JP5071209B2

JP5071209B2 - 無停電電源装置

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Publication number: JP5071209B2
Application number: JP2008098141A
Authority: JP
Inventors: 善博畠山; 英生長谷; 博康萬代
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2028-04-04
Also published as: JP2009254102A

Description

この発明は、交流電源からの交流電力を負荷に供給すると共に、交流電源の停電時には、バッテリーに蓄えられた直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給する無停電電源装置に関する。

従来の無停電電源装置は、交流電源の健全時に接続された交流電源からスイッチを介して交流電力を負荷へ供給し、交流電源の電圧が設定値を下回るような電圧変動を検出すると停電と判定し、スイッチを開放しバッテリーからインバータを介して負荷へ交流電力を供給するものである（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−９６８３１号公報

上記のように従来の無停電電源装置においては、交流電源の電圧が設定値を下回るような電圧変動、すなわち停電を検出した時には交流電源の電圧が０Ｖとなるので、開放されたスイッチの両端にはインバータが発生する交流電圧のピーク値（例えばＡＣ１００Ｖの場合１４１Ｖ）が印加される。
ところが、交流電源の電圧位相が瞬時に反転するような電圧極性急変が発生した場合、電圧極性急変の過程で交流電源の電圧が設定値を下回るので電圧変動（停電）と判定してインバータから交流電圧が発生することになり、開放されたスイッチの一端にはインバータが発生する交流電圧のピーク値が加わり、他端にはこれとは逆位相の交流電源の電圧のピーク値が加わることになるので、スイッチの両端には停電時の２倍の電圧（例えばＡＣ１００Ｖの場合２８２Ｖ）が印加されることになる。また、このスイッチは、停電検出時に交流電源を瞬時に遮断するため高速で開放する必要がある。このため、例えば２倍の尤度をもった高耐圧（例えば６００Ｖ）の半導体スイッチを用いる必要がある。
しかしながら、高耐圧の半導体スイッチはオン抵抗が大きいので閉成時における電力損失が大きくなり、無停電電源装置の効率が悪くなるという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、半導体スイッチの閉成時における電力損失の低減により、高効率の無停電電源装置を得るものである。

この発明の無停電電源装置は、交流電源に接続される受電点と、この受電点に互いに直列接続された半導体スイッチとメカニカルスイッチとを介して接続され、負荷へ交流電力を供給する給電点と、この給電点と両スイッチとの間に接続され、電力蓄積手段からの直流電力を交流電力に変換する電力変換器と、両スイッチの受電点側における交流電源の電圧波形に基づいて交流電源の電圧変動及び電圧極性急変を検出する検出部と、この検出部が交流電源の電圧変動を検出したとき、半導体スイッチを開放し電力変換器を運転して交流電力を給電点へ供給し、検出部が交流電源の電圧極性急変を検出したとき、電力変換器を停止する制御装置と、を備えたものである。

この発明によれば、半導体スイッチの両端に加わる印加電圧を抑制することにより、低耐圧の半導体スイッチを使用することができるので、半導体スイッチの閉成時における電力損失が低減され、高効率の無停電電源装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図、図２はインバータ７を示す回路図、図３は検出部１２と制御装置８の構成を示すブロック図、図４は電圧極性急変時の各部の動作を説明する波形図で、（ａ）は交流電源電圧、電圧変動及び電圧極性急変の検出電圧を示す波形図、（ｂ）は半導体スイッチ３ａの動作を示す波形図、（ｃ）はメカニカルスイッチ３ｂの動作を示す波形図、（ｄ）はインバータ７の出力電圧を示す波形図、（ｅ）は出力端子５に供給される出力電圧を示す波形図である。

