JP6947944B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

無停電電源装置は、一方端子が交流電源（２１）から供給される第１の交流電圧（Ｖｉ）を受け、他方端子が交流ノード（Ｎ１）に接続される電磁接触器（３）と、直流ライン（Ｌ１）に接続され、直流電力を蓄えるコンデンサ（１１）と、交流ノードと直流ラインとの間で電力を授受するコンバータ（７）と、起動モード時には、コンバータから交流ノードに供給される第２の交流電圧（ＶＡＦ）の周波数および位相が第１の交流電圧の周波数および位相に一致するようにコンバータ（７）を制御した後に、電磁接触器（３）をオンさせ、起動モードの後の通常運転モード時には、直流ノードの直流電圧（ＶＤ）が参照電圧（ＶＤｒ）になるようにコンバータ（７）を制御する制御装置（２０）とを備える。

Description

この発明は電力変換装置に関し、特に、交流電源と順変換器との間に接続されるスイッチを備えた電力変換装置に関する。

たとえば特開２０１９−１８０１３１号公報（特許文献１）には、一方端子が交流電源から供給される交流電圧を受け、通常運転時にオンされるスイッチと、スイッチの他方端子に接続され、交流電源からスイッチを介して供給される交流電圧を直流電圧に変換する順変換器と、順変換器の直流出力電圧を平滑化させるコンデンサとを備える電力変換装置が開示されている。

特開２０１９−１８０１３１号公報

しかし、特許文献１に記載された電力変換装置では、スイッチをオンさせたときに交流電源からスイッチを介して順変換器に過電流が流れ、過電流によってスイッチが破損する恐れがあった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、交流電源と順変換器との間のスイッチが破損することを防止することが可能な電力変換装置を提供することである。

この発明に係る電力変換装置は、一方端子が交流電源から供給される第１の交流電圧を受け、他方端子が交流ノードに接続されたスイッチと、直流ノードに接続され、直流電力を蓄えるコンデンサと、交流ノードと直流ノードとの間で電力を授受する順変換器と、第１のモード時には、順変換器から交流ノードに供給される第２の交流電圧の周波数および位相が第１の交流電圧の周波数および位相に一致するように順変換器を制御した後に、スイッチをオンさせ、第１のモードの後の第２のモード時には、順変換器から直流ノードに供給される直流電圧が参照電圧になるように順変換器を制御する制御装置とを備えたものである。

この発明に係る電力変換装置では、順変換器から交流ノードに供給される第２の交流電圧の周波数および位相が第１の交流電圧の周波数および位相に一致するように順変換器を制御した後に、スイッチをオンさせる。したがって、スイッチの一方端子および他方端子間の電圧を減少させた後にスイッチをオンさせるので、スイッチに流れる電流を小さく抑制することができ、スイッチが破損することを防止することができる。

実施の形態による無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。 図１に示す制御装置のうちのコンバータの制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。 図２に示す信号ＥＮ１，ＥＮ２を生成する信号発生回路の構成を示す回路ブロック図である。 図１〜図３に示す無停電電源装置の動作を示すタイムチャートである。 本願発明の効果を説明するためのタイムチャートである。

図１は、一実施の形態による無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。この無停電電源装置は、商用交流電源２１から供給される三相交流電力を直流電力に一旦変換し、その直流電力を三相交流電力に変換して負荷２３に供給するものである。図１では、図面および説明の簡単化のため、三相のうちの一相に対応する部分の回路のみが示されている。

図１において、この無停電電源装置は、交流入力端子Ｔ１、バッテリ端子Ｔ２、および交流出力端子Ｔ３を備える。交流入力端子Ｔ１は、商用交流電源２１から商用周波数の交流電力を受ける。バッテリ端子Ｔ２は、バッテリ（電力貯蔵装置）２２に接続される。バッテリ２２は、直流電力を蓄える。バッテリ２２の代わりにコンデンサが接続されていても構わない。交流出力端子Ｔ３は、負荷２３に接続される。負荷２３は、交流電力によって駆動される。

この無停電電源装置は、さらに、電磁接触器１，３，１０，１６，１８、予備充電器２、コンデンサ４，１１，１５、リアクトル５，９，１４、電流検出器６，１３、コンバータ７、直流ラインＬ１、双方向チョッパ８、インバータ１２、半導体スイッチ１７、操作部１９、および制御装置２０を備える。

電磁接触器１の一方端子は交流入力端子Ｔ１に接続され、その他方端子は予備充電器２を介して直流ラインＬ１に接続される。コンデンサ１１は、直流ラインＬ１に接続され、直流ラインＬ１の直流電圧ＶＤを平滑化させる。電磁接触器１は、制御装置２０によって制御され、予備充電時にオンされ、予備充電の終了後にオフされる。

