JP7147667B2 - 電源装置、リレーの溶着判定装置、及び、リレーの溶着判定方法 - Google Patents

Description

本開示は、電源装置、リレーの溶着判定装置、及び、リレーの溶着判定方法に関する。

無停電電源装置は、商用電力系統の停電の際に、極めて迅速に蓄電池からインバータを経て生成された交流電力に切り替えることにより、実質的に無停電で、負荷への電力供給を維持する装置である（例えば、特許文献１参照。）。給電経路の切り替えには、一般に、リレーが用いられている。例えば、通常は商用電力系統から装置内を通すだけで負荷に給電するバイパス方式の無停電電源装置では、蓄電池から電力変換して出力する自立出力中は、商用電力系統と連系するためのリレーが開路している。この状態から商用電力系統が復電すると、リレーを閉じて元の状態に戻し、自立出力を停止させる。

国際公開番号ＷＯ２０１７／０９４１４２号公報

リレーは、まれに、その接点部分が溶着する場合がある。この場合、リレーを開路させるようオフの制御がなされていても、現実には接点がオンのまま、という状態になる。この状態でも、制御部はリレーを開路しているつもりであるため、商用電力系統からの給電と、自立出力の給電とが「衝突」することがある。このとき、相互の電圧に位相差があると、無停電電源装置内に過電流が流れたり、逆に、無停電電源装置から商用電力系統に電流が流れたりする好ましくない状態となる。

このような状態となることを抑制するには、例えば、補助接点付きのリレーを用いて主回路接点の開閉確認回路を設けることが考えられる。
しかしながら、補助接点及びそのための回路が必要となり、コストアップの一因となる。また、補助接点の機械的な動作確認による検出は、高速には行えない。

かかる課題に鑑み、本開示は、補助接点も専用回路も必要とせずに、迅速にリレーの溶着の有無を判定できるようにすることを目的とする。

本開示は、以下の発明を含む。但し、本発明は特許請求の範囲によって定められるものである。

（電源装置）
外部の交流電路及び負荷に接続され、前記交流電路から前記負荷へのバイパス給電、及び、自立出力による前記負荷への給電を、選択的に実行可能な電源装置であって、
前記交流電路を引き込んだ第１電路と前記負荷に繋がる第２電路との間に設けられ、開閉可能な接点を有するリレーと、
直流電源と前記第２電路との間に設けられ、直流から交流への電力変換を行う機能を有する電力変換部と、
前記第１電路の２線間の電圧を検出する第１電圧センサと、
前記第２電路の２線間の電圧を検出する第２電圧センサと、
前記電力変換部及び前記リレーを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記自立出力の給電中に、前記第１電圧センサにより前記第１電路に電圧が検出されたとき、前記第２電圧センサの検出に基づく位相を前記第１電圧センサの検出に基づく位相に合わせる同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱するか否か、に基づいて前記リレーの溶着の有無を判定する、電源装置である。

（リレーの溶着判定装置）
開閉可能なリレーの一方側の第１電路に、通常使用する第１交流電源が接続され、他方側の第２電路に、負荷及び、バックアップ用の第２交流電源が接続されている場合における、リレーの溶着判定装置であって、
前記第１電路の２線間の電圧を検出する第１電圧センサと、
前記第２電路の２線間の電圧を検出する第２電圧センサと、
前記第２交流電源及び前記リレーを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記第２交流電源から前記負荷への給電中に、前記第１電圧センサにより前記第１電路に電圧が検出されたとき、前記第２電圧センサの検出に基づく位相を前記第１電圧センサの検出に基づく位相に合わせる同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱するか否か、に基づいて前記リレーの溶着の有無を判定する、リレーの溶着判定装置である。

（リレーの溶着判定方法）
開閉可能なリレーの一方側の第１電路に、通常使用する第１交流電源が接続され、他方側の第２電路に、負荷及び、バックアップ用の第２交流電源が接続されている場合における、リレーの溶着判定方法であって、
前記リレーを閉路して前記第１交流電源から前記負荷に給電している状態から前記第１交流電源が停電したとき、前記リレーを開路して前記第２交流電源から前記負荷に給電し、
前記第２交流電源から前記負荷への給電中に、前記第１電路に電圧が検出されたとき、前記第２電路の位相を前記第１電路の位相に合わせる同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱するか否か、に基づいて前記リレーの溶着の有無を判定する、リレーの溶着判定方法である。

本開示によれば、補助接点も専用回路も必要とせずに、迅速にリレーの溶着の有無を判定できる。

図１は、電源装置の回路図である。 図２は、電源装置が自立出力による給電の状態であるときの回路図である。 図３は、電源装置が溶着状態での自立出力による給電の状態であるときの回路図である。 図４Ａは、Ｖα，Ｖβの波形を示すグラフである。 図４Ｂは、Ｖｄ，Ｖｑの直線波形を示すグラフである。 図５は、単相交流ＰＬＬとして必要な、Ｖα、Ｖβ以降のＰＬＬの制御ブロック図である。 図６は、自立運転開始後に制御部が実行する処理を示すフローチャートの一例である。 図７は、リレー溶着時に周波数が閾値を超えて変化する一例を示すグラフである。

