JP2009112128A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力損失を抑えるために電力切替えに電磁式リレーを利用した場合に、リレーの動作速度の遅さに起因する負荷への電力供給の途切れの期間を短縮する。
【解決手段】第１リレー３により商用交流電力と蓄電部８及びインバータ部７の作用による補償交流電力とを切り替えて供給する負荷線路５と補償交流電力供給線路５との間に、第２リレー１３を設ける。瞬低等の異常時には、第１リレー３をａ−ｃ接続状態、第２リレー１３を開成として、補償交流電力を負荷４０に供給する。正常状態に復帰すると、制御部２０はまず第１リレー３をｂ−ｃ接続状態に切り替えるように該リレー３への通電を停止する一方、第２リレー１３は閉成状態を維持させ、第１リレー３の接点の切替時間に応じた遅延時間経過後に第２リレー１３を開成させる。これにより、第１リレー３の切替中の期間の大半で補償交流電力が負荷４０に供給され続け、少しの期間、電力が途切れた後に商用交流電力が負荷４０に供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、商用交流電源から負荷に供給される商用交流電力の電圧が一時的に低下した場合、或いは一時的に停電が発生した場合に、代わりに負荷に交流電力を供給する瞬時電圧低下保護装置などの無停電電源装置に関する。

従来より、１００Ｖ又は２００Ｖの商用交流電源から負荷に供給される商用交流電力の電圧が短時間低下した場合や短時間遮断された場合に、これに代えて交流電力を負荷に供給する瞬時電圧低下保護装置が広く利用されている。例えば特許文献１に記載の瞬時電圧低下保護装置では、昇圧トランスとダイオード整流器から成る補充電回路と、交流／直流の相互変換を行うインバータ部とを備え、商用交流電源からの交流電力が正常に供給されている状態で、まずインバータ部により電解コンデンサの充電電圧が或る程度に上昇するまで充電を行い、それ以降は補充電回路により電解コンデンサの漏れ電流に対応する電圧降下分を補充する。そして、商用交流電源からの商用交流電力の電圧が瞬時低下を起こすと、サイリスタにより商用交流電源を負荷から切り離し、電解コンデンサに蓄えていた電気エネルギーをインバータ部で交流電力に変換して負荷に供給する。

上記従来の瞬時電圧低下保護装置では、商用交流電源から供給される商用交流電力の開閉とインバータ部から供給される補償交流電力の開閉とにそれぞれサイリスタ、つまりは半導体交流スイッチが利用されている。このように電力の開閉に半導体交流スイッチを利用する利点は、オン・オフの切替速度が速いために、負荷に供給される電力が遮断される時間を短くできることである。その反面、半導体交流スイッチはオン（導通）時にもその素子内部で電圧降下があるため、該素子での電力の損失が生じるという欠点がある。特に大きな負荷電流を供給する場合にはこの電力損失は無視できず、無駄な電力消費が増加するのみならず、放熱対策にも大きなコストが掛かるようになる。もちろん、半導体交流スイッチは後述のリレーに比べて、それ自体がかなり高価であるという問題もある。

一方、上記のような瞬時電圧低下保護装置において、半導体交流スイッチの代わりに電磁式のリレーを用いて商用交流電源からの商用交流電力とインバータ部からの補償交流電力との切替えを行う構成のものも知られている。電磁式のリレーの場合にはオン時の電圧降下が生じないため電力損失の問題はない。また、その素子自体の価格は半導体交流スイッチに比べて格段に安い。しかしながら、電磁式のリレーでは、半導体交流スイッチのような高速の切替えは困難である。

具体的に説明すると、例えば一般的なシングル・ステイブル型のリレーは、励磁コイルに通電されない状態では復帰ばねの付勢力により可動片が一方の接点に接触する状態に保持され、励磁コイルに通電されるとその磁力により可動片が他方の接点に接触するように移動する。こうしたリレーが瞬時電圧低下保護装置に利用される場合、通常、励磁コイルが非通電状態であるときに商用交流電力が負荷に供給され、励磁コイルが通電状態になると補償交流電力が負荷に供給される接続となるように、リレーが給電線路上に介挿される。こうしたリレーは一般的に、励磁コイルへの通電開始時における接点の切替えよりも励磁コイルへの通電遮断時における接点の切替えのほうが長い切替時間を要する。例えば、本願発明者らが使用しているリレーでは、前者は４ｍ秒程度であるのに対し、後者はその約２倍の８ｍ秒程度と、切替えに時間を要する。

