KR20200062283A - 무정전 전원 장치 - Google Patents

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Abstract

제 1 급전 모드는, 제 1 스위치(14)를 온(ON)으로 하게 함과 아울러 제 2 스위치(15)를 오프(OFF)로 하게 하고, 인버터(10)가 출력하는 교류 전력을 부하(22)에 공급하도록 구성된다. 제 2 급전 모드는, 제 1 스위치(14)를 오프(OFF)로 하게 함과 아울러 제 2 스위치(15)를 온(ON)으로 하게 하고, 교류 전원(21)으로부터의 교류 전력을 부하(22)에 공급하도록 구성된다. 제어 장치(18)는, 제 2 급전 모드의 실행 중에 있어서 교류 전원(21)의 전압 저하를 검출했을 때에는, 제 1 급전 모드로 전환한다. 제어 장치(18)는, 교류 전원(21)의 전압 저하를 검출했을 때로부터 소정 기간, 전력 저장 장치(23)가 출력하는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하도록 컨버터(6)로 하여금 역 변환을 실행하게 함과 아울러, 컨버터(6)로부터 출력되는 교류 전압의 순시값이 인버터(10)로부터 출력되는 교류 전압의 순시값 이상이 되도록, 컨버터(6)에 있어서의 역 변환을 제어한다.

Description

무정전 전원 장치
이 발명은, 무정전 전원 장치에 관한 것이다.
무정전 전원 장치에 있어서는, 교류 전원으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와, 컨버터에서 생성된 직류 전력 또는 전력 저장 장치의 직류 전력을 교류 전력으로 변환해서 부하에 공급하는 인버터와, 교류 전원 및 부하 사이에, 컨버터 및 인버터의 직렬 회로와 병렬로 접속된 바이패스 회로를 구비한 구성이 널리 채용되고 있다.
상기 무정전 전원 장치에 있어서는, 교류 전원으로부터 정상적으로 교류 전력이 공급되고 있는 통상 시에는, 컨버터 및 인버터를 사용한다. 교류 전원으로부터의 교류 전력의 공급이 정지된 정전 시에는, 인버터로 급전을 계속한다. 이와 같은 급전 방식은, 상시 인버터 급전 방식이라고도 불리고 있다. 상시 인버터 급전 방식은, 교류 전원이 정상일 때나 정전일 때도 직류 링크를 통해서 인버터로부터 부하에 급전하기 때문에, 입력 전원의 품질에 관계없이 출력의 전원 품질을 확보하기 쉽고, 따라서, 부하에의 급전 안정성이 우수하다. 그 한편으로, 상시 인버터 급전 방식은, 통상 시에 에너지가 컨버터 및 인버터를 통과하기 때문에 전력 손실이 발생하여, 운전 효율의 향상이 과제가 되고 있다.
근년에는, 효율화의 대책으로서, 에코 모드를 구비한 무정전 전원 장치가 제안되고 있다(예를 들어 미국 특허 제7372177호 명세서(특허문헌 1) 참조). 이에 의하면, 무정전 전원 장치는, 통상 시에는 교류 전원으로부터 바이패스 회로인 반도체 스위치를 경유해서 부하에 교류 전력을 공급하는 바이패스 급전을 실행한다. 반도체 스위치에는, 한 쌍의 사이리스터를 역병렬로 접속해서 구성된 사이리스터 스위치가 이용된다.
미국 특허 제7372177호 명세서
상기 에코 모드를 구비한 무정전 전원 장치에 있어서는, 바이패스 급전의 실행 중에 교류 전원으로부터 공급되는 교류 전압이 저하되는 전압 저하, 또는 정전이 발생한 경우에, 부하 설비의 파손이나 운전 정지를 막기 위해서, 바이패스 급전으로부터 인버터 급전으로 순간적인 단절 없이 전환(uninterrupted switching)할 것이 요구된다. 이것에는, 사이리스터 스위치를 고속으로 차단함과 아울러, 인버터 급전을 개시할 필요가 있다.
그러나, 사이리스터 스위치를 구성하는 사이리스터는, 게이트 신호가 차단되면, 사이리스터를 흐르는 전류가 제로에 이르렀을 때에 오프(OFF)가 된다. 바꾸어 말하면, 게이트 신호가 차단된 후에도 전류가 제로에 이르기까지는 사이리스터 스위치는 온(ON) 상태로 되어 있다. 그 때문에, 교류 전원의 전압 저하가 검출되었을 때에 사이리스터 스위치의 게이트 신호를 차단하더라도, 게이트 신호를 차단하는 타이밍에 따라서는, 사이리스터 스위치가 즉시 오프(OFF)가 되지 않고, 무정전 전원 장치의 교류 출력 단자와 교류 입력 단자가 사이리스터 스위치를 통해서 전기적으로 접속되어 있는 상태가 계속되는 경우가 일어날 수 있다.
이 경우, 교류 전원으로부터 교류 입력 단자에 공급되는 교류 전압에 비해서, 인버터로부터 교류 출력 단자에 출력되는 교류 전압이 높아지기 때문에, 인버터로부터 출력된 교류 전류의 일부가 사이리스터 스위치를 경유해서 교류 입력 단자로 흘러들어올 가능성이 있다. 그 결과, 부하에 공급되는 전류가 감소해 버리기 때문에, 부하에 있어서 전력 부족을 초래할 것이 염려된다.
이 발명은 이와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 그 목적은, 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로의 전환 시에 있어서의 부하 전류의 감소를 억제하는 것이 가능한 무정전 전원 장치를 제공하는 것이다.
이 발명의 어느 국면에 의하면, 교류 전원과 부하 사이에 접속되는 무정전 전원 장치로서, 컨버터, 인버터, 제 1 스위치, 제 2 스위치, 및 제어 장치를 구비한다. 컨버터는, 교류 전원으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 순(順) 변환한다. 인버터는, 컨버터가 출력하는 직류 전력 또는 전력 저장 장치가 출력하는 직류 전력을 교류 전력으로 역(逆) 변환한다. 제 1 스위치는, 인버터와 부하 사이에 접속된다. 제 2 스위치는, 교류 전원과 부하 사이에 접속된다. 제어 장치는, 컨버터, 인버터, 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 제어한다. 무정전 전원 장치는, 제 1 급전 모드와, 제 2 급전 모드를 갖는다. 제 1 급전 모드는, 제 1 스위치를 온(ON)으로 하게 함과 아울러 제 2 스위치를 오프(OFF)로 하게 하고, 인버터가 출력하는 교류 전력을 부하에 공급하도록 구성된다. 제 2 급전 모드는, 제 1 스위치를 오프(OFF)로 하게 함과 아울러 제 2 스위치를 온(ON)으로 하게 하고, 교류 전원으로부터의 교류 전력을 부하에 공급하도록 구성된다. 제어 장치는, 제 2 급전 모드가 실행되어 있는 경우에 있어서 교류 전원의 전압 저하를 검출했을 때에는, 제 1 급전 모드로 전환하도록 구성된다. 제어 장치는, 교류 전원의 전압 저하를 검출했을 때로부터 소정 기간, 전력 저장 장치가 출력하는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하도록 컨버터로 하여금 역 변환을 실행하게 함과 아울러, 컨버터로부터 출력되는 교류 전압의 순시값(instantaneous value)이 인버터로부터 출력되는 교류 전압의 순시값 이상이 되도록, 컨버터에 있어서의 역 변환을 제어한다.
이 발명에 의하면, 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로의 전환 시에 있어서의 부하 전류의 감소를 억제하는 것이 가능한 무정전 전원 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 이 발명의 실시형태에 따르는 무정전 전원 장치의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 무정전 전원 장치의 주요부를 나타내는 회로도이다.
도 3은 에코 모드에 있어서의 전력의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 인버터 급전 모드에 있어서의 전력의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로의 전환 시에 있어서의 전력의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로의 전환 시에 있어서의 무정전 전원 장치의 동작을 설명하기 위한 파형도이다.
도 7은 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로의 전환 시에 있어서의 전력의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로의 전환 시에 있어서의 무정전 전원 장치의 동작을 설명하기 위한 파형도이다.
도 9는 제어 장치에 의한 무정전 전원 장치의 제어 구성을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 10은 제어 장치에 의한 무정전 전원 장치의 제어 처리를 설명하는 플로 차트이다.
이하, 이 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조해서 상세하게 설명한다. 한편, 이하에서는 도면 중의 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 설명은 원칙적으로 반복되지 않는 것으로 한다.
도 1은, 이 발명의 실시형태에 따르는 무정전 전원 장치(1)의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다. 무정전 전원 장치(1)는, 상용 교류 전원(21)으로부터의 3상 교류 전력을 직류 전력으로 일단 변환하고, 그 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환해서 부하(22)에 공급하는 것이다. 도 1에서는, 도면 및 설명의 간단화를 위해, 3상(U상, V상, W상) 중 1상(예를 들면 U상)에 대응하는 부분의 회로만이 나타나 있다.
