JP2005354781A

JP2005354781A - 無停電電源装置

Info

Publication number: JP2005354781A
Application number: JP2004171093A
Authority: JP
Inventors: Junichi Ito; 淳一伊東; Hirokazu Kodachi; 博和小太刀
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】正常時は交流電源から負荷へ電力を供給し、停電や電源電圧低下時には、停電検出を行なわずに無瞬断で電力変換器による給電に切替可能とした高効率かつ小形、低コストの無停電電源装置を提供する。
【解決手段】交流電源１と負荷５との間に接続された第１の双方向スイッチ１１と、交流電力を出力するインバータ３と負荷５との間に接続された第２の双方向スイッチ１２と、交流電源の正常時における電圧極性の検出手段１０と、検出した電圧極性に応じて第１及び第２の双方向スイッチ１１，１２をオンオフさせる手段と、を備え、各双方向スイッチ１１，１２は、入出力側の双方向に電流をそれぞれ独立して制御可能な少なくとも２個の半導体スイッチング素子を有すると共に、インバータ３の出力電圧を交流電源１の正常時の電圧よりも低く設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源の電圧低下や停電が発生した際にも負荷に電力を供給することができる無停電電源装置に関し、特に、交流電源の正常時には電源から負荷に電力を直接供給し、電源の異常発生時にはバッテリ等のエネルギー蓄積要素からインバータ等の電力変換器を介して負荷へ電力を供給する常時商用方式の無停電電源装置に関するものである。

図５は、従来の無停電電源装置の構成例を示しており、１は交流電源（商用電源）、２はＰＷＭ整流器、３はインバータ、４はバッテリ、５は負荷、６は直送スイッチ、７は切り離しスイッチである。
その動作を説明すると、電源１の正常時は切り離しスイッチ７をオンし、電源１から負荷５へＰＷＭ整流器２及びインバータ３を介して電力を供給する。なお、ＰＷＭ整流器２の入力部、インバータ３の出力部には、ＰＷＭ制御のキャリア周波数成分を除去するフィルタが挿入されている。

停電や電圧低下等の電源異常を、図示されていない停電検出手段により検出した場合、バッテリ４の直流電力を用いてインバータ３により負荷５に電力を供給する。
前記直送スイッチ６及び切り離しスイッチ７は、例えばサイリスタを逆並列に接続した双方向スイッチにより構成されており、ＰＷＭ整流器２やインバータ３が故障した場合に直送スイッチ６をオンし、切り離しスイッチ７をオフすることにより、電源１から負荷５へ電力を直接供給するようになっている。
この種の無停電電源装置は、例えば後述する特許文献１に記載されている。

また、図６は、常時商用方式の無停電電源装置の従来技術を示しており、図５と同一の構成要素には同一の符号を付してある。
図６に示した常時商用方式では、正常時、直送スイッチ６をオンし、交流電源１から負荷５へ電力を直接供給する。停電や電源電圧低下を検出した場合には、直送スイッチ６をオフし、バッテリ４の直流電力が加えられているバックアップ用のインバータ３により負荷５へ電力を供給する。この種の無停電電源装置は、例えば下記の特許文献２に記載されている。

特開平５−２６０６８３号公報（段落［０００３］〜［０００７］、図４等）特開２００３−２４４８６８号公報（段落［００１１］〜［００１８］、図１等）

図５に示した無停電電源装置は、正常時にＰＷＭ整流器２及びインバータ３を介して負荷５に電力を供給しているため、これらの電力変換器による損失が効率低下の原因になると共に、ＰＷＭ整流器２及びインバータ３が必要であるため、装置全体が大型化したりコスト高になるという問題がある。

図６に示した常時商用方式の無停電電源装置の場合、電源電圧低下や瞬時停電を検出してから直送スイッチ６をオフするため、停電検出用のフィルタ等の遅れ要素に起因して停電検出が遅れることがあり、インバータ３によるバックアップ動作が遅れて出力電圧が瞬断する場合がある。この瞬断を防止するために、停電検出用のフィルタの時定数を小さくすると、ノイズによる誤動作が発生するおそれがあり、信頼性の低下を招くという問題がある。

