JP3904547B2

JP3904547B2 - 無停電電源装置

Info

Publication number: JP3904547B2
Application number: JP2003370288A
Authority: JP
Inventors: 芳明奥井; 章一太田; 直哉中村
Original assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2023-10-30
Also published as: US7166931B2; US20050094339A1; JP2005137114A

Description

本発明は、商用電源健全時には交流スイッチを介して負荷へ給電を行い、商用電源に停電が発生したときには交流スイッチを遮断して、予め蓄電池に貯めておいた直流電力を電力変換器により交流電力に変換して負荷に給電する常時商用給電方式による無停電電源装置に関する。

従来の無停電電源装置としては、特開平５−２６０６８４号公報（特許文献１）が知られている。この特許文献１には、商用交流電源を受電して負荷側に常時給電用交流電源を出力する直送電源回路と、受電される商用交流電源の異常を検出する商用入力異常検出回路と、この商用入力異常検出回路が商用交流電源の異常を検出したときに出力する商用入力異常検出信号によって直ちにバッテリ電源から給電用交流電源を負荷側に出力するインバータ回路とを有するＣＡＴＶ（ケーブル・テレビジョン）無停電電源装置において、上記商用入力異常検出回路は、受電される商用交流電源が規定電圧以下のときに商用入力異常検出信号を出力する第１の検出器と、受電される商用交流電源が規定電圧以上のときに商用入力異常検出信号を出力する第２の検出器とを備えて構成されることが記載されている。

特開平５−２６０６８４号公報

上記特許文献１に記載されたような、常時、商用電源から主に電力を供給する無停電電源装置において、従来方式である入力電圧検出による異常検出を行うと図４に示す課題が生じる。同図は、縦軸が検出電圧設定値及び実際の交流スイッチからの出力電圧を示しており、横軸は負荷率を示している。負荷率が低い場合は、装置受電端までの配線や装置内部の交流スイッチが持っているインピーダンスによる電圧降下が少ないため負荷の要求仕様を満足するが、負荷率が大きくなると負荷の要求仕様を満足することができない場合が生じるという課題を有していた。

更に、従来は、商用電源から交流スイッチに入力される交流電圧の実効値を見て交流スイッチの復帰の制御していたため、図４に示すように、１００％負荷に近い時に上記交流スイッチの入力側配線におけるインピーダンス分によって入力電圧に対して出力電圧が所定電圧降下することによる下限側検出にヒステリシスの幅がないと検出のチャタリングを起こしてしまうという課題を有していた。

また、復帰直前時、無停電電源装置は蓄電時からインバータを介して負荷に電力を供給しており、入力電圧（商用電源）からみると負荷は接続されていない状態になっている。従来の方法である入力電圧のみによる検出方法で復帰させると、その時の負荷率が分からず、上記インピーダンス分による電圧降下がどの程度生じるかが分からなかったため、復帰電圧の検出値は最大負荷率で設定しなければならなかった。そのため、負荷の仕様を満足しながら、復帰電圧を設定すると入力電圧変動範囲を狭くすることになってしまうという課題を有していた。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、負荷の要求仕様を満足しながら、入力変動範囲を大きくし、通常運転状態において電圧異常を検出しにくくして頻繁に交流スイッチを遮断して停電状態になることを防止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。

また、本発明の他の目的は、交流スイッチを復帰させる時に負荷率に関係なくチャタリングを生じないようにした無停電電源装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、商用電源から入力される交流電力を開閉する交流スイッチと、蓄電池と、前記交流スイッチと前記蓄電池との間に設置された電力変換器と、前記交流スイッチの出力側に接続された負荷装置とを備えた無停電電源装置であって、前記交流スイッチから出力される出力交流電圧を検出する出力交流電圧検出手段と、該出力交流電圧検出手段によって検出された出力交流電圧値が設定した上限及び下限の検出値の範囲外になったことを検出する異常検出回路とを備え、該異常検出回路で検出された信号に基づいて前記交流スイッチを遮断することを特徴とする。

また、本発明は、無停電電源装置であって、交流スイッチに入力する入力交流電圧を検出する入力交流電圧検出手段と、負荷装置の負荷電流を測定する負荷電流測定手段と、該負荷電流測定手段で測定される負荷電流に基づいて負荷率を演算する負荷率演算回路と、前記入力交流電圧検出手段によって検出された交流電圧値が、該負荷率演算回路によって算出された負荷率が増大するに従って段階的若しくは連続的にシフト（増加）させて設定した少なくとも下限の交流電圧値を越えたとき復帰信号を出力する復帰回路とを備え、該復帰回路から出力される復帰信号に基づいて前記交流スイッチを導通させて復帰させることを特徴とする。

