JP6816307B1 - 電源装置および交流電源の異常検出方法 - Google Patents

電源装置および交流電源の異常検出方法 Download PDF

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Abstract

スイッチ(10)は、交流電源(1)および負荷(2)の間に接続される。制御装置(40)は、スイッチ(10)のオン時、交流電源(1)から供給される三相交流電圧の瞬時値を検出することにより、交流電源(1)の異常を検出するように構成される。制御装置(40)は、第1の時刻にて検出される三相交流電圧の瞬時値と、三相交流電圧のピーク値に対して予め設定された第1の閾値とに基づいて、第1の時刻と所定の時間差を有する第2の時刻における三相交流電圧の瞬時値に対する第2の閾値を推定する。制御装置(40)は、推定された第2の閾値と、第2の時刻にて検出される三相交流電圧の瞬時値とを比較することにより、交流電源(1)の異常を検出する。制御装置(40)は、交流電源(1)の異常が検出された場合、スイッチ(10)をオフさせる。

Description

この発明は、電源装置および交流電源の異常検出方法に関する。
特開平5−137277号公報(特許文献1)には、交流入力電源の電圧低下を検出する停電検出制御回路を有する無停電電源装置が開示される。停電検出制御回路は、交流入力電圧の実効値が定格電圧(100%)よりも低い停電検出レベル(たとえば85%)以下となったときに、交流入力電源の電圧低下を検出するように構成される。特許文献1では、交流入力電源の電圧低下が検出されると、インバータ装置は、蓄電池の直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する。
特開平5−137277号公報
特許文献1に記載される停電検出制御回路においては、交流入力電圧に急峻な電圧変動が生じた場合、電圧変動後に交流入力電圧のピーク値が低下し、それに伴って交流入力電圧の実効値も低下する。そのため、交流入力電圧の変動が生じたタイミングから交流入力電圧の実効値が停電検出レベル以下となるタイミングまでに時間差が生じてしまう。これによると、蓄電池の直流電力がインバータ装置によって交流電力に変換されて負荷に供給されるまでの期間中、負荷への供給電圧が一時的に低下してしまうおそれが懸念される。
この発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、交流電源の異常を迅速に検出することができる電源装置および交流電源の異常検出方法を提供することである。
この発明のある局面によれば、電源装置は、交流電源および負荷の間に接続されるスイッチと、スイッチのオンオフを制御する制御装置とを備える。制御装置は、異常検出部と、スイッチ制御部とを含む。異常検出部は、スイッチのオン時、交流電源から供給される三相交流電圧の瞬時値を検出することにより、交流電源の異常を検出するように構成される。スイッチ制御部は、交流電源の異常が検出された場合、スイッチをオフさせるように構成される。異常検出部は、第1の時刻にて検出される三相交流電圧の瞬時値と、三相交流電圧のピーク値に対して予め設定された第1の閾値とに基づいて、第1の時刻と所定の時間差を有する第2の時刻における三相交流電圧の瞬時値に対する第2の閾値を推定する。異常検出部は、推定された第2の閾値と、第2の時刻にて検出される三相交流電圧の瞬時値とを比較することにより、交流電源の異常を検出する。
この発明によれば、交流電源の異常を迅速に検出することができる電源装置および交流電源の異常検出方法を提供することができる。
実施の形態による電源装置の構成例を示す回路ブロック図である。 比較例に係る異常検出方法を説明するための図である。 本実施の形態による異常検出方法を説明するための図である。 時間差dtの設定方法を説明するための図である。 本実施の形態による異常検出方法を説明するための図である。 制御装置の機能的構成を概略的に示す図である。 制御装置により実行される制御処理の手順を示すフローチャートである。 実施の形態による電源装置の他の構成例を示す回路ブロック図である。
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。
(無停電電源装置の構成)
図1は、実施の形態による電源装置の構成例を示す回路ブロック図である。この電源装置は、三相交流電力を負荷に供給するものであるが、図面および説明の簡単化のため、図1では一相に関連する部分のみが示されている。また、このような電源装置は、瞬低補償装置とも呼ばれる。
図1を参照して、瞬低補償装置5は、交流入力端子T1、交流出力端子T2、スイッチ10、電流検出器CT、インバータ(双方向コンバータ)20、バッテリ30、および制御装置40を備える。交流入力端子T1は、交流電源1から商用周波数の交流電圧VIを受ける。交流電圧VIの瞬時値は、制御装置40によって検出される。制御装置40は、交流電圧VIの瞬時値に基づいて、交流電源1から交流電圧VIが正常に供給されているか否かを判定する。制御装置40は、後述する方法によって、交流電圧VIの瞬時値に基づいて、交流電源1の瞬時電圧低下および過電圧を検出する。なお、本願明細書において、交流電源1の瞬時電圧低下は、交流電源1の停電を含む。
交流出力端子T2は、負荷2に接続される。負荷2は、無停電電源装置から供給される交流電力によって駆動される。交流出力端子T2に現れる交流電圧VOの瞬時値は、制御装置40によって検出される。