そこで本発明の解決課題は、正常時は交流電源から負荷へ電力を供給しながら、停電や電源電圧低下時には、停電検出を行うことなく無瞬断で電力変換器による負荷への給電に自動的に切り替えるようにした、高効率かつ小形、低コストの無停電電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、交流電源と負荷との間に接続された第１の双方向スイッチと、交流電力を出力するバックアップ用の電力変換器と負荷との間に接続された第２の双方向スイッチと、交流電源電圧の正常時における極性を検出する電圧極性検出手段と、この電圧極性検出手段により検出した極性に応じて第１及び第２の双方向スイッチをオンオフさせる手段と、を備え、
第１及び第２の双方向スイッチは、入出力側の双方向に電流をそれぞれ独立して制御可能な少なくとも２個の半導体スイッチング素子を有すると共に、
前記電力変換器の出力電圧を交流電源の正常時の電圧よりも低く設定するものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１において、交流電源電圧の極性に応じて負荷電流を流す方向の各双方向スイッチ内の半導体スイッチング素子をオンさせるものである。

請求項３に記載した発明は、交流電源と負荷との間に接続された第１の双方向スイッチと、交流電力を出力するバックアップ用の電力変換器と負荷との間に接続された第２の双方向スイッチと、負荷電流の極性を検出する電流極性検出手段と、この電流極性検出手段により検出した極性に応じて第１及び第２の双方向スイッチをオンオフさせる手段と、を備え、
第１及び第２の双方向スイッチは、入出力側の双方向に電流をそれぞれ独立して制御可能な少なくとも２個の半導体スイッチング素子を有すると共に、前記電力変換器の出力電圧を交流電源の正常時の電圧よりも低く設定するものである。

請求項４に記載した発明は、請求項３において、負荷電流の極性に応じて負荷電流を流す方向の各双方向スイッチ内の半導体スイッチング素子をオンさせるものである。

本発明によれば、交流電源と負荷との間、及び、インバータ等の電力変換器と負荷との間に第１及び第２の双方向スイッチをそれぞれ接続し、これらの双方向スイッチを、電源電圧極性または負荷電流極性に応じてオンオフ制御するため、フィルタ等を用いて停電を検出することなく、自動的に無瞬断で電力変換器によるバックアップモードに移行させることができ、耐ノイズ性に優れて信頼性が高い無停電電源装置を提供することができる。
また、交流電源の正常時には電力変換器を介さずに給電する常時商用方式であるため、高効率化が可能である。
更に、回路構成としては、従来の常時商用方式の無停電電源装置に極性検出手段、双方向スイッチ及びその制御手段を付加するだけでよいから、装置全体が大形化するおそれも少なく、小形化、低コスト化に寄与する。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は請求項１，２に対応する本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図５，図６と同一の構成要素には同一の符号を付してある。この実施形態は、基本的には図６に示したような常時商用方式の回路構成であり、電流方向を双方向に独立して制御可能な第１，第２の双方向スイッチを用いる点を特徴としている。

すなわち、図１において、１１，１２は第１，第２の双方向スイッチであり、これらの双方向スイッチ１１，１２は、例えばＩＧＢＴ等の自己消弧形半導体スイッチング素子を２個、逆並列に接続して構成されている。スイッチング素子１１ｐ，１１ｎによって構成された双方向スイッチ１１は、交流電源１と負荷５との間に接続されている。また、スイッチング素子１２ｐ，１２ｎによって構成された双方向スイッチ１２は、バッテリ４が接続されたバックアップ用のインバータ３の交流側と負荷５との間に接続されている。

なお、図１ではスイッチング素子１１ｐ，１１ｎ，１２ｐ，１２ｎに逆阻止ＩＧＢＴを使用した例を想定しているが、スイッチング素子に逆耐圧がない場合には、素子にダイオードを直列接続してもよく、また、双方向スイッチをサイリスタを用いて構成し、所望の電流方向のサイリスタのゲートを繰り返し点弧するように構成してもよい。

更に図１において、交流電源１には電源電圧極性検出手段１０が接続されており、その極性検出信号に応じて、図示しない制御手段が双方向スイッチ１１，１２内の各スイッチング素子１１ｐ，１１ｎ，１２ｐ，１２ｎのオンオフを制御するように構成されている。
ここで、上記制御手段１０は、交流電源１の電圧が正の時には負荷５に向かって電流が流れる方向のスイッチング素子１１ｐ，１２ｐをオンさせ、交流電源１の電圧が負の時には交流電源１に向かって電流が流れる方向のスイッチング素子１１ｎ，１２ｎをオンさせるものである。

