電源切替装置および電源切替方法
【課題】簡単な構成で、切替時に異常電圧、異常電流が生じることなく、瞬時に位相の異なる電源に切替えることが可能な電源切替装置、および電源切替方法を提供する。
【解決手段】電源切替装置１の制御部１０は、既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ１，ＬＡ２と、対応する新設電源Ｂ側の電圧線ＬＢ１，ＬＢ２との電圧差が所定範囲内（ほぼ０）になるときを検出する。そして、電圧差が所定範囲内になったときに、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３をオンからオフに切替えて、半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６をオフからオンに切替える。したがって、切替の前後で負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１，ＬＣ２に電圧の飛びがほとんど生じないので、既設電源Ａから新設電源Ｂへスムーズな瞬時の切替を行なうことができる。
【解決手段】電源切替装置１の制御部１０は、既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ１，ＬＡ２と、対応する新設電源Ｂ側の電圧線ＬＢ１，ＬＢ２との電圧差が所定範囲内（ほぼ０）になるときを検出する。そして、電圧差が所定範囲内になったときに、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３をオンからオフに切替えて、半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６をオフからオンに切替える。したがって、切替の前後で負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１，ＬＣ２に電圧の飛びがほとんど生じないので、既設電源Ａから新設電源Ｂへスムーズな瞬時の切替を行なうことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、既設電源と負荷との接続を、既設電源と位相の異なる新設電源と負荷との接続へ瞬時に切替えることが可能な電源切替装置および電源切替方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
配電線地中化工事などでは、既設電源から各家庭への給電を新設電源からの給電へと切替える必要が生じる。このとき、既設電源と新設電源とで位相が異なる場合には、通常、各家庭への給電を停止した停電状態で電源切替工事が行なわれる。
【０００３】
ところが、近年、一般家庭へのコンピュータ機器の普及に伴い、インターネットの常時接続状態を維持するなどの理由で、停電を伴う工事を回避する要望が高まっている。夜間に工事を行なうことは人件費などの点で問題があるので、位相が異なる場合でも瞬時に電源切替を行なえることが望ましい。
【０００４】
これまで、位相の異なる電源間での切替方法がいくつか提案されている。
たとえば、特許第２６４８７７７号公報（特許文献１）に開示される技術では、まず、遮断しようとしている既設電源側の停電を負荷側において検出する。その検出出力を確認した後、切替接続しようとしている新設電源の電源電圧が０になった瞬間（ゼロクロス点）を検出したときに、新設電源を負荷に接続する。
【０００５】
また、特許第３６６４９０２号公報（特許文献２）に開示される技術では、新設電源からの交流を第１の変換器にて直流に変換し、この直流を第２の変換器にて交流に変換する。この時変換された交流は、同期制御回路により負荷機器に供給されている既設電源と同期をとるように運転する。次に、第２の変換器の出力側と負荷機器との間を開閉する第３のスイッチを投入し、同時に既設電源と負荷機器との間を開閉する第１のスイッチを開放する。この時、負荷機器には、第２の変換器のみから電力が供給される。この後、高速に第２の変換器の交流出力を第１の変換器の入力と同じ新設電源に、同期制御回路により同期させる。同期がとれたところで新設電源と負荷機器との間で電力を開閉する第２のスイッチを投入して新設電源から負荷機器へ電力が供給される。
【特許文献１】特許第２６４８７７７号公報
【特許文献２】特許第３６６４９０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の特許第２６４８７７７号公報（特許文献１）に開示される技術の場合、既設電源側のスイッチを遮断して停電状態にしたとしても、負荷側の配線電圧はすぐには低下しない。したがって、新設電源側の電源電圧がゼロクロス点のときに新設電源を負荷に接続しても、新設電源と負荷側配線との間に電圧差が存在する。この電圧差によって、新設電源の接続時に異常な電流および電圧が生じて負荷機器を損傷させるおそれがある。これを避けるため、負荷側の配線電圧が所定の電圧まで低下するのを待ってから新設電源と接続すると、切替に時間がかかりすぎてコンピュータ機器の動作に支障をきたすことになる。
【０００７】
また、前述の特許第３６６４９０２号公報（特許文献２）に開示される技術の場合、交流を直流に変換する第１の変換器（整流器）、および直流を交流に変換する第２の変換器（インバータ）が必要である。したがって、電源切替装置に多くの半導体素子を用いることになるので、装置構成が複雑で高価なものになる。
【０００８】
本発明の目的は、簡単な構成で、切替時に異常電圧、異常電流が生じることなく、瞬時に位相の異なる電源に切替えることが可能な電源切替装置、および電源切替方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、第１、第２の電線が用いられる第１の交流電源と負荷との接続を、第１、第２の電線にそれぞれ対応する第３、第４の電線が用いられる第２の交流電源と負荷との接続へ切替える電源切替装置である。そして、電源切替装置は、第１、第２の電線にそれぞれ設けられ、第１の交流電源と負荷とを接続する第１、第２のスイッチと、第３、第４の電線にそれぞれ設けられ、第２の交流電源と負荷とを接続する第３、第４のスイッチと、第１の交流電源から供給された第１、第２の電線間の電圧の瞬時値を検出する第１の電圧検出部と、第２の交流電源から供給された第３、第４の電線間の電圧の瞬時値を検出する第２の電圧検出部と、電源切替条件が成立したときに、第１、第２のスイッチを導通状態から非導通状態に切替え、第３、第４のスイッチを非導通状態から導通状態に切替える制御部とを備える。ここで、電源切替条件は、第１、第２の電圧検出部の検出値の差が、予め定める範囲内であることを含む。
【００１０】
本発明の一局面において、電源切替装置は、第１の交流電源と負荷とをさらに接続するための第５の電線に設けられ、第１の交流電源と負荷とを接続する第５のスイッチと、第５の電線に対応し、第２の交流電源と負荷とをさらに接続するための第６の電線に設けられ、第２の交流電源と負荷とを接続する第６のスイッチと、第１の交流電源から供給された第１、第５の電線間の電圧の瞬時値を検出する第３の電圧検出部と、第２の交流電源から供給された第３、第６の電線間の電圧の瞬時値を検出する第４の電圧検出部とをさらに備える。そして、制御部は、電源切替条件が成立したときに、第５のスイッチを導通状態から非導通状態にさらに切替え、第６のスイッチを非導通状態から導通状態にさらに切替える。また、電源切替条件は、第３、第４の電圧検出部の検出値の差が、予め定める範囲内であることをさらに含む。
【００１１】
好ましくは、第１、第３の電線は、単相３線式の配電線の中性線であり、第２、第４〜第６の電線は、単相３線式の配電線の電圧線である。
【００１２】
また、本発明において、好ましくは、第１〜第４のスイッチの各々は、複数の半導体スイッチング素子を含む。そして、電源切替装置は、第１〜第４のスイッチとそれぞれ並列接続された第１〜第４の継電器をさらに備える。ここで、制御部は、切替命令が与えられると、第１〜第４のスイッチの切替前に第１、第２の継電器を導通状態から非導通状態に切替え、第１〜第４のスイッチの切替後に、第３、第４の継電器を非導通状態から導通状態に切替える。
【００１３】
また、好ましくは、第１〜第４のスイッチの各々は、互いに逆方向に直列に接続された第１、第２の半導体スイッチング素子と、第１、第２の半導体スイッチング素子と逆方向で並列にそれぞれ接続された第１、第２の整流素子とを含む。
【００１４】
また、好ましくは、第２の電圧検出部は、反転入力端子、非反転入力端子、および出力端子を有する演算増幅器と、第３のスイッチの第２の交流電源側の接続ノードと非反転入力端子との間に設けられる第１の抵抗素子と、第３のスイッチの負荷側の接続ノードと非反転入力端子との間に設けられる第２の抵抗素子と、第４のスイッチの第２の交流電源側の接続ノードと反転入力端子との間に設けられる第３の抵抗素子と、反転入力端子と出力端子との間に設けられる第４の抵抗素子とを含む。
【００１５】
さらに、好ましくは、第１の電圧検出部は、第３のスイッチ素子の負荷側の接続ノードと第４のスイッチ素子の負荷側の接続ノードとの間に直列に設けられる第５、第６の抵抗素子を含む。
【００１６】
また、本発明による電源切替方法は、第１、第２の電線が用いられる第１の交流電源と負荷との接続を、第１、第２の電線にそれぞれ対応する第３、第４の電線が用いられる第２の交流電源と負荷との接続へ切替える方法である。そして、電源切替方法は、第１の交流電源から供給された第１、第２の電線間の電圧の瞬時値、および第２の交流電源から供給された第３、第４の電線間の電圧の瞬時値を検出するステップと、検出するステップにおいて検出された第１の電線に対する第２の電線の電圧の瞬時値と、第３の電線に対する第４の電線の電圧の瞬時値との差が予め定める第１の範囲内にある電源切替条件を満たすか否かを判定するステップと、電源切替条件が満たされたときに、第１の交流電源と負荷との接続を遮断し、第２の交流電源と負荷とを接続するステップとを備える。
【００１７】
好ましくは、本発明による電源切替方法は、第１の交流電源から供給された第１、第２の電線間の電圧の瞬時値、および第２の交流電源から供給された第３、第４の電線間の電圧の瞬時値を検出し、検出した瞬時値に基づいて第１、第２の電線間の電圧の実効値、および第３、第４の電線間の電圧の実効値を算出するステップと、第１、第２の電線間の電圧の実効値と第３、第４の電線間の電圧の実効値との差が予め定める第２の範囲内にないとき、接続するステップの実行を中止するステップとをさらに備える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、第１の交流電源が供給する電圧の瞬時値と第２の交流電源が供給する電圧の瞬時値との差が予め定める範囲内（ほぼ０）になるときに、第１の交流電源と負荷との接続が第２の交流電源と負荷との接続に切替えられる。すなわち、電源切替は、第１の交流電源の電圧波形と第２の交流電源の電圧波形が交差するクロスポイントで行なわれることになる。したがって、電源切替の前後で負荷に印加される電圧に飛びが生じることがないので、電源切替に起因する異常電圧、異常電流が生じることなくスムーズな切替が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。
【００２０】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１としての電源切替装置１を用いた電源切替作業を説明するための図である。まず、図１を参照して、単相３線式の配電線の場合について、負荷Ｃ（家電機器）と接続を、既設電源Ａから新設電源Ｂへ切替える切替作業の概略について説明する。
【００２１】
なお、既設電源Ａから新設電源Ｂへの切替の例として、架空線から地中線への配電線の切替、三相配電線に対する単相負荷の接続の切替、および配電系統と自家用発電機との相互の切替などを挙げることができる。
【００２２】
図１の電源切替装置１は、６個の半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６と、２個の単相３線用のブレーカＢＲ１，ＢＲ２と、既設電源Ａから新設電源Ｂへの切替指示を与えるための切替スイッチＳＷ０と、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６のオン／オフを制御する制御部１０（図２，図５に図示）とを含む。半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の一方の端子はブレーカＢＲ１と接続され、半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６の一方の端子はブレーカＢＲ２と接続される。また、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の他方の端子と半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６の他方の端子とは、それぞれノード（接点）Ｎ１〜Ｎ３を介して接続される。
【００２３】
電源切替工事前の初期状態では、既設電源Ａ側から順に、単相３線式の既設配線２、積算電力計８、および単相３線式の負荷側配線４を経由して家電機器Ｃに至る経路で電力が家電機器Ｃに供給されている。また、この初期状態では、電源切替装置１のブレーカＢＲ１，ＢＲ２は開放され、切替スイッチＳＷ０は既設電源Ａ側に投入された状態にある。切替スイッチＳＷ０が既設電源Ａ側の状態のとき、電源切替装置１の制御部１０は、ブレーカＢＲ１に接続される半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を導通状態に設定し、ブレーカＢＲ２に接続される半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６を非導通状態に設定する。
【００２４】
電源切替作業では、まず、電源切替装置１のブレーカＢＲ１と既設配線２とを接続電線５によって接続し、ブレーカＢＲ２と新設配線３とを接続電線６によって接続する。さらに、ノードＮ１〜Ｎ３と負荷側配線４とを接続電線７によって接続する。
【００２５】
接続後に、ブレーカＢＲ１，ＢＲ２を投入する。そうすると、既設配線２から電源切替装置１のブレーカＢＲ１と、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３とを順に経由して負荷側配線４に至るバイパス経路が形成される。
【００２６】
次に、積算電力計８の取付端子のところで既設配線２を取外す。これによって、家電機器Ｃは、電源切替装置１を介した上記バイパス経路のみで電力が供給される状態になる。
【００２７】
この状態で、電源切替装置１の切替スイッチＳＷ０が新設電源Ｂ側に切替えられると、電源切替装置１の制御部１０は、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を非導通状態にし、半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６を導通状態にする。この結果、家電機器Ｃへの給電が、既設電源Ａから新設電源Ｂへと切換わる。図２〜図７を参照して後述するように、この半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の切替のタイミングが、制御部１０によって適切に制御されることによって、位相の異なる電源Ａ，Ｂ間でのスムーズな瞬時の切替が可能になる。
