JP2006311726A - 瞬時電圧低下補償装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 交流電源の瞬時電圧低下時に交流側で電圧低下を補償し負荷への供給電圧を所定値に維持できる瞬時電圧低下補償装置を提供することである。
【解決手段】 交流電源１２と負荷１３との間にインダクタンスＬ１を直列接続し、そのインダクタンスＬ１と並列に交流チョッパ回路１４を接続する。そして、制御回路１５は、交流電源１２が瞬時電圧低下したとき交流チョッパ回路１４を起動し、負荷１３への供給電圧が所定値になるように昇圧制御する。これにより、交流電源電圧の瞬低による電圧低下を交流側で補償できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、交流電源に瞬間的な電圧の低下が生じた場合であっても負荷への供給電圧を所定値に維持する瞬時電圧低下補償装置に関する。

コンピュータ等の電子機器は電力の供給がなくなると、停止するばかりでなく記憶していた情報が消去してしまうことがある。例えば、落雷等により商用電源等の交流電源の供給が瞬間的に停止したり、瞬停には至らないが瞬時電圧低下したりすると、負荷への電力供給が停止あるいは不十分となるため、負荷の動作が停止したり所望の動作をしなくなったりしてしまう。

そこで、交流電源の瞬停または瞬時電圧低下に対応するため、無停電電源装置が用いられている。この無停電電源装置は、交流電源の正常時には交流電源からの電力をそのまま負荷に供給するとともに、交流電源から電力を蓄電装置に充電しておく。一方、交流電源の瞬停または瞬時電圧低下等の異常時には、蓄電装置に蓄えられている電力を放電して負荷に供給する。

無停電電源装置には、蓄電装置として蓄電池を用いたもの（例えば、特許文献１参照）あるいはコンデンサを用いたもの（例えば、特許文献２参照）等があり、いずれの場合にも、交流電源に瞬時電圧低下が発生した場合には蓄電装置に蓄電された電力を直流−交流に変換して負荷に供給し、負荷の供給電圧を所定値に維持するようにしている。
特開２００５−９４８２９号公報 特開２００４−１２９３３７号公報

しかし、従来のものでは、交流を一旦直流に変換し蓄電装置に電力を蓄積するものであるため、その電力変換の際に損失が発生する。また、蓄電池やコンデンサ等の蓄電装置は高価であり、経年変化により劣化するので交換が必要である。また、蓄電装置に蓄積された直流電力を交流電力に変換する際に、蓄電装置の直流電圧によっては直流側で昇圧し、負荷に供給する交流電圧を所定値に維持しなければならないので、直流電圧を昇圧するための直流チョッパ回路が必要となり高価なものとなる。

本発明の目的は、交流電源の瞬時電圧低下時に交流側で電圧低下を補償し負荷への供給電圧を所定値に維持できる瞬時電圧低下補償装置を提供することである。

本発明に係わる瞬時電圧低下補償装置は、交流電源と負荷との間に直列接続されたインダクタンスと、前記インダクタンスと並列接続された交流チョッパ回路と、前記交流電源が瞬時電圧低下したとき前記交流チョッパ回路を起動し前記負荷への供給電圧が所定値になるように昇圧制御する制御回路とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、交流電源と負荷との間にインダクタンスを直列接続するとともに、そのインダクタンスに交流チョッパ回路を並列接続し、交流電源が正常であるときは交流電源からインダクタンスを介して負荷に電力を供給し、交流電源が瞬時電圧低下したときは交流チョッパ回路を起動して負荷への供給電圧が所定値になるように昇圧制御するので、交流側で電圧低下を補償できる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係わる瞬時電圧低下補償装置１１の構成図である。交流電源１２と負荷１３との間にはインダクタンスＬ１が直列接続され、このインダクタンスＬ１に交流チョッパ回路１４が並列接続されている。制御回路１５は、交流電源１２が瞬時電圧低下したとき交流チョッパ回路１４を起動し、負荷１３への供給電圧が所定値になるように交流チョッパ回路１４により昇圧制御するものである。

