JP4351008B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力商用電源が変動した場合でも、負荷に安定した電源を供給する無停電電源装置に関するもので、詳しくは無停電電源装置の損失低減のための技術に関わる。

図５に従来の回路例として直並列補償形の三相変換装置を示す。図５の回路では、交流入力端子１１と交流出力端子１２の間の交流母線にトランス１の２次巻線が直列に接続され、このトランス１の１次巻線には、半導体ブリッジからなる第１のＤＣ／ＡＣ変換器２（以下、直列ＩＮＶという）の交流側端子がスイッチングによる高調波成分を除去するフィルタ３を介して接続されている。この直列ＩＮＶ２と直流部を共通とする、半導体ブリッジからなる第２のＤＣ／ＡＣ変換器４（以下、並列ＩＮＶという）の交流側端子はスイッチングによる高調波成分を除去するフィルタ５を介して交流出力端子に接続されている。また、直列ＩＮＶ２と並列ＩＮＶ４の共通の直流部には、蓄電池６が接続されている。

このような回路構成において、交流入力端子に接続される入力商用電源７の電源電圧が変動した時、直列ＩＮＶ２を制御してトランス１の２次側電圧の調節を行い、入力商用電源の変動分をこのトランスの２次側電圧で補償し、交流出力端子に安定した電圧を供給することが可能になる。この時、入力商用電源７の変動が目標電圧に対して電圧低下状態と判断されれば、トランス１は電圧加算で負荷電流を流すため電力を注入することになり、その電力加算のためのエネルギーは、並列ＩＮＶ４をコンバータ動作（整流器動作）させることにより交流母線から供給される。逆に入力商用電源７の変動が電圧上昇状態と判断されれば、トランス１は電圧減算で負荷電流を流すため電力を吸収することになり、その吸収されたエネルギーは、並列ＩＮＶ４をインバータ動作させることにより交流母線に回生される。このときの各部の電圧波形を図６に示す。

また、入力商用電源が停電した場合は、入力側ＡＣＳＷ８を開放することにより商用電源７を交流母線から切り離し、蓄電池６の直流電力を並列ＩＮＶ４で交流に変換して負荷９に安定した電力を供給する事ができる。このような無停電電源装置の詳細動作については、特許文献１や特許文献２等に開示されている。

ここで近年上記のような無停電電源装置においては、装置効率の向上が大きな課題となってきている。図５に示す従来回路において、直列ＩＮＶ２は入力商用電源７の電圧が目標値から逸脱した場合に目標値との差分を補償する動作を行うが、入力電圧が目標値近傍の場合には、補償分はほぼゼロとなる。しかしながら直列ＩＮＶ２にはトランス１を介して入力電流が流れるため例え補償電圧がゼロだとしても、直列ＩＮＶ２の半導体ブリッジで通流損失やスイッチング損失が発生することになり、結果変換効率が低下する。

このような場合を考慮し、入力商用電源電圧の変動が小さい電圧領域に限り、直列ＩＮＶ２による電圧補償を行わないようにすべく、直列補償部をバイパスする回路を別途備えるようにしたものも考えられている（特許文献３参照）。
米国特許第４６５１２６５号明細書 特許第３３９０００７号明細書 特開２０００−１８４６２２号公報

しかし、変換効率を向上させる目的で特許文献３のように別途バイパス回路を備えることは、回路装置全体としての大型化に繋がり、ひいてはコストも大きくなるという問題があった。

このような問題を鑑みて本発明では、入力商用電源と交流出力間の交流母線に接続される直列補償トランス２次巻線と、この直列補償トランスの１次巻線に交流出力が接続された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、この第１のＤＣ／ＡＣ変換器と直流部を共通とし、交流出力が前記交流母線に接続された第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、前記直列補償トランスの１次側を短絡するための交流スイッチと、を備えてなる無停電電源装置において、
前記入力商用電源の電圧が所定の範囲外にあるときは、前記第１のＤＣ／ＡＣ変換器により直列補償トランスに発生する電圧を調整し、
前記入力商用電源の電圧が所定の範囲内にあるときは、前記交流スイッチを点弧させて前記直列補償トランスの１次側を短絡させるようにする。

本発明によれば、入力商用電源電圧が所定の範囲にある場合に直列補償トランスを無電圧化して、その間変換器を停止することができるので、変換器通流損が減じられる。さらに、変換器故障時の保護を目的としてトランス１次側に設置したトランス短絡用交流スイッチを使用するため、変換効率を上げるだけでなく、変換器故障時の保護を目的とした機能を兼用させることができ、装置の大型化及びコスト増を回避できる。

本発明では、補償トランスの直列ＩＮＶ側に備えられた変換器保護用スイッチを使用し、入力商用電源電圧がさほど変動しない領域でオンさせることにより、直列ＩＮＶを停止させて変換器効率を改良する。