また、本発明は、無停電電源装置であって、交流スイッチに入力する入力交流電圧を検出する入力交流電圧検出手段と、負荷装置の負荷電流を測定する負荷電流測定手段と、該負荷電流測定手段で測定される負荷電流に基づいて負荷率を演算する負荷率演算回路と、前記入力交流電圧検出手段によって検出された交流電圧値が、該負荷率演算回路によって算出された負荷率が増大するに従って段階的若しくは連続的にシフト（増加）させて設定した下限及び上限の交流電圧値の範囲内になったとき復帰信号を出力する復帰回路とを備え、該復帰回路から出力される復帰信号に基づいて前記交流スイッチを導通させて復帰させることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、負荷の要求仕様を満足しながら、入力変動範囲を大きくし、通常運転状態において電圧異常を検出しにくくして頻繁に交流スイッチを遮断して停電状態になることを防止することが可能となる。

また、本発明によれば、交流スイッチ復帰後の電圧は許容範囲内に収まるため、チャタリングを防止することが可能となる。

本発明に係る実施の形態を図面を用いて説明する。

図1は、本発明の無停電電源装置の一実施の形態を示す概略構成図である。商用電源ＡＣは三相交流であるが、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、無停電電源装置としては、交流スイッチ（ＡＣＳＷ）５、電力変換器（インバータ）１、蓄電池３及び負荷装置（Ｌｏａｄ）４を備えて構成される。商用電源ＡＣ６と電力変換器（インバータ）１との間に配置された交流スイッチ（ＡＣＳＷ）５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Ｔｈ１及びＴｈ２（図示せず）を備えて構成される。商用電源ＡＣが健全な状態（復帰状態も含む）であれば、負荷装置４には交流スイッチ（ＡＣＳＷ）５を介して商用電源（ＡＣ）６から交流電力が供給される。従って、交流スイッチ５は、商用電源が健全な状態にあるときに導通状態になって商用電源６から負荷装置４に交流電力を供給し、商用電源６が停電状態になると交流スイッチ（ＡＣＳＷ）５が遮断状態になって商用電源（ＡＣ）６から交流電力の供給を停止する。また、商用電源（ＡＣ）６に異常が発生すると、停電状態と同様に交流スイッチ（ＡＣＳＷ）５が遮断状態になって商用電源（ＡＣ）６から交流電力の供給を停止する。なお、商用電源６が異常も含めて停電状態になるのは、後述するように、交流スイッチＡＣＳＷ５の出力交流電圧（Ｖout）を検出する検出回路１４によって検出されることになる。

また、電力変換器（インバータ）１は、商用電源（ＡＣ）６が健全なときには、商用電源（ＡＣ）からの交流電力を直流電力に変換して、蓄電池３を充電する順変換動作を行うとともに、負荷装置４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う。また電力変換器（インバータ）１は、主として停電検出回路１４が停電などを検出している期間、蓄電池３を電源として、ＰＷＭ回路１６の制御に基づいて直流電力を交流電力に変換して負荷装置４に交流電力を供給する逆変換動作を行う。この電力変換器１は、交流端子部と電力変換コンバータＰＣＶの交流端子との間に直列に配置されたリアクトルＬを備え、さらに電力変換コンバータＰＣＶの直流端子にコンデンサＣｄを備えている。

交流スイッチ（ＡＣＳＷ）５の入力側の交流ラインには、商用電源（ＡＣ）６から供給される交流電圧（Ｖin）を検出する計器用変圧器（交流電圧検出手段）Ｔ１が設置され、また交流スイッチＡＣＳＷ５の出力側の交流ライン（電力変換器１への入力側の交流ライン）には、この交流ラインの交流電圧（Ｖout）を検出する計器用変圧器（交流電圧検出手段）Ｔ２が設置される。また、負荷装置４への交流電力を供給する交流ラインには、負荷装置４へ流れる負荷電流（Ｉout）を測定する変流器（負荷電流測定手段）ＣＴ１が設置される。

