JP4191582B2 - 交流電圧低下検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、交流電圧低下検出装置に関し、特に交流電源の停電を含む瞬時電圧低下を検出する交流電圧低下検出装置に関するものである。

無停電電源システムに用いられる交流電圧低下検出装置として、従来、種々の回路構成のものが提案されている。近年、高速且つ高精度の検出を要求される傾向にあり、例えば特許第２５８１７３５号公報(特許文献１参照)や特開２００２−１７１６９０号公報（特許文献２参照）に示されるものがある。特許文献１のものは、検出した交流入力電圧と、その位相に同期する基準正弦波電圧に正および負のオフセットを重畳した２つの信号のそれぞれとを比較し、交流電圧の検出値が正のオフセットを重畳した信号よりも大きいかまたは負のオフセットを重畳した信号よりも小さいかの判断により交流電圧が低下したことを検出するようにしている。

しかし、このような交流電圧低下検出装置にあっては、交流電圧が零点付近でその大きさが低下した時には、電圧の変化が小さいため電圧検出信号が２つの比較信号と交差するまでの時間が長く、電圧低下検出が遅れる欠点があった。この時間を短くするためには、オフセットの大きさを小さくする必要があるが、その場合交流電圧に含まれる高調波によっても電圧低下と判断し誤検出となる問題点があった。

また、上記特許文献２のものは、検出した交流電圧の２乗と、その交流電圧を９０度進めた信号の２乗とを加算して、その平方根を演算することにより電圧振幅を得て、その電圧振幅の大きさが所定値以下になったときに電圧低下を検出するようにしたものである。
しかし、このような交流電圧低下検出装置にあっては、交流電圧を９０度進めるときに高調波成分を増幅するように動作するため、基本波電圧の低下を検出する場合の電圧低下検出精度が低下し、誤検出する問題があった。また、その誤検出を低減する目的で交流信号にフィルタを構成するようにしているが、高調波やノイズの低減効果を高くするに従って検出が遅れる問題もあった。

特許第２５８１７３５号（特開平１−２２１６７７号公報） 特開２００２−１７１６９０号公報

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、交流系統電圧の低下位相に関わらず、高速に電圧低下を検出することができる交流電圧低下検出装置を提供するものである。

この発明による交流電圧低下検出装置は、
交流電力系統の電圧を検出する交流電圧検出器と、
前記電圧検出器が検出した電圧信号から電圧位相信号を検出すると共に基準正弦波と基準余弦波を発生する位相検出器と、
前記交流電力系統の定格電圧振幅と前記基準正弦波とを乗算して基準電圧信号を発生する乗算器と、前記基準電圧信号をオフセット電圧で加算あるいは減算する加減算器と、前記加算器の出力と上記電圧信号とを比較し、前記電圧信号が前記加算器の出力より大きい場合に電圧低下を示す論理出力を発生する第１の比較器と、前記減算器の出力と前記電圧信号とを比較し、前記電圧信号が前記減算器の出力より小さい場合に電圧低下を示す論理出力を発生する第２の比較器とで構成された第１の電圧低下検出器と、
前記電圧信号を基本波成分について９０度位相を進める位相進み回路と、
前記位相検出器の基準正弦波と基準余弦波をそれぞれ電圧信号と９０度進み信号に乗算する乗算器と、前記それぞれの乗算器の乗算出力を互いに加算し電圧振幅信号を得る加算器と、この電圧振幅信号を濾波する低域通過フィルタと、前記低域通過フィルタを通過した電圧振幅信号と、前記定格電圧振幅からオフセット電圧を減算した信号とを比較し、前記低域通過フィルタを通過した電圧振幅信号の出力が前記定格電圧振幅からオフセット電圧を減算した信号の出力よりも小さい場合に電圧低下を示す論理出力を発生する第３の比較器とで構成された第２の電圧低下検出器を備え、
前記第１の電圧低下検出器と前記第２の電圧低下検出器のいずれか一方が前記交流電圧系統の電圧が低下したことを判断したときに電圧低下信号を出力するようにしたものである。