【００２８】
この後、新設配線３の末端を積算電力計８の取付端子に取付けることによって、電源切替作業が完了する。
【００２９】
図２は、実施の形態１の電源切替装置１の構成を示すブロック図である。
図２を参照して、電源切替装置１には、既設電源Ａとの接続用に中性線ＬＡｎおよび２本の電圧線ＬＡ１，ＬＡ２が設けられ、新設電源Ｂとの接続用に中性線ＬＢｎおよび２本の電圧線ＬＢ１，ＬＢ２が設けらている。さらに、負荷Ｃとの接続用に中性線ＬＣｎおよび２本の電圧線ＬＣ１，ＬＣ２が設けれている。中性線ＬＡｎ，ＬＢｎ，ＬＣｎはノードＮ２で接続され、電圧線ＬＡ１，ＬＢ１，ＬＣ１はノードＮ１で接続され、電圧線ＬＡ２，ＬＢ２，ＬＣ２はノードＮ３で接続される。
【００３０】
図１で説明したように、既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ１、ＬＡ２および中性線ＬＡｎには、半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ３、およびＳＷ２がそれぞれ設けられる。また、新設電源Ｂ側の電圧線ＬＢ１、ＬＢ２および中性線ＬＢｎには、半導体スイッチＳＷ４、ＳＷ６、およびＳＷ５がそれぞれ設けられる。さらに、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３と既設電源Ａとの間には、ブレーカＢＲ１が設けられ、半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６と新設電源Ｂとの間には、ブレーカＢＲ２が設けられる。
【００３１】
電源切替装置１は、さらに、ノイズフィルタ１１，１２，１３と、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６とそれぞれ並列に設けられる継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ６と、電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４とを含む。
【００３２】
ノイズフィルタ１１，１２，１３は、高周波ノイズを遮断するためのローパスフィルタである。ノイズフィルタ１１，１２，１３は、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３とブレーカＢＲ１との間、半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６とブレーカＢＲ２との間、およびノードＮ１〜Ｎ３と負荷Ｃとの間にそれぞれ設けられる。
【００３３】
継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ６は、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の通電による発熱を回避するために設けられている。既設電源Ａ側の継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ３は、初期状態では、制御部１０によって導通状態に設定される。半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の切替時には、制御部１０は、継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ３を非導通にしてから、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の切替を行う。半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の切替後に、制御部１０は、新設電源Ｂ側の継電器Ｒｙ４〜Ｒｙ６を導通させる。
【００３４】
電圧検出部ＶＳ１は、ノードＮ１およびＮ２間の電圧の瞬時値を検出する回路であり、電圧検出部ＶＳ２は、ノードＮ２およびＮ３間の電圧の瞬時値を検出する回路である。また、半導体スイッチＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６が接続される新設電源Ｂ側のノードを、ノードＮ４，Ｎ５，Ｎ６とそれぞれ称すると、電圧検出部ＶＳ３は、ノードＮ４およびＮ５間の電圧の瞬時値を検出する回路である。電圧検出部ＶＳ４は、ノードＮ５およびＮ６間の電圧の瞬時値を検出する回路である。これらの電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４の検出結果および切替スイッチＳＷ０の状態に応じて、制御部１０は、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６および継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ６のオン／オフを制御する。
【００３５】
図３は、制御部１０が電源切替を行なうタイミングを説明するための波形図である。図３で縦軸は電圧を示し、横軸は経過時間を示す。
【００３６】
図２、図３を参照して、波形Ａは、既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ１（または、ＬＡ２）の電圧を中性線ＬＡｎの電位を基準にして表したものである。また、波形Ｂは、対応する電源電圧Ｂ側の電圧線ＬＢ１（または、ＬＢ２）の電圧を中性線ＬＢｎの電位を基準にして表したものである。ここで、既設電源Ａと新設電源Ｂとは位相が異なっているので、電圧波形ＡとＢとは、半周期ごとに図３のクロスポイントＣＰの位置で交差する。クロスポイントＣＰでは、中性線ＬＡｎに対する電圧線ＬＡ１（または、ＬＡ２）の電圧と、中性線ＬＢｎに対する電圧線ＬＢ１（または、ＬＢ２）のとの差が０になる。
【００３７】
したがって、電圧波形ＡとＢとが交差する瞬間に（図３のクロスポイントＣＰで）、既設電源Ａと新設電源Ｂとの切替を行えば、負荷Ｃの中性線ＬＣｎに対する電圧線ＬＣ１（または、ＬＣ２）の電圧は、切替前後で差が生じないことになる。この結果、電源切替に起因する異常電流、異常電圧を生じることなく、スムーズな瞬時の電源切替が可能になる。
【００３８】
具体的に図２の電源切替装置１の場合、制御部１０は、電圧検出部ＶＳ１およびＶＳ３の検出電圧に基づいて、電圧線ＬＡ１および電圧線ＬＢ１の電圧波形のクロスポイントＣＰを検知する。また、制御部１０は、電圧検出部ＶＳ２およびＶＳ４の検出電圧に基づいて、電圧線ＬＡ２および電圧線ＬＢ２の電圧波形のクロスポイントＣＰを検知する。電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４の回路構成によるが、電圧検出部ＶＳ１，ＶＳ２の検出電圧が中性線ＬＡｎ上のノードＮ２の電位を基準にし、電圧検出部ＶＳ３，ＶＳ４の検出電圧が中性線ＬＢｎ上のノードＮ５の電位を基準にしている場合には、電圧線ＬＡ１，ＬＢ１の電圧波形のクロスポイントＣＰは、電圧検出部ＶＳ１とＶＳ３との検出電圧の差が所定電圧範囲内であることによって検知できる。同様に、電圧線ＬＡ２，ＬＢ２の電圧波形のクロスポイントＣＰは、電圧検出部ＶＳ２とＶＳ４との検出電圧の差が所定電圧範囲内であることによって検知できる。単相１００Ｖの場合、クロスポイントＣＰの判定の基準である所定電圧は、たとえば１．５ボルトに設定される。
【００３９】
以下、図４〜図７を参照して、図２の電源切替装置１の各部の構成についてさらに詳しく説明する。
【００４０】
図４は、図２の電源切替装置１の電圧検出部ＶＳ１，ＶＳ３の構成の一例を示す回路図である。以下の説明では、ノードＮ２の電位を基準電位とし、ノードＮ１，Ｎ２，Ｎ４，Ｎ５の電圧を、それぞれＶ１，Ｖ２＝０，Ｖ４，Ｖ５とする。ここで、電圧検出部ＶＳ２，ＶＳ４の構成は、それぞれ電圧検出部ＶＳ１，ＶＳ３と同様である。そこで、図４では、電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４を代表して、電圧検出部ＶＳ１，ＶＳ３の構成を示している。
【００４１】
図４を参照して、電圧検出部ＶＳ３は、演算増幅器２０と４個の抵抗素子２１〜２４を含む差動増幅回路である。図４に示すように、演算増幅器２０の反転入力端子は、抵抗素子２２を介してノードＮ４と接続される。また、演算増幅器２０の非反転入力端子は、抵抗素子２３を介してノードＮ２と接続され、抵抗素子２４を介してノードＮ５と接続される。さらに、演算増幅器２０の出力端子と反転入力端子とが、抵抗素子２１を介して接続される。このとき、抵抗素子２２，２４の抵抗値をＲ１とし、抵抗素子２１，２３の抵抗値をＲ２とすると、演算増幅器２０の出力端子のノードＮ２に対する電圧Ｖｂは、次式（１）で与えられる。
【００４２】
Ｖｂ＝（Ｖ５−Ｖ４）・Ｒ２／Ｒ１ ・・・（１）
このように、ノードＮ５，Ｎ４の電圧は、抵抗比Ｒ２／Ｒ１倍に降圧されて演算増幅器２０に入力される。演算増幅器２０は、降圧後のノードＮ４に対するノードＮ５の電位差を制御部１０に出力する。演算増幅器２０を用いた上記回路構成にすることによって、ノードＮ４およびＮ５間の電位差を短時間で高精度に検出することができる。
【００４３】
図４の電圧検出部ＶＳ１は、２個の抵抗素子２５，２６がノードＮ１およびＮ２間に直列に接続された分圧回路である。抵抗素子２５の抵抗値をＲ１−Ｒ２に設定し、抵抗素子２６の抵抗値をＲ２に設定すると、電圧検出部ＶＳ１の出力電圧Ｖａは、次式（２）で与えられる。
【００４４】
Ｖａ＝Ｖ１・Ｒ２／Ｒ１ ・・・（２）
このように、電圧検出部ＶＳ１は、ノードＮ１の電圧Ｖ１を抵抗比Ｒ２／Ｒ１倍に降圧して制御部１０に出力する。
【００４５】
図５は、図２の電源切替装置１の制御部１０の構成の一例を示すブロック図である。
図５を参照して、制御部１０は、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６のオン／オフを切替えるための切替回路３０と、マイクロコンピュータ３６と、フォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６と、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６を駆動するためのゲート駆動回路ＧＤ１〜ＧＤ６と、継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ６を駆動するための駆動回路ＤＲ１〜ＤＲ６とを含む。ここで、フォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６およびゲート駆動回路ＧＤ１〜ＧＤ６は、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に対応して１個ずつ設けられる。また、駆動回路ＤＲ１〜ＤＲ６は、継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ６に対応して１個ずつ設けられる。図５では図解を容易にするために、既設電源Ａ側のフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ３、ゲート駆動回路ＧＤ１〜ＧＤ３、および駆動回路ＤＲ１〜ＤＲ３をそれぞれまとめて表示している。同様に、新設電源Ｂ側のフォトカプラＰＣ４〜ＰＣ６、ゲート駆動回路ＧＤ４〜ＧＤ６、および駆動回路ＤＲ４〜ＤＲ６をそれぞれでまとめて表示している。
【００４６】
図５の切替回路３０は、２個の加算器３１，３２と、２個のウィンドウコンパレータ３３，３４と、ＡＮＤ回路３５とを含む。
【００４７】
加算器３１は、図４の電圧検出部ＶＳ１および電圧検出部ＶＳ３の出力を加算して、ウィンドウコンパレータ３３に出力する。前述の式（１），（２）を用いると、加算器３１の出力は次式（３）で与えられる。
【００４８】
Ｖａ＋Ｖｂ＝（Ｖ１−（Ｖ４−Ｖ５））・Ｒ２／Ｒ１ ・・・（３）
このように、加算器３１からの出力は、中性線ＬＡｎに対する電圧線ＬＡ１の電圧と、中性線ＬＢｎに対する電圧線ＬＢ１の電圧との差を定数α（ただし、α＝Ｒ２／Ｒ１）倍した値に等しい。加算器３１は、たとえば、演算増幅器と複数の抵抗素子とを用いて構成することができる。
【００４９】
加算器３２は、加算器３１と同様に、電圧検出部ＶＳ２および電圧検出部ＶＳ４の出力を加算して、ウィンドウコンパレータ３４に出力する。加算器３２の出力は、中性線ＬＡｎに対する電圧線ＬＡ２の電圧と、中性線ＬＢｎに対する電圧線ＬＢ２の電圧との差を定数α倍したものに等しい。
【００５０】
ウィンドウコンパレータ３３は、加算器３１からの入力が所定範囲内のときにＨレベルの信号を出力する。たとえば、単相１００Ｖの電源切替を行なう場合、この所定入力範囲は、−１．５α（ただし、α＝Ｒ２／Ｒ１）ボルトより大きく、１．５αボルトより小さい範囲に設定される。これによって、ウィンドウコンパレータ３３は、電圧線ＬＡ１の電圧と電圧線ＬＢ１の電圧との差の絶対値が１．５ボルト以内であるか否かを判定していることになる。
【００５１】
ウィンドウコンパレータ３４も、ウィンドウコンパレータ３３と同様の動作をする。ここで、ウィンドウコンパレータ３３，３４は、たとえば、２個のコンパレータ回路を用いてそれらの論理積を出力するように構成すればよい。
【００５２】
ＡＮＤ回路３５は、ウィンドウコンパレータ３３，３４の出力とマイクロコンピュータ３６の切替信号ＣＧとを受けて、これらの値が全てＨレベルのときにフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６にＨレベルの信号を出力する。
【００５３】
したがって、上記構成によれば、マイクロコンピュータ３６からの切替信号ＣＧがＨレベルの状態で、電圧線ＬＡ１の電圧と電圧線ＬＢ１の電圧との差が所定範囲内にあり、電圧線ＬＡ２の電圧と電圧線ＬＢ２の電圧との差が所定範囲内にあるときに、切替回路３０は、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６のオン／オフを切替えるためのＨレベルの電圧をフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６に出力することになる。この結果、フォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６の出力を受けたゲート駆動回路ＧＤ１〜ＧＤ６によって、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６のオン／オフが切替えられる。
【００５４】
ここで、電源切替の完了後は、ノードＮ１とＮ４とは導通状態の半導体スイッチＳＷ４で接続されて等電位になる。同様に、ノードＮ２とＮ５とが等電位になり、ノードＮ３とＮ６とが等電位になる。したがって、加算器３１，３２の出力が０になるので、ウィンドウコンパレータ３３，３４の出力はＨレベルの状態が維持されることになる。
【００５５】
また、既設電源Ａの電圧と新設電源Ｂの電圧とが同相の場合は、常に、電圧線ＬＡ１とＬＢ１との電圧差が所定範囲内にあり、電圧線ＬＡ２とＬＢ２との電圧差が所定範囲内にあることになる。したがって、この場合、マイクロコンピュータ３６から受信する切替信号ＣＧがＨレベルに活性化されるのと同時に、ＡＮＤ回路３５の出力がＨレベルに切替わる。
