JPH10170563A - 周波数検出装置 - Google Patents
周波数検出装置Info
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- JPH10170563A JPH10170563A JP32529196A JP32529196A JPH10170563A JP H10170563 A JPH10170563 A JP H10170563A JP 32529196 A JP32529196 A JP 32529196A JP 32529196 A JP32529196 A JP 32529196A JP H10170563 A JPH10170563 A JP H10170563A
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Abstract
にPLL回路を用いた位相検出器や計数器といったH/
Wが必要で、装置が大型化、コスト高となった。 【解決手段】 3相交流電源1の電圧VR、VS、VTを
基準角速度ω0で回転するd−q軸回転座標上の電圧V
d、Vqに変換し(101)、その電圧ベクトルの角速
度ω′を演算し(103、104、105)、基準角速
度ω0に電圧ベクトルの角速度ω′を加算し(10
6)、3相交流電源の周波数fを演算する(107)。
Description
される電力変換装置等で使用される周波数検出装置に関
するものである。
報に示された従来の周波数検出装置を持つ電力変換装置
を本発明と同様の形式に書き改めた図であり、図におい
て、1は3相交流電源、6はサイリスタ整流器である。
サイリスタ整流器6は、例えば図10に示すようにサイ
リスタのブリッジ接続されたものである。11は3相交
流電源の電圧を検出する電圧センサ、30はサイリスタ
整流器6を制御する制御回路である。31はCPU、メ
モリ、A/D変換回路などから構成されているコンピュ
ータ、32はサイリスタに点弧パルスを与えるゲートロ
ジック、33はフェーズロックループ(PLL)回路が
用いられ3相交流電源1の周波数に同期した位相信号θ
を取りだす位相検出器、34は計数器、35は一定の発
振を行う発振器である。
中心に行う。位相検出器33から3相交流電源1の周波
数に同期したサンプリングパルスSPLSがデジタル位
相信号θの一信号としてそこから取り出せる。計数器3
4はコンピュータ31のリセット信号RSTにより初期
化を行い、計数値FCNTを零にし、新たに発振器35
の出力である一定発振パルスPULSを計数する。コン
ピュータ31はサンプリングパルスSPLS毎に制御演
算を行い、サイリスタ整流器6を制御する信号Ecをゲ
ートロジック32に与える。また、例えば120回のサ
ンプリングパルスSPLS毎に計数器34の計数値FC
NTを読み込み、計数器34にリセット信号を出力す
る。ここで、サンプリングパルスSPLSとして電気角
で30度毎のパルスを使用する場合(1サイクルで12
回)、計数器34の計数値FCNTは3相交流電源1の
10サイクル毎に、一定の周期で発振する発振器35か
らの発振パルスPULSを計数した計数値FCNTがコ
ンピュータ31に読み込まれることになる。この計数値
FCNTが3相交流電源1の周波数に相当する値とな
る。
は以上のように構成されているので、コンピュータ以外
にPLL回路を用いた位相検出器、計数器といったH/
Wが必要であった。
めになされたものであり、位相検出器、計数器を用いる
ことなく周波数を検出する装置を得ることを目的とす
る。
出装置は、3相交流電源の電圧を所定の基準角速度で回
転するd−q軸回転座標上の電圧に変換する3相/2相
変換手段、上記d−q軸回転座標上の電圧のベクトルの
角速度を演算する手段、および上記基準角速度に上記電
圧ベクトルの角速度を加算して上記3相交流電源の周波
数を演算する手段を備えたものである。
流電源の電圧を第1の角速度で回転するd−q軸回転座
標上の電圧に変換する3相/2相変換手段、上記d−q
軸回転座標上の電圧のベクトルの角速度を演算する手
段、所定の基準角速度に、上記電圧ベクトルの角速度が
