JP2019149897A - 無停電電源装置およびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】交流電源停電時においても、別途インバータを設ける事無く、交流側に接続された交流機器を継続して動作させることが可能な3レベル電力変換装置を提供する。【解決手段】無停電電源装置100は、交流電源1から供給される交流電力を変換し、負荷に直流電力を供給するPWMコンバータ5と、交流電源とPWMコンバータとの間に介挿される開閉器2と、交流電源の交流電力で動作し、開閉器とPWMコンバータとの間に接続される交流機器と、PWMコンバータの出力側に接続され、交流電源の停電時に負荷7に直流電力を供給する蓄電装置6と、PWMコンバータ、開閉器及び蓄電装置を制御する制御部と、を備える。制御部は、交流電源の停電が発生した場合、開閉器を開くとともに、PWMコンバータが蓄電装置からの直流電力を交流電力に変換して交流機器に交流電力を供給するように制御する。【選択図】図1
Description
交流電源から直流負荷へ給電させるための無停電電源装置(以下、直流電源装置)として、図6に示す直流電源装置200がある。直流電源装置200は、入力側が交流電源1に、出力側が直流負荷7に接続されている。直流電源装置200は、開閉器2、交流電力で動作する冷却ファン等の交流駆動機器3、サイリスタ等の半導体素子で構成される電力変換回路を含むコンバータ5、蓄電装置6、制御装置8を含む。交流電源1とコンバータ5の間には、開閉器2が介挿され、開閉器2とコンバータ5との間には、交流駆動機器3が接続されている。また、直流電源装置200と直流負荷7との間にはバッテリ等の蓄電装置6が接続されている。ここでは交流駆動装置3は、コンバータ5または蓄電装置6を冷却する冷却ファンである。制御装置8は、コンバータ5、開閉器2、交流駆動機器3、蓄電装置6を図示しない信号線にて制御する。
交流電源1が正常な場合、直流電源装置200は、開閉器2は閉じられ、交流電源1とコンバータ5および交流駆動機器3に交流電力を供給する。コンバータ5は交流電力を直流電力に変換して、蓄電装置6を充電するとともに直流負荷7に供給する。
交流電源1に停電が発生した場合、直流電源装置200は、制御装置8で異常発生を判断し、開閉器2を遮断する。またコンバータ5を停止し、蓄電装置6に充電した直流電力を放電し、直流負荷5に供給する。
交流電源1が正常な場合、直流電源装置200は、開閉器2は閉じられ、交流電源1とコンバータ5および交流駆動機器3に交流電力を供給する。コンバータ5は交流電力を直流電力に変換して、蓄電装置6を充電するとともに直流負荷7に供給する。
交流電源1に停電が発生した場合、直流電源装置200は、制御装置8で異常発生を判断し、開閉器2を遮断する。またコンバータ5を停止し、蓄電装置6に充電した直流電力を放電し、直流負荷5に供給する。
しかしながら、交流電源1に停電が発生した場合、交流駆動機器3への電力供給が停止してしまうため、コンバータまたは蓄電装置の冷却ができない状態となってしまう。
これに対して、蓄電装置6から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータを別途設けて交流駆動機器3に供給する手段、または交流駆動機器3を直流対応の機器に変更する等の手段がとられる。しかし、別途インバータを設けてしまうと、直流電源装置200に新たに設置スペースが必要であり、装置自体が大型化してしまう。さらに別途設けたインバータの冷却も必要となってしまう。また、交流駆動機器3を直流電力対応の機器に変更しても、選択できる機器が限定されてしまい、大容量化が困難となってしまう。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、交流電源停電時においても、別途インバータを設ける事無く交流駆動機器を継続して動作させることが可能な3レベル電力変換装置を提供することである。
これに対して、蓄電装置6から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータを別途設けて交流駆動機器3に供給する手段、または交流駆動機器3を直流対応の機器に変更する等の手段がとられる。しかし、別途インバータを設けてしまうと、直流電源装置200に新たに設置スペースが必要であり、装置自体が大型化してしまう。さらに別途設けたインバータの冷却も必要となってしまう。また、交流駆動機器3を直流電力対応の機器に変更しても、選択できる機器が限定されてしまい、大容量化が困難となってしまう。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、交流電源停電時においても、別途インバータを設ける事無く交流駆動機器を継続して動作させることが可能な3レベル電力変換装置を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明は以下の技術的特徴を有する。