スイッチ10の一方端子10aは交流入力端子T1に接続され、他方端子10bは交流出力端子T2に接続される。スイッチ10は、たとえば、一方端子10aおよび他方端子10bの間に逆並列に接続されるサイリスタ11,12を有するサイリスタスイッチである。交流電源1から交流電圧VIが正常に供給されている場合(交流電源1の健全時)には、スイッチ10はオン状態にされる。交流電源1から交流電圧VIが正常に供給されなくなった場合(交流電源1の瞬時電圧低下または過電圧の発生時)には、スイッチ10はオフされる。
スイッチ10は、制御装置40によって制御される。具体的には、サイリスタ11,12は、制御装置40から入力されるゲート信号に応答してオン(導通)される。そして、オンされたサイリスタ11,12は、ゲート信号が遮断された状態において、交流電圧VIがゼロクロスするのに応じてオフ(遮断)される。
電流検出器CTは、スイッチ10の他方端子10bから交流出力端子T2に流れる交流電流(負荷電流)IOの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御装置40に与える。
インバータ20は、スイッチ10の他方端子10bとバッテリ30との間に接続され、制御装置40によって制御される。インバータ20は、半導体スイッチング素子により構成される。半導体スイッチング素子としては、たとえば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が用いられる。また、半導体スイッチング素子の制御方式として、PWM(Pulse Width Modulation)制御を適用することができる。
インバータ20は、交流電源1の健全時には、交流電源1からスイッチ10を介して供給される交流電力を直流電力に変換してバッテリ30に蓄える。このとき制御装置40は、バッテリ30の端子間電圧VBが参照電圧VBrになるようにインバータ20を制御する。なお、バッテリ30の代わりにコンデンサがインバータ20に接続されていてもよい。バッテリ30は「電力貯蔵装置」の一実施例に対応する。
また、インバータ20は、交流電源1の異常時(瞬時電圧低下または過電圧の発生時)には、バッテリ30の直流電力を商用周波数の交流電力に変換して負荷2に供給する。このとき制御装置40は、交流電圧VOおよび交流電流IOに基づき、交流電圧VOが参照電圧VOrになるようにインバータ20を制御する。制御装置40は、バッテリ30の端子間電圧VBが低下して下限電圧に到達した場合には、インバータ20の運転を停止させる。
制御装置40は、たとえばマイクロコンピュータなどで構成することができる。一例として、制御装置40は、図示しないメモリおよびCPU(Central Processing Unit)を内蔵し、メモリに予め格納されたプログラムをCPUが実行することによるソフトウェア処理によって、後述する異常検出を含む制御動作を実行することができる。あるいは、当該制御動作の一部または全部について、ソフトウェア処理に代えて、内蔵された専用の電子回路などを用いたハードウェア処理によって実現することも可能である。
次に、無停電電源装置の動作について説明する。
交流電源1の健全時には、スイッチ10がオンされ、交流電源1からスイッチ10を介して負荷2に交流電力が供給され、負荷2が運転される。また、交流電源1からスイッチ10を介してインバータ20に交流電力が供給され、その交流電力が直流電力に変換されてバッテリ30に蓄えられる。
一方、交流電源1の異常時(瞬時電圧低下または過電圧の発生時)には、スイッチ10が瞬時にオフされるとともに、バッテリ30の直流電力がインバータ20によって交流電力に変換されて負荷2に供給される。したがって、交流電源1の異常が発生した場合でも、バッテリ30に直流電力が蓄えられている期間は、負荷2の運転を継続することができる。
(交流電源の異常検出方法)
次に、交流電源1の異常を検出する方法について説明する。最初に、図2を用いて、比較例による異常検出方法とその課題について説明する。比較例による異常検出方法の一態様として、交流電源1の過電圧を検出する方法を説明する。
(比較例による異常検出方法)
図2は、比較例に係る異常検出方法を説明するための図である。図2(A)には、交流電源1から供給される交流電圧VI(U相電圧Vu、V相電圧Vv、W相電圧Vw)の波形が示される。図2(B)には、図2(A)に示される交流電圧VIを全波整流した値Vpの波形が示される。
図2(A)に示されるように、U相電圧Vu、V相電圧VvおよびW相電圧Vwの波形は互いに120°ずつずれている。図2(B)に示される全波整流値Vpは、各相電圧のピーク値の大きさによって決まる。
ここで、時刻t1にて交流電源1に過電圧が生じた場合を想定する。図2(A)では、時刻t1にてU相電圧VuおよびV相電圧Vvに急峻な変動が生じている。時刻t1以降、各相電圧のピーク値が増加することにより、全波整流値Vpも増加している。
図2(C)は、時刻t1付近の交流電圧VIの波形を拡大した図であり、図2(D)は、時刻t1付近の全波整流値の波形を拡大した図である。比較例に係る異常検出方法は、交流電圧VIの全波整流値Vpに基づいて、交流電源1の過電圧を検出するように構成される。
具体的には、図2(D)に示すように、全波整流値Vpには、過電圧を検出するための閾値VthHが予め設定されている。交流電圧VIの全波整流値Vpがこの閾値VthHを超えた場合、交流電源1に過電圧が生じたと判定される。図2(D)の例では、時刻t1より後の時刻t2にて、全波整流値Vpが閾値VthHを超えたことにより、過電圧が検出される。
