JP2010017023A - 停電検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単相交流電圧の振幅を瞬時に検出し、ゼロクロス近傍の不感帯に影響を受けることなく、また位相変動やノイズ等による誤動作がなく、高速かつ確実に停電検出を行う停電検出装置を提供する。
【解決手段】本発明の停電検出装置は、単相交流電源間に設けられた交流電圧を測定する交流電圧測定部と、単相交流電源間に設けられ、交流電圧に対応する交流電流を測定し、測定電圧として出力する交流電流測定部と、測定電圧を予め設定した増幅率により増幅する増幅部と、交流電圧を二乗し、二乗交流電圧として出力する第１の乗算部と、測定電圧の増幅結果を二乗し、二乗測定電圧として出力する第２の乗算部と、二乗交流電圧と二乗測定電圧とを加算する加算部と、予め設定され基準電圧と、加算部の加算結果とを比較する比較部とを有し、比較部が、基準電圧に対して加算結果が低い場合、停電を示す通知信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、無停電電源装置等に設けられ、交流負荷に駆動電力を供給する交流電源の停電を検出する停電検出装置に関する。

負荷に駆動電力を供給する交流電源が停電となった際に、負荷に対して電力を供給し、負荷を正常に動作させる無停電電源装置が従来から用いられている。
すなわち、常時においては商用の交流電源から交流電力を負荷に供給するとともに、この交流電力を直流電力に変換して蓄電池を充電し、停電時においてはこの蓄電池の直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する。
そのため、停電検出装置により、商用の交流電源の停電を瞬時に検出し、商用の交流電源から蓄電池へと電力の供給元を変更する必要がある。また、この停電検出装置には、各種の停電検出の方法が用いられている。

例えば、交流電圧を全波整流した直流電圧信号と、ゼロクロス点をベースに生成した停電検出基準信号とを比較し、例えば停電検出基準信号より上記直流電圧信号が低い場合に停電として検出する方法が用いられている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
また、交流電圧を入力して位相をシフトさせ、第１の信号と第２の信号とを生じさせ、第１の信号及び第２の信号の電圧をそれぞれ２乗して加算し、この加算結果と予め設定した基準電圧とを比較し、加算結果が基準電圧に対して低い場合に停電として検出する方法を用いた停電検出装置もある（例えば、特許文献３参照）。
特開２００２−０１０５２２号公報 特開２００１−０１３１７５号公報 特開２００６−１２６１３５号公報

しかしながら、特許文献１及び２に示す停電検出方法にあっては、電圧が「０」となるゼロクロス近傍の不感帯により停電検出が遅れたり、また交流電圧の位相変動により、停電でないのに停電と誤って検出する誤検出が起こるという欠点を有している。
また、特許文献３の停電検出方法にあっては、理論上において高速に停電検出を行うことが可能であるが、交流電圧に重畳されるノイズの影響にて、停電でなくとも加算結果が基準電圧より低くなり、誤動作してしまうという欠点を有している。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、単相交流電圧の停電による振幅低下の変化を瞬時に検出し、ゼロクロス近傍の不感帯に影響を受けることなく、また位相変動やノイズ等による誤動作がなく、高速かつ確実に停電検出を行う停電検出装置を提供することを目的とする。

本発明の停電検出装置は、単相交流電源間に設けられた交流電圧を測定する交流電圧測定部と、前記単相交流電源間に設けられ、前記交流電圧に対応する交流電流を測定し、測定電圧として出力する交流電流測定部と、前記測定電圧を予め設定した増幅率により増幅する増幅部と、前記交流電圧を二乗し、二乗交流電圧として出力する第１の乗算部と、前記測定電圧の増幅結果を二乗し、二乗測定電圧として出力する第２の乗算部と、前記二乗交流電圧と前記二乗測定電圧とを加算する加算部と、予め設定された基準電圧と、前記加算部の加算結果とを比較する比較部とを有し、前記比較部が、前記基準電圧に対して前記加算結果が低い場合、停電を示す通知信号を出力することを特徴とする。

本発明の停電検出装置は、前記交流電流測定部が、コンデンサと抵抗とが電源間に直列に接続された検出部を有し、前記コンデンサに流れる前記交流電流を前記抵抗により、前記測定電圧に変換することを特徴とする。

本発明の停電検出装置は、前記交流電流測定部が、電源間に設けられたコンデンサと、該コンデンサに流れる交流電流を測定する交流電流センサとを有し、前記交流電流センサの出力する電圧を前記測定電圧として出力することを特徴とする。

本発明の停電検出装置は、前記増幅率が１／（２π・ｆ・ｒ・ｃ）であることを特徴とする。ここで、ｆは前記交流電圧の周波数であり、ｒは前記抵抗の抵抗値であり、ｃは前記コンデンサの容量値を示す。