交流電源から供給される交流電力を変換し、負荷に直流電力を供給するPWMコンバータと、前記交流電源と前記PWMコンバータとの間に介挿される開閉器と、前記交流電源から供給される交流電力で動作し、前記開閉器と前記PWMコンバータとの間に接続される交流駆動機器と、前記双方コンバータの出力側に接続され、前記交流電源の停電時に前記負荷に直流電力を供給するバッテリと、前記PWMコンバータ、前記開閉器および前記バッテリを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記交流電源の停電が発生した場合、前記開閉器を開くとともに、前記PWMコンバータが前記バッテリからの直流電力を交流電力に変換して前記交流駆動機器に交流電力を供給するように制御することを特徴とする直流給電型無停電電源装置である。
上記のような構成とすることで、交流電源1に異常が発生した場合においても、交流駆動機器に別途インバータを設ける必要がなく、冷却ファン等の交流駆動機器3の継続動作可能となる。また、PWMコンバータの停止から開閉器の再投入までの間に所定の期間を設けることで、交流駆動機器3内部の残留エネルギーを消費させ、交流電源1への突入電流を抑制することができる。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1〜図5を参照して、本発明の実施形態による直流電源装置100の構成について説明する。図7に示した従来の直流電源200と同様の箇所は、同じ番号を付与している
図1に示すように、直流電源100は、PWMコンバータ5、蓄電装置6、交流駆動機器3の他に、第1の電圧検出部21、第2の電圧検出部22、第1の電流検出部23、交流フィルタ4、第2の電流検出部24、第3の電圧検出部25、第3の電流検出部26、を備える。
図1に示すように、直流電源100は、PWMコンバータ5、蓄電装置6、交流駆動機器3の他に、第1の電圧検出部21、第2の電圧検出部22、第1の電流検出部23、交流フィルタ4、第2の電流検出部24、第3の電圧検出部25、第3の電流検出部26、を備える。
PWMコンバータ5は、入力側が交流電源に接続され、出力側は直流負荷7に接続されている。PWMコンバータ5と交流電源1との間には、開閉器2が介挿され、開閉器2とPWMコンバータ5との間には交流駆動機器3と入力フィルタ4が接続されている。また、PWMコンバータ5と直流負荷7との間には、蓄電装置6が接続されている。また、制御装置8は、図示しない信号線により、開閉器2、交流駆動機器3、PWMコンバータ5、蓄電装置6を制御する。開閉器2の交流電源1側には、交流第1の電圧検出部21が設けられ、他方側には交流第2の電圧検出部22が設けられている。また入力フィルタ4への入力電流を検出する第1の電流検出部23が設けられている。加えて蓄電装置6への電流を検出する第2の電流検出部24、直流負荷7への負荷電流と電圧を検出する第3の電流検出部26と第3の電圧検出部25が設けられている。
PWMコンバータ5はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体素子を含む電力変換回路を備え、半導体素子のオンオフにより上記電力を変換している。半導体素子のオンオフは後述する制御装置8により制御される。なお、電力変換回路は3レベルの電力変換器であってもよい
交流駆動機器3は、PWMコンバータ5を冷却するための冷却ファンを含むが、これに限らず交流電力にて動作する装置であればよい。本実施形態では、交流駆動機器3は、PWMコンバータ5、蓄電装置6を冷却するための冷却ファンである。
交流フィルタ4は、リアクトル4a、コンデンサ4bを備え、交流電源1またはPWMコンバータ5からの高調波電流を低減する。
交流駆動機器3は、PWMコンバータ5を冷却するための冷却ファンを含むが、これに限らず交流電力にて動作する装置であればよい。本実施形態では、交流駆動機器3は、PWMコンバータ5、蓄電装置6を冷却するための冷却ファンである。
交流フィルタ4は、リアクトル4a、コンデンサ4bを備え、交流電源1またはPWMコンバータ5からの高調波電流を低減する。
制御装置8は、PWMコンバータ5、開閉器2、交流駆動機器3を制御するように構成されている。本実施形態において、制御装置8は、PWMコンバータ5をコンバータ運転モードとインバータ運転モードに切り替え可能に構成されている。コンバータ運転モードとは交流電源1の交流電力を直流電力へ変換するモードであり、インバータ運転モードとは直流電力を交流電力に変換するモードである。
<直流電源100の動作>
まず交流電源1が健全な場合、直流電源100は、開閉器2を閉じ、交流電源1から交流電力の供給を受けている。PWMコンバータ5は、供給された交流電力を直流電力に変換し、直流電力を蓄電装置6へ充電するとともに、直流負荷7へ供給する。なお、直流電源100は、蓄電装置6とPWMコンバータ5の出力線との間に直流-直流変換器を設けても良い。直流-直流変換器は、蓄電装置6の出力電圧を昇圧してPWMコンバータ5の出力側に供給する。また、直流-直流変換器は、PWMコンバータ5の出力電圧を降圧して、蓄電装置6を充電する。直流-直流変換器を設けることで、PWMコンバータ5の出力電圧を安定させることができるだけなく、蓄電装置6の容量を小さくすることができるため直流電源100における蓄電装置6の占有容量を抑制することができる。