零となるよう上記電圧ベクトルの角速度を増幅してなる
第2の角速度を加算し上記第1の角速度として出力する
手段、および上記第1の角速度に上記電圧ベクトルの角
速度を加算して上記3相交流電源の周波数を演算する手
段を備えたものである。
請求項1または2において、基準角速度を3相交流電源
の商用周波数に相当する値としたものである。
請求項1ないし3のいずれかにおいて、d−q軸回転座
標上の電圧に含まれる高次成分を除去するローパスフィ
ルタを備えたものである。
請求項1ないし4のいずれかにおいて、d−q軸回転座
標上の電圧に含まれる、回転角速度の2倍の角速度に相
当する周波数のリップル成分を除去する移動平均演算手
段を備えたものである。
請求項1ないし5のいずれかにおいて、3相交流電源の
逆相電圧成分を演算する手段を備え、上記3相交流電源
の電圧から上記逆相電圧成分を減算した電圧を3相/2
相変換手段に入力するようにしたものである。
請求項6において、逆相電圧成分演算手段は、3相交流
電源の電圧の相順を逆にしてd−q軸回転座標上の電圧
に変換することにより逆相電圧2相成分を演算する逆相
検出用3相/2相変換手段、および上記逆相電圧2相成
分をローパスフィルタを経て入力し3相交流電圧成分に
変換することにより逆相電圧成分を演算する逆相検出用
2相/3相変換手段からなるものである。
づいて説明する。図1は周波数検出装置を持つ高力率コ
ンバータ等の交流電源に接続される電力変換装置を示す
ブロック図であり、1は3相交流電源、2はリアクト
ル、3はインバータである。インバータ3は、例えば図
2に示すようにトランジスタとダイオードのブリッジ接
続されたものである。4は直流コンデンサ、5は直流負
荷である。11は3相交流電源1の電圧VR、VS、VT
を検出する電圧センサ、12はインバータ3の交流側電
流(インバータ電流)IR、IS、ITを検出する電流セ
ンサ、13は直流コンデンサ4の電圧VDを検出する電
圧センサである。20は制御回路であり、CPU21、
メモリ22、ゲートパルス発生回路23、A/D変換回
路24から構成されており、直流電圧VDが所望の値と
なるように、3相交流電源1の電圧に応じてインバータ
電流を制御する制御演算を行い、ゲートパルス発生回路
23を介してインバータをスイッチングさせ、交流電力
を直流電力に変換する。
流電源1の周波数を検出し、装置の運転条件として用い
たり、装置の運転・入出力の監視を行う装置盤面のモニ
タ部において表示を行っている。次に本発明の周波数検
出装置について説明する。
算する周波数検出のブロック図である。101は制御演
算にて用いているA/D変換回路から読み込んだ3相交
流電源1の電圧VR、VS、VTを式1の演算にてd−q
軸回転座標上の値に変換する3相/2相変換回路であ
る。
は回転速度設定器102にて与える。基準角速度ω0は
例えば3相交流電源1の商用周波数が50Hzであれば
2π50に、60Hzであれば2π60とし、tはサン
プリグ時間毎に式2にて更新する。
の周波数が丁度50Hzであれば、d軸電圧Vd、q軸
電圧Vqはともに直流量となるが、もし3相交流電源1
の周波数が50.1Hzであれば、d軸電圧Vd、q軸
電圧Vqは0.1Hzの交流量を持ち、d−q座標上で
その電圧ベクトルVは図4に示すように回転するものと
なる。3相交流電源1の周波数変動幅は、通常、商用電
源で0.1%程度、発電機でも3%以下と考えられるの
で、3%周波数変動時の電圧ベクトル回転周波数は、5
0Hzであれば1.5Hz、60Hzでも1.8Hzと
なる。従って、例えば100μsecのサンプリングで、
電圧ベクトルの回転を処理した場合、50Hzで666
7回/1回転、60Hzで5556回/1回転の演算タ
イミングがあり、CPU21によるS/Wにて十分な精
度で計測することができる。
あり、3相交流電源1が高次の電圧歪みを含んでいる場
合に、3相/2相変換後のd−q軸上に変換した成分に
も含まれる高次の成分を除去する。そして、位相差演算
回路104により、ローパスフィルタ103の出力Vd
f、Vqfから式3により、図5に示すように、d軸と
