JP6832210B2 - インバータ - Google Patents

Description

本発明は、インバータに関する。

特許文献１には、複数のインバータが並列運転される無停電電源装置が開示されている。この無停電電源装置では、商用交流電圧に同期したパルス信号（以下、「同期信号」という。）が発振器から各インバータに出力される。各インバータは、同期信号の立ち下がりエッジから同期信号の周期を検出し、その検出した周期に基づいて、自装置が出力する交流電圧の位相を算出する。そして、各インバータは、算出した位相で交流電圧を出力する。これにより、並列に接続された各インバータは、出力する交流電圧を、商用交流電圧と同期させることができる。

特開２００８−１６０９６号公報

しかしながら、インバータは、同期信号にノイズが乗ってしまった場合には、そのノイズを同期信号の立ち下がりエッジとして誤検出する場合がある。その場合、インバータは、誤った周期に基づいて算出された位相で交流電圧を出力することになり、商用交流電圧に同期させることができない場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、同期信号にノイズが乗ってしまった場合であっても、出力する交流電圧を、商用交流電圧と同期させることができるインバータを提供することである。

本発明の一態様は、直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換部と、外部からの供給される同期信号のエッジを検出するエッジ検出部と、前記エッジ検出部によりエッジが検出されることでカウンタ値をリセットするカウンタと、前記エッジ検出部が検出したエッジが正常か否かを判定する判定部と、前記カウンタのカウンタ値に基づいて前記交流電力の位相を算出する位相算出部と、前記位相算出部により算出された位相の交流電力を前記ＤＣ／ＡＣ変換部から出力させる出力電圧制御部と、を備え、前記位相算出部は、前記判定部により前記エッジ検出部が検出したエッジが正常ではないと判定された場合には、前記ＤＣ／ＡＣ変換部の出力制御の処理周期で前記カウンタから前記カウンタ値を取得した前記カウンタのカウント値のうち、エッジが正常でないと判定されたときより出力制御の処理周期で１回前に取得したカウンタ値である前回のカウント値に、前記出力制御の処理周期におけるクロック信号のカウント値である所定値を、前記出力制御の処理周期である一定周期ごとに加算した補正値に基づいて前記交流電力の位相を算出することを特徴とするインバータである。

本発明の一態様は、上述のインバータであって、前記位相算出部は、前記判定部により前記エッジ検出部が検出したエッジが正常ではないと判定されてから、次に前記エッジが正常であると判定されるまで、前記補正値に基づいて前記交流電力の位相を算出する。

本発明の一態様は、上述のインバータであって、前記一定周期は、前記ＤＣ／ＡＣ変換部の出力制御の処理周期であり、前記所定値は、前記処理周期におけるクロック信号のカウント値である。

本発明の一態様は、上述のインバータであって、前記位相算出部は、前記エッジが正常であると判定された場合には、前記カウンタのカウント値に対して前記エッジが正常であると判定されたときのカウンタ値である正常カウンタ値で除算した値に基づいて前記交流電力の位相を算出し、前記エッジが正常ではないと判定された場合には、前記補正値に対して前記正常カウンタ値で除算した値に基づいて前記交流電力の位相を算出する。

本発明の一態様は、上述のインバータであって、前記判定部は、前記エッジ検出部が前記エッジを検出したときのカウンタ値が予め設定された閾値未満である場合には、当該エッジが正常ではないと判定する。

以上説明したように、本発明によれば、同期信号にノイズが乗ってしまった場合であっても、出力する交流電圧を、商用交流電圧と同期させることができる。

本発明の一実施形態に係る電源装置Ａの一例を示す機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ部５の概略構成の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ制御部５４の一例を示す機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る立ち下がりエッジが正常であると判定された場合のタイミングチャートである。 本発明の一実施形態に係る立ち下がりエッジが正常ではないと判定された場合のタイミングチャートである。 本発明の一実施形態に係る補正値について説明する図である。

以下、本発明の一実施形態に係る電源装置を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電源装置Ａの一例を示す機能ブロック図である。
図１に示すように、電源装置Ａは、開閉スイッチ１、半導体スイッチ２、及び出力スイッチ３、制御部４、及びインバータ部５を備える。

電源装置Ａは、直流電源１００（外部）から供給される直流電力をインバータ部５が変換した交流電力と、商用電源２００（外部）から供給される交流電力とを切り替えて出力可能な電源装置である。ここで、商用電源２００は、例えば、１００Ｖ（ボルト）の交流電源である。

