JP5154660B2 - Ｕｐｓの動作を制御するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

発明の背景
１．発明の分野
本発明の実施形態は、一般的に、無停電電源装置（ＵＰＳ）に関連する。より特定的には、少なくとも１つの実施形態は、ＵＰＳの直流バス電圧を制御するためのシステムおよび方法に関連する。

２．関連技術の考察
電気システムは、事実上動的であるので、電力変換回路に用いられる制御システムは、一般的に、電気システムの変化に敏感である。様々なタイプの変化、たとえば、過渡状態または定常状態の変化、電圧および／または電流の変化、接続された負荷の変化、先述の例の組み合わせなどに対処するために、異なったアプローチが採用され得る。

今日、電力変換回路の力率補正（すなわち、電力変換回路によって用いられる電流と電圧の間の位相関係）は、重要な設計検討事項である。実際、力率は、動作中に電力変換回路によって生成される高調波を減少させることによって改善し得る。しかしながら、一般的に、高調波を低減するために設計された電力変換回路は、相対的に遅い応答時間を有する電圧制御ループを採用しなくてはならない。遅い応答時間は、公称電圧からのより広範な変動を含む貧弱な過渡応答、たとえば、直流バス電圧のより大きなオーバーシュートおよびアンダーシュートをもたらす。したがって、回路設計者は、適用可能な高調波基準の要求を満たしながら、許容できる力率補正制御および許容できる動的応答を提供しようと試みる。

単相ＵＰＳの場合においては、設計者は、一般的に、高調波基準を満たすために、比較的に（交流入力の回線周波数より十分低い）低周波数応答をともなう制御スキーム（たとえば、直流電圧ループ制御）を提供する。つまり、直流バス電圧が設定値と比較され、測定された直流電圧と設定値との間の誤差に基づいて調整がなされるフィードバック制御システムが採用される。このアプローチに含まれる設計トレードオフの結果は、直流バス電圧が相対的に貧弱な過渡応答を有することである。貧弱な過渡応答は、たとえば、ＵＰＳ出力の負荷変化に応じて直流バス電圧が変化するときに、直流バス上に大きな過電圧および不足電圧をもたらす。

直流リンクまたはバスを用いる他の電力変換用途もまた、たとえば、２，３の例を挙げると、スイッチモード電源、電圧調節器およびモータ駆動装置などの動的システムにおいて、直流バスの過渡応答の制御を必要とする。単相力率制御における上述の問題に対するいくつかのより最近のアプローチは、「ノッチフィルタ法」および「デッドゾーンデジタル制御法」である。これらのアプローチのいずれも、ＵＰＳの用途においては満足できるものではない。たとえば、ノッチフィルタ法は、実質的に固定された回線周波数が見出される場合に最も適している。この理由のために、多くのＵＰＳ用途は先述の要求を満たす環境においては動作しないので、ノッチフィルタ法は実際的ではない。「デッドゾーン」アプローチは、直流バスがコンピュータ負荷のような非線形負荷に接続されるインバータへ電力を供給するシステムには適していないので、多くのＵＰＳ用途には適当ではない。

いくつかの先行のモータ制御システムは、電力変換回路の出力における平均電力が直流バス電圧の調整に用いられる、フィードフォワードスキームを採用してきた。しかしながら、これらのアプローチは、モータが多相でバランスの取れた線形負荷を提供するために瞬時負荷電力の合計がゼロとなる三相モータ制御において採用される。

発明の要旨
本発明の少なくとも１つの局面は、電力変換回路において用いられる直流バス上の電圧の動的制御のための効果的なアプローチ提供する。１つの実施形態によれば、電力変換回路によって供給される負荷の変化に関するデータが、直流バス電圧の過渡応答を制御するために用いられる。さらなる実施形態においては、第１のサイクル中に測定された瞬時負荷電力と、第２のサイクル中に測定された瞬時負荷電力との差が蓄積され、直流バスの電圧が、蓄積された差に基づいて制御される。１つの実施形態によれば、単相システムにおいて、先述のアプローチが採用される。さらなる実施形態においては、単相交流入力を有するＵＰＳにおける直流バス電圧の過渡応答の制御において、先述のアプローチが採用される。１つの実施形態に従えば、そのアプローチは、１サイクルより十分に短い直流バス電圧の過渡応答時間を提供する。他の実施形態においては、直流バス電圧の過渡応答時間は、実質的に１／２サイクルに等しい。さらなる実施形態においては、直流バス電圧の過渡応答時間は、１／２サイクルよりも十分に短い。したがって、本発明の少なくとも１つの局面は、電圧「変位（excursions）」（すなわち、オーバーシュートおよびアンダーシュート）を低減し得る。１つの実施形態においては、ピーク電圧が低減されるので、電力変換回路内に含まれる電力電子機器の電気定格が低減され、たとえば、直流バスに接続される機器の電圧定格が低減され得る。

