JP5328483B2 - Emergency power supply - Google Patents
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Description
本発明は非常用電源装置に関し、更に詳しくは、通常は商用電源からの交流を負荷に供給すると共に、この交流を直流に変換して蓄電池を充電し、前記商用電源の停電時には蓄電池 からの直流を交流に変換して負荷に供給する非常用電源装置に関する。 The present invention relates to an emergency power supply device, and more specifically, normally supplies alternating current from a commercial power source to a load, and converts the alternating current into direct current to charge a storage battery. When the commercial power supply fails, the direct current from the storage battery The present invention relates to an emergency power supply device that converts AC into AC and supplies it to a load.
例えば防火シャッタは、平常時は開いているが、火災が発生した際には火や煙を感知して自動的に閉じることにより人を火や煙から保護すると共に、外部へ火が煙が漏れないように隔離する。一方、消防車が到着した際には、防火シャッタを一時的に開けて消火活動を開始したいが、この時停電している場合も少なくなく、このような場合に蓄電池を内蔵した非常用電源装置が必要になる。 For example, a fire shutter is normally open, but when a fire breaks out, it detects fire and smoke and automatically closes to protect people from fire and smoke, and the outside leaks smoke. Isolate so that there is no. On the other hand, when a fire engine arrives, we want to start fire fighting activities by temporarily opening the fire shutter, but there are not a few cases where there is a power outage at this time. In such a case, an emergency power supply with a built-in storage battery Is required.
この種の非常用電源装置は、平常時には商用電源で蓄電池を充電しておき、非常時に商用電源が停電してしまっても蓄電池から交流電源を生成することで、防火シャッタ(交流モータ)に給電できる。このような非常用電源装置は、非常時に使用する運用面から、負荷より可能な限り離して設置する場合も少なくなく、電源部で発生するノイズの影響が外部機器に及ぶのを極力避ける必要がある。 This type of emergency power supply supplies power to the fire shutter (AC motor) by charging the storage battery with a commercial power supply during normal operation and generating AC power from the storage battery even if the commercial power supply fails in an emergency. it can. Such an emergency power supply is often installed as far as possible from the load from the operation side used in an emergency, and it is necessary to avoid the influence of noise generated in the power supply section to the external equipment as much as possible. is there.
従来のモータ駆動用インバータ装置は、専ら運転の効率化を目的としたものであるため、商用電源の整流に伴う電流の歪みが商用電源側に影響を与えるばかりか、矩形波交流出力により遠隔の負荷(モータ等)を直接駆動するため、外部機器等に与えるノイズの影響も少なくなかった。近年では、特にインバータ制御の高周波化が進んでおり、外部機器に与えるノイズの影響が大きくなる傾向にある。 Since the conventional motor drive inverter device is exclusively for the purpose of improving the efficiency of operation, the current distortion caused by the rectification of the commercial power supply not only affects the commercial power supply side, but also the remote output by the rectangular wave AC output. Since the load (motor, etc.) is directly driven, the influence of noise on external devices is not limited. In recent years, the frequency of inverter control has been increased particularly, and the influence of noise on external devices tends to increase.
この点、従来は、三相交流を全波整流して平滑コンデンサにより平滑化し、得られた直流電圧をスイッチングして矩形波交流出力に変換し、負荷(モータ)に給電するインバータ装置であって、全波整流回路と平滑コンデンサの間にコモンモードノイズを抑制するためのノイズフィルタを設けると共に、全波整流回路の整流ダイオードと並列にスナバ回路を接続することでスイッチング制御に起因する伝導ノイズの伝搬を低減させたインバータ装置が知られている(特許文献1)。 Conventionally, this is an inverter device for full-wave rectification of a three-phase alternating current and smoothing with a smoothing capacitor, switching the obtained direct current voltage into a rectangular wave alternating current output, and supplying power to a load (motor). In addition to providing a noise filter for suppressing common mode noise between the full-wave rectifier circuit and the smoothing capacitor, connecting a snubber circuit in parallel with the rectifier diode of the full-wave rectifier circuit reduces conduction noise caused by switching control. An inverter device with reduced propagation is known (Patent Document 1).
しかし、上記従来のように負荷を矩形波交流出力で直接駆動する方式であると、矩形波交流出力によるスイッチングノイズが伝搬し、自装置や他の装置に悪影響を及ぼす恐れがある。 However, when the load is directly driven by a rectangular wave AC output as in the conventional case, switching noise due to the rectangular wave AC output is propagated, which may adversely affect the device itself and other devices.
本発明は上記従来技術の問題点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、簡単な構成によりノイズの発生が少なく、信頼性の高い動作が得られる非常用電源装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide an emergency power supply apparatus that can generate a highly reliable operation with less noise due to a simple configuration. is there.
上記の課題を解決するために、本発明の第1の態様による 非常用電源装置は、通常は商用電源からの交流をモータに供給すると共に、この交流を直流に変換して蓄電池を充電し、前記商用電源の停電時には前記蓄電池 からの直流を交流に変換して前記モータに供給する非常用電源装置であって、前記蓄電池からの直流を三相フルブリッジ構成の半導体スイッチング素子により矩形波交流出力に変換するインバータ回路部と、前記インバータ回路部をPWM方式により制御するPWM制御部と、前記インバータ回路部からの矩形波交流出力を正弦波交流出力に変換するフィルタ手段と、前記フィルタ手段の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、前記出力電圧検出手段の検出電圧を所定閾値と比較してその差が零となる方向に前記PWM制御部を介してフィードバック制御を行う出力電圧安定化手段とを備え、さらに、前記出力電圧検出手段で検出した出力電圧を所定の時定数遅れで次段の出力電圧安定化手段に入力するローパスフィルタ手段を有することにより、モータ運転の開始または停止の際の負荷変動による出力の三相交流電圧の変化に伴うノイズの発生を抑制することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the emergency power supply apparatus according to the first aspect of the present invention normally supplies alternating current from a commercial power supply to the motor , converts the alternating current to direct current, and charges the storage battery. An emergency power supply device that converts a direct current from the storage battery into an alternating current and supplies the motor to the motor at the time of a power failure of the commercial power supply, and outputs the direct current from the storage battery to a rectangular wave alternating current by a semiconductor switching element having a three-phase full bridge configuration An inverter circuit unit for converting the inverter circuit unit into a PWM system, a filter unit for converting a rectangular wave AC output from the inverter circuit unit into a sine wave AC output, and an output of the filter unit An output voltage detecting means for detecting a voltage, and the detected voltage of the output voltage detecting means is compared with a predetermined threshold value, and the PWM control is performed in such a direction that the difference becomes zero. Output voltage stabilization means for performing feedback control via a unit, and further, low-pass filter means for inputting the output voltage detected by the output voltage detection means to the output voltage stabilization means of the next stage with a predetermined time constant delay Therefore, it is possible to suppress the generation of noise associated with the change in the output three-phase AC voltage due to the load fluctuation at the start or stop of the motor operation.