このように、比較例に係る異常検出方法では、交流電圧VIが急峻に変動したタイミング(時刻t1)から交流電圧VIの全波整流値Vpが閾値VthHを超えるタイミング(時刻t2)までには時間差が生じる。この時間差は、最大で交流電圧VIの1/6周期に相当する長さとなり得る。交流電圧VIの1/6周期は、全波整流値Vpが最小値から最大値まで変化するのにかかる時間に値する。
なお、過電圧検出用の閾値VthHをより低い値に設定すれば、全波整流値Vpが閾値VthHを超えるタイミングが早められるため、この時間差を短くすることができる。ただし、閾値VthHを低下させることによって、ノイズによる瞬間的な電圧上昇を誤って過電圧と判定してしまう弊害が懸念される。
図2(D)では、時刻t2にて過電圧が検出されると、スイッチ10のサイリスタ11,12に入力されるゲート信号が遮断される。サイリスタ11,12は、ゲート信号が遮断されると、交流電圧VIがゼロクロスするタイミングでオフされる。すなわち、ゲート信号が遮断されるタイミングから遅れてスイッチ10がオフされることになる。これによると、ゲート信号が遮断されるタイミングでの交流電圧VIの位相によっては、交流電圧VIが急峻に変動したタイミング(時刻t1)から実際にスイッチ10がオフされるタイミングまでの時間差が拡大される場合が起こり得る。この場合、スイッチ10がオフされるまでの期間中、負荷2に過電圧が印加されてしまうおそれが懸念される。
したがって、負荷2に過電圧が印加されることを防止するためには、交流電圧VIが急峻に変動したタイミング(時刻t1)からスイッチ10がオフされるタイミングまでの時間差を縮めることが必要となる。
本実施の形態では、比較例による異常検出方法に比べて、過電圧を検出するタイミングを早めることができる異常検出方法を提案する。これによれば、交流電圧VIが急峻に変動したタイミングから過電圧を検出するタイミングまでの時間差を縮めることができるため、結果的に交流電圧VIが急峻に変動したタイミングからスイッチ10がオフされるタイミングまでの時間差を縮めることができる。よって、負荷2に過電圧が印加される可能性を低減することができる。
(本実施の形態による過電圧検出方法)
図3は、本実施の形態による異常検出方法を説明するための図である。図3を用いて、本実施の形態による異常検出方法の一態様として、交流電源1の過電圧を検出する方法について説明する。
図3(A)には、制御装置40によって検出される交流電圧VIのうちのU相電圧Vuの波形が示される。図示は省略するが、V相電圧VvおよびW相電圧Vwの波形は、U相電圧Vuの波形に対して120°ずれている。
U相電圧Vuは、図3(A)中に太実線L1で示されている。図3(A)の例では、U相電圧Vuには、時刻t0付近にて急峻な変動が生じている。変動直前の時刻t0でのU相電圧VuをVu0とし、変動直後の時刻t1でのU相電圧VuをVu1とする。時刻t1は、時刻t0との間に時間差dtを有する(t1=t0+dt)。
図3(A)には、さらに、ピーク値が互いに異なる3種類の波形k1〜k3が示されている。波形k1は、交流電源1の健全時におけるU相電圧Vuの波形を表している。波形k2は、ピーク値が閾値VthHに等しいときのU相電圧Vuの波形を表している。波形k3は、交流電源1の異常時(すなわち、電圧変動の発生後)におけるU相電圧Vuの波形を表している。太実線L1で示されるU相電圧Vuは、時刻t0以前(電圧変動の発生前)には波形k1に沿って変化しているが、時刻t1以降(電圧変動の発生後)には波形k3に沿って変化している。
図3(B)には、交流電圧VIのピーク値Vpの波形が示されている。ピーク値Vpは、たとえば、交流電圧VIを全波整流することにより算出することができる。あるいは、ピーク値Vpは、交流電圧VIを移動平均することにより算出することができる。
図3(B)に示すように、ピーク値Vpは、電圧変動直前の時刻t0(すなわち、交流電源1の健全時)では、閾値VthHよりも小さい値V0を示している(V0<VthH)。電圧変動直後の時刻t1以降、ピーク値Vpは次第に増加し、時刻t1より後の時刻t2において、ピーク値Vpは閾値VthHを超えている。なお、図2に示した比較例による異常検出方法によれば、ピーク値Vpが閾値VthHを超えた時刻t2にて、過電圧が検出されることになる。
本実施の形態による異常検出方法は、概念的には、時刻t0直後に電圧変動が発生した場合を仮定し、電圧変動直後の時刻t1におけるU相電圧Vuの瞬時値に対する閾値Vuth1を推定するように構成される。この閾値Vuth1は、ピーク値Vpが閾値VthHに等しいときのU相電圧Vuの波形k2上に位置している。すなわち、U相電圧Vuの瞬時値が波形k1上を時間的に変化すると、U相電圧Vuの瞬時値の閾値Vuth1も波形k2上を時間的に変化することになる。
本実施の形態による異常検出方法は、上記構成において、時刻t1におけるU相電圧Vuの瞬時値Vu1が閾値Vuth1を超えている場合に、過電圧を検出するように構成される。図3(A)の例では、時刻t1でのU相電圧Vuの瞬時値Vu1は、閾値Vuth1を超えている(Vu1>Vuth1)。したがって、時刻t1において過電圧が検出されることになる。これによると、交流電圧VIのピーク値Vpが閾値VthHを超えるタイミング(時刻t2)に比べて、より早いタイミングで過電圧を検出することが可能となる。
なお、図示は省略するが、V相電圧VvおよびW相電圧Vwについても、上述した方法によって、時刻t1における瞬時値に対する閾値を推定することができる。そして、時刻t1におけるU相電圧Vu、V相電圧VvおよびW相電圧Vwの瞬時値の少なくとも1つが閾値を超えている場合、過電圧を検出することができる。
(閾値Vuth1の推定方法)