予備充電器２は、複数のダイオードを含み、商用交流電源２１から電磁接触器１を介して供給される交流電力を全波整流して直流電力を生成し、その直流電力を直流ラインＬ１に供給してコンデンサ１１を充電する。

直流ラインＬ１に現れる直流電圧ＶＤの瞬時値は、制御装置２０によって検出される。制御装置２０は、無停電電源装置の電源がオンされた場合には電磁接触器１をオンさせ、直流電圧ＶＤが所定の予備充電電圧ＶＤＰよりも高くなった場合に電磁接触器１をオフさせる。

また、電磁接触器３（スイッチ）の一方端子は交流入力端子Ｔ１に接続され、その他方端子（交流ノードＮ１）はリアクトル５を介してコンバータ７の交流ノード７ａに接続される。電磁接触器３は、制御装置２０によって制御され、コンデンサ１１の予備充電が終了し、コンバータ７が起動された後にオンされる。電磁接触器３は、無停電電源装置の通常運転モード時にはオン状態に維持され、商用交流電源２１からの交流電圧Ｖｉの供給が正常に行われない停電時、無停電電源装置のメンテナンス時にオフされる。

交流入力端子Ｔ１に現れる交流入力電圧Ｖｉの瞬時値は、制御装置２０によって検出される。交流入力電圧Ｖｉの瞬時値に基づいて、停電の発生の有無などが判別される。電流検出器６は、リアクトル５に流れる交流入力電流Ｉｉを検出し、その検出値を示す信号Ｉｉｆを制御装置２０に与える。

コンデンサ４は、ノードＮ１に接続される。コンデンサ４およびリアクトル５は、低域通過フィルタを構成し、商用周波数の交流電力を通過させ、コンバータ７で発生するスイッチング周波数の信号が商用交流電源２１に通過することを防止する。換言すると、コンデンサ４およびリアクトル５は、コンバータ７の交流ノード７ａから出力される商用周波数の交流電圧を正弦波状の交流電圧ＶＡＦに変換して交流ノードＮ１に出力する。

コンバータ７は、複数のＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor）と、それぞれ複数のＩＧＢＴに逆並列に接続された複数のダイオードとを含む。複数のＩＧＢＴの各々のオンおよびオフは、制御装置２０によって制御される。複数のＩＧＢＴの各々を所定のタイミングでオンおよびオフさせることにより、交流電圧を直流電圧に変換したり、直流電圧を交流電圧に変換することが可能となっている。

コンバータ７は、コンデンサ１１の予備充電が終了した後の起動モード（第１のモード）時には、直流ラインＬ１の直流電圧ＶＤを商用周波数の交流電圧に変換して交流ノード７ａに出力する。起動モード時には、制御装置２０は、コンバータ７から交流ノードＮ１に供給される交流電圧ＶＡＦの周波数および位相が商用交流電源２１からの交流電圧Ｖｉの周波数および位相に一致するようにコンバータ７を制御する。

制御装置２０は、起動モードの開始から所定時間の経過後に、電磁接触器３をオンさせる。このとき、交流ノードＮ１に現れる交流電圧ＶＡＦの周波数および位相が商用交流電源２１からの交流電圧Ｖｉの周波数および位相に一致しているので、電磁接触器３に流れる電流を小さく抑制することができ、電磁接触器３が破損することを防止することができる。

電磁接触器３がオンされると、制御装置２０によって通常運転モード（第２のモード）が実行される。コンバータ７は、通常運転モード時には、商用交流電源２１から電磁接触器３を介して供給される交流電力を直流電力に変換して直流ラインＬ１に出力する。コンバータ７の直流出力電圧は、所望の値に制御可能になっている。コンデンサ４、リアクトル５、およびコンバータ７は、交流ノードＮ１と直流ラインＬ１（直流ノード）との間で電力を授受する順変換器を構成する。

制御装置２０は、通常運転モード時には、直流ラインＬ１の直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤｒになるようにコンバータ７を制御する。商用交流電源２１から交流電圧Ｖｉが正常に供給されなくなった停電時には、コンバータ７の運転は停止され、電磁接触器３はオフされる。

直流ラインＬ１は双方向チョッパ８の高電圧側ノードに接続され、双方向チョッパ８の低電圧側ノードはリアクトル９および電磁接触器１０を介してバッテリ端子Ｔ２に接続される。リアクトル９は、双方向チョッパ８とバッテリ２２の間に流れる電流を平滑化させる。

電磁接触器１０は、制御装置２０によって制御され、無停電電源装置の使用時にはオンされ、たとえば無停電電源装置およびバッテリ２２のメンテナンス時にはオフされる。バッテリ端子Ｔ２に現れるバッテリ２２の端子間電圧ＶＢの瞬時値は、制御装置２０によって検出される。

