JP2012019620A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交流電源のゼロクロス検出の高精度化を図ることで、入力力率を維持した電源装置を提供する。
【解決手段】交流電源１をリアクタ２を介して短絡する短絡手段３と、交流電源の交流電圧と所定の基準電圧との大小関係に対応した２値信号を出力する２値信号出力手段７と、２値信号出力手段からの２値信号を用いた演算により算出されたゼロクロス点情報に基づいて短絡手段を駆動する制御部８を備えた電源装置であって、演算は、ゼロクロス点の算出および次の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの予測値の算出を行うものであり、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの予測値の間の一部の期間は、２値信号を無視することで、交流電源のゼロクロス点を正確に検出することができ、高力率を維持することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源からの交流電圧を整流して負荷へ直流電圧を供給する電源装置に関する。

従来、電源電圧のゼロクロス時刻を算出する方法として、２値信号の立ち上がり時刻と立ち下がり時刻を用いて電源電圧のゼロクロス時刻を算出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図６は、コンバータ回路における従来のゼロクロス時刻の算出方法を示している。図６から明らかなように、電源電圧波形の立ち上がり時刻ｔｏｎ（２）と立ち下がり時刻ｔｏｆｆ（２）の中間時刻ｔｐは電源電圧のピーク時刻となる。したがって、ピーク時刻ｔｐから９０度（ｔａｃ／４）遅れの時刻が立ち下がりのゼロクロス時刻であり、ピーク時刻ｔｐから２７０度（３・ｔａｃ／４）遅れの時刻が立ち上がりのゼロクロス時刻となる。

特開２００１−４５７６３号公報

しかしながら、上記従来の電源装置は比較的良好な特性を有し、図６に示すような２値信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジからゼロクロス点を算出する方式は、ゼロクロス点を正確に得ることはできていたが、電源電圧の歪みや２値信号のチャタリングに対しては、不十分であるという課題を有していた。

本発明の電源装置は、前記のような従来の課題を解決するもので、瞬時停電によって図３に示すような２値信号になっても交流電源のゼロクロス点を正確に検出することができる電源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の電源装置は、交流電源をリアクタを介して短絡する短絡手段と、交流電源の交流電圧と所定の基準電圧との大小関係に対応した２値信号を出力する２値信号出力手段と、２値信号出力手段からの２値信号を用いた演算により算出されたゼロクロス点情報に基づいて短絡手段を駆動する制御部を備えた電源装置であって、演算は、ゼロクロス点の算出および次の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの予測値の算出を行うものであり、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの予測値の間の一部の期間は、２値信号を無視するものである。

これによって、瞬時停電によって不正規な立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジが発生しても、そのエッジは無視されることとなるので、交流電源のゼロクロス点を正確に検出することができ、高力率を維持することができる。

本発明の電源装置は、瞬時停電によって不正規な立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジが発生しても、交流電源のゼロクロス点を正確に検出することができ、高力率を維持することができる。

本発明の実施の形態１における電源装置の主回路構成図 本発明の実施の形態１における電源装置の各部動作説明図 本発明の実施の形態２における電源装置の各部動作説明図 本発明の実施の形態３における電源装置の各部動作説明図 本発明の実施の形態４における電源装置の各部動作説明図 従来のコンバータ回路の一例に係る構成図

第１の発明は、交流電源をリアクタを介して短絡する短絡手段と、交流電源の交流電圧と所定の基準電圧との大小関係に対応した２値信号を出力する２値信号出力手段と、２値信号出力手段からの２値信号を用いた演算により算出されたゼロクロス点情報に基づいて短絡手段を駆動する制御部を備えた電源装置であって、演算は、ゼロクロス点の算出および次の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの予測値の算出を行うものであり、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの予測値の間の一部の期間は、２値信号を無視することにより、瞬時停電によって不正規な立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジが発生しても、そのエッジは無視されることとなるので、交流電源のゼロクロス点を正確に検出することができる。

第２の発明は、特に第１の発明のゼロクロス点および演算タイミングの算出は、２値信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジに対応する各時刻の中点と、交流電源の周期とを用いて行うとしたもので、交流電源のゼロクロス点を正確に検出することができる。

第３の発明は、特に第１から第２の発明の２値信号の立ち上がりエッジあるいは立ち下がりエッジが発生しなかったら、立ち上がりエッジあるいは立ち下がりエッジの予測値に対応する各時刻の中点と交流電源の周期を用いてゼロクロス点を算出するものであり、交流電源のゼロクロス点を正確に検出することができる。

第４の発明は、特に第１〜３の発明の一部の期間は、ゼロクロス点から交流電源の周期の概略１／４に相当する時間だけ加算した時刻の前後の所定の区間であり、交流電源のピーク時刻付近は２値信号の立ち上がりエッジあるいは立ち下がりエッジが発生しないことを想定し、所定の区間内は２値信号を無視することで、交流電源のゼロクロス点を正確に検出することができる。

