JP2007215344A - 無停電電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】過渡電流抑制用のリアクトルの定格電流およびインダクタンス値を小さくしてＵＰＳ間の無瞬断切換えで負荷に給電できる。
【解決手段】２台のＵＰＳ１１、１２は、無瞬断切換えに際し、周波数／電圧制御部１１Ｇ、１２Ｇでインバータ１１Ｃ、１２Ｃの周波数および電圧をバイパス入力に合わせることで横流を大幅に抑制する。この横流抑制に際し、ＵＰＳの制御応答時間、制御精度のバラツキにより、両無停電電源装置間の周波数と電圧に差が生じて過渡的に発生する小電流の横流を、ＵＰＳの交流出力に直列に介挿するリアクトル１１Ｊ、１２Ｊで抑制する。両ＵＰＳの交流出力をオーバラップ切換器１３ａ〜１３ｎの切換入力とするときに、インバータとバイパス入力との同期運転要求を周波数／電圧制御部に与え、この同期運転の確立でオーバラップ切換器へ切換指令を与えるシーケンス制御手段を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数台の無停電電源装置から無瞬断切換えで負荷に給電する無停電電源システムに係り、特に無瞬断切換えによる電源間の横流防止に関する。

この種の無停電電源システムは、瞬間的な停電も許されないコンピュータ等の負荷に給電する場合に適用されるものであり、常用の無停電電源装置（以下、ＵＰＳと呼ぶ）と予備のＵＰＳを設備し、負荷には常用ＵＰＳから給電し、常用ＵＰＳの保守点検や故障発生時に常用ＵＰＳから予備ＵＰＳに無瞬断で切換えて負荷に給電可能にする。

図３は、従来の無瞬断切換えによる無停電電源システムの概略構成図である（例えば、特許文献１参照）。常用ＵＰＳ１および予備ＵＰＳ２は、同等の主回路構成にされ、商用の交流電源ＡＣから直流電力を得るコンバータ（整流器）１Ａ，２Ａと、この直流電力または蓄電池１Ｂ，２Ｂを電源として交流電源と同じ周波数の交流電力に変換するインバータ１Ｃ、２Ｃとによって負荷３への給電出力を得る。

常用ＵＰＳ１は、バイパス切換回路を設ける。この切換えは、半導体スイッチとしてのサイリスタスイッチ４Ａによる高速切換えと、これに続いて選択接触器４Ｂによる切換えを行う。同様に、予備ＵＰＳ２は、サイリスタスイッチ５Ａと選択接触器５Ｂによるバイパス切換回路を設ける。サイリスタスイッチ６Ａ、６Ｂは常用ＵＰＳ１のバイパス電源を交流電源ＡＣとするか、予備ＵＰＳ２とするかの切換えを行う。

なお、常用ＵＰＳ１から予備ＵＰＳ２への無瞬断切換え、または常用ＵＰＳ１，２での交流電源ＡＣへの切換えには、両ＵＰＳ１，２を共に交流電源ＡＣの周波数に合わせておく位相同期制御を実行しておく。

また、特許文献１では、常用ＵＰＳ１は複数台設備し、１台の予備ＵＰＳ２を各常用ＵＰＳの共通の予備電源としている。
特開２００５−２１８２００号公報

従来の無停電電源システムにおいて、常用ＵＰＳ１から予備ＵＰＳ２への無瞬断切換え、または常用ＵＰＳ１から交流電源ＡＣへの無瞬断切換えには、両電源の交流出力を並列入力とし、一方の電源からの交流出力に他方の電源からの交流出力を重畳させたオーバーラップ期間を有して一方の電源の交流出力から他方の電源の交流出力に切換えて負荷に給電することになる。このオーバーラップ期間には、両ＵＰＳ１とＵＰＳ２の間、またはＵＰＳ１と交流電源ＡＣとの間に横流が発生し、インバータの過電流故障等に至る場合がある。

そこで、図３の構成では、サイリスタスイッチ４Ａに直列にリアクトル７を介挿しておき、常用ＵＰＳ１と予備ＵＰＳ２間の横流を防止している。

しかしながら、ＵＰＳ１，２の制御応答時間や制御精度に無関係に、リアクトル７による過渡電流の限流作用のみで横流を抑制し、ひいてはインバータの過電流を防止するため、確実な限流効果を得るにはリアクトル７には定格電流が大きくかつインダクタンス値の大きなものが必要となり、ＵＰＳの大型化、コストアップになる問題がある。

