JP2006254522A - 系統切換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡単な回路構成で２つの電力系統の同期検出を精度良く行うことが可能な系統切換装置を提供すること。
【解決手段】 ２つの電源系統からの交流を瞬間ラップ期間を含んで選択的に切換えて負荷に給電する系統切換手段と、前記２つの電力系統の電圧位相差が所定値以内となったか否かにより同期判定を行い、この同期判定を前記系統切換手段のインタロック条件とする同期検出手段とを備え、前記同期検出手段は、前記２つの電源系統からの電流と夫々の系統インピーダンスにより前記電圧位相差を補正する位相補正手段を有するように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、２系統の電源を切換える系統切換装置に係り、特に給電系統や負荷電流に影響を受けず、精度良く同期検出を行なう同期切換手段を備えた系統切換装置に関する。

近年の高度情報化社会の発展にともない、ＯＡ端末から大規模データセンターに至る情報通信機器を支える電源システムの高信頼度化が進んでいる。電源システムを支える装置としては無停電電源装置（ＵＰＳ）が一般的であるが、この停電電源装置を保守・点検する際には、電源系統を他の無停電電源装置からの給電に負荷に影響なく切換える必要があり、この系統切換機能を有する系統切換装置が多く使われるようになってきている。

系統切換装置の構成としては、半導体スイッチのみで構成した切換装置と機械式スイッチと半導体スイッチを組合せた切換装置の２種類に大きく分類される。

半導体スイッチのみで構成した切換装置は、半導体のオン・オフ動作が速い特徴を利用して負荷に影響を及ぼさない数ｍｓ程度の出力瞬断時間を設けた切換を行っている。しかし、半導体スイッチのみで構成した場合は、出力瞬断時間と負荷側の許容瞬断時間との協調をとる必要がある他、半導体のオン電圧による出力電圧の電圧降下や、そのオン電圧と負荷電流との積で決まる損失が常時発生するための強制冷却が必要不可欠となるという欠点がある。

一方、機械式スイッチと半導体スイッチを組合せた切換装置では、常時は損失の小さい機械式スイッチを介して負荷給電されるため強制冷却が必要なく、切換動作も半導体スイッチにより瞬間ラップさせて切換えるため負荷側への無瞬断切換が実現できる。このことから機械式スイッチと半導体スイッチを組合せた切換装置が多く使われている。

従来の機械式スイッチと半導体スイッチを組合せた系統切換装置は、２系統の電源を系統切換装置で受け、双方向に切換可能な機械式スイッチを負荷との間に設け、この機械式スイッチと並列にサイリスタスイッチを接続する回路構成とするのが通常であり、手動切換時には、２系統の電源間をサイリスタスイッチにより瞬間ラップして切換を行うことによって、出力の無瞬断性能を実現させる方式としている。

上記のような瞬間ラップ切換を行う場合、２系統の電源間の電圧と位相が同期していない場合は、２系統の電源間に所謂横流が流れ、場合によっては過電流状態となって保護装置が作動してしまう。このため、無停電電源装置に横流抑制制御機能を持たせ、ラップ期間中の横流を抑制するように無停電電源装置の出力電圧を制御する手法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
特開平１１−４５４４号公報（第4−５頁、図１）

特許文献１に示された手法によれば、系統切換時の横流を抑制するように２系統うちのの何れかの無停電電源装置の出力を制御するようにしたので、スムースな系統切換が可能となるが、フィードバック制御系を採用するため、横流を検出する装置や、また適切な横流抑制制御を行うための制御装置が必要となるため全体の装置が複雑となる。また、１つの系統の無停電電源装置の保守や点検のときの系統切換について考えれば、系統切換装置として、２つの電力系統の同期検出を精度良く行うことができれば、これをインタロック条件としてスムースなラップ切換が可能となる。このため、２つの電力系統即ち無停電電源装置の出力端の電圧を系統切換装置に取り込み、この電圧を用いて同期検出を行う手法が考えられるが、通常は無停電電源装置と系統切換装置は離れた場所にあり、且つ２つの電源系統を形成する無停電電源装置２セットに対し、系統切換装置は負荷に応じて数多く存在することが多く、無停電電源装置の出力端の電圧信号を各系統切換装置が取り込むのは回路が複雑になるばかりかノイズ等によって誤動作が生ずる恐れもある。

