特許 5937670 変圧器の省エネルギー効果算出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5937670

(24)【登録日】2016年5月20日

(45)【発行日】2016年6月22日

(54)【発明の名称】変圧器の省エネルギー効果算出方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/00 20060101AFI20160609BHJP

   G06Q 50/06 20120101ALI20160609BHJP

【ＦＩ】

   H02J3/00 170

   G06Q50/06

【請求項の数】6

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2014-500774(P2014-500774)

(86)(22)【出願日】2012年2月20日

(86)【国際出願番号】JP2012054025

(87)【国際公開番号】WO2013124960

(87)【国際公開日】20130829

【審査請求日】2014年8月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(73)【特許権者】

【識別番号】509114251

【氏名又は名称】トモソウ・ジャパン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】吉▲崎▼ 昭男

(72)【発明者】

【氏名】酒井 孝寿

(72)【発明者】

【氏名】榎本 圭太

(72)【発明者】

【氏名】薮谷 隆

【審査官】 宮本 秀一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−０８５４３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１５５０８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０６Ｑ５０／００

Ｈ０１Ｆ２７／３３−２７／３４、

２７／３６−２７／４０、

２７／４２

Ｈ０２Ｊ３／００−５／００、

１３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

負荷と電源装置の間に変圧器が介在して電力を供給するときに、負荷に対する変圧器の損失を評価する変圧器の省エネルギー効果算出方法において、
電力計測装置により、負荷に対する電気的データを収集し、
前記電力計測装置と接続され、前記電力計測装置により収集した電気的データを受信するコンピュータとを有し、
前記コンピュータは、更新後の変圧器の稼動時における前記電気的データを前記電力計測装置から所定時間毎に受信し、該電気的データに基づいて更新後の変圧器の所定時間毎の負荷率を演算し、該所定時間毎の負荷率の複数の値から所定期間毎の等価負荷率を演算し、該等価負荷率と負荷損と無負荷損に基づき、更新後の変圧器の損失を前記所定期間毎に連続的に演算して求め、また、予め取得した更新前の変圧器の負荷損と無負荷損のデータと前記等価負荷率とに基づいて、前記更新前の変圧器の損失を前記所定期間毎に連続的に演算して求め、前記更新前の変圧器の損失と前記更新後の変圧器の損失の差分を、低減損失として連続的に出力することを特徴とする変圧器の省エネルギー効果算出方法。

【請求項2】

前記電気的データは、有効電力と力率、または、電流であることを特徴とする請求項１記載の変圧器の省エネルギー効果算出方法。

【請求項3】

負荷率ごとの更新前の変圧器の損失と、更新後の変圧器の損失とを比較する形式で、表示装置に表示することを特徴する請求項１記載の変圧器の省エネルギー効果算出方法。

【請求項4】

単位時間あたりの更新前の変圧器の消費(損失)電力量と、更新後の変圧器の消費(損失)電力量とを比較する形式で、表示装置に表示することを特徴する請求項１記載の変圧器の省エネルギー効果算出方法。

【請求項5】

更新前の変圧器の消費(損失)電力量と、更新後の変圧器の消費(損失)電力量から求められる省エネルギー額、または量と契約省エネルギー額，または量を比較する形式で、表示装置に表示することを特徴する請求項１記載の変圧器の省エネルギー効果算出方法。

【請求項6】

更新前の変圧器の消費(損失)電力量と、更新後の変圧器の消費(損失)電力量から求められる時間変化につれての積算的な省エネルギー額、または量を、表示装置に表示することを特徴する請求項１記載の変圧器の省エネルギー効果算出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、変圧器の省エネルギー効果算出方法に係り、変圧器の消費(損失)電力を評価して、省エネルギー効果を把握するのに好適な省エネルギー効果算出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

地球環境問題に関する関心の高まり、資源節約の観点から、各企業における省エネルギーにおける関心が高まっている。

【0003】

省エネルギーの効果方法を算出するシステムとしては、例えば、特許文献１に、エネルギー効率のよいインバータを導入した場合に、省エネルギー効果を評価する方法が開示されている。

