JP2009273206A

JP2009273206A - 無停電電源装置の位相同期制御方法

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Publication number: JP2009273206A
Application number: JP2008120064A
Authority: JP
Inventors: Hirohiko Tsutsumi; 裕彦堤
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2009-11-19

Abstract

【課題】インバータと商用電源の位相同期制御期間を短縮する。
【解決手段】商用電源とインバータを切換えて誘導電動機を含む負荷に給電する無停電電源装置において、商用電源が復電したときの位相がインバータの出力位相に対して進んでいるか、遅れているかを判定し（Ｓ１，Ｓ２）、商用電源の位相がインバータの位相に対して進んでいるときはインバータ周波数を高く設定し、かつインバータ出力電圧を低く設定し（Ｓ３、Ｓ４）、商用電源の位相がインバータの位相に対して遅れているときはインバータ周波数を低く設定し、かつインバータ出力電圧を高く設定し（Ｓ５，Ｓ６）、設定した前記インバータ周波数と電圧をその上限値または下限値の範囲内で調整して、ＰＬＬ回路によりインバータの出力位相を商用電源の位相に合わせる位相同期制御を開始し、同期したときに商用電源へ切換える（Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９）。
【選択図】図１

Description

本発明は、商用電源とインバータを切換えて誘導電動機を含む負荷に給電する常時商用給電方式の無停電電源装置に係わり、特に無停電電源装置のインバータの出力位相を商用電源の位相に合わせる位相同期方法に関する。

この種の無停電電源装置は、インバータ給電から商用給電に切り替えるときに、負荷および商用電源（交流電源）に急激な変化を与えることのないよう、インバータの出力周波数、位相、出力電圧を商用電源の周波数、位相、電圧に合わせておく。

図４に瞬低補償を目的とした常時商用給電方式の無停電電源装置の構成例を示す。インバータ１は、電気二重層キャパシタなどの蓄電デバイス２を直流電源とし、この直流電力を交流電力に変換して出力する。３は、通常時には商用電源側に切換えておき、商用電源から負荷４に交流電力を供給する。そして、切換回路３は、商用電源の停電発生時にインバータ１側に切換え、インバータ１から負荷４に交流電力を供給する。切換回路３は、例えば、接触器と半導体スイッチとから構成される。

インバータ１の出力電圧は、電圧検出器５により検出され、出力電圧制御部６に出力電圧フィードバック信号として入力される。出力電圧制御部６は内蔵の基準電圧設定回路の設定電圧と電圧検出器５の検出電圧との比較でインバータ１の出力電圧を制御したゲート信号を発生する。

また、商用電源の出力電圧波形を電圧検出器７で検出し、この電圧波形の位相に電圧位相同期回路（以下、ＰＬＬ回路と称する）８の出力を同期させ、このＰＬＬ回路８の出力でインバータ１の出力位相制御信号とすることで、商用電源とインバータ１の位相同期制御を得る（例えば、特許文献１参照）。

図５は常時商用給電方式による停電時の給電タイムチャートを示す。商用電源が健全な期間Ｔ１では商用電源から負荷４に給電し、このときにはＰＬＬ回路８に位相同期を得ておき、商用電源の停電発生に備えておく。商用電源に停電が発生したとき（時刻ｔ１）、インバータ１を瞬時に起動し、切換回路３をインバータ側に切換え、インバータ１から負荷に無停電で給電する。その後、商用電源が復電したとき（時刻ｔ２）、インバータ出力と商用電源の位相がずれているため、ＰＬＬ回路８による位相同期制御を開始し、インバータ出力の位相を商用電源の位相に同期させ、この位相同期が確立したとき（時刻ｔ３）、切換回路３を商用電源側に切換え、商用電源から負荷４への給電に切換える。

