JP2012042367A - 欠相検出回路および欠相検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３相交流電源の欠相が１相であるか２相以上であるかを区別して確実に検出可能な欠相検出回路を提供する。
【解決手段】本発明の欠相検出回路は、第１相電源線と第２相電源線との間を接続する、第１ダイオードと第２ダイオードとの直列接続と、第２相電源線と第３相電源線との間を接続する、第３ダイオードと第４ダイオードとの直列接続と、一端が第１ダイオードと第２ダイオードとの接続点に接続され、他端が第３ダイオードと第４ダイオードとの接続点に接続される、第１抵抗とフォトカプラの一次側との直列接続と、を備え、各ダイオードは、フォトカプラの一次側と順極性となる向きに接続され、フォトカプラの二次側の一端は第２抵抗を介して電源に接続され、他端は接地され、フォトカプラの二次側の前記一端に接続された判定手段が検知したパルス波形に基づき欠相の内容を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は３相交流電源の欠相検出回路および欠相検出方法に関する。

３相交流電源から受電する装置は、全ての相から給電されていることが正常動作の前提となっている。そのため、いずれかの相からの給電が欠相して、装置の動作に異常が生じるのを未然に防ぐべく、欠相の有無を検知する欠相検出回路が一般に設けられている。

確実に欠相の有無を検知できる欠相検出回路として、例えば特許文献１で開示された回路が挙げられる。

特開２０００−１８０４９１号公報

特許文献１の欠相検出回路は、フォトカプラ３個、抵抗器１個、ダイオード９個の計１３個の部品を使用し、部品点数が多い。そこで、本件出願人は少ない部品点数（特許文献１の欠相検出回路よりフォトカプラが２個、ダイオードが６個少ない）で確実に欠相を検出可能な欠相検出回路を未公開の特願２００９−２９５６７７にて提案した。図１５に特願２００９−２９５６７７の欠相検出回路に係る欠相検出回路１００´の構成例を示す。欠相検出回路１００´は、３相交流電源（図示せず）と整流回路４０との間に設けられ、３相交流電源からの給電の欠相の有無を検出する。欠相検出回路１００´は、３相交流電源の第１相電源線１０と第２相電源線２０との間に接続される、第１ダイオード１０１と第２ダイオード１０２との直列接続と、一端が第１ダイオード１０１と第２ダイオード１０２との接続点に接続され他端が第３相電源線３０に接続される、第１抵抗１０５とフォトカプラ１１１の一次側と第３ダイオード１０３との直列接続と、を備え、各ダイオード１０１〜１０３は、フォトカプラ１１１の一次側と順極性となる向きに接続される。フォトカプラ１１１の一次側端子間に逆電圧印加防止用ダイオード１０６を更に設けてもよい。フォトカプラ１１１の二次側の一端は第２抵抗１２２を介して電源Ｖｃｃに接続され、他端は接地される。このように構成することで、３相交流電源からの給電により、フォトカプラ１１１の一次側に電流が流れ二次側が導通状態にある時には二次側の前記一端の電位は０となり、一次側に電流が流れず二次側が遮断状態にある時には二次側の前記一端は電源Ｖｃｃに依存する電位（＞０）となる。そのため、フォトカプラ１１１の二次側の前記一端には、一次側に電流が流れていない時、電流が流れている時のそれぞれに対応して、ＯＮ状態、ＯＦＦ状態となるパルス波形が現れる。現れるパルス波形は電源の欠相の有無により異なるため、ここに判定手段１２１を接続してこのパルス波形を観測することにより、欠相が生じているか否かを判定することができる。

しかし、特願２００９−２９５６７７の欠相検出回路は、３相のうち少なくとも１相が欠相したことを確実に検出できるが、欠相が１相であるか２相以上（電源が入力されなくなる状態）であるかを区別することはできない。そのため、２相以上が欠相して電源がオフ状態にあることは、電源電圧をモニタし、電圧降下が生じたことにより知るしかなかった。しかし、整流回路４０の後段に設けられる平滑用のキャパシタ（図示せず）にチャージされた高圧電圧のディスチャージは、電源オフが判明し次第速やかに実施すべきであるところ、電源電圧が正常範囲外（オフ状態）まで降下するには数秒要するため、その間はディスチャージの実施を待たざるを得なかった。