【0004】

また、特許文献２には、顧客の変圧器に測定回路を設置して、実稼動状態における電力量を電子データとして受信し、この受信データに基づいて顧客の変圧器のリニューアル案を返信するシステムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第３９７６９８８号公報

【特許文献2】特許第２００３−８５４３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記特許文献１は、現状の設備にインバータを導入した場合に、インバータ導入前の積算消費(損失)電力とインバータ導入前の積算消費(損失)電力との差から、消費(損失)電力量を演算し、節約した電気料金を算出する方法が開示されている。

【0007】

しかしながら、変圧器に関しては、発電機や電動機と同じように電気機器に分類されるが発電機や電動機のような回転機とは異なる静止機器ということもあり、それ自体のエネルギー消費（損失）は少なく、効率は高い電気機器である。さらに変圧器の中でも、無負荷損の極めて少ないアモルファス変圧器は、きわめて効率の高い変圧器であり、省エネルギー効果が高いとされてきた。

【0008】

このように変圧器は、エネルギー効率のよい機器（通常、９７％以上）であるため、エネルギーの消費量の大きい動力機械とは異なり、変圧器に関しての時時刻刻変化する消費(損出)電力の変化を監視し、積算的な消費(損失)電力の節約による経済的な利点を表示するものは存在しなかった。

【0009】

また、特許文献２では、新規の変圧器を導入する場合に、カタログスペック上の消費(損失)電力の差を計算し、それによる省エネルギー効果をうたっているのみである。

【0010】

しかしながら、この特許文献２では、顧客が新しい変圧器を導入したときに、導入後に、リプレース前と比べてどの位省エネルギー効果、経済的効果があるのかを把握できないという問題点があった。

【0011】

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、その目的は、変圧器において、従来の変圧器と新設した変圧器の時時刻刻変化する消費(損失)電力の比較を、容易におこなうことができ、積算的な経済的な利点を把握できやすくする変圧器の省エネルギー効果算出方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の変圧器の電力評価システムは、負荷と電源装置の間に変圧器が介在して電力を供給するときに、負荷に見合った変圧器の損失を評価する変圧器の電力評価システムであり、負荷に対する有効電力量、力率、電流などの電気的データを収集する電力計測装置と、電力計測装置と接続され、電力計測装置により収集した電気的データを受信するコンピュータとを有している。

【0013】

そして、変圧器の損失を評価する変圧器の省エネルギー効果を算出するときに、前記コンピュータは、更新後の変圧器の稼動時における電気データを受信し、それに基づいて更新後の変圧器の損失を求め、更新前の変圧器における損失との差分を、低減損失として出力する。

【0014】

また、負荷率ごとの更新前の変圧器の損失と、更新後の変圧器の損失とを比較する形式で、表示装置に表示する。

【0015】

また、単位時間あたりの更新前の変圧器の消費(損失)電力量と、更新後の変圧器の消費(損失)電力量とを比較する形式で、表示装置に表示する。

【0016】

また、更新前の変圧器の消費(損失)電力量と、更新後の変圧器の消費(損失)電力量から求められる省エネルギー額と契約省エネルギー額を比較する形式で、表示装置に表示する。

【0017】

また、更新前の変圧器の消費(損失)電力量と、更新後の変圧器の消費(損失)電力量から求められる時間変化につれての積算的な省エネルギー額、または量を、表示装置に表示する。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、産業用の変圧器において、従来の変圧器と新設した変圧器の時時刻刻変化する消費(損失)電力の比較を、容易におこなうことができ、積算的な経済的な利点を把握できやすくする変圧器の省エネルギー効果算出方法を提供することにある。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の一実施形態に係る変圧器の電力評価システムの構成図である。

