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技術 位相検出装置

出願人 株式会社日立製作所
発明者 梓沢昇
出願日 1993年10月14日 (27年2ヶ月経過) 出願番号 1993-280383
公開日 1995年5月19日 (25年7ヶ月経過) 公開番号 1995-131972
状態 未査定
技術分野 位相差の測定 電気的変量の制御(電圧,電流の制御一般) 電力変換一般
主要キーワード 重なり角 実測特性 平滑機 正弦波入力信号 傾き演算 傾き補正値 補正演算器 短形波
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この項目の情報は公開日時点(1995年5月19日)のものです。
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図面 (10)

目的

本発明の目的は交流入力信号位相急変周波数変化に対して分解能よく高速応答追従できる同期位信号を得ることのできる位相検出装置を提供することにある。

構成

交流入力信号と同位相および90度位相差の第1の2つの三角波信号と、正負振幅値が同一であって90度位相差の第2の2つの三角波信号を得て、これら4つの三角波信号によって第1と第2の三角波信号の位相差を求める。この位相差がとなるように第2の三角波信号の傾き、つまり位相を制御する。

概要

背景

サイリスタ変換器などの電力変換器によって電動機などの負荷を制御している。サイリスタ変換器のゲート制御を行い、負荷に流れる電流を制御する場合にはサイリスタ変換器のゲート信号交流電源交流電圧位相に同期させなければならない。そのため、交流電源の電圧位相に同期した同期位相信号を検出する位相検出装置を必要とする。GTO、トランジスタ、IGBT等で構成される電力変換器をPWM制御して交流直流に変換する場合においても同様である。サイリスタ変換器の場合には、サイリスタ転流時に発生する電源短絡現象により電源電圧波形が歪んだ波形となる。一方、サイリスタ変換器を制御するための同期位相信号としては、交流電圧波形が歪む前の基本波成分から零点クロスする点の位相が必要である。ところが、交流電圧の零点をクロスする点を歪んだ交流電圧よりそのまま検出すると、零点のずれた、かつ1サイクルの間に数点も零点があるように検出することになる。交流電圧波形歪みの影響を除去するため、特公昭60−59830号公報に記載されているように、平滑フィルタ(この遅れ時間はサイリスタの転流重なり角により発生する波形歪みの影響がなくなる値を選んでいる)を設け、波形歪みを取り去った正弦波形信号にしてから位相を検出するようにしている。しかし、フィルタの遅れ時間は一定であるため電源周波数が変化する用途においては、検出位相電源電圧位相との位相は電気角で一定にならず、変化することになる。電源周波数が変化する場合には、特公昭60−37711号公報に記載されているように電源周波数が変化しても一定の電気角位相差位相検出できるようにしている。

概要

本発明の目的は交流入力信号位相急変周波数変化に対して分解能よく高速応答追従できる同期位信号を得ることのできる位相検出装置を提供することにある。

交流入力信号と同位相および90度位相差の第1の2つの三角波信号と、正負振幅値が同一であって90度位相差の第2の2つの三角波信号を得て、これら4つの三角波信号によって第1と第2の三角波信号の位相差を求める。この位相差がとなるように第2の三角波信号の傾き、つまり位相を制御する。

目的

電力変換器に交流を供給する交流電源は電動発電機の出力や自家発電による電源も用いられる。そのため、他設備負荷遮断などが行われると交流電源の電圧位相が急変することがある。特公昭60−59830号公報において、平滑フィルタとしては演算増幅器入力抵抗帰還コンデンサおよび帰還抵抗などで構成され、積分器に近い特性を持つものが用いられる。フィルタは交流電源電圧の波形歪みの影響をなくするために、フィルタ時定数を長くする必要がある。実用上はフィルタの時定数位相遅れが90°あるいは88〜99゜に近いものとしている。このように、フィルタの時定数を長くすると、交流電源電圧の位相が急変した場合には位相急変に追従した同期位相信号が得られなくなる。一方、特公昭60−37711号公報においては、電源周波数を検出して検出位相を補正するために、交流電源電圧に対し90度位相差の正弦波信号を作成し線形近似演算している。正弦波信号であり、本来ならば非線形演算処理を行わなければならないのに、線形近似演算処理しているので、位相検出の分解能が悪くなるのを避けられない。また、電圧周波数変換器動作周波数が限定されるので、周波数範囲が広くなると、位相検出誤差が大きくなる。本発明の目的は、交流電源の電圧位相の急変に速やかに追従して同期位相信号を得ることのできる位相検出装置を提供することにある。