本発明は上記に鑑み為されたもので、比較的簡単な回路構成で２つの電力系統の同期検出を精度良く行うことが可能な系統切換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の系統切換装置は、２つの電源系統からの交流を瞬間ラップ期間を含んで選択的に切換えて負荷に給電する系統切換手段と、前記２つの電力系統の電圧位相差が所定値以内となったか否かにより同期判定を行い、この同期判定を前記系統切換手段のインタロック条件とする同期検出手段とを備え、前記同期検出手段は、
前記２つの電源系統からの電流と夫々の系統インピーダンスにより前記電圧位相差を補正する位相補正手段を有することを特徴としている。

本発明によれば、系統切換装置の入力系統インピーダンスによる電源電圧位相変化分を補正するように構成したので、比較的簡単な回路構成で２つの電力系統の同期検出を精度良く行うことが可能な系統切換装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、図１及び図２を参照して、本発明の実施例１に係る系統切換装置を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る系統切換装置のブロック構成図である。図１において、無停電電源装置１Ａは系統インピーダンス２Ａを介し、系統切換装置３に系統Ａの電力を供給している。同様に無停電電源装置１Ｂは系統インピーダンス２Ｂを介し、系統切換装置３に系統Ｂの電力を供給している。系統切換装置３の内部においては、機械式スイッチ４を用いて、負荷３に給電する電力を系統Ａまたは系統Ｂに選択的に切り換えられるように構成されている。サイリスタスイッチ５Ａ、５Ｂは機械式スイッチ４の切換を補完するためのスイッチであり、系統Aと系統Bを適切な時間だけラップさせて切換えるときに使用される。

系統切換装置３の系統A及び系統Bの２つの入力電圧は、系統電圧検出器３１Ａ、３１Ｂにより夫々制御側に取り込まれ、加算器５４A、５４Bを介して位相差検出回路３２の２つの入力となっている。位相差検出回路３２の位相差信号は同期位相範囲設定器３３の出力と比較するため同期判定器３４に入力され同期判定器３４で２系統の同期が判定されると、同期シーケンス回路３５が動作するように構成されている。この同期シーケンス回路３５の出力が前述の系統切換のインタロック条件を形成している。

また、同期検出の精度を向上させるため、２つの入力系統から負荷へ流れる電流を電流検出器５１Ａ、５１Ｂで夫々検出し、この検出された電流に、入力系統インピーダンス設定器５２Ａ、５２Ｂで設定された入力系統のインピーダンスを、乗算器５３Ａ、５３Ｂで夫々掛け合わせ、この夫々の乗算結果を加算器５４A、５４Bで加算することにより系統電圧検出器３１Ａ、３１Ｂの出力を夫々補正するように構成している。

以下上記の構成における系統切換装置３の切換動作について説明する。

系統切換装置３は通常は、系統Aまたは系統Bの２系統のうち何れかから機械式スイッチ４を介して負荷６に給電している状態となっている。この状態から給電系統を切換える場合、例えば図の系統Aの無停電電源装置１Ａから系統Bの無停電電源装置１Ｂへ切換える場合は、機械式スイッチ４にＢ無停電電源装置１Ｂ側への切換指令とサイリスタスイッチ５Ｂへオン指令を与える。機械式スイッチ４は無停電電源装置１Ａから無停電電源装置１Ｂへの切換動作において所定の切換時間を要するため、その主接点が無停電電源装置１Ａから切離される開極のタイミングまでにサイリスタスイッチ５Ｂをオンさせ無停電電源装置１Ａと無停電電源装置１Ｂをラップして並列運転をさせる。このようにして２つの系統電源をラップ切換させることにより系統切換装置３の出力を無瞬断とさせることができる。また、機械式スイッチ４の主接点が停電電源装置１Ａから切離され無停電電源装置１Ｂに接続される切換時間中は、サイリスタスイッチ５Ｂのみを介して負荷６への給電が継続されている状態となり、機械式スイッチ４の主接点が系統Bの無停電電源装置電源１Ｂに切換った後は再び機械式スイッチ４からの負荷給電となり切換動作が完了する。無停電電源装置１Ｂから無停電電源装置１Ａへの切換動作の場合も同様にサイリスタスイッチ５Ａをオンさせることにより、無瞬断切換を実現している。