ＰＬＬ回路による位相同期制御において、インバータと商用電源との周波数差が少ない場合には位相合わせに時間がかかるため、インバータ出力周波数を数パーセント程度上昇あるいは低下させ、商用電源に位相を同期させる。ただし、インバータの周波数を大きく変化させると負荷に悪影響を与えるため、１回の変化量に許容される上下限値の範囲内で周波数を上昇あるいは低下させる。また、周波数を上昇させるのか低下させるのかは、商用電源の位相がインバータの位相に対して０〜１８０度の範囲で進んでいるときはインバータ周波数を高く設定し、−１８０〜０度の範囲で遅れているときはインバータ周波数を低く設定する（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−１９７６８３号公報特開２００１−１８６６９０号公報

瞬低補償を目的とした常時商用給電方式の無停電電源装置においては、瞬低期間とＰＬＬ制御期間で負荷が消費する電力以上の蓄電容量をもつ蓄電デバイス２が必要となる。この蓄電デバイス２に要求される蓄電容量を削減するには、ＰＬＬ制御期間はできるだけ短い期間とする必要がある。

しかし、ＰＬＬ制御期間を短時間とするために、インバータ出力周波数を急変させると、負荷に誘導電動機などが接続されていた場合は誘導電動機の電源周波数が急変することになり、誘導電動機の回転数が不安定になるなどの問題がある。

このような問題を回避するために、インバータ出力周波数の許容範囲を狭め、しかも出力周波数を緩やかに変化（低い変化率）させて位相同期制御を行うことになるが、これでは位相同期制御期間を短縮できない。

本発明の目的は、インバータと商用電源の位相同期制御期間を短縮できる無停電電源装置の位相同期制御方法を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、商用電源の周波数に対してインバータ周波数を高くした位相同期制御とする場合にインバータ出力電圧を低くし、インバータ出力周波数を低くした位相同期制御とする場合にインバータ出力電圧を高くするもので、以下の方法を特徴とする。

（１）商用電源とインバータを切換えて誘導電動機を含む負荷に給電し、商用電源の復電時に、インバータの出力位相を商用電源の位相に同期させ、負荷への給電をインバータから商用電源に切換える無停電電源装置の位相同期方法であって、
復電した商用電源の位相がインバータの出力位相に対して進んでいるか、遅れているかを判定するステップと、
商用電源の位相がインバータの位相に対して進んでいるときはインバータ周波数を高く設定し、かつインバータ出力電圧を低く設定するステップと、
商用電源の位相がインバータの位相に対して遅れているときはインバータ周波数を低く設定し、かつインバータ出力電圧を高く設定するステップと、
設定した前記インバータ周波数と電圧をその上限値または下限値の範囲内で調整して、インバータの出力位相を商用電源の位相に合わせる位相同期制御を開始し、同期したときに商用電源へ切換えるステップと、
を有することを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、商用電源の周波数に対してインバータ周波数を高くした位相同期制御とする場合にインバータ出力電圧を低くし、インバータ出力周波数を低くした位相同期制御とする場合にインバータ出力電圧を高くするため、インバータ周波数を高くした位相同期制御で電動機の回転数が上がるのを抑え、インバータ出力周波数を低くした位相同期制御で電動機の回転数が下がるのを抑えることができ、位相同期制御時にインバータ出力周波数の許容範囲および変化率を大きくして制御期間を短縮できる。

また、位相同期制御期間の短縮によって、蓄電デバイスの容量削減が可能になる。

常時商用給電方式の無停電電源装置において、負荷に誘導電動機が含まれる場合、誘導電動機の電源周波数、電源電圧と回転数の関係は以下のようになる。

電源周波数が高くなると回転数が高くなり、電源周波数が低くなると回転数が低くなる。また、電源電圧が高くなるとすべりが小さくなった分だけ回転数が高くなり、電源電圧が低くなるとすべりが大きくなった分だけ回転数が低くなる。

よって、無停電電源装置において、インバータ出力位相を商用電源位相に同期させるＰＬＬ制御によって周波数を変化させる際に、負荷に接続された誘導電動機の回転数変動を抑制するために出力電圧についても以下の制御を行う。

