JP5255747B2 - 欠相検出回路及び電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、３相交流電力供給系統を対象とした欠相検出回路及び電気機器に係り、特にインバータ装置の３相交流入力側での欠相を検出するのに好適な欠相検出回路及び電気機器に関する。

３相などの多相交流電力系統から受電している電気機器では、全ての相から電力が供給されていることが動作の前提になり、従って、例えば３相交流を入力する電気機器において、何らかの原因により、何れか１相でも入力されなくなる(これを欠相という)と、入力電力が不足となり、機器の動作と出力に悪影響を及ぼす。

そこで、このような欠相による異常の発生を未然に抑えるため、電源供給状態を監視し、欠相の有無を検出するようにした欠相検出回路が用いられている(例えば、特許文献１、特許文献２参照)。

そこで、従来技術による欠相検出回路の一例について、図１０により説明すると、まず、この図において、Ｒ、Ｓ、Ｔは３相交流電源からの３本の電源線である。ここで、この図１０の例は、例えば商用電源などの３相交流電源から給電されるインバータ装置を対象として、これに欠相検出回路を設けた場合の例であり、このため、これら電源線Ｒ、Ｓ、Ｔは、インバータ装置の順変換部(コンバータ部)Ｃの入力に接続されている。

そして、まず、各電源線Ｒ、Ｓ、Ｔの間、つまり３相の各相間には、夫々図示のように、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を介して、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３の入力側(発光ダイオード)を接続する。ここで、これらのフォトカプラＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３は、入力側の発光ダイオードが発光したとき出力側のフォトトランジスタが導通するものであり、従って、何れもオンしたとき出力がＬレベルになり、オフしているときは、出力はＨレベルになる。

そこで、フォトカプラＰＣ１は、電源線Ｒ−Ｓ間の電圧が所定値以上のときオンし、出力がＬレベルになり、同様に、フォトカプラＰＣ２は、電源線Ｓ−Ｔ間の電圧が所定値以上のときオンで出力がＬレベルに、そしてフォトカプラＰＣ３は電源線Ｔ−Ｒ間の電圧が所定値以上のときオンで出力がＬレベルになる。このとき抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は電流制限用で、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３の入力側ダイオードに並列に接続してあるダイオードは、逆電圧保護用である。

次に、これらフォトカプラＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３の出力(フォトトランジスタ側)は、図示のように、夫々論理回路２に接続される。そして、この論理回路２は、図示のように、３個の時限回路Ｔと、各１個の３入力オアゲートＯＲ及び３入力アンドゲートＡＮＤを備えている。

ここで、まず、この論理回路２の動作について説明すると、時限回路Ｔは、各フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３から入力されてくる信号を監視しており、予め電源の周期よりも長い時間ｔとして設定してある期間以上、フォトカプラからオン信号がこなくなったとき、Ｈレベルになる信号を出力する。

そこで、この時限回路Ｔを各相に対応して３個設けておき、これにより、３相のうちの１相からでも異常信号が出力されたときは、オアゲートＯＲが出力を発生し、３相の全てから異常信号が出力されたときは、アンドゲートＡＮＤが出力を発生するようにしておく。

従って、この論理回路２は、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３の何れか１個でもオフし、その出力がＨレベルになり、その状態が時限回路Ｔで決められている時間ｔ以上継続したとき欠相信号を発生し、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３の全てがオフし、その状態が時限回路Ｔで決められている時間ｔ以上継続したときは、電源遮断信号を発生するように働く。

次に、この図１０の従来技術による欠相検出動作について、図１１により説明する。まず、入力電源が正常な場合には、各電源線Ｒ、Ｓ、Ｔ間のフォトカプラＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３は、図１１(a)に示すように、何れも交流電源の周期毎に電源周期の半分の期間づつオンにされるので、オアゲートＯＲ及びアンドゲートＡＮＤの入力は全てＬレベルのままに保たれる。従って、このときは、論理回路２からは、欠相信号も電源遮断信号も出力されない。

ここで、次に、何らかの理由により、交流電源が欠相状態になった場合について説明する。ここで、ＲＳＴ３相のうち例えばＳ相が欠相したとすると、電源線Ｓの電圧が消失するため、図１１(b)に示すように、フォトカプラＰＣ１とフォトカプラＰＣ２はオンしなくなるので、オアゲートＯＲの入力の全てがＬレベルであるという条件が崩れてしまう。

