JP2002027757A - 電源位相検出回路 - Google Patents

電源位相検出回路

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JP2002027757A
JP2002027757A JP2000204457A JP2000204457A JP2002027757A JP 2002027757 A JP2002027757 A JP 2002027757A JP 2000204457 A JP2000204457 A JP 2000204457A JP 2000204457 A JP2000204457 A JP 2000204457A JP 2002027757 A JP2002027757 A JP 2002027757A
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zero
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Tomohiko Arai
知彦 荒井
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Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体電力変換器5のゲート制御に、変圧器
1で交流電源の同期電源を得、ローパスフィルタ2で高
調波成分を除去し、コンパレータ3でゼロクロスポイン
トを検出するのでは、停電時や電圧低下等にゲート位相
が異常になり過電流等を起こす。 【解決手段】 ゼロクロスポイント順序監視回路6によ
り、コンパレータから得るゼロクロスポイントの相順を
監視し、その異常にはゲート制御を抑止し、正常であれ
ば相順に合わせたゼロクロスポイント出力を許容する。
また、同期電源電圧が低下したときにコンパレータの出
力に代えて自動的にゼロクロスポイントを生成すること
も含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体電力変換器
の中で、電源位相の検出を必要とする装置またはシステ
ム(例えば、サイリスタレオナード、サイリスタセルビ
ウス、電源回生コンバータなど)の電源位相検出回路に
関する。
【0002】
【従来の技術】サイリスタレオナードを例に説明する。
サイリスタレオナードは、サイリスタのゲートを電源位
相に対して適切な角度で点弧させることで電力の制御を
実現している。この電力制御を正確に行うためには、電
源位相を正確に検出することが必要となる。
【0003】電源電圧波形は三相または単相の50また
は60Hzの正弦波状をしている。電源位相の検出は、
図4に示すように、高電圧の主電源を変圧器1によって
降圧することで電子回路で扱いやすい低電圧(同期電源
という)にした後、各相の電圧の極性が正か負かをコン
パレータ3で判定し、電源の相電圧波形がゼロ電圧をよ
ぎる点(ゼロクロスポイント)を求め、このゼロクロス
ポイントを基準にしてゲート回路4にサイリスタ電力変
換回路5のゲート信号を得る。
【0004】ここで、電源の電圧波形は完全な正弦波で
はなく、歪みが多く含まれている。これは、近くの電源
系統の開閉器の開閉サージやフリッカ負荷(電気炉、溶
接機)、非線形負荷(コンデンサインプット形の整流
器)、更にはサイリスタレオナード自身が発生する転流
サージなどが原因である。
【0005】これらの電源電圧波形歪みを除去するため
に、同期電源をコンパレートする前に、ローパスフィル
タ(LPF)2を設け、電源の基本波成分のみを取り出
すようにしている。このローパスフィルタ2を含めた各
部の波形を図5に示す。
【0006】LPFには、電源周波数成分は減衰なく通
し、電源周波数を超える高周波は大きな減衰率が必要な
ために、オペアンプを使ったアクティブフィルタを用い
る。以上の電源電庄波形のゼロクロスポイントを検出す
る回路を総称して、「同期検出回路」などと呼ぶ。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】主電源が停電した場合
を考える。停電時の電圧降下の挙動は様々だが、図6に
示すように、(a)短い時間(1〜2サイクル以内)で
完全にゼロ電圧になるものと、(b)比較的長い時間
(10サイクル以上)かかって徐々に低下するものとに
大別できる。
【0008】(a)のケースは、サイリスタレオナード
に近い受電点より下で遮断器が短絡や地絡などによりト
リップした場合である。電圧波形は1〜2サイクル以内
の比較的短い時間でゼロになる。電圧降下の挙動は、遮
断器の遮断能力で決まる。
【0009】(b)のケースは、電源系統の上位(電力
会社側)で落雷などにより遮断器がトリップした場合で
ある。これは、系統にぶら下がっているブロワなどの大
慣性負荷の回転体の運動エネルギーが電気エネルギーに
変換される(つまり誘導電動機が発電機になる)こと
で、系統の電圧がある時間の間保たれるからである。電
圧波形は正弦波波形を保ちながら実効値は指数関数で比
較的ゆっくり低下する。
