JP5169590B2

JP5169590B2 - 無停電電源装置およびその製造方法

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Publication number: JP5169590B2
Application number: JP2008198243A
Authority: JP
Inventors: 敬幸平尾
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2028-07-31
Also published as: JP2010041744A

Description

本発明は無停電電源装置およびその製造方法に関する。

商用電源の停電時でも電力を確保するためのバックアップ電源として、無停電電源装置（ＵｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ、「ＵＰＳ」ともいう）が広く利用されている。以下では、交流入力と交流出力間が絶縁されていない構成の三相交流用無停電電源装置について説明する。三相交流には、３本の電線あるいはケーブルを用いて配電される三線式の交流、すなわち三相三線交流と、４本の電線あるいはケーブルを用いて配電される四線式の交流、すなわち三相四線交流とがある。日本では三相三線式の２００Ｖ級が一般的であるが、海外では、四線式の４００Ｖ級が一般的である。このような配電方式の違いに対応して、無停電電源装置にも異なる回路構成が要求される。

図６は三相三線交流に対応した従来例の無停電電源装置の回路構成を示す図である。この回路構成は、例えば特許文献１に従来例として示されている。図６に示す無停電電源装置は、交流を直流に変換する整流器１１、１２、１３と、直流を蓄えるバッテリＢＴと、直流を交流に変換するインバータ２１、２２、２３とを有し、交流電源が健全時は、交流を整流器１１、１２、１３により直流に変換してインバータ２１、２２、２３に入力するとともにバッテリＢＴを充電し、交流電源が停電時には、バッテリＢＴに蓄えられた直流をインバータ２１、２２、２３に入力して負荷に交流電力を供給するように構成される。整流器１１、１２、１３とインバータ２１、２２、２３との間の直流リンクには、直流コンデンサＣ_DCが接続される。三線式で配電された３相Ｒ、Ｓ、Ｔの交流は、ＬＣ回路を介して整流器１１、１２、１３に入力される。インバータ２１、２２、２３は、ＬＣ回路を介して、３相Ｕ、Ｖ、Ｗの交流を出力する。

整流器１１、１２、１３およびインバータ２１、２２、２３としては、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の高速スイッチング素子とそれらに逆並列接続されたダイオードで構成されるブリッジ回路が用いられ、高速スイッチング素子はＰＷＭ（パルス幅変調）制御される。図６では、この制御のための構成は省略する。整流器１１、１２、１３およびインバータ２１、２２、２３として、より簡単あるいは安価な構成も採用することも可能であるが、入力の力率を高められることや、入力電流に高調波成分を含まないように制御することができることから、上述のようなブリッジ回路が用いられている。

図７は三相四線交流に対応した従来例の無停電電源装置の回路構成を示す図である。この回路構成は、例えば特許文献２に示されたものと同等である。なお、図６に示す無停電電源装置と同じ回路構成をもつ部分に関しては、定格電流の違いを無視して、図６と同じ符号で示す。図７に示す無停電電源装置は、図６に示す無停電電源装置と同様に、交流を直流に変換する整流器１１、１２、１３と、直流を蓄えるバッテリＢＴと、直流を交流に変換するインバータ２１、２２、２３とを有し、交流電源が健全時は、交流を整流器１１、１２、１３により直流に変換してインバータ２１、２２、２３に入力するとともにバッテリＢＴを充電し、交流電源が停電時には、バッテリＢＴに蓄えられた直流をインバータ２１、２２、２３に入力して負荷に交流電力を供給するように構成される。整流器１１、１２、１３とインバータ２１、２２、２３との間の直流リンクには、直流コンデンサＣ_DCが接続される。４線の入力のうち位相が互いに異なる３相Ｒ、Ｓ、Ｔはそれぞれ、ＬＣ回路を介して整流器１１、１２、１３に入力される。４線の入力の残りの１線は中性相ｎであり、整流器１１、１２、１３の入力に接続されるＬＣ回路のキャパシタは、図６の回路構成のように３相Ｒ、Ｓ、Ｔ入力の相互間ではなく、各相と中性相ｎとの間に接続される。インバータ２１、２２、２３は、ＬＣ回路を介して、３相Ｕ、Ｖ、Ｗの交流を出力する。インバータ２１、２２、２３の出力に接続されるＬＣ回路のキャパシタも、入力側と同様に、３相Ｕ、Ｖ、Ｗの相互間ではなく、各相と中性相ｎとの間に接続される。また、入力電圧と出力電圧とが平衡していない場合には入力側の中性相ｎと出力側の中性相ｎとの間に電位差が生じることから、これを解消するため、整流器１１、１２、１３とインバータ２１、２２、２３との間の直流リンクにコンバータ３１が設けられ、リアクタンスを介して中性相ｎに接続される。
特許第３１２２６１３号公報特許第３１１５１４３号公報

