JP5873425B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

この発明は無停電電源装置に関し、特に、インバータの出力電圧を昇圧するトランスを備えた無停電電源装置に関する。

従来より、無停電電源装置は、交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータで生成された直流電力または電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換するインバータと、インバータの出力電圧を昇圧して負荷に与えるトランスと、交流電源と負荷の間に接続されるバイパス回路と、インバータの出力電流の瞬時値を検出する電流検出回路と、トランスの出力電圧の瞬時値を検出する電圧検出回路と、電流検出回路および電圧検出回路の検出値に基づいてインバータを制御する制御装置とを備えている（たとえば、特許文献１参照）。

特開平５−３８０５５号公報

しかし、従来の無停電電源装置では、トランスが故障して変圧比が変化した場合にインバータの制御が不安定になり、インバータの出力電流が脈動してトランスが焼損し、負荷の運転が停止されるという問題があった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、トランスが故障しても負荷の運転を継続することが可能な無停電電源装置を提供することである。

この発明に係る無停電電源装置は、交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータで生成された直流電力または電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換するインバータと、インバータの出力電圧を昇圧して負荷に与えるリーケージトランスとを備えたものである。リーケージトランスが故障するとリーケージトランスの変圧比が低下してインバータの出力電流が脈動する。無停電電源装置は、さらに、交流電源と負荷の間に接続されるバイパス回路と、インバータの出力電流の瞬時値を検出し、検出値を示す信号を出力する電流検出回路と、トランスの出力電圧の瞬時値を検出し、検出値を示す信号を出力する電圧検出回路と、電圧検出回路の出力信号に交流電力の周波数よりも高い周波数の脈動信号が重畳したことに応じて、リーケージトランスが故障したことを示す第１の故障検出信号を出力する第１の故障検出回路と、電流検出回路および電圧検出回路の出力信号に基づいてインバータを制御し、第１の故障検出回路から第１の故障検出信号が出力されたことに応じて、バイパス回路を導通させるとともにインバータの運転を停止させる制御装置とを備える。

また好ましくは、さらに、電流検出回路の出力信号に交流電力の周波数よりも高い周波数の脈動信号が重畳したことに応じて、リーケージトランスが故障したことを示す第２の故障検出信号を出力する第２の故障検出回路を備える。制御装置は、第１および第２の故障検出回路から第１および第２の故障検出信号のうちの少なくともいずれか一方の故障検出信号が出力されたことに応じて、バイパス回路を導通させるとともにインバータの運転を停止させる。

この発明に係る無停電電源装置では、電圧検出回路の出力信号に交流電力の周波数よりも高い周波数の脈動信号が重畳したことに応じて、リーケージトランスが故障したことを示す第１の故障検出信号を出力する第１の故障検出回路が設けられ、第１の故障検出回路から第１の故障検出信号が出力されたことに応じて、バイパス回路を導通させるとともにインバータの運転を停止させる。したがって、リーケージトランスが故障しても負荷の運転を継続することができる。

この発明の実施の形態１による無停電電源装置の構成を示すブロック図である。 図１に示したトランスが故障した場合におけるトランスの出力電圧を示す図である。 図１に示した故障検出回路の構成を示す回路ブロック図である。 図１に示した無停電電源装置の故障発生時の動作を示すタイムチャートである。 この発明の実施の形態２による無停電電源装置の構成を示すブロック図である。 図５に示した故障検出回路の構成を示す回路ブロック図である。 この発明の実施の形態３による無停電電源装置の構成を示すブロック図である。 図７に示した故障検出回路の構成を示す回路ブロック図である。

[実施の形態１]
本発明の実施の形態１による無停電電源装置１は、図１に示すように、入力端子Ｔ１、バイパス端子Ｔ２、バッテリ端子Ｔ３、および出力端子Ｔ４を備える。なお、この無停電電源装置１は、三相交流電力を直流電力に変換し、その直流電力を三相交流電力に変換するものであるが、図面および説明の簡単化のため、図１では、一相分の回路のみが代表的に示されている。

