JP2006010435A - 電圧異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電圧異常をはやくかつ精度良く検出することができる電圧異常検出装置を提供する。
【解決手段】 負荷２に電源を印可する電源電圧１の瞬時値を検出して電圧異常を判断するために、電源電圧の各相における基準値より所定値大きい電圧上限値３ｂ１および基準値より所定値小さい電圧下限値３ｂ２を設定し、電源電圧１の各相の電圧値と各電圧上限値３ｂ１および電圧下限値３ｂ２とを比較し異常を検出するＣｏｍｐａｒａｔｏｒ３ｃ１、３ｃ２およびＯＲ回路３ｄとを備えた電圧異常検出装置３において、電圧上限値および電圧下限値が同符号の場合にはＯＲ回路３ｄの検出を異常と判断し、電圧上限値および電圧下限値が異符号の場合にはＯＲ回路３ｄの検出を異常では無いと判断するＡＮＤ回路３ｆ３を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、例えば瞬低補償装置の電圧異常検出に用いられる電圧異常検出装置に関し、特に電圧異常をはやくかつ高精度に検出するためのものである。

従来の、無停電電源装置などに用いられる電圧異常検出装置は、入力電圧波形を示す特性値として、ゼロクロス周期、電圧波形の傾き、波高値、実効値、波高率、および波形率のうち少なくとも１つを用い、これら特性値を半周期または１周期の間に１回または複数回測定し、これら特性値が所定の範囲外になったとき、電圧異常が発生したと判定している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−６１２６２号公報

従来の電圧異常検出装置は以上のように構成されているので、電圧異常検出ポイントが１周期間に数点程度となる。瞬低補償装置では、常時は商用給電で、異常発生時はインバータ給電となる。よって異常時において、商用給電からインバータ給電への切換を高速に行う必要がある。しかしながら、従来の電圧異常検出装置では異常検出までに時間がかかるという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、入力電圧の瞬時値で電圧異常を検出でき、高速に電圧異常検出できる電圧異常検出装置を得ることを目的とする。

本発明は、負荷に電源を印可する電源電圧の瞬時値を検出して電圧異常を判断するために、電源電圧の各相における基準値より所定値大きい電圧上限値および基準値より所定値小さい電圧下限値を設定する設定手段と、電源電圧の各相の電圧値と各電圧上限値および電圧下限値とを比較し異常を検出する検出手段とを備えた電圧異常検出装置において、電圧上限値および電圧下限値が同符号の場合には検出手段の検出を電圧異常と判断し、電圧上限値および電圧下限値が異符号の場合には検出手段の検出を電圧異常では無いと判断する判断手段を備える。

本発明の電圧異常検出装置は、負荷に電源を印可する電源電圧の瞬時値を検出して電圧異常を判断するために、電源電圧の各相における基準値より所定値大きい電圧上限値および基準値より所定値小さい電圧下限値を設定する設定手段と、電源電圧の各相の電圧値と各電圧上限値および電圧下限値とを比較し異常を検出する検出手段とを備えた電圧異常検出装置において、電圧上限値および電圧下限値が同符号の場合には検出手段の検出を異常と判断し、電圧上限値および電圧下限値が異符号の場合には検出手段の検出を異常では無いと判断する判断手段を備えるので、電圧異常を精度良く検出することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１のにおける電圧異常検出装置を示す図である。図において、電源１が負荷２に給電し、この給電における電源電圧の異常を電圧異常検出装置３にて検出する。電圧異常検出装置３は、入力電圧を測定するＰＴ３ａと、測定した電圧の位相を算出するＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）３ｅと、その位相と定格電圧とから基準値を求め所定値大きい電圧上限値を設定する設定手段としての電圧上限値３ｂ１と、位相と定格電圧とから基準値を求め所定値小さい電圧下限値を設定する設定手段としての電圧下限値３ｂ２と、測定電圧と電圧上限値３ｂ１とを比較し測定電圧の方が大きい場合に信号を出力するＣｏｍｐａｒａｔｏｒ３ｃ１と、測定電圧と電圧下限値３ｂ２とを比較し測定電圧の方が小さい場合に信号を出力するＣｏｍｐａｒａｔｏｒ３ｃ２とを備える。