本発明の目的は、３相交流電源の欠相が１相であるか２相以上であるかを区別して確実に検出可能な、欠相検出回路および欠相検出方法を提供することにある。

本発明の欠相検出回路は、３相交流電源の第１相電源線と第２相電源線との間を接続する、第１ダイオードと第２ダイオードとの直列接続と、第２相電源線と第３相電源線との間を接続する、第３ダイオードと第４ダイオードとの直列接続と、一端が第１ダイオードと第２ダイオードとの接続点に接続され、他端が第３ダイオードと第４ダイオードとの接続点に接続される、第１抵抗とフォトカプラの一次側との直列接続と、を備え、各ダイオードは、フォトカプラの一次側と順極性となる向きに接続され、フォトカプラの二次側の一端は第２抵抗を介して電源に接続され、他端は接地される。フォトカプラの二次側の前記一端には、パルス波形を検知し、それに基づき欠相の有無を判定する判定手段が接続され、検知したパルス波形のパルス幅の相違により、欠相が無いか、１相あるか、又は２相以上あるかを区別して判定する。

本発明によれば、３相交流電源の欠相が１相であるか２相以上であるかを区別して確実に検出可能な、欠相検出回路および欠相検出方法を実現することができる。これにより、電源がオフ状態となったことを速やかに把握することができ、よって、平滑用キャパシタのディスチャージを速やかに実施することができる。

欠相検出回路１００の構成例を示す図。 図１の構成において、第１抵抗１０５の位置を変えた例を示す図。 各相の入力電圧波形、相間電圧波形、及びフォトカプラの二次側で観測されるパルス波形の例を示す図。 相間電圧Ｒ−Ｓが正の時の電流経路を示す図。 相間電圧Ｒ−Ｔが正の時の電流経路を示す図。 相間電圧Ｓ−Ｔが正の時の電流経路を示す図。 Ｒ相のみが欠相した場合の電流経路を示す図。 Ｓ相のみが欠相した場合の電流経路を示す図。 Ｔ相のみが欠相した場合の電流経路を示す図。 Ｒ相、Ｓ相の２相が欠相した場合の状態を示す図。 Ｒ相、Ｔ相の２相が欠相した場合の状態を示す図。 Ｓ相、Ｔ相の２相が欠相した場合の状態を示す図。 判定手段１２１での判定フロー例を示す図。 図１の構成において、ダイオードを逆向きにした例を示す図。 欠相検出回路１００´の構成例を示す図。

図１に本発明の欠相検出回路１００の機能構成例を示す。欠相検出回路１００は、第１ダイオード１０１、第２ダイオード１０２、第３ダイオード１０３、第４ダイオード１０４、第１抵抗１０５、フォトカプラ１１１、判定手段１２１、及び第２抵抗１２２を備える。つまり、欠相検出回路１００は、図１５に示す欠相検出回路１００´に第４ダイオード１０４を加えた構成である。

欠相検出回路１００は、３相交流電源の各相の電源線である第１相電源線１０、第２相電源線２０、及び第３相電源線３０から整流回路４０への給電の欠相を検出する欠相検出回路である。３相交流電源からはそれぞれ位相が１２０度ずつ異なるＲ相、Ｓ相、Ｔ相の交流電流が、それぞれ第１相電源線１０、第２相電源線２０、及び第３相電源線３０のいずれかに送出される。Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相と第１相、第２相、第３相との対応関係は、１対１であればいかなる組み合わせでも構わない。後述する欠相の検出原理の説明では、Ｒ相が第１相、Ｓ相が第２相、Ｔ相が第３相にそれぞれ対応する場合について説明するが、他の組み合わせの場合でも接続構成や欠相の検出原理は同様である。