双方向チョッパ８は、複数のＩＧＢＴと、それぞれ複数のＩＧＢＴに逆並列に接続された複数のダイオードとを含む。複数のＩＧＢＴの各々のオンおよびオフは、制御装置２０によって制御される。複数のＩＧＢＴの各々を所定のタイミングでオンおよびオフさせることにより、直流ラインＬ１とバッテリ２２との間で直流電力を授受することが可能となっている。

双方向チョッパ８は、通常運転モード時には、コンバータ７によって生成された直流電力の一部をバッテリ２２に蓄え、商用交流電源２１の停電時には、バッテリ２２の直流電力を直流ラインＬ１を介してインバータ１２に供給する。

双方向チョッパ８は、直流電力をバッテリ２２に蓄える場合には、直流ラインＬ１の直流電圧ＶＤを降圧してバッテリ２２に与える。また、双方向チョッパ８は、バッテリ２２の直流電力をインバータ１２に供給する場合には、バッテリ２２の端子間電圧ＶＢを昇圧して直流ラインＬ１に出力する。

制御装置２０は、直流電力をバッテリ２２に蓄える場合には、バッテリ２２の端子間電圧ＶＢが参照電圧ＶＢｒになるように双方向チョッパ８を制御する。また、制御装置２０は、バッテリ２２からインバータ１２に直流電力を供給する場合には、直流ラインＬ１の直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤｒになるように双方向チョッパ８を制御する。直流ラインＬ１は、インバータ１２の直流ノードに接続されている。

インバータ１２は、複数のＩＧＢＴと、それぞれ複数のＩＧＢＴに逆並列に接続された複数のダイオードとを含む。複数のＩＧＢＴの各々のオンおよびオフは、制御装置２０によって制御される。複数のＩＧＢＴの各々を所定のタイミングでオンおよびオフさせることにより、直流電圧ＶＤを交流電圧に変換することが可能となっている。

インバータ１２は、制御装置２０によって制御され、コンバータ７または双方向チョッパ８から直流ラインＬ１を介して供給される直流電力を商用周波数の交流電力に変換する。すなわち、インバータ１２は、通常運転モード時にはコンバータ７から直流ラインＬ１を介して供給される直流電力を交流電力に変換し、停電時はバッテリ２２から双方向チョッパ８を介して供給される直流電力を交流電力に変換する。

インバータ１２の交流ノード１２ａはリアクトル１４の一方端子に接続され、リアクトル１４の他方端子（出力ノードＮ２）は電磁接触器１６を介して交流出力端子Ｔ３に接続される。コンデンサ１５は、出力ノードＮ２に接続される。

電流検出器１３は、インバータ１２の出力電流Ｉｏの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号Ｉｏｆを制御装置２０に与える。出力ノードＮ２に現れる交流出力電圧Ｖｏの瞬時値は、制御装置２０によって検出される。

リアクトル１４およびコンデンサ１５は、低域通過フィルタを構成し、インバータ１２で生成された商用周波数の交流電力を交流出力端子Ｔ４に通過させ、インバータ１２で発生するスイッチング周波数の信号が交流出力端子Ｔ４に通過することを防止する。換言すると、リアクトル１４およびコンデンサ１５は、インバータ１２の交流ノード１２ａから出力される商用周波数の交流電圧を正弦波状の交流電圧Ｖｏに変換して出力ノードＮ２に出力する。

インバータ１２、リアクトル１４、およびコンデンサ１５は、直流ラインＬ１と出力ノードＮ２との間で電力を授受する逆変換器を構成する。制御装置２０は、インバータ１２から出力ノードＮ２に供給される交流電圧Ｖｏの周波数および位相が商用交流電源２１からの交流電圧Ｖｉの周波数および位相に一致するようにインバータ１２を制御する。

電磁接触器１６は、制御装置２０によって制御され、インバータ１２によって生成された交流電力を負荷２３に供給する場合（インバータ給電モード時）にはオンされ、商用交流電源２１から電磁接触器１８を介して供給される交流電力を負荷２３に供給する場合（バイパス給電モード時）にはオフされる。電磁接触器１６は、インバータ１２が故障した場合にオフされる。

半導体スイッチ１７は、サイリスタを含み、交流入力端子Ｔ１と交流出力端子Ｔ３との間に接続される。電磁接触器１８は、半導体スイッチ１７に並列接続される。半導体スイッチ１７は、制御装置２０によって制御され、通常はオフされ、インバータ１２が故障した場合は瞬時にオンし、商用交流電源２１からの交流電力を負荷２３に供給する。半導体スイッチ１７は、オンしてから所定時間経過後にオフする。

