JP4410670B2

JP4410670B2 - 無停電電源装置

Info

Publication number: JP4410670B2
Application number: JP2004357748A
Authority: JP
Inventors: 芳明奥井
Original assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2024-12-10
Also published as: JP2006166669A; US7579714B2; US20060125448A1

Description

本発明は、商用電源に停電が発生した時にも、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無停電電源装置に関し、特に、常時インバータ給電方式の無停電電源装置に関する。

無停電電源装置は、例えば、コンピュータ等に代表されるように、一瞬たりとも停止できず、安定した交流電力を供給することが必要である負荷機器に対し、停電を含む商用電源の異常、すなわち、商用入力の変動から負荷を守るために設置されている。そのため、特に、近年における高度情報化社会を支えるための装置として、その使命は大きくなっている。

なお、かかる無停電電源装置には、商用電源が正常な場合は、商用入力をそのまま出力し、一方、停電時あるいは商用入力電圧低下の場合に、インバータを起動しバッテリの直流電力を交流電力に変換して、継続して負荷に給電するいわゆる常時商用給電方式と、そして、常時入力側の整流器、インバータを動作させ交流入力電力を直流電力に変換し、直流回路でバッテリ回路と接続し、更に、直流電力を安定した交流電力に変換する、所謂、常時インバータ給電方式とが既に知られている。前者は、例えば、以下の特許文献１により知られるように、商用電源が安定している場合は、商用入力をそのまま装置出力とするため、装置を比較的小形・軽量で、安価にすることが出来るが、一方、商用電源の変動が比較的大きい場合は、装置出力も入力変動に応じて変化するため、出力の安定性については問題がある。

これに対し、後者の常時インバータ給電方式の無停電電源装置は、例えば、以下の特許文献２により知られるように、常にインバータを動作させているため、出力の安定性についての問題はないが、常に変換器（整流器やインバータ）が動作しているため、装置損失が大きく装置効率が悪く、また、排熱のための冷却ファンによる騒音の点でも不利となる。更に、この常時インバータ給電方式の無停電電源装置は、その外形、質量、価格の点でも、上記常時商用給電方式のものに比較して不利（即ち、大きい、重い、高価）となっている。そのため、特に、常時インバータ給電方式の無停電電源装置では、その小型・軽量化、更には、低価格化が急務となっている。

なお、かかる常時インバータ給電方式の無停電電源装置は、一般的に、交流商用電源に接続され、入力される商用交流電力を直流電力に変換する整流器からなる変換器と、直流電力を所望の交流電力に変換して負荷に供給する逆変換器（インバータ）と、これら変換器の間に接続された蓄電池とを備えている。そして、交流商用電源から入力される交流電力の停電を検出するため、通常、その電圧を入力とする停電検出回路（入力電圧判定回路）が設けられ、更には、上記に加えて、入力される商用交流電力の周波数を検出する周波数検出回路等が設けられている。そして、上述した従来技術になる無停電電源装置では、上記停電検出回路は、常時、入力される商用交流電力の電圧を検出しており、制御部は、その値が所定の値（例えば、通常時の電圧の９０％）に低下したことにより停電と判定し、装置を停電時のモードに切り替える。
特開平５−２６０６８４号公報特開２０００−１３９０４０号公報

ところで、商用電源トラブル（異常時）には、瞬時電圧低下や停電等がある。この瞬時電圧低下は、例えば、落雷などにより送電線に故障が発生したときに、０．０７〜２秒秒程度の短い時間に発生する電圧低下現象である。他方、停電は、送配電系統保護のために故障回線が開放されることによって送電が行われなくなること、あるいは、配電設備におけるブレーカの不用意な開放などを原因として起こる。しかしながら、上述した従来の無停電電源装置では、停電だけに限らず、上記した瞬時電圧低下をも含め、交流入力電圧に異常が発生した場合（例えば、通常時の電圧の９０％に低下）には、これを停電と判定し、蓄電池運転させていた。即ち、入力される商用交流電力の電圧（又は、周波数）を検出し、この検出した値が規格値を外れたら、停電と判定し、蓄電池運転を開始する。そのため、短時間の瞬時電圧低下の場合でも、電圧検出値が規格値を外れれば、蓄電池運転を行っていた。