本発明では、インバータ回路部からの矩形波交流出力を正弦波交流出力に変換して出力するため、スパイクノイズによる外部機器への影響を大幅に軽減できる。また正弦波交流出力のため騒音やスパークの発生がなく、製品の長寿命化が図れると共に、遠隔の負荷(防火シャッタのモータ等)を高い信頼性で駆動できる。また、正弦波交流出力の為、負荷をモータ等に限定せず広範囲に適用が可能になる。
また、交流の出力電圧安定化手段を備えたため、モータの起動/停止に伴う負荷変動や蓄電池の充/放電に伴う蓄電池電圧の変動によらず、負荷に一定の交流電圧を供給できる。また見方を変えれば、蓄電池一回の充電で出力電圧を一定に保てる期間(見かけ上の蓄電池寿命)が大幅に延びることになり、非常用電源装置としての信頼性が向上する。また、従来よりも小容量の蓄電池を使用することが可能であり、本電源装置の導入コスト及びランニングコストの低減が図れる。
更には、蓄電池の放電により出力に所定以上の交流電圧を給電できなくなった後でも、出力電圧安定化手段の安定化機能を停止させないことにより、可能な限りの交流電圧を出力することが可能となる。このような定格より小さい交流出力であっても負荷に供給することで非常事態を免れ得る可能性が充分にある。また、このことは蓄電池電圧が不十分になってしまった様な万が一の事態でも災害に対処できる可能性があると言う意味で、非常用電源装置として好ましい構成である。また、出力電圧安定化手段を備えたことにより、負荷側の制約がなくなりモータ負荷以外でも使用できることと、蓄電池の効率向上が図れる。
また、出力電圧の帰還ループに所定の時定数を有するローパスフィルタ手段を挿入したことにより、急な負荷変動等に伴い出力電圧が急変しても、その帰還電圧はフィルタ手段によって緩和される。これにより出力電圧を元に戻そうとする出力電圧安定化手段の過渡応答も緩和されることになり、急激な過渡応答に伴うノイズの発生を有効に抑制できる。
In the present invention, since the rectangular wave AC output from the inverter circuit unit is converted into a sine wave AC output and output, the influence of spike noise on external devices can be greatly reduced. In addition, since the output is sinusoidal, no noise or spark is generated, the product life can be extended, and a remote load (such as a fire shutter motor) can be driven with high reliability. In addition, because of the sine wave AC output, the load is not limited to a motor or the like and can be applied in a wide range.
In addition, since the AC output voltage stabilization means is provided, a constant AC voltage can be supplied to the load regardless of load fluctuations accompanying start / stop of the motor and fluctuations of the storage battery voltage accompanying charging / discharging of the storage battery. In other words, the period during which the output voltage can be kept constant by charging the storage battery once (apparent storage battery life) is greatly extended, and the reliability as an emergency power supply device is improved. In addition, it is possible to use a storage battery having a smaller capacity than before, and the introduction cost and running cost of the power supply device can be reduced.
Furthermore, even after an ac voltage exceeding a predetermined level cannot be supplied to the output due to the discharge of the storage battery, it is possible to output as much ac voltage as possible by not stopping the stabilization function of the output voltage stabilizing means. Become. Even if the AC output is smaller than the rated value, there is a possibility that the emergency situation can be avoided by supplying the load to the load. In addition, this is a preferable configuration as an emergency power supply device in the sense that there is a possibility that a disaster can be coped with in the unlikely event that the storage battery voltage has become insufficient. Further, since the output voltage stabilizing means is provided, there is no restriction on the load side, and it can be used other than the motor load, and the efficiency of the storage battery can be improved.
Further, by inserting the low-pass filter means having a predetermined time constant into the output voltage feedback loop, even if the output voltage changes suddenly due to a sudden load fluctuation or the like, the feedback voltage is relaxed by the filter means. As a result, the transient response of the output voltage stabilization means that attempts to restore the output voltage is also alleviated, and the generation of noise accompanying an abrupt transient response can be effectively suppressed.
本発明の第2の態様では、前記出力電圧安定化手段は、出力振幅を略一定に維持しつつ、前記蓄電池の放電終止電圧付近まで蓄電池運転を行うことが可能な構成であることを特徴とする。 In the second aspect of the present invention, the output voltage stabilizing means is configured to be able to perform a storage battery operation to near the discharge end voltage of the storage battery while maintaining an output amplitude substantially constant. To do.
本発明の第3の態様では、回路部分を金属ケースで密閉すると共に、前記フィルタ手段と前記モータとの間を絶縁トランスで回路分離したことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the circuit portion is hermetically sealed with a metal case, and the circuit between the filter means and the motor is separated by an insulating transformer.
本発明の第4の態様では、前記蓄電池交換時の該蓄電池からの突入電流を緩和させるための突入電流緩和手段を備え、前記突入電流緩和手段は、蓄電池からの給電線とアース線との間に接続した抵抗分圧回路と、この抵抗分圧回路の分圧点とアース線との間に接続され、前記蓄電池接続に伴う突入電圧を所定の時定数で充電するコンデンサと、前記アース線と直列に接続され、前記コンデンサの充電電圧に従って入出力端子間の内部抵抗を変化させる半導体増幅素子とを備えたものである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided inrush current mitigation means for mitigating inrush current from the storage battery at the time of replacement of the storage battery, and the inrush current mitigation means is provided between the power supply line from the storage battery and the ground line. A resistance voltage dividing circuit connected to the capacitor, a voltage dividing point of the resistance voltage dividing circuit and a ground wire, a capacitor for charging an inrush voltage associated with the storage battery connection with a predetermined time constant, and the ground wire And a semiconductor amplifying element connected in series and changing an internal resistance between the input and output terminals according to a charging voltage of the capacitor.
