JPH0732588B2 - 位相検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、３相交流信号の周波数変化や位相変化に高
速で追従して、３相交流信号の位相を検出する位相検出
器に関するものである。

〔従来の技術〕

第11図は例えば特開昭63−300309号公報に示された従来
の位相検出器の回路図である。図において１は位相比較
器であって３相交流信号の内、２相分の交流信号（２相
信号）e_R,e_Sと後述の２相交流発生器20の出力信号（２
相交流信号）e_1R,e_1Sとの位相差Δθに比例した信号Δ
θ_１を演算して出力する。２は前記位相比較器１の位相
差信号Δθ_１を増幅する制御増幅器、３は前記制御増幅
器２の出力により出力パルス周波数が制御される電圧−
周波数変換器（V/F）、４は前記電圧−周波数変換器３
の出力パルスを計数するカウンタ、20は２相交流発生器
であって、前記カウンタ４の計数値θ_１に応じて２相交
流の出力信号e_1R,e_1Sを発生するように動作し、リード
オンリメモリ（ROM）５およびディジタル−アナログ変
換器6,7とから構成される。

次に動作について説明する。位相比較器１に入力する交
流信号e_R,e_Sは（１）式で表わすことができる。

一方、２相交流発生器20の出力信号e_1R,e_1Sは、リード
オンリメモリ５に予め書き込まれている次の単位振幅の
120゜位相差の２相正弦波データであって、（２）式で
表わされる。

これら２組の２相交流信号e_R,e_S及びe_1R,e_1Sの位相差Δ
θ＝（θ_０−θ_１）は（３）式の演算により得られる。

（３）式においてθ_０−θ_１が小さい場合にはSIN（θ
_０−θ_１）≒θ_０−θ_１に近似できる。

従って、 となる。

位相比較器１は（３）式の演算を行っており、入力交流
信号の振幅E₀は、ほぼ一定であり、E₀は定数として見な
せるため、位相比較器１の出力信号 は位相差Δθ＝θ_０−θ_１に比例した信号になる。この
位相差信号Δθ_１を比例積分系などの制御増幅器２にて
増幅する。この制御増幅器２の出力により、電圧−周波
数変換器３の出力パルスの周波数が制御され、この出力
パルスがカウンタ４にて計数される。たとえば、位相差
信号Δθ_１が大きい時は制御増幅器２が電圧−周波数変
換器３の出力パルス周波数を上昇させるように動作し、
位相差Δθは減少する。このようにして入力信号の位相
θ_０に追従した位相信号θ_１を得ている。

〔発明が解決しようとする課題〕 従来の位相検出器は以上のように構成されているので、
位相検出動作の開始時や入力信号の位相が急激に変化し
た時などに位相差θ_０−θ_１が180゜になると、位相比
較器１が出力する位相差信号Δθ_１はΔθ_１＝０となる
ために、位相差θ_０−θ_１は180゜のままになってしま
い、位相検出が正常に行えないという課題があった。

また、交流電源が停電すると位相検出器の動作が不安定
になるとともに、停電から回復した時（復電時）に、上
記課題が生ずる外、位相比較器１の出力特性がSIN（θ
_０−θ_１）に比例し、θ_０−θ_１＝±90゜で最大になる
など大きく変化するために、θ_０−θ_１≠180゜であっ
たとしても、θ_０−θ_１＝０に同期化する途上で過渡的
に２相交流発生器20が出力する２相交流信号e_1R,e_1Sの
位相θ_０が急変し、その周波数変化 も大きく変動し、特に、位相検出器の出力信号を用いて
電力変換器で交流出力制御を行う場合などにその動作が
不安定になるなどの課題があった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされた
もので、位相差θ_０−θ_１が180゜であっても正常な検
出動作に復帰できる位相検出器を得ることを目的とす
る。さらに、交流電源に停電を生じても動作を安定に保
つことができるとともに、復電時に２相交流発生器が出
力する２相交流信号の位相θ_１の急変を防止できる位相
検出器を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

