JP6204283B2 - 無停電電源装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、無停電電源装置に関する。

一般に、入力された交流電力をインバータにより直流電力に変換し、この直流電力をコンバータにより交流電力に変換して負荷に給電する無停電電源装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２００７−３３００７３号公報

しかしながら、無停電電源装置の負荷が電動機などの動力負荷である場合、起動方式を直入れ起動として動力負荷を起動すると、定格電流の約１０倍の非常に大きい始動電流が流れる。一般に、インバータの過電流耐量は、そのインバータの定格電流の１．５倍から２倍程度である。従って、無停電電源装置の容量を始動電流見合いで選定しなければならない。従って、動力負荷の定格電力に対して必要以上に大きい容量の無停電電源装置を選定する必要がある。

一方、始動電流を抑制するために、無停電原装置と動力負荷との間に、動力負荷を駆動する汎用インバータを接続し、この汎用インバータで動力負荷を起動する方法がある。しかし、この場合、動力負荷を駆動する汎用インバータの制御方式によっては、無停電原装置に内蔵されたインバータと共振する可能性がある。具体的には、無停電原装置に内蔵されたインバータと汎用インバータが共に、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御を行うと、互いの主回路定数及び制御定数に応じて共振し、無停電原装置に内蔵されたインバータが安定した電圧を出力できなくなる可能性がある。

そこで、本発明の目的は、動力負荷の始動電流を抑制する無停電原装置を提供することにある。

本発明の観点に従った無停電電源装置は、第１の交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータから供給される直流電力を電圧及び周波数が可変に制御される交流電力に変換する可変電圧可変周波数インバータと、負荷に供給する交流電力として、前記可変電圧可変周波数インバータから出力される交流電力と第２の交流電源から供給される交流電力とを切り換える切換手段とを備える。

本発明によれば、動力負荷の始動電流を抑制することのできる無停電原装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る無停電電源装置の構成を示す構成図。 第１の実施形態に係る切換回路の構成を示す回路図。 本発明の第２の実施形態に係る無停電電源装置の構成を示す構成図。 本発明の第３の実施形態に係る無停電電源装置の構成を示す構成図。 本発明の第４の実施形態に係る無停電電源装置の構成を示す構成図。 本発明の第５の実施形態に係る無停電電源装置の構成を示す構成図。 第５の実施形態に係る回生吸収ユニットの構成を示す構成図。 本発明の第６の実施形態に係る無停電電源装置の構成を示す構成図。 本発明の第７の実施形態に係る無停電電源装置の構成を示す構成図。 本発明の第８の実施形態に係る無停電電源装置の構成を示す構成図。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る無停電電源装置（ＵＰＳ, uninterruptible power system）１の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。

無停電電源装置１は、交流電源１０又はバイパス電源１１により、常時、負荷に給電すする電源装置である。無停電電源装置１には、２つの入力端子Ｔａ，Ｔｂ及び１つの出力端子Ｔ１が設けられている。

交流電源１０は、一方の入力端子Ｔａに接続されている。交流電源１０は、通常時、無停電電源装置１が負荷に交流電力を供給するための電源として用いられる。交流電源１０は、無停電電源装置１に三相交流電力を供給する。例えば、交流電源１０は、商用電源である。

バイパス電源１１は、交流電源１０と接続されていないもう一方の入力端子Ｔｂに接続されている。バイパス電源１１は、無停電電源装置１が交流電源１０からの交流電力により負荷に給電できない時に、無停電電源装置１に電力を供給するための電源として用いられる。具体的には、コンバータ２又はインバータ３の停止時（異常時又はメンテナンス時など）、又は交流電源１０の停電後の蓄電池５の放電終止時などに、バイパス電源１１から供給される電力が使用される。バイパス電源１１は、無停電電源装置１に三相交流電力を供給する。例えば、バイパス電源１１は、商用電源である。

動力負荷１２は、無停電電源装置１の出力端子Ｔ１に接続されている。動力負荷１２は、電動機又は電動機を含む負荷である。

無停電電源装置１は、コンバータ２、インバータ３、切換回路４、蓄電池５、及びスイッチ６を備える。無停電電源装置１には、これらの各構成機器をマイコンで制御する制御部が内蔵される。

コンバータ２は、無停電電源装置１の入力端子Ｔａに交流電源１０から入力された交流電力を直流電力に変換する。コンバータ２は、変換した直流電力をインバータ３に供給する。蓄電池５を充電するときは、コンバータ２は、変換した直流電力をスイッチ６を介して蓄電池５に供給する。

