JP2010124557A - 無停電電源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】無停電電源装置30において、交流電圧検出部19が、交流電源1の交流電圧の最大値等を検出している。そして、直流電圧指令値生成部20が、交流電圧検出部19によって検出された交流電圧の変化に対応して、整流器5の直流電圧を変化させる直流電圧指令値を生成する。このことによって、従来の無停電電源装置において整流器の直流電圧を常に定格の110%に設定している場合に比較して、無停電電源装置30は直流電圧を必要以上に過大にしないようにすることができる。したがって、整流器5、インバータ7、直流昇降回路9の各スイッチング損失および各インダクタンス素子6,8,10の鉄損が低減される。すなわち、無停電電源装置30の効率が向上する。
【選択図】図1
Description
また、無停電電源装置は、発電機と組み合わせることによって、停電時に発電機が運転するまで無停電電源装置で電力を供給し、負荷側の装置へ安定した電力供給を行う。そして、負荷側の装置を停止させたり故障させたりすることなく、負荷側の装置を稼動し続けることが可能である。
そのため、近年では、無停電電源装置が多数使用されるようになってきている。
そこで、本発明は、負荷の入力許容電圧の範囲内で、整流器と直流昇降圧回路とインバータにおいて用いられているスイッチング素子およびリアクトル素子に必要以上の電圧が印加させないように、整流器の直流電圧の大きさを交流電圧の最大値の変化に適応的に制御する無停電電源装置を提供することを目的とする。
初めに、比較例における無停電電源装置の構成について、図10を用いて説明する。図10は、比較例における無停電電源装置の構成を示す図である。
図10に示す無停電電源装置100は、各交流電源101,102、負荷103、各電源配線104,113、整流器105、整流器105のインダクタンス素子106、インバータ107、インバータ107のインダクタンス素子108、直流昇降圧器109、直流昇降圧器109のインダクタンス素子110、直送給電切換器112、直流電圧指令値設定部(固定値)114、直流電圧帰還配線115、DCAVR(自動直流電圧調整回路;Automatic Voltage Regulator)116、交流電流帰還配線117、およびACR(自動電流制御回路;Automatic Current Regulator)118を含む。なお、図10では、特に説明に不要なダイオードやコンデンサ等は、図示を省略している。
また、蓄電池111は、外部接続によって、無停電電源装置100に接続されるものとする。
負荷103は、無停電電源装置100から電力を供給されて動作する装置類である。
電源配線104は、交流電源101と整流器105のインダクタンス素子106とを結線している。
整流器105は、交流電源101の交流を直流に変換する。
インダクタンス素子106は、整流器105の一部であり、整流器105の電圧と交流電源101の電圧との差を受ける。
インダクタンス素子108は、インバータ107の一部であり、インバータ107によって生成された波形を交流に整形する。
直流昇降圧器109は、蓄電池111に充電する場合、および、蓄電池111から放電する場合、電圧を所定の値にする。
インダクタンス素子110は、直流昇降圧器109の一部である。
直送給電切換器112は、通常、交流電源101側の回路に接続しているが、交流電源101が停電した場合に、交流電源102側に接続を切り換える。
電源配線113は、交流電源102と直送給電切換器112とを結線する。
直流電圧指令値設定部(固定値)114は、インバータ107への入力となる直流電圧の大きさが所定の値となるように、その値を保持する。
直流電圧帰還配線115は、整流器105とインバータ107との間の配線から分岐される。
交流電流帰還配線117は、整流器105のインダクタンス素子106と整流器105との間に設けられたホール素子から配線されている。ホール素子によって検出された電流値が、交流電流帰還配線117から取り出される。
ACR(自動電流制御回路;Automatic Current Regulator)118は、DCAVR116の電流指令値と交流電流帰還配線117から取り出される交流電流帰還値とに基づいて、整流器105のインダクタンス素子106の電流を正弦波にする。
通常時は、無停電電源装置100は、交流電源101の交流電力を、整流器105によって一定電圧の直流電力に変換して、その直流電力をインバータ107によって一定の交流電力に変換し、その変換した交流電力を負荷103に供給する。
交流電源101が停電したとき、または、交流電源101が電圧降下した場合には、無停電電源装置100は、直流昇降圧器109を介して蓄電池111から不足分を補って所定の直流電力を生成し、その所定の直流電力をインパータで所定の交流電力に変換し、その変換した交流電力を負荷103に供給する。