さらに、Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ３ｃ１、Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ３ｃ２、少なくとも一方より出力信号が入力されると電圧異常であると出力する検出手段としてのＯＲ回路３ｄと、入力電圧が０付近のときは電圧異常を検出しない判断手段としての検出選択回路３ｆとを備えた。検出選択回路３ｆには、電圧上限値３ｂ１および電圧下限値３ｂ２との積を算出する入力乗算回路３ｆ１と、入力乗算回路３ｆ１の出力値と０とを比較するＣｏｍｐａｒａｔｏｒ３ｆ２とを備え、Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ３ｆ２は電圧上限値３ｂ１と電圧下限値３ｂ２とが同符号のときすなわち積が０より大きい時には１を出力し、積が０より小さい時には０を出力する。そして、ＯＲ回路３ｄとＣｏｍｐａｒａｔｏｒ３ｆ２との出力いずれも１の場合にはＯＲ回路３ｄの検出は電圧異常であると判断して信号を出力し、いずれかが１でない場合には電圧異常では無いと判断し信号を出力しない判断手段としてのＡＮＤ回路３ｆ３とを備える。

次に上記のように構成された実施の形態１の電圧異常検出装置の動作について説明する。まず、電源１が負荷２に給電し、電源電圧の異常を電圧異常検出装置３で検出する。次に、電圧異常検出装置３では、入力電圧をＰＴ３ａで測定し、測定した電圧の位相θをＰＬＬ３ｅで算出する。その位相と定格電圧Ｖとから正弦電圧Ｖｔ＝√２ＶＳｉｎθを求め、定格電圧Ｖの正弦波電圧Ｖｔにピーク値Ｖｔｐ＝√２Ｖのα倍（所定値分）を加えた値を電圧上限値３ｂ１として設定し、定格電圧Ｖの正弦波電圧Ｖｔからピーク値Ｖｔｐのα倍（所定値分）を引いた値を電圧下限値３ｂ２として設定する。次に、測定した電圧の瞬時値と電圧上限値３ｂ１と、電圧下限値３ｂ２とをＣｏｍｐａｒａｔｏｒ３ｃ１、Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ３ｃ２でそれぞれ比較する。入力電圧が電圧上限値３ｂ１を超えるとＣｏｍｐａｒａｔｏｒ３ｃ１が１を出力し、入力電圧が電圧下限値３ｂ２より小さくなるとＣｏｍｐａｒａｔｏｒ３ｃ２が１を出力する。その結果、ＯＲ回路３ｄの出力が１となり、電圧異常信号が出力される。

しかしながら、このＯＲ回路３ｄだけの検出では、電圧が０付近の時間帯では、図２に示すように、正常時電圧と、電圧上限値３ｂ１、電圧下限値３ｂ２との間隔がせまく、入力電圧の位相がわずかにずれると、電圧異常を誤検出する。そこで、入力電圧が０付近のときは電圧異常を検出しない判断手段を検出選択回路３ｆにて行う。まず、検出選択回路３ｆでは、入力乗算回路３ｆ１に電圧上限値３ｂ１および電圧下限値３ｂ２を入力し、両者の積と０とをＣｏｍｐａｒａｔｏｒ３ｆ２により比較する。電圧上限値３ｂ１と電圧下限値３ｂ２とが同符号のときＣｏｍｐａｒａｔｏｒ３ｆ２では１を出力し、異符号のとき０を出力する。この異符号のときが入力電圧が０付近の時間帯すなわち誤検出をおこす可能性がある時間帯に相当する。そして、ＯＲ回路３ｄとＣｏｍｐａｒａｔｏｒ３ｆ２との出力を判断手段としてのＡＮＤ回路３ｆ３に入力し、ＡＮＤ回路３ｆ３が１を出力するとき、電圧異常として判断される。そしてこれらの方法を、電源電圧のｕ、ｖ、ｗの各相に適用している。