従って、このときは、論理回路２から欠相信号が出力されることになる。また、アンドゲートＡＮＤは、３入力の全てがＨレベルになったとき、出力を発生するので、３個のフォトカプラＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３の全てがオフしたままになったとき、電源遮断信号が出力される。

このように、図１０に示した従来技術によれば、フォトカプラの信号を監視することにより欠相が検出でき、且つ電源遮断、例えば停電なども検出できることになる。
特開平０１−１２３１６４号公報 特開２０００−１８０４９１号公報

上記従来技術は、比較的高価な部品を多数必要とする点に配慮がされておらず、原価低減に問題があった。すなわち、従来技術による欠相検出回路は、フォトカプラや高耐圧のダイオードが多数用いられていが、これらの部品は比較的高価であり、従って、コスト削減が困難になってしまうのである。

本発明の目的は、高価な部品の個数を抑えながら欠相の検出が確実に得られるようにした欠相検出回路及び電気機器を提供することにある。

上記目的は、３本の電源線を介して電気機器に供給される３相交流の欠相を検出する欠相検出回路において、前記電気機器に入力される前の経路において、前記３本の電源線にスター接続された３個のダイオードと、前記電気機器に入力される前の経路において、前記３本の電源線にスター接続された３個の抵抗と、前記３個のダイオードによる中性点と前記３個の抵抗による中性点との間に接続された欠相検出手段と、を設け、前記欠相検出手段に流れる電流により、前記３相交流の欠相を検知するようにして達成される。

同じく上記目的は、３本の電源線を介して供給される３相交流を受電する受電部と、前記受電部に入力される前の経路において、前記３本の電源線にスター接続された３個のダイオードと、前記受電部に入力される前の経路において、前記３本の電源線にスター接続された３個の抵抗と、前記３個のダイオードによる中性点と前記３個の抵抗による中性点との間に接続された欠相検出手段と、を設け、前記欠相検出手段に流れる電流により、前記３相交流の欠相を検知するようにした電気機器によっても達成される。

同じく上記目的は、３本の電源線を介して３相交流が供給される電気機器において、前記電気機器に入力される前の経路において、前記３本の電源線にスター接続された３個のダイオードと、前記電気機器に入力される前の経路において、前記３本の電源線にスター接続された３個の抵抗と、前記３個のダイオードによる中性点と前記３個の抵抗による中性点との間に接続された欠相検出手段と、を設け、前記欠相検出手段に流れる電流により、前記３相交流の欠相を検知するようにしても達成される。

入力された３相交流を、全相について半波整流し、各相の波形を合成したばあい、入力された３相交流の何れか一相が欠相していると、この合成波形が、欠相していないときとは異なった波形となる。この波形の違いから欠相を検出する。

本発明によれば、主として比較的安価な部品により欠相が検出できるので、欠相検出回路を廉価で提供することができる。

以下、本発明に係る欠相検出回路について、図示の一実施の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の第一の実施形態で、これも上記した従来技術の場合と同じく、３相交流電源から給電されるインバータ装置を対象として、これに欠相検出回路を設けた場合の例であり、このため、例えば商用電源などの３相交流電源１は、３本の電源線Ｕ、Ｖ、Ｗを介してインバータ装置の順変換部２に接続されている。ここで１００が電力変換装置、つまりインバータ装置の全体を表わしている。

このとき、３相交流電源１に連なる３本の電源線Ｕ、Ｖ、Ｗが順変換部２に入力する前の経路にスター接続した３個のダイオード３、４、５を設け、３相入力の各相の電圧を各々半波整流し、中性点Ｎd に合成して取り出すようにする。また、このとき、電源線Ｕ、Ｖ、Ｗに、スター接続した３個の抵抗８、９、１０を分圧用として設け、これらにより中性点Ｎr を形成しておく。

そして、これらダイオード側の中性点Ｎd と抵抗側の中性点Ｎr の間に、フォトカプラ７の入力側にある発光ダイオードとツェナーダイオード６を直列に接続し、これによりダイオード３、４、５で半波整流され、合成された電圧による電流が、ダイオード側の中性点Ｎd から、フォトカプラ７の発光ダイオードとツェナーダイオード６を介して、抵抗側の中性点Ｎr に流れ、抵抗８、９、１０の何れかを通り、その時点で中性点Ｎr の電圧よりも低い電圧になっている相に流れるようにする。