ACR118は、DCAVR116の電流指令値と交流電流帰還配線117から取り出される交流電流帰還値との差分に基づいて、整流器105に対して、正弦波交流電流の振幅値を指令する。
整流器105は、受信した正弦波交流電流の振幅値に基づいて、交流電圧振幅と交流電圧位相とを調整することで、電流振幅を調整する。なお、整流器105の交流電流は、交流電源101の交流電圧と整流器の交流電圧との差分を、インダクタンス素子106のインピーダンスで除した値となる。整流器105の交流電流の振幅は、負荷103が大きくなるに従って直流電圧の低下が大きくなるため、負荷103の大きさに応じて大きくなるように作用する。
図11では、図11(f)に示すように、負荷電力の定常状態から負荷電流が増加したときに、無停電電源装置100は、各部114〜118の動作によって、図11(b)に示すように、整流器105の交流電圧振幅および交流電圧位相を変化させることにより、図11(d)に示すように整流器105の整流器インダクタンス電流を増加させる。そして、図11(e)に示すように、直流電圧は、一瞬低下するものの、ほぼ一定値を維持することができる。なお、図11(c)に示す整流器インダクタンス電圧は、整流器インダクタンス電流の増大にともなって増大する。
交流電源101の交流電圧が整流器105の直流電圧によって決まる最大交流電圧振幅以下であれば、言い換えると、整流器105の直流電圧が必要な値以上であれば、整流器105の交流電圧は正弦波となる。したがって、図12(c),(d)に示すように、整流器インダクタンス電圧および整流器インダクタンス電流は正弦波となる。なお、必要な値とは、整流器105の直流電圧が100Vであったときに、交流電圧の最大値が141Vとなることである。つまり、交流電圧の最大値が141Vのときに、直流電圧が100V以上(必要な値以上)であれば、整流器105の交流電圧は正弦波となり、交流電流も正弦波となる。
交流電源101の交流電圧が整流器105の直流電圧によって決まる最大交流電圧振幅より大きい場合、言い換えると、整流器105の直流電圧が必要な値より小さい場合、整流器105の交流電圧は正弦波にならない。したがって、図13(c),(d)に示すように、整流器インダクタンス電圧および整流器インダクタンス電流は正弦波にならない。
なお、整流器インダクタンス電圧および整流器インダクタンス電流が正弦波にならない場合、無停電電源装置100における制御が煩雑になる。
次に、第1実施形態における無停電電源装置の構成について、図1を用いて説明する。図1は、第1実施形態における無停電電源装置の構成を示す図である。
直流電圧指令値生成部20は、交流電圧検出部19から取得した交流電圧値に基づいて、直流電圧指令値を生成する。例えば、直流電圧指令値生成部20は、交流電源1の交流電圧が定格100%のときには、定格100%に対応する直流電圧指令値を生成する。また、交流電源1の交流電圧が変動して、その変動の上限値である定格110%となったときには、直流電圧指令値生成部20は、定格110%に対応する直流電圧指令値を生成する。なお、直流電圧指令値生成部20は、交流電圧検出部19から取得した交流電圧値の代わりに、所定値(例えば、定格値)からの変化分に基づいて、直流電圧指令値を生成してもよい。あるいは、直流電圧指令値生成部20は、交流電圧検出部19が所定時間ごとに検出した交流電圧値の差分に基づいて、直流電圧指令値を生成してもよい。
図2は、図2(a)に示すように、交流電源1の交流電圧が増大した場合を示している。交流電圧検出部19は、常に、交流電圧の交流電圧値を検出している。そして、直流電圧指令値生成部20は、取得した交流電圧値に基づいて、直流電圧指令値を生成する。したがって、図2(a)に示すように交流電源1の交流電圧が大きくなるように変化した場合、直流電圧指令値は、その交流電圧の増大に対応して、図2(e)に示すように直流電圧を増大するように生成される。このように直流電圧が変化するため、図2(b)に示すように、整流器5の交流電圧は、ピークが欠けることなく、交流電源1の交流電圧に合わせて変化する。したがって、図2(c),(d)に示すように、整流器インダクタンス電圧および整流器インダクタンス電流は、それぞれ正弦波となる。
次に、第2実施形態における無停電電源装置31の構成について、図3を用いて説明する。図3は、第2実施形態における無停電電源装置の構成を示す図である。
直流電圧指令値生成部22は、交流電圧ひずみ検出部21から取得した交流電圧ひずみ値に基づいて、直流電圧指令値を生成する。なお、直流電圧指令値生成部22は、交流電圧ひずみ検出部21が所定時間ごとに検出した交流電圧ひずみ値の差分に基づいて、直流電圧指令値を生成してもよい。
