JP2007151231A

JP2007151231A - 無停電電源装置

Info

Publication number: JP2007151231A
Application number: JP2005338722A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kinoshita; 雅博木下
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】停電復電時に無停電電源装置内の入力フィルタコンデンサへの突入電流を抑制することの可能な無停電電源装置を得る。
【解決手段】交流電源１から直流出力側に直流コンデンサを接続したＰＷＭコンバータ６を介して直流電力を得るとともに、交流電源停電時は蓄電池９から直流電力を得てＰＭＷインバータ１０にて交流電力に変換し、負荷給電を継続する無停電電源装置において、入力スイッチ２と、交流電源電圧を検出する電圧検出器２２と、ＰＷＭコンバータの高調波を除去する入力フィルタコンデンサ４と、入力フィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出器２３と、交流電源停電時に、入力スイッチが開放しその後復電した場合は入力フィルタコンデンサを交流電源と一致するようにＰＷＭコンバータを交流電圧制御し、入力スイッチ投入後に直流電圧制御に移行するコンバータ電圧制御手段３５を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばコンピュータシステムに用いられる無停電電源装置に関するものであり、より詳細には、常時は交流電源から直流出力側に直流コンデンサを接続したＰＷＭコンバータを介して直流電力を得て、交流電源停電時は交流電源に代えて蓄電池から直流電力を得て、この直流電力をＰＭＷインバータにて交流電力に変換し、負荷給電を継続する無停電電源装置において、停電復電時のＰＷＭコンバータの起動に関するものである。

従来からの無停電電源装置、特に交流電源を直流電力に変換するＰＷＭコンバータ回路に着目した回路構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図６は特許文献１に示された従来の無停電電源装置の回路構成を示すブロック図である。図において、１は交流電源、２は交流電源１を開閉する入力スイッチ、３は交流リアクトル、４は入力フィルタコンデンサ、５は交流フィルタリアクトルであり、入力フィルタコンデンサ４と交流フィルタリアクトル５のＬＣ回路によって高調波を除去する。６は交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータ、７は直流平滑コンデンサ、８は直流回路と蓄電池９を開閉する開閉器、１０は直流電力を交流電力に変換するＰＷＭインバータである。２０はＰＷＭコンバータ６の電流を検出する電流検出器、２１は直流回路の電圧を検出する電圧検出器、２２は交流電源１からの入力電圧を検出する電圧検出器、３０は直流電圧基準発生回路、３１はコンバータ電圧制御回路、３２はコンバータ電流制御回路、３３はＰＷＭ回路、３４は停電検出／位相検出回路である。

次に動作について説明する。無停電電源装置は交流電源１が正常な場合は、ＰＷＭコンバータ６を介して交流電源１からの交流電力を直流電力に変換し、この直流電力をＰＷＭインバータ１０で交流電力に変換し負荷機器に供給する。一方、交流電源１が停電等の異常を生じた場合は、直流回路に接続された蓄電池９を直流電源としてＰＷＭインバータ１０を介して負荷機器へ電力を供給し続ける働きをする。以上が無停電電源装置の基本的な動作である。