図１において、無停電電源装置１００は、交流電源１に接続される受電点である入力端子２と、この入力端子２にスイッチ３を介して接続され、負荷４へ交流電力を供給する給電点である出力端子５と、この出力端子５とスイッチ３との間にリアクトル６を介して接続されたインバータ７、すなわち電力変換器と、スイッチ３及びインバータ７を制御する制御装置８とを有している。インバータ７の直流側には、充電・昇圧回路９を介してバッテリー１０、すなわち電力蓄積手段が接続されており、充電・昇圧回路９は交流電源１が健全時にバッテリー１０の充電を行い、バックアップ運転時にバッテリー１０から電圧を昇圧してインバータ７への電力供給を行う。また、インバータ７の直流側には、直流電源監視部１１が接続されており、インバータ７の直流側の電圧が所定値以下になると制御装置８に直流電圧低下検出信号１１ａを出力する。

スイッチ３の入力端子２側には、交流電源１の電圧波形に基づいて交流電源１の電圧変動及び電圧極性急変を検出する検出部１２が接続されており、その出力信号は制御装置８に入力されている。
スイッチ３は、半導体スイッチ３ａとメカニカルスイッチ３ｂとが互いに直列に接続され、半導体スイッチ３ａはスイッチング素子３ａ１とスイッチング素子３ａ２を直列に逆極性に接続したものである。両スイッチング素子３ａ１、３ａ２は定格電圧がＡＣ１００Ｖの場合、ＡＣ１００Ｖのピーク値である１４１Ｖに対し余裕のある例えば２５０Ｖの耐圧を有するものを使用する。スイッチング素子３ａ１、３ａ２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。

図３に示すように検出部１２は、交流電源１の電圧に同期した例えばＡＣ１００Ｖの理想正弦波を出力電圧目標波形Ｓ１として有しており、検出した交流電源１の電圧波形である交流電源計測波形Ｓ２との電圧差１２ａを演算する。また、負荷４が許容できない交流電源１の電圧変動を検出するための電圧変動判定値１２ｂを有しており、電圧差１２ａと電圧変動判定値１２ｂとの比較を第１のコンパレータ１２ｃで行い、電圧差１２ａが電圧変動判定値１２ｂを超過すると、電圧変動検出信号１２ｄを制御装置８に出力する。
同様に、検出部１２は、交流電源１の電圧位相が瞬時に反転するような電圧極性急変を検出するための電圧極性急変判定値１２ｅを有しており、電圧差１２ａと電圧極性急変判定値１２ｅとの比較を第２のコンパレータ１２ｆで行い、電圧差１２ａが電圧極性急変判定値１２ｅを超過すると、電圧極性急変検出信号１２ｇを制御装置８に出力する。

電圧極性急変判定値１２ｅは、スイッチング素子３ａ１、３ａ２が開放できる実用電圧に相当する値（スイッチング素子の耐圧２５０Ｖの場合例えば２００Ｖ）に設定する。電圧変動判定値１２ｂは、負荷４が許容できる電圧変動値程度に設定する。

制御装置８には、検出部１２の電圧変動検出信号１２ｄと電圧極性急変検出信号１２ｇが入力され、両検出信号に基づいてスイッチ３、インバータ７を制御する。インバータ７は、図２に示すように、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７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄからなる単相ブリッジインバータの構成をしており、直流側にはコンデンサ７ｅが設けられている。このインバータ７は、交流電源１に対して並列に接続され停電補償の機能を持つ。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。

次に動作について説明する。
交流電源１が負荷４の許容できる電圧範囲内にある健全時（無停電電源装置の定格電圧がＡＣ１００Ｖの場合、例えば交流電源１の電圧がＡＣ９０ＶからＡＣ１１０Ｖの時）には、制御装置８により半導体スイッチ３ａ、メカニカルスイッチ３ｂを閉成制御して、出力端子５から交流電源１の交流電力を負荷４へ供給する。以下、これを通常運転という。

