JP3211596B2 - 電源監視装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交流電源に異常が発生
したときに、これを検出する電源監視装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来の電源監視装置においては、被監視
交流電圧を電源監視装置内部で扱える電圧に降圧するた
めにトランスを用い被監視電力を供給する側をトランス
の一次側に、電源監視装置をトランスの二次側に接続
し、両者間の巻数比が例えば１０：１程度になるように
設定することにより、一次側のコイルに供給された電圧
の約１／１０の電圧が二次側のコイルに生じるようにし
ていた。

【０００３】この従来の電源監視装置においては、電源
電圧が高まってゆきトランスの一次側コイルの鉄芯の磁
力飽和に達すると、上述のような一次側と二次側の電圧
間の正比例関係がくずれ、二次側コイルには正確に変換
された電圧が生じなくなるので、それ以上電源電圧が高
まった場合、たとえ電源電圧が正常であっても、異常電
圧発生として誤検出される恐れがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】トランスの飽和磁力は
鉄芯の質と大きさに比例するので、上記問題を回避する
には、透磁率の高い高品質で大きさの大きい鉄芯を用い
る必要があり、このような鉄芯を用いるとコストが増し
装置全体が大型化してしまうという問題がある。

【０００５】本発明は上記事情に基づいてなされたもの
であり、安価で小型の電源監視装置を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の電源監視装置は、フォトカプラ等の光電変
換手段によって、交流電源からの交流信号を交流電源と
電気的に絶縁し、かつ交流信号に比例した被監視信号に
変換する信号変換部と、上記信号変換部から出力される
被監視信号をアナログ信号からデジタル信号へと変換す
るＡ／Ｄ変換部と、上記Ａ／Ｄ変換部により変換された
上記被監視信号波形の異常を検出する電源異常検出部と
を備える。

【０００７】本発明の実施態様としての上記信号変換部
は、交流電源に接続しており第一の方向の電流を通す第
一の発光ダイオードと、上記第一の方向とは逆の第二の
方向の電流を通す第二の発光ダイオードとの、少なくと
も二つの発光ダイオードと、上記第一、第二それぞれの
発光ダイオードの発光に反応して電流が流れるフォトト
ランジスタとを備えるものがある。

【０００８】このタイプの信号変換手段を用いる場合に
は、電源異常検出部としては、デジタル信号に変換され
た被監視信号に対して、一周期毎に複数のサンプル点に
おける波高値を算出するサンプリング手段と、このサン
プリング手段により算出された各波高値を基に、前半１
／２周期と後半１／２周期それぞれについて所定の計算
を行い実効値を算出する実効値算出手段と、実効値算出
手段により算出された前半１／２周期、後半１／２周期
それぞれについての実効値を、あらかじめ前半１／２周
期と後半１／２周期それぞれについて定められた基準値
と比較し、各差のうち少なくとも一方の差が所定値以上
であれば、電源異常として検出する比較／判定手段とを
備える電源異常検出部であるのが望ましい。

【０００９】

【００１０】

【作用】本発明の電源監視装置の発明では交流電源から
の交流信号は、信号変換部において、フォトカプラ等の
光電変換手段によって光電変換され、一旦光信号に変換
された後再び電気信号に変換される。このように光電変
換を介することによって交流電源からの交流信号を交流
電源と電気的に絶縁したまま、交流電源の電圧よりも低
い電圧でかつ波形が交流電源の電圧波形と比例した被監
視信号を得ることができる。このように本発明では光電
変換手段を一種の電圧変換器として用いることにより、
従来のような磁気飽和の問題を解決している。信号変換
手段によって得られた被監視信号はＡ／Ｄ変換部に供給
されデジタル信号化される。デジタル化された被監視信
号は電源異常検出部により本来あるべき波形との違いを
判定されその波形に異常が発見された場合には異常を示
す信号が電源異常検出部から出力される。

