JP5434579B2 - 瞬低対策装置 - Google Patents

Description

電源系統に接続された負荷に供給される電圧が瞬時に低下した場合、蓄電装置に蓄えられた電気エネルギーを用いて交流電力を補償する瞬低対策装置に関し、特に電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）を蓄電装置とした場合の初期充電回路を有する瞬低対策装置に関する。

近年、ＩＴ関連機器の普及や、半導体，精密機器等の高品質、高付加価値の生産ラインの増加に伴い、瞬時電圧低下（以下、瞬低という。）によるこれらの機器への影響が問題になっている。そこで、系統電源に発生した瞬低を速やかに検出して負荷設備に供給すべき電源電圧（以下、負荷電圧と称す）を補償する無停電電源システム（ＵＰＳ）として、瞬低対策装置が広く利用されている。

電源ラインでの瞬低の発生時に負荷電圧を補償する瞬低対策装置として、たとえば図６に示すような構成のものがある。系統電源１は、電源ラインＬによって負荷２と接続され、系統スイッチ３を介して負荷２に所定の交流電圧（たとえば１００Ｖ）が供給されている。電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｕｂｌｅ−ｌａｙｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ、以下、ＥＤＬＣという。）４は、そこに蓄えられた電気エネルギーを用いて交流電力を補償する蓄電装置であって、数秒〜数分間の充放電を行う用途に適した蓄電素子である。このＥＤＬＣ４は、電力変換器５と瞬低対策用のトランス６を介して電源ラインＬに接続される。

電力変換器５は、電源ラインＬからの交流電力を直流変換してＥＤＬＣ４に充電する整流運転と、ＥＤＬＣ４に充電された直流電力を交流変換して電源ラインＬに供給するインバータ運転とに切り換え制御される。トランス６の２次側は交流遮断器７を介して電源ラインＬと接続され、負荷２の交流電力を補償している。また、双方向運転が可能な電力変換器５は、その充電側が直流遮断器８を介してＥＤＬＣ４と接続されている。ここで、交流遮断器７や直流遮断器８には、たとえば真空遮断器（ＶＣＢ：ｖａｃｕｕｍ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ）等が使用される。

このようなＥＤＬＣ４を適用した瞬低対策装置には、電源ラインＬに対して補助トランス９を介して初期充電回路１０が設けられ、ＥＤＬＣ４を初期充電するように構成されている。この初期充電回路１０は、第１、第２の電磁接触器ＭＣ１，ＭＣ２、抵抗１１、および初期充電用の電力変換器１２を備えている。ここでは、系統電源１からの交流電力が正常に供給されている状態で、初期充電回路１０によりＥＤＬＣ４の充電電圧が或る程度に上昇するまで充電を行い、それ以降は電力変換器５をスイッチング動作させることで交流電力を直流に変換して、ＥＤＬＣ４を定格電圧まで充電するようにしている。

このように、従来の瞬低対策装置では、電力変換器５がＥＤＬＣ４の充放電機能を兼用することでコスト低下および省スペース化を行っているが、ＥＤＬＣ４を蓄電装置とした場合には、それを初期充電するために別途、初期充電専用の初期充電回路１０に電力変換器１２等が必要となる。

図７は、図６の瞬低対策装置で用いられる初期充電回路の一例を示す回路図である。上述した初期充電回路１０に用いられる初期充電専用の電力変換器１２は、直流リアクトル１２１、ブリッジＩＧＢＴ１２２、電解コンデンサ１２３、および整流器１２４で構成される。この電力変換器１２では、ブリッジＩＧＢＴ１２２を上下アーム交互にオンオフさせて出力電圧Ｖｄｃを制御してＥＤＬＣ４を初期充電することができる。

特許文献１には、装置構成の変更や機器追加をすることなく、放電時間を短縮することができるとともに、放電抵抗の容量を小さくすることができ装置全体としての小型化を図った電気二重層キャパシタを適用した瞬時電圧低下補償装置が開示されている。

特開２００６−２４６６０９号公報（段落番号〔００３０〕〜〔００３６〕、図１）

ＥＤＬＣ４を適用した瞬低対策装置では、２つの電力変換器５，１２を必要としており、それは以下の理由からである。
図６における電力変換器５は、三相ブリッジＩＧＢＴ、交流リアクトル、フィルタコンデンサおよび電解コンデンサによって構成され、充電時は昇圧モード、放電時には降圧モードとなる。スイッチング素子としてフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）が逆並列接続されたＩＧＢＴを使用した場合、Ｖｉｎｖ×√２＋ＦＷＤドロップ電圧（Ｖ）以下での充電が不可となる。

