JP4614439B2 - 無停電電源装置及びその入力電流制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、無停電電源装置及びその入力電流制御方法に係り、特に入力絶縁トランスの飽和に起因する歪み電流が交流入力電源に流入しないようにした無停電電源装置及びその入力電流制御方法に関する。

無停電電源装置は、商用交流電源を、入力交流フィルタを介してコンバータで直流に変換し、この直流を平滑コンデンサで平滑し、インバータで再び交流に変換し、この交流出力を、出力フィルタを介して負荷に給電し、万一商用交流電源が停電したときは、直流回路に接続された蓄電池により、負荷への給電を継続するように構成している。

入力交流フィルタは、コンバータへの高調波の流入を防ぐと共に、コンバータから商用交流電源への高調波の流出を防止する様に動作するが、比較的低次の高調波に対してはその効き目が薄い。

これに対し、コンバータを自励型としてこのスイッチングによってコンバータへの高調波の流入を防ぐ方法が考えられる。この自励型コンバータをアクティブパワーフィルタとして動作させ、系統全体の高調波の低減、力率の改善を行う提案も行われている（例えば特許文献１参照。）。
特開平６−８６５５７（第４−５頁、図１）

特許文献１に示された手法は、システムとしての高調波低減、力率改善には有効である。しかしながら、例えば入力絶縁トランスの飽和に起因する高調波の補償という特定の対策を考えると、特許文献１に示された手法はフィードバック制御であるため、制御の遅れが問題となることがあり、また高調波外乱が大きいとき安定な制御を行おうとすると、その補償量に限界がある。ここで、上記入力絶縁トランスの飽和は、絶縁トランスの容量を余裕を持って選定すれば発生しないが、経済性などの理由によって絶縁トランスの容量に余裕がない場合が度々生じているのが実情である。

本発明は上記に鑑みて為なされたもので、入力絶縁トランスの飽和に起因する該無停電電源装置の入力電流の歪みを効果的に解消するようにした無停電電源装置及びその入力電流制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の発明である無停電電源装置は、交流入力電源から絶縁トランス及び交流入力フィルタを介して給電されるコンバータと、このコンバータの直流出力に並列に接続され、前記交流入力電源の停電時に放電する蓄電池と、前記コンバータの直流出力を平滑する直流フィルタと、この直流フィルタの出力を交流に変換し、出力フィルタを介して負荷に給電するインバータと、前記コンバータのスイッチング素子にゲートパルスを供給するコンバータ制御部とを具備し、前記コンバータ制御部は、直流電圧指令と前記インバータの入力電圧との偏差を調整して直流電流基準を出力する第１の制御器と、前記交流入力電源の位相及び周波数を検出し、これと同期した基準正弦波を生成する手段と、前記交流入力電源の位相及び周波数に応じて、前記絶縁トランスの磁気飽和による３次高調波成分電流と逆極性の歪み電流補償基準を生成する歪み電流補償手段と、前記歪み電流補償基準を前記基準正弦波に加算して位相基準を出力し、この位相基準に前記直流電流基準を乗算して交流電流基準を出力する手段と、この交流電流基準と前記インバータの入力電流の偏差を調整して交流電圧基準を出力する第２の制御器と、この第２の制御器の出力に応じて前記コンバータのスイッチング素子にゲートパルスを供給するＰＷＭ制御手段とを有することを特徴としている。

また、本発明の第２の発明である無停電電源装置の入力電流制御方法は、交流入力電源から絶縁トランス及び交流入力フィルタを介して給電されるコンバータと、このコンバータの直流出力に並列に接続され、前記交流入力電源の停電時に放電する蓄電池と、前記コンバータの直流出力を平滑する直流フィルタと、この直流フィルタの出力を交流に変換し、出力フィルタを介して負荷に給電するインバータとを備えた無停電電源装置において、第１の制御器により、直流電圧指令と前記インバータの入力電圧との偏差を調整して直流電流基準を出力し、前記交流入力電源の位相及び周波数を検出し、これと同期した基準正弦波を生成し、この基準正弦波に前記交流入力電源の位相及び周波数に応じて生成され、前記絶縁トランスの磁気飽和による３次高調波成分電流と逆極性の歪み電流補償基準を加算して位相基準とし、この位相基準に前記直流電流基準を乗算して交流電流基準とし、第２の制御器により前記交流電流基準と前記インバータの入力電流の偏差を調整して交流電圧基準を出力し、この第２の制御器の出力に応じて前記コンバータのスイッチング素子にゲートパルスを供給してＰＷＭ制御するようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、入力絶縁トランスの飽和に起因する該無停電電源装置の入力電流の歪みを効果的に解消するようにした無停電電源装置及びその入力電流制御方法を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係る無停電電源装置及びその入力電流制御方法を図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る無停電電源装置のブロック構成図である。