請求項（１）記載の発明に係る位相検出器は、入力した
３相交流のうちの任意の２相信号およびこの２相信号と
同じ相間位相差を有する２相交流信号を入力して、前記
２相信号と前記２相交流信号との位相差を検出する位相
比較器と、前記位相比較器によって検出された前記位相
差を増幅する制御増幅器と、前記制御増幅器の出力信号
に対応する周波数信号を発生する電圧−周波数変換器
と、前記周波数信号の周波数を計数するカウンタと、前
記カウンタの計数値に応じて前記２相交流信号を発生す
る２相交流発生器とを備えたものにおいて、前記３相交
流のうちの任意の１相信号および前記２相交流信号から
作成され前記１相信号と同じ位相を有する他の１相信号
を入力して、前記１相信号と前記他の１相信号の180゜
近傍の位相差を検出するとともに、この位相差を示す補
正信号を外部制御信号に従って出力する同期はずれ検出
手段と、前記同期はずれ検出手段から出力された前記補
正信号を前記位相比較器が出力した位相差に加算する加
算器とを備えたものである。

また、請求項（２）記載の発明に係る位相検出器は、請
求項（１）記載の位相検出器に加えて、前記位相比較器
と前記加算器との間に設けられた第１のスイッチ、リミ
ッタ手段を有し前記制御増幅器と並列に設けられた第２
のスイッチおよび前記加算器を含むゲイン切換手段と、
前記３相交流の停電を検出して、停電時に前記第１のス
イッチをオフし、かつ、前記第２のスイッチをオンする
とともに、復電時に前記第１のスイッチをオンし、か
つ、前記外部制御信号を前記補正信号が前記加算器に到
達しうる状態に設定し、所定の時間経過後に前記第２の
スイッチをオフする停電検出手段と、前記３相交流の周
波数と同じ周波数の周波数基準信号を発生する基準周波
数発生手段と、前記電圧−周波数変換器に入力する位相
差を示す信号または前記カウンタに入力する周波数信号
に前記周波数基準信号を加算する第２の加算器とを備え
たものである。

〔作用〕

請求項（１）記載の発明における同期はずれ検出手段
は、位相比較器に入力した２相信号のうちの１相信号と
これと同位相の２相交流発生器が出力した１相信号（こ
の１相信号も２相交流信号から作成したものといえ
る。）とを入力して、または、３相交流のうち上記２相
信号以外の１相信号とこの１相信号と同位相であって２
相交流発生器が出力した２相交流信号から演算して求め
た１相信号とを導入して、双方の１相信号の位相差が18
0゜±φ（φは設定値）の期間を示す補正信号を生成
し、この補正信号を外部制御信号に応じて出力する。

請求項（２）記載の発明における停電検出手段は、停電
を検出するとゲイン切換手段の第１のスイッチをオフす
るとともに第２のスイッチをオンして、電圧−周波数変
換器の入力信号またはカウンタの入力信号が基準周波数
発生手段から出力された周波数基準信号を加算した信号
となるようにし、また、復電を検出するとゲイン切換手
段の第１のスイッチをオンするとともに同期はずれ検出
手段が生成する補正信号が加算器に入力しうる状態にし
て、制御増幅器の出力信号をリミットさせながら補正信
号を制御増幅器の入力側に付加させ、所定の時間経過後
に第２のスイッチをオフして通常の位相検出状態に移行
させる。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において、30は同期はずれ検出手段であって、位相比
較器１に入力した交流入力信号（１相信号）e_R及び２相
交流発生器20の出力信号（他の１相信号）e_1Rを入力信
号として、両者の位相がずれておれば出力信号V_Eを発生
して、位相比較器１の出力信号Δθ_１に加算器37で加算
して制御増幅器２へ入力するように構成している。その
他のものは第11図に同一符号を付して示したものと同一
のものである。