（Ａ）インバータ出力周波数を高くする場合はインバータ出力電圧を低くする。

（Ｂ）インバータ出力周波数を低くする場合はインバータ出力電圧を高くする。

図１は、本発明の実施形態を示す位相同期処理フローであり、ＰＬＬ期間での位相同期制御に、商用電源とインバータの位相進み／遅れに応じてインバータ周波数の高／低の設定と、電圧の下げ／上げを設定する。

図１において、インバータから負荷に給電中に、商用電源が復電したときに位相同期処理を開始する。まず、復電した商用電源の位相θ₀と負荷に給電中のインバータの位相θ_INVを検出し（Ｓ１）、商用電源の位相θ₀がインバータの位相θ_INVに対して進んでいるか、遅れているかを判定する（Ｓ２）。

この判定で、商用電源の位相θ₀がインバータの位相θ_INVに対して０〜１８０度の範囲で進んでいるときはインバータ周波数を高く設定し（Ｓ３）、さらにインバータ電圧を低く設定する（Ｓ４）。逆に、商用電源の位相θ₀がインバータの位相θ_INVに対して−１８０〜０度の範囲で遅れているときはインバータ周波数を低く設定し（Ｓ５）、さらにインバータ電圧を高く設定する（Ｓ６）。

これら設定後、位相同期制御を開始し（Ｓ７）、同期したときに商用電源へ切換える（Ｓ８，Ｓ９）。この位相同期制御は、インバータ出力周波数と電圧をその上限値または下限値の範囲内で調整して、ＰＬＬ回路が商用電源の周波数に追従させ、インバータの出力位相を商用電源の位相に合わせる。

図２、図３にインバータ出力周波数とインバータ出力電圧の関係が比例関係にあるとした場合の周波数と電圧の関係を示す。図中、ｆ₀は商用電源周波数、ｆ_uはＰＬＬ制御中の出力周波数上限値、ｆ_lはＰＬＬ制御中の出力周波数下限値、Ｖ₀は商用電源電圧、Ｖ_uはＰＬＬ制御中の出力電圧上限値、Ｖ_lはＰＬＬ制御中の出力電圧下限値である。

図２は商用電源の位相θ₀がインバータの位相θ_INVに対して進んでいるときはインバータ出力周波数を高くかつ出力電圧を低くして同期合わせを行う。図３は商用電源の位相θ₀がインバータの位相θ_INVに対して遅れているときはインバータ出力周波数を低くかつ出力電圧を高くして同期合わせを行う。

これら同期合わせにおいて、インバータ出力周波数の上限値または下限値が大きく設定し、さらに出力周波数を高い変化率で変化させることで、位相同期期間を短縮することができる。しかも、インバータ出力電圧を低くまたは高くすることにより、負荷に誘導電動機を含む場合にもその運転が安定になる。

本発明の実施形態を示す位相同期処理フロー。インバータ出力周波数を高くした場合の出力電圧の制御波形。インバータ出力周波数を低くした場合の出力電圧の制御波形。常時商用給電方式の無停電電源装置の構成例。停電時の給電タイムチャート。

符号の説明

１インバータ
２蓄電デバイス
３切換回路
４負荷
５、７電圧検出器
６出力電圧制御部
８電圧位相同期回路（ＰＬＬ回路）

Claims

商用電源とインバータを切換えて誘導電動機を含む負荷に給電し、商用電源の復電時に、インバータの出力位相を商用電源の位相に同期させ、負荷への給電をインバータから商用電源に切換える無停電電源装置の位相同期方法であって、
復電した商用電源の位相がインバータの出力位相に対して進んでいるか、遅れているかを判定するステップと、
商用電源の位相がインバータの位相に対して進んでいるときはインバータ周波数を高く設定し、かつインバータ出力電圧を低く設定するステップと、
商用電源の位相がインバータの位相に対して遅れているときはインバータ周波数を低く設定し、かつインバータ出力電圧を高く設定するステップと、
設定した前記インバータ周波数と電圧をその上限値または下限値の範囲内で調整して、インバータの出力位相を商用電源の位相に合わせる位相同期制御を開始し、同期したときに商用電源へ切換えるステップと、
を有することを特徴とする無停電電源装置の位相同期制御方法。