電磁接触器１８は、インバータ１２によって生成された交流電力を負荷２３に供給する場合（インバータ給電モード時）にはオフされ、商用交流電源２１からの交流電力を負荷２３に供給する場合（バイパス給電モード時）にはオンされる。

電磁接触器１８は、インバータ１２が故障した場合にオンし、商用交流電源２１からの交流電力を負荷２３に供給する。つまり、インバータ１２が故障した場合は、半導体スイッチ１７が瞬時に所定時間だけオンするとともに電磁接触器１８がオンする。これは、半導体スイッチ１７が過熱されて破損するのを防止するためである。

操作部１９は、無停電電源装置の使用者によって操作される複数のボタン、種々の情報を表示する画像表示部などを含む。使用者が操作部１９を操作することにより、無停電電源装置の電源をオンおよびオフしたり、バイパス給電モードおよびインバータ給電モードのうちのいずれか一方のモードを選択することが可能となっている。

制御装置２０は、操作部１９からの信号、交流入力電圧Ｖｉ、交流入力電流Ｉｉ、直流電圧ＶＤ、バッテリ電圧ＶＢ、交流出力電流Ｉｏ、および交流出力電圧Ｖｏなどに基づいて無停電電源装置全体を制御する。

図２は、図１に示した制御装置２０のうちのコンバータ７の制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。図２において、制御装置２０は、参照電圧発生器３１、電圧検出器３２，３６、減算器３３，３５、電圧制御部３４、電流制御部３７、およびＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部３８を含む。

参照電圧発生器３１は、参照電圧ＶＤｒを出力する。参照電圧ＶＤｒは、直流電圧ＶＤの定格電圧に設定される。電圧検出器３２は、直流ラインＬ１の直流電圧ＶＤの瞬時値を検出し、検出値を示す信号ＶＤｆを出力する。減算器３３は、参照電圧ＶＤｒと、電圧検出器３２の出力信号ＶＤｆによって示される直流電圧ＶＤとの偏差ΔＶＤを求める。電圧制御部３４は、偏差ΔＶＤに比例した値と偏差ΔＶＤの積分値とを加算して電流指令値Ｉｉｒを生成する。

減算器３５は、電流指令値Ｉｉｒと、電流検出器６（図１）の出力信号Ｉｉｆによって示される入力電流Ｉｉとの偏差ΔＩｉを求める。電圧検出器３６は、商用交流電源２１から供給される交流電圧Ｖｉの瞬時値を検出し、検出値を示す信号Ｖｉｆを出力する。

電流制御部３７は、信号ＥＮ２が活性化レベルの「Ｈ」レベルである場合には、偏差ΔＩｉに比例した値と偏差ΔＩｉの積分値とを加算して電圧指令値Ｖｉｃを生成する。電圧指令値Ｖｉｃは、交流電圧Ｖｉと同じ周波数の正弦波信号となる。電圧指令値Ｖｉｃと交流電圧Ｖｉとの位相差は、偏差ΔＩｉに応じて変化する。

また、電流制御部３７は、信号ＥＮ２が非活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合には、電圧検出器３６の出力信号Ｖｉｆによって示される交流電圧Ｖｉと同じ周波数および位相を有する電圧指令値Ｖｉｃを生成する。

ＰＷＭ制御部３８は、信号Ｅ１が活性化レベルの「Ｈ」レベルである場合には、電圧指令値Ｖｉｃに基づいて、コンバータ７を制御するための制御信号ＣＮＴを生成する。制御信号ＣＮＴは、コンバータ７に含まれる複数のＩＧＢＴのゲートに与えられる複数個のゲート信号を含む。ＰＷＭ制御部３８は、信号Ｅ１が非活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合には、制御信号ＣＮＴに含まれる複数のゲート信号を「Ｌ」レベルにし、コンバータ７の運転を停止する。

ここで、図２に示した制御装置２０の動作について説明する。予備充電時には、信号ＥＮ１が「Ｌ」レベルにされ、ＰＷＭ制御部３８が非活性化されてコンバータ７の運転は停止される。

起動モード時には、信号ＥＮ１が「Ｈ」レベルにされてＰＷＭ制御部３８が活性化され、コンバータ７の運転が開始される。また、信号ＥＮ２が「Ｌ」レベルにされ、電流制御部３７により、商用交流電源２１から供給される交流電圧Ｖｉと同じ周波数および位相を有する電圧指令値Ｖｉｃが生成される。

したがって、コンバータ７から交流ノードＮ１に供給される交流電圧ＶＡＦの周波数および位相が、商用交流電源２１から供給される交流電圧Ｖｉの周波数および位相と同じになるようにコンバータ７が制御される。