インバータ３の直流側は、コンバータ２の直流側と直流リンクで接続される。インバータ３は、通常時は、コンバータ２から供給される直流電力を動力負荷１２に供給する三相交流電力に変換する。コンバータ２から直流電力が供給されない場合、インバータ３は、蓄電池５から供給される直流電力を動力負荷１２に供給する交流電力に変換する。インバータ３から出力される交流電力は、動力負荷１２に供給される。インバータ３は、出力電圧及び出力周波数を可変に制御するＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数）制御方式のインバータ（ＶＶＶＦインバータ）である。具体的には、インバータ３は、電圧／周波数が一定（電圧と周波数の比が一定）になるように、出力電力を制御する。このように制御されたインバータ３の出力電力により、動力負荷１２を徐々に起動し、過大な始動電流が流れることを抑制する。

切換回路４は、無停電電源装置１の出力電力として、インバータ３から出力される交流電力とバイパス電源１１から供給される交流電力とを相互に切り換える回路である。切換回路４は、２つの入力端子と１つの出力端子を備える。切換回路４の１つの入力端子は、バイパス電源１１から交流電力が入力される無停電電源装置１の入力端子Ｔｂに接続され、切換回路４のもう１つの入力端子は、インバータ３の出力側（交流側）に接続される。切換回路４の出力端子は、動力負荷１２と接続される無停電電源装置１の出力端子Ｔ１に接続される。

図２を参照して、切換回路４の構成を説明する。なお、切換回路４は、ここで説明するものに限らず、どのような構成でもよい。

切換回路４は、２つの機械スイッチ２１，２２と半導体スイッチ２３で構成されている。インバータ３の出力側は、機械スイッチ２１を介して動力負荷１２と接続されている。機械スイッチ２２及び半導体スイッチ２３は、１組のスイッチとして構成されている。機械スイッチ２２と半導体スイッチ２３は、並列に接続されている。半導体スイッチ２３は、２つのサイリスタが逆並列に接続された構成である。バイパス電源１１から供給される交流電力は、機械スイッチ２２及び半導体スイッチ２３で構成されるスイッチを介して動力負荷１２に供給される。

蓄電池５は、コンバータ２とインバータ３を接続する直流リンクに接続される。蓄電池５は、交流電源１０の停電時又はコンバータ２の停止時などの非常時に、インバータ３に直流電力を供給する電源である。蓄電池５は、コンバータ２から供給される直流電力により充電される。蓄電池５は、交換するために取り外し可能に取り付けられている。従って、無停電電源装置１を運転していない場合は、蓄電池５が取り外されていてもよい。

スイッチ６は、蓄電池５の充電時又は放電時に入れられ、蓄電池５を使用しないときは切られている。

本実施形態によれば、無停電電源装置１にＶＶＶＦインバータ３を設け、インバータ３の出力電力で動力負荷１２を起動することで、過大な始動電流が流れることを抑制することができる。これにより、無停電電源装置１の出力容量を動力負荷１２の定格電力見合いで選定することができる。また、無停電電源装置１とは別に動力負荷１２を駆動するための汎用インバータ等を設ける必要がない。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る無停電電源装置１Ａの構成を示す構成図である。

無停電電源装置１Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る無停電電源装置１において、インバータ３ａ及び切換回路４ａを追加した構成である。無停電電源装置１Ａには、出力端子Ｔ１に加え、もう１つの出力端子Ｔ２が設けられる。無停電電源装置１Ａには、２つの動力負荷１２，１２ａが接続される。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

インバータ３ａ及び切換回路４ａは、第１の実施形態で説明したインバータ３及び切換回路４とそれぞれ同等のものである。インバータ３ａは、コンバータ２の直流側と直流リンクで接続される。インバータ３ａの交流側は、切換回路４ａの２つの入力端子のうちの一方に接続される。切換回路４ａのもう一方の入力端子は、バイパス電源１１と接続される無停電電源装置１Ａの入力端子Ｔｂに接続される。切換回路４ａの出力端子は、無停電電源装置１Ａの出力端子Ｔ２に接続される。無停電電源装置１Ａの出力端子Ｔ２には、もう１つの出力端子Ｔ１に接続される動力負荷１２と異なる動力負荷１２ａが接続される。

本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、２つのＶＶＶＦインバータ３，３ａを設けることで、２つの動力負荷１２，１２ａのそれぞれの起動時に過大な始動電流が流れることを抑制することができる。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る無停電電源装置１Ｂの構成を示す構成図である。

無停電電源装置１Ｂは、図３に示す第２の実施形態に係る無停電電源装置１Ａにおいて、インバータ３ａをインバータ３Ｂに代えたものである。無停電電源装置１Ｂには、動力負荷１２及び動力負荷でない負荷１３が接続される。その他の点は、第２の実施形態と同様である。

インバータ３Ｂは、出力電圧及び出力周波数が一定になるように制御するＣＶＣＦ（定電圧定周波数）制御方式のインバータ（ＣＶＣＦインバータ）である。その他の点は、第１の実施形態で説明したインバータ３と同様である。