効果

実績

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請求項1

交流入力信号同位相および90度位相差の2つの三角波信号を出力する第1の三角波信号発生手段と、正負振幅値が同一であって90度位相差の2つの三角波信号を出力する第2の三角波信号発生手段と、前記第1と第2の三角波信号発生手段の出力する三角波信号を入力して両三角波信号発生手段の出力する三角波信号の位相差を求める位相差演算手段と、前記位相差を入力して前記第2の三角波信号発生手段の出力する2つの三角波信号の傾きを決定する傾き演算手段とを具備した位相検出装置

請求項2

交流入力信号と同位相および90度位相差の2つの三角波信号を出力する第1の三角波信号発生手段と、正負の振幅値が同一であって90度位相差の2つの三角波信号を出力する第2の三角波信号発生手段と、前記第1と第2の三角波信号発生手段の出力する三角波信号を入力して両三角波信号発生手段の出力する三角波信号の位相差を求める位相差演算手段と、前記位相差を入力してこの位相差がとなるように前記第2の三角波信号発生手段の出力する2つの三角波信号の角周波数基準位相を決定する位相演算手段とを具備した位相検出装置。

請求項3

交流入力信号と同位相および90度位相差の2つの三角波信号を出力する第1の三角波信号発生手段と、正負の振幅値が同一であって90度位相差の2つの三角波信号を出力する第2の三角波信号発生手段と、前記第1と第2の三角波信号発生手段の出力する三角波信号を入力して両三角波信号発生手段の出力する三角波信号の位相差を求める位相差演算手段と、前記位相差を入力して前記第2の三角波信号発生手段の出力する2つの三角波信号の傾き補正値を求める傾き補正演算手段と、前記傾き補正演算値を入力して前記第2の三角波信号発生手段の出力する2つの三角波信号の傾きを設定する傾き演算手段とを具備した位相検出装置。

請求項4

3相正弦波入力信号2相正弦波信号に変換し、この2相正弦波信号に同期した2つの三角波信号を出力する第1の三角波信号発生手段と、正負の振幅値が同一であって立上り立下りの傾きが等しい90度位相差の2つの三角波信号を出力する第2の三角波信号発生手段と、前記第1と第2の三角波信号発生手段の出力する三角波信号を入力して両三角波信号発生手段の出力する三角波信号の位相差を求める位相差演算手段と、前記位相差を入力してこの位相差が零となるように前記第2の三角波信号発生手段の出力する2つの三角波信号の傾きを決定する傾き演算手段とを具備した位相検出装置。

請求項5

3相交流電圧を入力して2相信号に変換し、この2相信号に同期した2つの三角波信号を出力する第1の三角波信号発生手段と、正負の振幅値が同一であって立上りと立下りの傾きが等しい90度位相差の2つの三角波信号を出力する第2の三角波信号発生手段と、前記第1と第2の三角波信号発生手段の出力する三角波信号を入力して両三角波信号発生手段の出力する三角波信号の位相差を求める位相差演算手段と、前記位相差を入力して前記第2の三角波信号発生手段の出力する三角波信号の傾き補正値を求める傾き補正演算手段と、前記傾き補正演算値を入力して前記第2の三角波信号発生手段の出力する2つの三角波信号の傾きを設定する傾き演算手段とを具備した位相検出装置。

請求項6

交流入力信号と同位相および90度位相差の2つの三角波信号を出力する第1の三角波信号発生手段と、正負の振幅値が同一であって立上りと立下りの傾きが等しい90度位相差の2つの三角波信号を出力する第2の三角波信号発生手段と、前記第1と第2の三角波信号発生手段の出力する三角波信号を入力して両三角波信号発生手段の出力する三角波信号の位相差を求める位相差演算手段と、前記位相差を入力してこの位相差が零となるように前記第2の三角波信号発生手段の出力する2つの三角波信号の傾き補正値を求める傾き補正演算手段と、前記傾き補正演算値を入力して前記第2の三角波信号発生手段の出力する三角波信号の傾きを決定する傾き演算手段とを具備し、前記第2の三角波信号発生手段の出力する三角波信号を同期位相信号として得ることを特徴とする位相検出装置。