次に同期はずれ検出手段30の動作について、第２図に示
す同期はずれ検出手段30の動作波形を参照して説明す
る。図において２相交流発生器20の出力信号e_1Rが交流
入力信号e_Rとちょうど180゜の位相ずれが生じている場
合を実線の波形で、また180゜より多少ずれた場合を破
線の波形で示している。31および32は極性判別を行うコ
ンパレータであって交流入力信号e_Rと２相交流発生器20
の出力信号e_1Rの極性を判別し、図示のように矩形波の
信号V_R,V_1Rを発生する。33は排他的論理和回路であっ
て、上記コンパレータ31,32の出力信号に対して排他的
論理の動作（V_R・_1R＋_Ｒ・V_1R）を行い、出力信号V
_Aを発生する。この排他的論理和回路33の出力信号V_Aは
交流信号e_R,e_1Rをがちょうど180゜の位相ずれを生じて
いる場合には常にＨレベルであり、180゜より多少の位
相ずれ（φ）があれば、図示破線のようにφの期間だけ
Ｌレベルになる。34はフィルタ回路であって、上記排他
的論理和回路33の出力信号V_Aを平滑するもので、フィル
タ回路34の出力信号V_Bは図示のように180゜位相差の場
合は大きさは一定であるが、位相が180゜＋φの場合に
は破線のようなリップルをもった波形V_B1になる。35は
コンパレータであって上記フィルタ回路34の出力信号V_B
と基準信号V_Cのレベル比較を行いV_B＞V_Cのとき、出力信
号V_DはＨレベルになる。今、位相のずれが180゜〜180゜
±φの状態を同期はずれとして検出する場合には基準信
号V_CのレベルはV_B1よりやや大きいレベルに設定すれば
よい。このときコンパレータ35の出力信号V_Dは位相ずれ
が180゜であればＨレベルになり、位相ずれが180゜＋φ
の場合にはＬレベルになる。

36はスイッチ回路であって周期的にオン、オフ制御さ
れ、この例では交流入力信号e_Rに同期させて制御してい
るものとする。スイッチ回路36がオンの期間はその出力
信号V_EはV_Dに等しくなり、位相のずれが180゜の場合に
はＨレベルになり、加算器37にて位相比較器１の出力信
号Δθに加算されて制御増幅器２に与えられる。従っ
て、仮りに位相のずれが180゜の場合に、位相比較器１
の出力信号Δθ_１＝０であっても同期はずれ検出手段30
の出力信号V_Eにより、２相交流発生器20の出力信号e_1R,
e_1Sの位相は180゜よりずれ始め、（３）式よりSIN（θ
_０−θ_１）≠０になるために交流入力信号e_R,e_Sに同期
するように帰還作用する。なお、スイッチ回路36を介し
て同期化のキックパルス信号V_Eを与えるようにしている
が、仮にスイッチ回路36を省略すると、−Δθ_１＝V_Eの
平衡状態で位相差（θ_０−θ_１）をもって動作するた
め、同期できないという問題を生じる。

なお、上記実施例では同期化のキックパルス信号V_Eを発
生するためにスイッチ回路36の制御を交流入力信号e_Rに
同期させたものを示したが、任意の同期信号のものであ
ってもよく、当然ながら、２相交流発生器20の出力信号
e_1S,e_1Rに同期化したものであってもよい。

また、同期はずれ検出手段30への入力信号として交流入
力信号e_R及び２相交流発生器20の出力信号e_1Rを使用し
たものを示したが、第３図に示すように、３相交流の第
３相の交流信号e_Tを使用してもよい。このとき、２相交
流発生器20の出力信号e_1R,e_1Sをもとに演算手段38で第
３相の出力信号e_1T＝−（e_1R＋e_1S）を得て上記同期は
ずれ検出手段30に上記e_T及びe_1Tを入力すると上記実施
例と同様の効果を奏し、さらに第３相の信号を使用する
ことにより上記位相検出器の故障状態の検出手段として
の機能をもたせることもできる。