三相三線交流用の無停電電源装置と三相四線交流用の無停電電源装置とでは、回路構成に類似した部分もある。しかし、２００Ｖ級と４００Ｖ級とでは回路の電流定格が異なるため、日本国内向け三相三線２００Ｖ級無停電電源装置と、海外向け三相四線４００Ｖ級無停電電源装置とは、部品も回路構成も異なるものとして製造されている。

本発明は、このような課題を解決し、三相三線交流用と三相四線交流用とで共通のハードウェアを利用することのできる無停電電源装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点によると、交流を直流に変換する整流器と、直流を蓄えるバッテリと、直流を交流に変換するインバータとを有し、交流電源が健全時は、交流を整流器により直流に変換してインバータに入力するとともにバッテリを充電し、交流電源が停電時には、バッテリに蓄えられた直流をインバータに入力して負荷に交流電力を供給するようにした無停電電源装置において、三相交流に対して５個の入力端子と５個の出力端子とを有し、整流器として、５個の入力端子のうち第１から第４の入力端子に接続される４回路を有し、インバータとして、５個の出力端子のうち第１から第４の出力端子に接続される４回路を有し、上記５個の入力端子の第５の入力端子と上記５個の出力端子の第５の出力端子とに接続されそれらの間の電位差を解消するコンバータを有し、三相三線交流に対しては、互いに位相の異なる３相の入力の１つが第１から第４の入力端子のうちの２個の入力端子に、３相の入力のうち他の１つが第１から第４の入力端子の残りの２個の入力端子に、３相の入力のうち残りの１つが５個の入力端子の第５の入力端子にそれぞれ接続され、第１から第４の出力端子の２個の出力端子が３相出力のうち１相用の出力端子となり、第１から第４の出力端子の残りの２個の出力端子が３相出力のうち他の１相用の出力端子となり、第５の出力端子が３相出力のうち残り１相用の出力端子となり、三相四線交流に対しては、互いに位相の異なる３相の入力が第１から第４の入力端子のうちの３個の入力端子に接続され、中性相の入力が第５の入力端子に接続され、第１から第４の出力端子のうちの３個の出力端子が３相の出力端子となり、第５の出力端子が中性相の出力端子となることを特徴とする無停電電源装置が提供される。

コンバータは、第１から第４の出力端子に接続される４回路の各々と同等の電流定格を有する２つの並列回路により構成することができる。また、整流器とインバータとを接続する直流リンクとバッテリとの間に、直流電圧を降圧および昇圧する双方向チョッパを有することもできる。

本発明の第２の観点によると、三相交流に対して５個の入力端子と５個の出力端子とが設けられ、５個の入力端子のうち第１から第４の入力端子に対応して交流を直流に変換する整流器を取り付けるための４個の整流器取付部が設けられ、５個の出力端子のうち第１から第４の出力端子に対応して直流を交流に変換するインバータを取り付けるための４個のインバータ取付部が設けられた回路基板上に、５個の入力端子の第５の入力端子を中性相入力とし、第１から第４の入力端子のうち３個に対応する整流器取付部に整流器を取り付け、５個の出力端子の第５の出力端子を中性相とし、第１から第４の出力端子のうち３個に対応するインバータ取付部にインバータを取り付けることを特徴とする無停電電源装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、三相三線交流用と三相四線交流用とで共通のハードウェアを利用することができる。さらに詳しく述べると、例えば、三線方式の２００Ｖ級と四線方式の４００Ｖ級のように、三相三線交流用の電流定格が三相四線交流用のもののほぼ２倍となる場合に、４００Ｖ級の電流定格で回路部品を選定しておき、２００Ｖ級の三相三線交流に対しては、整流器およびインバータなどを並列使用できる構成にすることができる。