次に、過電圧検出用の閾値Vuth1の推定方法について詳細に説明する。
上述したように、閾値Vuth1は、ピーク値Vpが閾値VthHに等しいU相電圧Vuの波形k2上の時刻t1に該当する点である。この閾値Vuth1は、時刻t0におけるU相電圧Vuの位相ωt0と、ピーク値Vpの閾値VthHとを用いて推定することができる。ωは角速度である。
具体的には、時刻t0におけるU相電圧Vuの位相ωt0は、時刻t0におけるV相電圧Vvの瞬時値およびW相電圧Vwの瞬時値と、時刻t0での交流電圧VIのピーク値V0とを用いて、以下の手法により算出することができる。
交流電源1から供給される交流電圧VI(U相電圧Vu,V相電圧Vv,W相電圧Vw)は、次式(1)〜(3)で与えられる。
Vu=V0×sin(ωt) (1)
Vv=V0×sin(ωt+120°) (2)
Vw=V0×sin(ωt+240°) (3)
式(2),(3)によると、V相電圧VvとW相電圧Vwとの関係は次式(4)で与えられる。
Vv−Vw=√3×V×cos(ωt) (4)
この式(4)を変形することにより、U相電圧Vuの位相ωtは、次式(5)で示すように、Vv,Vw,V0の関数で表すことができる。
ωt=arccos{(Vv−Vw)/√3×V0} (5)
式(5)によると、時刻t0におけるU相電圧Vuの位相ωt0は、時刻t0でのV相電圧Vvの瞬時値およびW相電圧Vwの瞬時値と、時刻t0でのピーク値V0とに基づいて算出することができる。
そして、この時刻t0における位相ωt0を用いて、時刻t1(=t0+dt)におけるU相電圧Vuの位相ω(t0+dt)を算出する。算出した位相ω(t0+dt)と、ピーク値Vpの閾値VthHとを式(1)に代入することにより、時刻t1におけるU相電圧Vuの瞬時値の閾値Vuth1を算出することができる。すなわち、時刻t1における閾値Vuth1は、次式(6)で与えられる。
Vuth1=VthH×sin{ω(t0+dt)} (6)
式(6)で与えられる閾値Vuth1と、時刻t1にて検出されるU相電圧Vuの瞬時値Vu1とを比較し、瞬時値Vu1が閾値Vuth1を超えている場合、過電圧を検出することができる。
(時間差dtの設定方法)
上述したように、本実施の形態による異常検出方法は、時刻t0にて、時刻t1におけるU相電圧Vuの瞬時値に対する閾値Vuth1を推定するように構成される。この異常検出方法を用いて交流電圧VIの急峻な変動を検出するためには、電圧変動の直前の時刻t0と電圧変動の直後の時刻t1との時間差dtをどのような大きさとするかが重要となる。
以下、図4を用いて、時間差dtの決め方について説明する。
図4は、図3と同じであり、U相電圧Vuの波形(図4(A))と、交流電圧VIのピーク値Vpの波形(図4(B))とを示している。
過電圧を検出するためには、時刻t1におけるU相電圧Vuの瞬時値Vu1が、時刻t1における閾値Vuth1を超えているか否かが判定される。この閾値Vuth1をどのタイミングでのV相電圧VvおよびW相電圧Vwの瞬時値ならびにピーク値Vpを用いて算出すればよいか、すなわち、どのタイミングを電圧変動直前の時刻t0に設定すべきかを考慮する必要がある。
具体的には、時刻t1にて瞬時値Vu1が閾値Vuth1を超えているか否かを正確に判定するためには、実際に電圧変動が生じてからU相電圧Vuの瞬時値Vu1が閾値Vuth1を超えるのに要する時間(図中のdtrに相当)に比べて、時刻t0および時刻t1間の時間差dtを長くする必要がある。これは、時間差dtがdtrよりも短くした場合には、時刻t0では既に電圧変動が始まっているため、変動中のV相電圧VvおよびW相電圧Vwの瞬時値およびピーク値を用いてU相電圧Vuの位相ωt0を算出することになるためである。この場合、正確な位相ωt0を算出することができないため、閾値Vuth1を精度良く算出することが困難となる。
図2に示した比較例による異常検出方法では、交流電圧VIが急峻に変動したタイミングから最大で交流電圧VIの1/6周期に相当する時間差で、過電圧が検出される。なお、交流電圧VIの1/6周期は、交流電圧VIの全波整流値が最小値から最大値に変化するのにかかる時間に値する。
本実施の形態による異常検出方法は、電圧変動の発生後に全波整流値が閾値VthHに達するタイミングよりも早いタイミングで過電圧を検出することを目的としている。そのため、実際にU相電圧Vuに電圧変動が生じてから瞬時値Vu1が閾値Vuth1を超えるのに要する時間dtrが、交流電圧VIの1/6周期分よりも短い場合を想定している。言い換えれば、実際の時間dtrが交流電圧VIの1/6周期分よりも長い場合には、比較例による異常検出方法で過電圧を検出しても問題がない。
これによると、図4の時間dtrは、最大で交流電圧VIの1/6周期分を想定すればよいため、結果的に時間差dtは交流電圧VIの1/6周期分よりも長くなるように設定すればよいことになる。
(本実施の形態による瞬時電圧低下検出方法)
図5は、本実施の形態による異常検出方法を説明するための図である。図5を用いて、本実施の形態による異常検出方法の別の態様として、交流電源1の瞬時電圧低下を検出する方法について説明する。
図5(A)には、制御装置40によって検出される交流電圧VIのうちのU相電圧Vuの波形が示される。図示は省略するが、V相電圧VvおよびW相電圧Vwの波形は、U相電圧Vuの波形に対して120°ずれている。
U相電圧Vuは、図5(A)中に太実線L2で示されている。図5(A)の例では、U相電圧Vuには、時刻t0付近にて急峻な変動(低下)が生じている。変動直前の時刻t0でのU相電圧VuをVu0とし、変動直後の時刻t1でのU相電圧VuをVu1とする。時刻t1は、時刻t0との間に時間差dtを有する(t1=t0+dt)。
