JP2008182775A - 停電補償機能を備えた電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大容量の無停電電源を使用することなく常用電源と非常用電源の切り替え時にも負荷に電力を連続供給することができる、停電補償機能を備えた電源装置を提供する。
【解決手段】常用電源入力端子１と非常用電源が接続される非常用電源入力端子２にそれぞれ第１の開閉器４と第２の開閉器７を接続したうえ相互に接続し、その接続した点と出力端子８の間に半導体開閉器５を設け、出力端子８には双方向性の変換器１１の交流側を接続するとともに該変換器１１の直流側に二次電池１４を接続して構成し、定常運転時には変換器１１をコンバータ運転して二次電池１４に直流電力を蓄積するように制御し、常用電源から非常用電源への切り替え時および非常用電源から常用電源への切り替え時には変換器１１をインバータ運転して二次電池１４に蓄積された直流電力を交流電力に変換するように制御する制御手段を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、常用電源に停電あるいは電圧低下が生じた場合にも、負荷に電力を連続供給することができる、停電補償機能を備えた電源装置に関するものである。

金属製品の熱処理工程においては、特殊な成分で構成されるガスの雰囲気中で処理が行なわれることが多く、その雰囲気ガスを生成するためにガス発生装置が使われる。熱処理工程は一般的に数時間以上に亘るものであり、ガス発生装置には長時間安定して連続運転できることが求められる。熱処理中に停電あるいは電源電圧の低下が生じた場合には、それが短時間であってもガス発生装置が停止し、炉内に所定の量のガスが連続供給されなくなり、処理中の被処理材は要求品質を満たさず不良になることがある。

また、停電あるいは電源電圧の低下が生じた場合、ガス発生装置の種類によっては装置内の燃焼ガスが装置上流側の可燃性ガス配管内を一気に逆流する逆火現象と呼ばれる現象を引き起こし、装置を損傷させることがある。こうした問題を解決するためには装置に電力を連続供給することが必要であり、非常用電源と無停電電源装置とを用意して常用電源と非常用電源の切り替え時にも電力を連続供給することができる、例えば特許文献１に示されているような電源装置が提案されている。

この特許文献１に開示されているのは、常用電源と自家発電機電源と無停電電源装置とを備え、前記常用電源の供給が停止した後自家発電機電源が作動するまでの間、無停電電源装置から電力を供給するようにした電源装置において、この電源装置に接続される各装置のうちの安全確保に必要な装置に対してのみ前記無停電電源装置から電力を供給することを特徴とするものである。この無停電電源装置は制御装置だけに電力を供給するのであるが、電力を供給する対象をその制御装置の中でも特に安全確保に必要な装置に限定することにより無停電電源の容量を小さくしたものである。

このような方法は制御装置だけが正常に動作していれば動力系統への電力供給が短時間中断してもよいとの考えに基づき、制御装置だけに電力を連続供給するようにしたものであり、動力系統に電力を連続供給することは考慮されていない。そのため常用電源の供給が停止したときには非常用電源が立ち上がって切り替えられるまでの間動力系統への電力の供給が停止し、また、常用電源が復旧したときには非常用電源から常用電源への切り替えが行なわれる間動力系統への電力の供給が停止することになる。ところがガス発生装置のような装置の場合には、動力系統への電力の供給が短時間でも止まるとブロア等が停止し、ガス発生装置が停止するだけでなく、逆火現象を引き起こす恐れがあるためこのような方法を採用することはできない。

制御装置とともに動力系統にも電力を連続供給する方法としては、負荷装置全体に無停電電源装置から電力を供給する方法が考えられる。特に無停電電源装置として常時インバータ給電方式のものを使用した場合には、常用電源である商用電源、発電機等の非常用電源、二次電池の３系統から常時給電されることから負荷側への電力供給の安定性は極めて良好である。ところが、この方式のものでは常時インバータから全電力を供給するため定常運転時の損失が大きいという問題がある。また、常用電源や非常用電源からの電力を直流に変換するため入力の高調波電流が大きく、そのため非常用電源の発電機を定格容量の大きなものとする必要があり、負荷に使われている電動機の始動電流を供給するため無停電電源を大容量のものとする必要がある等設備の初期費用がかさむという問題がある。
特開平５−１９９６８０号公報

