JP4669860B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、交流電源から負荷に供給される交流電力の電圧変動を抑制すると共に、停電時にも負荷に電力供給が可能な無停電電源装置に関するものである。

従来の無停電電源装置は、受電点にスイッチと停電検出手段とを有し、並列インバータと、この並列インバータとスイッチとの接続点と負荷への給電点との間に交流側が直列に接続された直列インバータと、並列インバータと直列インバータとの双方の直流側に接続されたエネルギ蓄積部とを備える。電源が健全時には、スイッチを導通させ負荷への給電点へ電力供給し、並列インバータは受電電流制御を行う。そして、電源電圧が設定値を下回ると停電と判定し、スイッチを開いて並列インバータから負荷への給電点に電力を供給し、直列インバータにて電圧調整する（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の無停電電源装置の別例では、商用電源が健全なときは、商用電源が負荷に給電され、停電を検知すると無停電電源装置を起動し、バッテリ供電に切り替える（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００４−９６８３１号公報 無停電電源装置（ＵＰＳ）導入実践ガイド、電気書院、１９８９年２月２５日

上記特許文献１記載の無停電電源装置は、電源電圧が設定値を下回ると停電と判定し、スイッチを開いて電源を切り離し、エネルギ蓄積部の電力で負荷へ電力供給している。エネルギ蓄積部は電源電圧が健全時に電源から充電されるが、停電時には放電のみとなり負荷へ安定した電力供給を行うバックアップ運転を長時間継続するのは困難であった。
また、上記非特許文献２のようにバッテリを用いても、停電検出の度にバッテリ供電に切り替わり、バッテリの寿命に悪影響を与えるものであった。

この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、無停電電源装置において、交流電源の異常時にも交流電源から電力利用する期間を延長し、交流電源を遮断して行うバックアップ運転の頻度および期間を低減することを目的とする。

この発明に係る無停電電源装置は、交流電源と負荷との間に並列に接続され、第１の直流電源からの直流電力を交流電力に変換する第１のインバータと、上記第１の直流電源より低電圧の第２の直流電源からの直流電力を交流電力に変換し、その交流側が、上記第１のインバータよりも上記負荷側で上記交流電源と該負荷との間に直列接続される第２のインバータと、上記交流電源と上記第２のインバータの交流側とに直列接続されて該交流電源を開閉する切換スイッチと、上記交流電源の電圧を監視する第１の電圧検出部と、上記第２の直流電源の電圧を監視する第２の電圧検出部と、上記第１のインバータ、上記第２のインバータおよび上記切換スイッチを制御する制御装置とを備える。上記制御装置は、
上記交流電源の基準電圧からの電圧変動を上記第１の電圧検出部の出力から得て、該電圧変動を、上記第２の電圧検出部にて検出される上記第２の直流電源の電圧に基づいて決定される所定電圧と比較する。そして、上記交流電源の電圧変動が上記所定電圧以下の時、上記切換スイッチを閉じて、上記第２のインバータから上記交流電源の電圧変動を補償する電圧を出力させ、該補償電圧を上記交流電源電圧に重畳させて上記負荷に出力する。また、上記交流電源の電圧変動が上記所定電圧を超える時、上記切換スイッチを開いて、上記第１のインバータと上記第２のインバータの各発生電圧の和により上記負荷に出力するものである。

