JP2006042433A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 商用電源において事故が発生して高速遮断器がＯＦＦするまでの間に、負荷電圧の低下を抑制できる無停電電源装置を提供する。
【解決手段】 無停電電源装置１において、双方向コンバータを常時連系運転して電圧源として確保する。また、瞬低や停電発生時の電圧低下を抑制し、常時の電圧降下を抑えるために整流ブリッジと直流リアクトルを組み合わせた回路を介挿する。さらに、限流リアクトル要素を増すために配電用変圧器の漏れインピーダンス値を増して、双方向コンバータ連系点から電源側を見た合計のリアクタンス分を増加させる。また、配電用変圧器の漏れインピーダンスは大きい値の方が電圧低下率は抑制される効果が大きいが、その分負荷電力による電圧降下も大きくなる可能性があるため、電圧降下の度合いに制約がある場合は、双方向コンバータで無効電力を制御して、電圧降下を補正することを行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、商用電源において瞬時電圧低下や停電などの電圧低下事故が発生したときに、負荷電圧の低下を抑制する無停電電源装置に関する。

半導体製造装置などの装置やネットワークサーバを備えたコンピュータシステムでは、停電や瞬時電圧低下（以下、瞬低と称する。）などの電源事故が発生すると重大なダメージを受けることがある。そのため、近時、上記のような装置やシステムには、予備電源として無停電電源装置が使用されることが多くなっている。一般的な無停電電源装置は、バッテリ（蓄電池）を備えており、電源正常時（平常時）にはバッテリの充電を行い、電源トラブル発生時にはこのバッテリから装置やシステムに対して電力を供給して、装置やシステムの停止や誤動作を防止して正常に機能させたり、安全にシステムをシャットダウンさせたりすることができる。

また、無停電電源装置には、バッテリに代えてフライホイールを蓄電手段として使用したものもある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−１７８０２３公報

従来の無停電電源装置は、商用電源において瞬低や停電などの電源事故が発生すると、無停電電源装置は内部の制御回路で電圧低下を検出して速やかに高速遮断器をＯＦＦして系統を解列するとともにコンバータを起動して、負荷に対して電力を供給する。

しかし、従来の無停電電源装置においては、制御回路の電圧低下検出までの遅延時間（数ｍｓｅｃ以内）の間は補償電圧が存在せず、高速遮断器がＯＦＦするまでの数ｍｓｅｃ間に負荷電圧が低下し、最悪の場合、負荷電圧が１００％低下する可能性があった。また、前記のネットワークサーバや半導体製造装置などの場合、負荷電圧の低下が５０％程度であっても、装置やシステムが停止したり、製造中の製品がダメージを受けてしまったりする可能性があった。

そのため、ネットワークサーバや半導体製造装置など電源事故に敏感な装置に対しては、従来、運転効率が９０％程度で効率があまり良くなく高価な常時インバータ方式の無停電電源装置しか予備電源として使用できないという問題があった。

そこで、本発明は、商用電源において事故が発生して高速遮断器がＯＦＦするまでの間に、負荷電圧の低下を抑制できる無停電電源装置を提供することを目的とする。

この発明は、上記の課題を解決するための手段として、以下の構成を備えている。

（１）商用電源の電圧が低下する異常を検出する事故検出手段と、
前記商用電源から配電された高電圧を、負荷に対して配電する低電圧に変圧する配電用変圧器と、
商用電源で異常が発生した際に電流を制限する限流リアクトルと、前記商用電源の正常時に前記商用電源と前記負荷とを、前記限流リアクトルを介して接続し、前記事故検出手段が前記商用電源における異常を検出すると前記商用電源と前記負荷との接続を遮断する高速開閉手段と、前記商用電源で異常が発生した際及び前記高速開閉手段が遮断後に前記限流リアクトルに流れている電流を還流させる還流手段と、を含み、前記配電用変圧器の低電圧側に接続された高速限流遮断手段と、
前記高速限流遮断手段と前記負荷との間に前記負荷と並列に接続された連系変圧器と、
商用電源の異常時に前記負荷へ供給する電力を蓄える蓄電手段と、
前記連系変圧器と前記蓄電手段との間に接続され、前記商用電源の異常発生直後から、前記蓄電手段の蓄電電力を交流電力に変換して前記連系変圧器に配電する電力変換手段と、を備え、
前記配電用変圧器の漏れインピーダンスと前記連系変圧器の漏れインピーダンスとの和と、前記連系変圧器の漏れインピーダンスと、の比を、前記負荷電圧の許容低下率以下に設定したことを特徴とする。