［本開示の実施形態の説明］
本開示の実施形態には、その要旨として、少なくとも以下のものが含まれる。

（１）開示するのは、外部の交流電路及び負荷に接続され、前記交流電路から前記負荷へのバイパス給電、及び、自立出力による前記負荷への給電を、選択的に実行可能な電源装置であって、前記交流電路を引き込んだ第１電路と前記負荷に繋がる第２電路との間に設けられ、開閉可能な接点を有するリレーと、直流電源と前記第２電路との間に設けられ、直流から交流への電力変換を行う機能を有する電力変換部と、前記第１電路の２線間の電圧を検出する第１電圧センサと、前記第２電路の２線間の電圧を検出する第２電圧センサと、前記電力変換部及び前記リレーを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記自立出力の給電中に、前記第１電圧センサにより前記第１電路に電圧が検出されたとき、前記第２電圧センサの検出に基づく位相を前記第１電圧センサの検出に基づく位相に合わせる同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱するか否か、に基づいて前記リレーの溶着の有無を判定するものである。

上記のように構成された電源装置では、第１電路の停電により、自立出力による負荷への給電を行っているとき、第１電圧センサにより第１電路に電圧が検出されると、想定される事態は復電である。しかし、復電していないがリレーの接点が溶着しているという事態もあり得る。リレーが正常に開路していて、復電した場合は、第２電圧センサの検出に基づく位相を第１電圧センサの検出に基づく位相に合わせる同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱することはない。一方、復電していないがリレーの接点が溶着しているのであれば、同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱する。そこで、制御部は、同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱するか否か、に基づいてリレーの溶着の有無を判定することができる。このようにして、補助接点も専用回路も必要とせずに、迅速にリレーの溶着の有無を判定することができる。

（２）前記（１）の電源装置において、前記制御部は、前記第２電圧センサの検出に基づく位相を前記第１電圧センサの検出に基づく位相に近づけるための位相調整値を、前記第１電圧センサの検出する電圧の周波数に基づいて定めるようにしてもよい。
この場合、もしリレーが溶着していれば、電力変換部は、自己の出力に基づいて自己の位相調整を行うことになり、周波数のずれが拡大（発散）していく状況を作ることができる。

（３）前記（１）又は（２）の電源装置において、前記制御部は、前記所定範囲を逸脱する状態が所定時間継続することにより前記リレーが溶着したと判定するようにしてもよい。
この場合、誤判定を防止し、判定の信頼性及び安定性を高めることができる。

（４）前記（１）から（３）のいずれかの電源装置において、前記制御部は、前記自立出力による給電から前記バイパス給電への移行の可否判定の処理の中で、前記溶着の有無の判定を実行する。
この場合、溶着の有無の判定を別の処理として用意しなくても、自立出力による給電からバイパス給電への移行の可否判定の中で、実行することができる。

（５）リレーの溶着判定装置として考えることもできる。すなわち、開閉可能なリレーの一方側の第１電路に、通常使用する第１交流電源が接続され、他方側の第２電路に、負荷及び、バックアップ用の第２交流電源が接続されている場合における、リレーの溶着判定装置であって、前記第１電路の２線間の電圧を検出する第１電圧センサと、前記第２電路の２線間の電圧を検出する第２電圧センサと、前記第２交流電源及び前記リレーを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第２交流電源から前記負荷への給電中に、前記第１電圧センサにより前記第１電路に電圧が検出されたとき、前記第２電圧センサの検出に基づく位相を前記第１電圧センサの検出に基づく位相に合わせる同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱するか否か、に基づいて前記リレーの溶着の有無を判定する、リレーの溶着判定装置である。

上記のように構成された溶着判定装置では、第１交流電源の停電により、第２交流電源から負荷への給電を行っているとき、第１電圧センサにより第１電路に電圧が検出されると、想定される事態は第１交流電源の復電である。しかし、復電していないがリレーの接点が溶着しているという事態もあり得る。リレーが正常に開路していて、復電した場合は、第２電圧センサの検出に基づく位相を第１電圧センサの検出に基づく位相に合わせる同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱することはない。一方、復電していないがリレーの接点が溶着しているのであれば、同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱する。そこで、制御部は、同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱するか否か、に基づいてリレーの溶着の有無を判定することができる。このようにして、補助接点も専用回路も必要とせずに、迅速にリレーの溶着の有無を判定することができる。

