JP6435715B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、無停電電源装置に関し、特に並列制御機能を持った複数のインバータとバイパス回路を備え、インバータとバイパス回路との無瞬断切換が可能な無停電電源装置に関する。

常時インバータ給電を行う無停電電源装置は、常時安定な交流電力を負荷に供給でき、また停電等の際も一定の期間安定な交流電力を供給できるので、重要負荷への電力供給に使用される。この無停電電源は、負荷に商用電源を接続するためのバイパス回路を備え、無停電電源装置の故障、点検時などはバイパス回路に切り替える。これにより負荷への電源供給を継続する。
しかし、通常は、負荷に与える外乱を少なくするため、無停電電源装置による通常の運転からバイパス用交流電源に移行するとき、バイパス電源の周波数が所定の周波数範囲内において、インバータはパイパス電源の周波数に追従制御し、両者の出力周波数及び位相が略一致した同期状態で切替えを行なう。

例えば、瞬時電流制御を行うコンバータの電流指令及び瞬時電圧制御を行うインバータの電圧指令の動作周波数を演算により算出、補正し、コンバータ及びインバータを商用の交流電源と同期をとる事が提案されている（特許文献１）。この方法によれば、商用の交流電源との無瞬断切り換えを行い電源装置の無停電化を実現する事ができる。

しかし、特許文献１の方法は、コンバータ及びインバータを商用の交流電源と同期を取るので制御が複雑になる。また、インバータと商用の交流電源とが同期していない場合は無瞬断で切り換えることができない。そこで、図６に示す従来例は、インバータの出力電圧と商用電源からの交流電圧との間に電圧位相差があり非同期状態であってもインバータ１０２とバイパス回路１３１を切り換える方法を提案する（特許文献２）。つまり、バイパス回路１３１がリアクトル１４０を含む過電流抑制回路部１３４を有し、インバータ１０２の出力電圧と商用電源１５０からの交流電圧とが非同期状態にある場合にインバータ給電からバイパス給電に切換えても、電流がリアクトル１４０を介して負荷１５１およびインバータ１０２に流れるので、電流値がインバータの許容電流値以下となる。

特許文献２は、インバータ１０２と商用の交流電源１５０とが同期していない場合でも、インバータ給電からバイパス給電に切換えたとき、インバータ１０２に過電流は流れないので、安全にインバータ給電からバイパス給電に切換えることができる。しかし、特許文献２は、切替時の過電流を抑制するため比較的大きなインダクタンスのリアクトル１４０を必要とする。また、リアクトル１４０には、バイパス給電のとき常時負荷に供給する電流が流れるので、電流容量の大きなリアクトルが必要となる。特にインバータを複数台並列に接続する大型の無停電電源装置ではリアクトルが大きくなる。さらに、過電流を抑制する際に電圧降下が発生し、負荷側の電圧を安定に維持できない。負荷側の電圧変動は、バイパス給電時においても負荷電流によって発生し、負荷へ供給する電圧を安定に維持できない。

特開平０８−１２６２２８号公報 特開２００９−２９６８３０号公報

並列制御機能を持った複数のインバータとバイパス回路を備えた無停電電源装置において、インバータとバイパス回路とを非同期で且つ無瞬断に切り換えることを目的とする。

本発明の無停電電源装置は、複数台のインバータを並列に接続したインバータ装置と、バイパス電源から電力を供給するバイパス回路と、前記インバータ装置の出力と前記バイパス電源からの出力を切り換えて負荷装置に電力を供給する電源切換部を備える。電源切換部は、インバータ装置と負荷装置との接続または開放を行う第１のスイッチ回路と、バイパス回路と負荷装置との接続または開放を行う第２のスイッチ回路と、第１のスイッチ回路のオンオフを制御し、また第２のスイッチ回路のオンオフを制御するスイッチ制御回路と、複数台のインバータの稼働状態に応じてインバータ装置の供給可能電力を演算するインバータ出力電力演算部とを備える。そして、スイッチ制御回路は、インバータ装置が負荷装置の消費する電力を供給可能であるときは、第１のスイッチ回路をオンさせ、第２のスイッチ回路をオフさせ、さらに全てのインバータに稼働を指示する。さらに、スイッチ制御回路は、インバータ装置が負荷装置の消費する電力を供給不可能になると、インバータ装置とバイパス回路とが非同期状態で、第１のスイッチ回路をオフさせ、第２のスイッチ回路をオンさせると同時に全てのインバータを停止させ、第１のスイッチ回路および第２のスイッチ回路の各々は、半導体スイッチと機械式スイッチとを並列に接続して構成されることを特徴とする。

