JP5158491B2 - 無停電電源装置の制御方法 - Google Patents
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Description
図6において、1は商用電源としての3相交流電源、2はスイッチ、3は負荷(図示せず)が接続される出力端子、4はコンデンサ、5はリアクトル、6〜11は半導体スイッチ、12〜17は環流ダイオード、18はコンデンサ、19はバッテリ等の蓄電素子、20は半導体電力変換器、30はリアクトル5のU相電流、U,V,Wは3相交流の各相を示している。
また、3相交流電源1に停電等の異常が発生して商用給電が不可能になった場合には、スイッチ2をオフすると共に、電力変換器20をインバータとして動作させ、蓄電素子19の直流電力を交流電力に変換して出力端子3から負荷に供給している。
3相交流電源1のU相電圧101が正の時に、半導体スイッチ7のゲート信号103をオンすると、リアクトル5のU相に3相交流電源1から半導体スイッチ7に向かう方向に電流が流れ、リアクトル5にエネルギーが蓄えられる。この時の電流の通流経路は、図8にその一部を示すとおりであり、具体的には、3相交流電源1→リアクトル5のU相→半導体スイッチ7→環流ダイオード15,17→リアクトル5のV,W相→3相交流電源1となる。
なお、上記の充電モードを、便宜的に高周波充電モードというものとする。
このため、蓄電素子19の充放電電流が3相交流電源1、コンデンサ4、リアクトル5、半導体スイッチ6〜11、環流ダイオード12〜17、コンデンサ18、蓄電素子19に高周波数で流れることになる。
それにもかかわらず、前述したように従来では半導体スイッチ6〜11を常に高周波数でスイッチングしているので、3相交流電源1からコンデンサ4、リアクトル5、半導体スイッチ6〜11、環流ダイオード12〜17、コンデンサ18、蓄電素子19に電流が常時流れている。
また、ファンを駆動することは、効率を低下させるだけでなく、騒音が増大したり、ファンのメンテナンスが必要になる等の不都合を生じていた。更に、装置が屋内に設置される場合は、屋内の冷却にもエアコン等が必要となり、その消費電力やメンテナンスのためにランニングコストが一層高くなるという問題があった。
前記電力変換器の上下アームの半導体スイッチを高周波スイッチングする高周波充電モードにより前記蓄電素子が満充電になった後は、前記電力変換器の下アームまたは上アームの半導体スイッチを低周波数でスイッチングし、当該半導体スイッチのオフ時に、当該半導体スイッチとは逆アームに設けられてオフ状態にある半導体スイッチに逆並列接続された環流ダイオードを介して流れる充電電流により前記蓄電素子を充電する低周波充電モードに移行するものである。
前記低周波充電モードでは、前記交流電源の周波数で下アームまたは上アームの半導体スイッチをスイッチングするものである。
前記低周波充電モードでは、前記交流電源の相電圧のピーク値付近で半導体スイッチをスイッチングするものである。
前記低周波充電モードでは、前記交流電源の周波数のn(nは整数)倍の周波数で上アームの何れかの半導体スイッチと下アームの何れかの半導体スイッチとを交互にスイッチングするものである。
前記低周波充電モードでは、上アームのすべての半導体スイッチと下アームのすべての半導体スイッチとを交互にスイッチングするものである。
前記蓄電素子の充電電流が一定値以下である状態が一定時間経過したときに、前記高周波充電モードから前記低周波充電モードに移行するものである。
前記蓄電素子の電圧が所定値以上になったときに、前記高周波充電モードから前記低周波充電モードに移行するものである。
前記蓄電素子の電圧が一定値以下になった場合(例えば、停電によるバックアップ運転を一定期間行ってその後に復電した時や、何らかの原因で蓄電素子の電圧が一定値以下になった場合等)に、前記低周波充電モードから前記高周波充電モードに移行するものである。
前記低周波充電モードにおける半導体スイッチのオンパルス幅を、前記蓄電素子の電圧に応じて選択可能にしたものである。
前記低周波充電モードにおける半導体スイッチのオンパルス幅が所定値を超える場合には、前記オンパルス幅に含まれる複数のパルスからなるパルス列により半導体スイッチをオンさせるものである。
また、低周波充電モードにおけるスイッチングに伴うリプル電流のほとんどはコンデンサに流れるので、蓄電素子の寿命を低下させる心配もない。
図1は、本発明の実施形態の動作を示すタイムチャートである。このタイムチャートは、蓄電素子19が満充電後のものであり、満充電になるまでは大きな充電電力を必要とするため、従来と同様の高周波充電モードにより、半導体スイッチ6〜11が高周波スイッチングを行ってリアクトル5に蓄積されたエネルギーにより蓄電素子19を充電する。
すなわち、3相交流電源1のU相電圧101が正の時に、半導体スイッチ7のゲート信号103を1回オンすると、リアクトル5のU相に3相交流電源1から半導体スイッチ7に向かう方向に電流が流れ、リアクトル5にエネルギーが蓄えられる。この時の電流の通流経路は前述した図8の通りである。
