JP6051274B1

JP6051274B1 - 無停電電源装置

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Publication number: JP6051274B1
Application number: JP2015142969A
Authority: JP
Inventors: 俊郎廣瀬
Original assignee: Nishimu Electronics Industries Co Inc
Current assignee: Nishimu Electronics Industries Co Inc
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2035-07-17
Also published as: JP2017028789A

Abstract

【課題】無瞬断でバックアップ動作を行うようにし、感電や直流分の流出による機器損傷等の危険性もなくし、安全性および効率を高くすること。【解決手段】交流入力電圧が正常範囲の場合、第１のトランス11の第１系統を通して負荷に給電するとともに、並列コンバータ15によって蓄電デバイス16を充電する。この時、負荷への電圧は直列インバータ14により安定化される。交流入力電圧が正常範囲でない場合、第１のスイッチ12をオフ、第２のスイッチ17をオンにし、直列インバータ14をオフにして第２のトランス13の１次巻線にインピーダンスを持たせ、蓄電デバイス16の電力を並列コンバータ15により変換し、第１のトランス11の第１および第２系統の入力巻線を介して第１のスイッチ12に印加してオフにするとともに、第１のトランス11の第２系統および第２のスイッチ17を介して負荷へ給電する。【選択図】図１

Description

本発明は、無停電電源装置に関し、特に、交流入力が変動した場合でも直列インバータにより安定した電力を負荷に供給し、停電や瞬低が発生した場合には蓄電デバイスに蓄積された電力を並列コンバータにより負荷に供給する無停電電源装置に関する。

交流電源からの入力電力を負荷に供給し、交流電源の停電や瞬低が発生した場合には、蓄電池の電力を負荷に供給することにより、負荷への給電を継続させる無停電電源装置が知られている。

特許文献１には、交流電源等の入力電圧低下時に電源入力側を系統から切り離し、インバータ動作に切り換えて蓄電手段から負荷に電力を供給するようにし、その際の瞬低を抑制するようにした無停電電源装置が提案されている。

図１４は、従来の無停電電源装置(特許文献１での提案)の概略回路図である。

この無停電電源装置は、逆並列接続された一対のサイリスタ2a,2bからなるACスイッチ141、入力リアクトル142、トランス143、直列インバータ144、並列コンバータ145、および蓄電池146などを備える。

ここで、交流入力の入力電圧が正常であれば、ACスイッチ141のサイリスタ2aおよび2bは、入力電圧の極性に応じて交互に導通状態となり、交流入力の電力がACスイッチ141、入力リアクトル142およびトランス143の１次巻線を介して負荷に供給される。直列インバータ144は、交流入力の電圧が変化しても負荷への電圧が規定電圧になるようにトランス143の１次巻線に補正電圧を生起し、これによって負荷への電圧が規定電圧に維持される。

並列コンバータ145は、交流入力を直流電力に変換して蓄電池146を充電するとともに、入力力率、つまり入力電圧と入力電流(入力リアクトル142に流れる電流)の力率が1になるように制御する。ただし、力率は必ずしも1である必要はなく、オン制御されているサイリスタを流れる電流が零となった時点でサイリスタが自動的にオフ状態になることを回避できる程度の力率であればよいとされている。同様のサイリスタのゲート駆動は、特許文献２でも提案されている。

上記構成において、交流入力側で短絡等が発生して入力電圧が低下し、導通制御されている方のサイリスタ2aまたは2bが逆バイアス状態となると、その時点でそのサイリスタは自動的に遮断状態となる。このとき導通制御されていない方のサイリスタは遮断状態であるので、その時点で交流入力は給電ラインから切り離されるが、直列インバータ144が蓄電池146をエネルギ源として所定の交流出力をトランス143を介して出力するように動作するので、負荷への交流出力を所定電圧に維持することができ、出力電圧が瞬低状態となるのを回避できる。

入力電圧がさらに低下して許容範囲を超えると、並列コンバータ145が蓄電池146の直流電力を交流電力に変換してバックアップ動作を行う。この時点では、ACスイッチ141のサイリスタ2a,2bは遮断状態であり、また、入力リアクトル142が挿入されているので、並列コンバータ145から交流入力側へ流れる短絡電流が抑制される。また、入力電圧の低下に伴って自動的に遮断するサイリスタ2a,2bを用いているので、入力リアクトル142のリアクトル値は小さくてよいとされている。

以上のように、従来の無停電電源装置によれば、所定電圧の交流電力が給電ラインに供給され、さらに、短絡等による入力電圧低下時に、直列インバータ144によって負荷への出力電圧が出力電圧指令値となるように補正されて負荷への給電が行われるので、並列コンバータ145の動作をインバータ動作に切り替える際の出力電圧の瞬低が抑制される。

特開２００３−２５９５６７号公報特開平９−３７４８９号公報

従来の無停電電源装置では、入力電圧と入力電流の力率は必ずしも1である必要はなく、オン制御されているサイリスタを流れる電流が零となった時点でサイリスタが自動的にオフ状態になることを回避できる程度の力率であればよく、入力電圧と入力電流の位相差が30°程度、すなわち、力率が0.866程度以上あればよいとされている。そうすると、図１５に示すように、入力電圧および入力電流に対してACスイッチ141のサイリスタ2a,2bをゲート駆動する場合が想定される。

