JP4899109B2 - 電源回路の故障検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、整流装置による電源回路における故障を検知することが可能な電源回路の故障検出装置に関する。

風車等の原動機で駆動される永久磁石同期発電機により発電された交流電力をブリッジ接続されたダイオードで整流したのち負荷に出力するようにした電源回路は、特許文献１または２で周知である。

図６はこれらの特許文献に記載された電源回路を簡略して示す図である。
図６において、１は風車等の原動機、２はこの原動機１によって駆動される永久磁石同期発電機等の発電機である。３は整流装置であって、ダイオード３_−１〜３_−６を三相ブリッジ接続して構成されており、交流入力端子を前記永久磁石同期発電機２の電機子巻線（固定子巻線）の出力端子に接続されている。４はこの整流装置３の直流出力端子に接続され、リアクトル４_−１および平滑コンデンサ４_−２を備えたフィルタ回路である。なお、リアクトル４ _−１ は省略される場合もある。５はこのフィルタ回路４から出力された直流電圧が供給される負荷である。この負荷５は抵抗負荷やインバータ等の直流電力を電源とする負荷を示す。

図６に示すような電源回路において、整流装置３の故障、例えばダイオード３_−１〜３_−６の何れかの断線、短絡等の故障が発生した場合や、永久磁石同期発電機２と整流装置３の間の配線Ｗに断線等の故障が発生した場合、整流装置３が出力する直流電圧は低下する。このような故障を検知しようとする場合、整流装置３の交流入力端子に接続される交流電源が商用系統とか、電圧が一定制御される同期発電機等であれば、整流装置３へ入力される電圧が予め決められた電圧であるため、直流電圧の低下を捕らえることで比較的容易に実現できる。

しかしながら、交流電源が図６に示すような永久磁石同期発電機である場合、永久磁石同期発電機２から出力される電圧が、固定子電流や回転数によって変動するため、整流装置３の出力直流電圧の低下が上記したような故障によるものか、あるいは永久磁石同期発電機２の電圧の低下によるものかの区別ができず、故障の検出に困難をきたしていた。

そこで、本発明の目的は、このような課題を解決するために、永久磁石同期発電機を電源とする整流装置であっても、整流装置の故障や永久磁石同期発電機と整流装置間の配線の故障を容易に検出することができる電源回路の故障検出装置を提供するものである。

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、永久磁石同期発電機の出力端子側に直接または間接的に交流入力端子を接続するとともに、直流出力端子を直列にして負荷に接続した第１および第２の整流装置と、前記第１および第２の整流装置の直流出力端子電圧をそれぞれ検出して出力する第１および第２の電圧検出器と、前記第１および第２の電圧検出器から出力された電圧検出信号を入力し、その差分電圧が予め大きさの設定された値よりも大きいか否かを判定する第１の判定手段と、前記第１および第２の電圧検出器から出力された電圧検出信号を入力し、その差分電圧の極性を判定する第２の判定手段と、前記第１の判定手段の出力および前記第２の判定手段の反転出力との論理積を演算し、第１の整流装置あるいは当該第１の整流装置の交流人力側の回路に故障が発生していることを検出する第１の論理積手段と、前記第１の判定手段の出力および前記第２の判定手段の出力との論理積を演算し、第２の整流装置あるいは当該第２の整流装置の交流入力側の回路に故障が発生していることを検出する第２の論理積手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の電源回路の故障検出装置において、前記永久磁石同期発電機は、１つの出力端子を３巻線変圧器を介して前記第１および第２の整流装置の交流入力端子に接続したことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１記載の電源回路の故障検出装置において、前記永久磁石同期発電機は、２つの電機子巻線を備え、各電機子巻線の出力端子をそれぞれ前記第１および第２の整流装置の交流入力端子に接続したことを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石同期発電機を交流電源とする整流装置であっても、整流装置の故障や永久磁石同期発電機と整流装置間の配線の故障を確実に検知することが可能である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、図３中の部品要素と同一部分については同一符号を、また、関連する部品については関連する符号を付けて重複する説明は適宜省略する。

（第1の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態を示す電源回路の故障検出装置の構成図であり、図２は図１に示した回路の波形図である。
図１において、原動機１〜負荷５までの部品については図６で説明したものと同じ構成要素であるため、説明は省略する。なお、説明の便宜上、整流装置３を第１の整流装置３と称し、フィルタ回路４を第１のフィルタ回路４と称する。