ここで、この発明に関連するＰＷＭコンバータ６の基本的な制御方法と動作について説明する。ＰＷＭコンバータ６は直流回路の電圧をある一定の電圧に制御するように動作し、直流電圧の基準となる直流電圧基準発生回路３０により直流電圧基準Ｖdc*を発生する。次に、この直流電圧基準Ｖdc*と電圧検出器２１で検出された直流回路電圧Ｖdc-をコンバータ電圧制御回路３１に入力する。このコンバータ電圧制御回路３１では、図７に示すように、直流回路電圧Ｖdc-が直流電圧基準Ｖdc＊に追従するようにフィードバック制御を構成し、直流電圧制御器３１ａによって制御され、過大な電流とならないように電流リミッタ３１ｂを通してＰＷＭコンバータ６が流すべき電流基準Ｉｃ＊を発生する。ここで今、入力スイッチ２がＯＦＦ、すなわちＰＷＭコンバータ６が停止した場合は、電流基準を０にするようにスイッチ３１ｃが設けられている。次に、この電流基準Ｉｃ＊を図６に示すように、電流制御回路３２に入力し、電流検出器２０で検出されたコンバータ電流Ｉｃ−がコンバータ電流基準Ｉｃ＊に追従するようにフィードバック制御を行う。次に、電流制御回路出力をＰＷＭ回路３３に入力し、例えばＩＧＢＴなどの自励式半導体で構成されたＰＷＭコンバータ６に対しパルス信号を与える。また、交流電源１からの入力電圧Ｖｓは電圧検出器２２で検出され、この信号である入力電圧フィードバック信号Ｖｓ−で、交流電源１の停電検出を行うとともに、ＰＷＭコンバータ６の入力電流を交流電源１の位相と一致するように位相検出が行われる。以上により、ＰＷＭコンバータ６は直流回路の電圧を一定に制御するとともに、入力力率を高力率制御する。また、無停電電源装置におけるＰＷＭコンバータ６は蓄電池８を充電する機能も合わせ持っている。

特開平９−２０５７４０号公報

次に、ＰＷＭコンバータ６の停電時における動作について、図８に示したタイムチャートで説明する。ＰＷＭコンバータ６は上述したように交流電源１が正常な場合は直流電圧制御で運転を継続するが、停電が生じた場合は入力スイッチ２が開放されＰＷＭコンバータ６は運転を停止し、ＰＷＭインバータ１０への直流電力は蓄電池９から供給される。次に、交流電源１が復電した場合は、入力スイッチ２が再投入されＰＷＭコンバータ６は運転を再開し、ＰＷＭインバータ１０への直流電力を交流電源１から供給するように動作する。ここで、停電時、入力フィルタコンデンサ４は電荷が放電して行き停電時間によっては完全に電荷が放電される。次に、復電により入力スイッチ２が再投入されると、入力フィルタコンデンサ４への充電突入電流が交流電源１から流れる。このとき、交流電源１側のインダクタンス成分や交流リアクトル３と入力フィルタコンデンサ４によるＬＣ共振回路が形成され、突入電流が振動するとともに、また入力フィルタコンデンサ４は一般的に５％〜１０％の容量成分となるため、電源系統として無視できない進み電流が流れる。このため、交流電源１に対して大きな擾乱を与えることになる。特に、無停電電源システムは高信頼性が要求されるため、交流電源１に非常用発電機が併設されるケースが多く、停電発生時には無停電電源装置にて蓄電池から負荷機器へ電力を継続しながら、この間に非常用発電機を立ち上げ、非常用発電機から無停電電源装置に対して交流電力を再供給することとなり、非常用発電機立ち上がり後に、発電機に対して擾乱を与えることになるという問題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、停電復電時に無停電電源装置内の入力フィルタコンデンサへの突入電流を抑制することの可能な無停電電源装置を提供することを目的とする。

この発明に係る無停電電源装置においては、常時は交流電源から直流出力側に直流コンデンサを接続したＰＷＭコンバータを介して直流電力を得るとともに、交流電源停電時は交流電源に代えて蓄電池から直流電力を得て、この直流電力をＰＭＷインバータにて交流電力に変換し、負荷給電を継続する無停電電源装置の停電復電時の起動において、無停電電源装置の入力を開閉する入力スイッチと、交流電源電圧を検出する電圧検出器と、ＰＷＭコンバータの高調波を除去する入力フィルタコンデンサと、入力フィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、交流電源停電時に、停電により入力スイッチが開放しその後復電した場合は入力フィルタコンデンサを交流電源と一致するようにＰＷＭコンバータを交流電圧制御し、入力スイッチ投入後に直流電圧制御に移行するコンバータ電圧制御手段とを備えたものである。