本発明は上記の問題点を解決し、大容量の無停電電源を使用することなく常用電源と非常用電源の切り替え時にも負荷に電力を連続供給することができる、停電補償機能を備えた電源装置を提供するためになされたものである。

上記の問題を解決するためになされた本発明の停電補償機能を備えた電源装置は、常用電源に接続される入力部と非常用電源に接続される入力部と負荷が接続される出力部とを備える停電補償機能を備えた電源装置であって、前記二つの入力部はそれぞれ選択的に閉とされる開閉器を介して一極が前記出力部に接続される半導体開閉器の他極に接続し、出力部に双方向性の変換器の交流側を接続するとともに該変換器の直流側にエネルギー蓄積素子を接続して構成し、定常運転時には変換器をコンバータ運転してエネルギー蓄積素子に直流電力を蓄積するように制御し、常用電源から非常用電源への切り替え時および非常用電源から常用電源への切り替え時には変換器をインバータ運転してエネルギー蓄積素子に蓄積された直流電力を交流電力に変換するように制御する制御手段を設けたことを特徴とするものである。

ここにおいて、半導体開閉器と並列に開閉器を設け、該開閉器を負荷の始動時に閉路するように制御する制御手段を設けたのが請求項２の発明であり、変換器のコンバータ動作時に、負荷に流れる高調波電流を補償するように変換器を制御する制御手段を設けたのが請求項３の発明である。

本発明によれば、定常運転時は常用電源から負荷に電力が供給されるので、常時インバータ給電方式の無停電電源装置を使用した場合のように運転時の損失が大きいとか設備の初期費用がかさむとかいう問題は解消される。また、変換器をインバータ動作させてエネルギー蓄積素子に蓄積された直流電力を交流電力に変換し負荷に供給する時間は、非常用電源が立ち上がる時間を含む常用電源から非常用電源への切り替え時間と非常用電源から常用電源への切り替え時間であり、こうした時間は比較的短いのでエネルギー蓄積素子は小容量のもので足りるという利点がある。

また請求項２の発明によれば、負荷の始動時に半導体開閉器と並列に設けた開閉器を閉路するようにしているので、負荷の始動電流が電動機等で大きい場合にも始動電流は半導体開閉器でなく開閉器を流れることになり、半導体開閉器を特に大きな電流容量をものとする必要がない利点がある。さらに請求項３の発明によれば、変換器のコンバータ動作時に、負荷に流れる高調波電流を補償するように変換器が制御されるので、非常用電源として発電機を使用する場合にも発電機は負荷に見合う定格容量のもので充分であり、設備費用がかさむことがない利点がある。

次に、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しながら具体的に説明する。
図１は本発明の実施の形態を示す主回路の結線図であって、常用電源が接続される常用電源入力端子１と非常用電源が接続される非常用電源入力端子２とが設けられている。常用電源入力端子１は第１のブレーカ３および第１の開閉器４を介して半導体開閉器５の入力側に接続され、常用電源入力端子１と第１のブレーカ３と第１の開閉器４とで常用電源の入力部を構成している。また、非常用電源入力端子２は第２のブレーカ６および第２の開閉器７を介して半導体開閉器５の入力側に接続され、非常用電源入力端子２と第２のブレーカ６と第２の開閉器７とで非常用電源の入力部を構成している。

半導体開閉器５の出力側は負荷が接続される出力部である出力端子８に接続されており、また出力端子８には第３のブレーカ９およびリアクトル１０を介して変換器１１の交流側が接続されている。変換器１１はコンバータとしてもインバータとしても動作する双方向性のものであって、コンバータとして動作するときには交流側に入力される交流電力を直流に変換して直流側に供給し、インバータとして動作するときは直流側から供給される直流電力を交流に変換して交流側に供給する。変換器１１はＩＧＢＴ等の半導体素子をブリッジ接続して構成されるもので、その主回路は従来から知られる変換器のものと同様である。