１つの局面によれば、本発明は、無停電電源装置に含まれる直流バスの電圧を制御する方法を提供する。ＵＰＳは、直流バスに接続された力率制御回路、および交流出力を含む。方法は、第１の時間において交流出力へ供給される瞬時電力と第２の時間において交流出力へ供給される瞬時電力との差を決定する動作と、少なくとも部分的にその差に基づいて、直流バスの電圧を調整するために力率制御回路の動作を調整する動作とを含む。１つの実施形態においては、方法は、ＵＰＳの単相交流入力の力率を制御する動作を含む。他の実施形態においては、方法は、交流出力において供給される瞬時電力における累積的な差を決定する動作を含む。さらなる実施形態においては、方法は、累積的な差を力率制御回路へ与える動作を含む。またさらなる実施形態においては、方法は、累積的な差を、予め定められたしきい値と比較する動作を含む。他の実施形態においては、方法は、累積的な差が予め定められたしきい値を超過するときは、直流バスの電圧を調整するために、力率制御回路の動作を調整する動作を含む。

他の局面によれば、ＵＰＳは、交流出力と、力率制御回路と、力率制御回路に結合された直流バスとを含み、力率制御回路は、交流出力へ供給される瞬時電力における差を決定するとともに、少なくとも部分的にその差に基づいて、直流バスの電圧を調整するように構成される。１つの実施形態においては、ＵＰＳは単相交流入力を含む。他の実施形態においては、力率制御回路は、交流出力へ供給される瞬時電力における累積的な差を決定するように構成される。さらなる実施形態においては、累積的な差は、交流波形の第１のサイクル内の複数の点において決定された瞬時電力と、交流波形の第２のサイクル内の複数の点において決定された瞬時電力との比較に基づいて決定される。

他の局面によれば、ＵＰＳは、直流バスと、交流出力と、直流バスに結合され、交流出力へ供給される瞬時電力における差に基づいて直流バスの電圧を制御するための手段とを含む。１つの実施形態においては、制御するための手段は、交流出力へ供給される瞬時電力における累積的な差を決定するための手段を含む。他の実施形態においては、累積的な差は、交流波形の第１のサイクル内の複数の点において決定された瞬時電力と、交流波形の第２のサイクル内の複数の点において決定された瞬時電力との比較に基づいて決定される。

図面の簡単な説明
添付の図面は、縮尺通りに描かれることを意図されたものではない。図面において、様々な図に示される同一またはほぼ同一の要素の各々は、同じ数字によって表わされる。明確さの目的のために、すべての図面において、全ての要素にラベルが付されているわけではない。

１つの実施形態に従うＵＰＳのブロック図である。 １つの実施形態に従う図１に記載されたＵＰＳの制御システムのさらなる詳細を含む、図１のＵＰＳのブロック図である。 １つの実施形態に従う波形図である。 １つの実施形態に従う波形図である。 １つの実施形態に従う波形図である。 １つの実施形態に従うフロー図である。 １つの実施形態に従うフロー図である。

詳細な説明
本発明は、その用途においては、以下の説明に記載または図面に示された構成の詳細および要素の配列に限定されるものではない。本発明は、他の実施形態が可能であり、様々の方法で実現されまたは実行され得る。さらに、本明細書で用いられる表現および語句は、説明の目的のためであって、限定と見なされるべきではない。本明細書において、「含む」、「備える」、または、「有する」、「包含する」、「伴う」およびそれらのバリエーションは、以降に記載される事項およびその均等物、そして、追加の事項を網羅することを意味している。

図１は、制御システムが、機器の様々な負荷変化、たとえば、出力において生じる負荷の過渡状態を通して電力変換機器の直流バスの電圧を調整するために用いられる実施形態のブロック図である。１つの実施形態によれば、ＵＰＳ１０は力率補正電力段１２と、直流バス１４と、インバータ電力段１６と、制御システム１８と、交流入力２０と、交流出力２２と、直流電源２４と、充電器２６とを含む。さらに、ＵＰＳは、一対のスイッチ２８と、バイパススイッチ３０と、絶縁スイッチ３２とを含む。さらに、ＵＰＳ１０は、整流器３４と、第１のキャパシタ３６と、第２のキャパシタ３７と、第１の直流バスキャパシタ３８と、第２の直流バスキャパシタ４０とを含み得る。整流器３４は、第１のダイオード４２および第２のダイオード４４を含み得る。

１つの実施形態によれば、力率補正電力段１２は入力４５および出力４７を含み、インバータ電力段１６は入力４６を含み、直流電源２４は入力５１および出力５０を含み、充電器２６は入力５２および出力５４を含む。

本明細書において、「直流バス」の語句は、一般的に、追加の回路に直流電力を供給する直流電気回路を説明するために用いられる。１つの実施形態によれば、直流バスは、たとえば、正の直流バスおよび負の直流バスの各々が中性線に関連する、デュアル直流バスを含み得る。他の実施形態によれば、直流バスは、たとえば、正の直流バスおよび負の直流バスが中性線と関連しない直流バスである、シングル直流バスを含み得る。直流バスの語句は、特定のタイプの導体を説明するために用いられるものではないが、ワイヤ、はんだ痕（solder trace）、ケーブル、バスバーなどを含む、どのようなタイプの導体を含み得る。

