(57)【要約】レベルの変わる無効電力を引き出す電力設備のための自動力率補正システム（１）は、電力測定集積回路（８）を用いて、電力設備の負荷（２）によって引き出される電力の電気的パラメータを測定する。電気的パラメータは、負荷（２）によって引き出される無効電力のレベルを示すことができる。システムは、測定された電気的パラメータによって示された無効電力のレベルを補償するために、コンデンサ（６）の組合せを電力線（３）に結合する。本発明の第１の実施形態（１）では、力率補償用コンデンサ（６）の組合せが、負荷（２）によって引き出される無効電力の符号付きの値から計算される。第２の実施形態（５６）では、補償用コンデンサ組合せ（６）が、負荷についての力率の値から計算され、この力率は、有効電力値と皮相電力値との比から計算される。
2007525938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レベルが変化する可能性のある無効電力を含むＡＣ電力を引き出す負荷が結合された電力線を含む電気設備の力率補正を行うための、力率補正装置において、
（ａ）前記電力線に結合される電力センサ回路であって、前記負荷によって引き出される無効電力のレベルを示す、前記負荷によって引き出される電力の電気的パラメータを検出するように動作するものであり、かつ、前記電力線に結合された電力測定集積回路を含むものである、電力センサ回路と、
（ｂ）複数のリアクタンス・エレメントと、
（ｃ）前記リアクタンス・エレメントを、個別にまたは選択された組合せで、前記電力線に結合するように制御可能な切替え回路と、
（ｄ）前記電力センサ回路および前記切替え回路にインターフェースされるコントローラであって、前記電気的パラメータによって示された前記無効電力のレベルに応答して、前記切替え回路により前記リアクタンス・エレメントの適切な組合せを前記電力線へ結合するようにさせ、それによって、前記電気的パラメータによって示された前記無効電力のレベルを最小にするように動作するコントローラと
を備える装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、
（ａ）前記電力測定集積回路は、前記負荷によって引き出される電力から、符号付き無効電力値を周期的に決定し、
（ｂ）前記コントローラは、前記電力測定集積回路から前記符号付き無効電力値を獲得し、
（ｃ）前記コントローラは、前記符号付き無効電力値から、前記リアクタンス・エレメントの前記適切な組合せを計算する、
装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、
（ａ）前記電力測定集積回路は、前記負荷によって引き出される電力から、有効電力値および皮相電力値を周期的に決定し、
（ｂ）前記コントローラは、前記電力測定集積回路から前記有効電力値および前記皮相電力値を獲得し、
（ｃ）前記コントローラは、前記有効電力値と前記皮相電力値との比から、前記負荷についての力率値を計算し、
（ｄ）前記コントローラは、前記力率値からリアクタンス・エレメントの前記適切な組合せを計算する、
装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であって、前記リアクタンス・エレメントが、
（ａ）複数のコンデンサを含む、
装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であって、前記リアクタンス・エレメントが、
（ａ）最小キャパシタンス値から最大キャパシタンス値まで２のべき乗で変わるキャパシタンス値のコンデンサの組を含む、
装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置であって、前記リアクタンス・エレメントが、
（ａ）複数のコンデンサであって、各コンデンサがベース・キャパシタンス値の倍数であるキャパシタンス値を有する、複数のコンデンサを含み、
（ｂ）前記ベース・キャパシタンス値が、前記電力線の公称ライン周波数およびライン電圧で実質的に１アンペアを引き出すリアクタンスになるキャパシタンス値である、
装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置であって、
（ａ）前記コントローラは、特定の複数のポート端子によって形成されるデジタル・ポートを含み、
（ｂ）前記切替え回路は、前記リアクタンス・エレメントのそれぞれを前記ポート端子のうちの特定のものに結合するラッチ・エレメントを含み、
（ｃ）前記コントローラは、前記リアクタンス・エレメントの選択されたものに対応するビット内容を有するマルチ・ビット２進ワードを前記ポートに書き込むことによって、前記リアクタンス・エレメントの前記選択されたものを前記電力線に結合させる、
装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置であって、
（ａ）前記電力センサ回路は、前記負荷に結合されることによって前記電力線に結合され、
