JP2008283729A - Uninterruptible power supply unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、停電等による商用電源の異常時にも負荷に電源を供給するための無停電電源装置(Uninterruptible Power Supply)に関するものである。 The present invention relates to an uninterruptible power supply for supplying power to a load even when a commercial power supply is abnormal due to a power failure or the like.
図7,図8は、この種の無停電電源装置の従来技術を示す構成図である。
まず、図7は、一般に常時インバータ方式と呼ばれる無停電電源装置であり、10は商用電源としての交流電源、20はフィルタ、30はパルス幅変調制御されるPWM整流器、40はバッテリー、50はバッテリー充放電手段、60はインバータ、70はフィルタ、80はコンピュータ装置等の負荷である。
7 and 8 are block diagrams showing the prior art of this type of uninterruptible power supply.
First, FIG. 7 shows an uninterruptible power supply generally called an inverter system. 10 is an AC power supply as a commercial power supply, 20 is a filter, 30 is a PWM rectifier controlled by pulse width modulation, 40 is a battery, and 50 is a battery. Charge / discharge means, 60 is an inverter, 70 is a filter, and 80 is a load such as a computer device.
この無停電電源装置では、電源10が正常な場合、PWM整流器30が電源10の交流電力を直流電力に変換し、この直流電力をインバータ60により交流電力に変換して負荷80に供給する。同時に、PWM整流器30から出力される直流電力により、バッテリー充放電手段50を介してバッテリー40を充電する。
一方、電源10に停電等の異常が発生するとPWM整流器30は動作を停止すると共に、バッテリー40の直流電力がバッテリー充放電手段50を介してインバータ60に供給され、インバータ60ではこの直流電力を交流電力に変換して負荷80に供給する。
In this uninterruptible power supply, when the
On the other hand, when an abnormality such as a power failure occurs in the
本方式では、インバータ60の運転を制御することにより、電源側の周波数を所定値に変換(例えば50Hzを60Hzに変換)すると共に、電源電圧を所定値に変換(同じく200Vを100Vに変換)して負荷80に供給できるという特徴がある。
In this method, by controlling the operation of the
また、図8は、一般に常時商用方式と呼ばれる無停電電源装置であり、90は電源10と負荷80との間の電路を短絡または開放する短絡開放手段である。なお、その他の構成要素には図7と同一の番号を付してある。
FIG. 8 shows an uninterruptible power supply generally called a commercial system. 90 is a short-circuit opening means for short-circuiting or opening an electric circuit between the
この無停電電源装置では、電源10が正常な場合、短絡開放手段90を短絡して電源10から負荷80に交流電力を常時、供給している。また、電源10に停電等の異常が発生すると、短絡開放手段90を開放し、代わりにインバータ60がバッテリー40の直流電力を交流電力に変換して負荷80に供給する。
本方式では、電源10の正常時に電源10から負荷80へ流れる電流は短絡開放手段90のみを通過するので、高効率であるという利点を有する。
In this uninterruptible power supply, when the
This system has an advantage of high efficiency because the current flowing from the
なお、図7とほぼ同様に構成された電源システムは、特許文献1に従来技術として開示されている。
また、この特許文献1には、交流交流直接変換を行う双方向スイッチモジュールと、このモジュールに交流電力を供給する三相交流電源及び補助電源(単相交流電源等の無停電電源やバッテリー)とを備え、三相交流電源の異常時に補助電源に切り換えて双方向スイッチモジュールに給電するようにしたPWMサイクロコンバータも開示されている。
A power supply system configured almost in the same manner as in FIG. 7 is disclosed in Patent Document 1 as a conventional technique.
Further, this Patent Document 1 includes a bidirectional switch module that performs AC / AC direct conversion, a three-phase AC power source and an auxiliary power source (uninterruptible power source such as a single-phase AC power source and a battery) that supply AC power to the module, and There is also disclosed a PWM cycloconverter that is configured to supply power to the bidirectional switch module by switching to an auxiliary power supply when a three-phase AC power supply is abnormal.