特開２０００−１５２５１９号公報

電磁式のリレーを採用した従来の瞬時電圧低下保護装置では、こうした接点の切替えの期間中には負荷に供給される電力が途切れることになる。こうした電力の瞬断に対する耐性は負荷によって異なるが、一般的に言うと、瞬低等の発生時に４ｍ秒程度電力が途切れることは或る程度許容されるものの、瞬低等からの復帰時、つまり商用交流電力が既に供給されているときに約８ｍ秒もの間、電力が途切れることは許容されないことが多い。

本発明はこうした課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、電力損失をなくすために接点の切替え速度の遅い電磁式のリレーを用いた場合でも、出力端に接続された負荷に供給する電力の瞬断時間を短縮することができる、瞬時電圧低下保護装置を含む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に成された本発明は、商用交流電源から商用交流電力が供給されるときに充電手段に電気エネルギーを蓄えるとともに前記商用交流電力を負荷に出力し、前記商用交流電源による電圧が一時的に低下したときに前記充電手段に蓄えた電気エネルギーを直流／交流変換して前記商用交流電力に代えて補償交流電力として負荷に出力する無停電電源装置において、
a)励磁コイルが非通電状態であるときに前記商用交流電力が供給される商用交流電力供給線路と前記負荷へ電力を出力する負荷線路とを接続し、前記励磁コイルが通電状態であるときに前記補償交流電力が供給される補償交流電力供給線路と前記負荷線路とを接続するように接点を切り替える第１の電磁式リレーと、
b)前記補償交流電力供給線路と前記負荷線路とを接続する又は非接続とするように接点の開閉を行う第２の電磁式リレーと、
c)前記商用交流電源による電圧が低下した状態において、前記第１の電磁式リレーにより前記補償交流電力供給線路と前記負荷線路とが接続されるとともに前記第２の電磁式リレーが閉成された状態であるときに、前記商用交流電源による電圧の回復を検知すると、まず前記第１の電磁式リレーによる接点の切替えを行うように該リレーの励磁コイルへの通電を停止し、それから既定の時間が経過した後に前記第２の電磁式リレーを開成させるように、前記第１及び第２の電磁式リレーの動作を制御する制御手段と、
を備えることを特徴としている。

ここで、上記既定の時間は、第１の電磁式リレーにあって、その励磁コイルに通電がなされている状態で通電が停止されたとき、その通電停止時点から前記商用交流電力供給線路と前記負荷線路とが導通するように接点の切替えが完了するまでの切替時間の長さに応じて予め設定される。なお、閉成状態にある第２の電磁式リレーに対し開成するように指令を与えて、その第２の電磁式リレーの励磁コイルへの通電を停止した時点から、実際に接点が開成するまでの応答遅れ時間も考慮して上記既定の時間を決めることが好ましい。

具体的には、既定の時間をｔ、第１の電磁式リレーの上記切替時間をｔ１、第２の電磁式リレーの上記応答遅れ時間をｔ２としたとき、ｔ＋ｔ２＜ｔ１の条件の下に、できるだけ大きなｔとするのが好ましい。

本発明に係る無停電電源装置では、商用交流電源の電圧低下や短時間の停電などの際には、第１の電磁式リレーは補償交流電力線路と負荷線路とが接続されるように接点が切り替わった状態であり、第２の電磁式リレーは補償交流電力線路と負荷線路とが接続されるように閉成された状態にある。この状態において、充電手段に蓄えられた電気エネルギーを例えばインバータ回路などにより直流／交流変換した補償交流電力が、負荷線路を通して負荷に供給される。