なお、以下の説明において、商用電源２００から供給された交流電力を、電源装置Ａの出力線に供給することをバイパス給電と称し、インバータ部５で変換した交流電力を電源装置Ａの出力線に供給することをインバータ給電と称する。また、商用電源２００から交流電力が供給される電源供給線をバイパス給電線Ｌ１と称し、電源装置Ａの出力線である交流出力の出力線を交流出力線Ｌ３と称する。

開閉スイッチ１は、例えば、リレースイッチや開閉器などの機械的に接点を開閉するスイッチである。開閉スイッチ１は、商用電源２００から交流電力が供給されるバイパス給電線Ｌ１と交流出力線Ｌ３との間に接続されている。
開閉スイッチ１は、制御部４から供給される制御信号に基づいて、オフ状態（非導通状態）とオン状態（導通状態）とが切り替えられる。なお、開閉スイッチ１は、機械的に接点を開閉するため、制御信号により、オフ状態又はオン状態に制御された際に、実際に制御された状態になるまでに遅延時間（タイムラグ）が生じる。

半導体スイッチ２は、例えば、サイリスタやトライアックなどのスイッチであり、開閉スイッチ１と並列に接続されている。すなわち、半導体スイッチ２は、バイパス給電線Ｌ１と交流出力線Ｌ３との間に接続されている。半導体スイッチ２は、制御部４から供給される制御信号に基づいて、オフ状態とオン状態とが切り替えられる。

半導体スイッチ２は、制御信号によってオン状態に制御された際に、開閉スイッチ１よりも遅延時間（タイムラグ）が短いため、交流出力線Ｌ３への給電が途切れないように、開閉スイッチ１と並列に接続されている。また、半導体スイッチ２は、制御信号によってオフ状態に制御された際には、オフ状態になるまでに、交流電流が０（ゼロ）になるまでの期間（交流電流が反転するまでの期間）の遅延時間（タイムラグ）が生じるものとする。すなわち、半導体スイッチ２は、オフ状態に制御された際に、オフ状態になるまでに所定の時間を要し、オフ状態になったか否かを示す状態信号が出力されないスイッチである。

出力スイッチ３は、例えば、リレースイッチや開閉器などの機械的に接点を開閉するスイッチである。出力スイッチ３は、インバータ部５の出力線Ｌ２と交流出力線Ｌ３との間に接続されている。出力スイッチ３は、制御部４から供給される制御信号に基づいて、オフ状態とオン状態とが切り替えられる。

制御部４は、例えば、インバータ部５の動作を制御するとともに、バイパス給電とインバータ給電との切り替えを制御する。具体的には、制御部４は、開閉スイッチ１、及び半導体スイッチ２のそれぞれのオン状態とオフ状態との切り替えを制御する。また、制御部４は、出力スイッチ３のオン状態とオフ状態との切り替えを制御する。

制御部４は、例えば、ＣＰＵなどを含むプロセッサであり、電源装置Ａを統括的に制御する。制御部４は、例えば、バイパス給電からインバータ給電に切り替える際に、開閉スイッチ１及び半導体スイッチ２をオフ状態にし、半導体スイッチ２の両端の電圧差が所定の閾値以上（例えば、数Ｖ程度以上）になった場合に、インバータ給電を開始させる。

また、制御部４は、バイパス給電からインバータ給電に切り替える際には、インバータ部５からの交流電源と商用電源２００からの交流電力との位相を同期させるために、同期信号をインバータ部５に送信する。具体的には、制御部４は、商用電源２００から供給された交流電圧を検出し、その検出した交流電圧に同期した同期信号を生成する。そして、制御部４は、生成した同期信号をインバータ部５に送信する。なお、制御部４は、インバータ部５と、有線又は無線で通信することで同期信号を送信する。例えば、制御部４は、インバータ部５とＣＡＮ（Controller Area Network）によって通信される。

インバータ部５は、制御部４から受信した同期信号に基づいて、直流電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換する。そして、インバータ部５は、その変換した交流電力を出力線Ｌ２に出力する。

以下に、本発明の一実施形態に係るインバータ部５の構成について、説明する。図２は、本発明の一実施形態に係るインバータ部５の概略構成の一例を示す図である。

インバータ部５は、ＤＣ／ＡＣ変換部５１、交流フィルタ部５２、出力リレー５３、及びインバータ制御部５４を備える。

ＤＣ／ＡＣ変換部５１は、直流電源１００から供給された直流電圧Ｖｄｃを、例えば、１００Ｖ、５０Ｈｚ（ヘルツ）（又は６０Ｈｚ）の交流電圧Ｖａｃに変換する。ＤＣ／ＡＣ変換部５１は、不図示のスイッチング素子を備え、出力電圧制御部５４５からの制御により、スイッチング素子をスイッチングすることにより、直流電圧（直流電力）を交流電圧（交流電力）に変換する。