まず交流電源1が健全な場合、直流電源100は、開閉器2を閉じ、交流電源1から交流電力の供給を受けている。PWMコンバータ5は、供給された交流電力を直流電力に変換し、直流電力を蓄電装置6へ充電するとともに、直流負荷7へ供給する。なお、直流電源100は、蓄電装置6とPWMコンバータ5の出力線との間に直流-直流変換器を設けても良い。直流-直流変換器は、蓄電装置6の出力電圧を昇圧してPWMコンバータ5の出力側に供給する。また、直流-直流変換器は、PWMコンバータ5の出力電圧を降圧して、蓄電装置6を充電する。直流-直流変換器を設けることで、PWMコンバータ5の出力電圧を安定させることができるだけなく、蓄電装置6の容量を小さくすることができるため直流電源100における蓄電装置6の占有容量を抑制することができる。
制御装置8は、PWMコンバータ5をコンバータ運転モードで運転する。制御装置8は、第3の電圧検出部25で検出した出力電圧VDCまたは第3の電流検出部26で検出したIoutに基づいて、PWMコンバータ5を制御している。
図2は、交流電源1が健全な場合における第1の電圧検出部21、第2の電圧検出部22、第1の電流検出部23、第2の電流検出部24、第3の電圧検出部25、第3の電流検出部26の検出波形を示している。
図2は、交流電源1が健全な場合における第1の電圧検出部21、第2の電圧検出部22、第1の電流検出部23、第2の電流検出部24、第3の電圧検出部25、第3の電流検出部26の検出波形を示している。
図2は、交流電源1から供給される電流と電圧の各位相と周波数が、同一の場合を示している。このとき制御装置8は、蓄電装置6の充電電流Ibatを第2の電流検出部24による検出結果に基づき一定となるように制御している
次に、交流電源1に停電が発生した場合を説明する。交流電源1に停電が発生した場合、制御装置8は、開閉器2を遮断し、PWMコンバータ5の動作を停止させる。さらに制御装置8は、蓄電装置6から直流負荷7への電力の供給を開始させる。なお、交流電源1の停電発生は、制御装置8が、電圧検出器21または22で検出した電圧が正常範囲から逸脱したか否かで判断する。
次に、交流電源1に停電が発生した場合を説明する。交流電源1に停電が発生した場合、制御装置8は、開閉器2を遮断し、PWMコンバータ5の動作を停止させる。さらに制御装置8は、蓄電装置6から直流負荷7への電力の供給を開始させる。なお、交流電源1の停電発生は、制御装置8が、電圧検出器21または22で検出した電圧が正常範囲から逸脱したか否かで判断する。
図3は、交流電源1に停電が発生したときの第1の電圧検出部21、第2の電圧検出部22、第1の電流検出部23、第2の電流検出部24、第3の電圧検出部25、第3の電流検出部26の検出波形を示している。
時点t1で交流電源1の停電が発生し、停電発生を検知した制御装置8は、開閉器2へ遮断を指令し、PWMコンバータ5の動作を停止させるとともに、蓄電装置6から直流負荷7への電力供給を開始させる。さらに制御装置8は、第2の電圧検出部22にてVrecまたは第1の電流検出部23にてIrecが零になった時点t2から、Vrecが第1の所定時間(確認時限)の間で、電圧の極性がなく電圧が印可されていない状態(無電圧)であることを確認する。制御装置8は、Vrecが無電圧であることを確認した後、時点t3において、PWMコンバータ5をインバータ運転モードに切り替えて、蓄電装置6から供給される直流電力を交流電力に変換し、交流駆動機器3に交流電力を供給する。これにより交流駆動機器3は動作が再開する。図3では、PWMコンバータ5は、交流駆動機器3に必要な電力のみ供給するため、時点t3における第1の電流検出部23の電流波形は逆位相でかつ振幅が小さくなっている。本実施形態では、第1の電流検出部23の電流波形の振幅は小さくなっているが、交流駆動機器3の必要電力によるため、振幅は大きくなっていても構わない。
時点t1で交流電源1の停電が発生し、停電発生を検知した制御装置8は、開閉器2へ遮断を指令し、PWMコンバータ5の動作を停止させるとともに、蓄電装置6から直流負荷7への電力供給を開始させる。さらに制御装置8は、第2の電圧検出部22にてVrecまたは第1の電流検出部23にてIrecが零になった時点t2から、Vrecが第1の所定時間(確認時限)の間で、電圧の極性がなく電圧が印可されていない状態(無電圧)であることを確認する。制御装置8は、Vrecが無電圧であることを確認した後、時点t3において、PWMコンバータ5をインバータ運転モードに切り替えて、蓄電装置6から供給される直流電力を交流電力に変換し、交流駆動機器3に交流電力を供給する。これにより交流駆動機器3は動作が再開する。図3では、PWMコンバータ5は、交流駆動機器3に必要な電力のみ供給するため、時点t3における第1の電流検出部23の電流波形は逆位相でかつ振幅が小さくなっている。本実施形態では、第1の電流検出部23の電流波形の振幅は小さくなっているが、交流駆動機器3の必要電力によるため、振幅は大きくなっていても構わない。
