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技術 測定装置

出願人 富士通株式会社
発明者 伊藤昭夫大島弘敬
出願日 2012年9月12日 (8年3ヶ月経過) 出願番号 2012-200363
公開日 2014年3月27日 (6年9ヶ月経過) 公開番号 2014-055831
状態 特許登録済
技術分野 電力、力率、電力量の測定;試験、較正 電池等の充放電回路
主要キーワード ブリッジ型全波整流回路 部分巻線 電池交換作業 分割巻線 直流電圧変換器 電磁誘導結合 蓄電用 電流トランス
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2014年3月27日)のものです。
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図面 (9)

課題

測定精度を損なうことなく、電池交換を不要とし得る、又は、電池交換の頻度を低減し得る測定装置を提供する。

解決手段

絶縁電線14に流れる電流を、電流トランス11を用いて測定する電流測定部38と、電流トランスにより絶縁電線から取り出される電力を用いて二次電池58に充電する充電回路44と、電流トランスの出力が電流測定部と充電回路とのいずれかに接続されるように切り換える切り換え部42とを有している。

概要

背景

近時、工場内等に配された個々の設備消費電力等を測定し得る測定装置が提案されている。

かかる測定装置は、絶縁電線導線に非接触で、負荷に供給される電力有効電力)を測定することが可能である。

測定装置の設置の容易性を考慮すると、測定装置の電源として電池を用いることが好ましい。

概要

測定精度を損なうことなく、電池交換を不要とし得る、又は、電池交換の頻度を低減し得る測定装置を提供する。絶縁電線14に流れる電流を、電流トランス11を用いて測定する電流測定部38と、電流トランスにより絶縁電線から取り出される電力を用いて二次電池58に充電する充電回路44と、電流トランスの出力が電流測定部と充電回路とのいずれかに接続されるように切り換える切り換え部42とを有している。

目的

本発明の目的は、測定精度を損なうことなく、電池交換を不要とし得る、又は、電池交換の頻度を低減し得る測定装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
4件

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請求項1

絶縁電線に流れる電流を、電流トランスを用いて測定する電流測定部と、前記電流トランスにより前記絶縁電線から取り出される電力を用いて二次電池充電する充電回路と、前記電流トランスの出力が前記電流測定部と前記充電回路とのいずれかに接続されるように切り換える切り換え部とを有することを特徴とする測定装置

請求項2

請求項1記載の測定装置において、前記電流トランスは、磁気コアと、前記磁気コアに巻き付けられた第1の巻数の第1の部分巻線と、前記磁気コアに巻き付けられ、前記第1の部分巻線に直列に接続され、前記第1の巻数より多い第2の巻数の第2の部分巻線とを含むコイルと有し、前記切り換え部は、前記電流トランスの出力を前記電流測定部に接続する際には、前記コイルの全体の出力を前記電流測定部に接続し、前記電流トランスの出力を前記充電回路に接続する際には、前記第1の部分巻線の出力を前記充電回路に接続することを特徴とする測定装置。

請求項3

請求項2記載の測定装置において、前記第2の巻数は、前記第1の巻数の2倍以上であることを特徴とする測定装置。

請求項4

請求項1乃至3のいずれか1項に記載の測定装置において、前記絶縁電線の電圧を、静電容量結合により検出する電圧測定部を更に有し、前記電流測定部により測定される電流と前記電圧測定部により測定される電圧とに基づいて、前記絶縁電線により負荷に供給される電力を測定することを特徴とする測定装置。

請求項5

請求項1乃至4のいずれか1項に記載の測定装置において、前記充電回路は、前記電流トランスにより前記絶縁電線から取り出される電力を蓄積するキャパシタと、前記キャパシタに蓄積される電力を用いて前記二次電池に電力を供給するDC/DCコンバータとを含むことを特徴とする測定装置。

技術分野

0001

本発明は、測定装置に関する。

背景技術

0002

近時、工場内等に配された個々の設備消費電力等を測定し得る測定装置が提案されている。

0003

かかる測定装置は、絶縁電線導線に非接触で、負荷に供給される電力有効電力)を測定することが可能である。

0004

測定装置の設置の容易性を考慮すると、測定装置の電源として電池を用いることが好ましい。

先行技術

0005

特開2008−175532号公報
特開2009−14659号公報
特開2010−181378号公報
特開2010−145244号公報
特許第3071220号公報
特開2011−151979号公報

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、測定装置の電源として電池を用いた場合には、電池の消耗に伴う電池交換作業の手間が生ずる。

0007

本発明の目的は、測定精度を損なうことなく、電池交換を不要とし得る、又は、電池交換の頻度を低減し得る測定装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

実施形態の一観点によれば、絶縁電線に流れる電流を、電流トランスを用いて測定する電流測定部と、前記電流トランスにより前記絶縁電線から取り出される電力を用いて二次電池充電する充電回路と、前記電流トランスの出力が前記電流測定部と前記充電回路とのいずれかに接続されるように切り換える切り換え部とを有することを特徴とする測定装置が提供される。