交流チョッパ回路１４は、インダクタンスＬ２、フィルタコンデンサＣ、４個のスイッチ素子１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄから構成され、交流電源１２が瞬時電圧低下したとき、制御回路１５からの指令によりスイッチ素子１６ａ〜１６ｄがオンオフ制御され負荷１３への供給電圧が所定値になるように昇圧制御して負荷１３に印加する。ここで、回路上のインダクタンスＬ２はインダクタンスＬ１より大きいリアクタンス分を持つ。

交流電源１２の電圧Ｖｉは電圧検出器１７ａで検出され、制御回路１５の瞬低検出手段１８、同期制御手段１９、正弦波正負分離手段２０に入力される。同期制御手段１９は交流電源電圧Ｖｉの同期信号を下限電圧正弦波生成手段３４に出力し、下限電圧正弦波生成手段３４は交流電源電圧Ｖｉに同期した下限電圧正弦波を作成する。瞬低検出手段１８は交流電源電圧Ｖｉと下限電圧正弦波生成手段３４からの下限電圧正弦波とを比較し、交流電源電圧Ｖｉが下限電圧正弦波より小さくなったときに瞬低であると判定し、ゲートブロック解除信号ＧＢ２をＰＷＭ制御手段２１ａ、２１ｂに出力する。これにより、制御装置１５によるＰＷＭ制御が開始される。正弦波正負分離手段２０は交流電源電圧Ｖｉの正極半波Ｖｉ１と負極半波Ｖｉ２とを分離して取り出すものであり、正極半波Ｖｉ１は乗算手段２２ａに入力され、負極半波Ｖｉ２は乗算手段２２ｂに入力される。

一方、負荷への供給電圧Ｖｏは電圧検出器１７ａで検出され、制御回路１５のローパスフィルタ２３を介して実効値演算手段２４に入力されて、負荷供給電圧Ｖｏの実効値が演算される。そして、過電圧検出手段２５は、実効値演算手段２４で演算された負荷供給電圧Ｖｏの実効値が所定値を超えているか否かを判定し、所定値を超えているときは負荷供給電圧Ｖｏが過電圧であると判定しオア回路２６に論理値「１」の信号を出力する。

また、交流電源１２からの入力電流Ｉｉは電流検出器２７ａで検出され、入力過電流検出手段２８に入力される。入力過電流検出手段２８は入力電流Ｉｉが所定値を超えているか否かを判定し、所定値を超えているときはオア回路２６に論理値「１」の信号を出力する。同様に、負荷１３への出力電流Ｉｏは電流検出器２７ｂで検出され、出力過電流検出手段２９に入力される。出力過電流検出手段２９は出力電流Ｉｏが所定値を超えているか否かを判定し、所定値を超えているときはオア回路２６に論理値「１」の信号を出力する。

オア回路２６は、過電圧検出手段２５、入力過電流検出手段２８、出力過電流検出手段２９のいずれかから論理値「１」の信号を入力したときは、ゲートブロック信号ＧＢ１をＰＷＭ制御手段２１ａ、２１ｂに出力する。これにより、制御装置１５によるＰＷＭ制御を停止する。

実効値演算手段２４で得られた負荷供給電圧Ｖｏの実効値は、差分演算手段３０で目標値設定手段３１に設定された目標値と比較され、目標値との差分が演算される。昇圧制御手段３２は、負荷供給電圧Ｖｏが目標値になるように搬送波を乗算手段２２ａ、２２ｂに出力する。そして、交流電源電圧Ｖｉの正極半波Ｖｉ１、負極半波Ｖｉ２と乗算され、ＰＷＭ制御手段２１ａ、２１ｂに入力される。正極側のＰＷＭ制御手段２１ａからのＰＷＭ制御信号は、交流チョッパ回路１４のスイッチ素子１６ａに直接的に出力されるとともに、交流チョッパ回路１４のスイッチ素子１６ｃには反転回路３３ａを介して出力される。同様に、負極側のＰＷＭ制御手段２１ｂからのＰＷＭ制御信号は、交流チョッパ回路１４のスイッチ素子１６ｂに直接的に出力されるとともに、交流チョッパ回路１４のスイッチ素子１６ｄには反転回路３３ｂを介して出力される。