（ｂ）前記電力測定集積回路および前記コントローラは、前記電力線から前記負荷が電気的に活動したことに応答してのみ、活動化される、
装置。
【請求項９】
レベルが変化する可能性のある無効電力を含むＡＣ電力を引き出す負荷が結合された電力線を含む電気設備の力率補正を行う方法であって、リアクタンス・エレメントを用いる方法において、
（ａ）前記電力線に結合された電力センサ回路を使用して、前記負荷によって引き出される電力の電気的パラメータを自動的に測定するステップであって、前記電力センサ回路は電力測定集積回路を含み、前記電気的パラメータは、前記負荷によって引き出される無効電力のレベルを示すことが可能である、ステップと、
（ｂ）前記リアクタンス・エレメントの適切な組合せを前記電力線へ自動的に結合する結合ステップであって、それによって、前記電気的パラメータによって示される前記無効電力のレベルを最小にする、結合ステップと
を含む方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、
（ａ）前記負荷によって引き出される電力から、符号付き無効電力値を、前記電力測定集積回路により自動的に測定するステップと、
（ｂ）前記電力測定集積回路から、前記符号付き無効電力値を自動的に得るステップと、
（ｃ）前記符号付き無効電力値から、前記リアクタンス・エレメントの前記適切な組合せを自動的に決定するステップと
を含む方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法であって、
（ａ）前記負荷によって引き出される電力から、有効電力値および皮相電力値を、前記電力測定集積回路により、自動的に測定するステップと、
（ｂ）前記電力測定集積回路から、前記負荷についての前記有効電力値および前記皮相電力値を自動的に得るステップと、
（ｃ）前記有効電力値と前記皮相電力値との比から、前記負荷についての力率値を自動的に計算するステップと、
（ｄ）前記力率値から、前記リアクタンス・エレメントの前記適切な組合せを自動的に決定するステップと
を含む方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の方法であって、前記結合ステップが、
（ａ）１組のコンデンサのうち１または複数のものを、前記リアクタンス・エレメントの前記適切な組合せとして、前記電力線に結合するステップを含む、
方法。
【請求項１３】
請求項９に記載の方法であって、前記結合ステップが、
（ａ）最小キャパシタンス値から最大キャパシタンス値まで２のべき乗で変わるキャパシタンス値を有するコンデンサの組を設けるステップと、
（ｂ）前記コンデンサの組のうちの１または複数のコンデンサを、前記リアクタンス・エレメントの前記適切な組合せとして、前記電力線に結合するステップとを含む、
方法。
【請求項１４】
請求項９に記載の方法であって、前記結合ステップが、
（ａ）１組のコンデンサを前記電力線に提供するステップであって、各コンデンサが、ベース・キャパシタンス値の倍数であるキャパシタンス値を有し、前記ベース・キャパシタンス値が、前記電力線の選択された公称ライン周波数および選択された公称ライン電圧で実質的に１アンペアを引き出すリアクタンスになるキャパシタンス値である、ステップと、
（ｂ）前記１組の前記コンデンサのうちの１または複数のものを、前記リアクタンス・エレメントの前記適切な組合せとして、前記電力線に結合するステップとを含む、
方法。
【請求項１５】
請求項９に記載の方法であって、
（ａ）特定の複数のポート端子によって形成されるデジタル・ポートを含むコントローラと、前記コンデンサのそれぞれを前記ポート端子のうちの特定のものと結合するラッチ・エレメントを含む切替え回路とを設けるステップと、
（ｂ）前記コントローラが、前記コンデンサの前記適切な組合せに対応するビット内容を有するマルチ・ビット２進ワードを前記ポートへ書き込むことによって、前記コンデンサの前記適切な組合せを前記電力線に結合することを実施するステップと
を含む方法。
【請求項１６】
請求項９に記載の方法であって、
（ａ）前記電力センサ回路を、前記負荷によって前記電力線に結合するステップと、
（ｂ）前記電力測定集積回路を含む前記電力センサ回路を、前記電力線から前記負荷が電気的に活動したことに応答してのみ活動化するステップと
を含む方法。
【請求項１７】
レベルが変化する可能性のある無効電力を含むＡＣ電力を引き出す負荷が結合された電力線を含む電気設備の力率補正を行うための方法であって、リアクタンス・エレメントを用いる方法において、
（ａ）電力測定集積回路を前記電力線に結合するステップと、
（ｂ）前記負荷によって引き出される電力から、符号付き無効電力値を、前記電力測定集積回路によって自動的に測定するステップと、
（ｃ）前記電力測定集積回路から、前記符号付き無効電力値を自動的に得るステップと、
（ｄ）前記リアクタンス・エレメントの適切な組合せを自動的に決定し、それによって、前記符号付き無効電力値によって示される前記無効電力のレベルを実質的に最小にするステップと、