欠相検出回路１００の各構成要素は、具体的には、第１相電源線１０と第２相電源線２０との間に第１ダイオード１０１と第２ダイオード１０２との直列接続が接続され、第２相電源線２０と第３相電源線３０との間に第３ダイオードと第４ダイオードとの直列接続が接続され、第１抵抗１０５とフォトカプラ１１１の一次側との直列接続の一端が第１ダイオード１０１と第２ダイオード１０２との接続点に接続され、他端が第３ダイオード１０３と第４ダイオード１０４との接続点に接続される。第１抵抗１０５とフォトカプラ１１１の一次側との直列接続の並びは、図２に示すように逆でも構わない。また、フォトカプラ１１１の一次側端子間には逆電圧印加防止用ダイオード１０６を接続してもよい。各ダイオード１０１〜１０４（及び１０６）は、フォトカプラ１１１の一次側と順極性となる向きに接続される。フォトカプラ１１１の二次側の一端は第２抵抗１２２を介して電源Ｖｃｃに接続され、他端は接地される。フォトカプラ１１１の二次側の前記一端には、パルス波形を検知し、それに基づき欠相の有無を判定する判定手段１２１が接続される。判定手段１２１は、具体的にはＦＰＧＡやＣＰＵ等を用いて構成することが考えられる。

このように構成することで、３相交流電源からの給電により、フォトカプラ１１１の一次側に電流が流れて二次側が導通状態にある時には二次側の前記一端の電位は０となり、一次側に電流が流れず二次側が遮断状態にある時には二次側の前記一端は電源Ｖｃｃに依存する電位（＞０）となる。そのため、フォトカプラ１１１の二次側の前記一端には、一次側に電流が流れていない時、電流が流れている時のそれぞれに対応して、ＯＮ状態、ＯＦＦ状態となるパルス波形が現れる。現れるパルス波形は電源の欠相の有無により異なるため、このパルス波形を判定手段１２１で観測することにより、欠相が生じているか否かを判定することができる。

図３(a)にＲ、Ｓ、Ｔの各相の電圧波形を示す。このような電圧波形による交流電流が欠相検出回路１００に入力されたとき、図３(b)に示す相間電圧Ｒ−Ｓが正の時には、Ｒ相からＳ相へ図４に示すように電流が流れてフォトカプラ１１１の二次側が導通し、負の時には、一次側に電流が流れなくなり遮断される。そのため、フォトカプラ１１１の二次側の前記一端では図３(e)に示すパルス波形が現れる。また、図３(b)に示す相間電圧Ｒ−Ｔが正の時には、Ｒ相からＴ相へ図５に示すように電流が流れてフォトカプラ１１１の二次側が導通し、負の時には、一次側に電流が流れなくなり遮断される。そのため、フォトカプラ１１１の二次側の前記一端では図３(d)に示すパルス波形が現れる。また、図３(b)に示す相間電圧Ｓ−Ｔが正の時には、Ｓ相からＴ相へ図６に示すように電流が流れてフォトカプラ１１１の二次側が導通し、負の時には、一次側に電流が流れなくなり遮断される。そのため、フォトカプラ１１１の二次側の前記一端では図３(c)に示すパルス波形が現れる。

欠相が無い場合には、図３(c)〜(e)の波形が同時に発生することになるため、Ｒ−Ｓ、Ｒ−Ｔ、Ｓ−Ｔの少なくともいずれかにおいて、フォトカプラ１１１の一次側に電流が流れている時には二次側が導通し、Ｒ−Ｓ、Ｒ−Ｔ、Ｓ−Ｔの全てにおいてフォトカプラ１１１の一次側に電流が流れていない時には二次側が遮断される。そのため、欠相が無い場合には、フォトカプラ１１１の二次側の前記一端では図３(f)に示す波形が観測される。