入力端子Ｔ１およびバイパス端子Ｔ２は、ともに商用交流電源５０から三相交流電力を受ける。バッテリ端子Ｔ３は、バッテリ５１に接続される。バッテリ５１は、直流電力を蓄える。出力端子Ｔ４は負荷５２に接続される。負荷５２は、無停電電源装置１からの三相交流電力によって駆動される。

また、この無停電電源装置１は、コンタクタ（電磁接触器）２，７，１３，１５、ヒューズ３，６、リアクトル４、コンバータ５、コンデンサ８，１２、インバータ９、変流器１０、トランス１１、サイリスタスイッチ１４、および制御装置２０を備える。

制御装置２０は、電圧検出回路２１、正弦波発生回路２２、減算器２３，２６、電圧制御回路２４、電流検出回路２５、電流制御回路２７、インバータ制御回路２８、コンバータ制御回路２９、故障検出回路３０、および切換制御回路３１を含む。

コンタクタ２、ヒューズ３、リアクトル４、コンバータ５、インバータ９、トランス１１、およびコンタクタ１３は、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ４との間に直列接続される。サイリスタスイッチ１４およびコンタクタ１５は、バイパス端子Ｔ２と出力端子Ｔ４との間に並列接続され、バイパス回路を構成する。

コンタクタ２は、通常時はオンされ、たとえば無停電電源装置１のメンテナンス時にオフされる。ヒューズ３は、過電流が流れたときに溶断され、過電流からコンバータ５を保護する。リアクトル４は、商用交流電力を通過させ、コンバータ５で発生するスイッチング周波数の信号が商用交流電源５０に伝搬するのを防止するために設けられている。

コンバータ５は、コンバータ制御回路２９によって制御され、商用交流電源５０から三相交流電力が正常に供給されている通常時は、商用交流電源５０からの三相交流電力を直流電力に変換する。商用交流電源５０からの三相交流電力の供給が停止された停電時は、コンバータ５の運転は停止される。

ヒューズ６およびコンタクタ７は、コンバータ５の出力端子とバッテリ端子Ｔ３との間に直列接続される。ヒューズ６は、過電流が流れた場合に溶断され、過電流からコンバータ５およびバッテリ５１を保護する。コンタクタ７は、通常時はオンされ、たとえば無停電電源装置１およびバッテリ５１のメンテナンス時にオフされる。コンデンサ８は、コンバータ５の出力端子に接続され、コンバータ５の出力電圧を平滑化する。コンバータ５で生成された直流電力は、バッテリ５１およびインバータ９に供給される。バッテリ５１は、通常時はコンバータ５で生成された直流電力を蓄え、停電時は直流電力をインバータ９に供給する。

インバータ９は、インバータ制御回路２８によってＰＷＭ制御され、通常時は、コンバータ５によって生成された直流電力を商用周波数の三相交流電力に変換し、停電時は、バッテリ５１の直流電力を商用周波数の三相交流電力に変換する。変流器１０は、インバータ９の出力電流Ｉの値に比例し、かつ出力電流の値よりも十分に小さな値の電流を電流検出回路２５に与える。トランス１１は、インバータ９の出力電圧を定格電圧に昇圧する。コンデンサ１２は、トランス１１の出力端子と基準電圧のラインとの間に接続され、インバータ９で発生したスイッチング周波数の信号を基準電圧のラインに流出させる。

コンタクタ１３は、切換制御回路３１からの制御信号φＡが「Ｈ」レベルにされている場合はオンし、制御信号φＡが「Ｌ」レベルにされている場合はオフする。コンタクタ１３は、制御信号φＡに応答して、インバータ９によって生成された三相交流電力を負荷５２に供給するインバータ給電時にオンし、商用交流電源５０からの三相交流電力をサイリスタスイッチ１４およびコンタクタ１５を介して負荷５２に供給するバイパス給電時にオフする。