また、無停電電源装置の入力を開閉する入力スイッチと、交流電源電圧を検出する電圧検出器と、ＰＷＭコンバータの高調波を除去する入力フィルタコンデンサと、交流電源停電時に、停電により入力スイッチが開放しその後復電した場合は入力フィルタコンデンサを交流電源と一致するようにＰＷＭコンバータからフィルタコンデンサ充電電流を流し交流電圧を発生させ、入力スイッチ投入後に直流電圧制御に移行するコンバータ電圧制御手段を備えたものである。

また、無停電電源装置の入力を開閉する入力スイッチと、交流電源電圧を検出する電圧検出器と、ＰＷＭコンバータの高調波を除去する入力フィルタコンデンサと、入力フィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、停電により前記入力スイッチが開放し復電した場合は入力フィルタコンデンサを交流電源と一致するようにＰＷＭコンバータを交流電圧制御するとともに入力フィルタコンデンサの充電電流をフィードフォワード制御するように構成し、入力スイッチ投入後に直流電圧制御に移行するコンバータ電圧制御手段とを備えたものである。

この発明によれば、復電時、入力スイッチ投入前に入力フィルタコンデンサの電圧が交流電源電圧と一致しているため、入力スイッチ投入でも突入電流が流れなくなり、また、スイッチ投入後、すぐに直流電圧制御に切換えることから、蓄電池を過放電するようなこともないという効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における無停電電源装置の回路構成を示すブロック図、図２はこの発明の実施の形態１における無停電電源装置のコンバータの起動タイムチャートを示す図、図３はこの発明の実施の形態１における無停電電源装置のコンバータ電圧制御回路を示す構成図である。図において、１は交流電源、２は交流電源１を開閉する入力スイッチ、３は交流リアクトル、４は入力フィルタコンデンサ、５は交流フィルタリアクトルであり、入力フィルタコンデンサ４と交流フィルタリアクトル５のＬＣ回路によって高調波を除去する。６は交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータ、７は直流平滑コンデンサ、８は直流回路と蓄電池９を開閉する開閉器、１０は直流電力を交流電力に変換するＰＷＭインバータである。２０はＰＷＭコンバータ６の電流を検出する電流検出器、２１は直流回路の電圧を検出する電圧検出器、２２は交流電源１からの入力電圧を検出する電圧検出器、２３は入力フィルタコンデンサ４の電圧を検出する電圧検出器である。３０は直流電圧基準発生回路、３５はこの発明によるコンバータ電圧制御回路、３２はコンバータ電流制御回路、３３はＰＷＭ回路、３４は停電検出／位相検出回路である。この発明は図６に示す従来例に対し、入力フィルタコンデンサ４の電圧検出器２３を追加し、このフィードバック信号であるＶｃ−をＰＷＭコンバータ６のコンバータ電圧制御回路３５に入力するように構成したものである。

次に、この発明の動作について、図２に示すコンバータの起動タイムチャートを用いて説明する。停電中の動作は図８で示したタイムチャートと同一であるが、復電時の動作が異なる。復電時、入力スイッチ２の投入前にＰＷＭコンバータ６を運転する。このときのＰＷＭコンバータ６の制御モードは、図２に示したように、入力フィルタコンデンサ４の交流電圧制御を行い、その後入力スイッチ２を投入し、その後にＰＷＭコンバータ６の制御モードを通常運転である直流電圧制御に切換える。また、制御モード切換にあたっては、交流電圧制御から直流電圧制御にスムーズに移行する切換機能も合わせ持つものである。