また、同期はずれ検出手段30として同期化のキックパル
ス信号V_Eとして片極性のものを示したが、位相が遅れか
進みかの検出手段を付加して遅れ／進みに対応させて、
両極性になるように切換えたものであってもよい。

また２相交流発生器20としてディジタル−アナログ変換
器6,7により２相交流の出力信号e_1R,e_1Sを発生させるも
のを示したが、SINθ_１、cosθ_１の信号を発生して、両
者より の演算手段によりe_1S＝SIN（θ_１−120゜）の信号を得
るようにしたものであってもよい。

次に、この発明の他の実施例を図について説明する。第
４図において、60はゲイン切換手段であって、位相比較
器１、制御増幅器２間に挿入された第１のスイッチ61、
加算器37及び制御増幅器２に並列接続された第２のスイ
ッチ63からなる。40は基準周波数発生手段であって、こ
の基準周波数発生手段40の出力信号V_Fは加算器（第２の
加算器）41で制御増幅器２の出力信号V_Gと加算されて電
圧−周波数変換器３に入力される。50は停電検出手段で
あって、３相交流電源の電圧信号e_R,e_S,e_Tが入力されて
上記ゲイン切換手段60の第１及び第２のスイッチ61,63
の開閉信号V₁,V₂を出力する。30は同期はずれ検出手段
であって、交流入力信号e_Rと２相交流発生器20の出力信
号e_1Rの位相差を検出して、上記停電検出手段50の出力
信号V₃により出力信号V_Eを出力して上記ゲイン切換手段
60の加算器37に入力する。

第５図は上記制御増幅器２とゲイン切換手段60の具体的
な回路図を示したものである。2aは演算増幅器であっ
て、帰還抵抗2bとコンデンサ2cが接続され、また入力抵
抗62a,62bが入力側に接続されている。位相比較器１が
出力する位相差信号Δθ_１から制御増幅器２の出力信号
V_Gの伝達関数は比例積分の制御系になる。63bおよび63c
はリミッタ手段であって、逆並列接続されたダイオード
で構成されている。なお、加算器41は演算増幅器2aの入
力抵抗62a,62bで構成されている。

第６図は停電検出手段50の具体的な回路図を示したもの
である。図において、51は整流器であって３相交流入力
信号e_R,e_S,e_Tを整流して直流出力信号V_Xを発生する。52
は３相交流電源の停電を検出するコンパレータで、停電
レベル基準信号V_Yと上記整流器51の出力信号V_Xのレベル
との比較を行い、V_X＜V_Yのとき、コンパレータ52の出力
信号V₁はＨレベルになり停電状態を検出するように動作
する。53はパルス発生器であって、コンパレータ52の出
力信号V₁がＨレベルからＬレベルに反転するときに、す
なわちV_X＞V_Yとなり、交流電源が復電したときに所定時
間t_XだけＨレベルのパルス信号V₃を発生する。54は論理
和回路であって、上記信号V₁,V₃の論理和の演算動作を
行い、出力信号V₂を発生する。第７図に停電検出手段50
の動作を示すタイムチャートを示す。時刻t₁から時刻t₂
の期間が停電期間であり、信号V₁はＨレベルになる。次
に時刻t₂で復電すると信号V₃は時刻t₂から時刻t₃までの
期間t_XだけＨレベルになる。信号V₂は時刻t₁から時刻t₃
まで期間だけＨレベルになる。

次に、同期はずれ検出手段30の具体的な回路図を第８図
に、この場合の同期はずれ検出手段30の動作を示すタイ
ミング図を第９図に示す。

第１図に示した同期はずれ検出手段30のスイッチ回路36
は、交流入力信号e_Rなどを外部制御信号として入力した
が、この場合には、パルス発生器53の出力する信号V₃を
入力している。従って、同期はずれ検出手段30は、第９
図に示すように、出力信号V_Eが期間t_Xの間だけ出力可能
な状態になっている。