インバータ３Ｂの出力側は、切換回路４ａを介して、無停電電源装置１Ｂの出力端子Ｔ２に接続される。無停電電源装置１Ｂの出力端子Ｔ２には、動力負荷でない負荷１３が接続される。例えば、負荷１３は、コンピュータ又は照明等の定電圧定周波数の交流電力が電源として適している負荷である。なお、ＣＶＣＦ制御方式で起動しても始動電流が大きくならない動力負荷であれば、この動力負荷を無停電電源装置１Ｂの出力端子Ｔ２に接続してもよい。

本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、定電圧定周波数の交流電力が電源として適している負荷１３に、定電圧定周波数の交流電力を供給することができる。

（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態に係る無停電電源装置１Ｃの構成を示す構成図である。

無停電電源装置１Ｃは、図３に示す第２の実施形態に係る無停電電源装置１Ａにおいて、図４に示す第３の実施形態に係るインバータ３Ｂ及び切換回路４ｂを追加した構成である。無停電電源装置１Ｃには、２つの動力負荷１２，１２ａ及び動力負荷でない負荷１３が接続される。無停電電源装置１Ｃには、２つの出力端子Ｔ１，Ｔ２に加え、もう１つの出力端子Ｔ３が設けられる。その他の点は、第２の実施形態と同様である。

インバータ３Ｂは、ＣＶＣＦインバータである。インバータ３Ｂの直流側は、コンバータ２の直流側と直流リンクで接続される。インバータ３Ｂの交流側は、切換回路４ｂの２つの入力端子のうちの一方に接続される。切換回路４ｂのもう一方の入力端子は、バイパス電源１１と接続される無停電電源装置１Ｃの入力端子Ｔｂに接続される。切換回路４ｂの出力端子は、無停電電源装置１Ｃの出力端子Ｔ３に接続される。無停電電源装置１Ｃの出力端子Ｔ３には、第３の実施形態で説明した動力負荷でない負荷１３が接続される。

本実施形態によれば、第２の実施形態による作用効果に加え、２つの動力負荷１２，１２ａ以外に、定電圧定周波数の交流電力が電源として適している負荷１３がある場合でも、この負荷１３に定電圧定周波数の交流電力を供給することができる。

（第５の実施形態）
図６は、本発明の第５の実施形態に係る無停電電源装置１Ｄの構成を示す構成図である。

無停電電源装置１Ｄは、図１に示す第１の実施形態に係る無停電電源装置１において、インバータ３に回生吸収ユニット７を追加した構成である。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

回生エネルギーは、動力負荷１２のモータが減速又は停止する場合に、動力負荷１２から入力電源である無停電電源装置１Ｄ側に向けて発生する電気エネルギーである。

回生吸収ユニット７は、ＶＶＶＦインバータ３に対応して設けられている。なお、回生吸収ユニット７は、インバータ３の何処に設けられていてもよい。回生吸収ユニット７は、動力負荷１２で発生した回生エネルギーを吸収するユニットである。回生吸収ユニット７は、回生エネルギーを吸収することで、インバータ３の直流側回路の直流電圧の上昇を抑制する。これにより、コンバータ２とインバータ３に接続される直流回路（直流リンクなど）が過電圧になることにより、コンバータ２及びインバータ３が保護停止することを防止する。

図７は、本実施形態に係る回生吸収ユニット７の構成を示す構成図である。なお、回生吸収ユニット７は、ここで説明するものに限らず、どのような構成でもよい。

回生吸収ユニット７は、回生抵抗３１とスイッチ３２が直列に接続された構成である。直列に接続された回生抵抗３１とスイッチ３２の両端は、インバータ３の直流側の正極と負極にそれぞれ接続される。インバータ３を制御する制御部が回生エネルギーの発生を検出すると、スイッチ３２を入れる。これにより、回生エネルギーは、回生抵抗３１により消費される。

本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、インバータ３に回生吸収ユニット７を設けることで、コンバータ２及びインバータ３の直流電圧が回生エネルギーにより上昇することを抑制することができる。これにより、コンバータ２及びインバータ３が回生エネルギーで過電圧になることにより保護停止することを抑制することができる。

（第６の実施形態）
図８は、本発明の第６の実施形態に係る無停電電源装置１Ｅの構成を示す構成図である。

無停電電源装置１Ｅは、図３に示す第２の実施形態に係る無停電電源装置１Ａにおいて、２つのインバータ３，３ａにそれぞれ回生吸収ユニット７，７ａを追加した構成である。その他の点は、第２の実施形態と同様である。

