JPWO2018061184A1 - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

生成回路（２１）は、三相基準値Ｖｒ、零相基準値、電流センサ（８）の検出値、および電圧センサ（９）の検出値に基づいて、インバータ（７）の出力電圧指令値Ｖｏｒ＊を生成するように構成される。補償回路（３８ａ）は、インバータ（７）から交流負荷（２）に三相交流電力が供給されるときの三相交流ライン（１３）における電圧降下を補償するように構成される。補正部（３４）は、補償指令値Ｖｏｌに基づいて、出力電圧指令値Ｖｏｒ＊を補正するように構成される。制御回路（３６）は、補正部（３４）により補正された出力電圧指令値Ｖｏ＊に基づいて、インバータ（７）を制御するように構成される。

Description

この発明は、三相４線式の給電方式を用いた無停電電源装置に関する。

三相４線式の給電方式を用いた無停電電源装置では、三相の電力線を使用して三相負荷に電力を供給する構成と、三相の電力線のうちの一相の電力線と中性線とを使用して単相負荷に電力を供給する構成とを採ることができる。

その一方で、一相の電力線と中性線とを使用して単相負荷に電力を供給する構成では、各相の単相負荷の状態が異なるために不均衡が発生する場合がある。不均衡が発生すると、インバータから出力される三相交流電圧に零相電圧が重畳されるため、安定した正弦波電圧を負荷に供給することができなくなる。

このような不均衡を解消するため、三相４線式の給電方式を用いた無停電電源装置では、インバータの出力電圧の調整が行なわれている。たとえば特開２０１２−１２０４０７号公報（特許文献１）には、零相電圧が零となるように零相電圧指令を生成する零相電圧制御回路を備えた無停電電源装置が開示されている。

特許文献１では、零相電圧制御回路は、零相電圧指令に対する零相電圧の偏差に基づいて零相電流指令を生成する。出力電流制御回路は、生成された零相電流指令を三相電流指令に加算することで、インバータの出力電流指令を生成するとともに、出力電流指令に対する出力電流検出値の偏差に基づいて、インバータの出力電圧指令を生成する。そして、この生成された出力電圧指令に従って、インバータにおける電力変換が制御される。

特開２０１２−１２０４０７号公報

ここで、無停電電源装置は、通常、ケーブルによって負荷と接続されている。ケーブルはその長さに比例するインピーダンスを有している。そのため、ケーブルの長さによっては、インピーダンスによる電圧降下の影響が無視できなくなるほど大きくなる場合がある。この場合、ケーブルの負荷端において電圧が低下するため、負荷へ安定した電圧を供給することが不可能となる可能性がある。

上記のように、三相４線式の給電方式では、各相の電力線と中性線との間に単相負荷が接続されるため、各相の電力線を構成するケーブルの長さが異なる場合がある。この場合、各相において異なる大きさの電圧降下が起きる。その結果、各相の電力線の負荷端の電圧が互いに異なるため、単相負荷に供給される電圧が不均等になってしまう。これにより、無停電電源装置は、各相の単相負荷へ安定した電圧を供給することができず、結果的に信頼性が低下するという問題が生じる。

この発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、各相の負荷に均等かつ安定した電圧を供給することが可能な三相４線式の給電方式を用いた無停電電源装置を提供することである。

この発明のある局面に従う無停電電源装置は、平滑回路と、インバータと、三相交流ラインと、中性相ラインと、電流センサと、電圧センサと、制御装置とを備える。平滑回路は、直流正母線および直流負母線の間に直列接続された２つのコンデンサからなる。インバータは、平滑回路の直流端子および中性点に接続され、平滑回路からの直流電力を三相交流電力に変換する。三相交流ラインは、インバータと交流負荷とを結ぶ。中性相ラインは、平滑回路の中性点と交流負荷の中性点とを結ぶ。電流センサは、インバータの各相の出力電流を検出する。電圧センサは、インバータの各相の出力電圧を検出する。制御装置は、インバータの電力変換動作を制御するように構成される。上記制御装置は、生成回路と、補償回路と、補正部と、制御回路とを含む。生成回路は、インバータの各相の出力電圧の目標値である三相基準値、インバータの零相電圧の目標値である零相基準値、電流センサの検出値、および電圧センサの検出値に基づいて、インバータの出力電圧指令値を生成するように構成される。補償回路は、インバータから交流負荷に三相交流電力が供給されるときの三相交流ラインにおける電圧降下を補償するための補償指令値を生成するように構成される。補正部は、補償指令値に基づいて、出力電圧指令値を補正するように構成される。制御回路は、補正部により補正された出力電圧指令値に基づいて、インバータを制御するように構成される。

この発明によれば、三相４線式の給電方式を用いた無停電電源装置において、各相の負荷に均等かつ安定した電圧を供給することができる。

この発明の実施の形態１に係る無停電電源装置の主回路構成を示す概略ブロック図である。 図１に示すインバータおよび交流負荷の構成を詳細に説明する回路図である。 図１に示した零相電圧制御回路の機能ブロック図である。 図１に示した出力電流制御回路、加算部および補償回路の機能ブロック図である。 この発明の実施の形態２に係る無停電電源装置の主回路構成を示す概略ブロック図である。 図５に示した出力電流制御回路、加算部、補償回路およびインピーダンス設定器の機能ブロック図である。 この発明の実施の形態３に係る無停電電源装置の主回路構成を示す概略ブロック図である。 図７に示すインバータおよび交流負荷の構成を詳細に説明する回路図である。 図７に示した出力電流制御回路、加算部および補償回路の機能ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、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する部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１に係る無停電電源装置１００の主回路構成を示す概略ブロック図である。本発明の実施の形態１に係る無停電電源装置は、三相４線式非絶縁型無停電電源装置であって、交流負荷２へ交流電力を供給する。

