WO2017183147A1

WO2017183147A1 - 無停電電源装置

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Publication number: WO2017183147A1
Application number: PCT/JP2016/062595
Authority: WO
Inventors: 豊田　勝
Original assignee: 東芝三菱電機産業システム株式会社
Priority date: 2016-04-21
Filing date: 2016-04-21
Publication date: 2017-10-26
Also published as: TWI614977B; CN108702100A; EP3447899A1; KR20180134993A; TW201739154A; JPWO2017183147A1; EP3447899A4; US20190044377A1

Abstract

この無停電電源装置は、交流電源（５１）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（４）と、コンバータによって生成された直流電力または蓄電池（５２）の直流電力を交流電力に変換して負荷（５３，５４）に供給するインバータ（７）と、インバータを制御する制御回路（１４）とを備える。インバータを起動させる場合において制御回路は、出力電圧（ＶＯ）の電圧値（Ｖ）および周波数（Ｆ）の比を一定値（Ｋ）に維持しながら、出力電圧の電圧値および周波数の各々を徐々に増大させる。

Description

無停電電源装置

　この発明は無停電電源装置に関し、特に、順変換器と逆変換器を備えた無停電電源装置に関する。

　特許文献１（特開２００６－１９７６６０号公報）には、逆変換器の起動時に過電流が流れることを防止する無停電電源装置が開示されている。この無停電電源装置では、逆変換器を起動させる場合、逆変換器の出力電圧の周波数を定格周波数よりも高い一定周波数に維持しながら逆変換器の出力電圧の電圧値を定格電圧値まで徐々に増大させた後、逆変換器の出力電圧の周波数を定格周波数に低下させる。

特開２００６－１９７６６０号公報

　しかし、特許文献１では、逆変換器の起動時には逆変換器の出力電圧の周波数が定格周波数よりも高い一定周波数に設定されるので、負荷の種類が容量性負荷に限定され、負荷として変圧器、モータなどを接続することができないという問題があった。

　それゆえに、この発明の主たる目的は、負荷の種類によらず、逆変換器の起動時に過電流が流れることを防止することが可能な無停電電源装置を提供することである。

　この発明に係る無停電電源装置は、交流電源または電力貯蔵装置から供給される電力を用いて、交流電力を負荷に供給する無停電電源装置であって、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順変換器と、順変換器によって生成された直流電力または電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する逆変換器と、逆変換器を制御する制御回路とを備えたものである。逆変換器を起動させる場合において制御回路は、逆変換器の出力電圧の電圧値と逆変換器の出力電圧の周波数との比を予め定められた値に維持しながら、逆変換器の出力電圧の電圧値および周波数の各々を徐々に増大させる。

　この発明に係る無停電電源装置では、逆変換器の起動時に、逆変換器の出力電圧の電圧値および周波数の比を一定値に維持しながら、逆変換器の出力電圧の電圧値および周波数の各々を徐々に増大させる。したがって、負荷の種類によらず、逆変換器の起動時に過電流が流れることを防止することができる。

この発明の実施の形態１による無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。図１に示した制御回路１４の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態２による無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。図３に示した制御回路１４Ａの動作を示すフローチャートである。図３に示した送風機の風量と消費電力の関係を示す図である。

　[実施の形態１]
　図１は、この発明の実施の形態１による無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。図１において、この無停電電源装置は、入力端子Ｔ１、バイパス端子Ｔ２、直流端子Ｔ３、および出力端子Ｔ４を備える。

　入力端子Ｔ１は、交流電源５１に接続される。交流電源５１は、商用交流電源でもよいし、自家用発電機でもよい。交流電源５１は、たとえば商用周波数の交流電力を無停電電源装置に供給する。バイパス端子Ｔ２は、バイパス交流電源に接続される。バイパス交流電源は、商用交流電源でもよいし、自家用発電機でもよい。図１では、バイパス端子Ｔ２が入力端子Ｔ１とともに交流電源５１に接続されている場合が示されている。