図２は、第１実施形態の原理図を示すものであり、図１における交流電源１の電圧が、ある正の値であるときの交流電源１を直流電源１Ａにより模擬し、バッテリ４を電源とするインバータ３を可変直流電源３Ａにより模擬し、双方向スイッチ１１，１２をダイオード１１Ａ，１２Ａにより模擬している。

このとき、交流電源１（直流電源１Ａ）の電圧がインバータ３（可変直流電源３Ａ）の出力電圧より大きいと、ダイオード１１Ａは順バイアスされてオンし、ダイオード１２Ａは逆バイアスされるためオフする。一方、停電や電源電圧低下により交流電源１（直流電源１Ａ）の電圧がインバータ３（可変直流電源３Ａ）の出力電圧より小さくなると、ダイオード１１Ａは逆バイアスされてオフし、ダイオード１２Ａは順バイアスされてオンする。
すなわち、ダイオード１１Ａ，１２Ａは交流電源１（直流電源１Ａ）の電圧とインバータ３（可変直流電源３Ａ）の出力電圧との大小関係によって導通または非導通が自動的に決まり、大きい方の電圧が負荷５に供給されることになる。
本発明では、上記原理を用いて常時商用方式の無停電電源装置を実現するものである。

図３は、第１実施形態の動作説明図である。
交流電源１の電圧極性を電源電圧極性検出手段１０により検出し、その検出信号を用いて、制御手段が、電源電圧極性と同方向の電流を流せる双方向スイッチ１１，１２内のスイッチング素子１１ｐまたは１１ｎ、及び、１２ｐまたは１２ｎをオンする。上記スイッチング素子１１ｐ，１１ｎ，１２ｐ，１２ｎは、ゲートをオンしてもコレクタ電位がエミッタ電位より高い状態、すなわち順バイアス状態にならないと導通しない。

いま、図３に示すように、インバータ３の出力電圧が常に交流電源１の電圧より低くなるように設定しておく。
この場合、電源電圧の正常時（図３の期間Ｔ１）には、双方向スイッチ１２のスイッチング素子１２ｐ，１２ｎは常に逆バイアスされるため導通せず、インバータ３が動作していても負荷５に電力を供給することはない。つまり、インバータ３に負荷電流が流れることはない。
一方、双方向スイッチ１１のスイッチング素子１１ｐ，１１ｎについては、電源電圧の極性が正の時に順バイアス状態のスイッチング素子１１ｐがオンし、電源電圧の極性が負の時に順バイアス状態のスイッチング素子１１ｎがオンすることにより、負荷５に交流電圧が印加され、商用給電が実現される。

この結果、電源電圧の正常時には双方向スイッチ１１を介して交流電源１から負荷５に電力が供給される一方で、インバータ３は動作しているが負荷５に電力を供給することはない。すなわち、期間Ｔ１ではインバータ３を介して電力供給を行わないため、効率の低下は生じない。

また、交流電源１の停電や電圧低下により、電源電圧がインバータ３の出力電圧より小さくなる異常時（図３の期間Ｔ２）には、双方向スイッチ１１のスイッチング素子１１ｐ，１１ｎは常に逆バイアスされ、双方向スイッチ１２のスイッチング素子１２ｐ，１２ｎはインバータ３の出力電圧の正負に応じてそれぞれ順バイアスまたは逆バイアスとなる。
この期間Ｔ２では、インバータ３の出力電圧の極性が期間Ｔ２１では正、期間Ｔ２２では負であり、電源電圧の正常時（期間Ｔ１）における検出極性と同じタイミングで双方向スイッチ１２のスイッチング素子１２ｐ，１２ｎのオンオフを制御すれば、インバータ３の出力電圧を双方向スイッチ１２を介して負荷５に印加することができる。

すなわち、交流電源１の停電時には電源電圧の極性検出が不可能になるが、期間Ｔ２のような異常時でも、正常時（期間Ｔ１）に検出した電源電圧の極性に応じたタイミングでスイッチング素子１１ｐ，１１ｎ，１２ｐ，１２ｎをオンオフすればよい。ちなみに、図３の期間Ｔ２における期間Ｔ２１では、負荷電流を負荷方向（正方向）に流すスイッチング素子１２ｐをオンさせ、期間Ｔ２２では、負荷電流を電源方向（負方向）に流すスイッチング素子１２ｎをオンさせることになる。
なお、この間、双方向スイッチ１１についても、正常時（期間Ｔ１）と同じタイミングでスイッチング素子１１ｐ，１１ｎをオンオフさせて構わない。但し、前述したようにスイッチング素子１１ｐ，１１ｎはこの間、常に逆バイアス状態であるため、非導通である。

