JP4160983B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は交流電力を直流電力に変換する電源装置に係り、特に交流電源半周期に一回もしくは複数回の短絡動作で電源電流波形を正弦波状に制御して力率改善を行う電源装置に関する。

交流電源の電源半周期に一回の短絡動作を行って入力電流波形を正弦波状に制御し力率改善を行う電源装置が、特開２００２−１０１５５０号公報に開示されている。特開2002−１０１５５０号公報には力率改善方法と、全波整流回路と倍電圧整流回路を切り替える回路構成の電源装置が記載されていて、前記電源装置の過電圧や過電流時の保護動作が記載されている。

前記従来技術では、整流回路出力側の直流電流や短絡回路の電流の値が所定値を超えたら短絡動作を停止し、短絡回路を過電流から保護し、同時に整流回路構成を全波整流回路に切り替え、空調機用モータ制御装置などのシステムを初期状態に戻す処理を記載している。

特開２００２−１０１５５０号公報

前記特開２００２−１０１５５０号公報に記載の従来技術では、交流電源の異常時のように電源周期が検出できない場合の保護方法や、交流電源の異常検出方法については記載がない。言い換えると、前記従来技術のように交流電源の電源周期（零クロス信号）に同期して短絡回路の短絡動作を行う力率改善方法では、交流電源の電源周期(零クロス信号)が正しく得られていることを前提にしているために、誤った電源周期（零クロス信号）を基に短絡動作を行うと過電流や短絡回路の破壊等の不都合を招く。

一般的に過電流時の保護は速い動作が要求されるため、過電流検出回路も瞬時に動作する設定となっている。このため、外来ノイズ等の影響を受けやすく誤検出する可能性が大きい。しかし、前記従来技術では、過電流検出回路の誤検出時の誤動作防止については考慮されていない。

さらに、前記従来技術では過電流保護動作を行うと同時に空調機用モータ制御装置などのシステムを初期状態に戻しているが、過電流保護動作が動作するたびに初期状態に戻っていてはシステムの動作を継続できない。空調機用モータ制御装置を例に説明すると、いったん過電流保護動作が動作すると、モータ制御装置はモータを停止（初期状態に設定）させ再度起動を行うが、空調機の圧縮機駆動用モータ制御装置では圧縮機の負荷（圧力）をバランスさせるため３分間停止する。このため、空調機は３分間仕事をしないことになり、使用者に不快感を与える。

本発明の目的は交流電源の異常を検出し短絡動作を停止する電源装置を提供することである。

本発明の電源装置は、交流電源の異常を正しく検出する。交流電源の異常には瞬停，停電,周波数変動,電圧変動がある。さらに、日本の場合、商用交流電源の周波数は５０Ｈｚと６０Ｈｚとがあるので、電源周波数の検出と自動認識（設定）も必要である。

本発明の電源装置は、交流電源の零クロス点を検出する零クロス検出回路からの零クロス信号の入力周期を測定し入力周期が所定値、例えば６０Ｈｚ電源の場合８.３３３ｍｓ 、５０Ｈｚ電源の場合１０ｍｓ、もしくは所定の範囲、例えば６０Ｈｚ電源の場合８.３ｍｓ から８.３６ｍｓ 、５０Ｈｚ電源の場合９.９６ｍｓ から１０.０４ｍｓ 以外の場合に短絡回路の短絡動作を停止する。

本発明の電源装置は、零クロス信号の入力信号の入力周期が変化したときに短絡回路の短絡動作を停止する。

本発明の電源装置は、零クロス信号の入力信号が所定の時間入力されないときに短絡回路の短絡動作を停止する。

本発明の電源装置は、零クロス信号の入力時点から第１の所定時間以降第２の所定時間までの範囲に零クロス信号の入力がない時に短絡回路の短絡動作を停止する。

本発明の電源装置は、零クロス信号の入力時点から所定の時間だけ次の零クロス信号の入力を受け付けない。

本発明の電源装置は、零クロス信号の入力時点から第１の所定時間以降第２の所定時間までの範囲に前記零クロス信号の入力が無いと、零クロス信号が異常であると判断し零クロス信号を受け付けない。