この発明によると、交流電源の電圧が変動しても、第２のインバータからの補償電圧を交流電源電圧に重畳させて負荷に安定電力を供給する期間を延長することができ、交流電源を遮断して行うバックアップ運転の頻度および期間を低減できる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による無停電電源装置を図に基づいて説明する。
図１（ａ）は、この発明の実施の形態１による無停電電源装置の概略構成図である。
図１（ａ）に示すように、単相の交流電源１と単相の負荷２との間に接続された無停電電源装置３の主回路は、それぞれ単相インバータから成る第１のインバータ４と第２のインバータ５とを備える。第１のインバータ４は、交流側を交流電源１と負荷２との間に連系リアクトル１３を介して並列に接続され、第２のインバータ５は、交流側が交流電源１と負荷２との間に直列接続される。
第１、第２のインバータ４、５はそれぞれ独立した第１、第２の直流電源としての第１、第２のコンデンサ４ａ、５ａを備え、第１のコンデンサ４ａの電圧は第２のコンデンサ５ａの電圧よりも高いものとする。第１、第２のインバータ４、５は、図１（ｂ）で示すように、ダイオードを逆並列に接続した複数個のＭＯＳＦＥＴ等の自己消弧型半導体スイッチング素子から成る例えばフルブリッジインバータで構成される。自己消弧型半導体スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴ以外にも、ＩＧＢＴ、ＧＣＴ、ＧＴＯ、トランジスタ等でも、また自己消弧機能がないサイリスタ等でも強制転流動作が可能であればよい。

また、第１のコンデンサ４ａと第２のコンデンサ５ａとは、双方向の電力授受が可能な絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して接続され、第２のコンデンサ５ａは第１のコンデンサ４ａからＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して電力供給されて所定の電圧に制御される。第１のコンデンサ４ａは、外部のバッテリ１０と充放電回路９を介して接続されて、バッテリ１０からの電力が供給される。
また、第２のインバータ５は、第１のインバータ４よりも負荷２側に接続され、第２のインバータ５の負荷２側に、出力フィルタ１４となるリアクトル１４ａおよびコンデンサ１４ｂを配設する。

また、無停電電源装置３は、交流電源１と第２のインバータ５の交流側とに直列接続されて交流電源１を開閉する切換スイッチ６を備える。この切換スイッチ６は、後述するように、交流電源１が停電した場合にこれをオフすることで交流電源１と負荷２とを切り離すもので、それぞれダイオード６ａ、６ｂを逆並列に接続した２個の半導体スイッチング素子６ｃ、６ｄを互いに逆極性に直列接続して構成する。この場合、半導体スイッチング素子６ｃ、６ｄには、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の自己消弧型半導体スイッチング素子が用いられる。

また、無停電電源装置３は、交流電源１の電圧を監視するための第１の電圧検出部としての電源電圧検出器１１と、第２のコンデンサ５ａの電圧を監視するための第２の電圧検出部としての電圧検出器１２と、制御装置としての制御回路７とを備える。電源電圧検出器１１からの電源電圧信号１１ａおよび電圧検出器１２からのコンデンサ電圧信号１２ａは制御回路７に入力され、制御回路７は、第１、第２のインバータ４、５および切換スイッチ６を制御する。第１、第２のインバータ４、５は、各半導体スイッチング素子にゲート駆動回路（図示なし）が個別に設けられ、制御回路７内のインバータ駆動回路（図示なし）からの信号を受けて、半導体スイッチング素子のゲートに電圧を印加するためのパルス電圧を作成する。

次に、無停電電源装置３の動作および制御回路７による制御について以下に説明する。
図２は、制御回路７における切換スイッチ６を制御するスイッチ制御部を示す図であり、図３は、無停電電源装置３の動作を説明する各部の波形図である。
交流電源１から無停電電源装置３に入力される電源電圧は、電源電圧検出器１１にて検出され、第２のコンデンサ５ａの電圧は電圧検出器１２にて検出される。そして、電源電圧検出器１１からの電源電圧信号１１ａおよび電圧検出器１２からのコンデンサ電圧信号１２ａは、制御回路７内のスイッチ制御部に入力される。スイッチ制御部は、図２に示すように減算器１５と比較器１６とを有し、基準電圧として保持している出力電圧の目標波形（出力目標波形）１７からの電源電圧の変動分を減算器１５にて演算し、第２のコンデンサ５ａの電圧に基づいて決定される所定電圧１８ａと電源電圧の変動分とを比較器１６にて比較し、切換スイッチ６への切換信号１６ａを出力する。