（６）方法としては、開閉可能なリレーの一方側の第１電路に、通常使用する第１交流電源が接続され、他方側の第２電路に、負荷及び、バックアップ用の第２交流電源が接続されている場合における、リレーの溶着判定方法であって、前記リレーを閉路して前記第１交流電源から前記負荷に給電している状態から前記第１交流電源が停電したとき、前記リレーを開路して前記第２交流電源から前記負荷に給電し、前記第２交流電源から前記負荷への給電中に、前記第１電路に電圧が検出されたとき、前記第２電路の位相を前記第１電路の位相に合わせる同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱するか否か、に基づいて前記リレーの溶着の有無を判定する、リレーの溶着判定方法である。

上記のようなリレーの溶着判定方法では、第１交流電源の停電により、第２交流電源から負荷への給電を行っているとき、第１電路に電圧が検出されると、想定される事態は第１交流電源の復電である。しかし、復電していないがリレーの接点が溶着しているという事態もあり得る。リレーが正常に開路していて、復電した場合は、第２電路の位相を第１電路の位相に合わせる同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱することはない。一方、復電していないがリレーの接点が溶着しているのであれば、同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱する。そこで、同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱するか否か、に基づいてリレーの溶着検出を行うことができる。このようにして、補助接点も専用回路も必要とせずに、迅速にリレーの溶着の有無を判定することができる。

［本開示の実施形態の詳細］
《電源装置》
以下、本開示の電源装置（リレーの溶着判定装置を含む。）の具体例について、図面を参照して説明する。
図１は、電源装置１００の回路図である。電源装置１００は、商用電力系統１１と繋がっている交流電路である第１電路Ｌ１及び負荷１３と接続されている。電気回路上では、電源装置１００は、第１電路Ｌ１のうち外部の交流電路と負荷１３との間に存在している。

電源装置１００は、蓄電池１、電力変換部２、リレー（連系リレー）３、制御部４、及び、電圧センサ５，６を備えている。但し、蓄電池１は、電源装置１００の外部に設けられていてもよい。なお、商用電力系統１１と接続される電源装置１００の入力端の位置には過電流保護のための遮断器（ブレーカ）が設けられるが、ここでは図示を省略している。電力変換部２は、直流電源である蓄電池１と、第１電路Ｌ１との間に設けられ、インバータ及びＤＣ／ＤＣコンバータ（図示略）を含む。

電力変換部２は、蓄電池１の電圧と第１電路Ｌ１の電圧との間で直流／交流の電力変換を行う。電力変換部２は双方向動作が可能であり、第１電路Ｌ１の電圧に基づいて蓄電池１を充電することができるとともに、蓄電池１を放電させて放電電力を交流電力に変換し、負荷１３に供給することができる。電力変換部２は、制御部４により制御される。

リレー３は、電力変換部２と第１電路Ｌ１との間に設けられている。ここで、リレー３から商用電力系統１１に至る交流電路の２線である第１電路Ｌ１に対して、電力変換部２から負荷１３に至る２線を第２電路Ｌ２とする。すなわち、リレー３から見て系統側が第１電路Ｌ１である。リレー３から見て、負荷側であり、かつ、電力変換部２側が、第２電路Ｌ２である。

電圧センサ５は、第１電路Ｌ１の２線間に設けられ、２線間の電圧Ｖｇを検出する。電圧センサ６は、第２電路Ｌ２の２線間に設けられ、負荷１３に印加されている電圧Ｖｏを検出する。電圧センサ５，６の検出出力は、制御部４に送られる。制御部４は、電力変換部２のスイッチング動作及びリレー３の開閉動作を制御する。制御部４は、内部機能として、位相同期ループ（ＰＬＬ：Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）４ｐを有している。制御部４は、コンピュータを含み、コンピュータがソフトウェア（コンピュータプログラム）を実行することで、必要な制御機能を実現する。ソフトウェアは、制御部４の記憶装置（図示せず。）に格納される。

図２，図３は、図１と同様の図であるが、図１，図２，図３ではそれぞれ、リレー３の接点の状態及び電力供給の経路が異なる。図１は「バイパス給電」の状態、図２は「自立出力による給電」の状態、図３は「溶着状態での自立出力による給電」の状態を、それぞれ表している。

図１では、リレー３が閉路していて、第１電路Ｌ１からリレー３を介して負荷１３に給電されている。また、このとき必要に応じて電力変換部２が交流から直流への電力変換を行い、蓄電池１を充電する。この状態は、電源装置１００を素通りするように第１電路Ｌ１から負荷１３に給電される、バイパス給電の状態である。商用電力系統１１が正常である限り、図１の状態が維持される。