変換器１１の直流側にはコンデンサ１２とチョッパ１３とが接続されており、またチョッパ１３には二次電池１４が接続されている。チョッパ１３は双方向性のものであって、降圧チョッパとして動作するときには変換器１１から供給される直流電力を降圧して二次電池１４に直流電力を蓄積し、昇圧チョッパとして動作するときには二次電池１４に蓄積された直流電力を昇圧して変換器１１に供給する。図中１５は半導体開閉器５と並列に接続される第３の開閉器であり、１６はチョッパ１３と二次電池１４の間に挿入されたリアクトルである。なお、第１のブレーカ３、第２のブレーカ６、第３のブレーカ９は回路保護のために設けられたたもので、装置の機能、動作に直接関係するものではない。

これらの第１の開閉器４、半導体開閉器５、第２の開閉器７および第３の開閉器１５の開閉はそれぞれ図示しない制御装置により行なわれる。また、それら各開閉器の開閉制御に合わせて変換器１１およびチョッパ１３の制御も同じく図示しない制御装置により行なわれる。それにより変換器１１はコンバータとして動作するとき直流側を一定電圧に保持するとともに交流回路の高調波成分を補償するように制御され、インバータとして動作するとき自立運転する自立運転モードと周波数、位相、電圧を同期させる同期モードとのいずれかで制御される。また、チョッパ１３は降圧チョッパとして動作するとき二次電池１４の充電電流、充電電圧が適正になるように制御され、昇圧チョッパとして動作するときインバータとして動作する変換器１１に適正な電圧を供給できるように制御される。こうした制御を行なうため、必要箇所には電圧、電流を検出して制御装置に取り込む図示しないセンサーが設けられている。

このように構成された停電補償機能を備えた電源装置の常用電源入力端子１を商用電源に、非常用電源入力端子２を非常用電源にそれぞれ接続する。非常用電源としてはディーゼルエンジンで駆動される発電機等一般的な非常用電源を使用することができるが、本発明の停電補償機能を備えた電源装置から発信する信号により運転、停止操作が可能なものであることが好ましい。また、出力端子８にはガス発生装置等の負荷を接続する。商用電源を供給し、第１のブレーカ３、第２のブレーカ６、第３のブレーカ９を投入すると運転可能な状態となる。

運転開始時には制御装置により第１の開閉器４、第３の開閉器１５が閉路される。出力端子８には常用電源入力端子１からの商用電源が第１の開閉器４、第３の開閉器１５を通して供給され負荷が起動する。負荷が起動すると第１の開閉器４と半導体開閉器５が閉、第３の開閉器１５が開となるように制御され、出力端子８には第１の開閉器４、半導体開閉器５を通して引き続き商用電源が供給される。電動機が使われている負荷では大きな始動電流が流れるが、起動時にはこのように半導体開閉器５ではなく第３の開閉器１５を通して商用電源から負荷に電流が供給されるため、半導体開閉器５を特に大きな電流容量をもったものとする必要はない。

この第１の開閉器４、半導体開閉器５を通して商用電源から負荷に電力が供給される状態が定常運転状態であって、このとき変換器１１はコンバータとして動作し、直流側のコンデンサ１２を充電するとともにチョッパ１３に一定電圧の直流電力を供給するように制御される。チョッパ１３は変換器１１から供給される直流電力を降圧し、二次電池１４を充電する。このとき必要に応じて変換器１１に交流回路の高調波成分を補償するような動作をさせることができる。