무정전 전원 장치(1)는, 인버터 급전 모드와, 바이패스 급전 모드를 갖는다. 인버터 급전 모드는, 인버터(10)로부터 부하(22)에 교류 전력이 공급되는 운전 모드이다. 바이패스 급전 모드는, 상용 교류 전원(21)으로부터 반도체 스위치(15)를 통해서 부하(22)에 교류 전력이 공급되는 운전 모드이다.
인버터 급전 모드에서는, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 교류 전력을 컨버터(6)에 의해서 직류 전력으로 변환하고, 그 직류 전력을 인버터(10)에 의해서 교류 전력으로 변환해서 부하(22)에 공급한다. 그 때문에, 인버터 급전 모드는, 부하(22)에의 급전 안정성이 우수하다.
이에 비해서, 바이패스 급전 모드에서는, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 교류 전력을, 반도체 스위치(15)(제 2 스위치)를 통해서, 바꾸어 말하면 컨버터(6) 및 인버터(10)를 통하지 않고 부하(22)에 공급한다. 그 때문에, 컨버터(6) 및 인버터(10)에 있어서의 전력 손실의 발생이 억제되어, 결과적으로 무정전 전원 장치(1)의 운전 효율을 향상시킬 수 있다. 이하의 설명에서는, 바이패스 급전 모드를, 무정전 전원 장치(1)의 고효율 운전을 중시한 운전 모드인 「에코 모드」라고도 칭한다. 인버터 급전 모드는 「제 1 급전 모드」에 대응하고, 바이패스 급전 모드(에코 모드)는 「제 2 급전 모드」에 대응한다.
도 1에 있어서, 무정전 전원 장치(1)는, 교류 입력 단자 T1, 교류 출력 단자 T2 및 배터리 단자 T3를 구비한다. 교류 입력 단자 T1은, 상용 교류 전원(21)으로부터 상용 주파수의 교류 전력을 받는다.
교류 출력 단자 T2는, 부하(22)에 접속된다. 부하(22)는, 교류 전력에 의해서 구동된다. 배터리 단자 T3은, 배터리(전력 저장 장치)(23)에 접속된다. 배터리(23)는, 직류 전력을 저장한다. 배터리(23) 대신에 콘덴서가 접속되어 있어도 상관없다.
무정전 전원 장치(1)는, 전자기 접촉기(2, 8, 14), 전류 검출기(3, 11), 콘덴서(4, 9, 13), 리액터(5, 12), 컨버터(6), 쌍방향 초퍼(7), 인버터(10), 반도체 스위치(15), 조작부(17), 및 제어 장치(18)를 더 구비한다.
전자기 접촉기(2) 및 리액터(5)는, 교류 입력 단자 T1과 컨버터(6)의 입력 노드 사이에 직렬 접속된다. 콘덴서(4)는, 전자기 접촉기(2)와 리액터(5) 사이의 노드 N1에 접속된다. 전자기 접촉기(2)는, 무정전 전원 장치(1)의 사용 시에 온(ON)이 되고, 예를 들어 무정전 전원 장치(1)의 메인터넌스 시에 오프(OFF)가 된다.
노드 N1에 나타나는 교류 입력 전압 Vin의 순시값은, 제어 장치(18)에 의해서 검출된다. 교류 입력 전압 Vin의 순시값에 기초해서, 순시 전압 저하 및 정전의 발생의 유무 등이 판별된다. 전류 검출기(3)는, 노드 N1로 흐르는 교류 입력 전류 Iin을 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호 Iin을 제어 장치(18)에 준다.
콘덴서(4) 및 리액터(5)는, 저역(低域) 통과 필터를 구성하고, 상용 교류 전원(21)으로부터 컨버터(6)로 상용 주파수의 교류 전력을 통과시키고, 컨버터(6)에서 발생하는 스위칭 주파수의 신호가 상용 교류 전원(21)으로 통과하는 것을 방지한다.
컨버터(6)는, 제어 장치(18)에 의해서 제어되고, 상용 교류 전원(21)으로부터 교류 전력이 공급되고 있는 통상 시에는, 3상 교류 전력을 직류 전력으로 변환(순 변환)해서 직류 라인 L1에 출력한다. 상용 교류 전원(21)으로부터의 교류 전력의 공급이 정지된 정전 시에는, 컨버터(6)의 운전은 정지된다. 컨버터(6)의 출력 전압은, 원하는 값으로 제어 가능하게 되어 있다.
콘덴서(9)는, 직류 라인 L1에 접속되고, 직류 라인 L1의 전압을 평활화한다. 직류 라인 L1에 나타나는 직류 전압 VDC의 순시값은, 제어 장치(18)에 의해서 검출된다. 직류 라인 L1은 쌍방향 초퍼(7)의 고전압측 노드에 접속되고, 쌍방향 초퍼(7)의 저전압측 노드는 전자기 접촉기(8)를 통해서 배터리 단자 T3에 접속된다.
전자기 접촉기(8)는, 무정전 전원 장치(1)의 사용 시에는 온(ON)이 되고, 예를 들어 무정전 전원 장치(1) 및 배터리(23)의 메인터넌스 시에 오프(OFF)가 된다. 배터리 단자 T3에 나타나는 배터리(23)의 단자간 전압 VB의 순시값은, 제어 장치(18)에 의해서 검출된다.
쌍방향 초퍼(7)는, 제어 장치(18)에 의해서 제어되고, 상용 교류 전원(21)으로부터 교류 전력이 공급되고 있는 통상 시에는, 컨버터(6)에 의해서 생성된 직류 전력을 배터리(23)에 저장하고, 순시 전압 저하 또는 정전이 발생했을 때에는, 배터리(23)의 직류 전력을 직류 라인 L1을 통해서 인버터(10)에 공급한다.
쌍방향 초퍼(7)는, 직류 전력을 배터리(23)에 저장하는 경우는, 직류 라인 L1의 직류 전압 VDC를 강압해서 배터리(23)에 준다. 또한, 쌍방향 초퍼(7)는, 배터리(23)의 직류 전력을 인버터(10)에 공급하는 경우는, 배터리(23)의 단자간 전압 VB를 승압해서 직류 라인 L1에 출력한다. 직류 라인 L1은, 인버터(10)의 입력 노드에 접속되어 있다.
인버터(10)는, 제어 장치(18)에 의해서 제어되고, 컨버터(6) 또는 쌍방향 초퍼(7)로부터 직류 라인 L1을 통해서 공급되는 직류 전력을 상용 주파수의 3상 교류 전력으로 변환(역 변환)해서 출력한다. 즉, 인버터(10)는, 통상 시에는 컨버터(6)로부터 직류 라인 L1을 통해서 공급되는 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하고, 순시 전압 저하 또는 정전 시에는 배터리(23)로부터 쌍방향 초퍼(7)를 통해서 공급되는 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환한다. 인버터(10)의 출력 전압은, 원하는 값으로 제어 가능하게 되어 있다.
인버터(10)의 출력 노드(10a)는 리액터(12)의 한쪽 단자에 접속되고, 리액터(12)의 다른 쪽 단자는 전자기 접촉기(14)를 통해서 교류 출력 단자 T2에 접속된다. 콘덴서(13)는, 전자기 접촉기(14)와 교류 출력 단자 T2 사이의 노드 N2에 접속된다.
전류 검출기(11)는, 인버터(10)의 출력 전류(이하, 「인버터 출력 전류」라고도 칭함) Iinv의 순시값을 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호 Iinv를 제어 장치(18)에 준다. 노드 N2에 나타나는 교류 출력 전압 Vout의 순시값은, 제어 장치(18)에 의해서 검출된다.
리액터(12) 및 콘덴서(13)는, 저역 통과 필터를 구성하고, 인버터(10)에서 생성된 상용 주파수의 교류 전력을 교류 출력 단자 T2로 통과시키고, 인버터(10)에서 발생하는 스위칭 주파수의 신호가 교류 출력 단자 T2로 통과하는 것을 방지한다.
전자기 접촉기(14)는, 제어 장치(18)에 의해서 제어되고, 인버터 급전 모드 시에는 온(ON)이 되고, 에코 모드 시에는 오프(OFF)가 된다. 전자기 접촉기(14)는, 인버터(10)의 출력 전력을 부하(22)에 공급하기 위한 「제 1 스위치」의 일 실시예에 대응한다.
반도체 스위치(15)는, 역병렬로 접속된 한 쌍의 사이리스터를 갖는 사이리스터 스위치이며, 교류 입력 단자 T1과 교류 출력 단자 T2 사이에 접속된다. 반도체 스위치(15)는, 제어 장치(18)에 의해서 제어되고, 인버터 급전 모드 시에는 오프(OFF)가 되고, 에코 모드 시에는 온(ON)이 된다.