図２は、商用電力系統１１が停電した状態を表している。図１のバイパス給電の状態から、電圧Ｖｇの低下により停電発生を検出した制御部４は、リレー３を開路させ、かつ、電力変換部２を起動して蓄電池１の放電電力を交流電力に変換し、負荷１３に給電する。こうして、自立出力による負荷１３への給電が行われる。商用電力系統１１が復電すると、電圧Ｖｇの上昇により復電を検出した制御部４は、自立出力の位相を電圧Ｖｇの位相に合わせる。位相が揃えば、制御部４は、リレー３を閉路し、電力変換部２のスイッチング動作を停止させる。こうして、図１のバイパス給電の状態に戻る。

次に、リレー３の溶着（接点の溶着）について考える。リレー３の溶着は、例えば、開路していたリレー３を閉路した瞬間の突入電流、負荷１３に起因する過電流、接点の経年劣化等により、発生する可能性がある。仮に、バイパス給電中に溶着が発生していても、停電が発生しない限り、溶着の発生は露見しない。しかし、停電が発生するか又は電源装置１００の図示しないプラグをコンセントから誤って抜いてしまった場合、自立出力による給電の状態となる。

図３は、このような場合においてリレー３が溶着している状態を表している。このとき、制御部４は、制御上では、リレー３を開路させている。しかし、事実上は、溶着によってリレー３が閉路している。自立出力の電圧は電圧センサ６のみならず、電圧センサ５によっても検出される。電圧センサ５によって第１電路Ｌ１に電圧が生じていることが検出されると、制御部４は、復電と判定する可能性があるが、ここで、復電による電圧と、溶着による電圧とを識別できれば、溶着の有無を判定できることになる。識別の鍵となるのは位相である。

《位相同期ループ》
ここで、単相交流ＰＬＬについて説明する。
交流ＰＬＬについては、単相交流電圧のゼロクロスを抽出して位相及び周波数を算出するのが一般的である。しかし、入力電圧の波形に歪みが含まれている場合や、ノイズにより測定精度が良くない場合、精度が悪くなる傾向にある。

一方、参考までに、３相交流ＰＬＬの場合、ｕ，ｖ，ｗの各相の電圧をＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗとすると、これらを、以下の式（１）により、３相から２相へ直交座標変換後のα－β座標系の、電圧Ｖα，Ｖβに変換することができる。

ここからさらに、位相θｒを用いた以下の式（２）により、回転座標であるｄ－ｑ座標系の電圧Ｖｄ，Ｖｑに変換することができる。

電圧Ｖｄ，Ｖｑは直線波形であり、ＰＬＬが適切に行われている場合はＶｑ＝０となる。そこで、電圧Ｖｑ＝０となるようにフィードバック制御を行うことで、正確な位相同期を実現することができる。

次に、単相交流の、位相同期ループ４ｐとして、３相交流ＰＬＬの考え方を利用した単相交流ＰＬＬについて説明する。単相交流ＰＬＬは、α－β座標系におけるＶαに、単相交流の入力電圧を当てはめる。Ｖβは存在しないが、Ｖαから擬似的に作り出す。
図４Ａのグラフは、Ｖα，Ｖβの波形である。これらをさらに、上記の式（２）により、ｄ－ｑ座標系の電圧Ｖｄ，Ｖｑに変換することができる。

図４Ｂのグラフは、Ｖｄ，Ｖｑの直線波形であり、ＰＬＬが適切に行われている場合はＶｑ＝０となる。なお、座標軸の取り方次第ではＶｄ＝０にもなり得るが、本質的にはいずれでも同じことである。

図５は、単相交流ＰＬＬとして必要な、Ｖα、Ｖβ以降のＰＬＬの制御ブロック図である。図において、α－β座標系の電圧Ｖα，Ｖβは、ｄ－ｑ座標系への変換により（ブロックＢ１）、電圧Ｖｄ，Ｖｑとなる。そして、電圧Ｖｑ＝０となるようにフィードバック制御が行われ（ブロックＢ２）、周波数ｆ及び位相調整値Δωｔが決まる。このΔωｔを、１ステップ前のωｔに加算し（ブロックＢ３）、新たなωｔが決まる。

なお、電圧Ｖβとしては、例えば、Ｖαの微分を利用することができる。
単相交流の周波数をｆ１、時間をｔ、Ｖα＝ｓｉｎθ、Ｖβ＝－ｃｏｓθとすると、Ｖβは、９０度（π／４［ｒａｄ］）遅れたＶαの波形とみなせる。
Ｖα＝Ａｓｉｎ（２πｆ１ｔ）、Ｖβ＝－Ａｃｏｓ（２πｆ１ｔ）とすると、
ｄＶα／ｄｔ＝２πｆ１・Ａｃｏｓ（２πｆ１ｔ）＝－２πｆ１Ｖβ ・・・（３）
となる。