【００１１】本発明の実施態様としての信号変換部にお
いては、交流電源からグラウンドの電位を基準にプラス
の電流が発生した場合は、上記第一の発光ダイオードが
導通して発光し、また交流電源からマイナスの電流が発
生した場合は、上記第二の発光ダイオードが導通して発
光し、これを受光した上記フォトトランジスタには、光
起電力効果と増幅作用によってエミッタ−コレクタ間に
電流が流れる。この発光の強度は上記電源からの交流電
圧の絶対値の増減に伴って増減し、またコレクタ出力電
圧は、上記発光強度の増減に伴って増減する。したがっ
て上記フォトトランジスタのコレクタの電圧の絶対値
は、電源からの交流電圧の絶対値に比例しているので、
このフォトトランジスタの出力電圧を監視することによ
って、一次側の交流電圧の異常を検出することができ
る。またこの場合比例定数を１／α（α＞１）に設定し
ておくことにより、フォトトランジスタの出力電圧は交
流信号の電圧の絶対値をα倍に降圧した値をとるので、
これにより比較的低電圧の回路で構成できる。

【００１２】このように交流信号の正負期間それぞれ別
々にｏｎ，ｏｆｆする発光ダイオードを用いる場合に
は、二つの発光ダイオードの特性の違いによって正しい
波形であるにもかかわらず正負期間で異なる波形になっ
てしまう恐れがある。そこで電源異常検出部として、一
周期毎に前半１／２周期と後半１／２周期とについて別
々に実効値を算出し、あらかじめ前半１／２周期と後半
１／２周期それぞれについて定められた基準値と比較す
ることにより、上記第一、第二の発光ダイオードそれぞ
れの発光量の特性を勘案して、半周期毎により細かく正
確に電圧異常を検出することができる。

【００１３】

【００１４】

【実施例】図１は本発明の一実施例の電源監視装置のブ
ロック図であり、また図２は該装置の信号変換部２の概
略図である。図１及び図２を用いてこの電源監視装置の
構成及び動作を説明する。本実施例にかかる電源監視装
置は、１００ＫＨｚ程度までの交流電源の電源監視に用
いられる。

【００１５】まず図１において該装置は、図２に示す信
号変換部２と、アナログ形式の被監視波をアナログ信号
からデジタル信号へと変換するＡ／Ｄ変換部であって、
サンプリング数が一周期当たり６４回で且つ８ビットの
分解能を有するＡ／Ｄ変換部３と、デジタル変換された
被監視波の波形異常を検出するＣＰＵ４と、基準波形の
各サンプリングポイントでの波高値が格納されているＲ
ＯＭ６と、デジタル変換された被監視波がＣＰＵ４を経
由して書き込まれるＲＡＭ５と、ＣＰＵ４で検出された
波形異常を知らせるための異常発生表示部７とを備え
る。

【００１６】また、図２において信号変換部２は、コン
セント１から交流波を該装置内に取り込み、取り込んだ
交流波を１／１０〜１／１００程度に降圧し、全波整流
処理を施すことにより該装置（二次側）を一次側から絶
縁し、該処理済の被監視波を出力するものであり、その
構成は、コンセント１から交流波の一周期のうち電圧が
正電圧期間にｏｎする第一の発光ダイオード１１と、第
一の発光ダイオード１１と逆向きに接続され電圧が負電
圧期間にｏｎする第二の発光ダイオード１２と、第一、
第二それぞれの発光ダイオードの発光に反応して電流が
流れる受光フォトトランジスタ１３とを有し、フォトト
ランジスタ１３のコレクタ側は抵抗値がＲ₀ （Ｒ₀ ＝数
百〜千Ω）程度の定抵抗１４を介して５Ｖ電源に接続さ
れている。またエミッタ側はグラウンドに接続してい
る。発光ダイオード１１，１２はコンセント１に入力さ
れる交流信号に比例した光量の光を発生し、トランジス
タ１３はこの光を受けて、受光量に比例した電圧の変化
をコレクタ端ｂに発生する。コレクタ端ｂの電圧の変化
が被監視波としてＡ／Ｄ変換部３に入力される。

