JP5882884B2

JP5882884B2 - 無停電電源装置

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Publication number: JP5882884B2
Application number: JP2012278121A
Authority: JP
Inventors: 豊田　勝; 勝豊田
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: JP2014124017A

Description

この発明は無停電電源装置に関し、特に、インバータ給電状態とバイパス給電状態を有する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して負荷に供給するインバータと、交流電源と負荷の間に並列接続されたサイリスタスイッチおよびコンタクタを含むバイパス回路と、これらを制御する制御装置とを備えている。

制御装置は、インバータから負荷に交流電力が供給されるインバータ給電状態から交流電源からバイパス回路を介して負荷に交流電力が供給されるバイパス給電状態に切換えるとき、サイリスタスイッチおよびコンタクタを順次オンさせる（特許文献１参照）。

特開２０１０−２２０３３９号公報

しかし、従来の無停電電源装置では、制御装置用の電源回路が故障していた場合、インバータ給電状態からバイパス給電状態に切換えるときに電源電流が不足してコンタクタをオンさせることができず、給電状態を正確に切換えることができない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、インバータ給電状態からバイパス給電状態に正確に切換え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して負荷に供給するインバータと、交流電源と負荷の間に並列接続されたサイリスタスイッチおよび第１のコンタクタを含むバイパス回路と、インバータから負荷に交流電力が供給されるインバータ給電状態から交流電源からバイパス回路を介して負荷に交流電力が供給されるバイパス給電状態に切換えるとき、サイリスタスイッチおよび第１のコンタクタを順次オンさせる第１の切換制御回路と、サイリスタスイッチの電流を検出する電流検出回路と、電流検出回路によってサイリスタスイッチに電流が流れたことが検出されたことに応じて第１のコンタクタをオンさせる第２の切換制御回路と、第１の切換制御回路に電源電圧を供給する第１の電源回路と、第２の切換制御回路に電源電圧を供給する第２の電源回路とを備えたものである。

好ましくは、さらに、インバータと負荷の間に介挿された第２のコンタクタを備え、第１の切換制御回路は、インバータ給電状態からバイパス給電状態に切換えるとき、サイリスタスイッチをオンさせ、第２のコンタクタをオフさせ、第１のコンタクタをオンさせた後にサイリスタスイッチをオフさせる。

この発明に係る無停電電源装置では、インバータ給電状態からバイパス給電状態に切換えるとき、サイリスタスイッチおよび第１のコンタクタを順次オンさせる第１の切換制御回路と、サイリスタスイッチに電流が流れたことに応じて第１のコンタクタをオンさせる第２の切換制御回路とが設けられる。したがって、第１の切換制御回路が正確に動作しない場合でも第２の切換制御回路によって第１のコンタクタをオンさせることができ、インバータ給電状態からバイパス給電状態に正確に切換えることができる。

この発明の一実施の形態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に示した無停電電源装置における故障発生時の動作を示すタイムチャートである。

本発明の一実施の形態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（交流電磁接触器）２，７，１２，１５、ヒューズ３，６、リアクトル４、コンバータ５、コンデンサ８，１１、インバータ９、トランス１０、変流器１３，１７、サイリスタスイッチ１４、ＯＲゲート１６、主制御装置２０、および副制御装置３０を備える。

主制御装置２０は、電圧検出回路２１、電流検出回路２２、ＰＷＭ（pulse width modulation：パルス幅変調）制御回路２３、故障検出回路２４、ゲート停止検出回路２５、切換制御回路２６、および電源回路２７を含む。また、副制御装置３０は、電流検出回路３１、切換制御回路３２、および電源回路３３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１０、およびコンタクタ１２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、ＰＷＭ制御回路２３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、ＰＷＭ制御回路２３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。

トランス１０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１１は、トランス１０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。電圧検出回路２１は、トランス１０の出力電圧の瞬時値を検出し、検出値を示す信号をＰＷＭ制御回路２３に与える。

コンタクタ１２は、切換制御回路２６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１２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。