ここから、
Ｖβ＝－１／（２πｆ１）×ｄＶａ／ｄｔ ・・・（４）
となり、Ｖαの微分を使った表現ができる。
ソフトウェアによる演算のような離散化した表現では、１サイクルのサンプリング数をＮ、サンプリング周波数をｆｓ（＝Ｎ・ｆ１）、サンプリング周期をΔｔ（＝１／ｆｓ）、Ｎの範囲内の任意の自然数をｎ（≦Ｎ）、ｎ番目のＶαから（ｎ－１）番目のＶαを引いた値をΔＶαとすると、以下の式になる。
Ｖβ＝（－１／２πｆ１）× （ΔＶａ／Δｔ）
＝（－ｆｓ／２πｆ１）× ΔＶａ ・・・（５）
但し、ΔＶａ＝Ｖａ（ｎ番目）－Ｖａ（ｎ－１番目）、である。
上記式（４）、（５）によれば、Ｖβの係数にｆ１が入っており、係数がｆ１の関数になっている。従って、位相変動があっても、ｆ１の変化に追随してＶβが変化する。すなわち、位相変動に対する応答性が良い。

図５におけるブロックＢ２の「Ｖｑ＝０になるようにフィードバック制御」の詳しい内容について説明する。
フィードバック制御には比例積分制御を用いる。式（２）よりＶｑは、
Ｖｑ＝Ｖα×ｃｏｓ（ωｔ）＋Ｖβ×ｓｉｎ（ωｔ） ・・・（６）
である。このＶｑがフィードバック制御の出力である。

Ｖｑの目標値は０であるので、比例項ｐ＿ｆｂは比例ゲインをｇ＿ｐとして
ｐ＿ｆｂ＝ｇ＿ｐ×（０－Ｖｑ）＝－ｇ＿ｐ×Ｖｑ ・・・（７）
となる。積分項ｉ＿ｆｂは積分ゲインをｇ＿ｉ、１制御ステップ前の積分項をｉ＿ｆｂ＿ｂｅｆｏｒｅとすると、
ｉ＿ｆｂ＝ｉ＿ｆｂ＿ｂｅｆｏｒｅ＋ｇ＿ｉ×Ｖｑ ・・・（８）
となる。積分項には値が無限に発散するのを防止するためにリミットを設ける。リミットの上下限値は上限値が＋６～＋１０、下限値が－６～－１０程度が適度である。

比例積分項ｐｉ＿ｆｂは
ｐｉ＿ｆｂ＝ｐ＿ｆｂ＋ｉ＿ｆｂ ・・・（９）
となる。比例積分項にも積分項と同様のリミットを設ける。周波数算出のための周波数初期値ｆ＿ｉｎｉｔを定め、フィードバック制御から算出される周波数ｆ＿ｆｂは
ｆ＿ｆｂ＝ｐｉ＿ｆｂ＋ｆ＿ｉｎｉｔ ・・・（１０）
となる。なお、周波数初期値ｆ＿ｉｎｉｔは、例えば５５Ｈｚである。位相同期ループが５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの双方に対応しようとすると、中間のこの値が好適である。

《バイパス給電と自立出力による給電との無瞬断切り替え》
電源装置１００が自立出力による給電からバイパス給電へ動作を切り替える際には、自立出力の電圧と系統電圧に電圧差が無いか、若しくはあっても極めて僅かである状態で切り替えるのが望ましい。それには電圧センサ６で測定した自立出力電圧の位相と電圧、電圧センサ５で測定した系統電圧の位相と電圧を、互いに同期（一致）させる必要がある。

位相の同期にあたっては、例えば、自立出力電圧のゼロクロスごとに、（Ｖｇの位相－Ｖｏの位相）×係数、を自立出力電圧の位相に加算して、位相差を０へ近づけるというフィードバック制御が考えられる。また、Ｖｇの実効値が一定電圧以上（例えば９０Ｖ以上）あれば、自立出力電圧の制御ステップごとの位相調整値Δωｔを、Ｖｇの位相調整値と同じものとし、位相のステップ幅を同期させる。さらに、自立出力電圧の目標電圧は系統電圧実効値と同じ実効値の正弦波電圧とする。この考え方により、Ｖｇの位相とＶｏの位相との差が０．０１ｒａｄのような０に近い値になれば、ＶｇとＶｏの瞬時電圧の差は実質的に無いため、自立出力による給電からバイパス給電へ切り替え、負荷１３への電力供給は、瞬断なく継続される。

逆にバイパス給電から自立出力による給電に切り替える際には、停電であると検出した瞬間のＶｇの瞬時値を自立出力電圧の開始位相として、自立運転を開始する。これにより、負荷１３への電力供給を、実質的に瞬断無しと同等に継続することができる。

《フローチャートの例》
図６は、自立運転開始後に制御部４が実行する処理を示すフローチャートの一例である。図において、第１電路Ｌ１に電圧が検出されたか否かを判定する（ステップＳ１）。リレー３の正常時には、リレー３は開路している。従って、復電するまでは、電圧は検出されず、自立運転が継続される（ステップＳ１０）。