より具体的には、瞬時電圧低下（１０％以上の電圧低下時）の一需要家あたりの全国平均回数は１２回／年程度であるのに対し、実際に起こる停電の全国平均回数は０．５回／年であるが、従来の無停電電源装置では、この瞬時電圧低下が１０％程度以上になると、蓄電池運転に切り替えられる。そのため、実際の停電だけではなく、上記の瞬時電圧低下時においても、無停電電源装置は蓄電池運転となるため、年間における蓄電池運転を行う回数や時間が長くなり、また、１回の商用電源異常時でも、その蓄電池の放電量は大きい。

このように、従来技術では、上述した瞬時電圧低下によっても、不要に蓄電池運転を行うことから、バッテリの寿命に悪影響を与えることとなり、場合によっては、送配電系統における停電箇所のチェックなどのメンテナンス処理が必要となり、更には、装置の大型化、状量化、高価化の原因ともなる。

そこで、本発明は、以上に述べた従来技術における問題点に鑑み、即ち、瞬時電圧低下によって不要に蓄電池運転を行うことなく、商用電源の停電を確実に検出して蓄電池運転を行うことが可能な無停電電源装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、まず、商用電源から入力される交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換器と、直流電力を所望の交流電力に変換して負荷に供給する第２の電力変換器と、前記第１及び第２の電力変換器の間に接続された蓄電池と、前記商用電源から入力される交流電力の異常を検出する手段と、そして、前記第１の電力変換器と前記第２の電力変換器を制御するための制御部とを備え、前記異常検出手段は、前記商用電源から入力される交流電力の周波数を入力として、当該交流電力の周波数の低下により停電を検出する無停電電源装置が提供される。

なお、本発明では、前記に記載した無停電電源装置において、前記制御手段は、前記商用電源から入力される交流電力の電圧の低下に伴う前記第１の電力変換器における電流の増大を制限する手段を備えていることが好ましい。

さらに、本発明によれば、やはり上記目的を達成するために、商用電源から入力される交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換器と、直流電力を所望の交流電力に変換して負荷に供給する第２の電力変換器と、前記第１及び第２の電力変換器の間に接続された蓄電池と、前記商用電源から入力される交流電力の異常を検出する手段と、そして、前記第１の電力変換器と前記第２の電力変換器を制御するための制御部とを備え、前記制御手段は、更に、前記商用電源から入力される交流電力の電圧の低下に伴う前記第１の電力変換器における電流の増大を制限する手段を備えている無停電電源装置が提供される。

なお、本発明では、前記に記載した無停電電源装置において、前記制御手段の前記電流制限手段は、商用電源から入力される交流電力を直流電力に変換する前記第１の電力変換器を構成する整流器の能力範囲内において電流を制限することが好ましい。

加えて、本発明によれば、やはり上記目的を達成するために、商用電源から入力される交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換器と、直流電力を所望の交流電力に変換して負荷に供給する第２の電力変換器と、前記第１及び第２の電力変換器の間に接続された蓄電池と、前記商用電源から入力される交流電力の異常を検出する手段と、そして、前記第１の電力変換器と前記第２の電力変換器を制御するための制御部とを備え、前記交流電力異常検出手段は、前記入力される交流電力における瞬時電圧低下に応答することなく、その停電を検出する無停電電源装置が提供される。

以上説明したように、本発明によれば、瞬時電圧低下によって不要に蓄電池運転を行うことなく、商用電源の停電を確実に検出して蓄電池運転を行うことが可能な無停電電源装置を提供することが可能となるという、極めて優れた効果を発揮する。