この構成においては、無停電電源装置は限流リアクトルを備えており、配電用変圧器の漏れインピーダンスと連系変圧器の漏れインピーダンスとの和と、連系変圧器の漏れインピーダンスと、の比が、前記負荷電圧の許容低下率以下に設定されている。そのため、商用電源において異常が発生した直後には限流リアクトルに電圧が発生して電流の増加を抑制するとともに、負荷電圧の低下を抑制する効果が得られ、配電用変圧器の漏れインピーダンスと限流リアクトルのインピーダンスとにより、負荷電圧の低下を抑制することができる。また、交流側の電流がピークを過ぎて、限流リアクトル及び還流手段において電流の還流が生じ、限流リアクトル電圧が零となる期間が生じた場合には、限流リアクトルのインピーダンスは見かけ上零となるが、配電用変圧器の漏れインピーダンスにより負荷電圧の低下を抑制することができ、配電用変圧器の漏れインピーダンスと連系変圧器の漏れインピーダンスとの和と、連系変圧器の漏れインピーダンスと、の比が、負荷電圧の許容低下率以下に設定されているので、負荷電圧が許容低下率を超えて低下するのを抑制することができる。

例えば、負荷電圧の許容低下率が４０％であり、配電用変圧器と連系変圧器の容量が同じで、漏れインピーダンスの値が２：１の場合には、双方向コンバータ１７の電圧との関係から、限流リアクトル電圧が零となる期間が生じても、負荷電圧の低下率を許容低下率以下の値である約３３％に維持できる。また、限流リアクトル電圧が零になるまでは、限流リアクトル電圧の電圧を上乗せすることができるので、事故時における負荷電圧の低下をさらに抑制することができる。

また、無停電電源装置は、配電用変圧器を予め備えた構成であるので、無停電電源装置の設置環境（系統条件）を予め細かく調査しなくても、負荷が負荷電圧の低下を何％まで許容できるかという仕様である負荷電圧の許容低下率に基づいて設計することが可能となる。また、無停電電源装置を現地に設置した際に調整がほとんど不要となる。さらに、無停電電源装置のユーザが負荷に応じた配電用変圧器を用意する必要がなくなる。したがって、無停電電源装置の汎用性が高くなり、標準化することが可能となる。

（２）前記電力変換手段は、前記商用電源の正常時に、前記負荷の無効電力を打ち消す無効電力を供給することを特徴とする。

一般的に、配電用変圧器の漏れインピーダンスが大きいと電圧降下も大きくなって、通常時に問題が発生することがある。この構成においては、電力変換手段から負荷の無効電力を打ち消す無効電力を供給するので、配電用変圧器の無効電力はほぼ零になって、漏れインピーダンスによる電圧低下を防止できる。これにより、漏れインピーダンスの値を大きくしたことによる配電用変圧器の電圧降下分を補償し、かつ受電力率を改善することができる。

（３）前記高速限流遮断手段は、前記高速開閉手段である一対のサイリスタと、前記還流手段である一対のダイオードと、を含む単相整流ブリッジ回路の２つの直流端子間に、前記限流リアクトルを接続した構成であることを特徴とする。

この構成においては、商用電源における異常を検出すると、一対のサイリスタに対して出力していた点弧信号をＯＦＦすることで、負荷電流が零になった時点でサイリスタを消弧させることができるので、短時間で商用電源と負荷との接続を遮断することができる。

（４）前記高速限流遮断手段は、単相整流ブリッジ回路の２つの直流端子間に、前記限流リアクトル及び前記高速開閉手段である自己消弧型スイッチング素子が直列に接続されるとともに、前記還流手段である還流ダイオードが前記限流リアクトルに対して並列に接続された構成であることを特徴とする。

この構成においては、高速限流遮断手段は、高速開閉手段として自己消弧型のスイッチング素子を備えているので、このスイッチング素子をオフする信号を出力すると、すぐに商用電源と負荷との間の接続を遮断することができる。したがって、商用電源における異常を検出してから発生商用電源と負荷との間の接続を遮断するまでの時間を、（３）の構成よりもさらに短くすることができる。また、より高速に遮断できるため、直流リアクトルやダイオードなどの構成部材を流れる電流を抑制できるので、各構成部材などの電流容量を小さく設定することができる。