図１に示す構成において、無停電電源装置１００は、コンデンサＣ１〜Ｃ４と、リアクトルＬ１，Ｌ２と、コンバータ５と、蓄電池４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６と、インバータ７と、三相交流ライン１３と、中性相ライン１４と、電流センサ８と、電圧センサ９と、制御装置２０ａとを備える。

交流電源１ａは、外部から無停電電源装置１００に交流電力を供給するための交流電源である。交流電源１ａは、たとえば商用交流電源もしくは自家発電機等によって構成される。図１および以後説明する図では、交流電源として三相３線式の電源を示す。図面および説明の簡略化のため、図１では、三相のうちの一相分の回路のみが代表的に示されている。

交流電源１ａから供給された三相交流電力は、スイッチＳＷ１および、リアクトルＬ１およびコンデンサＣ１により構成された入力フィルタを介して、コンバータ５に供給される。

スイッチＳＷ１は、たとえば電磁接触器（コンタクタ）であり、制御装置２０ａからの信号により導通／非導通（オン／オフ）を切換える。具体的には、スイッチＳＷ１は、交流電源１ａから三相交流電力が正常に供給されている通常時はオンされ、たとえば無停電電源装置１００のメンテナンス時にオフされる。

入力フィルタは、交流電源１ａからの交流電力を通過させ、コンバータ５で発生するスイッチング周波数の信号が交流電源１ａに伝搬するのを防止するために設けられている。

コンバータ５は、制御装置２０ａによって制御され、通常時は、交流電源１ａから供給される三相交流電力を直流電力に変換する。コンバータ５で生成された直流電力は、直流正母線１０および直流負母線１１の間に供給される。一方、交流電源１ａからの三相交流電力の供給が停止された停電時は、コンバータ５の運転は停止される。

コンデンサＣ２，Ｃ３は、直流正母線１０および直流負母線１１の間に直列に接続されて、直流正母線１０および直流負母線１１の間の電圧を平滑化する。すなわち、コンデンサＣ２，Ｃ３は「平滑回路」を構成する。コンデンサＣ２，Ｃ３の接続点である中性点Ｎには、直流中性点母線１２が接続される。中性点Ｎはさらに、中性相ライン１４を介して交流負荷２の中性点と接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、直流正母線１０および直流負母線１１の間に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、制御装置２０ａによって制御され、通常時は、コンバータ５によって生成された直流電力を蓄電池４に供給し、停電時は蓄電池４の直流電力をインバータ７に供給する。換言すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、通常時は、コンバータ５によって生成された直流電圧を降圧して蓄電池４に供給し、停電時は、蓄電池４の端子間電圧を昇圧してインバータ７に供給する。

蓄電池４は、停電時にインバータ７に直流電力を供給するための電力貯蔵装置である。蓄電池４は、通常時はコンバータ５によって生成された直流電力を蓄える。なお、電力貯蔵装置としては、蓄電池４以外に、電気二重層コンデンサなどを用いることができる。

インバータ７は、制御装置２０ａによって制御され、平滑回路から直流正母線１０、直流中性点母線１２および直流負母線１１を介して供給される直流電力を、三相交流電力に変換する。具体的には、インバータ７は、通常時は、コンバータ５によって生成された直流電力を三相交流電力に変換し、停電時は、蓄電池４からＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して供給される直流電力を三相交流電力に変換する。インバータ７からの三相交流電力は、リアクトルＬ２およびコンデンサＣ４により構成された出力フィルタ、および、三相交流ライン１３（Ｕ相ラインＵＬ、Ｖ相ラインＶＬ、Ｗ相ラインＷＬ）を介して、交流負荷２に供給される。

電流センサ８は、三相交流ライン１３に設けられ、インバータ７から出力される三相電流ｉａ（Ｕ相ラインの電流ｉａｕ，Ｖ相ラインの電流ｉａｖ，Ｗ相ラインの電流ｉａｗ）を検出し、三相電流ｉａを示す三相電流信号を制御装置２０ａへ出力する。電圧センサ９は、三相交流ライン１３の電圧Ｖｏ（Ｕ相ラインの電圧Ｖｏｕ，Ｖ相ラインの電圧Ｖｏｖ，Ｗ相ラインの電圧Ｖｏｗ）を検出し、三相電圧Ｖｏを示す三相電圧信号を制御装置２０ａへ出力する。

三相交流ライン１３には、スイッチＳＷ２が設けられる。スイッチＳＷ２は、インバータ７から交流負荷２に対する電力供給経路の導通／非導通を切換える。スイッチＳＷ２は、たとえばコンタクタであり、制御装置２０ａからの信号によりオン／オフされる。具体的には、スイッチＳＷ２は、インバータ７から交流負荷２へ電力を供給する場合にオンされ、インバータ７から交流負荷２への電力供給を停止する場合にオフされる。このスイッチＳＷ２の導通／非導通の状態を示す信号は、制御装置２０ａに出力される。

バイパス交流電源１ｂは、コンバータ５およびインバータ７のメンテナンス時や故障発生時に、交流電力を交流負荷２に供給するものであり、無停電電源装置１００と並列に接続される。バイパス交流電源１ｂは、交流電源１ａと同じものであってもよいし、異なるものであってもよいが、ここでは交流電源１ａと同じものとする。バイパス交流電源１ｂは三相交流ライン１５に接続され、三相交流ライン１５は三相交流ライン１３に接続されている。また、バイパス交流電源１ｂの中性点は接地され、接地ライン１６を介して中性相ライン１４に接続されている。