【図2】時間毎の負荷率の変動を示す棒グラフである。

【図3】時間毎の負荷率の変動の実際のデータを示した棒グラフである。

【図4】１時間の有効電力量から力率を考慮して負荷率を算出する場合を説明するグラフである。

【図5】所定のサンプリング間隔における電流から負荷率を算出する場合を説明するグラフである。

【図6】等価負荷率から変圧器の更新前と更新後の損失の差を求める処理を示すフローチャートである。

【図7】負荷率を変化させたときの更新前と更新後の変圧器の損失を対比して示したグラフである。

【図8】負荷率を変化させたときの低減損失を示したグラフである。

【図9】単位時間あたりの省エネルギー量の効果の変化を示すグラフである。

【図10】変圧器の更新に際して、契約分の省エネルギー量との比較を対比するためのグラフである。

【図11】省エネルギーによる積算的な効果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明に係る一実施形態を、図１ないし図１１を用いて説明する。
先ず、図１を用いて本発明の一実施形態に係る変圧器の電力評価システムの構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る変圧器の電力評価システムの構成図である。

【0021】

本実施形態は、電源が三相交流電源であり、負荷が三相交流で動作する場合のシステムについて説明する。

【0022】

本実施形態に係る変圧器の電力評価システムの構成は、電源００、変圧器１０、負荷２０、電力計測装置３０、ＩＦユニット４０、コンピュータ１００、表示装置１１１、キーボード１２１、マウス１２２、ＨＤＤ１４０からなる。

【0023】

電源００は、例えば、三相交流電源であり、外部電源でも設備の内部電源でもよい。

【0024】

変圧器１０は、一次側（入力側）の交流電力の電圧の高さを電磁誘導を利用して変換して、二次側（出力側）に出力する電力機器である。本実施形態では、変圧器は、三相変圧器とする。

【0025】

負荷２０は、設備において電力を実際に消費する機器であり、例えば、モータ、圧縮機などである。

【0026】

電力計測装置３０は、交流における電流、電圧、電力、電力量を計測し、データを収集するための装置である。

【0027】

ＩＦユニット４０は、電力計測装置３０と、コンピュータ１００を接続するためのユニットであり、電力計測装置３０とは、専用の通信線で、コンピュータ１００とは、汎用のシリアルＩＦで接続される。

【0028】

コンピュータ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１、シリアルＩＦ１０２、主記憶装置１０３、グラフィックＩＦ１１０、入出力ＩＦ１２０、補助記憶装置ＩＦ１３０が、バスにより結合された形態になっている。

【0029】

ＣＰＵ１０１は、コンピュータ１００の各部を制御し、主記憶装置１０３に電力評価のためのプログラムをロードして実行する。

【0030】

シリアルＩＦ１０２は、ＩＦユニット４０と接続するためのインタフェースである。

【0031】

主記憶装置１０３は、通常、ＲＡＭなどの揮発メモリで構成され、ＣＰＵ１０１が実行するプログラム、参照するデータが記憶される。

【0032】

グラフィックＩＦ１１０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などの表示装置１１１を接続するためのインタフェースである。

【0033】

入出力ＩＦ１２０は、入出力装置を接続するためのインタフェースである。図１の例では、キーボード１２１とポインティングデバイスのマウス１２２が接続されている。

【0034】

補助記憶装置ＩＦ１３０は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）１４０やＤＶＤドライブ（Digital Versatile Disk）（図示せず）などの補助記憶装置を接続するためのインタフェースである。

【0035】

ＨＤＤ１４０は、大容量の記憶容量を有しており、本実施形態を実行するためのデータ収集プログラム１４１、電力計算プログラム１４２、表示プログラム１４３、電力料金換算プログラム１４４が格納されている。