第５の発明は、特に第１〜第４の発明の演算タイミングは、１周期前に算出されたゼロクロス点から交流電源の周期の概略３／４に相当する時間だけ加算した時刻であり、交流電源のピーク時刻付近で演算を行なうことで、正規の２値信号のエッジに近すぎて誤った時刻を用いて演算してしまう可能性が低くなるので、最も周波数変動に対応できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明にかかる第１の実施の形態の電源装置を示す構成図である。図１において、交流電源１の出力端からリアクタ２を経由して４個のダイオード４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄからなるブリッジ回路に入力される。ブリッジ整流回路の出力には平滑コンデンサ５、負荷６が接続されている。また、交流電源１の出力端からリアクタ２を介して交流電源１を短絡する短絡手段３が接続されることで、電源装置の力率を改善するようになっている。

また、交流電源１の両端には交流電源１の電源電圧の位相を２値信号で出力し、この２値信号を制御部８に供給する２値信号出力手段７が接続されている。

この２値信号出力手段７は、図２に示すように、電源電圧に応じてＯＮ−ＯＦＦ信号を出力するように構成されており、例えば、電源電圧がある基準値以上になるとＯＮ信号を出力し、基準値以下になるとＯＦＦになるものである。例えば、フォトカプラ等で組まれる構成があり、本実施の形態１の所定の基準電圧は極めて０Ｖに近い値、または０Ｖも含まれる。また、図２には交流電源１の正サイクルに２値信号が出力される波形を示しているが、負サイクルに２値信号が出力される波形でも本実施の形態１を利用できる。

図２に、本実施の形態における電源装置の各部動作説明図を示す。まず、次のゼロクロス点Ｏ（１）の算出方法を説明する。演算タイミングＰ（０）の時刻付近にて立ち上がりエッジＴｏｎ（０）と立ち下がりエッジＴｏｆｆ（０）の時刻からゼロクロス点Ｏ（１）を算出するものであり、ゼロクロス点Ｏ（１）の直近の立ち上がりエッジＴｏｎ（０）と立ち下がりエッジＴｏｆｆ（０）の中間時刻は電源電圧のピーク時刻ｔｐとなる。したがって、ピーク時刻ｔｐから２７０度（３・ｔａｃ／４）遅れの時刻が立ち上がりのゼロクロス点Ｏ（１）となる。さらに、立ち上がりエッジＴｏｎ（０）から周期ｔａｃ遅れの時刻が次の立ち上がりエッジの予測値Ｔｏｎ（１）’、立ち下がりエッジＴｏｆｆ（０）から周期ｔａｃ遅れの時刻が次の立ち下がりエッジの予測値Ｔｏｆｆ（１）’となる。

ここでのｔａｃは交流電源１の周期であり、例えば５０Ｈｚ電源の場合は２０ｍｓ、６０Ｈｚ電源の場合は１６．６６７ｍｓのような所定の値である。また、図２では立ち上がりのゼロクロス点を算出していたが、ピーク時刻ｔｐから４５０度（５・ｔａｃ／４）遅れの時刻となる立ち下がりのゼロクロス点、さらには２周期目以降のゼロクロス点も同様に算出することもできる。

次に、図２に示すように演算タイミングＰ（１）の直近に不正規の立ち上がりエッジＴｏｎ（ｅｒｒ）と立ち下がりエッジＴｏｆｆ（ｅｒｒ）が発生した場合を示す。あらかじめ、前周期にて算出した立ち上がりエッジの予測値Ｔｏｎ（１）’と立ち下がりエッジの予測値Ｔｏｆｆ（１）’の間に期間ｔｗを設け、期間ｔｗ内に発生した立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを無視するようにする。立ち上がりエッジの予測値Ｔｏｎ（１）’と立ち下がりエッジの予測値Ｔｏｆｆ（１）’が正規なエッジ相当、それより狭い期間は不正規なエッジ相当と見なすものであり、期間ｔｗはＴｏｎ（１）’とＴｏｆｆ（１）’の間より狭く設定されていればよい。そうすることで、立ち上がりエッジＴｏｎ（ｅｒｒ）または立ち下がりエッジＴｏｆｆ（ｅｒｒ）が発生しても、そのエッジは無視されることとなり、交流電源のゼロクロス点を正確に検出することができる。

すなわち、交流電源１の概略１周期毎に行われる演算タイミングにて、２値信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジに対応する各時刻の中点と交流電源の周期を用いてゼロクロス点の算出と、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの予測値の算出を行い、ゼロクロス点に同期した信号に基づいて短絡手段３を駆動する。

以上のように、算出された正確なゼロクロス点の情報を使用することで、短絡手段３の制御が正確に行え、電源装置の力率を改善することができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明にかかる第２の実施の形態の電源装置を示す各部動作説明図である。ゼロクロス点Ｏ（１）の算出は、本実施の形態１と同様に、演算タイミングＰ（０）の時刻付近にて、直近の立ち上がりエッジＴｏｎ（０）と立ち下がりエッジＴｏｆｆ（０）の時刻から算出するものである。

