JP2005295717A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直列補償用のトランスの飽和を防いで励磁突入電流抑制すると共に、電圧補償性能が高く、しかも装置の小形化、低価格化が可能な無停電電源装置の運転方法を実現する。
【解決手段】入力電圧が規定範囲内にある第１運転モードと、入力電圧が変動した時の直列電圧補償による第２運転モードと、電源の停電時に第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５のインバータ動作により交流電圧を出力させる第３運転モードと、を選択可能とした無停電電源装置の運転方法に関する。無停電電源装置の起動時または運転停止時、第１運転モードもしくは第３運転モード期間の何れかのタイミングで、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４を一時的に動作させてトランス１に交流電力を供給し、トランス１の鉄心を消磁する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流入力電圧が変動した場合でも、負荷に安定した交流電圧を供給可能とした無停電電源装置に関し、詳しくは、いわゆる直列電圧補償式の無停電電源装置において、電圧補償性能の向上及び装置の小形化を図るための技術に関するものである。

以下、交流電源が単相の場合について説明するが、三相の場合についても同様である。
図７は、この種の無停電電源装置の従来技術を示す回路図である。
図７において、単相交流電源に接続される交流入力端子ｕと交流出力端子Ｕとの間の交流母線には、２個の半導体スイッチング素子を逆並列接続した交流スイッチ４を介して直列補償用のトランス１の二次巻線１ｂが直列に接続され、その一次巻線１ａの両端にはフィルタ用コンデンサ７が接続されていると共に、半導体ブリッジ２０，２１からなる第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４の交流側端子が接続されている。ここで、半導体ブリッジ２０，２１は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を２個直列に接続して構成されている。

上記ＤＣ／ＡＣ変換器２４と直流部を共通にして、半導体ブリッジ２２，２３からなる第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５が設けられており、これらの半導体ブリッジ２２，２３も半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を２個直列に接続して構成されている。第１、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５の直流部には、直流電力貯蔵手段としての蓄電池３が接続され、この蓄電池３は交流電源の健全時に第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４を介して充電可能となっている。

また、ＤＣ／ＡＣ変換器２５の交流側端子は、リアクトル６を介して交流出力端子Ｕ，Ｖに接続され、これらの交流出力端子Ｕ，Ｖ間には、フィルタ用コンデンサ８が接続されている。
なお、図示されていないが、交流入力電圧及び交流出力電圧を検出し、これらの電圧に応じてＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５の各半導体ブリッジ２０〜２３の半導体スイッチング素子をオン、オフ制御するための制御回路が設けられている。

上記構成の無停電電源装置は、常時商用給電方式に電圧変動を抑制する機能を付加した直列電圧補償式の無停電電源装置として知られており、交流スイッチ４をオンにした状態で交流入力端子ｕ，ｖに接続される商用電源の電圧が変動した場合、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４の制御によりトランス１の一次側電圧の調節が可能であるため、商用電源の電圧変動分をこのトランス１の二次側電圧で補償することにより、交流出力端子Ｕ，Ｖに安定した交流電圧を供給することが可能になる。

例えば、商用電源の変動が電圧低下であれば、トランス１では電圧加算で負荷電流を流すために電力を注入することになり、そのエネルギーは、ＤＣ／ＡＣ変換器２５をコンバータ動作（整流器動作）させることで交流母線から供給される。逆に、商用電源の変動が電圧上昇であれば、トランス１では電圧減算で負荷電流を流すため、電力を吸収することになり、そのエネルギーは、ＤＣ／ＡＣ変換器２５をインバータ動作させることで、交流母線に回生される。

図８は、入力電圧が正常な期間、低下した期間、上昇した期間のトランス１の二次側電圧及び交流出力端子Ｕ，Ｖの出力電圧を示したものであり、入力電圧低下期間におけるトランス１の電力注入動作、入力電圧上昇期間における電力吸収動作により、出力電圧が一定に保たれる様子を示している。

また、商用電源の停電時には、交流スイッチ４をオフして商用電源を交流母線から切り離し、蓄電池３の直流電力をＤＣ／ＡＣ変換器２５により交流に変換して負荷に安定した交流電力を供給する。
このような無停電電源装置の詳細な動作については、後述する特許文献１の“ACTIVE POWER CONDITIONER SYSTEM”や、特許文献２の「非常用電源装置」に開示されている。

