JP3771200B2 - 無停電電源装置及び無停電電源装置の交流スイッチ遮断方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、商用電源と負荷とが交流スイッチを介して接続された無停電電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の無停電電源装置で使用される交流スイッチは、例えば特開平５−２９２６８６号公報に示されるように、自己消狐機能を持つスイッチ素子を用いて構成されていたり、強制消弧回路によって消弧されるサイリスタを用いて構成されている。
【０００３】
また、消弧回路を用いずにサイリスタを流れる電流が保持電流以下になることで自然に消弧する構成の交流スイッチも用いられている。このようなサイリスタだけを用いた交流スイッチを用いると、無停電電源装置の価格を安価なものとすることができる。しかしながらこの種の交流スイッチを用いた場合には、例えば特開平５−３０６８３号公報、特開平５−１７６４６１号公報、特開平５−２９２６８６号公報等に示されるように、二つの交流電源が並列に接続された状態で負荷へ給電する期間が必ず発生し、交流スイッチの遮断が遅れる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
サイリスタを用いた従来の交流スイッチ１は、図８（Ａ）に示すように、逆並列接続されたサイリスタＳＣＲ１及びＳＣＲ２が各相毎に商用電源３と電力変換器５の間に配置されている。電力変換器５は、交流電力と直流電力を双方向に変換できる機能を有しており、直流側には直流電力供給装置７がある。商用電源３からの電力は、交流スイッチ１を介して負荷装置９へ供給され、電力変換器５の出力は直接負荷装置９へ供給される。
【０００５】
２つの電力供給源の切り換えに当たって、電力変換器５側（第２の給電経路Ｒ２）から商用電源３側（第１の給電経路Ｒ１）へ給電経路を切り換える場合、交流スイッチ１を構成するサイリスタＳＣＲ１及び２にそれぞれ所定の周期でON指令を与えると共に、電力変換器５にOFF指令を与える。このとき電力変換器は、電流が直ちにOFFする構成になっており、交流スイッチは直ちにONするので給電経路は瞬時に切り換わる。
【０００６】
そして、商用電源側（第１の給電経路Ｒ１）から電力変換器側（第２の給電経路Ｒ２）へ切り換える場合、電力変換器にＯＮ指令を与え、交流スイッチ１にＯＦＦ指令を与えることになる。しかし、交流スイッチ１は、自己消弧機能を持たないサイリスタを使用しているので交流スイッチ１を流れる電流は直ちに０にならず、その間商用電源３と電力変換器５とが負荷装置９に並列に接続されて運転される期間が存在することになる。このとき、商用電源３と電力変換器５の電圧関係によって、電力変換器５と商用電源３との間に制御不能な横流が流れ、負荷装置９へ給電している電圧が異常になる。このように強制消弧回路を用いずにサイリスタＳＣＲ１及びＳＣＲ２のみで構成する安価な交流スイッチ１では、瞬時に給電切り換えができない問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、サイリスタを用いて構成した交流スイッチをできるだけ速く遮断状態にすることができる無停電電源装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、電力変換器を用いてサイリスタからなる交流スイッチをできるだけ速く遮断状態にすることができる無停電電源装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、強制消弧回路を別に設けることなく、サイリスタからなる交流スイッチを遮断状態にすることができる無停電電源装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の更に他の目的は、強制消弧回路を別に設けることなく、サイリスタからなる交流スイッチを遮断状態にすることができる無停電電源装置の交流スイッチ遮断方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、逆並列接続された一対のサイリスタから構成された交流スイッチを介して商用電源から負荷装置に交流電力を供給する第１の給電経路と、直流電力源を電源として直流電力を交流電力に変換して負荷装置に交流電力を供給する逆変換動作を行う電圧制御型の電力変換器を含む第２の給電経路と、基準正弦波電圧を出力する基準正弦波電圧発生回路と、基準正弦波電圧に基づいて、電力変換器に逆変換動作を行わせるための電圧制御指令を出力する制御指令発生手段とを具備し、制御指令発生手段から電圧制御指令が出力されている間は交流スイッチが遮断状態になって、第１の給電経路からの負荷装置への交流電力の供給が、第２の給電経路からの負荷装置への交流電力の供給へと切り換わる無停電電源装置を改良の対象とする。なおこの交流スイッチは、一相毎にそれぞれ配置される。したがって三相交流であれば、３つの交流スイッチが各相毎に使用されることになる。
【００１２】
本発明の無停電電源装置では、基準正弦波電圧発生回路は、商用電源と同期し、基準正弦波電圧として用いたときに電力変換器の出力電圧が商用電源の電圧とほぼ等しくなる同期正弦波電圧Vref1と、同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく且つ同期正弦波電圧よりも高い電圧の高電圧同期正弦波電圧Vref2と同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく且つ同期正弦波電圧よりも低い電圧の低電圧同期正弦波電圧Vref3を作成する正弦波電圧作成手段と、交流スイッチを流れる電流を検出する電流検出手段と、電圧制御指令が出力されていないときには同期正弦波電圧Vref1を選択し、電圧制御指令が出力されているときで電流検出手段の出力が正極性であるときには高電圧同期正弦波電圧Vref2を選択し、またそのときに電流検出手段の出力が負極性であるときには低電圧同期正弦波電圧Vref3を選択し、またそのときに電流検出手段の出力が０になると同期正弦波電圧Vref1を選択して制御指令発生手段に基準正弦波電圧として出力する正弦波電圧選択手段とから構成されている。
【００１３】
本発明の無停電電源装置では、基準正弦波電圧発生回路は、商用電源と同期し、基準正弦波電圧として用いたときに電力変換器の出力電圧が商用電源の電圧とほぼ等しくなる同期正弦波電圧Vref1と、同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく且つ同期正弦波電圧よりも高い電圧の高電圧同期正弦波電圧Vref2と同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく且つ同期正弦波電圧よりも低い電圧の低電圧同期正弦波電圧Vref3を作成する正弦波電圧作成手段と、交流スイッチを流れる電流を検出する電流検出手段と、停電検出手段が停電を検出しておらず電圧制御指令が出力されていないときには同期正弦波電圧Vref1を選択し、停電検出手段が停電を検出していて電圧制御指令が出力されているときで、電流検出手段の出力が正極性であるときには高電圧同期正弦波電圧Vref2を選択し、またそのときに電流検出手段の出力が負極性であるときには低電圧同期正弦波電圧Vref3を選択し、またそのときに電流検出手段の出力が０になると同期正弦波電圧Vref1を選択して制御指令発生手段に基準正弦波電圧として出力する正弦波電圧選択手段とから構成されている。
【００１４】
本発明によれば、第１の給電経路から第２の給電経路への切り換えがあったときに、第２の給電経路にある電力変換器の出力電圧が第１の給電経路にある交流スイッチを構成するサイリスタのうち導通状態にあるサイリスタに対して逆バイアスになるように、基準正弦波電圧発生回路が基準正弦波電圧を発生するため、特別にサイリスタの強制消弧回路を設けることなく、交流スイッチを速やかに遮断状態にすることができる。特に、本発明によれば、交流スイッチの遮断時に商用電源と電力変換器が並列に接続されて運転される期間が存在せず、商用電源と電力変換器の間に横流が流れることがない。
【００１５】
本発明は常時第１の給電経路から負荷装置に電力を供給し、商用電源が停電したときに第２の給電経路に切り換わる常時商用型の無停電電源装置にも適用できる。この場合、制御指令発生手段は、商用電源で停電が発生している間、電圧制御指令を出力する。
【００１６】
また本発明は常時第１の給電経路から負荷装置に電力を供給し、電力変換器をアクテイブフィルタとして動作させ、商用電源が停電したときに第２の給電経路に切り換わる常時商用給電＋アクテイブフィルタ型の無停電電源装置にも適用できる。この場合には、商用電源で停電が発生している間は電圧制御指令を出力し、商用電源で停電が発生していないときには電力変換器をアクティブフィルタとして動作させる電流制御指令を電力変換器に出力するように制御指令発生手段を構成すればよい。
【００１７】
また本発明は常時第２の給電経路から負荷装置に電力を供給し、電力変換器が異常のときに第１の給電経路に切り換わる常時インバータ型の無停電電源装置にも適用できる。この場合には、制御指令発生手段を、電力変換器が正常であるときには電圧制御指令を常時出力するように構成し、交流スイッチを電力変換器で異常が発生している間導通状態になるように制御する。このタイプの無停電電源装置では、電力変換器が異常な状態から修復されて、第１の給電経路から第２の給電経路に切り換わるときに制御指令発生手段が電圧制御指令を発生する。
【００１８】
常時商用給電＋アクテイブフィルタ型の無停電電源装置に本発明を適用する場合には、商用電源の停電を検出する停電検出手段と逆並列接続された一対のサイリスタから構成され、商用電源健全時には導通状態になって商用電源から負荷装置に交流電力を供給し、商用電源停電時には遮断状態になる交流スイッチと、直流電力供給装置と、交流スイッチと直流電力供給装置との間に配置されて、商用電源健全時には商用電源からの交流電力を直流電力に変換して該直流電力により直流電力供給装置を充電する順変換動作及び負荷装置に流れる高調波電流や無効電流を補償する電流を流すアクティブフィルタ動作を行い、それ以外のときには主として直流電力供給装置を電源として直流電力を交流電力に変換して負荷装置に交流電力を供給する逆変換動作を行うように構成された電圧制御型の電力変換器と、基準正弦波電圧を出力する基準正弦波電圧発生回路と、基準正弦波電圧に基づいて、電力変換器に逆変換動作を行わせるための電圧制御指令及び電力変換器に順変換動作及びアクティブフィルタ動作を行わせるための電流制御指令を電力変換器に出力する制御指令発生手段とを具備する無停電電源装置を改良の対象とする。
【００１９】
正弦波電圧作成手段の構成は任意であるが、特に正弦波電圧作成手段を、同期正弦波電圧Vref1と、同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく電圧が電圧差指令値ΔＶだけ高い高電圧同期正弦波電圧Vref2と同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく且つ電圧が電圧差指令値ΔＶだけ低い低電圧同期正弦波Vref3を作成するように構成することができる。このようにすると制御に必要な正弦波電圧を簡単に得ることができる。特に、この構成を採用すると、必要な逆バイアス電圧を電圧差指令値ΔＶによって確実に決定することができるので、交流スイッチをどのようなタイミングで遮断させる場合でも、サイリスタの消弧に必要な最小限の電圧を電力変換器から出力することができる。
【００２０】
また正弦波電圧選択手段は、電流検出手段の出力が正極性であるときは高電圧同期正弦波電圧Vref2を選択し、電流検出手段の出力が負極性であるときは低電圧同期正弦波電圧Vref3を選択する第１の選択回路と、停電検出手段が停電を検出し且つ電流検出手段が電流が消弧されていないことを検出すると、基準正弦波電圧として第１の選択回路の出力電圧が必要であると判定する第１の判定回路と、第１の判定回路が第１の選択回路の出力電圧が必要との判定をしたときには第１の選択回路の出力電圧を選択し、それ以外のときには同期正弦波電圧Vref1を選択する第２の選択回路とから構成することができる。このように正弦波電圧選択手段を構成すると、少ない数の選択回路で、必要な正弦波電圧を確実に選択することができる。