本発明の停電検出装置は、前記増幅率が１／（２π・ｆ・ｃ）であることを特徴とする。
ここで、ｆは前記交流電圧の周波数であり、ｃは前記コンデンサの容量値を示す。

本発明の停電検出装置は、前記コンデンサが、当該停電検出装置と並列に設けられるインバータに対する出力フィルタを兼用することを特徴とする。

本発明の停電検出装置は、前記増幅率が、前記交流電圧の実効値を前記測定電圧の実効値により除算した除算結果の数値であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明の停電検出装置によれば、交流電圧値及びこの交流電圧に対応する交流電流値を測定し、交流電流値に対応する測定電圧を増幅して、測定電圧のスケールを交流電圧値に合わせたうえで、双方を二乗して加算するので、交流電圧のピーク値に対応した一定値（交流波形の位相角によらずに一定値）の数値が得ることが可能となり、この数値と予め設定した基準値と比較するため、交流波形を単に直流に変換して訳ではないため、従来の様なゼロクロス近傍における不感帯が生じることなく、高速に停電を検出することができる。

また、本発明の停電検出装置によれば、上述したように、交流電圧のピーク値に対応した一定の数値と基準電圧とを比較するため、交流電圧の位相変動あるいはノイズが生じたとしても、加算結果の数値が大きく変動することはなく、従来のように商用電源が停電していないのに、位相変動やノイズにより動作し、停電を通知するというような不用意な誤動作を防止することができる。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態による停電検出装置を図面を参照して説明する。図１は同実施形態による停電検出装置の構成例を示すブロック図である。
図１において、本発明の停電検出装置は、コンデンサＣ、抵抗Ｒ、電圧測定部１、電流測定部２、増幅部３、乗算部４、乗算部５、加算部６及び比較器７を有している。
コンデンサＣ及び抵抗Ｒは、商用の交流電源の両端に直列に接続され、交流電圧の交流波形に対して位相が９０°ずれた交流電流の交流波形を測定するための測定手段を形成している。交流電流の交流波形は、実質的に、電圧測定部１の出力する交流電圧の交流波形に対し、位相が９０°ずれた交流電圧の交流波形に変換して用いられる。

電圧測定部１は、交流電源Ｂ（例えば、商用の交流電源）から出力される交流電圧の交流波形の交流電圧値Ｖｒを、サンプリング周期毎に測定して出力する。
ここで、交流電圧の交流波形は、図２（ａ）に示すように、以下の（１）式にて表され、
Ｖｒ＝Ｖsin（ωｔ） …（１）
であるため、測定される交流電圧値ＶｒはＶsin（ωｔ）である。ここで、Ｖは交流電圧のピーク値であり、ωは各周波数である。

電流測定部２は、上記サンプリング周期毎に、コンデンサＣに流れる電流値を、抵抗Ｒ両端の電圧値を測定電圧Ｖcとして測定して出力する。ここで、電流値の交流波形は、上記交流電圧を示す上記（１）式を微分した式、すなわち、
Ｉc＝ｃ・（ｄＶｒ／ｄｔ）＝Ｖ・ｃ・ω・cos（ωｔ） …（２）
で示される。ここで、ｃはコンデンサＣの容量値である。
また、抵抗Ｒの抵抗値ｒがコンデンサＣの交流インピーダンス１／（２π・ｆ・ｃ）より十分小さい値であれば、測定電圧値Ｖｃは、
Ｖｃ＝ｒ・Ｉｃ＝ｒ・Ｖ・ｃ・ω・cos（ωｔ） …（３）
で表すことができる。ここで、ｒは、コンデンサＣと直列に接続された抵抗Ｒの抵抗値である。

増幅部３は、増幅率ｋにより、サンプリング周期毎に入力される測定電圧値Ｖｃの増幅を行う。ここで、増幅率ｋは、
ｋ＝１／（ω・ｒ・ｃ）＝１／（２π・ｆ・ｒ・ｃ）
である。ここで、ω＝２π・ｆとし、ｆは交流電圧の周波数である。
また、増幅率ｋとして、交流電圧Ｖｒの実効値を測定電圧Ｖｃの実効値により除算した除算結果の数値を用いても良い。増幅部３は、例えば、この交流電圧Ｖｒの実効値が内部に設定（この設定は外部からの設定処理により任意に変更可能）されており、サンプリング周期毎に測定電圧Ｖｃの実効値に応じて増幅率ｋの計算を行う。
この増幅により、交流電圧Ｖｒに対して、図２（ｂ）に示すように、測定電圧Ｖｃの交流波形のピーク値を同様、すなわち測定電圧Ｖｃのピーク値と交流電圧Ｖｒのピーク値とを一致させる。増幅後の測定電圧Ｖｃは、下記の（４）式で示される。
Ｖｃ＝Ｖcos（ωｔ） …（４）