図１６は、図１５のゲート駆動の動作を期間分けして示す図である。入力電圧と入力電流の位相差が30°程度の力率制御、もしくは力率制御を1にしようとする場合でも、制御誤差により入力電圧と入力電流の極性が逆になる場合がある。

期間1は、入力電圧と入力電流の極性が逆であり、また、サイリスタ2aおよび2bのゲート信号がオン状態の期間である。図１７は、期間1における動作の説明図であり、交流入力側で短絡等が発生し、入力電圧が低下して許容範囲を超えると、並列コンバータ145がバックアップ動作する。並列コンバータ145は、交流入力電圧に同期しているので、サイリスタ2aに順方向電圧が印加され、並列コンバータ145から交流入力側へ短絡電流が流れる。この短絡電流は、入力リアクトル142によって抑制されるが、サイリスタ2aはオン状態であり、短絡電流を抑制するには入力リアクトル142のリアクトル値を大きくする必要がある。したがって、入力リアクトル142のサイズが大きくなってしまう。

期間2は、交流入力が正常であるにもかかわらず、ゲート信号がなくなって自動的にサイリスタがオフ状態になることを防ぐために、入力電流と入力電圧の極性が確実に同じになるまでゲート信号のオン幅に裕度を持たせた期間である。期間2では、交流入力が正常の場合、図１８(a)に示すように、交流入力により負荷に給電されるとともに、並列コンバータ145を通して蓄電池146が充電される。ここで、交流入力側で短絡等が発生して入力電圧が低下すると、サイリスタ2aおよび2bはともにオン状態にあるので、一方のサイリスタはオフ状態になるが、他方のサイリスタはオン状態であり、交流入力側へ短絡電流が流れる。図１８(b)は、この状態を示す。この短絡電流は、入力リアクトル142によって抑制されるが、サイリスタがオン状態であるので、この状態での短絡電流を抑制するためにも、そのリアクトル値を大きくする必要がある。

期間3は、入力電圧と入力電流の極性が同じであり、また、サイリスタ2bのゲート信号がオン状態、サイリスタ2aのゲート信号はオフ状態の期間である。ここで、交流入力側で短絡等が発生して入力電圧が低下すると、サイリスタ2bに逆バイアスが印加されてサイリスタ2bは自動的にオフ状態になる。このとき、サイリスタ2aは既にオフ状態であるので、この時点で交流入力は給電ラインから切り離される。その後、さらに入力電圧が低下して許容範囲を超えると、並列コンバータ145がバックアップ動作する。

しかしながら、交流入力が給電ラインから切り離されてから、さらに入力電圧が低下して並列コンバータ145がバックアップ動作するまでの期間、あるいは、入力電圧がさらに低下せずに、並列コンバータ145がバックアップ動作しない期間では、並列コンバータ145はアクティブフィルタ動作を行い、高調波電流を吸収する状態となる。

図１９は、この状態を示す。この状態では、直列インバータ144が全負荷電流を補う必要があるので、直列コンバータ144を大型化させる必要がある。また、交流入力側は給電ラインから遮断状態となっているため、並列コンバータ145は交流入力により蓄電池146へ充電することができない。これにより、時間の経過とともに蓄電池146の蓄積エネルギが零となり、負荷への給電が停止される恐れもある。

以上にように、従来の無停電電源装置では、期間1、2において、交流入力側に短絡等が発生して入力電圧が低下し、許容範囲を超えると、並列コンバータ145がバックアップ動作するが、並列コンバータ145から交流入力側へ短絡電流が流れる。このため、並列コンバータ145とACスイッチ141の間の給電ライン上に入力リアクトル142を挿入し、これにより短絡電流を抑制しているが、そのために必要なリアクトル値を大きくする必要があり、入力リアクトル142のサイズが大きくなるという課題がある。

また、期間3において、入力電圧が許容範囲内で低下した場合、ACスイッチ141のサイリスタが自動的に遮断されるので、並列コンバータ145は蓄電池146を充電することができず、また、並列コンバータ145はバックアップ動作を行わずに高調波電流を吸収する動きをし、直列インバータ144が全ての負荷電流を供給するように動作するので、直列インバータ144を大型化させる必要があり、また、負荷への給電が停止される恐れがあるという課題もある。

また、給電ラインに入力リアクトル142が常に挿入されているので、交流入力が正常な場合でも、入力リアクトル142のインピーダンスによる電圧降下が発生し、この電圧降下分を直列インバータ144により補正する必要があり、この点からも直列インバータ144を大型化させる必要があるという課題もある。

さらに、図１４の無停電電源装置では、入力側、出力側および直流側がそれぞれ絶縁されていないので、漏洩電流による感電や直流分流出による機器損傷の危険性の課題があるという課題もある。

なお、図１４の無停電電源装置では、図２０、図２１のシステム構成にすれば、入力側、出力側および直流側を絶縁することができる。しかし、図２０のシステム構成では、並列コンバータ145のバックアップ動作時の給電が2台の絶縁トランスを通して行われるので、バックアップ動作時の効率が悪くなる。また、図２１のシステム構成では、並列コンバータ145は、2台の絶縁トランスを通して交流入力を受け、蓄電池146を充電するので、充電効率が悪くなる。