交流入力電源１の交流を受け、無停電電源装置２は高品質の交流を負荷３に供給している。無停電電源装置２の主回路は以下のように構成されている。

交流入力は交流入力スイッチ１１を介し入力の絶縁トランス１２に供給される。絶縁トランス１２の２次出力は交流入力フィルタ１３を介しコンバータ１４に供給される。コンバータ１４は自己消弧型素子をブリッジ接続して成る自励式コンバータであり、その直流出力は直流フィルタ部の平滑コンデンサ１５によって平滑される。尚、この直流フィルタ部は、直列リアクトルを備えた構成とする場合がある。

直流出力部には平滑コンデンサ１５と並列にスイッチを介して蓄電池１６が設けられ、交流入力電源１が停電したときここから負荷３に電力を供給する。平滑コンデンサ１５で平滑された直流はインバータ１７に与えられ、このインバータ１７で再び交流に変換し、出力フィルタ１８で高調波成分を除去して負荷３に給電する。インバータ１７はコンバータ１４と同様の構成から成る自励式インバータであり、図示しないインバータ制御部の指令に従い動作する。

コンバータ１４はコンバータ制御部１９の指令に従い動作する。このコンバータ制御部１９には、コンバータ１４の入力側に設けられた電流検出器２０の入力電流信号、絶縁トランス１２の２次側に設けられた電圧検出器２１の電圧信号及び、平滑コンデンサ１５の両端に設けられた直流電圧検出器２２の直流電圧信号が与えられている。以下、コンバータ制御部１９の内部構成について説明する。

電圧検出器２１の電圧信号はＰＬＬ（フェーズロックドループ）回路で安定化を図った位相検出器３１に入力され、位相検出器３１で検出された位相及び周波数に従って正弦波発生器３２により正弦波信号を発生する。同様に、位相検出器３１で検出された位相及び周波数を受け、歪電流補償器３３が歪電流補償信号を出力し、この歪電流補償信号と前述の正弦波信号を加算器３４で合成して位相基準を得る。

一方、直流電圧検出器２２の直流電圧信号は直流電圧指令３５と比較され、その偏差は制御器３７でＰＩＤ制御処理されて直流電流基準を得る。この直流電流基準に前述の加算器３４の出力である位相基準を乗算器３８で乗算することにより交流入力の交流電流基準が得られる。この交流電流基準と電流検出器２０の入力電流信号とを比較器３９で比較し、その偏差を制御器４０でＰＩＤ制御し、この制御器４０の出力である電圧基準をキャリア発生器４１のキャリア信号に基づいてＰＷＭ制御器４２で変調し、この出力でコンバータ１４の自己消弧型素子をオンオフ制御する。

以上述べた構成における実施例１の作用、効果について、図２を参照して説明する。図２は入力の絶縁トランスが飽和したときの補償動作の説明図である。

交流入力スイッチ１１と交流入力フィルタ１３の間に、絶縁トランス１２が挿入されている無停電電源装置２においては、絶縁トランス１２の磁束が飽和した場合、飽和電流が交流入力電源１からトランス１２に流れ込み、無停電電源装置の入力電流に歪みが生じる。この歪み分（磁気飽和による出力電流成分）は図２（ａ）に示すように、電源電圧位相に対して９０度遅れ、電源電圧がゼロクロスする部分にのみ流れる３次高調波成分となる。これは即ち、電源電圧が正から負にゼロクロスする点にピークを持ち、電源周波数の３倍の周波数を持つ波形のうち、電源電圧が正から負または負から正にゼロクロスする１８０度（３次高調波を基準）分はこの値をとり、他はゼロとなるような波形である。

従ってこの歪み分を補償するように、この歪み分とは逆極性の図２（ｂ）に示すような補償電流を歪み電流補償器３３で作成するようにすれば、この歪み分を打ち消すようにコンバータ１４が動作し、歪み分はコンバータ１４には流入しなくなる。

以上説明したように、本発明によれば、絶縁トランス１２の飽和などによりコンバータ１４の入力電流に歪み分が重畳しても、歪み電流補償器３３の出力を入力電流の位相基準に加算することよって、歪み分を除去することができる。

尚、図２（ａ）に示した歪み分（磁気飽和による出力電流成分）は、飽和の度合いや、回路の条件によって異なる場合があるので、歪み電流補償器３３が動作していないときの図２（ａ）に相当する歪み分を実測し、この実測結果に従って歪み電流補償器３３が発生する補償電流の基準を決めるようにしても良い。

図３は本発明の実施例２に係る無停電電源装置のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る無停電電源装置のブロック構成図と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、歪み電流補償器３３の出力にトリマポテンショメータ４３を設け、このトリマポテンショメータ４３の出力を補償分の位相基準とするようにした点である。

前述したように、絶縁トランス１２の磁束が飽和した場合の飽和電流は飽和の度合い、回路条件などにより様々に変化する。従って、歪み電流補償器３３の出力を、トリマポテンショメータ４３で適宜調整可能とすることにより、様々に変化する歪み電流を相殺する入力電流の位相基準を生成することができる。

また、絶縁トランス１２を別の絶縁トランスに入れ替えても、トリマポテンショメータ４３を再調整することにより、上記と同様の作用によって入力電流の歪みを適切に抑制することが可能となる。

