JP2016092915A

JP2016092915A - 無停電電源装置

Info

Publication number: JP2016092915A
Application number: JP2014222787A
Authority: JP
Inventors: 治井山; Osamu Iyama; 井山　　治; 裕宣浜野; Hironobu Hamano
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2016-05-23

Abstract

【課題】電圧調整装置を使用した安価で高効率な無停電電源装置において、電力変換器への切り替えを容易に行う。【解決手段】本発明の無停電電源装置は電圧調整回路と、交流スイッチと、蓄電池を備えた双方向電力変換器からなる。電圧調整回路は、２次巻線が交流入力に直列に接続された直列変圧器と、交流入力を複数のスイッチで切替え、直列変圧器の２次巻線に電圧を供給する電圧調整回路と、交流入力電圧と目標電圧の差に応じて生成された電圧調整指令電圧に基づいて、複数のスイッチのオンオフを制御する電圧調整制御部とからなり、交流入力電圧と前記電圧調整指令電圧とから算出される出力電圧予測値が所定の範囲内では、交流スイッチをオンして、直列変圧器で調整された電力を出力に供給し、出力電圧予測値が所定の範囲外になると、交流スイッチをオフし、双方向電力変換器から電力を出力に供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、無停電電源装置、特に常時出力電圧を安定に供給することが可能なパラレルプロセッシング方式の無停電電源装置に関する。

従来のパラレルプロセッシング方式の交流無停電電源装置は、例えば、特許文献１に開示されているように商用交流電源端子と負荷との間に接続された交流スイッチと、交流スイッチを介して商用交流電源端子に接続されていると共に交流スイッチを介さないで負荷に接続された双方向電力変換器と、双方向電力変換器の直流端子に接続された蓄電池と、商用交流電源端子の電圧の異常を検出して交流スイッチをオフ制御する電源異常検出部とを有する。電圧異常検出装置が商用交流電源の停電を検出すると、交流スイッチを切り離し、双方向電力変換器から負荷に交流電力を供給する。このため、安価な回路構成で、停電時にも負荷への電力供給を安定に行うことができる。

しかし、特許文献１は電圧異常検出装置が商用交流電源の異常を検出しないときは、商用交流電源の電圧を負荷に直接供給するので、商用交流電源の電圧が変動すると、負荷に供給される電圧も変動する。このため、入力電圧の変動許容範囲が狭い負荷には不適であった。
また、特許文献２では、直列インバータと並列インバータを備え、直列インバータで商用交流電源の電圧を調整し、並列インバータで停電時に負荷へ電力を供給することを提案している。

しかし、特許文献２は、電圧調整部が直列変圧器に接続された直列コンバータであり、ＩＧＢＴ等の高周波スイッチング素子を使用したコンバータで構成されている。このため定電圧精度は高いが、高価な素子を多数使用するため高価となり、またスイッチング素子による高周波スイッチング損失が発生するため、変換効率が低下する。

一方、特許文献３は安価で高効率な電圧調整装置を提案する。特許文献３は、直列変圧器と複数の半導体スイッチで構成し、半導体スイッチを切り換えることで、商用電源の電圧変動に対し出力電圧を定電圧にする電圧調整装置を提案する。特許文献３は直列変圧器と複数の半導体スイッチの構成されているため電圧調整制度は段階的で高精度ではないが、高精度が要求されない負荷の電圧安定化電源としては安価であり、スイッチング動作等行わないため変換ロスが少なく高効率である。

特開２００５−２９５６６５号公報特開２００７−２１５３７８号公報特開２０１２−１２５０２０号公報

特許文献１の無停電電源装置と特許文献３の電圧調整回路を組み合わせると、商用交流電源の電圧変動を抑制し、停電時にも負荷に電力が供給可能な無停電電源装置を、安価で高効率にすることができる。しかし、特許文献１の無停電電源装置に特許文献３の電圧調整装置を組み合わせると、緩やかな電源変動と瞬時的な電圧変動に対し、電圧調整装置と無停電電源装置の電圧異常検出装置が干渉し、双方向電力変換器の切り替え時に不安定な動作になることが有る。
そこで本発明は、電圧調整装置を使用した安価で高効率な無停電電源装置において、電力変換器への切り替えを不安定動作なく行うことを目的とする。