このように制御装置8が、PWMコンバータ5をインバータ運転モードに切り替えて交流電力を供給させることで、交流駆動機器3の運転が再開可能となる。すなわち、交流電源1が停電時においても、PWMコンバータ5、蓄電装置6の冷却の再開が可能となる。
本実施形態では、第1の所定時間である確認時限は、交流電源1の交流電力の周期程度の時間としているが、制御装置8が、交流電源1の停電発生を判別できる時間であれば、これに限らない。
本実施形態では、第1の所定時間である確認時限は、交流電源1の交流電力の周期程度の時間としているが、制御装置8が、交流電源1の停電発生を判別できる時間であれば、これに限らない。
交流電源1の停電発生後は、開閉器2は遮断されているため、PWMコンバータ5から供給される交流電力が、交流電源1へ逆流することが防止される。このため、交流電源1に接続されている直流電源装置100とは別個の機器が、交流電源1が復電したと誤判断することがない。また、第1の所定時間を設けることで、交流駆動機器3内の残留エネルギーを消費させることができるため、交流フィルタ4の突入電流を低減することができる。なお、制御装置8は、第2の電圧検出部22の電圧または第1の電流検出部23の電流に基づいて、残留エネルギーが消費されたことを確認し、第1の所定時間を終了させる。または制御装置8に、残留エネルギーが消費されるのに十分な時間を、第1の所定時間として予め設定してもよい。
次に、交流電源1が復電した場合の動作を説明する。交流電源1が復電した場合、制御装置8は、PWMコンバータ5のインバータ運転モード動作を停止させ、交流駆動機器3への電力供給を停止させる。その後、制御装置8は開閉器2を接続状態とし、第3の所定時間(無電圧確認時限)経過後に、蓄電装置6から直流負荷7への電力供給を停止させるとともに、PWMコンバータ5をコンバータ運転モードに切り替えて動作させる。PWMコンバータ5は、交流電源1からの交流電力を直流電力に変換して、蓄電装置6に充電するとともに、直流負荷7に供給する。
図4は、交流電源1が復電した場合の第1の電圧検出部21、第2の電圧検出部22、第1の電流検出部23、第2の電流検出部24、第3の電圧検出部25、第3の電流検出部26の検出波形を示している。
時点t4において、交流電源1が復電した場合、制御装置8は、第2の電圧検出部22で検出される電圧が、時点t4からt5までの第2の所定時間(電圧復帰確認時限)の間で正常範囲である場合に、交流電源1が復電したと判断する。そして時点t5で、制御装置8は、PWMコンバータ5のインバータ運転モードを停止させる。その後、制御装置8は、第3の所定時間(無電圧確認時限)の間、第2の電圧検出部22で検出された電圧が無電圧であることを確認し、時点t6において、開閉器2を接続状態とし、PWMコンバータ5をコンバータ運転モードに切り替えるとともに、蓄電装置6から直流負荷7への放電を停止させ、充電動作に切り替える。
時点t4において、交流電源1が復電した場合、制御装置8は、第2の電圧検出部22で検出される電圧が、時点t4からt5までの第2の所定時間(電圧復帰確認時限)の間で正常範囲である場合に、交流電源1が復電したと判断する。そして時点t5で、制御装置8は、PWMコンバータ5のインバータ運転モードを停止させる。その後、制御装置8は、第3の所定時間(無電圧確認時限)の間、第2の電圧検出部22で検出された電圧が無電圧であることを確認し、時点t6において、開閉器2を接続状態とし、PWMコンバータ5をコンバータ運転モードに切り替えるとともに、蓄電装置6から直流負荷7への放電を停止させ、充電動作に切り替える。
次に、図5は、交流電源1が復電した場合の変形例であり、第1の電圧検出部21、第2の電圧検出部22、第1の電流検出部23、第2の電流検出部24、第3の電圧検出部25、第3の電流検出部26の検出波形を示している
時点t7において交流電源1が復電した場合、制御装置8は、第2の電圧検出部22で検出された電圧が時点t7から時点t8までの第2の所定時間(電圧復帰確認時限)で正常範囲である場合に、交流電源1が復電したと判断する。その後t8から制御装置8は、第1の電圧検出部21、第2の電圧検出部22の検出電圧に基づいて、PWMコンバータ5から出力される交流電力の周波数と位相を調整し、第1の電圧検出部21の交流電圧に同期させるよう制御する。時点t8から時点t9の間で交流電源1とPWMコンバータ5から出力される周波数と位相が一致している場合に同期完了したと判断する。そして時点t9から第4の所定時間後、制御装置8は開閉器2を接続状態にするとともに、PWMコンバータ5をコンバータ運転モードに切り替え、蓄電装置6の直流負荷7への放電を停止して、充電動作に切り替える。
時点t7において交流電源1が復電した場合、制御装置8は、第2の電圧検出部22で検出された電圧が時点t7から時点t8までの第2の所定時間(電圧復帰確認時限)で正常範囲である場合に、交流電源1が復電したと判断する。その後t8から制御装置8は、第1の電圧検出部21、第2の電圧検出部22の検出電圧に基づいて、PWMコンバータ5から出力される交流電力の周波数と位相を調整し、第1の電圧検出部21の交流電圧に同期させるよう制御する。時点t8から時点t9の間で交流電源1とPWMコンバータ5から出力される周波数と位相が一致している場合に同期完了したと判断する。そして時点t9から第4の所定時間後、制御装置8は開閉器2を接続状態にするとともに、PWMコンバータ5をコンバータ運転モードに切り替え、蓄電装置6の直流負荷7への放電を停止して、充電動作に切り替える。