まず、交流スイッチ（ＡＣＳＷ）５への入力電圧が異常（停電も含む）状態となって、交流スイッチ５を遮断し、電力変換器１から交流電力を負荷装置４に供給する実施例について説明する。即ち、異常検出回路１４は、交流スイッチ５への入力電圧の異常（停電も含む）を検出する回路で、交流スイッチ５の出力側に設置された交流計器用変圧器Ｔ２で検出された出力交流電圧（Ｖout）が、上限側検出値と下限側検出値との許容電圧範囲内に有るか否かを判定して許容電圧範囲外になったことを示す信号をＯＦＦ信号として出力する回路である。ゲートドライブ回路１０は、異常検出回路１４からＯＦＦ信号が印加されると、サイリスタＴｈ１及びＴｈ２を閉じて商用電源ＡＣからの交流電力を遮断することになる。このように異常検出回路１４が、交流スイッチ５への入力電圧の異常（停電も含む）を出力交流電圧（Ｖout）で検出するように構成したので、装置受電端までの配線や装置内部の交流スイッチが持っているインピーダンス分が考慮されることにより、負荷の要求仕様を満足しながら、入力変動範囲を大きくし、通常運転状態において電圧異常を検出しにくくして頻繁に停電状態になることを防止することが可能となる。同時に、制御回路１５は、異常検出回路１４から印加される停電状態若しくは異常状態を示す信号に基づいて制御電圧指令をＰＷＭ回路１６に与え、ＰＷＭ回路１６は制御電圧指令に基づいて制御して直流電力を交流電力に逆変換し、電力変換器１から交流電力を負荷装置４に供給することになる。

次に、入力電圧が正常に戻り、交流スイッチ（ＡＣＳＷ）５を復帰させる実施例について説明する。即ち、負荷率演算回路１２は、変流器ＣＴ１で測定される負荷電流（Ｉout）に基づいて負荷側の必要とする電力（装置定格に対して「負荷率」と表現する。）、即ち負荷率を演算する回路である。復帰回路１１は、交流スイッチ５の入力側に設置された計器用変圧器Ｔ１で検出される入力交流電圧（Ｖin）（検出値）に対するヒステリシスを、負荷率演算回路１２によって演算される負荷率に応じてシフト（増加）させた復帰交流電圧値（復帰値）の上限側（High側）と下限側（Low側）とを設定し、上記計器用変圧器Ｔ１で検出される入力交流電圧（Ｖin）が、上記設定された復帰交流電圧値（復帰値）の上限側（High側）と下限側（Low側）との範囲内になったとき、復帰信号をＯＮ信号として出力する回路である。ただし、復帰回路１１において、ヒステリシスを持たせる関係で、図２に示すように、上限側については、上限側検出値が許容範囲を越えないように復帰交流電圧値（復帰値）が設定されることになる。これは、復帰時、蓄電池３から電力変換器１を介して負荷へ電力を給電しており、復帰する際は、入力電圧の位相と電圧値を合わせ、交流スイッチ（ＡＣＳＷ）５をＯＮさせて通常状態に戻すため、負荷側の要求仕様を満足できない部分が生じることになる。そのために復帰時の電圧を上限まで使用しないようにする。その結果、上限側においてチャタリングが生じるのを防止することが可能となる。ゲートドライブ回路１０は、復帰回路１１から復帰信号としてＯＮ信号が印加されたとき、サイリスタＴｈ１及びＴｈ２を動作させて商用電源（ＡＣ）６から交流電力を許容電圧範囲内（例えば２００Ｖ±１０％（１８０Ｖ〜２２０Ｖ））で負荷装置４に供給して復帰することになる。なお、この値は、交流出力電圧を検出する異常検出回路１４の設定値である（下側＝１８０Ｖ、上側＝２２０Ｖ）。

更に、具体的に説明する。図２には、復帰回路１１によって設定される復帰電圧を負荷率に応じてリニア（連続的）にシフト（増加）させる場合を示す。復帰回路１１では、下限側について、交流スイッチ５の入力側に設置された計器用変圧器Ｔ１で検出される下限側（Low側）検出値に対して、下限側（Low側）復帰値を所定の電圧Ｖｕ上げた状態から負荷率が増大するに従って徐々に増大させるように設定される。その結果、計器用変圧器Ｔ１で検出される下限側（Low側）検出値に対して、復帰後、交流スイッチＡＣＳＷ５から出力される電圧は、下限側の実際の復帰電圧となる。また、復帰回路１１では、上限側について、計器用変圧器Ｔ１で検出される上限側（High側）検出値に対して、上限側（High側）復帰値を所定の電圧Ｖｄ下げた状態から下限側と同様に負荷率が増大するに従って徐々に増大させるように設定される。ただし、上述したように、上限側（High側）復帰値が許容範囲の上限を越えないように設定される。その結果、計器用変圧器Ｔ１で検出される上限側（High側）検出値に対して、復帰後、交流スイッチＡＣＳＷ５から出力される電圧は、上限側の実際の復帰電圧となる。なお、ヒステリシスの値Ｖｄ、Ｖｕは、約５Ｖ程度である。