さて、この種の無停電電源装置では、直列補償用のトランス１の小形化と電圧補償性能の向上が大きな課題となっている。
図７に示す従来技術では、商用電源が停電となる前の電圧変動補償範囲を、一般的な無停電電源装置に要求されている範囲である±１５％程度に想定している。この場合、入力電圧が規定範囲内にあり、トランス１に電圧が印加されていない状態から入力電圧が急激に±１５％以内の範囲で大きく変動した場合には、トランス１によってその変動分を吸収するために、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４により前記変動に見合った電圧がトランス１の一次巻線１ａに対して急激に印加されることになる。

このとき、トランス１が一般的な特性を持った商用周波数対応のトランスであるとすると、トランス１に励磁突入電流が流れるため、ＤＣ／ＡＣ変換器２４の過電流制限にかかってしまう事態を生じる。ここで、トランスの励磁突入電流は、一般的にそのトランスの定格電流の１０〜２０倍であることがよく知られている。

上記の点に鑑み、例えば下記の特許文献３には、系統側の電源電圧の変動分に相当する補償電圧を発生するインバータを設け、その出力端子に結合トランスの一次巻線を接続すると共に、結合トランスの二次巻線を系統側電源から負荷への給電経路中に直列に接続した直列補償型電圧変動補償装置において、結合トランスに磁気飽和が発生した場合に、前記インバータの過電流を検出してインバータから結合トランスに印加する補償電圧を強制的に零に絞り、その後、徐々に元に戻すことにより、負荷投入時などの過渡期における結合トランスの飽和によるインバータの過電流状態を防止することが記載されている。

米国特許第４６５１２６５号明細書 特許第３３９００７号公報 特許第２５１８４４１号公報（請求項１、第２頁左欄第３行〜第１７行、第１図、第２図等）

上記特許文献３に記載された従来技術によれば、インバータの過電流は防止できるものの、電圧変動補償動作が一時的に不完全なものとなり、電圧補償の即応性が損なわれるという問題がある。
従って、図７におけるトランス１への励磁突入電流の発生を防止しつつ所望の電圧変動補償機能を満足させるためには、大形で高価な特殊トランスを用いるか、あるいはその励磁突入電流を許容できる程度にＤＣ／ＡＣ変換器２４を大容量化するといった対策が考えられる。しかしながら、これらの方法はコストの増加や装置全体の大形化を招くことになり、何れにしても、電圧補償性能の向上と装置の小形化、低価格化はいわゆるトレードオフの関係にあるため、両者を同時に満足することは困難であった。
そこで本発明の課題は、電圧補償性能が高く、しかも装置の小形化、低価格化が可能な無停電電源装置の運転方法を提供することにある。

一般的な商用トランスの運転開始時に生じる励磁突入電流は鉄心の磁気飽和によるものであり、その大きな原因の一つは、前回の運転停止時に残った鉄心の磁化現象による残留磁束が影響している。この残留磁束の向きと運転開始時に印加される磁束の向きとが一致すると、トランスは簡単に磁気飽和してしまい、大きな励磁突入電流を発生させることになる。
そこで本発明では、直列補償用のトランスの鉄心を所定のタイミングで消磁することを要旨とし、これによって励磁突入電流の発生を未然に防止するようにしたものである。

すなわち、請求項１に記載した発明は、交流入力端子と交流出力端子との間の交流母線に直列に接続されたトランスと、このトランスに交流端子が接続された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、交流出力端子に交流端子がそれぞれ接続され、かつ、直流部が第１のＤＣ／ＡＣ変換器に共通接続された第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、前記直流部に接続された直流電力貯蔵手段と、を備え、
前記交流入力端子に加えられる入力電圧が規定範囲内にある場合に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の運転を停止して前記入力電圧を前記交流出力端子からそのまま出力させる第１運転モードと、
前記入力電圧が変動して規定範囲外になった場合に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により前記トランスの出力側に補償電圧を発生させて前記入力電圧の電圧変動分を補償すると共に、第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により第１のＤＣ／ＡＣ変換器と前記交流母線との間で電力を授受させる第２運転モードと、
入力電源の停電時に、前記直流電力貯蔵手段の電力を用いて第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により前記交流出力端子から交流電圧を出力させる第３運転モードと、
を選択可能とした無停電電源装置において、
この無停電電源装置の起動時または運転停止時、もしくは第１運転モード期間の何れかのタイミングで、第１のＤＣ／ＡＣ変換器を一時的に動作させて前記トランスに交流電力を供給することにより前記トランスの鉄心を消磁するものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した無停電電源装置の運転方法において、
第１運転モード期間に第１のＤＣ／ＡＣ変換器を一時的に動作させて前記トランスに交流電力を供給する際に前記トランスを介して前記入力電圧に重畳される電圧を、前記入力電圧と同一周波数で位相が直交した電圧とするものである。

