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Arduinoで冷蔵庫の消費電力を連続測定

 消費税増税の機会に冷蔵庫を買い換えることにしました。

 現在使用中の冷蔵庫は三菱のMR-V45S-Hという機種で1998年頃に買った450リットルの物。

▼三菱の冷蔵庫(MR-V45S-H)
三菱の冷蔵庫(450リットル)
 私としては特に不満は無いのですが、15年くらい昔の冷蔵庫なので消費電力が大きそうです。また奥さんに言わせると使い勝手が悪いそうです。

 ちなみにWebで仕様を調べると月間消費電力は27kWh,つまり平均すると37.5Wということになります。但しこの値は当時のJISの測定方法によるもので、現在の測定方法だと3~4倍くらい悪い値が出るのが定説となっています。

 ならば実際にどれくらいの消費電力なのか測定してみました。

自作のカレントトランスで消費電流測定
冷蔵庫の上にDMM
 測ってみると、約135Wと約6Wの状態があります。約135Wの時は冷凍機のコンプレッサが動作している状態のようですが、どうみても平均37.5Wでは収まりそうにありません。
 それにしても冷蔵庫の上にデジタルマルチメーターが載っているのはあまり見かけない景色ですw

 で、この状態で時々値を見ていたのですがあまり定量的に状態の把握ができません。ならば、連続測定で確認してみましょう。

 あまり凝ったことをするつもりは無いので、Arduinoで簡単なロガーを作ってみます

▼測定回路
AC電圧ロガーの回路図
 Arduino UNOを使ってますが、回路はたったこれだけ。右上のスイッチは記録開始スイッチです。

 カレントトランスからは1W(0.01A)当り1mVの交流が出てきます。普通ならこれをオペアンプで直流に変換してマイコンのADCで値を読むのが定石です。でも面倒なので交流のままアナログポートに入力し、いきなりAD変換することにします。
 Arduinoのアナログポートは100μsくらいの速度で変換できるのでAC電源の周期の間にかなりの回数のサンプリングが可能になります。計算などの時間を考慮して160μs周期でデーターを読むことにします。また積分時間は交流の周期の整数倍にする必要があるので、1250回サンプリングすることにします。これで積分時間は0.2秒になり、50/60Hzどちらでもうまくいくはずです。

 なお、アナログポートではマイナスの値は測定出来ませんが、これは無視。つまり負側も同じ波形と仮定してソフトで補正することにします。また、電圧の振幅は小さい(0.4Vも無い)ので保護用のダイオードは省略。とにかくミニマムの回路で測定するのが目標です。

 それと、ちゃんと電力測定やるなら電圧波形も取って有効電力を求めるべきですが、面倒なので初略しています。このあたりは、居酒屋ガレージさんが気合の入った物を作られているようなので横目でチラチラ見ながら今後考えたいと思います。

 測定に使ったスケッチ(簡易AC電圧ロガー)

 今回はとにかく簡単に作りたかったのでスケッチの書き方もいいかげんです。とはいってもタイマー割り込みをMsTimer2とTimer1で二重に使っているのでArduinoのプログラムとしてはけっこう高級かもです。せっかく交流波形を測定しているので実効値を計算しています。

 フルスケールの換算(1.1VがADCの1024に相当)は面倒なので省略しています。あとでEXCELでやれば良いかと、、

 また、データーはCPU内のEEPROMに記録しています。EEPROMは1kバイトしかありませんが、8ビットで記録すれば2分間隔で34時間の連続測定が出来るのでこれで我慢することにします。

▼測定の様子
消費電力測定中
 液晶の左側の値は平均値、右側は実効値。マルチメーターは平均値測定の実効値表示タイプなので各々の値が異なっていますが、あまり細かいことは気にしないことにします。

測定回路
 冷蔵庫の上がこんなになっています。

▼測定結果
測定結果
 平均すると93Wくらいの消費電力。このペースだと月間で67kWhになり電気代では約1500円に相当します(22円/kwhで換算)。深夜の2時から4時あたりでアイドリングが無しになって消費電力が上がっているのは霜取りでもやっているのでしょうか。

 ということで、この状態でしばらくログを取っておいて、新しい冷蔵庫の消費電力と比較してみたいと思います。
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tag : 交流電圧 ロガー

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No title

実際に計ってみたことはないけど、電流と電圧の位相差が電動機の場合あるはずだから、もう少し電力計の指示は少ないかも、。
なんだか最近インバータばかり付いているので高調波で弱電機器には電源からノイズが入り困ることもあります、良い方法がないものですかね。

ウチとほぼ同じ年代の冷蔵庫ですね

たぶん、今時の冷蔵庫は、この半分だと思います。
古いのは処分できずに、まだ倉庫にあります。処分代も消費税アップになるので、なんとかしたかったんですが、間に合わなかった。
最近の400リットル超クラスの高い冷蔵庫は、ドアの開閉や庫内温度、庫外温度をみて、賢く制御しているみたいですね。

