JP7348091B2

JP7348091B2 - 無停電電源装置

Info

Publication number: JP7348091B2
Application number: JP2020009932A
Authority: JP
Inventors: 一正松岡
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2020-01-24
Filing date: 2020-01-24
Publication date: 2023-09-20
Anticipated expiration: 2040-01-24
Also published as: JP2021118601A; KR102554512B1; KR20210095800A

Description

本開示は、無停電電源装置に関し、交流から直流に電力変換を行う無停電電源装置に関する。

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や、負荷側から定格を超える電流が要求された場合には、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。

特許第５９８９６２９号

一方で、負荷側から定格を超える電流の要求が生じた場合に、バイパス回路からの供給経路に切り替えられるが、例えば負荷側から定格を超える電流の要求が短絡により生じている可能性が考えられる。その場合には、バイパス回路に過剰な負荷がかかるためバイパス回路の保護回路が動作して無停電電源装置が停止する可能性がある。

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、負荷側から定格を超える電流の要求が短絡により生じた場合に当該異常に対処すること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、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して負荷に電力を供給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負荷に供給するバイパス回路と、電力変換回路およびバイパス回路を制御するコントローラとを備える。コントローラは、負荷に供給する電流量を算出し、算出した電流量が所定の電流量を超えると判断した場合には、所定期間の間、電力変換回路およびバイパス回路をともに動作させて、負荷に通常時よりも大きい電流を供給する。

好ましくは、コントローラは、所定期間が経過した場合に負荷に供給する電流量を算出し、当該算出した電流量が所定の電流量を超えるか否かを判断し、当該算出した電流量が所定の電流量を超えると判断した場合には、電力変換回路の動作を停止させる。

好ましくは、コントローラは、当該算出した電流量が所定の電流量を超えないと判断した場合には、バイパス回路の動作を停止させる。

好ましくは、負荷は、ヒューズを含み、ヒューズに対して通常時よりも大きい電流が供給される。

好ましくは、電力変換回路およびバイパス回路と並列に負荷と接続された蓄電装置をさらに備える。コントローラは、算出した電流量が所定の電流量を超えると判断した場合には、蓄電装置をさらに動作させて、負荷に通常時よりも大きい電流を供給する。

一実施例によれば、無停電電源装置は、負荷側から定格を超える電流の要求が短絡により生じた場合に当該異常に対処することが可能である。

実施形態１に基づく無停電電源システム１０の構成を説明する図である。実施形態１に基づく無停電電源システム１０の負荷側に短絡異常が発生した場合を説明する図である。比較例として従来の無停電電源システムにおける負荷への電力供給を説明する図である。比較例として従来の無停電電源システムにおけるバイパス回路から負荷への電力供給について説明する図である。実施形態１に基づく無停電電源システム１０の負荷側に短絡異常が発生した場合のバイパス回路を用いた電力供給について説明する図である。実施形態１に従う無停電電源システムにおける負荷への電力供給を説明する図である。実施形態１に従う無停電電源システム１０の負荷側に短絡が発生してヒューズを溶断した場合の状態について説明する図である。実施形態１に従う無停電電源システム１０の動作フローについて説明する図である。実施形態２に基づく無停電電源システム１０＃の構成を説明する図である。

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。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に基づく無停電電源システム１０の構成を説明する図である。

図１に示されるように、無停電電源システム１０は、並列に設けられた複数の無停電電源装置１で構成される。本例においては、複数の無停電電源装置１Ａ～１Ｋが設けられている場合が示されている。また、本例においては、無停電電源システム１０に対して複数の負荷４が設けられる。本例においては、複数の負荷４Ａ～４Ｌが設けられている。

当該無停電電源装置１および負荷４の個数は、電力供給システムの規模に応じて可変に設定される。無停電電源装置１Ａ～１Ｋは、互いに並列に接続されており、各無停電電源装置１の構成は同一であるためのその１つの無停電電源装置１Ａについて主に説明する。

無停電電源装置１Ａ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。

無停電電源装置１Ａ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１Ａは、電磁接触器（コンタクタ）５，１５，１７，１９と、リアクトル７，１２，２１と、コンバータＣＮＶと、コンデンサ８，１１と、サイリスタスイッチ１８と、チョッパＣＨＰと、整流回路２０と、ヒューズ１６，２３と、逆流防止ダイオード２２と、コントローラ３０とを備える。