また、電力変換器５の電解コンデンサおよびＥＤＬＣ４は、製品出荷時に電荷がないため、電力変換器１２を含む初期充電回路１０を必要としている。因みに、従来の装置において、蓄電装置に鉛蓄電池を使用した場合には、この鉛蓄電池には製品出荷時に電荷があるため、その放電終止電圧がＶｉｎｖ×√２以上を保つように選定することで、初期充電には電力変換器５の電解コンデンサのみを初期充電すればよい。

図６の従来の瞬低対策装置では、電力変換器５の電解コンデンサは、初期充電回路１０の抵抗１１により突入電流を抑制しながら初期充電が行われる。しかし、電力変換器５の電解コンデンサに比較してＥＤＬＣ４は、その容量値が非常に大きな値のものを必要とする場合が多く、それらを短時間で充電するためには、従来品より高価なグリッド抵抗、または初期充電専用の電力変換器１２を追加する必要があった。そこで、メインの電力変換器５を用いて蓄電装置であるＥＤＬＣ４の初期充電を行うことができれば、初期充電回路１０の構成が簡単になって、そのコストも低減する。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、メインの電力変換器を用いて初期充電回路の構成を簡略なものとし、コストの低減を可能とする瞬低対策装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記問題を解決するために、電源系統に接続された負荷に供給される電圧が瞬時に低下した場合、蓄電装置に蓄えられた電気エネルギーを用いて交流電力を補償する瞬低対策装置が提供される。この瞬低対策装置は、前記蓄電装置の充放電を可能にする電力変換回路と、前記電力変換回路の交流側に接続された第１のトランスと、前記負荷と前記第１のトランスとの間を接続する系統連携用の第１の遮断器と、前記蓄電装置と前記電力変換回路の直流側との間を接続する第２の遮断器と、前記電力変換回路の直流側を前記電源系統と接続する第２のトランスと、前記第２のトランスと前記電力変換回路の直流側との間に接続され、ダイオードブリッジによる第１の整流回路によって前記電力変換回路の直流部分に配置された容量成分を充電する初期充電回路と、前記電力変換回路の交流側と前記蓄電装置との間に接続され、ダイオードブリッジによる第２の整流回路によって前記蓄電装置を充電する初期充電用の補助回路と、から構成される。

この発明によれば、まず第１の整流回路を介して電力変換器の直流部分の容量成分を充電し、この充電の完了後に電力変換回路から第２の整流回路を介して蓄電装置を充電することにより、蓄電装置の初期充電を行うことができる。これにより、従来の初期充電専用の電力変換器が不要となり、そのコストが削減される。

本発明に係る瞬低対策装置の構成例を示すブロック図である。 図１の瞬低対策装置における初期充電動作を示すタイミング図である。 図１の瞬低対策装置で用いられる初期充電回路の一例を示す回路図である。 図１の瞬低対策装置において使用可能な電力変換器の一例を示す回路図である。 図１の瞬低対策装置による初期充電動作に係る制御シーケンスを示すフロー図である。 従来の瞬低対策装置の構成例を示すブロック図である。 図６の瞬低対策装置で用いられる初期充電回路の一例を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る瞬低対策装置の構成例を示すブロック図である。
この瞬低対策装置では、ダイオードブリッジによる第１の整流回路１３を初期充電回路２０に用いることによって、図６に示す従来装置のような電力変換器１２による初期充電を不要としたことに特徴がある。また、図６に示す従来装置と比較した場合、この瞬低対策装置の第２の特徴は、ＥＤＬＣ４と電力変換器５のインバータ出力側との間を接続する初期充電用補助回路３０を備えている点である。この初期充電用補助回路３０は、第３の電磁接触器（第３のスイッチ手段）ＭＣ３とダイオードブリッジによる第２の整流回路１４とを直列接続して構成されている。

これら２点を除く他の回路構成については図６の従来装置と同様であり、ここでは、対応する番号を対応する回路要素に付けてそれらの説明を省略する。
図２は、図１の瞬低対策装置における初期充電動作を示すタイミング図である。

同図（Ａ）は、系統電源１から電源ラインＬに供給される入力電圧波形を示している。同図（Ｂ）に示すように、入力電圧が立ち上がった後、電圧が安定したとき系統スイッチ３がオンされ、負荷２に所定電圧が供給される。同図（Ｃ）、（Ｄ）に示す順序で初期充電回路２０の第２の電磁接触器（第２のスイッチ手段）ＭＣ２がオンされ、つぎに第１の電磁接触器（第１のスイッチ手段）ＭＣ１がオンされる。

