(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源の電圧信号を入力とし、ノイズ除去用フィルタと絶縁用フォトカプラおよび比較器を有する位相検出回路によって、該電圧信号の線間電圧の零点検出タイミングを立ち上がり点および立ち下がり点とするパルス信号を得、このパルス信号の位相を該電圧信号の位相検出信号として電力変換する電力変換装置において、
前記位相検出回路から得る前々回と前回の前記パルス信号からその周期Ｔfと幅Ｔdetを求め、これら周期Ｔfと幅Ｔdetおよび予め求めた前記フィルタによる一定の遅れ時間Ｔconstから次の演算、
【数１】
0003812350.tif 000009
により、前回の前記パルス信号の零点検出タイミングに対する前記交流電源の線間電圧の次の零点タイミング信号を得る位相補正手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
交流電源の電圧信号を入力とし、ノイズ除去用フィルタと絶縁用フォトカプラおよび比較器を有する位相検出回路によって、該電圧信号の線間電圧の零点検出タイミングを立ち上がり点および立ち下がり点とするパルス信号を得、このパルス信号の位相を該電圧信号の位相検出信号として電力変換する電力変換装置において、
前記位相検出回路から得る前々回と前回の前記パルス信号からその周期Ｔfと幅Ｔdetを求め、これら周期Ｔfと幅Ｔdetおよび予め求めた前記フィルタによる一定の遅れ時間Ｔconstから次の演算、
【数２】
0003812350.tif 000010
により、前回の前記パルス信号の零点検出タイミングに対する前記交流電源の線間電圧の次の零点タイミング信号を得る位相補正手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
交流電源の電圧信号を入力とし、ノイズ除去用フィルタと絶縁用フォトカプラおよび比較器を有する位相検出回路によって、該電圧信号の線間電圧の零点検出タイミングを立ち上がり点および立ち下がり点とするパルス信号を得、このパルス信号の位相を該電圧信号の位相検出信号として電力変換する電力変換装置において、
前記位相検出回路から得る前々回と前回の前記パルス信号からその周期Ｔfと幅Ｔdetを求め、これら周期Ｔfと幅Ｔdetおよび予め求めた前記フィルタによる一定の遅れ時間Ｔconstから次の演算、
【数３】
0003812350.tif 000011
により、前回の前記パルス信号の零点検出タイミングに対する前記交流電源の線間電圧の次の零点タイミング信号を得る位相補正手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
前記パルス信号の周期Ｔfと幅Ｔdetは、過去の複数回の計測値の移動平均演算で求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記位相検出回路および前記位相補正手段は、前記電圧信号の相毎に位相検出信号を求める構成にしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源等の位相を基にして電力変換制御される電力変換装置に係り、特にフォトカプラにより絶縁して交流電圧の位相を検出する検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回生機能付き順変換装置や回生専用逆変換装置は、回生対象となる電源の位相を検出し、その位相に応じてスイッチング素子の点弧を行うことで回生動作を得る。また、交流電源からランプやヒータなどの負荷への通電率をスイッチング素子で制御する位相制御装置は、電源位相を基にしてスイッチング素子の点弧位相を制御する。また、ベクトル制御方式の逆変換装置は、電動機の速度等を制御するのに、ロータの回転位相を検出して出力電圧位相を制御する。
【０００３】
これら装置に必要な電源等の位相検出器は、絶縁と電圧変換するためのトランスを設けた構成、またはフォトカプラによる絶縁して得る交流電圧のゼロクロス点から位相検出する構成にされている。
【０００４】