６は永久磁石同期発電機２の電機子巻線の出力端子に配線Ｗ_０を介して接続される入力巻線６_−１と、２個の出力巻線６_−２および６_−３を備えた３巻線変圧器である。ここで、入力巻線６_−１と第１の出力巻線６_−２との巻数比および入力巻線６_−１と第２の出力巻線６_−３との巻数比を等しく設定し、両出力電圧が等しくなるようにしてある。また、入力巻線６_−１および第１の出力巻線６_−２はスター（Ｙ）結線、第２の出力巻線６_−３はデルタ（Δ）結線としているが、これは一般的によく用いられる結線方法を例として示したものであり、これに限らず他の結線方法でもよい。

そして、変圧器６の第１の出力巻線６_−２は、配線Ｗ_１を介して第1の整流装置３の交流入力端子に接続され、同様に第２の出力巻線６_−３は、配線Ｗ_２を介して以下述べる第２の整流装置７の交流入力端子に接続されている。

第２の整流装置７は、第１の整流装置３と同様にダイオード７_−１〜７_−６を三相ブリッジ接続して構成されており、その直流出力端子にはリアクトル８_−１および平滑コンデンサ８_−２を備えた第２のフィルタ回路８が接続されている。

９は第１の電圧検出器であり、第１のフィルタ回路４の出力電圧Ｖ_４を所望の大きさに分圧して電圧信号Ｖ_９として出力する。１０は電圧検出器９と同様に構成された電圧検出器であり、第２のフィルタ回路８の出力電圧Ｖ_８を所望の大きさに分圧して電圧信号Ｖ_１０として出力する。なお、定常状態において、第１の電圧検出器９の電圧信号Ｖ_９と、第２の電圧検出器１０の電圧信号Ｖ_１０とは等しくなるように調整されているものとする。

１１は電圧検出器９および１０から出力される電圧信号Ｖ_９およびＶ_１０を入力して一方の電圧信号から他方の電圧信号を減算する減算器であり、図示の例では電圧信号Ｖ_９からＶ_１０を減算して差分電圧α（Ｖ_９−Ｖ_１０＝α）を出力する。１２は減算器１１から出力された差分電圧αの絶対値β（β＝|α|）を演算して出力する絶対値回路、１３は絶対値回路１２の出力信号（β＝|α|）と、故障を判定するために予め大きさが設定されている比較信号Ａとを比較して故障発生か否かを判定する判定手段であり、この判定手段１３は絶対値回路１２の出力信号βが比較信号Ａを超えている場合、すなわち出力信号βの大きさが比較信号Ａよりも大きいとき（β＞Ａ）のみ、論理信号「真」すなわち“１”を出力し、絶対値回路１２の出力信号βが比較信号Ａを超えていない場合（β≦Ａ）、論理信号「偽」すなわち“０”を出力する。

判定手段１３が、論理信号「真」（“１”）を出力したとき、永久磁石同期発電機２以降の電源回路（すなわち、配線Ｗ０−変圧器６−配線Ｗ１−整流装置３−フィルタ回路４の回路と、配線Ｗ０−変圧器６−配線Ｗ２−整流装置７−フィルタ回路８の回路の何れかの回路）に故障が発生したということが検出される。

次に、図２に示す波形図を参照して、第１の実施形態の作用について説明する。
図２において、（ａ）は第１の電圧検出器９から出力される電圧信号Ｖ_９を、（ｂ）は第２の電圧検出器_１０から出力される電圧信号Ｖ１０を、（ｃ）は減算器１１から出力される差分電圧αを、（ｄ）は絶対値回路１２から出力される絶対値信号βおよび設定信号Ａを、そして（ｅ）は判定回路１３から出力される判定信号Ｂをそれぞれ示す。

図１に示した２つの電源回路、すなわち永久磁石同期発電機２−変圧器６―第１の整流装置３−第１のフィルタ回路４までの第１の電源回路と、永久磁石同期発電機２−変圧器６−第２の整流装置７−第２のフィルタ回路８までの第２の電源回路とが正常なときは、第１のフィルタ回路４および第２のフィルタ回路８でそれぞれ検出される電圧信号Ｖ_９と、電圧信号Ｖ_１０とはほぼ等しくなっている。ただし、厳密にいえば、フィルタ回路４および８の出力は完全に平滑されておらずに脈動分を有し、しかも第１の出力巻線６_−２はスター結線され、第２の出力巻線６_−３はデルタ結線されているため、第１のフィルタ回路４と第２のフィルタ回路８とから出力された両電圧信号Ｖ_９、Ｖ₁₀間には脈動分による僅かな位相差がある（図２（ａ）および（ｂ）を参照）。