（ｅ）前記リアクタンス・エレメントの前記適切な組合せを前記電力線に自動的に結合する結合ステップであって、それによって、前記電力設備の力率補正を行う、結合ステップと
を含む方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、前記結合ステップが、
（ａ）１組のコンデンサのうちの１または複数のものを、前記リアクタンス・エレメントの前記適切な組合せとして、前記電力線に結合するステップを含む、
方法。
【請求項１９】
レベルが変化する可能性のある無効電力を含むＡＣ電力を引き出す負荷が結合された電力線を含む電気設備の力率補正を行う方法であって、リアクタンス・エレメントを用いる方法において、
（ａ）電力測定集積回路を前記電力線に結合するステップと、
（ｂ）前記負荷によって引き出される電力から、有効電力値および皮相電力値を、前記電力測定集積回路によって自動的に測定するステップと、
（ｃ）前記電力測定集積回路から前記有効電力値および前記皮相電力値を自動的に得るステップと、
（ｄ）前記有効電力値と前記皮相電力値との比から、前記負荷によって引き出される前記電力についての力率値を自動的に計算するステップと、
（ｅ）前記リアクタンス・エレメントの適切な組合せを自動的に決定し、それによって、前記力率値を実質的に最大にするステップと、
（ｆ）前記リアクタンス・エレメントの前記適切な組合せを前記電力線に自動的に結合する結合ステップであって、それによって、前記電力設備の力率補正を行う、結合ステップと
を含む方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法であって、前記結合ステップが、
（ａ）１組のコンデンサのうちの１または複数のものを、前記リアクタンス・エレメントの前記適切な組合せとして、前記電力線に結合するステップを含む、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
これは、２００１年６月５日に出願された「ＡＵＴＯＭＡＴＩＣ  ＰＯＷＥＲ  ＦＡＣＴＯＲ  ＣＯＲＲＥＣＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ」に関する米国特許出願第０９／８７４，６９０号（現在は米国特許第６，４６２，５１９号）の一部継続出願である２００２年６月４日に出願された「ＡＵＴＯＭＡＴＩＣ  ＰＯＷＥＲ  ＦＡＣＴＯＲ  ＣＯＲＲＥＣＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ」に関する米国特許出願第１０／１６２，４０６号（現在は米国特許第６，７００，３５８号）の一部継続出願であり、両出願を参照により本明細書に援用する。
【０００２】
本発明は、電力制御回路に関し、より詳細には、電力測定集積回路を使用する電力設備の力率を監視および補正するための改善されたシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
電力は、非常に用途の広い好都合なエネルギー源である。しかし、電気エネルギーを発生し分配する際にはコストがかかり、そのコストは、電力に対する需要が増大すると増大する傾向がある。そのため、常に、電力の伝送と利用の効率とを増大すること、また逆に、電気エネルギーの送達と使用とにおける損失と無駄とを低減することに対する欲求がある。
【０００４】
交流電力は、電流と電圧との位相関係によって特徴付けられる。電圧位相より電流位相が遅れるのは、誘導性負荷が優勢であることに起因し、一方、電圧位相より電流位相が進むのは、容量性負荷に起因する。同相関係は、抵抗性負荷、または誘導性負荷と容量性負荷のバランスに起因する。同相電流は、有効電力としても知られる「実の（ｒｅａｌ）」または抵抗性の電力となり、一方、位相のずれた電流は、電力回路の誘導性または容量性のリアクタンスの影響により無効電力になる。有効電力と無効電力とのベクトルの和は、皮相電力と呼ばれる。単相ＡＣシステムでは、有効電力と皮相電力との間の角度が、電圧と電流との間の位相角と同じである。電流と電圧との位相関係の、一般に使用される尺度は力率であり、これは、電流と電圧の間の、または有効電力と皮相電力の間の位相角の余弦に等しい。力率は、その関係が効果的に抵抗性であるときは１の値で最大になり、誘導性のときは正で１未満であり、容量性のときは負で１未満である。
【０００５】
実際には、容量性負荷より多くのタイプの誘導性負荷、例えば電気モータ、変圧器などが電力線に接続される傾向がある。住宅電力設備では、消費される電気エネルギーの大部分が、冷蔵、換気、空調、照明、および場合によっては暖房によるものである。また、比較的少量のエネルギーが、通信、コンピュータ、娯楽装置などのために使用される。無効電力は、有用な仕事で「消費」されないが、電力系へ送達され、発電機へ戻る。そのため、抵抗性損失により、また、電力導体から離れて誘導的にや容量的に結合される電流により、無効電力の送達に伴うエネルギー損失がある。従って、無効電力を送ることは、発電のコストに影響を及ぼす。電力会社は、しばしば、産業電力の顧客に対して、その顧客の負荷が選択されたレベル未満で力率を駆動した場合に、追加料金を課す。これを回避するために、産業ユーザは、しばしば、その誘導負荷と共に、力率補正コンデンサを電力線に接続して、力率を補償して経済的なレベルに保持する。