比較器１６に入力される所定電圧１８ａは、コンデンサ電圧信号１２ａの電圧値を乗算器１８にてα倍して演算する。αは理想的には１であるが、余裕を持たせるために１未満、例えば０．９に設定する。比較器１６では、電源電圧の変動分が所定電圧１８ａ以下の時には、切換スイッチ６をオンする切換信号１６ａを出力し、電源電圧の変動分が所定電圧１８ａを超える時には、切換スイッチ６をオフする切換信号１６ａを出力する。
図３に示すように、電源電圧が時刻ｔ１にて低下し始め、出力目標波形１７からの電源電圧の変動分が、時刻ｔ２にて上記所定電圧１８ａを超えると、切換スイッチ６への切換信号１６ａは時刻ｔ２にて切り替わり、切換スイッチ６はオンからオフになる。この場合、切換スイッチ６の２個の半導体スイッチング素子６ｃ、６ｄは、同時にオンして導通させ、同時にオフして遮断させる。

切換スイッチ６がオンして導通状態にあるとき、制御回路７は、第２のインバータ５を、電源電圧の変動分を補償する補償電圧を出力するように制御する。第２のインバータ５は、第２のコンデンサ５ａを入力としてＰＷＭ制御され、その交流出力電圧である補償電圧は電源電圧に重畳されて負荷２に供給される。また、第１のインバータ４の直流側の第１のコンデンサ４ａは、交流電源１から第１のインバータ４を介して充放電される。
切換スイッチ６がオフして交流電源１が切り離されると、第１のインバータ４と第２のインバータ５とは交流側が直列に接続され、制御回路７は、第１、第２のインバータ４、５の各発生電圧の和によって、負荷２に出力目標波形１７と同等な電圧を出力するように制御する。この場合、第１、２のインバータ４、５は、どちらもＰＷＭ制御しても良いが、電圧の大きな第１のインバータ４から半周期に１パルスの電圧出力させ、出力目標波形１７との差分を第２のインバータ５をＰＷＭ制御して出力させても良い。交流電源１を切り離して行うバックアップ運転時には、必要に応じてバッテリ１０から充放電回路９を介して第１のコンデンサ４ａに充電する。

以上のように、この実施の形態では、交流電源１の電圧変動を、第２のコンデンサ５ａの電圧に基づいて決定される所定電圧１８ａと比較し、電圧変動分が所定電圧１８ａを超えると切換スイッチ６をオフして交流電源１を切り離し、バックアップ運転を行う。このため、所定電圧１８ａを、第２のコンデンサ５ａの電圧に基づいて適切に設定することにより、電源電圧が変動しても第２のインバータ５の出力電圧で補償可能な間は、第２のインバータ５の出力電圧を電源電圧に重畳させることで負荷２に安定電力を供給し、バックアップ運転を回避できる。
第２のコンデンサ５ａは、第１のコンデンサ４ａからＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して電力供給されて所定の電圧に制御されるが、電源電圧の変動分を補償するために第２のインバータ５から電圧が出力されるため、短期間で見ると電圧変化する。このため、電源電圧の変動分と比較する所定電圧１８ａを、仮に一定の電圧値に予め設定すると、電圧変化を考慮してかなり低く設定する必要がある。その場合、電源電圧の変動分が、第２のインバータ５で補償可能であっても、切換スイッチ６をオフして交流電源１を切り離し、早めにバックアップ運転に移行してしまう。