この間、上アームの半導体スイッチ6のゲート信号102をオフしておくことにより、コンデンサ18及び蓄電素子19から3相交流電源1の方向に電流は流れず、蓄電素子19が放電することはない。
この場合には、図8とは逆方向に流れるU相電流30によってリアクトル5にエネルギーが蓄積され、半導体スイッチ6のゲート信号102をオフした時に、リアクトル5の蓄積エネルギーが、リアクトル5のU相→3相交流電源1→リアクトル5のV,W相→環流ダイオード14,16→コンデンサ18及び蓄電素子19→環流ダイオード13→リアクトル5のU相の経路で放出されることにより、蓄電素子19が充電されることになる。
これにより、満充電時には無停電電源装置内の回路素子を充電電流が流れる回数が大幅に減少するので、従来のように高周波充電モードのみにより充電する場合に比べてスイッチング損失や回路素子における損失を低減することができ、ファンやエアコン等の冷却装置の負担を少なくして設備費用やランニングコストを減少させることができる。
あるいは、一般に、交流電源の周波数のn(nは整数)倍の周波数で上アームの何れかの半導体スイッチと下アームの何れかの半導体スイッチとを交互にスイッチングさせても良い。
また、1周期または半周期に1回オンさせる場合のタイミングは、相電圧のピーク値付近で行っても良い。ピーク値付近は電圧が高いため、ゲート信号をオンしたときにリアクトル5に多くのエネルギーを蓄えることができ、短いオン時間で効率よく蓄電素子19を充電することができる。
これに対し、本実施形態によれば、低周波充電モードにおけるリプル電流のピーク値は半導体スイッチのオンパルス幅で規定される電流以上に大きくならないと共に、そのほとんどはコンデンサ18に流れるため、蓄電素子19の寿命を低下させるおそれがない。
ここで、蓄電素子19は、満充電に近付くにつれて充電電流が徐々に減少し、最終的には充電電流がごく微小な値となる特性がある。従って、蓄電素子19への充電電流が一定電流以下になったことを検出すれば蓄電素子19が満充電状態であることを判定可能である。ただし、充電電流が微小であり、その検出精度の問題もあるため、充電電流が微小になった状態が一定時間経過したことにより満充電状態を判定し、高周波充電モードから低周波充電モードに移行すれば良い。
例えば、停電によるバックアップ運転時には、蓄電素子19が放電して電力変換器20をインバータとして運転することにより蓄電素子19が満充電状態ではなくなるので、蓄電素子19の電圧が低下する。更に、バックアップ運転時以外でも、何らかの原因によって蓄電素子19の蓄電量が低下し、その電圧が低下することがある。
なお、低周波充電モードにおける半導体スイッチのパルス幅制御に当たっては、パルスオフ(オンパルス幅ゼロ)から所定のオンパルス幅まで数段階のパルス幅を用意しておき、蓄電素子19の電圧検出値(電圧検出値と充電電圧指令値との偏差)に応じて適切なパルス幅を選択可能にすることが望ましい。
また、スイッチ切替回路SWCが、電圧検出器VTまたは電流検出器DCCTの検出信号から蓄電素子19が満充電になったことを検出した場合には、低周波充電モードで運転するために、切替スイッチSW1をパルス発生器PG1〜PG3側に切り替え、パルス発生器PG1〜PG3から出力される低周波パルスをパルス分配回路PDIVにより分配して半導体スイッチ6〜11に対するオンオフ信号とする。
まず、図3は、交流電源1の相電圧のピーク値付近でパルスを生成し、電力変換器20の半導体スイッチ6〜11にパルスを分配する例である。この例では、各相電圧の正負両側のピーク値付近でパルスを生成し、上アームの何れかの半導体スイッチと下アームの何れかの半導体スイッチとを交互にオン(各相電圧の1周期に6回オン)させているため、各半導体スイッチの発生損失が均等になり、均等な冷却機構が使用可能であると共に、特定の半導体スイッチに損失が偏ることがないので、寿命のアンバランスが生じにくくなる。なお、この例では交流電源の各相電圧の正負両側でのピーク値付近でパルスを生成しているが、正負の何れか一方だけでパルスを生成(各相電圧の1周期に3回オン)しても、充電機能には支障はない。また、半導体スイッチの発生損失が均等にならないことを容認できる場合には、特定の1相または2相だけでパルスを生成(各相電圧の1周期に2回または4回オン)するようにしてもよい。
この場合、結果的には、上アームの全ての半導体スイッチ6,8,10と下アームの全ての半導体スイッチ7,9,11とを交互にオンオフすることになり、図3の例と同様な充電機能が得られると共に、半導体スイッチ6〜11の発生損失も均等になる。この例によれば、パルス分配回路PDIVの動作が簡素化される利点がある。
