JP6938452B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、商用電源が停電、復電した場合に負荷への給電回路を切り換える無停電電源装置に関するものである。

従来より、商用電源が停電した場合に蓄電池より電力を負荷へ供給し、復電した場合に商用電源から電力を負荷に供給する無停電電源装置が知られている（特許文献１）。

一方、無停電電源装置に故障が発生した場合あるいは無停電電源装置に対して保守作業を行う場合には、無停電電源装置を停止することがある。このような場合に備えるために、無停電電源装置の停止時に、負荷に電力を供給するためのバイパス入力電源と接続されたバイパス回路が備えられている。バイパス回路には、切替回路が設けられている。

この点で、特開２０１３−１１０８８７号公報（特許文献２）には、複数種類の切替回路を設ける無停電装置が示されている。

特開２００５−１５１６８８号公報 特開２０１３−１１０８８７号公報

この点で、バイパス回路に複数種類の切替回路を設ける場合には、外形サイズが大型になる可能性がある。

本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであって、小型化が可能な無停電電源装置を提供する。

ある局面に従う無停電電源装置は、交流電源からの電力を変換する電力変換回路と、電力変換回路と並列に設けられ、バイパス入力電源からの電力を供給するバイパス回路とを備える。バイパス回路は、着脱可能に設けられた短時間給電用サイリスタを用いた切替回路あるいは連続給電用サイリスタを用いた切替回路と、短時間給電用サイリスタを用いた切替回路あるいは連続給電用サイリスタを用いた切替回路のそれぞれの端子と共通に接続可能に設けられた共通インタフェース回路とを含む。

好ましくは、短時間給電用サイリスタを用いた切替回路の主回路構成は、サイリスタスイッチと、コンタクタとを含む。

好ましくは、連続給電用サイリスタを用いた切替回路の主回路構成は、高速にスイッチング動作が可能なサイリスタスイッチを含む。

好ましくは、連続給電用サイリスタを用いた切替回路は、サイリスタ冷却用のファンと、ヒートシンクとをさらに含む。

一実施例によれば、無停電電源装置は、小型化が可能である。

実施形態に基づく無停電電源装置１の回路構成を説明する図である。 実施形態に基づく切替回路の入れ替えについて説明する図である。 実施形態に従う無停電電源装置１の外観構成について説明する図である。 実施形態に従う共通インタフェース回路５０を側面視した場合を説明する図である。 実施形態に従う切替回路１９の回路構成について説明する図である。 サイリスタユニット１８０の外観構成図である。 コンタクタユニット１７０および入出力端子回路１１０の外観構成図である。 実施形態に従う切替回路１９を備えた無停電電源装置１の外観構成図である。 実施形態に従う切替回路２０の回路構成について説明する図である。 サイリスタユニット２００の外観構成図である。 実施形態に従う切替回路２０を備えた無停電電源装置１の外観構成図である。

本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、実施形態に基づく無停電電源装置１の回路構成を説明する図である。
図１に示されるように、無停電電源装置１は、交流入力電源２、バイパス入力電源３および負荷４に接続される。また、無停電電源装置１は、スイッチ１４を介して蓄電池３１とも接続される。

交流入力電源２およびバイパス入力電源３は、無停電電源装置１に交流電力を供給する交流電源である。これらの入力電源の各々は、たとえば商用交流電源もしくは自家用発電機等によって構成される。

入力交流電源の一例として三相三線（３φ３Ｗ）式を示す。ただし、入力交流電源の種類は三相三線式に限定されず、たとえば三相四線式の電源でもよいし、単相三線式の電源でもよい。

無停電電源装置１は、バイパス入力端子Ｔ１と、交流入力端子Ｔ２と、蓄電池端子Ｔ３と、出力端子Ｔ４とを含む。

バイパス入力端子Ｔ１は、バイパス入力電源３からの交流電力を受ける。交流入力端子Ｔ２は、交流入力電源２からの交流電力を受ける。蓄電池端子Ｔ３は、スイッチ１４を介して蓄電池３１の正極に接続されている。出力端子Ｔ４には、負荷４が接続される。