【００２１】
上記の発明においては、同じ位相の３種類の正弦波電圧を利用して基準正弦波電圧を作って、電力変換器に交流スイッチを構成するサイリスタに印加する逆バイアス電圧を発生させているが、位相の異なる３種類の正弦波電圧を作って、逆バイアス電圧を発生させることもできる。その場合の発明も、商用電源の停電を検出する停電検出手段と、商用電源健全時には導通状態になって商用電源から負荷装置に交流電力を供給し、商用電源停電時には遮断状態になる交流スイッチと、直流電力供給装置と、交流スイッチと直流電力供給装置との間に配置されて、商用電源健全時には商用電源からの交流電力を直流電力に変換して該直流電力により直流電力供給装置を充電する順変換動作及び負荷装置に流れる高調波電流や無効電流を補償する電流を流すアクティブフィルタ動作を行い、それ以外のときには主として直流電力供給装置を電源として直流電力を交流電力に変換して負荷装置に交流電力を供給する逆変換動作を行うように構成された電圧制御型の電力変換器と、基準正弦波電圧に基づいて、電力変換器に逆変換動作を行わせるための電圧制御指令及び電力変換器に順変換動作及びアクティブフィルタ動作を行わせるための電流制御指令を電力変換器に出力する制御指令発生手段と制御指令発生手段に、基準正弦波電圧を出力する位相シフト型基準正弦波電圧発生回路とを具備する。
【００２２】
交流スイッチは、逆並列接続された一対のサイリスタから構成される。そして本発明では、３種類の位相の異なる正弦波電圧を発生するために、位相シフト型基準正弦波電圧発生回路を用いる。この位相シフト型基準正弦波電圧発生回路は、商用電源と同期し、基準正弦波電圧として用いたときに電力変換器の出力電圧が商用電源の電圧と振幅が一致する同期正弦波電圧Vref1と、同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が進んだ進み位相正弦波電圧Vref4と同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が遅れた遅れ位相正弦波電圧Vref5と正弦波電圧を作成する位相シフト型正弦波電圧作成手段と、交流スイッチを流れる電流を検出する電流検出手段と、停電検出手段が停電を検出していないときは同期正弦波電圧Vref1を選択し、停電検出手段が停電を検出したときで電流が正極性の間は、進み位相正弦波電圧及び遅れ位相正弦波電圧のうち同期正弦波電圧よりも電圧が大きくなるものを選択し、停電検出手段が停電を検出したときで電流が負極性の間は、進み位相正弦波電圧及び遅れ位相正弦波電圧のうち同期正弦波電圧よりも電圧が小さくなるものを選択し、電流検出手段の出力が０になると同期正弦波電圧Vref1を選択して制御指令発生手段に基準正弦波電圧として出力する位相シフト型正弦波電圧選択手段とから構成する。
【００２３】
このように、位相の異なる正弦波電圧を選択して電力変換器から逆バイアス電圧を発生するようにしても、交流スイッチを構成するサイリスタを短い時間で遮断することができる。なおこの発明では、進み位相正弦波電圧Vref4と遅れ位相正弦波電圧Vref5とが共に同期正弦波電圧よりも絶対値電圧が小さくなる期間が発生する。しかしこの期間は僅かな期間であり、この期間を経過すれば、進み位相正弦波電圧Vref4及び遅れ位相正弦波電圧Vref5のいずれか一方が必ず同期正弦波電圧よりも絶対値電圧が大きくなるので、たまたま停電がこの短い期間内で発生しても、わずかな時間遅れを持って交流スイッチを遮断することができる。したがってこの発明でも実用上は何等の問題も生じない。
【００２４】
位相シフト型正弦波電圧作成手段は、同期正弦波電圧Vref1と、同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が位相差指令値Δφだけ進んだ進み位相正弦波電圧Vref4と同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が位相差指令値Δφだけ遅れた遅れ位相正弦波電圧Vref5とを作成するように構成することができる。このように位相シフト型正弦波電圧作成手段を構成すると、位相差指令値Δφの値を任意に設定することにより、簡単に必要な逆バイアス電圧の設定を実現できる。
【００２５】
また位相シフト型正弦波電圧選択手段は、電流が負極性から正極性に変わったときから同期正弦波電圧が正のピーク値に達するまでの間は進み位相正弦波電圧Vref4を選択し、同期正弦波電圧がピーク値に達した後電流が正極性から負極性に変わるまでの間は遅れ位相正弦波電圧Vref5を選択し、電流が正極性から負極性に変わったときから同期正弦波電圧が負のピーク値に達するまでの間は進み位相正弦波電圧Vref4を選択し、同期正弦波電圧が負のピーク値に達した後電流が負極性から正極性に変わるまでの間は遅れ位相正弦波電圧Vref5を選択し、電流検出回路が電流０を検出したときには同期正弦波電圧Vref1を選択して制御指令発生手段に基準正弦波電圧として出力するように構成することができる。
【００２６】
本発明の方法は、逆並列接続された一対のサイリスタから構成された交流スイッチを介して商用電源から負荷装置に交流電力を供給する第１の給電経路と、直流電力源を電源として直流電力を交流電力に変換して前記負荷装置に交流電力を供給する逆変換動作を行う電圧制御型の電力変換器を含む第２の給電経路とを具備する無停電電源装置の交流スイッチを強制的に遮断する方法である。本発明では、負荷装置への給電を第１の給電経路からの給電から第２の給電経路からの給電に切り換える際に、導通状態にあるサイリスタに電力変換器から逆バイアス電圧を印加してサイリスタを強制的に遮断する。これによって、特別な強制消弧回路を用いることなく、電力変換器を利用して交流スイッチを構成するサイリスタを強制的に消弧できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は本発明を常時商用給電＋アクテイブフィルタ型の無停電電源装置に適用した実施の形態の一例の構成を概略的に示すブロック回路図である。図１には単相分即ち一相分の結線と制御系だけを図示してある。図１において、交流スイッチ１、電圧制御型の電力変換器５及び直流電力供給装置７は基本的に従来のものと同じである。電圧制御型の電力変換器５は、交流スイッチ１と直流電力供給装置７との間に配置されて、商用電源健全時には三相交流の商用電源３からの交流電力を直流電力に変換して直流電力により直流電力供給装置７を充電する順変換動作及び負荷装置９に流れる高調波電流や無効電流を補償する電流を流すアクティブフィルタ動作を行い、それ以外のときには主として直流電力供給装置７を電源として直流電力を交流電力に変換して負荷装置９に交流電力を供給する逆変換動作を行うように構成されている。図８（Ａ）に示すように順変換動作では第１の給電経路Ｒ１によって商用電源３から負荷装置９に給電されており、逆変換動作では第２の給電経路Ｒ２によって電力変換器５から負荷装置９に給電される。
【００２８】
商用電源３と電力変換器５との間に配置された交流スイッチ１は、一相分に対応するものであり、逆並列接続された２つのサイリスタＳＣＲ１及びＳＣＲ２により構成されている。商用電源３が健全な状態であれば、負荷装置９には交流スイッチ１を介して商用電源３から交流電力が供給される。商用電源３が停電状態になると、交流スイッチ１は遮断状態になって商用電源３から負荷装置９への交流電力の供給を停止する。
【００２９】
基準正弦波電圧発生回路１１は、停電検出手段１２が停電の有無を検出すると、電力変換器５を制御するための基準正弦波信号を制御指令発生手段１３に出力する。制御指令発生手段１３は、基準正弦波電圧に基づいて、電力変換器５に逆変換動作を行わせるための電圧制御指令及び電力変換器に順変換動作及びアクティブフィルタ動作を行わせるための電流制御指令を電力変換器５に出力する。停電検出手段１２の構成は、例えば一相の電圧が予め定めた電圧以下になったことを電圧検出回路で検出したときに停電が発生したと判断するような公知の構成のものを用いることができる。この例では制御指令発生手段１３の入力として、基準正弦波電圧発生回路１１の出力だけを示しているが、実際には電力変換器５の交流側の電圧及び電流並びに直流側電圧等の制御に必要な情報を示す信号が入力されている。なお電力変換器５及び制御指令発生手段１３の構成に関しては、特開平８−５１７３５号公報、特開平９−５６０８７号公報、特開平１０−１４２５１号公報等に開示されている。また出願人の先願である特願２０００−２８８４８０号にも詳しく説明されている。
【００３０】
基準正弦波電圧発生回路１１は、交流スイッチ１を流れる電流を検出する電流検出手段１１ａと、制御指令発生手段１３に基準正弦波電圧として出力するための正弦波電圧を作成する正弦波電圧作成手段１１ｂと、制御指令発生手段１３に基準正弦波電圧として出力するための正弦波電圧を選択する正弦波電圧選択手段１１ｃとから構成される。電流検出手段１１ａは、変流器ＣＴにより検出したアナログ電流値に基づいて制御に必要な電流検出信号を出力するように構成されている。
【００３１】
正弦波電圧作成手段１１bは、商用電源３と同期し、基準正弦波電圧として用いたときに電力変換器５の出力電圧が商用電源３の電圧とほぼ等しくなる同期正弦波電圧Vref1と、同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく同期正弦波電圧Vref1よりも電圧が大きい高電圧同期正弦波電圧Vref2と、同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく且つ同期正弦波電圧Vref1より低い電圧の低電圧同期正弦波電圧Vref3を作成する。これらの正弦波電圧を基準正弦波電圧Vrefとして用いるときの電力変換器５の出力電圧が図１に示すライン１７ｂに現れる。基準正弦波電圧Vrefとして同期正弦波電圧Vref1を用いると、ライン１７ｂには商用電源３の交流電圧と位相及び電圧が等しい交流出力が現れる。正弦波電圧選択手段１１ｃは、停電検出手段１２が停電を検出していないときは同期正弦波電圧Vref1を選択し、停電検出手段１２が停電を検出したときは、電流検出手段１１ａの出力が正極性であるときに高電圧同期正弦波電圧Vref2を選択し、電流検出手段１１ａの出力が負極性であるときには、低電圧同期正弦波電圧Vref3を選択し、電流検出手段１１ａの出力が０になると同期正弦波電圧Vref1を選択して制御指令発生手段１３に基準正弦波電圧として出力する。基準正弦波電圧発生回路１１が基準正弦波電圧として高電圧同期正弦波電圧Vref2または低電圧同期正弦波電圧Vref3を選択したときには、交流スイッチ１の導通している方のサイリスタＳＣＲ１またはＳＣＲ２に逆バイアスが印加され、導通していたサイリスタは消弧される。その後基準正弦波電圧発生回路１１が基準正弦波電圧として同期正弦波電圧Vref1を選択したときには、交流スイッチ１はオフの状態を保ち、電力変換器５が逆変換動作を開始する。停電検出手段１２が停電を検出しないときには、基準正弦波電圧発生回路１１は同期正弦波電圧Vref1を出力する。制御指令発生手段１３は、この同期正弦波電圧Vref1を入力としてアクティブフィルタ動作を行う。このときの動作は、先願等に詳しく説明されているので省略する。
【００３２】
この例の正弦波電圧作成手段１１ｂは、商用電源３と同期した同期正弦波電圧Vref1に電圧差指令値ΔＶを加算した高電圧同期正弦波電圧Vref2および同期正弦波電圧Vref1から電圧差指令値ΔＶを減算した低電圧同期正弦波電圧Vref3を作成する。電圧差指令値ΔＶは、予め使用するサイリスタの特性に基づいて、確実に消弧できる逆バイアス電圧を得られる値として予め設定しておくものである。図２にこの例における同期正弦波電圧Vref1、高電圧同期正弦波電圧Vref2、低電圧同期正弦波電圧Vref3及び交流電流Ｉの波形を示す。負荷が誘導性であるため、交流電流Ｉの電流波形は同期正弦波電圧Vref1の位相よりも遅れた位相になっている。基準正弦波電圧発生回路１１が出力する正弦波電圧は数式で書くと以下のように表現される。
【００３３】
Vref=Vref1＋ΔV・sign（Ｉ）・S ・・・・・・・・・・・（１）