　直流端子Ｔ３は、蓄電池５２（電力貯蔵装置）に接続される。蓄電池５２は、直流電力を蓄える。蓄電池５２は、交流電源５１から交流電力が正常に供給されている場合に充電され、交流電源５１から交流電力が正常に供給されていない場合（たとえば停電時）に放電される。蓄電池５２の代わりにコンデンサを接続しても構わない。蓄電池５２が無停電電源装置に含まれていても構わない。出力端子Ｔ４は、変圧器５３の１次巻線に接続される。変圧器５３の２次巻線は負荷５４に接続される。変圧器５３は、出力端子Ｔ４の交流電圧ＶＯを所定比率で変圧して負荷５４に与える。負荷５４は、無停電電源装置から変圧器５３を介して供給される交流電力によって駆動される。

　この無停電電源装置は、さらに、スイッチ１，１０，１２，１６、ヒューズ２、リアクトル３，８、コンバータ４、直流母線５、コンデンサ６，９、インバータ７、双方向チョッパ１１、制御回路１３，１４、および半導体スイッチ１５を備える。

　スイッチ１、ヒューズ２、およびリアクトル３は、入力端子Ｔ１とコンバータ４の入力端子との間に直列接続される。スイッチ１は、無停電電源装置の使用時にオンされ、たとえば無停電電源装置のメンテナンス時にオフされる。ヒューズ２は、過電流が流れた場合にブローされ、無停電電源装置を保護する。リアクトル３は、交流電源５１からの商用周波数の交流電力をコンバータ４に通過させ、コンバータ４で発生するスイッチング周波数の信号の通過を禁止する。

　コンバータ４は、交流電源５１からスイッチ１、ヒューズ２、およびリアクトル３を介して供給される交流電力を受ける。コンバータ４は、制御回路１３によって制御され、交流電源５１から交流電力が正常に供給されている場合に、交流電源５１からの交流電力を直流電力に変換して出力端子に出力する。交流電源５１から交流電力が正常に供給されていない場合（すなわち停電時）には、コンバータ４の運転は停止される。コンバータ４は、順変換器を構成する。

　直流母線５は、コンバータ４の出力端子とインバータ７の入力端子との間に接続され、直流電力を伝達させる。コンデンサ６は、直流母線５に接続され、直流母線５の直流電圧ＶＤＣを安定化させる。インバータ７は、制御回路１４によって制御され、直流母線５から受けた直流電力を交流電力に変換して出力端子に出力する。

　リアクトル８は、インバータ７の出力端子とスイッチ１０の一方端子との間に接続される。コンデンサ９は、スイッチ１０の一方端子に接続される。スイッチ１０の他方端子は、出力端子Ｔ４に接続される。

　リアクトル８およびコンデンサ９は、低域通過フィルタを構成し、インバータ７によって生成されたたとえば商用周波数の交流電力を通過させ、インバータ７で発生するスイッチング周波数の信号の通過を禁止する。換言すると、リアクトル８およびコンデンサ９は、インバータ７から出力される矩形波状の交流電圧を正弦波状の交流電圧に変換する。インバータ７、リアクトル８、およびコンデンサ９は、逆変換器を構成する。

　スイッチ１０は、インバータ７からの交流電力を負荷５４に供給するインバータ給電モード時にはオンされ、交流電源５１からバイパス端子Ｔ２を介して供給される交流電力を負荷５４に供給するバイパス給電モード時にはオフされる。

　双方向チョッパ１１およびスイッチ１２は、直流母線５と直流端子Ｔ３との間に直列接続される。スイッチ１２は、無停電電源装置の使用時にはオンされ、たとえば蓄電池５２のメンテナンス時にオフされる。双方向チョッパ１１は、制御回路１３によって制御され、交流電源５１から交流電力が正常に供給されている場合は、直流母線５から受けた直流電力を蓄電池５２に蓄え、交流電源５１から交流電力が正常に供給されていない場合（すなわち停電時）には、蓄電池５２の直流電力を直流母線５に供給する。

　制御回路１３は、交流電源５１から供給される交流電圧ＶＡＣに基づいて、コンバータ４および双方向チョッパ１１を制御する。制御回路１３は、たとえばヒューズ２とリアクトル３の間のノードの電圧を交流電圧ＶＡＣとして検出する。