本発明の目的は、上記課題を解決し、無瞬断で並列コンバータによるバックアップ動作を行い、感電や直流分流出による機器損傷等の危険性もなく、安全性および効率の高い無停電電源装置を安価に提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の無停電電源装置は、２系統の入出力巻線が同一鉄心上に配置され、同一系統の入力巻線と出力巻線間が密結合し、異系統間における入力巻線間および出力巻線間が疎結合する第１のトランスと、交流入力と前記第１のトランスの第１系統の入力巻線の間に設けられた第１のスイッチと、前記第１のトランスの第１系統の出力巻線と交流出力との間に１次巻線が直列に接続された第２のトランスと、前記第２のトランスの２次巻線に接続された第１の電力変換器と、前記第１のトランスの第２系統の入力巻線に接続された第２の電力変換器と、前記第１の電力変換器の直流側と前記第２の電力変換器の直流側の双方に接続された蓄電デバイスと、前記第１のトランスの第２系統の出力巻線と交流出力間に接続された第２のスイッチと、前記交流入力の電圧異常を検出する手段を備え、前記交流入力の電圧が正常範囲にある場合には、前記第１のスイッチをオン、前記第２のスイッチをオフにして前記第１のトランスの第１および第２系統の入力巻線を介して前記第２の電力変換器によって前記蓄電デバイスを充電するとともに、前記第１のトランスの第１系統および前記第２のトランスの１次巻線を介して出力される交流出力を前記第２のトランスの２次側に接続された前記第１の電力変換器により制御して該交流出力電圧を安定化し、前記交流入力の電圧が正常範囲にない場合には、前記第１のスイッチをオフ、前記第２のスイッチをオンにし、前記第１の電力変換器をオフにして前記第２のトランスの２次巻線を開放することにより前記第２のトランスの１次巻線にインピーダンスを持たせ、前記蓄電デバイスの電力を前記第２の電力変換器により変換し、前記第１のトランスの第２系統および前記第２のスイッチを介して負荷へ供給するとともに、前記蓄電デバイスの電力が前記第１のトランスの第１および第２系統の入力巻線を介して前記第１のスイッチに印加されるようにすることにより、前記第１のスイッチに流れる過電流を抑制しながら負荷への給電を無瞬断で行うことを特徴としている。

また、本発明の無停電電源装置は、２系統の入出力巻線が同一鉄心上に配置され、同一系統の入力巻線と出力巻線間が密結合し、異系統間における入力巻線間および出力巻線間が疎結合する第１のトランスと、交流入力と前記第１のトランスの第１系統の入力巻線の間に設けられた第１のスイッチと、前記第１のトランスの第１系統の出力巻線と交流出力との間に１次巻線が直列に接続された第２のトランスと、前記第２のトランスの２次巻線に接続された第１の電力変換器と、前記第１のトランスの第２系統の入力巻線に接続された第２の電力変換器と、前記第１の電力変換器の直流側と前記第２の電力変換器の直流側の双方に接続された蓄電デバイスと、前記第１のトランスの第２系統の出力巻線と交流出力間に接続された第２のスイッチと、前記交流入力と前記蓄電デバイスの間に接続された充電器と、前記交流入力の電圧異常を検出する手段を備え、前記交流入力の電圧が正常範囲にある場合には、前記充電器によって前記蓄電デバイスを充電するとともに、前記第１のトランスの第１系統および前記第２のトランスの１次巻線を介して出力される交流出力を前記第２のトランスの２次側に接続された前記第１の電力変換器により制御して該交流出力電圧を安定化し、前記交流入力の電圧が正常範囲にない場合には、前記第１のスイッチをオフ、前記第２のスイッチをオンにし、前記第１の電力変換器をオフにして前記第２のトランスの２次巻線を開放することにより前記第２のトランスの１次巻線にインピーダンスを持たせ、前記蓄電デバイスの電力を前記第２の電力変換器により変換し、前記第１のトランスの第２系統および前記第２のスイッチを介して負荷へ供給するとともに、前記蓄電デバイスの電力が前記第１のトランスの第１および第２系統の入力巻線を介して前記第１のスイッチに印加されるようにすることにより、前記第１のスイッチに流れる過電流を抑制しながら負荷への給電を無瞬断で行うことを特徴としている。

ここで、前記第１のトランスにおける、異系統間における入力巻線間および出力巻線間の疎結合は、第１系統と第２系統の間にパスコアを挿入することにより実現することが好ましい。

本発明によれば、第１のトランスの漏れインダクタンスと第２のトランスの自己インダクタンスを短絡電流の抑制に利用するので、そのリアクトル値を大きく設定でき、短絡電流の抑制効果を高めることができる。これにより、無瞬断で並列コンバータによるバックアップ動作を行うことが可能となる。

また、同一鉄心に２系統の巻線を施し、蓄電デバイスの充電やバックアップ動作を1台の絶縁トランスを通して行うようにしているので、充電時やバックアップ動作時の効率が高い。

また、入力リアクトルを第１のトランスの漏れインダクタンスで代用しているので、入力リアクトルを特別に配設する必要がなく、効率の向上および低コスト化を図ることができる。

