JP2004198273A - 電力変換装置へ入力する交流電力の品質チェック方法 - Google Patents

Abstract

【課題】交流電源の周波数カウント値を統計処理して得られる３σ値の設定値からの乖離の程度を表示・警報すると共に、電圧歪み率と高調波の占有率を表示し、電源の品質を明らかにすることにある。
【解決手段】電力変換装置へ入力する交流電力の周波数を無作為でデータ化し、この周波数データをメモリに記憶したのち、この周波数データを統計処理して周波数平均μと分散σ² と標準偏差σを求めて表示し、３σ値が予定値よりも悪化すれば警報を発する。
装置への入力交流電力の電圧を所定のサンプル周期でサンプリングして所定数をメモリに記憶してこれらを高速フーリエ変換し、前述により得られる平均μの振幅とこれの３次，５次，７次，１１次，１３次，・・・高調波の振幅から前記入力交流電圧の歪み率を求めて表示する。且つ、前記平均μの振幅とこの平均μの３次，５次，７次，１１次，１３次，・・・高調波の振幅から、前記入力交流電圧の各奇数次高調波の占有率を求めて表示する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力変換装置へ入力する交流電力の周波数や電圧歪み率などを求めて表示や警告を行うことができる電力変換装置へ入力する交流電力の品質チェック方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置として、これへ入力する交流電力を所望の電圧と周波数の交流電力に変換するインバータ装置，交流電力を所望の電圧の直流電力に変換するコンバータ，交流電源の高調波を低減するためのアクティブフィルタなど各種の電力変換装置があるが、これらの電力変換装置へ入力する交流電力の電圧や周波数などが安定していることや、その波形に歪みが無いこと等が望まれているが、僻地のように電力事情が良好でない地域，離島のように小容量のエンジン発電機が電源になっているような土地，あるいは自家用発電設備が電源になっている場合は、交流電源の電圧や周波数が変動するなど、電力の品質が不安定になることが多い。そこでこのような地域で使用する電力変換装置は、予めこのような変動に耐えられるように構成することになるが、それでも急激な変動や大きな変化には対応することができなくて、装置を停止せざるを得ないこともあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで交流電源の品質は、極めて短い周期で変化する場合もあるが、日単位や週単位，あるいは月単位などの長い周期で変化する場合も多い。それ故、例えばインバータ装置を設置した当初は電源の品質が良好であったために円滑に運転していたものが、しばらくしてから電源品質の低下が原因で装置がしばしば停止する不具合を生じることがある。例えば、インバータ装置へ入力する交流電力の周波数許容範囲を60Hz± 2Hzに定めている場合は、周波数が58Hzを下回れば装置は停止となる。しかし離島のエンジン発電機に大きな負荷が加わったために、周波数が常時59Hzで運転している場合は、 1Hzの低下により周波数が58Hzを下回ることはしばしば発生するであろうし、その度にインバータ装置が停止となるような不具合を生じることになる。
【０００４】
前述の不具合に対しては、周波数許容範囲を59Hz± 2Hzに変更するほうが、現地の事情に適合して望ましい。すなわち従来は、予め定めた基準周波数からの周波数の乖離の程度で電源品質の良否を判定してしまっているが、それよりも現実の周波数の平均値がいくらであるかを見極め、そこからの乖離の程度を定めて周波数の良否を判定するのが望ましいのであるが、インバータ装置は一般にこのような電源品質のチェック機能を備えていなかった。それ故、あまり問題にしなくても良いような変動であっても、電源異常と判断して当該装置をしばしば停止させてしまうような不具合を生じていた。しかもこの停止の理由が、供給される交流電力の品質不良（電圧や周波数の低下や変動）が原因であるのに、インバータ装置が不良であるためと見なされてしまう恐れもあった。
【０００５】
また、パルス幅変調制御により交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータやアクティブフィルタは、交流電源の高調波を抑制することができるが、高速サンプリングでデータを取得し、これを高速フーリエ変換処理をするのに適したハードウエアが存在しなかったこともあって、これらの高調波抑制機能がどの程度に効果を挙げているかを、装置自身がリアルタイムで表示する機能を備えていなかった。よって、従来は高調波抑制機能を計測するために、別途に測定装置を設置する必要があって不便であった。
そこでこの発明の目的は、交流電源の周波数カウント値を統計処理して得られる３σ値の設定値からの乖離の程度を表示・警報すると共に、電圧歪み率と高調波の占有率を表示し、電源の品質を明らかにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明の電力変換装置へ入力する交流電力の品質チェック方法は、
電力変換装置へ入力する交流電力の周波数を無作為でデータ化し、この周波数データをメモリに記憶したのち、この周波数データを統計処理して周波数平均μと分散σ² と標準偏差σを求めて表示する。
周波数データの統計処理で得られる前記標準偏差σの３倍値が、予め定めた値よりも悪化すれば警報を発する。
【０００７】
電力変換装置へ入力する交流電力の電圧を予め定めたサンプル周期でサンプリングを行って所定数をメモリに記憶し、これらを高速フーリエ変換し、請求項１に記載の電力変換装置へ入力する交流電力の品質チェック方法によって得られる周波数平均μの振幅と当該周波数平均μの３次，５次，７次，１１次，１３次，１７次・・・高調波の振幅から前記入力交流電圧の歪み率を求めて表示する。
前記周波数平均μの振幅と当該周波数平均μの３次，５次，７次，１１次，１３次，１７次・・・高調波の振幅から、前記入力交流電圧の各奇数次高調波の占有率を求めて表示する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例を表した主回路接続図であって、インバータ装置の一部分を三相回路で表している。すなわち、ダイオードと半導体スイッチ素子との逆並列接続でなるスイッチング回路を三相ブリッジ接続してコンバータ６を構成し、交流電源１からの三相交流電力を電源スイッチ２とリアクトル３を介してコンバータ６へ与える。コンバータ６は例えばパルス幅変調制御により交流電力を直流電力に変換して直流中間回路へ出力するが、この直流電力に含まれているリプル分を抑制するために、大容量の平滑コンデンサ７を備えている。電源スイッチ２をオンにしてこのインバータ装置を始動する際に、平滑コンデンサ７に過大な充電電流が突入するのを防ぐために、充電抵抗４とこれを短絡する短絡スイッチ５を、コンバータ６の交流入力側に設置する。
【０００９】
交流電源１の電圧Ｖ_S （図１では相電圧を検出しているが、線間電圧であっても差し支えない）を分圧抵抗１１で検出する。制御ハードウエア１０は、絶縁検出器１２とローパスフィルタ（以下ではＬＰＦと略記）１３と零点検出コンパレータ１４とＡ／Ｄ変換器１５，１６およびＣＰＵ１７で構成している。
零点検出コンパレータ１４が検出する交流電圧Ｖ_S の零点通過時点から、ＣＰＵ１７は当該交流電圧Ｖ_S の１サイクルの時間を計測する。この逆数が周波数データ（ｈ₁ ，ｈ₂ ，ｈ₃ ・・・・ｈ_n ）である。特定数の母集団（ｎ個）に対して、下記の数式１により平均値μを計算し、数式２により分散σ² を計算する。但しｎは標本数である。
【００１０】
【数１】

