JP4412224B2 - 無停電電源装置 - Google Patents
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Description
ところで、無停電電源装置は、電源のバックアップを目的とする装置であり、連続運転が要求される場合も多い。また、電力蓄積手段として鉛蓄電池を用いるような場合には、一般に装置本体よりも鉛蓄電池の方が寿命が短い。このため、無停電電源装置から負荷に給電した状態のまま、保守作業を実施する必要が生じる場合がある。このような目的のために設けられたのが、特許文献2に記載されているようなバイパス回路であり、バイパス回路を使用して給電している間に、変換器を停止させ、保守作業を実施する。
図12は、従来の無停電電源装置の全体構成を示す図であり、回路遮断手段である入力リレー5と、商用電源である入力側の電圧Vinを検出する入力電圧検出手段である電圧検出器6と、出力側に電圧Vin,V2の何れかを出力電圧Voutとして振り分ける回路切り替え手段である出力リレー7と、電力蓄積手段である蓄電池8と、電源装置9と、バイパス手段であるバイパス回路10と、これらを制御する制御装置11とから構成されている。
このように動作させるための、制御装置11の構成は、図13に示すように停電検出回路12及び電圧制御回路13を備えて構成される。
バイパス切替制御信号S2は、出力リレー7に入力され、電源装置9側に接続するか、バイパス回路10側に接続するかを決定するスイッチング指示信号となる。また、電圧制御回路13は、電源装置9の出力電圧を制御するための上記電源制御信号S3を発生して電源装置9に入力する。この電圧制御回路13の具体例は、図14〜図16に表した通りである。
このため、電源装置9の出力側には、電圧検出器6aを接続し、この検出電圧信号V6を制御装置11の中の電圧制御回路13に入力するようにしてある。また、電圧制御回路13には出力電圧指令信号V6aが入力され、電圧調節器16において出力電圧指令信号V6aと検出電圧信号V6との偏差を求め、これを定数倍して偏差V7として出力する。この電圧調節器16には、その偏差V7を定数倍する一般的な比例調節器(P調節器)のようなものが用いられる。なお、比例積分調節器(PI調節器)が用いられる場合もある。
なお、電力変換器18の制御系は図示していないが、一般的にPWMコンバータやPWM整流器などと呼ばれる種類の変換器の制御と同種の制御を行って、交流電圧から直流電圧側に電力を供給したり、場合によっては、交流電圧側に電力を返す動作を行ったりする場合もある。
図15において、電源装置9は入力側に並列に接続される電力変換器18b(並列コンバータ)と、入出力間に接続される電力変換器18c(直列コンバータ)と、コンデンサ19とを備えて構成されている。図16において、電源装置9は、負荷に並列に接続される電力変換器18b(並列コンバータ)と、入出力間に接続される電力変換器18c(直列コンバータ)と、コンデンサ19とから構成される。
ここにおいても出力電圧指令信号V6aは、電圧制御回路13に入力され、電圧調節器16において調節器演算が行われるが、直列コンバータが出力すべき電圧は、その構成から明らかなように入力電圧Vinと出力電圧Voutの差である。従って、電圧調節器16の出力をそのままPWM変調器17に送って制御しようとすると、電圧調節器16の負担は過大となり、制御性能が低下してしまう。
なお、電力変換器18bの制御は図示していないが、コンデンサ19の電圧を調整する機能や、直列コンバータが電源ラインとやり取りした電力を電源ラインに戻す役割を果たすものである。また、図14〜図16においては、簡単のため、入力リレーやバイパス回路などは省略して記載した。
更に、特許文献9〜特許文献12の技術は、何れも変換器からバイパス回路へ給電経路を移す場合に、事前に変換器の出力電圧をバイパス回路側の電圧に合わせておき、逆にバイパス回路から変換器へ給電経路を移す場合には、切り替え直後の変換器の出力電圧をバイパス回路側の電圧に合わせることによって、負荷や変換器に対する電圧変動に由来する切り替え時の動揺を抑制するようになっている。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、バイパス切り替え時の負荷に対する急峻な電圧変動を無くす入力電圧変動補償機能を、高速・高精度の部品の使用や追加回路の増設等のコスト高となる解決方法を用いず安価に構成することができる無停電電源装置を提供することを目的としている。