本発明の電源装置は、検出した零クロス信号の入力周期から所定値もしくは所定の範囲を決定することにより自動的に電源の周期（周波数）を設定できる。

本発明の電源装置は、電源に異常があるときには短絡回路の短絡動作を速やかに停止し、交流電源の異常による誤動作を防止できる。

本発明の電源装置は、短絡回路が短絡している期間にのみ過電流検出信号を受け付け、システム停止を含む過電流保護動作を行う。

本発明の電源装置は、前記保護動作の動作時間を積算もしくは動作回数をカウントし、その値が所定値に達したところでシステムを停止もしくはシステムに異常信号を出力する。また、本発明の電源装置は、前記カウントを保護動作が連続的に続いた期間もしくは回数として、システムの停止頻度を最小限に抑える。

以上説明したように本発明の電源装置を用いれば、交流電源異常時の保護が容易にできる。また、外来ノイズ等の大きな環境でも保護動作の誤動作を防げ、システムの安定性に貢献できる。さらに、保護動作発生時の頻繁なシステムの停止を防止でき安定したシステムの動作ができる。

以下、本発明の電源装置について、図面を用いて詳しく説明する。各図面の同じ符号は同じ構成要素を示す。

本実施例の電源装置は、交流電源の電源半周期に１回もしくは複数回リアクトルを介して交流電源を短絡し、電源の力率を改善する。図１に本実施例の電源装置１３を示す。図１は、電源装置１３のインバータ回路７に空調機圧縮機駆動用のモータ８を接続した空調機の圧縮機駆動用モータの制御装置の場合の回路構成を示す。

図１に示す本実施例の電源装置１３は交流電源１の一方の端子に接続されたリアクトル２と、リアクトル２を介して交流電源１を短絡するように接続した短絡回路３と、リアクトル２を介して接続している、交流を直流に変換する整流回路４と、整流回路４を全波整流回路構成と倍電圧整流回路構成とに切替える切替スイッチ５と、平滑回路６とを備えており、短絡回路３と切替スイッチ５は、制御回路９が出力する短絡信号３Ｓと切替信号
５Ｓとによって動作する。

図１に示すように、制御回路９には、交流電源１の電圧がゼロになる零クロス点を検出する零クロス検出回路１０が出力する零クロス信号１０Ｓと、電源装置１３に流入する電流を検出する入力電流検出回路１１が出力する入力電流値11Ｓとが入力される。前記各信号は短絡回路３と、切替スイッチ５とを制御するために使用する。

短絡回路３は双方向に電流が流せる双方向スイッチであり、本実施例ではダイオードブリッジ回路と、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどの電力半導体スイッチング素子とを備えている。切替スイッチ５も短絡回路３と同様に双方向スイッチであり、本実施例ではパワーリレーである。平滑回路６は図１に示すように平滑コンデンサを直列接続しており、中間点が切替スイッチ５に接続していて、切替スイッチ５で全波整流回路構成と倍電圧整流回路構成とに切り替える。

モータ８の回転数制御は制御回路９内のソフトウエア処理で行い、ＰＷＭ信号７Ｓでインバータ回路７を駆動する。本実施例ではモータ制御の方法についての詳細な説明は省略するが、インバータ回路７に流入する直流電流を抵抗１２Ａと直流電流検出回路１２とで検出し、その出力である直流電流値１２Ｓを制御回路９に入力してモータ８に流れるモータ電流を再現し、そのモータ電流情報を基にベクトル制御を行って、モータの回転数とトルクとを制御する。

次に図２と、図３とを用いて本実施例の電源回路の力率改善動作と短絡信号の発生方法を説明する。図２は交流電源１の電源電圧と入力電流と、零クロス信号１０Ｓと、短絡信号３Ｓとの時間変化を示した波形図である。以下、本実施例では電源周波数の半周期に一回短絡動作を行う場合を説明するが、電源周波数の半周期に複数回短絡動作をする場合も同様である。

図２に示すように零クロス信号１０Ｓは、電源電圧の零点で「Ｈ」と「Ｌ」とが反転する矩形波信号であり、信号が反転するエッジ部分が零クロス点である。短絡信号３Ｓは、零クロス信号１０Ｓのエッジ部分を基準にディレイ時間Ｔｄ，パルス幅Ｔｐとなるパルスである。ここで、ディレイ時間Ｔｄとは零クロス点（基準点）から短絡動作を開始するまでの時間、パルス幅Ｔｐとは短絡している時間を示す。短絡信号３Ｓで短絡回路３を動作させると、図２に示すように電源装置１３の入力電流の通流幅が増加するので力率が向上する。