本発明の無停電電源装置は、インバータ装置の出力とバイパス電源の出力とを非同期で且つ無瞬断に切り変えることが容易に行える。

図１は本発明の無停電電源装置を示した回路構成図である。（実施例１） 図２は実施例１の無停電電源装置に使用するスイッチ制御回路を示した回路構成図である。 図３は本発明の無停電電源装置で実際の出力波形の例を示す波形図である。 図４は本発明の無停電電源装置で使用するスイッチ回路の変形例である。 図５は本発明の無停電電源装置で使用するスイッチ回路の他の変形例である。 図６は従来の無停電電源装置を示した回路構成図である。

図１は、本発明の実施例１に係る無停電電源装置１を示した回路構成図である。
交流電源３はＡＣ−ＤＣコンバータ４を介してバッテリ５およびインバータ部６に接続される。インバータ部６の出力は、電源切換部８のスイッチ回路１０の一方に接続される。スイッチ回路１０の他方は負荷装置１７に接続される。また、バイパス電源２はバイパス回路７および電源切換部８のスイッチ回路９を介して負荷装置１７に接続される。インバータ部６は５台のＤＣ−ＡＣインバータ６−１、６−２、６−３、６−４、６−５の入力ＩＮを並列に接続し、出力ＯＵＴを並列に接続して構成され並列運転を行う。スイッチ回路９はトライアック９−１および電磁接触器９−２を並列に接続して構成される。スイッチ回路１０はトライアック１０−１および電磁接触器１０−２を並列に接続して構成される。さらに、電源切換部８は、スイッチ回路９およびスイッチ回路１０の各トライアックおよび各電磁接触器を駆動するスイッチ制御回路１５を備える。スイッチ制御回路１５は、負荷装置１７に供給される電流を検出する電流検出器１６を備え、並列運転する５台のＤＣ−ＡＣインバータの各々のＡＬＭ端子からから出力される異常信号を受け、スイッチ回路９のトライアック９−１および電磁接触器９−２に駆動信号を送出し、スイッチ回路１０のトライアック１０−１および電磁接触器１０−２に駆動信号を送出すると共に、並列運転する５台のＤＣ−ＡＣインバータのＯＮ／ＯＦＦ端子にオンオフ信号を送出する。