発明の効果

0009

開示の測定装置によれば、絶縁電線から電流トランスを用いて取り出される電力を用いて二次電池に充電が行われる。しかも、電流トランスの出力の接続先を選択的に切り換える切り換え部が設けられており、測定時には電流トランスの出力が電流測定部に接続され、非測定時には電流トランスの出力が充電回路に接続される。電流トランスの出力の接続先が電流測定部と充電回路とに選択的に切り換えられるため、充電回路のインピーダンスが電流測定部側に悪影響を及ぼさない。従って、測定精度を損なうことなく、電池交換を不要とし得る、又は、電池交換の頻度を低減し得る測定装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

0010

図1は、第1実施形態による測定装置を示すブロック図である。
図2は、クランプ部の例を示す図(その1)である。
図3は、第1実施形態による測定装置の動作を示すタイムチャートである。
図4は、第1実施形態による測定装置の評価結果を示すグラフである。
図5は、第2実施形態による測定装置を示すブロック図である。
図6は、第3実施形態による測定装置を示すブロック図である。
図7は、クランプ部の例を示す図(その2)である。
図8は、巻数がN1の巻線と巻数がN2の巻線とが二次側に設けられたトランスを示す図である。

実施例

0011

測定対象の絶縁電線から電流トランスを用いて電力を取り出し、取り出した電力を二次電池の充電に用いることも考えられる。

0012

しかし、測定回路に接続されている電流トランスの出力を分岐して、充電用の電力を取り出した場合には、充電用の回路のインピーダンスが測定回路に悪影響を及ぼし、測定誤差等が生じてしまう虞がある。

0013

また、測定用の電流トランスと別個電力取り出し用の電流トランスを設けることも考えられるが、設置に要するスペースが広くなってしまい、また、低コスト化等の要請に反する。

0014

[第1実施形態]
第1実施形態による測定装置について図1乃至図4を用いて説明する。図1は、本実施形態による測定装置を示すブロック図である。

0015

ここでは、負荷(図示せず)に供給される交流の電力を測定する交流電力測定装置を例に説明する。

0016

図1に示すように、入力回路10には、クランプ部11が設けられている。

0017

図2は、クランプ部の例を示す図である。

0018

図2に示すように、クランプ部本体(支持部)は、一対の磁気コア12a、12bを支持している。一対の磁気コア12a、12bのうちの少なくとも一方は、可動自在となっている。例えば、磁気コア12aは、図2に示す矢印の方向に可動し得る。各々の磁気コア12a、12bは、例えば半環状に成型されている。

0019

クランプ部11は、交流電源を負荷(図示せず)に供給する電線(絶縁電線、測定対象電線)14をクランプする。絶縁電線14は、導線(導体)16が絶縁体18により被覆されている電線である。図2は、一対の磁気コア12a、12bにより電線14をクランプした状態を示している。クランプ部11は、電線14に流れる電流を検出する電流トランス(カレントトランス)として機能する。また、クランプ部11は、後述するように、電線14の電圧を検出するためにも用い得る。即ち、クランプ部11は、電流検出のみならず、電圧検出にも用い得るものである。

0020

なお、電線14を介して電力が供給される負荷としては、工場等に配される様々な機器が挙げられる。

0021

クランプ部11の一対の磁気コア12a、12bにより電線14をクランプすると、磁気コア12aの両端と磁気コア12bの両端とが互いに対向した状態となり、電線14が環状の磁路により取り囲まれた状態となる。

0022

磁気コア12a、12bの材料としては、高透磁率磁性材料が用いられている。より具体的には、磁気コア12a、12bの材料としては、フェライト珪素鋼板、又は、パーマロイ等が用いられている。

0023

磁気コア12bには、電線(巻線)20が巻かれており、これによりコイル22が形成されている。電線20の巻数Nは、例えば3000程度とする。コイル22は、電線14に流れる電流(電流波形)を、電磁誘導結合によって、絶縁電線14の導線16に非接触で測定するために用いられる。一対の磁気コア12a、12bにより形成される環状の磁路に流れる磁束をコイル22により検出することにより、電線14に流れる電流を検出することが可能である。コイル22の両端からは、それぞれ引き出し線配線信号線)24、25が引き出されている。

0024

磁気コア12aの内側には、電極(導体)26が設けられている。電極26は、電線14の電圧(電圧波形)を、容量結合静電容量結合)によって、電線14の導線16に非接触で測定するために用いられるものである。クランプ部11は、電線14をクランプした際に、電線14の絶縁体18に電極26を押し付け機構を有している。このため、電極26は、クランプ部11により電線14がクランプされた際に、電線14の絶縁体18に近接又は接触する。電極26の材料としては、例えば銅(Cu)を用いる。電極26からは、引き出し線(配線、信号線)28が引き出されている。

0025

クランプ部11の電極26は、容量素子コンデンサキャパシタ)30の一方の端部に配線28により電気的に接続されている。クランプ部11により電線14をクランプすると、容量素子30の一方の端部は、電線14に静電容量結合される。容量素子30の他方の端部は、グラウンド接地電位接地端子)GNDに電気的に接続されている。

