JP2009171771A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】インバータ出力と商用電源の位相が同期していないときにも、負荷への給電を継続させ、切換時における負荷電流の許容値を許容範囲内に収める。
【解決手段】位相差測定回路19は、インバータ4の出力を基準にして商用電源の位相差を測定する。電圧位相差レベル判定回路10でインバータ4の出力と商用電源とが非同期であると判定されたとき、電源切換器5のインバータ4による給電の遮断時に位相差測定回路19で測定された位相差だけ位相差非同期時切換指令15を可変時限ディレイ21で遅延させて商用電源1による給電を開始させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、インバータによる給電と商用電源による給電との間で負荷に対する給電の切換を行う電力変換装置に関するものである。
負荷に対する電源の供給を停止することのないように用いられている無停電電源装置では、インバータのメンテナンス若しくは故障時に瞬時停電を発生させずに負荷への給電を継続させることが要求されていた。
このため、無停電電源装置は、インバータによる給電と商用電源による給電との間で負荷に対する給電の切換を行う電源切換器を設けている。ここで、電源切換器により、常時は商用電源に同期させて運転しているインバータによる給電を行っている。
そして、インバータのメンテナンス若しくは故障時にインバータによる給電から商用電源による給電に瞬時切換を行うようにしている。このインバータは給電形態に応じて単独接続又は複数台並列接続されることもある。
図3は、従来の無停電電源装置を示す電力変換装置の構成図である。
図3に示すように、従来の無停電電源装置は、インバータ4と、電源切換器5と、電圧位相差レベル判定回路10とを設けている。インバータ4は、内部の基準信号に基づいてバッテリ等のインバータ入力電源2から商用電源1に同期した交流電力を生成している。
電源切換器5は、サイリスタスイッチ等の高速スイッチ6で商用電源1による負荷3に対する給電をオン又はオフし、スイッチ7でインバータ4による負荷3に対する給電をオン又はオフする。
電圧位相差レベル判定回路10は、電圧検出器8で検出された商用電源1の電圧と、電圧検出器9で検出されたインバータ4の出力電圧とから、商用電源1の電圧とインバータ4の出力電圧の位相差が一定範囲内であるか否かを検出して、位相差判定結果11を出力する。
さらに、従来の無停電電源装置は、判定回路13と、固定時限ディレイ回路16とを設けている。判定回路13のアンド回路13−2は、位相差判定結果11が「1」(同期時)で、かつ切換指令12が「1」のとき、位相同期時切換指令14を出力する。
さらに、判定回路13のアンド回路13−1は、位相差判定結果11が「0」(非同期時)であって、かつ切換指令12が「1」のとき、位相非同期時切換指令15を出力する。オア回路17−1は、位相同期時切換指令14又は位相非同期時切換指令15が「1」のとき、スイッチオフ指令17を電源切換器5のスイッチ7に供給する。
また、オア回路18−1は、少なくとも位相同期時切換指令14が「1」のとき、サイリスタスイッチオン指令18を電源切換器5のサイリスタスイッチ6に供給する。
従って、位相同期時切換指令14が「1」のとき、電源切換器5では、スイッチ7がオフする前にサイリスタスイッチ6がオンする。これにより、負荷3に対する給電を瞬断させることなく、インバータ4による給電から商用電源1による給電への切換が行われる。
また、固定時限ディレイ回路16は、位相非同期時切換指令15が「1」のとき、負荷3に対する給電を一定期間停止するためにサイリスタスイッチオン指令18に使用するための位相非同期時切換指令15を遅延させる。
ここで、オア回路18−1は、位相同期時切換指令14が「1」又は固定時限ディレイ回路16で一定期間遅延された位相非同期時切換指令15が「1」のとき、サイリスタスイッチオン指令18を電源切換器5のサイリスタスイッチ6に供給する。
また、オア回路17−1は、位相非同期時切換指令15が「1」又は位相同期時切換指令14が「1」のとき、スイッチオフ指令17を電源切換器5のスイッチ7に供給する。このとき、電源切換器5は、位相非同期時切換指令15が「1」でスイッチ7がオフとなるとその一定期間後にサイリスタスイッチ6をオンにする。