第１の電磁接触器ＭＣ１には並列に抵抗１１が設けられているため、電力変換器５の直流側には、第２の電磁接触器ＭＣ２がオンした時点で抵抗１１と第１の整流回路１３を介して直流電流が流れ、図２（Ｅ）に示すような直流電圧Ｖｄｃが現われる。つぎに、第１の電磁接触器ＭＣ１がオンすると、第１の整流回路１３には抵抗１１での電圧降下なしに電源ラインＬからの入力電圧が印加される。そのため、電力変換器５の直流電圧Ｖｄｃは電圧Ｖ１からＶ２まで上昇する。このように第１、第２の電磁接触器ＭＣ１，ＭＣ２をオンすることにより、第１の整流回路１３を介して突入電流を抑制しながら電力変換器５の電解コンデンサ５１（図４参照）の初期充電を行う。

つぎに、図２（Ｆ）に示すタイミングｔ１で第３の電磁接触器ＭＣ３をオンして、電力変換器５にＡＣＲ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）をかけながらインバータ出力する（同図（Ｇ）の交流電圧Ｖｉｎｖ参照）。すなわち、第３の電磁接触器ＭＣ３をオンするとともに電力変換器５をＡＣＲ制御（定電流制御）することで、第２の整流回路１４を介してＥＤＬＣ４を初期充電することができる。このＥＤＬＣ４を充電する直流電圧Ｖｃは、それがＶｉｎｖ×√２＋ＦＷＤドロップ電圧（Ｖ）になるタイミングｔ２まで電力変換器５のインバータ出力電圧Ｖｉｎｖを上昇させる。

その後、タイミングｔ３では、ＥＤＬＣ４の初期充電が完了して、トランス６を経由しての充電が可能になるため、第３の電磁接触器ＭＣ３がオフされる。そして、電力変換器５の交流電圧Ｖｉｎｖを電源ラインＬからの系統電圧に一致させる制御を行い、タイミングｔ４で図２（Ｇ）に示すように交流遮断器（第１の遮断器）７をオンして系統連系させることで、電力変換器５による充電動作が可能になる。さらに、同図（Ｈ）に示すタイミングｔ５で電力変換器５の直流電圧ＶｄｃとＥＤＬＣ４側の直流電圧Ｖｄｃとを合わせてから、直流遮断器（第２の遮断器）８がオンされる。

図３は、図１の瞬低対策装置で用いられる初期充電回路の一例を示す回路図である。
この初期充電回路２０は、補助トランス９を介して３相の電源ラインＬと接続される。そして、補助トランス９で変圧された３相出力が第１、第２の電磁接触器ＭＣ１，ＭＣ２を直列に介してダイオードブリッジによる第１の整流回路１３に供給されている。初期充電回路２０の出力電圧として、つぎに説明する電力変換器５の直流部分に、この第１の整流回路１３で整流された直流電圧Ｖｄｃが供給されている。

図４は、図１の瞬低対策装置において使用可能な電力変換器の一例を示す回路図である。
電力変換器５は、６つのトランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ１〜Ｑ６、交流リアクトルＬ１〜Ｌ３、フィルタコンデンサＣ１〜Ｃ３から構成され、その直流側に直流コンデンサ（電解コンデンサ）５１が接続されている。この電力変換器５はＱ１〜Ｑ６が逆変換動作（インバータ動作）と順変換動作（コンバータ動作）ができるインバータ等として制御されている。逆変換動作の時には、直流側（図では電力変換器５の左側、つまり直流コンデンサ５１が接続されている側）から直流電圧Ｖｄｃが供給されると、インバータ動作して交流側（図では電力変換器５の右側）から交流電圧Ｖｉｎｖを出力する。また、順変換動作の時には、交流側から交流電力が供給されると、コンバータ動作して、直流側から直流電力を出力する。

図５は、図１の瞬低対策装置による初期充電動作に係る制御シーケンスを示すフロー図である。
図１の瞬低対策装置における起動シーケンス処理は、以下の手順で実行される。

ステップＳＴ１：系統電源からの入力電圧の有無が判断される。入力電圧があったときステップＳＴ２に進み、それまでは待機する。
ステップＳＴ２：瞬低対策装置に対する装置運転の開始が指令されたか否かが判断される。開始が指令されるまで待機し、指令があるとステップＳＴ３に進む。

ステップＳＴ３：系統スイッチ３がオンされ、ステップＳＴ４に進む。
ステップＳＴ４：初期充電回路２０の第２の電磁接触器ＭＣ２がオンされ、ステップＳＴ５に進む。

ステップＳＴ５：初期充電回路２０の第１の電磁接触器ＭＣ１がオンされ、ステップＳＴ６に進む。
ステップＳＴ６：電力変換器５の直流充電（すなわち、電解コンデンサ５１の充電）が完了したか否かが判断される。充電完了であればステップＳＴ１０に進み、完了していないときは、ステップＳＴ７に進む。

ステップＳＴ７：初期充電回路２０の第１および第２の電磁接触器ＭＣ１，ＭＣ２がオンしているか否かを判断する。いずれかがオンしていない場合はステップＳＴ４に戻り、いずれもがオンしている場合には、ステップＳＴ８に進む。