図５は、フォトカプラによる位相検出器の回路図を示す。電源の３相電圧ＶR．ＶS．ＶTは、それぞれ抵抗Ｒにより分圧されてフォトカプラＰＣの入力電圧にされ、この入力電圧によりフォトカプラＰＣの出力にオン動作を得、この信号を抵抗ＲとコンデンサＣのフィルタ回路を通してノイズを除去し、さらにヒステリシス特性をもつ論理素子Ｇが比較器動作をしてパルス信号に変換し、さらにノイズ除去用コンデンサ・抵抗回路を出力端に有して、線間電圧の零点検出タイミングを立ち上がり点および立ち下がり点とするパルス信号Ｒ−Ｓ，Ｓ−Ｔ，Ｔ−Ｒを得る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の位相検出器のうち、トランス方式のものはトランス自体が大きく、しかも値段が高く、その設置スペースが大きく、コストアップになる。
【０００６】
この点、フォトカプラ方式ではスペースおよびコスト面で優れるが、電源等の真の位相に対して検出位相がずれる問題がある。その原因は、フォトカプラの応答遅れやノイズの影響を除去するためのフィルタの遅れ、フォトカプラを動作させるために必要な電流を流すため必要な電圧差が線間電圧に現れるまでの時間によるものである。これら位相検出ずれの原因をまとめると、図６にタイムチャートで示すように、以下のように分類される。
【０００７】
（１）フォトカプラのオン時の遅れ原因
（１ａ）フォトカプラの一次側での遅れ
この遅れは、フォトカプラをオンするために必要な一次側の電流を流すために必要な電圧差が線間電圧に現れるまでの時間と、フォトカプラが動作するまでの時間Ｔ1になる。
【０００８】
（１ｂ）フォトカプラの二次側での遅れ
この遅れは、ヒステリシスバッファが動作するまでの時間と、フィルタの遅れ時間Ｔ2になる。
【０００９】
（２）フォトカプラのオフ時の遅れ原因
（２ａ）フォトカプラの一次側での遅れ
この遅れは、フォトカプラをオフとなる一次側の電流まで線間電圧が低下するまでの時間（このずれは電圧クロス点より早くなる）と、フォトカプラが復帰動作するまでの時間Ｔ3になる。
【００１０】
（２ｂ）フォトカプラの二次側での遅れ
この遅れは、ヒステリシスバッファが復帰動作するまでの時間と、フィルタの遅れ時間Ｔ4になる。
【００１１】
本発明の目的は、フォトカプラで絶縁する方式による交流電圧の位相検出に検出ずれを無くし、これによって高精度制御を可能にした電力変換装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フォトカプラで絶縁する方式により検出した位相と、電圧が零になるタイミングとの位相ずれを演算で求めて検出位相を補正するものである。
【００１３】
前記の検出ずれ原因には、フィルタによる遅れ時間と、フォトカプラの動作までの時間という２つの原因が混在し、このままでは位相ずれの原因がいずれにあるかを見極められず、その補正対策が難しくなる。
【００１４】
ここで、前記の検出ずれ原因のうち、検出のノイズを除去するためのフィルタによる遅れ時間は、ハードウェアの設計により一定にすることができる。しかし、その他のフォトカプラによる遅れや線間電圧がフォトカプラを動作または復帰させるまでの時間は、フォトカプラの感度のばらつきや電源波形歪みにより変化する。
【００１５】
そこで、本発明では、検出位相の補正には、フィルタによるずれを一定の補正量としてあらかじめ求めておき、これに加えて、フォトカプラ等による「変化するずれ」を位相検出信号から演算で求めることで検出ずれを無くした位相補正ができるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００１６】
（１）交流電源の電圧信号を入力とし、ノイズ除去用フィルタと絶縁用フォトカプラおよび比較器を有する位相検出回路によって、該電圧信号の線間電圧の零点検出タイミングを立ち上がり点および立ち下がり点とするパルス信号を得、このパルス信号の位相を該電圧信号の位相検出信号として電力変換する電力変換装置において、
前記位相検出回路から得る前々回と前回の前記パルス信号からその周期Ｔfと幅Ｔdetを求め、これら周期Ｔfと幅Ｔdetおよび予め求めた前記フィルタによる一定の遅れ時間Ｔconstから次の演算、
