JP6317539B2 - 電気メータ向けの電圧変更用デバイス - Google Patents

Description

本明細書に開示する主題は全般的には電圧変更用デバイスに関する。より具体的には本開示は、高電圧性能、低電圧性能及び／または高電圧過渡事象保護を提供する電気メータ向けの電圧変更用デバイスに関する。

一般に配電は、顧客に対する送電における最後段階である。典型的な配電システム（例えば、変電所、電力ライン、電柱装備の変圧器、分配配線、電気エネルギーメータ、その他）では、配電システムは送電系統（例えば、発電所、変圧器、高電圧送電線、その他）から発生させた電気を搬送すると共に、電気メータを介して顧客にこの電気を供給している。

米国特許第５３９２１８８号

産業用途では、適用可能な電源は広い範囲に及んでいる。例えば米国では、産業用途の電源は１２０ボルト（Ｖ）から４８０Ｖまでの範囲にある。これらの用途のうちの概ね９７パーセントは１２０Ｖ〜２７７Ｖのレンジ域内に入る。したがって、４８０Ｖのデルタ構成を必要とするのは産業用途のうちの概ね３パーセントだけである。さらに石油産業や灌漑用途のシステムでは、送電線が長いことやモータの始動や停止のためにかなりの過渡事象を伴った４８０Ｖが必要である。カナダにおける産業用途電源は６００Ｖを必要とする。また、５７Ｖ〜１２０Ｖを要求する用途は僅かなパーセントに過ぎない。こうしたより低ボリュームでは特定の各電源要件ごとに新たなメータを適格化（ｑｕａｌｉｆｙ）することはコスト的に不可能である。さらに、こうした新たなメータの適格化には大幅な開発時間を必要とすることがある。

本発明の態様によれば、特定の電源要件を備えた新たなメータの適格化を提供することができる。一実施形態では本発明の態様は、ハウジングを有する電気メータと、該電気メータが所定の電源要件に従って動作するように受け取った電圧を変更するために電気メータに接続された電圧変更用デバイスと、を含んだシステムであって、該電圧変更用デバイスは電気メータハウジングの内部または電気メータハウジングの外部に配置されているシステムを含む。

本発明の第１の態様は、ハウジングを有する電気メータと、該電気メータが所定の電源要件に従って動作するように受け取った電圧を変更するために電気メータに接続された電圧変更用デバイスと、を備えたシステムであって、該電圧変更用デバイスは電気メータハウジングの内部または電気メータハウジングの外部に配置されているシステムを提供する。

本発明の第２の態様は、電源と、ハウジングの内部に電子基板を含んだ電気メータと、該電気メータが所定の電源要件に従って動作するように該電子基板及び電源に接続させた電源から受け取った電圧を変更するための電圧変更用デバイスと、を備えたシステムであって、該電圧変更用デバイスは電気メータハウジングの内部または電気メータハウジングの外部に配置されているシステムを提供する。

本発明のこれら特徴並びにその他の特徴については、本発明の様々な実施形態を描出した添付の図面と関連して提供している本発明の様々な態様に関する以下の詳細な説明からより容易に理解されよう。

本発明の態様によるシステムの概要図である。 本発明の態様によるシステムの電圧変更用デバイスのより詳細な概要図である。 本発明の態様によるシステムの電圧変更用デバイスのより詳細な概要図である。 本発明の態様によるシステムの電圧変更用デバイスのより詳細な概要図である。 本発明の態様によるシステムの電圧変更用デバイスのより詳細な概要図である。 本発明の態様によるシステムの電圧変更用デバイスのより詳細な概要図である。 本発明の態様によるシステムの電圧変更用デバイスのより詳細な概要図である。

本発明の図面は縮尺どおりでないことに留意されたい。これらの図面は本発明の典型的な態様の描写のみを目的としており、したがってこれらが本発明の趣旨を限定すると見なすべきではない。これらの図面では、同じ要素に対して図面間で同じ番号付けをしている。

本発明の態様は、特定の電源要件を備えた新たなメータの適格化を提供することができる。一実施形態では本発明の態様は、ハウジングを有する電気メータと、該電気メータが所定の電源要件に従って動作するように受け取った電圧を変更するために電気メータに接続された電圧変更用デバイスと、を含んだシステムであって、該電圧変更用デバイスは電気メータハウジングの内部または電気メータハウジングの外部に配置されているシステムを含む。