以上の切換動作から、切換時には２系統の電源間をサイリスタスイッチ５Aまたは５Bにより瞬間ラップし無瞬断切換させる必要があるため、系統切換装置３の２つの入力系統の電圧と位相が同期しているというインタロック条件が必要である。２つの入力系統が同期していなければ、２つの入力系統の位相差による電圧差が発生し、この電圧差と２つの入力系統間インピーダンスで決まる横流が流れる。一般的に入力系統間インピーダンスは数パーセント程度と小さく、電源系統を構成する無停電電源システムの許容する過電流レベルは大きくないため、同期検出は精度良く行う必要があるが、本構成においては、上述のように負荷電流を検出し、これにより負荷電流が流れている系統に対してその電圧降下分で発生する位相差補正を行うようにしたので、２つの入力系統の電源の位相差判定を精度良く行えるようになっている。

上記の位相補正の具体的な作用効果について図２のベクトル図を参照して以下説明する。

今、系統切換装置３は系統Aの無停電電源装置１Ａを選択しており、系統Aの電源電圧Ｖｓ１は、負荷電流ＩLと系統Aのインピーダンス２Ａを介して負荷６に供給されている状態とする。無停電電源装置１Ａの電源電圧Ｖｓ１は、系統Aのインピーダンス２Ａと負荷電流ＩLによって電圧降下を生じるため、系統Aの入力電源電圧Ｖｓ１´はＶｓ１−（ＩL＊Ｚｓ１）となり系統Aの電源電圧Ｖｓ１と系統切換装置３の入力電源電圧Ｖｓ１´では図２に示したように位相差θが発生する。本発明の同期検出方式では、この位相差θを補正するため電流検出器５１Ａと入力系統インピーダンス設定器５２Ａの出力を掛けあわせることによって、負荷電流ＩLによって生じる電圧降下分（ＩL＊Ｚｓ１）を算出し、系統Aの入力電源電圧Ｖｓ１´にこの算出された電圧降下分（ＩL＊Ｚｓ１）を加えて系統Aの電源電圧Ｖｓ１を求める。一方系統Bについては、負荷電流ＩLが無停電電源装置１Ａから流れているため電流検出器５１Ｂの出力は零であるため、系統Bの入力電源電圧Ｖｓ２´は補正する必要はなく位相差検出回路にそのまま入力される。

以上のように系統切換装置の入力系統インピーダンスによる電源電圧位相変化分を補正するように構成したので、比較的簡単な回路構成で２つの電力系統の同期検出を精度良く行うことが可能な系統切換装置を提供することが可能となる。尚、系統Aまたは系統Bの電源は必ずしも無停電電源装置である必要はなく、また、切換回路は必ずしも機械式とサイリスタのハイブリッド方式である必要はない。

図３は本発明の実施例２に係る系統切換装置のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る系統切換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が、実施例１と異なる点は、各入力系統から負荷へ流れる２つの電流検出器５１A、５１Bを省き、代わりに負荷電流検出器６１を設けた点、また給電系統を判別する給電系統判別回路６３を付加し、給電系統判別回路６３に連動する接点で負荷電流検出器６１の出力を切換えて加算器５３Aまたは５３Bに供給するようにした点である。

給電系統判別回路６３は、機械式スイッチ４が系統Aを選択していれば、接点Aを閉路して負荷電流検出器６１の出力を乗算器５３Aに与える。逆に機械式スイッチ４が系統Bを選択していれば、接点Bを閉路して負荷電流検出器６１の出力を乗算器５３Bに与える。この方法によれば負荷電流検出器６１は１台のみで構成でき、機械式スイッチ４の補助接点を検出して給電系統を判断する簡単な給電系統判別回路６３を付加することによって実施例１と同様の演算手法によって位相差θを補正することが可能となる。

図４は本発明の実施例３に係る系統切換装置のブロック構成図である。この実施例３の各部について、図３の実施例２に係る系統切換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が、実施例２と異なる点は、負荷電流の有効電流分を検出するため負荷電圧検出器６２を設け、この負荷電圧検出器６２と負荷電流検出器６１の検出信号を受けて負荷電流の有効分を有効電流検出器６４によって検出するようにした点、また、有効電流検出器６４の出力に対し、給電系統判別回路６３の出力で決まる正負の極性を含めた係数を乗算器６５を用いて乗算し、系統インピーダンス設定器６６の出力と乗算器６７で掛けあわせて所定の位相差を得、この位相差を位相差検出回路３２の出力に位相差加算器６８によって加算する方法によって位相差補正を行うようにした点である。