また、直流リアクトルに対して並列に還流ダイオードを設けることにより、直流リアクトルに流れている電流を還流することができ、直流リアクトルにおける過電圧を抑制することができる。

（５）前記高速開閉手段には、限流抵抗またはコンデンサが並列に接続されたことを特徴とする。

この構成においては、高速限流遮断手段により商用電源と負荷との接続を完全に遮断することはできないが、電流を抑制することができるので、無停電電源装置により負荷に対する瞬時電圧低下を防止することが可能となる。

（６）前記配電用変圧器に代えて、限流リアクトルを設けたことを特徴とする。

この構成においては、配電用変圧器に代えて限流リアクトルを設けたことにより、無停電電源装置を設置する系統フィーダに予め配電用変圧器が用意されていた場合であっても、異常時の負荷電圧の低下を抑制することができる。また、商用電源側の事故発生箇所によっては、配電用変圧器の漏れインピーダンスを負荷電圧の低下防止に使用できるので、さらに異常時の負荷電圧の低下を抑制することが可能となる。

本発明によれば、商用電源において異常が発生した直後には限流リアクトルに電圧が発生して電流の増加を抑制するとともに、負荷電圧の低下を抑制する効果が得られ、配電用変圧器の漏れインピーダンスと限流リアクトルのインピーダンスとにより、負荷電圧の低下を抑制することができる。また、交流側の電流がピークを過ぎて、限流リアクトル及び還流手段において電流の還流が生じ、限流リアクトル電圧が零となる期間が生じた場合には、限流リアクトルのインピーダンスは見かけ上零となるが、配電用変圧器の漏れインピーダンスにより負荷電圧の低下を抑制することができ、配電用変圧器の漏れインピーダンスと連系変圧器の漏れインピーダンスとの和と、連系変圧器の漏れインピーダンスと、の比が、負荷電圧の許容低下率以下に設定されているので、負荷電圧が許容低下率を超えて低下するのを抑制することができる。

また、無停電電源装置は、配電用変圧器を予め備えた構成であるので、無停電電源装置の設置環境（系統条件）を予め細かく調査しなくても、負荷が負荷電圧の低下を何％まで許容できるかという仕様である負荷電圧の許容低下率に基づいて設計することができる。また、無停電電源装置を現地に設置した際に調整がほとんど不要となり、無停電電源装置のユーザが負荷に応じた配電用変圧器を用意する必要がなくなるので、無停電電源装置の汎用性が高くなり、標準化することができる。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る無停電電源装置の概略構成図及び等価回路図である。図２は、商用電源側での事故発生前後における各部の電流及び電圧の変化を示す波形図である。

無停電電源装置１は、計器用変圧器１１、制御部１２、配電用変圧器１３、遮断器１４、限流回路１５、バッテリ１６、双方向コンバータ１７、連系変圧器１８、遮断器１９、及び電源出力測定部２０を備えており、入力端子２に商用電源５が接続され、出力端子３に負荷６が接続されている。また、商用電源５から負荷６までの間の配電線を系統フィーダ４と称する。

計器用変圧器１１は、商用電源５から配電された交流電圧を測定して電源事故の発生を検出するためのものであり、測定結果を制御部１２へ出力する。

制御部１２は、計器用変圧器１１から出力された商用電源５の電圧測定結果に基づいて、限流回路１５の高速開閉手段の開閉動作や双方向コンバータ１７の充電や出力動作を制御する。また、制御部１２は、電源出力測定部２０の測定結果に基づいて双方向コンバータ１７の出力電力を制御する。

配電用変圧器１３は、商用電源５から給電された電圧を負荷６に配電する電圧に変圧する。

遮断器１４は、無停電電源装置１のメンテナンス時などに商用電源５と負荷６との接続を遮断するためのものである。なお、遮断器１４は入力端子２と配電用変圧器１３の間に設けた構成であっても良い。