ここで Ｉ＞０のとき sing（Ｉ）＝１ Vref＝Vref2 ・・・・・・（２）
Ｉ＜０のとき sing（Ｉ）＝−１ Vref=Vref3 ・・・・・・（３）
Ｉ＝０のとき sing（Ｉ）＝０ Vref=Vref1 ・・・・・・（４）
ここでＩは電流検出手段１１ａが検出する電流値とする。停電検出手段１２が停電を検出しないときは、Ｓ＝０であるとする。このときには、基準正弦波電圧Vrefは同期正弦波電圧Vref1になり、ライン１７ｂの電位はライン１７ａの商用電源３の電圧にほぼ等しい。このとき、交流スイッチ１の導通している方のサイリスタは導通状態を維持している。停電検出手段１２が停電を検出すると、Ｓ＝１とする。このときは電流Ｉの極性によって（１）式の基準正弦波電圧Vrefに対しては（２）（３）式のいずれかが成立する。停電検出手段１２が停電を検出すると基準正弦波電圧Vrefは同期正弦波電圧Vref1から図２のグラフの太線で示した同期正弦波電圧に切り換わる。電流検出手段１１ａで検出した電流Ｉが０になれば（１）式で基準正弦波電圧Vrefは同期正弦波電圧Vref1に復帰する。
【００３４】
電流検出手段１１ａが正極性の電流を検出したときは、図４（Ａ）に示したように電流は逆並列接続したサイリスタＳＣＲ１を流れている状態にある。このとき基準正弦波電圧Vrefとしては同期正弦波電圧Vref1より高い値である高電圧同期正弦波電圧Vref2が選択されているので、ライン１７ｂには商用電源３の電圧ＶよりΔＶだけ高い電圧Ｖｒｂが印加され、サイリスタＳＣＲ１にはΔＶの逆バイアスがかかり、流れている電流Ｉはゼロヘと向かう。図４（Ｂ）は、このときの電圧電流波形の時間的変化を示している。図４（Ｂ）において、切り換えポイントからライン１７ｂの電圧はＶからＶｒｂに上昇し、サイリスタには逆バイアスΔＶがかかるのでサイリスタを流れる電流Ｉは急速に０になる。サイリスタが消弧され、電流Ｉがゼロとなると（図４（Ｂ）の×印のポイント）、基準正弦波電圧Vrefとして同期正弦波電圧Vref1が選択され、ライン１７ｂにつながる負荷装置９の端子電圧は商用電源電圧Ｖに復帰し、交流スイッチ１の両側のライン１７ａ及び１７ｂのバイアス電圧は０となる。（１）式ではＳ＝１のときでも、Ｉ＝０ならばVref＝Vref1が成立するので、この間の事情も表現している。Vref＝Vref1ならば、交流スイッチ１は遮断状態を継続する。この状態では、交流電力は電力変換器５側から負荷装置９に供給される。
【００３５】
電流検出手段１１ａが負極性のときは、正弦波電圧選択手段１１ｃが基準正弦波電圧として低電圧同期正弦波電圧Vref3を選択し、サイリスタＳＣＲ２に逆バイアスがかかることによりサイリスタＳＣＲ２側に流れている電流は遮断される。
【００３６】
図１に示した基準正弦波電圧発生回路１１における正弦波電圧作成手段１１ｂは、電圧差指令値ΔＶを用いて同期正弦波電圧Vrefl、高電圧同期正弦波電圧Vref2および低電圧同期正弦波電圧Vref3を出力する。具体的には一例としてＰＬＬ回路を用いることができる。正弦波電圧選択手段１１ｃの中の第１の選択回路１１ｃ1は、電流検出手段１１ａの出力が正極性であるときは高電圧同期正弦波電圧Vref2を選択し、電流検出手段１１ａの出力が負極性であるときは低電圧同期正弦波電圧Vref3を選択する。図３は、第１の選択回路１１ｃ1の詳細構成を示している。第１の判定回路１１ｃ2は、停電検出手段１２が停電を検出し、且つ電流検出手段１１ａが電流が０になっていないことを検出すると、基準正弦波電圧として第１の選択回路１１ｃ1の出力電圧が必要であると判定する。第２の選択回路１１ｃ3は、第１の判定回路１１ｃ2から第１の選択回路１１ｃ1の出力電圧が必要との信号を受けたときには第１の選択回路１１ｃ1の出力電圧を選択し、それ以外のときには同期正弦波電圧Vref1を選択する。
【００３７】
図５は、本発明の別の実施の形態（位相差方式）の一例を説明するためのブロック図である。図１と同じ部分には図１に付した符号と同じ符号を付して説明を省略する。この例では基準正弦波電圧発生回路としては位相シフト型基準正弦波電圧発生回路１９を用いる。この位相シフト型基準正弦波電圧発生回路１９は、交流スイッチ１を流れる電流を検出する電流検出手段１９ａと、位相シフト型正弦波電圧作成手段１９ｂと、位相シフト型正弦波電圧選択手段１９ｃとから構成される。位相シフト型正弦波電圧作成手段１９ｂは、第１の実施の形態で用いた同期正弦波電圧Vref1と、同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が進んだ進み位相正弦波電圧Vref4と、同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が遅れた遅れ位相正弦波電圧Vref5を作成する。位相シフト型正弦波電圧選択手段１９ｃは、停電検出手段１２が停電を検出していないときは同期正弦波電圧Vref1を選択し、停電検出手段１２が停電を検出したときは、電流が正極性の間は進み位相正弦波電圧及び遅れ位相正弦波電圧のうち同期正弦波電圧よりも電圧が大きくなるものを選択し、電流が負極性の間は進み位相正弦波電圧及び遅れ位相正弦波電圧のうち同期正弦波電圧よりも電圧が小さくなるものを選択し、電流検出手段の出力が０になると同期正弦波電圧Vref1を選択して制御指令発生手段１３に基準正弦波電圧として出力する。
【００３８】
以下に、進み位相正弦波電圧Vref4が同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が位相差指令値Δφ分だけ進み、遅れ位相正弦波電圧Vref5が同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が位相差指令値Δφ分だけ遅れた場合について説明する。この場合には位相シフト型正弦波電圧作成手段１９ｂは、同期正弦波電圧Vref1より９０度位相が進んだ余弦波電圧Ｖcosを作成し、これが以下の位相シフト型正弦波電圧選択手段１９ｃで利用される。図５に示す無停電電源装置の動作を図６の波形を用いて説明する。図６に同期正弦波電圧Vref1、進み位相正弦波電圧Vref4、遅れ位相正弦波電圧Vref5の波形と電流Ｉの波形を示す。停電検出手段１２が停電を検出すると、位相シフト型基準正弦波電圧発生回路１９は、電流検出手段１９ａが検出する電流と余弦波電圧Vcosの積の符号が正の場合は基準正弦波電圧として進み位相正弦波電圧Vref4を出力する。電流検出手段１１ａが検出する電流と余弦波電圧Vcosの積の符号が負の場合は、基準正弦波電圧として負荷ライン１７ｂに遅れ位相正弦波電圧Vref5を出力する。このように電流と余弦波電圧Vcosの積によって決まる基準正弦波電圧の変化を太線で示す。この太線の電圧と商用電源３と同期する同期正弦波電圧Vref1との大小を比較すると交流スイッチ１に印加される電圧が電流と逆バイアスになっている。こうすることによって、電流が流れている側のサイリスタに逆バイアスを印加し、電流が流れているサイリスタを消弧させる。
【００３９】
以下にこの関係を式で説明する。図６の正弦波電圧を式で表現すると次式のように書ける。
【００４０】
Vref1∝sinθ ・・・・・・・・・・・・・・（５）
Vref4∝sin（θ＋Δφ） ・・・・・・・・・（６）
Vref5∝sin（θ−Δφ） ・・・・・・・・・（７）
ここで、交流電源の角周波数をω、時間をｔとするとθ＝ωｔであるとする。各電圧の共通の振幅を書くのを省略した。同期正弦波電圧Vref1の振幅と位相は基準正弦波電圧として出力された場合に、ライン１７ｂの電圧と振幅と位相が一致するようになっている。またΔφは位相シフト角を表す。図６に示すように同期正弦波電圧Vref1は大部分の領域で進み位相正弦波電圧Vref4、遅れ位相正弦波電圧Vref5の間に挟まれている。従ってこの領域では進み位相正弦波電圧Vref4、遅れ位相正弦波電圧Vref5の大きい方が同期正弦波電圧Vref1より大きく、進み位相正弦波電圧Vref4、遅れ位相正弦波電圧Vref5の小さい方が同期正弦波電圧Vref1より小さい。従って、
Ｉ×（Vref4−Vref5）＞０・・・・・・・・・・・・・・・・（８）
となる領域ではＩ＞０のときは、Vref4＞Vref5となるので、ライン１７ｂの電圧としてVref4を選択し、Ｉ＜０のときは、Vref4＜Vref5なので、ライン１７ｂの電圧として遅れ位相正弦波電圧Vref5を選択すれば電流が流れている方のサイリスタが逆バイアスになる。ところで、（８）式の左辺は
Ｉ×（Vref4−Vref5）∝２Ｉ・sin（Δφ）・cosθ・・・・・（９）
∝Vcos・Ｉ ・・・・・・・・・・・（１０）
のように書ける。但し、（１０）式で
Vcos∝cosθ ・・・・・・・・・・・（１１）
とした。また、（９）式の右辺から（１０）の右辺への移行でsin（Δφ）を省略したのは、位相差指令値Δφの定義によりsin（Δφ）＞０になるため、（９）式の右辺と（１０）の右辺の符号に関する以下の説明で不要なためである。（９）式の左辺＞０の条件を用いると、（１０）式より
Vcos・Ｉ＞０ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１２）
のとき、電流が流れている方のサイリスタに逆バイアスが印加される。但し、以下の理由によって、θ＝（n+1/2）π±Δφ／２の間の小さな領域は逆バイアスにならない。ここでｎは整数である。従ってこの範囲では、サイリスタを消弧することができない。これは、
sinθ＝sin（θ±Δφ） ・・・・・・・・・・・・・（１３）
とおくと、θ＝（n+1/2）π−Δφ／２またはθ＝（n+1/2）π＋Δφ／２となり、この間の領域ではsinθの絶対値がsin（θ±Δφ）の絶対値より大きくなる。つまり同期正弦波電圧Vref1が進み位相正弦波電圧Vref4、遅れ位相正弦波電圧Vref５より大きくなる。従って、この間では電流が流れている方のサイリスタに逆バイアス電圧を印加することができず、サイリスタは消弧できない。従って位相角πの間で、位相のシフト角Δφの間がサイリスタを消弧できない時間の割合になる。
【００４１】
しかしながら位相のシフト角Δφが、逆バイアス電圧により消弧をするのに必要なシフト幅の範囲でπに比べて十分小さければ、消弧できない時間は十分に短くすることができる。従ってサイリスタの消弧が遅れる影響を最小限にとどめることが出来る。電流検出手段１９ａが交流スイッチ１に流れる電流が０になったことを検出すると、位相シフト型正弦波電圧選択手段１９ｃは同期正弦波電圧Vref１を出力する。
【００４２】
図５で以上の機能を実現する位相シフト型基準正弦波電圧発生回路１９の構成の一例を説明する。図５において、位相シフト型正弦波電圧作成手段１９ｂは、同期正弦波電圧Vref1、進み位相正弦波電圧Vref4、及び遅れ位相正弦波電圧Vref5、及び、余弦波電圧Ｖcosを作成して出力する。具体的には、例えば位相シフト型正弦波電圧作成手段１９ｂはＰＬＬ回路で実現することができる。位相シフト型正弦波電圧選択手段１９ｃの一部を構成する第1の選択回路１９ｃ1は、電流検出手段１９ａが出力する電流と余弦波電圧Vcosの積が正のときは進み位相正弦波電圧Vref4を選択し、電流検出手段が出力する電流とVcosの積が負のときは遅れ位相正弦波電圧Vref5を選択する。第1の判定回路１９ｃ2は、停電検出手段１２が停電を検出し、且つ電流検出手段１９ａが電流が０になっていないことを検出すると、基準正弦波電圧に第１の選択回路１９ｃ1の出力電圧が必要であることを判定する。第２の選択回路１９ｃ3は第１の判定回路１９ｃ2から第１の選択回路１９ｃ1の出力電圧が必要であるとの信号を受けたときには、第１の選択回路１９ｃ1の出力電圧を選択し、それ以外のときには同期正弦波電圧Vref1を選択する。
【００４３】
図７（Ａ）に図５の第１の選択回路１９ｃ1の一例の論理回路を示す。図５に示す第１の選択回路１９ｃ１への入力信号はVcos，Vref4，Vref5である。これらの信号から図７（Ａ）に示す論理回路への入力信号ＢＶ，ＢＶｃｏｓ，同極性信号Ｘが作られる。これらの入力信号ＢＶ，ＢＶｃｏｓは、同期正弦波電圧Vref1と余弦波電圧Vcosとがそれぞれ正のときにはそれぞれがＨとなる。また入力信号ＢＶ，ＢＶｃｏｓは、同期正弦波電圧Vref1と余弦波電圧Vcosとがそれぞれ負のときにはそれぞれがＬとなるようにパルス化された論理信号である。また同極性信号Ｘは、同期正弦波電圧Vref1とサイリスタを流れる電流Ｉの符号が同じならばＨ、逆ならばＬとなる。図７（Ａ）の論理図を論理式で書くと以下のようになる。