これにより、インバータ4による給電から一定期間経過後に商用電源1による負荷3に対する給電へ切換を行う。すなわち、非同期時には、一定期間経過後(一周期以上経過後)の非同期による切換時の変動収束後に切換を行うようにしている(特許文献1参照)。
図4は、図3に示した電力変換装置において、インバータ出力と商用電源が同期しているときの切換時の波形図である。図4Aはインバータ出力電圧、図4Bは商用電源電圧、図4Cは負荷印加電圧、図4Dはインバータ出力電流、図4Eは商用電源電流、図4Fは負荷電流を示す。
図4は、インバータ4による給電から商用電源1による負荷3に対する給電へ瞬時切換を行うスイッチ切換指令が電源切換器5に供給されたときの各部の波形図である。すなわち、位相同期時切換指令14に基づくスイッチオフ指令17及びサイリスタスイッチオン指令18が電源切換器5のスイッチ7及びサイリスタスイッチ6に供給される。
図4Aに示すインバータ出力電圧と、図4Bに示す商用電源電圧は同期しているので、T11時点で切換を行うことにより、インバータ4による給電を停止すると共に、商用電源1の給電を開始する。
これにより、図4Dに示すインバータ出力電流はT11時点で遮断され、T11時点から図4Eに示す商用電源電流が負荷3に供給される。従って、図4Fに示す負荷電流は、T11時点の切換があっても、瞬時停電を発生させることがなく負荷3への給電を継続させるようにしている。
図5は、図3に示した電力変換装置において、インバータ出力と商用電源が同期していないときの切換時の波形図である。図5Aはインバータ出力電圧、図5Bは商用電源電圧、図5Cは負荷印加電圧、図5Dはインバータ出力電流、図5Eは商用電源電流、図5Fは負荷電流を示す。
図5は、インバータ出力と商用電源が同期していないとき、スイッチ切換指令が電源切換器5に供給されたときの各部の波形図である。
上述したように、一定期間遅延された位相非同期時切換指令15は、インバータ4による給電の停止から一定期間経過後に商用電源1による負荷3に対する給電の開始へ切換を行うためのものである。
すなわち、図5に示す動作は、位相非同期時切換指令15に基づくスイッチオフ指令17及び一定期間遅延された位相非同期時切換指令15に基づくサイリスタスイッチオン指令18が電源切換器5のスイッチ7及びサイリスタスイッチ6に供給されるときの動作である。
図5Aに示すインバータ出力電圧と、図5Bに示す商用電源電圧とは位相差Δがあることから同期していないため、瞬時切換を行うことはできない。
まず、T11時点で切換を行うことにより、インバータ4による給電を停止する。これにより、図5Dに示すインバータ出力電流はT11時点で遮断されるので、図5Fに示す負荷電流もT11時点で遮断される。
そこで、負荷電流のT11時点の遮断から、負荷への給電停止期間T21経過後のT12時点で、切換を行うことにより、商用電源1による給電を開始する。これにより、インバータ出力電流が遮断されたT11時点から、負荷への給電停止期間T21経過後のT12時点で、図5Eに示す商用電源電流が負荷へ供給される。
従って、負荷電流は、上記位相差Δがある場合でも、T11時点から負荷への給電停止期間T21経過後のT12時点で、上記位相差Δによる変動を抑えて負荷3への給電を開始するようにしている。
図6は、図3に示した電力変換装置において、インバータ出力と商用電源が同期していないときの瞬時切換時の波形図である。図6Aはインバータ出力電圧、図6Bは商用電源電圧、図6Cは負荷印加電圧、図6Dはインバータ出力電流、図6Eは商用電源電流、図6Fは負荷電流を示す。
図6は、インバータ出力と商用電源が同期していないとき、位相非同期時切換指令15を用いずに、仮に位相同期時切換指令14に基づくスイッチ切換指令が電源切換器5に供給されたときの各部の波形図である。
図6Aに示すインバータ出力電圧と、図6Bに示す商用電源電圧とは位相差Δがあるため同期していない。このとき、瞬時切換を行った場合、各部の波形は以下のようになる。まず、T11時点で切換を行うことにより、インバータ4による給電を停止すると共に、商用電源1の給電を開始する。
