JP4410016B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータを介して負荷に交流電力を供給する無停電電源装置に関するものである。

商用電源を整流して直流電力を出力する直流電源と、その他の直流電源として従来の蓄電池のほか燃料電池や太陽電池等の電源をも取り込んでクリーンで環境に優しい電力の活用が求められている。しかし太陽電池等は天候による電圧変動が大きい。そこで直流電圧の変動を補正して一定の交流出力を得る方法として、所定の振幅の第三調波を加えて補正する方法が知られている。またこの方法は、電源の力率改善の方法としても知られている。例えば特開平５−１５１６５号公報に、出力周波数に同期した第３高調波電圧を重畳させて力率の改善に関連する内容の例が記載されている。
特開平５−１５１６５号公報（００４３、図４）

しかしながら、太陽電池などのように電圧変動の大きい直流電源を用いる場合には、所定の振幅の第三調波を加えて補正する従来の方法では、所定の振幅が不十分なために、一定の交流出力が得られなかった。また必要以上に大きな振幅にすると一定の交流出力は得られても、第三調波によるリップルが過大となり、リップル抑制のためのコンデンサの容量を増加させたり、そのリップルの電圧・電流によりコンデンサの寿命を短くする問題があった。

本発明の目的は、直流電圧の変動を適切な第三調波を加えて補正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。

本発明の無停電電源装置は、整流回路と、整流用導通制御信号発生回路と、インバータ回路と、インバータ用導通制御信号発生回路とを備えている。整流回路は、複数の整流用半導体スイッチング素子が組み合わされて構成されて交流電力を整流するように構成されている。整流用導通制御信号発生回路は、複数の整流用半導体スイッチング素子に整流用導通制御信号を出力するように構成されている。またインバータ回路は、複数のインバータ用半導体スイッチング素子が組み合わされて構成されて、整流回路からの直流出力を所定の周波数の交流電力に変換する。そしてインバータ用導通制御信号発生回路は、複数のインバータ用半導体スイッチング素子にインバータ用導通制御信号を出力するように構成されている。また本発明の無停電電源装置では、整流回路の交流入力端子にそれぞれ直列接続された複数の入力側リアクトルと、インバータ回路の交流出力端子にそれぞれ直列接続された複数の出力側リアクトルと、複数の入力側リアクトルの交流電源側端子に一端が接続され他端がそれぞれ共通ラインに接続された複数の入力側コンデンサと、複数の出力側リアクトルの負荷側端子に一端が接続され他端がそれぞれ共通ラインに接続された複数の出力側コンデンサとを備えている。また整流回路の一方の極性の直流出力端子と共通ラインとの間に接続された第１の直流側リアクトルと第１の直流側コンデンサとが直列接続されてなる第１のＬＣ回路と、整流回路の他方の極性の直流出力端子と共通ラインとの間に接続された第２の直流側リアクトルと第２の直流側コンデンサとが直列接続されてなる第２のＬＣ回路とを備えている。そして第１の直流側リアクトルと第１の直流側コンデンサとの第１の接続点と、第２の直流側リアクトルと前記第２の直流側コンデンサとの第２の接続点との間に直流電源が接続される。

インバータ用導通制御信号発生回路は、基準正弦波を発生する基準正弦波発生器と、インバータ回路の出力電圧に相応した信号と基準正弦波との差分を増幅する演算増幅器と、整流回路の直流出力電圧を基準にして第三調波を発生する第三調波発生器と、演算増幅器の出力に前記第三調波を加算する加算器と、所定の周波数の三角波信号を発生する三角波発生器と、三角波発生器から出力される三角波信号と加算器の出力とを比較する比較器と、比較器の出力に基づいたパルス幅変調によりインバータ用導通制御信号を発生するＰＷＭ導通制御信号発生回路とを備えている。

