JP2005354756A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交流電源と並列接続される並列変換器と交流電源と直列接続される直列変換器を用いて構成する直並列回路方式による無停電電源装置において、過負荷レベル付近での運転中に、入力電圧が急変しても、直列側変換器を構成している半導体スイッチの責務が増加せず、装置が破損に至らないようにする。
【解決手段】PWM制御している3つの入力電圧範囲(VL2≦Vin＜VL1，VU1＜Vin≦VU2，Vin＜VL2またはVU2＜Vin)で、出力電圧目標値Voutを同一の目標値とすることにより、上記の３つの入力電圧範囲において、入力電圧によって出力電力が変動することを抑制すると共に，直列側変換器の半導体スイッチの責務の増加を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は，交流電源から負荷に安定した電力を供給すると共に，交流電源の異常時には，エネルギー蓄積手段に蓄えられたエネルギーにより負荷に電力を供給するいわゆる無停電電源装置の出力電圧補償方式に関する。

図３に特許文献１に記載の無停電電源装置の従来例を示す。これは交流電源と並列接続される並列変換器と交流電源と直列接続される直列変換器を用いて構成する直並列回路方式による無停電電源装置である。

図３において，並列側変換器１はその交流側が開閉スイッチ９を介して交流電源５と並列に接続され，直列側変換器２はその交流側が開閉スイッチ９および切替えスイッチ１０を介して，交流電源５と負荷６との間に直列に接続され，並列側変換器１および直列側変換器２の直流側は，エネルギー蓄積手段３に接続されている。また，制御装置４は並列側変換器１，直列側変換器２，開閉スイッチ９，および切替えスイッチ１０を制御する。制御装置４は，入力電圧検出器７で検出した入力電圧値Vin，および直流電圧検出器１２で検出した直流電圧値Vdに基づき，エネルギー蓄積手段３の電圧を所定電圧に維持する制御を行う共に，入力電圧値Vinおよび出力電圧検出器８で検出した出力電圧値Voutに基づき，負荷に印加される電圧，即ち出力電圧の制御を行う。

次に，動作の詳細について説明する。図３の無停電電源装置では，制御装置４に設けられた出力電圧指令切替え部１３により，図４に示すように，入力電圧値Vinに応じて出力電圧目標値Vout*を切替える。

入力電圧値Vinが出力電圧許容値の下限値(以下，VL1と称する)以上で，かつ出力電圧許容値の上限値(以下，VU1と称する)以下である場合(VL1≦Vin≦VU1)，開閉スイッチ９を閉じ，切替えスイッチ１０をバイパス回路１１側に投入する。即ち，入力電圧を直接出力する商用給電運転を行う。そして，直列側変換器２を停止させることで，装置の低損失化を図っている。並列側変換器１は，エネルギー蓄積手段３の直流電圧値Vdが所定電圧となるように，制御装置４からの並列側出力電圧指令Vpara*に基づき整流器動作する。

入力電圧値Vinが入力電圧低下検知レベル(以下，VL2と称する)以上で，かつVL１より小さい場合(VL2≦Vin＜VL1)，出力電圧目標値Vout*をVL1とし，直列側変換器２は出力電圧がVL1となるように，入力電圧の不足分(VL1−Vin)をPWM制御により出力する。この時、並列側変換器１は，エネルギー蓄積手段３の直流電圧値Vdが所定電圧となるように，制御装置４からの並列側出力電圧指令Vpara*に基づき整流器動作する。

入力電圧値VinがVU1より大きく，かつ入力電圧上昇検知レベル(以下，VU2と称する)以下である場合(VU1＜Vin≦VU2)，出力電圧目標値Vout*をVU1とし，直列側変換器２は出力電圧がVU1となるように，入力電圧の過剰分(VU1−Vin)をPWM制御により出力する。並列側変換器１は，エネルギー蓄積手段３の直流電圧値Vdが規定電圧となるように，制御装置４からの並列側出力電圧指令Vpara*に基づき整流器動作する。