この発明の交流電圧低下検出装置によれば、従来の交流電圧低下検出装置が発生する第１の電圧低下信号に加えて、電圧検出信号とそれに対して９０度位相が進んだ信号を演算し、それら２つの信号から演算される交流電圧振幅を低域通過フィルタで高調波成分を低減して所定値と比較することにより電圧低下を判断して第２の電圧低下信号を発生し、第１の電圧低下信号と第２の電圧低下信号の何れかが電圧低下を示した場合に電圧低下を検出するようにしたので、交流電圧の零点付近では第２の電圧低下信号が高速に電圧低下を検出し、交流電圧のピーク付近では第１の電圧低下信号が高速に電圧低下を検出するように動作し、電圧低下位相にかかわらず高速に電圧低下を検出することができる効果を奏するものである。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による交流電圧低下検出装置を示す構成図である。交流電力系統１の電圧Vpを電圧検出器２で検出し、位相検出器３により電圧位相を検出する。位相検出器３は電圧検出器２で検出した電圧信号に同期する基準正弦波sinθとその９０度進みの基準余弦波cosθを出力する。交流電力系統１の定格電圧振幅Vと基準正弦波sinθを乗算器５ａで乗算して基準電圧信号Vrを得た後、加減算器６ａと６ｂでオフセット電圧Δvをそれぞれ加算、減算する。

比較器７ａは、加減算器６ａの出力Vr1と電圧信号Vpとを比較して、電圧信号Vpが加減算器６ａの出力Vr1よりも大きい場合に、電圧低下を示す論理値１を出力する。一方、比較器７ｂは、加減算器６ｂの出力Vr2と電圧信号Vpとを比較して、電圧信号Vpが加減算器６ｂの出力Vr2よりも小さい場合に、電圧低下を示す論理値１を出力する。比較器７ａ、７bは論理値１を出力していないときは論理値０を出力し、電圧が低下していないことを示す。そして、論理和８ａは比較器７ａと７bの出力のいずれか一方が論理値１となったときに、論理値１を出力する。上記乗算器５aと、加減算器６a、６bと、比較器７a、７bと、論理和８ａとにより第１の電圧低下検出器が構成され、第１の電圧低下信号を出力するものである。

一方、９０度位相進み回路４は電圧検出器２が出力する電圧信号Vpを、例えば微分回路（図示していない）により基本波について位相を９０度進め、電圧信号と同じ振幅で９０度進み信号Vtを演算する。位相検出器３の基準正弦波sinθと基準余弦波cosθを乗算器５ｂ、５ｃでそれぞれ電圧信号Vpと９０度進み信号Vtに乗算し、加減算器６ｄで乗算結果を加算する。これにより、基準正弦波sinθは電圧信号Vpと同位相となるよう位相検出器３が動作し、電圧信号Vpは正弦波であり、その９０度進み信号Vtは余弦波であるから、加減算器６ｄの出力は電圧振幅信号に相当する。そして、低域通過フィルタ９で電圧信号Vpの振幅の高調波およびノイズを除去し、定格電圧振幅Vからオフセット電圧Δvを加減算器６ｃで減算した信号と比較器７ｃで比較する。比較器７ｃは、低域通過フィルタ９の出力が加減算器６ｃの出力よりも小さい時に論理値１を出力し、それ以外では論理値０を出力する。論理和８ｂでは論理和８ａと比較器７ｃのいずれか一方が論理値１となった時に、電圧低下を示す論理値１を出力する。上記位相検出器３と、９０度位相進み回路４と、乗算器５b、５cと、加算器６dと、低域通過フィルタ９と、比較器７cとにより第２の電圧低下検出器が構成され、第２の電圧低下信号を出力するものである。