通常運転モード時には、信号ＥＮ１が「Ｈ」レベルに維持されてＰＷＭ制御部３８が活性化され、コンバータ７の運転が継続される。また、信号ＥＮ２が「Ｈ」レベルにされ、電流制御部３７により、交流電圧Ｖｉと同じ周波数を有し、偏差ΔＩｉに応じた位相を有する電圧指令値Ｖｉｃが生成される。

したがって、直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤｒよりも低い場合には、偏差ΔＶＤ，ΔＩｉが正の値になり、電圧指令値Ｖｉｃの位相が交流電圧Ｖｉの位相よりも遅れる。これにより、交流電圧ＶＡＦの位相が交流電圧Ｖｉの位相よりも遅れ、商用交流電源２１からコンバータ７を介してコンデンサ１１に電力が流れ、直流電圧ＶＤが上昇する。

また、直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤｒよりも高い場合には、偏差ΔＶＤ，ΔＩｉが負の値になり、電圧指令値Ｖｉｃの位相が交流電圧Ｖｉの位相よりも進む。これにより、交流電圧ＶＡＦの位相が交流電圧Ｖｉの位相よりも進み、コンデンサ１１からコンバータ７を介して商用交流電源２１に電力が流れ、直流電圧ＶＤが下降する。したがって、直流電圧ＶＤは参照電圧ＶＤｒに維持される。

図３は、図２に示す信号ＥＮ１，ＥＮ２を生成する信号発生回路４０の構成を示す回路ブロック図である。図３において、信号発生回路４０は、停電検出器４１、比較器４２、ＡＮＤゲート４３，４５，４８、遅延回路４４、オン検出器４６、および判別器４７を含む。

停電検出器４１は、電圧検出器３６（図２）の出力信号Ｖｉｆによって示される交流電圧Ｖｉに基づいて、商用交流電源２１（図１）の停電が発生したか否かを検出し、検出結果を示す信号φ４１を出力する。

たとえば、停電検出器４１は、交流電圧Ｖｉが下限電圧ＶＬよりも低い場合には、商用交流電源２１の停電が発生したと判別して信号φ４１を「Ｌ」レベルにする。停電検出器４１は、交流電圧Ｖｉが下限電圧ＶＬよりも高い場合には、商用交流電源２１の停電が発生していないと判別して信号φ４１を「Ｈ」レベルにする。

比較器４２は、電圧検出器３２（図２）の出力信号ＶＤｆによって示される直流電圧ＶＤと所定の予備充電電圧ＶＤＰＣとの高低を比較し、比較結果を示す信号φ４２を出力する。直流電圧ＶＤが予備充電電圧ＶＤＰＣよりも低い場合には、信号φ４２は「Ｌ」レベルとなる。直流電圧ＶＤが予備充電電圧ＶＤＰＣよりも高い場合には、信号φ４２は「Ｈ」レベルとなる。

ＡＮＤゲート４３は、信号φ４１，φ４２の論理積信号を信号ＥＮ１（図２）として出力する。つまり、商用交流電源２１の停電が発生しておらず、かつ直流電圧ＶＤが予備充電電圧ＶＤＰＣよりも高い場合には、信号ＥＮ１が「Ｈ」レベルとなり、ＰＷＭ制御部３８から制御信号ＣＮＴが出力され、コンバータ７が起動される。商用交流電源２１の停電が発生した場合には、信号ＥＮ１が「Ｌ」レベルとなり、ＰＷＭ制御部３８による制御信号ＣＮＴの生成が停止され、コンバータ７の運転が停止される。

遅延回路４４は、信号ＥＮ１が「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられてから所定時間Ｔｃの経過後に信号φ４４を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げる。所定時間Ｔｃは、起動モード時にコンバータ７から交流ノードＮ１に供給される交流電圧ＶＡＦの周波数および位相が、商用交流電源２１から供給される交流電圧Ｖｉの周波数および位相に一致するために必要十分な時間に設定されている。

ＡＮＤゲート４５は、信号φ４１，φ４４の論理積信号を信号φ４５として出力する。信号φ４５が「Ｌ」レベルである場合には、電磁接触器３がオフされる。信号φ４５が「Ｈ」レベルである場合には、電磁接触器３がオンされる。

つまり、商用交流電源２１の停電が発生しておらず、かつコンバータ７が起動されてから所定時間Ｔｃの経過後に電磁接触器３がオンされる。商用交流電源２１の停電が発生した場合には、信号φ４５が「Ｌ」レベルとなり、電磁接触器３がオフされ、商用交流電源２１とコンバータ７とが電気的に切り離される。

