JP2021117132A

JP2021117132A - 交流電源の電圧監視装置

Info

Publication number: JP2021117132A
Application number: JP2020011358A
Authority: JP
Inventors: 和之土屋; Kazuyuki Tsuchiya
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2020-01-28
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2021-08-10

Abstract

【課題】交流電源の周波数によらずに、該交流電源の電圧変動を適切に監視することができる装置を提供する。【解決手段】電圧監視装置１は、交流電源ＡＣの電圧を整流して平滑化することにより直流電圧を生成する直流電圧生成回路１０と、一定の周波数及び一定の振幅値を有する三角波電圧を生成する三角波電圧生成回路２０と、生成された直流電圧と三角波電圧とを比較し、直流電圧よりも三角波電圧が大きくなる期間、又は、直流電圧よりも該三角波電圧が小さくなる期間の時間幅と同じパルス幅を有して該期間に同期するパルス電圧を生成するパルス電圧生成回路３０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源の電圧変動を監視する装置に関する。

商用電源等の交流電源の電圧の変動を監視する技術として、従来、例えば特許文献１に見られる技術が知られている。この技術では、交流電源の電圧（交流電圧）を分圧してなる電圧を所定の閾値と比較することで、該電圧が閾値以上となる時間幅を有するパルスを生成し、このパルスの時間幅に基づいて、交流電源の電圧変動を監視する。

特開２０１９−４８３６３号公報

しかしながら、特許文献１に見られる技術では、交流電源の電圧を分圧してなる電圧が閾値以上となる時間幅は、交流電源の電圧変動だけでなく、交流電源の周波数の影響も受ける。そして、例えば日本国内では、交流電源としての商用電源の周波数として、５０Ｈｚと６０Ｈｚとの２種類の周波数が用いられる。

このため、交流電源としての商用電源の電圧変動を、特許文献１に見られる技術を用いて監視する場合、商用電源の周波数に応じて互いに異なる評価基準を用いる必要がある。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、交流電源の周波数によらずに、該交流電源の電圧変動を適切に監視することができる装置を提供することを目的とする。

本発明の交流電源の電圧監視装置は、交流電源の電圧を整流して平滑化することにより直流電圧を生成する直流電圧生成回路と、
一定の周波数及び一定の振幅値を有する三角波電圧を生成する三角波電圧生成回路と、
前記直流電圧生成回路及び前記三角波電圧生成回路で各々生成された直流電圧と三角波電圧とを比較し、該直流電圧よりも該三角波電圧が大きくなる期間、又は、該直流電圧よりも該三角波電圧が小さくなる期間の時間幅と同じパルス幅を有して該期間に同期するパルス電圧を生成するパルス電圧生成回路とを備えることを特徴とする。

かかる本発明によれば、直流電圧生成回路が生成する直流電圧は、交流電源の電圧を整流して平滑化することにより生成されるので、該交流電源の周波数によらずに、該交流電源の電圧に応じた大きさの電圧値を有するものとなる。

このため、前記パルス電圧生成回路が、上記直流電圧と、前記三角波電圧との比較に基づいて生成するパルス電圧のパルス幅は、該交流電源の周波数によらずに、該交流電源の電圧に応じた時間幅となる。従って、交流電源の周波数によらずに、上記パルス電圧のパルス幅から、交流電源の電圧を特定することが可能となる。

よって、本発明によれば、交流電源の周波数によらずに、該交流電源の電圧変動を適切に監視することができる。

本発明では、前記パルス電圧生成回路で生成されたパルス電圧が入力され、該パルス電圧に同期したパルス信号を生成するフォトカプラと、該フォトカプラにより生成されたパルス信号から前記パルス電圧のパルス幅を検知する検知回路とをさらに備えることが好ましい。

これによれば、直流電圧生成回路、三角波電圧生成回路及びパルス電圧生成回路を備える回路ユニットと、前記検知回路を備える回路ユニットとを電気的に絶縁させることができるので、直流電圧生成回路、三角波電圧生成回路及びパルス電圧生成回路を備える回路ユニット側で漏電等が生じても、その影響で前記検知回路が損傷を受けるような事態が生じるのを防止することができる。