【００１７】次に、該装置の動作説明をする。まず信号
変換部２に、コンセント１から１４１Ｖの交流波が取り
込まれると、初めの半周期は正電圧期間なのでダイオー
ド１１がｏｎし、ダイオード１２がｏｆｆし、図２の矢
印Ａ方向に電流が流れるので、第１の発光ダイオード１
１が発光するが、この発光量は交流波の電圧の絶対値の
増加に伴って増す。そしてこれを受光したフォトトラン
ジスタ１３には、光起電力効果と増幅作用によって、上
記発光量が強まるのに伴って増加する電流Ｉが流れ、こ
のフォトトランジスタ１３の電圧Ｖの変化が被監視波と
してＡ／Ｄ変換部３に取り込まれる。そして後半の半周
期は負電圧期間なので交流信号が信号変換部２に取り込
まれると、今度は第二の発光ダイオード１２が通電し、
第一の発光ダイオード１１がｏｆｆするので、矢印Ｂ方
向に電流が流れる。すると前半の半周期のときと同様に
フォトトランジスタ１３に電気が流れ、この電圧量の変
化が被監視波としてＡ／Ｄ変換部３に取り込まれる。

【００１８】以後、以上と同様のプロセスにより信号変
換部２に取り込まれた交流波を基に生成された被監視波
がＡ／Ｄ変換部３に取り込まれるが、電流Ｉは交流電圧
Ｖ’の絶対値に比例しており、またフォトトランジスタ
１３のコレクタ端の電圧Ｖは電流Ｉに比例しているの
で、電圧Ｖは交流電圧Ｖ’の絶対値に比例している。電
圧Ｖの変化、すなわち被監視信号は図３のようになる。

【００１９】その後被監視波はＡ／Ｄ変換部３に入力さ
れ、アナログ信号からデジタル信号へと変換される。こ
の際、被監視波のサンプリングの周期は、被監視波の周
期の６４倍であり、Ａ／Ｄ変換部３の分解能は８ビット
であるので、被監視波は一周期あたり６４回サンプリン
グされ、振幅方向には２⁸ ＝２５６分割される。サンプ
リングされたデータは次々とＣＰＵ４へと出力され、Ｃ
ＰＵ４からＲＡＭ５へ一周期分すなわち６４個のデータ
が格納される。

【００２０】ＲＯＭ６には予め定められ基準波のデータ
が格納されており、ＣＰＵ４内の比較ソフトウエアによ
りＲＡＭ５からは前記一周期分の被監視波データが、Ｒ
ＯＭ６からは基準波データがそれぞれ読み出され、両者
を比較することにより異常検出が行われ、電圧異常検出
の場合は異常発生表示部７に出力する。

【００２１】次に、ＣＰＵ４の比較ソフトウエアによる
電源異常監視方法を工程順に説明する。まず第一の方法
としては、格納された一周期分のデータをＣＰＵ４に読
み込み、それぞれのデータを２乗し、その２乗値を１周
期毎に積算し、この積算値を１／２乗して実効値を算出
する。ＲＯＭ６に格納されている基準値をＣＰＵ４に読
み出し、この実効値と基準値との差分値を検出し、その
値の絶対値が例えば基準値の１０％以上ならば電圧異常
と判断して異常発生表示部７に出力する。

【００２２】次に、第二の方法として、Ａ／Ｄ変換部３
に入力されてＲＡＭ５に格納された被監視波を１／２周
期毎にＣＰＵ４に読み込み、上記の様な方法で１／２周
期毎に実効値を算出してもよい。信号変化部２のダイオ
ードは、各個体毎に特性が異なる場合が多く、第一の発
光ダイオード１１と第二の発光ダイオード１２とでは、
たとえ流れる交流電流の電圧が等しくても発光量が異な
るためフォトトランジスタ１３の出力電圧が異なり、被
監視波は、一周期のうち前半の半周期と後半の半周期と
の振幅が異なる可能性が高い。

【００２３】そこで、このように１／２周期毎に実効値
を算出し、各発光ダイオードの特性に応じて電源交流波
がプラスのときの１／２周期、マイナスのときの１／２
周期それぞれに対して基準値を設けることにより正確な
異常検出を行うことができる。この場合、ＲＡＭ５か
ら、被監視波の先頭から所定数周期分のデータをＣＰＵ
４に読み出し、ＲＯＭ６からは、第一の発光ダイオード
１１、第二の発光ダイオード１２それぞれの発光量特性
を考慮してあらかじめ定められている電源交流波がプラ
スの半周期のときの被監視波の実効値に対する第一の基
準値と、マイナスの半周期のときの被監視波の実効値に
対する第二の基準値とを読み出す。