0026

なお、本実施形態による測定装置のグラウンドGNDは、配電盤(図示せず)等に設けられたグラウンド(図示せず)に電気的に接続される。

0027

電線14の導線16とクランプ部11の電極26との間の静電容量C0が例えば10pF程度の場合、容量素子30の静電容量C1は例えば10nF程度とする。容量素子30の静電容量C1は、導線16と電極26との間の静電容量C0に対して過度に大きくないことが好ましい。容量素子30の両端に加わる電圧を、十分に大きく確保するためである。

0028

容量素子30には、電圧測定部(電圧波形測定部電圧信号測定部)32がそれぞれ接続されている。電圧測定部32は、容量素子30の両端の電圧(電圧波形、電圧信号)V(t)を測定するものである。電圧測定部32は、図示しないアンプ増幅器)や図示しないADコンバータアナログ−デジタル変換器)等により形成されている。電圧測定部32と容量素子30とクランプ部11とが相俟って電圧センサ(電圧検出部)が形成されている。

0029

電圧測定部32は、容量素子30の両端の電圧の瞬時値V(t)を所定の時間間隔で順次測定する。即ち、電圧測定部32は、容量素子30の両端の電圧の瞬時値V(t)を所定の時間分解能で順次測定し得る。交流電源の周波数は、例えば50Hz又は60Hzである。電圧測定部32により容量素子30の両端の電圧V(t)を測定する時間間隔は、例えば200μ秒程度とする。このような時間間隔で容量素子30の両端の電圧波形V(t)を測定すれば、十分な時間分解能の電圧波形V(t)のデータを得ることが可能できる。

0030

容量素子30の両端には、電線14の電圧に比例した電圧が生ずる。このため、容量素子30の両端の電圧を測定し、換算を行うことにより、電線14の電圧を求めることが可能である。

0031

電圧測定部32の入力インピーダンスは、容量素子30のインピーダンスに対して十分に大きいことが好ましい。電圧測定部32の入力インピーダンスを十分に大きく設定するのは、容量素子30の両端に加わる電圧に位相ずれが生じるのを防止するとともに、電圧が過度に小さくなるのを防止し、十分な測定精度を確保するためである。例えば、電圧測定部32の入力インピーダンスは、容量素子30のインピーダンスの例えば2倍以上とする。より好ましくは、電圧測定部32の入力インピーダンスは、容量素子30のインピーダンスの例えば5倍以上とする。

0032

電圧測定部32による電圧波形V(t)の測定は、処理部(制御部)36により制御される。処理部36としては、例えば所定のコンピュータプログラムにより動作するCPU(Central Processing Unit)が用いられている。電圧測定部32は、処理部36からの命令に応じて電圧波形V(t)のデータを取得し、取得した電圧波形V(t)のデータを処理部36に出力する。処理部36は、取得された電圧波形V(t)のデータを図示しない記憶部に記憶する。記憶部としては、例えばRAM(Random Access Memory)等のメモリハードディスクドライブ(HDD、Hard Disk Drive)等を用いることができる。

0033

クランプ部11のコイル22の両端は、切り換えスイッチ(切り換え部、切り換え手段)42を介して、電流測定部(電流波形測定部、電流信号測定部)38又は充電回路44に選択的に接続されるようになっている。切り換えスイッチ42は、クランプ部11のコイル22の出力の接続先を選択的に切り換えるためのものである。切り換えスイッチ42の接点をA側に設定すると、コイル22の両端は電流測定部38に電気的に接続される。切り換えスイッチ42の接点をB側に設定すると、コイル22の両端は充電回路44に電気的に接続される。

0034

切り換えスイッチ42の接点の切り換えは、処理部36により制御される。処理部36は、電力の測定を行う際、即ち、測定時には、電流トランス11の出力が電流測定部38に接続されるように、切り換えスイッチ42の接点をA側に設定する。また、処理部36は、電力の測定を行わない際、即ち、非測定時には、電流トランス11の出力が充電回路44に接続されるように、切り換えスイッチ42の接点をB側に設定する。

0035

本実施形態によれば、測定を行う際には電流トランス11の出力が電流測定部38に接続され、測定を行わない際には電流トランス11の出力が充電回路44に接続される。このため、充電回路44のインピーダンスが電流測定部38側に悪影響を及ぼさない。従って、本実施形態によれば、電流測定部38により正確に電流の測定を行うことが可能である。

0036

電流測定部38は、コイル22により検出される信号に基づいて、電線14に流れる電流を測定するものである。電流測定部38は、アンプ(図示せず)やADコンバータ(図示せず)等により形成されている。電流測定部38の入力端子には、負荷抵抗電気抵抗抵抗器)46が接続されている。負荷抵抗46の抵抗値は、例えば100Ω程度とする。電流測定部38と負荷抵抗46とクランプ部11とが相俟って電流センサ(電流検出部)が形成されている。

