JP5136102B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、入力交流電圧が健全なときには、この交流電圧を通過させつつ負荷に供給し、また、前記入力交流電圧が異常なときには、蓄電池の端子電圧を所望の交流電圧に変換しつつ負荷に供給する電源装置に関する。

図３は、この種の電源装置の従来例を示す回路構成図であり、この電源装置１は周知の半導体電力変換技術を用いて形成される双方向変換回路２、コンタクタ３、図示しないシーケンス回路などから構成され、４は商用電源などの入力交流電源、５は蓄電池設備、６は電源装置１の負荷である。

この電源装置１では、入力交流電源４が健全なときには、前記シーケンス回路からの指令により、コンタクタ３を閉路状態にすることで、負荷６には入力交流電源４の交流電圧が供給されると共に、この交流電圧を入力とする双方向変換回路２により蓄電池設備５を充電するための直流電圧に変換している。

また、上述の動作を行っている入力交流電源４が健全な状態から、入力交流電源４に停電が発生する、入力交流電源４の電圧が所定の範囲、例えば、停電や定格電圧の−１２％〜＋２０％の範囲を逸脱するなどの異常な状態になると、この電源装置１では、前記シーケンス回路がこれを検知して、コンタクタ３を上述の閉路状態から開路状態に移行させ、この移行動作が完了すると、蓄電池設備５の端子電圧を入力とする双方向変換回路２により交流電圧を発生させて負荷６に供給する。このときの負荷６の両端電圧は、健全時に印加される入力交流電源４の電圧とほぼ同等にしている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献としては、下記のものがある。
特開２００６−２５５４０号公報

図３に示した従来の電源装置１では、入力交流電源４が健全な状態でこの入力交流電源４の電圧を負荷６に印加中に、入力交流電源４に上述のような異常な状態が発生すると、コンタクタ３を開路状態に移行させた後、蓄電池設備５と双方向変換回路２とによる負荷６への給電を開始するまでの間に、入力交流電源４の電圧と双方向変換回路２の出力電圧とのオーバラップによるこの双方向変換回路２の損傷を防止するために、少なくとも数ミリ秒間の無電圧期間を必要とし、この期間には負荷６への給電が中断するという問題点があった。

この発明の目的は、上記問題点を解消しつつ、低価格の無停電電源装置を提供することにある。

この発明は、自己消弧形半導体素子とダイオードとの逆並列接続回路２個を直列接続してなる第１アーム，第２アーム，第３アームと、第１コンデンサとを互いに並列接続し、第１リアクトルの一端を第２アームの中間接続点に接続し、第２リアクトルと第２コンデンサとを直列接続してなる出力フィルタのリアクトル側端を第３アームの中間接続点に接続して形成される電力変換回路と、
蓄電池設備の端子電圧を昇圧した直流電圧に変換し、この直流電圧を前記第１コンデンサの両端に印加する昇圧回路と、
前記電力変換回路への入力交流電源の一端と第１アームの中間接続点とを接続し、該入力交流電源の他端は第１リアクトルの他端と前記出力フィルタのコンデンサ側端とに接続すると共に、第２コンデンサの両端に接続される負荷に交流電圧を供給するために前記電力変換回路および昇圧回路の動作を制御する制御回路とから構成された無停電電源装置において、
前記制御回路では、
前記入力交流電源が健全なときには、第１アーム，第３アームは該入力交流電源の電圧極性の変化に同期してスイッチング動作をさせつつ、第２アームは前記入力交流電源の周波数より高い周波数でスイッチング動作をさせると共に、前記昇圧回路を不動作とし、
また、前記入力交流電源が異常なときには、第１アームを不動作にしつつ、第２アーム、第３アームは前記入力交流電源の周波数より高い周波数でスイッチング動作をさせると共に、前記昇圧回路を動作させることを特徴とする。

この発明によれば、先述の無電圧期間を必要とせず、且つ、価格上昇を抑えた回路構成にすることにより、従来の電源装置の機能を維持しつつ、負荷への給電に対して中断の無い電源装置、すなわち、無停電電源装置を提供することができる。