無停電電源装置１は、電磁接触器（コンタクタ）５，１５，１７と、リアクトル７,９と、コンバータＣＮＶと、電解コンデンサ１１と、インバータＩＮＶと、コンデンサ８，１０,１３と、サイリスタスイッチ１８と、チョッパＣＨＰと、制御装置３０とを備える。

このうち、コンタクタ５、リアクトル７，９、インバータＩＮＶ、コンバータＣＮＶ、コンタクタ１５は、交流入力端子Ｔ２と出力端子Ｔ４との間に直列に接続される。

コンタクタ５およびリアクトル７は、交流入力端子Ｔ２とコンバータＣＮＶとの間の通電経路に介挿接続される。コンデンサ８は、リアクトル７と並列にコンタクタ５と接続される。コンタクタ５は、制御装置３０からの指令に応答して開放（オン）および閉成（オフ）する。コンデンサ８およびリアクトル７は、コンバータＣＮＶに入力される交流電力の波形を成形するためのフィルタである。

コンバータＣＮＶは、交流入力電源２から供給される交流電力を直流電力に変換する。電解コンデンサ１１は、コンバータＣＮＶの出力電圧を平滑化する。インバータＩＮＶは、電解コンデンサ１１によって平滑化された直流電力を所定電圧および所定周波数の交流電力に変換する。なお、コンバータＣＮＶおよびインバータＩＮＶの各々は、制御装置３０によって制御される。

コンタクタ１５およびリアクトル９は、出力端子Ｔ４とインバータＩＮＶとの間の通電経路に介挿接続される。コンデンサ１０は、リアクトル９と並列にコンタクタ１５と接続される。コンタクタ１５は、制御装置３０からの指令に応答して開放（オン）および閉成（オフ）する。コンタクタ１５およびリアクトル９は、インバータＩＮＶから出力される高周波成分を除去するためのフィルタである。

コンタクタ１５は、出力端子Ｔ４から負荷４に出力される交流出力を、インバータＩＮＶの出力と、サイリスタスイッチ１８およびコンタクタ１７からなるバイパス回路の出力との間で切換えるためのものである。

サイリスタスイッチ１８およびコンタクタ１７は、バイパス入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ４との間に並列に接続される。サイリスタスイッチ１８は、出力端子Ｔ４から負荷４に出力される交流出力を、インバータＩＮＶの出力からバイパス入力電源３からの交流電力に高速に切換えるためのスイッチである。コンタクタ１７は、バイパス入力端子Ｔ１から出力端子Ｔ４までの通電経路に介挿接続される。コンタクタ１７は、バイパス入力電源３からの交流電力を無停電電源装置から出力される交流出力として維持するためのものである。コンタクタ１５、サイリスタスイッチ１８およびコンタクタ１７は、制御装置３０の指令に応答して閉成（オン）および開放（オフ）する。

蓄電池３１は、交流入力電源２が交流電力を供給できないとき（たとえば停電時）において、インバータＩＮＶに直流電力を供給するための蓄電装置である。リアクトル１２およびスイッチ１４は、蓄電池３１とチョッパＣＨＰとの間に直列に接続される。コンデンサ１３は、リアクトル１２と並列にスイッチ１４と接続される。コンデンサ１３およびリアクトル１２は、蓄電池３１から入力される電力の波形を成形するためのフィルタである。チョッパＣＨＰは、蓄電池３１からの直流電力のレベルを変換してインバータＩＮＶに供給する。

交流入力電源２から交流電力を供給されている通常時には、コンバータＣＮＶによって生成された直流電力が蓄電池３１に蓄えられるとともに、インバータＩＮＶによって交流電力に変換されて負荷４に供給される。一方、交流入力電源２からの交流電力の供給が停止した停電時には、コンバータＣＮＶの運転が停止され、蓄電池３１に蓄えられた直流電力がインバータＩＮＶによって交流電力に変換されて負荷４に供給される。したがって、無停電電源装置によれば、停電時でも蓄電池３１に蓄えられた電力を用いて負荷４の運転を継続することができる。