本発明の目的は、過渡電流抑制用のリアクトルの定格電流およびインダクタンス値を小さくしてＵＰＳ間の無瞬断切換えで負荷に給電できる無停電電源システムを提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、無停電電源装置間の無瞬断切換えに際し、両無停電電源装置にはその交流出力の周波数をバイパス入力周波数に合わせる周波数制御（位相同期制御）、および電圧をバイパス入力電圧に一致させる電圧調整制御をしておき、両無停電電源装置間の横流発生を大幅に抑制する。さらに、周波数制御と電圧調整制御による横流抑制に際し、無停電電源装置の制御応答時間、制御精度のバラツキにより、両無停電電源装置間の周波数と電圧に差が生じて過渡的に横流が発生するのを、両無停電電源装置の交流出力に直列に介挿するリアクトルで抑制するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）複数台の無停電電源装置から無瞬断切換えで負荷に給電する無停電電源システムであって、
前記各無停電電源装置は、インバータの交流出力とバイパス入力を切換えるバイパス切換回路と、前記インバータの交流出力に直列に介挿して過渡的な横流を抑制するリアクトルと、前記インバータの交流出力の周波数および電圧を前記バイパス入力に合わせる周波数／電圧制御部とを設け、
前記各無停電電源装置のうちの２台の無停電電源装置の交流出力を並列入力とし、一方の無停電電源装置からの交流出力に他方の無停電電源装置からの交流出力を重畳させたオーバラップ期間を有して該一方の無停電電源装置の交流出力から他方の無停電電源装置の交流出力に切換えて負荷に給電するオーバラップ切換器と、
前記２台の無停電電源装置の交流出力を前記オーバラップ切換器に並列入力するときに、前記インバータの周波数および電圧を前記バイパス入力に一致させる同期運転要求を前記周波数／電圧制御部に与え、該周波数／電圧制御部による同期運転の確立で前記オーバラップ切換器へ切換指令を与えるシーケンス制御手段とを備えたことを特徴とする。

（２）前記シーケンス制御手段は、
前記同期運転要求を保持して前記２台の無停電電源装置用の制御シーケンス回路にそれぞれ同期運転指令を与え、
前記両制御シーケンス回路は、それぞれ前記周波数／電圧制御部による前記インバータ運転の確立後、インバータの周波数および電圧合わせが許容値内に収束した電圧合わせ完了で同期運転中信号を出力し、
前記両制御シーケンス回路が共に同期運転中にあると判定したときに前記オーバラップ切換器に対するオーバラップ切換可の出力を得、当該オーバラップ切換器からオーバラップ切換完了の知らせがあったときに前記保持をリセットする、
ことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、以下の効果がある。

（１）ＵＰＳ間の無瞬断切換えに際し、ＵＰＳの周波数制御（位相同期制御）および電圧調整制御をしておくことで横流発生を大幅に抑制できる。

（２）ＵＰＳの周波数制御と電圧調整制御にも、ＵＰＳの制御応答時間、制御精度のバラツキにより、両ＵＰＳ間の周波数と電圧に差が生じて過渡的に発生する横流には、両ＵＰＳの交流出力に介挿するリアクトルで抑制することができる。このとき、リアクトルに流れる電流は、ＵＰＳの周波数制御と電圧調整制御との協働により許容値内の小電流になり、リアクトルの定格電流およびインダクタンス値の小さいもの、すなわち小型で安価なもので済む。さらに、リアクトルは定常時の電圧低下および電力損失にほとんど影響することはない。

（３）ＵＰＳの主回路構成および制御シーケンスは、ＵＰＳ毎に大部分が同じ構成になり、その設計、製作に汎用性を高めることができる。

図１は、本発明の実施形態を示す無停電電源システムの主回路及び制御回路構成図である。同図中、１号と２号の無停電電源装置（ＵＰＳ）１１、１２は、図３における常用ＵＰＳ１、予備ＵＰＳ２に対応するものとして示す。

ＵＰＳ１１、１２の主回路には、コンバータ１１Ａ、１２Ａと、蓄電池１１Ｂ、１２Ｂと、インバータ１１Ｃ、１２Ｃを備え、さらにインバータの出力側には出力トランス１１Ｄ、１２Ｄを備える。これらの交流入力は、商用の交流電源（図示省略）から交流電力を取り込む。また、バイパス入力は商用の交流電源または自家発電設備などの他の交流電源とする。

