JP2015226359A - インバータ装置およびそれを用いた無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 出力低下を速やかに検出して、装置出力を速やかに商用電源を直送する出力に切り替えることができるインバータ装置、およびそれを用いた無停電電源装置を実現する。
【解決手段】 インバータ装置７の出力が停止されて負荷との間に生じる共振電圧ｖcは不足電圧検出回路６によって検出され、検出された共振電圧ｖcは上限監視値ｖpまたは下限監視値ｖqを逸脱するのが不足電圧検出回路６によって監視される。共振電圧ｖcの波形振幅は、インバータ装置７の出力電圧ｖの波形振幅と周期および大きさが異なるため、インバータ装置７の出力停止タイミングｔ０から１／４サイクル後のタイミングｔ３において、下限監視値ｖqを逸脱するのが不足電圧検出回路６によって速やかに検出される。この検出結果を入力した制御装置４は、インバータ装置７の出力低下後、切替回路２を制御して、装置出力を速やかに商用電源を直送する直送回路３の出力に切り替える。
【選択図】 図４

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置およびそれを用いた無停電電源装置に関するものである。

従来この種のインバータ装置としては、例えば、図１に示す無停電電源装置１に用いられているインバータ装置がある。無停電電源装置１は、通常時、切替スイッチ２を直送回路３側に切り替えており、商用電源からの直送入力を直送回路３を介して装置出力として出力している。しかし、商用電源に異常が生じた場合には、切替スイッチ２を制御装置４によってインバータ５側へ切り替え、インバータ５の出力を装置出力とする。制御装置４およびインバータ５は、直流電力を安定した交流電力に変換するインバータ装置を構成する。

インバータ５は、負荷電流の急激な増減等によって出力電圧の低下や上昇を招くことがある。このため、制御装置４は、インバータ５の出力電圧や出力電流を検出し、検出値と目標値との差異を補正して、インバータ５の出力電圧や出力電流を目標値に近付けるように制御している。ところが、検出系の異常や外乱等の発生により、インバータ５の出力が異常となることが希にあった。

特許文献１に開示された無停電電源装置では、商用電源から負荷へ直送回路を介して給電中にインバータ装置の入出力電流に異常が検出された際に、商用電源の電圧低下が検出された場合、インバータ装置の動作を開始させず、かつ、負荷と商用電源との接続を保持することで、交流電力を負荷に連続供給する。

特許第４６５９１８９号公報

しかしながら、図１に示すような従来のインバータ装置では、インバータ５の出力が突然停止して、負荷への給電を直送回路３からの給電に切り替える際、インバータ５の出力に、負荷側の容量成分との間で共振が発生する場合がある。

このような共振が発生しないときには、図２（ａ）のタイミングチャート図に示すように、インバータ５の出力電圧ｖは、インバータ５の出力停止タイミングｔ０以後、点線で示す電圧ｖ０のように、速やかに零となる。したがって、ＲＣフィルタで検出する出力電圧ｖの絶対値の平均値Ｖaも、インバータ５の出力停止タイミングｔ０から極短時間Ｔ１後のタイミングｔ１で、速やかに監視値Ｖbを下回る。このため、制御装置４は、速やかにインバータ５の出力低下を検出して、切替スイッチ２を直送回路３側へ切り替え、負荷へ直ちに直送入力を供給することができる。

しかし、図２（ｂ）のタイミングチャート図に示すように、インバータ５の出力電圧ｖに、出力停止タイミングｔ０以後、点線で示す共振電圧ｖcが負荷との間に発生する場合、出力電圧ｖの平均値Ｖaは、インバータ５の出力停止タイミングｔ０から時間Ｔ２が経ったタイミングｔ２において、監視値Ｖbを下回る。このため、制御装置４は、インバータ５の出力低下を時間Ｔ２が経ってから検出するので、切替スイッチ２を直送回路３側へ切り替えるのが遅れる。この結果、図１に示すような従来のインバータ装置では、負荷への電力供給が一時途絶える事象が発生する。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、
直流電力を交流電力に変換するインバータ装置において、
インバータ装置の稼働時における出力電圧波形振幅に設定された振幅幅の上限振幅を上限監視値、下限振幅を下限監視値として、インバータ装置の出力停止時におけるインバータ装置の出力電圧を監視する電圧検出回路と、
インバータ装置の出力停止時におけるインバータ装置の出力電圧が上限監視値または下限監視値を逸脱したことが電圧検出回路によって検出された場合に、インバータ装置出力を、商用電源を直送する出力に切り替える制御装置と
を備えることを特徴とする。

