JP2020005479A - 三相電力変換装置及び無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】並列に接続した電源ユニットのいずれかへの過度な電流集中を防止することができる三相電力変換装置及び無停電電源装置を提供する。【解決手段】Ｕ相入力、Ｖ相入力及びＷ相入力からなる三相交流入力を直流電力に変換し、直流電力をＵ相出力、Ｖ相出力及びＷ相出力からなる三相交流出力に変換する三相電力変換装置４０であって、三相交流入力を直流電力に変換するコンバータ回路５１と、直流電力を三相交流出力のＵ相出力及びＷ相出力に変換するインバータ回路２４とを備えた電源ユニット５０ａ、５０ｂが並列に接続され、Ｖ相入力とＶ相出力とを直接接続するＶ相専用ライン６０を具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、三相交流を入力して三相交流を出力する三相電力変換装置及び無停電電源装置（ＵＰＳ：Uninterruptible Power Supply）に関する。

常時インバータ方式のＵＰＳは、出力側のノイズを低減するために絶縁トランスを必要とする。しかし、絶縁トランスは大型化や高コストを招く。そのため、Ｖ相を共通にすることにより絶縁トランスを削除したトランスレスＵＰＳが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、先行文献２では、Ｖ相を共通したトランスレスＵＰＳとして、２ｎ台の単相交流電源をｎ台の電源ユニットとして並列運転して三相交流出力を得る無停電電源装置が提案されている。

特開２０１０−１７２１４１号公報 特開２００３−０１８８６６号公報

しかしながら、トランスレスＵＰＳを複数の電源ユニットによって並列化した場合、Ｖ相が共通化されているため電流制御できず、いずれかの電源ユニットのＶ相に電流集中が発生する虞がある。

図４に示すトランスレスＵＰＳ１０は、２台の電源ユニット２０ａ、２０ｂが並列化され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる三相交流がＵ相入力、Ｖ相入力、Ｗ相入力としてそれぞれ入力される入力端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗと、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる三相交流がＵ相出力、Ｖ相出力、Ｗ相出力としてそれぞれ出力される出力端子１２ｕ、１２ｖ、１２ｗとを備えている。

電源ユニット２０ａ、２０ｂは、同一の構成であり、入力端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗにそれぞれ接続された入力端子２１ｕ、２１ｖ、２１ｗと、出力端子１２ｕ、１２ｖ、１２ｗにそれぞれ接続された出力端子２２ｕ、２２ｖ、２２ｗと、Ｕ相入力、Ｖ相入力及びＷ相入力からなる三相交流入力を直流電力に変換するコンバータ回路２３と、直流電力をＵ相出力及びＷ相出力に変換するインバータ回路２４とをそれぞれ備えている。

コンバータ回路２３は、正母線２５と入力端子２１ｖ及び出力端子１２ｖに接続された中性端子２６との間に接続された第１コンデンサＣ１と、中性端子２６と負母線２７との間に接続された第２コンデンサＣ２と、正母線２５と負母線２７との間に接続され、Ｕ相入力とＶ相入力との間の電力を直流電力に変換する第１アーム２８と、正母線２５と負母線２７との間に接続され、Ｖ相入力とＷ相入力との間の電力を直流電力に変換する第２アーム２９とを備えている。

インバータ回路２４は、正母線２５と負母線２７との間に接続され、直流電力をＵ相出力に変換する第３アーム３０と、正母線２５と負母線２７との間に接続され、直流電力をＷ相出力に変換する第４アーム３１とを備えている。

図４において、入力端子１１ｖと電源ユニット２０ａの中性端子２６との間との配線インピーダンスＺａと、入力端子１１ｖと電源ユニット２０ｂの中性端子２６との間との配線インピーダンスＺｂとが、配線長やユニット間のバラツキによってアンバランスである場合、図５（ｃ）に示すように、ユニット間でＶ相電流がアンバランスとなる。従って、配線インピーダンスＺが最も小さいいずれかの電源ユニット２０に電流集中が発生してしまい、寿命の低下や破損等の不具合の発生要因となってしまうという問題点があった。なお、図５において、（ａ）は三相交流入力のＵ相入力及びＷ相入力の電圧波形図であり、（ｂ）は三相交流出力の各相出力の電流波形図である。