うちは、中型小型の冷蔵庫2台と冷凍専用で計3台に分けて使っています。大きいのを一つだけってのが不便に感じたので分けました。
冬場は冷凍庫だけ。冷蔵庫の一台は電源をコンセントから抜いています。
冷凍専用庫で作った蓄冷パックを発泡スチロール箱にいれた簡易増設冷暗庫が一年を通して、用途に応じて増減できるので便利ですよ。

なるほど、50、こちらは60Hzですので、正弦波のどこを計るのか?ということで、積分するのか なるほど…

スケッチ他、参考にいただきます(..;)ぺこり

No title

いつも楽しく拝見して勉強させて頂いています。今冷蔵庫の制御基板をやっています。インバーターにすると省電力とか細かく制御して従来の半分になるのでは無いようです。冷やす熱量によるコンプレッサーの運転の消費電力はこの数年で10%も変わっていません。インバーターや細かい制御でも同じ位の改善です。足して3割?真空断熱材(全ての面を囲うと相当効果が出ますが、価格も高価)や熱交換比率の改善等々でもう少し。冷凍室の温度もポイントで−1度下げる毎に大体1%の電力を消費すつそうです。冷凍庫はなぜ−18度が基準になっているかと言うと一部の菌やカビの毒の生成がその辺りで鈍化して保存期間が長くなります。長くなりましたが、以前は−30度位まで冷やしていましたが、今は庫内の温度を設定以上に冷やしすぎないように設計されています。恐らく比較は難しいと思います(現在の中の設定と最新型の中の設定の意味が違います。)仮に冷凍庫内の同じ位置に温度計を置いて同じ物を同じ量を入れて測ると差が分かると思います。設定を控えめにする事が結構効果があります。

なるほど、爪に火をともすような…

おお、メーカで、基板設計されているんですね。
真空断熱材の薄く大きいのが、民生用にでてきたのが、威力あるな。

たしかに、冷蔵庫のアイスクリームがカチカチで、スプーンがささらない ってのが、新しい冷蔵庫では起きませんね。
摂氏-40〜+50度の温度のデータロガーUSBドングルが高いんですよね。
だから、車用の2千円で買える時計と温度計の車内、車外の温度センサーのついたヤツを、温度計として発泡スチロールの簡易冷暗庫にいれています。

あと、1Wireの温度センサーを張り巡らせて、温度をPCでデータを録るなんてことを考えていて、予備実験で配線のために天井裏を先日から這っています(笑)。また、これはネタにしよう(笑)

No title

厳密には私が設計しているのでは無くシステムの人と基板とソフト設計の人の間にいます。もっと簡単な機械式を基板制御にする程度の事を依頼されています。インバーターの制御は複雑で冷蔵庫は止まってはいけないので制御が大変です。多分しないと思います。
さて本格的に調べられるのでしたら熱交換器の温度を取らないといけなくなりますが、新品を分解は。。。多点の温度を簡易で見る為に秋月の8ch10ビットデータロガーボードの半固定のボリュームを外してサーミスターと金皮抵抗で10秒毎でエクセルでグラフを作ってみたりもしました。システムの人は基板制御が良く分からず基板設計はシステムを理解する事が難しいので。
arduinoはアナログA0-A5を使った方が簡単かもしれません。サーミスターをお使いの場合はデータがある方が良いかもしれません。B定数の対数計算でdt=analogRead(4);
rr2=R1B*dt/(1024-dt);
thermistor=1/(log(rr2/R0B)/3435+(1/298.15));
Serial.print(thermistor-273.15);
Serial.println("c");
arduinoで温度表示も出来ます。マルチメーターをお持ちなので結構細かな温度もみれます。私はラジオペンチさんのようにアナログ回路やソフトの知識は無いので大体動くようにしか作っていません。システムからの依頼を噛み砕いてハード、ソフトは専門家に説明してやって頂いています。

No title

家庭の省エネは驚くほど改善されている。
夏は冷房冬は暖房、年間を通じた蓄熱ができればプラマイ零もありうる(究極の方法)。
夏に取った熱を地中に封じ込め冬にその熱を汲み上げ暖房する方式も以前から研究されている。この場合熱の移動にヒートパイプを使う。
エアコン、冷蔵庫などの場合ヒートポンプ(HP)で、名前が似ているのでよく混同され勘違いされる場合があります。
HPで、例えば欲を言えば冷蔵庫の裏に付いている放熱器は夏の場合室温を上げるので逆効果、冬の場合暖房となるので好都合。
冷蔵庫の場合、冷凍室の霜取りに、この熱を使う賢い方法とか。
最近ヒートポンプを使った給湯機が家庭に普及し始めた。以前だれも予想しなかった事でした。

例の電流と電圧の位相差(力率)測定をマイコンで行う場合は、電流要素(CT)と電圧要素(PT)を分け各々の極性がプラスからマイナスに転換する時間差を計る事で計算できるかも。
将来すべての家庭の積算電力系がスマートメーターに変更されるとの事、電力を計算するのにどのような回路になっているのか興味があります。