乗算部４は、サンプリング周期毎に入力される交流電圧Ｖｒを二乗し、
Ｖ^２sin^２（ωｔ）を出力する。
乗算部５は、サンプリング周期毎に入力される増幅後の測定電圧Ｖｃを二乗し、
Ｖ^２cos^２（ωｔ）を算出する。

加算部６は、交流電圧値Ｖｒを二乗した数値と、測定電圧値Ｖｃを二乗した数値とを加算する。ここで、加算部６は、加算結果Ｓとして、
Ｓ＝Ｖ^２sin^２（ωｔ）＋Ｖ^２cos^２（ωｔ）
＝Ｖ^２（sin^２（ωｔ）＋cos^２（ωｔ））
＝Ｖ^２ …（５）
^{の一定値（交流電圧のピーク電圧の二乗、すなわち交流電圧のピーク電圧に対応する数値）を出力する。}

比較器７は、入力される加算結果Ｓと、予め設定されている基準値（基準電圧）Ｄrefと比較し、加算結果Ｓが基準値Ｄrefより低いことを検出すると、停電を示す通知信号を出力する。例えば、本実施形態においては、比較器７はコンパレータにて構成されており、加算結果Ｓが基準値Ｄref以上の場合に、停電でないことを示す「Ｈ」レベルの正常信号を出力し、一方、加算結果Ｓが基準値Ｄrefを下回った場合に、停電であることを示す「Ｌ」レベルの停電信号を出力する。

上述した構成により、本実施形態によれば、交流電圧を測定したタイミング周期にて、交流電流を測定し、この交流電流の電流値を電圧値に変換して測定電圧とし、測定電圧の交流波形のスケールを上記交流電圧の交流波形のスケールと合わせた後、それぞれの電圧値を二乗して加算するため、従来例のようにゼロクロス点が不感帯となることが無く、停電状態を高速に検出することができる。

また、本実施形態によれば、交流電圧の交流波形において、位相変動が生じた場合、交流電圧の交流波形から、この交流電圧に対応してコンデンサＣに流れる交流電流の交流波形を生成しているため、従来例のように単に位相を変化させた訳ではないので、交流電圧と同様に位相変動するため、位相変動の同期が取られることになり、加算結果としてはＶ^２の数値が出力されるため、誤動作を起こすことはない。
また、本実施形態によれば、交流電圧の交流波形において、ノイズが重畳しても、例えば交流電圧の波形がノイズにより低下しても、電流値が逆に増加するため、加算結果としてはＶ^２の一定値を保持することができ、従来例にように、ノイズによる誤動作を起こすことはない。

また、上記コンデンサＣが、停電検出装置と並列に設けられるインバータに対し、交流電流を供給する出力フィルタ（ローパスフィルタ）を兼用しており、インバータに対し、商用の交流電源に重畳する電源ノイズをカットし、ノイズの重畳していない交流波形の交流電圧を交流負荷に対して供給することができる。

＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態による停電検出装置を図面を参照して説明する。図３は同実施形態による停電検出装置の構成例を示すブロック図である。図３においては、無停電電源装置に用いられた場合の構成例として、本実施形態による停電検出装置を記載している。第１の実施形態も同様に、図３に示すように無停電電源装置における停電検出装置として用いることができる。
簡単に上記無停電電源装置の動作を以下に説明する。商用の交流電源Ｂが停電状態でない場合、交流電源Ｂからスイッチ３０を介して交流電圧が交流負荷２０に対して供給されているとともに、上記交流電圧がＤＣ／ＡＣコンバータ１１へ供給されている。ここで、停電検出装置が停電を検出した場合、図示しない無停電電源装置の制御部がスイッチ３０をオン状態からオフ状態とし、停電状態でない場合、スイッチ３０をオン状態とする。

また、ＤＣ／ＡＣコンバータ１１は、上記制御部から入力される制御信号により、ＤＣ（直流）からＡＣ（交流）へ、またＡＣからＤＣへの相互の変換を行う装置であり、上記交流電源Ｂが停電状態でない場合、スイッチ３０がオン状態であり、停電でないことを示す制御信号が入力されるため、入力される交流電源Ｂを整流してバッテリ１２に対して電力を蓄積し、一方、交流電源Ｂが停電状態ある場合、スイッチ３０がオフ状態となり、交流電源Ｂから切り離され、停電となったことを示す制御信号が入力されるため、バッテリ１２の直流電圧を交流電圧に変換して交流負荷２０に対して供給する。