動作中は、ＵＰＳ１０は、入力２０にて交流入力（たとえば、単相交流入力）を受ける。交流入力は、整流器３４によって整流され、力率補正電力段１２へ供給される。１つの実施形態によれば、力率補正電力段１２は、直流バス１４へ電力を印加するために選択的に作動される半導体スイッチを含む。さらに、半導体スイッチのスイッチングサイクルは、ＵＰＳの交流出力２２において供給される負荷の量に依存して変化し得る。当業者には周知であるように、力率補正電力段１２は、正の直流バスおよび負の直流バスに電力を交互に供給する。スイッチングサイクルの様々なステージの期間中、正の直流バスに関連するキャパシタ３８が充電される。スイッチングサイクルの他のステージにおいては、負の直流バスに関連するキャパシタ４０が充電される。直流バスからの電力は、インバータ電力段１６の入力４６へ供給される。インバータ電力段１６は、インバータ電力段の出力４８において、直流を交流出力に変換する。図示された実施形態においては、インバータ電力段は単相交流出力を供給するが、様々な実施形態においては、インバータ電力段は、たとえば、中性線を含んでもよいし含まなくてもよいが、三相出力のような多相出力を供給し得る。

直流電源２４は、１つの実施形態においては、交流電源が利用できないときに、力率補正電力段に供給するための代替電源として用いられる。一対のスイッチ２８は、第１の位置と第２の位置とを切換えるように動作し得る。第１の位置において、整流器３４の出力５０は、力率補正電力段１２の入力４５に接続される。第２の位置においては、整流器３４の出力５０は切り離され、直流電源の出力５０が、力率補正電力段１２の入力４５に接続される。

１つの実施形態に従えば、充電器入力５２は直流バス１４に接続され、充電器出力５４は直流電源の入力５１に接続される。１つの実施形態に従えば、直流電源はバッテリ電源であり、充電器２６はバッテリ充電器である。しかしながら、他の実施形態においては、たとえば、スーパーコンデンサ、燃料電池などの他の電源が用いられ得る。

様々な実施形態においては、制御システム１８は、１つまたはより多くの制御装置を含み得る。１つの実施形態においては、制御装置は電子回路を含む。１つの実施形態においては、完全な制御システム１８は、デジタルシグナルプロセッサに含まれる。さらなる実施形態においては、制御システム１８のいくつかの素子は、デジタルシグナルプロセッサ内に含まれ、一方制御システム１８他の素子は他のどこかに含まれる。１つの実施形態においては、制御システム１８は、テキサス・インストゥルメント社製のＴＭＳ３２０Ｆ２８１０デジタルシグナルプロセッサに含まれる。

図２を参照して、制御システム１８のさらなる詳細に含まれるＵＰＳ１０の高レベルのブロック図が示される。ＵＰＳ１０は、力率補正電力段１２と、インバータ電力段１６と、充電器電力段２６とを含む。１つの実施形態に従えば、ＵＰＳ１０は、さらに、交流入力６１と、交流出力６３と、第２の直流バス６６とを含む。１つの実施形態においては、第２の直流バス６６は、充電器２６を直流電源、たとえば、バッテリ電源に接続する。制御システム１８は、負荷電力モニタ５６と、電圧ループコントローラ５８と、除算器６０と、電流ループコントローラ６２とを含む。制御システムは、さらに、ノード６４を含む。１つの実施形態においては、ノード６４は制御システムの加算ノードである。１つの実施形態によれば、力率補正電力段１２の入力４５は交流電力源に接続され、力率補正電力段の出力４３は直流バス１４に接続される。さらに、１つの実施形態においては、インバータ電力段の入力４６は直流バス１４に接続され、インバータ電力段１６の出力４８はＵＰＳ１０の交流出力６３に接続される。さらに、充電器電力段の入力２６は直流バス１４に接続され、充電器電力段の出力５４は第２の直流バス６６に接続される。

１つの実施形態においては、交流出力６３およびインバータ電力段の出力４８は、電気的に同じ点であり、つまり、出力４８はＵＰＳ１０の交流出力である。他の実施形態においては、交流入力６１および力率補正電力段１２の入力４５は電気的に同じ点である。

１つの実施形態においては、負荷電力モニタ５６は、第１の入力６８と、第２の入力７０と、出力７２とを含む。さらなる実施形態においては、第１の入力６８は第２の直流バス６６に接続され、第２の入力７０はＵＰＳ１０の交流出力６３に接続される。電圧ループコントローラ５８は、入力７４および出力７６を含み得る。除算器６０は、第１の入力７８と、第２の入力７９と、出力８０とを含む。１つの実施形態によれば、第２の入力７９は、ＵＰＳ１０の交流入力６１に接続される。電流ループコントローラ６２は、入力８２および出力８４を含む。１つの実施形態によれば、力率補正電力段１２は、電流ループコントローラ６２の出力８４に接続される入力８６を含む。

様々な実施形態においては、第１の入力および第２の入力７０の各々は、それらがそれぞれ接続されるそれぞれの回路の各々、すなわち第２の直流バス６６および交流出力６３における電圧と電流とに関する情報が供給される。１つの実施形態によれば、第１の入力６８および第２の入力７０は、瞬時電力が決定される１つまたはより多くの線電圧および線電流が供給される。他の実施形態においては、線電圧および線電流のいずれかあるいは両方は、たとえば電流センサ、電圧変換器などの変換器によって変換された後に、負荷電力モニタ５６へ供給される。