商用交流電源の電圧が回復すると、この電圧の回復を検知した制御手段は、まず第１の電磁式リレーによる接点の切替えを行うように該リレーの励磁コイルへの通電を停止する。これにより、第１の電磁式リレーの可動片が作動し始め、負荷線路と補償交流電力供給線路との接続が切断されるが、未だ負荷線路と商用交流電力供給線路とが接続される状態にまでは至らない。即ち、接点の切替え中の期間が存在する。その間、商用交流電力と補償交流電力とのいずれも第１の電磁式リレーを通して負荷線路に供給されないが、このとき第２の電磁式リレーは閉成されているため、この第２の電磁式リレーを通して補償交流電力が負荷線路へと供給され、負荷へは電力が供給され続けることになる。

制御手段は、第１の電磁式リレーの励磁コイルへの通電停止時点から既定の時間が経た時点で第２の電磁式リレーを開成させる。これにより、第２の電磁式リレーを通しての負荷線路への補償交流電力の供給もなくなり、負荷への電力供給は一時的に途切れるが、その時点では第１の電磁式リレーにおいて負荷線路と商用交流電力供給線路とが接続される寸前の状態にある。したがって、その直後に第１の電磁式リレーにおいて負荷線路と商用交流電力供給線路とが接続され、第１の電磁式リレーを通して商用交流電力が負荷に供給され始める。

このように本発明に係る無停電電源装置によれば、第１の電磁式リレーの接点の切替えに時間が掛かっても、その切替え中の期間の多くの範囲において、第２の電磁式リレーを通して必要な電力を負荷に供給することができる。これにより、負荷に供給する電力が途切れる期間を短縮することができる。したがって、負荷への電力供給の瞬断時間を短く抑えつつ、導通時に電圧降下が殆ど生じない電磁式リレーを電力供給の切替えに使用し、電力損失の抑制とコスト削減とを図ることができる。

本発明に係る無停電電源装置の一実施例である瞬時電圧低下保護装置について、図１〜図３により説明する。図１は本実施例による瞬時電圧低下保護装置の概略ブロック構成図である。

この瞬時電圧低下保護装置は、１００Ｖ又は２００Ｖの商用交流電源１から負荷４０に供給される交流電力の電圧が一時的（例えば最大で１秒程度）に低下したときでも、これを保護するものである。図１において、外部の商用交流電源１から商用交流電力が供給される商用交流電力供給線路２は電磁式リレーである第１リレー３のｂ端子に接続され、負荷４０に至る負荷線路４は第１リレー３のｃ端子に接続されている。また、第１リレー３のａ端子に接続された補償交流電力供給線路５はインダクタンスとコンデンサとから成るフィルタ１１を介して複数のスイッチング素子を含むインバータ部７に接続されている。

補償交流電力供給線路５と負荷線路４とは、抵抗器１２と電磁式リレーである第２リレー１３との並列回路を介しても接続されている。インバータ部７には電解コンデンサ９を含む蓄電部８が接続され、インバータ部７は、正常時に抵抗器１２を通して与えられる商用交流電力を直流に変換して電解コンデンサ９を充電する機能と、逆に電解コンデンサ９に保持されている電気エネルギーを直流／交流変換する機能とを併せ持つ。

また、同じく蓄電部８の電解コンデンサ９を充電するために、トランス１４、トランス１４の１次側巻線に直列接続された双方向サイリスタ１５、トランス１４の２次側巻線に接続された整流用ダイオード１６、コンデンサ１７、抵抗器１８などを含む補充電部１０を備える。電解コンデンサ９はインバータ部７と補充電部１０とのいずれからでも充電が可能となっている。補充電部１０の双方向サイリスタ１５は補充電駆動部２２により与えられる駆動信号によりオン／オフが制御される。また、インバータ部７の各スイッチング素子はインバータ駆動部２４により与えられる駆動信号によりオン／オフが制御される。