また、交流電圧ひずみ値が所定値未満のときには、直流電圧指令値生成部22は、交流電圧ひずみ値を所定値未満に維持する範囲で整流器5の直流電圧を低くするように直流電圧指令値を生成する。すなわち、直流電圧指令値生成部22は、整流器5の直流電圧を低下させる直流電圧指令値を生成する。
次に、第3実施形態における無停電電源装置32の構成について、図5を用いて説明する。図5は、第3実施形態における無停電電源装置の構成を示す図である。
直流電圧指令値生成部24は、交流電流ひずみ検出部23から取得した交流電流ひずみ値に基づいて、直流電圧指令値を生成する。なお、直流電圧指令値生成部24は、交流電流ひずみ検出部23が所定時間ごとに検出した交流電流ひずみ値の差分に基づいて、直流電圧指令値を生成してもよい。
また、交流電流ひずみ値が所定値未満のときには、直流電圧指令値生成部24は、交流電流ひずみ値を所定値未満に維持する範囲で整流器5の直流電圧を低くするように直流電圧指令値を生成する。すなわち、直流電圧指令値生成部24は、整流器5の直流電圧を低下させる直流電圧指令値を生成する。
前記した第1実施形態における無停電電源装置30では、整流器5の電圧および電流が正弦波になる場合について説明したのに対して、変形例1では、電流が正弦波になるとは限らない場合について説明する。
まず、変形例1における無停電電源装置60の構成について、図6を用いて説明する。図6は、変形例1における無停電電源装置の構成を示す図である。
DCAVR51は、直流電圧指令値生成部20から出力された直流電圧指令値と直流電圧帰還配線15から取り出される直流電圧帰還値との差分に基づいて、整流器50のスイッチング素子のONまたはOFFを制御する駆動電流(電流指令値)を各配線52,53に出力する。
交流電源1の交流電圧が整流器50の直流電圧によって決まる最大交流電圧振幅以下であれば、言い換えると、整流器50の直流電圧が必要な値以上であれば、図14(b)に示すように整流器50の交流電圧は正弦波となる。このとき、図14(c)に示す駆動電流Aは、配線52によって整流器50に印加され、図14(d)に示す駆動電流Bは、配線53によって整流器50に印加されている。その各駆動電流A,Bは、交流電源1の交流電圧が最大幅となる時点から1/4周期の間にスイッチング素子をONするように印加される。そして、整流器50は、交流電圧を直流電圧に変換する。ただし、整流器50の電流は正弦波になるとは限らない。
交流電源1の交流電圧が整流器50の直流電圧によって決まる最大交流電圧振幅より大きい場合、言い換えると、整流器50の直流電圧が必要な値より小さい場合、図15(b)に示すように整流器50の交流電圧は正弦波にならない。また、図15(c)に示すように整流器50の電流も正弦波にならない。
例えば、直流電圧指令値生成部20は、交流電源1の交流電圧が定格100%のときには、定格100%に対応する直流電圧指令値を生成する。また、交流電源1の交流電圧が変動して、その変動の上限値である定格110%となったときには、直流電圧指令値生成部20は、定格110%に対応する直流電圧指令値を生成する。
図7は、図7(a)に示すように、交流電源1の交流電圧が増大した場合を示している。交流電圧検出部19は、常に、交流電圧の交流電圧値を検出している。そして、直流電圧指令値生成部20は、取得した交流電圧値に基づいて、直流電圧指令値を生成する。したがって、図7(a)に示すように交流電源1の交流電圧が大きくなるように変化した場合、直流電圧指令値は、その交流電圧の増大に対応して、図7(c)に示すように直流電圧を増大するように生成される。このように直流電圧が変化するため、図7(b)に示すように、整流器5の交流電圧は、ピークが欠けることなく、交流電源1の交流電圧に合わせて変化する。
次に、変形例2における無停電電源装置61の構成について、図8を用いて説明する。図8は、変形例2における無停電電源装置の構成を示す図である。
直流電圧指令値生成部22は、交流電圧ひずみ検出部21から取得した交流電圧ひずみ値に基づいて、直流電圧指令値を生成する。
また、交流電圧ひずみ値が所定値未満のときには、直流電圧指令値生成部22は、交流電圧ひずみ値を所定値未満に維持する範囲で整流器50の直流電圧を低くするように直流電圧指令値を生成する。すなわち、直流電圧指令値生成部22は、整流器50の直流電圧を低下させる直流電圧指令値を生成する。
3 負荷
5,50 整流器
6,8,10 インダクタンス素子
7 インバータ
9 直流昇降圧器
11 直流電力蓄積器
15 直流電圧帰還配線
16 DCAVR
18 ACR
19 交流電圧検出部
20,22,24 直流電圧指令値生成部
21 交流電圧ひずみ検出部
23 交流電流ひずみ検出部
Claims (8)