【0036】

データ収集プログラム１４１は、電力計測装置３０からデータを収集するためのプログラムである。

【0037】

電力計算プログラム１４２は、収集されたデータを、集計・加工するためのプログラムである。

【0038】

表示プログラム１４３は、収集されたデータや加工されたデータを、表やグラフとして表示するためのプログラムである。

【0039】

電力料金換算プログラム１４４は、消費(損失)電力量を電気料金に換算するためのプログラムである。

【0040】

次に、図２ないし図８を用いて本発明の一実施形態に係る変圧器の電力評価システムによる第一の電力評価方法について説明する。
先ず、図２および図３を用いて負荷率の概念と実測について説明する。
図２は、時間毎の負荷率の変動を示す棒グラフである。
図３は、時間毎の負荷率の変動の実際のデータを示した棒グラフである。

【0041】

既存の変圧器から新規導入する変圧器への更新をおこなった際の損失低減効果算出方法として、従来は、更新後の「ある一定期間」の負荷率を計算し、その負荷率を元に更新前の変圧器の損失をカタログスペックから計算し、合わせて更新後の変圧器の損失もカタログスペックから計算し、その差分にて効果を算出するという手法が一般的であった。

【0042】

本来は、等価負荷率を用いてカタログスペックに記載ある「負荷損」、「無負荷損」から変圧器の損失を計算するが、等価負荷率の計算が面倒であるため、一般的には、平均負荷率を用いる場合が多く、負荷変動が多い場合には正確性に欠く場合が出る。またこの損失の計算も連続的に計算するわけではなく、月に１回、あるいは、年に１回の頻度で人手を介在して損失計算をおこなう場合が多い。

【0043】

そこで、本実施形態では、以下のように、等価負荷率により、コンピュータ１００により、自動的に、損失を計算することにする。

【0044】

変圧器のエネルギー損失を測定するためには、負荷率を基準とする。実際の変圧器の稼働時間は、複雑に変化するので、日負荷曲線を単位時間で区切り、階段状の棒グラフに見立てた等価負荷率を計算する。

【0045】

負荷率は、以下の（式１）で表される。

【0046】

負荷率＝（皮相電力）／変圧器容量
＝（有効電力÷力率）／変圧器容量
≒（有効電力量÷力率）／変圧器容量…（式１）
サンプリング間隔＝１時間、期間が１日のときの等価負荷率は、図３の場合には、以下の（式２）で求められる。

【0047】

【数1】

【0048】

また、図３の場合の平均負荷率は、以下の（式３）で求められる。

【0049】

[数2]

【数2】

【0050】

次に、図４ないし図６を用いて負荷率より変圧器の更新による損失の変化を求める処理について説明する。
図４は、１時間の有効電力量から力率を考慮して負荷率を算出する場合を説明するグラフである。
図５は、所定のサンプリング間隔における電流から負荷率を算出する場合を説明するグラフである。
図６は、等価負荷率から変圧器の更新前と更新後の損失の差を求める処理を示すフローチャートである。

【0051】

負荷率を求める第一の方法としては、電力計測装置３０が、有効電力量と、力率を収集し、それにより求める方法である。ここで、有効電力量は、図４に示されるように、１時間の有効電力量となる。

【0052】

負荷率を求める第二の方法としては、電力計測装置３０が、所定サンプリング間隔における電流を収集し、それにより求める方法である。

【0053】

図５に示されるように、電流を求めるのは、負荷率の考え方から言えば、本来の方法だが、サンプリング間隔が限られてしまうので、第一の方法と比べて簡易的な方法としての位置づけとなる。

【0054】

次に、図６を用いて変圧器の更新前と更新後の損失の差を求める処理について説明する。

【0055】

先ず、以下の（式４）により、更新後の変圧器の等価負荷率を、上記で述べた方法により求める（Ｓ０１）。なお、更新前の負荷率は、外部から与えられるものであってもよいし、上で述べた方法で計測し、求めておいたものを用いてもよい。

【0056】

[数３]

【0057】

ここで、Ｐｅは、求める等価負荷率、Ｐｉは、区間ｉにおける負荷率またはサンプリングｉ番目の負荷率であり、それがＮ個あるものとする。例えば、上の例では、Ｐｉは、１時間の区間における負荷率であり、期間が１日なので、Ｎ＝２４である。

