JP2007225427A - 停電検出回路及び無停電電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】停電を連続的かつ瞬時に検出して負荷や電源系統への悪影響を解消可能とした停電検出回路、及び、停電検出時に交流電源から速やかに電力変換器に切り替えて、負荷に安定した電圧を継続的に供給可能とした無停電電源装置を提供する。
【解決手段】交流電源電圧の瞬時値を複素ベクトルの実軸成分とし、この実軸成分から複素ベクトルの虚軸成分を検出するヒルベルト変換器１２と、前記実軸成分及び虚軸成分を直交二相座標系から交流電源電圧に同期して回転する回転座標系の各成分に変換するｄ−ｑ変換器１４と、この変換器１４から出力される回転座標系の各成分を用いて停電検出用交流電圧成分を生成するための二乗演算器１６，１７、加算器１８等と、前記停電検出用交流電圧成分が停電判定レベルを超えた時に停電検出信号ａを出力するコンパレータ１９と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】交流電源電圧の瞬時値を複素ベクトルの実軸成分とし、この実軸成分から複素ベクトルの虚軸成分を検出するヒルベルト変換器１２と、前記実軸成分及び虚軸成分を直交二相座標系から交流電源電圧に同期して回転する回転座標系の各成分に変換するｄ−ｑ変換器１４と、この変換器１４から出力される回転座標系の各成分を用いて停電検出用交流電圧成分を生成するための二乗演算器１６，１７、加算器１８等と、前記停電検出用交流電圧成分が停電判定レベルを超えた時に停電検出信号ａを出力するコンパレータ１９と、を備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、商用電源等の交流電圧をこれと同期して回転する回転座標系の各成分に変換し、これらの各成分を用いて電源の停電を検出するようにした停電検出回路、及び、この停電検出回路を備えた無停電電源装置に関するものである。
商用電源の瞬時停電を検出し、負荷への供給電力を商用電源からバックアップ用のインバータに切り替えるようにした常時商用電源給電方式の無停電電源装置が、例えば特許文献１に記載されている。
この無停電電源装置では、商用電源電圧を全波整流した電源電圧信号と、商用電源電圧と同一周期であってその一周期ごとのゼロクロス点を起点として順次読み出される絶対値化された基準信号との比較結果に基づいて瞬時停電等の電源電圧の異常を検出し、リレーを切り替えてバッテリ及びインバータにより負荷に給電するように構成されている。
この無停電電源装置では、商用電源電圧を全波整流した電源電圧信号と、商用電源電圧と同一周期であってその一周期ごとのゼロクロス点を起点として順次読み出される絶対値化された基準信号との比較結果に基づいて瞬時停電等の電源電圧の異常を検出し、リレーを切り替えてバッテリ及びインバータにより負荷に給電するように構成されている。
特許文献１記載の従来技術では、瞬時停電を検出するために電源電圧のゼロクロス点を検出することが前提となっているため、連続的かつ瞬時に停電を検出することは困難である。このため、停電発生から停電検出までの遅れ期間内に、負荷に不安定な電圧を出力してしまうという問題があった。
また、商用電源の交流電力をコンバータにより直流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置において、特許文献１に記載されているような停電検出方法を採る場合、停電検出の遅れによって電源電圧が不確定なままコンバータの運転が継続されることにより、高調波を発生して電源系統側に悪影響を与える等の問題を生じていた。
また、商用電源の交流電力をコンバータにより直流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置において、特許文献１に記載されているような停電検出方法を採る場合、停電検出の遅れによって電源電圧が不確定なままコンバータの運転が継続されることにより、高調波を発生して電源系統側に悪影響を与える等の問題を生じていた。