以下、本発明に係る実施の形態について、添付の図面を用いて詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施の形態になる無停電電源装置の概略構成を示す回路ブロック図であり、図において、符号１００は、商用交流電源であり、この電源からは三相の交流電源が供給されている。なお、図では、説明を分り易くするため、三相の交流電源を単相の結線で示している。即ち、無停電電源装置２００は、上記商用交流電源１００に接続され、入力される商用交流電力を直流電力に変換する整流器（ＲＥＣ）２１０からなる変換器と、直流電力を所望の交流電力に変換して、負荷３００に供給するインバータ（ＩＮＶ）２２０からなる逆変換器と、これら変換器の間に接続された、例えば、鉛蓄電池からなる蓄電池（バッテリ）２３０とを備えて構成されている。そして、図中の符号２５０は、上記の整流器（ＲＥＣ）２１０とインバータ（ＩＮＶ）２２０とからなる変換器を制御するための制御回路を示している。なお、ここで、上記の負荷３００は、例えば、コンピュータ等に代表されるように、一瞬たりとも停止できず、安定した交流電力を供給することが必要である負荷機器である。

また、図中において、符号Ｔ１は、上記商用交流電源１００から供給される三相交流の周波数を検出するための、例えば、計器用変圧器からなる周波数検出手段を、Ｔ２は、上記整流器（ＲＥＣ）２１０からの直流出力電圧（Ｖ_ｄｃ）を検出するための、やはり計器用変圧器からなる電圧検出手段を、更には、ＣＴ１は、無停電電源装置２００へ流れる入力電流（ｉ_ａｃ）を測定するための、例えば、変流器からなる入力電流測定手段を示している。なお、この図示の装置は、図からも明らかなように、常時、整流器２１０とインバータ２２０を動作させ交流入力電力を直流電力に変換し、直流回路でバッテリ回路と接続し、もって、直流電力を安定した交流電力に変換して負荷３００に供給する、常時インバータ給電方式の無停電電源装置を構成している。

次に、添付の図２は、上記図１にその概略構成を示した無停電電源装置２００の特徴部、特に、上記整流器（ＲＥＣ）２１０と、この整流器の動作を制御するための制御回路２５０の一部を取り出して説明する、一部詳細回路図である。

図２に示すように、上記計器用変圧器Ｔ１により検出された交流電圧は、停電検出回路（又は周波数異常検出回路）２６０に入力されており、ここでは図示をしないが、入力された交流電圧から周波数を検出し、規定値を外れれば停電と判定する。そして停電判定となれば、ＰＷＭ回路２５７を停止する。また、この計器用変圧器Ｔ１により検出された交流電圧は、上記制御回路２５０へも入力されており、後に詳述する制御回路の一部に入力されることとなる。また、上記計器用変圧器Ｔ２により検出された直流電圧（Ｖ_ｄｃ）、更には、上記変流器ＣＴ１により測定された入力電流（ｉ_ａｃ）も、やはり、上記制御回路２５０へ入力されている。

また、上記制御回路２５０は、無停電電源装置２００の整流器（ＲＥＣ）２１０を制御するための整流制御部を形成しており、この整流制御部は、図２に示すように、予め設定された電圧指令値（Ｖ_ｄｃ＊）を上記計器用変圧器Ｔ２からの直流電圧（Ｖ_ｄｃ）と比較するための減算器２５１（＋側入力端にはＶ_ｄｃ＊、−側入力端にはＶ_ｄｃ）を備えている。そして、この比較器２５１からの出力（Ｖ_ｄｃ＊−Ｖ_ｄｃ）は、比例・積分処理を実行するためのＰＩ回路２５２、更には、リミッタ２５３を介して、乗算器２５４の一方の入力端子に入力されている。この乗算器２５４の他方の入力端子には、上記計器用変圧器Ｔ１により検出された交流電圧が入力されている。これにより、乗算器２５４からは電流指令（ｉ_ａｃ＊）が生成され、更に、減算器２５５により上記変流器ＣＴ１により測定された入力電流（ｉ_ａｃ）と比較される（＋側入力端にはｉ_ａｃ＊、−側入力端にはｉ_ａｃ）。この減算器２５５からの出力（ｉ_ａｃ＊−ｉ_ａｃ）は、更に、比例処理を実行するＰ回路２５６を介して、上記整流器（ＲＥＣ）２１０を制御するＰＷＭ(Pulse Width Modulation)回路２５７へ導かれる。なお、上記変圧器Ｔ１により測定された信号が入力された周波数検出回路からなる停電検出回路２６０からの周波数信号も、このＰＷＭ回路２５７へ導かれる。