このときフォトカプラ７の入力側に、図示のように、電圧波形モニタ用として抵抗１２を並列に接続し、フォトカプラ７の発光ダイオードに現われる電圧Ｅ12 が取り出せるようにしておくと、この電圧Ｅ12 の値は、抵抗８、９、１０の抵抗値と抵抗１２の抵抗値、それにツェナーダイオード６のツェナー電圧に基づいて、３相交流の電圧から決めることができる。

そこで、いま、フォトカプラ７の入力側にある発光ダイオードに流れる電流をＩ7 とする。そして、予め抵抗８、９、１０及び抵抗１２の抵抗値を調節しておき、電圧Ｅ12 の大きさが、３相交流に欠相がないときに得られる値になっているときは、電流Ｉ7 の大きさが、フォトカプラ７の出力側のフォトトランジスタを点弧させるのに十分な電流値ＩS を保つように設定しておく。このとき抵抗８、９、１０は同一の抵抗値にしなければならないことは、いうまでもない。

そして、フォトカプラ７の出力側(フォトトランジスタ)には欠相検出部１３を接続し、このフォトトランジスタのオン・オフ(導通・遮断)状態Ｚが判定できるようにしておく。

次に、この実施形態の動作について、図２により説明すると、この図２は、３相交流電源１から電源線Ｕ、Ｖ、Ｗを介して順変換部２に供給されている３相交流に欠相が生じていないときの状態を表わしたもので、まず、図２の(a)は、抵抗１２の両端に現れる電圧Ｅ12 の波形を表わし、同図(b)はフォトカプラ７の入力側(発光ダイオード)に流れる電流Ｉ7 の波形を表わす。そして、同図(c)はフォトカプラ７の出力側(フォトトランジスタ)の点弧状態Ｚをオンとオフで示したものである。

このとき、電圧Ｅ12 は、３相交流を半波整流した波形の包絡線(エンベロープ)を呈するので、電源線Ｕ、Ｖ、Ｗの電圧が欠相のない３相揃った状態を保っている限りは、最低値でも０〔Ｖ〕になることはない。

ここで、上記したように、電流Ｉ7 の値は、電圧Ｅ12 が３相交流に欠相がないときの最低電圧値のときでも電流値ＩS を保つように、予め抵抗など回路定数が設定してあるから、このときは図２(c)に示すように、フォトカプラ７のフォトトランジスタは、全期間を通じてオンしたままとなる。

従って、このとき、つまり入力されている３相交流に欠相がなく３相揃った状態を保っているときは、図２(c)にオン・オフ状態Ｚとして示すように、フォトカプラ７のフォトトランジスタは全領域でオン状態となり、欠相検出部１３により、欠相がない状態であることが検知されることになる。

次に、３相交流入力の一相、例えば図３に示すように、電源線Ｕ、Ｖ、Ｗの中の電源線Ｖに異常Ｆが発生し、欠相が生じたとする。そうすると、このときには、抵抗１２の両端に発生する電Ｅ12 の波形は、図４の(a)に示すようになり、電圧波形に０〔Ｖ〕になる領域が現われ、この結果、電流波形もこの電圧波形に従い、同図(b)に示すように、同じく電流波形に０〔Ａ〕になる領域が現われてしまう。

そうすると、このとき、つまり入力されている３相交流に欠相が生じたときは、３相交流の周期によって、フォトカプラ７に出力側のフォトトランジスタをオンするのに十分な電流が流れ込まない期間が現われ、図４(c)にオン・オフ状態Ｚとして示すように、フォトカプラ７のフォトトランジスタがオフになってしまう領域が生じてしまう。そして、この状態が欠相検出部１３に取り込まれた結果、現在、入力が欠相状態にあることが、この欠相検出部１３により検知されることになる。

従って、この実施形態によれば、比較的高価な部品であるフォトカプラが１個で済むため、従来技術に比してコスト削減を図ることができる。

ところで、この実施形態の場合、図４(a)、(b)に示した電圧波形と電流波形は、ツェナーダイオード６の存在を前提としたものになっている。つまりツェナーダイオード６がフォトカプラ７の入力側に直列に接続されていることにより、ツェナーダイオード６の両端にかかる電圧が、そのツェナー電圧以下になったとき、フォトカプラ７の発光ダイオードには電流が流れなくなって、フォトカプラ７の出力側のフォトトランジスタがオフすることになり、このため図４の(a)における電圧波形における電圧０の領域と、(b)に示した電流０の領域に差が生じ、電圧０の領域よりも電流０の領域が広くなっているのである。