入力電圧値VinがVL2より小さい，またはVU2より大きい場合(Vin＜VL2またはVU2＜Vin)，入力電圧異常と判断し，無停電電源装置はバックアップ運転を行う。バックアップ運転では，直列側変換器２を停止しさせると共に，出力電圧目標値Vout*をVrとする。並列側変換器１は，出力電圧目標値Vout*に基づき，出力電圧が規定電圧Vrとなるようにインバータ動作し，エネルギー蓄積手段３のエネルギーを用いて，負荷への電力供給を継続する。
特開2000-184622号公報(第５頁，図１，図２)

従来例では，入力電圧VinがVL2≦Vin＜VL1の場合，出力電圧VoutがVL1になるように，VU1＜Vin≦VU2の場合，出力電圧VoutがVU1になるように，直列側変換器をPWM制御している。 このため，過負荷レベル付近での運転中において，入力電圧が急変し，VL2≦Vin＜VL1の範囲からVU1＜Vin≦VU2の範囲になった場合，出力電圧目標値Vout*がVL1からVU1に切替わるため，無停電電源装置の出力電力は増加する。その結果，VU1＜Vin≦VU2の範囲で，直列側変換器を構成している半導体スイッチの責務が増加し，最悪な場合には装置の破損に至るという問題がある。

また，従来例では，PWM制御している3つの入力電圧範囲(VL2≦Vin＜VL1，VU1＜Vin≦VU2，Vin＜VL2またはVU2＜Vin)で出力電圧目標値を切替えている。このため，制御シーケンスが複雑になるだけでなく，入力電圧によって出力電力が異なり，同一負荷でも過負荷検知を行う場合と行わない場合が生じるという問題点がある。さらに，入力電圧の範囲が，VL2≦Vin＜VL1またはVU1＜Vin≦VU2である場合，許容下限電圧または許容上限電圧を出力しているため，この状態で入力電圧が急変すると，制御遅れにより補償動作ができず，ある期間，出力電圧が許容範囲を超えるという問題がある。

そこで，本発明の目的はこれらの問題点を解決する無停電電源装置を実現することにある。

入力電圧がVU1＜Vin≦VU2の範囲で，直列側変換器を構成している半導体スイッチの責務の増加や，同一負荷にも関わらず，過負荷検知を行う場合と行わない場合があるのは，PWM制御している3つの入力電圧範囲(VL2≦Vin＜VL1，VU1＜Vin≦VU2，Vin＜VL2またはVU2＜Vin)で，出力電圧目標値Vout*が異なるためである。

本発明は，上記の３つの入力電圧範囲で，出力電圧目標値Vout*を同一の目標値とすることで，上記の３つの入力電圧範囲において，入力電圧によって出力電力が変動することを抑制できると共に，直列側変換器の半導体スイッチの責務の増加を抑制できることに着目してなされたものである。

第１の発明は，PWM制御する前記3つの入力電圧範囲で，出力電圧目標値を同一の所定電圧値とすることにより，入力電圧によって出力電力が変動することを抑制すると共に，入力電圧範囲VU1＜Vin≦VU2において，直列側変換器の半導体スイッチの責務の増加を抑制するものである。

第２の発明は，第１の発明において，入力電圧範囲VL1≦Vi≦VU1における商用給電に代えて，直列側変換器を構成する半導体スイッチを，電源の極性に合わせて電源周波数でスイッチングすることにより，入力電圧を半導体スイッチを介して直接出力し，低損失化を図るものである。

本発明によれば，PWM制御する上記の3つの入力電圧範囲で，出力電圧目標値を同一の目標値としているため，上記の３つの入力電圧範囲において，無停電電源装置の出力電圧は所定値に維持され，入力電圧によって出力電力が変動することを抑制できると共に，直列側変換器の半導体スイッチの責務の増加を抑制することができる。

また，入力電圧範囲VL1≦Vi≦VU1において，電源周波数でスイッチングする半導体スイッチを介して，入力電圧を出力するため，商用給電に切替えることなく，装置の低損失化を図れる。

本発明の第1の実施例を図1に基づいて説明する。無停電電源装置の構成は，従来例の図３と同じであり，異なる点は，図４の出力電圧パターンに代えて，図１に示す出力電圧パターンにより出力電圧制御を行う点である。