復電により、ステップＳ１において所定値以上の電圧が検出されると、制御部４は、電圧Ｖｇ及びＶｏについてそれぞれ位相を求める。また、Ｖｇの周波数を算出する（ステップＳ２）。ここから位相調整値（Δωｔ）を算出し（ステップＳ３）、Ｖｏの位相をＶｇの位相に近づける（ステップＳ４）。この結果、Ｖｏの周波数が上昇する（ステップＳ５）。次に、制御部４は、Ｖｇの周波数が正常範囲内か否かを判定する（ステップＳ６）。リレー３が正常に開路していれば、Ｖｇの周波数が正常範囲内である。次に、制御部４は、Ｖｏの位相及び電圧がそれぞれ、Ｖｇの位相及び電圧に一致したか否かを判定する（ステップＳ７）。

ステップＳ７において、まだ一致していなければ、制御部４は、Ｖｇの周波数が閾値を超えたか否かを判定する（ステップＳ１１）。リレー３が正常に開路していれば、Ｖｇの周波数が閾値を超えることは無い。従って、以後、ステップＳ２～Ｓ７，Ｓ１１が繰り返される。そして、ステップＳ７において、Ｖｏの位相及び電圧がそれぞれ、Ｖｇの位相及び電圧に一致し、同期化が完了すると、制御部４は、リレー３を閉路し（ステップＳ８）、自立運転を停止する（ステップＳ９）。リレー３が正常に開路しているときはこのような同期化の処理を経て自立運転が停止され、以後、バイパス給電の状態に戻る。

《リレー溶着時》
一方、自立運転開始後に、本来は開路しているべきリレー３が溶着していると、自立出力電圧が第２電路Ｌ２に出力されると共に、リレー３の系統側にも電圧が出ることになり、第１電路Ｌ１に電圧が検出される。制御部４は、電圧Ｖｇ及びＶｏについてそれぞれ位相を求める。自立運転中、制御部４は、第２電路Ｌ２における自立出力の電圧Ｖｏの位相を、第１電路Ｌ１における電圧Ｖｇの位相へ同期化させるとともに、電圧Ｖｇの単相交流位相同期ループによる周波数の算出を行う。

ステップＳ２において、制御部４は、電圧Ｖｇから位相同期ループにより電圧周波数を算出していくが、算出する電圧周波数とは自立出力電圧の周波数である。従って、位相同期ループにより算出した周波数は、位相同期ループによる周波数の算出に使用される、ということになる。制御部４は、算出した周波数により、Ｖｏの位相調整値（Δωｔ）を決定する（ステップＳ３）。自立出力の電圧Ｖｏの位相調整値は、電圧Ｖｇの位相調整値と同じ値とする。

制御部４は、電圧Ｖｏの位相を電圧Ｖｇの位相に合わせるために、位相差を０にするフィードバック制御を行う。例えば、｛（Ｖｇの位相－Ｖｏの位相）×係数｝を足した後の自立出力電圧の周波数は位相を進めた分だけ高くなる。すると位相同期ループで算出する周波数も同様に高くなる。その算出した周波数が目標値になり、さらに位相同期ループで周波数を算出し、その周波数から系統電圧の位相調整値の算出を行っていくと、位相同期ループのフィードバックにおける積分項ｉ＿ｆｂが正に発散し、リミットに到達する。すると比例積分項ｐｉ＿ｆｂもリミットに到達することになる。周波数算出のための周波数初期値ｆ＿ｉｎｉｔを５５Ｈｚと定めておくと、位相同期ループで算出するＶｇで測定した電圧の周波数はｐｉ＿ｆｂ＋５５Ｈｚとなる。リミットの上下限を例えば±６～１０の値にしておくと、自立出力電圧周波数は６１Ｈｚ～６５Ｈｚになり、Ｖｇで測定する電圧の周波数も同様の周波数となる。

こうして、Ｖｏの周波数が上昇し（ステップＳ５）、かつ、リレー３の溶着により、Ｖｇの周波数も上昇する。もしリレー３が正常に開路して自立運転しているのであれば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの自立出力電圧を出力し、そして系統電圧は標準周波数±０．２Ｈｚ以内であって６１Ｈｚ～６５Ｈｚという周波数をとることはない。従って、Ｖｇの周波数が閾値を超えることが所定時間以上継続したら、リレー３が溶着していると判断できる。

そこで、制御部４は、Ｖｇの周波数が正常範囲内か否かを判定する（ステップＳ６）。ここで、まだ正常範囲内であるとすると、制御部４は、Ｖｏの位相及び電圧がそれぞれ、Ｖｇの位相及び電圧に一致したか否かを判定する（ステップＳ７）が、一致しない。