【００１１】
【数２】

これら、数式１で得られる周波数平均値μと、数式２で得られる分散σ² と、この分散σ² の平方根である標準偏差σとが、本発明の第１項に対応して表示される。
標本数が十分に多ければ、周波数は正規分布で近似できるから、数式３に示す確率密度ｈ(x) に従う。
【００１２】
【数３】

周波数は正規分布しているものと仮定しているから、この周波数分布に99.73 ％の確率で取得データが入る範囲である３σ（標準偏差σの３倍）を判定の基準にする。
本発明の第２項では、例えばａ，ｂ，ｃ，ｄなる４つの値を定めておき、これらの大小関係がａ＜ｂ＜ｃ＜ｄであるとすると、電源の品質レベルを下記の５つに分類することができる。すなわち、
第１分類は、３σ＜ａ（単位Ｈ_Z ）のときであって、電源は最良レベルの品質である。
【００１３】
第２分類は、ａ（単位Ｈ_Z ）＜３σ＜ｂ（単位Ｈ_Z ）のときであって、電源は標準レベルの品質である。
第３分類は、ｂ（単位Ｈ_Z ）＜３σ＜ｃ（単位Ｈ_Z ）のときであって、電源は不安定レベルの品質である。
第４分類は、ｃ（単位Ｈ_Z ）＜３σ＜ｄ（単位Ｈ_Z ）のときであって、電源は要注意レベルの品質であり、異常を予報する信号を出力する。
第５分類は、ｄ（単位Ｈ_Z ）＜３σのときであって、電源は警報レベルの品質であり、警報を発して装置を強制停止させる。
【００１４】
図２は電源が最良レベルの品質（第１分類）でａ＝０．５Ｈ_Z のときの周波数の分布を表したグラフである。但し周波数平均値μ＝４９．５Ｈ_Z とする。
図３は電源が警報レベルの品質（第５分類）でｄ＝５Ｈ_Z のときの周波数の分布を表したグラフである。但し周波数平均値μ＝４９．５Ｈ_Z とする。
図１に図示の第１実施例回路におけるＡ／Ｄ変換器１５でサンプルされたデータを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を行うために、２ⁿ 個（例えば２５６，５１２，１０２４・・・）をメモリする。ここで多くのメモリを使用すれば高い精度の値が得られるが、そのためには大きな計算能力と計算時間とが必要になる。
よって精度と計算能力のいずれを優先させるかでメモリ数が決定されることになる。
【００１５】
前述した数式１により得られる基本波周波数の振幅をｆ₁ とし、基本波周波数の３次，５次，７次，１１次，・・・高調波成分の振幅をそれぞれｆ₃ ，ｆ₅ ，ｆ₇ ，ｆ₁₁，・・・とするとき、電源電圧の歪み率εは下記の数式４により計算し、本発明の第３項に対応してその計算結果を表示する。但し計算を簡略化するために、高次数成分は省略することも可能である。
【００１６】
【数４】