コンタクタ５およびリアクトル７は、交流入力電源２とコンバータＣＮＶとの間に直列に接続される。コンバータＣＮＶ、逆流防止ダイオード２２、ヒューズ２３、コンタクタ１５は、交流入力電源２と負荷４との間に直列に接続される。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、コントローラ３０からの指令に応答して開放（オフ）および閉成（オン）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圧を直流電圧に変換する。コンデンサ１１は、コンバータＣＮＶの出力電圧を平滑化する。

コンタクタ１５は、コントローラ３０からの指令に応答して開放（オフ）および閉成（オン）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、負荷に直流電圧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。は、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からの直流電圧のレベルを変換して負荷に供給する。

逆流防止ダイオード２２は、他の無停電電源装置からの電流の逆流を防止する。
コンタクタ１９は、コントローラ３０からの指令に応答して閉成（オン）および開放（オフ）する。

サイリスタスイッチ１８およびコンタクタ１７は、バイパス回路に並列に接続される。
バイパス入力電源３は、リアクトル２１と接続される。リアクトル２１は、バイパス入力電源３の交流電力の波形を成形するためのフィルタである。

サイリスタスイッチ１８は、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。

整流回路２０は、サイリスタスイッチ１８およびコンタクタ１７と接続され、バイパス入力電源３からの交流電力を直流電圧に整流して負荷４に供給する。

ヒューズ１６は、整流回路２０とコンタクタ１９との間に設けられ、バイパス回路に設けられる保護回路であり、過大な電流が流れた場合に回路を遮断する。

ヒューズ２３は、逆流防止ダイオード２２とコンタクタ１５との間に設けられ、電力変換回路に設けられる保護回路であり、過大な電流が流れた場合に回路を遮断する。

初期状態において、コンタクタ５，１４，１５および１９は、コントローラ３０からの指令に応答して閉成（オン）する。また、コンバータＣＮＶ、チョッパＣＨＰはオンしており、サイリスタスイッチ１８およびコンタクタ１７はオフである。

交流入力電源２からの交流電力が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圧が蓄電池３１に蓄えられるとともに、当該直流電圧が負荷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圧が負荷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。

コントローラ３０は、通常時および停電時において、負荷４に供給する直流電圧を発生させるために、コンバータＣＮＶ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、コントローラ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およびチョッパＣＨＰ等を制御する。

さらに、コントローラ３０は、このコンバータＣＮＶの制御に加えて、コンタクタ５，１４，１５，１９およびバイパス回路を制御する。

バイパス入力電源３からの交流電力が供給されている停電時には、コンバータＣＮＶ、チョッパＣＨＰはオフしており、サイリスタスイッチ１８およびコンタクタ１７はオンである。バイパス回路を介して直流電圧が供給されて負荷４の運転を継続することができる。

なお、コントローラ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。

また、各無停電電源装置１の出力側には負荷に供給される電流量を検出する電流センサが設けられており、コントローラ３０は、当該電流センサの値を検出する。

図２は、実施形態１に基づく無停電電源システム１０の負荷側に短絡異常が発生した場合を説明する図である。

図２に示されるように、本例においては、一例として負荷４Ｌにおいて短絡異常が生じた場合が示されている。

これにより無停電電源システム１０は、負荷側に生じた短絡異常により供給する電流量を増加させる必要が発生する。

図３は、比較例として従来の無停電電源システムにおける負荷への電力供給を説明する図である。

図３に示されるように、負荷側に生じた短絡異常により定格を超えた電力供給が行われる。本例においては、一例として定格の１５０％を供給可能なコンバータについて説明する。この場合、コントローラは、コンバータに指示して電流を増加させることにより定格の１５０％の負荷に対する電力供給を開始する。

そして、コントローラは、コンバータから負荷への電力供給が定格の１５０％に到達した場合には、コンバータを保護するためにバイパス回路を用いた供給経路に切り替える。

図４は、比較例として従来の無停電電源システムにおけるバイパス回路から負荷への電力供給について説明する図である。

図４に示されるように、この場合には、各無停電電源装置１のコンバータＣＮＶおよびチョッパＣＨＰがオフし、サイリスタスイッチ１８およびコンタクタ１７はオンする。

当該図に示されるように、バイパス回路側から負荷に対して電力が供給される。この場合に過剰な負荷が継続的にかかる可能性があり、バイパス回路の保護回路が動作して無停電電源システム全体が停止する可能性がある。