電圧ベクトルとの位相差ψを求める。
ことにより、単位時間当たりの位相変化量、即ち角速度
ω′を得る。この角速度ω′は、3相交流電源1の角速
度ωと回転座標の角速度ω0との差の角速度であるの
で、加算器106にてω′とω0とを加算してωを求
め、これを計数器107にて1/(2π)倍し、3相交
流電源1の周波数fを得ることができる。
Wを用いることなく周波数を検出することができるの
で、制御回路の小型化・低コスト化が図れる。
交流電圧1に高次の電圧歪みが含まれている場合を考慮
していたが、実施の形態2では電圧不平衡がある場合の
周波数検出方法を説明する。図6は制御回路20のCP
U21にて演算する実施の形態2の周波数検出装置のブ
ロック図であり、実施の形態1との違いは、移動平均演
算回路108によりローパスフィルタ103の出力の移
動平均演算を行い、移動平均後の信号Vdfa、Vqf
aから位相差ψを求めている点である。
VTに電圧不平衡があると、d−q軸上の電圧Vd、V
qに基本周波数の2倍周波のリップル成分が存在する。
今、3相交流電圧VR、VS、VTが、式4に示すよう
に、例えば、その振幅に関して不平衡がある場合を想定
すると、d−q軸上の電圧Vq、Vdは式1を適用する
ことにより、それぞれ式5、式6で示される。
あると、電圧Vd、Vqに基本周波数の2倍周波のリッ
プル分が存在し、このまま位相差ψの変化速度を求めて
も正しい角速度を得ることができない。そこで、この実
施の形態2においては、移動平均演算回路108を設
け、T0=1/ω0の周期で移動平均を演算する。実施の
形態1で述べたように、3相交流電源1の周波数変動幅
は多い場合でも3%以下と考えられるので、上記の移動
平均をとることにより、移動平均の周期T0の整数分の
1の(周波数が整数倍の)高調波は平均化されほぼ零と
なって上述したリップル分をほぼ除去することができ
る。
Wを用いることなく周波数を検出することができるのに
加え、3相交流電源に電圧不平衡があっても正確に周波
数を検出することができる。
不平衡に対する影響を移動平均により除去していたが、
実施の形態3では、3相交流電源1の逆相電圧を求め、
これを3相交流電源電圧1の各相電圧より減じ、不平衡
のない正相電圧を作成し、この正相電圧を基に上記実施
の形態1と同一の方法で、電圧不平衡の影響を受けない
周波数検出を行っている。
する実施の形態3の周波数検出ブロック図であり、実施
の形態1との違いは逆相検出用3相/2相変換回路11
1、ローパスフィルタ112、逆相検出用2相/3相変
換回路113、減算器114〜116を追加した点であ
る。逆相検出用3相/2相変換回路111は、式7に示
すように相順を逆にした変換行列により、d軸、q軸上
で逆相電圧成分を直流量として含んでいる信号Vdr、
Vqrを作成する。
2に入力し、逆相電圧に相当した直流成分Vdrf、V
qrfを取りだすことができる。これを式8に示す逆相
検出用2相/3相変換回路113により3相座標上の信
号VRr、VSr、VTrに変換し、減算器114〜11
6により3相交流電源1の電圧VR、VS、VTからそれ
ぞれ減じることにより、不平衡の無い3相電圧VRn、
VSn、VTnを得る。この信号を上記実施の形態1と同
様に、3相/2相変換回路101への入力とすることに
より3相交流電源1の周波数fを検出する。
出し、これを3相交流電源電圧から減じ、不平衡の無い
正相分のみの電圧としてから、周波数を検出しているの
で、上記実施の形態2と比べて、逆相分をより正確に除
去することができ、位相検出器、計数器等のH/Wを用
いることなく周波数を検出することができるのに加え、
3相交流電源に電圧不平衡があっても、周波数変動幅に
よらず正確に周波数を検出することができる。
方式と、実施の形態3の逆相電圧検出による方式との両
者を併用することもでき、この場合、一層高精度の周波
数検出が可能となる。
では、d−q軸回転座標の回転速度を50Hzまたは6
0Hzに固定していたが、この実施の形態4では位相差
ψが一定となるように回転速度を変化させるよう構成し
ている。図8は制御回路20のCPU21にて演算する