本発明の目的は、従来技術の上記問題を解決し、並列に接続した電源ユニットのいずれかへの過度な電流集中を防止することができる三相電力変換装置及び無停電電源装置を提供することにある。

本発明の蓄電システムは、Ｕ相入力、Ｖ相入力及びＷ相入力からなる三相交流入力を直流電力に変換し、前記直流電力をＵ相出力、Ｖ相出力及びＷ相出力からなる三相交流出力に変換する三相電力変換装置であって、前記三相交流入力を前記直流電力に変換するコンバータ回路と、前記直流電力を前記三相交流出力の前記Ｕ相出力及び前記Ｗ相出力に変換するインバータ回路とを備えた電源ユニットが複数台並列に接続され、前記Ｕ相入力と前記Ｖ相出力とを直接接続するＶ相専用ラインを具備することを特徴とする。

本発明によれば、Ｖ相専用ラインによって電源ユニットを介することなくＶ相入力端子とＶ相出力端子とを直接接続することで、並列に接続した電源ユニットのいずれかへの過度な電流集中を防止することができるという効果を奏する。

本発明に係る三相電力変換装置の実施の形態の構成例を示す構成図である。 図１に示す各部の電圧、電流を示す波形図である。 図１に示す三相電力変換装置を備えた無停電電源装置の一例を示す図である。 従来の三相電力変換装置の構成例を示す構成図である。 図４に示す各部の電圧、電流を示す波形図である。

以下、図を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態において、同様の機能を示す構成には、同一の符号を付して適宜説明を省略する。

本実施の形態の三相電力変換装置４０は、図１を参照すると、２台の電源ユニット５０ａ、５０ｂが並列化され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる三相交流がＵ相入力、Ｖ相入力、Ｗ相入力としてそれぞれ入力される入力端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗと、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる三相交流がＵ相出力、Ｖ相出力、Ｗ相出力としてそれぞれ出力される出力端子１２ｕ、１２ｖ、１２ｗと、電源ユニット５０ａ、５０ｂを介することなく入力端子１１ｖと出力端子１２ｖとを直接接続するＶ相専用ライン６０と、を備えている。

電源ユニット５０ａ、５０ｂは、同一の構成であり、入力端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗにそれぞれ接続された入力端子２１ｕ、２１ｖ、２１ｗと、出力端子１２ｕ、１２ｗにそれぞれ接続された出力端子２２ｕ、２２ｗと、入力端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗから入力されたＵ相入力、Ｖ相入力及びＷ相入力からなる三相交流入力を直流電力に変換するコンバータ回路５１と、直流電力をＵ相出力に変換して出力端子１２ｕから出力すると共に、直流電力をＷ相出力に変換して出力端子１２ｗから出力するインバータ回路２４とをそれぞれ備えている。

コンバータ回路５１は、正母線２５と入力端子２１ｖに接続された中性端子２６との間に接続された第１コンデンサＣ１と、中性端子２６と負母線２７との間に接続された第２コンデンサＣ２と、正母線２５と負母線２７との間に接続され、Ｕ相入力とＶ相入力との間の電力を直流電力に変換する第１アーム２８と、正母線２５と負母線２７との間に接続され、Ｖ相入力とＷ相入力との間の電力を直流電力に変換する第２アーム２９とを備えている。

なお、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２に図示しない蓄電池をそれぞれ並列に接続することで無停電電源装置（ＵＰＳ）が構成される。

また、図１に示すコンバータ回路５１では、第１アーム及び第２アーム２９を直列に接続した２個のスイッチ素子Ｑで構成し、２レベルコンバータとしたが、第１アーム及び第２アーム２９を直列に接続した４個のスイッチ素子Ｑで構成し、３レベルコンバータとしても良い。