구체적으로는, 사이리스터 스위치를 구성하는 한 쌍의 사이리스터는, 제어 장치(18)로부터 입력(온)되는 게이트 신호에 응답해서 온(ON)이 된다. 그리고, 온(ON)이 된 사이리스터는 게이트 신호가 차단(오프)된 상태에 있어서 전류가 제로가 되는 것에 따라서 오프(OFF)가 된다. 한 쌍의 사이리스터는, 게이트 신호가 인가되어 있는 동안, 전류의 극성에 따라서, 전류의 정현파 파형에 있어서의 반사이클 기간마다 교대로 온(ON) 상태가 된다. 반도체 스위치(15)는 「제 2 스위치」의 일 실시예에 대응한다. 예를 들면, 반도체 스위치(15)는, 인버터 급전 모드 시에 인버터(10)가 고장난 경우는 즉각 온(ON)이 되고, 상용 교류 전원(21)으로부터의 3상 교류 전력을 부하(22)에 공급한다.
조작부(17)는, 무정전 전원 장치(1)의 사용자에 의해서 조작되는 복수의 버튼, 여러 가지의 정보를 표시하는 화상 표시부 등을 포함한다. 사용자가 조작부(17)를 조작하는 것에 의해, 무정전 전원 장치(1)의 전원을 온(ON) 및 오프(OFF)로 하거나, 에코 모드 및 인버터 급전 모드 중 어느 한쪽 모드를 선택하는 것이 가능하게 되어 있다.
제어 장치(18)는, 조작부(17)로부터의 신호, 교류 입력 전압 Vin, 교류 입력 전류 Iin, 직류 전압 VDC, 배터리(23)의 단자간 전압 VB, 인버터 출력 전류 Iinv, 및 교류 출력 전압 Vout 등에 기초해서 무정전 전원 장치(1) 전체를 제어한다. 제어 장치(18)에 의한 무정전 전원 장치(1)의 제어에 대해서는 후술한다.
제어 장치(18)는, 예를 들면 마이크로컴퓨터 등으로 구성하는 것이 가능하다. 일례로서, 제어 장치(18)는, 도시하지 않은 메모리 및 CPU(Central Processing Unit)를 내장하고, 메모리에 미리 저장된 프로그램을 CPU가 실행하는 것에 의한 소프트웨어 처리에 의해서, 후술하는 제어 동작을 실행할 수 있다. 혹은, 해당 제어 동작의 일부 또는 전부에 대해서, 소프트웨어 처리 대신에, 내장된 전용의 전자(電子) 회로 등을 이용한 하드웨어 처리에 의해서 실현되는 것도 가능하다.
도 2는, 도 1에 나타낸 무정전 전원 장치(1)의 주요부를 나타내는 회로도이다. 도 1에서는 3상 교류 전압 중 1상에 관련되는 부분만을 나타냈지만, 도 2에서는 3상에 관련되는 부분을 나타내고 있다. 또한, 전자기(電磁) 접촉기(2, 14), 반도체 스위치(15), 조작부(17), 및 제어 장치(18)의 도시는 생략되어 있다.
도 2에 있어서, 무정전 전원 장치(1)는, 교류 입력 단자 T1a, T1b, T1c, 교류 출력 단자 T2a, T2b, T2c, 전류 검출기(3, 11), 콘덴서(4a, 4b, 4c, 13a, 13b, 13c), 리액터(5a, 5b, 5c, 12a, 12b, 12c), 컨버터(6), 직류 라인 L1, L2, 및 인버터(10)를 구비한다.
교류 입력 단자 T1a, T1b, T1c는, 상용 교류 전원(21)(도 1)으로부터의 3상 교류 전압(U상 교류 전압, V상 교류 전압, 및 W상 교류 전압)을 각각 받는다. 교류 출력 단자 T2a, T2b, T2c에는, 상용 교류 전원(21)으로부터의 3상 교류 전압에 동기(同期)한 3상 교류 전압이 출력된다. 부하(22)는, 교류 출력 단자 T2a, T2b, T2c로부터의 3상 교류 전압에 의해서 구동된다.
리액터(5a, 5b, 5c)의 한쪽 단자는 각각 교류 입력 단자 T1a, T1b, T1c에 접속되고, 그들의 다른 쪽 단자는 컨버터(6)의 입력 노드(6a, 6b, 6c)에 각각 접속된다. 콘덴서(4a, 4b, 4c)의 한쪽 전극은 각각 리액터(5a∼5c)의 한쪽 단자에 접속되고, 그들의 다른 쪽 전극은 함께 중성점 NP에 접속된다.
콘덴서(4a∼4c) 및 리액터(5a∼5c)는, 저역 통과 필터를 구성하고, 교류 입력 단자 T1a, T1b, T1c로부터 컨버터(6)로 상용 주파수의 3상 교류 전력을 통과시키고, 컨버터(6)에서 발생하는 스위칭 주파수의 신호를 차단한다. 리액터(5a)의 한쪽 단자에 나타나는 교류 입력 전압 Vin의 순시값은 제어 장치(18)(도 1)에 의해서 검출된다. 전류 검출기(3)는, 노드 N1(즉 교류 입력 단자 T1a)로 흐르는 교류 입력 전류 Iin을 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호 Iin을 제어 장치(18)에 준다.
컨버터(6)는, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) Q1∼Q6 및 다이오드 D1∼D6를 포함한다. IGBT는 「스위칭 소자」를 구성한다. IGBT Q1∼Q3의 컬렉터는 함께 직류 라인 L1에 접속되고, 그들의 이미터는 각각 입력 노드(6a, 6b, 6c)에 접속된다. IGBT Q4∼Q6의 컬렉터는 각각 입력 노드(6a, 6b, 6c)에 접속되고, 그들의 이미터는 함께 직류 라인 L2에 접속된다. 다이오드 D1∼D6은, 각각 IGBT Q1∼Q6에 역병렬로 접속된다.
IGBT Q1, Q4는 각각 게이트 신호 Au, Bu에 의해서 제어되고, IGBT Q2, Q5는 각각 게이트 신호 Av, Bv에 의해서 제어되고, IGBT Q3, Q6은 각각 게이트 신호 Aw, Bw에 의해서 제어된다. 게이트 신호 Bu, Bv, Bw는, 각각 게이트 신호 Au, Av, Aw의 반전 신호이다.
IGBT Q1∼Q3은, 각각 게이트 신호 Au, Av, Aw가 「H(논리 하이)」 레벨로 된 경우에 온(ON)이 되고, 각각 게이트 신호 Au, Av, Aw가 「L(논리 로우)」 레벨로 된 경우에 오프(OFF)가 된다. IGBT Q4∼Q6은, 각각 게이트 신호 Bu, Bv, Bw가 「H」 레벨로 된 경우에 온(ON)이 되고, 각각 게이트 신호 Bu, Bv, Bw가 「L」 레벨로 된 경우에 오프(OFF)가 된다.
게이트 신호 Au, Bu, Av, Bv, Aw, Bw의 각각은, 펄스 신호열이며, PWM(Pulse Width Modulation) 신호이다. 게이트 신호 Au, Bu의 위상과 게이트 신호 Av, Bv의 위상과 게이트 신호 Aw, Bw의 위상은 120도씩 어긋나 있다. 게이트 신호 Au, Bu, Av, Bv, Aw, Bw는, 제어 장치(18)에 의해서 생성된다.
예를 들면, 교류 입력 단자 T1a의 전압 레벨이 교류 입력 단자 T1b의 전압 레벨보다도 높은 경우는, IGBT Q1, Q5가 온(ON)이 되고, 교류 입력 단자 T1a로부터 리액터(5a), IGBT Q1, 직류 라인 L1, 콘덴서(9), 직류 라인 L2, IGBT Q5, 및 리액터(5b)를 통해서 교류 입력 단자 T1b에 전류가 흐르고, 콘덴서(9)가 양전압으로 충전된다.
반대로, 교류 입력 단자 T1b의 전압 레벨이 교류 입력 단자 T1a의 전압 레벨보다도 높은 경우는, IGBT Q2, Q4가 온(ON)이 되고, 교류 입력 단자 T1b로부터 리액터(5b), IGBT Q2, 직류 라인 L1, 콘덴서(9), 직류 라인 L2, IGBT Q4, 및 리액터(5a)를 통해서 교류 입력 단자 T1a에 전류가 흐르고, 콘덴서(9)가 양전압으로 충전된다. 다른 경우도 마찬가지이다.
게이트 신호 Au, Bu, Av, Bv, Aw, Bw에 의해서 IGBT Q1∼Q6의 각각을 소정의 타이밍에 온(ON) 및 오프(OFF)로 하게 함과 아울러, IGBT Q1∼Q6의 각각의 온(ON) 시간을 조정하는 것에 의해, 입력 노드(6a∼6c)에 주어진 3상 교류 전압을 직류 전압 VDC(콘덴서(9)의 단자간 전압)으로 변환하는 것이 가능하게 되어 있다.