技術分野

0001

本発明は、サイリスタGTO、トランジスタ、IGBTなどで構成される電力変換器を制御する際の位相基準となる交流電源電圧に同期した同期位相信号を得るための位相検出装置に関する。

背景技術

0002

サイリスタ変換器などの電力変換器によって電動機などの負荷を制御している。サイリスタ変換器のゲート制御を行い、負荷に流れる電流を制御する場合にはサイリスタ変換器のゲート信号交流電源交流電圧位相に同期させなければならない。そのため、交流電源の電圧位相に同期した同期位相信号を検出する位相検出装置を必要とする。GTO、トランジスタ、IGBT等で構成される電力変換器をPWM制御して交流直流に変換する場合においても同様である。サイリスタ変換器の場合には、サイリスタの転流時に発生する電源短絡現象により電源電圧波形が歪んだ波形となる。一方、サイリスタ変換器を制御するための同期位相信号としては、交流電圧波形が歪む前の基本波成分から零点クロスする点の位相が必要である。ところが、交流電圧の零点をクロスする点を歪んだ交流電圧よりそのまま検出すると、零点のずれた、かつ1サイクルの間に数点も零点があるように検出することになる。交流電圧波形歪みの影響を除去するため、特公昭60−59830号公報に記載されているように、平滑フィルタ(この遅れ時間はサイリスタの転流重なり角により発生する波形歪みの影響がなくなる値を選んでいる)を設け、波形歪みを取り去った正弦波形信号にしてから位相を検出するようにしている。しかし、フィルタの遅れ時間は一定であるため電源周波数が変化する用途においては、検出位相電源電圧位相との位相は電気角で一定にならず、変化することになる。電源周波数が変化する場合には、特公昭60−37711号公報に記載されているように電源周波数が変化しても一定の電気角位相差位相検出できるようにしている。

発明が解決しようとする課題

0003

電力変換器に交流を供給する交流電源は電動発電機の出力や自家発電による電源も用いられる。そのため、他設備負荷遮断などが行われると交流電源の電圧位相が急変することがある。特公昭60−59830号公報において、平滑フィルタとしては演算増幅器入力抵抗帰還コンデンサおよび帰還抵抗などで構成され、積分器に近い特性を持つものが用いられる。フィルタは交流電源電圧の波形歪みの影響をなくするために、フィルタ時定数を長くする必要がある。実用上はフィルタの時定数位相遅れが90°あるいは88〜99゜に近いものとしている。このように、フィルタの時定数を長くすると、交流電源電圧の位相が急変した場合には位相急変追従した同期位相信号が得られなくなる。一方、特公昭60−37711号公報においては、電源周波数を検出して検出位相を補正するために、交流電源電圧に対し90度位相差正弦波信号を作成し線形近似演算している。正弦波信号であり、本来ならば非線形演算処理を行わなければならないのに、線形近似演算処理しているので、位相検出の分解能が悪くなるのを避けられない。また、電圧周波数変換器動作周波数が限定されるので、周波数範囲が広くなると、位相検出誤差が大きくなる。本発明の目的は、交流電源の電圧位相の急変に速やかに追従して同期位相信号を得ることのできる位相検出装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0004

上記目的は、交流電源電圧に同期した交流入力信号同位相および90度位相差の第1の2つの三角波信号と、正負振幅値が同一であって90度位相差の第2の2つの三角波信号を得て、第1と第2の三角波信号の位相差を求め、この位相差がとなるように第2の三角波信号の傾きを制御することによって、達成できる。

