(57)【要約】【課題】情報処理装置で各家電機器の消費電力を収集し、これを使用者が容易に見ることが出来る仕組みを普及させるにあたり、システム全体のコストを極力抑える等、システムの簡略化が重要な課題である。【解決手段】各家電機器７，８，９に実効電流測定手段を有し、測定した実効電流値と機器の制御状態、あるいはどちらか一方から変換テーブルに基づいて機器の力率を導出して無線通信アンテナ１１により機器の外部に送信する。電力情報を扱う情報処理装置１０では、系統電源から印加される実効電圧値を測定し、各家電機器７，８，９から受信した実効電流値と力率、および前記測定した実効電圧値を乗算することで、各家電機器７，８，９の消費電力を算出する。これにより、各家電機器７，８，９内部における電力測定回路の簡略化を図ることが出来る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
系統電源に接続する電源接続手段と、系統電源から機器内部に流れる実効電流値を測定する実効電流測定手段を有するものであって、前記測定した実効電流値と機器の制御状態、あるいはどちらか一方から変換テーブルに基づいて機器の力率を導出し、実効電流値を測定する毎に力率を導出して、前記測定した実効電流値と共に機器の外部に送信することを特徴とする家電機器。
【請求項２】
系統電源に接続する電源接続手段と、系統電源から機器内部に流れる実効電流値を測定する実効電流測定手段を有するものであって、前記測定した実効電流値と機器の制御状態あるいはどちらか一方から変換テーブルに基づいて当該機器の定格電圧時を前提とした消費電力を導出し、正規化電力情報として機器の外部に送信することを特徴とする家電機器。
【請求項３】
系統電源に接続する電源接続手段と、系統電源から印加される実効電圧値を測定する電圧測定手段と、家電機器との間で情報を送受信する情報入出力手段を有する情報処理装置において、前記情報処理装置と同じ系統電源に接続し、その系統電源から機器内部に流れる実効電流値を測定する実効電流測定手段を有し、前記測定した実効電流値と機器の制御状態、あるいはどちらか一方から変換テーブルに基づいて機器の力率を導出し、実効電流値を測定する毎に力率を導出して、前記測定した実効電流値と共に機器の外部に送信する家電機器から情報として受信した実効電流値と力率、および前記測定した実効電圧値を乗算することで、前記家電機器の消費電力を算出することを特徴とする家電機器の電力測定方法。
【請求項４】
系統電源に接続する電源接続手段と、系統電源から印加される実効電圧値を測定する電圧測定手段と、家電機器との間で情報送受信する情報入出力手段を有する情報処理装置において、前記情報処理装置と同じ系統電源に接続し、その系統電源から機器内部に流れる実効電流値を測定する実効電流測定手段を有し、前記測定した実効電流値と機器の制御状態あるいはどちらか一方から変換テーブルに基づいて当該機器の定格電圧時を前提とした消費電力を導出し、正規化電力情報として機器の外部に送信する家電機器から情報として受信した正規化電力情報と前記測定した実効電圧値から、前記家電機器の消費電力を算出することを特徴とする家電機器の電力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、省エネ運転や集中制御を行うために、情報処理装置との間で通信し情報授受を行う家電機器と、家電機器の電力測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化対策が世界的な課題として取り上げられており、その要因の一つとされる二酸化炭素排出量低減の為、化石燃料使用量低減への取り組みが進められている。この枠組みの中にある、一般家庭で使用される空調機器、冷蔵庫、照明機器を始めとした家電機器においては、基本性能を維持しながらのエネルギー使用量低減、つまり省エネ化が求められており、これに向けた技術開発が進められている。
【０００３】