三相交流ライン１５には、スイッチＳＷ３が設けられる。交流負荷２の中性点は、中性相ライン１４に接続される。

スイッチＳＷ３は、バイパス交流電源１ｂから交流負荷２にへの電力供給経路の導通／非導通を切換える。スイッチＳＷ３は、制御装置２０ａからの信号によりオン／オフされる。具体的には、たとえば、スイッチＳＷ３は、サイリスタスイッチおよびコンタクタの並列回路によって構成される。スイッチＳＷ３は、インバータ７から交流負荷２に電力が供給される場合にオフされ、バイパス交流電源１ｂから交流負荷２に電力が供給される場合にオンされる。このスイッチＳＷ３の導通／非導通の状態を示す信号は、制御装置２０ａに出力される。

制御装置２０ａは、コンバータ５およびインバータ７の電力変換動作を制御する。後に詳細に説明するが、インバータ７は、半導体スイッチング素子により構成される。本実施の形態では、半導体スイッチング素子として、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が適用される。また、本実施の形態では、半導体スイッチング素子の制御方式として、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を適用することができる。制御装置２０ａは、電流センサ８からの三相電流信号、電圧センサ９からの三相電圧信号およびスイッチＳＷ２，ＳＷ３からの導通／非導通を示す信号を受けてＰＷＭ制御を実行する。

次に、本実施の形態に係る無停電電源装置１００の動作について説明する。
交流電源１ａから正常に三相交流電力が供給される通常時には、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２がオンされるとともに、スイッチＳＷ３がオフされる。これにより、交流電源１ａからの三相交流電力は、コンバータ５およびインバータ７を介して交流負荷２に供給されるとともに、コンバータ５およびＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して直流電力として蓄電池４に蓄えられる。

これに対して、交流電源１ａからの三相交流電力の供給が停止された停電時には、蓄電池４からの直流電力を三相交流電力に変換するようにＤＣ／ＤＣコンバータ６およびインバータ７を動作させることにより、交流負荷２に対する電力供給を継続させる。

また、コンバータ５およびインバータ７のメンテナンス時や故障発生時には、スイッチＳＷ２がオフされ、スイッチＳＷ３がオンされることにより、インバータ等を交流負荷２から切離すとともに、バイパス交流電源１ｂからの交流電力が交流負荷２に供給される。

ここで、インバータ７からの給電からバイパス交流電源１ｂからの給電に切換えるときには、スイッチＳＷ２をオン状態としたままでスイッチＳＷ３をオンさせ、その後スイッチＳＷ２をオフさせるように制御する。同様に、バイパス交流電源１ｂからの給電からインバータ７からの給電に切換えるときには、スイッチＳＷ３をオン状態としたままでスイッチＳＷ２をオンさせ、その後スイッチＳＷ３をオフさせるように制御する。このように、スイッチＳＷ２，ＳＷ３のオン／オフを切換える際に、スイッチＳＷ２，ＳＷ３がともにオンされている期間であるラップ期間を設けることによって、バイパス交流電源１ｂとインバータ７とを無瞬断で切換えることができる。

（制御装置の構成）
制御装置２０ａは、生成回路２１と、補償回路３８ａと、加算部３４と、ゲート制御回路３６とを含む。

生成回路２１は、論理和回路２２と、基準発生回路２４と、出力電圧制御回路２６と、零相電圧制御回路２８と、加算部３０と、出力電流制御回路３２を含む。

論理和回路２２は、スイッチＳＷ２，ＳＷ３からオン／オフの状態を示す信号を受け、スイッチＳＷ２，ＳＷ３が共にオンされている期間（ラップ期間）であるか否かを、ラップ期間検出信号ＤＥＴとして検出する。このラップ期間検出信号ＤＥＴは後述するように、零相電圧制御回路２８に出力される。

基準発生回路２４は、三相電圧Ｖｏ（Ｕ相電圧Ｖｏｕ，Ｖ相電圧Ｖｏｖ，Ｗ相電圧Ｖｏｗ）の振幅基準値である三相基準値Ｖｒ（Ｕ相基準値Ｖｒｕ，Ｖ相基準値Ｖｒｖ，Ｗ相基準値Ｖｒｗ）を生成する。Ｕ相基準値Ｖｒｕ，Ｖ相基準値Ｖｒｖ，Ｗ相基準値Ｖｒｗは、たとえば、振幅が一定の正弦波電圧である。基準発生回路２４は、たとえばオシレータである。

出力電圧制御回路２６は、三相基準値Ｖｒと電圧センサ９により検出された三相電圧Ｖｏとの偏差に応じて、三相電流の基準値である三相電流指令値ｉｒ＊を算出する。

零相電圧制御回路２８は、零相電圧の基準値である零相基準値Ｖｒｚを生成するとともに、電圧センサ９により検出された三相電圧Ｖｏから零相電圧Ｖｏｚを抽出する。そして、零相電圧制御回路２８は、零相基準値Ｖｒｚと零相電圧Ｖｏｚとの偏差に応じて零相電流指令値ｉｒｚ＊を生成する。零相電圧制御回路２８の詳細については後述する。

加算部３０には、出力電圧制御回路２６からの三相電流指令値ｉｒ＊、および、零相電圧制御回路２８からの零相電流指令値ｉｒｚ＊が入力される。加算部３０は、三相電流指令値ｉｒ＊と零相電流指令値ｉｒｚ＊とを加算し、その加算結果を出力電流指令値ｉａ＊（Ｕ相電流指令値ｉａｕ＊，Ｖ相電流指令値ｉａｖ＊，Ｗ相電流指令値ｉａｗ＊）として出力電流制御回路３２へ出力する。