　制御回路１３は、交流電圧ＶＡＣが正常である場合（すなわち、交流電源５１から交流電力が正常に供給されている場合）は、コンバータ４を制御して交流電力を直流電力に変換させるとともに、直流母線５から蓄電池５２に電流が流れるように双方向チョッパ１１を制御し、蓄電池５２を充電させる。

　制御回路１３は、交流電圧ＶＡＣが正常でない場合（すなわち、交流電源５１から交流電力が正常に供給されていない場合）には、蓄電池５２から直流母線５に直流電流が流れるように双方向チョッパ１１を制御し、蓄電池５２を放電させる。

　制御回路１４は、起動指令信号φＳに応答してインバータ７を起動させ、インバータ７を制御して直流電力を交流電力に変換させる。インバータ７を起動させる起動期間において制御回路１４は、無停電電源装置の出力電圧ＶＯ（すなわち逆変換器の出力電圧ＶＯ）の実効電圧値Ｖと出力電圧ＶＯの周波数Ｆとの比Ｖ／Ｆを一定値Ｋに維持しながら、出力電圧ＶＯの実効電圧値Ｖを下限電圧値から定格電圧値ＶＲまで徐々に増大させるとともに、出力電圧ＶＯの周波数Ｆを下限周波数から定格周波数ＦＲまで徐々に増大させる。

　図２は、制御回路１４の動作を示すフローチャートである。ステップＳ１において制御回路１４は、起動期間内か否かを判別する。制御回路１４は、起動指令信号φＳに応答してインバータ７を起動させる。たとえば、制御回路１４は、起動指令信号φＳを受けた時刻からの時間ｔが所定時間Ｔ以下である場合（ｔ≦Ｔ）は起動期間内であると判別し、時間ｔが所定時間Ｔを超えている場合（ｔ＞Ｔ）は起動期間内ではないと判別する。

　ステップＳ１において起動期間内であると判別した場合には、ステップＳ２において制御回路１４は、時間ｔに基づいて出力電圧ＶＯの実効電圧値Ｖおよび周波数Ｆを演算し、ステップＳ４に進む。

　たとえば、制御回路１４は、起動期間内において出力電圧ＶＯの実効電圧値Ｖが下限電圧値から時間ｔに比例して増大し、かつ起動期間の終了時に定格電圧値ＶＲに到達するように、実効電圧値Ｖを演算する。制御回路１４は、実効電圧値Ｖと周波数Ｆの比Ｖ／Ｆが一定値Ｋになるように、周波数Ｆを演算する。一定値Ｋは、起動期間の終了時に周波数Ｆが定格周波数ＦＲに到達するように設定される（Ｋ＝ＶＲ／ＦＲ）。定格周波数ＦＲは、たとえば商用周波数である。変圧器５３に流れる励磁電流Ｉは、変圧器５３の入力リアクタンスをＬとすると、Ｉ＝Ｖ／（２πＦ×Ｌ）＝Ｋ／（２πＬ）となり、励磁電流Ｉは一定値となる。

　ステップＳ１において起動期間内ではない（起動期間を過ぎている）と判別した場合には、ステップＳ３において制御回路１４は、出力電圧ＶＯの実効電圧値Ｖを定格電圧値ＶＲに設定するとともに（Ｖ＝ＶＲ）、出力電圧ＶＯの周波数Ｆを定格周波数ＦＲに設定し（Ｆ＝ＦＲ）、ステップＳ４に進む。

　ステップＳ４において制御回路１４は、ステップＳ２，Ｓ３で演算された実効電圧値Ｖおよび周波数Ｆに基づいて、出力電圧ＶＯの位相角度θを演算し、出力電圧ＶＯの波形を示す正弦波を生成する。ステップＳ５において制御回路１４は、ステップＳ４で生成された波形の交流電圧ＶＯを出力するために必要なＰＷＭ（Pulse　Width　Modulation）信号を生成し、そのＰＷＭ信号を増幅してゲート信号を生成し、インバータ７に出力してステップＳ１に戻る。