通常、負荷力率は１であり、また系統インピーダンスは抵抗分に対してリアクタンス分が支配的であるためこの簡易的な手法によっても位相補正の誤差は少ない。また、一般的に負荷電圧あるいは負荷電流は計測の必要性から制御側に取り込んでいる場合が多く、位相差もスカラー積で扱えるため、本実施例における位相差補正はその動作が簡易化される利点がある。

図５は本発明の実施例４に係る系統切換装置のブロック構成図である。この実施例４の各部について、図４の実施例３に係る系統切換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が、実施例３と異なる点は、乗算器６５、系統インピーダンス設定器６６及び乗算器６７に代え、有効電流の大きさと系統が決まったときに定まる位相差を予め計算した有効電流−位相差変換テーブル６９を設け、有効電流検出器６５及び給電系統判別回路６３の出力によって有効電流−位相差変換テーブル６９から位相差を求め、この位相差を位相差加算回路６８に加えるようにした点である。

このようにすれば、電流の有効分からダイレクトに位相差の補正値が瞬時に引き出せるようになるため演算による遅れのない同期検出を行うことが可能となる。

本発明の実施例１に係る系統切換装置のブロック構成図。 説明用ベクトル図。 本発明の実施例２に係る系統切換装置のブロック構成図。 本発明の実施例３に係る系統切換装置のブロック構成図。 本発明の実施例４に係る系統切換装置のブロック構成図。

符号の説明

１A、１B 無停電電源装置
２A、２B 系統インピーダンス
３ 系統切換装置
４ 機械式スイッチ
５A、５B サイリスタスイッチ
６ 負荷
３１A、３１B 系統電圧検出器
３２ 位相差検出回路
３３ 同期位相範囲設定器
３４ 同期判定器
３５ 同期シーケンス回路
５１A、５１B 電流検出器
５２A、５２B インピーダンス設定器
５３A、５３B 乗算器
５４A、５４B 加算器
６１ 負荷電流検出器
６２ 負荷電圧検出器
６３ 給電系統判別回路
６４ 有効電流検出器
６５ 乗算器
６６ 系統インピーダンス設定器
６７ 乗算器
６８ 位相加算器
６９ 有効電流−位相差変換テーブル

Claims (5)

1. ２つの電源系統からの交流を瞬間ラップ期間を含んで選択的に切換えて負荷に給電する系統切換手段と、
   前記２つの電力系統の電圧位相差が所定値以内となったか否かにより同期判定を行い、この同期判定を前記系統切換手段のインタロック条件とする同期検出手段と
   を備え、
   前記同期検出手段は、
   前記２つの電源系統からの電流と夫々の系統インピーダンスにより前記電圧位相差を補正する位相補正手段を有することを特徴とする系統切換装置。
2. 前記位相補正手段は、
   負荷電流を検出する電流検出回路と、
   前記系統切換手段が前記２つの電源系統のうち何れの電源系統を選択しているかを判別する手段を有し、
   選択されている電源系統の系統インピーダンスと前記負荷電流から、
   前記選択されている電源系統の電圧位相変化分を補正するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の系統切換装置。
3. 前記位相補正手段は、
   負荷電流の有効分を検出する手段と、
   前記系統切換手段が前記２つの電源系統のうちの何れの電源系統を選択しているかを判別する手段を有し、
   前記負荷電流の有効分と前記選択されている電源系統の系統リアクタンス分から、
   前記選択されている電源系統の電圧位相変化分を補正するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の系統切換装置。
4. 前記位相補正手段は、
   前記負荷電流の有効分と前記選択されている電源系統の系統リアクタンス分に基づいて予め計算された電圧位相補正テーブル
   を有し、
   前記選択されている電源系統の電圧位相変化分を、前記電圧位相補正テーブルを参照して補正するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の系統切換装置。
5. 前記系統切換手段は、
   各々の前記電源系統に対して機械式スイッチとサイリスタスイッチの並列回路で構成し、
   前記瞬間ラップ期間において、選択された電源系統側の前記サイリスタスイッチをオンするようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の系統切換装置。

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