したがって、双方の電源回路が正常状態なときでも、減算器１１の出力信号αは完全には零にならず、脈動する差分電圧αが現れる。しかし、この場合、差分電圧αの絶対値は図２（ｄ）で示すように予め大きさが設定されている設定信号Ａよりも小さい（α＜Ａ）ので、電源回路が正常な状態では、判定回路１３から論理信号「偽」（“０”）が出力され、判定回路１３からアラーム等の故障検出信号が出力されることはない。

ところが、図２の時刻ｔ１で例えば、第１の整流装置３のダイオード３_−１に開放故障（整流アームが非導通状態となる故障）が発生したとすると、電圧検出器９から出力される電圧信号Ｖ_９の大きさは、図２（ａ）で示すように一定の周期で定常状態よりも小さくなるが、第２の整流装置７側は正常なので、電圧検出器１０から出力される電圧信号Ｖ_１０の大きさは図２（ｂ）で示すように定常状態と同じ大きさのままである。

このため、減算器１１から出力される差分電圧α（α＝Ｖ_９−Ｖ_１０）は、図２の（ｃ）で示すように、一定の周期で定常状態の大きさよりも負の方向に大きくなるので、図２（ｄ）のように時刻ｔ２から所定時間および時刻ｔ３から所定時間前記設定信号Ａを超える大きさになる。この結果、判定回路１３は真すなわち“１” 信号を出力する。

なお、故障警報は、判定回路１３から出力される１発目の“１”信号が発生した直後または、誤動作防止の観点から２発目の“１”信号が発生した直後に発するようにしても良い。

以上の説明では、整流装置３の開放故障について説明したが、変圧器６の第１の出力巻線６_−２と整流装置３の間の配線Ｗ_１の断線や短絡の場合も同様にして判定回路１３から警報出力が発せられる。

ところで、永久磁石同期発電機２の固定子電流の増加や回転数の低下によって永久磁石同期発電機２の電圧が低下した場合は、第１のフィルタ回路４の出力電圧Ｖ_４と、第２のフィルタ回路８の出力電圧Ｖ_８とは同時に等しく低下するので、差分電圧αの絶対値は設定信号Ａよりも小さい。このため、永久磁石同期発電機２の電圧が低下した場合は判定回路１３から故障検出信号が出力されることはない。

なお、本実施形態では、変圧器６の出力巻線を２巻線としたが、特に２巻線に限らず、３巻線以上として、各巻線に整流装置、フィルタ回路、電圧検出器を備えても、同様の原理により故障を検知可能である。

（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施形態を示す電源回路の故障検出装置の構成図である。なお、作用を説明するための波形図は前掲の図２を参照する。
図３において、第２の実施形態が図１の実施形態と異なる点は、永久磁石同期発電機２および変圧器６に替えて、永久磁石同期発電機２Ａを設けた点にある。この永久磁石同期発電機２Ａは図示していないが出力電圧が互いに等しい２つの電機子巻線（固定子巻線）を備えている。

本実施形態では、第１の実施形態の変圧器６を省いているため、永久磁石同期発電機２Ａの各固定子巻線の出力端子２Ａ_Ｔ１、２Ａ_Ｔ２は、それぞれ配線Ｗ_１、Ｗ_２を介して第１の整流装置３の交流入力端子、第２の整流装置７の交流入力端子に直接接続されるようになっている。その他の構成は図１に示す第１の実施形態と同じであるので、説明は省略する。

次に、第２の実施形態の作用について前掲の図２を参照して説明する。
本実施形態における第１の電圧検出器９から判定回路１３までの波形図は第１の実施形態の場合と同じ図２のとおりである。すなわち、電源回路の正常状態では第１の整流装置３および第２の整流装置７に入力される交流入力電圧は等しいので、第１の電圧検出器９からの電圧信号Ｖ_９および第２の電圧検出器１０からの電圧信号Ｖ_１０の大きさはほぼ等しく、しかもこれらの電圧信号Ｖ_９、Ｖ_１０は脈動分を有しており、減算器１１から出力される差分電圧α（Ｖ_９−Ｖ_１０＝α）、絶対値回路１２の出力β（β＝|α|）、判定回路１３の各出力は図２の場合と同じである。