図３に示すような長い瞬時停電により本来得られるはずの立ち下がりエッジが発生しなかった場合を示す。あらかじめ、前周期にて算出した立ち上がりエッジの予測値Ｔｏｎ（１）’と立ち下がりエッジの予測値Ｔｏｆｆ（１）’の間に期間ｔｗを設け、期間ｔｗ内に発生した立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを無視するようにする。そうすることで、不正規な立ち下がりエッジＴｏｆｆ（ｅｒｒ）が発生しても、そのエッジは無視されることとなる。すなわち、演算タイミングＰ（１）の直近に立ち下がりエッジが発生していない状態となる。

さらに、演算タイミングＰ（０）の時刻付近にて、立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジが発生していない場合は、前周期にて算出した立ち上がりエッジの予測値Ｔｏｎ（１）’または立ち下がりエッジの予測値Ｔｏｆｆ（１）’を用いて次のゼロクロス点を算出するようにする。そうすることで、長い瞬時停電により本来得られるはずの立ち下がりエッジが発生しなかった場合でも、立ち下がりエッジの予測値Ｔｏｆｆ（１）’を用いることで、次のゼロクロス点Ｏ（２）を算出することができる。

また、立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジどちらか発生しなかった方に対応した予測値を用いてゼロクロス点を算出するか、立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジどちらかが発生しなかったら、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジ双方の予測値を用いてゼロクロス点を算出することで、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態３）
図４は、本発明にかかる第３の実施の形態の電源装置を示す各部動作説明図である。ゼロクロス点Ｏ（１）の算出は、本実施の形態１と同様に、演算タイミングＰ（０）の時刻付近にて、直近の立ち上がりエッジＴｏｎ（０）と立ち下がりエッジＴｏｆｆ（０）の時刻から算出するものであり、ゼロクロス点Ｏ（０）から９０度（ｔａｃ／４）遅れの時刻となるピーク時刻ｔｐ’を算出する。

ここで、ピーク時刻ｔｐ’を中心にその前後に期間ｔｗを設け、期間ｔｗ内に発生した立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを無視するようにする。ピーク時刻付近には正規なエッジは発生しないと見なすものであり、正規なエッジが発生するだろう位相θｏｎと位相θｏｆｆに重ならないように期間ｔｗはある程度マージンを持った設定にすればよい。そうすることで、立ち上がりエッジＴｏｎ（ｅｒｒ）または立ち下がりエッジＴｏｆｆ（ｅｒｒ）が発生しても、そのエッジは無視されることとなり、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態４）
図５は、本発明にかかる第４の実施の形態の電源装置を示す各部動作説明図である。演算タイミングＰ（０）は、ゼロクロス点Ｏ（１）の手前にあればよいが、正規の２値信号のエッジに近すぎると誤った時刻を用いて演算してしまう可能性がある。例えば、図５に示すように１周期前のゼロクロス点Ｏ（０）から約３／４ｔａｃだけ加算した時刻、つまり交流電源１のピーク時刻付近で算出することで、誤った時刻を用いて演算してしまう可能性は低くなるので、最も周波数変動に対応できる。

以上のように、本発明にかかる電源装置は、瞬時停電によって不正規な立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジが発生しても、交流電源のゼロクロス点を正確に検出することができるので、空気調和器や冷蔵庫をはじめ、洗濯機などの電化製品の電源装置、さらに交流電源の入力電圧の位相を検出する検出装置として適用できる。

１ 交流電源
２ リアクタ
３ 短絡手段
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ ダイオード
５ａ、５ｂ 電解コンデンサ
６ 負荷
７ ２値信号出力手段
８ 制御部

Claims (5)

1. 交流電源をリアクタを介して短絡する短絡手段と、前記交流電源の交流電圧と所定の基準電圧との大小関係に対応した２値信号を出力する２値信号出力手段と、前記２値信号出力手段からの２値信号を用いた演算により算出されたゼロクロス点情報に基づいて前記短絡手段を駆動する制御部を備えた電源装置であって、前記演算は、前記ゼロクロス点の算出および次の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの予測値の算出を行うものであり、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの前記予測値の間の一部の期間は、前記２値信号を無視することを特徴とする電源装置。
2. 前記ゼロクロス点および前記予測値の算出は、前記２値信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジに対応する各時刻の中点と、前記交流電源の周期を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記２値信号の立ち上がりエッジあるいは立ち下がりエッジが発生しなかったら、立ち上がりエッジあるいは立ち下がりエッジの前記予測値に対応する各時刻の中点と、前記交流電源の周期を用いて前記ゼロクロス点を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
4. 前記一部の期間は、前記ゼロクロス点から前記交流電源の周期の概略１／４に相当する時間だけ加算した時刻の前後の所定の区間であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置。
5. 前記演算タイミングは、１周期前に算出された前記ゼロクロス点から前記交流電源の周期の概略３／４に相当する時間だけ加算した時刻であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源装置。

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