請求項３に記載した発明は、前記第１〜第３運転モードを選択可能とした無停電電源装置において、
第１運転モード期間中の入力電圧の急激な変動時に、第２運転モードへ移行する前に一旦、第３運転モードによる運転を行うと共に第１のＤＣ／ＡＣ変換器を一時的に動作させて前記トランスに交流電力を供給することにより前記トランスの鉄心を消磁するものである。

本発明によれば、無停電電源装置の起動時または運転停止時、第１運転モード期間中または第３運転モード期間における入力電圧の変動時に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器を運転してトランスの鉄心を消磁することにより励磁突入電流を抑制し、トランスやＤＣ／ＡＣ変換器の大形化、大容量化を回避しつつ所望の電圧補償機能を果たす無停電電源装置を実現することができる。
特に、入力電圧の急激な変動時には、トランスを直ちに駆動するのではなく、停電時の第３運転モードに移行しつつトランスを消磁することで、トランスの負担を小さくすることが可能である。
総じて本発明によれば、電圧補償性能の向上と装置の小形化、低価格化というトレードオフの問題を解決することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。ここでは、交流電源が単相の場合について説明するが、三相の場合についても同様である。
まず、図１は実施形態が適用される無停電電源装置の回路構成図である。従来技術である図７との相違点を中心に説明すると、図１では、交流入力端子ｕとトランス１の二次巻線１ｂとの間に交流スイッチ４１が接続され、前記二次巻線１ｂと交流出力端子Ｕとの間に交流スイッチ４４が接続されている。また、トランス１の一次巻線１ａに並列接続されたフィルタ用コンデンサ７に並列に短絡用スイッチ４２が接続され、その一端とＤＣ／ＡＣ変換器２４内の半導体ブリッジ２１の内部接続点との間には、リアクトル５が接続されている。

更に、交流入力端子ｕ，ｖの相互間には、スイッチ９１を介して整流器９２、抵抗９３、スイッチ４３及び蓄電池３が接続されており、上記スイッチ９１、整流器９２及び抵抗９３は初期充電回路９を構成している。この初期充電回路９の出力側の両端は、ＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５の共通の直流部に接続されている。

次に、この無停電電源装置を起動する際にトランス１を消磁する場合のタイムチャートを図２に示す。
図２において、まず外部運転指令がオンになると、初期充電回路９のスイッチ９１がオンして初期充電が開始され、ＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５の直流部が徐々に充電される。この直流部の電圧が一定値以上になると入力側の交流スイッチ４１と蓄電池３に接続されたスイッチ４３の双方が投入され、初期充電が完了する。

次いで、外部運転指令がオンする前からトランス１の一次巻線１ａを短絡していたスイッチ４２が開放され、ＤＣ／ＡＣ変換器２４の直流／交流変換動作により、トランス１を消磁するための消磁電圧がトランス１の一次巻線１ａに印加される。この電圧は、図２に示す如く徐々に振幅を大きくした後、徐々に振幅を小さくする電圧としており、この消磁電圧の印加終了後に、前記スイッチ４２が復帰してトランス１の一次巻線１ａを再び短絡する。
この消磁が終わった後に、出力側の交流スイッチ４４を投入することにより、無停電電源装置の起動を完了する。

図３は、無停電電源装置を停止する際にトランス１の消磁を実施する場合のタイミングチャートである。
この場合には、外部運転指令のオフと同時に出力側の交流スイッチ４４がオフし、無停電電源装置の出力電圧を遮断する。その後、短絡用のスイッチ４２がオフし、前記同様にＤＣ／ＡＣ変換器２４により消磁電圧がトランス１の一次巻線１ａに印加される。この消磁電圧の波形は図２と同様である。そして、消磁電圧印加後にスイッチ４２が復帰してトランス１の一次巻線１ａを再び短絡する。次いで、交流スイッチ４１及びスイッチ４３がオフすることにより、無停電電源装置の運転を停止する。

次に、図４は、無停電電源装置の運転中にトランス１の消磁を実施する場合の動作を示すタイミングチャートである。
図４において、期間ａでは、入力電圧が規定範囲内にあって正常と判断されているため、出力側の交流スイッチ４４が投入されていると共にスイッチ４２がオンしていてトランス１が短絡状態にあり、無停電電源装置は入力電圧＝出力電圧の第１運転モードで運転されている。