サイリスタスイッチ１４は、切換制御回路３１からの制御信号φＢが「Ｈ」レベルにされている場合はオンし、制御信号φＢが「Ｌ」レベルにされている場合はオフする。サイリスタスイッチ１４は、制御信号φＢに応答して、インバータ給電状態からバイパス給電状態に移行するときに所定時間だけオンする。コンタクタ１５は、切換制御回路３１からの制御信号φＣが「Ｈ」レベルにされている場合はオンし、信号φＣが「Ｌ」レベルにされている場合はオフする。コンタクタ１５は、信号φＣに応答して、インバータ給電時はオフし、バイパス給電時はオンする。

制御装置２０は、インバータ９の出力電流およびトランス１１の出力電圧に基づいて無停電電源装置１を制御する。すなわち、電圧検出回路２１は、トランス１１の出力電圧ＶＯの瞬時値を検出し、検出値を示す信号を減算器２３および故障検出回路３０に与える。

正弦波発生回路２２は、商用交流電源５０からの交流電圧に同期して、商用周波数で所定振幅の正弦波信号を生成する。減算器２３は、電圧検出回路２１の出力信号と正弦波発生回路２２で生成された正弦波信号との偏差を求める。電圧制御回路２４は、減算器２３からの偏差がなくなるように電流指令値を生成する。

電流検出回路２５は、変流器１０の出力電流の瞬時値を検出し、検出値を示す信号を減算器２６に与える。減算器２６は、電流検出回路２５の出力信号と電圧制御回路２４からの電流指令値との偏差を求める。電流制御回路２７は、減算器２６からの偏差がなくなるように電圧指令値を生成する。

インバータ制御回路２８は、電流制御回路２７からの電圧指令値に基づいて、インバータ９をＰＷＭ制御する。このときインバータ制御回路２８は、電圧検出回路２１によって検出される三相交流電圧と商用交流電源５０からの三相交流電圧とが同期するようにインバータ９を制御する。また、インバータ制御回路２８は、故障検出回路３０からの故障検出信号φＤが活性化レベルの「Ｈ」レベルにされた場合はインバータ９の運転を停止させる。

また、インバータ制御回路２８は、停電検出回路（図示せず）によって停電が検出された場合は、バッテリ５１の端子間電圧が所定電圧よりも高い期間はインバータ９の運転を継続させる。コンバータ制御回路２９は、コンバータ５を制御し、停電検出回路（図示せず）によって停電が検出された場合はコンバータ５の運転を停止させる。

故障検出回路３０は、電圧検出回路２１の出力信号に基づいて、トランス１１が故障したか否かを判別し、判別結果を示す故障検出信号φＤを出力する。トランス１１が故障した場合は故障検出信号φＤは活性化レベルの「Ｈ」レベルにされ、それらが故障していない場合は故障検出信号φＤは非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされる。

ここで、トランス１１の故障について説明する。トランス１１は、リーケージトランス（磁気漏れ変圧器）であり、２次巻線に電流が流れると２次巻線の電圧が大きく低下し、２次巻線に大きな電流が流れるのを防止するものである。リーケージトランスでは、１次巻線と２次巻線の間にリーケージパスが設けられている。リーケージパスは、漏れ磁束の通路となるギャップ付鉄心である。２次巻線に電流が流れると、リーケージパスに磁束が漏れ、２次巻線の電圧が低下する。

リーケージパスがトランス１１の経年変化などにより１次巻線と２次巻線の間から欠落すると、２次巻線に電流が流れても２次巻線の電圧が低下しなくなる。ここでは、２次巻線に電流が流れても２次巻線の電圧が低下しない場合、トランス１１が故障したと称する。トランス１１が故障すると、トランス１１の１次側の電圧Ｖ１と２次側の電圧Ｖ２の比Ｖ１／Ｖ２である変圧比は低下する。

