JP2006014546A - 電源異常検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】誤検出を少なくし、簡単かつ高速に電源異常を検出し得るようにする。
【解決手段】PLL(位相同期回路)6から出力される3相電源電圧に同期した信号を基準にして、電圧検出回路1を介して得られる3相電源電圧を変換回路3によりd成分Vd,q成分Vqに回転座標変換し、演算回路4で例えばVd,Vqの基準値に対する偏差,その二乗和および平方根を求め、これを判定回路5において基準値と比較することで、電源異常かどうかを判定する。
【選択図】図1

Description

この発明は、3相交流電源の電圧および周波数の異常を検出する異常検出装置に関するものである。
従来の電源異常検出方式の例として、例えば特許文献1に示すものがある。
これは、ウインドウコンパレータ形波形監視装置を設け、検出される電圧を基準電圧と比較し、検出される電圧が例えば図11に点線で示す範囲(正常範囲)を超えていれば電圧異常として検出するもので、迅速な電源異常検出を可能にするものである。
他の電源異常検出方式の例として、例えば特許文献2に示すものがある。
これは、図12の位相同期回路25から出力される3相電源電圧に同期した信号を基準にして、3相負荷電圧(インバータ出力電圧)をd−q変換回路27でd成分,q成分に回転座標変換し、そのd成分とq成分をそれぞれ基準値と比較してインバータ(電源)が異常かどうかを判断するものである。
特開平06−205547号公報(第4頁、図1) 特開平08−009649号公報(第5頁、図5)
しかし、引用文献1(図11)に示す方法で高速に電源異常を検出するためには、ウインドウコンパレータの正常電圧範囲を狭く設定する必要があるが、こうすると逆に本来電源異常と見なさなくても良いような小さい電圧の変動や、電圧不平衡により電源異常を誤検出する可能性がある。このような誤検出を避けるためにフィルタを設けると、交流量をそのまま用いて電源異常判定を行なうこととなるが、交流量を例えば一次遅れフィルタ等のフィルタを通すと位相遅れが生じることなどにより、電圧振幅の変動を通過させず、かつ位相遅れの無視できるフィルタを選定するなど、フィルタ定数の選定が難しいだけでなく、フィルタの選定に制限があるので柔軟な設計が難しいなどの問題がある。
一方、引用文献2(図12)に示す方法では3相電源電圧をd成分,q成分に回転座標変換することにより、直流量として電源異常判定を行なうことができ、上記のようなフィルタの問題を解消することができる。また、高速に電源異常を検出するためには、d成分,q成分それぞれの正常電圧範囲を狭く設定すればよい。しかし、電源に逆相成分が含まれる場合や1線間が短絡する場合など、電源に不平衡電圧が生じる場合にはd成分,q成分両方に電源周波数ωのリプルが生じるので、電源異常と判定する基準値の設定が難しい。
したがって、この発明の課題は、高速で誤検出が少なく、かつ簡単な構成で電源異常検出を実現できるようにすることにある。
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、3相交流電源に接続されて電源電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段による検出信号に同期した信号を生成する同期信号生成手段と、前記電圧検出手段による検出信号をα成分,β成分の2相の合成ベクトルに変換し、前記同期信号生成手段からの同期信号を基準にしてd成分,q成分に回転座標変換する変換手段と、このd成分とd成分に対する所定値との偏差を求める第1の偏差演算手段と、前記q成分とq成分に対する所定値との偏差を求める第2の偏差演算手段と、前記2つの偏差の二乗和とその平方根を演算しその演算結果が所定値を超えたとき電源異常と判定する判定手段とを有することを特徴とする。
上記請求項1の発明においては、前記2つの偏差の二乗和演算結果が所定値を超えたとき電源異常と判定することができる(請求項2の発明)。
上記請求項1または2の発明においては、前記判定手段に入力される少なくとも1つの成分が、フィルタ要素を介して入力されるものであることができ(請求項3の発明)、これら請求項1〜3のいずれかの発明においては、前記判定手段の後段に、この判定手段にて電源異常と判定した回数を計数する計数手段を設け、その回数が予め設定された回数以上になったとき電源異常と判定することができる(請求項4の発明)。
この発明によれば、3相電源電圧をd成分,q成分に回転座標変換して直流量とし、これに対する演算に工夫をして小さな電圧の変動等には応動しないようにしたので、誤検出の少ない高速な電源異常判定が可能となり、その結果、例えば無停電電源装置に用いて好適となる。
実施例を説明する前に、その原理から説明する。
電源電圧を3相の交流量からα−β成分、またはα−β−0成分に変換する方法は周知であり、例えば「瞬時無効電力の一般化理論とその応用」電気学会論文誌B、103巻、p483〜486に詳細に述べられているが、以下に簡単に説明する。