図1は、本発明の実施の形態に係る無停電電源装置の構成を示すブロック図である。
この図1に示す無停電電源装置100は、上記背景技術で説明した入力リレー5と、電圧検出器6と、出力リレー7と、蓄電池8と、電源装置9と、バイパス回路10と、本実施の形態の特徴要素である制御装置30とを備えて構成されている。
停電検出回路41は、電圧検出器6で検出された電圧(以降、検出入力電圧)V3が停電と見做される範囲かどうかを判定し、停電と判定した際に停電信号S1を入力リレー5へ出力する。入力リレー5は、その停電信号S1が供給されると開となる。
変化率制限回路31は、外部から入力されるバイパス切替指令信号S12がバイパス回路10側に切り替えるための指令として「0」から「1」にステップ状に変化した際に、この変化率を制限してランプ関数状に「0」から「1」まで変化させ、この変化させた信号S13をコンパレータ32、乗算器34及び減算器37へ出力する。
乗算器34は、変化率制限回路31での変化率制限後のバイパス切替指令信号S13と検出入力電圧V3とを乗算し、この結果を出力電圧V11として出力する。この出力電圧V11は、「0」から検出入力電圧V3まで徐々に変化する。言い換えれば、出力電圧V11は、「0」から入力電圧Vinまで徐々に変化する。
乗算器35は、その出力信号S14と、予め設定された通常運転時の出力電圧指令信号V12とを乗算し、この結果を出力電圧V13として出力する。この出力電圧V13は、「0」から検出入力電圧V3まで徐々に変化する。言い換えれば、出力電圧V13が通常時の出力電圧指令信号V12から「0」まで徐々に変化する。
乗算器36は、その出力電圧V14と、PLL回路42からの同期信号S11とを乗算し、この結果を出力電圧V15として出力する。この出力電圧V15は、出力電圧V14が同期信号S11を包絡する状態の電圧信号となってPWM変調器39へ出力される。
PWMパルス信号S15は、通常時の出力電圧指令信号V12から徐々に入力電圧Vinに変化する電圧V14と、PLL回路42からの同期信号S11とを乗算した電圧V15に応じて生成される信号なので、このPWMパルス信号S15(=電源制御信号S3)で電源装置9を制御すれば、電源装置9の出力電圧V2(=出力電圧Vout)を徐々に入力電圧Vinに近づけることができる。
コンパレータ33は、電圧検出器6からの検出入力電圧V3(=入力電圧Vin)の正弦波電圧の正負判定を行い、この正をオン、負をオフとするオン/オフ信号S17を、切替リレー44を介して電源装置9の電力変換器の電源制御信号S3として出力する。
まず、通常運転時の電源装置9側からバイパス回路10側に切り替える場合の動作を説明する。この場合、最初は出力リレー7が電源装置9側に接続されており、電源装置9からの電圧V2が出力電圧Voutとして出力されている。また、切替リレー44は、PWM変調器39側に接続されている。この時、図2に示すように、入力電圧Vinが通常運転時の出力電圧Voutよりも高いとする。
減算器37では、設定値の「1」からバイパス切替指令信号S13が減算され、この結果、出力信号S14が、「1」から「0」に向かって徐々に変化し、乗算器35へ出力される。乗算器35では、その出力信号S14と、通常時の出力電圧指令信号V12とが乗算され、この結果、出力電圧V13が「0」から検出入力電圧V3に向かって徐々に変化し、加算器38へ出力される。
乗算器36では、その出力電圧V14と、PLL回路42からの同期信号S11とが乗算され、この結果、出力電圧V15は、出力電圧V14が同期信号S11を包絡する状態の電圧信号となる。PWM変調器39では、その出力電圧V15が、電源装置9の電力変換器の駆動に必要なPWMパルス列に変調され、これがPWMパルス信号S15として出力される。
一方、変化率制限回路31からのバイパス切替指令信号S13が「1」になると、図2の時刻t2に示すように、電源装置9の出力電圧V2(=出力電圧Vout)が入力電圧Vinと同電位となる。この時、コンパレータ32では、そのバイパス切替指令信号S13の「1」によって、リレーを切り替えるための切替制御信号S16が出力され、切替リレー44がコンパレータ33側へ切り替わり、これよりも遅れてディレー回路45からバイパス切替制御信号S2が出力リレー7に入力され、これによってバイパス回路10側に切り替わる。