【００１７】
【数４】
0003812350.tif 000002
【００１８】
により、前回の前記パルス信号の零点検出タイミングに対する前記交流電源の線間電圧の次の零点タイミング信号を得る位相補正手段を備えたことを特徴とする。
【００１９】
（２）交流電源の電圧信号を入力とし、ノイズ除去用フィルタと絶縁用フォトカプラおよび比較器を有する位相検出回路によって、該電圧信号の線間電圧の零点検出タイミングを立ち上がり点および立ち下がり点とするパルス信号を得、このパルス信号の位相を該電圧信号の位相検出信号として電力変換する電力変換装置において、
前記位相検出回路から得る前々回と前回の前記パルス信号からその周期Ｔfと幅Ｔdetを求め、これら周期Ｔfと幅Ｔdetおよび予め求めた前記フィルタによる一定の遅れ時間Ｔconstから次の演算、
【００２０】
【数５】
0003812350.tif 000003
【００２１】
により、前回の前記パルス信号の零点検出タイミングに対する前記交流電源の線間電圧の次の零点タイミング信号を得る位相補正手段を備えたことを特徴とする。
【００２２】
（３）交流電源の電圧信号を入力とし、ノイズ除去用フィルタと絶縁用フォトカプラおよび比較器を有する位相検出回路によって、該電圧信号の線間電圧の零点検出タイミングを立ち上がり点および立ち下がり点とするパルス信号を得、このパルス信号の位相を該電圧信号の位相検出信号として電力変換する電力変換装置において、
前記位相検出回路から得る前々回と前回の前記パルス信号からその周期Ｔfと幅Ｔdetを求め、これら周期Ｔfと幅Ｔdetおよび予め求めた前記フィルタによる一定の遅れ時間Ｔconstから次の演算、
【００２３】
【数６】
0003812350.tif 000004
【００２４】
により、前回の前記パルス信号の零点検出タイミングに対する前記交流電源の線間電圧の次の零点タイミング信号を得る位相補正手段を備えたことを特徴とする。
【００２５】
（４）前記パルス信号の周期Ｔfと幅Ｔdetは、過去の複数回の計測値の移動平均演算で求めることを特徴とする。
【００２６】
（５）前記位相検出回路および前記位相補正手段は、前記電圧信号の相毎に位相検出信号を求める構成にしたことを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示す位相検出器の回路図である。本実施形態では、回生付き順変換器主回路ＣＯＮとその制御装置（マイクロプロセッサ構成）ＣＰＵにより直流電動機ＤＭからの回生電力を３相電源側に回生するのに、制御装置ＣＰＵが１つの相の位相検出信号を基に回生制御する場合を示すが、他の電力変換装置にも同様の位相検出器として適用できるものである。
【００２８】
位相検出回路１R，１S，１Tは、図５の回路構成と同様に、交流電源から変成した３相電圧ＶR，ＶS，ＶTからフォトカプラによる絶縁とフィルタによるノイズ除去の機能を有して位相検出信号Ｒ−Ｓ，Ｓ−Ｔ，Ｔ−Ｒのパルス出力を得る。
【００２９】
位相補正回路２R，２S，２Tの回路構成は、回路２Rに代表して示す。パルス周期カウンタ３は、パルス波形になる位相検出信号Ｒ−Ｓの立ち上がりでクロックＣＬＫの計数を開始し、この計数を信号Ｒ−Ｓの次の周期の立ち上がりまで継続することで信号Ｒ−Ｓの周期に相当する計数値Ｔfを得る。
【００３０】
一方、パルス幅カウンタ４は、位相検出信号Ｒ−Ｓの立ち上がりでクロックＣＬＫの計数を開始し、この計数を信号Ｒ−Ｓの立ち下がりまで継続することで信号Ｒ−Ｓのパルス幅に相当する計数値Ｔdetを得る。
【００３１】
これらカウンタ３、４の計数値の関係は、図２に示すタイムチャート中に、Ｔf、Ｔdetとして示す。
【００３２】
演算回路５は、カウンタ３、４の計数値Ｔf、Ｔdetと、フィルタ等によるずれ時間Ｔconstから以下の演算により位相検出信号の遅れ時間ＴDを求める。
【００３３】
【数７】
0003812350.tif 000005
【００３４】