ステップＳ７において、まだ一致していなければ、制御部４は、Ｖｇの周波数が閾値を超えたか否かを判定する（ステップＳ１１）。この時点ではまだ閾値を超えないとすると、以後、ステップＳ２～Ｓ７，Ｓ１１が繰り返される。この繰り返しにより、ステップＳ６でＶｇの周波数が正常範囲内を逸脱し、さらに、ステップＳ１１においてＶｇの周波数が閾値を超える。制御部４は、閾値を超えた状態が所定時間継続したか否かを判定し（ステップＳ１２）、所定時間継続まで、ステップＳ２～Ｓ６，Ｓ１１，Ｓ１２を繰り返す。そして、閾値を超えた状態が所定時間継続すると、制御部４は、リレー溶着と判定し（ステップＳ１３）、警報を発令して（ステップＳ１４）、同期化を中止する（ステップＳ１５）。なお、同期化中止して自立運転停止（ステップＳ９）としてもよい。

《波形の例》
図７は、リレー溶着時に周波数が閾値を超えて変化する一例を示すグラフである。
これは、交流電路（第１電路）に、系統側の電圧としてＡＣ１０１Ｖ、６０Ｈｚの交流電圧を与え、リレー溶着が発生したケースである。バイパス給電の状態から、系統側が停電し、それを検知して即座にＡＣ１０１Ｖ、６０Ｈｚを自立出力して給電する自立運転に切り替わった場合の、Ｖｇ（上）とＶｏ（下）の波形である。

標準周波数が６０Ｈｚの場合のリレー溶着検出の検出閾値は６３．５Ｈｚ以上または５６．５Ｈｚ以下とし、検出時限は２５０ｍｓとした。位相同期ループのフィードバックにおいて、周波数算出のための周波数初期値は５５Ｈｚとし、積分項のリミッタは上限＋１０、下限－１０とした。

図７において、バイパス給電中は、商用電力系統から与えられる電圧が、電圧Ｖｇ、電圧Ｖｏとして検出されている。停電後は、自立出力の電圧が、電圧Ｖｏ，電圧Ｖｇとして現れている。しかし自立運転時は、周波数が６５Ｈｚにまで上昇している。復電による電圧の周波数であれば、このような大きなずれは生じ得ない。従って、これは、リレー溶着が発生していると判定できる。

《開示のまとめ》
以上のように、本開示の電源装置１００では、自立出力の給電中に、電圧センサ５により第１電路Ｌ１に電圧が検出されたとき、電圧センサ６の検出に基づく位相を電圧センサ５の検出に基づく位相に合わせる同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱するか否か、に基づいてリレー３の溶着の有無を判定することができる。

このような電源装置１００では、第１電路Ｌ１の停電により、自立出力による負荷への給電を行っているとき、電圧センサ５により第１電路Ｌ１に電圧が検出されると、想定される事態は復電である。しかし、復電していないがリレー３の接点が溶着しているという事態もあり得る。リレー３が正常に開路していて、復電した場合は、電圧センサ６の検出に基づく位相を電圧センサ５の検出に基づく位相に合わせる同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱することはない。一方、復電していないがリレー３の接点が溶着しているのであれば、同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱する。そこで、制御部４は、同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱するか否か、に基づいてリレー３の溶着の有無を判定することができる。このようにして、補助接点も専用回路も必要とせずに、迅速にリレーの溶着の有無を判定することができる。

そして、制御部４は、電圧センサ６の検出に基づく位相を電圧センサ５の検出に基づく位相に近づけるための位相調整値を、電圧センサ５の検出する電圧の周波数に基づいて定めることができる。
この場合、もしリレー３が溶着していれば、電力変換部２は、自己の出力に基づいて自己の位相調整を行うことになり、周波数のずれが拡大（発散）していく状況を作ることができる。

さらには、周波数が所定範囲を逸脱する状態が所定時間継続することによりリレー３が溶着したと判定することが好ましい。この場合、誤判定を防止し、判定の信頼性及び安定性を高めることができる。

また、制御部４は、自立出力による給電からバイパス給電への移行の可否判定の処理の中で、溶着の有無の判定を実行することが好ましい。この場合、溶着の有無の判定を別の処理として用意しなくても、自立出力による給電からバイパス給電への移行の可否判定の中で、実行することができる。

なお、本開示の電源装置１００は、リレーの溶着判定装置であるとも言える。すなわち、図１において、開閉可能なリレー３の一方側の第１電路Ｌ１に、通常使用する第１交流電源（商用電力系統１１）が接続され、他方側の第２電路Ｌ２に、負荷１３及び、バックアップ用の第２交流電源１２が接続されている場合における、リレーの溶着判定装置である。制御部４は、第２交流電源１２から負荷１３への給電中に、電圧センサ５により第１電路Ｌ１に電圧が検出されたとき、電圧センサ６の検出に基づく位相を電圧センサ５の検出に基づく位相に合わせる同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱するか否か、に基づいてリレー３の溶着の有無を判定することができる。