【００５６】
図６は、図２の電源切替装置１のゲート駆動回路ＧＤ１，ＧＤ４、および半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４の構成の一例を示す回路図である。ここで、電源切替装置１に用いられる６個の半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６、および６個のフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６は、それぞれ共通の構成である。また、既設電源Ａ側の３個のゲート駆動回路ＧＤ１〜ＧＤ３は共通の構成であり、新設電源Ｂ側の３個のゲート駆動回路ＧＤ４〜ＧＤ６は共通の構成である。図６は、これらを代表して、電圧線ＬＡ１，ＬＢ１に接続される半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４と、それらに接続されるゲート駆動回路ＧＤ１，ＧＤ４およびフォトカプラＰＣ１，ＰＣ４とを示している。
【００５７】
図６を参照して、半導体スイッチＳＷ１は、エミッタを共通電極として直列に接続された２個のＮチャネルのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）Ｑ１，Ｑ２と、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２とそれぞれ並列に接続された２個のダイオードＤ１，Ｄ２と、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２と並列に接続されたバリスタＶＲ１，ＶＲ２と、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のゲートにそれぞれ接続されたゲート抵抗ＲＧ１，ＲＧ２とを含む。ここで、ダイオードＤ１，Ｄ２のカソードは、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のコレクタにそれぞれ接続され、ダイオードＤ１，Ｄ２のアノードは、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のエミッタにそれぞれ接続される。
【００５８】
ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２が導通状態の場合は、半導体スイッチＳＷ１のいずれの方向にも電流が流れる。すなわち、ＩＧＢＴＱ１のコレクタが高電圧になり、ＩＧＢＴＱ２のコレクタが低電圧になる半サイクルでは、ＩＧＢＴＱ１とダイオードＤ２とを通過する経路で電流が流れる。また、ＩＧＢＴＱ２のコレクタが高電圧になり、ＩＧＢＴＱ１のコレクタが低電圧になる半サイクルでは、ＩＧＢＴＱ２とダイオードＤ１とを通過する経路で電流が流れる。一方、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２が非導通状態の場合は、いずれの方向の電流も流れない。
【００５９】
また、バリスタＶＲ１，ＶＲ２は、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２が非導通状態のときに異常な高電圧が印加された場合に、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２を保護するために設けられている。
【００６０】
ここで、図６の場合と異なり、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２をコレクタを共通電極にして直列接続してもよい。すなわち、ＮチャネルのＩＧＢＴＱ１，Ｑ２は、コレクタからエミッタに流れる主電流の方向が互いに逆方向になるように直列に接続される。このとき、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２と並列に接続されるダイオードＤ１，Ｄ２の順方向は、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２の主電流の方向と逆方向になる。
【００６１】
また、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６では、ＩＧＢＴの代わりに、電力用のＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Silicon Field-Effect Transistor）またはバイポーラトランジスタなどを用いることもできる。
【００６２】
ゲート駆動回路ＧＤ１は、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２の絶縁ゲートを充放電するための駆動電流を流すための回路である。ゲート駆動回路ＧＤ１は、２個のＮＰＮ型バイポーラトランジスタＴｒ１，Ｔｒ３と、２個のＰＮＰ型バイポーラトランジスタＴｒ２，Ｔｒ４とを含む。トランジスタＴｒ１およびＴｒ２はエミッタを共通端子として直列に接続される。また、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のエミッタは、ゲート抵抗ＲＧ１を介してＩＧＢＴＱ１のゲートに接続される。トランジスタＴｒ１のコレクタは、電源ノードＶＣＣに接続される。また、トランジスタＴｒ２のコレクタは、接地ノードＧＮＤに接続される。トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４とＩＧＢＴＱ２との接続も同様である。
【００６３】
フォトカプラＰＣ１は、切替回路３０とＩＧＢＴＱ１，Ｑ２とを絶縁するために設けられている。図６のフォトカプラＰＣ１の場合、フォトダイオード４０には、切替回路３０の出力信号が抵抗素子４２を介して入力される。また、出力端子であるフォトトランジスタ４１のコレクタ端子は、負荷抵抗４３を介して電源ノードＶＣＣに接続される。したがって、フォトカプラＰＣ１は、切替回路３０の入力信号を反転して、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４のベースに出力する。
【００６４】
このような構成のフォトカプラＰＣ１およびゲート駆動回路ＧＤ１によれば、切替回路３０の出力電圧がＬレベルの場合、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ３が導通状態になって、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のゲート電極にＨレベル（電源電圧ＶＣＣ）の駆動電圧が供給される。この結果、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２が導通状態になる。一方、切替回路３０の出力電圧がＨレベルに切替わると、トランジスタＴｒ２，Ｔｒ４が導通状態になって、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のゲート電極はＬレベル（接地電圧）になる。この結果、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２は非導通状態に切替わる。
【００６５】
ゲート駆動回路ＧＤ４は、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４の導電型をそれぞれ反対にしたバイポーラトランジスタＴｒ５〜Ｔｒ８によって構成される。したがって、ゲート駆動回路ＧＤ２によれば、切替回路３０の出力電圧がＬレベルの場合、半導体スイッチＳＷ４は非導通状態になる。切替回路３０の出力電圧がＨレベルのに切替わると、半導体スイッチＳＷ４は導通状態に切替わる。
【００６６】
なお、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のターンオン遅延時間とターンオフ遅延時間とが異なる場合は、半導体スイッチＳＷ１が非導通状態に切替わるタイミングと、半導体スイッチＳＷ４が導通状態に切替わるタイミングとが異なることになる。しかし、既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ１（または、ＬＡ２）の電圧と、対応する新設電源Ｂ側の電圧線ＬＢ１（または、ＬＢ２）の電圧とがそれぞれ等しいので、この切替タイミングのわずかな違いは問題にならない。
【００６７】
図７は、図５のマイクロコンピュータ３６の処理手順を示すフローチャートである。図５に示すように、マイクロコンピュータ３６は、電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４の出力、および切替スイッチＳＷ０の状態に応じて、継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ６の開閉を制御する。さらに、切替回路３０に切替信号ＣＧを出力する。以下、図２、図５、図７を参照して、マイクロコンピュータ３６の処理手順について説明する。
【００６８】
図７の処理手順の開始前の初期状態では、マイクロコンピュータ３６は、図２の既設電源Ａ側の継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ３および半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を導通状態に設定し、新設電源Ｂ側の継電器Ｒｙ４〜Ｒｙ６および半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６を非導通状態に設定する。
【００６９】
ステップＳ１で、マイクロコンピュータ３６は、切替スイッチＳＷ０の状態を監視する。そして、マイクロコンピュータ３６が、既設電源Ａ側から新設電源Ｂ側に切替スイッチＳＷ０が切替わったことを検知すると、次のステップＳ２に進む。
【００７０】
ステップＳ２で、マイクロコンピュータ３６は、電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４で検出された電圧値を取得する。このとき、マイクロコンピュータ３６は、内蔵のＡ／Ｄコンバータによって検出されたこれらの電圧値をデジタル変換して取得する。
【００７１】
次のステップＳ３で、マイクロコンピュータ３６は、交流の１サイクル分で取得した電圧値から、２乗平均値（実効値）を算出する。
【００７２】
次のステップＳ４で、マイクロコンピュータ３６は、電圧検出部ＶＳ１の検出電圧の実効値と、電圧検出部ＶＳ３の検出電圧の実効値とを比較して、それらの実効値の差が所定範囲内（たとえば、１５ボルト以内）であることを判定する。実効値の差が１５ボルトを超える場合は（ステップＳ４でＮｏ）、処理を終了し、１５ボルト以内の場合は（ステップＳ４でＹｅｓ）、ステップＳ５に進む。
【００７３】
ステップＳ５で、マイクロコンピュータ３６は、電圧検出部ＶＳ２の検出電圧の実効値と、電圧検出部ＶＳ４の検出電圧の実効値とを比較して、それらの実効値の差が所定範囲内（たとえば、１５ボルト以内）であることを判定する。実効値の差が１５ボルトを超える場合は（ステップＳ５でＮｏ）、処理を終了し、１５ボルト以内の場合は（ステップＳ５でＹｅｓ）、ステップＳ６に進む。以上のステップＳ４，Ｓ５で、マイクロコンピュータ３６は、既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ１，ＬＡ２および中性線ＬＡｎと、新設電源Ｂ側の電圧線ＬＢ１，ＬＢ２および中性線ＬＢｎとの対応関係に間違いがないか（誤接続がないか）を確認していることになる。
【００７４】
ステップＳ６で、マイクロコンピュータ３６は、継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ３を開路する。
次のステップＳ７で、マイクロコンピュータ３６は、切替信号ＣＧをＨレベルに活性化する。活性化された後、切替回路３０が、電圧線ＬＡ１，ＬＢ１の電圧波形のクロスポイントＣＰを検知するとともに、電圧線ＬＡ２，ＬＢ２の電圧波形のクロスポイントＣＰを検知すると、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３が非導通状態に切替えられ、半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６が導通状態に切替えられる。
【００７５】
次のステップＳ８で、マイクロコンピュータ３６は、切替信号ＣＧをＨレベルに活性化してから所定時間が経過した後、継電器Ｒｙ４〜Ｒｙ６を閉路する。これによって、電源切替処理が終了する。ここで、活性化してからの所定時間として、切替回路３０が電圧波形のクロスポイントＣＰを検知し、半導体スイッチＳＷのオン／オフの切替が完了するまでの時間が少なくとも必要である。たとえば、この所定時間は、交流電源の１周期に設定される。所定時間の経過を待つことに代えて、マイクロコンピュータ３６は、電源検出部ＶＳ１〜ＶＳ４で検出された電圧値によって、新設電源Ｂ側の電圧線ＶＢ１，ＶＢ２の電圧と、対応する負荷Ｃ側の電圧線ＶＣ１，ＶＣ２の電圧とが一致することを確認してもよい。
【００７６】
以上説明したように、実施の形態１の電源切替装置１によれば、電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４の検出電圧に基づいて、既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ１，ＬＡ２と、対応する新設電源Ｂ側の電圧線ＬＢ１，ＬＢ２との電圧差が所定範囲内になるときが検出される。そして、電圧差が所定範囲内になったときに、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６のオン／オフが切替わり、既設電源Ａから新設電源Ｂへの切替が行なわれる。このため、切替の前後で負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１，ＬＣ２に電圧の飛びがほとんど生じないスムーズな瞬時の電源切替を実現することができる。この結果、切替時に異常電流、異常電圧が生じることがないので、負荷Ｃに損傷を与えることがない。
【００７７】
また、電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４で電圧を検出してから、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６のスイッチング完了するまでに要する切替時間は、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のターンオンおよびターンオフ遅延時間、ならびに電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４や切替回路３０に用いられるＩＣ（Integrated Circuit）の遅延時間などによって決まる。これら遅延時間を考慮すると、実施の形態１の電源切替装置１では、０．０００１秒以内の切替が実現できている。したがって、一般家庭のパーソナルコンピュータをはじめ、他のコンピュータ応用機器などの動作にも障害とならない短時間での切替が可能になっている。