この実施の形態では、第２のコンデンサ５ａの電圧に基づいて所定電圧１８ａを決定するため、第２のコンデンサ５ａの電圧をより有効に利用できる。このため、交流電源１を遮断して行うバックアップ運転の頻度および期間を低減でき、交流電源１から電力利用する期間を延長できると共に、第２のコンデンサ５ａを小型化でき、第２のコンデンサ５ａに電力供給するＤＣ／ＤＣコンバータ８も小型化できる。また、バックアップ運転の頻度および期間を低減できるため、バッテリ１０から第１のコンデンサ４ａへの電力供給も抑制でき、バッテリ１０の劣化が抑制できる。
また、切換スイッチ６のオン／オフ判定は制御回路７にて高速に判定でき、切換スイッチ６は、ダイオード６ａ、６ｂを逆並列に接続した２個の半導体スイッチング素子６ｃ、６ｄを互いに逆極性に直列接続して構成したため、損失が少なく、高速に切り換えできる。このため、負荷２へ無瞬断にて安定電力を供給できる。

実施の形態２．
次に、図４は、この発明の実施の形態２による無停電電源装置の概略構成図である。
この実施の形態２では、図４に示すように、上記実施の形態１による無停電電源装置３において、交流電源１からの電源電流を検出する電流検出器１９を備え、第１のインバータ４を、切換スイッチ６がオンして交流電源１から負荷２へ電力供給している間に、アクティブフィルタとして動作させる。その他の構成および動作は上記実施の形態１と同様である。
切換スイッチ６は上記実施の形態１と同様に動作し、切換スイッチ６がオンして導通状態にあるとき、制御回路７は、第２のインバータ５を、電源電圧の変動分を補償する補償電圧を出力するように制御すると共に、第１のインバータ４を、アクティブフィルタとして動作させ、負荷２が発生する高調波を相殺する高調波補償電流を出力するように制御する。また、第１のインバータ４の直流側の第１のコンデンサ４ａは、交流電源１から第１のインバータ４を介して充放電される。

ところで、一般的な家電製品等は、内蔵の電気回路に直流電源を供給する必要があることから、交流電源から供給される交流電圧を内部で直流電圧に整流して電源を供給している。電力変換手段として、ダイオードを用いた整流回路が多く用いられているが、電圧脈動（リプル）の少ない直流電圧を得るために、電圧平滑用のコンデンサが付加されている。このようなコンデンサインプット型の整流回路が負荷として電源に接続された場合、大きなピーク電流を持つ高調波成分を含有した電流が電源側に流出する。高調波成分を含んだ電流は送電線インピーダンスによる電圧降下を引き起こし、電源電圧ひずみの原因となり、例えば、大容量の場合は進相コンデンサの焼損、小容量の場合はブレーカ誤動作などの障害の原因ともなる。

第１のインバータ４によるアクティブフィルタとしての動作について以下に説明する。
アクティブフィルタ（第１のインバータ４）は、交流電源１に高調波電流を流出させないために、交流電源１と負荷２との間に接続され、負荷２が発生する負荷電流に含まれる高調波成分電流を打ち消すような高調波補償電流を出力し、高調波成分を含有した電流が電源側に流出することを抑制し、電源電流を高調波成分の無い正弦波電流とすることができる。制御回路７は、第１のインバータ４から、交流電源１と同等なほぼ正弦波の交流電圧を出力するように制御する。同時に、電流検出器１９にて検出された電源電流が、高調波成分の無い正弦波電流となるように第１のインバータ４から出力する高調波補償電流を制御する。

以上のように、この実施の形態では、切換スイッチ６がオンして交流電源１から負荷２へ電力供給している間は、第２のインバータ５により交流電源１の電圧変動を補償し、第１のインバータ４により高調波補償電流を発生させて、高調波成分を含有した電流が電源側に流出することを抑制する。このため、負荷２へ安定した電力が供給できると共に、電源電圧の歪みが抑制でき、信頼性が向上する。
そして、電源電圧の変動分を、第２のコンデンサ５ａの電圧に基づいて決定される所定電圧１８ａと比較し、電源電圧の変動分が所定電圧１８ａを超えると切換スイッチ６をオフして交流電源１を切り離し、上記実施の形態１と同様にバックアップ運転を行う。
このため、上記実施の形態１と同様に、第２のコンデンサ５ａの電圧をより有効に利用して、バックアップ運転の頻度および期間を低減でき、交流電源１から電力利用する期間を延長できる。