本発明の実施形態の電圧監視装置の回路構成を示す図。図２Ａ及び図２Ｂは、図１に示す直流電圧生成回路、三角波電圧生成回路及パルス電圧生成回路でそれぞれ生成される電圧の波形を例示するグラフ。交流電源の電圧とパルス電圧のパルス幅との関係を例示するグラフ。

本発明の一実施形態を図１〜図３を参照して説明する。本実施形態の電圧監視装置１は、商用電源等の交流電源ＡＣの電圧（交流電圧）を整流して平滑化してなる直流電圧を生成する直流電圧生成回路１０と、三角波電圧を生成する三角波電圧生成回路２０と、パルス電圧を生成するパルス電圧生成回路３０とが実装された一次側（高圧側）回路ユニット２と、パルス電圧のパルス幅を検知する機能を有する検知回路４０が実装された二次側（低圧側）回路ユニット３とを備える。

直流電圧生成回路１０は、図示を省略する複数のダイオードにより構成される全波整流回路１１と、平滑化コンデンサ１２と、直列接続された一対の抵抗素子１３ａ，１３ｂにより構成された分圧回路１３とを備え、交流電源ＡＣからコンセント等を介して入力される交流電圧を全波整流回路１１により全波整流し、その整流後の電圧を平滑化コンデンサ１２で平滑化し、さらに、その平滑化後の直流電圧を分圧回路１３で分圧して出力するように構成されている。

この場合、直流電圧生成回路１０の平滑化コンデンサ１２で平滑化された電圧は、全波整流回路１１に交流電源ＡＣから入力される交流電圧の周波数によらずに、該交流電圧の振幅値にほぼ比例する大きさの直流電圧になる。従って、直流電圧生成回路１０が分圧回路１３から出力する電圧も、交流電源ＡＣの交流電圧の周波数によらずに、該交流電圧の振幅値にほぼ比例する大きさの直流電圧である。

三角波電圧生成回路２０は、公知の構成の回路であり、オペアンプ２１と、オペアンプ２１の出力端子と正入力端子および負入力端子のそれぞれとの間に各々接続された抵抗素子２２，２３と、オペアンプ２１の負入力端子と一次側回路ユニット２の基準電位部５との間に接続されたコンデンサ２４とを備える。

オペアンプ２１の正入力端子には、交流電源ＡＣの交流電圧から定電圧レギュレータ６により生成された定電圧（例えば１５Ｖの定電圧）を、直列接続された一対の抵抗素子７ａ，７ｂにより構成された分圧回路７で分圧してなる定電圧（例えば７．５Ｖ）が入力される。また、オペアンプ２１には、定電圧レギュレータ６の出力電圧が電源電圧として印加される。なお、定電圧レギュレータ６は、例えばスイッチングレギュレータ等により構成され得る。

上記の如く構成された三角波電圧生成回路２０では、コンデンサ２４の充放電が周期的に繰り返されつつ、該コンデンサ２４の充電電圧（＝オペアンプ２１の負入力端子の入力電圧）が、図２Ａ又は図２Ｂに例示するように、一定周期及び一定振幅の三角波電圧になる。そして、三角波電圧生成回路２０は、この三角波電圧をコンデンサ２４の正極側から出力するように構成されている。

パルス電圧生成回路３０は、オペアンプにより構成された比較回路３１を備える。この比較回路３１の２つの入力端子である正入力端子および負入力端子の一方の端子（例えば正入力端子）に三角波電圧生成回路２０から三角波電圧が入力され、他方の端子（例えば負入力端子）に、直流電圧生成回路１０から直流電圧が入力される。この場合、比較回路３１には定電圧レギュレータ６の出力電圧が電源電圧として印加される。