【０００６】
大規模な産業電力ユーザは力率補正システムを使用可能であるが、住宅用の顧客や小規模ビジネスの顧客の力率を補正するための実用的又は経済的な装置は、ほとんどなかった。一般に、産業用の力率補正システムは、補償の対象とされる機器に関連付けられており、そのような機器と協調して活動する。従来、居住用財産の所有者が、考慮され得るそれぞれの誘導性負荷に対して力率補正装置を設置することは、実用的なものとも経済的なものとも考えられていなかった。更に、住宅における誘導性装置は、例えばサーモスタットの制御下などで、ランダムな時間に活動させられる傾向がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電力顧客による電力消費を測定するための半導体（solid state、ソリッドステート）電力計で主に使用するために開発された、電力またはエネルギーの測定回路と呼ばれる或るタイプの集積回路またはチップがある。そのようなチップは、設備によって引き出される無効電力またはエネルギーのレベルを示すパラメータを含めての、ソースから顧客の電気設備までのＡＣ電気エネルギーの流れに関連する幾つかパラメータを測定する。しかし、力率補正のためにそのようなチップを使用して無効電力を補償する装置または方法が既に開発されているとは知られていない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、比較的小型の電力設備、例えば住宅、共同住宅、小規模ビジネス、また、個々の家電、例えば冷蔵庫、エアコン、ヒート・ポンプ、食器洗浄機、洗濯機、ドライヤなどの力率を補正するためのシステムを提供する。本発明のシステムは、概して、電力線へ選択的に結合される複数のリアクタンス・ユニットまたはコンデンサと、電力線に接続されたコンデンサが力率に有利に影響を及ぼしているかどうか判定するセンサ回路とを含む。
【０００９】
一般に、本発明は、電力設備の負荷によって引き出される無効電力のレベルを示すことが可能な、その負荷によって引き出される電力の電気的パラメータを測定し、かつ、その測定された電気的パラメータによって示された無効電力のレベルを実質的に補償するように、リアクタンス・エレメントの組合せを電力設備に結合する。本発明は、電力線または電力線に接続可能な負荷に結合された電力センサ回路内の電力またはエネルギー測定集積回路を使用して、電力線上での電圧および電流の測定から無効電力を示すパラメータを導出する。本発明は、電力測定チップが、誘導性または容量性の電力値を示すように、正または負の符号を有する無効電力値を提供するものであり、その誘導性または容量性の電力値が、電力線電圧および負荷電流の周期的な測定から導出されるものである第１の実施形態に関連する。第１の実施形態では、コントローラまたはマイクロプロセッサが、周期的に電力測定チップから符号付き無効電力値を獲得し、キャパシタンス値の組合せを計算して、電力線上の負荷によって引き出される無効電力レベルを補償し、電力線上のキャパシタンスの組合せの切替えを制御する。電力測定チップによる測定値とコントローラによる無効電力値獲得は周期的に繰り返され、それにより、負荷（１または複数）によって引き出される電力が変化すると、それに応じてキャパシタンスの補償値が調整される。
【００１０】
本発明の第２の実施形態では、電力測定チップは、有効電力および皮相電力の値を、電圧および電流の測定から周期的に導出する。コントローラは、有効電力および皮相電力のその値を周期的に受け取り、有効電力と皮相電力の比から力率値を導出する。次いで、コントローラは、引き出される無効電力のレベルを補償するために、その力率値を最大化するようにキャパシタンス値の組合せを計算し、電力線上のキャパシタンスの組合せを切り替えるように制御する。第２の実施形態では、負荷を含み、また、補償用コンデンサと並列である回路枝路（circuit branch）において、電流検知回路が配置される。このようにして、電流検知回路によって測定された負荷電流は、既に電力線に接続されている可能性がある補償用コンデンサや、負荷の動作の変化により超過している可能性がある補償用コンデンサによる影響を受けない。第２の実施形態におけるコントローラは、以前に計算されたキャパシタンスの組合せに関係なく、単に、現在導出されている力率の値を補償するために最も適切なキャパシタンスの組合せを計算する。
【００１１】
電力設備内の負荷によって引き出される電力のパラメータを示す無効電力を測定する際に、本発明は、経時的な幾つか測定を平均することができ、選択された時間間隔未満の間隔で、選択された差の変化が測定されるまで、補償動作を行わない。従って、この手法は、システムを、引き出される電力の小さな変動に比較的影響を受けないようにすることによって、スイッチング過渡電流（transient）を低減する。