実施の形態4の周波数検出ブロック図であり、実施の形
態1との違いは、3相/2相変換回路101のd−q軸
回転座標の角速度を第1の角速度ω1とし、微分回路1
05からの出力である角速度ω′を積分演算などで増幅
し第2の角速度ω2として出力する増幅回路109、第
2の角速度ω2と3相交流電源1の基準角速度ω0(2π
50または2π60)とを加算する加算器110を追加
した点である。
より、d−q軸上で電圧ベクトルは差の角速度ω′で回
転する。従って、ω′が正の時はω1を増加し、ω′が
負の時はω1を減少させることにより、ω1を3相交流電
源1の角速度ωと同一とすることができる。ω1の増減
制御を増幅回路109を用いたフィードバックループを
構成することにより実現している。応答を良くするため
に増幅演算の出力ω2にあらかじめ基準値ω0を加算し、
増幅演算の出力信号が調整分として働くように構成して
いる。従って、定常的にはω′はほぼ零となりω1が3
相交流電源1の角速度ωとなる。しかし、過渡的にも正
確な周波数を検出するために、ω′が零でない場合を考
慮し、実施の形態1と同じくω′とω1とを加算器10
6にて加算してから、計数器107にて1/(2π)倍
し、3相交流電源1の周波数fを求めている。
標の角速度とが同じになるようにフィードバックループ
を構成しているので、位相検出器、計数器等のH/Wを
用いることなく周波数を精度良く検出することができ
る。
の周波数検出装置に位相差ψを一定に制御するフィード
バックループを追加しているが、同様の構成は実施の形
態2、3に対しても構成することができる。
算にsin-1を用いているが(式3)、cos-1、tan-1等を
用いても良い。
に配置してもよく、3相/2相変換回路の出力には必ず
しもフィルタを設けなくてもよい。
ω0として、3相交流電源1の商用周波数である50H
zまたは60Hzに相当する値としているが、これに限
られるものではなく、例えば、55Hzとして50H
z、60Hzのいずれの商用周波数の場合にも、共用で
適用できるようにしてもよい。
出装置においては、3相交流電源の電圧を所定の基準角
速度で回転するd−q軸回転座標上の電圧に変換する3
相/2相変換手段、上記d−q軸回転座標上の電圧のベ
クトルの角速度を演算する手段、および上記基準角速度
に上記電圧ベクトルの角速度を加算して上記3相交流電
源の周波数を演算する手段を備えたので、PLL回路を
用いた位相検出器、計数器等のH/Wを用いることなく
周波数を検出することができ、構成の小型化、低コスト
化が図れる。
は、3相交流電源の電圧を第1の角速度で回転するd−
q軸回転座標上の電圧に変換する3相/2相変換手段、
上記d−q軸回転座標上の電圧のベクトルの角速度を演
算する手段、所定の基準角速度に、上記電圧ベクトルの
角速度が零となるよう上記電圧ベクトルの角速度を増幅
してなる第2の角速度を加算し上記第1の角速度として
出力する手段、および上記第1の角速度に上記電圧ベク
トルの角速度を加算して上記3相交流電源の周波数を演
算する手段を備えたので、PLL回路を用いた位相検出
器、計数器等のH/Wを用いることなく周波数を検出す
ることができ、構成の小型化、低コスト化が図れる。
いては、基準角速度を3相交流電源の商用周波数に相当
する値としたので、3相交流電源の検出すべき周波数
と、検出制御の基準とする周波数との偏差が小さくな
り、精度の高い周波数検出が可能となる。
いては、d−q軸回転座標上の電圧に含まれる高次成分
を除去するローパスフィルタを備えたので、3相交流電
源に存在する高調波成分の影響が抑制され、周波数の検
出精度が向上する。
いては、d−q軸回転座標上の電圧に含まれる、回転角
速度の2倍の角速度に相当する周波数のリップル成分を
除去する移動平均演算手段を備えたので、3相交流電源
に存在する電圧不平衡成分の影響が抑制され周波数の検
出精度が向上する。
いては、3相交流電源の逆相電圧成分を演算する手段を
備え、上記3相交流電源の電圧から上記逆相電圧成分を
減算した電圧を3相/2相変換手段に入力するようにし
