JP5920055B2 - 交直電力変換装置、及びこの交直電力変換装置を備えた無停電電源装置 - Google Patents
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上記のように従来の無停電電源装置においては、交直電力変換部により、例えば+200Vの正側直流電源と−200Vの負側直流電源を生成するために、交直電力変換装置を構成するトランジスタはDC200Vを20kHz程度でスイッチングしている。このように200Vの高電圧を20kHzという高周波数でスイッチングすることはトランジスタに多大な電力損失が発生することとなる。
これを対策するために、交直電力変換部の電力損失を低減する方法として、従来の交直電力変換部の回路の前段に、単相フルブリッジインバータを追加した高効率交直電力変換装置がある(例えば、特許文献2参照。)。
また、直交電力変換部の電力損失を低減する方法として、従来のハーフブリッジインバータ回路の後段に単相フルブリッジ回路を追加した高効率直交電力変換装置がある(例えば、特許文献3参照。)。
高効率交直電力変換部の出力電圧を一定にした上で、高効率交直電力変換部を構成する単相フルブリッジインバータの直流電源の電圧を維持、すなわち、単相フルブリッジインバータで扱う電力収支をゼロにするためには、交流電源からの入力電圧が高くなると、従来のコンバータ回路のトランジスタが出力する1パルス幅を広くすることで調整しなければならない。しかし、この1パルス幅は交流入力電圧の周期の半分が最大幅であり、その制約から交流電源の入力電圧の使用可能な最大電圧が決定される。例えば、高効率交直電力変換部の出力電圧として+140Vおよび−140Vを出力する場合、交流電源の入力電圧はAC125V程度が使用可能な最大電圧となり、それ以上の入力電圧の場合には単相フルブリッジインバータ回路の直流電源の電圧を維持できないので、単相フルブリッジインバータの直流電源には、専用の直流電源を設ける必要があるという問題があった。
また、同様に高効率直交電力変換部においても、単相フルブリッジインバータ回路の直流電源の電圧を維持するため、専用の直流電源を設ける必要があるという問題があった。
図1は本発明の実施の形態1における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図、図2は図1の第3の電力変換部の構成を示すブロック図、図3は第1、第2の電力変換部の動作を示す波形図、図4は第1の電力変換部の動作を示す波形図で(a)は正の電圧出力時、(b)は負の電圧出力時、図5は第2の電力変換部の動作を示す波形図で(a)は
AC100V入力時、(b)はAC125V入力時、図6は第1の電力変換部の動作を示す波形図で(a)はAC100V入力時、(b)はAC135V入力時、図7はAC135V入力時の第1、第2の電力変換部の動作を示す波形図で(a)は第2の電力変換部の1パルス動作の波形図、(b)は第1の電力変換部の電流波形、図8は第3の電力変換部の動作を示す波形図、図9は第2の電力変換部の別の構成例を示す回路図である。
なお、特許請求の範囲で述べている「交直電力変換装置」は、上述した第1の電力変換部5と、第2の電力変換部6と、正極側コンデンサ7と、負極側コンデンサ8とで構成される。
図2において、第3の電力変換部9は、正極側コンデンサ7及び負極側コンデンサ8に接続され、1パルスの駆動信号で動作して直流を交流に変換する第1のインバータ91と、第1のインバータ91の後段に電力線21で接続され、高周波で動作する単相のフルブリッジ回路からなる第2のインバータ92と、第2のインバータ92の直流電源である第2の直流コンデンサ9Cと、から構成されている。
なお、特許請求の範囲で述べている「直交電力変換装置」、「第2のコンデンサ」とは、それぞれ上述した第3の電力変換部9、第2の直流コンデンサ9Cのことである。