【００１２】
好ましい実施形態では、本発明は、補償用キャパシタンスの増分がベース・キャパシタンスの倍数に基づくものであり、ベース・キャパシタンスは、公称電力線の周波数および電圧で約１アンペアの電流を引き出すことになる補償用リアクタンスとなる。ベース・キャパシタンスは、６０ヘルツのライン周波数と１１０ボルトの公称電圧とを用いる電力設備について、２２マイクロファラドである。その１組のキャパシタ（コンデンサ）は、ベース・キャパシタンスの１、２、４、８、・・・、１２８倍のキャパシタンス値を有するキャパシタを含む。本発明の典型的な設備は、２のべき乗で、２２マイクロファラドのベース・キャパシタンスの１倍から１２８倍に及ぶ範囲の値を有する１組８個の補償用コンデンサを含む。
【００１３】
補償用コンデンサは、ラッチ・スイッチを介して、電力線を跨いで接続される。ラッチ・スイッチは、マイクロプロセッサやマイクロコントローラなどのコントローラの８ビット出力ポートとインターフェースされる。このようにして、コントローラは、コンデンサの組合せを接続すること又は接続解除することに対応するビット内容の適切な２進ワードを出力ポートに書き込むことによって、コンデンサの２５６個の組合せのうちの何れか１つを、電力線を跨いで接続するか、又はコンデンサの何れかまたは全部を電力線から接続解除することができる。
【００１４】
本発明の他の目的および利点は、本発明の幾つかの実施形態が例として述べられている以下の説明および添付の図面から明らかになろう。
【００１５】
図面は、本明細書の一部を構成し、本発明の例示的な実施形態を含み、その様々な目的および特徴を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
必要に応じて、本発明の詳細な実施形態が本明細書に開示されているが、その開示されている実施形態は、様々な形態で実施することができる本発明の例示的なものにすぎないことを理解されたい。従って、本明細書に開示されている特定の構造的および機能的な詳細は、限定のためのものと解釈すべきではなく、単に、特許請求の範囲のための基礎として、また、適切に詳細に示されたどのような構造においても、事実上、本発明を様々に使用することを当業者に教示するための代表的な基礎として、解釈すべきである。
【００１７】
図面をより詳細に参照すると、符号１は全体的に、電力設備の力率を自動的に補正するための力率補正装置を示し、これは、電力会社の発電機などのようなＡＣ電力源３から電力線４によってランダムな時間に可変レベルの無効電力を引き出す１または複数の電力負荷を含む。一般に、本発明は、負荷２によって引き出される無効電力のレベルを示すことが可能な、負荷２によって引き出される電力の１または複数の電気的パラメータを測定し、コンデンサなどのようなリアクタンス・エレメント６の適切な組合せを電力線４へ結合することを制御して、測定された電気的パラメータによって示された無効電力のレベルを実質的に補償する。本発明では、引き出される電力の電気的パラメータは、電力測定集積回路（ＩＣ）またはチップ８によって測定される。
【００１８】
力率補正装置１は、電力線４の導体のうちの１つに結合する電流検知回路１０と、電力線にまたがって結合された電圧検知回路１２とを含む。電流検知回路１０および電圧検知回路１２は、電力測定チップ８の入力に結合され、電力測定チップ８は、測定された電流および電圧から電気的パラメータの値を周期的に導出し、そのようなパラメータ値の値をチップ８内のレジスタ内に格納する。装置１は、マイクロプロセッサなどのようなコントローラ１４を含み、コントローラ１４は、負荷２によって引き出される無効電力を補償するために、電力線４へ結合するための適切なコンデンサ６の組合せを決定するための計算において使用するために、パラメータ値のうちの選択されたものについて、チップ８に周期的に照会するようにプログラムされる。コントローラ１４は、電力源３によって検知される又は「見られる」ことになる負荷２の力率を改善するために、選択されたコンデンサ組合せを電力線４にまたがって接続するように、コンデンサ切替え回路１６を制御する。
【００１９】
図１および図２を参照すると、電流検知回路１０は、電力線４の１本の導体に接続される又は誘導的に結合される変圧器またはコイル（図示せず）を含むことが好ましい。電流検知回路１０は、代替例として、抵抗や、ホール効果ベースのセンサなどのような他のタイプのエレメントによって形成することもできる。電流検知回路１０からの信号は、信号調整回路２０によって電力測定チップ８に結合され、信号調整回路２０は、抵抗ネットワーク（図示せず）などスケーリング・エレメントと、コンデンサ・ネットワーク（図示せず）などのような低域通過フィルタ・エレメントとを含む。同様に、電圧検知回路１２は、抵抗ネットワーク（図示せず）などのようなスケーリング・コンポーネントと、コンデンサ・ネットワーク（図示せず）などのような低域通過フィルタ・コンポーネントとを含む信号調整回路２２を含む。調整回路２０および２２の実際の構成は、使用される特定のチップ８によって必要とされる信号レベルの範囲によって決まる。