これにより、例えば開閉器2と交流駆動機器3の間に変圧器を搭載する場合には、上記方法により励磁電流を印加させた上で開閉器2を投入することができる。そのため変圧器への励磁突入電流を低減させることができる。
以上、本発明を実施形態に沿って説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、変更または改良を加えることが可能であることは当業者には明らかである。
以上、本発明を実施形態に沿って説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、変更または改良を加えることが可能であることは当業者には明らかである。
1 交流電源
2 開閉器
3、交流駆動機器
4 交流フィルタ
4a リアクトル
4b コンデンサ
5、PWMコンバータ
6、蓄電装置
7、直流負荷
21、第1の電圧検出部
22、第2の電圧検出部
23、第1の電流検出部
24、第2の電流検出部
25、第3の電圧検出部
26、第3の電流検出部
100、200、直流電源装置
2 開閉器
3、交流駆動機器
4 交流フィルタ
4a リアクトル
4b コンデンサ
5、PWMコンバータ
6、蓄電装置
7、直流負荷
21、第1の電圧検出部
22、第2の電圧検出部
23、第1の電流検出部
24、第2の電流検出部
25、第3の電圧検出部
26、第3の電流検出部
100、200、直流電源装置
本発明は、負荷に直流電力を供給する無停電電源装置(以下、直流電源装置)に関する。
交流電源から直流負荷へ給電させるための無停電電源装置(以下、直流電源装置)として、図6に示す直流電源装置200がある。直流電源装置200は、入力側が交流電源1に、出力側が直流負荷7に接続されている。直流電源装置200は、開閉器2、交流電力で動作する冷却ファン等の交流駆動機器3、サイリスタ等の半導体素子で構成される電力変換回路を含むコンバータ5、蓄電装置6、制御装置8を含む。交流電源1とコンバータ5の間には、開閉器2が介挿され、開閉器2とコンバータ5との間には、交流駆動機器3が接続されている。また、直流電源装置200と直流負荷7との間にはバッテリ等の蓄電装置6が接続されている。ここでは交流駆動装置3は、コンバータ5または蓄電装置6を冷却する冷却ファンである。制御装置8は、コンバータ5、開閉器2、交流駆動機器3、蓄電装置6を図示しない信号線にて制御する。
交流電源1が正常な場合、直流電源装置200は、開閉器2は閉じられ、交流電源1とコンバータ5および交流駆動機器3に交流電力を供給する。コンバータ5は交流電力を直流電力に変換して、蓄電装置6を充電するとともに直流負荷7に供給する。
交流電源1に停電が発生した場合、直流電源装置200は、制御装置8で異常発生を判断し、開閉器2を遮断する。またコンバータ5を停止し、蓄電装置6に充電した直流電力を放電し、直流負荷5に供給する。
しかしながら、交流電源1に停電が発生した場合、交流駆動機器3への電力供給が停止してしまうため、コンバータまたは蓄電装置の冷却ができない状態となってしまう。これに対して、蓄電装置6から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータを別途設けて交流駆動機器3に供給する手段、または交流駆動機器3を直流対応の機器に変更する等の手段がとられる。しかし、別途インバータを設けてしまうと、直流電源装置200に新たに設置スペースが必要であり、装置自体が大型化してしまう。さらに別途設けたインバータの冷却も必要となってしまう。また、交流駆動機器3を直流電力対応の機器に変更しても、選択できる機器が限定されてしまい、大容量化が困難となってしまう。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、交流電源停電時においても、別途インバータを設ける事無く交流駆動機器を継続して動作させることが可能な3レベル電力変換装置を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明は以下の技術的特徴を有する。
交流電源から供給される交流電力を変換し、負荷に直流電力を供給するPWMコンバータと、前記交流電源と前記PWMコンバータとの間に介挿される開閉器と、前記交流電源から供給される交流電力で動作し、前記開閉器と前記PWMコンバータとの間に接続される交流駆動機器と、前記双方コンバータの出力側に接続され、前記交流電源の停電時に前記負荷に直流電力を供給するバッテリと、前記PWMコンバータ、前記開閉器および前記バッテリを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記交流電源の停電が発生した場合、前記開閉器を開くとともに、前記PWMコンバータが前記バッテリからの直流電力を交流電力に変換して前記交流駆動機器に交流電力を供給するように制御することを特徴とする直流給電型無停電電源装置である。