また、給電ラインに漏れインダクタンスが存在せず、直列インバータによる補正量は小さくてよいので、直列インバータを小型化することができる。

さらに、入力部、出力部および直流部をそれぞれ絶縁しているので、感電や直流分の流出による機器損傷等の危険性を排除して安全性を高めることができる。

本発明に係る無停電電源装置の第１の基本構成を示す回路図である。図１の無停電電源装置において入力電圧が許容範囲内で低下した場合の動作を示す説明図である。図１の無停電電源装置において入力電圧が許容範囲内で上昇した場合の動作を示す説明図である。図３において蓄電デバイスが満充電状態の場合の動作を示す説明図である。図１の無停電電源装置において交流入力側に短絡等が発生して入力電圧が許容範囲を超えて低下した場合の動作を示す説明図である。図１の無停電電源装置10を具現化した実施形態を示すブロック図である。図６の直列インバータ制御部による制御の例を示すブロック図である。図６の並列コンバータ制御部による制御の例を示すブロック図である。図６の並列コンバータ制御部による制御の他の例を示すブロック図である。交流入力が正常範囲外となる交流入力異常時における、図６の並列インバータ制御部による制御の例を示すブロック図である。本発明に係る無停電電源装置の第２の基本構成を示すブロック図である。図１１の無停電電源装置を具現化した実施形態を示すブロック図である。第１のトランスの具体的構成の例を示す図である。従来の無停電電源装置の概略回路図である。従来の無停電電源装置におけるサイリスタのゲート駆動動作の説明図である。図１５のゲート駆動の動作を期間分けして示す説明図である。図１６の期間1における動作の説明図である。図１６の期間2における動作の説明図である。図１６の期間3における動作の説明図である。図１４の無停電電源装置において絶縁を施す場合のシステム構成の例を示す図である。図１４の無停電電源装置において絶縁を施す場合のシステム構成の他の例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明を説明する。

図１は、本発明に係る無停電電源装置の第１の基本構成を示すブロック図である。

この無停電電源装置10は、第１のトランス11、第１のスイッチ(サイリスタ)12、第２のトランス13、直列インバータ(第１の電力変換器)14、並列コンバータ(第２の電力変換器)15、蓄電デバイス16、第２のスイッチ(サイリスタ)17、および交流入力電圧異常検出手段(図示せず)を備える。

第１のトランス11は、第１系統と第２系統の２系統の入出力巻線を同一の鉄心に配置し、異系統間における入力巻線間および出力巻線間の漏れインダクタンスが大きく、同一系統間における入力巻線と出力巻線間の漏れインダクタンスが小さくなるように構成される。この具体的構成については、後で説明する。

第１のスイッチ12は、交流入力と第１のトランス11の第１系統の入力巻線の間に設けられる。

第２のトランス13は、第１のトランス11の第１系統の出力巻線と交流出力との間に直列に接続された１次巻線を有し、その２次巻線は、直列インバータ14の交流側に接続される。

直列インバータ14は、その交流側が第２のトランス13の２次巻線に接続され、直流側が蓄電デバイス16に接続される。

並列コンバータ15は、その交流側が第１のトランス11の第２系統の入力巻線に接続され、直流側が蓄電デバイス16に接続されて双方向に電力を制御する。

蓄電デバイス16は、直列インバータ14の直流側と並列コンバータ15の直流側の双方に接続される。

第２のスイッチ17は、第１のトランス11の第２系統の出力巻線と交流出力の間に接続される。

交流入力電圧異常検出手段(図示せず)は、交流入力の電圧異常を検出する。

次に、図１の無停電電源装置10の動作を説明する。

交流入力の電圧が正常範囲にある場合、すなわち、交流入力側の入力電圧の変動が許容範囲内である場合(交流入力正常時)、第１のスイッチ12をオン、第２のスイッチ17をオフにする。この場合、交流入力が、第１のトランス11の第１系統および第２のトランス13の１次巻線を介して負荷に供給され、直列インバータ14により第２のトランス13の１次巻線に生起される交流電圧が制御されて負荷への電圧が安定化される。また、交流入力が、第１のトランス11の第１および第２系統の入力巻線の間の漏れインダクタンスを介して並列コンバータ15に供給され、その出力(直流電力)により蓄電デバイス16が充電される。

図２は、交流入力側の入力電圧が許容範囲内で低下した場合の無停電電源装置10の動作説明図である。

この場合、第１のスイッチ12はオン、第２のスイッチ17はオフである。直列インバータ14は、蓄電デバイス16の直流電力をエネルギ源として、交流入力の電圧低下分の電圧を第２のトランス13の１次巻線に生起するように制御される。これにより、第２のトランス13の１次巻線に生起した電圧が交流入力電圧に加算され、負荷への電圧が安定化される。なお、この間、蓄電デバイス16は、交流入力により第１のトランス11の第１系統および第２系統の入力巻線間の漏れインダクタンス、および並列コンバータ15を介して充電される。

図３は、交流入力側の入力電圧が許容範囲内で上昇した場合の無停電電源装置10の動作説明図である。

この場合も、第１のスイッチ12はオン、第２のスイッチ17はオフである。直列インバータ14は、交流入力の電圧上昇分の電圧を第２のトランス13の１次巻線から吸収するように制御され、これにより、負荷への電圧が安定化される。第２のトランス13の２次巻線から吸収された交流電力は、直列インバータ14によって直流電力に変換され、蓄電デバイス16を充電する。この間にも、蓄電デバイス16は、交流入力により第１のトランス11の第１系統および第２系統の入力巻線間の漏れインダクタンス、および並列コンバータ15を介して充電される。

なお、ここで、蓄電デバイス16が満充電状態であるとすると、図４に示すように、直列インバータ14からの直流電力は、並列コンバータ15によって交流電力に変換され、交流入力側へ回生される。