ＵＰＳ１１、ＵＰＳ１２のバイパス切換回路は、サイリスタスイッチ１１Ｅ、１２Ｅと、選択接触器１１Ｆ、１２Ｆによってバイパス入力側への高速切換えを可能にする。

ＵＰＳ１１、ＵＰＳ１２の制御回路は、ハードウェア構成またはマイクロコンピュータとそれに搭載するソフトウェア構成にされ、周波数／電圧制御部１１Ｇ、１２Ｇにはインバータ１１Ｃ、１２Ｃの周波数一定制御および電圧一定制御機能を設ける。この周波数一定制御にはバイパス入力波形を変成器１１Ｈ、１２Ｈで検出し、この入力波形の周波数および位相に同期させた制御出力を得る。電圧一定制御には、インバータ１１Ｃ、１２Ｃの出力電圧を変成器１１Ｉ、１２Ｉで検出し、この検出電圧をフィードバック信号としてインバータ１１Ｃ、１２Ｃの出力電圧を設定電圧またはバイパス入力電圧に一致させた制御出力を得る。なお、電圧一定制御にはコンバータ１１Ａ，１２Ａ側で制御することでもよい。

以上の構成に加えて、本実施形態では、以下の機能構成によって過渡電流抑制用のリアクトルの定格電流およびインダクタンス値を小さくしてＵＰＳ間の無瞬断切換えで負荷に給電できるようにする。

（１）ＵＰＳ間の無瞬断切換えに際し、両ＵＰＳにはその交流出力の周波数をバイパス入力周波数に合わせる周波数制御（位相同期制御）、および電圧をバイパス入力電圧に一致させる電圧調整制御をしておき、両ＵＰＳ間の横流発生を抑制する。

（２）ＵＰＳの周波数制御と電圧調整制御にも、ＵＰＳの制御応答時間、制御精度のバラツキにより、両ＵＰＳ間の周波数と電圧に差が生じて過渡的に発生する横流には、両ＵＰＳの交流出力に介挿するリアクトルで抑制する。

（３）ＵＰＳは、オーバラップ無瞬断切換のための同期運転の要求が与えられることで、ＵＰＳの出力周波数および出力電圧をバイパス入力に一致させる同期運転制御を行い、この制御をオーバラップ切換器による切換完了まで継続する制御シーケンサを設ける。

（４）制御シーケンサは、ＵＰＳの周波数制御および電圧調整制御がバイパス入力の周波数および電圧に対して許容値内に収束したことを条件に同期運転中として出力する。

（５）オーバラップ切換器は、両ＵＰＳの制御シーケンサが共に同期運転中を出力したことを条件にオーバラップ切換えを行う。

以上の機能を実現するため、本実施形態では、ＵＰＳ１１、ＵＰＳ１２には、バイパス切換回路を経た出力端にリアクトル１１Ｊ、１２Ｊを直列に設け、これらリアクトル１１Ｊ、１２Ｊを通した交流出力はｎ個のオーバラップ切換器１３ａ〜１３ｎの切換入力にし、オーバラップ切換器１３ａ〜１３ｎによりオーバラップ期間を有して負荷ａ〜ｎに給電する。

オーバラップ切換えには、オーバラップ切換器１３ａ〜１３ｎの１つから周波数／電圧制御部１１Ｇ、１２Ｇに同期運転要求を発生し、周波数／電圧制御部１１Ｇ、１２Ｇによりバイパス入力との同期運転（ＵＰＳ１１とＵＰＳ１２間の同期運転）が確立したことを論理積構成の判定回路１４に得られたときに当該オーバラップ切換器（１３ａ〜１３ｎ）へ切換制御出力を発生する。なお、同期運転要求はオーバラップ切換器から与えることに限らず、運転員の操作指令として発生することでもよい。

図２は、上記のオーバラップ切換え、すなわちＵＰＳ１１とＵＰＳ１２の交流出力を無瞬断で負荷へ給電するための制御フローチャートを示し、この制御には例えば制御部１１Ｇ、１２Ｇに内蔵するシーケンサとして実現する。同図中、波線ブロックＡ、Ｂで示す部分は、ＵＰＳ１１用とＵＰＳ１２用のシーケンスを示す。

図２において、オーバラップ切換器からの同期運転要求が与えられたとき、この要求を保持回路（フリップフロップ）２１で保持し、ＵＰＳ１１とＵＰＳ１２用の制御シーケンス回路Ａ，Ｂにそれぞれ同期運転指令を与える。

制御シーケンス回路Ａ、Ｂでは、同期運転指令が与えられたとき、並行して制御を開始し、ＵＰＳ１１とＵＰＳ１２の周波数／電圧制御部１１Ｇ、１２Ｇにインバータ運転を開始させると共に周波数合わせ制御を開始させ、インバータ運転の確立後、周波数合わせ制御中に電圧合わせ制御を開始する。この周波数および電圧が許容値内に収束したことを条件とする電圧合わせ完了で同期運転中信号を出力する。

両制御シーケンス回路Ａ、Ｂが共に同期運転中のとき、論理積構成の判定回路２２から同期運転要求したオーバラップ切換器に対するオーバラップ切換可の出力を得、当該オーバラップ切換器からオーバラップ切換完了の知らせ（同期運転要求解除）があったときに保持回路２１をリセットして同期運転したオーバラップ切換えを終了する。