上記のような構成とすることで、交流電源1に異常が発生した場合においても、交流駆動機器に別途インバータを設ける必要がなく、冷却ファン等の交流駆動機器3の継続動作可能となる。また、PWMコンバータの停止から開閉器の再投入までの間に所定の期間を設けることで、交流駆動機器3内部の残留エネルギーを消費させ、交流電源1への突入電流を抑制することができる。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1〜図5を参照して、本発明の実施形態による直流電源装置100の構成について説明する。図7に示した従来の直流電源200と同様の箇所は、同じ番号を付与している
図1に示すように、直流電源100は、PWMコンバータ5、蓄電装置6、交流駆動機器3の他に、第1の電圧検出部21、第2の電圧検出部22、第1の電流検出部23、交流フィルタ4、第2の電流検出部24、第3の電圧検出部25、第3の電流検出部26、を備える。
図1に示すように、直流電源100は、PWMコンバータ5、蓄電装置6、交流駆動機器3の他に、第1の電圧検出部21、第2の電圧検出部22、第1の電流検出部23、交流フィルタ4、第2の電流検出部24、第3の電圧検出部25、第3の電流検出部26、を備える。
PWMコンバータ5は、入力側が交流電源に接続され、出力側は直流負荷7に接続されている。PWMコンバータ5と交流電源1との間には、開閉器2が介挿され、開閉器2とPWMコンバータ5との間には交流駆動機器3と入力フィルタ4が接続されている。また、PWMコンバータ5と直流負荷7との間には、蓄電装置6が接続されている。また、制御装置8は、図示しない信号線により、開閉器2、交流駆動機器3、PWMコンバータ5、蓄電装置6を制御する。開閉器2の交流電源1側には、交流第1の電圧検出部21が設けられ、他方側には交流第2の電圧検出部22が設けられている。また入力フィルタ4への入力電流を検出する第1の電流検出部23が設けられている。加えて蓄電装置6への電流を検出する第2の電流検出部24、直流負荷7への負荷電流と電圧を検出する第3の電流検出部26と第3の電圧検出部25が設けられている。
PWMコンバータ5はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体素子を含む電力変換回路を備え、半導体素子のオンオフにより上記電力を変換している。半導体素子のオンオフは後述する制御装置8により制御される。なお、電力変換回路は3レベルの電力変換器であってもよい交流駆動機器3は、PWMコンバータ5を冷却するための冷却ファンを含むが、これに限らず交流電力にて動作する装置であればよい。本実施形態では、交流駆動機器3は、PWMコンバータ5、蓄電装置6を冷却するための冷却ファンである。
交流フィルタ4は、リアクトル4a、コンデンサ4bを備え、交流電源1またはPWMコンバータ5からの高調波電流を低減する。
制御装置8は、PWMコンバータ5、開閉器2、交流駆動機器3を制御するように構成されている。本実施形態において、制御装置8は、PWMコンバータ5をコンバータ運転モードとインバータ運転モードに切り替え可能に構成されている。コンバータ運転モードとは交流電源1の交流電力を直流電力へ変換するモードであり、インバータ運転モードとは直流電力を交流電力に変換するモードである。
<直流電源100の動作>
まず交流電源1が健全な場合、直流電源100は、開閉器2を閉じ、交流電源1から交流電力の供給を受けている。PWMコンバータ5は、供給された交流電力を直流電力に変換し、直流電力を蓄電装置6へ充電するとともに、直流負荷7へ供給する。なお、直流電源100は、蓄電装置6とPWMコンバータ5の出力線との間に直流-直流変換器を設けても良い。直流-直流変換器は、蓄電装置6の出力電圧を昇圧してPWMコンバータ5の出力側に供給する。また、直流-直流変換器は、PWMコンバータ5の出力電圧を降圧して、蓄電装置6を充電する。直流-直流変換器を設けることで、PWMコンバータ5の出力電圧を安定させることができるだけなく、蓄電装置6の容量を小さくすることができるため直流電源100における蓄電装置6の占有容量を抑制することができる。
まず交流電源1が健全な場合、直流電源100は、開閉器2を閉じ、交流電源1から交流電力の供給を受けている。PWMコンバータ5は、供給された交流電力を直流電力に変換し、直流電力を蓄電装置6へ充電するとともに、直流負荷7へ供給する。なお、直流電源100は、蓄電装置6とPWMコンバータ5の出力線との間に直流-直流変換器を設けても良い。直流-直流変換器は、蓄電装置6の出力電圧を昇圧してPWMコンバータ5の出力側に供給する。また、直流-直流変換器は、PWMコンバータ5の出力電圧を降圧して、蓄電装置6を充電する。直流-直流変換器を設けることで、PWMコンバータ5の出力電圧を安定させることができるだけなく、蓄電装置6の容量を小さくすることができるため直流電源100における蓄電装置6の占有容量を抑制することができる。