そして、比較回路３１は、入力された三角波電圧及び直流電圧のそれぞれの電圧値の大小の比較結果を示すパルス電圧（高低２値レベルの矩形波電圧）を抵抗素子３２を介して出力する。本実施形態では、比較回路３１は、図２Ａ又は図２Ｂに例示するように、直流電圧生成回路１０から入力される直流電圧が三角波電圧生成回路２０から入力される三角波電圧よりも大きい期間では低レベルの電圧を出力し、直流電圧生成回路１０から入力される直流電圧が三角波電圧生成回路２０から入力される三角波電圧よりも小さい期間では高レベルのパルス電圧を出力する。

従って、パルス電圧生成回路３０は、直流電圧生成回路１０から入力される直流電圧よりも、三角波電圧生成回路２０から入力される三角波電圧が大きくなる期間で、該期間の時間幅と同じパルス幅Ｔonを有するパルス電圧を生成して出力するように構成されている。

なお、図２Ａにおいて、パルス電圧生成回路３０に直流電圧生成回路１０から入力される直流電圧の電圧値Ｖdc1は、図２Ｂにおいて、パルス電圧生成回路３０に直流電圧生成回路１０から入力される直流電圧の電圧値Ｖdc2よりも大きい電圧値である。このため、図２Ａでのパルス電圧のパルス幅Ｔonは、図２Ｂでのパルス電圧のパルス幅Ｔonよりも小さいものとなっている。

補足すると、図１に示した回路では、比較回路３１の正入力端子と負入力端子とに、三角波電圧生成回路２０から出力される三角波電圧と直流電圧生成回路１０から出力される直流電圧とを各々入力するようにしたが、これと逆に、比較回路３１の正入力端子と負入力端子とに、直流電圧生成回路１０から出力される直流電圧と三角波電圧生成回路２０から出力される三角波電圧とを各々入力するようにしてもよい。このようにした場合には、パルス電圧生成回路としての比較回路３１は、直流電圧生成回路１０から入力される直流電圧よりも、三角波電圧生成回路２０から入力される三角波電圧が小さくなる期間で、該期間の時間幅と同じパルス幅を有するパルス電圧を生成して出力する。

検知回路４０は、例えばマイクロコンピュータ、あるいは、カウンタ回路等により構成され、パルス電圧生成回路３０から出力されるパルス電圧に同期した低電圧のパルス信号（例えば５Ｖのパルス信号）が入力される。この場合、本実施形態の電圧監視装置１は、発光素子としてのフォトダイオード４５ａと受光素子としてのフォトトランジスタ４５ｂとを含むフォトカプラ４５を備えている。

そして、このフォトカプラ４５のフォトダイオード４５ａが、一次側回路ユニット２に実装されると共に、比較回路３１の出力端子と一次側回路ユニット２の基準電位部５との間で抵抗素子３２と直列に接続されている。また、フォトカプラ４５のフォトトランジスタ４５ｂが、二次側回路ユニット３に実装されると共に、該フォトトランジスタ４５ｂのコレクタが二次側回路ユニット３の定電圧の電源電位部４１（例えば５Ｖの電源電位部４１）に接続され、エミッタが二次側回路ユニット３の接地電位部としての基準電位部４２に抵抗素子４６を介して接続されている。

そして、フォトトランジスタ４５ｂのエミッタと基準電位部４２との間に生じる電圧（＝抵抗素子４６に発生する電圧）が検知回路４０に入力される。この場合、フォトカプラ４５のフォトダイオード４５ａは、比較回路３１からパルス電圧が出力される期間で発光し、これに応じてフォトトランジスタ４５ｂのエミッタ・コレクタ間が導通する。このため、比較回路３１が出力するパルス電圧に同期したパルス信号が、フォトトランジスタ４５ｂのエミッタから検知回路４０に出力される。そして、検知回路４０は、このようにフォトトランジスタ４５ｂから入力されるパルス信号のパルス幅（＝比較回路３１から出力されるパルス電圧のパルス幅Ｔon）を検知し得るように構成されている。

本実施形態の電圧監視装置１は、以上の如く構成されているので、直流電圧生成回路１０が生成して出力する直流電圧のレベル（電圧値）は、交流電源ＡＣの電圧（交流電圧）の周波数によらずに、該電圧の振幅値に応じたものとなる。すなわち、交流電源ＡＣの電圧の振幅値が大きいほど、直流電圧生成回路１０から出力される直流電圧が大きくなるようにして、該直流電圧が生成される。