【００７８】
また、実施の形態１の電源切替装置１による切替可能な電流容量、電圧容量は、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に用いられるＩＧＢＴＱ１，Ｑ２の電流容量、電圧容量によって決まる。したがって、電源切替装置１は、一般住宅１戸で用いられる１０ｋＶＡ程度の電源切替に十分適用可能である。大容量のＩＧＢＴを用いれば、電源切替装置１によって、変圧器のバンク単位の電源切替も可能になる。
【００７９】
また、実施の形態１では、単相３線式の場合について説明したが、本発明は、単相２線式、または三相３線式などにも適用可能なものである。三相３線式の場合には、既設電源側と新設電源側とで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相間の電圧を比較して、電圧波形のクロスポイントＣＰを判定すればよい。
【００８０】
［実施の形態２］
実施の形態１の図５に示す切替回路３０による処理は、マイクロコンピュータ３６を用いて実現することができる。この場合、図５の切替回路３０に代えて、マイクロコンピュータ３６からの切替信号ＣＧがフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６に与えられる。また、図７のフローチャートのステップＳ７の処理が以下のように変更される。
【００８１】
図８は、図７のフローチャートのステップＳ７を変形したステップＳ７Ａの処理を示すフローチャートである。
【００８２】
図７のステップＳ６で、継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ３が開路された後、図８のステップＳ１１で、マイクロコンピュータ３６は、図３の電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４で検出された電圧値を取得する。
【００８３】
次のステップＳ１２で、マイクロコンピュータ３６は、電圧検出部ＶＳ１の検出電圧と電圧検出部ＶＳ３の検出電圧とを加算する。この加算結果は前述の式（３）で表わされる。マイクロコンピュータ３６は、この加算結果が所定範囲内であるかを判定する。所定範囲内のときは（ステップＳ１２でＹｅｓ）、ステップＳ１３に進み、所定範囲外のとき（ステップＳ１２でＮｏ）は、ステップＳ１１に戻る。これによって、電圧線ＬＡ１の電圧と電圧線ＬＢ１の電圧との差が所定範囲内か否かが判定されることになる。
【００８４】
ステップＳ１３で、マイクロコンピュータ３６は、電圧検出部ＶＳ２の検出電圧と電圧検出部ＶＳ４の検出電圧とを加算する。マイクロコンピュータ３６は、この加算結果が所定範囲内であるかを判定する。所定範囲内のときは（ステップＳ１３でＹｅｓ）、ステップＳ１４に進み、所定範囲外のとき（ステップＳ１４でＮｏ）は、ステップＳ１１に戻る。これによって、電圧線ＬＡ２の電圧と電圧線ＬＢ２の電圧との差が所定範囲内か否かが判定されることになる。
【００８５】
ステップＳ１４で、マイクロコンピュータ３６はフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６にＨレベルの切替信号ＣＧを送出する。ステップＳ１４の後に、図７のステップＳ８が実行される。
【００８６】
このような実施の形態２の電源切替装置１ａによっても、マイクロコンピュータ３６の動作が十分に高速であれば、コンピュータ機器に動作に障害とならないような短時間でのスムーズな電源切替が可能である。
【００８７】
以下に実施例および比較例を挙げ、本発明を具体的に説明する。
［実施例１］
実施例１では、図２の電源切替装置１を用いて、三相３線式の架空配電線による給電を地中線による給電へ瞬時に切替える実験を行なった。このとき、電源切替装置１の既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ２の電圧波形、負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１の電圧波形・電流波形、および電圧線ＬＣ２の電圧波形を測定した。電圧波形・電流波形の測定には波形観測装置（メモリハイコーダ）を用いた。
【００８８】
図９は、実施例１における電源切替時の電圧波形・電流波形の測定結果を示すグラフである。図９で横軸は経過時間を示し、縦軸は電圧または電流を示す。
【００８９】
図９を参照して、電源切替は、図中の−０．８ｍｓの時刻で起こっていることがわかる（切替点を図中にＣＰで表示）。切替前では、電圧線ＬＡ２の電圧波形と電圧線ＬＣ２の電圧波形は一致している。切替後には、負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１の電圧波形・電流波形および電圧線ＬＣ２の電圧波形の各位相が１２０°変化する。しかし、切替の前後で、これらの電圧波形・電流波形は位相以外の変化が生じていない。このことは、切替後では、電圧線ＬＣ１，ＬＣ２の電圧波形は、位相が１２０°の異なる新設電源Ｂ側の電圧線ＬＢ１，ＬＢ２に一致したことを意味している。また、切替の前後で既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ２の電圧波形には変化がない。
【００９０】
以上によって、本発明の電源切替装置１を用いて、位相が異なる電源間でスムーズな瞬時の電源切替が実現されることが確認された。
【００９１】
［実施例２］
実施例２では、電源切替装置１を用いて、既設配電線による給電を発電機による給電へ瞬時に切替える実験を行なった。このとき、電源切替装置１の既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ１の電圧波形、新設電源Ｂ側の電圧線ＬＢ１の電圧波形、負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１の電圧波形・電流波形を測定した。電圧波形・電流波形の測定には波形観測装置（メモリハイコーダ）を用いた。
【００９２】
図１０は、実施例２における電源切替時の電圧波形・電流波形の測定結果を示すグラフである。図１０で横軸は経過時間を示し、縦軸は電圧または電流を示す。
【００９３】
図１０を参照して、電源切替は、図中の−０．６ｍｓの時刻で生じている（切替点を図中にＣＰで表示）。また、発電機の出力を示す電圧線ＬＢ１の電圧波形は、正弦波になっていないことがわかる。
【００９４】
切替前では、負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１の電圧波形は、電圧線ＬＡ１の電圧波形と一致している。電源切替によって、電圧線ＬＣ１の電圧波形は、図中のクロスポイントＣＰのところで、電圧線ＬＢ１の電圧波形に一致するように連続的に変化する。このとき、電源切替に起因する電圧波形および電流波形の歪は観測されていない。
【００９５】
以上によって、発電機などの不安定な電圧波形の場合にも、本発明の電源切替装置１を用いて、スムーズな瞬時の電源切替が実現することが確認された。
【００９６】
［比較例］
実施例２の比較例として、既設配電線からの給電を発電機からの給電に切替える場合について、電源切替のタイミングを最適なタイミングから、わざとずらした実験を行なった。実施例２と同様に、波形観測装置（メモリハイコーダ）を用いて、既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ１の電圧波形、新設電源Ｂ側の電圧線ＬＢ１の電圧波形、負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１の電圧波形・電流波形を測定した。
【００９７】
図１１は、比較例における電源切替時の電圧波形・電流波形の測定結果を示すグラフである。図１０で横軸は経過時間を示し、縦軸は電圧または電流を示す。
【００９８】
図１１を参照して、電源切替は、図中のほぼ０ｓの時刻で生じている。切替前では、負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１の電圧波形は、電圧線ＬＡ１の電圧波形と一致している。時刻０ｓの電源切替の瞬間には、電圧線ＬＣ１の電圧は、飛びが生じることによって不連続的に発電機側の電圧線ＬＢ１の電圧に一致する。電源切替に伴って、電圧波形には細かな振動が重畳して観測される。また、電源切替後の負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１を流れる電流は大きく増加する。
【００９９】
このように、既設電源Ａの電圧波形と新設電源Ｂの電圧波形が交差するクロスポイントＣＰと異なる時点で電源切替を行なうと、実施例２の場合と異なり、電源切替に起因する異常な電圧波形・電流波形が観測されることが確認された。
【０１００】
今回開示された実施の形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の実施の形態１としての電源切替装置１を用いた電源切替作業を説明するための図である。
【図２】実施の形態１の電源切替装置１の構成を示すブロック図である。
【図３】制御部１０が電源切替を行なうタイミングを説明するための波形図である。
【図４】図２の電源切替装置１の電圧検出部ＶＳ１，ＶＳ３の構成の一例を示す回路図である。
【図５】図２の電源切替装置１の制御部１０の構成の一例を示すブロック図である。
【図６】図２の電源切替装置１のゲート駆動回路ＧＤ１，ＧＤ４、および半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４の構成の一例を示す回路図である。
【図７】図５のマイクロコンピュータ３６の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】図７のフローチャートのステップＳ７を変形したステップＳ７Ａの処理を示すフローチャートである。
【図９】実施例１における電源切替時の電圧波形・電流波形の測定結果を示すグラフである。
【図１０】実施例２における電源切替時の電圧波形・電流波形の測定結果を示すグラフである。
【図１１】比較例における電源切替時の電圧波形・電流波形の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０２】
１ 電源切替装置、１０ 制御部、２０ 演算増幅器、２１〜２６ 抵抗素子、３０ 切替回路、３６ マイクロコンピュータ、Ａ 既設電源、Ｂ 新設電源、Ｃ 負荷、Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、ＬＡ１，ＬＡ２ 電圧線（既設電源側）、ＬＢ１，ＬＢ２ 電圧線（新設電源側）、ＬＣ１，ＬＣ２ 電圧線（負荷側）、ＬＡｎ 中性線（既設電源側）、ＬＢｎ 中性線（新設電源側）、ＬＣｎ 中性線（負荷側）、Ｑ１，Ｑ２ ＩＧＢＴ、Ｒｙ１〜Ｒｙ６ 継電器、ＳＷ０ 切替スイッチ、ＳＷ１〜ＳＷ６ 半導体スイッチ、ＶＳ１〜ＶＳ４ 電圧検出部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、既設電源と負荷との接続を、既設電源と位相の異なる新設電源と負荷との接続へ瞬時に切替えることが可能な電源切替装置および電源切替方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
配電線地中化工事などでは、既設電源から各家庭への給電を新設電源からの給電へと切替える必要が生じる。このとき、既設電源と新設電源とで位相が異なる場合には、通常、各家庭への給電を停止した停電状態で電源切替工事が行なわれる。
【０００３】
ところが、近年、一般家庭へのコンピュータ機器の普及に伴い、インターネットの常時接続状態を維持するなどの理由で、停電を伴う工事を回避する要望が高まっている。夜間に工事を行なうことは人件費などの点で問題があるので、位相が異なる場合でも瞬時に電源切替を行なえることが望ましい。
【０００４】
これまで、位相の異なる電源間での切替方法がいくつか提案されている。
たとえば、特許第２６４８７７７号公報（特許文献１）に開示される技術では、まず、遮断しようとしている既設電源側の停電を負荷側において検出する。その検出出力を確認した後、切替接続しようとしている新設電源の電源電圧が０になった瞬間（ゼロクロス点）を検出したときに、新設電源を負荷に接続する。
【０００５】
また、特許第３６６４９０２号公報（特許文献２）に開示される技術では、新設電源からの交流を第１の変換器にて直流に変換し、この直流を第２の変換器にて交流に変換する。この時変換された交流は、同期制御回路により負荷機器に供給されている既設電源と同期をとるように運転する。次に、第２の変換器の出力側と負荷機器との間を開閉する第３のスイッチを投入し、同時に既設電源と負荷機器との間を開閉する第１のスイッチを開放する。この時、負荷機器には、第２の変換器のみから電力が供給される。この後、高速に第２の変換器の交流出力を第１の変換器の入力と同じ新設電源に、同期制御回路により同期させる。同期がとれたところで新設電源と負荷機器との間で電力を開閉する第２のスイッチを投入して新設電源から負荷機器へ電力が供給される。
【特許文献１】特許第２６４８７７７号公報
【特許文献２】特許第３６６４９０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の特許第２６４８７７７号公報（特許文献１）に開示される技術の場合、既設電源側のスイッチを遮断して停電状態にしたとしても、負荷側の配線電圧はすぐには低下しない。したがって、新設電源側の電源電圧がゼロクロス点のときに新設電源を負荷に接続しても、新設電源と負荷側配線との間に電圧差が存在する。この電圧差によって、新設電源の接続時に異常な電流および電圧が生じて負荷機器を損傷させるおそれがある。これを避けるため、負荷側の配線電圧が所定の電圧まで低下するのを待ってから新設電源と接続すると、切替に時間がかかりすぎてコンピュータ機器の動作に支障をきたすことになる。
【０００７】
また、前述の特許第３６６４９０２号公報（特許文献２）に開示される技術の場合、交流を直流に変換する第１の変換器（整流器）、および直流を交流に変換する第２の変換器（インバータ）が必要である。したがって、電源切替装置に多くの半導体素子を用いることになるので、装置構成が複雑で高価なものになる。
【０００８】
本発明の目的は、簡単な構成で、切替時に異常電圧、異常電流が生じることなく、瞬時に位相の異なる電源に切替えることが可能な電源切替装置、および電源切替方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、第１、第２の電線が用いられる第１の交流電源と負荷との接続を、第１、第２の電線にそれぞれ対応する第３、第４の電線が用いられる第２の交流電源と負荷との接続へ切替える電源切替装置である。そして、電源切替装置は、第１、第２の電線にそれぞれ設けられ、第１の交流電源と負荷とを接続する第１、第２のスイッチと、第３、第４の電線にそれぞれ設けられ、第２の交流電源と負荷とを接続する第３、第４のスイッチと、第１の交流電源から供給された第１、第２の電線間の電圧の瞬時値を検出する第１の電圧検出部と、第２の交流電源から供給された第３、第４の電線間の電圧の瞬時値を検出する第２の電圧検出部と、電源切替条件が成立したときに、第１、第２のスイッチを導通状態から非導通状態に切替え、第３、第４のスイッチを非導通状態から導通状態に切替える制御部とを備える。ここで、電源切替条件は、第１、第２の電圧検出部の検出値の差が、予め定める範囲内であることを含む。