入力電圧検出部２１は商用交流電力供給線路２上の電圧の振幅（ピーク値又は実効値）を監視し、その振幅値を制御部２０に与える。充電電圧検出部２３は電解コンデンサ９に保持された充電電圧を検出し、その電圧値を制御部２０に入力する。出力電圧検出部２６は負荷線路４上の電圧を検出し、その電圧の振幅（ピーク値又は実効値）を制御部２０に入力する。また、負荷４０に供給される負荷電流は負荷線路４上に設けられた電流トランス６及び負荷電流検出部２７で検出され、その電流値が制御部２０に入力される。制御部２０はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを中心に構成され、予め格納された制御プログラムに従って後述する各種制御や処理を実行する。

第１リレー３は、ｂ端子とｃ端子とを接続したｂ−ｃ接続状態とａ端子とｃ端子とを接続したａ−ｃ接続状態との２つを切り替える、シングル・ステイブル型の電磁リレーである。詳しくは、図３に示すように、一端がｃ端子に固定的に接続された導電性の可動片３０が復帰ばね３１の付勢力により牽引され、その他端の可動端がｂ端子に接触するようになっている。そして、励磁コイル３２に通電が行われると、励磁コイル３２の磁力により可動片３０が復帰ばね３１の付勢力に抗して引かれ、可動端がａ端子に接触する。したがって、ｂ−ｃ接続状態→ａ−ｃ接続状態の切替えは励磁コイル３２への通電による磁力の作用により行われ、逆に、ａ−ｃ接続状態→ｂ−ｃ接続状態の切替えは励磁コイル３２による磁力がない状態での復帰ばね３１の付勢力により行われる。

一方、第２リレー１３は、図３に記載の電磁式のリレーにおいて、ｂ端子が開放状態で、ａ端子に負荷線路４が、ｃ端子に補償交流電力供給線路５が接続されていると考えればよい。この第１及び第２リレー３、１３の切替動作は、切替駆動部２５から供給される駆動電流により制御される。

次に、本実施例の瞬時電圧低下保護装置における電力の補償動作について、図２により説明する。図２において（ａ）〜（ｄ）は本実施例の瞬時電圧低下保護装置における要部の概略タイミング図であり、（ｅ）のみが従来の（つまり本実施例における第２リレー１３が設けられていない場合の）瞬時電圧低下保護装置における概略タイミング図である。

制御部２０は所定時間間隔で入力電圧検出部２１により商用交流電力の電圧値を計測し、その計測値が予め定めた正常値の範囲であるか正常であるか否かを判定する。正常である場合には、切替駆動部２５から駆動電流を出力しないので、第１リレー３はｂ−ｃ接続状態、第２リレー１３は開成状態となっている。これにより、商用交流電力が負荷線路４から負荷４０に供給される。また、このとき抵抗器１２を介してインバータ部７に商用交流電力が供給されるから、この商用交流電力を元に電解コンデンサ９に充電が行われ、電解コンデンサ９に電気エネルギーが蓄えられる。

ここで簡単に電解コンデンサ９の充電手順を説明する。即ち、充電電圧検出部２３により検出される電圧値が第１の所定値Ｖ１以下である場合には、制御部２０はインバータ駆動部２４を介してインバータ部７を動作させ、インバータ部７で交流／直流変換して得た直流の電気エネルギーを電解コンデンサ９に蓄積する。このとき、双方向サイリスタ１５はオフ状態とし補充電部１０は動作させない。充電電圧検出部２３により検出される電圧値が定格電圧Ｖｆ（Ｖｆ＞Ｖ１）に達したならば、インバータ部７の動作を停止させ充電動作を停止する。

インバータ部７のスイッチング素子がオフ状態であっても、定格電圧Ｖｆまで充電された電解コンデンサ９の電気エネルギーは自然放電により徐々に減じる。そこで、自然放電により充電電圧が下がってきてその電圧値が第２の所定値Ｖ２（通常Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖｆ）にまで下がると、充電電圧検出部２３により検出される電圧値に基づいてこれを認識した制御部２０は、補充電駆動部２２を介して双方向サイリスタ１５を導通させる。すると、トランス１４の１次側巻線に交流電流が流れ、２次側巻線の両端に所定の交流電圧が発生する。この電圧は整流用ダイオード１６で直流化され、抵抗器１８を介して電解コンデンサ９を充電し始める。このときにはインバータ部７は動作させず、補充電部１０のみにより電解コンデンサ９の充電電圧は回復し始める。そして、充電電圧検出部２３により検出される電圧値が定格電圧Ｖｆに達したならば、補充電部１０の動作を停止させ充電動作を停止する。