0037

電線14に流れる電流をIacとし、コイル22の巻数をNとすると、コイル22に流れる電流Iは、以下のような式(1)で表される。

0038

I = Iac/N ・・・(1)
電線14に流れる電流Iacが例えば3A程度であり、コイル22の巻数Nが3000の場合、コイル22に流れる電流Iは例えば1mA程度となる。

0039

切り換えスイッチ42の接点がA側に設定されている場合、負荷抵抗46の両端には、電線14に流れる電流Iacに比例した電圧VRが生ずる。負荷抵抗46の抵抗値をRとすると、負荷抵抗46の両端の電圧VRは、以下のような式(2)で表される。

0040

VR= R × Iac × N ・・・(2)
電線14に流れる電流Iacが3A程度であり、コイル22の巻数Nが3000程度であり、負荷抵抗46の抵抗値Rが100Ω程度の場合、負荷抵抗46の両端の電圧VRは例えば100mV程度となる。

0041

従って、負荷抵抗46の両端の電圧を測定し、換算を行うことにより、電線14に流れる電流を求めることが可能である。

0042

電流測定部38は、電線14に流れる電流の瞬時値I(t)を所定の時間間隔で順次測定する。従って、電流測定部38は、電線14に流れる電流の瞬時値I(t)を所定の時間分解能で順次測定し得る。電線14に流れる電流I(t)を電流波形測定部38により測定する時間間隔は、例えば200μ秒程度とする。このような時間間隔で電線14に流れる電流I(t)を測定すれば、十分な時間分解能の電流波形I(t)のデータを得ることができる。

0043

電流測定部38による電流波形I(t)の測定は、処理部36により制御される。処理部36は、電圧波形V(t)の測定と電流波形I(t)の測定とが同期するように、電圧測定部32と電流測定部38とを制御する。電流測定部38は、処理部36からの命令に応じて電流波形I(t)のデータを取得し、取得した電流波形I(t)のデータを処理部36に出力する。処理部36は、電流測定部38により取得された電流波形I(t)のデータを図示しない記憶部に記憶する。

0044

処理部36は、電圧波形V(t)のデータと電流波形I(t)のデータとに基づいて、負荷に供給される交流の電力(有効電力)Pを算出する。

0045

処理部36により算出された交流の電力値のデータは、記憶部(図示せず)に記憶される。

0046

なお、本実施形態による測定装置の測定回路、即ち、処理部36,電圧測定部32及び電流測定部38等には、後述する二次電池58から電源が供給される。即ち、本実施形態による測定装置は、二次電池58を用いて駆動される。

0047

本実施形態による測定装置による電力の測定は、間欠的に行われる。電力の測定を行う際、即ち、測定時には、切り換えスイッチ42の接点がA側に設定される。

0048

一方、電力の測定を行わない際、即ち、非測定時(待機時)には、切り換えスイッチ42の接点がB側に設定され、以下のようにして、充電回路44による二次電池58への充電が間欠的に行われる。

0049

充電回路44は、整流回路50と、蓄電用のキャパシタ(コンデンサ)52と、DC/DCコンバータ直流電圧変換器)54と、逆流防止用ダイオード56とを有している。

0050

整流回路50は、4つのダイオード48を組み合わせることにより形成されたブリッジ整流回路ブリッジ型全波整流回路)である。整流回路50の一方の出力端子は、キャパシタ52の一方の端子に接続されている。整流回路50の他方の出力端子は、グラウンドGNDに接続されている。キャパシタ42の他方の端子は、グラウンドGNDに接続されている。クランプ部11のコイル22を流れる交流電流は、整流回路50により全波整流されて直流電流Idcとなり、キャパシタ42に供給される。換言すれば、電流トランス11を用いて電線14から取り出される電力が、整流回路50を介して、キャパシタ42に蓄積される。

0051

キャパシタ42の一方の端子は、DC/DCコンバータ54の入力端子に接続されている。DC/DCコンバータ54としては、低電圧ロックアウト機能付きのDC/DCコンバータが用いられている。かかるDC/DCコンバータ54は、例えば、リニアテクノロジー株式会社製のLTC3588等を用いて形成し得る。

0052

DC/DCコンバータ54は、入力電圧Vst、即ち、キャパシタ52の電圧Vstが所定電圧閾値電圧)VHより高くなると、出力がイネーブルとなり、入力電圧Vstが所定電圧(閾値電圧)VLより低くなると出力がディセーブルとなるものである。DC/DCコンバータ54の出力がイネーブルとなる入力電圧VHは、例えば5.1V程度とする。DC/DCコンバータ54の出力がディセーブルとなる入力電圧VLは、例えば3.7V程度とする。DC/DCコンバータ54がイネーブルの際の出力電圧Vcは、二次電池58の電池電圧(出力電圧)Vbatよりわずかに高い電圧、即ち、Vbat+αに設定されている。電池電圧Vbatは、例えば2.5V程度とする。電圧αは、例えば0.8V程度とする。DC/DCコンバータ54がイネーブルの際の出力電圧Vcは、例えば3.3V程度とする。DC/DCコンバータ54がイネーブルの際にDC/DCコンバータ54から二次電池58に流れる電流Icは、例えば30mA程度とする。