出力電流制御回路３２は、加算部３０からの出力電流指令値ｉａ＊と、電圧センサ９により検出された三相電圧Ｖｏと、電流センサ８により検出された三相電流ｉａとを受ける。出力電流制御回路３２は、これらの入力に基づいて出力電圧指令値Ｖｏｒ＊（Ｕ相電圧指令値Ｖｏｒｕ＊，Ｖ相電圧指令値Ｖｏｒｖ＊，Ｗ相電圧指令値Ｖｏｒｗ＊）を生成する。

ここで、この出力電圧指令値Ｖｏｒ＊は、インバータ７から三相交流ライン１３に出力されるＵ相電圧Ｖｏｕ、Ｖ相電圧Ｖｏｖ、Ｗ相電圧Ｖｏｗの零相電圧が零になるように調整されている。すなわち、この出力電圧指令値Ｖｏｒ＊に従ってインバータ７を制御すれば、インバータ７から三相交流ライン１３に出力されるＵ相電圧Ｖｏｕ、Ｖ相電圧Ｖｏｖ、Ｗ相電圧Ｖｏｗは、その振幅がＵ相基準値Ｖｒｕ、Ｖ相基準値Ｖｒｖ、Ｗ相基準値Ｖｒｗにそれぞれ等しくなる。すなわち、Ｕ相電圧Ｖｏｕ、Ｖ相電圧Ｖｏｖ、Ｗ相電圧Ｖｏｗは均衡する。

（インバータの構成）
図２は、図１に示すインバータ７および交流負荷２の構成を詳細に説明する図である。

図２を参照して、インバータ７はアーム７Ｕ，７Ｖ，７Ｗを含み、その各々は、３レベル回路として構成され、４つのＩＧＢＴ素子と、６つのダイオードとを含む。詳細には、Ｕ相アーム７Ｕは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕ〜Ｑ４Ｕと、ダイオードＤ１Ｕ〜Ｄ６Ｕとを含む。Ｖ相アーム７Ｖは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｖ〜Ｑ４Ｖと、ダイオードＤ１Ｖ〜Ｄ６Ｖとを含む。Ｗ相アーム７Ｗは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｗ〜Ｑ４Ｗと、ダイオードＤ１Ｗ〜Ｄ６Ｗとを含む。

以下では、インバータ７の各相アームを総括的に説明するために、符号Ｕ，Ｖ，Ｗをまとめて符号「ｘ」と示す。ＩＧＢＴ素子Ｑ１ｘ〜Ｑ４ｘは、直流正母線１０と直流負母線１１との間に直列に接続される。ダイオードＤ１ｘ〜Ｄ４ｘは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１ｘ〜Ｑ４ｘにそれぞれ逆並列に接続される。ダイオードＤ５ｘのカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ１ｘ，Ｑ２ｘの接続点に接続され、ダイオードＤ５ｘのアノードは中性点Ｎに接続される。ダイオードＤ６ｘのアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ３ｘ，Ｑ４ｘの接続点に接続され、ダイオードＤ６ｘのカソードは中性点Ｎに接続される。ダイオードＤ１ｘ〜Ｄ４ｘは還流ダイオードとして機能し、ダイオードＤ５ｘ，Ｄ６ｘはクランプダイオードとして機能する。

インバータ７の各相アーム７ｘ（７Ｕ，７Ｖ，７Ｗ）においては、ダイオードＤ５ｘ，Ｄ６ｘの接続点は直流入力端子に対応し、ＩＧＢＴ素子Ｑ２ｘ，Ｑ３ｘの接続点は交流出力端子に対応する。インバータ７の各相アーム７ｘの直流入力端子は、中性点Ｎに接続される。また、インバータ７の各相アーム７ｘの交流出力端子は、三相交流ライン１３の対応する各相ラインｘＬ（Ｕ相ラインＵＬ，Ｖ相ラインＶＬ，Ｗ相ラインＷＬ）に接続される。

各ＩＧＢＴ素子Ｑ１ｘ〜Ｑ４ｘは、ゲート制御回路３６から与えられるゲート信号ｓｇによってオン／オフされる。インバータ７内の図示しないゲート駆動回路は、ゲート制御回路３６から出力されるゲート信号ｓｇを受けると、このゲート信号ｓｇに基づいて各ＩＧＢＴ素子Ｑ１ｘ〜Ｑ４ｘをオン／オフするための信号を生成し、その生成した信号を対応するＩＧＢＴ素子へ出力する。

各相ラインｘＬと中性相ライン１４との間には単相負荷２ｘが接続される。
電流センサ８ｘは、各相ラインｘＬに設けられ、インバータ７から出力される各相電流ｉａｘを検出し、各相電流ｉａｘを示す各相電流信号を、制御装置２０ａ内部の出力電流制御回路３２、零相電圧制御回路２８および補償回路３８ａへ出力する。

（零相電圧制御回路の構成）
図３は、図１に示した零相電圧制御回路２８の機能ブロック図である。

図３を参照して、零相電圧制御回路２８は、零電圧発生部２８０により生成された零電圧、電圧センサ９により検出された三相電圧Ｖｏ、および電流センサ８により検出された三相電流ｉａに基づいて、零相電流指令値ｉｒｚ＊を生成する。