図5(A)には、さらに、ピーク値が互いに異なる3種類の波形k1,k4,k5が示されている。波形k1は、交流電源1の健全時におけるU相電圧Vuの波形を表している。波形k4は、ピーク値が電圧低下検出用の閾値VthLに等しいときのU相電圧Vuの波形を表している。波形k5は、交流電源1の異常時(すなわち、電圧変動の発生後)におけるU相電圧Vuの波形を表している。太実線L1で示されるU相電圧Vuは、時刻t0以前(電圧変動の発生前)には波形k1に沿って変化しているが、時刻t1以降(電圧変動の発生後)には波形k5に沿って変化している。
図5(B)には、交流電圧VIのピーク値Vpの波形が示されている。ピーク値Vpは、電圧変動直前の時刻t0では、閾値VthLよりも大きい値V0を示している(V0>VthL)。電圧変動直後の時刻t1以降、ピーク値Vpは次第に低下し、時刻t1より後の時刻t3において、閾値VthLを下回っている。なお、図2に示した比較例による異常検出方法によれば、ピーク値Vpが閾値VthLを下回った時刻t3にて、瞬時電圧低下が検出されることになる。
本実施の形態による異常検出方法は、上述したように、時刻t0直後に電圧変動が発生した場合を仮定し、電圧変動直後の時刻t1におけるU相電圧Vuの瞬時値に対する閾値Vuth2を推定するように構成される。この閾値Vuth2は、ピーク値Vpが閾値VthLに等しいときのU相電圧Vuの波形k4上に位置している。すなわち、U相電圧Vuの瞬時値が波形k1上を時間的に変化すると、U相電圧Vuの瞬時値の閾値Vuth2も波形k4上を時間的に変化することになる。
本実施の形態による異常検出方法は、上記構成において、時刻t1におけるU相電圧Vuの瞬時値Vu1が閾値Vuth2を下回っている場合に、瞬時電圧低下を検出するように構成される。図5(A)の例では、時刻t1でのU相電圧Vuの瞬時値Vu1は、閾値Vuth2を下回っている(Vu1<Vuth2)。したがって、時刻t1において瞬時電圧低下が検出されることになる。これによると、交流電圧VIのピーク値Vpが閾値VthLを下回るタイミング(時刻t3)に比べて、より早いタイミングで瞬時電圧低下を検出することが可能となる。
なお、図示は省略するが、V相電圧VvおよびW相電圧Vwについても、上述した方法によって、時刻t1における瞬時値に対する閾値を推定することができる。そして、時刻t1におけるU相電圧Vu、V相電圧VvおよびW相電圧Vwの瞬時値の少なくとも1つが閾値を下回っている場合、瞬時電圧低下を検出することができる。
以上説明したように、本実施の形態による異常電圧方法は、現在のタイミングで交流電圧VIに電圧変動が発生した場合を仮定し、電圧変動直後のタイミングにおける交流電圧VIの瞬時値に対する閾値Vuth1,Vuth2を推定し、推定した閾値Vuth1,Vuth2と、電圧変動直後のタイミングでの実際の交流電圧VIの瞬時値とを比較することにより、交流電源1の異常を検出するように構成される。これによると、交流電圧VIの全波整流値に基づいた比較例による異常検出方法に比べて、電圧変動直後のより早いタイミングで交流電源1の異常を検出することができる。
(制御装置の構成)
上述した本実施の形態による異常検出方法は、瞬低補償装置5の制御装置40が、図示しない記憶部に記憶されているプログラムに従って動作することによって実現することができる。次に、図6を用いて、制御装置40の機能的構成について説明する。
図6は、制御装置40の機能的構成を概略的に示す図である。
図6を参照して、制御装置40は、瞬時値検出部42、ピーク値演算部44、閾値推定部46,48、記憶部49、異常検出部52、スイッチ制御部54、およびインバータ制御部56を含む。
瞬時値検出部42は、交流電源1から供給される交流電圧VI(U相電圧Vu、V相電圧Vw、W相電圧Vw)の瞬時値を検出する。ピーク値演算部44は、交流電圧VIを全波整流(または移動平均)することにより、交流電圧VIのピーク値Vpを演算する。
閾値推定部46は、過電圧検出用の閾値Vuth1を演算する。閾値Vuth1は、時刻t+dtにおけるU相電圧Vuの瞬時値の閾値である。具体的には、閾値推定部46は、瞬時値検出部42により検出されたV相電圧Vvの瞬時値およびW相電圧Vwの瞬時値と、ピーク値演算部44により演算されたピーク値Vpとを式(5)に代入することにより、現在のタイミング(時刻tとする)におけるU相電圧Vuの位相ωtを演算する。続いて、閾値推定部46は、現在のタイミングから時間差dt分遅れたタイミング(時刻t+dt)におけるU相電圧Vuの位相ω(t+dt)と、ピーク値Vpの閾値VthHとを式(6)に代入することにより、時刻t+dtにおける交流電圧VIの瞬時値の閾値Vuth1を演算する。
閾値推定部46は、同様の手法を用いて、過電圧検出用の閾値Vvth1,Vwth1を演算する。閾値Vvth1は、時刻t+dtにおけるV相電圧Vvの瞬時値の閾値である。閾値Vwth1は、時刻t+dtにおけるW相電圧Vwの瞬時値の閾値である。
閾値推定部48は、瞬時電圧低下検出用の閾値Vuth2を演算する。閾値Vuth2は、時刻t+dtにおけるU相電圧Vuの瞬時値の閾値である。具体的には、閾値推定部48は、瞬時値検出部42により検出されたV相電圧Vvの瞬時値およびW相電圧Vwの瞬時値と、ピーク値演算部44により演算されたピーク値Vpとを式(5)に代入することにより、現在のタイミング(時刻t)におけるU相電圧Vuの位相ωtを演算する。続いて、閾値推定部48は、現在のタイミングから時間差dt分遅れたタイミング(時刻t+dt)におけるU相電圧Vuの位相ω(t+dt)と、ピーク値Vpの閾値VthLとを式(6)に代入することにより、時刻t+dtにおける交流電圧VIの瞬時値の閾値Vuth2を演算する。