これにより、図6Dに示すインバータ出力電流はT11時点で遮断され、T11時点から図6Eに示す商用電源電流が負荷3に供給される。ところが、インバータ出力電圧と商用電源電圧とは位相差Δがあるため、図6Fに示す負荷電流は、T11時点において、負荷許容電流Imaxを超過する。
これは、61に示すように、インバータ出力電圧と商用電源電圧との電圧変化および位相変化があることから、切換時における負荷電流が変動して許容値を超過するためである。
この負荷電流が負荷許容電流Imaxを超過する現象は、負荷3が誘導性負荷や容量性負荷を含む場合に発生する。このように、図6Cに示す負荷印加電圧もしくは負荷電圧位相が急変したときに負荷電流が過大になる要因は、負荷の成分による。すなわち、負荷3の誘導性負荷に含まれる鉄心の磁気飽和によるインダクタンスの大幅な低下や、容量性負荷の変位電流等に基づくものである。
特開2004−260953号公報
上述した従来の電力変換装置では、インバータ出力と商用電源が同期していないときに瞬時切換はできず、一定期間(一周期以上)給電が遮断されるため、負荷3への給電を継続させることができない。
また、インバータ出力と商用電源が同期していないときに瞬時切換を行った場合は、切換時における負荷電流の許容値を超過してしまい、負荷3に影響を及ぼすことになる。
そこで、本発明は、インバータ出力と商用電源の位相が同期していないときにも、負荷への給電の遮断期間を最小にすることができると共に、切換時における負荷電流の許容値を許容範囲内に収めることを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、負荷への給電をインバータによる給電から商用電源による給電に切換える電源切換部と、インバータの出力と商用電源との位相差が一定範囲内であるか否かを検出することにより、インバータの出力と商用電源とが同期しているか否かを判定する位相差判定部を備えている。
さらに、本発明の電力変換装置は、インバータの出力を基準にして商用電源の位相差を測定する位相差測定部と、位相差判定部でインバータの出力と商用電源とが非同期であると判定されたとき、電源切換部のインバータによる給電の遮断時に位相差測定部で測定された位相差だけ遅延させて商用電源による給電を開始させる遅延切換指令部とを備える。
これにより、本発明の電力変換装置では、インバータの出力と商用電源とが非同期であるとき、電源切換部のインバータによる給電の遮断時に位相差測定部で測定された位相差だけ遅延させた後に、負荷への給電を商用電源による給電に切換える。
本発明によれば、インバータの出力と商用電源との位相差があるとき、負荷への給電をインバータによる給電の遮断時に測定された位相差だけ遅延させてから商用電源による給電に切換えるため、給電の停止期間を位相差分の短期間だけに収めることができる。
これにより、インバータ出力と商用電源が同期していないときにも、負荷への給電をインバータによる給電の遮断から位相差だけ遅延させてして給電を継続させることができる。
また、インバータによる給電を遮断した位相差と同じ位相で商用電源の給電を開始することにより、切換時の負荷電流の変動を抑えることができるので、負荷電流を許容電流値以下にすることができる。
また、インバータによる給電を遮断した位相差と同じ位相で商用電源の給電を開始するので、負荷印加電圧や負荷電圧位相が急変しないため、誘導性負荷に含まれる鉄心の磁気飽和によるインダクタンスの大幅な低下や、容量性負荷の変位電流をなくすことができる。
また、インバータの出力と商用電源との周波数により一定時間後の位相差を算出することができる。
以下、本発明の一実施の形態を、図1〜2を参照して説明する。
図1は、本実施の形態の電力変換装置の構成例を示している。
図1において、本実施の形態の電力変換装置は、インバータ4と、電源切換器5とを設けている。
インバータ4は、内部の基準信号に基づいてバッテリ等のインバータ入力電源2から商用電源1に同期した交流電源を生成する。なお、インバータ入力電源2としては、商用電源1を一旦直流電源に変換したものや蓄電池等による構成があげられる。
電源切換器5は、商用電源1による負荷3に対する給電をオン又はオフするためのサイリスタスイッチ等の高速スイッチ6と、インバータ4による負荷3に対する給電をオン又はオフするためのスイッチ7とで構成されている。
