JP5332621B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、パソコンなどの電源に供される単相出力の無停電電源装置に関する。

図３は、この種の無停電電源装置のブロック構成図を示し、この図において、１は商用電源などの交流電源、２は単位電池を複数個直列接続してなる蓄電池設備、３は単相負荷を示し、この単相負荷３は無停電電源装置１０から給電される。

この無停電電源装置１０にはコンタクタ１１と、交流電源１の電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータ１２と、コンバータ１２の出力電圧を平滑するコンデンサ１３と、コンデンサ１３の両端電圧を所望の周波数・振幅の単相交流電圧に変換して出力するインバータ１４と、コンタクタ１５，１６と、交流電源１が喪失したときに蓄電池設備２の端子電圧を昇圧しつつ、コンデンサ１３およびインバータ１４に供給する昇圧チョッパ１７または昇圧チョッパ１８とを備えている。

図３に示した無停電電源装置１０では、交流電源１が健全なときにはコンタクタ１１，１５が閉路状態、コンタクタ１６が開路状態にあり、交流電源１→コンバータ１２→コンデンサ１３，インバータ１４→単相負荷３の経路により単相負荷３に給電している。

また、交流電源１に停電など不具合が発生し、交流電源１が喪失したときにはこれを検知して、コンタクタ１５，１６が閉路状態、コンタクタ１１が開路状態となり、蓄電池設備２→昇圧チョッパ１７または昇圧チョッパ１８→コンデンサ１３，インバータ１４→単相負荷３の経路で単相負荷３への給電を継続する。

図４は、この発明の従来例としての昇圧チョッパ１７の詳細回路構成図である。

この昇圧チョッパ１７はコンデンサ２１、電流検出器２２、リアクトル２３、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）２４、ダイオード２５，２６、電圧検出器２７、電圧制御回路３０、ゲート駆動回路３１、過電流保護回路３２から形成されている。

図４に示した昇圧チョッパ１７では、ゲート駆動回路３１からの駆動信号によりＩＧＢＴ２４がオンしているときに、蓄電池設備２のプラス端子→リアクトル２３→ＩＧＢＴ２４→蓄電池設備２のマイナス端子の経路の電流により、リアクトル２３にエネルギーが蓄えられ、その後、ゲート駆動回路３１からの駆動信号によりＩＧＢＴ２４がオンからオフに変化すると、蓄電池設備２の端子電圧にリアクトル２３が蓄えた前記エネルギーに基づく電圧を重畳しつつ、ダイオード２６を介してコンデンサ１３およびインバータ１４に供給するように動作する。

従って、交流電源１が喪失したときにはこれを検知し、電圧制御回路３０では、交流電源１が健全なときのコンバータ１２の出力電圧に基づくコンデンサ１３の両端電圧に対応する電圧設定値と、電圧検出器２７を介して得られたコンデンサ１３の両端電圧の検出値との偏差を零にする調節演算を行い、この演算結果に基づくＰＷＭ（パルス幅変調）演算を行っている。このＰＷＭ演算結果としてのＩＧＢＴ２４へのオン・オフ信号はゲート駆動回路３１に伝達される。

すなわち、電圧制御回路３０ではコンデンサ１３の両端電圧をより高くするときには、前記ＰＷＭ演算の１周期中のＩＧＢＴ２４へのオン信号の発生区間を増大させ、一方、コンデンサ１３の両端電圧をより低くするときには、前記ＰＷＭ演算の１周期中のＩＧＢＴ２４へのオン信号の発生区間を減少させる制御動作を行っている。

なお、過電流保護回路３２は、この昇圧チョッパ１７が動作中の蓄電池設備２からの電流を電流検出器２２により監視し、インバータ１４の不具合や単相負荷３の短絡事故などに起因して、この監視した電流が過大になると、蓄電池設備２や昇圧チョッパ１７自身の損傷などを回避するために、ゲート駆動回路３１に停止信号を伝達し、ＩＧＢＴ２４をオフ状態にするために設けられている。
特開平７−８７６８６号公報

図３に示した無停電電源装置１０は、パソコンなどの電源に供するために、小型化が要請されている。そのため、蓄電池設備２と一体化した構造で商品化されている例もある。

図３に示した無停電電源装置１０における昇圧チョッパ１７又は昇圧チョッパ１８も、上述の要請に答え、特に、単位電池の直列接続個数を少なくできることから、蓄電池設備２の小型化に対処するものである。

図４に示す昇圧チョッパ１７において、電流検出器２２を介して得られる電流検出値には、直流成分と、インバータ１４から単相負荷３に供給される単相交流電圧の基本波周波数の２倍周波数の交流電流成分と、インバータ１４およびＩＧＢＴ２４のスイッチングリプル電流成分とが含まれている。