交流電源１が負荷４の許容できる電圧範囲より電圧低下、すなわち停電したとき（無停電電源装置の定格電圧がＡＣ１００Ｖの場合、例えば交流電源１の電圧がＡＣ９０Ｖ未満に低下した時）には、検出部１２において出力電圧目標波形Ｓ１と交流電源計測波形Ｓ２との電位差１２ａが電圧変動判定値１２ｂを越えるので（すなわち、交流電源計測波形Ｓ２が電圧変動検出電圧波形Ｓ３と交差するので）、第１のコンパレータ１２ｃにより電圧変動を検出し制御装置８に電圧変動検出信号１２ｄを出力する。この電圧変動検出信号１２ｄを受けると制御装置８は、図４（ｂ）のタイミングＴ１に示すように半導体スイッチ３ａを開放して交流電源１を出力端子５から切り離すと共に、図４（ｄ）のタイミングＴ１に示すようにインバータ７をインバータ動作させて交流電源１に代わって所定電圧の交流電圧を生成し、これを出力端子５から負荷４に供給する。以下、これをインバータ運転という。

その後、インバータ７において直流側に設けられたコンデンサ７ｅの電圧が低下し、直流電源監視部１１によりインバータ７の直流側電圧が所定値以下なったことが検出され、制御装置８に直流電圧低下検出信号１１ａが出力される。これにより制御装置８は、メカニカルスイッチ３ｂを開放し、充電・昇圧回路９を昇圧動作させてバッテリー１０の直流電力をインバータ７により交流電力に変換し、これを出力端子５から負荷４に供給する。以下、これをバックアップ運転という。

上記電圧低下が一瞬の電圧歪み等による場合には、電圧変動を検出した時、半導体スイッチ３ａを開放しインバータ７によるインバータ運転を行うが、直流電源監視部１１によるインバータ７の直流側電圧の低下を検出する前に交流電源１が健全状態に復帰するので、インバータ７はバックアップ運転を開始することなく通常運転に復帰する。

図４（ａ）に示すように交流電源１の電圧位相が瞬時に反転するような電圧極性急変が発生したときには、電圧極性急変の過程のタイミングＴ１で検出部１２において出力電圧目標波形Ｓ１と交流電源計測波形Ｓ２との電位差１２ａが電圧変動判定値１２ｂを越えるので（すなわち、交流電源計測波形Ｓ２が電圧変動検出電圧波形Ｓ３と交差するので）、第１のコンパレータ１２ｃにより電圧変動を検出し制御装置８に電圧変動検出信号１２ｄを出力する。この電圧変動検出信号１２ｄを受けると制御装置８は、図４（ｂ）のタイミングＴ１に示すように半導体スイッチ３ａを開放して交流電源１を出力端子５から切り離すと共に、図４（ｄ）のタイミングＴ１に示すようにインバータ７のインバータ運転を行う。

そして、電圧変動の検出に続いて、タイミングＴ２で検出部１２は、出力電圧目標波形Ｓ１と交流電源計測波形Ｓ２の電位差１２ａが電圧極性急変判定値１２ｅを越えるので（すなわち、交流電源計測波形Ｓ１が電圧極性急変検出電圧波形Ｓ４と交差するので）、第２のコンパレータ１２ｆにより電圧極性急変を検出し制御装置８に電圧極性急変検出信号１２ｇを出力する。この電圧極性急変検出信号１２ｇを受けると制御装置８は、図３及び図４（ｂ）〜（ｄ）のタイミングＴ２に示すようにインバータ７を停止し、半導体スイッチ３ａを閉成制御し、メカニカルスイッチ３ｂを開放制御する。ここで、インバータ７を停止するとは、自己消弧型半導体スイッチング素子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄをすべてオフ制御することである。インバータ７を停止するので、半導体スイッチ３ａの両端に停電時の２倍の電圧が印加されることはなく、また、半導体スイッチ３ａを閉成するので半導体スイッチ３ａにかかる電圧は０Ｖとなり、半導体スイッチ３ａの許容電圧を超えることはない。メカニカルスイッチ３ｂの開放制御により閉成遅延時間経過後のタイミングＴ３にメカニカルスイッチ３ｂの接点が開放状態となったとき、図４（ｆ）に示すように制御装置８によってインバータ７のインバータ運転が再開される。