なお、図示しないが、電源切換器5は、サイリスタスイッチ6とスイッチ7とをオン又はオフに制御する制御部を備えている。
ここで、スイッチ7は、インバータ4のメンテナンス若しくは故障時にインバータ4による給電をオフするために用いるので、メカニカルスイッチでよい。これに対して、サイリスタスイッチ6は、商用電源1による負荷3に対する給電をオンするタイミングが要求されるため、高速切換制御を可能とする構成が要求される。
ここで、本実施の形態の電力変換装置は、商用電源1の電圧を検出する電圧検出器8と、インバータ4の電圧を検出する電圧検出器9と、電圧位相差レベル判定回路10とを設けている。電圧位相差レベル判定回路10は、商用電源1の電圧とインバータ4の電圧との位相差が一定範囲内であるか否かを検出して、位相差判定結果11を出力する。
さらに、本実施の形態の電力変換装置は、判定回路13を設けている。判定回路13は、位相差判定結果11と、切換指令12が入力される。
位相差判定結果11は、商用電源1の電圧とインバータ4の電圧との位相差が一定範囲内のとき「1」(同期時)、位相差が一定範囲外のとき「0」(非同期時)となる値である。切換指令12は、インバータ4から商用電源1への切換指令であり、切換時に「1」、非切換時に「0」となる値である。
判定回路13は、一方の入力が負論理で他方の入力が正論理のアンド回路13−1と、2入力が正論理のアンド回路13−2で構成される。
判定回路13のアンド回路13−2は、位相差判定結果11が「1」のとき(同期時)及び切換指令12が「1」のとき、位相差同期時切換指令14を出力する。
また、判定回路13のアンド回路13−1は、位相差判定結果11が「0」であって(非同期時)、切換指令12が「1」のとき、位相差非同期時切換指令15を出力する。
ここで、本実施の形態の電力変換装置は、インバータ4の出力を基準にして商用電源1の位相差を測定して位相差結果20を出力する位相差測定回路19を設けている。
さらに、本実施の形態の電力変換装置は、電源切換器5のインバータ4による給電の遮断時に位相差測定回路19で測定された位相差だけ位相差非同期時切換指令15を遅延させて商用電源1による給電を開始させる遅延時間を設定する可変時限ディレイ21を設けている。
この遅延時間は、電圧位相差レベル判定回路10でインバータ4の出力と商用電源1とが非同期であると判定されたとき、位相差非同期時切換指令15に対して設定される。
この可変時限ディレイ21は、位相差判定回路19で測定された位相差結果20に基づく位相差に相当する時間だけ、電源切換器5のインバータ4による給電の遮断時から遅延させた時点で、商用電源1による給電を開始させるように、遅延時間を変化させる。
また、本実施の形態の電力変換装置は、位相差判定回路19で位相差を測定する際に、インバータ4の出力と商用電源1との周波数を補正して位相差を測定可能にする周波数補正回路22を設けている。
また、本実施の形態の電力変換装置は、スイッチオフ指令17を出力するためのオア回路17−1と、サイリスタスイッチオン指令18を出力するためのオア回路18−1とを設けている。
上述するように構成された本実施の形態の電力変換装置は、以下のような動作をする。
まず、商用電源1の電圧とインバータ4の電圧との位相差が一定範囲内であり、同期している場合を説明する。
電圧位相差レベル判定回路10は、電圧検出器8で検出された商用電源1の電圧と、電圧検出器9で検出されたインバータ4の電圧とから、商用電源1の電圧とインバータ4の電圧との位相差が一定範囲内であるか否かを検出して、位相差判定結果11を出力する。
判定回路13のアンド回路13−2は、位相差判定結果11が「1」のとき(同期時)及び切換指令12が「1」のとき、位相同期時切換指令14を出力する。
オア回路17−1は、位相同期時切換指令14が「1」のとき、位相非同期時切換指令15の出力如何にかかわらず、スイッチオフ指令17を電源切換器5のスイッチ7に供給する。また、オア回路18−1は、位相同期時切換指令14が「1」のとき、可変時限ディレイ21の出力如何にかかわらず、サイリスタスイッチオン指令18を電源切換器5のサイリスタスイッチ6に供給する。