　図１に戻って、半導体スイッチ１５は、バイパス端子Ｔ２と出力端子Ｔ４との間に接続され、インバータ７が故障した場合に瞬時にオンされ、所定時間後にオフされる。半導体スイッチ１５は、２つのサイリスタを含む。１つのサイリスタのアノードおよびカソードはそれぞれ端子Ｔ２，Ｔ４に接続され、もう１つのサイリスタのアノードおよびカソードはそれぞれ端子Ｔ４，Ｔ２に接続される。スイッチ１６は、半導体スイッチ１５に並列接続され、インバータ７が故障した場合にオンされる。

　インバータ７が故障した場合は、半導体スイッチ１５が瞬時にオンされ、スイッチ１６がオンされるとともにスイッチ１０がオフされた後、半導体スイッチ１５がオフされる。これにより、交流電源５１からスイッチ１６および変圧器５３を介して負荷５４に交流電力が供給され、負荷５４の運転が継続される。

　なお、半導体スイッチ１５を所定時間だけオンさせるのは、半導体スイッチ１５が熱により破損することを防止するためである。スイッチ１６は、インバータ７が故障した場合だけでなく、交流電源５１の交流電力をスイッチ１６および変圧器５３を介して負荷５４に供給するバイパス給電モード時にもオンされる。

　次に、この無停電電源装置の動作について説明する。初期状態では、交流電源５１から交流電力が正常に供給されており、スイッチ１，１０，１２がオンされ、半導体スイッチ１５およびスイッチ１がオフされているものとする。交流電源５１からの交流電力は、スイッチ１、ヒューズ２、およびリアクトル３を介してコンバータ４に供給され、直流電力に変換される。コンバータ４で生成された直流電力は、双方向チョッパ１１およびスイッチ１２を介して蓄電池５２に蓄えられるとともに、直流母線５を介してインバータ７に供給される。

　起動指令信号φＳに応答して制御回路１４は、インバータ７を起動させる。インバータ７によって生成された交流電力は、リアクトル８、スイッチ１０および変圧器５３を介して負荷５４に供給される。起動期間内においては、出力電圧ＶＯの実効電圧値Ｖおよび周波数Ｆの比Ｖ／Ｆが一定値Ｋに維持され、実効電圧値Ｖおよび周波数Ｆの各々が徐々に増大される。これにより、変圧器５３の励磁電流Ｉは一定値（Ｋ／２πＬ）に維持され、インバータ７から変圧器５３に過電流が流れることが防止される。起動期間の終了時点では、実効電圧値Ｖおよび周波数Ｆは、それぞれ定格電圧値ＶＲおよび定格周波数ＦＲになり、負荷５４が安定に駆動される。

　インバータ７が故障した場合は、半導体スイッチ１５が瞬時にオンされ、交流電源５１からの交流電力が半導体スイッチ１５および変圧器５３を介して負荷５４に供給される。スイッチ１０がオフされ、スイッチ１６がオンされた後、半導体スイッチ１５がオフされる。これにより、交流電源５１からの交流電力がスイッチ１６および変圧器５３を介して負荷５４に供給され、負荷５４の運転が継続される。

　交流電源５１からの交流電力の供給が異常になった場合は、制御回路１３によってコンバータ４の運転が停止される。制御回路１３は、蓄電池５２から直流母線５に電流が流れるように双方向チョッパ１１を制御し、蓄電池５２を放電させる。蓄電池５２から直流母線５に供給された直流電力は、インバータ７によって交流電力に変換され、変圧器５３を介して負荷５４に供給される。したがって、蓄電池５２に直流電力が蓄えられている限りは、負荷５４の運転を継続することができる。

　以上のように、この実施の形態１では、インバータ７の起動時に、出力電圧ＶＯの電圧値Ｖおよび周波数Ｆの比Ｖ／Ｆを一定値Ｋに維持しながら、出力電圧ＶＯの電圧値Ｖおよび周波数Ｆの各々を徐々に増大させる。したがって、出力端子Ｔ４に接続される負荷の種類によらず、インバータ７の起動時に過電流が流れることを防止することができる。