例えば上で言及したように、産業用途の電源は１２０Ｖ〜４８０Ｖの範囲にある。しかし、これらの用途のうちの概ね９７パーセントだけが１２０Ｖ〜２７７Ｖを要求する。１２０Ｖ〜４８０Ｖ電源ではなく１２０Ｖ〜２７７Ｖ電源を設計する方が費用対効果がより高い。本発明の態様による電圧変更用デバイスによれば、１２０Ｖ〜４８０Ｖの用途について１２０Ｖ〜２７７Ｖ電源の使用が可能となる。さらに４８０Ｖデルタシステムが要求される石油産業や灌漑用途においては、多くの場合に過電圧が起こる可能性があり、このために電圧過渡事象の問題が生じる。本明細書に記載した電圧変更用デバイスによれば高電圧過渡事象に対する保護が提供される。したがって各用途ごとの特定の電源要件を有する新たなメータを完全に再適格化することは必要がない。

図１及び２を見ると、本発明の態様によるシステム１００の概要図を示している。電源１０を電圧変更用デバイス２０に接続させることがある。電圧変更用デバイス２０は、電気メータ３０の電子基板（図示せず）に接続させることがある。図示していないが電気メータ３０はハウジングを含む。以下で説明することにするが、電圧変更用デバイス２０は電気メータ３０の所定の電源要件に従った動作を可能にする。図示していないが、電圧変更用デバイス２０は電気メータ３０のハウジング内部に配置させることも、電気メータ３０の外部に配置させることもあることを理解されたい。

システム１００について３相電源システムに関連して説明することにする。したがって、３本のライン（すなわち、３つの位相）によって電源１０を電圧変更用デバイス２０に接続している。抵抗器１０８を含んだ任意選択の中性ライン１０７を表している。追加のライン（アダプタ端子）１０１によって電圧変更用デバイス２０を電気メータ３０に接続している。本明細書で説明するが、このアダプタ端子１０１はメータ３０に対して電圧のフィードバック及び給電分離を提供する。

本明細書に記載したようにシステム１００を３相電源システムに適用しているが、システム１００の用途は現在知られている任意の電源システムや今後開発されるであろう電源システムにも適用し得ることを理解されたい。

ここで図２を見ると、システム１００の電圧変更用デバイス２０に関するより詳細な概要図を示している。システム１００（また、電圧変更用デバイス２０）は、第１の位相１０２、第２の位相１０４及び第３の位相１０６を含むように表している。中性用に追加のワイヤが存在することがある、ただし明瞭にする目的で中性ワイヤは省略してある。アダプタ端子１０１によって電圧変更用デバイス２０を電気メータ３０（図１）に接続している。本明細書で説明するようにアダプタ端子１０１はメータ３０に対して電圧のフィードバック及び供給分離を提供する。

図２から分かるように電圧変更用デバイス２０は、第１の位相１０２及び第２の位相１０４に接続させたサージ保護回路４０を含む。サージ保護回路４０は、少なくとも１つのバリスタ４４と直列に結合されたサージ抵抗器４２を含む。図２には２つのバリスタ４４を含むサージ保護回路４０を表しているが、サージ保護回路４０は任意の数のバリスタ４４を含み得ることを理解されたい。バリスタ４４は、金属酸化物バリスタを含むことや、現在知られている任意のタイプや今後開発されるであろうタイプのバリスタを含むことができる。バリスタ４４は、高電圧により生成された電流を回路の別の部分にシャントして逃がすことによる過剰な過渡事象電圧からの保護のために用いられる。

電圧変更用デバイス２０は、サージ保護回路４０と直列に結合された電磁気干渉（ＥＭＩ）ろ過デバイス６０を含む。ＥＭＩとは、電圧変更用デバイス２０の内部において回路の有効な実行の中断、妨害または制限によって電気回路の動作に悪影響を及ぼす可能性がある外乱のことである。使用され得るＥＭＩろ過デバイスの例には、コモンモードチョーク、ｘコンデンサ、あるいはインダクタ／コンデンサ（「ＬＣ」）フィルタが含まれる。しかし当技術分野で知られるような別のＥＭＩろ過デバイスを用いることもできる。

この図２の実施形態では、電圧変更用デバイス２０は過電圧保護モジュール７０を含む。過電圧保護モジュール７０は、所定の電源要件を超える電圧の受け取りに応答して電気メータ３０（図１）に対するパワーをオフに切替えるように構成されている。例えば１２０Ｖ〜４８０Ｖのメータは、４８０Ｖを超える電圧が存在しているときに保護のために電源電圧をオフに切替えてスイッチパワーモードにすることがある。

