JP5868743B2 - 無停電電源システムとその切り換え方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、無停電電源システムとその切り換え方法に関する。

停電などの非常時にも電力の供給が停止しないように、無停電電源システムが用いられる。この種のシステムはＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply）とも称してオフィスビルや官公庁などで幅広く利用されている。常時商用システムでは定常時には商用電力系統から負荷に給電し、非常時には蓄電池などの自家給電系統を負荷に接続するようになっている。この種の商用から蓄電池給電への切り換えの用途には高速スイッチ（半導体スイッチング素子）が用いられる。

停電などで商用電力系統からの給電が停止した場合、商用電力系統と負荷とが接続されていると自家給電系統が過負荷状態に陥る可能性がある。よって停電時にはまず、即座に商用電力系統を負荷から切り離さなくてはならない。そこで、機械式開閉器と、高速かつ瞬時に動作可能な半導体スイッチング素子とを組み合わせたハイブリッド型の常時商用無停電電源システムが開発されている。

特開２００６−６０９６３号公報 特開２０００−２６０２７１号公報

既存の無停電電源システムでは、商用電力系統からの電力供給ルートに直列に接続される半導体スイッチング素子を常時通電し、非常時の切り換え時にこの素子をオフすることで高速スイッチングを実現している。このような構成であるので定常時においては半導体スイッチング素子における発熱ロスが大きく故障の発生リスクも高い。一般にサイリスタなどの半導体素子の耐量は小さいので、故障率を下げるためには定格電流およびサイズの大きい素子を採用せざるを得ず、コストが嵩むばかりか装置が肥大化する原因にもなる。さらには冷却ファンなどが必要になることもあり、そのようなケースではサイズやコストはますます大きくなる。
目的は、省サイズ化および低コスト化を図った無停電電源システムとその切り換え方法を提供することにある。

実施形態によれば、無停電電源システムは、第１の系統から供給される電力の断時に、第２の系統から供給される電力を負荷に切り換え出力する無停電電源システムである。この無停電電源システムは、第１および第２スイッチと、スイッチング素子とを具備する。第１スイッチは、第１の系統に直列に接続され断時にオフされる。第２スイッチは、第２の系統に直列に接続され断時にオンされる。スイッチング素子は、第２スイッチに並列に接続され、断時に第１および第２スイッチよりも高速にオンされる。

実施形態の無停電電源システムの一例を示すブロック図である。 既存の無停電電源システムの一例を示すブロック図である。 図１の無停電電源システムにおける各スイッチの動作と、図２の無停電電源システムにおける各スイッチの動作とを比較して示すタイミングチャートである。 図１に示される無停電電源システムの変形例を示す図である。 図４に示される無停電電源システムにおける各スイッチの動作を示すタイミングチャートである。

図１は、実施形態の無停電電源システムの一例を示すブロック図である。この無停電電源システムは、定常時においては商用電力系統からの交流入力を負荷（図示せず）に供給する。商用電力系統の停電時などにその電力が断となると負荷への給電経路が切り換えられ、自家給電系統としての蓄電池ＢＴからの電力が直ちに負荷に供給される。蓄電池ＢＴからの直流電力は変換器（コンバータ）ＣＶにより交流電力に変換される。これにより停電の発生の如何によらず、交流出力が負荷に供給される。

図１において、無停電電源システムはＵＰＳ１００と、保守バイパス回路２００とを備える。このうちＵＰＳ１００は、オン／オフスイッチ４０，５０，６０（以下、スイッチと略称する）と、スイッチング素子３０およびリアクトルＲを備える。
スイッチ４０は商用電力系統、すなわち常時商用給電回路に直列に接続され、停電時にオフされる。スイッチ５０は、蓄電池ＢＴに直列に接続され、定常的にオンされる。スイッチ６０は、蓄電池ＢＴから変換器ＣＶを経た交流電力の給電系統に直列に接続され、停電時にオンされる。スイッチ４０，５０，６０のいずれも例えばメカニカルリレーなどの有接点型スイッチを用いることができる。

スイッチング素子３０はスイッチ６０に並列に接続され、さらにリアクトルＲに直列に接続される。スイッチング素子３０は例えばサイリスタなどであり、スイッチ４０，５０，６０のどれよりも高速に動作する。スイッチング素子３０は停電時にオンされる。

保守バイパス回路２００はスイッチ部Ａ〜Ｃを備え、これらのスイッチ部Ａ〜Ｃを操作して商用給電系統からの電力をバイパスさせることでＵＰＳ１００を保守、点検できるようにする。通常稼動時にはスイッチ部Ａ、Ｃがオン、スイッチ部Ｂがオフとなる。保守作業時にはスイッチ部Ａ、Ｃがオフ、スイッチ部Ｂがオンとなる。
上記構成においては定常時にスイッチング素子３０がオフされた状態が保たれるので、定常時の発熱ロスが無いことになる。このメリットを既存の無停電電源システムと比較しつつ説明する。

