JP5347362B2 - 非常用電源回路 - Google Patents

Description

本発明は、交流電源および直流電源を切換えて使用するエレベータ等の非常用電源において、交流及び直流の出力変換器を共通使用して装置の小型化を図る非常用電源回路に関する。

従来、エレベータの非常用電源は、停電時に直流から交流に変換してエレベータの継続運転が可能となるようにするために、エレベータの制御機器をバックアップする交流無停電電源装置が接続されるものが知られている（特許文献１参照）。

また従来、エレベータの非常用電源において、緊急時に手動でブレーキを制御可能にするために、交流電源のみならず直流電源を供給できるようにするために、バッテリにDC/DCコンバータを接続して直流電源を確保するようにしている（特許文献２参照）。

このように従来のエレベータの非常用電源においては、非常時に、エレベータの制御機器をバックアップするのに交流出力が、また手動でブレーキを制御するのに直流電圧がそれぞれ必要である。非常時に直流電圧を得る場合、従来は、交流出力が可能なバックアップ電源の出力にトランスで電圧変換を行い、その出力を整流して直流電圧を得る方法、または、交流出力を直接整流した後、DC/DC変換器を用いて直流電圧に変換する方法、または、交流出力電圧を変化させて整流後の電圧を調整する方法で直流電圧を確保する方法、などが採用される場合が多い。
特開平07-232872号公報 特開2002-171783号公報

直流電圧を得る場合、上記の従来方法では、整流器やトランスといった部品が必要となり、装置が大型化または高価なものになる。またトランスの場合、電圧を変えたい時はトランスの再設計を実施しなければならず、容易に変更することができない。

またエレベータ用の制御機器の非常時のバックアップ電源として、制御機器に交流電圧ならびに直流電圧を出力できるようにする必要がある。しかし、制御機器を非常時にバックアップしている交流電圧と手動ブレーキ開放用の直流電圧が必ずしも同時に出力できるようにする必要はない。

そこで本発明の目的は、上記のようなトランスおよび整流器を追加せずに容易に可変の直流電圧と交流電圧を出力することができ、装置の小型化を図ることができる非常用電源回路を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、蓄電池からの直流電力を所望電圧の直流電力に変換する第１電力変換器と、この第１電力変換器に平滑コンデンサを介して接続された第２電力変換器とからなる非常用電源回路を、交流電源と負荷との電源ラインに接続し、常時は前記交流電源から前記負荷へ電力を供給するとともに前記第２電力変換器を介して前記蓄電池を充電する非常用電源回路において、前記第２電力変換器は、４つの半導体素子からなるフルブリッジ回路と少なくとも１つのリアクトルとから構成され、前記第２電力変換器の出力を交流または直流に切換える切換リレーを設け、前記第２電力変換器が交流を出力する場合には、４つの半導体素子を制御して交流電圧を出力し、前記第２電力変換器が直流を出力する場合には、少なくとも１相分の上アームの半導体素子を制御して直流電圧を出力する、ことを特徴とする。

また、蓄電池からの直流電力を所望電圧の直流電力に変換する第１電力変換器と、この第１電力変換器に平滑コンデンサを介して接続された第２電力変換器とからなる非常用電源回路を、交流電源と負荷との電源ラインに接続し、常時は前記交流電源から前記負荷へ電力を供給するとともに前記第２電力変換器を介して前記蓄電池を充電する非常用電源回路において、前記第２電力変換器は、２つの半導体素子からなるハーフブリッジ回路と１つのリアクトルとから構成され、前記第２電力変換器の出力を交流または直流に切換える切換リレーを設け、前記第２電力変換器が交流を出力する場合には、２つの半導体素子を制御して交流電圧を出力し、前記第２電力変換器が直流を出力する場合には、上アームの半導体素子を制御して直流電圧を出力することを特徴とする。

本発明によれば、交流または直流を出力する場合に、第２電力変換器（インバータおよびリアクトル）を共通で使用することが可能となり、交流出力および直流出力が同時に必要でない、例えばエレベータ用の制御機器の非常時のバックアップ電源において、装置全体の小型化を実現することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る非常用電源回路の構成を示すブロック図である。図１において、１は交流入力電源、２は入力電源異常時に交流入力電源１を切り離すリレー（入力リレー）、３は出力を交流（ＡＣ）側又は直流（ＤＣ）側に切り換える切換えリレーである。４は上下アームを構成する上側の半導体素子Ｔ_１と下側の半導体素子Ｔ_２の直列回路及び、上側の半導体素子Ｔ_３と下側の半導体素子Ｔ_４の直列回路を有し、且つこれら２つの直列回路が並列接続されたフルブリッジ構成のインバータ（第２電力変換器）、５は直流母線間に配設された平滑コンデンサ、６は双方向DC/DCコンバータ（第１電力変換器）、７は蓄電池であり、これらの構成要素によって非常用電源回路が構成されている。フルブリッジインバータ４の半導体素子Ｔ_１と半導体素子Ｔ_２の直列回路の接続点は交流入力電源１の帰線に接続され、半導体素子Ｔ_３と半導体素子Ｔ_４の直列回路の接続点はリアクトルＬ１の一端に接続され、リアクトルＬ１の他端は切換リレー３の可動接点に接続されている。切換リレー３の一方の切換接点は交流入力電源１の正極に接続され、切換リレー３の他方の切換接点はＤＣ出力の正極に接続され、平滑コンデンサ５の負極がＤＣ出力の負極に接続されている。なお、ＡＣ出力には例えばエレベータ昇降用の主電動機等の交流負荷に接続され、ＤＣ出力には例えば手動ブレーキ等の直流負荷に接続される。図１は本発明の実施形態に係る非常用電源回路を常時商用給電型の無停電電源装置に適用したものである。