本発明で用いる第三調波発生器は、予め定めたピーク値が異なる複数種類の第三調波を発生する第三調波発生手段と、整流回路の直流出力電圧のレベルに基づいて第三調波を加算器に出力するか否か及び複数種類の第三調波のいずれを加算器に出力すべきか否かを判定するレベル判定器と、レベル判定器の判定結果に従って複数種類の第三調波から選択したものを加算器に出力する選択手段とを備えている。本発明によれば、蓄電池よりも電圧変動の大きい太陽電池を用いる場合においても、直流出力電圧のレベル変動に基づいて第三調波の適切な波高値を有する第三調波発生手段を選択することにより、インバータ回路からの交流出力電圧を一定電圧に補正することができる。また必要以上に第三調波の波高値を過大にさせずに、適切に抑制できるので、第三調波に起因する電圧や電流のリップルを抑えることができる。さらにリップル抑制のためのコンデンサの容量を小さくすることができ、その上、リップルに起因するコンデンサ等の各種部品の寿命低下を避けることができる。

レベル判定器としては、直流出力電圧が予め定めた電圧レベル以上あるときには、第三調波を加算器に出力しないことを判定し、直流出力電圧が予め定めた電圧レベルよりも小さくなると、予め定めた電圧レベルからの直流出力電圧の低下量に応じた適切なピーク値を有する第三調波を複数種類の第三調波から選択することを判定する機能を有しているものを用いるのが好ましい。このような機能を有するレベル判定器を用いると、リップルを抑制するコンデンサ等の使用部品に不必要に過大な電力が供給されることがなくなり、使用部品の寿命低下と、商用電源や負荷への悪影響を低減できる。

なおレベル判定器は、予め定めた電圧レベルからの直流出力電圧の低下量に比例の関係で適当なピーク値を有する第三調波を選択することを判定する機能を有しているのが好ましい。これによってレベル判定器が単純化され、レベル判定器の構成が容易になる。

また第三調波発生手段は、複数種類の第三調波を予め記憶した複数の第三調波記憶手段を含んで構成することができる。このような第三調波記憶手段を用いると、対象とする直流電源の特性に応じた適切な波高値の第三調波を準備することができ、より高い精度の補正が可能となる。

更に整流用導通制御信号発生回路は、三角波発生器が発生する三角波信号を用いてパルス幅変調により複数の整流用導通信号を発生するように構成するのが好ましい。このようにするとＬ，Ｃの両端にかかる電圧差は、整流器とインバータの導通角の差分のみとなり、三角波成分が大幅に抑制される。従ってリップルも小さくなり、コンデンサの容量が小さくて済み、装置の小型化と高信頼化に寄与する。

本発明によれば、蓄電池よりも電圧変動の大きい太陽電池等の直流電源を用いる場合においても、直流出力電圧のレベルに基づいて適切な波高値を有する第三調波を選択することにより、インバータ回路からの交流出力電圧を一定電圧に補正することができ。また第三調波の波高値を過大にさせず、適切に抑制できるので、第三調波に起因する電圧や電流のリップルを抑えることができる。さらにリップル抑制のためのコンデンサの容量を小さくすることができ、その上、リップルに起因するコンデンサ等各種部品の寿命低下を抑制することができる。

特に本発明によれば、レベル判定器として、直流出力電圧が予め定めた電圧レベル以上あるときには、第三調波を加算器に出力しないことを判定し、直流出力電圧が予め定めた電圧レベルよりも小さくなると、予め定めた電圧レベルからの直流出力電圧の低下量に応じた適切なピーク値を有する第三調波を複数種類の第三調波から選択することを判定する機能を有しているものを用いるので、リップルを抑制するコンデンサ等の使用部品に不必要に過大な電力が供給されることがなくなり、使用部品の寿命低下と、商用電源や負荷への悪影響を低減できる。

以下、本発明の無停電電源装置の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施の形態の無停電電源装置の主回路構成（三相の場合）を示す。符号１は整流回路を示しており、整流回路１は商用電源（図示せず）には交流入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗによって接続される。整流回路１は、複数の整流用半導体スイッチング素子（トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６と、各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に並列で逆極性に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ６）から成る三相フルブリッジ整流回路と、そのフルブリッジ整流回路の直流側に並列に接続された電解コンデンサＣ９とから構成されている。