0053

DC/DCコンバータ54の出力端子は、逆流防止用のダイオード56のアノードに接続されている。逆流防止用のダイオード56のカソードは、二次電池58の一方の端子に接続されている。二次電池58の他方の端子は、グラウンドGNDに接続されている。二次電池58の一方の端子は、処理部36、電圧測定部32及び電流測定部38等の電源端子に電気的に接続されており、処理部36、電圧測定部32及び電流測定部38等に電源が供給されるようになっている。

0054

図3は、本実施形態による測定装置の動作を示すタイムチャートである。

0055

図3(a)は、DC/DCコンバータの入力電圧Vstと出力電圧Vcの変化を示している。図3(a)における横軸は時間を示しており、図3(a)における縦軸は電圧を示している。

0056

図3(a)に示すように、本実施形態による測定装置による電力の測定は間欠的に行われる。また、キャパシタ52の電圧Vstは、図3(a)に示すように、徐々に上昇していく。キャパシタ52の電圧Vst、即ち、DC/DCコンバータ54の入力電圧Vstが所定電圧VHに達する前の段階では、DC/DCコンバータ54の出力はディセーブルであり、DC/DCコンバータ54の出力電圧Vcは0Vである。

0057

キャパシタ52の電圧Vst、即ち、DC/DCコンバータ54の入力電圧Vstが所定電圧VHより高くなると、DC/DCコンバータ54の出力がイネーブルとなり、DC/DCコンバータ54の出力電圧VcがVbat+αとなる。これにより、DC/DCコンバータ54から二次電池58に充電が行われる。

0058

DC/DCコンバータ54から二次電池58に充電が行われる際には、キャパシタ52に蓄積された電荷がDC/DCコンバータ54に供給され、キャパシタ54の電圧Vst、即ち、DC/DCコンバータ54の入力電圧Vstは、徐々に低下する。

0059

そして、キャパシタ54の電圧Vst、即ち、DC/DCコンバータ54の入力電圧Vstが所定電圧VLまで低下すると、DC/DCコンバータ54の低電圧ロックアウト機能が動作する。これにより、DC/DCコンバータ54の出力はディセーブルとなり、DC/DCコンバータ54の出力電圧Vcは0Vとなる。これにより、DC/DCコンバータ54から二次電池58への充電が中断される。DC/DCコンバータ54から二次電池58への充電が行われなくなると、キャパシタ52の電圧Vstは再び上昇に転じる。図3(a)に示すように、キャパシタ52の電圧Vstは徐々に上昇していく。

0060

そして、キャパシタ52の電圧Vst、即ち、DC/DCコンバータ54の入力電圧Vstが所定電圧VHより高くなると、DC/DCコンバータ54の出力が再びイネーブルとなり、DC/DCコンバータ54の出力電圧VcがVbat+αとなる。これにより、DC/DCコンバータ54から二次電池58に充電が行われる。

0061

このように、電力の測定が間欠的に行われるとともに、充電回路44による二次電池58への充電が間欠的に行われる。

0062

キャパシタ52の静電容量をCst、整流回路50からキャパシタ52に供給される電流をIdcとすると、DC/DCコンバータ54の出力がディセーブルになってからイネーブルになるまでの時間Tinは、以下のような式(3)で表される。

0063

Tin = Cst × (VH−VL)/Idc ・・・(3)
また、DC/DCコンバータ54から二次電池58に流れる電流をIcとすると、DC/DCコンバータ54の出力がイネーブルになってからディセーブルになるまでの時間Toutは、以下のような式(4)で表される。

0064

Tout =Cst × (VH−VL)/Ic ・・・(4)
電線14を流れる電流Iacを例えば3Aとし、コイル22の巻数Nを例えば3000とすると、整流回路50からキャパシタ52に供給される電流Idcは例えば1mAとなる。

0065

キャパシタ52の静電容量Cstを例えば0.2F、閾値電圧VHを例えば5.1V、閾値電圧VLを例えば3.7V、DC/DCコンバータ54から二次電池58に流れる電流Icを例えば30mAとする。

0066

この場合、DC/DCコンバータ54の出力がディセーブルになってからイネーブルになるまでの時間Tin、即ち、キャパシタ52が所定電圧VHになるまでに要するキャパシタ52の充電時間Tinは、例えば380秒となる。

0067

また、DC/DCコンバータ54の出力がイネーブルになってからディセーブルになるまでの時間Tout、即ち、二次電池58に対して充電が行われる時間Toutは、例えば9.3秒となる。

0068

図3(b)は、二次電池58から供給される電流Ibatの変化を示している。図3(b)における横軸は時間を示しており、図3(b)における縦軸は電流Ibatを示している。

0069

図3(b)に示すように、電力の測定を行う際には、二次電池58から供給される電流Ibatは大きくなる。

0070

図3(b)において、DC/DCコンバータ54の出力がイネーブルの際に電流Ibatがマイナスになるのは、DC/DCコンバータ54から二次電池58に充電が行われるためである。