変流器１３は、負荷電流の値に比例し、かつ負荷電流の値よりも十分に小さな値の電流を電流検出回路２２に与える。電流検出回路２２は、変流器１３の出力電流の瞬時値を検出し、検出値を示す信号をＰＷＭ制御回路２３に与える。

サイリスタスイッチ１４は、切換制御回路２６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、ＯＲゲート１６の出力信号φＥが「Ｈ」レベルにされている場合はオンし、信号φＥが「Ｌ」レベルにされている場合はオフする。ＯＲゲート１６は、切換制御回路２６，３２からの制御信号φＣ，φＤの論理和信号φＥを出力する。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。また、コンタクタ１５は、制御信号φＤに応答して、バイパス端子Ｔ２と出力端子Ｔ４の間に電流が流れたことに応じてオンする。

ＰＷＭ制御回路２３は、電圧検出回路２１および電流検出回路２２の出力信号に基づいて、所定の電圧および電流が負荷５２に供給されるようにコンバータ５およびインバータ９の各々をＰＷＭ制御する。このときＰＷＭ制御回路２３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、ＰＷＭ制御回路２３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しているか否かを検出し、検出結果を示す同期検出信号φ２３を切換制御回路２６に与える。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している場合は同期検出信号φ２３は活性化レベルの「Ｈ」レベルにされ、それらが同期していない場合は同期検出信号φ２３は非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされる。

また、ＰＷＭ制御回路２３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、コンバータ５の運転を停止させ、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。

故障検出回路２４は、ＰＷＭ制御回路２３に接続され、コンバータ５およびインバータ９の各々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φ２４を出力する。コンバータ５およびインバータ９のうちの少なくともいずれか一方が故障した場合は故障検出信号φ２４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φ２４は非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされる。

ゲート停止検出回路２５は、ＰＷＭ制御回路２３に接続され、ＰＷＭ制御回路２３が故障したか否かを判別し、判別結果を示すゲート停止検出信号φ２５を出力する。ＰＷＭ制御回路２３が故障した場合はゲート停止検出信号φ２５は活性化レベルの「Ｈ」レベルにされ、それが故障していない場合はゲート停止検出信号φ２５は非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされる。

切換制御回路２６は、無停電電源装置１の運転開始時において、同期検出信号φ２３が非活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合は制御信号φＡを「Ｌ」レベルにしてコンタクタ１２をオフさせ、同期検出信号φ２３が活性化レベルの「Ｈ」レベルにされた場合は、制御信号φＡを「Ｈ」レベルにしてコンタクタ１２をオンさせる。つまり切換制御回路２６は、電圧検出回路２１で検出された三相交流電圧が商用交流電源５０からの三相交流電圧に同期した後にコンタクタ１２をオンさせて、インバータ９で生成された三相交流電力を負荷５２に供給させる。

また、切換制御回路２６は、無停電電源装置１の運転時において、故障検出信号φ２４およびゲート停止検出信号φ２５のうちの少なくともいずれか一方の信号が活性化レベルの「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１２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１２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１２が実際にオフする。コンタクタ１２がオフすると、トランス１０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２６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２６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。

また、電源回路２７は、出力端子Ｔ４からの交流電力と、リアクトル４とコンバータ５の間のノードからの交流電力とに基づいて主制御装置２０用の直流電源電圧を生成する。主制御装置２０内の回路２１〜２６の各々は、電源回路２７で生成された直流電源電圧によって駆動される。なお、電源回路２７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ときに電源電流が不足し、切換制御回路２６によってコンタクタ１５をオンさせることができないという問題がある。

また、変流器１７は、サイリスタスイッチ１４およびコンタクタ１５と出力端子Ｔ４との間に流れるバイパス電流の値に比例し、かつバイパス電流の値よりも十分に小さな値の電流を電流検出回路３１に与える。電流検出回路３１は、変流器１７の出力電流の瞬時値を検出し、検出値を示す信号を切換制御回路３２に与える。