一方、交流入力の電圧が正常範囲にない場合、すなわち、交流入力側の入力電圧の変動が許容範囲を超えた場合(交流入力異常時)、第１のスイッチ12をオフ、第２のスイッチ17をオンにし、直列コンバータ14をオフにして第２のトランス13の２次巻線を開放する。

この場合、蓄電デバイス16の電力が、並列コンバータ15により交流電力に変換され、第１のトランス11の第２系統および第２のスイッチ17を介して負荷に供給される。

第２のトランス13の２次巻線が開放されたことにより第２のトランス13の１次巻線がインピーダンスを持つようになり、これにより、並列コンバータ15から第１のトランス11の第２系統および第２のスイッチ17を通過し、給電ラインから第１のトランス11の第１系統、さらに第１のスイッチ12を通過して交流入力側に流れる短絡電流が抑制される。

また、蓄電デバイス16の電力が、並列コンバータ15によって変換され、その出力の交流電圧が第１のスイッチ12に印加されるが、その経路には、第１のトランス11の第１および第２系統の入力巻線間の大きな漏れインダクタンスが介在する。したがって、並列コンバータ15から第１のトランス11の第１系統および第２系統の入力巻線の間の電磁誘導、第１のスイッチ12を通して交流入力側に流れる短絡電流も、第１のトランス11の第１系統および第２系統の入力巻線間の大きな漏れインダクタンスにより抑制される。

図５は、交流入力側に短絡等が発生して入力電圧が許容範囲を超えて低下した場合の無停電電源装置10の動作説明図である。

この場合、第１のスイッチ12のサイリスタ2aおよび2bのゲート信号をオフすると同時に、第２のスイッチ17のサイリスタ2aおよび2bのゲート信号をオンし、直列インバータ14を停止させ、並列コンバータ15をバックアップ動作させる。

このとき、直列インバータ14の停止に伴って、第１のトランス11の第１系統から負荷への給電ラインに直列に挿入されている第２のトランス13の２次側、すなわち、直列インバータ14が接続されている側の巻線は開放状態となるので、第２のトランス13の１次側巻線は、自己インダクタンス値をリアクトル値としたリアクトルとして機能する。これにより、並列コンバータ15から第１のトランス11の第２系統および第２のスイッチ17を通過し、さらに給電ラインから第１のトランス11の第１系統を通過して交流入力側へ流れる短絡電流が抑制される。

また、並列コンバータ15から、第１のトランス11の第２系統の入力巻線から第１系統の入力巻線へ電磁誘導されて交流入力側へ流れる短絡電流も、第１のトランス11の第１および第２系統の入力巻線の間の大きな漏れインダクタンスにより抑制される。

また、交流入力側の入力電圧が正常範囲内である場合の交流入力側からの給電時においては、第１のトランス11の第１および第２系統の入力巻線の間の漏れインダクタンスは、給電ライン上には存在しないので、これによる電圧降下は生じない。このため、直列インバータ14を大型化させる必要がない。さらに、蓄電デバイス16の電力を並列コンバータ15、第１のトランス11の第２系統および第２のスイッチ17を通して負荷に供給するバックアップ動作時においても、第１のトランス11の第１系統および第２系統の入力巻線間の漏れインダクタンスは、バックアップ動作の給電ライン上に存在しないので、漏れインダクタンスのインピーダンスによる電圧降下は生じることがなく、したがって、電力損失の発生を防ぐことができる。

以上のようにして、交流入力側に短絡等が発生して入力電圧が許容範囲を超えて低下した場合の短絡電流が抑制され、その短絡電流がゼロクロス付近を迎えて第１のスイッチ12のサイリスタ2aおよび2bの保持電流値以下になると、サイリスタ2aおよび2bは、自動的にオフする。これにより、交流入力側が給電ラインと切り離されて、並列コンバータ15側からのバックアップ動作が継続される。以上により、入力電圧が許容範囲を超えて低下した場合の並列コンバータ15側からの無瞬断のバックアップ動作が可能となる。

図６は、図１の無停電電源装置10を具現化した実施形態を示すブロック図である。ここでは、図１と同一あるいは同等部分には同じ符号を付し、その説明は省略する。

直列インバータ制御部61は、負荷電圧検出器62の負荷電圧検出値Voを入力として、直列インバータ14を制御する。

図７は、交流入力正常時における直列インバータ制御部61による制御の例を示すブロック図である。

交流入力正常時、直列インバータ制御部61は、負荷電圧検出値Voと直列インバータ出力電圧指示値Vorefの差分を算出し、その差分によりPWM制御部71を制御する。PWM制御部71は、直列インバータ出力電圧指示値Vorefより負荷電圧検出値Voが低い場合、その不足分の電圧を第２のトランス13が加算し、直列インバータ出力電圧指示値Vorefより負荷電圧検出値Voが高い場合は、その過剰分を第２のトランス13が減算するようなパルス変調信号を生成し、直列インバータ14を駆動する。

図６に戻って、並列インバータ制御部64は、交流入力1電圧検出器65の交流入力1電圧検出値Vi1、交流入力2電圧検出器66の交流入力2電圧検出値Vi2、直流電流検出器67の直流電流検出値Idc、直流電圧検出器68の直流電圧検出値Vdc、並列コンバータ交流電流検出器69の並列コンバータ交流電流検出値Iac、および並列コンバータ交流出力電圧検出器70の並列コンバータ交流出力電圧検出値Vacを入力として、並列コンバータ15を制御する。