制御装置３０は、通常時および停電時において、負荷４に供給する交流電力を発生させるために、コンバータＣＮＶおよびインバータＩＮＶを制御するための制御装置であり、一例として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory)などの記憶部とを含むマイクロコンピュータを主体として構成される。そして、制御装置３０は、予めＲＯＭなどに格納されたプログラムをＣＰＵがＲＡＭに読出して実行することによって、コンバータＣＮＶ、インバータＩＮＶおよびチョッパＣＨＰ等を制御する。

さらに、制御装置３０は、このコンバータＣＮＶおよびインバータＩＮＶの制御に加えて、コンタクタ５，１５，１７およびバイパス回路を制御する。なお、制御装置３０の少なくとも一部は、電子回路等のハードウェアにより所定の数値・論理演算処理を実行するように構成されてもよい。

図２は、実施形態に基づく切替回路の入れ替えについて説明する図である。
図２に示されるように、無停電電源装置１は、サイリスタスイッチ１８およびコンタクタ１７で構成されるハイブリッド切替方式（短時間給電用サイリスタを用いた切替方式）の切替回路１９を構成する。切替回路１９は、コンタクタ１７が完全に閉成（オン）するまでの間、サイリスタスイッチ１８によりバイパス入力電源３からの交流電力を出力端子Ｔ４を介して負荷４に供給する。これにより電力の供給を遮断することなく負荷４の運転を継続することが可能となる。なお、本例においては、リアクトルおよびコンデンサで形成されるフィルタについては省略している。

一方で、実施形態においては、ハイブリッド切替方式の切替回路１９と置換可能な連続給電用サイリスタを用いた切替方式の切替回路２０を設ける。切替回路２０は、無停電電電源装置1のCVCF(Constant Voltage Constant Frequency)機能が必要な重要負荷が停止する夜間等で、回路内の電力損失を低減して瞬低補償機能を限定して運用する給電用途で用いる。切替回路２０は、高速にスイッチング動作するサイリスタスイッチを含む。

従来は、種別が異なる切替回路１９と切替回路２０とをそれぞれ並列に接続し、用途に応じて切り替える方式が採用されていたが、当該構成は、外形サイズが大型になる可能性がある。

したがって、実施形態に従う無停電電源装置１は、切替回路１９と切替回路２０とを入れ替え可能な構成として設ける。

図３は、実施形態に従う無停電電源装置１の外観構成について説明する図である。
図３を参照して、無停電電源装置１の筐体内部の一部分に切替回路１９が設けられている構成が示されている。

コンバータＣＮＶ、インバータＩＮＶおよびチョッパＣＨＰ等の変換回路部および制御装置３０等の制御回路部、ならびにコンタクタ等の切替回路部が示されている。

本例においては、切替回路１９と入れ替え可能な構成として切替回路２０を設ける。当該構成により用途に応じて必要な切替回路を設けることが可能となり利便性が向上する。

具体的には、切替回路１９および切替回路２０と共通に接続可能に設けられた共通インタフェース回路５０を設ける。

共通インタフェース回路５０は、端子Ｕ４，ＲＳＩ，Ｖ４，ＳＳＩ，Ｗ４，ＴＳＩとを含む。

端子ＲＳＩ，ＳＳＩ，ＴＳＩは、３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）のバイパス入力電源３と接続される入力側（一次側）の入力端子である。

端子Ｕ４，Ｖ４，Ｗ４は、負荷４と接続される３相の出力側（二次側）の出力端子である。

図４は、実施形態に従う共通インタフェース回路５０を側面視した場合を説明する図である。

図４には、無停電電源装置１の筐体に支持される共通インタフェース回路５０が示されている。本例においては、当該共通インタフェース回路５０と切替回路１９あるいは切替回路２０が接続される方式について説明する。一例として金属板に設けられた空隙をネジ止めにより接続することにより共通インタフェース回路５０と切替回路１９あるいは切替回路２０とを接続する。