本発明の無停電電源装置は、交流入力の調整した電圧を出力する電圧調整回路と、交流入力が異常時に交流流力を遮断する交流スイッチと、交流出力に並列に接続され、蓄電池を備えた双方向電力変換器で構成される。電圧調整回路は、二次巻線が交流入力に直列に接続された直列変圧器と、前記交流入力を複数のスイッチで切替え、前記直列変圧器の２次巻線に電圧を供給する電圧調整回路と、前記交流入力電圧と出力の目標電圧の差に応じて生成された電圧調整指令電圧に基づいて、前記複数のスイッチのオンオフを制御する電圧調整制御部とからなり、前記交流入力電圧と前記電圧調整指令電圧とから算出される出力電圧予測値が所定の範囲内では、前記交流スイッチをオンして、前記直列変圧器で調整された電力を出力に供給し、前記出力電圧予測値が所定の範囲外になると、前記交流入力電圧の異常と判断し、前記交流スイッチをオフし、前記双方向電力変換器から電力を出力に供給する。

本発明は、系統からの電力を直列変圧器で調整する電圧調整装置と双方向電力変換器を組み合わせた安価で高効率な無停電電源装置において、双方向電力変換器の切り替えを不安定動作なく行うことを目的とする。

本発明の概要を示すブロック図本発明を三相電力系統に応用したブロック図

本発明の実施例１は図１に示すように、交流入力１と交流出力９の間に接続された直列変圧器２と、直列変圧器２の二次巻線に接続された電圧調整回路３と、交流スイッチ５と、交流出力９に並列に接続された並列コンバータ７とから構成される。電圧調整回路３は複数の半導体スイッチで構成され、半導体スイッチのオンオフに応じて直列変圧器２の二次巻線の電圧を調整する。電圧調整制御部４は交流入力１の電圧である電源電圧を検出し、交流出力９の電圧である出力電圧が所定の電圧になるように半導体スイッチをオンオフ制御する。交流スイッチ５は、交流入力１が異常になると直列変圧器２を交流出力９から切り離す。並列コンバータ７は、双方向インバータと蓄電池８で構成され、制御部６からの信号に応じて、通常時は出力電圧から蓄電池８に所定の電力を充電し、電源電圧が異常になると蓄電池８からの電力を交流に変換し交流出力９に供給する。制御部６は、電圧調整制御部４から電源電圧の信号を入力し、並列コンバータ７から出力電圧の信号を入力し、交流スイッチ５および並列コンバータ７を制御する。

このように構成された実施例１の無停電電源装置は、通常の電源変動以内時には、電源電圧変動に対し直列変圧器２に接続された複数の半導体スイッチの組合せ選択により電圧調整を行う電圧調整回路３により出力電圧の安定化を行う。また、電源電圧が停電または急激な電圧低下が発生した場合は、並列コンバータ７が異常電圧を検出し、交流スイッチ５をオフして交流入力１を切離し、並列コンバータ７の双方向インバータをインバータ動作させ無停電で出力に電力を供給する。このとき電源電圧の緩やかな電源変動と瞬時的な電圧変動に対し、電圧調整器制御部４と並列コンバータ７の異常電圧検出が干渉し合わないように相互信号によってお互いに制御する。

本発明の実施例1の無停電電源装置を三相交流に適用した例を図２に示す。図２を用いて具体的な動作を説明する。
電源電圧が電圧調整範囲内である場合は、電圧調整回路３により出力電圧を調整する。電圧調整回路３は一次巻線が交流入力の線間に接続された変圧器１と一次巻線が別の交流入力の線間に接続された変圧器２と電圧調整制御部４とで構成される。一例として、変圧器１の二次巻線はセンタタップを設け、一方が半導体スイッチＴＲＣ１を介して直列変圧器１の二次巻線の一端および半導体スイッチＴＲＣ２を介して直列変圧器１の他端に接続される。また、変圧器１の二次巻線の他方は半導体スイッチＴＲＣ４を介して直列変圧器１の二次巻線の一端および半導体スイッチＴＲＣ５を介して直列変圧器１の他端に接続される。変圧器１の二次巻線のセンタタップは半導体スイッチＴＲＣ３を介して直列変圧器の二次巻線の他端に接続される。同様に、変圧器２の二次巻線はセンタタップを設け、一方が半導体スイッチＴＲＣ６を介して直列変圧器２の二次巻線の一端および半導体スイッチＴＲＣ７を介して直列変圧器２の他端に接続される。また、変圧器２の二次巻線の他方は半導体スイッチＴＲＣ９を介して直列変圧器２の二次巻線の一端および半導体スイッチＴＲＣ１０を介して直列変圧器２の他端に接続される。変圧器２の二次巻線のセンタタップは半導体スイッチＴＲＣ８を介して直列変圧器の二次巻線の他端に接続される。また、三相の各相には、交流入力１、直列変圧器１、直列変圧器２と交流出力を接続、開放するための交流スイッチ５を備える。