図２は、交流系統の周波数が６０Ｈｚで電圧が１０％低下したときに、電圧が低下してから論理和８ａ、比較器７ｃ、論理和８ｂが論理値１を出力するまでの時間の一例を実測したグラフである。横軸は電圧低下が発生したときの電圧の位相（度）であり、縦軸は電圧低下検出遅れ時間（ミリ秒）である。論理和８ａの出力は、電圧のピーク付近、すなわち９０度および２７０度付近では１ミリ秒以下の遅れで論理値１を出力するが、電圧の零点（０度、１８０度）付近では５ミリ秒以上が経過している。これは前述した従来の技術による電圧低下検出の特性と同様であり、電圧の零点付近での検出遅れが顕著である。

一方、比較器７ｃの出力は低域通過フィルタが１次遅れ回路でその時定数が１ミリ秒のときの特性を示しているが、２〜３ミリ秒の遅れ時間に収まっている。従って、電圧が低下してから論理和８ｂが論理値１を出力するまでの時間は３ミリ秒以下であり、電圧零点付近の特性を大きく改善することができることを示している。最後に、論理和８ｂの出力は図２中の破線で示しており、上記論理和８ａの出力と比較器７ｃの出力とを合成した特性が得られる。すなわち、低域通過フィルタ９により高調波およびノイズを低減して検出精度を向上し検出時間を遅くしても、論理和８ａの出力による電圧のピーク付近の検出時間を得ることができる。一方、電圧の零点（０度、１８０度）付近では比較器７ｃの出力が得られ、論理和８ａと比較器７ｃの出力は相互に補完しながら全体の電圧低下検出時間を短縮することが可能となる。なお、位相検出器３の検出する電圧位相は、電圧低下検出が動作する時間内は電圧低下前の位相に同期した位相を保持するように動作する。

実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２による交流電圧低下検出装置を示す構成図である。交流系統１はそれぞれ１２０度の電気角を持つ３相構成であり、その電圧を検出する電圧検出器２も３相の電圧を検出する。位相検出器３は３相交流電圧信号から同期位相θを検出することができ、その位相θから３相基準正弦波と３相基準余弦波を構成する。各相の電圧低下検出回路１０ａ〜１０ｃの構成は図１と同様であり、電圧低下以前に入力される電圧は、電圧低下検出回路１０ａへは同期位相θの正弦波と同位相、電圧低下検出回路１０ｂへは１２０度遅れた正弦波と同位相、電圧低下検出回路１０ｃへは１２０度進んだ正弦波と同位相である。

位相検出器３からは電圧低下検出回路１０ａへは同期位相θに関する正弦波と余弦波、電圧低下検出回路１０ｂへは同期位相θ−１２０°に関する正弦波と余弦波、電圧低下検出回路１０ｃへは同期位相θ＋１２０°に関する正弦波と余弦波が送られ、図１の電圧低下検出装置と同様に、各電圧v１、v２、v３が低下すると、論理和８ｂが論理値１を出力し電圧低下検出回路１０ａ〜１０ｃの出力となる。そして、電圧低下検出回路１０ａ〜１０ｃの出力は論理和８ｃに入力されて、電圧低下検出回路１０ａ〜１０ｃのいずれか一つの出力が論理値１になると、論理和８ｃが論理値１を出力して３相交流系統１の電圧低下を検出する。
この実施の形態２では以上のように構成されているので、交流系統の電圧が不平衡な状態で電圧が低下しても、最も低下の大きな相に応じて電圧低下を検出することが可能である。

実施の形態３．
低域通過フィルタ９は高調波及びノイズを低減すると同時に、その遮断周波数に応じて比較器７ｃの遅れ時間を変化させる。図４は低域通過フィルタ９を１次遅れ回路とし、その時定数を変えたときの特性の一例を示している。この例では、時定数が２ミリ秒以上では、論理和８ａの遅れと同程度かそれ以上となる。従って、本実施の態様においては、図１または図３の構成において、低域通過フィルタ９の遮断周波数を、比較器７ｃが電圧低下から論理値１を出力するまでの遅れ時間が論理和８ａの遅れ時間よりも短くなる電圧低下位相が存在するように設定するものである。