従って、位相同期時切換指令14が「1」のとき、電源切換器5は、スイッチ7をオフにすると同時にサイリスタスイッチ6をオンにする。これにより、商用電源1による給電からインバータ4による負荷3に対する給電へ無瞬断切換を行う。
次に、商用電源1の電圧とインバータ4の電圧との位相差が一定範囲外であり、非同期の場合を説明する。これは、電圧位相差レベル判定回路10でインバータ4の出力と商用電源1とが非同期であると判定されたときの動作である。
判定回路13のアンド回路13−1は、位相差判定結果11が「0」(非同期時)であって、かつ切換指令12が「1」であるため、位相非同期時切換指令15を出力する。
また、オア回路17−1は、位相非同期時切換指令15が「1」のとき、位相同期時切換指令14の出力如何にかかわらず、スイッチオフ指令17を電源切換器5のスイッチ7に供給する。
ここで、位相差測定回路19は、インバータ4の出力を基準にして商用電源1の位相差を測定して位相差結果20を出力する。
また、可変時限ディレイ21は、電源切換器5のインバータ4による給電の遮断時に位相差測定回路19で測定された位相差結果20に基づく位相差だけ遅延させて、商用電源1による給電を開始させるために位相非同期時切換指令15を遅延させる。この遅延時間は位相差結果20に基づく位相差に応じて可変設定される。
ここで、オア回路18−1は、位相差結果20に基づく位相差期間、可変時限ディレイ21により遅延された位相非同期時切換指令15が「1」のとき、位相同期時切換指令14の出力如何にかかわらず、サイリスタスイッチオン指令18を電源切換器5のサイリスタスイッチ6に供給する。
このとき、電源切換器5は、スイッチ7をオフにしたときから位相差測定回路19で測定された位相差結果20に基づく位相差期間後にサイリスタスイッチ6をオンにする。
すなわち、非同期時であっても、位相差結果20に基づく位相差期間経過後(一周期以内)に切換を行うことができる。位相差結果20に基づく位相差期間経過後には、商用電源1はインバータ4の出力と同期しているため、負荷3に印加される電圧もしくは電圧の位相が急変することはなく、負荷電流が過大になることはない。
図2は、インバータ出力と商用電源が同期していないとき、スイッチ切換指令が電源切換器5に供給されたときの各部の波形図である。
ここで、可変時限ディレイ21で遅延された位相非同期時切換指令15は、インバータ4による給電から位相差結果20に基づく位相差期間経過後に商用電源1による負荷3に対する給電へ切換を行うためのものである。
すなわち、図2の動作は、可変時限ディレイ21で遅延された位相非同期時切換指令15に基づくスイッチオフ指令17及びサイリスタスイッチオン指令18が電源切換器5のスイッチ7及びサイリスタスイッチ6に供給されるときの動作である。
図2Aに示すインバータ出力電圧と、図2Bに示す商用電源電圧とは位相差Δがあり、同期していない。このため、インバータ出力電圧から商用電源電圧への瞬時の切換を行うことはできない。なお、この位相差Δの検出は、例えば、インバータ4の出力と商用電源1の電圧波形のゼロクロス点を検出すること等により行われる。
まず、T1時点で切換を行うことにより、インバータ4による給電を停止する。これにより、図2Dに示すインバータ出力電流はT1時点で遮断されるので、図2Fに示す負荷電流もT1時点で遮断される。
そこで、負荷電流のT1時点の遮断から、最長1周期の給電停止期間T12の経過後のT2時点で、切換を行うことにより、商用電源1による給電を開始する。この最長1周期の給電停止期間T12は、位相差結果20に基づく位相差期間である。
これにより、インバータ出力電流が遮断されたT1時点から、最長1周期の給電停止期間T12経過後のT2時点で、図2Eに示す商用電源電流が供給される。
従って、負荷電流は、上記位相差Δがある場合でも、T1時点から最長1周期の給電停止期間T12の経過後のT2時点で、上記位相差Δをなくした後に負荷3への給電を開始するようにしている。
これにより、非同期時でも、上記位相差Δの期間経過後(一周期以内)に切換を行うことができる。上記位相差Δの期間経過後には、商用電源1はインバータ4の出力と同期しているため、負荷3に印加される電圧もしくは電圧の位相が急変することを防止して、負荷電流の変化を抑えることができる。