その後、インバータ７の直流側に設けられたコンデンサ７ｅの電圧が低下し、直流電源監視部１１によりインバータ７の直流側電圧が所定値以下なったことが検出され、制御装置８に直流電圧低下検出信号１１ａが出力される。これにより制御装置８は、充電・昇圧回路９を昇圧動作させてインバータ７のバックアップ運転を開始する。

インバータ７によるインバータ運転及びバックアップ運転中に、交流電源１が健全に復帰した場合、インバータ７の出力波形の位相を徐々に変化させ、交流電源の電圧波形と同期をとり、メカニカルスイッチ３ｂと半導体スイッチ３ａを閉成し、インバータ７を停止して通常運転に復帰する。

本実施の形態によれば、交流電源１の電圧位相が瞬時に反転するような電圧極性急変を検出したとき、インバータ７を停止させることにより、半導体スイッチ３ａの両端に加わる印加電圧が抑制されるので、停電時に発生する電圧に耐えうるような低耐圧でオン抵抗の小さい半導体スイッチの使用が可能となり、半導体スイッチ３ａの閉成時における電力損失が低減され、高効率の無停電電源装置を得ることができる。

また、交流電源１の電圧変動を検出したときメカニカルスイッチ３ｂを開放せず、電圧極性急変を検出したときメカニカルスイッチ３ｂを開放するようにしたことにより、交流電源１の電圧歪み等による一瞬の電圧変動を検出したとき、メカニカルスイッチ３ｂを開放しないので、すぐにインバータ７を停止し半導体スイッチ３ａを閉成して通常運転に復帰することができ、バッテリー１０の頻繁な起動を回避してバッテリー１０の劣化を抑制できる。

また、電圧極性急変を検出してインバータ７を停止したときに、半導体スイッチ３ａを閉成することにより、半導体スイッチ３ａの両端に電圧が印加されないので、半導体スイッチ３ａの過電圧からの保護をより確実に行うことができる。

また、低い耐圧でオン抵抗の小さいスイッチング素子を使うことで電力損失が削減されるので、放熱構造が簡易な低コストの無停電電源装置を得ることができる。さらに、交流電源の電圧位相が瞬時に逆極性になるような特異な電圧極性急変が発生した場合でも、メカニカルスイッチ３ｂの数ｍ秒程度の短時間の瞬断はあるものの、インンバータ７のインバータ運転を再開するため、負荷に安定した電力を供給することができる。

なお、本実施の形態では、電圧極性急変を検出してインバータ７を停止したときに、半導体スイッチ３ａを閉成する例を示したが、開放のままでもかまわない。
また、本実施の形態では、半導体スイッチ３ａとメカニカルスイッチ３ｂの配置に関し、メカニカルスイッチ３ｂを入力端子側に配置した例を示したが、半導体スイッチ３ａを入力端子側に配置してもかまわない。

実施の形態２．
図５は実施の形態２における無停電電源装置の検出部１２と制御装置８の構成を示すブロック図である。交流電源１の電圧極性急変を検出したとき、制御装置８の動作が実施の形態１とは一部異なっている。検出部１２とその他の構成及び動作については、実施の形態１と同様なので、説明は省略する。

本実施の形態では、交流電源１の電圧極性急変を検出したとき、実施の形態１におけるインバータ７を停止することに代えて、インバータ７の出力を短絡するものである。また、本実施の形態では、実施の形態１において行っていた半導体スイッチ３ａの閉成制御は行わない。なお、メカニカルスイッチ３ｂを開放制御することは実施の形態１と同様である。ここで、インバータ７の出力を短絡するとは、自己消弧型半導体スイッチング素子７ａ及び７ｂをオン制御すること、または、自己消弧型半導体スイッチング素子７ｃ及び７ｄをオン制御することにより行うものである。

本実施の形態によれば、交流電源１の電圧位相が瞬時に反転するような電圧極性急変を検出したとき、インバータ７の出力を短絡させることにより、半導体スイッチ３ａの両端に加わる印加電圧が抑制されるので、停電時に発生する電圧に耐えうるような低耐圧でオン抵抗の小さい半導体スイッチの使用が可能となり、半導体スイッチ３ａの閉成時における電力損失が低減され、高効率の無停電電源装置を得ることができる。