上記のように構成された実施の形態１の電圧異常検出装置は、電圧上限値と電圧下限値が異符号のときは電圧異常は検出されない。これにより、誤検出を防ぎ精度良く電圧異常を検出することができる。しかも、電圧異常検出をしないタイミングはｕ、ｖ、ｗ各相で異なるため、１相電圧検出をしない状態でも、残りの２相にて電圧異常を検出できる。また、入力電圧の瞬時値で電圧異常か否かを判定するため、電圧異常が発生すると直ちに異常が検出でき、例えば、電源に異常が生じた場合、負荷への電源電圧を電源（例えば、商用給電）から予備電源（例えば、インバータ給電）へ高速に切り替えを行うことができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、電圧上限値および電圧下限値を、正常時電圧から定格電圧のピーク値からα倍外れた値としていたが、実際には、図３に示すように電源の出力端から実際の負荷までの間には回路インピーダンス４が存在する。よって、電源１の出力端の電圧は、定格電圧よりも高めに設定される。そのため入力電圧の基準値を定格電圧に設定すると、入力電圧が高めになったときに、過電圧を誤検出する可能性があった。この実施の形態２の電圧異常検出装置３０においては、この回路インピーダンス４を考慮して、ＣＴ５を追加して、負荷電流ｉを測定し、上記実施の形態１で述べた電圧異常検出装置３の電圧上限値３ｂ１、電圧下限値３ｂ２の基準電圧Ｖｒを、
Ｖｒ＝Ｖｔ＋ｉｚ
ｉ：負荷電流
ｚ：回路インピーダンス
とし上記電圧上限値３ｂ１および電圧下限値３ｂ２設定し、上記実施の形態１と同様に電圧の異常検出を行った。

上記のように構成された実施の形態２の電圧異常検出装置は、電圧異常検出に回路インピーダンスの影響を考慮することで、誤検出を防止でき精度良く異常電圧を検出することができる。

実施の形態３．
上記実施の形態２では、電圧基準値として、Ｖｒ＝Ｖｔ＋ｉｚを用いる例を示したが、実際に回路インピーダンス４を正確に測定することは困難である。よって本実施の形態３では図４の電圧異常検出装置３１では、算出手段としての電圧平均演算回路３ｇを追加し、ＰＴ３ａで測定した電圧の平均値を電圧基準値とする。電圧平均演算回路３ｇでは、ＰＴ３ａで測定した電圧を、積分回路３ｇ１で時間Ｔの間積分し、出力値を乗算回路３ｇ２で１／Ｔ倍する。このことで、電源電圧の平均値Ｖｒを求め、電圧基準値とする。尚、電圧基準値が、負荷に悪影響を及ぼしたり、電源１の切換を遅らせたりする値にならないよう、リミッタを設ける。上記に示した実施の形態３のように、電圧基準値を実際の電圧の平均値とすることで、回路インピーダンス４を測定する必要が無く、より信頼性の高い電圧異常の検出を行うことができる。

実施の形態４．
上記実施の形態３では、電圧基準値を電圧の平均値としたが、この場合異常電圧が検出されているときにも平均値計算に含まれてしまう。そこでこの実施の形態４では図５の電圧異常検出装置３２に示すように、電圧が異常が検出されているときは、入力電圧の平均値計算を停止するための電圧平均選択手段としての電圧平均選択回路３ｈを追加した。電圧平均選択回路３ｈでは、ＯＲ回路３ｄの出力が１、すなわち電圧異常を検出すると、その信号をＮＯＴ回路３ｈ１で反転して０を出力する。そして、ＰＴ３ａで測定した入力電圧との積も乗算回路３ｈ２にて０となり、電圧異常検出時の電圧は平均値計算から除かれる。ＯＲ回路３ｄの出力が０、すなわち電圧異常を検出していないときのみ、その信号はＮＯＴ回路３ｈｌで反転されて１になり、入力電圧が電圧平均演算回路３ｇに入力される。また、ＯＲ回路３ｄの出力が０のときは、ＮＯＴ回路の出力が１となり、積分回路３ｈ３で積分され、電圧異常を検出していない時間のみが蓄積される。すなわち電圧異常を検出している時間が平均値計算から除かれている。上記に示した実施の形態４のように、電圧異常が検出されているときの電圧、時間を平均値計算から除くことで、電圧基準値をより正確な値に指定でき、より信頼性の高い電圧異常の検出を行うことができる。