そこで、本発明の解決課題は、停電を連続的かつ瞬時に検出して負荷や電源系統への悪影響を解消可能とした停電検出回路を提供し、更に、この停電検出回路による停電検出時には、交流電源から速やかにバックアップ用の電力変換器による給電に切り替えることで、負荷に安定した電圧を継続的に供給可能とした無停電電源装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、請求項１に係る停電検出回路は、交流電源電圧の瞬時値を複素ベクトルの実軸成分とし、この実軸成分から複素ベクトルの虚軸成分を検出するヒルベルト変換手段と、
前記実軸成分及び虚軸成分を直交二相座標系から交流電源電圧に同期して回転する回転座標系の各成分に変換する座標変換手段と、
この座標変換手段から出力される回転座標系の各成分を用いて停電検出用交流電圧成分を生成する手段と、
この手段から出力された前記停電検出用交流電圧成分が停電判定レベルを超えた時に交流電源の停電検出信号を出力する比較手段と、を備えたものである。
前記実軸成分及び虚軸成分を直交二相座標系から交流電源電圧に同期して回転する回転座標系の各成分に変換する座標変換手段と、
この座標変換手段から出力される回転座標系の各成分を用いて停電検出用交流電圧成分を生成する手段と、
この手段から出力された前記停電検出用交流電圧成分が停電判定レベルを超えた時に交流電源の停電検出信号を出力する比較手段と、を備えたものである。
請求項２に係る無停電電源装置は、交流電源の健全時には交流電源から交流スイッチを介して負荷に給電し、交流電源の停電時には交流スイッチをオフにすると共に電力変換器を運転して前記負荷に給電するようにした無停電電源装置において、
請求項１に記載した停電検出回路が交流電源の停電を検出した際に、前記停電検出信号を用いて交流スイッチをオフにし、かつ、電力変換器の運転を開始するものである。
請求項１に記載した停電検出回路が交流電源の停電を検出した際に、前記停電検出信号を用いて交流スイッチをオフにし、かつ、電力変換器の運転を開始するものである。
請求項３に係る無停電電源装置は、請求項２において、
交流電源の健全時には、前記交流スイッチを介して前記負荷に給電しながら前記電力変換器としてのインバータによりバッテリを充電し、交流電源の停電時には、前記停電検出信号により前記交流スイッチをオフにすると共に前記バッテリの直流電力を前記インバータにより交流電力に変換して前記負荷に供給するものである。
交流電源の健全時には、前記交流スイッチを介して前記負荷に給電しながら前記電力変換器としてのインバータによりバッテリを充電し、交流電源の停電時には、前記停電検出信号により前記交流スイッチをオフにすると共に前記バッテリの直流電力を前記インバータにより交流電力に変換して前記負荷に供給するものである。
本発明の停電検出回路によれば、交流電圧のゼロクロス点を検出することなく、交流電源電圧の瞬時値から回転座標系の各成分（ｄ軸成分，ｑ軸成分）を検出し、これらを用いて生成した交流電圧成分と停電判定レベルとを比較して停電を判定するため、連続的かつ瞬時に交流電源の停電を検出することができる。
従って、例えば商用電源の交流電圧をコンバータにより直流電圧に変換する電力変換装置においては、停電検出時に直ちにコンバータの運転を停止することができ、停電検出の遅れに起因して電源電圧が不確定な状態でコンバータの運転が継続されることによる高調波の発生や電源系統への悪影響を解消することが可能である。
また、本発明の無停電電源装置によれば、上記停電検出回路によって交流電源の停電を検出した際に、直ちに交流スイッチをオフにしてバックアップ用の電力変換器による運転に切り替えることにより、停電発生時にも負荷に安定した電圧を継続的に供給することができる。
従って、例えば商用電源の交流電圧をコンバータにより直流電圧に変換する電力変換装置においては、停電検出時に直ちにコンバータの運転を停止することができ、停電検出の遅れに起因して電源電圧が不確定な状態でコンバータの運転が継続されることによる高調波の発生や電源系統への悪影響を解消することが可能である。