また、交流電源１の電圧変動を検出時にインバータ７の停止に代えて出力を短絡することにより、負荷４に与える電圧変化を抑制することができる。

実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図、図７は検出部１２と制御装置８の構成を示すブロック図である。
図６において、無停電電源装置１０１は、実施の形態１でインバータ７の直流側に設けられていた直流電源監視部１１を廃止している。また、図７において、実施の形態１では、交流電源１の電圧極性急変を検出したときに行っていたメカニカルスイッチ３ｂの開放制御を電圧変動の検出時に行うように変更している。その他の構成については、実施の形態１と同様であるので、説明は省略する。

次に動作について説明する。
制御装置８は、交流電源１が負荷４の許容できる電圧範囲内にある健全時（無停電電源装置の定格電圧がＡＣ１００Ｖの場合、例えば交流電源１の電圧がＡＣ９０ＶからＡＣ１１０Ｖの時）には、制御回路４は半導体スイッチ３ａ及びメカニカルスイッチ３ｂを閉成制御して、通常運転を行う。

交流電源１が負荷４の許容できる電圧範囲より電圧低下、すなわち停電したときや交流電源１の電圧波形が歪んだときには、検出部１２において出力電圧目標波形Ｓ１と交流電源計測波形Ｓ２との電位差１２ａが電圧変動判定値１２ｂを越えるので（すなわち、交流電源計測波形Ｓ１が電圧変動検出電圧波形Ｓ３と交差するので）、交流電源１の電圧変動、すなわち停電を第１のコンパレータ１２ｃで検出し制御装置８に電圧変動検出信号１２ｄを出力する。この電圧変動検出信号１２ｄを受けると制御装置８は、半導体スイッチ３ａとメカニカルスイッチ１３ｂとを開放制御して交流電源１を出力端子５から切り離すとともに、充電・昇圧回路９を昇圧運転させるバックアップ運転を行う。

交流電源１の電圧位相が瞬時に反転するような電圧極性急変が発生したときには、電圧極性急変の過程で検出部１２において出力電圧目標波形Ｓ１と交流電源計測波形Ｓ２との電位差１２ａが電圧変動判定値１２ｂを越えるので（すなわち、交流電源計測波形Ｓ２が電圧変動検出電圧波形Ｓ３と交差するので）、第１のコンパレータ１２ｃにより電圧変動を検出し制御装置８に電圧変動検出信号１２ｄを出力する。この電圧変動検出信号１２ｄを受けると制御装置８は、半導体スイッチ３ａを開放して交流電源１を出力端子５から切り離すと共に、インバータ７のインバータ運転を行う。

そして、電圧変動の検出に続いて検出部１２は、出力電圧目標波形Ｓ１と交流電源計測波形Ｓ２との電位差１２ａが電圧極性急変判定値１２ｅを越えるので（すなわち、交流電源計測波形Ｓ１が電圧極性急変検出電圧波形Ｓ４と交差するので）、第２のコンパレータ１２ｆにより電圧極性急変を検出し制御装置８に電圧極性急変検出信号１２ｇを出力する。この電圧極性急変検出信号１２ｇを受けると制御装置８は、インバータ７を停止し、半導体スイッチ３ａを閉成制御する。ここで、インバータ７を停止するとは、自己消弧型半導体スイッチング素子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄをすべてオフ制御することである。インバータ７を停止するので、半導体スイッチ３ａの両端に停電時の２倍の電圧が印加されることはなく、また、半導体スイッチ３ａを閉成するので半導体スイッチ３ａにかかる電圧は０Ｖとなり、半導体スイッチ３ａの許容電圧を超えることはない。メカニカルスイッチ３ｂの接点が開放状態になれば、インバータ７のバックアップ運転を開始する。