図４は本発明の実施例３に係る無停電電源装置のブロック構成図である。この実施例３の各部について、図１の実施例１に係る無停電電源装置のブロック構成図と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、歪み電流補償器３３の入力に位相シフト器４４を設け、位相検出器３１で得られた電源電圧位相を所定量シフトしたあと、歪み電流補償器３３の補償波形を生成させるようにした点である。

実施例２においては、補償量の振幅が様々に変化することについて説明したが、実際には補償量の位相も様々に変化する。従って、歪み電流補償器３３の入力となる電源位相を、位相シフト器４４で適宜調整可能とすることにより、様々に変化する歪み電流を相殺する入力電流の位相基準を生成することが可能となる。

また、実施例２の場合と同様、絶縁トランス１２を別の絶縁トランスに入れ替えても、位相シフト器４４の位相差を再調整することにより、入力電流の歪みを適切に抑制することが可能となる。

本発明の実施例１に係る無停電電源装置のブロック構成図。 絶縁トランス飽和時の補償動作の説明図。 本発明の実施例２に係る無停電電源装置のブロック構成図。 本発明の実施例３に係る無停電電源装置のブロック構成図。

符号の説明

１ 交流入力電源
２ 無停電電源装置
３ 負荷
１１ 交流入力スイッチ
１２ 絶縁トランス
１３ 交流入力フィルタ
１４ コンバータ
１５ 平滑コンデンサ
１６ 蓄電池
１７ インバータ
１８ 出力フィルタ
１９ コンバータ制御部
２０ 電流検出器
２１ 電圧検出器
２２ 直流電圧検出器
３１ 位相検出器
３２ 正弦波発生器
３３ 歪み電流補償器
３４ 加算器
３５ 直流電圧指令
３６ 比較器
３７ 制御器
３８ 乗算器
３９ 比較器
４０ 制御器
４１ キャリア発生器
４２ ＰＷＭ制御器
４３ トリマポテンショメータ
４４ 位相シフト器

Claims (5)

1. 交流入力電源から絶縁トランス及び交流入力フィルタを介して給電されるコンバータと、
   このコンバータの直流出力に並列に接続され、前記交流入力電源の停電時に放電する蓄電池と、
   前記コンバータの直流出力を平滑する直流フィルタと、
   この直流フィルタの出力を交流に変換し、出力フィルタを介して負荷に給電するインバータと、
   前記コンバータのスイッチング素子にゲートパルスを供給するコンバータ制御部と
   を具備し、
   前記コンバータ制御部は、
   直流電圧指令と前記インバータの入力電圧との偏差を調整して直流電流基準を出力する第１の制御器と、
   前記交流入力電源の位相及び周波数を検出し、これと同期した基準正弦波を生成する手段と、
   前記交流入力電源の位相及び周波数に応じて、前記絶縁トランスの磁気飽和による３次高調波成分電流と逆極性の歪み電流補償基準を生成する歪み電流補償手段と、
   前記歪み電流補償基準を前記基準正弦波に加算して位相基準を出力し、この位相基準に前記直流電流基準を乗算して交流電流基準を出力する手段と、
   この交流電流基準と前記インバータの入力電流の偏差を調整して交流電圧基準を出力する第２の制御器と、
   この第２の制御器の出力に応じて前記コンバータのスイッチング素子にゲートパルスを供給するＰＷＭ制御手段と
   を有することを特徴とする無停電電源装置。
2. 前記歪み電流補償手段の出力の大きさをトリマポテンショメータによって調整可能としたことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 前記歪み電流補償手段の位相基準入力となる前記電源の位相を位相シフト手段により調整可能としたことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
4. 前記歪み電流補償基準は、
   前記電源の位相に対して９０度遅れ、電源電圧がゼロクロスする部分にのみ補償量が生ずる３次高調波成分を含むようにしたことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
5. 交流入力電源から絶縁トランス及び交流入力フィルタを介して給電されるコンバータと、
   このコンバータの直流出力に並列に接続され、前記交流入力電源が停電したとき放電する蓄電池と、
   前記コンバータの直流出力を平滑する直流フィルタと、
   この直流フィルタの出力を交流に変換し、出力フィルタを介して負荷に給電するインバータと
   を備えた無停電電源装置において、
   第１の制御器により、直流電圧指令と前記インバータの入力電圧との偏差を調整して直流電流基準を出力し、
   前記交流入力電源の位相及び周波数を検出し、これと同期した基準正弦波を生成し、
   この基準正弦波に、前記交流入力電源の位相及び周波数に応じて生成され、前記絶縁トランスの磁気飽和による３次高調波成分電流と逆極性の歪み電流補償基準を加算して位相基準とし、
   この位相基準に前記直流電流基準を乗算して交流電流基準とし、
   第２の制御器により前記交流電流基準と前記インバータの入力電流の偏差を調整して交流電圧基準を出力し、
   この第２の制御器の出力に応じて前記コンバータのスイッチング素子にゲートパルスを供給してＰＷＭ制御するようにしたことを特徴とする無停電電源装置の入力電流制御方法。

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