JP4770795B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、商用電源異常時に負荷に電力を供給する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においては、商用電源が負荷に電力を供給している間に、負荷側に一時的過負荷が発生すると、電圧検出器の検出電圧が低下するために停電検出回路が停電検出信号を出力し、インバータ制御回路はインバータを起動する。このとき、電力方向判定回路は、電圧検出器及び電流検出器からの検出信号に基づき、電力方向が負荷回生方向ではないことを示す電力方向判定信号を切換制御回路に出力する。これにより、切換制御回路は接続状態切換手段の半導体スイッチをオン状態に維持する。商用電源が過負荷以外の原因で異常になった場合は、停電検出回路が停電検出信号を出力し、インバータ制御回路はインバータを起動するとともに、半導体スイッチをオフするものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−９５１８３号公報

従来の無停電電源装置では、以上のように過負荷で電圧異常が発生した場合には商用電源および変換器から負荷へ給電し、電力供給能力が確保できるようになっている。しかし、過負荷で電圧異常となるのは、大容量のモーターを起動した場合や変圧器を投入した場合などの過渡的な状態変化時のみであり、定常的な過負荷状態（負荷が定格容量以上接続された場合など）には電圧異常を検出することはできず、対応することはできなかった。また、一般に半導体スイッチの過電流保護のために、半導体スイッチに流れる電流が一定レベルを超えると強制的に半導体スイッチをＯＦＦする機能があるが、過電流検出と電圧異常検出とでは過電流検出の方が、検出が早いことが多く、先に過電流検出して半導体スイッチをＯＦＦした場合には従来の技術では対応できないという問題があった。

この発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、半導体スイッチの過電流・過負荷を抑制し、安定的に負荷に電力を供給できる無停電電源装置を得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、一端が商用電源に接続され、他端が負荷側に接続された半導体スイッチと、半導体スイッチの負荷側に接続された双方向変換器とを備え、常時は商用電源が負荷に半導体スイッチを介して電力を供給しており、双方向変換器は直流電圧制御状態にあり、直流電源を充電している電力変換回路において、半導体スイッチを流れる電流が定格値を超えた場合に、双方向変換器に定格値を超えた分の電流を流すよう指令を送り、双方向変換器に直流電源を充電しながら、半導体スイッチを流れる電流の定格値を超える分を負担させる制御回路を備えたものである。

また、制御回路は、双方向変換器が負担する電流に制限を持たせ、双方向変換器が過負荷停止しないようにするリミッタを備えたものである。

また、一端が商用電源に接続され、他端が負荷側に接続された半導体スイッチと、半導体スイッチの負荷側に接続された双方向変換器と、半導体スイッチと並列に接続された機械式スイッチからなるバイパススイッチとを備え、常時は商用電源が負荷に半導体スイッチを介して電力を供給しており、双方向変換器は直流電圧制御状態にあり、直流電源を充電している電力変換回路において、半導体スイッチを流れる電流が定格値を超えた場合に、双方向変換器に定格値を超えた分の電流を流すよう指令を送り、双方向変換器に直流電源を充電しながら、半導体スイッチを流れる電流の定格値を超える分を負担させる制御回路を備え、制御回路は、双方向変換器の直流電源電圧が低下した場合には、バイパススイッチを投入して負荷への給電を継続させるものである。

この発明によれば、商用電源から負荷へ給電されているときに半導体スイッチに定格を超える電流が流れても、安定して負荷に電力を供給することが可能となる。
また、双方向変換器が半導体スイッチを流れる電流の定格を超える分を負担することで、双方向変換器が過負荷停止することがなくなる。
また、双方向変換器が半導体スイッチを流れる電流の定格を超える分を負担することで、双方向変換器が直流低電圧停止することがなくなる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１における無停電電源装置を図面に基づいて説明する。
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概略構成を示す回路構成図、図２は同じく制御回路の詳細構成を示す回路構成図である。

図１において、１は商用電源、２は負荷、３は一端が商用電源１に接続され、他端が負荷２側に接続された半導体スイッチ、４は半導体スイッチ３の負荷２側に接続された双方向変換器、５は双方向変換器４が直流電圧制御状態にあるとき充電される直流電源、６は半導体スイッチ３と並列に接続された機械的スイッチからなるバイパススイッチ、７は半導体スイッチ３を流れる電流を検出する半導体スイッチ電流センサ、８は負荷２に流れる電流を検出する負荷電流センサ、９は双方向変換器４を流れる電流を検出する変換器電流センサ、１０は直流電源５の電圧を検出する直流電圧センサ、１１は制御回路である。
常時は商用電源１が負荷２に半導体スイッチ３を介して電力を供給している。また、双方向変換器４は直流電圧制御状態にあり、直流電源５を充電している。図１ではＩＧＢＴの半導体スイッチ３としているが、サイリスタなど他の素子を用いてもよい。また直流電源５も蓄電池としているが、コンデンサなどの別の蓄電デバイスを用いてもよい。
半導体スイッチ電流センサ７、負荷電流センサ８、変換器電流センサ９、直流電圧センサ１０の出力を制御回路１１にそれぞれ入力し、状況に応じて制御回路１１から半導体スイッチ３へのＯＮ／ＯＦＦ指令、バイパススイッチ６へのＯＮ／ＯＦＦ指令、双方向変換器４への指令が出力される。なお、図１では半導体スイッチ３の上位に半導体スイッチ電流センサ７を置いているが、下位に置いてもよい。