本発明では、非常用電源装置に蓄電池ブロックを接続(交換)した際の突入電流が緩和(ソフトスタート化)されるため、コネクタ部における火花の発生を防止でき、蓄電池交換を安全に行える。 In the present invention, since the inrush current when the storage battery block is connected (exchanged) to the emergency power supply device is reduced (soft-started), the occurrence of sparks at the connector portion can be prevented, and the storage battery can be replaced safely.
本発明の第5の態様では、前記蓄電池の給電線に直列に接続した抵抗と、この抵抗の端子電圧を検出して所定閾値と比較すると共に、この端子電圧が前記所定閾値を超えたことにより過電流を検出する過電流検出手段と、前記過電流検出手段による過電流の検出により、前記PWM制御部の制御率を速やかに停止させると共に、該PWM制御部の制御を再開させる制御部と、を備えたものである。 In the fifth aspect of the present invention, the resistance connected in series to the power supply line of the storage battery and the terminal voltage of the resistance are detected and compared with a predetermined threshold, and the terminal voltage exceeds the predetermined threshold. An overcurrent detecting means for detecting an overcurrent; and a control section for quickly stopping the control rate of the PWM control section and restarting the control of the PWM control section by detecting the overcurrent by the overcurrent detection means; It is equipped with.
本発明によれば、過負荷等により所定を超える過電流が検出された場合は、前記PWM制御部の出力を停止することで、回路及び負荷の故障を回避すると共に、過電流が回復した後に前記PWM制御部の出力を再開することにより、動作を継続する。このことから、万一の場合でも、完全に出力を停止するのではなく、極力出力を継続させることで、非常用電源としての目的を果たすことができる。 According to the present invention, when an overcurrent exceeding a predetermined value is detected due to an overload or the like, the output of the PWM control unit is stopped to avoid a circuit and load failure and after the overcurrent is recovered. The operation is continued by restarting the output of the PWM controller. For this reason, even in the unlikely event, the output as an emergency power source can be achieved by continuing the output as much as possible without stopping the output completely.
以上述べた如く本発明によれば、インバータ動作に伴うスパイクノイズの発生を抑制したことにより、本装置自身の動作信頼性が向上すると共に、外部に与えるノイズを大幅に軽減できた。 As described above, according to the present invention, by suppressing the occurrence of spike noise accompanying the inverter operation, the operation reliability of the device itself is improved and the noise given to the outside can be greatly reduced.
以下、添付図面を参照して本発明による実施の形態を詳細に説明する。図1は実施の形態による非常用電源装置の要部構成図である。この非常用電源装置1は、停電時に給電するための蓄電池2と、非停電時の商用電源3を整流して蓄電池2を充電する充電器4と、停電時に蓄電池2の直流をスイッチングして矩形波交流出力に変換するインバータ回路部5と、このインバータ回路部5をPWM(Pulse Width Modulation)方式によりスイッチング制御するPWM制御部6と、このインバータ回路部5の矩形波交流出力を正弦波交流出力に変換するLCフィルタ7と、このLCフィルタ7の出力と誘導電動機M等からなる負荷10との間を絶縁するための絶縁トランス8と、非停電時には入力の商用電源3を負荷10に給電すると共に、停電時には絶縁トランス8の正弦波交流出力に切り替えて負荷10に給電する出力切替手段9とを備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a main part of an emergency power supply apparatus according to an embodiment. This emergency power supply 1 is rectangular by switching a direct current of a
係る構成により、商用電源3の入力時には出力切替手段9を接点a側に接続して入力の商用電源をそのまま負荷10に給電すると共に、充電器4により蓄電池2を充電しておく。一方、商用電源3の停電時には蓄電池2よりインバータ回路部5とLCフィルタ7を介して正弦波交流出力を生成すると共に、出力切替手段9を接点b側に接続して正弦波交流出力を負荷10に給電する。
With such a configuration, when the
本装置1ではPWM制御のキャリア周波数を比較的高く(例えば15kHzに)したことによりLCフィルタ7等のサイズやコストを低減できると共に、装置全体をコンパクトに構成した。また、キャリア周波数を可聴周波数以上とすることで動作音を小さくすると共に、効率が向上した。
In the present apparatus 1, the carrier frequency for PWM control is made relatively high (for example, 15 kHz), whereby the size and cost of the
一方、比較的大電流(瞬間的には最大100A程度)のスイッチングを行うインバータ回路部5では、キャリア周波数を高くしたことによりスイッチング素子の発熱が大きくなるが、ヒートシンクの強化により対策している。また、キャリア周波数を高くしたことで筐体内部(即ち、絶縁トランス8の1次側まで)におけるスイッチングノイズが増大するが、PWM制御部6等に給電するための各種直流電源やインバータ回路部5に対する後述の幾つかのノイズ対策によって安定なインバータ動作を確保している。また、インバータ回路部5からの矩形波交流出力(PWM交流出力)をLCフィルタ7により正弦波交流出力に変換したことにより、PWM制御に基づく高調波ノイズの影響はインバータ回路部5からLCフィルタ7までに限定されており、これによって外部機器に与えるノイズの影響を大幅に軽減している。更に、この回路部分を金属ケースで密閉すると共に、LCフィルタ7と負荷10との間を絶縁トランス8で回路分離(絶縁)したことにより、外部に与えるノイズの影響を軽減している。以下、詳細に説明する。
On the other hand, in the
図2は実施の形態による非常用電源装置のブロック図で、三相交流電源装置への適用例を示している。図において、商用電源3からの三相交流は入力端子11を介して出力切替手段9のb側端子に入力すると共に、コネクタ12を介して制御基板13の側にも入力している。この制御基板13において、整流回路14は商用電源の単相入力(線間電圧AC200V)を全波整流してその整流出力をコンデンサにより平滑化し、DC280Vを生成する。また、充電器4はこのDC280Vを使用して公称192Vの蓄電池(ブロック)2を充電する。更に、スイッチング(SW)電源15はこのDC280Vの入力をスイッチング方式によりDC−DC変換してそれぞれに出力電圧が安定化された複数種の制御用DC電圧(DC24V、DC15V、DC5V)を生成する。
FIG. 2 is a block diagram of the emergency power supply device according to the embodiment, and shows an application example to a three-phase AC power supply device. In the figure, the three-phase alternating current from the
<スイッチング電源のノイズ対策>
図3は実施の形態によるスイッチング電源15を説明する図である。なお、スイッチング電源15としては公知の様々なものを使用できるが、ここでは本実施の形態で施したノイズ対策を説明するために、最も簡単なシングルエンディッドフライバック方式のスイッチング電源15を使用した場合を例に説明する。
<Measures against noise in switching power supplies>
FIG. 3 is a diagram illustrating the switching power supply 15 according to the embodiment. Although various known power sources can be used as the switching power source 15, the simplest single-end flyback switching power source 15 is used here to explain the noise countermeasures taken in the present embodiment. A case will be described as an example.