１つの実施形態においては、電圧ループコントローラの入力７４は、制御システム１８によって直流基準電圧として用いられる信号が供給される。１つの実施形態によれば、ノード６４は、負荷電力モニタ５６の出力７２において供給される信号を、電圧ループコントローラ５８の出力７６において供給される信号と加算する。つまり、１つの実施形態においては、制御システムは、電圧ループコントローラ５８を用いるフィードバック電圧ループ制御と、負荷電力モニタ５６を用いるフィードフォワード負荷電力モニタリング制御の両方を用いる。すなわち、この実施形態のバリエーションにおいては、制御システム１８は、（すなわち、設定値に対する）直流電圧の誤差、および直流バス電圧を制御するための瞬時負荷電力の変化の各々を用いる。

１つの実施形態によれば、除算器６０は、入力７８における合計の結果に対応する信号と、入力７９における交流入力電圧に対応する信号とを受ける。本実施形態のバージョンにおいては、除算器は、入力７８において受けた信号を、入力７９において受けた信号によって除算し、出力８０において基準信号を生成する。

１つの実施形態においては、入力８２は、除算器６０の出力８０において与えられた信号を受ける。本実施形態のバージョンにおいては、その信号は、電流ループコントローラ６２へ供給された基準電流に対応する。１つの実施形態によれば、電流ループコントローラは、その出力８４において、力率補正電力段１２の入力８６へ供給される信号を生成する。したがって、１つの実施形態においては、瞬時負荷電力の少なくとも一部に基づく基準信号が、力率補正電力段１２へ供給される。１つの実施形態においては、基準信号は、力率補正電力段の動作を制御するため、たとえば、直流バス１４を電源に接続するために用いられる電子スイッチのスイッチング周波数を制御するために用いられる。

制御モジュール１８は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの組み合わせによって実現され得る。1つの実施形態においては、制御モジュール１８は、内蔵されたソフトウェアおよび／またはファームウェア命令を実行するマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラで実行され得る。１つの実施形態によれば、制御システム１８の１つまたはより多くの素子は、半導体チップまたはウェハ上に設けられた回路を含む電子回路に提供され得る。様々な実施形態においては、制御素子５６、５８、６４、６０および６２の１つまたはより多くの制御素子は同じ回路内に集積され、あるいは、代替としては、これらの１つまたはより多くは独立した個別の回路に含まれ得るか、または、１つまたはより多くの制御素子と組み合わされ得る。

さらに、制御システムは、力率補正電力段１２に接続された単一の出力を有するものとして図示されているが、制御システム１８は、力率補正電力段１２、または、インバータ電力段１６および充電器電力段２６を含むＵＰＳ１０の他の部分に接続される他の入力および出力を含んでもよい。明確性のために、これらの追加的な接続は、ここには図示されていない。
図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃを参照して、本発明の実施形態が、負荷変動にどのように応答するかを示す一連の波形図が示される。過渡変動は、ＵＰＳによって供給される電力における、どのような急増または急減をも含み、たとえば、ファンまたはコンプレッサモータの始動によって引き起こされる電気負荷の増加を含む。

図３Ａは、ＵＰＳの出力における電流および電圧の波形図３００を示す。図３Ｂは、ＵＰＳの出力における瞬時負荷電力の波形図３０８を示す。図３Ｃは、以下でより詳細に説明するような、瞬時負荷電力の累積的な差の波形図３２０を示す。

図３Ａを参照して、波形図３００は、電流波形３０２および電圧波形３０４を含む。さらに、波形図３００は、電流波形３０２に反映された時刻Ｔ１において、負荷変動を示す。この例において、負荷変動は、負荷の増加である。しかしながら、本発明の実施形態は、電気負荷の急激な減少にも応答して動作し得る。ＵＰＳ１０の動作を強調するために、元の電流波形３０６が、時刻Ｔ１に引き続く期間の間、破線で（in phantom）示される。すなわち、波形３０６は定常状態電流を示し、一方、波形３０２は時刻Ｔ１において振幅が変化する電流を示す。図示された例においては、負荷変動は、実質的に瞬間的に生じ、たとえば、負荷変動は負荷のステップ状の増加である。さらに、図示されるように、負荷変動は、波形図３００に現れる電流波形の変化、すなわちステップ状の変化によって反映される、負荷に供給される電流の増加を引き起こす。

この例においては、負荷変動は第１の正の半サイクル３０５中に生じる。後続の正の半サイクル３０７（たとえば、直後に続く正の半サイクル）および後続の負の半サイクル３０９もまた、波形図３００に確認される。

図３Ａ〜３Ｃに図示されるように、負荷変動は時刻Ｔ１において生じ、第１のゼロクロスは時刻Ｔ２で生じ、第１の正の半サイクルの最後は時刻Ｔ３における第２のゼロクロスによって示される。負の半サイクル３０９の完了と後続の正の半サイクル３０７は、時刻Ｔ４において生じるゼロクロスによって示され、後続の正の半サイクル３０７の完了は、時刻Ｔ５において生じるゼロクロスによって示される。時刻Ｔ６は、負荷変動が最初に生じる正の半サイクル３０５に引き続く、後続の正の半サイクル３０７の時間を表す。