また、本発明の無停電電源装置によれば、上記停電検出回路によって交流電源の停電を検出した際に、直ちに交流スイッチをオフにしてバックアップ用の電力変換器による運転に切り替えることにより、停電発生時にも負荷に安定した電圧を継続的に供給することができる。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る瞬時停電検出回路の構成を示すブロック図である。図１において、１１は商用電源等の単相交流電圧の瞬時値（複素ベクトルｅの実軸成分ｅｒ）を後述するように所定位相だけ遅延させる遅延回路、１２は同じく単相交流電圧の瞬時値から複素ベクトルｅの虚軸成分ｅｉを検出するヒルベルト変換器、１３は互いに９０°位相が異なる二つの正弦波ｓｉｎθ，ｃｏｓθ（ここでθ＝ωｔ）を生成する正弦波発生器、１４は前記ｅｒ，ｅｉ及び正弦波ｓｉｎθ，ｃｏｓθが入力され、後述するようにα−β座標（直交二相座標）系から単相交流電圧に同期して回転するｄ−ｑ座標（回転座標）系への変換（ｄ−ｑ変換）を行ってｄ軸成分ｅｄ、ｑ軸成分ｅｑを出力するｄ−ｑ変換器、１５は基準値（＝１）とｄ軸成分ｅｄとの差を求める加算器，１６は加算器１５の出力を二乗する二乗演算器、１７はｑ軸成分ｅｑを二乗する二乗演算器、１８は二乗演算器１６，１７の出力を加算する加算器、１９は加算器１８の出力である停電検出用交流電圧成分を停電判定レベルと比較して前者が後者より大きい場合に停電検出信号ａを出力するコンパレータである。
図１は、この実施形態に係る瞬時停電検出回路の構成を示すブロック図である。図１において、１１は商用電源等の単相交流電圧の瞬時値（複素ベクトルｅの実軸成分ｅｒ）を後述するように所定位相だけ遅延させる遅延回路、１２は同じく単相交流電圧の瞬時値から複素ベクトルｅの虚軸成分ｅｉを検出するヒルベルト変換器、１３は互いに９０°位相が異なる二つの正弦波ｓｉｎθ，ｃｏｓθ（ここでθ＝ωｔ）を生成する正弦波発生器、１４は前記ｅｒ，ｅｉ及び正弦波ｓｉｎθ，ｃｏｓθが入力され、後述するようにα−β座標（直交二相座標）系から単相交流電圧に同期して回転するｄ−ｑ座標（回転座標）系への変換（ｄ−ｑ変換）を行ってｄ軸成分ｅｄ、ｑ軸成分ｅｑを出力するｄ−ｑ変換器、１５は基準値（＝１）とｄ軸成分ｅｄとの差を求める加算器，１６は加算器１５の出力を二乗する二乗演算器、１７はｑ軸成分ｅｑを二乗する二乗演算器、１８は二乗演算器１６，１７の出力を加算する加算器、１９は加算器１８の出力である停電検出用交流電圧成分を停電判定レベルと比較して前者が後者より大きい場合に停電検出信号ａを出力するコンパレータである。
次に、この実施形態の動作を説明する。
まず、単相交流電圧の瞬時値ｅｒを、片側フーリエ係数列で表された複素ベクトル（複素数列）ｅの実軸成分として、数式１のように定義する。
まず、単相交流電圧の瞬時値ｅｒを、片側フーリエ係数列で表された複素ベクトル（複素数列）ｅの実軸成分として、数式１のように定義する。
ここで、複素ベクトルｅは歪み波形で表されると仮定し、数式２により定義する。数式２において、Ｅｎは振幅、δｎは位相、ｎは次数、ωｔは単相交流電圧の基本波成分の位相角であり、これらのＥｎ，δｎ，ωｔは瞬時値（時間関数）とする。
更に、複素ベクトルｅの虚軸成分ｅｉを数式３により定義する。
因果数列で表される複素ベクトルｅは解析関数（正則関数）であり、その実部と虚部とは９０°の位相差をもち、実部が与えられれば対応する複素ベクトルが一義的に規定される性質をもつ。
従って、複素ベクトルｅは、その実部である単相交流電圧の瞬時値ｅｒによって一義的に規定されることになり、数式４のように表される。
従って、複素ベクトルｅは、その実部である単相交流電圧の瞬時値ｅｒによって一義的に規定されることになり、数式４のように表される。
数式４において、Ｈ［ ］はヒルベルト変換器であり、正負全ての周波数成分を９０°遅らせるフィルタ（ＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタ）であって、その伝達関数は数式５により表される。
上記のように、ヒルベルト変換を用いれば、複素座標上を回転する複素ベクトルｅの瞬時値ｅｒが一義的に規定されるので、複素平面の実軸をα軸、虚軸をβ軸と定義することでα−β座標（直交二相座標）系からｄ−ｑ座標（回転座標）系への変換（ｄ−ｑ変換）を実現することができる。