実施の形態５．
上記各実施の形態では、電圧基準値を中心とし、そこから上下、定格電圧のピーク値のα倍の範囲を、電圧が正常な範囲に設定していた。しかし、入力電圧が低下したとき例えば電源からインバータ給電への切換高速化の要求が大きくなり、入力電圧がわずかでも低下した場合、瞬時に電圧異常を検出し、電源からインバータ給電へ切り換えることが必要となってきている。そこで、この実施の形態５では図６の電圧異常検出装置３３に示すように、電圧上限値３ｂ１（Ｖｏ）、電圧下限値３ｂ２（Ｖｓ）のレベルを自由に設定できるようにした。Ｖｏ、Ｖｓは図７のレベル設定手段としての電圧レベル設定回路６によって与えられる。

図７の電圧レベル設定回路６では、電圧上限値３ｂｌ（Ｖｏ）、電圧下限値３ｂ２（Ｖｓ）を算出している。入力電圧の正負をＣｏｍｐａｒａｔｏｒ６ａで判定する。その判定結果により、乗算回路６ｃ１、６ｃ２、６ｃ３、６ｃ４と電圧基準値６ｄとにより、電圧上限値３ｂ１（Ｖｏ）、電圧下限値３ｂ２（Ｖｓ）が与えられる。すなわち入力電圧が正のとき、Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ６ａの出力が１のときは、ＮＯＴ回路６ｂの出力は０となり、αＶｔｐに基準電圧Ｖｔを加えた値がＶｏ、βＶｔｐを基準電圧Ｖｔから引いた値がＶｓとなる。

一方、電源電圧が負のとき、すなわちＣｏｍｐａｒａｔｏｒ６ａの出力が０のときは、ＮＯＴ回路６ｂの出力は１となり、βｖｔｐに基準電圧Ｖｔを加えた値がＶｏ、αＶｔｐを基準電圧Ｖｔから引いた値がＶｓとなる。入力電圧が正の時は上にα、下にβ分の、電圧が正常な範囲を持つ。入力電圧が負の時は上にβ、下にα分の、電圧が正常な範囲を持つ。αを大きく、βを小さく取ることで例えば図８に示すような、電圧が大きい側に検出がゆるい異常検出設定となり、電圧がわずかでも低下した場合は電圧異常を検出し、電圧がわずかに上昇しても電圧異常の誤検出を防止することができる。

また、図６においては特に示さなかったが、例えば図９に示すように回路インピーダンスに基づいて電圧基準値を算出するようにしても上記実施の形態３と同様の効果を更に得ることができ。また、例えば図１０に示すように、電圧の平均値に基づいて電圧基準値をするようにしても上記実施の形態４と同様の効果を奏することができることは言うまでもない。

この発明の実施の形態１の電圧異常検出装置の構成を示す回路図である。 図１に示した電圧異常検出装置の電圧波形を示す図である。 この発明の実施の形態２の電圧異常検出装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態３の電圧異常検出装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態４の電圧異常検出装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態５の電圧異常検出装置の構成を示す回路図である。 図６に示した電圧異常検出装置の電圧レベル設定回路の構成を示す回路図である。 図６に示した電圧異常検出装置の電圧波形を示す図である。 この発明の実施の形態５の他の電圧異常検出装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態５の他の電圧異常検出装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