次に、この発明のコンバータ電圧制御回路３５について図３により説明する。このコンバータ電圧制御回路３５では、図３に示すように、直流回路電圧Ｖdc-が直流電圧基準Ｖdc＊に追従するようにフィードバック制御を構成し、直流電圧制御器３５ａによって制御され、過大な電流とならないように電流リミッタ３５ｂを通してＰＷＭコンバータ６が流すべき電流基準Ｉｃ＊を発生する。ここで今、入力スイッチ２がＯＦＦ、すなわちＰＷＭコンバータ６が停止した場合は、電流基準を０にするようにスイッチ３５ｃが設けられている。そして、この発明では従来の直流電圧制御に入力フィルタコンデンサ４の交流電圧制御を追加している。交流電圧制御は、電圧制御器２２で検出された入力電源電圧Ｖｓ−に対しフィルタ回路３５ｄを通し高調波分を除去した電圧を基準電圧とし、電圧検出器２３で検出されたフィルタコンデンサ電圧Ｖｃ−をフィードバックとし、交流電圧制御器３５ｅに入力し制御を行う。この出力がＰＷＭコンバータ６のフィルタコンデンサ４への充電電流となるが、直流電圧制御時の電流極性とは逆極性となるため符号を変換し、この電流指令に対し可変の電流リミッタ３５ｆを通し、直流電圧制御出力からの電流基準と加算し、最終的な電流リミッタ３５ｂに通した後、ＰＷＭコンバータの電流基準Ｉｃ＊を生成する。ここで、交流電圧制御の可変電流リミッタ３５ｆはフィルタコンデンサ４の充電電流分と回路電力損失などを含めた小さな値で良い。次に、入力スイッチ２の投入後、直流電圧制御が活きるが、それと同時に交流電圧制御の可変電流リミッタ３５ｆをランプ機能により零まで絞ることによって、交流電圧制御から直流電圧制御へスムーズに移行するようにしている。以上により、復電時の入力スイッチ投入前に既に入力フィルタコンデンサ４は交流電源１と同一の電圧となっているため、入力スイッチを投入しても入力フィルタコンデンサへの突入電流を抑制することができるとともに、入力スイッチ投入後はＰＷＭコンバータが直流電圧制御にスムーズに移行するため、交流電源に対し擾乱を与えることがない。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２における無停電電源装置のコンバータ電圧制御回路を示す構成図である。
この実施の形態２では、上記実施の形態１で示した入力フィルタコンデンサ４の電圧検出器２３を不要としている。フィルタコンデンサ４の容量成分（ωＣ）は既知であるため、この容量成分と入力電源電圧Ｖs-により、入力フィルタコンデンサ４に対してωＣ・Ｖs−の充電電流をフィードフォワード制御しＰＷＭコンバータで流すことにより、フィルタコンデンサは入力電源電圧とほぼ同一となり、実施の形態１で示した入力スイッチ投入前にフィルタコンデンサ４の電圧Ｖcを入力電源電圧Ｖsと等しくすることが可能となり、実施の形態１と同様の効果を得ることが出来る。このωＣ・Ｖs-の電流は無効分であり、常時の直流電圧制御においても影響することがないため、制御モード切換によらず常時追加することが出来る。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３における無停電電源装置のコンバータ電圧制御回路を示す構成図である。
この実施の形態３では、実施の形態１で示した入力フィルタコンデンサ４の電圧検出器２３を用い入力フィルタコンデンサ４を交流電圧制御するとともに、実施の形態２で示したフィルタコンデンサ充電電流（ωＣ・Ｖs−）のフィードフォワード制御を併用することにより、交流電圧制御器３５ｅは回路電力損失分やフィルタ回路定数のバラツキを抑える程度の働きで良いため、可変リミッタ３５ｆのレベルを実施の形態１に対してより低く設定することが出来、可変リミッタレベルの設計や交流電圧制御から直流電圧制御への切換がよりスムーズに動作する特徴があり、実施の形態１と同様の効果を得ることが出来る。