【００１０】
本発明の一局面において、電源切替装置は、第１の交流電源と負荷とをさらに接続するための第５の電線に設けられ、第１の交流電源と負荷とを接続する第５のスイッチと、第５の電線に対応し、第２の交流電源と負荷とをさらに接続するための第６の電線に設けられ、第２の交流電源と負荷とを接続する第６のスイッチと、第１の交流電源から供給された第１、第５の電線間の電圧の瞬時値を検出する第３の電圧検出部と、第２の交流電源から供給された第３、第６の電線間の電圧の瞬時値を検出する第４の電圧検出部とをさらに備える。そして、制御部は、電源切替条件が成立したときに、第５のスイッチを導通状態から非導通状態にさらに切替え、第６のスイッチを非導通状態から導通状態にさらに切替える。また、電源切替条件は、第３、第４の電圧検出部の検出値の差が、予め定める範囲内であることをさらに含む。
【００１１】
好ましくは、第１、第３の電線は、単相３線式の配電線の中性線であり、第２、第４〜第６の電線は、単相３線式の配電線の電圧線である。
【００１２】
また、本発明において、好ましくは、第１〜第４のスイッチの各々は、複数の半導体スイッチング素子を含む。そして、電源切替装置は、第１〜第４のスイッチとそれぞれ並列接続された第１〜第４の継電器をさらに備える。ここで、制御部は、切替命令が与えられると、第１〜第４のスイッチの切替前に第１、第２の継電器を導通状態から非導通状態に切替え、第１〜第４のスイッチの切替後に、第３、第４の継電器を非導通状態から導通状態に切替える。
【００１３】
また、好ましくは、第１〜第４のスイッチの各々は、互いに逆方向に直列に接続された第１、第２の半導体スイッチング素子と、第１、第２の半導体スイッチング素子と逆方向で並列にそれぞれ接続された第１、第２の整流素子とを含む。
【００１４】
また、好ましくは、第２の電圧検出部は、反転入力端子、非反転入力端子、および出力端子を有する演算増幅器と、第３のスイッチの第２の交流電源側の接続ノードと非反転入力端子との間に設けられる第１の抵抗素子と、第３のスイッチの負荷側の接続ノードと非反転入力端子との間に設けられる第２の抵抗素子と、第４のスイッチの第２の交流電源側の接続ノードと反転入力端子との間に設けられる第３の抵抗素子と、反転入力端子と出力端子との間に設けられる第４の抵抗素子とを含む。
【００１５】
さらに、好ましくは、第１の電圧検出部は、第３のスイッチ素子の負荷側の接続ノードと第４のスイッチ素子の負荷側の接続ノードとの間に直列に設けられる第５、第６の抵抗素子を含む。
【００１６】
また、本発明による電源切替方法は、第１、第２の電線が用いられる第１の交流電源と負荷との接続を、第１、第２の電線にそれぞれ対応する第３、第４の電線が用いられる第２の交流電源と負荷との接続へ切替える方法である。そして、電源切替方法は、第１の交流電源から供給された第１、第２の電線間の電圧の瞬時値、および第２の交流電源から供給された第３、第４の電線間の電圧の瞬時値を検出するステップと、検出するステップにおいて検出された第１の電線に対する第２の電線の電圧の瞬時値と、第３の電線に対する第４の電線の電圧の瞬時値との差が予め定める第１の範囲内にある電源切替条件を満たすか否かを判定するステップと、電源切替条件が満たされたときに、第１の交流電源と負荷との接続を遮断し、第２の交流電源と負荷とを接続するステップとを備える。
【００１７】
好ましくは、本発明による電源切替方法は、第１の交流電源から供給された第１、第２の電線間の電圧の瞬時値、および第２の交流電源から供給された第３、第４の電線間の電圧の瞬時値を検出し、検出した瞬時値に基づいて第１、第２の電線間の電圧の実効値、および第３、第４の電線間の電圧の実効値を算出するステップと、第１、第２の電線間の電圧の実効値と第３、第４の電線間の電圧の実効値との差が予め定める第２の範囲内にないとき、接続するステップの実行を中止するステップとをさらに備える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、第１の交流電源が供給する電圧の瞬時値と第２の交流電源が供給する電圧の瞬時値との差が予め定める範囲内（ほぼ０）になるときに、第１の交流電源と負荷との接続が第２の交流電源と負荷との接続に切替えられる。すなわち、電源切替は、第１の交流電源の電圧波形と第２の交流電源の電圧波形が交差するクロスポイントで行なわれることになる。したがって、電源切替の前後で負荷に印加される電圧に飛びが生じることがないので、電源切替に起因する異常電圧、異常電流が生じることなくスムーズな切替が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。
【００２０】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１としての電源切替装置１を用いた電源切替作業を説明するための図である。まず、図１を参照して、単相３線式の配電線の場合について、負荷Ｃ（家電機器）と接続を、既設電源Ａから新設電源Ｂへ切替える切替作業の概略について説明する。
【００２１】
なお、既設電源Ａから新設電源Ｂへの切替の例として、架空線から地中線への配電線の切替、三相配電線に対する単相負荷の接続の切替、および配電系統と自家用発電機との相互の切替などを挙げることができる。
【００２２】
図１の電源切替装置１は、６個の半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６と、２個の単相３線用のブレーカＢＲ１，ＢＲ２と、既設電源Ａから新設電源Ｂへの切替指示を与えるための切替スイッチＳＷ０と、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６のオン／オフを制御する制御部１０（図２，図５に図示）とを含む。半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の一方の端子はブレーカＢＲ１と接続され、半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６の一方の端子はブレーカＢＲ２と接続される。また、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の他方の端子と半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６の他方の端子とは、それぞれノード（接点）Ｎ１〜Ｎ３を介して接続される。
【００２３】
電源切替工事前の初期状態では、既設電源Ａ側から順に、単相３線式の既設配線２、積算電力計８、および単相３線式の負荷側配線４を経由して家電機器Ｃに至る経路で電力が家電機器Ｃに供給されている。また、この初期状態では、電源切替装置１のブレーカＢＲ１，ＢＲ２は開放され、切替スイッチＳＷ０は既設電源Ａ側に投入された状態にある。切替スイッチＳＷ０が既設電源Ａ側の状態のとき、電源切替装置１の制御部１０は、ブレーカＢＲ１に接続される半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を導通状態に設定し、ブレーカＢＲ２に接続される半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６を非導通状態に設定する。
【００２４】
電源切替作業では、まず、電源切替装置１のブレーカＢＲ１と既設配線２とを接続電線５によって接続し、ブレーカＢＲ２と新設配線３とを接続電線６によって接続する。さらに、ノードＮ１〜Ｎ３と負荷側配線４とを接続電線７によって接続する。
【００２５】
接続後に、ブレーカＢＲ１，ＢＲ２を投入する。そうすると、既設配線２から電源切替装置１のブレーカＢＲ１と、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３とを順に経由して負荷側配線４に至るバイパス経路が形成される。
【００２６】
次に、積算電力計８の取付端子のところで既設配線２を取外す。これによって、家電機器Ｃは、電源切替装置１を介した上記バイパス経路のみで電力が供給される状態になる。
【００２７】
この状態で、電源切替装置１の切替スイッチＳＷ０が新設電源Ｂ側に切替えられると、電源切替装置１の制御部１０は、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を非導通状態にし、半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６を導通状態にする。この結果、家電機器Ｃへの給電が、既設電源Ａから新設電源Ｂへと切換わる。図２〜図７を参照して後述するように、この半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の切替のタイミングが、制御部１０によって適切に制御されることによって、位相の異なる電源Ａ，Ｂ間でのスムーズな瞬時の切替が可能になる。
【００２８】
この後、新設配線３の末端を積算電力計８の取付端子に取付けることによって、電源切替作業が完了する。
【００２９】
図２は、実施の形態１の電源切替装置１の構成を示すブロック図である。
図２を参照して、電源切替装置１には、既設電源Ａとの接続用に中性線ＬＡｎおよび２本の電圧線ＬＡ１，ＬＡ２が設けられ、新設電源Ｂとの接続用に中性線ＬＢｎおよび２本の電圧線ＬＢ１，ＬＢ２が設けらている。さらに、負荷Ｃとの接続用に中性線ＬＣｎおよび２本の電圧線ＬＣ１，ＬＣ２が設けれている。中性線ＬＡｎ，ＬＢｎ，ＬＣｎはノードＮ２で接続され、電圧線ＬＡ１，ＬＢ１，ＬＣ１はノードＮ１で接続され、電圧線ＬＡ２，ＬＢ２，ＬＣ２はノードＮ３で接続される。
【００３０】
図１で説明したように、既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ１、ＬＡ２および中性線ＬＡｎには、半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ３、およびＳＷ２がそれぞれ設けられる。また、新設電源Ｂ側の電圧線ＬＢ１、ＬＢ２および中性線ＬＢｎには、半導体スイッチＳＷ４、ＳＷ６、およびＳＷ５がそれぞれ設けられる。さらに、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３と既設電源Ａとの間には、ブレーカＢＲ１が設けられ、半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６と新設電源Ｂとの間には、ブレーカＢＲ２が設けられる。
【００３１】
電源切替装置１は、さらに、ノイズフィルタ１１，１２，１３と、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６とそれぞれ並列に設けられる継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ６と、電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４とを含む。
【００３２】
ノイズフィルタ１１，１２，１３は、高周波ノイズを遮断するためのローパスフィルタである。ノイズフィルタ１１，１２，１３は、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３とブレーカＢＲ１との間、半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６とブレーカＢＲ２との間、およびノードＮ１〜Ｎ３と負荷Ｃとの間にそれぞれ設けられる。
【００３３】
継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ６は、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の通電による発熱を回避するために設けられている。既設電源Ａ側の継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ３は、初期状態では、制御部１０によって導通状態に設定される。半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の切替時には、制御部１０は、継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ３を非導通にしてから、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の切替を行う。半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の切替後に、制御部１０は、新設電源Ｂ側の継電器Ｒｙ４〜Ｒｙ６を導通させる。
【００３４】
電圧検出部ＶＳ１は、ノードＮ１およびＮ２間の電圧の瞬時値を検出する回路であり、電圧検出部ＶＳ２は、ノードＮ２およびＮ３間の電圧の瞬時値を検出する回路である。また、半導体スイッチＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６が接続される新設電源Ｂ側のノードを、ノードＮ４，Ｎ５，Ｎ６とそれぞれ称すると、電圧検出部ＶＳ３は、ノードＮ４およびＮ５間の電圧の瞬時値を検出する回路である。電圧検出部ＶＳ４は、ノードＮ５およびＮ６間の電圧の瞬時値を検出する回路である。これらの電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４の検出結果および切替スイッチＳＷ０の状態に応じて、制御部１０は、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６および継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ６のオン／オフを制御する。
【００３５】
図３は、制御部１０が電源切替を行なうタイミングを説明するための波形図である。図３で縦軸は電圧を示し、横軸は経過時間を示す。
【００３６】
図２、図３を参照して、波形Ａは、既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ１（または、ＬＡ２）の電圧を中性線ＬＡｎの電位を基準にして表したものである。また、波形Ｂは、対応する電源電圧Ｂ側の電圧線ＬＢ１（または、ＬＢ２）の電圧を中性線ＬＢｎの電位を基準にして表したものである。ここで、既設電源Ａと新設電源Ｂとは位相が異なっているので、電圧波形ＡとＢとは、半周期ごとに図３のクロスポイントＣＰの位置で交差する。クロスポイントＣＰでは、中性線ＬＡｎに対する電圧線ＬＡ１（または、ＬＡ２）の電圧と、中性線ＬＢｎに対する電圧線ＬＢ１（または、ＬＢ２）のとの差が０になる。
【００３７】
したがって、電圧波形ＡとＢとが交差する瞬間に（図３のクロスポイントＣＰで）、既設電源Ａと新設電源Ｂとの切替を行えば、負荷Ｃの中性線ＬＣｎに対する電圧線ＬＣ１（または、ＬＣ２）の電圧は、切替前後で差が生じないことになる。この結果、電源切替に起因する異常電流、異常電圧を生じることなく、スムーズな瞬時の電源切替が可能になる。
【００３８】