以上の構成にした無停電電源システムによれば、以下の機能を有してＵＰＳ１１，１２の無瞬断切換えで負荷に給電できる。

（Ａ）ＵＰＳ１１，１２は、無瞬断切換えで負荷に給電する際、バイパス入力の周波数に合わせる制御（位相同期制御）の実行に加えて、バイパス入力の電圧に合わせる制御（電圧調整制御）を行う。この位相同期制御と電圧調整制御の併用により、ＵＰＳ１１とＵＰＳ１２の交流出力をオーバラップさせた時の横流発生を大幅に抑制できる。

（Ｂ）ＵＰＳ１１，１２の交流出力のオーバラップ時に、両ＵＰＳ１１，１２の制御応答時間、制御精度のバラツキにより周波数や電圧に差が生じた場合、過渡的に横流が発生するが、この過渡的な横流に対してはリアクトル１１Ｊ、１２Ｊにより抑制する。このリアクトル１１Ｊ、１２Ｊによる横流抑制は、ＵＰＳの周波数制御と電圧調整制御により横流が抑制されており、かつ短時間（例えば、３０ｍｓ以内）であるため、リアクトル１１Ｊ、１２Ｊの定格電流およびインダクタンス値が小さいもので済み、ＵＰＳの大型化、コストアップにはならない。

（Ｃ）リアクトル１１Ｊ、１２Ｊのインダクタンス値Ｌとしては、具体的には１６μＨ程度で済み、系統周波数ｆに対するインピーダンス２πｆＬ（＝３１４×１６×１０^-6Ω）と小さく、ＵＰＳ１１，１２ではオーバラップ時以外の単独運転でリアクトル１１Ｊ、１２Ｊによる出力電圧低下、電力損失への影響は極めて小さくなる。

なお、実施形態では２台のＵＰＳ間の無瞬断切換えを示すが、３台以上のＵＰＳによる無瞬断切換えや商用電源とＵＰＳの無瞬断切換えに適用できる。

本発明の実施形態を示す無停電電源システムの主回路及び制御回路構成図。 実施形態における無瞬断切換え制御フローチャート。 従来の無停電電源システムの概略構成図。

符号の説明

１１、１２ 無停電電源装置（ＵＰＳ）
１１Ａ、１２Ｂ コンバータ
１１Ｂ、１２Ｂ 蓄電池
１１Ｃ、１２Ｃ インバータ
１１Ｅ、１２Ｅ サイリスタスイッチ
１１Ｆ、１２Ｆ 選択接触器
１１Ｇ、１２Ｇ 周波数／電圧制御部
１１Ｊ、１２Ｊ リアクトル
１３ａ〜１３ｎ オーバラップ切換器
１４ 判定回路
２１ 保持回路
２２ 判定回路

Claims (2)

1. 複数台の無停電電源装置から無瞬断切換えで負荷に給電する無停電電源システムであって、
   前記各無停電電源装置は、インバータの交流出力とバイパス入力を切換えるバイパス切換回路と、前記インバータの交流出力に直列に介挿して過渡的な横流を抑制するリアクトルと、前記インバータの交流出力の周波数および電圧を前記バイパス入力に合わせる周波数／電圧制御部とを設け、
   前記各無停電電源装置のうちの２台の無停電電源装置の交流出力を並列入力とし、一方の無停電電源装置からの交流出力に他方の無停電電源装置からの交流出力を重畳させたオーバラップ期間を有して該一方の無停電電源装置の交流出力から他方の無停電電源装置の交流出力に切換えて負荷に給電するオーバラップ切換器と、
   前記２台の無停電電源装置の交流出力を前記オーバラップ切換器に並列入力するときに、前記インバータの周波数および電圧を前記バイパス入力に一致させる同期運転要求を前記周波数／電圧制御部に与え、該周波数／電圧制御部による同期運転の確立で前記オーバラップ切換器へ切換指令を与えるシーケンス制御手段とを備えたことを特徴とする無停電電源システム。
2. 前記シーケンス制御手段は、
   前記同期運転要求を保持して前記２台の無停電電源装置用の制御シーケンス回路にそれぞれ同期運転指令を与え、
   前記両制御シーケンス回路は、それぞれ前記周波数／電圧制御部による前記インバータ運転の確立後、インバータの周波数および電圧合わせが許容値内に収束した電圧合わせ完了で同期運転中信号を出力し、
   前記両制御シーケンス回路が共に同期運転中にあると判定したときに前記オーバラップ切換器に対するオーバラップ切換可の出力を得、当該オーバラップ切換器からオーバラップ切換完了の知らせがあったときに前記保持をリセットする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源システム。
   

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