フォトカプラ8は、その構造上、入力端と出力端とが電気的に絶縁されるため、通信ドライバ9を絶縁することができる。この結果、絶縁電源供給回路を用いずに、電力計測装置1を動作させることができるため、電力計測装置1を小型化及び低コスト化することができる。
次に、通信ドライバ9は、表示装置2が備える通信部11を介して、電力計測装置1の計測データを送信する。表示装置2が備える制御部12は、受信した計測データを表示部13へ出力し、計測データを表示させる(ステップS105)。
なお、制御部12は、単相三線式電源14に接続された電気機器を制御する機能を備え、電力計測装置1の計測データにより、電気機器の動作を制御する機能を備えてもよい。また、制御部12は、電力計測装置1の設定や制御を行う機能を備えてもよい。
以上の処理を繰り返すことにより、電力計測装置1が計測した電力値等の測定データが表示される。
以上のように、電力計測装置1を、絶縁電源供給回路を用いずに動作させることができるため、電力計測装置1を小型化及び低コスト化することができる。
また、電圧測定回路4において、電圧トランスの代わりに抵抗分圧回路を用いることで、電力計測装置1を小型化及び低コスト化することができる。電圧トランスを使用しないことで、電圧測定回路4の位相誤差が軽減し、電圧を高精度に計測することができる。
さらに、電力計測装置1が計測する負荷装置に依存せず電力を測定できるとともに、配電方式が異なる負荷装置にも容易に対応可能な構成とすることができる。
(実施形態2)
実施形態1では、電力計測装置1と表示装置2とが分離されて構成され、電力計測装置1が計測した計測データが、分離された表示装置2に表示されていた。本実施形態では、家電装置の電力を計測するために、電力計測装置が家電装置に組み込まれる場合について説明する。
(電力計測装置の構成)
まず、本実施形態の電力計測装置の各部の構成について、図面を参照して説明する。図3は、本実施形態に係る電力計測装置1aの構成を示す図である。
同図に示すように、電力計測装置1aは、非絶縁電源供給回路3、電圧測定回路4、電流測定回路5、A/D変換部6、演算部7、フォトカプラ8等から構成される。また、家電装置17は、電力計測装置1a、電源部10、制御部12、表示部13等から構成される。フォトカプラ8、及び、電源部10以外の構成については、実施形態1に係る電力計測装置1と同様であるため説明を省略する。
電力計測装置1aは、三相三線式電源18で駆動し、消費電力をモニタするために家電装置17に組み込まれる。電力計測装置1aのグランドは、三相三線式電源18におけるS線19へ接続される。三相三線式電源18におけるR線またはT線は、電力計測装置1aを動作させるための電源を作る非絶縁電源供給回路3へ接続される。
フォトカプラ8の出力は、コネクタ等のインターフェースを介して、家電装置17が備える制御部12に接続される。電力計測装置1aが計測した計測データは、フォトカプラ8から出力されて、制御部12に渡される。演算部7の出力は、フォトカプラ8により、家電装置17と絶縁される。
電源部10は、三相三線式電源18におけるS線19、R線、及び、T線に接続される。電源部10は、制御部12及び表示部13へ電源を供給し、また、コネクタ等のインターフェースと電源線を介して、電力計測装置1aへ接続され、フォトカプラ8の2次側へ電源を供給する。
なお、電力計測装置1aが表示部13を備えてもよく、また、家電装置17を操作するためのリモコンが表示部13を備えてもよい。
家電装置17は、例えば、空調装置、IH(Induction Heating)クッキングヒータ、給湯器、冷蔵庫、太陽光発電機等、任意の装置である。電力計測装置1aは、家電装置17に組み込まれ、当該家電装置17の消費電力等を計測する。
図4〜8は、電力計測装置1aが空調機20、IHクッキングヒータ21、給湯器22、冷蔵庫23、太陽光発電機24に組み込まれた例を示す図である。電力計測装置1aは、同図に示すように、空調機20等の任意の家電装置に組み込まれる。電力計測装置1aにより計測された計測データは、家電装置17が備える制御部12、リモコン、または、集中コントローラ等へ送信されて、計測結果が表示される。
本実施形態に係る電力計測装置1aの動作については、通信ドライバ9や通信部11を介さずに、計測データが送信されること以外は、実施形態1に係る電力計測装置1と同様であるため説明を省略する。
本発明に係る電力計測装置1aでは、非絶縁電源供給回路3は、A/D変換部6、演算部7、及び、フォトカプラ8の1次側に接続されて、電力計測装置1aの電源として機能する。また、家電装置17が備える電源部10は、フォトカプラ8の2次側に接続される。フォトカプラ8は、その構造上、入力端と出力端とが電気的に絶縁されるため、電力計測装置1aと家電装置17とを絶縁することができる。
以上のように、絶縁電源供給回路を用いずに、電力計測装置1aを動作させることができるため、電力計測装置1aを小型化及び低コスト化することができる。
また、家電装置17に電力計測装置1aが組み込まれることで、家電装置17の消費電力等の情報を得ることが可能となる。これにより、消費電力情報を元に家電装置17を制御することができるため、家電装置17を高機能化することができる。
また、家電装置17本体に搭載されたインターフェース、または、家電装置17を操作するリモコンのインターフェースへ電力情報を表示させることも可能となり、ユーザーへリアルタイムで電気料金の通知をしたり、ユーザーの省エネ意識を喚起させたりすることができる。
また、電力情報から家電装置17の異常を検知し、動作を停止させる等の制御を行ったり、家電装置17の異常をユーザーへ通知したりすることができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