図５は、実施形態に従う切替回路１９の回路構成について説明する図である。
図５（Ａ）に示されるように切替回路１９は、３相用に設けられたサイリスタユニット１８０およびコンタクタユニット１７０とを含む。

サイリスタユニット１８０およびコンタクタユニット１７０は、バイパス入力電源３側のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の１次側の入力端子Ｔ１Ｕ，Ｔ１Ｖ，Ｔ１Ｗとそれぞれ接続される。

サイリスタユニット１８０およびコンタクタユニット１７０は、負荷４側のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の２次側の入力端子Ｔ４Ｕ，Ｔ４Ｖ，Ｔ４Ｗと接続される。

図５（Ｂ）を参照して、切替回路１９は、入出力端子回路１１０をさらに含む。入出力端子回路１１０は、入力端子ＲＳＩＡ、ＳＳＩＡ、ＴＳＩＡと、出力端子Ｕ４Ａ、Ｖ４Ａ、Ｗ４Ａとを含む。

コンタクタユニット１７０は、入力端子ＲＳＩＢ、ＳＳＩＢ、ＴＳＩＢと、出力端子Ｕ４Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｗ４Ｂとを含む。

サイリスタユニット１８０は、入力端子ＲＳＩＣ、ＳＳＩＣ、ＴＳＩＣと、出力端子Ｕ４Ｃ、Ｖ４Ｃ、Ｗ４Ｃとを含む。

Ｕ相の１次側の入力端子ＲＳＩＡは、入力端子ＲＳＩＢ、ＲＳＩＣとそれぞれ接続される。

Ｕ相の２時側の出力端子Ｕ４Ａは、出力端子Ｕ４Ｃ、Ｕ４Ｂとそれぞれ接続される。
Ｖ相の１次側の入力端子ＳＳＩＡは、入力端子ＳＳＩＢ、ＳＳＩＣとそれぞれ接続される。

Ｖ相の２次側の出力端子Ｖ４Ａは、出力端子Ｖ４Ｃ、Ｖ４Ｂとそれぞれ接続される。
Ｗ相の１次側の入力端子ＴＳＩＡは、入力端子ＴＳＩＢ、ＴＳＩＣとそれぞれ接続される。

Ｗ相の２次側の出力端子Ｗ４Ａは、出力端子Ｗ４Ｃ、Ｗ４Ｂとそれぞれ接続される。
図６は、サイリスタユニット１８０の外観構成図である。

図７は、コンタクタユニット１７０および入出力端子回路１１０の外観構成図である。
図６を参照して、サイリスタユニット１８０の下部にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の１次側の入力端子ＲＳＩＣ、ＳＳＩＣ、ＴＳＩＣが配置されている。また、上部にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の２次側の出力端子Ｕ４Ｃ、Ｖ４Ｃ、Ｗ４Ｃが配置されている。

図７を参照して、コンタクタユニット１７０の下部にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の１次側の入力端子ＲＳＩＢ、ＳＳＩＢ、ＴＳＩＢが配置されている。また、上部にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の２次側の出力端子Ｕ４Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｗ４Ｂが配置されている。

コンタクタユニット１７０に重なるようにサイリスタユニット１８０が配置される。入力端子ＲＳＩＣ、ＳＳＩＣ、ＴＳＩＣと入力端子ＲＳＩＢ、ＳＳＩＢ、ＴＳＩＢとをそれぞれ端子を形成する金属板同士に対してネジ止めで接続する。また、出力端子Ｕ４Ｃ、Ｖ４Ｃ、Ｗ４Ｃと出力端子Ｕ４Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｗ４Ｂとをそれぞれ端子を形成する金属板同士に対してネジ止めで接続する。これにより共通ノードとなる。