制御装置8は、PWMコンバータ5をコンバータ運転モードで運転する。制御装置8は、第3の電圧検出部25で検出した出力電圧VDCまたは第3の電流検出部26で検出したIoutに基づいて、PWMコンバータ5を制御している。
図2は、交流電源1が健全な場合における第1の電圧検出部21、第2の電圧検出部22、第1の電流検出部23、第2の電流検出部24、第3の電圧検出部25、第3の電流検出部26の検出波形を示している。
図2は、交流電源1から供給される電流と電圧の各位相と周波数が、同一の場合を示している。このとき制御装置8は、蓄電装置6の充電電流Ibatを第2の電流検出部24による検出結果に基づき一定となるように制御している。
次に、交流電源1に停電が発生した場合を説明する。交流電源1に停電が発生した場合、制御装置8は、開閉器2を遮断し、PWMコンバータ5の動作を停止させる。さらに制御装置8は、蓄電装置6から直流負荷7への電力の供給を開始させる。なお、交流電源1の停電発生は、制御装置8が、電圧検出器21または22で検出した電圧が正常範囲から逸脱したか否かで判断する。
図3は、交流電源1に停電が発生したときの第1の電圧検出部21、第2の電圧検出部22、第1の電流検出部23、第2の電流検出部24、第3の電圧検出部25、第3の電流検出部26の検出波形を示している。
時点t1で交流電源1の停電が発生し、停電発生を検知した制御装置8は、開閉器2へ遮断を指令し、PWMコンバータ5の動作を停止させるとともに、蓄電装置6から直流負荷7への電力供給を開始させる。さらに制御装置8は、第2の電圧検出部22にてVrecまたは第1の電流検出部23にてIrecが零になった時点t2から、Vrecが第1の所定時間(確認時限)の間で、電圧の極性がなく電圧が印可されていない状態(無電圧)であることを確認する。制御装置8は、Vrecが無電圧であることを確認した後、時点t3において、PWMコンバータ5をインバータ運転モードに切り替えて、蓄電装置6から供給される直流電力を交流電力に変換し、交流駆動機器3に交流電力を供給する。これにより交流駆動機器3は動作が再開する。図3では、PWMコンバータ5は、交流駆動機器3に必要な電力のみ供給するため、時点t3における第1の電流検出部23の電流波形は逆位相でかつ振幅が小さくなっている。本実施形態では、第1の電流検出部23の電流波形の振幅は小さくなっているが、交流駆動機器3の必要電力によるため、振幅は大きくなっていても構わない。
このように制御装置8が、PWMコンバータ5をインバータ運転モードに切り替えて交流電力を供給させることで、交流駆動機器3の運転が再開可能となる。すなわち、交流電源1が停電時においても、PWMコンバータ5、蓄電装置6の冷却の再開が可能となる。本実施形態では、第1の所定時間である確認時限は、交流電源1の交流電力の周期程度の時間としているが、制御装置8が、交流電源1の停電発生を判別できる時間であれば、これに限らない。
交流電源1の停電発生後は、開閉器2は遮断されているため、PWMコンバータ5から供給される交流電力が、交流電源1へ逆流することが防止される。このため、交流電源1に接続されている直流電源装置100とは別個の機器が、交流電源1が復電したと誤判断することがない。また、第1の所定時間を設けることで、交流駆動機器3内の残留エネルギーを消費させることができるため、交流フィルタ4の突入電流を低減することができる。なお、制御装置8は、第2の電圧検出部22の電圧または第1の電流検出部23の電流に基づいて、残留エネルギーが消費されたことを確認し、第1の所定時間を終了させる。または制御装置8に、残留エネルギーが消費されるのに十分な時間を、第1の所定時間として予め設定してもよい。
次に、交流電源1が復電した場合の動作を説明する。交流電源1が復電した場合、制御装置8は、PWMコンバータ5のインバータ運転モード動作を停止させ、交流駆動機器3への電力供給を停止させる。その後、制御装置8は開閉器2を接続状態とし、第3の所定時間(無電圧確認時限)経過後に、蓄電装置6から直流負荷7への電力供給を停止させるとともに、PWMコンバータ5をコンバータ運転モードに切り替えて動作させる。PWMコンバータ5は、交流電源1からの交流電力を直流電力に変換して、蓄電装置6に充電するとともに、直流負荷7に供給する。
図4は、交流電源1が復電した場合の第1の電圧検出部21、第2の電圧検出部22、第1の電流検出部23、第2の電流検出部24、第3の電圧検出部25、第3の電流検出部26の検出波形を示している。時点t4において、交流電源1が復電した場合、制御装置8は、第2の電圧検出部22で検出される電圧が、時点t4からt5までの第2の所定時間(電圧復帰確認時限)の間で正常範囲である場合に、交流電源1が復電したと判断する。そして時点t5で、制御装置8は、PWMコンバータ5のインバータ運転モードを停止させる。その後、制御装置8は、第3の所定時間(無電圧確認時限)の間、第2の電圧検出部22で検出された電圧が無電圧であることを確認し、時点t6において、開閉器2を接続状態とし、PWMコンバータ5をコンバータ運転モードに切り替えるとともに、蓄電装置6から直流負荷7への放電を停止させ、充電動作に切り替える。