切換制御回路３２は、電流検出回路３１によって検出された電流値が所定値を超えた場合に制御信号φＤを所定タイミングで「Ｈ」レベルにしてコンタクタ１５をオンさせる。換言すると切換制御回路３２は、サイリスタスイッチ１４がオンされてバイパス端子Ｔ２と出力端子Ｔ４との間にバイパス電流が流れた場合はコンタクタ１５をオンさせてバイパス電流を流し続ける。したがって、切換制御回路２６が正常に動作しないためにコンタクタ１５がオンされない場合でも、切換制御回路３２によってコンタクタ１５をオンさせることができ、バイパス電流を流すことができる。

また、電源回路３３は、出力端子Ｔ４からの交流電力に基づいて副制御装置３０用の直流電源電圧を生成する。副制御装置３０内の回路３１，３２の各々は、電源回路３３で生成された直流電源電圧によって駆動される。

次に、この無停電電源装置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２，７，１２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１０およびコンタクタ１２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１０およびコンタクタ１２を介して負荷５２に供給される。

図２（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２（ａ）〜（ｄ）において、通常時（時刻ｔ０）は、故障検出信号φ２４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１２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においてインバータ９に故障が発生して故障検出信号φ２４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φ２４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１２がオフする（時刻ｔ２）。

また、故障検出信号φ２４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１２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。

また、サイリスタスイッチ１４がオンすると、サイリスタスイッチ１４に所定値以上の電流が検出され、制御信号φＤが所定のタイミングで「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１２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φＤが生成される。したがって、主制御装置２０の電源回路２７の故障によって制御信号φＣが「Ｈ」レベルにされない場合でも、副制御装置３０によって制御信号φＤが「Ｈ」レベルにされてコンタクタ１５がオンする。

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５０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。

この実施の形態では、インバータ給電状態からバイパス給電状態に切換えるとき、サイリスタスイッチ１４およびコンタクタ１５を順次オンさせる切換制御回路２６と、サイリスタスイッチ１４に電流が流れたときにコンタクタ１５をオンさせる切換制御回路３２とが設けられる。したがって、電源回路２７が故障して切換制御回路２６が正確に動作しない場合でも切換制御回路３２によってコンタクタ１５をオンさせることができ、インバータ給電状態からバイパス給電状態に正確に切換えることができる。

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。

Ｔ１入力端子、Ｔ２バイパス端子、Ｔ３バッテリ端子、Ｔ４出力端子、１無停電電源装置、２，７，１２，１５コンタクタ、３，６ヒューズ、４リアクトル、５コンバータ、８，１１コンデンサ、９インバータ、１０トランス、１３，１７変流器、１４サイリスタスイッチ、１６ＯＲゲート、２０主制御装置、２１電圧検出回路、２２，３１電流検出回路、２３ＰＷＭ制御回路、２４故障検出回路、２５ゲート停止検出回路、２６，３２切換制御回路、２７，３３電源回路、３０副制御装置、５０商用交流電源、５１バッテリ、５２負荷。

Claims

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して負荷に供給するインバータと、
前記交流電源と前記負荷の間に並列接続されたサイリスタスイッチおよび第１のコンタクタを含むバイパス回路と、
前記インバータから前記負荷に交流電力が供給されるインバータ給電状態から前記交流電源から前記バイパス回路を介して前記負荷に交流電力が供給されるバイパス給電状態に切換えるとき、前記サイリスタスイッチおよび前記第１のコンタクタを順次オンさせる第１の切換制御回路と、
前記サイリスタスイッチの電流を検出する電流検出回路と、
前記電流検出回路によって前記サイリスタスイッチに電流が流れたことが検出されたことに応じて前記第１のコンタクタをオンさせる第２の切換制御回路と、
前記第１の切換制御回路に電源電圧を供給する第１の電源回路と、
前記第２の切換制御回路に電源電圧を供給する第２の電源回路とを備える、無停電電源装置。
さらに、前記インバータと前記負荷の間に介挿された第２のコンタクタを備え、
前記第１の切換制御回路は、前記インバータ給電状態から前記バイパス給電状態に切換えるとき、前記サイリスタスイッチをオンさせ、前記第２のコンタクタをオフさせ、前記第１のコンタクタをオンさせた後に前記サイリスタスイッチをオフさせる、請求項１に記載の無停電電源装置。