図３には、復帰回路１１によって設定される復帰電圧を負荷率に応じて段階的にシフト（増加）させる場合を示す。復帰回路１１では、下限側について、交流スイッチ５の入力側に設置された計器用変圧器Ｔ１で検出される下限側（Low側）検出値に対して、下限側（Low側）復帰値を所定の電圧上げた状態から負荷率が増大するに従って段階的に増大させるように設定される。図３においてはポイント（１）、ポイント（２）において段階的に増大させたものである。その結果、計器用変圧器Ｔ１で検出される下限側（Low側）検出値に対して、復帰後、交流スイッチＡＣＳＷ５から出力される電圧は、下限側の鋸状をした実際の復帰電圧となる。また、復帰回路１１では、上限側について、計器用変圧器Ｔ１で検出される上限側（High側）検出値に対して、上限側（High側）復帰値を所定の電圧下げた状態から下限側と同様に負荷率が増大するに従って段階的に増大させるように設定される。図３においてはポイント（１）、ポイント（２）において段階的に増大させたものである。その結果、計器用変圧器Ｔ１で検出される上限側（High側）検出値に対して、復帰後、交流スイッチＡＣＳＷ５から出力される電圧は、上限側の鋸状をした実際の復帰電圧となる。このように復帰回路１１において、下限側及び上限側の復帰値を負荷率が増大するに従って段階的に増大させて設定することはソフトウエア処理で可能である。

以上説明したように、入力電圧が正常に戻り、交流スイッチを復帰させるとき、交流スイッチの入力側に設置された計器用変圧器Ｔ１で検出される下限側及び上限側検出値に対して下限側及び上限側復帰値を、負荷率が増大するに従って連続的または段階的に増大させるように設定したので、負荷側の仕様を満足させながら、インピーダンス分による電圧降下によって生じるチャタリングを防止することが可能となる。

以上説明した本実施の形態によれば、交流スイッチを遮断する際、異常検出を交流スイッチの出力側で検出するように構成したので、負荷側の要求仕様を確実に満足することができる。

また、本実施の形態によれば、交流スイッチを復帰する際、復帰値を負荷率を考慮して設定しているので、復帰後の電圧は許容範囲内に収まるため、チャタリングを防止することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、交流スイッチを復帰する際、復帰値を負荷率を考慮して設定しているので、入力電圧変動範囲を広くすることが可能となる。

従って、常時商用給電方式の無停電電源装置において頻繁に停電状態になることを防止することが可能となる。

本発明に係る無停電電源装置の一実施の形態を示す構成図である。本発明に係る交流スイッチの復帰制御を負荷率に応じて連続的に行う場合における負荷率とHigh側（上限側）復帰値及びLow側（下限側）復帰値並びにHigh側（上限側）検出値及びLow側（下限側）検出値との関係を示す図である。本発明に係る交流スイッチの復帰制御を負荷率に応じて段階的に行う場合における負荷率とHigh側（上限側）復帰値及びLow側（下限側）復帰値並びにHigh側（上限側）検出値及びLow側（下限側）検出値との関係を示す図である。従来の交流スイッチの復帰制御における負荷率とHigh側（上限側）復帰値及びLow側（下限側）復帰値並びにHigh側（上限側）検出値及びLow側（下限側）検出値との関係を示す図である。

符号の説明

１…電力変換器（インバータ）、３…蓄電池、４…負荷装置、５…交流スイッチ（ＡＣＳＷ）、６…商用電源（ＡＣ）、１０…ゲートドライブ回路、１１…復帰回路、１２…負荷率演算回路、１４…異常検出回路、１５…制御回路、１６…ＰＷＭ回路、Ｔ１、Ｔ２…計器用変圧器（交流電圧検出手段）、ＣＴ１…変流器（負荷電流測定手段）、ＰＣＶ…電力変換コンバータ。