図２は正弦波正負分離手段２０の入出力信号の波形図である。正弦波正負分離手段２０には正弦波である交流電源電圧Ｖｉが入力され、この交流電源電圧Ｖｉを正極半波Ｖｉ１と負極半波Ｖｉ２とに分離する。そして、分離した交流電源電圧Ｖｉの正極半波Ｖｉ１、負極半波Ｖｉ２はそれぞれ乗算手段２２ａ、２２ｂに入力される。乗算手段２２ａ、２２ｂには、負荷供給電圧Ｖｏを目標値にする搬送波が入力される。

図３は、正極側の乗算手段２２ａおよびＰＷＭ制御手段２１ａからスイッチ素子１６ａ、１６ｃに出力される出力信号の波形図である。図３に示すように、交流電源電圧Ｖｉの正極半波Ｖｉ１は正極側の乗算手段２２ａに入力され、昇圧制御手段３２からの負荷供給電圧Ｖｏを目標値にする搬送波と乗算されて正極側のＰＷＭ制御手段２１ａに入力される。そして、正極側のＰＷＭ制御手段２１ａからのＰＷＭ制御信号は、交流チョッパ回路１４のスイッチ素子１６ａに直接的に出力されるので、スイッチ素子１６ａへのＰＷＭ制御信号は正極側のＰＷＭ制御手段２１ａからのＰＷＭ制御信号と同じとなる。一方、交流チョッパ回路１４のスイッチ素子１６ｃには反転回路３３ａを介して出力されるので、正極側のＰＷＭ制御手段２１ａからのＰＷＭ制御信号をオンオフ反転させた信号となる。

図４は、負極側の乗算手段２２ｂおよびＰＷＭ制御手段２１ｂからスイッチ素子１６ｂ、１６ｄに出力される出力信号の波形図である。図４に示すように、交流電源電圧Ｖｉの負極半波Ｖｉ１は負極側の乗算手段２２ｂに入力され、昇圧制御手段３２からの負荷供給電圧Ｖｏを目標値にする搬送波と乗算されて負極側のＰＷＭ制御手段２１ｂに入力される。そして、負極側のＰＷＭ制御手段２１ｂからのＰＷＭ制御信号は、交流チョッパ回路１４のスイッチ素子１６ｂに直接的に出力されるので、スイッチ素子１６ｂへのＰＷＭ制御信号は負極側のＰＷＭ制御手段２１ｂからのＰＷＭ制御信号と同じとなる。一方、交流チョッパ回路１４のスイッチ素子１６ｄには反転回路３３ｂを介して出力されるので、負極側のＰＷＭ制御手段２１ｂからのＰＷＭ制御信号をオンオフ反転させた信号となる。

次に、本発明の実施の形態に係わる瞬時電圧低下補償装置１１の動作を説明する。図５は、交流電源電圧Ｖｉが正常である場合の瞬時電圧低下補償装置１１の動作状態を示す回路図である。図５では制御装置１５の図示を省略している。交流電源電圧Ｖｉが正常である場合には、直流チョッパ回路１４は動作を停止しており、各々のスイッチ素子１６ａ〜１６ｄは非導通である。つまり、交流電源１２からインダクタンスＬ１を介して負荷１３に電力を供給する。

次に、図６は交流電源電圧Ｖｉが瞬時電圧低下した場合の正極半波サイクルにおける瞬時電圧低下補償装置１１の動作状態を示す回路図であり、図６（ａ）はインダクタンスＬ２にエネルギーを蓄積している状態の回路図、図６（ｂ）は交流電源１２およびインダクタンスＬ２に蓄積したエネルギーを負荷供給電圧Ｖｏとして供給している状態の回路図である。