인버터(10)는, IGBT Q11∼Q16 및 다이오드 D11∼D16를 포함한다. IGBT는 「스위칭 소자」를 구성한다. IGBT Q11∼Q13의 컬렉터는 함께 직류 라인 L1에 접속되고, 그들의 이미터는 각각 출력 노드(10a, 10b, 10c)에 접속된다. IGBT Q14∼Q16의 컬렉터는 각각 출력 노드(10a, 10b, 10c)에 접속되고, 그들의 이미터는 함께 직류 라인 L2에 접속된다. 다이오드 D11∼D16은, 각각 IGBT Q11∼Q16에 역병렬로 접속된다.
IGBT Q11, Q14는 각각 게이트 신호 Xu, Yu에 의해서 제어되고, IGBT Q12, Q15는 각각 게이트 신호 Xv, Yv에 의해서 제어되고, IGBT Q13, Q16은 각각 게이트 신호 Xw, Yw에 의해서 제어된다. 게이트 신호 Yu, Yv, Yw는, 각각 게이트 신호 Xu, Xv, Xw의 반전 신호이다.
IGBT Q11∼Q13은, 각각 게이트 신호 Xu, Xv, Xw가 H 레벨로 된 경우에 온(ON)이 되고, 각각 게이트 신호 Xu, Xv, Xw가 L 레벨로 된 경우에 오프(OFF)가 된다. IGBT Q14∼Q16은, 각각 게이트 신호 Yu, Yv, Yw가 H 레벨로 된 경우에 온(ON)이 되고, 각각 게이트 신호 Yu, Yv, Yw가 L 레벨로 된 경우에 오프(OFF)가 된다.
게이트 신호 Xu, Yu, Xv, Yv, Xw, Yw의 각각은, 펄스 신호열이며, PWM 신호이다. 게이트 신호 Xu, Yu의 위상과 게이트 신호 Xv, Yv의 위상과 게이트 신호 Xw, Yw의 위상은 120도씩 어긋나 있다. 게이트 신호 Xu, Yu, Xv, Yv, Xw, Yw는, 제어 장치(18)에 의해서 생성된다.
예를 들면, IGBT Q11, Q15가 온(ON)이 되면, 양측(positive side)의 직류 라인 L1이 IGBT Q11을 통해서 출력 노드(10a)에 접속됨과 아울러, 출력 노드(10b)가 IGBT Q15를 통해서 음측(negative side)의 직류 라인 L2에 접속되고, 출력 노드(10a, 10b)간에 양전압이 출력된다.
또한, IGBT Q12, Q14가 온(ON)이 되면, 양측의 직류 라인 L1이 IGBT Q12를 통해서 출력 노드(10b)에 접속됨과 아울러, 출력 노드(10a)가 IGBT Q14를 통해서 음측의 직류 라인 L2에 접속되고, 출력 노드(10a, 10b)간에 음전압이 출력된다.
게이트 신호 Xu, Yu, Xv, Yv, Xw, Yw에 의해서 IGBT Q11∼Q16의 각각을 소정의 타이밍에 온(ON) 및 오프(OFF)로 하게 함과 아울러, IGBT Q11∼Q16의 각각의 온(ON) 시간을 조정하는 것에 의해, 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하는 것이 가능하게 되어 있다.
리액터(12a∼12c)의 한쪽 단자는 인버터(10)의 출력 노드(10a, 10b, 10c)에 각각 접속되고, 그들의 다른 쪽 단자는 각각 교류 출력 단자 T2a, T2b, T2c에 접속된다. 콘덴서(13a, 13b, 13c)의 한쪽 전극은 각각 리액터(12a∼12c)의 다른 쪽 단자에 접속되고, 그들의 다른 쪽 전극은 함께 중성점 NP에 접속된다.
리액터(12a∼12c) 및 콘덴서(13a, 13b, 13c)는, 저역 통과 필터를 구성하고, 인버터(10)로부터 교류 출력 단자 T2a, T2b, T2c로 상용 주파수의 3상 교류 전력을 통과시키고, 인버터(10)에서 발생하는 스위칭 주파수의 신호를 차단한다.
전류 검출기(11)는, 리액터(12a)로 흐르는 인버터 출력 전류 Iinv를 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호 Iinv를 제어 장치(18)에 준다. 리액터(12a)의 다른 쪽 단자(노드 N2)에 나타나는 교류 출력 전압 Vout의 순시값은 제어 장치(18)(도 1)에 의해서 검출된다.
다음으로, 도 1에 나타낸 무정전 전원 장치(1)의 동작에 대해서 설명한다.
도 3은, 에코 모드에 있어서의 전력의 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 에코 모드에서는, 반도체 스위치(15)가 온(ON)이 되고, 전자기 접촉기(14)가 오프(OFF)가 된다. 이에 의해, 도 3에 있어서 흑색 화살표로 나타내어지는 바와 같이, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 3상 교류 전력은 반도체 스위치(15)를 통해서 부하(22)에 공급된다. 즉, 컨버터(6) 및 인버터(10)를 통하지 않고 부하(22)에 전력이 공급된다. 따라서, 컨버터(6) 및 인버터(10)에 있어서의 전력 손실의 발생이 억제되기 때문에, 무정전 전원 장치(1)의 운전 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 에코 모드에 있어서도, 필요에 따라서 컨버터(6) 및 쌍방향 초퍼(7)를 운전하게 하는 것에 의해, 도 3에 있어서 백색 화살표로 나타내어지는 바와 같이, 배터리(23)에 직류 전력을 저장해 둘 수 있다.
도 1로 되돌아가서, 제어 장치(18)는, 사용자에 의해서 조작부(17)가 조작되었을 때, 무정전 전원 장치(1)를 인버터 급전 모드로부터 에코 모드로 전환한다. 구체적으로는, 제어 장치(18)는, 도 3에 나타나는 전력 경로가 형성되도록, 전자기 접촉기(14) 및 반도체 스위치(15)의 온 오프(ON and OFF)를 제어한다. 제어 장치(18)는, 반도체 스위치(15)를 온(ON)으로 하게 하는 한편으로, 전자기 접촉기(14)를 오프(OFF)로 하게 한다.
제어 장치(18)는, 에코 모드 중, 배터리(23)의 단자간 전압 VB가 원하는 목표 전압 VBr이 되도록, 컨버터(6) 및 쌍방향 초퍼(7)를 제어한다. 컨버터(6)는, 상용 교류 전원(21)으로부터의 3상 교류 전력을 직류 전력으로 변환해서 직류 라인 L1에 출력한다. 쌍방향 초퍼(7)는, 직류 라인 L1의 직류 전압 VDC를 강압해서 배터리(23)에 준다.
에코 모드 중, 제어 장치(18)는 또, 노드 N1에 나타나는 교류 입력 전압 Vin의 순시값을 검출하고, 검출값에 기초해서 상용 교류 전원(21)의 전압 저하를 검출한다. 구체적으로는, 제어 장치(18)는, 교류 입력 전압 Vin의 실효값과 기준 전압의 편차에 기초해서, 상용 교류 전원(21)의 전압 저하도(단위: %)를 산출한다. 기준 전압은 예를 들면 상용 교류 전원(21)의 정격 전압으로 설정되어 있다. 전압 저하도는, 기준 전압에 대한 교류 입력 전압 Vin의 실효값의 편차/기준 전압으로 정의된다. 상용 교류 전원(21)의 전압 저하도가 임계값에 도달한 경우, 제어 장치(18)는, 무정전 전원 장치(1)를 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로 전환한다. 임계값은 예를 들면 10%로 설정된다.
도 4는, 인버터 급전 모드에 있어서의 전력의 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 에코 모드 중에 상용 교류 전원(21)의 전압 저하가 검출되면, 제어 장치(18)는, 전자기 접촉기(14)를 온(ON)으로 하게 하는 한편으로, 반도체 스위치(15)를 오프(OFF)로 하게 한다.
제어 장치(18)는, 인버터(10)를 기동하게 함과 아울러, 직류 라인 L1로부터 공급되는 직류 전력을 상용 주파수의 3상 교류 전력으로 변환하도록, 인버터(10)를 제어한다. 제어 장치(18)는, 또, 배터리(23)의 단자간 전압 VB를 승압해서 직류 라인 L1에 출력하도록, 쌍방향 초퍼(7)를 제어한다. 이에 의해, 도 4에 있어서 흑색 화살표로 나타내어지는 바와 같이, 배터리(23)의 직류 전력은 상용 주파수의 3상 교류 전력으로 변환되고, 전자기 접촉기(14)를 통해서 부하(22)에 공급된다. 한편, 컨버터(6)의 운전은 정지되어 있다. 제어 장치(18)는, 배터리(23)의 잔용량이 미리 정해진 하한값에 도달했을 때에 인버터(10)의 운전을 정지한다. 이에 의해, 무정전 전원 장치(1)는 인버터 급전을 종료한다.
이와 같이 해서 에코 모드 중에 상용 교류 전원(21)의 전압 저하가 검출되면, 전자기 접촉기(14)를 온(ON)으로 하게 하고, 또한, 반도체 스위치(15)를 오프(OFF)로 하게 함과 아울러, 인버터(10)로 하여금 역 변환을 실행하게 하는 것에 의해, 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로 순간적인 단절 없이 전환하는 것이 가능해진다.