オン検出器４６は、電磁接触器３がオンしているか否かを検出し、検出結果を示す信号ＥＮ２（図２）を出力する。電磁接触器３がオフしている場合には、信号ＥＮ２は「Ｌ」レベルにされる。電磁接触器３は、主電流を流す主接点と、主接点とともにオン／オフする補助接点とを含む。オン検出器４６は、電磁接触器３の補助接点がオンしているか否かに基づいて、電磁接触器３（すなわち主接点）がオンしているか否かを検出する。つまり、電磁接触器３がオンすると、電流制御部３７（図２）が活性化され、直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤｒになるようにコンバータ７が制御される。

また、判別器４７は、比較器４２の出力信号φ４２が所定時間Ｔｈ（たとえば３秒）だけ「Ｈ」レベルに維持されたか否かを判別し、判別結果を示す信号φ４７を出力する。信号φ４２が所定時間Ｔｈだけ「Ｈ」レベルに維持されていない場合には、信号φ４７は「Ｈ」レベルにされる。信号φ４２が所定時間Ｔｈだけ「Ｈ」レベルに維持された場合には、信号φ４７は「Ｌ」レベルにされる。

ＡＮＤゲート４８は、判別器４７の出力信号φ４７と、操作部１９からの信号Ｐｏｎとの論理積信号を信号ＰＣとして出力する。信号Ｐｏｎは、操作部１９の電源投入スイッチがオンされた場合に、「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられる信号である。信号ＰＣが「Ｌ」レベルである場合には、電磁接触器１（図１）がオフする。信号ＰＣが「Ｈ」レベルである場合には、電磁接触器１がオンする。

つまり、操作部１９の電源投入スイッチがオンされると、信号Ｐｏｎ，ＰＣが「Ｈ」レベルにされて電磁接触器１がオンし、予備充電器２によるコンデンサ１１の充電が開始される。直流電圧ＶＤが予備充電電圧ＶＤＰＣよりも高い状態が所定時間Ｔｈだけ継続すると、信号ＰＣが「Ｌ」レベルにされて電磁接触器１がオフされ、コンデンサ１１の予備充電が停止される。

次に、この無停電電源装置の動作について説明する。図４は、無停電電源装置の動作を示すタイムチャートである。図４において、（Ａ）は信号Ｐｏｎの波形を示し、（Ｂ）は信号ＰＣの波形を示し、（Ｃ）は比較器４２の出力信号φ４２の波形を示し、（Ｄ）は信号ＥＮ１の波形を示し、（Ｅ）はＡＮＤゲート４５の出力信号φ４５を示し、（Ｆ）は信号ＥＮ２の波形を示している。

初期状態（時刻ｔ０）では、信号Ｐｏｎ，ＰＣ，φ４２，ＥＮ１，φ４５，ＥＮ２はともに「Ｌ」レベルにされており、半導体スイッチ１７および電磁接触器１，３，１８がオフされ、電磁接触器１０，１６がオンされているものとする。また、商用交流電源２１から交流電圧Ｖｉが正常に供給されており、停電検出器４１（図３）の出力信号φ４１は「Ｈ」レベルにされているものとする。また、バッテリ２２は予め参照電圧ＶＢｒに充電されているものとする。

ある時刻ｔ１において、無停電電源装置の使用者によって操作部１９（図１、図３）が操作され、無停電電源装置の電源がオンされたものとする。電源がオンされると、操作部１９によって信号Ｐｏｎが「Ｈ」レベルにされ、ＡＮＤゲート４８（図３）の出力信号ＰＣ（図３）が「Ｈ」レベルにされる。

信号ＰＣが「Ｈ」レベルにされると、電磁接触器１がオンされ、商用交流電源２１から電磁接触器１を介して予備充電器２に交流電力が供給される。交流電力は予備充電器２によって直流電力に変換されて直流ラインＬ１（図１）に供給され、コンデンサ１１が充電されて直流電圧ＶＤが上昇する。

直流電圧ＶＤが予備充電電圧ＶＤＰＣよりも高くなると、比較器４２（図３）の出力信号φ４２が「Ｈ」レベルに立ち上げられ、ＡＮＤゲート４３の出力信号ＥＮ１が「Ｈ」レベルに立ち上げられる。信号ＥＮ１が「Ｈ」レベルにされると、ＰＷＭ制御部３８（図２）によって制御信号ＣＮＴが生成され、コンバータ７が起動される。

このとき、信号ＥＮ２（図３）が「Ｌ」レベルにされているので、電流制御部３７は交流電圧Ｖｉと同じ周波数および位相を有する電圧指令値Ｖｉｃを出力する。したがって、ＰＷＭ制御部３８は、コンバータ７から交流ノードＮ１に供給される交流電圧ＶＡＦの周波数および位相が、商用交流電源２１から供給される交流電圧Ｖｉの周波数および位相に一致するように制御信号ＣＮＴを生成してコンバータ７を制御する。