［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態に係る無停電電源装置の回路構成を示す図である。ここでは、三線方式の２００Ｖ級と四線方式の４００Ｖ級の双方の三相交流に対応する構成を例に説明する。なお、従来例の説明の際に使用した符号と同じ符号で示す回路は従来と同じ回路であり、その説明を省略または簡略化する。

この無停電電源装置は、三相交流に対して５個の入力端子ｉ１〜ｉ５と５個の出力端子ｏ１〜ｏ５とを有し、交流を直流に変換する整流器と１１〜１４と、直流を蓄えるバッテリＢＴと、直流を交流に変換するインバータ２１〜２４とを有し、交流電源が健全時は、交流を整流器１１〜１４により直流に変換してインバータ２１〜２４に入力するとともにバッテリＢＴを充電し、交流電源が停電時には、バッテリＢＴに蓄えられた直流をインバータ２１〜２４に入力して負荷に交流電力を供給するように構成される。４回路の整流器１１〜１４は、それぞれＬＣ回路を介して、５個の入力端子ｉ１〜ｉ５のうち第１から第４の入力端子ｉ１〜ｉ４に接続される。インバータ２１〜２４は、それぞれＬＣ回路を介して、５個の出力端子ｏ１〜ｏ５のうち第１から第４の出力端子ｏ１〜ｏ４に接続される。また、この無停電電源装置は、第５の入力端子ｉ５と第５の出力端子ｏ５とにそれぞれＬＣ回路を介して接続されそれらの間の電位差を解消するコンバータ３１、３２を有する。整流器１１〜１４とインバータ２１〜２４およびコンバータ３１、３２との間の直流リンクには、直流コンデンサＣ_DCが接続される。

［三相三線交流での使用形態］
図２は図１に示す無停電電源回路の三相三線交流用としての使用形態を示す図である。三相三線交流用として使用する場合には、互いに位相の異なる３相Ｒ、Ｔ、Ｓの入力のうちＲ相が第１から第４の入力端子ｉ１〜ｉ４のうちの２個の入力端子ｉ１およびｉ２に、Ｔ相の入力が残りの２個の入力端子ｉ３およびｉ４に、Ｓ相の入力が第５の入力端子ｉ５にそれぞれ接続される。また、第１から第４の出力端子ｏ１〜ｏ４の２個の出力端子ｏ１およびｏ２が３相出力Ｕ、Ｗ、ＶのうちＵ相用の出力端子となり、残りの２個の出力端子ｏ３およびｏ４がＷ相の出力端子となり、第５の出力端子ｏ５がＶ相の出力端子となる。

すなわち、三相三線交流入力のち第１相Ｒは、２つの入力端子ｉ１、ｉ２から、それぞれＬＣ回路を介して整流器１１、１２に入力される。第２相Ｓは、入力端子ｉ５に入力される。第３相Ｔは、２つの入力端子ｉ３、ｉ４から、それぞれＬＣ回路を介して整流器１３、１４に入力される。整流器１１〜１４はそれぞれ、入力された交流を直流に変換し、インバータ２１〜２４に給電するとともに、バッテリＢＴを充電する。また、インバータ２１、２２は並列に動作し、直流を交流に変換して、ＬＣ回路を介して出力端子ｏ１、ｏ２に第１相Ｕを出力する。インバータ２３、２４もまた並列に動作し、直流を交流に変換して、ＬＣ回路を介して出力端子ｏ３、ｏ４に第３相Ｗを出力する。コンバータ３１、３２は、入力電圧と出力電圧とを平衡させ、入力側の第２相Ｓと出力側の第２相Ｖとの間に生じる電位差を解消する。すなわち、Ｓ相入力があるときにはバッテリＢＴへの給電と第２相Ｖの出力とを調整する。Ｓ相入力が途絶えたときには、インバータとしての動作となる。