たので、3相交流電源に存在する逆相電圧成分が除去さ
れ、周波数の検出精度が向上する。
いては、逆相電圧成分演算手段は、3相交流電源の電圧
の相順を逆にしてd−q軸回転座標上の電圧に変換する
ことにより逆相電圧2相成分を演算する逆相検出用3相
/2相変換手段、および上記逆相電圧2相成分をローパ
スフィルタを経て入力し3相交流電圧成分に変換するこ
とにより逆相電圧成分を演算する逆相検出用2相/3相
変換手段からなるので、3相交流電源の逆相電圧成分の
検出がH/Wを用いることなく簡単な構成で実現する。
使用した電力変換装置を示すブロック図である。
ク図である。
るベクトル図である。
るベクトル図である。
ク図である。
ク図である。
ク図である。
置を示すブロック図である。
2 回転速度設定器、103 ローパスフィルタ、10
4 位相差演算回路、105 微分回路、106 加算
器、107 計数器、108 移動平均演算回路、10
9 増幅回路、110 加算器、111 逆相検出用3
相/2相変換回路、112 ローパスフィルタ、113
逆相検出用2相/3相変換回路、114〜116 減
算器、VR,VS,VT 3相交流電源電圧、VRr,VS
r,VTr 逆相電圧成分、Vd,Vq d−q軸電
圧、ψ 位相差、ω0 基準角速度、ω′ 電圧ベクト
ルの角速度、ω1 第1の角速度、ω2 第2の角速度、
ω 3相交流電源の角速度、f 3相交流電源の周波
数。
Claims (7)
- 【請求項1】 3相交流電源の電圧を所定の基準角速度
で回転するd−q軸回転座標上の電圧に変換する3相/
2相変換手段、上記d−q軸回転座標上の電圧のベクト
ルの角速度を演算する手段、および上記基準角速度に上
記電圧ベクトルの角速度を加算して上記3相交流電源の
周波数を演算する手段を備えた周波数検出装置。 - 【請求項2】 3相交流電源の電圧を第1の角速度で回
転するd−q軸回転座標上の電圧に変換する3相/2相
変換手段、上記d−q軸回転座標上の電圧のベクトルの
角速度を演算する手段、所定の基準角速度に、上記電圧
ベクトルの角速度が零となるよう上記電圧ベクトルの角
速度を増幅してなる第2の角速度を加算し上記第1の角
速度として出力する手段、および上記第1の角速度に上
記電圧ベクトルの角速度を加算して上記3相交流電源の
周波数を演算する手段を備えた周波数検出装置。 - 【請求項3】 基準角速度を3相交流電源の商用周波数
に相当する値としたことを特徴とする請求項1または2
記載の周波数検出装置。 - 【請求項4】 d−q軸回転座標上の電圧に含まれる高
次成分を除去するローパスフィルタを備えたことを特徴
とする請求項1ないし3のいずれかに記載の周波数検出
装置。 - 【請求項5】 d−q軸回転座標上の電圧に含まれる、
回転角速度の2倍の角速度に相当する周波数のリップル
成分を除去する移動平均演算手段を備えたことを特徴と
する請求項1ないし4のいずれかに記載の周波数検出装
置。 - 【請求項6】 3相交流電源の逆相電圧成分を演算する
手段を備え、上記3相交流電源の電圧から上記逆相電圧
成分を減算した電圧を3相/2相変換手段に入力するよ
うにしたことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか
に記載の周波数検出装置。 - 【請求項7】 逆相電圧成分演算手段は、3相交流電源
の電圧の相順を逆にしてd−q軸回転座標上の電圧に変
換することにより逆相電圧2相成分を演算する逆相検出
用3相/2相変換手段、および上記逆相電圧2相成分を
ローパスフィルタを経て入力し3相交流電圧成分に変換
することにより逆相電圧成分を演算する逆相検出用2相
/3相変換手段からなることを特徴とする請求項6記載
の周波数検出装置。
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JP32529196A JP3492124B2 (ja) | 1996-12-05 | 1996-12-05 | 周波数検出装置 |
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