【００４４】
Ｙ＝［（BV・BVcos＋NBV・NBVcos）］・Ｘ＋［（BV・NBVcos＋NBV・BVcos）］・NＸ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１４）
但し、先頭にＮの符号を付けた論理値変数は後につづく論理変数の否定を表しているものとする。但し、以下の図７（Ａ）の実施の形態では、Ｖは全てVref1を意味するものとする。またANDを「・」の記号で、ORを「＋」の記号で表した。Ｉ・Ｖ＞０のときは、Ｘ＝Ｈとなる。このときは（１４）式の右辺の第１のカッコ内の項が残る。ここで（１４）式でＶ・Ｖcos＞０とするとＶ＞０、Ｖcos＞０またはＶ＜０、Ｖcos＜０となるので、それぞれ第１のカッコ内の第１項または第２項がＨになる。従って、第１のカッコの項がＨになってＹ＝Ｈになる。今Ｉ・Ｖ＞０のときを考えているから、Ｉ・Ｖcos＞０のときにＹ＝Ｈになる。これは先の第１の判定回路の条件に一致する。Ｉ・Ｖ＜０のときは、Ｘ＝Ｌとなる。このときは（１４）式の右辺の第２のカッコの項が残る。第２のカッコの項はＶ・Ｖcos＜０のときにＹ＝Ｈになる。Ｉ・Ｖ＜０だから、Ｉ・Ｖcos＞０のときにＹ＝Ｈになる。この条件も先の第１の判定回路の条件に一致する。以上から、Ｉ・Ｖの符号にかかわらず、Ｉ・Ｖcos＞０のときにＹ＝Ｈになる。ここでは、図7の判定回路の出力がＨのときは進み位相正弦波電圧Vref4を、Ｌのときは遅れ位相正弦波電圧Vref5を選択するようになっている。
【００４５】
図７（Ｂ）に図５の第１の選択回路１９ｃ1の他の例の論理回路を示す。この第１の選択回路１９ｃ1は、余弦波電圧Vcosとサイリスタを流れる電流Ｉのそれぞれが正のときにはそれぞれがＨとなり、それぞれが負のときはそれぞれがＬとなるようにパルス化された論理信号BVcos、BIを入力とする。図５のブロック図にはこうした論理的な入力信号は図示されてないが、図に示した入力信号Ｉ、Ｖcosから作成することができる。図７（Ｂ）の論理図を論理式で書くと以下のようになる。
【００４６】
Ｙ＝BI・BVcos＋NBI・NBVcos ・・・・・・・・・・・・・・（１５）
ここで、（１５）式は、Ｉ＞０、Ｖcos＞０のときは第１項が、またはＩ＜０、Ｖcos＜０のときは第２項がＨになる。従って、（１５）式はＩ・Ｖcos＞０のときにＹ＝Ｈになる。これは先の第１の判定回路の条件に一致する。ここでは、図７（Ｂ）の判定回路の出力がＨのときは進み位相正弦波電圧Vref4を、Ｌのときは遅れ位相正弦波電圧Vref5を選択するようになっている。
【００４７】
以上、本発明の実施の形態を単相で説明をしたが、電源が三相の場合にも本発明が適用できることは勿論である。
【００４８】
図８（Ｂ）は本発明を適用できる無停電電源装置の構成を示す図である。この図に示す無停電電源装置では、第１の給電経路Ｒ１を通して商用電源３から負荷装置９に常時給電される。商用電源３が停電したときに、第２の給電経路Ｒ２を通して蓄電池２１の直流電力が電力変換器５によって交流電力に変換されて負荷装置９に供給される。このとき電力変換器５は、インバータとして動作する。この場合の無停電電源装置でも停電時に給電経路は、第１の給電経路Ｒ１から第２の給電経路Ｒ２の経路に切り換えが行われ、交流スイッチ１を急速に遮断する必要がある。
【００４９】
図８（Ｃ）は本発明を適用できる他の無停電電源装置の構成を示す図である。この図に示す無停電電源装置では、商用電源３からの交流を電力変換器２３で直流に変換して蓄電池２１を充電し、電力変換器２３の直流出力を電力変換器５で交流に変換して負荷装置９に常時電力を供給する。この装置は常時インバータ給電方式と呼ばれている。この装置においては、第２の給電経路Ｒ２で故障が発生したときに交流スイッチがオン状態になって第１の給電経路Ｒ１からの給電を行う。第２の給電経路Ｒ２の故障が修復されて第１の給電経路Ｒ１から第２の給電経路Ｒ２に切り換わるときに交流スイッチ１を遮断する。図８（Ｂ）及び（Ｃ）のいずれの無停電電源装置において、交流スイッチ１を瞬時に遮断する際にも、図１乃至図７に示した第１及び第２の実施の形態で用いた交流スイッチ１の遮断のための本発明の構成を採用することができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、商用電源で停電が発生したときに、電力変換器の出力電圧を交流スイッチを構成するサイリスタのうち導通状態にあるサイリスタに対して逆バイアスを印加できる電圧にするように、基準正弦波電圧発生回路が基準正弦波電圧を発生するため、特別にサイリスタの強制消弧回路を設けることなく、交流スイッチを速やかに遮断状態にすることができる。特に、請求項１の発明によれば、交流スイッチの遮断時に商用電源と電力変換器が並列に接続されて運転される期間が存在せず、商用電源と電力変換器の間に横流が流れることがないという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の制御ブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の動作波形図である。
【図３】第1の実施の形態で用いる第１の選択回路の詳細図である。
【図４】本発明の停電検出時の電流と電圧の時間変化を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の制御ブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の動作波形図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は第２の実施の形態の第１の選択回路の詳細な論理図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｃ）は本発明を適用できる無停電電源装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 交流スイッチ
３ 商用電源
５ 電力変換器
７ 直流電力供給装置
９ 負荷装置
１１ 基準正弦波電圧発生回路
１１ａ 電流検出手段
１１ｂ 正弦波電圧作成手段
１１ｃ 正弦波電圧選択手段
１１ｃ1 第１の選択回路
１１ｃ2 第１の判定回路
１１ｃ3 第２の選択回路
１２ 停電検出手段
１３ 制御指令発生手段
１９ 位相シフト型基準正弦波電圧発生回路
１９ａ 電流検出手段
１９ｂ 位相シフト型正弦波電圧作成手段
１９ｃ 位相シフト型正弦波電圧選択手段
１９ｃ1 第1の選択回路
１９ｃ2 第1の判定回路
１９ｃ3 第２の選択回路
２１ 蓄電池
２３ 電力変換器
【発明の属する技術分野】
本発明は、商用電源と負荷とが交流スイッチを介して接続された無停電電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の無停電電源装置で使用される交流スイッチは、例えば特開平５−２９２６８６号公報に示されるように、自己消狐機能を持つスイッチ素子を用いて構成されていたり、強制消弧回路によって消弧されるサイリスタを用いて構成されている。
【０００３】
また、消弧回路を用いずにサイリスタを流れる電流が保持電流以下になることで自然に消弧する構成の交流スイッチも用いられている。このようなサイリスタだけを用いた交流スイッチを用いると、無停電電源装置の価格を安価なものとすることができる。しかしながらこの種の交流スイッチを用いた場合には、例えば特開平５−３０６８３号公報、特開平５−１７６４６１号公報、特開平５−２９２６８６号公報等に示されるように、二つの交流電源が並列に接続された状態で負荷へ給電する期間が必ず発生し、交流スイッチの遮断が遅れる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
サイリスタを用いた従来の交流スイッチ１は、図８（Ａ）に示すように、逆並列接続されたサイリスタＳＣＲ１及びＳＣＲ２が各相毎に商用電源３と電力変換器５の間に配置されている。電力変換器５は、交流電力と直流電力を双方向に変換できる機能を有しており、直流側には直流電力供給装置７がある。商用電源３からの電力は、交流スイッチ１を介して負荷装置９へ供給され、電力変換器５の出力は直接負荷装置９へ供給される。
【０００５】
２つの電力供給源の切り換えに当たって、電力変換器５側（第２の給電経路Ｒ２）から商用電源３側（第１の給電経路Ｒ１）へ給電経路を切り換える場合、交流スイッチ１を構成するサイリスタＳＣＲ１及び２にそれぞれ所定の周期でON指令を与えると共に、電力変換器５にOFF指令を与える。このとき電力変換器は、電流が直ちにOFFする構成になっており、交流スイッチは直ちにONするので給電経路は瞬時に切り換わる。
【０００６】
そして、商用電源側（第１の給電経路Ｒ１）から電力変換器側（第２の給電経路Ｒ２）へ切り換える場合、電力変換器にＯＮ指令を与え、交流スイッチ１にＯＦＦ指令を与えることになる。しかし、交流スイッチ１は、自己消弧機能を持たないサイリスタを使用しているので交流スイッチ１を流れる電流は直ちに０にならず、その間商用電源３と電力変換器５とが負荷装置９に並列に接続されて運転される期間が存在することになる。このとき、商用電源３と電力変換器５の電圧関係によって、電力変換器５と商用電源３との間に制御不能な横流が流れ、負荷装置９へ給電している電圧が異常になる。このように強制消弧回路を用いずにサイリスタＳＣＲ１及びＳＣＲ２のみで構成する安価な交流スイッチ１では、瞬時に給電切り換えができない問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、サイリスタを用いて構成した交流スイッチをできるだけ速く遮断状態にすることができる無停電電源装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、電力変換器を用いてサイリスタからなる交流スイッチをできるだけ速く遮断状態にすることができる無停電電源装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、強制消弧回路を別に設けることなく、サイリスタからなる交流スイッチを遮断状態にすることができる無停電電源装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の更に他の目的は、強制消弧回路を別に設けることなく、サイリスタからなる交流スイッチを遮断状態にすることができる無停電電源装置の交流スイッチ遮断方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、逆並列接続された一対のサイリスタから構成された交流スイッチを介して商用電源から負荷装置に交流電力を供給する第１の給電経路と、直流電力源を電源として直流電力を交流電力に変換して負荷装置に交流電力を供給する逆変換動作を行う電圧制御型の電力変換器を含む第２の給電経路と、基準正弦波電圧を出力する基準正弦波電圧発生回路と、基準正弦波電圧に基づいて、電力変換器に逆変換動作を行わせるための電圧制御指令を出力する制御指令発生手段とを具備し、制御指令発生手段から電圧制御指令が出力されている間は交流スイッチが遮断状態になって、第１の給電経路からの負荷装置への交流電力の供給が、第２の給電経路からの負荷装置への交流電力の供給へと切り換わる無停電電源装置を改良の対象とする。なおこの交流スイッチは、一相毎にそれぞれ配置される。したがって三相交流であれば、３つの交流スイッチが各相毎に使用されることになる。
【００１２】