ステップＳＴ８：初期充電回路２０の第１および第２の電磁接触器ＭＣ１，ＭＣ２のいずれもがオンしてから所定時間（たとえば、２０秒程度）が経過したか否かを判断する。経過していなければステップＳＴ６に戻り、経過している場合には、ステップＳＴ９に進む。

ステップＳＴ９：瞬低対策装置が何らかの異常と判断し、瞬低対策装置に備えられたアラーム装置からアラームを出力して装置を停止する。
ステップＳＴ１０：ＥＤＬＣ４の初期充電が完了したか否かが判断される。充電完了であればステップＳＴ１３に進み、完了していないときは、ステップＳＴ１１に進む。

ステップＳＴ１１：初期充電用補助回路３０の第３の電磁接触器ＭＣ３をオンしてから、ステップＳＴ１２に進む。
ステップＳＴ１２：電力変換器５のインバータ出力をＡＣＲ制御しつつＥＤＬＣ４の充電を行い、ステップＳＴ１０に戻る。

ステップＳＴ１３：ステップＳＴ１１で初期充電用補助回路３０の第３の電磁接触器ＭＣ３がオンされていれば、それをオフしてステップＳＴ１４に進む。
ステップＳＴ１４：電力変換器５のインバータ運転を開始する。

ステップＳＴ１５：系統連携用の交流遮断器７をオンする。
ステップＳＴ１６：電力変換器５の充電運転を開始する。
ステップＳＴ１７：蓄電装置の直流遮断器８をオンすることで、起動シーケンスが完了する。

上記のとおり、まず、第１および第２電磁接触器ＭＣ１，ＭＣ２をオンして第１の整流回路１３を介して電力変換器５の電解コンデンサ５１を充電し、その後、電磁接触器ＭＣ３をオンするとともに電力変換器５を定電流制御しながら第２の整流回路１４を介してＥＤＬＣ４を初期充電することができる。この発明によれば、第１の整流回路１３，第２の整流回路１４，電磁接触器ＭＣ３が別途必要になるが、これらは従来の初期充電専用の電力変換器１２と比べて安価に製造することができるので、そのコストが削減される。

１ 系統電源
２ 負荷
３ 系統スイッチ
４ 電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）
５ 電力変換器
６ トランス
７ 交流遮断器（第１の遮断器）
８ 直流遮断器（第２の遮断器）
９ 補助トランス
１１ 抵抗
１２ 初期充電専用の電力変換器
１３ 第１の整流回路
１４ 第２の整流回路
２０ 初期充電回路
３０ 初期充電用補助回路
Ｌ 電源ライン
ＭＣ１ 第１のスイッチ手段（電磁接触器）
ＭＣ２ 第２のスイッチ手段（電磁接触器）
ＭＣ３ 第３のスイッチ手段（電磁接触器）

Claims (4)

1. 電源系統に接続された負荷に供給される電圧が瞬時に低下した場合、蓄電装置に蓄えられた電気エネルギーを用いて交流電力を補償する瞬低対策装置において、
   前記蓄電装置の充放電を可能にする電力変換回路と、
   前記電力変換回路の交流側に接続された第１のトランスと、
   前記負荷と前記第１のトランスとの間を接続する系統連携用の第１の遮断器と、
   前記蓄電装置と前記電力変換回路の直流側との間を接続する第２の遮断器と、
   前記電力変換回路の直流側を前記電源系統と接続する第２のトランスと、
   前記第２のトランスと前記電力変換回路の直流側との間に接続され、ダイオードブリッジによる第１の整流回路によって前記電力変換回路の直流部分に配置された容量成分を充電する初期充電回路と、
   前記電力変換回路の交流側と前記蓄電装置との間に接続され、ダイオードブリッジによる第２の整流回路によって前記蓄電装置を充電する初期充電用の補助回路と、
   を備えたことを特徴とする瞬低対策装置。
2. 前記初期充電回路は、前記第１の整流回路にその入力側で第１のスイッチ手段が第１の抵抗に並列接続された抵抗回路、および第２のスイッチ手段がそれぞれ直列に接続されて構成され、
   前記補助回路は、前記第２の整流回路にその入力側で第３のスイッチ手段が直列に接続されて構成されていることを特徴とする請求項１記載の瞬低対策装置。
3. 充電時には、前記第２のスイッチ手段をオンした所定時間後に前記第１のスイッチ手段をオンして前記容量成分を初期充電し、前記容量成分の初期充電が完了した後に前記第３のスイッチ手段をオンして前記電力変換回路から前記第２の整流回路を介して前記蓄電装置を充電することを特徴とする請求項２記載の瞬低対策装置。
4. 前記蓄電装置は、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の瞬低対策装置。

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