さらに、図３Ｂに示される波形３１６は、負荷変動前の電力波形に対応し、正の半サイクル３０７における基準のために破線で示される。すなわち、時刻Ｔ６は、第１の正の半サイクル３０５の時刻Ｔ１に対応する、正のサイクル３０７の点を表す。つまり、時刻Ｔ２において生じるゼロクロスと、時刻Ｔ１によって示されるような負荷変動の発生との間の時間量は、時刻Ｔ４および時刻Ｔ６において生じるゼロクロス間の時間量と等しい。

１つの実施形態においては、ＵＰＳ１０の制御システム１８は、制御システム１８が負荷電力モニタ５６を介した負荷電力モニタリングを用いるので、交流出力６３の負荷の急変に応答する。本明細書においてより詳細に説明されるように、１つの実施形態によれば、信号は、制御システム１８によって決定されるような十分な大きさの（増加または減少のいずれの）負荷電力変動のためだけに、負荷電力モニタ５６の出力７２において現れる。したがって、負荷電力モニタ５６の出力７２からノード６４に供給される信号は、たとえば、定常状態負荷、または負荷の小さな変動などの多くの動作ステージの間は、ゼロになり得る。

図３Ｂを参照して、波形図３０８は、ＵＰＳ１０の出力６３に供給される電力３１０の図を示す。さらに、負荷変動が存在しないであろう元の電力に対応する波形３１２が、破線で示される、さらに、明確化のために、波形３１４のほかの部分も、時刻Ｔ２で生じるゼロクロスから、負荷変動が生じる時刻Ｔ１で生じるゼロクロスまで、破線で示される。

様々な実施形態は、制御システムにおいて負荷電力モニタリングを用い、負荷変動に対する急速な応答を提供する。図示された実施形態においては、ＵＰＳ１０は、同じ極性を有する連続する半サイクルの間の波形の複数のサンプルにわたって瞬時負荷電力の差を決定することによって、直流バス１４の電圧についての高速調整を提供する。つまり、一般的に、本発明の実施形態は、交流波形の正の半サイクルの点と、同じ極性を有する直後に続く半サイクル上の同じ点の瞬時負荷電力とを比較し、たとえば、第１の正の半サイクルと後続の半サイクルとの間の瞬時負荷電力の比較がなされ、および／または、第１の負の半サイクルと後続の負サイクルとの間の瞬時負荷電力が比較される。様々な実施形態においては、ＵＰＳは、上述のアプローチを用いて、１／２よりも実質的に短いラインサイクルで、交流出力の負荷の変化に応答する。１つの実施形態においては、応答時間は２５０マイクロ秒以下である。他の実施形態においては、応答時間は５００マイクロ秒以下である。

さらなる実施形態においては、同じ極性を有する２つの連続する半サイクルの時間内における様々なポイントでの瞬時負荷電力の差が蓄積され、かつ予め定められたしきい値と比較される。１つの実施形態において、連続する期間の間の瞬時負荷電力の累積的な差が予め定められたしきい値を超過するときは、負荷電力モニタの出力７２に、信号が与えられる。さらなる実施形態においては、連続する期間の間の瞬時負荷電力の累積的な差が予め定められたしきい値を超過しない場合は、出力７２に信号は与えられない。

他の実施形態によれば、負荷電力モニタは、充電器２６の出力５４に供給される瞬時電力を、出力６３における瞬時負荷電力に追加し、ＵＰＳ１０によって供給される総瞬時電力を決定する。本実施形態によれば、（同じ極性を有する）交流出力の連続する半サイクルの間の総瞬時負荷電力の差が決定され、蓄積され、予め定められたしきい値と比較される。本実施形態のバージョンにおいては、総瞬時負荷電力の累積的な差が予め定められたしきい値を超過するときは、負荷電力モニタの出力７２に信号が供給される。以下の説明は、（すなわち、負荷電力モニタ５６の入力７０に基づいて決定された）瞬時負荷電力を参照するが、総瞬時電力の決定もまた用いられ得る（すなわち、負荷電力モニタ５６の入力６８および入力７０の両方に基づいて決定される）。

図４Ａは、1つの実施形態に従う瞬時負荷電力の差を用いるプロセス４００を図示する。1つの実施形態においては、負荷電力モニタ５６は、予め定められた時間の間の各ラインサイクルの電圧および電流をサンプリングする。１つの実施形態においては、各ラインサイクルは、時間内の６４点においてサンプリングされる。すなわち、時刻ｔｍおよび時刻ｔｎは、第1の半サイクル３０５からのサンプルポイントおよび引き続く正の半サイクル３０７からのサンプルポイントをそれぞれ示したものである。より具体的には、時刻ｔｍは、時刻Ｔ２および時刻Ｔ１の間のサンプルポイント、つまり、負荷変動の発生前のサンプルポイントを示している。さらに、時刻ｔｍは、波形３１０の第1の正の半サイクル３０５が始まるゼロクロスの後の既知の時間量、すなわち、時刻Ｔ２後の既知の時間に生じる。つまり、時間量Ｘは、時刻Ｔ２と時刻ｔｍとの間で生じ、すなわち、ｔｍ−Ｔ２＝Ｘである。したがって、時刻ｔｎは、波形３１０の後続の正の半サイクル３０７が始まるゼロクロスの後の同じ時間量（すなわち、量Ｘ）で生じる時刻として選択され、つまり、ｔｎ−Ｔ４＝Ｘである。