그러나, 반도체 스위치(15)에 있어서는, 사이리스터 스위치를 구성하는 사이리스터는, 게이트 신호가 차단되면, 사이리스터를 흐르는 전류가 제로에 이르렀을 때에 오프(OFF)가 된다. 바꾸어 말하면, 게이트 신호가 차단된 후에도 전류가 제로에 이르기까지는 사이리스터 스위치는 온(ON) 상태로 되어 있다. 그 때문에, 상용 교류 전원(21)의 전압 저하가 검출되었을 때에 반도체 스위치(15)의 게이트 신호를 차단하더라도, 게이트 신호를 차단하는 타이밍에 따라서는, 반도체 스위치(15)가 즉시 오프(OFF)가 되지 않고, 노드 N1과 노드 N2가 반도체 스위치(15)를 통해서 전기적으로 접속되어 있는 상태가 계속되는 경우가 일어난다. 이와 같은 경우가 생기면, 도 5에 나타내는 바와 같이, 반도체 스위치(15)가 오프(OFF)가 되기까지 사이에, 노드 N2로부터 노드 N1을 향해 전류가 흐를 가능성이 있다.
도 5는, 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로의 전환 시에 있어서의 전력의 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는, 상용 교류 전원(21)의 전압 저하가 검출된 후, 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로 전환할 때의 전력의 흐름을 나타내고 있다.
도 4에서 설명한 바와 같이, 전자기 접촉기(14)를 온(ON)으로 해서 인버터(10) 및 쌍방향 초퍼(7)를 기동하게 하는 것에 의해, 흑색 화살표로 나타내어지는 바와 같이, 배터리(23)의 직류 전력이 상용 주파수의 3상 교류 전력으로 변환되고, 전자기 접촉기(14)를 통해서 부하(22)에 공급된다.
인버터(10)는, 노드 N2에 출력하는 교류 출력 전압 Vout를, 상용 교류 전원(21)의 건전(健全) 시에 있어서 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 교류 전압에 동기하도록 제어할 수 있다. 이에 의해, 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로의 전환 시에 있어서, 교류 출력 단자 T2에 출력되는 전압(교류 출력 전압 Vout)이 순간적으로 저하되는 것을 억제할 수 있다.
그 한편으로, 반도체 스위치(15)는 게이트 신호가 차단되었지만, 전류가 제로로 되어 있지 않기 때문에, 아직 온(ON) 상태로 되어 있는 것으로 한다. 도 5에서는, 반도체 스위치(15)를 흐르는 전류를 「Ists」라고 표기한다. 노드 N1로부터 노드 N2로 향하는 방향을 전류 Ists의 양방향으로 하고, 노드 N2로부터 노드 N1로 향하는 방향을 전류 Ists의 음방향으로 한다.
상용 교류 전원(21)의 전압 저하가 발생한 것에 의해, 노드 N1에 나타나는 교류 입력 전압 Vin은, 상용 교류 전원(21)의 건전 시의 교류 입력 전압 Vin에 비해서 저하되어 있다. 그 때문에, 노드 N2에 나타나는 교류 출력 전압 Vout와, 노드 N1에 나타나는 교류 입력 전압 Vin 사이에는, Vout>Vin의 관계가 생성되어 있다.
반도체 스위치(15)가 온(ON) 상태에서 Vout>Vin의 관계가 생성되는 것에 의해, 도 5에 있어서 파선 화살표로 나타내어지는 바와 같이, 인버터 출력 전류 Iinv의 일부가 노드 N2로부터 노드 N1을 향해 흐르는 경우가 있다. 인버터 출력 전류 Iinv의 일부는 반도체 스위치(15) 및 노드 N1을 통해서 교류 입력 단자 T1에 유도되는 것에 의해, 부하(22)에 공급되는 전류(이하, 「부하 전류」라고도 칭함) Iout가 감소해 버린다. 이 결과, 부하(22)에 있어서 전력 부족을 초래할 우려가 있다.
도 6은, 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로의 전환 시에 있어서의 무정전 전원 장치(1)의 동작을 설명하기 위한 파형도이다. 도 6에는, 교류 출력 전압 Vout, 교류 입력 전압 Vin, 반도체 스위치(15)에 인가되는 게이트 신호, 반도체 스위치(15)를 흐르는 전류 Ists, 인버터 출력 전류 Iinv 및 부하 전류 Iout의 파형이 나타나 있다.
도 6을 참조해서, 시각 t0∼t1까지의 기간은, 상용 교류 전원(21)이 건전하고, 에코 모드가 실행되어 있는 것으로 한다. 해당 기간에는, 반도체 스위치(15)를 구성하는 한 쌍의 사이리스터에는 게이트 신호가 인가된다. 한 쌍의 사이리스터는, 게이트 신호가 인가되어 있는 상태에 있어서, 전류 Ists의 극성에 따라서, 전류 Ists의 정현파 파형에 있어서의 반사이클 기간마다 교대로 온(ON) 상태가 된다. 이에 의해, 노드 N2에는, 교류 입력 전압 Vin에 동기한 교류 출력 전압 Vout가 나타난다. 전류 Ists는 부하 전류 Iout로서 부하(22)에 공급된다.
시각 t1에 있어서, 상용 교류 전원(21)의 전압 저하(예를 들면 정전)가 발생한 것으로 한다. 제어 장치(18)는, 상용 교류 전원(21)의 전압 저하를 검출하면, 전자기 접촉기(14)를 온(ON)으로 함과 아울러, 반도체 스위치(15)의 게이트 신호를 차단한다. 제어 장치(18)는, 또, 인버터(10)를 기동하게 한다. 인버터(10)는, 배터리(23)에 저장된 직류 전력을 상용 주파수의 3상 교류 전력으로 변환한다. 인버터(10)는, 전압 저하 발생 전에 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되고 있던 교류 전압에 동기한 교류 전압을 출력한다. 따라서, 시각 t1 이후에 있어서도, 교류 출력 전압 Vout를 유지할 수 있다. 단, 시각 t1 이후, 교류 입력 전압 Vin과 교류 출력 전압 Vout 사이에는, Vout>Vin의 관계가 생성되어 있다.
반도체 스위치(15)에 있어서는, 게이트 신호가 차단된 시각 t1에 있어서, 전류 Ists의 극성에 따라서, 한 쌍의 사이리스터의 한쪽이 온(ON) 상태로 되어 있다. 도 6의 예에서는, 전류 Ists의 음의 반사이클 기간에 있어서 한쪽의 사이리스터가 온(ON) 상태로 되어 있다. 시각 t1보다도 후에 전류 Ists가 0이 되면, 이 한쪽의 사이리스터가 오프(OFF)가 되기 때문에, 반도체 스위치(15)가 오프(OFF) 상태가 된다. 한편, 도 6의 파형 k1은, 시각 t1보다 전의 전류 Ists와 동일한 주파수 및 진폭으로 전류 Ists가 변화하는 모습을 나타내고 있다. 이 경우, 시각 t1로부터 거의 음의 반사이클 기간이 경과한 시각 t2에 있어서, 전류 Ists가 제로가 되고, 반도체 스위치(15)가 오프(OFF)가 되게 된다.
그러나, 실제로는, 시각 t1 이후는 Vout>Vin의 관계가 생성되어 있기 때문에, 도 5에 파선 화살표로 나타낸 바와 같이, 인버터 출력 전류 Iinv의 일부가 노드 N2로부터 반도체 스위치(15)를 통해서 노드 N1을 향해 흘러들어온다. 그 결과, 도 6의 파형 k2와 같이, 음방향의 전류 Ists가 증가한다. 그리고, 시각 t2보다도 후의 시각 t3에 있어서, 전류 Ists가 제로가 되면, 반도체 스위치(15)가 오프(OFF)가 된다.
이와 같이 반도체 스위치(15)의 게이트 신호가 차단된 시점(시각 t1)에서의 전류 Ists의 위상에 의해서, 이 시점부터 전류 Ists가 제로가 되는 시점까지 시간차가 생긴다. 그리고, 이 시간차에 상당하는 기간에 있어서, Vout>Vin의 관계에 기인해서, 인버터 출력 전류 Iinv가 반도체 스위치(15)로 흘러들어오기 때문에, 일시적으로 부하 전류 Iout가 감소해 버린다. 부하 전류 Iout가 일시적으로 감소함으로써, 부하(22)에서는 전력 부족을 초래할 가능성이 있다.
