KR102281416B1 - 무정전 전원 장치, 및 무정전 전원 장치의 시험 방법 - Google Patents

무정전 전원 장치, 및 무정전 전원 장치의 시험 방법 Download PDF

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Abstract

제4 단자(T4)에 부하가 접속되어 있지 않은 상태에서 무정전 전원 장치(100)의 전기 시험을 행하는 경우에 있어서, 제어 장치(4)는 제1 및 제2 스위치(S2, S3)를 온시킴과 함께, 인버터(2)의 출력 전류를 전류 명령값에 따라 제어하도록 구성된다. 제어 장치(4)는, 전류 명령값을 좌표 변환한 d축 전류 명령값 및 q축 전류 명령값과, 출력 전류를 좌표 변환한 d축 전류값 및 q축 전류값의 편차에 기초하여 전압 명령값을 생성한다. 제어 장치는 전압 명령값에 기초하여 인버터(2)의 제어 신호를 생성한다. 제어 장치는, 제어 신호에 따라 인버터(2)에 의하여 생성되는 교류 전압의 위상이 교류 전원(5)의 위상에 동기하도록 제어 신호의 주파수를 제어한다.

Description

무정전 전원 장치, 및 무정전 전원 장치의 시험 방법
본 발명은 무정전 전원 장치, 및 무정전 전원 장치의 시험 방법에 관한 것이다.
무정전 전원 장치에 대한 신뢰성의 요구에 부응하기 위하여, 무정전 전원 장치의 성능을 확인하기 위한 전기 시험이 행해지고 있다. 예를 들어 일본 특허 공개 제2009-232541호 공보(특허문헌 1)에는, 교류 출력 단자에 모의 부하 기기를 접속하는 일 없이 무정전 전원 장치의 전기 시험을 행하는 시험 방법이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2009-232541호 공보
특허문헌 1에 기재되는 무정전 전원 장치의 시험 방법에서는, 모의 부하 기기를 사용하지 않고 인버터에서 생성된 교류 전력을, 바이패스 회로를 경유하여 교류 전원으로 회생시킨다. 이것에 의하여, 전기 시험에 요하는 전력을, 상기 전력 루트 내에 발생하는 손실로 억제할 수 있다.
한편, 특허문헌 1에 기재되는 시험 방법에서는, 인버터로부터 출력되는 3상 교류 전류의 검출값이 전류 명령값에 일치하도록 인버터를 제어하고 있다. 이 전류 제어에 있어서의 제어 게인에는 3상 교류 전류의 정격 주파수가 중첩되기 때문에, 제어 게인은 고(高)게인일 필요가 있다. 따라서 고속 응답성 및 높은 제어 정밀도를 실현하기 위해서는 제어가 복잡화된다는 문제가 있다.
그러므로 본 발명의 주된 목적은, 용이한 제어에 의하여 고속 응답성 및 높은 제어 정밀도로 전기 시험을 행할 수 있는 무정전 전원 장치, 및 무정전 전원 장치의 시험 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 어느 국면에 의하면, 무정전 전원 장치는, 교류 전원에 접속되는 제1 및 제2 단자와, 축전 장치에 접속되는 제3 단자와, 제4 단자와, 컨버터와, 인버터와, 제1 및 제2 스위치와, 제어 장치를 구비한다. 컨버터는, 교류 전원으로부터 제1 단자를 통하여 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 구성된다. 인버터는, 컨버터에 의하여 생성된 직류 전력 또는 축전 장치의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하도록 구성된다. 제1 스위치는 인버터의 출력 노드와 제4 단자 사이에 접속된다. 제2 스위치는 제2 단자와 제4 단자 사이에 접속된다. 제4 단자에 부하가 접속되어 있지 않은 상태에서 무정전 전원 장치의 전기 시험을 행하는 경우에 있어서, 제어 장치는 제1 및 제2 스위치를 온시킴과 함께, 인버터의 출력 전류를 전류 명령값에 따라 제어하도록 구성된다. 제어 장치는, 전류 명령값을 좌표 변환한 d축 전류 명령값 및 q축 전류 명령값과, 출력 전류를 좌표 변환한 d축 전류값 및 q축 전류값의 편차에 기초하여 전압 명령값을 생성한다. 제어 장치는 전압 명령값에 기초하여 인버터의 제어 신호를 생성한다. 제어 장치는, 제어 신호에 따라 인버터에 의하여 생성되는 교류 전압의 위상이 교류 전원의 위상에 동기하도록 제어 신호의 주파수를 제어한다.
본 발명에 의하면, 용이한 제어에 의하여 고속 응답성 및 높은 제어 정밀도로 무정전 전원 장치의 전기 시험을 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 무정전 전원 장치의 구성을 도시하는 회로 블록도이다.
도 2는 제어 장치 중의, 컨버터의 제어에 관련되는 부분의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 3은 제어 장치 중의, 인버터의 제어에 관련되는 부분의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 d축 전류 명령값 및 q축 전류 명령값의 설정 방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 전기 시험 시에 있어서의 인버터의 제어를 설명하기 위한 파형도이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 의한 무정전 전원 장치의 시험 방법을 설명하기 위한 회로 블록도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 또한 동일 또는 상당하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙여서 그 설명을 반복하지 않는다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 의한 무정전 전원 장치의 구성을 도시하는 회로 블록도이다. 상용 교류 전원(5)은 상용 주파수의 교류 전력을 무정전 전원 장치(100)에 공급한다. 무정전 전원 장치(100)는, 실제로는 상용 교류 전원(5)으로부터 3상 교류 전력을 받지만, 도면 및 설명의 간단화를 도모하기 위하여 도 1에서는 1상분의 회로만이 도시되어 있다.