【0058】

次に、以下の（式５）により、等価負荷率から更新後の変圧器の全損失Ｗ１[ｋＷ]を算出する（Ｓ０２）。

【0059】

Ｗ１＝{無負荷損[Ｗ]＋負荷損[Ｗ]×（等価負荷率）^２}／１０００×Ｎ
…（式５）
次に、以下の（式６）により、等価負荷率から更新前の変圧器の全損失Ｗ２[ｋＷ]を算出する（Ｓ０３）。

【0060】

Ｗ２＝{無負荷損[Ｗ]＋負荷損[Ｗ]×（等価負荷率）^２}／１０００×Ｎ
…（式６）
次に、以下の（式７）により、変圧器の更新前後の低減損失ΔＷ[ｋＷ]を求める（Ｓ０４）。

【0061】

ΔＷ＝Ｗ２−Ｗ１ …（式７）
そして、グラフや帳票に低減損失ΔＷ[ｋＷ]を表示する（Ｓ０５）。

【0062】

次に、図７および図８を用いて変圧器を更新することによる省エネルギーの効果を表示する例について説明する。
図７は、負荷率を変化させたときの更新前と更新後の変圧器の損失を対比して示したグラフである。
図８は、負荷率を変化させたときの低減損失を示したグラフである。

【0063】

図７に示されるように、変圧器の損失は、負荷率に対して二次関数のグラフであらわされる。負荷率＝０％のときの損失は、負荷がかかっていないときにも生じる損失である無負荷損（鉄損）である。これを抑えるために、変圧器の鉄心に損失の少ない材料を用いることが必要であり、変圧器の鉄心にアモルファスを用いたアモルファス変圧器では、この無負荷損を最大限に抑えることができる。

【0064】

負荷率＝１００％のときに、負荷損（銅損）が最大となり、変圧器の損失も最大となる。

【0065】

変圧器の更新前後の低減損失ΔＷは、図８に示されるようになる。

【0066】

負荷率＝０％のときの損失の差ｗ２が一番大きく、それから二次曲線を描
いて負荷率＝１００％のときの損失の差ｗ１まで減少していく。

【0067】

これを、システムの表示装置１１１に表示してやれば、ユーザは、視覚的に省エネルギー効果を捉えることができる。

【0068】

次に、図９および図１１を用いて本発明の一実施形態に係る変圧器の電力評価システムによる第二の電力評価方法について説明する。

【0069】

図９は、単位時間あたりの省エネルギー量の効果の変化を示すグラフである。

【0070】

図１０は、変圧器の更新に際して、契約分の省エネルギー量との比較を対比するためのグラフである。

【0071】

図１１は、省エネルギーによる積算的な効果を示すグラフである。

【0072】

変圧器を更新したときの単位時間あたり節約できた消費(損失)電力量（省エネルギー量）の変化を、図９に示すように、表示装置１１１に表示する。これにより、変圧器の導入によるメリットを直接視覚的に把握することができる。更新前の変圧器の消費(損失)電力は、図１に示したデータを用いてもよいし、カタログスペックによって求めてもよい。

【0073】

また、変圧器の導入する際に、顧客との間で、省エネルギー額の契約がある場合に、図１０に示すように、時間の変化における省エネルギー額を表示する。省エネルギー額は、収集した消費(損失)電力データにより、料金換算プログラム１４４がおこなう。顧客との間で、省エネルギー額は、Ｐ［円］であるものとする。

【0074】

さらに、図１１に示すように、変圧器を導入することによる積算的な省エネルギー額を示すことにより、顧客が新型の省エネルギー効果の高い変圧器を導入することのメリットを視覚的に把握できる。

【符号の説明】

【0075】

００…電源、１０…変圧器、２０…負荷、３０…電力計測装置、４０…ＩＦユニット、１００…コンピュータ、１１１…表示装置、１２１…キーボード、１２２…マウス、１４０…ＨＤＤ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】