그래서, 본 실시형태에 따르는 무정전 전원 장치(1)에 있어서는, 에코 모드 중에 상용 교류 전원(21)의 전압 저하가 검출되면, 컨버터(6)를 이용해서, 교류 입력 전압 Vin의 순시값을 교류 출력 전압 Vout의 순시값 이상까지 일시적으로 증가시킨다. 즉, 교류 입력 전압 Vin과 교류 출력 전압 Vout 사이에, Vin≥Vout의 관계를 일시적으로 만들어 내는 것으로 한다. 한편, 「일시적」이란, 상용 교류 전원(21)의 전압 저하가 검출된 시점부터 반도체 스위치(15)가 오프(OFF)가 되는 시점까지의 기간에 있어서 상기 관계를 만들어 내는 것을 의도하고 있다. 반도체 스위치(15)가 오프(OFF)가 된 후에는, 이미 인버터 출력 전류 Iinv가 반도체 스위치(15)로 흘러들어오는 경우가 없기 때문이다.
도 7은, 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로의 전환 시에 있어서의 무정전 전원 장치(1)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 7은, 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로의 전환 시에 있어서의 전력의 흐름을 나타내는 도면으로서, 도 5와 대비되는 도면이다.
에코 모드 중에 상용 교류 전원(21)의 전압 저하가 검출되면, 제어 장치(18)는, 전자기 접촉기(14)를 온(ON)으로 함과 아울러, 인버터(10) 및 쌍방향 초퍼(7)를 기동하게 한다. 이에 의해, 흑색 화살표로 나타내어지는 바와 같이, 배터리(23)의 직류 전력은 상용 주파수의 3상 교류 전력으로 변환되고, 전자기 접촉기(14)를 통해서 부하(22)에 공급된다. 한편, 반도체 스위치(15)는 게이트 신호가 차단되었지만, 전류 Ists가 제로로 되어 있지 않기 때문에, 아직 온(ON) 상태로 되어 있다.
이와 같은 상태에 있어서, 제어 장치(18)는, 쌍방향 초퍼(7)로부터 직류 라인 L1을 통해서 공급되는 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환(역 변환)하도록, 컨버터(6)를 제어한다. 컨버터(6)의 교류 출력 전압이 원하는 값으로 제어 가능하게 되어 있다. 도 7에 있어서 백색 화살표로 나타내어지는 바와 같이, 배터리(23)의 직류 전력은 컨버터(6)에 의해 3상 교류 전력으로 변환되어서 노드 N1에 공급된다.
여기에서, 제어 장치(18)는, 노드 N1에 나타나는 교류 입력 전압 Vin의 순시값이, 교류 출력 전압 Vout의 순시값 이상이 되도록, 컨버터(6)에 있어서의 역 변환을 제어한다. 컨버터(6)로부터 출력되는 교류 전압에 의해서 상용 교류 전원(21)의 순시 전압 저하 또는 정전에 의한 교류 입력 전압 Vin의 저하를 백업하는 것에 의해, 교류 입력 전압 Vin의 저하를 늦출 수 있다. 또, Vin≥Vout의 관계를 만들어 내는 것에 의해서, 반도체 스위치(15)가 온(ON) 상태여도, 노드 N2로부터 노드 N1을 향해 전류 Ists가 흐르는 것을 억제할 수 있다. 이 결과, 도 7에 흑색 화살표로 나타내는 바와 같이, 인버터 출력 전류 Iinv를 그대로 부하 전류 Iout로서 부하(22)에 공급할 수 있기 때문에, 부하(22)의 전력 부족을 회피할 수 있다.
도 8은, 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로의 전환 시에 있어서의 무정전 전원 장치(1)의 동작을 설명하기 위한 파형도로서, 도 6과 대비되는 도면이다. 도 8에는, 교류 출력 전압 Vout, 교류 입력 전압 Vin, 반도체 스위치(15)에 인가되는 게이트 신호, 반도체 스위치(15)를 흐르는 전류 Ists, 인버터 출력 전류 Iinv 및 부하 전류 Iout의 파형이 나타나 있다.
도 8을 참조해서, 시각 t0∼t1까지의 기간은, 상용 교류 전원(21)이 건전하고, 에코 모드가 실행되어 있는 것으로 한다. 반도체 스위치(15)에는 게이트 신호가 인가된다. 반도체 스위치(15)가 온(ON)이 되는 것에 의해, 상용 교류 전원(21) 및 부하(22)가 반도체 스위치(15)를 통해서 전기적으로 접속된다. 이에 의해, 노드 N2에는, 교류 입력 전압 Vin에 동기한 교류 출력 전압 Vout가 나타난다. 반도체 스위치(15)를 흐르는 전류 Ists는 부하 전류 Iout로서 부하(22)에 공급된다.
시각 t1에 있어서, 상용 교류 전원(21)의 전압 저하가 발생하면, 제어 장치(18)는, 전자기 접촉기(14)를 온(ON)으로 함과 아울러, 반도체 스위치(15)의 게이트 신호를 차단한다. 제어 장치(18)는 또, 인버터(10)를 기동하게 한다. 인버터(10)는, 배터리(23)에 저장된 직류 전력을 상용 주파수의 3상 교류 전력으로 변환한다. 노드 N2에는, 전압 저하 발생 전에 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되고 있던 교류 전압(교류 입력 전압 Vin)에 동기한 교류 출력 전압 Vout가 출력된다. 따라서, 시각 t1 이후에 있어서도, 교류 출력 전압 Vout를 유지할 수 있다.
반도체 스위치(15)에 있어서는, 게이트 신호가 차단된 시각 t1에 있어서, 전류 Ists의 극성에 따라서, 한 쌍의 사이리스터의 한쪽이 온(ON) 상태로 되어 있다. 시각 t1보다도 후에 전류 Ists가 0이 되면, 이 한쪽의 사이리스터가 오프(OFF)가 되고 반도체 스위치(15) 전체가 오프(OFF) 상태가 된다. 도 8의 파형 k1, k2는 각각, 도 6에 나타낸 파형 k1, k2와 동일한 것이다. 도 6에서 설명한 바와 같이, 시각 t1 이후에 있어서 Vout>Vin의 관계가 생성되면, 인버터 출력 전류 Iinv의 일부가 반도체 스위치(15)로 흘러들어오기 때문에, 음의 전류 Ists가 증가해 버린다.
도 8의 예에서는, 시각 t1 이후, 제어 장치(18)는, 교류 입력 전압 Vin의 순시값과 교류 출력 전압 Vout의 순시값 사이에 Vin>Vout의 관계가 만들어지도록, 컨버터(6)에 있어서의 역 변환을 제어한다. 이에 의해, 노드 N1이 노드 N2에 비해서 전압 레벨이 높아지기 때문에, 인버터 출력 전류 Iinv는, 반도체 스위치(15)로 흘러들어오는 것이 억제되어, 결과적으로 교류 출력 단자 T2로부터 부하 전류 Iout로서 출력된다.
한편, Vin>Vout로 함으로써, 음방향의 전류 Ists와는 역방향(양방향)의 전류가 증가하기 때문에, 전류 Ists를 감소시킬 수 있다. 그 결과, 도 8의 파형 k3으로 나타내는 바와 같이, 파형 k1에 비해서 전류 Ists가 제로가 되는 것을 빠르게 할 수 있다. 따라서, 반도체 스위치(15)의 게이트 신호가 차단된 시점(시각 t1)부터 전류 Ists가 제로가 되는 시점까지의 시간차를 단축할 수 있다. 이에 의해, 상용 교류 전원(21)의 전압 저하가 발생하고 나서 신속히 반도체 스위치(15)를 오프(OFF)로 할 수 있다.
한편, 도 8에 나타내는 바와 같이, 컨버터(6)에 있어서의 역 변환은, 반도체 스위치(15)의 게이트 신호를 차단하고 나서 반도체 스위치(15)가 오프(OFF)가 되기까지의 기간 동안, 일시적으로 행하면 충분하다. 본 실시형태에서는, 컨버터(6)에 있어서의 역 변환을 행하는 시간을 미리 설정해 두고, 제어 장치(18)는, 상용 교류 전원(21)의 전압 저하가 검출되면, 이 소정 시간만 컨버터(6)를 운전하게 하는 것으로 한다. 소정 시간은, 예를 들면, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 교류 전압의 1/2 주기 이하의 길이로 설정할 수 있다. 소정 시간의 최댓값을 교류 전압의 1/2 주기로 한 것은, 게이트 신호를 차단하고 나서 반도체 스위치(15)의 사이리스터의 전류 Ists가 0이 되기까지, 길어도 반사이클 기간이 필요해지기 때문이다. 바람직하게는, 소정 시간은 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 교류 전압의 1/4 주기 이상 또한 1/2 주기 이하의 길이로 설정된다.
한편, Vin=Vout의 관계가 만들어지도록 컨버터(6)에 있어서의 역 변환을 제어한 경우에는, 이상적으로는 시각 t1 이후에 있어서도 교류 입력 전압 Vin과 교류 출력 전압 Vout를 동기하게 할 수 있다. 따라서, 도 8의 예에서는, 파형 k1과 같이, 시각 t1로부터 거의 음의 반사이클 기간이 경과한 시각에 있어서 전류 Ists가 제로가 되고, 반도체 스위치(15)가 오프(OFF)가 되게 된다.