　[実施の形態２]
　図３は、この発明の実施の形態２による無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図３を参照して、この無停電電源装置が図１の無停電電源装置と異なる点は、制御回路１４が制御回路１４Ａで置換されている点である。

　制御回路１４Ａは、起動指令信号φＳに応答してインバータ７を起動させ、インバータ７を制御して直流電力を交流電力に変換させる。インバータ７を起動させる起動期間において制御回路１４は、無停電電源装置の出力電圧ＶＯ（すなわち出力端子Ｔ４の電圧ＶＯ）の実効電圧値Ｖと出力電圧ＶＯの周波数Ｆとの比Ｖ／Ｆを一定値Ｋに維持しながら、出力電圧ＶＯの実効電圧値Ｖを下限電圧値から所定電圧値Ｖ１まで徐々に増大させるとともに、出力電圧ＶＯの周波数Ｆを下限周波数から所定周波数Ｆ１まで徐々に増大させる。

　所定電圧値Ｖ１は定格電圧値ＶＲよりも小さな電圧であり、たとえばＶ１＝０．９５ＶＲである。所定周波数Ｆ１は定格周波数ＦＲよりも小さな周波数であり、たとえばＦ１＝０．９５ＦＲである。

　出力端子Ｔ４には、たとえば、送風機５５が接続されるとともに、半導体スイッチ５６を介して電気機器５８が接続される。半導体スイッチ５６と電気機器５８との間の配線には、ノイズを除去するためのコンデンサ５７が接続される。半導体スイッチ５６は、たとえば、インバータ７の起動期間の終了後にオンされる。送風機５５は、モータ５５ａおよび羽根車５５ｂを含む。モータ５５ａは、無停電電源装置の出力電圧ＶＯの周波数Ｆに応じた値の回転数で羽根車５５ｂを回転駆動させ、風を送る。

　図４は、制御回路１４Ａの動作を示すフローチャートであって、図２と対比される図である。図４を参照して、ステップＳ１において制御回路１４Ａは、起動期間内か否かを判別する。制御回路１４Ａは、起動指令信号φＳに応答してインバータ７を起動させる。制御回路１４Ａは、起動指令信号φＳを受けた時刻から経過した時間ｔが所定時間Ｔ以下である場合（ｔ≦Ｔ）は起動期間内であると判別し、時間ｔが所定時間Ｔを超えている場合（ｔ＞Ｔ）は起動期間内ではないと判別する。

　ステップＳ１において起動期間内であると判別した場合には、ステップＳ２Ａにおいて制御回路１４Ａは、起動指令信号φＳを受けた時刻からの時間ｔに基づいて出力電圧ＶＯの実効電圧値Ｖおよび周波数Ｆを演算し、ステップＳ４に進む。

　たとえば、制御回路１４Ａは、起動期間内において出力電圧ＶＯの実効電圧値Ｖが下限電圧値から時間ｔに比例して増大し、かつ起動期間の終了時に所定電圧値Ｖ１に到達するように、実効電圧値Ｖを演算する。制御回路１４Ａは、実効電圧値Ｖと周波数Ｆの比Ｖ／Ｆが一定値Ｋ１になるように、周波数Ｆを演算する。一定値Ｋ１は、起動期間の終了時に周波数Ｆが所定周波数Ｆ１に到達するように設定される（Ｋ１＝Ｖ１／Ｆ１）。変圧器５３に流れる励磁電流Ｉは、変圧器５３のリアクタンスをＬとすると、Ｉ＝Ｖ／（２πＦ×Ｌ）＝Ｋ１／（２πＬ）となり、励磁電流Ｉは一定値となる。

　ステップＳ１において起動期間内ではないと判別した場合には、ステップＳ３Ａにおいて制御回路１４Ａは、出力電圧ＶＯの実効電圧値Ｖを所定電圧値Ｖ１に設定するとともに（Ｖ＝Ｖ１）、出力電圧ＶＯの周波数Ｆを所定周波数Ｆ１に設定し（Ｆ＝Ｆ１）、ステップＳ４に進む。ステップＳ４，Ｓ５は図２で説明した通りである。他の構成および動作は、実施の形態１と同じであるので、その説明は繰り返さない。