この遅れ時間ＴDは、図２中のＡ点からの遅れ時間に相当する。そして、この遅れ時間ＴDで信号Ｒ−Ｓを補正すれば、線間電圧が零になるＡ点のタイミング信号を得ることができる。この補正は、減算回路６によりパルス信号Ｒ−Ｓの時刻から遅れ時間ＴDを減算する以下の演算になる。
【００３５】
【数８】
0003812350.tif 000006
【００３６】
実際には、前々回の電源一周期で計測された補正量で今回の線間電圧が零になるタイミングを推定することになる。
【００３７】
なお、位相補正回路２Rによるカウンタ３、４および演算回路５や減算回路６による処理は、制御装置ＣＰＵがマイクロプロセッサ構成の場合はそのソフトウェア構成とすることができる。また、位相補正回路２S，２Tは、各相の位相検出を行う場合に設けられるものであり、この場合には３相個別の位相検出により、電源のアンバランスに対応した位相検出が可能となるもので、以下の実施形態でも同様に構成される。
【００３８】
（実施形態２）
前記の実施形態１では、前々回計測した周期の２周期後に位相の検出が可能になる。図３にタイムチャートで示すように、前回の計測値を基にして計算した遅れ時間で今回のずれ補正を行うことができる。
【００３９】
この補正は、位相検出信号（パルス）の立ち上がりから以下の演算で求められる遅れ時間を線間電圧が実際に零となるタイミングとするもので、前記の実施形態に比べて半周期早く補正することができる。
【００４０】
【数９】
0003812350.tif 000007
【００４１】
（実施形態３）
前記の実施形態２では、実施形態１に比べて半周期早く位相補正ができる。しかし、これら実施形態の方式では、電源が歪んでいる場合や周期が変動する場合には、線間電圧が零となるタイミングを正しく計測できない可能性がある。
【００４２】
そこで、本実施形態では、図４にタイムチャートを示すように、検出信号の立ち下がりから以下の式で計算される遅れ時間を線間電圧が実際に零になるタイミングとして求める。
【００４３】
【数１０】
0003812350.tif 000008
【００４４】
これにより、実施形態２に比べてより早く線間電圧が零となるタイミングを得ることにより、電源の歪みや周期の変化による影響が少なくなる。なお、本実施形態では上記の（４）式が正となる場合のみ適用できる。
【００４５】
（実施形態４）
前記までの実施形態では、各計測時間Ｔf、Ｔdetは、前回値や前々回値を用いて補正するため、検出信号のノイズ等の影響を受ける場合がある。
【００４６】
本実施形態では、検出信号のノイズ等の影響を避けるため、過去の数回の計測値の移動平均演算を行うことにより、検出時間の平均化処理を施し、ノイズの影響を受けにくい位相検出を行う。
【００４７】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、フォトカプラで絶縁する方式による交流電圧の位相検出において、フィルタによるずれを一定の補正量としてあらかじめ求めておき、これに加えて、フォトカプラ等による「変化するずれ」を位相検出信号から演算で求めるようにしたため、位相検出ずれを無くした確実な位相補正ができ、これを基にした電力変換の高精度制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す位相検出器の回路図。
【図２】実施形態１におけるずれ補正のタイムチャート（その１）。
【図３】実施形態２におけるずれ補正のタイムチャート（その２）。
【図４】実施形態３におけるずれ補正のタイムチャート（その３）。
【図５】従来の位相検出器の回路図。
【図６】３相電源と位相検出回路出力のタイムチャート。
【符号の説明】
１R，１S，１T…位相検出回路
２R，２S，２T…位相補正回路
３…パルス周期カウンタ
４…パルス幅カウンタ
５…演算回路
６…減算回路
ＣＰＵ…制御装置
ＣＯＮ…回生付き順変換器
ＰＣ…フォトカプラ
【図１】
0003812350.tif 000012
【図２】
0003812350.tif 000013
【図３】
0003812350.tif 000014
【図４】
0003812350.tif 000015
【図５】
0003812350.tif 000016
【図６】
0003812350.tif 000017