本発明の無停電電源装置では、基準正弦波電圧発生回路は、商用電源と同期し、基準正弦波電圧として用いたときに電力変換器の出力電圧が商用電源の電圧とほぼ等しくなる同期正弦波電圧Vref1と、同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく且つ同期正弦波電圧よりも高い電圧の高電圧同期正弦波電圧Vref2と同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく且つ同期正弦波電圧よりも低い電圧の低電圧同期正弦波電圧Vref3を作成する正弦波電圧作成手段と、交流スイッチを流れる電流を検出する電流検出手段と、電圧制御指令が出力されていないときには同期正弦波電圧Vref1を選択し、電圧制御指令が出力されているときで電流検出手段の出力が正極性であるときには高電圧同期正弦波電圧Vref2を選択し、またそのときに電流検出手段の出力が負極性であるときには低電圧同期正弦波電圧Vref3を選択し、またそのときに電流検出手段の出力が０になると同期正弦波電圧Vref1を選択して制御指令発生手段に基準正弦波電圧として出力する正弦波電圧選択手段とから構成されている。
【００１３】
本発明の無停電電源装置では、基準正弦波電圧発生回路は、商用電源と同期し、基準正弦波電圧として用いたときに電力変換器の出力電圧が商用電源の電圧とほぼ等しくなる同期正弦波電圧Vref1と、同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく且つ同期正弦波電圧よりも高い電圧の高電圧同期正弦波電圧Vref2と同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく且つ同期正弦波電圧よりも低い電圧の低電圧同期正弦波電圧Vref3を作成する正弦波電圧作成手段と、交流スイッチを流れる電流を検出する電流検出手段と、停電検出手段が停電を検出しておらず電圧制御指令が出力されていないときには同期正弦波電圧Vref1を選択し、停電検出手段が停電を検出していて電圧制御指令が出力されているときで、電流検出手段の出力が正極性であるときには高電圧同期正弦波電圧Vref2を選択し、またそのときに電流検出手段の出力が負極性であるときには低電圧同期正弦波電圧Vref3を選択し、またそのときに電流検出手段の出力が０になると同期正弦波電圧Vref1を選択して制御指令発生手段に基準正弦波電圧として出力する正弦波電圧選択手段とから構成されている。
【００１４】
本発明によれば、第１の給電経路から第２の給電経路への切り換えがあったときに、第２の給電経路にある電力変換器の出力電圧が第１の給電経路にある交流スイッチを構成するサイリスタのうち導通状態にあるサイリスタに対して逆バイアスになるように、基準正弦波電圧発生回路が基準正弦波電圧を発生するため、特別にサイリスタの強制消弧回路を設けることなく、交流スイッチを速やかに遮断状態にすることができる。特に、本発明によれば、交流スイッチの遮断時に商用電源と電力変換器が並列に接続されて運転される期間が存在せず、商用電源と電力変換器の間に横流が流れることがない。
【００１５】
本発明は常時第１の給電経路から負荷装置に電力を供給し、商用電源が停電したときに第２の給電経路に切り換わる常時商用型の無停電電源装置にも適用できる。この場合、制御指令発生手段は、商用電源で停電が発生している間、電圧制御指令を出力する。
【００１６】
また本発明は常時第１の給電経路から負荷装置に電力を供給し、電力変換器をアクテイブフィルタとして動作させ、商用電源が停電したときに第２の給電経路に切り換わる常時商用給電＋アクテイブフィルタ型の無停電電源装置にも適用できる。この場合には、商用電源で停電が発生している間は電圧制御指令を出力し、商用電源で停電が発生していないときには電力変換器をアクティブフィルタとして動作させる電流制御指令を電力変換器に出力するように制御指令発生手段を構成すればよい。
【００１７】
また本発明は常時第２の給電経路から負荷装置に電力を供給し、電力変換器が異常のときに第１の給電経路に切り換わる常時インバータ型の無停電電源装置にも適用できる。この場合には、制御指令発生手段を、電力変換器が正常であるときには電圧制御指令を常時出力するように構成し、交流スイッチを電力変換器で異常が発生している間導通状態になるように制御する。このタイプの無停電電源装置では、電力変換器が異常な状態から修復されて、第１の給電経路から第２の給電経路に切り換わるときに制御指令発生手段が電圧制御指令を発生する。
【００１８】
常時商用給電＋アクテイブフィルタ型の無停電電源装置に本発明を適用する場合には、商用電源の停電を検出する停電検出手段と逆並列接続された一対のサイリスタから構成され、商用電源健全時には導通状態になって商用電源から負荷装置に交流電力を供給し、商用電源停電時には遮断状態になる交流スイッチと、直流電力供給装置と、交流スイッチと直流電力供給装置との間に配置されて、商用電源健全時には商用電源からの交流電力を直流電力に変換して該直流電力により直流電力供給装置を充電する順変換動作及び負荷装置に流れる高調波電流や無効電流を補償する電流を流すアクティブフィルタ動作を行い、それ以外のときには主として直流電力供給装置を電源として直流電力を交流電力に変換して負荷装置に交流電力を供給する逆変換動作を行うように構成された電圧制御型の電力変換器と、基準正弦波電圧を出力する基準正弦波電圧発生回路と、基準正弦波電圧に基づいて、電力変換器に逆変換動作を行わせるための電圧制御指令及び電力変換器に順変換動作及びアクティブフィルタ動作を行わせるための電流制御指令を電力変換器に出力する制御指令発生手段とを具備する無停電電源装置を改良の対象とする。
【００１９】
正弦波電圧作成手段の構成は任意であるが、特に正弦波電圧作成手段を、同期正弦波電圧Vref1と、同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく電圧が電圧差指令値ΔＶだけ高い高電圧同期正弦波電圧Vref2と同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく且つ電圧が電圧差指令値ΔＶだけ低い低電圧同期正弦波Vref3を作成するように構成することができる。このようにすると制御に必要な正弦波電圧を簡単に得ることができる。特に、この構成を採用すると、必要な逆バイアス電圧を電圧差指令値ΔＶによって確実に決定することができるので、交流スイッチをどのようなタイミングで遮断させる場合でも、サイリスタの消弧に必要な最小限の電圧を電力変換器から出力することができる。
【００２０】
また正弦波電圧選択手段は、電流検出手段の出力が正極性であるときは高電圧同期正弦波電圧Vref2を選択し、電流検出手段の出力が負極性であるときは低電圧同期正弦波電圧Vref3を選択する第１の選択回路と、停電検出手段が停電を検出し且つ電流検出手段が電流が消弧されていないことを検出すると、基準正弦波電圧として第１の選択回路の出力電圧が必要であると判定する第１の判定回路と、第１の判定回路が第１の選択回路の出力電圧が必要との判定をしたときには第１の選択回路の出力電圧を選択し、それ以外のときには同期正弦波電圧Vref1を選択する第２の選択回路とから構成することができる。このように正弦波電圧選択手段を構成すると、少ない数の選択回路で、必要な正弦波電圧を確実に選択することができる。
【００２１】
上記の発明においては、同じ位相の３種類の正弦波電圧を利用して基準正弦波電圧を作って、電力変換器に交流スイッチを構成するサイリスタに印加する逆バイアス電圧を発生させているが、位相の異なる３種類の正弦波電圧を作って、逆バイアス電圧を発生させることもできる。その場合の発明も、商用電源の停電を検出する停電検出手段と、商用電源健全時には導通状態になって商用電源から負荷装置に交流電力を供給し、商用電源停電時には遮断状態になる交流スイッチと、直流電力供給装置と、交流スイッチと直流電力供給装置との間に配置されて、商用電源健全時には商用電源からの交流電力を直流電力に変換して該直流電力により直流電力供給装置を充電する順変換動作及び負荷装置に流れる高調波電流や無効電流を補償する電流を流すアクティブフィルタ動作を行い、それ以外のときには主として直流電力供給装置を電源として直流電力を交流電力に変換して負荷装置に交流電力を供給する逆変換動作を行うように構成された電圧制御型の電力変換器と、基準正弦波電圧に基づいて、電力変換器に逆変換動作を行わせるための電圧制御指令及び電力変換器に順変換動作及びアクティブフィルタ動作を行わせるための電流制御指令を電力変換器に出力する制御指令発生手段と制御指令発生手段に、基準正弦波電圧を出力する位相シフト型基準正弦波電圧発生回路とを具備する。
【００２２】
交流スイッチは、逆並列接続された一対のサイリスタから構成される。そして本発明では、３種類の位相の異なる正弦波電圧を発生するために、位相シフト型基準正弦波電圧発生回路を用いる。この位相シフト型基準正弦波電圧発生回路は、商用電源と同期し、基準正弦波電圧として用いたときに電力変換器の出力電圧が商用電源の電圧と振幅が一致する同期正弦波電圧Vref1と、同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が進んだ進み位相正弦波電圧Vref4と同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が遅れた遅れ位相正弦波電圧Vref5と正弦波電圧を作成する位相シフト型正弦波電圧作成手段と、交流スイッチを流れる電流を検出する電流検出手段と、停電検出手段が停電を検出していないときは同期正弦波電圧Vref1を選択し、停電検出手段が停電を検出したときで電流が正極性の間は、進み位相正弦波電圧及び遅れ位相正弦波電圧のうち同期正弦波電圧よりも電圧が大きくなるものを選択し、停電検出手段が停電を検出したときで電流が負極性の間は、進み位相正弦波電圧及び遅れ位相正弦波電圧のうち同期正弦波電圧よりも電圧が小さくなるものを選択し、電流検出手段の出力が０になると同期正弦波電圧Vref1を選択して制御指令発生手段に基準正弦波電圧として出力する位相シフト型正弦波電圧選択手段とから構成する。
【００２３】
このように、位相の異なる正弦波電圧を選択して電力変換器から逆バイアス電圧を発生するようにしても、交流スイッチを構成するサイリスタを短い時間で遮断することができる。なおこの発明では、進み位相正弦波電圧Vref4と遅れ位相正弦波電圧Vref5とが共に同期正弦波電圧よりも絶対値電圧が小さくなる期間が発生する。しかしこの期間は僅かな期間であり、この期間を経過すれば、進み位相正弦波電圧Vref4及び遅れ位相正弦波電圧Vref5のいずれか一方が必ず同期正弦波電圧よりも絶対値電圧が大きくなるので、たまたま停電がこの短い期間内で発生しても、わずかな時間遅れを持って交流スイッチを遮断することができる。したがってこの発明でも実用上は何等の問題も生じない。
【００２４】
位相シフト型正弦波電圧作成手段は、同期正弦波電圧Vref1と、同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が位相差指令値Δφだけ進んだ進み位相正弦波電圧Vref4と同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が位相差指令値Δφだけ遅れた遅れ位相正弦波電圧Vref5とを作成するように構成することができる。このように位相シフト型正弦波電圧作成手段を構成すると、位相差指令値Δφの値を任意に設定することにより、簡単に必要な逆バイアス電圧の設定を実現できる。
【００２５】
また位相シフト型正弦波電圧選択手段は、電流が負極性から正極性に変わったときから同期正弦波電圧が正のピーク値に達するまでの間は進み位相正弦波電圧Vref4を選択し、同期正弦波電圧がピーク値に達した後電流が正極性から負極性に変わるまでの間は遅れ位相正弦波電圧Vref5を選択し、電流が正極性から負極性に変わったときから同期正弦波電圧が負のピーク値に達するまでの間は進み位相正弦波電圧Vref4を選択し、同期正弦波電圧が負のピーク値に達した後電流が負極性から正極性に変わるまでの間は遅れ位相正弦波電圧Vref5を選択し、電流検出回路が電流０を検出したときには同期正弦波電圧Vref1を選択して制御指令発生手段に基準正弦波電圧として出力するように構成することができる。
【００２６】