図3において、FET素子Q8がONの期間ではトランスTにエネルギーを蓄積すると共に、コンデンサC3の放電により負荷42にエネルギーを供給する。次にFET素子Q8がOFFの期間ではダイオードD4を通してトランスTのエネルギーをコンデンサC3と負荷42に供給する。以下、これらを繰り返す。この状態で、出力のDC電圧VoはツェナダイオードZDとバイアス抵抗Rbとにより分圧され、この抵抗Rbの端子電圧がフォトカプラ44の発光ダイオードに加えられる。これにより、この発光ダイオードからは出力電圧Voに比例した光が発光されると共に、これを受光したフォトトランジスタでは受光強度に比例した制御信号をエミッタに出力し、この制御信号がSW制御IC43の制御端子Cに入力される。このSW制御IC43は制御端子Cの制御信号に基づいてこのスイッチング電源15の出力電圧Voが一定となるようにフィードバック制御を行う。
In FIG. 3, energy is stored in the transformer T while the FET element Q8 is ON, and energy is supplied to the
本実施の形態では、SW制御IC43の制御端子CにフェライトビーズFBを嵌装したことにより、出力よりフィードバックされる制御信号に対するスイッチングノイズの混入を抑制し、安定な出力電圧Voを得ている。なお、このSW制御IC43としては例えばパワーインテグレーションズ社のMIP0224SY相当を使用可能である。また、以上述べたノイズ対策はDC24V、DC15V、DC5Vの各スイッチング電源について同様である。
In the present embodiment, the ferrite bead FB is fitted to the control terminal C of the
このスイッチング電源15により生成される制御用電圧のうち、DC15Vはインバータ回路部5を駆動するドライバ回路(DR)16に給電され、またDC5VはCPU18やPWM制御部6等の論理回路に給電される。更に、DC24VはDC15VやDC5Vを生成するためのDC電源として用いられると共に、リレー等の駆動用電源としても使用される。
Of the control voltage generated by the switching power supply 15,
図2に戻り、各制御用電源(DC15V、DC5V)の給電線とアース線との間にはインバータ回路部5における大電流のスイッチングに伴い発生するスパイクノイズ等を吸収するためのコンデンサC1とツェナダイオードZ1とが設けられている。例えばDC15Vの電源ラインには18Vのツェナダイオードを接続し、DC5Vの電源ラインには6.2Vのツェナダイオードを接続した。これらは、本実施の形態では図示の如くサイズの小さいものを複数分散配置した。
Returning to FIG. 2, a capacitor C <b> 1 and a Zener for absorbing spike noise and the like generated by switching of a large current in the
好ましくは、複数のコンデンサ(セラミックコンデンサ)と複数のツェナダイオードを電源ラインに沿って交互に分散配置することにより、回路内で発生するスパイクノイズ等をその発生箇所の近傍で吸収し、電源ラインを伝搬させないようにしている。図2にはDC15Vの電源ラインにおけるコンデンサC1とツェナダイオードZ1の接続イメージを示している。図示しないが、DC5Vの電源ラインについても同様である。 Preferably, a plurality of capacitors (ceramic capacitors) and a plurality of Zener diodes are alternately distributed along the power supply line, so that spike noise generated in the circuit is absorbed in the vicinity of the generation point, and the power supply line is It is not allowed to propagate. FIG. 2 shows a connection image of the capacitor C1 and the Zener diode Z1 in the DC15V power line. Although not shown, the same applies to the DC5V power supply line.