限流回路１５は、高速開閉手段である２個の（一対の）サイリスタ２１ａ，２１ｂと、２個の（一対の）ダイオード２１ｃ，２１ｄと、を有し、２つの交流端子２１ａ１，２１ａ２と、２つの直流端子２１ｄ１，２１ｄ２と、を備えている。交流端子２１ａ１には、サイリスタ２１ａのアノードとサイリスタ２１ｂのカソードが接続され、交流端子２１ａ２には、ダイオード２１ｃのカソードとダイオード２１ｄのアノードが接続されている。また、直流端子２１ｄ１には、サイリスタ２１ａのカソードとダイオード２１ｄのカソードが接続され、直流端子２１ｄ２には、サイリスタ２１ｂのアノードとダイオード２１ｃのアノードが接続されている。さらに、直流端子２１ｄ１と直流端子２１ｄ２との間には、直流リアクトル２２が接続されている。加えて、交流端子２１ａ１には遮断器１４が接続され、交流端子２１ａ２には電源出力測定部２０が接続されている。

なお、限流回路１５において、交流端子２１ａ１を電源出力測定部２０に接続し、交流端子２１ａ２を遮断器１４に接続するようにしても良い。

直流リアクトル２２は、商用電源５において電源事故発生時に、双方向コンバータ１７から商用電源５に対して流れる電流を制限する限流リアクトルである。

バッテリ１６は、商用電源５において停電や瞬低など電圧が低下する異常が発生した際に、負荷６へ供給する電力（電気エネルギ）を蓄積している。なお、バッテリ１６に代えて、フライホイールやキャパシタなどの蓄電手段を使用することも可能である。

双方向コンバータ１７は、商用電源５側が正常時にはバッテリ１６を充電する充電器として動作し、商用電源５側の電圧が低下したり商用電源５側に事故が発生したりしたときにはインバータ動作に切替わり、バッテリ１６の電力を交流電力に変換して無瞬断で負荷６に供給する連系運転を常時行っており、電圧源として動作する。

連系変圧器１８は、系統フィーダ４の電圧を所定の電圧に降圧して双方向コンバータ１７へ配電する。また、双方向コンバータ１７の出力電圧を系統フィーダ４と同じ電圧に昇圧して系統フィーダ４へ配電する。

遮断器１９は、無停電電源装置１のメンテナンス時などに、負荷６に並列に接続された連系変圧器１８の１次側を系統フィーダ４から切り離すためのものである。

電源出力測定部２０は、交流計測用変流器２０ａ，２０ａ２と交流計器用変圧器２０ｖとを備え、インバータ電流、負荷電流及び負荷電圧を測定して、その結果を制御部１２へ出力する。

図１（Ａ）に示す無停電電源装置１の等価回路は、図１（Ｂ）に示すようになる。すなわち、配電用変圧器１３の漏れインピーダンスｊＸｔと直流リアクトル２２のインダクタンスＬｄｃとが直列に接続された商用電源５と、連系変圧器１８の漏れインピーダンスｊＸｃが直列に接続されたコンバータ電源（バッテリ１６及び双方向コンバータ１７と等価な電源）１７ａと、が負荷６に対して並列に接続される。

図１（Ｂ）において、商用電源５の電源電圧をＶＳ、コンバータ電源１７ａのコンバータ電圧をＶＣ・コンバータ電流をＩＣ、負荷６の負荷電圧をＶＬ、配電用変圧器１３の漏れインピーダンスをｊＸｔ・配電用変圧器１３の電圧（電圧降下分）をΔＶｔ、直流リアクトルのインダクタンスをＬｄｃ・直流リアクトルの電圧（電圧降下分）をΔＶｄｃ・直流リアクトルを流れる電流をＩｄｃ、連系変圧器１８の漏れインピーダンス（連系インダクタンス）をｊＸｃとする。

図２に示すように、通常時（ｔ０以前）には電源電流はほとんど変化しない。そのため、限流回路１５の整流素子であるサイリスタ２１ａ，２１ｂ、ダイオード２１ｃ，２１ｄによって整流された直流リアクトルの電流Ｉｄｃは、ほぽ一定の直流電流となる。つまり、直流リアクトルの電圧△Ｖｄｃ≒０となる。

一方、無停電電源装置１は、商用電源５側で瞬低・停電等の事故が発生すると（ｔ０）、内部の制御部１２で電圧低下を検出して速やかにサイリスタ２１ａ，２１ｂをＯＦＦして系統を解列する動作を行う。しかし、サイリスタ２１ａ，２１ｂは、点弧信号がＯＦＦされても負荷電流が零にならないとＯＦＦ（消弧）しないため、制御部１２が電圧低下を検出してサイリスタ２１ａ，２１ｂをＯＦＦするまで（ｔ０〜ｔ３）に数ｍｓｅｃの時間が必要である。そのため、無停電電源装置１では、この遅延時間（数ｍｓｅｃ以内）の間に負荷電圧ＶＬの低下がある値を下回らないように構成している。