まず、交流電力を直流電力に変換するコンバータである第1及び第2の電力変換部5、6の動作について説明する。
交流電源1が健全時(例えば、交流電源1の電圧がAC80VからAC140Vの時)には、切換リレー2のb接点2bが閉、突入電流防止部3内のリレー3bが閉となり、第1のリアクトル4、第1の電力変換部5、第2の電力変換部6により、正極側コンデンサ7に例えば140V、負極側コンデンサ8に例えば−140Vの直流電力を供給する。
第1、第2の電力変換装置の動作について、図4および図5に示す動作波形図を参照して説明する。
交流電源1の正の半周期では、スイッチング素子6Qbはオフの状態が継続される。正の半周期において電圧の立ち上がり部分と立下り部分に第1の双方向スイッチ6SWのスイッチング素子6Qcをオンにすることで、両電力線20、18間が短絡されるため、両電力線20、18間の電圧をVxとすると、Vx(図3中、太実線で示す)はゼロになる。また、交流電源1の正の半周期内のそれ以外の期間では、スイッチング素子6Qcはオフであり、かつ、その際にスイッチング素子6Qaがオンされることで、上側の正極側コンデンサ7がVxに充電される。
第1の電力変換部5と第1のリアクトル4は、交流電源1が正の半周期において、第2の電力変換部6のスイッチング素子6Qa,6Qcによって決定された電圧Vxと交流電源1の電圧Vp・sin(ωt)との電圧差を埋めるような電圧Viv(図3の太破線で示す)を常に発生する。すなわち、第1の電力変換部5と第1のリアクトル4で発生される電圧Vivは、次の関係式を満たすようにスイッチング制御される。
Viv=Vx−Vp・sin(ωt) (1)
Vx=Vp・sin(ωt)+Viv (2)
となる。
図3において、いま、交流電源1の正の半周期に着目した場合、第1の電力変換部5が扱う電力は、スイッチング素子6Qcがオンしている期間は負の電力(電流が正の場合)、スイッチング素子6Qcがオフでスイッチング素子6Qaがオンしている期間は正の電力である。この正負の2つの電力量が等しければ、正の半周期での第1の電力変換部5(で扱う電力収支はゼロとなり、特別な直流電源を第1の直流コンデンサ5Cの部分に設ける必要がない。
そこで、上下一対の正極側及び負極側コンデンサ7、8の各電圧を所定の値に維持しつつ、交流電源1からの入力電圧をさらに高く設定可能とするための特別な動作について以下に説明する。
無停電電源装置100においては力率を1に近づけるために、通常、交流電源1の入力電流は、入力電圧の位相と同期を取った正弦波になるように制御されるが、入力電圧が高くなると、入力電流の最大値である位相90度及び270度付近において第1の電力変換部5が負担する電力が最大となり、第1の直流コンデンサ5Cの電圧が上昇する。
なお、ここでは、正弦波形に3次高調波を重畳した電流波形にする例を示したが、台形状に90度と270度付近のピーク値を下げるような電流波形としてもよい。
図8に示すように、正の電圧を出力する半周期では、スイッチング素子9Qbはオフの状態が継続される。正の半周期において電圧の立ち上がり部分と立下り部分に第2の双方向スイッチ9SWのスイッチング素子9Qcをオンにすることで、両電力線21、18間が短絡されるため、両電力線21、18間の電圧をVyとすると、Vy(図8中、太実線で示す)はゼロになる。また、正の半周期内のそれ以外の期間では、スイッチング素子9Qcはオフであり、かつ、その際にスイッチング素子9Qaがオンされることで、上側の正極側コンデンサ7の電圧が出力される。
Vov=Vy−Vo・sin(ωt) (3)
Vy=Vo・sin(ωt)+Vov (4)
となる。