図２は、スイッチ制御回路１５の具体的な回路構成図である。電流検出器１６の出力信号をＩｓ端子で受け、負荷電力演算部２０１で負荷装置１７の電力量Ｐｏを演算し出力する。また、インバータ出力電力演算部は、並列運転する５台のＤＣ−ＡＣインバータの各々のＡＬＭ端子からから出力される異常信号をＡＬＭ１からＡＬＭ５の５つの入力端子で受け、正常に動作しているインバータの台数からインバータ部６が出力可能な最大電力Ｐｉｎｖを演算し出力する。このとき、並列運転する５台のＤＣ−ＡＣインバータのうちから少なくとも１台以上を冗長運転用としても良い。本発明の実施例１では、１台を冗長運転とし、各ＤＣ−ＡＣインバータは１０ｋＶＡの電力を出力できるものとする。従って、並列運転する５台のＤＣ−ＡＣインバータが正常である場合は冗長運転用の１台を除いて４台分４０ｋＶＡに相当する信号が、インバータ出力電力演算部２０３から出力される。電力比較部２０２は、電力量Ｐｏと電力量Ｐｉｎvを比較し、Ｐｉｎｖ≧Ｐｏの場合は信号Ｉｎｖ／ＢをＳＷ−Ｄｒｉｖｅ２０５へ出力する。また、Ｐｉｎｖ＜Ｐｏの場合はＳＷ−Ｄｒｉｖｅ２０５へのＩｎｖ／Ｂ信号を停止する。ＳＷ−Ｄｒｉｖｅ２０５は信号Ｉｎｖ／Ｂに応じて、スイッチ回路９をオンオフする駆動信号ＤｒｉｖｅＡを出力し、且つスイッチ回路１０をオンオフする駆動信号ＤｒｉｖｅＢを出力するとともに、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路にインバータ部６の稼働停止を制御する信号Ｃｏｎｔを出力する。駆動信号ＤｒｉｖｅＡは信号Ａ−１とＡ−２で構成され、信号Ａ−１はスイッチ回路９のトライアック９−１をオンオフし、信号Ａ−２は電磁接触器９−２をオンオフする。同様に駆動信号ＤｒｉｖｅＢは信号Ｂ−１とＢ−２で構成され、信号Ｂ−１はスイッチ回路１０のトライアック１０−１をオンオフし、信号Ｂ−２は電磁接触器１０−２をオンオフする。ＯＮ／ＯＦＦ制御２０４は信号Ｃｏｎｔが出力されると並列運転した５台のＤＣ−ＡＣインバータを同時に稼働状態にし、信号Ｃｏｎｔが出力されないと並列運転した５台のＤＣ−ＡＣインバータを同時に停止する。

このように構成された実施例１の動作を図１および図２を用いて説明する。
通常時は、交流電源３から供給される電力をＡＣ−ＤＣコンバータ４で直流に変換する。この直流はバッテリ５を充電するとともに、インバータ部６に供給される。インバータ部６は直流を交流に変換し電源切換部８のスイッチ回路１０を介して負荷装置１７に安定な交流電力を供給する。このとき、スイッチ制御回路１５はＳＷ−Ｄｒｉｖｅ２０５を介してスイッチ回路９のトライアック９−１および電磁接触器９−２をオフさせ、スイッチ回路１０のトライアック１０−１および電磁接触器１０−２をオンさせる。また、信号ＣｏｎtをＯＮ／ＯＦＦ制御２０４へ出力し、ＯＮ／ＯＦＦ制御２０４は並列運転した５台のＤＣ−ＡＣインバータを稼働する。

次に、交流電源３が停電すると、インバータ部６はバッテリ５の充電エネルギーを交流に変換し電源切換部８のスイッチ回路１０を介して負荷装置１７に安定な交流電力を供給する。これらの動作は常時インバータ給電方式と呼ばれる一般的な動作である。

［いずれかのインバータが故障停止した場合］
いずれかのインバータが故障したとき、本発明の実施例１は以下のように動作する。
並列運転した５台のＤＣ−ＡＣインバータのいづれか１台が故障し異常停止すると以下の動作を行う。例えばＤＣ−ＡＣインバータ６−１が異常停止すると、ＤＣ−ＡＣインバータ６−１は異常信号を端子ＡＬＭ１に出力する。スイッチ制御回路１５では、ＤＣ−ＡＣインバータ６−１からの異常信号をＡＬＭ１受けると、インバータ出力電力演算部２０３が冗長運転の1台分をキャンセルしてインバータ部６が出力可能な最大電力４０ｋＶＡに相当する信号をＰｉｎvとして出力する。冗長運転分を継続して１台分の出力電力を減算して３０ｋＶＡに相当する信号をＰｉｎvとして出力しても良い。
さらにもう一台、例えばＤＣ−ＡＣインバータ６−２が異常停止した場合は、異常停止した１台分の出力電直を減算して３０ｋＶＡに相当する信号をＰｉｎvとして出力する。また、並列運転した５台のＤＣ−ＡＣインバータのいづれか複数台が同時に故障し異常停止した場合は、インバータ出力電力演算部２０３はインバータ部６が出力可能な最大電力から故障した台数分の電力を減算し信号Ｐｉｎvを出力する。つまり、５台のうち２台が同時に故障した場合は３０ｋＶＡに相当する信号Ｐｉｎvを出力する。