１ 電源、２ 負荷、３，３０，３１，３２，３３，３４，３６ 電圧異常検出装置、
３ａ ＰＴ、３ｂ１ 電圧上限値、３ｂ２ 電圧下限値、
３ｃ１，３ｃ２ Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ、３ｄ ＯＲ回路、３ｅ ＰＬＬ、
３ｆ 検出選択回路、３ｆ１ 乗算回路、３ｆ３ ＡＮＤ回路、
３ｇ 電圧平均演算回路、３ｇ１，３ｈ３ 積分回路、３ｇ２，３ｈ２ 乗算回路、
３ｈ 電圧平均選択回路、３ｈ１ ＮＯＴ回路、４ 回路インピーダンス、５ ＣＴ、
６ 電圧レベル設定回路。

Claims (7)

1. 負荷に電源を印可する電源電圧の瞬時値を検出して電圧異常を判断するために、上記電源電圧の各相における基準値より所定値大きい電圧上限値および上記基準値より所定値小さい電圧下限値を設定する設定手段と、上記電源電圧の各相の電圧値と上記各電圧上限値および電圧下限値とを比較し異常を検出する検出手段とを備えた電圧異常検出装置において、上記電圧上限値および電圧下限値が同符号の場合には検出手段の検出を異常と判断し、上記電圧上限値および電圧下限値が異符号の場合には検出手段の検出を異常では無いと判断する判断手段を備えたことを特徴とする電圧異常検出装置。
2. 負荷に電源を印可する電源電圧の瞬時値を検出して電圧異常を判断するために、上記電源電圧の各相における基準値より所定値大きい電圧上限値および上記基準値より所定値小さい電圧下限値を設定する設定手段と、上記電源電圧の各相の電圧値と上記各電圧上限値および電圧下限値とを比較し異常を検出する検出手段とを備えた電圧異常検出装置において、上記設定手段は、上記電源電圧から上記負荷に至る回路インピーダンスに基づいて上記基準値を算出することを特徴とする電圧異常検出装置。
3. 負荷に電源を印可する電源電圧の瞬時値を検出して電圧異常を判断するために、上記電源電圧の各相における基準値より所定値大きい電圧上限値および上記基準値より所定値小さい電圧下限値を設定する設定手段と、上記電源電圧の各相の電圧値と上記各電圧上限値および電圧下限値とを比較し異常を検出する検出手段とを備えた電圧異常検出装置において、上記電圧上限値および電圧下限値が同符号の場合には検出手段の検出を異常と判断し、上記電圧上限値および電圧下限値が異符号の場合には検出手段の検出を異常では無いと判断する判断手段を備え、上記設定手段は、上記電源電圧から上記負荷に至る回路インピーダンスに基づいて上記基準値を算出することを特徴とする電圧異常検出装置。
4. 負荷に電源を印可する電源電圧の瞬時値を検出して電圧異常を判断するために、上記電源電圧の各相における基準値より所定値大きい電圧上限値および上記基準値より所定値小さい電圧下限値を設定する設定手段と、上記電源電圧の各相の電圧値と上記各電圧上限値および電圧下限値とを比較し異常を検出する検出手段とを備えた電圧異常検出装置において、上記電源電圧の電圧の平均値を算出して上記基準値とする算出手段を備えたことを特徴とする電圧異常検出装置。
5. 負荷に電源を印可する電源電圧の瞬時値を検出して電圧異常を判断するために、上記電源電圧の各相における基準値より所定値大きい電圧上限値および上記基準値より所定値小さい電圧下限値を設定する設定手段と、上記電源電圧の各相の電圧値と上記各電圧上限値および電圧下限値とを比較し異常を検出する検出手段とを備えた電圧異常検出装置において、上記電圧上限値および電圧下限値が同符号の場合には検出手段の検出を異常と判断し、上記電圧上限値および電圧下限値が異符号の場合には検出手段の検出を異常では無いと判断する判断手段と、上記電源電圧の電圧の平均値を算出して上記基準値とする算出手段とを備えたことを特徴とする電圧異常検出装置。
6. 上記算出手段にて算出された上記電圧の平均値から上記判断手段にて異常が判断された場合の上記電圧の平均値を削除するように選択する電圧平均選択手段を備えたことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の電圧異常検出装置。
7. 上記所定値を設定するレベル設定手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の電圧異常検出装置。
   

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