信号Aのパルス幅が所定値以上になると、リアクトル5が磁気飽和して半導体スイッチに過電流が流れるが、図5に示す方法によれば、信号Aのパルス幅内で生成された複数のパルスからなる信号Cにより半導体スイッチをオンオフさせることで、リアクトル5の磁気飽和を防ぎ、半導体スイッチに過電流が流れるのを抑制することができる。
この場合、前述した図7の高周波充電モードから図1の低周波充電モードに直接移行しても良いが、図7の高周波充電モードにより充電している間、蓄電素子19の電圧が第1の所定値以上になった時に、まずは、図3のモード,図4のモード,図5のモードの何れかに移行(あるいは、図3のモードまたは図4のモード→図5のモードに順次移行)し、その後、蓄電素子19の電圧が第2の所定値(第2の所定値>第1の所定値)以上になった時に、図1の低周波充電モードに移行するようにしても良い。
2:スイッチ
3:出力端子
4:コンデンサ
5:リアクトル
6〜11:半導体スイッチ
12〜17:環流ダイオード
18:コンデンサ
19:蓄電素子
20:半導体電力変換器
30:リアクトル5のU相電流
VT:電圧検出器
DCCT:電流検出器
AVR:電圧調節器
CW:キャリア発生器
CP:コンパレータ
PDIV:パルス分配回路
SWC:スイッチ切替回路
SW1:切替スイッチ
PG1〜PG3:パルス発生器
PPD:ピーク位相検出回路
Claims (11)
- 交流電源の健全時には前記交流電源から負荷に電力を供給すると共にリアクトル及び電力変換器を介して蓄電素子を充電し、前記交流電源の異常時には前記蓄電素子の直流電力を前記電力変換器により交流電力に変換して前記リアクトルを介し前記負荷に供給する常時商用給電方式の無停電電源装置において、
前記電力変換器の上下アームの半導体スイッチを高周波スイッチングする高周波充電モードにより前記蓄電素子が満充電になった後は、前記電力変換器の下アームまたは上アームの半導体スイッチを低周波数でスイッチングし、当該半導体スイッチのオフ時に、当該半導体スイッチとは逆アームに設けられてオフ状態にある半導体スイッチに逆並列接続された環流ダイオードを介して流れる充電電流により前記蓄電素子を充電する低周波充電モードに移行することを特徴とする無停電電源装置の制御方法。
- 請求項1に記載した無停電電源装置の制御方法において、
前記低周波充電モードでは、前記交流電源の周波数で下アームまたは上アームの半導体スイッチをスイッチングすることを特徴とする無停電電源装置の制御方法。 - 請求項1に記載した無停電電源装置の制御方法において、
前記低周波充電モードでは、前記交流電源の相電圧のピーク値付近で半導体スイッチをスイッチングすることを特徴とする無停電電源装置の制御方法。 - 請求項1に記載した無停電電源装置の制御方法において、
前記低周波充電モードでは、前記交流電源の周波数のn(nは整数)倍の周波数で上アームの何れかの半導体スイッチと下アームの何れかの半導体スイッチとを交互にスイッチングすることを特徴とする無停電電源装置の制御方法。
- 請求項1に記載した無停電電源装置の制御方法において、
前記低周波充電モードでは、上アームのすべての半導体スイッチと下アームのすべての半導体スイッチとを交互にスイッチングすることを特徴とする無停電電源装置の制御方法。 - 請求項1〜5の何れか1項に記載した無停電電源装置の制御方法において、
前記蓄電素子の充電電流が一定値以下である状態が一定時間経過したときに、前記高周波充電モードから前記低周波充電モードに移行することを特徴とする無停電電源装置の制御方法。 - 請求項1〜5の何れか1項に記載した無停電電源装置の制御方法において、
前記蓄電素子の電圧が所定値以上になったときに、前記高周波充電モードから前記低周波充電モードに移行することを特徴とする無停電電源装置の制御方法。 - 請求項1〜7の何れか1項に記載した無停電電源装置の制御方法において、
前記蓄電素子の電圧が一定値以下になった場合に、前記低周波充電モードから前記高周波充電モードに移行することを特徴とする無停電電源装置の制御方法。 - 請求項1〜8の何れか1項に記載した無停電電源装置の制御方法において、
前記低周波充電モードにおける半導体スイッチのオンパルス幅を、前記蓄電素子の電圧に応じて選択可能にしたことを特徴とする無停電電源装置の制御方法。 - 請求項9に記載した無停電電源装置の制御方法において、
前記低周波充電モードにおける半導体スイッチのオンパルス幅が所定値を超える場合には、前記オンパルス幅に含まれる複数のパルスからなるパルス列により半導体スイッチをオンさせることを特徴とする無停電電源装置の制御方法。 - 前記蓄電素子の電圧が第1の所定値以上になった場合に、請求項4または請求項5または請求項10の何れかによる低周波充電モードのスイッチング動作に移行し、その後、前記蓄電素子の電圧が前記第1の所定値よりも高い第2の所定値以上になった場合に、請求項2による低周波充電モードのスイッチング動作に移行することを特徴とする無停電電源装置の制御方法。
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