零相電圧制御回路２８は、零電圧発生部２８０と、加算部２８８，２９２と、乗算部２９０，２９４，２９６と、リミッタ２９８と、切替回路２８２と、減算部２８４とを含む。

零電圧発生部２８０と、加算部２９２と、乗算部２９４，２９６と、リミッタ２９８と、切替回路２８２は、零電圧と三相電流ｉａに基づいて、零相基準値Ｖｒｚを生成する基準発生回路を構成する。加算部２８８と、乗算部２９０は、三相電圧Ｖｏに基づいて、零相電圧Ｖｏｚを生成する零相電圧生成回路を構成する。

まず、零相基準値Ｖｒｚを生成する基準発生回路の構成を説明する。
零電圧発生部２８０は、零電圧を生成し、切替回路２８２へ出力する。

加算部２９２は、電流センサ８により検出された三相電流ｉａ（Ｕ相電流ｉａｕ，Ｖ相電流ｉａｖ，Ｗ相電流ｉａｗ）を加算し、その加算結果を乗算部２９４へ出力する。乗算部２９４は、加算部２９２からの加算結果を１／３倍することにより、零相電流ｉａｚを算出する（ｉａｚ＝１／３（ｉａｕ＋ｉａｖ＋ｉａｗ））。

乗算部２９６は、乗算部２９４からの零相電流ｉａｚをｋ倍（ｋは０以上１以下の定数）し、リミッタ２９８に出力する。リミッタ２９８は、乗算部２９６の出力値を予め定められた所定範囲を超えないように制限して切替回路２８２へ出力する。

なお、このように零相基準値Ｖｒｓを制限する構成としたのは、たとえば電流センサ８におけるセンサ誤差が大きくなる場合には、電流センサ８により検出された三相電流ｉａに従って零相基準値を生成することによって、却って正常な制御ができなくなるためである。

切替回路２８２は、論理和回路２２（図１）からのラップ期間検出信号ＤＥＴに応じて、入力側の端子を、零電圧発生部２８０（Ｉ側）およびリミッタ２９８（ＩＩ側）の間で切替可能に構成される。切替回路２８２の出力側の端子は、減算部２８４に接続される。すなわち、切替回路２８２がＩ側に接続されると、零電圧発生部２８０と減算部２８４とが接続される。これに対して、切替回路２８２がＩＩ側に接続されると、リミッタ２９８と減算部２８４とが接続される。

この切替回路２８２をＩ側およびＩＩ側のいずれに接続するかの制御は、論理和回路２２から出力されるラップ期間検出信号ＤＥＴに応じて行なわれる。ここでラップ期間検出信号ＤＥＴは、論理和回路２２により生成される、論理和回路２２と接続するスイッチＳＷ２，ＳＷ３が共にオンされている期間であるか否かを示す信号である。ここで、スイッチＳＷ２，ＳＷ３が共にオンである状態とは、交流負荷２に対して、インバータ７からの給電を担う経路と、バイパス交流電源１ｂからの給電を担う経路の両方が導通している状態である。すなわち、ラップ期間検出信号ＤＥＴは、インバータ７からの給電とバイパス交流電源１ｂからの給電とを切換える際のラップ期間にあるか否かを示す信号である。

具体的には、無停電電源装置１００がラップ期間にないとき、論理和回路２２はＬレベルのラップ期間検出信号ＤＥＴを出力する。切替回路２８２は、Ｌレベルのラップ期間検出信号ＤＥＴを受けると、Ｉ側に接続される。これにより、ラップ期間以外の期間においては、零電圧発生部２８０からの零電圧が零相基準値Ｖｒｚとして減算部２８４へ出力される。

一方、無停電電源装置１００がラップ期間にあるとき、論理和回路２２はＨレベルのラップ期間検出信号ＤＥＴを出力する。切替回路２８２は、Ｈレベルのラップ期間検出信号ＤＥＴを受けると、ＩＩ側に接続される。これにより、ラップ期間においては、リミッタ２９８からの零相基準値Ｖｒｓが零相基準値Ｖｒｚとして減算部２８４へ出力される。

一方、零相電圧生成回路において、加算部２８８は、電圧センサ９により検出された三相電圧Ｖｏ（Ｕ相電圧Ｖｏｕ，Ｖ相電圧Ｖｏｖ，Ｗ相電圧Ｖｏｗ）を加算し、その加算結果を乗算部２９０へ出力する。乗算部２９０は、加算部２８８からの加算結果を１／３倍することにより、零相電圧Ｖｏｚを算出する（Ｖｏｚ＝１／３（Ｖｏｕ＋Ｖｏｖ＋Ｖｏｗ））。

減算部２８４は、基準発生回路からの零相基準値Ｖｒｚと零相電圧生成回路からの零相電圧Ｖｏｚとの偏差を算出する。ＰＩ制御回路２８６は、零相基準値Ｖｒｚと零相電圧Ｖｏｚとの偏差を入力として比例積分演算を行うことにより、零相電流指令値ｉｒｚ＊を生成する。

この零相電圧制御回路２８からの零相電流指令値ｉｒｚ＊を基に、出力電流制御回路３２は、インバータ７から三相交流ライン１３に出力されるＵ相電圧Ｖｏｕ、Ｖ相電圧Ｖｏｖ、Ｗ相電圧Ｖｏｗの零相電圧が零になるように調整する。すなわち、インバータ７から三相交流ライン１３に出力されるＵ相電圧Ｖｏｕ、Ｖ相電圧Ｖｏｖ、Ｗ相電圧Ｖｏｗは、その振幅がＵ相基準値Ｖｒｕ、Ｖ相基準値Ｖｒｖ、Ｗ相基準値Ｖｒｗにそれぞれ等しくなる。すなわち、Ｕ相電圧Ｖｏｕ、Ｖ相電圧Ｖｏｖ、Ｗ相電圧Ｖｏｗは均衡する。