整流回路１のフルブリッジ整流回路の交流入力部と交流入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗとの間の各線には、直列に入力側リアクトルＬ１〜Ｌ３が接続され、入力側リアクトルＬ１〜Ｌ３と交流入力端子５ｕ，５ｖ，５ｗとの間の各線には、入力側コンデンサＣ１〜Ｃ３がスター接続されてその中性点は共通ライン３に接続されている。整流回路１の複数の整流用半導体スイッチング素子への導通制御信号は、図２の整流用導通制御信号発生回路１０（後述）から供給される。

整流回路１によって整流された直流電力は、直流ライン７，８に出力される。符号２で示したインバータ回路は、直流端子７，８の直流電力を入力として所定の周波数の交流電力を交流出力端子６ｕ，６ｖ，６ｗに出力する。インバータ回路２の出力は、商用電力との切換をする切換回路４を経由して負荷（図示せず）に供給される。インバータ回路２は、複数の整流用半導体スイッチング素子（トランジスタＴｒ７〜Ｔｒ１２と、各トランジスタＴｒ７〜Ｔｒ１２に並列で逆極性に接続されたダイオードＤ７〜Ｄ１２）から成る三相フルブリッジ回路により構成されている。インバータ回路２の直流側には並列に電解コンデンサＣ１０が接続されている。

インバータ回路２の交流出力部と交流出力端子６ｕ，６ｖ，６ｗとの間の各線には、直列に出力側リアクトルＬ４〜Ｌ６が接続され、出力側リアクトルＬ４〜Ｌ６と交流出力端子６ｕ，６ｖ，６ｗとの間の各線には、出力側コンデンサＣ４〜Ｃ６がスター接続されてその中性点は共通ライン３に結ばれている。インバータ回路２の複数の整流用半導体スイッチング素子への導通制御信号は、図２のインバータ用導通制御信号発生回路２０（後述）から供給される。

直流電源端子９ａ，９ｂと直流ライン７，８との間には、並列に第１の直流側コンデンサＣ７と第２の直流側コンデンサＣ８の一端が接続され、その第１の直流側コンデンサＣ７と第２の直流側コンデンサＣ８の他端は共通ライン３に接続されている。また第１の直流側コンデンサＣ７と第２の直流側コンデンサＣ８の一端と直流ライン７，８との間には、それぞれ第１の直流側リアクトルＬ７と第２の直流側リアクトルＬ８が接続されている。コンデンサＣ７とリアクトルＬ７とにより、第１のＬＣ回路が構成され、コンデンサＣ８とリアクトルＬ８とにより第２のＬＣ回路が構成され、これらは低域濾波器を構成している。蓄電池や燃料電池や太陽電池等の直流電源（図示せず）は、直流電源端子９ａと９ｂに接続されて直流電力を直流ライン７，８を介してインバータ回路２に供給する。

図２は、図１の実施の形態に用いる無停電電源装置の制御回路の構成の一例を示している。図２において符号１は整流回路であり、符号２はインバータ回路を示す。整流回路１は、整流用導通制御信号発生回路１０から出力される整流用導通制御信号によって導通制御される。整流用導通制御信号発生回路１０は、商用電源の電圧Ｖｉと整流された直流出力電圧Ｖｄｃとを入力として入力基準電流を出力する入力基準電流発生器１１と、入力基準電流発生器１１の出力である入力基準電流と商用電源の電流Ｉｉとの差分を増幅する演算増幅器１２と、演算増幅器１２の出力と商用電源周波数より二桁以上の高速な繰り返し（１０ｋＨｚ程度）の三角波を発生する三角波発生器２５の出力とを比較する比較器１６と、比較器１６の出力に基づいたパルス幅変調により整流用導通制御信号を発生するＰＷＭ導通制御信号発生回路１７とで構成されている。ＰＷＭ導通制御信号発生回路１７の出力は整流用導通制御信号となって信号出力端子１８を経由して前述のように整流回路１のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を所定のタイミングで導通制御する。