交流フィルタ部５２は、例えば、ＬＣフィルタであり、ＤＣ／ＡＣ変換部５１が変換した交流電圧からリップルを除去する。

出力リレー５３は、ＤＣ／ＡＣ変換部５１の出力と出力線Ｌ２との間に接続される。
出力リレー５３は、例えば、リレースイッチであり、交流フィルタ部５２の出力と、交流電圧Ｖａｃの出力線Ｌ２との間に接続されている。出力リレー５３は、インバータ制御部５４から供給される制御信号に基づいて、オフ状態とオン状態とが切り替えられる。

インバータ制御部５４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などを含むプロセッサであり、インバータ部５を統括的に制御する。
インバータ制御部５４は、制御部４から受信した同期信号に基づいて、直流電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換する。これにより、インバータ制御部５４は、ＤＣ／ＡＣ変換部５１から出力する交流電圧を、商用電源から供給される交流電圧と同期させることができる。

以下に、本発明の一実施形態に係るインバータ制御部５４の交流電圧の同期方法について、以下に説明する。図３は、ＤＣ／ＡＣ変換部５１から出力する交流電圧を、商用電源２００から供給される交流電圧と同期させるために必要な、インバータ制御部５４の機能ブロックの一例を示す図である。

図３に示すように、インバータ制御部５４は、エッジ検出部５４１、カウンタ５４２、判定部５４３、位相算出部５４４、及び出力電圧制御部５４５を備える。

エッジ検出部５４１は、制御部４から同期信号を受信する。エッジ検出部５４１は、受信した同期信号のエッジを検出する。本実施形態では、上記エッジは立ち下がりエッジである場合について説明するが、本発明はこれに限定されず、立ち上がりエッジでもよい。

カウンタ５４２は、例えば、マイコンのシステムクロックの周期でカウントアップする。具体的には、カウンタ５４２は、エッジ検出部５４１により、同期信号の立ち下がりエッジが検出されることでカウンタ値をリセットする。そして、カウンタ５４２は、次の立ち下りエッジまで、自装置のクロック信号をカウントアップする。

判定部５４３は、エッジ検出部５４１が検出した立ち下がりエッジが正常か否かを判定する。例えば、判定部５４３は、エッジ検出部５４１が立ち下がりエッジを検出したときのカウンタ値が予め設定された閾値未満である場合には、当該立ち下がりエッジが正常ではないと判定する。この立ち下がりエッジが正常でない場合とは、その立ち下がりエッジがノイズである場合である。すなわち、エッジ検出部５４１が検出した立ち下がりエッジが正常であると判定された場合には、当該立ち下がりエッジは同期信号の立ち下がりエッジである。一方、エッジ検出部５４１が検出した立ち下がりエッジが正常ではないと判定された場合には、当該立ち下がりエッジは同期信号の立ち下がりエッジではなく、ノイズの立ち下がりエッジである。

位相算出部５４４は、カウンタ５４２のカウンタ値に基づいて交流電力の位相を算出する。ここで、位相算出部５４４は、判定部５４３によりエッジ検出部５４１が検出した立ち下がりエッジが正常ではないと判定された場合には、前回のカウント値に所定値を一定周期ごとに加算した補正値に基づいて交流電力の位相を算出する。

出力電圧制御部５４５は、位相算出部５４４により算出された位相の交流電力をＤＣ／ＡＣ変換部５１から出力させる。例えば、出力電圧制御部５４５は、位相算出部５４４により算出された位相に基づいて、ＤＣ／ＡＣ変換部５１のスイッチングを制御する。

次に、位相算出部５４４における交流電圧の位相の算出方法について、図面を用いて具体的に説明する。

まず、判定部５４３によりエッジ検出部５４１が検出した立ち下がりエッジが正常であると判定される場合における、交流電圧の位相の算出方法について、説明する。図４は、立ち下がりエッジが正常であると判定された場合のタイミングチャートである。