この例を用いると、時刻ｔｍにおける瞬時負荷電力は、ステージ４０２において決定される。１つの実施形態によれば、第１の正の半サイクル３０５の各サンプルの間の瞬時負荷電力の決定は、ステージ４０３に先立って決定される。ステージ４０３において、時刻ｔｎにおける瞬時負荷電力が決定される。ステージ４０４において、時刻ｔｍにおける瞬時負荷電力と時刻ｔｎにおける瞬時負荷電力との間の差が決定される。つまり、１つの実施形態に従うと、ステージ４０４で決定された差は、２つの半サイクルの相対的に同じポイントにおいて生じるサンプルポイントにおいて決定された瞬時負荷電力間の差である。

先述のように、同じ極性を有する後続の半サイクル間の瞬時負荷電力の累積的な差が、いくつかの実施形態で用いられる。ステージ４０６においては、ステージ４０４において決定された差は、後続の半サイクル間、たとえば、第１の正の半サイクルと後続の正の半サイクル３０７の間の瞬時負荷電力の累積的な差に加算される。さらに、先述のように、いくつかの実施形態においては、瞬時負荷電力の累積的な差は予め定められたしきい値と比較される。

ステージ４０８において、瞬時負荷電力の累積的な差は、予め定められたしきい値と比較され、瞬時負荷電力の累積的な差が予め定められたしきい値を超過しているか否かを判定する。ここで、累積的な負荷電力差が予め定められたしきい値を超過する場合は、プロセス４００は、累積的な負荷電力差が負荷電力モニタ５６の出力７２に供給されるステージ４１０に進み、たとえば、累積的な負荷電力差に対応する信号が負荷電力モニタ５６の出力７２において生成される。

ステージ４１２において、評価される現在の半サイクルについてサンプリングが完了したか否かの決定がなされる。１つの実施形態によれば、現在の半サイクルについてのサンプリングが完了した場合は、累積的な負荷電力差はゼロにリセットされ、ステージ４１４において、同じ極性を有する後続の半サイクルについて、プロセスが再び開始される。図４Ａにさらに図示されるように、プロセス４００は、いくつかの実施形態においては、瞬時負荷電力の累積的な差が予め定められたしきい値を超過していない場合は、プロセス４００は、ステージ４０８からステージ４１２に進む。ステージ４１２において、現在の半サイクルについてサンプリングが完了していないと判定されると、プロセスはステージ４１６に進む。ステージ４１６において、直後に続くサンプル時間、たとえば、時刻ｔｍ＝ｔｍ＋１および対応する時刻ｔｎ＝ｔｎ＋１について、プロセスが繰り返される。したがって、プロセスはステージ４０３に戻る。ここで説明したように、波形の定められた期間、たとえば半サイクルについてのサンプリングおよび解析が完了されるまで、プロセスは継続される。

プロセス４００は、当業者に理解される様々な変更が含まれ得る。たとえば、プロセス４００は、正の半サイクルおよび負の半サイクルの両方について実行され得る。つまり、プロセスは、概して本明細書で説明したように、正の半サイクルの瞬時負荷電力が他の正の半サイクルの瞬時負荷電力と比較されるとともに負の半サイクルの瞬時負荷電力が他の負の半サイクルの瞬時負荷電力と比較される各サイクルについて継続される。

本発明の実施形態は、様々な様式およびタイプの電力変換回路および、特にＵＰＳに採用され得る。１つの実施形態によれば、プロセスは、たとえば、正の直流バスおよび負の直流バスの各々が中性線に関連するデュアル直流バスを含むＵＰＳに用いられる。他の実施形態によれば、プロセスは、シングル直流バスを含むＵＰＳ、たとえば、正の直流バスおよび負の直流バスが中性線を参照しないＵＰＳに用いられる。

図３Ｃを参照して、瞬時負荷電力の差の波形図３２０が示される。波形図は、破線で示された予め定められたしきい値３２２と、負荷変動が検出された第１の期間３２４と、負荷変動が検出された第２の期間３２６とを含む。

瞬時負荷電力は、波形図３０８に反映されるような正の値を有する。したがって、図３Ｂにおいて、波形図３００の正の半サイクル３０５に対応する電力波形３１０の領域が、領域２３８として特定され、正の半サイクル３０７に対応する領域が、領域３３０として特定される。

図３Ｂにおいて、波形３１２は、半サイクル３２８の直前の正の半サイクルの瞬時負荷電力を反映している。半サイクル３２８および先行の半サイクル３１２の各々は、時刻Ｔ２から時刻Ｔ１までは同じ振幅を有しているので、時刻ｔ１以前は瞬時負荷電力の差はゼロである。負荷変動の時刻（すなわち、時刻Ｔ１）において、半サイクル３２８の瞬時負荷電力と（波形３１２によって表される）直前の正の半サイクルとの比較によって、半サイクル３２８において瞬時負荷電力がより大きくなることが見出される。したがって、時刻Ｔ１の初めで、瞬時負荷電力の累積的な差が、波形３２８および波形３１２の瞬時負荷電力の間の差からもたらされる。半サイクル３２８の瞬時負荷電力がより大きいままである（すなわち、増加された負荷のままである）ので、累積的な差は、時刻Ｔ３においてゼロクロスに到達するまで、一定に増加する。