図２は、比較のため既存の無停電電源システムの一例を示すブロック図である。図２において保守バイパス回路２００は図１と同様の構成を備え、同様の機能を果たす。図２に示されるＵＰＳ３００は、常時商用給電回路に直列に設けられるスイッチング素子１０と、蓄電池ＢＴからの電力を負荷に切り換え出力するスイッチ２０を備える。

図３は、図１の無停電電源システムにおける各スイッチの動作と、図２の無停電電源システムにおける各スイッチの動作とを比較して示すタイミングチャートである。図３において定常時には、スイッチング素子１０がオンで、スイッチ２０はオンである（いずれも図２の既存の無停電電源システム）。この状態から停電が発生するとスイッチング素子１０がオフされ、スイッチ２０がオン継続されて、バックアップ系（蓄電池ＢＴ）からの給電が開始される。

これに対し実施形態に係る無停電電源システム（図１）では、定常時においてはスイッチング素子３０がオフ、スイッチ４０がオン、スイッチ５０，６０がオフである。この状態から停電が発生するとスイッチング素子３０がオンされたのち、これよりもやや遅れたタイミングでスイッチ４０がオフ、スイッチ５０，６０がオンになる。

図１を参照すると、停電直後にスイッチング素子３０がオンされた状態では、常時商用給電回路は依然として負荷に接続されているが、スイッチ４０がオフされることで両者は切断される。そしてスイッチ５０がオンされると蓄電池ＢＴから負荷への給電が開始され、スイッチ６０がオンとなることでバックアップ系への切り換えが完了する。そして図３に示されるように、スイッチ６０がオンとなったのちスイッチング素子３０はオフされて系から電気的に切り離される。

このような構成であるから、定常時においてはスイッチング素子３０がオフ状態であるので図２の構成とは逆に、定常時における発熱は生じない。従ってスイッチング素子３０を定格上、必要最小限のサイズにとどめることができ、省サイズ化および低コスト化を促すことが可能になる。そればかりか発熱ロスが無いことから省エネルギー効果も期待できる。

さらに、スイッチング素子３０と直列に接続されたリアクトルＲにより切り換え時の過渡応答による電力インパルスを防止できるので、回路に過大な負荷がかかることも防止できる。これらのことから、省サイズ化および低コスト化を図った無停電電源システムとその切り換え方法を提供することが可能となる。

なお本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば図３に示されるようにスイッチ６０がオンとなったのちスイッチング素子３０をオフするようにしたが、オン状態を継続するようにしても良い。切り換えが安定したのちにはリアクトルＲのインピーダンスにより殆どの電流がスイッチ６０側を流れるので、スイッチング素子３０におけるエネルギーロスは無視できるレベルとなる。

また、停電発生を契機としてスイッチ６０をオフからオンに切り換えるようにしたが、定常時にスイッチ６０をオンしておき、停電が発生すると直ちにオフしたのち再びオンするようにしても良い。このケースでは定常時にスイッチング素子３０をオンしておき停電が生じると高速にオフするようにする。さらに、回路構成においても変形が可能である。

図４は、図１に示される無停電電源システムの変形例を示す図である。図４の無停電電源システムは図１におけるスイッチ６０を排除し、代わりにその位置にリアクトルＲを移動させたものである。元のリアクトルＲの位置は結線される。この構成では図５に示されるように、定常時においてはスイッチ４０およびスイッチング素子３０の双方がオンされ、停電が生じるとスイッチ４０およびスイッチング素子３０のいずれもオフされる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

ＢＴ…蓄電池、ＣＶ…変換器、１００，３００…ＵＰＳ、２００…保守バイパス回路、４０，５０，６０…オン／オフスイッチ、３０…スイッチング素子、Ｒ…リアクトル、Ａ〜Ｃ…スイッチ部

Claims (2)

1. 商用電力系統から供給される電力の断時に、蓄電池から供給される電力を負荷に切り換え出力する無停電電源システムにおいて、
   前記商用電力系統と前記負荷との間に直列に接続され前記断時にオフされる定常時オンのリレースイッチと、
   前記蓄電池から出力される直流電力を交流電力に変換する変換器と、
   前記変換器と前記負荷との間に直列に接続されるリアクトルと、
   前記リアクトルに並列に接続され前記断時に前記リレースイッチよりも高速にオフされる定常時オンのスイッチング素子とを具備する、無停電電源システム。
2. 商用電力系統から供給される電力の断時に、蓄電池から供給される電力を負荷に切り換え出力する無停電電源システムの切り換え方法において、
   前記商用電力系統と前記負荷との間に直列に接続される定常時オンのリレースイッチを、前記断時にオフし、
   前記蓄電池から出力される直流電力を交流電力に変換する変換器と前記負荷との間に直列に接続されるリアクトルに並列に接続される定常時オンのスイッチング素子を、前記断時に前記リレースイッチよりも高速にオフする、切り換え方法。

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