図２乃至図５は動作状態を示すタイムチャートであり、横軸に時間の経過を表わしている。また、電圧の欄ではそれぞれ商用電源の電圧、変換器１１の交流側端子電圧、非常用電源の電圧を表わしており、変換器運転モード、チョッパ運転モード、非常用電源および第１の開閉器乃至第３の開閉器等の欄ではその細分化された欄の横線によりそれぞれの細分化された欄に示された状態にあることを表わしている。上記のような定常運転状態は図２の商用電源停電と記された時点より左側に示された状態に相当し、変換器運転モードの欄の細分化されたコンバータの欄に横線が記されているのは、変換器１１がコンバータとして動作していることを表わしている。

図２の商用電源停電と記した時点で商用電源の停電あるいは電圧低下が生じるとこれがセンサーにより検出され、コンバータとして動作していた変換器１１は直ちにインバータとして動作し、自立運転するように制御される。また、降圧チョッパとして動作していたチョッパ１３は昇圧チョッパとして二次電池１４の電力を変換器１１に供給するように制御される。同時に半導体開閉器５は開とされ、商用電源側への逆潮流が防止される。その後第１の開閉器４が開路される。変換器１１はそれまで商用電源と同期して動作しており、数ミリ秒というような極めて短時間の内にインバータとして自立運転する状態に移行することができる。それにより負荷への電力供給が中断することは殆どない。

この状態では二次電池１４に蓄積された直流電力が変換器１１により交流電力に変換されて負荷に供給されることになるが、経済的な観点から二次電池１４の容量をあまり大きくするのは得策ではなく、停電が一定時間以上継続する場合には非常用電源から負荷に電力を供給することが好ましい。図３は非常用電源から負荷に電力が供給される状態に変化するときの動作を示しており、非常用電源起動と記した時点で非常用電源に運転信号が送られ非常用電源が運転される。非常用電源が立ち上がった後自立運転モードで制御されていた変換器１１は同期モードで制御され変換器１１の出力の周波数、位相、電圧が非常用電源に合わせ込まれ、その間に第２の開閉器７が閉路される。非常用電源の出力と変換器１１の出力との同期が所定の範囲内で合致すると、変換器１１が停止されると同時に半導体開閉器５が閉路され、負荷には非常用電源から電力が供給される。

その後第３の開閉器１５が閉路されると半導体開閉器５に流れる電流は第３の開閉器１５に流れ、半導体開閉器５の損失が低減されることになる。また、変換器１１は再度コンバータとして起動され、チョッパ１３を介して二次電池１４に直流電力が蓄積される。このとき変換器１１には交流回路の高調波成分を補償するような動作をさせることが有効である。一般にガス発生装置等の負荷には電動機が使われているが、近年は電動機もインバータで駆動されているものが多く、大きな高調波成分を含む負荷電流が流れる。非常用電源として一般的な発電機は負荷電流の高調波成分が大きいと定格電力が得られないため、負荷容量に対して大きな定格容量の発電機を要することになるが、高調波成分を補償してやることにより負荷に見合う定格容量の発電機で充分となる。

このようにして非常用電源から負荷に電力が供給されて運転する間に商用電源が復旧すると、一旦変換器１１から負荷に電力を供給する状態に移行し、その後商用電源から負荷に電力を供給する状態に移行する。図４はこのうち変換器１１から負荷に電力を供給する状態に移行する動作を示しており、まず第３の開閉器１５が開路されて非常用電源から第２の開閉器７と第３の開閉器１５を通って負荷に供給されていた電流が第２の開閉器７と半導体開閉器５を流れることになる。次にコンバータとして動作していた変換器１１がインバータとして自立運転モードで動作し、降圧チョッパとして動作していたチョッパ１３は昇圧チョッパとして二次電池１４の電力を変換器１１に供給するように制御される。同時に半導体開閉器５は開とされ、非常用電源側への逆潮流が防止される。その後第２の開閉器７が開路され、非常用電源が停止させられる。