入力電圧値VinがVL2≦Vin＜VL1である場合，出力電圧目標値Vout*をVrとし，直列側変換器２は出力電圧がVrとなるように，入力電圧の不足分(Vr−Vin)をPWM制御により出力する。並列側変換器１は，エネルギー蓄積手段３の直流電圧値Vdが規定電圧となるように，制御装置４からの並列側出力電圧指令Vpara*に基づき整流器動作する。

入力電圧値VinがVU1＜Vin≦VU2である場合，出力電圧目標値Vout*をVrとし，直列側変換器２は出力電圧がVrとなるように，入力電圧の過剰分(Vr−Vin)をPWM制御により出力する。並列側変換器１は，エネルギー蓄積手段３の直流電圧値Vdが規定電圧となるように，制御装置４からの並列側出力電圧指令Vpara*に基づき整流器動作する。

その他の入力電圧範囲の動作については，従来例と同じである。

上述のように，PWM制御する3つの入力電圧範囲(VL2≦Vin＜VL1，VU1＜Vin≦VU2，Vin＜VL2またはVU2＜Vin)で，出力電圧目標値を同一の目標値とすることにより，上記３つの入力電圧範囲において，無停電電源装置の出力電圧は所定値に維持され，入力電圧によって出力電力が変動することを抑制できると共に，直列側変換器の半導体スイッチの責務の増加を抑制することができる。

本発明の第２の実施例を図２に基づいて説明する。図３と同一部品は同一記号を付して，その説明を省略する。

図２は従来例と同様，直並列回路方式の無停電電源装置であり，直列側変換器が並列側変換器よりも負荷側に接続された例である。図２に示すように，無停電電源装置は，並列側変換器１００，直列側変換器１０１，エネルギー蓄積手段３，入力フィルタコンデンサ３３，出力フィルタコンデンサ３４，入力フィルタリアクトル４０，および出力フィルタリアクトル４１からなる。並列側変換器１００は，半導体スイッチ１０２，１０３とこれらに逆並列に接続されたダイオード１０８，１０９で構成される並列レグ２００と，半導体スイッチ１０４，１０５とこれらに逆並列に接続されたダイオード１１０，１１１で構成される共通レグ２０１からなる。直列側変換器１０１は，半導体スイッチ１０６，１０７とこれらに逆並列に接続されたダイオード１１２，１１３で構成される直列レグ２０２と，共通レグ２０１からなる。共通レグ２０１は並列側変換器１００と直列側変換器１０１で共通に使用され，並列レグ２００と共通レグ２０１の線間電圧が並列側変換器１００の出力電圧，直列レグ２０２と共通レグ２０１の線間電圧が直列側変換器１０１の出力電圧となる。

次に，動作の詳細について述べる。

入力電圧値VinがVL1≦Vi≦VU1である場合，入力電圧が正のとき(Vin≧0)，半導体スイッチ１０４，１０６をオンし，入力電圧が負のとき(Vin＜0)，半導体スイッチ１０５，１０７をオンし，入力電圧を半導体スイッチおよびダイオードを介して出力する。

入力電圧値VinがVin＜VL2またはVU2＜Vinである場合，入力電圧異常と判断し，バックアップ運転を行う。バックアップ運転では，並列レグ２００と直列レグ２０２でインバータを構成し，出力電圧を所定電圧Vrに維持する。

その他の入力電圧範囲の動作については，第1の実施例と同じである。

上述のように，入力電圧値VinがVL1≦Vi≦VU1である場合，入力電圧の極性に合わせて，入力電圧の周波数で直列側変換器２の半導体スイッチをスイッチングさせるため，PWM制御時に比べ，スイッチング損失を低減できる。また，従来例のようにバイパス回路に切替えないため，切替えスイッチの動作に伴う出力電圧の乱れは発生しない。

なお，実施例では，入力電圧が正のとき(Vin≧0)，半導体スイッチ１０４，１０６をオン，入力電圧が負のとき(Vin＜0)，半導体スイッチ１０５，１０７をオンとしたが，その逆で，入力電圧が正のとき，半導体スイッチ１０５，１０７をオン，入力電圧が負のとき，半導体スイッチ１０４，１０６をオンとしても同様に電圧を出力できることは言うまでもない。