무정전 전원 장치(100)는 입력 단자 T1, 바이패스 단자 T2, 배터리 단자 T3 및 출력 단자 T4를 구비한다. 입력 단자 T1 및 바이패스 단자 T2는 상용 교류 전원(5)에 접속되어 있다. 출력 단자 T4는 도시하지 않은 부하에 접속될 수 있다. 부하는, 무정전 전원 장치(100)로부터 공급되는 상용 주파수의 교류 전력에 의하여 구동된다.
배터리 단자 T3은 축전지(6)에 접속된다. 축전지(6)는, 직류 전력의 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 축전지(6)는, 직류 전력을 축적하는 「전력 저장 장치」의 일 실시예에 대응한다. 배터리 단자 T3에는 축전지(6) 대신 콘덴서(전기 이중층 콘덴서, 전해 콘덴서 등)가 접속되어 있더라도 상관없다.
무정전 전원 장치(100)는 스위치 S1 내지 S3, 리액터 L1, L2, 컨버터(1), 콘덴서 C1, C2, 쌍방향 초퍼(3), 전류 검출기 CD1, CD2, 전압 검출기 VD1 내지 VD5 및 제어 장치(4)를 더 구비한다. 스위치 S1, 리액터 L1, 컨버터(1), 인버터(2), 리액터 L2 및 스위치 S2는 입력 단자 T1과 출력 단자 T4 사이에 직렬로 접속된다.
스위치 S1의 한쪽 단자는 입력 단자 T1에 접속되고, 그의 다른 쪽 단자는 리액터 L1을 통하여 컨버터(1)의 입력 노드에 접속된다. 콘덴서 C1은 스위치 S1의 다른 쪽 단자에 접속된다. 컨버터(1)의 출력 노드는 직류 모선(7)을 통하여 인버터(2)의 입력 노드에 접속됨과 함께, 쌍방향 초퍼(3)를 통하여 배터리 단자 T3에 접속된다. 콘덴서 C3은 직류 모선(7)에 접속된다.
인버터(2)의 출력 노드는 리액터 L2를 통하여 스위치 S2의 한쪽 단자에 접속되고, 스위치 S2의 다른 쪽 단자는 출력 단자 T4에 접속된다. 콘덴서 C2는 스위치 S2의 한쪽 단자에 접속된다.
스위치 S1은, 상용 교류 전원(5)으로부터 교류 전력이 정상적으로 공급되고 있는 통상 시에는 폐쇄(온)되고, 예를 들어 무정전 전원 장치(100)의 메인터넌스 시에 개방(오프)된다. 스위치 S1의 온·오프는 제어 장치(4)에 의하여 제어된다.
콘덴서 C1 및 리액터 L1은 교류 필터 F1을 구성한다. 교류 필터 F1은 저역 통과 필터이며, 상용 교류 전원으로부터 공급되는 상용 주파수의 교류 전력을 통과시키고, 컨버터에서 발생하는 스위칭 주파수의 신호를 차단한다.
컨버터(1)는, 상용 교류 전원(5)으로부터 교류 전력이 공급되고 있는 통상 시에는, 상용 교류 전원(5)으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 구성된다. 컨버터(1)에서 생성된 직류 전력은 직류 모선(7)에 출력된다. 이때, 컨버터(1)는, 직류 모선(7)의 전압 V3이 소정의 기준 전압 V3R로 되도록 직류 전류를 직류 모선(7)에 출력한다. 컨버터(1)에 있어서의 전력 변환은 제어 장치(4)에 의하여 제어된다. 상용 교류 전원(5)으로부터의 교류 전력의 공급이 정지된 정전 시에는, 컨버터(1)의 운전은 정지된다. 컨버터(1)는 제어 장치(4)에 의하여 제어된다. 콘덴서 C3은 직류 모선(7)의 전압 V3을 평활화한다.
쌍방향 초퍼(3)는, 쌍방향의 직류 전압 변환(승압 및 강압)을 실행하도록 구성된다. 쌍방향 초퍼(3)는 통상 시, 컨버터(1)에 의하여 생성된 직류 전력을 축전지(6)에 축적한다. 정전 시, 쌍방향 초퍼(3)는 축전지(6)의 직류 전력을 직류 모선(7)에 공급한다. 쌍방향 초퍼(3)는 제어 장치(4)에 의하여 제어된다. 쌍방향 초퍼(3)는 「DC/DC 컨버터」의 일 실시예에 대응한다.
인버터(2)는 통상 시, 컨버터(1)에 의하여 생성된 직류 전력을 상용 주파수의 교류 전력으로 변환하도록 구성된다. 정전 시, 인버터(2)는 축전지(6)의 직류 전력을 상용 주파수의 교류 전력으로 변환하도록 구성된다. 인버터(2)는 제어 장치(4)에 의하여 제어된다.