インバータ回路２４は、正母線２５と負母線２７との間に接続され、直流電力をＵ相出力に変換する第３アーム３０と、正母線２５と負母線２７との間に接続され、直流電力をＷ相出力に変換する第４アーム３１とを備えている。

なお、図１に示すインバータ回路２４では、第３アーム３０及び第４アーム３１を直列に接続した２個のスイッチ素子Ｑで構成し、２レベルコンバータとしたが、第３アーム３０及び第４アーム３１を直列に接続した４個のスイッチ素子Ｑで構成し、３レベルインバータとしても良い。

本実施の形態では、Ｖ相専用ライン６０によって電源ユニット５０ａ、５０ｂを介することなく入力端子１１ｖと出力端子１２ｖとを直接接続されている。従って、入力端子１１ｖと電源ユニット５０ａの中性端子２６との間との配線インピーダンスＺａと、入力端子１１ｖと電源ユニット５０ｂの中性端子２６との間との配線インピーダンスＺｂとにアンバランスであっても、図５（ｃ）に示すように、配線インピーダンスＺのアンバランスはＶ相電流のリップルの大きさとして現れるのみである。従って、並列に接続された電源ユニット５０ａ、５０ｂへの過度な電力集中を防止することができる。なお、図２において、（ａ）は三相交流入力のＵ相入力及びＷ相入力の電圧波形図であり、（ｂ）は三相交流出力の各相出力の電流波形図である。

なお、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２の接続点である中性端子２６からＶ相への電流は、原理的にＶ相電流＝Ｕ相電流＋Ｗ相電流となる。従って、Ｕ相とＷ相を制御できていれば任意に制御可能である。

図３には、三相電力変換装置４０と、バイパススイッチ７０を介してＵ相入力とＵ相出力とを接続するＵ相バイパスライン８０と、バイパススイッチ７０を介してＷ相入力とＷ相出力とを接続するＷ相バイパスライン９０と備えた常時インバータ給電方式の無停電電源装置１００が示されている。

常時インバータ給電方式の無停電電源装置１００では、三相電力変換装置４０の停止時や故障時等には、バイパススイッチ７０をオンさせ、各電源ユニットのインバータ回路２４をゲートブロックすることにより、Ｖ相専用ライン６０、Ｕ相バイパスライン８０及びＷ相バイパスライン９０を介した直送運転に切り換えることができる。すなわち、Ｖ相専用ライン６０を直送運転時のＶ相バイパスラインとして兼用することができる。

なお、本実施の形態では、２台の電源ユニット５０ａ、５０ｂを並列に接続した例について説明したが、並列に接続する台数は、３台以上であっても良い。

以上説明したように、本実施の形態は、Ｕ相入力、Ｖ相入力及びＷ相入力からなる三相交流入力を直流電力に変換し、直流電力をＵ相出力、Ｖ相出力及びＷ相出力からなる三相交流出力に変換する三相電力変換装置４０であって、三相交流入力を直流電力に変換するコンバータ回路５１と、直流電力を三相交流出力のＵ相出力及びＷ相出力に変換するインバータ回路２４とを備えた電源ユニット５０ａ、５０ｂが並列に接続され、Ｖ相入力とＶ相出力とを直接接続するＶ相専用ライン６０を具備する。
この構成により、Ｖ相専用ライン６０によって電源ユニット５０ａ、５０ｂを介することなく入力端子１１ｖと出力端子１２ｖとを直接接続することで、並列に接続した電源ユニットのいずれかへの過度な電流集中を防止することができる。