次に、図５は、図１の実施形態からツェナーダイオード６を削除した場合の実施形態で、本発明においては、特にツェナーダイオードが無くても、フォトカプラの入力側の発光ダイオードに印加される電圧が所定値にできれば、発光ダイオードの特性から、フォトプラ７の入力側に流れ込む電流を０にすることができ、従って、この図５の実施形態によっても、欠相を検知することができる。

従って、この実施形態によれば、比較的高価な部品であるフォトカプラが１個で済む上、ツェナーダイオードが不要になるので、従来技術に比して、より一層のコスト削減を図ることができる。

次に、図６は、欠相検出にコンパレータ１４を適用した場合の本発明の一実施形態で、フォトカプラ７の出力側フォトトランジスタにコンデンサ１５と抵抗１６からなる充放電回路に接続し、この充放電回路の出力ＶC をコンパレータ１４の比較入力に供給して基準電圧Ｖth と比較して欠相状態を判定する。そして、コンパレータ１４の出力ＶO を判定結果として欠相検出部１３に入力するようにしたものである。

次に、この図６の実施形態の動作について、図７により説明する。ここで、この図７も、図２と同じく３相交流電源１から電源線Ｕ、Ｖ、Ｗを介して順変換部２に供給されている３相交流に欠相が生じていないときの状態を表わしたもので、図７の(a)は、抵抗１２の両端に現れる電圧Ｅ12 の波形で、同図(b)はフォトカプラ７の入力側(発光ダイオード)に流れる電流Ｉ7 の波形であり、同図(c)はフォトカプラ７の出力側(フォトトランジスタ)の点弧状態Ｚをオンとオフで示したものである。

次に、この図７において、(d)は充電用コンデンサ１５の電圧ＶC と基準電圧Ｖth を示したもので、同図(e)は出力ＶO を示したものであり、このとき、つまり３相交流に欠相が生じていないときは、図示のように、フォトカプラ７のフォトトランジスタの状態Ｚは常にオン状態なので、充電用コンデンサ１５は常時、直流電圧ＤＣにより充電されている状態にあり、従って、コンパレータ１４の出力ＶO は、同図(e)に示されているように、ハイレベルを保持し、欠相なしを示している。

次に、３相交流入力の中の一相、例えば図８に示すように、電源線Ｖに異常Ｆが発生し、欠相が生じたとする。そうすると、このときには、抵抗１２に発生する電Ｅ12 の波形に、図９の(a)に示すように、０〔Ｖ〕になる領域が現われ、この結果、電流波形もこの電圧波形に従い、同図(b)に示すように、同じく電流波形に０〔Ａ〕になる領域が現われてしまう。

そうすると、このとき、つまり入力されている３相交流に欠相が生じたときは、３相交流の周期によって、フォトカプラ７に出力側のフォトトランジスタをオンするのに十分な電流が流れ込まない期間が現われ、図９(c)にオン・オフ状態Ｚとして示すように、フォトカプラ７のフォトトランジスタがオフになってしまう領域が生じてしまう。

このように、欠相が発生すると、フォトカプラ７の入力側に電流が通流されなくなる期間が発生し、その間に充電用コンデンサ１５に蓄積されていた電荷が放電用抵抗１６を介して放電され、このため、充電用コンデンサ１５の両端の電圧は低下する。

そこで、コンパレータ１４の基準電圧Ｖth を、充電用コンデンサ１５の両端の電圧が最低まで低下したときの電圧よりも高く、且つ、十分に充電されている状態よりも低く設定しておけば、欠相状態による充電用コンデンサ１５の放電を検知することができ、この結果、欠相検出部１３により、欠相を検知することができる。

従って、この実施形態によっても、比較的高価な部品であるフォトカプラが１個で済むため、従来技術に比してコスト削減を図ることができる。

ここで、このコンパレータ１４と充電用コンデンサ１５、放電用抵抗１６を用いた実施形態においても、図５で説明した実施形態の場合と同じく、ツェナーダイオード６を除いても欠相状態を検出することができる。

従って、この実施形態によれば、比較的高価な部品であるフォトカプラが１個で済む上、ツェナーダイオードが不要になるので、従来技術に比して、より一層のコスト削減を図ることができる。

なお、以上の実施形態では、３相交流入力の電源線Ｕ、Ｖ、Ｗの中の電源線Ｖに異常が発生した場合について説明したが、何れの相が欠相したとしても同じく欠相が検知できることは、いうまでもない。