本実施例の制御回路９は市販のシングルチップマイクロコンピュータ（以下マイコンと呼ぶ）を用い、全ての処理をソフトウエアで処理した。図３に、零クロス信号１０Ｓと、前記マイコン内のフリーランタイマの値と、このフリーランタイマ値と逐次比較を行い一致した時に割込を発生するアウトプットコンペアマッチレジスタ（以下ＯＰレジスタと呼ぶ）の値と、短絡信号３Ｓとを時系列に示す。

時刻Ｔ０で零クロス信号１０Ｓが反転すると、第１の割込処理によりＯＰレジスタにディレイ時間ＴｄのデータＤ０が書き込まれる。時刻Ｔ１でフリーランタイマの値とＯＰレジスタの値とが一致して第２の割込処理が起動され、短絡信号３Ｓを「Ｈ」出力すると同時に前記ＯＰレジスタにパルス幅ＴｐのデータＤ１が書き込まれる。

時刻Ｔ２では再度フリーランタイマの値とＯＰレジスタの値とが一致して第３の割込処理が起動され短絡信号３Ｓを「Ｌ」出力にする。この後は、再度零クロス信号１０Ｓの反転が発生するまで短絡信号３Ｓは「Ｌ」出力を維持する。ここで、短絡信号３Ｓは「Ｈ」が短絡、「Ｌ」が開放を意味する。前記動作を零クロス信号１０Ｓが入力（反転）する度に繰り返して電源周波数の半周期毎に所定の短絡動作を続ける。

本実施例の電源装置１３が交流電源１の異常を検出し、短絡動作を停止する保護方法を説明する。図４は、交流電源１の電源電圧波形と電源電圧から作成される零クロス信号
１０Ｓと、零クロス信号１０Ｓの入力に応じて動作する割込処理の動作を禁止する割込マスク信号とを示し、瞬停や重畳ノイズなどで電圧歪みが生じて零クロス信号１０Ｓにチャタリングが発生した場合を示す。図４に示すように零クロス信号１０Ｓがチャタリングを起こすと、割込処理が続けて起動され所定のタイミングの短絡動作ができなくなり過電流等を発生するおそれがある。

そこで、図４に示すように、零クロス信号１０Ｓの入力（反転）後の一定時間、零クロス信号に伴う割込処理を実行しない、言い換えると、割込マスク時間Ｔｍの間、零クロス信号１０Ｓを受け付けない割込マスク信号を発生する。割込マスク信号処理により、電源環境が悪くても零クロス信号の誤検出による短絡動作の誤動作を無くし、過電流発生やシステム停止を予防し、正規の動作を維持できる。なお、零クロス検出回路１０の出力特性が悪く零クロス信号１０Ｓがチャタリングを起こす回路構成である場合にも前記割込マスク信号処理が有効である。

図５を用いて、零クロス信号１０Ｓが所定の周期で正しく制御回路９に入力されているかどうかを監視する方法を説明する。日本国内では、商用交流電源の電源周波数は５０
Ｈｚと６０Ｈｚであるが、この周波数が極端に変動することは皆無である。本実施例では、瞬停や雷サージ等により零クロス信号１０Ｓが所定の周期以外で発生した場合の誤動作を主に防止する。

商用交流電源の電源周波数は安定しているので、いったん電源周波数が検出できれば、その後は決まった周期で零クロス信号１０Ｓが入力されるはずである。そこで、零クロス信号１０Ｓが入力された図５のＡ点から次に零クロス信号１０Ｓが入力されるＣ点までの周期（時間）を測り、その周期が電源周波数の周期もしくはその付近の周期になっているかを確認し、そうでない場合は短絡信号３Ｓを停止（「Ｌ」出力）にする。あるいは、零クロス信号１０Ｓが入力されたＡ点の時刻から次に零クロス信号１０Ｓが入力される予定のＣ点の時刻もしくはその付近の時刻（Ｂ点からＤ点）のみ前記零クロス信号１０Ｓの入力を受け付けてもよい。これらの方法によって、所定の周期もしくは時刻以外に入る誤った零クロス信号１０Ｓやノイズなどを排除できる。