なお、コンデンサ２１は、主として、前記ＩＧＢＴ２４のスイッチングリプル電流が蓄電池設備２から流れるのを抑制するために設置されている。

また、インバータ１４の出力である単相交流電圧の基本波周波数の２倍周波数の交流電流成分は、交流電源１が健全なときのコンバータ１２から流れる電流でもあることから、この２倍周波数の交流電流成分を抑制しつつ、単相負荷３が急変したときにも安定した単相交流電圧をインバータ１４から出力するためには、コンデンサ１３の容量を増大させることが効果的である。

しかしながら、コンデンサ１３の容量の増大は、この無停電電源装置１０の小型化を阻害するものであり、従って、従来はコンデンサ１３の容量の増大を極力抑えつつ、この対応策に伴うコンデンサ１３の両端電圧の変動の増大分は、インバータ１４の出力電圧調節手段で吸収することが行われていた。

一方、交流電源１が喪失したときに供される蓄電池設備２において、このときの蓄電池設備２から流れるリプル電流としての前記２倍周波数の交流電流成分に起因した自己発熱は、蓄電池設備２の寿命に影響を与えることが知られている。

この発明の目的は、上記問題点を解消する無停電電源装置を提供することにある。

この第１の発明は外部の交流電源の電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータと、該コンバータの出力電圧を平滑するコンデンサと、該コンデンサの両端電圧を所望の周波数・振幅の単相交流電圧に変換して出力するインバータと、前記交流電源が喪失したときに外部に備える蓄電池設備の端子電圧を昇圧しつつ、前記コンデンサおよびインバータに供給する昇圧チョッパとを備えた無停電電源装置において、
前記交流電源が健全なときは、前記昇圧チョッパを停止するとともに前記コンバータを動作させて、前記交流電源から前記コンバータを介して前記コンデンサに供給される電圧を前記インバータにより所望の周波数・振幅の単相交流電圧に変換して出力し、
前記交流電源が喪失したときは、前記コンバータを停止させるとともに前記昇圧チョッパを動作させて、前記蓄電池設備から前記昇圧チョッパを介して前記コンデンサに供給される電圧を前記インバータにより前記所望の周波数・振幅の単相交流電圧に変換して出力し、
前記昇圧チョッパの動作中に前記蓄電池設備から流れる電流に含まれる、前記インバータが出力する単相交流電圧の基本波周波数の２倍周波数の交流電流成分を抽出し、この抽出した値に予め前記蓄電池設備から流れる前記２倍周波数交流電流成分を蓄電池設備の許容値以内に抑制するように設定したゲイン（Ｋ）を乗算演算した値を抑制指令値とし、該抑制指令値を前記昇圧チョッパの昇圧動作のための電圧調節演算値に加算して、前記２倍周波数の交流電流成分を抑制する電流抑制制御手段を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、前記昇圧チョッパに蓄電池設備から流れる前記インバータが出力する単相交流電圧の基本波周波数の２倍周波数の交流電流成分を蓄電池設備の許容値以内に抑制することができ、その結果、前記コンデンサの容量を少なくできるとともに、前記蓄電池設備の長寿命化が計れ、特に、前記無停電電源装置と蓄電池設備とを一体化した構造での小型化が計れる。

図１は、この発明の実施例としての昇圧チョッパ１８の詳細回路構成図である。この図において、図４に示した従来の昇圧チョッパ１７の構成要素と同一機能を有するものには同一符号を付している。

すなわち、この昇圧チョッパ１８には、電圧制御回路３０に代えて、図２に示す回路構成の電圧制御回路４０が備えられている。

この電圧制御回路４０の動作を、以下に説明する。

先ず、交流電源１が健全なときのコンバータ１２の出力電圧に基づくコンデンサ１３の両端電圧に対応する電圧設定値は設定器４１により設定され、この電圧設定値と電圧検出器２７を介して得られたコンデンサ１３の両端電圧の検出値との偏差を加算演算器４２で求め、求めた偏差を零にする調節演算を、例えば、ＰＩ（比例―積分）回路からなる電圧調節器４３で行い、この演算結果は加算演算器４４を介してＰＷＭ演算器４５に入力される。このＰＷＭ演算器４５では入力された電圧値に基づくＰＷＭ（パルス幅変調）演算を行っている。このＰＷＭ演算結果としてのＩＧＢＴ２４へのオン・オフ信号はゲート駆動回路３１に伝達される。

すなわち、従来の電圧制御回路３０と同様に、この電圧制御回路４０では上述の構成要素により、コンデンサ１３の両端電圧をより高くするときには、前記ＰＷＭ演算の１周期中のＩＧＢＴ２４へのオン信号の発生区間を増大させ、一方、コンデンサ１３の両端電圧をより低くするときには、前記ＰＷＭ演算の１周期中のＩＧＢＴ２４へのオン信号の発生区間を減少させる制御動作を行っている。