【００２４】そして上記数周期分の各周期毎の前半の半
周期と後半の半周期との実効値をそれぞれ算出して、第
一の基準値と各前半半周期の実効値、また第二の基準値
と各後半半周期の実効値との各差分を算出し、その差分
の符号が交互に、＋、−、＋、−... と続いていれば、
この一周期がマイナスから始まっていると判定する。ま
た差分の符号がほぼ０で続いていれば、プラスから始ま
っていると判定する。

【００２５】プラスから始まっている場合、すなわち前
半の半周期が第一の発光ダイオード１１を通過している
場合には、第１の基準値と前半の半周期分の実効値とを
上記と同様の要領で比較して異常検出を行い、第二の基
準値と後半の半周期分の実効値とを比較して異常検出を
行って、以降に続く周期についても同様に前半の半周期
分は第一の基準値と、後半の半周期分は第二の基準値と
それぞれ比較／異常検出する。またこの一周期がマイナ
スから始まっている場合には、前半の半周期分は第二の
基準値と、後半の半周期分は第一の基準値とそれぞれ比
較／異常検出する。

【００２６】更に第三の方法としては、ＲＯＭ６に予め
定めた一周期分の基準波を格納しておき、Ａ／Ｄ変換部
３に入力されてＲＡＭ５に格納された被監視波を、一周
期分ＣＰＵ４に読み込み、またＲＯＭ６からは基準波形
を取り込む。そして被監視波の各サンプリング点におけ
るデータ値から、そのサンプリング点に対応する基準波
形のデータ値を引き差分値を算出する。次にこれらの差
分値の絶対値を積算して積算値を求め、この積算値が所
定値以上である場合か、または前記各サンプリング点に
おける差分値のうち、その値の絶対値が所定値以上のも
のがある場合か、少なくともどちらか一方の場合には、
電圧異常と判断して異常発生表示部７に出力する。

【００２７】これにより、各サンプル点毎ではわずかな
差があるだけでも、一周期全体に亘って電圧の低下もし
くは上昇が生じているために機器の動作に影響を及ぼす
可能性のある場合は、異常として的確に検出することが
でき、また逆に、一周期全体で判定した場合にはわずか
なズレがあるだけでも、局部的にたとえば二三のサンプ
ル点において著しい電圧低下もしくは上昇が生じている
ために機器の動作に影響を及ぼす可能性のある場合に
は、異常として的確に検出することができる。このよう
にして更に細かく正確に電圧異常を検出することができ
る。

【００２８】上記第一の方法において、交流波は１／４
周期毎に対称な波形になっているので、半波長分３２サ
ンプルポイントのデータを持たなくても１６サンプルポ
イントのデータを保持しておき１／４波長毎に読み出し
アドレス順を切り替えて使用すればメモリを節約でき
る。

【００２９】また、上記第二の方法において、交流波は
１／４波長毎に対称な波形になっているので、１／４周
期と３／４周期における基準値を保持しておき、前半１
／２周期と後半１／２周期それぞれにおいて１／４波長
毎に読み出しアドレス順を切り替えて使用すればよい。

【００３０】また図４は、本発明にかかる電源監視装置
の信号変換部の別実施例のブロック図である。この信号
変換部は、ブリッジ型全波整流回路１５と、ブリッジ型
全波整流回路１５に接続され、フォトトランジスタ１３
に光起電力を与えるための発光ダイオード１６とを備え
る。コンセント１からの交流波はブリッジ型全波整流回
路１５を通過することにより、発光ダイオード１６には
常に同じ方向に電流が流れるので、正電圧期間と負電圧
期間のどちらの場合も発光ダイオード１６がｏｎにな
り、この発光ダイオード１６の光の強度に伴ってフォト
トランジスタ１３に電気が流れる。この実施例では被監
視交流波の正電圧期間、負電圧期間での光電変換特性に
差が無いので図２に実施例で説明したような正電圧期間
での基準波と負電圧期間での基準波のデータを別々に持
つ必要がなくなる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、発
光ダイオードとフォトトランジスタとを用いて安価で小
型の信号変換部を実現し、更に信号変換部に設けられる
互いに逆向きの二つの発光ダイオードそれぞれの発光特
性の違いを考慮した被監視信号波形判定を行うことによ
り、安価で小型／軽量の電源監視装置を、性能を低下さ
せることなく実現することができる。