商用電源５側で瞬低・停電等の事故が発生すると、電源電圧ＶＳは瞬時に低下して負荷６側（すなわちコンバータ電源１７ａ側）から系統事故地点に向かって過大な電流が流れようとする（ｔ０〜ｔ１）。このとき、無停電電源装置１には、限流回路１５として直流リアクトル２２を設けているので、限流回路１５の整流素子を介して直流リアクトル電流Ｉｄｃが増加して、直流リアクトル２２に電圧△Ｖｄｃが発生して電流の増加を抑制するとともに、負荷電圧ＶＬの低下を抑制する効果が得られる。そして、配電用変圧器１３と連系変圧器１８の漏れインピーダンスの比に応じて生じる残存電圧ΔＶｔと、限流回路の電圧△Ｖｄｃと、を合算した電圧が負荷電圧ＶＬとして負荷に供給される。

続いて、交流側の電流がピークを過ぎると、直流リアクトル２２及びダイオード２１ｃ，２１ｄにおいて電流の還流が生じるので、直流リアクトル電圧△Ｖｄｃは、△Ｖｄｃ≒０となる期間が生じる（ｔ２以降）。そのため、配電用変圧器１３を備えていない従来の無停電電源装置では、この間は補償電圧が存在せず、最悪の場合、負荷電圧が１００％低下する可能性があった。

そこで、無停電電源装置１には、この対策として限流回路１５の１次側に配電用変圧器１３を設けており、この配電用変圧器１３の漏れインピーダンスｊＸｔを負荷電圧ＶＬの低下抑制のために利用する。

すなわち、限流回路１５だけでは残存電圧が低下してしまうため、無停電電源装置１のシステムに組み込まれている配電用変圧器１３に関して、配電用変圧器１３と連系変圧器１８の漏れインピーダンスの値を調整して、残存電圧のベース電圧を得る。例えば、配電用変圧器１３と連系変圧器１８の容量が同じで漏れインピーダンスの値も同じであれば、双方向コンバータ１７の電圧との関係から、△Ｖｄｃ≒０となる期間が生じても、負荷電圧ＶＬのベース残存電圧を最低でも約５０％に維持できる。また、△Ｖｄｃ≒０となるまでは、直流リアクトル２２の電圧△Ｖｄｃを上乗せすることができるので、事故時の負荷電圧ＶＬの低下をさらに抑制することができる。この関係を式で表すと以下のようになる。

無停電電源装置１では、双方向コンバータが連系運転しており、例えば最悪条件としてＶＳ＝０の場合を考えると、負荷電圧ＶＬは、
ＶＬ＝ＶＣ−ｊＸｃ・ＩＣ
≒−（△Ｖｔ＋△Ｖｄｃ）
＝−（ｊＸｔ・ＩＳ）−Ｌｄｃ｛ｄ（Ｉｄｃ）／ｄｔ｝
となる。

負荷電圧ＶＬの残存率は、配電用変圧器１３のインピーダンスと限流回路１５に設けた直流リアクトル２２の直流過渡インピーダンスの設定によって変化するが、配電用変圧器１３の漏れインピーダンスと連系変圧器１８の漏れインピーダンスとの和と、連系変圧器１８の漏れインピーダンスと、の比を、負荷電圧の許容低下率以下に設定することで、事故発生時に、商用電源５と負荷６との間を遮断するまでの間に、負荷電圧が許容低下率を超えた値になるのを確実に防止することができる。

例えば、負荷電圧の許容低下率が４０％であり、配電用変圧器と連系変圧器の容量が同じで、漏れインピーダンスの値が２：１の場合には、双方向コンバータ１７の電圧との関係から、限流リアクトル電圧が零となる期間が生じても、負荷電圧の低下率を許容低下率以下の値である約３３％に維持できる。また、限流リアクトル電圧が零になるまでは、限流リアクトル電圧の電圧を上乗せすることができるので、事故時における負荷電圧の低下をさらに抑制することができる。

したがって、系統側の事故発生時には、コンバータ電圧ＶＣを基にして、両方の変圧器の漏れインピーダンスの比に応じて生じる残存電圧か、またはこの残存電圧と限流回路の電圧△Ｖｄｃとを合算した電圧を、負荷電圧ＶＬとして負荷に供給することができる。