図８は、交流入力正常時における並列コンバータ制御部64による制御の例を示すブロック図である。

交流入力正常時、並列コンバータ15は、蓄電デバイス16に対して定電流および定電圧充電を行う。そのために、交流入力2電圧検出値Vi2をPLL81に入力する。PLL81は、PLL内部で持つ基準正弦波を交流入力2電圧Vi2に対して同期させ、その基準正弦波を出力する。そして、直流電流検出器67の直流電流検出値Idcと充電電流指示値Idcrefの差分を増幅した値と直流電圧検出器68の直流電圧検出値Vdcと充電電圧指示値Vdcfefの差分を増幅した値とを比較して小さい方を選択し、その選択した値と交流入力2電圧Vi2に同期した基準正弦波(PLL81の出力)を乗算器82に入力して乗算する。この乗算器82の出力は、並列コンバータ交流電流指示値となる。そこで、並列コンバータ交流電流検出器69の並列コンバータ交流電流検出値Iacと乗算器82が出力する並列コンバータ交流電流指示値の差分を算出し、その差分によりPWM制御部83を制御する。PWM制御部83は、パルス変調信号を生成し、これにより並列コンバータ15を駆動する。

直流電流検出値Idcと充電電流指示値Idcrefの差分を増幅した値が、直流電圧検出値Vdcと充電電圧指示値Vdcfefの差分を増幅した値より小さい場合、直流電流検出値Idcと充電電流指示値Idcrefの差分を増幅した値が選択されて乗算器82の入力となり、並列コンバータ交流電流指示値となる。この場合、蓄電デバイス16に流れる直流電流が充電電流指示値となるようにフィードバック制御されるので、蓄電デバイス16は定電流充電されることになる。

一方、直流電圧検出値Vdcと充電電圧指示値Vdcfefの差分を増幅した値が、直流電流検出値Idcと充電電流指示値Idcrefの差分を増幅した値より小さい場合は、直流電圧検出値Vdcと充電電圧指示値Vdcfefの差分を増幅した値が選択されて乗算器82の入力となり、並列コンバータ交流電流指示値となる。この場合、蓄電デバイス16に印加される直流電圧が充電電圧指示値となるようにフィードバック制御されるので、蓄電デバイス16は定電圧充電されることになる。

なお、並列コンバータ15は、蓄電デバイス16に流れる電流および蓄電デバイス16に印加される電圧が、それぞれの指示値Idcref、Vdcrefになるように並列コンバータ15の交流電流を制御し、並列コンバータ15の交流出力電圧は、交流入力の入力電圧と同一波形となるので、交流入力側へ短絡電流が流れることはない。

図９は、交流入力正常時における並列コンバータ制御部64による制御の他の例を示すブロック図である。

交流入力正常時、並列コンバータ15は、蓄電デバイス16に対して定電流および定電圧充電を行う。そのために、交流入力2電圧検出器66の交流入力2電圧検出値Vi2をPLL91に入力し、さらに、PLL91に対して位相スライド指示値を与える。PLL91は、PLL内部で持つ基準正弦波を交流入力2電圧Vi2に対して同期させ、さらに、その基準正弦波の位相を位相スライド指示値により変化させ、その出力により蓄電デバイス16の充電を制御する。

ここで、位相スライド指示値は、直流電流検出値Idcと充電電流指示値Idcrefとの差分を増幅した値と直流電圧検出値Vdc
と充電電圧指示値Vdcrefとの差分を増幅した値とを比較して小さい方を選択する。例えば、蓄電デバイス16の直流電圧がその指示値よりも小さく、蓄電デバイス16に流れる直流電流がその指示値より大きい場合、直流電流検出値Idcと充電電流指示値Idcrefとの差分を増幅した値が選択され、蓄電デバイス16の直流電圧がその指示値よりも大きく、蓄電デバイス16に流れる直流電流がその指示値より小さい場合は、直流電圧検出値Vdcと充電電圧指示値Vdcrefとの差分を増幅した値が選択されて位相スライド指示値となる。これにより、PLL91は、交流入力電圧に対してある位相差を持って同期した基準正弦波を出力する。

また、並列コンバータ16の出力電圧の実効値が交流入力電圧の実効値となるように、並列コンバータ16を駆動する。そのために、交流入力2電圧検出値Vi2および並列コンバータ出力電圧検出値Vacをそれぞれ実行値演算器92,93に入力してそれらの実効値を算出する。そして、交流入力2電圧検出値Vi2の実効値と並列コンバータ出力電圧検出値Vacの実行値の差分を増幅して乗算器94に入力し、PLL91の出力の基準正弦波と乗算する。PWM制御部95は、乗算器94の出力を入力としてパルス変調信号を生成し、これにより並列コンバータ16を駆動する。交流入力が正常範囲にある場合、以上の制御により、交流入力に対して並列コンバータ16の出力電圧が追従するので、並列コンバータ16から交流入力側へ短絡電流が流れることがない。