具体的に図２の電源切替装置１の場合、制御部１０は、電圧検出部ＶＳ１およびＶＳ３の検出電圧に基づいて、電圧線ＬＡ１および電圧線ＬＢ１の電圧波形のクロスポイントＣＰを検知する。また、制御部１０は、電圧検出部ＶＳ２およびＶＳ４の検出電圧に基づいて、電圧線ＬＡ２および電圧線ＬＢ２の電圧波形のクロスポイントＣＰを検知する。電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４の回路構成によるが、電圧検出部ＶＳ１，ＶＳ２の検出電圧が中性線ＬＡｎ上のノードＮ２の電位を基準にし、電圧検出部ＶＳ３，ＶＳ４の検出電圧が中性線ＬＢｎ上のノードＮ５の電位を基準にしている場合には、電圧線ＬＡ１，ＬＢ１の電圧波形のクロスポイントＣＰは、電圧検出部ＶＳ１とＶＳ３との検出電圧の差が所定電圧範囲内であることによって検知できる。同様に、電圧線ＬＡ２，ＬＢ２の電圧波形のクロスポイントＣＰは、電圧検出部ＶＳ２とＶＳ４との検出電圧の差が所定電圧範囲内であることによって検知できる。単相１００Ｖの場合、クロスポイントＣＰの判定の基準である所定電圧は、たとえば１．５ボルトに設定される。
【００３９】
以下、図４〜図７を参照して、図２の電源切替装置１の各部の構成についてさらに詳しく説明する。
【００４０】
図４は、図２の電源切替装置１の電圧検出部ＶＳ１，ＶＳ３の構成の一例を示す回路図である。以下の説明では、ノードＮ２の電位を基準電位とし、ノードＮ１，Ｎ２，Ｎ４，Ｎ５の電圧を、それぞれＶ１，Ｖ２＝０，Ｖ４，Ｖ５とする。ここで、電圧検出部ＶＳ２，ＶＳ４の構成は、それぞれ電圧検出部ＶＳ１，ＶＳ３と同様である。そこで、図４では、電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４を代表して、電圧検出部ＶＳ１，ＶＳ３の構成を示している。
【００４１】
図４を参照して、電圧検出部ＶＳ３は、演算増幅器２０と４個の抵抗素子２１〜２４を含む差動増幅回路である。図４に示すように、演算増幅器２０の反転入力端子は、抵抗素子２２を介してノードＮ４と接続される。また、演算増幅器２０の非反転入力端子は、抵抗素子２３を介してノードＮ２と接続され、抵抗素子２４を介してノードＮ５と接続される。さらに、演算増幅器２０の出力端子と反転入力端子とが、抵抗素子２１を介して接続される。このとき、抵抗素子２２，２４の抵抗値をＲ１とし、抵抗素子２１，２３の抵抗値をＲ２とすると、演算増幅器２０の出力端子のノードＮ２に対する電圧Ｖｂは、次式（１）で与えられる。
【００４２】
Ｖｂ＝（Ｖ５−Ｖ４）・Ｒ２／Ｒ１ ・・・（１）
このように、ノードＮ５，Ｎ４の電圧は、抵抗比Ｒ２／Ｒ１倍に降圧されて演算増幅器２０に入力される。演算増幅器２０は、降圧後のノードＮ４に対するノードＮ５の電位差を制御部１０に出力する。演算増幅器２０を用いた上記回路構成にすることによって、ノードＮ４およびＮ５間の電位差を短時間で高精度に検出することができる。
【００４３】
図４の電圧検出部ＶＳ１は、２個の抵抗素子２５，２６がノードＮ１およびＮ２間に直列に接続された分圧回路である。抵抗素子２５の抵抗値をＲ１−Ｒ２に設定し、抵抗素子２６の抵抗値をＲ２に設定すると、電圧検出部ＶＳ１の出力電圧Ｖａは、次式（２）で与えられる。
【００４４】
Ｖａ＝Ｖ１・Ｒ２／Ｒ１ ・・・（２）
このように、電圧検出部ＶＳ１は、ノードＮ１の電圧Ｖ１を抵抗比Ｒ２／Ｒ１倍に降圧して制御部１０に出力する。
【００４５】
図５は、図２の電源切替装置１の制御部１０の構成の一例を示すブロック図である。
図５を参照して、制御部１０は、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６のオン／オフを切替えるための切替回路３０と、マイクロコンピュータ３６と、フォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６と、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６を駆動するためのゲート駆動回路ＧＤ１〜ＧＤ６と、継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ６を駆動するための駆動回路ＤＲ１〜ＤＲ６とを含む。ここで、フォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６およびゲート駆動回路ＧＤ１〜ＧＤ６は、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に対応して１個ずつ設けられる。また、駆動回路ＤＲ１〜ＤＲ６は、継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ６に対応して１個ずつ設けられる。図５では図解を容易にするために、既設電源Ａ側のフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ３、ゲート駆動回路ＧＤ１〜ＧＤ３、および駆動回路ＤＲ１〜ＤＲ３をそれぞれまとめて表示している。同様に、新設電源Ｂ側のフォトカプラＰＣ４〜ＰＣ６、ゲート駆動回路ＧＤ４〜ＧＤ６、および駆動回路ＤＲ４〜ＤＲ６をそれぞれでまとめて表示している。
【００４６】
図５の切替回路３０は、２個の加算器３１，３２と、２個のウィンドウコンパレータ３３，３４と、ＡＮＤ回路３５とを含む。
【００４７】
加算器３１は、図４の電圧検出部ＶＳ１および電圧検出部ＶＳ３の出力を加算して、ウィンドウコンパレータ３３に出力する。前述の式（１），（２）を用いると、加算器３１の出力は次式（３）で与えられる。
【００４８】
Ｖａ＋Ｖｂ＝（Ｖ１−（Ｖ４−Ｖ５））・Ｒ２／Ｒ１ ・・・（３）
このように、加算器３１からの出力は、中性線ＬＡｎに対する電圧線ＬＡ１の電圧と、中性線ＬＢｎに対する電圧線ＬＢ１の電圧との差を定数α（ただし、α＝Ｒ２／Ｒ１）倍した値に等しい。加算器３１は、たとえば、演算増幅器と複数の抵抗素子とを用いて構成することができる。
【００４９】
加算器３２は、加算器３１と同様に、電圧検出部ＶＳ２および電圧検出部ＶＳ４の出力を加算して、ウィンドウコンパレータ３４に出力する。加算器３２の出力は、中性線ＬＡｎに対する電圧線ＬＡ２の電圧と、中性線ＬＢｎに対する電圧線ＬＢ２の電圧との差を定数α倍したものに等しい。
【００５０】
ウィンドウコンパレータ３３は、加算器３１からの入力が所定範囲内のときにＨレベルの信号を出力する。たとえば、単相１００Ｖの電源切替を行なう場合、この所定入力範囲は、−１．５α（ただし、α＝Ｒ２／Ｒ１）ボルトより大きく、１．５αボルトより小さい範囲に設定される。これによって、ウィンドウコンパレータ３３は、電圧線ＬＡ１の電圧と電圧線ＬＢ１の電圧との差の絶対値が１．５ボルト以内であるか否かを判定していることになる。
【００５１】
ウィンドウコンパレータ３４も、ウィンドウコンパレータ３３と同様の動作をする。ここで、ウィンドウコンパレータ３３，３４は、たとえば、２個のコンパレータ回路を用いてそれらの論理積を出力するように構成すればよい。
【００５２】
ＡＮＤ回路３５は、ウィンドウコンパレータ３３，３４の出力とマイクロコンピュータ３６の切替信号ＣＧとを受けて、これらの値が全てＨレベルのときにフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６にＨレベルの信号を出力する。
【００５３】
したがって、上記構成によれば、マイクロコンピュータ３６からの切替信号ＣＧがＨレベルの状態で、電圧線ＬＡ１の電圧と電圧線ＬＢ１の電圧との差が所定範囲内にあり、電圧線ＬＡ２の電圧と電圧線ＬＢ２の電圧との差が所定範囲内にあるときに、切替回路３０は、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６のオン／オフを切替えるためのＨレベルの電圧をフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６に出力することになる。この結果、フォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６の出力を受けたゲート駆動回路ＧＤ１〜ＧＤ６によって、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６のオン／オフが切替えられる。
【００５４】
ここで、電源切替の完了後は、ノードＮ１とＮ４とは導通状態の半導体スイッチＳＷ４で接続されて等電位になる。同様に、ノードＮ２とＮ５とが等電位になり、ノードＮ３とＮ６とが等電位になる。したがって、加算器３１，３２の出力が０になるので、ウィンドウコンパレータ３３，３４の出力はＨレベルの状態が維持されることになる。
【００５５】
また、既設電源Ａの電圧と新設電源Ｂの電圧とが同相の場合は、常に、電圧線ＬＡ１とＬＢ１との電圧差が所定範囲内にあり、電圧線ＬＡ２とＬＢ２との電圧差が所定範囲内にあることになる。したがって、この場合、マイクロコンピュータ３６から受信する切替信号ＣＧがＨレベルに活性化されるのと同時に、ＡＮＤ回路３５の出力がＨレベルに切替わる。
【００５６】
図６は、図２の電源切替装置１のゲート駆動回路ＧＤ１，ＧＤ４、および半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４の構成の一例を示す回路図である。ここで、電源切替装置１に用いられる６個の半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６、および６個のフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６は、それぞれ共通の構成である。また、既設電源Ａ側の３個のゲート駆動回路ＧＤ１〜ＧＤ３は共通の構成であり、新設電源Ｂ側の３個のゲート駆動回路ＧＤ４〜ＧＤ６は共通の構成である。図６は、これらを代表して、電圧線ＬＡ１，ＬＢ１に接続される半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４と、それらに接続されるゲート駆動回路ＧＤ１，ＧＤ４およびフォトカプラＰＣ１，ＰＣ４とを示している。
【００５７】
図６を参照して、半導体スイッチＳＷ１は、エミッタを共通電極として直列に接続された２個のＮチャネルのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）Ｑ１，Ｑ２と、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２とそれぞれ並列に接続された２個のダイオードＤ１，Ｄ２と、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２と並列に接続されたバリスタＶＲ１，ＶＲ２と、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のゲートにそれぞれ接続されたゲート抵抗ＲＧ１，ＲＧ２とを含む。ここで、ダイオードＤ１，Ｄ２のカソードは、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のコレクタにそれぞれ接続され、ダイオードＤ１，Ｄ２のアノードは、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のエミッタにそれぞれ接続される。
【００５８】
ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２が導通状態の場合は、半導体スイッチＳＷ１のいずれの方向にも電流が流れる。すなわち、ＩＧＢＴＱ１のコレクタが高電圧になり、ＩＧＢＴＱ２のコレクタが低電圧になる半サイクルでは、ＩＧＢＴＱ１とダイオードＤ２とを通過する経路で電流が流れる。また、ＩＧＢＴＱ２のコレクタが高電圧になり、ＩＧＢＴＱ１のコレクタが低電圧になる半サイクルでは、ＩＧＢＴＱ２とダイオードＤ１とを通過する経路で電流が流れる。一方、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２が非導通状態の場合は、いずれの方向の電流も流れない。
【００５９】
また、バリスタＶＲ１，ＶＲ２は、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２が非導通状態のときに異常な高電圧が印加された場合に、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２を保護するために設けられている。
【００６０】
ここで、図６の場合と異なり、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２をコレクタを共通電極にして直列接続してもよい。すなわち、ＮチャネルのＩＧＢＴＱ１，Ｑ２は、コレクタからエミッタに流れる主電流の方向が互いに逆方向になるように直列に接続される。このとき、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２と並列に接続されるダイオードＤ１，Ｄ２の順方向は、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２の主電流の方向と逆方向になる。
【００６１】
また、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６では、ＩＧＢＴの代わりに、電力用のＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Silicon Field-Effect Transistor）またはバイポーラトランジスタなどを用いることもできる。
【００６２】
ゲート駆動回路ＧＤ１は、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２の絶縁ゲートを充放電するための駆動電流を流すための回路である。ゲート駆動回路ＧＤ１は、２個のＮＰＮ型バイポーラトランジスタＴｒ１，Ｔｒ３と、２個のＰＮＰ型バイポーラトランジスタＴｒ２，Ｔｒ４とを含む。トランジスタＴｒ１およびＴｒ２はエミッタを共通端子として直列に接続される。また、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のエミッタは、ゲート抵抗ＲＧ１を介してＩＧＢＴＱ１のゲートに接続される。トランジスタＴｒ１のコレクタは、電源ノードＶＣＣに接続される。また、トランジスタＴｒ２のコレクタは、接地ノードＧＮＤに接続される。トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４とＩＧＢＴＱ２との接続も同様である。
【００６３】
フォトカプラＰＣ１は、切替回路３０とＩＧＢＴＱ１，Ｑ２とを絶縁するために設けられている。図６のフォトカプラＰＣ１の場合、フォトダイオード４０には、切替回路３０の出力信号が抵抗素子４２を介して入力される。また、出力端子であるフォトトランジスタ４１のコレクタ端子は、負荷抵抗４３を介して電源ノードＶＣＣに接続される。したがって、フォトカプラＰＣ１は、切替回路３０の入力信号を反転して、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４のベースに出力する。
【００６４】