【0010】上記のケース(a)の場合のサイリスタレ
オナードの同期検出回路の動きを考える。ゼロクロスポ
イントの検出は電圧波形がゼロ電位に比べプラス側かマ
イナス側か判定することで行っている。電圧波形は、短
い時間でゼロ電圧になることと遮断器のアーク電圧の影
響で、正弦波とはまったく違う歪んだ波形になる。この
ため、ゼロクロスポイントの検出も正しく行うことがで
きない。三相交流電源ではRST各相の相順は決まって
いるのでゼロクロスの順番は本来変わることがない。
【0011】ケース(a)の停電時は三相の各相の電圧
の低下の挙動が一様ではないので、ゼロクロスの順番も
間違ってしまう可能性もある。この点、ケース(b)
は、電圧波形が正弦波を保ちながら実効値がゆっくり低
下していくので、ゼロクロスの順番を間違うことはない
が、電圧が低下すればノイズの影響を受けやすくなると
いう問題がある。
【0012】もう一つの問題は、同期検出回路にLPF
を用いていることである。LPFは高周波の減衰率を良
くするために2次以上のアクティブフィルタで構成され
る。2次以上のアクティブフィルタは共振周波数を持つ
ので、入力が瞬時にゼロになっても出力は少しの間共振
周波数で出続ける。共振周波数は電源の周波数(50ま
たは60Hz)より少し高い値に設計されているので、
入力ゼロ後の出力周波数はやや高くなる。これはゼロク
ロスポイントが本来の位置からずれることを意味する。
【0013】本発明の目的は、上記の課題を解決した電
源位相検出回路を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明は、ゼロクロスポ
イントの相順が異常になったときにゲート制御を抑止す
ること、または同期電源電圧が低下したときにコンパレ
ータの出力に代えて自動的にゼロクロスポイントを生成
するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
【0015】(第1の発明)半導体電力変換器の3相交
流電源に同期した同期電源を得る変圧器と、この変圧器
から得る電源波形から高調波成分を除去するローパスフ
ィルタと、このローパスフィルタを通した電源波形のゼ
ロクロスポイントを検出して前記半導体電力変換器のゲ
ート制御の基準位相を得るコンパレータとを備えた電源
位相検出回路であって、前記コンパレータから得るゼロ
クロスポイントの相順を監視し、その異常にはゲート制
御を抑止し、正常であれば相順に合わせたゼロクロスポ
イント出力を許容するゼロクロスポイント順序監視回路
を備えたことを特徴とする。
【0016】(第2の発明)半導体電力変換器の交流電
源に同期した同期電源を得る変圧器と、この変圧器から
得る電源波形から高調波成分を除去するローパスフィル
タと、このローパスフィルタを通した電源波形のゼロク
ロスポイントを検出して前記半導体電力変換器のゲート
制御の基準位相を得るコンパレータとを備えた電源位相
検出回路であって、前記同期電源の電圧がある値以下に
なったことを検出する電圧低下検出回路と、通常時は前
記コンパレータの出力に同期したゼロクロスポイント出
力を発生し、前記電圧低下検出回路が同期電源の電圧低
下を検出したときに内部の基準クロックでゼロクロスポ
イントを生成して前記コンパレータからのゼロクロスポ
イントに代えるゼロクロスポイント自動生成回路とを備
えたことを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施形態を示す
電源位相検出回路図であり、ゼロクロスポイントの順番
に制限を設ける場合である。
【0018】同図が図4と異なる部分は、コンパレータ
3の後段にはゼロクロスポイント順序監視回路6を設け
る。このゼロクロスポイント順序回路6は、コンパレー
タのゼロクロスポイント検出結果を監視し、その相順異
常にはゲート制御を抑止し、正常であれば電源の相順に
合わせたゼロクロスポイント出力を許容する。
【0019】三相交流電源(通常各相にR,S,Tと名
前を付ける)のゼロクロスポイントは、それぞれの相に
対して負極性から正極性に切り換わる時と正極性から負
極性に切り換わる時の2回ずつある。三相全部では1周
期の間に6回のゼロクロスポイントを有する。R相の2
つのゼロクロスポイントに負→正をU、正→負をXと名
付ける。同様に、S相にはVとY、同相にはWとZであ
る。
【0020】三相の相順をR→S→Tとすると、図2に
示すように、ゼロクロスポイントの順番はU→Z→V→
X→W→Yである。停電時の歪んだ電圧波形では、上記
のU→Z→V→X→W→Yの順番にゼロクロスポイント
が来るとは限らない。間違った順番でサイリスタのゲー
トを点弧してしまうと過電流やヒューズ溶断の事故にな
ってしまう。
【0021】そこで、本実施形態では、コンパレータ3
のゼロクロスポイント検出結果が正常であるときのみ、
電源の相順に合わせたゼロクロスポイント出力を許容す
ることで、過電流やヒューズ溶断の事故を防止する。
【0022】なお、ゼロクロスポイント順序監視回路6
は、例えば、論理的な順序回路とコンパレータからのゼ
ロクロスポイント信号との照合で実現される。