インバータ回路２は、インバータ用導通制御信号発生回路２０から出力されるインバータ用導通制御信号によって導通制御される。インバータ用導通制御信号発生回路２０は、基準正弦波を発生する基準正弦波発生器２１と、インバータ回路２の交流出力電圧Ｖｏと基準正弦波発生器２１の出力である基準正弦波との差分を増幅する演算増幅器２２と、整流回路１の直流出力電圧Ｖｄｃを基準にして基準正弦波の第三調波を発生する第三調波発生器２３と、演算増幅器２２の出力と第三調波発生器２３の出力とを加算する加算器２４と、加算器２４の出力と三角波発生器２５の出力とを比較する比較器２６と、比較器２６の出力に基づいたパルス幅変調によりインバータ用導通制御信号を発生するＰＷＭ導通制御信号発生回路２７とで構成されている。ＰＷＭ導通制御信号発生回路２７の出力はインバータ用導通制御信号となって信号出力端子２８を経由し前述のようにインバータ回路２のトランジスタＴｒ７〜Ｔｒ１２を所定のタイミングで導通制御する。

ここで、第三調波発生器２３は、予め定めたピーク値が異なる複数種類の第三調波を発生する第三調波発生手段Ｓｏ〜Ｓｎと、整流回路１の直流出力電圧Ｖｄｃのレベルに基づいて第三調波を加算器２４に出力するか否か及び複数種類の第三調波発生手段Ｓｏ〜Ｓｎの出力のいずれを加算器２４に出力すべきか否かを判定するレベル判定器３１と、レベル判定器３１の判定結果に従って複数種類の第三調波発生手段Ｓｏ〜Ｓｎから選択した第三調波を加算器２４に出力する選択手段３２とを備えている。

このレベル判定器３１は、直流出力電圧Ｖｄｃが予め定めた電圧レベル以上あるときには、第三調波を加算器に出力しないことを判定し、直流出力電圧Ｖｄｃが予め定めた電圧レベルよりも小さくなると、予め定めた電圧レベルからの直流出力電圧Ｖｄｃの低下量に比例した適切なピーク値を有する第三調波を複数種類の第三調波発生手段Ｓｏ〜Ｓｎから選択するように構成されている。またこの第三調波発生手段Ｓｏ〜Ｓｎは、複数種類の第三調波を予め記憶した複数の第三調波記憶手段で構成されている。

この例では、整流用導通制御信号発生回路１０は、三角波発生器２５が発生する三角波信号を、インバータ用導通制御信号発生回路２０と共通に用いてパルス幅変調により複数の整流用導通信号を発生するように構成している。このようにすると回路中のリアクトルＬ７及びＬ８，コンデンサＣ７及びＣ８の両端にかかる電圧差は、整流回路１とインバータ回路２の導通角の差分のみとなり、三角波成分が大幅に抑制される。したがってリップルも小さくなり、コンデンサの容量が小さくて済み、装置の小型化と高信頼化に寄与する。

なお、以上の説明は三相電力についての説明であったが、本発明は上述の説明で分かるように、三相に限定されるものではなく、単相電力に適用しても有効である。

本発明の一実施の形態の無停電電源装置の主回路構成（三相の場合）を示す。 図１の実施の形態に用いる無停電電源装置の制御回路の構成の一例を示す。

符号の説明

１ 整流回路
２ インバータ回路
３ 共通ライン
４ 切換回路
５ｕ，５ｖ，５ｗ 交流入力端子
６ｕ，６ｖ，６ｗ 交流出力端子
７，８ 直流ライン
９ａ，９ｂ 直流電源端子
１０ 整流用導通制御信号発生回路
１１ 入力基準電流発生器
１２，２２ 演算増幅器
１６，２６ 比較器
１７，２７ ＰＷＭ導通制御信号発生回路
１８，２８ 信号出力端子
２０ インバータ用導通制御信号発生回路
２１ 基準正弦波発生器
２３ 第三調波発生器
２４ 加算器
２５ 三角波発生器
３１ レベル判定器
３２ 選択手段
Ｃ１〜Ｃ３ 入力側コンデンサ
Ｃ４〜Ｃ６ 出力側コンデンサ
Ｃ７，Ｃ８ 第１と第２の直流側コンデンサ
Ｃ９，Ｃ１０ 電解コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ１２ ダイオード
Ｌ１〜Ｌ３ 入力側リアクトル
Ｌ４〜Ｌ６ 出力側リアクトル
Ｌ７，Ｌ８ 第１と第２の直流側リアクトル
Ｓｏ〜Ｓｎ 第三調波発生手段
Ｔｒ１〜Ｔｒ１２ トランジスタ
Ｉｉ 交流入力電流（商用電源の電流）
Ｖｄｃ 直流出力電圧
Ｖｉ 交流入力電圧（商用電源の電圧）
Ｖｏ 交流出力電圧