図１０は、交流入力が正常範囲外となる交流入力異常時における並列インバータ制御部64による制御の例を示すブロック図である。

交流入力が正常範囲外となった場合、図６における交流入力側の第１のスイッチ(サイリスタ2aおよび2b)12をオフにし、第１のトランス11の第２系統側の第２のスイッチ(サイリスタ2aおよび2b)をオンにする。また、直列インバータ14を停止させ、第２のトランス13の２次側を開放する。

一方、並列コンバータ15は充電動作からバックアップ動作を行うようになる。このとき、
並列コンバータ交流出力電圧検出器70の並列コンバータ交流電圧検出値Vacと並列コンバータ交流出力電圧指示値Vacrefの差分を算出し、その差分によりPWM制御部101を制御する。PWM制御部101は、パルス変調信号を生成し、これにより並列コンバータ15を駆動する。以上のようにして、並列コンバータ交流出力電圧Vacが並列コンバータ交流出力電圧指示値Vacrefとなるようにフィードバック制御が行われる。このとき、並列コンバータ15から、第１のトランス11の第２系統の入力巻線から第１系統の入力巻線へ電磁誘導されて交流入力側へ流れる短絡電流は、第１のトランス11の第１および第２系統の入力巻線の間の大きな漏れインダクタンスにより抑制される。また、並列コンバータ15から第１のトランス11の第２系統および第２のスイッチ17を通過し、さらに給電ラインから第１のトランス11の第１系統を通過して交流入力側へ流れる短絡電流も第２のトランス13の１次巻線の自己インダクタンスによって抑制される。これにより無瞬断でのバックアップ動作が可能となる。

図１１は、本発明に係る無停電電源装置の第２の基本構成を示すブロック図である。ここで、図１と同一あるいは同等部分には同じ符号を付してある。

この無停電電源装置110が図１の無停電電源装置10と異なるのは、充電器111が蓄電デバイス16を充電し、並列コンバータ15がバックアップ動作のみの片方向の電力を制御する点である。

交流入力の電圧が正常範囲にある場合、充電器111は、蓄電デバイス16を充電する。また、第２のトランス13の２次側に接続された直列インバータ(第１の電力変換器)14は、第１のトランス11の第１系統および第２のトランス13の１次巻線を介して出力される交流出力の電圧を制御して負荷に与える電圧を一定に保つ。

一方、交流入力の電圧が正常範囲にない場合には、第１のスイッチ12をオフ、第２のスイッチ17をオンにし、直列コンバータ(第１の電力変換器)14をオフにして第２のトランス13の２次巻線を開放することにより第２のトランス13の１次巻線にインピーダンスを持たせる。また、蓄電デバイス16の電力が並列コンバータ15によって所定の交流電圧に変換され、それが第１のトランス11の第１および第２系統の入力巻線間を介して第１のスイッチ12に印加されるが、その経路には大きな漏れインダクタンスが介在するので、第１のスイッチ12に流れる過電流は抑制される。これにより、無瞬断での負荷への給電が可能となる。

図１２は、図１１の無停電電源装置110を具現化した実施形態を示すブロック図である。ここでは、図６および図１１と同一あるいは同等部分には同じ符号を付してある。

この実施形態は、蓄電デバイス16を充電する充電器111を備え、並列コンバータ制御部64は、並列コンバータ11を制御するとともに、直流電流検出器121の直流電流検出値Idcおよび直流電圧検出器68の直流電圧検出値Vdcを元に、充電器111を制御して蓄電デバイス16の定電流および定電圧充電を行わせる。

直列インバータ14の動作は、図６の実施形態と同じである。

並列コンバータ15は、交流入力が正常範囲内である場合、動作を停止し、交流入力が正常範囲外となった場合は、図６の実施形態と同様にバックアップ動作を行う。このとき、充電器111は動作を停止しており、蓄電デバイス16に対する充電を行わない。

以上のように、並列コンバータ15は、蓄電デバイス16に対して充電動作を行わず(図８および図９に示されている制御を行うことはない)、交流入力が正常範囲外にある場合のバックアップ動作だけを行う。交流入力が正常範囲内にある場合、並列コンバータ15は停止状態にあるので、並列コンバータ15から交流入力側へ短絡電流は流れない。

図１３は、第１のトランス11の具体的構成の例を示す図である。

この第１のトランス11は、第１系統と第２系統が同一鉄心状上に配設され、第１系統の入力巻線と出力巻線、第２系統の入力巻線と出力巻線を、それぞれ同心円状に巻いた構造を有する。

同一系統の入力巻線と出力巻線は、同心円状に巻かれることにより密結合する。これにより、同一系統の入力巻線および出力巻線間の漏れインダクタンスが小さくなり、負荷への給電ラインでの電圧降下が小さくなる。なお、第２系統の入力巻線および出力巻線間に若干の空隙を持たせ、それらの間に若干の漏れインダクタンスを持たせることにより、並列コンバータ15のPWMパルス変調信号を正弦波にすることができる。したがって、同一系統の入力巻線および出力巻線を密結合するとは、若干の漏れインダクタンスを持たせた場合も意味する。

また、第１系統と第２系統の間、すなわち、異系統間における入力巻線間および出力巻線間を疎結合にする。これにより、第１系統と第２系統間の漏れインダクタンスが大きくなり、これにより過電流を抑制できる。この疎結合は、第１系統と第２系統の間に磁性体、例えば、ケイ素鋼板を積み重ね合わせてブロック状にした"パスコア"を挿入することで実現できる。