次に、出力リレー7をバイパス回路10側から電源装置9側へ切り替える場合の動作を説明する。この場合、入力電圧Vinがダイレクトにバイパス回路10を介して出力リレー7から出力電圧Voutとして出力されている。また、切替リレー44は、コンパレータ33側に接続されている。但し、切り替え後の通常運転時の出力電圧Voutは、図4の時刻t2以降に示すように入力電圧Vinよりも低いとする。
そこで、出力リレー7の切り替え前に、コンパレータ33によって、電圧検出器6からの検出入力電圧V3(=入力電圧Vin)の正弦波電圧の正負判定を行い、この正をオン、負をオフとするオン/オフ信号S17を、切替リレー44を介して電源制御信号S3として電源装置9へ出力している。
ここで、バイパス切替指令信号S12が、図4の時刻t1において、通常運転に切り替えるための指令として「1」から「0」にステップ状に変化したとする。このバイパス切替指令信号S12は、変化率制限回路31において、「1」から「0」に向かってランプ関数状に徐々に変化し、この変化した信号S13がコンパレータ32、乗算器34及び減算器37へ出力される。なお、「1」から「0」に向かってランプ関数状に徐々に変化する状態は、図4の時刻t1〜t2に示す状態と対応する。
乗算器36では、その出力電圧V14と、PLL回路42からの同期信号S11とが乗算され、この結果である出力電圧V15が、PWM変調器39へ入力される。PWM変調器39では、その出力電圧V15が、電源装置9の電力変換器の駆動に必要なPWMパルス列に変調され、これがPWMパルス信号S15として出力される。
そして、変化率制限回路31からのバイパス切替指令信号S13が「0」になると、図4の時刻t2以降に示すように、電源装置9の出力電圧V2が所定の通常運転時の出力電圧Voutとなる。
このような本無停電電源装置100によれば、出力電圧Voutを出力する出力リレー7の電源装置9側及びバイパス回路10側の相互切り替え時に、従来のような、電源装置9側とバイパス回路10側との2経路の電位差による急峻な電圧変動を無くすことができる。これによって、負荷に悪影響を与えることが無くなる。また、その電圧変動を無くす入力電圧変動補償機能を、高速・高精度の部品の使用や追加回路の増設等のコスト高となる解決方法を用いず構成することができるので、無停電電源装置100を安価に構成することができる。
最初に、本無停電電源装置100への入力電圧Vinを供給する商用電源が単相回路の場合、電源装置9の電力変換器は、図6に示すように、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子に帰還ダイオードが並列接続されて成るU,V,W,X,Y,Zの各アームと、コンデンサC1と、リアクタンス成分であるコイルL1,L2とを備えて構成されている。
電圧が負の時に電流が左から右に流れる場合は、図9に太線で示す経路によって、XアームのIGBT素子とZアームのダイオードとを通過して電流が流れ、右から左に流れる場合はZアームのIGBT素子とXアームのダイオードとを通過して電流が流れる。
このため、このモードを電源装置9側からバイパス回路10側への切り替え前に上述したように挿入することにより、出力リレー7の切り替え前後の出力電圧Voutの差がより小さくなり、負荷への電圧変動を低く抑えることができる。
従って、この状態で出力リレー7をバイパス回路10側から電源装置9側に切り替えることによって、負荷への電圧変動を低く抑えることができる。この後は、上述同様にPWM変調のモードに移行し、電圧を徐々に通常時の値に移行する。
図10に示すように、入力電圧Vinを供給する商用電源側との絶縁を行うトランスTr1を介して商用電源に並列接続され、U2及びV2の上アームとX2及びY2の下アームとから成る第1のフルブリッジ回路51と、トランスTr1を介して商用電源に直列接続され、U1及びV1の上アームとX1及びY1の下アームとから成る第2のフルブリッジ回路52と、コンデンサC1と、リアクトルL2とを備えて構成されている。但し、各フルブリッジ回路51,52は、商用電源には入力リレー5を介して接続される。
この後に、ディレー回路45を介したバイパス切替制御信号S2(=切替制御信号S16)によって出力リレー7を電源装置9側からバイパス回路10側に切り替える。
一方、出力リレー7を電源装置9側に切り替える場合、電源装置9の上下アームを、オン/オフ信号S17(=電源制御信号S3)によって入力電圧Vinの周波数と同周波数で同期させて上下交互にスイッチングさせ、入力電圧Vinを直接出力する動作状態にする。