なお、上述した本実施の形態例に限らず、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨を逸脱しない限り、適宜変更しうることは言うまでもない。
本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成例を示す図である。 インバータ出力と商用電源が同期していないときのインバータから商用電源への切換時の波形図である。図2Aはインバータ出力電圧、図2Bは商用電源電圧、図2Cは負荷印加電圧、図2Dはインバータ出力電流、図2Eは商用電源電流、図2Fは負荷電流を示した図である。 従来の無停電電源装置を示す電力変換装置の構成図である。 図3に示した電力変換装置において、インバータ出力と商用電源が同期しているときの切換時の波形図である。図4Aはインバータ出力電圧、図4Bは商用電源電圧、図4Cは負荷印加電圧、図4Dはインバータ出力電流、図4Eは商用電源電流、図4Fは負荷電流を示した図である。 図3に示した電力変換装置において、インバータ出力と商用電源が同期していないときの切換時の波形図である。図5Aはインバータ出力電圧、図5Bは商用電源電圧、図5Cは負荷印加電圧、図5Dはインバータ出力電流、図5Eは商用電源電流、図5Fは負荷電流を示した図である。 図3に示した電力変換装置において、インバータ出力と商用電源が同期していないときの瞬時切換時の波形図である。図6Aはインバータ出力電圧、図6Bは商用電源電圧、図6Cは負荷印加電圧、図6Dはインバータ出力電流、図6Eは商用電源電流、図6Fは負荷電流を示した図である。
符号の説明
1…商用電源、2…インバータ入力電源、3…負荷、4…インバータ、5…電源切換器、6…サイリスタスイッチ、7…スイッチ、8…電圧検出器、9…電圧検出器、10…電圧位相差レベル判定回路、11…位相差判定結果、12…切換指令、13…判定回路、14…位相差同期時切換指令、15…位相差非同期時切換指令、17…スイッチオフ指令、18…サイリスタスイッチオフ指令、19…位相差測定回路、20…位相差結果、21…可変時限ディレイ、22…周波数補正回路

Claims (4)

  1. 負荷への給電をインバータによる給電から商用電源による給電に切換える電源切換部と、
    前記インバータの出力と前記商用電源との位相差が一定範囲内であるか否かを検出することにより、前記インバータの出力と前記商用電源とが同期しているか否かを判定する位相差判定部と、
    前記インバータの出力を基準にして前記商用電源の位相差を測定する位相差測定部と、
    前記位相差判定部で前記インバータの出力と前記商用電源とが非同期であると判定されたとき、前記電源切換部の前記インバータによる給電の遮断時に前記位相差測定部で測定された位相差だけ遅延させて前記商用電源による給電を開始させる遅延切換指令部と
    を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記遅延切換指令部は、前記位相差測定部で測定された位相差に相当する時間だけ前記インバータによる給電の遮断時から遅延させた時点で、前記商用電源による給電を開始させるためのディレイ部を有することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記位相差測定部で前記位相差を測定する際に、前記インバータの出力と前記商用電源との周波数を前記位相差を測定可能に補正する周波数補正部を、更に設けたことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  4. 前記位相差測定部は、前記インバータの出力と前記商用電源の電圧波形の位相差が時間に対して一定の変化をしているときに一定時間後の位相差を前記周波数により算出することを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
JP2008008299A 2008-01-17 2008-01-17 電力変換装置 Active JP4934600B2 (ja)

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