一方、例えば第１の整流装置３あるいは第２の整流装置７のダイオードの故障や、永久磁石同期発電機２Ａと整流装置３の間の配線Ｗ_１、Ｗ_２に断線が発生した場合には第１のフィルタ回路４と第２のフィルタ回路８の出力電圧Ｖ_４とＶ_８との差分電圧が大きくなって、絶対値回路１２の出力信号βが設定信号Ａを超え、最終的に判定回路１３で故障を検知することが可能である。

ところで、第１の実施形態と同様に、永久磁石同期発電機２Ａの出力電流の増加や回転数の低下により永久磁石同期発電機２Ａの電圧が低下した場合は、第１のフィルタ回路４の出力電圧Ｖ_４と第２のフィルタ回路８の出力電圧Ｖ_８は同時に等しく低下し、それらの電圧に差が発生しないため、信号Ｂは論理信号「真」（“１”）とならず、故障と誤って警報することはない。

なお、この第２の実施形態では、永久磁石同期発電機２Ａの固定子巻線は２巻線としたが、特に２巻線に限らず、３巻線以上として、各巻線に整流装置、フィルタ回路、電圧検出器を備えても、同様の原理により故障を検知可能である。

また、第３の実施形態では２つの電機子巻線の各出力端子を別々の整流装置の交流入力端子に接続しているので、永久磁石同期発電機の固定子巻線の断線についても検出可能である。なお、故障として断線の場合を述べたが、短絡の場合も同様に検出可能である。

（第３の実施形態）
図４は本発明の第３の実施形態を示す電源回路の故障検出装置の構成図であり、図５は図４に示した回路の波形図である。
図４において、本実施形態が図１の実施形態と異なる点は、減算器１１の出力である差分電圧α（Ｖ_９−Ｖ_１０＝α）をゼロ値「０」と比較して出力する判定回路１４、この判定回路１４の出力Ｃの極性を反転して出力する否定回路１５、この判定回路１３の出力Ｂおよび否定回路１５の出力の論理積を演算して出力する論理積回路１６および判定回路１３の出力Ｂおよび判定回路１４の出力Ｃの論理積を演算して出力する論理積回路１７を付加した点にある。その他の回路構成は図１に示す第１の実施形態と同じであるので説明を省略する。なお説明の便宜上、１３を第１の判定回路、１４を第２の判定回路、１６を第１の論理積回路、１７を第２の論理積回路とそれぞれ称する。

次に、図５に示す波形図を参照して、第３の実施形態の作用について説明する。
図５（ａ）〜図５（ｅ）までは図２と同じなので説明を省略する。
図５（ｆ）は第２の判定回路１４の出力Ｃを、図５（ｇ）は否定回路１５の出力Ｄを、図５（ｈ）は第１の論理積回路１６の出力Ｅを、そして図５（ｉ）は第２の論理積回路１７の出力Ｆをそれぞれ示す。

第２の判定回路１４は、電源回路が正常な状態でも減算器１１から出力される差分電圧αの脈動分によって、図５（ｆ）のように真（“１”）および「偽」（“０”）を高頻度で繰り返す出力Ｃを生ずるが、第１の論理積回路１６は第１の判定回路１３の出力Ｂおよび第２の判定回路１４の出力Ｃを否定回路１５で反転した出力Ｄの論理積を演算して出力するので、第１の論理積回路１６の出力Ｅが真（“１”）になることはない。また、第２の論理積回路１７は第１の判定回路１３の出力Ｂと第２の判定回路１４の出力Ｃの論理積を出力するので、第１の論理積回路１６と同様に出力Ｆが「真」（“１”）になることはない。したがって、電源が正常な状態では、本実施形態による電源回路の故障検出装置が誤って故障判定するということはない。

次に、第１の整流装置３側に故障が発生した場合を説明する。
第１の実施形態の場合と同じように、時刻ｔ１で第１の整流装置３のダイオード３_−１に開放故障（整流アームが非導通状態となる故障）が発生したとすると、時刻ｔ２およびｔ３で第１の比較器１３の出力Ｂが真（“１”）となり、このとき第２の比較器１４の出力Ｃは「偽」（“０”）なので否定回路１５の出力Ｄは真（“１”）となる。

この結果、第１の論理積回路１６の出力は図５（ｈ）で示すように真（“１”）となり、第１の実施形態と同様に警報出力が発せられる。一方、第２の論理積回路１７の出力は図５（ｉ）で示すように、「真」（“１”）になることはない。
このようにして、第１の論理積回路１６による出力によって、第１の整流装置３側の回路に故障が生じたことが警報される。