このような構成のフォトカプラＰＣ１およびゲート駆動回路ＧＤ１によれば、切替回路３０の出力電圧がＬレベルの場合、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ３が導通状態になって、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のゲート電極にＨレベル（電源電圧ＶＣＣ）の駆動電圧が供給される。この結果、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２が導通状態になる。一方、切替回路３０の出力電圧がＨレベルに切替わると、トランジスタＴｒ２，Ｔｒ４が導通状態になって、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のゲート電極はＬレベル（接地電圧）になる。この結果、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２は非導通状態に切替わる。
【００６５】
ゲート駆動回路ＧＤ４は、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４の導電型をそれぞれ反対にしたバイポーラトランジスタＴｒ５〜Ｔｒ８によって構成される。したがって、ゲート駆動回路ＧＤ２によれば、切替回路３０の出力電圧がＬレベルの場合、半導体スイッチＳＷ４は非導通状態になる。切替回路３０の出力電圧がＨレベルのに切替わると、半導体スイッチＳＷ４は導通状態に切替わる。
【００６６】
なお、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のターンオン遅延時間とターンオフ遅延時間とが異なる場合は、半導体スイッチＳＷ１が非導通状態に切替わるタイミングと、半導体スイッチＳＷ４が導通状態に切替わるタイミングとが異なることになる。しかし、既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ１（または、ＬＡ２）の電圧と、対応する新設電源Ｂ側の電圧線ＬＢ１（または、ＬＢ２）の電圧とがそれぞれ等しいので、この切替タイミングのわずかな違いは問題にならない。
【００６７】
図７は、図５のマイクロコンピュータ３６の処理手順を示すフローチャートである。図５に示すように、マイクロコンピュータ３６は、電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４の出力、および切替スイッチＳＷ０の状態に応じて、継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ６の開閉を制御する。さらに、切替回路３０に切替信号ＣＧを出力する。以下、図２、図５、図７を参照して、マイクロコンピュータ３６の処理手順について説明する。
【００６８】
図７の処理手順の開始前の初期状態では、マイクロコンピュータ３６は、図２の既設電源Ａ側の継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ３および半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を導通状態に設定し、新設電源Ｂ側の継電器Ｒｙ４〜Ｒｙ６および半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６を非導通状態に設定する。
【００６９】
ステップＳ１で、マイクロコンピュータ３６は、切替スイッチＳＷ０の状態を監視する。そして、マイクロコンピュータ３６が、既設電源Ａ側から新設電源Ｂ側に切替スイッチＳＷ０が切替わったことを検知すると、次のステップＳ２に進む。
【００７０】
ステップＳ２で、マイクロコンピュータ３６は、電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４で検出された電圧値を取得する。このとき、マイクロコンピュータ３６は、内蔵のＡ／Ｄコンバータによって検出されたこれらの電圧値をデジタル変換して取得する。
【００７１】
次のステップＳ３で、マイクロコンピュータ３６は、交流の１サイクル分で取得した電圧値から、２乗平均値（実効値）を算出する。
【００７２】
次のステップＳ４で、マイクロコンピュータ３６は、電圧検出部ＶＳ１の検出電圧の実効値と、電圧検出部ＶＳ３の検出電圧の実効値とを比較して、それらの実効値の差が所定範囲内（たとえば、１５ボルト以内）であることを判定する。実効値の差が１５ボルトを超える場合は（ステップＳ４でＮｏ）、処理を終了し、１５ボルト以内の場合は（ステップＳ４でＹｅｓ）、ステップＳ５に進む。
【００７３】
ステップＳ５で、マイクロコンピュータ３６は、電圧検出部ＶＳ２の検出電圧の実効値と、電圧検出部ＶＳ４の検出電圧の実効値とを比較して、それらの実効値の差が所定範囲内（たとえば、１５ボルト以内）であることを判定する。実効値の差が１５ボルトを超える場合は（ステップＳ５でＮｏ）、処理を終了し、１５ボルト以内の場合は（ステップＳ５でＹｅｓ）、ステップＳ６に進む。以上のステップＳ４，Ｓ５で、マイクロコンピュータ３６は、既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ１，ＬＡ２および中性線ＬＡｎと、新設電源Ｂ側の電圧線ＬＢ１，ＬＢ２および中性線ＬＢｎとの対応関係に間違いがないか（誤接続がないか）を確認していることになる。
【００７４】
ステップＳ６で、マイクロコンピュータ３６は、継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ３を開路する。
次のステップＳ７で、マイクロコンピュータ３６は、切替信号ＣＧをＨレベルに活性化する。活性化された後、切替回路３０が、電圧線ＬＡ１，ＬＢ１の電圧波形のクロスポイントＣＰを検知するとともに、電圧線ＬＡ２，ＬＢ２の電圧波形のクロスポイントＣＰを検知すると、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３が非導通状態に切替えられ、半導体スイッチＳＷ４〜ＳＷ６が導通状態に切替えられる。
【００７５】
次のステップＳ８で、マイクロコンピュータ３６は、切替信号ＣＧをＨレベルに活性化してから所定時間が経過した後、継電器Ｒｙ４〜Ｒｙ６を閉路する。これによって、電源切替処理が終了する。ここで、活性化してからの所定時間として、切替回路３０が電圧波形のクロスポイントＣＰを検知し、半導体スイッチＳＷのオン／オフの切替が完了するまでの時間が少なくとも必要である。たとえば、この所定時間は、交流電源の１周期に設定される。所定時間の経過を待つことに代えて、マイクロコンピュータ３６は、電源検出部ＶＳ１〜ＶＳ４で検出された電圧値によって、新設電源Ｂ側の電圧線ＶＢ１，ＶＢ２の電圧と、対応する負荷Ｃ側の電圧線ＶＣ１，ＶＣ２の電圧とが一致することを確認してもよい。
【００７６】
以上説明したように、実施の形態１の電源切替装置１によれば、電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４の検出電圧に基づいて、既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ１，ＬＡ２と、対応する新設電源Ｂ側の電圧線ＬＢ１，ＬＢ２との電圧差が所定範囲内になるときが検出される。そして、電圧差が所定範囲内になったときに、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６のオン／オフが切替わり、既設電源Ａから新設電源Ｂへの切替が行なわれる。このため、切替の前後で負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１，ＬＣ２に電圧の飛びがほとんど生じないスムーズな瞬時の電源切替を実現することができる。この結果、切替時に異常電流、異常電圧が生じることがないので、負荷Ｃに損傷を与えることがない。
【００７７】
また、電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４で電圧を検出してから、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６のスイッチング完了するまでに要する切替時間は、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のターンオンおよびターンオフ遅延時間、ならびに電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４や切替回路３０に用いられるＩＣ（Integrated Circuit）の遅延時間などによって決まる。これら遅延時間を考慮すると、実施の形態１の電源切替装置１では、０．０００１秒以内の切替が実現できている。したがって、一般家庭のパーソナルコンピュータをはじめ、他のコンピュータ応用機器などの動作にも障害とならない短時間での切替が可能になっている。
【００７８】
また、実施の形態１の電源切替装置１による切替可能な電流容量、電圧容量は、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に用いられるＩＧＢＴＱ１，Ｑ２の電流容量、電圧容量によって決まる。したがって、電源切替装置１は、一般住宅１戸で用いられる１０ｋＶＡ程度の電源切替に十分適用可能である。大容量のＩＧＢＴを用いれば、電源切替装置１によって、変圧器のバンク単位の電源切替も可能になる。
【００７９】
また、実施の形態１では、単相３線式の場合について説明したが、本発明は、単相２線式、または三相３線式などにも適用可能なものである。三相３線式の場合には、既設電源側と新設電源側とで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相間の電圧を比較して、電圧波形のクロスポイントＣＰを判定すればよい。
【００８０】
［実施の形態２］
実施の形態１の図５に示す切替回路３０による処理は、マイクロコンピュータ３６を用いて実現することができる。この場合、図５の切替回路３０に代えて、マイクロコンピュータ３６からの切替信号ＣＧがフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６に与えられる。また、図７のフローチャートのステップＳ７の処理が以下のように変更される。
【００８１】
図８は、図７のフローチャートのステップＳ７を変形したステップＳ７Ａの処理を示すフローチャートである。
【００８２】
図７のステップＳ６で、継電器Ｒｙ１〜Ｒｙ３が開路された後、図８のステップＳ１１で、マイクロコンピュータ３６は、図３の電圧検出部ＶＳ１〜ＶＳ４で検出された電圧値を取得する。
【００８３】
次のステップＳ１２で、マイクロコンピュータ３６は、電圧検出部ＶＳ１の検出電圧と電圧検出部ＶＳ３の検出電圧とを加算する。この加算結果は前述の式（３）で表わされる。マイクロコンピュータ３６は、この加算結果が所定範囲内であるかを判定する。所定範囲内のときは（ステップＳ１２でＹｅｓ）、ステップＳ１３に進み、所定範囲外のとき（ステップＳ１２でＮｏ）は、ステップＳ１１に戻る。これによって、電圧線ＬＡ１の電圧と電圧線ＬＢ１の電圧との差が所定範囲内か否かが判定されることになる。
【００８４】
ステップＳ１３で、マイクロコンピュータ３６は、電圧検出部ＶＳ２の検出電圧と電圧検出部ＶＳ４の検出電圧とを加算する。マイクロコンピュータ３６は、この加算結果が所定範囲内であるかを判定する。所定範囲内のときは（ステップＳ１３でＹｅｓ）、ステップＳ１４に進み、所定範囲外のとき（ステップＳ１４でＮｏ）は、ステップＳ１１に戻る。これによって、電圧線ＬＡ２の電圧と電圧線ＬＢ２の電圧との差が所定範囲内か否かが判定されることになる。
【００８５】
ステップＳ１４で、マイクロコンピュータ３６はフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６にＨレベルの切替信号ＣＧを送出する。ステップＳ１４の後に、図７のステップＳ８が実行される。
【００８６】
このような実施の形態２の電源切替装置１ａによっても、マイクロコンピュータ３６の動作が十分に高速であれば、コンピュータ機器に動作に障害とならないような短時間でのスムーズな電源切替が可能である。
【００８７】
以下に実施例および比較例を挙げ、本発明を具体的に説明する。
［実施例１］
実施例１では、図２の電源切替装置１を用いて、三相３線式の架空配電線による給電を地中線による給電へ瞬時に切替える実験を行なった。このとき、電源切替装置１の既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ２の電圧波形、負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１の電圧波形・電流波形、および電圧線ＬＣ２の電圧波形を測定した。電圧波形・電流波形の測定には波形観測装置（メモリハイコーダ）を用いた。
【００８８】
図９は、実施例１における電源切替時の電圧波形・電流波形の測定結果を示すグラフである。図９で横軸は経過時間を示し、縦軸は電圧または電流を示す。
【００８９】
図９を参照して、電源切替は、図中の−０．８ｍｓの時刻で起こっていることがわかる（切替点を図中にＣＰで表示）。切替前では、電圧線ＬＡ２の電圧波形と電圧線ＬＣ２の電圧波形は一致している。切替後には、負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１の電圧波形・電流波形および電圧線ＬＣ２の電圧波形の各位相が１２０°変化する。しかし、切替の前後で、これらの電圧波形・電流波形は位相以外の変化が生じていない。このことは、切替後では、電圧線ＬＣ１，ＬＣ２の電圧波形は、位相が１２０°の異なる新設電源Ｂ側の電圧線ＬＢ１，ＬＢ２に一致したことを意味している。また、切替の前後で既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ２の電圧波形には変化がない。
【００９０】
以上によって、本発明の電源切替装置１を用いて、位相が異なる電源間でスムーズな瞬時の電源切替が実現されることが確認された。
【００９１】
［実施例２］
実施例２では、電源切替装置１を用いて、既設配電線による給電を発電機による給電へ瞬時に切替える実験を行なった。このとき、電源切替装置１の既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ１の電圧波形、新設電源Ｂ側の電圧線ＬＢ１の電圧波形、負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１の電圧波形・電流波形を測定した。電圧波形・電流波形の測定には波形観測装置（メモリハイコーダ）を用いた。
【００９２】
図１０は、実施例２における電源切替時の電圧波形・電流波形の測定結果を示すグラフである。図１０で横軸は経過時間を示し、縦軸は電圧または電流を示す。
【００９３】
図１０を参照して、電源切替は、図中の−０．６ｍｓの時刻で生じている（切替点を図中にＣＰで表示）。また、発電機の出力を示す電圧線ＬＢ１の電圧波形は、正弦波になっていないことがわかる。
【００９４】
切替前では、負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１の電圧波形は、電圧線ＬＡ１の電圧波形と一致している。電源切替によって、電圧線ＬＣ１の電圧波形は、図中のクロスポイントＣＰのところで、電圧線ＬＢ１の電圧波形に一致するように連続的に変化する。このとき、電源切替に起因する電圧波形および電流波形の歪は観測されていない。