次に、図5は、交流電源1が復電した場合の変形例であり、第1の電圧検出部21、第2の電圧検出部22、第1の電流検出部23、第2の電流検出部24、第3の電圧検出部25、第3の電流検出部26の検出波形を示している時点t7において交流電源1が復電した場合、制御装置8は、第2の電圧検出部22で検出された電圧が時点t7から時点t8までの第2の所定時間(電圧復帰確認時限)で正常範囲である場合に、交流電源1が復電したと判断する。その後t8から制御装置8は、第1の電圧検出部21、第2の電圧検出部22の検出電圧に基づいて、PWMコンバータ5から出力される交流電力の周波数と位相を調整し、第1の電圧検出部21の交流電圧に同期させるよう制御する。時点t8から時点t9の間で交流電源1とPWMコンバータ5から出力される周波数と位相が一致している場合に同期完了したと判断する。そして時点t9から第4の所定時間後、制御装置8は開閉器2を接続状態にするとともに、PWMコンバータ5をコンバータ運転モードに切り替え、蓄電装置6の直流負荷7への放電を停止して、充電動作に切り替える。
これにより、例えば開閉器2と交流駆動機器3の間に変圧器を搭載する場合には、上記方法により励磁電流を印加させた上で開閉器2を投入することができる。そのため変圧器への励磁突入電流を低減させることができる。
以上、本発明を実施形態に沿って説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、変更または改良を加えることが可能であることは当業者には明らかである。
1 交流電源
2 開閉器
3、交流駆動機器
4 交流フィルタ
4a リアクトル
4b コンデンサ
5、PWMコンバータ
6、蓄電装置
7、直流負荷
21、第1の電圧検出部
22、第2の電圧検出部
23、第1の電流検出部
24、第2の電流検出部
25、第3の電圧検出部
26、第3の電流検出部
100、200、直流電源装置
2 開閉器
3、交流駆動機器
4 交流フィルタ
4a リアクトル
4b コンデンサ
5、PWMコンバータ
6、蓄電装置
7、直流負荷
21、第1の電圧検出部
22、第2の電圧検出部
23、第1の電流検出部
24、第2の電流検出部
25、第3の電圧検出部
26、第3の電流検出部
100、200、直流電源装置
Claims (7)
- 交流電源から供給される交流電力を変換し、負荷に直流電力を供給するPWMコンバータと、
前記交流電源と前記PWMコンバータとの間に介挿される開閉器と、
前記交流電源から供給される交流電力で動作し、前記開閉器と前記PWMコンバータとの間に接続される交流駆動機器と、
前記PWMコンバータの出力側に接続され、前記交流電源の停電時に前記負荷に直流電力を供給する蓄電装置と、
前記PWMコンバータ、前記開閉器および前記蓄電装置を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記交流電源の停電が発生した場合、前記開閉器を開くとともに、前記PWMコンバータが前記蓄電装置からの直流電力を交流電力に変換して前記交流駆動機器に交流電力を供給するように制御すること
を特徴とする無停電電源装置。 - 前記制御部は、
前記交流電源に停電を検知した場合は、前記開閉器を遮断し、前記PWMコンバータの動作を停止し、第1の所定の時間後に前記PWMコンバータをインバータ動作モードに切り替えて、動作させて前記交流駆動機器に交流電力を供給するように制御すること
を特徴とする請求項1に記載の無停電電源装置。 - 前記制御部は、
前記交流電源に停電を検知した場合は、前記開閉器を遮断し、前記PWMコンバータの動作を停止し、前記交流駆動機器の残留エネルギーが所定の値より低くなったことを確認後に前記PWMコンバータをインバータ動作モードに切り替えて、動作させて前記交流駆動機器に交流電力を供給するように制御すること
を特徴とする請求項1に記載の無停電電源装置。 - 前記制御部は、
前記交流電源が復電を検知した場合は、前記PWMコンバータのインバータ動作を停止し、第3の所定の時間後にコンバータ動作モードに切り替えて、動作させる
ことを特徴する請求項1から3のいずれか一項に記載の無停電電源装置。 - 前記制御部は、
前記交流電源の復電を検知した場合は、前記交流電源の周波数及び位相と同期させた対向電圧を前記PWMコンバータの入力側に出力するように制御する
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の無停電電源装置。 - 前記請求項1から5に記載の直流給電型無停電装置は、
前記蓄電装置と前記PWMコンバータ出力との間に蓄電装置の充放電を制御するための昇降圧チョッパ部をさらに備える。 - 前記PWMコンバータは、
3レベル電力変換回路である
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の無停電電源装置。
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2018
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