図１は、この発明の実施例を示す無停電電源装置の回路構成図である。

この無停電電源装置１０の電力変換回路１１では、ダイオードがそれぞれ逆並列接続された自己消弧形半導体素子としてのＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のＱ１とＱ２とを直列接続してなる第１アーム，ダイオードがそれぞれ逆並列接続されたＩＧＢＴのＱ３とＱ４とを直列接続してなる第２アーム，ダイオードがそれぞれ逆並列接続されたＩＧＢＴのＱ５とＱ６とを直列接続してなる第３アーム，コンデンサＣ１それぞれを互いに並列接続している。また、リアクトルＬ１の一端を第２アームの中間接続点に接続し、リアクトルＬ２とコンデンサＣ２とを直列接続してなる出力フィルタのリアクトルＬ２側端を第３アームの中間接続点に接続している。

また、周知のチョッパ回路などで形成される昇圧回路１２は、蓄電池設備５の端子電圧を昇圧した直流電圧に変換し、この直流電圧をコンデンサＣ１の両端に印加するときに供される。さらに、制御回路１３は、負荷６に安定した交流電圧を供給するために、電力変換回路１１および昇圧回路１２の動作を制御するものである。

また、入力交流電源４の一端はコンタクタ１４の一方の接点を介して第１アームの中間接続点に接続し、入力交流電源４の他端はコンタクタ１４の他方の接点を介してリアクトルＬ１の他端と前記出力フィルタのコンデンサＣ２側端とに接続している。ここで、コンデンサＣ３は入力交流電源のフィルタコンデンサである。さらに、コンデンサＣ２の両端はコンタクタ１５の接点を介して負荷６に接続されている。

この無停電電源装置１０の動作を、図２の波形図を参照しつつ、以下に説明する。

コンタクタ１４，１５が共に無励磁状態から、先ず、コンタクタ１４を励磁すると、電圧検出器ＰＴ１を介した入力交流電源４の電圧検出値が、制御回路１３に入力される。

この入力交流電源４の入力電圧が健全なときには、制御回路１３では、図２（イ）に示すように、電力変換回路１１の第１アームを形成するＱ１，Ｑ２、第３アームを形成するＱ５，Ｑ６は前記入力電圧の極性の変化に同期してスイッチング動作をさせつつ、第２アームを形成するＱ３，Ｑ４には入力交流電源４の周波数より高い周波数でスイッチング動作をさせると共に、昇圧回路１２を不動作（オフ状態）にする。

この図２（イ）に示す状態で、電圧検出器ＰＴ２を介した電力変換回路１１の出力電圧、すなわち、コンデンサＣ２の両端電圧が確立すると、コンタクタ１５が励磁され、負荷６への給電が開始される。

この状態では、ＩＧＢＴのＱ１，Ｑ２，Ｑ５，Ｑ６それぞれが入力交流電源４の電圧極性の変化に同期してスイッチング動作をしていることから、負荷６の両端電圧は入力交流電源４の電圧とほぼ同等になっている。すなわち図２（イ）に示すように、入力交流電源４の電圧変動が負荷６の両端電圧にも現れる。また、ＩＧＢＴのＱ３，Ｑ４それぞれが入力交流電源４の周波数より高い周波数でスイッチング動作をさせて、コンデンサＣ１の両端電圧をほぼ一定値に保つようにしている。なお、図２（イ）では、ＩＧＢＴのＱ３，Ｑ４のオン・オフパルスは一定間隔で表示しているが、これは模式的に示すもので、制御回路１３での制御動作に応じてこれらのパルス幅は増減する。

また、上述の動作を行っている入力交流電源４が健全な状態から、入力交流電源４の異常な状態として、該電源に停電が発生すると、この無停電電源装置１０では、電圧検出器ＰＴ１を介した制御回路１３がこれを検知して、コンタクタ１４を上述の閉路状態から開路状態に移行させると共に、図２（ロ）に示すように、電力変換回路１１のＩＧＢＴのＱ１，Ｑ２それぞれを不動作（オフ状態）にしつつ、ＩＧＢＴのＱ５，Ｑ６，Ｑ３，Ｑ４それぞれは高周波でスイッチング動作をさせると共に、昇圧回路１２の動作を開始させて、コンタクタ１４の開路動作に伴うコンデンサＣ１の両端電圧の変動を抑制しつつ、その電圧値の維持を図る。