第４図に示す基準周波数発生手段40からの周波数基準信
号V_Fは、制御増幅器２の出力信号V_Gが定常状態で零のと
きに２相交流発生器20の出力信号e_1R,e_1Sの周波数が交
流入力信号e_R,e_S,e_Tの周波数とほぼ一致するように調整
され、交流入力信号e_R,e_Sと２相交流発生器の出力信号e
_1S,e_1Rとの間に位相差（θ_０−θ_１）が生じたときに制
御増幅器２の出力信号V_Gが変化し、加算器41で加算され
て上記位相差（θ_０−θ_１）が零になるように動作す
る。

第10図は、第４図に示した位相検出器の要部の動作を示
すタイミング図である。図において、交流電源の停電が
生じる時刻t₁以前では第１のスイッチ61はオンされ、交
流入力信号e_Rと２相交流発生器20の出力信号e_1Rは同期
しており、制御増幅器２の出力信号V_Gは周波数基準信号
V_Fの設定誤差分を補償する大きさのレベルで運転されて
いる。

次に時刻t₁で停電が生じると第１のスイッチ61はオンさ
れ、第２のスイッチ63がオンされる。このとき、第５図
に示すコンデンサ2cに充電されていた電圧は抵抗63dを
介して放電し、制御増幅器２の出力信号V_Gは零まで漸減
する。そして、復電する時刻t₂まで２相交流発生器20は
周波数基準信号V_Fのみに従って制御される。次に時刻t₂
で復電すると、第１のスイッチ61は直ちにオンされ、位
相比較器１の出力信号Δθ_１が活かされる。一方、第２
のスイッチ63は所定の時間t_Xはオンのままであり、リミ
ッタ手段63b,63cが活かされている。仮りに、第10図に
示すように、復電時に交流入力信号e_Rと２相交流発生器
20の出力信号e_1Rとの位相差がほぼ180゜であれば、同期
はずれ検出手段30の出力信号V_Eが発生して、制御増幅器
２の入力側に与えられ、交流入力信号e_Rと出力信号e_1R
の同期化動作を促進させる。このとき制御増幅器２の伝
達関数は、第２のスイッチ63内の抵抗63dにより一次遅
れ要素が付加されているために、制御増幅器２の出力信
号V_Gは漸増する。さらに出力信号V_Gが大きくなろうとし
てもリミッタ手段63b,63cにより所定のレベルにリミッ
トされるために、２相交流発生器20の出力信号e_1Rの周
波数は過渡的に大きく増減することが抑制される。時刻
t₃で第２のスイッチ63はオフされて定常運転に移行する
が、当然ながら、この時刻t₃では交流入力信号e_Rと２相
交流発生器20の出力信号e_1Rとほぼ同期状態になってい
る必要があり、第２のスイッチ63の復電時刻t₂からオン
期間t_Xはこの要件を満すように設定される。なお、復電
時に交流入力信号e_Rと出力信号e_1Rとがほぼ180゜でない
場合には、同期はずれ検出手段30の出力信号V_Eは零であ
り、位相比較器１の出力信号Δθ_１のみによって同期化
制御される。この場合にも、リミッタ手段63b,63cの作
用により制御増幅器２の出力信号V_Gがリミットされるた
めに、過渡的に２相交流発生器20の出力信号e_1Rが大き
く周波数変動することが抑制できる。

なお、上記実施例では周波数基準信号V_Fがアナログ信号
であって、電圧／周波数変換器３の入力側に与えたもの
も示したが、ディジタル信号であってもよく、この場合
にはカウンタ４の入力側に与えるように構成される。