交流電源電圧Ｖｉが瞬時電圧低下した場合には、制御装置１５の瞬低検出手段１８からゲートブロック解除信号ＧＢ２がＰＷＭ制御手段２１ａ、２１ｂに出力されＰＷＭ制御が開始される。いま、交流電源電圧Ｖｉが正極半波サイクルであるとすると、図３に示すように正極半波Ｖｉ１である期間中において、スイッチ素子１６ａ、１６ｃを交互にオンオフ制御する。

図６（ａ）に示すように、スイッチ素子１６ａのみをオンしてインダクタンスＬ２にエネルギーを蓄積し、その後に、図６（ｂ）に示すように、スイッチ素子１６ｃのみをオンして、交流電源１２およびインダクタンスＬ２に蓄積したエネルギーを負荷供給電圧Ｖｏとして供給する。そして、以下同様に、スイッチ素子１６ａのみをオンしてインダクタンスＬ２にエネルギーを蓄積し、スイッチ素子１６ｃのみをオンして交流電源１２およびインダクタンスＬ２に蓄積したエネルギーを負荷供給電圧Ｖｏとして供給する。正極半波Ｖｉ１である期間中において、この動作を以下同様に繰り返す。これにより、交流電源１２が正極半波サイクルにおいて負荷供給電圧Ｖｏを昇圧することができる。

図７は交流電源電圧Ｖｉが瞬時電圧低下した場合の負極半波サイクルにおける瞬時電圧低下補償装置１１の動作状態を示す回路図であり、図７（ａ）はインダクタンスＬ２にエネルギーを蓄積している状態の回路図、図７（ｂ）は交流電源１２およびインダクタンスＬ２に蓄積したエネルギーを負荷供給電圧Ｖｏとして供給している状態の回路図である。

交流電源電圧Ｖｉが負極半波サイクルとなると、図４に示すように負極半波Ｖｉ２である期間中において、スイッチ素子１６ｂ、１６ｄを交互にオンオフ制御する。

図７（ａ）に示すように、スイッチ素子１６ｂのみをオンしてインダクタンスＬ２にエネルギーを蓄積し、その後に、図７（ｂ）に示すように、スイッチ素子１６ｄのみをオンして、交流電源１２およびインダクタンスＬ２に蓄積したエネルギーを負荷供給電圧Ｖｏとして供給する。そして、以下同様に、スイッチ素子１６ｂのみをオンしてインダクタンスＬ２にエネルギーを蓄積し、スイッチ素子１６ｄのみをオンして交流電源１２およびインダクタンスＬ２に蓄積したエネルギーを負荷供給電圧Ｖｏとして供給する。負極半波Ｖｉ２である期間中において、この動作を以下同様に繰り返す。これにより、交流電源１２が負極半波サイクルにおいて負荷供給電圧Ｖｏを昇圧することができる。

図８は、交流電源電圧Ｖｉが瞬時電圧低下したが交流チョッパ回路１４を動作させなかった場合の特性図であり、図８（ａ）は交流電源電圧Ｖｉの波形図、図８（ｂ）は交流電源電圧Ｖｉの実効値［Ｖｉ］および負荷１３内での直流電圧Ｖｄの特性を示すグラフである。図８（ａ）に示すように、期間Ｔで交流電源電圧Ｖｉに瞬低が発生したとすると、図８（ｂ）に示すように、交流電源電圧Ｖｉの実効値［Ｖｉ］は瞬低が発生している期間Ｔにおいて低下する。また、負荷１３が整流器を有しており交流電圧を直流電圧に変換して電力を消費する負荷である場合には、負荷１３内での直流電圧Ｖｄも瞬低が発生している期間Ｔ分の電圧低下が生じる。