一方、家電機器において必要以上にエネルギーを消費させない手段としては、使用者が家電機器の動作モードを適宜調整・設定する方法がある。例えば、空調機器であれば温度設定、照明機器であれば調光機能などを調整することが、これに該当する。
【０００４】
しかしながら、使用者が周辺環境を常に監視・観察しながら複数の家電機器を最適な動作モードに設定し続けることは容易ではないことから、複数の家電機器と情報処理装置を通信で接続し、情報処理装置にて各家電機器の消費電力と動作モード等の情報を収集しながら全体を集中制御する技術が開発されつつある。あるいは、最適な集中制御まで至らずとも、情報処理装置で各家電機器の消費電力や動作状態情報を収集し、これを使用者が容易に見ることが出来る仕組みがあるだけで、使用者のエネルギー利用への関心が高まり、省エネ効果が期待できる。
【０００５】
そして同時に、この様なシステムが普及しやすい様にシステム全体のコストを極力抑える等、システムの簡略化も重要である。
【０００６】
この様な仕組みを実現する方法としては、特許文献１の様な多数の電気機器の消費電力データを収集する電力測定システムが開発されている。
【０００７】
これによると、データ送信機能を備えた電力検出器を各電気機器の商用電源に接続するプラグ部分に装着し、電力検出器で計測・送信された電圧・電流瞬時値をコンピュータで受信の上、データ処理を行う仕組みが実現可能であり、コンピュータにて該当する電気機器の電力データを使用者が確認できるシステムが実現できる。とりわけ、このシステムにおいて、電力検出器では電流値のみを計測・送信し、電圧値はコンピュータ側で計測したものを用いても良いとの記載があり、これによれば、各電力検出器毎に電圧波形検出回路を備える必要が無く、装置の部品を削減することが可能である。
【０００８】
また、多数の電力負荷回路の消費電力を測定するシステムにおいて、電力検出器の構成を簡略化・低コスト化する手段として、特許文献２の様な電力計測装置が開発されている。
これによると、各電力計測装置では、測定した電流波形に、ゼロクロス信号に同期した仮想正弦波を乗算することで電力値を演算するので、各電力計測装置毎に電圧波形検出回路を備える必要が無く、装置の部品を削減することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−３００７９０号公報
【特許文献２】特開２００５−１８９０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
消費電力測定において、測定対象となる負荷が理想的な抵抗負荷である場合、印加する正弦波電圧波形に対して、電流波形では位相ズレや波形歪みは生じないので、消費電力は単純に実効電圧値と実効電流値の乗算で表すことが出来る。実効電圧値は、電圧波形をＡ／Ｄコンバータで周期的にサンプリングし、正弦波一周期分の二乗平均平方根を算出することで計測できる。実効電流値についても同様に、電流波形から計測できる。この様なケースでは、電圧波形と電流波形の間で同期してサンプリングを行う等の細かいタイミングを考慮することなく、電圧実効値と電流実効値を個別に算出した後で乗算するだけで消費電力が計測できる。
【００１１】
しかしながら、家電機器の入力電流波形は、正弦波状の電圧波形に対して位相ズレあるいは波形歪みを生じていることが多い。一般にこれらの位相ズレ、波形歪みは、家電機器入力部の回路構成、例えばトライアック位相制御、コンデンサインプット整流回路等の回路構成の違いとその設計上の定数設定等によって特徴付けられると言える。この場合、理想的な抵抗負荷と同様な計測を行うと、結果は皮相電力が得られるだけで消費電力を計測したことにはならないというのは周知の事実である。
【００１２】
電流波形に位相ズレや歪みを伴う場合の消費電力は、電圧波形、電流波形をＡＤコンバータで同時にサンプリングし、その瞬時電圧値と瞬時電流値を乗算し、正弦波一周期分の平均をとる必要がある。この様なケースでは、サンプリングを行うタイミングについて、電圧波形と電流波形の間で厳密に同期をとる必要がある。