0005

三角波信号による連続位相比較であり、線形演算処理が可能となり、位相検出の分解能が良く、交流電圧位相の急変に追従した同期位相信号が得られる。

0006

本発明の一実施例を図1に示す。図1において、三角波信号変換回路1は、交流電源電圧に同期した交流信号を入力し、交流入力信号と同位相および90度位相差の2つの三角波信号を発生する。三角波信号変換回路1は、2個の信号変換器2A、2Bから構成される。信号変換器2Aの出力する交流入力信号と同位相の三角波信号は、掛算器3に入力され、後述する信号発生器9が出力する三角波信号と掛算される。一方、信号変換器2Bの出力する交流入力信号と90度位相差の三角波信号は、掛算器4に入力され、後述する信号発生器8が出力する三角波信号と掛算される。掛算器3、4の出力信号は、減算器5において図示の極性で減算される。掛算器3、4および減算器5とで信号変換器2Aの出力する三角波信号と信号発生器8の出力する三角波信号との位相差を検出する位相差演算手段を構成する。減算器5から得られる位相差信号は、比例積分補償演算を行う補正演算器6に入力される。補正演算器6は、位相差が大きくなると信号発生器8、9の発生する三角波信号の傾きを大きくするような傾き補正値を出力し、傾き演算器7に加える。傾き演算器7は、傾き補正値を入力して、信号発生器8、9の発生する三角波信号の立上り立下りの傾きを決定する。信号発生器8、9は、正負の振幅値が同一であって、90度位相差の三角波信号を発生する。

0007

図2に、三角波信号変換回路1の具体的を示す。図23相交流電源の例を示す。図2において、3相2相変換器10は、3相交流電圧U、V、Wを2相信号X、Yに変換する。2相信号Xは、電圧振幅演算器11と割算器12に入力され、また、2相信号Yは、電圧振幅演算器11と割算器13に入力される。電圧振幅演算器11は、2相信号X、Yの2乗の平方根から交流電圧の振幅値Eを求め、割算12、13に加える。割算器12は、2相信号Xを振幅値Eで割算して交流電源電圧と同位相の角周波数基準位相信号を出力する。同様に、割算器13は、90度位相差の角周波数基準位相信号を出力する。三角波演算器14、15は、それぞれ割算器12、13の出力する角周波数基準位相信号の逆正接演算を行い三角波信号を出力する。この構成において、交流電圧U、V、Wの振幅値をE、角周波数をωとすると、3相・2相変換器10から、次式に示す2相信号X、Yが得られる。

0008

一方、信号発生器8、9は、図3に示すフロー図の手順に従って三角波信号を発生する。まず、ステップ101にて三角波の傾きフラグFを1にセットする。ステップ102に移りフラグFが奇数であるかを判定する。奇数の場合にはステップ110に移行して傾き演算器7から与えられる傾きデータKn(正の値)を入力し、ステップ111で傾きknにデータKnをセットする。次に、ステップ112に移り、前回値yn-1に傾きknと時間tの積kn・tを加算して今回値ynが正の振幅最大値Aになったかを判定する。ステップ113でA>ynと判定すると、ステップ110に戻り、同様な処理を繰返し実行する。ステップ113でyn≧Aと判定すると、ステップ130に移り傾き、フラグFに1を加算してステップ102に戻る。ステップ102では傾きフラグFが偶数になっているので、ステップ120の処理に移行する。ステップ120では傾きデータKnを入力し、ステップ121において傾きデータknに傾きデータ−Knをセットする。ステップ122ではステップ112と同様にして今回値ynを求める。この場合、kn・tは負となるので、今回値ynは前回値yn-1より減少する。ステップ122からステップ123に移行し、今回値ynが負の振幅最大値−Aになったかを判定する。ステップ123でyn>−Aを判定すると、ステップ120に戻り、同様な処理を繰返し実行する。ステップ123で−A≧ynと判定すると、ステップ130に移り傾き、フラグFに1を加算してステップ102に移行する。傾きフラグFは奇数になるので、ステップ110〜113の処理が再度実行される。このような処理によって、信号発生器8、9から図4に示すように振幅器が±Aで傾きが±Knの三角波信号a、bが得られる。信号発生9の出力する三角波信号bは、信号発生器8の出力する三角波信号aより位相が90度遅れになる。信号発生器8、9の出力する三角波信号は、周波数fと周期(1/f)の関係から明らかなように傾きKnを大きくすると、周波数が高くなる。つまり、傾きKnを大きくすることは位相を進めることを意味している。信号発生器8の三角波信号は掛算器4に入力され、また、信号発生器9の三角波信号は掛算器3に入力される。信号変換器2Aと信号発生器8の三角波信号に位相差θがあると、掛算器3、4および減算器5によって次式の演算が行われ、位相差信号sinθが得られる。