【0023】図3は、本発明の他の実施形態を示す電源
位相検出回路図であり、ゼロクロスポイントの時間的許
容幅に制限を設ける場合である。
【0024】サイリスタレオナードは、サイリスタの転
流時間やゲートの点弧角制御精度などから、電源周波数
の変動に制約を設けている。通常、50Hzまたは60
Hzに対して、+5〜−5%以内、+1〜−3Hz以内
などと規定することが多い。この数値はゆっくりした変
動に対する規定値であり、短い時間に対してはもっと小
さい数字に収まっていることが期待できる。JEM24
10の規定では、変動の範囲は幸2%以内、変動の速さ
は±2%/秒以内と決められている。
【0025】同期検出回路のLPFの入力(同期電源)
が瞬時にゼロなった時のゼロクロスポイントのずれを防
ぐために、同期電源電圧がある値以下になったことを電
圧低下検出回路7で検出し、この検出によりコンパレー
タ3からのゼロクロスポイントに代えて、ゼロクロスポ
イント自動生成回路8からのゼロクロスポイント出力に
切り替える。ゼロクロスポイント自動生成回路8は、通
常時は、コンパレータ3の出力に同期したゼロクロスポ
イント出力を発生しており、電源の電圧低下検出で内部
の基準クロックでゼロクロスポイントを生成する。
【0026】ゼロクロスポイント自動生成回路8は、例
えば、電源の三相50Hzでは1周期が20msのた
め、ゼロクロスポイントの間隔はその1/6の3.3m
sであるため、同期電源の電圧が低くなった時には、コ
ンパレータ3からの直前のゼロクロスポイントを基準と
して3.3ms毎に自動的にゼロクロスポイントを生成
する。
【0027】なお、ゼロクロスポイント自動生成回路8
は、例えば、PLL回路で実現される。また、本実施形
態では、交流電源が単相の場合にも適用できる。
【0028】
【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、ゼロク
ロスポイントの相順が異常になったときにゲート制御を
抑止、または同期電源電圧が低下したときにコンパレー
タの出力に代えて自動的にゼロクロスポイントを生成す
るようにしたため、ゼロクロスポイントの位相および順
序の異常による半導体電力変換器での過電流やヒューズ
溶断の事故を防ぐことができる。
【0029】また、ゼロクロスポイントの時間的許容幅
に制限を設けることにより、同期電源電圧が歪んだ時、
コンパレータがノイズの影響を受けて間遺った位置でゼ
ロクロスポイントを出力することを防ぐことができる
し、瞬停から復電までのゼロクロスポイントを精度良く
生成することで、復電後の再起動を速やかに行うことが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示す電源位相検出回路図。
【図2】ゼロクロスポイントの相順波形図。
【図3】本発明の他の実施形態を示す電源位相検出回路
図。
【図4】従来の電源位相検出回路図。
【図5】図4の各部波形図。
【図6】停電発生時の電圧波形図。
【符号の説明】
1…変圧器 2…ローパスフィルタ 3…コンパレータ 4…ゲート回路 5…半導体電力変換器 6…ゼロクロスポイント順序監視回路 7…電圧低下検出回路 8…ゼロクロスポイント自動生成回路

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体電力変換器の3相交流電源に同期
    した同期電源を得る変圧器と、この変圧器から得る電源
    波形から高調波成分を除去するローパスフィルタと、こ
    のローパスフィルタを通した電源波形のゼロクロスポイ
    ントを検出して前記半導体電力変換器のゲート制御の基
    準位相を得るコンパレータとを備えた電源位相検出回路
    であって、 前記コンパレータから得るゼロクロスポイントの相順を
    監視し、その異常にはゲート制御を抑止し、正常であれ
    ば相順に合わせたゼロクロスポイント出力を許容するゼ
    ロクロスポイント順序監視回路を備えたことを特徴とす
    る電源位相検出回路。
  2. 【請求項2】 半導体電力変換器の交流電源に同期した
    同期電源を得る変圧器と、この変圧器から得る電源波形
    から高調波成分を除去するローパスフィルタと、このロ
    ーパスフィルタを通した電源波形のゼロクロスポイント
    を検出して前記半導体電力変換器のゲート制御の基準位
    相を得るコンパレータとを備えた電源位相検出回路であ
    って、 前記同期電源の電圧がある値以下になったことを検出す
    る電圧低下検出回路と、 通常時は前記コンパレータの出力に同期したゼロクロス
    ポイント出力を発生し、前記電圧低下検出回路が同期電
    源の電圧低下を検出したときに内部の基準クロックでゼ
    ロクロスポイントを生成して前記コンパレータからのゼ
    ロクロスポイントに代えるゼロクロスポイント自動生成
    回路とを備えたことを特徴とする電源位相検出回路。
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