【００１３】
ここで特許文献１における、電力検出器では電流値のみを計測・送信し、電圧値はコンピュータ側で計測したものを用いる方法の記述では、電流波形・電圧波形のサンプリングに対する同期についての言及が無く、実質、抵抗負荷の様なものの測定にしか適さず、家電機器一般には不向きと言える。
【００１４】
次に、特許文献２では、主装置から送信されるゼロクロス信号に同期することで、仮想電圧波形と電流波形のサンプリングを同期させている。しかしゼロクロス信号の送受信は有線で行っており、家電機器毎の消費電力を計測するには、各計測装置毎に通信線を敷設する必要があり、非常に煩わしい。また、特許文献１、２のいずれにしても、無線で同期を取るシステムの構築は、システム上のタイムラグ等の影響で容易ではない。特に家電機器用途に見合った、安価で簡易な構成で実現するには、電圧波形、電流波形のサンプリング同期を取らなくても良い手法が不可欠となる。
【００１５】
ところで、前述の皮相電力と実効電力すなわち消費電力の関係を示すものとして、
Ｐ＝Ｓ・ｃｏｓθ
なる式がある。Ｐは実効電力すなわち消費電力で、Ｓは皮相電力、cosθは力率である。皮相電力は前述の通り実効電圧値と実効電流値の乗算であるから、電圧と電流のサンプリングに厳密な同期は必要無い。そこで、予め力率が判っていれば、さらにこれを乗算することで消費電力を算出できる。即ち、電圧測定側と電流測定側のサンプリングの同期を取らずに消費電力を測定できる事を示唆するものである。
【００１６】
ここで、特許文献１、２に示される電力測定器は、測定対象となる電気機器が不特定であるから、予め力率を明確にしておく手段は無い。すなわち、電圧波形と電流波形のサンプリングに同期を取って、消費電力を計測するしかない。
【００１７】
これに対し、本発明は、各電力測定器の測定対象となる電気機器が始めから特定でき、力率が予め解っている様な構成がとれれば、電圧波形と電流波形のサンプリングの同期を取らずに電力測定が出来て、システムを簡略化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の家電機器は、系統電源に接続する電源接続手段と、系統電源から機器内部に流れる実効電流値を測定する実効電流測定手段を有するものであって、前記測定した実効電流値と機器の制御状態、あるいはどちらか一方から変換テーブルに基づいて機器の力率を導出し、実効電流値を測定する毎に力率を導出して、前記測定した実効電流値と共に機器の外部に送信することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の家電機器は、系統電源に接続する電源接続手段と、系統電源から機器内部に流れる実効電流値を測定する実効電流測定手段を有するものであって、前記測定した実効電流値と機器の制御状態あるいはどちらか一方から変換テーブルに基づいて当該機器の定格電圧時を前提とした消費電力を導出し、正規化電力情報として機器の外部に送信することを特徴とする。
【００２０】
本発明の家電機器の電力測定方法は、系統電源に接続する電源接続手段と、系統電源から印加される実効電圧値を測定する電圧測定手段と、家電機器との間で情報を送受信する情報入出力手段を有する情報処理装置において、前記情報処理装置と同じ系統電源に接続し系統電源に接続する電源接続手段と、系統電源から印加される実効電圧値を測定する電圧測定手段と、家電機器との間で情報を送受信する情報入出力手段を有する情報処理装置において、前記情報処理装置と同じ系統電源に接続し、その系統電源から機器内部に流れる実効電流値を測定する実効電流測定手段を有し、前記測定した実効電流値と機器の制御状態、あるいはどちらか一方から変換テーブルに基づいて機器の力率を導出し、実効電流値を測定する毎に力率を導出して、前記測定した実効電流値と共に機器の外部に送信する家電機器から情報として