0009

図6に、位相差信号がどのように変化するかを実測した波形を示す。図6は、実線で示す信号変換器2Aの三角波信号dの周波数を60Hz、信号発生器8の三角波信号eの周波数を50Hzにし、時間が0のとき両信号d、eが同期していたとしたときの位相信号fの変遷を示している。なお、図6に示す位相差信号fには三角波信号d、eの極性の相違などによってリップル分が含まれている。減算器5から出力する図5に示すような位相差信号は、補正演算器6に入力され比例積分補償演算を行い、傾き補正値として傾き演算器7に入力される。傾き演算器7は、位相差θが零となるような傾きデータKnを決定する。このように、交流入力信号と同位相の信号変換器2Aの三角波信号と信号発生器8の三角波信号の位相差を検出し、位相差θが発生すると信号発生器8の三角波信号の傾き、つまり位相を調整して信号変換器2Aと信号発生器8の三角波信号を同位相に制御する。そして信号発生器8の出力する三角波信号を同期位相信号として出力する。このようにして同期位相信号を得るのであるが、三角波信号による連続位相比較であり、線形演算処理が可能となり、位相検出の分解能が良く、交流電圧の位相急変に追従した同期位相信号が得られる。

0010

図7図8図9に本発明による実測波形図を示す。この実測波形図は、交流入力電圧の周波数が60Hzの場合のものである。なお、図7〜9において、dは信号変換器2Aの三角波信号、eは信号発生器8の三角波信号、fは減算器5の位相差信号を示している。図7は、交流入力信号の位相急変時の応答波形で、時間t2で位相急変すると、位相差信号fが時間t2〜t3のように変化し、三角波信号eが速い応答で三角波信号dに追従している。なお、時間t0〜t1の期間はスタート時の追従波形を示している。図8は、交流入力信号の周波数急変時の応答波形で時間t2で入力周波数が60Hzから30Hzに変化しても三角波信号eは速やかに三角波信号dに追従している。なお、時間t0〜t1の期間はスタート時の追従波形を示している。図9は、交流入力信号の波形歪みによって点線で示す三角波信号dが歪んでいる場合の位相検出波形を示す。時間t0〜t1はスタート時の波形であり、時間t1以降も三角波信号dの波形歪みによって位相差信号fは変化している。しかし、補正演算器6の傾き補正値gは、積分補償演算による平滑機能によって平滑された信号になっている。そのため、三角波信号eは歪みのない信号になっている。以上の実測特性図から明らかなように、交流入力信号の位相急変、周波数急変に速い応答で追従でき、かつ波形歪みにも何ら影響を受けることなく、同期位相信号を検出することができる。なお、上述の実施例においては交流入力信号が正弦波信号の場合であるが、短形波信号であってもよいのは明らかなことである

発明の効果

0011

本発明によれば、三角波信号の連続位相比較を行って同期位相信号を得ているので、線形演算処理ができ、位相検出の分解能を良くすることができる。また、交流入力信号の周波数範囲が広くとも位相検出誤差を小さくできる。

図面の簡単な説明

0012

図1本発明の一実施例を示す構成図である。
図2三角波信号発生回路の一例を示す詳細構成図である。
図3信号発生器の動作説明用のフロー図である。
図4信号発生器から得られる三角波信号の波形図である。
図5位相差信号の特性図である。
図6位相差信号の実測波形図である。
図7本発明の効果を説明するための実測特性図である。
図8本発明の効果を説明するための実測特性図である。
図9本発明の効果を説明するための実測特性図である。

--

0013

1三角波信号変換回路
2A、2B信号変換器
3、4掛算器
6補正演算器
7傾き演算器
8、9信号発生器
103相2相変換器
11電圧振幅演算器
12、13割算器
14、15三角波演算器

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