また、比較器４２の出力信号φ４２が所定時間Ｔｈだけ「Ｈ」レベルに維持されると、判別器４７によって信号φ４７が「Ｌ」レベルに立ち下げられ、信号ＰＣが「Ｌ」レベルに立ち下げられる（時刻ｔ３）。信号ＰＣが「Ｌ」レベルにされると、電磁接触器１がオフされ、予備充電器２への交流電力の供給が停止され、コンデンサ１１の予備充電が停止される。

信号ＥＮ１が「Ｈ」レベルにされてから遅延回路４４の遅延時間Ｔｃの経過後の時刻ｔ４において、ＡＮＤゲート４５の出力信号φ４５が「Ｈ」レベルに立ち上げられる。信号φ４５が「Ｈ」レベルにされると、電磁接触器３（図１、図３）がオンされる。

このとき、コンバータ７から交流ノードＮ１に供給される交流電圧ＶＡＦの周波数および位相が、商用交流電源２１から供給される交流電圧Ｖｉの周波数および位相に一致しているので、電磁接触器３に流れる電流は小さな値に抑制され、電磁接触器３が破損することが防止される。

図５は、交流電圧Ｖｉ，ＶＡＦおよび直流電圧ＶＤの波形を示すタイムチャートである。図５において、（Ａ）は交流電圧Ｖｉ，ＶＡＦの波形を示し、（Ｂ）は直流電圧ＶＤの波形を示している。図５（Ｂ）に示すように、予備充電時における直流電圧ＶＤは約５９７Ｖであった。実際には、商用交流電源２１から供給される三相交流電圧を全波整流しているので、直流電圧ＶＤは交流電圧Ｖｉの３倍の周波数のリップル電圧を含む。

また、図５（Ａ）に示すように、交流電圧ＶＡＦの周波数および位相は、交流電圧Ｖｉの周波数および位相に一致している。交流電圧ＶＡＦの振幅は、交流電圧Ｖｉの振幅（約７００Ｖ）よりも低いが、交流電圧Ｖｉ，ＶＡＦの振幅の差は１００Ｖ以内になっている。

従来は、交流電圧ＶＡＦが０Ｖである状態で電磁接触器３をオンさせていたので、電磁接触器３に大きな電流が流れ、電磁接触器３が破損する恐れがあった。これに対して、本実施の形態では、交流電圧Ｖｉと同じ周波数および位相の交流電圧ＶＡＦを生成した後で電磁接触器３をオンさせるので、電磁接触器３に流れる電流を小さく抑えることができ、電磁接触器３が破損することを防止することができる。

再び図４を参照して、電磁接触器３がオンされると、オン検出器４６の出力信号ＥＮ２が「Ｈ」レベルにされる（時刻ｔ５）。信号ＥＮ２が「Ｈ」レベルにされると、電流制御部３７（図２）が活性化される。

制御装置２０（図２）では、参照電圧発生器３１によって参照電圧ＶＤｒが生成され、電圧検出器３２によって直流電圧ＶＤの検出値を示す信号ＶＤｆが生成される。参照電圧ＶＤｒと、電圧検出器３２の出力信号ＶＤｆによって示される直流電圧ＶＤとの偏差ΔＶＤ＝ＶＤｒ−ＶＤが減算器３３で生成され、その偏差ΔＶＤに基づいて電圧制御部３４によって電流指令値Ｉｉｒが生成される。

電流指令値Ｉｉｒと、電流検出器６（図１）の出力信号Ｉｉｆによって示されるコンバータ７の入力電流Ｉｉとの偏差ΔＩｉが減算器３５によって生成され、その偏差ΔＩｉに基づいて電流制御部３７によって電圧指令値Ｖｉｃが生成される。したがって、ＰＷＭ制御部３８は、直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤｒになるように制御信号ＣＮＴを生成してコンバータ７を制御することとなる。

コンバータ７によって生成される直流電力は、双方向チョッパ８、リアクトル９、および電磁接触器１０を介してバッテリ２２に蓄えられるとともに、インバータ１２によって商用周波数の交流電力に変換される。インバータ１２によって生成される交流電力は、リアクトル１４およびコンデンサ１５を含む低域通過フィルタと、電磁接触器１６とを介して負荷２３に供給される。負荷２３は、無停電電源装置から供給される交流電力によって駆動される。

商用交流電源２１からの交流電力の供給が停止されると、すなわち停電が発生すると、停電検出器４１（図３）の出力信号φ４１が「Ｌ」レベルに立ち下げられる。信号φ４１が「Ｌ」レベルにされると、ＡＮＤゲート４３の出力信号ＥＮ１が「Ｌ」レベルに立ち下げられ、ＰＷＭ制御部３８（図２）が非活性化され、制御信号ＣＮＴの生成が停止されてコンバータ７の運転が停止される。