0071

(評価結果)
図4は、本実施形態による測定装置の評価結果を示すグラフである。図4における横軸は、電力を測定する周期、即ち、測定周期を示している。図4における縦軸は、電流の平均値を示している。

0072

図4における破線プロットは、二次電池58から各部に供給される電流Ibatの平均値である。図4における一点鎖線は、DC/DCコンバータ54から二次電池58に供給される電流Icの平均値である。

0073

評価を行う際には、電線14に流す電流Iacは3Aとした。また、測定時間Ts、即ち、1回の電力の測定に要する時間は、1.1秒とした。

0074

図4における実線のプロットは、破線のプロットの値から一点鎖線のプロットの値を減算したものである。

0075

図4において丸印で囲んだ箇所は、充電電流Icの平均値と消費電流Ibatの平均値とが等しくなるときの測定周期を示している。

0076

図4から分かるように、測定周期が例えば30秒以上であれば、消費電力をまかなうように充電を行うことが可能である。

0077

なお、図4に示す評価結果は一例であり、測定装置の消費電力や電線14に流れる電流等により、変動し得る。即ち、測定装置の消費電力が極めて小さければ、測定周期を短くすることも可能であるし、電線14に流れる電流が小さくても足りる。また、測定周期が比較的長ければ、電流14に流れる電流が比較的小さくても足りる。

0078

このように、本実施形態によれば、絶縁電線14から電流トランス11を用いて取り出される電力を用いて二次電池58に充電が行われる。しかも、電流トランス11の出力の接続先を切り換える切り換え部42が設けられており、測定を行う際には電流トランス11の出力が電流測定部38に接続され、測定を行わない際には電流トランス11の出力が充電回路44に接続される。電流トランス11の出力の接続先が電流測定部38と充電回路44とに選択的に切り換えられるため、充電回路44のインピーダンスが電流測定部38側に悪影響を及ぼさない。従って、本実施形態によれば、測定精度を損なうことなく、電池交換を不要とし、又は、電池交換の頻度を低減し得る測定装置を提供することができる。

0079

[第2実施形態]
第2実施形態による測定装置について図5を用いて説明する。図5は、本実施形態による測定装置を示すブロック図である。図1乃至図4に示す第1実施形態による測定装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。

0080

本実施形態による測定装置は、複数系統の電線14a、14bについて測定を行い得るものである。

0081

図5に示すように、入力回路10a、10bには、それぞれクランプ部(電流トランス)11a、11bが設けられている。クランプ部11a、11bとしては、図2を用いて上述したクランプ部11が用いられている。

0082

クランプ部11a、11bの電極26は、容量素子30a、30bの一方の端部に配線28によりそれぞれ電気的に接続されている。容量素子30a、30bの他方の端部は、グラウンドGNDにそれぞれ電気的に接続されている。容量素子30a、30bには、電圧測定部32a、32bがそれぞれ接続されている。

0083

電圧測定部32aと容量素子30aとクランプ部11aとが相俟って、第1の電圧センサが形成されている。また、電圧測定部32bと容量素子30bとクランプ部11bとが相俟って、第2の電圧センサが形成されている。

0084

クランプ部11a、11bのコイル22の両端は、それぞれ切り換えスイッチ42a、42bを介して、電流測定部38a、38b又は充電回路44aに選択的に接続されるようになっている。

0085

切り換えスイッチ42a、42bの接点の切り換えは、処理部36により制御される。処理部36は、電力の測定を行う際には、電流トランス11a、11bの出力が電流測定部38a、38bに接続されるように、切り換えスイッチ42a、42bの接点をA側に設定する。また、処理部36は、電力の測定を行わない際には、電流トランス11a、11bの出力が充電回路44aに接続されるように、切り換えスイッチ42a、42bの接点をB側に設定する。

0086

電流測定部38a、38bの入力端子には、負荷抵抗46a、46bがそれぞれ接続されている。

0087

電流測定部38aと負荷抵抗46aとクランプ部11aとが相俟って、第1の電流センサが形成されている。また、電流測定部38bと負荷抵抗46bとクランプ部11bとが相俟って、第2の電流センサが形成されている。

0088

処理部36は、電圧測定部32aにより測定される電圧波形V1(t)のデータと電流測定部38aにより測定される電流波形I1(t)のデータとに基づいて、電線14aを介して負荷(図示せず)に供給される交流の電力(有効電力)P1を算出する。また、処理部36は、電圧測定部32bにより測定される電圧波形V2(t)のデータと電流測定部38bにより測定される電流波形I2(t)のデータとに基づいて、電線14bを介して他の負荷(図示せず)に供給される交流の電力(有効電力)P2を算出する。

0089

なお、本実施形態による測定装置の測定回路、即ち、処理部36,電圧測定部32a、32b及び電流測定部38a、38b等には、二次電池58から電源が供給される。

0090

本実施形態による測定装置による電力の測定は、第1実施形態による測定装置と同様に間欠的に行われる。電力の測定を行う際、即ち、測定時には、切り換えスイッチ42a、42bの接点がA側に設定される。