図１は本発明の実施回路を示したものである。本実施形態では直列補償トランス１の１次巻線に短絡用交流スイッチ（短絡用ＡＣＳＷ１０）が備えられているが、ここで、この短絡用交流スイッチは、変換器が故障した時の保護を目的として備えられた既存のものを使用する。ここで、まず変換器保護用の交流スイッチをトランス１次側に備える技術的意義について述べる。

例えば直列ＩＮＶや並列ＩＮＶが故障した場合、トランス１の２次側を短絡して無電圧
化し、故障した変換器によるトランス１次側への高圧印加を回避する必要が生じる。この
ときトランス１の１次側へは高圧電圧が発生する一方、トランス１次側に流れる電流は２次電流に対し巻数比だけ逆に小さくなる。このため、短絡用交流スイッチは耐流の小さくてすむ１次側に備える方が好ましいのである。通常、直列ＩＮＶによる補償電圧はおよそ
＋１５％〜−１５％であり、そのため巻き数比は１次側１００に対し２次側１５、という
ように１次側が大きくなるので、１次側に流れる電流は２次側に対しこの巻き数比分小さ
い。

次に図２にて入力商用電源７の電圧状態に対する短絡用交流スイッチ（ＡＣＳＷ１０）の動作及び直列ＩＮＶ２の動作を示す。入力商用電源７の電圧が目標電圧値−ｎ１（Ｖ）以下であれば短絡用ＡＣＳＷ１０をＯＦＦ（開放）し、直列ＩＮＶ２は目標電圧に対して不足した電圧をトランス２次側に発生するよう制御する。また入力商用電源７の電圧が目標電圧値＋ｎ２（Ｖ）以上であれば短絡用ＡＣＳＷ１０をＯＦＦ（開放）し、直列ＩＮＶ２は目標電圧に対して過剰となる電圧をトランス２次側で減じるよう制御する。一方、入力商用電源電圧が目標電圧値−１ｎ（Ｖ）〜目標電圧値＋ｎ２（Ｖ）の範囲にある場合には、短絡用ＡＣＳＷ１０をＯＮ（短絡）するとともに、直列ＩＮＶ２は停止（ゲートＯＦＦ）してトランス２次側に発生する電圧をゼロにする。ここでｎ１あるいはｎ２の値は要求される出力電圧変動範囲によって適宜設定する。

以上の動作を行うことにより出力電圧は図２の実線に示すごとく、入力商用電源７の電圧が所定の範囲を逸脱した場合には出力電圧が目標値になり、また入力商用電源電圧が所定の範囲内にあるときは出力電圧＝入力商用電源電圧（無補償）となる。そして、無補償範囲では直列ＩＮＶが停止しているため半導体ブリッジ回路の損失は無く、発生損失はトランス１次巻線の短絡による銅損および短絡用交流スイッチの通流損のみとなる。

図３は図１の実施形態を、３相変換器の例として示した回路図である。トランス１次側に各相毎に巻かれた各巻線にそれぞれ短絡用交流スイッチ（ＡＣＳＷ１０）が備えられている。動作については図１と同様である。

図４は直列補償トランス１の入力商用電源側に並列ＩＮＶ４を接続した場合の実施形態を示した図である。図１で示した実施例とは、入力商用電源から負荷への方向に対し直列ＩＮＶと並列ＩＮＶの接続関係が逆になっている以外はすべて同じであり、そのときの制御及び奏される効果も図１に示した実施形態と同じである。

第１の実施形態を示した図である。 第１の実施形態の補償動作波形図である。 第２の実施形態を示した図である。 第３の実施形態を示した図である。 従来の実施形態を示した図である。 従来の実施形態の各部動作波形図である。

符号の説明

１ 直列補償トランス
２ 直列ＩＮＶ
３ 高周波除去フィルタ
４ 並列ＩＮＶ
５ 高周波除去フィルタ
６ 蓄電池
７ 交流入力電源
８ 入力ＳＷ
９ 負荷
１０ 短絡用ＡＣＳＷ
１１ 交流入力端子
１２ 交流出力端子

Claims (1)

1. 入力商用電源と交流出力間の交流母線に接続される直列補償トランス２次巻線と、この直列補償トランスの１次巻線に交流出力が接続された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、この第１のＤＣ／ＡＣ変換器と直流部を共通とし、交流出力が前記交流母線に接続された第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、前記直列補償トランスの１次側を短絡するための交流スイッチと、を備えてなる無停電電源装置において、
   前記入力商用電源の電圧が所定の範囲外にあるときは、前記第１のＤＣ／ＡＣ変換器により直列補償トランスに発生する電圧を調整し、
   前記入力商用電源の電圧が所定の範囲内にあるときは、前記交流スイッチを点弧させて前記直列補償トランスの１次側を短絡させることを特徴とする無停電電源装置。

Images