다음으로, 도 9 및 도 10을 이용해서, 제어 장치(18)에 의한 무정전 전원 장치(1)의 제어 구성에 대해서 설명한다.
도 9는, 제어 장치(18)에 의한 무정전 전원 장치(1)의 제어 구성을 설명하기 위한 블럭도이다. 도 9에 나타나는 각 블록의 기능은, 제어 장치(18)에 의한 소프트웨어 처리 및 하드웨어 처리의 적어도 한쪽에 의해서 실현될 수 있다.
도 9를 참조해서, 제어 장치(18)는, 전압 저하 검출부(30)와, 컨버터 제어부(32)와, 초퍼 제어부(34)와, 인버터 제어부(36)와, 스위치 제어부(38)를 포함한다.
전압 저하 검출부(30)는, 노드 N1에 나타나는 교류 입력 전압 Vin의 순시값을 검출하고, 검출값에 기초해서 상용 교류 전원(21)의 전압 저하를 검출한다. 전압 저하 검출부(30)는, 교류 입력 전압 Vin의 실효값과 기준 전압(정격 전압)의 편차에 기초해서, 상용 교류 전원(21)의 전압 저하도를 산출한다. 에코 모드 중, 전압 저하 검출부(30)는, 전압 저하도와 임계값(예를 들면 10%)을 비교한다. 상용 교류 전원(21)의 전압 저하도가 임계값에 도달한 경우, 전압 저하 검출부(30)는, 검출 신호 DT를 컨버터 제어부(32), 초퍼 제어부(34), 인버터 제어부(36) 및 스위치 제어부(38)에 준다.
컨버터 제어부(32)는, 조작부(17)로부터의 신호, 교류 입력 전압 Vin, 교류 출력 전압 Vout 및 직류 전압 VDC에 기초해서 컨버터(6)를 제어한다. 구체적으로는, 컨버터 제어부(32)는, 인버터 급전 모드 중, 직류 전압 VDC가 소정의 참조 전압 VDCr이 되도록 컨버터(6)에 있어서의 순 변환을 제어한다. 단, 인버터 급전 모드 중에 전압 저하 검출부(30)로부터 검출 신호 DT를 받은 경우(예를 들면 상용 교류 전원(21)의 정전 시)에는, 컨버터 제어부(32)는 컨버터(6)의 운전을 정지한다.
이에 비해서, 에코 모드 중에는, 컨버터 제어부(32)는, 컨버터(6)의 운전을 정지시킨다. 단, 필요에 따라서 컨버터(6)를 운전하게 하는 것에 의해, 배터리(23)에 직류 전력을 저장해 둘 수 있다. 컨버터 제어부(32)는, 또, 에코 모드 중에 전압 저하 검출부(30)로부터 검출 신호 DT를 받은 경우에는, 교류 출력 전압 Vout 이상의 교류 입력 전압 Vin이 컨버터(6)로부터 노드 N1에 출력되도록, 컨버터(6)에 있어서의 역 변환을 제어한다. 컨버터 제어부(32)는, 검출 신호 DT를 받고 나서 소정 시간만 컨버터(6)에 있어서의 역 변환을 제어하고, 그 후 컨버터(6)의 운전을 정지한다.
초퍼 제어부(34)는, 조작부(17)로부터의 신호, 직류 전압 VDC 및 배터리(23)의 단자간 전압 VB에 기초해서 쌍방향 초퍼(7)를 제어한다. 구체적으로는, 인버터 급전 모드 중, 초퍼 제어부(34)는, 배터리(23)의 단자간 전압 VB가 목표 전압 VBr이 되도록 쌍방향 초퍼(7)에 있어서의 강압 동작을 제어한다. 인버터 급전 모드 중에 전압 저하 검출부(30)로부터 검출 신호 DT를 받으면, 초퍼 제어부(34)는, 직류 전압 VDC가 참조 전압 VDCr이 되도록 쌍방향 초퍼(7)에 있어서의 승압 동작을 제어한다.
이에 비해서, 에코 모드 중에는, 초퍼 제어부(34)는, 쌍방향 초퍼(7)의 운전을 정지시킨다. 단, 컨버터(6)의 운전과 함께 쌍방향 초퍼(7)를 운전하게 하는 것에 의해, 배터리(23)에 직류 전력을 저장해 둘 수 있다. 초퍼 제어부(34)는, 에코 모드 중에 전압 저하 검출부(30)로부터 검출 신호 DT를 받은 경우에는, 직류 전압 VDC가 참조 전압 VDCr이 되도록 쌍방향 초퍼(7)에 있어서의 승압 동작을 제어한다.
인버터 제어부(36)는, 조작부(17)로부터의 신호, 교류 출력 전압 Vout 및 인버터 출력 전류 Iinv에 기초해서 인버터(10)를 제어한다. 구체적으로는, 인버터 급전 모드 중, 인버터 제어부(36)는, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 교류 전압과 동기한 교류 전압이 인버터(10)로부터 출력되도록, 인버터(10)를 제어한다.
이에 비해서, 에코 모드 중에는, 인버터 제어부(36)는, 인버터(10)를 구성하는 반도체 스위칭 소자를 온 오프(ON and OFF)로 하기 위한 게이트 신호를 생성한다. 인버터 제어부(36)는, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 교류 전압과 동기한 교류 전압이 인버터(10)로부터 출력되도록, 게이트 신호를 생성한다. 단, 인버터 제어부(36)는, 에코 모드 중에는 생성한 게이트 신호를 인버터(10)에 출력하지 않는다. 그 때문에, 인버터(10)는, 에코 모드 중에는 운전되지 않고, 인버터 제어부(36)로부터 게이트 신호가 입력되기까지의 대기 상태가 된다.
에코 모드 중에 전압 저하 검출부(30)로부터 검출 신호 DT를 받으면, 인버터 제어부(36)는, 대기 상태의 인버터(10)를 기동하고, 생성한 게이트 신호를 인버터(10)에 출력한다. 이에 의해, 인버터(10)가 기동하고, 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로 전환할 수 있다.
스위치 제어부(38)는, 조작부(17)로부터의 신호에 기초해서 전자기 접촉기(14) 및 반도체 스위치(15)의 온 오프(ON and OFF)를 제어한다. 인버터 급전 모드를 실행하는 경우, 스위치 제어부(38)는, 전자기 접촉기(14)를 온(ON)으로 하고, 반도체 스위치(15)를 오프(OFF)로 한다. 구체적으로는, 스위치 제어부(38)는, 반도체 스위치(15)를 구성하는 한 쌍의 사이리스터에 인가되어 있는 게이트 신호를 차단한다. 게이트 신호의 차단 후, 사이리스터를 흐르는 전류가 제로가 되면 반도체 스위치(15)가 오프(OFF)가 된다. 이에 비해서, 에코 모드를 실행하는 경우에는, 스위치 제어부(38)는, 각 사이리스터에 게이트 신호를 인가하는 것에 의해 반도체 스위치(15)를 온(ON)으로 하고, 전자기 접촉기(14)를 오프(OFF)로 한다. 이에 의해, 상용 교류 전원(21) 및 부하(22) 사이에 도 2에 나타낸 전력 경로가 형성된다.
에코 모드 중에 전압 저하 검출부(30)로부터 검출 신호 DT를 받으면, 스위치 제어부(38)는, 전자기 접촉기(14)를 온(ON)으로 하고, 반도체 스위치(15)를 오프(OFF)로 한다. 한편, 전술한 바와 같이, 스위치 제어부(38)가 반도체 스위치(15)의 각 사이리스터의 게이트 신호를 차단하고 나서 소정 시간 동안, 컨버터 제어부(32)가 컨버터(6)에 있어서의 역 변환을 제어한다. 이에 의해, 교류 입력 전압 Vin이 교류 출력 전압 Vout 이상의 전압 레벨로 증가하기 때문에, 인버터 출력 전류 Iinv가 반도체 스위치(15)를 통해서 노드 N1로 흘러들어오는 것을 억제할 수 있다.
도 10은, 제어 장치(18)에 의한 무정전 전원 장치(1)의 제어 처리를 설명하는 플로 차트이다. 도 10에 나타나는 제어 처리를 제어 장치(18)가 실행하는 것에 의해, 무정전 전원 장치(1)에서는, 도 9에 나타낸 제어 장치(18)의 기능이 실현된다.
도 10을 참조해서, 제어 장치(18)는, 스텝 S01에 의해, 무정전 전원 장치(1)가 에코 모드 중인지 여부를 판정한다. 사용자가 조작부(17)를 조작하는 것에 의해 에코 모드가 선택되고 있는 경우, 제어 장치(18)는 무정전 전원 장치(1)가 에코 모드 중이라고 판정한다. 무정전 전원 장치(1)가 에코 모드 중이 아닌 경우, 이후의 스텝 S02∼S015의 처리는 스킵된다.