往来の無停電電源装置は、特許文献１に示されるように、零相電圧が零となるように零相電圧指令を生成する零相電圧制御回路を備えている。しかしながら、零相電圧を零となるように制御し、インバータ７から各相ラインに出力される電圧を調整・均衡化しても、各相ラインを構成するケーブルのインピーダンスが異なる場合には、各相ラインにおける電圧降下量が異なることから、単相負荷２Ｕ，２Ｖ，２Ｗに供給される電圧は不均衡となる。この結果、単相負荷２Ｕ，２Ｖ，２Ｗに安定した電圧を供給することが困難となる。

そこで、本実施の形態では、補償回路３８ａによって、この各相ラインにおける電圧降下を補償する。これにより、単相負荷２Ｕ，２Ｖ，２Ｗに供給される電圧を均衡にする。

（ケーブルのインピーダンスによる電圧降下の補償に関する構成）
図４は、図１に示した出力電流制御回路３２、補償回路３８ａおよび加算部３４の機能ブロック図である。

図４を参照して、出力電流制御回路３２は、減算部３２０Ｕ，３２０Ｖ，３２０Ｗと、Ｐ制御回路３２２Ｕ，３２２Ｖ，３２２Ｗと、加算部３２４Ｕ，３２４Ｖ，３２４Ｗとを含む。加算部３４は、加算部３４Ｕと、加算部３４Ｖと、加算部３４Ｗとを含む。

補償回路３８ａは、乗算部３８２ａＵと、乗算部３８２ａＶと、乗算部３８２ａＷと、メモリ３８４を含む。以下では、各線における電圧降下補償を総括的に説明するために、符号Ｕ，Ｖ，Ｗをまとめて符号「ｘ」と示す。

出力電流制御回路３２において、減算部３２０ｘは、ｘ相電流指令値ｉａｘ＊と電流センサ８により検出されたｘ相電流ｉａｘとの偏差を算出する。

Ｐ制御回路３２２ｘは、比例要素（Ｐ：ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）を含んで構成され、ｘ相電流指令値ｉａｘ＊とｘ相電流ｉａｘとの偏差を入力として比例演算を行ない、その演算結果を加算部３２４ｘへ出力する。

加算部３２４ｘは、Ｐ制御回路３２２ｘの出力と電圧センサ９により検出された電圧Ｖｏｘとを加算し、その加算結果を出力電圧指令値Ｖｏｒｘ＊として加算部３４ｘへ出力する。

補償回路３８ａにおいて、メモリ３８４は、三相交流ライン１３の各線のインピーダンスＺｕ，Ｚｖ，Ｚｗを予め記憶するように構成される。ＺｕはＵ相ラインＵＬのインピーダンスであり、ＺｖはＶ相ラインＶＬのインピーダンスであり、ＺｗはＷ相ラインＷＬのインピーダンスである。

乗算部３８２ａｘは、メモリ３８４から各線のインピーダンスＺｘを読み出すと、インピーダンスＺｘと、電流センサ８ｘにより検出された各相電流ｉａｘとを乗算することにより、補償指令値Ｖｏｌｘを演算する（Ｖｏｌｘ＝ｉａｘ×Ｚｘ）。乗算部３８２ａｘは、補償指令値Ｖｏｌｘを加算部３４ｘへ出力する。

ここで、三相交流ライン１３の各線のインピーダンスＺｘは、その配線距離、すなわち無停電電源装置１００の交流出力端子から単相負荷２ｘまでの距離で決まる。そのため、無停電電源装置１００を設置し、無停電電源装置１００と交流負荷２との間に三相交流ライン１３を配線した後は、各線のインピーダンスＺｘは固定値となる。したがって、電流ｉａｘにより各線に発生する電圧降下Ｖｏｌｘは、電流ｉａｘのみに比例する。よって、補償回路３８ａは、電流センサ８からの三相電流信号によって、補償指令値Ｖｏｌを容易に生成することができる。

加算部３４ｘは、補償回路３８ａからの補償指令値Ｖｏｌｘに基づいて、加算部３２４ｘからの出力電圧指令値Ｖｏｒｘ＊を補正する補正部を実現する。本実施の形態における加算部３４ｘは、出力電圧指令値Ｖｏｒｘ＊に、補償回路３８ａからの補償指令値Ｖｏｌｘを加算することにより、出力電圧指令値Ｖｏｒｘ＊を補正する。補正された出力電圧指令値Ｖｏｘ＊は、ゲート制御回路３６に出力される。

ゲート制御回路３６は、補正された出力電圧指令値Ｖｏｘ＊と搬送波信号とを比較することにより、ゲート信号ｓｇ（Ｕ相ゲート信号ｓｇｕ，Ｖ相ゲート信号ｓｇｖ，Ｗ相ゲート信号ｓｇｗ）を生成する。インバータ７では、生成されたゲート信号ｓｇに従って各相アームの４つのＩＧＢＴ素子のオン／オフが制御される。

これにより、インバータ７からは、各線における電圧降下が補償された三相電圧Ｖｏが出力される。インバータ７から出力されるＵ相電圧Ｖｏｕ、Ｖ相電圧Ｖｏｖ、Ｗ相電圧Ｖｏｗは電圧降下が考慮されているため不均衡となっている。ただし、三相交流ライン１３を経由して単相負荷２Ｕ，２Ｖ，２Ｗに供給される交流電圧の各々は、基準発生回路２４の三相基準値Ｖｒに等しい大きさとなる。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、三相４線式の給電方式を用いた無停電電源装置において、三相交流ラインの各線における電圧降下が補償されるため、各線に接続される負荷に対して均等かつ安定した電圧を供給することができる。