この発明の実施の形態１における無停電電源装置の回路構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１における無停電電源装置のコンバータの起動タイムチャートを示す図である。この発明の実施の形態１における無停電電源装置のコンバータ電圧制御回路を示す構成図である。この発明の実施の形態２における無停電電源装置のコンバータ電圧制御回路を示す構成図である。この発明の実施の形態３における無停電電源装置のコンバータ電圧制御回路を示す構成図である。従来の無停電電源装置の回路構成を示すブロック図である。従来の無停電電源装置のコンバータ電圧制御回路を示す構成図である。従来の無停電電源装置のコンバータの起動タイムチャートを示す図である。

符号の説明

１交流電源
２入力スイッチ
３交流リアクトル
４入力フィルタコンデンサ
５交流フィルタリアクトル
６ＰＷＭコンバータ
７直流平滑コンデンサ
８開閉器
９蓄電池
１０ＰＷＭインバータ
２０電流検出器
２１、２２、２３電圧検出器
３０直流電圧基準発生回路
３１コンバータ電圧制御回路
３１ａ直流電圧制御器
３１ｂ電流リミッタ
３１ｃスイッチ
３２コンバータ電流制御回路
３３ＰＷＭ回路
３４停電検出／位相検出回路
３５負荷平均電流
３５コンバータ電圧制御回路
３５ａ直流電圧制御器
３５ｂ電流リミッタ
３５ｃスイッチ
３５ｄフィルタ
３５ｅ交流電圧制御器
３５ｆ可変電流リミッタ

Claims

常時は交流電源から直流出力側に直流コンデンサを接続したＰＷＭコンバータを介して直流電力を得るとともに、交流電源停電時は交流電源に代えて蓄電池から直流電力を得て、この直流電力をＰＭＷインバータにて交流電力に変換し、負荷給電を継続する無停電電源装置の停電復電時の起動において、
無停電電源装置の入力を開閉する入力スイッチと、交流電源電圧を検出する電圧検出器と、ＰＷＭコンバータの高調波を除去する入力フィルタコンデンサと、前記入力フィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、交流電源停電時に、停電により前記入力スイッチが開放しその後復電した場合は前記入力フィルタコンデンサを交流電源と一致するようにＰＷＭコンバータを交流電圧制御し、前記入力スイッチ投入後に直流電圧制御に移行するコンバータ電圧制御手段とを備えたことを特徴とする無停電電源装置。
常時は交流電源から直流出力側に直流コンデンサを接続したＰＷＭコンバータを介して直流電力を得るとともに、交流電源停電時は交流電源に代えて蓄電池から直流電力を得て、この直流電力をＰＭＷインバータにて交流電力に変換し、負荷給電を継続する無停電電源装置の停電復電時の起動において、
無停電電源装置の入力を開閉する入力スイッチと、交流電源電圧を検出する電圧検出器と、ＰＷＭコンバータの高調波を除去する入力フィルタコンデンサと、交流電源停電時に、停電により前記入力スイッチが開放しその後復電した場合は前記入力フィルタコンデンサを交流電源と一致するようにＰＷＭコンバータからフィルタコンデンサ充電電流を流し交流電圧を発生させ、前記入力スイッチ投入後に直流電圧制御に移行するコンバータ電圧制御手段を備えたことを特徴とする無停電電源装置。
常時は交流電源から直流出力側に直流コンデンサを接続したＰＷＭコンバータを介して直流電力を得るとともに、交流電源停電時は交流電源に代えて蓄電池から直流電力を得て、この直流電力をＰＭＷインバータにて交流電力に変換し、負荷給電を継続する無停電電源装置の停電復電時の起動において、
無停電電源装置の入力を開閉する入力スイッチと、交流電源電圧を検出する電圧検出器と、ＰＷＭコンバータの高調波を除去する入力フィルタコンデンサと、前記入力フィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、停電により前記入力スイッチが開放し復電した場合は入力フィルタコンデンサを交流電源と一致するようにＰＷＭコンバータを交流電圧制御するとともに入力フィルタコンデンサの充電電流をフィードフォワード制御するように構成し、入力スイッチ投入後に直流電圧制御に移行するコンバータ電圧制御手段とを備えたことを特徴とする無停電電源装置。