図8において、いま、出力電圧の正の半周期に着目した場合、第2のインバータ部92が扱う電力は、スイッチング素子9Qcがオンしている期間は負の電力(電流が正の場合)、スイッチング素子9Qcがオフでスイッチング素子9Qaがオンしている期間は正の電力である。この正負の2つの電力量が等しければ、正の半周期での第2のインバータ部92で扱う電力収支はゼロとなり、特別な直流電源を第2の直流コンデンサ9Cの部分に設ける必要がない。
第4の電力変換部16のスイッチング素子16Qbをオンして、負極側コンデンサ8→第4の電力変換部16の第3のリアクトル16c→スイッチング素子16Qb→負極側コンデンサ8というルートで第3のリアクトル16cにエネルギーを貯める。続いて、スイッチング素子16Qbをオフして、第3のリアクトル16c→ダイオード16Da→蓄電部15→第3のリアクトル16cというルートで、第3のリアクトル16cに貯められたエネルギーを蓄電部15に充電する。
バックアップ運転時は、切換えリレー2をa接点2a側に切換え、突入電流防止部3のスイッチ3bをオンさせ抵抗3aの両端を短絡し、さらに、スイッチング素子5Q3をオンさせる。
そして、第2の電力変換部6の第1の双方向スイッチ6SWをオンして、蓄電部15→切換えリレー2のa接点2a→スイッチ3b→第1のリアクトル4→ダイオード5D1→スイッチング素子5Q3→第1の双方向スイッチ6SW→蓄電部15というルートで第1のリアクトル4にエネルギーを貯める。
例えば、出力電圧の周期に同期して、スイッチング素子6Qcをオン、オフさせることで、第1の電力変換部5が負担する電力は、スイッチング素子6Qcがオンのときは負、オフのときは正となり、スイッチングパルスの幅を変えることで電力収支をゼロとすることができる。
このように、第1の電力変換部5と第2の電力変換部6をしようすることで、前述のスイッチング損失の低減が図れる。
第1の直流コンデンサ5C、正極側コンデンサ7、負極側コンデンサ8を充電する動作について図1に基づき説明する。
交流電源1の電圧が負の時は、交流電源1→負極側コンデンサ8→ダイオード6Db→ダイオード5D3→第1の直流コンデンサ5C→ダイオード5D4→第1のリアクトル4→抵抗3a→切換えリレー2のb接点2b→交流電源1の順で電流が流れ、負極側コンデンサ8、及び第1の直流コンデンサ5Cが充電される。
バイパスリレー13が常時閉(b接点)の場合は、突入電流防止部3のリレー3bは開、第3の電力変換部9の半導体スイッチはオフなので、前述の第1の直流コンデンサ5Cの充電動作と同時に、交流電源1から抵抗3aと第3の電力変換部9の内のダイオード(半導体スイッチに逆接続されたもの)を介して、各コンデンサを充電する電流が流れる。
交流電源1の電圧が負極の時は、交流電源1→負極側コンデンサ8→ダイオード9Db→ダイオード9D1→第2の直流コンデンサ9C→ダイオード9D2→第2のリアクトル10→バイパスリレー13→抵抗3a→切換えリレー2のb接点2b→交流電源1の順で電流が流れ、負極側コンデンサ8、及び第2の直流コンデンサ9Cが充電される。
しかしながら、以上説明した第1の起動時充電動作では、各コンデンサの電圧は、正規の動作時の電圧よりも低いので、通常動作を開始するためには、各コンデンサの電圧を正規の電圧まで更に充電する必要がある。
まず、リレー3bは閉とし本動作中も閉のままとする。
交流電源1の電圧が正極の時は、第1の双方向スイッチ6SWをオンにして、スイッチング素子5Q4をスイッチング動作させることで、第1のリアクトル4を利用して第1の直流コンデンサ5Cをさらに高い電圧まで充電する。