さらに、本実施の形態によれば、コンバータ回路５１は、正母線２５とＶ相入力に接続された中性端子２６との間に接続された第１コンデンサＣ１と、中性端子２６と負母線２７との間に接続された第２コンデンサＣ２と、正母線２５と負母線２７との間に接続され、Ｕ相入力とＶ相入力との間の電力を直流電力に変換する第１アーム２８と、正母線２５と負母線２７との間に接続され、Ｖ相入力とＷ相入力との間の電力を直流電力に変換する第２アーム２９と、を具備し、インバータ回路２４は、正母線２５と負母線２７との間に接続され、直流電力をＵ相出力を変換する第３アーム３０と、正母線２５と負母線２７との間に接続され、直流電力をＷ相出力を変換する第４アーム３１と、を具備する。

さらに、本実施の形態の無停電電源装置１００は、三相電力変換装置４０と、バイパススイッチ７０を介してＵ相入力とＵ相出力とを接続するＵ相バイパスライン８０と、バイパススイッチ７０を介してＷ相入力とＷ相出力とを接続するＷ相バイパスライン９０とを具備する。
この構成により、バイパススイッチ７０をオンさせ、各電源ユニットのインバータ回路２４をゲートブロックすることにより、Ｖ相専用ライン６０、Ｕ相バイパスライン８０及びＷ相バイパスライン９０を介した直送運転に切り換えることができる。

以上、本発明を具体的な実施形態で説明したが、上記実施形態は一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更して実施できることは言うまでもない。

１０、４０ 三相電力変換装置
１１ｕ、１１ｖ、１１ｗ 入力端子
１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ 出力端子
２０、２０ａ、２０ｂ、５０、５０ａ、５０ｂ 電源ユニット
２１ｕ、２１ｖ、２１ｗ 入力端子
２２ｕ、２２ｖ、２２ｗ 出力端子
２３、５１ コンバータ回路
２４ インバータ回路
２５ 正母線
２６ 中性端子
２７ 負母線
２８ 第１アーム
２９ 第２アーム
３０ 第３アーム
３１ 第４アーム
６０ Ｖ相専用ライン
７０ バイパススイッチ
８０ Ｕ相バイパスライン
９０ Ｗ相バイパスライン
１００ 無停電電源装置
Ｃ１ 第１コンデンサ
Ｃ２ 第２コンデンサ
Ｑ スイッチ素子
Ｚ、Ｚａ、Ｚｂ 配線インピーダンス

Claims (3)

1. Ｕ相入力、Ｖ相入力及びＷ相入力からなる三相交流入力を直流電力に変換し、前記直流電力をＵ相出力、Ｖ相出力及びＷ相出力からなる三相交流出力に変換する三相電力変換装置であって、
   前記三相交流入力を前記直流電力に変換するコンバータ回路と、前記直流電力を前記三相交流出力の前記Ｕ相出力及び前記Ｗ相出力に変換するインバータ回路とを備えた電源ユニットが複数台並列に接続され、
   前記Ｖ相入力と前記Ｖ相出力とを直接接続するＶ相専用ラインを具備することを特徴とする三相電力変換装置。
2. 前記コンバータ回路は、
   正母線と前記Ｖ相入力に接続された中性端子との間に接続された第１コンデンサと、
   前記中性端子と負母線との間に接続された第２コンデンサと、
   前記正母線と前記負母線との間に接続され、前記Ｕ相入力と前記Ｖ相入力との間の電力を前記直流電力に変換する第１アームと、
   前記正母線と前記負母線との間に接続され、前記Ｖ相入力と前記Ｗ相入力との間の電力を前記直流電力に変換する第２アームと、を具備し、
   前記インバータ回路は、
   前記正母線と前記負母線との間に接続され、前記直流電力を前記Ｕ相出力に変換する第３アームと、
   前記正母線と前記負母線との間に接続され、前記直流電力を前記Ｗ相出力に変換する第４アームと、を具備することを特徴とする請求項１記載の三相電力変換装置。
3. 請求項１又は２に記載の三相電力変換装置と、
   バイパススイッチを介して前記Ｕ相入力と前記Ｕ相出力とを接続するＵ相バイパスラインと、前記バイパススイッチを介して前記Ｗ相入力と前記Ｗ相出力とを接続するＷ相バイパスラインとを具備することを特徴とする無停電電源装置。

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