また、以上の実施形態では、３相交流電源から給電されるインバータ装置を対象として、これに本発明による欠相検出回路を設けた場合について説明したが、本発明はインバータ装置に限らず、３相交流電源から給電される電気機器なら何れにも適用可能なことも、いうまでもない。

上記したように、本発明による欠相検出回路は、３相交流電圧を入力とする全ての機器に利用の可能性がある。

本発明による欠相検出回路の一実施形態を示すブロック構成図である。 本発明の一実施形態による動作を説明するための波形図である。 本発明の一実施形態に欠相が生じた状態を説明するためのブロック構成図である。 本発明の一実施形態において欠相が生じたときの動作を説明するための波形図である。 本発明による欠相検出回路の他の一実施形態を示すブロック構成図である。 本発明による欠相検出回路の更に別の一実施形態を示すブロック構成図である。 本発明の更に別の一実施形態による動作を説明するための波形図である。 本発明の更に別の一実施形態に欠相が生じた状態を説明するためのブロック構成図である。 本発明の更に別の一実施形態において欠相が生じたときの動作を説明するための波形図である。 従来技術による欠相検出回路の一例を示すブロック構成図である。 従来技術による欠相検出回路の動作を説明するためのタイミング図である。

符号の説明

１：３相交流電源
２：順変換部
３〜５：ダイオード(３相半波整流用)
６：ツェナーダイオード
７：フォトカプラ
８〜１０：抵抗(分圧用)
１２：抵抗(電圧波形モニタ用)
１３：欠相検出部
１４：コンパレータ
１５：充電用コンデンサ
１６：放電用抵抗
１００：電力変換装置

Claims (9)

1. ３本の電源線を介して電気機器に供給される３相交流の欠相を検出する欠相検出回路であって、
   前記電気機器に入力される前の経路において、前記３本の電源線にスター接続された３個のダイオードと、
   前記電気機器に入力される前の経路において、前記３本の電源線にスター接続された３個の抵抗と、
   前記３個のダイオードによる中性点と前記３個の抵抗による中性点との間に接続された欠相検出手段と、を備え、
   前記欠相検出手段がフォトカプラで構成され、
   前記フォトカプラの入力側に流れる電流により、前記３相交流の欠相を検知するように構成したことを特徴とする欠相検出回路。
2. 請求項１に記載の欠相検出回路において、
   前記電気機器は、インバータ装置の順変換部であることを特徴とする欠相検出回路。
3. 請求項１に記載の欠相検出回路において、
   前記フォトカプラの入力側にツェナーダイオードが備えられていることを特徴とする欠相検出回路。
4. 請求項１に記載の欠相検出回路において、
   前記フォトカプラの出力側の導通と遮断が、当該フォトカプラの出力側に接続されたコンパレータによる電圧比較により検出されることを特徴とする欠相検出回路。
5. 請求項４に記載の欠相検出回路において、
   前記コンパレータの比較入力に充電用コンデンサと放電用抵抗の並列回路が備えられていることを特徴とする欠相検出回路。
6. ３本の電源線を介して供給される３相交流を受電する受電部と、
   前記受電部に入力される前の経路において、前記３本の電源線にスター接続された３個のダイオードと、
   前記受電部に入力される前の経路において、前記３本の電源線にスター接続された３個の抵抗と、
   前記３個のダイオードによる中性点と前記３個の抵抗による中性点との間に接続された欠相検出手段と、を備え、
   前記欠相検出手段がフォトカプラで構成され、
   前記フォトカプラの入力側に流れる電流により、前記３相交流の欠相を検知するように構成したことを特徴とする電気機器。
7. 請求項６に記載の電気機器において、
   前記受電部は順変換部であることを特徴とする電気機器。
8. 請求項６又は７において、
   前記電気機器はインバータ装置であることを特徴とする電気機器。
9. ３本の電源線を介して３相交流が供給される電気機器において、
   前記電気機器に入力される前の経路において、前記３本の電源線にスター接続された３個のダイオードと、
   前記電気機器に入力される前の経路において、前記３本の電源線にスター接続された３個の抵抗と、
   前記３個のダイオードによる中性点と前記３個の抵抗による中性点との間に接続された欠相検出手段と、を備え、
   前記欠相検出手段がフォトカプラで構成され、
   前記フォトカプラの入力側に流れる電流により、前記３相交流の欠相を検知するように構成したことを特徴とする電気機器。

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