すなわち、図４の例においては、１次遅れ回路の時定数は約２ミリ秒よりも小さく設定する。なお、低域通過フィルタ９の遮断周波数は、その構成方法と、電圧オフセットΔvの値および電圧低下を検出する電圧低下量の最小値とにより、異なる値に設定することはいうまでもない。また、低域通過フィルタ９は1次遅れ回路以外の構成でも同様の効果を奏する。このように設定することにより、比較器７ｃは論理和８ａの電圧低下検出遅れ時間よりも短い時間遅れで電圧低下を検出することができる位相が存在し、電圧低下検出特性を改善することができる。

実施の形態４．
図１または図３の構成例では９０度位相進み回路４は微分回路を含んでいる。このため、高調波およびノイズを増幅する。増幅された高調波およびノイズは低域通過フィルタ９で減衰される。基本波に加えて高調波が重畳したときに、低域通過フィルタ９の出力が変動するが、図５は基本波を１としたときに大きさ０．０５の単一高調波成分が重畳したときの出力の最小値を、横軸重畳高調波次数（高調波周波数の基本波周波数に対する比）で示した特性図の一例を測定したものである。図５におけるそれぞれの曲線は、低域通過フィルタを１次遅れ回路としたときの時定数の違いによる特性を表している。

図１の比較器７ｃでは、低域通過フィルタ９の出力が閾値V−Δvよりも小さいときに論理値１を出力するが、例えば図５においてフィルタの時定数が０．５ミリ秒のとき、閾値V−Δv＝０．８と仮定すると５次以下の高調波が重畳しても比較器７ｃは論理値１を出力しない。従って、交流系統１に高調波が存在するときに、その高調波により電圧低下検出が動作しないように、低域通過フィルタ９の遮断周波数を所定値以下に設定することができる。論理和７ａ、７ｂでは電圧検出値を直接比較しているため、V＝１としてオフセット電圧Δv＝０．２以下の高調波が重畳しても論理値１を出力しない。すなわち、０．０５の単一高調波が重畳している上記の例では論理和７ａ、７ｂの出力は論理値１にはならず、論理和８ｂの出力である電圧低下検出値は比較器７ｃの出力に応じて動作する。
このように、低域通過フィルタの遮断周波数はその出力に含まれる高調波成分が所定値以下になるよう構成しており、交流系統１の電圧に高調波が重畳しても、その高調波により電圧低下検出の精度を向上して誤検出を防止することができる。

なお、上述した実施の形態において、図１または図３において、交流電力系統１の電圧を検出する電圧検出器２の出力信号をアナログ信号からディジタル信号へ変換し、それ以降をディジタルプロセッサのプログラムで構成しても同様の効果を奏する。また、加減算器６ａと６ｂに与えるオフセット電圧Δvと加減算器６ｃへ与えるオフセット電圧Δvは異なる値を設定しても同様の効果を奏する。

本発明の実施の形態１による交流電圧低下検出装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態１による交流電圧低下検出装置の各部における電圧低下が発生したときの電圧の位相と電圧低下検出遅れ時間との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態２による交流電圧低下検出装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態３による交流電圧低下検出装置における時定数を変えたときの電圧低下位相と電圧低下検出遅れ時間との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態４による交流電圧低下検出装置におけるフィルタの時定数を変えたときの高調波次数とフィルタ出力の最小値との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 交流電力系統 ２ 電圧検出器
３ 位相検出器 ４ ９０°位相進み回路
５a、５b 乗算器 ６a〜６d 加減算器
７a〜７c 比較器 ８a、８b 論理和
９ 低域通過フィルタ

Claims (4)