また本実施の形態では、PWM制御のドライバ回路16にDC15Vが給電されると共に、インバータ回路部5を構成する半導体スイッチング素子としての例えばFET素子Q1〜Q6には蓄電池2からDC200V(公称192V)が給電されている。これらのFET素子Q1〜Q6は略200Vで100Aの電流を15kHzでスイッチングするため、両DC電源の間のアース間接続が十分でないと、これらのアースレベルが負荷電流に応じてふらつくことになり、不安定な動作の原因ともなり得る。
In the present embodiment,
このため、DC15Vのアースラインと蓄電池2のアースラインとの間を複数のパターン配線により複数箇所で接続することによりアースライン間の接続を強化し、両DC電源の間のアースレベルを安定化させている。図2ではDC15Vと蓄電池2の各アースライン間の接続を強化した状態を太実線により示している。なお、図示しないが、DC24V電源と、DC5V電源についても、上記と同様にそれぞれのアースラインと蓄電池2のアースラインとの接続を強化している。これにより各回路部の安定な動作が得られている。
For this reason, the connection between the ground lines is strengthened by connecting the ground line of DC15V and the ground line of the
<インバータ回路部の起動>
停電検出部17は入力の商用電源を全波整流してそのP−P電圧を検出すると共に、このP−P電圧が定格を所定以下(例えば80%以下)に下回る場合は停電状態を検出し、CPU18にその旨を通知する。CPU18は停電の通知を受けたことによりPWM制御部6を起動し、インバータ制御を開始させる。
<Starting the inverter circuit>
The power failure detection unit 17 performs full-wave rectification on the input commercial power supply to detect the PP voltage, and detects the power failure state when the PP voltage falls below a predetermined value (for example, 80% or less). CPU 18 is notified of this. The CPU 18 activates the
インバータ回路部5は3相フルブリッジ構成からなるFET素子Q1〜Q6を備え、PWM制御部6よりドライバ回路16を介して送られるPWM制御信号U〜Wに従って蓄電池2からの直流電圧(公称192V)をスイッチングし、三相PWM波交流電圧に変換する。一例の半導体スイッチング素子Q1〜Q6としては、高速スイッチングに優れたnチャネルのパワーMOSFET素子を用いており、各FET素子Q1〜Q6にはそれぞれ逆並列に接続された不図示の寄生ダイオード(転流ダイオード)が含まれている。なお、大電流をスイッチングする場合はMOSFET素子を複数並列にして使用しても良いし、或いは、MOSFET素子に代えて絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ(IGBT)素子を用いても良い。
The
更に、このインバータ回路部5の出力の三相矩形波交流出力(三相PWM出力)はLCフィルタ7により三相正弦波交流に変換される。更に、この三相正弦波交流出力は絶縁トランス8の一次側巻線に入力され、その二次側巻線からの回路分離(即ち、インバータ回路部5から絶縁)された三相交流出力は出力切替手段9を介して出力端子23に出力される。なお、この例の出力切替手段9は、停電検出部17の停電検出に連動して自動的に切り替える構成としているが、手動切替等の別の手段で構成しても良い。
Further, the three-phase rectangular wave AC output (three-phase PWM output) output from the
<三相正弦波交流出力の安定化>
本実施の形態では三相交流電圧の出力電圧安定化機能を設けることで、モータ運転の開始/停止に伴う負荷変動や蓄電池2の充/放電に伴う蓄電池電圧の変動によらず、出力の三相交流電圧が一定になるよう構成している。図2において、この出力電圧安定化機能は、本電源装置の出力電圧を検出する出力電圧検出部24と、該検出した出力電圧を所定の時定数(例えば略1秒)遅れでPWM制御部6に帰還するローパスフィルタ部(LPF)25と、この帰還入力に従って前記出力電圧を一定に制御するPWM制御部6内の出力電圧安定化回路6aとにより実現される。以下、具体的に説明する。
<Stabilization of three-phase sine wave AC output>
In this embodiment, the output voltage stabilization function of the three-phase AC voltage is provided, so that the output three-way power can be obtained regardless of the load fluctuation accompanying the start / stop of the motor operation and the fluctuation of the storage battery voltage due to charging / discharging of the
図4に出力電圧安定化機能部のブロック図を示す。図において、出力電圧検出部24では絶縁トランス8の2次側電圧u〜wをダイオードブリッジにより全波整流すると共に、その整流出力を平滑コンデンサC6で平滑化し、得られたピークツーピーク(P−P)電圧に相当する検出信号Dをローパスフィルタ(LPF)25に出力する。
FIG. 4 shows a block diagram of the output voltage stabilization function unit. In the figure, the output
LPF25では、入力の検出信号DをツェナダイオードZD2とバイアス抵抗R6とにより分圧し、この抵抗R6の端子電圧がフォトカプラ26の発光ダイオードに加えられる。これにより、この発光ダイオードは検出信号Dに比例する光を発光すると共に、これを受光したフォトトランジスタ(エミッタフォロア)では受光強度に比例した検出Dをエミッタに出力する。この検出信号Dは可変抵抗器VRを介して抽出され、更に抵抗R7と、コンデンサC7と、オペアンプ(OAP)27とからなるローパスフィルタ回路(積分回路)に入力する。
In the
オペアンプ(OAP)27は、この検出信号Dと所定閾値Vr(非常用電源装置の定格出力電圧に相当)とを比較し、その差信号を所定の時定数遅れで増幅すると共に、得られた利得制御信号GをPWM制御部6の中の出力電圧安定化回路6aに入力する。一例の利得制御信号Gは、検出信号Dが所定閾値Vrよりも低い程高いレベルを示し、所定閾値Vrに近づく程レベルが低下するものである。また、所定閾値Vrよりも高い場合は低いレベルを出力する。
The operational amplifier (OAP) 27 compares the detection signal D with a predetermined threshold Vr (corresponding to the rated output voltage of the emergency power supply device), amplifies the difference signal with a predetermined time constant delay, and obtains the gain obtained. The control signal G is input to the output voltage stabilization circuit 6 a in the
出力電圧安定化回路6aにおいて、正弦波発振器(OSC)32は利得制御信号Gのレベルに比例した振幅の正弦波交流信号Sを発生すると共に、三角波OSC33は一定振幅の三角波交流信号Tを生成している。PWM変調部34は正弦波OSC32からの正弦波交流信号Sと三角波OSC33からの三角波交流信号Tとを比較することによりPWM変調されたPWM制御信号U〜Wを生成する。
In the output voltage stabilizing circuit 6a, the sine wave oscillator (OSC) 32 generates a sine wave AC signal S having an amplitude proportional to the level of the gain control signal G, and the
図5に出力電圧安定化回路6aの動作説明図を示す。図5(a)は蓄電池2の充電により蓄電池電圧が相対的に高い(例えば230Vの)場合を示している。この場合は、PWM制御信号Uのパルス幅が例えば図のU1の如く比較的狭くてもその三相交流出力には所要振幅の正弦波交流信号u1が得られるため、利得制御信号Gのレベルは相対的に低く、これに応じて発生される正弦波交流信号S1の振幅も小さい。これに伴い、PWM制御信号U1のパルス幅も相対的に狭く、インバータ回路部5の出力には少ないPWM制御率(デューティー比)で所要振幅の三相交流u1が得られている。