電流制御回路２７の制御ゲインは、トランス１１が正常に動作する場合に合わせて設定されている。したがって、トランス１１が故障した場合は、電流制御回路２７の制御ゲインが過大になり、インバータ９の制御が不安定になり、インバータ９の出力電流が高周波数で脈動する。この結果、図２に示すように、トランス１１の出力電圧ＶＯに高周波数の脈動電圧が発生する。故障検出回路３０は、電圧検出回路２１の出力信号に基づいて、トランス１１の出力電圧ＶＯに重畳される脈動電圧の電圧値を検出し、その検出値が所定の電圧値を超えた場合に、故障検出信号φＤを活性化レベルの「Ｈ」レベルにする。

図３は、故障検出回路３０の構成を示す回路ブロック図である。図３において、故障検出回路３０は、高域通過フィルタ（High-pass filter：ＨＰＦ）３５、整流回路３６、および比較器３７を含む。高域通過フィルタ３５は、電圧検出回路２１の出力信号Ｖ２１を受け、信号Ｖ２１のうちの商用周波数よりも高い所定周波数よりも低い周波数成分を遮断し、所定周波数よりも高い周波数成分を通過させる。これにより、信号Ｖ２１のうちの商用周波数の正弦波信号は高域通過フィルタ３５で遮断され、信号Ｖ２１のうちの脈動成分の信号のみが高域通過フィルタ３５を通過する。

整流回路３６は、高域通過フィルタ３５を通過した脈動信号を整流および平滑化して直流電圧Ｖ３６に変換する。整流回路３６の出力電圧Ｖ３６は、信号Ｖ２１の脈動成分が大きいほど高くなる。比較器３７は、整流回路３６の出力電圧Ｖ３６としきい値電圧ＶＴ１との高低を比較し、比較結果を示す信号を故障検出信号φＤとして出力する。Ｖ３６＜ＶＴ１の場合は故障検出信号φＤは「Ｌ」レベルになり、Ｖ３６＞ＶＴ１の場合は故障検出信号φＤは「Ｈ」レベルになる。

図１に戻って、切換制御回路３１は、インバータ給電時は、制御信号φＡを「Ｈ」レベルにしてコンタクタ１３をオンさせ、トランス１１と負荷５２を結合させる。また、切換制御回路３１は、インバータ給電時において、故障検出信号φＤが活性化レベルの「Ｈ」レベルにされた場合は、制御信号φＢを「Ｈ」レベルにしてサイリスタスイッチ１４をオンさせ、制御信号φＡを「Ｌ」レベルにしてコンタクタ１３をオフさせる。

サイリスタスイッチ１４の応答時間は極めて短く、制御信号φＢを「Ｈ」レベルにするとサイリスタスイッチ１４は瞬時にオンする。一方、コンタクタ１３の応答時間はサイリスタスイッチ１４の応答時間よりも長く、制御信号φＡを「Ｌ」レベルにしてから所定の応答時間の経過後にコンタクタ１３が実際にオフする。コンタクタ１３がオフすると、トランス１１と負荷５２が切り離され、商用交流電源５０からサイリスタスイッチ１４を介して負荷５２に三相交流電力が供給される。

次に切換制御回路３１は、制御信号φＣを「Ｈ」レベルにしてコンタクタ１５をオンさせる。制御信号φＣを「Ｈ」レベルにしてから所定の応答時間の経過後にコンタクタ１５が実際にオンする。次いで切換制御回路３１は、制御信号φＢを「Ｌ」レベルにしてサイリスタスイッチ１４をオフさせる。これにより、商用交流電源５０からコンタクタ１５を介して負荷５２に三相交流電力が供給される。

次に、この無停電電源装置１の動作について説明する。今、商用交流電源５０から三相交流電力が正常に供給されているものとする。この場合は、コンタクタ２，７，１３がオンされ、サイリスタスイッチ１４およびコンタクタ１５がオフされている。商用交流電源５０からの三相交流電力はコンバータ５で直流電力に変換される。この直流電力は、バッテリ５１に蓄えられるとともに、インバータ９によって三相交流電力に変換され、トランス１１およびコンタクタ１３を介して負荷５２に供給される。

商用交流電源５０からの三相交流電力の供給が停止した停電時は、コンバータ５の運転が停止され、バッテリ５１の直流電力がインバータ９によって三相交流電力に変換され、トランス１１およびコンタクタ１３を介して負荷５２に供給される。