閾値推定部48は、同様の手法を用いて、瞬時電圧低下検出用の閾値Vvth2,Vwth2を演算する。閾値Vvth2は、時刻t+dtにおけるV相電圧Vvの瞬時値の閾値である。閾値Vwth2は、時刻t+dtにおけるW相電圧Vwの瞬時値の閾値である。
閾値推定部46,48は、それぞれ演算した閾値Vuth1,Vuth2を記憶部49に格納する。閾値推定部46,48はさらに、閾値Vvth1,Vvth2,Vwth1,Vwth2を記憶部49に格納する。
異常検出部52は、瞬時値検出部42により検出されるU相電圧Vuの瞬時値と、記憶部49から読み出した閾値Vuth1,Vuth2とに基づいて、交流電源1の異常を検出する。具体的には、異常検出部52は、瞬時値検出部42から時刻t+dtにおけるU相電圧Vuの瞬時値を受けると、時刻t+dtにおける閾値Vuth1,Vuth2とを比較する。U相電圧Vuの瞬時値が閾値Vuth1を超える場合、異常検出部52は、交流電源1の過電圧を検出する。一方、U相電圧Vuの瞬時値が閾値Vuth2を下回る場合には、異常検出部52は、交流電源1の瞬時電圧低下を検出する。
異常検出部52は、同様の手法を用いて、瞬時値検出部42により検出されるV相電圧Vvの瞬時値と、記憶部49から読み出した閾値Vvth1,Vvth2とに基づいて、交流電源1の異常を検出する。異常検出部52は、同様の手法を用いて、瞬時値検出部42により検出されるW相電圧Vwの瞬時値と、記憶部49から読み出した閾値Vwth1,Vwth2とに基づいて、交流電源1の異常を検出する。
異常検出部52は、検出結果を示す信号をスイッチ制御部54およびインバータ制御部56へ出力する。
スイッチ制御部54は、スイッチ10のオンオフを制御する。具体的には、スイッチ制御部54は、スイッチ10を構成するサイリスタ11,12にゲート信号を出力する。スイッチ制御部54は、異常検出部52から交流電源1の異常検出を示す信号を受けると、ゲート信号を遮断する。サイリスタ11,12は、ゲート信号が遮断された状態において、交流電圧VIがゼロクロスするのに応じてオフされる。
インバータ制御部56は、インバータ20を制御する。具体的には、インバータ制御部56は、異常検出部52から交流電源1の異常検出を示す信号を受けると、インバータ20の運転を開始する。インバータ制御部56は、交流電圧VOおよび交流電流IOに基づき、交流電圧VOが参照電圧VOrになるようにインバータ20を制御する。インバータ制御部56は、バッテリ30の端子間電圧VBが低下して下限電圧に到達した場合には、インバータ20の運転を停止させる。
図7は、制御装置40により実行される制御処理の手順を示すフローチャートである。図7に示される制御処理を所定周期で制御装置40が実行することにより、図6に示した制御装置40の機能が実現される。図7では、代表的に、U相電圧Vuの瞬時値を用いて交流電源1の異常を検出する処理が示される。
図7を参照して、制御装置40は、ステップS01により、スイッチ10がオン状態であるか否かを判定する。スイッチ10がオフ状態であれば(S01にてNO)、以降のステップS02〜S11の処理はスキップされる。
スイッチ10がオン状態であれば(S01にてYES)、制御装置40は、ステップS02により、交流電源1から交流入力端子T1に供給される交流電圧VI(U相電圧Vu,V相電圧Vv,W相電圧Vw)の瞬時値を検出する。
制御装置40は、ステップS03にて、検出された交流電圧VIのピーク値Vpを算出する。制御装置40は、交流電圧VIを全波整流(または移動平均)することにより、交流電圧VIのピーク値Vpを演算する。
続いて、制御装置40は、ステップS04にて、ステップS02で検出された交流電圧VIの瞬時値およびステップS03で算出されたピーク値Vpに基づいて、現在のタイミング(時刻tとする)におけるU相電圧Vuの位相ωtを算出する。
制御装置40は、ステップS05により、現在のタイミングから時間差dt分遅れたタイミング(時刻t+dt)におけるU相電圧Vuの瞬時値の閾値Vuth1,Vuth2を推定する。以下の説明では、時刻t+dtにおける閾値Vuth1をVuth1(t+dt)と表記し、時刻t+dtにおける閾値Vuth2をVuth2(t+dt)とも表記する。
制御装置40は、ステップS06により、推定した閾値Vuth1(t+dt),Vuth2(d+dt)を記憶部49(図6参照)に格納する。
制御装置40は、現在のタイミング(時刻t)における交流電圧VIの瞬時値に基づいて、交流電源1の異常を検出する。
具体的には、最初に、制御装置40は、ステップS07により、現在のタイミング(時刻t)におけるU相電圧Vuの瞬時値の閾値Vuth1,Vuth2を記憶部49から読み出す。以下の説明では、時刻tにおける閾値Vuth1をVuth1(t)と表記し、時刻tにおける閾値Vuth2をVuth2(t)とも表記する。閾値Vuth1(t),Vuth2(t)は、時刻tよりも時間差dt分遡ったタイミング(時刻t−dt)において、そのタイミングでの交流電圧VIの瞬時値を用いて推定され、記憶部49に格納されたものである。
制御装置40は、ステップS08にて、現在のタイミング(時刻t)におけるU相電圧の瞬時値Vu(t)と、時刻tにおけるU相電圧Vuの瞬時値Vuth1(t)とを比較する。瞬時値Vu(t)が閾値Vuth1(t)より大きい場合(S08にてYES)、制御装置40は、ステップS09により、交流電源1の過電圧を検出する。