位相算出部５４４は、立ち下がりエッジが正常であると判定された場合には、現在のカウンタ値に対して、正常カウンタ値で除算した値に基づいて、交流電力の位相を算出する。ここで、正常カウンタ値とは、立ち下がりエッジが正常であると判定されたときのカウンタ値であって、例えば、正常であると判定された前回の立ち下りエッジ時のカウンタ値である。ここで、位相をωｔ、カウント値をＴｃｎｔ、正常カウンタ値をＴｐｒｄ（ｎ）とすると、位相ωｔは以下の式で表される。

ωｔ=Ｔｃｎｔ／Ｔｐｒｄ（ｎ）×２π …（１）

したがって、出力電圧制御部５４５は、位相算出部５４４で算出された位相ωtを用いて、インバータ出力の振幅値とｓｉｎ（ωｔ）とを乗算することでＤＣ／ＡＣ変換部５１への駆動信号を生成して、ＤＣ／ＡＣ変換部５１のスイッチング素子に出力する。これにより、インバータ部５は、出力する交流電圧を、商用交流電圧と同期させることができる。

次に、判定部５４３によりエッジ検出部５４１が検出した立ち下がりエッジが正常ではないと判定された場合における、交流電圧の位相の算出方法について、説明する。図５は、立ち下がりエッジが正常ではないと判定された場合のタイミングチャートである。図６は、本発明の一実施形態に係る補正値について説明する図である。

インバータ部５は、同期信号にノイズが乗った場合、ノイズを立ち下がりエッジと誤検出し、誤った位相でＤＣ／ＡＣ変換部５１の出力を制御する可能性がある。したがって、位相算出部５４４は、同期信号にノイズが乗ってしまった場合、すなわち、立ち下がりエッジが正常ではないと判定された場合には、現在のカウンタ値Ｔｃｎｔを用いずに、ノイズ処理を行った補正値Ｔｃｎｔ´を使用することで誤動作を抑制する。

具体的には、図５に示すように、位相算出部５４４は、時刻Ｔ１で立ち下がりエッジが正常ではない（異常）と判定された場合には、前回のカウント値Ｔｃｎｔに所定値ΔＴを一定周期ごとに加算した補正値Ｔｃｎｔ´を生成する。ここで、一定周期とは、ＤＣ／ＡＣ変換部５１の出力制御の処理周期である。また、所定値ΔＴとは、処理周期におけるクロック信号のカウント値である。例えば、クロック信号の周波数が１００ＭＨｚであり、処理周期が５０μｓである場合には、所定値ΔＴは５０００カウント（５０μｓ／１０ｎｓ）となる。例えば、前回のカウント値Ｔｃｎｔとは、ＤＣ／ＡＣ変換部５１の前回の出力制御の処理時におけるカウント値である。

位相算出部５４４は、判定部５４３によりエッジ検出部５４１が検出した立ち下がりエッジが正常ではないと判定されてから（時刻Ｔ１）、次に立ち下がりエッジが正常であると判定されるまで（時刻Ｔ２）、補正値Ｔｃｎｔ´に基づいて交流電力の位相ωｔを算出する。
すなわち、図６に示すように、位相算出部５４４は、立ち下がりエッジが正常ではないと判定されてから正常と判定されるまでの間、前回の補正値Ｔｃｎｔ´に所定値ΔＴを処理周期ごとに加算して、新たな補正値Ｔｃｎｔ´を算出する。この補正値Ｔｃｎｔ´は、以下の式で表される。
Ｔｃｎｔ´（ｎ）＝Ｔｃｎｔ´（ｎ−１）＋ΔＴ …（２）

なお、立ち下がりエッジの正常判定時にＴｃｎｔ´（ｎ）がＴｐｒｄ値を超えたら、Ｔｃｎｔ´（ｎ）を０にする。また、Ｔｃｎｔ´＞Ｔｐｒｄ（前回正常値）の場合、Ｔｃｎｔ´（ｎ）＝Ｔｃｎｔ´（ｎ−１）−Ｔｐｒｄ（前回正常値）となる。

位相算出部５４４は、算出した補正値Ｔｃｎｔ´を用いて、以下に示す式で位相ωｔを算出する。
ωｔ=Ｔｃｎｔ´／Ｔｐｒｄ（ｎ）×２π …（３）

ただし、判定部５４３によりエッジ検出部５４１が検出した立ち下がりエッジが正常ではないと判定された場合には、Ｔｐｒｄ（ｎ）の更新は行わず、前回において、立ち下がりエッジが正常であると判定されたＴｐｒｄ（ｎ）を継続して使用する。これにより、インバータ部５は、同期信号にノイズが乗ってしまった場合であっても、出力する交流電圧を、商用交流電圧と同期させることができる。