컨버터(1) 및 인버터(2)는 반도체 스위칭 소자에 의하여 구성된다. 반도체 스위칭 소자로서는, 예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 적용된다. 반도체 스위칭 소자의 제어 방식으로서 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 적용할 수 있다.
리액터 L2 및 콘덴서 C2는 교류 필터 F2를 구성한다. 교류 필터 F2는 저역 통과 필터이며, 인버터(2)에 의하여 생성된 상용류 파수의 교류 전력을 통과시키고, 인버터(2)에서 발생하는 스위칭 주파수의 신호를 차단한다. 달리 말하면 교류 필터 F2는 인버터(2)의 출력 전압 파형을 사인파로 변환한다.
스위치 S2(제1 스위치)는 바이패스 급전 모드 시에는 오프되고, 인버터 급전 모드 시에는 온된다. 바이패스 급전 모드는, 상용 교류 전원(5)으로부터의 교류 전력을 부하에 공급하는 모드이다. 바이패스 단자 T2와 출력 단자 T4를 접속하는 회로를 「바이패스 회로」라고도 칭한다. 인버터 급전 모드는, 인버터(2)에 의하여 생성된 교류 전력을 부하에 공급하는 모드이다.
스위치 S3(제2 스위치)은 바이패스 급전 모드 시에는 온되고, 인버터 급전 모드 시에는 오프된다. 스위치 S2, S3의 온·오프는 제어 장치(4)에 의하여 제어된다.
전압 검출기 VD1은, 입력 단자 T1의 교류 전압 V1(즉, 상용 교류 전원(5)으로부터 공급되는 교류 전압)의 순시값을 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호를 제어 장치(4)에 부여한다. 제어 장치(4)는 전압 검출기 VD1의 출력 신호에 기초하여, 상용 교류 전원(5)으로부터 교류 전력이 정상적으로 공급되고 있는지 여부(즉, 정전이 발생하였는지 여부)를 판정한다.
전류 검출기 CD1은, 리액터 L1에 흐르는 교류 전류 I1(즉, 컨버터(1)의 입력 전류)의 순시값을 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호를 제어 장치(4)에 부여한다. 전압 검출기 VD3은, 직류 모선(7)의 직류 전압 V3의 순시값을 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호를 제어 장치(4)에 부여한다.
제어 장치(4)는 전압 검출기 VD1, VD3 및 전류 검출기 CD1의 출력 신호에 기초하여 컨버터(1)를 제어한다. 달리 말하면 컨버터(1)는, 통상 시에는 직류 모선(7)의 직류 전압 V3이 기준 전압 V3R로 되도록 직류 모선(7)에 직류 전력을 공급한다. 정전 시에는 컨버터(1)의 운전은 정지된다.
전압 검출기 VD4는, 배터리 단자 T3의 직류 전압 V4(즉, 축전지(6)의 단자 간 전압)의 순시값을 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호를 제어 장치(4)에 부여한다. 제어 장치(4)는 전압 검출기 VD3, VD4의 출력 신호에 기초하여 쌍방향 초퍼(3)를 제어한다. 달리 말하면 쌍방향 초퍼(3)는, 통상 시에는 배터리 단자 T3의 직류 전압이 소정의 목표 배터리 전압으로 되도록 축전지(6)에 직류 전력을 공급한다. 정전 시에는 쌍방향 초퍼(3)는, 직류 모선(7)의 직류 전압 V3이 기준 전압 V3R로 되도록 직류 모선(7)에 직류 전력을 공급한다.
전압 검출기 VD2는, 바이패스 단자 T2의 교류 전압 V2(즉, 상용 교류 전원(5)으로부터 공급되는 교류 전압)의 순시값을 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호를 제어 장치(4)에 부여한다. 전압 검출기 VD4는, 출력 단자 T4의 교류 전압 V4의 순시값을 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호를 제어 장치(4)에 부여한다.
전류 검출기 CD2는, 리액터 L2에 흐르는 전류 I2(즉, 인버터(2)의 출력 전류)의 순시값을 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호를 제어 장치(4)에 부여한다. 제어 장치(4)는 전압 검출기 VD2, VD4 및 전류 검출기 CD2의 출력 신호에 기초하여 인버터(2)를 제어한다.
특히 제어 장치(4)는, 인버터 급전 모드 시에는 전압 검출기 VD2의 검출값 V2(즉, 상용 교류 전원(5)으로부터 공급되는 교류 전압)에 기초하여 전압 명령값을 생성하고, 그 전압 명령값에 전압 검출기 VD5의 검출값 V5(즉, 출력 단자 T4의 교류 전압)가 일치하도록 인버터(2)를 전압 피드백 제어함과 함께, 전류 검출기 CD2의 검출값의 전류(부하 전류)를 공급하도록 인버터(2)를 전류 피드 포워드 제어한다.
[무정전 전원 장치의 전기 시험]
무정전 전원 장치(100)의 신뢰성을 유지하기 위하여, 무정전 전원 장치(100)의 성능을 확인하기 위한 전기 시험이 행해진다. 무정전 전원 장치(100)의 전기 시험을 행하는 경우, 부하 또는 모의 부하를 사용하지 않고 무정전 전원 장치(100)를 운전한다. 구체적으로는, 도 1에 도시한 바와 같이, 출력 단자 T4에 부하를 접속하지 않은 상태에서 제어 장치(4)는 컨버터(1) 및 인버터(2)를 운전시킨다. 도 1에 있어서, 전기 시험 시의 전력의 흐름을 파선 화살표를 이용하여 나타낸다.