みなさん、コメントありがとうございます

岡目八目さん
 電圧と電流の瞬時値の積を積分する方式の電力計を作ればいろんな問題が解決出来るんえでしよね。
 実はこの測定やっていて作ってみたくなりました。そういう意味でも居酒屋ガレージさんとこがどうなるか注目してますです。

SGさん
 新しい冷蔵庫はパナの500リットル台のやつです。真空断熱を使ったりしているらしいのでどれくらい省エネになるか楽しみです。
 週末に入るので来週にはデーターをご披露する予定なのでお楽しみに。

wiwaoさん
 詳しい解説ありがとうございます。インバーターなどの制御だけで半分になるのではなく、いろんな改善の積み上げなんですね。
 インバーターやマイコンはいわば花形技術。説明しやすいので前面に出ているような気がしてきました。

No title

なんでも作っちゃうかもさんの電力計が大変役に経ちました。ノンインバータでは冷凍庫に負荷を入れて力率を観ると設定温度に到達する迄の消費電力が良く分かります。冷蔵庫の製氷機は使わない方が良いです。凝固熱は結構なエネルギーを消費します。逆に空っぽの冷凍庫に負荷として同量の水を入れるとインバータと冷凍能力の違いがわかるかもしれません。今は大丈夫だと思いますが、夏場はコンデンサー側の風通しも重要です。写真を拝見すると冷蔵庫の裏側のスペースが規定より少ない様に見えます。カタログやマニュアルに書いてあるスペースを空けて下さい。最近は天板から熱を放出するタイプも有る様です。楽しみにしています。

wiwaoさん、今晩は

 私も写真見て冷蔵庫の後ろのスペースが少ないのが気になっていたので、先ほど4cmくらい冷蔵庫を手前に移動してみました。
 消費電力は連続で記録しているので効果が見えるかもしれません。

「なんでも作っちゃうかも」さんの記事は参考になることが多いですよね。実はMFT2013でお会いしたことがあります。

No title

昔の冷蔵庫は後ろにコンデンサーがあってそこから排熱していましたが、今は箱型のコンデンサーにファンモーターで強制的に風を当てて排熱しているので両サイドのスペースが各5センチ位とれると良い感じです。両サイドのガスケットに沿ってホットパイプというコンデンサーから伸びたパイプで結露防止をしていると思います。なのでカタログに両サイドのスペースの記載があると思います。新しいのはパナソニックですよね?そのモデルはコンプレッサーが冷蔵庫の上に配置されて排熱し易くなってたと思います。熱交換器なので排熱の効率が良いと消費電力は少なくなります。新型のインバータモデルのログは楽しみです。可也の差が出ますが古いモデルでもコンデンサー回りの埃や虫、15年にこびりついた汚れを落とすと結構改善しますが大変です。電気部品や配管で怪我するかもしれません。

wiwaoさん、おはようございます

 この記事の写真見て、後ろのスペースをもっと開けないといけないなーなんて思ってました。

続編の記事を書きました。もう少し詳しいデーターを記載しています。

また、新しい冷蔵庫のデーターは日曜の夜以降になると思います。こちらもお楽しみに。

有効電力と皮相電力

失敗談での実験↓
http://blog.zaq.ne.jp/igarage/article/3722/

電流と電圧のRMS値を乗じると出てくるのは皮相電力。
瞬時電流と瞬時電圧を乗じて瞬時電力を計算し、それを時間平均すると有効電力。

本来ならここから力率(位相差)が求められるんですが、測定波形を見ると位相差より「正弦波じゃない」のが問題。

整流・平滑回路が入った電源(インバータ用電源)では、電圧のピーク近くになってから電流が増大。
正弦波じゃない波形になっているので、その歪み分(高調波成分)が重要。
ということは、正確に計ろうとするとサンプリング速度も関係してくるぞというわけです。

re:有効電力と皮相電力

居酒屋ガレージさん、今晩は

2SK2232、私も飛ばしたことありますが、値段が安いのであまりダメージが無くていいですよね。

昔は力率=cosθと習ったものですが、今じゃほとんど意味が無くなっちゃいましたね。私もAC100Vの電力をちゃんと測定する道具を作りたくなりました。

有効電力

件の失敗実験、単純なスイッチング電源でも有効電力(W)と皮相電力(VA)の差がけっこう出ておりました。
主負荷が電動機となる冷蔵庫の場合、有効電力はどうなんだと興味がありますね。

re:有効電力

居酒屋ガレージ店主(JH3DBO)さん今晩は。

電動機といってもインバーター駆動なんでしょうから、AC側から見たらパソコンと変わんないような気がします。たぶんPFCやってると思いますが、どの程度やってるのやら。

やっぱりちゃんと測定しないとダメですね。

そのためには冷蔵庫の上にオシロ乗っけて常時監視するしかないですが、家族の白い目が怖いです。

今度、隙を見てやります。汗;
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