図６に示すフローチャートを用いて零クロス信号１０Ｓの前記異常判定方法を説明する。図６（あ）のステップで図５のＡに示す零クロス信号１０Ｓの入力時刻Ａ点から、図５のＣに示す次回入力時刻Ｃ点までの時間間隔を測定し、ステップ（い）でその時間間隔
（周期）が８.３３３ｍｓ(１／６０Ｈｚ／２(ｓ))、あるいは１０ｍｓ（１／５０Ｈｚ／２(ｓ)）に一致、あるいは、実際には電源周波数は５０Ｈｚ，６０Ｈｚの何れの場合にも±０.２Ｈｚ 程度の変動があるのでその変動を含んだ８.３０ｍｓ〜８.３６ｍｓの範囲、あるいは９.９６ｍｓ〜１０.０４ｍｓの範囲になっているかどうかを判断する。Ｙｅｓであれば正常動作と判定してステップ（う）、ステップ（え）へ進み、Ｎｏであれば異常動作と判定してステップ（お）に進み短絡動作を停止させる。ここで、ステップ（う）で測定した周期を用いて電源が５０Ｈｚか６０Ｈｚかを判断すれば自動的に電源周波数の検出ができる。

また、設置場所が固定されれば商用交流電源の電源周波数は固定されるので、動作中に電源周波数が変化することはないので、電源周期が変化すること自体が電源異常である。従って、動作中に前記測定周波数が変わった場合にも短絡動作を停止する。これにより、偶然比較値（周期）と同じようなタイミングで入力した誤信号による異常動作も予防できる。図７にこの場合のフローチャートを示す。

図８を用いて、零クロス信号１０Ｓが所定の周期で正しく入力されているかどうかを監視する方法を説明する。零クロス信号１０Ｓの入力時刻Ａ点から時刻Ｂ点までの期間と、時刻Ｄ点以降の期間には、零クロス信号１０Ｓ入力を受け付けないようにする。言い換えると、時刻Ｂ点から時刻Ｄ点の範囲のみ零クロス信号１０Ｓの入力を許可しそれ以外は許可しない。もしくは、零クロス信号１０Ｓの入力が許可された時間範囲に零クロス信号
１０Ｓの入力がない場合は短絡動作を停止する。図８では電源周波数が５０Ｈｚの場合を例に、ある程度の周波数変動に対応できるように、時刻Ａ点から時刻Ｂ点までの時間幅
Ｔ５５を電源周波数５５Ｈｚの半周期相当に設定、時刻Ａ点から時刻Ｄ点までの時間幅
Ｔ４５を電源周波数４５Ｈｚの半周期相当に設定したものである。電源周波数がｆ(Ｈｚ)の場合には、前記のようにｆ±０.１ｆ の範囲に図８の時刻Ａ点からの時間幅を決めればよい。

図９は零クロス信号１０Ｓと、短絡信号３Ｓと、零クロス信号１０Ｓの入力状態から短絡動作を許可／停止する短絡動作許可信号と、電源異常状態が連続的に続いたときに上位システムに異常を知らせる電源異常信号との関係をタイミングチャートに示す。図９は電源周波数５０Ｈｚで動作中に、時刻Ｔ２で停電が発生し時刻Ｔ２以降零クロス信号１０Ｓの入力がない状態を示す。

この場合、時刻Ｔ２までは正しく零クロス信号１０Ｓが入力されているので短絡信号
３Ｓは出力されるが、時刻Ｔ３では零クロス信号１０Ｓが入力されないので短絡動作を停止する。その後時刻Ｔ５になっても零クロス信号１０Ｓが入力されない場合、引き続き短絡動作を停止すると同時に電源異常信号を上位システムに知らせる。本実施例では圧縮機を駆動するモータの運転を停止する。ここで、時刻Ｔ５とは最後の零クロス信号１０Ｓ入力時刻Ｔ２から予め設定されている時間Ｔｗ経過した時刻である。本実施例では電源周期の３倍に設定した場合を示す。これにより零クロス信号１０Ｓの入力が所定時間以上無いときに短絡動作を停止し、同時に上位システムに異常を知らせてシステムを停止できる。また、零クロス検出回路１０が故障した場合にも同様に動作するので、零クロス検出回路の異常判定に使用できる。

図１０を用いて過電流検出回路の誤検出に伴う過電流保護動作の誤動作防止方法を説明する。図１０は零クロス信号１０Ｓと、短絡信号３Ｓと、図１の入力電流検出回路１１内で検出する過電流検出信号と、マイコン内部で使用している過電流フラグと、過電流カウンタ（過電流保護動作回数をカウント）と、上位システムに知らせる過電流エラー信号との関係を示すタイミングチャートである。図１０は過電流信号に外来ノイズが重畳している状態を示し、「Ｆ」と示す信号が誤検出信号、「Ｔ」と示す信号が正規の過電流信号である。