이때, 제어 장치(4)는 스위치 S2, S3을 모두 온시킴으로써, 인버터(2)로부터 공급된 교류 전력을 바이패스 회로를 경유하여 상용 교류 전원(5)으로 회생시킨다. 이와 같이 하면, 전기 시험에 요하는 전력은, 도 1에 도시한 전력 루트 내에 발생하는 손실만으로 되므로, 상용 교류 전원(5)으로부터 부여되는 전력을 이 손실분으로 억제할 수 있다.
도 2는, 제어 장치(4) 중의, 컨버터(1)의 제어에 관련되는 부분의 구성을 도시하는 블록도이다. 도 2는, 전기 시험 시에 있어서의 컨버터(1)의 제어를 도시한 것이다.
전기 시험 시에는 제어 장치(4)는, 인버터 급전 모드 시와 마찬가지로 전압 검출기 VD1, VD3 및 전류 검출기 CD1의 출력 신호에 기초하여 컨버터(1)를 제어한다. 달리 말하면 컨버터(1)는, 직류 모선(7)의 직류 전압 V3이 기준 전압 V3R로 되도록 직류 모선(7)에 직류 전력을 공급한다.
구체적으로는 제어 장치(4)는, 도 2에 도시한 바와 같이 전압 기준 생성부(10), 전압 제어부(12), 전류 제어부(14), 감산기(11, 13) 및 PWM 제어부(15)를 포함한다. 전압 기준 생성부(10)는, 직류 모선(7)의 목표 직류 전압인 기준 전압 V3R을 생성한다.
감산기(11)는, 기준 전압 V3R로부터 직류 전압 V3(전압 검출기 VD3의 검출값)을 감산하여 V3R과 V3의 편차 V3R-V3을 구한다.
전압 제어부(12)는, 편차 V3R-V3이 0으로 되도록 전류 명령값 I1*를 생성한다. 전압 제어부(12)는, 예를 들어 비례 요소(P: proportional element) 및 적분 요소(I: integral element)를 적어도 포함하며, 편차 V3R-V3을 입력으로서 비례 적분 연산을 행한다. 전압 제어부(12)는 그 연산 결과로서 전류 명령값 I1*를 생성한다.
감산기(13)는, 전류 명령값 I1*로부터 전류 I1(전류 검출기 CD1의 검출값)을 감산하여 I1*와 I1의 편차 I1*-I1을 구한다.
전류 제어부(14)는, 편차 I1*-I1이 0으로 되도록 전압 명령값 V*를 생성한다. 전류 제어부(14)는, 예를 들어 비례 요소 및 적분 요소를 포함하며, 편차 I1*-I1을 입력으로서 비례 적분 연산을 행한다. 전류 제어부(14)는 그 연산 결과로서 전압 명령값 V*를 생성한다.
또한 본 실시 형태에서는 전압 제어 및 전류 제어에 PI 제어를 이용하고 있지만, 비례 요소(P), 적분 요소(I) 및 미분 요소(D: derivative element)를 포함하는 PID 제어를 이용해도 된다. 또는 그 대신, 그 외의 일반적인 제어 수법을 이용해도 된다.
PWM 제어부(15)는, 전류 제어부(14)로부터 전압 명령값 V*를 받으면 전압 명령값 V*와 삼각파의 캐리어 신호를 비교함으로써, 컨버터(1)의 반도체 스위칭 소자를 온·오프하기 위한 제어 신호를 생성한다. PWM 제어부(15)에 의하여 생성된 제어 신호는 컨버터(1)에 부여된다.
도 3은, 제어 장치(4) 중의, 인버터(2)의 제어에 관련되는 부분의 구성을 도시하는 블록도이다. 도 3은, 전기 시험 시에 있어서의 인버터(2)의 제어를 도시한 것이다.
전기 시험 시에는, 제어 장치(4)는, 무정전 전원 장치(100)가 출력해야 할 피상 전력 S[VA] 및 역률 φ에 대하여 미리 설정된 목표값에 기초하여 전류 명령값 Ir을 생성한다. 제어 장치(4)는, 생성한 전류 명령값 Ir에 전류 검출기 CD2의 검출값(즉, 인버터(2)의 출력 전류 I2)이 일치하도록 인버터(2)를 전류 피드백 제어한다.
구체적으로는 도 3을 참조하여, 제어 장치(4)는 d축 전류 명령 생성부(20), q축 전류 명령 생성부(21), 전류 제어부(24, 25), 좌표 변환부(26, 31), 전압 제어부(27), PWM 제어부(28), 주파수 제어부(29) 및 동기 제어부(30)를 포함한다.
d축 전류 명령 생성부(20)는, 전류 명령값 Ir의 d축 성분인 d축 전류 명령값 Idr을 생성한다. q축 전류 명령 생성부(21)는, 전류 명령값 Ir의 q축 성분인 q축 전류 명령값 Iqr을 생성한다.
구체적으로는 전류 명령값 Ir은, 예를 들어 무정전 전원 장치(100)의 정격 전력인 최대 피상 전력 S[VA]에 기초하여 설정할 수 있다. 최대 피상 전력 S[VA]는, 무정전 전원 장치(100)로부터 출력되는 교류 전압(즉, 출력 단자 T4의 교류 전압 V5)의 실효값을 V라 하고 전류 명령값 Ir의 실효값을 I라 하면 S=V×I로 표시된다.