この構成によれば、インバータ装置の出力停止時において、インバータ装置の出力電圧は、稼働時のその波形振幅の上限振幅に設定された上限監視値または下限振幅に設定された下限監視値を逸脱するか否かが、電圧検出回路によって監視される。この監視に用いられる上限監視値および下限監視値は、インバータ装置の出力電圧波形振幅に沿って設定されるので、インバータ装置の出力停止後にインバータ装置の出力に現れる、インバータ装置の出力電圧波形振幅に沿わない電圧変化は、上限監視値または下限監視値から速やかに逸脱する。したがって、インバータ装置の出力が停止された時におけるインバータ装置の出力低下は、上限監視値および下限監視値を監視値としてインバータ装置の出力電圧を監視する電圧検出回路により、速やかに検出される。このため、インバータ装置の出力低下は電圧検出回路によって速やかに制御装置に伝達され、制御装置は、インバータ装置の出力低下後、インバータ装置出力を速やかに商用電源を直送する出力に切り替えることができる。

また、本発明は、電圧検出回路が、インバータ装置の出力停止時にインバータ装置と負荷との間に生じる共振電圧を検出し、この共振電圧が上限監視値または下限監視値を逸脱するのを監視することを特徴とする。

この構成によれば、インバータ装置の出力が停止されて負荷との間に生じる共振電圧は電圧検出回路によって検出され、検出された共振電圧は上限監視値または下限監視値を逸脱するのが電圧検出回路によって監視される。負荷との間に生じる共振電圧の波形振幅は、インバータ装置の出力電圧の波形振幅と周期および大きさが異なるため、上限監視値または下限監視値を逸脱するのが電圧検出回路によって速やかに検出される。このため、装置出力は、インバータ装置の出力低下後、速やかに商用電源を直送する出力に制御装置によって切り替えられる。

また、本発明は、電圧検出回路が、インバータ装置の出力を制御するインバータ制御指令信号からインバータ装置の稼働時における出力電圧波形の同期信号を抽出し、抽出した同期信号に基づいて商用電源に同期した上限監視値および下限監視値を設定することを特徴とする。

インバータ装置の出力電圧は商用電源に同期して出力されるため、インバータ装置の出力電圧波形振幅に沿って設定される上限監視値および下限監視値も、商用電源に同期している必要がある。上記の構成によれば、これら上限監視値および下限監視値は、インバータ装置の稼働時における出力電圧波形から抽出した同期信号に基づいて、商用電源に同期して設定される。したがって、インバータ装置の出力停止後にインバータ装置の出力に現れる電圧変化は、電圧検出回路により、商用電源に同期した上限監視値および下限監視値が使われて監視される。このため、商用電源に同期しない監視値が使われて、インバータ装置の出力低下が誤検出されることはない。

また、本発明は、上記のいずれかのインバータ装置と、商用電源を直送する直送回路と、インバータ装置の出力または直送回路の出力を装置出力に切り替える切替回路とを備えて、無停電電源装置を構成した。

この構成によれば、無停電電源装置において、交流電力を負荷に供給するインバータ装置は、その出力の低下が電圧検出回路によって速やかに検出されて制御装置に速やかに伝達される。制御装置は、インバータ装置の出力が低下したことが伝達されると、速やかに切替回路を制御して、商用電源を直送する直送回路の出力に装置出力を切り替える。このため、負荷への給電を無瞬断でインバータ装置から直送回路へ切り替えて継続給電することが可能な無停電電源装置を実現することができる。

本発明によれば、上記のように、インバータ装置の出力低下を速やかに検出して、インバータ装置出力を速やかに商用電源を直送する出力に切り替えることができるインバータ装置、およびそれを用いた無停電電源装置を実現することができる。

従来のインバータ装置を備えて構成される従来の無停電電源装置の概略構成を示すブロック図である。 図１に示す従来のインバータ装置が有する課題を説明するためのタイミングチャート図である。 本発明の一実施の形態によるインバータ装置を備えて構成される無停電電源装置の概略構成を示すブロック図である。 図３に示す一実施の形態によるインバータ装置の動作を説明するためのタイミングチャート図である。

次に、本発明によるインバータ装置を実施するための形態について、説明する。

図３は、本発明によるインバータ装置７を用いて構成された無停電電源装置１１の概略構成を示すブロック図である。

インバータ装置７は、インバータ５と制御装置４と不足電圧検出回路６とから構成され、直流電力を安定した交流電力に変換する。無停電電源装置１１は、このインバータ装置７と、商用電源を直送する直送回路３と、インバータ装置７の出力または直送回路３の出力を装置出力に切り替える切替回路２とを備えて、構成される。