詳細には、第2の電力変換部6の第1の双方向スイッチ6SWをオンして、交流電源1→切換リレー2のb接点2b→リレー3b→第1のリアクトル4→スイッチング素子5Q4→ダイオード5D2→第1の双方向スイッチ6SW→交流電源1というルートで電流を流し、第1のリアクトル4にエネルギーを貯める。続いて、第1の双方向スイッチ6SWをオフして、第1のリアクトル4→スイッチング素子5Q4→ダイオード5D2→ダイオード6Da→正極側コンデンサ7→交流電源1→切換リレー2のb接点2b→リレー3b→第1のリアクトル4というルートで電流を流し、第1のリアクトル4に貯められたエネルギーを正極側コンデンサ7に充電する。
詳細には、第1の電力変換部5のスイッチング素子5Q2をオンにして、交流電源1→第1の双方向スイッチ6SW→スイッチング素子5Q2→ダイオード5D4→第1のリアクトル4→リレー3b→切換リレー2のb接点2b→交流電源1というルートで電流を流し、第1のリアクトル4にエネルギーを貯める。続いて、スイッチング素子5Q2をオフして、第1のリアクトル4→リレー3b→切換リレー2のb接点2b→交流電源1→第1の双方向スイッチ6SW→ダイオード5D3→第1の直流コンデンサ5C→ダイオード5D4→第1のリアクトル4というルートで電流を流し、第1のリアクトル4に貯められたエネルギーを第1の直流コンデンサ5Cに充電する。
詳細には、第1の双方向スイッチ6SWをオンして、交流電源1→第1の双方向スイッチ6SW→スイッチング素子5Q2→ダイオード5D4→第1のリアクトル4→リレー3b→切換リレー2のb接点2b→交流電源1というルートで電流を流し、第1のリアクトル4にエネルギーを貯める。続いて、第1の双方向スイッチ6SWをオフして、第1のリアクトル4→リレー3b→切換リレー2のb接点2b→交流電源1→負極側コンデンサ8→ダイオード6Db→スイッチング素子5Q2→ダイオード5D4→第1のリアクトル4というルートで電流を流し、第1のリアクトル4に貯められたエネルギーを負極側コンデンサ8に充電する。
また、第2の電力変換部6及び第1のリアクトル4を利用しての昇圧による正極側コンデンサ7及び負極側コンデンサ8の充電電圧としては、第3の電力変換部9の動作に適した電圧とすることが望ましい。
まず、リレー3bを閉に、バイパスリレー13も閉のままとしておく。
交流電源1の電圧が正の時は、第2の双方向スイッチ9SWをオンにして、スイッチング素子9Q2をスイッチング動作させることで、第2のリアクトル10を利用して第2の直流コンデンサ9Cをさらに高い正規の電圧まで充電する。
詳細には、第2の双方向スイッチ9SWをオンして、交流電源1→切換リレー2のb接点2b→スイッチ3b→バイパスリレー13→第2のリアクトル10→スイッチング素子9Q2→ダイオード9D4→第2の双方向スイッチ9SW→交流電源1というルートで電流を流し、第2のリアクトル10にエネルギーを貯める。続いて、第2の双方向スイッチ9SWをオフして、第2のリアクトル10→スイッチング素子9Q2→ダイオード9D4→ダイオード9Da→正極側コンデンサ7→交流電源1→切換リレー2のb接点2b→リレー3b→バイパスリレー13→第2のリアクトル10というルートで電流を流し、第2のリアクトル10に貯められたエネルギーを正極側コンデンサ7に充電する。
詳細には、スイッチング素子9Q4をオンして、交流電源1→第2の双方向スイッチ9SW→スイッチング素子9Q4→ダイオード9D2→第2のリアクトル10→バイパスリレー13→リレー3b→切換リレー2のb接点2b→交流電源1というルートで電流を流し、第2のリアクトル10にエネルギーを貯める。続いて、スイッチング素子9Q4をオフして、第2のリアクトル10→バイパスリレー13→リレー3b→切換リレー2のb接点2b→交流電源1→第2の双方向スイッチ9SW→ダイオード9D1→第2の直流コンデンサ9C→ダイオード9D2→第2のリアクトル10というルートで電流を流し、第2のリアクトル10に貯められたエネルギーを第2の直流コンデンサ9Cに充電する。