図7に示した常時インバータ方式の無停電電源装置によれば、電源電圧の周波数や大きさを任意に変換して負荷80に供給することが可能である。しかし、電源10が正常の場合、電源10から負荷80へ流れる電流は2台の電力変換器(PWM整流器30及びインバータ60)を通過するため、高効率化が困難である。特に、これらのPWM整流器30やインバータ60が備える半導体スイッチング素子による損失も無視できない。
一方、図8に示した常時商用方式の無停電電源装置によれば、平常時の高効率化は可能であるが、負荷80に供給する交流電圧の周波数や大きさが電源10によって決まってしまうので、用途が限定されるという問題がある。
According to the continuous inverter type uninterruptible power supply apparatus shown in FIG. 7, the frequency and magnitude of the power supply voltage can be arbitrarily converted and supplied to the
On the other hand, according to the continuous commercial uninterruptible power supply device shown in FIG. 8, it is possible to improve the efficiency in normal times, but the frequency and magnitude of the AC voltage supplied to the
従って、常時インバータ方式及び常時商用方式の両機能を備えた1台の無停電電源装置を構成し、両方式の利点を活かすことができれば良いが、両方式は回路構成が異なっていて兼用できる部品も限られているため、その実現は通常、困難である。 Therefore, it is only necessary to configure one uninterruptible power supply device with both functions of the constant inverter system and the constant commercial system and take advantage of both systems, but both systems have different circuit configurations and can be used together. This is usually difficult to achieve.
一方、特許文献1に記載された従来技術は、もっぱら三相交流電源の異常時に補助電源に切り替えてPWMサイクロコンバータを単相運転または三相運転する技術を開示するのみである。 On the other hand, the prior art described in Patent Document 1 only discloses a technique for switching to an auxiliary power source when a three-phase AC power source is abnormal and operating the PWM cycloconverter in a single phase or a three-phase operation.
そこで、本発明の解決課題は、単一の回路構成によって常時インバータ方式及び常時商用方式の両方の機能を実現することができ、しかも低コスト化が可能な無停電電源装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an uninterruptible power supply capable of realizing both functions of a constant inverter system and a constant commercial system with a single circuit configuration and capable of reducing the cost. .
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、電源の異常時に、エネルギー蓄積手段に蓄積された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する無停電電源装置において、
前記無停電電源装置は、複数の双方向スイッチをオン・オフさせて交流電力を直接、交流電力に変換する交流交流直接変換回路を備え、
前記直接変換回路は、電源の正常時に、前記双方向スイッチをパルス幅変調(PWM)制御によりスイッチング動作させるモードと電源電圧に同期してスイッチング動作させるモードとを有し、これらの二つのモードを切替可能に構成したものである。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 is an uninterruptible power supply that converts DC power stored in the energy storage means into AC power and supplies it to a load when the power supply is abnormal.
The uninterruptible power supply device includes an AC / AC direct conversion circuit that converts AC power directly into AC power by turning on / off a plurality of bidirectional switches,
The direct conversion circuit has a mode in which the bidirectional switch is switched by pulse width modulation (PWM) control and a mode in which the switching operation is performed in synchronization with the power supply voltage when the power supply is normal. It is configured to be switchable.
本発明においては、交流交流直接変換回路によってPWM制御と電源電圧に同期したスイッチング動作とを切替可能にしたことにより、主回路構成を単一として制御回路の動作を異ならせるだけで、常時インバータ方式及び常時商用方式の両方の利点を享受することができる。
すなわち、常時インバータ方式、常時商用方式の何れのモードにおいても、負荷電流が流れる電力変換器が1台の交流交流直接変換回路であるため損失を最小限にして高効率の運転を行うことができると共に、必要に応じて任意の周波数や大きさの交流電圧を負荷に供給することも可能である。
総じて本発明によれば、高効率かつ低コストの無停電電源装置を提供することができる。
In the present invention, it is possible to switch between PWM control and switching operation synchronized with the power supply voltage by an AC / AC direct conversion circuit, so that the operation of the control circuit can be changed only by changing the operation of the control circuit as a single main circuit configuration. And you can enjoy the advantages of both regular and commercial systems.
That is, in any mode of the constant inverter method and the constant commercial method, the power converter through which the load current flows is a single AC / AC direct conversion circuit, so that high efficiency operation can be performed with minimum loss. At the same time, it is possible to supply an AC voltage having an arbitrary frequency or magnitude to the load as required.
Generally, according to the present invention, an uninterruptible power supply device with high efficiency and low cost can be provided.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1はこの実施形態を示す構成図であり、図7,図8と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
図1において、10は商用電源としての三相の交流電源であり、この交流電源10には電路を短絡または開放するスイッチ等からなる短絡開放手段90が接続されている。短絡開放手段90の出力側には、フィルタ20を介してマトリクスコンバータ等の交流交流直接変換回路100が接続されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing this embodiment, and the same components as those in FIGS. 7 and 8 are given the same reference numerals.