この状態になると、電圧検出器ＰＴ２を介した制御回路１３により、昇圧回路１２では蓄電池設備５の端子電圧を昇圧した直流電圧に変換し、この直流電圧はコンデンサＣ１の両端電圧を所望の値を維持するために供給され、ＩＧＢＴのＱ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６それぞれが高周波のスイッチング動作をすることにより、負荷６の両端電圧を入力交流電源４の定格電圧，周波数とほぼ同等にしている。

すなわち、このときには、コンデンサＣ１を直流電源とし、電力変換回路１１の第２アームと第３アームとでインバータ回路を形成することで、電力変換回路１１の出力には正弦波状の交流電圧を発生させることができる。なお、図２（ロ）では、ＩＧＢＴのＱ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６それぞれのオン・オフパルスは一定間隔で表示しているが、これは模式的に示すもので、制御回路１３での制御動作に応じてこれらのパルス幅は増減する。

また、図２（ロ）では、入力交流電源４が異常な状態として、停電状態になった場合を例に挙げて説明したが、入力交流電源４の電圧が所定の範囲（例えば、定格電圧の−１２％〜＋２０％）を逸脱するような異常の場合にも、この無停電電源装置１０では、電圧検出器ＰＴ１を介した制御回路１３がこれを検知して、コンタクタ１４を閉路状態から開路状態に移行させると共に、第１〜第３アームのスイッチング動作および昇圧回路１２の動作は、上述の停電の場合と同様に行われる。

この発明の無停電電源装置１０によれば、図３に示した従来の電源装置１のように無電圧期間を必要とせず、また、コンバータ回路とインバータ回路からなる本格的な無停電電源装置に比して、低価格な無停電電源装置を提供することができる。

この発明の実施例を示す無停電電源装置の回路構成図 図１の動作を説明する波形図 従来例を示す電源装置の回路構成図

符号の説明

１…電源装置、２…双方向変換回路、３…コンタクタ、４…入力交流電源、５…蓄電池設備、６…負荷、１０…無停電電源装置、１１…電力変換回路、１２…昇圧回路、１３…制御回路、１４，１５…コンタクタ、Ｑ１〜Ｑ６…ＩＧＢＴ、Ｌ１，Ｌ２…リアクトル、Ｃ１〜Ｃ３…コンデンサ、ＰＴ１，ＰＴ２…電圧検出器。

Claims (1)

1. 自己消弧形半導体素子とダイオードとの逆並列接続回路２個を直列接続してなる第１アーム，第２アーム，第３アームと、第１コンデンサとを互いに並列接続し、第１リアクトルの一端を第２アームの中間接続点に接続し、第２リアクトルと第２コンデンサとを直列接続してなる出力フィルタのリアクトル側端を第３アームの中間接続点に接続して形成される電力変換回路と、
   蓄電池設備の端子電圧を昇圧した直流電圧に変換し、この直流電圧を前記第１コンデンサの両端に印加する昇圧回路と、
   前記電力変換回路への入力交流電源の一端と第１アームの中間接続点とを接続し、該入力交流電源の他端は第１リアクトルの他端と前記出力フィルタのコンデンサ側端とに接続すると共に、第２コンデンサの両端に接続される負荷に交流電圧を供給するために前記電力変換回路および昇圧回路の動作を制御する制御回路とから構成された無停電電源装置において、
   前記制御回路では、
   前記入力交流電源が健全なときには、第１アーム，第３アームは該入力交流電源の電圧極性の変化に同期してスイッチング動作をさせつつ、第２アームは前記入力交流電源の周波数より高い周波数でスイッチング動作をさせると共に、前記昇圧回路を不動作とし、
   また、前記入力交流電源が異常なときには、第１アームを不動作にしつつ、第２アーム、第３アームは前記入力交流電源の周波数より高い周波数でスイッチング動作をさせると共に、前記昇圧回路を動作させることを特徴とする無停電電源装置。

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