２つの回生吸収ユニット７，７ａは、それぞれ第５の実施形態に係る回生吸収ユニット７と同様である。

本実施形態によれば、第２の実施形態による作用効果に加え、２つのインバータ３，３ａにそれぞれ回生吸収ユニット７，７ａを設けることで、コンバータ２及びインバータ３，３ａが回生エネルギーによる過電圧により保護停止することを抑制することができる。

（第７の実施形態）
図９は、本発明の第７の実施形態に係る無停電電源装置１Ｆの構成を示す構成図である。

無停電電源装置１Ｆは、図４に示す第３の実施形態に係る無停電電源装置１Ｂにおいて、ＶＶＶＦインバータ３に回生吸収ユニット７を追加した構成である。その他の点は、第３の実施形態と同様である。

回生吸収ユニット７は、第５の実施形態に係る回生吸収ユニット７と同様である。

本実施形態によれば、第３の実施形態による作用効果に加え、ＶＶＶＦインバータ３に回生吸収ユニット７を設けることで、コンバータ２及びＶＶＶＦインバータ３が回生エネルギーによる過電圧により保護停止することを抑制することができる。

（第８の実施形態）
図１０は、本発明の第８の実施形態に係る無停電電源装置１Ｇの構成を示す構成図である。

無停電電源装置１Ｇは、図５に示す第４の実施形態に係る無停電電源装置１Ｃにおいて、２つのＶＶＶＦインバータ３，３ａにそれぞれ回生吸収ユニット７，７ａを追加した構成である。その他の点は、第４の実施形態と同様である。

２つの回生吸収ユニット７，７ａは、第５の実施形態に係る回生吸収ユニット７と同様である。

本実施形態によれば、第４の実施形態による作用効果に加え、２つのＶＶＶＦインバータ３にそれぞれ回生吸収ユニット７，７ａを設けることで、コンバータ２及び２つのＶＶＶＦインバータ３，３ａが回生エネルギーによる過電圧により保護停止することを抑制することができる。

なお、各実施形態において、無停電電源装置１〜１Ｇにいくつの負荷を接続できるようにしてもよい。ＶＶＶＦインバータ３で始動電流を小さくすることのできる動力負荷が少なくとも１つ以上接続できれば、無停電電源装置１〜１Ｇにいくつの負荷が接続できるようにしてもよいし、動力負荷以外の負荷がいくつ接続できるようにしてもよい。また、ＣＶＣＦ制御方式で起動しても始動電流が大きくならない動力負荷であれば、動力負荷であっても、ＣＶＣＦインバータで起動するようにしてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…無停電電源装置、２…コンバータ、３…インバータ、４…切換回路、５…蓄電池、６…スイッチ、１０…交流電源、１１…バイパス電源、１２…動力負荷、Ｔａ，Ｔｂ…入力端子、Ｔ１…出力端子。

Claims (4)

1. 第１の交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータから供給される直流電力を電圧及び周波数が可変に制御される交流電力に変換する可変電圧可変周波数インバータと、
   第１の負荷に供給する交流電力として、前記可変電圧可変周波数インバータから出力される交流電力と第２の交流電源から供給される交流電力とを切り換える第１の切換手段と、
   前記コンバータから供給される直流電力を電圧及び周波数が一定に制御される交流電力に変換する定電圧定周波数インバータと、
   第２の負荷に供給する交流電力として、前記定電圧定周波数インバータから出力される交流電力と前記第２の交流電源から供給される交流電力とを切り換える第２の切換手段と、
   回生エネルギー消費手段とを備え、
   前記回生エネルギー消費手段は、前記可変電圧可変周波数インバータおよび前記定電圧定周波数インバータのうち前記可変電圧可変周波数インバータに対してのみ設けられ、前記第１の負荷で発生した回生エネルギーを消費する
   ことを特徴とする無停電電源装置。
2. 前記可変電圧可変周波数インバータに直流電力を供給する蓄電池
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 前記可変電圧可変周波数インバータを少なくとも２つ備えること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無停電電源装置。
4. コンバータを、第１の交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する制御をし、
   第１のインバータを、前記コンバータから供給される直流電力を電圧及び周波数が可変に制御される交流電力に変換する制御をし、
   第１の負荷に供給する交流電力として、前記第１のインバータから出力される交流電力と第２の交流電源から供給される交流電力とを切り換え、
   第２のインバータを、前記コンバータから供給される直流電力を電圧及び周波数が一定に制御される交流電力に変換する制御をし、
   第２の負荷に供給する交流電力として、前記第２のインバータから出力される交流電力と第２の交流電源から供給される交流電力とを切り換え、
   前記第１のインバータおよび前記第２のインバータのうち前記第１のインバータに対してのみ回生エネルギー消費手段が設けられ、前記回生エネルギー消費手段により、前記第１の負荷で発生した回生エネルギーを消費させること
   を含むことを特徴とする無停電電源装置の制御方法。

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