インバータ７のバックアップ運転中、交流電源１が健全に復帰した場合、インバータ７の出力波形の位相を徐々に変化させ、交流電源の電圧波形と同期をとり、メカニカルスイッチ３ｂ及び半導体スイッチ３ａを閉成し、インバータ７を停止して通常運転に復帰する。

また、直流電源監視部１１を設けず、電圧変動の検出を停電の検出として、電圧変動の検出時にメカニカルスイッチ３ｂを開放制御することにより、メカニカルスイッチ３ｂの開放と半導体スイッチ３ａの開放とが同じタイミングとなり、半導体スイッチ３ａとメカニカルスイッチ３ｂとを１つのスイッチとして制御できるので、制御装置８の構成を簡略化することができる。

また、低い耐圧でオン抵抗の小さいスイッチング素子を使うことで電力損失が削減されるので、放熱構造が簡易な低コストの無停電電源装置を得ることができる。さらに、交流電源の電圧位相が瞬時に逆極性になるような特異な電圧極性急変が発生した場合でも、メカニカルスイッチ３ｂの数ｍ秒程度の短時間の瞬断はあるものの、インンバータ７の運転を再開するため、負荷に安定した電力を供給することができる。

実施の形態４．
図８は実施の形態４における無停電電源装置の検出部１２と制御装置８の構成を示すブロック図である。交流電源１の電圧極性急変を検出したとき、制御装置８の動作が実施の形態３とは一部異なっている。検出部１２とその他の構成及び動作については、実施の形態３と同様なので、説明は省略する。

本実施の形態では、交流電源１の電圧極性急変を検出したとき、実施の形態３におけるインバータ７を停止することに代えて、インバータ７の出力を短絡するものである。また、実施の形態１においては半導体スイッチ３ａを閉成制御していたが本実施の形態では、半導体スイッチ３ａの閉成制御は行わない。ここで、インバータ７の出力を短絡するとは、自己消弧型半導体スイッチング素子７ａ及び７ｂを閉成制御すること、または、自己消弧型半導体スイッチング素子７ｃ及び７ｄを閉成制御することにより行う。

本発明の実施の形態１における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１における無停電電源装置のインバータ７を示す回路図である。本発明の実施の形態１における無停電電源装置の検出部１２と制御装置８の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１における無停電電源装置の各部の動作を示す波形図である。本発明の実施の形態２における無停電電源装置の検出部１２と制御装置８の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態３における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態３における無停電電源装置の検出部１２と制御装置８の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態４における無停電電源装置の検出部１２と制御装置８の構成を示すブロック図である。

符号の説明

２入力端子、３スイッチ、３a 半導体スイッチ、３ｂメカニカルスイッチ、
５出力端子、７インバータ、８制御装置、１０バッテリー、
１００無停電電源装置。

Claims

交流電源に接続される受電点と、この受電点に互いに直列接続された半導体スイッチとメカニカルスイッチとを介して接続され、負荷へ交流電力を供給する給電点と、この給電点と前記両スイッチとの間に接続され、電力蓄積手段からの直流電力を交流電力に変換する電力変換器と、前記両スイッチの受電点側における前記交流電源の電圧波形に基づいて前記交流電源の電圧変動及び電圧極性急変を検出する検出部と、この検出部が前記交流電源の電圧変動を検出したとき、前記半導体スイッチを開放し前記電力変換器を運転して交流電力を給電点へ供給し、前記検出部が前記交流電源の電圧極性急変を検出したとき、前記電力変換器を停止する制御装置とを備えた無停電電源装置。
前記制御装置は、前記検出部が前記交流電源の電圧極性急変を検出したとき前記メカニカルスイッチを開放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。
前記制御装置は、前記検出部が前記交流電源の電圧変動を検出したとき前記メカニカルスイッチを開放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。
前記制御装置は、前記電力変換器の停止時に半導体スイッチを閉成することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の無停電電源装置。
前記制御装置は、前記電力変換器の停止に代えて、前記電力変換器の出力を短絡することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の無停電電源装置。