FIG. 5 is an operation explanatory diagram of the output voltage stabilization circuit 6a. FIG. 5A shows a case where the storage battery voltage is relatively high (for example, 230 V) due to charging of the
図5(b)は蓄電池2の放電により蓄電池電圧が相対的に低い(例えば190Vの)場合を示している。この場合は、三相交流の出力振幅が低下するため、その利得制御信号Gのレベルは相対的に高くなり、これに応じて発生される正弦波交流信号S2の振幅も大きくなる。これに伴いPWM制御信号U2のパルス幅も相対的に広くなり、インバータ回路部5の出力には幅広いPWM制御率で所要振幅の三相交流u2が得られることになる。以上のことは他のv,w相についても同様である。
FIG. 5B shows a case where the storage battery voltage is relatively low (for example, 190 V) due to the discharge of the
従来は蓄電池2の電圧変動に応じて三相交流出力電圧が±30%程度変動していたが、本実施の形態では出力電圧安定化回路6aを設けたことにより、出力振幅を略一定に維持しつつ、蓄電池2の放電終止電圧付近まで蓄電池運転を行うことが可能となっている。これにより、一回の充電で連続運転可能な蓄電池寿命が従来の1.5〜2倍程度にまで延長された。好ましくは、この非常用電源装置は、蓄電池2の電圧が略0Vになるまで上記図4で述べた出力安定化制御を止めない。このため、この非常用電源装置は出力に定格交流電圧を出力できなくなった後であっても、可能な限り交流電圧を出力し続けることになり、非常用電源としての役割を可能な限り果たそうとする構成になっている。
Conventionally, the three-phase AC output voltage fluctuates by about ± 30% according to the voltage fluctuation of the
更に、本実施の形態では出力電圧の帰還ループに所定の時定数を有するLPF25を設けたことにより、モータ運転の開始/停止に伴う急な負荷変動により出力の三相交流電圧u〜wが急変しても、その帰還信号Dの急な変化はLPF25によって所要に緩和される。これにより交流出力電圧を元に戻そうとする出力電圧安定化回路6aの過渡応答動作も緩和されることになり、急激な過渡応答に伴うノイズの発生を有効に抑制できる。
Further, in this embodiment, the
<インバータ回路部におけるノイズ対策>
次にインバータ回路部5における幾つかのノイズ対策を説明する。図6に図2のインバータ制御に係る部分を拡大して示した。ノイズ対策の一つは、各ドライバ回路16の出力と各FET素子Q1〜Q6のゲート入力との間をそれぞれシールド線により配線し、その被覆シールド線(図の点線で示す)をFET素子側の一点でアースしたものである。FET素子Q1〜Q6では高速(例えば15kHz)で略100Aの電流をスイッチングするため、高調波成分によるスパイクノイズが静電結合等によりゲート回路に回り込んでFET素子が不安定動作する可能性がある。本実施の形態ではFET素子Q1〜Q6の各ゲート回路を外部から遮断(静電シールド)したことでノイズをアース側にバイパスし、FET素子Q1〜Q6の安定なスイッチング動作を確保している。
<Noise countermeasures in the inverter circuit>
Next, some noise countermeasures in the
また、本実施の形態では各FET素子Q1〜Q6の各ドレイン端子にアモルファスビーズABを嵌装することで、FET素子のスイッチングに伴うスパイクノイズの発生を抑制している。一例のアモルファスビーズABは、そのコア材として高周波における保磁力が小さいコバルト基アモルファス合金を用いたものである。 In the present embodiment, the amorphous beads AB are fitted to the drain terminals of the FET elements Q1 to Q6, thereby suppressing the occurrence of spike noise associated with the switching of the FET elements. An example of the amorphous beads AB uses a cobalt-based amorphous alloy having a small coercive force at a high frequency as the core material.
一般に、ダイオード等の半導体素子がONからOFFに遷移する時は、そのPN接合部に一時的に逆方向の電流(リバースリカバリ電流)が流れる。アモルファスビーズABの磁化状態は、順方向電流が流れている期間は飽和状態にあり、殆どインダクタンスを示さないが、この順方向電流が遮断されて後、逆方向電流(リバースリカバリ電流)が流れようとする期間には急速にインダクタンスが増加し、この大きなインダクタンスがリバースリカバリ電流を阻止する働きをするため、リカバリ電流の急激な変化が緩和(所謂ソフトリカバリ化)される。これにより、リバースリカバリ電流の急激な変化 が緩和されると共に、この電流変化の微分に比例するノイズ電圧の発生も充分に抑制される。 Generally, when a semiconductor element such as a diode transits from ON to OFF, a current in the reverse direction (reverse recovery current) temporarily flows through the PN junction. The magnetization state of the amorphous beads AB is in a saturated state during the period in which the forward current flows, and shows almost no inductance, but a reverse current (reverse recovery current) will flow after the forward current is cut off. In this period, the inductance rapidly increases, and this large inductance functions to block the reverse recovery current, so that a sudden change in the recovery current is alleviated (so-called soft recovery). As a result, the rapid change in the reverse recovery current is alleviated, and the generation of a noise voltage proportional to the differentiation of the current change is sufficiently suppressed.
なお、アモルファスビーズABの場合は、順方向電流が零に向かって減少する期間でも電流がゼロクロスするまでは殆どインダクタンスを示さないため、ターンオフ時の電流の傾きを変化させない利点がある。また、図6の例ではFET素子Q〜Q6の各ドレイン端子にアモルファスビーズABを嵌装したが、これに限らない。FET素子Q1〜Q6の各ソース端子にアモルファスビーズABを嵌装しても良い。 In the case of the amorphous beads AB, there is an advantage that the slope of the current at the time of turn-off is not changed because the inductance hardly shows until the current zero crosses even during the period in which the forward current decreases toward zero. Further, in the example of FIG. 6, amorphous beads AB are fitted to the drain terminals of the FET elements Q to Q6, but the present invention is not limited to this. Amorphous beads AB may be fitted to the source terminals of the FET elements Q1 to Q6.