これに対して、瞬時値Vu(t)が閾値Vuth1(t)以下である場合(S08にてNO)、制御装置40は、ステップS10により、瞬時値Vu(t)と閾値Vuth2(t)とを比較する。瞬時値Vu(t)が閾値Vuth2(t)より小さい場合(S10にてYES)、制御装置40は、ステップS11により、交流電源1の瞬時電圧低下を検出する。瞬時値Vu(t)が閾値Vuh2(t)以上である場合(S10にてNO)、制御装置40は、交流電源1が正常であると判断して、処理を終了する。
ステップS09にて交流電源1の過電圧が検出された場合、または、ステップS11にて交流電源1の瞬時電圧低下が検出された場合、制御装置40は、ステップS12に進み、スイッチ10に入力されるゲート信号を遮断する。これにより、スイッチ10を構成するサイリスタ11,12は、ゲート信号が遮断された状態において、交流電圧VIがゼロクロスするのに応じてオフされる。
制御装置40は、ステップS13により、インバータ20を運転させる。これにより、バッテリ30の直流電力がインバータ20によって交流電力に変換されて負荷2に供給される。バッテリ30に直流電力が蓄えられている期間は、負荷2の運転を継続することができる。
以上説明したように、本実施の形態に係る交流電源の異常検出方法によれば、交流電源のピーク値に基づいた交流電源の異常検出方法に比べて、電圧変動直後のより早いタイミングで交流電源の異常を検出することができる。これによれば、交流電源の異常を迅速に検出することで、短時間でスイッチをオフさせてインバータによる給電に切り替えることができるため、負荷に供給される交流電圧が変動することを抑制することができる。
(その他の構成例)
本実施の形態による交流電源1の異常検出方法が適用される電源装置には、図1に示した瞬低補償装置5以外に、図8に示される無停電電源装置6を含めることができる。
図8は、実施の形態による無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。この無停電電源装置6は、三相交流電力を負荷に供給するものであるが、図面および説明の簡単化のため、図1では一相に関連する部分のみが示されている。
図8を参照して、無停電電源装置6は、交流入力端子T1および交流出力端子T2を備える。交流入力端子T1は、交流電源1から商用周波数の交流電圧VIを受ける。交流出力端子T2は、負荷2に接続される。交流出力端子T2に現れる交流電圧VOの瞬時値は、制御装置40によって検出される。
無停電電源装置6は、スイッチS1,S2、リアクトルL3,L4、コンデンサC1〜C3、コンバータ50、双方向チョッパ60、インバータ20、スイッチ10および制御装置40をさらに備える。
スイッチS1およびリアクトルL3は、交流入力端子T1とコンバータ50の入力ノードとの間に直列接続される。コンデンサC1は、スイッチS1およびリアクトルL3の間のノードN1に接続される。スイッチS1は、無停電電源装置6の使用時にオンされ、たとえば無停電電源装置6のメンテナンス時にオフされる。
ノードN1に現れる交流電圧VIの瞬時値は、制御装置40によって検出される。制御装置40は、上述した異常検出方法によって、交流電圧VIの瞬時値に基づいて、交流電源1の瞬時電圧低下および過電圧を検出する。
コンデンサC1およびリアクトルL3は、低域通過フィルタを構成し、交流電源1からコンバータ50に商用周波数の交流電力を通過させ、コンバータ50で発生するスイッチング周波数の信号が交流電源1に伝搬することを防止する。
コンバータ50は、制御装置40によって制御され、交流電源1の健全時は、三相交流電力を直流電力に変換して直流ライン55に出力する。交流電源1の異常時(瞬時電圧低下または過電圧の発生時)は、コンバータ50の運転は停止される。
コンデンサC2は、直流ライン55に接続され、直流ライン55の電圧を平滑化させる。直流ライン55に現れる直流電圧の瞬時値VDCは制御装置40によって検出される。直流ライン55は双方向チョッパ60の高電圧側ノードに接続され、双方向チョッパ60の低電圧側ノードはバッテリ30に接続される。バッテリ30の端子間電圧VBの瞬時値は制御装置40によって検出される。
双方向チョッパ60は、制御装置40によって制御され、交流電源1の健全時は、コンバータ50によって生成された直流電力をバッテリ30に蓄え、交流電源1の異常時には、バッテリ30の直流電力を、直流ライン55を介してインバータ20に供給する。
インバータ20は、制御装置40によって制御され、コンバータ50または双方向チョッパ60から直流ライン55を介して供給される直流電力を商用周波数の三相交流電力に変換して出力する。インバータ20は、交流電源1の健全時はコンバータ50から直流ライン55を介して供給される直流電力を三相交流電力に変換し、交流電源1の異常時はバッテリ30から双方向チョッパ60を介して供給される直流電力を三相交流電力に変換する。
インバータ20の出力ノードはリアクトルL4の一方端子に接続され、リアクトルL4の他方端子はスイッチS2を介して交流出力端子T2に接続される。コンデンサC3はリアクトルL4とスイッチS2との間のノードN2に接続される。リアクトルL4およびコンデンサC3は、低域通過フィルタを構成し、インバータ20で生成された商用周波数の交流電力を交流出力端子T2に通過させ、インバータ20で発生するスイッチング周波数の信号が交流出力端子T2に伝搬することを防止する。
スイッチS2は、制御装置40によって制御され、インバータ20によって生成された交流電力を負荷2に供給する「インバータ給電モード」時にはオンされ、交流電源1からスイッチ10を介して交流電力を負荷2に供給する「バイパス給電モード」時にはオフされる。