受信した実効電流値と力率、および前記測定した実効電圧値を乗算することで、前記家電機器の消費電力を算出することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の家電機器の電力測定方法は、系統電源に接続する電源接続手段と、系統電源から印加される実効電圧値を測定する電圧測定手段と、家電機器との間で情報送受信する情報入出力手段を有する情報処理装置において、前記情報処理装置と同じ系統電源に接続し、その系統電源から機器内部に流れる実効電流値を測定する実効電流測定手段を有し、前記測定した実効電流値と機器の制御状態あるいはどちらか一方から変換テーブルに基づいて当該機器の定格電圧時を前提とした消費電力を導出し、正規化電力情報として機器の外部に送信する家電機器から情報として受信した正規化電力情報と前記測定した実効電圧値から、前記家電機器の消費電力を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の家電機器によれば、電力測定手段は家電機器に予め備わっており、電力測定対象はその家電機器と決まっている。この場合、各家電機器側ではゼロクロス信号生成等の電圧検出手段を省略し、対象となる家電製品の回路動作特性から力率を導出することで、家電機器内部測定回路の簡略化を図ることが出来る。
【００２３】
また、本発明の家電機器によれば、電力測定手段は家電機器に予め備わっており、電力測定対象はその家電機器と決まっている。この場合、ゼロクロス信号生成等の電圧検出手段を省略し、対象となる家電製品の回路動作特性から機器の消費電力を導出することで、家電機器内部測定回路の簡略化を図ることが出来る。また、製品の定格１００Ｖ、定格２００Ｖの違いについても、導出された正規化電力情報に反映されているので、家電機器からの情報を受信する側で、各機器の定格電圧の違いを識別する必要が無くなる。
【００２４】
本発明の家電機器の電力測定方法によれば、家庭内に設置した、電力情報を集計する情報処理装置のみに電圧測定手段を設けるだけで、系統電圧変動による測定誤差を補正する事が可能となる。
【００２５】
また、本発明の家電機器の電力測定方法によれば、家庭内に設置した、電力情報を集計する情報処理装置のみに電圧測定手段を設けるだけで、系統電圧変動による測定誤差を補正する事が可能となる。また、製品の定格１００Ｖ、定格２００Ｖの違いについても、受信した正規化電力情報に反映されているので、情報処理装置側で、各機器の定格電圧の違いを識別する必要が無くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は実施例１の各家電機器接続形態の一例を示す図である。
【図２】図２は実施例１、２の定格ＡＣ１００Ｖ家電機器内部の電流値測定部、及び機器ブロックを示す図である。
【図３】図３は位相制御機器の制御角と力率の関係の一例を示す図である。
【図４】図４はコンデンサインプット機器の実効電流値と力率の関係の一例を示す図である。
【図５】図５は実施例１、２の電力モニター内部の電圧値測定部、及び機能ブロックを示す図である。
【図６】図６は実施例２の各家電機器接続形態の一例を示す図である。
【図７】図７は実施例２の定格ＡＣ２００Ｖ家電機器内部の電流値測定部、及び機器ブロックを示す図である。
【図８】図８はコンデンサインプット機器の実効電流値と消費電力の関係の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２８】
図１は、本発明の実施例１に係る、一般家庭において各家電機器別の消費電力状況を集計するシステムの接続形態の一例である。一般住宅内においては、単相３線式が主流である為、系統配線は単相３線を１組で示している。家庭内の電源コンセント１〜３がＡＣ１００Ｖのみの場合、電源コンセント１〜３は中性線と２本の電圧線の間に均等に振り分けられて接続されている。
【００２９】