従って、この状態で出力リレー7をバイパス回路10側から電源装置9側に切り替えることによって、負荷への電圧変動を低く抑えることができる。この後は、上述同様にPWM変調のモードに移行し、電圧を徐々に通常時の値に移行する。
図11に示すように、入力電圧Vinを供給する商用電源側との絶縁を行うトランスTr2を介して商用電源に並列接続され、U2、V2及びW2の上アームと、X2、Y2及びZ2の下アームとから成る第1のフルブリッジ回路55と、トランスTr2を介して商用電源に直列接続され、U1、V1及びW1の上アームと、X1、Y1及びZ1の下アームとから成る第2のフルブリッジ回路56と、コンデンサC1と、リアクトルL3とを備えて構成されている。但し、各フルブリッジ回路55,56は、商用電源には入力リレー5を介して接続される。
そして、上及び下アームの何れか一方を継続的に点弧状態とする。この後に、出力リレー7をバイパス回路10側に切り替える。
これによって、入力電圧Vinが略そのまま出力側に出力された状態で、バイパス回路10側に切り替えることができるので、出力リレー7の切り替え前後の出力電圧Voutの差がより小さくなり、負荷への電圧変動を低く抑えることができる。
従って、この状態で出力リレー7をバイパス回路10側から電源装置9側に切り替えることによって、負荷への電圧変動を低く抑えることができる。この後は、上述同様にPWM変調のモードに移行し、電圧を徐々に通常時の値に移行する。
6 電圧検出器
7 出力リレー
8 蓄電池
9 電源装置
10 バイパス回路
30 制御装置
31 変化率制限回路
32,33 コンパレータ
34,35,36 乗算器
37 減算器
38 加算器
39 PWM変調器
41 停電検出回路
42 PLL回路
44 切替リレー
45,45a ディレー回路
100 無停電電源装置
S1 停電信号
S2 バイパス切替制御信号
S3 電源制御信号
S11 同期信号
S12 バイパス切替指令信号
S13 変化率制限後のバイパス切替指令信号
S14 設定値から変化率制限後のバイパス切替指令信号の減算結果信号
S15 PWMパルス信号
S16 切替制御信号
S17 オン/オフ信号
Vin 入力電圧
Vout 出力電圧
V2 電源装置の出力電圧
V3 検出入力電圧
V11 変化率制限後のバイパス切替指令信号と検出入力電圧との乗算結果電圧
V12 通常運転時の設定出力電圧指令信号
V13 乗算結果電圧
V14 加算結果電圧
V15 乗算結果電圧と同期信号との乗算結果電圧
Claims (6)
- 入力側からの入力電圧を遮断する入力遮断手段と、この入力遮断手段を介して受電された入力電圧を直流に変換して蓄電池に蓄電すると共に出力側へ出力電圧として出力し、入力遮断手段の遮断時に蓄電池の蓄電電力を交流に変換して出力側へ出力する電源手段と、入力側と出力側との間に電源手段及び入力遮断手段に対して並列に接続されるバイパス手段と、このバイパス手段及び電源手段の何れか一方を出力側に接続する切り替えを行う出力切替手段と、入力電圧を検出する入力検出手段と、この入力検出手段での検出電圧が特定範囲を逸脱する際に入力遮断手段を遮断状態として蓄電電力を出力側へ出力する制御を行うと共に、出力切替手段を制御して電源手段とバイパス手段との相互切替を行う制御手段とを有する無停電電源装置において、
前記入力電圧が単相交流であり、この交流を受電するために前記電源手段が、上下アームが直列接続されたレッグを3つ有し、このうち1レッグを共通とする2つの単相コンバータで成る際に、
前記制御手段は、前記電源手段側から前記バイパス手段側への切替制御を行う場合、前記電源手段の出力電圧を徐々に前記入力電圧に近づけた後、中間点が前記入力遮断手段に接続されているレッグと、中間点が前記出力切替手段に接続されているレッグとの上下アームを、入力電圧の周波数と同周波数で同期して上下交互にスイッチングさせて受電電圧を直接出力する動作とした後に、前記出力切替手段を前記バイパス手段側に切り替えることを特徴とする無停電電源装置。 - 前記制御手段は、前記バイパス手段側から前記電源手段側への切替制御を行う場合、中間点が前記入力遮断手段に接続されているレッグと、中間点が前記出力切替手段に接続されているレッグとの上下アームを、入力電圧の周波数と同周波数で同期して上下交互にスイッチングさせて入力電圧を直接出力する動作とした後に、前記出力切替手段を前記電源手段側に切り替え、この後に前記電源手段の出力電圧を徐々に通常運転時の電圧に移行することを特徴とする請求項1に記載の無停電電源装置。