１つの実施形態においては、制御システム１８は、瞬時負荷電力の累積的な差３２４を予め定められたしきい値３２２と比較する。１つの実施形態によれば、負荷電力モニタがこの比較を実行する。図示された実施形態においては、時刻Ｔ７において、瞬時負荷電力の累積的な差が予め定められたしきい値３２２を超過する時刻なので、負荷電力モニタ５６の出力７２に信号が生成される。さらに、図示された実施形態においては、正の半サイクル３０５の残りの期間について、信号が出力７２に生成される。

図３Ｃにおいて、後続の正の半サイクルについてのこの累積的な負荷電力差が、プロット３２６によって示される。時刻Ｔ４において、波形３３０と波形３１６との間の瞬時負荷電力の差が、その半サイクルについて累積的な負荷電力へのこれ以上の加算がなくなる（すなわち、これ以上の負荷変動が発生しなくなる）時刻Ｔ６まで蓄積が開始される。つまり、時刻Ｔ１の初めで、半サイクル３２８は、過渡変動によって引き起こされる瞬時負荷変動の変化を含む。この変化は、波形３３０にも反映される。したがって、瞬時負荷電力の差はない。

図４Ｂを参照して、プロセス４００全体に統合され得るプロセス４２０が示される。１つの実施形態によれば、プロセス４２０は、ステージ４１０に続いてプロセス４００全体に統合される。ステージ４２２においては、累積的な負荷電力差を出力７２へ供給するための判定がなされる。つまり、制御システム１８の一部分は、力率補正電力段の動作を制御する。しかしながら、ステージ４２４において、差を供給するための判定がさらに評価される。１つの実施形態によれば、予め定められたしきい値が超過された半サイクル、あるいは、予め定められたしきい値が超過された半サイクルと同じ極性を有する直後に続く半サイクルのいずれかについて、累積的な負荷電力差が判定された場合は、累積的な負荷電力差が力率補正電力段の動作を制御するために用いられ続ける。しかしながら、これらの２つの基準のいずれも満足されない場合は、ステージ４２４において、プロセス４２０は、瞬時負荷電力の累積的な差が予め定められたしきい値を超過するか否かの判定がなされるステージ４２６に進む。もしそうである場合は、累積的な負荷電力差は、力率補正電力段の動作の制御のために用いられ続ける。もしそうでない場合は、ステージ４２８において示されるように、瞬時負荷電力の累積的な差は、もはや、力率補正電力段の動作の制御のために用いられない。つまり、１つの実施形態においては、負荷電力モニタ５６は、ステージ４２８において出力７２への信号の供給を停止する。

１つの実施形態によれば、予め定められたしきい値は、ＵＰＳ１０によって供給される非線形負荷における予想される変動に基づいて規定される。様々な実施形態においては、予め定められたしきい値の選択において考慮されるほかの要因は、測定の分解能、すなわち、どれだけ多くのサンプルポイントがラインサイクルごとに選択されるか、および測定において経験される信号ノイズを含む。本実施形態のバージョンにおいては、予め定められたしきい値は、瞬時電力におけるこれら外部からの変動の寄与よりも大きくなるように規定される。１つの実施形態においては、予め定められたしきい値は、２００ワットに設定される。さらなる実施形態においては、予め定められたしきい値は、全負荷電力の百分率で規定される。本実施形態のバージョンにおいては、予め定められたしきい値は、全負荷電力のおよそ５〜６％に規定される。

上述のように、実施形態は、直流バス電圧の改善された過渡応答を提供するために用いられる。様々な実施形態においては、サンプリング周波数は、応答時間を制御するために選択される。たとえば、より速いサンプリングレート（サンプル数／サイクル）は、直流バスのより速い過渡応答を可能にする、より速い負荷変動の検出、および直流バス電圧の対応するオーバーシュートおよびアンダーシュートの低減をもたらし得る。

本明細書において説明された、瞬時負荷電力プロファイリングシステムおよび方法の実施形態は、単相または三相システムで用いられ得る。たとえば、実施形態は、ラインサイクルは交流要素を含むために、三相システムの負荷がバランスしていない、および／または、負荷が非線形である場合に用いられ得る。したがって、実施形態は、ＵＰＳの入力への三相交流電源および単相ＵＰＳ出力を含むシステムのような、ハイブリッドシステムを含む多相のアプリケーションのために用いられ得る。

したがって、本発明の少なくとも１つの実施形態のいくつかの局面が説明されたが、様々な変更、修正および改善が、当業者によって容易になされるであろうことが、理解されるべきである。このような変更、修正および改善は、本開示の一部であることが意図されるべきであり、本発明の精神と範囲内であることが意図されるべきである。したがって、上述の説明および図面は一例に過ぎない。

Claims (18)