- 交流電源からの交流入力を直流に変換する整流器と、蓄電池からの直流入力を所定電圧の直流に変換する直流昇降圧器と、前記整流器または前記直流昇降圧器のいずれか一方または双方によって生成された直流を所定電圧の交流出力に変換するインバータとを備える無停電電源装置において、
前記交流入力の電圧の最大値またはピーク・ツー・ピーク値または実効値を検出する交流電圧検出部を備え、
前記交流電圧検出部によって検出した前記交流入力の電圧の最大値またはピーク・ツー・ピーク値または実効値に比例して、前記整流器または前記直流昇降圧器のいずれか一方または双方によって生成される直流の電圧を変化すること
を特徴とする無停電電源装置。 - 交流電源からの交流入力を直流に変換する整流器と、蓄電池からの直流入力を所定電圧の直流に変換する直流昇降圧器と、前記整流器または前記直流昇降圧器のいずれか一方または双方によって生成された直流を所定電圧の交流出力に変換するインバータとを備える無停電電源装置において、
前記交流入力の電圧の最大値またはピーク・ツー・ピーク値または実効値を所定時間ごとに検出する交流電圧検出部を備え、
前記交流入力の電圧の最大値またはピーク・ツー・ピーク値または実効値の前記所定時間ごとの差分の大きさに比例して、前記整流器または前記直流昇降圧器のいずれか一方または双方によって生成される直流の電圧を変化すること
を特徴とする無停電電源装置。 - 交流電源からの交流入力を直流に変換する整流器と、蓄電池からの直流入力を所定電圧の直流に変換する直流昇降圧器と、前記整流器または前記直流昇降圧器のいずれか一方または双方によって生成された直流を所定電圧の交流出力に変換するインバータとを備える無停電電源装置において、
前記整流器に入力する交流に含まれる交流電圧ひずみを検出する交流電圧ひずみ検出部を備え、
前記交流電圧ひずみ検出部によって検出した前記交流電圧ひずみの大きさの変化に対応して、前記交流電圧ひずみの大きさが大きくなるにしたがって前記整流器または前記直流昇降圧器のいずれか一方または双方によって生成される直流の電圧を大きく変化すること
を特徴とする無停電電源装置。 - 前記無停電電源装置は、
前記交流電圧ひずみの大きさが所定値未満の場合、前記交流電圧ひずみの大きさが前記所定値未満となる範囲で、前記整流器または前記直流昇降圧器のいずれか一方または双方によって生成される直流の電圧を低下すること
を特徴とする請求項3に記載の無停電電源装置。 - 交流電源からの交流入力を直流に変換する整流器と、蓄電池からの直流入力を所定電圧の直流に変換する直流昇降圧器と、前記整流器または前記直流昇降圧器のいずれか一方または双方によって生成された直流を所定電圧の交流出力に変換するインバータとを備える無停電電源装置において、
前記整流器に入力する交流に含まれる交流電圧ひずみを所定時間ごとに検出する交流電圧ひずみ検出部を備え、
前記交流電圧ひずみの大きさの前記所定時間ごとの差分が大きくなるにしたがって、前記整流器または前記直流昇降圧器のいずれか一方または双方によって生成される直流の電圧を前記差分に比例して変化すること
を特徴とする無停電電源装置。 - 交流電源からの交流入力を直流に変換する整流器と、蓄電池からの直流入力を所定電圧の直流に変換する直流昇降圧器と、前記整流器または前記直流昇降圧器のいずれか一方または双方によって生成された直流を所定電圧の交流出力に変換するインバータとを備える無停電電源装置において、
前記整流器に入力する交流に含まれる交流電流ひずみを検出する交流電流ひずみ検出部を備え、
前記交流電流ひずみ検出部によって検出した前記交流電流ひずみの大きさの変化に対応して、前記交流電流ひずみの大きさが大きくなるにしたがって前記整流器または前記直流昇降圧器のいずれか一方または双方によって生成される直流の電圧を大きく変化すること
を特徴とする無停電電源装置。 - 前記無停電電源装置は、
前記交流電流ひずみの大きさが所定値未満の場合、前記交流電流ひずみの大きさが前記所定値未満となる範囲で、前記整流器または前記直流昇降圧器のいずれか一方または双方によって生成される直流の電圧を低下すること
を特徴とする請求項6に記載の無停電電源装置。 - 交流電源からの交流入力を直流に変換する整流器と、蓄電池からの直流入力を所定電圧の直流に変換する直流昇降圧器と、前記整流器または前記直流昇降圧器のいずれか一方または双方によって生成された直流を所定電圧の交流出力に変換するインバータとを備える無停電電源装置において、
前記整流器に入力する交流に含まれる交流電流ひずみを所定時間ごとに検出する交流電流ひずみ検出部を備え、
前記交流電流ひずみの大きさの前記所定時間ごとの差分が大きくなるにしたがって、前記整流器または前記直流昇降圧器のいずれか一方または双方によって生成された直流の電圧を前記差分に比例して変化すること
を特徴とする無停電電源装置。
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