すなわち、単相交流電圧の瞬時値ｅｒから、有効電圧成分としてのｄ軸成分ｅｄ及び無効電圧成分としてのｑ軸成分ｅｑを検出することができ、ｅｄをｄ軸停電判定レベルと比較してこの停電判定レベルより小さいか、ｅｑをｑ軸停電判定レベルと比較してこの停電判定レベルより大きいかの何れかが成立した場合に、単相交流電圧の停電と判定することができる。なお、上記のように停電判定レベルを二つ（コンパレータを二つ）設けずに、図１に示すごとく二乗演算器１６，１７の出力を加算して得た停電検出用交流電圧成分をコンパレータ１９により単一の停電判定レベルと比較するようにすれば、停電判定を行うための回路構成も簡単になる。
すなわち、単相交流電圧の瞬時値ｅｒから、有効電圧成分としてのｄ軸成分ｅｄ及び無効電圧成分としてのｑ軸成分ｅｑを検出することができ、ｅｄをｄ軸停電判定レベルと比較してこの停電判定レベルより小さいか、ｅｑをｑ軸停電判定レベルと比較してこの停電判定レベルより大きいかの何れかが成立した場合に、単相交流電圧の停電と判定することができる。なお、上記のように停電判定レベルを二つ（コンパレータを二つ）設けずに、図１に示すごとく二乗演算器１６，１７の出力を加算して得た停電検出用交流電圧成分をコンパレータ１９により単一の停電判定レベルと比較するようにすれば、停電判定を行うための回路構成も簡単になる。
図１において、ヒルベルト変換器１２は単相交流電圧の瞬時値ｅｒから虚軸成分ｅｉを検出する。なお、ヒルベルト変換器の構成及び動作については、例えば、特開２００３−１４３８６０号公報（発明の名称：半導体電力変換装置の制御回路）に詳述されている。
ここで、上記公報にも記載されているように、ヒルベルト変換器から出力される虚軸成分は、ＦＩＲフィルタの次数に応じた群遅延により遅れて発生するので、虚部に対する実部の位相（両者の直交関係）が保たれなくなる。このため、実軸成分についても虚軸成分の遅延分に応じて遅延させる必要があるので、図１の遅延回路１１はその目的で設けられている。
ここで、上記公報にも記載されているように、ヒルベルト変換器から出力される虚軸成分は、ＦＩＲフィルタの次数に応じた群遅延により遅れて発生するので、虚部に対する実部の位相（両者の直交関係）が保たれなくなる。このため、実軸成分についても虚軸成分の遅延分に応じて遅延させる必要があるので、図１の遅延回路１１はその目的で設けられている。
図１のｄ−ｑ変換器１４は、下記の数式６によりｄ−ｑ変換を行ない、単相交流電圧と同期して基本波角周波数で回転する回転座標系のｄ軸成分ｅｄ及びｑ軸成分ｅｑを出力する。
また、加算器１５及び二乗演算器１６，１７により、基準値（＝１）からｄ軸成分ｅｄを減算した結果の二乗値とｑ軸成分ｅｑの二乗値とを求め、これらを加算器１８により加算してスカラー化した停電検出用交流電圧成分を算出すると共に、この交流電圧成分をコンパレータ１９にて単一の停電判定レベルと比較することで、停電判定回路を一回路で実現している。
このようにして、上記停電検出用交流電圧成分が停電判定レベルより大きくなった時に商用電源等の単相交流電圧の停電を検出し、停電検出信号ａを出力するものである。
このようにして、上記停電検出用交流電圧成分が停電判定レベルより大きくなった時に商用電源等の単相交流電圧の停電を検出し、停電検出信号ａを出力するものである。
この実施形態によれば、従来技術のように交流電圧のゼロクロス点を検出することなく、交流電圧の瞬時値から回転座標系のｄ軸成分ｅｄ及びｑ軸成分ｅｑを検出し、これらを用いて停電を判定するようにしたため、連続的に瞬時レベルで商用電源等の停電を検出することができる。
従って、例えば商用電源の交流電圧をコンバータにより直流電圧に変換する電力変換装置においては、商用電源の停電検出時に直ちにコンバータの運転を停止することにより、停電検出の遅れに起因して電源電圧が不確定な状態でコンバータの運転が継続されることによる高調波の発生や商用電源への悪影響を防止することが可能である。
従って、例えば商用電源の交流電圧をコンバータにより直流電圧に変換する電力変換装置においては、商用電源の停電検出時に直ちにコンバータの運転を停止することにより、停電検出の遅れに起因して電源電圧が不確定な状態でコンバータの運転が継続されることによる高調波の発生や商用電源への悪影響を防止することが可能である。
次に、図２は上記停電検出回路を備えた無停電電源装置の実施形態を示す構成図である。
図２において、１０は図１のように構成された停電検出回路であり、この停電検出回路１０から出力される前記停電検出信号ａは変換器制御回路１０Ａに入力されている。