過電圧保護モジュール７０の内部には過電圧検出回路７２があって、過電圧の発生を検出している。過電圧検出回路７２は過電圧の発生に応答して過電圧保護モジュール７０をオンに切替える。図２に示した実施形態では過電圧保護モジュール７０は、並列に電気的に接続させたバリスタ７３、ダイオード７４及び金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）７５と直列に電気的に接続されたダイオード７１を含む。過電圧保護モジュール７０はさらにコンデンサ７６を含む。しかし、過電圧保護モジュールは所定の電源要件を超える過電圧に応答して電気メータ（図１）に対するパワーのオフ切替えに必要な任意のデバイスを含むことを理解されたい。

電圧フィードバックのために少なくとも１つの追加の抵抗器７７を設けることがある。例えばアダプタ端子１０１を介して第１の位相１０２の電圧フィードバックをメータ３０（図１）に提供するための追加の抵抗器７７を図２に示している。この追加の抵抗器７７によってさらに、給電分離を提供するための第１の位相１０２から分離した単独端子１０１が提供される。第３の位相１０６に関する電圧のフィードバック及び給電分離を提供するために第２の追加の抵抗器７８も設けられることがある。この実施形態では、第２の位相１０４はＥＭＩろ過デバイス６０を通過すると共に、基準電位として用いられる。このことは半波整流システムにおいて当てはまることが多い。

ここで図３を見ると、図２の電圧変更用デバイス２０に対する代替的な実施形態の詳細概要図を示している。この実施形態では、第２の位相１０４向けに第３の追加の抵抗器７９を設けている。第１の位相１０２向けの第１の追加の抵抗器７７や第３の位相１０６向けの第２の追加の抵抗器７８の場合と同様に、この第３の追加の抵抗器７９は第２の位相１０４向けに電圧のフィードバック及び給電分離を提供する。この実施形態ではその第２の位相１０４はＥＭＩろ過デバイス６０を通過する。

ここで図４を見ると、電圧変更用デバイス２０に対する代替的な実施形態の詳細概要図を示している。この実施形態では電圧変更用デバイス２０は、ＥＭＩろ過デバイス６０と直列に結合された高電圧モジュール８０（または、逓降回路）を含む。高電圧モジュール８０は、所定の電源要件を超える電圧の受け取りに応答して受け取った電圧を低下させるように構成されている。例えば、そのメータを１２０Ｖ〜２７７Ｖメータとすることがあり、かつその電圧変更用デバイス２０はメータが６００Ｖラインなどより高電圧のラインと適合するように構成させている。

高電圧モジュール８０の内部にあるバック（ｂｕｃｋ）制御回路８２は、その電圧をメータ３０と適合した電圧レベルまで調節しかつ低下させる。例えば６００Ｖラインに接続させた１２０Ｖ〜２７７Ｖメータの場合では、電圧変更用デバイス２０の内部にあるバック制御回路８２によって、その電圧を１２０Ｖ〜２７７Ｖメータに適合した電圧まで低下させている。バック変換器が２つのスイッチ（ダイオード８１及びスイッチ８３）と、インダクタ８４と、コンデンサ８５と、を含むことは当業者であれば理解されよう。この２つのスイッチ８１、８３は、電圧を低下させるようにインダクタ８４の充電とインダクタ８４の放電とを交替させる。高電圧モジュール８０内には、当技術分野で周知の別の構成のバック変換器も利用し得ることを理解されたい。

図４から分かるように、高電圧モジュール８０は追加のダイオード８６及び追加のコンデンサ８７などの別の電気回路構成要素を含むことがある。これらのことを半波整流素子を呼ぶことがある。しかし、高電圧モジュール８０は所定の電源要件を超える電圧に応答して電気メータ（図１）に対する電圧を低下させるのに必要な任意のデバイスを含み得ることを理解されたい。

図２に示した実施形態と同様に、電圧フィードバックのために少なくとも１つの追加の抵抗器７７を設けることがある。例えばアダプタ端子１０１を介して第１の位相１０２の電圧フィードバックをメータ３０（図１）に提供するための追加の抵抗器７７を図４に示している。追加の抵抗器７７はさらに、電圧フィードバックの電圧分割比を上昇させる。この追加の抵抗器７７によってさらに、給電分離を提供するための第１の位相１０２から分離した単独端子１０１が提供される。第３の位相１０６に関する電圧のフィードバック及び給電分離を提供するために第２の追加の抵抗器７８も設けられることがある。この実施形態ではその第２の位相１０４はＥＭＩろ過デバイス６０を通過しない。

ここで図５を見ると、図４の電圧変更用デバイス２０に対する代替的な実施形態の詳細概要図を示している。この実施形態では、第２の位相１０４向けに第３の追加の抵抗器７９を設けている。第１の位相１０２向けの第１の追加の抵抗器７７や第３の位相１０６向けの第２の追加の抵抗器７８の場合と同様に、この第３の追加の抵抗器７９は第２の位相１０４向けに電圧のフィードバック及び給電分離を提供する。この実施形態ではその第２の位相１０４はＥＭＩろ過デバイス６０を通過する。