いま、検出された3相3線の電圧(相電圧:VR,VS,VT)の2相量(Vα,Vβ)への変換は、次の数1に示す変換式(1)により行なうことができる。
Figure 2006014546
3相3線式の場合には、中性線がないため零相電圧が意味を持たないので、検出される量が線間電圧である場合には、VR+VS+VT=0の条件を用い、検出される線間電圧より相電圧を導き出してから、上記(1)式を適用すればよい。また、3相4線式の場合には、相電圧VR,VS,VTからα−β−0成分,Vα,Vβ,0成分への変換は、次の数2に示す変換式(2)により行なうことができる。ただし、変換式(1),(2)の変換行列の係数の選び方や基準軸の取り方は1意ではないため、全体の係数などは変更される場合もある。
Figure 2006014546
これらの変換により、3相の交流量からα成分,β成分が導き出されるが、これは、正相回転の成分と逆相回転の成分との合成に変換したものと考えることができる。つまり、仮に相電圧VR,VS,VTが3相平衡の交流電圧であったならば、その中には逆相成分は含まず正相分のみ含むことになるため、変換後のVα,Vβは正相回転成分のみ持ち、基準を余弦(cos)とするならば、VαがVRと同相の余弦(cos)波、Vβが正弦波(sin)となる。
次に、2相量Vα,Vβから、回転座標上の2軸量Vd,Vqへの変換について説明する。
この変換は、次の数3に示す変換式(3)により行なうことができる。ただし、(cosωt,sinωt)、(−sinωt,cosωt)は、この回転座標変換の基準となる回転座標系(直交座標系)の単位ベクトルを、変換前の静止座標系で見たものである。ωは電源の角周波数である。
Figure 2006014546
上記(3)式から明らかなように、電源電圧が振幅1pu(per−unit:1単位)の3相平衡交流である場合には、Vd=Vd0(Vd0は定数であるが、変換行列の係数による。上記の係数の場合Vd0=1)、Vq=0となるので、電源健全時には電圧を直流量として観測できることが分かる。なお、3相4線式の場合には、電源健全時には電圧の零相成分はないことを考えると、V0=0である。
図1は以上のような原理に基くこの発明の第1の実施の形態を示す構成図で、3相3線の電源に適用した例である。
まず、電源の電圧は電圧検出回路1で検出され、その出力はフェーズロックドループ(PLL:位相同期回路)回路6に与えられる。PLL6は電圧検出回路1に同期した正弦波信号を出力するが、その位相は電源のR相に同期した余弦(cos)成分と、その90°移相成分である正弦(sin)成分を出力する。なお、PLL6での演算は、電源の1相または3相の信号のいずれを基準とするようにしても良い。
電圧検出回路1の出力であるVRS,VSTがα−β変換回路2に入力される。α−β変換回路2は、ここでは線間電圧VRS,VSTを、下記の連立式(4−1)〜(4−3)を解いて相電圧VR,VS,VTに変換し、その後、α成分,β成分を導出する上記(1)式に従う演算をしてα成分,β成分を求めるようにしている。なお、この場合は電源が3相3線なので、(4−3)式のような仮定をしても問題はない。
R−VS=VRS …(4−1)
S−VT=VST …(4−2)
R+VS+VT=0 …(4−3)
上記α成分,β成分はPLL6の出力である余弦成分と正弦成分の信号を基準に、d−q変換回路3によりd成分とq成分とに回転座標変換され、演算回路4に入力される。図3にその演算回路の具体例を示す。
設定器10および11は、入力信号の正常値を設定するための設定器であり、d軸成分は減算回路30で設定器10の出力信号Vd*から、q軸成分は設定器11の出力信号Vq*からそれぞれ減算され、正常値に対する差信号ΔVd,ΔVqが演算される。
上記のように、電源電圧が振幅1puの3相平衡交流である場合には、Vd*=1、Vq*=0となるので、実際にはd軸成分のみの演算(ΔVd=1−Vd)となる。この結果が電源異常判定回路5に入力され、ここで電源異常かどうかが判断される。
電源異常判定回路5の具体例を図5に示す。図5の左側に示す入力端子に、演算回路4において求めたΔVd,ΔVqがそれぞれ入力され、乗算回路43,44による2乗演算、加算回路30によるそれらの加算、および平方根演算回路50による下記(5)式の平方根演算が行なわれる。
ΔV=√(ΔVd2+ΔVq2) …(5)
その結果の信号は、設定器12の信号と比較される比較回路60に入力される。設定器12の信号と比較される比較回路60では、出力信号が設定器12の信号レベルを上回ったときに信号を出力する。
以上の演算をDSP(ディジタルシグナルプロセッサ)やマイクロコンピュータなどの信号処理装置で実現しようとした場合、平方根の演算量は2乗和演算などの積和演算と比較すると格段に多い。そこで、図5のように設定器12の出力信号の2乗演算を行ない、平方根演算を省くことにより、信号処理装置における演算を下記(6)式のようにすることで、演算量を低減することができる。なお、図4,5のように、コンパレータ1つで電源異常が判定できるので、構成が簡単になるという特徴がある。
ΔV2=ΔVd2+ΔVq2 …(6)
図6はこの発明の動作原理説明図である。