上述したように、本発明の一実施形態に係るインバータ部５は、同期信号のエッジが正常ではないと判定された場合には、前回のカウント値に所定値を一定周期ごとに加算した補正値に基づいて交流電力の位相を算出する。これにより、インバータ部５は、同期信号にノイズが乗ってしまった場合であっても、同期信号の周期を正確に算出することができる。そのため、インバータ部５は、同期信号にノイズが乗ってしまった場合であっても、出力する交流電圧を、商用交流電圧と同期させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。

（１）例えば、上記の実施形態において、電源装置Ａは、１つのインバータ部５を備える例を説明したが、これに限定されるものではない。電源装置Ａは、複数のインバータ部５を備え、各インバータ部５が並列に接続される構成であってもよい。これにより、電源装置Ａは、インバータ供給可能な交流電力を増大させることができる。

（２）上記実施形態の電源装置Ａは、バイパス給電として、１００Ｖの商用電源を直接供給する例を説明したが、２００Ｖなどの交流電圧をバイパス給電として供給してもよい。

（３）上記実施形態のインバータ部５において、ＤＣ／ＡＣ変換部５１は、直流電源１００から供給された直流電圧Ｖｄｃを交流電圧Ｖａｃに変換する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、直流電源１００とＤＣ／ＡＣ変換部５１との間に、ＤＣ／ＤＣ変換部、及び直流フィルタ部（例えば、ＬＣフィルタ）を設けてもよい。
例えば、ＤＣ／ＤＣ変換部は、直流電源１００から供給されたＶｄｃを所定の直流電圧に変換する。そして、直流フィルタ部は、ＤＣ／ＤＣ変換部が変換した直流電圧からリップルを除去する。ＤＣ／ＡＣ変換部５１は、直流フィルタ部で除去された直流電圧を交流電圧Ｖａｃに変換する。

Ａ 電源装置
１ 開閉スイッチ
２ 半導体スイッチ
３ 出力スイッチ
４ 制御部
５ インバータ部
５１ ＤＣ／ＡＣ変換部
５２ 交流フィルタ部
５３ 出力リレー
５４ インバータ制御部
５４１ エッジ検出部
５４２ カウンタ
５４３ 判定部
５４４ 位相算出部
５４５ 出力電圧制御部

Claims (4)

1. 直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換部と、
   外部からの供給される同期信号のエッジを検出するエッジ検出部と、
   前記エッジ検出部によりエッジが検出されることでカウンタ値をリセットするカウンタと、
   前記エッジ検出部が検出したエッジが正常か否かを判定する判定部と、
   前記カウンタのカウンタ値に基づいて前記交流電力の位相を算出する位相算出部と、
   前記位相算出部により算出された位相の交流電力を前記ＤＣ／ＡＣ変換部から出力させる出力電圧制御部と、
   を備え、
   前記位相算出部は、前記判定部により前記エッジ検出部が検出したエッジが正常ではないと判定された場合には、前記ＤＣ／ＡＣ変換部の出力制御の処理周期で前記カウンタから前記カウンタ値を取得した前記カウンタのカウント値のうち、エッジが正常でないと判定されたときより出力制御の処理周期で１回前に取得したカウンタ値である前回のカウント値に、前記出力制御の処理周期におけるクロック信号のカウント値である所定値を、前記出力制御の処理周期である一定周期ごとに加算した補正値に基づいて前記交流電力の位相を算出することを特徴とするインバータ。
2. 前記位相算出部は、前記判定部により前記エッジ検出部が検出したエッジが正常ではないと判定されてから、次に前記エッジが正常であると判定されるまで、前記補正値に基づいて前記交流電力の位相を算出することを特徴とする請求項１に記載のインバータ。
3. 前記位相算出部は、前記エッジが正常であると判定された場合には、前記カウンタのカウント値に対して前記エッジが正常であると判定されたときのカウンタ値である正常カウンタ値で除算した値に基づいて前記交流電力の位相を算出し、前記エッジが正常ではないと判定された場合には、前記補正値に対して前記正常カウンタ値で除算した値に基づいて前記交流電力の位相を算出する、請求項１又は請求項２に記載のインバータ。
4. 前記判定部は、前記エッジ検出部が前記エッジを検出したときのカウンタ値が予め設定された閾値未満である場合には、当該エッジが正常ではないと判定する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のインバータ。

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