電圧調整制御部４は、電源電圧である検出電圧と出力電圧の目標値となる定格電圧との差である電圧調整指令電圧を生成する。この電圧調整指令電圧に応じて複数の半導体スイッチＴＲＣ１から５をオンオフし、変圧器１の２次巻線に発生する電圧を組み合わせて直列変圧器１の二次巻線Ｓ１に印加する。これによって直列変圧器１の一次巻線Ｐ１の電圧を調整し交流出力の電圧を調整する。さらに、電圧調整指令電圧に応じて複数の半導体スイッチＴＲＣ６から１０をオンオフし、変圧器２の２次巻線に発生する電圧を組み合わせて直列変圧器２の二次巻線Ｓ２に印加する。これによって直列変圧器２の一次巻線Ｐ２の電圧を調整し交流出力の電圧を調整する。実施例では変圧器１および変圧器２の二次巻線はセンタタップとしており、５つの半導体スイッチのオンオフの組合せで５種類の電圧を直列変圧器１、直列変圧器２の２次巻線に印加することができる。

例えば、直列変圧器１および直列変圧器２に２００Ｖ/２０Ｖの変圧器を使用し、電圧調整回路３の変圧器１および変圧器２に一次巻線と二次巻線の比が１：１の変圧器を使用する場合以下のような動作になる。交流入力１の電源電圧が定格電圧２００Ｖから１９０Ｖに変動すると、電圧調整制御部４は電圧調整指令電圧１０Ｖを出力し半導体スイッチＴＲＣ３およびＴＲＣ４をオンすることで直列変圧器１の２次側に９５Ｖを印加する。同様に、半導体スイッチＴＲＣ８およびＴＲＣ９をオンして、変圧器２の二次巻線から直列変圧器２の２次側に９５Ｖを印加する。すると、直列変圧器１の一次巻線Ｐ１および直列変圧器２の１次巻線Ｐ２の電圧が９．５Ｖとなり、交流入力の電源電圧１９０Ｖが出力電圧１９９．５Ｖに調整される。また、交流入力１の電源電圧が１８０Ｖに変動した場合は、電圧調整制御部４は電圧調整指令電圧２０Ｖを出力し半導体スイッチＴＲＣ２およびＴＲＣ４をオンし直列変圧器１の２次巻線に１８０Ｖを印加し、半導体スイッチＴＲＣ６およびＴＲＣ１０をオンし直列変圧器２の２次側に１８０Ｖを印加する。直列変圧器１および直列変圧器２の１次側が１８Ｖとなり、電源電圧１８０Ｖが出力電圧１９８Ｖに調整される。

さらに交流入力１の電源変動が大きくなり電圧調整範囲を逸脱した場合、出力電圧の許容範囲までは電圧調整回路の最大調整電圧で電圧調整し、この許容電圧値を逸脱した場合は、制御部６はこれを検出し、交流スイッチ５を切離し、並列コンバータ７の双方向インバータをインバータ動作させる。これにより蓄電池８から双方向インバータ７を介して規定の出力電圧を交流出力に供給する。
例えば、出力電圧が定格電圧２００Ｖで許容範囲が±１０Ｖ（±５％）の場合、電源電圧１７５Ｖになると半導体スイッチＴＲＣ２、ＴＲＣ４、ＴＲＣ６およびＴＲＣ１０をオンし、電圧調整後の出力電圧が１９２．５Ｖとなり定格電圧の−５％以内となる。出力電圧が定格電圧の−５％の電圧を下回った場合、例えば１７０Ｖとなると、電圧調整後において出力電圧が１８７Ｖ（−６．５％）となり許容範囲を逸脱するので、瞬時に入力スイッチをＯＦＦし、並列コンバータ７を瞬時にインバータ動作に切替え、蓄電池８からインバータを介し２００Ｖの電圧を交流出力に出力する。

この異常電圧を検出するにあたって、入力電圧に電圧調整回路３の電圧調整指令電圧を含めた電圧を異常電圧検出値とする。電圧調整回路３の出力電圧で異常電圧検出を行なうと、電圧調整回路３の動作遅れを含むため応答が遅れる。そこで、電源電圧が定格電圧より高い場合は電源電圧から電圧調整回路の電圧調整指令電圧を差し引いた値を異常電圧検出値とし、電源電圧が定格電圧より低い場合は電源電圧に電圧調整回路の電圧調整指令電圧を加算した値を異常電圧検出値する。これにより電圧調整回路３の動作を予測し、電圧調整回路３と並列コンバータ７の切り替えの応答を速くできる。

電源電圧が復電し異常電圧で無くなると、並列コンバータ７は蓄電池８から双方向インバータを介して負荷に電力を供給していたモードから通常のモードに切り替える。同時に交流スイッチをＯＮさせ、通常状態である電源電圧を電圧調整回路３で調整して出力し、負荷に供給する。