一方、図９は、交流電源電圧Ｖｉが瞬時電圧低下したときに交流チョッパ回路１４を動作させた場合の特性図であり、図９（ａ）は交流電源電圧Ｖｉおよび交流チョッパ回路１４による昇圧電圧Ｖｈの波形図、図９（ｂ）は交流電源電圧Ｖｉの実効値［Ｖｉ］および負荷１３内での直流電圧Ｖｄの特性を示すグラフである。図９（ａ）に示すように、期間Ｔで交流電源電圧Ｖｉに瞬低が発生したとすると、交流チョッパ回路１４により交流電源電圧Ｖｉに昇圧電圧Ｖｈが重畳され、負荷供給電圧が昇圧される。図９（ｂ）に示すように、交流電源電圧Ｖｉの実効値［Ｖｉ］は瞬低が発生している期間Ｔにおいて低下するが、交流チョッパ回路１４により交流電源電圧Ｖｉに昇圧電圧Ｖｈが重畳され負荷供給電圧が昇圧されるので、負荷１３内での直流電圧Ｖｄは瞬低が発生してもほぼ一定であり電圧低下を補償できる。

このように、本発明の実施の形態によれば、交流電源１２の電圧低下は交流側で補償できるのではないかという観点から、交流チョッパ回路１４を用いて交流電源電圧Ｖｉの電圧低下に対して負荷供給電圧Ｖｏの電圧低下を補償する。

すなわち、交流電源１２と負荷１３との間にインダクタンスＬ１を直列接続するとともに、そのインダクタンスＬ１に交流チョッパ回路１４を並列接続して、交流電源が正常であるときは交流電源１２からインダクタンスＬ１を介して負荷１３に電力を供給し、交流電源１２が瞬時電圧低下したときは交流チョッパ回路１４を起動して負荷１３への供給電圧が所定値になるように昇圧制御する。

従って、交流電源１２の瞬時電圧低下時に交流側で負荷供給電圧Ｖｏの電圧低下を補償できる。

本発明の実施の形態に係わる瞬時電圧低下補償装置の構成図。 本発明の実施の形態における正弦波正負分離手段の入出力信号の波形図。 本発明の実施の形態における正極側の乗算手段およびＰＷＭ制御手段からスイッチ素子に出力される出力信号の波形図。 本発明の実施の形態における負極側の乗算手段およびＰＷＭ制御手段からスイッチ素子に出力される出力信号の波形図。 交流電源電圧が正常である場合の瞬時電圧低下補償装置の動作状態を示す回路図。 交流電源電圧が瞬時電圧低下した場合の正極半波サイクルにおける瞬時電圧低下補償装置の動作状態を示す回路図。 交流電源電圧が瞬時電圧低下した場合の負極半波サイクルにおける瞬時電圧低下補償装置の動作状態を示す回路図。 交流電源電圧が瞬時電圧低下したが交流チョッパ回路を動作させなかった場合の特性図。 交流電源電圧が瞬時電圧低下したときに交流チョッパ回路を動作させた場合の特性図。

符号の説明

１１…瞬時電圧低下補償装置、１２…交流電源、１３…負荷、１４…交流チョッパ回路、１５…制御回路、１６…スイッチ素子、１７…電圧検出器、１８…瞬低検出手段、１９…同期制御手段、２０…正弦波正負分離手段、２１…ＰＷＭ制御手段、２２…乗算手段、２３…ローパスフィルタ、２４…実効値演算手段、２５…過電圧検出手段、２６…オア回路、２７…電流検出器、２８…入力過電流検出手段、２９…出力過電流検出手段、３０…差分演算手段、３１…目標値設定手段、３２…昇圧制御手段、３３…反転回路、３４…下限電圧正弦波生成手段

Claims (1)

1. 交流電源と負荷との間に直列接続されたインダクタンスと、前記インダクタンスと並列接続された交流チョッパ回路と、前記交流電源が瞬時電圧低下したとき前記交流チョッパ回路を起動し前記負荷への供給電圧が所定値になるように昇圧制御する制御回路とを備えたことを特徴とする瞬時電圧低下補償装置。
   

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