インバータ５は、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等から構成され、図示しない蓄電池等からの直流入力を交流電力に変換して出力する。制御装置４は、インバータ装置７の出力電圧ｖや出力電流ｉを検出し、検出値と目標値との差異を補正して、インバータ装置７の出力電圧ｖや出力電流ｉを目標値に近付けるように制御している。本実施の形態では、制御装置４は、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御信号を制御指令値Ｓcとしてインバータ５へ出力し、インバータ装置７の出力電圧ｖや出力電流ｉを高調波成分を除去した正弦波波形に制御する。

不足電圧検出回路６は、インバータ装置７の出力電圧ｖを入力しており、インバータ装置７の出力停止時におけるインバータ装置７の出力電圧ｖを監視する。この監視は、装置出力が直送回路３の出力に切り替えられる前のインバータ給電中に行われ、インバータ給電中で無いときには直ちに停止される。

また、この監視は、図４に示す、インバータ装置７の出力電圧ｖの波形振幅に設定された所定の振幅幅ｗの上限振幅を上限監視値ｖp、下限振幅を下限監視値ｖqとして、行われる。上限監視値ｖpおよび下限監視値ｖqの設定は、出力停止タイミングｔ０より前のインバータ装置７の稼働時において、出力電圧ｖの波形振幅が１周期以上取り込まれて、行われる。上限監視値ｖpは例えば出力電圧ｖの波形振幅の＋１０％、下限監視値ｖqは例えば出力電圧ｖの波形振幅の−１０％に設定される。なお、この比率は、インバータ装置７の出力低下を誤検出する頻度や、出力低下を検出するのに必要とされる時間などとの兼ね合いで、決定される。

また、不足電圧検出回路６は、インバータ装置７の出力をＰＷＭ制御するインバータ制御指令信号である制御指令値Ｓcを入力しており、入力した制御指令値Ｓcから、インバータ装置７の稼働時における出力電圧ｖの波形のゼロクロス点を同期信号として抽出する。そして、抽出した同期信号に基づいて、上述の上限監視値ｖpおよび下限監視値ｖqを商用電源に同期するように設定する。

不足電圧検出回路６は、インバータ装置７の出力停止時、つまり、出力停止タイミングｔ０以後に、インバータ装置７と負荷との間に生じる、図４に点線で図示する共振電圧ｖcを検出する。そして、検出したこの共振電圧ｖcが上限監視値ｖpまたは下限監視値ｖqを逸脱するのを監視する。インバータ装置７の出力停止時におけるインバータ装置７の出力電圧ｖが上限監視値ｖpまたは下限監視値ｖqを逸脱したことを検出すると、不足電圧検出回路６は不足電圧検出信号Ｓ１を制御装置４へ出力する。制御装置４は、不足電圧検出回路６から制御信号Ｓ１を入力すると、切替回路２へ直送切替信号Ｓ２を出力して、商用電源を直送する直送回路３の出力に装置出力を切り替える。

このような本実施形態によれば、インバータ装置７の意図しない出力停止時において、インバータ装置７の出力電圧ｖは、稼働時のその波形振幅の上限振幅に設定された上限監視値ｖpまたは下限振幅に設定された下限監視値ｖqを逸脱するか否かが、不足電圧検出回路６によって監視される。この監視に用いられる上限監視値ｖpおよび下限監視値ｖqは、図４に示すように、インバータ装置７の出力電圧ｖの波形振幅に沿って設定されるので、インバータ装置７の出力停止タイミングｔ０以後にインバータ装置７の出力に現れる、インバータ装置７の出力電圧ｖの波形振幅に沿わない電圧変化は、上限監視値ｖpまたは下限監視値ｖqから速やかに逸脱する。したがって、インバータ装置７の出力が突然停止されたタイミングｔ０以後におけるインバータ装置７の出力低下は、上限監視値ｖpおよび下限監視値ｖqを監視値としてインバータ装置７の出力電圧ｖを監視する不足電圧検出回路６により、速やかに検出される。このため、インバータ装置７の出力低下は不足電圧検出回路６によって速やかに制御装置４に伝達され、制御装置４は、インバータ装置７の出力低下後、装置出力を速やかに商用電源を直送する直送回路３の出力に切り替えることができる。

また、本実施形態によれば、インバータ装置７の出力が突然停止されて負荷との間に生じる共振電圧ｖcは不足電圧検出回路６によって検出され、検出された共振電圧ｖcは上限監視値ｖpまたは下限監視値ｖqを逸脱するのが不足電圧検出回路６によって監視される。負荷との間に生じる共振電圧ｖcの波形振幅は、図４に示すように、インバータ装置７の出力電圧ｖの波形振幅と周期および大きさが異なるため、上限監視値ｖpまたは下限監視値ｖqを逸脱するのが不足電圧検出回路６によって速やかに検出される。本実施の形態では、負荷の容量インピーダンス（Ｃ）をＣ＝１５０００μＦとした場合、インバータ装置７の出力停止タイミングｔ０から１／４サイクル後のタイミングｔ３において、共振電圧ｖcの波形振幅が下限監視値ｖqを逸脱するのが不足電圧検出回路６によって速やかに検出される。このため、装置出力は、インバータ装置７の出力低下後、制御装置４によって速やかに商用電源を直送する直送回路３の出力に切り替えられる。