例えば、復電時に電源電圧が電圧調整回路３で調整できる電圧調整範囲内である１８０Ｖであると、電圧調整制御部４は電源電圧と定格電圧の差である電圧調整指令電圧２０Ｖをあらかじめ電圧調整回路３に与えておき、並列コンバータ７は電源電圧に電圧調整指令値２０Ｖを加算した電圧値２００Ｖを異常電圧検出値として判断し定常状態に復帰させる。このため電圧調整制御部４と並列コンバータ７の異常電圧検出が干渉することがない。このとき電圧調整回路３は交流スイッチをＯＮする前に２０Ｖの電圧調整値で動作させておくことにより、ＯＮと同時に１９８Ｖを出力することが出来る。

これを実現するためには、電圧調整制御部４は制御部６へ電源電圧の情報を送信し、制御部６は電圧調整制御部４からの電源電圧情報に基づいて電圧調整指令信号を電圧調整制御部４に送信する。電圧調整制御部４は並列コンバータ７からの電圧調整指令電圧を生成し、電圧調整回路３の複数の半導体スイッチを制御する。これによって電圧調整制御部４と並列コンバータ７の異常電圧検出が干渉することがない。

本発明は実施例に限定されるものではなく変更可能である。実施例は回路構成において、交流入力１から電圧調整回路３、交流スイッチ５、並列コンバータ７の順番に構成されているが、交流スイッチ５、電圧調整回路３、並列コンバータ７または交流スイッチ５、並列コンバータ７、電圧調整回路３の順番に構成にしても良い。
実施例では電圧調整回路３の電圧調整制御部４と並列コンバータ７の電圧異常検出及び並列コンバータ７におけるＵＰＳ動作の制御を各々設け相互に信号のやり取りを設けているが、一つの制御あるいは一つの制御ソフトウエアで構成し、電圧調整回路３と並列コンバータ７を制御しても良い。
本発明の実施例は、３相回路となっているが単相回路に適用しても良い。
並列コンバータ７は、通常動作時にアクティブフィルタ機能として入力力率の高力率化、負荷の高調波電流の抑制、負荷不平衡の３相平衡化を備えても良い。
電圧調整回路は、変圧器１，２のセンタタップと５個の半導体スイッチの組合せに限らず、複数のタップを設け対応した複数の半導体スイッチで構成し、より多くの電圧を出力できるようにしても良い。より制度の高い調整ができる。

本発明は、通常動作時に出力電圧を調整するパラレルプロセッシングＵＰＳに最適である。

１交流入力
２．２−１、２−２直列変圧器
３電圧調整回路
４電圧調整制御部
５交流スイッチ
６制御部
７並列コンバータ
８蓄電池
９交流出力

Claims

交流入力の調整した電圧を出力する電圧調整回路と、
前記交流入力が異常時に該交流入力を遮断する交流スイッチと、
前記交流出力に並列に接続され、蓄電池を備えた双方向電力変換器からなる無停電電源装置であって、
前記電圧調整回路は、
１次巻線が交流入力に直列に接続された直列変圧器と、
前記交流入力を複数のスイッチで切替え、前記直列変圧器の２次巻線に電圧を供給する電圧調整回路と、
前記交流入力電圧と目標電圧の差に応じて生成された電圧調整指令電圧に基づいて、前記複数のスイッチのオンオフを制御する電圧調整制御部とからなり、
前記交流入力電圧と前記電圧調整指令電圧とから算出される出力電圧予測値が所定の範囲内では、前記交流スイッチをオンして、前記直列変圧器で調整された電力を出力に供給し、
前記出力電圧予測値が所定の範囲外になると、前記交流入力電圧の異常と判断し、前記交流スイッチをオフし、前記双方向電力変換器から交流出力に電力を供給することを特徴とする無停電電源装置。
前記出力電圧予測値は、前記双方向電力変換器が前記電圧調整制御部から送出される前記交流入力電圧と出力の目標電圧に基づいて、前記交流入力電圧が目標値より低い場合は前記交流入力電圧に前記電圧調整指令電圧を加算し、前記交流入力電圧が目標値より高い場合は前記交流入力電圧に前記電圧調整指令電圧を減算して生成され、
前記双方向電力変換器は、前記出力電圧予測値に基づき前記交流入力電圧の異常と判断することを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
前記交流入力電圧の異常と判断され、その後再び前記交流入力電圧と前記電圧調整指令電圧との差が所定の範囲内になり、前記双方向電力変換器が、前記交流入力電圧が正常であると判断すると、前記電圧調整回路は前記電圧調整指令電圧を出力し、前記電圧調整回路が正常に動作してから前記交流スイッチをオンし、前記直列変圧器から前記交流出力に電力を供給することを特徴とする請求項１または２に記載の無停電電源装置。