또한 인버터 급전 모드 시, 출력 단자 T4의 교류 전압 V5는, 상용 교류 전원(5)으로부터 공급되는 교류 전압 V1에 동기하고 있다. 즉, 최대 피상 전력 S[VA]는, 상용 교류 전원(5)으로부터 공급되는 교류 전압(교류 전원 전압) V1의 실효값 V와 전류 명령값 Ir의 기본파 실효값 I의 곱으로 표시된다. 따라서 최대 피상 전력 S[VA] 및 교류 전원 전압 V1의 실효값 V에 기초하여 전류 명령값 Ir을 연산할 수 있다.
다음으로, 무정전 전원 장치(100)의 역률 φ가 설정된다. 역률 φ는, 예를 들어 출력 단자 T4에 접속이 예정되어 있는 부하의 역률로 설정할 수 있다. 이와 같이 하면, 실질적으로 출력 단자 T4에 부하가 접속되어 있는 상태에서의 무정전 전원 장치(100)의 성능을 확인할 수 있다. 또는, 미리 복수의 역률을 설정해 두고 역률 φ를 전환하여 전기 시험을 행하는 것도 가능하다. 또한 최대 피상 전력 S[VA]에 역률 φ를 곱한 것(S×φ)이 무정전 전원 장치(100)의 최대 유효 전력으로 된다.
역률 φ가 설정되면, 도 4에 나타낸 바와 같이 전류 명령값 Ir은, 역률 φ를 이용하여 d축 전류 명령값 Idr 및 q축 전류 명령값 Iqr로 변환할 수 있다. d축 전류 명령값 Idr 및 q축 전류 명령값 Iqr은 각각 하기 식 (1), (2)로 주어진다.
Idr=Ir×cosφ … (1)
Iqr=Ir×sinφ … (2)
d축 전류 명령 생성부(20)는, 전류 명령값 Ir 및 역률 φ가 주어지면 식 (1)을 이용하여 d축 전류 명령값 Idr을 생성한다. 생성된 d축 전류 명령값 Idr은 감산기(22)에 주어진다. q축 전류 명령값(21)은, 전류 명령값 Ir 및 역률 φ가 주어지면 식 (2)를 이용하여 q축 전류 명령값 Iqr을 생성한다. 생성된 q축 전류 명령값 Iqr은 감산기(23)에 주어진다.
전류 명령값 Ir을 d축 전류 명령값 Idr 및 q축 전류 명령값 Iqr로 변환한 것에 의하여 제어 장치(4)는, 인버터(2)의 출력 전류 I2의 d축 성분 Id 및 q축 성분 Iq가 각각 d축 전류 명령값 Idr 및 q축 전류 명령값 Iqr에 일치하도록 인버터(2)를 전류 피드백 제어한다.
여기서, 종래의 전류 피드백 제어에서는, 전류 검출기 CD2의 검출값 I2(3상 교류 전류)가 전류 명령값 Ir에 일치하도록 인버터(2)를 제어한다. 따라서 피드백 제어의 제어 게인에는 교류 전류의 정격 주파수가 중첩된다. 도 1의 경우, 상용 교류 전원(5)의 주파수(예를 들어 50㎐)에 기초하여 제어 루프의 응답 각주파수에는 ωc=314rad/sec가 중첩된다. 이 때문에 제어 루프에 있어서의 게인은 고게인일 필요가 있다. 구체적으로는 적어도 ωc보다도 1자릿수 큰 게인(즉, 3140rad/sec 이상)이 필요해진다. 또한 이 전류 피드백 제어에 의하여 생성된 전압 명령값에 따른 전압 제어(PWM 제어)에 있어서는 1자릿수 더 큰 게인(31400rad/sec)이 필요해진다. 그 때문에, 고속 응답성 및 높은 제어 정밀도를 실현하기 위해서는 복잡한 제어가 필요해진다는 문제가 있었다.
이에 비해, 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 전류 피드백 제어에 있어서 d축 전류 Id 및 q축 전류 Iq를 각각 독립적으로 제어할 수 있다. 각 성분의 전류 피드백 제어에 있어서는, 전류 명령값을 직류량으로서 다룰 수 있기 때문에 교류 전류의 정격 주파수(즉, ωc)를 제거할 수 있다. 따라서 제어 루프에 있어서의 게인을 저(低)게인으로 할 수 있다. 따라서 고속 응답성 및 높은 제어 정밀도를 용이하게 실현할 수 있다.
이하, 도 3을 이용하여 제어 장치(4)에 있어서의 전류 피드백 제어에 대하여 상세히 설명한다.
동기 제어부(30)는 전압 검출기 VD1의 검출값(즉, 상용 교류 전원(5)으로부터 공급되는 교류 전압 V1)에 기초하여 교류 전원 전압 V1의 위상 θ를 검출한다. 동기 제어부(30)는, 예를 들어 PLL(Phase Locked Loop) 회로이며, 인버터(2)의 출력 전압 V5와 교류 전원 전압 V1의 위상차가 0으로 되도록 제어한다. 인버터(2)의 출력 전압 V2의 위상을 교류 전원 전압 V1의 위상과 동기시킴으로써, 도 1에 도시한 바와 같이, 인버터(2)로부터 공급된 교류 전력을 바이패스 회로를 경유하여 상용 교류 전원(5)으로 회생시킬 수 있다.