［実施の形態２］
実施の形態２では、補償回路３８ａに接続されるインピーダンス設定器３９を備えることで、三相交流ラインの各線のインピーダンスＺｘを任意に設定できる。

図５は、この発明の実施の形態２に係る無停電電源装置１００の主回路構成を示す概略ブロック図であり、図１と対比される図である。図５を参照して、実施の形態２に係る無停電電源装置１００が図１の無停電電源装置１００と異なる点は、インピーダンス設定器３９が追加されている点である。インピーダンス設定器３９は補償回路３８ａに接続される。

図６は、図５に示した出力電流制御回路３２、加算部３４、補償回路３８ａおよびインピーダンス設定器３９の機能ブロック図であって、図４と対比される図である。図６を参照して、インピーダンス設定器３９では、三相交流ライン１３の各線のインピーダンスＺｘを任意に設定することが可能に構成されている。インピーダンス設定器３９を用いてインピーダンスＺｘを設定することにより、補償回路３８ａのメモリ３８４に予め記憶されているインピーダンスＺｘを書き換えることができる。

実施の形態２では、インピーダンス設定器３９を設けることにより、例えば、無停電電源装置１００の設置時に、その場でインピーダンスＺｘの設定や調整を行うことが可能になる。なお、無停電電源装置はその設置場所により、ケーブル長が変わることから、出荷時に補償指令値を適切に事前設定することが困難である。すなわち、このインピーダンス設定器３９により使用者は容易に、適切な補償指令値を設定することができる。

以上のように、この発明の実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の作用効果が得られることに加えて、三相交流ラインの補償指令値の調整がより容易になる。

［実施の形態３］
実施の形態３では、交流負荷２の各相にかかる電圧ＶＩを検出する電圧センサ４２をさらに備える。そして、補償回路３８ｂは、三相基準値Ｖｒと電圧センサ４２により検出されたＶｌの差により、各相での補償指令値を生成する。

図７はこの発明の実施の形態３に係る無停電電源装置１００の主回路構成を示す概略ブロック図であり、図１と対比される図である。図７を参照して、実施の形態３に係る無停電電源装置１００が図１の無停電電源装置１００と異なる点は、補償回路３８ａに代えて、電圧センサ４２および補償回路３８ｂが追加されている点である。電圧センサ４２は、交流負荷２にかかる電圧Ｖｌを検出する。

図８は、図７に示すインバータ７および交流負荷２の構成を詳細に説明する回路図であり、図２と対比される図である。

図８を参照して、電圧センサ４２は、電圧センサ４２Ｕ，４２Ｖ，４２Ｗを含む。以下では、各相ラインにおける電圧降下補償を総括的に説明するために、符号Ｕ，Ｖ，Ｗをまとめて符号「ｘ」と示す。電圧センサ４２ｘは、各相ラインｘＬの単相負荷２ｘ側の端部の電圧（ｘ相負荷端電圧）Ｖｌｘを検出する。電圧センサ４２ｘにより検出された負荷端電圧Ｖｌｘは、補償回路３８ｂに入力される。

図９は、図７に示した出力電流制御回路３２、補償回路３８ｂおよび加算部３４の機能ブロック図であり、図４と対比される図である。

図９を参照して、補償回路３８ｂが図４の補償回路３８ａと異なる点は、電流センサ８の検出値ｉａに代えて、基準発生回路２４（図７）により生成された三相基準値Ｖｒ（Ｕ相基準値Ｖｒｕ，Ｖ相基準値Ｖｒｖ，Ｗ相基準値Ｖｒｗ）および、電圧センサ４２（図７）により検出された負荷端電圧Ｖｌ（Ｕ相負荷端電圧Ｖｌｕ，Ｖ相負荷端電圧Ｖｌｖ，Ｗ相負荷端電圧Ｖｌｗ）が入力される点である。

補償回路３８ｂは、減算部３８ｂＵ，３８ｂＶ，３８ｂＷを含む。以下では、各相ラインにおける電圧降下補償を総括的に説明するために、符号Ｕ，Ｖ，Ｗをまとめて符号「ｘ」と示す。

減算部３８ｂｘは、ｘ相基準値Ｖｒｘとｘ相負荷端電圧Ｖｌｘとの電圧差Ｖｏｌｘを算出する。減算部３８ｂｘは、算出された電圧差Ｖｏｌｘを加算部３４ｘへ出力する。

加算部３４ｘは、補償回路３８ｂからの補償指令値Ｖｏｌｘに基づいて、加算部３２４ｘからの出力電圧指令値Ｖｏｒｘ＊を補正する。本実施の形態３における加算部３４ｘは、加算部３２４ｘからの出力電圧指令値Ｖｏｒｘ＊に、補償回路３８ｂからの補償指令値Ｖｏｌｘを加算することにより、出力電圧指令値Ｖｏｒｘ＊を補正する。補正された出力電圧指令値Ｖｏｘ＊は、ゲート制御回路３６に出力され、インバータ７の出力電圧に反映される。

これにより、インバータ７からは、三相交流ライン１３の各線における電圧降下が補償された三相電圧が出力される。三相交流ライン１３を経由して単相負荷２Ｕ，２Ｖ，２Ｗに供給される交流電圧は、それぞれ、基準発生回路２４の三相基準値Ｖｒに等しい大きさとなる。