また、Ｒ相のみが欠相した場合には、相間電圧Ｓ−Ｔが正の時には図７に示すようにＳ相からＴ相に向けて電流が流れ、負の時には電流が流れないため、フォトカプラ１１１の二次側の前記一端では図３(c)に示す波形が観測される。また、Ｓ相のみが欠相した場合には、相間電圧Ｒ−Ｔが正の時には図８に示すようにＲ相からＴ相に向けて電流が流れ、負の時には電流が流れないため、フォトカプラ１１１の二次側の前記一端では図３(d)に示す波形が観測される。また、Ｔ相のみが欠相した場合には、相間電圧Ｒ−Ｓが正の時には図９に示すようにＲ相からＳ相に向けて電流が流れ、負の時には電流が流れないため、フォトカプラ１１１の二次側の前記一端では図３(e)に示す波形が観測される。図３(c)〜(e)からわかるように、いずれか１相のみが欠相した場合に観測されるパルス波形のパルス幅はどれも同じである（λ／２、λは電源電圧の波長）。そのため、判定手段１２１において、フォトカプラ１１１の二次側の前記一端に現れるパルス波形のパルス幅を逐次観測し、パルス幅が、図３(f)に示す正常時のパルス幅（λ／６）から１相欠相時のパルス幅（λ／２）に変化したことを検知することにより、いずれか１相が欠相したことを検知することができる。

また、図３(c)〜(e)の各パルス波形は、パルス幅は同じであるが、例えば図３(a)に示す電源電圧の波形（例えばＲ相）の位相を基準とした時、相対的な位相が異なる。そのため、いずれか１相が欠相して、λ／２のパルス幅が観測されるようになった場合に、そのパルスの立ち上がり時の、電源電圧波形に対する相対的な位相の相違に基づき、いずれの相が欠相したかを区別することができる。具体的には、Ｒ相の電源電圧の位相を基準とすると、パルスの立ち上がりが５π／６の位置である時にはＴ相（図３(e)）が、７π／６の位置である時にはＳ相（図３(d)）が、３π／２の位置である時にはＲ相（図３(c)）が、それぞれ欠相していることを区別できる。

一方、Ｒ相とＳ相、Ｒ相とＴ相、Ｓ相とＴ相の各２相が欠相した場合には、図１０〜１２に示すように電流は流れないため、フォトカプラ１１１の二次側は常に遮断状態になるため、図３(g)に示すように直流波形が観測される。そのため、図３(f)に示す正常時のパルス幅（λ／６）のパルス波形が、図３(g)に示す直流波形に変化したことを検知することにより、いずれか２相が欠相したことを検知できる。全ての相が欠相した場合も同様である。

以上のような原理に基づき、判定手段１２１が観測したパルス波形に基づき、欠相の内容を判定する判定フロー例を図１３に示す。まず、パルスの立ち上がり時刻を検知する（Ｓ１）。続いて、パルス幅を計測し（Ｓ２）、パルス幅の正常性を判定する（Ｓ３）。正常（λ／６）なパルス幅が観測されている間は、Ｓ１〜Ｓ３の各ステップを繰り返し実行する。パルス幅が正常でない場合は、パルス幅が１相欠相に対応するパルス幅（λ／２）であるか否かを判定する（Ｓ４）。もし、１相欠相に対応するパルス幅でない場合には、２相以上が欠相していると判定し、処理を終了する。一方、１相欠相に対応するパルス幅であった場合、この時点でいずれか１相が欠相していると判定できるが、更に、いずれの相が欠相しているかを判定する場合には、電源電圧に対する相対的な位相を検知することにより、Ｒ、Ｓ、Ｔのいずれの相が欠相しているかを特定し、処理を終了する（Ｓ５）。

以上のように本発明によれば、３相交流電源の欠相が１相であるか２相以上であるかを区別して確実に検出可能な、欠相検出回路および欠相検出方法を実現することができる。これにより、電源がオフ状態となったことを速やかに把握することができ、よって、平滑用キャパシタのディスチャージを速やかに実施することができる。