同図の縦軸をΔVd、横軸をΔVqとすると、設定器3により決定される異常判定の限界レベルは図のような円の軌跡を描き、その円の内側にΔVがあれば電源正常、外側にある場合は電源異常と判断する。
図7にこの発明の動作と図12に示す従来例の動作との比較を示す。
ここでも縦軸をΔVd、横軸をΔVqとすると、同図の点線はd軸,q軸それぞれの異常判定の設定レベルを示し、ここではd軸とq軸の設定値をそれぞれ同じ値に設定する。
円で示される実線は、この発明における電源異常判定の設定レベルであり、従来法におけるd軸,q軸の設定値と一致するように設定値を決定する。
図7において、d軸とq軸の誤差が45°の角度をもって許容範囲から外れる場合を想定すると、この発明ではAの時点、従来方法ではBの時点においてそれぞれ異常判定がなされる。これに対し従来方法では、設定レベルに到達するまでのベクトルの大きさは√(2*ΔVd2)となり、この発明と比較して異常判定までに√2倍の時間が掛かることを示している。
図2はこの発明の第2の実施の形態を示す構成図である。
図1との相違点は、線間電圧VRS,VST,VTRの3相信号を用いる点にあり、そのためα−β変換回路2aはこれらの信号から相電圧VR,VS,VTを演算し、その後、α成分,β成分を導出する先の(1)式の演算をして、α成分,β成分を求めるようにしている。基本的には、図1と殆ど同じ演算をしていることになる。
図8にこの発明の第3の実施の形態を示す。これは、図1,2の演算回路4と電源異常判定回路5との間に、フィルタ回路7を設けた点が特徴で、その他は図1,2と同じである。フィルタ回路7の具体例としては、例えば1/(1+sT)なる伝達関数で示される一次遅れフィルタがあり、d軸成分,q軸成分にそれぞれ対応して設けることができる。これにより、電源異常とみなしたくないような微小な電圧変動などを除去することができる。
図9にこの発明の4の実施の形態を示す。これは、図1,2の電源異常判定回路5の後段に回数確認回路8を設けた点が特徴で、その他は図1,2と同じである。
回数確認回路8の動作を、図10に示す。図10の(a1),(a2)は回数確認回路8の入力信号、同(b1),(b2)は回数確認回路8の出力信号を示す。すなわち、設定回数を「4」とした場合、(a1)のように4回連続して電源異常判定回路5からの出力が入力されると、(b1)のように4回目で出力が得られる。これに対し、(a2)のように電源異常判定回路5からの出力が2回しか入力されない場合は、(b2)のように回数確認回路8からの出力は得られないことになる。このように、回数確認回路を設けることで、(a2)のような小さい電圧変動は電源異常検出から除外し、より確実に電源異常検出を行なうことができる。
この発明の第1の実施の形態を示す構成図 この発明の第2の実施の形態を示す構成図 図1,2の演算回路の具体例を示す回路図 図1,2の電源異常判定回路の具体例を示す回路図 電源異常判定回路の別の例を示す回路図 この発明による電源異常判定動作の説明図 この発明と従来例との動作の比較説明図 この発明の第3の実施の形態を示す構成図 この発明の第4の実施の形態を示す構成図 図9の回数確認回路の動作原理説明図 第1の従来例を説明する説明図 第2の従来例を示す構成図
符号の説明
1…電圧検出回路、2,2a…α−β変換回路、3…d−q変換回路、4…演算回路、5…電源異常判断回路、6…フェーズロックドループ(PLL)、7…フィルタ回路、8…回数確認回路、10,11,12…設定器、30,31…減算回路、32…加算回路、40,41,42…乗算回路、50…平方根演算回路、60…比較回路。

Claims (4)

  1. 3相交流電源に接続されて電源電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段による検出信号に同期した信号を生成する同期信号生成手段と、前記電圧検出手段による検出信号をα成分,β成分の2相の合成ベクトルに変換し、前記同期信号生成手段からの同期信号を基準にしてd成分,q成分に回転座標変換する変換手段と、このd成分とd成分に対する所定値との偏差を求める第1の偏差演算手段と、前記q成分とq成分に対する所定値との偏差を求める第2の偏差演算手段と、前記2つの偏差の二乗和とその平方根を演算しその演算結果が所定値を超えたとき電源異常と判定する判定手段とを備えた電源異常検出装置。
  2. 前記2つの偏差の二乗和演算結果が所定値を超えたとき電源異常と判定することを特徴とする請求項1に記載の電源異常検出装置。
  3. 前記判定手段に入力される少なくとも1つの成分が、フィルタ要素を介して入力されることを特徴とする請求項1または2に記載の電源異常検出装置。
  4. 前記判定手段の後段に、この判定手段にて電源異常と判定した回数を計数する計数手段を設け、その回数が予め設定された回数以上になったとき電源異常と判定することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電源異常検出装置。

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