図４（ａ）〜（ｄ）は、故障発生時における無停電電源装置１の動作を示すタイムチャートである。図４（ａ）〜（ｄ）において、通常時（時刻ｔ０）は、故障検出信号φＤが非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされ、サイリスタスイッチ１４およびコンタクタ１５がオフされ、コンタクタ１３がオンされて、インバータ９で生成された三相交流電力が負荷５２に供給されている。

ある時刻ｔ１においてトランス１１に故障が発生して故障検出信号φＤが活性化レベルの「Ｈ」レベルに立ち上げられると、制御信号φＢが「Ｈ」レベルに立ち上げられてサイリスタスイッチ１４が瞬時にオンし、商用交流電源５０からの三相交流電力がサイリスタスイッチ１４を介して負荷５２に供給される。また、故障検出信号φＤが活性化レベルの「Ｈ」レベルに立ち上げられると、制御信号φＡが「Ｌ」レベルに立ち下げられて所定の応答時間の経過後にコンタクタ１３がオフする（時刻ｔ２）。

また、故障検出信号φＤが活性化レベルの「Ｈ」レベルに立ち上げられると、制御信号φＣが所定タイミングで「Ｈ」レベルに立ち上げられ、所定の応答時間の経過後にコンタクタ１５がオンする（時刻ｔ３）。コンタクタ１３がオフした後にコンタクタ１５がオンするように、制御信号φＣが生成される。

コンタクタ１５がオンした後に制御信号φＢが「Ｌ」レベルにされてサイリスタスイッチ１４がオフされる。これにより、商用交流電源からの三相交流電力はコンタクタ１５を介して負荷５２に供給され、インバータ給電状態からバイパス給電状態にスムーズに遷移される。

この実施の形態１では、トランス１１の出力電圧ＶＯに基づいてトランス１１が故障したか否かを判別し、トランス１１が故障した場合はインバータ給電状態からバイパス給電状態に切換える。したがって、トランス１１が故障した場合でもトランス１１の焼損を防止することができ、負荷５２の運転を継続することができる。

[実施の形態２]
図５は、この発明の実施の形態２による無停電電源装置４１の構成を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図５を参照して、この無停電電源装置４１が図１の無停電電源装置１と異なる点は、故障検出回路３０が故障検出回路４２で置換されている点である。故障検出回路４２は、電流検出回路２５の出力信号Ｉ２５に基づいて、インバータ９の出力電流Ｉに重畳される脈動電流の電流値を検出し、その検出値が所定の電流値を超えた場合に、故障検出信号φＤを活性化レベルの「Ｈ」レベルにする。

図６は、故障検出回路４２の構成を示す回路ブロック図である。図６において、故障検出回路４２は、図３で示した故障検出回路３０の前段に抵抗器４３を追加したものである。抵抗器４３は、電流検出回路２５からの電流信号Ｉ２５を電圧信号Ｖ４３に変換する。高域通過フィルタ３５は、抵抗器４３の出力信号Ｖ４３を受け、信号Ｖ４３のうちの商用周波数よりも高い所定周波数よりも低い周波数成分を遮断し、所定周波数よりも高い周波数成分を通過させる。これにより、信号Ｖ４３のうちの商用周波数の正弦波信号は高域通過フィルタ３５で遮断され、信号Ｖ４３のうちの脈動成分の信号のみが高域通過フィルタ３５を通過する。

整流回路３６は、高域通過フィルタ３５を通過した脈動信号を整流および平滑化して直流電圧Ｖ３６に変換する。比較器３７は、整流回路３６の出力電圧Ｖ３６としきい値電圧ＶＴ２との高低を比較し、比較結果を示す信号を故障検出信号φＤとして出力する。他の構成および動作は、実施の形態１と同じであるので、その説明は繰り返さない。