更に本発明の第４項に対応するものとして、３次，５次，７次，１１次・・・高調波成分の基本波周波数に対する占有率をそれぞれε₃ ，ε₅ ，ε₇ ，ε₁₁・・・とすると、これらは下記の各数式で表示される。
【００１７】
【数５】
ε₃ ＝ｆ₃ ／ｆ₁
【００１８】
【数６】
ε₅ ＝ｆ₅ ／ｆ₁
【００１９】
【数７】
ε₇ ＝ｆ₇ ／ｆ₁
【００２０】
【数８】
ε₁₁＝ｆ₁₁／ｆ₁
【００２１】
【発明の効果】
従来の電源は、例えば周波数の定常運転値が定格値から常に一定量ずれた状態で運転している場合は、この定常運転値から僅かに変動しただけでも、定格値からの乖離が大なために故障と判定されてしまう不具合を生じていた。これは電源の電圧や周波数が定格値からどれだけ乖離したかを検出し、その乖離の程度の大小のみで電源品質の良否を判定するのみであったからである。
本発明は、交流電源の周波数カウント値を統計処理することで、標準偏差σの３倍値を求め、これの設定値からの乖離の程度を表示し、且つ乖離の程度が大のときに警報すると共に、電圧歪み率と高調波の占有率を表示することで電源の品質が明らかになるから、機器側の不良と電源側の不良とを明確に区別することができて、対策や処置を的確に施すことができる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を表した主回路接続図
【図２】電源が最良レベルの品質（第１分類）でａ＝０．５Ｈ_Z のときの周波数の分布を表したグラフ
【図３】電源が警報レベルの品質（第５分類）でｄ＝５Ｈ_Z のときの周波数の分布を表したグラフ
【符号の説明】
１ 交流電源
６ コンバータ
１０ 制御ハードウエア
１１ 分圧抵抗
１２ 絶縁検出器
１３ ＬＰＦ
１４ 零点検出コンパレータ
１５，１６ Ａ／Ｄ変換器
１７ ＣＰＵ１７

Claims (4)

1. 電力変換装置へ入力する交流電力の周波数を無作為でデータ化し、この周波数データをメモリに記憶したのち、この周波数データを統計処理して周波数平均μと分散σ² と標準偏差σを求め、これらを表示することを特徴とする電力変換装置へ入力する交流電力の品質チェック方法。
2. 請求項１に記載の電力変換装置へ入力する交流電力の品質チェック方法において、
   前記周波数データの統計処理で得られる標準偏差σの３倍値が、予め定めた値よりも悪化すれば警報を発することを特徴とする電力変換装置へ入力する交流電力の品質チェック方法。
3. 電力変換装置へ入力する交流電力の電圧を予め定めたサンプル周期でサンプリングを行って所定数をメモリに記憶し、これらを高速フーリエ変換し、請求項１に記載の電力変換装置へ入力する交流電力の品質チェック方法によって得られる周波数平均μの振幅と当該周波数平均μの３次，５次，７次，１１次，１３次，１７次・・・高調波の振幅から前記入力交流電圧の歪み率を求め、これを表示することを特徴とする電力変換装置へ入力する交流電力の品質チェック方法。
4. 請求項３に記載の電力変換装置へ入力する交流電力の品質チェック方法において、
   前記周波数平均μの振幅と当該周波数平均μの３次，５次，７次，１１次，１３次，１７次・・・高調波の振幅から、前記入力交流電圧の各数次高調波の占有率を求めて表示することを特徴とする電力変換装置へ入力する交流電力の品質チェック方法。

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