なお、添付の図３には、上記ＰＷＭ回路２５７により制御される整流器（ＲＥＣ）２１０の具体的な構成の一例が示されており、この例では、三相の交流電源を直流に変換するため、ダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列接続された６個のトランジスタＴＲ１〜ＴＲ６によりブリッジ回路を構成し、更に、平滑コンデンサＣを備えて構成されている。また、この整流器（ＲＥＣ）２１０は、上記図３に示した例に代えて、例えば、添付の図４に示すように、６個のダイオードＤ１〜Ｄ６と、コンデンサＣとリアクトルＬからなるフィルターを備え、更に、ダイオードＤが逆並列接続された１個のトランジスタＴＲを備えて構成することも可能である。更には、上記のトランジスタに代え、例えば、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ等電圧駆動型トランジスタやＧＴＯのような電流制御素子型の半導体スイッチを利用することも可能である。また、上記では、三相の交流電源を直流に変換する変換器である整流器（ＲＥＣ）についてのみ示したが、勿論、二相の交流電源を直流に変換する整流器（ＲＥＣ）を用いることが出来ることは当然である。

次に、上記にその詳細な構成を示した無停電電源装置２００の動作、特に、瞬時電圧低下や停電等を含む商用電源のトラブル時（異常時）における動作について、以下に図５を用いて説明する。

ところで、上述したように、瞬時電圧低下（１０％以上の電圧低下時）の一需要家あたりの全国平均回数は１２回／年であり、これに対し、実際の停電の全国平均回数は０．５回／年である。本発明になる無停電電源装置では、停電の場合は完全に蓄電池運転に切り替えるが、しかしながら、瞬時電圧低下発生時では、整流器への入力の電圧が低下しても、当該整流器が出力できる最大の電流までは出力し、不足した分だけ蓄電池から供給する。従って、従来の無停電電源装置では蓄電池運転に切り替えていたような瞬時電圧低下発生時においても、整流器の出力能力範囲内（整流器は半導体スイッチを用いているため、流せる電流に限度値がある）であれば、蓄電池から放電することはない。

まず、添付の図５（ａ）に示すように、時刻ｔ１において、商用電源から供給される電力が停電により停止した場合には、上記制御回路２５０の一部を構成するＣＰＵ等により実行する処理によって、商用電源の停電を検出する（即ち、上記停電検出回路２６０により商用電源の停電を検出する）。

即ち、添付の図６に示すように、処理が開始すると、まず、上記停電検出回路２６０から検出した周波数信号ｆ_ａｃを入力する（ステップＳ１１）。続いて、この入力した周波数信号ｆ_ａｃを、予めメモリ等に記憶しておいた所定の値（停電周波数基準値ｆ_ｔｈ）と比較する（ステップＳ１２）。その結果、所定の値以下（ｆ_ａｃ≦ｆ_ｔｈ）であると判定された場合には（図の「Ｙｅｓ」）、無停電電源装置を停電運転にして、処理を終了する。即ち、図５（ａ）に示すように、無停電電源装置は、通常運転から停電運転にその運転状態（モード）を変更する。

他方、上記の判定の結果、所定の値より上（ｆ_ａｃ＞ｆ_ｔｈ）であると判定された場合には（図の「Ｎｏ」）、通常運転を継続し、処理を終了する。即ち、図５（ｂ）に示すように、無停電電源装置は、瞬時電圧低下にもかかわらず、その運転状態（モード）を通常運転のまま継続する。なお、ここで、この停電周波数基準値ｆ_ｔｈとしては、例えば、商用電源の通常の周波数である５０Ｈｚ（関東地方）、又は、６０Ｈｚ（関西地方）の約８０〜９０％程度の値設定すればよい。

次に、添付の図７により、無停電電源装置の実際の使用状況における、瞬時電圧低下や停電等を含む商用電源のトラブル時における動作について説明する。

一般に、瞬時電圧低下(瞬低)とは、瞬間的に電圧が低下する現象であり、その大部分は送電線や配電線への落雷が原因となる。即ち、送電線への落雷により電力系統に異常が発生した場合、この異常を保護装置で検出し、その区問を遮断器で切り離すまでの期間（例えば、０．０７〜２秒程度）、故障地点に向かって大きな故障電流が流れる。そのため、大幅な電圧低下を生じることとなる。なお、この瞬時電圧低下が発生した場合の電源電圧の様子が、図７（ｂ）に示されている。