0091

一方、電力の測定を行わない際、即ち、待機時には、切り換えスイッチ42a、42bの接点がB側に設定され、以下のようにして、充電回路44aによる二次電池58への充電が間欠的に行われる。

0092

充電回路44aは、整流回路50a、50bと、蓄電用のキャパシタ52と、DC/DCコンバータ54と、逆流防止用のダイオード56とを有している。

0093

整流回路50a、50bは、4つのダイオード48を組み合わせて形成されたブリッジ整流回路である。整流回路50a、50bの一方の出力端子は、キャパシタ52の一方の端子にそれぞれ接続されている。整流回路50a、50bの他方の出力端子は、グラウンドGNDに接続されている。キャパシタ42の他方の端子は、グラウンドGNDに接続されている。クランプ部11a、11bのコイル22を流れる交流電流は、整流回路50a、50bによりそれぞれ全波整流されて直流電流Idc1,Idc2となり、キャパシタ42に供給される。換言すれば、電流トランス11a、11bを用いて電線14a、14bから取り出される電力が、整流回路50a、50bを介して、キャパシタ42に蓄積される。

0094

キャパシタ42の一方の端子は、DC/DCコンバータ54の入力端子に接続されている。DC/DCコンバータ54の出力端子は、逆流防止用のダイオード56のアノードに接続されている。逆流防止用のダイオード56のカソードは、二次電池58の一方の端子に接続されている。二次電池58の他方の端子は、グラウンドGNDに接続されている。二次電池58の一方の端子は、処理部36、電圧測定部32a、32b及び電流測定部38a、38b等の電源端子に電気的に接続されており、処理部36、電圧測定部32a、32b及び電流測定部38a、38b等に電源が供給されるようになっている。

0095

このように、本実施形態によれば、複数系統の電線14a、14bから複数の電流トランス11a、11bを用いてそれぞれ取り出される電力が、充電回路44aに供給される。このため、本実施形態によれば、各々の電線14a、14bに流れる電流がより小さい場合であっても、電池交換を不要とすることが可能となる。また、電池交換を要する場合であっても、電池交換の頻度を低減することができる。

0096

[第3実施形態]
第3実施形態による測定装置を図6乃至図8を用いて説明する。図6は、本実施形態による測定装置を示すブロック図である。図1乃至図5に示す第1又は第2実施形態による測定装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。

0097

本実施形態による測定装置は、電流を測定する際には巻数の多いコイルの出力を電流測定部38に接続し、充電を行う際には巻数の少ないコイルの出力を充電回路44に接続するものである。

0098

図6に示すように、入力回路10には、クランプ部(電流トランス)11cが設けられている。

0099

図7は、クランプ部の例を示す図である。

0100

図7に示すように、磁気コア12bには、電線20が巻かれており、これによりコイル22aが形成されている。コイル22aは、巻数がN1の部分巻線分割巻線)21aと、巻数がN2の部分巻線21bとが直列に接続されているものである。換言すれば、コイル22aは、部分巻線21aと部分巻線21bとに分割されている。部分巻線21aの一方の端部と部分巻線21bの一方の端部とが接続されている箇所からは、引き出し線23が引き出されている。部分巻線21aの他方の端部から、引き出し線24が引き出されている。部分巻線21bの他方の端部からは、引き出し線25が引き出されている。

0101

部分巻線21aの巻数N1は、部分巻線21bの巻数N2より小さいことが好ましい。更には、部分巻線21aの巻数N1を、部分巻線21bの巻数N2の2分の1以下とすることが好ましい。換言すれば、部分巻線21bの巻数N2は、部分巻線21aの巻数N1の2倍以上であることが好ましい。

0102

ここでは、コイル22aの全体の巻数をNとすると、部分巻線21aの巻数N1は、例えば、0.1×Nに設定されている。

0103

コイル22aの全体の巻数Nが例えば3000の場合、部分巻線21aの巻数N1を例えば300とする。この場合、部分巻線21bの巻数N2は、例えば2700となる。

0104

コイル22aからの引き出し線25は、電流測定部38の一方の入力端子及び負荷抵抗46の一方の端子に電気的に接続されている。

0105

コイル22aからの引き出し線23,24は、切り換えスイッチ42cに接続されている。

0106

切り換えスイッチ42cの接点をA側に設定した際には、コイル22aからの引き出し線24が電流測定部38の他方の入力端子及び負荷抵抗46の他方の端子に電気的に接続されるようになっている。従って、切り換えスイッチ42cの接点をA側に設定した場合には、コイル22aの巻線全体が電流測定部38及び負荷抵抗46に接続される。

0107

切り換えスイッチ42cの接点をB側に設定した場合には、コイル22aからの引き出し線23が、電流測定部38の他方の入力端子と負荷抵抗46の他方の端部に接続されるとともに、整流回路50の一方の入力端子に接続されるようになっている。また、切り換えスイッチ42cの接点をB側に設定した場合には、コイル22aからの引き出し線24が、整流回路50の他方の入力端子に接続されるようになっている。従って、切り換えスイッチ42cの接点をB側に設定した場合には、部分巻線21aの出力が充電回路44に接続されるとともに、部分巻線21bの出力が負荷抵抗46及び電流測定部38に接続される。