スイッチ10は、図1の瞬低補償装置5におけるスイッチ10と同じ構成を有する。スイッチ10は、制御装置40によって制御され、バイパス給電モード時にはオンされ、インバータ給電モード時にはオフされる。
制御装置40は、無停電電源装置6がインバータ給電モードおよびバイパス給電モードを選択的に実行するように、スイッチ10のオンオフと、コンバータ50およびインバータ20における電力変換とを制御するように構成される。
具体的には、バイパス給電モード中、制御装置40は、上述した異常検出方法によって、交流電圧VIの瞬時値に基づいて、交流電源1の瞬時電圧低下および過電圧を検出する。交流電源1の異常が検出されると、制御装置40は、無停電電源装置6をバイパス給電モードからインバータ給電モードに切り替える。具体的には、制御装置40は、スイッチ10をオフするとともに、バッテリ30の直流電力をインバータ20によって交流電力に変換して負荷2に供給する。したがって、交流電源1の異常が発生した場合でも、バッテリ30に直流電力が蓄えられている期間は、負荷2の運転を継続することができる。
図8に示す無停電電源装置6においても、バイパス給電モード中、電圧変動直後のより早いタイミングで交流電源の異常を検出することができる。これによれば、電圧変動の発生後速やかにインバータ給電モードに切り替えることができるため、負荷に供給される交流電圧が変動することを抑制することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 交流電源、2 負荷、5 瞬低補償装置、6 無停電電源装置、10,S1,S2 スイッチ、11,12 サイリスタ、20 インバータ、30 バッテリ、40 制御装置、42 瞬時値検出部、44 ピーク値演算部、46,48 閾値推定部、49 記憶部、50 コンバータ、52 異常検出部、54 スイッチ制御部、55 直流ライン、56 インバータ制御部、60 双方向チョッパ、C1〜C3 コンデンサ、L3,L4 リアクトル。

Claims (8)

  1. 交流電源および負荷の間に接続されるスイッチと、
    前記スイッチのオンオフを制御する制御装置とを備え、
    前記制御装置は、
    前記スイッチのオン時、前記交流電源から供給される三相交流電圧の瞬時値を検出することにより、前記交流電源の異常を検出する異常検出部と、
    前記交流電源の異常が検出された場合、前記スイッチをオフさせるスイッチ制御部とを含み、
    前記異常検出部は、
    第1の時刻にて検出される三相交流電圧の瞬時値と、三相交流電圧のピーク値に対して予め設定された第1の閾値とに基づいて、前記第1の時刻と所定の時間差を有する第2の時刻における三相交流電圧の瞬時値に対する第2の閾値を推定し、
    推定された前記第2の閾値と、前記第2の時刻にて検出される三相交流電圧の瞬時値とを比較することにより、前記交流電源の異常を検出する、電源装置。
  2. 前記第1の閾値は、前記交流電源の過電圧を検出するためのピーク値の閾値を含み、
    前記異常検出部は、前記第2の時刻にて検出される三相交流電圧の瞬時値が前記第2の閾値より大きいとき、前記交流電源の過電圧を検出する、請求項1に記載の電源装置。
  3. 前記第1の閾値は、前記交流電源の瞬時電圧低下を検出するためのピーク値の閾値を含み、
    前記異常検出部は、前記第2の時刻にて検出される三相交流電圧の瞬時値が前記第2の閾値より小さいとき、前記交流電源の瞬時電圧低下を検出する、請求項1に記載の電源装置。
  4. 前記異常検出部は、前記第1の時刻にて検出される第1相および第2相の電圧の瞬時値と、前記第1の時刻における三相交流電圧のピーク値とに基づいて、前記第1の時刻における第3相の電圧の位相を算出し、
    前記第1の時刻における前記第3相の電圧の位相に基づいて、前記第2の時刻における前記第3相の電圧の位相を算出し、
    前記第2の時刻における前記第3相の電圧の位相と、前記第1の閾値とに基づいて、前記第2の閾値を推定する、請求項1から3のいずれか1項に記載の電源装置。
  5. 前記スイッチは、逆並列接続される第1および第2のサイリスタを有する、請求項1から4のいずれか1項に記載の電源装置。
  6. 前記所定の時間差は、前記交流電源から供給される三相交流電圧の1/6周期分よりも長くなるように設定される、請求項1から5のいずれか1項に記載の電源装置。
  7. 電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給するように構成されたインバータをさらに備え、
    前記制御装置は、前記交流電源の異常が検出された場合、前記インバータを起動させるインバータ制御部をさらに含む、請求項1から6のいずれか1項に記載の電源装置。
  8. 交流電源の異常検出方法であって、
    前記交流電源から供給される三相交流電圧の瞬時値を検出するステップと、
    前記検出するステップにより第1の時刻にて検出される三相交流電圧の瞬時値と、三相交流電圧のピーク値に対して予め設定された第1の閾値と基づいて、前記第1の時刻と所定の時間差を有する第2の時刻における三相交流電圧の瞬時値に対する第2の閾値を推定するステップと、
    前記推定するステップにより推定された前記第2の閾値と、前記第2の時刻にて検出される三相交流電圧の瞬時値とを比較することにより、前記交流電源の異常を検出するステップとを備える、交流電源の異常検出方法。
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