なお、上記実施の形態１、２では切換スイッチ６をダイオード６ａ、６ｂを逆並列に接続した２個の半導体スイッチング素子６ｃ、６ｄを互いに逆極性に直列接続して構成したが、それに限るものではなく、図５に示すように、機械式スイッチを用いた切換スイッチ２０でも良い。

また、上記実施の形態１、２では第１、第２のインバータ４、５はそれぞれ１つの単相インバータにて構成されるものとしたが、それぞれ１〜複数の単相インバータの交流側を直列接続して構成することができる。

この発明の実施の形態１による無停電電源装置の構成図である。 この発明の実施の形態１による制御回路におけるスイッチ制御部を説明する図である。 この発明の実施の形態１による無停電電源装置の動作を説明する各部の波形図である。 この発明の実施の形態２による無停電電源装置の構成図である。 この発明の実施の形態２の別例による無停電電源装置の構成図である。

符号の説明

１ 交流電源、２ 負荷、３ 無停電電源装置、４ 第１のインバータ、
４ａ 第１の直流電源としての第１のコンデンサ、５ 第２のインバータ、
５ａ 第２の直流電源としての第２のコンデンサ、６ａ，６ｂ ダイオード、
６ｃ，６ｄ 半導体スイッチング素子、７ 制御回路、８ ＤＣ／ＤＣコンバータ、
１１ 第１の電圧検出部としての電源電圧検出器、
１２ 第２の電圧検出部としての電圧検出器。

Claims (4)

1. 交流電源と負荷との間に並列に接続され、第１の直流電源からの直流電力を交流電力に変換する第１のインバータと、上記第１の直流電源より低電圧の第２の直流電源からの直流電力を交流電力に変換し、その交流側が、上記第１のインバータよりも上記負荷側で上記交流電源と該負荷との間に直列接続される第２のインバータと、上記交流電源と上記第２のインバータの交流側とに直列接続されて該交流電源を開閉する切換スイッチと、上記交流電源の電圧を監視する第１の電圧検出部と、上記第２の直流電源の電圧を監視する第２の電圧検出部と、上記第１のインバータ、上記第２のインバータおよび上記切換スイッチを制御する制御装置とを備え、
   上記制御装置は、
   上記交流電源の基準電圧からの電圧変動を上記第１の電圧検出部の出力から得て、該電圧変動を、上記第２の電圧検出部にて検出される上記第２の直流電源の電圧に基づいて決定される所定電圧と比較し、
   上記交流電源の電圧変動が上記所定電圧以下の時、上記切換スイッチを閉じて、上記第２のインバータから上記交流電源の電圧変動を補償する電圧を出力させ、該補償電圧を上記交流電源電圧に重畳させて上記負荷に出力し、
   上記交流電源の電圧変動が上記所定電圧を超える時、上記切換スイッチを開いて、上記第１のインバータと上記第２のインバータの各発生電圧の和により上記負荷に出力することを特徴とする無停電電源装置。
2. 上記第１の直流電源は、上記交流電源の電圧変動が上記所定電圧以下の時に、上記交流電源から上記第１の単相インバータを介して電力供給され、
   上記第２の直流電源と上記第１の直流電源とは、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続され互いに電力授受されることを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 上記切換スイッチは、それぞれダイオードを逆並列に接続した２個の半導体スイッチング素子を互いに逆極性に直列接続して構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の無停電電源装置。
4. 上記制御装置は、上記交流電源の電圧変動が上記所定電圧以下の時に、上記第１のインバータを、上記負荷が発生する高調波を相殺する高調波補償電流を出力させるよう制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の無停電電源装置。

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