1. 交流電力系統の電圧を検出する交流電圧検出器と、
   前記電圧検出器が検出した電圧信号から電圧位相信号を検出すると共に基準正弦波と基準余弦波を発生する位相検出器と、
   前記交流電力系統の定格電圧振幅と前記基準正弦波とを乗算して基準電圧信号を発生する乗算器と、前記基準電圧信号をオフセット電圧で加算する加算器と、前記基準電圧信号を前記オフセット電圧で減算する減算器と、前記加算器の出力と前記電圧信号とを比較し、前記電圧信号が前記加算器の出力より大きい場合に電圧低下を示す論理出力を発生する第１の比較器と、前記減算器の出力と前記電圧信号とを比較し、前記電圧信号が前記減算器の出力より小さい場合に電圧低下を示す論理出力を発生する第２の比較器とで構成された第１の電圧低下検出器と、
   前記電圧信号を基本波成分について９０度位相を進める位相進み回路と、
   前記位相検出器の基準正弦波と基準余弦波をそれぞれ電圧信号と９０度進み信号に乗算する乗算器と、前記それぞれの乗算器の乗算出力を互いに加算し電圧振幅信号を得る加算器と、この電圧振幅信号を濾波する低域通過フィルタと、前記低域通過フィルタを通過した電圧振幅信号と、前記定格電圧振幅から前記オフセット電圧を減算した信号とを比較し、前記低域通過フィルタを通過した電圧振幅信号の出力が前記定格電圧振幅から前記オフセット電圧を減算した信号の出力よりも小さい場合に電圧低下を示す論理出力を発生する第３の比較器とで構成された第２の電圧低下検出器を備え、
   前記第１の電圧低下検出器と前記第２の電圧低下検出器のいずれか一方が前記交流電圧系統の電圧が低下したことを判断したときに電圧低下信号を出力するようにしたことを特徴とする交流電圧低下検出装置。
2. 多相交流電力系統の電圧を検出する多相交流電圧検出器と、
   前記多相電圧検出器が検出した多相電圧信号から電圧位相信号を検出すると共に多相基準正弦波と多相基準余弦波を発生する位相検出器と、
   前記多相交流電力系統の定格電圧振幅と前記多相基準正弦波とを乗算して基準電圧信号を発生する乗算器と、前記基準電圧信号をオフセット電圧で加算する加算器と、前記基準電圧信号を前記オフセット電圧で減算する減算器と、前記加算器の出力と前記多相電圧信号とを比較し、前記多相電圧信号が前記加算器の出力より大きい場合に電圧低下を示す論理出力を発生する第１の比較器と、前記減算器の出力と前記多相電圧信号とを比較し、前記多相電圧信号が前記減算器の出力より小さい場合に電圧低下を示す論理出力を発生する第２の比較器とで構成された第１の電圧低下検出器と、
   前記多相電圧信号を各々基本波成分について９０度位相を進める位相進み回路と、
   前記位相検出器の基準正弦波と基準余弦波をそれぞれ電圧信号と９０度進み信号に乗算する乗算器と、前記それぞれの乗算器の乗算出力を互いに加算し電圧振幅信号を得る加算器と、この電圧振幅信号を濾波する低域通過フィルタと、前記低域通過フィルタを通過した電圧振幅信号と、前記定格電圧振幅から前記オフセット電圧を減算した信号とを比較し、前記低域通過フィルタを通過した電圧振幅信号の出力が前記定格電圧振幅から前記オフセット電圧を減算した信号の出力よりも小さい場合に電圧低下を示す論理出力を発生する第３の比較器とで構成された第２の電圧低下検出器を備え、
   前記第１の電圧低下検出器と前記第２の電圧低下検出器のいずれか一方のいずれか一つの相が前記多相交流電圧系統の電圧が低下したことを判断したときに電圧低下信号を出力するようにしたことを特徴とする交流電圧低下検出装置。
3. 請求項１または請求項２の交流電圧低下検出装置において、前記第１の電圧低下検出器の検出遅れ時間が最大となるときに、第２の電圧低下検出器の検出遅れ時間が前記第１の電圧低下検出器の検出遅れ時間よりも短くなるように前記低域通過フィルタの遮断周波数を設定することを特徴とする交流電圧低下検出装置。
4. 請求項１または請求項２の交流電圧低下検出装置において、前記低域通過フィルタの出力に残留する高調波が所定値以下になるよう前記低域通過フィルタの遮断周波数を設定することを特徴とする交流電圧低下検出装置。

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