本発明の方法は、逆並列接続された一対のサイリスタから構成された交流スイッチを介して商用電源から負荷装置に交流電力を供給する第１の給電経路と、直流電力源を電源として直流電力を交流電力に変換して前記負荷装置に交流電力を供給する逆変換動作を行う電圧制御型の電力変換器を含む第２の給電経路とを具備する無停電電源装置の交流スイッチを強制的に遮断する方法である。本発明では、負荷装置への給電を第１の給電経路からの給電から第２の給電経路からの給電に切り換える際に、導通状態にあるサイリスタに電力変換器から逆バイアス電圧を印加してサイリスタを強制的に遮断する。これによって、特別な強制消弧回路を用いることなく、電力変換器を利用して交流スイッチを構成するサイリスタを強制的に消弧できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は本発明を常時商用給電＋アクテイブフィルタ型の無停電電源装置に適用した実施の形態の一例の構成を概略的に示すブロック回路図である。図１には単相分即ち一相分の結線と制御系だけを図示してある。図１において、交流スイッチ１、電圧制御型の電力変換器５及び直流電力供給装置７は基本的に従来のものと同じである。電圧制御型の電力変換器５は、交流スイッチ１と直流電力供給装置７との間に配置されて、商用電源健全時には三相交流の商用電源３からの交流電力を直流電力に変換して直流電力により直流電力供給装置７を充電する順変換動作及び負荷装置９に流れる高調波電流や無効電流を補償する電流を流すアクティブフィルタ動作を行い、それ以外のときには主として直流電力供給装置７を電源として直流電力を交流電力に変換して負荷装置９に交流電力を供給する逆変換動作を行うように構成されている。図８（Ａ）に示すように順変換動作では第１の給電経路Ｒ１によって商用電源３から負荷装置９に給電されており、逆変換動作では第２の給電経路Ｒ２によって電力変換器５から負荷装置９に給電される。
【００２８】
商用電源３と電力変換器５との間に配置された交流スイッチ１は、一相分に対応するものであり、逆並列接続された２つのサイリスタＳＣＲ１及びＳＣＲ２により構成されている。商用電源３が健全な状態であれば、負荷装置９には交流スイッチ１を介して商用電源３から交流電力が供給される。商用電源３が停電状態になると、交流スイッチ１は遮断状態になって商用電源３から負荷装置９への交流電力の供給を停止する。
【００２９】
基準正弦波電圧発生回路１１は、停電検出手段１２が停電の有無を検出すると、電力変換器５を制御するための基準正弦波信号を制御指令発生手段１３に出力する。制御指令発生手段１３は、基準正弦波電圧に基づいて、電力変換器５に逆変換動作を行わせるための電圧制御指令及び電力変換器に順変換動作及びアクティブフィルタ動作を行わせるための電流制御指令を電力変換器５に出力する。停電検出手段１２の構成は、例えば一相の電圧が予め定めた電圧以下になったことを電圧検出回路で検出したときに停電が発生したと判断するような公知の構成のものを用いることができる。この例では制御指令発生手段１３の入力として、基準正弦波電圧発生回路１１の出力だけを示しているが、実際には電力変換器５の交流側の電圧及び電流並びに直流側電圧等の制御に必要な情報を示す信号が入力されている。なお電力変換器５及び制御指令発生手段１３の構成に関しては、特開平８−５１７３５号公報、特開平９−５６０８７号公報、特開平１０−１４２５１号公報等に開示されている。また出願人の先願である特願２０００−２８８４８０号にも詳しく説明されている。
【００３０】
基準正弦波電圧発生回路１１は、交流スイッチ１を流れる電流を検出する電流検出手段１１ａと、制御指令発生手段１３に基準正弦波電圧として出力するための正弦波電圧を作成する正弦波電圧作成手段１１ｂと、制御指令発生手段１３に基準正弦波電圧として出力するための正弦波電圧を選択する正弦波電圧選択手段１１ｃとから構成される。電流検出手段１１ａは、変流器ＣＴにより検出したアナログ電流値に基づいて制御に必要な電流検出信号を出力するように構成されている。
【００３１】
正弦波電圧作成手段１１bは、商用電源３と同期し、基準正弦波電圧として用いたときに電力変換器５の出力電圧が商用電源３の電圧とほぼ等しくなる同期正弦波電圧Vref1と、同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく同期正弦波電圧Vref1よりも電圧が大きい高電圧同期正弦波電圧Vref2と、同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく且つ同期正弦波電圧Vref1より低い電圧の低電圧同期正弦波電圧Vref3を作成する。これらの正弦波電圧を基準正弦波電圧Vrefとして用いるときの電力変換器５の出力電圧が図１に示すライン１７ｂに現れる。基準正弦波電圧Vrefとして同期正弦波電圧Vref1を用いると、ライン１７ｂには商用電源３の交流電圧と位相及び電圧が等しい交流出力が現れる。正弦波電圧選択手段１１ｃは、停電検出手段１２が停電を検出していないときは同期正弦波電圧Vref1を選択し、停電検出手段１２が停電を検出したときは、電流検出手段１１ａの出力が正極性であるときに高電圧同期正弦波電圧Vref2を選択し、電流検出手段１１ａの出力が負極性であるときには、低電圧同期正弦波電圧Vref3を選択し、電流検出手段１１ａの出力が０になると同期正弦波電圧Vref1を選択して制御指令発生手段１３に基準正弦波電圧として出力する。基準正弦波電圧発生回路１１が基準正弦波電圧として高電圧同期正弦波電圧Vref2または低電圧同期正弦波電圧Vref3を選択したときには、交流スイッチ１の導通している方のサイリスタＳＣＲ１またはＳＣＲ２に逆バイアスが印加され、導通していたサイリスタは消弧される。その後基準正弦波電圧発生回路１１が基準正弦波電圧として同期正弦波電圧Vref1を選択したときには、交流スイッチ１はオフの状態を保ち、電力変換器５が逆変換動作を開始する。停電検出手段１２が停電を検出しないときには、基準正弦波電圧発生回路１１は同期正弦波電圧Vref1を出力する。制御指令発生手段１３は、この同期正弦波電圧Vref1を入力としてアクティブフィルタ動作を行う。このときの動作は、先願等に詳しく説明されているので省略する。
【００３２】
この例の正弦波電圧作成手段１１ｂは、商用電源３と同期した同期正弦波電圧Vref1に電圧差指令値ΔＶを加算した高電圧同期正弦波電圧Vref2および同期正弦波電圧Vref1から電圧差指令値ΔＶを減算した低電圧同期正弦波電圧Vref3を作成する。電圧差指令値ΔＶは、予め使用するサイリスタの特性に基づいて、確実に消弧できる逆バイアス電圧を得られる値として予め設定しておくものである。図２にこの例における同期正弦波電圧Vref1、高電圧同期正弦波電圧Vref2、低電圧同期正弦波電圧Vref3及び交流電流Ｉの波形を示す。負荷が誘導性であるため、交流電流Ｉの電流波形は同期正弦波電圧Vref1の位相よりも遅れた位相になっている。基準正弦波電圧発生回路１１が出力する正弦波電圧は数式で書くと以下のように表現される。
【００３３】
Vref=Vref1＋ΔV・sign（Ｉ）・S ・・・・・・・・・・・（１）
ここで Ｉ＞０のとき sing（Ｉ）＝１ Vref＝Vref2 ・・・・・・（２）
Ｉ＜０のとき sing（Ｉ）＝−１ Vref=Vref3 ・・・・・・（３）
Ｉ＝０のとき sing（Ｉ）＝０ Vref=Vref1 ・・・・・・（４）
ここでＩは電流検出手段１１ａが検出する電流値とする。停電検出手段１２が停電を検出しないときは、Ｓ＝０であるとする。このときには、基準正弦波電圧Vrefは同期正弦波電圧Vref1になり、ライン１７ｂの電位はライン１７ａの商用電源３の電圧にほぼ等しい。このとき、交流スイッチ１の導通している方のサイリスタは導通状態を維持している。停電検出手段１２が停電を検出すると、Ｓ＝１とする。このときは電流Ｉの極性によって（１）式の基準正弦波電圧Vrefに対しては（２）（３）式のいずれかが成立する。停電検出手段１２が停電を検出すると基準正弦波電圧Vrefは同期正弦波電圧Vref1から図２のグラフの太線で示した同期正弦波電圧に切り換わる。電流検出手段１１ａで検出した電流Ｉが０になれば（１）式で基準正弦波電圧Vrefは同期正弦波電圧Vref1に復帰する。
【００３４】
電流検出手段１１ａが正極性の電流を検出したときは、図４（Ａ）に示したように電流は逆並列接続したサイリスタＳＣＲ１を流れている状態にある。このとき基準正弦波電圧Vrefとしては同期正弦波電圧Vref1より高い値である高電圧同期正弦波電圧Vref2が選択されているので、ライン１７ｂには商用電源３の電圧ＶよりΔＶだけ高い電圧Ｖｒｂが印加され、サイリスタＳＣＲ１にはΔＶの逆バイアスがかかり、流れている電流Ｉはゼロヘと向かう。図４（Ｂ）は、このときの電圧電流波形の時間的変化を示している。図４（Ｂ）において、切り換えポイントからライン１７ｂの電圧はＶからＶｒｂに上昇し、サイリスタには逆バイアスΔＶがかかるのでサイリスタを流れる電流Ｉは急速に０になる。サイリスタが消弧され、電流Ｉがゼロとなると（図４（Ｂ）の×印のポイント）、基準正弦波電圧Vrefとして同期正弦波電圧Vref1が選択され、ライン１７ｂにつながる負荷装置９の端子電圧は商用電源電圧Ｖに復帰し、交流スイッチ１の両側のライン１７ａ及び１７ｂのバイアス電圧は０となる。（１）式ではＳ＝１のときでも、Ｉ＝０ならばVref＝Vref1が成立するので、この間の事情も表現している。Vref＝Vref1ならば、交流スイッチ１は遮断状態を継続する。この状態では、交流電力は電力変換器５側から負荷装置９に供給される。
【００３５】
電流検出手段１１ａが負極性のときは、正弦波電圧選択手段１１ｃが基準正弦波電圧として低電圧同期正弦波電圧Vref3を選択し、サイリスタＳＣＲ２に逆バイアスがかかることによりサイリスタＳＣＲ２側に流れている電流は遮断される。
【００３６】
図１に示した基準正弦波電圧発生回路１１における正弦波電圧作成手段１１ｂは、電圧差指令値ΔＶを用いて同期正弦波電圧Vrefl、高電圧同期正弦波電圧Vref2および低電圧同期正弦波電圧Vref3を出力する。具体的には一例としてＰＬＬ回路を用いることができる。正弦波電圧選択手段１１ｃの中の第１の選択回路１１ｃ1は、電流検出手段１１ａの出力が正極性であるときは高電圧同期正弦波電圧Vref2を選択し、電流検出手段１１ａの出力が負極性であるときは低電圧同期正弦波電圧Vref3を選択する。図３は、第１の選択回路１１ｃ1の詳細構成を示している。第１の判定回路１１ｃ2は、停電検出手段１２が停電を検出し、且つ電流検出手段１１ａが電流が０になっていないことを検出すると、基準正弦波電圧として第１の選択回路１１ｃ1の出力電圧が必要であると判定する。第２の選択回路１１ｃ3は、第１の判定回路１１ｃ2から第１の選択回路１１ｃ1の出力電圧が必要との信号を受けたときには第１の選択回路１１ｃ1の出力電圧を選択し、それ以外のときには同期正弦波電圧Vref1を選択する。
【００３７】
図５は、本発明の別の実施の形態（位相差方式）の一例を説明するためのブロック図である。図１と同じ部分には図１に付した符号と同じ符号を付して説明を省略する。この例では基準正弦波電圧発生回路としては位相シフト型基準正弦波電圧発生回路１９を用いる。この位相シフト型基準正弦波電圧発生回路１９は、交流スイッチ１を流れる電流を検出する電流検出手段１９ａと、位相シフト型正弦波電圧作成手段１９ｂと、位相シフト型正弦波電圧選択手段１９ｃとから構成される。位相シフト型正弦波電圧作成手段１９ｂは、第１の実施の形態で用いた同期正弦波電圧Vref1と、同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が進んだ進み位相正弦波電圧Vref4と、同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が遅れた遅れ位相正弦波電圧Vref5を作成する。位相シフト型正弦波電圧選択手段１９ｃは、停電検出手段１２が停電を検出していないときは同期正弦波電圧Vref1を選択し、停電検出手段１２が停電を検出したときは、電流が正極性の間は進み位相正弦波電圧及び遅れ位相正弦波電圧のうち同期正弦波電圧よりも電圧が大きくなるものを選択し、電流が負極性の間は進み位相正弦波電圧及び遅れ位相正弦波電圧のうち同期正弦波電圧よりも電圧が小さくなるものを選択し、電流検出手段の出力が０になると同期正弦波電圧Vref1を選択して制御指令発生手段１３に基準正弦波電圧として出力する。
【００３８】