また、通常時においては、負荷電圧ＶＬは、以下の式に表すような関係となる。すなわち、
ＶＬ＝ＶＣ−ｊＸｃ・ＩＣ
≒−（△Ｖｔ＋△Ｖｄｃ）
＝−（ｊＸｔ・ＩＳ）−Ｌｄｃ｛ｄ（Ｉｄｃ）／ｄｔ｝
＝−ｊＸｔ・ＩＳ
∵定常状態のｄ（Ｉｄｃ）／ｄｔ≒０
となり、配電用変圧器の漏れインピーダンスの値に比例して電圧降下が発生する。

そこで、配電用変圧器１３の漏れインピーダンスを大きな値に設定したことにより、通常時における電圧降下の影響が大きい場合には、双方向コンバータ１７から無効電力（通常は進相無効電力）を出力するように設定して、配電用変圧器１３の漏れインピーダンスによる電圧低下を低減する。すなわち、配電用変圧器１３の仕様として巻線抵抗を小さく（％Ｚで数％以内）して、一方の漏れインダクタンスを大きくした上で、負荷電力の無効電力をキャンセルするように高速制御する。このように設定することで、電圧変動は巻線抵抗と有効電力による電圧降下分（数％）だけに低減できる。

例えば、配電用変圧器１３の漏れインピーダンスｊＸｔを連系変圧器の漏れインピーダンスｊＸｃの２倍とすると、系統事故時の負荷電圧ＶＬのベース残存電圧は約６７％まで向上する。この場合、双方向コンバータ１７から無効電力を出力するように設定しなければ、通常時の負荷電圧ＶＬの電圧低下は最大２０％となるが、上記のように無効電力を出力するように設定することで、無効電力をキャンセルして通常時の電圧低下を抑制することができる。

また、無停電電源装置１は、上記のように配電用変圧器１３を予め備えた構成であるので、無停電電源装置１の設置環境（系統条件）を予め細かく調査しなくても、負荷６が負荷電圧ＶＬの低下を何％まで許容できるかという仕様である負荷電圧の許容低下率に基づいて設計することが可能となる。また、無停電電源装置１を現地に設置した際に調整がほとんど不要となる。さらに、無停電電源装置１のユーザが負荷に応じた配電用変圧器を用意する必要がなくなる。したがって、無停電電源装置１の汎用性が高くなり、標準化することが可能となる。

なお、今回提案する方式の無停電電源装置は、限流回路の付加分だけ若干（２％程度）損失が増加するが、常時インバータ方式の装置よりも高効率化が図れる。

次に、図３及び図４に基づいて無停電電源装置１全体の動作を説明する。図３は、電源電圧ＶＳ、コンバータ電圧ＶＣ、及び負荷電圧ＶＬの変化の推移を示す波形図である。図４は、無停電電源装置の動作を説明するためのフローチャートである。

無停電電源装置１の双方向コンバータ１７は、商用電源５側における瞬低・停電などの事故発生の有無に関わらず連系運転しており、通常時（ｔａ〜ｔｂ）には商用電源５から負荷に対して電力を供給している（ｓ１）。商用電源５側において事故が発生すると（ｓ２，ｔｂ）、コンバータ電圧ＶＣを基にして、配電用変圧器１３と連系変圧器１８の漏れインピーダンスの比に応じて生じる残存電圧ΔＶｔと、限流回路の電圧△Ｖｄｃと、を合算した電圧が負荷電圧ＶＬとして負荷に供給し、△Ｖｄｃ≒０となる期間には、配電用変圧器１３と連系変圧器１８の漏れインピーダンスの比に応じて生じる残存電圧ΔＶｔを負荷電圧ＶＬとして負荷に供給する（ｓ３，ｔｂ〜ｔｃ）。

無停電電源装置１は内部の制御部１２によって数ｍｓｅｃ以内の遅延で電圧低下を検出すると（ｓ４）、速やかに限流回路のサイリスタ２１ａ，２１ｂをＯＦＦして系統を解列する（ｓ５）。このとき、直流リアクトル２２及びダイオード２１ｃ，２１ｄにおいて電流の還流が生じる。

また、無停電電源装置１は、商用電源５側で事故が発生してから再びサイリスタがＯＮするまでの間には、双方向コンバータ１７から負荷６の全電力を供給する（ｓ６，ｔｃ〜ｔｅ）。