入出力端子回路１１０の出力端子Ｕ４Ａは、図示しないが出力端子Ｕ４Ｂと金属板（ブスバー）により接続されている。入力端子ＲＳＩＡは、図示しないが入力端子ＲＳＩＢと金属板（ブスバー）により接続されている。同様に、出力端子Ｖ４Ａ、Ｗ４Ａ、入力端子ＳＳＩＡ、ＴＳＩＡについても同様である。

ここで、入出力端子回路１１０は、共通インタフェース回路５０との接続が可能なように各端子同士の配列順序を同じ配列順序にするとともに、端子を構成する金属板（ブスバー）のピッチも同じピッチに設計している。そして、入出力端子回路１１０がコンタクタユニット１７０の右側面に設けられるように設計している。

共通インタフェース回路５０の入力端子ＲＳＩ、ＳＳＩ、ＴＳＩと、入出力端子回路１１０の入力端子ＲＳＩＡ、ＳＳＩＡ、ＴＳＩＡとを形成する金属板同士に対してネジ止めで接続する。共通インタフェース回路５０の出力端子Ｕ４、Ｖ４、Ｗ４と、入出力端子回路１１０の出力端子Ｕ４Ａ、Ｖ４Ａ、Ｗ４Ａとを形成する金属板同士に対してネジ止めで接続する。

入力端子ＲＳＩＡは、入力端子Ｔ１Ｕと接続される。入力端子ＳＳＩＡは、入力端子Ｔ１Ｖと接続される。入力端子ＴＳＩＡは、入力端子Ｔ１Ｗと接続される。

出力端子Ｕ４Ａは、出力端子Ｔ４Ｕと接続される。出力端子Ｖ４Ａは、出力端子Ｔ４Ｖと接続される。出力端子Ｗ４Ａは、出力端子Ｔ４Ｗと接続される。当該方式により、図５で説明した回路接続状態に設定される。

図８は、実施形態に従う切替回路１９を備えた無停電電源装置１の外観構成図である。
図８には、コンバータＣＮＶ、インバータＩＮＶおよびチョッパＣＨＰ等の変換回路部および制御装置３０等の制御回路部、ならびにコンタクタ等の切替回路部が示されている。さらに、切替回路１９が示されており、切替回路１９の正面側にサイリスタユニット１８０が取り付けられ、その背面側にコンタクタユニット１７０が配置されている場合が示されている。

図９は、実施形態に従う切替回路２０の回路構成について説明する図である。
図９（Ａ）に示されるように切替回路２０は、３相用に設けられたサイリスタユニット２００を含む。

サイリスタユニット２００は、バイパス入力電源３側のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の１次側の入力端子Ｔ１Ｕ，Ｔ１Ｖ，Ｔ１Ｗとそれぞれ接続される。

サイリスタユニット２００は、負荷４側のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の２次側の入力端子Ｔ４Ｕ，Ｔ４Ｖ，Ｔ４Ｗと接続される。

また、サイリスタユニット２００にはファンが設けられる。
サイリスタ冷却用のファンと、ヒートシンクによる放熱機構を設け、サイリスタの発熱を逃がすことによりサイリスタユニット２００の小型化を図っている。

図９（Ｂ）を参照して、切替回路２０は、入出力端子回路２１０をさらに含む。入出力端子回路２１０は、入力端子ＲＳＩＥ、ＳＳＩＥ、ＴＳＩＥと、出力端子Ｕ４Ｅ、Ｖ４Ｅ、Ｗ４Ｅとを含む。

図１０は、サイリスタユニット２００の外観構成図である。
図１０を参照して、サイリスタユニット２００の入出力端子回路２１０は、共通インタフェース回路５０との接続が可能なように各端子同士の配列順序を同じ配列順序にするとともに、端子を構成する金属板（ブスバー）のピッチも同じピッチに設計している。そして、入出力端子回路２１０がサイリスタユニット２００の右側面に設けられるように設計している。また、左側面にはファンＦＮが設けられている。また、サイリスタユニット２００には、ファンで吸気した空気を外部に排気可能に設けられた空洞状のヒートシンクＨＳも設けられている。