Claims (4)

1. 複数の整流用半導体スイッチング素子が組み合わされて構成されて交流電力を整流する整流回路と、
   前記複数の整流用半導体スイッチング素子に整流用導通制御信号を出力する整流用導通制御信号発生回路と、
   複数のインバータ用半導体スイッチング素子が組み合わされて構成されて、前記整流回路からの直流出力を所定の周波数の交流電力に変換するインバータ回路と、
   前記複数のインバータ用半導体スイッチング素子にインバータ用導通制御信号を出力するインバータ用導通制御信号発生回路と、
   前記整流回路の交流入力端子にそれぞれ直列接続された複数の入力側リアクトルと、
   前記インバータ回路の交流出力端子にそれぞれ直列接続された複数の出力側リアクトルと、
   前記複数の入力側リアクトルの交流電源側端子に一端が接続され他端がそれぞれ共通ラインに接続された複数の入力側コンデンサと、
   前記複数の出力側リアクトルの負荷側端子に一端が接続され他端がそれぞれ前記共通ラインに接続された複数の出力側コンデンサと、
   前記整流回路の一方の極性の直流出力端子と前記共通ラインとの間に接続された第１の直流側リアクトルと第１の直流側コンデンサとが直列接続されてなる第１のＬＣ回路と、
   前記整流回路の他方の極性の直流出力端子と前記共通ラインとの間に接続された第２の直流側リアクトルと第２の直流側コンデンサとが直列接続されてなる第２のＬＣ回路と、
   前記第１の直流側リアクトルと前記第１の直流側コンデンサとの第１の接続点と、前記第２の直流側リアクトルと前記第２の直流側コンデンサとの第２の接続点との間に直流電源が接続され、
   前記インバータ用導通制御信号発生回路は、基準正弦波を発生する基準正弦波発生器と、前記インバータ回路の出力電圧に相応した信号と前記基準正弦波との差分を増幅する演算増幅器と、前記整流回路の直流出力電圧を基準にして第三調波を発生する第三調波発生器と、前記演算増幅器の出力に前記第三調波を加算する加算器と、所定の周波数の三角波信号を発生する三角波発生器と、前記三角波発生器から出力される前記三角波信号と前記加算器の出力とを比較する比較器と、前記比較器の出力に基づいたパルス幅変調により前記インバータ用導通制御信号を発生するＰＷＭ導通制御信号発生回路とを備えている無停電電源装置であって、
   前記第三調波発生器は、予め定めたピーク値が異なる複数種類の第三調波を発生する第三調波発生手段と、前記整流回路の前記直流出力電圧のレベルに基づいて前記第三調波を前記加算器に出力するか否か及び前記複数種類の第三調波のいずれを前記加算器に出力すべきか否かを判定するレベル判定器と、前記レベル判定器の判定結果に従って前記複数種類の第三調波から選択したものを前記加算器に出力する選択手段とを備え、
   前記レベル判定器は、前記直流出力電圧が予め定めた電圧レベル以上あるときには、前記第三調波を前記加算器に出力しないことを判定し、前記直流出力電圧が前記予め定めた電圧レベルよりも小さくなると、前記予め定めた電圧レベルからの前記直流出力電圧の低下量に応じた適切なピーク値を有する第三調波を前記複数種類の第三調波から選択することを判定する機能を有していることを特徴とする無停電電源装置。
2. 前記レベル判定器は、前記予め定めた電圧レベルからの前記直流出力電圧の低下量に比例の関係で前記適当なピーク値を有する第三調波を選択することを判定する機能を有していることを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 前記第三調波発生手段は、前記複数種類の第三調波を予め記憶した複数の第三調波記憶手段を含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
4. 前記整流用導通制御信号発生回路は、前記三角波発生器が発生する前記三角波信号を用いてパルス幅変調により前記複数の整流用導通信号を発生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。

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