次に動作について説明する。図１において、常時は商用電源１が負荷２に半導体スイッチ３を介して電力を供給している。また、双方向変換器４は直流電圧制御状態にあり、直流電源５を充電している。
半導体スイッチ３を流れる電流が定格値を超えると、制御回路１１から双方向変換器4に定格値を超えた分の電流を流すよう指令を送る。半導体スイッチ３を流れる電流が定格値を超える状態が一定時間を越えるとバイパススイッチ６を投入する。このとき半導体スイッチ３よりも機械的スイッチであるバイパススイッチ６の方が低インピーダンスなので、電流はバイパススイッチ６に流れる。
負荷機器の投入などで、半導体スイッチ３を流れる電流が定格値を超える状態が短時間の場合には、その期間だけ双方向変換器4が定格値を超える分を流し、負荷電流センサ８の出力が定格値以下に下がると、双方向変換器４はもとの直流電源５を充電する状態に戻る。

次に、制御回路１１の詳細について、図２により説明する。
図２において、１０１は半導体スイッチ過電流遮断回路、１０２は直流電源電圧制御回路、１０３はバイパススイッチ投入タイミング調整回路、１０４は変換器電流制御回路、２０１はコンパレータ、２０２、２０４は加算回路、２０３はリミッタである。
半導体スイッチ過電流遮断回路１０１は、半導体スイッチ電流センサ７で検出した電流と過電流値として予め設定した値とをコンパレータ２０１で比較し、半導体スイッチ電流センサ７で検出した電流の方が大きい場合には、半導体スイッチ３にＯＦＦ指令を出す。
直流電源電圧制御回路１０２は直流電圧センサ１０の出力をフィードバックとして、直流電源５の電圧を目標値に制御する回路である。
変換器電流制御回路１０４は、加算回路２０４の出力を指令とし、変換器電流センサ９の出力をフィードバックとして、変換器電流を制御する回路である。
加算回路２０２、リミッタ２０３、加算回路２０４で構成される回路が、半導体スイッチ３を流れる電流が定格値を超えたときに、双方向変換器４にその分の電流を負担させる指令を出す回路である。半導体スイッチ３を流れる電流が定格値を超えると、加算回路２０２の出力が正になる。リミッタ２０３は最小０のリミッタであり、入力が０以下、すなわち半導体スイッチ３を流れる電流が定格値以下の場合は０を出力し、定格値を超えた場合は超えた分の値を出力する。リミッタ２０３の出力がバイパススイッチ投入タイミング調整回路１０３に入力されると、バイパススイッチ投入タイミング調整回路１０３は入力の値によって予め設定された時間経過後にバイパススイッチ６を投入する。例えば定格の１０％が入力された場合は６０秒後、２０％が入力された場合は１０秒後などである。設定時間よりも前に入力が０になればバイパススイッチ６は投入されない。
一方、リミッタ２０３の出力と直流電源電圧制御回路１０２との和を加算回路２０４で計算し、変換器電流制御回路１０４に指令として入力することで、双方向変換器４に直流電源５を充電しながら、半導体スイッチ３を流れる電流の定格値を超える分を負担させることができる。

この実施の形態１によれば、商用電源から負荷へ給電されているときに半導体スイッチに定格を超える電流が流れても、安定して負荷に電力を供給することができる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２における無停電電源装置の詳細構成を示す回路構成図である。なお、図中、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

図３において、２０５はリミッタである。上記実施の形態１では、半導体スイッチ３を流れる電流のうち定格値を超える分をすべて双方向変換器４に負担させると説明したが、負荷側の短絡などの場合は双方向変換器４では負担しきれず、半導体スイッチ３は過電流遮断、双方向変換器４は過負荷停止となり、負荷給電ができなくなる可能性がある。そこで、この実施の形態２においては、リミッタ２０５を追加して双方向変換器４が過負荷停止しないようにするとともに、バイパススイッチ投入タイミング調整回路１０３で、双方向変換器４で負担しきれないような電流が半導体スイッチ３に流れたときは、瞬時にバイパススイッチ６を投入するように制御するものである。
上記により、半導体スイッチ３と双方向変換器４が共倒れし、負荷２への給電がなくなることはない。