In FIG. 1,
ここで、交流交流直接変換回路100は、図2に示すように、三相入力端子R,S,Tと三相出力端子U,V,Wとの間に、電流を双方向に制御可能な双方向スイッチSWが接続されており、制御回路(図示せず)からの駆動信号により上記双方向スイッチSWをオン・オフさせて任意の周波数、大きさの交流電圧を出力するように構成されている。
Here, the AC / AC
また、40はエネルギー蓄積手段としてのバッテリー、50はバッテリー40を充放電させるバッテリー充放電手段である。この充放電手段50は、交流−直流変換機能を備えており、その交流側は交流交流直接変換回路100に接続され、その直流側はバッテリー40に接続されている。
交流交流直接変換回路100の出力側には、フィルタ70を介してコンピュータ装置等の負荷80が接続されている。
なお、フィルタ20,70の構成については後述する。
A
The configuration of the
上記構成の無停電源電源装置において、図7に示した常時インバータ方式と同様の動作を行わせる場合には、交流交流直接変換回路13の双方向スイッチSWをPWM制御によりスイッチング動作させる。 In the uninterruptible power supply having the above configuration, when the same operation as that of the constant inverter system shown in FIG. 7 is performed, the bidirectional switch SW of the AC / AC direct conversion circuit 13 is switched by PWM control.
すなわち、電源10が正常な場合には、短絡状態の短絡開放手段90及びフィルタ20を介して交流交流直接変換回路100に入力される三相交流電圧を双方向スイッチSWのオン・オフにより直接切り出して所望の周波数、大きさを有する三相交流電圧に変換し、フィルタ70を介して負荷80に供給する。このような動作は、例えば交流交流直接変換回路100を仮想のPWM整流器とPWMインバータとの組み合わせとして想定し、これらの整流器及びインバータを構成する半導体スイッチング素子のスイッチングパターンを合成して双方向スイッチSWのスイッチングパターンを得ることにより実現可能である。
これにより、図7に示した常時インバータ方式と等価な無停電電源装置を得ることができる。
なお、電源10が正常な期間、バッテリー充放電手段50は、フィルタ20の出力側の交流電力を直流電力に変換してバッテリー40を充電している。
That is, when the
Thereby, the uninterruptible power supply device equivalent to the constant inverter system shown in FIG. 7 can be obtained.
During a period when the
電源10に停電等の異常が発生した場合には、この異常を適宜検出して短絡開放手段90を開放すると共に、バッテリー充放電手段50を介してバッテリー40を放電させ、その直流電圧を交流電圧に変換して交流交流直接変換回路100に供給し、前記同様に所望の交流電圧に変換して負荷80に供給する。
When an abnormality such as a power failure occurs in the
電源10の正常時において、電源電圧を降圧(例えば、200Vから100Vへ変換)して負荷80に供給する場合、フィルタ20,70は、図3のようにリアクトルLとコンデンサCとからなる一相分のフィルタを各相の線間に接続する。一方、電源電圧を昇圧(例えば100Vから200Vへ変換)して負荷80に供給する場合、電源側のフィルタ20は図4のようにリアクトルL1,L2とコンデンサCとからなる一相分のフィルタを各線間に接続し、負荷側のフィルタ70についてはコンデンサのみを各線間に接続する。
なお、負荷80への供給電圧が電源電圧と同じ場合には、用途に応じてフィルタ20,70の構成を変更すれば良い。
When the
If the supply voltage to the
上記のように本実施形態によれば、常時インバータ方式で運転する場合に、電源10からの電流は1台の電力変換器(交流交流直接変換回路100)のみを通過するので、図7の従来技術に比べて高効率化及び損失低減が可能である。
As described above, according to the present embodiment, when the inverter is always operated, the current from the
また、この実施形態において、電源側と負荷側とで周波数を変換しない場合には、交流交流直接変換回路100を交流チョッパとして動作させても良い。
図5は、単相の交流チョッパの回路構成を示している。図5に示すように、交流チョッパは電源10’の両端に直列接続されたスイッチSp,Snを交互にオン・オフさせて負荷80’に交流電力を供給する回路である。スイッチSpがオン、スイッチSnがオフの場合、負荷80’には電源電圧が印加され、スイッチSpがオフ、スイッチSnがオンの場合、負荷80’に流れていた電流はスイッチSnを介して流れるので、負荷電圧はゼロとなる。
上記の動作により、負荷80’に所望の交流電力を供給することができ、このようなスイッチSp,Snの動作は、交流交流直接変換回路100の双方向スイッチSWのオン・オフ制御によって容易に実現可能である。
In this embodiment, when the frequency is not converted between the power supply side and the load side, the AC / AC
FIG. 5 shows a circuit configuration of a single-phase AC chopper. As shown in FIG. 5, an AC chopper is a circuit for supplying alternating power 'across serially connected switch S p, load 80 alternately turns on and off the S n' of the
The above operation, the load 80 'can supply the desired AC power, such a switch S p, the operation of the S n is the on-off control of the bidirectional switch SW of the AC alternating current
一方、本実施形態の無停電電源装置を常時商用方式として動作させる場合、電源電圧の極性に応じて、つまり電源電圧に同期させて交流交流直接変換回路100の双方向スイッチSWをオン・オフさせれば良い。
すなわち、図6に示す一相分の回路において、電源電圧の極性が正の場合には、上側のスイッチSpをオン、下側のスイッチSnをオフし、電源電圧の極性が負の場合には、下側のスイッチSnをオン、上側のスイッチSpをオフすれば良い。このようなスイッチSp,Snの動作も、交流交流直接変換回路100の双方向スイッチSWのオン・オフ制御によって容易に実現可能である。
これにより、電源10’と同一の周波数及び振幅の交流電圧を出力端子側に得ることが可能であり、実質的に図8と同様の常時商用方式の無停電電源装置を実現することができる。