［三相四線交流での使用形態］
図３は図１に示す無停電電源回路の三相四線交流用としての使用形態を示す図である。三相四線交流用として使用する場合には、互いに位相の異なる３相Ｒ、Ｓ、Ｔの入力が第１から第４の入力端子ｉ１〜ｉ４のうちの３個の入力端子ｉ１〜ｉ３に接続され、中性相ｎの入力が第５の入力端子ｉ５に接続され、第１から第４の出力端子ｏ１〜ｏ５のうちの３個の出力端子ｏ１〜ｏ３が３相Ｕ、Ｖ、Ｗの出力端子、第５の出力端子ｏ５が中性相ｎの出力端子となる。

すなわち、三相四線交流入力のち第１相Ｒは、入力端子ｉ１からＬＣ回路を介して整流器１１に入力される。第２相Ｓは、入力端子ｉ２からＬＣ回路を介して整流器１２に入力される。第３相Ｔは、入力端子ｉ３からＬＣ回路を介して整流器１３に入力される。入力端子ｉ４から整流器１４への回路は、この三相四線交流用の場合には使用されない。整流器１１〜１３はそれぞれ、入力された交流を直流に変換し、インバータ２１〜２３に給電するともにバッテリＢＴを充電する。インバータ２１〜２３はそれぞれ、直流を交流に変換して、ＬＣ回路を介して出力端子ｏ１に第１相Ｕ、出力端子ｏ２に第２相Ｖおよび出力端子ｏ３に第３相Ｗをそれぞれ出力する。コンバータ３１、３２は、入力電圧と出力電圧とを平衡させ、入力側の中性相ｎと出力側の中性相ｎとの間に生じる電位差を解消する。

入力端子ｉ４、整流器１４、インバータ２４、出力端子ｏ４およびこれらに付随するＬＣ回路は、この無停電電源回路を三相四線交流で使用する場合には不要である。そこで、三相四線交流用としてのみ使用する無停電電源回路を製造する際に、図１に示す無停電電源回路と同じ部品を用いて、整流器１４、インバータ２４およびこれらに付随するＬＣ回路の実装を省くこともできる。すなわち、三相交流に対して５個の入力端子（図３に示す入力端子ｉ１〜ｉｏ５に相当）および５個の出力端子（図３に示す出力端子ｏ１〜ｏ５に相当）が設けられる。そして、５個の入力端子のうち第１から第４の入力端子（図３に示す入力端子ｉ１〜ｉ４に相当）に対応して交流を直流に変換する整流器を取り付けるための４個の整流器取付部が設けられ、５個の出力端子のうち第１から第４の出力端子（図３に示す出力端子ｏ１〜ｏ４に相当）に対応して直流を交流に変換するインバータを取り付けるための４個のインバータ取付部が設けられた回路基板、すなわち三相三線交流用と共通の回路基板を用いる。そして、５個の入力端子の第５の入力端子（図３に示す入力端子ｉ５に相当）を中性相入力とし、第１から第４の入力端子のうち３個（（図３に示す入力端子ｉ１〜ｉ３に相当）に対応する整流器取付部に整流器（図３に示す整流器１１〜１３に相当）を取り付け、５個の出力端子のうち第５の出力端子（図３に示す出力端子ｏ５に相当）を中性相とし、第１から第４の出力端子のうち３個（図３に示す出力端子ｏ１〜ｏ３に相当）に対応するインバータ取付部にインバータ（図３に示すインバータ２１、２２、２３に相当）を取り付ける。

［電流定格の比較］
四線方式４００Ｖ級の無停電電源装置に要求される電流定格と、三線方式２００Ｖ級の無停電電源装置に要求される電流定格との比較を表１に示す。ここで、図６、図７に示す従来例について最初に説明し、次に図１〜図３に示す無停電電源装置での電流定格について説明する。