以下に、進み位相正弦波電圧Vref4が同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が位相差指令値Δφ分だけ進み、遅れ位相正弦波電圧Vref5が同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が位相差指令値Δφ分だけ遅れた場合について説明する。この場合には位相シフト型正弦波電圧作成手段１９ｂは、同期正弦波電圧Vref1より９０度位相が進んだ余弦波電圧Ｖcosを作成し、これが以下の位相シフト型正弦波電圧選択手段１９ｃで利用される。図５に示す無停電電源装置の動作を図６の波形を用いて説明する。図６に同期正弦波電圧Vref1、進み位相正弦波電圧Vref4、遅れ位相正弦波電圧Vref5の波形と電流Ｉの波形を示す。停電検出手段１２が停電を検出すると、位相シフト型基準正弦波電圧発生回路１９は、電流検出手段１９ａが検出する電流と余弦波電圧Vcosの積の符号が正の場合は基準正弦波電圧として進み位相正弦波電圧Vref4を出力する。電流検出手段１１ａが検出する電流と余弦波電圧Vcosの積の符号が負の場合は、基準正弦波電圧として負荷ライン１７ｂに遅れ位相正弦波電圧Vref5を出力する。このように電流と余弦波電圧Vcosの積によって決まる基準正弦波電圧の変化を太線で示す。この太線の電圧と商用電源３と同期する同期正弦波電圧Vref1との大小を比較すると交流スイッチ１に印加される電圧が電流と逆バイアスになっている。こうすることによって、電流が流れている側のサイリスタに逆バイアスを印加し、電流が流れているサイリスタを消弧させる。
【００３９】
以下にこの関係を式で説明する。図６の正弦波電圧を式で表現すると次式のように書ける。
【００４０】
Vref1∝sinθ ・・・・・・・・・・・・・・（５）
Vref4∝sin（θ＋Δφ） ・・・・・・・・・（６）
Vref5∝sin（θ−Δφ） ・・・・・・・・・（７）
ここで、交流電源の角周波数をω、時間をｔとするとθ＝ωｔであるとする。各電圧の共通の振幅を書くのを省略した。同期正弦波電圧Vref1の振幅と位相は基準正弦波電圧として出力された場合に、ライン１７ｂの電圧と振幅と位相が一致するようになっている。またΔφは位相シフト角を表す。図６に示すように同期正弦波電圧Vref1は大部分の領域で進み位相正弦波電圧Vref4、遅れ位相正弦波電圧Vref5の間に挟まれている。従ってこの領域では進み位相正弦波電圧Vref4、遅れ位相正弦波電圧Vref5の大きい方が同期正弦波電圧Vref1より大きく、進み位相正弦波電圧Vref4、遅れ位相正弦波電圧Vref5の小さい方が同期正弦波電圧Vref1より小さい。従って、
Ｉ×（Vref4−Vref5）＞０・・・・・・・・・・・・・・・・（８）
となる領域ではＩ＞０のときは、Vref4＞Vref5となるので、ライン１７ｂの電圧としてVref4を選択し、Ｉ＜０のときは、Vref4＜Vref5なので、ライン１７ｂの電圧として遅れ位相正弦波電圧Vref5を選択すれば電流が流れている方のサイリスタが逆バイアスになる。ところで、（８）式の左辺は
Ｉ×（Vref4−Vref5）∝２Ｉ・sin（Δφ）・cosθ・・・・・（９）
∝Vcos・Ｉ ・・・・・・・・・・・（１０）
のように書ける。但し、（１０）式で
Vcos∝cosθ ・・・・・・・・・・・（１１）
とした。また、（９）式の右辺から（１０）の右辺への移行でsin（Δφ）を省略したのは、位相差指令値Δφの定義によりsin（Δφ）＞０になるため、（９）式の右辺と（１０）の右辺の符号に関する以下の説明で不要なためである。（９）式の左辺＞０の条件を用いると、（１０）式より
Vcos・Ｉ＞０ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１２）
のとき、電流が流れている方のサイリスタに逆バイアスが印加される。但し、以下の理由によって、θ＝（n+1/2）π±Δφ／２の間の小さな領域は逆バイアスにならない。ここでｎは整数である。従ってこの範囲では、サイリスタを消弧することができない。これは、
sinθ＝sin（θ±Δφ） ・・・・・・・・・・・・・（１３）
とおくと、θ＝（n+1/2）π−Δφ／２またはθ＝（n+1/2）π＋Δφ／２となり、この間の領域ではsinθの絶対値がsin（θ±Δφ）の絶対値より大きくなる。つまり同期正弦波電圧Vref1が進み位相正弦波電圧Vref4、遅れ位相正弦波電圧Vref５より大きくなる。従って、この間では電流が流れている方のサイリスタに逆バイアス電圧を印加することができず、サイリスタは消弧できない。従って位相角πの間で、位相のシフト角Δφの間がサイリスタを消弧できない時間の割合になる。
【００４１】
しかしながら位相のシフト角Δφが、逆バイアス電圧により消弧をするのに必要なシフト幅の範囲でπに比べて十分小さければ、消弧できない時間は十分に短くすることができる。従ってサイリスタの消弧が遅れる影響を最小限にとどめることが出来る。電流検出手段１９ａが交流スイッチ１に流れる電流が０になったことを検出すると、位相シフト型正弦波電圧選択手段１９ｃは同期正弦波電圧Vref１を出力する。
【００４２】
図５で以上の機能を実現する位相シフト型基準正弦波電圧発生回路１９の構成の一例を説明する。図５において、位相シフト型正弦波電圧作成手段１９ｂは、同期正弦波電圧Vref1、進み位相正弦波電圧Vref4、及び遅れ位相正弦波電圧Vref5、及び、余弦波電圧Ｖcosを作成して出力する。具体的には、例えば位相シフト型正弦波電圧作成手段１９ｂはＰＬＬ回路で実現することができる。位相シフト型正弦波電圧選択手段１９ｃの一部を構成する第1の選択回路１９ｃ1は、電流検出手段１９ａが出力する電流と余弦波電圧Vcosの積が正のときは進み位相正弦波電圧Vref4を選択し、電流検出手段が出力する電流とVcosの積が負のときは遅れ位相正弦波電圧Vref5を選択する。第1の判定回路１９ｃ2は、停電検出手段１２が停電を検出し、且つ電流検出手段１９ａが電流が０になっていないことを検出すると、基準正弦波電圧に第１の選択回路１９ｃ1の出力電圧が必要であることを判定する。第２の選択回路１９ｃ3は第１の判定回路１９ｃ2から第１の選択回路１９ｃ1の出力電圧が必要であるとの信号を受けたときには、第１の選択回路１９ｃ1の出力電圧を選択し、それ以外のときには同期正弦波電圧Vref1を選択する。
【００４３】
図７（Ａ）に図５の第１の選択回路１９ｃ1の一例の論理回路を示す。図５に示す第１の選択回路１９ｃ１への入力信号はVcos，Vref4，Vref5である。これらの信号から図７（Ａ）に示す論理回路への入力信号ＢＶ，ＢＶｃｏｓ，同極性信号Ｘが作られる。これらの入力信号ＢＶ，ＢＶｃｏｓは、同期正弦波電圧Vref1と余弦波電圧Vcosとがそれぞれ正のときにはそれぞれがＨとなる。また入力信号ＢＶ，ＢＶｃｏｓは、同期正弦波電圧Vref1と余弦波電圧Vcosとがそれぞれ負のときにはそれぞれがＬとなるようにパルス化された論理信号である。また同極性信号Ｘは、同期正弦波電圧Vref1とサイリスタを流れる電流Ｉの符号が同じならばＨ、逆ならばＬとなる。図７（Ａ）の論理図を論理式で書くと以下のようになる。
【００４４】
Ｙ＝［（BV・BVcos＋NBV・NBVcos）］・Ｘ＋［（BV・NBVcos＋NBV・BVcos）］・NＸ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１４）
但し、先頭にＮの符号を付けた論理値変数は後につづく論理変数の否定を表しているものとする。但し、以下の図７（Ａ）の実施の形態では、Ｖは全てVref1を意味するものとする。またANDを「・」の記号で、ORを「＋」の記号で表した。Ｉ・Ｖ＞０のときは、Ｘ＝Ｈとなる。このときは（１４）式の右辺の第１のカッコ内の項が残る。ここで（１４）式でＶ・Ｖcos＞０とするとＶ＞０、Ｖcos＞０またはＶ＜０、Ｖcos＜０となるので、それぞれ第１のカッコ内の第１項または第２項がＨになる。従って、第１のカッコの項がＨになってＹ＝Ｈになる。今Ｉ・Ｖ＞０のときを考えているから、Ｉ・Ｖcos＞０のときにＹ＝Ｈになる。これは先の第１の判定回路の条件に一致する。Ｉ・Ｖ＜０のときは、Ｘ＝Ｌとなる。このときは（１４）式の右辺の第２のカッコの項が残る。第２のカッコの項はＶ・Ｖcos＜０のときにＹ＝Ｈになる。Ｉ・Ｖ＜０だから、Ｉ・Ｖcos＞０のときにＹ＝Ｈになる。この条件も先の第１の判定回路の条件に一致する。以上から、Ｉ・Ｖの符号にかかわらず、Ｉ・Ｖcos＞０のときにＹ＝Ｈになる。ここでは、図7の判定回路の出力がＨのときは進み位相正弦波電圧Vref4を、Ｌのときは遅れ位相正弦波電圧Vref5を選択するようになっている。
【００４５】
図７（Ｂ）に図５の第１の選択回路１９ｃ1の他の例の論理回路を示す。この第１の選択回路１９ｃ1は、余弦波電圧Vcosとサイリスタを流れる電流Ｉのそれぞれが正のときにはそれぞれがＨとなり、それぞれが負のときはそれぞれがＬとなるようにパルス化された論理信号BVcos、BIを入力とする。図５のブロック図にはこうした論理的な入力信号は図示されてないが、図に示した入力信号Ｉ、Ｖcosから作成することができる。図７（Ｂ）の論理図を論理式で書くと以下のようになる。
【００４６】
Ｙ＝BI・BVcos＋NBI・NBVcos ・・・・・・・・・・・・・・（１５）
ここで、（１５）式は、Ｉ＞０、Ｖcos＞０のときは第１項が、またはＩ＜０、Ｖcos＜０のときは第２項がＨになる。従って、（１５）式はＩ・Ｖcos＞０のときにＹ＝Ｈになる。これは先の第１の判定回路の条件に一致する。ここでは、図７（Ｂ）の判定回路の出力がＨのときは進み位相正弦波電圧Vref4を、Ｌのときは遅れ位相正弦波電圧Vref5を選択するようになっている。
【００４７】
以上、本発明の実施の形態を単相で説明をしたが、電源が三相の場合にも本発明が適用できることは勿論である。
【００４８】
図８（Ｂ）は本発明を適用できる無停電電源装置の構成を示す図である。この図に示す無停電電源装置では、第１の給電経路Ｒ１を通して商用電源３から負荷装置９に常時給電される。商用電源３が停電したときに、第２の給電経路Ｒ２を通して蓄電池２１の直流電力が電力変換器５によって交流電力に変換されて負荷装置９に供給される。このとき電力変換器５は、インバータとして動作する。この場合の無停電電源装置でも停電時に給電経路は、第１の給電経路Ｒ１から第２の給電経路Ｒ２の経路に切り換えが行われ、交流スイッチ１を急速に遮断する必要がある。
【００４９】
図８（Ｃ）は本発明を適用できる他の無停電電源装置の構成を示す図である。この図に示す無停電電源装置では、商用電源３からの交流を電力変換器２３で直流に変換して蓄電池２１を充電し、電力変換器２３の直流出力を電力変換器５で交流に変換して負荷装置９に常時電力を供給する。この装置は常時インバータ給電方式と呼ばれている。この装置においては、第２の給電経路Ｒ２で故障が発生したときに交流スイッチがオン状態になって第１の給電経路Ｒ１からの給電を行う。第２の給電経路Ｒ２の故障が修復されて第１の給電経路Ｒ１から第２の給電経路Ｒ２に切り換わるときに交流スイッチ１を遮断する。図８（Ｂ）及び（Ｃ）のいずれの無停電電源装置において、交流スイッチ１を瞬時に遮断する際にも、図１乃至図７に示した第１及び第２の実施の形態で用いた交流スイッチ１の遮断のための本発明の構成を採用することができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、商用電源で停電が発生したときに、電力変換器の出力電圧を交流スイッチを構成するサイリスタのうち導通状態にあるサイリスタに対して逆バイアスを印加できる電圧にするように、基準正弦波電圧発生回路が基準正弦波電圧を発生するため、特別にサイリスタの強制消弧回路を設けることなく、交流スイッチを速やかに遮断状態にすることができる。特に、請求項１の発明によれば、交流スイッチの遮断時に商用電源と電力変換器が並列に接続されて運転される期間が存在せず、商用電源と電力変換器の間に横流が流れることがないという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の制御ブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の動作波形図である。
【図３】第1の実施の形態で用いる第１の選択回路の詳細図である。