図５は、実施形態１に基づく無停電電源システム１０の負荷側に短絡異常が発生した場合のバイパス回路を用いた電力供給について説明する図である。

図５に示されるように、本実施形態１に従う無停電電源システム１０は、負荷側に生じた短絡異常により供給する電流量を増加させる必要が発生した場合、各無停電電源装置１のコンバータＣＮＶおよびチョッパＣＨＰのオンを維持しつつ、サイリスタスイッチ１８およびコンタクタ１７をオンする。

各無停電電源装置１のコンバータＣＮＶからの電力の供給およびバイパス回路からの電力の供給が負荷に対して行われる。

図６は、実施形態１に従う無停電電源システムにおける負荷への電力供給を説明する図である。

図６に示されるように、負荷側に生じた短絡異常により供給する電流量を増加させる必要が発生した場合、コントローラ３０は、コンバータＣＮＶに指示して電流量を増加させて定格の１５０％まで負荷に対する電力供給を継続する。

そして、コントローラ３０は、コンバータＣＮＶから負荷への電力供給が定格の１５０％に到達した場合にはサイリスタスイッチ１８およびコンタクタ１７を閉成（オン）する。すなわち、コントローラ３０は、コンバータＣＮＶから負荷への電流量が所定のしきい値となる電流量（定格電流の１．５倍）を超えた場合にはサイリスタスイッチ１８およびコンタクタ１７を閉成（オン）する。これにより、バイパス回路から負荷への電力供給が開始される。

したがって、一時的に負荷への電力量が増大し、負荷への電流量が大幅に増加する。すなわち、短絡異常が生じている箇所に対して電流がさらに過大に供給されることになる。それゆえ、負荷側に設けられたヒューズに対して過大な電流が流れる電流経路が形成される。これにより当該ヒューズが溶断されて、短絡異常が生じた箇所の電流経路を開放することが可能となる。また、一時的に負荷への電力量が増大するため、従来よりも早く短絡異常の電流経路が開放される可能性が高くなる。

図７は、実施形態１に従う無停電電源システム１０の負荷側に短絡が発生してヒューズを溶断した場合の状態について説明する図である。

図７に示されるように、負荷側に短絡が発生した場合には出力電圧が低下する。また、短絡経路が生じるため出力電流が増加する。本例の場合には、出力電流が増加した場合に、バイパス回路から負荷への電力供給を実行することにより、出力電圧の低下を抑制する。

これにより、負荷側に設けられたヒューズに流れる電流をさらに増加させて、ヒューズを溶断させる。したがって、短絡異常が生じた箇所の電流経路を開放することが可能となる。

これにより、無停電電源システム１０の負荷側への出力電流が正常時の状態に戻る。
図８は、実施形態１に従う無停電電源システム１０の動作フローについて説明する図である。

図８を参照して、コントローラ３０は、負荷への電流量を算出する（ステップＳ２）。
なお、初期状態として、コンタクタ５，１４およびコンバータＣＮＶならびにチョッパＣＨＰはオンであり、サイリスタスイッチ１８およびコンタクタ１７はオフしている。

次に、コントローラ３０は、算出された電流量が所定のしきい値以上であるか否かを判断する（ステップＳ４）。本例においては、コンバータＣＮＶは、出力電流を調整することにより定格の１５０％までの電力を供給可能に設けられている。

ステップＳ４において、コントローラ３０は、算出された電流量が所定のしきい値以上であると判断した場合（ステップＳ４においてＹＥＳ）には、サイリスタスイッチ１８およびコンタクタ１７をオンする（ステップＳ６）。これにより負荷に対してバイパス経路からも電力が供給される。

ステップＳ８において、コントローラ３０は、所定期間が経過したか否かを判断する（ステップＳ８）。一例として所定期間として２０ｍｓに設定されている。なお、当該所定期間の長さは任意の値に調整することが可能である。

コントローラ３０は、所定期間が経過したと判断した場合（ステップＳ８においてＹＥＳ）には、負荷への電流量を算出する（ステップＳ１０）。

次に、コントローラ３０は、算出された電流量が所定のしきい値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２において、コントローラ３０は、算出された電流量が所定のしきい値以上であると判断した場合（ステップＳ１２においてＹＥＳ）には、コンタクタ５，１４およびコンバータＣＮＶならびにチョッパＣＨＰをオフする（ステップＳ１４）。

そして、処理を終了する（エンド）。これにより負荷に対するコンバータＣＮＶからの供給は停止して、コンバータＣＮＶを保護することが可能となる。

一方、ステップＳ１２において、コントローラ３０は、算出された電流量が所定のしきい値以上でないと判断した場合（ステップＳ１２においてＮＯ）には、サイリスタスイッチ１８およびコンタクタ１７をオフする（ステップＳ１６）。