좌표 변환부(31)는, 동기 제어부(30)에 의하여 검출된 위상 θ를 이용한 좌표 변환(3상/2상 변환)에 의하여, 전류 검출기 CD2의 검출값(즉, 인버터(2)의 출력 전류 I2)을 기초로 d축 전류 Id 및 q축 전류 Iq를 산출한다.
감산기(22)는, d축 전류 명령 생성부(20)에 의하여 생성된 d축 전류 명령값 Idr로부터 d축 전류 Id를 감산하여 Idr과 Id의의 편차 ΔId를 구한다. 감산기(23)는, q축 전류 명령 생성부(21)에 의하여 생성된 q축 전류 명령값 Iqr로부터 q축 전류 Iq를 감산하여 Iqr과 Iq의 편차 ΔIq를 구한다.
전류 제어부(24)는, 편차 ΔId가 0으로 되도록 d축 전압 명령값 Vd*를 생성한다. 구체적으로는 전류 제어부(24)는 편차 ΔId에 대하여, 소정 게인에 의한 비례 적분 연산을 행하여 제어 편차를 구하고, 이 제어 편차에 따른 d축 전압 명령값 Vd*를 생성한다.
전류 제어부(25)는, 편차 ΔIq가 0으로 되도록 q축 전압 명령값 Vq*를 생성한다. 구체적으로는 전류 제어부(25)는 편차 ΔIq에 대하여, 소정 게인에 의한 비례 적분 연산을 행하여 제어 편차를 구하고, 이 제어 편차에 따른 q축 전압 명령값 Vq*를 생성한다.
좌표 변환부(26)는, 교류 전원 전압의 위상 θ를 이용한 좌표 변환(3상/2상 변환)에 의하여 d축 전압 명령값 Vd* 및 q축 전압 명령값 Vq*를 U상, V상, W상의 각 상 전압 명령값 Vu*,Vv*,Vw*로 변환한다. 교류 전압 명령값 Vo*는, Vu*,Vv*,Vw*를 포괄적으로 나타내는 것이다.
이와 같이 전류 피드백 제어에 의하여 전압 명령값 Vo*이 생성된다. 따라서 전압 명령값 Vo*에 따라 인버터(2)를 PWM 제어함으로써 인버터(2)의 출력 전류 I2를 전류 명령값 Ir에 일치시킬 수 있다.
그러나 전기 시험을 위하여 무정전 전원 장치(100)(인버터(2))를 기동시킬 때, 전압 명령값 Vo*의 실효값이 0으로부터 급격히 상승하기 때문에 제어를 추종하지 못하여, 인버터(2)의 출력 전압 V2의 실효값이 전압 명령값 Vo*의 실효값에 도달한 후에 지나쳐 가는 오버슈트나, 출력 전압 V2의 실효값이 전압 명령값 Vo*의 실효값 부근에서 진동하는 헌팅이 발생할 가능성이 있다. 그 결과, 무정전 전원 장치(100)를 기동하고 나서 출력 전압 V2가 안정되기까지의 기간, 전기 시험을 행하지 못한다는 문제가 생긴다.
또한 출력 전압 V2의 오버슈트나 헌팅을 방지하기 위해서는, 무정전 전원 장치(100)의 기동 시, 전압 명령값 Vo*의 실효값을 0으로부터 본래의 목표 전압까지 점차 증가시키는 수법을 채용할 수 있다. 이것에 의하면, 출력 전압 V2의 실효값을 전압 명령값 Vo*의 실효값에 추종시키는 것이 가능해진다. 그러나 한편, 전압 명령값 Vo*의 실효값을 증가시키고 있는 기간에는 인버터(2)의 출력 전류 I2의 실효값도 전류 명령값 Ir의 실효값보다 낮아지기 때문에, 전기 시험을 행하지 못한다는 문제는 해소되지 않고 남아 버린다.
그래서 본 실시 형태에 있어서는, 무정전 전원 장치(100)의 기동 시에는 전압 명령값 Vo*의 실효값을 0으로부터 선형적으로 증가시킴과 함께 인버터(2)의 출력 주파수를 증가시킨다.
구체적으로는 도 3을 참조하여, 주파수 제어부(29)는 동기 제어부(30)로부터 교류 전원 전압 V1의 위상 θ를 나타내는 신호를 받음과 함께, 무정전 전원 장치(100)의 기동 명령 ST를 받는다. 기동 명령 ST는, 무정전 전원 장치(100)의 컨버터(1) 및 인버터(2)를 기동하기 위한 명령이다. 전기 시험을 행하는 경우에 있어서, 도시하지 않은 조작부가 온 조작되었을 때에 H(논리 하이) 레벨로 활성화된 기동 명령 ST가 제어 장치(4)에 대하여 발해진다.
주파수 제어부(29)는, H 레벨로 활성화된 기동 명령 ST를 받으면 상용 교류 전원(5)의 정격 주파수 f*에 기초하여 주파수 명령 f#을 생성한다. 구체적으로는, 주파수 제어부(29)는 주파수 명령 f#을 0으로부터 정격 주파수 f*까지 증가시킨다. 주파수 제어부(29)는 생성한 주파수 명령 f#을 전압 제어부(27) 및 PWM 제어부(28)에 부여한다.