【００９５】
以上によって、発電機などの不安定な電圧波形の場合にも、本発明の電源切替装置１を用いて、スムーズな瞬時の電源切替が実現することが確認された。
【００９６】
［比較例］
実施例２の比較例として、既設配電線からの給電を発電機からの給電に切替える場合について、電源切替のタイミングを最適なタイミングから、わざとずらした実験を行なった。実施例２と同様に、波形観測装置（メモリハイコーダ）を用いて、既設電源Ａ側の電圧線ＬＡ１の電圧波形、新設電源Ｂ側の電圧線ＬＢ１の電圧波形、負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１の電圧波形・電流波形を測定した。
【００９７】
図１１は、比較例における電源切替時の電圧波形・電流波形の測定結果を示すグラフである。図１０で横軸は経過時間を示し、縦軸は電圧または電流を示す。
【００９８】
図１１を参照して、電源切替は、図中のほぼ０ｓの時刻で生じている。切替前では、負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１の電圧波形は、電圧線ＬＡ１の電圧波形と一致している。時刻０ｓの電源切替の瞬間には、電圧線ＬＣ１の電圧は、飛びが生じることによって不連続的に発電機側の電圧線ＬＢ１の電圧に一致する。電源切替に伴って、電圧波形には細かな振動が重畳して観測される。また、電源切替後の負荷Ｃ側の電圧線ＬＣ１を流れる電流は大きく増加する。
【００９９】
このように、既設電源Ａの電圧波形と新設電源Ｂの電圧波形が交差するクロスポイントＣＰと異なる時点で電源切替を行なうと、実施例２の場合と異なり、電源切替に起因する異常な電圧波形・電流波形が観測されることが確認された。
【０１００】
今回開示された実施の形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の実施の形態１としての電源切替装置１を用いた電源切替作業を説明するための図である。
【図２】実施の形態１の電源切替装置１の構成を示すブロック図である。
【図３】制御部１０が電源切替を行なうタイミングを説明するための波形図である。
【図４】図２の電源切替装置１の電圧検出部ＶＳ１，ＶＳ３の構成の一例を示す回路図である。
【図５】図２の電源切替装置１の制御部１０の構成の一例を示すブロック図である。
【図６】図２の電源切替装置１のゲート駆動回路ＧＤ１，ＧＤ４、および半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４の構成の一例を示す回路図である。
【図７】図５のマイクロコンピュータ３６の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】図７のフローチャートのステップＳ７を変形したステップＳ７Ａの処理を示すフローチャートである。
【図９】実施例１における電源切替時の電圧波形・電流波形の測定結果を示すグラフである。
【図１０】実施例２における電源切替時の電圧波形・電流波形の測定結果を示すグラフである。
【図１１】比較例における電源切替時の電圧波形・電流波形の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０２】
１ 電源切替装置、１０ 制御部、２０ 演算増幅器、２１〜２６ 抵抗素子、３０ 切替回路、３６ マイクロコンピュータ、Ａ 既設電源、Ｂ 新設電源、Ｃ 負荷、Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、ＬＡ１，ＬＡ２ 電圧線（既設電源側）、ＬＢ１，ＬＢ２ 電圧線（新設電源側）、ＬＣ１，ＬＣ２ 電圧線（負荷側）、ＬＡｎ 中性線（既設電源側）、ＬＢｎ 中性線（新設電源側）、ＬＣｎ 中性線（負荷側）、Ｑ１，Ｑ２ ＩＧＢＴ、Ｒｙ１〜Ｒｙ６ 継電器、ＳＷ０ 切替スイッチ、ＳＷ１〜ＳＷ６ 半導体スイッチ、ＶＳ１〜ＶＳ４ 電圧検出部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２の電線が用いられる第１の交流電源と負荷との接続を、前記第１、第２の電線にそれぞれ対応する第３、第４の電線が用いられる第２の交流電源と前記負荷との接続へ切替える電源切替装置であって、
前記第１、第２の電線にそれぞれ設けられ、前記第１の交流電源と前記負荷とを接続する第１、第２のスイッチと、
前記第３、第４の電線にそれぞれ設けられ、前記第２の交流電源と前記負荷とを接続する第３、第４のスイッチと、
前記第１の交流電源から供給された前記第１、第２の電線間の電圧の瞬時値を検出する第１の電圧検出部と、
前記第２の交流電源から供給された前記第３、第４の電線間の電圧の瞬時値を検出する第２の電圧検出部と、
電源切替条件が成立したときに、前記第１、第２のスイッチを導通状態から非導通状態に切替え、前記第３、第４のスイッチを非導通状態から導通状態に切替える制御部とを備え、
前記電源切替条件は、前記第１、第２の電圧検出部の検出値の差が、予め定める範囲内であることを含む、電源切替装置。
【請求項２】
前記電源切替装置は、
前記第１の交流電源と前記負荷とをさらに接続するための第５の電線に設けられ、前記第１の交流電源と前記負荷とを接続する第５のスイッチと、
前記第５の電線に対応し、前記第２の交流電源と前記負荷とをさらに接続するための第６の電線に設けられ、前記第２の交流電源と前記負荷とを接続する第６のスイッチと、
前記第１の交流電源から供給された前記第１、第５の電線間の電圧の瞬時値を検出する第３の電圧検出部と、
前記第２の交流電源から供給された前記第３、第６の電線間の電圧の瞬時値を検出する第４の電圧検出部とをさらに備え、
前記制御部は、前記電源切替条件が成立したときに、前記第５のスイッチを導通状態から非導通状態にさらに切替え、前記第６のスイッチを非導通状態から導通状態にさらに切替え、
前記電源切替条件は、前記第３、第４の電圧検出部の検出値の差が、予め定める範囲内であることをさらに含む、請求項１に記載の電源切替装置。
【請求項３】
前記第１、第３の電線は、単相３線式の配電線の中性線であり、
前記第２、第４〜第６の電線は、単相３線式の配電線の電圧線である、請求項２に記載の電源切替装置。
【請求項４】
前記第１〜第４のスイッチの各々は、複数の半導体スイッチング素子を含み、
前記電源切替装置は、前記第１〜第４のスイッチとそれぞれ並列接続された第１〜第４の継電器をさらに備え、
前記制御部は、切替命令が与えられると、前記第１〜第４のスイッチの切替前に前記第１、第２の継電器を導通状態から非導通状態に切替え、前記第１〜第４のスイッチの切替後に、前記第３、第４の継電器を非導通状態から導通状態に切替える、請求項１に記載の電源切替装置。
【請求項５】
前記第１〜第４のスイッチの各々は、
互いに逆方向に直列に接続された第１、第２の半導体スイッチング素子と、
前記第１、第２の半導体スイッチング素子と逆方向で並列にそれぞれ接続された第１、第２の整流素子とを含む、請求項１に記載の電源切替装置。
【請求項６】
前記第２の電圧検出部は、
反転入力端子、非反転入力端子、および出力端子を有する演算増幅器と、
前記第３のスイッチの前記第２の交流電源側の接続ノードと前記非反転入力端子との間に設けられる第１の抵抗素子と、
前記第３のスイッチの前記負荷側の接続ノードと前記非反転入力端子との間に設けられる第２の抵抗素子と、
前記第４のスイッチの前記第２の交流電源側の接続ノードと前記反転入力端子との間に設けられる第３の抵抗素子と、
前記反転入力端子と前記出力端子との間に設けられる第４の抵抗素子とを含む、請求項１に記載の電源切替装置。
【請求項７】
前記第１の電圧検出部は、前記第３のスイッチ素子の前記負荷側の接続ノードと前記第４のスイッチ素子の前記負荷側の接続ノードとの間に直列に設けられる第５、第６の抵抗素子を含む、請求項６に記載の電源切替装置。
【請求項８】
第１、第２の電線が用いられる第１の交流電源と負荷との接続を、前記第１、第２の電線にそれぞれ対応する第３、第４の電線が用いられる第２の交流電源と前記負荷との接続へ切替える電源切替方法であって、
前記第１の交流電源から供給された前記第１、第２の電線間の電圧の瞬時値、および前記第２の交流電源から供給された前記第３、第４の電線間の電圧の瞬時値を検出するステップと、
前記検出するステップにおいて検出された前記第１の電線に対する前記第２の電線の電圧の瞬時値と、前記第３の電線に対する前記第４の電線の電圧の瞬時値との差が予め定める第１の範囲内にある電源切替条件を満たすか否かを判定するステップと、
前記電源切替条件が満たされたときに、前記第１の交流電源と前記負荷との接続を遮断し、前記第２の交流電源と前記負荷とを接続するステップとを備える、電源切替方法。
【請求項９】
前記第１の交流電源から供給された前記第１、第２の電線間の電圧の瞬時値、および前記第２の交流電源から供給された前記第３、第４の電線間の電圧の瞬時値を検出し、検出した瞬時値に基づいて前記第１、第２の電線間の電圧の実効値、および前記第３、第４の電線間の電圧の実効値を算出するステップと、
前記第１、第２の電線間の電圧の実効値と前記第３、第４の電線間の電圧の実効値との差が予め定める第２の範囲内にないとき、前記接続するステップの実行を中止するステップとをさらに備える、請求項８に記載の電源切替方法。
【請求項１】
第１、第２の電線が用いられる第１の交流電源と負荷との接続を、前記第１、第２の電線にそれぞれ対応する第３、第４の電線が用いられる第２の交流電源と前記負荷との接続へ切替える電源切替装置であって、
前記第１、第２の電線にそれぞれ設けられ、前記第１の交流電源と前記負荷とを接続する第１、第２のスイッチと、
前記第３、第４の電線にそれぞれ設けられ、前記第２の交流電源と前記負荷とを接続する第３、第４のスイッチと、
前記第１の交流電源から供給された前記第１、第２の電線間の電圧の瞬時値を検出する第１の電圧検出部と、
前記第２の交流電源から供給された前記第３、第４の電線間の電圧の瞬時値を検出する第２の電圧検出部と、
電源切替条件が成立したときに、前記第１、第２のスイッチを導通状態から非導通状態に切替え、前記第３、第４のスイッチを非導通状態から導通状態に切替える制御部とを備え、
前記電源切替条件は、前記第１、第２の電圧検出部の検出値の差が、予め定める範囲内であることを含む、電源切替装置。
【請求項２】
前記電源切替装置は、
前記第１の交流電源と前記負荷とをさらに接続するための第５の電線に設けられ、前記第１の交流電源と前記負荷とを接続する第５のスイッチと、
前記第５の電線に対応し、前記第２の交流電源と前記負荷とをさらに接続するための第６の電線に設けられ、前記第２の交流電源と前記負荷とを接続する第６のスイッチと、
前記第１の交流電源から供給された前記第１、第５の電線間の電圧の瞬時値を検出する第３の電圧検出部と、
前記第２の交流電源から供給された前記第３、第６の電線間の電圧の瞬時値を検出する第４の電圧検出部とをさらに備え、
前記制御部は、前記電源切替条件が成立したときに、前記第５のスイッチを導通状態から非導通状態にさらに切替え、前記第６のスイッチを非導通状態から導通状態にさらに切替え、
前記電源切替条件は、前記第３、第４の電圧検出部の検出値の差が、予め定める範囲内であることをさらに含む、請求項１に記載の電源切替装置。
【請求項３】
前記第１、第３の電線は、単相３線式の配電線の中性線であり、
前記第２、第４〜第６の電線は、単相３線式の配電線の電圧線である、請求項２に記載の電源切替装置。
【請求項４】
前記第１〜第４のスイッチの各々は、複数の半導体スイッチング素子を含み、
前記電源切替装置は、前記第１〜第４のスイッチとそれぞれ並列接続された第１〜第４の継電器をさらに備え、
前記制御部は、切替命令が与えられると、前記第１〜第４のスイッチの切替前に前記第１、第２の継電器を導通状態から非導通状態に切替え、前記第１〜第４のスイッチの切替後に、前記第３、第４の継電器を非導通状態から導通状態に切替える、請求項１に記載の電源切替装置。
【請求項５】
前記第１〜第４のスイッチの各々は、
互いに逆方向に直列に接続された第１、第２の半導体スイッチング素子と、
前記第１、第２の半導体スイッチング素子と逆方向で並列にそれぞれ接続された第１、第２の整流素子とを含む、請求項１に記載の電源切替装置。
【請求項６】
前記第２の電圧検出部は、
反転入力端子、非反転入力端子、および出力端子を有する演算増幅器と、
前記第３のスイッチの前記第２の交流電源側の接続ノードと前記非反転入力端子との間に設けられる第１の抵抗素子と、
前記第３のスイッチの前記負荷側の接続ノードと前記非反転入力端子との間に設けられる第２の抵抗素子と、
前記第４のスイッチの前記第２の交流電源側の接続ノードと前記反転入力端子との間に設けられる第３の抵抗素子と、
前記反転入力端子と前記出力端子との間に設けられる第４の抵抗素子とを含む、請求項１に記載の電源切替装置。
【請求項７】
前記第１の電圧検出部は、前記第３のスイッチ素子の前記負荷側の接続ノードと前記第４のスイッチ素子の前記負荷側の接続ノードとの間に直列に設けられる第５、第６の抵抗素子を含む、請求項６に記載の電源切替装置。
【請求項８】
第１、第２の電線が用いられる第１の交流電源と負荷との接続を、前記第１、第２の電線にそれぞれ対応する第３、第４の電線が用いられる第２の交流電源と前記負荷との接続へ切替える電源切替方法であって、
前記第１の交流電源から供給された前記第１、第２の電線間の電圧の瞬時値、および前記第２の交流電源から供給された前記第３、第４の電線間の電圧の瞬時値を検出するステップと、
前記検出するステップにおいて検出された前記第１の電線に対する前記第２の電線の電圧の瞬時値と、前記第３の電線に対する前記第４の電線の電圧の瞬時値との差が予め定める第１の範囲内にある電源切替条件を満たすか否かを判定するステップと、
前記電源切替条件が満たされたときに、前記第１の交流電源と前記負荷との接続を遮断し、前記第２の交流電源と前記負荷とを接続するステップとを備える、電源切替方法。
【請求項９】
前記第１の交流電源から供給された前記第１、第２の電線間の電圧の瞬時値、および前記第２の交流電源から供給された前記第３、第４の電線間の電圧の瞬時値を検出し、検出した瞬時値に基づいて前記第１、第２の電線間の電圧の実効値、および前記第３、第４の電線間の電圧の実効値を算出するステップと、
前記第１、第２の電線間の電圧の実効値と前記第３、第４の電線間の電圧の実効値との差が予め定める第２の範囲内にないとき、前記接続するステップの実行を中止するステップとをさらに備える、請求項８に記載の電源切替方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−１２４８４５（Ｐ２００９−１２４８４５Ａ）
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２９５５６７（Ｐ２００７−２９５５６７）
【出願日】平成１９年１１月１４日（２００７．１１．１４）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月１４日（２００７．１１．１４）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
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