方法の観点からは、開閉可能なリレー３の一方側の第１電路Ｌ１に、通常使用する第１交流電源（商用電力系統１１）が接続され、他方側の第２電路Ｌ２に、負荷１３及び、バックアップ用の第２交流電源１２が接続されている場合における、リレーの溶着判定方法である。そして、リレー３を閉路して第１交流電源から負荷１３に給電している状態から第１交流電源が停電したとき、リレー３を開路して第２交流電源１２から負荷１３に給電し、第２交流電源１２から負荷１３への給電中に、第１電路Ｌ１に電圧が検出されたとき、第２電路Ｌ２の位相を第１電路Ｌ１の位相に合わせる同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱するか否か、に基づいて前記リレーの溶着の有無を判定する、リレーの溶着判定方法である。

《その他》
なお、式（８）に関して述べたリミットの数値の設定理由は次の通りである。
本開示ではリレー３が溶着している状態での自立出力の電圧がリレー３の系統側に出て、系統電圧周波数算出値が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの標準周波数から逸脱することを検知してリレー溶着を検出するため、このリミットが前述の値より小さすぎると溶着検出が困難になる。また前述の値より大きすぎると、負荷に対して標準周波数からあまりにも逸脱した周波数の電圧を供給することになり好ましくない。

また、上記開示における溶着判定方法は、電源装置１００に関して述べたが、当該方法は、電源装置に限らず、停電により自立運転を行い、リレーで切り替える他の装置にも適用することができる。

《補記》
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 蓄電池
２ 電力変換部
３ リレー
４ 制御部
４ｐ 位相同期ループ
５，６ 電圧センサ
１１ 商用電力系統（第１交流電源）
１２ 第２交流電源
１３ 負荷
１００ 電源装置
Ｌ１ 第１電路
Ｌ２ 第２電路

Claims (6)

1. 外部の交流電路及び負荷に接続され、前記交流電路から前記負荷へのバイパス給電、及び、自立出力による前記負荷への給電を、選択的に実行可能な電源装置であって、
   前記交流電路を引き込んだ第１電路と前記負荷に繋がる第２電路との間に設けられ、開閉可能な接点を有するリレーと、
   直流電源と前記第２電路との間に設けられ、直流から交流への電力変換を行う機能を有する電力変換部と、
   前記第１電路の２線間の電圧を検出する第１電圧センサと、
   前記第２電路の２線間の電圧を検出する第２電圧センサと、
   前記電力変換部及び前記リレーを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記自立出力の給電中に、前記第１電圧センサにより前記第１電路に電圧が検出されたとき、前記第２電圧センサの検出に基づく位相を前記第１電圧センサの検出に基づく位相に合わせる同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱するか否か、に基づいて前記リレーの溶着の有無を判定する、電源装置。
2. 前記制御部は、前記第２電圧センサの検出に基づく位相を前記第１電圧センサの検出に基づく位相に近づけるための位相調整値を、前記第１電圧センサの検出する電圧の周波数に基づいて定める請求項１に記載の電源装置。
3. 前記制御部は、前記所定範囲を逸脱する状態が所定時間継続することにより前記リレーが溶着したと判定する請求項１又は請求項２に記載の電源装置。
4. 前記制御部は、前記自立出力による給電から前記バイパス給電への移行の可否判定の処理の中で、前記溶着の有無の判定を実行する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電源装置。
5. 開閉可能なリレーの一方側の第１電路に、通常使用する第１交流電源が接続され、他方側の第２電路に、負荷及び、バックアップ用の第２交流電源が接続されている場合における、リレーの溶着判定装置であって、
   前記第１電路の２線間の電圧を検出する第１電圧センサと、
   前記第２電路の２線間の電圧を検出する第２電圧センサと、
   前記第２交流電源及び前記リレーを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記第２交流電源から前記負荷への給電中に、前記第１電圧センサにより前記第１電路に電圧が検出されたとき、前記第２電圧センサの検出に基づく位相を前記第１電圧センサの検出に基づく位相に合わせる同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱するか否か、に基づいて前記リレーの溶着の有無を判定する、リレーの溶着判定装置。
6. 開閉可能なリレーの一方側の第１電路に、通常使用する第１交流電源が接続され、他方側の第２電路に、負荷及び、バックアップ用の第２交流電源が接続されている場合における、リレーの溶着判定方法であって、
   前記リレーを閉路して前記第１交流電源から前記負荷に給電している状態から前記第１交流電源が停電したとき、前記リレーを開路して前記第２交流電源から前記負荷に給電し、
   前記第２交流電源から前記負荷への給電中に、前記第１電路に電圧が検出されたとき、前記第２電路の位相を前記第１電路の位相に合わせる同期化過程で周波数が所定範囲を逸脱するか否か、に基づいて前記リレーの溶着の有無を判定する、リレーの溶着判定方法。

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