また、上記実施例では同期はずれ検出手段30の入力信号
として交流入力信号e_Rおよび出力信号e_1Rを用いたもの
を示したが、他の交流入力信号e_Sおよび他の出力信号e
_1Sであってもよく、また、３相交流の他の１相信号e_Tと
出力信号e_1R,e_1Sから−（e_1R,e_1S）の演算によって得ら
れる信号e_1Tとであってもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば位相検出器を、入力し
た２相信号と２相交流器が出力した２相交流信号との位
相差が180゜近傍であることを同期はずれ検出手段で検
出して、位相比較器が出力した位相差を補正するように
構成したので、２相信号と２相交流信号との位相差が18
0゜であっても正常な検出動作に復帰でき、同期化が確
実に行えるものが得られる効果がある。さらに、停電検
出手段で停電を検出して、停電時には周波数基準信号を
用いて同期化を行わせるとともに、復電時には２相信号
と２相交流信号との位相差180゜を補正しながら制御増
幅器の入力信号をゲイン切換手段でリミットするように
構成したので、交流電源が停電しても出力信号が安定す
るものが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による位相検出器を示すブ
ロック図、第２図は第１図に示した同期はずれ検出手段
の動作波形を示すタイミング図、第３図はこの発明の他
の実施例による位相検出器を示すブロック図、第４図は
この発明のさらに他の実施例による位相検出器を示すブ
ロック図、第５図はゲイン切換手段を示す回路図、第６
図は停電検出手段を示す回路図、第７図は停電検出手段
の動作波形を示すタイミング図、第８図は同期はずれ検
出手段を示す回路図、第９図は同期はずれ検出手段の動
作波形を示すタイミング図、第10図は位相検出器の要部
動作波形を示すタイミング図、第11図は従来の位相検出
器を示すブロック図である。 １は位相比較器、２は制御増幅器、３は電圧−周波数変
換器（V/F）、４はカウンタ、20は２相交流発生器、30
は同期はずれ検出手段、37は加算器、40は基準周波数発
生手段、41は加算器（第２の加算器）、50は停電検出手
段、60はゲイン切換手段、61は第１のスイッチ、63は第
２のスイッチ、63b,63cはリミッタ手段。 なお、図中、同一符号は同一、または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】３相交流のうちの任意の２相信号およびこ
   の２相信号と同じ相間位相差を有する２相交流信号を入
   力して、前記２相信号と前記２相交流信号との位相差を
   検出する位相比較器と、前記位相比較器によって検出さ
   れた前記位相差を増幅する制御増幅器と、前記制御増幅
   器の出力信号に対応する周波数信号を発生する電圧−周
   波数変換器と、前記周波数信号の周波数を計数するカウ
   ンタと、前記カウンタの計数値に応じて前記２相交流信
   号を発生する２相交流発生器とを備えた位相検出器にお
   いて、前記３相交流のうちの任意の１相信号および前記
   ２相交流信号から作成され前記１相信号と同じ位相を有
   する他の１相信号を入力して、前記１相信号と前記他の
   １相信号の位相差を検出し、この位相差が180゜近傍で
   あれば補正信号を外部制御信号に従って出力する同期は
   ずれ検出手段と、前記同期はずれ検出手段から出力され
   た前記補正信号を前記位相比較器が出力した前記位相差
   に加算する加算器とを備えたことを特徴とする位相検出
   器。
2. 【請求項２】請求項（１）記載の位相検出器において、
   前記位相比較器と前記加算器との間に設けられた第１の
   スイッチ、リミッタ手段を有し前記制御増幅器と並列に
   設けられた第２のスイッチおよび前記加算器を含むゲイ
   ン切換手段と、前記３相交流の停電を検出して、停電時
   に前記第１のスイッチをオフし、かつ、前記第２のスイ
   ッチをオンするとともに、復電時に前記第１のスイッチ
   をオンし、かつ、前記外部制御信号を前記補正信号が前
   記加算器に到達しうる状態に設定し、所定の時間経過後
   に前記第２のスイッチをオフする停電検出手段と、前記
   ３相交流の周波数と同じ周波数の周波数基準信号を発生
   する基準周波数発生手段と、前記電圧−周波数変換器に
   入力する位相差を示す信号または前記カウンタに入力す
   る周波数信号に前記周波数基準信号を加算する第２の加
   算器とを備えたことを特徴とする位相検出器。