0108

切り換えスイッチ42cの接点の切り換えは、処理部36により制御される。処理部36は、電力の測定を行う際には、電流トランス11cのコイル22aの巻線全体が電流測定部38に接続されるように、切り換えスイッチ42の接点をA側に設定する。

0109

なお、電力の測定を行う際にコイル22aの巻線全体を電流測定部38側に接続するのは、負荷抵抗46の両端に十分に大きい電圧を生じさせ、十分に大きい信号を電流測定部48に入力するためである。

0110

処理部36は、電力の測定を行わない際には、電流トランス11cの部分巻線21aの出力が充電回路44に接続されとともに、電流トランス11cの部分巻線21bの出力が負荷抵抗46に接続されるように、切り換えスイッチ42cの接点をB側に設定する。

0111

本実施形態において、電流トランス11cのコイル22aの巻線全体の出力ではなく、部分巻線21aの出力を充電回路44に接続するのは、以下に示すように、大きい電流Idcを得るためである。

0112

図8は、巻数がN1の巻線と巻数がN2の巻線とが二次側に設けられたトランスを示す図である。

0113

一次側の巻線のインダクタンスをL0、一次側の巻線に流れる電流をI0、一次側の巻線の入力電圧をV0とする。二次側の巻数N1の巻線のインダクタンスをL1、二次側の巻数N1の巻線に流れる電流をI1、二次側の巻数N1の巻線の出力電圧をV1とする。二次側の巻数N2の巻線のインダクタンスをL2、二次側の巻数N2の巻線に流れる電流をI2、二次側の巻数N2の巻線の出力電圧をV2とする。

0114

巻数とインダクタンスとの関係より、以下のような式(5)、(6)が成立する。

0115

L1 = N12× L0 ・・・(5)
L2 = N22× L0 ・・・(6)
一次側の巻線と二次側の巻数N1の巻線との相互インダクタンスをM1、定数をkとすると、以下のような式(7)が成立する。

0116

M1 = k×√(L0×L1) = k×N1×L0 ・・・(7)
また、一次側の巻線と二次側の巻数N2の巻線との相互インダクタンスをM2とすると、以下のような式(8)が成立する。

0117

M2 = k×√(L0×L2) = k×N2×L0 ・・・(8)
また、二次側の巻数N1の巻線と二次側の巻数N2の巻線との相互インダクタンスをM3とすると、以下のような式(9)が成立する。

0118

M3 = k×√(L1×L2) = k×N1×N2×L0 ・・・(9)
aを0.5より小さい定数とし、N1=aNとし、N2=(1−a)Nとする。そして、簡単のため、トランスの二次側の出力を短絡した場合、即ち、V1=V2=0Vとした場合を考える。そうすると、各巻線出力電流I1、I2は、以下のような式(10)、(11)で表される。

0119

I1 = −I0/(2×N1) = −I0/(2×a×N) ・・・(10)
I2 = −I0/(2×N2) = −I0/{2×(1−a)×N} ・・・(11)
二次側の巻線が2つに分割されていないトランスの場合には、二次側の巻線の巻数をNとすると、出力電流Iは、以下のような式(12)で表される。

0120

I = −I0/N ・・・(12)
従って、aの値が例えば0.2の場合には、巻数がN1の部分巻線の出力電流I1の値は、巻数がNの場合の2.5倍となる。

0121

また、aの値が例えば0.1の場合には、巻数がN1の部分巻線の出力電流I1の値は、巻数がNの場合の5倍となる。

0122

このように、本実施形態によれば、電流トランス11cのコイル22aの巻線全体の出力ではなく、コイル22aの一部である部分巻線21aの出力を充電回路44に接続する。このため、本実施形態によれば、電線14に流れる電流がより小さい場合であっても、電池交換を不要とすることができる。また、電池交換を要する場合であっても、電池交換の頻度をより低減することができる。

0123

[変形実施形態]
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

0124

例えば、上記実施形態では、交流電力を測定する測定装置、即ち、交流電力測定装置を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、交流電流を測定する交流電流測定装置であってもよい。

0125

また、上記実施形態では、単相交流の電力を測定する測定装置を例に説明したが、三相交流の電力を測定する測定装置に適用することも可能である。

0126

10、10a、10b…入力回路
11、11a〜11c…クランプ部、電流トランス
12a、12b…磁気コア
14、14a、14b…電線
16…導線
18…絶縁体
20…電線
21a、21b…部分巻線
22、22a…コイル
23…信号線
24…信号線
25…信号線
26…電極
28…信号線
30、30a、30b…容量素子
32、32a、32b…電圧測定部
36…処理部
38、38a、38b…電流測定部
42、42a〜42c…切り換えスイッチ
44、44a…充電回路
46、46a、46b…負荷抵抗
48…ダイオード
50、50a、50b…整流回路
52…キャパシタ
54…DC/DCコンバータ
56…ダイオード
58…二次電池

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