一方、停電は、電力系統を構成する送電線等への落雷などにより故障(落雷による逆せん絡に起因するものが大多数)が発生した場合、設備の損傷を最低限にとどめ、また、電圧、電力の動揺を最小限に抑え電力系統の安定性を維持するために発生する。この場合、故障箇所を電力系統から切り離すことが必要であり、高速度で故障を検出し、電力系統から切り離す。なお、故障点は、送電線など設備毎に設置した保護リレーで検出し、故障が発生した時には遮断器を自動開放して故障区間を切り離す。そして、この故障発生から故障点を切り離すまでの間(０．０７〜２秒間程度)に瞬時電圧低下が発生する。この停電が発生した場合の電源電圧の様子が、図７（ａ）に示されている。

このように、無停電電源装置の実際の使用状況下では、上述した瞬時電圧低下と停電とが混在して発生する。そのため、従来技術のように、電源電圧の低下（例えば、１０％〜１５％程度以上）により停電を検出しようとする場合には、瞬時電圧低下をも検出してしまうことから、不要に蓄電池運転を行うこととなる。

これに対して、上述したように、本発明の無停電電源装置では、上記図６にも示したように、電源電圧の低下ではなく、電源周波数の検出により停電を判定することから、上述した瞬時電圧低下（期間Ｔ）により誤検出することなく（即ち、電源周波数は、瞬時電圧低下時でも所定の周波数変動範囲に保たれる）、確実に、停電を検出することが可能となる。即ち、図７（ａ）にも示すように、本発明の無停電電源装置では、瞬時電圧低下により電源電圧が低下しても、通常運転を続け（整流器（ＲＥＣ）を停止しない）、その後、停電が発生した時点（時刻ｔ１）において、その運転モードを通常運転から停電運転に切り替える。なお、その後、電源が回復したには（時刻ｔ２）、再び、通常運転に戻る（上記図６の処理Ｓ１３を参照）。

そして、本発明の無停電電源装置では、図７（ｂ）に示すように、瞬時電圧低下（期間Ｔ）が発生したが、しかしながら、停電は発生しなかった場合には、以下のように動作することとなる。

即ち、無停電電源装置は、瞬時電圧低下の発生によっても停電の発生を誤検出することなく、上記瞬時電圧低下の発生期間Ｔをも含めて通常運転を継続する。なお、この時、特に、この瞬時電圧低下の発生期間Ｔにおいて、その電圧の低下に起因し、上記整流器（ＲＥＣ）２１０の出力能力を超える場合がある。即ち、整流器（ＲＥＣ）は、通常、その出力である直流電力が一定となるように制御されるため（Ｐ＝Ｉ×Ｖ＝一定）、当該瞬時電圧低下に伴って、流れる電流が増大する。そこで、本発明の無停電電源装置では、上記の図２に示したように、上記整流器（ＲＥＣ）２１０を制御する制御回路２５０の一部において、所謂、リミッタ２５３を設け、上記整流器（ＲＥＣ）２１０を過負荷により故障することから保護する。