この実施の形態２によれば、商用電源から負荷へ給電されているときに半導体スイッチに定格を超える電流が流れても、安定して負荷に電力を供給することができるとともに、双方向変換器が半導体スイッチを流れる電流の定格を超える分を負担することで、双方向変換器が過負荷停止することがない。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３における無停電電源装置の詳細構成を示す回路構成図である。なお、図中、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

上記実施の形態２では、半導体スイッチ３に流れる電流が大きく、双方向変換器４の定格を超える場合の対策について述べたが、直流電源５の充電が不十分な場合は、バイパススイッチ投入タイミング調整回路１０３がバイパススイッチ６を投入する前に、双方向変換器４が直流低電圧で停止する可能性がある。そこで、この実施の形態３においては、直流電圧センサ１０の出力をバイパススイッチ投入タイミング調整回路１０３に入力し、直流電源５の電圧が下がってくると、半導体スイッチ３に流れる電流の大きさ・時間に関わらずバイパススイッチ６を投入し、双方向変換器４が直流電源５を充電できる状態にする。
上記により不要に双方向変換器が停止することがなくなる。

この実施の形態３によれば、商用電源から負荷へ給電されているときに半導体スイッチに定格を超える電流が流れても、安定して負荷に電力を供給することができるとともに、双方向変換器が半導体スイッチを流れる電流の定格を超える分を負担することで、双方向変換器が直流低電圧停止することがなくなる。

この発明の実施の形態１における無停電電源装置の概略構成を示す回路構成図である。 この発明の実施の形態１における無停電電源装置の制御回路の詳細構成を示す回路構成図である。 この発明の実施の形態２における無停電電源装置の詳細構成を示す回路構成図である。 この発明の実施の形態３における無停電電源装置の詳細構成を示す回路構成図である。

符号の説明

１ 商用電源
２ 負荷
３ 半導体スイッチ
４ 双方向変換器
５ 直流電源
６ バイパススッチ（機械的スイッチ）
７ 半導体スイッチ電流センサ
８ 負荷電流センサ
９ 変換器電流センサ
１０ 直流電圧センサ
１１ 制御回路
１０１ 半導体スイッチ過電流遮断回路
１０２ 直流電源電圧制御回路
１０３ バイパススイッチ投入タイミング調整回路
１０４ 変換器電流制御回路
２０１ コンパレータ
２０２、２０４ 加算回路
２０３、２０５ リミッタ

Claims (4)

1. 一端が商用電源に接続され、他端が負荷側に接続された半導体スイッチと、前記半導体スイッチの負荷側に接続された双方向変換器とを備え、常時は商用電源が負荷に前記半導体スイッチを介して電力を供給しており、前記双方向変換器は直流電圧制御状態にあり、直流電源を充電している電力変換回路において、
   前記半導体スイッチを流れる電流が定格値を超えた場合に、前記双方向変換器に定格値を超えた分の電流を流すよう指令を送り、前記双方向変換器に直流電源を充電しながら、前記半導体スイッチを流れる電流の定格値を超える分を負担させる制御回路を備えたことを特徴とする無停電電源装置。
2. 制御回路は、半導体スイッチを流れる電流が定格値を超える状態が短時間の場合には、その期間だけ双方向変換器が定格値を超える分を流し、負荷電流出力が定格値以下に下がると、双方向変換器はもとの直流電源を充電する状態に戻ることを特徴とする請求項１記載の無停電電源装置。
3. 制御回路は、双方向変換器が負担する電流に制限を持たせ、双方向変換器が過負荷停止しないようにするリミッタを備えたことを特徴とする請求項１記載の無停電電源装置。
4. 一端が商用電源に接続され、他端が負荷側に接続された半導体スイッチと、前記半導体スイッチの負荷側に接続された双方向変換器と、前記半導体スイッチと並列に接続された機械式スイッチからなるバイパススイッチとを備え、常時は商用電源が負荷に前記半導体スイッチを介して電力を供給しており、前記双方向変換器は直流電圧制御状態にあり、直流電源を充電している電力変換回路において、
   前記半導体スイッチを流れる電流が定格値を超えた場合に、前記双方向変換器に定格値を超えた分の電流を流すよう指令を送り、前記双方向変換器に直流電源を充電しながら、前記半導体スイッチを流れる電流の定格値を超える分を負担させる制御回路を備え、前記制御回路は、前記双方向変換器の直流電源電圧が低下した場合には、前記バイパススイッチを投入して負荷への給電を継続させることを特徴とする無停電電源装置。

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