電力供給事業者の電力供給の異常等により商用交流電圧が一時的に低下したり電力供給が一時的に遮断したりすると、入力電圧が正常の範囲を逸脱していると判定され、即ち、異常な電圧低下が生じていると判定され（瞬低が検知され）、制御部２０は商用交流電力に代えて補償交流電力の供給を行うように制御を開始する。まず切替駆動部２５から駆動電流を第１リレー３及び第２リレー１３の励磁コイルに流し始め、第１リレー３をａ−ｃ接続状態とし、第２リレー１３を閉成状態とするように接点の切替えを図る。これと共に、インバータ駆動部２４によりインバータ部７を動作させて、電解コンデンサ９に保持されている電圧を直流／交流変換し出力可能な状態とする。

第１リレー３、第２リレー１３の接点が切り替わるのに或る程度の切替時間が掛かるが（図２（ｂ）に示す前半の切替中の期間）、この実施例においては、その切替時間は最大でも４ｍ秒程度である。したがって、図２（ｄ）に示すように、最大４ｍ秒程度の期間だけ負荷４０へ供給される電力が途切れ、その後、フィルタ１１を介して波形整形された補償交流電力が負荷線路４と通して負荷４０に供給される。

商用交流電源１からの商用交流電力の電圧低下や停電が解消されると、入力電圧検出部２１による信号により制御部２０は電力の復帰を検知し、補償交流電力に代えて商用交流電力の供給に戻すように制御を遂行する。即ち、まず切替駆動部２５から第１リレー３への駆動電流の供給を停止し、第１リレー３がｂ−ｃ接続状態となるように接点の切替えを図る。一方、第２リレー１３への駆動電流の供給は継続し、インバータ部７の動作もそれ以前と同じように継続する。第１リレー３の励磁コイル３２への通電が遮断されることで、上述のように該リレー３の可動片３０は移動し始め、ａ−ｃ端子間の接続は切断されるが、未だ第２リレー１３は閉成状態であるため、補償交流電力が第２リレー１３を通してのみ補償交流電力供給線路５から負荷線路４に供給され、負荷４０に与えられる。

制御部２０は第１リレー３への通電停止から６ｍ秒が経過した時点で、第２リレー１３への駆動電流の供給を停止する（図２（ｃ）参照）。つまり、第２リレー１３への通電の停止を第１リレー３への通電停止から６ｍ秒だけ遅延させる。この６ｍ秒という遅延時間ｔは、第１リレー３がａ−ｃ接続状態からｂ−ｃ接続状態に完全に切り替わるのに要する切替時間ｔ１と、第２リレー１３の励磁コイルへの通電が停止されてから実際に接点が開成するまでの遅れ時間ｔ２とに応じて決められ、ｔ＋ｔ２＜ｔ１である。ここでは、実測等に基づき、切替時間ｔ１を８ｍ秒、遅れ時間ｔ２を１ｍ秒以下と想定し、遅延時間ｔを６ｍ秒に設定している。切替時間ｔ１に対し遅延時間ｔが短すぎると負荷４０に供給される電力が途切れる時間が長くなり、逆に切替時間ｔ１に対し遅延時間ｔが長すぎると、負荷線路４に商用交流電力供給線路２と補償交流電力供給線路５とが同時に接続された状態となり、負荷４０に正常な電力が供給されなくなる。したがって、こうしたことを考慮して、適切な遅延時間ｔを決めることが望ましい。

なお、第２リレー１３が開成すると補償交流電力の供給は不要になるから、第２リレー１３の励磁コイルへの通電を停止するとともに、インバータ部７による直流／交流変換動作を停止するようにインバータ駆動部２４を制御する。