そして、処理を終了する（エンド）。この場合、算出された電流量が所定のしきい値以上でないため、すなわち、短絡異常が生じた箇所の電流経路が開放されたことにより通常動作を継続することが可能であるためサイリスタスイッチ１８およびコンタクタ１７をオフして、バイパス経路からの電力の供給を停止する。

本実施形態１に従う無停電電源システム１０は、負荷側から定格を超える電流の要求が短絡により生じた場合に当該異常に対処することが可能である。すなわち、一時的にバイパス経路から電力を供給することにより、負荷側の短絡異常が生じた箇所のヒューズを溶断して、電流経路を開放することが可能である。これにより、負荷側の短絡異常を解消することが可能となる。

なお、本例においては、複数の無停電電源装置が設けられた無停電電源システム１０の構成について説明したが、複数の無停電電源装置に限られず１つの無停電電源装置を設けた構成とすることも可能である。

（実施形態２）
図９は、実施形態２に基づく無停電電源システム１０＃の構成を説明する図である。

図９に示されるように、無停電電源システム１０＃は、蓄電装置５０およびコンタクタ５１がさらに設けられている点が異なる。その他の構成については図１で説明したのと同様であるのでその詳細な説明については繰り返さない。

本実施形態２においては、コントローラ３０は、負荷に対する電力供給がコンバータＣＮＶの定格の１５０％に到達した場合にはコンタクタ５１を閉成（オン）する。

これにより一時的に負荷への電力量が増大し、負荷への電流量が大幅に増加する。すなわち、短絡異常が生じている箇所に対して電流がさらに過大に供給されることになる。したがって、負荷に設けられたヒューズに対して過大な電流経路を形成することにより当該ヒューズを溶断して、電流経路を開放することが可能となる。また、従来よりも早く電流経路が開放される可能性が高くなる。

本実施形態２に従う無停電電源システム１０＃は、負荷側から定格を超える電流の要求が短絡により生じた場合に当該異常に対処することが可能である。すなわち、一時的にバイパス経路および蓄電装置５０から電力を供給することにより、負荷側の短絡異常が生じた箇所のヒューズを溶断して、電流経路を開放することが可能である。これにより、負荷側の短絡異常を解消することが可能となる。

なお、本例においては、蓄電装置５０およびコンタクタ５１は、無停電電源システム１０＃に共通に設けた構成について説明しているが、各無停電電源装置１それぞれに対応して蓄電装置５０およびコンタクタ５１を設ける構成とすることも可能である。

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、３バイパス入力電源、４負荷、５，１５，１７，１９，５１コンタクタ、７，１２，２１リアクトル、８，１１コンデンサ、１０，１０＃無停電電源システム、１４スイッチ、１６，２３ヒューズ、１８サイリスタスイッチ
２０整流回路、２２逆流防止ダイオード、３０コントローラ、３１蓄電池、５０蓄電装置、ＣＨＰチョッパ、ＣＮＶコンバータ。

Claims

交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して負荷に電力を供給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前記負荷に供給するバイパス回路と、
前記電力変換回路および前記バイパス回路を制御するコントローラとを備え、
前記バイパス回路は、保護回路を含み、
前記コントローラは、
前記電力変換回路から前記負荷に供給する電流量を算出し、
算出した電流量が所定の電流量を超えると判断した場合には、所定期間の間、前記バイパス回路をさらに動作させて、前記負荷に通常時よりも大きい電流を供給する、無停電電源装置。
前記コントローラは、
前記所定期間が経過した場合に前記負荷に供給する電流量を算出し、
当該算出した電流量が前記所定の電流量を超えるか否かを判断し、
当該算出した電流量が前記所定の電流量を超えると判断した場合には、前記電力変換回路の動作を停止させる、請求項１記載の無停電電源装置。
前記コントローラは、
当該算出した電流量が所定の電流量を超えないと判断した場合には、前記バイパス回路の動作を停止させる、請求項２記載の無停電電源装置。
前記負荷は、ヒューズを含み、
前記ヒューズに対して通常時よりも大きい電流が供給される、請求項１記載の無停電電源装置。
前記電力変換回路および前記バイパス回路と並列に前記負荷と接続された蓄電装置をさらに備え、
前記コントローラは、算出した電流量が所定の電流量を超えると判断した場合には、前記蓄電装置をさらに動作させて、前記負荷に通常時よりも大きい電流を供給する、請求項１記載の無停電電源装置。