次に図１に示す本発明の実施形態に係る非常用電源回路の動作を説明する。交流入力が正常である時には、交流入力電源１からＯＮ(閉)になっている入力リレー２の接点を介して交流（ＡＣ）出力側にエネルギーを出力するのと同時にフルブリッジインバータ４の半導体素子Ｔ₁〜Ｔ₄に逆並列接続されたダイオードＤ₁〜Ｄ₄を介して直流母線間に配設された平滑コンデンサ５を充電し、双方向DC/DCコンバータ６を介して蓄電池７を充電する。双方向DC/DCコンバータ６は、２つの半導体素子Ｔ_５，Ｔ_６およびリアクトルＬ２により構成され、双方向DC/DCコンバータ６の半導体素子Ｔ_５を図示せざる制御回路によってオンにし平滑コンデンサ５に充電された直流電圧をリアクトルＬ２によりエネルギーに変換して蓄積し、次いで半導体素子Ｔ_５を図示せざる制御回路によってオフにしリアクトルＬ２に蓄積されたエネルギーを蓄電池７に放出することで蓄電池７を充電する。なおコンデンサ８はリップル吸収用のために用意されたコンデンサである。

交流入力が異常になると、入力リレー２がＯＦＦ(開)になり、これにより交流入力電源１から平滑コンデンサ５へのエネルギー供給が途絶するため直流母線間に配設された平滑コンデンサ５の電位は下がっていき、予め定めたある一定電位まで下がると、蓄電池７に蓄積されたエネルギーが双方向DC/DCコンバータ６に供給され、双方向DC/DCコンバータ６ではこのエネルギーを昇圧作用により直流母線間の直流電圧を確保してフルブリッジインバータ４に直流電圧として入力し、フルブリッジインバータ４は直流電圧を交流電圧に変換して交流（ＡＣ）出力側に出力する。また交流電圧の出力に代えて直流電圧を直流（ＤＣ）出力側に出力する際は、フルブリッジインバータ４の一つのアーム（図示例では半導体素子Ｔ_３と半導体素子Ｔ_４の直列回路に節点を持つ）とリアクトルＬ１を利用して降圧した直流電圧を交流出力側から直流出力側に切り換えられた切換リレー３の接点を介して直流（ＤＣ）出力側に出力する。この場合、フルブリッジインバータ４は降圧チョッパ回路として機能するものである。なお降圧チョッパ回路を動作させるための制御回路は図示省略している。

切換リレー３を切換えるタイミングは、直流電圧が必要な場合（例えば、手動ブレーキを開放する場合）に図示せざる制御回路がフルブリッジインバータ４の交流電圧を生成している半導体素子の高周波スイッチングパターンを一度停止させ、その後に切換リレー３を図示せざる制御回路からリレー切換え信号を出力して切換える。そしてその後、図示せざる制御回路が直流電圧を生成する半導体素子に対して降圧チョッパ動作のためのスイッチングを行う。なお直流（ＤＣ）電圧を出力する場合には、上側の半導体素子（図示例では半導体素子Ｔ₃）をオン／オフ制御して、このときのオンデューティ比を調整することにより、出力する直流電圧を直流母線間の直流電圧以下の任意の直流電圧にすることが可能である。

図２は、本発明の実施形態に係る非常用電源回路において直流出力の容量を増やす場合の具体例を示す図である。図２は、改善を施したフルブリッジインバータ４の構成についてのみ説明し、その余の構成については図１の説明と重複するので省略する。図２においては、フルブリッジインバータ４のもう一方のアーム（図示例では半導体素子Ｔ_１と半導体素子Ｔ_２の直列回路に節点を持つ）に別のリアクトルＬ３を接続し、それに対応して切換リレー３の接点数を増加させている。この構成において、出力する直流電圧の容量を増やす場合、それぞれのアームに接続されている上側の半導体素子（図示例では半導体素子Ｔ₁，Ｔ₃）に対して同じ信号が供給されるようそれぞれの半導体素子への入力を制御して、このときのオンデューティ比を調整することにより、出力する直流電圧を直流母線間の直流電圧以下の任意の直流電圧にすることが可能である。このようにリアクトルＬ３を接続するとともに、それぞれのアームに同じ信号を入力して制御することで、直流電圧の容量を２倍にすることが可能となる。