また、電圧制御回路４０には、この発明の電流抑制制御手段としての第１ＬＰＦ（ローパスフィルタ）４６，第２ＬＰＦ（ローパスフィルタ）４７，加算演算器４８，設定器４９，乗算演算器５０および加算演算器４４を備えている。

すなわち、上述の動作中の昇圧チョッパ１８において、電流検出値２２の検出値に含まれる直流成分，前記２倍周波数の交流電流成分，インバータ１４およびＩＧＢＴ２４のスイッチングリプル電流のうち、第１ＬＰＦ４６では前記スイッチングリプル電流の周波数以上の周波数成分電流を除去する特性を持たせている。また、第２ＬＰＦ４７では前記２倍周波数以上の周波数成分電流を除去する特性、すなわち、前記２倍周波数の交流電流成分とスイッチングリプル電流とを除去する特性を持たせている。

従って、加算演算器４８の演算出力値には前記直流成分も除去され、インバータ１４から単相負荷３に供給される単相交流電圧の基本波周波数の２倍周波数の交流電流成分のみとなっている。さらに、乗算演算器５０では設定器４９で設定されたゲイン（Ｋ）と、加算演算器４８から出力された前記２倍周波数の交流電流成分との乗算演算を行い、この乗算演算値は加算演算器４４により、先述の電圧調節器４３で得られた調節演算値に加算されてＰＷＭ演算器４５に入力される。

すなわち、前記ゲイン（Ｋ）の極性は前記調節演算値に対してフィードフォワード特性を有するように設定すればよく、また、該ゲイン（Ｋ）の値は蓄電池設備２から流れる前記２倍周波数の交流電流成分を蓄電池設備２の許容値以内に抑制するように設定すればよい。

その結果、昇圧チョッパ１８を用いたこの発明の無停電電源装置１０では、コンデンサ１３の容量を低減でき、また、蓄電池設備２の長寿命化も計れる。

この発明の実施例を示す無停電電源装置の部分詳細回路構成図 図１の部分詳細回路構成図 無停電電源装置のブロック構成図 従来例を示す無停電電源装置の部分詳細回路構成図

１…交流電源、２…蓄電池設備、３…単相負荷、１０…無停電電源装置、１１…コンタクタ、１２…コンバータ、１３…コンデンサ、１４…インバータ、１５，１６…コンタクタ、１８，１９…昇圧チョッパ、２１…コンデンサ、２２…電流検出器、２３…リアクトル、２４…ＩＧＢＴ、２５，２６…ダイオード、２７…電圧検出器、３０…電圧制御回路、３１…ゲート駆動回路、３２…過電流保護回路、４０…電圧制御回路、４１…設定器、４２…加算演算器、４３…電圧調節器、４４…加算演算器、４５…ＰＷＭ演算器、４６…第１ＬＰＦ，４７…第２ＬＰＦ、４８…加算演算器、４９…設定器、５０…乗算演算器。

Claims (1)

1. 外部の交流電源の電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータと、該コンバータの出力電圧を平滑するコンデンサと、該コンデンサの両端電圧を所望の周波数・振幅の単相交流電圧に変換して出力するインバータと、前記交流電源が喪失したときに外部に備える蓄電池設備の端子電圧を昇圧しつつ、前記コンデンサおよびインバータに供給する昇圧チョッパとを備えた無停電電源装置において、
   前記交流電源が健全なときは、前記昇圧チョッパを停止するとともに前記コンバータを動作させて、前記交流電源から前記コンバータを介して前記コンデンサに供給される電圧を前記インバータにより所望の周波数・振幅の単相交流電圧に変換して出力し、
   前記交流電源が喪失したときは、前記コンバータを停止させるとともに前記昇圧チョッパを動作させて、前記蓄電池設備から前記昇圧チョッパを介して前記コンデンサに供給される電圧を前記インバータにより前記所望の周波数・振幅の単相交流電圧に変換して出力し、
   前記昇圧チョッパの動作中に前記蓄電池設備から流れる電流に含まれる、前記インバータが出力する単相交流電圧の基本波周波数の２倍周波数の交流電流成分を抽出し、この抽出した値に予め前記蓄電池設備から流れる前記２倍周波数交流電流成分を蓄電池設備の許容値以内に抑制するように設定したゲイン（Ｋ）を乗算演算した値を抑制指令値とし、該抑制指令値を前記昇圧チョッパの昇圧動作のための電圧調節演算値に加算して、前記２倍周波数の交流電流成分を抑制する電流抑制制御手段を備えたことを特徴とする無停電電源装置。

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