住宅内には、部屋４〜６の計３部屋あり、部屋４のコンセント１にはエアコン７が、部屋５のコンセント２には冷蔵庫８と電子レンジ９が、部屋６のコンセント３には情報処理装置である電力モニター１０が接続されているが、家庭内全体で見れば、全ての家電機器（エアコン７、冷蔵庫８、電子レンジ９）と電力モニター１０は同一の系統に接続されている。
【００３０】
エアコン７、冷蔵庫８、電子レンジ９、電力モニター１０には無線通信アンテナ１１が搭載され、各家電機器と電力モニター１０間で電力情報や動作状態等の情報送受信が可能となっている。
【００３１】
次に本実施例の各家電機器内部の概略構成を図２に示す。系統配電線と接続するプラグ１２から負荷回路１３へは、直接電力が供給される。負荷回路１３内の動作制御は各家電機器で異なる。例えば、熱電機器であればトライアック位相制御あるいはリレーでのＯＮ／ＯＦＦ制御で熱電素子への電力を制御する。また、インバータ機器であれば、入力された交流電力を整流平滑して直流電力に変換し、さらに高周波交流電力に変換して動力源に電力を供給する。この際、高周波交流の周波数、振幅、パルス幅等をパラメータとして電力を制御する。
【００３２】
制御回路１４は、スイッチング電源１５を介して系統から電力の供給を受け、家電機器全体の制御を行うもので、ＡＤコンバータ１６、マイコン１７が搭載され、無線回路１８が繋がれている。
【００３３】
ＡＤコンバータ１６では、電流検出用のカレントトランス１９で電気的に絶縁して交流電流波形をサンプリングし、マイコン１７にサンプリングしたデジタルデータを受け渡す。なお、電力検出に供する部分は電流検出用のカレントトランス１９のみで、各家電機器内で電圧は検出しない。各家電機器毎の消費電力を算出するには、実効電流値の他に実効電圧値と各家電機器の力率情報が必要となるが、本実施例では測定した実効電流値と機器の制御状態、あるいはどちらか一方から変換テーブルに基づいて機器の力率を導出する。
【００３４】
例えば、トライアック位相制御の電熱器であれば、図３の様に、位相制御の制御角から力率を導出することが出来る。また、多くのインバータ機器で見られる、入力部にコンデンサインプット型整流回路を備えた機器の場合、図４の様に、測定した実効電流値から力率を導出することが出来る。図示する様に入力部のコンデンサ容量により特性は異なるが、いずれにしても各家電機器の特性は回路設計段階で決定しており、この特性に基づいて力率導出の変換テーブルを予め備えておけば、各家電機器内部で電圧を検出する事無く力率を知ることが出来る。
【００３５】
次に、図５で本実施例の電力モニター１０内部の構成を示す。電力モニター１０には、電圧検出用に絶縁トランス２０が配置されているが、前記の通り、各家電機器は同一の系統に接続されているので、一箇所で電圧を検出するのみである。電力モニター１０では、各家電機器から送信された実効電流値と力率及び電力モニター１０で検出した実効電圧値から送信元の各家電機器の電力を算出する。
【００３６】
この様に、本実施例によれば、電力モニター１０に電圧検出手段が一つと各家電機器毎に電流検出手段が１つで良く、簡略化した構成で、経済的に省エネシステムを普及できる。
【実施例２】
【００３７】
図６は、本発明の実施例２に係る、一般家庭において各家電機器別の消費電力状況を集計するシステムの一例である。実施例１と同様に、系統配線は単相３線を１組で示しているが、家庭内の電源コンセントはＡＣ１００Ｖ電源コンセント１〜３とＡＣ２００Ｖ電源コンセント２１、２２の双方が利用されている。
【００３８】
住宅内の部屋４のＡＣ１００Ｖ電源コンセント１にはエアコン７が、部屋５のＡＣ２００Ｖ電源コンセント２１にはＩＨクッキングヒーター２３、ＡＣ１００Ｖ電源コンセント２には冷蔵庫８と電子レンジ９が、部屋６のＡＣ２００Ｖ電源コンセント２２にはＡＣ２００Ｖ仕様の大容量のエアコン２４、ＡＣ１００Ｖ電源コンセント３には情報処理装置である電力モニター１０が接続されているが、家庭内全体で見れば、全ての家電機器と電力モニター１０は同一の系統に接続されている。