期間ｂでは、入力電圧が低下して規定範囲以下となったため、交流スイッチ４４が開放されると共にスイッチ４２がオフし、ＤＣ／ＡＣ変換器２４によりトランス１の一次巻線１ａに電圧が印加される。これにより、出力電圧は入力電圧とトランス１の二次巻線１ｂの電圧（補償電圧）との和になる。なお、この補償電圧は一次巻線１ａの電圧とトランス１の変圧比とによって決まる電圧である。
この運転モードは、ＤＣ／ＡＣ変換器２４の動作により出力電圧を定電圧化する第２運転モードである。

期間ｃでは、入力電圧が復帰して規定範囲内に戻ったため第１運転モードになり、ＤＣ／ＡＣ変換器２４の出力は一旦絞られるが、すぐにトランス１を消磁するために、ＤＣ／ＡＣ変換器２４からトランス１の一次巻線１ａに電圧が印加される。
このとき、装置の出力電圧＝入力電圧＋トランス１の二次巻線１ｂの電圧（消磁電圧）の関係がある。なお、この消磁電圧は一次巻線１ａの電圧とトランス１の変圧比とによって決まる電圧である。
このため、前記消磁電圧により装置の出力電圧が大きくなり過ぎないように、消磁電圧としては、図５のベクトル図に示すように入力電圧と同一周波数で位相が直交した電圧を印加するようにして、出力電圧への影響を回避している。
また、図４の期間ｃにおいて消磁が終了した後は、図２と同様に出力側の交流スイッチ４４をオンして通常の運転に移行する。

期間ｄでは、入力電圧が上昇して規定範囲以上となったため、期間ｂと同様に交流スイッチ４４が開放されると共にスイッチ４２がオフし、ＤＣ／ＡＣ変換器２４によりトランス１の一次巻線１ａに入力電圧とは逆位相の電圧が印加される。これにより、出力電圧は入力電圧にトランス１の二次巻線１ｂの電圧（補償電圧）を重畳した電圧となって一定値に保たれることになる。
すなわち、この期間ｄも、ＤＣ／ＡＣ変換器２４の動作により出力電圧を定電圧化する第２運転モードとなる。

なお、図示されていないが、交流電源の停電時には、第３運転モードとして、蓄電池３の電力を用いて第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５をインバータ動作させ、交流スイッチ４４をオンした状態で単相交流出力端子Ｕ，Ｖから負荷に一定の交流電圧を出力させるものである。

次いで、図６は他の動作例を示すタイムチャートであり、詳しくは、無停電電源装置を運転中に入力電圧が急変した際に、第１運転モードから第２運転モードに移行させる過程で一旦、第３運転モードを挿入すると同時にトランス１を消磁するようにした動作例を示している。
まず、期間ａでは、入力電圧が規定範囲内にあって正常と判断されているため、交流スイッチ４４が投入されていると共にスイッチ４２がオンしていてトランス１が短絡状態にあり、無停電電源装置は入力電圧＝出力電圧の第１運転モードで運転されている。
このとき、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５の運転モードは、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４への直流電力供給・回生モードである。

期間ｂでは、入力電圧が低下（停電も含む）して規定範囲以下となったため、入力側の交流スイッチ４１が一旦開放されると共に、ＤＣ／ＡＣ変換器２５は、第１運転モードにおける直流電力供給・回生動作から、蓄電池３をエネルギー源とした出力インバータ動作に切り替わる。これにより、ＤＣ／ＡＣ変換器２５は、例えば停電時には無停電電源装置の交流出力全部を作り出し、出力電圧＝ＤＣ／ＡＣ変換器２５の電圧となる第３運転モードで運転される。
また、この期間ｂでは、スイッチ４２をオフにし、ＤＣ／ＡＣ変換器２４が交流電圧を徐々にトランス１の一次巻線１ａに印加して消磁することで、トランス１の励磁突入電流を抑制する。
そして、トランス１の二次巻線１ｂの電圧が大きくなり、入力電圧＋トランス１の二次巻線１ｂの電圧≒交流出力電圧の関係になったところで、期間ｃに移行する。

期間ｃでは、交流スイッチ４１を再投入し、かつ、ＤＣ／ＡＣ変換器２４による補償電圧の出力により、入力電圧＋トランス１の二次巻線１ｂの電圧＝交流出力電圧として、ＤＣ／ＡＣ変換器２４の調節により出力電圧を定電圧化する第２運転モードで運転する。この時、ＤＣ／ＡＣ変換器２５の運転モードは、期間ａと同様にＤＣ／ＡＣ変換器２４への直流電力供給・回生モードに戻している。
そして、期間ｄでは、期間ａと同様に入力電圧正常時の第１運転モードに移行する。