ここで、再び、上記図２に戻り、予め設定された電圧指令値（Ｖ_ｄｃ＊）は、加算器２５１において、計器用変圧器Ｔ２からの直流電圧（Ｖ_ｄｃ）と比較され、ＰＩ回路２５２において比例・積分処理が行われるが、その後、リミッタ２５３によりその値を制限する。即ち、ＰＩ回路２５２からの出力に基づいて生成される電流指令（ｉ_ａｃ＊）により、実際には、ＰＷＭ回路２５７を介して制御される整流器に使用されている半導体スイッチに流れる電流が、その電流定格以内となるように制御する。これにより、無停電電源装置では、瞬時電圧低下において発生する過負荷から、その整流器を保護することが可能となる。換言すれば、整流器（ＲＥＣ）２１０は、入力電圧が存在する間は、その整流器能力の最大限まで出力することとなる。なお、このことによれば、従来技術のように瞬時電圧低下時で整流器を停止することに比較し、瞬時電圧低下時でも整流器は停止せず、その最大限まで出力が可能となることから、本発明の無停電電源装置では、蓄電池を不要に使用することがない。また、負荷側からの要求電力が整流器の出力能力を超えた場合でも、整流器は出力可能な電力を出力しているため、蓄電池からはその不足分しか放電されない。すなわち、本発明の場合は、整流器の能力を超える瞬時電圧低下の場合でも、整流器が出力できない電力量だけが、その瞬時電圧低下の時間だけ、蓄電池から供給されだけであり、従って、１回の商用電源の異常時における蓄電池の放電量を少なくすることが出来、無停電電源装置を構成する蓄電池の寿命を長くすることが可能となる。

なお、上記の詳細な説明では、蓄電池（バッテリ）２３０としては、鉛蓄電池について述べたが、これに代えて、例えば、コンデンサ(電気二重層コンデンサを含む)を用いて瞬時電圧低下のみを対策する瞬時電圧低下対策装置としても良い。なお、この場合においても、常時、上記の本発明の構成によれば、コンデンサにから供給する電力量は少なく、そのため、当該コンデンサの容最を小さくすることができ、装置全体の大きさを小さくすることができる。更に、その他二次電池についても、同様に適用することが可能であることは言うまでもなかろう。

また、上述した制御回路２５０において、整流器（ＲＥＣ）２１０を制御するための整流制御部も、上記図２に示した回路構成に限られず、例えば、添付の図８のような構成とすることも可能である。なお、この回路構成の例では、リミッタ２５３は、加算器２５８とＰＷＭ回路２５７との間に設けられており、その機能は上記と同様である。

本発明の一実施の形態になる無停電電源装置の全体構成を示す構成図である。上記無停電電源装置の特徴をなす整流器（ＲＥＣ）とその動作を制御する制御回路の一部を取り出して説明する一部詳細回路図である。上記無停電電源装置の整流器（ＲＥＣ）の具体的な一例を示す回路図である。上記無停電電源装置の整流器（ＲＥＣ）の具体的な他の例を示す回路図である。上記無停電電源装置の基本的な運転状態を説明するための動作説明図である。上記無停電電源装置における停電検出の詳細を示すフローチャート図である。上記無停電電源装置の、実際の電源異常時における運転状態を説明するための動作説明図である。上記整流器（ＲＥＣ）を制御する制御回路の他の一例を示す回路図である。

符号の説明

１００…商用交流電源、２００…無停電電源装置、３００…負荷、２１０…整流器（ＲＥＣ）、２２０…インバータ（ＩＮＶ）、２３０…蓄電池（バッテリ）、２５０…制御回路、２５３…リミッタ、２６０…停電検出回路

Claims

商用電源から入力される交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換器と、直流電力を所望の交流電力に変換して負荷に供給する第２の電力変換器と、前記第１及び第２の電力変換器の間に接続された蓄電池と、前記商用電源から入力される電源周波数を検出する手段と、そして、前記第１の電力変換器と前記第２の電力変換器を制御するための制御部とを備え、前記電源周波数検出手段は、前記商用電源から入力される電源周波数を入力として、当該電源周波数を、予め記憶しておいた、当該電源周波数から瞬時電圧低下時の周波数変動範囲分を除いた停電周波数基準値と比較し、当該停電周波数基準値以下である場合に停電として検出することを特徴とする無停電電源装置。
前記請求項１に記載した無停電電源装置において、前記電源周波数検出手段は、当該電源周波数を、予め記憶しておいた、当該電源周波数から瞬時電圧低下時の周波数変動範囲分を除いた停電周波数基準値と比較し、当該停電周波数基準値より上である場合には瞬時電圧低下にもかかわらず検出しないことを特徴とする無停電電源装置。
前記請求項１に記載した無停電電源装置において、前記制御手段は、前記商用電源から入力される交流電力の電圧の低下に伴う前記第１の電力変換器における電流の増大を制限する手段を備えていることを特徴とする無停電電源装置。