電力計測装置1は、単相三線式電源14の電力測定を行うものとしたが、三相四線式、三相三線式及び単相二線式電源の電力測定を行う場合も同様の効果を得ることができる。
また、電力計測装置1aは、三相三線式電源18で駆動される装置としたが、三相四線式、単相三線式及び単相二線式電源で駆動される装置についても同様の効果を得ることができる。
また、電力計測装置1、1aにおける、電圧測定回路4の抵抗分圧比と、演算部7における演算方法とを変更することにより、方式が異なる電源に容易に対応することができる。
また、抵抗分圧比と演算方法を適切に選択することで、複数の電源方式に対応した電力計測装置も容易に構成することができる。
また、電力計測装置1、1aにおいて、通信ドライバ9や制御部12等との絶縁手段をフォトカプラ8としたが、絶縁手段をトランスや容量性素子とした場合も同様の効果を得ることができるが、小型、安価であることからフォトカプラ8の使用が望ましい。
また、電力計測装置1、1aの電流測定手段をカレントトランス16としたが、電流測定手段にシャント抵抗、磁界センサ等の素子を使用しても同様の効果を得ることができる。
この発明は、電気機器等の消費電力を計測することに用いることができる。
1、1a 電力計測装置
2 表示装置
3 非絶縁電源供給回路
4 電圧測定回路
5 電流測定回路
6 A/D変換部
7 演算部
8 フォトカプラ
9 通信ドライバ
10 電源部
11 通信部
12 制御部
13 表示部
14 単相三線式電源
15 中性線
16 カレントトランス
17 家電装置
18 三相三線式電源
19 S線
20 空調機
21 IHクッキングヒータ
22 給湯器
23 冷蔵庫
24 太陽光発電機

Claims (7)

  1. 電源線の1線をグランド電位とし、当該1線を除く他線が入力端に接続され、当該電源線から電源電圧の供給を受ける非絶縁電源供給回路と、
    前記電源線の他線が入力端に接続され、当該電源線の電圧値を測定する電圧測定回路と、
    前記電源線の他線の電流を検出し、当該電源線の電流値を測定する電流測定回路と、
    前記非絶縁電源供給回路から作動用の電源電圧が供給され、前記電圧測定回路の出力端と前記電流測定回路の出力端とが入力端に接続され、前記電圧値及び/又は前記電流値のアナログ値をディジタル値に変換するA/D変換部と、
    前記非絶縁電源供給回路から作動用の電源電圧が供給され、前記A/D変換部の出力端が入力端に接続され、前記ディジタル値に基づいて計測値を演算する演算部と、
    前記非絶縁電源供給回路が1次側に接続され、外部電源が2次側に接続され、前記演算部の出力端を、前記電源線から絶縁する絶縁回路と、を備える、
    ことを特徴とする電力計測装置。
  2. 前記電圧測定回路は、前記測定された電圧値を分圧し、当該分圧された分圧電圧値を、前記A/D変換部に出力する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力計測装置。
  3. 前記絶縁回路は、フォトカプラ、容量素子、及び/又は、トランスを備える、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電力計測装置。
  4. 前記電流測定回路は、カレントトランス、シャント抵抗、及び/又は、磁界センサを備える、
    ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電力計測装置。
  5. 前記電源線は、単相三線式、三相四線式、三相三線式、又は、単相二線式からなる、
    ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電力計測装置。
  6. 前記外部電源から作動用の電源電圧が供給され、前記絶縁回路の出力端が入力端に接続され、前記演算された計測値を送信する通信部と、
    前記外部電源から作動用の電源電圧が供給され、前記送信された計測値を受信して、当該計測値を表示する表示部と、をさらに備え、
    前記通信部は、前記絶縁回路により前記電源線から絶縁される、
    ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電力計測装置。
  7. 非絶縁電源供給回路と、電圧測定回路と、電流測定回路と、A/D変換部と、演算部と、絶縁回路と、を備える電力計測装置にて実行される電力計測方法であって、
    前記非絶縁電源供給回路が、電源線の1線をグランド電位とし、当該1線を除く他線が入力端に接続され、当該電源線から電源電圧の供給を受ける非絶縁電源供給工程と、
    前記電圧測定回路が、前記電源線の他線が入力端に接続され、当該電源線の電圧値を測定する電圧測定工程と、
    前記電流測定回路が、前記電源線の他線の電流を検出し、当該電源線の電流値を測定する電流測定工程と、
    前記A/D変換部が、前記非絶縁電源供給回路から作動用の電源電圧が供給され、前記電圧測定回路の出力端と前記電流測定回路の出力端とが入力端に接続され、前記電圧値及び/又は前記電流値のアナログ値をディジタル値に変換するA/D変換工程と、
    前記演算部が、前記非絶縁電源供給回路から作動用の電源電圧が供給され、前記A/D変換部の出力端が入力端に接続され、前記ディジタル値に基づいて計測値を演算する演算工程と、
    前記絶縁回路が、前記非絶縁電源供給回路が1次側に接続され、外部電源が2次側に接続され、前記演算部の出力端を、前記電源線から絶縁する絶縁工程と、を備える、
    ことを特徴とする電力計測方法。
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