무정전 전원 장치(1)가 에코 모드 중인 경우(S01의 YES 판정 시), 제어 장치(18)는, 스텝 S02에 의해, 상용 교류 전원(21)의 전압 저하가 검출되었는지 여부를 판정한다. 제어 장치(18)는, 상용 교류 전원(21)의 전압 저하도가 임계값에 도달하고 있지 않은 경우, 상용 교류 전원(21)의 전압 저하가 검출되어 있지 않다고 판정한다.
상용 교류 전원(21)의 전압 저하가 검출되어 있지 않은 경우(S02의 NO 판정 시), 제어 장치(18)는, 에코 모드의 실행을 계속하게 한다. 구체적으로는, 제어 장치(18)는, 스텝 S03에 의해, 반도체 스위치(15)에 게이트 신호를 인가함과 아울러, 스텝 S04에 의해, 전자기 접촉기(14)를 오프(OFF)로 하게 한다. 제어 장치(18)는 또, 스텝 S05에 의해, 인버터(10)의 운전을 정지시킨다. 단, 제어 장치(18)는, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 교류 전압과 동기한 교류 전압이 인버터(10)로부터 출력되도록 게이트 신호를 생성한다. 제어 장치(18)는, 생성한 게이트 신호를 인버터(10)에 출력하지 않고, 인버터(10)를 게이트 신호가 입력되기까지의 대기 상태로 한다.
다음으로, 제어 장치(18)는, 스텝 S06에 의해, 배터리(23)의 단자간 전압 VB와 목표 전압 VBr을 비교한다. 배터리(23)의 단자간 전압 VB가 목표 전압 VBr보다도 낮은 경우(S06의 YES 판정 시), 제어 장치(18)는, 스텝 S07로 진행되고, 배터리(23)의 단자간 전압 VB가 목표 전압 VBr이 되도록 컨버터(6)에 있어서의 순 변환을 제어한다. 제어 장치(18)는 또 스텝 S08에 의해, 배터리(23)의 단자간 전압 VB가 목표 전압 VBr이 되도록 쌍방향 초퍼(7)에 있어서의 강압 동작을 제어한다.
이에 비해서, 스텝 S02로 되돌아가서, 상용 교류 전원(21)의 전압 저하가 검출된 경우(S02의 YES 판정 시), 제어 장치(18)는, 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로 전환한다. 구체적으로는, 제어 장치(18)는, 스텝 S09에 의해, 전자기 접촉기(14)를 온(ON)으로 하게 함과 아울러, 스텝 S10에 의해, 반도체 스위치(15)의 게이트 신호를 차단한다.
다음으로, 제어 장치(18)는, 스텝 S11에 의해, 인버터(10)를 운전하게 한다. 제어 장치(18)는, 대기 상태의 인버터(10)를 기동하고, 생성한 게이트 신호를 인버터(10)에 출력한다. 제어 장치(18)는 또, 스텝 S12에 의해, 직류 전압 VDC가 참조 전압 VDCr이 되도록 쌍방향 초퍼(7)에 있어서의 승압 동작을 제어한다.
제어 장치(18)는, 스텝 S13에 의해, 교류 출력 전압 Vout 이상의 교류 입력 전압 Vin이 컨버터(6)로부터 노드 N1에 출력되도록, 컨버터(6)에 있어서의 역 변환을 제어한다. 제어 장치(18)는, 스텝 S14에 의해, 상용 교류 전원(21)의 전압 저하가 검출되고 나서 소정 시간이 경과했는지 여부를 판정한다. 전압 저하로부터 소정 시간이 경과하고 있지 않는 경우(S14의 NO 판정 시), 제어 장치(18)는 스텝 S13으로 되돌아가서, 컨버터(6)에 있어서의 역 변환을 제어한다. 한편, 전압 저하로부터 소정 시간이 경과하고 있으면(S14의 YES 판정 시), 제어 장치(18)는 컨버터(6)의 운전을 정지시킨다.
이와 같이 본 발명의 실시형태에 따르는 무정전 전원 장치에 의하면, 에코 모드 중에 상용 교류 전원(21)의 전압 저하가 검출되면, 반도체 스위치(15)의 게이트 신호를 차단함과 아울러, 소정 시간만 컨버터(6)로 하여금 역 변환을 실행하게 해서, 교류 입력 전압 Vin의 순시값을 교류 출력 전압 Vout의 순시값 이상까지 증가시킨다. 이와 같이 하면, 반도체 스위치(15)의 게이트 신호를 차단하고 나서 반도체 스위치(15)가 오프(OFF)가 되기까지 시간차가 있더라도, 인버터 출력 전류 Iinv가 반도체 스위치(15)를 통해서 입력측으로 흐르는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 에코 모드로부터 인버터 급전 모드로의 전환 시에 있어서, 인버터 출력 전류 Iinv를 그대로 부하(22)에 공급할 수 있기 때문에, 부하(22)의 전력 부족을 회피할 수 있다.
이번 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아닌 청구범위에 의해 나타내어지고, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1: 무정전 전원 장치, 2, 8, 14: 전자기 접촉기, 3, 11: 전류 검출기, 4, 4a∼4c, 9, 13, 13a∼13c: 콘덴서, 5, 5a∼5c, 12, 12a∼12c: 리액터, 6: 컨버터, 6a∼6c: 입력 노드, 7: 쌍방향 초퍼, 10: 인버터, 10a∼10c: 출력 노드, 15: 반도체 스위치, 17: 조작부, 18: 제어 장치, 21: 상용 교류 전원, 22: 부하, 23: 배터리(전력 저장 장치), 30: 전압 저하 검출부, 32: 컨버터 제어부, 34: 초퍼 제어부, 36: 인버터 제어부, 38: 스위치 제어부, T1, T1a∼T1c: 교류 입력 단자, T2, T2a∼T2c: 교류 출력 단자, T3: 배터리 단자, L1, L2: 직류 라인, Vin: 교류 입력 전압, Vout: 교류 출력 전압.

Claims (6)

  1. 교류 전원과 부하 사이에 접속되는 무정전 전원 장치로서,
    상기 교류 전원으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 순(順) 변환하는 컨버터와,
    상기 컨버터가 출력하는 직류 전력 또는 전력 저장 장치가 출력하는 직류 전력을 교류 전력으로 역(逆) 변환하는 인버터와,
    상기 인버터와 상기 부하 사이에 접속된 제 1 스위치와,
    상기 교류 전원과 상기 부하 사이에 접속된 제 2 스위치와,
    상기 컨버터, 상기 인버터, 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치를 제어하는 제어 장치를 구비하고
    상기 무정전 전원 장치는, 상기 제 1 스위치를 온(ON)으로 하게 함과 아울러 상기 제 2 스위치를 오프(OFF)로 하게 하고, 상기 인버터가 출력하는 교류 전력을 상기 부하에 공급하는 제 1 급전 모드와, 상기 제 1 스위치를 오프(OFF)로 하게 함과 아울러 상기 제 2 스위치를 온(ON)으로 하게 하고, 상기 교류 전원으로부터의 교류 전력을 상기 부하에 공급하는 제 2 급전 모드를 갖고,
    상기 제어 장치는, 상기 제 2 급전 모드가 실행되어 있는 경우에 있어서 상기 교류 전원의 전압 저하를 검출했을 때에는, 상기 제 1 급전 모드로 전환하도록 구성되고,
    상기 제어 장치는, 상기 교류 전원의 전압 저하를 검출했을 때로부터 소정 기간, 상기 전력 저장 장치가 출력하는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하도록 상기 컨버터로 하여금 역 변환을 실행하게 함과 아울러, 상기 컨버터로부터 출력되는 교류 전압의 순시값(instantaneous value)이 상기 인버터로부터 출력되는 교류 전압의 순시값 이상이 되도록, 상기 컨버터에 있어서의 역 변환을 제어하는, 무정전 전원 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 교류 전원의 전압 저하를 검출했을 때로부터 상기 소정 기간, 상기 컨버터로부터 출력되는 교류 전압의 순시값이 상기 인버터로부터 출력되는 교류 전압의 순시값보다도 높아지도록, 상기 컨버터에 있어서의 역 변환을 제어하는, 무정전 전원 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 소정 기간은, 상기 교류 전원으로부터 공급되는 교류 전압의 1/2 주기 이하에 상당하는 길이로 설정되는, 무정전 전원 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 소정 기간은, 상기 교류 전원으로부터 공급되는 교류 전압의 1/4 주기 이상 또한 1/2 주기 이하에 상당하는 길이로 설정되는, 무정전 전원 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 스위치는, 역병렬로 접속된 한 쌍의 사이리스터를 갖는 사이리스터 스위치인, 무정전 전원 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 교류 전원의 전압 저하를 검출하면, 상기 제 1 스위치를 온(ON)으로 하게 함과 아울러 상기 사이리스터 스위치의 게이트 신호를 차단하고, 또한, 상기 소정 기간, 상기 컨버터에 있어서의 역 변환을 제어하는, 무정전 전원 장치.
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