以上のように、図６の動作では、停電や電圧低下等によって入力電圧に急激な変動があった場合に、図４のように第１運転モードから直ちに第２運転モードへ移行するのではなく、図６の期間ｂに示す第３運転モード（ＤＣ／ＡＣ変換器２５の出力インバータ運転、及び、ＤＣ／ＡＣ変換器２４が交流電圧を徐々にトランス１に印加して消磁する運転モード）を経由することにより、トランスの負担を小さくすると同時に励磁突入電流を抑制することが可能となる。

本発明の実施形態が適用される回路構成図である。 本発明の実施形態における起動時の動作を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態における停止時の動作を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態における運転中の動作を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態における入出力電圧と消磁電圧との関係を示すベクトル図である。 本発明の実施形態における運転中の動作を示すタイムチャートである。 従来技術を示す回路図である。 図７の動作波形図である。

符号の説明

１：トランス
１ａ：一次巻線
１ｂ：二次巻線
２０〜２３：半導体ブリッジ
２４，２５：ＤＣ／ＡＣ変換器
３：蓄電池
４１，４２，４３，４４，９１：スイッチ
５，６：リアクトル
７，８：コンデンサ
９：初期充電回路
９２：整流器
９３：抵抗
ｕ，ｖ：交流入力端子
Ｕ，Ｖ：交流出力端子

Claims (3)

1. 交流入力端子と交流出力端子との間の交流母線に直列に接続されたトランスと、このトランスに交流端子が接続された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、交流出力端子に交流端子がそれぞれ接続され、かつ、直流部が第１のＤＣ／ＡＣ変換器に共通接続された第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、前記直流部に接続された直流電力貯蔵手段と、を備え、
   前記交流入力端子に加えられる入力電圧が規定範囲内にある場合に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の運転を停止して前記入力電圧を前記交流出力端子からそのまま出力させる第１運転モードと、
   前記入力電圧が変動して規定範囲外になった場合に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により前記トランスの出力側に補償電圧を発生させて前記入力電圧の電圧変動分を補償すると共に、第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により第１のＤＣ／ＡＣ変換器と前記交流母線との間で電力を授受させる第２運転モードと、
   入力電源の停電時に、前記直流電力貯蔵手段の電力を用いて第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により前記交流出力端子から交流電圧を出力させる第３運転モードと、
   を選択可能とした無停電電源装置において、
   この無停電電源装置の起動時または運転停止時、もしくは第１運転モード期間の何れかのタイミングで、第１のＤＣ／ＡＣ変換器を一時的に動作させて前記トランスに交流電力を供給することにより前記トランスの鉄心を消磁することを特徴とする無停電電源装置の運転方法。
2. 請求項１に記載した無停電電源装置の運転方法において、
   第１運転モード期間に第１のＤＣ／ＡＣ変換器を一時的に動作させて前記トランスに交流電力を供給する際に前記トランスを介して前記入力電圧に重畳される電圧を、前記入力電圧と同一周波数で位相が直交した電圧とすることを特徴とする無停電電源装置の運転方法。
3. 交流入力端子と交流出力端子との間の交流母線に直列に接続されたトランスと、このトランスに交流端子が接続された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、交流出力端子に交流端子がそれぞれ接続され、かつ、直流部が第１のＤＣ／ＡＣ変換器に共通接続された第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、前記直流部に接続された直流電力貯蔵手段と、を備え、
   前記交流入力端子に加えられる入力電圧が規定範囲内にある場合に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の運転を停止して前記入力電圧を前記交流出力端子からそのまま出力させる第１運転モードと、
   前記入力電圧が変動して規定範囲外になった場合に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により前記トランスの出力側に補償電圧を発生させて前記入力電圧の電圧変動分を補償すると共に、第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により第１のＤＣ／ＡＣ変換器と前記交流母線との間で電力を授受させる第２運転モードと、
   入力電源の停電時に、前記直流電力貯蔵手段の電力を用いて第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により前記交流出力端子から交流電圧を出力させる第３運転モードと、
   を選択可能とした無停電電源装置において、
   第１運転モード期間中の入力電圧の急激な変動時に、第２運転モードへ移行する前に一旦、第３運転モードによる運転を行うと共に第１のＤＣ／ＡＣ変換器を一時的に動作させて前記トランスに交流電力を供給することにより前記トランスの鉄心を消磁することを特徴とする無停電電源装置の運転方法。

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