Claims

商用電源から入力される交流電力を開閉する交流スイッチと、蓄電池と、前記交流スイッチと前記蓄電池との間に設置された電力変換器と、前記交流スイッチの出力側に接続された負荷装置とを備えた無停電電源装置であって、
前記交流スイッチから出力される出力交流電圧を検出する出力交流電圧検出手段と、
該出力交流電圧検出手段によって検出された出力交流電圧値が設定した上限及び下限の検出値の範囲外になったことを検出する異常検出回路と、
該異常検出回路で検出された信号に基づいて制御電圧指令を発する制御回路と、
該制御回路から発する制御電圧指令に基づいて前記電力変換器を制御するＰＷＭ回路と、
前記交流スイッチの入力側に設置され、前記商用電源から入力される入力交流電圧を検出する入力交流電圧検出手段と、
前記負荷装置の負荷電流を測定する負荷電流測定手段と、
該負荷電流測定手段で測定される負荷電流に基づいて負荷率を演算する負荷率演算回路と、
前記入力交流電圧検出手段によって検出された入力交流電圧が設定された復帰交流電圧値の上限側と下限側との範囲内になったとき、復帰信号を出力して前記交流スイッチを復帰させる復帰回路とを備え、
前記異常検出回路で検出された信号に基づいて前記交流スイッチを遮断すると共に、前記異常検出回路で検出された信号に基づいて前記制御回路から発した制御電圧指令を前記ＰＷＭ回路に与えて該制御電圧指令に基づいて前記電力変換器を制御して前記蓄電池からの直流電力を交流電力に逆変換して前記負荷装置に供給し、
前記復帰回路において、少なくとも前記下限の復帰交流電圧値を、前記負荷率演算回路によって算出された負荷率が増大するに従って段階的若しくは連続的に増加させて設定し、前記交流スイッチを復帰させる際、前記復帰回路により、前記入力交流電圧検出手段によって検出された入力交流電圧が前記設定された少なくとも下限の復帰交流電圧値を越えて上限及び下限の復帰交流電圧値の範囲内になったとき、前記復帰信号を出力して前記交流スイッチを復帰させることを特徴とする無停電電源装置。
商用電源から入力される交流電力を開閉する交流スイッチと、蓄電池と、前記交流スイッチと前記蓄電池との間に設置された電力変換器と、前記交流スイッチの出力側に接続された負荷装置とを備えた無停電電源装置であって、
前記交流スイッチから出力される出力交流電圧を検出する出力交流電圧検出手段と、
該出力交流電圧検出手段によって検出された出力交流電圧値が設定した上限及び下限の検出値の範囲外になったことを検出する異常検出回路と、
該異常検出回路で検出された信号に基づいて制御電圧指令を発する制御回路と、
該制御回路から発する制御電圧指令に基づいて前記電力変換器を制御するＰＷＭ回路と、
前記交流スイッチの入力側に設置され、前記商用電源から入力される入力交流電圧を検出する入力交流電圧検出手段と、
前記負荷装置の負荷電流を測定する負荷電流測定手段と、
該負荷電流測定手段で測定される負荷電流に基づいて負荷率を演算する負荷率演算回路と、
前記入力交流電圧検出手段によって検出された入力交流電圧が設定された復帰交流電圧値の上限側と下限側との範囲内になったとき、復帰信号を出力して前記交流スイッチを復帰させる復帰回路とを備え、
前記異常検出回路で検出された信号に基づいて前記交流スイッチを遮断すると共に、前記異常検出回路で検出された信号に基づいて前記制御回路から発した制御電圧指令を前記ＰＷＭ回路に与えて該制御電圧指令に基づいて前記電力変換器を制御して前記蓄電池からの直流電力を交流電力に逆変換して前記負荷装置に供給し、
前記復帰回路において、前記下限及び上限の復帰交流電圧値を、前記負荷率演算回路によって算出された負荷率が増大するに従って段階的若しくは連続的に増加させて設定し、前記交流スイッチを復帰させる際、前記復帰回路により、前記入力交流電圧検出手段によって検出された入力交流電圧が前記設定された下限及び上限の復帰交流電圧値の範囲内になったとき、前記復帰信号を出力して前記交流スイッチを復帰させることを特徴とする無停電電源装置。