【図４】本発明の停電検出時の電流と電圧の時間変化を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の制御ブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の動作波形図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は第２の実施の形態の第１の選択回路の詳細な論理図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｃ）は本発明を適用できる無停電電源装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 交流スイッチ
３ 商用電源
５ 電力変換器
７ 直流電力供給装置
９ 負荷装置
１１ 基準正弦波電圧発生回路
１１ａ 電流検出手段
１１ｂ 正弦波電圧作成手段
１１ｃ 正弦波電圧選択手段
１１ｃ1 第１の選択回路
１１ｃ2 第１の判定回路
１１ｃ3 第２の選択回路
１２ 停電検出手段
１３ 制御指令発生手段
１９ 位相シフト型基準正弦波電圧発生回路
１９ａ 電流検出手段
１９ｂ 位相シフト型正弦波電圧作成手段
１９ｃ 位相シフト型正弦波電圧選択手段
１９ｃ1 第1の選択回路
１９ｃ2 第1の判定回路
１９ｃ3 第２の選択回路
２１ 蓄電池
２３ 電力変換器
Claims (10)
- 逆並列接続された一対のサイリスタから構成された交流スイッチを介して商用電源から負荷装置に交流電力を供給する第１の給電経路と、
直流電力源を電源として直流電力を交流電力に変換して前記負荷装置に交流電力を供給する逆変換動作を行う電圧制御型の電力変換器を含む第２の給電経路と、
基準正弦波電圧を出力する基準正弦波電圧発生回路と、
前記基準正弦波電圧に基づいて、前記電力変換器に前記逆変換動作を行わせるための電圧制御指令を出力する制御指令発生手段とを具備し、
前記制御指令発生手段から前記電圧制御指令が出力されている間は前記交流スイッチが遮断状態になって、前記第１の給電経路からの前記負荷装置への交流電力の供給が、前記第２の給電経路からの前記負荷装置への交流電力の供給へと切り換わる無停電電源装置であって、
前記基準正弦波電圧発生回路が、前記商用電源と同期し、前記基準正弦波電圧として用いたときに前記電力変換器の出力電圧が前記商用電源の電圧とほぼ等しくなる同期正弦波電圧Vref1と、前記同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく且つ前記同期正弦波電圧よりも高い電圧の高電圧同期正弦波電圧Vref2と前記同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく且つ前記同期正弦波電圧よりも低い電圧の低電圧同期正弦波電圧Vref3とを作成する正弦波電圧作成手段と、
前記交流スイッチを流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電圧制御指令が出力されていないときには前記同期正弦波電圧Vref1を選択し、前記電圧制御指令が出力されているときで前記電流検出手段の出力が正極性であるときには前記高電圧同期正弦波電圧Vref2を選択し、またそのときに前記電流検出手段の出力が負極性であるときには前記低電圧同期正弦波電圧Vref3を選択し、またそのときに前記電流検出手段の出力が０になると前記同期正弦波電圧Vref1を選択して前記制御指令発生手段に前記基準正弦波電圧として出力する正弦波電圧選択手段とから構成されることを特徴とする無停電電源装置。 - 前記制御指令発生手段は、前記商用電源で停電が発生している間、前記電圧制御指令を出力するように構成されている請求項１に記載の無停電電源装置。
- 前記制御指令発生手段は、前記電力変換器が正常であるときには、前記電圧制御指令を常時出力するように構成され、
前記交流スイッチは、前記電力変換器で異常が発生している間導通状態になるように制御される請求項１に記載の無停電電源装置。 - 前記制御指令発生手段は、前記商用電源で停電が発生している間は前記電圧制御指令を出力し、前記商用電源で停電が発生していないときには前記電力変換器をアクティブフィルタとして動作させる電流制御指令を前記電力変換器に出力するように構成されている請求項１に記載の無停電電源装置。
- 商用電源の停電を検出する停電検出手段と、
逆並列接続された一対のサイリスタから構成され、商用電源健全時には導通状態になって前記商用電源から負荷装置に交流電力を供給し、商用電源停電時には遮断状態になる交流スイッチと、
直流電力供給装置と、
前記交流スイッチと前記直流電力供給装置との間に配置されて、商用電源健全時には前記商用電源からの交流電力を直流電力に変換して該直流電力により前記直流電力供給装置を充電する順変換動作及び前記負荷装置に流れる高調波電流や無効電流を補償する電流を流すアクティブフィルタ動作を行い、それ以外のときには主として前記直流電力供給装置を電源として直流電力を交流電力に変換して前記負荷装置に交流電力を供給する逆変換動作を行うように構成された電圧制御型の電力変換器と、
基準正弦波電圧を出力する基準正弦波電圧発生回路と、
前記基準正弦波電圧に基づいて、前記電力変換器に前記逆変換動作を行わせるための電圧制御指令及び前記電力変換器に順変換動作及び前記アクティブフィルタ動作を行わせるための電流制御指令を前記電力変換器に出力する制御指令発生手段とを具備し、
前記基準正弦波電圧発生回路は、前記商用電源と同期し、前記基準正弦波電圧として用いたときに前記電力変換器の出力電圧が前記商用電源の電圧とほぼ等しくなる同期正弦波電圧Vref1と、前記同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく且つ前記同期正弦波電圧よりも高い電圧の高電圧同期正弦波電圧Vref2と前記同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく且つ前記同期正弦波電圧よりも低い電圧の低電圧同期正弦波電圧Vref3とを作成する正弦波電圧作成手段と、
前記交流スイッチを流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記停電検出手段が停電を検出しておらず前記電圧制御指令が出力されていないときには前記同期正弦波電圧Vref1を選択し、前記停電検出手段が停電を検出していて前記電圧制御指令が出力されているときで、前記電流検出手段の出力が正極性であるときには前記高電圧同期正弦波電圧Vref2を選択し、またそのときに前記電流検出手段の出力が負極性であるときには前記低電圧同期正弦波電圧Vref3を選択し、またそのときに前記電流検出手段の出力が０になると前記同期正弦波電圧Vref1を選択して前記制御指令発生手段に前記基準正弦波電圧として出力する正弦波電圧選択手段とからなる無停電電源装置。 - 前記正弦波電圧作成手段は、前記同期正弦波電圧Vref1と、前記同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく電圧が前記同期正弦波電圧Vref1よりも電圧差指令値ΔＶだけ高い高電圧同期正弦波電圧Vref2と、前記同期正弦波電圧Vref1と位相が等しく且つ電圧が前記電圧差指令値ΔＶだけ前記同期正弦波電圧Vref1よりも低い低電圧同期正弦波Vref3を作成することを特徴とする請求項１または５に記載の無停電電源装置。
- 前記正弦波電圧選択手段が、
前記電流検出手段の出力が正極性であるときは前記高電圧同期正弦波電圧Vref2を選択し、前記電流検出手段の出力が負極性であるときは前記低電圧同期正弦波電圧Vref3を選択する第１の選択回路と、
前記停電検出手段が停電を検出し且つ前記電流検出手段が電流が０になっていないことを検出すると、前記基準正弦波電圧として前記第１の選択回路の出力電圧が必要であると判定する第１の判定回路と、
前記第１の判定回路が前記第１の選択回路の出力電圧が必要と判定したときには前記第１の選択回路の前記出力電圧を選択し、それ以外のときには前記同期正弦波電圧Vref1を選択する第２の選択回路とから構成されることを特徴とする請求項５に記載の無停電電源装置。 - 商用電源の停電を検出する停電検出手段と、
逆並列接続された一対のサイリスタから構成され、商用電源健全時には導通状態になって前記商用電源から負荷装置に交流電力を供給し、商用電源停電時には遮断状態になる交流スイッチと、
直流電力供給装置と、
前記交流スイッチと前記直流電力供給装置との間に配置されて、商用電源健全時には前記商用電源からの交流電力を直流電力に変換して該直流電力により前記直流電力供給装置を充電する順変換動作及び前記負荷装置に流れる高調波電流や無効電流を補償する電流を流すアクティブフィルタ動作を行い、それ以外のときには主として前記直流電力供給装置を電源として直流電力を交流電力に変換して前記負荷装置に交流電力を供給する逆変換動作を行うように構成された電圧制御型の電力変換器と、
基準正弦波電圧を出力する位相シフト型基準正弦波電圧発生回路と、
前記基準正弦波電圧に基づいて、前記電力変換器に前記逆変換動作を行わせるための電圧制御指令及び前記電力変換器に順変換動作及び前記アクティブフィルタ動作を行わせるための電流制御指令を前記電力変換器に出力する制御指令発生手段とを具備し、
前記位相シフト型基準正弦波電圧発生回路が、
前記商用電源と同期し、前記基準正弦波電圧として用いたときに前記電力変換器の出力電圧が前記商用電源の電圧と振幅が一致する同期正弦波電圧Vref1と、前記同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が進んだ進み位相正弦波電圧Vref4と前記同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が遅れた遅れ位相正弦波電圧Vref5とを作成する位相シフト型正弦波電圧作成手段と、
前記交流スイッチを流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記停電検出手段が停電を検出しておらず前記電圧制御指令が出力されていないときには同期正弦波電圧Vref1を選択し、前記停電検出手段が停電を検出していて前記電圧制御指令が出力されているときで、前記電流検出手段の出力が正極性の間は前記進み位相正弦波電圧及び前記遅れ位相正弦波電圧のうち前記同期正弦波電圧よりも電圧が大きくなるものを選択し、そのときに前記電流が負極性の間は前記進み位相正弦波電圧及び遅れ位相正弦波電圧のうち前記同期正弦波電圧よりも電圧が小さくなるものを選択し、そのときに前記電流検出手段の出力が０になると前記同期正弦波電圧Vref1を選択して前記制御指令発生手段に前記基準正弦波電圧として出力する位相シフト型正弦波電圧選択手段とからなる無停電電源装置。 - 前記位相シフト型正弦波電圧作成手段は、
前記同期正弦波電圧Vref1と、前記同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が位相差指令値Δφ分だけ進んだ前記進み位相正弦波電圧Vref4と、前記同期正弦波電圧Vref1と電圧が等しく位相が前記位相差指令値Δφ分だけ遅れた前記遅れ位相正弦波電圧Vref5とを作成することを特徴とする請求項８に記載の無停電電源装置。 - 前記位相シフト型正弦波電圧選択手段は、
前記電流が負極性から正極性に変わったときから前記同期正弦波電圧Vref1が正のピーク値に達するまでの間は前記進み位相正弦波電圧Vref4を選択し、前記同期正弦波電圧が前記ピーク値に達した後前記電流が正極性から負極性に変わるまでの間は前記遅れ位相正弦波電圧Vref5を選択し、前記電流が正極性から負極性に変わったときから前記同期正弦波電圧が負のピーク値に達するまでの間は前記進み位相正弦波電圧を選択し、前記同期正弦波電圧が前記負のピーク値に達した後前記電流が負極性から正極性に変わるまでの間は前記遅れ位相正弦波電圧Vref5を選択し、前記電流検出手段が電流が０であることを検出したときには前記同期正弦波電圧Vref1を選択して前記制御指令発生手段に前記基準正弦波電圧として出力するように構成されている請求項８に記載の無停電電源装置。
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