図５は商用電源から負荷に電力を供給する状態に移行する動作を示しており、一定時間自立運転モードで制御されていた変換器１１は同期モードで制御され変換器１１の出力の周波数、位相、電圧が商用電源に合わせ込まれ、その間に第１の開閉器４が閉路される。商用電源と変換器１１の出力との同期が所定の範囲内で合致すると、変換器１１が停止されると同時に半導体開閉器５が閉路され、負荷には商用電源から電力が供給される。その後変換器１１は再度コンバータとして起動され、チョッパ１３を介して二次電池１４に直流電力が蓄積される定常運転状態に復帰する。必要に応じ変換器１１に交流回路の高調波成分を補償するような動作をさせることができるのも同様である。

以上説明したように、本発明によれば定常運転時は常用電源から負荷に電力が供給される。常用電源の停電、電源電圧低下等が生ずると非常用電源が起動され、非常用電源が立ち上がるまでの間変換器１１はインバータとして自立運転モードで制御され、変換器１１から負荷に電力が供給される。非常用電源が立ち上がると負荷には変換器１１に代わり非常用電源から電力が供給されるようになる。常用電源が復旧すると、変換器１１はインバータとして自立運転モードで制御され、変換器１１から負荷に電力が供給される。その後負荷には変換器１１に代わり常用電源から電力が供給されるようになる。

常用電源の停電、電源電圧低下等や非常用電源の立ち上がりはセンサーにより検出することが可能であり、停電が一定時間継続したとき非常用電源を自動的に起動することができる。また、常用電源の復旧時の非常用電源による電力供給から変換器１１による電力供給への移行もセンサーにより検出して自動的に行なうことができる。このように、常用電源の停電、電源電圧低下等が生じてからそれが復旧するまでの間を含め、負荷に電力を連続供給することができるので連続操業が可能となるが、停電が長時間に及んだ場合には非常用電源の時間定格、燃料貯蔵量等の制約が生じ、負荷装置の周辺機器の問題で操業が継続できなくなる場合がある。そうした場合にも非常用電源から電力が安定供給される間に負荷装置を安全に停止させることができる利点がある。

なお、前記実施の形態では二次電池１４に直流電力を蓄積するようにしているが、電気二重層キャパシタその他のエネルギー蓄積素子を使用することができるのは言うまでもない。また、本発明の停電補償機能を備えた電源装置は動力系統を含む負荷全体に電力を連続供給することが求められる負荷に使用して極めて有用なものであり、ガス発生装置用に限定されるものではない。

本発明の実施例の構成を示す結線図である。 状態の移行時の動作を示すタイムチャートである。 状態の移行時の動作を示すタイムチャートである。 状態の移行時の動作を示すタイムチャートである。 状態の移行時の動作を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 常用電源入力端子
２ 非常用電源入力端子
３ 第１のブレーカ
４ 第１の開閉器
５ 半導体開閉器
６ 第２のブレーカ
７ 第２の開閉器
８ 出力端子
９ 第３のブレーカ
１０ リアクトル
１１ 変換器
１２ コンデンサ
１３ チョッパ
１４ 二次電池
１５ 第３の開閉器
１６ リアクトル

Claims (3)

1. 常用電源に接続される入力部と非常用電源に接続される入力部と負荷が接続される出力部とを備える停電補償機能を備えた電源装置であって、前記二つの入力部はそれぞれ選択的に閉とされる開閉器を介して一極が前記出力部に接続される半導体開閉器の他極に接続し、出力部に双方向性の変換器の交流側を接続するとともに該変換器の直流側にエネルギー蓄積素子を接続して構成し、定常運転時には変換器をコンバータ運転してエネルギー蓄積素子に直流電力を蓄積するように制御し、常用電源から非常用電源への切り替え時および非常用電源から常用電源への切り替え時には変換器をインバータ運転してエネルギー蓄積素子に蓄積された直流電力を交流電力に変換するように制御する制御手段を設けたことを特徴とする停電補償機能を備えた電源装置。
2. 半導体開閉器と並列に開閉器を設け、該開閉器を負荷の始動時に閉路するように制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の停電補償機能を備えた電源装置。
3. 変換器のコンバータ動作時に、負荷に流れる高調波電流を補償するように変換器を制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の停電補償機能を備えた電源装置。

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