<FET素子の破壊防止回路>
また本実施の形態では、インバータ回路部5の上アームを構成する各FET素子Q1、Q3、Q5と直流電源との間に電流制限用のインダクタL1と、該インダクタの逆起電力防止用のダイオードD2とからなる並列回路を挿入している。以下、これを説明する。
<Destruction prevention circuit of FET element>
Further, in the present embodiment, a current limiting inductor L1 between each FET element Q1, Q3, Q5 constituting the upper arm of the
一般に、パワーMOSFET素子はその構造上より内部に逆接続された寄生ダイオード(通称内部ダイオードと呼ばれる)を有しているが、本実施の形態ではこの内部ダイオードD1を転流ダイオードとして積極的に使用している。更に、この種のインバータ回路部5では、上アームを構成するFET素子Q1、Q3、Q5とこれらに直接接続する下アームのFET素子Q2、Q4,Q6とが同時にONすることは無いが、負荷にLCフィルタ7やモータ10等が接続された場合には、例えば上アームのFET素子Q1がOFFの期間でも、負荷のインダクタンスで発生した逆起電力によりFET素子Q1の内部ダイオードD1が導通状態になる期間がある。
Generally, a power MOSFET element has a parasitic diode (commonly referred to as an internal diode) reversely connected to the inside due to its structure, but in the present embodiment, the internal diode D1 is actively used as a commutation diode. doing. Furthermore, in this type of
一方、この期間に下アームを構成する各FET素子はONとOFFとを行っており、例えばFET素子Q2がONになる期間では、FET素子Q1の内部ダイオードD1が導通状態から逆バイアスされることでその順方向電流が遮断される状態に移行するが、その後この内部ダイオードD1にはリバースリカバリ電流が流れるため、この内部ダイオードD1とFET素子Q2の両方が導通状態なる瞬間(略100nsec)があり、このとき大電流が流れて、最悪の場合は素子が破壊することになる。そこで、本実施の形態では、内部ダイオードD1の逆回復時間に流れるリバースリカバリ電流が制限されるように電流制限用の小インダクタL1(例えば1μH程度)と 該インダクタL1で発生する逆起電力防止用のダイオードD2(順方向電流10A程度、順方向応答速度50nS以下)とを設けている。 On the other hand, each FET element constituting the lower arm is turned ON and OFF during this period. For example, during the period when the FET element Q2 is ON, the internal diode D1 of the FET element Q1 is reverse-biased from the conductive state. However, since the reverse recovery current flows through the internal diode D1, there is a moment (approximately 100 nsec) when both the internal diode D1 and the FET element Q2 are in a conductive state. At this time, a large current flows, and in the worst case, the device is destroyed. Therefore, in the present embodiment, a small inductor L1 for current limiting (for example, about 1 μH) and a counter electromotive force generated by the inductor L1 are limited so that the reverse recovery current flowing during the reverse recovery time of the internal diode D1 is limited. Diode D2 (forward current of about 10 A, forward response speed of 50 nS or less).
<その他の対策>
図2に戻り、本実施の形態では蓄電池2の給電線に突入電流緩和回路21を設けることにより蓄電池ブロック2の投入(接続)時に発生する突入電流のラッシュを緩和している。図7に実施の形態による突入電流緩和回路の構成を示す。図7において、一例のコネクタCNaは各1.2Vの蓄電池2を合計40個収容可能であり、これらが直列に接続されることにより、1コネクタ当たり公称48Vの直流を供給可能である。更に、本電源装置1としてはこのような4つのコネクタCNa〜CNdを直列に接続することにより全体として公称192Vの直流を供給可能である。
<Other measures>
Returning to FIG. 2, in the present embodiment, an inrush
本電源装置1にこのような蓄電池ブロック(192V)を初期接続する場合には、インバータ回路部5に大きな突入電流が流れることによりコネクタ端子で火花が発生する場合もあるため、蓄電池2の給電ラインに突入電流を緩和するための突入電流緩和回路21を設けている。この突入電流緩和回路21は、抵抗R2とR3とからなる抵抗分圧回路と、この抵抗分圧回路の分圧電圧により所定の時定数で充電されるコンデンサC2と、このコンデンサC2の充電電圧がゲート端子に加えられることによりソース−ドレイン間の内部抵抗を可変とするFET素子Q7と、コンデンサC2の充電電圧をクランプするツェナダイオードZ2と、蓄電池ブロックの取り外しに伴いコンデンサC2に蓄えられていた充電電圧をリセットするダイオードD3とを備える。なお、図示しないが、FET素子Q7の電流容量が足りないような場合には同一特性のFET素子を複数並列に使用することが可能である。
When such a storage battery block (192 V) is initially connected to the power supply device 1, since a large inrush current may flow through the
このような構成により、今、インバータ回路部5に蓄電池電圧Vi(192V)が投入されると、この電圧Viが抵抗R2とR3により分圧されて、この分圧電圧によりコンデンサC2が所定の時定数で充電される。この充電電圧が抵抗R4を介してFET素子Q7のゲートに加えられることによりこのFET素子Q7のドレイン電流を徐々に増加させる。そして、やがて略1秒を経過するまでにはFET素子Q7が完全に導通し、こうして蓄電池ブロック投入時におけるソフトスタートを完了する。
With such a configuration, when the storage battery voltage Vi (192 V) is input to the
また、本実施の形態では蓄電池2の給電線に過電流検出部22を設けることによりインバータ回路部5に所定以上の過電流が流入するのを防止している。具体的には、蓄電池2の給電線と直列に過電流検出用の抵抗(例えば8.3mΩ)Rsを直列に挿入し、この抵抗Rsの両端と過電流検出部22の入力との間をシールド線によりそれぞれ接続すると共に、各被覆シールド線を過電流検出部側の一点でアースしている。
Further, in the present embodiment, an
なお、上記実施の形態では蓄電池ブロックの全体を初期投入する場合を述べたが、これに限らない。全ての蓄電池2は直列接続されているため、何れか1個のコネクタCN又は蓄電池2を取り外した場合でも入力電圧Viは0Vに低下する。その後、取り外したコネクタCN又は蓄電池2を再接続すると、インバータ回路部5にはVi=192Vが再投入されることになり、上記同様にソフトスタートが再開される。従って、本実施の形態によれば蓄電池1個を交換する場合でもコネクタ接点にスパークが飛ぶことは無く、安全に蓄電池2を交換できる。
In addition, although the case where the whole storage battery block was initially supplied was described in the said embodiment, it is not restricted to this. Since all the
なお、図2の蓄電池監視部19は蓄電池給電ラインの入力電圧Viを監視しており、この電圧Viが所定閾値(例えば190V)を下回ったことを検出した場合はその旨をCPU18に通知する。これを受けたCPU18は蓄電池電圧が所定閾値を下回った旨を後述の表示部20に表示すると共に、その後も上記図4で述べた出力安定化制御を伴うPWM制御を継続する。
Note that the storage battery monitoring unit 19 in FIG. 2 monitors the input voltage Vi of the storage battery power supply line, and if it is detected that the voltage Vi is below a predetermined threshold (for example, 190 V), notifies the CPU 18 of that fact. Receiving this, the CPU 18 displays on the
また、本実施の形態では蓄電池の給電ラインに過電流検出部22を備える。この過電流検出部22では、蓄電池給電ラインと直列に接続した抵抗Rsの端子電圧を検出して増幅すると共に、この増幅出力と本電源回路に別段の支障を与えない程度の第1の所定閾値(例えば平均電流にして10%増しの110A程度に相当)とを比較することにより、この増幅出力が前記第1の所定閾値を超えた場合は、PWM制御部6がPWM出力を速やかに停止し、回路及び負荷の故障を保護すると共に、所定閾値を下回れば再度出力を開始する。
Moreover, in this Embodiment, the
更に、本実施の形態ではこの非常用電源装置の運用に伴い発生する様々な情報を表示するための表示部20を備えており、この表示部20とCPU18の間はバスライン20aによって接続されている。CPU18はこのバスライン20aを介して文字や数字のデータを表示部20に転送するが、インバータ回路部5からのスイッチングノイズ等によって文字化けが発生する場合もあり得るため、このバスライン20aの各信号ラインに例えば直列抵抗と並列コンデンサとからなるローパスフィルタを挿入することにより、ノイズの影響を軽減している。
Further, in the present embodiment, a
なお、上記実施の形態では半導体スイッチング素子としてMOSFET素子を使用した場合を述べたが、これに限らない。例えばIGBT素子を用いても良いことは明らかである。 In the above-described embodiment, the case where the MOSFET element is used as the semiconductor switching element has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, it is obvious that an IGBT element may be used.