【００３９】
エアコン７、エアコン２４、冷蔵庫８、電子レンジ９、ＩＨクッキングヒーター２３、電力モニター１０には無線通信アンテナ１１が搭載され、各家電機器と電力モニター１０間で電力情報や動作状態等の情報送受信が可能となっている。
【００４０】
本実施例に適用されるＡＣ１００Ｖ入力の各家電機器内の構成、電力検出に供する部分は、実施例１の場合と同じで、電流検出用のカレントトランス１９のみで、各家電機器内で電圧は検出しない。また、本実施例のＡＣ２００Ｖ入力の各家電機器内の構成は、図７の様に、プラグ２５がアース付きＡＣ２００Ｖ用であること以外はＡＣ１００Ｖ家電機器と同じで、電力検出に供する部分も電流検出用のカレントトランス１９のみで、各家電機器内で電圧は検出しない。
【００４１】
各家電機器毎の消費電力を算出するには、各家電機器の実効電流値の他に各家電機器の力率情報が必要となるが、本実施例でも測定した実効電流値と機器の制御状態、あるいはどちらか一方から変換テーブルに基づいて機器の力率を導出する。ここまでは実施例１と同じであるが、本実施例では、ＡＣ１００Ｖ家電機器とＡＣ２００Ｖ家電機器が混在しており、各家電機器から測定した実効電流値と導出した力率だけを電力モニター１０に送信しても、電圧情報、すなわちＡＣ１００Ｖ機器なのかＡＣ２００Ｖ機器なのかが判らないので各機器の消費電力は算出できない。
【００４２】
よって、各家電機器において、実効電流値と力率、及び各機器の定格電圧値（１００あるいは２００）を乗算し、定格電圧ＡＣ１００Ｖとして正規化した電力値を電力モニター１０に送信する。
【００４３】
次に、本実施例の電力モニター１０内部の構成は実施例１と同じく、図５の通りである。電力モニターには、電圧検出用にＡＣ１００Ｖを検出する絶縁トランス２０が配置されているが、前記の通り、各家電機器は同一の系統に接続されているので、一箇所で電圧を検出するのみである。電力モニター１０では、定格電圧値である１００Ｖと測定した実効電圧値の比を算出し、各家電機器から送信されるＡＣ１００Ｖで正規化された電力値に対して補正し、送信元家電機器の電力を算出する。
【００４４】
なお、ここでは各家電機器にて電力値を正規化する際に、実効電流値と力率を乗算したものに各機器の定格電圧値（１００あるいは２００）を乗算した例で説明したが、各家電機器では実効電流値と力率を乗算し、定格電圧ＡＣ１００Ｖ機器の場合はこれを１倍、定格電圧ＡＣ２００Ｖ機器の場合は２倍して電力モニター１０に送信し、電力モニター１０側で検出した実効電圧値を乗算する、といった様な方法でも良い。
【００４５】
また、入力部にコンデンサインプット型整流回路を備えた家電機器の様に、実効電流値から力率を導出できるケースにおいては、図８に示す関係の様に、実効電流値から直接正規化した電力を導出することが可能である。
【００４６】
測定した実効電流値から力率を導出し、実効電流値と力率、定格電圧値を乗算するという様な段階を経ずに、変換テーブルによって実効電流値から直接正規化した電力を導出する様にしても良い。
【符号の説明】
【００４７】
１〜３  ＡＣ１００Ｖ電源コンセント
４〜６  部屋
７  エアコン（ＡＣ１００Ｖ仕様）
８  冷蔵庫
９  電子レンジ
１０  電力モニター
１１  無線通信アンテナ
１２  プラグ（ＡＣ１００Ｖ仕様）
１３  負荷回路
１４  制御回路
１５  スイッチング電源
１６  ＡＤコンバータ
１７  マイコン
１８  無線回路
１９  カレントトランス
２０  絶縁トランス
２１、２２  ＡＣ２００Ｖ電源コンセント
２３  ＩＨクッキングヒーター
２４  エアコン（ＡＣ２００Ｖ仕様）
２５  プラグ（ＡＣ２００Ｖ仕様）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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