ここで図６を見ると、電圧変更用デバイス２０に対する代替的な実施形態の詳細概要図を示している。この実施形態では電圧変更用デバイス２０は、ＥＭＩろ過デバイス６０と直列に結合されたブースト変換器などの低電圧モジュール９０（または、逓昇回路）を含む。低電圧モジュール９０は、所定の電源要件を満たさない電圧の受け取りに応答して受け取った電圧を上昇させるように構成されている。例えば差分ユニットは５７Ｖ〜１２０Ｖ電源を必要とすることがあり、これによって差分ユニットが１２０Ｖ〜２７７Ｖメータに適合しなくなる。

低電圧モジュール９０内部にある制御回路９２によって、電源１０（図１）からの入力供給電圧を調節し、メータ３０（図１）の所定の電源要件に適合した電圧を送達している。低電圧モジュール９０内部の構成要素によって、電源１０（図１）からの電圧をメータ３０（図１）の所定の電源要件まで上昇させるブースト変換器が形成されている。ブースト変換器が２つのスイッチ（スイッチ９３及びダイオード９４）と、インダクタ９５と、コンデンサ９６と、を含むことは当業者であれば理解されよう。この２つのスイッチ９３、９４は、電圧を上昇させるようにインダクタ９５の充電とインダクタ９５の放電の間を交替する。低電圧モジュール９０には当技術分野で知られるような別の構成のブースト変換器を使用し得ることを理解されたい。

図６から分かるように低電圧モジュール９０は、追加のダイオード９７及び追加のコンデンサ９８などの別の電気回路構成要素を含むことがある。これらのことを半波整流素子と呼ぶことがある。しかし低電圧モジュール９０は、所定の電源要件を満たさない電圧の受け取りに応答して電気メータ（図１）に対する電圧を上昇させるのに必要な任意のデバイスを含み得ることを理解されたい。

図２に示した実施形態と同様に、電圧フィードバック向けに少なくとも１つの追加の抵抗器７７を設けることがある。例えばアダプタ端子１０１を介して第１の位相１０２の電圧フィードバックをメータ３０（図１）に提供するための追加の抵抗器７７を図６に示している。追加の抵抗器７７はさらに、電圧フィードバックの電圧分割比を上昇させる。この追加の抵抗器７７によってさらに、給電分離を提供するための第１の位相１０２から分離した単独端子１０１が提供される。第３の位相１０６に関する電圧のフィードバック及び給電分離のために第２の追加の抵抗器７８も設けられることがある。この実施形態ではその第２の位相１０４はＥＭＩろ過デバイス６０を通過しない。

ここで図７を見ると、図６の電圧変更用デバイス２０に対する代替的な実施形態の詳細概要図を示している。この実施形態では、第２の位相１０４向けに第３の追加の抵抗器７９を設けている。第１の位相１０２向けの第１の追加の抵抗器７７や第３の位相１０６向けの第２の追加の抵抗器７８の場合と同様に、この第３の追加の抵抗器７９は第２の位相１０４向けの電圧のフィードバック及び給電分離を提供する。この実施形態ではその第２の位相１０４はＥＭＩろ過デバイス６０を通過する。

図示していないが、電圧変更用デバイス２０が図４〜５に示した実施形態と図６〜７に示した実施形態との組み合わせを含むことがあり得ることを理解されたい。すなわち電圧変更用デバイス２０は、受け取った電圧をメータ３０の所定の電源要件まで上昇または低下させることが可能なバック−ブースト変換器またはｓｅｐｉｃ変換器を含むことがある。

本明細書で使用する用語法は特定の実施形態を記述することのみを目的としたものであり、本発明を限定しようとする意図はない。本明細書で使用する場合に、「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」を伴った単数の形態はその複数の形態をも同様に含むように意図している（ただし、コンテクストによりそうでないことが明瞭である場合を除く）。さらに、本明細書で使用した場合の「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（を含む）」及び／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（を含んだ）」という用語は、記述した特徴、整数、ステップ、操作、要素及び／または成分の存在を指定するものであるが、１つまたは複数の別の特徴、整数、ステップ、操作、要素、成分及び／またはこれらから成る群の存在または追加を排除しないことを理解されたい。