図３は、本発明の実施形態に係る非常用電源回路においてフルブリッジインバータ構成に代えてハーフブリッジインバータ構成とした場合の具体例を示す図である。図３において、ハーフブリッジインバータ４’の構成とするために、図１のフルブリッジインバータ４の構成では備えていた平滑コンデンサ５に代えてコンデンサ51およびコンデンサ52を設け、コンデンサ51とコンデンサ52を直列に接続し、直列接続した両コンデンサの中点から交流（ＡＣ）出力側の帰線を得るようにしている。そしてこれら半導体素子Ｔ_３および半導体素子Ｔ_４の直列回路とコンデンサ51およびコンデンサ52の直列回路を並列接続する。このように半導体素子Ｔ_１および半導体素子Ｔ_２が不要になるため、高価な部品点数を減らせるので非常用電源回路を安価に提供することができる。

なお、上記した図１〜図３において、直流（ＤＣ）電圧を出力する際に、ブリッジインバータのアームにリアクトルが接続された半導体素子のスイッチング損失を低減させるための構成として、図示していない制御回路により、蓄電池７から双方向DC/DCコンバータ６の昇圧作用により平滑コンデンサ５への直流母線電圧をＤＣ出力の出力段で必要とする直流出力電圧より少し高い電圧に設定することにより、降圧チョッパ動作をさせるブリッジインバータ（またはハーフブリッジインバータ）のアームの印加電圧の低下とスイッチング回数の低減により装置全体で発生する損失を低減させることができる。

本発明の実施形態に係る非常用電源回路の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る非常用電源回路において直流出力の容量を増やす場合の具体例を示す図である。 本発明の実施形態に係る非常用電源回路においてフルブリッジインバータ構成に代えてハーフブリッジインバータ構成とした場合の具体例を示す図である。

符号の説明

１ 交流入力電源
２ 入力リレー
３ 切換えリレー
４ フルブリッジインバータ（第２電力変換器）
４’ ハーフブリッジインバータ（第２電力変換器）
５ 平滑用コンデンサ
６ 双方向DC/DCコンバータ（第１電力変換器）
７ 蓄電池
８ リップル吸収用コンデンサ
51，52 コンデンサ
Ｔ₁〜Ｔ₆ 半導体素子
Ｄ₁〜Ｄ₆ ダイオード
Ｌ₁〜Ｌ_３ リアクトル(ＡＣ/ＤＣ兼用)

Claims (3)

1. 蓄電池からの直流電力を所望電圧の直流電力に変換する第１電力変換器と、この第１電力変換器に平滑コンデンサを介して接続された第２電力変換器とからなる非常用電源回路を、交流電源と負荷との電源ラインに接続し、常時は前記交流電源から前記負荷へ電力を供給するとともに前記第２電力変換器を介して前記蓄電池を充電する非常用電源回路において、
   前記第２電力変換器は、４つの半導体素子からなるフルブリッジ回路と少なくとも１つのリアクトルとから構成され、
   前記第２電力変換器の出力を交流または直流に切換える切換リレーを設け、
   前記第２電力変換器が交流を出力する場合には、４つの半導体素子を制御して交流電圧を出力し、
   前記第２電力変換器が直流を出力する場合には、少なくとも１相分の上アームの半導体素子を制御して直流電圧を出力することを特徴とする非常用電源回路。
2. 蓄電池からの直流電力を所望電圧の直流電力に変換する第１電力変換器と、この第１電力変換器に平滑コンデンサを介して接続された第２電力変換器とからなる非常用電源回路を、交流電源と負荷との電源ラインに接続し、常時は前記交流電源から前記負荷へ電力を供給するとともに前記第２電力変換器を介して前記蓄電池を充電する非常用電源回路において、
   前記第２電力変換器は、２つの半導体素子からなるハーフブリッジ回路と１つのリアクトルとから構成され、
   前記第２電力変換器の出力を交流または直流に切換える切換リレーを設け、
   前記第２電力変換器が交流を出力する場合には、２つの半導体素子を制御して交流電圧を出力し、
   前記第２電力変換器が直流を出力する場合には、上アームの半導体素子を制御して直流電圧を出力することを特徴とする非常用電源回路。
3. 前記請求項１または２に記載された非常用電源回路において、直流を出力する場合、前記第１電力変換器を制御して前記直流電圧を下げるとともに、前記第２電力変換器の半導体素子のスイッチング回数を減らしてスイッチング損失を低減させることを特徴とする非常用電源回路。

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