本発明は、入出力が単相交流の場合のみならず、入力が三相交流で出力が単相交流の場合や入出力が三相交流の場合においても利用可能である。

本発明の実施例を示す動作パターン 直並列回路方式の無停電電源装置の回路例 無停電電源装置の従来例 従来の無停電電源装置の動作パターン

符号の説明

１・・・並列側変換器 ２・・・直列側変換器 ３・・・エネルギー蓄積手段
４・・・制御装置 ５・・・交流電源 ６・・・負荷
７・・・入力電圧検出器 ８・・・出力電圧検出器 ９・・・開閉スイッチ
１０・・・切替えスイッチ １１・・・バイパス回路
１２・・・直流電圧検出器 １３・・・出力電圧指令切替え部
３３、３４・・・コンデンサ ４０、４１・・・リアクトル
１００・・・並列側変換器 １０１・・・直列側変換器
２００・・・並列レグ ２０１・・・共通レグ ２０２・・・直列レグ
１０２〜１０７・・・半導体スイッチ １０８〜１１３・・・ダイオード

Claims (2)

1. 電源系統に対して並列に接続される第一の変換器と，電源系統に対し直列に接続される第二の変換器と，前記第一の変換器と前記第二の変換器との間で電力の融通が可能なように配置されたエネルギー蓄積手段と，前記第一の変換器および前記第二の変換器の制御を行う制御装置を含む無停電電源装置において，
   前記制御装置内に出力電圧指令切替え手段を設け，
   基準電圧値を含んだ第一の下限電圧値以上かつ第一の上限電圧値以下の第一の電圧範囲と，
   前記第一の下限電圧値より低くかつ第二の下限電圧値以上である第二の電圧範囲と，
   前記第一の上限電圧値より高くかつ第二の上限電圧値以下である第三の電圧範囲と，
   前記第二の下限電圧値よりも低い第四の電圧範囲と，
   前記第二の上限電圧値よりも高い第五の電圧範囲とを設定し，
   前記電源系統の電圧が，前記第一の電圧範囲内であるとき，前記系統電圧を直接出力し，
   前記電源系統の電圧が，前記第二または前記第三の電圧範囲内であるとき，前記第二の変換器により前記電源系統の電圧を補償し，前記基準電圧値を出力し，
   前記電源系統の電圧が，前記第四または前記第五の電圧範囲にあるとき，前記第一の変換器により，前記基準電圧値を出力することを特徴とする無停電電源装置。
   
2. 電源系統に対して並列に接続される第一の変換器と，電源系統に対し直列に接続される第二の変換器と，前記第一の変換器と前記第二の変換器との間で電力の融通が可能なように配置されたエネルギー蓄積手段と，前記第一の変換器および前記第二の変換器の制御を行う制御装置を含む無停電電源装置において，
   前記制御装置内に出力電圧指令切替え手段を設け，
   基準電圧値を含んだ第一の下限電圧値以上かつ第一の上限電圧値以下の第一の電圧範囲と，
   前記第一の下限電圧値より低くかつ第二の下限電圧値以上である第二の電圧範囲と，
   前記第一の上限電圧値より高くかつ第二の上限電圧値以下である第三の電圧範囲と，
   前記第二の下限電圧値よりも低い第四の電圧範囲と，
   前記第二の上限電圧値よりも高い第五の電圧範囲とを設定し，
   前記電源系統の電圧が，前記第一の電圧範囲内であるとき，前記第二の変換器にその出力が短絡状態となる動作をさせて，前記系統電圧を直接出力し，
   前記電源系統の電圧が，前記第二または前記第三の電圧範囲内であるとき，前記第二の変換器により前記電源系統の電圧を補償し，前記基準電圧値を出力し，
   前記電源系統の電圧が，前記第四または前記第五の電圧範囲にあるとき，前記第一の変換器と前記第二の変換器により，前記基準電圧値を出力することを特徴とする無停電電源装置。

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