なお、波形振幅の逸脱の上記判断は次のように算出することができる。インバータ装置７の出力端の誘導性インピーダンス（Ｌ）をＬ＝３００μＨ、負荷の容量インピーダンスＣをＣ＝１５０００μＦとした場合、共振電圧ｖcの共振周波数ｆｃ[Ｈｚ]＝１／｛２π（ＬＣ）^１／２｝＝７５となる。したがって、共振周波数ｆｃ＝７５Ｈｚの波形振幅は、下限監視値ｖqの周波数５０Ｈｚの波形振幅に対して、タイミングｔ３の約１／４サイクル付近にて監視範囲を逸脱することとなる。

また、インバータ装置７の出力電圧ｖは商用電源に同期して出力されるため、インバータ装置７の出力電圧ｖの波形振幅に沿って設定される上限監視値ｖpおよび下限監視値ｖqも、商用電源に同期している必要がある。上記の本実施形態によれば、これら上限監視値ｖpおよび下限監視値ｖqは、前述のように、インバータ装置７の稼働時における出力電圧ｖの波形から抽出したゼロクロス点に基づいて、商用電源に同期して設定される。したがって、インバータ装置７の出力停止後にインバータ装置７の出力に現れる電圧変化は、不足電圧検出回路６により、商用電源に同期した上限監視値ｖpおよび下限監視値ｖqが使われて監視される。このため、商用電源に同期しない監視値が使われて、インバータ装置７の出力低下が誤検出されることはない。

また、本実施形態によれば、無停電電源装置１１において、交流電力を負荷に供給するインバータ装置７は、上述のように、その出力の低下が不足電圧検出回路６によって速やかに検出されて制御装置４に速やかに伝達される。制御装置４は、インバータ装置７の出力が低下したことが伝達されると、速やかに切替回路２を制御して、商用電源を直送する直送回路３の出力に装置出力を切り替える。このため、負荷への給電を無瞬断でインバータ装置７から直送回路３へ切り替えて継続給電することが可能な無停電電源装置１１を実現することができる。

本発明によるインバータ装置は、商用電源が正常な通常時は、その商用電源をそのまま装置出力に接続された負荷機器へ給電する常時商用給電方式の無停電電源装置や、商用電源の状態に関わらず、常時インバータ回路が装置出力に接続された負荷機器へ給電する常時インバータ給電方式で、商用電源を並列に給電するバイパス回路を備えた無停電電源装置等に、適用することができる。さらに、無停電電源装置に限らず、交流電力を負荷機器に連続供給する一般的なインバータ装置等にも、適用することができる。

２…切替回路（切替スイッチ）
３…直送回路
４…制御装置
５…インバータ
６…不足電圧検出回路
７…インバータ装置
１１…無停電電源装置

Claims (4)

1. 直流電力を交流電力に変換するインバータ装置において、
   前記インバータ装置の稼働時における出力電圧波形振幅に設定された振幅幅の上限振幅を上限監視値、下限振幅を下限監視値として、前記インバータ装置の出力停止時における前記インバータ装置の出力電圧を監視する電圧検出回路と、
   前記インバータ装置の出力停止時における前記インバータ装置の出力電圧が前記上限監視値または前記下限監視値を逸脱したことが前記電圧検出回路によって検出された場合に、インバータ装置出力を、商用電源を直送する出力に切り替える制御装置と
   を備えることを特徴とするインバータ装置。
2. 前記電圧検出回路は、前記インバータ装置の出力停止時に前記インバータ装置と負荷との間に生じる共振電圧を検出し、この共振電圧が前記上限監視値または前記下限監視値を逸脱するのを監視することを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記電圧検出回路は、前記インバータ装置の出力を制御するインバータ制御指令信号から前記インバータ装置の稼働時における前記出力電圧波形の同期信号を抽出し、抽出した同期信号に基づいて前記商用電源に同期した前記上限監視値および前記下限監視値を設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインバータ装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載されたインバータ装置と、前記商用電源を直送する直送回路と、前記インバータ装置の出力または前記直送回路の出力を装置出力に切り替える切替回路とを備えて構成される無停電電源装置。

Images