このため、パルス電圧生成回路３０を構成する比較回路３１が、入力される直流電圧と三角波電圧との比較に応じて生成するパルス電圧のパルス幅Ｔonは、交流電源ＡＣの電圧（交流電圧）の周波数によらずに、該電圧の振幅値に応じて単調に変化するものとなる。具体的には、本実施形態では、上記パルス電圧のパルス幅Ｔonは、図３に示すように、交流電源ＡＣの電圧（振幅値）が大きいほど、小さくなる。

そして、検知回路４０は、比較回路３１から出力されるパルス電圧に同期して入力されるパルス信号のパルス幅を、比較回路３１から出力されるパルス電圧のパルス幅Ｔonとして検知する。この場合、パルス幅Ｔonは、上記のように、交流電源ＡＣの周波数によらずに、該交流電源ＡＣの電圧（振幅値）に応じて変化するので、パルス幅Ｔonの検出値から、交流電源ＡＣの電圧を特定することができる。

より具体的には、例えば、交流電源ＡＣの電圧とパルス幅Ｔonとの関係を示すマップ又は演算式をあらかじめ作成しておけば、このマップ又は演算式と、パルス幅Ｔonの検出値とから、交流電源ＡＣの電圧を特定することができる。

なお、交流電源ＡＣが、例えば給湯器等の燃焼機器のファンモータの電源として使用するものである場合には、上記のように特定される交流電源ＡＣの電圧を、ファンモータの制御などに活用することが可能である。

以上のように、本実施形態によれば、直流電圧生成回路１０により生成される直流電圧と、三角波電圧生成回路２０により生成される三角波電圧とをパルス電圧生成回路３０を構成する比較回路３１で比較することにより生成されるパルス電圧のパルス幅Ｔonを検知することで、交流電源ＡＣの周波数によらずに、該交流電源ＡＣの電圧を特定することができる。ひいては、交流電源ＡＣの電圧の変動を、交流電源ＡＣの周波数によらずに、適正に監視することができる。

また、本実施形態では、マイクロコンピュータ等により構成される検知回路４０に入力されるパルス信号は、パルス電圧生成回路３０により生成されるパルス電圧から、フォトカプラ４５を介して生成される信号であるので、一次側回路ユニット２と二次側回路ユニット３との絶縁性を確保できる。このため、一次側回路ユニット２で漏電等が生じても、その影響で二次側回路ユニット３の検知回路４０等が損傷を受けるのを防止できる。

なお、以上説明した実施形態では、三角波電圧生成回路２０として、図１に示した回路構成のものを採用したが、三角波電圧生成回路２０は、他の構成のものであってもよい。

１…電圧監視装置、１０…直流電圧生成回路、２０…三角波電圧生成回路、３０…パルス電圧生成回路、４０…検知回路、４５…フォトカプラ、ＡＣ…交流電源。

Claims

交流電源の電圧を整流して平滑化することにより直流電圧を生成する直流電圧生成回路と、
一定の周波数及び一定の振幅値を有する三角波電圧を生成する三角波電圧生成回路と、
前記直流電圧生成回路及び前記三角波電圧生成回路で各々生成された直流電圧と三角波電圧とを比較し、該直流電圧よりも該三角波電圧が大きくなる期間、又は、該直流電圧よりも該三角波電圧が小さくなる期間の時間幅と同じパルス幅を有して該期間に同期するパルス電圧を生成するパルス電圧生成回路とを備えることを特徴とする交流電源の電圧監視装置。
請求項１記載の交流電源の電圧監視装置において、
前記パルス電圧生成回路で生成されたパルス電圧が入力され、該パルス電圧に同期したパルス信号を生成するフォトカプラと、該フォトカプラにより生成されたパルス信号から前記パルス電圧のパルス幅を検知する検知回路とをさらに備えることを特徴とする交流電源の電圧監視装置。