負荷装置１７で消費される電力は負荷電力演算部２０１から信号Ｐｏが出力され、電力比較部２０２でＰｉｎｖとＰｏを比較する。Ｐｉｎｖ≧Ｐｏの場合は、電力比較部２０２からの信号Ｉｎｖ／Ｂは変化せず、インバータ部６からの給電を継続する。Ｐｉｎｖ＜Ｐｏの場合は、電力比較部２０２からの信号Ｉｎｖ／Ｂは停止される。すると、ＳＷ−Ｄｒｉｖｅ２０５は駆動信号ＤｒｉｖｅＡの信号Ａ−１およびＡ−２をオンとし、駆動信号ＤｒｉｖｅＢの信号Ｂ−１およびＢ−２にオフとする。このため、スイッチ回路９のトライアック９−１および電磁接触器９−２がオンし、同時に、スイッチ回路１０のトライアック１０−１および電磁接触器１０−２がオフするので、負荷装置１７への電力供給はインバータ部６からバイパス回路７に切り換わる。
このとき、スイッチ回路９のトライアック９−１は瞬時にオンするが、スイッチ回路１０の電磁接触器１０−２は機械的動作の遅れにより接点がすぐにオフできず、オン状態を維持する。非同期状態であると、バイパス電源２の電圧とインバータ部６の出力電圧の位相が異なる状態で同時オンすることになるので、バイパス電源２とインバータ部６間とに短絡電流、突入電流などの異常電流が流れ、異常停止していない健全機のインバータが破損または故障停止する恐れがある。本発明の実施例１では、これを防止するため、スイッチ制御回路１５のＳＷ−Ｄｒｉｖｅ２０５は、スイッチ回路９のトライアック９−１および電磁接触器９−２をオンさせると同時に、ＯＮ／ＯＦＦ制御２０４への信号Ｃｏｎｔの出力を停止し、ＯＮ／ＯＦＦ制御２０４はインバータ部６の並列接続した５台のＤＣ−ＡＣインバータのＯＮ／ＯＦＦ端子にオフ信号を送出し全インバータを停止させる。各インバータのスイッチング素子はオフするので、バイパス回路７とインバータ部６の出力間に異常電流が流れる事はない。これより、インバータ部６のいづれかが異常停止しても、異常停止していない健全機のインバータが破損または故障停止することなく、無瞬断でバイパス回路７に切換ることができる。

以上のように、インバータ部６の並列接続されたＤＣ−ＡＣインバータのうち１台または複数台が異常停止し、インバータ部６では負荷装置１７に電力を供給することが困難になると、無瞬断でバイパス回路７に切り換えを行う。
図２に実際に切り替えを行った時の負荷装置１７の電圧波形の例を示す。５０Ｈzの交流を並列接続した５台のＤＣ−ＡＣインバータで供給するとき、時刻ｔで並列接続した５台のＤＣ−ＡＣインバータのうちの１台を異常停止させたものである。インバータ部６の出力とバイパス電源２とは略５ｍ秒の位相差を有するが、時刻ｔにてインバータ部６の出力からバイパス電源２に切り替わり、負荷装置１７に無瞬断で電力を供給している。

