JP2009273205A - 無停電電源装置の位相同期方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ出力周波数をその上限値または下限値の範囲内で調整して商用周波数に追従させ、インバータ出力位相を商用電源の位相に合わせるまでの位相同期時間を短縮できる。
【解決手段】位相合わせ開始時に、商用電源の周波数ｆ０と周期Ｔ０を求め（Ｓ１）、商用電源の位相とインバータ出力の進み位相差θｅｒｒ＿ｐ、遅れ位相差θｅｒｒ＿ｎを算出する（Ｓ２）。進み位相差θｅｒｒ＿ｐに対してインバータの出力周波数上限で追従した場合と、遅れ位相差θｅｒｒ＿ｎに対してインバータの出力周波数下限で追従させた場合に位相同期するまでの周期数ＮｕとＮｌを求める（Ｓ３）。周期数ＮｕとＮｌの大小判定から、時間が短い方の周期数を選択し（Ｓ４）、インバータの位相追従方向を位相進み方向または位相遅れ方向にセットする（Ｓ５．Ｓ６）。
【選択図】図１

Description

本発明は、無停電電源装置に係わり、特に無停電電源装置のインバータから商用電源に切換えて負荷に給電するときに、インバータ出力位相を商用電源位相に合わせる位相同期方法に関する。

無停電電源装置のインバータ出力と商用電源の切換は、切換時の位相差によって過電流が発生することを防止する為、両者の位相を合わせて行わなければならない。

従来の位相同期方法は、基本的には、インバータ出力と商用電源のそれぞれの電源電圧の零クロス点を検出し、その差が零になるようにインバータ出力周波数をＰＬＬ（位相同期制御回路）などで調整し、周波数と位相が一致する同期が完了した時点で切換を行っていた。ただし、インバータの出力周波数を急変させると負荷に悪影響を与えるため、インバータ出力周波数の１回の変化量に許容される上下限値（出力周波数上限値、または出力周波数下限値）を設け、その範囲内で周波数を調整していた。

この周波数調整において、商用電源電圧の位相がインバータ出力電圧に対して０〜１８０°の範囲で進んでいる場合にはインバータ出力周波数を商用電源周波数より高く設定し、商用電源電圧の位相がインバータ出力電圧に対して−１８０°〜０°の範囲で遅れている場合にはインバータ出力周波数を商用電源周波数より低く設定して同期が完了するまで周波数調整をしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１８６６９０号公報

前記のように、インバータの出力周波数上限または出力周波数下限で制限されるインバータの周期と、商用電源の周期との差が少ない場合、位相合わせに多くの時間を要すことがあった。例えば、
商用電源周波数 ：ｆ０±１％ （ｆ０ 基準値）
商用電源１周期 ：Ｔ０＝１／ｆ０
インバータ出力周波数上限値 ：ｆｉｕ
インバータ出力上限値での１周期：Ｔｉｕ＝１／ｆｉｕ
インバータ出力周波数下限値 ：ｆｉｌ
インバータ出力下限値での１周期：Ｔｉｌ＝１／ｆｉｌ
とした場合、商用電源電圧の位相がインバータ出力電圧に対してθｅｒｒ°進んでいて、インバータ出力周波数をその上限周波数に制限して追従させる場合、位相合わせが完了するまでに以下の周期Ｔｓｓを要す。

Ｔｓｓ＝Ｔ０×（θｅｒｒ／３６０）／（Ｔ０−Ｔｉｕ）
ここで、分子は是正を要求される位相差を時間で表した項で、分母は１周期で位相改善できる時間である。

同様に、商用電源電圧の位相がインバータ出力電圧に対してθｅｒｒ°遅れていて、インバータ出力周波数をその下限周波数に制限して追従させる場合、位相合わせが完了するまでに以下の周期Ｔｓｓを要す。

Ｔｓｓ＝Ｔ０×（θｅｒｒ／３６０）／（Ｔｉｌ−Ｔ０）
これらの式から明らかなように、商用電源の周期Ｔ０とインバータの周期Ｔｉｕ、Ｔｉｌの差が少ない場合は位相合わせが完了するまでに多くの時間を必要とすることになる。

位相合わせ完了までに多くの時間を要すと、例えば、図４のような常時商用給電の無停電電源装置で電気二重層キャパシタ等の蓄電デバイス１を使用した場合、商用電源の停電でインバータ２から負荷３に給電を行い、その後に商用電源が復電したとき、インバータ２と商用電源との位相が合った段階で、切換器４がインバータ２から負荷を切り離し、商用電源に負荷を接続して商用電源から電力を供給することになり、蓄電デバイス１は商用電源の停電中に負荷３へ供給する電力のみならず、位相合わせ中の電力も蓄積できるものが必要になり、蓄電デバイス１には位相合わせの時間も電力を供給できる容量を必要として装置の大型化、コストアップとなる。

本発明の目的は、インバータ出力周波数をその上限値または下限値の範囲内で調整して商用周波数に追従させ、インバータ出力位相を商用電源の位相に合わせまでの位相同期時間を短縮できる無停電電源装置の位相同期方法を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、インバータ出力位相と商用電源位相の位相合わせ開始時に、インバータ出力周波数上限値の範囲内にした位相合わせを行った場合と、インバータ出力周波数下限値の範囲内にした位相合わせを行った場合の位相合わせ完了までの時間を演算し、この位相合わせ完了までの時間が短い方を選択して位相同期制御を行うようにしたもので、以下の方法を特徴とする。