【００２０】
図に示すコントローラ１４は、プログラムおよび固定データを記憶するＲＯＭ（読取り専用メモリ）２６と、一時データを記憶するＲＡＭ（読取り／書込みメモリ）２８とを含む。ＲＯＭ２６は、ＥＰＲＯＭや他のタイプのフィールド・プログラマブルＲＯＭや、マスク・プログラム型ＲＯＭとすることができる。ＲＡＭ２８は、フラッシュＲＡＭや、他の不揮発性タイプのメモリ回路を含むことができる。コントローラ１４は、幾つかの周知のタイプの埋込みマイクロプロセッサ、マイクロコントローラなどの任意のものによって実装することができる。コントローラ１４は、例えば、Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．（マイクロチップ・テクノロジ社）によって製造されるマイクロコントローラのＰＩＣ１６Ｆ８７Ｘシリーズ（その文書は、ｗｗｗ．ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ．ｃｏｍで見出すことができる）の１つとすることができる。コントローラ１４はパラレル・ポート３２（図３）を含み、１組のドライバ３６および半導体（ソリッドステート）リレーまたはラッチ・スイッチ１６を介して、コンデンサ・バンク６の複数のコンデンサ３８とインターフェースされる。
【００２１】
図３は、コンデンサ・バンク６の詳細、およびバンク６のコンデンサ３８をコントローラ１４のポート３２とインターフェースする様式を示す。ポート３２は、Ｐ０からＰ７と符号を付けられた８個の端子４２を有するものとして示されている。各端子４２は、ラッチ・スイッチ１６を介して特定のコンデンサ３８に接続される。コンデンサ３８は、値（１×Ｃ）から（１２８×Ｃ）を有し、２のべき乗で変わる又は倍増するものとして示されている。値「Ｃ」は、電力線４の公称ライン周波数およびライン電圧で約１アンペアの電流を引き出す容量性リアクタンスを形成するキャパシタンスの値として選択される。「Ｃ」の値は、６０ヘルツのライン周波数と１１０ボルトの公称ＡＣライン電圧に対して、２２マイクロファラドである。代替例として、「Ｃ」の値は、所望の補正分解能の度合いに応じて、２分の１アンペア、４分の１アンペアなどのような、他の電流値を引き出すように決定することもできる。そのような場合でも、コンデンサ・バンク６内のコンデンサ３８の値は、コンデンサ３８を好都合に２進切替え制御するために、２の倍数で変えることが依然として望ましいであろう。代替例として、追加のポート３２を使用することができ、多数のコンデンサ３８を使用して、本発明における力率補正の範囲および／または分解能の柔軟性を提供することができる。
【００２２】
そのような１組のコンデンサ３８を使用することにより、装置１の補償分解能は１アンペアの補正となる。示されたコンデンサ・バンク６の、また図３に示されているもので活動化される１組のコンデンサ３８は、０倍から「Ｃ」の２５５倍の任意のキャパシタンス値を増分「Ｃ」で提供することができる。コントローラ１４は、単に、２進ワードをポート３２に書き込み、そのワードの２進内容は、電力線４への結合を必要とすると決定されたコンデンサ３８に対応する。ドライバ３６は、トライアック、ＳＣＲなどのようなソリッドステート・リレー１６を動作するために、分離および駆動電流を提供する。ポート３２へ書き込まれた直近の活動化状態が、コントローラ１４からの新しいワードによって変更されるまで維持されるように、リレーまたはスイッチ１６、またはドライバ３６は、ラッチ機能を有することが好ましい。装置１は、論理１でスイッチ１６が活動化される正論理、または論理０でスイッチ１６が活動化される負論理を使用するように、セット・アップすることができる。
【００２３】
コンデンサ３８とそのラッチ・スイッチ１６の各組は、電力線４にまたがって接続される。示されたコンデンサ・バンク６物理的な実施形態では、コンデンサ３８とラッチ・スイッチ１６との組は並列で接続することができ、電力線４に接続された好都合なコンセントに単に差し込むことができる。図３は、それぞれの家電スイッチ４４によって電力線４に接続される負荷電気機器２を示す。また、装置１は、複数の家電や家庭全体ではなく、特定の電気機器２だけに力率補正を提供するために、その特定の電気機器に組み込むことができることが予見される。
【００２４】