この実施の形態２では、インバータ９の出力電流Ｉに基づいてトランス１１が故障したか否かを判別し、トランス１１が故障した場合はインバータ給電状態からバイパス給電状態に切換える。したがって、トランス１１が故障した場合でもトランス１１の焼損を防止することができ、負荷５２の運転を継続することができる。

[実施の形態３]
図７は、この発明の実施の形態３による無停電電源装置４５の構成を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図７を参照して、この無停電電源装置４５が図１の無停電電源装置１と異なる点は、故障検出回路３０が故障検出回路４６で置換されている点である。故障検出回路４６は、電圧検出回路２１の出力信号Ｖ２１と電流検出回路２５の出力信号Ｉ２５とに基づいて、トランス１１が故障したか否かを検出し、トランス１１が故障した場合に、故障検出信号φＤを活性化レベルの「Ｈ」レベルにする。

図８は、故障検出回路４６の構成を示す回路ブロック図である。図８において、故障検出回路４６は、図３および図６で示した故障検出回路３０，４２とＯＲゲート４７とを含む。ＯＲゲート４７は、故障検出回路３０，４２の出力信号φＤ１，φＤ２の論理和信号を故障検出信号φＤとして出力する。信号φＤ１，φＤ２のうちの少なくともいずれか一方の信号が「Ｈ」レベルにされると、故障検出信号φＤは「Ｈ」レベルにされる。この実施の形態３でも、実施の形態１，２と同じ効果が得られる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，４１，４５ 無停電電源装置、Ｔ１ 入力端子、Ｔ２ バイパス端子、Ｔ３ バッテリ端子、Ｔ４ 出力端子、２，７，１３，１５ コンタクタ、３，６ ヒューズ、４ リアクトル、５ コンバータ、８，１２ コンデンサ、９ インバータ、１１ トランス、１０ 変流器、１４ サイリスタスイッチ、２０ 制御装置、２１ 電圧検出回路、２２ 正弦波発生回路、２３，２６ 減算器、２４ 電圧制御回路、２５ 電流検出回路、２７ 電流制御回路、２８ インバータ制御回路、２９ コンバータ制御回路、３０，４２，４６ 故障検出回路、３１ 切換制御回路、３５ 高域通過フィルタ、３６ 整流回路、３７ 比較器、４３ 抵抗器、４７ ＯＲゲート、５０ 商用交流電源、５１ バッテリ、５２ 負荷。

Claims (2)

1. 無停電電源装置であって、
   交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータで生成された直流電力または電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータの出力電圧を昇圧して負荷に与えるリーケージトランスとを備え、
   前記リーケージトランスが故障すると前記リーケージトランスの変圧比が低下して前記インバータの出力電流が脈動し、
   前記無停電電源装置は、
   さらに、前記交流電源と前記負荷の間に接続されるバイパス回路と、
   前記インバータの出力電流の瞬時値を検出し、検出値を示す信号を出力する電流検出回路と、
   前記トランスの出力電圧の瞬時値を検出し、検出値を示す信号を出力する電圧検出回路と、
   前記電圧検出回路の出力信号に前記交流電力の周波数よりも高い周波数の脈動信号が重畳したことに応じて、前記リーケージトランスが故障したことを示す第１の故障検出信号を出力する第１の故障検出回路と、
   前記電流検出回路および前記電圧検出回路の出力信号に基づいて前記インバータを制御し、前記第１の故障検出回路から前記第１の故障検出信号が出力されたことに応じて、前記バイパス回路を導通させるとともに前記インバータの運転を停止させる制御装置とを備える、無停電電源装置。
2. さらに、前記電流検出回路の出力信号に前記交流電力の周波数よりも高い周波数の脈動信号が重畳したことに応じて、前記リーケージトランスが故障したことを示す第２の故障検出信号を出力する第２の故障検出回路を備え、
   前記制御装置は、前記第１および第２の故障検出回路から前記第１および第２の故障検出信号のうちの少なくともいずれか一方の故障検出信号が出力されたことに応じて、前記バイパス回路を導通させるとともに前記インバータの運転を停止させる、請求項１に記載の無停電電源装置。

Images