一方、商用電源５において系統事故から復旧して復電すると（ｓ７，ｔｄ）、制御部１２は系統フィーダ４の電圧回復を検出して、コンバータ電圧ＶＣを電源電圧ＶＳの位相に合わせる位相調整制御を行う（ｓ８）。そして、制御部１２は、コンバータ電圧ＶＣと電源電圧ＶＳの位相が合った段階で、サイリスタ２１ａ，２１ｂをＯＮして商用電源５と負荷６を接続する（ｓ９，ｔｅ）。また、制御部１２は、双方向コンバータ１７を連系運転に切り換えて（ｓ１０）、通常運転を行い、次の瞬低や停電の補償に備える（ｓ１）。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る無停電電源装置について説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係る無停電電源装置の概略構成を示すブロック図である。

図５に示す無停電電源装置７は、無停電電源装置１の限流回路１５を限流回路３１に置き換えたものであり、他の構成は無停電電源装置１と全く同じである。したがって、同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。

限流回路３１は、４個の（二対の）ダイオード３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを有し、２つの交流端子３２ａ１，３２ａ２と、２つの直流端子３２ｄ１，３２ｄ２と、を備えている。交流端子３２ａ１には、ダイオード３２ａのアノードとダイオード３２ｂのカソードが接続され、交流端子３２ａ２には、ダイオード３２ｃのカソードとダイオード３２ｄのアノードが接続されている。また、直流端子３２ｄ１には、ダイオード３２ａのカソードとダイオード３２ｄのカソードが接続され、直流端子３２ｄ２には、ダイオード３２ｂのアノードとダイオード３２ｃのアノードが接続されている。さらに、直流端子３２ｄ１と直流端子３２ｄ２との間には、直流リアクトル３３及びスイッチング素子であるトランジスタ３４が直列接続されている。また、カソードを直流端子３２ｄ１に接続されたダイオード３５が、直流リアクトル３３と並列に接続されている。

無停電電源装置７においては、スイッチング素子として自己消弧型素子であるトランジスタを使用しているので、図１に示した自己消弧能力の無いサイリスタを使用した限流回路１５のように、点弧信号がＯＦＦされても負荷電流が零になり消弧するまでの時間が不要である。したがって、商用電源５側における事故を検出してから、限流回路３１のトランジスタ３４をＯＦＦして系統を解列するまでの時間をさらに短くすることができる。また、これにより、直流リアクトルやダイオードなどの構成部材を流れる電流を抑制できるので、各構成部材やバッテリ１６、双方向コンバータ１７などの電流容量を小さく設定することができる。

また、直流リアクトル３３に対して並列にダイオード３５を設けることにより、トランジスタ３４をＯＦＦにした際にも直流リアクトル３３に流れていた電流Ｉｄｃを還流することができるので、直流リアクトル３３における過電圧を抑制することができる。

ここで、図５に示した限流回路３１においては、トランジスタ３４を使用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はこの構成に限るものではなく、自己消弧型のスイッチング素子であれば、他のスイッチング素子を使用することも可能である。例えば、トランジスタに代えて、ＦＥＴ・ＧＴＯ・ＩＧＢＴ・ＩＥＧＴ・ＩＧＣＴなどを使用すれば良い。

図６は、限流回路の別の構成を示した回路図である。無停電電源装置を設ける目的が負荷６に対する瞬時電圧低下の防止である場合には、限流回路３１により完全に電流を遮断できなくても良い。この場合には、図６（Ａ）に示すように、トランジスタ３４に並列に抵抗（限流抵抗）Ｒを設けるか、または図６（Ｂ）に示すようにトランジスタ３４に並列にコンデンサＣを設けた構成とする。そして、瞬時電圧低下を検出すると同時に、トランジスタ３４を開放して、直流リアクトル３３と抵抗Ｒ、または直流リアクトル３３とコンデンサＣにより電流Ｉｄｃを限流して瞬時電圧低下を防止する。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る無停電電源装置について説明する。図７は、本発明の第３実施形態に係る無停電電源装置の概略構成を示すブロック図である。