さらに、本発明の実施例１は、並列接続した５台のＤＣ−ＡＣインバータが故障してバイパス回路７から負荷装置１７へ給電しているとき、故障したＤＣ−ＡＣインバータを修理または交換等により復旧させた場合は、負荷装置１７への電力供給をバイパス回路７からインバータ部６に切換える。故障したＤＣ−ＡＣインバータが復旧すると、ＡＬＭ信号がリセットされる。すると、インバータ出力電力演算部２０３は、インバータ部６が出力可能な最大電力を復旧したＤＣ−ＡＣインバータの台数分だけ加算した信号Ｐｉｎｖを出力する。電力比較部２０２は、信号Ｐｉｎvと信号Ｐｏを比較しＰｉｎｖ＜Ｐｏであればそのままバイパス給電を継続するが、Ｐｉｎｖ≧Ｐｏとなると、信号Ｉｎｂ／Ｂを出力しインバータ給電を指示する。このとき、ＳＷ−Ｄｒｉｖｅ２０５は、先ず、信号ＣｏｎｔをＯＮ／ＯＦＦ制御２０４に出力し、ＯＮ／ＯＦＦ制御２０４は全ＤＣ−ＡＣインバータをオンする。全ＤＣ−ＡＣインバータが並列運転状態になると、負荷装置１７への電力供給をバイパス回路７からインバータ部６に切換える。この時、スイッチ回路９のトライアック９−１をオフし、電磁接触器９−２の接点がＯＦＦすると同時にスイッチ回路１０のトライアック１０−１をＯＮさせる。切り換えが完了するとスイッチ回路１０の電磁接触器１０−２をオンして、通常運転状態に復帰させる。これによって、異常電流が流れることなく負荷装置１７の給電をバイパス回路７からインバータ部６に切り替えることができる。バイパス回路７とインバータ部６の出力間に異常電流が流れないようにバイパス電圧とインバータ出力電圧とが位相があったタイミングで切換えてもよい。
［インバータ部が過負荷になった場合］

図１に示す本発明の実施例１の無停電電源装置１は、負荷装置１７が過負荷になったときにもバイパス回路７に切り替える事ができる。負荷装置１７に供給する電流をが所定値を超えたことをスイッチ制御回路１５の過負荷検出部２０６が検出すると、過負荷信号ＯＣをＳＷ−Ｄｒｉｖｅ２０５に出力する。ＳＷ−Ｄｒｉｖｅ２０５は、スイッチ回路９のトライアック９−１および電磁接触器９−２をオンさせると同時に、スイッチ回路１０のトライアック１０−１および電磁接触器１０−２をオフさせる。さらに、ＳＷ−Ｄｒｉｖｅ２０５はオンオフ制御２０４へ信号Ｃｏｎｔを送出し、オンオフ制御２０４はインバータ部６の全インバータを停止させる。これより、バイパス回路７とインバータ部６の出力間に異常電流が流れることはなく、安全に無瞬断でバイパス回路７からの電力給電に切換えることができる。

さらに、バイパス回路７からの給電に切換わると、ＳＷ−Ｄｒｉｖｅ２０５はオンオフ制御２０４へ信号Ｃｏｎｔを送出を停止しインバータ部６の全インバータをを自動運転させる。このとき、スイッチ回路１０のトライアック１０−１および電磁接触器１０−２はオフしているので、インバータ部６は無負荷で待機する。その後、負荷装置１７の過負荷が解消すると、過負荷検出部２０６は信号ＯＣの送出を停止し、負荷装置１７への電力供給をバイパス回路７からインバータ部６に切換える。この時、スイッチ回路９のトライアック９−１をオフし、電磁接触器９−２の接点がＯＦＦすると同時にスイッチ回路１０のトライアック１０−１をＯＮさせる。切り換えが完了するとスイッチ回路１０の電磁接触器１０−２をオンして、通常運転状態に復帰させる。異常電流が流れることはなく負荷装置１７の電力給電をバイパス回路７からインバータ部６に切り替えることができる。バイパス回路７とインバータ部６の出力間に異常電流が流れないようにバイパス電圧とインバータ出力電圧とが位相があったタイミングで切換えても良い。この場合も、異常電流が流れることはなく負荷装置１７の電力給電をバイパス回路７からインバータ部６に切り替えることができる。このように本発明の実施例１では、負荷装置１７が過負荷になるとバイパス電源からの給電に切り替え、過負荷状態から通常負荷に戻ると、無停電電源装置１は通常状態に自動復帰する事ができる。なお、過負荷によるバイパス給電への切り替えは電力比較部２０２からの信号Ｉｎｖ／Ｂにても可能であるが、電力比較部２０２からの信号は応答が遅いので出力電圧が低下する恐れがある。過負荷検出部２０６からの信号ＯＣは過負荷になると瞬時に出力されるので出力電圧の低下がない。