- 入力側からの入力電圧を遮断する入力遮断手段と、この入力遮断手段を介して受電された入力電圧を直流に変換して蓄電池に蓄電すると共に出力側へ出力電圧として出力し、入力遮断手段の遮断時に蓄電池の蓄電電力を交流に変換して出力側へ出力する電源手段と、入力側と出力側との間に電源手段及び入力遮断手段に対して並列に接続されるバイパス手段と、このバイパス手段及び電源手段の何れか一方を出力側に接続する切り替えを行う出力切替手段と、入力電圧を検出する入力検出手段と、この入力検出手段での検出電圧が特定範囲を逸脱する際に入力遮断手段を遮断状態として蓄電電力を出力側へ出力する制御を行うと共に、出力切替手段を制御して電源手段とバイパス手段との相互切替を行う制御手段とを有する無停電電源装置において、
前記入力電圧が単相交流であり、この交流を受電するために前記電源手段が、複数の上下アームを組み合わせた第1及び第2のフルブリッジ回路を有し、当該第1のフルブリッジ回路が単相交流電源に並列に接続され、当該第2のフルブリッジ回路が該第1のフルブリッジ回路の前記単相交流電源への並列接続点の単相交流電源側、或いは負荷側における単相交流電源と負荷との間に、直列に絶縁手段を介して接続されて成る際に、
前記制御手段は、前記電源手段側から前記バイパス手段側への切替制御を行う場合、前記電源手段の出力電圧を徐々に前記入力電圧に近づけた後、前記第2のフルブリッジ回路の上下アームを入力電圧の周波数と同周波数で同期して上下交互にスイッチングさせるか、上もしくは下アームを継続的に点弧する状態とさせて入力電圧を直接出力する動作とした後に、前記出力切替手段を前記バイパス手段側に切り替えることを特徴とする無停電電源装置。 - 前記制御手段は、前記バイパス手段側から前記電源手段側への切替制御を行う場合、前記第2のフルブリッジ回路の上下アームを入力電圧の周波数と同周波数で同期して上下交互にスイッチングさせるか、上もしくは下アームを継続的に点弧する状態とさせて入力電圧を直接出力する動作とした後に、前記出力切替手段を前記電源手段側に切り替え、この後に前記電源手段の出力電圧を徐々に通常運転時の電圧に移行することを特徴とする請求項3に記載の無停電電源装置。
- 入力側からの入力電圧を遮断する入力遮断手段と、この入力遮断手段を介して受電された入力電圧を直流に変換して蓄電池に蓄電すると共に出力側へ出力電圧として出力し、入力遮断手段の遮断時に蓄電池の蓄電電力を交流に変換して出力側へ出力する電源手段と、入力側と出力側との間に電源手段及び入力遮断手段に対して並列に接続されるバイパス手段と、このバイパス手段及び電源手段の何れか一方を出力側に接続する切り替えを行う出力切替手段と、入力電圧を検出する入力検出手段と、この入力検出手段での検出電圧が特定範囲を逸脱する際に入力遮断手段を遮断状態として蓄電電力を出力側へ出力する制御を行うと共に、出力切替手段を制御して電源手段とバイパス手段との相互切替を行う制御手段とを有する無停電電源装置において、
前記入力電圧が三相交流であり、この交流を受電するために前記電源手段が、複数の上下アームを組み合わせた第1及び第2のフルブリッジ回路を有し、当該第1のフルブリッジ回路が三相交流電源に並列に接続され、当該第2のフルブリッジ回路が該第1のフルブリッジ回路の前記三相交流電源への並列接続点の三相交流電源側、或いは負荷側における三相交流電源と負荷との間に、直列に絶縁手段を介して接続されて成る際に、
前記制御手段は、前記電源手段側から前記バイパス手段側への切替制御を行う場合、前記電源手段の出力電圧を徐々に前記入力電圧に近づけた後、前記第2のフルブリッジ回路の上もしくは下アームを継続的に点弧する状態とさせて入力電圧を直接出力する動作とした後に、前記出力切替手段を前記バイパス手段側に切り替えることを特徴とする無停電電源装置。 - 前記制御手段は、前記バイパス手段側から前記電源手段側への切替制御を行う場合、前記第2のフルブリッジ回路の上もしくは下アームを継続的に点弧する状態とさせて入力電圧を直接出力する動作とした後に、前記出力切替手段を前記電源手段側に切り替え、この後に前記電源手段の出力電圧を徐々に通常運転時の電圧に移行することを特徴とする請求項5に記載の無停電電源装置。
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