次に、第２の整流装置７側に故障が発生した場合を説明する。
第２の整流装置７側に故障が発生した場合は、減算器１１から出力される差分電圧α（Ｖ_９−Ｖ_１０＝α）は図５（ｃ）の場合と比べて逆極性になるので、第２の判定回路１４の出力Ｄも図５（ｆ）とは逆極性となる。

この結果、第１の論理積回路１６の出力Ｅは論理信号「真」（“１”）になることは無く、第２の論理積回路１７の出力Ｆは第１の判定回路１３の出力Ｂと第２の判定回路１４の出力Ｃとの論理積演算結果に基づいて論理信号「真」（“１”）となる出力を生じる。この出力によって第２の整流装置７側に故障が発生したことが報知される。

以上述べたように、第３の実施形態によれば、第１の整流装置３側の故障あるいは第２の整流装置７側の故障を識別して警報することができる。

（変形例）
なお、第１および第３の実施形態では、変圧器６の二つの出力巻線６_−１、６_−２の出力電圧は電源回路の正常状態において等しいものとして説明したが、出力巻線６_−１、６_−２の出力電圧は電源回路の正常状態において等しくなくてもよい。この場合には、第１の電圧検出器９および第２の電圧検出器１０の分圧抵抗器を調整することによって、電源回路の正常状態検出電圧Ｖ_９およびＶ_１０をほぼ等しくなるように調整すればよい。要は、電源回路の正常状態で減算器１１に入力される電圧がほぼ等しければよい。

また、電圧検出器９、１０の出力の差分電圧α（Ｖ_９−Ｖ_１０）を、絶対値回路１２に替えて設けた正および負の設定値を有する判定回路に入力するように構成し、差分電圧αが負の設定値を負方向に超えた場合、整流装置３側の故障と判定し、差分電圧αが正の設定値を正方向に超えた場合、整流装置７側の故障と判定するようにしても良い。

本発明の第１の実施形態による電源回路の故障検出装置の構成図。 第１の実施形態による構成図の回路波形図。 本発明の第２の実施形態による電源回路の故障検出装置の構成図。 本発明の第３の実施形態による電源回路の故障検出装置の構成図。 第３の実施形態による構成図の回路波形図。 従来装置の構成図。

符号の説明

１…原動機、２，２Ａ…永久磁石同期発電機、３，７…整流装置、４、８…フィルタ回路、５…負荷、３_−１〜３_−６，７_−１〜７_−６…ダイオード、４_−１，８_−１…リアクトル、４_−２、８_−２…コンデンサ、６…変圧器、９，１０…電圧検出器、１１…減算器、１２…絶対値回路、１３，１４…判定回路、１５…否定回路、１６，１７…論理積回路。

Claims (3)

1. 永久磁石同期発電機の出力端子側に直接または間接的に交流入力端子を接続するとともに、直流出力端子を直列にして負荷に接続した第１および第２の整流装置と、
   前記第１および第２の整流装置の直流出力端子電圧をそれぞれ検出して出力する第１および第２の電圧検出器と、
   前記第１および第２の電圧検出器から出力された電圧検出信号を入力し、その差分電圧が予め大きさの設定された値よりも大きいか否かを判定する第１の判定手段と、
   前記第１および第２の電圧検出器から出力された電圧検出信号を入力し、その差分電圧の極性を判定する第２の判定手段と、
   前記第１の判定手段の出力および前記第２の判定手段の反転出力との論理積を演算し、第１の整流装置あるいは当該第１の整流装置の交流人力側の回路に故障が発生していることを検出する第１の論理積手段と、
   前記第１の判定手段の出力および前記第２の判定手段の出力との論理積を演算し、第２の整流装置あるいは当該第２の整流装置の交流入力側の回路に故障が発生していることを検出する第２の論理積手段と、
   を備えたことを特徴とする電源回路の故障検出装置。
2. 前記永久磁石同期発電機は、１つの出力端子を３巻線変圧器を介して前記第１および第２の整流装置の交流入力端子に接続したことを特徴とする請求項１記載の電源回路の故障検出装置。
3. 前記永久磁石同期発電機は、２つの電機子巻線を備え、各電機子巻線の出力端子をそれぞれ前記第１および第２の整流装置の交流入力端子に接続したことを特徴とする請求項１記載の電源回路の故障検出装置。

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