また、信号φ４１が「Ｌ」レベルにされると、ＡＮＤゲート４５（図３）の出力信号φ４５が「Ｌ」レベルに立ち下げられ、電磁接触器３がオフされ、商用交流電源２１とコンバータ７とが電気的に切り離されるとともに、オン検出器４６の出力信号ＥＮ２が「Ｌ」レベルに立ち下げられる。

一方、バッテリ２２（図１）の直流電力が双方向チョッパ８によってインバータ１２に供給される。インバータ１２は、双方向チョッパ８からの直流電力を交流電力に変換して負荷２３に供給する。したがって、バッテリ２２に直流電力が蓄えられている期間は、負荷２３の運転を継続することができる。

また、商用交流電源２１が正常である場合において、インバータ１２が故障した場合には、半導体スイッチ１７（図１）が瞬時にオンし、電磁接触器１６がオフするとともに、電磁接触器１８がオンする。これにより、商用交流電源２１からの交流電力が半導体スイッチ１７および電磁接触器１８を介して負荷２３に供給され、負荷２３の運転が継続される。一定時間後に半導体スイッチ１７がオフされ、半導体スイッチ１７が過熱されて破損することが防止される。

以上のように、この実施の形態では、コンバータ７から交流ノードＮ１に供給される交流電圧ＶＡＦの周波数および位相が商用交流電源２１から供給される交流電圧Ｖｉの周波数および位相に一致するようにコンバータ７を制御した後に、電磁接触器３をオンさせる。したがって、電磁接触器３の一方端子および他方端子間の電圧を減少させて電磁接触器３をオンさせるので、電磁接触器３に過電流が流れて電磁接触器３が破損することを防止することができる。

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。本発明は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、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 交流入力端子、Ｔ２ バッテリ端子、Ｔ３ 交流出力端子、１，３，１０，１６，１８ 電磁接触器、６，１３ 電流検出器、４，１１，１５ コンデンサ、５，９，１４ リアクトル、７ コンバータ、８ 双方向チョッパ、１２ インバータ、１７ 半導体スイッチ、１９ 操作部、２０ 制御装置、２１ 商用交流電源、２２ バッテリ、２３ 負荷、３１ 参照電圧発生器、３２，３６ 電圧検出器、３３，３５ 減算器、３４ 電圧制御部、３７ 電流制御部、３８ ＰＷＭ制御部、４０ 信号発生回路、４１ 停電検出器、４２ 比較器、４３，４５ ＡＮＤゲート、４４ 遅延回路、４６ オン検出器、４７ 判別器。

Claims (5)

1. 一方端子が交流電源から供給される第１の交流電圧を受け、他方端子が交流ノードに接続されるスイッチと、
   直流ノードに接続され、直流電力を蓄えるコンデンサと、
   前記交流ノードと前記直流ノードとの間で電力を授受する順変換器と、
   第１のモード時には、前記順変換器から前記交流ノードに供給される第２の交流電圧の周波数および位相が前記第１の交流電圧の周波数および位相に一致するように前記順変換器を制御した後に、前記スイッチをオンさせ、前記第１のモードの後の第２のモード時には、前記順変換器から前記直流ノードに供給される直流電圧が参照電圧になるように前記順変換器を制御する制御装置とを備える、電力変換装置。
2. 前記第１のモードが実行される前に、前記コンデンサを予め定められた直流電圧に充電する予備充電器をさらに備える、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記直流ノードと、負荷に接続される出力ノードとの間で電力を授受する逆変換器をさらに備え、
   前記制御装置は、前記第２のモード時には、前記逆変換器から前記出力ノードに供給される第３の交流電圧の周波数および位相が前記第１の交流電圧の周波数および位相に一致するように前記逆変換器を制御する、請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記第１および第３の交流電圧を受け、前記逆変換器が正常である場合には前記第３の交流電圧を前記負荷に供給し、前記逆変換器が故障した場合には前記第１の交流電圧を前記負荷に供給する切換回路をさらに備える、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記交流電源が正常である場合には、前記順変換器によって生成される直流電力の一部を電力貯蔵装置に蓄え、前記交流電源の停電時には、前記電力貯蔵装置の直流電力を前記逆変換器に供給する双方向チョッパをさらに備え、
   前記制御装置は、前記交流電源の故障時には、前記スイッチをオフさせるとともに、前記直流ノードに現れる直流電圧が前記参照電圧になるように前記双方向チョッパを制御する、請求項４に記載の電力変換装置。

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