以上のように、この発明の実施の形態３によれば、実施の形態１と同様の作用効果が得られる。さらに、実施の形態３においては、三相交流ライン１３の各線の負荷端の電圧Ｖｌの検出値を用いて各線における電圧降下量を算出し、この算出された電圧降下量から補償指令値Ｖｏｌを生成する。このようにすると、実施の形態１および２で示した、三相電流ｉａおよび各線のインピーダンスＺｘに基づいて電圧降下量を算出する構成に比べて、各線における電圧降下量をより正確に把握することができる。その結果、電圧降下をより高い精度で補償することができる。

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。本発明の範囲は、上記した実施の形態の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。

１ａ 交流電源、１ｂ バイパス交流電源、２ 交流負荷、２Ｕ，２Ｖ，２Ｗ 単相負荷、４ 蓄電池、５ コンバータ、６ ＤＣ／ＤＣコンバータ、７ インバータ、８ 電流センサ、９ 電圧センサ、１０ 直流正母線、１１ 直流負母線、１２ 直流中性点母線、１３，１５ 三相交流ライン、１４ 中性相ライン、１６ 接地ライン、２０ａ 制御装置、２１ 生成回路、２２ 論理和回路、２４ 基準発生回路、２６ 出力電圧制御回路、２８ 零相電圧制御回路、３０，３４，３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗ，２８８，２９２，３２４Ｕ，３２４Ｖ，３２４Ｗ 加算部、３２ 出力電流制御回路、３６ ゲート制御回路、３８ａ，３８ｂ 補償回路、３９ インピーダンス設定器、１００ 無停電電源装置、２８０ 零電圧発生部、２８２ 切替回路、２８４，３２０Ｕ，３２０Ｖ，３２０Ｗ 減算部、２８６ ＰＩ制御回路、２９０，２９４，２９６，３８２ａＵ，３８２ａＶ，３８２ａＷ，３８２ｂＵ，３８２ｂＶ，３８２ｂＷ 乗算部、３２２Ｕ，３２２Ｖ，３２２Ｗ Ｐ制御回路、２９８ リミッタ、３８４ メモリ、ＳＷ１〜ＳＷ３ スイッチ、Ｌ１，Ｌ２ リアクトル、Ｃ１〜Ｃ４ コンデンサ、ＵＬ Ｕ相ライン、ＶＬ Ｖ相ライン、ＷＬ Ｗ相ライン、Ｑ１Ｕ〜Ｑ４Ｕ，Ｑ１Ｖ〜Ｑ４Ｖ，Ｑ１Ｗ〜Ｑ４Ｗ ＩＧＢＴ素子、Ｄ１Ｕ〜Ｄ６Ｕ，Ｄ１Ｖ〜Ｄ６Ｖ，Ｄ１Ｗ〜Ｄ６Ｗ ダイオード。

Claims (6)

1. 直流正母線および直流負母線の間に直列接続された２つのコンデンサからなる平滑回路と、
   前記平滑回路の直流端子および中性点に接続され、前記平滑回路からの直流電力を三相交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータと交流負荷とを結ぶ三相交流ラインと、
   前記中性点と前記交流負荷の中性点とを結ぶ中性相ラインと、
   前記インバータの各相の出力電流を検出する電流センサと、
   前記インバータの各相の出力電圧を検出する第１の電圧センサと、
   前記インバータの電力変換動作を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記インバータの各相の出力電圧の目標値である三相基準値、前記インバータの零相電圧の目標値である零相基準値、前記電流センサの検出値、および前記第１の電圧センサの検出値に基づいて、前記インバータの出力電圧指令値を生成する生成回路と、
   前記インバータから前記交流負荷に前記三相交流電力が供給されるときの前記三相交流ラインにおける電圧降下を補償するための補償指令値を生成する補償回路と、
   前記補償指令値に基づいて、前記出力電圧指令値を補正する補正部と、
   前記補正部により補正された前記出力電圧指令値に基づいて、前記インバータを制御する制御回路とを含む、無停電電源装置。
2. 前記補償回路は、前記三相交流ラインのインピーダンスを記憶するためのメモリを含み、前記メモリに記憶された前記三相交流ラインのインピーダンスおよび前記電流センサの検出値に基づいて、前記補償指令値を生成する、請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 外部入力に基づいて、前記メモリに記憶される前記三相交流ラインのインピーダンスを設定するための設定器をさらに備える、請求項２に記載の無停電電源装置。
4. 前記交流負荷の各相にかかる電圧を検出する第２の電圧センサをさらに備え、
   前記補償回路は、前記三相基準値と前記第２の電圧センサの検出値の差に基づいて、前記補償指令値を生成する、請求項１に記載の無停電電源装置。
5. 外部の三相交流電源に接続され、前記三相交流電源からの三相交流電力を直流電力に変換して、前記直流正母線および前記直流負母線へと出力するコンバータと、
   前記コンバータ、または、前記直流正母線および前記直流負母線からの直流電力を受けて充電される蓄電装置とをさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の無停電電源装置。
6. 前記生成回路は、
   前記三相基準値と前記第１の電圧センサの検出値との偏差に基づいて三相電流指令値を生成する出力電圧制御回路と、
   前記零相基準値と前記第１の電圧センサの検出値から抽出される零相電圧との偏差に基づいて零相電流指令値を生成する零相電圧制御回路と、
   前記三相電流指令値に前記零相電流指令値を加算して前記インバータの出力電流指令値を生成し、前記出力電流指令値と前記電流センサの検出値との偏差に基づいて前記出力電圧指令値を生成する出力電流制御回路とを含み、
   前記補正部は、前記出力電圧指令値に前記補償指令値を加算することにより、前記出力電圧指令値を補正する、請求項１から５のいずれか１項に記載の無停電電源装置。

Images