図７に示す無停電電源装置８は、無停電電源装置１の配電用変圧器１３を交流リアクトル４１に置き換えたものであり、他の構成は無停電電源装置１と全く同じである。したがって、同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図７に示すように、商用電源５側にユーザが配電用変圧器９を用意している場合には、図１に示した無停電電源装置１を使用することができない。このような場合には、限流回路１５の１次側に交流リアクトル４１を設けた構成の無停電電源装置８を使用することで、第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、無停電電源装置８の交流リアクトル４１として、交流インピーダンスがｊＸｔのものを設けることで、商用電源５側の事故発生時には、コンバータ電圧ＶＣを基にして、交流リアクトル４１の交流インピーダンスと連系変圧器１８の漏れインピーダンスの比に応じて生じる残存電圧ΔＶｔか、残存電圧ΔＶｔと限流回路の電圧△Ｖｄｃとを合算した電圧が負荷電圧ＶＬとして負荷に供給することができる。また、商用電源５側の事故発生箇所によっては、ユーザが用意した配電用変圧器９の漏れインピーダンスを負荷電圧ＶＬの低下防止に使用できるので、事故時の負荷電圧ＶＬの低下をさらに抑制することが可能となる。

なお、無停電電源装置８は、図７に示した構成に限るものではなく、例えば、限流回路１５に代えて無停電電源装置７の限流回路３１を使用した構成であっても良い。また、この構成の場合、トランジスタ３４に代えて、前記のように他の自己消弧型スイッチング素子を使用する構成であっても良い。

本発明の第１実施形態に係る無停電電源装置の概略構成図及び等価回路図である。 商用電源側での事故発生前後における各部の電流及び電圧の変化を示す波形図である。 電源電圧ＶＳ、コンバータ電圧ＶＣ、及び負荷電圧ＶＬの変化の推移を示す波形図である。 無停電電源装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る無停電電源装置の概略構成を示すブロック図である。 限流回路の別の構成を示した回路図である。 本発明の第３実施形態に係る無停電電源装置の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１，７，８−無停電電源装置 ２−入力端子 ３−出力端子
４−系統フィーダ ５−商用電源 ６−負荷
９，１３−配電用変圧器 １１−計器用変圧器 １２−制御部
１４−遮断器 １５−限流回路 １６−バッテリ
１７−双方向コンバータ １８−連系変圧器 １９−遮断器

Claims (6)

1. 商用電源の電圧が低下する異常を検出する事故検出手段と、
   前記商用電源から配電された高電圧を、負荷に対して配電する低電圧に変圧する配電用変圧器と、
   商用電源で異常が発生した際に電流を制限する限流リアクトルと、前記商用電源の正常時に前記商用電源と前記負荷とを、前記限流リアクトルを介して接続し、前記事故検出手段が前記商用電源における異常を検出すると前記商用電源と前記負荷との接続を遮断する高速開閉手段と、前記商用電源で異常が発生した際及び前記高速開閉手段が遮断後に前記限流リアクトルに流れている電流を還流させる還流手段と、を含み、前記配電用変圧器の低電圧側に接続された高速限流遮断手段と、
   前記高速限流遮断手段と前記負荷との間に前記負荷と並列に接続された連系変圧器と、
   商用電源の異常時に前記負荷へ供給する電力を蓄える蓄電手段と、
   前記連系変圧器と前記蓄電手段との間に接続され、前記商用電源の異常発生直後から、前記蓄電手段の蓄電電力を交流電力に変換して前記連系変圧器に配電する電力変換手段と、を備え、
   前記配電用変圧器の漏れインピーダンスと前記連系変圧器の漏れインピーダンスとの和と、前記連系変圧器の漏れインピーダンスと、の比を、前記負荷電圧の許容低下率以下に設定したことを特徴とする無停電電源装置。
2. 前記電力変換手段は、前記商用電源の正常時に、前記負荷の無効電力を打ち消す無効電力を供給する請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 前記高速限流遮断手段は、前記高速開閉手段である一対のサイリスタと、前記還流手段である一対のダイオードと、を含む単相整流ブリッジ回路の２つの直流端子間に、前記限流リアクトルを接続した構成である請求項１または２に記載の無停電電源装置。
4. 前記高速限流遮断手段は、単相整流ブリッジ回路の２つの直流端子間に、前記限流リアクトル及び前記高速開閉手段である自己消弧型スイッチング素子が直列に接続されるとともに、前記還流手段である還流ダイオードが前記限流リアクトルに対して並列に接続された構成である請求項１または２に記載の無停電電源装置。
5. 前記高速開閉手段には、限流抵抗またはコンデンサが並列に接続された請求項４に記載の無停電電源装置。
6. 前記配電用変圧器に代えて、限流リアクトルを設けた請求項１乃至５のいずれかに記載の無停電電源装置。

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