いま、６ｍ秒の遅延の後に第２リレー１３への通電を停止してすぐに該リレー１３が開成し、想定通りに第１リレー３への通電停止から８ｍ秒経過後に該リレー３でｂ−ｃ接続状態に接点が切り替わったとする。この場合、図２（ｄ）に示すように、第２リレー１３が開成してから第１リレー３のｂ−ｃ接続状態が確立されるまでの最大で約２ｍ秒の期間だけ、負荷４０に供給される電力が途切れ、その後に商用交流電力の供給が再開されることになる。これに対し、従来のように第２リレー１３が設けられていない場合や第２リレー１３が設けられていても上記遅延時間がゼロである場合には、図２（ｅ）に示したように、商用電源電圧が復帰した際に負荷４０へ供給される電力が途切れる期間は８ｍｓとなる。このように、本実施例の瞬時電圧低下保護装置によれば、従来に比べて大幅に電力の途切れ期間を短縮することができることが分かる。

なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。

例えば、上記実施例はコンデンサに蓄えた電気エネルギーを利用して電力を一時的に代替供給する瞬時電圧低下保護装置について説明したが、本発明は、例えば蓄電池に蓄えた電気エネルギーを利用して、より長時間に亘り電力を代替供給する無停電電源装置一般に適用することができることは明らかである。

本発明に係る無停電電源装置の一実施例である瞬時電圧低下保護装置の概略ブロック構成図。 本実施例の瞬時電圧低下保護装置における要部の概略タイミング図。 本実施例の瞬時電圧低下保護装置において第１リレーに使用されている電磁式リレーの概略構成図。

符号の説明

１…商用交流電源
２…商用交流電力供給線路
３…第１リレー
３０…可動片
３１…復帰ばね
３２…励磁コイル
４…負荷線路
５…補償交流電力供給線路
６…電流トランス
７…インバータ部
８…蓄電部
９…電解コンデンサ
１０…補充電部
１１…フィルタ
１２…抵抗器
１３…第２リレー
２０…制御部
２１…入力電圧検出部
２２…補充電駆動部
２３…充電電圧検出部
２４…インバータ駆動部
２５…切替駆動部
２６…出力電圧検出部
２７…負荷電流検出部
４０…負荷

Claims (2)

1. 商用交流電源から商用交流電力が供給されるときに充電手段に電気エネルギーを蓄えるとともに前記商用交流電力を負荷に出力し、前記商用交流電源による電圧が一時的に低下したときに前記充電手段に蓄えた電気エネルギーを直流／交流変換して前記商用交流電力に代えて補償交流電力として負荷に出力する無停電電源装置において、
   a)励磁コイルが非通電状態であるときに前記商用交流電力が供給される商用交流電力供給線路と前記負荷へ電力を出力する負荷線路とを接続し、前記励磁コイルが通電状態であるときに前記補償交流電力が供給される補償交流電力供給線路と前記負荷線路とを接続するように接点を切り替える第１の電磁式リレーと、
   b)前記補償交流電力供給線路と前記負荷線路とを接続する又は非接続とするように接点の開閉を行う第２の電磁式リレーと、
   c)前記商用交流電源による電圧が低下した状態において、前記第１の電磁式リレーにより前記補償交流電力供給線路と前記負荷線路とが接続されるとともに前記第２の電磁式リレーが閉成された状態であるときに、前記商用交流電源による電圧の回復を検知すると、まず前記第１の電磁式リレーによる接点の切替えを行うように該リレーの励磁コイルへの通電を停止し、それから既定の時間が経過した後に前記第２の電磁式リレーを開成させるように、前記第１及び第２の電磁式リレーの動作を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする無停電電源装置。
2. 前記既定の時間は、前記第１の電磁式リレーにあって、その励磁コイルに通電がなされている状態で通電が停止されたとき、その通電停止時点から前記商用交流電力供給線路と前記負荷線路とが導通するように接点の切替えが完了するまでの切替時間の長さに応じて且つその長さよりも短い時間に予め設定されることを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。

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