　次に、本実施の形態２の効果について説明する。図５は、送風機５５の風量と消費電力Ｐとの関係を示す図である。定格電圧ＶＲおよび定格周波数ＦＲの交流電圧ＶＯで送風機５５を運転した場合における送風機５５の風量を１００％とし、そのときの消費電力Ｐを１００％としている。送風機５５の風量は、無停電電源装置の出力電圧ＶＯの周波数Ｆに応じて増大する。送風機５５の消費電力Ｐは、運転周波数Ｆの３乗に比例して増大する。換言すると、運転周波数Ｆを低減させると、送風機５５の消費電力Ｐは運転周波数Ｆの３乗に比例して減少する。

　一般に、送風機５５、電気機器５８などには、電源周波数Ｆおよび電源電圧Ｖの各々について許容範囲が規定されている。一般の電気機器の電源周波数Ｆの許容範囲は定格周波数ＦＲの±５％であり、電源電圧Ｖの許容範囲は定格電圧ＶＲの±１０％である。したがって、無停電電源装置の出力電圧ＶＯの実効電圧値Ｖを定格電圧ＶＲの９５％の所定電圧Ｖ１に設定するとともに、出力電圧ＶＯの周波数Ｆを定格周波数ＦＲの９５％の所定周波数Ｆ１に設定しても、送風機５５および電気機器５８の運転に支障はない。

　さらに、出力電圧ＶＯの周波数Ｆを定格周波数ＦＲの９５％の所定周波数Ｆ１に設定した場合、図５に示すように、送風機５５の風量は定格風量の９５％に低下する一方、送風機５５の消費電力Ｐは定格電力の８５．７％に低下し、消費電力Ｐを約１４．２％減らすことができる。負荷が送風機５５のみである場合には、さらに運転周波数Ｆを下げることができるので、さらに消費電力Ｐを低減することができる。

　なお、送風機５５の風量を制御する方式には、送風機５５の運転周波数Ｆを制御することによって風量を制御するインバータ制御方式と、送風機５５の運転周波数Ｆを一定に維持しながら、ダンパー（制御弁）の角度を制御することによって風量を制御するダンパー制御方式とがある。図５から分かるように、インバータ制御方式では、ダンパー制御方式と比べ、消費電力を大幅に低減することができる。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明でなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　Ｔ１　入力端子、Ｔ２　バイパス端子、Ｔ３　直流端子、Ｔ４　出力端子、１，１０，１２，１６　スイッチ、２　ヒューズ、３，８　リアクトル、４　コンバータ、５　直流母線、６，９，５７　コンデンサ、７　インバータ、１１　双方向チョッパ、１３，１４，１４Ａ　制御回路、１５，５６　半導体スイッチ、５１　交流電源、５２　蓄電池、５３　変圧器、５４　負荷、５５　送風機、５５ａ　モータ、５５ｂ　羽根車、５８　電気機器。

Claims

　交流電源または電力貯蔵装置から供給される電力を用いて、交流電力を負荷に供給する無停電電源装置であって、
　前記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順変換器と、
　前記順変換器によって生成された直流電力または前記電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給する逆変換器と、
　前記逆変換器を制御する制御回路とを備え、
　前記逆変換器を起動させる場合において前記制御回路は、前記逆変換器の出力電圧の電圧値と前記逆変換器の出力電圧の周波数との比を予め定められた値に維持しながら、前記逆変換器の出力電圧の電圧値および周波数の各々を徐々に増大させる、無停電電源装置。
　前記制御回路は、前記逆変換器の出力電圧の電圧値および周波数をそれぞれ前記負荷の定格電圧値および定格周波数まで増大させて前記負荷を駆動させる、請求項１に記載の無停電電源装置。
　前記制御回路は、前記逆変換器の出力電圧の電圧値を前記負荷の定格電圧値よりも小さな予め定められた電圧値まで増大させるとともに、前記逆変換器の出力電圧の周波数を前記負荷の定格周波数よりも小さな予め定められた周波数まで増大させて前記負荷を駆動させる、請求項１に記載の無停電電源装置。