【００３２】あるいは、信号変換部にブリッジ型全波整
流回路とそれに接続する発光ダイオードとを備えること
により、上記の様に異なる発光ダイオードの特性を考慮
する必要なく上記と同様な効果を持つ電源監視装置を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における電源監視装置のブロック図であ
る。

【図２】本発明における電源監視装置の信号変換部の概
略図及び電源からの交流波の概略図である。

【図３】本発明においてＡ／Ｄ変換部に取り込まれた被
監視波の概略図である。

【図４】本発明における第二の実施例の電源監視装置の
信号変換部の概略図である。

【符号の説明】

１ コンセント ２ 信号変換部 ３ Ａ／Ｄ変換部 ４ ＣＰＵ ５ ＲＡＭ ６ ＲＯＭ ７ 異常発生表示部 １１ 第一の発光ダイオード １２ 第二の発光ダイオード １３ フォトトランジスタ １４ 定抵抗 １５ ブリッジ型全波整流回路 １６ 発生ダイオード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02H 3/50 H02H 7/20 H02H 3/20 - 3/253 H02H 3/00 - 3/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源に接続され、互いに逆接続され
   た一対の発光ダイオードと、上記発光ダイオードの発光
   に反応して電流が流れるフォトトランジスタとを有し、
   上記フォトトランジスタの出力を検出することにより、
   前記交流電源と電気的に絶縁され、かつ波形が前記交流
   電源の信号波形に比例する被監視信号を生成する信号変
   換手段と、 上記信号変換部から出力される被監視信号をアナログ信
   号からデジタル信号へと変換するＡ／Ｄ変換部と、 上記Ａ／Ｄ変換部により上記デジタル信号に変換された
   被監視信号に対して、一周期毎に複数のサンプル点にお
   ける波高値を算出するサンプリング手段と、上記サンプ
   リング手段により算出された各波高値を基に、前半１／
   ２周期と後半１／２周期それぞれについて所定の計算を
   行い実効値を算出する実効値算出手段と、上記実効値算
   出手段により算出された前半１／２周期、後半１／２周
   期それぞれについての実効値を、あらかじめ前半１／２
   周期と後半１／２周期それぞれについて定められた基準
   値と比較し、各差のうち少なくとも一方の差が所定値以
   上であれば、電源異常として検出する比較／判定手段と
   を有する電源異常検出部と、 を備える電源監視装置。
2. 【請求項２】 交流電源に接続され、互いに逆接続され
   た一対の発光ダイオードと、上記発光ダイオードの発光
   に反応して電流が流れるフォトトランジスタとを有し、
   上記フォトトランジスタの出力を検出することにより、
   前記交流電源と電気的に絶縁され、かつ波形が前記交流
   電源の信号波形に比例する被監視信号を生成する信号変
   換手段と、 上記信号変換部から出力される被監視信号をアナログ信
   号からデジタル信号へと変換するＡ／Ｄ変換部と、 上記Ａ／Ｄ変換部により、上記デジタル信号に変換され
   た被監視信号に対して、上記被監視信号の一周期毎に複
   数のサンプル点における波高値を算出するサンプリング
   手段と、上記サンプリング手段により算出された波高値
   と、あらかじめ定められている基準波形のそのサンプル
   点における波高値との差分を検出する差 分検出手段と、
   各サンプル点毎に求められた差分を一周期毎に積算する
   積算手段と、上記積算手段により求められた積算値をあ
   らかじめ定められている基準値と比較し、両者の差分が
   所定値以上である場合、電源異常と判定する第一の判定
   手段と、上記差分検出手段により求められた各サンプル
   点毎の差分のうち少なくとも一つのサンプル点における
   差分が所定値以上であれば、電源異常と判定する第二の
   判定手段とを有する電源異常検出部と、 を備える電源監視装置。