1. 無停電電源装置（ＵＰＳ）に含まれる直流バスの電圧を制御する方法であって、前記ＵＰＳは、前記直流バスに結合される力率補正回路と、交流出力と、制御システムとを含み、
   前記方法は、
   前記交流出力において供給される交流波形の第１のサイクルの間に生じる、第１の時間において前記交流出力へ供給される瞬時電力と、前記第１のサイクルに引き続く前記交流波形の第２のサイクルの間に生じる、第２の時間において前記交流出力へ供給される瞬時電力との間の差を決定する動作と、
   少なくとも部分的に前記差に基づいて、前記制御システムによって、出力信号を生成する動作と、
   前記直流バスの電圧を調整するために、前記出力信号を前記力率補正回路に供給して、前記力率補正回路の動作を調整する動作とを備える、方法。
2. 前記第１の時間は、前記第１のサイクルの開始に引き続いて、第１の時間量で発生し、
   前記第２の時間は、前記第２のサイクルの開始に引き続いて、前記第１の時間量に実質的に等しい第２の時間量で発生する、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の時間を、前記交流波形の第１の正の半サイクルの間に発生する時間として選択する動作と、
   前記第２の時間を、前記第１の正の半サイクルの直後に続く正の半サイクルの間に発生する時間として選択する動作とをさらに備える、請求項１に記載の方法。
4. 前記交流波形の前記第１のサイクルにおける複数の点において決定される瞬時電力および前記交流波形の前記第２のサイクルにおける複数の点において決定される瞬時電力に基づいて、前記交流出力に供給される瞬時電力の累積的な差を決定する動作をさらに備える、請求項１に記載の方法。
5. 前記累積的な差を前記力率補正回路へ供給する動作をさらに備える、請求項４に記載の方法。
6. 前記累積的な差を予め定められたしきい値と比較する動作と、
   前記累積的な差を用いて、基準電流信号を生成する動作とをさらに備える、請求項４に記載の方法。
7. 前記累積的な差が前記予め定められたしきい値を超過するときは、前記直流バスの電圧を調整するために、前記力率補正回路の動作を調整する動作をさらに備える、請求項６に記載の方法。
8. 前記ＵＰＳは、エネルギ蓄積装置を充電するように構成された充電回路を含み、
   前記充電回路は、直流出力を含み、
   前記方法は、
   第１の合計を、前記第１の時間における前記交流出力へ供給される瞬時電力と前記直流出力へ供給される瞬時電力との合計として決定する動作と、
   第２の合計を、前記第２の時間における前記交流出力へ供給される瞬時電力と前記直流出力へ供給される瞬時電力との合計として決定する動作と、
   前記第１の合計と前記第２の合計との差に基づいて、前記累積的な差を決定する動作とをさらに備える、請求項６に記載の方法。
9. 前記直流バスの電圧における誤差を決定する動作と、
   前記誤差および前記累積的な差の各々を用いて前記電圧を制御する動作とをさらに備える、請求項４に記載の方法。
10. 予め定められたしきい値よりも大きな負荷電力の実質的な瞬時変化に続く、前記交流波形の１／２サイクルよりも実質的に少ない時間量において、前記力率補正回路の動作を調整する動作とをさらに備える、請求項１に記載の方法。
11. 無停電電源装置（ＵＰＳ）であって、
    交流出力と、
    力率補正回路と、
    前記力率補正回路に結合された直流バスと、
    前記力率補正回路に結合される出力を含む制御システムとを備え、
    前記制御システムは、前記交流出力に供給される交流波形の第１のサイクルの間に生じる、第１の時間において前記交流出力へ供給される瞬時電力と、前記第１のサイクルに引き続く前記交流波形の第２のサイクルの間に生じる、第２の時間において前記交流出力へ供給される瞬時電力との間の差を決定し、
    前記制御システムは、少なくとも部分的に前記差に基づいて、前記出力において出力信号を生成するように構成され、
    前記出力信号は、前記直流バスの電圧を調整するために、前記力率補正回路の動作を調整するように用いられる、ＵＰＳ。
12. 単相交流入力および多相交流入力のいずれかをさらに備える、請求項１１に記載のＵＰＳ。
13. 前記制御システムは、前記交流波形の前記第１のサイクル内の複数の点において決定された瞬時電力と、前記交流波形の前記第２のサイクル内の複数の点において決定された瞬時電力との比較に基づいて、前記交流出力に供給される瞬時電力の累積的な差を決定するように構成される、請求項１１に記載のＵＰＳ。
14. 前記制御システムは、前記累積的な差を予め定められたしきい値と比較するとともに、前記累積的な差が前記予め定められたしきい値を超えるときには、前記ＵＰＳを調整するための前記出力信号を生成するように構成される、請求項１３に記載のＵＰＳ。
15. 前記出力信号は、前記累積的な差を用いて生成された基準電流信号を含む、請求項１３に記載のＵＰＳ。
16. 前記制御システムは、電圧ループ制御回路を含み、
    前記制御システムは、前記電圧ループ制御回路によって生成された信号を用いて前記基準電流信号を生成するように構成される、請求項１５に記載のＵＰＳ。
17. エネルギ蓄積装置を充電するように構成された充電回路をさらに備え、
    前記充電回路は、直流出力を含み、
    前記制御システムは、前記交流出力および前記直流出力へ供給される総瞬時電力における差を決定するとともに、少なくとも部分的に前記総瞬時電力における前記差に基づいて、前記ＵＰＳの動作を調整するための前記出力信号を生成するように構成される、請求項１１に記載のＵＰＳ。
18. 前記直流バスに結合された入力および前記交流出力に結合された出力を有するインバータをさらに備える、請求項１１に記載のＵＰＳ。

Images