図２において、１０は図１のように構成された停電検出回路であり、この停電検出回路１０から出力される前記停電検出信号ａは変換器制御回路１０Ａに入力されている。
また、２１は商用電源、２２は２個の半導体素子を逆並列接続した交流スイッチ、２３は交流電力が供給される負荷、２４はバッテリ、２５，２９はコンタクタ、２６は電力変換器としてのインバータ、２７，２８はインバータ２６の交流電圧平滑用のＬＣフィルタを構成するリアクトル及びコンデンサである。なお、交流−交流変換器２２及びインバータ２６は、前記変換器制御回路１０Ａからの制御信号ｂ、ｃによりそれぞれ運転が制御されるように構成されている。
その動作を述べると、商用電源２１の健全時には、交流スイッチ２２をオンして商用電源２１から負荷２３に交流電力を供給する。このとき、コンタクタ２５，２９がオンの状態でインバータ２６は順変換動作し、交流−直流変換を行ってバッテリ２４を充電している。
また、前述した停電検出回路１０の動作により商用電源２１の停電を検出すると、停電検出信号ａが変換器制御回路１０Ａに送られ、この制御回路１０Ａでは、制御信号ｂを出力して交流スイッチ２２をオフさせると共に、制御信号ｃを出力してインバータ２６を逆変換動作させ、バッテリ２４の直流電力を交流電力に変換して負荷２３に供給する。
また、前述した停電検出回路１０の動作により商用電源２１の停電を検出すると、停電検出信号ａが変換器制御回路１０Ａに送られ、この制御回路１０Ａでは、制御信号ｂを出力して交流スイッチ２２をオフさせると共に、制御信号ｃを出力してインバータ２６を逆変換動作させ、バッテリ２４の直流電力を交流電力に変換して負荷２３に供給する。
本実施形態においては、停電検出回路１０が商用電源２１の停電を検出すると瞬時に交流スイッチ２２をオフさせ、バックアップ用のインバータ２６による給電動作に切り替えることにより、停電発生時にも負荷２３に安定した電圧を継続的に供給することが可能である。
１０：停電検出回路
１０Ａ：変換器制御回路
１１：遅延回路
１２：ヒルベルト変換器
１３：正弦波発生器
１４：ｄ−ｑ変換器
１５，１８：加算器
１６，１７：二乗演算器
１９：コンパレータ
２１：商用電源
２２：交流スイッチ
２３：負荷
２４：バッテリ
２５，２９：コンタクタ
２６：インバータ（電力変換器）
２７：リアクトル
２８：コンデンサ
１０Ａ：変換器制御回路
１１：遅延回路
１２：ヒルベルト変換器
１３：正弦波発生器
１４：ｄ−ｑ変換器
１５，１８：加算器
１６，１７：二乗演算器
１９：コンパレータ
２１：商用電源
２２：交流スイッチ
２３：負荷
２４：バッテリ
２５，２９：コンタクタ
２６：インバータ（電力変換器）
２７：リアクトル
２８：コンデンサ
Claims (3)
- 交流電源電圧の瞬時値を複素ベクトルの実軸成分とし、この実軸成分から複素ベクトルの虚軸成分を検出するヒルベルト変換手段と、
前記実軸成分及び虚軸成分を直交二相座標系から交流電源電圧に同期して回転する回転座標系の各成分に変換する座標変換手段と、
この座標変換手段から出力される回転座標系の各成分を用いて停電検出用交流電圧成分を生成する手段と、
この手段から出力された前記停電検出用交流電圧成分が停電判定レベルを超えた時に交流電源の停電検出信号を出力する比較手段と、
を備えたことを特徴とする停電検出回路。 - 交流電源の健全時には交流電源から交流スイッチを介して負荷に給電し、交流電源の停電時には交流スイッチをオフにすると共に電力変換器を運転して前記負荷に給電するようにした無停電電源装置において、
請求項１に記載した停電検出回路が交流電源の停電を検出した際に、前記停電検出信号を用いて交流スイッチをオフにし、かつ、電力変換器の運転を開始することを特徴とする無停電電源装置。 - 請求項２に記載した無停電電源装置において、
交流電源の健全時には、前記交流スイッチを介して前記負荷に給電しながら前記電力変換器としてのインバータによりバッテリを充電し、交流電源の停電時には、前記停電検出信号により前記交流スイッチをオフにすると共に前記バッテリの直流電力を前記インバータにより交流電力に変換して前記負荷に供給することを特徴とする無停電電源装置。
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