電力測定集積回路８は、電力測定回路、エネルギー測定回路、電力／エネルギー計測回路などとも呼ばれる或るタイプの集積回路の１つである。それらは、電力顧客による電力使用およびエネルギー消費を計測するために電力会社によって使用されるものなどのような電力計内に主に組み込むために、製造者によって提供される。様々な能力および仕様を有する電力測定回路は、Ａｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（アナログ・デバイス社）（ｗｗｗ．ａｎａｌｏｇ．ｃｏｍ）およびＣｉｒｒｕｓ  Ｌｏｇｉｃ，Ｉｎｃ．（サーラス・ロジック社）（ｗｗｗ．ｃｉｒｒｕｓ．ｃｏｍ）によって製造されている。或いは、同等のタイプのチップが他の製造者から入手可能であろう。そのようなチップは、サンプリング制御回路、スケーリング回路、アナログ−デジタル変換回路（ＡＤＣ）、記憶レジスタ、数学処理ソフトウェア、データ・インターフェースを組み込んでいる。公表されている仕様書およびアプリケーション・ノートには、電力線パラメータを測定するために、また、測定されたパラメータの値を得るためにホスト・システムとインターフェースするために、そのようなデバイスを電力線に結合する方法が詳述されている。本発明では、そのようなタイプのチップを使用することにより、装置１の複雑度を低減し、装置１の設計および使用の柔軟性を増大する。
【００２５】
装置１の好ましい、または第１の実施形態では、チップ８は、Ａｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．によって製造されたモデルＡＤＥ７７５３である。このチップに関する文書は、上記で示したウェブサイトで入手可能である。ＡＤＥ７７５３は、電流検知回路１０および電圧検知回路１２を介して測定された電圧値および電流値から、パラメータの中でもとりわけ、符号付き無効電力値を周期的に導出して、チップ８内の特定のレジスタ内にこの値を格納し、この値は、チップ８とコントローラ１４との間のシリアル・インターフェースを介してコントローラ１４によって照会することができる。コントローラ８は、符号付き無効電力値から、既知の式を使用して、負荷２によって引き出される電力の無効分を補償するために必要とされるキャパシタンスの値を計算することができる。電力線４の既知の電圧、または適切なレジスタに格納された測定された電圧値、および測定された無効電力から、リアクタンス性インピーダンスまたは負荷２のリアクタンスと共に、負荷２によって引き出される無効電流を計算することができる。補償用リアクタンスは、反対の符号を有する負荷リアクタンスと数字上同じであり、そこから、必要とされる補償用コンデンサ組合せを計算することができる。既知の係数との組合せまたは特定のチップ８によって導出された他のパラメータとの組合せで、補償用キャパシタンス値を、符号付き無効電力値から決定するための他の方法があることは、予見される。
【００２６】
図４は、本発明による力率補正４７の方法の第１の実施形態の主要なステップを示す。ステップ４８で、コントローラ１４は、符号付き無効電力値を、電力測定チップ８から獲得する。ステップ４９で、コントローラ１４は、得られた無効電力値を補償するために必要とされるリアクタンスを計算する。ステップ５０で、計算されたリアクタンスが、負荷２または電力線４を跨いで接続される。プロセス４７は、コントローラ１４のプログラミングによって、また、電力測定チップ８の刻時によって決定されるレートで、周期的に繰り返される。
【００２７】
プロセス４７は、符号付き無効電力値を得るので、負荷２によって引き出される無効電力が減少したときなどに、負荷２の力率の過剰補正を検出する能力を有する。プロセス４７で、負荷２によって引き出される無効電力の変動をあまりにも厳密に追跡することは望ましくない。すなわち、測定される無効電力の現在と過去の値を何らかの形で平均して比較することが望ましいこともある。更に、望ましくない共鳴作用が発生する可能性があるので、負荷２の力率を正確に１に補正しようとすることは望ましくない。力率を約０．９５に最大化することがプロセス４７における最適な補正であることが判明している。
【００２８】
図５および図６は、本発明の第２の実施形態を形成する力率補正プロセス５４（図５）および装置５６（図６）を示す。プロセス５４および装置５６は、電力測定集積回路５８と共に使用するように特に適合され、この電力測定集積回路５８は、符号付き無効電力値を提供しないが有効電力および皮相電力の値を提供し、それらから負荷６０の力率値を得ることができる。そのようなチップ５８は、Ｃｉｒｒｕｓ  Ｌｏｇｉｃ，Ｉｎｃ．によって製造されるモデルＣＳ５４６０によって実装することができる。ＣＳ５４６０に関する文書は、上記に示したウェブサイトから得ることができる。
【００２９】
図６を参照すると、装置５６は、ＡＣ電力源６２から電力線６４によって電力を受け取る負荷６０に力率補正を提供する。装置５６は、装置１の回路１０および１２と同様のものとすることができる電流検知回路６６と電圧検知回路６８とを含む。回路６６および６８は、それぞれのスケーリングおよびフィルタリング回路（図示せず）によってチップ５８に結合される。チップ５８は、コントローラ１４と同様のものとすることができるコントローラ７０と通信する。１組のコンデンサ切替えエレメント７２が、コントローラ７０と、一方の側で電力線６４の一方の導体と接続されるコンデンサ７４のバンクとの間で結合される。スイッチ７２は、電力線６４の他方の導体と接続され、コンデンサ７４のうちの選択されたものと電力線６４との間で、スイッチ７２のうちの対応するものがコントローラ７０によって活動化されたときに、回路を完成する。スイッチ７２およびコンデンサは、スイッチ１６およびコンデンサ６と実質的に同様のものとすることができる。