전압 제어부(27)는, 좌표 변환부(26)에 의하여 생성된 전압 명령값 Vo* 및 주파수 명령 f#에 기초하여, PWM 제어부(28)에 부여하는 전압 명령값 Vo#을 생성한다. 전압 제어부(27)는 전압 명령값 Vo#의 실효값을 0으로부터 Vo*까지 증가시킨다. 이것에 의하여 인버터(2)의 출력 주파수 f와 인버터(2)의 출력 전압 V5의 실효값을 동시에 증가시킬 수 있다.
PWM 제어부(28)는 주파수 명령 f#에 기초하여 삼각파의 캐리어 신호를 생성한다. PWM 제어부(28)는 전압 제어 발진기(VCO)을 포함하여 구성된다. 전압 제어 발진기는, 주파수 명령 f#의 정수 배로 되도록 삼각파의 캐리어 신호의 주파수를 조정한다.
PWM 제어부(28)는 전압 명령값 Vo#과 삼각파의 캐리어 신호를 비교함으로써, 인버터(2)의 반도체 스위칭 소자를 온·오프하기 위한 제어 신호를 생성한다. PWM 제어부(28)에 의하여 생성된 제어 신호는 인버터(2)에 부여된다.
도 5는, 전기 시험 시에 있어서의 인버터(2)의 제어를 설명하기 위한 파형도이다. 도 5에는, 기동 명령 ST, 전압 명령 Vo#의 실효값, 및 인버터(2)의 출력 전류 I2의 실효값의 관계가 나타나 있다.
도 5를 참조하여, 시각 t1에 기동 명령 ST가 L(논리 로우) 레벨로부터 H 레벨로 활성화되면 제어 장치(4)는 스위치 S2, S3을 모두 온시킴과 함께, 전류 명령값 Ir 및 역률 φ에 기초하여 전압 명령값 Vo*를 생성한다. 제어 장치(4)는 또한, 상용 교류 전원(5)의 정격 주파수 f*에 기초하여 주파수 명령 f#을 생성한다.
제어 장치(4)는 시각 t1을 기점으로 하여 주파수 명령 f#을 소정의 변화율로 증가시킨다. 주파수 명령 f#은 정격 주파수 f*에 도달한다. 이때, 제어 장치(4)는 시각 t1을 기점으로 하여 전압 명령값 Vo#의 실효값을 0으로부터 증가시킨다. 전압 명령값 Vo#의 실효값은 증가되어 시각 t2에 Vo*에 도달한다.
이와 같이 하면, 시각 t1 내지 t2 동안, 인버터(2)의 출력 주파수와 출력 전압 V5는 변화된다. 상술한 바와 같이, 단순히 출력 전압 V5만을 저하시키면 인버터(2)의 출력 전류 I2가 저하된다. 그래서 출력 전압 V5에 대응하여 출력 주파수도 저하시킨다. 이것에 의하여, 출력 전압 V5의 오버슈트 및 헌팅을 생기게 하는 일 없이 무정전 전원 장치(100)를 기동시킨 후, 신속하고 또한 안정적으로 전기 시험을 행할 수 있다.
또한 본 실시 형태에 의한 무정전 전원 장치(100)에 의하면, 상용 교류 전원(5)으로부터의 교류 전력의 공급이 정지된 경우를 상정한 전기 시험을 행하는 것도 가능하다. 도 6에 도시한 바와 같이, 출력 단자 T4에 부하를 접속하지 않은 상태에서 제어 장치(4)는 인버터(2)를 운전시킨다. 이때, 제어 장치(4)는 컨버터(1)를 정지시킨다. 도 6에 있어서, 전기 시험 시의 전력의 흐름을 파선 화살표를 이용하여 나타낸다.
제어 장치(4)는, 기동 명령 ST가 H 레벨로 활성화되면 스위치 S2, S3을 모두 온시킴과 함께, 상기 실시 형태와 마찬가지로 전압 명령값 Vo#의 실효값을 0으로부터 선형적으로 증가시킴과 함께, 인버터(2)의 주파수 명령 f#을 증가시킨다.
제어 장치(4)는 또한, 전압 검출기 VD3, VD4의 출력 신호에 기초하여 쌍방향 초퍼(3)를 제어한다. 쌍방향 초퍼(3)는, 직류 모선(7)의 직류 전압 V3이 기준 전압 V3R로 되도록 직류 모선(7)에 직류 전력을 공급한다.
이것에 의하여, 축전지(6)로부터 공급된 직류 전력은 인버터(2)에 의하여 교류 전력으로 변환된 후, 바이패스 회로를 경유하여 상용 교류 전원(5)으로 회생된다. 이 경우에 있어서도, 전기 시험에 요하는 전력은, 도 6에 도시한 전력 루트 내에 발생하는 손실만으로 되므로, 상용 교류 전원(5)으로부터 부여되는 전력을 이 손실분으로 억제할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 의한 무정전 전원 장치에 의하면, 전기 시험 시의 전류 피드백 제어에 있어서 전류 명령값을 직류량으로서 다룰 수 있기 때문에, 용이한 제어에 의하여 고속 응답성 및 높은 제어 정밀도로 무정전 전원 장치의 전기 시험을 행할 수 있다.