図１０に示すように誤った過電流信号に反応して過電流保護動作を行うとシステムとして安定した制御ができない。そこで、短絡信号３Ｓが「Ｈ」、つまり短絡回路３が短絡中に入力される過電流信号のみに反応するように設定する。このように設定すると、図１０に示す過電流信号「Ｆ」入力時には過電流保護が動作せず、本当に過電流状態のときのみ保護動作がするので安定した制御ができる。ここで、過電流保護動作が実行されたときに図１０に示すようにマイコン内部の過電流フラグが「Ｈ」状態に変化する。

図１０では過電流保護動作を実行すると過電流フラグを「Ｈ」にする。その後、次の零クロス信号１０Ｓのエッジ入力時に過電流フラグが「Ｈ」であれば過電流カウンタを一つダウンカウントすると同時に前記過電流フラグをクリアする。過電流フラグが「Ｌ」の場合は、前記過電流カウンタを初期値に戻す。この動作を繰り返すことにより保護動作が連続的に実行される回数（もしくは時間）を計測する。過電流カウンタが０になったときに上位システムに過電流エラー信号を出力して異常を知らせる。本実施例では圧縮機を駆動するモータの運転を停止する。

以上により保護動作発生時の頻繁なシステムの停止を防止でき安定したシステムの動作ができる。また、本当にシステムを停止しなければならない異常時には確実にシステムを停止できる。なお、本保護動作は電源異常保護動作時にも適用できることは言うまでもない。

また、本実施例では前記で説明したすべての保護動作を常時行っており、安全性と安定性を確保している。本実施例の電源装置は、空調機や冷蔵庫の圧縮機のモータの駆動に好適である。

実施例のモータ制御装置の回路構成の説明図。 実施例の電源装置の力率改善と、短絡信号の発生方法の説明図。 実施例の電源装置の短絡信号作成方法の説明図。 実施例の電源装置の割込マスク信号の説明図。 実施例の電源装置の電源周期異常保護の説明図。 実施例の電源装置の零クロス信号異常判定フローチャート。 実施例の電源装置の零クロス信号異常判定の別の方法のフローチャート。 実施例の電源装置の電源周期保護の説明図。 実施例の電源装置の停電時保護の説明図。 実施例の電源装置の過電流保護の説明図。

符号の説明

１…交流電源、２…リアクトル、３…短絡回路、４…整流回路、５…切替スイッチ、６…平滑回路、７…インバータ回路、８…モータ、９…制御回路、１０…零クロス検出回路、１１…入力電流検出回路、１２…直流電流検出回路、３Ｓ…短絡信号、５Ｓ…切替信号、６Ｓ…直流電圧値、７Ｓ…インバータＰＷＭ信号、１０Ｓ…零クロス信号、１１Ｓ…入力電流値、１２Ｓ…直流電流値。

Claims (3)

1. 交流電源を直流電源に変換する整流回路と、前記交流電源の零クロス点を検出し零クロス信号を出力する零クロス検出回路と、前記交流電源をリアクトルを介して短絡する短絡回路と、入力電流を検出する入力電流検出回路と、前記整流回路の出力端に接続された平滑回路と、前記零クロス信号に応じて前記短絡回路を制御する制御回路からなる電源装置において、
   前記零クロス信号の異常時に前記短絡回路の短絡動作を停止する保護手段を備え、前記短絡回路の短絡中に前記保護手段が動作した回数のみをカウントし、前記保護手段の動作が所定の期間連続して発生してその回数が所定値に達した時に上位システムに通知することを特徴とする電源装置。
2. 交流電源を直流電源に変換する整流回路と、前記交流電源の零クロス点を検出し零クロス信号を出力する零クロス検出回路と、前記交流電源をリアクトルを介して短絡する短絡回路と、入力電流を検出する入力電流検出回路と、前記整流回路の出力端に接続された平滑回路と、前記零クロス信号に応じて前記短絡回路を制御する制御回路と、前記平滑回路に接続したモータを駆動するインバータ回路とからなる電源装置において、
   前記零クロス信号の異常時に前記短絡回路の短絡動作を停止する保護手段を備え、前記短絡回路の短絡中に前記保護手段が動作した回数のみをカウントし、前記保護手段の動作が所定の期間連続して発生してその回数が所定値に達した時に上位システムに通知又は前記モータの運転を停止することを特徴とする電源装置。
3. 前記保護手段は前記短絡回路の短絡中のみ動作することを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。

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