（１）インバータ出力周波数をその上限値または下限値の範囲内で調整して商用周波数に追従させ、インバータの出力位相を商用電源の位相に合わせる無停電電源装置の位相同期方法であって、
インバータ出力周波数を前記上限値の範囲内にしてインバータ出力位相と商用電源の位相合わせを行った場合で位相合わせ完了までの時間（Ｎｕ）を求めるステップと、
インバータ出力周波数を前記下限値の範囲内にしてインバータ出力位相と商用電源の位相合わせを行った場合で位相合わせ完了までの時間（Ｎｌ）を求めるステップと、
前記時間Ｎｕと時間Ｎｌのうち、時間が短い方を選択して位相同期制御を行うステップと、
を有することを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、インバータ出力位相と商用電源位相の位相合わせ開始時に、インバータ出力周波数上限値の範囲内にした位相合わせを行った場合と、インバータ出力周波数下限値の範囲内にした位相合わせを行った場合の位相合わせ完了までの時間を演算し、この位相合わせ完了までの時間が短い方を選択して位相同期制御を行うようにしたため、位相同期時間を短縮できる。

この位相合わせ時間を短縮することにより、図４のような常時商用給電の無停電電源装置における蓄電デバイスの容量を削減することができ、装置の小型化およびコスト削減が可能になる。

図１は、本発明の実施形態を示す位相同期処理フローであり、インバータの出力位相を商用電源の電源位相に追従させる方向（位相進み／遅れ方向）を決定し、位相同期制御を行うまでの処理を示す。なお、これら処理は、無停電電源装置の制御装置に追加するハードウェアまたはコンピュータ化した制御装置に追加するソフトウェアとして実現される。

位相合わせ開始時に、商用電源の周波数ｆ０と周期Ｔ０を求め（Ｓ１）、商用電源の位相とインバータ出力の位相差を算出する（Ｓ２）。この位相差算出には、進みと見るか、又は遅れと見るかで、２通りの表現ができるので、−３６０°〜＋３６０°の範囲で進み位相差θｅｒｒ＿ｐ（商用電源が進み）と遅れ位相差θｅｒｒ＿ｎ（商用電源が遅れ）の２通りの方法で算出しておく。

次に、進み位相差θｅｒｒ＿ｐに対してインバータの出力周波数上限で追従した場合と、遅れ位相差θｅｒｒ＿ｎに対してインバータの出力周波数下限で追従させた場合に位相同期するまでの周期数ＮｕとＮｌを求める（Ｓ３）。これら周期数ＮｕとＮｌは、下記の式（１）、（２）で算出できる。

Ｎｕ＝Ｔ０×（θｅｒｒ＿ｐ／３６０）／（Ｔ０−Ｔｉｕ） （１）
Ｎｌ＝Ｔ０×（θｅｒｒ＿ｎ／３６０）／（Ｔｉｌ−Ｔ０） （２）
ここで、分子は是正を要求される位相差を時間であらわした項で、分母は１周期で位相改善できる時間である。

周期数ＮｕとＮｌの大小判定から、時間が短い方の周期数を選択し（Ｓ４）、インバータの位相追従方向を位相進み方向または位相遅れ方向にセットする（Ｓ５．Ｓ６）。この位相追従方向のセット完了で、インバータ出力周波数を上限値ｆｉｕ又は下限値ｆｉｌの範囲内に制限して、インバータの位相同期制御を行う（Ｓ７）。この位相同期制御はＰＬＬによる制御やインバータの周波数制御信号の位相を調整する方法を利用することができる。

前記の（１）、（２）式は、｜Ｔ０−Ｔｉｕ｜＞｜Ｔｉｌ−Ｔ０｜の場合で説明すると、図２に示すような直線となる。この関係において、 位相差が遅れ１６０°の場合では、進み位相で見れば２００°となる。遅れ位相では同期までＮｌＡ周期必要で、進み位相では同期までＮｕＢ周期必要で、ＮｌＡ＞ＮｕＢなので進み位相の周波数でインバータを調整する。

なお、周期数Ｎｕ、Ｎｌの演算結果は必ずしも整数ではなく、少数点以下の値が生じることもある。この場合も周期数ＮｕとＮｌの小さい方の周期数からインバータ出力位相を位相進み方向または位相遅れ方向にセットする。

また、インバータの周波数をステップ状に変化させると負荷に悪影響を与える場合があるため、周波数制御は図３に示すようにクッションを持たせて変化させる。

本発明の実施形態を示す位相同期処理フロー。 周期数ＮｕとＮｌの特性図。 インバータの周波数制御の例。 常時商用給電の無停電電源装置の構成例。

符号の説明

１ 蓄電デバイス
２ インバータ
３ 負荷
４ 切換器

Claims (1)

1. インバータ出力周波数をその上限値または下限値の範囲内で調整して商用周波数に追従させ、インバータの出力位相を商用電源の位相に合わせる無停電電源装置の位相同期方法であって、
   インバータ出力周波数を前記上限値の範囲内にしてインバータ出力位相と商用電源の位相合わせを行った場合で位相合わせ完了までの時間（Ｎｕ）を求めるステップと、
   インバータ出力周波数を前記下限値の範囲内にしてインバータ出力位相と商用電源の位相合わせを行った場合で位相合わせ完了までの時間（Ｎｌ）を求めるステップと、
   前記時間Ｎｕと時間Ｎｌのうち、時間が短い方を選択して位相同期制御を行うステップと、
   を有することを特徴とする無停電電源装置の位相同期方法。

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