또한, 전기 시험을 위하여 무정전 전원 장치를 기동시킨 직후로부터 인버터의 출력 전류를 전류 명령값에 일치시킬 수 있다. 따라서 무정전 전원 장치의 기동 후, 신속하고 또한 안정적으로 전기 시험을 행할 수 있다.
금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아닌 것으로 생각되어야만 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구의 범위에 의하여 나타나며, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1: 컨버터
2: 인버터
3: 쌍방향 초퍼
4: 제어 장치
5: 상용 교류 전원
10: 전압 기준 생성부
11, 13: 감산기
12, 27: 전압 제어부
14: 전류 제어부
15, 28: PWM 제어부
20: d축 전류 명령 생성부
21: q축 전류 명령 생성부
24, 25: 전류 제어부
26, 31: 좌표 변환부
29: 주파수 제어부
30: 동기 제어부
100: 무정전 전원 장치
T1: 입력 단자
T2: 바이패스 단자
T3: 배터리 단자
T4: 출력 단자
VD1 내지 VD3: 전압 검출기
CD1, CD2: 전류 검출기

Claims (6)

  1. 무정전 전원 장치이며,
    교류 전원에 접속되는 제1 및 제2 단자와,
    축전 장치에 접속되는 제3 단자와,
    제4 단자와,
    상기 교류 전원으로부터 상기 제1 단자를 통하여 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 구성된 컨버터와,
    상기 컨버터에 의하여 생성된 직류 전력 또는 상기 축전 장치의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하도록 구성된 인버터와,
    상기 인버터의 출력 노드와 상기 제4 단자 사이에 접속되는 제1 스위치와,
    상기 제2 단자와 상기 제4 단자 사이에 접속되는 제2 스위치와,
    상기 제4 단자에 부하가 접속되어 있지 않은 상태에서 상기 무정전 전원 장치의 전기 시험을 행하는 경우에 있어서, 상기 제1 및 제2 스위치를 온시킴과 함께, 상기 인버터의 출력 전류를 전류 명령값에 따라 제어하도록 구성된 제어 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는,
    상기 전류 명령값을 소정의 역률을 이용하여 좌표 변환한 d축 전류 명령값 및 q축 전류 명령값과, 상기 출력 전류를 상기 교류 전원의 전압의 위상을 이용하여 좌표 변환한 d축 전류값 및 q축 전류값의 편차에 기초하여 전압 명령값을 생성하고, 또한,
    상기 전압 명령값에 기초하여 상기 인버터의 제어 신호를 생성하도록 구성되는, 무정전 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는 또한, 상기 무정전 전원 장치의 전기 시험을 행하는 경우에 있어서, 상기 인버터를 기동할 때에는 상기 전압 명령값의 실효값을 0으로부터 소정의 전압값까지 상승시킴과 함께, 상기 제어 신호의 주파수를 0으로부터 상기 교류 전원의 주파수까지 상승시키도록 구성되는, 무정전 전원 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 제4 단자에 접속이 예정되는 상기 부하의 역률을 이용하여 상기 전류 명령값의 좌표 변환을 실행하도록 구성되는, 무정전 전원 장치.
  4. 무정전 전원 장치의 시험 방법이며,
    상기 무정전 전원 장치는,
    교류 전원에 접속되는 제1 및 제2 단자와,
    축전 장치에 접속되는 제3 단자와,
    제4 단자와,
    상기 교류 전원으로부터 상기 제1 단자를 통하여 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 구성된 컨버터와,
    상기 컨버터에 의하여 생성된 직류 전력 또는 상기 축전 장치의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하도록 구성된 인버터와,
    상기 인버터의 출력 노드와 상기 제4 단자 사이에 접속되는 제1 스위치와,
    상기 제2 단자와 상기 제4 단자 사이에 접속되는 제2 스위치를 포함하고,
    상기 제4 단자에 부하가 접속되어 있지 않은 상태에서 상기 무정전 전원 장치의 전기 시험을 행하는 경우에 있어서, 상기 시험 방법은,
    상기 제1 및 제2 스위치를 온하는 스텝과,
    전류 명령값을 소정의 역률을 이용하여 좌표 변환한 d축 전류 명령값 및 q축 전류 명령값과, 상기 인버터의 출력 전류를 상기 교류 전원의 전압의 위상을 이용하여 좌표 변환한 d축 전류값 및 q축 전류값의 편차에 기초하여 전압 명령값을 생성하는 스텝과,
    상기 전압 명령값에 기초하여 상기 인버터의 제어 신호를 생성하는 스텝을 구비하는, 무정전 전원 장치의 시험 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 시험 방법은 또한, 상기 무정전 전원 장치의 전기 시험을 행하는 경우에 있어서, 상기 인버터를 기동할 때에는 상기 전압 명령값의 실효값을 0으로부터 소정의 전압값까지 상승시킴과 함께, 상기 제어 신호의 주파수를 0으로부터 상기 교류 전원의 주파수까지 상승시키는 스텝을 구비하는, 무정전 전원 장치의 시험 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 전압 명령값을 생성하는 스텝에서는, 상기 제4 단자에 접속이 예정되는 상기 부하의 역률을 이용하여 상기 전류 명령값의 좌표 변환을 실행하는, 무정전 전원 장치의 시험 방법.
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