詳細には、第2の双方向スイッチ9SWをオンして、交流電源1→第2の双方向スイッチ9SW→スイッチング素子9Q4→ダイオード9D2→第2のリアクトル10→バイパスリレー13→リレー3b→切換リレー2のb接点2b→交流電源1というルートで電流を流し、第2のリアクトル10にエネルギーを貯める。続いて、第2の双方向スイッチ9SWをオフして、第2のリアクトル10→バイパスリレー13→リレー3b→切換リレー2のb接点2b→交流電源1→負極側コンデンサ8→ダイオード9Db→スイッチング素子9Q4→ダイオード9D2→第2のリアクトル10というルートで電流を流し、第2のリアクトル10に貯められたエネルギーを負極側コンデンサ8に充電する。
また、図9(b)に示すように、ダイオードが逆並列接続された4個のトランジスタ6Qa、6Qb、6Qc、6Qcを、ダイオードが逆並列接続された4個のトランジスタ6Qa1、6Qa2、6Qb1、6Qb2と2個のダイオード6D3、6D4としてもよい、この場合、トランジスタが負担する電圧が半分になるので、より小さい定格電圧のトランジスタが使用できるので、トランジスタのロスを低減できる。
また、図9(c)に示すように、第1の双方向スイッチ6SWを削除してもよい。
6 第2の電力変換部、 7 正極側コンデンサ、8 負極側コンデンサ、
9 第3の電力変換部、 10 第2のリアクトル、13 バイパスリレー、
15 蓄電部、16 第4の電力変換部、
91 第1のインバータ、92第2のインバータ、100 無停電電源装置。
Claims (4)
- 交流電源の一方の電力線に接続され、単相フルブリッジインバータである第1の電力変換部と、
この第1の電力変換部の出力と前記交流電源の他方の電力線との間に接続され、前記交流電源の半周期ごとに加わる1パルスの駆動信号で動作し交流を正負の直流に変換する第2の電力変換部と、
この第2の電力変換部により電力を供給される正極側コンデンサ、及び負極側コンデンサと、を備え、
前記第2の電力変換部は前記第1の電力変換部の1周期当たりの電力収支がゼロとなるように前記第2の電力変換部に加わる電圧のパルス幅を制御するとともに、前記パルス幅が前記交流電源の半周期に達する状況に応じて、前記第1の電力変換部は前記第1の電力変換部の1周期当たりの電力収支がゼロとなるように、前記交流電源からの入力電流波形の電流最大値を低減させることを特徴とする交直電力変換装置。 - 前記入力電流波形は、前記交流電源の電圧波形の周期に同期し、前記電流最大値を低減するように第3次高調波電流を重畳したものであることを特徴とする請求項1に記載の交直電力変換装置。
- 請求項1または請求項2に記載の交直電力変換装置と、
前記正極側コンデンサ、及び前記負極側コンデンサに接続され、出力する電圧の半周期ごとに加わる1パルスの駆動信号で動作し前記正極側コンデンサ、及び前記負極側コンデンサの直流電力を交流電力に変換する第1のインバータと、この第1のインバータの出力に接続され、高周波で動作する単相フルブリッジインバータである第2のインバータと、この第2のインバータの直流電源である第2のコンデンサと、を備えた直交電力変換装置と、を有し、
前記第1のインバータは前記第2のインバータの1周期当たりの電力収支がゼロとなるように前記第1のインバータに加わる電圧のパルス幅を制御するとともに、前記パルス幅が前記直交電力変換装置における出力電圧の半周期に達する状況に応じて、前記第2のインバータは、前記第2のインバータの1周期当たりの電力収支がゼロとなるように前記出力電圧の電圧最大値を低減させることを特徴とする無停電電源装置。 - 前記第2のインバータは、前記第2のコンデンサの電圧を維持するように、出力電圧波形を、基本正弦波に第3次高調波を重畳した波形とすることを特徴とする請求項3に記載の無停電電源装置。
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