1 非常用電源装置
2 蓄電池
3 商用電源
4 充電器
5 インバータ回路部
6 PWM制御部
7 LCフィルタ
8 絶縁トランス
9 出力切替手段
10 負荷
11 入力端子
12 コネクタ
14 整流回路
15 スイッチング(SW)電源
16 ドライバ回路
17 停電検出部
18 CPU
19 蓄電池監視部
20 表示部
21 突入電流緩和回路
22 過電流検出部
23 出力端子
24 出力電圧検出部
25 ローパスフィルタ部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Emergency
19 Storage
Claims (5)
前記蓄電池からの直流を三相フルブリッジ構成の半導体スイッチング素子により矩形波交流出力に変換するインバータ回路部と、
前記インバータ回路部をPWM方式により制御するPWM制御部と、
前記インバータ回路部からの矩形波交流出力を正弦波交流出力に変換するフィルタ手段と、
前記フィルタ手段の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、
前記出力電圧検出手段の検出電圧を所定閾値と比較してその差が零となる方向に前記PWM制御部を介してフィードバック制御を行う出力電圧安定化手段とを備え、
さらに、前記出力電圧検出手段で検出した出力電圧を所定の時定数遅れで次段の出力電圧安定化手段に入力するローパスフィルタ手段を有することにより、モータ運転の開始または停止の際の負荷変動による出力の三相交流電圧の変化に伴うノイズの発生を抑制することを特徴とする非常用電源装置。 Normally, AC from a commercial power supply is supplied to the motor , and the AC is converted to DC to charge the storage battery. When the commercial power supply fails, the DC from the storage battery is converted to AC and supplied to the motor. Power supply unit for
An inverter circuit unit for converting a direct current from the storage battery into a rectangular wave alternating current output by a semiconductor switching element having a three-phase full bridge configuration;
A PWM control unit for controlling the inverter circuit unit by a PWM method;
Filter means for converting the rectangular wave AC output from the inverter circuit unit into a sine wave AC output ;
Output voltage detection means for detecting the output voltage of the filter means;
An output voltage stabilizing unit that performs feedback control via the PWM control unit in a direction in which the detected voltage of the output voltage detecting unit is compared with a predetermined threshold and the difference becomes zero;
Furthermore, by having a low-pass filter means for inputting the output voltage detected by the output voltage detection means to the output voltage stabilization means of the next stage with a predetermined time constant delay, it is possible to cause a load fluctuation when starting or stopping the motor operation. An emergency power supply device that suppresses the generation of noise associated with a change in output three-phase AC voltage.
前記突入電流緩和手段は、蓄電池からの給電線とアース線との間に接続した抵抗分圧回路と、
この抵抗分圧回路の分圧点とアース線との間に接続され、前記蓄電池接続に伴う突入電圧を所定の時定数で充電するコンデンサと、
前記アース線と直列に接続され、前記コンデンサの充電電圧に従って入出力端子間の内部抵抗を変化させる半導体増幅素子と、を備えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の非常用電源装置。 Inrush current relaxation means for relaxing the inrush current from the storage battery when the storage battery is replaced,
The inrush current mitigating means includes a resistance voltage dividing circuit connected between a power supply line from a storage battery and a ground line;
A capacitor connected between a voltage dividing point of the resistance voltage dividing circuit and a ground wire, and charging a rush voltage associated with the storage battery connection with a predetermined time constant;
Connected to said ground wire in series, according to any one of claims 1 to 3, the semiconductor amplifying element for changing an internal resistance between the input and output terminals in accordance with the charging voltage, comprising the said capacitor Emergency power supply.
この抵抗の端子電圧を検出して所定閾値と比較すると共に、この端子電圧が前記所定閾値を超えたことにより過電流を検出する過電流検出手段と、
前記過電流検出手段による過電流の検出により、前記PWM制御部の制御を停止させると共に、過電流の回復後は、該PWM制御部の制御を再開させる制御部と、を備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の非常用電源装置。 A resistor connected in series to the feeder of the storage battery;
Overcurrent detecting means for detecting a terminal voltage of the resistor and comparing it with a predetermined threshold, and detecting an overcurrent when the terminal voltage exceeds the predetermined threshold;
A control unit that stops the control of the PWM control unit by detecting the overcurrent by the overcurrent detection unit and restarts the control of the PWM control unit after the overcurrent is recovered. The emergency power supply device according to any one of claims 1 to 4 .
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