入出力電圧が４００Ｖで入出力電流が１５Ａであるとすると、図７に示す従来例における整流器１１〜１３およびインバータ２１〜２３のＩＧＢＴに流れる平均電流は、６．５Ａとなる。また、コンバータ３１のＩＧＢＴに流れる平均電流、すなわちｎ相電流は、Ｕ、Ｖ、Ｗの各出力相と中性相間にそれぞれ同一定格の単相整流負荷が接続される場合に最大となって、インバータ２１〜２３のＩＧＢＴにそれぞれ流れる電流のルート３倍となり、１１．５Ａとなる。一方、入力電圧が２００Ｖで消費電力が同じであれば、入出力電流が３０Ａであり、図６に示す従来例における整流器１１〜１３およびインバータ２１〜２３のＩＧＢＴに流れる平均電流は、１３Ａとなる。すなわち、コンバータ３１を除いた回路の電流定格は、２００Ｖ級では４００Ｖ級の２倍となる。

そこで、図１〜図３に示す回路構成において、回路部品を４００Ｖ級の電流定格で選定しておき、２００Ｖ級ではそれらを並列使用する。すなわち、整流器１１〜１４およびインバータ２１〜２４を４００Ｖ級に対応する電流定格で構成し、これらを２つずつ並列に使用することで、２００Ｖ級に対応することができる。コンバータ３１、３２に関しては、三相四線時にはインバータ２１〜２３のＩＧＢＴにそれぞれ流れる電流のルート３倍の電流となり、また、三相三線時には交流出力の第1相Ｕと第３相Ｗと同じ大きさの電流が流れる。コンバータ３１、３２は三相四線時と三相三線時で電流にそれほどの差はなく、単独で２００Ｖ級と４００Ｖ級の双方に対応するような定格のものを用いることもできる。しかし、定格の異なる部品が混在してしまうことになる。これを避けるためには、インバータ２１〜２４の各々と同様の回路の並列構成とし、インバータ２１〜２４と同じ電流定格の回路素子を用いた構成することが好ましい。

［第２の実施の形態］
図４および図５は本発明の第２の実施の形態に係る無停電電源装置の回路構成およびその使用形態を示す図であり、図４は三相三線交流用としての使用形態、図５は三相四線交流用としての使用形態を示す。なお、第１の実施の形態において用いた符号と同一の符号の部分は、第１の実施の形態のものと同一の部分を示し、その説明を省略または簡略化する。

この無停電電源装置は、整流器１１〜１４とインバータ２１〜２４とを接続する直流リンクとバッテリＢＴとの間に、直流電圧を降圧および昇圧する双方向チョッパ４１を有することが第１の実施の形態と異なる。このような双方向チョッパ４１を用いることで、バッテリＢＴとして、直流リンクの電圧よりも低い任意の電圧のものを用いることができる。双方向チョッパ４１としては、単独で２００Ｖ級と４００Ｖ級の双方に対応するような定格のものを用いることもできるが、並列構成とし、整流器１１〜１４およびインバータ２１〜２４と同じ電流定格の回路構成とすることが好ましい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は要旨を変更しない限り種々変更することができる。例えば、対応する三相交流は２００Ｖ級と４００Ｖ級に限定されるものではなく、三相三線交流用の電流定格が三相四線交流用のもののほぼ２倍となる場合であれば、どのような電圧でもよい。入力端子ｉ１〜ｉ５と整流器１１〜１４との間のＬＣ回路やインバータ２１〜２４あるいはコンバータ３１、３２と出力端子ｏ１〜ｏ５との間のＬＣ回路の各構成については、必要に応じて適宜選択あるいは変更できる。整流器１１〜１４、インバータ２１〜２４およびコンバータ３１、３２としては、ＩＧＢＴを用いたブリッジ回路を用いることが望ましいが、パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ-Ｏｘｉｄｅ-ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄ-ＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＧＴＯ（ＧａｔｅＴｕｒｎＯｆｆＴｈｙｒｉｓｔｏｒ）を用いることも可能であり、さらに、他の安価な構成に変更することも可能である。また、整流器１１〜１４と、インバータ２１〜２４およびコンバータ３１、３２とで、別の回路構成を用いることもできる。