【００３０】
電力測定チップ５８は、電流検知回路６６および電圧検知回路６８を介して行われた電流測定および電圧測定から、パラメータの中でもとりわけ、有効電力および皮相電力の値を周期的に導出し、これらの値をチップ５８内の特定のレジスタに格納する。図５を参照すると、コントローラ７０は、プロセス５４のステップ７６でチップ５８から有効電力値を、そして、ステップ７８で皮相電力値を獲得するようにプログラムされる。ステップ８０では、コントローラ７０は、有効電力値と皮相電力値との比から力率値を計算する。ステップ８２で、コントローラ７０は、力率値を実質的に最大化して負荷６０によって引き出される無効電力のレベルを補償するために必要とされるコンデンサ７４の組合せを、計算する。プロセス４７（図４）の場合と同様に、プロセス５４の目的は、約０．９５の力率値を達成することである。コントローラ７０は、ステップ８４で、コンデンサ・スイッチ７２によって、必要とされるコンデンサ７４の電力線６４を跨ぐ接続を制御する。図のプロセス５４は、コントローラ７０および他の構成要素が活動状態である限り、無限ループで繰り返される。代替例として、装置５６は、負荷６０が電気的に活動化された状態でのみプロセス５４が活動化されるように、負荷６０に相互接続することができる。
【００３１】
装置５６内で使用される特定の電力測定チップ５８は、負荷６０によって引き出される無効電力の符号付きの値を直接には提供しない。従って、チップ５８は、電気モータの機械的負荷が低減された場合に発生するような、無効電力のレベルが減少したときなどに、力率の過剰補正を直接に検出するようには適合されない。チップ５８は、現在のパラメータを以前のパラメータと比較することによって、符号付きの無効電力のレベルを決定することができるパラメータを導出することが可能であるが、装置５６は、無効電力の符号付きのレベルを決定するそのような間接的な方法が必要でないように、構成される。
【００３２】
図６に示されているように、電流検知回路６６は、回路枝路８６の負荷６０と直列に接続され、負荷６０は、電力線６４を跨いで接続された電源６２および任意のコンデンサ７４と並列に接続される。電流検知回路６６は、コンデンサ７４のソース側ではなく負荷側にあるため、回路６６によって検知される電流は、負荷６０の特性によってのみ影響を受け、コンデンサ７４による影響を受けない。従って、チップ５８は、補償用リアクタンスを計算する際に、電力線６４を跨いで以前に接続されたコンデンサ７４の組合せを仮定することなしに、単に、負荷６０の現在の測定される力率値を補償するために必要とされるコンデンサ７４の組合せを計算する。
【００３３】
自動力率補正装置１および５６について、それらを負荷２および６０から独立して収容する形態の提案を述べて例示したが、装置１および５６は、個々の電気機器内などのような個々の負荷２または６０内に組み込むことができることは予見される。更に、電力測定集積回路８とコントローラ１４の機能は、一つの集積回路に組み合わせることができることも予見される。同様に、電力測定チップ５８とコントローラ７０の機能は、一つの集積回路に組み合わせることができる。そのような組合せは、本発明によって包含されるものとする。
【００３４】
本発明のある種の形態が本明細書で述べられて例示されているが、本発明は、ここに述べられて示されている特定の形態または諸部分の構成に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本発明を実現する、電力測定チップを使用する自動力率補正システムの主要構成要素を示すブロック図である。
【図２】図２は、自動力率補正システムのさらなる詳細を示す、より詳細なブロック図である。
【図３】図３は、自動力率補正システムのコンデンサ・バンクおよび切替え回路を示すブロック図である。
【図４】図４は、電力測定チップから得られた符号付き無効電力値の獲得に基づいて力率を補正するための、本発明の主要なプロセス・ステップを示す流れ図である。
【図５】図５は、第２のタイプの電力測定チップから得られた有効電力および皮相電力の値から力率値が導出される、本発明の第２の実施形態の主要なプロセス・ステップを示す流れ図である。
【図６】図６は、本発明の第２の実施形態の自動力率補正システムの主要構成要素の好ましい構成を示すブロック図である。
【図１】
2007525938.tif 000003
【図２】
2007525938.tif 000004
【図３】
2007525938.tif 000005
【図４】
2007525938.tif 000006
【図５】
2007525938.tif 000007
【図６】
2007525938.tif 000008
【国際調査報告】
2007525938.tif 000009