この記載では、本発明（最適の形態を含む）を開示するため、並びに当業者による任意のデバイスやシステムの製作と使用及び組み込んだ任意の方法の実行を含む本発明の実施を可能にするために例を使用している。本発明の特許性のある範囲は本特許請求の範囲によって規定していると共に、当業者により行われる別の例を含むことができる。こうした別の例は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない構造要素を有する場合や、本特許請求の範囲の文字表記と実質的に差がない等価的な構造要素を有する場合があるが、本特許請求の範囲の域内にあるように意図したものである。

１０ 電源
２０ 電圧変更用デバイス
３０ 電気メータ
４０ サージ保護回路
４２ サージ抵抗器
４４ バリスタ
６０ 電磁気干渉（ＥＭＩ）ろ過デバイス
７０ 過電圧保護モジュール
７１ ダイオード
７２ 過電圧検出回路
７３ バリスタ
７４ ダイオード
７５ 金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）
７６ コンデンサ
７７ 追加の抵抗器
７８ 追加の抵抗器
７９ 追加の抵抗器
８０ 高電圧モジュール
８１ スイッチ
８２ バック制御回路
８３ スイッチ
８４ インダクタ
８５ コンデンサ
８６ ダイオード
８７ 追加のコンデンサ
９０ 低電圧モジュール
９２ 制御回路
９３ スイッチ
９４ ダイオード
９５ インダクタ
９６ コンデンサ
９７ ダイオード
９８ コンデンサ
１００ システム
１０１ アダプタ端子
１０２ 第１の位相
１０４ 第２の位相
１０６ 第３の位相
１０７ 中性ライン
１０８ 抵抗器

Claims (9)

1. ハウジングとアダプタ端子（１０１）とを有する電気メータ（３０）であって、前記電気メータ（３０）のための所定の電圧において電力量を測定するように構成されたものであり、測定される電力を前記所定の電圧で受け取るための電力入力ラインを有する、前記電気メータ（３０）と、
   前記電気メータ（３０）の前記所定の電圧とは異なる電圧を有する電源（１０）であって前記電気メータ（３０）により測定されるべき電源（１０）の電源ラインに接続するための第１の接続部，及び，前記電気メータ（３０）の前記電力入力ラインに接続された第２の接続部，を有し、電気メータ（３０）が所定の電源要件に従った動作をするように、電源の周波数とは無関係に、受け取った前記電源ラインの電圧を変更して前記所定の電圧を前記電気メータ（３０）の電力入力ラインへ供給するための電圧変更用デバイス（２０）であって、電気メータ（３０）ハウジングの内部または電気メータ（３０）ハウジングの外部に配置されている電圧変更用デバイス（２０）と、
   を備え、
   前記電圧変更用デバイス（２０）が、更に前記電気メータ（３０）の前記アダプタ端子（１０１）を介して前記電気メータ（３０）と接続し、
   前記アダプタ端子（１０１）は、前記電源ラインから分離されたラインを介して前記電気メータ（３０）と前記電圧変更用デバイス（２０）との間の電圧フィードバックを直接提供し、前記電圧変更用デバイス（２０）は、提供される前記電圧フィードバックに応じて前記電圧を変更し、
   前記電圧変更用デバイスがサージ保護回路（４０）と結合されたＥＭＩろ過デバイス（６０）を含む、システム（１００）。
2. 前記電圧変更用デバイス（２０）は過電圧過渡事象保護モジュールを含む、請求項１に記載のシステム（１００）。
3. 前記過電圧過渡事象保護モジュールは、所定の電源要件を超える受け取り電圧に応答して電気メータ（３０）へのパワーをオフに切替えるように構成された回路を含む、請求項２に記載のシステム（１００）。
4. 前記電圧変更用デバイス（２０）は高電圧逓降モジュールを含む、請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム（１００）。
5. 前記高電圧逓降モジュールは、所定の電源要件を超える受け取り電圧に応答して該受け取った電圧を低下させるように構成された回路を含む、請求項４に記載のシステム（１００）。
6. 前記電圧変更用デバイス（２０）は低電圧逓昇モジュールを含む、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム（１００）。
7. 前記低電圧逓昇モジュールは、所定の電源要件を満たさない受け取り電圧に応答して該受け取った電圧を上昇させるように構成された回路を含む、請求項６に記載のシステム（１００）。
8. 前記電圧変更用デバイス（２０）はバック−ブースト変換器を含む、請求項１乃至７のいずれかに記載のシステム（１００）。
9. 前記バック−ブースト変換器は、所定の電源要件を超える受け取り電圧に応答して該受け取った電圧を低下させ、かつ所定の電源要件を満たさない受け取り電圧に応答して該受け取った電圧を上昇させるように構成された回路を含む、請求項８に記載のシステム（１００）。