10・・・無停電電源装置、11・・・第１のトランス、12・・・第１のスイッチ(サイリスタ)、13,143・・・第２のトランス、14,144・・・直列インバータ(第１の電力変換器)、15,145・・・並列コンバータ(第２の電力変換器)、16,146・・・蓄電デバイス(蓄電池)、17・・・第２のスイッチ(サイリスタ)、61・・・直列インバータ制御部、62・・・負荷電圧検出器、64・・・並列コンバータ制御部、65・・・交流入力1電圧検出器、66・・・交流入力2電圧検出器、67,121・・・直流電流検出器、68・・・直流電圧検出器、69・・・並列コンバータ交流電流検出器、70・・・並列コンバータ交流出力電圧検出器、71,83,95,101・・・PWM制御部、81,91・・・PLL、82,94・・・乗算器、92,93・・・実行値演算器、111・・・充電器、141・・・ACスイッチ(サイリスタ)、142・・・入力リアクトル

Claims

２系統の入出力巻線が同一鉄心上に配置され、同一系統の入力巻線と出力巻線間が密結合し、異系統間における入力巻線間および出力巻線間が疎結合する第１のトランスと、
交流入力と前記第１のトランスの第１系統の入力巻線の間に設けられた第１のスイッチと、
前記第１のトランスの第１系統の出力巻線と交流出力との間に１次巻線が直列に接続された第２のトランスと、
前記第２のトランスの２次巻線に接続された第１の電力変換器と、
前記第１のトランスの第２系統の入力巻線に接続された第２の電力変換器と、
前記第１の電力変換器の直流側と前記第２の電力変換器の直流側の双方に接続された蓄電デバイスと、
前記第１のトランスの第２系統の出力巻線と交流出力間に接続された第２のスイッチと、
前記交流入力の電圧異常を検出する手段を備え、
前記交流入力の電圧が正常範囲にある場合には、前記第１のスイッチをオン、前記第２のスイッチをオフにして前記第１のトランスの第１および第２系統の入力巻線を介して前記第２の電力変換器によって前記蓄電デバイスを充電するとともに、前記第１のトランスの第１系統および前記第２のトランスの１次巻線を介して出力される交流出力を前記第２のトランスの２次側に接続された前記第１の電力変換器により制御して該交流出力電圧を安定化し、
前記交流入力の電圧が正常範囲にない場合には、前記第１のスイッチをオフ、前記第２のスイッチをオンにし、前記第１の電力変換器をオフにして前記第２のトランスの２次巻線を開放することにより前記第２のトランスの１次巻線にインピーダンスを持たせ、前記蓄電デバイスの電力を前記第２の電力変換器により変換し、前記第１のトランスの第２系統および前記第２のスイッチを介して負荷へ供給するとともに、前記蓄電デバイスの電力が前記第１のトランスの第１および第２系統の入力巻線を介して前記第１のスイッチに印加されるようにすることにより、前記第１のスイッチに流れる過電流を抑制しながら負荷への給電を無瞬断で行うことを特徴とする無停電電源装置。
前記第１のトランスにおいて、異系統間における入力巻線間および出力巻線間の疎結合が、
第１系統と第２系統の間にパスコアを挿入することにより実現されていることを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
２系統の入出力巻線が同一鉄心上に配置され、同一系統の入力巻線と出力巻線間が密結合し、異系統間における入力巻線間および出力巻線間が疎結合する第１のトランスと、
交流入力と前記第１のトランスの第１系統の入力巻線の間に設けられた第１のスイッチと、
前記第１のトランスの第１系統の出力巻線と交流出力との間に１次巻線が直列に接続された第２のトランスと、
前記第２のトランスの２次巻線に接続された第１の電力変換器と、
前記第１のトランスの第２系統の入力巻線に接続された第２の電力変換器と、
前記第１の電力変換器の直流側と前記第２の電力変換器の直流側の双方に接続された蓄電デバイスと、
前記第１のトランスの第２系統の出力巻線と交流出力間に接続された第２のスイッチと、
前記交流入力と前記蓄電デバイスの間に接続された充電器と、
前記交流入力の電圧異常を検出する手段を備え、
前記交流入力の電圧が正常範囲にある場合には、前記充電器によって前記蓄電デバイスを充電するとともに、前記第１のトランスの第１系統および前記第２のトランスの１次巻線を介して出力される交流出力を前記第２のトランスの２次側に接続された前記第１の電力変換器により制御して該交流出力電圧を安定化し、
前記交流入力の電圧が正常範囲にない場合には、前記第１のスイッチをオフ、前記第２のスイッチをオンにし、前記第１の電力変換器をオフにして前記第２のトランスの２次巻線を開放することにより前記第２のトランスの１次巻線にインピーダンスを持たせ、前記蓄電デバイスの電力を前記第２の電力変換器により変換し、前記第１のトランスの第２系統および前記第２のスイッチを介して負荷へ供給するとともに、前記蓄電デバイスの電力が前記第１のトランスの第１および第２系統の入力巻線を介して前記第１のスイッチに印加されるようにすることにより、前記第１のスイッチに流れる過電流を抑制しながら負荷への給電を無瞬断で行うことを特徴とする無停電電源装置。
前記第１のトランスにおいて、異系統間における入力巻線間および出力巻線間の疎結合が、
第１系統と第２系統の間にパスコアを挿入することにより実現されていることを特徴とする請求項３に記載の無停電電源装置。