図３において、本実施形態の停電検出装置は、コンデンサＣ、電圧測定部１、電流測定部２、増幅部３、乗算部４、乗算部５、加算部６、比較器７及び交流電流センサ８を有している。
コンデンサＣは、商用の交流電源の両端に直列に接続され、交流電圧の電流波形に対して位相が９０°ずれた交流電流の交流波形を測定するための測定手段を形成している。
第１の実施形態と同様な構成については、同一の符号を付して説明を省略する。第１の実施形態と異なる点は、第１の実施形態における抵抗Ｒにより交流電流を測定するのではなく、交流電流センサ８により、コンデンサＣに流れる電流を測定している点である。以下、第１の実施形態と異なる点のみを説明する。

交流電流センサ８は、コンデンサＣに流れる交流電流（上記（２）式にて表される）に対応する測定電圧Ｖｃを出力する。
電流測定部２は、サンプリング周期毎に、コンデンサＣに流れる電流を測定して出力する。
そして、増幅部３は、電流測定部２から入力される測定電流Ｉcを第１の実施形態と同様に、増幅率ｋで増幅して出力する。
ここで、増幅率ｋは、
ｋ＝１／（ω・ｃ）＝１／（２π・ｆ・ｃ）
であり、ここでｃはコンデンサＣの容量値である。
また、増幅率ｋとして、交流電圧Ｖｒの実効値を、測定電圧Ｉcの実効値により除算した除算結果の数値を用いても良い。

以降の本実施形態による停電検出装置の処理は、第１の実施形態と同様である。

上述した構成により、本実施形態による停電検出装置は、第１の実施形態と同様な効果を有する。
また、上述した第１及び第２の実施形態においては、停電検出装置のみを説明したが、比較器７とは異なる他の比較器を設け、この他の比較器に与える基準電圧として、負荷に供給する電圧の正常値の上限値を設定することにより、商用の交流電圧の電圧値が異常に上昇した場合、この異常な高電圧の検出も同様に行うことができる。

本発明の第１の実施形態における停電検出装置の構成例を示すブロック図である。 図１の電圧測定部１の出力する交流電圧Ｖｒの交流波形と、増幅部３の出力する増幅された測定電圧Ｖｃの交流波形とを示す波形図である。 本発明の第２の実施形態における停電検出装置の構成例（無停電電源装置の構成を含む）を示すブロック図である。

符号の説明

１…電圧測定部
２…電流測定部
３…増幅部
４，５…乗算部
６…加算部
７…比較器
８…交流電流センサ
Ｃ…コンデンサ
Ｒ…抵抗
１１…ＤＣ／ＡＣコンバータ
１２…バッテリ
２０…交流負荷
３０…スイッチ

Claims (7)

1. 単相交流電源間に設けられた交流電圧を測定する交流電圧測定部と、
   前記単相交流電源間に設けられ、前記交流電圧に対応する交流電流を測定し、測定電圧として出力する交流電流測定部と、
   前記測定電圧を予め設定した増幅率により増幅する増幅部と、
   前記交流電圧を二乗し、二乗交流電圧として出力する第１の乗算部と、
   前記測定電圧の増幅結果を二乗し、二乗測定電圧として出力する第２の乗算部と、
   前記二乗交流電圧と前記二乗測定電圧とを加算する加算部と、
   予め設定された基準電圧と、前記加算部の加算結果とを比較する比較部と
   を有し、
   前記比較部が、前記基準電圧に対して前記加算結果が低い場合、停電を示す通知信号を出力することを特徴とする停電検出装置。
2. 前記交流電流測定部が、コンデンサと抵抗とが電源間に直列に接続された検出部を有し、
   前記コンデンサに流れる前記交流電流を前記抵抗により、前記測定電圧に変換することを特徴とする請求項１に記載の停電検出装置。
3. 前記交流電流測定部が、
   電源間に設けられたコンデンサと、
   該コンデンサに流れる交流電流を測定する交流電流センサと
   を有し、
   前記交流電流センサの出力する電圧を前記測定電圧として出力することを特徴とする請求項１に記載の停電検出装置。
4. 前記増幅率が
   １／（２π・ｆ・ｒ・ｃ）であることを特徴とする請求項２に記載の停電検出装置。
   ここで、ｆは前記交流電圧の周波数であり、ｒは前記抵抗の抵抗値であり、ｃは前記コンデンサの容量値を示す。
5. 前記増幅率が
   １／（２π・ｆ・ｃ）であることを特徴とする請求項３に記載の停電検出装置。
   ここで、ｆは前記交流電圧の周波数であり、ｃは前記コンデンサの容量値を示す。
6. 前記コンデンサが、当該停電検出装置と並列に設けられるインバータに対する出力フィルタを兼用することを特徴とする請求項２から請求項５のいずれかに記載の停電検出装置。
7. 前記増幅率が、
   前記交流電圧の実効値を前記測定電圧の実効値により除算した除算結果の数値であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の停電検出装置。

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