なお、欠相検出回路１００の各ダイオードの向きは、フォトカプラ１１１の一次側と順極性であればよいため、図１４に示すように、フォトカプラ１１１の一次側を含め、全て逆向きにしても構わない。

以上説明した欠相検出回路１００の各構成要素の機能分担や判定手段１２１の処理フローは、上記に限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

１０ 第１相電源線 ２０ 第２相電源線 ３０ 第３相電源線
４０ 整流回路 １００、１００´ 欠相検出回路
１０１ 第１ダイオード １０２ 第２ダイオード
１０３ 第３ダイオード １０４ 第４ダイオード
１０５ 第１抵抗 １０６ 逆電圧印加防止用ダイオード
１１１ フォトカプラ １２１ 判定手段 １２２ 第２抵抗

Claims (6)

1. ３相交流電源の第１相電源線と第２相電源線との間に接続される、第１ダイオードと第２ダイオードとの直列接続と、
   前記第２相電源線と第３相電源線との間に接続される、第３ダイオードと第４ダイオードとの直列接続と、
   一端が前記第１ダイオードと前記第２ダイオードとの接続点に接続され、他端が前記第３ダイオードと前記第４ダイオードとの接続点に接続される、第１抵抗とフォトカプラの一次側との直列接続と、
   を備え、
   各ダイオードは、前記フォトカプラの一次側と順極性となる向きに接続され、
   前記フォトカプラの二次側の一端は第２抵抗を介して電源に接続され、他端は接地され、
   前記フォトカプラの二次側の一端には、パルス波形を検知し、それに基づき欠相の有無を判定する判定手段が接続され、
   前記判定手段は、検知したパルス波形の相違により、欠相が無いか、１相あるか、又は２相以上あるかを区別して判定する欠相検出回路。
2. 請求項１に記載の欠相検出回路であって、
   前記判定手段は、検知したパルス波形のパルス幅の相違により、欠相が無いか、１相あるか、又は２相以上あるかを区別して判定する欠相検出回路。
3. 請求項２に記載の欠相検出回路であって、
   前記判定手段は、欠相が１相である場合に、いずれの相が欠相したかを、パルスの立ち上がり時の位相と電源電圧の位相とのずれの程度により特定する欠相検出回路。
4. ３相交流電源の第１相電源線と第２相電源線との間に接続される、第１ダイオードと第２ダイオードとの直列接続と、
   前記第２相電源線と第３相電源線との間に接続される、第３ダイオードと第４ダイオードとの直列接続と、
   一端が前記第１ダイオードと前記第２ダイオードとの接続点に接続され、他端が前記第３ダイオードと前記第４ダイオードとの接続点に接続される、第１抵抗とフォトカプラの一次側との直列接続と、
   を備え、
   各ダイオードは、前記フォトカプラの一次側と順極性となる向きに接続され、
   前記フォトカプラの二次側の一端は第２抵抗を介して電源に接続され、他端は接地され、
   前記フォトカプラの二次側の一端に、パルス波形を検知し、それに基づき欠相の有無を判定する判定手段が接続された
   欠相検出回路を用い、
   検知したパルス波形の相違により、欠相が無いか、１相あるか、又は２相以上あるかを区別して判定する欠相検出方法。
5. 請求項４に記載の欠相検出方法であって、
   パルスの立ち上がり時を検知する立ち上がり時検知ステップと、
   パルス幅を計測するパルス幅計測ステップと、
   パルス幅が正常値であるか否かを判定する正常性判定ステップと、
   パルス幅が正常値でない場合に、１相欠相に対応するパルス幅であるか否かを判定する１相欠相判定ステップと、
   を実行する欠相検出方法。
6. 請求項５に記載の欠相検出方法であって、
   欠相が１相である場合に、いずれの相が欠相したかを、パルスの立ち上がり時の位相と電源電圧の位相とのずれの程度により特定する欠相特定ステップ
   を更に実行する欠相検出方法。

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