共通インタフェース回路５０の入力端子ＲＳＩ、ＳＳＩ、ＴＳＩと、入出力端子回路２１０の入力端子ＲＳＩＥ、ＳＳＩＥ、ＴＳＩＥとを形成する金属板同士に対してネジ止めで接続する。共通インタフェース回路５０の出力端子Ｕ４、Ｖ４、Ｗ４と、入出力端子回路２１０の出力端子Ｕ４Ｅ、Ｖ４Ｅ、Ｗ４Ｅとを形成する金属板同士に対してネジ止めで接続する。

入力端子ＲＳＩＥは、入力端子Ｔ１Ｕと接続される。入力端子ＳＳＩＥは、入力端子Ｔ１Ｖと接続される。入力端子ＴＳＩＥは、入力端子Ｔ１Ｗと接続される。

出力端子Ｕ４Ｅは、出力端子Ｔ４Ｕと接続される。出力端子Ｖ４Ｅは、出力端子Ｔ４Ｖと接続される。出力端子Ｗ４Ｅは、出力端子Ｔ４Ｗと接続される。当該方式により、図９で説明した回路接続状態に設定される。

図１１は、実施形態に従う切替回路２０を備えた無停電電源装置１の外観構成図である。

図１１には、コンバータＣＮＶ、インバータＩＮＶおよびチョッパＣＨＰ等の変換回路部および制御装置３０等の制御回路部、ならびにコンタクタ等の切替回路部が示されている。さらに、切替回路１９と同様の位置に切替回路２０が配置されている場合が示されている。

実施形態においては、切替回路１９，２０との接続に筐体側に支持された共通インタフェース回路５０を設けた構成である。共通インタフェース回路５０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の入出力端子が設けられる。当該共通インタフェース回路５０と接続が可能なように切替回路１９および２０にそれぞれ入出力端子回路１１０および２１０が設けられる。

入出力端子回路１１０および２１０において、共通インタフェース回路５０の端子配置と同じ配列順の端子配置にするとともに、端子を構成する金属板（ブスバー）のピッチも同じピッチに設定される。

当該構成により、従来は、切替回路１９の入出力端子の配置と、切替回路２０の入出力端子の配置とは互換性がないため入れ替えは難しかったが、入出力端子をそれぞれ入出力端子回路として纏めることにより、切替回路１９あるいは２０と共通インタフェース回路５０との接続を容易にし、入れ替えが可能となる。

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、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 無停電電源装置、２ 交流入力電源、３ バイパス入力電源、４ 負荷、５，１５，１７ コンタクタ、７，９，１２ リアクトル、８，１０，１３ コンデンサ、１１ 電解コンデンサ、１４ スイッチ、１８ サイリスタスイッチ、１９，２０ 切替回路、３０ 制御装置、３１ 蓄電池、５０ 共通インタフェース回路、１１０，２１０ 入出力端子回路、１７０ コンタクタユニット、１８０，２００ サイリスタユニット。

Claims (4)

1. 交流電源からの電力を変換する電力変換回路と、
   前記電力変換回路と並列に設けられ、バイパス入力電源からの電力を供給するバイパス回路とを備え、
   前記バイパス回路は、
   着脱可能に設けられた短時間給電用サイリスタを用いた切替回路あるいは連続給電用サイリスタを用いた切替回路と、
   前記短時間給電用サイリスタを用いた切替回路あるいは連続給電用サイリスタを用いた切替回路のそれぞれの端子と共通に接続可能に設けられた共通インタフェース回路とを含む、無停電電源装置。
2. 前記短時間給電用サイリスタを用いた切替回路の主回路構成は、
   サイリスタスイッチと、
   コンタクタとを含む、請求項１記載の無停電電源装置。
3. 前記連続給電用サイリスタを用いた切替回路の主回路構成は、高速にスイッチング動作が可能なサイリスタスイッチを含む、請求項１記載の無停電電源装置。
4. 前記連続給電用サイリスタを用いた切替回路は、サイリスタ冷却用のファンと、ヒートシンクとをさらに含む、請求項３記載の無停電電源装置。

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