本発明の第１の実施の形態に係る無停電電源装置の回路構成を示す図である。図１に示す無停電電源回路の三相三線交流用としての使用形態を示す図である。図１に示す無停電電源回路の三相四線交流用としての使用形態を示す図である。本発明の第２の実施の形態に係る無停電電源装置の回路構成および三相三線交流用としての使用形態を示す図である。図４に示す無停電電源装置の三相四線交流用としての使用形態を示す図である。三相三線交流に対応した従来例の無停電電源装置の回路構成を示す図である。四相三線交流に対応した従来例の無停電電源装置の回路構成を示す図である。

符号の説明

１１〜１４整流器
２１〜２４インバータ
３１、３２コンバータ
ＢＴバッテリ
Ｃ_DC 直流コンデンサ
ｉ０〜ｉ５入力端子
ｏ０〜ｏ５出力端子

Claims

交流を直流に変換する整流器と、直流を蓄えるバッテリと、直流を交流に変換するインバータとを有し、交流電源が健全時は、交流を上記整流器により直流に変換して上記インバータに入力するとともに上記バッテリを充電し、交流電源が停電時には、上記バッテリに蓄えられた直流を上記インバータに入力して負荷に交流電力を供給するようにした無停電電源装置において、
三相交流に対して５個の入力端子と５個の出力端子とを有し、
上記整流器として、上記５個の入力端子のうち第１から第４の入力端子に接続される４回路を有し、
上記インバータとして、上記５個の出力端子のうち第１から第４の出力端子に接続される４回路を有し、
上記５個の入力端子の第５の入力端子と上記５個の出力端子の第５の出力端子とに接続されそれらの間の電位差を解消するコンバータを有し、
三相三線交流に対しては、互いに位相の異なる３相の入力の１つが上記第１から第４の入力端子のうちの２個の入力端子に、上記３相の入力のうち他の１つが上記第１から第４の入力端子の残りの２個の入力端子に、上記３相の入力のうち残りの１つが上記５個の入力端子の第５の入力端子にそれぞれ接続され、上記第１から第４の出力端子の２個の出力端子が３相出力のうち１相用の出力端子となり、上記第１から第４の出力端子の残りの２個の出力端子が上記３相出力のうち他の１相用の出力端子となり、上記第５の出力端子が上記３相出力のうち残り１相用の出力端子となり、
三相四線交流に対しては、互いに位相の異なる３相の入力が上記第１から第４の入力端子のうちの３個の入力端子に接続され、中性相の入力が上記第５の入力端子に接続され、上記第１から第４の出力端子のうちの３個の出力端子が３相の出力端子となり、上記第５の出力端子が中性相の出力端子となる
ことを特徴とする無停電電源装置。
請求項１記載の無停電電源装置において、前記コンバータは、前記第１から第４の出力端子に接続される４回路の各々と同等の電流定格を有する２つの並列回路により構成されることを特徴とする無停電電源装置。
請求項１または２記載の無停電電源装置において、前記整流器と前記インバータとを接続する直流リンクと前記バッテリとの間に、直流電圧を降圧および昇圧する双方向チョッパを有することを特徴とする無停電電源装置。
三相交流に対して５個の入力端子と５個の出力端子とが設けられ、上記５個の入力端子のうち第１から第４の入力端子に対応して交流を直流に変換する整流器を取り付けるための４個の整流器取付部が設けられ、上記５個の出力端子のうち第１から第４の出力端子に対応して直流を交流に変換するインバータを取り付けるための４個のインバータ取付部が設けられた回路基板上に、上記５個の入力端子の第５の入力端子を中性相入力とし、上記第１から第４の入力端子のうち３個に対応する整流器取付部に整流器を取り付け、上記５個の出力端子の第５の出力端子を中性相とし、上記第１から第４の出力端子のうち３個に対応するインバータ取付部にインバータを取り付けることを特徴とする無停電電源装置の製造方法。