上述したような動作の結果、本実施形態ではフィルタを用いて交流電源１の停電を検出したり電圧低下を検出しなくても、交流電源１の異常時には自動的にインバータ３によるバックアップモードに移行させることができ、フィルタに起因する停電検出の遅れ、及びこれによるバックアップ動作の遅れを生じることがない。従って、出力電圧の瞬断も発生しない。
また、図３に示すように、期間Ｔ１，Ｔ２の境界で負荷５への印加電圧が若干低下するが、バックアップモードに移行した際の電圧はインバータ３の出力電圧設定値であるから、従来の常時商用方式の無停電電源装置のように出力電圧が陥没するのを防止することができる。
なお、図３における期間Ｔ３は、電源電圧が復帰した期間である。

ここで、バッテリ４の充電時は、双方向スイッチ１２のスイッチング素子１２ｐ，１２ｎを何れも導通させてインバータ３によりバッテリ４にエネルギーを供給すればよい。

次に、図４は請求項３，４に対応する本発明の第２実施形態を示す構成図である。
この実施形態では、負荷５の電流を検出する電流検出手段３１を設け、この検出手段３１により検出した負荷電流を電流極性検出手段３２に入力してその極性を検出する。そして、この負荷電流の極性に応じて、図示しない制御手段が、正の電流を流すときは双方向スイッチ１１，１２のスイッチング素子１１ｐ，１２ｐをオンし、負の電流を流すときはスイッチング素子１１ｎ，１２ｎをオンする。
この結果、負荷力率が１でない場合でも、インバータ３によるバックアップ動作が可能となる。

なお、上記各実施形態では単相無停電電源装置を例示して説明したが、本発明は三相無停電電源装置等の多相電源装置にも適用可能である。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。第１実施形態の原理説明図である。第１実施形態の動作説明図である。本発明の第２実施形態を示す構成図である。従来の無停電電源装置を示す構成図である。常時商用方式の従来の無停電電源装置を示す構成図である。

符号の説明

１：交流電源
１Ａ：直流電源
３：インバータ
３Ａ：可変直流電源
４：バッテリ
５：負荷
１０：電源電圧極性検出手段
１１，１２：双方向スイッチ
１１Ａ，１２Ａ：ダイオード
１１ｐ，１１ｎ，１２ｐ，１２ｎ：半導体スイッチング素子
３１：電流検出手段
３２：電流極性検出手段

Claims

交流電源と負荷との間に接続された第１の双方向スイッチと、
交流電力を出力するバックアップ用の電力変換器と負荷との間に接続された第２の双方向スイッチと、
交流電源電圧の正常時における極性を検出する電圧極性検出手段と、
この電圧極性検出手段により検出した極性に応じて第１及び第２の双方向スイッチをオンオフさせる手段と、を備え、
第１及び第２の双方向スイッチは、入出力側の双方向に電流をそれぞれ独立して制御可能な少なくとも２個の半導体スイッチング素子を有すると共に、
前記電力変換器の出力電圧を交流電源の正常時の電圧よりも低く設定することを特徴とする無停電電源装置。
請求項１に記載した無停電電源装置において、
交流電源電圧の極性に応じて負荷電流を流す方向の各双方向スイッチ内の半導体スイッチング素子をオンさせることを特徴とする無停電電源装置。
交流電源と負荷との間に接続された第１の双方向スイッチと、
交流電力を出力するバックアップ用の電力変換器と負荷との間に接続された第２の双方向スイッチと、
負荷電流の極性を検出する電流極性検出手段と、
この電流極性検出手段により検出した極性に応じて第１及び第２の双方向スイッチをオンオフさせる手段と、を備え、
第１及び第２の双方向スイッチは、入出力側の双方向に電流をそれぞれ独立して制御可能な少なくとも２個の半導体スイッチング素子を有すると共に、
前記電力変換器の出力電圧を交流電源の正常時の電圧よりも低く設定することを特徴とする無停電電源装置。
請求項３に記載した無停電電源装置において、
負荷電流の極性に応じて負荷電流を流す方向の各双方向スイッチ内の半導体スイッチング素子をオンさせることを特徴とする無停電電源装置。