On the other hand, when the uninterruptible power supply of this embodiment is always operated as a commercial system, the bidirectional switch SW of the AC / AC
That is, in the circuit for one phase shown in FIG. 6, when the polarity of the power supply voltage is positive, the upper switch Sp is turned on, the lower switch Sn is turned off, and the polarity of the power supply voltage is negative. For this, the lower switch Sn is turned on and the upper switch Sp is turned off. Such switch S p, the operation of S n is also easily realized by the on-off control of the bidirectional switch SW of the AC alternating current
As a result, an AC voltage having the same frequency and amplitude as that of the
なお、上述した常時インバータ方式と常時商用方式とのモードの切り替えは、図示されていない制御回路に外部から指令を与えて行われる。
この実施形態によれば、図1に示した単一の回路構成によって常時インバータ方式及び常時商用方式の運転が可能であるため、図7及び図8の回路をそれぞれ別個に設ける場合に比べて回路構成の簡略化、コストの低減が可能である。
また、上記実施形態において、電源電圧が既定値にある時は常時商用方式として動作させ、停電は発生していないが電源電圧が既定値外となった場合にはPWM制御を行なわせても良い。
Note that switching between the above-described normal inverter method and normal commercial method is performed by giving an external command to a control circuit (not shown).
According to this embodiment, since the single circuit configuration shown in FIG. 1 enables the operation of the constant inverter system and the constant commercial system, the circuit of FIG. 7 and FIG. The configuration can be simplified and the cost can be reduced.
In the above embodiment, when the power supply voltage is at a predetermined value, it is always operated as a commercial system, and when no power failure has occurred but the power supply voltage is outside the predetermined value, PWM control may be performed. .
更に、上記実施形態において、電源側から負荷側への周波数変換は三相入力三相出力のみに限定されるが、電源10を単相交流電源として交流交流直接変換回路100から単相交流電圧を出力させる単相入力単相出力においても、図1と同一の構成により、周波数変換を伴わない常時インバータ方式と常時商用方式との両方の動作を実現することができる。 Furthermore, in the above embodiment, the frequency conversion from the power supply side to the load side is limited to only three-phase input and three-phase output. Even in the single-phase input and single-phase output to be output, the same configuration as in FIG. 1 can realize both the normal inverter system and the normal commercial system without frequency conversion.
10,10’:交流電源
20,70:フィルタ
40:バッテリー
50:バッテリー充放電手段
80,80’:負荷
90:短絡開放手段
100:交流交流直接変換回路
SW:双方向スイッチ
R,S,T:三相入力端子
U,V,W:三相出力端子
10, 10 ':
Claims (1)
前記無停電電源装置は、複数の双方向スイッチをオン・オフさせて交流電力を直接、交流電力に変換する交流交流直接変換回路を備え、
前記直接変換回路は、電源の正常時に、前記双方向スイッチをパルス幅変調制御によりスイッチング動作させるモードと電源電圧に同期してスイッチング動作させるモードとを有し、これらの二つのモードを切替可能に構成したことを特徴とする無停電電源装置。 In an uninterruptible power supply that converts DC power stored in the energy storage means into AC power and supplies it to the load when the power supply is abnormal,
The uninterruptible power supply device includes an AC / AC direct conversion circuit that converts AC power directly into AC power by turning on / off a plurality of bidirectional switches,
The direct conversion circuit has a mode in which the bidirectional switch is switched by pulse width modulation control and a mode in which the switching operation is performed in synchronization with the power supply voltage when the power supply is normal, and these two modes can be switched. An uninterruptible power supply characterized by comprising.
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