本発明のスイッチ回路は半導体スイッチおよび機械スイッチを並列に接したものに限定するものではない。図４（Ａ）に示すように半導体スイッチ１０および１３のみでも良い。また、実施例１では半導体スイッチとしてトライアックを用いているが、図４（Ｂ）に示すようにサイリスタを逆並列に接続した半導体スイッチでも良い。さらに図５のように一方のスイッチ回路５３を半導体スイッチ５３−１と機械スイッチ５３−２を並列に接続し、他方のスイッチ回路５４を機械スイッチ５４−２のみとしても良い。いずれも同じ効果を奏する。

実施例１ではＤＣ−ＡＣインバータを５台としたが、これに限定されるものではなく、インバータ部６は任意の複数台のＤＣ−ＡＣインバータを並列に接続しても良い。また、実施例１では、バイパス回路７はバイパス電源から供給されるが、交流電源３でもよい。インバータ部６の入力に直流電源を直接入力しても良い。

給電に対する高い信頼性が要求される負荷装置の給電に最適である。

１ 無停電電源装置
２ バイパス電源
３ 交流電源
４ ＡＣ−ＤＣコンバータ
５ バッテリ
６ インバータ部
６−１、６−２、６−３、６−４、６−５ ＤＣ−ＡＣインバータ
７ バイパス回路
８ 電源切換部
９、１０、５１，５２、５３，５４ スイッチ回路
９−１，１０−１，５１−１、５２−１、５３−１ トライアック
９−２、１０−２，５３−２、５４−２ 電磁接触器
１５ スイッチ制御回路
１６ 電流検出手段
１７ 負荷装置
５１−３、５１−４、５２−３、５２−４ サイリスタ
２０１ 負荷電力演算部
２０２ 電力比較部
２０３ インバータ出力電力演算部
２０４ ＯＮ／ＯＦＦ制御
２０５ ＳＷ−Ｄｒｉｖｅ
２０６ 過負荷検出部

Claims (3)

1. 複数台のインバータを並列に接続したインバータ装置と、
   バイパス電源から電力を供給するバイパス回路と、
   前記インバータ装置の出力と前記バイパス電源からの出力を切り換えて負荷装置に電力を供給する電源切換部を備える無停電電源装置であって、
   前記電源切換部は、
   前記インバータ装置と前記負荷装置との接続または開放を行う第１のスイッチ回路と、
   前記バイパス回路と前記負荷装置との接続または開放を行う第２のスイッチ回路と、
   前記第１のスイッチ回路のオンオフを制御し、また前記第２のスイッチ回路のオンオフを制御するスイッチ制御回路と、
   前記複数台のインバータの稼働状態に応じて前記インバータ装置の供給可能電力を演算するインバータ出力電力演算部とを備え、
   前記スイッチ制御回路は、
   前記インバータ装置が前記負荷装置の消費する電力を供給可能であるときは、前記第１のスイッチ回路をオンさせ前記第２のスイッチ回路をオフさせ、さらに全ての前記インバータに稼働を指示し、
   前記インバータ装置が前記負荷装置の消費する電力を供給不可能になると、前記インバータ装置と前記バイパス回路とが非同期状態で、前記第１のスイッチ回路をオフさせ、前記第２のスイッチ回路をオンさせると同時に全ての前記インバータを停止させ、
   前記第１のスイッチ回路および前記第２のスイッチ回路の各々は、半導体スイッチと機械式スイッチとを並列に接続して構成されることを特徴とする無停電電源装置。
2. 前記電源切換部は、
   前記負荷装置の電流を監視し、前記負荷装置が過負荷になると、前記第１のスイッチ回路をオフし、前記第２のスイッチ回路をオンし、さらに全ての前記インバータを停止させ、前記バイパス回路から前記負荷装置へ給電することを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 前記インバータ装置は、商用電源からの電力をＡＣ−ＤＣコンバータで変換した直流電力を入力し、
   前記バイパス電源は前記商用電源であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無停電電源装置。

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